CN105588880A - 高炉用铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管间熔合效果检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管间熔合效果检测方法，包括步骤一、将铸入冷却水管的铸铜冷却壁沿铸入冷却水管中心线所在平面剖开，将与超声探伤仪连接好的超声直晶探头置于冷却水管的扁平内侧，检测冷却水管与冷却壁本体热面一侧的界面熔合状况；步骤二、在冷却水管的扁平面上选择测试点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、……、N-1、N，重复利用超声直晶探头进行冷却水管与冷却壁本体热面一侧的界面熔合状况检测；步骤三、利用熔合率的定义式Z＝Y/N×100％确定铸铜冷却壁中界面熔合状况，其中Y为超声检测时界面冶金熔合的点数，N为选择的测试点的总位置点数。本发明具有可行性高，检测效果好；测试方法简单；成本较低；应用较广的优点。

Description

高炉用铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管间熔合效果检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，具体是铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管间熔合效果检测方法，属于高炉冷却壁质量检测技术领域。

背景技术

高炉长寿对于整个炼铁行业具有巨大的经济效益，而冷却壁的正常顺行和使用年限是影响高炉长寿的重要因素之一。随着炼铁高炉的负载越来越大，高炉的寿命问题也日益突出。冷却壁作为高炉最重要的冷却设备，其寿命长短对高炉的长寿问题有着重要的影响。传统的铸铁冷却壁与铸钢冷却壁已经不能满足高炉的长寿要求，而铜冷却壁冷却能力更强、寿命更长，可以有效提高高炉寿命。目前，在高炉上应用比较普遍的是轧制铜冷却壁，但轧制铜冷却壁存在着“焊接”、“堵孔”工序，在焊接处易产生应力集中，造成连接处的破裂和漏水等危险，同时，轧制铜冷却壁制作成本较高，形式单一，难以完全满足高炉对冷却壁长寿命、高性价比和冷却水通道形式多样的要求。铸铜冷却壁具有制作工序简单，能源消耗少，价格低廉，形式多样的特点，应用前景广泛，得到人们的青睐。但是，铸铜冷却壁中冷却水管是预先置于型腔中，随后在高温金属液的加热下实现冶金熔合。如果冷却水管与冷却壁本体冶金熔合不够理想，存在空气间隙层，则对铸铜冷却壁的整体导热性能下降非常明显，直接影响铸铜冷却壁的正常使用效果。也正是由于可能存在的铸造缺陷和铸入冷却水管与冷却壁本体的界面熔合效果等问题，限制了铸铜冷却壁的推广应用。因此，对铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管之间界面结合状态的检测成为判定铸铜冷却壁质量优劣的关键。但是，由于铸铜冷却壁的晶粒一般较为粗大，且易于形成局部缩松，使得其检测分析较为困难。目前，国内外尚没有相应的方法和标准来判定铸铜冷却壁中冷却水管与冷却壁本体之间的结合状况，这也使得鉴定检测铸铜冷却壁的产品质量无章可循，因此，探索研究铸铜冷却壁中冷却水管与冷却壁本体之间冶金熔合状况的判定方法，对推动铸铜冷却壁的推广使用具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种检测铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管之间界面结合状态的方法，该方法具有检测结果准确，操作简单，易于实施等优点，能解决目前尚无检测铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管之间熔合状况的方法的问题。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的检测铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管之间界面结合状态的方法，其以超声波测厚技术及探伤分析的原理为基础，通过采用超声探伤仪测试铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管的厚度来判定铸入冷却水管与本体之间的冶金结合状态，并通过多点测试后利用统计分析原理确定铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管之间的熔合率，以判定铸铜冷却壁的质量优劣。

本发明提供的检测铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管之间界面结合状态的方法，用于检测分析铸铜冷却壁的质量和界面冶金熔合效果。

本发明具体是这样实现的：

铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管间熔合效果检测方法，在于：

步骤一、将铸入冷却水管的铸铜冷却壁沿铸入冷却水管中心线所在平面剖开，将与超声探伤仪连接好的超声直晶探头置于冷却水管的扁平内侧，检测冷却水管与冷却壁本体热面一侧的界面熔合状况；

步骤二、在冷却水管的扁平面上选择测试点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、……、N-1、N，重复利用超声直晶探头进行冷却水管与冷却壁本体热面一侧的界面熔合状况检测；

步骤三、利用熔合率的定义式Z＝Y/N×100％确定铸铜冷却壁中界面熔合状况，其中Y为超声检测时界面冶金熔合的点数，N为选择的测试点的总位置点数。

更进一步的方案是：所述测试点的选择，是依照数理统计原理和铸铜冷却壁的具体使用要求而确定的。测试点沿纵向均布于铸入冷却水管扁平面上，测试点之间距离30mm。

更进一步的方案是：所述冷却水管与冷却壁本体热面一侧的界面熔合状况，是指冷却水管与冷却壁本体间是否存在空气间隙层，如果存在空气间隙层，则熔合状况不理想，即没有熔合；如果不存在空气间隙层，则熔合状况理想，即熔合。

本发明与现有技术相比具有如下主要的突出效果：

其一，可行性高，检测效果好。

本发明采用超声波测厚技术及探伤分析的原理，具体通过检测轧制铜管的壁厚和缺陷来判定铸入冷却水管与本体之间的冶金结合效果，有效避免了铸铜可能存在的晶粒粗大和局部缩松而导致的超声波衰减过大和无回波信号导致无法测厚检测的问题。由于铸入轧制铜管组织均匀细小，超声信号回波稳定，测厚准确，因此，采用超声波测厚技术及探伤分析的原理，通过检测轧制铜管的壁厚来判定预埋冷却水管与本体之间的冶金结合效果的方法具有可行性高，检测效果稳定的特点。

其二，测试方法简单。判定冷却水管与冷却壁本体之间的冶金熔合效果只需检测结合部位二者结合后的厚度即可。通过厚度值判定铸铜冷却壁本体与铸入水管的结合状态，只需测试一定数量位置的厚度，分别判定所测点二者界面是否熔合，再利用统计学原理即可确定冷却壁中铸入冷却水管与本体结合界面的熔合率，从而可确定铸铜冷却壁的关键质量。

其三，成本较低。所采用仪器设备为便携式超声探伤仪。对铸入冷却水管冷却壁使用普通直晶探头即可。

其四，应用较广。由于通过改进直晶探头为曲面探头，运用此检测方法可以分析铸入圆管与铸铜冷却壁本体之间的界面熔合状态，亦可采用小直径探头测定曲面的壁厚，加之超声波测厚对钢质材质的可行性，因此，对于预埋不同截面的扁钢管、圆铜管和圆钢管等冷却水管的铸铜冷却壁铸件，本发明专利所述方法均可适用。而采用特殊设计的自行移动式超声探头也可通过冷却水管管孔置入探头方式实施非解剖冷却壁实体的上述方案的测厚，以判定铸入冷却水管与冷却壁本体二者之间的界面熔合状态。

总之，本发明利用铸入轧制铜管的厚度一定，当与铸铜冷却壁本体实现冶金结合后，结合处厚度将会变大，而且轧制铜组织均匀，无气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷，利用超声波测厚原理能很好的测出其厚度，因此，通过检测轧制铜管的壁厚来判定预埋冷却水管与本体之间的冶金结合效果的方法，可有效实施对铸铜冷却壁的冷却水管与本体之间的冶金结合效果的检测，而多位置点测试结果的统计分析计算熔合率可判定铸铜冷却壁的关键质量。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施方案的限制，上述实施方案和说明书中的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

附图说明

图1为铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管之间熔合效果的测试系统图。

图2a为铸铜冷却壁的主视图。

图2b为铸铜冷却壁水平剖视图及测试部位示意图。

图2c为铸铜冷却壁中含铸入冷却水管部位的截面剖视图。

图3为轧制铜冷却壁本体取样阶梯试块实体尺寸图。

图4为铸铜冷却壁本体取样阶梯试块实体尺寸图。

图5a为铸铜冷却壁中段下部(含热面)实体块的主视图。

图5b为铸铜冷却壁中段下部(含热面)实体块的俯视图和测试点位置示意图。

图中：1.冷却壁本体；2.铸入冷却水管；3.超声探头；4.便携式超声仪。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步的说明。

本发明提供的是一种利用超声波测厚技术及探伤分析的方法，检测铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管之间的界面冶金结合状况，并通过统计分析的原理计算界面熔合率，从而判定铸铜冷却壁的质量的方法。

上述所采用仪器设备为便携式数字超声探伤仪和直晶探头。

上述探伤仪使用耦合剂为普通机油。

本发明提供的利用超声波测厚技术及探伤分析的原理，检测铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管之间的界面结合状况，并利用统计原理计算熔合率，从而判定铸铜冷却壁的质量的方法。检测过程简单，与普通超声测厚探伤的原理相同。例如：首先准备好数字超声探伤仪一台和探头连接线一根，选择合适直径的超声直探头，用连接线连接直探头和数值超声探伤仪组成测试系统(图1)；利用与待测试件同材质的标准立方块(分别是：轧制铜冷却壁本体取样加工的立方块(40mm×40mm×40mm)、铸铜冷却壁本体取样加工的立方块(40mm×40mm×40mm))进行直探头校准和声速测定，测试时，需涂上机油作耦合剂；将测试试件探测部位加工打磨干净，再将校准好的直探头置于测试部位进行超声检测厚度，机油作耦合剂。

利用检测结果可判定铸铜冷却壁中铸入冷却水管与冷却壁本体之间的熔合状况，具体步骤如下：①将铸铜冷却壁沿冷却水管中心线所在的平面剖开(见图2a、图2b和图2c)，主要检测冷却水管与冷却壁热面一侧的界面熔合状况，判断界面熔合状况良好的方法是铸入冷却水管与冷却壁本体间是否存在空气间隙层，即在探伤过程中在距探测点(测试点)为管壁厚度附近是否存在空隙和缺陷(见图1)，若厚度大于原管壁厚度，即表明界面冶金结合；②在冷却水管内侧的扁平面上以合理的间距选择一定数量的测试点N(见图2b)，重复步骤①利用超声波探伤仪进行厚度检测；③统计各个测试点的界面熔合状况，利用式Z＝Y/N×100％定义铸铜冷却壁中界面熔合状况，其中Y为超声检测时界面熔合的点数，N为选择的测试点的总位置点数。

由于通过改进直晶探头为曲面探头，运用此检测方法亦可以分析铸入圆管与本体的界面熔合状态，亦可采用小直径探头测定曲面的壁厚，加之超声波测厚对钢质材质的可行性，因此，对于预埋不同截面的扁钢管、圆铜管和圆钢管等冷却水管的铸铜冷却壁铸件，本发明专利所述方法均可适用。若采用特殊设计的自行移动式超声探头也可通过冷却水管的管孔置入探头方式实施非解剖冷却壁实体的上述方案的测厚，以判定预埋冷却水管与冷却壁本体之间的界面熔合状态。

下面结合具体实例对本发明作进一步说明。

实施例1

采用超声波测试轧制铜阶梯块厚度。所测阶梯试块取自轧制铜冷却壁本体。阶梯试块的阶梯高度设定为8mm、10mm、20mm、30mm、40mm、60mm，宽度为60mm。取于轧制铜冷却壁本体的阶梯块实体尺寸图如图3所示，所采用的超声波探伤仪为友联PSUT-350B全数字智能超声探伤仪，采用φ14mm直晶探头，发射频率为2.6MHz。在实际测量前需要进行零点矫正与声速测定。本实例利用40mm×40mm×40mm的轧制铜冷却壁本体取样加工的立方标准厚度试块进行直探头校准和声速测定，经测定后超声波在轧制铜冷却壁中的声速为4678m/s。矫正完后对图3所示阶梯块实体分别利用游标卡尺和超声探伤仪进行厚度测量，耦合剂为机油，其结果如表1所示。

由表1所知，利用超声波测试轧制铜阶梯块的厚度与阶梯块的实际厚度吻合较好，表明利用超声方法可以很好地测定实际轧制铜材质的厚度。这也验证了本发明方法冷却水管内侧管壁厚度确定界面熔合效果的方法的可行性。

实施例2

采用超声波测试铸铜阶梯块厚度。所测阶梯试块取自铸铜冷却壁本体。其阶梯高度设定为8mm、10mm、20mm、30mm、40mm、60mm，宽度为60mm。取于铸铜冷却壁本体的阶梯块实体尺寸图如图4所示。所采用的超声波探伤仪为友联PSUT-350B全数字智能超声探伤仪，采用φ14mm直晶探头，发射频率为2.6MHz。在实际测量前需要利用40mm×40mm×40mm的铸铜冷却壁本体取样加工的立方标准厚度试块进行零点矫正与声速测定，机油作耦合剂，立方块取自与阶梯试块同一铸铜冷却壁本体。经测定后超声波在铸铜冷却壁中的声速为4678m/s。矫正完后对图4所示阶梯块实体分别利用游标卡尺和超声探伤仪进行厚度测量，耦合剂为机油，其结果如表1所示。

由表1可知，利用超声波测试铸铜阶梯块的厚度与阶梯块的实际厚度吻合较好，结果表明利用超声方法可以测定实际铸铜材质的厚度。需要说明的是，在测试铸铜材质壁厚为40mm和60mm时，有些部位回波不稳和无回波，表明铸铜材质该部位晶粒粗大和有显微缩松。事实上，在利用超声测厚鉴定铸铜冷却壁时亦有类似问题出现。而轧制铜阶梯块由于组织致密性良好，在阶梯块的任何位置测量均可发现良好回波信号。

比较表1中数据，利用超声波测试轧制铜阶梯块的厚度的精度高于测试铸铜阶梯块的厚度的精度，且稳定性更好。

表1铜冷却壁本体阶梯块超声波测试结果

实施例3

铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管之间界面熔合效果检测。截取铸铜冷却壁中段下部(含热面)实体块，其主视图、俯视图和测试点位置示意图分别如图5a、图5b所示。按照超声波所选取测试点的位置不同(见图5b)，本发明提供的方法可实现铸铜冷却壁中预埋铜管与铸铜冷却壁本体之间的冶金结合状况的初步判定和定量分析熔合率。

熔合效果的初步判定：直接从铸铜冷却壁的热面表面对预埋管部位进行厚度探测，即如图5a中A向进行超声厚度检测。采用这种方案的优点是直接在铸铜冷却壁外部(热面)进行选点测量，检测时可直接在热面上选择一定数量的测试点进行检测，方便快捷且无须破坏铸铜冷却壁。但是，由于铸铜冷却壁存在组织粗大，显微缩松等问题，可能有些部位难以探测，因此，只可以定性分析界面熔合效果。

冷却水管管壁内侧厚度检测熔合率：将铸铜冷却壁沿着冷却水管中心线所在的平面剖开后，从冷却水管的内侧选点进行测量，即图5a中B向测定预埋管部位的厚度。采用这种方案时，超声波只须穿透轧制铜材质冷却水管本身的厚度(本实例约为8mm，以实际使用管壁厚度大小为准)即可到达冷却水管与冷却壁本体的界面熔合处，由于预埋冷却水管通过实心管坯经穿孔后轧制成型，其组织致密性好，不存在铸造缺陷。实施例1结果表明，轧制铜材质对超声波的衰减作用低，在实际测量时得到的回波明显，准确率高。

判定铸铜冷却壁中铸入冷却水管与冷却壁本体之间的熔合状况及熔合率计算的具体步骤如下：①将连好超声探伤仪的直晶探头置于沿中心线所在的平面剖开的冷却水管扁平处，检测冷却水管与冷却壁本体热面一侧的厚度，以判定其界面熔合状况；②在冷却水管的扁平面上以合理的间距选择一定数量的测试点N(见图5b)，重复步骤①利用超声波探伤仪进行探测，测试结果见表2；③统计各个测试点的界面熔合状况，判断界面熔合状况良好的方法是冷却水管与冷却壁本体间是否存在空气间隙层，即在探伤过程中在距测试点为管壁厚度附近是否存在缺陷；④利用定义式Z＝Y/N×100％定义铸铜冷却壁中界面熔合状况，其中Y为超声检测时熔合的点数，N为选择的测试点的总位置点数。由表2可知，Ⅰ～Ⅵ熔合较好，Ⅶ、Ⅷ两点熔合不良，故熔合率Z＝6/8＝75％。

所述高炉用铸铜冷却壁本体与预埋冷却水管之间熔合效果的检测方法，可以比较方便的检测分析铸铜冷却壁的质量。

表2铸铜冷却壁实体试块超声波测试结果

当然，本发明通过如下方法进行了验证：

使用超声波检测技术单点测试铸铜冷却壁阶梯块与轧制铜冷却壁阶梯块的厚度。测试结果表明，超声波在铸铜冷却壁中传播时衰减较大，其组织不能保证所有的测试点都能接收到回波信号，但其在轧制铜中的衰减较小。对于组织较致密的铸铜材质，其检测效果与轧制铜一致。因此，利用超声波测厚技术可以检测铸铜冷却壁本体与冷却水管结合界面的冶金结合状况。

本发明中，利用统计分析原理计算铸铜冷却壁本体与冷却水管结合界面的的熔合率。熔合率是指铸铜冷却壁本体与冷却水管冶金结合界面占总接触界面的比率。由于高炉冷却壁在工作时，其传热途径主要是通过冷却壁热面的热传导进行热量传输，因此，通过选取合适的测试点位置分别进行多位置点的超声测试判定个点的冶金熔合状态，并运用统计学规律计算铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管结合界面的熔合率，就可以判定界面熔合状态，从而确定铸铜冷却壁的质量。

在利用超声波探测测试点位置处冷却壁本体与铸入冷却水管二者之间的界面熔合状态的过程时，可能出现如下三种情况：①界面熔合状况不理想，超声波遇到空气间隙层时反射回来，其探测出的距离即为冷却水管的厚度；②界面熔合状况良好，在测量时发现了缺陷回波信号或者底波信号，若探测到的是缺陷回波信号，则该处缺陷为铸铜冷却壁本体中存在的铸造缺陷，其距离离测试点的距离应大于管壁厚度；若探测到底波信号，则此时探测出的距离即为冷却水管厚度加上该处测试点的铸铜冷却壁的厚度，其距离也大于管壁厚度，如8mm；③界面熔合状况良好，无任何回波，这种现象是由于超声波在铸铜冷却壁中衰减过大无法发现缺陷回波信号或者底波信号。综合分析上述三种情况可以发现，在使用上述方法测量界面熔合状况过程中，无论铸铜冷却壁本体是否存在铸造缺陷或者超声波在铸铜冷却壁中衰减过大都不影响利用超声波对界面熔合状况的判定。判断界面是否冶金熔合良好，则只须判断在管壁厚度附近是否出现缺陷回波，如果出现则说明界面熔合状况不够理想，如果出现其它除此之外的其它情况，说明其界面熔合状况良好。由于铸入铜管材质为轧制纯铜管，组织致密，利用超声测厚技术可以稳定获得测试厚度(见具体实施例1)，不存在铸铜材质可能存在的利用超声技术测厚的不稳定性(见具体实施例2)，因此，上述测量过程受外界影响因素小，测量结果准确性好。尽管在采用上述方案进行熔合效果检测时需要将冷却壁剖开，在一定程度上破坏了铸铜冷却壁，而在铸铜冷却壁批量交货时，供需双方一般规定需要随机选择铸铜冷却壁进行解剖检测质量，并取样分析成分及测试相关性能，因此，采用本方案对铸铜冷却壁进行本体与铸入水管结合界面的熔合状况检测是完全可行的。事实上，如果采用特殊设计的自行移动式超声探头也可通过冷却水管的管孔置入探头方式实施非解剖冷却壁实体的上述方案的测厚分析，以判定预埋冷却水管与冷却壁本体之间的界面熔合状态，采用曲面探头也可实施对预埋圆管的探测。若冷却水管为钢质材料，超声波测厚探伤更具可行性。综上所述，上述测试方法可行性好。

Claims (3)

1.铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管间熔合效果检测方法，其特征在于：

步骤一、将铸入冷却水管的铸铜冷却壁沿铸入冷却水管中心线所在平面剖开，将与超声探伤仪连接好的超声直晶探头置于冷却水管的扁平内侧，检测冷却水管与冷却壁本体热面一侧的界面熔合状况；

步骤二、在冷却水管的扁平面上选择测试点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、……、N-1、N，重复利用超声直晶探头进行冷却水管与冷却壁本体热面一侧的界面熔合状况检测；

步骤三、利用熔合率的定义式Z＝Y/N×100％确定铸铜冷却壁中界面熔合状况，其中Y为超声检测时界面冶金熔合的点数，N为选择的测试点的总位置点数。

2.根据权利要求1所述铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管间熔合效果检测方法，其特征在于：所述测试点沿纵向均布于铸入冷却水管扁平面上，相邻测试点之间距离30mm。

3.根据权利要求1所述铸铜冷却壁本体与铸入冷却水管间熔合效果检测方法，其特征在于：所述冷却水管与冷却壁本体热面一侧的界面熔合状况，是指冷却水管与冷却壁本体间是否存在空气间隙层，如果存在空气间隙层，则熔合状况不理想，即没有熔合；如果不存在空气间隙层，则熔合状况理想，即熔合。