超聲波無損檢測在大規格炭電極中的應用研究
王金鐸，陶國新，李童，王洪珍，李鵬
（河北順天電極有限公司，河北 淶水 074100）
摘要：運用超聲波無損檢測儀對大規格炭電極成品進行內部缺陷的無損檢測。本文主要采用透射法，采用較高的測試電壓，實現對大規格炭電極的檢測。通過對多批次電極的實際檢測，得出不同規格電極的聲速標準，從而對電極的質量進行控制，更好的指導生產。
關鍵詞：大規格炭電極；超聲波；無損檢測；透射法
The examination of ultrasonic non-destructive detection in large-sized carbon electrodes
WANG Jin-duo, TAO Guo-xin, LI Tong, WANG Hong-zhen, LI Peng
(Hebei Suncheon Electrode Co,Ltd., Hebei Laishui 074100,China)
Abstract：We detect the internal defect in the finished large-sized carbon electrode with the ultrasonic non-destructive detector. In this paper we achieve the detection of large-sized carbon electrode by using transmission method with high detection voltage. We get the sound speed range of different specification carbon electrode by detecting multiple batches of carbon electrode. So we can control the quality of carbon electrode and guide the manufacture.
Key word: large-sized carbon electrode; ultrasonic; non-destructive detection; transmission method
前 言
炭電極是工業硅、鐵合金、電石等礦熱爐冶煉過程中極為重要導電消耗材料，是冶煉中將電能轉換為熱能的橋梁，同時又是影響產品產量、質量、電耗的主要因素之一。
大規格炭電極直徑達Ф1400㎜，長度達3000㎜，如何對大規格炭電極內在質量進行檢測，及時發現不合格品，防止進入下一道工序，降低生產成本，一直是碳素質量檢驗工作者想要解決的課題。
目前行業內炭電極的內部質量檢驗，多利用錘擊法和機械切段切片法判斷是否存在缺陷，錘擊法簡單易行，但對大規格電極失去了效果，機械切段切片法耗時長成本高，已不能滿足大規格炭電極內部質量檢驗的需要。
超聲波檢測法（反射法）在小規格石墨電極上已應用，對電極質量的檢測起到了積極作用。但大規格炭電極因其直徑大，本體長，常規的超聲波反射法檢測無法實現。我們公司通過與某大學超聲波科研機構合作，研究開發出超聲波透射法對大規格炭電極的檢測方法，制定出適用于公司產品的超聲波檢驗標準，從而有效地保證了大規格炭電極的產品質量。
1. 超聲波檢測應用分析
1.1 超聲波傳播特點
超聲波具有以下特點：一、超聲波聲束能集中在特定的方向上，在介質中沿直線傳播，具有良好的指向性，能量比聲波大得多。二、超聲波在固體中的傳輸損失很小，探測深度大，由于超聲波在異質界面上會發生反射、折射等現象，尤其是不能通過氣—固界面。如果產品中有氣孔、裂紋、分層等缺陷，超聲波傳播到產品存在缺陷的界面處時，就會全部或部分反射。
1.2 檢測參數設置
本檢測法采用“透射法”，即用一個發射換能器重復發射脈沖波，讓超聲波在檢測電極中傳播，然后由接收換能器接收。當超聲波經電極中傳播后，它將攜帶有關炭電極內部結構的信息。準確測定聲波參數，就可以推斷炭電極內部的結構缺陷。
由于大規格炭電極的體積大，透射長度大，聲波在傳播過程中衰減嚴重，常用的超聲波檢測儀器很難采集到完整的聲波參數。我們根據聲波的傳播特性，專門研究特制了換能器，將超聲波的發射頻率由50kHz降低為25kHz,使其穿透性更強。同時提高檢測電壓，增加聲波的觸發能量，實現聲波參數的采集，達到對大規格炭電極檢測的目的。
2. 超聲波檢測儀的校正
我們采用的是一臺雙換能器，首波自動判讀的超聲波檢測儀。該儀器的校準采用空氣校正法。具體步驟如下。
空氣中聲速的理論計算值：V0
（2.1-1）
式（2.1-1）中：V0 =空氣中聲速計算值，m/s；
T=空氣溫度，℃。
取常用平面換能器一對，接于超聲波檢測儀上，開機預熱十分鐘，在空氣中將兩換能器輻射面對準，在改變兩輻射面間隔的情況下（如100mm,200mm,300mm,400mm）,測出相應于各間距的聲速讀數v1,v2,v3,v4.
空氣聲速計算值V0與空氣聲速實測值Vk之間的相對誤差Er按下列公式計算：
Er=
×100（2.1-2）
計算所得的Er不應超過±0.5%［4］。若超出范圍應調整零聲時。具體操作是將兩換能器的輻射面緊貼，采集聲時數據，將此時采集到的聲時作為相對零聲時再次進行校正。
3、檢測方案的確定
3.1檢測電壓的選擇
我們采用的超聲波檢測儀設有三個電壓檔，250V、500V和1000V，根據電極長度的不同選用不同的檢測電壓。依據在檢測器接收信號不受影響的前提下盡量選用小電壓的原則，通過對不同長度電極的檢測，我們得出不同長度電極的檢測電壓，如表1。
表1：不同長度電極的檢測電壓
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電極長度（mm） 檢測電壓（V）
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≤600
601~2000
≥2001
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250
500
1000
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3.2檢測點數的確定
大規格炭電極體積較大，出現的內部缺陷隱藏性更強，如何在較少的檢測點內更好的檢測出電極內部缺陷是我們面對的首要難題。我們通過研究電極的成型過程，分析電極掉爐的原因摸索出電極的幾個關鍵檢測點。檢測點覆蓋電極的中心部位和電極導電端面。檢測方案分常規檢測和加密監測。常規檢測為每隔300~500mm沿圓周均勻分布設置檢測點。對疑似問題電極采取加密檢測，每隔100mm設置檢測點。表2為根據電極直徑的不同，制定的常規檢測點數。
表2：不同規格電極的常規檢測點數
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電極規格(mm) 中心檢測點數 端面檢測點數
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φ800~960
φ1020~1060
φ1146~1320
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2
4
4
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6
10
12
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3.3電極聲速標準的確定
我們對多批量的電極成品進行了超聲波檢測，在得到較多數據的前提下，對數據進行科學的統計分析。采用正態分布統計方法，根據市場上回饋的電極使用情況，篩選出95%的電極聲速標準作為合格電極的聲速標準。然后將一批檢測合格的電極發貨，并監測其使用情況，再對數據范圍進行修訂。最后制定出適合本公司產品的檢測標準。當檢測電極的聲速值超出規定范圍時，對電極做判廢處理。表3是我公司檢測標準中規定的不同規格電極的聲速標準。
表3：不同規格電極的聲速標準
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電極規格（mm） 聲速（km/s） 典型體密（g/cm3）
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Φ800~960 2.35±0.1 1.62
Φ1020~1060 2.38±0.1 1.63
Φ1146~1320 2.40±0.1 1.64
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4 實際檢測問題解析
在用超聲透射法檢測電極過程中，常會遇到一些問題，以下是具體分析。
4.1檢測無首波
此種檢測儀是通過首波的自動判讀來獲取聲參數的，因此首波能不能出現對電極內部質量的判斷至關重要。在實際檢測中我們遇到此種情況較多。大部分無首波現象是由外部振動干擾引起的，只有少數情況證明是電極內部有重大缺陷。
當檢測某電極時出現無首波現象的點時。我們可以根據該電極其他點的聲時參數在空氣中進行找波。如φ960mm電極的某一點無波，而相鄰點的聲時參數是855.60µs。我們將兩個換能器在空氣中相隔大約855.60×10-6×340=29.1cm的距離進行數據采集，出現首波后再對電極進行檢測，一般都能夠找到首波。
若依據以上方法仍不能找到首波，將成為疑似問題電極。原因在于超聲波在異質界面上會發生反射、折射現象。這時我們采用加密檢測的方法，確定缺陷的范圍。
4.2檢測聲速偏低
當我們對某根電極進行檢測的時候發現有一點的聲速明顯低于其它點，且波形不飽滿，振幅較小。通過破壞性檢查該檢測點貫穿的區域存在松散介質，即該區域的密實性不好，孔隙率較高。造成電極本體不均質，在高溫環境下使用時易造成斷裂等事故。
4.3檢測聲速偏高
實際檢測中偶爾會出現某一點的聲速較其他點高很多，波形不完整。原因是下料時大顆粒離析造成骨料（本身聲速高）聚集，造成電極的不均質。
5 電極質量判定標準
5.1電極本體缺陷的判定
在用超聲波檢測電極過程中，當檢測點中出現無首波現象，且通過4.1中的方法也無法找到時，確定缺陷范圍后，做判廢處理。
5.2電極均質性的判定
電極生產追求的是均質電極，我們通過超聲波檢測可以判斷同一根電極的均質性或同一批電極的均勻性。我們規定了電極各檢測點聲速的極差范圍：電極端面檢測聲速最大值與最小值的差值≤0.2km/s；電極端面的檢測聲速最大值與中心檢測最小值差值≤0.3km/s。若超出以上范圍則做判廢處理。
6. 結論
6.1 通過增加超聲波檢測電壓和降低發射頻率能夠實現對大規格炭電極的無損檢測。
6.2 當檢測電極直徑加大時，增加檢測點數可以提高檢驗準確率。
6.3通過檢測電極聲速可以評價同一根電極或同一批電極的均質性。
7. 參考文獻
［１］ GB/T24210-2009，整體石墨電極彈性模量試驗聲速法[S].
［２］ 超聲波探傷編寫組編著.超聲波探傷[M].北京：水利電力出版社出版，1985.75~96
［３］ 周賢，劉義倫等.炭素材料內部缺陷檢測方法的探討[J].炭素材料科學與工藝，2006，16卷第3期：29~31.
［４］ CECS 02:88-1988,超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程.中國建筑科學研究院編著.
