JP2015068639A

JP2015068639A - 超音波探傷方法及び超音波探傷装置

Info

Publication number: JP2015068639A
Application number: JP2013199875A
Authority: JP
Inventors: 穣松井; Minoru Matsui
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2015-04-13
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: JP5874703B2

Abstract

【課題】鋳片表面の凹凸と横割れとを分離し、過検出なく横割れのみを検出すること。
【解決手段】超音波探傷装置１は、第１の側面ＳＳ１から鋼材Ｓの内部に向けて超音波信号を３波以上の連続波として送信し、第２の側面ＳＳ２で鋼材Ｓを伝播してきた超音波信号を受信し、受信した超音波信号を増幅し、ローパスフィルターを用いて送信した超音波信号の基本周波数及び高調波成分を遮断して分周波成分のみを通過させ、分周波成分に基づいて横割れを検出する。これにより、表面凹凸と横割れとを分離し、過検出なく横割れのみを検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、連続鋳造プロセスにおいて超音波を利用して鋼材のコーナー部に存在する横割れを非接触で検出する超音波探傷方法及び超音波探傷装置に関する。

厚板や薄鋼板等の鋼材を製造する主要なプロセスの一つである連続鋳造プロセスにおいては、鋳片を垂直方向から水平方向に曲げる時や鋳片の曲げを矯正する時に鋳片表面に横割れ（鋳片の幅方向に伸びる割れ）やかぎ割れといった表面割れが発生しやすく、表面性状のよい鋳片を製造することが困難である。また、表面割れは、鋳型内での鋳片の不均一凝固や二次冷却帯におけるスプレー冷却の不均一に起因するものや、二次冷却帯ガイドロールのロールアライメントの不整に起因するもの等、様々な要因によって発生し得る。このような背景から、鋳片の成分系等を制御することによって鋳片に表面割れが発生することを抑制する技術が提案されている（特許文献１参照）。

一方、鋳片の成分系等を制御することによって鋳片に表面割れが発生することを抑制するといった抜本的な対策は重要であるが、表面割れが発生してしまった鋳片を他の健全な鋳片と区別して適切な処理を施すことも重要である。そこで、連続鋳造プロセスにおいて鋳片に発生した表面割れを検出する技術も提案されている。具体的には、特許文献２には、連続鋳造プロセスにおいて渦流センサを利用して鋳片のコーナー部に発生した横割れを非接触で検出する技術が提案されている。

特開２０００−２５６７９５号公報特開２００７−１１４１３７号公報

しかしながら、渦流の浸透深さは最大で０．３ｍｍ程度であるのに対して、鋳片表面に存在するオシレーションマークと呼ばれる表面凹凸の深さは約１〜１．５ｍｍ程度もある。このため、特許文献２記載の技術によれば、鋳片表面の凹凸を横割れとして誤検出してしまう可能性がある。このため、鋳片表面の凹凸と横割れとを分離し、過検出なく横割れのみを検出可能な技術の提供が期待されていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、鋳片表面の凹凸と横割れとを分離し、過検出なく横割れのみを検出可能な超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供することにある。

本発明に係る超音波探傷方法は、連続鋳造プロセスにおいて超音波を利用して鋼材の第１の側面と第２の側面とが交わるコーナー部に発生した横割れを非接触で検出する超音波探傷方法であって、前記第１の側面から鋼材の内部に向けて超音波を３波以上の連続波として送信する送信ステップと、前記第２の側面で鋼材を伝播してきた超音波を受信し、受信した超音波を増幅し、ローパスフィルターを用いて送信した超音波の基本周波数及び高調波成分を遮断して分周波成分のみを通過させ、該分周波成分に基づいて横割れを検出する検出ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る超音波探傷方法は、上記発明において、前記送信ステップにおいて送信する超音波は横波であり、第１の側面に対する該超音波の入射角度は７０°から９０°の範囲内にあり、前記検出ステップにおいて受信する超音波の第２の側面に対する角度は７０°から９０°の範囲内にあることを特徴とする。

本発明に係る超音波探傷方法は、上記発明において、前記送信ステップは、超音波が鋼材を伝播する方向に対して平行な軸線上に超音波を送信する電磁超音波プローブを所定の間隔をあけて複数配置し、複数の電磁超音波プローブが超音波を送信するタイミングを前記間隔及び超音波の伝播速度に基づいて制御して超音波を送信するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る超音波探傷方法は、上記発明において、前記検出ステップは、超音波が鋼材を伝播する方向に対して平行な軸線上に鋼材を伝播してきた超音波を受信する電磁超音波プローブを所定の間隔をあけて複数配置し、前記間隔及び超音波の伝播速度に基づいて計算した遅延時間に従って受信した超音波信号に遅延をかけることによって伝播時間のタイミングを揃えた複数の超音波信号を合成するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る超音波探傷装置は、連続鋳造プロセスにおいて超音波を利用して鋼材の第１の側面と第２の側面とが交わるコーナー部に発生した横割れを非接触で検出する超音波探傷装置であって、前記第１の側面から鋼材の内部に向けて超音波を３波以上の連続波として送信する送信手段と、前記第２の側面で鋼材を伝播してきた超音波を受信し、受信した超音波を増幅し、ローパスフィルターを用いて送信した超音波の基本周波数及び高調波成分を遮断して分周波成分のみを通過させ、該分周波成分に基づいて横割れを検出する検出手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る超音波探傷方法及び超音波探傷装置によれば、鋳片表面の凹凸と横割れとを分離し、過検出なく横割れのみを検出することができる。

図１は、本発明の一実施形態である超音波探傷装置の全体構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す電磁超音波送信部及び電磁超音波受信部の構成を示す模式図である。図３は、４つの電磁超音波プローブで構成した場合の電磁超音波送信部の構成を示す図である。図４は、４つの電磁超音波プローブで構成した場合の電磁超音波受信部の構成を示す図である。図５は、表面凹凸で反射したバースト波の形状を示す模式図である。図６は、横割れで反射したバースト波の形状を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である超音波探傷装置の構成及びその動作について説明する。

〔超音波探傷装置の全体構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である超音波探傷装置の全体構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である超音波探傷装置の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である超音波探傷装置１は、信号発生部２、信号送信部３、電磁超音波送信部４、電磁超音波受信部５、受信信号増幅部６、フィルター部７、Ａ／Ｄ変換部８、及び評価部９を備えている。信号発生部２、信号送信部３、及び電磁超音波送信部４は本発明に係る送信手段として機能し、電磁超音波受信部５、受信信号増幅部６、フィルター部７、Ａ／Ｄ変換部８、及び評価部９は本発明に係る検出手段として機能する。

信号発生部２は、鋼材Ｓに送信する超音波信号の波形を信号送信部３に送信する装置である。

信号送信部３は、信号発生部２から送信された超音波信号を増幅して電磁超音波送信部４に送信する装置である。

電磁超音波送信部４は、鋼材Ｓの第１の側面ＳＳ１に設置されている。電磁超音波送信部４は、信号送信部３から送信された超音波信号を鋼材Ｓの内部に向けて送信する装置である。なお、電磁超音波送信部４は、第１の側面ＳＳ１に対して可能な限り垂直に超音波信号を送信することが望ましく、超音波信号の入射角度は第１の側面ＳＳ１に対し７０°から９０°の範囲内とすることが望ましい。また、超音波信号は横波（ＳＶ波）であることが望ましい。

電磁超音波受信部５は、鋼材Ｓの第２の側面ＳＳ２に設置されている。電磁超音波受信部５は、鋼材Ｓの内部を伝播してきた超音波信号を受信する装置である。鋼材Ｓの内部を伝播してきた超音波信号の中には、第１の側面ＳＳ１と第２の側面ＳＳ２とが交わる鋼材Ｓのコーナー部に発生した横割れ（コーナー割れ）Ｃで反射された、ある指向性をもって伝播する超音波信号も含まれている。なお、電磁超音波受信部５は、第２の側面ＳＳ２に対する角度が７０°から９０°の範囲内にある超音波信号を受信することが望ましい。

受信信号増幅部６は、電磁超音波受信部５が受信した超音波信号を増幅してフィルター部７に送信する装置である。

フィルター部７は、受信信号増幅部６から送信された超音波信号に対して後述するフィルター処理を施した後、超音波信号をＡ／Ｄ変換部８に送信する装置である。

Ａ／Ｄ変換部８は、フィルター部７から送信された超音波信号をアナログ形態からデジタル形態に変換した後、デジタル形態の超音波信号を評価部９に送信する装置である。

評価部９は、Ａ／Ｄ変換部８から送信された超音波信号の波形に基づいてコーナー割れＣの有無を判定する装置である。

〔電磁超音波送信／受信部の構成〕
次に、図２，３を参照して、電磁超音波送信部４及び電磁超音波受信部５の構成について説明する。

一般に、超音波信号の送受信感度は低いために、リフトオフ（鋼材Ｓと電磁超音波送信部４及び電磁超音波受信部５との間の距離）を十分にとることはできない。このため、本実施形態では、図２に示すように、電磁超音波送信部４及び電磁超音波受信部５は、超音波信号が鋼材Ｓを伝播する方向に対して平行な軸線上に配置された複数（Ｎ個）の電磁超音波プローブ４_１〜Ｎ，５_１〜Ｎにより構成されている。

図３は、４つの電磁超音波プローブで構成された場合の電磁超音波送信部４の構成を示す図である。図３に示す電磁超音波送信部４の構成では、第１の電磁超音波プローブ４_１と第２の電磁超音波プローブ４_２とは間隔Ｐｄ１を空けて配置され、第２の電磁超音波プローブ４_２と第３の電磁超音波プローブ４_３とは間隔Ｐｄ２を空けて配置され、第３の電磁超音波プローブ４_３と第４の電磁超音波プローブ４_４とは間隔Ｐｄ３を空けて配置されている。電磁超音波プローブ間の間隔は全て同じとしても良いし、互いに異なっていても良い。以下では、電磁超音波プローブ間の間隔は全て同じとして説明する。

このような構成を有する電磁超音波送信部４では、始めに、第１の送信部１０_１と第１の電磁超音波プローブ４_１で励起されて伝播してきた超音波信号ＳＷ１と第２の送信部１０_２と第２の電磁超音波プローブ４_２で励起された超音波信号とが重ね合わされ、超音波信号の振動振幅は大きくなる。続いて、第３の送信部１０_３と第３の電磁超音波プローブ４_３、第４の送信部１０_４と第４の電磁超音波プローブ１０_４で前述と同様に伝播してきた超音波信号の振動振幅が重ね合わされ、より大きな振幅振動を有する超音波信号ＳＷ４が鋼材Ｓの内部へと伝播する。

ここで、第２の送信部１０_２、第３の送信部１０_３、及び第４の送信部１０_４を駆動させて各電磁超音波プローブを励起させるタイミングは、電磁超音波プローブの長さＳｄと各電磁超音波プローブの設置間隔、表層を伝播する超音波の音速Ｖｓから算出することができる。具体的には、第２の送信部１０_２の駆動タイミングを制御する第１の遅延回路１１_１の遅延時間量をｄ１、第３の送信部１０_３の駆動タイミングを制御する第２の遅延回路１１_２の遅延時間量をｄ２、第４の送信部１０_４の駆動タイミングを制御する第３の遅延回路１１_３の遅延時間量をｄ３とした場合、以下に示す数式（１）〜（３）を用いて各電磁超音波プローブを励起させるタイミングを計算することができる。

一方、鋼材Ｓの内部を透過してきた超音波信号は、図４に示すように、超音波信号が鋼材Ｓを伝播する方向に対して平行な軸線上に複数配置された電磁超音波プローブ５_１〜５_４及び受信部１２_１〜１２_４を用いて受信する。すなわち、電磁超音波プローブ５_１〜５_４によって鋼材Ｓの内部を伝播してきた超音波信号を受信し、受信部１２_１〜１２_４によって超音波信号を増幅する。

その後、電磁超音波プローブ５_１〜５_４の配置位置を考慮して遅延回路１３_１〜１３_３を利用して電磁超音波プローブ５_１〜５_４が受信した超音波信号ＲＷ１〜ＲＷ４の伝播時間のタイミングを揃える。そして、信号合成部１４が、伝播時間のタイミングが揃えられた各受信信号ＲＷ１〜ＲＷ４を加算処理する。このように、超音波信号の伝播時間のタイミングを揃えて加算処理することによって、位相が揃わないノイズ信号を相殺し、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。

〔表面凹凸とコーナー割れとを分離する方法〕
超音波探傷においては、表面凹凸が大きい場合、その表面凹凸からも反射波が生じ、コーナー割れからの反射波と同様に表面凹凸からの反射波も電磁超音波受信部５で受信され、それらがノイズとなる。例えば、連続鋳造鋳片の表面には、深さ約１〜１．５ｍｍ程度の表面凹凸が存在し、これらがノイズ源となる。そこで、本実施形態の超音波探傷装置１は、以下に示すようにして、表面凹凸に起因する超音波信号とコーナー割れに起因する超音波信号とを分離する。

すなわち、始めに、電磁超音波送信部４が、大振幅のバースト波（連続したｓｉｎ波）を送信する。バースト波の波数は３〜１０波程度が良い。一般に、バースト波は、表面凹凸で反射する場合、図５（ａ）に示すようにそのまま反射されるために、図５（ｂ）に示すように反射波Ｗ２の波形に歪みは見られない。これに対して、図６（ａ）に示すようにバースト波がコーナー割れに到達した場合には、バースト波によってコーナー割れが開口したり平衡したりするため、図６（ｂ）に示すように反射波Ｗ２は歪んだ形状で反射される。

このため、電磁超音波受信部５で横割れからの反射波を受信し、フィルター部７においてローパスフィルターを用いて送信した超音波信号の基本周波数及び高調波成分を遮断して分周波成分のみを通過させると、波形のゆがみ成分のみが抽出される。一方、表面凹凸による反射波は、歪みがない形状をした反射波（つまり送信周波数のみ）であるので、分周波成分のみを抽出するローパスフィルターを通過するとカットされる。従って、分周波成分の有無に基づいて表面凹凸と横割れとを分離し、過検出なく横割れのみを検出することができる。

なお、ローパスフィルターは急峻な遮断特性をもったフィルターが好ましく、例えば４次、６次といった高次のフィルターを用いることが良い。また、フィルター処理を実行すると、出力波形の振幅は小さくなるので、フィルター処理の後に信号を増幅することが望ましい。すなわち、電磁超音波受信部５が受信した超音波信号を受信信号増幅部６で増幅し、フィルター部７で送信した超音波信号の基本周波数及び高調波成分をカットした後、Ａ／Ｄ変換部８でＡ／Ｄ変換を行う前に超音波信号を増幅すると良い。また、Ａ／Ｄ変換の分解能が十分細かい（例えば１２〜１４ビット）場合には、Ａ／Ｄ変換後にデジタル的にフィルター処理を行っても良い。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である超音波探傷装置１は、第１の側面ＳＳ１から鋼材Ｓの内部に向けて超音波信号を３波以上の連続波として送信し、第２の側面ＳＳ２で鋼材Ｓを伝播してきた超音波信号を受信し、受信した超音波信号を増幅し、ローパスフィルターを用いて送信した超音波信号の基本周波数及び高調波成分を遮断して分周波成分のみを通過させ、分周波成分に基づいて横割れを検出する。これにより、表面凹凸と横割れとを分離し、過検出なく横割れのみを検出することができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１超音波探傷装置
２信号発生部
３信号送信部
４電磁超音波送信部
４_１〜Ｎ電磁超音波プローブ
５電磁超音波受信部
５_１〜Ｎ電磁超音波プローブ
６受信信号増幅部
７フィルター部
８Ａ／Ｄ変換部
９評価部
Ｃコーナー割れ
Ｓ鋼材
ＳＳ１第１の側面
ＳＳ２第２の側面

Claims

連続鋳造プロセスにおいて超音波を利用して鋼材の第１の側面と第２の側面とが交わるコーナー部に発生した横割れを非接触で検出する超音波探傷方法であって、
前記第１の側面から鋼材の内部に向けて超音波を３波以上の連続波として送信する送信ステップと、
前記第２の側面で鋼材を伝播してきた超音波を受信し、受信した超音波を増幅し、ローパスフィルターを用いて送信した超音波の基本周波数及び高調波成分を遮断して分周波成分のみを通過させ、該分周波成分に基づいて横割れを検出する検出ステップと、
を含むことを特徴とする超音波探傷方法。
前記送信ステップにおいて送信する超音波は横波であり、第１の側面に対する該超音波の入射角度は７０°から９０°の範囲内にあり、前記検出ステップにおいて受信する超音波の第２の側面に対する角度は７０°から９０°の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
前記送信ステップは、超音波が鋼材を伝播する方向に対して平行な軸線上に超音波を送信する電磁超音波プローブを所定の間隔をあけて複数配置し、複数の電磁超音波プローブが超音波を送信するタイミングを前記間隔及び超音波の伝播速度に基づいて制御して超音波を送信するステップを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波探傷方法。
前記検出ステップは、超音波が鋼材を伝播する方向に対して平行な軸線上に鋼材を伝播してきた超音波を受信する電磁超音波プローブを所定の間隔をあけて複数配置し、前記間隔及び超音波の伝播速度に基づいて計算した遅延時間に従って受信した超音波信号に遅延をかけることによって伝播時間のタイミングを揃えた複数の超音波信号を合成するステップを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のうち、いずれか１項に記載の超音波探傷方法。
連続鋳造プロセスにおいて超音波を利用して鋼材の第１の側面と第２の側面とが交わるコーナー部に発生した横割れを非接触で検出する超音波探傷装置であって、
前記第１の側面から鋼材の内部に向けて超音波を３波以上の連続波として送信する送信手段と、
前記第２の側面で鋼材を伝播してきた超音波を受信し、受信した超音波を増幅し、ローパスフィルターを用いて送信した超音波の基本周波数及び高調波成分を遮断して分周波成分のみを通過させ、該分周波成分に基づいて横割れを検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする超音波探傷装置。