專利名稱：在線檢測連鑄坯固相內(nèi)邊界及凝固末端位置的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煉鋼連鑄領(lǐng)域，特別涉及一種在線檢測連鑄坯固相內(nèi)邊界及凝固末端位置的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在連鑄生產(chǎn)過程中，為了減輕連鑄坯中心偏析，消除中心疏松和裂紋等缺陷，通常采用輕壓下技術(shù)，即在輥縫收縮的基礎(chǔ)上對凝固末期的連鑄坯進(jìn)行輕微壓下，阻止連鑄坯內(nèi)部收縮空隙的形成，補償最后凝固階段的收縮，改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，如提高鋼材的延展性能、焊接性能、抗裂紋能力等。準(zhǔn)確檢測出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端位置是實施輕壓下的前提，否則就不能準(zhǔn)確地確定輕壓下的壓下量和壓下區(qū)間，若壓下量小，對于中心偏析和中心疏松改善不明顯；若壓下量大則會使連鑄坯內(nèi)裂的傾向加劇，甚至可能出現(xiàn)壓下輥損壞的情況。此外壓下區(qū)間不準(zhǔn)也會出現(xiàn)類似情況，若壓下區(qū)間確定在凝固末端位置后面，連鑄坯在使用輕壓下前中心偏析等缺陷已經(jīng)形成，由于連鑄坯中不再存在液態(tài)金屬，此時實施輕壓下只會使金屬產(chǎn)生塑性變形產(chǎn)生裂紋而不能改善連鑄坯中已經(jīng)形成的中心偏析；相反，若壓下區(qū)間確定在凝固末端位置前面，連鑄坯還是會形成中心偏析和中心疏松等缺陷。 因此，準(zhǔn)確檢測出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端位置具有十分重要的作用。通常人們用連鑄坯凝固傳熱模型來檢測連鑄坯的凝固末端，并通過一系列的實驗方法來修正模型，傳統(tǒng)的實驗方法有漏鋼法、同位素法和射釘法。漏鋼法是根據(jù)漏鋼連鑄坯殼厚度來確定凝固系數(shù)，其缺點是坯殼厚度受鋼水沖刷不準(zhǔn)確而且漏鋼危險性大；同位素法是從結(jié)晶器加入相關(guān)放射性同位素，然后解剖連鑄坯測量同位素的分布來確定凝固系數(shù)，其缺點是浪費鋼坯嚴(yán)重，工作量大并存在放射性輻射； 射釘法是用含有FeS的鋼釘射入鑄坯，根據(jù)鋼釘熔化情況及S的分布來確定凝固系數(shù)，其缺點是浪費鋼坯嚴(yán)重，工作量大。由于漏鋼法、同位素法和射釘法都不能連續(xù)在線檢測再加上每一次實驗成本大、周期長、工作量大原因不可能做所有的鋼種在不同工藝條件下的實驗，所以現(xiàn)有的凝固傳熱模型和液芯控制模型(Liquid Pool Control，簡稱LPC)、鑄坯錐度自動控制模型 (Automatic Strand Taper/Thickness Control，簡稱 ASTC)仍受拉速、鋼種和溫度等因素變化使得計算的連鑄坯的凝固末端與實際的有較大的差入，對連鑄坯的質(zhì)量改善有限，滿足不了高效連鑄的要求而被電磁超聲技術(shù)所取代。所謂電磁超聲技術(shù)是利用電磁超聲波傳感器(Electromagnetic Acoustic Transducer，簡稱EMAT)發(fā)射電磁超聲波并使其透過連鑄坯，信號處理單元再根據(jù)電磁超聲波的傳播時間和衰減幅度來判定連鑄坯的凝固狀態(tài)。目前有很多利用電磁超聲技術(shù)來檢測連鑄坯凝固末端的技術(shù)方案。日本專利JP52-130422利用電磁超聲橫波傳感器對連鑄坯投射電磁超聲橫波，并利用電磁超聲橫波不能透過液相的原理來判斷連鑄坯的完全凝固狀態(tài)。然而，透過連鑄坯的電磁超聲波橫波的信號發(fā)生了減弱或消失并不能就唯一判定鑄件中存在殘留熔融金屬， 因為還存在其它的導(dǎo)致信號發(fā)生減弱或消失的因素。日本專利JP62-148850使用能同時產(chǎn)生電磁超聲縱波和電磁超聲橫波的電磁超聲波傳感器，根據(jù)接收器接收到的透過連鑄坯的電磁超聲波信號波形，計算電磁超聲橫波透過波的振幅(Al)與電磁超聲縱波透過波的振幅(At)的比At/Al來判定鑄件中存在殘留熔融金屬以及連鑄坯升離的變動和傳感器異常，該方案中的鐵芯為“E”型，體積龐大，在有限的扇形段輥子之間的狹小間隙里很難適應(yīng)。日本專利JP10-197502測定鑄件中的超聲橫波的共振頻率，根據(jù)該共振頻率求得鑄件固相內(nèi)率。日本專利JP2000-266730公開了一種通過相關(guān)運算提高S/N (信噪比)的方法使用從規(guī)定脈寬內(nèi)的頻率、振幅、相位中選擇至少一個進(jìn)行調(diào)制后的脈沖串狀發(fā)送信號，并使用和該發(fā)送信號相同或類似波形的參照信號，對接收信號進(jìn)行相關(guān)運算。該方法中，接收信號和發(fā)送信號的相關(guān)高，噪聲和發(fā)送信號的相關(guān)低。美國專利US2007102134A1公開了電磁超聲波傳感器在連鑄坯寬度方向具有3個以上的磁極，具有卷繞在內(nèi)側(cè)磁極周圍配置的縱波用線圈和與磁極面重疊配置的橫波用線圈，該方案不能有效利用朝向鑄造方向的水平磁場，使靈敏度下降，雖采用適當(dāng)措施來防止靈敏度下降，但效果有限。為解決電磁超聲波法檢測連鑄坯凝固末端靈敏度低、信噪比(S/N)低、精度差、不能擴大電磁超聲波傳感器與連鑄坯的升離范圍且不能穩(wěn)定地長時間連續(xù)測量等技術(shù)問題。 中國專利CN1198139C公開了一種測定連鑄坯凝固狀態(tài)的方法，該方法包括把連鑄坯的表層部分冷卻到發(fā)生α相變的冷卻工序以及把電磁超聲波的橫波作為發(fā)送信號發(fā)送給冷卻后的鑄件的發(fā)送工序，雖然對提高S/N比有一定的效果，但是這是以損壞連鑄坯的質(zhì)量為前提的，因為把鑄件的表層部分冷卻到發(fā)生α相變，必然會有損鑄件的質(zhì)量如出現(xiàn)表面裂紋等。上述利用電磁超聲技術(shù)來檢測連鑄坯凝固末端的技術(shù)方案存在S/N低、精度差、 損壞鋼坯質(zhì)量、不能擴大電磁超聲波傳感器與連鑄坯的升離范圍且不能穩(wěn)定地長時間連續(xù)測量等諸多問題而沒有一例成功應(yīng)用于實踐的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種在線檢測連鑄坯固相內(nèi)邊界及凝固末端位置的系統(tǒng)和方法， 以解決傳統(tǒng)法不能實現(xiàn)在線檢測連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端位置、耗時費力以及現(xiàn)有電磁超聲法信噪比S/N太小的技術(shù)問題。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種在線檢測連鑄坯固相內(nèi)邊界及凝固末端位置的系統(tǒng)，包括信號發(fā)生器、電磁超聲波傳感器、信號處理器、計算機、以及控制器，其特征在于， 所述電磁超聲波傳感器布置在連鑄坯鑄造方向有動態(tài)輕壓下的區(qū)間以及與該區(qū)間相鄰的上下游局部區(qū)段的各扇形段的設(shè)定位置，所述電磁超聲波傳感器中的磁鐵面向被測連鑄坯表面一端的端面積比遠(yuǎn)離連鑄坯表面一端的端面積大。進(jìn)一步地，上述電磁超聲波傳感器包括發(fā)射電磁超聲波的傳感器和接收電磁超聲波的傳感器組成。
進(jìn)一步地，上述發(fā)射電磁超聲波的傳感器和所述接收電磁超聲波的傳感器分別安裝在連鑄坯上下兩個面上或分別安裝在連鑄坯左右兩個面上。進(jìn)一步地，上述發(fā)射電磁超聲波的傳感器和所述接收電磁超聲波的傳感器分別同軸豎直地安裝在連鑄坯上下兩個面上或分別同軸水平地安裝在連鑄坯左右兩個面上。進(jìn)一步地，上述發(fā)射電磁超聲波的傳感器和所述接收電磁超聲波的傳感器同側(cè)地安裝在連鑄坯上下左右的任一個面上。進(jìn)一步地，上述電磁超聲波傳感器為集發(fā)射電磁超聲波和接收電磁超聲波功能于一體的傳感器。進(jìn)一步地，上述電磁超聲波傳感器安裝在連鑄坯上下左右的任一面上。進(jìn)一步地，上述系統(tǒng)還包括驅(qū)動裝置，該驅(qū)動裝置與所述電磁超聲波傳感器連接， 所述驅(qū)動裝置布置在連鑄坯鑄造方向有動態(tài)輕壓下的區(qū)間以及與該區(qū)間相鄰的上下游局部區(qū)段的各扇形段的設(shè)定位置，用于驅(qū)動所述電磁超聲波傳感器沿連鑄坯的寬面掃描。進(jìn)一步地，上述信號處理器對電磁超聲波傳感器的接收信號進(jìn)行選頻放大。進(jìn)一步地，上述計算機對所述信號處理器處理過的所述電磁超聲波傳感器的接收信號進(jìn)行相關(guān)運算，所述相關(guān)運算是指從所述信號處理器處理過的所述電磁超聲波傳感器的接收信號中選出與所述電磁超聲波傳感器的發(fā)射信號的脈寬、頻率、幅度和波形相關(guān)的波。進(jìn)一步地，上述電磁超聲波傳感器中的磁鐵為永磁鐵或電磁鐵。進(jìn)一步地，上述電磁超聲波為電磁超聲橫波和/或電磁超聲縱波。進(jìn)一步地，上述控制器根據(jù)固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置調(diào)節(jié)二冷水的流量、拉矯機的拉速以及輕壓下的壓下量和壓下率。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種應(yīng)用于在線檢測連鑄坯固相內(nèi)邊界及凝固末端位置系統(tǒng)的信號處理方法，包括移位電磁超聲波傳感器的接收信號波形到指定位置； 對移位到指定位置的所述電磁超聲波傳感器的接收信號波形進(jìn)行加和平均。進(jìn)一步地，上述信號處理方法還包括在所述移位電磁超聲波傳感器的接收信號波形到指定位置之前對所述電磁超聲波傳感器的接收信號波形進(jìn)行甄別處理。進(jìn)一步地，上述電磁超聲波傳感器的接收信號波形為計算機對電磁超聲波傳感器的接收信號進(jìn)行相關(guān)運算的信號波形。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在線檢測連鑄坯固相內(nèi)邊界及凝固末端位置的方法，包括如下步驟信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號；電磁超聲波傳感器響應(yīng)所述激勵信號而發(fā)射電磁超聲波來感測連鑄坯；信號處理器對電磁超聲波傳感器的接收信號進(jìn)行選頻放大；計算機對所述信號處理器處理過的所述電磁超聲波傳感器的接收信號進(jìn)行相關(guān)運算以及對進(jìn)行所述相關(guān)運算后的信號使用根據(jù)上面所描述的信號處理方法并給出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端位置；控制器根據(jù)所述固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置調(diào)節(jié)二冷水的流量、拉矯機的拉速以及輕壓下的壓下量和壓下速度；其中，所述電磁超聲波傳感器分布在連鑄坯鑄造方向上設(shè)有動態(tài)輕壓下的區(qū)間以及與該區(qū)間相鄰的上下游局部區(qū)段的各扇形段的設(shè)定位置，所述電磁超聲波傳感器中的磁鐵面向被測連鑄坯表面一端的端面積比遠(yuǎn)離連鑄坯表面一端的端面積大；所述相關(guān)運算是指選出所述信號處理器處理過的所述電磁超聲波傳感器的接收信號與所述電磁超聲波傳感器的發(fā)射信號的脈寬、頻率、幅度和波形相關(guān)的波。進(jìn)一步地，上述方法還包括如下步驟通過驅(qū)動裝置驅(qū)動所述電磁超聲波傳感器沿連鑄坯的寬面掃描。進(jìn)一步地，在上述方法中，計算機用于給出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端位置是指所述計算機根據(jù)加和平均后的信號提取加和平均幅度值P以及電磁超聲波傳感器的接收信號相對電磁超聲波傳感器的發(fā)射信號的時間滯后量τ進(jìn)行分析，給出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端位置計算機給出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端位置；所述分析包括根據(jù)所述加和平均幅度值F小于指定閾值的區(qū)域分界線即為連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置。進(jìn)一步地，在上述方法中，加和平均幅度值f包括電磁超聲橫波的加和平均幅度值巧和/或電磁超聲縱波加和平均幅度值V1，所述時間滯后量τ為給定采樣時間段內(nèi)的最可幾率的時間滯后量τ。。進(jìn)一步地，在上述方法中，最可幾率的滯后量、包括電磁超聲橫波最可幾率的時間滯后量τ ^和/或電磁超聲縱波最可幾率的時間滯后量τ。1。進(jìn)一步地，在上述方法中，計算機在移位信號波形到指定位置之前對所述信號波形進(jìn)行甄別處理。進(jìn)一步地，在上述方法中，計算機給出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置是指給出電磁超聲橫波的加和平均幅度值1ζ小于指定閾值的區(qū)域分界線即為連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置，而電磁超聲縱波的加和幅度平均值V1以及電磁超聲橫波最可幾率的時間滯后量τ J和電磁超聲縱波最可幾率的時間滯后量τ。1對確定連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置有輔助作用。進(jìn)一步地，上述加和平均幅度值I7隨電磁超聲波傳感器從連鑄坯的邊界向中心移動過程中逐漸下降或不變以及時間滯后量τ。隨所述電磁超聲傳感器從連鑄坯的邊界向液芯移動過程中上升或不變。本發(fā)明具有以下技術(shù)效果電磁超聲波傳感器中的磁鐵面向被測連鑄坯表面一端的端面積比遠(yuǎn)離連鑄坯表面一端的端面積大，可以用于提高電磁超聲波的信噪比；計算機對電磁超聲波信號的處理采用甄別、移位的方式，可以大幅度提高電磁超聲波的信噪比。信噪比高可以提升電磁超聲波傳感器到連鑄坯的距離，一方面可以防止電磁超聲波傳感器被連鑄坯撞壞，另一方面減少了電磁超聲波傳感器接受到的熱輻射，延長了使用壽命。除了上面所描述的目的、特征、和優(yōu)點之外，本發(fā)明具有的其它目的、特征、和優(yōu)點，將結(jié)合附圖作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。


構(gòu)成本說明書的一部分、用于進(jìn)一步理解本發(fā)明的附圖示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并與說明書一起用來說明本發(fā)明的原理。圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端檢測系統(tǒng)的電磁超聲波傳感器異側(cè)同軸安裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲波傳感器的定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的裝有驅(qū)動裝置的連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端檢測系統(tǒng)的截面示意圖；圖4是圖3所示檢測系統(tǒng)的驅(qū)動裝置的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲波傳感器的磁鐵剖面示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲波傳感器的磁鐵剖面示意圖；圖7是圖6所示磁鐵的俯視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的由能同時發(fā)射電磁超聲波和接收電磁超聲波于一體的傳感器組成的連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端檢測系統(tǒng)裝示意圖；圖9a是根據(jù)圖8所示的發(fā)射電磁超聲波和接收電磁超聲波于一體的傳感器的磁鐵的剖面示意圖；圖9b是圖9a所示磁鐵的俯視圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的電磁超聲波傳感器的接收信號圖；圖11是應(yīng)用于在線檢測連鑄坯固相內(nèi)邊界及凝固末端位置系統(tǒng)的信號處理方法的流程圖；以及圖12是根據(jù)本發(fā)明連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端的在線檢測方法的流程圖。附圖標(biāo)記說明第一實施例101連鑄坯102發(fā)射電磁超聲波的傳感器
104信號發(fā)生器110接收電磁超聲波的傳感器
106控制器107計算機
108信號處理器IOlc固相
IOlb內(nèi)邊界IOla熔融金屬
113定位裝置113a條狀安裝板
113b安裝座103、109 輥子
112驅(qū)動裝置IOld凝固末端
102a磁鐵102a2磁鐵外端面
102al磁鐵內(nèi)端面102b 孔
112d支撐桿112b支架組件
112e驅(qū)動組件112a電機組件
112c安裝架112f螺栓
111機架
第二實施例
202電磁超聲波傳感器202a磁鐵
202a2外端面202al內(nèi)端面
202b 孔201連鑄坯
201a熔融金屬201b內(nèi)邊界
201c固相20Id凝固末端
207計算機208信號處理器206控制器213定位裝置。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。圖1至圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端檢測系統(tǒng)。結(jié)合參照圖1至圖4，本發(fā)明的檢測系統(tǒng)包括信號發(fā)生器104、電磁超聲波傳感器、信號處理器108、計算機107和控制器106。信號發(fā)生器104把產(chǎn)生的激勵信號輸出給發(fā)射電磁超聲波的傳感器102，接收電磁超聲波的傳感器110接受來自發(fā)射電磁超聲波的傳感器 102發(fā)射的透過連鑄坯的電磁超聲波信號。由發(fā)射電磁超聲波的傳感器102和接收電磁超聲波的傳感器110組成的電磁超聲波傳感器布置在連鑄坯101鑄造方向有動態(tài)輕壓下的區(qū)間以及與該區(qū)間相鄰的上下游局部區(qū)段的各扇形段的設(shè)定位置。通常，動態(tài)輕壓下的區(qū)間是連鑄坯固相率為0. 3-0. 7的區(qū)間，而固相率區(qū)間會隨二冷水的流量、拉矯機的拉速以及連鑄坯的溫度等因素的變化而變化。因此，在該固相率為0. 3-0. 7區(qū)間的上下游局部區(qū)段的扇形段的輥子之間設(shè)定電磁超聲波傳感器的有益效果是使固相率為0. 3-0. 7的區(qū)間全部落入電磁超聲波傳感器的檢測范圍。發(fā)射電磁超聲波的傳感器102和接收電磁超聲波的傳感器110分別安裝在連鑄坯 101上下兩個面上或分別安裝在連鑄坯101左右兩個面上。通常，在板坯連鑄機上，發(fā)射電磁超聲波的傳感器102和接收電磁超聲波的傳感器110分別安裝在連鑄坯101上下兩個面上；在方坯或矩形坯連鑄機上，發(fā)射電磁超聲波的傳感器102和接收電磁超聲波的傳感器110分別安裝在連鑄坯101左右兩個面上。優(yōu)選地，發(fā)射電磁超聲波的傳感器102和接收電磁超聲波的傳感器110分別同軸豎直地安裝在連鑄坯101上下兩個面上或分別同軸水平地安裝在連鑄坯左右兩個面上。此時發(fā)射電磁超聲波的傳感器和接收電磁超聲波的傳感器各用一個獨立的磁鐵102a，其中， 同軸是指兩個獨立的磁鐵102a的中心線共線?？蛇x地，發(fā)射電磁超聲波的傳感器和接收電磁超聲波的傳感器同側(cè)地安裝在連鑄坯上下左右的任一一個面上，此時發(fā)射電磁超聲波的傳感器和接收電磁超聲波的傳感器各用一個獨立的磁鐵102a。為檢測到連鑄坯101固相IOlc內(nèi)邊界IOlb沿連鑄坯寬面方向的分布(連鑄坯內(nèi)熔融金屬IOla即液芯的橫向分布)情況，可以在連鑄坯的寬面方向通過傳感器定位裝置 113布置多個發(fā)射電磁超聲波的傳感器102和接收電磁超聲波的傳感器110，該數(shù)量越多， 檢測到的連鑄坯固相內(nèi)邊界精度越高，如在1800mm寬的連鑄坯上，通常可以設(shè)置3_5個。如圖2所示，傳感器定位裝置113包括條狀安裝板113a和安裝座113b。該條狀安裝板113a通過螺紋固定在安裝座113b的一側(cè)，且條狀安裝板113a的延伸方向與安裝座 113b的通孔的軸向平行。也就是說，安裝座113b與輥子103同軸設(shè)置，條狀安裝板10與輥子103平行設(shè)置。該安裝座113b上設(shè)置有具有預(yù)設(shè)直徑的通孔，該通孔直徑可以與兩個軸向相鄰的輥子103之間的連接體的外徑相適應(yīng)，使安裝座113b與連接體緊密配合以免發(fā)生滑動。發(fā)射電磁超聲波的傳感器102和接收電磁超聲波的傳感器110通過傳感器定位裝置 113分別固定在連鑄坯101上面和下面相鄰的兩輥子103、109之間。優(yōu)選地，通過驅(qū)動裝置112驅(qū)動發(fā)射電磁超聲波的傳感器102和接收電磁超聲波的傳感器110同時沿連鑄坯的寬面掃描，則只需要設(shè)置一組由一個發(fā)射電磁超聲波的傳感器102和一個接收電磁超聲波的傳感器110組成的電磁超聲波傳感器也能檢測到連鑄坯 101固相IOlc內(nèi)邊界IOlb沿連鑄坯寬面方向的分布情況。該驅(qū)動裝置布置在連鑄坯鑄造方向有動態(tài)輕壓下的區(qū)間以及與該區(qū)間相鄰的上下游局部區(qū)段的各扇形段的設(shè)定位置。為檢測到連鑄坯凝固末端IOld(連鑄坯內(nèi)熔融金屬IOla即液芯的縱向分布)情況，在連鑄坯101鑄造方向有動態(tài)輕壓下的區(qū)間以及與該區(qū)間相鄰的上下游局部區(qū)段的各扇形段的設(shè)定位置布置多組電磁超聲波傳感器。如圖5和圖6所示，上述電磁超聲波傳感器中的磁鐵102a面向被測連鑄坯表面的外端面102a2的端面積比遠(yuǎn)離連鑄坯表面的內(nèi)端面102al的端面積大(該磁鐵簡稱為蘑菇型磁鐵)，用于提高電磁超聲波的S/N比。優(yōu)選地，該磁鐵的中心設(shè)有用于線圈通過的孔 102b。用蘑菇型磁鐵與常用的圓柱型磁鐵做出的電磁超聲波傳感器來檢測同樣的連鑄坯，所得的信號幅度數(shù)值如下表所示。
距連鑄坯邊界105mm時的各扇形段910圓柱型Al6.464.54At0.621.03Al/At6.46/0.62=10.44.54/1.03=4.4蘑菇型Al2.121.13At1.341.26Al/At2.12/1.34=1.581.13/1.26=0.9Al表示電磁超聲縱波幅度值，At表示電磁超聲橫波幅度值，Al/At表示縱波幅度與橫波幅度的比值，在其它條件相同的情況下，蘑菇型磁鐵電磁超聲波傳感器的放大倍數(shù)降低了 10倍。根據(jù)9、10段的數(shù)據(jù)，圓柱形磁鐵電磁超聲波傳感器所測得的縱波幅度與橫波幅度的比值分別是蘑菇形磁鐵電磁超聲波傳感器所測得的6. 58(10. 4/1.58)倍和 4.9(4. 4/0. 9)倍，平均為5. 74倍，這表明蘑菇形磁鐵電磁超聲橫波相對縱波的幅度提高了 5. 74 倍。蘑菇型磁鐵電磁超聲波傳感器的放大倍數(shù)降低了 10倍，這表明要是在放大倍數(shù)相同的條件下，蘑菇型磁鐵電磁超聲波傳感器所測得的Al分別是圓柱形磁鐵電磁超聲波傳感器所測得的3. 3(21. 2/6. 46)和2. 5(11. 3/4. 54)倍，平均為2. 9倍；而蘑菇型磁鐵電磁超聲波傳感器所測得的橫波幅度At是圓柱形磁鐵電磁超聲波傳感器所測得的16. 6(5. 74*2. 9)倍。本發(fā)明電磁超聲波傳感器中的磁鐵設(shè)置成蘑菇型的另一個好處是便于磁鐵在扇形段的相鄰兩個輥子之間的有限空間內(nèi)安裝。本發(fā)明電磁超聲波傳感器中的磁鐵為永磁鐵或電磁鐵，電磁超聲波傳感器發(fā)射和 /或接受的電磁超聲波為電磁超聲橫波和/或電磁超聲縱波。在本實施例中，將發(fā)射電磁超聲波的傳感器102和接收電磁超聲波的傳感器110 分別同軸豎直地安裝在連鑄坯101上下兩個面上，電磁超聲波傳感器的磁鐵為永磁鐵并且使用驅(qū)動裝置112。如圖3和圖4所示，接收電磁超聲波的傳感器110通過螺紋連接于驅(qū)動裝置112的接收電磁超聲波傳感器支撐桿112d上，電磁超聲波傳感器支撐桿112d及其上的電磁超聲波傳感器110通過支架組件112b固定在驅(qū)動組件112e上，電機組件112a與驅(qū)動組件112e 通過聯(lián)軸器連接并驅(qū)動電磁超聲波傳感器支撐桿112d及其上的電磁超聲波傳感器110延長或縮短以用于電磁超聲波傳感器110沿著連鑄坯101的寬面來回掃描。驅(qū)動組件112e固定在安裝架112c上，而安裝架112c通過螺栓112f與扇形段的機架111連接并保證傳感器與連鑄坯101之間有一個距離，該距離達(dá)6mm、仍能可靠地檢測到透過連鑄坯的電磁超聲波信號，并且避免了連鑄機生產(chǎn)前送引錠桿時引錠桿碰撞電磁超聲波傳感器和生產(chǎn)結(jié)束時尾坯碰撞電磁超聲波傳感器而損壞傳感器的問題，從而提高傳感器可靠性，延長傳感器的使用壽命。發(fā)射電磁超聲波的傳感器102也通過驅(qū)動裝置112以上述類似的方式固定在扇形段的機架上111。在本發(fā)明中，發(fā)射電磁超聲波的傳感器是指能同時發(fā)射電磁超聲橫波和電磁超聲縱波的傳感器；接收電磁超聲波的傳感器是指能同時發(fā)射電磁超聲橫波和電磁超聲縱波的傳感器。信號處理器108與電磁超聲波的傳感器電連接，用于對接收電磁超聲波的傳感器的接收信號進(jìn)行選頻放大。計算機107與信號處理器108電連接，用于對信號處理器108 處理過的接收電磁超聲波的傳感器的接收信號進(jìn)行相關(guān)運算，該相關(guān)運算是指選出信號處理器108處理過的接收電磁超聲波的傳感器的接收信號與發(fā)射電磁超聲波的傳感器的發(fā)射信號的脈寬、頻率、幅度和波形相關(guān)的波。控制器106與計算機107和連鑄機的控制系統(tǒng)電連接并根據(jù)固相IOlc內(nèi)邊界 IOlb和凝固末端IOld的位置調(diào)節(jié)連鑄機二冷水的流量、拉矯機的拉速以及輕壓下的壓下
量和壓下率。圖7至圖9b示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端檢測系統(tǒng)。結(jié)合參照圖7至圖％，電磁超聲波傳感器202由能同時發(fā)射電磁超聲波和接收電磁超聲波于一體的傳感器組成，此時，發(fā)射電磁超聲波的傳感器和接收電磁超聲波的傳感器共用一個磁鐵202a(如圖9a和圖9b所示)。圖9a和圖9b示出了磁鐵202a的結(jié)構(gòu)，如圖9a和圖9b所示，電磁超聲波傳感器中的磁鐵202a面向被測連鑄坯表面的外端面202a2的面積比遠(yuǎn)離連鑄坯表面的內(nèi)端面202al 的面積大，用于提高電磁超聲波的S/N比。優(yōu)選地，該磁鐵的中心設(shè)有用于線圈通過的孔 202b。端面202al和端面202a2均為長圓形。
該電磁超聲波傳感器202可以安裝在連鑄坯201上下左右的任一一個面上，本實施例里優(yōu)選安裝在連鑄坯201的上面。本實施例電磁超聲波傳感器202的結(jié)構(gòu)不僅可以減少電磁超聲波傳感器和傳感器定位裝置或驅(qū)動裝置的數(shù)量節(jié)約成本，而且安裝維護(hù)變得更為方便。電磁超聲波傳感器202通過傳感器定位裝置213固定在連鑄坯201上面相鄰的兩輥子203之間并保證傳感器與連鑄坯201之間有一個距離，該距離達(dá)6mm、仍能可靠地檢測到透過連鑄坯的電磁超聲波信號，并且避免了連鑄機生產(chǎn)前送引錠桿時的引錠桿、生產(chǎn)結(jié)束時連鑄坯的尾坯以及跳動的連鑄坯碰撞電磁超聲波傳感器202而損壞的問題，從而提高了電磁超聲波傳感器的可靠性，延長了電磁超聲波傳感器的使用壽命?？蛇x地，電磁超聲波傳感器202也可通過驅(qū)動裝置驅(qū)動電磁超聲波傳感器202沿連鑄坯201的寬面掃描，則在連鑄坯的寬面上只需要設(shè)置一個電磁超聲波傳感器202便能檢測到連鑄坯201固相201c內(nèi)邊界201b沿連鑄坯寬面方向的分布情況。該驅(qū)動裝置布置在連鑄坯鑄造方向有動態(tài)輕壓下的區(qū)間以及與該區(qū)間相鄰的上下游局部區(qū)段的各扇形段的設(shè)定位置。信號處理器208與電磁超聲波傳感器202電連接，用于對電磁超聲波傳感器202 的接收信號進(jìn)行選頻放大。計算機207與信號處理器208電連接，用于對信號處理器208 處理過的電磁超聲波傳感器的接收信號進(jìn)行相關(guān)運算，該相關(guān)運算是指選出信號處理器 208處理過的電磁超聲波傳感器的接收信號與電磁超聲波傳感器202的發(fā)射信號的脈寬、 頻率、幅度和波形相關(guān)的波?？刂破?06與計算機和連鑄機的控制系統(tǒng)電連接并根據(jù)固相 201c內(nèi)邊界201b和凝固末端201d的位置調(diào)節(jié)連鑄機二冷水的流量、拉矯機的拉速以及輕壓下的壓下量和壓下率。圖11是應(yīng)用于在線檢測連鑄坯固相內(nèi)邊界及凝固末端位置系統(tǒng)的信號處理方法的流程圖，該信號處理方法包括步驟S109，即移位電磁超聲波傳感器的接收信號波形到指定位置(簡稱移位)；步驟S111，即對移位到指定位置的電磁超聲波傳感器的接收信號波形進(jìn)行加和平均(簡稱加和平均)。由于連鑄機生產(chǎn)條件的變化導(dǎo)致連鑄坯內(nèi)部組織如柱狀晶、等軸晶搭橋跟隨變化，透過連鑄坯的電磁超聲波信號Sl(電磁超聲縱波)和^(電磁超聲橫波)被接收電磁超聲波的傳感器接受后其出現(xiàn)的位置和幅度也在時刻變化，如電磁超聲縱波的接收信號相對電磁超聲縱波的發(fā)射信號的時間滯后量τ 1和電磁超聲橫波的接收信號相對電磁超聲橫波的發(fā)射信號的時間滯后量Tt出現(xiàn)的位置隨著時間在不斷地變化，但該變化都在一定的范圍內(nèi)，經(jīng)過Nl (如4096)次有效采樣，統(tǒng)計附個τ 、τ t值時間上最可幾率即分布最密的τ值定為τ。1、τ ^即分別為電磁超聲縱波的接收信號相對電磁超聲縱波的發(fā)射信號的最可幾率的時間滯后量(簡稱電磁超聲縱波最可幾率的時間滯后量τ。1)和電磁超聲橫波的接收信號相對電磁超聲橫波的發(fā)射信號的最可幾率的時間滯后量(簡稱電磁超聲橫波最可幾率的時間滯后量τ/)。然后把電磁超聲縱波信號和電磁超聲橫波信號都以τ 、τι點分別移位到指定位置如τ。1、τ J進(jìn)行加和平均求出電磁超聲縱波信號的加和平均幅度值Tt、電磁超聲橫波信號的加和平均幅度值巧。若時刻變化的電磁超聲波信號Sl和M未進(jìn)行上述移位處理便進(jìn)行加和平均，則會使得接收到電磁超聲波信號變得更小，難以用來分析連鑄坯的固相內(nèi)邊界及凝固末端的位置更不用說提升電磁超聲波傳感器與連鑄坯之間的距離。可選地，在對電磁超聲波信號進(jìn)行移位處理和加和平均之前，可以對信號進(jìn)行甄別處理，即以大于噪聲幅度的某個數(shù)值作為甄別閾，只允許大于該甄別閾的信號通過(簡稱甄別)?？蛇x地，在對電磁超聲波信號進(jìn)行移位處理和加和平均之前，還可以對信號進(jìn)行相關(guān)運算，如從電磁超聲波的接收信號里選出連續(xù)三個與電磁超聲波的發(fā)射信號幅度、波形相關(guān)的波，如圖10示，從5個波里只選出中間連續(xù)三個幅度較大的波。圖12是根據(jù)本發(fā)明的連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端系統(tǒng)的在線檢測方法的流程圖。本發(fā)明的在線檢測方法包括如下步驟SlOl 信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號用于觸發(fā)電磁超聲波的發(fā)射；S103 電磁超聲波傳感器發(fā)射電磁超聲波和/或接收電磁超聲波；S105 信號處理器對電磁超聲波傳感器的接收信號進(jìn)行選頻放大；S107 計算機對信號處理器處理過的電磁超聲波傳感器的接收信號進(jìn)行相關(guān)運算；S109 移位電磁超聲波傳感器的接收信號波形到指定位置；Slll 對移位到指定位置的電磁超聲波傳感器的接收信號波形進(jìn)行加和平均；S113 給出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端位置。其中，電磁超聲波傳感器分布在連鑄坯鑄造方向上設(shè)有動態(tài)輕壓下的區(qū)間以及與該區(qū)間相鄰的上下游局部區(qū)段的各扇形段的設(shè)定位置，電磁超聲波傳感器中的磁鐵面向被測連鑄坯表面一端的端面積比遠(yuǎn)離連鑄坯表面一端的端面積大；相關(guān)運算是指選出信號處理器處理過的電磁超聲波傳感器的接收信號與電磁超聲波傳感器的發(fā)射信號的脈寬、頻率、幅度和波形相關(guān)的波。優(yōu)選地，為減少電磁超聲波傳感器沿連鑄坯寬面布置的數(shù)量，也可以使用電磁超聲波傳感器驅(qū)動裝置，用于驅(qū)動電磁超聲波傳感器沿連鑄坯的寬面掃描以獲得固相內(nèi)邊界線。計算機給出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端位置是指計算機根據(jù)加和平均后的信號提取加和平均幅度值P以及電磁超聲波傳感器的接收信號相對電磁超聲波傳感器的發(fā)射信號的時間滯后量τ進(jìn)行分析給出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端位置?？蛇x地，加和平均幅度值F包括電磁超聲橫波的加和平均幅度值巧和/或電磁超聲縱波加和平均幅度值V1 ；時間滯后量τ為給定采樣時間段內(nèi)的最可幾率的時間滯后量
τ c°優(yōu)選地，最可幾率的時間滯后量、包括電磁超聲橫波最可幾率的時間滯后量 τ J和/或電磁超聲縱波最可幾率的時間滯后量τ可選地，計算機在移位信號波形到指定位置之前對信號波形進(jìn)行甄別處理。優(yōu)選地，計算機給出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置是指給出電磁超聲橫波的加和平均幅度值巧小于指定閾值的區(qū)域分界線即為連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置，而電磁超聲縱波的加和幅度平均值罵以及電磁超聲橫波最可幾率的時間滯后量工？和電磁超聲縱波最可幾率的時間滯后量τ/對確定連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置有輔助作用。加和平均幅度值f隨電磁超聲波傳感器從連鑄坯的邊界向中心移動過程中逐漸下降或不變以及最可幾率時間滯后量τ。隨電磁超聲傳感器從連鑄坯的邊界向液芯移動過程中上升或不變。在檢測出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置時，可利用控制器根據(jù)固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置調(diào)節(jié)二冷水的流量、拉矯機的拉速以及輕壓下的壓下量和壓下速度，從而實現(xiàn)對動態(tài)輕壓下的工藝控制。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在線檢測連鑄坯固相內(nèi)邊界及凝固末端位置的系統(tǒng)，包括信號發(fā)生器、電磁超聲波傳感器、信號處理器、計算機、以及控制器，其特征在于，所述電磁超聲波傳感器布置在連鑄坯鑄造方向有動態(tài)輕壓下的區(qū)間以及與該區(qū)間相鄰的上下游局部區(qū)段的各扇形段的設(shè)定位置，所述電磁超聲波傳感器中的磁鐵面向被測連鑄坯表面一端的端面積比遠(yuǎn)離連鑄坯表面一端的端面積大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁超聲波傳感器包括發(fā)射電磁超聲波的傳感器和接收電磁超聲波的傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射電磁超聲波的傳感器和所述接收電磁超聲波的傳感器分別安裝在連鑄坯上下兩個面上或分別安裝在連鑄坯左右兩個面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射電磁超聲波的傳感器和所述接收電磁超聲波的傳感器分別同軸豎直地安裝在連鑄坯上下兩個面上或分別同軸水平地安裝在連鑄坯左右兩個面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射電磁超聲波的傳感器和所述接收電磁超聲波的傳感器同側(cè)地安裝在連鑄坯上下左右的任一面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁超聲波傳感器為集發(fā)射電磁超聲波功能和接收電磁超聲波功能于一體的傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁超聲波傳感器安裝在連鑄坯上下左右的任一面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括驅(qū)動裝置，所述驅(qū)動裝置與所述電磁超聲波傳感器連接，布置在連鑄坯鑄造方向有動態(tài)輕壓下的區(qū)間以及與該區(qū)間相鄰的上下游局部區(qū)段的各扇形段的設(shè)定位置，用于驅(qū)動所述電磁超聲波傳感器沿連鑄坯的寬面掃描。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處理器對所述電磁超聲波傳感器的接收信號進(jìn)行選頻放大。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機用于對所述信號處理器處理過的所述電磁超聲波傳感器的接收信號進(jìn)行相關(guān)運算，所述相關(guān)運算是指從所述信號處理器處理過的所述電磁超聲波傳感器的接收信號中選出與所述電磁超聲波傳感器的發(fā)射信號的脈寬、頻率、幅度和波形相關(guān)的波。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁超聲波傳感器中的磁鐵為永磁鐵或電磁鐵。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁超聲波為電磁超聲橫波和/或電磁超聲縱波。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器根據(jù)固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置調(diào)節(jié)二冷水的流量、拉矯機的拉速以及輕壓下的壓下量和壓下率。
14.一種根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項所述的在線檢測連鑄坯固相內(nèi)邊界及凝固末端位置的系統(tǒng)的信號處理方法，其特征在于，包括移位電磁超聲波傳感器的接收信號波形到指定位置；對移位到指定位置的所述電磁超聲波傳感器的接收信號波形進(jìn)行加和平均。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的信號處理方法，其特征在于，在所述移位電磁超聲波傳感器的接收信號波形到指定位置之前對所述電磁超聲波傳感器的接收信號波形進(jìn)行甄別處理。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的信號處理方法，其特征在于，所述電磁超聲波傳感器的接收信號波形為計算機對所述電磁超聲波傳感器的接收信號進(jìn)行相關(guān)運算的信號波形。
17.一種在線檢測連鑄坯固相內(nèi)邊界及凝固末端位置的方法，其特征在于，包括如下步驟信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號；電磁超聲波傳感器響應(yīng)所述激勵信號而發(fā)射電磁超聲波來感測連鑄坯；信號處理器對電磁超聲波傳感器的接收信號進(jìn)行選頻放大；計算機對所述信號處理器處理過的所述電磁超聲波傳感器的接收信號進(jìn)行相關(guān)運算以及對進(jìn)行所述相關(guān)運算后的信號使用根據(jù)權(quán)利要求14所述的信號處理方法并給出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端位置；以及控制器根據(jù)所述固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置調(diào)節(jié)二冷水的流量、拉矯機的拉速以及輕壓下的壓下量和壓下速度，其中，所述電磁超聲波傳感器分布在連鑄坯鑄造方向上設(shè)有動態(tài)輕壓下的區(qū)間以及與該區(qū)間相鄰的上下游局部區(qū)段的各扇形段的設(shè)定位置，所述電磁超聲波傳感器中的磁鐵面向被測連鑄坯表面一端的端面積比遠(yuǎn)離連鑄坯表面一端的端面積大，其中，所述相關(guān)運算是指選出所述信號處理器處理過的所述電磁超聲波傳感器的接收信號與所述電磁超聲波傳感器的發(fā)射信號的脈寬、頻率、幅度和波形相關(guān)的波。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，通過驅(qū)動裝置驅(qū)動所述電磁超聲波傳感器沿連鑄坯的寬面掃描。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述計算機給出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端位置是指所述計算機根據(jù)加和平均后的信號提取加和平均幅度值f以及電磁超聲波傳感器的接收信號相對電磁超聲波傳感器的發(fā)射信號的時間滯后量τ進(jìn)行分析，給出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端位置；所述分析包括根據(jù)所述加和平均幅度值I7小于指定閾值的區(qū)域分界線即為連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述加和平均幅度值f包括電磁超聲橫波的加和平均幅度值^和/或電磁超聲縱波加和平均幅度值巧，所述時間滯后量τ為給定采樣時間段內(nèi)的最可幾率的時間滯后量τ。。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述最可幾率的時間滯后量τ。包括電磁超聲橫波最可幾率的時間滯后量τ ？和/或電磁超聲縱波最可幾率的時間滯后量τ。1。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述計算機在移位信號波形到指定位置之前對所述信號波形進(jìn)行甄別處理。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述計算機給出連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置是指給出電磁超聲橫波的加和平均幅度值罵小于指定閾值的區(qū)域分界線即為連鑄坯固相內(nèi)邊界和凝固末端的位置。
24.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的方法，其特征在于，所述加和平均幅度值V隨電磁超聲波傳感器從連鑄坯的邊界向中心移動過程中逐漸下降或不變以及最可幾率的時間滯后量τ。隨所述電磁超聲傳感器從連鑄坯的邊界向液芯移動過程中上升或不變。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在線檢測連鑄坯固相內(nèi)邊界及凝固末端位置的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、電磁超聲波傳感器、信號處理器、計算機和控制器，其中，電磁超聲波傳感器布置在連鑄坯鑄造方向有動態(tài)輕壓下的區(qū)間以及與該區(qū)間相鄰的上下游局部區(qū)段的各扇形段的設(shè)定位置，電磁超聲波傳感器中的磁鐵面向被測連鑄坯表面一端的端面積比遠(yuǎn)離連鑄坯表面一端的端面積大。在本發(fā)明中，電磁超聲波傳感器中的磁鐵面向被測連鑄坯表面一端的端面積比遠(yuǎn)離連鑄坯表面一端的端面積大，可以用于提高電磁超聲波的信噪比。計算機對電磁超聲波信號的處理采用甄別、移位、加和平均的方式，可以大幅度提高電磁超聲波的信噪比。
文檔編號B22D11/16GK102500747SQ20111036194
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者田志恒, 田立, 田陸 申請人:田志恒