JP4553888B2

JP4553888B2 - 連続鋳造鋳型の寿命判定方法

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Publication number: JP4553888B2
Application number: JP2006327310A
Authority: JP
Inventors: 浩一渡邊; 一臣富田; 伸一辻; 祐登梅山
Original assignee: Mishima Kosan Co Ltd; Nippon Steel Corp; Shin Nippon Nondestructive Inspection Co Ltd
Current assignee: Mishima Kosan Co Ltd; Nippon Steel Corp; Shin Nippon Nondestructive Inspection Co Ltd
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2026-12-04
Also published as: JP2008137054A

Description

本発明は、使用中の連続鋳造鋳型の割れの最大深さを計測して連続鋳造鋳型の継続使用の可否を判定する連続鋳造鋳型の寿命判定方法に関する。

連続鋳造では、連続鋳造鋳型内に注入された溶鋼が連続鋳造鋳型の内面と接触し冷却されて形成した凝固シェルが連続鋳造鋳型の内面と機械的に接触しながら引き抜かれていく。このため、連続鋳造鋳型の内面には摩耗損傷が発生し、連続鋳造鋳型内面の摩耗損傷の程度が連続鋳造鋳型の寿命（連続使用可能なチャージ数）を決定する要因になっている。そこで、連続鋳造鋳型内面の摩耗損傷を抑制するため、内面側に耐摩耗性に優れる、例えば、コバルトやニッケル等のめっき被覆層を形成していたが、溶射によりサーメットやセラミックスの被膜層を形成して、更なる耐摩耗性の向上を図っている（例えば、特許文献１参照）。連続鋳造鋳型の内面に溶射でセラミックス被膜層を形成することにより、連続鋳造鋳型の寿命をめっき被覆層を形成させたときと比較して、約２倍程度にまで延長できるようになっている。

特公平１−５３１４４号公報

一方、連続鋳造鋳型の寿命が２倍程度にまで延長することにより、連続鋳造鋳型に加わる熱負荷も増大し、連続鋳造鋳型の内面のメニスカス部の下部に発生する割れの深さ（割れの進展）が顕著になり、割れ深さが連続鋳造鋳型の管理限界値（割れ深さ許容範囲の最大値）に接近したり、管理限界値を超えるようになっている。このため、連続鋳造鋳型の寿命を決定する要因が、内面の摩耗損傷程度からメニスカス部の下部に発生している割れの深さに変わり、この割れ深さの把握が使用中の連続鋳造鋳型の管理において重要になっている。

ここで、割れ深さを測定する方法として、従来から浸透探傷検査（カラーチェックともいう）が行なわれている。この方法では、初めに発生している割れの位置を検出し、検出された割れを含む領域の表層部を一定量研削除去する。次いで、研削除去で現れた表面において浸透探傷検査を行なって割れの検出を行ない、割れが検出された場合は割れを含む領域の表層部を更に一定量研削除去してから浸透探傷検査を行なう。このように、表層部の研削除去を行ないながら浸透探傷法で割れの検出を行ない、割れが検出できなくなった時点までの総研削厚みを割れの深さとしていた。

しかしながら、連続鋳造鋳型のメニスカス部の下部に発生している割れの深さを浸透探傷検査を適用して測定する場合、連続鋳造鋳型を連続鋳造設備から取り外し解体してから行なうことが前提となるため、使用中の連続鋳造鋳型に対して定期的に割れの深さを計測することは不可能であった。更に、浸透探傷検査で割れが検出されなくても、拡大鏡で、例えば１００倍程度に拡大して観察すると割れが検出され、浸透探傷検査による割れ検出の信頼性にも問題があることが判明している。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、使用中の連続鋳造鋳型を解体せずにメニスカス部の下部に発生している割れの最大深さを精度よく求めて連続鋳造鋳型の継続使用の可否を判定することが可能な連続鋳造鋳型の寿命判定方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る連続鋳造鋳型の寿命判定方法は、連続鋳造設備で使用中の連続鋳造鋳型の寿命を管理する方法であって、
前記連続鋳造鋳型を定期的にかつ非鋳造時に、該連続鋳造鋳型のメニスカス部の下部に発生している割れの深さを、該連続鋳造鋳型の内側表面から超音波探傷法により計測し、該割れの最大深さから該連続鋳造鋳型の残り寿命を予測する。

また、本発明に係る連続鋳造鋳型の寿命判定方法において、前記割れの最大深さを該連続鋳造鋳型の内側の割れ深さおよび使用回数のデータと対比して、該割れの最大深さが予め設定された危険割れ深さになるまでの残り使用回数を求め、これを前記連続鋳造鋳型の残り寿命とすることができる。
更に、前記割れの最大深さが、前記危険割れ深さの６０〜７０％の範囲の警戒割れ深さに達した時点から、定期的に行う前記連続鋳造鋳型の割れ深さの検査の間隔を１／２以下に短くすることが好ましい。

本発明に係る連続鋳造鋳型の寿命判定方法において、前記超音波探傷法による割れの深さの計測は、前記連続鋳造鋳型を解体せずに前記連続鋳造設備から取り外して行うことができる。

本発明に係る連続鋳造鋳型の寿命判定方法において、前記超音波探傷法では、前記割れの開口部を挟んで送信用超音波探触子と受信用超音波探触子を対向配置して、前記送信用超音波探触子から送信した超音波が前記割れの先端で回折して前記受信用超音波探触子に到達するまでの最短伝播時間を求めて超音波経路長を算出し、前記送信用超音波探触子と前記受信用超音波探触子の間の距離と前記超音波経路長から前記割れの深さを算出するのが好ましい。すなわち、超音波探傷法として、ＴＯＦＤ（ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔ
Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法を採用することが好ましい。
割れの開口部を挟んで送信用超音波探触子と受信用超音波探触子を対向配置するので、割れが存在しない場合ではラテラル波と底面反射波が受信用超音波探触子に到達し、割れが存在する場合ではラテラル波が消失し割れの先端で回折した回折波と底面反射波が受信用超音波探触子に到達する。このため、受信波形の変化から割れの有無を判定することができる。更に、割れが存在しても、割れ（破面）で反射した反射波は受信用超音波探触子に到達しないため、回折波の到達時間を正確に求めることができる。

請求項１〜５記載の連続鋳造鋳型の寿命判定方法においては、連続鋳造鋳型の状態に合わせて最適な管理を行ないながら連続鋳造鋳型を使用することができ、連続鋳造鋳型を寿命となるまで安全かつ計画的に使用することが可能になる。
特に、請求項２記載の連続鋳造鋳型の寿命判定方法においては、連続鋳造鋳型の交換を計画的に行なうことができる。

請求項３記載の連続鋳造鋳型の寿命判定方法においては、連続鋳造鋳型に発生している割れの最大深さが警戒割れ深さに達しているか否かを把握しながら連続鋳造鋳型を使用することにより、連続鋳造鋳型の割れの進行状態に合わせた管理ができる。
請求項４記載の連続鋳造鋳型の寿命判定方法においては、連続鋳造鋳型が継続使用可能な場合は直ちに連続鋳造鋳型を連続鋳造設備に取付けて使用を再開することができ、連続鋳造設備の稼働率を高位に確保することができる。

請求項５記載の連続鋳造鋳型の寿命判定方法においては、送信用超音波探触子から送信した超音波が割れの先端で回折して受信用超音波探触子に到達するまでの伝播時間を求めて割れの最大深さを算出するので、割れの先端位置を正確に検出することができ、割れの最大深さを精度よく求めることが可能になる。その結果、残り寿命を正確に予測でき連続鋳造鋳型を寿命に到るまで確実に使用することが可能になる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の一実施の形態に係る連続鋳造鋳型の寿命判定方法を適用する連続鋳造鋳型の部分斜視図、図２は同連続鋳造鋳型の寿命判定方法で使用する送信用超音波探触子および受信用超音波探触子の斜視図、図３は同連続鋳造鋳型の寿命判定方法において割れが存在しない場合の超音波の伝播経路を示す説明図、図４は同連続鋳造鋳型の寿命判定方法において割れが存在する場合の超音波の伝播経路を示す説明図、図５〜図８は同連続鋳造鋳型の寿命判定方法における割れ深さの計測を示す詳細説明図、図９は同連続鋳造鋳型の寿命判定方法において送信用超音波探触子および受信用超音波探触子の位置とラテラル波、割れの先端で回折した回折波、および底面反射波の伝播時間の関係を示す説明図である。

本発明の一実施の形態に係る連続鋳造鋳型の寿命判定方法を適用する連続鋳造鋳型１０は、図１に示すように、一対の銅板製の短辺部材（短片部材ともいう）１１と、この短辺部材１１を挟み込むように配置される一対の銅板製の長辺部材（長片部材ともいう）１２とを備え、短辺部材１１および長辺部材１２の内面側にはそれぞれ溶射による被覆層１３が形成されている。

ここで、被覆層１３は、例えば、Ｂが１．０質量％以上４．５質量％以下、Ｓｉが１．５質量％以上５．０質量％以下、Ｃが１．１質量％以下、Ｆｅが５．０質量％以下、Ｍｏが４．０質量％以下、Ｃｕが４．０質量％以下、Ｃｒが０または０を超え１８質量％以下で残部がＣｏもしくはＮｉからなる自溶合金や、例えば、Ｎｉが５質量％以上３０質量％、Ｓｉが１．０質量以上４．０質量％以下、Ｂが０．５質量％以上３．０質量％以下、残部がＣｕからなるＣｕ基自溶合金で形成することができる。また、被覆層１３として、上記した合金をマトリックスとして、更にサーメットを添加することが好ましい。ここで、サーメットを構成する耐摩耗性硬質セラミックスとしては、例えば、炭化物、酸化物、硼化物、窒化物、およびケイ化物のいずれか１または２以上を使用できる。

そして、連続鋳造設備で連続鋳造鋳型１０内に溶鋼を注入して連続鋳造を開始すると、溶鋼湯面より上方側の被覆層１３は露出し、溶鋼湯面より下方側の被覆層１３は溶鋼に接触する状態になるので、溶鋼湯面に相当するメニスカス部１４を境にして、被覆層１３の温度は大きく変化して、メニスカス部１４の下部には大きな熱応力が発生する。このため、連続鋳造鋳型１０を用いて連続鋳造を繰り返し行なうと、連続鋳造鋳型１０のメニスカス部１４の下部には熱応力により割れ１５が発生し、発生した割れ１５は被覆層１３を貫通して短辺部材１１および長辺部材１２内に進展して行く。

また、本発明の一実施の形態に係る連続鋳造鋳型の寿命判定方法において、連続鋳造鋳型１０のメニスカス部１４の下部に発生している割れ１５の深さを、連続鋳造鋳型１０の内側表面から超音波探傷法により計測する超音波探傷装置は、図２に示すように、被覆層１３の表面上で割れ１５の開口部を挟むように対向配置される送信用超音波探触子１６および受信用超音波探触子１７と、図示しない超音波探傷機本体を有している。ここで、超音波探傷機本体には、従来から使用されている超音波探傷機を使用できる。そして、送信用超音波探触子１６および受信用超音波探触子１７を、超音波探傷機本体の送信信号出力端子および受信信号入力端子とそれぞれ接続して、送信用超音波探触子１６から送信された超音波が受信用超音波探触子１７で受信されるまでの時間を測定する。

ここで、送信用超音波探触子１６は、図３に示すように、電気信号を超音波に変換する送信用振動子１８を備えた送信側振動部１９と、送信側振動子１８から発生した超音波が被覆層１３に対して角度θで入射するように送信側振動子１８を、例えば、測定する面に対し受信用超音波探触子１７側に角度θ傾斜させて保持する送信波側くさび部２０と、送信波側くさび部２０の先部を覆って送信波用くさび部２０の先部が被覆層１３に直接接触するのを防止する送信波側保護板２１を有している。また、受信用超音波探触子１７は、超音波を電気信号に変換する受信用振動子２２を備えた受信側振動部２３と、受信用振動子２２を被覆層１３に対して、例えば、測定する面に対し送信用超音波探触子１６側に角度θ傾斜させて保持する受信波側くさび部２４と、受信波側くさび部２４の先部を覆って受信波側くさび部２４の先部が被覆層１３に直接接触するのを防止する受信波側保護板２５を有している。

更に、送信用超音波探触子１６および受信用超音波探触子１７は、送信用振動子１８の送信面２６と受信用振動子２２の受信面２７が互いに斜め内側を向き合うように超音波吸収体２８を間に挟んで配置され、更に、送信側振動部１９および受信側振動部２３の各基部側を除いてケース２９により覆われて一体化している。これによって、送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７の中心間距離を一定に保って、送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７を被覆層１３の表面上で一体的に移動させることができる。

このような構成とすることにより、図３に示すように、送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７を被覆層１３の表面にカップリング剤（図示せず）を介して当接させた場合、送信用振動子１８の送信面２６の中心に立てた法線と被覆層１３の表面との交点Ｐから最も強い超音波を被覆層１３内に進入させることができる。また、受信用振動子２２の受信面２７の中心に立てた法線と被覆層１３の表面との交点Ｑに到達した超音波を受信波側保護板２５および受信波側くさび部２４を介して受信用超音波探触子１７の受信用振動子２２で最も効率的に受信することができる。なお、送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７は、それぞれ超音波吸収体２８に当接配置されているため、送信用振動子１８の送信面２６の中心と受信用振動子２２の受信面２７の中心との間の距離は配置に基づいて一義的に定まる。その結果、Ｐ点とＱ点の間の距離Ｄも一定値となる。

また、Ｐ点に入射する超音波の一部は被覆層１３の表面で反射されて表面反射波が形成されるが、この表面反射波は超音波吸収体２８で吸収されて、受信用振動子２２に到達しない。一方、図３に示すように、Ｐ点から被覆層１３内に進入した超音波の中で一部は被覆層１３の表層部をラテラル波としてＱ点まで伝播し、受信波側保護板２５および受信波側くさび部２４を通過して受信用振動子２２に到達し検出される。

また、被覆層１３内に進入した超音波の中で被覆層１３を通過して短辺部材１１（長辺部材１２）内を伝播して底面３０に到達したものは、底面３０で反射し底面反射波となって被覆層１３に向かって短辺部材１１（長辺部材１２）内を再び伝播し、被覆層１３に到達した超音波は受信波側保護板２５および受信波側くさび部２４を通過して受信用振動子２２で検出される。ここで、底面反射波が最も強く検出されるのは、Ｐ点から被覆層１３内に進入して底面３０で反射しＱ点に到達する超音波で、底面３０に入射する超音波の入射角度と底面３０で反射する底面反射波の反射角度は実質的に一致（ｉ）している。

また、図４に示すように、被覆層１３を貫通して短辺部材１１（長辺部材１２）に進展した割れ１５が存在する場合、割れ１５の開口部を挟んで送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７を対向配置して、Ｐ点から超音波を被覆層１３内に進入させると、超音波の中で被覆層１３の表層部を伝播するラテラル波は割れ１５の破面で反射されるため、ラテラル波の伝播時間は計測されない。一方、Ｐ点から入射した超音波の中で、被覆層１３を通過し短辺部材１１（長辺部材１２）内を伝播して底面３０で反射した超音波は、底面反射波となって短辺部材１１（長辺部材１２）内を被覆層１３に向けて伝播するが、Ｑ点に到達する底面反射波が最も効率的に検出される。

また、Ｐ点から入射した超音波の中で短辺部材１１（長辺部材１２）内を伝播して割れ１５と衝突するものは、割れ１５の破面で反射されて逆進するため、受信用振動子２２には到達しない。一方、Ｐ点から入射した超音波の中で割れ１５の先端に衝突した超音波は、先端で回折し回折波となって短辺部材１１（長辺部材１２）内を被覆層１３に向かって伝播し、受信用超音波探触子１７により検出されるが、割れ１５の先端に入射する超音波の入射角度と割れ１５の先端で回折する回折波の回折角度が実質的に一致（ｊ）してＱ点に到達する回折波が最も効率的に検出される。

ここで、送信用振動子１８および受信用振動子２２の周波数範囲は、５ＭＨｚ以上で１５ＭＨｚ以下とするのがよい。周波数が５ＭＨｚ未満では、割れ１５の幅が狭くなると超音波の回折が起こりにくなるとともに回折波が幅広となって、回折波のピーク位置の検出が困難になる。また、周波数が１５ＭＨｚを超えると、超音波の減衰が大きくなって、回折波の検出が困難になる。そして、被覆層１３の表面から浅い範囲に発生している割れ１５の先端における回折波を精度よく検出するには、送信用振動子１８および受信用振動子２２の外径を例えば、３〜７ｍｍの範囲にするとともに、送信面２６および受信面２７がそれぞれ測定する面に対して傾斜する角度θを２０〜３０°の範囲に設定して、Ｐ点とＱ点の間の距離Ｄを、例えば、７〜１５ｍｍの範囲に設定するのがよい。これによって、被覆層１３の表面から、例えば、１ｍｍ以内に発生している割れ１５の先端による回折波を精度よく検出することができる。

続いて、本発明の一実施の形態に係る連続鋳造鋳型の寿命判定方法について説明する。
先ず、使用中の連続鋳造鋳型１０を連続鋳造設備から取り外す。そして、連続鋳造鋳型１０を解体せずに、図１に示すように、メニスカス部１４から下少なくとも５０ｍｍまでの範囲に相当する被覆層１３の表面上に、カップリング剤を介して送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７を当接させる。そして、送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７を一体的に移動させながら、超音波探傷機本体から送信用超音波探触子１６に送信信号を入力して超音波を発生させ受信用超音波探触子１７で検出した超音波の受信信号を超音波探傷機本体に入力して送信用超音波探触子１６から送信した超音波が受信用超音波探触子１７で受信されるまでの超音波の伝播時間を測定する。

なお、被覆層１３の表面に現われる割れでは、割れの開口部が鋳造方向に沿って伸びる形態のものと、割れの開口部が溶鋼湯面と平行な方向に沿って伸びる形態のものとが混在する（図１では、被覆層１３の表面に現われる開口部が鋳造方向に沿って伸びる形態のものだけを示している）。このため、送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７が鋳造方向に沿って並ぶように配置した場合での測定と、送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７が溶鋼湯面と平行な方向に沿って並ぶように配置した場合での測定をそれぞれ行なう。

図５、図９に示すように、送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７がともに、割れ１５が存在しない領域を移動する場合、送信用超音波探触子１６の送信用振動子１８から送信されてＰ点から被覆層１３内に進入した超音波の一部は被覆層１３の表層部をラテラル波として伝播するので、送信用超音波探触子１６から送信されてから時間ｔ_L＝Ｄ／Ｖ_L経過後に、受信用超音波探触子１７で検出される。ここで、Ｖ_Lは被覆層１３中の超音波の音速である。

また、Ｐ点から被覆層１３内に進入した超音波の中で、被覆層１３を通過し厚みＴの短辺部材１１（長辺部材１２）内を伝播して底面３０に到達した超音波は、底面反射波となって被覆層１３の表面に向かって伝播するので、送信用超音波探触子１６から超音波が送信されてから時間ｔ_B＝２（Ｄ²／４＋Ｔ²）^1/2／Ｖ経過後に検出される。なお、被覆層１３の厚みは短辺部材１１（長辺部材１２）の厚みに対して無視できるほど薄いので、被覆層１３を貫通して短辺部材１１（長辺部材１２）内を伝播する際の超音波の音速の変化は考慮せず、短辺部材１１（長辺部材１２）内を伝播する超音波の音速Ｖで近似する。

また、図６に示すように、送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７が移動して、送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７が割れ１５の開口部を挟んで対向して配置されるようになると、Ｐ₁点から被覆層１３内に進入した超音波の中で被覆層１３の表層部を伝播するラテラル波は割れ１５の破面で反射して受信用超音波探触子１７に到達しない。このため、ラテラル波は消失する。

また、Ｐ₁点から被覆層１３内に進入した超音波の中で、短辺部材１１（長辺部材１２）内を伝播して割れ１５に衝突した超音波は割れ１５の破面で反射して逆進し受信用超音波探触子１７に到達しない。一方、割れ１５の先端Ｒに衝突して回折した超音波は回折波となって短辺部材１１（長辺部材１２）内を被覆層１３に向かって伝播しＱ₁点に到達した回折波が最も効率的に受信用超音波探触子１７で検出される。ここで、割れ１５の先端Ｒに入射する超音波の入射角度と、割れ１５の先端で回折した回折波の回折角度は、それぞれｋ、ｍとなり異なる。

図７に示すように、送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７が移動して、割れ１５の先端Ｒが送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７の中心を結ぶ線分の垂直二等分線上に存在する場合も、Ｐ₂点から被覆層１３内に進入した超音波の中で被覆層１３の表層部を伝播するラテラル波は割れ１５の破面で反射して受信用超音波探触子１７に到達しない。また、Ｐ₂点から被覆層１３内に進入した超音波の中で割れ１５の先端Ｒに衝突して回折した超音波は回折波となって短辺部材１１（長辺部材１２）内を被覆層１３に向かって伝播し、Ｑ₂点に到達した回折波が最も効率的に受信用超音波探触子１７で検出される。このとき、割れ１５の先端Ｒに入射する超音波の入射角度と、割れ１５の先端Ｒで回折した回折波の回折角度は実質的に一致（ｎ）する。

図８に示すように、送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７が更に移動して、割れ１５の先端Ｒが送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７の中心を結ぶ線分の垂直二等分線上から外れるようになった場合も、Ｐ₃点から被覆層１３内に進入した超音波の中で被覆層１３の表層部を伝播するラテラル波は割れ１５の破面で反射して受信用超音波探触子１７に到達しない。また、Ｐ₃点から被覆層１３内に進入した超音波の中で割れ１５の先端Ｒに衝突して回折した超音波は回折波となって短辺部材１１（長辺部材１２）内を被覆層１３に向かって伝播し、Ｑ₃点に到達した回折波が最も効率的に受信用超音波探触子１７で検出される。ここで、割れ１５の先端Ｒに入射する超音波の入射角度と、割れ１５の先端Ｒで回折した回折波の回折角度は、それぞれｘ、ｙとなり異なる。

ここで、Ｐ₁点から被覆層１３内に進入し割れ１５の先端Ｒに衝突して回折しＱ₁点に到達するまでの超音波の経路長、すなわち、Ｐ₁Ｒ＋ＲＱ₁、およびＰ₃点から被覆層１３内に進入し割れ１５の先端Ｒに衝突して回折しＱ₃点に到達するまでの超音波の経路長、すなわち、Ｐ₃Ｒ＋ＲＱ₃は、いずれもＰ₂点から被覆層１３内に進入し割れ１５の先端Ｒに衝突して回折しＱ₂点に到達するまでの超音波の経路長、すなわち、Ｐ₂Ｒ＋ＲＱ₂より長くなる。このため、Ｐ₁点から被覆層１３内に進入した超音波が割れ１５の先端Ｒに衝突して回折しＱ₁点に到達するまでの時間ｔ₁＝（（Ｐ₁Ｒ＋ＲＱ₁）／Ｖ）、およびＰ₃点から被覆層１３内に進入した超音波が割れ１５の先端Ｒに衝突して回折しＱ₃点に到達するまでの時間ｔ₃＝（（Ｐ₃Ｒ＋ＲＱ₃）／Ｖ）、は、いずれもＰ₂点から被覆層１３内に進入した超音波が割れ１５の先端Ｒに衝突して回折しＱ₂点に到達するまでの時間ｔ₂＝（（Ｐ₂Ｒ＋ＲＱ₂）／Ｖ）より長くなる。

以上のことから、図９に示すように、被覆層１３の表面上で送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７を対として移動させたときに、送信用超音波探触子１６から超音波が送信されて時間ｔ_L経過後にラテラル波が、時間ｔ_B経過後に底面反射波がそれぞれ検出される。次いで、被覆層１３の表面上に存在する割れ１５の開口部を挟んで送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７を対向配置される関係になった際に、ラテラル波が消失し、時間ｔ₁経過後に割れ１５の先端Ｒで形成される回折波が計測される。

ここで、送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７の移動に伴って送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７の中心を結ぶ線分の垂直二等分線が割れ１５の先端Ｒに近づくにつれて回折波の伝播時間ｔは徐々に短くなり、図７に示すように、割れ１５の先端Ｒが送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７の中心を結ぶ線分の垂直二等分線上に存在する場合になった際に回折波の伝播時間は最短（ｔ₂）となる。そして、送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７が更に移動して送信用超音波探触子１６と受信用超音波探触子１７の中心を結ぶ線分の垂直二等分線が割れ１５の先端Ｒを通過して離れるようになると、回折波の伝播時間ｔは徐々に長くなる。
このとき、割れ１５の深さをＨとすると、線分Ｐ₂Ｒ、線分ＲＱ₂の長さは、いずれも（Ｈ²＋Ｄ²／４）^1/2となる。また、送信用超音波探触子１６から超音波が送信されてから、割れ１５の先端Ｒで回折されて回折波となって受信用超音波探触子１７で検出されるまでの最短伝播時間ｔ₂から求めた超音波経路長ｔ₂Ｖは２（Ｈ²＋Ｄ²／４）^1/2となり、割れ１５の深さＨは、｛（ｔ₂Ｖ／２）²−Ｄ²／４｝^1/2と求まる。

そして、連続鋳造鋳型１０のメニスカス部１４から下少なくとも５０ｍｍまでの範囲に発生している全ての割れ１５に対して回折波の伝播時間の中で最小伝播時間ｔ₂をそれぞれ求めて割れ１５の深さＨを算出し、割れ深さの分布を求める。
次いで、割れ深さの分布から連続鋳造鋳型１０に発生している割れの最大深さを求め、割れの最大深さが、予め設定された危険割れ深さに達しているか否かを判断して、危険割れ深さに未到達の場合は連続鋳造鋳型１０を連続鋳造設備に再度取付けて継続使用を行なう。一方、割れ１５の最大深さが危険割れ深さに到達した場合は連続鋳造鋳型１０の使用を中止する。

ここで、連続鋳造鋳型１０を定期的にかつ非鋳造時に連続鋳造設備から取り外してメニスカス部１４の下部に発生している割れの深さを計測する場合、被覆層１３がセラミックス被膜層の場合、使用を開始してから、例えば、２００〜３００チャージ連続使用した後に第１回目の計測を行ない、割れが検知されないか、検知されても割れの最大深さが危険割れ深さの６０〜７０％の範囲の警戒割れ深さに未到達の場合は更に２００〜３００チャージ連続使用した後に第２回目の計測を行なうようにする。一方、検知された割れの深さが警戒割れ深さに到達した場合は、それ以降の計測は、例えば、１００チャージの連続使用毎に、すなわち、それまでの計測の間隔の１／２以下の間隔で行なうようにする。

これによって、割れ１５の深さの計測に伴う連続鋳造鋳型１０の使用中断回数を少なくして連続鋳造の効率を確保することができる。そして、発生している割れの最大深さを、連続鋳造鋳型の内側の割れ深さおよび使用回数のデータと対比して、割れの最大深さが予め設定された危険割れ深さになるまでの残り使用回数を求め、これを連続鋳造鋳型１０の残り寿命として、連続鋳造鋳型１０の継続使用を行なう。このため、連続鋳造鋳型１０の使用中の水漏れを確実に防止して、計画的に連続鋳造鋳型の交換を行なうことができる。

周波数が５ＭＨｚで外径が６ｍｍの送信用振動子を、アクリル樹脂製の送信波側くさび部の一側に送信面が水平面に対し２６°傾斜するように取付け、送信波側くさび部の他側にポリスチレン樹脂製の厚み２ｍｍの送信波側保護板を取付けて送信用超音波探触子を形成した。また、周波数が５ＭＨｚで外径が６ｍｍの受信用振動子を、アクリル樹脂製の受信波側くさび部の一側に受信面が水平面に対し２６°傾斜するように取付け、受信波側くさび部の他側にポリスチレン樹脂製の厚み２ｍｍの受信波側保護板を取付けて受信用超音波探触子を形成した。そして、送信面と受信面が互いに斜め内側を向き合うように、送信用超音波探触子と受信用超音波探触子をコルク製の厚み１ｍｍの超音波吸収体を介して当接固定し受信波側くさび部および送信波側くさび部をケース内に収容して一体化した。なお、送信面の中心に立てた法線と送信波側保護板表面との交点Ｐと受信面の中心に立てた法線と受信波側保護板表面との交点Ｑとの間の距離Ｄは１２ｍｍである。

そして、８００チャージ連続使用した連続鋳造鋳型（最小厚みは８ｍｍ）を連続鋳造設備から取り外し、連続鋳造鋳型のメニスカス部の下部に発生している割れの深さを、割れの開口部を挟んで送信用超音波探触子と受信用超音波探触子を対向配置させて、超音波探傷装置を使用して計測した。また、割れ深さの計測後、割れを含む領域の表層部を一定量研削除去しながら拡大鏡で１００倍に拡大して割れの存在を確認し、割れが確認できなくなった時点までに研削除去した総研削厚みを求めて実割れ深さを求めた。超音波探傷法により計測した割れ深さと拡大鏡を使用して計測した実割れ深さの関係を図１０に示す。割れ深さと実割れ深さの間には、強い一次相関が認められ、割れ深さと実割れ深さの関係から得られる回帰直線を用いて、超音波探傷法により計測した割れ深さから実割れ深さを精度よく算出できることが確認できた。なお、図１０には、回帰直線を決定する際に得られた標準偏差（σ）を用いて、±σの誤差範囲を併記している。

次に、８００チャージ連続使用した連続鋳造鋳型を連続鋳造設備から取り外し、連続鋳造鋳型のメニスカス部の下部に発生している割れを、従来例である浸透探傷検査により検出し、検出された割れを含む領域の表層部を一定量研削除去しながら浸透探傷検査で割れの存在を確認しながら、割れが確認できなくなった時点まで研削除去した総研削厚みを求めて、浸透探傷法による割れの深さとした。同時に、割れの存在を拡大鏡で１００倍に拡大して確認し、割れが確認できなくなった時点までの総研削厚みを求めて実割れ深さとした。浸透探傷法による割れの深さと実割れ深さの関係を図１１に示す。浸透探傷法により求めた割れの深さは実割れ深さに比べて短く計測され、しかも、実割れ深さが１．５ｍｍ程度になると浸透探傷法により求めた割れの深さは一定値に収束する傾向を示すことが判り、実割れ深さの計測には適さないことが確認できた。

ここで、連続鋳造鋳型の短辺部材と長辺部材を形成する母材の荷重の繰り返し負荷試験（疲労試験）および亀裂進展試験から、連続鋳造鋳型の母材に発生している割れ深さの進展速度は、荷重の繰り返し回数が増加するにつれて徐々に大きくなることが判明しており、荷重の繰り返し回数と割れ深さの関係は、例えば図１２に示す曲線のようになる。
また、連続鋳造鋳型における使用チャージ数と、疲労試験における荷重の繰り返し回数とが比例関係にあると仮定して、図１２に示す荷重の繰り返し回数と割れ深さの関係を、使用チャージ数と割れの最大深さの関係に変換した。得られた使用チャージ数と割れの最大深さの関係を、図１３に破線で示す。ここで、図１２から図１３への変換は、連続鋳造鋳型を７５０チャージ繰り返し使用したときに発生している実測した割れの最大深さが１ｍｍであったので、図１２に示す曲線が割れ深さ１ｍｍの点を通過するときの荷重の繰り返し回数が７５０チャージになるように横軸を再目盛り付けすることにより行なった。

一方、図１０に示すように、超音波探傷法により計測した連続鋳造鋳型の割れ深さは、実割れ深さに対して標準偏差σで決まるバラツキ範囲内に存在する、このため、連続鋳造鋳型に発生している割れの最大深さの値として、例えば、回帰直線に当てはめて算出した割れの最大深さに２σを加えた値を採用すると、超音波探傷法により計測した割れ深さが、過小評価されることが防止できる。従って、図１３の破線で示す使用チャージ数と割れ深さの関係における割れ深さに対しても２σ分のバラツキを考慮した。２σ分のバラツキを考慮した割れ深さと使用チャージ数の関係を図１３に実線で示す。

最小厚みが８ｍｍである連続鋳造鋳型の場合に設定された危険割れ深さは３ｍｍであるので、警戒割れ深さは、例えば２ｍｍ（危険割れ深さの約６６％）と設定される。そして、図１３の実線のグラフが示すように、割れ深さが２ｍｍ未満では、使用チャージ数に対する割れ深さの増加割合が小さいので、２００〜３００チャージ連続使用する毎に割れ深さの計測を行なうことができる。一方、割れ深さが２ｍｍを超えると、使用チャージ数に対する割れの最大深さの増加割合が大きくなるので、１００チャージ連続使用する毎に割れ深さの計測を行なうようにする。そして、図１３の実線のグラフから、発生している割れの最大深さが３ｍｍとなる使用チャージ数は約１３４０回と推定されるので、残り使用回数、すなわち、連続鋳造鋳型の残り寿命を予測しながら、連続鋳造鋳型の使用を継続することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部または全部を組み合わせて本発明の連続鋳造鋳型の寿命判定方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、連続鋳造鋳型を一対の短辺部材と、この短辺部材を挟み込むように配置される一対の長辺部材で構成したが、連続鋳造鋳型が一体化した筒体である場合も連続鋳造鋳型の寿命判定方法を適用できる。
また、短辺部材および長辺部材の表面側にセラミックスの被覆層を形成したが、ニッケルやコバルト等の金属めっきの被覆層が形成された連続鋳造鋳型に対しても連続鋳造鋳型の寿命判定方法を適用できる。この場合、連続鋳造鋳型の使用を開始してから、例えば、２００チャージ連続使用した後に第１回目の計測を行ない、それ以降は１００チャージの連続使用毎に計測を行なうのがよい。

本発明の一実施の形態に係る連続鋳造鋳型の寿命判定方法を適用する連続鋳造鋳型の部分斜視図である。同連続鋳造鋳型の寿命判定方法で使用する送信用超音波探触子および受信用超音波探触子の斜視図である。同連続鋳造鋳型の寿命判定方法において割れが存在しない場合の超音波の伝播経路を示す説明図である。同連続鋳造鋳型の寿命判定方法において割れが存在する場合の超音波の伝播経路を示す説明図である。同連続鋳造鋳型の寿命判定方法における割れ深さの計測を示す詳細説明図である。同連続鋳造鋳型の寿命判定方法における割れ深さの計測を示す詳細説明図である。同連続鋳造鋳型の寿命判定方法における割れ深さの計測を示す詳細説明図である。同連続鋳造鋳型の寿命判定方法における割れ深さの計測を示す詳細説明図である。同連続鋳造鋳型の寿命判定方法において送信用超音波探触子および受信用超音波探触子の位置とラテラル波、割れの先端で回折した回折波、および底面反射波の伝播時間の関係を示す説明図である。実施例で計測された割れ深さと実割れ深さの関係を示す説明図である。従来例により計測された割れ深さと実割れ深さの関係を示す説明図である。連続鋳造鋳型を形成する母材に対して求めた荷重の繰り返し回数と割れ深さの関係を示すグラフである。連続鋳造鋳型に発生した割れの最大深さおよび安全サイドで評価した割れの最大深さと使用チャージ数の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０：連続鋳造鋳型、１１：短辺部材、１２：長辺部材、１３：被覆層、１４：メニスカス部、１５：割れ、１６：送信用超音波探触子、１７：受信用超音波探触子、１８：送信用振動子、１９：送信側振動部、２０：送信波側くさび部、２１：送信波側保護板、２２：受信用振動子、２３：受信側振動部、２４：受信波側くさび部、２５：受信波側保護板、２６：送信面、２７：受信面、２８：超音波吸収体、２９：ケース、３０：底面

Claims

連続鋳造設備で使用中の連続鋳造鋳型の寿命を管理する方法であって、
前記連続鋳造鋳型を定期的にかつ非鋳造時に、該連続鋳造鋳型のメニスカス部の下部に発生している割れの深さを、該連続鋳造鋳型の内側表面から超音波探傷法により計測し、該割れの最大深さから該連続鋳造鋳型の残り寿命を予測することを特徴とする連続鋳造鋳型の寿命判定方法。
請求項１記載の連続鋳造鋳型の寿命判定方法において、前記割れの最大深さを該連続鋳造鋳型の内側の割れ深さおよび使用回数のデータと対比して、該割れの最大深さが予め設定された危険割れ深さになるまでの残り使用回数を求め、これを前記連続鋳造鋳型の残り寿命とすることを特徴とする連続鋳造鋳型の寿命判定方法。
請求項２記載の連続鋳造鋳型の寿命判定方法において、前記割れの最大深さが、前記危険割れ深さの６０〜７０％の範囲の警戒割れ深さに達した時点から、定期的に行う前記連続鋳造鋳型の割れ深さの検査の間隔を１／２以下に短くすることを特徴とする連続鋳造鋳型の寿命判定方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の連続鋳造鋳型の寿命判定方法において、前記超音波探傷法による割れの深さの計測は、前記連続鋳造鋳型を解体せずに前記連続鋳造設備から取り外して行うことを特徴とする連続鋳造鋳型の寿命判定方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の連続鋳造鋳型の寿命判定方法において、前記超音波探傷法では、前記割れの開口部を挟んで送信用超音波探触子と受信用超音波探触子を対向配置して、前記送信用超音波探触子から送信した超音波が前記割れの先端で回折して前記受信用超音波探触子に到達するまでの最短伝播時間を求めて超音波経路長を算出し、前記送信用超音波探触子と前記受信用超音波探触子の間の距離と前記超音波経路長から前記割れの深さを算出することを特徴とする連続鋳造鋳型の寿命判定方法。