带液芯铸坯超声传输特征及凝固坯壳厚度传感机理研究

Sub-surface microstructure，inner temperature field and solidification shell thickness can be revealed by analyzing ultrasonic transmission characteristics on-line in casting slab with liquid core.It is significant in soft reduction control, secondary cooling water distribution, electromagnetic stirring and casting speed in continue casting .Aimed to the solidification shell thickness measurement problem on-line. The solidification shell thickness measurement method based on non-linear ultrasonic coefficient is provided in the application. Considering ultrasonic attenuation coefficient brought by temperature and near surface grain size, the analytic mechanism model of stimulating the ultrasonic by pulse current electromagnetic field transducer is established. Considering temperature and grain size, the action of ultrasonic wave generation and transmission characteristics brought by electromagnetic ultrasonic transducer (EMAT) is simulated theoretically by the finite methods. The ultrasonic measuring experiment system of metal solidification is also built to measure the linear ultrasonic wave parameters such as wave transmission speed and attenuation, and non-linear ultrasonic high order harmonic mode parameters , and the depend relation between echo ultrasonic parameters versus EMAT. At the same time, the experiment result will verify the theory model and identify the solidification shell thickness. The research result will enrich ultrasonic non-destructive testing research region and provide a useful theory and method to solve on-line solidification shell thickness. And the method is of good application prospect in liquid metal forming control such as continuous casting, mold etc.

带液芯铸坯的超声波传输信号特征无损表征了表层组织、内部温度和坯壳厚度。研究带液芯铸坯超声波特征对控制轻压下、二冷配水及拉速，最终提高铸坯产质量具有重要意义。本项目针对凝固坯壳厚度在线测量问题，首次提出了非线性超声系数凝固坯壳厚度测量方法。建立考虑温度及振痕的电磁激发超声波理论模型。数值模拟偏置磁场、线圈及激励参数对铸坯内部超声波的波形、传播和影响规律，以及表层晶粒度、内部温度对超声波的作用机制。建立金属凝固过程超声波检测实验系统，测试超声波在凝固过程中波速、衰减及高阶谐波等特征信号。实验研究内部温度、表层晶粒度及液固界面对超声回波的基波及高次谐波的影响规律。实验研究回波信号与激励脉冲幅度及频率的依赖关系。实验验证理论模型并重构坯壳厚度。本课题研究成果将丰富超声波无损检测这一重要研究领域，为解决凝固坯壳厚度在线检测问题提供有效的理论和方法，在连铸、模铸及超声冶金领域具有广阔的应用前景。

带液芯铸坯的超声波传输信号特征无损表征了铸坯表层组织、内部温度和铸坯壳厚度。研究带液芯铸坯超声波特征可有效控制轻压下、二冷配水及拉速，并最终提高铸坯产品的质量。课题组经过四年研究，在以下几个方面取得了研究成果。. （1）确定了高温铸坯表面声场源与电磁超声换能器的依赖关系：电磁超声换能器和带液芯铸坯内部晶格结构决定了电磁超声波传输特征。为此，项目组理论研究表面温度和振动波纹下的电磁超声激励频率、脉冲幅值对铸坯表面磁场、电涡流、洛伦兹力和声场分布的影响情况。研究了洛伦兹力和晶格振动位移在高温铸坯表面的分布，揭示了声场分布与铸坯表面温度、振动波纹的变化规律，为凝固坯壳厚度测量电磁超声换能器的设计提供了理论基础。. （2）实验研究了铸坯表层晶粒度及温度梯度对超声波传信号影响规律：通过实验研究方法，研究了铸坯表面温度、表面晶粒度对超声波传播速度和衰减系数等线性超声参数和二次谐波、三次谐波等非线性超声参数的影响关系。揭示了表层晶粒度与超声波传输速度、衰减度的变化 规律，确定了内部温度梯度对超声线性和非线性参数的影响规律。. （3）揭示了不同固相分数及晶体生长过程的两相区超声传输特征：项目组开展了不同固相分数及晶体生长过程的两相区超声传输特征研究，分析了不同固相分数、晶体生长过程的超声波传输速度、衰减系数的提取算法及变化规律，揭示了超声波在两相区的传输规律。探索性研究了不同固相分数、晶体生长过程超声二次谐波系数、三次谐波系数及高次谐波系数等非线性超声特征参数提取办法及变化规律，及分析两相区对凝固坯壳厚度测量的影响。. （4） 提出了凝固坯壳厚度EMAT激励器设计方法及回波信号重构算法：课题组采用金属液凝固过程作为模拟研究对象，研究了回波信号的高阶谐波对液固界面反射的敏感性，提出了液固界面反射回波基波、二次谐波、三次谐波及高次谐波等特征提取算法，液固界面反射回波非线性超声回波提取算法。