厚度测量在特殊合金冷带钢中的应用

李传静（山钢股份莱芜分公司自动化部，山东莱芜271104）



厚度测量在特殊合金冷带钢中的应用

李传静
（山钢股份莱芜分公司自动化部，山东莱芜271104）

摘要：通过分析合金成分优化合金代码算法模型，计算理论厚度补偿系数并完成规程的预设定，开发了测厚仪特殊合金补偿系数曲线模型，实现了钛带厚度在线测量，保证了厚度检测精度，为冷轧生产线开发大量高效高专新产品提供保障。关键词：冷带钢；厚度测量；厚度补偿模型；测厚仪

1　前　言

莱钢冷轧薄板生产线轧机为六辊UCM轧机，将材质为普通碳素钢和低合金优质钢的热轧带卷经过酸洗切边和若干道次的轧制，使其成为具有所需厚度的各种规格的冷轧带卷。所配备的测厚仪只能对测量普通碳素钢和低合金钢的厚度，对特殊材料如钛带、高锰钢等复杂合金的厚度不能直接检测。为此，对测厚仪检测原理、控制系统进行研究，开发合金补偿系数曲线模型，实现特殊材料的在线直接检测，保证新产品的顺利开发。

2　厚度测量原理

通过材料的X射线的光谱区辐射将被该材料衰减。X射线通过厚度为h的材料后的辐射强度I。对于特定能量或波长，样片的辐射量公式为：

I=Ioe-μh，

其中：Io为入射辐射强度；μ为材料的线性吸收系数。

吸收系数是材料对X射线进行衰减的能力的量度，它取决于材料的化学组成以及X射线的能量或kV水平。当X射线kV水平保持不变时，质量吸收系数随着化学元素的不同而不同；对于给定的化学元素，当kV水平变化时，质量吸收系数也将发生变化。由于吸收关系式中的因子μ均取决于材料，所以需要进行合金补偿，但是μ取决于化学组成和X射线源的能量。通过分析合金成分优化合金代码算法模型，计算理论厚度补偿系数，并完成规程的预设定。测量出样品板的机械厚度、对测厚仪作全量程标定、预吸收标定，温度补偿，计算出钛带的附加补偿系数，再根据计算的理论厚度补偿系数与之叠加得出最终钛带的实际厚度补偿系数［1］。

3　厚度补偿模型开发

3.1合金补偿系数曲线模型开发

通过调节工作电压可改变产生能量的强度，能量随着厚度的增加而增加。在后台程序中将校准样片的厚度、标准化和ACE参考点配置在标定数据文件中。一般顺序包括外部样片在X射线光束通过线高度上的放置组合以及探测器信号的采样。

软件计算样条拟合插补器的系数在有需要时可以获得校准目的之外的厚度值所用的插补值。由于光滑曲线可以通过制图人员的样条获得，样条拟合系统用来“连接”校准时存储的校准点。校准点之间的任何厚度值都必须进行插补，除非校准样片的数目大大增加（校准时间和数据存储亦增加），否则曲线无法精确地与线性段拟合。校准点的连接并不使用线性段，而是采用三阶多项式曲线段。曲线的一般方程为：

y=ao+a1z1+a2z2+a3z3。

曲线段进行匹配，从而每一个点处的一阶导数和二阶导数均连续，这将确保获得连续、光滑的曲线。插补公式需要计算与每条完整曲线相关的若干个常数。这些常数在校准完成后获得并存储，直到需要使用为止（在测量之前）。校准完成之后，通过读入命令即可正确插补厚度测量范围、光电倍增管电源电压和厚度组的常数，所以可以选择任意有效厚度，并且测厚仪随时可以使用。

3.2补偿技术

为获得精确的厚度指示，需要对影响测量的过程和产品变量进行补偿，可能需要进行温度补偿和合金补偿（由于X射线的吸收率取决于元素和能量）。补偿是针对在线轧制合金化学组成的效应。

1）温度补偿。在高温时，用户要求冷态厚度，通过视厚度获得h：

h=1+a+t，

其中：a为正在在线轧制合金的吸收指数，%；t为温度指数，%。

2）合金补偿。当金属元素与其他金属或非金属元素混合形成合金，具有与其成分不同的物理性质。X射线测厚的一个重要物理性质是合金的吸收率，此吸收率是射线源能量和密度的函数。考虑到校准标准件的吸收率与在线轧制合金的吸收率存在不同，需要某种形式的合金补偿。由于吸收率关系中的因子取决于材料，需要进行合金补偿，吸收率关系公式：

I=Ioe-μrh，

其中，r为合金密度，常数。

尽管对于任何给定的合金，r在合理意义上是常数，但是μ取决于合金组成和X射线源的能量。

3.3拟合曲线

采用测建母表法。首先制作待测钢种的厚度样板并精确测量其厚度，再使用X射线测厚仪进行在线测量。如果合金样板实测厚度为h，不经合金补偿的X射线测厚仪读数为ha，于是得到对应合金吸收指数：AI=（ha，h）/h。该表由于是通过直线插法来计算出任何厚度对应AI，所以厚度点应覆盖kV段整个厚度范围。测厚仪较宽的测量范围一般被分成几个段，每个段对应一个固定的线管kV电压，较厚的厚度段对应高kV电压。X射线测厚仪在投入使用前必须进行一次在线标定，形成在线标定曲线。在线标定时，手动将覆盖整个测量范围的不同厚度规格且已知明确厚度的外部标准样板（或组合）放置于在线位置（带钢通过线高度位置）进行标定测量，由计算机记录不同厚度对应的X射线强度（Xn，In）。Xn为不同实际样板，In为对应的探测器信号（已减去探测器原始信号）。每个kV段计算机将采样点使用多项式。曲线拟合的办法将其拟合成曲线，并记录多项式系数。于是就建立了射线强度I和厚度h的函数关系。通过曲线拟合能够在一定程度上修正标准样板的厚度测量误差（主要是随机误差），这使得测量精度得到保证。

不同厚度的内部标准样板组合并进行曲线拟合产生一套多项式系数，每个kV段都要使用不同厚度的合金样板建立不同的h对应不同AI的关系表格，并且点越多直线插值计算精度越高。再用内部功能重建标定曲线时，只要将得到的最新内部标定多项式系数加上对应的通过线高补偿系数就可折算成最新的在标定多项式系数，从而得到最新的在线标定曲线。实际带钢往往具有不同钢种化学成分（合金组成）和定时所使用的标准样板，因此，其对X射线的吸收也和标准样板不一样，必须对测厚仪测量值进行修正即合金补偿。

4　结语

钛带在线厚度测量技术的实现，保证了钛带轧制的需求，特殊合金补偿模型和附加系数曲线修正技术的引入，拓宽了测厚仪的检测范围，保证了厚度检测精度，为冷轧生产线开发大量高效高专新产品提供保障。在今后的生产中，要确保测厚仪运行稳定、可靠，根据前部工序的实物测量成份不断修正合金补偿系数，以保障测厚功能的正常运行。

参考文献：

［1］孙一康，童朝南，彭开香.冷轧生产自动化技术［M］.北京：冶金工业出版社，2006.

Application of Thickness Measurement in Special Alloy Cold Strip

LI Chuanjing
（The Automation Department of Laiwu Iron and Steel Group Corporation, Laiwu 271104, China）

Abstrraacctt:: By analyzing the code algorithm model of the alloy composition, the theoretical thickness compensation coefficient and the pre setting of the procedure are calculated. The model of compensation coefficient curve of the special alloy of thickness gauge is developed, and on-line measurement for the thickness of titanium strip is realized. That can guarantee the accuracy of thickness detection, to provide support for the development of a large number of new products with high efficiency in cold rolling production line.

Key worrddss:: cold strip; thickness measurement; thickness compensation model; thickness gauge

作者简介：李传静，女，1981年生，2006年毕业于中国石油大学（华东）自动化专业。现为山钢股份莱芜分公司自动化部工程师，从事自动化系统与仪表工作。

收稿日期：2015-10-26

中图分类号：TP212

文献标识码：A

文章编号：1004-4620（2015）06-0065-02