CN106104262B - 钢管检查方法及装置、制造系统及方法、缺陷部位确定法 - Google Patents
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Abstract
控制装置（12）获取钢管在高温下被拍摄到的自发光图像，通过使自发光图像在周向上的亮度不均均一化来进行校正，基于校正后的自发光图像来检测表面缺陷。优选自发光图像是在减径机的后方位置被拍摄的。优选减径机对钢管的减径率在110%以上。利用使钢管的长度方向上的亮度平均化后的周向亮度分布，来使自发光图像在周向上的亮度不均均一化。也可以利用通过改变在钢管的长度方向上的位置而拍摄到的多张自发光图像的亮度差值，来使自发光图像在周向上的亮度不均均一化。
Description
技术领域
本发明涉及对钢管的表面缺陷进行光学检测的表面检查方法、表面检查装置、制造系统、缺陷产生部位确定方法及制造方法。
背景技术
在各种配管、重要机械部件、管道等所用的钢管中，如果存在缺陷，则强度、韧性、疲劳特性就会降低，因此在制造钢管时要进行缺陷检查。在有代表性的缺陷检查技术中，有涡流探伤、漏磁探伤、超声波探伤等非破坏性检查或目测检查。但是这些技术难以应用于高温材料，因此对于通过热轧制造出的无缝钢管、锻接钢管等钢管，在材料冷却后才能使用。因此，当制造这些钢管时，特别是对于因轧制而产生的表面缺陷来说，在发现时就已经对大量的钢管实施了轧制处理，而导致产生大量不合格产品。因此，期待一种在高温下进行表面缺陷检查的表面检查技术。
作为高温下的表面检查技术，例如，在非专利文献1中，记载有利用基于自发光的图像(自发光图像)的技术、利用基于外部光源的图像的技术、利用基于感应加热的热图像的技术、利用激光扫描、涡电流等的技术。此外，在非专利文献2中记载有利用自发光图像来进行钢坯表面检查的技术。在该技术中，因为钢坯(スラブ)表面温度根据有无表面缺陷而不同，所以通过自发光图像的亮度之差来检测表面缺陷。
非专利文献
非专利文献1：岩井等，高温钢坯表面瑕疵检测技术，铁与钢70(9)，pp.1181-1187(1984)(岩井他、熱間スラブ表面疵検出技術、鉄と鋼70(9),pp.1181-1187(1984))
非专利文献2：白岩等，高温钢坯探伤用TV系统，铁与钢64(13)，pp.2020-2025(1978)(白岩他、熱間スラブ探傷用TVシステム、鉄と鋼64(13),pp.2020-2025(1978))
发明内容
但是，在钢管的表面检查中利用自发光图像的情况下，存在以下问题。即，例如在无缝钢管的轧制中由于在周向上利用多个辊，而各个辊的接触散热存在不均，因此会导致轧制后的钢管表面温度也产生不均。这样的接触散热导致的表面温度不均会因钢管尺寸不同而发生各种变化。此外，在钢管表面，还存在着在加热时产生的一次氧化铁皮(scale)或在轧制中产生的二次氧化铁皮呈斑点状地附着的情况。这些干扰会导致表面温度呈斑纹状地变化，因此自发光图像亮度也是不均匀的，而难以判别出是否为由于表面缺陷而导致的表面温度变化。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种用于在高温下利用自发光图像来对钢管的表面缺陷进行探伤的钢管的表面检查方法、表面检查装置、制造系统、缺陷产生部位确定方法及制造方法。
为了解决上述课题，实现目的，本发明涉及的钢管的表面检查方法在高温下对钢管的表面缺陷进行探伤，其包括：拍摄步骤，在高温下对钢管的自发光图像进行拍摄；校正步骤，通过使上述自发光图像在周向上的亮度不均均一化来进行校正；以及检测步骤，基于经过上述校正步骤校正后的自发光图像来检测表面缺陷。
此外，本发明涉及的钢管的表面检查方法，在上述发明中，上述自发光图像是在减径机的后方位置被拍摄的。
此外，本发明涉及的钢管的表面检查方法，在上述发明中，上述减径机对上述钢管的减径率在110％以上。
此外，本发明涉及的钢管的表面检查方法，在上述发明中，在上述校正步骤中，利用使上述自发光图像在上述钢管的长度方向上的亮度平均化后的周向亮度分布，来使该自发光图像在周向上的亮度不均均一化。
此外，本发明涉及的钢管的表面检查方法，在上述发明中，在上述校正步骤中，利用通过改变在上述钢管的长度方向上的位置而拍摄到的多张上述自发光图像的亮度的差值，来使该自发光图像在周向上的亮度不均均一化。
此外，本发明涉及的钢管的表面检查方法，在上述发明中，在上述拍摄步骤中，利用从波长为700nm以上的近红外线到波长为20μm以下的红外线的波段范围，来拍摄上述自发光图像。
此外，本发明涉及的钢管的表面检查装置在高温下对钢管的表面缺陷进行探伤，其包括：拍摄单元，其在高温下对钢管的自发光图像进行拍摄；校正单元，其通过使上述自发光图像在周向上的亮度不均均一化来进行校正；以及检测单元，其基于由上述校正单元校正后的自发光图像来检测表面缺陷。
此外，本发明涉及的钢管的制造系统，其包括：上述发明的表面检查装置。
此外，本发明涉及的钢管的缺陷产生部位确定方法，其利用本发明涉及的钢管的表面检查方法来对钢管的表面缺陷进行探伤并检测，在检测出表面缺陷的位置存在周期性的情况下确定为是在钢管制造过程中存在产生表面缺陷的原因，而在检测出表面缺陷的位置不存在周期性的情况下确定为是在炼钢阶段存在产生表面缺陷的原因。
此外，本发明涉及的钢管的制造方法，其根据利用本发明涉及的钢管的缺陷产生部位确定方法确定出的产生表面缺陷的原因，相应地改变钢管制造过程的制造条件和/或炼钢阶段的作业条件，以使该表面缺陷不会产生。
根据本发明，能够在高温下利用自发光图像来对钢管的表面缺陷进行探伤。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式涉及的无缝钢管的制造系统的概要结构的示意图。
图2是表示本实施方式的表面检查处理步骤的流程图。
图3A是用于说明本实施方式的自发光图像与钢管的位置及尺寸的关系的图。
图3B是用于说明本实施方式的自发光图像与钢管的位置及尺寸的关系的图。
图3C是用于说明本实施方式的自发光图像与钢管的位置及尺寸的关系的图。
图3D是用于说明本实施方式的自发光图像与钢管的位置及尺寸的关系的图。
图4是用于说明使本实施方式的自发光图像在周向上的亮度不均均一化的图。
图5是用于说明使其它实施方式的自发光图像在周向上的亮度不均均一化的图。
图6A是例示本实施方式的自发光图像的图。
图6B是用于说明本实施方式的减径率与氧化铁皮的关系的图。
图7是表示本实施例的表面检查结果的图。
图8是表示本实施例的表面检查结果的图。
图9是表示钢管长度方向上的亮度分布的图表。
图10是用于说明图9所示的亮度分布的计算方法的图。
符号说明
1 制造系统
2 加热炉
3 穿轧机(穿孔机)
4 芯棒式无缝管轧机
5 再加热炉
6 减径机
7 冷床
10 表面检查装置
11 热图像拍摄装置
12 控制装置
13 控制线缆
具体实施方式
下面参照附图，详细地说明本发明的一个实施方式。另外，本发明并不受下述实施方式所限定。此外，在附图的记载中，对同一个部分标注同一个附图标记来表示。
首先，参照图1来说明本发明的一个实施方式的无缝钢管的制造系统。本实施方式的无缝钢管的制造系统1包括加热炉2、穿轧机(穿孔机)3、芯棒式无缝管轧机4、再加热炉5、减径机6、冷床7以及表面检查装置10。在该制造系统1中，圆形钢坯(丸ビレット)(圆形钢片)B首先通过加热炉2被加热到1200℃左右，通过穿轧机(穿孔机)3被形成为管状(无缝)钢管P，通过芯棒式无缝管轧机4进行轧制。进而钢管P被再加热炉5再次加热后，由减径机6拉伸轧制成规定外径，再通过冷床7冷却。
表面检查装置10包括热图像拍摄装置11和控制装置12，热图像拍摄装置11通过控制线缆13与控制装置12连接从而能够收发数据。热图像拍摄装置11由拍摄装置构成，在减径机6的后方拍摄钢管P的自发光图像，并将自发光图像发送给控制装置12，其中，拍摄装置由在从波长为700nm以上的近红外线到波长为20μm以下的红外线的波段范围内具有敏感度的CMOS元件或微测辐射热计元件等形成。
控制装置12由工作站或微型计算机等通用计算机来实现，包括CPU、能够更新记录的闪存等ROM或RAM等各种存储器、硬盘、CD-ROM等记录介质之类的各种记录装置、通信装置、显示装置或打印装置等输出装置、输入装置等而构成。控制装置12利用存储有处理程序等的存储器以及执行处理程序的CPU等来控制表面检查装置10的结构部，执行后述的表面检查处理。
下面参照图2的流程图，说明表面检查装置10对钢管P的表面检查处理步骤。图2的流程图例如以操作者操作控制装置12的输入装置输入了检查开始的指示的时刻作为开始，表面检查处理进入步骤S1的处理。
在步骤S1的处理中，控制装置12以规定周期来获取由热图像拍摄装置11拍摄到的钢管P的自发光图像。由此，步骤S1的处理结束，表面检查处理进入步骤S2的处理。
在此，以自发光图像的亮度表示出的表面温度根据钢管的位置或尺寸而不同。图3A以及图3B是对外径为76.3mm的钢管P拍摄而得到的自发光图像，图3B是对图3A中的钢管P在长度方向上的不同位置拍摄而得到的自发光图像。此外，图3C是对外径为101.6mm的钢管P拍摄而得到的自发光图像，图3D是对外径为114.3mm的钢管P拍摄而得到的自发光图像。如图3A至图3D所示，可知尽管周向上的亮度因钢管P的位置或尺寸而不同，但是长度方向上的亮度则大致均匀。因此，在本实施方式中，如后述那样，利用自发光图像在周向上的亮度分布来进行使自发光图像在周向上的亮度不均均一化的校正。
在步骤S2的处理中，控制装置12基于在步骤S1的处理中获取的自发光图像(原始图像)来进行使周向上的亮度不均均一化的处理。具体地，如图4所示，对原始图像在周向上的各个位置求取长度方向上的亮度平均值，并将其作为周向亮度分布。通过从原始图像减去该周向亮度分布，来进行使周向上的亮度不均均一化的校正。在此，若用下式(1)来表示原始图像的亮度，则周向亮度分布可由下式(2)表示。因此，从原始图像减去周向亮度分布而得到的图像亮度可通过下式(3)来求取。
Dr(i，j)i＝1～Nx j＝1～Ny …(1)
Dp(i，j)＝Dr(i，j)-Dy(j)+128…(3)
另外，式(3)中的常数(＝128)是为了避免减法运算后亮度的大部分变为负值这样的情形而设定的，只要是0～255之间的适当的常数即可。此外，式(3)的减法运算也可以替换成除法运算。
由此，能够得到除去了由干扰导致的亮度不均从而亮度被均一化的图像。因此，所得到的图像中出现的亮度不均可以被确定为是由于表面缺陷所导致的。由此，步骤S2的处理结束，表面检查处理进入步骤S3的处理。
在上述处理中，利用在1张自发光图像的范围内长度方向上的亮度大致均匀这一现象，来使周向上的亮度不均均一化。但是，若考虑到钢管P的全长，则钢管P会由于轧制或运送而发生滚动，所以长度方向上的亮度就不均匀。因此，使周向上的亮度不均均一化的处理是对于同一张自发光图像或者在附近拍摄到的自发光图像逐次进行的。
因此，步骤S2的处理中对周向上的亮度不均的均一化可以替换成图5所示的处理。即，改变长度方向上的位置来拍摄多张自发光图像，求取任意2张原始图像的亮度差值，从而使周向上的亮度不均均一化。具体地，如图5所示，求取刚刚拍摄到的原始图像和在前一张拍摄到的原始图像的亮度差值，来得到使周向上的亮度不均均一化的图像。在此，若以下式(4)表示原始图像的亮度，以下式(5)表示在前一张拍摄到的原始图像的亮度，则求取两张图像的亮度差值的图像的亮度可通过下式(6)来求取。
Dr(i，j)i＝1～Nx j＝1～Ny …(4)
Ds(i，j)i＝1～Nx j＝1～Ny …(5)
Dp(i，j)＝Dr(i，j)-Ds(i，j)+128 …(6)
为了对钢管P的全长进行表面检查处理，改变在钢管P长度方向上的位置而拍摄自发光图像。此时，优选利用拍摄时刻彼此前后相邻的自发光图像来进行上述处理。拍摄时刻分离得越远，两张图像的亮度不均就越不同，因此并非优选。
在步骤S3的处理中，控制装置12基于周向上的亮度不均被均一化之后的图像来进行检测钢管P的表面缺陷的处理。由此，步骤S3的处理结束，一系列的表面检查处理完成。
以上，如已说明了的那样，根据本实施方式的钢管P的制造系统1，控制装置12使长度方向上的亮度几乎均匀的范围内的自发光图像在周向上的亮度不均均一化，因此能够通过简单的装置结构在高温下利用自发光图像来对钢管的表面缺陷进行探伤。
另外，在上述实施方式中，发明人等基于如以下那样的由于减径机6的拉伸轧制而导致附着于钢管P的氧化铁皮会发生剥离这一见解，因此将热图像拍摄装置11对钢管P的自发光图像的拍摄置于减径机6的后方。即，本发明的发明人等发现了减径机6的减径率越大，则附着于钢管P的氧化铁皮斑纹的个数就越少这一见解。在此，减径率可由下式(7)定义。
减径率＝(钢管被减径前的外径)/(钢管被减径后的外径)...(7)
图6A是例示在减径机6的后方拍摄到的自发光图像的图，可确认到多处氧化铁皮斑纹。图6B是表示减径机6的减径率和氧化铁皮斑纹个数的关系的图。如图6B所示，可知当减径率变大时，氧化铁皮斑纹的个数就会大幅减少。这被认为是因为减径机6的轧制是拉伸轧制，减径率越大则延伸量就越大，因此在表面附着的氧化铁皮的剥离性就越增加。这样，减径率越大则氧化铁皮的剥离性就越高，因此为了得到钢管P的氧化铁皮剥离的效果，合适的减径率至少为110％以上，优选为120％以上。另外，将设备层面的上限值的500％设为减径率的上限值。
但是，钢管P的自发光图像的拍摄部位(热图像拍摄装置11的设置部位)不限于减径机6的后方。例如，对于氧化铁皮较少的钢管P的表面检查，也能够根据在其它位置拍摄到的自发光图像来进行。
此外，在上述实施方式中，以无缝钢管为例进行了说明，但是也能够同样地应用于在高温下将宽度方向的两端对齐接合而成的锻接钢管或在再加热后进行拉伸轧制而成的焊接钢管等。
上面，说明了应用由本发明的发明人完成的发明的实施方式，但是本发明并不受由本实施方式所公开的本发明的一部分的记述以及附图所限定。即，本领域技术人员等基于本实施方式而得到的其它实施方式、实施例及运用技术等全部都包含在本发明的范围之中。
实施例
无缝钢管的制造系统中，在减径机的后方设置对近红外波段具有敏感度的CMOS拍摄装置。在该热图像拍摄装置前面安装过滤可见光的滤波器，在波长为700nm以上的近红外波段进行了拍摄。另外，所使用的波长可以是更长的波长，可以是波长为20μm以下的红外波段。与钢管的运送速度对应地，以在自发光图像之间不产生缺失的方式来设定拍摄时刻的间隔，以1mm间距的分辨率对钢管长度方向上的100mm～500mm左右的位置进行拍摄。材料的温度区域是600℃～1000℃。
图7以及图8是表示检测到无缝钢管的表面缺陷的实施例的图。各个钢管的减径率分别是160％、125％。可知在自发光图像中氧化铁皮斑纹受到了抑制。进行使周向上的亮度不均均一化的校正的结果，能够得到除去了干扰的影响从而亮度被均一化的图像，如在各个图中以箭头所例示的那样，分别清晰地检测出明亮一侧的缺陷和暗淡一侧的缺陷。在钢管冷却后调查各个位置的结果，可确认为由于轧辊瑕疵(ロール疵)所导致的折叠瑕疵(ラップ疵)和在表面造成凹陷的轧入瑕疵(噛み込み疵)。这样，通过本发明，可确认到在高温下能够以简单的装置结构来检测钢管的表面缺陷。
下面参照图9和图10，说明本发明涉及的钢管的制造方法。图9是以与钢管的运送同步且不产生缺失的方式断续地获取钢管长度方向上的图像，并基于所获取的图像来求取钢管长度方向上的亮度分布的图表。在本示例中，如图10所示的那样，通过在长度方向(管轴向)上的各个位置求取管周向亮度最大值，来计算长度方向上的亮度分布。如此地求取图9所示的图表，并将亮度与阈值相比较就能够检测表面缺陷。
能够根据获取图像的间距和亮度分布内的表面缺陷的长度方向位置来求取检测出表面缺陷的钢管的长度方向位置。因为已知检测出表面缺陷的钢管的长度方向位置，因此在检测出多个表面缺陷的情况下，能够根据各个长度方向位置来判定检测出表面缺陷的位置是否存在周期性。此外，当判定的结果是检测出表面缺陷的位置存在周期性的情况下，便能得知该周期(在长度方向上连续地出现的距离，在图9所示的示例中周期为2.3m)。
由于检测出的位置存在周期性的表面缺陷是由于轧制辊或运送辊所导致的，因此具有与该周期对应的直径的辊即为产生表面缺陷的原因。辊的直径与图1的穿轧机3、芯棒式无缝管轧机4、减径机6以及未图示的运送辊的直径是不同的，所以通过考虑因轧制而产生的钢管的拉伸，能够确定出产生表面缺陷的原因。
另一方面，对于检测出的位置没有周期性的表面缺陷能够确定为不是由于辊所导致的，而是由于在炼钢阶段进入表层部分的夹杂物或表层组织所导致的。具体地，检测出的位置没有周期性的表面缺陷是指从表面开始深度为0.1～2mm左右处存在的缺陷，是指由于铸件气孔(ブローホール)、连续铸造中铸模粉末(モールドパウダ)的卷入或其它氧化物在轧制过程中折入表面而导致包含于折叠的部分的缺陷。
因为能够这样地确定出产生表面缺陷的原因，因此对于检测出的位置存在周期性的表面缺陷的情况，改变钢管制造过程的制造条件。具体地，通过检查该产生原因的辊表面，并更换存在异常的辊，由此能够成为使表面缺陷不产生的对策。另一方面，对于检测出的位置没有周期性的表面缺陷的情况，改变在炼钢阶段的作业条件。具体地，可以通过重新考虑铸造速度、所使用的粉末种类、熔融金属表面(湯面)变动的允许值、模具内电磁搅拌的设定值、浸渍喷嘴形状等来作为对策。
这样，通过使用本发明涉及的钢管的表面缺陷检查装置，能够在轧制后立刻就确定出产生表面缺陷的原因，从而能够制造出表面质量优良的钢管，而不会产生大量不合格的钢管。
上面说明了本发明的实施方式，但是本发明并不受由本实施方式所公开的本发明的一部分的记述所限定。即，本领域技术人员等基于本实施方式得到的其它实施方式、实施例及运用技术等全部都包含在本发明的范围中。
根据本发明，能够提供一种用于在高温下利用自发光图像对钢管表面缺陷进行探伤的钢管的表面检查方法、表面检查装置、制造系统、缺陷产生部位确定方法及制造方法。
Claims (12)
1.一种钢管的表面检查方法，在高温下对钢管的表面缺陷进行探伤，其特征在于，包括：
拍摄步骤，在高温下对钢管的自发光图像进行拍摄；
校正步骤，通过使所述自发光图像在周向上的亮度不均均一化来进行校正；以及
检测步骤，基于经过所述校正步骤校正后的自发光图像来检测表面缺陷，其中，
在所述校正步骤中，利用使所述自发光图像在所述钢管的长度方向上的亮度平均化后的周向亮度分布，来使该自发光图像在周向上的亮度不均均一化。
2.一种钢管的表面检查方法，在高温下对钢管的表面缺陷进行探伤，其特征在于，包括：
拍摄步骤，在高温下对钢管的自发光图像进行拍摄；
校正步骤，通过使所述自发光图像在周向上的亮度不均均一化来进行校正；以及
检测步骤，基于经过所述校正步骤校正后的自发光图像来检测表面缺陷，其中，
在所述校正步骤中，利用通过改变在所述钢管的长度方向上的位置而拍摄到的多张所述自发光图像的亮度的差值，来使该自发光图像在周向上的亮度不均均一化。
3.根据权利要求1或者2所述的钢管的表面检查方法，其特征在于：
所述自发光图像是在减径机的后方位置被拍摄的。
4.根据权利要求3所述的钢管的表面检查方法，其特征在于：
所述减径机对所述钢管的减径率在110%以上，所述减径率的定义为：
减径率=（钢管被减径前的外径）/（钢管被减径后的外径）。
5.根据权利要求1或者2所述的钢管的表面检查方法，其特征在于：
在所述拍摄步骤中，利用从波长为700nm以上的近红外线到波长为20μm以下的红外线的波段范围，来拍摄所述自发光图像。
6.根据权利要求3所述的钢管的表面检查方法，其特征在于：
在所述拍摄步骤中，利用从波长为700nm以上的近红外线到波长为20μm以下的红外线的波段范围，来拍摄所述自发光图像。
7.根据权利要求4所述的钢管的表面检查方法，其特征在于：
在所述拍摄步骤中，利用从波长为700nm以上的近红外线到波长为20μm以下的红外线的波段范围，来拍摄所述自发光图像。
8.一种钢管的表面检查装置，在高温下对钢管的表面缺陷进行探伤，其特征在于，包括：
拍摄单元，其在高温下对钢管的自发光图像进行拍摄；
校正单元，其通过使所述自发光图像在周向上的亮度不均均一化来进行校正；以及
检测单元，其基于由所述校正单元校正后的自发光图像来检测表面缺陷，其中，
所述校正单元利用使所述自发光图像在所述钢管的长度方向上的亮度平均化后的周向亮度分布，来使该自发光图像在周向上的亮度不均均一化。
9.一种钢管的表面检查装置，在高温下对钢管的表面缺陷进行探伤，其特征在于，包括：
拍摄单元，其在高温下对钢管的自发光图像进行拍摄；
校正单元，其通过使所述自发光图像在周向上的亮度不均均一化来进行校正；以及
检测单元，其基于由所述校正单元校正后的自发光图像来检测表面缺陷，其中，
所述校正单元利用通过改变在所述钢管的长度方向上的位置而拍摄到的多张所述自发光图像的亮度的差值，来使该自发光图像在周向上的亮度不均均一化。
10.一种钢管的制造系统，其特征在于，包括：
权利要求8或者9所述的钢管的表面检查装置。
11.一种钢管的缺陷产生部位确定方法，其特征在于：
利用权利要求1至7中任一项所述的钢管的表面检查方法来对钢管的表面缺陷进行探伤并检测，在检测出表面缺陷的位置存在周期性的情况下确定为是在钢管制造过程中存在产生表面缺陷的原因，而在检测出表面缺陷的位置不存在周期性的情况下确定为是在炼钢阶段存在产生表面缺陷的原因。
12.一种钢管的制造方法，其特征在于：
根据利用权利要求11所述的钢管的缺陷产生部位确定方法确定出的产生表面缺陷的原因，相应地改变钢管制造过程的制造条件和/或炼钢阶段的作业条件，以使该表面缺陷不会产生。
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