连铸坯壳厚度在线检测方法与装置与流程

本发明涉及连铸过程中的一种连铸坯壳厚度的在线检测方法与装置，尤其涉及一种基于电磁超声波的连铸坯壳厚度在线检测方法与装置。

背景技术：

连铸过程中，钢液经过连铸结晶器和连铸扇形段喷水冷却，逐步形成凝固坯壳和液芯两个部分，随着铸坯冷却过程的增加，连铸坯的凝固坯壳不断增厚，液芯不断减小，直至最终形成完全固体的连铸坯。在这个过程中，连铸坯坯壳厚度或液芯的大小和位置对整个连铸过程的操作和铸坯质量的控制至关重要。比如，要获得良好的连铸坯内部质量，消除成分偏析、缩松缩孔等质量缺陷，现代连铸机一般均需要配置轻压下设备或电磁搅拌设备，而这些设备功能的发挥取决于铸坯的凝固进程，即要获得铸坯的坯壳厚度(或凝固固相率)等关键参数。

而现代连铸技术中，坯壳厚度(或凝固固相率)和液芯终点位置的检测和预测是难点。目前，现有技术中，主要的方法有示踪剂法、射钉法、AVI(奥钢联)辊道鼓肚力测试法以及数学模型预测法等四种。

射钉法：装置简单，成本低廉，是现代连铸技术中获知连铸坯壳厚度和判断液芯位置的最普遍也是最有效的技术和方法，但射钉法的操作环境非常恶劣，需离线取样分析，时间和周期很长，限制了工艺调整的及时性；同时，射钉法精度不高，还必须结合一定的数学模型才能最终预测液芯的终点位置。

示踪剂法：该技术需要钢液凝固中加入特殊的合金元素，比如FeS等，依靠元素在铸坯中的最终凝固区域等来判断坯壳厚度等，大量污染铸坯成分，造成铸坯报废。目前，该方法基本不再使用。

AVI(奥钢联)辊道鼓肚力测试法：该技术是西门子联合AVI开发的一种坯壳厚度和液芯凝固位置的方法，是基于不同坯壳厚度和液芯大小与辊道抗力的相关性，该方法有商业化应用的实例，但该方法系统复杂，坯壳厚度与辊道抗力的相关性需大量基础研究才能获得，并受各种条件影响。目前该技术的商业化应用并不理想。

数学模型预测法：是基于凝固物理模型和大量工艺条件下的历史数据，建立的数学模型来预测出坯壳厚度和液芯终点位置，目前在连铸技术运用很普遍，尤其在结合射钉法的基础上，数学模型预测法在现代连铸技术中的应用还是很成功有效的。但数学模型的影响因素太多太复杂，尤其涉及首次确定新钢种生产工艺、以及连铸条件频繁变化、多钢种小批量生产等条件，数学模型的预测还存在较大难度。

以上方法都有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。

上世纪70年代，在无损检测领域发明了电磁超声技术(EMAT)，能在金属介质内非接触地激发多种超声波，主要是纵波和横波。纵波可在固态和液态的金属材质中传播，而横波是剪切波则只能在固态金属材质中传播，不能穿透液态材质。

利用电磁超声波技术(EMAT)的纵波和横波的不同特性，现有技术中有各种针对连铸坯壳厚度在线检测和液芯位置预测的技术方案如下：

日本专利JP52130422最早公开了采用电磁超声波进行连铸过程液芯检测的技术方案，其方法是采用两个设置于铸坯上下两侧的一组EMAT激发和接收横波，因横波不能穿透液体，则通过接收信号的强度大小来评估坯壳厚度。该专利是开创性的，以后几乎所有的相关专利都是建立在该专利的基础上的改进发明。该专利最大的不足是仅仅公开了一种保护思想，技术的可实施性比较差，比如仅仅以接收信号来判断，可能存在背景噪声影响测试结果的问题。

日本专利JP62148850A公开了一种同时能激发横波和纵波的检测方法，该专利优势在于同时利用了纵波和横波各自的特点，比如若同时接收到横波和纵波的发射信号，则认为连铸坯完全凝固，若仅仅接收到纵波信号则认为完全是液芯，因为横波不能穿透液芯。该专利采用两种组合波，避免了专利JP52130422可能存在的误报。但该专利采用体型较大的电磁铁，设备安装存在困难，电磁铁的电磁信号和接收信号的相互干扰问题突出，技术实现难度大。

日本专利JP10197502A，公开了设置多组横波电磁超声探头的方法，通过多组结合判断液芯有无，并通过接收信号共振频率的大小来计算坯壳厚度。该专利的难点在于如何判断固相率与共振频率之间的关系，这需要大量的材料实验研究来得到，比较困难，另外，接收信号的判断有无噪声信号混入都是难题。

日本专利JP2000266730A，公开了一种发射信号按频率、振幅或相位调制后作为参考信号，然后接收信号与参考信号高度关联滤波，可有效滤除噪声信号对检测的干扰，该专利的接收信号是可靠和真实的，对连铸坯壳厚度检测有非常重要的意义。以后的专利也几乎都继承了这一个发明的优势。

日本专利JP53057088A公开了一种通过信号处理来提高检测信噪比的方法，即信号加和平均的方法，该专利也有重大贡献，对后来的若干专利有参考作用。

日本专利JP53106085A则针对连铸坯壳检测的高温和无磁性的特点，公开了一种局部喷水冷却的方法，通过材质快速降温，提高材质磁性从而提高信噪比。该专利的局部冷却可能会对铸坯造成表面裂纹，有不足的地方，比如对不锈钢铸坯就没有作用等。但该专利的发明思想被其他几个专利所借鉴改进。

日本钢管株式会社(JFE)在中国申请专利CN01811397.4，其公开的技术方案几乎综合以上日本几大典型专利，进行综合性的改进，其核心思路有三：1)是电磁横波的发射信号按JP2000266730A类似的频率等调制方法作为参考信号，然后接收信号按参考信号进行噪声滤波，提高信噪比；2)采用JP53057088A类似的技术方案进行信号加和平均，提高信噪比；3)采用JP53106085A公开的喷水冷却方法，但仅仅弱冷0.1mm左右的薄层至α相，即产生磁滞效应即可。该专利的技术方案非常详细，且具有显著的可操作性，被很多企业模仿。

中国专利CN201120452177.7、CN201110361942.9、CN201410727877.0等专利，其核心思想与日本钢管株式会社(JFE)在中国申请专利CN01811397.4类同，但去除了其采用喷水冷却的方案。

中国专利、欧洲和美国专利还检索到至少几十条，但基本上都是电磁超声波应用在探伤领域，而不是在连铸坯壳厚度在线检测方面，有参考性但没有针对性。

以上现有技术方案中，利用电磁超声EMAT技术进行连铸坯壳厚度检测，都有一定的合理成分，但主要存在以下问题和不足：

(1)利用电磁超声EMAT激发的纵波，即透视波，来检测坯壳厚度，必须要求已知的条件包括：检测位置的连铸坯总厚度，超声波在特定温度下坯壳内的传播速度以及在液芯内的传播速度，通过检测记录发射信号和接收信号的时间差，来检测得到坯壳厚度值。存在的问题是设备系统必须额外增加连铸坯总厚度测量仪和温度测量仪，系统复杂。同时，超声波在金属材质中的传播速度受钢种成分和温度的影响，要想得到传播速度和钢种以及温度的完全对应关系几乎是不可能的，而实际连铸生产中，钢种和生产工艺变化多端，要实现坯壳厚度精确测量有较大困难。

(2)利用电磁超声EMAT激发的横波，即不能穿透液芯部分，仅仅只能判断液芯的有和无，如中国专利CN201120452177.7、CN201110361942.9、CN201410727877.0等专利，通过多个超声波探头的联合设置，虽说可判断液芯位置，但无法得出连铸控制过程中的坯壳厚度这个关键参数，液芯位置的定位误差也很大(误差是两个探头的辊间距)。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种连铸坯壳厚度在线检测方法与装置。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种连铸坯壳厚度在线检测方法，在连铸机的几个机架之间，位于连铸坯下表面的下方，设置至少二个发射和接收一体式电磁超声波探头，用于在连铸坯下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；

所述连铸坯壳厚度是由超声波发射和接收的时间差与电磁超声探头所在位置的连铸坯壳内的超声横波的传播波速的乘积计算得到，即连铸坯壳厚度的数值等于超声波发射和接收时间差与波速的乘积的一半。

进一步，所述电磁超声横波在连铸坯壳内的传播速度，通过特定钢种在不同温度条件下的材料实验测试获得；其它钢种的传播速度转化成已知波速的特定钢种的线性函数，即C＝βf(T)，式中：系数β定义为钢种波速修正系数，f(T)为材料实验测试获得的特定钢种的波速随温度变化的函数，C为其它钢种的传播速度。

进一步，所述系数β的修正和自学习过程为：

设置的至少二个所述电磁超声探头，其所处位置的凝固长度分别为L1和L2，根据预设的传播速度C＝βf(T)，得到实际测量的坯壳厚度值分别为d1和d2，取Ψ定义为坯壳厚度的实测比例系数；

根据连铸领域经典的坯壳厚度计算公式在连铸拉速不变条件下，得到所述二个电磁超声探头处对应的坯壳厚度的理论值，取两个坯壳厚度的理论值的比值为Ψ'定义为理论比例系数；

则定义ε为修正阈值，

当修正阈值ε在预设定的精度范围内，此时钢种波速修正系数β取值恰当，β值通过计算机程序存储和记忆，用于下次该钢种的测量；

当修正阈值ε超出了预设定的精度范围时，改变钢种的波速修正系数β直至ε重新落入预设定范围；最后输出测量的两个坯壳厚度的值d1和d2。

一种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，在连铸机压下机架之间、位于连铸坯下表面下方至少设置二个电磁超声探头，所述电磁超声探头为发射和接收一体式，该电磁超声探头发射超声横波，并在至连铸坯固液界面前沿产生超声回波并被探头接收；所述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；脉冲功率源输出接电磁超声探头，电磁超声探头和测温探头输出接信号处理系统。

进一步，所述电磁超声探头包括探头外壳、永磁体、高频电磁发射线圈、高频电磁接收线圈、绝缘层、耐温陶瓷，永磁体上方置放经绝缘层包覆的高频电磁发射线圈和高频电磁接收线圈，永磁体、高频电磁发射线圈、高频电磁接收线圈、绝缘层外围由探头外壳包覆，上部覆盖有耐温陶瓷。

进一步，所述电磁超声探头的内部设置有气体通道，探头上部设置气孔，在连铸坯和探头之间形成气垫，超声探头的底部设置有弹簧支撑。

本发明一种连铸坯壳厚度在线检测方法与装置的主要创新点在于采用至少二个设置于铸坯下表面下方的发射和接收一体式电磁超声探头，发射电磁超声横波，利用发射和接收的时间差与波速的乘积进行连铸坯壳厚度在线测量。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

1)采用发射和接收一体式的电磁超声探头并设置于铸坯于连铸坯下表面，超声横波的发射和接收仅仅穿透坯壳厚度层，缩短整个穿透测量的距离，有利于提高信噪比；

2)电磁超声探头在气垫的作用下紧靠铸坯下表面而又不接触，提高了检测信号的信噪比，又有效防止了铸坯摩擦和氧化皮堆积可能对电磁超声探头的损伤，并且探头的气垫结构可实现冷却。

3)利用设置的至少二个探头的坯壳厚度测量结果按预设定的修正阈值可实现多种钢种的自动修正和程序自学习，可实现对绝大多数钢种在不同温度下的传播速度的修正，避免了大量钢种的材料试验，提高测量准确度；

4)在电磁超声探头附近设置滚轮测温探头可实时测量探头处的铸坯表面温度，通过计算机处理得到不同温度下的波速数值。

附图说明

图1为本发明连铸坯壳厚度在线检测方法原理图；

图2为本发明连铸坯壳厚度在线检测装置示意图；

图3为本发明连铸坯壳厚度在线检测装置的横切布置示意图；

图4为本发明连铸坯壳厚度在线检测的修正和自学习程序流程图；

图5为本发明一种带气垫式接收和发射一体式电磁超声探头结构图。

图中：1连铸坯，11铸坯上表面，12铸坯下表面，13连铸坯壳，14连铸液芯(未凝固部分)；2、2'电磁超声探头(探头)，21电磁横波，22回波，23、23’发射和接收信号，24探头外壳，25永磁体，26电磁发射线圈，27电磁接收线圈，210绝缘层，211耐温陶瓷，3机架，4测温探头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，图1为本发明连铸坯壳厚度在线检测方法原理图。在连铸坯下表面12下方设置发射和接收一体式电磁超声探头2，该探头发射电磁横波21，电磁超声横波的特点是不能穿透连铸液芯14，而仅能在连铸坯凝固坯壳13中传播。当发射和接收一体式电磁超声探头2(或称电磁超声波(EMAT)探头)激发的横波至固液界面前沿，产生超声回波22，并被探头接收，通过高功率脉冲源、滤波、放大等电子电路以及计算机信号处理系统(图中未示出)，得到发射和接收信号23的时间差t，若假设电磁超声横波在连铸坯壳内的传播速度为c，则可得出连铸坯壳厚度d＝c*t/2，从而实现连铸坯壳厚度的在线检测测量。

所述电磁超声横波在连铸坯壳内的传播速度c，通过特定钢种在不同温度条件下的材料实验测试获得。测试方法是取多个钢种的已知厚度的固体材质，加热至不同温度条件下，用电磁超声探头2测试，分别记录发射和接收信号的实际差，根据公式d＝c*t/2，反算出电磁超声横波在连铸坯壳内的传播速度，即坯壳内电磁超声横波的传播速度是温度的函数c＝f(T)。其它钢种的传播速度转化成已知波速的特定钢种的线性函数，即C＝βf(T)，系数β定义为钢种波速修正系数，f(T)为材料实验测试获得的特定钢种的波速随温度变化的函数。

参见图2和图3，一种连铸坯壳厚度在线检测装置，包括电磁超声探头2、测温探头4、脉冲功率源和信号处理系统，在连铸机的不同压下机架3之间、位于连铸坯1下表面下方至少设置二个电磁超声探头2和2'，所述电磁超声探头2和2’为发射和接收一体式，该电磁超声探头2和2’发射超声横波，并在至连铸坯1固液界面前沿产生超声回波并被探头接收，二个电磁超声探头2和2'分别获得发射和接收信号23和23’的实际时间差分别为t1和t2。同时，在临近电磁超声探头处设置了滚轮式测温探头，其中：在临近电磁超声探头2处设置了滚轮式测温探头4，在临近电磁超声探头2’处设置了另一个滚轮式测温探头4’，(注：测温探头4’未在图中标注，测温探头4’与测温探头4相同)。所述测温探头用于测温电磁超声探头区域的坯壳表面温度，通过计算机程序查找该温度条件下对应的超声横波在坯壳内的传播速度。脉冲功率源输出接电磁超声探头2，电磁超声探头2和测温探头4输出接信号处理系统(图2和图3中未示出)。

一种连铸坯壳厚度在线检测方法，基于上述铸坯壳厚度在线检测装置，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。所述连铸坯壳厚度是由超声波发射和接收的时间差与电磁超声探头所在位置的连铸坯壳内的超声横波的传播波速的乘积计算得到，即连铸坯壳厚度的数值等于超声波发射和接收时间差与波速的乘积的一半。

所述电磁超声横波在连铸坯壳内的传播速度，通过特定钢种在不同温度条件下的材料实验测试获得；其它钢种的传播速度转化成已知波速的特定钢种的线性函数，即C＝βf(T)，式中：系数β定义为钢种波速修正系数，f(T)为材料实验测试获得的特定钢种的波速随温度变化的函数，C为其它钢种的传播速度。

具体来说：参见图2和图3，通过二个电磁超声探头2和2'分别获得的发射和接收信号的实际时间差t1和t2，以及通过测温探头4和4’获得探头所处区域的连铸坯的表面温度，可通过计算机程序查表得到电磁超声横波在此温度条件下的凝固坯壳内的传播速度c1和c2，分别计算得到电磁超声探头处的连铸坯壳厚度d1和d2。而实际工作中，连铸过程中钢种是经常性变化的，凝固坯壳的内部温度也是变化并存在温度梯度的，而通过材料实验研究不可能开展全部钢种的测试，因而两个电磁超声探头2和2'测量得到的连铸坯壳厚度d1和d2，会存在偏差，需要进行数值修正。

所述系数β的修正和自学习过程为，参见图4：

设置的至少二个所述电磁超声探头，其所处位置的凝固长度分别为L1和L2，根据预设的传播速度C＝βf(T)，得到实际测量的坯壳厚度值分别为d1和d2，取Ψ定义为坯壳厚度的实测比例系数。

与此同时，根据连铸领域经典的坯壳厚度计算公式在连铸拉速不变条件下，得到所述二个电磁超声探头处对应的坯壳厚度的理论值，取两个坯壳厚度的理论值的比值为Ψ'定义为理论比例系数。

则定义ε为修正阈值；

当修正阈值ε在预设定的精度范围内，此时钢种波速修正系数β取值恰当，β值通过计算机程序存储和记忆，用于下次该钢种的测量；

当修正阈值ε超出了预设定的精度范围时，改变钢种的波速修正系数β直至ε重新落入预设定范围；最后输出测量的两个坯壳厚度的值d1和d2。

所述钢种波速修正系数β，根据大量钢种的连铸生产，通过自学习程序提高多数钢种的连铸坯壳厚度的测量准确率。

参见图5，本发明一种连铸坯壳厚度在线检测装置，其电磁超声探头2为发射和接收一体式电磁超声探头，包括：探头外壳24、永磁体25、高频电磁发射线圈26、高频电磁接收线圈27、绝缘层210、耐温陶瓷211，永磁体25上方置放经绝缘层210包覆的高频电磁发射线圈26和高频电磁接收线圈27，永磁体25、高频电磁发射线圈26、高频电磁接收线圈27、绝缘层210外围由探头外壳包覆，上部覆盖有耐温陶瓷211。高频电磁发射线圈26在连铸坯1表面产生高频变化的感应电流，在永磁体25的磁场强度B作用下，产生横向高频变化的洛伦兹力F，在连铸坯坯壳内部形成横向振动的剪切波，即电磁横波。当电磁横波至固液液面产生超声回波，会在电磁感应的逆效应作用下在电磁接收线圈27中产生高频电流信号，通过信号放大、匹配、滤波等电子电路以及信号处理程序等(图中未示出)，可得到接收信号，根据发射信号和接收信号的时间差与波速的乘积可实现在线坯壳厚度检测。

所述电磁超声探头2的内部设置有气体通道28，探头2上部设置气孔，在连铸坯1和探头2之间形成气垫29，实现在铸坯与探头之间的非接触测量，提高检测精度；超声探头的底部设置有弹簧支撑(图中未示出)，在探头2的安装结构上附加柔性弹簧与气垫相配合，有效防止铸坯因变形等对探头的碰撞摩擦损坏，防止氧化皮的堆积对探头测量的影响。同时，探头内部气体通道的设置也有利于高频电磁线圈的发热的冷却，可实现更大功率的发射，提高信噪比。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定及本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。