Software & Systems

Важной проблемой при создании прокатных станов является изготовление высококачественных рабочих валков. Их производство проходит ряд технологических этапов, каждый из которых определенным образом влияет на прочность и твердость готового изделия. Стремление производителей повысить твердость бочки валка приводит к охрупчиванию рабочего слоя и формированию значительных остаточных напряжений. Практика производства и эксплуатации прокатных валков показывает, что недостатки изготовления в первую очередь влияют на прочность валков как до начала эксплуатации, так и после. Более опасными с точки зрения разрушения являются внутренние дефекты.

Для своевременного обнаружения недостатков изготовления в технологическом процессе предусмотрены различные виды пооперационного и итогового контроля качества валков. Максимально эффективными методами контроля дефектов, находящихся глубоко от поверхности, являются акустические методы. Их анализ показал, что наиболее приемлемым для оценки качества валка в целом, а также контроля за наличием дефектов (например трещин) является ультразвуковой (эхо-) метод в струйном исполнении, позволяющий достаточно просто обнаруживать имеющиеся в прокатном валке дефекты. Ультразвуковой анализ напряжений основан на зависимости скорости распространения волны от упругих постоянных материала. В соответствии с этим методом в валке генерируют волны (продольные и поперечные) и измеряют изменение скорости распространения этих волн в зависимости от уровня напряже- ний [1].

Для обнаружения рабочих валков, склонных к выкрашиванию и отслоению, разработана, сконструирована и изготовлена ультразвуковая установка, схема которой приведена на рисунке 1. Эта установка позволяет автоматически диагностировать качество рабочих валков, выявлять валки, склонные к выкрашиванию и отслоению закаленного слоя, методом ультразвукового сканирования всего объема металла [2].

Ультразвуковое сканирование валка осуществляется с помощью УЗК-преобразователя со специализированной ультразвуковой платой PCUS 10, подключенной к персональному компьютеру модели IBM PC PIII 1000. Основным достоинством ультразвуковой платы PCUS 10 по сравнению с портативными дефектоскопами (например, УД9812 «Уралец» и EPOCH 1000) является управление процессом диагностики на низком уровне с возможностью программирования необходимых параметров по любым выбранным схемам. Такой подход позволяет реализовывать различные варианты регистрации сигнала. К этой плате подключен ультразвуковой преобразователь фирмы PANAMETRICS V309 5МГц, который возбуждает и принимает ультразвуковые сигналы в направлении оси валка. С помощью рычага и серьги он прижимается к валку. Для обеспечения акустического контакта в зону между поверхностью валка и преобразователем под давлением подается вода.

Для определения местоположения каретки относительно валка используются два концевых выключателя и датчик оборотов валка, сигнал с которых вводится в компьютер. Частота вращения валка и скорость движения каретки стабилизированы, и их значения введены в программу, которая по времени процесса обследования рассчитывает положение каретки относительно валка и угол его поворота.

В процессе ультразвукового сканирования валка для определения крайнего положения каретки используются левый и правый концевой выключатели, сигналы с которых по кабелю поступают через параллельный порт в компьютер. Сканирование начинается с левого крайнего положения каретки движением в правую сторону. В момент начала движения отключается левый концевой выключатель, по окончании сканирования срабатывает правый.

К компьютеру через параллельный порт подключен датчик вращения валка. Он позволяет определять угол поворота и подсчитывать количество оборотов валка. Процесс записи сигналов с ультразвуковой платы PCUS 10 начинается с момента срабатывания датчика вращения валка и отключения левого концевого выключателя, заканчивается при срабатывании правого.

Процессом ультразвукового сканирования валка управляет компьютер, в который вводятся сигналы с концевых выключателей и датчика вращения валка. На экране монитора изображается карта валка, на которой во время сканирования отображаются положение датчика на валке и промежуточные результаты.

Частота вращения и скорость движения каретки стабилизированы. Положение ультразвукового датчика на поверхности валка рассчитывается по времени движения с начала процесса сканирования. Для более точного определения положения ультразвукового датчика на поверхности валка по сигналам с датчика вращения валка в программе корректируется значение частоты вращения.

Для управления процессом ультразвукового сканирования вращающегося прокатного валка создано ПО «Ультразвуковой дефектоскоп». Основное окно программы представлено на рисун- ке 2.

ПО управляет УЗК-платой PCUS 10 и осуществляет с помощью УЗК-преобразователя в автоматическом режиме возбуждение и прием ультразвуковых сигналов в валке в направлении его оси. В окне панели управления можно задавать и изменять такие параметры, как усиление (от 50 до 100 Дб), время развертки (от 100 до 800 мкс), импеданс (от 50 до 300), энергия, тип датчика (раздельный, смещенный), частота фильтра, а также управлять процессом обработки сигнала, изображаемого на развертке (огибающая, затухание, фильтр низких частот, фильтр высоких частот). В окне результатов работы программы отображается скорость ультразвука в объекте контроля при указании конкретного размера материала.

Во время сканирования создается БД УЗК-сиг­налов, отраженных от возможных дефектов в валке. По окончании процесса формируется ультразвуковая карта валка, на которой квадратами на основном поле отмечены опасные зоны (рис. 3). Под ними в направлении оси валка возможно наличие дефектов. Для более точного определения вероятности присутствия дефекта необходимо просмотреть в этой зоне отраженные УЗК-сигналы из БД. Определение положения преобразователя на поверхности валка осуществляется по сигналам с датчика его вращения и концевым выключателем.

Перед началом ультразвукового сканирования валка необходимо ввести значения диаметра и длины бочки валка, комментарии, а затем запустить процесс ультразвукового сканирования.

Далее программа будет ожидать отключения левого концевого выключателя. После начала движения каретки и его выключения ожидается сигнал с датчика оборотов валка. Этот сигнал запускает процесс автоматического ультразвукового сканирования валка, во время которого возбуждаются УЗК в направлении его оси и записываются отраженные УЗК. По данным настройки дефектоскопа определяется градация амплитуд отраженных УЗК, которые выводятся на сечение валка.

Максимальная амплитуда отраженных УЗК, связанная с возможным дефектом в валке, отражается на карте валка. При появлении сигнала с датчика оборотов корректируется значение частоты вращения валка, введенное в программу. Срабатывание правого концевого выключателя приводит к корректировке значения скорости движения каретки и к перерисовке карты валка.

При подготовке к контролю необходимо ознакомиться с конструкцией и технологией изго- товления контролируемого валка, уточнить его геометрические размеры, выбрать необходимую схему прозвучивания и параметры контроля, произвести осмотр контролируемой поверхности и установить соответствие ее шероховатости требованиям ОСТ 24.023.22-81, затем настроить чувствительность и глубиномер дефектоскопа.

Контроль качества валков проводится эхо-импульсным методом по совмещенной или раздельно-совмещенной схеме. При настройке чувствительности дефектоскопа необходимо оценить степень ослабления ультразвука в контролируемом изделии. Допускается использование испытательных образцов для настройки чувствительности дефектоскопа в случае, если разность между первым и вторым донными эхо-сигналами в контролируемом изделии отличается от разности, измеренной на испытательном образце, менее чем на 4 дБ. Если эта разность превышает 4 дБ, чувствительность дефектоскопа необходимо устанавливать с помощью АРД-диаграмм.

Степень ослабления ультразвука в контро- лируемом валке определяется не менее чем в 10 точках, расположенных на образующей цилиндрической поверхности валка, причем первая и последняя точки должны находиться в начале и конце образующей.

При большом изменении коэффициента затухания ультразвука по объему валка вдоль образующей последний разбивается на зоны контроля, в которых разность между амплитудой первого и второго импульсов отклоняется от среднего значения в пределах ±3 дБ. В этом случае настройка чувствительности дефектоскопа проводится для каждой зоны непосредственно на контролируемом образце или по различным испытательным образцам.

Схема прозвучивания выбирается в зависимости от диаметра валка с учетом требований нормативно-справочной документации. При контроле валков с помощью нормальных и наклонных (с углом призмы 30° и 40°) искателей зону контроля устанавливают в пределах от 0 до значения диаметра контролируемой части валка. При этом допускается сканирование по ½ цилиндрической поверхности. При контроле частей валка, имеющих нецилиндрическую форму (конусную), необходимо учитывать изменение зоны контроля при перемещении искателя по поверхности контроля. При проведении контроля частей валка диаметром менее 300 мм наклонным преобразователем последний следует притереть по диаметру.

При ультразвуковом контроле регистрации подлежат все эхо-сигналы, находящиеся в зоне контроля и превышающие по амплитуде эхо-сигнал, отраженный от плоского дна отверстия диаметром 10 мм, расположенного на такой же глубине. При появлении эхо-сигнала на экране дефектоскопа в зоне контроля, перемещая преобразователь, можно добиться максимальной величины амплитуды эхо-сигнала и провести измерения координат расположения, эквивалентной площади и условных размеров дефекта.

В случае, если проведение контроля с чувствительностью SЭКВ=78 мм2, ДЭКВ=10 мм невозможно (наличие структурных помех, большой коэффициент затухания ультразвука и т.д), допускается контроль на более низкой частоте при условии обеспечения требуемой чувствительности, о чем делается соответствующая пометка.

В валках, изготовленных по ГОСТ 10207-70, не допускаются:

1) протяжение несплошности металла поперечной или близкой к ней ориентации, занимающей площадь более 2,5 % общей площади контролируемого сечения SК и находящейся на расстоянии менее 0,7 R от наружной поверхности валка (R – радиус контролируемого сечения, мм);

2) скопления, состоящие из несплошностей эквивалентным диаметром более 10 мм (SЭКВ= =78 мм2), занимающие более 25 % общей площади поперечного контролируемого сечения и находящиеся на расстоянии менее 0,2 R от наружной поверхности валка.

Скоплением считается зона близко расположенных несплошностей, эхо-сигналы от которых на экране дефектоскопа не различаются как отдельные при настройке дефектоскопа на рабочую чувствительность. За крайние положения преобразователей при определении условных размеров дефектов принимаются такие, при которых амплитуда эхо-сигнала от дефекта становится равной амплитуде эхо-сигнала от искусственного отражателя диаметром 10 мм, расположенного на такой же глубине.

Вопрос о допустимом размере внутреннего трещиноподобного дефекта до конца не изучен и требует подробного рассмотрения в каждом отдельном случае посредством оценки трещиностойкости валка, а именно, возможности разрушения под действием остаточных напряжений при наличии в валке конкретной трещины (размер, местоположение), выявленной ультразвуковым контролем. В дальнейшем планируется усовершенствовать разработанное ПО, создав модуль анализа трещиностойкости прокатного валка с учетом выявленных дефектов.

Литература

1.   Вафин Р.К., Покровский А.М., Лешковцев В.Г. Прочность термообрабатываемых прокатных валков. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 264 c.

2.   Давыдов А.В. Методика оценки качества прокатных валков при помощи установки ультразвуковой диагностики // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. Курск, 2009. Вып. 10. С. 104–106.