鋼鐵工業(yè)在線X射線測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用
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假設(shè)在厚度為0 時(shí)的噪聲值為SN0，則厚度為X 時(shí)的噪聲為：
圖4 相對(duì)統(tǒng)計(jì)噪聲與半厚度之間關(guān)系
使用X 射線技術(shù)進(jìn)行濃度、化學(xué)成分分析時(shí)，射線源的能量和強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)顯得尤為重要。在進(jìn)行化學(xué)分析時(shí)，一般是利用X 射線的熒光效應(yīng)，通過(guò)對(duì)被測(cè)化學(xué)元素的原子激發(fā)產(chǎn)生該種元素的特征譜線，但被測(cè)元素的激發(fā)譜線容易受到其它元素譜線的影響，從而降低了系統(tǒng)的檢測(cè)精度，可以利用X 射線的能量調(diào)節(jié)和濾片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特有元素的譜線激發(fā)，而不激發(fā)或降低其它元素的激發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特有元素的高精度測(cè)量。
2.1.3 使用上更安全和可靠。
X 射線是加速的熱電子碰撞陽(yáng)極靶產(chǎn)生的，因此在切斷電源后便沒有任何射線，而同位素放射源是密封在源罐中，即使關(guān)閉射線源的快門也存在一定劑量的泄露射線，不利于人身和設(shè)備的安全。
圖5 穿透物質(zhì)后X射線能譜的變化
2.2.1 高壓范圍限制
X 射線的能量取決于施加的高壓，由于受技術(shù)的限制，高壓不能不受限制地增加。在熱軋生產(chǎn)線上使用的X 射線源高壓一般為160 kV，冷軋使用100 kV 左右，相對(duì)于放射性同位素發(fā)射出的γ射線而言如表1 所示，其能量要小得多，因此穿透物質(zhì)的能力不如放射性同位素，目前鋼鐵工業(yè)上的X 射線源的高壓最高在200 kV 左右，如果再增加高壓會(huì)帶來(lái)制造和維護(hù)成本的增加，因此在寬厚板等工廠，厚度和凸度的測(cè)量通常都是采用放射性同位素方法。
表1 常用放射性同位素的射線能量 
加速熱電子在碰撞陽(yáng)極靶過(guò)程中，99%的能量轉(zhuǎn)換成熱量，只有1%轉(zhuǎn)換成X 射線，因此在陽(yáng)極靶上產(chǎn)生的熱量很大，必須對(duì)其進(jìn)行冷卻，冷卻效果的好壞直接影響到設(shè)備的測(cè)量精度和使用壽命。在實(shí)際使用過(guò)程中經(jīng)常受到水質(zhì)、管路等影響，使冷卻效率下降。
2.2.3 吸收系數(shù)的變化
由于X 射線的能譜為連續(xù)譜，低能部分很容易被吸收，造成能譜的偏移，即X 射線的硬化現(xiàn)象，如圖6 所示，其結(jié)果是射線能量和強(qiáng)度都發(fā)生變化，不象放射性同位素在穿透物質(zhì)時(shí)只是強(qiáng)度發(fā)生變化，而能量不會(huì)發(fā)生變化，這種變化的結(jié)果造成在X 射線能量不同時(shí)吸收系數(shù)不同。
不同元素吸收系數(shù)與射線能量的關(guān)系如圖7 所示，橫坐標(biāo)為射線能量，縱坐標(biāo)為吸收系數(shù)。
圖6 射線能量與吸收系統(tǒng)關(guān)系
圖7 電離室
2.2.4 探測(cè)器要求的增加
目前X 射線測(cè)量技術(shù)主要采用電離室作為射線檢測(cè)部件，其檢測(cè)原理是通過(guò)射線進(jìn)入電離室產(chǎn)生氣體電離，通過(guò)對(duì)電離后的離子對(duì)加壓，產(chǎn)生弱電流信號(hào)（10-9～10-11A），然后將弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理。由于X 射線是連續(xù)譜，要求測(cè)量X 射線的電離室對(duì)整個(gè)能譜范圍內(nèi)的X 射線進(jìn)行有效的檢測(cè)，應(yīng)用在傳統(tǒng)放射性同位素測(cè)量設(shè)備上的電離室只需要對(duì)特定能量的射線進(jìn)行有效檢測(cè)。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)工藝對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)和控制精度要求的提高，要求電離室的尺寸減小，而檢測(cè)效率提高，對(duì)電離室的制造工藝提出了更高的要求。
3 寶鋼X 射線測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用實(shí)績(jī)
寶鋼自 1997 年首次在2030 冷軋5 機(jī)架上使用X 射線測(cè)量設(shè)備以來(lái)，設(shè)備良好的精度和快速響應(yīng)促進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量和控制精度的提高，到目前X 射線測(cè)量設(shè)備已達(dá)25 套（不包括三期后工程）。對(duì)新建設(shè)的主生產(chǎn)線上都配置使用X 射線測(cè)量設(shè)備，也逐步將老的主生產(chǎn)線上同位素測(cè)量設(shè)備升級(jí)或改造成X 射線測(cè)量設(shè)備。測(cè)量物理量包括厚度、凸度、邊緣降、鋅層厚度、電工鋼膜厚、電解液離子濃度等。在帶鋼厚度測(cè)量方面，從以前的單點(diǎn)測(cè)量發(fā)展到對(duì)帶鋼整個(gè)橫斷面的精細(xì)測(cè)量（每5 mm 寬度1 個(gè)測(cè)量點(diǎn)），在鍍層測(cè)量方面，可以根據(jù)需要對(duì)不同成分層進(jìn)行的實(shí)時(shí)多層測(cè)量。
在鋼鐵工業(yè)上，在線X 射線測(cè)量技術(shù)也需要一個(gè)不斷完善和發(fā)展的過(guò)程，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍然存在不少問(wèn)題，主要是設(shè)計(jì)上的缺陷和沒有充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的影響。經(jīng)過(guò)我們多年的努力，成功地解決了X 射線源的冷卻問(wèn)題，提高了X 射線源的使用壽命；解決了化學(xué)成分對(duì)厚度測(cè)量結(jié)果的影響，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和精度；成功地完成了X 射線源、探測(cè)器、標(biāo)樣箱等關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化。
4 結(jié)束語(yǔ)
① 在線X 射線測(cè)量設(shè)備精度、可靠性比傳統(tǒng)的放射性同位素設(shè)備高，而且其功能在不斷地增加，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行少量的改進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)多物理量的同時(shí)測(cè)量。比如X 射線凸度儀進(jìn)行適當(dāng)升級(jí)就可以實(shí)現(xiàn)帶鋼溫度的測(cè)量、寬度測(cè)量、平直度測(cè)量、凸度邊降測(cè)量、局部高點(diǎn)測(cè)量等，從而能完成過(guò)去需要多臺(tái)測(cè)量設(shè)備才能完成的任務(wù)；
② 在線X 射線測(cè)量設(shè)備具備完善的自我診斷功能，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性；
③ 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)就完成測(cè)量信號(hào)的快速采集和數(shù)字化處理，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部總線及部件之間的網(wǎng)絡(luò)連接，測(cè)量設(shè)備不但能提供各種工藝所需要的信號(hào)，而且通過(guò)集成在測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件，可以為生產(chǎn)技術(shù)人員對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題提供指導(dǎo)。(end)
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