CN109564206A - 用于确定金属产品微观结构的设备和方法以及冶金系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在冶金生产金属产品(2)期间确定该金属产品(2)的微观结构的设备(1)，包括至少一个X射线源(3)、至少一个X射线探测器(4)和至少一个容纳室(5,7)，其内部布置有X射线源(3)和/或X射线探测器(4)并且其包括至少一个X射线能穿透的窗体(6,8)。所述设备(1)包括至少一个用于主动冷却容纳室(5,7)的冷却装置(9)，以便在金属产品(2)的冶金生产期间能够可靠地确定其微观结构。

Description

用于确定金属产品微观结构的设备和方法以及冶金系统
技术领域
本发明涉及一种用于在冶金生产金属产品期间确定该金属产品的微观结构的设备，包括至少一个X射线源、至少一个X射线探测器和至少一个优选封闭的容纳室，其内部布置有X射线源和/或X射线探测器并且其包括至少一个X射线能穿透的窗体。
此外，本发明涉及一种用于生产金属产品的冶金系统，包括至少一个用于控制和/或调节至少一个设备组件的操作的系统电子器件，其用于能执行至少一个冶金工艺步骤。
另外，本发明涉及一种通过使用至少一个X射线源和至少一个X射线探测器在冶金生产金属产品期间确定该金属产品的微观结构。
背景技术
冶金生产的金属产品的最终机械性质属于这类金属产品的基本质量标准。金属产品的微观结构是这些机械性质的决定因素之一。
目前，严格遵循一种成熟的方案来生产冶金产品，该方案说明了重要的各种测量参数值。常规测量技术检测参数，如金属产品的温度、带速、轧制力等，这些参数在一定程度上关系到金属产品的微观结构。规则的制程变动可以改变测量的参数与金属产品的微观结构之间的关系，这样金属产品就不能再获得所需的微观结构，从而无法获得所需的机械性质。例如，在生产双相钢期间，从化学组成中较小的偏差就会改变退火过程中获得奥氏体与铁素体理想比例所需要的必要温度分布，这就导致金属产品过硬和/或过脆或过软。
如果在生产金属产品期间能获得关于该金属产品的微观结构和机械性质的更多信息，则可改进冶金生产工艺。例如，这可以通过使用给定的可测参数来实现，如金属产品的温度、金属产品的化学组成、轧制力等，从而计算与金属产品的微观结构和/或机械性质密切相关的一个或多个参数。但缺陷在于，这就需要必须进行大量开发工作的工艺模型。
作为替代方案，可以使用在线测量技术来测量与金属产品的微观结构密切相关的参数。这同样要求甚高，因为需在生产设施的严苛环境中进行无损、连续、稳健且精确的测量。
一种检测金属产品微观结构的可行技术为X射线衍射。在该技术中，使用X射线辐照金属产品，根据布拉格方程，该X射线在金属产品的晶体结构的晶格面上衍射。X射线探测器检测衍射的X射线随衍射角变化的强度。可以使用这些数据来获得描述受辐照金属产品的微观结构的参数，如其结晶度、相组成、粒度、内部和外部机械应力以及金属结构。然而，这种在线技术并未广泛使用，因为所使用的测量仪器可能会受到工业设施环境中的热量或辐射损害。
借助X射线衍射来测量金属带性质的测量布置例如参阅JP61010749A、JP03817812B2和JP56001341A、DE3825830C2、EP0352423B1。
发明内容
本发明的目的是能够在金属产品的冶金生产期间可靠地确定该金属产品的微观结构。
本发明用以达成上述目的的解决方案为独立权利要求。在下文的描述、从属权利要求和附图中给出有利的实施方案，其中这些实施方案能够相应以单独方式或以这些实施方案中至少两种的不同组合表示本发明的改进方面，尤其是优选或有利方面。就此而言，即使下文在个别情况下并未明确指出，所述设备和冶金系统的实施方案也可对应于所述方法的实施方案，反之亦然。
根据本发明的用于在冶金生产金属产品期间确定该金属产品的微观结构的设备包括至少一个X射线源、至少一个X射线探测器和至少一个优选封闭的容纳室，其内部布置有X射线源和/或X射线探测器并且其包括至少一个X射线能穿透的窗体，并且所述设备包括至少一个用于主动冷却容纳室的冷却装置。
根据本发明，对容纳室以及由此其中包含的X射线源或其中包含的X射线探测器进行主动冷却，从而在高温环境中、在保护气氛下、对金属产品的热辐射下或类似条件下，能够可靠地使用根据本发明的设备，而X射线源或X射线探测器不会受热量损坏。特定而言，这样就能在金属产品的冶金生产期间(例如在退火炉中)在线确定该金属产品的微观结构。优选地，对容纳室进行主动冷却，以便至少在用设备进行测量期间，X射线源或X射线探测器的温度低于X射线源或X射线探测器的最大容许工作温度。优选地，对容纳室进行主动冷却，以便容纳室的温度以及由此布置于其中的X射线源或X射线探测器的温度保持恒定，使得测量条件恒定，并且不会出现因温度波动引起的干扰和偏差。
通过这种在线确定金属产品的微观结构，可以在其冶金生产过程中非常精确地监测金属产品的质量，由此可以安全且重复性生产理想质量等级的金属产品。这样就能减少生产废品，从而降低生产成本。此外，生产过程可以适应相应在线确定的金属产品的微观结构，这会提高产率并减少金属产品沿产品长度出现质量和性质变化。此外，可以在除去待修复的金属产品和有缺陷的金属产品之后再将其进一步加工并运输给客户，从而降低加工成本并避免客户质疑。另外，在加工金属产品方面能够实现成本优化，因为直接在线测量微观结构就允许放宽传统上要求的安全限制。
根据本发明的设备可以包括主动冷却的用于容纳X射线源的容纳室以及分开主动冷却的用于容纳X射线探测器的容纳室。作为替代方案，X射线源和X射线探测器都可以布置在单独一个主动冷却的容纳室中。根据本发明的设备可以构建成使得X射线源和X射线探测器能够布置在金属产品的同一侧上或相反两侧上。如果X射线源布置在容纳室中，则由X射线源发射的X射线穿过窗体、撞击金属产品并自其射到X射线探测器(反射测量)。如果X射线探测器布置在具有窗体的单独容纳室中，则在金属产品处衍射的X射线穿过该窗体射到X射线探测器。在这种透射测量中，金属产品在厚度方向上经受完全透射。如果X射线探测器与X射线源布置在同一个容纳室中，则在金属产品处衍射的X射线穿过容纳室的窗体射到X射线探测器。
金属产品可以是金属带、金属板、扁锭或其他细长结构的金属产品。金属产品尤其可以是铸造产品。金属产品可以由铝、铁、钢、镍或铜制成。
可以对使用根据本发明的设备检测到的数据进行在线和/或离线处理。在后一种情况下，可以使用数据来优化工艺模型等。在前一种情况下，通过数据处理和/或算法，可以使用数据来控制和/或调节用于生产金属产品的冶金系统的参数。举例而言，可以在上游的工艺步骤中控制和/或调节轧制力、温度、温度条件、加工速度或产品速度等。这种控制和/或调节可以是所述设备的组成部分或者在外部系统中实施。
根据有利实施方案，冷却装置包括至少一个用于将至少一种冷却介质供应到容纳室的供给装置，其中容纳室以连通方式连接到该供给装置。在此情形下，引导冷却介质通过容纳室本身以使其冷却。供给装置可以包括带有至少一个泵的开放式或封闭式冷却介质回路。
根据另一种有利实施方案，冷却装置包括至少一个布置在容纳室中的热交换器以及至少一个用于将至少一种冷却介质供应到热交换器的供给装置，其中热交换器以连通方式连接到供给装置。由此，容纳室借助热交换器来冷却。通过选择相应的冷却介质并通过更改冷却介质的温度和/或体积流量，冷却装置的冷却作用可以适应具体应用情况。供给装置可以包括带有至少一个泵的开放式或封闭式冷却介质回路。热交换器可以例如构建为冷却盘管、冷却蜗管、冷却螺旋管或表面热交换器。
根据另一种有利实施方案，冷却装置包括至少一个部分封装容纳室的壳体以及至少一个用于向该壳体供应至少一种冷却介质的供给装置，所述壳体具有至少一个用窗体封闭的开口，其中该壳体至少构建为具有彼此间隔布置的壁部的双层壁，并且彼此紧邻布置的壁部之间的至少一个间隙以连通方式连接到供给装置。通过选择冷却介质以及通过更改其温度和体积流量，冷却装置的冷却作用可以适应具体应用情况。供给装置可以包括带有至少一个泵的开放式或封闭式冷却介质回路。
根据又一种有利实施方案，冷却介质至少部分呈液态和/或气态。选择冷却介质取决于具体应用情况。
根据还一种有利实施方案，冷却装置包括至少一个调节装置，该调节装置具有至少一个传感器和至少一个连接到该传感器的电子调节器，其中该电子调节器配置成基于来自传感器的信号来控制供给装置。这样就能调节供给装置并由此散发容纳室中的热能，以便例如将容纳室调节到恒定温度。
根据再一种有利实施方案，传感器包括至少一个布置在容纳室中的温度传感器和/或至少一个测量所供应冷却介质的温度的温度传感器和/或至少一个测量所排放冷却介质的温度的温度传感器和/或至少一个测量所供应冷却介质的体积流量的流量传感器和/或至少一个测量所供应冷却介质的压力的压力传感器和/或至少一个测量所排放冷却介质的体积流量的流量传感器和/或至少一个测量所排放冷却介质的压力的压力传感器。
根据再一种有利实施方案，电子调节器配置成控制供给装置，使得壳体外表面和/或内表面的温度高于壳体内部和/或外部的大气露点温度。这样就能避免水在容纳室内部或壳体外表面上的敏感电子器件附近发生冷凝。
根据再一种有利实施方案，所述设备包括至少一个用于干燥和/或清洁所供应冷却介质的装置。这样就能避免在容纳室内部或壳体上产生冷凝物。冷却介质优选呈气态形式并借助该装置来干燥和/或清洁，使得冷却介质的露点温度低于容纳室的温度或者容纳室中不会伴随杂质。
根据再一种有利实施方案，窗体构建成使其至少部分反射或吸收从容纳室外部入射到窗体上的红外射线。这样就能部分或完全防止红外射线穿过窗体射到X射线源或X射线探测器，这样就能避免红外射线对X射线源或X射线探测器造成升温。优选地，窗体使不到50％的入射到窗体上的红外射线穿透到容纳室。
根据再一种有利实施方案，窗体由聚酰胺膜或至少一种金属箔、玻璃、陶瓷或这些材料的组合形成。这样就能防止窗体迫使X射线产生衍射图案，否则可能篡改设备的测量结果。由陶瓷形成的窗体可以承受严苛环境，如此可以设计得很薄，同时窗体尽可能少吸收或少衍射X射线。优选地，陶瓷主要包含较少干扰到X射线的轻元素。优选地，窗体采用耐热的构建方案。
根据再一种有利实施方案，窗体主要由轻元素形成。优选至多50％、特别优选至多75％、尤其是至多90％的窗体材料由原子序数小于18的元素组成。
根据再一种有利实施方案，所述设备包括至少一个连接到X射线源和/或X射线探测器的移动装置，其用于使X射线源和/或X射线探测器能相对于金属产品移动。这样就能使X射线源和X射线探测器移动到金属产品进行测量并在测量后从金属产品移开，以便例如可以执行局部测量和/或在危险情况下将X射线源和/或X射线探测器放置在安全的位置。作为替代或补充方案，X射线源和X射线探测器可以在测量期间沿着金属产品的一部分移动。作为替代或补充方案，X射线源和X射线探测器可以在测量期间移动经过金属产品的一部分或整个宽度。作为替代或补充方案，金属产品可以同时沿其长度方向移动经过所述设备，以便也能在金属产品的一部分长度或整个长度上执行测量。作为替代或补充方案，容纳室连接到移动装置，以使X射线探测器和/或X射线源移动。
根据再一种有利实施方案，所述设备包括至少一个以连通方式连接到容纳室的冲洗装置，其用于能借助至少一种冲洗介质冲洗容纳室。这样就能例如移除和/或避免在X射线源或X射线探测器处沉积灰尘或其他杂质，否则可能损害设备的功能。
根据再一种有利实施方案，冲洗介质至少部分呈液态和/或气态。选择冷却介质取决于具体应用情况。优选使用经干燥和/或经净化和/或经冷却的冲洗介质。
根据本发明的用于生产金属产品的冶金系统包括至少一个用于控制和/或调节至少一个设备组件的操作的系统电子器件，其用于能执行至少一个冶金工艺步骤，并且所述冶金系统包括至少一个根据前述实施方案之一或这些实施方案中至少两个的任意组合所述的设备，所述设备连接到所述系统电子器件，其中该系统电子器件配置成基于来自设备的信号来确定金属产品的微观结构，并且基于所确定的微观结构来控制和/或调节系统组件。
该冶金系统相应涉及上文针对设备所述的优点。基于借助所述设备在线检测的数据，操作根据本发明的冶金系统。系统组件可以例如是轧机、退火炉、冷却管路等。
根据本发明所述通过使用至少一个X射线源和至少一个X射线探测器在冶金生产金属产品期间确定该金属产品的微观结构的方法，在确定金属产品的微观结构期间主动冷却X射线源和/或X射线探测器。
该方法相应涉及上文针对设备所述的优点。特定而言，根据上述实施方案之一或这些实施方案中至少两种的任意组合，可以使用所述设备来执行所述方法。
附图说明
下文将参照附图结合优选实施方式举例说明本发明，其中下述特征既能相应以单独方式也能以其不同组合表示本发明的有利方面或改进方面。在附图中：
图1表示根据本发明的设备的实施例的示意图；以及
图2表示根据本发明的冶金系统的实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的设备1的实施例的示意图，该设备用于在冶金生产金属产品2期间确定该金属产品2的微观结构。
设备1包括布置在金属产品2某一侧上的X射线源3以及布置在金属产品2的相反侧上的X射线探测器4。此外，设备1还包括优选封闭的容纳室5，其内部布置有X射线源3并且包括X射线能穿透的耐热窗体6。再者，设备1还包括另一个优选封闭的容纳室7，其内部布置有X射线探测器4并且包括X射线能穿透的耐热窗体8。每个窗体6或8均可构建成使其部分或完全反射从相应容纳室5或7的外部入射到窗体6或8的红外射线。此外，每个窗体6或8均由聚酰胺膜或至少一种金属箔、玻璃、陶瓷等或这些材料的组合形成。优选地，所述材料呈非晶态。
设备1包括用于主动冷却容纳室5和7的冷却装置9。冷却装置9包括部分封装容纳室5的壳体10，其具有至少一个用窗体6封闭的开口11。此外，冷却装置9包括部分封装容纳室7的壳体12，其具有至少一个用窗体8封闭的开口13。再者，冷却装置9包括用于向壳体10和12供应冷却介质的供给装置14。每个壳体10或12均构建为具有彼此间隔布置的壁部15和16或17和18的双层壁。彼此紧邻布置的壁部15和16或17和18之间的间隙19或20以连通方式连接到供给装置14。冷却介质至少部分呈液态或气态。
冷却装置9可以包括调节装置21(由虚线示意性表示)，其包括布置在容纳室5中的传感器22、布置在容纳室7中的传感器23以及连接到传感器22和23的电子调节器24，其中该电子调节器配置成基于来自传感器22和23的信号来控制供给装置14。传感器包括至少一个布置在容纳室中的温度传感器、用于流入冷却介质的温度传感器或用于流出冷却介质的温度传感器、用于流入冷却介质的流量传感器或用于流出冷却介质的流量传感器或者这些传感器的组合。电子调节器24可以配置成控制供给装置14，使得相应壳体10或12外表面和/或内表面的温度高于该壳体10或12内部和/或外部的大气露点温度。
设备1可以包括通过相应壳体10或12间接连接到X射线源3和X射线探测器4的移动装置25(由点划线示意性表示)，其用于使X射线源3和X射线探测器4能相对于金属产品2移动。
设备1可以进一步包括以连通方式连接到容纳室5和7的冲洗装置26(由短划线示意性表示)，其用于能借助冲洗介质来冲洗容纳室5和7，具体方式是，将冲洗介质吹过容纳室5和7。优选地，冲洗装置26指向相应的窗体6或8，以便吹走诸如灰尘等杂质。
为确定金属产品2的微观结构，X射线源3射出X射线27，该X射线穿过窗体6射到金属产品2上并被其衍射。衍射的X射线穿过窗体8进入容纳室7，在此使用X射线探测器4探测该衍射的X射线。
作为替代或补充方案，冷却装置9包括分别布置在容纳室5或7中的两个热交换器32和33。在这种情况下，供给装置14配置成将至少一种冷却介质供应到热交换器32和33，为此热交换器32和33可以连通方式连接到供给装置14。
图2示出根据本发明的冶金系统28的实施例的示意图，该冶金系统用于生产金属带形式的金属产品2。冶金系统28中示出退火炉29，引导经由导向轮30引导的金属产品2通过该退火炉。退火炉29内存在高温。
冶金系统28包括用于控制和/或调节至少一个系统组件、尤其是退火炉29的操作的系统电子器件31，利用该系统电子器件可执行冶金工艺步骤。
冶金系统28进一步包括连接到系统电子器件31的设备1，其用于在冶金生产金属产品2期间确定该金属产品2的微观结构，其中设备1按照图1那样构建。请参阅上文关于设备1结合图1的描述，不再赘述。系统电子器件31配置成根据设备1的信号来确定金属产品2的微观结构并基于所确定的微观结构来控制和/或调节系统组件，即退火炉29。
附图标记列表
1 设备
2 金属产品
3 X射线源
4 X射线探测器
5 容纳室
6 窗体
7 容纳室
8 窗体
9 冷却装置
10 壳体
11 10的开口
12 壳体
13 12的开口
14 供给装置
15 10的壁部
16 10的壁部
17 12的壁部
18 12的壁部
19 10的间隙
20 12的间隙
21 调节装置
22 温度传感器
23 温度传感器
24 电子调节器
25 移动装置
26 冲洗装置
27 X射线
28 冶金系统
29 退火炉
30 导向轮
31 系统电子器件
32 热交换器
33 热交换器

Claims (17)

1.一种用于在冶金生产金属产品(2)期间确定所述金属产品(2)的微观结构的设备(1)，包括至少一个X射线源(3)、至少一个X射线探测器(4)和至少一个容纳室(5,7)，其内部布置有所述X射线源(3)和/或所述X射线探测器(4)并且其包括至少一个X射线能穿透的窗体(6,8)，其特征在于至少一个用于主动冷却所述容纳室(5,7)的冷却装置(9)。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述冷却装置(9)包括至少一个用于向所述容纳室(5,7)供应至少一种冷却介质的供给装置(14)，其中，所述容纳室(5,7)以连通方式连接到所述供给装置(14)。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其特征在于，所述冷却装置(9)包括至少一个布置在所述容纳室(5,7)中的热交换器(32,33)以及至少一个用于向所述热交换器(32,33)供应至少一种冷却介质的供给装置(14)，其中，所述热交换器(32,33)以连通方式连接到所述供给装置(14)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述冷却装置(9)包括至少一个部分封装所述容纳室(5,7)的壳体(10,12)以及至少一个用于向所述壳体(10,12)供应至少一种冷却介质的供给装置(14)，所述壳体具有至少一个用窗体(6,8)封闭的开口(11,13)，其中，所述壳体(10,12)至少构建为具有彼此间隔布置的壁部(15,16,17,18)的双层壁，并且彼此紧邻布置的壁部(15,16,17,18)之间的至少一个间隙(19,20)以连通方式连接到所述供给装置(14)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述冷却介质至少部分呈液态和/或气态。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述冷却装置(9)包括至少一个调节装置(21)，该调节装置包括至少一个传感器(22,23)和至少一个连接到所述传感器(22,23)的电子调节器(24)，其中，所述电子调节器(24)配置成基于来自所述传感器(22,23)的信号来控制所述供给装置(14)。
7.根据权利要求6所述的设备(1)，其特征在于，所述传感器(22,23)包括至少一个布置在所述容纳室(5,7)中的温度传感器和/或至少一个测量所供应冷却介质的温度的温度传感器和/或至少一个测量所排放冷却介质的温度的温度传感器和/或至少一个测量所供应冷却介质的体积流量的流量传感器和/或至少一个测量所供应冷却介质的压力的压力传感器和/或至少一个测量所排放冷却介质的体积流量的流量传感器和/或至少一个测量所排放冷却介质的压力的压力传感器。
8.根据权利要求6或7所述的设备(1)，其特征在于，所述电子调节器(24)配置成控制所述供给装置(14)，使得所述壳体(10,12)外表面和/或内表面的温度高于所述壳体(10,12)内部和/或外部的大气露点温度。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的设备(1)，其特征在于至少一个用于干燥和/或清洁所供应冷却介质的装置。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述窗体(6,8)构建成使其至少部分反射或吸收从所述容纳室(5,7)外部入射到所述窗体(6,8)的红外射线。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述窗体(6,8)由聚酰胺膜或至少一种金属箔、玻璃、陶瓷或这些材料的组合形成。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述窗体(6,8)主要由轻元素形成。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备(1)，其特征在于至少一个连接到所述X射线源(3)和/或所述X射线探测器(4)的移动装置(25)，其用于使所述X射线源(3)和/或所述X射线探测器(4)能相对于所述金属产品(2)移动。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的设备(1)，其特征在于至少一个以连通方式连接到所述容纳室(5,7)的冲洗装置(26)，其用于能借助至少一种冲洗介质冲洗所述容纳室(5,7)。
15.根据权利要求14所述的设备(1)，其特征在于，所述冲洗介质至少部分呈液态和/或气态。
16.一种用于生产金属产品(2)的冶金系统(28)，包括至少一个用于控制和/或调节至少一个系统组件(29)的操作的系统电子器件(31)，其用于能执行至少一个冶金工艺步骤，其特征在于至少一个根据权利要求1至15中任一项所述的设备(1)，所述设备连接到所述系统电子器件(31)，其中，所述系统电子器件(31)配置成基于来自所述设备(1)的信号来确定所述金属产品(2)的微观结构，并且基于所确定的微观结构来控制和/或调节所述系统组件(29)。
17.一种通过使用至少一个X射线源(3)和至少一个X射线探测器(4)在冶金生产金属产品(2)期间确定所述金属产品(2)的微观结构的方法，其特征在于在确定所述金属产品(2)的微观结构期间主动冷却所述X射线源(3)和/或所述X射线探测器(4)。
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