1、 大型钢坯低倍试样加工与缺陷检测的新技术、新装备 郭长升、周立民、周立富, 王克杰 齐齐哈尔华工机床股份有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161005 摘 要 ： 本文以公司研发的重型超精密镜面铣磨一体化数控机床和金属表面综合检验仪为基础，介绍了对钢坯低倍试样进行镜面加工、表面缺陷及纯净度检测的新技术、新装备，如大型钢坯全端面镜面加工技术与装备；利用机器视觉检测技术，通过高像素扫描相机获取全端面图像；通过图像识别技术查找到疑似缺陷，再通过高倍显微镜对疑似缺陷进行甄别。本文通过对低倍与高倍检验合二为一检验方法的介绍；证明这种在试样镜面状态下的机器视觉检测将成为钢铁材料表面检验的关键技术，理化检测将逐渐
2、前移到钢坯检验。 关 键 词 ： 钢坯试样 镜面加工 低倍试验、高倍缺陷分析、纯净度检测 New technology and equipment of surface finishing and macroscopic test for large billet steel sample Zhou Li-fu , Wang Ke-jie ( Qiqihar Huagong Machine Co., Ltd , Heilongjiang Qiqihar 161005 , China ) Abstract: This paper introduces the new equipment and
3、technology of surface finishing and macroscopic test and purity test for large billet steel sample , such as large billet full terminal face mirror finishing equipment; use machine vision detection technology to obtain the full terminal face image; through the image recognition technology to identif
4、y suspected defects, and then through high power microscope. Based on low times and high times test combined test method is introduced, It is proved that the mirror state machine vision inspection will be the key technology of steel surface inspection, physical and chemical testing will be gradually
5、 moved to the inspection of billets. Key words: billet steel sample,mirror finishing,macroscopic test, high time defect test, purity test 前 言 低倍检验是钢铁生产中的常规检项目。一般来说，钢铁材料大多数的轧制缺陷，都可以通过低倍检验发现和解决。然而，由于常规低倍试样加工的表面粗糙度很差，低倍检测通常只能通过肉眼检测尺寸较大的宏观缺陷。随着炼钢技术的日臻成熟，标准图谱中那些明显的、大的缩孔、夹杂、裂纹等宏观缺陷已经很少出现，而一些细小的显微夹杂和缺陷，即使在
6、 10 倍放大镜下也很难用肉眼发现。因此，常规低倍检验的作用降低，有的企业甚至将其视为一个过程，每天加工大批试样，锯切后直接热酸洗，检验人员简单看一下就扔掉，不仅造成了大量的浪费，同时还获得了虚假的检验报告。 近年来，随着高附加值钢材对质量要求越来越高，低倍检测逐步得到钢铁企业的重视。一些大型先进企业对钢坯低倍检验提出了更高的要求，例如：钢坯缺陷控制扩展到肉眼不可见的显微缺陷级别，增加了钢坯全端面夹杂物检测，枝晶检验等，同时更加注重通过各种低倍缺陷、夹杂物、以及枝晶状态的研究分析来判断和指导炼钢工艺，从而达到生产优质钢的目的； 需求刺激了研发。为了适应不断提升的低倍检验需求，以机械设备制造公司
7、为龙头，试样加工机械制造与理化检测技术开始了深度融合，一系列新的高水平的低倍试样加工技术与设备被不断的开发出来，一些专业化的理化检验技术与装备被创新性的应用到低倍检验中。例如针对检验人员要求对大型钢坯做全端面纯净度检验的需求，研发了大型钢坯低倍试样全端面镜面加工技术与专用机床，研发了集高低倍检验为一体的表面缺陷综合检验仪,开发了专用自动化控制软件、机器视觉图像识别软件以及检验报告办公软件等。在综合检测仪中，集合了全闭环伺服控制大型扫描成像系统；钢坯全端面显微缺陷、夹杂物的自动查找、定位、计算统计系统；将高倍检验与低倍检验合二为一的高倍金相显微镜现场定位分析系统；枝晶组织自动识别与计算系统；网络
8、化数据传输、评定、存储系统以及自动化酸洗系统等等。这些机械加工硬件、机器视觉识别计算分析软件以及理化检测技术的高度融合，探索出了一个新的钢铁材料检验模式与体系。为了推动这些新技术、新装备进一步的开发、完善和应用，本文对这些新技术、新装备进行简要的介绍与分析，以期为钢铁生产的进步与发展助力。 1 镜 面 状 态 下 不 需 经 过 酸 洗 就 可 以 进 行 纯 净 度 检 测 在试样达到镜面后，不经过任何酸洗，一些细微缺陷就会在显微镜下呈现出来。以前的金相检测，是通过低倍检测过程中发现的疑似缺陷进行的。存在的问题是；低倍检测很难发现细微的疑似缺陷，而金相检测只能针对个体的小的试样进行。如果能将
9、大的试样全端面都加工成镜面，也就具备了全端面金相检测的条件。 2 大 型 钢 坯 低 倍 试 样 全 端 面 镜 面 加 工 技 术 与 专 用 机 床 2.1镜 面 加 工 是 钢 坯 纯 净 度 检 验 的 前 提 条 件 钢中夹杂物纯净度是指钢被夹杂物污染的程度，纯净度测量就是确定夹杂物所占的体积百分数 【1】 。即在一定的放大倍数下，用具有 n 个网格节点的网格，计算 k 个视场内落在夹杂物上的总点数p占网格总点数的百分比d，表达公式为： 1 式中 n网格节点数； K检查视场数； P所有视场累计落在i类夹杂物上的总点数。 由1式可知，纯净度检测本质上就是钢中夹杂物的检测。实践表明，夹杂
10、物检测需要试样表面粗糙度达到Ra 0.02Ra0.05，枝晶检测需要试样表面粗糙度达到Ra0.1Ra0.04。这一粗糙度已经接近 GB/T1031 粗糙度国家标准中规定的最高等级 2，达到这一级别的表面可以倒映出周围物体的影像，这种能映射物体的表面加工又称为镜面加工。因此，钢坯试样全端面镜面加工是实现纯净度检测与枝晶检测的必要条件。 2.2实 现 镜 面 加 工 的 难 点 和 问 题 钢铁材料的镜面加工是世界级难题，尤其是针对大型平面的钢铁材料的镜面加工，更是加工行业面临的更大课题。镜面加工属于超精加工领域，影响加工精度与粗糙度的原因非常多。首先是机床本身的精度，如几何精度、震动精度、平行度
11、、垂直度、磨头的动平衡精度以及进给精度等等；其次，机床所选用的伺服系统以及传动部件的精度都会影响到加工精度和镜面粗糙度。最关键的技术难题则是磨料的选择和用于磨削的工具。一般的磨削都是从粗粒度开始，逐步开始采用细小粒度进行渐次的超精加工。需要掌握砂轮密度与工作台移动与砂轮转速与进给量的结合点，才能实现做到超精密磨削。 1-1 1-2 100* = knpd2.3超 精 密 镜 面 铣 磨 机 床 研 制 成 功 与 应 用 目前我国最新研制的重型超精密镜面铣磨数控机床，在各项精度方面实现了超精密加工机床所必须达到的要求，在国内外首次完成了大型钢坯全端面镜面加工。该机床的各滑动切削工位均可以实现0
12、.001mm进给量。机床配置有2个横梁，前横梁配置1个铣头、1个粗磨头。后横梁配置有 1个精磨头、1 个超精磨头。配置由0.001 微粉及添加纳米材料制作的镜面固体磨具，通过精铣1次Ra0.8、粗磨1次Ra0.4、精磨Ra0.08、超精磨3次Ra0.011Ra0.025，在 180分钟内实现了对230mm1900mm 大型钢坯全端面任意点的镜面加工。该机床现在上海宝钢稳定运行，每6小时可以完成2个大型坯料的镜面加工。镜面加工后的钢坯如图 1所示，1-1是加工成镜面的板坯全端面；1-2 是镜面映射出的车间上方的桁架影像；1-3是实测镜面粗糙度Ra0.011。 该镜面加工机床的研制成功，为在钢坯上
13、进行纯净度检测创造了先决条件，同时也为理化检验前移到钢坯，在钢坯上开展更多的理化检测搭建了必备的平台。 3.金 属 表 面 缺 陷 综 合 检 验 仪 的 研 制 与 应 用 3.1开发了专用自动化控制软件、图像识别软件以及检验报告办公软件。 针对钢坯低倍检验的特点以及检验仪多工位、多功能的检测需求，开发了专用自动化控制系统和软件。 在控制系统中，采用了美国NI（Intentional Instruments）公司的虚拟仪器技术中的机器视觉与科学成像技术与运动控制技术的有机结合，在一台计算机上就可以同时完成多轴、多项运动控制以及图像采集、分析、判定、办公、网络传输等内容。该控制系统有别于传统伺
14、服控制模式，操作模式与操作界面完全自主人性化开发出来。具有适用、操作简单、功能强大等诸多优点。 检验仪同时配置了试样调平系统。配置有3个伺服电机以及4个传感器。对已经失去加工基准平面的试样进行上端面调平。调平的目的是为了保证获取图像的一致性，保证图像的一致清晰度。调平装置根据传感器测定的数据，通过三个伺服轴的升降，精确的调平预检测试样。 与哈尔滨工业大学合作研制了智能图像识别软件。该软件基于钢坯的气泡、裂纹、疏松等各类缺陷以及凝固组织的视觉特征，可对各类缺陷、枝晶组织进行自我学习，自动识别，快速定位，尺寸测量，分布计算及统计分析。 该检验仪同时具有开放式检验报告编写，网络化数据传输、结果评定及
15、海量数据存储等图 1 镜面加工后的钢坯端面 1-1 板坯全端面 1-2 镜面效果图 1-3 镜面粗糙度1-3 功能强大的办公软件。 3.2功能强大的高低倍综合检测系统 首先，检测仪配置低倍和高倍两个成像系统。低倍成像主体是 8K-16K 高清扫描相机，如图 2-1 所示。高倍成像主体是金相显微镜，显微镜标配 2.5 、 5、10 三个物镜，如图2-1 所示。两个成像主体均配置在可三轴联动的伺服轴上，可以做 X、Y、Z 三个方向的运动。可以实现恒定距离获取高清图像、精确定位疑似缺陷坐标、自动调焦、自动成像的功能。 利用低倍成像系统的高清扫描相机，可对大型工件进行恒定距离的线扫描成像。成像比例为1
16、:1。图像分辨率可以达到7um。扫描相机的成像有明场合暗场两种方式。明场用于钢坯全端面凝固组织、枝晶组织或宏观缺陷成像。成像实例：图3-1为板坯全端面低倍腐蚀组织，板坯尺寸：230mm1600mm，钢坯表面加工精度：Ra=0.8 m，成像比例：1:1。图3-2是枝晶腐蚀像（局部）。图像可在计算机中连续放大到 400%进行图像细节检查与分析。通过智能图像软件可对凝固组织自动识别、分布计算及枝晶组织评级。暗场像用于钢坯全端面显微缺陷、夹杂物成像，借助图像识别软件可自动查找、定位、统计计算。对疑似缺陷或重点夹杂物，则直接调用金相显微镜进行高倍分析，甄别和测量。 综合检测仪将低倍检验与高倍检验合二为一
17、应用在钢坯检验中，将金相显微镜这一通常在钢坯轧制或钢材成型等后序工艺中使用的理化检测前移到了钢坯，这是钢坯检验和理化检测的一个重大的进步。金相显微镜最重要的钢铁理化检测装备之一，属于高倍显微检测范畴，通常用于钢坯轧制后的轧材以及各种钢铁零部件的质量检测，合格判定等，检测试样通常都图 2 高低倍成像系统 2-1 扫描相机 2-2 金相显微镜 图 3 低倍明场扫描成像 3-1 低倍腐蚀像 3-2 枝晶腐蚀像 2-2 2-13-13-2 是小试样。毫无疑问，将这个理化检测前移到钢坯检测后，就会产生巨大的经济效益。以钢坯轧材为例，钢坯中的物理缺陷会导致轧材质量不合格，当在轧材中检测到这种物理缺陷并判定
18、轧材不合格时，经济损失已经造成。将金相显微镜前移到钢坯，这些物理缺陷就会在轧制前发现，在轧制前处理，进而避免重大的经济损失。这尤其对那些附加值高、质量要求严格、加工工序复杂，加工成本极高的高端产品，军工产品以及重点工程、航天航空产品来讲无疑具有极其重要的意义。此外，将理化检测前移到钢坯，还可将钢坯的缺陷产生、凝固状态直接和冶炼、连铸工艺相衔接，为实时监督、调整、优化工艺，显著提高和保证产品质量提供强有力的技术支撑。理化检测前移到钢坯也将为绿色钢铁开辟一个新的途径。 4 低 高 倍 综 合 检 验 工 作 原 理 4.1 钢坯镜面加工 经过镜面加工的钢坯，进过轨道运送到综合检测仪高低倍成像系统的
19、下面，如图 4-1 所示，两套成像系统集合在一个全封闭三轴伺服联动轴上，下面是待测钢坯。 4.2 暗场全端面成像 试样在检测仪内完成自动调平，在暗场的环境下，用扫描相机对镜面试样进行全端面扫描成像。在暗场环境下，缺陷以亮点的形式表现出来，图像清晰完整，7um的图像分辨率保证了钢坯表面的各种细小缺陷、夹杂显现无遗。所有缺陷由计算机自动标号，并标注坐标位置。图 4-2 是低倍缺陷相的一部分。 4.3疑似缺陷查找与定位 启动计算机智能查找疑似缺陷；通过哈工大编制的图像识别软件，通过多种计算方法，快速查找到疑似缺陷，精确定位，并提供高倍检测所需要的坐标点。如图4-3所示。 4.4高倍检测分析 启动高倍
20、显微镜，鼠标点击要分析缺陷的坐标，高倍显微镜就可以自动准确找到分析缺陷，自动调焦完成缺陷高倍显示、图像采集、测量及分析。如图 4-4 所示是一个夹杂物在10倍物镜下的显微图像，图像显示这是一个复合夹杂物，疑似铁硅酸盐夹杂，其中心部分的夹杂尺寸为 0.91.12mm。 图 4 低高倍综合检测图 4-1 检测仪高低倍成像系统 4-2 扫描相机暗场缺陷图像 4-3 疑似缺陷的标号及坐标 4-4 重点缺陷定高倍定点分析 4-44-34-24-15 低 倍 腐 蚀 与 枝 晶 组 织 自 动 识 别 与 测 量 系 统 金属表面缺陷综合检测仪的另一个新技术就是对钢坯低倍腐蚀和枝晶组织的自动识别与测量系统
21、。要获得低倍腐蚀和枝晶组织，钢坯试样应在完成表面加工后，进行酸浸腐蚀。 5.1 低倍腐蚀组织 检查低倍腐蚀组织时，钢坯试样表面加工粗糙度在Ra0.8-1.6um，经过冷酸浸或热酸浸，吹干后放进综合检测仪，通过高清扫描相机做恒距离扫描成像，获得 1:1比例高清晰钢坯全端面腐蚀组织图像。然后调用智能图像识别软件，自动识别细晶区、柱状晶区和粗大等轴晶区的边界，并自动计算各晶区的面积大小和面积比。图5-1 是低倍腐蚀组织自动识别与标记的图像局部。 5.2枝晶组织 检查枝晶组织的钢坯试样表面加工粗糙度应在 Ra0.02-0.04um，即镜面加工。经冷/热酸浸后，在综合检测仪中由高清扫描相机获得1:1比例
22、高清晰的枝晶组织图像。由于成像像素极高，整个钢坯的枝晶组织图像大小可达到1G，因此该图像可在计算机放大到400%以上，仍然可以清晰的看到枝晶细节。图5-2是部分枝晶组织的放大像。调用智能图像识别软件，可对枝晶组织自动评级，也可以做更详细的分析研究。 6 基 于 物 联 网 的 检 测 数 据 网 络 智 能 判 定 、 审 核 与 传 输 系 统 大型金属表面缺陷综合检测仪不但有强大的检测功能，还具有一个基于互联网与物联网完整的检测数据网络传输，智能判定，远程研判，远程审核功能。检验人员在现场获得数据后，可实时传递到炉前，工段、公司以及科研部门，既可以单独也可以共同研判检测数据，并根据存在问题
23、及时采取措施，调整工艺，因而在生产实践中具有十分重要的作用。该系统还具有强大的数据存储功能，其采用20 个10T的磁盘组成矩阵，用于存储调阅海量的检测数据常年通过软件自学习积累的质量、图谱数据库，为云计算控制质量提供必要的条件。图6是检测数据网络智能判定、审核与传输系统示意图。 图 5 钢坯低倍凝固组织像 5-1 低倍腐蚀组织像 5-2 枝晶组织放大像 5-15-2图 6-1 低倍检测数据网络智能判定、审核与传输系统示7 自 动 化 酸 洗 系 统 为了配合缺陷综合检测系统，同时专为钢坯低倍腐蚀、 枝晶腐蚀设计制造了整套环保型自动酸洗系统。依据酸洗 方式不同，可分为电解液酸洗、冷酸洗、热酸洗。
24、三种酸 洗均可实现钢坯自动装夹，自动酸洗、自动返回、安全高 效、绿色环保。这个系统配合铣面铣磨一体化数控机床和 低倍试样成像检测中心共同使用，构成了集钢坯试样加工、 酸洗、成像、检测、判定等功能为一体的完整作业线。 图7是作业线示意图。 7 低 倍 检 测 已 经 形 成 自 动 化 作 业 线 的 规 模 系 统 低 倍 自 动 化 作 业 线 由 超 精 密 镜 面 铣 磨 机 床 、 冷 酸 洗 腐 蚀 机 、 金 属 表 面 缺 陷 检 验 仪 、 大型 转 料 机 械 手 组 成 。 实 现 了 试 样 上 料 、 加 工 、 酸 洗 、 成 像 检 测 、 网 络 传 输 完 全
25、自 动 化 。 特别 是 其 现 代 化 加 工 与 检 测 、 现 代 化 环 保 配 置 与 现 代 化 检 测 办 公 环 境 （ 如 图 8） ， 是 绿 色 钢 铁 、绿 色 检 验 的 发 展 方 向 。 特 别 是 将 理 化 检 测 前 移 到 钢 坯 阶 段 ， 更 加 有 利 于 钢 铁 企 业 提 升 钢 铁产 品 质 量 ， 杜 绝 质 量 事 故 。 图 8 钢坯试样加工、酸洗、检测自动化作业线示意图 图 6-2 高倍检测数据网络智能判定、审核与传输系统示图 7 冷酸洗自动化环保腐蚀7.1 纯 净 度 检 验 与 枝 晶 检 验 同 步 进 行 在试样镜面状态下，可以
26、先进行纯净度检测。检测夹杂、气泡、裂纹等缺陷。然后针对该试样再进行枝晶腐蚀，通过观测枝晶图像，可以清晰的检测到枝晶构成、偏析、裂纹等问题，通过枝晶检测，为炼钢工艺的调整，提供可靠的依据。 7.2 合理有效的使用低高倍检测系统 8 理 化 检 测 前 移 到 钢 坯 的 新 技 术 发 展 前 瞻 综上，我们可以看到，本文所述的钢坯缺陷检验新技术新装备，其中一个显著技术创新和技术进步，是把金相显微镜检测前移到了钢坯检测，开创了将理化检测前移到钢坯的范例。实现这一前移的关键是解决了大型金属表面镜面加工这一世界性难题。在这一基础上能把更多更好的理化检测技术前移到钢坯检验，进而实现钢坯全端面多功能理化
27、检测。例如： 1、加装便携式直读光谱仪，就可以检测钢坯端面任意位置的元素含量，快速准确的完成钢坯偏析分析，分析的元素从常规的碳偏析扩展到任意元素的偏析分析； 2、加装金相抛光装置，可以实现显微金相组织精细结构分析，也为应用二次复型技术进行夹杂物电镜分析提供了条件； 3、加装超声波探伤更可以实现钢坯内在缺陷检测。进而把单一的钢坯表面缺陷检测扩展到钢坯内在缺陷检测，这可以给高端钢铁的产品质量、产品安全带来极其重要的意义。尤其对于汽车板、重点工程、军事应用以及航天航空等产品，由于其对钢坯的成分偏析、内在缺陷，特别是显微缺陷极其敏感且经济战略价值重大而具有不可估量的价值。 可以预见，理化检测前移到钢坯是一项大有可为、大有前途的事业。其将带来钢铁生产与理化检测的一次革命。也将在绿色钢铁方面做出重要的贡献，为炼、铸、轧工艺的进一步优化与改进提供重要的技术支撑，为钢铁企业带来显著的经济效益。 参考文献： 1.王岚、杨平等 .金相实验技术 M.第 2 版 .北京：冶金工业出版社 ,2010.5.p143 2.GB/T1031-2009产品几何技术规范 (GPS)表面结构轮廓法表面粗糙度参数极其数值 S2009 低高倍检测系统 常规低倍检测 平均 1.5 小时 枝晶检测 镜面状态下 10 分钟 纯净度检测 平均 1.5 小时
