DE102014222497A1

DE102014222497A1 - Verfahren und Vorrichtung zur bildlichen Darstellung des Makrogefüges eines metallurgischen Produktes mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE102014222497A1
Application number: DE102014222497.7A
Authority: DE
Inventors: Tamara Gusarova; Markus Reifferscheid; Andreas Runge; Stephan Schulze; Ingo Schuster
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2016-05-04
Also published as: WO2016071323A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur bildlichen Darstellung des Makrogefüges eines gegossenen und/oder gewalzten metallurgischen Produktes, insbesondere eines Stahl- oder Metallbandes oder -bleches oder einer Stahl- oder Metallbramme, oder eines daraus herausgetrennten Probenstücks mittels Ultraschall, soll eine Lösung geschaffen werden, die es ermöglicht, eine bildliche Darstellung des Makrogefüges eines Produktes oder Probenstückes zu erzeugen. Dies wird dadurch erreicht, dass an einer ersten Seite des Produktes oder Probenstücks ein Ultraschallwellen in das Produkt oder Probenstück emittierender Sender und von dieser ersten Seite des Produktes oder Probenstücks oder einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Produktes oder Probenstücks ein Ultraschallwellenmesssignale detektierender Empfänger angekoppelt werden und, vorzugsweise ausschließlich, die von der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Produktes oder Probenstücks reflektierten bzw. durchgelassenen Ultraschallintensitätssignale von dem Empfänger detektiert und die Verteilung der detektierten Ultraschallsignale über die von dem Empfänger messtechnisch erfasste Fläche zu einer bildlichen Darstellung des im Bereich dieser Fläche von den erfassten Ultraschallwellen durchlaufenen Makrogefüges des Produktes oder Probestücks aufbereitet werden.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur bildlichen Darstellung des Makrogefüges eines gegossenen und/oder gewalzten metallurgischen Produktes, insbesondere eines Stahl- oder Metallbandes oder -bleches oder einer Stahl- oder Metallbramme, oder eines daraus herausgetrennten Probenstücks mittels Ultraschall.
Ebenso richtet sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur bildlichen Darstellung des Makrogefüges eines gegossenen und/oder gewalzten metallurgischen Produktes, insbesondere eines Stahl- oder Metallbandes oder -bleches oder einer Stahl- oder Metallbramme oder eines daraus herausgetrennten Probenstücks.
Zur Beurteilung des Primärgefüges oder Makrogefüges eines metallurgischen Produktes, wie es ein Stahlband- oder Metallband oder -blech oder eine Stahl- oder Metallbramme darstellt, ist es heute noch üblich, Probenstücke zu nehmen und die metallische Oberfläche anzuätzen. Erst mit Hilfe eines aufwändigen Ätzprozesses kann z. B. ein Gussgefüge (Primärgefüge) sichtbar gemacht werden. Die Ergebnisqualität dieser Vorgehensweise ist maßgeblich beispielsweise von der Stahlsorte der Probe und den Ätzparametern bestimmt. Manche Stahlsorten lassen sich kaum oder auch gar nicht einätzen, so dass aus der erhaltenen bildlichen Darstellung nur Vermutungen hinsichtlich des abgebildeten Makrogefüges angestellt werden können. Dies erschwert die Optimierung von Prozess- oder Verfahrensparametern und/oder Gießmodellen, die bei der Herstellung von Stahl- oder Metallband oder Stahl- oder Metallbrammen im Rahmen von Gießprozessen (Stranggießen) oder Walzprozessen eingestellt werden oder Verwendung finden. Auch die unmittelbare Herstellung von angeätzten Oberflächen ist insofern aufwendig und problematisch, als hierbei aufwändige Maßnahmen zum Gesundheitsschutz einzuhalten sind.
Oft wird bei einer Ultraschallprüfung eines Gussproduktes der Einfluss von Makrogefüge als eher störend empfunden, weswegen heutzutage Gussproben vor Ultraschallprüfungen wärmebehandelt bzw. verformt werden. Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 302 003 A2 ein Verfahren zur Herstellung von Proben für die Ermittlung von Verunreinigungen in Metallen und Stählen, insbesondere von im Stranggießverfahren vergossenen Stählen, bekannt, bei welchen für eine Anzeige und Ermittlung der Verunreinigungen mittels Ultraschall aus einem Gusserzeugnis oder einem bereits verformten Erzeugnis ein Probenrohling mit einer mindestens 10-fachen Dicke der für die Ultraschalluntersuchung geeigneten Probendicke ausgeschnitten, erwärmt und verformt wird. Die anschließende Ultraschallprüfung wird nicht weiter erläutert.
In Veröffentlichungen wird häufig über die Ultraschallprüfung eines Materials auf Innenfehler berichtet. In wenigen wird die Korngrößenmessung mittels Ultraschall beschrieben.
Schließlich ist es aus der WO 99/36769 A1 bekannt, mittels eines Ultraschallpulses in der Wellenlänge der Korngrößen die innere Textur einer Probe darzustellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, eine hoch aufgelöste bildliche Darstellung des Makrogefüges eines Produktes oder Probenstückes zu erzeugen.
Bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an einer ersten Seite des Produktes oder Probenstücks ein Ultraschallwellen in das Produkt oder Probenstück emittierender Sender und auf dieser ersten Seite des Produktes oder Probenstücks oder einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Produktes oder Probenstücks ein Ultraschallwellenmesssignale detektierender Empfänger angekoppelt werden und, vorzugsweise ausschließlich, die von der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Produktes oder Probenstücks reflektierten bzw. durchgelassene Ultraschallsignale von dem Empfänger detektiert (Sender und Empfänger können in einem Sensor integriert sein = Pulse-Echo-Mode) und die Verteilung der detektierten Ultraschallintensitätssignale über die von dem Empfänger messtechnisch erfasste Fläche zu einer bildlichen Darstellung des im Bereich dieser Fläche von den erfassten Ultraschallwellen durchlaufenen Makrogefüges des Produktes oder Probenstücks aufbereitet werden.
Ebenso wird die vorstehende Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs näher bezeichneten Art gelöst durch einen, an eine erste Seite des Produktes oder Probenstücks ankoppelbaren, Ultraschallwellen in das Produkt oder Probenstück emittierenden Sender und einen an diese erste Seite oder eine gegenüberliegende zweite Seite des Produktes oder Probenstücks ankoppelbaren, Ultraschallwellenmesssignale detektierender Empfänger, der die von der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Produktes oder Probestücks reflektierten bzw. durchgelassenen Ultraschallsignale, vorzugsweise ausschließlich, detektiert (Sender und Empfänger können in einem Sensor integriert sein = Pulse-Echo-Mode) sowie eine Auswerteeinheit, die die Verteilung der detektierten Ultraschallsignale über die von dem Empfänger messtechnisch erfasste Fläche zu einer bildlichen Darstellung des im Bereich dieser Fläche von den erfassten Ultraschallwellen durchlaufenen Makrogefüges des Produktes oder Probenstücks aufbereitet.
Erfindungsgemäß wird also ein Ultraschallverfahren für die hoch aufgelöste Abbildung des Gefüges eingesetzt. Hierbei wird beispielsweise ein Ultraschallsensor auf einer ersten Seite des Produktes oder des Probenstückes, beispielsweise der Rückseite oder Rückwand, fokussiert. Die von der gegenüberliegenden Seite, beispielsweise der Vorderseite oder Vorderwand, reflektierten (bzw. durchgelassenen) (Intensitäts)Signale werden dann über die messtechnische Fläche verteilt, insbesondere ausschließlich, detektiert und zur Erstellung der bildlichen Darstellung ausgewertet, so dass die Verteilung des von der ersten Seite oder Vorderwand ausgesandten und von der zweiten Seite oder Rückwand reflektierten (bzw. durchgelassenen) (Intensitäts)Signals über die Probenfläche ein Abbild des Makrogefüges oder Primärgefüges, beispielsweise Gussgefüges, des Produktes oder des Probestückes darstellt. Hierbei kann beispielsweise in Anlehnung an den so genannten C-Scan oder C-Mode von Ultraschallverfahren, der bei der so genannten akustischen Mikroskopie Verwendung findet, ein Ultraschallprüfkopf oder ein Ultraschallsensor oder eine Ultraschalllinse mit einem XY-Scanner über die Probenfläche gerastert werden. Für jeden Messpunkt wird dabei dann ein zeitlich aufgelöstes Messsignal aufgenommen, wobei innerhalb des Signals ein Fenster gesetzt wird und nur Informationen mit Laufzeiten innerhalb dieses Fensters für die Abbildung genutzt werden. Erfindungsgemäß ist hier nun vorgesehen, dass um eine hohe Auflösung der Messung zu erhalten, die Ultraschallwelle auf die Rückwand fokussiert wird und das Fenster auf Rückwandsignal gesetzt wird. Somit steht nicht das Probenvolumen, sondern die Probenrückseite im Mittelpunkt der Untersuchung. Das Ergebnisbild zeigt Größe und Ausrichtung der Primärstrukturen, wie z. B. Dendriten und Globuliten.
Aus einem solchermaßen erhaltenen Ultraschallbild lassen sich die Größe der Softreduction-Zone, der Einflusszone von magnetischen Rührern, die Gleichmäßigkeit der Kühlung bei einer im Stranggießprozess hergestellten Bramme, aber auch andere Prozessparameter beurteilen, wobei aus der Beurteilung dann eine Bewertung und Änderung/Optimierung der Prozessparameter abgeleitet werden kann.
Bei der erfindungsgemäßen bildlichen Darstellung und Erfassung des Makrogefüges geht es nicht um die Bestimmung von Korngrößen (über Rückstreuung) unter einem charakteristischen Winkel oder mit Referenzkörper, sondern um die Abbildung eines übergeordneten Gefügeparameters (Makrogefüge oder Primärgefüge), so wie es sich beim Gießen, Stranggießen oder Walzen einstellt, sowie die Abbildung dessen Ausrichtung (Kornorientierung) und der im Gefüge bestehenden klaren Strukturtrennungen (Gefügezonen). Dies unterscheidet das erfindungsgemäße Verfahren auch insofern von dem vorbekannten Stand der Technik der akustischen Mikroskopie, beispielsweise mittels einer Ultraschallbetriebsart im C-Modus. Dort werden hauptsächlich eine Materialungänze (Defekte) bzw. eine Funktionsfähigkeit von Mehrstrukturkomponenten erfasst. Erfindungsgemäß werden insbesondere ausschließlich die von der dem Sensor oder Prüfkopf abgewandten, zweiten Seite des Produktes oder Probenstücks reflektierten (bzw. durchschallten) Ultraschallwellensignale detektiert, messtechnisch erfasst und zu der bildlichen Darstellung des Makrogefüges genutzt.
Aus dem gewonnenen Ultraschallbild des Makrogefüges wird eine Bewertung des Makrogefüges gewonnen. Die Bewertung ergibt sich aus dem Gefügebild, d. h. der Primärgefügestruktur, beispielsweise der Anordnung und Verteilung der Gebiete mit feinem bzw. grobem Gefüge, der Gebiete mit Globuliten, gerichteten oder ungerichteten Dendriten und der dadurch ausgebildeten Wachstumsfront. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die bei der Herstellung des geschallten Produktes oder Probenstückes vorhandenen Prozessparameter oder Maschineneinstellungen gewinnen. Will man Änderungen vornehmen und ein anderes Makrogefügebild und damit im Zusammenhang stehende geänderte Eigenschaften des metallurgischen Produktes oder Probenstückes erhalten, ist dies möglich, wenn aus dem Bild des Makrogefüges und/oder der Bewertung eine Optimierung der bei der Herstellung des Produktes einzuhaltenden Gieß- und/oder Walzparameter und/oder Maschineneinstellungen abgeleitet wird, was die Erfindung in Ausgestaltung ebenfalls vorsieht.
Besonders zweckmäßig ist es, auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Ultraschallköpfe zu verwenden, die sowohl den emittierenden Sender als auch den detektierenden Empfänger umfassen. Die Erfindung zeichnet sich in weiterer Ausgestaltung daher dadurch aus, dass die für die bildliche Darstellung vorgesehene Fläche von einem, den die Ultraschallwellen emittierenden Sender und den die Ultraschallwellenmesssignale detektierenden Empfänger umfassenden Ultraschallprüfkopf oder Ultraschallsensor messtechnisch erfasst wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin auch dadurch gekennzeichnet, dass anhand der erhaltenen bildlichen Darstellung eine Qualitätsbewertung des hergestellten Produktes durchgeführt wird. Insbesondere wenn es sich bei dem Produkt um ein beispielsweise in einer Stranggießanlage kontinuierlich vergossenes metallurgisches Gießprodukt handelt, lässt sich anhand des erhaltenen Ultraschallbildes, d. h. anhand der Abbildung des Makrogefüges, in Abhängigkeit von vorgegebenen, definierten Bewertungskriterien das Produkt z.B. einer Qualitätsklasse zuordnen. Insbesondere kann hierdurch eine besonders hochwertige Bewertung der Innenqualität von kontinuierlich vergossenen Gießprodukten vorgenommen werden, welche auf Grundlage der im Zusammenhang mit den Erkenntnissen aus der Makroätzung entwickelten Vorschriften basieren, ohne jedoch zumindest die Nachteile einer Makroätz-Prüfmethode in Kauf nehmen zu müssen.
Eine besonders zweckmäßige Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, aus dem durch Vergießen und/oder Walzen erzeugten Produkt ein Probenstück herauszutrennen und dieses dann dem Ultraschallverfahren zur Erzeugung der bildlichen Darstellung des Makrogefüges zu unterziehen. Die Erfindung sieht daher weiterhin vor, dass aus dem metallurgischen Produkt ein Probenstück herausgetrennt wird und die Ankopplung des Probenstückes an einen Ultraschallprüfkopf oder Ultraschallsensor sowie die Einkopplung des Ultraschalls mittels eines Wasserbades erfolgt, in welches das Probenstück eingelegt wird. Im Wasserbad lässt sich eine besonders vorteilhafte Einkopplung des Ultraschalles in das Probenstück erreichen. Jedoch sind auch andere Ankopplungsarten des Ultraschalls, z.B. elektromagnetisch oder mit Laser, möglich. Besonders häufig werden für Gefügedarstellungen Querproben eines Langproduktes genommen.
Schließlich sieht die Erfindung vor, eine bildliche Darstellung des jeweils erzeugten Makrogefüges auch inline oder online während des Herstellungsprozesses, d. h. insbesondere während des Gießprozesses zu einer Stahl- oder Metallbramme, zu erzeugen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist daher auch vorgesehen, dass das Verfahren inline während des Herstellprozesses des metallurgischen Produktes mittels eines kontaktlosen Ultraschallsensors oder mehrerer kontaktloser Ultraschallsensoren durchgeführt wird.
Beispielhafte bildliche Darstellungen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhalten wurden, sind aus den 1 und 2 ersichtlich.
So zeigt die 1a ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenes Ultraschallbild einer Brammenquerprobe, die von der Brammenkante einer kontinuierlich im Stranggießverfahren gegossenen Bramme herausgetrennt wurde. In der 1a ist im oberen Bereich die von der ungekühlten Brammenkante 1 ausgehende gerichtete Wachstumsfront 2 der Dendriten zu erkennen. In der Mitte des Bildes ist ein feineres Gefüge oder eine feinere Gefügestruktur des Probenstückes zu entnehmen. Insgesamt wird die makroskopische Gefügestruktur, die Primärstruktur und damit das Makrogefüge, in diesem Ultraschallbild (1a) mindestens genauso gut wie auf einer geätzten Probe dargestellt, wie sich aus der eine solche geätzte Probenfläche zeigenden Vergleichsfigur 1b ergibt.
Die 2 zeigt ein erhaltenes Ultraschallbild in lediglich schematischer Darstellung mit der Kennzeichnung verschiedener Bereiche, die sich bei einem Ultraschallbild einer Querprobe eines Vorblockes identifizieren lassen. Bei dem der 2 zugrundeliegenden Ultraschallbild lässt sich in der Mitte ein Bereich einer globolitischen Erstarrung 3 identifizieren. Ein ebenso feines Erstarrungsgefüge 3‘ findet sich jedoch auch an allen vier Vorblockseiten in nicht allzu weiter Entfernung von der jeweils zugeordneten Oberflächenseite der Querprobe des Vorblockes. Diese außenliegenden Bereiche entsprechen der Einwirkungszone des magnetischen Rührers oder der magnetischen Rührer während des Gießprozesses. Anhand der Größe und der Erstreckung der einzelnen Gefügezonen können die dem Herstellprozess zugrundeliegenden Gießmodelle für die jeweils untersuchte Stahlsorte optimiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0302003 A2 [0004]
WO 99/36769 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur bildlichen Darstellung des Makrogefüges eines gegossenen und/oder gewalzten metallurgischen Produktes, insbesondere eines Stahl- oder Metallbandes oder -bleches oder einer Stahl- oder Metallbramme, oder eines daraus herausgetrennten Probenstücks mittels Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, dass an einer ersten Seite des Produktes oder Probenstücks ein Ultraschallwellen in das Produkt oder Probenstück emittierender Sender und auf dieser ersten Seite des Produktes oder Probenstücks oder einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Produktes oder Probenstücks ein Ultraschallwellenmesssignale detektierender Empfänger angekoppelt werden und, vorzugsweise ausschließlich, die von der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Produktes oder Probenstücks reflektierten oder durchgelassenen Ultraschallsignale von dem Empfänger detektiert und die Verteilung der detektierten Ultraschallsignale über die von dem Empfänger messtechnisch erfasste Fläche zu einer bildlichen Darstellung des im Bereich dieser Fläche von den erfassten Ultraschallwellen durchlaufenen Makrogefüges des Produktes oder Probenstücks aufbereitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gewonnenen Bild des Makrogefüges eine Bewertung des Makrogefüges gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Bild des Makrogefüges und/oder der Bewertung eine Optimierung der bei der Herstellung des Produktes einzuhaltenden Gieß- und/oder Walzparameter und/oder Maschineneinstellungen abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die bildliche Darstellung vorgesehene Fläche von einem, den die Ultraschallwellen emittierenden Sender und den die Ultraschallwellenmesssignale detektierenden Empfänger umfassenden Ultraschallprüfkopf oder Ultraschallsensor auf Rückwand fokussiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der erhaltenen bildlichen Darstellung eine Qualitätsbewertung des hergestellten Produktes durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem metallurgischen Produkt ein Probenstück herausgetrennt wird und die Ankopplung des Probenstückes an einen Ultraschallprüfkopf oder Ultraschallsensor sowie die Einkopplung des Ultraschalls mittels eines Wasserbades erfolgt, in welches das Probenstück eingelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren inline während des Herstellprozesses des metallurgischen Produktes mittels eines kontaktlosen Ultraschallsensors oder mehrerer kontaktloser Ultraschallsensoren durchgeführt wird.
Vorrichtung zur bildlichen Darstellung des Makrogefüges eines gegossenen und/oder gewalzten metallurgischen Produktes, insbesondere eines Stahl- oder Metallbandes oder -bleches oder einer Stahl- oder Metallbramme, oder eines daraus herausgetrennten Probenstücks mittels Ultraschall, insbesondere nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–7, gekennzeichnet, durch einen, an eine erste Seite des Produktes oder Probenstücks ankoppelbaren, Ultraschallwellen in das Produkt oder Probenstück emittierenden Sender und einen an diese erste Seite oder eine gegenüberliegende zweite Seite des Produktes oder Probenstücks ankoppelbaren, Ultraschallwellenmesssignale detektierender Empfänger, der die von der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Produktes oder Probestücks reflektierten oder durchgelassenen Ultraschallsignale, vorzugsweise ausschließlich, detektiert sowie eine Auswerteeinheit, die die Verteilung der detektierten Ultraschallsignale über die von dem Empfänger messtechnisch erfasste Fläche zu einer bildlichen Darstellung des im Bereich dieser Fläche von den erfassten Ultraschallwellen durchlaufenen Makrogefüges des Produktes oder Probenstücks aufbereitet.