Устройство для обнаружения зон с неоднородными физическими свойствами в изделиях из металлопроката
DEVICE FOR DETECTING ZONES WITH INHOMOGENEOUS PHYSICAL PROPERTIES IN ROLLED METAL PRODUCTS

Изобретение относится к области контроля физических свойств изделий и материалов, и может быть использовано для обнаружения зон с аномалиями твердости и иных физических свойств поверхности стальных прокатных изделий, таких как листы, рельсы, трубы и прутки.
Известны устройства, реализующие способ контроля однородности механических свойств листового, сортового проката и труб по патенту РФ на изобретение № 2258217, опубл. 10.08.2005, МПК G01N29/04, включающий применение блоков электромагнитно-акустических преобразователей, размещаемых на поверхности контролируемого изделия, возбуждение в изделии и приём упругих колебаний, приём и измерение времени пробега ультразвуковых импульсов, поляризованных вдоль и поперек направления прокатки. Причем, на каждом участке единицы проката возбуждают и принимают одновременно импульсы поперечных волн, которые преимущественно поляризованы вдоль и поперёк направления прокатки, измеряют время прихода донных импульсов, отраженных от противоположной̆ стенки единицы проката, вычисляют для каждого участка единицы проката по крайней мере одно из значений информативных соотношений, несущих информацию об однородности механических свойств.
Также известно устройство для ультразвукового контроля прочностных характеристик материалов в динамическом режиме по патенту РФ на изобретение № 2231055, опубл. 20.06.2004, МПК G01N29/00, содержащее генератор высокочастотных электрических колебаний, два электромагнитно-акустических преобразователя, каждый из которых состоит из плоской катушки индуктивности, расположенной параллельно поверхности изделия, и магнитной системы последовательно соединенных: усилителя высокой частоты, детектора, видеоусилителя, индикатора и генератора развертки, причём второй вход индикатора подключен к генератору развертки, соединённому с генератором высокочастотных электрических колебаний, отличающееся тем, что электромагнитно-акустических преобразователя установлены с одной̆ стороны контролируемого изделия, причём направление поляризации одного электромагнитно-акустического преобразователя совпадает с направлением прокатки, а второго - перпендикулярно ему, и дополнительно к выходу видеоусилителя подключена последовательная цепь из измерителя временных интервалов, делителя указанных временных интервалов и регистратора.
Известные устройства позволяют вести сплошной автоматический высокопроизводительный контроль механических свойств материалов и изделий с помощью нескольких линеек электромагнитно-акустических преобразователей, позволяющих каждому блоку контролировать достаточно широкую зону объекта контроля (ОК).
К недостаткам известных устройств относится их высокая чувствительность к девиациям температуры и геометрических размеров ОК, а также к слою окалины на его поверхности, что приводит к существенному снижению достоверности измерений.
Затухание упругих волн, которое, теоретически, также несет информацию о физических свойствах ОК, измеряется, как правило, также с большими и неизбежными погрешностями, обусловленными, в основном теми же причинами. Кроме того, применение объёмных (продольных и поперечных) упругих волн позволяет получать лишь интегральную, усреднённую по пути распространения ультразвуковых импульсов информацию о физических свойствах ОК.
Аномалии твёрдости поверхностных слоев металла обнаруживаются весьма ненадежно. Широко известны устройства для вихретокового контроля структуры и механических свойств изделий из металлов. Также известно наличие корреляции между механическими и магнитными/ электромагнитными свойствами металлов. Являясь в определённой степени универсальными устройствами, они, как правило, не учитывают специфику прокатного производства, формирующего ярко выраженную анизотропию механических свойств металла. Кроме того, указанные устройства практически непригодны для работы в составе многоканальных систем высокопроизводительного контроля в условиях промышленного производства.
Во-первых, при большом количестве датчиков (одновременно их может потребоваться несколько сотен), серьезной проблемой может оказаться их низкая эксплуатационная стойкость, связанная с истиранием и высокой температурой объекта контроля.
Также грязь, мусор, отслаивающаяся окалина, часто встречающиеся на поверхности проката, будут неизбежно и неконтролируемо изменять зазор между датчиками и OK. Это является весьма нежелательным явлением, поскольку любая система компенсации влияния изменения зазора обладает погрешностью, которая может существенно снизить достоверность контроля.
Другим недостатком систем вихретокового контроля является их взаимное влияние. Для сплошного контроля листового проката требуется весьма плотное расположение рабочих катушек. Независимая регистрация изменения амплитуды и/или фазы сравнительно низкочастотного гармонического или квазигармонического сигнала в разных катушках требует времени, а исключение или, по крайней мере, существенное снижение их взаимного электромагнитного влияния в ряде случаев может оказаться серьёзной проблемой.
Существенным недостатком указанных устройств является так же их низкая помехозащищенность, связанная с неизбежными в условиях промышленного производства мешающими факторами, в частности, с негативным влиянием практически неизбежных флуктуаций остаточных магнитных полей на поверхности ОК.
2
Известно устройство для определения однородности механических свойств изделий из металла и обнаружения в них зон с аномальной твердостью по патенту РФ на изобретение № 2690074, опубл. 05.04.2019, МПК  G01N27/82, выбранное в качестве прототипа, содержащее рольганг для перемещения объекта контроля (ОК) в процессе контроля, демагнетизатор, систему компенсации влияния рабочего зазора, и комплект из как минимум двух электромагнитных датчиков (ЭД), каждый из которых содержит по крайней мере одну рабочую катушку, корпус, отличающееся тем, что каждый ЭД представляет собой сборку из как минимум двух рабочих катушек (РК), намотанных на U-образные сердечники, причем линии, соединяющие полюса каждого сердечника ориентированы параллельно друг другу таким образом, что генерируемое катушками переменное магнитное поле замыкается через ОК, либо вдоль, либо поперек направления прокатки, причем частота F максимума в спектре генерируемого ЭД магнитного поля выбирается из соотношения: F ≤ 0,8 × Fc, где Fc - частота, при которой изменение индуктивности РК при приближении ЭД к ОК меняет направление с положительного (индуктивность при приближении растёт) на отрицательное (индуктивность при приближении падает), а система компенсации зазора дополнительно содержит систему подачи сжатого воздуха к ЭД, причём каждый ЭД дополнительно содержит как минимум одно отверстие, выполненное в подошве ЭД (со стороны объекта контроля), и служащее для выхода воздуха из подошвы ЭД и создания воздушной подушки в пространстве между ОК и ЭД, а площадь S подошвы ЭД удовлетворяет условию: S  ≥  5000/Р, где S - площадь подошвы ЭД в мм; Р - давление воздуха на входе в ЭД, в барах, причем форма подошвы соответствует форме ОК, а каждый ЭД дополнительно содержит устройство для его прижатия объекту контроля с заданной силой, обеспечивающей стабилизацию зазора между ОК и ЭД на заданном значении.
Это известное устройство хорошо зарекомендовало себя в условиях производства горячекатаного листового проката: группы ЭД и находящиеся в них линейки РК защищены как от взаимного влияния, так и от агрессивного воздействия ОК.
Основной недостаток известного устройства, как и всех аналогичных устройств, заключается в обязательном наличии в его составе низкочастотного демагнетизатора. Этот громоздкий и весьма дорогой агрегат существенно снижает производительность станции электромагнитного контроля механических свойств металла. Это связано с тем, что стальные листы в ходе их производства транспортируют, как правило, магнитными кранами. Обусловленная ими остаточная намагниченность существенно снижает достоверность результатов электромагнитного контроля листов, поскольку реакция измерительной системы на намагниченный участок зачастую оказывается полностью аналогичной реакции на участок с аномальной твердостью.
Для того чтобы качественно размагнитить лист на всю его глубину, требуется применение очень низких частот рабочего тока демагнетизатора – вплоть до 0,5 Гц. Для надежной демагнетизации каждый участок листа должен подвергнуться воздействию медленно меняющегося электромагнитного поля на протяжении нескольких периодов рабочей частоты демагнетизатора. Это обусловливает значительные временные потери при производстве листов специального назначения. Но даже в хорошо размагниченном листе могут появляться участки с ненулевой остаточной намагниченностью, обусловленные различными факторами, присущими реальному металлургическому производству. Как показал опыт эксплуатации установки электромагнитного контроля листового проката, участки со спонтанной намагниченностью являются серьёзной помехой при проведении электромагнитного контроля, и часто приводят к перебраковке.
Технической проблемой, решаемой с помощью заявляемого изобретения, является недостаточная надёжность и точность определения однородности механических свойств металлических изделий, получаемых при помощи проката с помощью известных устройств.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надёжности, производительности и точности определения однородности механических свойств изделий, получаемых при помощи проката.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для обнаружения зон с неоднородными физическими свойствами в изделиях из металлопроката содержит рольганг для перемещения объекта контроля в процессе контроля, систему компенсации влияния рабочего зазора, блок управления генераторами, и комплект из как минимум двух электромагнитных датчиков, каждый из которых представляет собой сборку из как минимум двух рабочих катушек, намотанных на U-образные сердечники, предназначенных для генерации в объекте контроля измерительных электромагнитных импульсов, замыкающихся через объект контроля, либо вдоль, либо поперёк направления прокатки, и регистрации электрических сигналов, обусловленных влиянием объекта контроля, снимаемых с тех же рабочих катушек, либо с отдельных измерительных катушек, намотанных на те же U-образные сердечники, с подключенными параллельно рабочей и/или измерительной катушкам конденсаторами, ёмкость которых определяет рабочую частоту затухающих колебаний, при этом генератор измерительных электромагнитных импульсов осуществляет периодическую инверсию фазы измерительных импульсов, причём устройство также содержит блок анализа и сопоставления сигналов, полученных при воздействии на один и тот же участок объекта контроля электромагнитными импульсами с противоположными начальными фазами.
Кроме того, указанное устройство дополнительно может содержать как минимум один генератор импульсов подмагничивающего тока, соединённый с рабочими катушками, и обеспечивающий пропускание через них импульсов подмагничивающего тока заданной амплитуды и длительности, и чередующейся полярностью, которые, как правило, предшествуют измерительным импульсам.
Кроме того, функции генератора измерительных импульсов и генератора импульсов подмагничивающего тока может выполнять один и тот же генератор, причём, режимы его работы в тот или иной момент времени определяются алгоритмом, реализованным в блоке управления генераторами.
Кроме того, каждая рабочая или измерительная катушка может содержать как минимум один дополнительный конденсатор, и как минимум один электронный коммутатор, соединенный как с рабочей или измерительной катушкой, так и с дополнительным конденсатором, и обеспечивающий периодическое изменение резонансной частоты рабочего контура и переход его с одной частоты на другую.
В результате использования заявляемой конструкции устройства для обнаружения зон с неоднородными физическими свойствами расширяется частотный спектр информативных сигналов, позволяющий получать дополнительную информацию о состоянии ОК, а также повышается помехозащищённость во время осуществления контроля. Кроме того, заявляемое устройство позволяет исключить или, по крайней мере, существенно ослабить негативное влияние участков ОК с остаточной намагниченностью. Это приводит к возможности либо отказаться от применения демагнетизатора, либо существенно снизить его габариты и стоимость.
Таким образом, за счёт заявляемой конструкции устройства для обнаружения зон с неоднородными физическими свойствами повышается надёжность, производительность и точность определения однородности механических свойств изделий из металлопроката.
В качестве примера на Фиг. 1 приведена функциональная схема измерительной части заявляемого устройства, на которой обозначены:
К1 – К4 – ключи управления током;
L – измерительная катушка;
С1 и С2 – контурные конденсаторы;
К5 – ключ подключения конденсатора С2;
D1, D2 – защитные диоды;
S1 – S5 – управляющие сигналы.
Измерительная катушка L, намотанная, например, на U-образном сердечнике, размещена в индуктивном датчике, находящемся вблизи ОК, и имеющая с ним. Сердечник может иметь и иную форму, так же обеспечивающую электромагнитную связь катушки с ОК.
Схема работает в нескольких возможных вариантах. Ниже приведены примеры трех основных вариантов работы схемы.
Вариант 1
Намагничивающий импульс совмещен с импульсом, запускающим колебания в контуре.
При одновременном кратковременном замыкании ключей К1 и К3, осуществляемом с помощью управляющих сигналов S1 и S3, к контуру L-С1 будет приложено напряжение от источника напряжения U. Если время замкнутого состояния ключей К1 и К3 существенно меньше периода собственных колебаний контура L- С1, то в контуре начнется затухающий колебательный процесс с начальной фазой Ф1, параметры которого, в том числе, определяются физическими свойствами ОК. Первая, запускающая, самая интенсивная «порция» тока через катушку L, как начальная компонента колебательного процесса, является, по сути, импульсом намагничивания. Как реакция на этот импульс тока, при достаточной его интенсивности, произойдет частичное перестроение магнитных доменов на поверхности ОК, и, как следствие, некоторое изменение электромагнитных свойств поверхностного слоя ОК, в частности, его магнитной проницаемости.
После завершения (затухания) описанного выше колебательного процесса, с помощью управляющих сигналов S2 и S4 осуществляют кратковременное замыкание второй пары ключей - К2 и К4. К контуру L-С1 будет вновь приложено напряжение от источника напряжения U, но в противоположном относительно предыдущего случая направлении. Если время замкнутого состояния ключей К1 и К3 существенно меньше периода собственных колебаний контура L-С1, то в контуре опять начнется затухающий колебательный процесс, но на этот раз с начальной фазой Ф2, противоположной фазе Ф1.
Пара описанных выше затухающих импульсов, после ее последовательной оцифровки, поступает на устройство анализа и сопоставления сигналов, полученных при протекании через один и тот же участок ОК токов с двумя противоположными начальными фазами. В случае если ОК не намагничен, то эти сигналы будут иметь практически идентичные измеряемые характеристики: период, амплитуды, декремент затухания, и т.д. Намагниченный участок ОК вызовет асимметрию принимаемых сигналов, степень которой зависит от величины и направления вектора остаточного магнитного поля. Заметим, что вектор остаточного поля, как правило, параллелен направлению «легкого» намагничивания (чаще всего, это направление прокатки), и, с учетом ориентации U-образного сердечника катушки L, которая так же совпадает с направлением прокатки, будет либо складываться с начальным полем катушки, либо вычитаться из него.
Чем больше отличие отношения численных значений одноименных параметров, полученных при их измерениях в разных фазах начального тока от единицы, тем больше остаточная намагниченность. Эти отношения являются базисом для выработки корректирующих воздействий на измеряемые параметры.
Например, отношение численных значений периодов T1 и Т2 затухающих процессов, измеренных в фазе Ф1 и Ф2, должно быть, как правило, равным единице - независимо от зазора между датчиком и ОК, его температуры, шероховатости, электропроводности, и других физических характеристик.
Исключение составляет только остаточная намагниченность участка ОК, которая сразу же приводит к отклонению этого отношения от единицы. Вместо периода, или в дополнение к нему, можно использовать другие величины, характеризующие колебательный процесс, например, декремент затухания или амплитуды.
Данный процесс измерения повторяется по циклу:
- Намагничивание в фазе Ф1 и, одновременно, запускание колебательного процесса в начальной фазе Ф1;
- Намагничивание в фазе Ф2 и, одновременно, запускание колебательного процесса в начальной фазе Ф1.
Вариант 2
Для усиления эффекта предварительного намагничивания поверхности ОК, можно, с помощью тех же ключей К1-К4 пропустить через катушку L импульсы тока высокой интенсивности. Для этого длительность открывания ключей должна быть достаточно большой.
Цикл контроля в этом случае будет иметь следующий вид:
- Намагничивание в фазе Ф1;
- Измерительный импульс в фазе Ф1;
- Намагничивание в фазе Ф2;
- Измерительный импульс в фазе Ф2.
Как реакция на интенсивные намагничивающие импульсы разной полярности, произойдет более интенсивная (частичная) переориентация доменов на поверхности ОК, степень которой будет зависеть от фазы импульса намагничивания. Таким образом, контраст при измерении параметров колебательного процесса в одном и другом направлении будет выражен в еще большей степени, нежели в варианте 1.
Вариант 3
Периодическое изменение спектра измерительного сигнала. Оно осуществляется путем периодического подключения конденсатора С2 к колебательному контуру. При этом наблюдение за двумя колебательными процессами, осуществляющимися на разных частотах, позволяет существенно расширить набор информативных параметров, и в еще большей степени повысить достоверность и помехозащищенность процесса электромагнитного контроля.
Более низкая собственная частота F2 колебательного контура обеспечивается подключением к нему конденсатора С2, которое осуществляется путем электронной коммутации ключа К5 (с помощью сигнала S5).
В этом случае цикл измерений может иметь следующий вид:
- Намагничивание в фазе Ф1 (ключ К5 разомкнут);
- Инициирование измерительного импульса в фазе Ф1 на частоте F1 (ключ К5 разомкнут);
- Инициирование измерительного импульса в фазе Ф1 на частоте F2 (ключ К5 замкнут);
- Намагничивание в фазе Ф2 (ключ К5 разомкнут);
- Инициирование измерительного импульса в фазе Ф2 на частоте F1 (ключ К5 разомкнут);
- Инициирование измерительного импульса в фазе Ф1 на частоте F2 (ключ К5 замкнут);
Возможны также и другие варианты использования приведённой выше измерительной схемы.