板带内在质量在线测控前沿技术

1、板带内在质量在线测控前沿技术织构、性能检测织构、性能检测-X射线衍射射线衍射轧钢测控的发展方向轧钢测控的发展方向内在缺陷检测内在缺陷检测-激光超声激光超声锌层厚度的检测锌层厚度的检测-激光诱导击穿光谱激光诱导击穿光谱性能预报到测控的构想性能预报到测控的构想内容提要内容提要内在质量检测技术举例内在质量检测技术举例引言引言板带产品的质量表观板带产品的质量表观引言引言热轧的质量检测热轧的质量检测引言引言冷轧的质量检测冷轧的质量检测厚度测控厚度测控前馈前馈AGC控制、反馈控制、反馈AGC控制控制张力和流量张力和流量AGC控制控制流量流量AGC的手段的手段宽度测控宽度测控热连轧热连轧AWC功能功能逆宽轧

2、制等宽轧制减宽轧制凸度和板形测控凸度和板形测控热连轧热连轧ASC功能功能凸度和板形测量凸度和板形测量表面质量检测表面质量检测带钢带钢轧制方向轧制方向摄像机摄像机激光线光源激光线光源激光线条激光线条热热酸洗酸洗冷轧冷轧镀锌镀锌精整精整重卷重卷全工序的表面质量检测全工序的表面质量检测轧钢测控的发展方向轧钢测控的发展方向轧制生产检测手段的发展轧制生产检测手段的发展外观尺寸形状测控外观尺寸形状测控、X射线、激光技术射线、激光技术（厚度、宽度、凸度、板形）（厚度、宽度、凸度、板形）表面质量测控表面质量测控CCD检测技术检测技术内部质量和组织性能测控内部质量和组织性能测控X射线与激光超声等射线与激光超声等

3、织构、性能检测织构、性能检测-X射线衍射射线衍射轧钢测控的发展方向轧钢测控的发展方向内在缺陷检测内在缺陷检测-激光超声激光超声锌层厚度检测锌层厚度检测-激光诱导击穿光谱激光诱导击穿光谱性能预报到测控的构想性能预报到测控的构想内容提要内容提要内在质量检测技术举例内在质量检测技术举例内在质量测控内在质量测控传统结构材料质量和力学性能检测：主要依赖各种静传统结构材料质量和力学性能检测：主要依赖各种静态、离线、破坏式方法。态、离线、破坏式方法。 在线检测和质量监控技术：在线、全程、实时、无在线检测和质量监控技术：在线、全程、实时、无损地检测板带组织性能。损地检测板带组织性能。在条件成熟情况下可将检测信

4、息及时反馈至相应生产工序，在条件成熟情况下可将检测信息及时反馈至相应生产工序，便于调整工艺参数改进生产流程便于调整工艺参数改进生产流程 。传统的力学性能检测传统的力学性能检测内在质量测控内在质量测控 1） X射线衍射技术在线检测织构和组织性能射线衍射技术在线检测织构和组织性能织构与性能织构与性能R值的取向性值的取向性生产过程织构演化生产过程织构演化织构的演化织构的演化X射线衍射在线测量织构和性能射线衍射在线测量织构和性能 1895年伦琴发现用高速电子冲击固体时，有一种新射线从固体上发出年伦琴发现用高速电子冲击固体时，有一种新射线从固体上发出来来X Ray。射线射线X射线射线紫外光紫外光 可见光

5、可见光 红外光红外光微波微波无线电波无线电波/nm 0.01 10 400 760 5105 8105MHz 波长频率短高长低阴级阴级阳级阳级+-X射线衍射原理射线衍射原理 X X射线衍射法射线衍射法 当当X射线照射晶态结构时，将受到晶体点阵排列的不同原子所衍射。射线照射晶态结构时，将受到晶体点阵排列的不同原子所衍射。X射线照射射线照射两个晶面距为两个晶面距为d的晶面时，受到晶面的反射，两束反射的晶面时，受到晶面的反射，两束反射X光程差光程差2dsin使入射波长的整数倍时使入射波长的整数倍时，两束光的相位一致，发生相长干涉，这种干涉现象称为衍射，晶体对，两束光的相位一致，发生相长干涉，这种干涉

6、现象称为衍射，晶体对X射线的这种折射线的这种折射规则称为布拉格规则：射规则称为布拉格规则：式中，式中，为为X射线的波长；射线的波长；n为整数，即衍射级数；为整数，即衍射级数；d为晶届间距；为晶届间距；为半衍射角，也为半衍射角，也称布拉格角。称布拉格角。 X射线衍射原理射线衍射原理 X X射线衍射法射线衍射法 利用高速电子撞击原子，使内层电子的能级发生跃迁，再由高能级利用高速电子撞击原子，使内层电子的能级发生跃迁，再由高能级(激发态激发态)回到回到低能级低能级(基态基态)，并发射出，并发射出X特征谱线。利用特征谱线。利用X特征谱线对晶体物质进行照射，从而产生衍射现象，特征谱线对晶体物质进行照射，

7、从而产生衍射现象，据此建立的分析方法，称为据此建立的分析方法，称为X射线衍射法。射线衍射法。 X射线面探测器衍射系统射线面探测器衍射系统X射线发生器射线发生器X射线光学系统射线光学系统测角仪和样本台测角仪和样本台样品定位监视器样品定位监视器面探测器面探测器X射线面探测器衍射系统的结构示意图射线面探测器衍射系统的结构示意图 取向硅钢织构取向硅钢织构退火铝板退火铝板200极图极图IF钢板钢板200极图极图r值在线检测值在线检测无间隙原子钢和取向硅钢塑性应变比无间隙原子钢和取向硅钢塑性应变比r值在线检测值在线检测基本步骤基本步骤首先测量板材织构首先测量板材织构 其次计算取向分布函数其次计算取向分布函

8、数 然后根据多晶体塑性形变模型换算然后根据多晶体塑性形变模型换算r值值深冲压钢板织构深冲压钢板织构织构取向线分布织构取向线分布Taylor模型模型Sachs模型模型r值值r值测量结果值测量结果IF钢塑性应变比钢塑性应变比r值测量结果值测量结果中试线开发示范中试线开发示范 X射线衍射技术在线实施难点射线衍射技术在线实施难点 环境保护问题环境保护问题 设备干扰问题设备干扰问题 连续动态检测处理问题连续动态检测处理问题 在线模型实时计算问题在线模型实时计算问题 检测内容检测内容 组织结构组织结构 r值值 目标精度目标精度 在线检测织构及塑性应变比在线检测织构及塑性应变比r值的偏差小于值的偏差小于10

9、%内在质量测控内在质量测控2）激光超声在线检测裂纹、夹杂等内部缺陷）激光超声在线检测裂纹、夹杂等内部缺陷激光激光英文英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(LASER) -受激发射光扩大受激发射光扩大若一外来光子作用原子，且能量恰好满若一外来光子作用原子，且能量恰好满 ，原子就有可，原子就有可能从激发态能从激发态E2跃迁至低能态跃迁至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子，称为受激辐射。相同状态的光子，称为受激辐射。如此反复后就会产生大量相同性质的光子，放大后形成激光。

10、如此反复后就会产生大量相同性质的光子，放大后形成激光。射线射线 X射线射线 紫外光紫外光 可见光可见光 红外光红外光微波微波无线电波无线电波/nm 0.01 10 400 760 5105 8105MHz 波长频率短高长低l 人耳能听见对方说话，是因为声波在空气中传播人耳能听见对方说话，是因为声波在空气中传播l 人耳能听到的声波频率范围为人耳能听到的声波频率范围为20Hz20KHz。低于。低于20Hz的声波叫次声波，高于的声波叫次声波，高于20KHz的声波称为超声波，人耳是无法分辨的的声波称为超声波，人耳是无法分辨的l 特点：方向性好，穿透能力强，易获得集中的声能特点：方向性好，穿透能力强，易

11、获得集中的声能l 应用：可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等，在医学、军事、工应用：可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等，在医学、军事、工业、农业上有很多应用业、农业上有很多应用超声波超声波潜水艇潜水艇雷达雷达加湿器加湿器三维彩超三维彩超l 和普通的声音一样，超声波能向一定方向传播，而且可以穿透物体，如果碰到障碍，就会产和普通的声音一样，超声波能向一定方向传播，而且可以穿透物体，如果碰到障碍，就会产生回声，不相同的障碍物就会产生不相同的回声。人们通过仪器将这种回声收集并显示在屏幕生回声，不相同的障碍物就会产生不相同的回声。人们通过仪器将这种回声收集并显示在屏幕上，可以用来了

12、解物体的内部结构上，可以用来了解物体的内部结构l 连贯地、动态地观察脏器的运动和功能连贯地、动态地观察脏器的运动和功能l 追踪病变、显示立体变化，而不受成像分层的限制追踪病变、显示立体变化，而不受成像分层的限制超声波超声波B超超超声检测的缺点超声检测的缺点要求被检查表面有一定的光洁度；要求被检查表面有一定的光洁度；需有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的空隙，以保证充分的声耦合；需有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的空隙，以保证充分的声耦合；难以实现薄样品的检测。难以实现薄样品的检测。 有没有一种检测方式能够实现避免上述缺点，实有没有一种检测方式能够实现避免上述缺点，实现完全非接触检测？现完全非

13、接触检测？ 激光超声检测激光超声检测激光超声激光超声 利用激光脉冲照射样品表面，激发出超声波，并利用光学方法对超声波进利用激光脉冲照射样品表面，激发出超声波，并利用光学方法对超声波进行检测，从而实现对样品进行无损检测的一种方法。行检测，从而实现对样品进行无损检测的一种方法。超声波超声波表面运动表面运动频率稳定的激光频率稳定的激光相位调制相位调制幅值调制幅值调制光学干涉仪光学干涉仪将样品表面直接作为迈克尔逊干涉仪测量臂中的反射镜，其原理如图所示。将样品表面直接作为迈克尔逊干涉仪测量臂中的反射镜，其原理如图所示。激光器发射的脉冲激光被分束镜分成两路，一路经透镜聚焦后入射到样品表激光器发射的脉冲激光

14、被分束镜分成两路，一路经透镜聚焦后入射到样品表面，反射光再经分束镜后进入探测器面，反射光再经分束镜后进入探测器;另一路经反射镜和分束镜后也进入探测器，另一路经反射镜和分束镜后也进入探测器，二者发生干涉。二者发生干涉。激光超声的检测激光超声的检测干涉光强与激光超声引起的振动成正比干涉光强与激光超声引起的振动成正比 激光超声的测量装置激光超声的测量装置 激光超声测量装置一般由发射系统和接收系统组成。激光超声测量装置一般由发射系统和接收系统组成。 发射系统主要由一台高能脉冲激光器构成，用来在被检测物体上产生高热量，从而发射系统主要由一台高能脉冲激光器构成，用来在被检测物体上产生高热量，从而产生超声波

15、。由于超声波是物体受热激发的，并在物体表面和内部进行传播，所以超产生超声波。由于超声波是物体受热激发的，并在物体表面和内部进行传播，所以超声波携带有物体的厚度、缺陷、应力以及结构等信息。声波携带有物体的厚度、缺陷、应力以及结构等信息。接收系统一般由检测激光器、激光干涉仪、光电探测器组成接收系统一般由检测激光器、激光干涉仪、光电探测器组成 当检测激光照射到样品表面时，超声振动会对它的反射光进行调制，使超声当检测激光照射到样品表面时，超声振动会对它的反射光进行调制，使超声振动信息转变为光信息。干涉仪能够测量细微的光程或光频率变化，它把光信号振动信息转变为光信息。干涉仪能够测量细微的光程或光频率变化

16、，它把光信号携带的超声振动信息解调出来。携带的超声振动信息解调出来。 激光超声的测量装置激光超声的测量装置 l 完全非接触完全非接触,光与样品之间无需耦合剂光与样品之间无需耦合剂；l 能同时激发出纵波、横波和表面波，在薄板中能够激发能同时激发出纵波、横波和表面波，在薄板中能够激发LAMB波；波；l 可以在金属、绝缘体、陶瓷、有机材料等非压电体中直接激发超声可以在金属、绝缘体、陶瓷、有机材料等非压电体中直接激发超声，无需借助于压电换能器；，无需借助于压电换能器；l 属于宽带检测技术，并能用光波波长为测量标准而精确测量超声位属于宽带检测技术，并能用光波波长为测量标准而精确测量超声位移；移；l激光声

17、源十分灵活，声源的形状、大小取决于光学元件、系统和调节激光声源十分灵活，声源的形状、大小取决于光学元件、系统和调节 ；l易于与光纤技术相结合，能够很方便集成化；易于与光纤技术相结合，能够很方便集成化；l 受表面状况影响小，测量准确度和分辨力都很高。受表面状况影响小，测量准确度和分辨力都很高。 激光超声测量装置特点激光超声测量装置特点 激光超声应用激光超声应用缺陷检测缺陷检测 l通过对检测激光所携带的的超声波信息进行分析，得到不同状态下的检测波峰通过对检测激光所携带的的超声波信息进行分析，得到不同状态下的检测波峰值及相位信息，经过进一步的处理便可以得出不同状态下的被检测物体的内部值及相位信息，经

18、过进一步的处理便可以得出不同状态下的被检测物体的内部缺陷等信息。缺陷等信息。l具体方法：缺陷共振法、反射系数法具体方法：缺陷共振法、反射系数法激光激发激光激发激光检测激光检测无损状态无损状态内有夹层内有夹层内部空洞内部空洞激光超声应用激光超声应用残余应力检测残余应力检测 残余应力对构件的疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着很大的影响残余应力对构件的疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着很大的影响残余应力常规测量残余应力常规测量 钻孔法、切槽法等机械测试法钻孔法、切槽法等机械测试法破坏大，滞后大破坏大，滞后大 X射线衍射法射线衍射法表面要求高表面要求高 磁性法磁性法可靠

19、性和精度差，标定困难，仅限铁磁材料可靠性和精度差，标定困难，仅限铁磁材料残余应力基本原理残余应力基本原理声弹性波理论和实验研究结果表明，超声波在各向同性弹性体内的横波和纵声弹性波理论和实验研究结果表明，超声波在各向同性弹性体内的横波和纵波的传播速度与应力大小有关。波的传播速度与应力大小有关。 激光超声应用激光超声应用弹性模量检测弹性模量检测材料的弹性常数是表征其力学性质的基本参数材料的弹性常数是表征其力学性质的基本参数机械测试方法：材料弹性常数较困难且破坏性机械测试方法：材料弹性常数较困难且破坏性激光超声检测弹性模量激光超声检测弹性模量 固体物理理论推导出的依据表征声波的相速度与材料弹性常数、

20、密度之间关系的克固体物理理论推导出的依据表征声波的相速度与材料弹性常数、密度之间关系的克里斯托费尔里斯托费尔(Christoffel)方程式方程式媒介密度媒介密度纵波速度纵波速度横波速度横波速度l 快速超声扫描成像快速超声扫描成像 由于超声波的产生与接收均不需要耦合剂，而且激光的扫描速度也比机械式由于超声波的产生与接收均不需要耦合剂，而且激光的扫描速度也比机械式快。因此，利用激光超声系统很容易实现快速超声扫描成像。快。因此，利用激光超声系统很容易实现快速超声扫描成像。 如，英国的、如，英国的、Q.Shan等利用波长为等利用波长为1.06m的的Q开关开关Nd:YAG激光器作为激激光器作为激光光源

21、（功率光光源（功率2MW、脉宽、脉宽20ns）在样品表面产生超声波，用共焦的法布里）在样品表面产生超声波，用共焦的法布里-珀罗标准珀罗标准具接收，对铝板中的人工缺陷进行了检测，得到了令人满意的缺陷图象。具接收，对铝板中的人工缺陷进行了检测，得到了令人满意的缺陷图象。激光超声应用激光超声应用在线检测板带内部缺陷和力学性能在线检测板带内部缺陷和力学性能在线检测热轧和冷轧板带的关键在线检测热轧和冷轧板带的关键缺陷检测：内部裂纹、夹渣、皮下气泡和结疤等。缺陷检测：内部裂纹、夹渣、皮下气泡和结疤等。 性能检测：弹性常数、残余应力等。性能检测：弹性常数、残余应力等。 重点研究：高温、振动复杂环境下特征提取

22、、连续实时检测多点数据融合、设备重点研究：高温、振动复杂环境下特征提取、连续实时检测多点数据融合、设备防护等。防护等。目标精度：在线检测板带内部缺陷的精度达到目标精度：在线检测板带内部缺陷的精度达到100m级级内在质量测控内在质量测控3）激光诱导击穿光谱技术在线测量锌层厚度）激光诱导击穿光谱技术在线测量锌层厚度接受接受接受接受发射发射激光诱导击穿光谱技术激光诱导击穿光谱技术-LIBSl激光诱导击穿光谱激光诱导击穿光谱 Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBSl 基本原理基本原理 激光束经透镜聚焦到被测样品上激光束经透镜聚焦到被测样品上 当脉冲激光的能

23、量密度大于击穿门槛能量时，就会在局部产生等离子体当脉冲激光的能量密度大于击穿门槛能量时，就会在局部产生等离子体光谱仪直接接收样品表面等离子体产生的发射谱线信号，可根据发射光谱强度进行定量分析光谱仪直接接收样品表面等离子体产生的发射谱线信号，可根据发射光谱强度进行定量分析l检测不同的固体、液体、气体中化学元素组成的仪器检测不同的固体、液体、气体中化学元素组成的仪器等离子体等离子体激光器激光器光导纤维光导纤维样样品品光谱仪光谱仪410415420425430435440 波长波长(nm)(nm)发射强度发射强度样品表面样品表面等离子体等离子体LIBS的硬件组成的硬件组成激光器激光器光谱仪光谱仪光导

24、纤维光导纤维样品室样品室电源电源LIBS的软件：谱线分析的软件：谱线分析l 谱线位置谱线位置:鉴别元素鉴别元素l 谱线强度谱线强度:元素含量元素含量LIBS的特点的特点l无须样品制备，分析简便、快速无须样品制备，分析简便、快速l可进行原位微区分析可进行原位微区分析l利用光导纤维实现高温利用光导纤维实现高温/恶劣环境下的远程多元素同步分析恶劣环境下的远程多元素同步分析l对样品尺寸、形状及物理性质要求不严格对样品尺寸、形状及物理性质要求不严格固态、液态、气态固态、液态、气态导体、非导体材料、难熔材料导体、非导体材料、难熔材料不规则样品不规则样品LIBS应用应用 美国为火星表面探测专门研制开发了便携

25、式美国为火星表面探测专门研制开发了便携式LIBS系统，近几次火星探测任务中用系统，近几次火星探测任务中用LIBS代代替了替了X射线荧光测试系统。这是因为火星表射线荧光测试系统。这是因为火星表面的尘埃阻碍了面的尘埃阻碍了X射线荧光系统的工作，而射线荧光系统的工作，而LIBS则不受这方面因素的影响。则不受这方面因素的影响。 美国在美国在“911事件事件”后曾一度陷炭疽热病的后曾一度陷炭疽热病的恐慌中。利用便携式恐慌中。利用便携式LIBS系统可以实时检测传系统可以实时检测传染病毒元素的存在。染病毒元素的存在。LIBS应用应用 通过对印章成分的定性和半定通过对印章成分的定性和半定量分析，可鉴定古代的油

26、画和壁量分析，可鉴定古代的油画和壁画、插画的真伪画、插画的真伪 人工做出的古玩表面的锈迹与因年代人工做出的古玩表面的锈迹与因年代久远而产生锈迹的化合价是不同的久远而产生锈迹的化合价是不同的;赝赝品的配料、成分等与正品也不一样品的配料、成分等与正品也不一样,LIBS通过对其中成分检测来辨别真通过对其中成分检测来辨别真伪。伪。LIBS应用应用转炉炉前转炉炉前l转炉炉前在线分析常用的转炉炉前在线分析常用的X荧光光谱仪，分析流程如下：荧光光谱仪，分析流程如下：样样品品制制备备耗耗时时l 钢液取样，样品凝固，升降台送样，样品预处理后用钢液取样，样品凝固，升降台送样，样品预处理后用X荧光光谱仪荧光光谱仪对

27、炉前样品进行分对炉前样品进行分析。析。l X荧光光谱仪荧光光谱仪自身分析时间虽短（自身分析时间虽短（12min），但样品制备时远远大于仪器分析时间，），但样品制备时远远大于仪器分析时间，通常手工制样最快也需要通常手工制样最快也需要5-8min。LIBS应用应用转炉炉前转炉炉前应用优点：应用优点：l 不需要制备样品；不需要制备样品；l分析速度快（分析速度快（1min或更少）；或更少）；l 取样距离远；取样距离远；l灵敏度高；灵敏度高；l与光纤技术的结合，可以实现钢水实时与光纤技术的结合，可以实现钢水实时在线分析和动态控制冶金生产工艺；在线分析和动态控制冶金生产工艺；l及时调整熔体成分成为可能，降

28、低及时调整熔体成分成为可能，降低了冶炼成本，提高生产效率。了冶炼成本，提高生产效率。1 激光器激光器 2 聚焦镜聚焦镜 3 计算机计算机 4 反射镜反射镜 5 聚焦聚焦镜镜 6 感应炉感应炉 7 坩锅坩锅应用示意图应用示意图LIBS应用应用炉气成分检测炉气成分检测 LIBS分析原理：分析原理： 激光与气体或气溶胶相互作用产生激光与气体或气溶胶相互作用产生介电击穿形成等离子体，系统一般介电击穿形成等离子体，系统一般配置一个过滤片，气体通过时，超配置一个过滤片，气体通过时，超细微粒沉积在过滤片上，然后用激细微粒沉积在过滤片上，然后用激光脉冲直接照射微粒产生等离子体光脉冲直接照射微粒产生等离子体，进

29、行气体成分分析。，进行气体成分分析。气体库气体库激光激光发生器炉气窗口平台物舱炉顶l钢铁冶炼中排放的气体，可以反映钢铁冶炼中排放的气体，可以反映传热传质过程、传热传质过程、炉内的物理化学反应进炉内的物理化学反应进行的程度和状态。行的程度和状态。镀锌层厚度检测镀锌层厚度检测 传统方法传统方法X射线荧光测量法：射线荧光测量法：因为不同元素所产生的荧光强度不同因为不同元素所产生的荧光强度不同, 就能测出就能测出镀锌层的厚度镀锌层的厚度 射线镀层测厚法：射线镀层测厚法：射线穿透物体的衰减规律射线穿透物体的衰减规律-透过物体射线透过物体射线的强度是物体单位面积质量的函数，因此利用的强度是物体单位面积质量

30、的函数，因此利用射线的吸收性，可测量物射线的吸收性，可测量物体的厚度体的厚度 l由于激光可以以一种可控的方式来清除表面膜层，因此，膜层结构的深度轮廓也由于激光可以以一种可控的方式来清除表面膜层，因此，膜层结构的深度轮廓也可以用可以用LIBS来分析。来分析。l在激光不断在激光不断“深入深入”到膜层内部的过程中，测量的光谱将反映膜层的元素信到膜层内部的过程中，测量的光谱将反映膜层的元素信息。息。镀锌层厚度检测镀锌层厚度检测 传统方法传统方法存在的问题：存在的问题：X射线和射线和射线法是无接触无损测量，但装置复杂昂贵，测射线法是无接触无损测量，但装置复杂昂贵，测量范围较小。因有放射源，使用者必须遵守射线防护规范。量范围较小。因有放射源，使用者必须遵守射线防护规范。镀锌层厚度检测镀锌层厚度检测 LIBS光谱仪光谱仪激光器激光器激光器控制激光器控制光纤光纤能量控制器能量控制器成像透镜成像透镜分色镜分色镜聚焦透镜聚焦透镜等离子体等离子体镀锌层镀锌层带钢带钢锌层测厚原理示意图锌层测厚原理示意图l 不同的锌层厚度，激光等离子体中铁元素含量与锌元素含量的比例分布不同不同的