CN102500747A - 在线检测连铸坯固相内边界及凝固末端位置的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线检测连铸坯固相内边界及凝固末端位置的系统和方法，该系统包括：信号发生器、电磁超声波传感器、信号处理器、计算机和控制器，其中，电磁超声波传感器布置在连铸坯铸造方向有动态轻压下的区间以及与该区间相邻的上下游局部区段的各扇形段的设定位置，电磁超声波传感器中的磁铁面向被测连铸坯表面一端的端面积比远离连铸坯表面一端的端面积大。在本发明中，电磁超声波传感器中的磁铁面向被测连铸坯表面一端的端面积比远离连铸坯表面一端的端面积大，可以用于提高电磁超声波的信噪比。计算机对电磁超声波信号的处理采用甄别、移位、加和平均的方式，可以大幅度提高电磁超声波的信噪比。

Description

在线检测连铸坯固相内边界及凝固末端位置的系统和方法

技术领域

本发明涉及炼钢连铸领域，特别涉及一种在线检测连铸坯固相内边界及凝固末端位置的系统和方法。

背景技术

在连铸生产过程中，为了减轻连铸坯中心偏析，消除中心疏松和裂纹等缺陷，通常采用轻压下技术，即在辊缝收缩的基础上对凝固末期的连铸坯进行轻微压下，阻止连铸坯内部收缩空隙的形成，补偿最后凝固阶段的收缩，改善铸坯内部质量，如提高钢材的延展性能、焊接性能、抗裂纹能力等。

准确检测出连铸坯固相内边界和凝固末端位置是实施轻压下的前提，否则就不能准确地确定轻压下的压下量和压下区间，若压下量小，对于中心偏析和中心疏松改善不明显；若压下量大则会使连铸坯内裂的倾向加剧，甚至可能出现压下辊损坏的情况。

此外压下区间不准也会出现类似情况，若压下区间确定在凝固末端位置后面，连铸坯在使用轻压下前中心偏析等缺陷已经形成，由于连铸坯中不再存在液态金属，此时实施轻压下只会使金属产生塑性变形产生裂纹而不能改善连铸坯中已经形成的中心偏析；相反，若压下区间确定在凝固末端位置前面，连铸坯还是会形成中心偏析和中心疏松等缺陷。因此，准确检测出连铸坯固相内边界和凝固末端位置具有十分重要的作用。

通常人们用连铸坯凝固传热模型来检测连铸坯的凝固末端，并通过一系列的实验方法来修正模型，传统的实验方法有漏钢法、同位素法和射钉法。

漏钢法是根据漏钢连铸坯壳厚度来确定凝固系数，其缺点是坯壳厚度受钢水冲刷不准确而且漏钢危险性大；同位素法是从结晶器加入相关放射性同位素，然后解剖连铸坯测量同位素的分布来确定凝固系数，其缺点是浪费钢坯严重，工作量大并存在放射性辐射；射钉法是用含有FeS的钢钉射入铸坯，根据钢钉熔化情况及S的分布来确定凝固系数，其缺点是浪费钢坯严重，工作量大。

由于漏钢法、同位素法和射钉法都不能连续在线检测再加上每一次实验成本大、周期长、工作量大原因不可能做所有的钢种在不同工艺条件下的实验，所以现有的凝固传热模型和液芯控制模型(Liquid Pool Control，简称LPC)、铸坯锥度自动控制模型(Automatic StrandTaper/Thickness Control，简称ASTC)仍受拉速、钢种和温度等因素变化使得计算的连铸坯的凝固末端与实际的有较大的差入，对连铸坯的质量改善有限，满足不了高效连铸的要求而被电磁超声技术所取代。

所谓电磁超声技术是利用电磁超声波传感器(Electromagnetic Acoustic Transducer，简称EMAT)发射电磁超声波并使其透过连铸坯，信号处理单元再根据电磁超声波的传播时间和衰减幅度来判定连铸坯的凝固状态。目前有很多利用电磁超声技术来检测连铸坯凝固末端的技术方案。

日本专利JP52-130422利用电磁超声横波传感器对连铸坯投射电磁超声横波，并利用电磁超声横波不能透过液相的原理来判断连铸坯的完全凝固状态。然而，透过连铸坯的电磁超声波横波的信号发生了减弱或消失并不能就唯一判定铸件中存在残留熔融金属，因为还存在其它的导致信号发生减弱或消失的因素。

日本专利JP62-148850使用能同时产生电磁超声纵波和电磁超声横波的电磁超声波传感器，根据接收器接收到的透过连铸坯的电磁超声波信号波形，计算电磁超声横波透过波的振幅(Al)与电磁超声纵波透过波的振幅(At)的比At/Al来判定铸件中存在残留熔融金属以及连铸坯升离的变动和传感器异常，该方案中的铁芯为“E”型，体积庞大，在有限的扇形段辊子之间的狭小间隙里很难适应。

日本专利JP10-197502测定铸件中的超声横波的共振频率，根据该共振频率求得铸件固相内率。

日本专利JP2000-266730公开了一种通过相关运算提高S/N(信噪比)的方法：使用从规定脉宽内的频率、振幅、相位中选择至少一个进行调制后的脉冲串状发送信号，并使用和该发送信号相同或类似波形的参照信号，对接收信号进行相关运算。该方法中，接收信号和发送信号的相关高，噪声和发送信号的相关低。

美国专利US2007102134A1公开了电磁超声波传感器在连铸坯宽度方向具有3个以上的磁极，具有卷绕在内侧磁极周围配置的纵波用线圈和与磁极面重叠配置的横波用线圈，该方案不能有效利用朝向铸造方向的水平磁场，使灵敏度下降，虽采用适当措施来防止灵敏度下降，但效果有限。

为解决电磁超声波法检测连铸坯凝固末端灵敏度低、信噪比(S/N)低、精度差、不能扩大电磁超声波传感器与连铸坯的升离范围且不能稳定地长时间连续测量等技术问题。中国专利CN1198139C公开了一种测定连铸坯凝固状态的方法，该方法包括把连铸坯的表层部分冷却到发生α相变的冷却工序以及把电磁超声波的横波作为发送信号发送给冷却后的铸件的发送工序，虽然对提高S/N比有一定的效果，但是这是以损坏连铸坯的质量为前提的，因为把铸件的表层部分冷却到发生α相变，必然会有损铸件的质量如出现表面裂纹等。

上述利用电磁超声技术来检测连铸坯凝固末端的技术方案存在S/N低、精度差、损坏钢坯质量、不能扩大电磁超声波传感器与连铸坯的升离范围且不能稳定地长时间连续测量等诸多问题而没有一例成功应用于实践的报道。

发明内容

本发明旨在提供一种在线检测连铸坯固相内边界及凝固末端位置的系统和方法，以解决传统法不能实现在线检测连铸坯固相内边界和凝固末端位置、耗时费力以及现有电磁超声法信噪比S/N太小的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种在线检测连铸坯固相内边界及凝固末端位置的系统，包括信号发生器、电磁超声波传感器、信号处理器、计算机、以及控制器，其特征在于，所述电磁超声波传感器布置在连铸坯铸造方向有动态轻压下的区间以及与该区间相邻的上下游局部区段的各扇形段的设定位置，所述电磁超声波传感器中的磁铁面向被测连铸坯表面一端的端面积比远离连铸坯表面一端的端面积大。

进一步地，上述电磁超声波传感器包括发射电磁超声波的传感器和接收电磁超声波的传感器组成。

进一步地，上述发射电磁超声波的传感器和所述接收电磁超声波的传感器分别安装在连铸坯上下两个面上或分别安装在连铸坯左右两个面上。

进一步地，上述发射电磁超声波的传感器和所述接收电磁超声波的传感器分别同轴竖直地安装在连铸坯上下两个面上或分别同轴水平地安装在连铸坯左右两个面上。

进一步地，上述发射电磁超声波的传感器和所述接收电磁超声波的传感器同侧地安装在连铸坯上下左右的任一个面上。

进一步地，上述电磁超声波传感器为集发射电磁超声波和接收电磁超声波功能于一体的传感器。

进一步地，上述电磁超声波传感器安装在连铸坯上下左右的任一面上。

进一步地，上述系统还包括驱动装置，该驱动装置与所述电磁超声波传感器连接，所述驱动装置布置在连铸坯铸造方向有动态轻压下的区间以及与该区间相邻的上下游局部区段的各扇形段的设定位置，用于驱动所述电磁超声波传感器沿连铸坯的宽面扫描。

进一步地，上述信号处理器对电磁超声波传感器的接收信号进行选频放大。

进一步地，上述计算机对所述信号处理器处理过的所述电磁超声波传感器的接收信号进行相关运算，所述相关运算是指从所述信号处理器处理过的所述电磁超声波传感器的接收信号中选出与所述电磁超声波传感器的发射信号的脉宽、频率、幅度和波形相关的波。

进一步地，上述电磁超声波传感器中的磁铁为永磁铁或电磁铁。

进一步地，上述电磁超声波为电磁超声横波和/或电磁超声纵波。

进一步地，上述控制器根据固相内边界和凝固末端的位置调节二冷水的流量、拉矫机的拉速以及轻压下的压下量和压下率。

根据本发明的另一方面，提供了一种应用于在线检测连铸坯固相内边界及凝固末端位置系统的信号处理方法，包括：移位电磁超声波传感器的接收信号波形到指定位置；对移位到指定位置的所述电磁超声波传感器的接收信号波形进行加和平均。

进一步地，上述信号处理方法还包括在所述移位电磁超声波传感器的接收信号波形到指定位置之前对所述电磁超声波传感器的接收信号波形进行甄别处理。

进一步地，上述电磁超声波传感器的接收信号波形为计算机对电磁超声波传感器的接收信号进行相关运算的信号波形。

根据本发明的另一方面，提供了一种在线检测连铸坯固相内边界及凝固末端位置的方法，包括如下步骤：

信号发生器产生激励信号；

电磁超声波传感器响应所述激励信号而发射电磁超声波来感测连铸坯；

信号处理器对电磁超声波传感器的接收信号进行选频放大；

计算机对所述信号处理器处理过的所述电磁超声波传感器的接收信号进行相关运算以及对进行所述相关运算后的信号使用根据上面所描述的信号处理方法并给出连铸坯固相内边界和凝固末端位置；

控制器根据所述固相内边界和凝固末端的位置调节二冷水的流量、拉矫机的拉速以及轻压下的压下量和压下速度；

其中，所述电磁超声波传感器分布在连铸坯铸造方向上设有动态轻压下的区间以及与该区间相邻的上下游局部区段的各扇形段的设定位置，所述电磁超声波传感器中的磁铁面向被测连铸坯表面一端的端面积比远离连铸坯表面一端的端面积大；

所述相关运算是指选出所述信号处理器处理过的所述电磁超声波传感器的接收信号与所述电磁超声波传感器的发射信号的脉宽、频率、幅度和波形相关的波。

进一步地，上述方法还包括如下步骤：通过驱动装置驱动所述电磁超声波传感器沿连铸坯的宽面扫描。

进一步地，在上述方法中，计算机用于给出连铸坯固相内边界和凝固末端位置是指所述计算机根据加和平均后的信号提取加和平均幅度值

以及电磁超声波传感器的接收信号相对电磁超声波传感器的发射信号的时间滞后量τ进行分析，给出连铸坯固相内边界和凝固末端位置计算机给出连铸坯固相内边界和凝固末端位置；所述分析包括根据所述加和平均幅度值小于指定阈值的区域分界线即为连铸坯固相内边界和凝固末端的位置。

进一步地，在上述方法中，加和平均幅度值

包括电磁超声横波的加和平均幅度值

和/或电磁超声纵波加和平均幅度值V₁，所述时间滞后量τ为给定采样时间段内的最可几率的时间滞后量τ_c。

进一步地，在上述方法中，最可几率的滞后量τ_c包括电磁超声横波最可几率的时间滞后量τ_c ^t和/或电磁超声纵波最可几率的时间滞后量τ_c ^l。

进一步地，在上述方法中，计算机在移位信号波形到指定位置之前对所述信号波形进行甄别处理。

进一步地，在上述方法中，计算机给出连铸坯固相内边界和凝固末端的位置是指给出电磁超声横波的加和平均幅度值

小于指定阈值的区域分界线即为连铸坯固相内边界和凝固末端的位置，而电磁超声纵波的加和幅度平均值V₁以及电磁超声横波最可几率的时间滞后量τ_c ^t和电磁超声纵波最可几率的时间滞后量τ_c ^l对确定连铸坯固相内边界和凝固末端的位置有辅助作用。

进一步地，上述加和平均幅度值

随电磁超声波传感器从连铸坯的边界向中心移动过程中逐渐下降或不变以及时间滞后量τ_c随所述电磁超声传感器从连铸坯的边界向液芯移动过程中上升或不变。

本发明具有以下技术效果：

电磁超声波传感器中的磁铁面向被测连铸坯表面一端的端面积比远离连铸坯表面一端的端面积大，可以用于提高电磁超声波的信噪比；计算机对电磁超声波信号的处理采用甄别、移位的方式，可以大幅度提高电磁超声波的信噪比。信噪比高可以提升电磁超声波传感器到连铸坯的距离，一方面可以防止电磁超声波传感器被连铸坯撞坏，另一方面减少了电磁超声波传感器接受到的热辐射，延长了使用寿命。

除了上面所描述的目的、特征、和优点之外，本发明具有的其它目的、特征、和优点，将结合附图作进一步详细的说明。

附图说明

构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明的附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中：

图1是根据本发明的连铸坯固相内边界和凝固末端检测系统的电磁超声波传感器异侧同轴安装结构示意图；

图2是根据本发明的电磁超声波传感器的定位装置的结构示意图；

图3是根据本发明的装有驱动装置的连铸坯固相内边界和凝固末端检测系统的截面示意图；

图4是图3所示检测系统的驱动装置的示意图；

图5是根据本发明的电磁超声波传感器的磁铁剖面示意图；

图6是根据本发明的电磁超声波传感器的磁铁剖面示意图；

图7是图6所示磁铁的俯视图；

图8是根据本发明的由能同时发射电磁超声波和接收电磁超声波于一体的传感器组成的连铸坯固相内边界和凝固末端检测系统装示意图；

图9a是根据图8所示的发射电磁超声波和接收电磁超声波于一体的传感器的磁铁的剖面示意图；

图9b是图9a所示磁铁的俯视图；

图10是根据本发明的电磁超声波传感器的接收信号图；

图11是应用于在线检测连铸坯固相内边界及凝固末端位置系统的信号处理方法的流程图；以及

图12是根据本发明连铸坯固相内边界和凝固末端的在线检测方法的流程图。

附图标记说明

第一实施例

101连铸坯                102发射电磁超声波的传感器

104信号发生器            110接收电磁超声波的传感器

106控制器                107计算机

108信号处理器            101c固相

101b内边界               101a熔融金属

113定位装置              113a条状安装板

113b安装座               103、109辊子

112驱动装置              101d凝固末端

102a磁铁                 102a2磁铁外端面

102a1磁铁内端面          102b孔

112d支撑杆               112b支架组件

112e驱动组件             112a电机组件

112c安装架               112f螺栓

111机架

第二实施例

202电磁超声波传感器      202a磁铁

202a2外端面              202a1内端面

202b孔                   201连铸坯

201a熔融金属             201b内边界

201c固相                 201d凝固末端

207计算机                208信号处理器

206控制器                213定位装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1至图4示出了根据本发明第一实施例的连铸坯固相内边界和凝固末端检测系统。结合参照图1至图4，本发明的检测系统包括：信号发生器104、电磁超声波传感器、信号处理器108、计算机107和控制器106。信号发生器104把产生的激励信号输出给发射电磁超声波的传感器102，接收电磁超声波的传感器110接受来自发射电磁超声波的传感器102发射的透过连铸坯的电磁超声波信号。

由发射电磁超声波的传感器102和接收电磁超声波的传感器110组成的电磁超声波传感器布置在连铸坯101铸造方向有动态轻压下的区间以及与该区间相邻的上下游局部区段的各扇形段的设定位置。通常，动态轻压下的区间是连铸坯固相率为0.3-0.7的区间，而固相率区间会随二冷水的流量、拉矫机的拉速以及连铸坯的温度等因素的变化而变化。因此，在该固相率为0.3-0.7区间的上下游局部区段的扇形段的辊子之间设定电磁超声波传感器的有益效果是：使固相率为0.3-0.7的区间全部落入电磁超声波传感器的检测范围。

发射电磁超声波的传感器102和接收电磁超声波的传感器110分别安装在连铸坯101上下两个面上或分别安装在连铸坯101左右两个面上。

通常，在板坯连铸机上，发射电磁超声波的传感器102和接收电磁超声波的传感器110分别安装在连铸坯101上下两个面上；在方坯或矩形坯连铸机上，发射电磁超声波的传感器102和接收电磁超声波的传感器110分别安装在连铸坯101左右两个面上。

优选地，发射电磁超声波的传感器102和接收电磁超声波的传感器110分别同轴竖直地安装在连铸坯101上下两个面上或分别同轴水平地安装在连铸坯左右两个面上。此时发射电磁超声波的传感器和接收电磁超声波的传感器各用一个独立的磁铁102a，其中，同轴是指两个独立的磁铁102a的中心线共线。

可选地，发射电磁超声波的传感器和接收电磁超声波的传感器同侧地安装在连铸坯上下左右的任一一个面上，此时发射电磁超声波的传感器和接收电磁超声波的传感器各用一个独立的磁铁102a。

为检测到连铸坯101固相101c内边界101b沿连铸坯宽面方向的分布(连铸坯内熔融金属101a即液芯的横向分布)情况，可以在连铸坯的宽面方向通过传感器定位装置113布置多个发射电磁超声波的传感器102和接收电磁超声波的传感器110，该数量越多，检测到的连铸坯固相内边界精度越高，如在1800mm宽的连铸坯上，通常可以设置3-5个。

如图2所示，传感器定位装置113包括条状安装板113a和安装座113b。该条状安装板113a通过螺纹固定在安装座113b的一侧，且条状安装板113a的延伸方向与安装座113b的通孔的轴向平行。也就是说，安装座113b与辊子103同轴设置，条状安装板10与辊子103平行设置。该安装座113b上设置有具有预设直径的通孔，该通孔直径可以与两个轴向相邻的辊子103之间的连接体的外径相适应，使安装座113b与连接体紧密配合以免发生滑动。发射电磁超声波的传感器102和接收电磁超声波的传感器110通过传感器定位装置113分别固定在连铸坯101上面和下面相邻的两辊子103、109之间。

优选地，通过驱动装置112驱动发射电磁超声波的传感器102和接收电磁超声波的传感器110同时沿连铸坯的宽面扫描，则只需要设置一组由一个发射电磁超声波的传感器102和一个接收电磁超声波的传感器110组成的电磁超声波传感器也能检测到连铸坯101固相101c内边界101b沿连铸坯宽面方向的分布情况。该驱动装置布置在连铸坯铸造方向有动态轻压下的区间以及与该区间相邻的上下游局部区段的各扇形段的设定位置。

为检测到连铸坯凝固末端101d(连铸坯内熔融金属101a即液芯的纵向分布)情况，在连铸坯101铸造方向有动态轻压下的区间以及与该区间相邻的上下游局部区段的各扇形段的设定位置布置多组电磁超声波传感器。

如图5和图6所示，上述电磁超声波传感器中的磁铁102a面向被测连铸坯表面的外端面102a2的端面积比远离连铸坯表面的内端面102a1的端面积大(该磁铁简称为蘑菇型磁铁)，用于提高电磁超声波的S/N比。优选地，该磁铁的中心设有用于线圈通过的孔102b。

用蘑菇型磁铁与常用的圆柱型磁铁做出的电磁超声波传感器来检测同样的连铸坯，所得的信号幅度数值如下表所示。

Al表示电磁超声纵波幅度值，At表示电磁超声横波幅度值，Al/At表示纵波幅度与横波幅度的比值，在其它条件相同的情况下，蘑菇型磁铁电磁超声波传感器的放大倍数降低了10倍。

根据9、10段的数据，圆柱形磁铁电磁超声波传感器所测得的纵波幅度与横波幅度的比值分别是蘑菇形磁铁电磁超声波传感器所测得的6.58(10.4/1.58)倍和4.9(4.4/0.9)倍，平均为5.74倍，这表明蘑菇形磁铁电磁超声横波相对纵波的幅度提高了5.74倍。

蘑菇型磁铁电磁超声波传感器的放大倍数降低了10倍，这表明要是在放大倍数相同的条件下，蘑菇型磁铁电磁超声波传感器所测得的Al分别是圆柱形磁铁电磁超声波传感器所测得的3.3(21.2/6.46)和2.5(11.3/4.54)倍，平均为2.9倍；而蘑菇型磁铁电磁超声波传感器所测得的横波幅度At是圆柱形磁铁电磁超声波传感器所测得的16.6(5.74*2.9)倍。

本发明电磁超声波传感器中的磁铁设置成蘑菇型的另一个好处是：便于磁铁在扇形段的相邻两个辊子之间的有限空间内安装。

本发明电磁超声波传感器中的磁铁为永磁铁或电磁铁，电磁超声波传感器发射和/或接受的电磁超声波为电磁超声横波和/或电磁超声纵波。

在本实施例中，将发射电磁超声波的传感器102和接收电磁超声波的传感器110分别同轴竖直地安装在连铸坯101上下两个面上，电磁超声波传感器的磁铁为永磁铁并且使用驱动装置112。

如图3和图4所示，接收电磁超声波的传感器110通过螺纹连接于驱动装置112的接收电磁超声波传感器支撑杆112d上，电磁超声波传感器支撑杆112d及其上的电磁超声波传感器110通过支架组件112b固定在驱动组件112e上，电机组件112a与驱动组件112e通过联轴器连接并驱动电磁超声波传感器支撑杆112d及其上的电磁超声波传感器110延长或缩短以用于电磁超声波传感器110沿着连铸坯101的宽面来回扫描。

驱动组件112e固定在安装架112c上，而安装架112c通过螺栓112f与扇形段的机架111连接并保证传感器与连铸坯101之间有一个距离，该距离达6mm、仍能可靠地检测到透过连铸坯的电磁超声波信号，并且避免了连铸机生产前送引锭杆时引锭杆碰撞电磁超声波传感器和生产结束时尾坯碰撞电磁超声波传感器而损坏传感器的问题，从而提高传感器可靠性，延长传感器的使用寿命。

发射电磁超声波的传感器102也通过驱动装置112以上述类似的方式固定在扇形段的机架上111。

在本发明中，发射电磁超声波的传感器是指能同时发射电磁超声横波和电磁超声纵波的传感器；接收电磁超声波的传感器是指能同时发射电磁超声横波和电磁超声纵波的传感器。

信号处理器108与电磁超声波的传感器电连接，用于对接收电磁超声波的传感器的接收信号进行选频放大。计算机107与信号处理器108电连接，用于对信号处理器108处理过的接收电磁超声波的传感器的接收信号进行相关运算，该相关运算是指选出信号处理器108处理过的接收电磁超声波的传感器的接收信号与发射电磁超声波的传感器的发射信号的脉宽、频率、幅度和波形相关的波。

控制器106与计算机107和连铸机的控制系统电连接并根据固相101c内边界101b和凝固末端101d的位置调节连铸机二冷水的流量、拉矫机的拉速以及轻压下的压下量和压下率。

图7至图9b示出了根据本发明第二实施例的连铸坯固相内边界和凝固末端检测系统。结合参照图7至图9b，电磁超声波传感器202由能同时发射电磁超声波和接收电磁超声波于一体的传感器组成，此时，发射电磁超声波的传感器和接收电磁超声波的传感器共用一个磁铁202a(如图9a和图9b所示)。

图9a和图9b示出了磁铁202a的结构，如图9a和图9b所示，电磁超声波传感器中的磁铁202a面向被测连铸坯表面的外端面202a2的面积比远离连铸坯表面的内端面202a1的面积大，用于提高电磁超声波的S/N比。优选地，该磁铁的中心设有用于线圈通过的孔202b。端面202a1和端面202a2均为长圆形。

该电磁超声波传感器202可以安装在连铸坯201上下左右的任一一个面上，本实施例里优选安装在连铸坯201的上面。本实施例电磁超声波传感器202的结构不仅可以减少电磁超声波传感器和传感器定位装置或驱动装置的数量节约成本，而且安装维护变得更为方便。

电磁超声波传感器202通过传感器定位装置213固定在连铸坯201上面相邻的两辊子203之间并保证传感器与连铸坯201之间有一个距离，该距离达6mm、仍能可靠地检测到透过连铸坯的电磁超声波信号，并且避免了连铸机生产前送引锭杆时的引锭杆、生产结束时连铸坯的尾坯以及跳动的连铸坯碰撞电磁超声波传感器202而损坏的问题，从而提高了电磁超声波传感器的可靠性，延长了电磁超声波传感器的使用寿命。

可选地，电磁超声波传感器202也可通过驱动装置驱动电磁超声波传感器202沿连铸坯201的宽面扫描，则在连铸坯的宽面上只需要设置一个电磁超声波传感器202便能检测到连铸坯201固相201c内边界201b沿连铸坯宽面方向的分布情况。该驱动装置布置在连铸坯铸造方向有动态轻压下的区间以及与该区间相邻的上下游局部区段的各扇形段的设定位置。

信号处理器208与电磁超声波传感器202电连接，用于对电磁超声波传感器202的接收信号进行选频放大。计算机207与信号处理器208电连接，用于对信号处理器208处理过的电磁超声波传感器的接收信号进行相关运算，该相关运算是指选出信号处理器208处理过的电磁超声波传感器的接收信号与电磁超声波传感器202的发射信号的脉宽、频率、幅度和波形相关的波。控制器206与计算机和连铸机的控制系统电连接并根据固相201c内边界201b和凝固末端201d的位置调节连铸机二冷水的流量、拉矫机的拉速以及轻压下的压下量和压下率。

图11是应用于在线检测连铸坯固相内边界及凝固末端位置系统的信号处理方法的流程图，该信号处理方法包括：步骤S109，即移位电磁超声波传感器的接收信号波形到指定位置(简称移位)；步骤S111，即对移位到指定位置的电磁超声波传感器的接收信号波形进行加和平均(简称加和平均)。

由于连铸机生产条件的变化导致连铸坯内部组织如柱状晶、等轴晶搭桥跟随变化，透过连铸坯的电磁超声波信号Sl(电磁超声纵波)和St(电磁超声横波)被接收电磁超声波的传感器接受后其出现的位置和幅度也在时刻变化，如电磁超声纵波的接收信号相对电磁超声纵波的发射信号的时间滞后量τl和电磁超声横波的接收信号相对电磁超声横波的发射信号的时间滞后量τt出现的位置随着时间在不断地变化，但该变化都在一定的范围内，经过N1(如4096)次有效采样，统计N1个τl、τt值时间上最可几率即分布最密的τ值定为τ_c ^l、τ_c ^t即分别为电磁超声纵波的接收信号相对电磁超声纵波的发射信号的最可几率的时间滞后量(简称电磁超声纵波最可几率的时间滞后量τ_c ^l)和电磁超声横波的接收信号相对电磁超声横波的发射信号的最可几率的时间滞后量(简称电磁超声横波最可几率的时间滞后量τ_c ^t)。

然后把电磁超声纵波信号和电磁超声横波信号都以τl、τt点分别移位到指定位置如τ_c ^l、τ_c ^t进行加和平均求出电磁超声纵波信号的加和平均幅度值

电磁超声横波信号的加和平均幅度值

若时刻变化的电磁超声波信号Sl和St未进行上述移位处理便进行加和平均，则会使得接收到电磁超声波信号变得更小，难以用来分析连铸坯的固相内边界及凝固末端的位置更不用说提升电磁超声波传感器与连铸坯之间的距离。

可选地，在对电磁超声波信号进行移位处理和加和平均之前，可以对信号进行甄别处理，即以大于噪声幅度的某个数值作为甄别阈，只允许大于该甄别阈的信号通过(简称甄别)。

可选地，在对电磁超声波信号进行移位处理和加和平均之前，还可以对信号进行相关运算，如从电磁超声波的接收信号里选出连续三个与电磁超声波的发射信号幅度、波形相关的波，如图10示，从5个波里只选出中间连续三个幅度较大的波。

图12是根据本发明的连铸坯固相内边界和凝固末端系统的在线检测方法的流程图。本发明的在线检测方法包括如下步骤：S101：信号发生器产生激励信号用于触发电磁超声波的发射；S103：电磁超声波传感器发射电磁超声波和/或接收电磁超声波；S105：信号处理器对电磁超声波传感器的接收信号进行选频放大；S107：计算机对信号处理器处理过的电磁超声波传感器的接收信号进行相关运算；S109：移位电磁超声波传感器的接收信号波形到指定位置；S111：对移位到指定位置的电磁超声波传感器的接收信号波形进行加和平均；S113：给出连铸坯固相内边界和凝固末端位置。

其中，电磁超声波传感器分布在连铸坯铸造方向上设有动态轻压下的区间以及与该区间相邻的上下游局部区段的各扇形段的设定位置，电磁超声波传感器中的磁铁面向被测连铸坯表面一端的端面积比远离连铸坯表面一端的端面积大；

相关运算是指选出信号处理器处理过的电磁超声波传感器的接收信号与电磁超声波传感器的发射信号的脉宽、频率、幅度和波形相关的波。

优选地，为减少电磁超声波传感器沿连铸坯宽面布置的数量，也可以使用电磁超声波传感器驱动装置，用于驱动电磁超声波传感器沿连铸坯的宽面扫描以获得固相内边界线。

计算机给出连铸坯固相内边界和凝固末端位置是指计算机根据加和平均后的信号提取加和平均幅度值

以及电磁超声波传感器的接收信号相对电磁超声波传感器的发射信号的时间滞后量τ进行分析给出连铸坯固相内边界和凝固末端位置。

可选地，加和平均幅度值包括电磁超声横波的加和平均幅度值

和/或电磁超声纵波加和平均幅度值V₁；时间滞后量τ为给定采样时间段内的最可几率的时间滞后量τ_c。

优选地，最可几率的时间滞后量τ_c包括电磁超声横波最可几率的时间滞后量τ_c ^t和/或电磁超声纵波最可几率的时间滞后量τ_c ^l。

可选地，计算机在移位信号波形到指定位置之前对信号波形进行甄别处理。

优选地，计算机给出连铸坯固相内边界和凝固末端的位置是指给出电磁超声横波的加和平均幅度值

小于指定阈值的区域分界线即为连铸坯固相内边界和凝固末端的位置，而电磁超声纵波的加和幅度平均值

以及电磁超声横波最可几率的时间滞后量τ_c ^t和电磁超声纵波最可几率的时间滞后量τ_c ^l对确定连铸坯固相内边界和凝固末端的位置有辅助作用。

加和平均幅度值随电磁超声波传感器从连铸坯的边界向中心移动过程中逐渐下降或不变以及最可几率时间滞后量τ_c随电磁超声传感器从连铸坯的边界向液芯移动过程中上升或不变。

在检测出连铸坯固相内边界和凝固末端的位置时，可利用控制器根据固相内边界和凝固末端的位置调节二冷水的流量、拉矫机的拉速以及轻压下的压下量和压下速度，从而实现对动态轻压下的工艺控制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种在线检测连铸坯固相内边界及凝固末端位置的系统，包括信号发生器、电磁超声波传感器、信号处理器、计算机、以及控制器，其特征在于，所述电磁超声波传感器布置在连铸坯铸造方向有动态轻压下的区间以及与该区间相邻的上下游局部区段的各扇形段的设定位置，所述电磁超声波传感器中的磁铁面向被测连铸坯表面一端的端面积比远离连铸坯表面一端的端面积大。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电磁超声波传感器包括发射电磁超声波的传感器和接收电磁超声波的传感器。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述发射电磁超声波的传感器和所述接收电磁超声波的传感器分别安装在连铸坯上下两个面上或分别安装在连铸坯左右两个面上。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述发射电磁超声波的传感器和所述接收电磁超声波的传感器分别同轴竖直地安装在连铸坯上下两个面上或分别同轴水平地安装在连铸坯左右两个面上。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述发射电磁超声波的传感器和所述接收电磁超声波的传感器同侧地安装在连铸坯上下左右的任一面上。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电磁超声波传感器为集发射电磁超声波功能和接收电磁超声波功能于一体的传感器。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电磁超声波传感器安装在连铸坯上下左右的任一面上。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括驱动装置，所述驱动装置与所述电磁超声波传感器连接，布置在连铸坯铸造方向有动态轻压下的区间以及与该区间相邻的上下游局部区段的各扇形段的设定位置，用于驱动所述电磁超声波传感器沿连铸坯的宽面扫描。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号处理器对所述电磁超声波传感器的接收信号进行选频放大。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算机用于对所述信号处理器处理过的所述电磁超声波传感器的接收信号进行相关运算，所述相关运算是指从所述信号处理器处理过的所述电磁超声波传感器的接收信号中选出与所述电磁超声波传感器的发射信号的脉宽、频率、幅度和波形相关的波。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其特征在于，所述电磁超声波传感器中的磁铁为永磁铁或电磁铁。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述电磁超声波为电磁超声横波和/或电磁超声纵波。

13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器根据固相内边界和凝固末端的位置调节二冷水的流量、拉矫机的拉速以及轻压下的压下量和压下率。

14.一种根据权利要求1至13中任一项所述的在线检测连铸坯固相内边界及凝固末端位置的系统的信号处理方法，其特征在于，包括：

移位电磁超声波传感器的接收信号波形到指定位置；

对移位到指定位置的所述电磁超声波传感器的接收信号波形进行加和平均。

15.根据权利要求14所述的信号处理方法，其特征在于，在所述移位电磁超声波传感器的接收信号波形到指定位置之前对所述电磁超声波传感器的接收信号波形进行甄别处理。

16.根据权利要求14或15所述的信号处理方法，其特征在于，所述电磁超声波传感器的接收信号波形为计算机对所述电磁超声波传感器的接收信号进行相关运算的信号波形。

17.一种在线检测连铸坯固相内边界及凝固末端位置的方法，其特征在于，包括如下步骤：信号发生器产生激励信号；

电磁超声波传感器响应所述激励信号而发射电磁超声波来感测连铸坯；

信号处理器对电磁超声波传感器的接收信号进行选频放大；

计算机对所述信号处理器处理过的所述电磁超声波传感器的接收信号进行相关运算以及对进行所述相关运算后的信号使用根据权利要求14所述的信号处理方法并给出连铸坯固相内边界和凝固末端位置；以及

控制器根据所述固相内边界和凝固末端的位置调节二冷水的流量、拉矫机的拉速以及轻压下的压下量和压下速度，

其中，所述电磁超声波传感器分布在连铸坯铸造方向上设有动态轻压下的区间以及与该区间相邻的上下游局部区段的各扇形段的设定位置，所述电磁超声波传感器中的磁铁面向被测连铸坯表面一端的端面积比远离连铸坯表面一端的端面积大，

其中，所述相关运算是指选出所述信号处理器处理过的所述电磁超声波传感器的接收信号与所述电磁超声波传感器的发射信号的脉宽、频率、幅度和波形相关的波。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，通过驱动装置驱动所述电磁超声波传感器沿连铸坯的宽面扫描。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述计算机给出连铸坯固相内边界和凝固末端位置是指所述计算机根据加和平均后的信号提取加和平均幅度值

以及电磁超声波传感器的接收信号相对电磁超声波传感器的发射信号的时间滞后量τ进行分析，给出连铸坯固相内边界和凝固末端位置；所述分析包括根据所述加和平均幅度值

小于指定阈值的区域分界线即为连铸坯固相内边界和凝固末端的位置。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述加和平均幅度值

包括电磁超声横波的加和平均幅度值

和/或电磁超声纵波加和平均幅度值

所述时间滞后量τ为给定采样时间段内的最可几率的时间滞后量τ_c。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述最可几率的时间滞后量τ_c包括电磁超声横波最可几率的时间滞后量τ_c ^t和/或电磁超声纵波最可几率的时间滞后量τ_c ^l。

22.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述计算机在移位信号波形到指定位置之前对所述信号波形进行甄别处理。

23.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述计算机给出连铸坯固相内边界和凝固末端的位置是指给出电磁超声横波的加和平均幅度值小于指定阈值的区域分界线即为连铸坯固相内边界和凝固末端的位置。

24.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于，所述加和平均幅度值V随电磁超声波传感器从连铸坯的边界向中心移动过程中逐渐下降或不变以及最可几率的时间滞后量τ_c随所述电磁超声传感器从连铸坯的边界向液芯移动过程中上升或不变。

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