DE2039389A1

DE2039389A1 - Vorkuehleinrichtung fuer eine Ultraschallmesseinrichtung

Info

Publication number: DE2039389A1
Application number: DE19702039389
Authority: DE
Inventors: Yasunori Kido; Toshio Shiraiwa; Hisao Yamaguchi
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1969-08-09
Filing date: 1970-08-07
Publication date: 1971-02-25
Also published as: DE2039389B2; US3662590A; DE2039389C3; GB1322380A

Description

Patentanwalt Dipl.-Phys.Gerhard Liedl 8 München 22 Steinsdorfstr.21-22 Tel.298462

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SUMITOMO METAL INDUSTRIES, LTD. No. 15, Kitahama 5-chome, Higashl-ku, Osaka / Japan

Vorktthlelnrichtung für eine Ultraschallmeßeinrlchtung

Die Erfindung betrifft eine Vorkllhleinrichtung für eine Ultraschallmeßeinrichtung zur Feststellung von Fehlstellen, wie Rissen und dergleichen, in einem Werkstoff hoher Temperatur unter Anwendung von Impulsen und kontinuierlichen Wellen, die auf den Werkstoff durch eine Laminarwasserstrahlkolonne aufgebracht werden und durch den Werkstoff hindurchgehen oder von diesem reflektiert werden.

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Die Erfindung kommt bei der kontinuierlichen und automatischen Uttraschallllberprüfung von Werkstoffen mit relativ hoher Temperatur In Anwendung. Erflndungsgemäß ergibt sich Insbesondere der Vonoil, daß das Kühlwasser der VorkUhleinrichtung vollständig und mit Sicherheit an einer Mischung mit der Lamina rwasse rstrahlkolonne gehindert wird, duiih die die Ultraschallwellen auf den zu untersuchenden Werkstoff aufgebracht werden. Es vverden somit erfindungsgemäß etwaige Störungen bisI der Ultraschallmessung vermieden.

Bei den herkömmlichen Ultraschallmeßverfahren werden Fehlstellen, wie Risse und dergleichen, Im Werkstoff durch die Ultraschallwellen aufgezeigt, die durch den Werkstoff reflektiert werden pder durch den Werkstoff hindurchgehen. Zum Aufbringen der Ultraschallwellen bzw. der Ultraschalllmpulsu werden sogenannte Laminarwasseratrahlkolonnen benutzt. Wenn ein derartiges Verfahren z. B. bei einer kontinuierlichen Prüfung Im Walzwerk benutzt wird, ergeben sich Schwierigkeiten, da der zu untersuchende Werkstoff eine hohe Temperatur hat und mit hoher Geschwindigkeit transportiert wird. Unter Berücksichtigung der KUhlwirkung der Laminarstiahlen sind Weikstofftemperaturen von maximal 200 C zulässig. Wenn der Werkstoff eine höhere Temperatur als 200 C hat, bildet sich ein dünner Dampffilm zwischen der Werkstoffoberfläche und der Spitze der Laminarwasserstrahlkolonne, die die Übertragung und das Eindringen der Ultraschallwellen stört und das SN-Verhältnis (RavBchabstand) erhöht. Die Folge ist eine Verringerung der Meßgenauigkeit. Anstelle des maximal zulässigen Grenzwertes von 200 C werden deshalb oft auch nur Temperaturen von 150 C als zulässig erachtet.

Zur Erhöhung der KUhlwirkung kommt deshalb eine sogenannte Vorkühlung in Anwendung, bei der eine große Wassermenge auf den heißen Werkstoff

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BAD ORIGINAL

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vor den Lamlnarwaeeeretrahleäulen, durch die die Ultraschallwellen aufgebracht werden, aufgegeben wird. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, daß dae Vorkühlwasser In die Hauptlaminarwaseerstrahlkolonne, die zum Aufbringen der Ultraschallwellen dient, einfließt, so daß Meßfehler etit-Htohen. Insbesondere wenn der zu untersuchende Werkstoff mit lioher Geschwindigkeit transportiert wird (z.B. am Auelaßförderer eines Walzenpaarps), kann das VorkUhlwasser In die Hauptlanilnarwasserstrahlsiiule in großen Meißen und mit hohei Geschwindigkeit einfließen, eo daß eine Messung völlig unmöglich Ist.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte VorkUhleinrichtung In Vorschlag zu bringen, die eine bessere und wirksamere Kühlung des heißen und mit relativ hoher Geschwindigkeit transportierten Werkstoffes gewährleistet und gleichzeitig sicherstellt, daß die LaminarwasserstrahlsHule nicht beeinträchtigt wird, damit Meßungenauigkeiten vermieden werden. Erflndungsgemäe soll somit die Meßtemperatur erhöht und din Transportgeschwlndigkelt und somit die Produktivität der Walzstraße, verbessert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe können'erflndungsgemäß im Prinzip zwei Kühlverfahren In Anwendung kommen: Kühlen durch laminaren Fluß oder durch Sprühen. Entsprechend einer Belhe von erflndungsgemäß durchgeführten Versuchen zeigt sich die Lamina rkühlung gegenüber der Sprühkühlung In bezug auf die absolute Menge der Kühlintensität überlegen, Ehrend umgekehrt die SprUhkUhlung bezüglich der Kühlintensität pro Flußmengenelnhelt überlegen ist. Bei einer LamlnarkUhlung mit einer Flußmenge von 1 l/mln. und mit einem Durchmesser von 1 mm ergibt sich z. B, folgender Wert

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Wärmemenge Q/Plußmenge W » 1. 67 χ ΙΟ⁴ KCal/m².1.

2 Bei der Sprühkühlung ergibt sich bei einem Luftdruck von 1 kg/cm und einer Flußmenge von 1 l/mln, bei einem Düsendurchmeseer von 1 mm ein Wert von

Q/W = 8 χ 10⁴ KCal/m². 1

ErflndungsgemäB wird deshalb bevorzugt das SprUhkühlverfahren benutzt, welches bezogen auf die Flußmenge eine größere Klihlintensität hat. Bei der erflndungsgemäßen Vorrichtung werden mehrere SprühdUsen in einem bestimmten Abstand von der Ober- und der Unterseite des zu untersuchenden Werkstoffes auf beiden Seiten desselben angeordnet und mindestenseine Sprühdüse wird unmittelbar vor der Hauptlaminarstrahlkolonne vorgesehen. Die Sprühdüse 1st hierbei gegenüber der Transport richtung des zu untersuchenden Werkstoffes derart ausgerichtet, daß das Kühlwasser der erstgenannten Sprühdüsen an einer Mischung mit der oder den Hauptlaminarwasserstrahlsäulen gehindert wird. Auf diese Welse kann erfIndungsgemlfi die maximal zulässige Meßtemperatur erhöht werden. Gleichzeitig wird die Meßgenauigkeit verbessert. Erfindungsgemäß sind Meßtemperaturen bei Anwendung des Sprühkühlens bis zu 400°C zulässig.

Durch die Kombination der Laminarfluß-Vorkühlung und der Sprtthkühlung kann ebenfalls eine sehr gute KUhlwirkung erzielt werden, obwohl in diesem Fall die KtthUntensltät nicht ganz so hoch 1st wie bei Anwendung allein der SprühkUhlung. Gegebenenfalls kann jedoch auch Im Bedarfsfall allein die Laminarkühlung in Anwendung kommen.

Bei Anwendung der vorgenannten kombinierten Kühlung können mehrere

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Hilfslaminardtteen vor der HauptlaminardUse in einem bestimmten Abstand von der Oberseite und der Unterseite des zu untersuchenden Werkstoffes angeordnet werden, wobei mindestens eine Sprühdüse unmittelbar vor der HauptlaminardUse vorgesehen ist. Diese Sprühdüse ist hierbei gegenüber der Transportrichtung des zu ^uterf achenden Werkstoffes derart ausgerichtet, daß das Kühlwasser der Laminardttsen am Eindringen In die HauptlaminardUse gehindert wird. Die Sprühdüse hat somit eine Richtungskomponente, die entgegengesetzt zur Transportrichtung des zu untersuchenden Werkstoffes liegt. f

Bei dem letztgenannten Kühl verfahren können, wie durch Versuche ermittelt wurde, Temperaturen bis zu 330 C In Anwendung kommen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und anhand der Zeichnungen ersichtlich.

Hierin zeigen: Flg. 1 einen Schnitt durch eine Sprühdüse, die bei der erfindungsge- ^l

mäßen Vorrichtung In Anwendung kommt;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausftthrungsfc on einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;

Fig. 3a eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform, wobei auch die VorkühldUsen dargestellt sind;

Flg. 3b eine Ansicht von oben auf die Ausführungsform gemäß Fig. 3a;

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Flg. 4 eine Seltenansicht einer weiteren bevorzugten AusfUhrungsform;

Fig. 5 eine Diagrammdarstellung einer Temperaturkurve eines erflndungegemäß gekühlten Werkstoffes.

Die in Ftg. 1 dargestellte Sprühdüse, die bei der erfindungsgemäßen Vorktthleinrlchtung In Anwendung kommt, Ist mit einem äußeren DOsenkörper versehen, In welchen ein innerer Düsenkörper 2 eingeschraubt ist. Für die Befestigung an einer Wand 4 ist eine Mutter 3 vorgesehen. Der axiale Abstand zwischen der inneren Düse 21 und der äußeren Düse 11 kann durch Drehen des inneren Düsenkörpers 2 eingestellt werden. Wasser, welches unter hohem Druck von z. B. 2 bis 10 kg/cm gehalten ist, wird durch einen Kanal 22 in den Raum innerhalb des inneren DUsenkörpers gebracht und aus der inneren Düse 21 unter einem Winkel α von 45 bis 180 ausgestoßen. Druckluft mit einem Druck von 1 bis 2 kg/cm wird durch einen Kanal 12 dem Innenraum des äußeren Düsenkörpers zugeführt und aus der äußeren Düse 11 mit einem Winkel α von 60 bis 180 ausgestoßen. Hierbei wird eine Kühlwassersprühung mit geeignetem Winkel erhalten. Form, Gestalt und Größe der Sprühtröpfchen dee Wassers können eingestellt werden, Indem die Neigungswinkel an der Spitze der inneren und der äußeren Düse geändert werden, sowie ferner der axiale Abstand zwischen den Düsen, der Druck der Druckluft, die Menge des versprühten Wassers (Regulierung durch Steuerung des Düsendurchmeesers) und letztlich der Druck des Kühlwassers.

Fig. 2 zeigt den Fluß des Wassers In der Nähe der Meßetelle sowie einen Werkstoff 7 mit hoher Temperatur, der sich in Richtung eines Pfeiles 10 bewegt und durch Ultraschall untersucht werden soll. Mit dem Bezugszeichen 5 sind zwei Laminarwasserstrahlkolonnen bezeichnet.

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Auf der Oberseite dee heißen Werkstoffes 7 sind aufgrund der Spritser der SXuIe 5 und des Kühlwassers der Vorkühlelnrichtung Wirbel vorhanden, die die Meßgenauigkeit beelntrXchtigen. Auf der Unterseite des Werkstoffes 7 fallt das Wasser der SXuIe 5 und der Vo richteinrichtung sofort nach unten, ohne daß die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird. Allerdings Ist jedoch die KUhlwirlcung niedriger als auf der Oberseite. Wie in Fig.2 dargestellt. Ist auf Jeder Seite des Werkstoffes 7 wenigstens eine Sprühdüse 6 unmittelbar vor den Kolonnen S angeordnet. Der Winkel der SprUhdUsen und die Bewegungsrichtung des Werkstoffes 7 werden so ein- Λ

gestellt, daß der Abstand d zwischen dem Zentrum des Auftreffpunktee O der Sprühdüse und dem Zentrum O der Wasserstrahlkolonne 5 SO bis SOO mm betrügt. Bei dem minimalen Abstand von 30 mm liegt die KUhlwlrkung unmittelbar vor der Meßeteile. Der maximale Abstand liegt bei 300 mm; denn, wenn das Wasser in einem größeren Abstand aufgesprüht wird, kann es nicht das Vorktthlwasser wegblasen und am Fließen- zu der Lamlnarstrahlwaeeerkolonne hindern, zumal andere Vorkühlmittel vor der Sprohdüae angeordnet sind. Die Sprühdüse Ist bezüglich ihrer Sprtthrichtung auf die Einlauf richtung des Werkstoffes gerichtet, damit das Wasser der Vorkühlsprühdttsen oder des Laminarflusses vor der Sprühdüse daran gehindert wird, zu den beiden Hauptwasserstrahlkoloniien ^

zu fließen, Außerdem wird eine ausreichende Vorkühlwirkung gewXhrleistet. -

Eine andere bevorzugte Ausftthrungsform, bei der mehrere Sprtthdüeen β vor der Düse der Lamlnarwasserstrahlkolonne S angeordnet sind, 1st la Fig.S dargestellt. Mehrere Vorkühlsprühdüsen 6-1, 6-2, ..... 6-n sind ' parallel und paarweise auf beiden Seiten des zu untersuchenden Werkstoffes vertikal oder in einem Winkel von weniger als 90° In bezug auf die Transportrichtung des zu untersuchenden Werkstoffes angeordnet. Die

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Lage und die Sprühmenge der einzelnen Düsen werden derart gewählt, daß eich dia Sprühmengen teilweise auf den beiden Oberflächen des zu untersuchenden Werkstoffes überlappen, wie dies in Fig. 3b dargestellt ist. Die Sprühdüse 6 ist, wie in FIg. 3a dargestellt, unmittelbar vor der Hauptlaminarwasserstrahlkolonne 5 zum Übertragen der Ultraschallwellen angeordnet. Die Sprühdüse 6 ist unter einem Winkel α gegen die Transportrichtung 10 des Materials 7 gerichtet, so daß der KUhleffekt verbessert und das SprUhktthlwasser daran gehindert wird, bis zu der Kolonne 5 zu fließen.

	Tabelle 1	Werke tofftem- peratur nach dem Vorkühlen (an der Meß eteile)	Waesermenge	Vor-	Was-
		130	(l/min) der Sprüh düse χ Düsenzahl (der Ober- und der Unterseite)	kiihl- länge L (mm)	eer- tem- pera- tur
Ver-	Mefitemperatur In °C	135	1. 8 l/min χ 5p	340	12
euche- Nr.	Werketoff- temperatur vor dem Vorktthlen	130	Il	380	ir
1	365	110	It	330	13
2	355	130	ti	270	It
3	400	130	1. 8 l/min χ 4p	220	H
4	385		Il	270	15
5	350
β	380

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Aue der vorstehenden Tabelle 1 sind einige Versuchswerte bezüglich der Kühlintensität bei der Aueführungsform gemäß Fig. 3 ersichtlich, wobei der Winkel zwischen der Sprühdüse und dem Werkstoff auf beiden Selten desselben 50° beträgt und die VorkÜhllänge 220 bis 380 mm ist. Hierbei sind vier bis fünf Düsen auf beiden Seiten in Reihe angeordnet.

Die Wassermenge der beiden Hauptlamlnarstrahldttsen beträgt 8 i/mln.

2 Der Wasserdruck der Sprühdüse liegt bei 3 kg/cm , während der Luft-

2 druck der Sprühdüse 2 kg/cm ist. Die Transportgeschwindigkeit und so· mit auch die Meßgeschwindigkeit des Werkstoffes beträgt 1 m/sec. Die Dicke des Werkstoffes liegt bei sämtlichen Versuchen bei 220 mm.

Wie den vorstehenden Versuchsergebnissen in Tabelle 1 und der Temperaturkurve gemäß Fig. 5 (entsprechend dem Versuch Nr. 4) zu entnehmen, kann durch eine Anordnung von vier bis fünf Düsen vor der Strahldüse 5 mit einem Abstand von 50 bis 70 mm die Oberflächentemperatur des zu untersuchenden Werkstoffes von anfänglich 400°C bis auf 100°C an der. Meßstelle Innerhalb von 0,4 Sekunden gekühlt werden. Nach der Messung stellt sich allmählich die ursprüngliche Oberflächentemperatur aufgrund der Speicherwärme des zu messenden Werkstoffes wieder ein.

Während üblicherweise die maximale Temperatur des zu untersuchenden Werkstoffes nur ca. 200⁰C betragen darf, kann im Gegensatz hierzu bei dem erflndungsgemäßen Sprühdüsen-Vorkühlverfahren eine maximale Temperatur vor, nahezu 400 C zugelassen werden, d.h. eine Temperatur, die doppelt bo hoch ist. Vorteilhaft Ist ferner, daß das erfindungsgemäße Verfahren keine aufwendigen Einrichtungen erfordert, und daß insbesondere nur ein kleiner Baum von nicht mehr als 250 bis 400 mm vor der Hauptlamlnaretrahldliae benötigt wird. Gleichwohl Ist die Ktthlwlrkung sehr groß.

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Bel der ta Fig. 4 dargestellten AuefUhrungeform sind mehrere zehn oder hundert LamtnarstrahldUsen 8 mit einem Düsendurchmeeeer von 3 mm zu beiden Seiten des Werkstoffes 7 anstelle der verschiedenen

SprUhdUsen 6-1, 6-2 6-n vorgesehen. Unmittelbar vor der Haupt-

lamlnarstrahldUse 5, die zur Übertragung und Aufbringung der Ultraschallwellen dient, sind wie bei der AusfUhrungsform gemäß Fig. 3 eine oder zwei Sprühdosen 9 zu beiden Selten unter einem Winkel von 50 gegenüber der Transportrichtung 10 des Werkstoffes 7 angeordnet. Hierdurch wird der Kühleffekt vergrößert. Außerdem ist gewährleistet, daß das Kühlwasser der Lamlnarstrahldtisen 8 nicht bis zu der HauptlaminarstrahldUse 5 fließt. Die mit dieser zweiten bevorzugten AusfUhrungsform durchgeführten Versuche sind in der nachstehenden Tabelle 2 aufgeführt.

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	Ver- suchs- Nr.	Meßtemperatur	ratur nach dem Vorkühlen (an der MeSf teile)	Tabelle 2	1	Untere Untere Laminar- Sprtth- dttie düse	1	VorktfhlUnge	I	(unten)	Wasser-
	U	Werkstoff temperatur vor dem Vorkühlen	105		1	13	1	(mm]	260	tempera-
	12	200	120		2	12	1	^Ll (oben)	220	(⁰C)
	13	330	135		2	12	1	260	220	22
O	14	335	130	Durchfluflmenge de· VorkUhlwaseere		12		280	220	^T 22
608		345				280		25
»A		(l/min)	280		25
	Obere Obere Laminar- Sprüh düse düse
	10
	8
	10
8

CO CO CO CD

Lage und Anordnung der SprlihdUsen 9 sowie die übrigen Kenngrößen sind dieselben wie bei der ersten AusfUhningsform. Wie Tabelle 2 zu entnehmen, kann durch die Kombination von Laminarstrahldüsen mit Sprühdüsen der zu untersuchende Werkstoff selbst dann avB reichend vorgekühlt werden, wenn er eine Temperatur von 330 C hat. Es wird allerdings eine etwas größere KUhlwassermenge benötigt als bei den SprUhdüsen der ersten Ausftih rungeform.

Wie ohne weiteres ersichtlich, kann mittels der Erfindung die maximal zulässige Meßtemperatur gesteigert werden, und außerdem gelingt es, die Meßgenauigkeit zu verbessern.

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Claims

Patentanspruch

VorkUhleinrichtung für eine Ultraschallm. 3elnrlchtung zur Feststellung von Fehlstellen, wie Biesen und dergleichen, in einem Werkstoff hoher Temperatur unter Anwendung von Impulsen oder kontinuierlichen Wellen, die auf den Werkstoff durch eine Laminarwasserstrahlkolonne aufgebracht werden und durch den Werkstoff hindurchgehen oder von diesem reflek- ™

tiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Sprühdüse (6 bzw. 9) zu beiden Selten des zu untersuchenden Werkstoffes (7) unmittelbar vor der Lamlnarwasserstrahlkolonne (5) angeordnet 1st, daß der Auftreffpunkt der von der Sprühdüse (6 bzw. 9) ausgehenden Wasserstrahlen ca. 30 bis 300 mm vor dem Auftreffpunkt der LaminarwaBserstrahlkolonne (5) liegt und daß die Sprühdüse (6 bzw. 9) entgegen der Transport- und Laufrichtung dee zu untersuchenden Werkstoffes (7) geneigt _ ist, damit das Kühlwasser der Sprühdüse (6 bzw. 9) und das Kühlwasser anderer Sprühdüsen und/oder Laminarflußdüsen, die vor der Sprühdüse (6 bzw. 9) angeordnet sind, an einer Mischung mit der Hauptlaminarwasserstrahlkolonne (5) gehindert und ein guter Kühleffekt erzielt wird. *

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