涡流无损检测技术在钢铁工业中的新应用

涡流检测作为五大常规无损检测方法之一，在钢铁行业中应用非常广泛，包括金属棒、线材探
伤、结构件疲劳裂纹探伤、材料成分及杂质含量的鉴别、热处理状态的鉴别、混料分选、测量金属
薄板的厚度等诸多方面。近年来，随着对涡流检测技术认识的深入以及计算机、仪器仪表和数字信
号处理技术的发展，涡流无损检测技术在钢铁工业中的应用取得了一定突破，对于某些以往认为是
检测极限或“不可能”的难题，找到了解决的办法或思路。例如，目前有人提出了1100℃以上高温
连铸板坯表面缺陷模拟在线检测，将传统的涡流检测对象的温度提高了几百度，而瑞典一家公司研
制出了检测1000℃高温钢和其他金属板材、坯材的涡流检测设备。此外，涡流检测的应用还延伸到
了不锈钢毛细管、直径小于1mm的丝材及结晶器液位检测等方面。
　　涡流检测是利用电磁感应原理，通过测定被检工件内感生涡流的变化来无损地评定导电材料及
其工件的某些性能，或发现缺陷的无损检测方法。当线圈流过高频交变电流时会在其中产生交变磁
场，如果该磁场靠近金属工件表面，则在工件中能感应出电流，简称涡流。涡流的大小与金属材料
的导电性、导磁性、几何尺寸及其中的缺陷形态有关。涡流本身也会产生磁场，其强度取决于涡流
的大小，其方向与线圈电流磁场相反，它与线圈磁场叠加后形成线圈的交流阻抗。涡流磁场变化会
引起线圈阻抗的变化，测量出该阻抗变化的幅值与相位即能间接地测量出工件表面与近表面材质异
常或缺陷尺寸。
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　　涡流检测高温制品的局限性主要在于探头所能承受的温度，传统的涡流检测技术在高温条件下
检测温度可达550℃，如果采用水冷探头检测，温度还可以提高。贾慧明等采用特殊材料研制的高温
涡流探头，借助风冷与水冷相结合的办法，使传感器内部温度始终保持在40℃以下，能够长时间承
受强烈的高温辐射。试验表明，利用该高温探头能够对1100℃以上铸坯在线检测出深度为1.5mm，宽
度为0.3mm，长为10mm的表面缺陷。该技术能够有效抑制铸坯表面振动斑痕所产生的噪声影响，并借
助计算机信号处理技术，实现对热态铸坯表面缺陷的定位、定量分析和打印记录，为实现对连铸坯
在线无损检测提供了技术依据。
　　又据资料介绍，瑞典一家公司根据涡流技术，设计制造一种能检查1000℃左右的钢和其他金属
板材和坯材表面缺陷的设备。该设备可以保证钢材表面的两个几乎垂直的方向都扫描到。利用计算
机所组成的分析仪，把输入的信号分为严重缺陷、无害缺陷和未认清三种主要类别，并能够找出任
何缺陷的位置。该装置能够精确测定毛坯表面上0.5mm深的刻痕位置。
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　　对极其细小管径如不锈钢毛细管离线或在线无损探伤，采用电磁涡流检测方法虽然可行，但必
须配置特种探头才能达到满意效果。因毛细管极其细小的管径，目前的工艺水平尚无法制作内穿探
头，也无法使用点式探头进行检测，只能通过外穿过式探头进行检测。西安交通大学与爱德森（厦
门）电子有限公司联合研制的差动式外穿探头，在对线圈的宽度、厚度、两线圈之间的跨度、探头
和毛细管之间的间隙、线径等多方面进行计算及优选后，配置了特制的高级外穿式特种探头，在检
测频率为666kHz时，对Φ1mm及Φ0.45mm的不锈钢毛细管进行检测，均获得了较好的效果。
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　　钢丝在线检测一般使用两种方法：一种是旋转探测式，即涡流探测器绕钢丝高速旋转。这种方
法主要用来检测沿钢丝纵向延伸的裂纹、刮伤和拉丝划痕。相对于钢丝的运动，探测器的轨迹这螺
旋状。使用多个探测器并列高速旋转，可以达到100%的检查，但其表面探伤的灵敏度有限。在探测
器和钢丝之间不易保持恒定的间距，间隙增加时灵敏度减少，如果钢丝偏心，间隙就会变化。采用
高速处理器可以自动感知间隙，并不断地进行补偿，使系统的灵敏度得到提高。另一种是环绕线圈
式。钢丝从环形线圈中穿过，换能器有效地检查涡流在一个剖面的分布，并与前一个剖面对比，适
合检测点状缺陷和圆周方向的裂纹，对于横裂纹、V型裂纹、夹杂物、凹坑和折叠有很高的灵敏度。
检测速度快，检测直径范围大。
　　环绕线圈式的驱动电流比旋转探测式高，有更好的深度穿透性。系统稳定性好，不受温度变化
和其他因素的影响。当磁铁材料在居里点800℃以下时，磁饱和后会使信号受到抑制，但可以通过调
节磁场强度避免磁饱和，提高灵敏感。目前大都使用环绕线圈式，也可以将上述两种方法结合使用
。涡流技术在拉丝、油回火生产线、冷镦钢丝或弹簧钢丝生产中得到了很好的应用。水冷环绕线圈
对温度超过1100℃的盘条进行检测，其检测速度超过500km/h。
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　　结晶器液位的精确检测是连铸生产过程中实现液位自动控制的关键。涡流式钢水液位计具有反
应速度快、测量精度高、不需特殊安全防护、安装维护方便等显著优点，实用化进展很快。宋东飞
介绍了攀钢改造采用国内生产的RAM系列涡流型钢水液位控制仪的情况。该测量系统采用涡流式传感
器测量钢水液位，由振荡器产生的50kHz高频信号供给传感器的初级线圈（激励线圈），由于受钢水
内涡流电流的影响，由初级线圈产生交变磁场随液位高度变化。在次级线圈（测量线圈）内将产生
与通过线圈磁场的强度成正比例变化的电压Vγ V2，从而差动电压（V1-V2）随液位高度变化。通过
对V1-V2进行放大、相位、频率、振幅分析及线性化，送给16位的高性能单片机80C196KC处理，即得
于液位高度测量信号，经控制仪转换成4～20mA信号送到结晶器液位控制系统PLC。该控制仪测量范
围为0～150mm，分辩力为0.1mm。运行表明，该液位控制系统性能稳定可靠，使用精度达±3mm，不
但减少了铸坯表面裂纹，提高了产品质量，而且经济效益显著。