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基于脉冲涡流技术的连铸坯表面缺陷检测欧阳奇暋张暋敏暋赵立明暋张立志重庆大学,重庆,400044摘要:为了实现高温连铸坯表面及近表面缺陷在线检测和缺陷坯及时分拣,提出了连铸坯表面缺陷脉冲涡流检测方法并进行了实验研究。对连铸坯表面缺陷的脉冲涡流检测信号进行差分分析和时域分析,提取了连铸坯表面缺陷信号的电压峰值、峰值时间及过零时间等特征量,并分析得到点缺陷、线缺陷、星状裂纹等缺陷对脉冲涡流检测信号特征值的影响规律。研究表明,采用脉冲涡流技术实现高温连铸坯表面及近表面缺陷的无损在线检测技术是可行的,电压峰值、过零时间和峰值时间与缺陷种类及缺陷的形态密切相关,为进一步研究高温铸坯表面缺陷检测和重构奠定了基础。关键词:脉冲涡流;表面缺陷;连铸坯;无损检测中图分类号:TF777暋暋暋文章编号:1004—132X(2010)10—1235—05StudyonContinuousCastingBilletSurfaceDefectDetectionBasedonPulsedEddyCurrentTechniqueOuyangQi暋ZhangMin暋ZhaoLiming暋ZhangLizhiChongqingUniversity,Chongqing,400044Abstract:Inordertorealizesurfaceandnear-surfacedefecton-linemonitoringandsortingforhightemperaturecontinuouscastingbillet,aPECmethodswasproposedandexperimentalstudieswerecarriedout.Throughdifferentialsignalanalysisandtime-domainanalysisforthedetectioncoiloutputsignalsofeddycurrentsensor,thefeatureparameters,suchasvoltagepeak,peaktimeandzero-crossingtime,wereextracted,andtheimpactlawoftheparameterswasstudiedforpointdefects,linesdefectsandstarcracks.TheresearchshowsthatthePECtechnologyforsurfacedefectmonitoringofhightemperaturecontinuouscastingbilletisfeasible,andthefeatureparameters,suchasvoltagepeak,peaktimeandzero-crossingtime,arerelatedcloselytodefectkindandform,andislaidthefoundationforfurtherstudyonsurfacedefectdetectionon-lineforhightemperaturecontinuouscastingbillet.Keywords:pulsededdycurrent(PEC);surfacedefect;continuouscastingbillet;NDT收稿日期:2009—08—03基金项目:国家自然科学基金和上海宝钢联合基金资助项目(50974151);重庆市自然科学基金资助项目(2008BB0162)0暋引言实现高温铸坯热送热装及直接轧制的支撑技术有:无缺陷连铸坯的生产技术,包括防止铸坯表面缺陷和内部缺陷的一系列技术措施以及热态下铸坯质量的检测技术;高温连铸坯的生产技术,包括铸坯液芯复热、铸坯保温、铸坯补偿加热和快速运转等技术[1]。生产无缺陷铸坯是实现热装和直接轧制的前提。虽然连铸技术仍在不断改进,但由于非稳态生产、连铸技术的不成熟及各类生产事故,使得连铸坯特别是连铸板坯的表面缺陷仍难以避免,因而在热送和直接轧制过程中必然存在缺陷坯,其中,铸坯纯净度缺陷占到全部缺陷约95%,由于没有有效的判定手段,此类缺陷坯有时得不到分拣,基本全部流入下道工序,对热轧板卷的质量危害也最为严重,常常是冷轧厂退废的主要原因。铸坯纯净度缺陷是与炼钢、二次精炼、连铸、轧钢和热处理等工艺过程密切相关的,同时受设备、操作、工艺、管理等因素的影响,因此必须严格控制工艺和操作等,才能找到提高产品质量的对策。铸坯表面缺陷约占到全部缺陷的3%,内部缺陷约1%,形状缺陷约1%,但每年给企业造成的直接和间接经济损失在100万元以上。可见,缺陷坯得到及时分拣,避免企业损失扩大化已经成为钢铁企业生产线的迫切需要。法国钢铁研究院和索里梅公司首次运用电涡流对连铸半成品进行探伤检测[2];德国蒂森公司、法国洛林公司和意大利达涅利公司通过使用多通道和多组探头技术,对铸坯表面3mm深的裂纹和各种有害缺陷的检测进行了试验研究[3];澳大利亚的罗肯希尔公司于1980年开始研制热板坯涡流检测系统[4];北京钢铁研究总院的贾慧明等[5]进行了1100曟以上高温连铸板坯表面缺陷模拟在线无损检测的实验研究。北京科技大学的李希胜等[6]在连铸热坯双频涡流探伤技术方面取得了一定的研究成果。本文借鉴近年来发展的脉冲涡流(pulseeddycur灢rent,PEC)检测技术,提出连铸坯表面及近表面缺陷脉冲电涡流无损检测方法,开展了室温下铸坯表·5321·基于脉冲涡流技术的连铸坯表面缺陷检测———欧阳奇暋张暋敏暋赵立明等面及近表面缺陷检测的实验研究,为实现高温铸坯在线无损检测提供了理论基础和技术支撑。1暋脉冲涡流检测技术的基本原理脉冲涡流的激励电流为一个重复的宽带脉冲,通常为具有一定占空比的方波,激励线圈中的脉冲电流感生出一个快速衰减的脉冲磁场,变化的磁场在导体试件中感应出瞬时涡流(脉冲涡流),此脉冲涡流向导体试件内部传播,又会感应出一个快速衰减的涡流磁场,随着涡流磁场的衰减,检测线圈上就会感应出随时间变化的电压。当被测试件内部结构发生改变时,势必对涡流分布产生影响,从而影响到磁场分布,感应出的电压信号就会在幅值、峰值等特征明显的地方发生改变。所以,通过测量瞬态感应电压信号就可以得到有关试件的尺寸、类型和结构参数等信息[7]。脉冲涡流作用原理框图见图1。图1暋脉冲涡流作用原理框图在涡流无损检测中,工作频率选择关系到涡流是否能够穿透到存在缺陷的位置,如果穿透深度不够,就无法实现对缺陷的检测。穿透深度与激励频率、导体的电导率和磁导率有如下关系[8]:毮0=1毿氁毺f式中,毮0为标准透入深度,m;f为交流电流的频率;毺为金属试件的磁导率,H/m;氁为金属试件的电导率,S/m。可知,要想增加脉冲涡流的穿透深度,必须增加脉冲的宽度或减小脉冲的频率,但这样会导致缺陷检测灵敏度降低。根据法拉第电磁感应定律,检测线圈上的瞬态感应电压Vf为[9]Vf=曇曇Vp(r,z,t)drdz曇曇drdzVp=-灥灥t曇曇BdS=-灥灥t曇曇(Ñ暚A暚)=-曇c灥暚A暚灥tdl式中,Vp为点检测线圈感应电压;B为感应磁场强度;暚A暚为感应磁场矢量范数;S为感应线圈的截面积。如果有缺陷存在,就会使感应磁场强度B发生变化,最终使得检测线圈上的瞬态感应电压发生变化。由于脉冲包含很宽的频谱,并且脉冲涡流比单一频率正弦涡流衰减得慢,所以瞬态感应电压信号中就包含重要的有关缺陷的信息。脉冲涡流检测系统主要由4个部分组成,即脉冲信号发生器、传感器(激励和检测线圈)、被测试件和数据采集与处理模块。如图2所示。图2暋脉冲涡流系统框图2暋实验装置及测试方案2.1暋实验装置实验装置如图3所示。由脉冲信号发生器得到脉冲信号,其信号形式为一定占空比的矩形波,此脉冲信号激励涡流传感器的线圈进行检测;然后,试件感应产生瞬时涡流信号,此涡流信号产生的次生磁场和原生磁场相互作用,系统使用涡流传感器拾取该磁场特征,并转换为电压信号;而后,通过放大器进行放大处理;最后,由信号采集器采得信号并存于计算机中,便于下一步进行信号处理。图3暋实验装置图2.2暋实验测试方案测试试件采用Q235钢板,长暳宽暳厚为335mm暳135mm暳8.5mm。为了实现对不同缺陷的检测实验,在这块钢板上人为加工点缺陷、线缺陷、星型缺陷等缺陷,采用C1~C7表示,如图4所示。本实验中,采用电涡流传感器进行检测,传感器探头由线圈、圆柱形铁氧体组成,漆包线直径为0灡01mm,紧密绕在铁氧体表面,绕制匝数为50匝,铁氧体直径为10mm,通过脉冲信号发生器输出1灡0MHz的脉冲信号(占空比为0灡5)。具体实验操作如下:栙将传感器探头固定于支架上;栚调整探头与试件间距,使之为0灡5mm,旋紧紧固螺钉;栛连接放大电路、功率函数信号发生器、电涡流传感器、LeCroy6030示波器与功率放大器,并·6321·中国机械工程第21卷第10期2010年5月下半月图4暋试件缺陷示意图接好供电电源;栜移动钢板使探头位于无缺陷处,记录感应电压;栞移动钢板,调整钢板上的缺陷位于探头正下方,依次记录各个缺陷的感应电压;栟采用USB存储器导出示波器存储的实验数据作数据处理分析。3暋实验结果分析3.1暋脉冲涡流差分检测为了减小提离效应的影响,本文采用差分方法来处理检测线圈输出信号。如果将检测线圈放置在被检试样的无缺陷处,所获得的基本响应信号为参考信号,参考信号减去被检试样的响应信号即为差动信号。图5所示为本实验所得的脉冲涡流差动瞬时信号响应。1.参考信号暋2.缺陷信号暋3.差分信号图5暋脉冲涡流差分检测波形实验中将采集得到的数据取脉冲信号第一次达到最大值的数据段,将缺陷信号与参考信号相减,根据脉冲涡流差分检测原理得到差分信号。由图5可以看出,差分信号存在很多毛刺,这是因为脉冲涡流响应信号容易受到外界环境的干扰,产生了较大的随机误差,通过曲线拟合的方法可以消除随机误差,如图6a所示。采用多项式法拟合(拟合阶数为4,拟合系数为0灡95)处理后,可得到图6b所示的平滑曲线。3.2暋铸坯表面缺陷时域分析与常规涡流信号不同,脉冲涡流获得的是瞬(a)拟合处理前的差动信号(b)拟合处理后的差动信号图6暋拟合处理前后的差动信号态信号,因此其数值分析主要在时域中进行。检测线圈上感应的时域瞬态信号波形如图7所示。图7暋时域波形及特征量对脉冲涡流信号提取3个特征信号:栙电压峰值的高度即电压峰值;栚电压第一次到达峰值的时间即峰值时间;栛电压穿过零点的时间即过零时间。脉冲涡流通常提取该信号的峰值和过零时间为特征量对缺陷进行定量检测。其中,峰值是指脉冲涡流时域瞬态波形的最大值,过零时间是指从脉冲的上升沿激励开始到脉冲涡流感应信号过零点的时间间隔。图8所示为相同深度不同直径的表面裂纹(点缺陷)的电压变化波形,表1所示是对图8所示脉冲涡流信号提取的特征值,从图8和表1中1.深度暳直径为2.0mm暳0.5mm暋2.深度暳直径为2.0mm暳1.0mm暋3.深度暳直径为2.0mm暳2.0mm图8暋相同深度不同直径的点缺陷的电压变化量·7321·基于脉冲涡流技术的连铸坯表面缺陷检测———欧阳奇暋张暋敏暋赵立明等可以看出,对于相同深度的表面裂纹,其电压变化量波形最大值出现的时间相同,峰值、过零时间随着裂纹直径的增大而变大。表1暋相同深度不同直径的点缺陷的特征值点缺陷尺寸深度(mm)暳直径(mm)电压峰值(mV)峰值时间(ns)过零时间(ns)2.0暳2.0180188722.0暳1.0260188802.0暳0.532018884暋暋图9所示为相同直径不同孔深的表面裂纹(点缺陷)的电压变化波形,表2所示是图9所示脉冲涡流信号提取的特征值,从图9和表2中可以看出,对于直径相同的表面裂纹,随裂纹深度的增加,峰值变小,峰值时间值随裂纹深度的增加而增加。1.深度暳直径为2.0mm暳2.0mm2.深度暳直径为3.0mm暳2.0mm3.深度暳直径为4.0mm暳2.0mm4.深度暳直径为6.0mm暳2.0mm图9暋相同直径不同深度的点缺陷的电压变化量表2暋相同直径不同深度的点缺陷的检测信号特征值点