JP2003520346A - 超音波による液体金属タンクの包有物の計測の為の改善された方法と装置 - Google Patents

超音波による液体金属タンクの包有物の計測の為の改善された方法と装置

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JP2003520346A JP2001509980A JP2001509980A JP2003520346A JP 2003520346 A JP2003520346 A JP 2003520346A JP 2001509980 A JP2001509980 A JP 2001509980A JP 2001509980 A JP2001509980 A JP 2001509980A JP 2003520346 A JP2003520346 A JP 2003520346A
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Abstract

(57)【要約】 移動中の液体金属(7)の中に懸濁した包有物を映像化し、サイズを測定し、個数を数える方法であって、当該液体金属の内部で一連の超音波ビームの照射を発生させる為の手段(1)を少なくとも一つと、当該包有物から反射される反響波を受信する為の手段(2)を少なくとも一つと、それにそれらの付属品を備えたセンサを用いる方法であって、その特徴は、時間の経過において安定した既知の寸法の標準反射体(10)を少なくとも一つ活用する、センサの応答の検定過程が一つあり、反射された反響波の採取と処理の過程が幾つか連続し、それを例えばBタイプのスキャンで映像化する過程が一つ、そして、当該包有物の計数と直径の測定を行う為の画像分析の過程が一つあることを特徴とする方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 技術分野 本発明は、超音波を用いて、一般的にはタンク内、あるいは、その上樋の内を
循環する液体金属流に存在する液体及び/または固体の包有物を計数することが
でき、しかもそれらの大きさを測定することができるように改善された方法と装
置に関する。本発明は、特にアルミニウム、マグネシウム、またはそれらの合金
に適用することができる。
【0002】 技術の現状 液体アルミニウムの鋳造の分野においては、包有物の品質を精確に検査するこ
とが、最も重要である。その品質こそが、実際に薄板の品質、特に飲物やスプレ
ーの缶のようなタイプの密閉容器を製造する際に得られる薄板の品質を左右し、
ひいては、それをスクラップにする割合を左右する。
【0003】 一般的に、包有物の品質は、液体金属に含まれる包有物の割合とそれらのサイ
ズにより決定される。
【0004】 評価方法は、大抵の場合、液体金属を最大でも約0.01%採取することが可
能な抽出検査から始まる。測定すべき包有物の割合のレベルは低いこと(ppm
程度)、大きなサイズの包有物は少ないこと、そしてこれらの包有物は薄板を得
ようとする時点で直ちに最も有害なものとなることを考慮に入れると、抽出検査
によるこれらの方法では、前記包有物を発見する確率が非常に低いことから、あ
まり典型的でない結果を与える危険を含んでいるということが分かる。
【0005】 例証として、いわゆるPodfa(アルミニウムの多孔性ディスク濾過)とい
う方法が知られているが、それは基本的には、不連続的に液体金属のサンプルを
抽出し、それを濾過して、回収された包有物を分析することからなる。しかしな
がら、この方法は単に包有物のサイズと数量を示すに過ぎない。また、いわゆる
LIMCA(液体金属清浄性分析)という方法も知られているが、これは基本的
に液体金属を微細な孔を通して連続的にサンプリングし、包有物が通過する毎に
液体金属の抵抗の変化をそこで測定することからなる。しかしながらこの方法は
、大きな包有物(つまり、約100μmを超えるサイズの包有物)に対しては機
能しない。従って、包有物の除去、特に大きなサイズの包有物の除去においてな
され得る進歩を、これらの方法によって十分に推し量ることは難しいと思われる
【0006】 超音波を用いて自然な環境の下で連続的に測定することにより、包有物の品質
を評価することも可能である。特に液体金属が樋の内を循環する場合には、この
ようなタイプの方法により、液体金属の5%までサンプリングすることができる
【0007】 例えば、US特許4981045(トロント大学)には、液体金属の坩堝内の
、特に包有物に関する欠陥の存在を検証する為に活用される超音波探子と方法と
が記載されている。この探子には、発信・受信圧電性結晶と液体金属とを連結さ
せる遅延線が一本あり、それは液体金属の中に溶け込むようになっている。その
為に、それは一般的に分析対象の金属と同じ金属を主成分としており、完全な破
壊を避けるために冷却が行われる。そこで、前記遅延線と液体金属との間に音響
的に連続性がある。
【0008】 その方法は基本的に、二つの探子を、それらの遅延線の自由端から前記液体金
属の中に沈めることからなる。一連の波動は規則的に発信され、反射された信号
は分析される。坩堝の内壁での超音波の反響波による大きなピークを捉える。分
析される金属の部分の包有物の平均含有量は、このピークの減衰から推論され、
前記ピークの検定は、純粋であるとされた金属を用いて前もって行われているも
のとする。
【0009】 コンピュータを用いて包有物上で反響波する信号によるピークの数を数えるこ
とで、探子により検証されたタンクの内のある程度の深さにある包有物を数える
ことは可能であること、そして、坩堝の内に含まれた金属全てにおいて測定を行
うことは難しいことも言及されている。このような方法は、検定せず、また計数
は正確ではない。
【0010】 US特許5708209(Alcoa)には、液体金属中に存在する粒子を検
出する為に可溶性の遅延線付きの、特殊なタイプの発信及び受信探子を用いるこ
とも記載されている。前述したものと同様の指摘を行うことが可能である。
【0011】 これらの方法では、限られた容積の液体金属の分析のみ可能であり、一般的に
は、包有物について目安となるタイプの全体的な情報しか与えられず、そこから
言えるのは、液体金属が汚染を受けているかいないかということだけであり、包
有物の数やサイズについて精確に知ることはできない。
【0012】 純粋とみなされた液体アルミニウム内にサイズの分かった粒子を導入し、そこ
で得られた計数と、分析すべき金属について行われたものとを比較することで、
包有物のサイズについての情報を得る為の様々な試みがなされた。そのような方
法は工業的には使用不能である。実際、純粋な金属を汚染の危険を有さず、工場
施設内を通過させようとしても無駄であると思われるし、そのことにより、検定
基準には偏りがある。更に、粒子を導入するということは、製造の工業的サイク
ルを大いに汚染し、混乱させる性質を有するものである。
【0013】 また、サイズについての精確な情報を得る為には、それらの粒子は完全に球形
でなくてはならず、かつ純粋な金属中に導入された粒度分布中に含まれる粒子の
サイズは均一でなくてはならないが、それは通常、考えられないことである。一
方、粒子は互いに陰を作ったり、密集したりすることがある。これら全てのこと
から、その方法は信頼できず、単純に実行できない。
【0014】 従って、本出願人は、信頼するに足り、しかも、液体金属の包有物の品質を分
析することを可能にするような有意の結果をもたらす方法を追求した。特に本出
願人が追求した方法は、大きな包有物(典型的には50μmを超える)を計数し
、たとえ少量でも、包有物のサイズに関する精確な情報をもたらす方法であり、
しかもその方法は、校正されたものであり、その正確さは定期的に、しかも、工
業的作業の進行を狂わせることなく検査できるものである。
【0015】 発明の説明 本発明は、センサを用いて、移動中の液体金属内に懸濁した個々の包有物の映
像化し、サイズを測定し、個数の数える方法であって、該センサは、前記液体金
属の内部で一連の超音波ビームの照射を発生させる為の手段を少なくとも一つと
、前記包有物から反射される反響波を受信する為の手段を少なくとも一つと、そ
れらの付属品とを備えており、その特徴は、時間が経過しても安定した既知の寸
法の標準反射体を少なくとも一つ活用する、センサの応答の検定過程が一つあり
、反射された反響波の採取と処理の連続する過程と、それを例えば後に述べるよ
うなBタイプのスキャンで映像化する過程と、包有物を数え直径を測定する為の
画像分析の過程とを含むことを特徴とする方法である。
【0016】 換言すれば、本発明による方法は、前記センサを用いて前記液体金属内部で一
連の超音波ビーム照射を発信し、前記センサを用いて前記包有物が反射した反響
波を受信し、前記センサの応答を検定する過程と、反射された反響波の採取と処
理が連続する過程と、例えばBタイプのスキャンで映像化する過程と、包有物を
数え直径を測定する為の画像分析の過程を含む。
【0017】 本方法は、あらゆるタイプの液体金属処理タンクでも活用可能であるが、前記
金属の循環する、つまり大きな比率で、更には全体を連続的に分析することが可
能な樋の内で用いるのに特に有益である。
【0018】 検定の為に重要なのは、少なくとも一つ、好ましくは複数の標準反射体を有す
ることで、該反射体はそれぞれサイズがわかっていて、安定しており、その形状
もわかっていて制御されるものであり、時間が経過しても再現可能な反響波を与
えることである。本発明の望ましい実施態様では、異なったサイズの複数の反射
体が用いられる。従って、標準反射体の前記寸法に応じて反響波信号の振幅をも
たらすセンサの応答の標準曲線を設定することができ、その曲線から小さいサイ
ズの包有物を外挿することもできる。
【0019】 反射体は、好ましくは直径が校正された(従って既に分かっている)一本また
は複数のロッドの横断面から構成することができる。ロッドは好ましくは不活性
のもの、つまり好ましくは耐火セラミックのような、液体金属に対して不活性な
材質であるほうがよい。ロッドは、一般的には移動可能な支えに取り付けられて
、検定過程の間に液体金属中のセンサの領域内に沈められているのが典型的であ
り、次に、その液体金属の一連の分析の間、その領域から引き出される。そこで
は、ロッドを定期的に再導入して、前記検定を検証することも可能である。一般
的には、センサの領域内に一つまたは複数のロッドの一端だけを沈めておくだけ
で十分である。センサの領域内に(更に精確には、前記発信・受信手段により発
信・受信される超音波ビームが交差して形成される焦点の中に)沈められた一つ
または複数のロッドの一端は様々な形状を有してもよいが、最適な反射を得る為
には平らな面があることが好ましい。この端部は、典型的には、ロッドを垂直に
立てた時に上になる一端である。直径の異なる複数のロッドを使うことが好まし
く、これにより、包有物のサイズに応じてセンサの標準曲線を効率的に設定する
ことができる。他のタイプの標準反射体を使うこともできる。例えば、球形のも
の、円錐形のもの、あるいは支えの上に取り付けられた、校正された空洞のよう
なものでもよい。
【0020】 直径に応じてセンサの応答曲線を確立した後、例えば、標準反射体の直径の最
小のものが100μmである場合には、更に小さな値の直径にそれを外挿するこ
とも可能であるし、従って、更に小さなサイズの包有物、50μm以下のもので
も十分な精確さで測定することが可能である。
【0021】 標準反射体は、典型的には耐火材料のもので、液体金属に対して不活性であり
、一般的にアルミニウムの場合には、酸化アルミニウムである。液体金属を確実
に、十分湿潤させる為に、堆積層(例えばチタン)で被覆するのが好ましい。
【0022】 信号を映像化する過程は、連続する反射信号の並置により、つまりBタイプの
スキャンのエコー造影という名称で知られた表示により、実行できる。Cタイプ
のスキャン方法を使うことも可能である。
【0023】 本発明により実行していく過程で、検定は単純に活用できるものであり、液体
金属を汚染することなく、しかも厳密であることが分かるが、それは、標準反射
体の直径が正確かつ個別的に分かっているということを考慮しているからであり
、また、生産を阻害することなく検査の名目で何時でも簡単に検定を行えるから
である。従って、包有物のサイズの測定の精度は保証されている。
【0024】 本発明はまた、本発明による液体金属流に含まれた包有物の分析方法を活用す
ることが可能な装置をも目的とする。この装置は、発信探子のような少なくとも
一つの発信手段(1)と、受信探子のような少なくとも一つの受信手段(2)、
そしてそれらの付属品とからなる超音波センサと、少なくとも一つの標準反射体
、反射した超音波の反響波を採取・処理する装置と、前記包有物の映像化装置、
それらを数え直径を測定する為の画像分析装置とを備えていることを特徴とする
【0025】 図1は本発明を概略的に示している。図2は標準曲線の一例を示す。
【0026】 図1では、センサが基本的に一つの発信手段(1)と一つの受信手段(2)か
らなっていることが分かる。本発明の好ましい実施態様では、前記一連の超音波
ビーム照射を発射する為の前記手段、つまり「発信手段」は、典型的には、前記
照射を発射するのに適した「発信器」と呼ばれる一つの探子であり、前記包有物
が反射する前記反響波を受け取る為の前記手段、つまり「受信手段」は、典型的
には前記反響波を受信するのに適した「受信器」と呼ばれる一つの探子である。
発信と受信の機能を分離することにより、センサの感度を改善することができる
。しかしながら、本発明の枠内では、前記発信手段と受信手段、またはその一部
を、発信機能と受信機能を実行するのに適した「発信器/受信器」と呼ばれる一
つの探子に統合することが可能である。更に発信手段を、そして/または、更に
受信手段を使用する場合には、単一の機能(発信か受信のどちらか)の探子と発
信探子・受信探子とを組み合わせることも可能である。
【0027】 発信手段または受信手段のそれぞれには、遅延線(5,6)によって延長され
た少なくとも一つの超音波トランスレーター要素(3,4)(例えば圧電タイプ
のトランスデューサを有する)があり、該遅延線は、トランスレーター(3,4
)と樋(8)の中を矢印の方向に循環する液体金属流(7)との間を連結してい
る。
【0028】 遅延線の特徴は、温度をよく保つこと、液体金属に対して良好な化学的不活性
を有すること、超音波に対して高い透過性を有すること、信号が通過する際の損
失の発生ができるだけ低くなるように前記液体金属がよく浸潤することである。
この用途に適した材質は、一般的には、Fe,Al,Zr,Ti,Nbのような
金属、あるいは、TiB2、石英、炭化物、窒化物、オキシカーバイド、オキシ
カルボニトリド(SiAlON)のようなセラミックである。遅延線が分析され
る液体金属と同じ金属である場合は、破壊を避ける為にそれを再冷却するのが適
当である。
【0029】 発信手段(1)と受信手段(2)がそれぞれ発信し受信するビームの交差は焦
点(9)を形成し、該焦点はその容積の内部で検定が行われ、包有物が分析され
る。焦点は、樋の中における液体金属の脈流の高さ全体に関係し得るものであり
、その容積は樋の中を循環する金属の容積の10%に相当することもあり、更に
、樋の形によっては、その全体に達することもある。
【0030】 図の標準反射体には一組の耐熱不活性ロッド(10)があるが、直径は様々で
、一般的には100μmを越えているが、既知の直径である。前記ロッドは、典
型的には樋(8)の底に置かれた可動性の支え(11)の上に垂直に固定されて
いる。検定過程では、もしくは一連の測定作業中に行われる付随的な検査では、
その支えを移動させて、ロッド(10)を焦点(9)内に導き、次にロッドを引
き出すようにする。
【0031】 この装置を用いて、超音波の連続的照射を発射する。超音波の周波数は、一般
的に0.5から50MHzの間、好ましくは5から50MHzの間で選択され、それは
好ましい範囲において、それぞれ100から10μmの間に含まれる粒子(λ/
10)を典型的に検出する限界に対応している。照射の周波数は通常は約1kH
zである。
【0032】 信号の採取と処理の過程は、情報処理で実行され、各照射毎に、線図(12)
が描かれることになるが、該線図は、バックグラウンドノイズと、焦点(9)内
に位置する反射障害物(包有物及び/または標準反射体(10))上の反射に対
応するピーク(13)とを含む。前記焦点(9)が液体金属の脈流の高さ全体を
占める場合には、樋の底の反響波に対応するピークが記録される。
【0033】 既に述べたように、この線図で得られる反響波信号の振幅は、所与の超音波の
周波数ごとに、反射障害物の直径と共に変化する。例証として、様々な直径の標
準反射体(10)を用いて得られた標準曲線を図2に示すが、反射障害物の直径
(横座標)に応じて受信信号の振幅(縦座標)が与えられている。この曲線によ
り、この区域における検定が行えない場合にも、小さな直径のものの側から容易
に外挿可能になる。
【0034】 連続的な線図(12)に対応する情報は、次に、映像化の過程において、Bタ
イプのスキャン表示を用いて情報処理されるが、それによって得られる反射障害
物の反響波の画像(14)は、液体金属の脈流の速度でスライドし、該画像上で
、前記反響波は点で表され、該点の濃度は前記障害物のサイズに関連している。
校正された標準反射体(10)を用いてこれらの点を検定した後では、画像分析
により精確な包有物の計数と直径の測定が容易に行えることが分かる。
【0035】 実施例 実験的な鋳造ライン上で特徴づけを行い、二つの炉から発生した液体金属の品
質を評価した。炉の一つは清潔であり、もう一つは包有物で汚染されていた。3
00から500μmを超えるものに相当するサイズの包有物に対応するピークの
数は、表1に表され、探査済容積(鋳造された容積の約5%)に基づいて見積も
られ、kg数で表1に表示されている。
【0036】
【表1】
【0037】 本発明の利点 本方法は、最も大きな包有物を精確に数えてサイズを測定するのに有益である
が、該包有物は、典型的には100μmを越え、一般的に数が少なく、従って、
他の分析方法では標定するのが難しく、最も有害なものである。
【0038】 本発明は容器内または樋内を循環する液体金属流の全体の分析を好適に可能な
らしめるものである。その為には、複数の発信手段と受信手段、典型的には探子
を、それらの遅延線と共に、液体金属流を横切って、横に並べて又は5点形に配
置すれば十分であり、また更に、当該流れの幅のセンサを配置すれば十分であり
、該センサには、各発信手段と受信手段に多要素トランスレーターがあって、該
トランスレーターは、複数の隣接する圧電トランスデューサを有し、該トランス
デューサは、液体金属流の幅に適合された遅延線により延長されている。いずれ
の場合にも、複数のトランスレーターは、電子制御装置に結合され、それによっ
て、そのようにして構成された音響ビームを電子的に走査することが可能になる
。できれば、当該制御装置は、その音響ビームのフォーカスもできることが好ま
しい。液体金属流全体は、焦点が液体金属の脈流の全体を垂直方向に通っていく
に従って分析されていく。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ,UG ,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD, RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM,AT, AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,BZ,C A,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK,DM ,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,GE,GH, GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,K E,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS ,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK,MN, MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,RO,R U,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM ,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ,VN, YU,ZA,ZW (72)発明者 ミュレー,ジャン フランス共和国,エフ−09400 タラスコ ン シュール アリエージュ,シテ サン ロシュ,1 (72)発明者 ル ブラン,ピエール フランス共和国,エフ−38110 サン−ジ ャン−ドゥ−スダン,リュ ドゥ サン− ジャン (72)発明者 オディヴル,ティエリ フランス共和国,エフ−38600 クブルヴ ィ,ルットゥ ドゥ サン ジャン,パル ク ドゥ ラ シュール,14 Fターム(参考) 2F068 AA03 AA46 BB27 CC09 DD12 EE07 FF04 FF12 GG01 HH01 JJ02 JJ13 LL04 NN01 RR02 RR13 2G047 AA01 BC12 BC18 DA02 DB02 EA10 EA11 GB02 GF18 GG33 GJ22 5J083 AA02 AC07 AC28 AC29 AD13 AE10 BA01 BC02 BC18 BD12 BE11 CA02 CA12 EA14

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】センサを用いて、移動中の液体金属(7)内に懸濁した個々の
    包有物を映像化し、サイズを測定し、個数を数える方法であって、該センサは、
    前記液体金属の内部で一連の超音波ビームの照射を発生させる為の手段(1)を
    少なくとも一つと、前記包有物から反射される反響波を受信する為の手段(2)
    を少なくとも一つと、それらの付属品とを備えており、その特徴は、時間が経過
    しても安定した既知の寸法の標準反射体(10)を少なくとも一つ活用する、セ
    ンサの応答の検定過程と、反射された反響波の採取と処理の連続する過程と、そ
    れを映像化する過程と、包有物を数え、直径を測定する為の画像分析の過程とを
    有することを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】標準反射体またはそのそれぞれがロッドであることを特徴とす
    る、請求項2に記載の方法。
  3. 【請求項3】前記ロッドの一端が平らな面であることを特徴とする、請求項
    3に記載の方法。
  4. 【請求項4】検定過程は、液体金属に対して不活性で、直径が校正された複
    数の標準反射体を、前記手段(1,2)が発信し受信する超音波ビームの交差に
    よって形成される焦点(9)内に導入することで実行されることを特徴とする、
    請求項1に記載の方法。
  5. 【請求項5】前記複数の標準反射体は、一組のロッドであることを特徴とす
    る、請求項4に記載の方法。
  6. 【請求項6】前記焦点に沈められる前記ロッドの少なくとも一端は、平らな
    面であることを特徴とする、請求項5に記載の方法。
  7. 【請求項7】超音波の周波数は、0.5から50MHzの間、好ましくは5
    から50MHzの間に含まれることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一
    つに記載の方法。
  8. 【請求項8】請求項1から7のいずれか一つに記載の液体金属流中に含まれ
    た包有物分析方法を活用することのできる装置であって、少なくとも一つの発信
    手段(1)及び少なくとも一つの受信手段(2)とそれらの付属品とからなる超
    音波センサと、少なくとも一つの標準反射体と、反射した超音波の反響波を採取
    し処理する装置と、前記包有物の映像化装置と、それらを数え、直径を測定する
    為の画像分析装置とを備えていることを特徴とする装置。
  9. 【請求項9】前記標準反射体またはそのそれぞれが、直径の分かっているロ
    ッドを備えていることを特徴とする、請求項8に記載の装置。
  10. 【請求項10】前記ロッドの一端が平らな面であることを特徴とする、請求
    項9に記載の装置。
  11. 【請求項11】前記少なくとも一つの標準反射体は、直径の分かっている一
    組のロッドを有することを特徴とする、請求項8に記載の装置。
  12. 【請求項12】前記ロッドは、それぞれ異なる直径を有することを特徴とす
    る、請求項11に記載の装置。
  13. 【請求項13】前記ロッドの一端が平らな面であることを特徴とする、請求
    項11または12に記載の装置。
  14. 【請求項14】前記発信手段またはそのそれぞれは、発信探子であり、前記
    受信手段またはそのそれぞれは、受信探子であることを特徴とする、請求項8か
    ら13のいずれか一つに記載の装置。
  15. 【請求項15】前記少なくとも一つの発信手段と前記少なくとも一つの受信
    手段は、発信と受信の機能を実行するのに適した一つの発信・受信探子に統合さ
    れていることを特徴とする、請求項8から13のいずれか一つに記載の装置。
  16. 【請求項16】液体金属流の幅の全体を探測する為の超音波センサ手段を備
    えていることを特徴とする、請求項8から15のいずれか一つに記載の装置。
  17. 【請求項17】複数の発信手段と受信手段が、それらの遅延線と共に、液体
    金属流を横切って、横に並べて又は5点形に備えられていることを特徴とする、
    請求項16に記載の装置。
  18. 【請求項18】前記流れの幅のセンサがあり、該センサには、各発信手段と
    受信手段に多要素トランスレーターがあって、該トランスレーターは、複数の隣
    接する圧電トランスデューサを有し、該トランスデューサは、液体金属流の幅に
    適合された遅延線により延長されていることを特徴とする、請求項16に記載の
    装置。
  19. 【請求項19】音響ビームを走査し、フォーカスさせることのできる発信と
    受信の電子制御装置を備えていることを特徴とする、請求項18に記載の装置。
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