耐高温型凝固坯壳厚度电磁超声扫频检测方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及钢铁连续诱注过程凝固巧壳厚度在线非破坏性检测方法及装置，具体 指在钢铁连铸生产过程中，实现连铸巧凝固成型过程中巧壳厚度及凝固末端位置的长期准 确的在线无损检测。本测量装置主要应用于钢铁连铸凝固巧壳厚度及凝固末端位置的在 线无损检测，对连铸二冷水、电磁揽拌、轻压下及拉巧速度等工艺参数控制提供实时反馈信 号，有助于提高连铸巧产质量，及减少和预防发生漏钢生产事故。
【背景技术】
[0002] 钢铁连铸铸造成型过程中，凝固巧壳厚度及凝固末端位置在线无损测量和控制， 为二冷强度、轻压下、电磁揽拌及拉速等工艺参数闭环控制提供反馈信号，W提高连铸巧的 产质量，提高连铸自动化水平，具体体现在如下几个方面：实时检测结晶器出口巧壳厚度能 否承受钢水的静压力，预防连铸过程中发生漏钢生产事故；在线无损检测凝固巧壳厚度变 化趋势，W在线调节二冷水的冷却强度，闭环控制二冷水冷却水量；在线无损检测连铸巧凝 固终了位置，闭环控制拉巧速度。
[0003] 钢铁连铸过程中，连铸巧表面高温且处于高水雾、高温福射的环境中，同时，连铸 巧表面分布有l-2mm厚度的不规整的鱗状氧化铁皮。尤为注意的连铸巧内部存有固相区、 糊状区、液相区。该些因素决定了连铸巧壳厚度在线非破坏性无损检测装置要求能在高温、 高水雾环境中能长期的运行。
[0004]目前，连铸过程中凝固巧壳厚度检测方法主要有实验测量法、数值模型法、应变传 感检测法等=类。实验测量法中主要采用射钉法，在二冷区将含硫示踪剂的钢钉射入连铸 巧，采用硫印分析、低倍检测射钉在铸巧固相、液相区内的形貌来确定凝固巧壳厚度和液相 穴位置，该种实验方法技术成熟，精度高，结果直观可靠，但是属于离线有损检测，测量工作 量大；穿刺巧壳测量法，在连铸二冷区刺穿凝固巧壳，使未凝固的液态钢水流出，再对凝固 巧壳厚度进行在线检测，该种检测方法属于破坏性检测，现场操作难度很大；鼓肚法是通过 检测连铸巧鼓肚的位置来确定液巧位置，该测量方法直观，装置简单，但只能粗略估计液巧 末端位置；福射法主要根据采用钻射线源，通过盖格计数器检测射线源穿过连铸巧后射线 强度的变化来探测凝固巧壳的厚度，该方法技术思路可行，但放射源的放射性污染对人体 和环境造成一定的影响。数值模型法是基于一维或二维非稳态传热控制方程，使用有限元 差分计算法计算连铸巧内部温度场，进而确定连铸巧内部形貌，该种方法成本低，但模型求 解精度依赖于准确的边界条件，但非稳态的连铸生产决定了难W确定准确的边界条件，同 时模型计算收敛时间长，难W在线实时预测凝固巧壳厚度的变化。应变测试法通过在连铸 巧相关扇形段上安装巧式电阻应变片，通过在线监测应变量变化突变点来确定连铸巧凝固 末端的位置，该种方法可靠性、敏感性差，但受现场高温福射、二冷区水雾、扇形段或工作漉 受力复杂等影响，测试结果重复性较差，在工业生产现场无法推广应用。
[0005] 综上所述，在线无损检测连铸过程中凝固巧壳厚度及液巧末端位置对提高连铸过 程中连铸巧的质量，提高连铸生产的自动化水平具有重要意义，目前国内外针对凝固巧壳 厚度检测方法都没有从根本上解决工业生产现场应用问题。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术测量连铸凝固巧壳厚度的上述不足，本发明的目的是提供一种在线 无损非接触测量连铸过程中凝固巧壳厚度的电磁超声扫频检测装置及方法。本发明能有效 克服连铸生产现场的表面高温福射、水雾环境等恶劣环境的影响，并适合测量铸巧不同表 面温度、不同诱筑钢种的要求。
[0007] 本发明的技术方案是该样实现的：
[000引耐高温型凝固巧壳厚度电磁超声扫频检测方法，在连铸巧内弧侧底部设置电磁超 声发生器，相对的连铸巧外弧侧上表面设置电磁超声接收器；电磁超声发生器由电磁场产 生器和激励线圈构成，激励线圈在高功率巧发射频信号的作用下在连铸巧集肤层表面感应 出电祸流，电祸流在电磁场产生器产生的直流偏置磁场作用下，在连铸巧集肤层表面（集 肤层表面是指交变激励的电场在金属表面的集肤效应，集肤深度可W通过激励频率计算出 来）产生交变的洛伦兹力，当激励频率达到20KHZ W上时，在交变洛伦兹力的作用下，连铸 巧晶格发生弹性机械振动进而产生超声波；超声波在连铸巧内部传播，依次穿过连铸巧的 固相区、液固两相区、液相区、液固两相区、固相区后穿出连铸巧形成透射波，透射波被设于 连铸巧上表面的电磁超声接收器接收；
[0009] 通过扫频电路配合不同截止频率的滤波器，W检测透射波不同扫描频率的幅值和 相位；通过两种不同扫描频率的相位，按下式可W得到电磁超声波在连铸巧内的渡越时间 T;
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其中，A (1),为连续扫频相位的改变值，AFf为两次扫频的频率差；
[0011] 将得到的渡越时间T代入下式，即可求解得到连铸巧凝固巧壳厚度d;
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[0013] 式中，为电磁超声波在固相中平均传播速度；巧为电磁超声波在液相中平均传 播速度；D为连铸巧厚度。
[0014] 所述电磁场产生器由娃钢片作为骨架并在骨架上绕制多应外绝缘漆包绕组线圈 构成，绕组线圈通入直流电流，即产生直流偏置磁场；电磁场产生器放置在激励线圈上部， 并紧靠激励线圈上表面。
[0015] 所述高功率巧发射频信号由信号发生器产生，信号发生器包括依次连接的控制模 块、信号发生模块、IGBT驱动模块、H桥IGBT逆变模块和阻抗匹配电路I，阻抗匹配电路 I的输出接激励线圈，控制模块控制信号发生模块产生两路在死区时间、频率、周波数可调 的准正弦波信号，输出的准正弦波信号通过光电禪合器隔离，送往IGBT驱动模块进行放大 后，驱动H桥IGBT逆变模块，经过阻抗匹配电路I调谐滤波后产生高功率巧发射频信号，高 功率巧发射频信号驱动激励电流高于500A，频率高于20KHZ，从而激励激励线圈。
[0016] 实时检测H桥IGBT逆变模块母线的电压和电流信号，送入鉴相器进行相位差检 ，将检测结果作为反馈信号送入控制模块，控制模块再控制信号发生模块，改变激励频 率，实现激励频率自动跟踪，确保激励线圈与高功率巧发射频信号的阻抗自动匹配，W满足 连铸巧在不同温度条件和不同诱注钢种工况下凝固巧壳电磁超声测厚的阻抗匹配要求。
[0017] 耐高温型凝固巧壳厚度电磁超声扫频检测装置，包括依次连接的控制模块、信号 发生模块、IGBT驱动模块、H桥IGBT逆变模块和阻抗匹配电路I，阻抗匹配电路I的一路输 出接电磁超声发生器，阻抗匹配电路I的另一路输出通过鉴相器接控制模块；还包括电磁 超声接收器，电磁超声发生器和电磁超声接收器用于设置在铸巧内外弧底部及铸巧上表面 对应位置，电磁超声接收器用于接收电磁超声发生器发出且穿过铸巧的超声波；电磁超声 接收器的输出通过阻抗匹配电路II接信号处理模块。
[0018] 所述电磁超声发生器由用于产生直流偏置磁场的电磁场产生器和激励线圈构成， 阻抗匹配电路I的该一路输出接激励线圈，电磁场产生器由娃钢片作为骨架并在骨架上绕 制多应外绝缘漆包绕组线圈构成，绕组线圈通入直流电流，即产生直流偏置磁场；电磁场产 生器放置在激励线圈上部，并紧靠激励线圈上表面。
[0019] 所述激励线圈采用Pt-化合金丝绕制成螺旋型形成，在每圈螺旋形线圈之间通过 陶瓷胶粘剂设置有耐高温绝缘材料，耐高温绝缘材料为捣料Al2〇3粉；其中陶瓷胶粘剂和 Al2〇3粉混合形成混合料。
[0020] 本发明将电磁超声技术应用在钢铁材料连铸过程中