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轧辊的超声波探伤

时间:2014-05-21 19:13:57

锻钢冷轧辊的无损检测

周 鼎 祥

摘  要:  带钢冷轧工作辊的各项高性能指标及严酷的使用条件,使无损检测(NDT)技术在其研制、生产、试验和日常使用管理中得到广泛应用。本文对冷轧工作辊的材质、性能指标、使用条件及检测项目进行了介绍,对冷轧工作辊超声检测(UT)中常见技术问题进行了研讨,文章还对三种主要的表面探伤技术在冷轧工作辊表面缺陷检测中的效能进行了评述。

关键词:  锻钢冷轧工作辊超声波探伤表面波涡流检测旋磁探伤

1 概述

现代带钢冷连轧工作辊及中间辊的材质通常为含Cr2~5%的高碳合金锻钢,近年来已开始使用高速钢及半高速钢材质来制造冷轧工作辊。小规格的森吉米尔多辊轧机(Sendzimir mill)的工作辊及中间辊的材质主要为Cr12系列锻钢及锻造高速钢。

现代冷连轧机的的轧制速度很高,可达每秒数十米。轧辊所承受的轧制力很大,按辊面母线单位长度计算,单位长度轧制压力常在10KN/mm以上。轧制的板宽很宽,板厚越来越薄,钢材的强度日益提高。因轧制极薄板而使轧制事故容易发生,辊面受粘钢及热冲击损伤的几率增加。因此冷轧辊的使用条件极其严酷。由于市场对现代冷轧板的质量要求日益提高,例如对板面要求光滑,不得有辊印、桔皮状糙化等影响板面质量的缺陷;对板形要求平整,对板面中间的瓢形、边部的浪皱及镰形侧弯的控制很严,这就要求轧辊辊面有很高的耐磨性、耐糙化性;由于轧钢生产中可能发生辊面打滑、卡钢、粘钢等事故,辊面容易受热冲击而产生热裂纹,这些表面细小裂纹在未磨尽的情况下,在随后的使用中将引起裂纹向辊身皮下发展而形成大而深的带状剥落,使轧辊彻底报废。这就要求轧辊兼有良好的耐事故性,即要求辊面有适当的硬度和残余压应力水平。总而言之,既要求轧辊有高的耐磨性,又要求它具有良好的耐事故性。通常轧辊的耐磨性和耐事故性是一对矛盾,过高的耐磨性(硬度)通常伴随着耐事故性的降低,而降低硬度一般可使耐事故性得到提高。所以轧辊的生产者和使用者在轧辊的生产和使用管理中,不仅要根据其使用条件和材质特点选择适当的热处理工艺以获得轧辊的适当的硬度范围和表面残余压应力水平,同时还要在轧辊的修磨过程中加强修磨控制和辊面缺陷检测,这在轧钢生产中卡钢、甩尾、打滑和跑偏等事故较多的情况下,尤为重要。对于一般的中、窄带钢冷轧工作辊来说,使用条件比宽带钢冷连轧辊要相对好一些。但除了轧制速度较慢、单位轧制力较低外,其他对于辊面耐磨性、耐糙化性和耐事故性仍有很高要求。为了满足轧钢生产的使用,冷轧工作辊必须有足够深的辊身淬硬层深度。从

20世纪70年代开始,冷连轧辊的淬硬层深度从≥12mm,逐步增加到20和30mm左右,目前已达到约50mm的水平。由于淬硬层的增厚,辊身淬硬层的残余压应力对轧辊中心区域残余应力的影响,使心部的残余拉应力水平有所增高,拉应力峰值区范围进一步扩大。这就使得对于冷轧工作辊中心区域的缺陷控制要求更加严格。换言之,轧辊制造厂和轧钢厂对于冷轧工作辊内部缺陷超声波检测提出了日益更高的要求。为了满足上述冷连轧机的使用条件,对冷轧辊提出了下列很高的检测要求:轧辊辊面和辊颈轴承部位的硬度检测为了达到辊面的高耐磨性要求,辊面硬度通常都要求达到HSD93以上,对于平整工作辊硬度更是要求HSD95以上,且要求硬度均匀,辊身硬度均匀度不超出HSD2。为了防止辊身两端部在表面淬火过程中和以后使用时的脱肩事故,在辊身两端要留有一定宽度的淬火过渡区—软带。为了使辊颈轴承部位有良好的耐磨性,在轧辊制造时,通常需要对辊颈轴承部位进行表面高频感应淬火硬化处理—辊颈强化。上述部位均需进行硬度检测。

轧辊的金相检测

为了保证辊面的耐糙化性,防止在很高接触应力使用条件下辊面的滚动接触疲劳所引起的辊面微裂纹和小掉肉,对轧辊的显微组织要求也很高。要求晶粒组织细小均匀;要求高倍夹杂物少,通常要求A系(加工变形)夹杂物(硫化物、硅酸盐)、B系夹杂物(氧化铝)、C系(不

变形氧化物、氮化物等)夹杂物的总量不大于0.04%;要求偏析程度低,防止树枝晶出现。同时对组织中的液析碳化物的大小也有控制要求,一般碳化物的大小应在2μm以下,个别碳化物不应大于3μm。对于夹杂物的定量通常可采用网格法来计算,也可采用图像分析法来定量;对于液析碳化物的大小测量,一般应以在显微镜下测得的液析碳化物块的长轴尺寸为准。

轧辊的表面残余应力测试

为了处理好辊身的耐磨性和耐事故性这一对矛盾,辊身表面应保持适当的热处理残余压应力。这个残余压应力不能太高,也不能太低。残余压应力较低则反映辊面硬度也较低,耐磨性也较差,但轧辊的抗事故性可能较好,属于耐事故型轧辊;残余压应力较高,则通常辊面硬度很高,辊面的耐磨性高,属于耐磨型轧辊,但在发生辊面打滑、粘钢和烧伤等轧钢事故时,产生的表面裂纹较深,易导致辊面剥落事故。辊面的残余压应力与硬度的关系密切,有资料指出,对于辊身直径在Φ550mm左右的冷轧辊,当辊面残余压应力增大或减小100MPa,则辊面硬度相应增大或减小约0.8HS。辊面的残余应力一般可采用X射线应力检测法进行检测。

轧辊的无损探伤

如果辊身内部存在某些缺陷,则轧辊在预备热处理─调质过程和最终热处理─辊身淬火/回火及辊颈表面强化过程中,在热应力和组织应力的作用下,可能引起缺陷的扩展甚至导致轧辊的断裂事故;如果辊身表面及近表层存在缺陷─疲劳源,将引起轧辊在使用中的掉肉和剥落事故;对于一些需要重复淬火硬化的轧辊,必须防止重淬过程中因轧辊原始内在缺陷诱发的断裂事故。以上种种都对冷轧辊的辊坯、半成品以及成品辊的低倍冶金缺陷提出了很高的检测控制要求。对轧辊内部的低倍缺陷采用超声波纵波探伤法来探测。而对轧辊表面的缺陷,主要包括翻皮、锻造折叠、热处理裂纹、疲劳裂纹及磨削裂纹等,可采用渗透探伤或磁力探伤法进行检测,也可采用超声表面波法来进行检测。在上述诸项检测中,对新辊及在用辊最常用的是无损检测项目,它对于轧辊的安全制造和合理使用管理以及反映其内在质量信息有着重大的意义。

新品冷轧辊的超声检测

2.1 冷轧辊

UT中的若干问题

2.1.1 空心辊的中心缺陷问题

冷轧工作辊有开中心孔的空心辊和不开中心孔的实心辊两种。从使用角度看,有的工厂在轧制前,需要向轧辊的内孔通蒸汽预热轧辊。另外,因为轧辊中心部位在热处理(包括调质及表面淬火)时是拉应力峰值区,因此中心缺陷很有害。通常可加工一个去除这些缺陷的工艺孔。该孔在辊坯整体调质时还可通油冷却,以产生表面残余压应力,使热处理的残余拉应力峰值区不在孔壁上。因此带中心通孔轧辊的UT是一个常见的检测问题。当中心缺陷未能完全去除,特别是残留缺陷在孔壁上显露时,将更具危险性。轧辊使用时,工作辊夹在支承辊之间,在很大的压力下转动。因此,在中心孔壁上产生拉伸和压缩的交变应力。当该应力与残余应力叠加,超过孔壁疲劳极限、特别是由于孔壁上缺陷显露形成应力集中部位时,将由此发生疲劳破坏。日本三喜代三指出,采用感应加热方式进行冷轧辊淬火时,在无法冷却中心孔或冷却能力较差时,一定要避免使用开中心孔的轧辊,这是一条原则。据我国常州冶金机械厂报道,一批开有Φ80mm中心孔的9Cr2MoΦ400×1200mm冷轧辊,在使用中断辊率高达20%。经分析,其原因是辊坯存在中心部位缺陷,中心孔使材料的内在缺陷外露,调质时孔壁氧化脱碳使材料的疲劳强度下降,加上加工刀痕产生应力集中,加速了疲劳裂纹的形成而导致断辊。当针对上述原因采取措施,生产20支实心辊,经两年的使用考核,再未发生断辊。宝钢冷轧厂也曾使用过一支冷轧辊,内孔存在一个3~5mm的接刀台阶,结果该辊使用不久就发生断辊事故。因此,对空心辊的孔壁表面质量要求很严,规定必须采用超声探伤及内窥镜进行检查,不允许孔壁表面有尖锐的刀痕、划伤以及任何暴露在孔壁表面的缺陷。在GB/T 13315《锻钢冷轧工作辊超声波探伤方法》标准中将中心孔附近定为Ⅲ区,对此区UT的要求与辊身近表层的Ⅰ区相似。一般说来,在实际生产中,因为在锻件的近表层区(Ⅰ区)材料很纯净,组织很致密而很少遇到缺陷,而Ⅲ区因处于锻件的中心部位,容易残留一些锻造不致密及夹杂性缺陷而在探伤中被发现。这类缺陷中危害最大的是与中心孔壁基本垂直的裂纹。鉴于其方向性不利于径向垂直探查,检测人员在探伤中应特别注意中心孔底波后一个小范围内的回波信号,当探头沿周向或轴向移动时注意这种回波信号的变化,以作出正确的判断。见图1所示:图1 带中心孔轧辊内孔壁附近裂纹性缺陷的波形空心辊的超声探伤中另一个需要注意的是灵敏度校定问题。由于空心辊探伤时使用内孔回波作为基准底波,在用DGS方法校定灵敏度时,要对内孔凸弧面发散衰减进行修正,将计算出的起始灵敏度增益量减去修正值10Log10Rr(dB)。

2.1.2 Phantom Echo问题

冷轧辊在UT时有时会出现幻象波(Phantom echo)干扰问题,对此UT人员应能进行正确的识别。无论是冷轧辊的锻件、中间半成品以及成品辊,其金相组织均很细,对GB/T 13315标准中规定使用的2~2.5MHz的超声而言,基本无材质衰减。由于规定的φ2平底孔起始灵敏度很高,对于直径在400~600mm的实心辊,灵敏度约为基准底波再加43~49dB,一般探伤仪与这些声程相配的脉冲重复频率(PRF)约为250~500Hz,在这些条件下探伤极易产生幻象波或混响回波。这时必须注意区别是真实的缺陷信号还是幻象波信号。探伤中,当前一次超声脉冲在工件中反复传输形成的多次底波未因扩散、散射和吸收衰减而在下一次超声脉冲到来前降至足够低,则此种残余信号将与下一次超声脉冲信号相混合而显示在屏幕上,形成幻象波。因此幻象波的产生有三个条件:

·工件材质对所用频率的超声有足够低的超声衰减系数;

·仪器发射的两次相邻脉冲间隔时间足够短,即PRF足够高;

·仪器接收放大电路的增益量足够大,即灵敏度足够高。

工件的超声衰减由扩散衰减和材质衰减两部分组成。扩散衰减在所用探头确定后仅与工件形状尺寸有关。由于空心辊的内孔凸弧面扩散衰减很大,因而空心辊没有幻象波问题。从UT角度看,工件品质越优良,组织中各种夹杂物包括低倍缺陷越少,晶粒越细小、均匀,材质的超声衰减也越小。因此优质的锻钢冷轧辊在UT时易产生幻象波。幻象波具有下列特征:它不因探头在探伤面上的移动而发生波高和位置的变化,波的前沿陡直,波形尖细;当仪器PRF(脉冲重复频率)不够稳定时,幻象波位置能随时间由左向右缓慢移动;使用交流电源时,幻象波可能因交流频率的变化而变得虚幻,在屏幕上的图像变粗;幻象波的数量及高度随所用的PRF增加而增加,随PRF的降低而降低以致消失。此外,由于使用较高频率超声时,材料衰减系数增大,此时即使用较高的PRF也不易产生幻象波干扰。参见图片2。图2. PRF 500Hz时的波形(左),幻象波既高又多;PRF 125Hz时,幻象波大为降低和减少(右)。综上所述,鉴别幻象波的简单方法如下:

a.探伤发现可疑回波时,降低PRF,如果可疑波消失或波幅降低可确认为幻象波,真正的缺陷波是没有变化的;

b.幻象波是底波的多次反射,因此,用探头检查工件另一面时或直径相同的其他部位时,波的位置不变。用手或油刷触动探头检查的底面时,屏幕上的波形也跟着跳动,则可确认是幻象波,真正的缺陷波是不会跳动的。

2.1.3电渣钢与钢包精炼钢轧辊的缺陷定性问题

现代带钢冷轧辊的材质通常为含Cr 2~5%的高碳合金锻钢。由于对冷连轧工作辊及中间辊的性能要求很高,冷轧辊坯必须采用电渣重熔法(ESR)冶炼的钢锭或钢包精炼工艺炼成的钢锭来锻造。在冷轧辊的制造中,通常要经过2~3次热处理和多项机加工。有时因为热处理工艺或使用的需要,在轧辊中要加工出中心通孔;对另一些冷轧辊,因为考虑用户后续的综合使用及改制的要求和对所用热处理工艺的适应性,则要求制造实心辊。上述生产工艺、材质以及形状、尺寸等因素决定了轧辊内部缺陷和相应的超声检测技术的特点。由于锻造对铸锭原始缺陷的消除和改善以及热处理对锻件内部缺陷的影响,锻钢冷轧辊的超声检测主要采用直探头沿径向探测的方法,通常不采用轴向检测和斜角探测。冷轧辊超声探伤时,对所发现的缺陷定位和定量均容易完成。对缺陷的定性则要在综合了解轧辊的铸、锻、热处理工艺的基础上进行。根据广大检测人员多年的工作实践,对冷轧辊进行缺陷定性分析时应注意以下几点:

a.不同的冶炼和铸锭方式会形成各自容易发生的冶金缺陷,因此对缺陷定性时应了解锻坯所用的钢锭的熔炼及铸造特性。常用的ESR锭的金属纯净度高,特别是当自耗电极由锻造制成时,其合金偏析小,高倍夹杂物少。由于ESR锭身是自下而上顺序凝固的,基本不存在中心疏松问题。故ESR锭锻坯是优质冷轧辊的最佳原料。但是ESR锭也有缺点。除了能源消耗高、成本昂贵外,ESR工艺本身不利于钢水脱气。特别是电渣料含水分高时,〔H〕有可能从电熔渣扩散到钢水中去,使钢中含〔H〕量升高。另一方面,对于含C在0.9%左右的高碳铬钢,在ESR锭钢水结晶时,因离异共晶作用,在铸造组织中形成伪共晶液析碳化物。这些碳化物如在加热锻造过程中如未得到充分扩散、固熔及锻造破碎,则可能在锻件中存在较大块的碳化物块和偏聚的碳化物团。在UT声程相近或相同时,会发生偏聚碳化物反射声压的叠加,形成缺陷反射回波。偏聚的液析碳化物的反射声压的平底孔当量可达φ2以上,位置通常在直径较大而锻比较小的辊身部位,分布深度常在直径的三分之一左右。在锻件含〔H〕量较高时,钢中的氢原子容易聚集到液析碳化物边界处,锻造后可能在这些部位引发微裂纹。此种微裂纹性质与合金结构钢的白点相似。在锻坯以后的热处理工艺中可能会发生微裂纹连接、扩展长大,在探伤时一旦发现则将予以判废。当ESR钢中液析碳化物的偏聚程度低,锻件的含〔H〕量低,而这种碳化物在热处理过程中因奥氏体化高温而发生进一步固溶,较大而长的碳化物块溶断、细化,使偏聚得到改善,这种情况在热处理后的UT中碳化物反射声压会比原先降低。上述两种情况都使UT发现的缺陷当量在热处理前后发生明显变化。这种变化不能用灵敏度波动来解释,恰恰说明了这种回波波形酷似夹杂物回波的“夹杂性缺陷”的性质是上述偏聚液析碳化物。实际上在电渣钢冷轧辊中真正的夹杂性缺陷是很罕见的。

b.冷轧辊的另一种常用锻坯锭料是采用吹氩精炼、真空除气的钢包精炼炉冶炼的钢锭。采用这种工艺路线制造的冷轧辊有效地克服了钢中〔H〕含量过高带来的危害,钢中其他气体和各种夹杂物也较少,成本也较ESR为低。钢包精炼辊UT中的一个主要问题是由铸锭中心低倍铸造缺陷在锻造中未能很好改善形成的中心缺陷。这些缺陷信号通常表现为单个的、密集的、线性的甚至连续性的夹杂性回波,当量大小一般在Φ2左右或稍大。在GB/T 13315标准中对此类缺陷有明确的质量控制要求。这种缺陷主要与铸锭及锻造工艺(包括锭型、锭模、铸造温度、锻造温度、锻比、砧形)等有关。采用斜度较大的锭型,适度变化的上薄下厚的锭模壁厚和上厚下薄的锭模涂料,适度降低钢水浇铸温度,改善钢锭的顺序凝固条件,将对此类缺陷的消除起明显效果。因此了解铸锭和锻造工艺是对缺陷进行定性分析的必要条件。

2.2 缺陷定量法及基于DGS原理探伤的快速心算法

2.2.1 冷轧辊的缺陷定量法

超声波探伤中的缺陷定量是对缺陷评定内容的基本组成部分,是指测定缺陷的大小和数量。缺陷的大小定量包括对缺陷的当量尺寸、指示面积和指示长度等的评定。目前对缺陷的定量大致分两类:当缺陷实际尺寸大于缺陷处声束直径时,可采用半波高法(6dB法)或20dB法测量缺陷的指示面积或指示长度;当缺陷的尺寸小于缺陷处的声束直径时,通常采用当量法对缺陷定量。国内的冷轧辊超声波探伤就是采用当量法。国外也有采用将缺陷波高与该处的底波高进行比较的方法,对冷轧辊进行缺陷定量。但是一般说来,这种方法的灵敏度较低,在轧辊的缺陷较多时,容易漏探。而当轧辊的冶金质量较好且稳定时,这种方法尚可采用。当量法探伤就是以标准人工反射体的回波高为基准,对缺陷进行定量的方法。如一个Φ2平底孔当量缺陷的含义是指在同样条件下,该缺陷的超声反射声压与同声程的Φ2平底孔的反射声压相同。由于缺陷方位对于入射超声波的反射不一定是最佳取向,加上实际缺陷的性质和反射面的光滑程度的影响,实际缺陷的大小总是比缺陷的当量大小要大,有时两者相差会很悬殊。在超声波探伤技术发展的早期,缺陷的当量法评定需要使用多块加工有不同声程人工反射体的对比试块。既不方便,也不够精确。随着对超声场数学分析研究的深入和超声波探伤仪、探头性能的完善和提高,基于DGS原理的探伤技术得到了广泛的应用。它克服了试块比较法的缺点,成为锻钢件超声波探伤的标准定量方法。根据超声场中反射体的距离(Distance)、反射体的声压增益量(Gain)及反射体的尺寸(Size)之间的内在数学关系,绘制出它们相关的曲线图表并用于实际的超声探伤工作,这就是DGS原理或DGS方法。根据超声波在无限大连续介质中的传播规律,圆盘形声源轴线上一点的声压为:D22PX=2P0Sin[ π (+X-X)] (1)λ4式中P0为声源的起始声压;PX为声源轴线上离声源距离X处的声压;D为圆盘源的有效直径;λ为超声波的波长。在超声波探伤中,超声的发射和接受都是由探头完成的。目前最常用的单直探头的换能器均为圆形压电晶片,其产生的超声场被视为活塞波声场。其声源轴线上一点的声压振幅可按式(1)计算。当X>D时,式(1)可简化为:D2PX=2P0Sin(2πλRX2)……(2),式中R= D2即为晶片的半径。当X> 34λ时10有Sin2πλRX2≈2πλRX2,故式(1)又可简化为:PX= P0λFXS……(3) 中Fs为晶片面积,即Fs= πD42。N为所用探头的近场长度,即N=D4λ2。由式(3)可知PX与X成反比,即当距离X足够大(X>3N)时,圆盘源轴线上的声压随距离的增加而衰减,并可按球面波的衰减规律进行计算。计算表明当X=3N时,用球面波衰减规律代替活塞波衰减规律产生的误差远小于10%,在工程上是完全允许的。当X=6N时,活塞波衰减曲线与球面波衰减曲线完全重合。在X<3N的情况下,使用球面波衰减规律来进行缺陷当量评定所产生的误差较大。此时应使用探头专用的DGS曲线图表来进行曲线当量测定,也可使用包括近场区和远场区的通用的DGS曲线图表,见下附图3:图3.包括近场区和远场区的通用的DGS曲线图曲线图表中的横坐标为归一化距离Xn,纵坐标为增益量(dB),曲线旁边的数字G为缺陷的归一化大小。Xn、G的归一化计算如下Xn=X/N (4)G =Φ/D (5)现行标准GB/T13315规定,探伤的起始灵敏度为Φ2平底孔当量,是指在冷轧辊所探部位能发现最大声程处的Φ2当量缺陷的灵敏度。探伤灵敏度的调节可按将完好部位的底波调至基准波高后增益一定dB值的程序来进行。增益量n(dB)的计算按下式:n=20 log102λX……(6)πΦ2式中λ为所用超声波的波长(mm);X为所探轧辊部位的直径(mm);Φ为起始灵敏度规定的平底孔直径(mm)。在检测中如发现在Xf深处有一缺陷,其回波高比基准波高高了ΔdB。则此时该缺陷的当量直径Φf可按下式计算:ΔdB=20 log10PPΦ2=40 log10ΦΦ2fXXf(7)式中PΦ为缺陷波高;P2为基准(Φ2)波高;Φ2=2mm;Φf为缺陷的平底孔当量大小(mm)。当冷轧工作辊开有中心通孔时,按内孔底波作为基准波高来校定探伤灵敏度所用的增益量计算公式为:n=20 log102λX-10 log10R (8)πΦ2 r式中R为所探部位的外半径;r为中心孔的半径;X为所探部位的壁厚:X=R-r 。

2.2.2 DGS原理探伤快速心算口诀除了按上述公式进行探伤灵敏度计算和缺陷当量评定外,在现场探伤工作中,还可使用基于DGS原理的探伤快速心算口诀,方法简单易行,结果快捷准确。下面分几段介绍:a.校定探伤灵敏度的口诀“DGS-2.0-Φ2-100-33.4”;“频率加倍要减6,距离加倍增6定起始”;“加倍距离分5份,前面两份1.5,后面三份都是1。”口诀的第一部分是说:“按DGS原理探伤,用2.0MHz频率的探头,起始灵敏度为Φ2平底孔当量,当声程为100mm时,基准波高的灵敏度增益量为33.4dB。”在工作中应记住这个基准参数。口诀的第二部分是说:“如所用探伤的频率增大一倍,基准参数要减去6dB;探伤声程每增大一倍,基准参数要加上6dB。”口诀的第三部分是说:“当所探工件的声程增加时,基准参数的dB数将按下列方式增加:将增大一倍的声程平均分为五份,前面两份中每增加一份,需要将基准参数增加1.5dB;后面三份中每增加一份,需要将基准参数增加1dB。”下面举例说明这三段口诀的使用。

【例一】今有一Φ560/Φ280×1700mm的锻钢冷轧辊,按我国国标进行超声探伤,使用B2S探头,基准底波高为20%屏高。问灵敏度的底波增益量为多少dB?

〖解〗已知辊身直径为Φ560mm,辊颈直径为Φ280mm,B2S探头的标称频率为2.0MHz,国标规定的探伤灵敏度是Φ2起始。我们先算出Φ400mm的基准底波增益量为:n400=(33.4+6+6)dB,再将400~800mm这段声程均分为五份:400~480,480~560,560~640,640~720,720~800(mm)。可知400~560这部分声程的底波增益量为n’=(1.5+1.5)dB。因此为Φ560mm的辊身的基准底波增益量n560=(33.4+6+6+1.5+1.5)dB=48.4dB。因此可以快速心算出辊颈的基准底波增益量为:n280=(33.4+6+1.5+1.5)dB=42.4dB。

【例二】欲对某种冷轧辊Φ640mm的辊身部位,采用4MHz的MB4S探头进行探伤,灵敏度为Φ2起始,问探伤灵敏度如何校定?

〖解〗已知MB4S探头的频率为4MHz,因此基准底波的增益量为:n640=(33.4-6+6+6+1.5+1.5+1)dB=43.4dB。探伤灵敏度校定时,将辊身反射最强处的底波作为基准底波,并将其调至20%屏高,然后再增益43.4dB。此时起始灵敏度校定完毕。b.测算缺陷声程衰减量的口诀“声程距离分十份,三个二,两个三,四五七,一十二。”这部分口诀讲的是探伤中,相同当量缺陷因声程变化而引起的增益量变化规律。当在不同声程位置发现缺陷后,可用此口诀快速心算出缺陷的平底孔当量。探伤时,将始脉冲的前沿置于水平刻度零点的稍稍左边,底波声程调至100%。此时自满刻度100%,向左每隔10%声程,一直到接近起始点的10%水平刻度处,相同当量或波高的反射体的声压变化规律是依次增益2、2、2、3、3、4、5、7、12dB。只要知道了缺陷位置的水平百分数和基准波高的dB数,就可迅速地将该缺陷的当量直径确定下来。而当缺陷声程不在水平刻度的10%整数倍处时,可采用内插法,将上述各10%声程区域的dB数近似均分来确定各声程的声压衰减量。让我们记住下表(1)中数字:表1声程的水平刻度区域(%)0/10 10/20 20/30 30/40 40/50 50/60 60/70 70/80 80/90 90/100平底孔声压的声程衰减量(dB)12 7 5 4 3 3 2 2 2总衰减量(dB) 40 28 21 16 12 9 6 4下面举例说明本段口诀的实际应用:

【例三】按GB/T13315标准探伤,在某支Φ620mm冷轧光整机工作辊的探伤中发现在辊身直径的70%深处有一基准波高加12dB的单个缺陷,问该缺陷的平底孔当量为多大?另外在直径的55%深处发现一个基准波高加15.5dB的缺陷,它的当量又是多大?

〖解〗已知基准灵敏度为Φ2当量。按上述口诀,在70%深处的缺陷回波声压的声程衰减量为Δn1=(2+2+2)dB=6dB,因此该缺陷的当量尺寸应为Φ2+(12-6)dB=Φ2.8mm。第二个缺陷的声程衰减量为Δn2=(2+2+2+3+1.5)dB=11.5dB,因此,它的当量应为Φ2+(15.5-11.5)dB=Φ2+4dB=Φ2.5mm。另外,为了能快速地心算出不同缺陷平底孔当量之间以及不同缺陷当量和缺陷波高之间的dB值关系,我们也推荐记住下面三个表中的数字:表2缺陷当量ΦF/基准当量ΦR的dB值12 7 5 4 3 3 2 2 2缺陷当量ΦF/基准当量Φ1 1 2 3 4 5 6 7 8 910总dB差值0 12 19 24 28 31 34 36 38 40表3缺陷当量ΦF/基准当量ΦR的dB值4 3 3 2 4 3 3 2 2缺陷当量ΦF/基准当量Φ1 1 1.25 1.5 1.75 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5总dB差值0 4 7 10 12 16 19 21 24 26表4缺陷波高/基准波高的dB差值6 3.5 2.5 2 1.5 1.5 1 1 1缺陷波高/基准波高的比值1 2 3 4 5 6 7 8 9 10总dB差值0 6 9.5 12 14 15.5 17 18 19 20使用上述三个表格,在实际探伤中可快捷地对于缺陷当量数值进行换算。在实用中能得到足够的精确度。

【例四】Φ600mm冷轧辊按国标进行探伤,以声程600mm的轧辊健全底波PB=20%屏高为基准底波,起始灵敏度为Φ2当量。现:a.发现在离轧辊表面300mm深处有一缺陷,其波高PF=60%屏高,请估算其缺陷当量;b.又在轧辊表面下150mm深处发现一缺陷波,PF=100%+4dB,请估算其缺陷当量;c.在400mm深处发现有一缺陷,其波高PF=80%屏高,问此缺陷当量大小为多少?

〖解〗心算:a.缺陷波高60%比基准波高20%,按表(4),缺陷与基准波高相比高9.5dB;另外,按表1,缺陷声程300mm(50%)比基准声程600mm(100%)的声程衰减量为-12dB,故实际缺陷当量为ΦF=Φ2+(9.5-12)dB=Φ2-2.5dB,按表3,该缺陷当量略小于Φ1.75。探伤中可不计。心算b.缺陷波高100%+4dB比基准波高20%要高14+4=18dB;缺陷声程150mm(25%)的声程衰减量为-(21+3)=-24dB,故该缺陷的当量为Φ2+(18-24)dB=Φ2-6dB=Φ1.4,探伤中也可不计。心算c.此缺陷波高80%比基准波高20%高12dB;缺陷声程400(67%)

的声程衰减量为-(6+1)dB,故该缺陷的当量为Φ2+(12-7)dB=Φ2+5dB=Φ2.5+1dB,即略大于Φ2.5当量。

在用辊的无损检测主要是表面及近表面的缺陷检测,这些缺陷主要是在使用中产生的。冷轧辊在使用中,辊面因与轧件及支承辊周期性的接触而引起辊面的硬度升高和接触疲劳并产生细小的疲劳裂纹;此外,冷轧辊经常会由于轧制时的堆钢、打滑、粘钢、异物咬入等事故以及磨削时的烧伤,使辊面受到热冲击而产生热裂纹。这些裂纹缺陷在辊面的修磨中应被彻底去除。如果辊面在修磨中,裂纹未经磨净,则残余的裂纹缺陷将在随后的使用中在交变的轧制负荷下向辊面皮下扩展。经过一段时间的疲劳裂纹发展,通常将导致辊身带状疲劳剥落而致废,造成重大经济损失。日本方面有关研究指出,在一定条件下,辊面未磨净的残余裂纹长度达到0.2mm时,就有可能最终引起辊身带状剥落。我们知道,轧辊总消耗由正常辊耗和非正常消耗两部分构成。近年来,宝钢的冷轧辊辊耗约为日本同类型企业的一倍左右,其中的正常辊耗水平与日本的相似,之所以总辊耗比日方高得多,原因就是宝钢的非正常辊耗包括轧辊的剥落、断裂致废及因事故导致的无效磨削比日方高了很多。这些年来的在用轧辊检测实践表明,在用辊的有计划和定期检测,对消除和减少轧辊的剥落、爆辊及断辊等恶性事故,降低轧辊的无效磨削提高轧辊的使用效能,起到了关键性的作用。在用辊的表面检测目前主要为涡流检测(ET)、超声表面波检测(UT)和磁粉检测(MT)三种。

3.1 轧辊的涡流检测法

涡流检测法由于具有高速度、低消耗、易于实现自动化、探头不直接接触轧辊及无需耦合剂等特点,加上对辊面的硬度变化和表面细小裂纹的检测灵敏度高等优点而被广泛用于轧辊的在役检测。目前在用辊的自动检测,多采用在磨床上附加安装ET设备来进行。ET的基本原理是电磁感应原理。使用一个激励线圈在被检工件表面产生交变磁场,该变化的磁场又在工件表面感应出涡流。当工件中存在某一缺陷时,它将使磁场和涡流产生畸变,反映到探测线圈上则是使其阻抗发生变化。通过检测线圈的涡流信号,就可将上述缺陷引起的变化检测出来,从而起到探伤作用。宝钢几个冷轧厂的磨辊车间为配合磨床对轧辊的修磨,都使用涡

流检测设备进行轧辊的在役检测。检测实践表明增添涡流检测后,轧辊的剥落、损坏事故大为减少。我们知道,任何一项无损检测技术都有其局限性。实践检测中影响涡流检测结果的因素较多,例如轧辊显微组织中较多的游离合金碳化物,特别是高速钢组织中的粗大碳化物

等都能对涡流信号产生影响而产生误判,从而增加了无效修磨量,造成浪费。另一方面,在实际检测中,微细的辊面疲劳裂纹在ET时发生漏探而造成过轧辊剥落事故。其原因可能与此种微裂纹产生的微弱涡流信号与上述碳化物信号相似而造成的。目前,为保证检测准确无误,采用增加超声表面波检测以及磁粉探伤来确认缺陷的真实性,取得了很好的效果。

3.2 超声表面波检测

轧辊的ET检测技术是欧洲开发的,欧洲用得较多,而日本则多采用超声表面波检测技术。随着多年的生产和检测实践及对轧辊的表面质量要求的日益提高,国内外大多已将此两种技术联合使用,以取长补短。用超声表面波检测弥补涡流检测对浅表裂纹的发现能力,用涡流检测法来发现锻钢冷轧辊表面的软点,这又是超声检测技术所无能为力的。表面波因其发现者而命名为瑞利波,它只在厚度远大于波长的固体表面很浅的表层上传播,具有纵波和横波的双重性质,是纵波和横波的合成。作表面波振动的固体质点运动轨迹为在垂直于介质表面并与波传播方向平行的平面上的椭圆。表面波的振幅随着离表面深度的增加而迅速衰减,实际上离表面深度一个波长以上的部位质点振动振幅已很微弱(一个波长深处质点的振动能约为表面处的4%)。因此,用表面波进行探伤时,一般只能发现金属介质表面两个波长深度范围内的缺陷,但它对表面上的缺陷十分灵敏,其分辨力优于横波和纵波。当遇到表面或近表面裂纹时,部分声波在缺陷处仍以表面波的形式被反射,并沿物体表面返回。利用此特性,表面波可用以检测表面和近表面的缺陷。不同形状的缺陷对表面波的反射能力明显不同。对于暴露在表面上有尖锐棱角的缺陷,有较大的反射能力。当棱边的曲率半径较大(约大于五个波长)时,表面波甚至可全部通过而没有反射,继续前进,直至下一个较尖锐的棱边处才反射回来。随着缺陷埋藏深度的增加,反射能力将迅速下降。某冷轧厂使用表面波检查在役工作辊修磨前后的表面裂纹,取得明显效果。使用表面波检查后,防止了带有残余表面裂纹的轧辊进入生产线,从而有效地消灭了由此导致的轧辊剥落和爆辊事故。使用表面波检查时应注意:

·轧辊表面清洁度对检查的影响

传播表面波的表面附着油层时,表面波几乎完全衰减。这是因为表面波传播和振动状态的理论,是对固体介质的一侧为真空或空气时才成立,如附有油层,则表面波的垂直分量向油层辐射,从而使其衰减。极薄的油层对表面波的传播基本上没有什么影响,粘附于轧辊表面的油污、铁锈、水垢以及与材料表面相接触的其他物体,甚至灰尘对表面波也有强烈的衰减作用。因此,要将检查表面清除干净。

·表面粗糙度和材料显微组织的影响

工件表面粗糙度对表面波的传播有明显的影响。粗糙的表面不但使声耦合不良,而且在传播过程中容易发生波的散射,使表面波衰减增大。因此表面粗糙度值低的可采用高频探测,表面粗糙高的应采用低频探测。由于表面波的波长较短,粗晶材料的晶界对表面波有明显的衰减作用,其晶粒度大小与所用表面波波长λ的比值越大,衰减作用越大。对于粗晶材料采用较低频率的表面波探测为宜。

·材料厚度要大于表面波波长

当材料厚度小于波长的两倍时,衰减显著增加。

·工件表面曲率的影响

表面波在凸圆柱面上的传播速度大于平面上的传播速度;凹弧面上的传播速度低于平面上的声速,并使衰减增大。

3.3 轧辊的磁粉探伤(MT)

磁粉检测是检测铁磁性材料表面和近表面缺陷的无损检测方法,而轧辊材料正是铁磁性材料,用磁粉检测可探测如热冲击烧伤裂纹、磨削裂纹、疲劳裂纹及夹杂物等表面缺陷和近表层裂纹。因磁粉探伤可探测近表面未显露的缺陷和充满氧化物和其他杂质的裂纹,故使用

磁轭法磁粉探伤检测要比渗透探伤方法更优越。由于轧辊的自动化磁粉探伤难度较大,磁轭与轧辊既要紧密接触,又不能损坏其表面;磁痕的自动识别也很难实现。使用便携式磁粉探伤装置效率较低,轧辊由于重量大,移动和转动均很困难,也难以保证100%的全面检查,因此磁粉探伤应在局部应用,以及作为辊身涡流和超声表面波检测的辅助检测方法。便携式磁粉探伤装置中以旋转磁场荧光磁粉探伤装置较好,它可以通过一次磁化将辊面各种走向的裂纹性缺陷检测出来,旋磁磁轭还可以方便地用来进行辊面的退磁操作。目前在役轧辊的表面检测基本都用涡流和超声表面波技术来检测,若通过这两种设备检测合格,可以放心使用;如果ET和表面波两种方法之一发现问题,可借助MT来最后确认是否为危险的裂纹性缺陷。

〖结束语〗

锻钢冷轧辊作为宝钢冷轧生产的主要备件,其使用条件极其严酷,各项性能要求极高。可以说冷轧辊的生产和检测技术水平,代表了一个国家机械制造工业的水平。宝钢设备检测公司通过这些年来的工作,对各种新品及在用品冷轧辊进行了大量的检测实践,得到了充分的锻炼,掌握了较全面的无损检测技术,积累了许多宝贵的经验,为宝钢的冷轧生产的顺行起到了保驾护航作用。冷轧辊的材质和制造工艺技术还在不断更新发展,我们的工作也将与时俱进。我们将在复合高速钢、半高速钢冷轧辊的无损检测方面,进行探索;对引起冷轧辊带状剥落的辊面及皮下细小裂纹的监测进行试验研究,为我国的无损检测技术的进步作出应有的贡献。