JP2001281228A

JP2001281228A - 電磁超音波計測方法

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Publication number: JP2001281228A
Application number: JP2001015672A
Authority: JP
Inventors: Yukimichi Iizuka; 幸理飯塚
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2001-01-24
Publication date: 2001-10-10
Anticipated expiration: 2021-01-24
Also published as: JP3656555B2

Abstract

(57)【要約】【課題】たとえ熱間鋼材であっても高い精度で横波電
磁超音波計測を実施できる。【解決手段】熱間鋼材である被測定材１１の表層部１
５を冷却してγ相からα相へ変態させ、被測定材１１の
表面１１ａに対して磁場１０を印加し、超音波送受信用
コイル１３で、被測定材１１内を伝搬する横波の超音波
１７を生起させるとともに伝搬された超音波１７を受信
することによって被測定材１１に対する計測を行う。ま
た、被測定材１１の材料特性と冷却条件とで定まる被測
定材の表層部１６での冷却速度Ｖ_Cを求め、この冷却速
度と該当被測定材の変態温度特性Ａ₁、Ａ₂とから、γ相
からα相へ変態させるための冷却時間Ｍ₂を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば製鉄所にお
ける熱間鋼材の各種特性を非接触で計測する電磁超音波
計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば金属の板や管等の被測定材に対し
て、非接触で超音波を印加して被測定材内を伝搬した超
音波を受信して寸法や欠陥等の被測定材の各種特性を計
測する計測方法の一つとして電磁超音波法が知られてい
る。

【０００３】図１２を用いてその電磁超音波法の動作原
理を説明する。鉄等の導電性を有する被測定材１の表面
に対して磁化器２を対向配置し、被測定材１内に磁場３
を発生させる。被測定材１に近接させた検出コイル４に
高周波電流を流すことによって被測定材１内に渦電流を
生起させる。その渦電流と磁場３とで発生するローレン
ツ力を用いて被測定材１内に超音波５が発生して、この
被測定材１内を伝搬する。この被測定材１内を伝搬した
超音波５にて渦電流が発生し、検出コイル４でその伝搬
された超音波５に対応した電流が検出される。したがっ
て、圧電振動子が組込まれた一般の超音波探触子を用い
た超音波計測と同様の手法で、被測定材１の寸法や欠陥
を測定できる。

【０００４】このような電磁超音波法は、非接触である
ために、製鉄所における中間製品である高温の熱間鋼材
の寸法測定や欠陥検出へも適用できる長所を有する。し
かしながら、電磁超音波法は、現在、一般的に用いられ
ている圧電振動子による超音波計測方法に比較して電気
機械変換率効率が非常に低いため、寸法や欠陥の検出感
度やＳＮ比が非常に悪いという問題がある。

【０００５】このため従来から電磁超音波法の検出感度
を改善する工夫が種々試みられてきた。

【０００６】例えば、特開昭５３−９９９８９号公報に
おいては、常温状態における被測定材の表面に塗装やメ
ッキによりニッケル・コバルト・フェライトなどの磁歪
材の薄層を形成することで、磁歪効果によって著しく超
音波の発生効率が向上すると提示されている。

【０００７】しかし、被測定材の表面に磁歪材の薄層を
形成する必要があるので、製鉄所における高温の熱間鋼
材の特性をオンライン状態で計測できない。したがっ
て、この手法を採用できない。

【０００８】さらに、電磁超音波法における寸法や欠陥
の検出感度やＳＮ比の温度依存性が大きい。図１３は、
電磁超音波法における寸法や欠陥の検出感度の温度特性
を示す図である。計測対象の被測定材として、炭素鋼と
ステンレス鋼とを用い、発生させる超音波として縦波と
横波とを用いている。なお、各条件における温度依存性
を明確にするために常温における各条件の検出感度を０
ｄＢに設定している（非破壊検査第３４巻第１１号ｐ８
０）。

【０００９】この実験結果にも示されるように、熱間鋼
材の温度帯を含む８００℃以上の高温では検出感度の低
下が著しい。なお、縦波の炭素鋼において、変態温度近
傍で急峻なピークが生じているのは、この温度領域で透
磁率が急激に上昇するからである。したがって、このま
までは、上述した電磁超音波法を熱間鋼材の特性計測に
適用できない。

【００１０】このような不都合を解消するために、特開
商５３−１０６０８５号公報においては、図１４に示す
ように、搬送状態の熱間鋼材からなる被測定材１の表面
に冷却流体６を吹付け、被測定材１の表面から１ｍｍ以
内の表層部７を強磁性体の自然磁化が生じるキューリー
温度（鉄で約７６０℃）以下に冷却させている。

【００１１】このように冷却することにより、表層部７
の磁性が回復して強磁場となり、また電気伝導度も向上
するので超音波の伝搬効率が高くなると見られている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１４
に示す被測定材１の表面に冷却流体６を吹付る手法にお
いてもまだ解消すべき次のような課題があった。

【００１３】すなわち、熱間鋼材としての被測定材１の
表面を冷却流体６を吹付けて冷却していく際に、冷却速
度が速くかつ冷却時間が短い場合には、被測定材１内部
の温度をキュリー点以下に低下させたとしても、過冷却
のため結晶はしばらくはγ相を維持するオーステナイト
状態のままでり、すぐには磁性は回復しない。そのた
め、オーステナイト状態が解消されるのを待たないと検
出感度及びＳＮ比は向上できない。

【００１４】したがって、製鉄工場における製造ライン
上における高速で搬送されている熱間鋼材の寸法や欠陥
の特性をオンライン状態で精度よく安定して測定できな
かった。

【００１５】また、一般に、従来の各電磁超音波法にお
いては、被測定材１内で生起される超音波５は縦波であ
るので、高い測定精度が得られなかった。

【００１６】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、変態するまで被測定材を冷却することによ
って、確実に磁性状態で超音波を生起でき、高温の被測
定材に対して非接触状態で、高い精度で超音波を用いた
各種の計測を実施できる電磁超音波計測方法を提供する
ことを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に、本発明の電磁超音波計測方法においては、熱間鋼材
である被測定材の表層部を冷却してγ相（面心立方結
晶）からα相（体心立方結晶）へ変態させ、被測定材の
表面に対して磁場を印加し、超音波送受信用コイルで、
被測定材内を伝搬する横波の超音波を生起させるととも
に伝搬された超音波を受信することによって被測定材に
対する計測を行うようにしている。

【００１８】このように構成された電磁超音波計測方法
の動作原理を説明する。熱間鋼材の冷却時における磁性
変化について種々の実験と考察を重ねた結果、冷却して
いく過程で良好な磁性を得る条件として被測定材の温度
がキュリー温度以下であることに加えて、フェライトが
発生するように、γ相からα相へ相変態が必要であるこ
とを発見した。

【００１９】そこで、被測定材の表層部を冷却によって
変態させている。さらに、表層部の磁歪領域を利用して
高感度な超音波の送受信を行う方法として、被測定材の
表面に磁場を印加して、バイアス磁歪を生じせしめ、超
音波送受信用コイルを用いて水平方向の振動磁歪を加え
ている。この結果、両者の合成によって強力なせん断波
すなわち横波の超音波が発生する。この被測定材の表層
部内に生起した横波の超音波は被測定材内を伝搬する。

【００２０】被測定材内を伝搬する超音波の受信につい
ても、この被測定材内を伝搬した超音波にて磁歪による
振動磁場が発生し、超音波送受信コイルでその振動磁場
すなわち超音波に対応した電流が検出される。

【００２１】さらに別の発明においては、上記電磁超音
波計測方法において、被測定材の材料特性と冷却条件と
で定まる被測定材の表層部での冷却速度を求め、この冷
却速度と該当被測定材の変態温度特性とから、γ相から
α相へ変態させるための冷却時間を求める。

【００２２】被測定材としての熱間鋼材におけるγ相か
らα相への変態温度Ｔ_Sは、単純に被測定材内の温度Ｔ
で一義的に定まるのではなく、図5の特性Ａ₁、Ａ₂に示
すように、冷却時間Mと温度Ｔとに関係している。図５
において、特性Ａ₁は変態開始温度を示し、特性Ａ₂は変
態終了温度を示している。

【００２３】すなわち、冷却速度Ｖ_Cが高くなると変態
開始温度、変態終了温度ともに低くなる。逆に、冷却速
度Ｖ_Cが低くなると変態開始温度、変態終了温度ともに
高くなる。なお、冷却速度Ｖ_Cは、冷却手段（冷却機
構）の冷却媒体噴出量や被測定材の伝熱特性、厚みなど
で求まる。

【００２４】そこで本発明においては、上述したよう
に、被測定材の材料特性と冷却条件とで定まる被測定材
の表層部での冷却速度Ｖ_Cを求め、この冷却速度Ｖ_Cと該
当被測定材の変態温度特性Ａ₂から、γ相からα相へ変
態させるための冷却時間M_２を求めている。

【００２５】このような手順で冷却時間Ｍ₂を求めるこ
とによって、被測定材の表層部を確実に相変態させるこ
とが可能となり、常に安定に強力な電磁超音波の送受信
が可能となる。

【００２６】また、別の発明の電磁超音波計測方法にお
いては、熱間鋼材である被測定材の表層部がγ相からα
相へ相変態する冷却条件によって被測定材を冷却する冷
却ステップと、被測定材のα相に変態した表層部に対し
て磁場を印加して被測定材を伝播する横波の超音波を発
生させる超音波発生ステップと、被測定材を伝播した超
音波を受信することにより被測定材に対する計測を行う
計測ステップとを備えている。

【００２７】さらに別の発明は、上述した電磁超音波計
測方法における磁場を、静磁場と振動磁場との複合磁場
で構成している。

【００２８】さらに別の発明は、上述した発明の電磁超
音波計測方法において、被測定材の材質で決まる変態温
度特性と被測定材の冷却速度との関係に基いて、変態終
了までの冷却時間または変態終了温度を決定する冷却条
件決定ステップを有し、冷却ステップは、冷却条件決定
ステップにて調整された冷却速度でもって、γ相からα
相へ変態する冷却条件での冷却を実現するようにしてい
る。

【００２９】さらに別の発明は、上述した発明の電磁超
音波計測方法において、冷却ステップは、冷却条件決定
ステップにて、冷却手段の冷却媒体噴出量、冷却ゾーン
長、被測定材の搬送速度の何れかひとつ又はそれらの組
合せにて調節された冷却速度でもって、冷却条件での冷
却を実現するようにしている。

【００３０】さらに別の発明は、上述した発明の電磁超
音波計測方法において、被測定材の材質で決まる変態温
度特性と前記被測定材の冷却速度との関係に基いて、変
態終了までの冷却時間または変態終了温度を決定する冷
却条件決定ステップを有し、冷却ステップは、冷却条件
決定ステップにて調整された、冷却手段の冷却媒体噴出
量、冷却ゾーン長、被測定材の搬送速度の何れかひとつ
又はそれらの組合せでもって、γ相からα相へ変態する
冷却条件での冷却を実現するようにしている。

【００３１】さらに別の発明は、上述した発明の電磁超
音波計測方法において、変態させる表層部厚みを、生成
させる超音波の周波数と被測定材の電磁気特性とから定
まる浸透深さ以上としている。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。図１は本発明の一実施形態の電磁超音
波計測方法を示す模式図である。

【００３３】製鉄所で製造される熱間鋼材である導電性
を有する被測定材１１は矢印方向へ一定速度Ｖ_Sで搬送
されている。この搬送状態の被測定材１１の表面１１ａ
に対向して、表面１１に対して垂直成分を有する垂直磁
場１０を印加する磁化器１２が配設されている。この磁
化器１２は２個の永久磁石１２ａ、１２ｂで構成されて
いる。なお、この磁化器１２を電磁石で構成してもよ
い。

【００３４】磁化器１２の被測定材１１側には、垂直磁
場１０を垂直に横切る方向に超音波を送受信するための
送受信用コイル１３が配設されている。この送受信用コ
イル１３には、例えば、１００ｋHzの高周波信号を例え
ば１０μｓ等の所定のパルス幅及び１ｍｓ等の所定のパ
ルス周期を有したパルス信号でパルス変調した送信信号
が印加される。なお、この実施形態においては、１つの
送受信用コイル１３で超音波の送信と受信とを行ってい
るが、送信と受信とを個別のコイルで実施することも可
能である。

【００３５】さらに、磁化器１２の両側に、被測定材１
１の表面１１ａを水等の冷却媒体１５ａ、１５ｂを吹付
ける冷却機１４ａ、１４ｂが配設されている。したがっ
て、被測定材１１の表面１１ａは冷却水１５で覆われる
ことになる。この冷却媒体１５ａ、１５ｂにより被測定
材１１内の表面１１ａ近傍の表層部１６はγ相からα相
への変態温度Ｔ_S以下に冷却される。したがって、この
状態においては、表層部１６はα相へ変態後か、又はα
相への変態過程である。被測定材１１内の表層部１６以
外の部分はγ相のままである。

【００３６】変態温度Ｔ_Sはキユーリー温度Ｔ_Cより遙か
に低いので、表層部１６は高い磁性が回復している状態
である。

【００３７】図２は、被測定材１１の表層部１６内に、
横波の超音波１７が生起される原理を示す図である。γ
相からα相へ変態した状態の表層部１６においては、磁
性の回復により磁歪が発生するようになる。この状態に
おいて、垂直磁場１０が印加されると、表層部１６が縦
方向に磁歪で歪んだ状態となる。さらに、送受信用コイ
ル１３に高周波の送信信号の電流を流すと、水平方向の
振動磁場によって表層部１６には水平方向の振動的な磁
歪がかかる結果、強力なせん断波を得ることができる。
この場合は被測定材１１を表面１１ａに直交する方向
（厚み方向）に伝播する横波の超音波１７が生起され
る。

【００３８】次に、実施形態の電磁超音波計測方法の各
実験結果を従来技術との比較で説明する。

【００３９】図３は第１の実験を示す構成図である。熱
間鋼材である材料長Ｌａを有する被測定材１１は搬送機
構１８で矢印方向に一定速度Ｖ_Sで搬送されている。こ
の被測定材１１の表面１１ａに対して、冷却機１４ａ、
１４ｂ、１４ｃ、及び磁化器１２と送受信用コイル１３
とからなる超音波送受信ユニット１９が対向配置されて
いる。熱間鋼材である被測定材１１は約９００度で均熱
化されている。この温度においては、被測定材１１は全
部に亘って変態前のγ相である。

【００４０】このような条件において、先ず、従来方法
と同様に、表層部１６の温度Ｒをキユーリー温度Ｔ
_C（≒７６０℃）以下にする条件を設定する。

【００４１】冷却機１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、冷却速
度Ｖ_C＝−２０℃／ｓで被測定材１１の内部を冷却す
る。超音波送受信ユニット１９においては、生成する超
音波１７の周波数を１００ｋHzに設定する。さらに、冷
却ゾーン長をＬ＝３０ｃｍとし、搬送速度をＶ_S＝４０
ｍｍ／ｓとする。

【００４２】すると、被測定材１１の表面１１ａにおけ
る搬送方向の任意位置における冷却時間はＭ＝３００／
４０＝７．５ｓであるので、冷却時間Ｍ終了後における
表層部１６の温度Ｒは、Ｒ＝９００−（冷却速度Ｍ×冷却時間Ｖ_C）＝９００−２０×７．５＝７５０℃ となり、鉄鋼のキユーリー温度Ｔ_C（≒７６０℃）を下
回る。

【００４３】この状態で、被測定材１１の超音波１７の
底面エコーを超音波送受信ユニット１９で受信した。こ
の超音波送受信ユニット１９で受信したエコー信号ｅ₁
の信号レベルを図４に示す。エコー信号ｅ₁の信号レベ
ルは、図示するように、被測定材料長Ｌａの範囲外の雑
音レベルに対して、殆ど差異がなく、ＳＮ比が低く、実
用に耐えない。

【００４４】次に、実施形態方法である、表層部１６を
γ相からα相へ変態させる条件を設定する。

【００４５】図５に示す被測定材１１の連続冷却変態線
図(ＣＣＴ)に基づく。この連続冷却変態線図を参考にし
て、各条件を設定する。

【００４６】先ず、冷却機１４ａ、１４ｂ、１４ｃの冷
却速度は前回と同じであるＶ_C＝−２０℃／ｓとする
と、この冷却速度Ｖ_C＝−２０℃／ｓと変態開始温度特
性Ａ₁との交点で示される変態開始温度は約６２０℃で
ある。また、この冷却速度Ｖ_C＝−２０℃／ｓと変態終
了温度特性Ａ₂との交点で示される変態終了温度は約５
００℃である。

【００４７】そこで、比測定材１１の搬送速度をＶ_S＝
２０ｍｍ／ｓに低下させると、冷却ゾーン長（Ｌ＝３０
ｃｍ）は変化しないので、搬送方向の任意位置における
冷却時間ＭはＭ＝３００／２０＝１５ｓであるので、冷
却時間Ｍ終了後における表層部１６の温度Ｒは、Ｒ＝９００−（冷却速度Ｍ×冷却時間Ｖ_C）＝９００−２０×１５＝６００℃ となり、鉄鋼のキューリー温度Ｔ_C（≒７６０℃）を下
回ることは勿論のこと、表層部１５が十分変態を開始す
る温度である。

【００４８】この状態で、被測定材１１の超音波１７の
底面エコーを超音波送受信ユニット１９で受信した。こ
の超音波送受信ユニット１９で受信したエコー信号ｅ₂
の信号レベルを図４に示す。図示するように、エコー信
号ｅ₂における被測定材料長Ｌａの範囲内の信号レベル
は、被測定材料長Ｌａの範囲外の雑音レベルに比較して
大きく、計測に十分なＳＮ比が得られた。

【００４９】したがって、第１の実験によって、冷却す
ることによって被測定材１１の表層部１６をγ相からα
相へ変態させることによって、高い精度で電磁超音波を
用いて、被測定材１１に対する各種測定を実施できるこ
とが実証できた。

【００５０】図６は実施形態方法の第２の実験を示す構
成図である。

【００５１】この第２の実験においては、被測定材１１
を搬送させずに、被測定材１１と超音波送受信ユニット
１９との位置関係を固定し、冷却機１４ａ、１４ｂで被
測定材１１の表面１１ａを連続的に冷却した。そして、
被測定材１１の厚みｔはｔ＝１００ｍｍ、冷却機１４
ａ、１４ｂの冷却水量は１リットル／ｍｉｎ、超音波１
７の周波数は１００ｋHzとした。

【００５２】この場合、表層部１６は表面１１ａから徐
々に変態が進行していくこととなる。この時の超音波送
受信ユニット１９で得られる底面エコーのエコー信号ｅ
₃の信号レベルは、図７に示すように経過時間と共に上
昇する。なお、図７においては、被測定材１１の表面１
１ａから３ｍｍ内側位置と、被測定材１１の１／２厚み
位置（ｔ／２）とにおける温度の経過時間特性を示す。

【００５３】図７に示す第２の実験から、表面１１ａか
ら−３ｍｍの表層部１６の温度が６２０℃以下にした点
線で示す経過時刻以降からエコー信号ｅ₂の信号レベル
が大幅に上昇する結果が実証された。

【００５４】このように、第１、第２の実験によると、
表層部１６の温度Ｒがキュリー温度Ｔ_Cではエコー信号
ｅ₂，ｅ₃の信号レベルがまだ低いが、さらに時間が経過
して表層部１６がγ相からα相へ変態すると、被測定材
１１の表面１１ａに垂直成分を持つ垂直磁場１０によっ
て垂直方向にバイアス磁歪を生起させ、垂直磁場１０を
横切るように配置させた送受信用コイル１３によって水
平方向の振動磁歪を発生させることにより、高温の熱間
鋼材からなる被測定材１１であっても横波電磁超音波で
非常に高い感度が得られた。

【００５５】なお、垂直方向にバイアス磁場を印加して
いるが、水平方向にバイアス磁場を印加しても、送受信
用コイルよる振動磁歪が水平方向であれば横波は送受信
される。

【００５６】以上説明した実施形態方法においては、被
測定材１１内に生起される横波の超音波１７を、被測定
材１１内において、表面１１ａに対して垂直方向（厚み
方向）に伝搬させた。しかしながら、図８のように磁化
器１２の被測定材１１側に配設した送受信用コイル１３
を、巻回方向が交互にするコイル１３ａ、１３ｂで構成
し、そのコイル１３ａ、１３ｂ相互の間隔を超音波の波
長の１／２に設定することにより、被測定材１１の表面
１１ａだけを伝搬する表面波や、薄い板をうねらすよう
に伝搬する板波を生起させることが可能である。

【００５７】図９は実施形態方法の第３の実験を示す模
式図である。この第3の実験は、モールドで溶融金属に
凝固シェルを作り、ロール２２で引き抜いて、内部を凝
固させた後、カッター２３で所定長に切断する鋳造機に
おいて、連続鋳造中における鋳片２１の内部の凝固状態
を計測する場合に適用される。

【００５８】超音波センサ２４ａ、２４ｂは鋳片２１を
上下面で挟むようにし、横波の透過信号を計測してい
る。冷却手段としての水冷ノズル２５ａ、２５ｂは、鋳
片２１の長手方向に数本設置され、冷却ゾーン長および
冷却水の噴出量が調整できるようになっている。

【００５９】以上のような構成によれば、冷却手段とし
ての水冷ノズル２５ａによって、鋳片２１の表層部がα
相に変態するように、鋳造速度や鋼種に応じて適切に冷
却することができる。横波は液相を透過しない性質を有
するので、透過信号の有無を計測することで、鋳片２１
の軸心が凝固しているのか未凝固なのかを検知すること
ができる。

【００６０】図１０は、図９で示した第３の実験におけ
る連続鋳造へ適用する場合の変形例で、ここでは鋳造機
自体が有する２次冷却ノズル２６ａ、２６ｂが本願にお
ける冷却手段を兼ねている。

【００６１】次に、第４の実験を説明する。この第４の
実験は、本実施形態方法を厚板または熱延などの圧延工
程へ適用した例であり、図3の構成で実施できる。本実
施形態方法を圧延工程で適用することで、例えば超音波
の伝播時間から鋼材の内部温度の計測、厚みの計測、超
音波の減衰から結晶粒度の計測などを行うことができ
る。

【００６２】次に、第５の実験を説明する。第5の実験
は、被検査材の搬送中に冷却帯で表層部を冷却し超音波
検査を行う場合について、表層部がα相に変態するよう
に冷却条件、ここでは冷却帯の噴出量一定の基でゾーン
長を定めた例である。

【００６３】まず、冷却方法、例えば水ジェットなのか
水シャワーなのか、また冷却体の噴出量がどの位かによ
って熱伝達係数が決まるので、被検査材の比熱・熱伝導
率を考慮すると、その冷却方法での冷却速度△T（℃／
Ｓ）が定められる。次に、図５で示した被検査材のＣＣ
Ｔ線図を基に、その冷却速度の時に変態が完了する温度
Ｔ₁を求める。次に、被検査材が冷却帯に入る前の表層
部の温度Ｔ₂を求める。

【００６４】これは冷却帯の前にて放射温度計で測定す
ればよく、測定場所によっては伝熱計算を用いてもよ
い。また、CCT線図は被測定材の熱履歴に応じて微調整
したものを用いることが望ましい。以上により、冷却時
間がｔ＝（Ｔ₁−Ｔ₂）／ΔＴとして求められるので、被
検査材の搬送速度Vから、冷却帯のゾーン長LはＬ＝Ｖ×
ｔで求められる。

【００６５】なお、ここで表層部のどの深さまで温度を
下げるかが問題であるが、これは用いる超音波の周波数
における浸透深さ程度とすればよい。例えば１ＭHzであ
ればそれは高々０．１〜０．２ｍｍ程度であるため、表
面温度とほぼ同じとして扱って構わない。

【００６６】すなわち、先の例であれば、表層部の温度
Ｔ₂は表面温度として求めればよい。用いる周波数が低
い場合は浸透深さも深くなるので、伝熱計算と併用して
浸透深さでの温度を求めればよい。

【００６７】次に、第６の実験を説明する。第6の実験
においては、上述した第5の実験と同様で、表層部がα
相に変態する冷却条件、ここでは水冷帯のゾーン長一定
の基で冷却帯の噴出量を定めた例である。

【００６８】まず、冷却方法、例えば水ジェットなのか
水シャワーなのか、また冷却帯の噴出量がどの位かによ
って熱伝達係数が決まるので、被検査材の比熱・熱伝導
率を考慮すると、その冷却方法で様々な流量ｑの時の冷
却速度△Ｔｑ（℃／Ｓ）が流量に応じて定められる。

【００６９】被検査材の搬送速度Ｖと冷却帯のゾーン長
Lから冷却時間はｔ＝Ｌ／Ｖで求められ、冷却帯による
温度低下は（ｔ×△Tｑ）となる。次に被検査材が冷却
帯に入る前の表層部の温度Ｔ₂を求めると、冷却帯を抜
けたときの表層部の温度はＴ₁q＝Ｔ₂−（ｔ×△Tｑ）と
なる。

【００７０】以上のように求めたＴ₁qと△Ｔｑを被検査
材のＣＣＴ線図にプロットし、その中で変態終了の曲線
を下回っている部分を求めることにより、冷却帯の噴出
量が定められる。

【００７１】次に、第７の実験を説明する。第７の実験
においては、第5の実験と同様で、表層部がα相に変態
する冷却条件、ここでは冷却帯のゾーン長・冷却帯の噴
出量一定の基で搬送速度を定めた例である。

【００７２】まず、冷却方法、例えば水ジェットなのか
水シャワーなのか、また流量がどの位かによって熱伝達
係数が決まるので、被検査材の比熱・熱伝導率を考慮す
ると、その冷却方法での冷却速度ΔT（℃／Ｓ）が定め
られる。次に、図５で示す被検査材のＣＣＴ線図を基
に、その冷却速度の時に変態が完了する温度Ｔ₁を求め
る。次に被検査材が冷却帯に入る前の表層部の温度Ｔ₂
を求める。これにより、冷却時間がｔ＝（Ｔ₁−Ｔ₂）Δ
Ｔとして求められるので、冷却帯のゾーン長Ｌか被検査
材の搬送速度ＶはＶ＝Ｌ／ｔで求められる。

【００７３】次に、被測定材１１の表層部１６を冷却に
よってγ相からα相へ変態させる条件の設定手順を求め
る別の方法を図１１に示す流れ図を用いて説明する。

【００７４】すなわち、被測定材１１の表層部１６のγ
相からα相への変態の進行が図５に示すように、冷却速
度Ｖ_Cと冷却時間Ｍに依存していることに基づいて表層
部１６が確実に変態する条件を設定する。

【００７５】表層部１６が確実に変態する条件の設定手
順は種々の手順が考えられるが、被測定材１１の材料特
性と冷却機１４ａ、１４ｂの冷却能力で定まる冷却速度
Ｖ_Cが一定の条件において、冷却時間Ｍを定める場合に
ついて説明する。

【００７６】まず、生起させる超音波１７の周波数と被
測定材１１の材料特性（電磁気特性）とから、冷却の必
要浸透深さを求める（Ｓ１）。この浸透深から計算に用
いる計算深さを算出する（Ｓ２）。次に、計算深さと被
測定材１１の表層部１６の冷却条件から、所定の深さ位
置の冷却速度Ｖ_Cを求める（Ｓ４）。なお、この所定の
深さ位置の冷却速度Ｖ_Cは、実験で求めたり、冷却水
量、熱伝達係数、被測定材１１の公称厚みｔなどの値か
ら伝熱計算で求めてもよい。

【００７７】被測定材１１の表層部１６における表冷却
速度Ｖ_Cが求まると、図５の該当被測定材１１の連続冷
却変態線図を用いて必要な冷却時間Ｍ₂を求める（Ｓ
５）。具体的には、求めた冷却速度Ｖ_Cと変態終了温度
特性Ａ_２との交点の時間に冷却時間Ｍ₂を設定すればよ
い。

【００７８】変態に対する必要な冷却時間Ｍ₂が求まる
と、被測定材１１の表層部１６の各位置において、必要
な冷却時間Ｍ_２が確保できるように、図３における被測
定材１１の搬送速度Ｖ_Sと冷却ゾーン長Ｌとを設定すれ
ばよい。

【００７９】なお、被測定材１１の種別毎に、図５に示
す連続冷却変態線図が予め準備されている。

【００８０】このような手順で必要な冷却時間Ｍ₂を求
めて、搬送速度Ｖ_Sと冷却ゾーン長Ｌとを設定すること
によって、たとえ被測定材１１の種別が変更になったと
しても、電磁超音波計測に先だって、該当被測定材１１
の表層部１６をより確実に変態させることが可能であ
る。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電磁超音
波計測方法によれば、電磁超音波計測に先だって、被測
定材の表層部がγ相からα相へ変態するように被測定材
を冷却している。さらに、磁場を印加した状態で送受信
用コイルで横波の超音波を生起させている。

【００８２】したがって、被測定材の表層部を確実に磁
性状態にした上で超音波を生起でき、高温の熱間鋼材で
ある被測定材に対して非接触状態で、高い精度で超音波
を用いた各種の計測を実施できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の電磁超音波計測方法を示
す模式図

【図２】同実施形態の電磁超音波計測方法における横波
の発生原理を説明するための図

【図３】同実施形態の電磁超音波計測方法の効果を確認
するための第１の実験を示す図

【図４】同第１の実験で得られた実験結果であるエコー
信号波形図

【図５】被測定材の連続冷却変態線図

【図６】同実施形態の電磁超音波計測方法の効果を確認
するための第２の実験を示す図

【図７】同第２の実験で得られた実験結果である経過時
間とエコー信号レベルとの関係を示す図

【図８】同実施形態の電磁超音波計測方法の変形例を示
す図

【図９】同実施形態の電磁超音波計測方法の効果を確認
するための第３の実験を示す図

【図１０】同第３の実験の変形例を示す図

【図１１】同実施形態の電磁超音波計測方法における冷
却時間の設定手順を示す流れ図

【図１２】従来の電磁超音波計測方法を示す図

【図１３】従来の電磁超音波計測方法で得られた超音波
の検出感度の温度依存性を示す図

【図１４】他の従来の電磁超音波計測方法を示す図

【符号の説明】

１０…垂直磁場１１…被測定材１１ａ…表面１２…磁化器１３…送受信用コイル１４ａ，１４ｂ…冷却機１５ａ，１５ｂ…冷却媒体１６…表層部１７…超音波１８…搬送機構１９…超音波送受信ユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱間鋼材である被測定材の表層部を冷却
してγ相からα相へ変態させ、前記被測定材の表面に対
して磁場を印加し、超音波送受信用コイルで、前記被測
定材内を伝搬する横波の超音波を生起させるとともに伝
搬された超音波を受信することによって前記被測定材に
対する計測を行うことを特徴とする電磁超音波計測方
法。
【請求項２】前記被測定材の材料特性と冷却条件とで
定まる前記被測定材の表層部での冷却速度を求め、この
冷却速度と該当被測定材の変態温度特性とから、前記γ
相からα相へ変態させるための冷却時間を求め、前記被
測定材の表層部を前記求めた冷却時間だけ冷却すること
を特徴とする請求項１記載の電磁超音波計測方法。
【請求項３】熱間鋼材である被測定材の表層部がγ相
からα相へ相変態する冷却条件によって前記被測定材を
冷却する冷却ステップと、前記被測定材のα相に変態した表層部に対して磁場を印
加して前記被測定材を伝播する横波の超音波を発生させ
る超音波発生ステップと、前記被測定材を伝播した超音波を受信することにより前
記被測定材に対する計測を行う計測ステップとを有する
ことを特徴とする電磁超音波計測方法。
【請求項４】前記磁場は静磁場と振動磁場との複合磁
場であることを特徴とする請求項3記載の電磁超音波計
測方法。
【請求項５】前記被測定材の材質で決まる変態温度特
性と前記被測定材の冷却速度との関係に基いて、変態終
了までの冷却時間または変態終了温度を決定する冷却条
件決定ステップを有し、前記冷却ステップは、前記冷却条件決定ステップにて調
整された冷却速度でもって、前記γ相からα相へ変態す
る冷却条件での冷却を実現することを特徴とする請求項
3又は4記載の電磁超音波計測方法。
【請求項６】前記冷却ステップは、前記冷却条件決定
ステップにて、冷却手段の冷却媒体噴出量、冷却ゾーン
長、被測定材の搬送速度の何れかひとつ又はそれらの組
合せにて調節された冷却速度でもって、前記冷却条件で
の冷却を実現することを特徴とする請求項5記載の電磁
超音波計測方法。
【請求項７】前記被測定材の材質で決まる変態温度特
性と前記被測定材の冷却速度との関係に基いて、変態終
了までの冷却時間または変態終了温度を決定する冷却条
件決定ステップを有し、前記冷却ステップは、前記冷却条件決定ステップにて調
整された、冷却手段の冷却媒体噴出量、冷却ゾーン長、
被測定材の搬送速度の何れかひとつ又はそれらの組合せ
でもって、前記γ相からα相へ変態する冷却条件での冷
却を実現することを特徴とする請求項3又は4記載の電磁
超音波計測方法。
【請求項８】変態させる表層部厚みを、生成させる超
音波の周波数と被測定材の電磁気特性とから定まる浸透
深さ以上とすることを特徴とする請求項1乃至7のいずれ
か１記載の電磁超音波計測方法。