CN104007170B - 基于电磁原理的通过状态转化测量金属液纯净度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电磁原理的通过状态转化测量金属液纯净度的方法，属于冶金工业、液态金属输运技术领域。首先，将金属液通过铸造法制备成圆环形金属薄片；在其上方的平面上布置不同测量范围的测量阵列，每个测量阵列包括测量单元，使测量单元中的永磁体与圆环形金属薄片之间产生垂直于永磁体磁化方向的相对运动，圆环形金属薄片中产生感应电流，当圆环形金属薄片中存在杂质时，圆环形金属薄片在永磁体磁场中运动而产生感应电流，力传感器测定作用在永磁体上的反作用力F₁′(t)和与杂质相对应的多个作用在永磁体上的反作用力，最后得到圆环形金属薄片中杂质的尺寸及液态金属的纯净度。本发明方法检测操作简单易行，而且提高了检测精度。

Description

基于电磁原理的通过状态转化测量金属液纯净度的方法

技术领域

本发明涉及一种基于电磁原理的通过状态转化测量金属液纯净度的方法，属于冶金工业、液态金属输运技术领域。

背景技术

在液态金属工艺过程中，由原材料或工艺的原因难免引入或形成的夹杂物，这些夹杂物包括三氧化二铝，氧化镁，氧化硅，氧化铝，氮化硅，二硼化钛，二硼化钒等非金属夹杂物。对材料最终的使用性能有重要影响，例如，夹杂物可在薄板件、食物、饮料包装或其它容器材料等上形成针孔状或气孔缺陷。另外，夹杂物可作为在凝固过程中的形核位置，从而影响冶金工艺、材料使役性能、金属材料的力学性能、疲劳和耐蚀性等。因此非常有必要在金属液输运过程中严格监控夹杂物的尺寸和浓度含量。

目前，金属液中夹杂物的检测有如下几种方法：

对金属液取样进行凝固处理，然后利用光学显微镜直接观测。对获得的金属液试样进行金相分析，结合图像处理，测量非金属夹杂物的尺寸和含量。这种方法有如下缺点：由于所采用的光学方法和金相试样不透明，因此只能给出二维或者统计结果，不能提供三维的、体积上的测量结果，因此只能提供金属液洁净度定性或半定量的参考结果。且从取样到制备金相试样直至进行显微观测的整个过程耗时较长，一般需要至少四到五个工作日，显然该法已无法适应现代高速的冶金连铸工艺过程，不能对在线的冶金工艺提供实时的、定量的结果。

超声波检测属于无损检测方法，该法适用于于固体状态下的金属制件，而且检测夹杂物的尺寸和精度受制于超声波的频率，一般需要兆赫兹的频率才能检测到微米级的夹杂物。

美国专利US4555662公开了一种基于库尔特(Coulter)计数原理发展而来的方法，所开发的测量仪被称之为(液态金属洁净度分析法)LiMCA。该法的要点为在一端封闭的石英管壁开一微孔，作为待测金属液试样的通道，在石英管内外置放至少一对电极并通直流电，在小孔周围形成电敏感区，在压力作用下，当非金属杂质随金属液通过小孔时，能在电极之间形成一个电阻脉冲，脉冲信号的幅值与其它电学信号特征与杂质颗粒的尺寸存在着定量函数关系，因而该法能提供实时的、定量的杂质检测结果。LiMCA II和LiMCA CM是ABB公司先后开发的两款用于实时、在线直接测量铝熔体中杂质定量含量的商业产品的品牌。该测量仪可检杂质的尺寸范围在20-155μm，可检杂质的杂质为50-10000个/kg。但该法亦存在如下难以克服的重大缺点：从原理上讲它是一种直接接触法，即将测试电极直接插入到待测金属液中，由于热胀和热蚀等问题，当待测金属液的温度超过800℃时，则很难找到合适的电极材料来承受高温、足够长的工作时间，更关键的是电磁敏感区内的作为金属液传输通道的工作微孔在高温下极易变形，致使测量失败。因而该法很难应用到熔点较高的金属熔体的杂质在线检测。这些局限性导致其不能应用于高温金属熔体例如钢铁中。德国专利DE102013018318.9(已有专利1)和德国专利DE102013006182.2(已有专利2)提出了微颗粒电磁探测原理，如图1和图2所示，是基于测量作用于磁系统上的洛仑兹力方法，由于测量量是不需要和被测固、液导体直接机械接触的电磁力，而非象LiMCA测试中测量电阻变化的直接接触法，克服了上述缺陷，在原理上优于LiMCA。

其中，德国专利DE102013006182.2(已有专利2)是用于测量固体导体中微颗粒和非金属杂质缺陷的，德国专利DE102013018318.9(已有专利1)是用于测量液体导体中的微颗粒或非金属杂质缺陷的。

在已有专利1中，所介绍的测量仪要克服如下的传热问题：所采用的小磁体必须在其居里温度以下工作，而待测的金属液的温度较高，虽然二者之间不需要接触(基于非接触法)，但要在待测金属液中获得足够强的工作磁场，二者之间的距离越小越好，因此二者之间要采取安全、可靠的绝热措施，以保证工作时间内永磁体能正常工作。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于测量电磁力变化的液态金属洁净度的检测方法，首先将金属液转化为金属固体试样，然后再进行检测，在保证金属固液试样中杂质的大小和数量不变的情况下，对金属试样进行检测，并降低检测难度，提高检测精度。

本发明提出的基于电磁原理的通过状态转化测量金属液纯净度的方法，包括以下步骤：

(1)利用取样器获取待测的金属液，将金属液通过铸造法制备成圆环形金属薄片；

(2)在圆环形金属薄片上方的平面上布置不同测量范围的测量阵列，每个测量阵列包括多个结构和功能相同的测量单元，测量单元与圆环形金属薄片表面之间的距离为H，测量单元阵列包括永磁体和测力传感器，所述的永磁体的磁化方向垂直于圆环形金属薄片，每个测量阵列中多个单元的布置方式为分行交错；

(3)使测量单元中的永磁体与圆环形金属薄片之间产生垂直于永磁体磁化方向的相对运动，圆环形金属薄片中产生感应电流，感应电流与永磁体磁场作用产生一个作用在圆环形金属薄片上洛仑兹力F₀，使用力传感器测量得到作用在永磁体上的反作用力F₀′；

(4)当圆环形金属薄片中存在杂质时，圆环形金属薄片在永磁体磁场中运动而产生感应电流，感应电流与永磁体磁场作用产生，产生一个作用在圆环形金属薄片洛仑兹力F₁(t)，使用力传感器测定作用在永磁体上的反作用力F₁′(t)，重复本步骤，在圆环形金属薄片的运动过程中，得到连续的与杂质相对应的多个作用在永磁体上的反作用力F₁′(t)，将多个反作用力中的最小值记为F₁′；

(5)根据上述反作用力F₀′和反作用力F₁′，计算得到ΔF_m＝F₁′-F₀′；

(6)通过下式计算得到圆环形金属薄片中杂质的尺寸d：

${\mathrm{\ΔF}}_m=F_0\frac{d^3}{D^{2}L},$

其中D为圆环形金属薄片的厚度，L为永磁体宽度，当d大于零时，表示圆环形金属薄片中存在一个杂质；

(7)重复步骤(4)—步骤(6)，计算得到各测量单元测到的杂质尺寸和杂质数量，从而得到液态金属的纯净度。

本发明提出的基于测量电磁力变化的液态金属洁净度的检测方法，其优点是：本发明将已有的测量金属熔体洁净度转化为测量相同杂质含量的固体金属的洁净度，解决了已有技术中高温熔体金属洁净度检测难度高的问题，实现了快速、准在线的检测方式，可以在分钟数量级的时间范围内，获得液体金属洁净度的定量信息，利用该信息，及时调整工艺过程。本发明方法检测操作简单易行，而且提高了检测精度。

附图说明

图1和图2是微颗粒通过电磁敏感区时产生的负向电磁力的反作用力信号的示意图。

图3是本发明方法涉及的测量装置的结构示意图。

图4是本发明方法中测量单元的结构示意图。

图5是本发明方法中采用一级单元阵列待测导体为圆片状时的示意图。

图6是本发明方法中采用两级单元阵列待测导体为圆片状时的示意图。

图7是本发明方法中测量单元陈列和圆片状待测固体导体之间相对运动的示意图。

图8是本发明方法中测量单元阵列布置成筒状而待测固体导体为长方体片状的示意图。

图9是本发明方法中测量单元阵列线性布置而待测固体导体为筒状薄片的示意图。

图1—图9中，1为导体，2为微颗粒或夹杂物，3为永磁体，4为电磁敏感区域，5为作用在导体试样上的洛仑兹力，6为作用在永磁体上的力(洛仑兹力的反作用力)，7为负向的力的脉冲信号，8为测量单元，9为测力传感器，10为测量阵列，11为待测圆环形金属薄片，12为带有测量单元阵列的圆形支撑盘，13为分级的测量单元阵列，14为薄带状的导体待测试样，15为薄壁筒状的导体待测试样。

具体实施方式

本发明提出的基于电磁原理的通过状态转化测量金属液纯净度的方法，包括以下步骤：

(1)利用取样器获取待测的金属液，将金属液通过铸造法制备成圆环形金属薄片；

(2)在圆环形金属薄片上方的平面上布置不同测量范围的测量阵列，每个测量阵列10包括多个结构和功能相同的测量单元8，测量单元8与圆环形金属薄片11的表面之间的距离为H，测量单元8包括永磁体3和测力传感器9，所述的永磁体3的磁化方向垂直于圆环形金属薄片11，每个测量阵列10中多个单元的布置方式为分行交错，如图3所示。

(3)使测量单元中的永磁体与圆环形金属薄片之间产生垂直于永磁体磁化方向的相对运动，圆环形金属薄片中产生感应电流，感应电流与永磁体磁场作用产生一个作用在圆环形金属薄片上洛仑兹力F₀，使用力传感器测量得到作用在永磁体上的反作用力F₀′；

(4)当圆环形金属薄片中存在杂质时，圆环形金属薄片在永磁体磁场中运动而产生感应电流，感应电流与永磁体磁场作用产生，产生一个作用在圆环形金属薄片洛仑兹力F₁(t)，使用力传感器测定作用在永磁体上的反作用力F₁′(t)，重复本步骤，在圆环形金属薄片的运动过程中，得到连续的与杂质相对应的多个作用在永磁体上的反作用力F₁′(t)，记该多个反作用力中的最小值为F₁′(即谷值)；

(5)根据上述反作用力F₀′和反作用力F₁′，计算得到ΔF_m＝F₁′-F₀′；

(6)通过下式计算得到圆环形金属薄片中杂质的尺寸d：

${\mathrm{\ΔF}}_m=F_0\frac{d^3}{D^{2}L},$

其中D为圆环形金属薄片的厚度，L为永磁体宽度，如图4中所示，当d大于零时，表示圆环形金属薄片中存在一个杂质；

(7)重复步骤(4)—步骤(6)，计算得到各测量单元测到的杂质尺寸和杂质数量，从而得到液态金属的纯净度。

本发明方法的检测原理如图1和图2所示，根据洛仑兹微颗粒探测原理检测出固体薄片试样中的微颗粒或夹杂物2。首先在待测试样表面附近设置永磁体3，永磁体3的尺寸大于所预期检测微颗粒或夹杂物2的最大名义尺寸。永磁体3的磁化方向为沿磁体垂直于金属试样1薄片件宽面方向上，以使永磁体产生的静磁场渗透到金属试样1。并使永磁体3与金属试样1之间产生相对运动，相对运动速度为u₀。根据欧姆定律，将在金属试样1产生感应电流，进而感应电流与磁场作用产生洛仑兹力F₀，作用在薄片件中的洛仑兹力的方向与所述的相对运动方向相反，根据牛顿第三定律，其大小相等、方向相反的反作用力F₀′(F₀′＝-F₀)作用在永磁体3上。当含有杂质的薄片上的微区经过(相对运动)电磁敏感区域4时，由于微颗粒或夹杂物2的非导电性，上述的感应电流会发生随时间变化的瞬变过程，相应的力的瞬变变化过程如图1中的t1到t5的位置，相应的力的信号瞬变过程如图2所示，形成了一个负向的力的脉冲信号7。所述的作用在导体上的洛仑兹力变化函数为F₁(t)，作用在永磁体上的反作用力变化为F₁′(t)(F₁′(t)＝-F₁(t))。通过测力传感器(8)测量作用在永磁体上的力的变化量ΔF(t)(ΔF(t)＝F₁′(t)-F₀′)，即可获得微颗粒或夹杂物2的名义尺寸。且由于每个脉冲信号7对应于一个微颗粒或夹杂物2，因而本发明方法既可检测出杂质的尺寸，也可检测杂质的数量，是一种定量方法。

图3为测量过程示意图。厚度为D的导体试样1中含有随机分布的微颗粒或夹杂物2，测量单元8位于其上距离为H处。测量单元8的结构如图4所示，是由永磁体3和测力传感器9组成。它们之间的距离为H，由于H的值越大，所测得的力将越小，因此H的值在保证它们不接触的情况下越小越好。测力传感器9与永磁体3相连接，用于测量作用在永磁体上的力。

为提高检测效率和扩大检测面，本发明采用了测量阵列10对待测圆环形金属薄片11采用扫描方式进行检测。为了达到测量单元阵列10扫描整个待测区域，测量单元阵列10采用分行交错的布置方式，如图5所示，阵列单元的横向间距(l_em)和纵向间距(l_g)应大于一定值，以使相邻的测量单元的磁场不产生相互干扰，影响测量精度。

为探测不同尺寸范围的杂质，所述的测量单元阵列采用分级测量单元阵列13的方式布置，如图6所示。同级别内的测量单元的磁体尺寸相同，不同级别的测量单元尺寸逐渐减小，以适应更小的尺寸范围的杂质的检测。即当上一级的测量单元没有检测到的杂质，有可能被下一级尺寸更小的测量单元阵列探测到。

如图7示出了将测量单元布置于圆盘12上，与待测金属薄片11作相对旋转的圆周运动。在图5和图6的测量单元阵列中，由于测量单元所处的半径位置不同，其相对运动的线速度因而也不同，在根据上述公式计算杂质尺寸时，须通过其与圆心的距离与角速度的关系确定不同所在位置测量单元的线速度。

测量阵列对金属导体表面进行了扫描，计算得到各检测单元所测到的微颗粒或杂质的数目，相对应的液态金属中不同位置微颗粒或杂质的尺寸，进而得到液态金属的洁净度。

本发明还根据上述的测量原理开发出另外几种测量单元阵列8与待测金属薄片11不同形状和不同位置关系的配置方法，如图8和图9所示。在图8中，测量单元阵列12被布置在筒形支撑体上，并以一定的角速度旋转，获得与薄带固体试样14之间的相对运动，并使两者之间产生线性相对运动(vˊ)，达到扫描测量的目的。。需要说明的是vˊ的值应相对较小，以使其对所测量的电磁力或其反作用力贡献较小或可忽略不计，不影响基于上述测量原理所测的结果。在图9中，待测的试样被制成薄壁圆筒形状14，相应的测量单元12被布置在靠近侧壁处。

本发明中磁体的宽度L对测量的精度影响很大，因为L决定了电磁敏感区4的大小。L的值既不能设置的太小，磁场的强度太小，制备工艺难度太大，L的值也不能太大，会导致相邻较近的微小颗粒杂质分辨不开与杂质的测量尺寸的关系。L的选择应以比预期的待测微颗粒的最大尺寸略大为宜。

由测量结果根据公式(1)进行计算，可获得薄导体试样(1)中杂质的定量信息(尺寸、数量)，根据所述的液态、固体金属试样的代表性，计算出所测金属液体中或感兴趣区域的金属液的杂质定量信息。获得液体金属洁净度的定量检测，以达到对金属液质量监测的目的。

控制试样制备和检测的时间，使其测量过程紧凑且在较短的时间内完成检测过程，可实行准在线的测量方式，可使本发明的检测方法适应快速检测或连续的工业化过程，能及时给工艺过程反馈液体金属洁净度的定量信息。

Claims (1)

1.一种基于电磁原理的通过状态转化测量金属液纯净度的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)利用取样器获取待测的金属液，将金属液通过铸造法制备成圆环形金属薄片；

(2)在圆环形金属薄片上方的平面上布置不同测量范围的测量阵列，每个测量阵列包括多个结构和功能相同的测量单元，测量单元与圆环形金属薄片表面之间的距离为H，测量单元包括永磁体和测力传感器，所述的永磁体的磁化方向垂直于圆环形金属薄片，每个测量阵列中多个单元的布置方式为分行交错；

(3)使测量单元中的永磁体与圆环形金属薄片之间产生垂直于永磁体磁化方向的相对运动，圆环形金属薄片中产生感应电流，感应电流与永磁体磁场作用产生一个作用在圆环形金属薄片上洛仑兹力F₀，使用测力传感器测量得到作用在永磁体上的反作用力F₀′；

(4)当圆环形金属薄片中存在杂质时，圆环形金属薄片在永磁体磁场中运动而产生感应电流，感应电流与永磁体磁场作用产生，产生一个作用在圆环形金属薄片洛仑兹力F₁(t)，使用测力传感器测定作用在永磁体上的反作用力F₁′(t)，重复本步骤，在圆环形金属薄片的运动过程中，得到连续的与杂质相对应的多个作用在永磁体上的反作用力F₁′(t)，将多个反作用力中的最小值记为F₁′，其中t是测量时间；

(5)根据上述反作用力F′₀和反作用力F′₁，计算得到ΔF_m＝F₁′-F₀′；

(6)通过下式计算得到圆环形金属薄片中杂质的尺寸d：

${\mathrm{\ΔF}}_m=F_0\frac{d^3}{D^{2}L},$

其中D为圆环形金属薄片的厚度，L为永磁体宽度，当d大于零时，表示圆环形金属薄片中存在一个杂质；

(7)重复步骤(4)—步骤(6)，计算得到各测量单元测到的杂质尺寸和杂质数量，进而得到液态金属的纯净度。