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无“微”不“知”—基于多频电磁技术的钢铁无损检测

申报人：王琦文 申报日期：2025-01-03

基本情况

2025年批次
无“微”不“知”—基于多频电磁技术的钢铁无损检测 学生申报
创新训练项目
工学
材料类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
本项目利用钢铁微观组织与电磁信号之间的关系，研究一款多频电磁无损检测系统。用在钢铁生产的过程中，实时监测钢铁微观结构的变化，及时调整生产参数。除此之外，还可以用该系统来检测已服役使用钢材的微观结构的状况，预防意外的发生。项目将在生产现场采集数据，并与实验室所得数据进行比较，保证系统检测的准确度。
1.第八届中国国际“互联网＋”大学生创新创业大赛，参加“果然营养”和“管道卫士”两个电磁无损检测项目，参与产品设计研发和宣传工作。
2.参与2023-2024年桂林理工大学大创校级立项项目《农村的致富宝“餐厨垃圾”》。
3.基于多频电磁传感系统的钢铁无损检测项目，参与传感器的设计与研发。
指导教师申嘉龙曾担任RIME实时材料质量检测项目的主要研究；是EMspec电磁传感器模拟项目的主要研究人员，从事工业电磁传感器对钢铁微观结构响应的数值模拟研究；还是是铁路轨道裂纹检测表征项目的主要研究人员；并且参与含钒铁水分离提取五氧化二钒实验研究等项目。
除此之外，近五年主持或参加的基金项目/课题:
1.国家自然科学基金委员会，青年科学基金项目，52204340, 钢铁晶界与第二相粒子的电磁响应机理及显微组织无损表征研究，2023-01-01 至2025-12-31, 30万元，在研，主持
2.广西科技厅，广西科技重大专项，桂科AA22068073， 海砂混凝土结构条件下F低成本高强高抗蚀钢筋开发与示范应用，2022-04至2025- 03，1000万元， 在研，参与
3.广西科技厅，广西科技计划项目青年基金，2022GXNSFBA035621, 基于多频电磁响应的晶粒织构各向异性的无损表征方法与应用研究，2022-04 至2025 -03，8万元，在研，主持
4.广西科技厅，广西科技计划项目重点研发计划，桂科AB21076003, 钢材微观组织和性能在线电磁无损检测关键技术及应用示范，2021-04 至2024-03, 100万元， 在研，参与
5.广西北港新材料有限公司，企业委托，20220229， 304不锈钢连铸坯表面异物压入质量缺陷改进，2022-09至2023-08， 40万元，在研，参与
广西科技厅，广西科技计划项目人才专项，桂科AD20159020, 钢轨滚动接触疲劳裂纹三维形态无损电磁信号响应机理研究，2020-07 至2023-06, 20万元，在研，主持
教师为学生定下了研究方向以及研究目的，指导学生不断完善现有技术，在已有的基础上加以改进。
教师提供项目研发所需的实验室和设备，指导学生做与项目相关的实验，如金相实验、力学性能检测等。
教师在实验结束后积极指导学生进行数据处理、数据分析、绘制数据图后经讨论获得结论。
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
王琦文 材料科学与工程学院 冶金工程 2023 材料制备，搭建系统，实验检测及数据分析，论文编写
黄康贵 材料科学与工程学院 冶金工程 2023 协助实验及分析数据，论文编写
常凯鹏 材料科学与工程学院 金属材料工程 2023 市场调研，课题背景调查，实验数据图汇总
韦迪 材料科学与工程学院 冶金工程 2023 协助实验及分析数据，论文编写
黄俊涛 材料科学与工程学院 无机非金属材料工程（实验班） 2023 市场调研，课题背景调查，实验数据图汇总

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
申嘉龙 材料科学与工程学院 否

立项依据

在当今社会，钢材作为具有生产规模大、加工制造容易、性能可靠、成本低廉等特点的材料，是社会经济发展的物质基础[1-4]。其中Q235 [5-7]、Q355B[8-10]和HRB400E[11-13]等碳素钢因其优异的力学性能和成本效益得到广泛的应用。为了生产出高质量、高品质的碳素钢，我们需要实时监测和控制钢铁的生产过程。其中最重要的是监测钢铁微观组织的变化。钢铁微观组织决定着钢材力学性能的优劣[14]，需要在生产过程中进行在线监测和控制，以便及时发现不足并调整生产参数。因此，基于电磁感应原理的多频电磁无损检测技术得到了重视，这项技术以其实时在线监测、动态反馈、结果可视化、检测成本低等优点受到了国内外学者们的广泛关注，该技术很好地满足了钢铁生产过程实时监测的需求。本项目是在已建有系统的基础上加以研究的，计划研究出一款更加完善的多频电磁无损检测系统，它可以安装在钢铁生产过程中，对钢铁微观组织的变化进行监测，实时提供相组成、晶粒尺寸、析出物等信息。同时该系统也可以用来检测已服役钢材的好坏，预防意外的发生。
利用电磁无损检测技术可以在生产过程中实时调整生产参数，保证钢铁微观结构处在理想状态下。目前已研发出电磁传感系统并运用到生产实践中了，本项目将在此基础上继续利用多频电磁无损检测技术研究了Q235B、Q355B和HRB400E等碳钢不同相成分对电磁信号的响应。研究了电磁信号与铁素体相分数之间的定量关系。研究了相分数与材料屈服强度、抗拉强度的关系。本项目采用设计的U型和圆柱形传感器的多频电磁表征系统进行现场测量，对测量结果进行分析和讨论，为后续研究提供数据，确保实验的准确性，以提高测量的精度。
（1）利用电磁无损检测机理，研究钢铁微观组织的变化对钢铁电磁性质的影响规律，建立钢铁微观组织变化规律与电磁信号之间的定量关系；
（2）利用钢铁质量-微观结构-电磁信号的对应关系，继续完善钢铁生产质量在线电磁无损检测的设备及配套软件，实现在线检测、实时反馈、动态调节的智能化生产；
（3）对已经投入使用的钢铁材料进行电磁无损检测。
侯兴隆[20]，大型承压设备焊接结构磁粉检测采用人工检测方式存在检测效率低、劳动强度高、易漏检、成本高等缺点，急需采用自动化的机器人检测方式来替代人工检测，以提高检测的效率和检测结果的可靠性。对无损检测技术和磁粉探伤检测技术进行研究和分析，明确了基于路径规划和智能导航的磁粉检测爬壁机器人设计方案。设计的机器人采用数字化技术，实现了图像采集、数据传输和结果分析的自动化处理。通过实验验证了智能爬壁检测机器人的性能和效果。该实验运用自动化技术与磁粉检测的结合，可以提高检测的效率。但美中不足的是，磁粉检测只能检测表面或接近表面的缺陷，对于内部结构缺陷无法检测，而本项目研究的多频电磁无损检测技术可以很好的弥补这点。
Shen[15][16]从实验和模型两方面详细阐述了双相钢(铁素体-奥氏体)的相对磁导率随着铁素体相分数的增加而增加。研究表明，多频电磁传感器可用于监测和表征轧制过程中的相变行为。利用反馈信号对冷却系统进行实时动态调整，以满足先进钢的低成本生产要求。Davis[17]发现多频电磁传感器可用于检测钢相变过程中的显微组织变化。低频电感值可用于测量铁素体含量小于40%的样品中的铁素体相分数，过零频率可用于表征铁素体含量大于40%的样品中的铁素体相分数百分比。采用有限元法研究了多频电磁传感器对钢组织变化的响应。Xiao[18]基于Neper代码和COMSOL MUltiphysics建立了双相不锈钢的微观结构有限元模型。通过定义电导率和磁导率，建立不同的相组成、晶粒尺寸和晶界来计算钢组织的磁导率。Jolfaei[19]利用多频电磁传感器系统对DP双相钢的显微组织进行表征，并对钢的抗拉强度进行表征。结果表明:对于双相钢，磁导率受铁素体相分数和晶粒尺寸的影响，而这些微观组元对材料的抗拉强度都有显著影响。
创新点如下：
（1）多频电磁技术可以实时反馈工业生产现场被检测钢铁的微观结构。
（2）讨论和分析铁素体相分数和阻抗之间的关系。
（3）研究了提离距离对阻抗信号的影响。
（4）钢铁的机械性能与铁素体高度相关，而利用多频电磁技术可以观察钢铁内铁素体的结构，从而反应出钢铁的力学性能。
（5）我们已经进行了现场的安装与应用。
项目特色：传统的钢铁材料检测以有损检测为主要方式，但有损检测需要截取整体材料的一部分进行检测，其检测结果是很难代表整体材料的情况的。其次，它破坏了材料的整体性，不利于生产过程中钢材和已服役钢材的检测。多频电磁无损检测具有先天的优势，它能在不破坏材料结构完整性以及不影响产品使用的情况下，实现对钢铁材料显微组织的实时检测并及时反馈生产情况，很适合钢铁生产的过程。除此之外，电磁无损检测技术还具有非接触性，检测速度快，反应灵敏等优点。而且为了适应钢铁生产现场的高温、高噪声、高粉尘等特点，项目组特意前往生产现场进行多频电磁的无损检测，同时我们还为设备设计了外壳，使得它能应对更加复杂的生产环境。除此之外，多频电磁无损检测系统的应用也使得钢铁生产的过程能及时调整生产，节省了能源消耗，提高了钢铁的生产效率，在钢铁生产阶段能及时发现问题并及时调整生产参数，在一定程度上提高了钢铁材料的品质，延长了钢铁材料的使用寿命。项目的核心思想符合节能减排、绿色发展的基本国策。
技术路线：summernote-img
图1电磁无损表征硬件系统
项目首先运用了两种传感器——U型传感器和圆柱型传感器，再依靠硬件模块和软件系统一起构建多频电磁无损检测系统。
随后通过实验室检测不同钢材的铁素体相分数与力学性能之间的关系，以及提离距离对抗阻的影响等，来证实系统的准确性、可靠性。然后利用数据将系统改进完善并在生产现场进行测量，通过测量钢材的铁素体相分数，以及测出的数据反馈回实验室测量。通过对比，发现两者测量数据基本吻合，再次证明了项目的可行性。除此之外，在现场测量的过程中，项目组也尽可能保障检测质量的同时提升系统检测的运行速度，发现快速和慢速之下，只要保持合适的提离距离，数据都没有太大误差，即基本吻合实验数据。同时证实了电磁无损检测技术在钢铁生产过程中，对钢材显微组织进行实时检测及时反馈的先进性。
拟解决问题：
本研究针对钢铁微观组织及性能缺乏有效在线监测手段，导致钢材质量合格率较低，合金成本较高（保证力学强度）等问题，通过研究钢铁各微观组元电磁响应机理，建立钢材生产过程中微观结构的电磁无损检测宏-微观有限元模型。计算了铁素体-珠光体显微建构中磁导率、电导率以及电磁传感器信号的对应关系。
同时，在实验过程中，我们注意到探头的提离距离对传感器信号是有较大的影响的，究其根本，传感器信号又受到阻抗的影响。为了探究提离距离对阻抗的影响，我们将在实验室条件下利用板材试样进行不同高度的提离距离测量。得出一个更加精细的合适的提离距离范围。
预期成果:
（1）研究钢材质量与性能电磁无损检测机理，建立钢筋与钢板质量、性能与材料电磁性能关系，揭示电磁性能与钢铁微观组织结构关系；
（2）利用钢铁质量、性能-微观结构-电磁信号对应关系，研发钢材生产质量在线电磁无损检测设备及配套软件，实现在线检测、实时反馈、动态调节的智能化生产；
（3）研发服役钢材健康无损监测设备；
（4）对多种钢材进行检测，利用得到的数据丰富电磁信号与钢铁微观组织关系的数据库。
2025.05-2025.06： 查阅相关文献资料，完成实验方案的设计；
2025.06-2025.09： 了解各元件的功能；
2025.09-2025.11： 完成设备组装并进行调试；
2025.12-2026.02： 运用设备对各种钢铁结构进行检测分析；
2026.03-2026.04： 整理数据，撰写结题报告。
1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
项目负责人跟随指导老师在多频电磁无损检测研究方面做了深入的了解，并协助指导老师完成相关实验。学习和了解各种微观组织和信号的关系模型，以及设备元件及其功能。项目成员通过指导老师指导，在项目的实验工作以及数据处理，信号分析积累了一定的经验。收集整理了大量本项目相关的文献，对本项目的研究已取得不错进展。
已申请发明专利：
[1]一种取向硅钢电磁性质各向异性的多频电磁无损表征方法 申嘉龙;董春鑫;刘军;侯艳萍;肖帅帅;孟征兵;李义兵发明专利， 202111351571.6
[2] 一种电磁无损表征钢轨滚动接触疲劳裂纹簇三维尺寸的方法 申嘉龙;刘萌;董春鑫;邝惟创;何铭阳;罗天霖;李义兵;孟征兵发明专利，202111351571.6
[3] 申嘉龙，周磊，刘军，孟征兵，李义兵。一种无损检测钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展垂直深度的方法，发明专利，201910398548.9，授权号：CN110230976B。
[4] 申嘉龙，周磊，刘军，孟征兵，李义兵。一种电磁无损检测双相钢显微组织的方法，发明专利，201910428118.7。
[5] 申嘉龙，刘萌，周磊，刘军，孟征兵，李义兵。一种基于电磁响应地钢轨脱碳层厚度的检测方法，发明专利，202011012747.0。
[6] 申嘉龙，刘萌，董春鑫，邝惟创，何铭阳，罗天霖，李义兵，孟征兵。一种电磁无损表征钢轨滚动接触疲劳裂纹簇三维尺寸的方法，发明专利,202110243907.0
代表论著 :
[1] Jialong Shen; Zhou, Lei; Jacobs, Will; Hunt, Peter; Davis, Claire ; Real-time in-linesteel microstructure control through magnetic properties using an EM sensor, Journal of MagnetismMagnetic Materials, 2019, 490: 0-165504 (期刊论文)
[2] Aghadavoudi-Jolfaei, M; Shen, J; Smith, A; Zhou, L; Davis, CL ; Non-destructive measurement of microstructure and tensile strength in varying thickness commercial DP steel stripusing an EM sensor, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2019, 473: 477-483 (期刊论文)
[3] Jialong Shen; Meng Liu; Chunxin Dong; Zhengbing Meng: Guangmu Liu; Hengzhong Cai; LeiZhou; Claire Davis ; Analysis on asymmetrical RCF cracks characterisation using an ACFM sensorand the influence of the rail head profile, Measurement, 2022, 194: 111008 (期刊论文)
[4] Shen, J; Zhou, L; Rowshandel, H; Nicholson, GL; Davis, CL : Prediction of RCF clusteredcracks dimensions using an ACFM sensor and influence of crack length and vertical angle,Nondestructive Testing and Evaluation, 2020, 35(1): 1-18 (期刊论文)
[5] Shen, Jialong; Long, Mujun; Chen, Dengfu; Zhang, Jian; Dong, Zhihua : Analysis on thedynamic extension for transverse surface cracks in the as-cast steel slab at high temperatures,Engineering failure Analysis, 2016, 66(2016): 341-353 (期刊论文) 
已具备条件：已有多频电磁无损检测系统，高性能模拟计算服务器，大型商用有限元模拟软件，阻抗信号分析仪，磁粉探伤仪等。
尚缺少的条件:数据库精度还需优化。
解决方法:对钢铁生产现场不断测试数据，通过结合实验室测量参数影响和现场数据，优化测试精准度。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 16000.00 无 10500.00 5500.00
1. 业务费 4000.00 无 1500.00 2500.00
（1）计算、分析、测试费 1000.00 无 0.00 1000.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 1500.00 一人次会议差旅费 1500.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 1500.00 无 0.00 1500.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 10000.00 多频电磁无损检测系统及配套设备的搭建 8000.00 2000.00
4. 材料费 2000.00 钢板、磁铁等 1000.00 1000.00
结束

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