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渦流無損檢測技術在鋼鐵工業中的新應用

 

渦流檢測作為五大常規無損檢測方法之一，在鋼鐵行業中應用非常廣泛，包括金屬棒、線材探傷、結構件疲勞裂紋探傷、材料成分及雜質含量的鑒別、熱處理狀態的鑒別、混料分選、測量金屬薄板的厚度等諸多方面。近年來，隨著對渦流檢測技術認識的深入以及計算機、儀器儀表和數字信號處理技術的發展，渦流無損檢測技術在鋼鐵工業中的應用取得了一定突破，對于某些以往認為是檢測極限或“不可能”的難題，找到了解決的辦法或思路。例如，目前有人提出了1100℃以上高溫連鑄板坯表面缺陷模擬在線檢測，將傳統的渦流檢測對象的溫度提高了幾百度，而瑞典一家公司研制出了檢測1000℃高溫鋼和其他金屬板材、坯材的渦流檢測設備。此外，渦流檢測的應用還延伸到了不銹鋼毛細管、直徑小于1mm的絲材及結晶器液位檢測等方面。

渦流的產生原理
渦流檢測是利用電磁感應原理，通過測定被檢工件內感生渦流的變化來無損地評定導電材料及其工件的某些性能，或發現缺陷的無損檢測方法。當線圈流過高頻交變電流時會在其中產生交變磁場，如果該磁場靠近金屬工件表面，則在工件中能感應出電流，簡稱渦流。渦流的大小與金屬材料的導電性、導磁性、幾何尺寸及其中的缺陷形態有關。渦流本身也會產生磁場，其強度取決于渦流的大小，其方向與線圈電流磁場相反，它與線圈磁場疊加后形成線圈的交流阻抗。渦流磁場變化會引起線圈阻抗的變化，測量出該阻抗變化的幅值與相位即能間接地測量出工件表面與近表面材質異?；蛉毕莩叽?。
應用概述
1 1000℃高溫連鑄板坯表面缺陷的檢測
渦流檢測高溫制品的局限性主要在于探頭所能承受的溫度，傳統的渦流檢測技術在高溫條件下檢測溫度可達550℃，如果采用水冷探頭檢測，溫度還可以提高。賈慧明等采用特殊材料研制的高溫渦流探頭，借助風冷與水冷相結合的辦法，使傳感器內部溫度始終保持在40℃以下，能夠長時間承受強烈的高溫輻射。試驗表明，利用該高溫探頭能夠對1100℃以上鑄坯在線檢測出深度為1.5mm，寬度為0.3mm，長為10mm的表面缺陷。該技術能夠有效抑制鑄坯表面振動斑痕所產生的噪聲影響，并借助計算機信號處理技術，實現對熱態鑄坯表面缺陷的定位、定量分析和打印記錄，為實現對連鑄坯在線無損檢測提供了技術依據。
又據資料介紹，瑞典一家公司根據渦流技術，設計制造一種能檢查1000℃左右的鋼和其他金屬板材和坯材表面缺陷的設備。該設備可以保證鋼材表面的兩個幾乎垂直的方向都掃描到。利用計算機所組成的分析儀，把輸入的信號分為嚴重缺陷、無害缺陷和未認清三種主要類別，并能夠找出任何缺陷的位置。該裝置能夠精確測定毛坯表面上0.5mm深的刻痕位置。
2 不銹鋼毛細管的檢測
對極其細小管徑如不銹鋼毛細管離線或在線無損探傷，采用電磁渦流檢測方法雖然可行，但必須配置特種探頭才能達到滿意效果。因毛細管極其細小的管徑，目前的工藝水平尚無法制作內穿探頭，也無法使用點式探頭進行檢測，只能通過外穿過式探頭進行檢測。西安交通大學與愛德森（廈門）電子有限公司聯合研制的差動式外穿探頭，在對線圈的寬度、厚度、兩線圈之間的跨度、探頭和毛細管之間的間隙、線徑等多方面進行計算及優選后，配置了特制的高級外穿式特種探頭，在檢測頻率為666kHz時，對Φ1mm及Φ0.45mm的不銹鋼毛細管進行檢測，均獲得了較好的效果。
3 鋼絲在線檢測
鋼絲在線檢測一般使用兩種方法：一種是旋轉探測式，即渦流探測器繞鋼絲高速旋轉。這種方法主要用來檢測沿鋼絲縱向延伸的裂紋、刮傷和拉絲劃痕。相對于鋼絲的運動，探測器的軌跡這螺旋狀。使用多個探測器并列高速旋轉，可以達到100%的檢查，但其表面探傷的靈敏度有限。在探測器和鋼絲之間不易保持恒定的間距，間隙增加時靈敏度減少，如果鋼絲偏心，間隙就會變化。采用高速處理器可以自動感知間隙，并不斷地進行補償，使系統的靈敏度得到提高。另一種是環繞線圈式。鋼絲從環形線圈中穿過，換能器有效地檢查渦流在一個剖面的分布，并與前一個剖面對比，適合檢測點狀缺陷和圓周方向的裂紋，對于橫裂紋、V型裂紋、夾雜物、凹坑和折疊有很高的靈敏度。檢測速度快，檢測直徑范圍大。
環繞線圈式的驅動電流比旋轉探測式高，有更好的深度穿透性。系統穩定性好，不受溫度變化和其他因素的影響。當磁鐵材料在居里點800℃以下時，磁飽和后會使信號受到抑制，但可以通過調節磁場強度避免磁飽和，提高靈敏感。目前大都使用環繞線圈式，也可以將上述兩種方法結合使用。渦流技術在拉絲、油回火生產線、冷鐓鋼絲或彈簧鋼絲生產中得到了很好的應用。水冷環繞線圈對溫度超過1100℃的盤條進行檢測，其檢測速度超過500km/h。
4 液位檢測
結晶器液位的精確檢測是連鑄生產過程中實現液位自動控制的關鍵。渦流式鋼水液位計具有反應速度快、測量精度高、不需特殊安全防護、安裝維護方便等顯著優點，實用化進展很快。宋東飛介紹了攀鋼改造采用國內生產的RAM系列渦流型鋼水液位控制儀的情況。該測量系統采用渦流式傳感器測量鋼水液位，由振蕩器產生的50kHz高頻信號供給傳感器的初級線圈（激勵線圈），由于受鋼水內渦流電流的影響，由初級線圈產生交變磁場隨液位高度變化。在次級線圈（測量線圈）內將產生與通過線圈磁場的強度成正比例變化的電壓Vγ V2，從而差動電壓（V1-V2）隨液位高度變化。通過對V1-V2進行放大、相位、頻率、振幅分析及線性化，送給16位的高性能單片機80C196KC處理，即得于液位高度測量信號，經控制儀轉換成4～20mA信號送到結晶器液位控制系統PLC。該控制儀測量范圍為0～150mm，分辯力為0.1mm。運行表明，該液位控制系統性能穩定可靠，使用精度達±3mm，不但減少了鑄坯表面裂紋，提高了產品質量，而且經濟效益顯著。