CN114113294B - 用于确定带钢屈服强度和抗拉强度的在线测量装置及方法 - Google Patents

用于确定带钢屈服强度和抗拉强度的在线测量装置及方法 Download PDF

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CN114113294B CN202010882297.4A CN202010882297A CN114113294B CN 114113294 B CN114113294 B CN 114113294B CN 202010882297 A CN202010882297 A CN 202010882297A CN 114113294 B CN114113294 B CN 114113294B
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Abstract

本发明公开一种用于确定低碳钢冷轧薄板屈服强度和抗拉强度的在线测量装置，包括检测传感单元、及通过数据通讯接口与检测传感单元连接的计算和控制单元。检测传感单元包括电磁检测单元和测距仪，对带钢的电磁参数、电磁检测单元与带钢下表面之间的间距进行检测并将检测的电磁参数和间距数据发送至计算和控制单元，计算和控制单元包括计算模块，计算模块根据电磁参数数据和间距数据计算带钢的屈服强度Rp和抗拉强度Rm。本发明实现了对冷轧带钢抗拉强度和屈服强度等指标的实时在线检测，实现钢板生产质量的连续检测、分类和记录，对于提高生产效率、产品质量以及产品竟争力将起到非常积极的作用。

Description

用于确定带钢屈服强度和抗拉强度的在线测量装置及方法
技术领域
本发明涉及带钢力学性能无损检测领域，更具体地，涉及一种用于确定低碳钢冷轧薄板屈服强度和抗拉强度的在线测量装置及方法。
背景技术
冷轧带钢生产中，低碳钢因为其易加工性，是钢厂的下游用户，如汽车，家电行业的重要原材料。下游用户对带钢的基材性能各项指标要求严格。其中，冷轧薄板的强度指标，(包括屈服强度和抗拉强度)的大小和稳定性是衡量产品质量好坏的重要标准，是产品设计和选材时的主要依据。向用户提供具有准确的、合格的强度指标的带钢是钢厂提高其市场竞争力的前提条件之一。
当前国内钢铁企业对冷轧薄带钢强度特性的检测主要有两种，一是离线拉伸法，二是剩磁测量法，下文阐述各自的特点。
离线拉伸法：这是目前广泛采用的方法。即在一卷带钢的某个部位，如头、尾切样，然后送到拉伸测试机上进行拉伸测试，获取试样的强度值，由此来推断一段带钢的强度值。这种方法的优点是简单，结果直接，且精度高。但这种方法存在如下弊端：其一，数据时滞大，常常数小时甚至一天之后方能获取测量值，对生产过程的帮助有限，在线控制更无从谈起。其二，数据不完整，仅能反应一卷带钢头、尾的物理特性数据值，存在用户端满意度低的问题。其三，剪切浪费。机组在生产时，由于某种原因停机或者低速生产，为了维持“头、尾合格，则中间也合格”的经验判断，此时通常要切除一段“疑似不合格”的带钢。切多少没有判断标准，只能尽量多切，显然造成了浪费。其四，需要全天候有人在机旁作业，劳动强度高，人工成本高。
剩磁测量法：这是最先由欧洲钢厂提出的方法，主要原理是采用脉冲磁场激励的方法。详见图1。带钢运行经过两组托辊之间，该区域带钢的上下布置有测量装置，该测量方法本质上采用的是对电磁材料进行磁化，之后在运行的下游布置剩磁信号获取线圈。特别需要指出的是，这种检测方法从电磁检测来看，是单一检测。即只有一个电磁型号，业内常称为IMPOC值。
目前，该种电磁检测方法也可以检测带钢的强度，包括屈服强度Rp，和抗拉强度Rm，由文献知其分别检测模型如下：
Rp＝k0+k1·IM+k2·TH+k3·SKD+k4·TLD (1)
Rm＝l0+l1·IM+l2·TH+l3·SKD+l4·TLD (2)
上文的式(1)和(2)中的符号名称，意义，数据来源如下：
符号名称 定义 数据来源
Rp： 屈服强度
Rm： 抗拉强度
K0，k1，k2，k3，k4： 屈服强度计算系数 试验获取
l0，l1，l2，l3，l4： 抗拉强度计算系数 试验获取
IM： 剩磁参数 仪表检测得到
TH： 带钢厚度 外部数据输入
SKD： 生产线平整机延伸率 外部数据输入
TLD： 生产线拉伸矫直机延伸率 外部数据输入
从上表可知，剩磁法测量带钢的强度，其模型的输入变量有四项，但仅有一项是电测参数值，即剩磁值(IM)，其他三项为机组计算机传送给检测计算机的特征值。各自的系数K0，k1，k2，k3，k4以及l0，l1，l2，l3，l4在应用时，实际机组上通过试验获得。
这种检测方法的优点是，设备简单，检测模型易构建。缺点是，其检测原理仅仅采用了一项电磁特性值(即剩磁值IMPOC)，模型很多长度上依赖带钢和生产线的工艺参数，检测精度容易受这些参数影响。另外必须装在平整机和拉伸矫直机之后，对于有些未装备这些设备或者装备了不投入的场合下，模型的检测仅仅取决于带钢的厚度和剩磁值，测量的适用性相对较弱。
发明内容
本发明旨在开发一种用来在线测量低碳钢冷轧薄板屈服强度和抗拉强度的方法。该方法通过对运行的带钢施加综合的电磁检测，实时获取多个电磁信号，所开发的方法不依赖机组的工艺实时参数，如平整机有关的工艺参数，从而实现在线精确测量冷轧薄板屈服强度和抗拉强度的目的。
本发明的在线测量低碳钢冷轧薄板屈服强度和抗拉强度的装置和方法是通过以下技术方案实现的
根据本发明的一个方面，提供一种用于确定低碳钢冷轧薄板屈服强度和抗拉强度的在线测量装置，包括检测传感单元、及计算和控制单元，所述检测传感单元通过数据通讯接口与所述计算和控制单元连接，
所述检测传感单元包括电磁检测单元和测距仪，电磁检测单元对带钢的电磁参数进行检测并将检测的电磁参数数据传送至所述计算和控制单元；所述测距仪对电磁检测单元与带钢下表面之间的间距进行检测并将检测的间距数据发送至所述计算和控制单元，
所述计算和控制单元包括计算模块，所述计算模块根据所述电磁参数数据和所述间距数据计算所述带钢的屈服强度Rp和抗拉强度Rm。
所述在线测量装置中的所述电磁检测单元包括切线磁场谐波检测模块、巴克豪森噪声检测模块、增量导磁率检测模块、多频涡流检测模块、以及电磁超声检测检测。
所述切线磁场谐波模块检测的电磁参数包括EM1-EM11，其分别对应于3次谐波、5次谐波、7次谐波的幅值和相位、3、5、7、9次谐波幅值之和、变形系数、矫顽磁场、磁滞回线零点处的谐波幅值、电磁线圈稳态电压；
所述巴克豪森噪声模块检测的电磁参数包括EM12-EM18，其分别对应于最大幅值、一个励磁周期内幅值的均值、剩磁点幅值、矫顽磁场M＝MMAX时、MMAX的25％时巴氏曲线宽度、MMAX的50％时巴氏曲线宽度、MMAX的75％时巴氏曲线宽度；、
所述增量导磁率模块检测的电磁参数包括EM19-EM25，其分别对应于最大幅值、一个励磁周期内幅值的均值、剩磁点幅值、矫顽磁场M＝MMAX时、MMAX的25％时导磁率曲线宽度、MMAX的50％时导磁率曲线宽度、MMAX的75％时导磁率曲线宽度；
所述多频涡流模块检测的电磁参数包括EM26-EM41，其中EM26-EM29分别为1,2,3,4频率时线圈感抗信号实部、EM30-EM33分别为1,2,3,4频率时线圈感抗信号虚部、EM34-EM37分别为1,2,3,4频率时线圈感抗信号幅值、EM38-EM41分别为1,2,3,4频率时线圈感抗信号相位；
所述电磁超声检测模块检测的电磁参数包括EM42-EM44，其分别为蝶形图的峰值、蝶形图的谷值、两个峰值点的比值。
所述在线测量装置的所述计算模块按照下式计算所述带钢的屈服强度Rp：
其中，Xi和Greal为变量，Xi表示用于计算Rp的电磁参数值，Greal电磁检测单元与带钢下表面之间的实际间距值；
Arp、Brp、Ci为系数，Arp表示电磁参数回归方程中的常数项，Brp表示测量间距的权重系数，Ci表示与电磁参数Xi相对应的回归系数。
较佳地，Arp＝313.05，Brp＝13.19，
Xi包括X1～X12，分别对应于电磁参数EM10、EM18、EM19、EM20、EM21、EM22、EM26、EM27、EM29、EM30、EM31、EM41。
所述在线测量装置的所述计算模块按照下式计算所述带钢的抗拉强度Rm：
其中，Yi和Greal是变量，Yi表示用于计算Rm的电磁参数值，Greal电磁检测单元与带钢下表面之间的间距实际间距值；
Arm、Brm、Di为系数，Arm表示电磁参数回归方程中的常数项，Brm表示测量间距的权重系数，Di表示与电磁参数Yi相对应的回归系数。
较佳地，Arm＝-6065.18，Brm＝33.78，
Yi包括Y1～Y17，分别对应于电磁参数EM01、EM02、EM04、EM05、EM07、EM08、EM20、EM22、EM25、EM26、EM28、EM29、EM30、EM34、EM35、EM37、EM41。
所述在线测量装置中，所述计算和控制单元还包括用于控制所述电磁检测单元的检测传感单元控制器、和用于控制所述电磁检测单元升降和横移的探头升降和横移控制装置。
所述测距仪检测电磁检测单元与带钢下表面之间的间距为2-6mm；
所述在线测量装置还包括机械限位装置，保障电磁检测单元与带钢之间的安全距离。
根据本发明的另一方面，提供一种屈服强度或抗拉强度的在线测量方法，该方法包括以下步骤：
从所述电磁检测单元获取电磁参数数据；
从所述测距仪获取电磁检测单元与带钢下表面之间的间距数据；
根据设定的屈服强度指标和/或抗拉强度指标选择与屈服强度指标或抗拉强度指标相对应的检测参数；
根据所述检测参数计算带钢的屈服强度或抗拉强度。
根据本发明的用于确定低碳钢冷轧薄板屈服强度和抗拉强度的在线测量装置及方法用于某生产线500卷SEDDQ带钢的Rp和Rm在线测量，并头尾各取样一样，采用离线拉伸测试的方法获得强度值，各自供1000组，所得到的结果和在线测量的对应的位置值比较。在10％和5％的相对误差精度范围内，样本合格率为90％以上。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是现有的基于剩磁检测原理的强度在线检测方法示意图；
图2是根据本发明的用于确定低碳钢冷轧薄板屈服强度和抗拉强度的在线测量装置的系统构成；
图3是设置在检测现场的电磁检测单元，其中图3(a)对应于在线工作位置，图3(b)对应于下降位置；
图4是根据本发明的Rp计算流程图；
图5是根据本发明的Rm计算流程图；
图6是一卷带钢的Rp测量结果的示例；
图7是一卷带钢的Rm测量结果的示例。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案进行具体说明。
以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
系统配置
图2是根据本发明的用于确定低碳钢冷轧薄板屈服强度和抗拉强度的在线测量装置的系统构成。完整的检测系统包括在线的检测硬件系统，配套的软件系统，数学模型，以及相应的数据接口和计算机网络等。
如图2所示，一种用于确定低碳钢冷轧薄板屈服强度和抗拉强度的在线测量装置，包括检测传感单元、及计算和控制单元，所述检测传感单元通过数据通讯接口与所述计算和控制单元连接，
所述检测传感单元包括电磁检测单元和测距仪，电磁检测单元对带钢的电磁参数进行检测并将检测的电磁参数数据传送至所述计算和控制单元；所述测距仪对电磁检测单元与带钢下表面之间的间距进行检测并将检测的间距数据发送至所述计算和控制单元，
所述计算和控制单元包括计算模块，所述计算模块根据所述电磁参数数据和所述间距数据计算所述带钢的屈服强度Rp和抗拉强度Rm。
所述在线测量装置中，所述计算和控制单元还包括用于控制所述电磁检测单元的检测传感单元控制器、和用于控制所述电磁检测单元升降和横移的探头升降和横移控制装置。
检测硬件
图3示出布置在检测现场的电磁检测单元，其中图3(a)对应于在线工作位置，图3(b)对应于下降位置。
带钢1通常以0-300m/min的速度运行，带钢经由两根前后布置的托辊2，实现带钢的运行轨迹线稳定。托辊2之间布置有可以升降和宽向横移的电磁检测单元3。电磁检测单元3置于运行带钢下方，由控制系统实现其升降和横移。硬件检测系统中还包括测距仪表4，作用是实时测量电磁检测单元3与带钢1下表面的间距并发送到控制计算机中。探头升降装置5实现电磁检测单元3的上下动作，机械限位装置6保障电磁检测单元3与带钢1之间的安全距离。
特别地，带钢的下表面和探头表面之间的距离7是关键参数，由于带钢运行时有抖动，以及薄带钢固有的板性的波动等外部因素影响，带钢的间距是微幅波动的，通过测距仪表4进行实时测量，其目标值为4mm，允许波动范围为±2mm，该参数称为Gap，作为检测数学模型的一个输入。特别要说明的是，测量间距G，当2mm≤G≤6mm时，测量有效，可以对检测结果进行修正，当G＞6mm或者G＜2mm时，系统处于异常状态，检测条件不满足。
工作原理
电磁检测硬件单元，是检测的物理基础。其集成现有成熟技术。本技术方案中检测系统综合应用了切线磁场谐波分析、多频涡流、巴克豪森噪声、增量磁导率、电磁超声五种电磁检测方法。上述五种检测装置是成熟产品，可以市购。由于每个电磁方法输出为一个曲线信号。为了便于应用，上述五个电磁检测的结果曲线，通过定义转化为若干量化参数来表征。具体如表1所示。这是检测仪表自身技术，不是本专利需要重点展开的内容。
表1电磁参数一览表
综上，集成的检测系统中最多输出44个电磁参数，而在实际使用中，这些参数可以同时获取。根据不同的被测对象，不同的电磁参数有不同的特性，通过数据试验的方法来确定强关联的电磁参数，并采用一定的规则来实现电磁参数个数的取舍。
Rp和Rm的计算流程、和在线检测方法和数学模型分别阐述如下。
Rp计算流程图
图4示出根据本发明的Rp计算流程图。Rp计算流程如下：
从所述电磁检测单元获取电磁参数数据；
从所述测距仪获取电磁检测单元与带钢下表面之间的间距数据；
根据指定的屈服强度指标指标，选择与屈服强度指标相对应的检测参数，即确定相应的检测模型；
确定与屈服强度指标相对应的计算模型，即计算Rp的数学模型；
根据所述检测参数计算得到带钢的屈服强度。
适用Rp计算的电磁参数组
经由数据试验和分析，从44个电磁参数中，得到有12项电磁参数可以用于计算带钢的Rp特性，12项电磁特性参数如下表。
X EM设备编号 EMi
X1 EM10 EM_Hco
X2 EM18 EM_DH75m
X3 EM19 EM_umax
X4 EM20 EM_umean
X5 EM21 EM_ur
X6 EM22 EM_Hcu
X7 EM26 EM_Re1
X8 EM27 EM_Im1
X9 EM29 EM_Ph1
X10 EM30 EM_Re2
X11 EM31 EM_Im2
X12 EM41 EM_Ph4
X13 EM42 EM_Uemat_max
且得到的Arp(电磁参数回归方程中的常数项)，Ci(与电磁参数Xi对应的回归系数)，Brp(测量间距的权项系数)分别为：
Arp＝313.05
Ci系数，详见下表
Brp＝13.19
计算Rp的数学模型
在实际使用中，X和G是变量，通过上式实现Rp的在线测量计算。
Rm计算流程图
图5示出Rm的计算流程图。Rm的计算流程如下：
从所述电磁检测单元获取电磁参数数据；
从所述测距仪获取电磁检测单元与带钢下表面之间的间距数据；
根据指定的抗拉强度指标指标，选择与抗拉强度指标相对应的检测参数，即确定相应的检测模型；
确定与抗拉强度指标相对应的计算模型，即计算Rp的数学模型；
根据所述检测参数计算得到带钢的抗拉强度。
适用Rm计算的电磁参数组
经由数据试验和分析，从44个电磁参数中，得到有17项电磁参数可以用于计算带钢的Rm特性，17项电磁特性参数如下表。
EM设备编号 EMi
Y1 EM01 EM_Vmag
Y2 EM02 EM_A3
Y3 EM04 EM_A7
Y4 EM05 EM_P3
Y5 EM07 EM_P7
Y6 EM08 EM_UHS
Y7 EM20 EM_umean
Y8 EM22 EM_Hcu
Y9 EM25 EM_DH75u
Y10 EM26 EM_Re1
Y11 EM28 EM_Mag1
Y12 EM29 EM_Ph1
Y13 EM30 EM_Re2
Y14 EM34 EM_Re3
Y15 EM35 EM_Im3
Y16 EM37 EM_Ph3
Y17 EM41 EM_Ph4
Y18 EM44 EM_Uemat_ratio
且得到的Arp(电磁参数回归方程中的常数项)，Di(与电磁参数集Yi相对应的系数)，Brp(测量间距的权重系数)分别为：
Arm＝-6065.18
Di系数，详见下表
/>
Brm＝33.78
计算Rm的数学模型
在实际使用中，Y和G是变量，通过上式实现Rm的在线测量计算。
发明效果
上述方法用于某生产线500卷SEDDQ带钢的Rp和Rm在线测量，并头尾各取样一样，采用离线拉伸测试的方法获得强度值，各自供1000组，所得到的结果和在线测量的对应的位置值比较。在10％和5％的相对误差精度范围内，合同的样本合格率为90％以上。
实施例
在一条生产线上，将本发明的装置和方法应用到一卷带钢的在线检测，技术方案详见前文，该卷带钢的钢种为SEDDQ，为低碳钢。厚度为0.7mm，宽度为1585mm，带钢全长为2905.5m；在线检测系统有1162个输出，也即平均2.5米一个输出点。
Rp数学模型
其中：Brp＝13.19
用于计算Rp的电磁参数实际值、间距值和计算得到的Rp值如下表2所示。
图6是一卷带钢的Rp测量结果的示例。
Rm数学模型
其中：Brm＝33.78
用于计算Rrm的电磁参数实际值、间距值和计算得到的Rm值如下表3所示。
2Rp电磁参数实际值，间距值，和计算值
表3Rm电磁参数实际值，间距值，和计算值
上述方法用于某生产线500卷SEDDQ带钢的Rp和Rm在线测量，并头尾各取样一样，采用离线拉伸测试的方法获得强度值，各自共1000组，所得到的结果和在线测量的对应的位置值比较，可信度为Rp：97.8％，Rm：97.1％。
本发明应用在冷轧带钢机械性能质量在线检测系统中，对冷轧带钢抗拉强度和屈服强度等指标进行实时在线检测，实现钢板生产质量的连续检测、分类和记录，对于提高生产效率、产品质量以及产品竟争力将起到非常积极的作用。
最后，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，在不脱离本发明构思的前提下还可以作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (3)

1.一种用于确定低碳钢冷轧薄板屈服强度和抗拉强度的在线测量装置的在线测量方法，其特征在于，所述在线测量装置包括检测传感单元、及计算和控制单元，所述检测传感单元通过数据通讯接口与所述计算和控制单元连接，
所述检测传感单元包括电磁检测单元和测距仪，所述电磁检测单元对带钢的电磁响应参数进行检测并将检测的电磁参数数据传送至所述计算和控制单元；所述测距仪对电磁检测单元与带钢下表面之间的间距进行检测并将检测的间距数据发送至所述计算和控制单元，
所述计算和控制单元包括计算模块，所述计算模块根据所述电磁参数数据和所述间距数据计算所述带钢的屈服强度Rp和抗拉强度Rm，
所述电磁检测单元包括切线磁场谐波检测模块、巴克豪森噪声检测模块、增量导磁率检测模块、多频涡流检测模块、以及电磁超声检测检测，
所述切线磁场谐波模块检测的电磁参数包括EM1-EM11，其分别对应于3次谐波、5次谐波、7次谐波的幅值和相位、3、5、7、9次谐波幅值之和、变形系数、矫顽磁场、磁滞回线零点处的谐波幅值、电磁线圈稳态电压；
所述巴克豪森噪声模块检测的电磁参数包括EM12-EM18，其分别对应于最大幅值、一个励磁周期内幅值的均值、剩磁点幅值、矫顽磁场M＝MMAX时、MMAX的25％时巴氏曲线宽度、MMAX的50％时巴氏曲线宽度、MMAX的75％时巴氏曲线宽度；
所述增量导磁率模块检测的电磁参数包括EM19-EM25，其分别对应于最大幅值、一个励磁周期内幅值的均值、剩磁点幅值、矫顽磁场M＝MMAX时、MMAX的25％时导磁率曲线宽度、MMAX的50％时导磁率曲线宽度、MMAX的75％时导磁率曲线宽度；
所述多频涡流模块检测的电磁参数包括EM26-EM41，其中EM26-EM29分别为1,2,3,4频率时线圈感抗信号实部、EM30-EM33分别为1,2,3,4频率时线圈感抗信号虚部、EM34-EM37分别为1,2,3,4频率时线圈感抗信号幅值、EM38-EM41分别为1,2,3,4频率时线圈感抗信号相位；
所述电磁超声检测模块检测的电磁参数包括EM42-EM44，其分别为蝶形图的峰值、蝶形图的谷值、两个峰值点的比值，
所述在线测量方法包括：
从所述电磁检测单元获取电磁参数数据；
从所述测距仪获取电磁检测单元与带钢下表面之间的间距数据；
根据设定的屈服强度指标和/或抗拉强度指标选择与屈服强度指标或抗拉强度指标相对应的检测参数；
根据所述检测参数计算带钢的屈服强度或抗拉强度，
所述带钢的屈服强度Rp按照下式计算：
其中，Xi和Greal为变量，Xi表示用于计算Rp的电磁参数值，Greal电磁检测单元与带钢下表面之间的实际间距值；
Arp、Brp、Ci为系数，Arp表示电磁参数回归方程中的常数项，Ci表示与电磁参数Xi相对应的回归系数，Brp表示测量间距的权重系数，
Arp＝313.05，Brp＝13.19，
Xi包括X1～X12，分别对应于电磁参数EM10、EM18、EM19、EM20、EM21、EM22、EM26、EM27、EM29、EM30、EM31、EM41
所述带钢的抗拉强度Rm按照下式计算：
其中，Yi和Greal是变量，Yi表示用于计算Rm的电磁参数值，Greal电磁检测单元与带钢下表面之间的实际间距值；
Arm、Brm、Di为系数，Arm表示电磁参数回归方程中的常数项，Di表示与电磁参数Yi相对应的回归系数，Brm表示测量间距的权重系数，
Arm＝-6065.18，Brm＝33.78，
Yi包括Y1～Y17，分别对应于电磁参数EM01、EM02、EM04、EM05、EM07、EM08、EM20、EM22、EM25、EM26、EM28、EM29、EM30、EM34、EM35、EM37、EM41。
2.如权利要求1所述的在线测量方法，其特征在于，
所述计算和控制单元还包括用于控制所述电磁检测单元的检测传感单元控制器、和用于控制所述电磁检测单元升降和横移的探头升降和横移控制装置。
3.如权利要求1所述的在线测量方法，其特征在于，
所述测距仪检测电磁检测单元与带钢下表面之间的间距为2-6mm；
所述在线测量装置还包括机械限位装置，保障电磁检测单元与带钢之间的安全距离。
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