DE102019116142A1

DE102019116142A1 - Device for the tomographic ultrasound inspection of an internal structure of a metal slab and method for in-situ quality inspection of metal slabs

Info

Publication number: DE102019116142A1
Application number: DE102019116142.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kebe; Stefan Petry; Sally Rieß; Robert Shepherd; Wolfram Weber; Andrey Bulavinov; Hans-Georg Herrmann; Roman Pinchuk; Sergey Pudovikov; Ute Rabe
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2019-12-19

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur tomografischen Ultraschallprüfung einer Innenstruktur einer Metallbramme vorgeschlagen, aufweisend eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern und eine Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit, wobei die Ultraschallwandler an einer Fläche der Bramme angeordnet sind, wobei die Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit derart konfiguriert ist, dass zumindest ein Teil der Ultraschallwandler einzeln und nacheinander zur Anregung von Schallwellen in der Bramme angesteuert wird, wobei die Ultraschallwandler zur zeitaufgelösten Detektion von an der Innenstruktur der Bramme gestreuten und/oder reflektierten Schallwellen konfiguriert sind, wobei die Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit zur Rekonstruktion von tomografischen Bildern basierend auf von den Ultraschallwandlern detektierten Zeitsignalen konfiguriert ist.Weiterhin wird ein Verfahren zur in-situ Qualitätsprüfung von Metallbrammen mit einer solchen Vorrichtung vorgeschlagen, wobei die Bramme durch ein Stranggießverfahren hergestellt wird und die Ultraschallwandler entlang einer Prüfspur geführt werden, wobei an verschiedenen Positionen eine tomografische Ultraschallprüfung der Bramme erfolgt, wobei eine Klassifizierung einer Fehlerausprägung anhand einer Innenrissausprägung und/oder Innenrisshäufigkeit und/oder Kernporosität erfolgt, wobei die Klassifizierung durch einen Vergleich der tomografischen Ultraschallprüfung mit einer Richtreihe oder vorzugsweise rechnergestützt erfolgt.An apparatus for tomographic ultrasound testing of an internal structure of a metal slab is proposed, comprising a plurality of ultrasound transducers and a control and data processing unit, the ultrasound transducers being arranged on a surface of the slab, the control and data processing unit being configured such that at least one part the ultrasound transducer is controlled individually and in succession to excite sound waves in the slab, the ultrasound transducers being configured for time-resolved detection of sound waves scattered and / or reflected on the inner structure of the slab, the control and data processing unit for the reconstruction of tomographic images based on the ultrasonic transducers detected time signals is configured. Furthermore, a method for in-situ quality inspection of metal slabs with such a device is proposed, the slab by an S continuous casting process is produced and the ultrasound transducers are guided along a test track, a tomographic ultrasound test of the slab being carried out at different positions, an error level being classified on the basis of an internal crack level and / or internal crack frequency and / or core porosity, the classification being carried out by comparing the tomographic ultrasound test with a standard series or preferably computer-assisted.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur tomografischen Rekonstruktion einer Innenstruktur einer Metallbramme, aufweisend eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern und eine Datenverarbeitungseinheit. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur in-situ Qualitätsprüfung von Metallbrammen mit einer solchen Vorrichtung.The present invention relates to a device for the tomographic reconstruction of an internal structure of a metal slab, comprising a plurality of ultrasonic transducers and a data processing unit. The invention further relates to a method for in-situ quality inspection of metal slabs with such a device.

Die Bewertung der Innenqualität von Gießprodukten wie Metallbrammen ist von außerordentlicher technologischer Bedeutung für die Qualitätssicherung solcher Produkte und für die Optimierung der zugehörigen industriellen Herstellungsprozesse. Metallprodukte wie Stahlbrammen weisen sporadisch qualitätsbeeinträchtigende Fehlstellen auf, die jedoch durch bloße Begutachtung von außen nicht festgestellt werden können. Ein gängiges Verfahren besteht daher in der metallografischen Bewertung von Proben, die aus der Bramme entnommen werden. Solche Prüfungen können nur stichprobenartig erfolgen, so dass aus dem Fehlerbefall der lokal entnommenen Probe auf den qualitativen Zustand der gesamten Bramme geschlossen wird, ohne die Möglichkeit, detaillierte ortsaufgelöste Informationen über den Innenzustand der gesamten Bramme zu erhalten. Für eine möglichst wirtschaftliche Überprüfung sind außerdem zerstörungsfreie Verfahren zu bevorzugen, die keine einzelnen Probeentnahmen erfordern. Zudem ist die zeitaufwändige Probenpräparation und Probenanalyse mit einem großen zeitlichen Abstand zwischen Probenahme und Prüfergebnis verbunden, so dass eine direkte Rückkopplung der Ergebnisse auf die Anlagenparameter mit einer eventuellen Korrektur des Anlagenarbeitspunktes nicht mehr möglich ist.The evaluation of the internal quality of cast products such as metal slabs is of exceptional technological importance for the quality assurance of such products and for the optimization of the associated industrial manufacturing processes. Metal products such as steel slabs sporadically have flaws that impair quality, but these cannot be determined by mere inspection from the outside. A common method is therefore the metallographic evaluation of samples taken from the slab. Such tests can only be carried out on a random basis, so that the quality of the entire slab can be deduced from the defect in the locally taken sample without the possibility of obtaining detailed, locally resolved information about the internal condition of the entire slab. Non-destructive methods that do not require individual sampling are also preferred for the most economical inspection possible. In addition, the time-consuming sample preparation and sample analysis is associated with a large time interval between sampling and test results, so that a direct feedback of the results to the system parameters with a possible correction of the system operating point is no longer possible.

Aus dem Stand der Technik sind zu dieser Problemstellung verschiedene Möglichkeiten bekannte, die Qualität von Metallprodukten mittels Ultraschallverfahren zu bewerten. Die Druckschrift DE 10 2013 223 083 A1 schlägt dazu eine Ultraschallvorrichtung vor, mit der eine kontaktfreie Überprüfung eines Gießprodukts in einer Produktionslinie vorgenommen werden kann. Das Prüfverfahren arbeitet ohne Bildgebung und erzeugt nur sehr grobe Fehleranzeigen, die nicht ausreichen, um eine Einordnung der Brammen in Schädigungsstufen vorzunehmen. In der Druckschrift DE 10 2014 222 497 A1 wird ein bildgebendes Ultraschallverfahren beschrieben, bei dem das Makrogefüge eines Metallprodukts durch die Detektion und Auswertung von in das Material eingekoppelten Ultraschallsignalen abgebildet wird. Für dieses Verfahren ist eine Probenentnahme notwendig. Aus der Druckschrift DE 10 2013 224 184 A1 ist ein Verfahren zum Bewerten von Innenfehlern eines Gießprodukts bekannt, bei dem anhand einer entnommenen Probe mittels Ultraschall eine Qualitätsbewertung in Abhängigkeit von definierten Bewertungskriterien vorgenommen wird. Dazu werden Informationen bezüglich Bilder bzw. Abbildungen einer Schnittebene eines Ultraschallbildes ausgewertet und eine Bewertung anhand der im Zusammenhang mit der Makroätz-Prüfmethode entwickelten Vorschriften vorgenommen. In dem in der Druckschrift DE 10 2015 209 542 A1 beschriebenen Verfahren wird ausgehend von einer Fehlerverteilung aus in dem Ultraschallbild enthaltenen Materialfehlern die Materialqualität automatisiert ermittelt. Gerade an grobkörnigen Werkstoffen wie Brammen sind Ultraschallbilder jedoch häufig schwer zu interpretieren, da sich die Anzeigen von Fehlstellen mit denen von natürlichen Inhomogenitäten des Materials überlagern.Various possibilities for evaluating the quality of metal products by means of ultrasound methods are known from the prior art for this problem. The publication DE 10 2013 223 083 A1 proposes an ultrasonic device with which a contact-free inspection of a cast product can be carried out in a production line. The test procedure works without imaging and only generates very rough error indications, which are not sufficient to classify the slabs into damage levels. In the publication DE 10 2014 222 497 A1 describes an ultrasound imaging method in which the macrostructure of a metal product is imaged by the detection and evaluation of ultrasound signals coupled into the material. Sampling is necessary for this procedure. From the publication DE 10 2013 224 184 A1 A method for evaluating internal defects in a cast product is known, in which a quality evaluation is carried out on the basis of a sample taken by means of ultrasound as a function of defined evaluation criteria. For this purpose, information relating to images or images of a section plane of an ultrasound image is evaluated and an assessment is carried out on the basis of the regulations developed in connection with the macro etching test method. In the in the publication DE 10 2015 209 542 A1 The method described is automatically determined on the basis of an error distribution from material errors contained in the ultrasound image. However, ultrasound images are often difficult to interpret, particularly on coarse-grained materials such as slabs, because the displays of defects overlap with those of natural inhomogeneities in the material.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Metallbrammen zur Verfügung zu stellen, mit denen sich die Inhomogenitäten im Inneren der Brammen ortsaufgelöst messen und die Qualität der Brammen über die gesamte Länge und Breite klassifizieren lässt.The present invention has for its object to provide a device and a method for the non-destructive testing of metal slabs with which the inhomogeneities inside the slabs can be measured in a spatially resolved manner and the quality of the slabs can be classified over the entire length and width.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur tomografischen Ultraschallprüfung einer Innenstruktur einer Metallbramme, aufweisend eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern und eine Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Ultraschallwandlern an einer Fläche der Metallbramme angeordnet ist, wobei die Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit derart konfiguriert ist, dass zumindest ein Teil der Ultraschallwandler einzeln und nacheinander zur Anregung von Schallwellen in der Metallbramme angesteuert wird, wobei die Mehrzahl von Ultraschallwandlern zur zeitaufgelösten Detektion von an der Innenstruktur der Metallbramme gestreuten und/oder reflektierten Schallwellen konfiguriert ist, wobei die Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit zur Rekonstruktion von tomografischen Bildern basierend auf von den Ultraschallwandlern detektierten Zeitsignalen konfiguriert ist.This object is achieved by a device for tomographic ultrasound testing of an internal structure of a metal slab, comprising a plurality of ultrasound transducers and a control and data processing unit, characterized in that the plurality of ultrasound transducers is arranged on a surface of the metal slab, the control and data processing unit being such it is configured that at least some of the ultrasonic transducers are individually and successively actuated to excite sound waves in the metal slab, the plurality of ultrasonic transducers being configured for time-resolved detection of sound waves scattered and / or reflected on the inner structure of the metal slab, the control and Data processing unit for the reconstruction of tomographic images is configured based on time signals detected by the ultrasonic transducers.

Erfindungsgemäß wird die Information über die Innenstruktur der Metallbramme über das Aussenden und Detektieren von akustischen Signalen im Ultraschallbereich, bevorzugt im MHz Bereich, besonders bevorzugt bei einer Frequenz von 2,5 MHz gewonnen. Dabei werden ein oder mehrere Prüfköpfe angesteuert, die jeweils aus mehreren Einzelschwingern in Form von Ultraschallwandlern bestehen. Der Prüfkopf steht dabei im akustischen Kontakt mit der Oberfläche der Bramme, so dass die Ultraschallwellen in das Brammenmaterial eingekoppelt werden. Der akustische Kontakt kann beispielsweise durch direkten mechanischen Kontakt oder über ein Koppelmedium, beispielsweise eine Flüssigkeit erfolgen. Der Prüfkopf wird dabei erfindungsgemäß so angesteuert, dass die Ultraschallwandler jeweils einzeln und zeitversetzt eine Schallwelle in der Metallbramme anregen. Die von der Innenstruktur der Bramme zurückgestreute Schallwelle wird nach jedem Anregungsvorgang von allen Ultraschallwandlern zeitaufgelöst detektiert, so dass jeder Wandler pro Anregungsvorgang ein Zeitsignal an die Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit übergibt. Die Signale aller Wandler zu allen Anregungsvorgängen stehen danach zur Rekonstruktion in der Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit zur Verfügung. Vorzugsweise weist eine Ultraschallelektronik der Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit eine Datenerfassungsrate von mindestens 40 MS/s [Megasamples/Sekunde] auf.According to the invention, the information about the internal structure of the metal slab is obtained via the transmission and detection of acoustic signals in the ultrasound range, preferably in the MHz range, particularly preferably at a frequency of 2.5 MHz. One or more test heads are activated, each consisting of several individual transducers in the form of ultrasonic transducers. The test head is in acoustic contact with the surface of the slab so that the ultrasonic waves are coupled into the slab material. The acoustic contact can for example by direct mechanical contact or via a coupling medium, for example a liquid. The test head is controlled according to the invention in such a way that the ultrasonic transducers each individually and with a time delay excite a sound wave in the metal slab. The sound wave scattered back from the inner structure of the slab is detected in a time-resolved manner by all ultrasonic transducers after each excitation process, so that each transducer transmits a time signal to the control and data processing unit for each excitation process. The signals from all transducers for all excitation processes are then available for reconstruction in the control and data processing unit. Ultrasound electronics of the control and data processing unit preferably have a data acquisition rate of at least 40 MS / s [megasamples / second].

Das Prinzip der erfindungsgemäßen akustischen Tomografie beruht darauf, dass sich über die Anregung und Detektion des Schallfeldes an räumlich versetzten Punkten die Laufzeit der vom Rand und der Innenstruktur der Bramme zurückgeworfenen Wellen ermitteln lässt und über diese Laufzeiten eine räumliche Rekonstruktion der Innenstruktur möglich ist. Dazu wird zunächst von den Wandlern ein Schallfeld im Inneren der Bramme angeregt. Die Wandler besitzen vorzugsweise eine kleine Apertur und können damit ein sehr divergentes Schallfeld erzeugen und empfangen. Das durch die Wandler erzeugte Schallfeld wird im Innern der Bramme gestreut, wobei das lokale Streuvermögen (und damit die Intensität des an dieser Stelle gestreuten Schalls) entsprechend der Materialstruktur räumlich variiert. Das Streufeld wird wiederum von den räumlich verteilten Wandlern detektiert. Aus den gemessenen zeitlichen Verläufen und Schallamplituden an den Positionen der Wandler kann durch Rückpropagation auf die Materialstruktur zurückgeschlossen werden. Erfindungsgemäß erfolgt die Parametrisierung und Steuerung der Ultraschallelektronik und die für die tomografische Rekonstruktion notwendige Datenverarbeitung in einer integrierten Prüf- und Auswertestation.The principle of the acoustic tomography according to the invention is based on the fact that the excitation and detection of the sound field at spatially offset points enables the transit time of the waves reflected by the edge and the internal structure of the slab to be determined, and a spatial reconstruction of the internal structure is possible over these transit times. For this purpose, the transducers first excite a sound field inside the slab. The transducers preferably have a small aperture and can therefore generate and receive a very divergent sound field. The sound field generated by the transducers is scattered inside the slab, the local scattering capacity (and thus the intensity of the sound scattered at this point) spatially varying according to the material structure. The stray field is in turn detected by the spatially distributed transducers. The material structure can be deduced from the measured temporal profiles and sound amplitudes at the positions of the transducers by back propagation. According to the invention, the parameterization and control of the ultrasound electronics and the data processing necessary for the tomographic reconstruction are carried out in an integrated test and evaluation station.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit derart konfiguriert, dass die von den Ultraschallwandlern detektierten Zeitsignale für jeden Anregungsvorgang gespeichert werden und die Rekonstruktion eines tomografischen Bildes auf der Auswertung von Zeitsignalen aus verschiedenen Anregungsvorgängen basiert. Dadurch lässt sich die Rekonstruktion auf Grundlage einer größeren Datenbasis durchführen, wodurch sich die Genauigkeit der Rekonstruktion vorteilhafterweise erhöht.According to a preferred embodiment of the invention, the control and data processing unit is configured such that the time signals detected by the ultrasound transducers are stored for each excitation process and the reconstruction of a tomographic image is based on the evaluation of time signals from different excitation processes. This enables the reconstruction to be carried out on the basis of a larger database, which advantageously increases the accuracy of the reconstruction.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Mehrzahl von Ultraschallwandlern mit einer mechanischen Verfahreinheit bewegbar an der Fläche der Metallbramme angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Verfahreinheit als motorgetriebener Prüfwagen oder Roboterarm ausgebildet oder wird durch ein Portal über die Bramme geführt. Auf diese Weise lassen sich die Ultraschallwandler in kontrollierter Weise an der Fläche der Bramme entlang bewegen, so dass vorteilhafterweise ein Abtasten eines größeren räumlichen Bereichs vorgenommen werden kann. Die Geschwindigkeit kann dabei von einigen Millimetern pro Sekunde bis zu einigen Zentimetern pro Sekunde reichen, vorzugsweise beträgt die Verfahrgeschwindigkeit bis zu 200 mm/s. Erfindungsgemäß bevorzugt erfolgt die Steuerung des Prüfwagens, des Roboterarms oder des Portals ebenfalls in einer integrierten Prüf- und Auswertestation.According to a preferred embodiment of the invention, the plurality of ultrasound transducers are arranged movably on the surface of the metal slab with a mechanical displacement unit. The moving unit is particularly preferably designed as a motor-driven test vehicle or robotic arm or is guided over the slab through a portal. In this way, the ultrasonic transducers can be moved along the surface of the slab in a controlled manner, so that a larger spatial area can advantageously be scanned. The speed can range from a few millimeters per second to a few centimeters per second, the travel speed is preferably up to 200 mm / s. According to the invention, the test carriage, the robot arm or the portal is preferably also controlled in an integrated test and evaluation station.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Mehrzahl von Ultraschallwandlern mit einem Schienensystem bewegbar an der Fläche der Metallbramme angeordnet. Die Ultraschallwandler werden auf diesem Schienensystem an der Fläche der Bramme entlanggeführt, was vorteilhafterweise eine besonders präzise Führung der Ultraschallsonde ermöglicht. Erfindungsgemäß besonders bevorzugt wird auf dem Schienensystem ein motorgetriebener Prüfwagen geführt, so dass die kontrollierte Bewegung der Prüfköpfe über eine Steuerung des Motors durchgeführt wird. Erfindungsgemäß bevorzugt ist am Ende der Schiene ein Endschalter angebracht, der auslöst, wenn der Wagen vom Schienensystem zu fahren droht. Vorzugsweise weist die Vorrichtung ein Detektorsystem (optisch oder als Sonar-Sensor) zur Endenerkennung einer Bramme auf.According to a further preferred embodiment of the invention, the plurality of ultrasonic transducers are arranged movably on the surface of the metal slab with a rail system. The ultrasound transducers are guided along the surface of the slab on this rail system, which advantageously enables the ultrasound probe to be guided particularly precisely. According to the invention, a motor-driven test carriage is particularly preferably guided on the rail system, so that the controlled movement of the test heads is carried out via a control of the motor. According to the invention, a limit switch is preferably attached to the end of the rail, which triggers when the car threatens to move from the rail system. The device preferably has a detector system (optical or as a sonar sensor) for end detection of a slab.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Wasserspaltankopplung zur Herstellung eines akustischen Kontakts zwischen der Mehrzahl von Ultraschallwandlern und der Metallbramme auf. Dabei wird mittels einer Pumpvorrichtung und einer Wasserversorgung der Spalt zwischen den Wandlern und der Oberfläche der Bramme mit Wasser gefüllt, so dass eine effektive Einkopplung der Schallwellen erfolgen kann. Vorzugsweise ist die Pumpvorrichtung von der Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit automatisiert steuerbar.According to a further preferred embodiment of the invention, the device has a water gap coupling for establishing an acoustic contact between the plurality of ultrasonic transducers and the metal slab. The gap between the transducers and the surface of the slab is filled with water by means of a pump device and a water supply, so that the sound waves can be coupled in effectively. The pump device can preferably be controlled automatically by the control and data processing unit.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Mehrzahl von Ultraschallwandlern zum Betrieb nach dem Sampling-Phased-Array-Verfahren konfiguriert. According to a further preferred embodiment of the invention, the plurality of ultrasonic transducers is configured for operation according to the sampling phased array method.

Dabei senden die Ultraschallwandler zeitlich versetzt zueinander jeweils ein divergentes Schallfeld aus, das an der Innenstruktur der Bramme gestreut wird. Das gestreute Feld wird von allen Wandlern zeitaufgelöst detektiert, so dass sich aus den Positionen der Wandler und den zeitlichen Verläufen der detektieren Signale auf die Innenstruktur zurückschließen lässt. Da nacheinander mehrere der räumlich verteilten Wandler als Schallquelle und Schallempfänger fungieren, ergibt sich ein entsprechend großer Datensatz an zeitlichen Signalen für die Rekonstruktion der Innenstruktur. Details zu diesem Verfahren lassen sich beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2004 059 856 B4 und DE 10 2005 051 781 A1 zu entnehmen.The ultrasonic transducers each emit a divergent sound field at different times, which is scattered on the inner structure of the slab. The scattered field is detected by all transducers in a time-resolved manner, so that the positions of the transducers and the temporal courses of the detected signals can be inferred from the internal structure. Since several of the spatially distributed transducers act as sound sources and sound receivers in succession, a correspondingly large data set of temporal signals results for the reconstruction of the internal structure. Details of this process can be found, for example, in the publications DE 10 2004 059 856 B4 and DE 10 2005 051 781 A1 refer to.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Mehrzahl von Ultraschallwandlern in einem oder mehreren Prüfköpfen zusammengefasst, die an verschiedenen Stellen der Bramme angekoppelt werden können.According to a preferred embodiment of the invention, the plurality of ultrasonic transducers are combined in one or more test heads, which can be coupled at different locations on the slab.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung einen Bildschirm zur Darstellung der tomografischen Bilder auf. Erfindungsgemäß bevorzugt ist der Bildschirm in die Prüf- und Auswertestation integriert, so dass sich die Steuerung der Sonde und des Prüfwagens, die Auswertung der Ultraschalldaten sowie die grafische Darstellung des Tomografiebildes zentral erfolgen kann.According to a further preferred embodiment of the invention, the device has a screen for displaying the tomographic images. According to the invention, the screen is preferably integrated in the test and evaluation station, so that the control of the probe and the test carriage, the evaluation of the ultrasound data and the graphic representation of the tomography image can take place centrally.

Vorzugsweise sind die Verfahreinheit und die Ultraschallwandler in einer mobilen Messeinheit zusammengefasst angeordnet.The travel unit and the ultrasound transducers are preferably arranged in a mobile measuring unit.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verfahreinheit mittels eines Verbindungsschlauchs mit der mobilen Messeinheit verbunden ist, wobei der Verbindungsschlauch eine Datenleitung zum Austausch von Mess- und Steuerungsdaten zwischen der Verfahreinheit sowie den Ultraschallwandlern und der Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit und/oder eine Stromversorgungsleitung zur Stromversorgung der Verfahreinheit sowie der Ultraschallwandler und/oder eine Wasserleitung zur Wasserversorgung der Wasserspaltankopplung aufweist. Der Verbindungsschlauch ist also vorzugsweise als Multifunktionsleitung ausgeführt, was eine schnelle und unkomplizierte Verbindung zwischen mobiler Messeinheit und Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit ermöglicht. Vorzugsweise ist der Verbindungsschlauch mittels einer Steck- und/oder Schraubverbindung an der mobien Messeinheit und der Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit montier- bzw. demontierbar. Vorteilhafterweise wird durch die Zusammenfassung der Datenleitung, der Stromleitung und der Wasserleitung die Handhabung der Vorrichtung durch eine Reduktion der Teile verbessert. Ferner kann der Abstand zwischen mobiler Messeinheit und Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit beliebig lang sein.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the moving unit is connected to the mobile measuring unit by means of a connecting hose, the connecting hose being a data line for exchanging measurement and control data between the moving unit and the ultrasonic transducers and the control and data processing unit and / or has a power supply line for supplying power to the moving unit and the ultrasonic transducer and / or a water line for supplying water to the water gap coupling. The connecting hose is therefore preferably designed as a multi-function line, which enables a quick and uncomplicated connection between the mobile measuring unit and the control and data processing unit. The connecting hose can preferably be assembled or disassembled on the mobile measuring unit and the control and data processing unit by means of a plug and / or screw connection. The combination of the data line, the power line and the water line advantageously improves the handling of the device by reducing the number of parts. Furthermore, the distance between the mobile measuring unit and the control and data processing unit can be of any length.

Denkbar ist ferner, dass die Ultraschallwandler jeweils kardanisch an der mobilen Messeinheit befestigt sind. Durch die kardanische Befestigung folgen die Ultraschallwandler Unebenheiten auf den Oberflächen der Metallbrammen und stellen so einen ständigen Kontakt zwischen Ultraschallwandler und Metallbramme sicher. Die Kraftwirkung zwischen den Ultraschallwandlern und der Metallbramme ergibt sich bevorzugt aus dem Eigengewicht der Ultraschallwandler. Vorzugsweise wird die Kraftwirkung durch eine Konterfeder reguliert.It is also conceivable that the ultrasound transducers are each gimbally attached to the mobile measuring unit. Due to the cardanic fastening, the ultrasonic transducers follow unevenness on the surfaces of the metal slabs and thus ensure constant contact between the ultrasonic transducer and the metal slab. The force effect between the ultrasonic transducers and the metal slab preferably results from the weight of the ultrasonic transducers. The force effect is preferably regulated by a counter spring.

Denkbar ist, dass die Ultraschallwandler an mindestens zwei Seiten der mobilen Messeinheit anordenbar sind. Denkbar ist ferner, dass die Ultraschallwandler Anregung von Schallwellen in mindestens zwei Richtungen angeordnet werden können. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise, dass bei einer Richtungsänderung bei der Ultraschallprüfung nicht die mobile Messeinheit gedreht, sondern einfach die Ultraschallwandler umorientiert werden können. Denkbar ist, dass die Ultraschallwandler manuell oder automatisiert von einer Seite der mobilen Messeinheit auf eine andere Seite der mobilen Messeinheit umpositioniert werden können. Denkbar ist ferner, dass die Ultraschallwandler automatisiert von einer Richtung der Anregung von Schallwellen auf eine andere Richtung der Anregung von Schallwellen umpositioniert werden können. Dies ermöglicht weiterhin, Randbereiche einer Metallbramme in beliebiger Richtung zu befahren und zu prüfen, ohne dabei die Standfähigkeit der mobilen Messeinheit auf der Metallbramme zu beeinträchtigen.It is conceivable that the ultrasonic transducers can be arranged on at least two sides of the mobile measuring unit. It is also conceivable that the ultrasound transducers can be arranged to excite sound waves in at least two directions. This advantageously makes it possible that when the direction changes during the ultrasound test, the mobile measuring unit is not rotated, but the ultrasound transducers can simply be reoriented. It is conceivable that the ultrasonic transducers can be repositioned manually or automatically from one side of the mobile measuring unit to another side of the mobile measuring unit. It is also conceivable that the ultrasound transducers can be automatically repositioned from one direction of excitation of sound waves to another direction of excitation of sound waves. This also enables edge areas of a metal slab to be driven and checked in any direction without impairing the stability of the mobile measuring unit on the metal slab.

Vorzugsweise weist die mobile Messeinheit Rollen zur Ermittlung einer örtlichen Position und/oder zum Antrieb der mobilen Messeinheit auf der Metallbramme auf. Dazu ist denkbar, dass die Rollen Weggeber mit einer örtlichen Auflösung von besser als 0,5 mm aufweisen. Ferner ist denkbar, dass die Rollen beim Antrieb der mobilen Messeinheit eine Positioniergenauigkeit von unter 0,5 mm aufweisen. Die Richtigkeit der Positionsbestimmung der Ultraschallwandler beeinflusst das Ergebnis der Ultraschallprüfung. Da die tomografische Rekonstruktion phasenempfindlich ist und auf kohärenter Überlagerung der Ultraschalldaten beruht, führt eine mögliche Abweichung der ermittelten Position der Ultraschallwandler von ihrem Ist-Wert zur fehlerhaften Interferenz der projizierten Daten und, als Folge, zur Reduktion des Signal-Rausch-Verhältnisses in resultierendem Rekonstruktionsbild. Also ist die Genauigkeit der Positionierung der mobilen Messeinheit sowie der Bestimmung ihrer Position ein wichtiger Parameter des Prüfsystems. The mobile measuring unit preferably has rollers for determining a local position and / or for driving the mobile measuring unit on the metal slab. It is also conceivable that the rollers have displacement sensors with a local resolution of better than 0.5 mm. It is also conceivable that the rollers have a positioning accuracy of less than 0.5 mm when driving the mobile measuring unit. The correctness of the position determination of the ultrasonic transducers influences the result of the ultrasonic test. Since the tomographic reconstruction is phase-sensitive and is based on a coherent superimposition of the ultrasound data, a possible deviation of the determined position of the ultrasound transducers from their actual value leads to incorrect interference of the projected data and, as a result, to a reduction in the signal-to-noise ratio in the resulting reconstruction image , So the accuracy of the positioning of the mobile measuring unit and the determination of its position is an important parameter of the test system.

Vorzugsweise ist die Datenleitung zur optischen Datenübertragung konfiguriert. Durch die optische Datenübertragung, können umfangreiche Datenströme innerhalb kürzester Zeit über lange Strecken übertragen werden. Die Übertragung der Datenströme ist resistent gegenüber externen elektromagnetischen Störeinflüssen.The data line is preferably configured for optical data transmission. Thanks to the optical data transmission, extensive data streams can be generated over a long period of time Routes are transmitted. The transmission of the data streams is resistant to external electromagnetic interference.

Werden die Ultraschallwandler nach dem Sampling Phased Array Prinzip betrieben, werden also an jeder einzelnen Messposition alle N Ultraschallwandler nacheinander angeregt und von jedem von diesen Ultraschallsignale gesendet und empfangen, so werden an einer Messposition insgesamt NxN Ultraschallsignale aufgenommen, die nichtkomprimiert zu der Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit für die weitere Bearbeitung übertragen werden müssen. Hohe Anzahl der einzelnen hochfrequenten Ultraschallsignale, die Tiefe des Prüfbereiches, die erhöhten Anforderungen an die Prüfgeschwindigkeit und der Bedarf, die Daten in Echt-Zeit zu rekonstruieren, fordern einen schnellen und stabilen Datenfluss. (Eine optische Datenverarbeitung gewährleistet zum Beispiel die Bearbeitung der Ultraschalldaten mit einer Frequenz von 60 Hz bei einer Tiefe des Prüfbereiches von 300 mm und einer Digitalisierungsrate von 40 Ms/s.)If the ultrasound transducers are operated according to the sampling phased array principle, i.e. if all N ultrasound transducers are excited one after the other at each individual measuring position and each of them sends and receives ultrasound signals, then a total of NxN ultrasound signals are recorded at one measuring position, which are not compressed to the control and data processing unit must be transferred for further processing. The high number of individual high-frequency ultrasound signals, the depth of the test area, the increased demands on the test speed and the need to reconstruct the data in real time require a fast and stable data flow. (Optical data processing ensures, for example, the processing of the ultrasound data with a frequency of 60 Hz at a depth of the test area of 300 mm and a digitization rate of 40 Ms / s.)

Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen beweglichen Wasservorratsbehälter zum Bereitstellen von Wasser für die Wasserversorgung der Wasserspaltankopplung auf. Denkbar ist, dass der Wasservorratsbehälter circa 60 Liter Wasser fasst. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise einen Einsatz der Vorrichtung mit Wasserspaltkopplung auch in Bereichen, in denen kein Wasseranschluss vorhanden ist.The device preferably has a movable water reservoir for providing water for the water supply of the water gap coupling. It is conceivable that the water reservoir holds approximately 60 liters of water. This advantageously allows the device with water gap coupling to be used even in areas in which there is no water connection.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird weiterhin ein Verfahren zur in-situ Qualitätsprüfung von Metallbrammen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, wobei die Metallbramme durch ein Stranggießverfahren hergestellt wird und die Mehrzahl von Ultraschallwandlern entlang einer Prüfspur an der Fläche der Metallbramme geführt wird, wobei an einer Mehrzahl von Positionen eine tomografische Ultraschallprüfung der Innenstruktur der Metallbramme erfolgt, wobei eine Klassifizierung einer Fehlerausprägung der Metallbramme anhand einer tomografisch erfassten Innenrissausprägung und/oder Innenrisshäufigkeit und/oder Kernporosität erfolgt, wobei die Klassifizierung durch einen Vergleich der tomografischen Ultraschallprüfung mit einer Richtreihe oder vorzugsweise rechnergestützt erfolgt. Die vorausgehend beschriebene Prüfvorrichtung lässt sich direkt in ein bestehendes Herstellungssystem integrieren. Dazu wird die Ultraschallprüfung der Brammen unmittelbar im Anschluss an den Strangguss durchgeführt. Die Oberflächenqualität der Bramme entspricht daher dem Gießzustand nach dem Abkühlen. Teilweise können die Brammenoberflächen direkt nach dem Gießen mit losem Zunder belegt sein. Die Brammen können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne besondere Vorbereitung durch einen Strahl- oder Schleifvorgang der Prüfung unterzogen werden. Loser Zunder kann dabei beispielsweise vor der Prüfung mit einem Stahldrahtbesen durch Fegen mechanisch entfernt werden. Die Brammen sind in der Regel trocken, fallweise können Teilbereiche der Brammenoberfläche feucht sein. Über die tomografische Abbildung der Innenstruktur der Bramme lässt sich eine Qualitätsprüfung durchführen, in der Materialfehler bereits unmittelbar nach der Herstellung festgestellt werden können. Da beispielsweise Innenrissbefall an Brammen zu schwerwiegenden Betriebsstörung führen kann, ist eine solche Prüfung für den störungsfreien Ablauf des Produktionsprozesses von großer Relevanz.To achieve the object mentioned at the outset, a method for in-situ quality inspection of metal slabs with the device according to the invention is also proposed, the metal slab being produced by a continuous casting process and the plurality of ultrasound transducers being guided along a test track on the surface of the metal slab, one at a A plurality of positions are subjected to a tomographic ultrasound check of the internal structure of the metal slab, with a classification of an error characteristic of the metal slab based on a tomographically recorded internal crack level and / or internal crack frequency and / or core porosity, the classification being carried out by comparing the tomographic ultrasound test with a standard series or, preferably, with the aid of a computer , The test device described above can be integrated directly into an existing manufacturing system. For this purpose, the slabs are ultrasonically checked immediately after the continuous casting. The surface quality of the slab therefore corresponds to the pouring condition after cooling. In some cases, the slab surfaces can be covered with loose scale immediately after casting. With the device according to the invention, the slabs can be subjected to the test without special preparation by a blasting or grinding process. Loose scale can, for example, be mechanically removed by sweeping with a steel wire broom before testing. The slabs are usually dry; in some cases, parts of the slab surface can be damp. A quality check can be carried out using the tomographic image of the inner structure of the slab, in which material defects can be identified immediately after production. Since, for example, an internal crack on slabs can lead to serious malfunctions, such a check is of great relevance for the trouble-free operation of the production process.

Die Bewertung der Inneneigenschaften kann anhand beliebiger Merkmale, wie Rissen und Lunkern sowie deren geometrischer Gestalt und Lage im Werkstoffvolumen stattfinden. Die erfindungsgemäße tomografische Ultraschallprüfung ermöglicht eine detaillierte und ortsaufgelöste Erfassung der Inneneigenschaften der Bramme und deren Auffälligkeiten. Vorteilhafterweise bleiben dabei die ursprünglichen Dimensionen, Material- und Werkstoffeigenschaften der Bramme erhalten, da keine Probenahme erforderlich ist und so keine Einschränkungen bei der anschließenden Verplanung in der nachfolgenden Prozesskette bestehen. Voraussetzung für eine praktisch verwertbare Klassifizierung der Inneneigenschaften von Brammen mit zerstörungsfreien Prüfmethoden ist, dass die Prüfergebnisse die gleichen Zusammenhänge darstellen, wie diese mit bekannten Richtreihen auf Basis herkömmlicher metallografischer Prüfverfahren nachgewiesen sind. Dabei muss das eingesetzte Prüfverfahren eine vergleichbare Qualität gegenüber Darstellungen vom Brammengefüge durch metallografische Verfahren zeigen. Nur so wird ein unmittelbarer, quantifizierbarer Zusammenhang hergestellt.The internal properties can be assessed on the basis of any features, such as cracks and cavities, as well as their geometric shape and position in the material volume. The tomographic ultrasound test according to the invention enables a detailed and spatially resolved recording of the internal properties of the slab and their abnormalities. Advantageously, the original dimensions, material and material properties of the slab are retained since no sampling is required and there are no restrictions in the subsequent planning in the subsequent process chain. A prerequisite for a practically usable classification of the internal properties of slabs with non-destructive test methods is that the test results represent the same relationships as are proven with known guidelines based on conventional metallographic test methods. The test method used must show a comparable quality to representations of the slab structure using metallographic methods. This is the only way to establish a direct, quantifiable relationship.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt anhand der Fehlerausprägung der Metallbramme eine Optimierung von Prozessparametern des Stranggießverfahrens. Durch das erfindungsgemäße in-situ Verfahren lässt sich der Zusammenhang zwischen der Brammenqualität und verschiedenen Prozessparametern, wie beispielsweise Gießgeschwindigkeit, Kühltemperatur oder den Abmessungen des Metallstrangs herstellen. Auf diese Weise ist vorteilhafterweise eine direkte Rückkopplung der Ergebnisse auf die Anlagenparameter und eine Optimierung des Anlagenarbeitspunkts möglich.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, process parameters of the continuous casting process are optimized on the basis of the defect character of the metal slab. The in-situ method according to the invention makes it possible to establish the relationship between the slab quality and various process parameters, such as casting speed, cooling temperature or the dimensions of the metal strand. In this way, a direct feedback of the results to the plant parameters and an optimization of the plant operating point is advantageously possible.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verläuft die Prüfspur in Gießrichtung und/oder quer zur Gießrichtung der Metallbramme. Damit lässt sich vorteilhafterweise eine Abtastung realisieren, die den räumlichen Verlauf der Innenstruktur in einer Ebene quer oder parallel zur Gießrichtung abbildet. Bei einer Abtastung, bei der die Prüfspur in Gießrichtung verläuft, lässt sich so beispielsweise auch die Auswirkung einer zeitlichen Veränderung der Prozessparameter verfolgen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet die Mehrzahl von Positionen ein gleichmäßiges Raster der Fläche der Metallbramme.According to a further preferred embodiment of the method according to the invention, the test track runs in the pouring direction and / or transverse to the pouring direction of the metal slab. This advantageously makes it possible to implement a scan which depicts the spatial course of the inner structure in a plane transverse or parallel to the casting direction. at a scan in which the test track runs in the casting direction, the effect of a change in the process parameters over time can also be tracked. According to a further preferred embodiment of the method according to the invention, the plurality of positions forms a uniform grid of the surface of the metal slab.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Klassifizierung der Fehlerausprägung anhand einer tomografisch erfassten Innenrissausprägung und/oder Innenrisshäufigkeit und/oder Kernporosität. Die Innenrissausprägung bzw. Innenrisshäufigkeit die sich auf diese Weise klassifizieren lässt, beginnt mit dem Auftreten vereinzelter außermittiger Risse, die zunächst in ihrer Häufigkeit und anschließend in ihrer Ausprägung zunehmen. Dabei können sich die Risse bis über die Kernzone der Bramme hinaus entwickeln und/oder sich teilweise verzweigen. Die Ausprägung der Kernporosität beginnt mit einer aufgelockerten, unterbrochenen schmalen Kernporosität und nimmt bezüglich ihrer Intensität und Durchgängigkeit zu. Damit lässt sich vorteilhafterweise eine Abstufung der Ausprägung und/oder Häufigkeit der spezifischen Auffälligkeit der dargestellten Ultraschallsignale in Klassen vornehmen. Diese Klassen lassen sich beispielsweise in Form einer Richtreihe zur Bewertung der Kernzonenausprägung und der Häufigkeit und Ausprägung von Rissen im Materialinneren, sowie zur Bewertung anderer prozessrelevanter Parameter anwenden. Auf diese Weise liegt bereits innerhalb der Prozessfolge ein umfassendes, durch Richtreihen klassifiziertes Prüfergebnis über die Innenqualität der gesamten Bramme vor, welche vorzugsweise in-situ zur Materialsteuerung bzw. Prozessverbesserung genutzt werden kann. Damit kann direkt nach dem Umformverfahren die weitere Verarbeitung entsprechend den vorhandenen Inneneigenschaften optimiert werden. Die Klassifizierung erfolgt durch einen Vergleich mit den Richtreihen oder vorzugsweise rechnergestützt.According to a further preferred embodiment of the method according to the invention, the fault expression is classified on the basis of a tomographically recorded inner crack characteristic and / or inner crack frequency and / or core porosity. The internal crack characteristics or frequency of internal cracks that can be classified in this way begins with the occurrence of isolated off-center cracks, which first increase in frequency and then in their characteristics. The cracks can develop beyond the core zone of the slab and / or branch partially. The form of the core porosity begins with a loosened, interrupted narrow core porosity and increases in intensity and continuity. This allows the gradation of the expression and / or frequency of the specific abnormality of the ultrasound signals shown to be advantageously divided into classes. These classes can be used, for example, in the form of a series of guidelines for evaluating the core zone characteristics and the frequency and characteristics of cracks in the material interior, as well as for evaluating other process-relevant parameters. In this way, a comprehensive test result for the internal quality of the entire slab, which is classified by reference series, is already available within the process sequence, which can preferably be used in-situ for material control or process improvement. This allows further processing to be optimized according to the existing internal properties directly after the forming process. The classification is carried out by comparison with the standard series or, preferably, computer-aided.

Vorzugsweise werden die Ultraschallwandler so angeordnet, dass eine akustische Achse eines erzeugten Schallfeldes in der Metallbramme unter einem Winkel von 40° bis 70° zur Oberfläche der Metallbramme angeordnet ist. Diese Schrägeinschallung wird vorzugsweise durch einen entsprechenden Vorlaufkeil aus Kunststoff realisiert. Der Nachweis von vertikalen (das heißt, normal zur Oberfläche orientierten) Rissen basiert auf dem Empfang von an der Ungänze gestreuten Ultraschallsignalen. Die Intensität des Ultraschallsignals am Empfänger ist winkelabhängig. Sie hängt sowohl vom Auftreffwinkel des Ultraschallsignals auf das streuende bzw. reflektierende Objekt als auch von der Richtung ab, in der der Empfänger zum Objekt angeordnet ist. Ein ausgedehntes flächenhaftes vertikal angeordnetes reflektierendes Objekt, wie ein Riss, wird am besten nachgewiesen, wenn es unter einem Winkel 20°-50° mit Ultraschall beschallt wird. Das entspricht dem Einschallwinkel des Prüfkopfes 40° bis 70°.The ultrasonic transducers are preferably arranged in such a way that an acoustic axis of a generated sound field in the metal slab is arranged at an angle of 40 ° to 70 ° to the surface of the metal slab. This oblique sound reinforcement is preferably realized by a corresponding leading wedge made of plastic. The detection of vertical cracks (that is, oriented normal to the surface) is based on the reception of ultrasound signals scattered on the incomplete. The intensity of the ultrasound signal at the receiver depends on the angle. It depends both on the angle of incidence of the ultrasound signal on the scattering or reflecting object and on the direction in which the receiver is arranged towards the object. An extensive, flat, vertically arranged reflecting object, such as a crack, is best detected if it is sonicated at an angle of 20 ° -50 °. This corresponds to the insonification angle of the test head 40 ° to 70 °.

Vorzugsweise werden die Daten aus der zeitaufgelösten Detektion von an der Innenstruktur der Metallbramme gestreuten und/oder reflektierten Schallwellen mit einem Positionstrigger versehen. Damit werden die Daten aus der Detektion der gestreuten und/oder reflektierten Schallwellen mit entsprechenden Ortskoordinaten versehen. Für eine korrekte Rekonstruktion der Ultraschalldaten ist es förderlich, wenn die hochfrequenten Signale sehr ortsgetreu projiziert werden. Dies wird durch dadurch vorteilhaft erreicht, dass die detektierten Schallwellen umgehend mit einem Positionstrigger versehen werden.The data from the time-resolved detection of sound waves scattered and / or reflected on the inner structure of the metal slab are preferably provided with a position trigger. The data from the detection of the scattered and / or reflected sound waves are thus provided with corresponding location coordinates. For a correct reconstruction of the ultrasound data, it is beneficial if the high-frequency signals are projected very accurately. This is advantageously achieved in that the detected sound waves are immediately provided with a position trigger.

Figurenlistelist of figures

1 shows schematically a metal slab with a test track and a test level according to an embodiment of the method according to the invention.
2a-2c show a schematic representation of the test method according to the invention.
3 shows a schematic representation of two exemplary guideline series for internal crack characteristics / frequency and core porosity.
4 shows a schematic representation of a device according to an exemplary embodiment of the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.In the different figures, the same parts are always provided with the same reference numerals and are therefore usually only named or mentioned once.

In 1 ist schematisch eine Metallbramme 1 mit einer Prüfspur 4 und einer zugehörigen Prüfebene 5 gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens abgebildet. Die Prüfung erfolgt durch eine oder mehrere Sonden, die an einer Fläche 7 der Bramme 1 angeordnet und entlang diskreter Prüfspuren 4 bewegt werden, so dass während eines Messvorgangs die Prüfspur 4 in ihrer Gesamtlänge (bis zu 12 Meter) erfasst wird. Hierbei wird die jeweils unter der Prüfspur 4 liegende Prüfebene 5 mittels des erfindungsgemäßen tomografischen Verfahrens abgebildet.In 1 is schematically a metal slab 1 with a test track 4 and an associated test level 5 mapped according to an embodiment of the method according to the invention. The test is carried out by one or more probes on a surface 7 the slab 1 arranged and along discrete test tracks 4 be moved so that the test track during a measurement process 4 in their total length (up to 12 meters) is recorded. Here is the under the test track 4 horizontal test level 5 imaged by means of the tomographic method according to the invention.

Aufgrund der Eigenschaften des Schallfeldes, der Datenverarbeitung und durch die mechanische Führung des Prüfkopfes ergeben sich eingeschränkte Nachweisempfindlichkeiten im Werkstoffvolumen der Bramme 1 auf der prüfkopfzugewandten Oberseite 7, der Unterseite, sowie am Brammenkopf 3 und in der Nähe des Brammenfußes 2. Im abgebildeten Beispiel ist die Prüfspur 4 parallel zur Gießrichtung 6 orientiert, so dass entlang dieser Richtung ein vollständiger Verlauf der Innenstruktur erfasst wird, wobei insbesondere das Auftreten einer lokalisierten Rissebene 5' detektiert wird.Due to the properties of the sound field, the data processing and the mechanical guidance of the test head, there are limited detection sensitivities in the material volume of the slab 1 on the top facing the probe 7 , the underside and the slab head 3 and near the slab foot 2 , In the example shown is the test track 4 parallel to the casting direction 6 oriented so that a complete course of the inner structure is detected along this direction, in particular the occurrence of a localized crack plane 5 ' is detected.

In den 2a-2c ist schematisch das Verfahren der erfindungsgemäßen tomografischen Ultraschallprüfung skizziert. Wie in 2a dargestellt, ist eine Gruppe von Ultraschallwandlern 8 an einem, an der Bramme 1 anliegenden Vorlaufkeil 9 angeordnet, so dass die Ultraschallwellen 11 über den Vorlaufkeil 9 in die Bramme 1 eingekoppelt werden. Die Wandler 8 fungieren hier sowohl als Schallquellen als auch als Detektionselemente. Die Prüfsoftware 23 steuert dabei die Ultraschallelektronik 22 und übernimmt die Erfassung und Auswertung der von den Wandlern 8 detektierten Signale. Beim Sampling-Phased-Array-Verfahren regt ein einzelner Wandler aus der Gruppe 8 ein stark divergentes Schallfeld 11 an, das sich hier über den Vorlaufkeil 9 in das Innere der Bramme 1 ausbreitet und an ihrer Materialstruktur gestreut wird. In der Abbildung ist beispielhaft eine Ungänze 10 im Material angedeutet, an der, wie in 2b dargestellt, die einfallende Schallwelle 11 zurückgestreut wird. Die Streuwelle 12 wandert durch den Vorlaufkeil 9 und erreicht die Wandler 8, wo die Amplitude der Streuwelle 12 in jedem Wandler 8 zeitaufgelöst in Form eines Laufzeitsignals 13 detektiert wird. Der Vorgang wird so oft wiederholt, bis jeder Wandler aus der Gruppe 8 einmal gesendet hat. Der Streuvorgang wird hier am Beispiel eines lokalisierten Streuzentrums 10 dargestellt. Eine Streuung der einfallenden Welle 11 erfolgt jedoch prinzipiell im gesamten Volumen der Bramme 1, wobei das Streuvermögen (und damit die Intensität des zurückgeworfenen Schalls 12) durch die Inhomogenität der Materialstruktur räumlich variiert.In the 2a-2c the method of the tomographic ultrasound examination according to the invention is schematically outlined. As in 2a is a group of ultrasonic transducers 8th on one, on the slab 1 adjacent wedge 9 arranged so that the ultrasonic waves 11 over the lead wedge 9 into the slab 1 be coupled. The converters 8th act here both as sound sources and as detection elements. The testing software 23 controls the ultrasound electronics 22 and takes over the acquisition and evaluation of that from the converters 8th detected signals. In the sampling phased array method, a single converter from the group excites 8th a strongly divergent sound field 11 at the here over the wedge 9 inside the slab 1 spreads and is scattered on their material structure. An example is a discrepancy in the illustration 10 indicated in the material on which, as in 2 B shown the incident sound wave 11 is scattered back. The scattering wave 12 wanders through the wedge 9 and reaches the converter 8th where the amplitude of the stray wave 12 in every converter 8th time-resolved in the form of a runtime signal 13 is detected. The process is repeated until each converter from the group 8th sent once. The spreading process is shown here using the example of a localized spreading center 10 shown. A scattering of the incident wave 11 in principle, however, takes place in the entire volume of the slab 1 , whereby the scattering capacity (and thus the intensity of the reflected sound 12 ) varies spatially due to the inhomogeneity of the material structure.

Die individuellen Laufzeitsignale 13 aller Wandler 8 werden für jeden Sendevorgang erfasst und in einer Datenmatrix abgelegt. Die Schallwellen 11 werden also nacheinander an räumlich getrennten Punkten (den Positionen der Wandler 8) ausgesendet und der zurückgeworfene Schall 12 wird für jeden Sendevorgang von allen Wandlern 8 zeitlich aufgelöst detektiert. Dadurch wird eine genaue Rekonstruktion der Innenstruktur der Bramme 1 ermöglicht. Wie in 2c dargestellt, wird dazu von der Prüfsoftware der Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit 23 durch Rückpropagation des detektierten Schallfeldes 12 ein Modell 19 der Innenstruktur erstellt. Der abgetastete Abschnitt wird dazu in Volumenelemente 20 diskretisiert und die Laufzeitsignale 13 der Wandler 8 in das Volumen zurückprojiziert und in jedem Volumenelement 20 überlagert. Aus der durch die Überlagerung berechneten Intensität kann direkt darauf zurückgeschlossen werden, wie stark der Schall in dem jeweiligen Volumenelement 20 gestreut wurde, so dass auf diese Weise die gesamte Innenstruktur (in Form des ortsaufgelösten Streuvermögens) rekonstruiert wird.The individual runtime signals 13 all converters 8th are recorded for each transmission process and stored in a data matrix. The sound waves 11 are thus successively at spatially separated points (the positions of the transducers 8th ) and the reflected sound 12 is used for every transmission process by all converters 8th detected in a temporally resolved manner. This will allow an exact reconstruction of the inner structure of the slab 1 allows. As in 2c is represented by the test software of the control and data processing unit 23 by backpropagation of the detected sound field 12 a model 19 of the interior structure. For this purpose, the scanned section is divided into volume elements 20 discretized and the runtime signals 13 the converter 8th projected back into the volume and in each volume element 20 superimposed. From the intensity calculated by the superimposition, one can directly deduce how strong the sound is in the respective volume element 20 was scattered, so that the entire interior structure (in the form of spatially resolved scattering capacity) is reconstructed.

Das rekonstruierte zweidimensionale Bild wird Sektor-B-Bild genannt. Die tomografische Rekonstruktion gewährleistet eine ortsgetreue Darstellung des Inneren des geprüften Objektes innerhalb des beschallten Bereichs und die quantitative Aussage zur Lage, Form und Größe der Befunde.The reconstructed two-dimensional image is called a sector B image. The tomographic reconstruction ensures a true-to-location representation of the interior of the examined object within the sonicated area and the quantitative information about the location, shape and size of the findings.

Bei mehreren Messstellen (z.B. mit mechanisiertem Abtasten des Objektes mit vorgegebenem oder variiertem Messabstand) können die rekonstruierten Ergebnisbilder der einzelnen Messpositionen in einem Gesamtbild überlagert werden (Compound B-Scan). Auf diese Weise erhält man ein quantitatives Bild des gesamten abgetasteten Bereichs. Zusätzlich werden in diesem summierten Bild die Genauigkeit des Ergebnisses und die Zuverlässigkeit der Prüfung durch die Zunahme der nützlichen akustischen Information verbessert.In the case of several measuring points (e.g. with mechanized scanning of the object with a specified or varied measuring distance), the reconstructed result images of the individual measuring positions can be overlaid in an overall image (compound B-scan). In this way, a quantitative image of the entire scanned area is obtained. In addition, in this summed image, the accuracy of the result and the reliability of the test are improved by the increase in the useful acoustic information.

In 3 sind schematisch zwei beispielhafte Richtreihen 14, 17 für Innenrissausprägung/- häufigkeit und Kernporosität abgebildet. Die im oberen Teil von 3 dargestellte Richtreihe für die Innenrissausprägung bzw. Innenrisshäufigkeit besteht aus einer Abfolge von fünf Bildern auf denen eine zunehmend stärker ausgeprägte Innenrissbildung abgebildet ist. Die Abfolge beginnt von links mit dem Auftreten vereinzelter außermittiger Risse 16, die zunächst in ihrer Häufigkeit und anschließend in ihrer Ausprägung zunehmen. Dabei können sich die Risse bis über die Kernzone (unmittelbar um die Kernseigerung 15 herum) der Bramme hinaus entwickeln und/oder sich teilweise verzweigen.In 3 are schematically two exemplary guidelines 14 . 17 for internal crack characteristics / frequency and core porosity. The one in the upper part of 3 The illustrated series of guidelines for the occurrence of internal cracks or the frequency of internal cracks consists of a sequence of five images on which an increasingly pronounced formation of internal cracks is shown. The sequence starts from the left with the occurrence of isolated off-center cracks 16 which first increase in frequency and then in their expression. The cracks can spread over the core zone (immediately around the core segregation 15 around) the slab develop and / or branch partially.

Die im unteren Bild dargestellte Richtreihe 17 für die Ausprägung der Kernporosität 18 beginnt links mit einer aufgelockerten, unterbrochenen schmalen Kernporosität 18 und nimmt bezüglich ihrer Intensität und Durchgängigkeit zu.The series of guidelines shown in the picture below 17 for the expression of the core porosity 18 begins on the left with a loosened, interrupted narrow core porosity 18 and increases in intensity and continuity.

Mit einer solchen Einteilung lässt sich vorteilhafterweise eine Abstufung der Ausprägung und/oder Häufigkeit der spezifischen Auffälligkeit der dargestellten Ultraschallsignale in Klassen vornehmen anhand derer sich die Brammenqualität quantifizieren lässt.With such a division, the grading of the expression and / or frequency of the specific conspicuity of the ultrasound signals shown can be advantageously divided into classes, by means of which the slab quality can be quantified.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 2a dargestellt, ist hier ebenfalls eine Gruppe von Ultraschallwandlern 8 an einem, an der Bramme 1 anliegenden Vorlaufkeil 9 angeordnet, so dass die Ultraschallwellen über den Vorlaufkeil 9 in die Bramme 1 eingekoppelt werden. Die Wandler 8 fungieren hier sowohl als Schallquellen als auch als Detektionselemente. Die Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit 23 steuert dabei die Ultraschallelektronik 22 und übernimmt die Erfassung und Auswertung der von den Wandlern 8 detektierten Signale. Zusätzlich zu den in 2a gezeigten Merkmalen sind hier die Ultraschallelektronik zusammen mit den Ultraschallwandlern 8 und der Verfahreinheit 26 zu der mobilen Messeinheit 25 zusammengefasst. Die Ultraschallwandler 8 und mit ihnen der Vorlaufkeil 9 sind kardanisch an der Verfahreinheit 26 befestigt, so dass Unebenheiten auf der Oberfläche der Metallbramme 1 ausgeglichen werden können. Die Ultraschallwandler 8 sind ferner an der Vorder- und an der Rückseite der mobilen Messeinheit 25 anordenbar und können automatisiert von der Vorder- zur Rückseite und zurück umpositioniert werden. Ebenfalls ist vorgesehen, dass die Ultraschallwandler 8 zur Anregung von Schallwellen in mindestens zwei Richtungen, nämlich mit einer Richtungskomponente nach links oder mit einer Richtungskomponente nach rechts, angeordnet werden können. Dazu wird der Vorlaufkeil 9 gedreht (hier nicht dargestellt). Die Vorrichtung weist einen Verbindungsschlauch 24 auf, welcher die mobile Messeinheit 25 mit der Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit 23 verbindet. Dabei ist der Verbindungsschlauch 24 als Multifunktionsleitung ausgeführt und weist eine Datenleitung zum Austausch von Mess- und Steuerungsdaten zwischen der Ultraschallelektronik 22 und der Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheit 23, eine Stromversorgungsleitung zur Stromversorgung der Verfahreinheit 26 sowie der Ultraschallwandler 8 und der Ultraschallelektronik 22 und eine Wasserleitung zur Wasserversorgung einer nicht gezeigten Wasserspaltankopplung auf. Die Wasserspaltankopplung stellt den akustischen Kontakt zwischen den Ultraschallwandlern 8 und der Metallbramme 1 her und speist sich über der Verbindungsschlauch 24 aus einem Wasservorratsbehälter mit Wasser. 4 shows a schematic representation of a device according to an exemplary embodiment of the present invention. As in 2a shown here is also a group of ultrasonic transducers 8th on one, on the slab 1 adjacent wedge 9 arranged so that the ultrasonic waves over the leading wedge 9 into the slab 1 be coupled. The converters 8th act here both as sound sources and as Detection elements. The control and data processing unit 23 controls the ultrasound electronics 22 and takes over the acquisition and evaluation of that from the converters 8th detected signals. In addition to the in 2a Features shown here are the ultrasound electronics together with the ultrasound transducers 8th and the moving unit 26 to the mobile measuring unit 25 summarized. The ultrasonic transducers 8th and with them the leading wedge 9 are gimbaled on the moving unit 26 attached so that bumps on the surface of the metal slab 1 can be compensated. The ultrasonic transducers 8th are also on the front and back of the mobile measuring unit 25 can be arranged and can be automatically repositioned from the front to the back and back. It is also provided that the ultrasonic transducers 8th to excite sound waves in at least two directions, namely with a directional component to the left or with a directional component to the right. For this, the leading wedge 9 rotated (not shown here). The device has a connecting hose 24 on which is the mobile measurement unit 25 with the control and data processing unit 23 combines. Here is the connecting hose 24 designed as a multi-function line and has a data line for the exchange of measurement and control data between the ultrasound electronics 22 and the control and data processing unit 23 , a power supply line for the power supply of the moving unit 26 as well as the ultrasonic transducer 8th and ultrasound electronics 22 and a water pipe for the water supply of a water gap coupling, not shown. The water gap coupling provides the acoustic contact between the ultrasonic transducers 8th and the metal slab 1 and feeds itself over the connecting hose 24 from a water reservoir with water.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Metallbrammemetal slab
22: BrammenfußBrammenfuß
33: Brammenkopfslabs head
44: PrüfspurPrüfspur
55: Prüfebenetest plane
5`5`: Rissebenecrack plane
66: Gießrichtungcasting
77: Fläche der BrammeArea of the slab
88th: Ultraschallwandlerultrasound transducer
99: Vorlaufkeilforward wedge
1010: Ungänzediscontinuity
1111: ausgesendete Schallwelleemitted sound wave
1212: gestreute Schallwellescattered sound wave
1313: detektiertes Laufzeitsignaldetected transit time signal
1414: Richtreihe für Innenrissausprägung/-häufigkeitStandard series for the occurrence / frequency of internal cracks
1515: Kernseigerungcentral segregation
1616: Innenrissinterior plan
1717: Richtreihe für KernporositätGuideline series for core porosity
1818: Kernporositätcore porosity
1919: rekonstruiertes Modell der Brammereconstructed model of the slab
2020: rekonstruiertes Volumenelementreconstructed volume element
2121: projiziertes Laufzeitsignalprojected runtime signal
2222: Ultraschallelektronikultrasonic electronics
2323: Steuerungs- und DatenverarbeitungseinheitControl and data processing unit
2424: Verbindungsschlauchconnecting hose
2525: mobile Messeinheitmobile measuring unit
2626: Verfahreinheittraversing

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102013223083 A1 [0003]
DE 102014222497 A1 [0003]
DE 102013224184 A1 [0003]
DE 102015209542 A1 [0003]
DE 102004059856 B4 [0013]
DE 102005051781 A1 [0013]

Claims

Device for tomographic ultrasound testing of an internal structure of a metal slab (1), comprising a plurality of ultrasound transducers (8) and a control and data processing unit (23), characterized in that the plurality of ultrasound transducers (8) on a surface (7) of the metal slab ( 1), the control and data processing unit (23) being configured in such a way that at least some of the ultrasound transducers (8) are controlled individually and in succession to excite sound waves in the metal slab (1), the plurality of ultrasound transducers (8 ) is configured for the time-resolved detection of sound waves scattered and / or reflected on the inner structure of the metal slab (1), the control and data processing unit (23) being configured for the reconstruction of tomographic images based on time signals detected by the ultrasonic transducers (8).

Device according to Claim 1 The control and data processing unit (23) is configured such that the time signals detected by the ultrasound transducers (8) are stored for each excitation process and the reconstruction of a tomographic image is based on the evaluation of time signals from different excitation processes.

Device according to Claim 1 or 2 , The plurality of ultrasonic transducers (8) being arranged on the surface (7) of the metal slab (1) so as to be movable with a mechanical displacement unit (26).

Device according to Claim 3 , wherein the moving unit (26) is designed as a motor-driven test vehicle or robot arm.

Device according to one of the preceding claims, wherein the moving unit (26) has a rail system.

Device according to one of the preceding claims, wherein the device has a water gap coupling for establishing an acoustic contact between the plurality of ultrasonic transducers (8) and the metal slab (1).

Device according to one of the preceding claims, wherein the plurality of ultrasonic transducers (8) is configured to operate as a sampling phased array sensor.

Device according to one of the preceding claims, wherein the device has a screen for displaying the tomographic images.

Device according to one of the Claims 3 to 8th , wherein a mobile measuring unit (25) of the device comprising the moving unit (26) and ultrasound electronics (22) is connected to the control and data processing unit (23) by means of a connecting hose (24), the connecting hose (24) being a data line for exchange of measurement and control data between the mobile measuring unit (25) and the control and data processing unit (23) and / or a power supply line for supplying power to the moving unit (26) and the ultrasonic transducer (8) and / or a water line for supplying water to the water gap coupling.

Method for in-situ quality inspection of metal slabs (1) with a device according to one of the preceding claims, characterized in that the metal slab (1) is produced by a continuous casting process and the plurality of ultrasonic transducers (8) along a test track (4) on the surface (7) of the metal slab (1), a tomographic ultrasound check of the internal structure of the metal slab (1) taking place at a plurality of positions, a classification of an error level of the metal slab (1) on the basis of a tomographically recorded internal crack characteristic and / or internal crack frequency and / or core porosity (18), the classification being carried out by comparing the tomographic ultrasound test with a standard series or, preferably, with the aid of a computer.

Procedure according to Claim 10 The process parameters of the continuous casting process are optimized on the basis of the defect character of the metal slab (1).

Procedure according to one of the Claims 10 or 11 , The test track (4) in the casting direction (6) and / or transverse to the casting direction (6) of the metal slab (1).

Procedure according to one of the Claims 11 to 12 , wherein the plurality of positions forms a uniform grid of the surface of the metal slab (1).