Способ неразрушающего контроля качества ферромагнитных материалов и изделий

 

Использование: изобретение относится к магнитному контролю физико-механических свойств ферромагнитных материалов и изделий. Сущность изобретения: измеряют температуру и значение при этой температуре магнитного параметра или другого параметра, функционально связанного с коэрцитивной силой, приводят его значение к значению, соответствующему постоянному температурному уровню, по математической модели связи магнитного параметра с температурой, и определяют характеристики качества изделий по математическим моделям связи характеристик качества с приведенным значением магнитного параметра.

Изобретение относится к неразрушающему контролю физико-механических свойств ферромагнитных материалов и изделий и может использоваться в металлургии и машиностроении для контроля потребительских свойств и прогнозирования параметров технологического воздействия на материалы и изделия непосредственно в потоке в диапазоне температур существования ферромагнитных свойств изделий.

Известны способы определения физико-механических свойств ферромагнитных изделий, в которых о контролируемом параметре судят по измерению коэрцитивной силы [1] Однако требуемая точность измерения магнитного параметра этим способом соблюдается в сравнительно узком температурном диапазоне.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ контроля качества проката, заключающийся в том, что в технологическом потоке стана 2800 феррозондовым коэрцитиметром типа КИФМ-1с помощью специального электромеханического приспособления (установки) по току размагничивания I_p (параметр, линейно связанный со структурочувствительной коэрцитивной силой Н_с) определяют механические свойства листов при температуре до 100^oC [2] На основании полученных данных выведена корреляционная зависимость механических свойств листовой стали от величины тока размагничивания I_р. Доказана возможность аттестации стали по току размагничивания I_р в технологическом потоке стана. Определены продолжительность измерения этого параметра и погрешность неразрушающего магнитного метода аттестации механических свойств толстолистовой стали в реальных производственных условиях цеха.

Недостатком известного способа является ограниченный температурный диапазон аттестуемого металлопроката.

Это ограничение объясняется влиянием температуры на коэрцитивную силу, что приводит к снижению точности контроля с увеличением температурного диапазона, в котором измеряют этот магнитный параметр. Поэтому при существующем способе мы вынуждены сужать температурный диапазон. На практике возникает необходимость контроля изделий в потоке в температурном диапазоне в несколько сотен градусов. Например, температура горячекатаных листов в месте их аттестации и прогнозирования механических свойств для оперативной корректировки параметров и режимов термомеханической обработки листовой стали в технологическом потоке стана 2800 Орско-Халлиловского меткомбината для листов толщиной 8-10 мм достигает 400^oС, а для листов толщиной до 20 мм верхняя граница температуры еще выше. Ограничение по температуре сдерживает также технологическую линию термоотделения ЛПЦ-1 из-за вынужденной остановки листов для их охлаждения с целью аттестации. При отсутствии возможности задержки технологического потока для охлаждения листов необходим отбор для механических испытаний, что приводит к повышению расхода металла, снижению экспрессности аттестации металлопродукции и отгрузки ее потребителю.

Цель изобретения повышение точности и расширение температурного диапазона неразрушающего контроля физико-механических свойств ферромагнитных изделий и оперативное прогнозирование запаса механических свойств для корректировки выбранных параметров и режимов термомеханического воздействия на изделия.

Указанная цель достигается тем, что по способу, заключающемуся в измерении магнитного параметра, например коэрцитивной силы, и определении физико-механических свойств ферромагнитных изделий по математическим моделям связи, согласно изобретению, измеряют температуру и значение при этой температуре магнитного параметра (коэрцитивной силы или другого параметра, функционально связанногос коэрцитивной силой, приводят его значение к значению, соответствующему постоянному температурному уровню, по математической модели связи магнитного параметра с температурой: , где H_cm значение коэрцитивной силы при постоянной температуре t m; H_c значение коэрцитивной силы при температуре t; Θ точка Кюри, ^oC; t температура изделия, ^oC; k и h величины, различные для разных стадий, определяемые экспериментально путем нагревания до необходимой температуры изделий из данного материала с различной коэрцитивной силой и снятия показаний прибора (коэрцитиметра, импульсного магнитного анализатора или др.) при их остывании через каждые 15-20^oC и последующего расчета по формулам: , ,
где N число измерений;
Н_сi, t_i результаты i-того измерения коэрцитивной силы и температуры;
H_cmi значение коэрцитивной силы при температуре t m.

Характеристики качества изделий из углеродистых и низколегированных сталей определяют по математическим моделям связи характеристик качества с приведенным значением магнитного параметра:
M a + b H_cm,
где М характеристика качества изделия;
H_cm значение коэрцитивной силы при температуре t m;
a и b величины, определяемые экспериментально путем проведения параллельных испытаний изделий из стали данной марки стандартным и неразрушающим методами при температуре t m и последующего расчета по формулам:
;
,
где N число испытаний;
H_cmi, M_i результаты i-того испытания неразрушающим и стандартным методом при температуре t m.

Предлагаемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в предлагаемом способе измеряют температуру и значение при этой температуре магнитного параметpа, приводят его значение к значению, соответствующему постоянному температурному уровню, по математической модели связи магнитного параметра с температурой и определяют характеристики качества ферромагнитных изделий по уравнениям связи характеристик качества со значениями приведенного магнитного параметра.

В качестве магнитного параметра используют коэрцитивную силу или любой другой параметр, функционально связанный с коэрцитивной силой, например ток размагничивания I_р для коэрцитиметра, градиент нормальной составляющей остаточной намагниченности для импульсного магнитного анализатора и др.

Предлагаемый способ позволяет производить магнитный контроль физико-механических свойств изделий в расширенном диапазоне температур по сравнению с существующим. Он превышает производительность технологической линии за счет уменьшения простоев из-за необходимости охлаждения изделий, ускоряет аттестацию и отгрузку готовой продукции потребителю и дает дополнительную экономию металла за счет уменьшения объема прямых испытаний. В условиях металлургического и машиностроительного производства предлагаемый способ позволяет при температуре изделий в диапазоне в несколько сотен градусов оперативно корректировать параметры термомеханического воздействия (термообработка, обработка металла давлением и т.п.).

Первоначальную (1989 г. ) реализацию способа осуществляли в ручном варианте. Предварительно записывали в журнал реквизиты листа и химические параметры (массовую долю углерода и серы). Операцию измерения магнитного параметра выполняли следующим образом: на остановленный в технологическом потоке стана лист опускали феррозондовый преобразователь, подвешенный на цепочках к трубчатому металлическому стержню с ручкой. Удлиненный питающий кабель преобразователя закрепили вдоль стержня и соединили с блоком измерения коэрцитиметра КИФМ-1. Температурный параметр листа измеряли контактным термометром сопротивления диапазоном 0-400^oC. Затем по таблице определяли значение коэрцитивной силы H_co, учитывающее температурную поправку, и прогнозировали механические характеристики листовой стали по аттестационной таблице (текучесть, прочность, пластичность, вязкость) с учетом значения углерода и серы.

В настоящее время (декабрь 1992 г.) способ реализуется в автоматизированном варианте одним оператором, измеряющим коэрцитивную силу Н_с на горячем листе с помощью установки, и температуру листа радиационным пирометром с пределами измерений 0-600^oC. Время полного цикла аттестации листа не более 45 с. Реализация способа подтверждена актом внедрения научно-технического мероприятия, утвержденного Главным инженером комбината 15.04.92 г.

Пример. Для аттестации в технологическом потоке стана 2800 ОХМК механических свойств горячекатаной стали марки 17Г1С толщиной 8-10 мм с химическим составом: 0,17% углерода; 1,5 марганца;0,5 кремния; 0,03% серы; остальное железо, выполнили следующие операции:
1. Провели серию экспериментов по изучению связи тока размагничивания с температурой, в результате которых установили, что ток размагничивания, как величина, линейно связанная с коэрцитивной силой, имеет связь с температурой, описываемую уравнением:
I_p 0,0575 I_o (768 t)^0,34 (1)
где I_p ток размагничивания при температуре ^oC;
I_o ток размагничивания при температуре 0^oC;
t температура листа, ^oC.

2. Провели серию измерений температуры листов в диапазоне 40-350^oC и тока размагничивания при этой температуре с последующими испытаниями механических свойств: предела текучести σ_т; временного сопротивления σ_в;; относительного удлинения δ⁵; ударной вязкости при температуре минус 40^oС; КСU^-40 (количество испытаний на растяжение и ударную вязкость равно 283 и 477 соответственно).

3. Привели значения тока размагничивания I_p к постоянному температурному уровню 0^oC с помощью таблицы, рассчитанной по формуле, полученной из формулы (1):
I_o I_p/(0,0575 (768 t)^0,43; (1a)
4. Выполнили статистический анализ и рассчитали уравнение связи механических характеристик σ_т, σ_в, δ⁵, KCU^-40 с током размагничивания при 0^oC и массовой долей некоторых химических элементов:

где С массовая доля углерода,
S массовая доля серы,
Для аттестации листа из марки стали 17Г1С толщиной 8 мм:
а) измерили температуру листа и значение тока размагничивания при этой температуре:
t 265^oC; I_p 15 мА.

б) по таблице приведения тока размагничивания к температуре 0^oC определили:
I_o 18 мА.

в) по аттестационным таблицам, рассчитанным на основании уравнений связи (2)-(5) определили значения механических характеристик, зная, что С 0,16% S 0,024%
σ_т=39,5 кгс/мм²; σ_в=55 кгс/мм²; δ⁵=29%;
KCU^-40 7,7 кг см/см².

Для справки: фактические значения механических характеристик по результатам прямых испытаний:
σ_т=39,5 кгс/мм²; σ_в=55 кгс/мм²; δ⁵=28%;
KCU^-40 6,7 кгсм/cм².

Использование предлагаемого способа магнитного контроля качества изделий из углеродистых и низколегированных сталей обеспечивает по сравнению с существующим способом следующие технические преимущества:
повышение точности неразрушающего контроля изделий за счет учета влияния их температуры на магнитные свойства;
возможность неразрушающего контроля изделий в расширенном температурном диапазоне по сравнению с существующим;
возможность оперативной корректировки параметров и режимов термомеханического воздействия на изделия в процессе производства.

Указанные преимущества позволяют получить экономический эффект за счет снижения:
расхода металла на прямые испытания в результате внедрения неразрушающего контроля изделий при повышенной температуре в технологическом потоке;
себестоимости изделий за счет удешевления термической обработки или ее исключения;
трудозатрат на аттестацию качества готовых изделий.

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля ферромагнитных материалов и изделий, включающий измерение магнитного параметра коэрцитивной силы, определение физико-маханических свойств изделий по математическим моделям связи, отличающийся тем, что измеряют температуру и значение при этой температуре магнитного параметра коэрцитивной силы или другого параметра, функционально связанного с коэрцитивной силой, приводят его значение к значению, соответствующему постоянному температурному уровню, по математической модели связи магнитного параметра с температурой

где Н_cm- значение коэрцитивной силы при постоянной температуре t m;
Н_c значение коэрцитивной силы при температуре t;
t температура изделия, ^oС;
Θ - точка Кюри, ^oС;
k и n величины, различные для разных материалов, определяемые экспериментально путем нагревания до необходимой температуры изделий из данного материала с различной коэрцитивной силой и снятия показаний прибора (коэрцитиметра, импульсного магнитного анализатора или др.) при их остывании через каждые 15 20°С и последующего расчета по формулам


где N число измерений;
H_ci, t_i результаты i-го измерения коэрцитивной силы и температуры;
H_cmi значение коэрцитивной силы при температуре t m,
и определяют характеристики качества изделий по математическим моделям связи характеристик качества с приведенным значением магнитного параметра
М а + b·H_cm,
где M характеристика качества изделия,
H_cm значение коэрцитивной силы при температуре t m;
а и b величины, определяемые экспериментально путем проведения параллельных испытаний изделий стандартным и неразрушающим методами при температуре t m и последующего расчета по формулам


где N число испытаний,
H_cmi, М_i результаты i-го испытания неразрушающим и стандартным методами при температуре t m.

PD4A - Изменение наименования обладателя патента Российской Федерации на изобретение

(73) Новое наименование патентообладателя:
Открытое акционерное общество "Уральская сталь" (RU)

Извещение опубликовано: 20.05.2006        БИ: 14/2006