DE19915203C2 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von zu walzendem, noch gut verformbarem Stahl auf Innenfehler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von zu walzendem, noch gut verform­ barem Stahl auf Innenfehler mittels mindestens eines Ultra­ schallprüfkopfes.

Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mittels Ultraschall ist seit langem bekannt.

So geht beispielsweise aus der EP 0 202 134 B1 eine Vorrichtung hervor, bei der die Metallhaut von Flugzeugen auf Materialfeh­ ler untersucht wird, wobei innerhalb einer Rolle, die über das zu untersuchende Objekt verfahren wird, ein Ultraschallprüfkopf angeordnet ist.

Weiterhin ist aus der US-A-3 620 061 eine Vorrichtung bekannt, bei der ein in einer Rolle integrierter Ultraschallprüfkopf vorgesehen ist, der beim Walzen von Blechen Vibrationsenergie erzeugen soll, die dazu dienen soll, die Belastung beim Walz­ prozeß zu reduzieren.

Weiterhin ist aus der DE 30 45 581 A1 ein in einer Rolle inte­ grierter Ultraschallprüfkopf offenbart, der bei der Papierher­ stellung fortlaufend den ordnungsgemäßen Zustand der Papierbahn detektieren soll.

Schließlich ist in der DE 32 04 797 C2 ein Verfahren beschrie­ ben, bei dem ein fertiges Werkstück, beispielsweise ein Rohr, mit einem Prüfkopf beschallt wird, wobei die Ankopplung der Schallenergie über eine Wasserstrecke zwischen Kopf und Werk­ stück bewirkt wird.

Die Detektion von Fehlstellen im Werkstück erfolgt im sogenann­ ten Impuls-Echo-Verfahren, das heißt, daß der vom Prüfkopf aus­ gesendete Schall zum einen an der Oberfläche, zum anderen an der Rückwand nach Durchstrahlung des Werkstücks reflektiert wird. Es bilden sich in der Anzeige somit zwei mehr oder weni­ ger scharfe Impulse mit bestimmter Amplitude. Fällt die Schall­ welle innerhalb des Werkstücks auf eine Fehlstelle (Riß, Ein­ schluß, etc.), wird sie auch an dieser Stelle reflektiert, und es bildet sich ein dritter Impuls, der Fehlerimpuls. Da die Schallenergie mehrfach zwischen Fehlstelle und Prüfkopf hin- und herläuft, ist Gegenstand der zitierten Druckschrift ein Verfahren, mit dem derartige zusätzliche, nicht interessierende Impulse ausgeblendet werden können, bzw. auch Impulse, die von eventuellen Verunreinigungen im Ankoppelmedium herrühren. Die Prüfung findet an einem fertigen Werkstück statt unter Be­ nutzung eines flüssigen Ankoppelmediums, in welchem - wie er­ wähnt - ebenfalls Fremdkörper, die die Messungen stören, vor­ handen sein können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es jedoch, im konti­ nuierlichen Verfahren während des Walzprozesses derartige Feh­ ler innerhalb des Walzgutes aufspüren zu können. Das heißt, daß das zu prüfende Material heiß ist, so daß die Ankopplung über ein flüssiges Medium, beispielsweise Wasser, nicht unbedingt machbar ist.

Der zu walzende Stahl, beispielsweise in Form von Stäben, wird insbesondere im Kokillen-Stranggießverfahren hergestellt, bei dem der aus der Kokille heraustretende, sich verfestigende Strang in einem Bogen in die Horizontale geführt wird. Infolge der Schwerkraft reichern sich im flüssigen Stahl vorhandene Fremdkörper mehr im Bereich zwischen der Strangachse und dem bereits verfestigten Innenbereich des Stranges an.

Insbesondere diese Einschlüsse gilt es mit dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren während des Walzprozesses zu detektieren.

Gemäß Patentanspruch 1 wird daher ein Verfahren zur zerstö­ rungsfreien Prüfung von zu walzendem, noch gut verformbarem Stahl auf Innenfehler mittels mindestens eines an/in der den Stahl walzenden Walze/Rolle angeordneten Ultraschall-Prüfkopfes vorgeschlagen, wobei die Ultraschallwellen durch den als Vor­ laufstrecke dienenden Walzen-/Rollenkörper selbst oder einen umfangsnahen Teil davon gesendet werden, bevor sie auf das zu prüfende Walzmaterial treffen, wobei sie derart ausgerichtet werden, daß sie in dem Bereich auf die Walzmaterialoberfläche treffen, wo die Anpresskraft der Walze/Rolle auf den Stahl ma­ ximal ist, dort nämlich, wo das maximale Rückwandecho erzielt wird.

Der Prüfort und der Walzort fallen somit zusammen, so daß bei der Aufspürung signifikanter Fehler schnell reagiert werden kann.

Es wird angestrebt, daß die Ultraschallwellen dort auf die Walzmaterialoberfläche auftreffen, wo noch intensiv in radialer Richtung verformt wird, d. h. im Bereich der Einlaufstelle des Walzgutes in das Walzgerüst. Versuche haben gezeigt, daß ein maximales Rückwandecho erzielt wird, wenn das Walzgut keinerlei Zug unterworfen ist, d. h. weiterhin, daß eine gute Synchronisa­ tion zwischen den Walzblöcken gewährleistet sein muß.

Da das Rückwandecho ein Indiz für diese gute Synchronisation zwischen den Blöcken ist, besteht durch die erfindungsgemäße Methode ebenfalls die Möglichkeit, durch Optimierung des Rück­ wandechos eine gute Synchronisation zwischen den Blöcken zu ge­ nerieren.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß die Vorlauf- und Einkoppelstrecke durch die Walze/Rolle selbst gebildet wird. Diese Vorlauf- oder Einkop­ pelstrecke ist somit geeignet, da spontan wechselnde Fehlstel­ len wie in dem oben erwähnten flüssigen Einkoppelmedium nicht auftreten. Darüber hinaus ist das Walzenmaterial, insbesondere im umfangnahen Bereich, besonders feinkörnig und fehl­ stellenarm.

An der Grenzfläche von relativ kalter Walze/Rolle zu heißem Stahl findet die erste Reflexion der Schallwellen statt, der nicht reflektierte Anteil wird aufgrund der nun anderen Aus­ breitungsgeschwindigkeit zum Einfallslot gebrochen, durchläuft den Prüfling und wird an der gegenüberliegenden Grenzfläche re­ flektiert. Befinden sich zwischen erster Reflexion und Rück­ wandecho Fehlstellen, insbesondere Einschlüsse, werden die Schallwellen auch an diesen reflektiert, wodurch im Empfangs­ teil des Prüfkopfs ein Impuls bestimmter Amplitude erzeugt wird, der im Amplituden-Zeit-Diagramm zwischen den beiden Randreflektionsimpulsen liegt.

Gemäß Anspruch 2 werden die Ultraschallwellen derart auf die Walzmaterialoberfläche gerichtet, daß sie nach Durchdringen des Walzmaterials in sich zum Empfänger zurückreflektiert werden. Hierdurch wird das Prüfmaterial vollständig durchschallt. Die beschriebene Prüfung ist sowohl mit Normal- als auch S-E-Prüf­ köpfen durchführbar.

Da Fehlstellen im Randbereich infolge der endlichen Breite des Reflektionsimpulses mittels eines Prüfkopfes, der longitudinale Schallwellen aussendet, die lotrecht auf die Walzgutoberfläche treffen und darüber hinaus nur einen Teilbereich des Prüflings durchstrahlen, nicht detektiert werden können, ist erfindungs­ gemäß vorgesehen, daß insbesondere in einem Mehrwalzengerüst, bei dem die scheibenförmigen Walzen/Rollen sternförmig um den Walzspalt herum angeordnet sind (sogenannter Kocksblock), jeder dieser Walzen mindestens ein Ultraschallprüfkopf zugeordnet ist. Die Anordnung der Prüfköpfe wird so getroffen, daß die Schallwellenbündel aller Prüfköpfe den gesamten Querschnitt des Prüflings erfassen.

Noch genauer und effektiver arbeitet die Vorrichtung, wenn auf beiden Seiten jeder der scheibenförmigen Walzen/Rollen ein Ul­ traschallprüfkopf vorgesehen ist.

Umfangsnahe Fehler im Walzmaterial können jedoch auch dadurch aufgespürt werden, daß die Ultraschallwellen derart auf die. Walzmaterialoberfläche gerichtet sind, daß sie im Walzmaterial oberflächennah mehrfach entlang dem Umfang reflektiert werden, bevor sie zum Empfänger gelangen.

Hierbei sind Sender und Empfänger getrennt voneinander.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch den Anspruch 5 ge­ geben.

Zur Positionierung der Prüfköpfe sind seitlich an den scheiben­ förmigen Walzen/Rollen entweder im Querschnitt keilförmige Ringnuten eingefräst oder im Querschnitt keilförmige Ringschul­ tern angeformt. Die zum Walzenumfang zeigende Nutfläche bzw. Schulterfläche bewegt sich während des Walzens unter der Detek­ torfläche des stationären Prüfkopfes vorbei, wobei lediglich ein geringer, mit Wasser gefüllter Spalt zwischen Kopf und Walze vorhanden ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch nicht nur auf die eben beschriebene Mehrwalzengerüste beschränkt. Nach Anspruch 11 können die Prüfköpfe auch bei Profilwalzen eingesetzt wer­ den, bei denen dann die Prüfköpfe seitlich neben den eigentli­ chen Walzspalt in diesen benachbarten Profilnuten positioniert sind und das diese Nuten und den Walzspalt voneinander tren­ nende Walzmaterial als Vorlaufstrecke durchstrahlen.

Dabei weisen gemäß Anspruch 12 jeweils zwei auf verschiedenen Seiten des Walzspalts angeordnete Ultraschallprüfköpfe einander diametral entgegengesetzte Schallausbreitungsrichtungen auf.

Diese Anordnung bietet sich bei Walzen mit Flachkantprofil an.

Bei Walzen mit Spießkantprofil können die Prüfköpfe am Außenum­ fang der Walzen positioniert sein, so daß der Schall den ge­ samten Walzenkörper durchläuft, bevor er auf den Walzspalt und somit auf das Walzgut trifft.

Auch hierbei können mehrere Prüfköpfe vorgesehen sein, die das Walzgut von verschiedenen Seiten beschallen.

Als besonders geeignete Prüfköpfe bei den bisher beschriebenen Anwendungen haben sich solche mit Piezoschwinger als Schaller­ zeuger erwiesen.

Zur Einstellung der Beschallungsrichtung kann gemäß Anspruch 15 vorgesehen sein, daß der mindestens eine Ultraschall-Prüfkopf in Walzrichtung und/oder senkrecht dazu verschwenkbar und/oder verschiebbar ist.

Eine Alternative hierzu bietet der Anspruch 14. Der Anspruch 14 schlägt vor, daß der mindestens eine Prüfkopf eine Vielzahl von unabhängig voneinander ansteuerbaren Piezoschwingern als Erzeu­ ger einer Schallwellenfront aufweist.

Die einzelnen Piezoschwinger werden zeitlich versetzt zueinan­ der angesteuert. Abhängig von der Zeitdifferenz ergibt sich eine Schallwellenfront mit unterschiedlicher Ausbreitungs­ richtung.

Gemäß Anspruch 16 kann vorgesehen sein, daß die Ankoppelfläche des/der Ultraschall-Prüfkopfes(-Köpfe) konvex oder konkav ge­ wölbt ist, wodurch sich eine Fokussierung bzw. Defokussierung der Schallwellen ergibt.

Vorzugsweise wird gemäß Anspruch 17 die erfindungsgemäße Vor­ richtung an einem dem Fertiggerüst der Walzstraße vorausgehen­ den Walzgerüst angeordnet.

An dieser Stelle liegt eine gute Verformbarkeit des Walzgutes vor. Besonders wichtig ist es jedoch, daß hier die Vorrichtung nur einmal justiert zu werden braucht, so daß der Montage- und Justieraufwand auf ein Minimum reduziert wird.

Die Vorrichtung kann mit longitudinalen Ultraschallwellen aber auch mit transversalen Ultraschallwellen arbeiten.

Das ist insbesondere von Vorteil, da durch entsprechende Ver­ läufe des Ultraschalls bei entsprechender Wahl der Einstrahl­ winkel sowohl mittels transversaler als auch mittels longitudi­ naler Wellen randnahe Fehler, die radial verlaufen, detektiert werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung darge­ stellt und näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: in abgebrochener Darstellung ein Mehrwalzengerüst mit drei verschiedenen Alternativen der Anordnung von Ul­ traschallprüfköpfen,

Fig. 2: in schematischer Darstellung die Anordnung von Ultra­ schallprüfköpfen bei Profilwalzen (Flachkant),

Fig. 3: in schematischer Darstellung die Anordnung von Ultra­ schallprüfköpfen bei Profilwalzen (Spießkant).

In der Fig. 1 ist schematisch ein Dreiwalzen-Walzgerüst darge­ stellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehen.

Sternförmig um den in diesem Beispiel kreisförmigen Walzspalt 2 herum sind drei scheibenförmige Walzen 3a, 3b, 3c angeordnet, wobei die Drehachsen der Walzen mit 4 bezeichnet sind.

Bei der Walze 3a sind zwei alternative Anordnungen von ledig­ lich schematisch dargestellten Ultraschallprüfköpfen 5 gezeigt. Die Einkoppelfläche 6 ist links an der Walze 3a durch eine an die Seite der Walze 3a angeformte, im Querschnitt keilförmige Ringschulter 7 verwirklicht, während sie rechts durch eine in die Walzenseite eingeformte (eingefräste) im Querschnitt keil­ förmige Ringnut 8 verwirklicht ist.

Die Orientierung der Einkoppelflächen 6 ist jeweils so gewählt, daß die von den Ultraschall-Prüfköpfen 5 erzeugten und empfan­ genen Schallwellen longitudinaler Art lotrecht auf das im Walz­ spalt 2 befindliche Walzgut treffen, nachdem sie den umfangs­ nahen Teil der Walze 3a durchlaufen haben.

Wie bei der Walze 3c lediglich angedeutet kann die Ausbrei­ tungsrichtung der Schallwellen auch so modifiziert werden, daß sie in einem von 90° verschiedenen Winkel auf die Walzgutober­ fläche treffen und dann im Prüfling randnah unter mehrfacher Reflektion an der Grenzfläche verlaufen.

Eine dritte Alternative der Einkopplung von Ultraschallwellen ist bei der Walze 3b dargestellt. Hierbei ist auf die Walzen­ seitenfläche eine im Querschnitt trapezförmige Ringschulter aufgesetzt, wobei die schräge Fläche die Einkoppelfläche 6 bil­ det. Der an dieser Einkoppelfläche 6 positionierte Ultraschall- Prüfkopf 5 sendet transversale Ultraschallwellen aus, die an der Grenzfläche zwischen Ringschulter und Walze 3b so ge­ brochen werden, daß sie ebenfalls lotrecht auf die Walzgutober­ fläche treffen.

Alle drei Walzen 3a, 3b und 3c können beidseitig mit einer die­ ser Alternativen ausgestattet sein oder aber auch mit Kombina­ tionen derselben.

In der Fig. 2 ist die Anordnung der Ultraschall-Prüfköpfe 5 in einer Profilwalzartlage dargestellt. Es wird ein Flachkantprofil 11 gewalzt. Neben der den Walzspalt 2 bildenden Profilnut be­ finden sich in der Walze 3' weitere Profilnuten 12, wobei an/in den auf den Walzspalt 2 weisenden Profilwänden die Ultraschall- Prüfköpfe angeordnet sind, die das Walzenmaterial horizontal durchstrahlen und die Schallausbreitungsrichtung der beidseitig des Walzspalts 2 angeordneten Ultraschall-Prüfköpfe 5 diametral entgegengesetzt sind.

In der Fig. 3 schließlich ist die Anordnung der Ultraschall- Prüfköpfe 5 an einem Profilwalzsystem dargestellt, das Spieß­ kantprofile walzt.

Der Walzspalt 2 wird hier durch im Querschnitt dreieckförmige Profilnuten 13 gebildet, wobei neben dieser Profilnut 13 wei­ tere gleichartige Profilnuten vorgesehen sind.

Die Ultraschall-Prüfköpfe 5 befinden sich hier auf der vom Walzspalt 2 abgewandten Seite der Profilwalzen 3', so daß die von ihnen ausgesandten Schallwellen den gesamten Walzenkörper durchstrahlen, bevor sie lotrecht auf das Walzgut treffen.

Die Ultraschall-Prüfköpfe 5 sind dabei auf verschiedenen Seiten des Walzspalts 2 vorzugsweise an/in den Flanken 14 der Profil­ nuten positioniert.

In allen beschriebenen Fällen sind die Prüfköpfe 5 stationär angeordnet, während die Walzen 3, 3' bzw. die Einkoppelfächen 6 am Prüfkopf vorbeilaufen. Zwischen Prüfkopf 5 und Einkopppel­ fläche 6 befindet sich ein Wasserfilm 15.

Der Einkoppelort der Schallwellen in das zu prüfende Walzgut befindet sich vorzugsweise unmittelbar hinter der Einlaufstelle des Walzguts in den Walzspalt, also dort, wo Walze und Walz­ gutoberfläche in innigem Kontakt miteinander sind.

Dabei ist die Prüfvorrichtung an einem Walzgerüst angeordnet, welches im Walzablauf vor dem Fertiggerüst positioniert ist.

Claims (18)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von zu walzendem, noch gut verformbarem Stahl auf Innenfehler mittels minde­ stens eines an/in der den Stahl walzenden Walze/Rolle an­ geordneten Ultraschall-Prüfkopfes, wobei die Ultraschall­ wellen durch den als Vorlaufstrecke dienenden Walzen- /Rollenkörper selbst oder einen umfangsnahen Teil davon gesendet werden, bevor sie auf das zu prüfende Walzmate­ rial treffen, wobei sie derart ausgerichtet werden, daß sie in dem Bereich auf die Walzmaterialoberfläche treffen, wo die Anpresskraft der Walze/Rolle auf den Stahl maximal ist, dort nämlich, wo das maximale Rückwandecho erzielt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen derart auf die Walzmaterialober­ fläche treffen, daß sie nach Durchdringen des Walzmateri­ als in sich zum Empfänger zurückreflektiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen derart auf die Walzmaterialober­ fläche gerichtet sind, daß sie im Walzmaterial oberflä­ chennah mehrfach entlang dem Umfang reflektiert werden, bevor sie zum Empfänger gelangen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Ultraschallprüfkopf longitudinale Ultraschallwellen aussendet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Ultraschallprüfkopf transversale Ultraschallwellen aussendet.

6. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von zu walzen­ dem, noch gut verformbarem Stahl auf Innenfehler mittels mindestens eines Ultraschall-Prüfkopfes, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Ultraschall-Prüfkopf (5) an/in mindestens einer der beteiligten Walzen/Rollen (3a, 3b, 3c, 3') angeordnet ist, derart, daß der Walzen- /Rollenkörper selbst oder ein umfangsnaher Teil davon die Vorlaufstrecke für die Ultraschallwellen bildet, bevor sie auf das zu prüfende Walzmaterial treffen, und der minde­ stens eine Ultraschall-Prüfkopf (5) als Sender und/oder Empfänger ausgebildet ist und seine Ausrichtung derart ge­ wählt ist, daß die Ultraschallwellen in dem Bereich auf die Walzmaterialoberfläche treffen, wo die Anpresskraft der Walze/Rolle (3a, 3b, 3c, 3') maximal ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzvorrichtung ein Mehrwalzengerüst ist, bei dem die scheibenförmigen Walzen/Rollen (3a, 3b, 3c) um den Walz­ spalt (2) herum angeordnet sind und jeder dieser Wal­ zen/Rollen (3a, 3b, 3c) mindestens ein Ultraschall-Prüfkopf (5) zugeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite jeder Walze/Rolle (3a, 3b, 3c) minde­ stens ein Ultraschall-Prüfkopf (5) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Ultraschall-Prüfkopf(-köpfe) (5) in seitlich in die Walzen/Rollen (3a, 3b, 3c, 3') eingeformten Ringnuten (8) positioniert ist/sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Ultraschall-Prüfkopf(-köpfe) (5) auf seitlich an die Walzen/Rollen (3a, 3b, 3c) angeformten ringschulter­ artigen Vorsprüngen (7) positioniert ist/sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzvorrichtung aus zwei Profilwalzen (3') besteht und der/die Ultraschall-Prüfkopf(-köpfe) (5) seitlich so angeordnet ist/sind, daß die Schallwellen im rechten Win­ kel auf die durch das Profil gebildete Walzspaltwand (2) ausgerichtet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei auf verschiedenen Seiten des Walzspaltes (2) angeordnete Ultraschall-Prüfköpfe (5) einander diame­ tral entgegengesetzte Schallausbreitungsrichtung aufwei­ sen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Prüfkopf (5) einen Piezoschwinger als Schallerzeuger aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Prüfkopf (5) eine Vielzahl von un­ abhängig voneinander ansteuerbaren Piezoschwingern als Er­ zeuger einer Schallwellenfront aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Ultraschall-Prüfkopf (5) in Walz­ richtung und/oder senkrecht dazu verschwenkbar und/oder verschiebbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankoppelfläche des/der Ultraschall-Prüfkopfes (-köpfe) (5) konvex oder konkav gewölbt ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, gekennzeichnet durch die Anordnung an einem einem Fertiggerüst der Walzstraße vorausgehenden Walzgerüst.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Ultraschall-Prüfkopf (5) und der ihm zu­ geordneten Walze/Rolle (3a, 3b, 3c, 3') bzw. der Ankoppelflä­ che ein Wasserfilm (15) befindet.