CN114062488A - 一种平整辊辊颈裂纹深度的连续式监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平整辊辊颈裂纹深度的连续式监测方法，包括以下步骤：a.在平整辊挡水环外侧的辊颈外表面上沿轴线设置一对超声波发生、接收传感器；b.沿轴线依次移动超声波发生传感器至不同位置作为测点，向挡水环内辊颈处发射斜向的超声波，由超声波接收传感器沿轴线往复移动以探测回波信号，当测得回波判断有裂纹，并记录收到回波信号时超声波发生、接收传感器之间的轴线距离，根据记录的最长轴线距离以判断裂纹深度；c.沿辊颈周向依次移动不同角度并分别重复步骤a、b。采用本发明能够实现利用超声波对平整辊辊颈裂纹深度实施快速监测。
Description
技术领域
本发明涉及带头定位技术，尤其涉及一种平整辊辊颈裂纹深度的连续式监测方法。
背景技术
轧钢过程中冷轧等产线上所用平整机轧辊均存在一定数量的辊颈断裂事故，比如下述平整机所用支撑辊和工作辊的情况：平整机下工作辊轴颈断裂，失效分析结果可以对辊颈断裂事故有个比较清晰的了解。断辊使用一定周期后，虽历次使用、磨削记录未见明显异常，但在生产过程中平整机下工作辊轴颈发生断裂，远未达到设计寿命。
工作辊端部两侧的大辊颈处发生断裂，位置在辊颈变直径的R圆弧到圆柱面的过渡区域。制造厂在制造工作辊时,会在该区域热装挡水环，平时工作辊使用、维护过程中看不到该位置。断口初步分析，工作侧断口存在早期裂纹疲劳扩展痕迹，占整个断口的约三分之一面积，其余为脆断，传动侧有少量早期裂纹疲劳扩展痕迹，大部分是一次性的脆断断口。
平整机工作的辊颈处装配有挡水环，挡水环与工作辊辊颈为过盈配合，辊颈台阶根部圆弧倒角处为应力集中位置。对两根断开的轴头进行取样分析，并开展断口和相关部位的精细观察。从两侧断口表面形态来看，为应力集中导致的多源疲劳扩展断裂。疲劳断口的台阶呈现多个棘轮状形貌，以及较大面积的过渡区和瞬断区，表明该辊颈部位承受了较大幅度的单向弯曲应力。
由于裂纹源所在位置被挡水环所覆盖，在该位置附近不存在施以放置监测传感器的活动空间，进行开裂程度探测分析存在一定困难。
现有的无损检测方法虽然很多，针对开裂探测的无损检测技术也较多，比如着色、电磁、超声、涡流、射线等，但是各种方法在平整辊带挡水环条件下，经分析均难以满足实现监测开裂深度的实际需求，需要特殊设计带挡水环辊颈处开裂深度监测方法，才能最经济高效的满足实际生产节奏。
目前，现有的监测方法主要有如下种类，但均不能实现平整辊辊颈裂纹的深度监测：
1)X射线无损检测：始于伦琴的发现，随着基础理论研究和工业进步，已经从胶片检测发展到计算机辅助成像射线(CR)、数字射线(DR)、计算机层析成像(CT)、康普顿成像、中子检测等几大类，由常规缺陷检测发展到材料组织、结构、残余应力、构件累计损伤和尺寸精密测量、构件寿命评估方向发展。但X射线由于探伤多为穿透法，灵敏度会变差，对于体积类样品则会不适合，且现场实施很不方便。
2)磁粉检测：是最普及和方便的常规检测之一，广泛用于航空航天、冶金工器具、机械制造、原子能、兵器等军事工业和特种设备。磁粉检测多用于半成品和原材料，棒材、钢坯、锻件、铸件等均广泛使用，焊接件、大型铸件和在役钢结构等也都使用。但由于挡水环的阻挡，且磁粉检测只用于表面缺陷检测，该方法也不可行。
3)超声检测：其方法种类繁多，常规超声检测主要以发现缺陷并对缺陷进行评价为目的。近年来较为显著进展的超声技术包括：相控阵技术、TOFT技术、激光超声技术、电磁超声检测技术、超声导波检测技术、非线性超声技术等。但是在检测设备的现场适应性方面需要作出充分考虑，如何实现自身方法设备能适应不同外形被检工件上，也要有特殊的实际考虑和设计，目前还没有现成技术可用。
4)渗透检测：是最早普及应用的常规检测方法，广泛应用于检测大部分非吸收性物料的表面开口缺陷，如钢铁、有色金属，对于形状复杂的缺陷也可一次性全面检测，适合于野外现场环境。该渗透检测也和磁粉方法一样，受到了挡水环的约束，并且只用于表面缺陷探测。
5)电磁检测：是以材料电磁性能变化为依据来对材料及构件实施缺陷检测和性能检测的方法。电磁无损检测早期主要包括涡流检测和漏磁检测，后来发展起来的金属磁记忆检测、脉冲涡流检测、交流磁场检测、电流扰动检测、巴克豪森噪声检测及磁声发射技术，都属电磁检测范围。该方法也和磁粉方法一样，受到挡水环的约束，并且也大多是用于表面有限深度范围的缺陷探测。
6)声发射检测：材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(AE)，也称为应力波发射，声发射是自然界随时发生的自然现象。该声发射检测技术可在线动态检测，但不能用于评价深度。
7)红外检测：是通过接收物体发射的红外线，以图像的形式获取其表面温度分布，反映出被检测对象内、外部的温度状况，从而判断是否存在缺陷的技术，尤其对非金属材料内缺陷检测价值更高。该方法也和前述方法一样，受到挡水环的约束，并且也是用于表面缺陷探测。
8)激光检测：自从1960年激光器问世后，激光全息技术进入实用，激光检测按成像原理主要分为激光全息、激光散斑干涉、激光错位散斑干涉3种类型。激光全息检测的不适用理由同样受到了挡水环的约束，无法实施探测。
发明内容
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供了一种平整辊辊颈裂纹深度的连续式监测方法，能够采用超声波对平整辊辊颈裂纹深度实施快速监测。
该平整辊辊颈裂纹深度的连续式监测方法，包括以下步骤：
a.在平整辊挡水环外侧的辊颈外表面上沿轴线设置一对超声波发生、接收传感器；
b.沿轴线依次移动超声波发生传感器至不同位置作为测点，向挡水环内辊颈处发射斜向的超声波，由超声波接收传感器沿轴线往复移动以探测回波信号，当测得回波判断有裂纹，并记录收到回波信号时超声波发生、接收传感器之间的轴线距离，根据记录的最长轴线距离以判断裂纹深度；
c.沿辊颈周向依次移动不同角度并分别重复步骤a、b。
在步骤b中，所述超声波发生传感器的发射角度为45度。
在步骤b中，设置距离阈值，当记录的最长轴线距离大于阈值，则判断需要进行换辊。
所述探测回波选用纵波或横波。
采用本发明的一种平整辊辊颈裂纹深度的连续式监测方法，通过在挡水环外侧设置一对超声波发生、接收传感器，由超声波发生传感器斜向发射超声波，当遇到内部裂缝时，超声波会反射而被移动中的接收传感器接收到，从而可探测是否有裂缝，并通过测得信号的发生、接收传感器两者之间最大间距来反映裂纹深度，从而判断是否需要换辊。本发明为避免突发性失效断裂提供了快速而又简易的技术手段，并可根据以往断裂状况数据积累和形成相应的判定依据(设定间距阈值)，从而以简化后续监测和预判风险过程。
附图说明
图1为本发明的连续式监测方法的原理示意图。
图中：辊颈1、挡水环2、裂纹3、超声波发生传感器T1、超声波接收传感器T2。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种平整辊辊颈裂纹深度的连续式监测方法做进一步的描述。
请参阅图1所示，本发明的一种平整辊辊颈裂纹深度的连续式监测方法，具体包括以下步骤：
a.在平整辊挡水环2外侧的辊颈1外表面上沿轴线设置一对超声波发生、接收传感器T1、T2，两传感器参数性能相同(两者可以互换)，通过连接常规超声波探伤仪即可进行裂纹3扩展监测；
b.沿轴线依次向前或向后移动超声波发生传感器T1至不同位置作为测点，并在每个测点向挡水环内辊颈1处发射斜向的超声波，作为一个实施例，该发射斜向角度θ为45度，两个超声波发生、接收传感器T1、T2设于挡水环2外侧辊轴上，两者之间连线与辊轴线平行。而当超声波发生传感器T1在某测点停止且发射超声波时，由超声波接收传感器T2沿轴线往复移动以探测回波信号，当探测到有回波，可判断已有裂缝。如何判断疲劳裂纹3是否向内扩展，则可通过收到回波信号时超声波发生、接收传感器T1、T2之间的轴线间距，并根据记录的最长轴线间距来判断裂纹3深度，具体原理为：两个超声波发生、接收传感器总是在某个相对位置范围内，可以接收到经过裂纹3和辊轴连续反射后得到的最大回波，如图1中的超声传播路径所示，本发明所采用的监测声波可选用超声中纵波、横波中的一种，当然在传播过程中，会伴随着每次反射同时产生两个角度的横波和纵波的反射。但是只要选择单种模式的波来执行监测任务，在计划的条件下，其它波动都会在空间和时间上得到滤除，不会影响到两个超声波发生、接收传感器的间距D的确定，而D就代表了T2接收到的超声波信号幅度达到最大值时候的两个传感器之间的间距。在T1和T2相距最远时候的间距，而在这个距离上，同时也正好是T1传感器斜入射到了深度为d的裂纹3尖端部位的开裂表面上。因此，通过上述两超声波发生、接收传感器的分别单独配合移动，以便探测最大回波信号，而能够监测到裂纹3是否较深的依据，便是T1和T2的间距D是否比之前或者同比其它同类型轧辊变得更大了。而D的确定，是通过T1和T2相距最远的时候、能够探测到T2接收到的超声波信号幅度达到最大值时候，这个条件确定的。由于T1和T2的相对距离D是变化的，这需要在每次T1确定一个测点时候，T2需要沿着轴线方向做连续移动监测。而T1的位置在事先也不能确定，需要沿着一个方向(轴向上，向前或者向后)连续移动，以尝试不同的监测位置。而当获得最大间距Dmax大于设置的间距阈值(可根据以往断裂状况数据确定)时，则判断裂缝深度d较大，存在危险，需要及时进行换辊。
c.当然，还可以沿辊颈1周向依次移动不同角度并分别重复步骤a、b。特别是在上述位置未测得回波或Dmax未大于阈值时，可采用转辊等方式，改变测量的周向位置，再次进行监测，继续测量是否有回波及Dmax是否大于阈值。
综上所述，针对疲劳断裂是工具失效的一种主要形式，利用疲劳失效的一些特征，设计了一种相对应的过程监测方法，专用于平整辊辊颈处开裂深度监测。为避免突发性失效断裂提供了一种快速简易的技术手段，并根据以往断裂状况数据积累和形成相应的判定依据，以简化后续监测和预判风险过程。
Claims (4)
1.一种平整辊辊颈裂纹深度的连续式监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.在平整辊挡水环外侧的辊颈外表面上沿轴线设置一对超声波发生、接收传感器；
b.沿轴线依次移动超声波发生传感器至不同位置作为测点，向挡水环内辊颈处发射斜向的超声波，由超声波接收传感器沿轴线往复移动以探测回波信号，当测得回波判断有裂纹，并记录收到回波信号时超声波发生、接收传感器之间的轴线距离，根据记录的最长轴线距离以判断裂纹深度；
c.沿辊颈周向依次移动不同角度并分别重复步骤a、b。
2.如权利要求1所述的一种平整辊辊颈裂纹深度的连续式监测方法，其特征在于：在步骤b中，所述超声波发生传感器的发射角度为45度。
3.如权利要求1所述的一种平整辊辊颈裂纹深度的连续式监测方法，其特征在于：在步骤b中，设置距离阈值，当记录的最长轴线距离大于阈值，则判断需要进行换辊。
4.如权利要求1所述的一种平整辊辊颈裂纹深度的连续式监测方法，其特征在于：所述探测回波选用纵波或横波。
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