(寶鋼特種材料有限公司，上海 200940)

0 引言

寶鋼特材公司熱軋廠作為國(guó)內(nèi)第一條特殊鋼板帶生產(chǎn)線，于2009年建成投產(chǎn)，主要生產(chǎn)鈦及鈦合金、鎳基耐熱合金、精密合金、特殊不銹鋼、低磁鋼、耐磨鋼、工模具鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼的鋼板及鋼卷，年設(shè)計(jì)產(chǎn)量鋼板17.3萬(wàn)t、鋼卷10.92萬(wàn)t。

板帶的厚度是板帶熱軋生產(chǎn)中最重要的參數(shù)之一，板帶成品的質(zhì)量主要取決于板帶縱向厚度公差。作為熱軋板帶軋機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化功能的一個(gè)重要組成部分，測(cè)厚儀對(duì)軋鋼厚度控制起到至關(guān)重要的作用，測(cè)厚儀為軋機(jī)自動(dòng)厚度控制提供測(cè)量值與設(shè)定值偏差信號(hào)，其精確的厚度測(cè)量功能是保證軋機(jī)厚度控制有效、正確的基本條件。

特材公司熱軋廠軋線上測(cè)厚儀是從德國(guó)IMS公司引進(jìn)的X射線厚度測(cè)量裝置，其安裝在精軋機(jī)前。它是一種以X射線為載體的透射式非接觸式厚度測(cè)量系統(tǒng)，在不接觸和無(wú)破壞的條件下完成板帶厚度測(cè)量，厚度測(cè)量范圍為1.0～40.0 mm。該儀表具有響應(yīng)速度快、噪聲低(2σ≤±0.1%，其中，σ用于統(tǒng)計(jì)平均誤差百分比指標(biāo)，表明誤差正態(tài)分布情況)、測(cè)量精度高(≤±0.1%)、穩(wěn)定性好(8 h漂移≤±0.1%)等特點(diǎn)。

1 X射線測(cè)厚儀構(gòu)成與測(cè)量原理

1.1 X射線測(cè)厚儀構(gòu)成

X射線測(cè)厚儀主要由移動(dòng)C型架、中央主控柜、水冷柜、報(bào)警裝置、就地操作箱組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 X射線測(cè)厚儀系統(tǒng)框圖

C型架包括機(jī)械行走機(jī)構(gòu)、X射線發(fā)生裝置(X射線管、高壓發(fā)生器、高壓電纜)、X射線檢測(cè)裝置(電離室探測(cè)器、信號(hào)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器)。其中，X射線發(fā)生裝置產(chǎn)生X射線，電離室探測(cè)器接收X射線并轉(zhuǎn)換成微弱電流信號(hào)，放大轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后經(jīng)以太網(wǎng)上傳至主控柜。

中央主控柜包括M-Server、M-Client、X射線控制器、交換機(jī)、Interbus總線。中央控制柜用于對(duì)測(cè)厚儀進(jìn)行顯示、控制、監(jiān)視，并與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)下發(fā)的被測(cè)板帶信息(如軋?zhí)?、軋制道次、軋制厚度目?biāo)值等)及上傳板帶測(cè)量厚度值。

水冷柜包括冷卻水外循環(huán)系統(tǒng)和內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)及吹掃系統(tǒng)。水冷柜用于對(duì)測(cè)厚儀系統(tǒng)進(jìn)行冷卻和吹掃。

報(bào)警裝置包括一組不同顏色的警燈，指示X射線工作狀態(tài)，提醒人員防止射線傷害。

就地操作箱現(xiàn)場(chǎng)控制C型架行走和X射線屏蔽門的開關(guān)，其主要在檢修和厚度標(biāo)定時(shí)使用。

1.2 X射線測(cè)厚儀測(cè)量原理

作為穿透式測(cè)厚儀，X射線測(cè)厚儀是根據(jù)射線被板帶吸收的原理制成的，其測(cè)量原理圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量原理圖

X射線管在高壓電場(chǎng)作用下產(chǎn)生X射線，當(dāng)X射線照射到被測(cè)材料時(shí)，一部分射線被被測(cè)物吸收，另一部分射線穿透被測(cè)物。穿過(guò)被測(cè)物的射線強(qiáng)度與被測(cè)物的厚度關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 射線強(qiáng)度與穿透物厚度關(guān)系曲線

射線透過(guò)被測(cè)物作用到電離室，在電離室被激發(fā)電離，得到微弱電信號(hào)。該電信號(hào)經(jīng)前置放大和對(duì)數(shù)放大后，進(jìn)行線性化、濾波處理，并給予材質(zhì)、溫度等相關(guān)補(bǔ)償后，經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至過(guò)程計(jì)算機(jī)顯示，從而得到被測(cè)板帶的厚度值。

X射線透射過(guò)被測(cè)物后被吸收的規(guī)律遵守朗伯-比耳定律[1]，即：

Im=I0e-μs=I0e-μmρs

(1)

式中：I0、Im分別為穿過(guò)被測(cè)板帶前后的射線強(qiáng)度；μ、μm分別為被測(cè)板帶線性吸收系數(shù)和質(zhì)量吸收系數(shù)；ρ為被測(cè)板帶密度；s為被測(cè)板帶厚度。

當(dāng)被測(cè)板帶材質(zhì)一定時(shí)，質(zhì)量吸收系數(shù)μm和密度ρ一定，維持入射X射線強(qiáng)度，則通過(guò)檢測(cè)可得到Im，從而可計(jì)算出被測(cè)板帶的厚度s。這就是透射式X射線測(cè)厚儀的測(cè)量原理。

2 測(cè)量精度影響及補(bǔ)償

X射線測(cè)厚儀作為非接觸式測(cè)量裝置,存在很多影響測(cè)量精度的因素，具體包括：①外部使用環(huán)境，如C型架測(cè)量通道空間溫度變化、被測(cè)板帶表面氧化鐵皮和水、測(cè)量窗口清潔等；②被測(cè)材料測(cè)量位置，如鋼板高度位置平行變化、鋼板的傾斜等；③測(cè)厚儀本身，如X射線穩(wěn)定性(即X射線管管電壓、管電流穩(wěn)定)、測(cè)量元件可靠性及信號(hào)處理穩(wěn)定性；④被測(cè)板帶溫度、被測(cè)板帶材料。這些影響都需要在測(cè)厚儀測(cè)量信號(hào)處理中進(jìn)行校對(duì)、修正及補(bǔ)償。對(duì)于X射線光測(cè)厚儀來(lái)說(shuō),被測(cè)材料的不同對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響是最大的。因此，本文著重介紹不同被測(cè)材料對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響原因、測(cè)量時(shí)采取的相應(yīng)補(bǔ)償措施和修正方法。

2.1 質(zhì)量吸收系數(shù)

質(zhì)量吸收系數(shù)μm的意義是1個(gè)光子被1 g物質(zhì)吸收的概率。試驗(yàn)證明，元素的質(zhì)量吸收系數(shù)可近似用式(2)表示：

μm=CNZ4λ3/A

(2)

式中：N為阿伏伽德羅常數(shù)，為6.02×1023l/mol；A為元素的質(zhì)量數(shù)；Z為元素的原子序數(shù)；λ為射線的波長(zhǎng)；C為常數(shù)，在有限的波長(zhǎng)與有限的原子序數(shù)范圍內(nèi)它是一個(gè)常數(shù)。

對(duì)由多元素組成的物質(zhì)，μm與物質(zhì)的物理和化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)，僅與組成物質(zhì)各元素的原子序數(shù)和射線的波長(zhǎng)(或光子能量)有關(guān)。由多元素組成的物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)為：

μm=G1μm1+G2μm2+G3μm3+…

(3)

式中：G1、G2、G3為各元素重量百分含量；μm1、μm2、μm3為各元素質(zhì)量吸收系數(shù)。

由式(2)可知，質(zhì)量吸收系數(shù)與X射線的波長(zhǎng)有關(guān)，X射線管發(fā)出的X射線是連續(xù)譜線，因此這里的質(zhì)量吸收系數(shù)μm是一個(gè)等效平均值。由于μm與X射線管電壓的三次方成反比，為了使質(zhì)量吸收系數(shù)μm為常數(shù)，必須維持X射線管管電壓穩(wěn)定[1]。這是保證X射線測(cè)厚儀測(cè)量準(zhǔn)確的條件。

2.2 合金成分補(bǔ)償

由式(2)與式(3)可知，質(zhì)量吸收系數(shù)還與板帶的組成元素及各元素百分含量有關(guān)。因此，當(dāng)被測(cè)板帶的成分發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致其密度ρ發(fā)生變化，質(zhì)量吸收系數(shù)μm也相應(yīng)變化，從而使被測(cè)板帶對(duì)射線的吸收能力發(fā)生變化，導(dǎo)致厚度測(cè)量值的變化[2]。如果要確保X射線測(cè)厚儀測(cè)量精確，必須考慮被測(cè)板帶成分變化(也稱合金成分變化)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。測(cè)厚儀必須對(duì)質(zhì)量吸收系數(shù)μm和密度ρ的乘積進(jìn)行修正，采取相應(yīng)補(bǔ)償方式，才能降低合金成分變化對(duì)測(cè)量精度的影響。這種補(bǔ)償其實(shí)是對(duì)線性吸收系數(shù)μ的修正,也稱為合金成分補(bǔ)償。

X射線測(cè)厚儀X射線管產(chǎn)生的X射線是連續(xù)譜，低能量部分容易被物質(zhì)所吸收，在采用低能量范圍的X射線測(cè)厚儀中，某個(gè)特定元素的原子序數(shù)也是起作用的。由于不同原子序數(shù)的吸收能力是不同的，在計(jì)算合金補(bǔ)償系數(shù)時(shí)，既要考慮被測(cè)板帶不同合金成分元素密度對(duì)厚度測(cè)量精度的影響，又要考慮原子序數(shù)的變化對(duì)厚度測(cè)量精度的影響，因此對(duì)這兩個(gè)影響因素(不同成分原子序數(shù)和元素的密度)都要進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償前后厚度關(guān)系如下：

s=s′/AI

(4)

式中：s為合金補(bǔ)償后板帶厚度值；s′為純鐵板帶材料測(cè)量測(cè)得的厚度值；AI為板帶合金成分補(bǔ)償系數(shù)。AI的表達(dá)式為：

AI=AI(ρ)AI(z)

(5)

式中：AI(ρ)為被測(cè)板帶密度變化補(bǔ)償系數(shù)；AI(z)為被測(cè)板帶合金成分原子序數(shù)變化補(bǔ)償系數(shù)。

當(dāng)測(cè)量純鐵板時(shí)無(wú)需合金補(bǔ)償，如用德國(guó)IMS公司提供標(biāo)準(zhǔn)純鐵樣板對(duì)測(cè)厚儀進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，AI值必須設(shè)置為1。

AI(p)=1+∑{G%(x)×[AI(p)-cor(x)]}

(6)

AI(z)=1+∑{G%(x)×[AI(z)-cor(x)]}

(7)

式中：G%(x)為x元素在板帶中的重量百分比系數(shù)；AI(ρ)-cor(x)為變量“x元素的密度”的函數(shù)，表示x元素的密度修正系數(shù)，AI(ρ)-cor(x)=(x元素的密度/鐵的密度)-1；AI(z)-cor(x)為變量“x元素的質(zhì)量吸收系數(shù)”的函數(shù)，表示x元素的原子序數(shù)修正系數(shù)，AI(z)-cor(x)=(x元素質(zhì)量吸收系數(shù)/鐵元素質(zhì)量吸收系數(shù))-1。

2.3 合金成分補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)

德國(guó)IMS公司的X射線測(cè)厚儀合金補(bǔ)償功能通過(guò)下列方式實(shí)現(xiàn):軋制前通過(guò)上位機(jī)下發(fā)當(dāng)前軋制板帶的合金成分和成分百分比含量，測(cè)厚儀系統(tǒng)根據(jù)式(4)～式(7)自動(dòng)求得合金成分補(bǔ)償系數(shù)，完成合金補(bǔ)償功能。

針對(duì)每一被測(cè)板帶合金成分和各成分所占百分比，通過(guò)采集相應(yīng)冶煉爐次鋼水的實(shí)際檢驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行合金補(bǔ)償，能夠反映板帶合金成分構(gòu)成的真實(shí)情況。這在一定程度上減小了合金成分變化吸收補(bǔ)償系數(shù)造成的帶鋼厚度測(cè)量偏差[3]。

2.4 合金成分補(bǔ)償系數(shù)修正

在實(shí)際軋制生產(chǎn)中，對(duì)碳鋼及一些含鐵成分百分比含量大的被測(cè)合金板帶，采用上述合金成分補(bǔ)償方法，可以得到較好的測(cè)量精度。但使用中發(fā)現(xiàn)對(duì)有些含鐵成分百分比含量遠(yuǎn)偏離純鐵材料(如鈦合金板帶等)的被測(cè)合金板帶，采用IMS自動(dòng)求得的合金成分補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，所得厚度有一定偏差。這是因?yàn)镮MS的X射線測(cè)厚儀合金成分補(bǔ)償方法是基于純鐵材料的；同時(shí)即使同一鋼種，不同冶煉爐次材料合金成分和成分百分比含量也不一定相同，也有一定偏差。因此，還必須對(duì)IMS計(jì)算機(jī)給出的合金成分變化補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行修正。修正方法如下。

事先準(zhǔn)備一塊已知合金成分的(300 mm×300 mm左右)某一鋼種樣板，用千分尺測(cè)量出其平均厚度a，在校正純鐵狀態(tài)下(合金補(bǔ)償系數(shù)設(shè)置為1的情況下)，用X射線測(cè)厚儀測(cè)量上述樣板的厚度b，得出一個(gè)修正合金成分補(bǔ)償系數(shù)：

A=a/b

(8)

在軋制這種合金鋼種板帶時(shí)，上位機(jī)下發(fā)的X射線測(cè)厚儀合金成分百分比含量與樣板合金成分百分比含量存在偏差，從而得到糾正系數(shù)K，最終的合金成分補(bǔ)償系數(shù)為：

AI′=KA

(9)

在X射線測(cè)厚儀計(jì)算機(jī)合金補(bǔ)償編輯器畫面上新建這個(gè)鋼種代碼，在合金成分表上輸入上述樣板合金元素百分比數(shù)，再輸入上述手工修正系數(shù)A。正式軋制這種鋼種時(shí)，測(cè)厚儀計(jì)算機(jī)根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的被測(cè)板帶合金成分(來(lái)自冶煉廠鋼水檢化驗(yàn)數(shù)據(jù))，自動(dòng)計(jì)算出被測(cè)材料糾正系數(shù)K和最終合金補(bǔ)償系數(shù)AI′。

3 實(shí)施效果

特材公司熱軋廠軋制某一新試合金材料，在同樣測(cè)量條件下，測(cè)厚儀使用上位機(jī)發(fā)來(lái)的新試材料合金成分和成分百分比含量，算出合金補(bǔ)償系數(shù)和修正后的合金補(bǔ)償系數(shù)，經(jīng)X射線測(cè)厚儀測(cè)量得到的被測(cè)板帶中心厚度如圖4所示。

圖4 合金補(bǔ)償系數(shù)修正前后測(cè)量厚度曲線

觀察圖4所示測(cè)厚儀厚度測(cè)量曲線記錄可知，按修正后合金成分補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行板帶厚度測(cè)量，板帶測(cè)量厚度偏差明顯減少，測(cè)量厚度平均偏差小于10 μm，測(cè)厚精度小于0.1%，達(dá)到了很好的測(cè)量精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合X射線測(cè)厚儀測(cè)量原理，討論了測(cè)厚儀厚度測(cè)量精度影響因素，重點(diǎn)分析了被測(cè)材料合金成分對(duì)測(cè)厚儀測(cè)量精度的影響，并提出了合金成分補(bǔ)償消除措施及合金成分補(bǔ)償系數(shù)修正方法。

實(shí)際應(yīng)用表明，該修正方法明顯提高了X射線測(cè)厚儀測(cè)量精度，為板帶的自動(dòng)厚度控制軋制提供了良好的技術(shù)保證，大大提高了板帶產(chǎn)品質(zhì)量，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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[3] 魏運(yùn)鵬,方偉新.X射線測(cè)厚儀測(cè)量精度影響因素及補(bǔ)償措施[J].自動(dòng)化儀表，2011，32(10)：79-82.