Радиационные методы
УДК 620.179.15
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ТОЛЩИНОМЕРОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПРОКАТА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Б. В. Артемьев, А. И. Маслов, В. Н. Потапов, М. Б. Ведерников
Описан способ учета изменений химического состава сплавов при измерении толщины проката цветных металлов рентгеновскими толщиномерами. Показаны возможности и перспективы использования рентгеновских толщиномеров серии РИТ 10 на прокатных станах с широким сортаментом обрабатываемых цветных металлов и их сплавов. Приведены оценки достигнутой точности измерений контролируемых объектов различной толщины и химического состава, указаны факторы, влияющие на точность показаний приборов.
На сегодняшний день на заводах по обработке цветных металлов, как правило, используются контактные измерители толщины, имеющие ряд недостатков, основные из которых:
необходимость механического контакта измерителя с непрерывно движущимся металлическим листом;
необходимость выведения измерителя и тем самым прерывание процесса измерения при прохождении через сварные стыки кусков металла в рулоне;
низкое быстродействие;
невозможность точных измерений при высокой шероховатости поверхности металла;
невозможность измерения толщины покрытий.
От этих недостатков свободны рентгеновские толщиномеры, позволяющие измерять толщину при любой температуре металла с любой шероховатостью поверхности. Главной проблемой, тормозящей широкое применение данного типа приборов в производстве проката цветных металлов, является изменение химического состава обрабатываемых металлов и их сплавов, что актуально именно для производства цветных металлов, когда на одном стане прокатывают широкий сортамент сплавов при небольших объемах партии. Изменение марки контролируемого сплава требует постоянных перестроек прибора и большого количества эталонных образцов для каждой марки металла. Однако развитие цифровой техники и использование ее в приборах такого класса позволило изменить данную ситуацию.
Влияние изменений химического состава на показания прибора объясняется тем, что оценка толщины листа осуществляется по степени ослабления рентгеновского излучения в контролируемом объекте, которое зависит нелинейным образом и от толщины и от химического состава материала. К тому же с изменением толщины меняется спектр прошедшего через объект рентгеновского излучения, что также усиливает эффект влияния изменений химического состава на величину ослабления рентгеновского пучка (рис. 1).
Для анализа влияния изменений химического состава примесей в контролируемых изделиях на работу рентгеновского толщиномера и получения некоторых количественных зависимостей для корректировки его показаний была создана математическая модель рентгеновского толщиномера, основанная на использовании метода Монте-Карло.
Моделирование траекторий рентгеновских фотонов осуществлялось в геометрии реального эксперимента (рис. 2). Энергетический спектр рентгеновского излучения описывался формулой Крамерса [8]. Угловое распределение излучения принималось равномерным в пределах колли-мированного пучка с угловой расходимостью 15°. Все защитные мембраны, экраны и реперная камера, используемая для мониторирования ис-
точника излучения, были представлены в виде эквивалентного двухслойного фильтра 2 толщиной 9 мм (А1) и 10 мкм (ЬИ). В качестве детектора излучения рассматривалась ионизационная камера, электроды которой
30 г-
0,00
0,04 0,08
Е, мэВ
0,12
Рис. 1. Спектральные распределения рентгеновского излучения за листами меди различной толщины. Анодное напряжение рентгеновской трубки 140 кВ. Толщина контролируемого листа: 1 — 50; 2 — 500; 3 — 5000 мкм.
имели эмиссионное покрытие с эквивалентным порядковым номером элемента 83. Предполагалось, что сигнал такой камеры (эмиссионный
Рис. 2. Схема геометрии вычислительного эксперимента в модели рентгеновского толщиномера: I — рентгеновская трубка; 2 — эквивалентный технологический фильтр; 3 — контролируемое изделие; 4 — детектор.
ток) пропорционален поглощенной в эмиссионном слое энергии рентгеновского излучения.
В качестве материалов контролируемых изделий 3 рассматривались медь марки М1, латунь Л63 и Л68, бронза БрОЦ4-3, никель НМц5. Во всех расчетах основной "эталонной" средой является образец из меди марки М1, по отношению к которому оценивалось изменение показаний детектора для изделий с другими химическими составами. Выбор в качестве эталонного материала меди марки М1 обусловлен тем, что при практическом изготовлении эталонных образцов, используемых при калибровке толщиномера, достигается их высокая повторяемость, так как данный сплав имеет минимальный количественный разброс и состав примесей (табл. 1, 2).
Таблица 1
Название сплава Марка Медь Цинк Олово Кобальт Никель Свинец Марганец
Латунь............................. Л68 67,0—70,0 32,0 0,03
Латунь................................. Л63 62,0—65,0 37,0 0,07 —
Медь................................ МО 99,93 0,003 —
Медь................................ М1р 99,9 0,005 —
Никель-марганцевый.... НМцГ 98,5 0,5—1,0
Бронза............................. БрОЦс 3,0—5,0 3,0—5,0 1,5—3,5
В рассматриваемой модели использовался метод зависимых испытаний [9], который позволяет осуществлять оценку определяемых функционалов (например, показаний детектора) по одним и тем же траекториям в основной "эталонной" среде (медный лист марки М1), а возникающие при этом смещения в среде с примесями компенсировать с помощью специальных весовых множителей. Такой подход исключает влияние статистических погрешностей на разностные показания детекторов в двух средах с различным химическим составом примесей, так как моделирование траекторий частиц в этих средах происходит по одним и тем же случайным числам.
Таблица 2
Примеси
Марка сплава Железо Сурьма Висмут Фосфор Марганец Мышьяк Олово Сера Магний Углерод Кислород Цинк Всего
Л68 0,1 0,005 0,002 0,01 0,3
Л63 0,2 0,005 0,002 0,001 0,5
МО 0,004 0,002 0,0005 -— 0,001 0,001 0,001 0,001 — — 0,04 0,003
М1р 0,005 0,002 0,001 0,0020,0012 0,002 0,002 0,002 0,002 — — 0,01 0,005
НМцГ 0,1 — — — — — 0,005 0,05 0,05 — —
БрОЦс 0,05 0,002 0,002 0,03 0,2
Анодное напряжение источника рентгеновского излучения (/, рис. 2) выбиралось в диапазоне значений от 70 до 140 кВ.
Если рентгеновский толщиномер откалиброван на определенную марку сплава (например, медь М1), то при изменении материала проката будет возникать систематическая погрешность определяемой толщины которую необходимо компенсировать. Одной из задач, которую мож-
но решать с помощью математической модели рентгеновского толщиномера, была оценка величины вводимой поправки Ъл и ее зависимости от материала, толщины исследуемого образца 2 и используемого анодного напряжения рентгеновской трубки 1/я.
Некоторые результаты моделирования представлены на рис. 3—5, где изображены зависимости:
/,, показаний сигналов детекторов (в том числе и разностных А/,) от толщины образца 2 из меди и анализируемого сплава;
величины дополнительного слоя (поправка толщины на изменение химического состава сплава), которую необходимо добавлять к значению толщины, определяемой прибором, откалиброванным по меди;
2% относительной поправки для контролируемого сплава от его толщины.
и„ = 70 кВ
1е+8
1е+7
1е+6
и
Я р
о
1е+5
1е+4
1е+3
1000
100
N
[—10 ^ и
- 0,1
10
100
1000
10000
Ъ, мкм
Рис. 3. Зависимость значения поправки на изменение химического состава от толщины контролируемого материала для бронзы БрОЦс при анодном напряжении 70 кВ.
Эти данные приведены для диапазона толщин от 20 до 5000 мкм и значений анодного напряжения рентгеновской трубки 70 и 140 кВ.
В дальнейшем поправку на измеряемую толщину при изменении химического состава контролируемого сплава для краткости будем называть поправкой на химический состав (х.с.).
На приведенных графиках хорошо видно, что зависимость Ане линейна от толщины контролируемого материала. Это означает, что поправка на определяемую толщину объекта не может быть компенсирована простым способом, а именно заданием значения только одного корректирующего множителя.
На рис. 3 приведены данные для бронзы при анодном напряжении 70 кВ. Для толщины 5000 мкм относительная поправка на х.с. %) имеет минимальное значение. С уменьшением толщины значение поправки возрастает и становится максимальным при толщине 300— 400 мкм. При дальнейшем уменьшении толщины поправки на х.с. начинает падать. При увеличении анодного напряжения до 140 кВ (рис. 4.) характер изменения поправки меняется. Рост значения поправки имеет место до 3000 мкм после чего его значение убывает. На рис. 5 показано изменение поправки для латуни Л63 при анодном напряжении 70 кВ.
Т, мкм
Рис. 4. Зависимость значения поправки на изменение химического состава от
толщины контролируемого материала для бронзы БрОЦс при анодном напряжении 140 кВ.
Согласно экспериментальным данным изменение химического состава обрабатываемого материала в процессе прокатки рулона от разлива металла до его проката до толщины 20 мкм (отжиг, прокат, очистка поверхностных пленок) не превышает 0,3% в рентгеновском эквиваленте, что ниже допусков отклонения толщины готовой продукции, определяемых ГОСТ 495—92, ГОСТ 2208—91, ГОСТ 5017—74. Следует отметить, что чем больше толщина материала, тем меньше это изменение, но при этом в каждой следующей отливке изменения химического состава материала даже при строгом соблюдении технологии увеличиваются. В табл. 1 и 2 приведены граничные значения изменения содержания отдельных компонентов в сплавах согласно ГОСТу.
Из этих данных следует, что точно рассчитать необходимую для конкретного слитка поправку на химический состав невозможно. Поэтому поступить можно следующим образом. В одной точке проката нужно измерить толщину металла в рулоне при помощи высокоточного контактного микрометра, а затем — рентгеновским толщиномером, калибро-
ванным по эталонным образцам сплава М1. После этого вычислить истинное значение поправки для указанной точки. Однако с каждым последующим проходом (обжатием, измеряющим толщину материал
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.