监测连铸坯振痕的电磁力方法

技术领域

本发明涉及冶金检测技术领域，尤其涉及一种监测连铸坯振痕的电磁力 方法。

背景技术

连铸是使钢水不断的通过水冷结晶器，凝固成壳后从结晶器下方出口连 续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的铸造工艺。为防止铸坯在凝固 过程中与结晶器壁粘结，在连铸过程中通常采用结晶器振动技术，并使用保 护渣润滑，使连铸过程顺利进行。结晶器振动有利于连铸坯的脱模，但振动 也使铸坯表面产生振痕。振痕是影响铸坯表面质量的重要因素，可使铸坯表 面质量恶化，并易在振痕产生的位置内部生成裂纹，从而成为铸坯表面横裂 及其它表面缺陷的根源。此外，振痕在后续的工艺中必须去除，这也会减少 材料的利用率。虽然通过电磁软接触的方法能有效的减少振痕的形成，但是 在实际连铸过程中仍然迫切的需要一种能够在线实时监测振痕的方法。

目前连铸坯表面缺陷的在线无损检测技术主要有光学射线、超声、涡电 流法等。光学检测通过检测透射射线的强度，就可判断物体内部的缺陷和分 布，具有非接触、无污染、快速全场、直观的特点，但射线设备复杂、较昂 贵且对缺陷的量化评估困难，且由于铸坯表面在强水冷条件下会形成一层氧 化皮，进一步影响了光学方法测量的准确性。涡流检测技术最大的优点在于 可以实现表面及近表面缺陷的检测，但是由于趋肤效应和提离效应的不利影 响，且激励线圈和检测线圈很难做得很小，不适合连铸坯振痕的检测。超声 检测受限于超声波的频率，方法准确度差，受氧化皮的影响大且无法实现表 面及近表面的缺陷形态检测，并且超声检测常需要耦合介质，这也限制了它 在连铸坯表面振痕监测方面的应用。

一种现有的方法技术应用范围受到限制，因为在冶金实际中，导磁材料 的连铸坯的生产量只占相当小的一部分(主要是铁以及部分钢种)，诸如铝、 铜、锌等都是非导磁的(呈顺磁性或逆磁性)。另外，即使是铁材料，在温 度高于居里温度(769摄氏度)以上时，铸坯材料为奥氏体状态，也是呈顺磁 性的，因此上述专利技术应用范围受到限制。

另一种现有的洛仑兹力微颗粒探测法。一个关于导电线中的微缺陷的检 测方法，另一个是关于液态金属纯净度的监测方法。其原理是利用永磁体提 供检测磁场，在待测的导电体中形成电磁敏感区，由于磁场与导体的相对运 动在导体中感应出涡电流，进而磁场与涡电流相互作用产生洛仑兹力，洛仑 兹力的反作用力作用在磁系统上，且可测。上述导体中含有颗粒或夹杂物时， 上述的反作用力会发生变化，根据变化量可以获得微颗粒的信息。但上述专 利方法仅定义了检测导体内部的微颗粒方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种监测连铸坯振痕的电磁 力方法，以电磁力(洛仑兹力)无损检测原理为基础，提供一种简单快捷 高效在线、实时的监测连铸坯振痕的电磁力方法，并通过缺陷信号分析实 现对整体表面质量的量化评估，得到振痕深度、形状、数量、间距等重要 信息。

为实现上述目的，本发明提供了一种监测连铸坯振痕的电磁力方法， 所述方法包括：

步骤1，将永磁体与微小力传感器连接在一起，形成一个测量单元，通过 所述测力传感器测量所述永磁体受到的力；

步骤2，将所述单元排列组合形成测量机构，将所述测量机构镶嵌到盘状 体的侧缘形成盘状测量仪，其中所述永磁体的磁化方向为沿所述盘状体的径 向；

步骤3，将所述盘状测量仪置于待测连铸坯表面的侧方，所述盘状体通过 轴传动在电机的带动下旋转。所述待测连铸坯在下拉过程中依次经过所述盘 状体附近的待测区域；

步骤4，所述待测连铸坯表面振痕的凸起或凹陷使所述永磁体受到的电磁 力的反作用力F₀′发生变化，使用所述测力传感器测量作用在所述永磁体上 的反作用力F₀′，从而得到所述待测连铸坯表面的振痕信息。

所述步骤1之前还包括：利用温度传感器测量所述待测连铸坯的温度。

所述步骤1之前还包括：通过测距传感器测量所述测力传感器与所述 待测连铸坯的距离，使所述永磁体与待测连铸坯表面的基准之间的距离保 持不变。

所述永磁体和测力传感器为阵列式排布。

使用所述测力传感器测量作用在所述永磁体上的反作用力F₀′，从而 得到所述待测连铸坯振痕信息具体包括：当所述反作用力F₀′变大，则所 述待测连铸坯振痕为凸起，当所述反作用力F₀′变小，则所述待测连铸坯 振痕为凹陷；所述反作用力F₀′的变化的次数为振痕数；根据所述反作用 力F₀′的变化量△F₀′进行分析，得到振痕形状与深度信息；根据所述变 化量△F₀′和变化时间△t计算得到振痕的宽度与间距信息。

所述待测连铸坯为连铸过程中铸坯，或者为切削振痕前的连铸坯。

所述步骤4之后还包括，根据所述待测连铸坯表面的振痕信息，确定 整个铸坯振痕的最高点和最低点，及振痕的最大厚度，作为切削掉振痕的 量。

本发明监测连铸坯振痕的电磁力方法具有如下优点：

1、检测设备简单、成本低，本发明所用的装置主要由永磁体，测力、 测温和测距传感器以及驱动设备构成。

2、测量过程简单，只需测量电磁力或其转换形式的相应变化，即可得 到连铸坯振痕的深度、宽度、间距、数量等信息。

3、永磁体产生的静磁场稳定，与激励线圈相比，磁场强度足够强。

4、检测速度快，可对连铸坯振痕进行在线、快速、实时的检测，是适 用于非导磁金属连铸坯表面振痕的无损检测方法，适用的连铸坯金属材料 的类型更为广泛。

附图说明

图1为本发明监测连铸坯振痕的电磁力方法的原理示意图；

图2为本发明监测连铸坯振痕的电磁力方法的流程图；

图3为本发明监测连铸坯振痕的电磁力方法中的旋转盘状体及测量机构 示意图；

图4A为本发明监测连铸坯振痕的电磁力方法的测量机构中测量单元的 组成示意图；

图4B为本发明监测连铸坯振痕的电磁力方法的测量机构中测量单元排 列组合示意图；

图5为本发明监测连铸坯振痕的电磁力方法的冷却系统示意图；

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明监测连铸坯振痕的电磁力方法的原理示意图。测量机构5 与铸坯1作相对运动(相对速度为ν)，在铸坯1内产生涡电流，我们将铸坯 内涡电流比较集中的较小的区域成为电磁敏感区。由于振痕的存在，铸坯1 表面的振痕呈现凸凹不平的轮廓(与不导电空气的边界条件)，铸坯1表面 与测量机构5之间的瞬时距离变化，在铸坯内空间分布的瞬时涡电流也发生 变化，即铸坯内涡电流的分布和大小随铸坯的表面轮廓变化而变化。如图1 所示，在t₁时刻(图1的左部分)，永磁体运动到振痕的凸起处，在t₂时刻(图 1的右部分)，永磁体运动到振痕的凹陷处，在这两个时刻涡电流的空间分布 和大小均不同，图中给出了虚线处截面的涡电流分布。涡电流与磁场相互作 用产生作用于铸坯的洛伦兹力，洛伦兹力可表示为F＝∫_Vj×BdV，j为涡电 流密度，B为磁感应强度，V为涡电流和磁场可达到的空间区域；洛伦兹力F 的反作用力作用于测量机构，根据牛顿第三定律：作用力与反作用力大小相 等方向相反，这一对力均为铸坯表面轮廓的函数。上述反作用力可通过测力 传感器7测得，因而可通过测得的力获得铸坯1表面振痕的信息。

图2为本发明监测连铸坯振痕的电磁力方法的流程图，如图所示，具体 包括如下步骤：

步骤101，将永磁体6与微小力传感器7连接在一起，形成一个测量单元， 通过测力传感器7测量永磁体受到的力；

可选的，在步骤101之前利用温度传感器测量所述待测连铸坯的温度。 另外，还可以通过测距传感器测量所述测力传感器与所述待测连铸坯1的距 离，使所述永磁体与待测连铸坯1表面的基准之间的距离保持不变。

步骤102，将上述单元组合排列形成测量机构5，将测量机构5镶嵌到盘 状体4的侧缘形成盘状测量仪，其中永磁体的磁化方向为沿盘状体4的径向；

步骤103，将盘状测量仪置于待测连铸坯1表面的侧方，且通过轴3传动 在电机2的带动下旋转，待测连铸坯1在下拉过程中依次经过盘状体4附近 的待测区域；

步骤104，待测连铸坯1表面振痕的凸起或凹陷使永磁体6受到的电磁力 的反作用力F₀′发生变化，使用测力传感器7测量作用在永磁体上的反作用 力F₀′，从而得到待测连铸坯表面的振痕信息。

具体的，当反作用力F₀′变大，则待测连铸坯1表面的振痕为凸起， 当反作用力F₀′变小，则待测连铸坯1表面的振痕为凹陷；反作用力F₀′ 的变化的次数为振痕数；根据反作用力F₀′的变化量△F₀′进行分析，得 到振痕形状与深度信息；根据变化量△F₀′和变化时间△t计算得到振痕的 宽度与间距信息。

另外，待测连铸坯1为连铸过程中铸坯，或者为切削振痕前的连铸坯， 即本发明的方法不但可以用于监测连铸过程中铸坯振痕，而且也可以作为连 铸坯切削振痕前的检测，用于对切削量提供依据。

将本方法作为一种无损检测方法，可以用连铸坯后续处理过程中切削掉 振痕的依据，例如，根据测量结果确定整个铸坯振痕的最高点和最低点，及 振痕的最大厚度，以此作为切削掉振痕最经济的量。

图3为本发明监测连铸坯振痕的电磁力方法中的旋转盘状体及测量机构 示意图。盘状体4半径R，沿铸坯1展向宽度为W,在电机2带动下通过轴3 的传动以角速度ω旋转，若铸坯1拉速为v₁,从而获得铸坯1与盘状测量仪的 相对线速度为ν＝ωR+v₁，一般有ωR＞＞v₁。

同时参见图4A所示的本发明监测连铸坯振痕的电磁力方法的测量机构5 中一个单元组成示意图，如图所示，每一个永磁体6与测力传感器7连接， 测力传感器7可以采用压电式、应力应变式、光学位移式等多种工作方式， 通过把力信号转化为电压信号输出。经过信号分析处理，就得到连铸坯1振 痕的全面信息。

为提高在实际生产过程中的检测效率，将永磁体6与传感器7布置成阵 列形式，采用两行或多行阵列排布，区域分散检测的同时产生的静磁场又不 相互干扰。一并参见图4B所示的本发明监测连铸坯振痕的电磁力方法的测量 机构5中测量单元排列组合示意图，图中所示每个测量单元永磁体长度为d， 相邻磁单元间距为D，每一行的距离为L，沿铸坯1展向宽度为W，此设计可 避免单一点探头只能局部检测的弊端，达到全面检测的目的。

再一并参见图5所示的本发明监测连铸坯振痕的电磁力方法的冷却系 统示意图。测量过程中，高温连铸坯不断辐射出热量，为避免永磁体的温 度升高至居里温度之上，特设计如下：第一，盘状体内通水冷却；第二， 将测量机构置于冷却系统内，即仅测量磁体的一端少量的暴露于高温环境； 第三，增加隔热挡板8，阻挡连铸坯散发的热量对测量机构的侵害。

测力传感器在连铸的过程中起到监控的作用，因此可视为在线监测。

在实际工况条件下，测试前需使用测温传感器测量铸坯温度。测温的 原因在于，上述永磁体的居里温度较低，如果连铸坯的热量使永磁体的温 度高过其居里温度，永磁体退磁，则无法工作。

另外，需使用测距传感器测量永磁体与连铸坯基准面的距离，使其保 持合适距离且不变。因为永磁体的磁场随距离呈指数衰减，距离太远，连铸 坯不经过永磁体磁敏感区；距离太近，则可能导致永磁体与连铸坯凸面相撞， 造成磁系统损坏，无法工作。此外，如果该距离变化，会导致测得的力可靠 性差。

本发明在线监测导磁连铸坯振痕的静磁力方法，其优点如下：

1、检测设备简单、成本低，本发明所用的装置主要由永磁体，测力、 测温和测距传感器以及驱动设备构成。

2、测量过程简单，只需测量静磁力或其转换形式的相应变化，即可得 到连铸坯振痕的深度、宽度、间距、数量等信息。

3、永磁体产生的静磁场稳定，与激励线圈相比，磁场强度足够强。

4、检测速度快，可对连铸坯振痕进行在线、快速、实时的检测，适用 于各类非导磁钢种及其他非导磁金属材料连铸坯表面的无损检测。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而 已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做 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。