厚度測量在特殊合金冷帶鋼中的應(yīng)用

李傳靜（山鋼股份萊蕪分公司自動化部，山東萊蕪271104）

?

厚度測量在特殊合金冷帶鋼中的應(yīng)用

李傳靜
（山鋼股份萊蕪分公司自動化部，山東萊蕪271104）

摘要：通過分析合金成分優(yōu)化合金代碼算法模型，計算理論厚度補(bǔ)償系數(shù)并完成規(guī)程的預(yù)設(shè)定，開發(fā)了測厚儀特殊合金補(bǔ)償系數(shù)曲線模型，實現(xiàn)了鈦帶厚度在線測量，保證了厚度檢測精度，為冷軋生產(chǎn)線開發(fā)大量高效高專新產(chǎn)品提供保障。關(guān)鍵詞：冷帶鋼；厚度測量；厚度補(bǔ)償模型；測厚儀

1　前　言

萊鋼冷軋薄板生產(chǎn)線軋機(jī)為六輥UCM軋機(jī)，將材質(zhì)為普通碳素鋼和低合金優(yōu)質(zhì)鋼的熱軋帶卷經(jīng)過酸洗切邊和若干道次的軋制，使其成為具有所需厚度的各種規(guī)格的冷軋帶卷。所配備的測厚儀只能對測量普通碳素鋼和低合金鋼的厚度，對特殊材料如鈦帶、高錳鋼等復(fù)雜合金的厚度不能直接檢測。為此，對測厚儀檢測原理、控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，開發(fā)合金補(bǔ)償系數(shù)曲線模型，實現(xiàn)特殊材料的在線直接檢測，保證新產(chǎn)品的順利開發(fā)。

2　厚度測量原理

通過材料的X射線的光譜區(qū)輻射將被該材料衰減。X射線通過厚度為h的材料后的輻射強(qiáng)度I。對于特定能量或波長，樣片的輻射量公式為：

I=Ioe-μh，

其中：Io為入射輻射強(qiáng)度；μ為材料的線性吸收系數(shù)。

吸收系數(shù)是材料對X射線進(jìn)行衰減的能力的量度，它取決于材料的化學(xué)組成以及X射線的能量或kV水平。當(dāng)X射線kV水平保持不變時，質(zhì)量吸收系數(shù)隨著化學(xué)元素的不同而不同；對于給定的化學(xué)元素，當(dāng)kV水平變化時，質(zhì)量吸收系數(shù)也將發(fā)生變化。由于吸收關(guān)系式中的因子μ均取決于材料，所以需要進(jìn)行合金補(bǔ)償，但是μ取決于化學(xué)組成和X射線源的能量。通過分析合金成分優(yōu)化合金代碼算法模型，計算理論厚度補(bǔ)償系數(shù)，并完成規(guī)程的預(yù)設(shè)定。測量出樣品板的機(jī)械厚度、對測厚儀作全量程標(biāo)定、預(yù)吸收標(biāo)定，溫度補(bǔ)償，計算出鈦帶的附加補(bǔ)償系數(shù)，再根據(jù)計算的理論厚度補(bǔ)償系數(shù)與之疊加得出最終鈦帶的實際厚度補(bǔ)償系數(shù)［1］。

3　厚度補(bǔ)償模型開發(fā)

3.1合金補(bǔ)償系數(shù)曲線模型開發(fā)

通過調(diào)節(jié)工作電壓可改變產(chǎn)生能量的強(qiáng)度，能量隨著厚度的增加而增加。在后臺程序中將校準(zhǔn)樣片的厚度、標(biāo)準(zhǔn)化和ACE參考點(diǎn)配置在標(biāo)定數(shù)據(jù)文件中。一般順序包括外部樣片在X射線光束通過線高度上的放置組合以及探測器信號的采樣。

軟件計算樣條擬合插補(bǔ)器的系數(shù)在有需要時可以獲得校準(zhǔn)目的之外的厚度值所用的插補(bǔ)值。由于光滑曲線可以通過制圖人員的樣條獲得，樣條擬合系統(tǒng)用來“連接”校準(zhǔn)時存儲的校準(zhǔn)點(diǎn)。校準(zhǔn)點(diǎn)之間的任何厚度值都必須進(jìn)行插補(bǔ)，除非校準(zhǔn)樣片的數(shù)目大大增加（校準(zhǔn)時間和數(shù)據(jù)存儲亦增加），否則曲線無法精確地與線性段擬合。校準(zhǔn)點(diǎn)的連接并不使用線性段，而是采用三階多項式曲線段。曲線的一般方程為：

y=ao+a1z1+a2z2+a3z3。

曲線段進(jìn)行匹配，從而每一個點(diǎn)處的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)均連續(xù)，這將確保獲得連續(xù)、光滑的曲線。插補(bǔ)公式需要計算與每條完整曲線相關(guān)的若干個常數(shù)。這些常數(shù)在校準(zhǔn)完成后獲得并存儲，直到需要使用為止（在測量之前）。校準(zhǔn)完成之后，通過讀入命令即可正確插補(bǔ)厚度測量范圍、光電倍增管電源電壓和厚度組的常數(shù)，所以可以選擇任意有效厚度，并且測厚儀隨時可以使用。

3.2補(bǔ)償技術(shù)

為獲得精確的厚度指示，需要對影響測量的過程和產(chǎn)品變量進(jìn)行補(bǔ)償，可能需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償和合金補(bǔ)償（由于X射線的吸收率取決于元素和能量）。補(bǔ)償是針對在線軋制合金化學(xué)組成的效應(yīng)。

1）溫度補(bǔ)償。在高溫時，用戶要求冷態(tài)厚度，通過視厚度獲得h：

h=1+a+t，

其中：a為正在在線軋制合金的吸收指數(shù)，%；t為溫度指數(shù)，%。

2）合金補(bǔ)償。當(dāng)金屬元素與其他金屬或非金屬元素混合形成合金，具有與其成分不同的物理性質(zhì)。X射線測厚的一個重要物理性質(zhì)是合金的吸收率，此吸收率是射線源能量和密度的函數(shù)?？紤]到校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件的吸收率與在線軋制合金的吸收率存在不同，需要某種形式的合金補(bǔ)償。由于吸收率關(guān)系中的因子取決于材料，需要進(jìn)行合金補(bǔ)償，吸收率關(guān)系公式：

I=Ioe-μrh，

其中，r為合金密度，常數(shù)。

盡管對于任何給定的合金，r在合理意義上是常數(shù)，但是μ取決于合金組成和X射線源的能量。

3.3擬合曲線

采用測建母表法。首先制作待測鋼種的厚度樣板并精確測量其厚度，再使用X射線測厚儀進(jìn)行在線測量。如果合金樣板實測厚度為h，不經(jīng)合金補(bǔ)償?shù)腦射線測厚儀讀數(shù)為ha，于是得到對應(yīng)合金吸收指數(shù)：AI=（ha，h）/h。該表由于是通過直線插法來計算出任何厚度對應(yīng)AI，所以厚度點(diǎn)應(yīng)覆蓋kV段整個厚度范圍。測厚儀較寬的測量范圍一般被分成幾個段，每個段對應(yīng)一個固定的線管kV電壓，較厚的厚度段對應(yīng)高kV電壓。X射線測厚儀在投入使用前必須進(jìn)行一次在線標(biāo)定，形成在線標(biāo)定曲線。在線標(biāo)定時，手動將覆蓋整個測量范圍的不同厚度規(guī)格且已知明確厚度的外部標(biāo)準(zhǔn)樣板（或組合）放置于在線位置（帶鋼通過線高度位置）進(jìn)行標(biāo)定測量，由計算機(jī)記錄不同厚度對應(yīng)的X射線強(qiáng)度（Xn，In）。Xn為不同實際樣板，In為對應(yīng)的探測器信號（已減去探測器原始信號）。每個kV段計算機(jī)將采樣點(diǎn)使用多項式。曲線擬合的辦法將其擬合成曲線，并記錄多項式系數(shù)。于是就建立了射線強(qiáng)度I和厚度h的函數(shù)關(guān)系。通過曲線擬合能夠在一定程度上修正標(biāo)準(zhǔn)樣板的厚度測量誤差（主要是隨機(jī)誤差），這使得測量精度得到保證。

不同厚度的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)樣板組合并進(jìn)行曲線擬合產(chǎn)生一套多項式系數(shù)，每個kV段都要使用不同厚度的合金樣板建立不同的h對應(yīng)不同AI的關(guān)系表格，并且點(diǎn)越多直線插值計算精度越高。再用內(nèi)部功能重建標(biāo)定曲線時，只要將得到的最新內(nèi)部標(biāo)定多項式系數(shù)加上對應(yīng)的通過線高補(bǔ)償系數(shù)就可折算成最新的在標(biāo)定多項式系數(shù)，從而得到最新的在線標(biāo)定曲線。實際帶鋼往往具有不同鋼種化學(xué)成分（合金組成）和定時所使用的標(biāo)準(zhǔn)樣板，因此，其對X射線的吸收也和標(biāo)準(zhǔn)樣板不一樣，必須對測厚儀測量值進(jìn)行修正即合金補(bǔ)償。

4　結(jié)語

鈦帶在線厚度測量技術(shù)的實現(xiàn)，保證了鈦帶軋制的需求，特殊合金補(bǔ)償模型和附加系數(shù)曲線修正技術(shù)的引入，拓寬了測厚儀的檢測范圍，保證了厚度檢測精度，為冷軋生產(chǎn)線開發(fā)大量高效高專新產(chǎn)品提供保障。在今后的生產(chǎn)中，要確保測厚儀運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，根據(jù)前部工序的實物測量成份不斷修正合金補(bǔ)償系數(shù)，以保障測厚功能的正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

［1］孫一康，童朝南，彭開香.冷軋生產(chǎn)自動化技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

Application of Thickness Measurement in Special Alloy Cold Strip

LI Chuanjing
（The Automation Department of Laiwu Iron and Steel Group Corporation, Laiwu 271104, China）

Abstrraacctt:: By analyzing the code algorithm model of the alloy composition, the theoretical thickness compensation coefficient and the pre setting of the procedure are calculated. The model of compensation coefficient curve of the special alloy of thickness gauge is developed, and on-line measurement for the thickness of titanium strip is realized. That can guarantee the accuracy of thickness detection, to provide support for the development of a large number of new products with high efficiency in cold rolling production line.

Key worrddss:: cold strip; thickness measurement; thickness compensation model; thickness gauge

作者簡介：李傳靜，女，1981年生，2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）自動化專業(yè)?，F(xiàn)為山鋼股份萊蕪分公司自動化部工程師，從事自動化系統(tǒng)與儀表工作。

收稿日期：2015-10-26

中圖分類號：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4620（2015）06-0065-02