连铸二冷区凝固坯壳厚度的超声检测装置的设计与实践

王 珍，宁平华，夏兴国

（1.马鞍山技师学院；2.马鞍山职业技术学院 安徽马鞍山 243031）

1 项目研究的背景和意义

钢坯在连铸的过程中钢液经过结晶器和二冷扇形段喷水冷却，逐步形成凝固坯壳和液芯，坯壳厚度或液芯的大小和位置对连铸过程的操作和铸坯质量的控制至关重要。本项目是为了实现连铸坯凝固成型过程中坯壳厚度和凝固末端位置的在线无损检测，对连铸二冷水、电磁搅拌、轻压下及拉坯速度等工艺参数控制提供实时反馈信息，是实施轻压下、凝固末端电磁搅拌等手段改善铸坯中心疏松与偏析的前提和关键，对消除成分偏析、疏松缩孔等缺陷，获得良好的连铸坯质量及开发高品质新品质钢材具有重要的实践意义。

2 连铸坯凝固壳厚度检测研究的现状和未来发展趋势

现有的连铸技术中坯壳厚度和液芯凝固末端位置的检测是技术难点。国内外钢企的连铸坯凝固坯壳厚度的检测方法主要有以下几种形式：（1）刺穿坯壳法，这种方法是在连铸过程中，利用设备刺穿坯壳，让钢坯中未凝固液体流出并确定坯壳厚度，其属于破坏性检测，存在现场操作难度大，废品率高的缺陷。（2）鼓肚法，通过检测连铸坯鼓肚的情况和位置来确定液相穴的位置，此法只能粗略地估计，检测结果粗略且对铸坯的整体质量有所很大的影响。（3）高能放射辐射法，此法是利用高能放射线在穿透一定的物质时，其强度的呈指数规律衰减。通过检测传感器和计算机设备成像金属物体及计算出钢坯厚度，记录厚度等技术性数据。利用射线实时成像检测技术。主要应用于无损检测领域，在不损坏检测物体的前提下，利用成像实际变动图像的改变来评估材料内部的问题和缺陷。连铸坯凝固坯壳厚度检测主要采用X射线测厚仪，在实际生产中存在辐射危害，对操作工健康有非常大的影响。操作过程必须严格按照操作规程，防止放射源危害。（4）数学模型法，主要是利用求解一维或二维非稳态导热控制方程，并利用有限差分法来进行求解连铸坯内部形貌，该模型已在部分实际生产中得到应用。由于连铸生产是非稳态的特点。该方法存在难以确定准确的边界条件，而且模型计算收敛时间长的缺点。

上述的检测方法都属于实验性质的间歇和破坏式测量，并不能实现在线和长时间连续的动态监测，而且都存在不可克服的缺点和不足，目前均无法实现连铸过程的在线检测和精确测量。对于压电超声检测凝固坯壳厚度和凝固末端位置则没有相关文献报道。

近年来电磁超声技术的研究成为热点，其具有非接触、无需耦合剂、耐高温、防水蒸汽等特点，电磁超声技术将为凝固坯壳的无损在线检测提供一种新的途径，也是近年来国际上着力发展的一项新技术，在冶金、机械加工等多领域具有广泛的应用前景。

3 电磁超声坯壳厚度检测国内外研究现状和发展趋势

连铸凝固坯壳厚度检测及铸坯液芯凝固末端位置超声测量的思想最早可以追溯到上世纪八十年代，日本在这方面做了诸多的研究，并发表了大量的文章和专利。由于连铸坯壳厚度检测需要在有限的空间内并且长时间要高温、潮湿及强电磁干扰的恶劣环境下工作。因此，截至现阶段，检测市场中并未见其商业化的产品，该检测技术具有广阔的市场前景和巨大的社会及经济效益。

我国的衡阳镭目科技有限责任公司田志恒等其研究项目，其结合某钢铁公司的板坯连铸机的生产实际情况，在其板坯连铸机中设置了5对电磁超声传感器来在线测量连铸坯液芯凝固末端位置，选取其中的3-4对在线检测。分析检测结果表明，该检测系统能够根据板坯的拉速等制造工艺条件的改变情况下，依然能准确、实时地检测到铸坯液芯凝固末端位置；测量数据能较好地与动态轻压下结合，显著改善连铸坯内部质量。

重庆大学欧阳奇等发明了一种耐高温型凝固坯壳厚度电磁超声扫频检测方法及装置，在连铸坯内弧侧底部设置电磁超声发生器，相对的连铸坯外弧侧上表面设置电磁超声接收器。超声波在连铸坯内部传播依次穿过连铸坯固相区、液相区、液固两相区、固相区后穿出连铸坯形成透射波，被连铸坯上表面的电磁超声接收器接收。

综上所述，电磁超声与传统的压电超声技术相比较，其换能具有效率高，信号的信噪比低等优点。因此，研究电磁超声换能器的技术是实现工业应用的重要环节。以便进行实际工业应用。

4 现场二冷段区域电磁超声或压电超声检测凝固坯壳厚度和凝固末端位置的方案

4.1 基于电磁超声的连铸坯壳厚度在线检测方案

4.1.1 电磁超声横波检测

在连铸机二冷区凝固末端附近扇形段的中心位置安装电磁超声传感器，可以先设置单通道发射和接收一体式电磁超声波探头，传感器位于连铸坯上表面的上方，用于在连铸坯上表面激发和接收电磁超声横波，利用超声波的发射和接收时间差来进行连铸坯壳厚度在线检测。连铸坯壳厚度在线检测装置，包括电磁超声探头、测温探头、脉冲功率源和信号处理系统，测温探头设置在电磁超声探头的临近区域，用于测温电磁超声探头区域的坯壳表面温度。

4.1.2 电磁超声纵波检测

在连铸坯液芯凝固末端位置区域布置4-6对电磁超声传感器，每对传感器分别设置在坯料的上下面对应位置，而且同轴垂直于该连铸坯。当强电磁脉冲信号流过发射传感器时，其激励出的电磁超声波在钢坯的固相、液相的两相区内传播，因超声波在不同凝固区域的传播特性异同，使接收装置转化的电信号和所载的信息也异同，计算机分析收集的信号进行分析即可确定出连铸坯的凝固状态。

本项目研究中可以先设置单通道发射和接收一体式电磁超声波探头，传感器位于连铸坯上表面的上方，用于在连铸坯上表面激发和接收电磁超声纵波。

4.2 基于压电超声的连铸坯壳厚度在线检测方案

本项目研究中可以先设置单通道发射和接收一体式带有喷射水柱装置的压电超声波探头，即采用水柱作为耦合剂对高温坯壳厚度进行测量，传感器位于连铸坯上表面的上方，用于在连铸坯上表面激发和接收电磁超声纵波。超声纵波发射到固相和两相区界面由于具有一定量的反射回波，根据测试效果情况将采用发射探头和接收探头分离在连铸坯上下两侧对称分布的方式。

4.3 超声机械机构安装实体图

电磁超声和压电超声坯壳厚度和凝固末端位置探测系统的控制方式和机械安装方式。

4.3.1 传感器机构动作的控制

超声传感器机构通过一个双作用气缸驱动实现往复直线运动。

该气缸则由一个二位五通的单电控电磁阀组来控制，通电时气缸伸出，断电时气缸缩回。气缸的运动速度可以通过单向节流阀进行调节，图1为二位五通的单电控电磁阀组的工作原理图及图形符号。

图1 二位五通的单电控电磁阀组的工作原理图及图形符号

该电磁阀组的线圈根据控制开关、传感器及检测工艺要求由PLC进行控制。磁性开关用来检测气缸活塞位置的。在气缸内的活塞上安装个磁环，通过检测并反映活塞的位置。当气缸内的磁环靠近磁性开关时，由于磁场的作用舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，使接触点闭合，电路接通；当磁环移开后，弹簧片失去磁性，触点分开。电路断开，其触点开闭即提供了气缸活塞伸出或者缩回位置。图2为PLC控制原理图。

图2 PLC控制原理图

5 总结与测试效果

在实际检测的过程中需要了解现场二冷区扇形段结构参数、凝固末端位置检测如是否采用射钉实验、电磁搅拌和动态轻压下的实施情况，交流现场单通道探头和多通道探头的安装布置细节。本次设计与传统的钢坯厚度检测的方法有所区别。其是在传统方法上的补充。通过实验测试数据对比分析。具有良好的实用价值。如将装置继续完善，及按照企业的实际情况定制，其实体结构根据企业现场环境实际情况设计安装。必将起到非常好的应用效果。