DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Online-Materialcharakterisierung und Überwachung relevanter Bandeigenschaften von feuerverzinktem Stahlfeinblech im Produktionsfluss mit einem Harmonischen-Messsystem

Reimche, Wilfried, Dr.-Ing.,
Heutling, Bernd, Dipl.-Ing.,
Bach, Friedrich-Wilhelm, Prof. Dr.-Ing., Institut für Werkstoffkunde IW, Universität Hannover,
Kroos, Joachim, Dr. rer. nat., Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH (SZFG), Salzgitter
Schulz, Sven, Dipl.-Ing., Salzgitter Flachstahl GmbH (SZFG), Salzgitter

Kontakt: Dr.-Ing. Wilfried Reimche

1. Einleitung

Kaltgewalztes Feinblech ist im Fahrzeug- und Gerätebau nach wie vor der klassische Werkstoff. Unter ständig steigendem Qualitäts- und Kostendruck ist Feinblech zu einem hochwertigen Halbzeug mit einem breiten Eigenschaftsspektrum entwickelt worden. Neben einer exakten Einhaltung geforderter mechanischer und technologischer Kennwerte wie der Dehngrenze Rp0,2, der Zugfestigkeit Rm, dem Verfestigungsexponent n und den Anisotropiekennwertenr wird dabei auch erwartet, dass die spezifizierten Materialkennwerte über der gesamtenFeinblech-Bandlänge eingehalten werden. Die üblichen Tests via genormtem Zugversuchan Proben, die am Bandanfang und -ende entnommen werden, sind für die Ermittlungund insbesondere die kontinuierliche Überwachung von Materialkennwerten schon aufgrundihres zerstörenden Charakters ungeeignet. Für eine angestrebte kontinuierliche und prozessnaheMaterialcharakterisierung sind daher nur ausreichend schnelle, zerstörungsfreie undberührungslose Verfahren einsetzbar [1, 2 ,3].
Vor diesem Hintergrund wurde am Institut für Werkstoffkunde der Universität Hannover ein magnet-induktiv arbeitendes Harmonischen Messsystem (HACOM) auf Basis der Wirbelstromtechnik [4] entwickelt und in Zusammenarbeit mit der Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH und der Salzgitter Flachstahl GmbH für den Online-Einsatz im Durchlaufbetrieb einer Produktionsanlage optimiert und in zwei Feuerverzinkungsanlagen implementiert. Das HACOM-System ermöglicht die schnelle zerstörungsfreie und berührungslose Bestimmung von Festigkeitskennwerten, wie der Dehngrenze Rp0,2 und der Zugfestigkeit Rm mit hoher Messgenauigkeit und Aussagesicherheit.

2. Grundlagen

Die zerstörungsfreie Bestimmung der Feinblecheigenschaften mit einem Harmonischen Messsytem beruht auf der Tatsache, dass der Werkstoffzustand, insbesondere das Gefüge, die Legierung, die Korngröße und die Versetzungsdichte sowohl die mechanisch-technologischen als auch die physikalischen Eigenschaften, wie die elektrische Leitfähigkeit und die magnetischen Eigenschaften ferromagnetischer Werkstoffe bestimmt [5, 12]. Somit existiert ein indirekter Zusammenhang zwischen den mechanisch-technologischen und den physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs [6], der von dem Harmonischen Messystem zur zerstörungsfreien Bestimmung der gesuchten Feinblecheigenschaften ausgenutzt wird.


Bild 1: Messprinzip der Harmonischen Analyse von Wirbelstromsignalen

Das Messprinzip der Harmonischen Analyse von Wirbelstromsignalen ist in Bild 1 dargestellt. Im Mess- und Analyserechner werden monofrequente sinusförmige Sendersignale generiert und nach der Verstärkung in einem Leistungsverstärker einer Erregerspule zugeführt. Die Erregerspule generiert ein monofrequentes magnetisches Wechselfeld, das als Primärfeld bezeichnet wird und im Feinblech Ummagnetisierungsvorgänge und Wirbelströme verursacht, die von den Einflussgrößen des Materials wie der Legierungszusammensetzung, Gefügeausbildung, Versetzungsdichte oder Spannungen abhängig sind. Durch die Wirbelströme und die Ummagnetisierungsvorgänge wird ein Sekundärfeld erzeugt, das aufgrund der nichtlinearen magnetischen Eigenschaften des ferromagnetischen Werkstoffs, charakterisiert durch die Hysteresekurve, verzerrt ist [7]. Mit Hilfe der Empfängerspule kann eine aus der Verzerrung des Sekundärfeldes resultierende Signaldifferenz gemessen werden, aus der nach einer Fourier-Transformation die Harmonischen Messwerte berechnet werden.

Die gemessenen Harmonischen Messwerte werden bei Vorliegen einer statistisch ausreichenden Datenmenge mittels mehrdimensionaler linearer Regressionsanalysen zur Bestimmung von Korrelationsgleichungen verwendet. Anhand dieser Korrelationsgleichungen werden im Online-Betrieb die gewünschten Materialkennwerte aus den aktuell gemessenen Harmonischen Messwerten berechnet.

3. Das Harmonischen-Analyse-Coil-Online-Messsystem HACOM


Bild 2:
HACOM-System in der FVZ-2 der Salzgitter Flachstahl GmbH

In enger Zusammenarbeit mit der Salzgitter Flachstahl GmbH wurden für die beiden kontinuierlich arbeitenden Feuerverzinkungsanlagen (FVZ) 1 und 2 im Stahlwerk Salzgitter jeweils ein HACOM-System konzipiert, an die jeweilige Anlage adaptiert, implementiert und in die Anlagensteuerung sowie das Qualitätssicherungssystem integriert (Bild 2). In den beiden Anlagen wurden seit Januar 2001 (FVZ-1) etwa 46000 bzw. seit Dezember 2002 (FVZ-2) etwa 10500 Stahlbänder der Güten IF und DX51/52 als auch mikrolegierte Stähle sowie Baustähle über der gesamten Bandlänge gemessen.

4. Ergebnisse von Online-Korrelationen

Die offline berechneten Korrelationsgleichungen für die Zugfestigkeit Rm und die Dehngrenze Rp0,2 müssen zunächst hinsichtlich ihrer Gültigkeit und Genauigkeit überprüft werden, bevorsie im HACOM-System für die Online-Messung implementiert werden. Da sich diemagnetischen Eigenschaften der verschiedenen Werkstoffgüten deutlich voneinander unterscheiden,ist es zur Erreichung einer sehr hohen Messgenauigkeit notwendig, für jede Gütengruppe eigene Korrelationen zu berechnen. Außerdem wurden innerhalb der Gütengruppen die Proben gemäß der Blechdickenverteilung in Gruppen vergleichbarer Blechdicke separiert, um durch die Änderung des Prüfvolumens vorhandene Blechdickeneinflüsse zu minimieren [8].

In Bild 3 sind die Ergebnisse von 3-dimensionalen Regressionsanalysen für die Dehngrenze Rp0,2 und die Zugfestigkeit Rm für etwa 2400 Bleche weicher IF-Stahlgüten dargestellt. Dabei wurden die mittels Harmonischen Analyse am Bandanfang ermittelten Festigkeitskennwerte den Festigkeitswerten der ebenfalls am Coilanfang entnommenen Zugproben gegenübergestellt. Die Ergebnisse für die Zugfestigkeit zeigen eine sehr gute Abbildung der zerstörend bestimmten Festigkeitswerte durch die online ermittelten Werte der Harmonischen Analyse, wobei in der Verteilungskurve eine deutliche Konzentration in einem ±3%-Streuintervall um die Regressionsgerade mit einer mittleren Abweichung von DRm 5,08 N/mm2 offensichtlich ist. Für die Dehngrenze ergeben sich ähnliche absolute Abweichungen, während die relativen Abweichungen aufgrund der kleineren Festigkeitswerte im Vergleich zu den Werten für die Zugfestigkeit etwas höher sind. Allerdings zeigen auch hier die berechneten Werte für die Dehngrenze eine gute Anpassung an die Regressionsgerade mit der überwiegenden Anzahl der Proben in einem ±5%-Streuintervall um die Regressionsgerade.


Bild 3:
Ergebnisse 3-dimensionaler Regressionen für IF-Stahlgüten

Bild 4:
Ergebnisse 3-dimensionaler Regressionen für mikrolegierte Stahlgüten

Als weiteres Beispiel sind in Bild 4 die 3-dimensionalen Ergebnisse für etwa 550 mikrolegierte Stähle dargestellt, wobei sich auch hier gute Übereinstimmungen der berechenten mit den zerstörend gemessenen Festigkeitswerten ergeben. Wie auch bei den weichen IF-Stählen liegt die überwiegende Mehrzahl der Proben für die Zugfestigkeit im Bereich des ±3% bzw. für die Dehngrenze im Bereich des ±5%-Streuintervalls um die Regressionsgeraden mit relativen Standardabweichungen von der Regressionsgeraden von srel= 1,97% bzw. 3,62%.

5. Online-Materialcharakterisierung über der gesamten Bandlänge

Während der Online-Messung werden für jedes Stahlband über der gesamten Bandlänge Harmonischen Messwerte aufgenommen, dieRm gewünschten Festigkeitskennwerte berechnet und an die jeweilige Qualitätsdatenbank übermittelt. Hierdurch ist es möglich, bereits im Produktionsablauf auffällige Veränderungen der Bandeigenschaften zu erkennen und darauf durch Änderung der Produktionsparameter zu reagieren [9]. Wesentlichen Einfluss auf die Qualität eines Stahlbands haben dabei der Dressier- und Reckgrad sowie die Temperaturführung im Glühofen [10]. Der Effekt dieser Einflussgrößen auf die Harmonischen Messwerte wurden anhand spezieller Testbänder untersucht.

Das im Bild 5 dargestellte IF-Stahlband zeigt in der oberen Bildhälfte im vorderen Drittel des Bandverlaufs eine deutliche Zunahme des Dressiergrads von 0,8% auf 1,3%. Der ebenfalls dargestellte Verlauf der berechneten Dehngrenze weist eine nahezu identische Änderung auf. Die zur Berechnung der Dehngrenze verwendeten Messwerte sind im unteren Teil des Bildes dargestellt. Alle drei Harmonischen zeigen im Bereich der Dressiergradänderung Signaländerungen, die für den Imaginärteil der 5. Harmonischen der 3. Messfrequenz besonders ausgeprägt sind.


Bild 5:
Einfluss des Dressiergradsauf die Harmonischen Messwerte

Bild 6:
Einfluss des Reckgrads auf die Harmonischen Messwerte

Der Einfluss einer Reckgradänderung wurde an einem 0,8 mm dicken IF-Stahlblech untersucht (Bild 6). Bei diesem Blech steigt der Reckgrad im zweiten Viertel der Bandlänge sprunghaft von etwa 0,15 auf 0,7% und fällt kurz vor der Bandmitte auf einen Wert von 0,3% ab. Im Verlauf der vom HACOM-Messsytem ermittelten Kurve für die Dehngrenze ist eine deutliche Reaktion auf die Reckgradänderung zu erkennen.
In der unteren Bildhälfte von Bild 6 sind erneut die zur Bestimmung der Dehngrenze verwendeten Harmonischen Messwerte aufgetragen. Es zeigt sich, dass der Realteil der 11. Harmonischen der 2. Messfrequenz offensichtlich unempfindlich gegenüber Änderungen des Reckgrads ist. Demgegenüber weisen der Imaginärteil der 1. Harmonischen der 2. Messfrequenz und insbesondere der Imaginärteil der 5. Harmonischen der 4. Messfrequenz deutliche lineare Abhängigkeiten bezüglich Reckgradänderungen auf.
Eine weitere wichtige Einflussgröße auf die Eigenschaften des Stahlbands ist die Temperaturführung im Glühofen. Dabei führt eine Glühbehandlung außerhalb des für die jeweilige Stahlgüte vorgegebenen Toleranzbereichs der Glühtemperatur zu unzulässigen Gefügeausbildungen. Besonders kritisch ist in diesem Zusammenhang eine Überhitzung des Bands über die Umwandlungstemperatur AC3, da dies in der Regel zu einer Grobkornbildung, dem Verlust der Walztextur und somit zu einer signifikanten Änderung der Kaltbandeigenschaften führt.


Bild 7: Einfluss der Ofentemperatur auf das Gefüge und die Harmonischen Messwerte

Um diese Effekte auf die Harmonischen Messwerte zu untersuchen, wurden Messungen an einem 1,4 mm dicken DX51/52-Stahlband durchgeführt, bei dem im letzten Viertel der Bandlänge gezielt deutliche Überschreitungen der zulässigen Glühofentemperaturen herbeigeführt wurden. Im oberen Teil von Bild 7 sind zwei Ofentemperaturen und als Beispiel der Realteil der ersten Harmonischen der ersten Messfrequenz dargestellt. Die NOFTemperatur wird dabei am Einlauf des Glühofens gemessen, während die RTF-Temperatur die Temperatur des Stahlbands beim Verlassen des Glühofens unmittelbar vor dem Verzinkungsprozess angibt. Während die RTF-Temperatur nur einen Anstieg um etwa 120 °C auf maximal 863 °C aufweist und damit unter der Umwandlungstemperatur bleibt, steigt die NOF-Temperatur deutlich stärker an und zeigt drei Temperaturanstiege über 900 °C und damit über die kritische Umwandlungstemperatur, wobei maximal etwa 965 °C erreicht werden. Der Verlauf des dargestellten Harmonischen Messwerts zeigt im Bereich der Temperaturerhöhung eine deutliche Änderung der Werte, wobei im Bereich der Temperaturspitzen der NOF-Temperatur besonders ausgeprägte negative Werte gemessen werden. Dies bestätigt die Vermutung, dass mit Erreichen der Umwandlungstemperatur eine deutliche Änderung der mechanisch-technologischen wie auch der magnetischen Eigenschaften verbunden ist.

Aus dem fertiggestellten Test-Stahlband wurden insgesamt an den drei Bandpositionen 1, 2 und 3 Proben entnommen, an denen sowohl Zugversuche als auch metallographische Untersuchungen durchgeführt wurden. Die Probenpositionen wurden so gewählt, dass die Probe 1 im Bereich des Temperaturintervalls am Bandende, die Probe 2 im Bereich der höchsten Temperaturspitze der NOF-Temperatur und die Probe 3 im Bereich erhöhter Bandtemperaturen, die jedoch unterhalb der kritischen Umwandlungstemperatur liegen, entnommen wurden.
Während die Zugfestigkeit nur in geringem Umfang von der Temperatur abhängt, zeigt sich bei der Dehngrenze ein deutlicher Abfall der Werte um etwa 23 N/mm2 im Bereich der erhöhten Ofentemperaturen. Die im Bild 7 ebenfalls dargestellten Schliffbilder zeigen, dass bei Temperaturen unterhalb der Umwandlungstemperatur AC3 ein rekristallisiertes und feinkörniges Gefüge vorliegt, während bei Probe 2 eine Gefügeumwandlung stattgefunden hat und dabei ein grobkörniges Gefüge entstanden ist. Deutlich wird dies auch am gemessenen Anisotropiekennwert r, der bei Probe 2 Werte um 1 annimmt, was bedeutet, dass in diesem Bandbereich infolge einer erfolgten Gefügeneubildung die Kaltbandeigenschaften verloren gegangen sind. Die ebenfalls in der Tabelle dargestellten Harmonischen Messwerte zeigen einen deutlichen Zusammenhang zu den gemessenen Festigkeiten und zu den jeweils vorliegenden Gefügeausbildungen. Dieser Effekt tritt nicht nur bei dem als Beispiel dargestellten Harmonischen Messwert auf, sondern ist bei einer Vielzahl von Harmonischen Messwerten zu beobachten.


Bild 8:
HACOM-Online Überwachung von Gefügeneubildungen im Band

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde eine Methode zur Erkennung von Gefügeneubildungen, die durch ein Überschreiten der kritischen Umwandlungstemperatur hervorgerufen wird, entwickelt, in das Messsystem implementiert und in der Feuerverzinkungsanlage erprobt [11]. Die Funktionsweise dieses Systems ist in Bild 8 dargestellt.

Der im oberen Teil des Bilds 8 dargestellte Temperaturverlauf zeigt im letzten Viertel eine leichte bis deutliche Überschreitung der Umwandlungstemperatur AC3 durch die RTFTemperatur sowie eine Temperaturspitze der NOF-Temperatur. Im mittleren Teil des Bildes sind die Signale von drei Harmonischen Messwerten dargestellt. In allen drei Signalen ist bei nur geringfügigem Überschreiten der Umwandlungstemperatur AC3 ein abrupter Sprung im Verlauf des jeweiligen Messwerts deutlich zu erkennen. Diese drei sowie zwei weitere Harmonischen Messwerte, deren Signalverlauf ebenfalls signifikante Änderungen aufweist, werden durch Schwellwerte überwacht. Wird einer dieser Schwellwerte über- bzw. unterschritten, wird für den entsprechenden Harmonischen Messwert ein Warnsignal gesetzt.
Im unteren Teil in Bild 8 sind die Überschreitungen der Warnschwellen der verwendeten Harmonischen Messwerte über der Bandposition aufgetragen, wobei im Bereich der Gefügeumwandlungen mindestens drei, meist jedoch alle fünf Harmonischen Messwerte ansprechen. Hierdurch kann eine Gefügeneubildung durch eine Temperaturüberschreitung im Glühofen sicher detektiert werden. Um Fehlbewertungen durch ein kurzfristiges Überschreiten eines Schwellwerts durch eine einzelne Harmonische zu vermeiden, müssen jedoch mindestens drei Harmonischen-Schwellwerte gesetzt sein, bevor die Signaländerungen im Zusammenhang mit einer Gefügeneubildung interpretiert werden.

6. Zusammenfassung

Das vorgestellte Harmonischen Messsytem HACOM zur Materialcharakterisierung von feuerverzinkten Kaltbändern aus ferritischen Feinblechgüten basiert auf einem indirekten Zusammenhang zwischen den mechanisch-technologischen Kennwerten und den physikalischen Eigenschaften des Materials. Es wurde erfolgreich in zwei Feuerverzinkungsanlagen bei der Salzgitter Flachstahl GmbH integriert und im Langzeiteinsatz erprobt. Dabei konnte gezeigt werden, dass es mit diesem System möglich ist, meterbezogen über die gesamte Länge eines Stahlbands sowohl die Zugfestigkeit als auch die Dehngrenze mit hoher Messgenauigkeit zu bestimmen.
Außerdem ist es mit dem Messsystem möglich, Materialveränderungen aufgrund geänderter Prozessparameter wie Dressier- und Reckgrad nachzuweisen sowie Materialveränderungen infolge unzulässiger Glühbehandlung zu detektieren.
Damit ist das vorgestellte Messsystem zur online-Prozessüberwachung geeignet und bietet die Möglichkeit im Rahmen der Prozesssteuerung die Fertigungsqualität online zu überwachen, Ausschussraten durch gezielte Gegenmaßnahmen zu verringern und somit die Produktivität der Fertigungsanlagen zu verbessern.

7. Literatur

  1. Gotz, K.; Steidinger, R.: Magnetinduktive Werkstoffprüfung, eine wirkungsvolle Methode zur Qualitätssicherung in der Werkstoffprüfung. Bleche Rohre Profile 37, 1990
  2. Borsutzki, M.; Dobmann, G.; Theiner, W.A.: Online ND-characterization and mechanical property determination of cold rolled steel strips. Advanced Sensors for Metals Processing, Proceedings of the International Symposium, 38th Annual Conference of Metallurgists of CIM,1999
  3. Borsutzki, M.; Kroos, J.; Reimche, W.; Schneider, E.: Magnetische und akustische Verfahren zur Materialcharakterisierung von Stahlblechen. Stahl und Eisen, Band 120, Heft 12, 2000
  4. Stegemann, D.; Reimche, W. u. M.: Vorstudie zur Erkennung von Materialkennwerten bei Karosserieblechen mit dem Wirbelstromverfahren. Arbeitsbericht IKPH 176/1990, interner Bericht
  5. Moser, E.L., Haider, M., Lutz, B., Shaffer: Nondestructive magneto-inductive testing of rolled and sheet quantitatively determines their mechanical properties and reduces the need for traditional destructive tests. the European Journal of Non-Destructive Testing, Vol. 2 No. 1 July 1992
  6. Schwind, M., Engel, K., Geiger, M.: Qualitätssicherung der Blechbearbeitung - magnetinduktive Überwachung der mechanischen Blechkennwerte. Bleche - Rohre - Profile 40 (1993) 7/8
  7. Kneller,E.: Ferromagnetismus. Springer, Berlin, 1966
  8. Heutling, B.; Krys, A.; Reimche, W.; Bach, Fr.-W.: Stegemann, D.; Kroos, J.; Stolzenberg, M.; Westkämper, G.; Angerer, R.: Zerstörungsfreie Bestimmung von Feinblecheigenschaften mit einem Harmonischen Messsystem in einer Coillinie; DGZfP-Jahrestagung 2001; DGZfP- Berichtsband 75-CD
  9. Heutling, B.; Reimche, W.; Krys, A.; Grube, L.; Stock, M.; Bach, Fr.-W.; Kroos, J.; Stolzenberg, M.; Westkämper, G.: Harmonic Analysis Coil Online Measuring system HACOM: A reliable online NDE-application providing mechanical-technological material characteristics of steel sheets in rough steelmaking plant environments. 8th international workshop on electromagnetic nondestructive evaluation, ENDE, Saarbrücken, 12.-14.06.2002
  10. Kopinek, H.-J.; Otten, H.: Textures and Microstrucures. 1987
  11. Reimche, W.; Heutling, B.; Stock, M.; Bach, Fr.-W.; Kroos, J.; Stolzenberg, M.; Schulz, S.; Westkämper, G.: Inline-Materialcharakterisierung von feuerverzinktem Feinblech und Überwachung relevanter Bandeigenschaften mit einem Harmonischen- Messsysytem. Werkstoffprüfung 2003
  12. Heutling, B.; Reimche, W.; Stock, M. (IW, Universität Hannover); Stolzenberg, M.; Evertz, T.; Schulz, S. (Salzgitter Flachstahl GmbH, Salzgitter): Online Material Characterisation of steel sheets in hot-dip galvanizing lines by means of eddy current signals. WCNDT 2004Proceedings, 2004

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