冷轧带钢力学性能在线检测技术进展

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(1. 宝钢新日铁汽车板有限公司, 上海 201900; 2. 宝山钢铁股份有限公司研究院, 上海 201900)

冷轧带钢力学性能在线检测技术进展

陈云鹏1,李茫茫1,唐成龙2

(1. 宝钢新日铁汽车板有限公司, 上海 201900; 2. 宝山钢铁股份有限公司研究院, 上海 201900)

力学性能是衡量带钢产品质量的一个重要指标，是下游产品设计和选材的主要依据,检测带钢的力学性能参数是确保其产品质量的一种重要手段。综述了各种在线检测技术，包括巴克豪森噪声法、多频涡流法、电磁感应法、多磁参数综合法等，重点分析了各种技术的工作原理及其研究进展，探讨了各种技术方法在实际中的应用情况，并指出了它们各自的适用范围和优缺点。最后以宝钢高强薄带钢力学性能在线检测装置3MA系统为例，分析了其检测精度和效果。结果表明：该3MA系统的检测误差在规定范围内；相对于传统的离线检测技术，在线检测技术可保持冷轧带钢的完整性、连续实时检测，能够根据检测数据实时调整生产工艺，保证冷轧带钢的产品质量。

冷轧带钢; 力学性能; 在线检测

就冷轧带钢生产而言，下游用户对带钢的质量要求越来越严格。通常来讲，冷轧带钢的质量指标主要包括：几何尺寸、表面质量、力学性能、内部缺陷等。其中，力学性能是衡量产品质量的一个重要指标，是产品设计和选材时的主要依据。显然，向用户提供具有准确、合格力学性能指标的带钢是钢厂提高其市场竞争力的前提条件之一。

金属材料力学性能的优劣，决定了其使用范围与寿命。对金属材料要求的力学性能会因外加载荷性质的变化而变化。常用的力学性能指标包括：强度、塑性、硬度、冲击性能、多次冲击抗力、疲劳极限等。冷轧带钢的力学性能受化学成分、显微组织、轧制制度、退火工艺等因素的影响，容易造成带钢力学性能的波动。因此，对于钢铁企业来说冷轧带钢力学性能的检测极为重要[1],冷轧带钢力学性能检测与控制也一直是困扰企业的一个重大问题。

传统上，冷轧带钢质量检测采用的是离线检测方式，即一卷带钢头尾切样后，通过离线拉伸试验等方法来获取其性能参数。然而这种方式既费时又费力，同时由于试验室检测的非连续性，不能反映冷轧带钢的整体品质[2-3]。离线采样对于轧钢企业来说也是一种物料损失。因此，离线检测所获得的结论只能有限地用于指导工艺调整和稳定产品质量。随着仪器仪表技术的发展，在线检测正在逐渐代替离线检测成为主流检测技术。目前，在线检测技术已成为极其重要的检测与测试方法，是一种重要的质量保证手段，其在产品设计、生产和使用的各个环节中已被卓有成效地运用[4-6]。冷轧带钢力学性能在线检测系统主要是对冷轧带钢的抗拉强度、屈服强度等参数进行实时在线检测，实现钢板生产质量的连续检测、分类和记录，对于提高生产效率、产品质量以及产品竞争力等都起着非常积极的作用。

宝钢目前现役冷轧机组，对冷轧带钢力学性能的检测仍主要通过离线拉伸试验获取，越来越有局限性。笔者对各种在线检测技术进行了综述，包括巴克豪森噪声法、多频涡流法、电磁感应法、多磁参数综合法等，重点分析了各种技术的工作原理及研究进展，探讨了各种技术方法在实际生产中的应用情况，并指出了它们各自的适用范围和优缺点。

1 巴克豪森噪声法

1.1 技术原理

巴克豪森噪声(MBN)技术是一种电磁在线检测技术，是利用铁磁材料磁化过程中发生磁畴翻转这一微观理论，通过铁磁材料表面放置的检测线圈拾取相关信号，试验发现该信号与金属材料力学性能之间存在单调对应关系。通过标定巴克豪森噪声信号与力学性能(如抗拉强度、应力等)的关系曲线，就可以测定铁磁材料的力学性能[7]。此方法快捷、方便、成熟，更为关键的是其适用于检测铁磁材料[8]。

对铁磁材料施加外磁场可以使材料磁化，当磁化达到饱和状态后，撤去外加磁场，磁化状态会得以保持。当外磁化场的极性发生正负变化时，材料的磁化状态就会形成如图1所示的循环，即磁滞回线。

图1 铁磁材料磁滞回线Fig.1 Hysteresis loop of the ferromagnetic materials

根据磁化理论，磁化曲线在剧烈磁化区迅速上升，铁磁性材料磁化效果急剧增强，磁畴壁位移需要克服势能垒，磁畴壁发生跳跃式位移，从而产生了巴克豪森跳跃。这是一种非连续不可逆运动，同时释放声能量信号，即MBN信号。BARKHAUSEN教授于1919年首次发现这一现象，并指出：巴克豪森跳跃现象发生在磁化曲线和磁滞回线的最陡区域，是180°和90°畴壁两者跳跃产生的电磁脉冲信号之和，其中180°畴壁的不可逆跳跃和磁畴转动产生的磁通变化较大，因而MBM信号较强，而90°畴壁产生的MBN信号较弱[9]。

另外，大量研究表明应力或应变状态的变化将会影响MBN信号的相关特征值，通过试验标定的方式，可以推算应力与噪声之间的关系。因此，MBN法也作为铁磁性材料的应力在线检测方法得到发展，并逐步被推广应用[10]。

1.2 发展现状与技术产品

MBN技术自提出以来，由于宏观物理现象明显，拾取信号方便简单，且特别适用于铁磁性材料的相关检测，故而受到了学者们的广泛关注。早在1919年德国BARKHAUSEN H教授首次发现了巴克豪森效应，随后对于它的研究主要侧重于信号产生的物理过程，用于解释磁畴的运动机理。

21世纪初，研究学者开始对MBN信号的产生机理、微观理论及其与铁磁材料的各种力学性能之间的关系进行了深入研究[11-14]。详细分析了MBN技术检测原理，基本上掌握了在不同磁场强度下MBN信号随各种铁磁材料的应力、硬度的变化关系，同时引入小波变换技术对MBN信号进行分析，改善了MBN信号的处理方法。

在应用技术领域，研制了面向金属加工的在线便携定点检测铁磁材料内部应力、疲劳寿命等状态的检测仪。Stresstech公司研制的一款数字MBN分析仪Rollscan300，是在对MBN信号特征值进行分析的基础上来评估铁磁性工件表面及浅表面的缺陷情况，该仪器还有一简化版为Rollscan250。

MBN技术在汽车、航空航天、铁路和力学设备等众多领域都有广泛的应用，但对于冷轧带钢力学性能的检测还处于理论研究阶段，产品仪器也仅用于应力检测，对于抗拉强度和屈服强度的检测尚处于研发阶段。而冷轧带钢力学性能在线检测，因带钢的多种力学性能、应力状态等因素均能影响到MBN特征值，所以单以MBN技术很难开发出针对某一力学特性精确快速的测定系统。

2 多频涡流法

2.1 技术原理

对电涡流检测线圈施加几个不同频率的激励信号同时工作，能成功抑制干扰因素，方便提取有用信号，这种方法称为多频涡流法。涡流检测线圈的阻抗可以用函数Z=F(δ,μ,r,u,ω,d,t)表示。其中:δ为电导率;μ为磁导率;r，d，t为尺寸因子;u,ω为激励源电压及频率。

由上述可知，对应于不同的激励源频率，阻抗函数互不相关[15]。因而，如果函数中的某些参数已知或不变，在施加n个不同频率的激励源的情况下，可以得到相应的n个不同的电压输出值，独立方程联立求解，从而实现多频率、多参数的测定[16-18]。

多频涡流法的检测信号流程如图2所示，信号集为Ci(i=1,2,3,…,n)。当所给工件参数不随时间变化时，这些系数固定；当工作状态改变时，系数信号也会相应改变[19-20]。

图2 多频涡流法检测流程图Fig.2 The test flow chart of multi-frequency eddy current method

2.2 发展现状与技术产品

20世纪50年代起，美英法等工业发达国家的科学家积极开展涡流检测技术方面的研究。到20世纪70年代以后，电子技术和计算机技术的飞速发展，进一步突现了涡流检测技术在探测导电材料表面或近表面缺陷应用中的优越性。世界各国也相继开展了大量的涡流检测技术研究和仪器开发工作，研制生产了一些高性能的涡流检测仪器[21]。

我国也先后研制了一系列涡流检测仪器，如厦门爱德森公司的系列涡流检测仪器、弗兰德科技有限公司开发出的多频多通道涡流探伤仪(ECS-604)等。其中弗兰德科技有限公司开发出的多频多通道涡流探伤仪可用来在线检测各种金属管道或用于汽车、机车制造业零部件生产中的裂纹探伤等。该设备可同时备有差动、绝对通道，还可扩展成多通道，各通道独立工作，互不干扰且抗干扰能力强，性能稳定、可靠，具有较高的灵敏度，特别适用于生产线在线涡流探伤。

但市场上多频涡流技术主要应用在金属材料的应力和探伤检测，用于带钢力学性能检测的产品较少。由于带钢抗拉强度等力学性能的检测较为复杂，而高性能多频涡流检测系统的设计与实现本身就比相似技术要复杂且难于实现。同时用于多频涡流检测系统的高灵敏度磁传感器还处在不断发展成熟的过程中，因此在一定程度上影响着测试的精度。此外，对于多频涡流检测技术的信号处理方法还需要优化。所以，用于检测冷轧带钢力学性能的多频涡流技术还需进一步深入研究。

3 电磁感应法

3.1 技术原理

微观结构的变化可以由宏观性质体现出来。铁磁材料的磁化导致了磁畴结构的变化，相应的一些宏观参数也会产生变化，如矫顽磁力、导磁系数以及剩磁等。通过测试可以观测到的数据，如电导率、磁导率等，与带钢的力学性能之间存在着非线性的函数关系。虽然电磁参数与带钢的抗拉强度和屈服强度之间存在关联，但这种非线性关联与大量参数有关，其函数关系不易得出[22-24]。

3.2 发展现状与技术产品

无损检测的无限发展是利用电磁感应的理论基础不断进步发展的[25-27]。白俄罗斯和德国学者基于强鲁棒性的需求，以电磁感应中的脉冲激励法为主，结合多种研究方法，通过试验研发出了相关检测装备，即IMPOC，已经在Magnitogorsk，Cherepovets，Novolipetsk(俄罗斯)，Mariupol(乌克兰)以及EKO(德国)的生产线上应用，近年来在国内的冷轧后处理机组上也有应用的报道。

德国公司EGM研制开发的基于电磁感应的在线性能检测系统装置是IMPOCpro。这套在线性能检测系统装置可以测试带钢的抗拉强度、屈服强度等参数。铁磁性材料的力学性能参数可以利用电磁感应的理论来进行系统测试。IMPOCpro系统检测示意图如图3所示。

图3 IMPOCpro系统检测示意图Fig.3 The detection diagram of IMPOCpro system

这种非接触方式通过测试带钢磁化过后正、反两面剩余磁场强度的梯度变化，然后分析变化得到映射关系从而推算带钢的力学性能。IMPOCpro系统可测试厚度为0.15～3.00 mm的带钢，带钢运行最大速率可达900 m·min-1，并且系统抗电磁干扰能力和抗振能力强，便于维护。该产品快速、全自动检测的特性使企业可以全天候不间断地工作，大大提高工作效率，保证产品质量，减少材料返工，减少破坏性的样品测试，根据质量标准选择材料，实现退火工艺和轧制过程的优化。

4 多磁参数综合法

4.1 技术原理

图4 多磁参数检测原理Fig.4 The detection principle of multiple magnetic parameters

在冷轧带钢的力学性能检测方面，使用单一的电磁理论并不能很好地检测出抗拉强度或屈服强度，如将多晶的铁材料置于一个低磁场强度(H<30 A·cm-1)时，会呈现出一种正纵向磁致伸缩特性。在此基础上，增大磁场强度时，磁致伸缩性能会变为负值[28-29]。解决这个非线性不利影响的一个可能方案是将几个电磁参数综合起来考虑，即多磁参数综合法。对于一个特定的待测参数，如屈服强度、硬度，如果根据所测量的电磁参数来确定，那么电磁参数的测量将会受到各种内部或者外部因素的影响。提高测量精度的一个可能措施是，采用几个独立的测量参数，而不是仅检测其中的某一个参数，然后通过多参数回归方法或模式识别等数学处理方法，可以增加测量目标的精确度，同时有效地“抑制”多余负面的后果。多磁参数综合法以4种电磁参数为基础，分别是巴克豪森噪声、增量磁导率、谐波磁场以及多频涡流，如图4所示。通过不同电磁方法的优势互补，最终可以很好地实现对冷轧带钢抗拉强度和屈服强度的在线检测。从而提高产品质量，实现生产工艺的优化和检测效率的提升[30-32]。

4.2 发展现状与技术产品

多磁参数综合法是以电磁感应为基础，结合已经发展数十年的巴克豪森噪声法、多频涡流法及近些年发展起来的增量磁导率法和谐波磁场法。在多磁参数综合检测带钢的力学性能方面，德国学者进行了深入的研究，并且基于对多磁参数综合法的认识和应用，德国的 IZFP研究所开发了3MA在线检测设备。

3MA是一种利用多磁参数综合法检测如硬度、硬化层深度、残余应力、屈服强度、显微组织等的在线检测装置，可以用于测试铁磁材料的零部件。在线检测设备由主机、电脑、多功能探头及专业软件组合而成。其中3MA探头包含磁化单元、发射接收单元，接收线圈可检测磁化后带钢材料产生的磁滞回线上表征出的巴克豪森噪声、涡流、磁导率增量等电磁参数。

3MA系统采用4个涡流频率，支持同时测试多个参数，可以同时获得多个物理参数，理论上可以精确界定不同材料、不同干扰对测试结果的影响。

3MA系统的检测速率可达到40次·s-1，同时能对边缘层0～8 mm厚度的部件同步快速评估。并且可以集成在生产线上做到无接触、全自动、快速、100%产品检测，已大量用于汽车和力学制造业，该套系统已在德国蒂森克虏伯钢厂的4号热镀锌生产线上实现应用，可在线测试带钢的抗拉强度、屈服强度等力学性能，得到较为准确的测试结果。但由于3MA数据库中并未包含所有钢种的性能参数，所以目前只能有限地对部分钢种进行在线检测，随着数据库的不断完善，该系统可很好地应用在冷轧带钢的生产线，用于力学性能的在线检测。

5 冷轧带钢力学性能在线检测实例

宝钢旗下薄带钢生产单元从2015年开始与德国Fraunhofer无损检测研究所(IZFP)合作，开发了面向高强薄带钢的力学性能检测装置3MA，如图5～7所示。主要测试项目有断后伸长率A、屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm。

图5 3MA装置现场形貌Fig.5 The scene morphology of 3MA device

图6 实际使用中的力学性能检测装置Fig.6 The mechanical property testing device in the actual use

图7 冷轧带钢力学性能在线检测结果Fig.7 The online detection results of mechanical properties of the cold-rolled strip steel:a) yield strength; b) tensile strength; c) percentage elongation after fracture

图8 在线检测结果和离线检测结果比较Fig.8 The comparison of detection results measured online and offline:a) yield strength; b) tensile strength; c) percentage elongation after fracture

目前该设备已经投入运行。为了验证该检测系统的测试精度，选择了50卷带钢，带钢的选择具有一定的代表性，即强度等级，从低到高均涉及。其中26卷带钢用于检测模型的标定，另外24卷带钢用于验证检测模型的输出结果。实际生产中，在每卷带钢的头尾各取一块样板进行离线拉伸试验,获得3个力学性能值。在上述的标定和验证中，离线拉伸试验结果均采用带钢尾部取样的检测结果。也即50卷带钢有50组离线拉伸试验结果。同时，力学性能在线检测装置也得到了一组基本电磁参数，标定阶段采用回归的方法，得到检测模型。在随后的验证阶段，将检测模型的输出结果与离线拉伸试验结果进行比较，相关结果如下。

图8为24组样本的离线拉伸试验结果和在线检测结果的比较。图9为上述检测结果的相对误差。由图8和图9可见，Rm的结果符合程度较高，A的测试误差较大，部分超过了10%。

图9 在线检测结果误差分布Fig.9 The error distribution of online detection results

表1为在线检测结果的统计分析,从在线检测结果和离线拉伸试验结果的差异上来看，该3MA装置的检测精度较高。

表1 在线检测结果统计Tab.1 The statistics of online detection results

由于在线检测模型是一种间接测试方法，取决于模型学习阶段的质量，在前述的试验验证中，并没有将带钢细分，例如按照不同钢种和厚度分别标定和测试。后期如果对在线检测精度有更高的要求，则有必要对检测数学模型根据带钢钢种和厚度等进行细分。

6 结论

冷轧带钢力学性能检测技术的发展趋势为无损在线测试。IZFP公司基于多磁参数综合法开发出的3MA系统和EMG公司基于电磁感应法开发出的IMPOCpro系统可较好地匹配带钢的生产线，在规定误差范围内完成对带钢力学性能的无损在线检测。

然而目前的检测仪器只能做到对冷轧带钢力学性能的在线实时检测，不能根据检测结果的反馈实现同步控制工艺的优化。因此，进一步研究冷轧带钢力学性能在线检测技术的重点在于以钢厂为主体的力学性能检测与控制技术的结合，主要有以下研究内容。

(1) 如何在现有的数据库基础上完善数据及提高检测精度，实现更多钢种的在线准确检测。

(2) 如何通过在线检测得到的力学性能数据，实时地调整生产工艺，实现力学性能检测与生产工艺控制的同步，从而提高产品质量。

该文得到了南京航空航天大学王平教授的帮助和支持，谨表感谢！

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RrogressionofOnlineDetectionTechnologiesofMechanicalPropertyofCold-RolledStripSteels

CHENYunpeng1,LIMangmang1,TANGChenglong2

(1. Baosteel-NSC Automotive Steel Sheets Co., Ltd., Shanghai 201900, China;2. Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China)

Mechanical property is an important index to evaluate the quality of strip steel products, and is the main basis of downstream product design and material selection. Detecting the mechanical property parameters of the strip steels is an important means to ensure the quality of the products. The various online detection technologies were reviewed, including Barkhausen noise method, multi-frequency eddy current method, electromagnetic induction method, multiple magnetic parameters synthesis method, etc., the working principle and research progress of various technologies were analyzed, the practical application status of them was discussed, and their respective applicable scopes and the advantages and disadvantages were pointed out. Finally, taking the 3MA system, Baosteel’s online detection device for high strength thin strip steels, as an example, the detection precision and effect were analyzed. The results show that the detection error of the 3MA system was within the specified range. Compared to the traditional offline detection technology, online detection technology could ensure the complete and continuous real-time detection of the cold-rolled strip steels, be used to adjust rolling technology according to the detection data, and ensure the quality of the cold-rolled strip steels.

cold-rolled strip steel; mechanical property; online detection

2017-03-06

陈云鹏(1973-)，男，高级工程师，主要从事冷轧汽车板生产和管理工作,ypchen@baosteel.com

10.11973/lhjy-wl201712002

TM93

A

1001-4012(2017)12-0859-07