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    在線測厚測徑技術在304不銹鋼管生產領域的應用

    發布時間:2021-04-13 08:29:58      發布人:  瀏覽量:

    為熱軋304不銹鋼管生產企業設計在線測厚、測徑系統,一方面可以對國內管材測厚測徑技術的發展起到一定促進作用,另一方面可以使我國304不銹鋼管企業以不高的投入獲得較強的產品競爭力。詳細介紹了在線測厚、測徑技術在304不銹鋼管生產領域的應用。

    目前我國304不銹鋼管年產能約為2800t,已經成為世界304不銹鋼管生產大國,然而與此形成反差的是我國在304不銹鋼管裝備制造和工具國產化方面的不足,尤其是熱軋鋼管的在線測厚、測徑設備系統。當前我國的熱軋鋼管的在線測厚、測徑設備系統大多依靠進口,但由于昂貴的價格,除幾大304不銹鋼管基地(如天管、包鋼、寶鋼、衡鋼等)實力較強,隨配套進口軋線機組引進此套設備外,其余機組目前大多采用人工測量。人工檢測304不銹鋼管厚度和外徑的缺點是顯而易見的,除勞動強度大、模式屬于抽檢、檢測點一般不超過2個、檢測準確性保證程度低外,就是人工檢測只能等到鋼管在冷床上運行一段時間以后才能進行測量,待測量結果反饋操作工處,已經生產出了多條與測量結果相同的鋼管,其滯后性相當明顯。因此,開發、研制304不銹鋼管在線測厚、測徑系統顯得尤為必要。

    該項目是專為熱軋304不銹鋼管生產企業設計的在線測厚、測徑系統。該系統采用γ射線測厚技術,在線實時檢測管材厚度變化;采用CCD光學成像技術,在線實時檢測管材外徑變化,其厚度或外徑值若超過允許偏差值時,系統會自動發出聲光報警,并可同時輸出控制信號用以實現軋機閉環自動控制。

    1在線測厚測徑系統技術方案

    項目主要由以下部分組成:一是γ射線測厚儀,由電離室、放射源及放大電路構成,用于測量管材厚度;二是雙CCD測徑儀,由兩套光學線陣CCD鏡頭(內置DSP單片機)以及背景光源構成,用于檢測管材的外徑;三是水制冷循環系統,用于現場測量設備(包括電離室、放射源及CCD鏡頭等)的冷卻;四是氣路處理系統,用于現場測量設備吹掃及開關放射源;五是中心站主機柜,包括測量主機系統、系統電源及接線;六是數據庫服務器,建立歷史數據數據庫,完成數據的儲存、查詢、統計、顯示及打印等功能;七是終端機,完成遠程測量畫面顯示及參數設定等。

    2在線測厚測徑系統工藝路線

    項目集管材測厚單元、管材測徑單元于一體,完成管材生產線多用途測量,同時可以提供反饋信號,以實現軋制生產線的閉環控制。

    2.1γ射線測厚儀

    2.1.1測量原理

    放射源和電離室上下相對排列,被測物在二者之間通過。射線穿透被測物,有部分射線被吸收,未被吸收的部分射到電離室,使其中的氣體電離,產生電流。該電流經微電流放大器放大為電壓信號,再轉變為隔離的0mA20mA電流信號傳送至主機。測量原理見圖2。根據理論推導,管材厚度與其他因素有如下關系:T=(1/μ)·LnV0/V)(1)式中,T是厚度;μ是材料密度;V0是零點電壓(即無測量物時的電壓值);V是測量電壓(即有測量物時的電壓值);Ln代表自然對數。

    在實際使用中,為了確保γ射線測厚儀的測量精度,需對式(1)進行吸收修正、密度修正、溫度修正和實際標定修正;同時,由于管材與板材幾何形狀的不同,還必須進行外徑修正、位置偏心修正等。修正后的式(1)變為式(2):T={(1/μ)LnV0/V)+CU}(1Cρ)(1CT)(1Cd)(1Cw)(1Cb)(2)式中:CU為吸收曲線線性修正值;Cρ為密度修正值;CT為溫度修正值,Cd為外徑修正值;Cw為位置偏心修正值;Cb為實際標定修正值;T為射線穿透整個管材界面的壁厚,最終壁厚值應為T1/2(單壁厚)。T1/2T/2由此可見,厚度與測量信號間并非呈嚴格的指數關系。而且由于管材相比板材幾何結構的特殊性,決定了管材測厚的復雜性要高于板材測厚。采用工業控制計算機,配以高性能的數據采集處理卡,組成智能化的測厚儀器。軟件以Winxp操作系統作為平臺,利用Access建立一個小型數據庫,用于保存各種標定參數表及生產過程的歷史數據。以此為基礎,系統可以實現查表模式反映厚度值,即用一組數據可模擬任何形狀的曲線,從而自動完成測量過程中的各種修正運算,提高測量精度。在生產實踐中通過積累大量的經驗數據,得到各種條件下的標定曲線,再通過數據庫管理系統,存儲多種工藝條件下、各種材質管材的標定參數表,使測厚儀能夠適用于各種生產條件下、不同種類管材的在線自動化測量。

    2.1.2高靈敏度電離室

    作為測厚單元的核心部件,電離室的選取非常重要。對電離室探測器的技術要求如下:

    (1)探測效率與靈敏度。為達到最大可測304不銹鋼管的壁厚40mm以上(雙壁厚即實際穿透壁厚為80mm以上),要求探測器的探測效率高。這里的探測效率是指高能電磁輻射光子射入探測器靈敏區后產生次級電子的概率。同時,在噪聲幅度以及輻射水平相同的情況下,探測器靈敏度直接與信號輸出范圍成正比,為此應選擇與Cs137放射源相匹配的高充氣壓力及高原子序數氣體成分的電離室探測器。

    (2)響應時間。要求電離室探測器的響應時間能滿足硬件采樣速度及程序設計要求。熱軋在線鋼管的運行速度最高可達5m/s,A/D采樣周期程序應達到5ms,要求電離室探測器的響應時間能達到1ms3ms量級。

    (3)可靠性與工作壽命。項目測量系統主要應用在冶金熱軋現場,要求探測器有很強的承受惡劣環境的能力,同時要有高可靠性和長使用壽命。

    2.1.3信號處理單元

    前端放大電路采用美國ADI公司生產的軍工級超低輸入偏置電流靜電荷運算放大器,性能優良。數據采集卡使用臺灣研華公司的PCI1710L數據采集卡,信號輸入采用差分輸入模式,以消除共模電壓噪聲對測量精度的影響。信號處理采用式(3)的算法,對于任一定時單元Δtj內,可求得電壓平均值Vj為:Vj=ki=j-k+1ΣΔvi/ki=j-k+1ΣΔtij=k,k+1,k+2,……,k+n3)式中Δti為第i個定時單元,Δvi為第i個定時單元的電壓值。顯見,按式(3)算法計算電壓平均值,只要取足夠小的Δt(視項目對采樣頻率的要求選擇)值,就能達到連續測量的效果;只要取足夠大的k(視項目對測量精度的要求選擇)值,就可以達到延長測量時間、減少統計誤差的目的。

    2.2雙線陣CCD測徑儀

    2.2.1立體視覺測量原理

    由于單個CCD在成像時存在“近大遠小”,單靠攝入的圖像無法知道被測物的距離,因此管子的位置變化會造成較大的測量誤差。本項目擬采用2CCD鏡頭對管材同時進行測量,2CCD就像人的雙眼,可以形成立體視覺,這樣就可以得到足夠的信息判斷被測管子位置變化,從而修正基于管子位置變化所引起的幾何誤差,修正和消除距離變化對測量的影響。理想光學系統的成像公式:(1)成像的幾何關系。物像公式:1l+1l=1f式中:f為焦距;l為物距;l′為像距。物距公式:l=bB+ΣΣ1f式中:B為物面寬度,b為像面上探測器寬度。(2)雙鏡頭立體視角對物距變化引起誤差的修正。圖3為雙鏡頭立體視角對物距變化引起誤差的修正圖。如圖3所示,B為物寬,b為像寬,l為物距,△l為被測物在CCD1光軸上的位置變化,△b為物距變化導致在CCD1上的像寬變化量。當被測鋼管由紅色位置變化至藍色位置時,CCD1物距的變化量△l可由CCD2的中心位變化量△l′求得:△l=△l/sinθ根據成像公式可算出像寬的變化量:△b=△l×(bB/L

    2.2.2線陣CCD傳感器

    采用日本東芝公司生產的TCD1503D線陣CCD傳感器,有效光敏元素為5000,像點尺寸為7μm,總測量長度為35mm,驅動頻率高達20MHz。CCD傳感器輸出信號為離散電壓信號序列,每一個離散電壓信號的大小取決于該光敏單元所接受光強的強弱,而信號輸出的時序則對應CCD光敏單元位置的順序。測量時,線陣CCD傳感器所需要的光積分時間TSH與入射光光強、光敏單元數和驅動頻率有關,若入射光光強足夠,則所需要的積分時間取決于光敏單元數、驅動頻率。若希望提高測量速度,就要減少積分時間。對所選用的CCD,盡量提高驅動頻率;但驅動頻率過高會導致CCD傳感器性能下降。兼顧傳感器性能和測量時間,線陣CCD驅動時鐘選用10MHz,則CCD光積分時間TSH至少需要0.5ms。

    2.2.3CCD信號采集與處理工作原理

    DSP(數字信號處理器)置于測量頭中,利用DSP的快速運算能力完成數據采集和數據處理,直接計算出外徑值,因而具有更短的響應時間和更快的處理速度。信號采集與處理的工作原理見圖4。

    CCD光采樣的光積分啟動控制信號由DSP產生。每隔TSH時間,DSP的定時器產生一次中斷,輸出1個寬度為10μs、周期為TSHTSH0.5ms)的CCD光積分控制信號ΨSH。該ΨSH信號的下降沿啟動CCD的光積分,同時CCD輸出上一次光積分的信號。采用DSP的定時器中斷產生CCD光積分控制信號ΨSH,這樣在光強允許的范圍內可以靈活調整CCD光積分時間TSH。MAX14191580Ms/sADC)工作于WRRD方式,ΨSH信號的下降沿啟動ADC采樣時鐘電路,產生10MHzAD采樣啟動信號WR(脈沖寬度50ns),對每一次CCD光積分輸出的4096個有效光敏單元信號進行1AD采樣(共4096次),而每一次ADC轉換完成都產生1次中斷,將采樣結果保存到cy7c42558K×18BITFIFO)中,當FIFO中數據半滿(4K)時,再產生中斷將4K數據保存到DSPRAM中進行處理。CPU可以利用下一組光積分時間處理數據。采用這種方式,不但軟件設計更為簡單,且每次保存A/D轉換結果不需采用中斷方式,CPU工作不被打斷,處理能力得到充分發揮。因而可實現高速高精度視頻采集和信號處理。鏡頭與主機接口采用RS422串行通信方式,鏡頭與主機的距離可達1.2km。

    2.3背景光源

    對于被測管材溫度可能達不到800℃,或者管材邊緣出現黑邊的情況,不能直接利用被測物自身的紅外輻射進行測量,為了保證測量精度,必須用背景光源。由于測徑儀的采樣速度很高,所以對于背景光源的要求較高,一般采用23根超亮日光燈管和高頻電子鎮流器,以消除閃爍現象。

    2.4應用軟件

    計算機采用臺灣研華生產的工業控制計算機,軟件以Winxp作為操作系統平臺,利用VisualC++、VisualBasic作為開發語言,編制人性化的人機界面,將管材的厚度值、外徑值以曲線和數字的形式在同一個畫面顯示。同時,測量數據保存在服務器數據庫中。數據內容包括:每根鋼管的生產時間、批號、序號、厚度與外徑的平均值、最大值、最小值以及厚度與外徑的測量曲線。由于一根鋼管的厚度、外徑曲線包含上千個點,這些數據都存儲在數據庫中可在日后查詢。為了加快查詢速度,將鋼管的基本數據和曲線的詳細數據分開,分別存儲在兩個數據庫中。工控機內置網卡,通信協議遵從TCP/IP協議,以實現與上位機和終端機的通信和遠程技術支持。

    3結語

    項目是專為國內熱軋304不銹鋼管生產線設計的在線測厚、測徑系統,屬于在線智能檢測儀器。使用該系統對鋼管的外徑及厚度進行測量具有如下優點:一是減輕了工人的勞動強度,對每一根鋼管的外徑及厚度進行實時測量;二是實現了對整根鋼管的外徑及厚度進行連續測量,檢測點多達上千個;三是能夠在線瞬時顯示熱軋鋼管的外徑及厚度值;四是可以同時輸出控制信號用以實現軋機閉環自動控制;五是可以建立完整歷史數據查詢系統,便于產品質量跟蹤與外方認證。因此,采用該系統對鋼管的管徑及厚度進行測量,可以有效提高產品的成材率,進而降低生產成本,為實現生產過程自動化打下了良好的基礎。同時該系統可與上位機通信,上傳產品生產過程中的相關數據,為生產管理現代化提供了較好平臺。開發研制在線測厚、測徑系統,一方面可以對國內管材測厚測徑技術的發展起到一定促進作用,另一方面可以使我國304不銹鋼管企業以不高的投入獲得較強的產品競爭力。

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