JP2004333174A - 再結晶率・アスペクト比測定装置及び再結晶率・アスペクト比測定方法 - Google Patents
再結晶率・アスペクト比測定装置及び再結晶率・アスペクト比測定方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】熱間オンラインで測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比を測定することができる再結晶率・アスペクト比測定装置を提供する。
【解決手段】ヘッド部３０は、ラインフォーカスビームを測定対象物２に照射することによりその内部に圧延方向偏波横波又は幅方向偏波横波を発生させると共に、各横波が到達する測定対象物２の所定位置に第二レーザビームを導き、そこで反射した第二レーザビームを取得する。コンピュータ７０は、干渉計５０で検出された第二レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づき各横波の音速、波形振幅の二乗積分値を算出し、音速パラメータと減衰率パラメータを求める。その音速パラメータと減衰率パラメータを用い、コンピュータ７０の記憶部に記憶された測定対象物２と同じ鋼種についての第一のデータ及び第二のデータに基づき測定対象物２の再結晶率と結晶率アスペクト比を得る。
【選択図】 図１
【解決手段】ヘッド部３０は、ラインフォーカスビームを測定対象物２に照射することによりその内部に圧延方向偏波横波又は幅方向偏波横波を発生させると共に、各横波が到達する測定対象物２の所定位置に第二レーザビームを導き、そこで反射した第二レーザビームを取得する。コンピュータ７０は、干渉計５０で検出された第二レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づき各横波の音速、波形振幅の二乗積分値を算出し、音速パラメータと減衰率パラメータを求める。その音速パラメータと減衰率パラメータを用い、コンピュータ７０の記憶部に記憶された測定対象物２と同じ鋼種についての第一のデータ及び第二のデータに基づき測定対象物２の再結晶率と結晶率アスペクト比を得る。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば鋼材の再結晶率と結晶粒アスペクト比を非接触で測定する再結晶率・アスペクト比測定装置及び再結晶率・アスペクト比測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱間の鋼材製造プロセスでは、鋼材に、圧延等、さまざまな処理が施される。一般に、鋼材の結晶組織を微細化することにより、高強度・高靭性の特性を有する鋼材が得られる。例えば、鋼材が再結晶率の低い状態にあるほど、結晶内部に格子欠陥が多くあり、そこを起点として核が成長するので、結晶組織が微細化しやすくなる。また、幅方向の結晶粒サイズに対する圧延方向の結晶粒サイズの比である結晶粒アスペクト比が大きいほど、再結晶した新しい結晶粒径が小さくなり、また、結晶内に核生成サイト（すべり面）が生じ、そこを起点として核が成長するので、結晶組織が微細化しやすくなる。このように、再結晶率や結晶粒アスペクト比は、鋼材の結晶組織の状態を知るための重要な情報である。
【０００３】
尚、再結晶率は、当該鋼材について横波音速の異方性を表す音速パラメータと相関があることが知られている。この相関関係は、非特許文献１に開示されている。また、結晶粒アスペクト比は、当該鋼材について音速パラメータと相関があることが知られている。この相関関係は、非特許文献２に開示されている。
【０００４】
【非特許文献１】
ＮＤＴ＆Ｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｖｏｌ．３３， ２０００， ｐ．２５３−２５９， “Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｖｅｌ ｏｃｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ｃｏｌｄ ｗｏｒｋｅｄ ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ”
【非特許文献２】
“ＳＵＳ３０４のクリープ変形に伴う超音波速度変化” Ｐｒｏｃ． ｏｆ Ｊａ ｐａｎｅｓｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， ４１ｓｔ （１９９２）， ｐ．２２−２４
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、熱間の鋼材製造プロセスにおいて、再結晶率や結晶粒アスペクト比をオンラインで測定することは行われていない。上記の各非特許文献では、接触型の横波プローブを使って横波音速を測定しており、当然、この方法は、熱間オンラインでの測定に用いることはできない。もし熱間オンラインで再結晶率や結晶粒アスペクト比についての情報が得られれば、例えば、その情報を次工程の圧延条件へフィードフォワードすることにより、組織微細の鋼材を効率的・安定的に製造できるようになり、また、高精度な鋼材の製造技術による材質ばらつきの低減にも貢献できる。
【０００６】
本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比を測定することができる再結晶率・アスペクト比測定装置及び再結晶率・アスペクト比測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、板状の測定対象物についての再結晶率及び結晶粒アスペクト比を測定する再結晶率・アスペクト比測定装置であって、各鋼種について再結晶率、結晶粒アスペクト比及び横波音速の異方性を表す音速パラメータの関係を示す第一のデータと、各鋼種について再結晶率、結晶粒アスペクト比及び横波音速の減衰率の異方性を表す減衰率パラメータの関係を示す第二のデータとを記憶する記憶手段と、第一レーザビームを前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に横波超音波を発生させる超音波発生手段と、前記測定対象物の内部に発生した、前記測定対象物の長手方向に偏波した第一の横波超音波、前記測定対象物の幅方向に偏波した第二の横波超音波の各々について、当該横波超音波が到達する前記測定対象物の所定位置に第二レーザビームを導くと共に、前記測定対象物で反射した前記第二レーザビームを取得するビーム取得手段と、前記ビーム取得手段で取得された前記第二レーザビームに基づいて、当該横波超音波の振動に起因して生じる前記第二レーザビームの周波数の変化を検出する周波数変化検出手段と、前記第一の横波超音波及び前記第二の横波超音波の各々について、前記周波数変化検出手段で検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該横波超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求め、その求めた伝播時間に基づいて当該横波超音波の音速を算出し、且つ、前記第一の横波超音波の音速と前記第二の横波超音波の音速とを用いて前記測定対象物についての音速パラメータを求める音速パラメータ算出手段と、前記第一の横波超音波及び前記第二の横波超音波の各々について、前記周波数変化検出手段で検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該横波超音波の波形振幅の二乗積分値を算出し、且つ、前記第一の横波超音波の波形振幅の二乗積分値と前記第二の横波超音波の波形振幅の二乗積分値とを用いて前記測定対象物についての減衰率パラメータを求める減衰率パラメータ算出手段と、前記音速パラメータ算出手段で求めた音速パラメータと前記減衰率パラメータ算出手段で求めた減衰率パラメータとを用い、前記記憶手段に記憶された前記測定対象物と同じ鋼種についての前記第一のデータ及び前記第二のデータに基づいて前記測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比とを求める演算手段と、を具備することを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の再結晶率・アスペクト比測定装置において、前記第一レーザビームはライン状のものであり、且つ、前記超音波発生手段は、前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の幅方向となるようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に前記第一の横波超音波を発生させると共に、前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の長手方向となるようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に前記第二の横波超音波を発生させることを特徴とするものである。
【０００９】
更に、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の再結晶率・アスペクト比測定装置において、前記ビーム取得手段は、前記第一レーザビームのラインの中心点を通りそのラインに直交する平面と前記測定対象物の表面又は底面とが交わる直線上に、前記第二レーザビームを導くことを特徴とするものである。
【００１０】
上記の目的を達成するための請求項４記載の発明は、板状の測定対象物についての再結晶率及び結晶粒アスペクト比を測定する再結晶率・アスペクト比測定方法であって、第一レーザビームを前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に横波超音波を発生させる第一ステップと、前記測定対象物の内部に発生した、前記測定対象物の長手方向に偏波した第一の横波超音波、前記測定対象物の幅方向に偏波した第二の横波超音波の各々について、当該横波超音波が到達する前記測定対象物の所定位置に第二レーザビームを導くと共に、前記測定対象物で反射した前記第二レーザビームを取得する第二ステップと、前記第二ステップで取得された前記第二レーザビームに基づいて、当該横波超音波の振動に起因して生じる前記第二レーザビームの周波数の変化を検出する第三ステップと、前記第三ステップで検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該横波超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める第四ステップと、前記第四ステップで求めた伝播時間に基づいて当該横波超音波の音速を算出する第五ステップと、前記第五ステップで得られた前記第一の横波超音波の音速と前記第二の横波超音波の音速とを用いて前記測定対象物についての横波音速の異方性を表す音速パラメータを求める第六ステップと、前記第三ステップで検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該横波超音波の波形振幅の二乗積分値を算出する第七ステップと、前記第七ステップで得られた前記第一の横波超音波の波形振幅の二乗積分値と前記第二の横波超音波の波形振幅の二乗積分値とを用いて前記測定対象物についての横波音速の減衰率の異方性を表す減衰率パラメータを求める第八ステップと、各鋼種について再結晶率、結晶粒アスペクト比及び音速パラメータの関係を示す第一のデータと、各鋼種について再結晶率、結晶粒アスペクト比及び減衰率パラメータの関係を示す第二のデータとが予め求められており、前記測定対象物と同じ鋼種についての前記第一のデータ及び前記第二のデータに基づいて、前記第六ステップで求めた音速パラメータと前記第八ステップで求めた減衰率パラメータとを用いて前記測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比とを求める第九ステップと、を具備することを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の再結晶率・アスペクト比測定方法において、前記第一レーザビームはライン状のものであり、且つ、前記第一ステップでは、前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の幅方向となるようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に前記第一の横波超音波を発生させると共に、前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の長手方向となるようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に前記第二の横波超音波を発生させることを特徴とするものである。
【００１２】
更に、請求項６記載の発明は、請求項４又は５記載の再結晶率・アスペクト比測定方法において、前記第二ステップでは、前記第一レーザビームのラインの中心点を通りそのラインに直交する平面と前記測定対象物の表面又は底面とが交わる直線上に、前記第二レーザビームを導くことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態である再結晶率・アスペクト比測定装置の概略構成図、図２はその再結晶率・アスペクト比測定装置におけるヘッド部の概略構成図である。また、図３（ａ）はある鋼種についての結晶粒アスペクト比と音速パラメータとの関係を示すグラフ、図３（ｂ）はその鋼種についての結晶粒アスペクト比と減衰率パラメータとの関係を示すグラフ、図４（ａ）はその鋼種についての再結晶率と音速パラメータとの関係を示すグラフ、図４（ｂ）はその鋼種についての再結晶率と減衰率パラメータとの関係を示すグラフである。
【００１４】
本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置は、測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比を非接触で測定するものである。ここで、測定対象物としては、例えば、製鉄所において、熱間プロセスにより製造される板状の鋼材（厚板）を想定している。かかる厚板の表面温度は、通常、７００℃ぐらいである。また、厚板の厚さは１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。
【００１５】
結晶粒アスペクト比とは、鋼材の幅方向における結晶粒サイズに対する鋼材の長手方向（圧延方向）における結晶粒サイズの比である。例えば、鋼材が圧延されると、その鋼材の結晶粒は圧延方向に引き伸ばされることになる。結晶粒アスペクト比は、かかる結晶粒の伸び具合を表している。各種の鋼材では、再結晶率が一定であるときに、結晶粒アスペクト比と当該鋼材の内部を伝播する横波超音波の音速から得られる所定の音速パラメータαとの間に密接な関係がある。図３（ａ）にある鋼種についての結晶粒アスペクト比と音速パラメータαとの相関関係の一例を示す。図３（ａ）において、横軸は鋼材の結晶粒アスペクト比、縦軸は音速パラメータαである。また、音速パラメータαは、当該鋼材中を伝播する横波超音波の音速の異方性を表すものであり、（ＶＳ１−ＶＳ２）／｛（ＶＳ１＋ＶＳ２）／２｝で定義される。ここで、ＶＳ１は鋼材の長手方向（圧延方向）に偏波した第一の横波超音波（圧延方向偏波横波）の音速であり、ＶＳ２は鋼材の幅方向に偏波した第二の横波超音波（幅方向偏波横波）の音速である。図３（ａ）のグラフの例では、鋼材の結晶粒アスペクト比が大きいほど、音速パラメータαが小さく、したがって、横波音速の異方性が小さいことが分かる。一般に、再結晶率が一定である場合、音速パラメータαと結晶粒アスペクト比との関係は、一次関数で近似することができる。
【００１６】
また、各種の鋼材では、再結晶率が一定であるときに、結晶粒アスペクト比と当該鋼材の内部を伝播する横波超音波の減衰率から得られる所定の減衰率パラメータβとの間にも密接な関係がある。図３（ｂ）にある鋼種についての結晶粒アスペクト比と減衰率パラメータβとの相関関係の一例を示す。図３（ｂ）において、横軸は鋼材の結晶粒アスペクト比、縦軸は減衰率パラメータβである。減衰率パラメータβは、当該鋼材中を伝播する横波超音波の減衰率の異方性を表すものであり、（ＡｔＳ１−ＡｔＳ２）／｛（ＡｔＳ１＋ＡｔＳ２）／２｝で定義される。ここで、ＡｔＳ１は鋼材の圧延方向に偏波した横波超音波の減衰率であり、ＡｔＳ２は鋼材の幅方向に偏波した横波超音波の減衰率である。また、横波超音波の減衰率ＡｔＳｋ（ｋ＝１，２）は、発生時における当該横波超音波の波形振幅の二乗積分値Ａ０，Ｓｋに対する検出時における当該横波超音波の波形振幅の二乗積分値ＡＳｋの比である。したがって、検出時において、圧延方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値Ａ０，Ｓ１と幅方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値Ａ０，Ｓ２とが等しいと仮定すると、減衰率パラメータβは、（ＡＳ１−ＡＳ２）／｛（ＡＳ１＋ＡＳ２）／２｝より求めることができる。図３（ｂ）のグラフの例では、鋼材の結晶粒アスペクト比が大きいほど、減衰率パラメータβの絶対値が大きく、したがって、横波の減衰率の異方性が大きいことが分かる。これは定性的には次のような理由による。すなわち、横波は主に粒界を伝わるときに減衰すると考えられる。このため、粒界が多いところを伝播した横波の減衰率は、粒界が少ないところを伝播した横波の減衰率よりも大きい。圧延された鋼材では、圧延方向に垂直な平面による断面における結晶粒界は、幅方向に垂直な平面による断面における結晶粒界よりも多いので、幅方向偏波横波の減衰率は圧延方向偏波横波の減衰率より大きい。したがって、結晶粒アスペクト比が大きければ大きいほど、減衰率パラメータβの絶対値は大きくなる。一般に、再結晶率が一定である場合、減衰率パラメータβと結晶粒アスペクト比との関係は、一次関数で近似することができる。
【００１７】
再結晶とは、大きいひずみのある結晶粒界に新しい結晶の核が発生し、次第に成長して、もとの結晶粒がこの新しい結晶粒（再結晶粒）に置き換わる現象をいう。そして、再結晶率とは、ある領域において再結晶粒の占める割合をいう。各種の鋼材では、結晶粒アスペクト比が一定であるときに、再結晶率と音速パラメータαとの間に密接な関係がある。図４（ａ）にある鋼種についての再結晶率と音速パラメータαとの相関関係の一例を示す。図４（ａ）において、横軸は鋼材の再結晶率、縦軸は音速パラメータαである。図４（ａ）のグラフの例では、鋼材の再結晶率が小さいほど、音速パラメータαの絶対値は大きく、したがって、横波音速の異方性が大きいことが分かる。また、鋼材の再結晶率が大きいほど、音速パラメータαの絶対値が小さく、したがって、横波音速の異方性が小さいことが分かる。例えば、鋼材を圧延した直後には、再結晶粒はまだ発生していないので、再結晶率は０％である。そして、この圧延直後の鋼材は、その結晶方位が揃っており、横波音速の異方性が大きい。図４（ａ）のグラフの例では、最左下にプロットした点が圧延直後の状態に対応している。また、再結晶粒はその結晶方位がランダムになるように成長するので、再結晶率が１００％に近づくにつれて、横波音速の異方性は小さくなる。図４（ａ）のグラフの例では、最右上にプロットした点は再結晶が進んだ状態に対応している。一般に、結晶粒アスペクト比が一定である場合、音速パラメータαと再結晶率との関係は、三次関数で近似することができる。
【００１８】
また、各種の鋼材では、結晶粒アスペクト比が一定であるときに、再結晶率と減衰率パラメータβとの間にも密接な関係がある。図４（ｂ）にある鋼種についての再結晶率と減衰率パラメータβとの相関関係の一例を示す。図４（ｂ）において、横軸は鋼材の再結晶率、縦軸は減衰率パラメータβである。図４（ｂ）のグラフの例では、鋼材の再結晶率が約８０％のところで、減衰率パラメータβが極小値をとり、その絶対値が最も大きくなることが分かる。一般に、結晶粒アスペクト比が一定である場合、減衰率パラメータβと再結晶率との関係は、三次関数で近似することができる。
【００１９】
ところで、本発明者等が実験により調べたところによれば、音速パラメータαと減衰率パラメータβは結晶粒アスペクト比にほぼ独立に寄与し、また、音速パラメータαと減衰率パラメータβは再結晶率にほぼ独立に寄与するということが判明した。したがって、ある鋼種の音速パラメータαは、再結晶率をｘ、結晶粒アスペクト比をｙとすると、
α＝（ａ３ｘ３＋ａ２ｘ２＋ａ１ｘ）＋（ｂ１ｙ＋ｂ０）・・・ （１）式
と表すことができる。ここで、ａ３，ａ２，ａ１，ｂ１，ｂ０は定数である。この（１）式において、ｂ１ｙ＋ｂ０は再結晶率ｘが０％である場合の音速パラメータαの値であり、ａ３ｘ３＋ａ２ｘ２＋ａ１ｘ＋ｂ０は結晶粒アスペクト比ｙが０である場合の音速パラメータαの値である。
【００２０】
同様に、ある鋼種の減衰率パラメータβは、再結晶率をｘ、結晶粒アスペクト比をｙとすると、
β＝（ｃ３ｘ３＋ｃ２ｘ２＋ｃ１ｘ）＋（ｄ１ｙ＋ｄ０）・・・ （２）式
と表すことができる。ここで、ｃ３，ｃ２，ｃ１，ｄ１，ｄ０は定数である。この（２）式において、ｄ１ｙ＋ｄ０は再結晶率ｘが０％である場合の減衰率パラメータβの値であり、ｃ３ｘ３＋ｃ２ｘ２＋ｃ１ｘ＋ｄ０は結晶粒アスペクト比ｙが０である場合の減衰率パラメータβの値である。
各定数を求めるには、まず、再結晶率が一定である複数のサンプルを用いて図３（ｂ）に示すような減衰率パラメータと結晶粒アスペクト比との関係を示すデータを取得すると共に、結晶粒アスペクト比が一定である複数のサンプルを用いて図４（ｂ）に示すような減衰率パラメータと再結晶率との関係を示すデータを取得する。そして、各データについて近似曲線を求めることにより、各定数を決定することができる。
【００２１】
本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置では、各鋼種について再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び音速パラメータαの関係を示す第一のデータ（（１）式）と、各鋼種について再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び減衰率パラメータβの関係を示す第二のデータ（（２）式）とを予め取得しておく。そして、鋼材中を伝播する横波の音速ＶＳ１，ＶＳ２と、当該横波の波形振幅の二乗積分値ＡＳ１，ＡＳ２とを算出し、音速パラメータαと減衰率パラメータβとを求めた後、上記の（１）式及び（２）式を利用して、鋼材の再結晶率ｘと結晶粒アスペクト比ｙを求めることにする。このとき、鋼材中を伝播する横波の音速及び波形振幅の二乗積分値はレーザ超音波法を用いて算出する。
【００２２】
本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置は、図１に示すように、超音波発生用レーザ１０と、超音波検出用レーザ２０と、ヘッド部３０と、干渉計（周波数変化検出手段）５０と、光検出器６０と、コンピュータ（演算手段）７０とを備える。また、この再結晶率・アスペクト比測定装置には、光学部品として、光ファイバ９１ａ，９１ｂ，９１ｃ、集光レンズ９２等が設けられている。
【００２３】
超音波発生用レーザ１０は、測定対象物２内に超音波を励起させるためのレーザである。超音波発生用レーザ１０としては、例えばＹＡＧレーザやＣＯ２ レーザなどの高エネルギーパルスレーザを使用する。超音波発生用レーザ１０から発せられたレーザビームは、光ファイバ９１ａを介してヘッド部３０に導かれる。
【００２４】
超音波検出用レーザ２０は、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームの照射によって測定対象物２内に発生し、測定対象物２内を伝播してきた超音波を検出するためのレーザである。超音波検出用レーザ２０としては、単一周波数のレーザビームを発するものを用いる。超音波検出用レーザ２０から発せられたレーザビームは、光ファイバ９１ｂを介してヘッド部３０に導かれる。
【００２５】
ヘッド部３０は、図２に示すように、超音波発生部３１と、ビーム取得部４１とを備える。超音波発生部３１は、測定対象物２の内部に、測定対象物２の圧延方向に偏波した第一の横波超音波（圧延方向偏波横波）を発生させると共に、測定対象物２の内部に、測定対象物２の幅方向に偏波した第二の横波超音波（幅方向偏波横波）を発生させるものである。この超音波発生部３１は、シリンドリカルレンズ３５と、シリンドリカルレンズ３５の回転機構（図示せず）とを有する。光ファイバ９１ａにより超音波発生部３１に導かれたレーザビームは、シリンドリカルレンズ３５に入射する。シリンドリカルレンズ３５は、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームをライン状に集光させ、ラインフォーカスビーム（第一レーザビーム）Ｌ１として測定対象物２の表面に照射するものである。
【００２６】
本実施形態では、例えば、光ファイバ９１ａの出射端において、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームの直径は約５ｍｍである。レーザビームは進行するにつれてその直径が広がってくる。シリンドリカルレンズ３５の入射面においてレーザビームの直径が約１０ｍｍとなるように、光ファイバ９１ａの出射端とシリンドリカルレンズ３５との距離を調整している。また、測定対象物２の表面において、長さ１０ｍｍ、幅０．３ｍｍ〜０．５ｍｍのラインフォーカスビームＬ１が照射されるように、シリンドリカルレンズ３５の特性、及びシリンドリカルレンズ３５と測定対象物２との距離等を設計している。
【００２７】
また、シリンドリカルレンズ３５の回転機構により、シリンドリカルレンズ３５の長手方向の軸は、測定対象物２の表面に平行な平面内において任意の方向を向くことができる。この回転機構は、例えばコンピュータ７０により制御される。
【００２８】
ラインフォーカスビームＬ１を測定対象物２の表面に照射すると、測定対象物２の表面に対して所定の角度φで斜めに進行する超音波を発生させることができる。このとき、横波超音波と縦波超音波が同時に発生し、横波超音波と縦波超音波とでは、その進行方向角度φが異なる。本実施形態では、主として、超音波のうち横波だけ考えることにする。再結晶率と結晶粒アスペクト比を求めるには、横波についての情報だけを得れば十分だからである。
【００２９】
具体的に、ラインフォーカスビームＬ１を、そのラインの向きが測定対象物２の幅方向に平行となるようにして測定対象物２の表面に照射すると、圧延方向偏波横波が発生し、一方、ラインフォーカスビームＬ１を、そのラインの向きが測定対象物２の圧延方向に平行となるようにして測定対象物２の表面に照射すると、幅方向偏波横波が発生する。
【００３０】
尚、点状のレーザビームを測定対象物２の表面に照射すると、測定対象物２の表面に対していろいろな方向に進行する超音波が発生する。当然、それらの超音波には、圧延方向偏波横波、幅方向偏波横波が含まれているが、その強度は小さいので、圧延方向偏波横波と幅方向偏波横波を正確に検出することは困難である。このため、本実施形態では、ラインフォーカスビームＬ１を用い、そのラインの向きを変えることにより、圧延方向偏波横波と幅方向偏波横波をそれぞれ独立に発生させることにしている。
【００３１】
ビーム取得部４１は、圧延方向偏波横波及び幅方向偏波横波の各超音波について、当該超音波が測定対象物２の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（検出点位置）に、超音波検出用レーザ２０から発せられた第二レーザビームＬ２を導くと共に、測定対象物２の表面で反射した第二レーザビームＬ２を取得するものである。このビーム取得部４１は、集光レンズ４５ａ，４５ｂと、ハーフミラー４６とを有する。また、ビーム取得部４１は、一体的に構成されており、圧延方向及び幅方向に沿って移動することができる。
【００３２】
光ファイバ９１ｂによりビーム取得部４１に導かれた第二レーザビームＬ２は、集光レンズ４５ａで集光され、ハーフミラー４６を透過した後、測定対象物２上の検出点位置に照射される。ここで、測定対象物２の内部を伝播する横波超音波の進行方向角度φは予め分かっているので、その横波超音波の検出点位置も容易に知ることができる。ビーム取得部４１は、その検出点位置に、集光レンズ４５ａによって集光された第二レーザビームＬ２を導く。
【００３３】
また、本実施形態では、ビーム取得部４１は、ラインフォーカスビームＬ１の略中心点を通りそのラインに直交する平面と測定対象物２の表面とが交わる直線上に、第二レーザビームＬ２を導くことにしている。すなわち、当該直線上の所定位置が検出点位置となる。例えば、ラインフォーカスビームＬ１の端点では、点状のレーザビームを照射した場合と同じ状況になり、超音波がいろいろな方向に発生する。このため、ラインフォーカスビームＬ１の端点を通りそのラインに直交する平面と測定対象物２の表面とが交わる直線上には、いろいろな方向に発生した超音波が戻ってくるので、所定方向に偏波した横波を正確に検出することができない。これに対し、ラインフォーカスビームＬ１の略中心点では、所定方向に偏波した横波だけが発生するので、ラインフォーカスビームＬ１の略中心点を通りそのラインに直交する平面と測定対象物２の表面とが交わる直線上の所定位置を検出点位置とすることにより、所定方向に偏波した横波を正確に検出することができる。
【００３４】
測定対象物２の表面は粗面であるため、第二レーザビームＬ２は測定対象物２の表面においてほぼ等方的に散乱される。このとき、当該検出点位置に、測定対象物２の内部を伝播してきた超音波が戻ってくると、当該検出点位置が超音波振動をする。これにより、測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２は、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化する。
【００３５】
測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２のうち、その一部は、ハーフミラー４６で反射され、集光レンズ４５ｂで集光された後、光ファイバ９１ｃに入射する。この光ファイバ９１ｃは、かかる第二レーザビームＬ２を干渉計５０に導くものである。光ファイバ９１ｃから出射した第二レーザビームＬ２は、集光レンズ９２で集光された後、干渉計５０に入射する。
【００３６】
干渉計５０としては、例えばファブリ・ペロー干渉計が用いられる。このファブリ・ペロー干渉計５０は、超音波振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を検出するものであり、互いに対向する二つの反射ミラーを有する。この二つの反射ミラーは共振器を構成し、第二レーザビームＬ２を二つの反射ミラーの間で多重反射させることによりバンドパスフィルタとして機能する。二つの反射ミラー間の距離を調節することにより、この共振器を透過する光の周波数を調節することができる。
【００３７】
ここで、ファブリ・ペロー干渉計５０における共振曲線について説明する。図５はこの共振曲線の一例を示す図である。図５において、横軸は入射する光の周波数ｆを、縦軸はファブリ・ペロー干渉計５０からの出力、すなわちファブリ・ペロー干渉計５０を透過する光の強度Ｉを示している。図５から分かるように、透過光強度Ｉは、特定の周波数において急峻なピークを示すが、ピークの前後では速やかに低下する。このピークを示す周波数は、ファブリ・ペロー干渉計５０の反射ミラー間の距離を調節することによって変えることができる。そこで、図５に示す曲線の傾きが最大となる点（共振曲線動作点）Ａにおける周波数が、ちょうど第二レーザビームＬ２の発振周波数と一致するように反射ミラー間の距離が調節されていれば、周波数のわずかな変化±Δｆを、相対的に大きな透過光強度の変化±ΔＩに変換することができる。これにより、ファブリ・ペロー干渉計５０は、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化した第二レーザビームＬ２が入力したときに、その周波数の変化を透過光強度の変化として出力する。
【００３８】
ファブリ・ペロー干渉計５０から出力された透過光強度は、光検出器６０に送られる。光検出器６０は、透過光強度を電気信号に変換するものである。これにより、超音波振動は、最終的に電気的な信号として捉えられる。光検出器６０からの信号は、コンピュータ７０に送られ、波形データとして記録される。
【００３９】
コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波及び幅方向偏波横波の各横波超音波について、第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データに基づいて、当該横波超音波が測定対象物２の内部を伝播し、その底面で反射して再び表面に戻ってくるまでの伝播時間を求める。超音波発生用レーザ１０からレーザビームが発せられたタイミングと、ラインフォーカスビームＬ１が測定対象物２に照射するタイミングとは予め分かっている。このため、コンピュータ７０は、光検出器６０から送られた波形データに基づいて、周波数変化を検出したタイミングを調べることにより、横波超音波の伝播時間を求めることができる。
【００４０】
また、コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波の伝播時間に基づいてその圧延方向偏波横波の音速ＶＳ１を算出すると共に、幅方向偏波横波の伝播時間に基づいてその幅方向偏波横波の音速ＶＳ２を算出する。そして、その算出した圧延方向偏波横波の音速ＶＳ１及び幅方向偏波横波の音速ＶＳ２を用いて、音速パラメータα＝（ＶＳ１−ＶＳ２）／｛（ＶＳ１＋ＶＳ２）／２｝を求める。すなわち、コンピュータ７０は、本発明の音速パラメータ算出手段としての役割を果たす。
【００４１】
コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波及び幅方向偏波横波の各横波超音波について、第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データに基づいて、当該横波超音波の波形振幅の二乗積分値を算出する。そして、圧延方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値ＡＳ１と幅方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値ＡＳ２とを用いて、減衰率パラメータβ＝（ＡＳ１−ＡＳ２）／｛（ＡＳ１＋ＡＳ２）／２｝を求める。すなわち、コンピュータ７０は、本発明の減衰率パラメータ算出手段としての役割を果たす。
【００４２】
コンピュータ７０の記憶部には、（１）式に示すような、各鋼種について再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び音速パラメータαの関係を示す第一のデータと、（２）式に示すような、各鋼種について再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び減衰率パラメータβとの関係を示す第二のデータとが記憶されている。コンピュータ７０は、その求めた音速パラメータαと減衰率パラメータβとを用いて、記憶部に記憶された当該測定対象物２と同じ鋼種についての第一のデータ及び第二のデータに基づいて当該測定対象物２の再結晶率ｘと結晶粒アスペクト比ｙとを求める。
【００４３】
具体的には、次のようにして再結晶率ｘと結晶粒アスペクト比ｙを求める。音速パラメータαと減衰率パラメータβはそれぞれ、
α＝（ａ３ｘ３＋ａ２ｘ２＋ａ１ｘ）＋（ｂ１ｙ＋ｂ０）・・・ （１）式
β＝（ｃ３ｘ３＋ｃ２ｘ２＋ｃ１ｘ）＋（ｄ１ｙ＋ｄ０）・・・ （２）式
で与えられる。まず、（２）式を、ｙについて解いて、
ｙ＝β−（ｃ３ｘ３＋ｃ２ｘ２＋ｃ１）−ｄ０≡ｆ（ｘ，β）・・・ （３）式
と表し、これを（１）式に代入する。これにより、
（ａ３ｘ３＋ａ２ｘ２＋ａ１ｘ）＋ｂ１×ｆ（ｘ，β）＋ｂ０−α＝０・・・ （４）式
が得られる。これをｘについて解くことにより、再結晶率ｘを求めることができる。このとき、例えばニュートン法などの関数のゼロ値を求める一般的な手法を使用すればよい。こうして求めた再結晶率ｘを、（３）式のｙ＝ｆ（ｘ，β）に代入することにより、結晶率アスペクト比ｙを求めることができる。
【００４４】
ユーザは予め、各鋼種について再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び音速パラメータαの関係を示す第一のデータ、すなわち（１）式の方程式に現れる各定数ａ３，ａ２，ａ１，ｂ１，ｂ０と、各鋼種について再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び減衰率パラメータβの関係を示す第二のデータ、すなわち（２）式の方程式に現れる各定数ｃ３，ｃ２，ｃ１，ｄ１，ｄ０とを求めておく必要がある。これらのデータを得るには、まず、各鋼種について、複数の第一サンプル（厚板）と複数の第二サンプル（厚板）とを用意する。ここで、第一サンプル及び第二サンプルとしては、厚さが約５ｍｍであるものを用いる。そして、第一サンプルとしては、再結晶率ｘが略同じ、例えば０％であるような厚板を用い、第二サンプルとしては、結晶粒アスペクト比ｙが略同じ、例えば２〜３であるような厚板を用いる。
【００４５】
ユーザは、複数の第一サンプルについては、結晶粒アスペクト比ｙ、音速パラメータα、減衰パラメータβを個別に求める。具体的には、結晶粒アスペクト比ｙは、当該第一サンプルをその長手方向に垂直な平面で切断したときの断面を顕微鏡で観察して、結晶粒のサイズを実測することにより、求められる。一方、音速パラメータαと減衰率パラメータβは、例えば本実施形態の装置を用いることにより求められる。こうして求めた、複数の第一サンプルについての結晶粒アスペクト比ｙと音速パラメータαをグラフで表すと、図３（ａ）に示すようなグラフが得られる。また、複数の第一サンプルについての結晶粒アスペクト比ｙと減衰率パラメータβをグラフで表すと、図３（ｂ）に示すようなグラフが得られる。
【００４６】
また、ユーザは、複数の第二サンプルについては、再結晶率ｘ、音速パラメータα、減衰パラメータβを個別に求める。具体的には、再結晶率ｘは、当該第二サンプルをその長手方向に垂直な平面で切断したときの断面を顕微鏡で観察して、ある領域において再結晶粒の占める割合を実測することにより、求められる。一方、音速パラメータαと減衰率パラメータβは、例えば本実施形態の装置を用いることにより求められる。こうして求めた、複数の第二サンプルについての再結晶率ｘと音速パラメータαをグラフで表すと、図４（ａ）に示すようなグラフが得られる。また、複数の第二サンプルについての再結晶率ｘと減衰率パラメータβをグラフで表すと、図４（ｂ）に示すようなグラフが得られる。
【００４７】
次に、これら四つのグラフについて、プロットした各点を繋ぐ近似曲線を求める。図３（ａ）に示すような結晶粒アスペクト比ｙと音速パラメータαとの関係を示すグラフの近似曲線（一次関数）、図４（ａ）に示すような再結晶率ｘと音速パラメータαとの関係を示すグラフの近似曲線（三次関数）、及びあるサンプルについての再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ、音速パラメータαの一組の値を用いて、上記の（１）式における各定数ａ３，ａ２，ａ１，ｂ１，ｂ０を決定することができる。また、図３（ｂ）に示すような結晶粒アスペクト比ｙと減衰率パラメータβとの関係を示すグラフの近似曲線（一次関数）、図４（ｂ）に示すような再結晶率ｘと減衰率パラメータβとの関係を示すグラフの近似曲線（三次関数）、及びあるサンプルについての再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ、減衰率パラメータβの一組の値を用いて、上記の（２）式における各定数ｃ３，ｃ２，ｃ１，ｄ１，ｄ０を決定することができる。
【００４８】
尚、一般に、再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び音速パラメータαの関係と、再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び減衰率パラメータβの関係はそれぞれ、鋼種毎に異なるので、かかる関係を鋼種毎に求めることにしている。
【００４９】
ところで、サンプルの音速パラメータαや減衰率パラメータβを求める場合には、図１に示す装置の代わりに、図６に示すような装置を用いることが望ましい。図６は本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置の変形例を説明するための図である。図６に示す再結晶率・アスペクト比測定装置は、超音波発生用レーザ１０と、超音波検出用レーザ２０と、超音波発生部３１ａと、ビーム取得部４１ａと、干渉計５０と、光検出器６０と、コンピュータ７０と、回転ステージ１００とを備える。尚、図６の再結晶率・アスペクト比測定装置において、図１の装置と同一の機能を有するものには、同一の符号を付すことにより、その詳細な説明を省略する。
【００５０】
図６の再結晶率・アスペクト比測定装置が図１に示す装置と異なる点は、主に二つある。第一は、回転ステージ１００に測定対象物２を載置し、回転ステージ１００を回転させることによりラインフォーカスビームＬ１のラインの向きを変える点である。すなわち、超音波発生部３１ａはシリンドリカルレンズ３５の回転機構を有していない。第二は、超音波発生部３１ａとビーム取得部４１ａとを別個に構成し、ビーム取得部４１ａを測定対象物２を介して超音波発生部３１ａと反対側に配置した点である。すなわち、ビーム取得部４１ａは、圧延方向偏波横波及び幅方向偏波横波の各超音波について、当該横波超音波が到達する測定対象物２の底面の位置に、第二レーザビームＬ２を導くと共に、測定対象物２の底面で反射した第二レーザビームＬ２を取得する。その他の構成は、図１の再結晶率・アスペクト比測定装置と略同様である。
【００５１】
図６の再結晶率・アスペクト比測定装置は、その構成が簡易であり、特に、サイズのそれ程大きくない測定対象物２に対する測定を行う場合に適している。したがって、上述したサンプルについてその音速パラメータαや減衰率パラメータβを求める場合に好適である。但し、この装置は、測定対象物２を回転ステージ１００に載置するので、熱間オンラインでの測定を行う場合に用いることはできない。
【００５２】
次に、本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置において、測定対象物２の再結晶率ｘと結晶粒アスペクト比ｙを測定する手順について説明する。図７はその再結晶率・アスペクト比測定装置において測定対象物２の再結晶率ｘと結晶粒アスペクト比ｙを測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【００５３】
まず、コンピュータ７０は、シリンドリカルレンズ３５の長手方向が幅方向となるように、シリンドリカルレンズ３５の回転機構を制御する（Ｓ１）。その後、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発すると共に、超音波検出用レーザ２０から第二レーザビームＬ２を発する。超音波発生用レーザ１０からのレーザビームは、シリンドリカルレンズ３５でライン状に集光され、ラインフォーカスビームＬ１として測定対象物２の表面に照射される。このとき、ラインフォーカスビームＬ１のラインの向きは測定対象物２の幅方向に平行であるので、測定対象物２の内部には圧延方向偏波横波が発生する。測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２がファブリ・ペロー干渉計５０に入射することにより、ファブリ・ペロー干渉計５０は、圧延方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を検出する。そして、コンピュータ７０は、その第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データを取得し、所定のメモリに記憶する（Ｓ２）。
【００５４】
次に、コンピュータ７０は、シリンドリカルレンズ３５の長手方向が圧延方向となるように、シリンドリカルレンズ３５の回転機構を制御する（Ｓ３）。その後、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発すると共に、超音波検出用レーザ２０から第二レーザビームＬ２を発する。このとき、シリンドリカルレンズ３５で集光されたラインフォーカスビームＬ１のラインの向きは測定対象物２の圧延方向に平行であるので、測定対象物２の内部には幅方向偏波横波が発生する。測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２がファブリ・ペロー干渉計５０に入射することにより、ファブリ・ペロー干渉計５０は、幅方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を検出する。そして、コンピュータ７０は、その第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データを取得し、所定のメモリに記憶する（Ｓ４）。
【００５５】
次に、コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データに基づいて、圧延方向変位横波の伝播時間を求めると共に、幅方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データに基づいて、幅方向変位横波の伝播時間を求める（Ｓ５）。その後、コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波の伝播時間に基づいて圧延方向偏波横波の音速ＶＳ１を算出すると共に、幅方向偏波横波の伝播時間に基づいて幅方向偏波横波の音速ＶＳ２を算出する（Ｓ６）。そして、圧延方向偏波横波の音速ＶＳ１と幅方向偏波横波の音速ＶＳ２とを用いて、音速パラメータαを求める（Ｓ７）。
【００５６】
また、コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データに基づいて、圧延方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値ＡＳ１を算出すると共に、幅方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データに基づいて、幅方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値ＡＳ２を算出する（Ｓ８）。そして、圧延方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値ＡＳ１と幅方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値ＡＳ２とを用いて、減衰率パラメータβを求める（Ｓ９）。
【００５７】
次に、コンピュータ７０は、記憶部に記憶された測定対象物２と同じ鋼種についての再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び音速パラメータαの関係を示す第一のデータ、当該鋼種についての再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び減衰率パラメータβの関係を示す第二のデータを利用し、当該測定対象物２の音速パラメータα及び減衰率パラメータβから当該測定対象物２の再結晶率ｘ及び結晶粒アスペクト比ｙを求める（Ｓ１０）。こうして得られた測定対象物２の再結晶率ｘ及び結晶粒アスペクト比ｙは、例えば、コンピュータ７０の画面に表示される。
【００５８】
本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置では、レーザ超音波法を用いることにより、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する横波超音波を発生させ、圧延方向偏波横波、幅方向偏波横波の各々について、当該横波超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームの周波数変化を表す波形データを取得し、その波形データに基づいて当該横波超音波の音速、波形振幅の二乗積分値を算出する。そして、圧延方向偏波横波の音速と幅方向偏波横波の音速とを用いて測定対象物についての音速パラメータを求めると共に、圧延方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値と幅方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値とを用いて測定対象物についての減衰率パラメータを求める。その求めた音速パラメータと減衰率パラメータとを用い、コンピュータの記憶部に記憶された測定対象物と同じ鋼種についての第一のデータ及び第二のデータに基づいて測定対象物についての再結晶率と結晶粒アスペクト比を得る。したがって、本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置を用いると、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比を求めることができる。このため、かかる再結晶率と結晶率アスペクト比についての情報を、例えば次工程の圧延条件へフィードフォワードすることにより、組織微細の鋼材を効率的・安定的に製造できるようになり、また、高精度な鋼材の製造技術による材質ばらつきの低減にも貢献することができる。
【００５９】
尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
【００６０】
例えば、上記の実施形態では、ラインフォーカスビームを測定対象物の表面に照射することにより、測定対象物の内部に横波を発生させ、その発生させた横波を検出する場合について説明したが、横波と同時に縦波が発生するので、その縦波が測定対象物の底面で横波にモード変換する成分であるモード変換横波を検出するようにしてもよい。但し、この場合は、測定対象物の底面でモード変換しなかった反射縦波をも検出する必要がある。
【００６１】
また、上記の実施形態では、測定対象物として、熱間プロセスで製造される厚板を用いた場合について説明したが、本発明の再結晶率・アスペクト比測定装置は、かかる厚板以外のどのような金属に対しても適用することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の再結晶率・アスペクト比測定装置では、レーザ超音波法を用いることにより、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する横波超音波を発生させ、圧延方向に偏波した第一の横波超音波、幅方向に偏波した第二の横波超音波の各々について、当該横波超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームの周波数変化を表す波形データを取得し、その波形データに基づいて当該横波超音波の音速、波形振幅の二乗積分値を算出する。そして、第一の横波超音波の音速と第二の横波超音波の音速とを用いて測定対象物についての音速パラメータを求めると共に、第一の横波超音波の波形振幅二乗積分値と第二の横波超音波の波形振幅二乗積分値とを用いて測定対象物についての減衰率パラメータを求める。その求めた音速パラメータと減衰率パラメータとを用い、記憶手段に記憶された第一のデータ及び第二のデータに基づいて測定対象物についての再結晶率と結晶率アスペクト比を得る。したがって、本発明の再結晶率・アスペクト比測定装置を用いると、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比を求めることができる。
【００６３】
また、本発明の再結晶率・アスペクト比測定方法によれば、上記と同様に、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である再結晶率・アスペクト比測定装置の概略構成図である。
【図２】その再結晶率・アスペクト比測定装置におけるヘッド部の概略構成図である。
【図３】（ａ）はある鋼種についての結晶粒アスペクト比と音速パラメータとの関係を示すグラフ、（ｂ）はその鋼種についての結晶粒アスペクト比と減衰率パラメータとの関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）はその鋼種についての再結晶率と音速パラメータとの関係を示すグラフ、（ｂ）はその鋼種についての再結晶率と減衰率パラメータとの関係を示すグラフである。
【図５】本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置におけるファブリ・ペロー干渉計の共振曲線の一例を示す図である。
【図６】本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置の変形例を説明するための図である。
【図７】再結晶率・アスペクト比測定装置において測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比を測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
２…測定対象物
１０…超音波発生用レーザ
２０…超音波検出用レーザ
３０…ヘッド部
３１，３１ａ…超音波発生部
３５…シリンドリカルレンズ
４１，４１ａ…ビーム取得部
４５ａ，４５ｂ…集光レンズ
４６…ハーフミラー
５０…干渉計
６０…光検出器
７０…コンピュータ
９１ａ，９１ｂ，９１ｃ…光ファイバ
９２…集光レンズ
１００…回転ステージ
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば鋼材の再結晶率と結晶粒アスペクト比を非接触で測定する再結晶率・アスペクト比測定装置及び再結晶率・アスペクト比測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱間の鋼材製造プロセスでは、鋼材に、圧延等、さまざまな処理が施される。一般に、鋼材の結晶組織を微細化することにより、高強度・高靭性の特性を有する鋼材が得られる。例えば、鋼材が再結晶率の低い状態にあるほど、結晶内部に格子欠陥が多くあり、そこを起点として核が成長するので、結晶組織が微細化しやすくなる。また、幅方向の結晶粒サイズに対する圧延方向の結晶粒サイズの比である結晶粒アスペクト比が大きいほど、再結晶した新しい結晶粒径が小さくなり、また、結晶内に核生成サイト（すべり面）が生じ、そこを起点として核が成長するので、結晶組織が微細化しやすくなる。このように、再結晶率や結晶粒アスペクト比は、鋼材の結晶組織の状態を知るための重要な情報である。
【０００３】
尚、再結晶率は、当該鋼材について横波音速の異方性を表す音速パラメータと相関があることが知られている。この相関関係は、非特許文献１に開示されている。また、結晶粒アスペクト比は、当該鋼材について音速パラメータと相関があることが知られている。この相関関係は、非特許文献２に開示されている。
【０００４】
【非特許文献１】
ＮＤＴ＆Ｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｖｏｌ．３３， ２０００， ｐ．２５３−２５９， “Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｖｅｌ ｏｃｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ｃｏｌｄ ｗｏｒｋｅｄ ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ”
【非特許文献２】
“ＳＵＳ３０４のクリープ変形に伴う超音波速度変化” Ｐｒｏｃ． ｏｆ Ｊａ ｐａｎｅｓｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， ４１ｓｔ （１９９２）， ｐ．２２−２４
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、熱間の鋼材製造プロセスにおいて、再結晶率や結晶粒アスペクト比をオンラインで測定することは行われていない。上記の各非特許文献では、接触型の横波プローブを使って横波音速を測定しており、当然、この方法は、熱間オンラインでの測定に用いることはできない。もし熱間オンラインで再結晶率や結晶粒アスペクト比についての情報が得られれば、例えば、その情報を次工程の圧延条件へフィードフォワードすることにより、組織微細の鋼材を効率的・安定的に製造できるようになり、また、高精度な鋼材の製造技術による材質ばらつきの低減にも貢献できる。
【０００６】
本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比を測定することができる再結晶率・アスペクト比測定装置及び再結晶率・アスペクト比測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、板状の測定対象物についての再結晶率及び結晶粒アスペクト比を測定する再結晶率・アスペクト比測定装置であって、各鋼種について再結晶率、結晶粒アスペクト比及び横波音速の異方性を表す音速パラメータの関係を示す第一のデータと、各鋼種について再結晶率、結晶粒アスペクト比及び横波音速の減衰率の異方性を表す減衰率パラメータの関係を示す第二のデータとを記憶する記憶手段と、第一レーザビームを前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に横波超音波を発生させる超音波発生手段と、前記測定対象物の内部に発生した、前記測定対象物の長手方向に偏波した第一の横波超音波、前記測定対象物の幅方向に偏波した第二の横波超音波の各々について、当該横波超音波が到達する前記測定対象物の所定位置に第二レーザビームを導くと共に、前記測定対象物で反射した前記第二レーザビームを取得するビーム取得手段と、前記ビーム取得手段で取得された前記第二レーザビームに基づいて、当該横波超音波の振動に起因して生じる前記第二レーザビームの周波数の変化を検出する周波数変化検出手段と、前記第一の横波超音波及び前記第二の横波超音波の各々について、前記周波数変化検出手段で検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該横波超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求め、その求めた伝播時間に基づいて当該横波超音波の音速を算出し、且つ、前記第一の横波超音波の音速と前記第二の横波超音波の音速とを用いて前記測定対象物についての音速パラメータを求める音速パラメータ算出手段と、前記第一の横波超音波及び前記第二の横波超音波の各々について、前記周波数変化検出手段で検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該横波超音波の波形振幅の二乗積分値を算出し、且つ、前記第一の横波超音波の波形振幅の二乗積分値と前記第二の横波超音波の波形振幅の二乗積分値とを用いて前記測定対象物についての減衰率パラメータを求める減衰率パラメータ算出手段と、前記音速パラメータ算出手段で求めた音速パラメータと前記減衰率パラメータ算出手段で求めた減衰率パラメータとを用い、前記記憶手段に記憶された前記測定対象物と同じ鋼種についての前記第一のデータ及び前記第二のデータに基づいて前記測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比とを求める演算手段と、を具備することを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の再結晶率・アスペクト比測定装置において、前記第一レーザビームはライン状のものであり、且つ、前記超音波発生手段は、前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の幅方向となるようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に前記第一の横波超音波を発生させると共に、前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の長手方向となるようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に前記第二の横波超音波を発生させることを特徴とするものである。
【０００９】
更に、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の再結晶率・アスペクト比測定装置において、前記ビーム取得手段は、前記第一レーザビームのラインの中心点を通りそのラインに直交する平面と前記測定対象物の表面又は底面とが交わる直線上に、前記第二レーザビームを導くことを特徴とするものである。
【００１０】
上記の目的を達成するための請求項４記載の発明は、板状の測定対象物についての再結晶率及び結晶粒アスペクト比を測定する再結晶率・アスペクト比測定方法であって、第一レーザビームを前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に横波超音波を発生させる第一ステップと、前記測定対象物の内部に発生した、前記測定対象物の長手方向に偏波した第一の横波超音波、前記測定対象物の幅方向に偏波した第二の横波超音波の各々について、当該横波超音波が到達する前記測定対象物の所定位置に第二レーザビームを導くと共に、前記測定対象物で反射した前記第二レーザビームを取得する第二ステップと、前記第二ステップで取得された前記第二レーザビームに基づいて、当該横波超音波の振動に起因して生じる前記第二レーザビームの周波数の変化を検出する第三ステップと、前記第三ステップで検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該横波超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める第四ステップと、前記第四ステップで求めた伝播時間に基づいて当該横波超音波の音速を算出する第五ステップと、前記第五ステップで得られた前記第一の横波超音波の音速と前記第二の横波超音波の音速とを用いて前記測定対象物についての横波音速の異方性を表す音速パラメータを求める第六ステップと、前記第三ステップで検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該横波超音波の波形振幅の二乗積分値を算出する第七ステップと、前記第七ステップで得られた前記第一の横波超音波の波形振幅の二乗積分値と前記第二の横波超音波の波形振幅の二乗積分値とを用いて前記測定対象物についての横波音速の減衰率の異方性を表す減衰率パラメータを求める第八ステップと、各鋼種について再結晶率、結晶粒アスペクト比及び音速パラメータの関係を示す第一のデータと、各鋼種について再結晶率、結晶粒アスペクト比及び減衰率パラメータの関係を示す第二のデータとが予め求められており、前記測定対象物と同じ鋼種についての前記第一のデータ及び前記第二のデータに基づいて、前記第六ステップで求めた音速パラメータと前記第八ステップで求めた減衰率パラメータとを用いて前記測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比とを求める第九ステップと、を具備することを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の再結晶率・アスペクト比測定方法において、前記第一レーザビームはライン状のものであり、且つ、前記第一ステップでは、前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の幅方向となるようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に前記第一の横波超音波を発生させると共に、前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の長手方向となるようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に前記第二の横波超音波を発生させることを特徴とするものである。
【００１２】
更に、請求項６記載の発明は、請求項４又は５記載の再結晶率・アスペクト比測定方法において、前記第二ステップでは、前記第一レーザビームのラインの中心点を通りそのラインに直交する平面と前記測定対象物の表面又は底面とが交わる直線上に、前記第二レーザビームを導くことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態である再結晶率・アスペクト比測定装置の概略構成図、図２はその再結晶率・アスペクト比測定装置におけるヘッド部の概略構成図である。また、図３（ａ）はある鋼種についての結晶粒アスペクト比と音速パラメータとの関係を示すグラフ、図３（ｂ）はその鋼種についての結晶粒アスペクト比と減衰率パラメータとの関係を示すグラフ、図４（ａ）はその鋼種についての再結晶率と音速パラメータとの関係を示すグラフ、図４（ｂ）はその鋼種についての再結晶率と減衰率パラメータとの関係を示すグラフである。
【００１４】
本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置は、測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比を非接触で測定するものである。ここで、測定対象物としては、例えば、製鉄所において、熱間プロセスにより製造される板状の鋼材（厚板）を想定している。かかる厚板の表面温度は、通常、７００℃ぐらいである。また、厚板の厚さは１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。
【００１５】
結晶粒アスペクト比とは、鋼材の幅方向における結晶粒サイズに対する鋼材の長手方向（圧延方向）における結晶粒サイズの比である。例えば、鋼材が圧延されると、その鋼材の結晶粒は圧延方向に引き伸ばされることになる。結晶粒アスペクト比は、かかる結晶粒の伸び具合を表している。各種の鋼材では、再結晶率が一定であるときに、結晶粒アスペクト比と当該鋼材の内部を伝播する横波超音波の音速から得られる所定の音速パラメータαとの間に密接な関係がある。図３（ａ）にある鋼種についての結晶粒アスペクト比と音速パラメータαとの相関関係の一例を示す。図３（ａ）において、横軸は鋼材の結晶粒アスペクト比、縦軸は音速パラメータαである。また、音速パラメータαは、当該鋼材中を伝播する横波超音波の音速の異方性を表すものであり、（ＶＳ１−ＶＳ２）／｛（ＶＳ１＋ＶＳ２）／２｝で定義される。ここで、ＶＳ１は鋼材の長手方向（圧延方向）に偏波した第一の横波超音波（圧延方向偏波横波）の音速であり、ＶＳ２は鋼材の幅方向に偏波した第二の横波超音波（幅方向偏波横波）の音速である。図３（ａ）のグラフの例では、鋼材の結晶粒アスペクト比が大きいほど、音速パラメータαが小さく、したがって、横波音速の異方性が小さいことが分かる。一般に、再結晶率が一定である場合、音速パラメータαと結晶粒アスペクト比との関係は、一次関数で近似することができる。
【００１６】
また、各種の鋼材では、再結晶率が一定であるときに、結晶粒アスペクト比と当該鋼材の内部を伝播する横波超音波の減衰率から得られる所定の減衰率パラメータβとの間にも密接な関係がある。図３（ｂ）にある鋼種についての結晶粒アスペクト比と減衰率パラメータβとの相関関係の一例を示す。図３（ｂ）において、横軸は鋼材の結晶粒アスペクト比、縦軸は減衰率パラメータβである。減衰率パラメータβは、当該鋼材中を伝播する横波超音波の減衰率の異方性を表すものであり、（ＡｔＳ１−ＡｔＳ２）／｛（ＡｔＳ１＋ＡｔＳ２）／２｝で定義される。ここで、ＡｔＳ１は鋼材の圧延方向に偏波した横波超音波の減衰率であり、ＡｔＳ２は鋼材の幅方向に偏波した横波超音波の減衰率である。また、横波超音波の減衰率ＡｔＳｋ（ｋ＝１，２）は、発生時における当該横波超音波の波形振幅の二乗積分値Ａ０，Ｓｋに対する検出時における当該横波超音波の波形振幅の二乗積分値ＡＳｋの比である。したがって、検出時において、圧延方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値Ａ０，Ｓ１と幅方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値Ａ０，Ｓ２とが等しいと仮定すると、減衰率パラメータβは、（ＡＳ１−ＡＳ２）／｛（ＡＳ１＋ＡＳ２）／２｝より求めることができる。図３（ｂ）のグラフの例では、鋼材の結晶粒アスペクト比が大きいほど、減衰率パラメータβの絶対値が大きく、したがって、横波の減衰率の異方性が大きいことが分かる。これは定性的には次のような理由による。すなわち、横波は主に粒界を伝わるときに減衰すると考えられる。このため、粒界が多いところを伝播した横波の減衰率は、粒界が少ないところを伝播した横波の減衰率よりも大きい。圧延された鋼材では、圧延方向に垂直な平面による断面における結晶粒界は、幅方向に垂直な平面による断面における結晶粒界よりも多いので、幅方向偏波横波の減衰率は圧延方向偏波横波の減衰率より大きい。したがって、結晶粒アスペクト比が大きければ大きいほど、減衰率パラメータβの絶対値は大きくなる。一般に、再結晶率が一定である場合、減衰率パラメータβと結晶粒アスペクト比との関係は、一次関数で近似することができる。
【００１７】
再結晶とは、大きいひずみのある結晶粒界に新しい結晶の核が発生し、次第に成長して、もとの結晶粒がこの新しい結晶粒（再結晶粒）に置き換わる現象をいう。そして、再結晶率とは、ある領域において再結晶粒の占める割合をいう。各種の鋼材では、結晶粒アスペクト比が一定であるときに、再結晶率と音速パラメータαとの間に密接な関係がある。図４（ａ）にある鋼種についての再結晶率と音速パラメータαとの相関関係の一例を示す。図４（ａ）において、横軸は鋼材の再結晶率、縦軸は音速パラメータαである。図４（ａ）のグラフの例では、鋼材の再結晶率が小さいほど、音速パラメータαの絶対値は大きく、したがって、横波音速の異方性が大きいことが分かる。また、鋼材の再結晶率が大きいほど、音速パラメータαの絶対値が小さく、したがって、横波音速の異方性が小さいことが分かる。例えば、鋼材を圧延した直後には、再結晶粒はまだ発生していないので、再結晶率は０％である。そして、この圧延直後の鋼材は、その結晶方位が揃っており、横波音速の異方性が大きい。図４（ａ）のグラフの例では、最左下にプロットした点が圧延直後の状態に対応している。また、再結晶粒はその結晶方位がランダムになるように成長するので、再結晶率が１００％に近づくにつれて、横波音速の異方性は小さくなる。図４（ａ）のグラフの例では、最右上にプロットした点は再結晶が進んだ状態に対応している。一般に、結晶粒アスペクト比が一定である場合、音速パラメータαと再結晶率との関係は、三次関数で近似することができる。
【００１８】
また、各種の鋼材では、結晶粒アスペクト比が一定であるときに、再結晶率と減衰率パラメータβとの間にも密接な関係がある。図４（ｂ）にある鋼種についての再結晶率と減衰率パラメータβとの相関関係の一例を示す。図４（ｂ）において、横軸は鋼材の再結晶率、縦軸は減衰率パラメータβである。図４（ｂ）のグラフの例では、鋼材の再結晶率が約８０％のところで、減衰率パラメータβが極小値をとり、その絶対値が最も大きくなることが分かる。一般に、結晶粒アスペクト比が一定である場合、減衰率パラメータβと再結晶率との関係は、三次関数で近似することができる。
【００１９】
ところで、本発明者等が実験により調べたところによれば、音速パラメータαと減衰率パラメータβは結晶粒アスペクト比にほぼ独立に寄与し、また、音速パラメータαと減衰率パラメータβは再結晶率にほぼ独立に寄与するということが判明した。したがって、ある鋼種の音速パラメータαは、再結晶率をｘ、結晶粒アスペクト比をｙとすると、
α＝（ａ３ｘ３＋ａ２ｘ２＋ａ１ｘ）＋（ｂ１ｙ＋ｂ０）・・・ （１）式
と表すことができる。ここで、ａ３，ａ２，ａ１，ｂ１，ｂ０は定数である。この（１）式において、ｂ１ｙ＋ｂ０は再結晶率ｘが０％である場合の音速パラメータαの値であり、ａ３ｘ３＋ａ２ｘ２＋ａ１ｘ＋ｂ０は結晶粒アスペクト比ｙが０である場合の音速パラメータαの値である。
【００２０】
同様に、ある鋼種の減衰率パラメータβは、再結晶率をｘ、結晶粒アスペクト比をｙとすると、
β＝（ｃ３ｘ３＋ｃ２ｘ２＋ｃ１ｘ）＋（ｄ１ｙ＋ｄ０）・・・ （２）式
と表すことができる。ここで、ｃ３，ｃ２，ｃ１，ｄ１，ｄ０は定数である。この（２）式において、ｄ１ｙ＋ｄ０は再結晶率ｘが０％である場合の減衰率パラメータβの値であり、ｃ３ｘ３＋ｃ２ｘ２＋ｃ１ｘ＋ｄ０は結晶粒アスペクト比ｙが０である場合の減衰率パラメータβの値である。
各定数を求めるには、まず、再結晶率が一定である複数のサンプルを用いて図３（ｂ）に示すような減衰率パラメータと結晶粒アスペクト比との関係を示すデータを取得すると共に、結晶粒アスペクト比が一定である複数のサンプルを用いて図４（ｂ）に示すような減衰率パラメータと再結晶率との関係を示すデータを取得する。そして、各データについて近似曲線を求めることにより、各定数を決定することができる。
【００２１】
本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置では、各鋼種について再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び音速パラメータαの関係を示す第一のデータ（（１）式）と、各鋼種について再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び減衰率パラメータβの関係を示す第二のデータ（（２）式）とを予め取得しておく。そして、鋼材中を伝播する横波の音速ＶＳ１，ＶＳ２と、当該横波の波形振幅の二乗積分値ＡＳ１，ＡＳ２とを算出し、音速パラメータαと減衰率パラメータβとを求めた後、上記の（１）式及び（２）式を利用して、鋼材の再結晶率ｘと結晶粒アスペクト比ｙを求めることにする。このとき、鋼材中を伝播する横波の音速及び波形振幅の二乗積分値はレーザ超音波法を用いて算出する。
【００２２】
本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置は、図１に示すように、超音波発生用レーザ１０と、超音波検出用レーザ２０と、ヘッド部３０と、干渉計（周波数変化検出手段）５０と、光検出器６０と、コンピュータ（演算手段）７０とを備える。また、この再結晶率・アスペクト比測定装置には、光学部品として、光ファイバ９１ａ，９１ｂ，９１ｃ、集光レンズ９２等が設けられている。
【００２３】
超音波発生用レーザ１０は、測定対象物２内に超音波を励起させるためのレーザである。超音波発生用レーザ１０としては、例えばＹＡＧレーザやＣＯ２ レーザなどの高エネルギーパルスレーザを使用する。超音波発生用レーザ１０から発せられたレーザビームは、光ファイバ９１ａを介してヘッド部３０に導かれる。
【００２４】
超音波検出用レーザ２０は、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームの照射によって測定対象物２内に発生し、測定対象物２内を伝播してきた超音波を検出するためのレーザである。超音波検出用レーザ２０としては、単一周波数のレーザビームを発するものを用いる。超音波検出用レーザ２０から発せられたレーザビームは、光ファイバ９１ｂを介してヘッド部３０に導かれる。
【００２５】
ヘッド部３０は、図２に示すように、超音波発生部３１と、ビーム取得部４１とを備える。超音波発生部３１は、測定対象物２の内部に、測定対象物２の圧延方向に偏波した第一の横波超音波（圧延方向偏波横波）を発生させると共に、測定対象物２の内部に、測定対象物２の幅方向に偏波した第二の横波超音波（幅方向偏波横波）を発生させるものである。この超音波発生部３１は、シリンドリカルレンズ３５と、シリンドリカルレンズ３５の回転機構（図示せず）とを有する。光ファイバ９１ａにより超音波発生部３１に導かれたレーザビームは、シリンドリカルレンズ３５に入射する。シリンドリカルレンズ３５は、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームをライン状に集光させ、ラインフォーカスビーム（第一レーザビーム）Ｌ１として測定対象物２の表面に照射するものである。
【００２６】
本実施形態では、例えば、光ファイバ９１ａの出射端において、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームの直径は約５ｍｍである。レーザビームは進行するにつれてその直径が広がってくる。シリンドリカルレンズ３５の入射面においてレーザビームの直径が約１０ｍｍとなるように、光ファイバ９１ａの出射端とシリンドリカルレンズ３５との距離を調整している。また、測定対象物２の表面において、長さ１０ｍｍ、幅０．３ｍｍ〜０．５ｍｍのラインフォーカスビームＬ１が照射されるように、シリンドリカルレンズ３５の特性、及びシリンドリカルレンズ３５と測定対象物２との距離等を設計している。
【００２７】
また、シリンドリカルレンズ３５の回転機構により、シリンドリカルレンズ３５の長手方向の軸は、測定対象物２の表面に平行な平面内において任意の方向を向くことができる。この回転機構は、例えばコンピュータ７０により制御される。
【００２８】
ラインフォーカスビームＬ１を測定対象物２の表面に照射すると、測定対象物２の表面に対して所定の角度φで斜めに進行する超音波を発生させることができる。このとき、横波超音波と縦波超音波が同時に発生し、横波超音波と縦波超音波とでは、その進行方向角度φが異なる。本実施形態では、主として、超音波のうち横波だけ考えることにする。再結晶率と結晶粒アスペクト比を求めるには、横波についての情報だけを得れば十分だからである。
【００２９】
具体的に、ラインフォーカスビームＬ１を、そのラインの向きが測定対象物２の幅方向に平行となるようにして測定対象物２の表面に照射すると、圧延方向偏波横波が発生し、一方、ラインフォーカスビームＬ１を、そのラインの向きが測定対象物２の圧延方向に平行となるようにして測定対象物２の表面に照射すると、幅方向偏波横波が発生する。
【００３０】
尚、点状のレーザビームを測定対象物２の表面に照射すると、測定対象物２の表面に対していろいろな方向に進行する超音波が発生する。当然、それらの超音波には、圧延方向偏波横波、幅方向偏波横波が含まれているが、その強度は小さいので、圧延方向偏波横波と幅方向偏波横波を正確に検出することは困難である。このため、本実施形態では、ラインフォーカスビームＬ１を用い、そのラインの向きを変えることにより、圧延方向偏波横波と幅方向偏波横波をそれぞれ独立に発生させることにしている。
【００３１】
ビーム取得部４１は、圧延方向偏波横波及び幅方向偏波横波の各超音波について、当該超音波が測定対象物２の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（検出点位置）に、超音波検出用レーザ２０から発せられた第二レーザビームＬ２を導くと共に、測定対象物２の表面で反射した第二レーザビームＬ２を取得するものである。このビーム取得部４１は、集光レンズ４５ａ，４５ｂと、ハーフミラー４６とを有する。また、ビーム取得部４１は、一体的に構成されており、圧延方向及び幅方向に沿って移動することができる。
【００３２】
光ファイバ９１ｂによりビーム取得部４１に導かれた第二レーザビームＬ２は、集光レンズ４５ａで集光され、ハーフミラー４６を透過した後、測定対象物２上の検出点位置に照射される。ここで、測定対象物２の内部を伝播する横波超音波の進行方向角度φは予め分かっているので、その横波超音波の検出点位置も容易に知ることができる。ビーム取得部４１は、その検出点位置に、集光レンズ４５ａによって集光された第二レーザビームＬ２を導く。
【００３３】
また、本実施形態では、ビーム取得部４１は、ラインフォーカスビームＬ１の略中心点を通りそのラインに直交する平面と測定対象物２の表面とが交わる直線上に、第二レーザビームＬ２を導くことにしている。すなわち、当該直線上の所定位置が検出点位置となる。例えば、ラインフォーカスビームＬ１の端点では、点状のレーザビームを照射した場合と同じ状況になり、超音波がいろいろな方向に発生する。このため、ラインフォーカスビームＬ１の端点を通りそのラインに直交する平面と測定対象物２の表面とが交わる直線上には、いろいろな方向に発生した超音波が戻ってくるので、所定方向に偏波した横波を正確に検出することができない。これに対し、ラインフォーカスビームＬ１の略中心点では、所定方向に偏波した横波だけが発生するので、ラインフォーカスビームＬ１の略中心点を通りそのラインに直交する平面と測定対象物２の表面とが交わる直線上の所定位置を検出点位置とすることにより、所定方向に偏波した横波を正確に検出することができる。
【００３４】
測定対象物２の表面は粗面であるため、第二レーザビームＬ２は測定対象物２の表面においてほぼ等方的に散乱される。このとき、当該検出点位置に、測定対象物２の内部を伝播してきた超音波が戻ってくると、当該検出点位置が超音波振動をする。これにより、測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２は、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化する。
【００３５】
測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２のうち、その一部は、ハーフミラー４６で反射され、集光レンズ４５ｂで集光された後、光ファイバ９１ｃに入射する。この光ファイバ９１ｃは、かかる第二レーザビームＬ２を干渉計５０に導くものである。光ファイバ９１ｃから出射した第二レーザビームＬ２は、集光レンズ９２で集光された後、干渉計５０に入射する。
【００３６】
干渉計５０としては、例えばファブリ・ペロー干渉計が用いられる。このファブリ・ペロー干渉計５０は、超音波振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を検出するものであり、互いに対向する二つの反射ミラーを有する。この二つの反射ミラーは共振器を構成し、第二レーザビームＬ２を二つの反射ミラーの間で多重反射させることによりバンドパスフィルタとして機能する。二つの反射ミラー間の距離を調節することにより、この共振器を透過する光の周波数を調節することができる。
【００３７】
ここで、ファブリ・ペロー干渉計５０における共振曲線について説明する。図５はこの共振曲線の一例を示す図である。図５において、横軸は入射する光の周波数ｆを、縦軸はファブリ・ペロー干渉計５０からの出力、すなわちファブリ・ペロー干渉計５０を透過する光の強度Ｉを示している。図５から分かるように、透過光強度Ｉは、特定の周波数において急峻なピークを示すが、ピークの前後では速やかに低下する。このピークを示す周波数は、ファブリ・ペロー干渉計５０の反射ミラー間の距離を調節することによって変えることができる。そこで、図５に示す曲線の傾きが最大となる点（共振曲線動作点）Ａにおける周波数が、ちょうど第二レーザビームＬ２の発振周波数と一致するように反射ミラー間の距離が調節されていれば、周波数のわずかな変化±Δｆを、相対的に大きな透過光強度の変化±ΔＩに変換することができる。これにより、ファブリ・ペロー干渉計５０は、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化した第二レーザビームＬ２が入力したときに、その周波数の変化を透過光強度の変化として出力する。
【００３８】
ファブリ・ペロー干渉計５０から出力された透過光強度は、光検出器６０に送られる。光検出器６０は、透過光強度を電気信号に変換するものである。これにより、超音波振動は、最終的に電気的な信号として捉えられる。光検出器６０からの信号は、コンピュータ７０に送られ、波形データとして記録される。
【００３９】
コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波及び幅方向偏波横波の各横波超音波について、第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データに基づいて、当該横波超音波が測定対象物２の内部を伝播し、その底面で反射して再び表面に戻ってくるまでの伝播時間を求める。超音波発生用レーザ１０からレーザビームが発せられたタイミングと、ラインフォーカスビームＬ１が測定対象物２に照射するタイミングとは予め分かっている。このため、コンピュータ７０は、光検出器６０から送られた波形データに基づいて、周波数変化を検出したタイミングを調べることにより、横波超音波の伝播時間を求めることができる。
【００４０】
また、コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波の伝播時間に基づいてその圧延方向偏波横波の音速ＶＳ１を算出すると共に、幅方向偏波横波の伝播時間に基づいてその幅方向偏波横波の音速ＶＳ２を算出する。そして、その算出した圧延方向偏波横波の音速ＶＳ１及び幅方向偏波横波の音速ＶＳ２を用いて、音速パラメータα＝（ＶＳ１−ＶＳ２）／｛（ＶＳ１＋ＶＳ２）／２｝を求める。すなわち、コンピュータ７０は、本発明の音速パラメータ算出手段としての役割を果たす。
【００４１】
コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波及び幅方向偏波横波の各横波超音波について、第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データに基づいて、当該横波超音波の波形振幅の二乗積分値を算出する。そして、圧延方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値ＡＳ１と幅方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値ＡＳ２とを用いて、減衰率パラメータβ＝（ＡＳ１−ＡＳ２）／｛（ＡＳ１＋ＡＳ２）／２｝を求める。すなわち、コンピュータ７０は、本発明の減衰率パラメータ算出手段としての役割を果たす。
【００４２】
コンピュータ７０の記憶部には、（１）式に示すような、各鋼種について再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び音速パラメータαの関係を示す第一のデータと、（２）式に示すような、各鋼種について再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び減衰率パラメータβとの関係を示す第二のデータとが記憶されている。コンピュータ７０は、その求めた音速パラメータαと減衰率パラメータβとを用いて、記憶部に記憶された当該測定対象物２と同じ鋼種についての第一のデータ及び第二のデータに基づいて当該測定対象物２の再結晶率ｘと結晶粒アスペクト比ｙとを求める。
【００４３】
具体的には、次のようにして再結晶率ｘと結晶粒アスペクト比ｙを求める。音速パラメータαと減衰率パラメータβはそれぞれ、
α＝（ａ３ｘ３＋ａ２ｘ２＋ａ１ｘ）＋（ｂ１ｙ＋ｂ０）・・・ （１）式
β＝（ｃ３ｘ３＋ｃ２ｘ２＋ｃ１ｘ）＋（ｄ１ｙ＋ｄ０）・・・ （２）式
で与えられる。まず、（２）式を、ｙについて解いて、
ｙ＝β−（ｃ３ｘ３＋ｃ２ｘ２＋ｃ１）−ｄ０≡ｆ（ｘ，β）・・・ （３）式
と表し、これを（１）式に代入する。これにより、
（ａ３ｘ３＋ａ２ｘ２＋ａ１ｘ）＋ｂ１×ｆ（ｘ，β）＋ｂ０−α＝０・・・ （４）式
が得られる。これをｘについて解くことにより、再結晶率ｘを求めることができる。このとき、例えばニュートン法などの関数のゼロ値を求める一般的な手法を使用すればよい。こうして求めた再結晶率ｘを、（３）式のｙ＝ｆ（ｘ，β）に代入することにより、結晶率アスペクト比ｙを求めることができる。
【００４４】
ユーザは予め、各鋼種について再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び音速パラメータαの関係を示す第一のデータ、すなわち（１）式の方程式に現れる各定数ａ３，ａ２，ａ１，ｂ１，ｂ０と、各鋼種について再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び減衰率パラメータβの関係を示す第二のデータ、すなわち（２）式の方程式に現れる各定数ｃ３，ｃ２，ｃ１，ｄ１，ｄ０とを求めておく必要がある。これらのデータを得るには、まず、各鋼種について、複数の第一サンプル（厚板）と複数の第二サンプル（厚板）とを用意する。ここで、第一サンプル及び第二サンプルとしては、厚さが約５ｍｍであるものを用いる。そして、第一サンプルとしては、再結晶率ｘが略同じ、例えば０％であるような厚板を用い、第二サンプルとしては、結晶粒アスペクト比ｙが略同じ、例えば２〜３であるような厚板を用いる。
【００４５】
ユーザは、複数の第一サンプルについては、結晶粒アスペクト比ｙ、音速パラメータα、減衰パラメータβを個別に求める。具体的には、結晶粒アスペクト比ｙは、当該第一サンプルをその長手方向に垂直な平面で切断したときの断面を顕微鏡で観察して、結晶粒のサイズを実測することにより、求められる。一方、音速パラメータαと減衰率パラメータβは、例えば本実施形態の装置を用いることにより求められる。こうして求めた、複数の第一サンプルについての結晶粒アスペクト比ｙと音速パラメータαをグラフで表すと、図３（ａ）に示すようなグラフが得られる。また、複数の第一サンプルについての結晶粒アスペクト比ｙと減衰率パラメータβをグラフで表すと、図３（ｂ）に示すようなグラフが得られる。
【００４６】
また、ユーザは、複数の第二サンプルについては、再結晶率ｘ、音速パラメータα、減衰パラメータβを個別に求める。具体的には、再結晶率ｘは、当該第二サンプルをその長手方向に垂直な平面で切断したときの断面を顕微鏡で観察して、ある領域において再結晶粒の占める割合を実測することにより、求められる。一方、音速パラメータαと減衰率パラメータβは、例えば本実施形態の装置を用いることにより求められる。こうして求めた、複数の第二サンプルについての再結晶率ｘと音速パラメータαをグラフで表すと、図４（ａ）に示すようなグラフが得られる。また、複数の第二サンプルについての再結晶率ｘと減衰率パラメータβをグラフで表すと、図４（ｂ）に示すようなグラフが得られる。
【００４７】
次に、これら四つのグラフについて、プロットした各点を繋ぐ近似曲線を求める。図３（ａ）に示すような結晶粒アスペクト比ｙと音速パラメータαとの関係を示すグラフの近似曲線（一次関数）、図４（ａ）に示すような再結晶率ｘと音速パラメータαとの関係を示すグラフの近似曲線（三次関数）、及びあるサンプルについての再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ、音速パラメータαの一組の値を用いて、上記の（１）式における各定数ａ３，ａ２，ａ１，ｂ１，ｂ０を決定することができる。また、図３（ｂ）に示すような結晶粒アスペクト比ｙと減衰率パラメータβとの関係を示すグラフの近似曲線（一次関数）、図４（ｂ）に示すような再結晶率ｘと減衰率パラメータβとの関係を示すグラフの近似曲線（三次関数）、及びあるサンプルについての再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ、減衰率パラメータβの一組の値を用いて、上記の（２）式における各定数ｃ３，ｃ２，ｃ１，ｄ１，ｄ０を決定することができる。
【００４８】
尚、一般に、再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び音速パラメータαの関係と、再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び減衰率パラメータβの関係はそれぞれ、鋼種毎に異なるので、かかる関係を鋼種毎に求めることにしている。
【００４９】
ところで、サンプルの音速パラメータαや減衰率パラメータβを求める場合には、図１に示す装置の代わりに、図６に示すような装置を用いることが望ましい。図６は本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置の変形例を説明するための図である。図６に示す再結晶率・アスペクト比測定装置は、超音波発生用レーザ１０と、超音波検出用レーザ２０と、超音波発生部３１ａと、ビーム取得部４１ａと、干渉計５０と、光検出器６０と、コンピュータ７０と、回転ステージ１００とを備える。尚、図６の再結晶率・アスペクト比測定装置において、図１の装置と同一の機能を有するものには、同一の符号を付すことにより、その詳細な説明を省略する。
【００５０】
図６の再結晶率・アスペクト比測定装置が図１に示す装置と異なる点は、主に二つある。第一は、回転ステージ１００に測定対象物２を載置し、回転ステージ１００を回転させることによりラインフォーカスビームＬ１のラインの向きを変える点である。すなわち、超音波発生部３１ａはシリンドリカルレンズ３５の回転機構を有していない。第二は、超音波発生部３１ａとビーム取得部４１ａとを別個に構成し、ビーム取得部４１ａを測定対象物２を介して超音波発生部３１ａと反対側に配置した点である。すなわち、ビーム取得部４１ａは、圧延方向偏波横波及び幅方向偏波横波の各超音波について、当該横波超音波が到達する測定対象物２の底面の位置に、第二レーザビームＬ２を導くと共に、測定対象物２の底面で反射した第二レーザビームＬ２を取得する。その他の構成は、図１の再結晶率・アスペクト比測定装置と略同様である。
【００５１】
図６の再結晶率・アスペクト比測定装置は、その構成が簡易であり、特に、サイズのそれ程大きくない測定対象物２に対する測定を行う場合に適している。したがって、上述したサンプルについてその音速パラメータαや減衰率パラメータβを求める場合に好適である。但し、この装置は、測定対象物２を回転ステージ１００に載置するので、熱間オンラインでの測定を行う場合に用いることはできない。
【００５２】
次に、本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置において、測定対象物２の再結晶率ｘと結晶粒アスペクト比ｙを測定する手順について説明する。図７はその再結晶率・アスペクト比測定装置において測定対象物２の再結晶率ｘと結晶粒アスペクト比ｙを測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【００５３】
まず、コンピュータ７０は、シリンドリカルレンズ３５の長手方向が幅方向となるように、シリンドリカルレンズ３５の回転機構を制御する（Ｓ１）。その後、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発すると共に、超音波検出用レーザ２０から第二レーザビームＬ２を発する。超音波発生用レーザ１０からのレーザビームは、シリンドリカルレンズ３５でライン状に集光され、ラインフォーカスビームＬ１として測定対象物２の表面に照射される。このとき、ラインフォーカスビームＬ１のラインの向きは測定対象物２の幅方向に平行であるので、測定対象物２の内部には圧延方向偏波横波が発生する。測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２がファブリ・ペロー干渉計５０に入射することにより、ファブリ・ペロー干渉計５０は、圧延方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を検出する。そして、コンピュータ７０は、その第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データを取得し、所定のメモリに記憶する（Ｓ２）。
【００５４】
次に、コンピュータ７０は、シリンドリカルレンズ３５の長手方向が圧延方向となるように、シリンドリカルレンズ３５の回転機構を制御する（Ｓ３）。その後、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発すると共に、超音波検出用レーザ２０から第二レーザビームＬ２を発する。このとき、シリンドリカルレンズ３５で集光されたラインフォーカスビームＬ１のラインの向きは測定対象物２の圧延方向に平行であるので、測定対象物２の内部には幅方向偏波横波が発生する。測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２がファブリ・ペロー干渉計５０に入射することにより、ファブリ・ペロー干渉計５０は、幅方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を検出する。そして、コンピュータ７０は、その第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データを取得し、所定のメモリに記憶する（Ｓ４）。
【００５５】
次に、コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データに基づいて、圧延方向変位横波の伝播時間を求めると共に、幅方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データに基づいて、幅方向変位横波の伝播時間を求める（Ｓ５）。その後、コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波の伝播時間に基づいて圧延方向偏波横波の音速ＶＳ１を算出すると共に、幅方向偏波横波の伝播時間に基づいて幅方向偏波横波の音速ＶＳ２を算出する（Ｓ６）。そして、圧延方向偏波横波の音速ＶＳ１と幅方向偏波横波の音速ＶＳ２とを用いて、音速パラメータαを求める（Ｓ７）。
【００５６】
また、コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データに基づいて、圧延方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値ＡＳ１を算出すると共に、幅方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データに基づいて、幅方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値ＡＳ２を算出する（Ｓ８）。そして、圧延方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値ＡＳ１と幅方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値ＡＳ２とを用いて、減衰率パラメータβを求める（Ｓ９）。
【００５７】
次に、コンピュータ７０は、記憶部に記憶された測定対象物２と同じ鋼種についての再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び音速パラメータαの関係を示す第一のデータ、当該鋼種についての再結晶率ｘ、結晶粒アスペクト比ｙ及び減衰率パラメータβの関係を示す第二のデータを利用し、当該測定対象物２の音速パラメータα及び減衰率パラメータβから当該測定対象物２の再結晶率ｘ及び結晶粒アスペクト比ｙを求める（Ｓ１０）。こうして得られた測定対象物２の再結晶率ｘ及び結晶粒アスペクト比ｙは、例えば、コンピュータ７０の画面に表示される。
【００５８】
本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置では、レーザ超音波法を用いることにより、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する横波超音波を発生させ、圧延方向偏波横波、幅方向偏波横波の各々について、当該横波超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームの周波数変化を表す波形データを取得し、その波形データに基づいて当該横波超音波の音速、波形振幅の二乗積分値を算出する。そして、圧延方向偏波横波の音速と幅方向偏波横波の音速とを用いて測定対象物についての音速パラメータを求めると共に、圧延方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値と幅方向偏波横波の波形振幅の二乗積分値とを用いて測定対象物についての減衰率パラメータを求める。その求めた音速パラメータと減衰率パラメータとを用い、コンピュータの記憶部に記憶された測定対象物と同じ鋼種についての第一のデータ及び第二のデータに基づいて測定対象物についての再結晶率と結晶粒アスペクト比を得る。したがって、本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置を用いると、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比を求めることができる。このため、かかる再結晶率と結晶率アスペクト比についての情報を、例えば次工程の圧延条件へフィードフォワードすることにより、組織微細の鋼材を効率的・安定的に製造できるようになり、また、高精度な鋼材の製造技術による材質ばらつきの低減にも貢献することができる。
【００５９】
尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
【００６０】
例えば、上記の実施形態では、ラインフォーカスビームを測定対象物の表面に照射することにより、測定対象物の内部に横波を発生させ、その発生させた横波を検出する場合について説明したが、横波と同時に縦波が発生するので、その縦波が測定対象物の底面で横波にモード変換する成分であるモード変換横波を検出するようにしてもよい。但し、この場合は、測定対象物の底面でモード変換しなかった反射縦波をも検出する必要がある。
【００６１】
また、上記の実施形態では、測定対象物として、熱間プロセスで製造される厚板を用いた場合について説明したが、本発明の再結晶率・アスペクト比測定装置は、かかる厚板以外のどのような金属に対しても適用することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の再結晶率・アスペクト比測定装置では、レーザ超音波法を用いることにより、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する横波超音波を発生させ、圧延方向に偏波した第一の横波超音波、幅方向に偏波した第二の横波超音波の各々について、当該横波超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームの周波数変化を表す波形データを取得し、その波形データに基づいて当該横波超音波の音速、波形振幅の二乗積分値を算出する。そして、第一の横波超音波の音速と第二の横波超音波の音速とを用いて測定対象物についての音速パラメータを求めると共に、第一の横波超音波の波形振幅二乗積分値と第二の横波超音波の波形振幅二乗積分値とを用いて測定対象物についての減衰率パラメータを求める。その求めた音速パラメータと減衰率パラメータとを用い、記憶手段に記憶された第一のデータ及び第二のデータに基づいて測定対象物についての再結晶率と結晶率アスペクト比を得る。したがって、本発明の再結晶率・アスペクト比測定装置を用いると、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比を求めることができる。
【００６３】
また、本発明の再結晶率・アスペクト比測定方法によれば、上記と同様に、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である再結晶率・アスペクト比測定装置の概略構成図である。
【図２】その再結晶率・アスペクト比測定装置におけるヘッド部の概略構成図である。
【図３】（ａ）はある鋼種についての結晶粒アスペクト比と音速パラメータとの関係を示すグラフ、（ｂ）はその鋼種についての結晶粒アスペクト比と減衰率パラメータとの関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）はその鋼種についての再結晶率と音速パラメータとの関係を示すグラフ、（ｂ）はその鋼種についての再結晶率と減衰率パラメータとの関係を示すグラフである。
【図５】本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置におけるファブリ・ペロー干渉計の共振曲線の一例を示す図である。
【図６】本実施形態の再結晶率・アスペクト比測定装置の変形例を説明するための図である。
【図７】再結晶率・アスペクト比測定装置において測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比を測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
２…測定対象物
１０…超音波発生用レーザ
２０…超音波検出用レーザ
３０…ヘッド部
３１，３１ａ…超音波発生部
３５…シリンドリカルレンズ
４１，４１ａ…ビーム取得部
４５ａ，４５ｂ…集光レンズ
４６…ハーフミラー
５０…干渉計
６０…光検出器
７０…コンピュータ
９１ａ，９１ｂ，９１ｃ…光ファイバ
９２…集光レンズ
１００…回転ステージ
Claims (6)
- 板状の測定対象物についての再結晶率及び結晶粒アスペクト比を測定する再結晶率・アスペクト比測定装置であって、
各鋼種について再結晶率、結晶粒アスペクト比及び横波音速の異方性を表す音速パラメータの関係を示す第一のデータと、各鋼種について再結晶率、結晶粒アスペクト比及び横波音速の減衰率の異方性を表す減衰率パラメータの関係を示す第二のデータとを記憶する記憶手段と、
第一レーザビームを前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に横波超音波を発生させる超音波発生手段と、
前記測定対象物の内部に発生した、前記測定対象物の長手方向に偏波した第一の横波超音波、前記測定対象物の幅方向に偏波した第二の横波超音波の各々について、当該横波超音波が到達する前記測定対象物の所定位置に第二レーザビームを導くと共に、前記測定対象物で反射した前記第二レーザビームを取得するビーム取得手段と、
前記ビーム取得手段で取得された前記第二レーザビームに基づいて、当該横波超音波の振動に起因して生じる前記第二レーザビームの周波数の変化を検出する周波数変化検出手段と、
前記第一の横波超音波及び前記第二の横波超音波の各々について、前記周波数変化検出手段で検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該横波超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求め、その求めた伝播時間に基づいて当該横波超音波の音速を算出し、且つ、前記第一の横波超音波の音速と前記第二の横波超音波の音速とを用いて前記測定対象物についての音速パラメータを求める音速パラメータ算出手段と、
前記第一の横波超音波及び前記第二の横波超音波の各々について、前記周波数変化検出手段で検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該横波超音波の波形振幅の二乗積分値を算出し、且つ、前記第一の横波超音波の波形振幅の二乗積分値と前記第二の横波超音波の波形振幅の二乗積分値とを用いて前記測定対象物についての減衰率パラメータを求める減衰率パラメータ算出手段と、
前記音速パラメータ算出手段で求めた音速パラメータと前記減衰率パラメータ算出手段で求めた減衰率パラメータとを用い、前記記憶手段に記憶された前記測定対象物と同じ鋼種についての前記第一のデータ及び前記第二のデータに基づいて前記測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比とを求める演算手段と、
を具備することを特徴とする再結晶率・アスペクト比測定装置。 - 前記第一レーザビームはライン状のものであり、且つ、前記超音波発生手段は、前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の幅方向となるようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に前記第一の横波超音波を発生させると共に、前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の長手方向となるようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に前記第二の横波超音波を発生させることを特徴とする請求項１記載の再結晶率・アスペクト比測定装置。
- 前記ビーム取得手段は、前記第一レーザビームのラインの中心点を通りそのラインに直交する平面と前記測定対象物の表面又は底面とが交わる直線上に、前記第二レーザビームを導くことを特徴とする請求項１又は２記載の再結晶率・アスペクト比測定装置。
- 板状の測定対象物についての再結晶率及び結晶粒アスペクト比を測定する再結晶率・アスペクト比測定方法であって、
第一レーザビームを前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に横波超音波を発生させる第一ステップと、
前記測定対象物の内部に発生した、前記測定対象物の長手方向に偏波した第一の横波超音波、前記測定対象物の幅方向に偏波した第二の横波超音波の各々について、当該横波超音波が到達する前記測定対象物の所定位置に第二レーザビームを導くと共に、前記測定対象物で反射した前記第二レーザビームを取得する第二ステップと、
前記第二ステップで取得された前記第二レーザビームに基づいて、当該横波超音波の振動に起因して生じる前記第二レーザビームの周波数の変化を検出する第三ステップと、
前記第三ステップで検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該横波超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める第四ステップと、
前記第四ステップで求めた伝播時間に基づいて当該横波超音波の音速を算出する第五ステップと、
前記第五ステップで得られた前記第一の横波超音波の音速と前記第二の横波超音波の音速とを用いて前記測定対象物についての横波音速の異方性を表す音速パラメータを求める第六ステップと、
前記第三ステップで検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該横波超音波の波形振幅の二乗積分値を算出する第七ステップと、
前記第七ステップで得られた前記第一の横波超音波の波形振幅の二乗積分値と前記第二の横波超音波の波形振幅の二乗積分値とを用いて前記測定対象物についての横波音速の減衰率の異方性を表す減衰率パラメータを求める第八ステップと、
各鋼種について再結晶率、結晶粒アスペクト比及び音速パラメータの関係を示す第一のデータと、各鋼種について再結晶率、結晶粒アスペクト比及び減衰率パラメータの関係を示す第二のデータとが予め求められており、前記測定対象物と同じ鋼種についての前記第一のデータ及び前記第二のデータに基づいて、前記第六ステップで求めた音速パラメータと前記第八ステップで求めた減衰率パラメータとを用いて前記測定対象物の再結晶率と結晶粒アスペクト比とを求める第九ステップと、
を具備することを特徴とする再結晶率・アスペクト比測定方法。 - 前記第一レーザビームはライン状のものであり、且つ、前記第一ステップでは、前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の幅方向となるようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に前記第一の横波超音波を発生させると共に、前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の長手方向となるようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、前記測定対象物の内部に前記第二の横波超音波を発生させることを特徴とする請求項４記載の再結晶率・アスペクト比測定方法。
- 前記第二ステップでは、前記第一レーザビームのラインの中心点を通りそのラインに直交する平面と前記測定対象物の表面又は底面とが交わる直線上に、前記第二レーザビームを導くことを特徴とする請求項４又は５記載の再結晶率・アスペクト比測定方法。
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|---|---|---|---|---|
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- 2003-04-30 JP JP2003125854A patent/JP2004333174A/ja not_active Withdrawn
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