Магнитные и вихретоковые методы
УДК 620.179.14
О ВОЗМОЖНОСТИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ВЕЛИЧИНЫ ЗЕРНА НА ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ЭТАПАХ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ
М. Л. Лобанов, И.П. Сысолятина, В.К. Чистяков, Ю. Л. Гобое, Э.С. Горкунов, С.М. Задворкин, Г.С. Корзунин, А.Г. Лаврентьев, Д.В. Перов, А.Б. Ринкевич, В.А. Сандовский
Приведены результаты исследования связи величины зерна на промежуточных этапах производства электротехнической стали с различными физическими характеристиками с целью выяснения возможности использования этих характеристик для налаживания нераз-рушающего контроля величины зерна в процессе производства стали. Опробованы методы контроля магнитных полей рассеяния на границах зерен с помощью пленок железоиттрие-вых гранатов, используемых для визуализации магнитных полей, эффект Баркгаузена, ультразвуковые, вихретоковые методы, метод электромагнитно-акустического преобразования (ЭМАП) и использование связи размера зерна с величиной коэрцитивной силы.
Влияние величины зерна на физические и механические свойства металлов и сплавов общеизвестно [1—8]. Тем не менее исследования связи величины зерна с различными механическими характеристиками, например пределом текучести и другими параметрами, обоснованно продолжаются [9].
Особенно определяющее значение имеет величина зерна на магнитные свойства ферромагнитных материалов [10—18]. Классические исследования на одном из основных магнитных материалов — электротехнической стали — показали влияние величины зерна на магнитные потери на гистерезис и вихревые токи [19].
Выявлено, что величина зерна и даже его форма оказывают влияние на текстурообразование холоднокатаной анизотропной стали и, следовательно, на окончательный уровень магнитных свойств [20—25].
При лабораторных исследованиях на ООО "ВИЗ-Сталь" (Верх-Исет-ский металлургический завод) было замечено, что хороший металл получается, если в подкате наблюдаются зерна размером 20—40 мкм. Больший или меньший размер зерен приводит к худшим результатам. В связи с этим встает настоятельная задача определения величины зерна на промежуточных этапах изготовления электротехнической стали.
Решение этой задачи может стать одним из этапов решения общей проблемы, давно стоящей перед металлургами: как определить и найти тот параметр, по которому можно было бы судить, из какого исходного металла получится сталь, удовлетворяющая заданным характеристикам, а из какого нет. Положительный ответ на эту задачу обещает необычайно большой экономический эффект, так как негодный к производству металл можно не обрабатывать уже на начальных этапах изготовления стали или обрабатывать его по другим специально разработанным, отличающимся от стандартных технологий, режимам.
Исходя из сказанного, стала актуальной задача изыскания экспрессного способа определения величины зерна с целью разработки, в конечном счете, способа неразрушающего контроля величины зерна в процессе производства стали. Некоторые попытки определения величины зерна ультразвуковым методом были сделаны в работах [26—29]. Однако эти работы относились к конструкционным сталям.
Для электротехнической стали нами были опробованы методы определения магнитных полей рассеяния, возникающих на границах зерен при намагничивании материала, с помощью пленок железоиттриевых гранатов, используемых для визуализации магнитных полей, эффект Баркгаузена, ультразвуковой и вихретоковый методы, метод ЭМАП и использование связи размера зерен с величиной коэрцитивной силы.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Для исследований был отобран металл производства Ново-Липецкого металлургического комбината (НЛМК) и Магнитогорского металлургического комбината (ММК). Образцы стали с НЛМК размером 280x30 мм толщиной 0,30 мм были взяты после цехового рекристаллизационного отжига (РО), которому предшествовали горячая прокатка металла до толщины 2,5 мм, нормализационный отжиг при 1080 °С и однократная холодная прокатка до толщины 0,30 мм. Образцы с ММК такого же размера и также толщиной 0,30 мм были взяты после прохождения агрегата подготовки рулона (АПР). Этому предшествовала конверторная выплавка, горячая прокатка до 2,5 мм, холодная прокатка до 0,65 мм, обезуглероживающий отжиг в среде водорода и холодная прокатка до толщины 0,30 мм.
Таблица 1
т,° с Образцы НЛМК Металл ММК
№ образца //с, А/м Зерно аср, мкм № образца Н„ А/м Зерно аср, мкм
800 1 68 40
850 2 66 39 8 123 12,1
875 3 64 44 9 120 12,5
900 4 61 41 10 112 13,3
925 5 58 49 11 МО 13,5
950 6 55 47 12 106 13,6
Далее пакеты образцов, состоящие из 11 рядов лежащих полосок, проложенных полосами готового металла с целью предотвращения свариваемости, отжигались в течении 10 мин при температуре 800—950 °С.
Рис. 1. Зависимость величины коэрцитивной силы от размера зерна для металла НЛМК (я) и ММК (б).
После измерения Нс методом одергивания катушки [10] и определения размера зерна на шлифе были получены следующие результаты (табл. 1).
Результаты измерений связи величины коэрцитивной силы с величиной зерна для НЛМК и ММК металла по данным лаборатории магнит-
а
Я, ~ 44 мкм (а) и образцов ММК с Я3 ~ 13 мкм (б).
ных измерений ЦЗЛ Верх-Исетского металлургического завода приведены на рис. I. На рис. 2 приведена типичная микроструктура исследованных образцов.
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ РАССЕЯНИЯ
Принцип действия метода основан на зарождении и индикаторной пленке (ИП) доменных структур различных топологий, отображающих распределение полей рассеяния от магнитных неоднородностей исследуемого материала. Зарождение доменных структур происходит вблизи спин-переориентационного фазового перехода второго рода в индикаторной пленке. Фазовый переход инициируется кратковременным полем, приложенным строго в плоскости ИП. Визуализируется нормальная составляющая полей рассеяния. Картинка, визуализированная в индикаторной пленке, обладает "эффектом памяти", то есть остается стабильной, если ИП не помещать в поля более 50 А/см. Наблюдать визуализированную картинку можно в поляризованном оптическом микроскопе на основе эффекта Фарадея. Используя импульсное освещение и цифровой фотоаппарат, визуализированные поля можно вывести на компьютер [30—33].
Схема метода приведена на рис. 3, где ИП — индикаторная пленка; ИИП — импульсный источник питания (предназначен для создания поля в плоскости ИП)\ С — сталь (исследуемый образец); О — осветитель; П — поляризатор; А — анализатор; ЦФ — цифровой фотоаппарат; К — компьютер; Визуализированная картина полей рассеяния позволяет определить размеры зерен в стали.
Помимо размера зерна данный метод дает возможность определять величину нормальной составляющей полей рассеяния от этих зерен. Величина полей рассеяния отражает разброс зерен по магнитным свойствам (например, по намагниченности насыщения или по направлению осей магнитной анизотропии).
Используемый метод позволяет быстро (1—2 мин) визуализировать поля рассеяния от зерен стали с разрешающей способностью ~5 мкм. Ис-
Г^П А
Рис. 3. Схема определения полей рассеяния от границ зерен в стали с помощью пленок железоиттриевых гранатов.
пользование такого экспресс-метода в лабораторной практике существенно облегчает и ускоряет процесс исследования и открывает новые возможности для отработки технологии производства стали с целью улучшения ее магнитных свойств.
МЕТОД ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА СКАЧКОВ БАРКГАУЗЕНА
Предпринята попытка нахождения корреляционной связи между параметрами эффекта Баркгаузена (эффект скачкообразного изменения намагниченности) и величиной коэрцитивной силы исследуемых образцов электротехнической стали. Поскольку коэрцитивная сила ферромагнитного материала является структурно-чувствительным параметром, а информационные характеристики эффекта Баркгаузена (ЭБ) также зависят от структуры, то естественно было ожидать наличия корреляционных связей между ними [34—39].
Исследования проводились с помощью накладного датчика (рис. 4), аналогичного описанному в [34, 37]. В качестве информативного параметра эффекта Баркгаузена была выбрана средняя за период эдс (еСБ) потока скачков Баркгаузена (СБ). Преобразователь представлял собой приставной электромагнит с расстоянием между полюсами 7 мм. В межполюсном пространстве располагалась измерительная катушка на фер-ритовом сердечнике диаметром 2,5 мм, установленная в центре перпендикулярно плоскости исследуемого образца. Перемагничивание осуществлялось переменным током частотой 10 кГц при величинах тока пере-магничивания 0,125 А и 0,25 А, что соответствовало напряженности магнитного поля в зазоре электромагнита 0,5 и 1,0 А/см.
Датчик устанавливался как вдоль, так и поперек длинной стороны образца, причем разброс показаний не превышал 20 % при сканировании
по длине образца. Сигнал с измерительной катушки через широкополосный усилитель с полосой пропускания -200 кГц и регулируемой величи-
Рие. 4. Схема измерения скачков Баркгаузена и исходные параметры первичного преобразователя (схема приведена для крупнозернистой
стали).
ной коэффициента усиления подавался на амплитудный линейный детектор для определения средней за период эдс потока СБ (есь). Визуально поток СБ наблюдался на экране осциллографа С1-65.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО
МЕТОДА КОНТРОЛЯ
В принципе, величина среднего размера зерна может оказать влияние на значения скорости и затухания волны. С учетом формы исследуемого объекта — тонкой пластины — было выбрано направление распространения в плоскости вдоль большего размера пластины. На частотах мега-герцового диапазона, используемых в ультразвуковом контроле, соотношение длины волны и толщины листа таково, что в образце могли распространяться только волны Лэмба. Задачей данного исследования было выяснение типов распространяющихся мод и решение вопроса о том, может ли какая-нибудь их характеристика быть информативным параметром контроля величины зерна.
Ультразвуковые измерения выполнялись с использованием электронной платы РСиЗШ, инсталлированной в компьютер. Плата разработана во Фраунгоферовском институте неразрушающего контроля (Германия). Она соде
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.