CN101620196B - 一种在线无损检测钢材含碳量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线无损检测钢的含碳量的方法。该方法包括下列步骤：采用感应加热方法，将钢材从室温开始加热；在加热一定时间t后，测量钢材表面温度T；根据钢材表面温度T计算前述钢材的含碳量。本方法的表面温度测量根据钢材的物理性能，如电阻率、热导率等参数，是含碳量和温度的函数的特点，通过利用数值分析或回归分析方法，精确获得不同含碳量的钢材，在某一确定的生产线上经过一定的加热时间后，其表面温度与含碳量的函数关系。此后，对于生产线生产这种特定钢材时，只需要将非接触的测温仪测得的钢材表面平均温度带入得到的函数关系式，就得到该钢材的含碳量的实时检测值。

Description

一种在线无损检测钢材含碳量的方法

技术领域

本发明涉及一种在线无损检测钢材含碳量的方法。

背景技术

现代钢铁工业产品中，碳作为一种重要的合金元素，在提高钢材产品性能方面具有举足轻重的作用。生产实际中，通常通过提高钢材的含碳量来提高硬度和抗拉强度。尤其是在热处理工艺中，钢的强度与含碳量和热处理工艺密切相关。众所周知，在含碳量一定的条件下，淬火回火钢材的抗拉强度随回火温度的降低而提高，与此同时，钢材的延伸性和面缩率等性能降低。但是对于某一牌号确定的钢材，其含碳量必定分布在一个范围内，因此为得到均匀的、理想的钢材性能，必须知道每一工件的含碳量，才能制定有针对性的工艺制度。

近些年，国内外在无损含碳量检测方面的研究偶见报道，可是已知的方法基本上是利用电磁感应原理。由于只采用电阻率等单一或有限的参数，因此检测精度低，只适用于混料情况下的材料分选，不能够满足连续钢材生产线在线实时检测含碳量的要求。通常只有±0.01wt.％的检测精度才满足在线实时检测的要求。

感应加热表面温度作为在线无损检测钢材含碳量的方法，在国内外尚未见报道和应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种简单、经济、环保、高效的在线无损检测钢材含碳量的方法，该方法利用感应加热过程中钢材的表面温度为在线检测钢材含碳量的参数，可以实现在线无损检测的目的。

本发明将含碳量与材料性能的非线性关系转化为表面温度与含碳量之间的线性关系，实现了电-磁-热-材料性能之间复杂耦合关系的解耦分析。根据不同含碳量的钢材，在同一磁场环境下，具有不同的电磁响应特性的原理，同时其热传输特性也不同，所以可以得到在相同感应加热条件下材料温升不同的结果。因此加热钢材的表面温度可以作为含碳量检测的唯一参数，建立在线检测模型。该模型可以采用非接触无损测温方式，实现含碳量的无损检测。

本发明所采用的技术方案是：本发明是利用感应加热数值分析或回归分析方法，以感应加热过程中钢材的表面温度为在线无损检测钢材含碳量的参数，检测相同种类、相同形状钢铁材料的含碳量，包括下列步骤(如图1和图2所示)：

(1)采用感应加热方法，将钢材从室温开始加热；

(2)在加热一定时间t后，测量钢材表面温度T；

(3)根据钢材表面温度T计算所述钢材的含碳量；

所述钢材表面温度T与所述钢材的含碳量的函数关系确定方法为：

(a)确定钢材电阻率与温度和含碳量的关系，在20-800℃范围内测试不同温度、不同含碳量下的钢材电阻率的值，或者根据已有文献检索相关钢材在不同条件下的电阻率数据；根据这些数据，采用回归分析或数值分析的方法确定电阻率与温度和含碳量的函数关系；

(b)确定钢材热导率与温度和含碳量的关系，在20-800℃范围内测试不同温度、不同含碳量下的钢材热导率的值，或者根据已有文献检索相关钢材在不同条件下的热导率数据；根据这些数据，采用回归分析或数值分析的方法确定热导率与温度和含碳量的函数关系；

(c)通过数值分析方法，利用电磁感应、热传导数学模型将电-磁-热-材料进行耦合分析，确定经过一定的加热时间钢材表面温度与含碳量的函数关系；

(d)在生产线上，校正含碳量与温度的函数关系。

校正中使用标准含碳量试样校验不同含碳量钢材的表面加热温度。

或者在校正过程中利用前面已知含碳量工件与后面相同种类、相同形状工件的温度差值，来确定前后工件含碳量的差值。

以上在线检测的钢材的表面温度低于其居里温度点。

本发明的有益效果是：

(1)可以实现在线、无损、非接触和实时检测；

(2)本方法未直接采用电磁信号作为检测参数，抗干扰能力强；

(3)充分利用了不同含碳量在不同温度下的材料物理性能不同的特点；

(4)检测过程简单，无需大规模改造原有设备。

附图说明

图1是本发明的温度测量示意图；

图2是本发明中含碳量检测过程示意图；

图3是本发明实施例一中淬火加热阶段钢材表面温度变化过程示意图；

图4是本发明实施例一中不同含碳量钢材在加热2秒之后的表面温度数值示意图；

图5是本发明实施例二中淬火加热阶段钢材表面温度变化过程示意图；

图6是本发明实施例二中不同含碳量钢材在加热2秒之后的表面温度数值示意图。

具体实施方式

实施例一：

实例一是PC钢棒生产线，生产线有两段PC钢棒感应加热淬火加热炉，加热工件的规格是

生产线加热速度是60m/s，钢棒在先居里加热炉9500Hz频率下加热2秒钟，在后居里加热炉35KHz频率下加热2秒钟。可以在先、后居里炉之间进行在线检测含碳量。具体方法如下：

利用钢材电阻率和电导率依赖于含碳量和温度的特点，分别取得电阻率和电导率的经验公式，参见公式1和公式2。

$\mathrm{\ρ}(T,C)=\mathrm{\α}+b_{1}T+b_2{T}^2+b_3{C}^{\frac{1}{4}}---\left(1\right)$

这里，ρ(T，C)是电阻率(10^-6Ω·m)，C是含碳量(wt.％)，T是温度(℃)，α是常数，b₁，b₂，b₃分别是回归系数。本例中，α＝0.01-0.1，b₁＝(0.1×10^-3)-(1×10^-3)，b₂＝(0.1×10^-6)-(2×10^-6)，b₃＝0.05-3.

λ(T，C)＝a₀+a₁T+a₂C+a₃T²+a₄T·C    (2)

λ(T，C)是热导率(w/m·k)，α₀是常数，α₁，α₂，α₃和α₄分别是回归系数。本例中，α₀＝30-80，α₁＝(-0.005)-(-0.06)，α₂＝(-1)-(-30)，α₃＝(-1×10^-7)-(-5×10^-5)，α₄＝0.0108.

利用不同含碳量的钢材，在同一磁场环境下，具有不同的电磁响应特性的原理，同时其热传输特性也不同，所以可以得到在相同感应加热条件下材料温升不同的结果。因此加热钢材的表面温度可以作为含碳量检测的唯一参数。利用电磁感应加热数值分析技术，对钢材感应加热过程进行数值模拟，得到图3所示的淬火加热阶段钢材表面温度变化过程。通过该图可以看出，经过加热2秒时间后，不同含碳量的钢材的表面加热温度不同。

因此可以模拟出不同含碳量的钢材在加热2秒之后的表面温度数值，如图4所示，因此可以确定出含碳量为0.27-0.36％范围的PC钢棒的表面加热温度与含碳量的函数关系是：

C^*＝η+βT_s

(3)

这里C^*是估计的含碳量，T_s是加热2秒后检测到的钢材表面温度，η和β是回归系数，本例中的值分别为-9.55和0.0148。

实际应用公式3时，需要在生产线上对公式进行校正，修正回归系数。

最后在生产线上根据先、后居里炉之间的红外测温仪检测到的PC钢棒表面温度计算出PC钢棒的含碳量。

实施例二：

实例二是PC钢棒生产线，生产线有三段PC钢棒感应加热淬火加热炉，加热工件的规格是

生产线加热速度是60m/s，钢棒在1号加热炉4600Hz频率下加热3秒钟，在2号加热炉13KHz频率下加热2秒钟，最后在3号加热炉40KHz频率下加热2秒钟。可以在1、2号炉之间进行在线检测含碳量。具体方法如下：

利用钢材电阻率和电导率依赖于含碳量和温度的特点，分别取得电阻率和电导率的经验公式，参见公式1和公式2。

利用不同含碳量的钢材，在同一磁场环境下，具有不同的电磁响应特性的原理，同时其热传输特性也不同，所以可以得到在相同感应加热条件下材料温升不同的结果。因此加热钢材的表面温度可以作为含碳量检测的唯一参数。利用电磁感应加热数值分析技术，对钢材感应加热过程进行数值模拟，得到图5所示的淬火加热阶段钢材表面温度变化过程。通过该图可以看出，经过加热3秒时间后，不同含碳量的钢材的表面加热温度不同。

因此可以模拟出不同含碳量的钢材在加热3秒之后的表面温度数值，如图6所示，因此可以确定出含碳量为0.27-0.36％范围的PC钢棒的表面加热温度与含碳量的函数关系是：

C^*＝γ+δT_s

(4)

这里C^*是估计的含碳量，T_s是加热3秒后检测到的钢材表面温度，γ和δ是回归系数，本例中的值分别为-26.4和0.0369。

实际应用公式4时，需要在生产线上对公式进行校正，修正回归系数。

最后在生产线上根据1、2号炉之间的红外测温仪检测到的PC钢棒表面温度计算出PC钢棒的含碳量。

Claims (4)

1.一种在线无损检测钢材含碳量的方法，其特征在于：是利用感应加热数值分析或回归分析方法，以感应加热过程中钢材的表面温度为在线无损检测钢材含碳量的参数，检测相同种类、相同形状钢铁材料的含碳量，包括下列步骤：

(1)采用感应加热方法，将钢材从室温开始加热；

(2)在加热一定时间t后，测量钢材表面温度T；

(3)根据钢材表面温度T计算所述钢材的含碳量；

所述钢材表面温度T与所述钢材的含碳量的函数关系确定方法为：

(a)确定钢材电阻率与温度和含碳量的关系，在20-800℃范围内测试不同温度、不同含碳量下的钢材电阻率的值，或者根据已有文献检索相关钢材在不同条件下的电阻率数据；根据这些数据，采用回归分析或数值分析的方法确定电阻率与温度和含碳量的函数关系；

(b)确定钢材热导率与温度和含碳量的关系，在20-800℃范围内测试不同温度、不同含碳量下的钢材热导率的值，或者根据已有文献检索相关钢材在不同条件下的热导率数据；根据这些数据，采用回归分析或数值分析的方法确定热导率与温度和含碳量的函数关系；

(c)通过数值分析方法，利用电磁感应、热传导数学模型将电-磁-热-材料进行耦合分析，确定经过一定的加热时间钢材表面温度与含碳量的函数关系；

(d)在生产线上，校正含碳量与温度的函数关系。

2.根据权利要求1所述的一种在线无损检测钢材含碳量的方法，其特征在于：使用标准含碳量试样校验不同含碳量钢材的表面加热温度。

3.根据权利要求1所述的一种在线无损检测钢材含碳量的方法，其特征在于：在校正过程中利用前面已知含碳量工件与后面相同种类、相同形状工件的温度差值，来确定前后工件含碳量的差值。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种在线无损检测钢材含碳量的方法，其特征在于：在线检测的钢材的表面温度低于其居里温度点。

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