超聲波檢測技術在高溫冶金中的應用

朱曉會

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250000）

近些年來，超聲波檢測技術在高溫冶金過程中有了長足進步，諸如鋼液深度、夾雜物檢測、鋼液凝固中固液相界位置的確定等等，都可以通過超聲波檢測技術來進行判定，這對于高溫冶金工作的更好開展提供了強有力支撐[1]。

1 超聲波檢測技術概述

超聲波檢測技術的應用在道路施工領域最為常見，主要適用于對高等級水泥路面路基質量進行檢測，主要包括樁內單孔透射法、樁外孔透射法、樁內跨孔透射法等檢測方法。該技術方法在實踐應用中具有激發容易、檢測工藝簡單等等優勢特點。

超聲波是一種頻率高于人耳能聽到的頻率（20Hz～20KHz）的聲波。超聲波在應用于水泥路面的質量檢測中具有穩定可靠的表現效果[2]。在常規狀態下，超聲波的上限頻率為和下限頻率分別為100KHz和20KHz。

超聲波作為波的一類，在運行傳輸過程中具有波的典型規律特征。例如，超聲波在材料中的傳播以直接的狀態進行；在兩種不同材料的界面處發生反射；傳播速度可以用波的傳輸公式進行計算，即ν=λf（ν為波速，λ為波長，f為波的頻率）。超聲波檢測技術的基本原理是：當波在材料中的傳播速度越來越快時，則說明材料的硬度越大；當傳播速度較慢時，則說明材料較為松軟。硬度和松軟度則是判斷一個物體或材料所具有的強度的重要指標。因此，人們通過該原理，發明出了超聲波檢測技術，并最先應用在道路質量檢測工作中來，得到了良好的效果。

2 超聲波檢測技術在高溫冶金中的應用

2.1 爐壁厚度的測量

在冶金生產過程中，所需要的工業爐的爐壁由耐火材料制作而成，在制作過程中，對壁爐厚度的檢測能夠對超聲波檢測技術在高溫冶金中的應用效果產生直接的影響?；诔暡夹g應用于金屬材料和非金屬材料時所產生的傳播速度具有較大的差異，耐火材料則憑借著顆粒大的優勢，應用超聲波技術則會存在著明顯的衰減性，所以當調整至較低的頻率（20千赫～200千赫）進行檢測時，必須要對以上三類反映材料的數據收集齊全，具體的數據包括：材料聲學性質、時間讀數、衰減讀數和接收信號波型。對于在高溫環境下的檢測，國內外所進行的研究較少。因此，我們對壁爐的耐火材料進行了常溫單界面檢測，重點進行了厚度檢測，通過檢測，在確定探頭頻率、信號波形的把控等問題上積累了大量的經驗，從而為檢測的成功提供了有力的支持。經過此次摸索，我們選定了超聲波脈沖反射法來對壁爐厚度進行檢測。其基本操作流程為：當超聲波脈沖從被檢測物體的一側傳至另一側時，在后者中所產生的反射會傳播至反射面，這時，超聲波脈沖在傳播過程中所產生的時間＊傳播速度的1/2，便可以得出檢測厚度。

2.2 鋼水溫度的測量

利用聲學技術對冶金溫度進行測試具有較強的先進性和可靠性，特別是適用于特殊環境下的溫度檢測，因此也近年來受到廣泛的重視和應用。

在處于高溫或高氣壓的生產環境中，聲學溫度計在測量中具有較強的靈敏性，能夠順利完成對汽輪機進氣、核火箭排氣和汽缸中燃燒等特殊高溫環境下的溫度測量工作。在對鋼水等熔融液的溫度測量應用中，超聲溫度計具備在非接觸情況下準確完成測量的功能，從而也就成為在冶金生產中最佳的溫度檢測工具。由于冶金溫度較高，通常處于2000℃高溫的環境下，性能最佳的當屬細線敏感元件超聲溫度計。在物體中所識別出的聲速可視為溫度的函數，在溫度不斷上升的情況下，聲速會相應減小，如果固體長度固定的情況下，超聲波的傳播時間會不斷延長。這就是所謂的細線超聲溫度計的應用基本原理。細線超聲溫度計的基本零件結構是由超聲波發射接收電子儀器、超聲換能器、引入線、敏感件等組成。超聲波收發器所具備的功能是依靠磁致伸縮換能器和引入線向高溫環境中的敏感元件發射超聲脈沖來發揮出來的。由于前者在運行中能夠產生正逆效應，能夠將收集從敏感元件兩端的反射出的脈沖聲波并轉換成電信號，最終由儀器完成接收。兩個脈沖電壓會相繼讓觸發器形成翻轉，從而產生與脈沖間隔對應的方波，然后在運用高頻計數脈沖對方波進行填充，這樣技術線路便可以顯示相關測試數據，實時溫度也能夠通過聲速變化、脈沖間隔變化、計數脈沖數這一流程來完成準確的讀取。與此同時，細線敏感元件超聲溫度計能夠在高溫情況下完成持續時間較長的溫度測量，對冶金行業有著非常理想的應用價值。

2.3 鋼包內鋼液深度與夾雜物的檢測

超聲波在鋼液內的傳播過程所產生的時間可以通過超聲波檢測儀顯示出來，傳播時間＊傳播速度的1/2，便是鋼液的深度。這種測量深度的方法特別適用于鋼水深度較大的中間鋼包。當中間鋼包的鋼水深度即將超出最大標準值時，超聲波在激烈的運動下所產生的漩渦必然會將保護渣卷入到結晶器之內，在這樣的情形下，鋼的冶煉質量必然會受到嚴重的影響。為此，應用超聲測手段便能夠有效防止這一現象的出現，能夠快速準確的收集到中間鋼包內鋼水的容量信息，從而有效避免了下渣問題的出現，該方法應用于轉爐的溫度測試中也具有非常良好的效果。

在生產實踐中，鋼爐還處于正常的使用期內，也會由于補爐等原因，造成爐內鐵水的深度發生不斷的變化，從而使得工作人員很難準確把爐內鐵水的深度，從而為生產過程中槍位的準確控制帶來較大的難度。而應用超聲檢測方法，在頂底復吹轉爐的底部安裝兩個超聲波探頭，就能夠快速完成對各個爐役期在使用過程中的爐內鐵水深度的準確檢測。

3 結語

綜上所述，超聲波檢測技術在高溫冶金中的應用具有較強的可靠性和可操作性，能夠對鋼爐內的溫度、爐壁厚度、鋼液深度等進行實時準確的監測，為煉鋼質量的控制提供了可靠的技術保證。由此可以看出，超聲波檢測技術在冶金行業具有非常廣闊的應用前景。