EMG IMPOC wird weltweit in der Stahlindustrie eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften von ferromagnetischem Stahlband direkt im Produktionsprozess zu überwachen. Das Messprinzip basiert darauf, die elektromagnetischen Eigenschaften des zu untersuchenden Stahls zu messen und mithilfe von Korrelationsbeziehungen zu den Ergebnissen der mechanischen Prüfung statistische Modelle für mechanische Kennwerte wie die Zugfestigkeit und die Streckgrenze des Stahlbands zu generieren. Auf Basis dieser Modelle und der inline gemessenen Magnetfeldwerte können die Zugfestigkeit und die Streckgrenze des Stahls dann ohne Zeitverzögerung online angezeigt und z.B. für die Prozesssteuerung oder -optimierung genutzt werden.
Doch wie genau hängen diese elektromagnetischen Signale mit den Eigenschaften des Stahls zusammen? Eine wissenschaftliche Arbeit aus dem europäischen Forschungsprojekt Product Uniformity Control (PUC) [1] hat genau diese Zusammenhänge untersucht und Modelle entwickelt, um das IMPOC-Signal physikalisch besser zu verstehen und auszuwerten.
Wie funktioniert EMG IMPOC? Das physikalische Messprinzip hinter der Inline-Bestimmung mechanischer Eigenschaften
EMG IMPOC basiert auf einem elektromagnetischen Messprinzip, das speziell für ferromagnetische Stahlbänder geeignet ist. Während das Band durch die Produktionslinie läuft, erzeugen Spulen einen kurzen, starken Magnetisierungsimpuls. Dieser Impuls magnetisiert den Stahl lokal bis nahe an die magnetische Sättigung. Nachdem der Magnetisierungsimpuls beendet ist, bleibt im Material eine remanente Magnetisierung zurück.
Hochempfindliche Magnetfeldsensoren, die wenige Zentimeter hinter der Magnetisierungseinheit positioniert sind, messen den Gradienten der magnetischen Restfeldstärke des remanenten Magnetfeldes in A/m2. Dieser Messwert wird als charakteristischer IMPOC-Wert – auch IMPOC-Rohwert genannt – gespeichert.
Da magnetische Eigenschaften von Stahl eng mit seiner Mikrostruktur verbunden sind, verändert sich auch das gemessene Signal, wenn sich Festigkeit oder Gefügezustand des Materials ändern. Auf dieser Grundlage lassen sich über statistische Korrelationsmodelle mechanische Kennwerte wie Streckgrenze oder Zugfestigkeit entlang der gesamten Bandlänge bestimmen. Der Nutzer erhält dadurch eine kontinuierliche Inline-Information über die Materialeigenschaften, ohne Proben zu entnehmen oder den Produktionsprozess zu unterbrechen.
EMG IMPOC und Mikrostruktur: Warum magnetische Signale Rückschlüsse auf Festigkeit erlauben
EMG IMPOC nutzt einen grundlegenden Zusammenhang der Werkstoffphysik: Die magnetischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Stahls hängen eng mit seiner Mikrostruktur zusammen. Veränderungen in Gefüge, Phasenanteilen, Versetzungsdichte oder Korngröße beeinflussen nicht nur die mechanischen Eigenschaften des Stahls, sondern auch sein magnetisches Verhalten.
Genau dieser Zusammenhang wurde im europäischen Forschungsprojekt Product Uniformity Control wissenschaftlich untersucht. Die Forschenden konnten zeigen, dass Unterschiede in der Mikrostruktur zu messbaren Veränderungen der magnetischen Antwort des Materials führen. Besonders relevant sind dabei die Hystereseeigenschaften des Stahls, die beschreiben, wie sich Magnetisierung und Magnetfeld gegenseitig beeinflussen.
Da die mechanische Festigkeit moderner Stähle stark durch ihre Mikrostruktur bestimmt wird, entstehen indirekte Korrelationen zwischen magnetischen Messsignalen und mechanischen Kennwerten. Das EMG IMPOC-System nutzt diese Zusammenhänge, um aus dem gemessenen Magnetfeldgradienten Rückschlüsse auf Streckgrenze und Zugfestigkeit des Bandstahls zu ziehen. Damit damit werden die mechanischen Eigenschaften zu indirekt messbaren Parametern im laufenden Produktionsprozess.
EMG IMPOC im Fokus der Forschung: Erkenntnisse aus dem RFCS-Projekt Product Uniformity Control
EMG IMPOC wurde im europäischen Forschungsprojekt Product Uniformity Control (PUC) intensiv wissenschaftlich untersucht. Ein zentrales Ergebnis dieser Arbeiten ist im Paper „Modelling the IMPOC Response for Different Steel Strips“ beschrieben. Ziel dieser Studie war es, die physikalischen Mechanismen hinter dem IMPOC-Messsignal besser zu verstehen und ein Modell zu entwickeln, mit dem sich die Sensorantwort berechnen lässt.
Im Mittelpunkt der Arbeit stand die Frage, wie das elektromagnetische Signal entsteht, das nach dem Magnetisierungsimpuls gemessen wird. Dazu entwickelten die Forschenden ein numerisches Modell, das die Maxwell-Gleichungen für ein ferromagnetisches Material mit nichtlinearer und hysteretischer Magnetisierung löst. Als wichtige Eingangsgröße dienen dabei die magnetischen B-H-Kennlinien des jeweiligen Stahls.
Die Simulationen zeigen, wie unterschiedliche Stahlgüten, Mikrostrukturen und Materialparameter das IMPOC-Signal beeinflussen. Im Bild (nach [1]) wird die gute Übereinstimmung der IMPOC-Werten mit den simulierten Werten für das Messsignal für einen DP-Stahl dargestellt. Gleichzeitig wurde deutlich, dass auch Prozessgrößen wie Bandgeschwindigkeit oder Banddicke das Messergebnis verändern.
Grenzen und Einflussgrößen der Inline-Messung in der Stahlproduktion
Wie jede Inline-Messtechnik wird auch EMG IMPOC von verschiedenen Prozess- und Materialparametern beeinflusst. Untersuchungen aus dem RFCS-Projekt Product Uniformity Control und der praktische Einsatz des Systems in der Produktion zeigen, dass neben der Mikrostruktur des Stahls auch Größen wie Bandgeschwindigkeit, Banddicke, Bandzug oder der Abstand zwischen Sensor und Bandoberfläche das gemessene Signal verändern können. Diese Effekte überlagern sich teilweise und können je nach Stahlgüte unterschiedlich stark ausgeprägt sein.
Um zuverlässige Messergebnisse zu erhalten, ist daher ein gutes physikalisches Verständnis des Messprinzips erforderlich. Genau hier setzte die wissenschaftliche Modellierung im Projekt an: Durch die Kombination aus experimentellen Messungen und numerischen Simulationen konnten die wichtigsten Einflussgrößen identifiziert und besser verstanden werden. Die gewonnenen Erkenntnisse sind direkt in die Weiterentwicklung des EMG IMPOC-Systems eingeflossen. Sie trugen dazu bei, Messsignale robuster zu interpretieren und die Inline-Bestimmung mechanischer Eigenschaften in der industriellen Praxis noch zuverlässiger zu machen und das System für neue Stahlqualitäten zum Beispiel AHSS-Güten weiterzuentwickeln.
Fazit
Unser Deep Dive zeigt: EMG IMPOC verbindet industrielle Messtechnik, Werkstoffphysik und datenbasierte Modellierung zu einem leistungsfähigen Werkzeug für die moderne Stahlproduktion. Wissenschaftliche Arbeiten wie aus dem Umfeld des RFCS-Projekts haben wichtige Grundlagen geschaffen, um zu verstehen, wie elektromagnetische Signale mit Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften von Stahl zusammenhängen. Gleichzeitig zeigt die breite industrielle Anwendung – inzwischen sind weltweit rund 90 Systeme im Einsatz – dass sich die Technologie in der Praxis bewährt hat. Mit aktuellen Entwicklungen wie dem IMPOC Booster, der zusätzliche Prozess- und Materialdaten in die Modellierung einbezieht, wird die Genauigkeit und Robustheit der Inline-Vorhersage weiter verbessert.
Wie geht es weiter?
Wenn Sie mehr über EMG IMPOC erfahren möchten, besuchen Sie gerne unsere Webseite, laden Sie die aktuelle Produktbroschüre herunter oder wenden Sie sich direkt an unsern Vertrieb oder unser Produktmanagement (impoc@emg-automation.com). Wir unterstützen Sie gerne dabei, die Möglichkeiten der Inline-Bestimmung mechanischer Eigenschaften in Ihrer Produktion zu nutzen.
Download EMG IMPOC Produktbroschüre
Quelle:
[1] Skarlatos, A.; Reboud, C.; Svaton, T.; Martinez-de-Guerenu, A.; Kebe, T.; Van den Berg, F. (2016): Modelling the IMPOC Response for Different Steel Strips. 19th World Conference on Non-Destructive Testing (WCNDT 2016).