УДК 620.179.16
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЗАГОТОВОК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНОЙ ПОЛОСЫ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
В.В. Носов, В.Г. Лаврин
Предложен способ прогнозирования качества горячекатаной полосы по результатам регистрации сигналов акустической эмиссии (АЭ). Рассматривая развитие дефектов в слябе в ходе действия технологических нагрузок при прокатке как процесс потери целостности его материала, регистрируемые в ходе диагностического нагружения экспериментальных образцов сигналы АЭ интерпретируются с позиций микромеханической модели и развиваемой методологии неразрушающего контроля прочности и оценки качества материалов. На основе сопоставления результатов интерпретации с дефектностью полученной полосы определены наиболее информативные диагностические параметры и диагностический признак способа.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, акустическая эмиссия, дефект, качество, сляб, прокатка, горячекатаная полоса.
ВВЕДЕНИЕ
Контроль наличия дефектов в заготовках для производства горячекатаной полосы является одним из основных условий производства проката должного уровня качества. Процесс производства проката включает процесс пластической деформации материала заготовки. При этом дефекты заготовки могут трансформироваться, развиваться либо уменьшаться или полностью удаляться в процессе прокатки.
Ранее были предложены различные технологии визуального, телевизионного, лазерного, у. з. [1], магнитного, вихретокового контроля [2, 3] готового сляба, а также АЭ-контроля процесса кристаллизации сляба [4]. Однако наиболее часто применяемым остается совмещенный метод органолептического визуального контроля, используемого совместно с выборочным металлографическим анализом слябов из каждой партии. Малое использование вышеуказанных методов неразрушающего контроля обусловлено значительным усложнением технологии контроля в сочетании с недостаточным повышением их эффективности.
Главная цель проводимой работы — создание методики неразрушающего контроля качества заготовок для производства горячекатаной полосы с возможностью прогнозирования дефектности полученной полосы по результатам контроля сляба на основе метода АЭ. Это должно позволить значительно увеличить точность контроля не только за счет повышения вероятности выявления опасных дефектов, но и за счет снижения ложного срабатывания системы при обнаружении нарушений структуры заготовки, не влияющих на качество прокатанной полосы, что позволит вывести эффективность методов контроля на новый уровень. Были поставлены следующие задачи:
подтвердить возможность использования метода для прогнозирования вероятности развития дефектов заготовки в процессе прокатки;
определить параметры диагностического нагружения слябов;
Виктор Владимирович Носов, доктор техн. наук, профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Северо-Западного заочного технического университета. Тел. +79046179438. E-mail: nosovvv@list.ru
Валентин Георгиевич Лаврин, аспирант Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Тел. +79516429935. E-mail: valial@inbox.ru
проверить возможности количественной оценки дефектности полосы методом АЭ;
определить наиболее информативные с точки зрения контроля дефектности полосы параметры АЭ.
МОДЕЛЬ
Для разработки методики неразрушающего контроля дефектности заготовок было предложено использовать метод АЭ, основной особенностью и предпосылкой высокой информативности которого является связь параметров сигналов АЭ с процессами изменения структуры материала при его механическом деформировании [5]. Это позволит классифицировать дефекты по таким характеристикам, как активность изменения структуры металла в локальных зонах и влияние изменения действующих напряжений на нее и, следовательно, возможности их развития при прокатке.
Выбранный метод является высокочувствительным при использовании его для определения ресурса металлоконструкций, сосудов давления, трубопроводов и других объектов. Рассматривая развитие дефектов в слябе при прокатке как процесс потери целостности его материала в ходе действия технологических нагрузок предполагалось, что регистрируемые в ходе диагностического нагружения сигналы АЭ несут информацию о степени дефектности сляба. Для реализации диагностического нагружения сляба должно быть использовано специальное стендовое оборудование или подъемное устройство с механическим захватом, а для исключения влияния факторов, дестабилизирующих связь результатов регистрации АЭ и параметры макроструктуры сляба, в качестве основы интерпретации результатов регистрации и выбора информативных диагностических параметров были использованы изложенные в [6, 7] микромеханическая модель временных зависимостей параметров АЭ и методология оценки прочности.
К затрудняющим диагностику традиционным дестабилизирующим факторам кроме аддитивных и мультипликативных помех были отнесены низкоинформативные относительно макроструктуры сляба сигналы акустической эмиссии, связанные с разрушением не влияющих на прочность или дефектность материала структурных элементов (например, окалины). Поскольку в процессе прокатки материал сляба подвергается пластическому деформированию, в качестве диагностической акустико-эмиссионной характеристики дефектности был использован прочностной параметр, отражающий состояние сляба в момент воздействия прокатных валков
т„ (1п %2 -1п )
^АЭ = ®Т= -КГ = КК '
где юТ = уаТ/КТ — параметр прочностного состояния; у — структурно-чувствительный коэффициент; аТ — предел текучести для материала образца; К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; %1, — значения информативного АЭ-параметра при нагрузках Q1 и Q2 соответственно,
К1 = и К2= ,
а т а т
где атах1, атах2 — значения максимальных напряжений в образце при нагрузках Q1 и Q2 соответственно.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Подтверждением информативности метода АЭ при контроле макроструктуры сляба стали результаты экспериментов, проведенных в 2005 г. совместно с Новолипецким металлургическим комбинатом (НЛМК).
2400
Рис. 1. Схема нагружения сляба при проведении экспериментального АЭ-контроля
сляба:
1 — нагружаемый сляб; 2 — грузозахватное устройство; 3 — датчики. Максимальные эквивалентные напряжения в слябе составили 1,35 108 Па.
Был проведен контроль фрагмента сляба с явно выраженными дефектами и концентратором напряжений и целого сляба без предварительно выявленных дефектов (рис. 1).
100 95 90 85 80 75 70 65 60
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Рис. 2. Экспериментальное испытание сляба методом АЭ:
а — поверхность сляба после проведения огневой зачистки; б — полученные в ходе регистрации сигналы АЭ. Стрелкой показан сигнал, указывающий на наличие дефекта с соответствующей координатой и обнаруженный
в ходе огневой зачистки дефект.
Сопоставление результатов внешнего осмотра поверхности сляба после ее высокотемпературной обработки и регистрации сигналов акустической эмиссии позволило идентифицировать один дефект (рис. 2), про-
а
явление которого и координата были спрогнозированы по результатам АЭ-контроля, что позволяет сделать вывод об эффективности его применения на уровне существующих методов. Для определения возможности прогнозирования дефектности полосы по результатам АЭ-контроля заготовок были проведены эксперименты на специально изготовленных литых образцах. Эксперименты включали АЭ-контроль образцов, прокатку образцов, определение дефектности полученной полосы, выявление наиболее информативных диагностических параметров АЭ на основе сопоставления результатов контроля.
Поскольку необходимым условием возникновения и регистрации акустической эмиссии материалов является наличие в материале объекта контроля напряжений, для инициации сигналов АЭ в слябе было принято решение использовать напряжения, возникающие вследствие их механического нагружения собственным весом либо изгибающим устройством. Эти напряжения инициируют процессы разрушения структурных элементов в зонах, предрасположенных к появлению или развитию дефектов, а сигналы акустической эмиссии, зарегистрированные в момент действия этих сил, дают информацию о возможности образования и развития дефектов полосы при прокатке.
Рис. 3. Схемы нагружения образцов. Первой партии (а) силой, приложенной к центральной части слитка; второй партии (•) — изгибающим моментом:
1 — слиток; 2 — преобразователи акустической эмиссии; 3 — виброизоляционный материал; 4 — тяги нагружающего устройства; 5 — опоры; 6 — рычаги; 7 — пневмоцилиндр.
При проведении лабораторных экспериментов нагружение проводили на разрывной машине со специальным креплением образцов, позволявшим нагружать слитки на изгиб (рис. 3а), имитируя действие сил тяжести на реальный сляб при его нагружении с помощью крана. В ходе нагружения проводили регистрацию сигналов акустической эмиссии аппаратурой СДАЭ-16. Предварительно были исследованы литые образцы прямоугольной формы с отношением длин сторон, характерным для слябов. В качестве материала для изготовления пробной партии образцов были выбраны латунь Л63, баббит Б-83, сплав алюминия АЛ6, свинец С3С. Литые образцы, содержащие дефекты, нагружали до появления максимальных растягивающих напряжений на поверхности вели-
чиной до 70 % от предела текучести. В ходе нагружения проводили регистрацию сигналов АЭ. Наибольший уровень корреляции был установлен для образцов из сплава баббит Б83.
Литые образцы были прокатаны в пять проходов с суммарным обжатием до 75 % при числе проходов от трех до пяти в зависимости от интенсивности образования дефектов. Для характеристики величины суммарного обжатия образцов использовали коэффициент деформации. Дефектность полосы оценивали по количеству и размерам поверхностных дефектов. Оценку качества поверхности образцов проводили визуально с использованием снимков высокого разрешения верхней и нижней поверхности полосы. На полученных снимках были отмечены дефекты протяженностью более 1 мм.
Первоначально были проверены корреляции между распределением дефектов по размерам и распределением сигналов по значениям параметров в каждом о
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.