Главная страница ДонНТУ Портал магистров ДонНТУ
Автобиография
Индивидуальный раздел
Отчет о поиске
Библиотека
Ссылки 
Соломичев Роман Игоревич
Факультет компьютерных информационных технологий
и автоматики
Кафедра: "Электронная техника"
Специальность: "Электронные системы"
Реферат по теме магистерской работы:
Обоснование и исследование структуры электронной системы контроля состояния приповерхностного слоя сталепрокатных валков
Научный руководитель: д.т.н., проф. Зори Анатолий Анатольевич
1. Введение
В данное время в горно-металлургической промышленности актуальным вопросом является отслеживание технического состояния прокатных валков с целью уменьшения вероятности их преждевременного выхода из строя.
Валки прокатного стана 2300 горячей прокатки подвергаются значительным тепловым воздействиям (до 500 °С) и нагрузкам (давление порядка 3 тонн и т.д.) в непрерывном режиме прокатки стальных листов. В результате такой агрессивной среды поверхность валков приходит в негодность в течение определенного промежутка времени: появляются усталостные трещины, которые развиваются, из-за анодных процессов (химическое растворение металла) и катодных (например, выделение водорода, который диффундирует в материал и вызывает разрушение под действием температуры и нагрузок).
Имеется также своя шкала деградации рабочего органа: от 1 до 4: при единице начинается зарождение в приповерхностном слое усталостных микротрещин, которые еще не раскрылись наружу, и четвертая стадия, самая опасная, когда трещины раскрылись на поверхности валков и продукция имеет брак (бороздки и линии на поверхности проката, неидеальная гладкость).
В данный момент на производстве никакие технические средства не применяются для автоматического мониторинга поверхности валков. Контроль происходит чисто визуально: работник наблюдает за вышедшими из под валков и далее уже за остывшими листами проката и проверяет наличие брака, а дефекты поверхности валков устанавливаются как факт.2. Цель и задачи работы
Цель работы: обосновать структуру электронной системы контроля состояния приповерхностного слоя сталепрокатных валков, находящихся в эксплуатации, исследовать и промоделировать влияние возмущающих факторов на характеристики и параметры многоканального дефектоскопического комплекса автоматизированного высокотемпературного контроля валков на основе бесконтактного электромагнитно-акустического (ЭМА) метода.
Достижение поставленной цели обеспечивается выполнением следующих задачь:
исследовать зависимость затухания ультразвуковых колебаний (УЗК) от размера зерен металла валков при изменении их температуры;
исследовать затухание и искажение УЗК в воздухе;
расчитать генератор и выбрать приемник ЭМА колебаний;
исследовать влияние угла расхождения на амплитуду информационного сигнала и расчитать акустическое поле преобразователя;
определить разрешающую способность, чувствительность и метрологические характеристики преобразователя;
составить методику проведения контроля по выявлению дефектов минимальных размеров.
3. Научная новизна
Готовых средств и методик оценки состояния валков, которые способствуют выявлению приповерхностных трещин, измерению их глубины, помогают определять места концентрации механических напряжений, измерять твердость рабочих поверхностей, исследовать температурные режимы прокатных валков в процессе эксплуатации, в цеховых условиях, приборостроительной промышленностью Украины не производится. Отсутствуют нормативные документы, которые определяют требования к ним, применительно к сталепрокатному оборудованию.
4. Выбор метода неразрушающего контроля
По ГОСТ 18353-73 неразрушающий контроль классифицируется на виды: акустический, магнитный, оптический, радиационный, радиоволновый, тепловой, электрический, электромагнитный и электромагнитно-акустический.
Метод контроля состояния сталепрокатных валков должен быть бесконтактным, обеспечивать распознавание внутренних дефектов - трещин на стадии их зарождения, и поверхностных, если внутренние трещины уже раскрылись на поверхности.
Самый простой способ контроля на производстве - визуальный, суть которого состоит в том, чтобы технический персонал своевременно заметил на готовой продукции - листовом прокате дефектов (борозд и рельефных узоров) от раскрытых трещин на валках. После этого, производство приостанавливается на неопределенный срок для замены валков на новые, которые затем калибруются и налаживаются, а испорченный прокат отбраковывается. Технически заменить работника может автоматизированная система. Визуальный метод имеет много недостатков и нас он не удовлетворяет.
Радиационный метод основан на взаимодействии проникающего излучения в объект контроля. Он больше подходит для определения внутренних примесей материала, а поверхностных дефектов не распознает и не является дешевым.
Радиоволновый метод основан на регистрации изменения параметров электромагнитных колебаний, которые взаимодействуют с объектом контроля. В основном он применяется для контроля структуры, геометрии диэлектриков, и частично в измерениях толщины металлических изделий.
Тепловые методы в нашем случае не применимы, так как в зоне мониторинга температура достаточно большая, и тепловой контраст контролируемого объекта не будет распознан.
Чисто акустические методы (ультразвуковой, акустоэмиссионный и прочие) или магнитные (порошковый, вихретоковый и т.п.) не могут быть использованы поодиночке и требуют проводящей акустической (иммерсионной) среды.
Из всех перечисленных выше методов наиболее подходит смешанный универсальный электромагнитно-акустический (ЭМА). ЭМА способ основан на трех эффектах взаимодействия электромагнитного поля с ОК: магнитострикции, магнитного и электродинамического взаимодействия.
Электродинамическое взаимодействие состоит в возбуждении в токопроводящем материале вихревых токов, которые взаимодействуют с постоянным магнитным полем и вызывают колебания «электронного газа», а это, в свою очередь, приводит к возбуждению колебаний атомов, т.е. кристаллической решетки материала (появляются механические напряжения, которые впоследствии приводят к возникновению упругих акустических колебаний).
С помощью ЭМА преобразователей удается возбудить различные волны: горизонтальной, вертикальной поляризации, продольные, поперечные, Лэмба, Релея и т.д. Наиболее приемлемыми в нашем случае являются наклонные поперечные волны горизонтальной поляризации, что обусловлено ее минимальным коэффициентом затухания, дифракции, преломления в структуре металла. Волны данного типа можно возбудить с помощью пространственно-периодической системы магнитов, как показано на рис.1.
Рисунок 1 - Возбуждение акустической волны ЭМА способом
Суть метода состоит в том, что облучают объект контроля волной Релея, регистрируют трансформированную дефектом ультразвуковую волну: накладывают на объект контроля магнитное поле и регистрируют рассеянный дефектом магнитный поток, модулированный ультразвуковой волной, по амплитуде и поляризации трансформированной ультразвуковой волны. По переменной составляющей рассеянного магнитного потока судят о глубине, ориентации и раскрытии дефекта.
Технически данный принцип реализовывается так: между магнитами и ОК располагают проводники с переменным током I (на рис.1 показан один из проводников). Взаимодействие наведенного тока I' с силовыми линиями магнитного поля B приводит к возникновению упругих сил, направленных перпендикулярно плоскости рисунка (σ). Это и требуется для возбуждения наклонных поперечных волн, поляризованных перпендикулярно плоскости преломления.
Общее правило, которым следует руководствоваться при проектировании ЭМА преобразователя для возбуждения волн определенного типа, состоит в том, что возникающие при электродинамическом взаимодействии механические напряжения σ пропорциональны векторному произведению индуцированного в изделии переменного тока I' на индукцию магнитного поля B:σ ~ I' × B
Расстояние между одноименными полюсами магнитов m выбирается из условия:
m = λ / sin(α),
где λ - длина поперечной волны, α - угол распространения УЗК.
Одним из важнейших достоинств ЭМА-метода является возможность его использования при высоких температурах (до 1300°С), а так же то, что он является бесконтактным с ОК.
ЭМА-преобразователи в настоящее время получили наибольшее распространение в качестве средства бесконтактного излучения и приема ультразвуковых волн. Это объясняется их относительно большим коэффициентом преобразования по сравнению с другими способами бесконтактного возбуждения акустических волн (на частотах, обычно применяемых в дефектоскопии: 1-5 МГц), их широкополосностью, возможностью возбуждать волны самого различного типа, слабой зависимостью преобразования от неровностей поверхности (проверку можно производить при наличии окалины на валках), применимостью ЭМА-преобразователей для контроля не только холодных но и горячих изделий.
Недостатками следует считать громоздкость преобразователей из-за необходимости сильного подмагничивания и малый коэффициент преобразования, но ввиду всех недостатков, этот метод является наиболее оптимальным в контексте данной темы.
Устройство, которое реализует данный способ, содержит электромагнитно-акустические преобразователи (излучения - формирователь УЗК и приема - датчики), усилитель, блок измерения информативных параметров, соединенный с дефектоскопом, и блок принятия решения. Технический результат: повышение чувствительности и надежност контроля.
Рисунок 2 - Структурная схема электронной системы
На структурной схеме используются такие блоки: датчики каналов 1..N - пьезоэлектрические акустические преобразователи ультразвуковых колебаний; измерительный датчик канала температурной компенсации; преобразователи параметр электрической цепи - электрический сигнал (Пр); нормирующие преобразователи (НПр), предназначеные для преобразования измеренных акустических сигналов в унифицированный сигнал тока или напряжения; линии связи (ЛС); согласующие усилители (СУ); мультиплексор аналоговых сигналов (МАС); устройство выборки-хранения (УВХ); аналогово-цифровой преобразователь (АЦП); микропроцессорное устройство (МПУ), обеспечивающее обработку полученных данных, принятие решений и выработку сигналов управления СУ1..СУ3 соответственно МАС, УВХ, АЦП; постоянное запоминающее устройство (RAM) для хранения данных; дисплей отображения информации (ДОИ).
Процесс проката стального листа и контроля состояния валков на наличие в них развивающихся дефектов приведен на рис. 3.
Рисунок 3 - Процесс контроля сталепрокатных валков. Flash-анимация, 145 кадров, зацикленное повторение, 35кб
На рис. 3 цифрами обозначены детали блока формирования УЗК: 1 - система из постоянных магнитов с приложенным напряжением U1; 2 - проводники с переменным током I2 и приложенным напряжением U2; 3 - датчик (пьезоэлектрический преобразователь УЗК).
При нормальном состоянии валков, когда отсуствуют усталостные трещины, генерируемые ультразвуковые колебания рассеиваются в структуре металла, не фокусируясь на датчике, чему свидетельствует осциллограмма без возмущений блока индикации.
Когда начинается зарождение дефектов в приповерхностном слое валков, генерируемые УЗК отражаются от трещин и попадают на акустический преобразователь, с выхода которого сигнал усиливается, обрабатывается и отображается на экране индикатора. В зависимости от того, какой установлен порог обнаружения, интенсивность сигнализации может изменяться при соответствующем развитии дефектов: при увеличении объема трещин амплитуда акустических сигналов, поступающих на датчик, существенно увеличивается. Таким образом судят о состоянии остаточного ресурса объекта контроля.5. Заключение
В работе сформулированы цель и задачи исследований, которые аргумантируются реальными потребностями предприятия в данной системе диагностического контроля, которые обусловлены повышением эффективности и производительности оборудования. При установке дополнительного оснащения, намного снизится вероятность преждевременного выхода из строя рабочих органов - валков, уменьшится до минимума выход бракованого проката. Процесс контроля будет проходить бесконтактным способом с определенным интервалом времени при использовании электромагнито-акустического метода, что снизит время простоя стана при технологическом перерыве.
Дальнейшие расчеты и исследования предоставят численные характеристики и параметры оптимальной работы системы контроля приповерхностного слоя сталепрокатных валков, разрешающую способность сканирования, количество преобразователей, которые будут в полной мере охватывать максимальный объем рабочей поверхности валков.
6. Литература
Сухоруков В.В. Неразрушающий контроль. – М.: Высшая школа, 1991. – 283 с.
Шкарлет Ю. М. Бесконтактные методы ультразвукового контроля. – М.: Машиностроение, 1974. – 56 с.
Шаповалов П. Ф. Исследование и разработка импульсных электромагнитно - акустических преобразователей и приборов для неразрушающего контроля: Автореф. дис. канд. техн. наук.– Томск: Политехн. ин-т., 1973. – 21 с.
Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. Под ред. В.С. Григорьева и Розенберга Л.Д. – М.: Иностранная литература, 1957. – 726 с.
Ермолов И. Н. Теория и практика ультразвукового контроля. – М.: Машиностроение, 1981. – 240 с.
Алешин Н. П., Лупачев В. Г. Ультразвуковая дефектоскопия. Справ. пособие. – Минск: Высшая школа, 1987. – 320 с.
Гетман А.Ф., Козин Ю.Н. Неразрушающий контроль и безопасность эксплуатации сосудов и трубопроводов давления. – М.:Энергоатомиздат, 1997. – 234 с.
Кавашима К., Мурота С. Электромагнитное генерирование ультразвуковых волн в отсутствие внешнего магнитного поля и использование этих волн в сталелитейной промышленности. Доклад на международной конференции по неразрушающему контролю. – Мельбурн, 1979. доклад 4Н-3. С.1-8. (Перевод № КГ-72611).
Кириков А.В., Забродин А.Н., Паврос С.К., Северинец И.Ю., Крауклиш С.И. Высокотемпературный ультразвуковой контроль листового проката. – Сталь, 2005, № 11. С.83.
Деордиев Г.И., Щербинин В.Е. Контроль массовых изделий резонансным электромагнитно – акустическим методом (обзор). – Дефектосопия, 2004, № 1. С. 13 – 31.
Пейн Г. Физика колебаний и волн. – М: Мир, 1989. – 389 с.
Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов. Т1. – М: Мир, 1983. – 311 с.
© ДонНТУ, Соломичев Роман Игоревич, 2010