连铸坯1200℃高温下如何实现±0.1毫米的非接触式厚度精准测量？【钢坯检测】

1. 基于连铸坯的基本结构与技术要求

想象一下，连铸坯就像一根刚刚从模具里“挤”出来的高温面条，它持续不断地向前移动，温度高达1000摄氏度甚至更高。这种“面条”的横截面可以是方的、矩形的（板坯）或圆的，我们称之为连铸坯。它的厚度，也就是“面条”的扁平程度或者粗细，对后续的轧制加工和最终产品的质量至关重要。

连铸坯在生产过程中，有几个核心的技术要求：

• 高温环境： 连铸坯在测量点时仍处于炽热状态，表面温度极高，普通的测量设备根本无法靠近，更别提长时间工作了。

• 持续移动： 钢坯不是静止的，它在高速、连续地运动，这意味着测量必须是非接触式的，而且要足够快，才能跟上生产线的节奏。

• 表面复杂： 高温下钢坯表面会有氧化皮、蒸汽、水雾，甚至可能存在一些不规则的凹凸或振动，这些都会给测量带来挑战。

• 尺寸精度： 尽管看起来“粗犷”，但对连铸坯的厚度要求却非常高，毫米级甚至亚毫米级的误差都可能导致后续轧制困难，甚至产品报废。就像“面条”的粗细不均会影响口感一样，钢坯厚度不均则会影响钢材的均匀性和力学性能。

• 降低热变形风险： 如果测量设备接触钢坯，不仅容易损坏设备，更重要的是可能导致钢坯表面局部快速冷却，造成应力集中，甚至引起裂纹等热变形问题，就像把一块烧红的铁突然扔进冷水里。所以，非接触式测量是保障钢坯质量、避免新增缺陷的关键。

2. 针对连铸坯的相关技术标准简介

在连铸生产中，为了确保钢坯的质量，我们需要对一系列参数进行监测。其中，厚度是核心中的核心，但并非唯一。

• 厚度： 这是指连铸坯在垂直于其运动方向上，两个相对表面之间的距离。例如，一块板坯的厚度就是其上下表面之间的垂直尺寸。评价方法通常是在线实时测量，获取大量数据，并通过统计分析来评估厚度均匀性和是否符合设计公差。

• 宽度： 指连铸坯在水平方向上的横向尺寸。例如，板坯的宽度是其左右边缘之间的距离。评价方法与厚度类似，也需在线连续测量，以确保宽度在允许的偏差范围内。

• 长度： 指连铸坯沿其运动方向的尺寸。虽然通常在切割后测量，但在线监测可以帮助优化切割点，减少浪费。

• 表面质量： 指钢坯表面的平整度、有无裂纹、氧化皮、凹陷、刮伤等缺陷。这些缺陷会影响后续轧制产品的表面质量。评价方法包括视觉检测（人工或机器视觉）、涡流探伤等，以识别并标记缺陷区域。

• 内部质量： 指钢坯内部有无缩孔、疏松、夹杂物、气泡等缺陷。这些缺陷会严重影响钢材的力学性能。评价方法主要依靠无损检测技术，如超声波探伤。

• 温度： 钢坯在铸造、冷却过程中不同位置的实时温度。精确的温度控制对钢坯的凝固、相变、热变形都有决定性影响。评价方法通常是非接触式红外测温。

对这些参数的监测和评价，目标都是为了确保连铸坯的尺寸、形状和冶金质量都符合后续加工和最终产品要求。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在连铸生产的严苛环境下，选择合适的非接触式厚度测量技术至关重要。目前市场上有几种主流的技术方案，它们各有特点，像不同的“侦探工具”来探知钢坯的厚度。

激光测距法（Time-of-Flight 或 Phase-Shift）

这种方法就像是让光线代替我们去“量”距离。传感器会向钢坯表面发射一束激光，光线碰到表面后会反射回来。传感器通过精确计算光线从发射到接收所花费的时间（Time-of-Flight，TOF）或者光波在传播过程中产生的相位偏移（Phase-Shift），来得出传感器与钢坯表面之间的精确距离。为了测量厚度，通常会在钢坯的上下方各安装一个激光测距传感器，分别测量它们到上下表面的距离。然后，用两个传感器之间的总固定距离减去这两个测量到的距离，就能得到钢坯的厚度。

• 工作原理和物理基础：

  • Time-of-Flight (TOF) 原理： 传感器发射一个短激光脉冲，并启动一个高精度计时器。当激光脉冲从目标表面反射回来并被传感器接收时，计时器停止。根据光的传播速度是恒定的（光速约为 c = 3 x 10^8 米/秒），就可以计算出距离。 距离 D = (c * t) / 2 其中，c 是光速，t 是激光往返的时间。

  • Phase-Shift 原理： 传感器发射一束经过调制（通常是正弦波）的激光。当这束光往返于目标表面时，其相位会发生变化。传感器测量发射光和接收光之间的相位差，通过这个相位差可以计算出光传播的距离。 相位差 phi = (2 * pi * 2D) / lambda 其中，phi 是相位差，D 是距离，lambda 是调制光的波长。在实际连铸厚度测量中，如果两个传感器之间的固定距离为 L，上方传感器到钢坯上表面的距离为 D1，下方传感器到钢坯下表面的距离为 D2，那么钢坯的厚度 T 就是： 厚度 T = L - D1 - D2

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常从几厘米到几百米。

  • 测量精度：通常在毫米级别，高端系统可达亚毫米级别。

  • 测量速度：几十赫兹到数百赫兹。

• 优点： 测量距离远，能够适应连铸现场较大的安装空间；非接触式，对高温钢坯无损伤；对高温表面有较好的适应性（取决于具体产品和技术）；安装相对灵活。

• 缺点： 测量精度受钢坯表面反射率、氧化皮、蒸汽、水雾等环境因素影响较大；双传感器系统需要精确对齐和校准；对于微米级的超高精度测量，可能不如其他激光技术。

• 成本考量： 相比X射线或更复杂的3D系统，激光测距方案通常具有较低的初始投入成本和维护成本。

X射线厚度测量法

这种方法就像医院的X光机，利用X射线能穿透物体的特性来测量厚度。传感器一侧发出X射线，另一侧接收穿透钢坯的X射线。X射线穿透钢坯后，能量会衰减。衰减的程度与钢坯的厚度、密度和材料成分有关。通过测量穿透X射线的衰减量，并结合预先的校准，就可以精确计算出钢坯的厚度。

• 工作原理和物理基础： X射线穿过物质时，由于光电效应、康普顿散射等作用，其强度会减弱。这种衰减遵循比尔-朗伯定律（Beer-Lambert Law）。 I = I0 * exp(-mu * rho * x) 其中，I0 是初始X射线强度，I 是穿透钢坯后的X射线强度，mu 是材料的质量衰减系数，rho 是材料密度，x 是材料厚度。当材料成分和密度已知或保持稳定时，通过测量强度比 I/I0 即可推算出厚度 x。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：10毫米至400毫米。

  • 测量精度：通常为±0.1%至±0.5%（取决于具体型号和材料）。

  • 测量速度：适用于高速生产线。

• 优点： 测量精度极高，不受钢坯表面温度、氧化皮、水雾等复杂环境影响，稳定性好，抗干扰能力出色，特别适用于恶劣的生产环境和高速连铸生产线。

• 缺点： 初始投资成本较高；存在X射线辐射，需要严格的辐射防护措施；系统体积较大，安装复杂；维护成本相对较高。

• 成本考量： 投入高，但长期运行稳定可靠，精度高，可以显著提升产品质量，减少废品率。

电磁声学超声波（EMAT）测量法

传统的超声波测厚需要耦合剂（比如水或油）来传递声波，但在高温连铸坯上显然不可行。EMAT技术则解决了这个问题，它就像是给超声波测量“穿上”了一层电磁外套，实现了非接触式测量。EMAT传感器通过电磁感应在导电材料（钢坯）表面产生涡流，然后通过洛伦兹力在材料内部激发超声波。超声波在钢坯内部传播，碰到背面反射回来，传感器再接收这些回波。通过测量超声波的传播时间，就可以计算出钢坯的厚度。

• 工作原理和物理基础： EMAT传感器包含一个射频线圈和一个磁铁。线圈产生高频交变磁场，在钢坯表面感应出涡流。同时，磁铁产生一个静态偏置磁场。涡流在静态磁场中受到洛伦兹力作用，这个力会使钢坯表面的晶格振动，从而激发超声波。超声波在钢坯内传播，遇到背面反射，反射回来的超声波又通过逆洛伦兹力产生涡流，被传感器线圈检测到。 厚度 T = (v * t) / 2 其中，v 是超声波在钢材中的传播速度，t 是超声波往返的时间。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常为几毫米到几百毫米。

  • 测量精度：精度通常在0.01毫米或0.1%（取较大值）。

  • 最高工作温度：部分型号可达1200°C。

  • 测量频率：每秒多次测量。

• 优点： 真正的非接触式高温超声波测量，无需耦合剂，非常适合连铸坯等高温金属的在线测量；对表面氧化皮和粗糙度有一定的适应性。

• 缺点： 对被测材料的导电性和磁性有要求（仅适用于导电材料）；信号强度可能不如传统接触式超声波，对某些特殊合金或非常厚的钢坯可能存在测量挑战；价格相对较高。

• 成本考量： 技术先进，能解决传统超声波在高温下的痛点，但设备和维护成本较高。

激光三角测量法

激光三角测量是一种高精度的位移测量技术。它就像用尺子量东西，但尺子是光。传感器发射一束激光，照射到钢坯表面形成一个光点。这个光点在钢坯表面的反射光会通过一个透镜聚焦到一个位置敏感探测器（如CCD或CMOS传感器）上。当钢坯表面发生位移（比如厚度变化）时，反射光点在探测器上的位置也会相应移动。传感器就是根据光点在探测器上的位置变化，通过三角几何关系精确计算出传感器到物体表面的距离。同样，要测量钢坯厚度，也需要上下各安装一个传感器。

• 工作原理和物理基础： 传感器发射激光束到目标表面P点。反射光线通过接收透镜聚焦到PSD（位置敏感探测器）上的P'点。当目标表面移动到P+ΔP时，反射光点在PSD上移动到P'+ΔP'。根据几何三角关系，可以推导出距离变化ΔD与PSD上光点位移ΔL的关系。 简化后的几何关系可以表示为： ΔD = (L * ΔL) / (S - ΔL) 其中，L 为传感器基线（发射器到接收透镜的距离），S 为接收透镜到PSD的距离，ΔL 为PSD上光点的位移。通过精确测量ΔL，即可计算出ΔD。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常为几毫米到几十毫米。

  • 重复精度：微米级甚至亚微米级。

  • 采样频率：最高可达几十千赫兹。

• 优点： 测量精度非常高，响应速度快，适合对精度要求极高的应用。

• 缺点： 测量范围相对较短，不适用于超远距离测量；受钢坯表面颜色、反射率、粗糙度以及环境中的烟雾、蒸汽、粉尘影响较大；在高温环境下需要良好的防护和冷却系统。

• 成本考量： 设备成本中等，但其高精度在特定应用中价值突出。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们对比几家在连铸厚度测量领域具有代表性的品牌及其技术特点：

• 德国IMS

  • 采用技术： X射线厚度测量技术。

  • 核心性能参数： 测量范围广，可达10毫米至400毫米；测量精度高，通常为±0.1%至±0.5%；适用于高速生产线，传感器受保护可用于高温环境。

  • 应用特点和独特优势： 德国IMS作为重工业测量系统的全球领先供应商，其X射线厚度测量仪在钢铁行业享有极高声誉。它的测量精度和稳定性非常出色，对连铸现场恶劣环境（如高温、氧化皮、蒸汽）的抗干扰能力极强，是要求最高精度和最可靠性的连铸厚度测量的理想选择。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 激光测距技术（推测为Time-of-Flight或相位法）。

  • 核心性能参数： 测量范围从0.05米至500米；精度可达±1毫米；测量速度高，最高达250Hz；实测最高表面温度可达1550℃。传感器具备IP65防护等级，可在-40℃至+60℃环境温度下正常使用，并可配备冷却外壳以适应更高环境温度；提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）以及高精度模拟输出（0.1%）和两个可编程数字输出。

  • 应用特点和独特优势： 英国真尚有的激光测距传感器以其长距离、高精度和卓越的高温适应性而著称。它能够测量高达1550℃的高温物体表面距离，并且在深色表面和有太阳辐射的户外环境下也能保持准确测量，这在连铸这种极端高温、光照复杂的环境中非常关键。同时，其多种接口和高测量速度使其易于集成到现有自动化系统中，提供了一个性能与成本兼顾的非接触式厚度测量解决方案。

• 美国巴可斯克

  • 采用技术： 电磁声学超声波（EMAT）技术。

  • 核心性能参数： 测量范围6毫米至100毫米以上；测量精度高，可达0.01毫米或0.1%；最高工作温度可达1200℃；测量频率为每秒多次。

  • 应用特点和独特优势： 美国巴可斯克专注于高温EMAT技术，解决了传统超声波测量在高温环境下必须使用耦合剂的难题。它能在高达1200℃的极端高温下实现非接触式超声波测量，对于那些对钢坯内部质量（如晶界、夹杂物）也有监测需求，且追求高精度厚度测量的连铸生产线，具有独特的优势。

• 日本基恩士

  • 采用技术： 激光三角测量原理。

  • 核心性能参数： 测量范围（例如±40毫米）；重复精度极高，可达0.025微米；采样频率最高50kHz；光斑直径约100微米。

  • 应用特点和独特优势： 日本基恩士以其高精度、高速和易用性在自动化领域广受认可。其激光三角测量传感器在需要微米级甚至亚微米级测量精度的场合表现出色。虽然其测量范围相对较短，但在某些薄板坯连铸或需要对局部区域进行超精密厚度监测的特定应用中，能够提供无与伦比的精度和响应速度。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的厚度测量方案，就像选择一台合适的工具，需要根据具体任务（连铸生产）来挑选。以下是一些关键指标和选型建议：

• 测量精度： 这是最重要的指标之一，指测量结果与真实值之间的符合程度。在连铸中，毫米级甚至亚毫米级精度是常见要求。如果精度不足，会导致后续加工困难，甚至产品报废。例如，对高附加值钢材的连铸，测量精度直接影响经济效益。

• 测量范围： 指传感器能测量的最小和最大厚度。这需要覆盖你所有生产的钢坯规格。如果你生产的钢坯厚度变化很大，就需要选择测量范围宽的传感器；如果只生产窄范围的薄板坯，高精度的短范围传感器可能更合适。

• 测量速度/响应时间： 传感器获取数据并给出结果的速度。连铸是连续生产，钢坯高速移动，如果测量速度慢，就无法实时捕捉到厚度变化，导致滞后调整。例如，一个高测量速度的传感器能更好地跟踪高速生产线上的动态变化。

• 高温适应性： 连铸坯表面温度通常在1000-1500°C。传感器本身及其防护系统必须能够承受这种极端高温，并能准确测量高温物体。如果传感器不耐高温，会很快损坏，或者在高温下测量值失真。

• 抗干扰能力： 连铸现场环境恶劣，有蒸汽、粉尘、水雾、振动、电磁干扰等。传感器必须具备强大的抗干扰能力，才能保证测量结果的稳定性和可靠性。

• 防护等级（IP等级）： 表示传感器防尘和防水的能力。连铸现场粉尘和水汽多，至少需要IP65或更高等级的防护，才能确保传感器长期稳定运行。

• 成本： 综合考虑设备的采购、安装、日常维护和运行成本。高精度设备通常成本也高，需要评估其带来的效益是否能覆盖投入。

选型建议：

• 追求极致精度且预算充足： 优先考虑X射线厚度测量系统，它在高温、复杂表面条件下仍能保持极高精度。

• 对长距离、高温适应性有要求，且兼顾成本： 激光测距方案是很好的选择，例如英国真尚有的传感器，能测量远距离且适应高温表面。

• 极端高温、无需耦合剂，且需要非接触超声波： 选用EMAT超声波测量，尤其适用于高温厚壁金属的特殊需求。

• 对微米级精度有严格要求，但测量范围相对较小： 激光三角测量技术能提供超高精度的位移测量，可用于高精度的薄板坯或特殊部位的厚度控制。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最合适的传感器，在连铸的实际应用中仍然可能遇到各种挑战，就像再好的工具也需要正确的使用和维护。

• 问题1：高温、蒸汽、粉尘对传感器的影响。

  • 原因及影响： 连铸现场环境恶劣，传感器长期暴露在高温、蒸汽和粉尘中，会导致镜头污染、传感器内部过热，严重影响测量精度和寿命，甚至完全失效。蒸汽和粉尘还会散射或吸收测量光束（对于光学传感器）或声波（对于EMAT），导致信号衰减，测量不稳定或错误。

  • 解决建议：

    • 冷却与防护： 为传感器配备专业的冷却外壳（水冷或气冷），确保传感器在工作温度范围内运行。安装专业的防护罩，阻挡大部分粉尘和飞溅物。

    • 吹扫装置： 在传感器镜头前设置气帘或定期吹扫装置，用清洁干燥的压缩空气持续吹扫镜头，防止粉尘和蒸汽附着。

    • 定期清洁： 建立严格的设备维护计划，定期检查并清洁传感器镜头和防护罩。

• 问题2：钢坯表面状态变化导致的测量误差。

  • 原因及影响： 连铸坯表面通常有氧化皮、粗糙度不均、振动或轻微的形状不规则（如鼓肚），这些都会影响激光或超声波的反射特性，导致测量结果波动大、精度下降。

  • 解决建议：

    • 多点测量与平均： 采用多个传感器或单个传感器高速扫描的方式，对钢坯表面多点进行测量，然后通过算法进行平均，以平滑局部不均匀性带来的影响。

    • 自适应算法： 研发或使用具有自适应滤波和补偿功能的测量算法，识别并修正由表面状态变化引起的误差。

    • 选择合适的测量技术： X射线测量对表面状态几乎免疫，EMAT对表面粗糙度也有较好的适应性，在表面状态变化较大的情况下可优先考虑。

• 问题3：双传感器系统安装与校准难度。

  • 原因及影响： 对于需要两个传感器协同工作的方案（如激光测距、激光三角测量），传感器之间的精确对齐和校准至关重要。任何轻微的偏移都会导致最终厚度计算结果出现系统性误差。高温环境下安装操作困难，且设备容易受热膨胀影响。

  • 解决建议：

    • 专业工装与导轨： 使用高刚性的专业安装工装和精密导轨，确保传感器安装位置的稳定性和可重复性。

    • 在线校准工具： 配备专用的在线校准工具或标准块，定期进行校准。同时，可以开发软件校准功能，通过在正常生产间隙或停机时进行快速校准。

    • 结构设计： 优化传感器支架结构设计，减少热膨胀对安装精度的影响。

• 问题4：数据处理与系统集成挑战。

  • 原因及影响： 实时测量会产生海量数据，如何高效处理、存储、分析这些数据，并与连铸机的控制系统（DCS/PLC）或生产管理系统（MES）集成，是一个复杂的问题。数据滞后、处理能力不足都可能导致无法及时调整生产参数。

  • 解决建议：

    • 高性能数据采集与处理系统： 选用具备高采样率、大数据处理能力的工业计算机或边缘计算设备。

    • 开放接口与协议： 优先选择提供多种标准通信接口（如RS485、以太网、Profinet等）和开放通信协议的传感器，便于与现有系统无缝集成。

    • 专业软件开发： 开发或集成专业的测量数据管理和分析软件，实现数据的可视化、趋势分析、报警功能，并与自动控制系统联动，实现闭环控制。

• 问题5：高温下钢坯热变形与膨胀的补偿。

  • 原因及影响： 钢坯在高温状态下，会因热膨胀而导致尺寸增大。测得的厚度是高温状态下的实际尺寸，但实际应用往往需要的是冷却后的常温尺寸。如果不进行热膨胀补偿，会导致对最终产品尺寸的误判。

  • 解决建议：

    • 温度同步测量： 在厚度测量点附近同步安装非接触式红外测温仪，实时获取钢坯表面温度。

    • 热膨胀补偿模型： 基于钢材的线膨胀系数和实时测得的温度，建立热膨胀补偿模型，对测量到的高温厚度值进行修正，推算出常温下的等效厚度。

4. 应用案例分享

• 板坯/方坯连铸生产线： 在板坯或方坯的连铸线上，非接触式厚度测量系统用于实时监控铸坯在凝固过程中的尺寸变化，确保其厚度在允许的公差范围内，从而减少后续轧制工序的修磨量，提高成品率。

• 薄板坯/超薄板坯连铸： 对于薄板坯或超薄板坯生产，厚度控制更为关键。例如，可以采用英国真尚有的高精度激光测距传感器来保障铸坯厚度均匀性，为直接轧制或连轧提供合格的起始坯料，提高生产效率和产品质量。

• 特种钢/高合金钢连铸： 在特种钢或高合金钢的生产中，由于材料成本高昂，对尺寸精度和表面质量要求极高。非接触式厚度测量能够有效避免传统接触式测量可能造成的表面损伤，同时提供精确的尺寸反馈，降低废品率。