一种基于电磁超声的连铸坯壳厚度在线检测机构的制作方法

本发明涉及一种基于电磁超声的连铸坯壳厚度在线检测机构。

背景技术：

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。

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。

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。

技术实现要素：

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于电磁超声的连铸坯壳厚度在线检测机构，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检测装置，电磁超声检测装置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。

在连铸坯液芯凝固末端位置区域布置4～6对电磁超声检测装置，每对电磁超声检测装置分别设置在连铸坯的上下面对应位置，而且同轴垂直于连铸坯，用于在连铸坯上表面激发和接收电磁超声纵波。

本发明的进一步改进在于：电磁超声检测装置包括固定框，固定框内设有两个相对设置的转动轮，两个转动轮之间设有耦合剂输送管，每个转动轮的两侧设有轴承座，两个轴承座和一个转动轮之间穿有转轴，轴承座通过固定螺丝固定在固定框上，转动轮凸出固定框的底部，耦合剂输送管的底部设有电磁超声传感器，电磁超声传感器的底面高于转动轮的底面，电磁超声传感器连接有传感器导线，电磁超声传感器具有单通道发射和接收一体式电磁超声波探头。

本发明的进一步改进在于：在线检测机构还包括测温探头、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。

本发明的进一步改进在于：电磁超声检测装置通过一个双作用气缸驱动实现往复直线运动，双作用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，双作用气缸的运动速度可以通过单向节流阀进行调节。

本发明的进一步改进在于：单电控电磁阀组的线圈由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。

本发明的进一步改进在于：在线检测机构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。

本发明的有益效果为：本发明是对传统检测方法的一种补充，采用超声检测技术与检测装置的设计与实践，本发明具有检测无损、高效、安全性高的特点。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为电磁超声检测装置的结构示意图；

图3为电磁超声检测装置的侧视图；

图4为二位五通的单电控电磁阀组的电路图；

图5为plc的控制原理图；

图6为plc的控制梯形图；

图中标号：1-电磁超声检测装置、1-1-固定框、1-2-转动轮、1-3-耦合剂输送管、1-4-轴承座、1-5-转轴、1-6-固定螺丝、1-7-电磁超声传感器、1-8-传感器导线。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于电磁超声的连铸坯壳厚度在线检测机构，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检测装置1，电磁超声检测装置1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；

在连铸坯液芯凝固末端位置区域布置4～6对电磁超声检测装置1，每对电磁超声检测装置1分别设置在连铸坯的上下面对应位置，而且同轴垂直于所述连铸坯，用于在连铸坯上表面激发和接收电磁超声纵波。

如图2和图3所示，电磁超声检测装置1包括固定框1-1，固定框1-1内设有两个相对设置的转动轮1-2，两个转动轮1-2之间设有耦合剂输送管1-3，每个转动轮1-2的两侧设有轴承座1-4，两个轴承座1-4和一个转动轮1-2之间穿有转轴1-5，轴承座1-4通过固定螺丝1-6固定在固定框1-1上，转动轮1-2凸出固定框1-1的底部，耦合剂输送管1-3的底部设有电磁超声传感器1-7，电磁超声传感器1-7的底面高于转动轮1-2的底面，电磁超声传感器1-7连接有传感器导线1-8，电磁超声传感器1-7具有单通道发射和接收一体式电磁超声波探头。

在线检测机构还包括测温探头、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。

如图4所示，电磁超声检测装置1通过一个双作用气缸驱动实现往复直线运动，双作用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，双作用气缸的运动速度可以通过单向节流阀进行调节。

如图5和图6所示，单电控电磁阀组的线圈由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。

本发明采用水柱作为耦合剂对高温坯壳厚度进行测量，超声纵波发射到固相和两相区界面具有一定量的反射回波，根据测试效果情况，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。在线检测机构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。

该检测机构直接作用在钢坯上，转动轮与钢坯接触并滚动，电磁超声传感器与钢坯间存在一定的间隙，防止钢坯损坏电磁超声传感器，由于存在间隙，必须要有耦合介质。该检测机构中有耦合介质管道，输送耦合液体，起到超声传导和冷却作用，避免高温损坏传感器。本发明通过实验测试数据对比分析，具有良好的实用价值，能起到非常好的应用效果。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。