Automatische Qualitätsbeurteilung umgeschmolzener Edelstahlblöcke

Automatische Qualitätsbeurteilung umgeschmolzener Edelstahlblöcke

Für die Erzeugung hochqualitativer Stahlprodukte ist es notwendig, die eingesetzten Produktionsprozesse wie z.B. das Elektroschlacken-Umschmelzverfahren (ESU) im Detail zu kennen. Um die händischen Prüfmethoden zu unterstützen, ist ein hoher Bedarf an objektiven Qualitätsmessungen und standardisierten Bewertungsverfahren erforderlich. Poolprofile wurden durch computerunterstützte Bildanalyse basierend auf Textursegmentation und Ridge-Detektion automatisch ausgewertet. Die daraus abgeleiteten Parameter ergeben wichtige Erkenntnisse und Verbesserungsmöglichkeiten des Stahlerzeugungsprozesses.

Qualitätsmanagement und Verbesserungen der Produktion von hochqualitativen Stählen sind hauptverantwortlich dafür, ob ein Stahlproduzent wettbewerbsfähig bleibt oder nicht. Die Herstellung hochqualitativer Stahlprodukte erfordert die Umschmelzung von konventionell hergestellten Gussblöcken. Um detailliertes Wissen über einen Umschmelzprozess zu generieren bzw. diesen verbessern zu können, ist es erforderlich umgeschmolzene Blöcke objektiv zu vergleichen.

Als Vorbereitung der Untersuchungen werden Scheiben aus Blöcken geschnitten. Um die innere kristalline Erstarrungsstruktur sichtbar zu machen, werden diese geschliffen, poliert und geätzt. Die Erstarrungsstruktur gibt Aufschluss über die Umschmelzparameter und gilt als Grundlage für die Optimierung dieser.

Sogenannte Poolprofile geben Aufschluss über wichtige Parameter der Stahlqualität. Mithilfe dieser Poolprofile ist es möglich diverse Qualitätseigenschaften innerhalb des gesamten Stahlblockes zu bestimmen. Deshalb werden Form und Gleichheit der einzelnen Poolprofillinien inklusive deren Umgebung miteinbezogen. Abbildung 1 zeigt ein händisch erstelltes Poolprofil einer Bespielstahlplatte.

Abb. 1: Händisch erstelltes Poolprofil.

Segmentation der Stahlproben

Den ersten Schritt der automatisierten Qualitätsbeurteilung bildet die Aufteilung in globular und in gerichtet erstarrte Abschnitte. Lediglich letztere liefern bedeutende Informationen für das Poolprofil. Die Grundidee der automatisierten Segmentation basiert auf der unterschiedlichen Erscheinungsform (unregelmäßige und regelmäßige Erstarrungsstruktur) der einzelnen Erstarrungsregionen. Eine Auswertung verschiedener Algorithmen zeigt, dass die Texturanalyse mittels LBP (engl.: Local Binary Patterns) am besten funktioniert. LBP wird verwendet, um die Umgebung eines Pixels zu beschreiben. Dabei wird ein Pixel mit jedem seiner Nachbarn, welche durch Radius und den daraus resultierenden Kreis definiert werden, verglichen. Bei acht Nachbaren, liefert LBP eine achtstellige binäre Zahl, wobei jede Stelle Informationen beinhaltet, ob der Mittelpunktswert größer oder kleiner als sein Nachbar ist. Um Informationen über ein Gebiet wiederzufinden, werden die LBPs für alle Pixel dieses Gebiets in einem Histogramm zusammengefasst. Abbildung 2 zeigt ein farbiges Bild auf der linken Seite, in dem jede Farbe einem Bin (Feature) des abgeleiteten Histogramms entspricht und der davon abgeleitete Segmentationsoutput auf der rechten Seite.

Abb. 2: LBP dominierendes Feature/Bin Output.

Ermittlung des Poolprofils

Die am besten funktionierende Methode zur Poolprofilauswertung von verschiedenen Stahlqualitäten basiert auf einer Kombination von “scale-space“ und “ridge detection“. Die Ridge-Detektion funktioniert ähnlich zu einer biometrischen Fingerabdruckerkennung mit dem Unterschied, dass sie anstatt Kreuzungs- und Randpunkte gerade Abschnitte heranzieht.

Das Poolprofil selbst umfasst mehrere Spurlinien. Eine Spurlinie wird von einem bestimmten Startpunkt aus durch Berechnung von Normalen auf der darunterliegenden Orientierung zur Nächsten und Übernächsten berechnet. Die Berechnung verläuft entweder von den beiden Rändern (links und rechts) in die Mitte oder umgekehrt.

Abbildung 3 zeigt einen Stahlblock mit endgültiger Segmentation und automatisch abgeleitetem Poolprofil.

 

Abb. 3: Endresultat mit Segmentation und Poolprofil.

Wirkungen und Effekte

Die automatische Qualitätsbestimmung wird momentan durch Metallurgen an weiteren Stahlblöcken getestet. Erste Rückmeldungen bestätigen die Anwendbarkeit dieser Methode auf eine große Stahlproduktpalette.

Die objektiv abgeleiteten Parameter verbessern den generellen Herstellungsprozess, da sie eine größere Produktionsmenge erlauben und ein breiteres Wissen über die Stahlsorten generieren lassen. Dieses wertvolle Wissen führt zu einer Verbesserung des gesamten Stahlerzeugungsprozesses und verschafft der österreichischen Stahlindustrie einen entscheidenden Vorteil.