Инженерные разработки

Методика интеграции

Типовая методика интеграции коэрцитиметрии в технологию подготовки прокатных валков

ИТЦ «Аусферр» разработал и подготовил к серийному производству роботизированный многоканальный комплекс магнитной диагностики «Валок 2000». В настоящее время прибор может быть поставлен металлургическим предприятиям, имеющим прокатное производство. Вместе с тем, подавляющее большинство прокатчиков никогда не сталкивалось с коэрцитиметрией и не владеют информацией, необходимой для внедрения и применения прибора.

Очевидно, что перечень дефектов, возникающих при эксплуатации и изготовлении валка, зависит от его конструкции, назначения, условий эксплуатации и технологии подготовки. Следовательно, невозможно разработать универсальную методику контроля, одинаково работающую на любом производстве. Всегда будет оставаться необходимость инженерного подхода, анализа причин возникновения дефектов и способов их устранения. Однако, такие высокотехнологичные комплексы, как «Валок 2000», значительную часть анализа информации выполняют автоматически. Благодаря этому весь парк валков разделяется на две группы – валки, не имеющие значимых нарушений структуры рабочего слоя, и валки, требующие при эксплуатации повышенного внимания. Благодаря этому сокращается трудоемкость, а, возможно, – и количество трудозатрат по обслуживанию валкового парка, существенно уменьшается вероятность «пропустить» дефект валка, сокращается аварийность.

Настоящий документ ставит перед собой цель показать основные задачи, которые необходимо решить при внедрении, и пути их решения, что позволит эксплуатировать комплекс максимально эффективно.

Принцип контроля

Коэрцитивная сила  такое внешнее магнитное поле напряженностью H, которое необходимо приложить к ферромагнетику, предварительно намагниченному до насыщения, чтобы довести до нуля его намагниченность l или индукцию магнитного поля B внутри. Из физики твердого тела известно, что значение этого параметра связано с состоянием кристаллической структуры материала. Глубина проникновения магнитного поля в образец зависит от конструкции сенсора, измеряющего коэрцитивную силу, и для комплекса «Валок 2000» составляет 25 – 30 мм.

Возможности диагностики

Метод магнитной диагностики чувствителен к неоднородностям рабочего слоя валков, возникающим вследствие технологических проблем изготовителя и в процессе эксплуатации валка.
Метод позволяет:

  • обнаруживать неоднородности химического состава рабочего слоя, возникшие вследствие некорректных технологий легирования или разливки;
  • обнаруживать переменную толщину рабочего слоя, возникшую из-за нарушений технологии разливки;
  • обнаруживать «пятна» напряжений на поверхности валка, возникшие вследствие недостатков его термообработки;
  • обнаруживать места повреждений структуры рабочего слоя, возникающих вследствие прижогов, ударов и других повреждений при эксплуатации;
  • отслеживать накопление напряжений в рабочем слое при эксплуатации валка;
  • обнаруживать «пятна» повышенной или пониженной твердости на поверхности валка.

Метод обнаруживает такие дефекты, как сетка разгара на месте прижога, однако чувствительность ее к ним невелика. Метод не обнаруживает трещины, раковины, включения и другие малоразмерные дефекты рабочего слоя.

Таким образом, метод пригоден как для входного, так и для периодического контроля валков в прокатном цехе. Информация, получаемая с его помощью, дополняет и расширяет данные, получаемые с помощью ультразвуковой и вихретоковой диагностик, а также твердометрии.

Технические характеристики комплекса «Валок 2000»

Комплекс «Валок 2000» предназначен для контроля чугунных рабочих валков стана 2000 горячей прокатки, однако, методика прошла испытания и для стальных (рабочих и опорных) валков прокатных станов. Это позволяет адаптировать комплекс к условиям любых листопрокатных производств. Комплекс предназначен для применения на вальцешлифовальном (вальцетокарном) станке и устанавливается на его фундаменте с задней (нерабочей) стороны. Комплекс включает в себя: измерительный орган (линейку) с сенсорами, манипулятор, обеспечивающий позиционирование сенсоров на валке, средства автоматики и пульт управления. Пульт управления может быть установлен как непосредственно на станине комплекса, так и на рабочем месте оператора шлифовального станка.

Технические характеристики комплекса:

Длина измерительной линейки 2000 мм (соответствует длине бочки)
Количество измерительных каналов 10
Габариты комплекса в положении парковки:
Ширина 800 мм (исключая линейку)
Длина 1200 мм
Высота 600 мм
Вес комплекса ~500 кг
Режим работы Ручной, полуавтоматический, автомат.
В режиме «автомат» комплекс управляет станком
для позиционирования валка по углу
Время подготовки к работе/парковки ~30 с
Время диагностики валка ~6 мин. (в режиме «автомат»)
Представление информации На экране пульта, запись в файл
(базу данных)
Допустимый зазор между
магнитопроводом сенсора и поверхностью
валка
До 1 мм
Возможность размагничивания
материала валка после измерения
Да (увеличивает время измерения на 30 %)

В таблице приводятся данные комплекса «Валок 2000». Эти данные могут быть существенно изменены при адаптации комплекса к условиям Заказчика. Так, например, при длине бочки валка более 2500 мм для позиционирования линейки планируется применять сдвоенный манипулятор.

Комплекс не требует высокой квалификации оператора (диагностика валка в автоматическом режиме выполняется нажатием одной кнопки). Результаты диагностики регистрируются, поэтому их анализ может быть выполнен позже в любое время.

Принципы диагностики

Результатом диагностики валка является двумерный массив, характеризующий распределение коэрцитивной силы по поверхности бочки. Размерность массива зависит от технических характеристик комплекса и для системы «Валок 2000» составляет 10*10 – 10*12 точек. Для обеспечения сравнимости результатов выполняется бикубическая интерполяция данных и на хранение поступает стандартный массив 40*40 точек. По результатам диагностики значимыми параметрами являются:

  • величина коэрцитивной силы материала рабочего слоя валка;
  • разброс значений коэрцитивной силы;
  • распределение значений коэрцитивной силы по бочке валка.

Величина коэрцитивной силы материала рабочего слоя валка

Средняя по поверхности бочки величина коэрцитивной силы определяется химическим составом и структурой материала рабочего слоя, т.е. технологией изготовителя. Само по себе отличие измеренных средних значений коэрцитивной силы двух валков ни о чем не говорит. Однако, если это валки одного производителя, изготовленные по одной технологии, то сильное различие средних значений должно настораживать технологов. Как показывает практика, разброс значений коэрцитивной силы валков лучших производителей незначителен и не изменяется в процессе эксплуатации. При относительно равномерном распределении коэрцитивной силы по бочке (неравномерности будут рассмотрены ниже) разброс значений между валками может говорить:

  • для новых валков или валков с одинаковым пробегом – о нестабильности технологии изготовителя валка;
  • для валков с разным пробегом (при сильной зависимости от пробега) – о недостатках технологии подготовки валка;
  • для валков в конце срока службы – о снижении толщины рабочего слоя.

Разброс значений коэрцитивной силы

Говоря о разбросе значений, мы подразумеваем наличие «пятен» пониженной или повышенной коэрцитивной силы в «случайных» местах бочки («пятна» с регулярным положением рассмотрим ниже). Разброс характеризуется среднеквадратичным отклонением значений массива, а также его максимальным и минимальным значениями. Ниже рассматриваются пятна со статистически значимой амплитудой. Определение статистической значимости рассмотрим ниже. Площадь пятен менее принципиальна даже пятна небольшой площади могут быть недопустимы.

  • Для новых валков одного производителя характерно похожее распределение пятен. Если характеристики разброса сильно отличаются от статистики по производителю, необходимо принять меры по дополнительному контролю валка. Если отклонения статистически недопустимы, следует формировать претензию производителю. Алгоритмы и правила набора статистики мы рассмотрим ниже.
  • Интенсивность «исходных» пятен после начала эксплуатации валка, как правило, снижается. Если за 4–6 кампаний валка интенсивность пятна со значимой амплитудой не снизилась или выросла, необходимо принять меры по дополнительному контролю состояния валка, в частности – проводить периодический контроль твердости в районе пятна.
  • Если пятно значимой амплитуды появилось в процессе эксплуатации, это может быть следствием прижога, удара или истончения рабочего слоя. При прижоге коэрцитивная сила материала, как правило, понижается, при ударе – повышается, при истончении рабочего слоя может как повыситься, так и понизиться. В любом случае при появлении такого пятна необходимо проводить периодическую коэрцитиметрическую диагностику валка и локальный контроль с помощью ультразвука, вихревых токов и измерения твердости. При дальнейшей эксплуатации интенсивность и площадь пятна в первых двух случаях будет снижаться, а при истончении рабочего слоя – расти.

Распределение значений коэрцитивной силы по бочке валка

Кроме «случайных» пятен на бочке имеются и регулярные.

  • В первую очередь, это две полосы повышенной коэрцитивной силы, перпендикулярные оси валка. Причина их возникновения – напряжения в рабочем слое, возникающие вследствие неоднородности усилий и температур на краях полосы. Эти полосы – нормальное явление, если их амплитуда не слишком высока. При увеличении их амплитуды выше допустимой можно повысить съем материала при перешлифовке, если амплитуда их мала – съем можно уменьшить. Допустимая амплитуда этих полос определяется статистически (см. ниже).
  • Частой проблемой являются пятна на краях бочки. При наличии таких пятен (как правило, имеющих разный знак на разных краях бочки) возможны краевые сколы. Необходимо определить безопасную амплитуду краевых пятен, и при превышении ее провести выяснение причин их появления. Если причина – высокие напряжения по краю бочки, возможно, потребуется принятие мер по их устранению.
  • Достаточно частой картиной является клиновидное распределение коэрцитивной силы по длине бочки. Это является следствием переменной толщины рабочего слоя. Если подобная картина появляется не в конце срока эксплуатации валка, валок может не доходить до конца срока эксплуатации. При появлении такого распределения необходим периодический контроль твердости.

Методика контроля

В результате сказанного выше можно сформулировать методики контроля валков и алгоритмы формирования исходных данных для такого контроля. Напомним, что любые цифровые данные должны быть получены и использованы для группы валков, в которую входят валки одного типа, одного производителя, изготовленные по одной технологии. Перенос цифровых данных между группами, как правило, невозможен. Вместе с тем, логика контроля одинакова для всех групп, какие бы валки в них не входили. При формировании цифровых критериев оценки валка следует применять стандартные статистические методики обработки данных. Цифровые критерии формируются на основе некоторой выборки, минимальные объемы которой определяются пользователем самостоятельно, и зависят, в том числе, и от качества валков. По-видимому, первоначальные данные могут быть получены при количестве контролируемых валков около 10. По мере роста количества контролируемых объектов цифры уточняются. Отметим, что беспредельно увеличивать выборку не стоит – у изготовителя может «плыть» или меняться технология, и слишком «старые» валки могут «испортить» выборку. Оптимальной следует считать выборку валков, поступивших в течение некоторого срока. Для каждого контролируемого количественного параметра при диагностике валка следует вычислять среднее, максимальное и минимальное значения, а также среднеквадратичное отклонение. Эти значения сравниваются со значениями, вычисленными для выборки. При описании методики мы будем считать, что у каждого контролируемого параметра есть диапазон допустимых значений, диапазон повышенного внимания и недопустимый диапазон (см. рис.1).

Рис. 1. Диапазоны контролируемых параметров

Диапазоны допустимых значений оцениваются для выборки безаварийных валков добавлением к среднему значению среднеквадратичного отклонения, умноженного на коэффициент Стъюдента. Границы диапазона недопустимых значений определяются характеристикой аварийных валков. При этом следует помнить, что:

  • Авария должна быть связана со значением контролируемого параметра. Например, скол на краю бочки не стоит связывать с пятном в центре её развертки.
  • Контроль не может быть связан с единичным аварийным случаем. По-видимому, можно задавать границу недопустимого диапазона, если из 10 валков, имеющих такое значение параметра, проблемы произошли с двумя.

Если в процессе эксплуатации будет выявлено, что диапазон допустимых значений намного уже границ недопустимых значений, может быть введен повышающий коэффициент, расширяющий границы допустимого диапазона. Как правило, такое может быть сделано для валков надежных поставщиков со стабильной технологией.

Далее мы будем называть вычисленные таким образом средние величины и границы диапазонов нормативными значениями. Следует помнить, что для того, чтобы данные контроля были основанием для рекламации, методика контроля должна быть согласована с изготовителем валка.

Входной контроль

Контролю должны подвергаться валки, подготовленные к завалке (со снятым защитным покрытием, отшлифованные). Диагностика производится в соответствии с инструкцией по работе с комплексом. Оценка качества валка производится инженером-технологом ВШО, цеха или специального контрольного подразделения. С этой целью наиболее удобно применять информационную систему учета и паспортизации валкового парка или специализированный АРМ. В результате диагностики получается поле коэрцитивной силы (в цифровом и графическом виде), среднее по полю значение, минимальное и максимальное значения. Рекомендуется следующий порядок действий:

  • Сравнить с нормативом среднее значение. Если оно выходит за пределы допустимых, валок помечается, как «требующий особого внимания». Если средняя величина попадает в диапазон недопустимых значений, рекомендуется рассмотреть вопрос о рекламации или запросить у изготовителя дополнительную информацию о технологии его производства.
  • Сравнить с нормативом среднеквадратичное отклонение. Если оно выходит за допустимые значения, необходимо выяснить причину этого (пятна большой площади, клин, малые пятна большой интенсивности). Далее работать непосредственно с выявленными неоднородностями поля коэрцитивной силы.
  • Сравнить с нормативом минимальное и максимальное значение. Если имеются нарушения норматива, выяснить их причину и далее работать с неоднородностями.
  • Оценить общий вид поля коэрцитивной силы. Обратить внимание на наличие клина, краевых пятен. Если распределение коэрцитивной силы нехарактерно для других валков группы, также пометить его, как требующего внимания.

Последующие действия проводятся для валков, у которых в пп. 1–4 обнаружены нарушения:

  • При наличии клина  оценить его величину, сравнить с допустимыми значениями. При недопустимых значениях связаться с изготовителем. При значениях в зоне риска проводить диагностику не реже, чем через 2–3 завалки с контролем поля коэрцитивной силы и твердости поверхности, выбирая точки контроля с учетом поля коэрцитивной силы.
  • При наличии краевых пятен недопустимой амплитуды – выяснить причину их появления (краевые напряжения, возмущения химического состава и т.д.), далее действовать в соответствии с действующей технологической инструкцией.
  • При наличии пятен недопустимой амплитуды не на краю бочки – провести дополнительную диагностику, включая измерение твердости поверхности в зоне пятен, ультразвуковую и вихретоковую диагностику. Если дополнительная диагностика проблем не выявила - пометить валок, как требующий особого внимания. При повторных диагностиках контролировать изменение амплитуды пятен – при снижении ее ниже допустимого предела – снять пометку особого внимания с валка. При росте амплитуды – повторять полную диагностику периодически.

Периодический контроль

Периодический контроль отличается от входного в первую очередь тем, что у валка уже есть диагностическая история. Поэтому его особенность – анализ истории технического состояния. На каждом этапе работы (см. пп. 17 предыдущего раздела) поле коэрцитивной силы бочки в целом, амплитуда и площадь отдельных пятен, величина клина сравниваются с предыдущими их значениями. Если недопустимое отклонение поля коэрцитивной силы вызвано разовым фактором, при последующей диагностике оно будет уменьшаться по амплитуде и плотности. Если же имеет место положительная динамика возмущения (например рост площади или амплитуды пятна), следует предположить действие постоянного фактора. Таким фактором может быть, например, плохое охлаждение валка или недостаточный съем материала при перешлифовке.

Таким образом, периодический контроль проводится по тем же правилам, что и входной (см. предыдущий раздел). Далее анализом истории оценивается динамика обнаруженных недопустимых возмущений. При отрицательной динамике необходимо просто продолжать наблюдение до снижения амплитуды ниже предела повышенного внимания. При положительной динамике необходимо выявить ее причину и реагировать на нее соответствующим образом.

 

 

Яндекс.Метрика