超声波检测技术在高温冶金中的应用

朱晓会

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250000）

近些年来，超声波检测技术在高温冶金过程中有了长足进步，诸如钢液深度、夹杂物检测、钢液凝固中固液相界位置的确定等等，都可以通过超声波检测技术来进行判定，这对于高温冶金工作的更好开展提供了强有力支撑[1]。

1 超声波检测技术概述

超声波检测技术的应用在道路施工领域最为常见，主要适用于对高等级水泥路面路基质量进行检测，主要包括桩内单孔透射法、桩外孔透射法、桩内跨孔透射法等检测方法。该技术方法在实践应用中具有激发容易、检测工艺简单等等优势特点。

超声波是一种频率高于人耳能听到的频率（20Hz～20KHz）的声波。超声波在应用于水泥路面的质量检测中具有稳定可靠的表现效果[2]。在常规状态下，超声波的上限频率为和下限频率分别为100KHz和20KHz。

超声波作为波的一类，在运行传输过程中具有波的典型规律特征。例如，超声波在材料中的传播以直接的状态进行；在两种不同材料的界面处发生反射；传播速度可以用波的传输公式进行计算，即ν=λf（ν为波速，λ为波长，f为波的频率）。超声波检测技术的基本原理是：当波在材料中的传播速度越来越快时，则说明材料的硬度越大；当传播速度较慢时，则说明材料较为松软。硬度和松软度则是判断一个物体或材料所具有的强度的重要指标。因此，人们通过该原理，发明出了超声波检测技术，并最先应用在道路质量检测工作中来，得到了良好的效果。

2 超声波检测技术在高温冶金中的应用

2.1 炉壁厚度的测量

在冶金生产过程中，所需要的工业炉的炉壁由耐火材料制作而成，在制作过程中，对壁炉厚度的检测能够对超声波检测技术在高温冶金中的应用效果产生直接的影响。基于超声波技术应用于金属材料和非金属材料时所产生的传播速度具有较大的差异，耐火材料则凭借着颗粒大的优势，应用超声波技术则会存在着明显的衰减性，所以当调整至较低的频率（20千赫～200千赫）进行检测时，必须要对以上三类反映材料的数据收集齐全，具体的数据包括：材料声学性质、时间读数、衰减读数和接收信号波型。对于在高温环境下的检测，国内外所进行的研究较少。因此，我们对壁炉的耐火材料进行了常温单界面检测，重点进行了厚度检测，通过检测，在确定探头频率、信号波形的把控等问题上积累了大量的经验，从而为检测的成功提供了有力的支持。经过此次摸索，我们选定了超声波脉冲反射法来对壁炉厚度进行检测。其基本操作流程为：当超声波脉冲从被检测物体的一侧传至另一侧时，在后者中所产生的反射会传播至反射面，这时，超声波脉冲在传播过程中所产生的时间＊传播速度的1/2，便可以得出检测厚度。

2.2 钢水温度的测量

利用声学技术对冶金温度进行测试具有较强的先进性和可靠性，特别是适用于特殊环境下的温度检测，因此也近年来受到广泛的重视和应用。

在处于高温或高气压的生产环境中，声学温度计在测量中具有较强的灵敏性，能够顺利完成对汽轮机进气、核火箭排气和汽缸中燃烧等特殊高温环境下的温度测量工作。在对钢水等熔融液的温度测量应用中，超声温度计具备在非接触情况下准确完成测量的功能，从而也就成为在冶金生产中最佳的温度检测工具。由于冶金温度较高，通常处于2000℃高温的环境下，性能最佳的当属细线敏感元件超声温度计。在物体中所识别出的声速可视为温度的函数，在温度不断上升的情况下，声速会相应减小，如果固体长度固定的情况下，超声波的传播时间会不断延长。这就是所谓的细线超声温度计的应用基本原理。细线超声温度计的基本零件结构是由超声波发射接收电子仪器、超声换能器、引入线、敏感件等组成。超声波收发器所具备的功能是依靠磁致伸缩换能器和引入线向高温环境中的敏感元件发射超声脉冲来发挥出来的。由于前者在运行中能够产生正逆效应，能够将收集从敏感元件两端的反射出的脉冲声波并转换成电信号，最终由仪器完成接收。两个脉冲电压会相继让触发器形成翻转，从而产生与脉冲间隔对应的方波，然后在运用高频计数脉冲对方波进行填充，这样技术线路便可以显示相关测试数据，实时温度也能够通过声速变化、脉冲间隔变化、计数脉冲数这一流程来完成准确的读取。与此同时，细线敏感元件超声温度计能够在高温情况下完成持续时间较长的温度测量，对冶金行业有着非常理想的应用价值。

2.3 钢包内钢液深度与夹杂物的检测

超声波在钢液内的传播过程所产生的时间可以通过超声波检测仪显示出来，传播时间＊传播速度的1/2，便是钢液的深度。这种测量深度的方法特别适用于钢水深度较大的中间钢包。当中间钢包的钢水深度即将超出最大标准值时，超声波在激烈的运动下所产生的漩涡必然会将保护渣卷入到结晶器之内，在这样的情形下，钢的冶炼质量必然会受到严重的影响。为此，应用超声测手段便能够有效防止这一现象的出现，能够快速准确的收集到中间钢包内钢水的容量信息，从而有效避免了下渣问题的出现，该方法应用于转炉的温度测试中也具有非常良好的效果。

在生产实践中，钢炉还处于正常的使用期内，也会由于补炉等原因，造成炉内铁水的深度发生不断的变化，从而使得工作人员很难准确把炉内铁水的深度，从而为生产过程中枪位的准确控制带来较大的难度。而应用超声检测方法，在顶底复吹转炉的底部安装两个超声波探头，就能够快速完成对各个炉役期在使用过程中的炉内铁水深度的准确检测。

3 结语

综上所述，超声波检测技术在高温冶金中的应用具有较强的可靠性和可操作性，能够对钢炉内的温度、炉壁厚度、钢液深度等进行实时准确的监测，为炼钢质量的控制提供了可靠的技术保证。由此可以看出，超声波检测技术在冶金行业具有非常广阔的应用前景。