DE102005044760B3 - Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von heißem Walzmaterial - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von heißem Walzmaterial während des Walzvorgangs in einem von mehreren hintereinander angeordneten Walzgerüsten einer Walzstraße, bestehend aus mindestens zwei, einen Walzspalt zwischen sich lassenden Walzen, wobei den Walzen Ultraschallprüfköpfe zugeordnet sind, die so angeordnet sind, dass Teile des Walzenkörpers selbst als Durchlaufstrecke für die Ultraschallwellen zum zu prüfenden Walzgut im Walzspalt dienen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die mit den Ultraschall-Prüfköpfen versehenen Walzen anstellbar sind, ein gerades Querprofil aufweisen und einen Durchmesser, der ein Vielfaches der Walzspaltbreite misst, so dass ein großer Walzwinkel (alpha) vorhanden ist, und diese Walzen in einem der ersten Walzgerüste der Walzstraße angeordnet sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von heißem Walzmaterial während des Walzvorgangs in einem von mehreren hintereinander angeordneten Walzgerüsten einer Walzstrasse, bestehend aus mindestens zwei, einen Walzspalt zwischen sich lassenden Walzen, wobei den Walzen Ultraschallprüfköpfe zugeordnet sind, die so angeordnet sind, dass Teile des Walzenkörpers selbst als Durchlaufstrecke für die Ultraschallwellen zum zu prüfenden Walzgut im Walzspalt dienen.
• Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 199 15 203 C2 bekannt. Bei der dort vorgestellten Vorrichtung handelt es sich um eine solche in einem Walzgerüst, welches im Walzablauf vor dem Fertiggerüst positioniert ist. D.h., dass hier der Stahl bereits fast vollständig in seine gewünschte Form ausgewalzt ist. Hierdurch wird die Auffindbarkeit von Fehlern innerhalb des Walzmaterials, also beispielsweise von Einschlüssen, durch die erlittene Streckung erschwert. Die reflektierende Fläche im Strahl wird immer geringer und das Signal immer schwächer.
• In der in der obengenannten Druckschrift bevorzugt angegebenen Ausführungsform sind drei sternförmig angeordnete Walzen (sogenannter Kocksblock) angeordnet, die zwischen sich den Walzspalt bilden. Diese scheibenförmigen Walzen müssen speziell nachgearbeitet oder hergestellt sein, damit die Ultraschallprüfköpfe installiert werden können.
• Da es sich bei einem derartigen Walzgerüst um – wie oben ausgeführt – ein Gerüst vor dem Fertigwalzgerüst handelt, müssen bei verschiedenen Abmessungen der Walzader auch verschiedene Kaliber vorgesehen sein, was einen erheblichen Montage- und Lageraufwand mit sich bringt. Die Krümmung der Kaliber der Walzen ist darüber hinaus nachteilig, da sie für eine geometrische Fokussierung des Ultraschallstrahls sorgt, was aber nicht immer gewünscht ist. Diese Fokussierung wird durch die Verhältnisse der Schallgeschwindigkeiten zueinander unterstützt. Die Bündelung des Ultraschallstrahls bewirkt eine ungleichmäßige Durchschallung der Walzader. Dadurch ist eine Erhöhung der Prüfkopfzahl und die Prüfung in zusätzlichen Winkeln erforderlich.
• Darüber hinaus sorgt die Krümmung aber auch für eine Streuung der Energie des Ultraschallstrahls an allen Stellen, wo der Strahl nicht senkrecht auf den Kaliber trifft. Diese reflektierten Anteile können als Phantomechos in der Prüfung Probleme bereiten. Es ist teilweise sehr schwierig diese zu unterbinden, wenn die Winkelverhältnisse ungünstig sind.
• Ein weiterer Nachteil ist der geringe Walzendurchmesser, der in Längsrichtung den Ultraschallstrahl relativ stark defokussiert. Hier wirkt im wesentlichen der Übergang vom Prüfkopf zum Walzenkörper, der durch Koppelwasser gewährleistet wird.
• Ein weiterer wesentlicher Nachteil der vorbekannten Vorrichtung liegt in der Begrenzung der Prüfabmessung. Dies bedeutet, dass die Vorlaufstrecke in der durchschallten Walze mindestens so lang sein muss, dass die Zeit für das Durchlaufen der Vorlaufstrecke größer ist als die, welche zur Durcheilung der Walzader benötigt wird.
• Darüber hinaus ist aus der DE 1 473 682 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem ebenfalls Walzmaterial im heißen Zustand durch Ultraschall geprüft wird. Hier findet die Prüfung jedoch nicht am Ort der Umformung statt, sondern irgendwo zwischen den Walzgerüsten. Damit trotzdem eine gute Ankopplung der Ultraschallwellen erfolgen kann, wird beim vorbekannten Verfahren auf die heiße Walzgutoberfläche beispielsweise Emaille-Fritte aufgebracht, dass durch die Hitze des Walzmaterials schmilzt.
• Der Einsatz derartiger Materialen ist jedoch aus Kostengründen und wegen des zusätzlichen Aufwandes in der Fertigung gerade aus heutiger Sicht unvorteilhaft.
• Schließlich ist aus der US 4 160 387 eine Ultraschallprüfung bekannt, die auf dem Transmissionsprinzip beruht. Dies bedeutet, dass bei einem Fehler die beim Empfänger eintreffende Energie geringer wird. Allerdings gibt es keine Kontrolle darüber, ob die verringerte Energiemenge durch einen Fehler, einen Abfall der Sendeleistung, durch eine schlechte Ankopplung oder durch eine Reduzierung der Empfindlichkeit des Empfängers hervorgerufen wird. Außerdem ist keine Aussage über die Lage des Fehlers in der Tiefe der Walzader möglich. Damit ist dieses Verfahren für eine zeitgemäße Prüfung nicht anwendbar.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der oben genannten Art so auszuführen, dass mit wesentlich geringerem Aufwand sicherere Prüfergebnisse erzielt werden können.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Somit erfolgt die Prüfung in einem Walzgerüst relativ früh im Walzprozess, so dass die Streckung der Einschlüsse im Walzmaterial vergleichsweise gering ist, aber die Umformung ausreichend, um die Gussstruktur aufgelöst und Porositäten verdichtet zu haben. Das Auflösen der Gussstruktur ist erforderlich, um eine Ultraschallprüfung mit einer Frequenz oberhalb von 2 MHz durchführen zu können. Erst ab dieser Frequenz können hinreichend kleine Einschlüsse gefunden werden. Die Verdichtung des Kerns der Walzader ist erforderlich, um das Verwerfen des betroffenen Walzaderstückes zu verhindern, da mit der Ultraschallprüfung keine Unterscheidung zwischen Porosität und Einschluss möglich ist.
• Durch das gerade Profil der Walzen wird beim Umformvorgang auch das Profil des Walzmaterials quadratisch bzw. rechteckig, wobei durch den großen Durchmesser der Walzen ein großer Umformbereich und damit auch ein großer Beschallungsbereich zur Verfügung gestellt werden kann. Durch den großen Durchmesser wird darüber hinaus erreicht, dass die Defokussierung begrenzt wird und ein Maximum an Energie in das Walzmaterial eingeleitet werden kann.
• Das Walzgerüst ist so ausgelegt, dass es umformt, um einen ausreichend guten Kontakt zwischen den Walzen und dem Walzmaterial sicherzustellen. Die Kontaktzone wird um so größer, je höher der Umformgrad ist. Auch das trägt dazu bei, dass der Energieeintrag größer wird.
• In bevorzugter Ausführungsform werden als Walzen sogenannte Cantilever-Walzen benutzt, bei denen der Walzmantel zumindest an einer Seite über die Walzscheibe hinausragt. Diese Cantilever-Walzen bieten die obengenannten Vorteile des großen Durchmessers und einer hinreichend großen Kraftübertragung.
• Darüber hinaus bietet der schulterartige Überstand des Walzmantels einen vorteilhaften Montageort für die Ultraschallprüfköpfe, nämlich gemäß Anspruch 3 auf der zur Walzenachse weisenden Seite des Walzmantels.
• Anders als im obengenannten Stand der Technik brauchen die Walzen nicht nachbearbeitet zu werden bzw. speziell angefertigt zu werden, da die Anordnung der Ultraschallprüfköpfe bei den Cantilever-Walzen ohne weiteres mit dem Walzmaterial fluchtend ausgeführt werden kann.
• Somit ist die Ausrichtung der Ultraschallwellen lotrecht auf die Walzmaterialoberfläche im Walzspalt (Anspruch 4) problemlos möglich.
• Als Ultraschallprüfköpfe können gemäß Anspruch 6 mehrere linienförmig angeordnete konventionelle Prüfköpfe vorgesehen sein, die durch entsprechende individuelle Ansteuerung entsprechend den Prüferfordernissen ausgerichtet werden.
• Gemäß Anspruch 7 ist vorteilhafter Weise daher die Verwendung von sogenannten Gruppenstrahlern vorgesehen. Die erfindungsgemäß bevorzugten Cantilever-Walzen können über den gesamten Abmessungsbereich der Produktion verwendet werden, da sie nur angestellt werden müssen, ohne dass ein neues Kaliber verwendet werden muss (siehe Anspruch 1). Insbesondere mit Gruppenstrahlern kann bei eindeutiger Führung des Walzmaterials die Dimension der Walzader durch entsprechende Abschaltungen und Zuschaltungen innerhalb der Gruppenstrahlerlinie berücksichtigt werden. Der wesentliche Vorteil der Gruppenstrahler liegt in der Möglichkeit den Ultraschallstrahl zu schwenken, um Einschlüsse optimal anzuschallen, da diese häufig akustisch anisotrope Eigenschaften besitzen. Durch das Schwenken des Schallstrahls können auch randnahe Einschlüsse detektiert werden.
• Bei der Prüfung sind alle denkbaren Sende- und Empfangsmodi möglich. Es kann sowohl im Durchschallungsmodus als auch im Sendeimpuls-Echo-Verfahren gearbeitet werden.
• Um sicherzustellen, dass der Ultraschall nur geringfügig gestreut wird und keine Schwächung der zurückkehrenden Signale erfolgt, wird vor der Prüfung eine Entzunderung durchgeführt, um den groben Zunder, der sich nach dem Vorwalzen gebildet hat, zu entfernen.
• Die Walzader wird durch Walzarmaturen oder durch vor- und nachgelagerte Walzgerüste eindeutig in ihrer Position fixiert, um die Prüfung entsprechend darauf hin einzustellen.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen dargestellt.
• Es zeigen:
• 1 Ausschnitt aus einem Cantilever-Walzengerüst mit konventionellen Ultraschall-Prüfköpfen,
• 2 Darstellung gemäß 2 mit Gruppenstrahlern als Prüfköpfen,
• 3 Alternatives Walzgerüst mit alternativer Prüfkopfanordnung
• In den 1 und 2 ist im Ausschnitt ein Walzgerüst dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Es besteht im wesentlichen aus zwei einen Walzspalt 2 zwischen sich lassenden Cantilever-Walzen 3, deren Drehachse 4 die Welle 5 bildet. Die Walzen 3 weisen jeweils eine Walzscheibe 6 und einen von dieser seitlich nach aussen abstehenden ringförmigen Ansatz 7 auf. Zwischen diesen überstehenden Bereichen 7 der Walzen 3 befindet sich das zu prüfende Walzmaterial 8.
• Fluchtend mit dem Walzspalt 2 bzw. dem Walzmaterial 8 ist auf der zur Welle 5 weisenden Seite des Ansatzes 7 die eigentliche Prüfvorrichtung 9 angeordnet.
• Im Falle der 1 handelt es sich hierbei um konventionelle Ultraschall-Prüfköpfe, die matrixartig angeordnet sind und derart verschaltet sind, dass sie individuell angesteuert werden können, was die Schallausbreitungsrichtung und Intensität angeht.
• In der 2 sind alle Elemente der 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Einziger Unterschied ist der, dass statt der konventionellen Ultraschallprüfköpfe 9 hier sogenannte Gruppenstrahler 10 angeordnet sind. Diese Gruppenstrahler haben den Vorteil der vielfältigeren Ansteuerungs- und Prüfmöglichkeiten.
• In 3 ist eine alternative Walzenanordnung dargestellt, bei der die Gruppenstrahler 9 ebenfalls auf der zur Achse 4 hinweisenden Seite des Ansatzes 7 angeordnet sind. Hier sind die Ultraschallprüfköpfe 9 jedoch so angeordnet, dass sie nach Durchstrahlung des Ansatzes 7 das Walzmaterial 8 schräg durchstrahlen können. Durch entsprechende Ansteuerung der Prüfköpfe 9 ist jedoch auch eine lotrechte Durchstrahlung möglich. Dieser Aufbau soll eine noch bessere Abtastung der oberflächennahen Zone erlauben.
• Gemeinsam ist allen Ausführungsformen jedoch die Tatsache, dass durch die Walzengeometrie die Prüffläche optimal vorbereitet werden kann und zwar an einer Stelle im Walzvorgang, an der die Einschlüsse (also die aufzufindenden Fehler innerhalb des Walzmaterials) noch recht wenig gestreckt sind, bei der Durchstrahlung des Walzmaterials also ein deutliches Signal liefern.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von heißem Walzmaterial während des Walzvorganges in einem von mehreren hintereinander angeordneten Walzgerüsten einer Walzstrasse, bestehend aus mindestens zwei, einen Walzspalt zwischen sich lassenden Walzen, wobei den Walzen Ultraschallprüfköpfe zugeordnet sind, die so angeordnet sind, dass Teile des Walzenkörpers selbst als Durchlaufstrecke für die Ultraschallwellen zum zu prüfenden Walzgut im Walzspalt dienen, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den Ultraschall-Prüfköpfen (9, 10) versehenen Walzen (3) zur Einstellung der Walzspaltbreite (2) anstellbar sind, ein im Bereich des Walzspaltes (2) geradlinig verlaufendes Querprofil aufweisen und einen Durchmesser, der ein Vielfaches der Walzspaltbreite (2) misst, so dass ein großer Walzwinkel (α) vorhanden ist, und diese Walzen (3) in einem Walzgerüst der Walzstrasse angeordnet sind, in dem die Umformung des zu prüfenden Materials für die Auflösung der Gusstruktur und die Verdichtung von Porositäten im Material ausreichend ist, die Streckung von Einschlüssen im Material jedoch noch gering ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzen (3) Cantilever-Walzen sind, bei denen die Walzenoberflächen zumindest an einer Seite einen nach aussen von der Walzscheibe 6 abstehenden ringförmigen Ansatz (7) aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallprüfköpfe (9, 10) auf der zur Walzenachse (4) weisenden Seite des ringförmigen Ansatzes (7) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen lotrecht auf die Walzmaterialoberfläche im Walzspalt (2) gerichtet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Wellen schräg auf die Walzmaterialoberfläche im Walzspalt (2) gerichtet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere miteinander verschaltete matrixförmig angeordnete Ultraschall-Prüfköpfe (9) vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Ultraschall-Prüfköpfe Gruppenstrahler (10) vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zu prüfende Walzmaterial (8) durch Walzarmaturen in einer konstanten Durchlauf-Messposition gehalten wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zu prüfende Walzmaterial (8) durch vor- und/oder nachgeschaltete Walzgerüste in einer konstanten Durchlauf-Messposition gehalten wird.