X射線測厚儀在熱軋板帶中的應用

(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內第一條特殊鋼板帶生產線，于2009年建成投產，主要生產鈦及鈦合金、鎳基耐熱合金、精密合金、特殊不銹鋼、低磁鋼、耐磨鋼、工模具鋼和合金結構鋼的鋼板及鋼卷，年設計產量鋼板17.3萬t、鋼卷10.92萬t。

板帶的厚度是板帶熱軋生產中最重要的參數之一，板帶成品的質量主要取決于板帶縱向厚度公差。作為熱軋板帶軋機基礎自動化功能的一個重要組成部分，測厚儀對軋鋼厚度控制起到至關重要的作用，測厚儀為軋機自動厚度控制提供測量值與設定值偏差信號，其精確的厚度測量功能是保證軋機厚度控制有效、正確的基本條件。

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

1 X射線測厚儀構成與測量原理

1.1 X射線測厚儀構成

X射線測厚儀主要由移動C型架、中央主控柜、水冷柜、報警裝置、就地操作箱組成，其結構如圖1所示。

圖1 X射線測厚儀系統框圖

C型架包括機械行走機構、X射線發生裝置(X射線管、高壓發生器、高壓電纜)、X射線檢測裝置(電離室探測器、信號放大器、A/D轉換器)。其中，X射線發生裝置產生X射線，電離室探測器接收X射線并轉換成微弱電流信號，放大轉換成數字信號后經以太網上傳至主控柜。

中央主控柜包括M-Server、M-Client、X射線控制器、交換機、Interbus總線。中央控制柜用于對測厚儀進行顯示、控制、監視，并與上位機進行通信，接收上位機下發的被測板帶信息(如軋號、軋制道次、軋制厚度目標值等)及上傳板帶測量厚度值。

水冷柜包括冷卻水外循環系統和內循環系統及吹掃系統。水冷柜用于對測厚儀系統進行冷卻和吹掃。

報警裝置包括一組不同顏色的警燈，指示X射線工作狀態，提醒人員防止射線傷害。

就地操作箱現場控制C型架行走和X射線屏蔽門的開關，其主要在檢修和厚度標定時使用。

1.2 X射線測厚儀測量原理

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

圖2 測量原理圖

X射線管在高壓電場作用下產生X射線，當X射線照射到被測材料時，一部分射線被被測物吸收，另一部分射線穿透被測物。穿過被測物的射線強度與被測物的厚度關系曲線如圖3所示。

圖3 射線強度與穿透物厚度關系曲線

射線透過被測物作用到電離室，在電離室被激發電離，得到微弱電信號。該電信號經前置放大和對數放大后，進行線性化、濾波處理，并給予材質、溫度等相關補償后，經以太網傳輸至過程計算機顯示，從而得到被測板帶的厚度值。

X射線透射過被測物后被吸收的規律遵守朗伯-比耳定律[1]，即：

Im=I0e-μs=I0e-μmρs

(1)

式中：I0、Im分別為穿過被測板帶前后的射線強度；μ、μm分別為被測板帶線性吸收系數和質量吸收系數；ρ為被測板帶密度；s為被測板帶厚度。

當被測板帶材質一定時，質量吸收系數μm和密度ρ一定，維持入射X射線強度，則通過檢測可得到Im，從而可計算出被測板帶的厚度s。這就是透射式X射線測厚儀的測量原理。

2 測量精度影響及補償

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

2.1 質量吸收系數

質量吸收系數μm的意義是1個光子被1 g物質吸收的概率。試驗證明，元素的質量吸收系數可近似用式(2)表示：

μm=CNZ4λ3/A

(2)

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

對由多元素組成的物質，μm與物質的物理和化學狀態無關，僅與組成物質各元素的原子序數和射線的波長(或光子能量)有關。由多元素組成的物質的質量吸收系數為：

μm=G1μm1+G2μm2+G3μm3+…

(3)

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

由式(2)可知，質量吸收系數與X射線的波長有關，X射線管發出的X射線是連續譜線，因此這里的質量吸收系數μm是一個等效平均值。由于μm與X射線管電壓的三次方成反比，為了使質量吸收系數μm為常數，必須維持X射線管管電壓穩定[1]。這是保證X射線測厚儀測量準確的條件。

2.2 合金成分補償

由式(2)與式(3)可知，質量吸收系數還與板帶的組成元素及各元素百分含量有關。因此，當被測板帶的成分發生變化時，導致其密度ρ發生變化，質量吸收系數μm也相應變化，從而使被測板帶對射線的吸收能力發生變化，導致厚度測量值的變化[2]。如果要確保X射線測厚儀測量精確，必須考慮被測板帶成分變化(也稱合金成分變化)對測量結果造成的影響。測厚儀必須對質量吸收系數μm和密度ρ的乘積進行修正，采取相應補償方式，才能降低合金成分變化對測量精度的影響。這種補償其實是對線性吸收系數μ的修正,也稱為合金成分補償。

X射線測厚儀X射線管產生的X射線是連續譜，低能量部分容易被物質所吸收，在采用低能量范圍的X射線測厚儀中，某個特定元素的原子序數也是起作用的。由于不同原子序數的吸收能力是不同的，在計算合金補償系數時，既要考慮被測板帶不同合金成分元素密度對厚度測量精度的影響，又要考慮原子序數的變化對厚度測量精度的影響，因此對這兩個影響因素(不同成分原子序數和元素的密度)都要進行補償。補償前后厚度關系如下：

s=s′/AI

(4)

式中：s為合金補償后板帶厚度值；s′為純鐵板帶材料測量測得的厚度值；AI為板帶合金成分補償系數。AI的表達式為：

AI=AI(ρ)AI(z)

(5)

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

當測量純鐵板時無需合金補償，如用德國IMS公司提供標準純鐵樣板對測厚儀進行標定時，AI值必須設置為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；AI(ρ)-cor(x)為變量“x元素的密度”的函數，表示x元素的密度修正系數，AI(ρ)-cor(x)=(x元素的密度/鐵的密度)-1；AI(z)-cor(x)為變量“x元素的質量吸收系數”的函數，表示x元素的原子序數修正系數，AI(z)-cor(x)=(x元素質量吸收系數/鐵元素質量吸收系數)-1。

2.3 合金成分補償方式實現

德國IMS公司的X射線測厚儀合金補償功能通過下列方式實現:軋制前通過上位機下發當前軋制板帶的合金成分和成分百分比含量，測厚儀系統根據式(4)～式(7)自動求得合金成分補償系數，完成合金補償功能。

針對每一被測板帶合金成分和各成分所占百分比，通過采集相應冶煉爐次鋼水的實際檢驗測量數據來進行合金補償，能夠反映板帶合金成分構成的真實情況。這在一定程度上減小了合金成分變化吸收補償系數造成的帶鋼厚度測量偏差[3]。

2.4 合金成分補償系數修正

在實際軋制生產中，對碳鋼及一些含鐵成分百分比含量大的被測合金板帶，采用上述合金成分補償方法，可以得到較好的測量精度。但使用中發現對有些含鐵成分百分比含量遠偏離純鐵材料(如鈦合金板帶等)的被測合金板帶，采用IMS自動求得的合金成分補償系數進行測量時，所得厚度有一定偏差。這是因為IMS的X射線測厚儀合金成分補償方法是基于純鐵材料的；同時即使同一鋼種，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IMS計算機給出的合金成分變化補償系數進行修正。修正方法如下。

事先準備一塊已知合金成分的(300 mm×300 mm左右)某一鋼種樣板，用千分尺測量出其平均厚度a，在校正純鐵狀態下(合金補償系數設置為1的情況下)，用X射線測厚儀測量上述樣板的厚度b，得出一個修正合金成分補償系數：

A=a/b

(8)

在軋制這種合金鋼種板帶時，上位機下發的X射線測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K，最終的合金成分補償系數為：

AI′=KA

(9)

在X射線測厚儀計算機合金補償編輯器畫面上新建這個鋼種代碼，在合金成分表上輸入上述樣板合金元素百分比數，再輸入上述手工修正系數A。正式軋制這種鋼種時，測厚儀計算機根據上位機下發的被測板帶合金成分(來自冶煉廠鋼水檢化驗數據)，自動計算出被測材料糾正系數K和最終合金補償系數AI′。

3 實施效果

特材公司熱軋廠軋制某一新試合金材料，在同樣測量條件下，測厚儀使用上位機發來的新試材料合金成分和成分百分比含量，算出合金補償系數和修正后的合金補償系數，經X射線測厚儀測量得到的被測板帶中心厚度如圖4所示。

圖4 合金補償系數修正前后測量厚度曲線

觀察圖4所示測厚儀厚度測量曲線記錄可知，按修正后合金成分補償系數進行板帶厚度測量，板帶測量厚度偏差明顯減少，測量厚度平均偏差小于10 μm，測厚精度小于0.1%，達到了很好的測量精度。

4 結束語

結合X射線測厚儀測量原理，討論了測厚儀厚度測量精度影響因素，重點分析了被測材料合金成分對測厚儀測量精度的影響，并提出了合金成分補償消除措施及合金成分補償系數修正方法。

實際應用表明，該修正方法明顯提高了X射線測厚儀測量精度，為板帶的自動厚度控制軋制提供了良好的技術保證，大大提高了板帶產品質量，具有一定的推廣應用價值。

[1] 張宏勛.過程機械量儀表[M].北京：冶金工業出版社，1985：112-119.

[2] 朱建芬,梁煦宏,陳仁光.智能輻射測厚儀的測量精度集成處理[J].傳感器與微系統，2006，26(5)：48-51.

[3] 魏運鵬,方偉新.X射線測厚儀測量精度影響因素及補償措施[J].自動化儀表，2011，32(10)：79-82.