如何在900-1200°C极端热轧环境实现±0.01mm的材料厚度高精度在线检测？【非接触测厚技术】

1. 热轧材料的基本结构与技术要求

在高温热轧过程中，我们面对的被测物是一块处于极高温度（通常在900°C到1200°C之间）下、快速移动的金属板材或带材。想象一下，这就像一条红热的巨型面条，在巨大的轧辊之间不断被压薄、拉长。它的表面可能覆盖着一层厚薄不均的氧化铁皮（俗称“铁磷”），同时还伴随着大量的蒸汽、水雾、粉尘和剧烈的振动。

在这种极端环境下对材料厚度进行测量，远比在常温下测量一块静止的板材复杂得多。技术要求主要体现在以下几个方面：

• 高温适应性： 测量设备必须能够在高温辐射、高温空气和高热震荡下长期稳定工作，且不影响其测量性能。

• 高精度： 现代轧制工艺对产品厚度的一致性要求极高，通常需要达到微米级别（±0.01mm）的测量精度，以确保产品质量和后续加工的顺利进行。

• 快速响应： 热轧生产线速度非常快，材料以每秒数米的速度通过测量区域。传感器必须具备极高的采样频率和数据处理能力，才能实现对厚度变化的实时捕捉和反馈，为轧机自动控制系统（AGC）提供及时准确的数据。

• 非接触性： 考虑到材料的高温和高速运动，以及测量探头可能与高温材料接触而损坏，非接触式测量是首选，这也能避免对材料表面造成损伤。

• 环境鲁棒性： 设备需要抵御现场的蒸汽、水、氧化铁皮、振动、电磁干扰等恶劣工况，保持长期稳定运行。

2. 热轧材料的相关技术标准简介

针对热轧材料的厚度测量，工业标准关注的核心目标是确保产品质量和生产效率。以下是一些关键的监测参数及其评价方法：

• 厚度均匀性： 这是最基本的参数，指材料沿长度和宽度方向的厚度一致性。评价方法通常是通过在材料的多个位置或整个长度上进行连续测量，然后计算厚度值的平均值、最大偏差、最小偏差以及标准差等统计指标。

• 横向厚度轮廓： 也称为断面轮廓，描述了材料在宽度方向上的厚度变化趋势。比如，在钢带的中心和边缘区域，厚度可能存在差异。评价通常通过横向扫描，获取一系列厚度数据点，绘制出横向的厚度曲线，并分析其“皇冠度”（Crown）和“楔形度”（Wedge）。

• 纵向厚度波动： 关注材料沿轧制方向的厚度变化。高速轧制过程中，轧辊跳动、张力变化等都可能导致纵向厚度波动。评价通常是分析连续测量数据的时间序列，计算短周期和长周期的厚度波动幅值。

• 板形/平整度： 虽然不是直接的厚度测量，但与厚度分布密切相关。不均匀的厚度分布往往会导致板材出现翘曲、波浪边等板形缺陷。评价方法通常需要结合多个测量点的高度信息进行三维分析。

这些参数的准确获取和实时监控，是优化轧制工艺、减少废品率、提高产品竞争力不可或缺的环节。

3. 实时监测/检测技术方法

在热轧材料厚度测量领域，为了应对高温、高速和高精度的挑战，市面上发展出了多种先进的实时监测技术。

(1) 市面上各种相关技术方案

a. 激光三角测量技术（线激光传感器）

激光三角测量技术是一种非常常见的非接触式光学测量方法，特别适用于获取被测物体的表面轮廓信息。它的基本原理是：传感器内部的激光器会向被测材料表面投射一条可见的激光线。这条激光线在物体表面形成一个光斑，它的位置会随着物体表面高度的变化而改变。传感器中的CMOS或CCD相机从一个特定的角度捕捉这条激光线在材料表面形成的图像。

想象一下，你用手电筒斜着照向地面，如果地面上有个小坡，光线在坡上的位置看起来就会比平地高。相机就像我们的眼睛，它能精确地看到这条激光线的“高度”变化。根据几何三角测量原理，结合激光器、相机和物体之间的固定距离及角度关系，传感器可以精确计算出被测表面上激光线每个点的三维坐标（X, Z）。

其核心物理基础是简单的三角几何关系。通过已知的基线长度L（激光器与相机之间的距离）和相机与激光器出射光线的夹角α，以及激光线在相机图像传感器上的位置变化△y，就可以计算出被测点的高度Z：

Z = L * sin(α) / (1 + △y / f * cos(α) / tan(β)) （简化版公式，其中f为焦距，β为图像主光线与基线的夹角，实际算法更复杂，涉及透视投影和畸变校正）

或者更形象地，我们可以理解为传感器内部有预设的查找表或经过标定后的数学模型，将相机图像上的像素位置直接映射为实际空间中的物理尺寸。

对于热轧材料的厚度测量，通常需要配置两套线激光传感器，一套安装在材料上方测量其顶表面轮廓，另一套安装在下方测量其底表面轮廓。两个传感器同步采集数据，然后通过软件计算上下表面之间的距离差，从而得到材料的实时厚度。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：Z轴量程可从数毫米到数百毫米不等。

  • 精度与分辨率：Z轴重复精度可达微米级别，Z轴分辨率可达满量程的0.01%。

  • 扫描速度：通常可达数千赫兹，甚至在感兴趣区域（ROI）模式下更高，能满足高速产线的实时需求。

  • 环境适应性：通过采用特定波长的激光和特殊滤光算法，能有效抑制高温材料自身发出的红外辐射和表面强反射光，配合冷却/加热及气幕吹扫系统，可在高温多尘环境中稳定工作。

• 优点： 非接触、测量精度高、响应速度快、可获取整个横截面轮廓数据、安装维护相对方便、对材料成分变化不敏感。特定波长的激光对于高温或闪亮金属表面有显著优势。

• 缺点： 容易受环境中蒸汽、水雾、粉尘、氧化铁皮颗粒的影响，可能需要强大的气幕吹扫系统；需要清晰的视线；一套厚度测量系统需要双传感器配置，成本相对较高。

• 成本考量： 中高。

b. X射线穿透测量技术

X射线穿透测量技术利用X射线对物质的穿透能力与材料厚度和密度的关系来测量厚度。系统通常由一个X射线源和一个探测器组成，分别放置在被测材料的两侧。

当X射线穿透被测材料时，其强度会因材料的吸收而衰减。衰减的程度与材料的厚度、密度以及材料的化学成分（更具体地说，是原子序数和质量衰减系数）有关。探测器测量穿透材料后的X射线强度，通过比较穿透前后的强度，结合材料的已知物理参数，即可计算出材料的厚度。其基本物理公式为比尔-朗伯定律的变种：

I = I_0 * e^(-μρx)

其中，I是被材料吸收后的X射线强度，I_0是初始X射线强度，μ是材料的质量衰减系数，ρ是材料密度，x是材料厚度。通过测量I和I_0，并已知μ和ρ，即可反推x。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常为0.8毫米至50毫米。

  • 测量精度：优于±0.1%或±数微米（例如，±2 µm + 0.05%测量值）。

  • 响应时间：通常小于20毫秒。

  • 工作温度：测量头可承受高温轧钢环境，配备冷却系统。

• 优点： 测量精度极高，稳定性好，不受材料表面状态（如氧化皮、水、蒸汽）和材料振动的影响，能够穿透材料测量内部厚度，可集成到轧机自动厚度控制系统。

• 缺点： 含有放射源，需要严格的安全防护措施和许可；设备体积大，安装复杂，初期投资和维护成本高；对材料合金成分变化敏感，需要校准补偿。

• 成本考量： 高。

c. 伽马射线穿透测量技术

伽马射线穿透测量技术与X射线原理类似，也是基于辐射穿透材料后的衰减特性。不同之处在于，伽马射线通常由放射性同位素源（如铯-137）发射，而不是X射线管。伽马射线具有更高的穿透能力，因此更适用于测量较厚的材料。

其物理原理同样遵循指数衰减定律：I = I_0 * e^(-μρx)。通过探测器接收的伽马射线强度，结合材料参数，计算出厚度。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：通常从数毫米到数百毫米，适用于厚板和中厚板。

  • 测量精度：可达测量值的±0.1%或更高（例如，±0.05%厚度）。

  • 响应时间：快速，支持在线实时测量。

• 优点： 测量稳定性极佳，对厚板和中厚板的测量性能卓越，受环境温度波动影响小，对材料成分变化不敏感。

• 缺点： 含有放射源，安全管理和防护要求更严格；设备成本高昂，且存在同位素衰变需要定期校准或更换；无法提供横向厚度轮廓信息。

• 成本考量： 极高。

d. 超声波脉冲回波测量技术

超声波脉冲回波测量是一种接触式测量技术。其原理是利用超声波在材料内部传播的速度和反射特性来测量厚度。一个高频超声波换能器（探头）与被测材料表面接触，发射超声波脉冲。这些脉冲在材料中传播，当遇到材料的底面时，会产生回波并被探头接收。

通过精确测量超声波从发射到接收回波所需的时间（渡越时间），并结合材料中超声波的已知传播速度（声速），即可计算出材料的厚度。

厚度 = (超声波在材料中的传播速度 × 渡越时间) / 2

为了适应热轧材料的高温特性，探头需要采用特殊的耐高温材料和耦合剂（如水或专用冷却介质）来确保声波能够有效地传入材料，并配备高效的冷却系统。

• 核心性能参数：

  • 测量范围：适用于厚度较大的钢板，例如，5毫米至100毫米。

  • 测量精度：通常在±0.1毫米至±0.5毫米之间，取决于材料和厚度。

  • 最高材料温度：探头可承受高达900°C甚至更高的材料表面温度（需专用保护）。

• 优点： 可穿透表面氧化层测量材料内部厚度，有时能检测内部缺陷；在厚板和中厚板测量中具有独特优势；设备相对射线类便宜。

• 缺点： 接触式测量限制了生产线速度，且需要稳定的耦合剂供给；高温下材料声速会发生变化，需要精确的温度补偿；探头容易磨损，维护成本高；难以达到±0.01mm的超高精度。

• 成本考量： 中等。

(2) 市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在热轧材料厚度测量领域领先的国际品牌，涵盖不同技术路线。

• 德国IMS Messsysteme 采用的技术：X射线穿透测量技术。 核心性能参数：测量精度优于±0.1%或±数微米；响应时间通常小于20毫秒。 应用特点与优势：德国IMS Messsysteme是X射线和同位素测量领域的领导者，其系统在钢铁和有色金属行业应用广泛。测量精度极高，稳定性好，能适应严苛的热轧环境，数据可直接用于轧机自动厚度控制（AGC）。

• 英国真尚有 采用的技术：线激光三角测量技术（基于ZLDS202系列）。 核心性能参数：Z轴线性度可达±0.01%满量程，X轴线性度±0.2%满量程；Z轴分辨率0.01%满量程，X轴分辨率最高可达4600点/轮廓；扫描速度标准模式下520Hz至4000Hz，ROI模式下最高可达16000剖面/秒。 应用特点与优势：英国真尚有的线激光传感器以高分辨率和高速扫描著称，其可选的450nm蓝光激光特别适用于高温和闪亮材料的测量，有效抑制热辐射干扰。该传感器支持多传感器同步，能获取材料的完整横向轮廓，适用于复杂的尺寸和形状测量，内置算法简化了集成。

• 瑞士宗巴赫 采用的技术：双激光位移测量技术（例如OLS 1450-40系统）。 核心性能参数：测量精度可达±0.5 µm或更好；最大材料温度可达1200°C（需专用保护）。 应用特点与优势：瑞士宗巴赫在非接触式在线测量领域经验丰富，其OLS系统专为扁平材料的在线厚度测量设计，具有极高的测量精度和稳定性。设备坚固，能承受高温、振动和粉尘等恶劣工况，提供全面的数据记录和分析功能。

• 加拿大LMI Technologies 采用的技术：线激光三角测量技术（例如Gocator 2500系列）。 核心性能参数：Z轴重复精度优于1微米；扫描速度高达数千赫兹。 应用特点与优势：加拿大LMI Technologies是3D智能传感器领域的领导者，其激光三角测量传感器提供高分辨率和高精度，特别适合精确的尺寸和形状测量。传感器内置智能处理能力，简化了系统集成，产品线广泛，可满足不同精度和速度需求的在线检测。

• 日本JFE Advantech 采用的技术：接触式超声波脉冲回波测量技术（例如UT-300系列）。 核心性能参数：测量精度在±0.1毫米至±0.5毫米之间；探头可承受高达900°C甚至更高的材料表面温度。 应用特点与优势：日本JFE Advantech拥有深厚的冶金行业背景，其在线超声波测厚仪专为高温、恶劣环境下的热轧材料设计，具有出色的耐用性和可靠性。在厚板和中厚板的在线测量中具有独特优势，可以穿透表面氧化层进行测量。

综上所述，要实现±0.01mm的精度和快速响应，线激光传感器（如英国真尚有、加拿大LMI Technologies）和X射线测量（如德国IMS Messsysteme）、双激光位移测量（如瑞士宗巴赫）是较为合适的选择。而传统的接触式超声波检测（如日本JFE Advantech），虽然在某些场景下有优势，但普遍难以达到±0.01mm的精度要求。

(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设备，就像为一场特殊任务挑选工具，要根据任务的特点来定。以下是几个关键的技术指标和相应的选型建议：

• 精度（Accuracy）与重复性（Repeatability）：

  • 实际意义： 精度指测量值与真实值之间的接近程度，重复性指多次测量同一位置的一致性。±0.01mm是严格的精度要求。

  • 影响： 精度直接决定了产品质量的控制水平，重复性则反映了设备的稳定性。低精度可能导致废品率高，高重复性确保数据可靠。

  • 选型建议： 优先选择X射线、伽马射线或高性能激光测量系统。特别是对于激光类传感器，要关注其Z轴线性度（例如±0.01%满量程）和重复精度，确保其在实际测量范围内能达到甚至优于±0.01mm。

• 分辨率（Resolution）：

  • 实际意义： 传感器能识别的最小厚度变化量。

  • 影响： 高分辨率能捕捉材料厚度的微小波动，有助于更精细的工艺控制。

  • 选型建议： 分辨率应至少是所需精度的1/5到1/10，以提供足够的细节数据。

• 响应时间（Response Time）/扫描速度（Scanning Speed）：

  • 实际意义： 传感器从测量到输出结果所需的时间，或每秒能完成的测量次数。

  • 影响： 高速生产线需要毫秒级的响应时间或每秒数千次的扫描速度，以确保每个被测点都能被及时检测到，从而实现有效的自动控制。

  • 选型建议： 对于高速热轧线，应选择响应时间小于20毫秒（对应频率大于50Hz）的系统，线激光传感器通常能达到更高的扫描频率。

• 测量范围（Measurement Range）：

  • 实际意义： 设备可以测量的最小到最大厚度范围。

  • 影响： 决定了设备适用不同规格产品的能力。

  • 选型建议： 根据生产线将要生产的材料厚度范围来选择，并考虑一定的裕量。

• 环境适应性（Environmental Robustness）：

  • 实际意义： 设备在高温、振动、粉尘、蒸汽等恶劣工况下的生存能力和测量稳定性。

  • 影响： 恶劣环境可能导致设备故障、寿命缩短或测量数据漂移。

  • 选型建议： 务必选择防护等级高（如IP67）、具有完善冷却/加热系统、抗振抗冲击性能强的设备。对于激光传感器，特定波长的激光和强大的气幕吹扫系统是应对高温和蒸汽的关键。

• 非接触性（Non-contact）：

  • 实际意义： 测量过程无需与被测物直接接触。

  • 影响： 避免了对高温材料的损伤，减少了探头磨损，延长了设备寿命，提高了生产效率。

  • 选型建议： 在热轧应用中，非接触式技术（如激光、X射线、伽马射线）是首选。

(4) 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在热轧生产线的实际应用中，即使是最先进的测量设备也可能遇到各种挑战。

• 问题1：高温环境对传感器的影响

  • 原因与影响： 高温辐射会导致传感器内部电子元件过热，影响测量精度和设备寿命。材料自身发出的红外辐射会干扰光学传感器的信号采集，导致测量值漂移或错误。

  • 解决建议： 必须配备高效的冷却系统（水冷、空冷）、隔热罩和空气吹扫系统。对于光学传感器，选择特定波长的激光可以有效减少热辐射干扰，并使用窄带滤光片仅允许激光波长通过。

• 问题2：表面氧化皮、蒸汽、粉尘和水雾的干扰

  • 原因与影响： 热轧材料表面通常覆盖不均的氧化皮，以及生产过程中产生的大量蒸汽、水雾和粉尘，这些都会阻挡激光、影响光路，导致测量信号衰减、不稳定或中断。

  • 解决建议： 安装强大的气幕吹扫系统或空气刀，持续吹除测量区域的障碍物。对于激光传感器，选择穿透力强、抗干扰能力好的激光波长，并结合先进的信号处理算法来识别和滤除噪声。

• 问题3：材料振动与摆动

  • 原因与影响： 高速运行的材料会发生振动和横向摆动，这使得测量点位置不固定，影响厚度测量的准确性，尤其是在单点测量时。

  • 解决建议： 设备安装结构要坚固，具备良好的抗振性能。采用线激光传感器可以一次性获取整个横截面的轮廓数据，通过对多个点进行平均或动态跟踪来补偿振动和摆动的影响。对于射线类测量，其穿透性使得其受材料振动影响较小。

• 问题4：材料温度变化导致测量误差

  • 原因与影响： 材料在热轧过程中温度不断变化，会导致其密度和尺寸发生微小膨胀收缩。对于X射线和超声波测量，材料密度的变化会影响X射线的衰减，材料声速也会随温度变化，从而引入测量误差。

  • 解决建议： 对于射线测量，需要通过内置温度传感器实时监测材料温度，并结合预设的补偿模型进行数据校正。对于超声波，声速温度补偿尤为关键。激光测量对材料温度变化导致膨胀影响相对较小，主要关注热膨胀系数带来的尺寸变化，并通过数学模型进行补偿。

• 问题5：维护与校准

  • 原因与影响： 恶劣环境会加速设备部件磨损，需要定期维护。传感器长时间工作可能出现漂移，需要定期校准以确保精度。

  • 解决建议： 建立完善的定期维护和校准计划，并使用具有自诊断和远程监控功能的设备，降低现场维护难度。选用易于更换部件的模块化设计传感器。

4. 应用案例分享

• 热轧带钢生产线： 在高速运行的热轧带钢生产线上，厚度测量系统被集成到轧机自动厚度控制（AGC）系统中，实时监测带钢出口厚度，并根据偏差自动调整轧辊间隙，确保带钢厚度精度达到较高水平，极大提高了产品合格率和收得率。

• 中厚板轧制生产线： 在中厚板轧制过程中，伽马射线或X射线测厚仪能够穿透较厚板材，提供准确的厚度数据。这些数据不仅用于控制板材的最终厚度，也用于调整轧制过程中的各道次压下量，优化板形。

• 钢板尺寸检测： 激光测量系统不仅可以测量厚度，还能同时获取钢板的宽度、边缘形状和表面平整度等多种几何尺寸信息。例如，英国真尚有的线激光传感器具备智能化特性和实时3D跟踪功能，适用于汽车、造船等对钢板尺寸精度要求极高的行业。这在汽车、造船等对钢板尺寸精度要求极高的行业中应用广泛。