СПОСОБ КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТНОСТИ СЛЯБА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНОЙ ПОЛОСЫ
FLAW CONTROL OF SLABS FOR PRODUCTION OF HOT-ROLLED STRIP

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля и предназначено для контроля поверхностных и внутренних дефектов холодных слябов для производства горячекатаной полосы.
Известен способ определения нарушений сплошности металла в слитках, использующий для выявления дефектов слябов и определения их точного места нахождения метод ультразвукового контроля. Метод использует маркировку сляба для дальнейшей возможности слежения за его трансформациями в процессе прокатки [АС №1117094]. Недостатками данного способа являются значительные затраты времени на проведение контроля, наличие контактных поверхностей, подвергающихся интенсивному износу, высокая требовательность к качеству контакта датчиков с поверхностью, отсутствие четкой классификации степени опасности выявленных в ходе контроля дефектов.
Известен способ контроля поверхностных дефектов горячих слябов, использующий для контроля эффект преобразования дефектами поверхностного слоя металла энергии лазера в акустический сигнал, а для уменьшения влияния помех на регистрируемый сигнал зону контроля охлаждают, что приводит к уменьшению затухания сигналов только в этой области [АС №1453311]. Недостатками этого способа являются необходимость осуществления контроля прохождения датчиков вдоль всей площади поверхности сляба, что значительно затрудняет процесс контроля и удорожает его. Кроме того, способ указывает на наличие несплошностей, их координат и геометрических параметров без выявления других не менее важных характеристик, указывающих на возможность дальнейшего развития дефекта, и невозможность контролировать наличие дефектов во внутреннем слое сляба.
Наиболее близким, выбранным за прототип, является способ контроля сляба для производства горячекатаной полосы [Патент №2404872]. Способ заключается в том, что в контролируемом слябе инициируют акустическую эмиссию и регистрируют ее сигналы. Проводят обработку сигналов и по совокупности полученных данных определяют возможность дальнейшего использования сляба в производстве горячекатаной полосы. При этом для контроля используют холодный сляб, на его поверхности стационарно устанавливают датчики акустической эмиссии в порядке, обеспечивающем контроль всего материала сляба и определение координат источников сигнала. Сляб механически нагружают, используя собственный вес сляба, до напряжений от 20 до 80 процентов предела текучести материала сляба, выдерживают под нагрузкой не менее 1 минуты. Полученные сигналы акустической эмиссии обрабатывают с помощью компьютера, по полученным данным судят о наличии зон повышенной активности изменения структуры материала и возможности дальнейшего развития дефекта в этой зоне при производстве горячекатаной полосы.
Недостатком этого метода является: отсутствие алгоритма определения параметров диагностического нагружения слябов; отсутствие технологии определения наиболее информативных, с точки зрения контроля дефектности полосы, параметров акустической эмиссии, которая позволила бы определить дефектность слябов, что приводит к недостаточной оперативности и точности контроля.
Задачей изобретения является повышение оперативности и точности контроля.
Для решения задачи предложен способ контроля сляба для производства горячекатаной полосы. На поверхности контролируемого сляба, находящегося в холодном состоянии, устанавливают датчики акустической эмиссии. Количество датчиков и порядок их расположения обеспечивает контроль всего материала сляба с определением координат источников сигнала. Затем инициируют излучение сигналов акустической эмиссии с поверхности сляба путем его механического нагружения, которое создают, используя собственный вес сляба, например, поднимают сляб с помощью кранового оборудования. Нагружают сляб до напряжений, близких по модулю к пределу текучести материала сляба, но не превышающих его - от 20 до 80% предела текучести материала сляба. Выдерживают сляб в нагруженном состоянии не менее 1 минуты, затем сляб опускают. В процессе перечисленных выше технологических операций непрерывно осуществляют регистрацию сигналов акустической эмиссии. На первом этапе определяют допустимое значение диагностического параметра, который вычисляют по формуле:
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>А</mi><mi>Э</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>θ</mi><mi>T</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mi>K</mi><mi>T</mi><mo>'</mo></mrow></mfrac></mrow>
0
0
0
T
T
-12
-14
где τ=10÷10 с - период атомных колебаний; U/KT=50÷59; U - энергия активации процесса разрушения; K - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; θ= - время технологического воздействия валка на раскатываемую часть листа (уточняется по технологическим данным или расчетным путем); θ - время технологического воздействия валка на раскатываемую часть листа вычисляют по формуле:
<mrow><msub><mi>θ</mi><mi>T</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,5</mn><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>H</mi><mo>−</mo><mi>h</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi><mo>−</mo><mi>H</mi><mo>+</mo><mi>h</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow><mrow><mfrac><mrow><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mi>π</mi></mrow><mrow><mi>i</mi><mo>⋅</mo><mn>60</mn><mo>⋅</mo><mn>1000</mn></mrow></mfrac></mrow></mfrac></mrow>
,
где D - диаметр рабочей поверхности валков; Н - толщина сляба до обработки; h - толщина сляба после обработки; n - частота вращения двигателя; i - передаточное отношение привода. По полученным при регистрации сигналов АЭ данным определяют диагностический параметр:
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>А</mi><mi>Э</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ln</mi><msub><mi>ξ</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><mi>ln</mi><msub><mi>ξ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>H</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>H</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
1
2
max1
max2
H1
H2
где ξ, ξ - значения информативного акустико-эмиссионного параметра при максимальных напряжениях в сечении σ, σ в образце при диагностическом нагружении в разный момент времени; K и K - коэффициенты нагрузки, определяемые по формулам:
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>H</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>max</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>T</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>H</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>max</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>T</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
,
T
АЭ
АЭ
АЭ
АЭ
АЭ.
где σ - предел текучести материала. Сравнивают диагностический параметр W с допустимым значением диагностического параметра [W]. Критерий состояния пригодного для дальнейшей обработки сляба выглядит следующим образом: W<[W]. По полученным данным судят о наличии зон повышенной активности изменения структуры металла в локальных зонах сляба и возможности развития в них дефектов при производстве горячекатаной полосы посредством прокатки. С повышением значения диагностического параметра W вероятность проявления дефектов в слябе с перспективой их развития в процессе обработки сляба увеличивается вплоть до необходимости отбраковки сляба. Снижение значения указывает на меньшую дефектность материала сляба.
АЭ
АЭ
Определение диагностического параметра W и сравнение его значения с допустимым позволяет судить о годности сляба и значительно упростить процесс дефектоскопии. Допустимое значение диагностического параметра [W] может быть определено независимо от объекта контроля на образцах, выполненных из одинакового со слябом материала, и способа нагружения. Таким образом, нет необходимости в определении допустимого диагностического параметра для каждого сляба и проведении длительных дорогостоящих предварительных тарировочных испытаний по оценке допустимого значения диагностического параметра, что повышает оперативность способа контроля.
АЭ
АЭ
Проведенные эксперименты зависимости показали высокую степень корреляции параметра W с параметрами дефектности полосы и малое влияние на точность результатов изменения условий контроля. Значение коэффициента корреляции значений диагностического параметра W и суммарной длины дефектов для образцов составило 0,74, что подтверждает высокую точность контроля дефектности сляба. Таким образом, отличительные признаки являются необходимыми и достаточными для решения поставленной задачи.
Нагрузка менее 20 процентов не достаточна для инициирования четкого сигнала акустической эмиссии, а нагрузка выше 80 процентов не рекомендуется, в целях устранения возможности случайного превышения напряжений предела текучести и повреждения сляба. Сляб выдерживают в нагруженном состоянии не менее одной минуты, после чего опускают. Данное время необходимо и достаточно для регистрации сигналов акустической эмиссии, больший промежуток времени не целесообразен, так как при увеличении затрат времени результат остается прежним. После опускания сляба регистрацию сигналов акустической эмиссии прекращают.
В зависимости от требуемой точности количество и способы расположения пьезоэлектрических датчиков могут варьироваться (для обеспечения распознавания пространственных, плоских, или линейных координат расположения дефектов), при этом число датчиков, в зону действия которых входит любая точка сляба, должно быть на один больше, чем число осей координат, по которым проводится контроль, а их расположение должно обеспечивать однозначное определение любой точки на слябе, входящей в зону их контроля, относительно их местоположения как геометрическое место точек, имеющих определенную разность расстояний до датчиков. Длина сляба подобрана в соответствии с параметрами материала, при поднятии сляба с помощью кранового оборудования, напряжения, возникающие внутри сляба, близки к пределу текучести, но не превышают его. Таким образом, нагружая сляб собственным весом с помощью кранового оборудования, в слябе возникают напряжения, достаточные для инициации акустической эмиссии, в то же время нет перекрытия сигналов, связанных с пластическими деформациями в материале. Эти напряжения схожи с напряжениями, действующими в слябе во время производства горячекатаной полосы, а сигналы акустической эмиссии, зарегистрированные в момент действия этих сил, дают информацию о возможных зонах образования и развития дефектов при прокатке. В целях предупреждения возникновения помех, вносящих искажения в полученные результаты, не следует применять крановое оборудование с электромагнитным устройством фиксации груза для подъема сляба во время нагружения. В течение всех вышеперечисленных операций осуществляют регистрацию сигналов акустической эмиссии. После окончания нагружения датчики снимают со сляба.
Реализация способа проводилась при диагностировании годного сляба в ходе промышленных экспериментов. Нагружение холодного сляба его собственным весом производилось с использованием кранового оборудования, что привело к появлению максимальных растягивающих напряжений на поверхности, составляющих 40-60% от предела текучести и обеспечило высокую вероятность регистрации сигналов акустической эмиссии. Датчики акустической эмиссии устанавливали в средней части холодного сляба на расстоянии около 2 м друг от друга (наибольшее расстояние, обеспечивающее высокую вероятность приема сигнала для данного объекта). Для регистрации импульсов акустической эмиссии использовали двухканальную измерительную акустико-эмиссионную систему. На первом этапе определяли допустимое значение диагностического параметра:
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>А</mi><mi>Э</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>θ</mi><mi>T</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mi>K</mi><mi>T</mi><mo>'</mo></mrow></mfrac></mrow>
0
0
0
T
-12
-14
где τ=10÷10 с - период атомных колебаний; U/KT=50÷59; U - энергия активации процесса разрушения; K - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; время технологического воздействия валка на раскатываемую часть листа θ=0,19 взято из технологический данных.
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>А</mi><mi>Э</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>12</mn></mrow></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>14</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mn>0,19</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>50</mn><mo>÷</mo><mn>59</mn><mo>≈</mo><mn>20</mn><mo>÷</mo><mn>30</mn></mrow>
.
АЭ
АЭ
max1
max2
При обработке результатов регистрации сигналов АЭ определяли значение диагностического параметра W. В качестве первичного информативного параметра акустической эмиссии используется суммарное число импульсов. На фигуре 1 представлены графики временных зависимостей логарифма суммарного числа сигналов (1) для стального сляба и роста значений напряжений (2); прямоугольником выделен участок, используемый для определения диагностического параметра W, соответствующий однородному разрушению перед возникновением локальной текучести. Максимальными напряжениями σ, σ являются напряжения, соответствующие максимальным и минимальным напряжениям выделенного участка.
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>А</mi><mi>Э</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ln</mi><msub><mi>ξ</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><mi>ln</mi><msub><mi>ξ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>H</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>H</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
1
2
max1
max2
H1
H2
где lnξ=ln8=2.08; lnξ=ln31=3.43 - значения информативного акустико-эмиссионного параметра при максимальных напряжениях в сечении σ=180 МПа, σ=240 МПа в образце при диагностическом нагружении в разный момент времени; K и K - коэффициенты нагрузки, определяемые по формулам:
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>H</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>max</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>T</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>H</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>max</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>T</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
;
T
σ=500 МПа - предел текучести материала сляба.
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>H</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>240</mn></mrow><mrow><mn>500</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,48</mn></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>H</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>max</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mn>500</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,36</mn></mrow>
;
.
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>А</mi><mi>Э</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>31</mn><mo>−</mo><mn>8</mn></mrow><mrow><mn>0,48</mn><mo>−</mo><mn>0,36</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>11,2</mn></mrow>
.
АЭ
АЭ
Полученное значение диагностического параметра не превышает допустимое значение диагностического параметра W<[W], что, согласно предложенному диагностическому признаку, позволяло отнести диагностируемый сляб к заготовке удовлетворительного качества.
Способ позволяет повысить оперативность и точность контроля, классифицировать дефекты не по косвенным признакам (размер, расположение, форма дефекта), имеющим влияние на качество полученного проката, а по таким характеристикам, как перспективность развития дефекта в локальных зонах и влияние изменения действующих напряжений на активность изменения структуры сляба. Отличительной чертой способа является также использование только механического нагружения, так как использование других может привести к появлению акустических помех, несущих ложную информацию о качестве сляба.