JP2655258B2 - 溶融金属接触プローブ及びこの溶融金属接触プローブの使用方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、溶融金属を試験するための溶融金属接触プ
ローブ及びこの溶融金属接触プローブの使用方法に係
り、特に、アルミニウム、鋳込鉄のような第一鉄や鋼、
ニッケルコバルト、チタニウム、銅および合金のような
溶融金属（以下、金属溶融物という。）のバッチの質や
純度等を決定するための音響法によって金属溶融物のバ
ッチテストをすることができる溶融金属接触プローブお
よびこの溶融金属接触プローブの使用方法に関する。

（従来の技術とその課題） アルミニウム合金の溶融物中のオキシドおよび沈殿相
の存在を検査するため超音波法を使うことは従来から知
られている。

このことは、『ジャーナル・オブ・ザ・インスチチュ
ート・オブ・メタルズ』1959−60,88巻、121−127頁に
エヌ・デー・ジー・マウントフォードおよびアール・カ
ルバートによって発表されている。

この研究では、液体アルミニウム合金の質が実験さ
れ、かつ、包晶反応効果が平衡状態に関して測定できる
ことが立証された。改良されたい変換器を埋蔵した方法
が出現しており、定量測定電子高工学が濾過効果を記録
するのに成功している。

溶融金属の質の調査法を実施する上での基本的困難性
は、音発射プローブを溶融物中に入れる固液界面で生じ
ている。この場所では、音が固液界面を横切って伝送さ
れなければならない。そこで、音の反射またはエコーを
受信かつ分析するために音の反射が固液界面を横切って
受信プローブまで返送させなければならない。

アルミニウム金属を用いた従来の作業では、通常、発
信プローブと受信プローブとが分離したものが使用され
ている。その他の場合としては、単一プローブが溶融物
への超音波パルス発信用およびその反射受信用として両
用に使用されている。

固液界面による音波障害が充分に低減されなければ、
その障害が、例えば、溶融物中の異質物、不純物粒子、
エアポケットおよびキャビティから得られたいずれの反
射をも遮断しがちである。従って、反射信号から溶融物
成分を分析することは非現実的である。

上記界面の障害問題を減少させるには、試験する合金
と同一ベース金属を発信用プローブ用として使用すべき
ことが示唆されている。これにより液体および固体の媒
体におけるものに酷似した音速と密度を提供し、音響上
良好なインピーダンス整合を高める。

鋼溶融物の試験に用いられる鋼プローブの場合、音速
は5.8mm/秒、その密度は7,800kg/m³、音響インピーダン
ス（Zs）は45.24である。液体鋼の試験では、音速は5.2
mm/秒、その密度は略7,100kg/m³,音響インピーダンスは
36.92であった。

この数字から約１％の音だけが上記界面で反射するこ
とが計算できる。このような界面にプローブを使用する
場合の主問題は界面そのものを安定した状態に維持する
ことである。

この問題は、溶融端部をセラミックのスリーブで包囲
することによって解決できるが、該スリーブ内の固液界
面の実際の位置はプローブによって除去されうる温度
率、および鋼自体の熱電導率によって決定される。特に
第一鉄溶融部を試験または処理する場合の高融点および
安価という観点から超音波プローブの製造には鋼を使用
するのが望ましい。

本発明は超音波パルスを溶融金属に伝送し、かつ、そ
の反射音を受信するための新規なプローブを提供するも
のであって、プローブの高温金属を通る超音波通路は非
常に短くされている。これは溶融物の浸入端部近傍に冷
却手段をもつプローブを提供することによって達成され
ている。冷却手段は、プローブ部分から約50mm以上の範
囲内で金属溶融温度から少なくとも700℃相当のの温度
低下をもたらすように配設すると効果的である。

超音波パルスが室温およびそれより若干高い温度で鉄
および他の金属へ容易に移動する一方、金属、特に鉄が
その溶融点近くの温度になるときに非常に大量の音エネ
ルギーを吸収（または減衰）することが知見されてい
る。その結果、溶融鋼へ急速に突入していく先端をもつ
鋼製プローブは有効な分析情報の入手を不可能にするほ
ど溶融物から音エネルギー反射を多量に減衰させる温度
になる。

そこで、本発明はかかるプローブの新規な形態なもの
を提供するものであり、かかる室温の金属の音波反射の
移動通路の長さは有効な信号が得られるように短くされ
ている。このことは、プローブの溶融物浸入端に接近し
た位置に効果的な冷却手段を受けることによって達成さ
れる。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、この発明にあっては、溶
融金属接触プローブを、一端が溶融金属と接触できる超
音波伝送ロッドと、該ロッドへ超音波を供給し、または
前記ロッドから超音波を受信できる圧電クリスタルと、
上記ロッドの溶融金属接触端と他方の端との間に位置す
るロッド冷却手段と、を有して構成し、上記ロッド冷却
手段は、上記ロッドの溶融物接触先端部から少なくとも
50mmの部分を、先端に比べて少なくとも700℃相当の温
度差となるように急激に冷却するように構成したことを
特徴とするものである。

この発明に係る溶融金属接触プローブは、上記構成に
加え、上記ロッド冷却手段の上流に、前記ロッドを冷却
するための付加装置を付設することもできる。

そして、この発明においては、上記ロッドの溶融金属
接触端の耐高温シールドにより囲撓することもできる。

また、この発明において用いられるロッドは、鉄金属
で形成するのが望ましく、また、ロッドの上流端部をト
ランペット形に拡大して形成するのが望ましい。

本発明の第２の特徴は、超音波ロッドの先端部を溶融
金属と接触させると共に、該ロッドの溶融金属との接触
先端部から長さが50mmを越えない範囲内を、先端部に比
べてロッド冷却手段で少なくとも700℃相当の温度差と
なるように冷却して急激な温度変化を生じさせ、該状態
で、上記溶融金属にパルス超音波を供給し、かつ、該ロ
ッドで受信した反射超音波を分析することで、溶融物を
試験することにある。このパルス超音波は、上記超音波
伝送ロッドから供給することができる。

上記したように、本発明によるプローブは、使用時に
長さが約50mmを越えない範囲で、溶融物の温度とは少な
くとも700℃異なる温度を有する金属を用いて超音波反
射通路を作るように効果的に冷却される。

そのため、約1,470℃〜1,480℃以上の通常温度の鋼溶
融物の場合には、該溶融物との接触点から50mm以上の範
囲にある金属プローブの温度が770℃以下になる。

この数字は、25mmの断面直径の円筒状の鋼製プローブ
に基づくものである。この断面直径は、実用的目的から
溶融物に音エネルギーを十分に与えるために使用できる
プローブの最小直径として有効である。

当然のことながら、この数字はロッドを構成する材料
の導電率の限界に関係し、選択されたロッドの直径に関
係する。

導電材料の長さに沿った熱流（Ｈ）は次式による。

Ｈ＝KA（T₁−T₂）/L 式中、Ｋは材料の特定導電率、Ｌは熱流を測定する導
体の長さ、T₁およびT₂は導体の両端部の温度、およびＡ
は断面面積である。上記の式から適当な必要温度勾配お
よびプローブに沿った範囲の必要な冷却温度をプローブ
の材料、大きさおよび温度の異なる溶融物に応じて容易
に計算できる。

プローブを冷却する手段は、必要時点で必要に応じた
程度の冷却が得られればよい。本発明によれば、溶融物
接触先端部に隣接するプローブ領域を介して冷却ガスま
たは液体を循環させるのが好ましい。

高圧水流ジャケットでプローブの金属上に必要な冷却
を行うに足りる速度で水流をかけるのが最も適当であ
る。このジャケットは液体金属界面に、例えば、界面か
ら100〜115mmの所に冷却層を有する。水圧は825kpa、水
流速度は21/秒までが使用できる。

この水流ジャケットはこれらの条件に耐えるように設
計され、漏れを回避するものでなければならない。この
ことは、ジャケットが液体鋼の近傍に使用されることに
よる。水ジャケットを含むプローブの設計は、また、音
をよく透過するものでなければならない。

冷却には、液体ヘリウム、窒素、その他の不活性物質
が適当である。その他、激しくない冷却手段をプローブ
を必要冷却を補助し、必要温度勾配を与えるために溶融
物接触先端部から離間した時点で使用してもよい。例え
ば、水、または他の冷却液を、例えば、プローブロッド
の主要部分のジャケット、溝、穴から循環させる。

本発明によるプローブは、このようにして超音波パル
スを接触する溶融金属のバッチへ供給でき、そこで反射
した音を受けて成分、均質性等を決定する分析に用い
る。

（実施例） 次に添付図面に示す実施例に基づき、この発明を詳細
に説明する。

第１図は、例えば、軟鋼性の直径約25mmの円筒形のロ
ッド10を有するプローブを示す。このロッド10は、例え
ば鋼溶融物を挿入する溶融物接触チップ12をもつ。溶融
物接触チップ12は、例えば、窒化硼素の円筒状シールド
に囲周されている。

溶融物接触チップ12の上流側の約50mmの部分で、冷却
器16はロッド10を囲周する螺旋状の溝またはコイル（以
下、単に溝という）18を有する。この螺旋状の溝18は、
例えば、黒鉛またはチタンからなるロッド10に横たわる
スリーブ20の内表面に切り込まれている。

このようにして溝18から循環された液体は、ロッド10
と直接接触する。スリーブ20はシールド14の拡径部22内
に受けられている。

冷却装置組立体の上には、例えば、シリコンの外側円
筒状スリーブ24があるので、冷却装置は全体として適度
に絶縁される。

入口パイプ26は溝18の一体に連通し、そこから液体ヘ
リウムまたは液体窒素のような冷却流が溝18の一端へ供
給される。冷却流は、溝18を通過してロッド10を囲周す
る環状空間へ流れ、出口パイプ28から流出する。

冷却装置16の上流では、上記プローブが絶縁スリーブ
32内に外側円筒状鋼性ケーシング30を有し、ロッド10の
上方部を囲周する環状空間を有する。

第２冷却装置34は、上記冷却装置16の上流で、円筒状
ロッド10の上の広いピッチの円筒状コイル36を有し、か
つ、円筒状容器38内まで延びている。

水は、上記円筒状コイル36と円筒状容器38を通って循
環し、上記プローブ上流の水ジャケット40から流入し、
入口パイプ42を通り、円筒状コイル36からの出口パイプ
44を経る。

鋼製ケーシング30とロッド10との間の環状空間は、符
号46で示されているように大気を通じ、この空間自体に
追加の冷却流を供給するための追加のパイプ入口48を含
んでいる。

その上方端部で、プローブはロッド10と接触し、適当
な電気連結部52を具備した圧電クリスタル50を有する。
この圧電クリスタル50は、電力供給源からロッド10へ超
音波を入力し反射音波パルスへの結果として電気信号は
ロッド10を移動する。

作動に際して、溶融物接触チップ12は、溶融した鋼製
るつぼ、または取瓶に対して、その側口からまたは溶融
物の最上部から突入している。溶融物は、通常、約1,48
0℃またはそれ以上の温度である。

窒化硼素製スリーブ14の端部もまた該溶融物中へ突出
しているので、冷却装置16は溶融物から一般的に25mmな
いし38mmのところにある。

液体ヘリウムまたは他の冷却液は、上記入口パイプ26
を介して溝18へ供給され、かつ、水が必要に応じた冷却
を行うために水ジャケット40及び円筒状コイル30の両者
へ供給される。

溶融物接触チップ12の温度は、先端部が溶融物中に浸
漬されることで、溶融物中で極めて急速に上昇する。し
かし、該溶融物接触チップ12の溶融物との接触先端部か
ら50mmの範囲内は、上記冷却手段で急速に冷却されるの
で、適宜の位置に配設された熱電対で測定される温度
は、上記接触先端部から25mm乃至38mmの部分で約750度
となる。

溶融物接触チップ12が溶融を開始し、その上のろう付
け融剤が湿りによって良好な初期接触をし、かつ、超音
波パルスが圧電クリスタル50からロッド10へ送られる。

溶融物から反射された音はロッド10へ戻るが、溶融物
接触チップ12から冷却装置16までの移動距離は高温で非
常に短くなっている。反射音振動は、圧電クリスタル50
によってピックアップされ、かつ、分析目的から電気連
結部52を介して送られる。

工程が進むにつれて、溶融物中に浸漬された溶融物接
触チップの先端は、溶融物に接触しているために、やが
て溶融物とほぼ同一の温度となる。もちろんこの時、溶
融物接触先端部から50mmの範囲内に設けた冷却手段によ
って、溶融物接触先端部から離れている溶融物接触チッ
プ12の部分は、溶融物温度に対して少なくとも700℃の
温度差となっている。

一方スリーブ14は窒化硼素で作られており、溶融温度
が高いために溶融物温度に達しても溶けることがない。

このような状況でプローブ先端を溶融物中に浸漬する
と、溶融物接触チップ12の先端部である溶融物接触先端
部が溶融物の温度によって高温になる。同時にスリーブ
114も先端部が高温となる。

その結果、やがて溶融物接触先端部が溶け出すことと
なる。ただこの時にも、溶融物接触チップ12のうちで、
溶融物接触先端部から離れている部分は冷却手段によっ
て温度が低くなっているので溶け出すことがない。また
プローブ14は溶けない。

したがって、溶融物接触チップ12の先端部である溶融
物接触先端部から若干の長さ分だけ溶融物接触チップ12
が、筒状のスリーブ14内に溶け出すこととなる。

この溶け出している部分は、溶融物の温度と冷却手段
の冷却能力とのバランスが取れた位置で一定となる。

このスリーブ14が割れることなく且つ空気の流入を遮
断すれば、界面は安定する。空気が浸入した場合には、
界面が亀裂して金属ガス界面が形成されて音波送信を遮
ることになる。

プローブが水平位置で液体溶融物を突出させて使用さ
れる場合には、溶融物ヘッドの水圧が界面を維持するこ
とになる。上記セラミックスリーブのいかなる亀裂も溶
融物をセラミック剤のまわりに漏洩させるので危険な状
態になりやすい。

第２図は第１図の場合と同様な基本的特性を有するプ
ローブの他の態様を示すが、高圧水ジャケットを具備し
た第１冷却装置を有する。

プローブロッド54は、低炭素鋼または純鉄で形成さ
れ、全長が約600mmであり、全直径が約25mmである。第
１図の実施例と同様に、プローブロッド54の溶融物接触
チップ56は、例えば、炭化硼素で囲周されたセラミック
スリーブ58から突出している。

プローブロッド54の長手に沿って、約12mm幅で最大直
径が約30mmの２個の拡径部60,62がある。これらはそれ
ぞれプローブの溶融物非接触端部64から約450mmと250mm
の位置にある。

これらは、プローブロッド54内に形成されていて、両
側部上で25mmから30mm直径の変動幅をもったトランペッ
トの外形に似ており、変化傾斜は指数的関係に支配され
る。

入口連結部68と出口連結部70をもつ円筒状冷却ジャケ
ット66は、上記拡径部60,62上に溶接されているので、
高圧冷却水が該プローブと直接接触できる洩れ防止冷却
空間を提供する。他の絶縁スリーブ72は該冷却ジャケッ
ト上にある。

第２冷却装置は、冷却流体循環のためのジャケット74
を有し、溶融物非接触端部64の近傍にある。適当な電気
連結部を有する圧電クリスタル76は該溶融物非接触端部
64の位置にある。

このような設計が長時間にわたり冷却ジャケット66か
ら約115mmの距離で界面を安定させることを実験によっ
て確認した。上記拡大部分のトランペット形状は冷却ジ
ャケット66を適所にシールするため、溶接作業をプロー
ブの送音特性を妨害させることなく効果的に行わせる。

第３図は、第２図のプローブの改造された溶融物非接
触端部を示す。この実施例において、プローブロッド54
の端部78はトランペット形をしており、指数的に曲線を
描いた側壁を有する。この側壁はその端部表面上で次第
に拡がったより強力な圧電クリスタル76を有していて溶
融物に多量のエネルギーを供給する。

第１図と第２図および第３図に示した各装置は溶融物
に対して単一のプローブとして使用できるように設計さ
れていて、超音波伝送および音波信号を受信できる。当
然のことながら、ある条件下ではそれぞれ独自の圧電ク
リスタルを有する２つのプローブを使用して、１つの溶
融物への信号伝送用として、他の１つをその受信用とし
て使用するのが好ましい。このような場合、反射信号受
信プローブが上記した冷却手段を具備していて分析用の
反射信号を最大限に受信することが極めて重要である
が、両プロープがそのような手段を装備し且つ作動する
ものであってもよい。

第４図は前述のプローブに使用するパルスーエコー超
音波テスト方法のブロック説明図である。

この図は、全体的には従来技術による装置に関するも
のがあるが、本発明の改良されたプローブとの関係で有
用である。第４図の態様において、分離した２個のプロ
ーブはそれぞれ送信クリスタルと受信クリスタルを供給
された超音波パルスと受信された音反射用として具備し
ている。

第４図は、選択的装置の使用、即ち、縦配置プローブ
テストまたは取瓶79内の溶融物の処理、および、水平配
置プローブテストまたは溶融物を金型81へ送るタンディ
ッシュ80内の溶融物処理について示したものである。受
信された反射信号はその不純物を適切な測定と分析およ
び溶融物内の異質物を調べるためにCRTディスプレイに
表示される。

そのようにして、表示された反射超音波信号のオシロ
グラフは、溶融物接触容器の底部からの超音波反射から
誘導され、１以上のピークの大きな振幅を右側に示し、
且つ、溶融物中の異質物または浮遊不純粒子からの超音
波反射による連結したピークのより小さな振幅を左側に
示す。

このオシログラフの水平軸は時間間隔であり、超音波
信号の送信と反射受信間の時間経過を示すので、最も遠
くへ達した反射、即ち、溶融物の底からの反射はオシロ
グラフの右に表れる。

溶融物の純度は、溶融物容器の底からの超音波反射の
振幅により決定され得る。溶融物の不純度が大きければ
大きいほど、より多くの入射超音波が不純物から反射さ
れることになるので、より少ない入射超音波が溶融物容
器の底に達し、且つ、反射される。

従って、オシログラフ上の該底反射の振幅は、溶融物
の不純物レベルを表示する。

この表示を実際に利用するために、公知の純度水準を
もつ溶融物の検量線作成を最初に行なう。ゲートをタイ
ムベースに適用し、該底からの反射信号の振幅変化をゲ
ートした時間にわたって測定し、検量線数字をテストし
た溶融物の不純度を決定するために比較する。

他の方法として、不純粒子の数を溶融物の一定領域と
深さにおける信号反射の数を数えることによって計算す
る。信号反射は、反射に対応する粒子の深さによりオシ
ログラフのタイムベース上に表れる。代表される溶融物
のテスト領域を想定してコンピュータ計算と換算を行う
ことによって、存在する不純粒子の数を計測することが
できる。

本発明によれば送受信用に分かれたプローブを使用す
ることはアルミニウムプローブの場合に重要となる。

アルミニウムの音響インピーダンスは比較的高いの
で、下降する信号と上昇する信号との両信号を発信する
単一プローブの使用はプローブ内の過剰な減衰に繁が
る。より詳細で精確な測定は、このような条件下で２つ
のプローブを使用することによって得られるが、装置費
用は高くなる。

本発明によれば、分析目的のために受信された反射信
号をCRTディスプレイに表示するよりもコンピュータ分
析に掛けることが好ましい。

コンピュータは一定間隔で反射された音を読み、測定
し、かつ、適当なプログラムに従って異なる時に受信さ
れた信号を比較するように調整することができる。

このことはオペレータに検出された異質物が溶融物内
を移動しているか否か、または一定位置に安定している
か否かを告げる。このことは比較的重要なことであり、
特に溶融物がその性質を改善するために高エネルギー超
音波で処理されるときに然りである。

次に、読み取りによるコンピュータ分析は、例えば、
不純物が溶融物の表面に上がってきているか否か、空膣
または孔が生じて気泡が溶融物の表面にできているか否
か、または粒子が融合したり細かく潰されたりしている
か否かを表示する。

溶融物の超音波テストで通常遭遇する困難性は、分析
用に溶融物の底および深さからの超音波反射を得るため
にある。

鉄溶融物中の最も面倒な不純粒子は、シリケートおよ
びオキシドのような溶融鋼よりも緻密な粒子である。

このような粒子が十分大きいものであれば（例えば20
0μｍ以上）、鉄溶融物の最上部に浮くので、例えば、
取り除くかそこに注いで除去できる。

（発明の効果） 本発明は、以上説明したように、超音波パルスを溶融
金属に伝送し、かつ、その反射音を受信するようにプロ
ーブを構成すると共に、プローブの高温金属を通る超音
波通路を非常に短く形成した。

しかも、溶融物浸入端部近傍には冷却手段を配設し、
この冷却手段は溶融物の温度に対して、プローブ部分か
ら約50mmを越える範囲内では少なくとも700℃相当以下
の温度を低下させるように配設したので、超音波パルス
を接触する溶融金属のバッチへ安定的に供給でき、ま
た、そこで反射した音を受けて成分均質性等を決定する
分析に用いることができる。更に、反射超音波が著しく
弱化することなく超音波発信体へと伝送されるので、得
られる分析データも高精度である等、幾多の優れた効果
が得られる。

図面の簡単な説明 第１図は本発明によるプローブの部分説明断面図であ
る。

第２図は本発明によるプローブの他の態様の断面図で
ある。

第３図は第２図のプローブの変形図である。

第４図は第１図のプローブを使用するための装置の説
明図である。

（符合の説明） 10,54……超音波伝送ロッド 12,56……チップ 14,58……スリーブ 16……冷却器 18……溝 20……スリーブ 26……入口パイプ 28……出口パイプ 30……外側円筒状鋼性ケーシング 32,72……絶縁スリーブ 50,76……圧電クリスタル 60,62……ラッパ状拡径部

フロントページの続き (56)参考文献 米国特許4261197（ＵＳ，Ａ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端が溶融金属と接触できる超音波伝送ロ
   ッドと、該ロッドへ超音波を供給しまたは前記ロッドか
   ら超音波を受信できる圧電クリスタルと、上記ロッドの
   溶融金属接触端と他方の端との間に位置するロッド冷却
   手段と、を有して構成されてなる溶融金属接触プローブ
   において、上記ロッド冷却手段は、上記ロッドの溶融物
   接触先端部から少なくとも50mmの部分を、先端に比べて
   少なくとも700℃相当の温度差となるように急激に冷却
   するように構成したことを特徴とする溶融金属接触プロ
   ーブ。
2. 【請求項２】前記ロッド冷却手段の上流に、前記ロッド
   を冷却するための付加装置を付設したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の溶融金属接触プローブ。
3. 【請求項３】前記ロッドの溶融金属接触端が、耐高温シ
   ールドにより囲撓されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項に記載の溶融金属接触プロー
   ブ。
4. 【請求項４】前記ロッドが、鉄金属で形成されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項または第
   ３項に記載の溶融金属接触プローブ。
5. 【請求項５】前記ロッドの上流端部がトランペット形に
   拡大していることを特徴とする特許請求の範囲第１項、
   第２項、第３項または第４項に記載の溶融金属接触プロ
   ーブ。
6. 【請求項６】超音波ロッドの先端部を溶融金属と接触さ
   せると共に、該ロッドの溶融金属との接触先端部から長
   さが50mmを越えない範囲内を、先端部に比べてロッド冷
   却手段で少なくとも700℃相当の温度差となるように冷
   却して急激な温度変化を生じさせ、該状態で、上記溶融
   金属にパルス超音波を供給し、かつ、該ロッドで反射超
   音波を受信することを特徴とした溶融金属接触プローブ
   の使用方法。
7. 【請求項７】前記パルス超音波は、前記超音波伝送ロッ
   ドから供給されることを特徴とした特許請求の範囲第６
   項に記載の溶融金属接触プローブの使用方法。