利用电磁超声横波检测二冷区尾端连铸坯壳厚度
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Measurement of the continuous casting shell thickness at the end of secondary cooling zone by using electromagnetic ultrasonic shear wave[J]. Tech-
nical Acoustics, 2021, 40(3): 365-369.] DOI: 10.16300/ki.1000-3630.2021.03.011
1.2 洛伦兹力效应 产生电磁超声的两种效应分别为洛伦兹力效
应和磁致伸缩效应。洛仑兹力是运动电荷在磁场中 作用产生的力，磁致伸缩效应是指磁性物质在磁化 过程中因外磁场条件的改变而发生几何尺寸可逆 变化的效应。磁性伸缩效应在高温下影响很小，所 以忽略不计。螺旋线圈在连铸坯壳内感生动态磁场 和与激励电流频率相同的感应涡流，当圆柱型永磁 铁为连铸坯壳提供偏置磁场时，被测体表面会产生 洛伦兹力，引发连铸坯壳表面粒子振动，进而生成 在连铸坯壳内部或者沿着其表面传播的超声波。
0 引 言1
连铸情况下的环境温度很高，二冷区后温度也
收基稿金日项期目:: 作者简介: 通信作者:
电(国潘王2200磁2家婷志108-超自婷春0M3声然(,-S11E902横科-96;m50波学修a－1i1对基l回):),、w连金日女a昆铸(n期6,都g1钢:z辽4h仑26坯i宁03c科20探h鞍04u技-1伤n0山)05计、。4-人27划内72,@项蒙硕1目古士63自(Y研.c治Fo究m2区0生2自0, 0然研10科究) 学方基向金为
度通况量为密下与变7、随，化度y1可模着，分0、仿以永，量2真发结磁都5 和设现果体在置永如直增50永磁图径强m磁铁的[m121]铁。所直增进高为径示加行度配。越，仿为在合小有真材建，效，30计料永模磁m算属磁，场m永铁突性，强直磁的出相度径铁磁电同在的场场的分x 别磁情分强强
坯壳内成功激发并接收电磁超声横波，且横波穿透力强、效率高，能够成功探测连铸钢坯的回波信号并计算出坯壳
的厚度。
关键词：电磁超声换能器；连铸钢坯；横波测厚；有限元仿真
中图分类号：TB552
文献标志码：A
文章编号：1000-3630(2021)-03-0365-05
Measurement of the continuous casting shell thickness at the end of secondary cooling zone by using electromagnetic ultrasonic shear wave
可主Ma要达gn依到et靠ic8洛A00c伦o℃u兹s甚ti力c至T、更ra磁n高s致d，u伸c电e缩r,磁E效M超应A声在T)换被测能量测器试坯(壳件El内厚ect度产ro 生超声波[1]，但是磁致伸缩效应在高温下影响很小， 所以本文只考虑洛伦兹力效应。电磁超声测厚相比 之前传统的射钉法和涡流法，具有无需耦合剂的优 点，可以不用接触被测试件表面而进行测量，保护了 探头和被测试件，尤其适合在高温等环境下工作[2-3]； 对需要被检测的金属表面质量要求低，节省了探伤
根据麦克斯韦方程，电磁超声换能器产生洛伦 兹力的计算过程如下：
(1) 计算发射电流密度：
Jc =∇H
(1)
(2) 计算被测试件中磁感应强度：
Bm = μH
(2)
(3) 计算涡流密度：
JE = γE
(3)
∇⋅E =− ∂Bm ∂t
(4)
(4) 计算洛伦兹力：
FL = JE ⋅(Bm + Bs )
(5)
差
为
声h=波va在(t22钢−t坯1) 中的平均传播速度为
(6)
第3期
潘婷婷等：利用电磁超声横波检测二冷区尾端连铸坯壳厚度
367
va =
E ρ
(7)
式800中～：1E100为℃钢时铁杨材氏料模的量杨的氏平模均量值，；本ρ 文为取钢温铁度材为料
的密度，一般为 。 7.86×103 kg·m-3
2.2 模型分析
建立了一种不同于一般结构的电磁超声换能器仿真模型：圆柱形永磁体两侧并行排列螺旋线圈。分析了永磁铁尺寸
对磁场涡流的影响以及电磁超声横波在被测钢坯内不同时间、不同位置的传播情况。计算了被测体中的磁通密度模
和电流密度模，同时计算了产生的涡流大小及质点位移情况。研究结果表明：该结构的电磁超声换能器可以在连铸
图 1 3D 电磁超声换能器结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of 3D EMAT structure
2 COMSOL 仿真模型建立
2.1 电磁超声横波测厚理论
电磁超声换能器发射超声波时，线圈激励会引
起被测体表面粒子产生剧烈震荡，且这种震荡会持
续一小段时间，很容易与发射信号重叠，造成干扰，
366
声学技术
年 2021
预处理环节；容易激发不同种类及模式的超声波， 并且激发出的横波初值入射到被测体内部时，纵向 分辨力较高，尤其适合于金属材料的测厚[4]。
随着电磁超声检测技术的发展，电磁超声换能 器的设计越来越重要。电磁超声换能器可将电磁转 换为声，不同结构的电磁超声换能器激发和接收波 形的能力也不相同。1970 年，Dobbs[5]对永磁铁在 被测物体中产生偏置磁场进行优化，说明电磁超声 换能器激发和接收超声波都是在被测物体的表面 完成的，并发现了产生纵波和横波的原因。1984 年电，磁K超aw声as换hi能ma器[6]利的用激仿发真线软圈件，，以选铝择板圆作盘为线被圈测作对为 象，成功建立出可以完整激发超声波的仿真模型。 2型0线10圈年及，声康场磊进[7]在行铝了板3D内利建用模三，维采有用限正元交法分对析曲法折对 电磁超声换能器的激发探头进行了优化。2018 年， 王志春等[8]利用脉冲电磁铁和螺旋线圈组成的电磁 超声换能器计算了线圈激励频率与测量信号的关 系，并使用 COMSOL 软件进行建模仿真。2019 年， 田志恒等[9]研究了一种基于电磁超声的非接触式高 功率在线测量连铸板坯液芯凝固末端位置系统。
Abstract: In this paper, the problem using electromagnetic ultrasonic shear wave to measure continuous casting shell thickness at the end of secondary cooling zone is studied, and the finite element simulation model is established. A Q235 continuous casting billet is selected as the tested object. In order to reduce the lift distance of the permanent magnet and generate larger induced eddy current in the measured body, a simulation model of the electromagnetic ultrasonic transducer (EMAT) different from the general structure is established by using the multi physical field finite element simulation software. In this structure, two spiral coils are arranged in parallel on both sides of a cylindrical permanent magnet. The influence of the size of the permanent magnet on the eddy current of the magnetic field and the propagation of the electromagnetic ultrasonic shear wave in the billet at different times and positions are analyzed. The magnetic flux density modulus and current density modulus in the measured body are calculated, and the eddy current size and particle displacement are also calculated. The results show that the electromagnetic ultrasonic transducer with this structure can successfully excite and receive the electromagnetic ultrasonic shear wave on the surface of the continuous casting shell; the shear wave has strong penetration and high efficiency, it can successfully detect the echo signal and calculate the shell thickness of continuous casting billet. Key words: electromagnetic acoustic transducer (EMAT); continuous casting billet; shear wave thickness measurement; finite element simulation
本文根据已有的研究成果，提出采用由圆柱形 永磁铁两侧并行排列螺旋线圈组成的收发一体电 磁超声换能器来激发电磁超声横波[10]。使用有限元 软件 COMSOL Multiphysics 建立电磁超声换能器、 连铸坯壳模型，通过激发和接收电磁超声横波，对 测量二冷区后连铸坯壳厚度进行仿真研究，具有一 定的理论研究价值和实际意义。
第 40
2021
年卷第6 月3
期
声学技术
Technical Acoustics
Vol.40, No.3 Jun., 2021
引用格式：潘婷婷，王志春. 利用电磁: 365-369. [PAN Tingting, WANG Zhichun.
且激励线圈会接收多次反射的回波信号，所以本文
采用第二次回波时间与第一次回波时间的差的形
式进行测厚仿真实验。设超声波向下传播的平均速
度并为按原va 路，径波返在回被，测第试一件次内接传收播电到磁达超底声面波发的生时反刻射为，
t1 t2
，−t1第，二可次以的得出接连收铸时坯刻壳为厚t2度，的两计时算刻公的式时为间
利用电磁超声横波检测二冷区尾端连铸坯壳厚度
潘婷婷，王志春 (内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010)
摘要：使用电磁超声横波对二冷区尾端的连铸坯壳厚度进行检测，并建立了有限元仿真模型。选取 Q235 连铸小钢坯
作为被测对象。为减小永磁铁的提离距离、在被测体内部生成更大的感应涡流，文章利用多物理场有限元仿真软件
式(1)中的 H 为磁场强度；式(2)中 μ 为相对磁导率；
式磁铁(3)中中产E生为的电静场偏强磁度场；。γ 为由电此导可率知；，式线(5圈)中中产Bs 为生永的
涡流与偏置磁场强度成正比例关系。
1 EMAT 的工作原理
结构 1.1 EMAT 硼永E磁M铁A、T螺结旋构线示圈意、图被如测图连1铸所坯示壳，和由空圆气柱域形组钕成铁。 E理本M场文A耦采T 合用中仿有磁真限场元实、固仿验体真。力软学件及CO压M力S声OL场M模ul块tip进hy行sic多s对物
PAN Tingting, WANG Zhichun
(College of Information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia, China)
nical Acoustics, 2021, 40(3): 365-369.] DOI: 10.16300/ki.1000-3630.2021.03.011
1.2 洛伦兹力效应 产生电磁超声的两种效应分别为洛伦兹力效
应和磁致伸缩效应。洛仑兹力是运动电荷在磁场中 作用产生的力，磁致伸缩效应是指磁性物质在磁化 过程中因外磁场条件的改变而发生几何尺寸可逆 变化的效应。磁性伸缩效应在高温下影响很小，所 以忽略不计。螺旋线圈在连铸坯壳内感生动态磁场 和与激励电流频率相同的感应涡流，当圆柱型永磁 铁为连铸坯壳提供偏置磁场时，被测体表面会产生 洛伦兹力，引发连铸坯壳表面粒子振动，进而生成 在连铸坯壳内部或者沿着其表面传播的超声波。
0 引 言1
连铸情况下的环境温度很高，二冷区后温度也
收基稿金日项期目:: 作者简介: 通信作者:
电(国潘王2200磁2家婷志108-超自婷春0M3声然(,-S11E902横科-96;m50波学修a－1i1对基l回):),、w连金日女a昆铸(n期6,都g1钢:z辽4h仑26坯i宁03c科20探h鞍04u技-1伤n0山)05计、。4-人27划内72,@项蒙硕1目古士63自(Y研.c治Fo究m2区0生2自0, 0然研10科究) 学方基向金为
度通况量为密下与变7、随，化度y1可模着，分0、仿以永，量2真发结磁都5 和设现果体在置永如直增50永磁图径强m磁铁的[m121]铁。所直增进高为径示加行度配。越，仿为在合小有真材建，效，30计料永模磁m算属磁，场m永铁突性，强直磁的出相度径铁磁电同在的场场的分x 别磁情分强强
坯壳内成功激发并接收电磁超声横波，且横波穿透力强、效率高，能够成功探测连铸钢坯的回波信号并计算出坯壳
的厚度。
关键词：电磁超声换能器；连铸钢坯；横波测厚；有限元仿真
中图分类号：TB552
文献标志码：A
文章编号：1000-3630(2021)-03-0365-05
Measurement of the continuous casting shell thickness at the end of secondary cooling zone by using electromagnetic ultrasonic shear wave
可主Ma要达gn依到et靠ic8洛A00c伦o℃u兹s甚ti力c至T、更ra磁n高s致d，u伸c电e缩r,磁E效M超应A声在T)换被测能量测器试坯(壳件El内厚ect度产ro 生超声波[1]，但是磁致伸缩效应在高温下影响很小， 所以本文只考虑洛伦兹力效应。电磁超声测厚相比 之前传统的射钉法和涡流法，具有无需耦合剂的优 点，可以不用接触被测试件表面而进行测量，保护了 探头和被测试件，尤其适合在高温等环境下工作[2-3]； 对需要被检测的金属表面质量要求低，节省了探伤
根据麦克斯韦方程，电磁超声换能器产生洛伦 兹力的计算过程如下：
(1) 计算发射电流密度：
Jc =∇H
(1)
(2) 计算被测试件中磁感应强度：
Bm = μH
(2)
(3) 计算涡流密度：
JE = γE
(3)
∇⋅E =− ∂Bm ∂t
(4)
(4) 计算洛伦兹力：
FL = JE ⋅(Bm + Bs )
(5)
差
为
声h=波va在(t22钢−t坯1) 中的平均传播速度为
(6)
第3期
潘婷婷等：利用电磁超声横波检测二冷区尾端连铸坯壳厚度
367
va =
E ρ
(7)
式800中～：1E100为℃钢时铁杨材氏料模的量杨的氏平模均量值，；本ρ 文为取钢温铁度材为料
的密度，一般为 。 7.86×103 kg·m-3
2.2 模型分析
建立了一种不同于一般结构的电磁超声换能器仿真模型：圆柱形永磁体两侧并行排列螺旋线圈。分析了永磁铁尺寸
对磁场涡流的影响以及电磁超声横波在被测钢坯内不同时间、不同位置的传播情况。计算了被测体中的磁通密度模
和电流密度模，同时计算了产生的涡流大小及质点位移情况。研究结果表明：该结构的电磁超声换能器可以在连铸
图 1 3D 电磁超声换能器结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of 3D EMAT structure
2 COMSOL 仿真模型建立
2.1 电磁超声横波测厚理论
电磁超声换能器发射超声波时，线圈激励会引
起被测体表面粒子产生剧烈震荡，且这种震荡会持
续一小段时间，很容易与发射信号重叠，造成干扰，
366
声学技术
年 2021
预处理环节；容易激发不同种类及模式的超声波， 并且激发出的横波初值入射到被测体内部时，纵向 分辨力较高，尤其适合于金属材料的测厚[4]。
随着电磁超声检测技术的发展，电磁超声换能 器的设计越来越重要。电磁超声换能器可将电磁转 换为声，不同结构的电磁超声换能器激发和接收波 形的能力也不相同。1970 年，Dobbs[5]对永磁铁在 被测物体中产生偏置磁场进行优化，说明电磁超声 换能器激发和接收超声波都是在被测物体的表面 完成的，并发现了产生纵波和横波的原因。1984 年电，磁K超aw声as换hi能ma器[6]利的用激仿发真线软圈件，，以选铝择板圆作盘为线被圈测作对为 象，成功建立出可以完整激发超声波的仿真模型。 2型0线10圈年及，声康场磊进[7]在行铝了板3D内利建用模三，维采有用限正元交法分对析曲法折对 电磁超声换能器的激发探头进行了优化。2018 年， 王志春等[8]利用脉冲电磁铁和螺旋线圈组成的电磁 超声换能器计算了线圈激励频率与测量信号的关 系，并使用 COMSOL 软件进行建模仿真。2019 年， 田志恒等[9]研究了一种基于电磁超声的非接触式高 功率在线测量连铸板坯液芯凝固末端位置系统。
Abstract: In this paper, the problem using electromagnetic ultrasonic shear wave to measure continuous casting shell thickness at the end of secondary cooling zone is studied, and the finite element simulation model is established. A Q235 continuous casting billet is selected as the tested object. In order to reduce the lift distance of the permanent magnet and generate larger induced eddy current in the measured body, a simulation model of the electromagnetic ultrasonic transducer (EMAT) different from the general structure is established by using the multi physical field finite element simulation software. In this structure, two spiral coils are arranged in parallel on both sides of a cylindrical permanent magnet. The influence of the size of the permanent magnet on the eddy current of the magnetic field and the propagation of the electromagnetic ultrasonic shear wave in the billet at different times and positions are analyzed. The magnetic flux density modulus and current density modulus in the measured body are calculated, and the eddy current size and particle displacement are also calculated. The results show that the electromagnetic ultrasonic transducer with this structure can successfully excite and receive the electromagnetic ultrasonic shear wave on the surface of the continuous casting shell; the shear wave has strong penetration and high efficiency, it can successfully detect the echo signal and calculate the shell thickness of continuous casting billet. Key words: electromagnetic acoustic transducer (EMAT); continuous casting billet; shear wave thickness measurement; finite element simulation
本文根据已有的研究成果，提出采用由圆柱形 永磁铁两侧并行排列螺旋线圈组成的收发一体电 磁超声换能器来激发电磁超声横波[10]。使用有限元 软件 COMSOL Multiphysics 建立电磁超声换能器、 连铸坯壳模型，通过激发和接收电磁超声横波，对 测量二冷区后连铸坯壳厚度进行仿真研究，具有一 定的理论研究价值和实际意义。
第 40
2021
年卷第6 月3
期
声学技术
Technical Acoustics
Vol.40, No.3 Jun., 2021
引用格式：潘婷婷，王志春. 利用电磁: 365-369. [PAN Tingting, WANG Zhichun.
且激励线圈会接收多次反射的回波信号，所以本文
采用第二次回波时间与第一次回波时间的差的形
式进行测厚仿真实验。设超声波向下传播的平均速
度并为按原va 路，径波返在回被，测第试一件次内接传收播电到磁达超底声面波发的生时反刻射为，
t1 t2
，−t1第，二可次以的得出接连收铸时坯刻壳为厚t2度，的两计时算刻公的式时为间
利用电磁超声横波检测二冷区尾端连铸坯壳厚度
潘婷婷，王志春 (内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010)
摘要：使用电磁超声横波对二冷区尾端的连铸坯壳厚度进行检测，并建立了有限元仿真模型。选取 Q235 连铸小钢坯
作为被测对象。为减小永磁铁的提离距离、在被测体内部生成更大的感应涡流，文章利用多物理场有限元仿真软件
式(1)中的 H 为磁场强度；式(2)中 μ 为相对磁导率；
式磁铁(3)中中产E生为的电静场偏强磁度场；。γ 为由电此导可率知；，式线(5圈)中中产Bs 为生永的
涡流与偏置磁场强度成正比例关系。
1 EMAT 的工作原理
结构 1.1 EMAT 硼永E磁M铁A、T螺结旋构线示圈意、图被如测图连1铸所坯示壳，和由空圆气柱域形组钕成铁。 E理本M场文A耦采T 合用中仿有磁真限场元实、固仿验体真。力软学件及CO压M力S声OL场M模ul块tip进hy行sic多s对物
PAN Tingting, WANG Zhichun
(College of Information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia, China)