- EMG Automation

Special: Mess- und Prüftechnik
Internet-PDF aus „stahl und eisen“ (2012), Heft 07, Seiten 80 – 90
© Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf
Stahlinstitut VDEh: Zerstörungsfreie Prüfmethoden unterstützen die Qualitätssicherung
Materialcharakterisierung an
Flachprodukten verbessert die
Prozesskontrolle
Die exakte Führung von Produktionsprozessen bei der Herstellung von Bandstahl und Flachprodukten ist entscheidend für die Erzeugung qualitativ hochwertiger Produkte mit homogenen Eigenschaften über die gesamte Länge.
Zum Nachweis ist es erforderlich, diverse Materialkenngrößen über die gesamte Länge und nicht nur punktuell an
den Enden zu bestimmen. Hierzu sind berührungslos arbeitende, zerstörungsfreie Prüfmethoden (ZfP), die in den
Produktionslinien eingesetzt werden können, unbedingt notwendig. Die wichtigsten Methoden hierzu hat eine
Arbeitsgruppe des Fachausschusses zerstörungsfreie Prüfung und Messtechnik des Stahlinstituts VDEh untersucht
und in der folgenden Übersicht dargestellt.
Mathias Stolzenberg, Frenk van den Berg, Wilhelm Dürr, Uwe Hofmann und Günther Moninger
I
n der Stahlindustrie erhält
die exakte Führung von Pro­
duktionsprozessen zur kosten­
günstigen Erzeugung qualitativ
hochwertiger Produkte immer
größere Bedeutung. Während
es auf relativ einfache Art und
Weise möglich ist, Prozessdaten
zu sammeln, gibt es für die On­
lineerfassung von Messdaten,
die den aktuellen Zustand des
Materials beim Durchlauf cha­
Onlinematerialcharakte­
r­isierung im Betrieb am
Beispiel eines ImpocMesssystems
Foto: TKSE
rakterisieren, nur sehr begrenzte
Möglichkeiten. Hierzu sind berüh­
rungslos arbeitende, zerstörungs­
freie Methoden, die in den Pro­
duktionslinien eingesetzt werden
können, unbedingt notwendig.
Der aktuelle Stand zum Einsatz
der aussichtsreichsten Methoden,
zusammengestellt von einer Ar­
beitsgruppe des Fachausschusses
zerstörungsfreie Prüfung und
Messtechnik des Stahlinstituts
VDEh, soll in dieser Übersicht
dargestellt werden.
Konventionell erfolgt die Cha­
rakterisierung weitgehend an
Materialproben, die zeitaufwen­
dig aus dem Produkt entnommen
und separat geprüft werden. Die
Ergebnisse liegen mit erheblichem
Zeitverzug vor und sind daher nur
noch sehr eingeschränkt zur Pro­
zessführung nutzbar. Zudem erhält
man nur punktuelle Informati­
onen z. B. über den Anfang und
das Ende eines Bandes. Alternativ
liefern zerstörungsfreie Online­
messverfahren Informationen über
das gesamte Produkt. Damit sind
auch kurzfris­tige Reaktionen auf
Prozessunregelmäßigkeiten mög­
lich. Bereiche mit abweichenden
Eigenschaften können identifiziert
und nachbearbeitet werden.
Zerstörungsfrei arbeitende Sys­
teme für Bänder und Bleche sind
gegenwärtig in der Ermittlung der
absoluten Werte von Zugfestigkeit,
Streckgrenze und Härte oft unge­
nauer als die zerstörend prüfenden
Verfahren. Für die Verbesserung
und Kontrolle der Produktionspro­
zesse ist es oft viel wichtiger, Abwei­
stahl und eisen 132 (2012) Nr. 7
chungen zu erkennen und deren
Folgen zu bewerten, um Prognosen
über die Gebrauchseigenschaften
des betreffenden Materials machen
zu können. Durch eine geschick­
te Kombination von zerstörender
und zerstörungsfreier Materialcha­
rakterisierung ist es möglich, die
Homogenität der Produkte ohne
Erhöhung des zerstörenden Prüf­
aufwandes zu gewährleisten.
Prinzipiell anwendbare
ZfP-Methoden
Vorgestellt werden verschiedene
anwendbare zerstörungsfreie Prüf­
verfahren.
Ultraschallverfahren. Ultra­
schall kann sowohl zur Bestim­
mung von Gefügeeigenschaften als
auch zum Aufspüren von Materi­
alfehlern eingesetzt werden. Die
elastischen Konstanten werden aus
den in verschiedenen Richtungen
gemessenen Ultraschalllaufzeiten
bestimmt. Rückschlüsse auf den
Gefügeaufbau, Phasen und Ani­
sotropien sind dadurch möglich.
Aus der frequenzabhängigen Ul­
traschalldämpfung können Korn­
größen und eventuell Phasenan­
teile ermittelt werden, da bei den
üblichen Ultraschallfrequenzen
(4 bis 10 MHz) Rayleigh-Streuung
vorliegt, bei der die Dämpfung vom
Volumen der Streuzentren und der
Frequenz abhängt.
Zur Ermittlung von Gefüge­
eigenschaften reicht es aus, einen
Ultraschallimpuls an einem Punkt
einzukoppeln und an einem ge­
eigneten anderen Punkt aus dem
Werkstück auszukoppeln. Hier­
zu können konventionelle Prüf­
köpfe mit Koppelmittel verwendet
werden. Im Falle von heißen und
schnell bewegten Bändern und
Blechen sind berührungslos arbei­
tende Systeme zu verwenden. Ge­
genwärtig wird die Laseranregung
von Ultraschall in verschiedenen
Entwicklungsprojekten untersucht.
Sehr kurze Ultraschallimpulse mit
sehr breitem Frequenzspektrum
können hiermit erzeugt werden.
stahl und eisen 132 (2012) Nr. 7
1
Impoc-Messkopf im Onlinemessbetrieb in einer Feuerbeschichtungsanlage bei
Thyssen­Krupp Steel Europe
Auch eine elektromagnetische
Anregung von Ultraschall ist
möglich [1].
Elektromagnetische Verfahren.
Die zur Bestimmung der Streck­
grenze, Zugfestigkeit und Härte
eingesetzten elektromagnetischen
Verfahren verwenden in allen Fäl­
len Merkmale der Hysteresekurve.
Gemessen werden einzeln oder in
Kombination Remanenz, Koerzi­
tivfeldstärke, differentielle Per­
meabilität, Barkhausenrauschen,
Impedanzänderungen oder das
Oberwellenspektum bei sinusför­
miger Magnetisierung. Elektro­
magnetische Verfahren basieren
auf der Wechselwirkung der ma­
gnetischen Struktur (Blochwände,
magnetische Domänen) mit der
Mikrostruktur und den mecha­
nischen Spannungsfeldern des
Werkstoffes. Änderungen dieser
Mikrostruktur und/oder der Span­
nungsfelder beeinflussen sowohl
die mechanisch-technologischen
als auch die elektromagnetischen
Eigenschaften. Prinzipiell haben
elektromagnetische Methoden,
die Ferromagnetismus nutzen, als
Temperaturobergrenze die CurieTemperatur Tc.
Da gegenwärtig kein direkter
Zusammenhang zwischen den
magnetischen und mechanischen
Kenngrößen bekannt ist, werden
empirisch ermittelte Zusammen­
hänge zur Ermittlung von Kenn­
größen und Gefügeeigenschaften
verwendet, die durch Kalibrierung
an Proben zu bestimmen sind. Da­
raus werden geeignete mathema­
tische Modelle erstellt. Das Materi­
al, das zur Kalibrierung verwendet
wird, darf sich nicht sehr stark
von dem zu prüfenden Produkt
unterscheiden.
Aufgrund der geringen Reichwei­
te der elektromagnetischen Felder
im verwendeten Frequenzbereich
müssen Sende- und Empfangs­
spulen relativ nah am Produkt
betrieben werden. Dies erfordert
Maßnahmen für den nötigen Kol­
lisionsschutz bei bewegten Pro­
dukten. Der Abstand zwischen
Sensor und Produkt muss sehr
präzise eingehalten werden, weil
Abstandsänderungen sich deutlich
in den Messsignalen bemerkbar
machen. Weitere Störeinflüsse sind
beispielsweise Geschwindigkeits­
änderungen und Änderungen im
Bandzug.
Systeme zur
Materialcharakterisierung
Nachfolgend wird über Erfah­
rungen mit verschiedenen Syste­
men zur Materialcharakterisierung
berichtet.
Impoc-Verfahren
Das Impoc (Impulse Magnetic
Process Online Controller)-Verfah­
ren ist ein seit 2001 kommerziell
erhältliches Onlineverfahren,
das seitdem laufend weiterver­
bessert wird [2]. Weltweit ist der
betriebliche Einsatz von 30 Mess­
systemen bekannt. Sie werden
Special: Mess- und Prüftechnik
eingesetzt in kontinuierlichen
Beizen, Durchlaufglühen und
Feuerverzinkungsanlagen, Bild 1 .
Auch der Einsatz in einer Verzin­
nungslinie für Verpackungsblech
und in einem Presswerk eines
Automobilherstellers erfolgt seit
mehreren Jahren. Aufgabe des
Impoc-Verfahrens ist die zerstö­
rungsfreie Onlinecharakterisierung
der mechanisch-technologischen
Eigenschaften von Bandstahl. Die
Impoc-Systeme werden im Aus­
laufteil der Anlagen eingesetzt,
wo anschließend keine weiteren
mechanisch-technologischen Ver­
änderungen des Materials mehr zu
erwarten sind. Am Messort sind
bei einer maximalen Pulsfolgefre­
quenz von 7,5 Hz Messungen bei
Bandgeschwindigkeiten von bis zu
900 m/min möglich, wobei ober­
halb von 150 m/min Geschwindig­
keitseinflüsse zu berücksichtigen
sind.
Messprinzip und Wirkungs­
weise. Das Band wird während
des Durchlaufens unter einem
Messkopf, bestehend im Wesent­
lichen aus einer Induktionsspule,
mit einem gepulsten Stromfluss
lokal aufmagnetisiert, Bild 1 .
Ein Sensor erfasst das magne­
tische Streufeld des magneti­
sierten Bandes. Der charakteri­
2
Messung mit Impoc an drei Bändern verschiedener Festigkeit
3
Vergleich zwischen gemessener und mittels Impoc berechneter Zugfestigkeit
stische Wert der magnetischen
Feldstärke wird Impoc-Messwert
(Einheit A/m2) genannt und di­
rekt ermittelt. Der Abstand des
Kopfes zum Band beträgt 25 mm.
Unterhalb des Bandes befindet
sich symmetrisch zum oberen
Messkopf ein weiterer Messkopf
(in Bild 1 nicht sichtbar), sodass
ein Spalt von insgesamt 50 mm
zwischen den Messköpfen resul­
tiert. Durch Mittelwertbildung der
Signale beider Messköpfe erreicht
man, dass das Messsignal weniger
stark von Bandschwingungen um
die Mittenposition der Messköpfe
abhängig ist.
Durch den relativ großen Ab­
stand zum Band erweist sich das
System als sehr robust und war­
tungsarm, sodass die Verfügbarkeit
sehr hoch ist. Ein weiterer Vorteil
der Methode besteht darin, dass die
magnetischen Eigenschaften im
Temperaturbereich bis ca. 200 °C
wenig durch die Temperatur
beeinflusst werden, sodass eine
Temperaturkompensation nicht
notwendig ist. Die Position der
Messköpfe über die Bandbreite ist
frei ansteuerbar, also auch traver­
sierend zu betreiben. Bei einzelnen
Systemen sind mittlerweile auch
Kalibriervorrichtungen angebaut,
mit deren Hilfe das Gerät in ei­
ner Parkposition anhand von de­
finiertem Tafelmaterial überprüft
werden kann.
Auswertung der Daten. Der ge­
messene Impoc-Wert korreliert di­
rekt mit den Festigkeitseigenschaf­
ten des Materials. Es gilt, je fester
das Material, desto höher ist der
gemessene Wert. Während weiche
IF-Stähle Werte um ca. 3 000 A/m2
aufweisen, steigt der Wert bei
harten Dualphasenstählen auf
über 20 000 A/m2 an. In Bild 2 ist
der Impoc-Verlauf von drei Bän­
dern aus IF-Stahl verschiedener
Festigkeitsklassen hintereinan­
der dargestellt. Selbst ohne eine
mathematische Modellbildung
können direkte Aussagen über
die Festigkeitsabstufungen der
stahl und eisen 132 (2012) Nr. 7
folgt und die Daten im Betrieb in
Echtzeit visualisiert werden. Eine
nachträgliche Einsichtnahme und
Auswertung ist an gespeicherten
Werten jederzeit möglich.
4
Vergleich zwischen gemessener und mittels Impoc berechneter Streckgrenze
5
Hacom-System in der Feuerverzinkung (Oberseite) bei der Salzgitter Flachstahl GmbH
Bänder getroffen werden (hier:
von höherfest nach weich). Zu­
sätzlich ist eine direkte Bewer­
tung über die Gleichmäßigkeit
der Festigkeitseigenschaften über
die Bandlänge möglich. Für eine
quantitative Beschreibung von
Festigkeitseigenschaften über
Bandlänge ist eine mathematische
Modellierung notwendig, damit
die gemessenen magnetischen
Eigenschaften in mechanische
Eigenschaften überführt werden
können. Die hierfür benötigte Kor­
relationsanalyse wird mit einer
multiplen linearen Regressions­
rechnung durchgeführt:
stahl und eisen 132 (2012) Nr. 7
Rx = a + b · Impoc + c · Dicke + di · PPi
wobei Rx für Rm oder Rp0,2 steht
und a, b, c und di Regressionsko­
effizienten darstellen. Eingangs­
werte der Regressionsrechnung
sind der Impoc-Wert, die Dicke
des Bandes sowie weitere Prozess­
parameter (PPi). Diese können bei­
spielsweise Prozesstemperaturen,
Umformgrade oder Massenanteile
von chemischen Elementen sein.
Zusätzliche Prozessparameter
müssen allerdings zum Messzeit­
punkt im System verfügbar sein,
da eine unmittelbare Berechnung
der mechanischen Kennwerte er­
Zweck der Anlage und Status.
Durch die geeignete Zusammenstel­
lung zu sinnvollen Gütegruppen,
für die einzeln Regressionsanalysen
durchgeführt werden, lässt sich
die Genauigkeit der Onlinemes­
sung steigern, wie in Bild 3 und 4
gezeigt [3]. Beispielsweise lassen
sich bei weichen IF-Stählen für die
Zugfestigkeit Genauigkeiten von
±10 MPa erreichen bzw. ±12 MPa
für die Streckgrenze, wobei diese
maximale Abweichungen für 95 %
der betrachteten Werte gilt. Zur
Begrenzung des Aufwands muss
ein Kompromiss zwischen der An­
zahl der erstellten Gütegruppen
und der erzielbaren Genauigkeiten
getroffen werden.
Die Regressionsmodelle haben
aber für bestimmte Stahlsorten wie
beispielsweise TRIP-Stähle noch kei­
ne zufriedenstellende Genauigkeit
gebracht. Komplexe Phasen oder
austenitische Anteile im Werkstoff
reagieren elektromagnetisch un­
empfindlicher und tragen zum
Impoc-Messwert nur ungenügend
bei. Hier sind offensichtlich Gren­
zen des Verfahrens erreicht.
Akzeptanz und Nutzung der
Prüfergebnisse. Die Messungen
des Impoc-Systems werden häufig
zur Optimierung der Adjustage von
Bändern eingesetzt, die abschnitts­
weise nicht die vom Kunden gefor­
derten Eigenschaften aufweisen.
Das kann beispielsweise beim Ein­
satz von Material aus Übergangs­
brammen oder bei betrieblichen
Störungen der Fall sein. Durch den
Einsatz der Onlinemessung lassen
sich somit die Nacharbeit redu­
zieren, die Ausbringung erhöhen
und der Freigabeprozess beschleu­
nigen. Für die Optimierung der
Adjustage ist eine Umrechnung
des Impoc-Werts in beispielswei­
se Streckgrenze nicht notwendig,
Special: Mess- und Prüftechnik
weil bereits aus dem qualitativen
Verlauf der Impoc-Kurve auffällige
Bandabschnitte identifiziert und
beseitigt werden können. Weitere
Einsatzbeispiele sind die Optimie­
rung der Ofenfahrweise bzw. Bei­
träge zur Werkstoffentwicklung
bei Betriebsversuchen. Der Einsatz
der gemessenen Absolutwerte im
Freigabeprozess ist nicht zuletzt
aus normativen Gründen nicht
möglich. Diese Daten werden für
betriebsinterne Entscheidungs­
findungen intensiv genutzt. Bei
einigen Stahlherstellern hat sich
das Verfahren als Standard in Band­
anlagen etabliert.
Harmonischen-Messsystem
Hacom
Anlagen zum HarmonischenAnalyse-Coil-Online-Messsystem
(Hacom) werden gegenwärtig
beispielsweise an Feuerverzin­
kungsanlagen betrieben, Bild 5 .
Für Labormessungen ist ein System
zur Vermessung von Probeblechen
verfügbar. Zur Vermeidung der Ein­
flüsse durch wechselnde Bandge­
schwindigkeiten wird das System
im Auslauf der Feuerverzinkung
vor dem Auslaufspeicher zur Be­
stimmung der technologischen
Kennwerte und zur Gefüge- bzw.
Homogenitätskontrolle über die
Bandlänge verwendet. Die Bestim­
mung der Kennwerte erfolgt mit­
hilfe von Regressionspolynomen,
deren Koeffizienten durch Regres­
sionsanalysen bestimmt werden.
Messprinzip und Wirkungs­
weise. Das Verfahren der Harmo­
nischen-Analyse bestimmt online
die Form der Hysteresekurven für
mehrere Anregungsfrequenzen.
Die Magnetisierung des Materials
durch ein sinusförmig moduliertes
äußeres Magnetfeld durchläuft
die Hysteresekurve. Da geringe
Feldstärken verwendet werden,
wird der Sättigungsbereich nicht
erreicht. Das in einer Empfänger­
spule induzierte Antwortsignal
zeigt einen verzerrten sinusför­
migen Verlauf mit hohem Ober­
wellenanteil. Dieser wird einer
Fourier-Analyse unterzogen und
die Amplituden der Sinus- und
Cosinusanteile werden als Mess­
werte bestimmt. Aufgrund der
Punktsymmetrie der Hysteresekur­
ve treten nur ungerade Vielfache
der Frequenz der Grundwelle auf.
Bei vier Messfrequenzen, bei denen
jeweils der Sinus- und Cosinus­
anteil der Amplitude der Grund­
frequenz und der nächsten fünf
Oberwellen bestimmt wird, erhält
man einen Satz von 48 Messwerten,
die zur Materialcharakterisierung
verwendet werden können [4].
Auswertung der Daten. Zur
Auswertung und Interpretation
wird auf empirisch ermittelte Zu­
sammenhänge zurückgegriffen,
die durch Kalibrierung an Zug­
proben für Materialgruppen mit
ähnlichem Gefügeaufbau ermittelt
werden. Für die Modellerstellung
hinsichtlich einzelner Kenngrößen
werden die Zielwerte, die anhand
von Materialproben konventionell
ermittelt wurden, den an der
Entnahmeposition der Proben
ermittelten Hacom-Messwerten
in einer Tabelle gegenübergestellt.
Dabei werden keine Prozessdaten
verwendet, sodass dem Modell
für die jeweilige Kenngröße nur
Messwerte aus dem Material zu­
grunde liegen. Als Werkzeuge
für die Modellerstellung werden
gegenwärtig multidimensionale
lineare Regression, neuronale
Netze, Entscheidungsbäume und
Klassifikatoren verwendet.
Abweichungen über die Band­
länge, die über einen Toleranzbe­
reich hinausgehen, zeigen Unre­
gelmäßigkeiten im Prozess, deren
Ursachen über die Kombination
der Abweichungen in den HacomAmplituden durch ein Fingerab­
druckverfahren näher eingegrenzt
werden können. Die Darstellung
aller dickenkorrigierten HacomAmplituden eröffnet die Möglich­
keit, zu prüfen, ob die Stahlsorte
des aktuell produzierten Bandes
den Vorgaben entspricht. Die Ab­
weichung von den Mittelwerten
für eine Stahlsorte kann daher
für die Verwechslungsprüfung
herangezogen werden.
Akzeptanz und Nutzung der
Prüfergebnisse. Die Ermittlung
von Zugfestigkeit und Streck­
grenze erreicht trotz Anwendung
verschiedenster mathematischer
6
Grobkornbildung durch Übertemperatur: rechts: Hacom-Signale aus diesem Bandbereich
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Modelle im besten Fall eine Über­
einstimmung mit den zerstörend
ermittelten Kennwerten von im
Mittel ±5 %. In Einzelfällen tre­
ten große Abweichungen aus un­
geklärten Ursachen auf, die die
Zuverlässigkeit der Messwerte
in Frage stellen. Dagegen haben
sich Modelle zur Kontrolle der
Homogenität der Bänder und der
Einstellung eines gleichmäßigen
Gefüges bewährt.
Durch Verwendung dieser Mo­
delle können Bandbereiche mit ab­
weichenden Eigenschaften erkannt
und durch Adjustage beseitigt wer­
den. Insbesondere die Erkennung
von Bandabschnitten mit grobem
Korn durch Fehler in der Tempe­
raturführung funktioniert bei IFStahlsorten sehr gut, Bild 6 . Die
Erkennung der homogenen Band­
bereiche und der Anfangs- und
Endbereiche mit abweichenden
Eigenschaften ist zum Zuschnitt
der Bänder nutzbar. Abweichungen
aus den Produktionsvorstufen, z. B.
Wärmebehandlungsöfen, sind als
Bereiche mit abweichenden Mess­
werten klar zu erkennen. Daher
ist gegenwärtig der größte Nutzen
im Einsatz dieser Systeme zur Ho­
mogenitäts- und Prozesskontrolle
zu erkennen.
Verbesserungspotenzial. Auf
apparativer Seite ist der sehr ge­
ringe Abstand zwischen Band und
Messspulen ungünstig. Zum Schutz
der Spulen muss ein vergleichs­
weiser hoher Aufwand betrieben
werden. Gegenwärtig ist hierfür
noch keine Lösung in Sicht.
Die Empfindlichkeit der Harmo­
nischen-Analyse für Änderungen
der mechanischen Kennwerte bei
IF-Stählen ist nicht ausreichend.
Bei diesen Stahlsorten ist keine
oder eine nur sehr geringe Kor­
relation zwischen den Werten
der zerstörenden Prüfung und
den errechneten Werten aus den
Regressionsanalysen zur erkennen.
Die Ursache hierfür ist vermutlich
die nur geringe Aussteuerung der
Magnetisierung.
stahl und eisen 132 (2012) Nr. 7
7
MFIA-Sensorkopf, bestehend aus einem Eisenjoch, Anregungsspule und Empfangsspulen
MFIA-System
Der Gefügeaufbau von Stahl,
durch den die mechanisch-techno­
logischen Eigenschaften bestimmt
werden, wird insbesondere beim
Warmwalzprozess festgelegt.
Brammen mit den typischen
Abmessungen L = 12 m, B = 2 m,
H = 0,22 m werden im Stoßofen
bei ca. 1 200 °C geglüht und in
aufeinanderfolgenden Walzstufen
zu Bändern mit Dicken zwischen
typischerweise 2 bis 12 mm und
200 bis 1 200 m Länge gewalzt. Das
Band wird bei Temperaturen von
ca. 600 °C zu Coils gewickelt.
Zusammen mit der Legierungs­
zusammensetzung bestimmt die
Abkühlgeschwindigkeit in den
unterschiedlichen Abschnitten
des Prozessverlaufs zwischen der
Anfangstemperatur von 1 200 °C
und der Haspeltemperatur von
ca. 600 °C und auch die Haspel­
temperatur selbst weitgehend
den Gefügeaufbau. Ein wichtiger
Schritt in dieser Prozesskette ist
der Phasenübergang vom Austenit
zum Ferrit, der dynamisch wäh­
rend des Warmwalzens im Tem­
peraturbereich zwischen 800 und
600 °C erfolgt.
Obwohl es bereits geeignete
Modelle zur Vorhersage von Ort
und Zeitpunkt der Phasenumwand­
lung während des Walzprozesses
gibt, würde doch die Kontrolle
des Prozesses deutlich verbessert
durch ein Messsystem, das wäh­
rend des Bandlaufs das Auftreten
des Phasenübergangs erkennen
kann. Zu diesem Zweck wurde der
sogenannte MFIA (Multi-FrequenzImpedanz-Analyse)-Sensor in enger
Zusammenarbeit gemeinsam von
der Universität Manchester und
Tata Steel Research and Develop­
ment entwickelt. Der MFIA-Sensor
erfasst den Unterschied zwischen
ferromagnetischer (Ferrit) und pa­
ramagnetischer Phase (Austenit).
Der Phasenübergang von auste­
nitischer zu ferritischer Kristall­
struktur wird begleitet von einem
starken Wechsel der magnetischen
Permeabilität μr von etwa 1 auf
einen Wert größer 100 (typisch
200 bis 300). Deshalb kann der
Special: Mess- und Prüftechnik
MFIA-Sensor durch Messung von
μr den Phasenübergang erkennen
und auswerten.
Da der Ferromagnetismus
oberhalb der Curie-Temperatur
verschwindet, funktioniert diese
Nachweismethode nur, wenn der
Übergang unterhalb der CurieTemperatur erfolgt. Der Sensor
befindet sich ca. 20 mm unterhalb
des Bandes zwischen den Rollen
des Rollgangs in der Kühlstrecke
der Warmwalzlinie. In dieser Po­
sition wird er gut geschützt vor
Bandberührungen, insbesondere
am Bandanfang und -ende.
Das Funktionsprinzip des MFIASensors, die Bestimmung der rela­
tiven magnetischen Permeabilität
μr, kann am besten beschrieben
werden mit dem Beispiel einer
Luftspule, die unterhalb einer
Metallplatte positioniert ist. Je
nach Materialzusammensetzung
der Metallplatte ändert sich der
frequenzabhängige komplexe Wi­
derstand des Systems aus Spule
und Metallplatte. Abhängig von
der Anregungsfrequenz erhält
man in den Empfängerspulen ein
zwischen +90° und –90° phasen­
verschobenes Signal. Zwischen der
relativen Permeabilität μr und der
Frequenz mit Phasenverschiebung
0° kann eine einfache Beziehung
hergeleitet werden, mit der sich
μr bestimmen lässt.
Der Sensor besteht aus einem
H-förmigen Ferritjoch mit einer
8
Impedanzebene für Stahlproben mit einen Ferritgehalt von 1 und 100 %
Erregungsspule auf dem zentra­
len Verbindungsstück, Bild 7 . Die
vier identischen Empfangsspulen
sitzen auf den Schenkeln des H.
Durch Subtraktion des Signals des
unteren Spulenpaars (Kompensati­
onsspulen) vom Signal der oberen
Spulen (aktive Messspulen) werden
die Signalerfassung wesentlich
verbessert und Störeinflüsse aus
der Umgebung kompensiert. Auch
Einwirkungen äußerer Magnet­
felder und elektromagnetischer
Störungen werden auf diese Weise
vermindert. Der MFIA-Sensor ar­
beitet gleichzeitig mit acht ver­
schiedenen Frequenzen im Bereich
von 0,2 bis 24 kHz. Ein digitaler
Signalprozessor (DSP) berechnet
die Impedanz, die durch FastFourier-Transformation (FFT) aus
den anregegenden und induzierten
Spannungen gewonnen wird.
Sowohl durch theoretische Mo­
dellierung als auch experimentell
wurde gefunden, dass im ferri­
tischen Bereich mit einem Pha­
senanteil zwischen 40 und 100 %
(fα) der Parameter μr annähernd
linear von fα abhängt [5; 6]. Unter
40 % Ferritanteil liegt μr nahe an 1.
Dies kann durch die Morphologie
der ferritischen Phase im Stadium
der teilweisen Umwandlung erklärt
werden: Anhand von Gefügeschlif­
fen kann man erkennen, dass die
ferritische Phase im Bereich fα <
40 % hauptsächlich aus isolierten
Partikeln besteht, während für
fα > 40 % die Partikel der ferri­
tischen Phase untereinander Ver­
bindungen ausbilden, die für eine
effektive Leitung des magnetischen
Flusses sorgen.
Für den Fall einer Messung
unter Bedingungen industrieller
Produktion wurde es vorgezo­
gen, einen ferritischen Kern für
die Spulenanordnung zu wählen,
um dadurch die Feldstärke zu
erhöhen und ein annehmbares
Signal/Rausch-Verhältnis unter
den ungünstigen Bedingungen in
einer Warmbandlinie zu erreichen.
Insbesondere der Phasenwinkel
der komplexen Impedanz zeigt
gute Unterscheidbarkeit für den
ferromagnetischen Phasenanteil,
wie in Bild 8 zu sehen ist.
Die Entwicklung des MFIASensors befindet sich gegenwär­
tig in der Erprobungsphase, in
der der Sensor mit Gehäuse für
eine industrielle Umgebung im
Auslaufrollgang einer Warmband­
straße installiert wurde [7]. Unter
dynamischen Bedingungen werden
gegenwärtig Untersuchungen zur
Empfindlichkeit, Validierung des
Aufbaus, Langzeitstabilität und
zur Verwendung für die Prozess­
kontrolle durchgeführt.
3MA-System
Zur Sicherung der Qualität wer­
den heute vielfältige Prüfmethoden
im Bereich der Grobblechfertigung
eingesetzt. Die Prüfverfahren zur
Ermittlung mechanisch-technolo­
gischer Eigenschaften sind durch
eine Zerstörung von Blechteilbe­
reichen gekennzeichnet. Auch
die mobile Härteprüfung an der
Blechoberfläche kann nur als
quasizerstörungsfrei angesehen
werden, da durch das Anschleifen
der zu prüfenden Stelle und den
eingebrachten Prüfeindruck die
ursprüngliche Blechoberfläche
verändert wird.
Messprinzip und Wirkungs­
weise. Die Oberflächenhärteprü­
fung kann heute auch zerstörungs­
frei durchgeführt werden. Zum
stahl und eisen 132 (2012) Nr. 7
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21436 EN, Luxemburg,
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[9]VDI/VDE-Richtlinie 2616,
Blatt 1, 07.2012.
stahl und eisen 132 (2012) Nr. 7
Einsatz kommt hierbei ein am
IZFP Saarbrücken entwickeltes
3MA-Gerät (Mikromagnetische
Multiparameter Mikrostrukturund Spannungsanalyse). Hierbei
handelt es sich um ein elektroma­
gnetisches Prüfverfahren, mit dem
mechanisch-technologische Eigen­
schaften von ferromagnetischen
Werkstoffen bestimmt werden
können.
Das 3MA-Gerät, das zur Be­
stimmung der Oberflächen­
härte an Grobblechen einge­
setzt wird, nutzt die Verfahren
Mehrfrequenzwirbelstrom,
Überlagerungs­p ermeabilität,
Oberwellenanalyse der tangen­
tialen Magnetfeldstärke und ma­
gnetisches Barkhausenrauschen.
Aufgrund deren Kombination kön­
nen bis zu 41 unterschiedliche
Messgrößen genutzt werden, die
unterschiedlich auf Gefüge- und
Spannungseinflüsse reagieren.
Während einer Härtemessung
werden alle Messgrößen in we­
nigen Sekunden mittels eines ein­
zigen Aufsatzprüf kopfes erfasst
und vom Prüfsystem ausgewertet.
Auswertung der Daten. Bei
Stählen sind die Abhängigkeiten
zwischen elektromagnetischen
Messgrößen und Mikrostruktur­
eigenschaften sehr vielfältig und
komplex. Erschwerend kommt
bei Grobblechen hinzu, dass wei­
tere Einflussgrößen, wie z. B. der
Oberflächenzustand des Bleches
(Zunder, Randentkohlung), der
Spannungszustand (gestrahlte, ge­
schliffene Oberflächen) als auch der
magnetische Zustand des Bleches
(Magnetkrantransport) auf das
Mess­ergebnis einwirken.
Mithilfe von empirischen Zu­
sammenhängen kann ein 3MAMessgrößensatz ermittelt werden,
der auf die jeweilige Prüfaufgaben,
z. B. Oberflächenhärteprüfung an
Grobblechen, ausgerichtet ist. Die
multiple Regressionsanalyse er­
möglicht die Verknüpfung von
Mess- und Zielgrößen in Appro­
ximations- bzw. Kalibrierfunkti­
onen. Von der Güte der gefundenen
Kalibrierfunktionen hängt im We­
sentlichen die Einsetzbarkeit dieses
zerstörungsfreien Prüfverfahrens
ab. Für Stähle mit Härten von ca.
400 HB können bei Messung dis­
kreter Härtewerte Messunsicher­
heiten erreicht werden, die gleich
denen der zerstörenden, mobilen
Verfahren sind.
Akzeptanz und Nutzung der
Prüfergebnisse. Das 3MA-Verfah­
ren [4] wird zur Härteprüfung an
Grobblechen im Bereich von ca.
400 HB an gehärteten, verschleiß­
festen Stählen eingesetzt [8]. Da
das Verfahren nicht genormt ist,
können ausschließlich interne
Gütesicherungsprüfungen durch­
geführt werden. Es ist geplant,
die Kalibrierung anderer Stahl­
sorten voranzutreiben und
gleichzeitig Möglichkeiten zu
diskutieren, das Verfahren in
technischen Regelwerken zu
beschreiben. Ein erster Erfolg
ist die Beschreibung dieses und
ähnlicher Härteprüfverfahren in
der VDI/VDE-Richtlinie 2616 [9].
Fazit
Bei den gegenwärtig in der Stahl­
industrie eingesetzten Methoden
zur Materialcharakterisierung
überwiegen diejenigen mit elek­
tromagnetischer Wirkungsweise.
Bedingt durch die einfachere Einund Auskopplung der Messsignale
werden diese Systeme in vielen
Produktionslinien und Anwen­
dungen eingesetzt. Wesentliche
Entwicklungsfelder liegen in der
Beseitigung und Kompensation
von Störquellen und der Inter­
pretation der Daten. Da hierbei
keine direkten Zusammenhänge
zwischen den elektromagnetischen
und mechanischen Kenngrößen
genutzt werden können, sind die
Systeme immer mit Werkstoffpro­
ben ähnlicher Eigenschaften zu
kalibrieren.
Nur so können verlässliche Aus­
sagen über mechanische Kenn­
größen oder Gefügeeigenschaften
erwartet werden. Dennoch kann
mithilfe dieser Systeme anstelle
einer punktuellen Prüfung die Ho­
mogenität des Produktes über die
gesamte Länge kontrolliert und
erfasst werden. In Verbindung mit
Prozessdaten lassen sich durch
Regressionsverfahren Werte für
Streckgrenze und Zugfestigkeit
bestimmen, die mit den zerstö­
rend gemessenen gut übereinstim­
men. Statistische Auswertungen
der produkt- und anlagenspezi­
fischen Messdaten können genutzt
werden, um Abweichungen und
Trends im Produktionsprozess
und in der Materialzusammen­
setzung über längere Zeiträume
festzustellen.
Laser-Ultraschallmethoden er­
schließen messtechnisch prinzipiell
auch den Hochtemperaturbereich
oberhalb der Curie-Temperatur Tc.
Hier liegen Vorteile, wenn Gefüge­
eigenschaften möglichst früh im
Produktionsprozess ermittelt wer­
den sollen. Weiterentwicklungen
der Ultraschalltechniken können
daher einen bedeutenden Beitrag
zur Onlinematerialcharakterisie­
rung und Qualitätsverbesserung
leisten.
Dr. rer. nat. Mathias Stolzenberg,
Experte Zerstörungsfreie Prüfung,
Mess- und Prüfverfahren, Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH,
Salzgitter, Deutschland; Dr. Frenk van
den Berg, Principal Scientist, Tata Steel
Research Development and Tech­nology,
IJmuiden, Niederlande; Dr. rer. nat.
Wilhelm Dürr, Teamkoordinator
Prüftechnik, Forschung und Entwicklung, ThyssenKrupp Steel Europe AG,
Duisburg, Deutschland; Dipl.-Ing. Uwe
Hofmann, Leiter Betriebsabnahme und
ZfP, AG der Dillinger Hüttenwerke,
Dillingen, Deutschland; Dipl.-Ing.
Günther Moninger, Geschäftsführung,
Fachausschuss zerstörungsfreie Prüfung
und Messtechnik, Stahlinstitut VDEh,
Düsseldorf, Deutschland.
gü[email protected]
Special: Measuring and testing technology
Internet PDF from "Stahl und Eisen" (2012), issue 07, pages 80 – 90
© Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf
VDEh Steel Institute: Non-destructive test methods support quality assurance
Material characterization on flat steel enhances process control
Precise process control for the production of steel strip and flat products is critical to ensure high
quality products with homogeneous features over their whole length. To demonstrate these properties,
various material characteristics must be determined over the length of the product rather than just
punctually at the strip ends. For this purpose, the use of contactless, non-destructive test methods on
production lines is of the essence. The most important methods have been investigated by a study
group of the non-destructive testing and measurement technique committee of VDEh Steel Institute
and are presented in the following overview.
Mathias Stolzenberg, Frenk van den Berg, Wilhelm Dürr, Uwe Hofmann and Günther Moninger
In the steel industry, precise control of production processes for cost-effective production of high
quality products is becoming ever more important. While process data can be collected relatively
easily, the possibilities for online capturing of measured data characterizing the current state of the
material as it runs through the equipment are quite limited. For this purpose, contactless, nondestructive methods used in production lines are essential. The current status of the most promising
methods, gathered by a study group of the non-destructive testing and measurement technique
committee of VDEh Steel Institute, is shown in this overview.
Traditionally, materials are characterized using samples taken from the product in a time-consuming
process for separate testing. The results only become available after quite some time and are
therefore of limited use for process control. What is more, they only offer punctual information, i.e. for
the beginning and the end of a strip. Alternatively, non-destructive online measuring methods provide
information over the entire length of the product. This allows for a short-term response to process
irregularities. Areas with non-compliances can be identified and reworked.
Non-destructive systems for strip and sheets are currently often not as precise as destructive methods
in determining absolute values for tensile strength, yield point and hardness. In order to enhance the
control of production processes, it is often more important to find deviations and assess their
consequences in order to make a prediction about the usability of the material affected. With an
intelligent combination of destructive and non-destructive material characterization, product
homogeneity can be ensured without any additional workload for destructive testing.
Basic non-destructive test methods that can be used
Various non-destructive test methods will be presented below.
Ultrasound testing. Ultrasound can be used to determine the microstructure and to identify material
defects. Elastic constants are determined based on ultrasonic transmission times measured in various
directions. This allows conclusions to be drawn in terms of microstructure, phases and anisotropisms.
Frequency-dependent ultrasound attenuation helps determine grain sizes, and potentially phase
portions, as for common ultrasound frequencies (4 to 10 MHz) Rayleigh scattering is present where
the attenuation depends on the volume of scattering clusters and frequency.
To determine the microstructure, it is sufficient to couple an ultrasonic pulse at a defined point and to
couple it out at another suitable point of the piece. To this end, conventional ultrasound heads with
couplants may be used. For hot, fast-moving strips and sheets, a contactless system must be used.
Laser excitation of ultrasound is currently being examined in various development projects. The
solution allows the production of very short ultrasonic pulses with a very broad frequency spectrum.
Electromagnetic excitation
of ultrasound is also
possible [1].
Electromagnetic methods.
Electromagnetic methods used to determine yield point, tensile strength and hardness all work with
the properties of the hysteresis curve. Remanence, coercive field strength, differential permeability,
Barkhausen noise, impedance changes or harmonic wave spectrum for sinusoidal magnetization are
measured, either individually or in combination with each other.
Electromagnetic methods are based on the interdependency of the magnetic structure (Bloch walls,
magnetic domains) with the microstructure and mechanical stress fields of the material. Changes to
the microstructure and/or the stress fields have an impact on both mechanical-technological and
electromagnetic properties. Basically, the upper temperature limit for electromagnetic methods using
ferromagnetism is the Curie point Tc.
As no direct interrelation between magnetic and mechanical parameters is currently known, empirical
interrelations are used to determine parameters and microstructural properties, which must be
established by calibration using samples. This forms the basis for suitable mathematical models. The
material used for calibration must not differ significantly from the product to be tested.
Due to the limited range of electromagnetic fields in the frequency range used, send and receive coils
must be positioned relatively close to the product. For moving products, this requires collision
protection measures. The clearance between sensor and product must be precisely complied with, as
changes to the distance will clearly show up in the measuring signals. Other parasitic inductions
include speed changes and changes in terms of strip pulling.
Systems for material characterization
Below we present a report on the experience gained with various material characterization systems.
IMPOC method
The Impoc method (Impulse Magnetic Process Online Controller) is an online method commercially
available since 2001, which has been constantly improved since its introduction [2]. Worldwide, it is
known to be used on 30 operational measuring systems. These are used for continuous etching,
annealing and galvanizinglines, figure 1. Furthermore, it is being used on a tinning line for packaging
sheet metal and in the press shop of a car manufacturer. IMPOC is designed for use in nondestructive online characterization of the mechanical-technological features of steel strip. IMPOC
systems are used at the line exit, where no further mechanical-technological changes to the material
will take place. At the measuring point, measurements with a max. pulse frequency of 7.5 Hz and a
speed up to 900 m/min can be performed, however over 150 m/min the impact of the speed must be
taken into account.
Measuring principle and mode of operation.
As the strip runs past the device, it is locally magnetized with a pulsed current flow under a measuring
head consisting basically of an induction coil, figure 1. A sensor captures the magnetic stray field of
the magnetized strip. The characteristic value of the magnetic field strength is called the IMPOC
2
measurement value (unit: A/m ) and is determined directly. The distance between head and strip is
25 mm. Underneath the strip, another measuring head is positioned symmetrically with the top
measuring head (not shown in figure 1) so that there is a gap totalling 50 mm between the measuring
heads. Because it determines the average of the signals of both measuring heads, the measurement
signal depends less on strip vibration around the measuring head centre position.
Thanks to the relatively large distance to the strip, the system is very robust and requires little
maintenance, thus ensuring high availability. Another benefit of the method is that magnetic properties
are not much affected by temperatures up to approx. 200 °C, so that no compensation is needed for
the effects of temperature. The measuring head position is freely selectable across the strip width so
that a traversing movement is also possible. Some systems today are even provided with calibration
equipment that allows the device to be checked in a parked position using defined sheet material.
Data evaluation. The measured IMPOC value correlates directly with the strength of the material. The
higher the strength of the material, the higher the measured value. While for soft IF steels the value is
2
around 3,000 A/m , it is over 20,000 A/m2 for hard dual phase steel. Figure 2 shows the IMPOC curve
for three strips of IF steel with various strength classes. Even without a mathematical model, the
strength grade of
strips can be assessed directly (in this case: from higher strength to soft). What is more, direct
assessment is possible by measuring the homogeneity of the strength over the strip length.
Quantification of strength over the strip length requires mathematical modelling to allow the magnetic
properties measured to be transformed into mechanical properties. The correlation analysis required
for this step is performed using a multiple linear regression calculation:
Rx = a + b · IMPOC + c · thickness + di · PPi
where Rx stands for Rm or Rp0.2 and a, b, c and di are regression coefficients. Input values for the
regression calculation include the IMPOC value, the strip thickness and other process parameters
(PPi). These may be process temperature, degree of deformation or percent by weight of chemical
elements. However additional process parameters must be available in the system at the time of
measurement as the mechanical parameters are directly calculated and the data is visualized in real
time during operation. Saved values may be viewed and evaluated at any later point in time.
Purpose and status of the system.
By defining meaningful quality groups for which individual regression analyses are performed, the
online measurement precision can be enhanced as shown in figures 3 and 4 [3]. For example, for soft
IF steels a precision of ±10 MPa for tensile strength and ±12 MPa for the yield point can be achieved,
the maximum deviation being applicable to 95 % of the values considered. To limit workload, a tradeoff must be made between the number of quality groups defined and the precision required.
However, regression models have not achieved satisfactory precision for some steel grades, including
TRIP steels, for example. Complex phases or austenitic portions in the material display less
electromagnetic sensitivity and are thus unsuitable in terms of the IMPOC measured value. Obviously
this means that the method has limits.
Acceptance and use of test results. IMPOC system measurements are often used to optimize
finishing of strips in which some parts do not match the characteristics specified by the customer. This
may be the case when using transition slabs or in the event of operational interruptions. With online
measurement, reworking can be reduced, output increased and product release speeded up. For
optimized finishing, the IMPOC value need not be converted e.g. into a yield point, as the qualitative
course of the IMPOC curve already allows suspicious strip sections to be identified and removed.
Other applications include optimization of furnace operation and a contribution to material
development in operational tests. The use of measured absolute values for release processes
however is not possible, not least for reasons related to standardization. These data are intensively
used for internal decision making. Some steel manufacturers have established the process as
standard for coil lines.
Hacom harmonic measuring system
Systems for harmonic analysis coil online measurement (Hacom) are currently used e.g. in galvanizing
lines, figure 5. For laboratory measurements, a system for measuring test sheets is available. In order
to avoid the impact of changing strip speeds, the system is installed at the exit of the galvanizing line,
upstream of the exit section looper, to determine technological parameters and to check
microstructure and homogeneity over the strip length. Parameters are determined using regression
polynomials, and their coefficients are calculated using regression analyses.
Measuring principle and mode of operation. The harmonic analysis method serves to determine
the shape of hysteresis curves online for various excitation frequencies. Magnetization of the material
by a sinusoidally modulated external magnetic field follows the hysteresis curve. As low field strengths
are used, the saturation point is not reached. The response signal induced in a receiver coil displays a
distorted sinusoidal curve progression with a high portion of harmonic waves. This is submitted to
Fourier analysis and the amplitudes of sine and cosine portions are determined as measured values.
Due to the point symmetry of the hysteresis curve, only uneven multiples of the fundamental wave
frequency occur. A set of 48 measured values is produced from four measurement frequencies where
sine and cosine portions of the amplitude of the fundamental frequency and the next five harmonic
waves are determined. These values can be used for material characterization [4].
Data evaluation. For evaluation and interpretation, empirically determined correlations are used which
have been established by calibration, using tensile specimens for material groups with a similar
microstructure. To produce a model for various parameters, the target values conventionally
determined using material specimens are compared in a table with Hacom measured values identified
at the sampling point. No process data are used, to ensure that the model is based on measured
values from the material for the respective parameter only. Today, multidimensional linear regression,
neural networks, decision trees and classifiers are being used as modelling tools. Deviations over the
strip length which exceed the tolerance are indicators of process irregularities. Their root cause can be
specified more precisely by combining the Hacom amplitude deviations with a fingerprint method. The
representation of all thickness-adjusted Hacom amplitudes makes it possible to check whether the
steel grade of the currently produced strip is in line with specifications. Thus deviation from mean
values for a particular steel grade can be used for error testing.
Acceptance and use of test results. Despite the use of various mathematical models, the
determination of tensile strength and yield point
in an optimistic case achieves a match of ±5 %, on average, with parameters established using
destructive testing. In individual cases, major deviations occur for unknown reasons which cast doubt
on the reliability of measured values. However models to check strip homogeneity and uniform
microstructure have stood the test.
Using these models, areas of strip with non-conforming characteristics can be identified and removed
during finishing. In particular, the identification of strip sections with coarse grains due to errors in
temperature control works very well with IF steel grades, figure 6. The identification of homogeneous
strip areas, as well as the beginning and end of areas with non-conforming properties, allows the strip
to be cut. Deviations resulting from pre-production stages, e.g., heat treatment furnaces, are clearly
identifiable as areas with deviating measurement values. Thus the greatest benefit of using these
systems can be seen in homogeneity and process control.
Improvement potential. From a hardware perspective, the very low clearance between the strip and
the measuring coils is undesirable. To protect the coils, a correspondingly high effort is needed.
Currently no solution can be seen for this issue.
Harmonic analysis is insufficiently sensitive for changing the mechanical parameters for IF steel. For
these steel grades, there is zero or only very limited correlation between the values obtained with
destructive testing and the values from regression analysis. The cause is assumed to be the limited
modulation of magnetization.
MFIA system
The microstructure of steel, which determines its mechanical-technological characteristics, is defined
particularly during hot rolling. Slabs of typical dimensions, i.e., L = 12 m, W = 2 m, H = 0.22 m are
annealed in a pusher furnace at approx. 1,200 °C and then rolled in subsequent rolling stages to form
strip with a thickness typically ranging from 2 to 12 mm in lengths of 200 to 1,200 m. The strip is coiled
at temperatures of approx. 600 °C.
Along with the alloy composition, the cooling speed of the various process phases from the initial
temperature of 1,200 °C to the coiling temperature of approx. 600 °C, as well as the coiling
temperature itself, largely determine the microstructure. An important step within this process chain is
the phase transition from austenite to ferrite, which occurs dynamically during hot rolling in a
temperature range between 800 and 600 °C.
Even though suitable models are available to predict the place and time of phase transition during the
rolling process, process control is clearly enhanced by a measuring system that allows this transition
to be identified on the moving strip. For this purpose the so-called MFIA (multi frequency impedance
analysis) sensor was developed in close cooperation between the University of Manchester and Tata
Steel Research and Development. The MFIA sensor captures the difference between ferromagnetic
(ferrite) and paramagnetic (austenite) phases. Phase transition from an austenite to a ferrite crystal
structure is accompanied by a strong change of magnetic permeability µr from approx. 1 to a value
greater than 100 (typically 200 to 300). Thus the MIFA sensor can identify and evaluate phase
transition by measuring µr.
As ferromagnetism disappears above the Curie temperature, this method of demonstration only works
if transition takes place below the Curie point. The sensor is positioned some 20 mm below the strip
between the conveyor rollers in the cooling stretch of the hot rolling line. In this position it is well
protected from strip contact, particularly at the beginning and end of the strip.
The principle of MFIA sensor functioning, i.e. the determination of relative magnetic permeability µr,
can be best described by the example of an air-core coil positioned below a metal plate. Depending on
the material composition of the metal plate, the frequency-dependent complex resistance of the
system (coil and metal plate) changes. Depending on the excitation frequency, a signal is produced
which is shifted in the receiver coils between +90° and –90°. Between relative permeability µr and the
frequency with a phase displacement of 0° a basic relationship can be derived to determine µr.
The sensor consists of an H-shaped ferrite yoke with an excitation coil on the central bar, figure 7. The
four identical receiver coils are located on the legs of the "H". By deducting the signal of the lower pair
of coils (compensation coils) from the signal of the upper coils (active measuring coils), signal capture
is much improved, and parasitic environmental impacts are compensated. The impact of external
magnetic fields and electromagnetic disturbance is thus reduced. The MFIA sensor works
simultaneously with eight different frequencies from 0.2 to 24 kHz. A digital signal processor (DSP)
calculates the impedance that is gained through Fast Fourier Transformation (FFT) from the excited
and induced voltage.
It was found by both theoretical modelling and experiments that in the ferrite range with a phase
between 40 and 100 % (fα), parameter ƒα has an almost linear dependence on fα [5; 6]. Below 40 %
ferrite share, µα is close to 1. This can be explained by the morphology of the ferrite phase in the state
of partial transformation: Based on macrosections, it can be seen that the ferrite phase in the area of
fα < 40 % mainly consists of isolated particles, while for fα > 40 % the particles of the ferrite phase
develop connections that ensure effective magnetic flux.
For measurement under industrial production conditions, a ferrite core was preferred so as to increase
field strength and reach an acceptable signal-to-noise ratio under the unfavourable conditions of a hot
strip line. In particular, the phase angle of complex impedance displays a good distinctness for the
ferromagnetic phase portion, as can be seen in figure 8.
The development of the MFIA sensor is currently in the test phase and the sensor including housing
has been installed for an industrial environment at the roller conveyor exit of a hot strip line [7].
Examinations are currently being carried out under dynamic conditions on sensitivity, validation of
structure, long-term durability and use for process control.
3MA system
To ensure quality, today various test methods are used in the field of thick plate production. The test
methods to determine mechanical-technological properties all require destruction of a part of the
plates. Mobile hardness testing of the sheet surface can only be considered to be “almost nondestructive”, as by grinding the point to be tested and the test impression, the original sheet surface is
modified.
Measurement principle and mode of operation.
Today it is possible to carry out non-destructive surface hardness tests.
A 3MA test device developed by IZFP Saarbrücken (micromagnetic multi parameter microsection and
tension analysis) is used. This is an electromagnetic test method to determine the mechanicaltechnological properties of ferromagnetic materials.
The 3MA device used to determine the surface hardness on thick plate makes use of multi-frequency
eddy current, incremental permeability, harmonic analysis of tangential magnet field strength as well
as magnetic Barkhausen noise. With a combination of these factors, up to 41 different measuring
parameters can be used, which react differently on microsection and tension impacts. During hardness
measurement, all measured parameters are captured within a few seconds, using a single add-on test
head, and evaluated by the test system.
Data evaluation. For steel, there are many complex interdependencies between electromagnetic
measuring parameters and microsection properties. What is more, for thick plate, other factors
including the sheet surface condition (scale, skin decarburization), tension (blast, ground surfaces)
and the magnetic condition of the sheet (magnet crane transport) all have an impact on the results of
measurement.
Using empirical interrelations, a set of 3MA measurement parameters can be determined that is
focused on specific tests, e.g., surface hardness of thick plate. Multiple regression analysis allows
measurement and target parameters to be linked within approximation and calibration functions. The
usability of this non-destructive test method depends largely on the quality of the identified calibration
functions. For steel with a hardness of approx. 400 HB, the measurement of discrete hardness values
may lead to measurement uncertainties which are equivalent to those for destructive mobile methods.
Acceptance and use of test results. The 3MA method [4] is used for hardness testing of thick plate
in the range of approx. 400 HB in hardened, wear-resistant steel [8]. As the method is not
standardized, it is only suitable for internal quality assurance. There are plans to do calibration for
other steel grades, while at the same time the possibility is being discussed of describing the process
in technical regulations. The description of this and a similar hardness test method in VDI/VDE
guideline 2616 can be considered a first success [9].
Conclusion
Among the methods currently used in the steel industry for material characterization, those with an
electromagnetic approach are paramount. Due to the simple coupling of measurement signals, these
systems are used in many production lines and for a range of applications. Major areas for
development are the removal and compensation of interference sources, as well as data
interpretation. As no direct interrelation between electromagnetic and mechanical parameters can be
used in this connection, systems must always be calibrated with material samples featuring similar
properties.
Only in this way can reliable statements concerning mechanical parameters or microstructure be
expected. However, use of these systems allows product homogeneity to be controlled and captured
over the whole length rather than just checking it punctually. In combination with process data,
regression methods allow values for yield point and tensile strength to be determined which are largely
in line with values measured by destructive testing. Statistical evaluation of product- and plant-specific
measurement data can be used to identify deviations and trends in the production process and in
material composition over a longer period of time.
Laser ultrasound methods basically open up the possibility of measurement in the high temperature
range above the Curie point Tc. This offers benefits if the microstructure is to be determined early in
the production process. Thus further developments of ultrasound technologies are likely to make a
major contribution to online material characterization and quality improvement.
Dr. Mathias Stolzenberg, D Sc., Expert for non-destructive testing, measuring and test methods,
Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Germany; Dr. Frenk van den Berg, Principal
Scientist, Tata Steel Research Development and Technology, IJmuiden, Netherlands; Dr. Wilhelm
Dürr, D Sc., Team coordinator test technology, research and development, ThyssenKrupp Steel
Europe AG, Duisburg, Germany; Dipl.-Eng. Uwe Hofmann, Head of operation acceptance and nondestructive testing, AG Dillinger Hüttenwerke, Dillingen, Germany; Dipl.-Eng. Günther Moninger,
Management, expert committee for non-destructive testing and measurement technique, VDEh Steel
Institute, Düsseldorf, Germany.
gü[email protected]
Pictures:
1 - Impoc measuring head in an online measuring operation at a galvanizing line at
ThyssenKrupp
Steel Europe
Induction coil
Top measuring head
Measuring coil
Protective plate
Strip
2 - IMPOC measurement of three strips with different strengths
IMPOC value
Strip length in m
IMPOC value in A/m²
3 - Comparison of measured tensile strength vs. determined tensile strength using IMPOC
Tensile strength in MPa
BH steels
Soft IF steels
Higher strength IF steels
Micro-alloyed steels
IF soft: 95 % within +/- 10 MPa as compared with the values of the tensile test
Calculated tensile strength in MPa
4 - Comparison of measured yield point vs. determined yield point using IMPOC
Yield point in MPa
BH steels
Soft IF steels
Higher strength IF steels
Micro-alloyed steels
IF soft: 95 % within +/- 12 MPa as compared with the values of the tensile test
Calculated tensile strength in MPa
5 - Hacom system used for galvanizing (top side) at Salzgitter Flachstahl GmbH, Germany
6 - Coarse grain formation due to excess temperature: right side: Hacom signals from this strip area
tE and tA furnace temperature in °C
Strip position in mm
7 - MFIA sensor head, consisting of an iron yoke, excitement coil and receiver coils
8 - Impedance for steel samples with a ferrite content of 1 and 100 %
Literature
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at Lawrence Livermore
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electromagnetic response of two-phase steel microstructures,
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[7] Note: Place of installation: IJmuiden, Netherlands.
[8] Hofmann, U.; Dobmann, G.; Wolter, B.; Kern, R.; Schneider, E.; Meilland, P.; Buchholtz, O.-W.;
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RFCS report EUR 21436 EN, Luxemburg, Luxemburg, 2005.
[9] VDI/VDE guideline 2616, page 1, 07.2012.