Zerstörungsfreie Qualitätsprüfung von Stahlbändern

Magnetinduktiver Online-Check

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Die Sicherung der Produktqualität mittels Online-Prozesskontrolle gewinnt auch bei der Herstellung kaltgewalzter und oberflächenveredelter Stahlbänder zunehmend an Bedeutung. Als Alternative zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften durch Zerreißproben bieten sich zerstörungsfreie Messverfahren unter Einsatz eines neuartigen magnetinduktiven Prüfgeräts an.

Jürgen Koch, Profitcenterleiter Servotechnik der Elektro-Mechanik GmbH (EMG) in Wenden, ein Unternehmen der elexis-Gruppe

Um bei der Herstellung von kaltgewalzten und oberflächenveredelten Stahlbändern höchste Produktqualität sicherzustellen, werden rechnergestützte, anlagenübergreifende Expertensysteme zur Überwachung von Prozessparametern eingesetzt. Diese Systeme dienen der indirekten Kontrolle und Steuerung der Werkstoffparameter. Zur Prüfung der Stahlbänder selbst, besser gesagt zur Bestimmung ihrer mechanischen Eigenschaften, werden vielfach noch Prüflinge ent-nommen und mittels Zerreißprobe getes-tet. Der Nachteil: Dieses Prüfverfahren ist nicht zerstörungsfrei und verursacht Kosten. Die zerstörende Werkstoffprüfung liefert darüber hinaus durch ihre punktuelle Beprobung keine verlässlichen Daten zum gesamten Stahlband und damit z.B. zur Wechselwirkung zwischen Produkt- und Prozessqualität. Auch der Bandbearbeiter erhält mit dieser Methode keine Ergebnisse zur Einhaltung zulässiger Qualitätstoleranzen bezogen auf die gesamte Bandlänge.
Ein Ausweg aus diesem Dilemma verspricht die Erfassung und rechnergestützte Auswertung qualitätsrelevanter Parameter des Kaltumformprozesses, der Rekristallisationsglühung oder auch des Dressier- bzw. Nachwalzprozesses um die mechanisch-technologischen Eigenschaften des Kaltbands zu kontrollieren. Moderne mathematisch-statistische Auswerte- und Prognoseverfahren gepaart mit Expertensystemen erlauben mittlerweile Rückschlüsse auf Veränderungen des Werkstoffgefüges und der damit zusammenhängenden Werkstoff-Kennwerte.
Keine manuelle Beprobung
Die Anstrengungen zur Bestimmung der Werkstoff-Eigenschaften per Online-Prozesskontrolle werden durch die Entwicklung von kontinuierlichen zerstörungsfreien Mess-Systemen ergänzt. Neben Ultraschallsystemen erfreuen sich insbesondere magnetische Mess-verfahren wachsender Beliebtheit. Über beide Verfahren können jedoch Beziehungen zwischen den strukturempfindlichen Werkstoffparametern hergestellt werden, z.B. zwischen Korngröße und Kornform, Versetzungen und Eigenspannungen oder auch den Einschlüssen und Ausscheidungen sowie den mechanisch-technologischen Eigenschaften des Stahlbands. Im Hinblick auf eine Null-Fehler-Philosophie leistet die kontinuierliche zerstörungsfreie Werkstoffprüfung somit einen entscheidenden Beitrag zur Qualitätskontrolle und -steuerung, zumal die kosten- und zeitintensive manuelle Beprobung von Stahlbändern entfällt.
Ein Beispiel für den wirksamen Einsatz zerstörungsfreier Werkstoffprüfung liefert das Kaltwalzwerk EKO Stahl in Eisenhüttenstadt. In Kooperation mit dem Institut für angewandte Physik der Wissenschaften Weißrusslands in Minsk installierte das Forschungs- und Qualitätszentrum Brandenburg dort ein Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung an einer Feuerverzinkungsanlage.
Kontrolle über das gesamte Band
Die Elektro-Mechanik GmbH (EMG), ein Unternehmen der elexis Gruppe, vertreibt hierfür ein magnetinduktives Prüfgerät, das den Einfluss der Durch-laufglühung und der mechanischen Nachbearbeitung auf die Festigkeits- und Umformkennwerte kontrolliert – und das über die gesamte Länge des verzinkten Stahlbands (Bild 1). Das automatische Prüfgerät, bestehend aus einem Generator, einem Messgerät und zwei Prüfköpfen, ist zur berührungslosen Online-Bestimmung der mechanischen Kennwerte von Bandstahl aus niedriggekohlten Stählen mit 0,15 bis 12 mm Dicke ausgelegt.
Die zum Schutz vor Beschädigungen ausfahrbaren Messköpfe des Prüfgeräts wurden am Auslaufteil der Feuerverzinkungsanlage hinter dem Nachwalzgerüst und der Biegestreckrichtanlage angebracht, da hier die mechanischen Kennwerte des feuerverzinkten Bands vollständig ausgeprägt sind. Das Messgerät selbst wurde in einen Elektrikschrank mit Lüftung auf der Antriebsseite der Anlage untergebracht; den Rechner zur Datenerfassung und Auswertung installierte man im Hauptsteuerpult der Anlage (Bild 2).
Kontinuierliche Prüfung
Bei Bandgeschwindigkeiten von 0,1 bis 5,0 m/s wird das Stahlband örtlich an der Ober- und Unterseite durch die in den Prüfköpfen integrierten und an den Generator des Messgeräts angeschlossen Spulen periodisch magnetisiert (Bild 3). Der magnetisierte Teil des Stahlbands bewegt sich an den Mess-Spulen vorbei und erzeugt in diesen ein Signal, das der magnetischen Restfeldstärke (in A/m2) entspricht und über einen Signalwandler an einen Auswerterechner übertragen wird.
Der Auswerterechner erhält gleichzeitig vom Prozessrechner der Feuerverzinkungsanlage die Daten des in der Bearbeitung befindlichen Kaltbunds (z.B. Abmessungen, Einsatz- und Zielstahlsorte sowie technologische Werte wie den Gesamtverformungsgrad). Die über Regressionsbeziehungen ermittelten mechanischen Kennwerte im Vergleich zu den Sollwerten der Zielstahlsorte sind online in einer Grafik auf dem Auswerterechner abzulesen. Nach Übertragung des Bandendsignals erfolgt die statistische Bearbeitung der Messdaten im Auswerterechner. Auf diese Weise lassen sich die Mittelwerte und Standardabweichungen der mechanischen Kennwerte ermitteln und Analysen zur Prozessfähigkeit durchführen. Bei Grenzwertüberschreitungen eines oder mehrerer mechanischer Kennwerte wird automatisch eine Sperrmeldung mit Hinweisen auf die entsprechenden fehlerhaften Bandbereiche ausgelöst.
„Feuerprobe“ bestanden
Der Einsatz des zerstörungsfreien mag-netinduktiven Mess-Systems der EMG bei der EKO Stahl ermöglicht eine kon-tinuierliche Bewertung der mechanischen Eigenschaften von feuerverzinkten Stahlbändern über ihre gesamte Länge. Da auf die zerstörende Prüfung von Stählen weitestgehend verzichtet werden konnte, reduzierte das Kaltwalzwerk nicht nur nachhaltig seine Kosten, sondern es steigerte auch maßgeblich die Fertigungsqualität seiner Stahlbänder. Nach dem erfolgreichen Abschluss dieses Pilotprojekts, wird das System nun von EMG in Kooperation mit zwei Partnern gefertigt und weltweit vertrieben.
Weitere Informationen eA 576
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