JP6260582B2 - Steel material cleanliness evaluation method and cleanliness evaluation apparatus - Google Patents
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Description
本発明は鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置に関し、特に高い疲労特性が求められる高清浄度鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置に関する。 The present invention relates to a steel material cleanliness evaluation method and a cleanness evaluation device, and more particularly to a cleanliness evaluation method and a cleanness evaluation device for high cleanliness steel materials that require high fatigue characteristics.
鋼材を加工して製造された製品の高い疲労特性を実現するためには、破損の原因となる非金属介在物(以下、介在物という)を低減する必要があることが知られており、そのために材料となる鋼材内部の介在物を調査することが従来から行われている。例えば特許文献1には、超音波探傷法を用いて介在物を評価することにより、鋼材の清浄度評価を行う方法が記載されている。ここで、特許文献1では、介在物の評価方法として反射波強度が一定以上となる介在物の個数を評価している。
It is known that non-metallic inclusions that cause damage (hereinafter referred to as inclusions) must be reduced in order to achieve high fatigue characteristics of products manufactured by processing steel materials. In the past, investigations have been made on the inclusions inside the steel material. For example,
しかしながら、特許文献1で提案された評価方法は、点集束超音波ビームを用いて探傷を行っているため、図15に示すように、点集束超音波ビームのビーム直径をd2としたとき、探傷ピッチpを、下記式(5)を満たすように設定する必要がある。
However, the proposed evaluation method in
そのため、特許文献1で提案された評価方法は、介在物の検出能を上げるために点集束超音波ビームのビーム直径d2を小さくしようとすると、探傷ピッチpも小さくする必要があり、その結果、探傷領域当たりの測定点数が多くなり、評価効率が低下するという問題があった。
Therefore, the proposed evaluation method in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、介在物の検出能を十分に得ることができ、評価効率にも優れた鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and provides a steel material cleanliness evaluation method and a cleanliness evaluation device that can sufficiently obtain the detection ability of inclusions and are excellent in evaluation efficiency. Objective.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る鋼材の清浄度評価方法は、鋳造された鋼片を圧延して形成される鋼材の清浄度を超音波探傷によって評価する鋼材の清浄度評価方法であって、前記超音波探傷によって検出しようとする前記鋼材中における介在物の、前記鋼材の圧延方向と垂直な幅方向における最小の長さd3を設定する介在物検出サイズ設定ステップと、水中焦点距離をF、超音波周波数をf、水中超音波音速をC、超音波探触子の集束方向の振動子幅をDF、超音波探触子の非集束方向の振動子幅をDNF、前記鋼片の圧延方向と垂直な方向における断面積をS0、前記鋼材の前記圧延方向と垂直な方向における断面積をS1としたとき、前記超音波探傷で用いる線集束超音波ビームを形成するための超音波探触子を、下記式(1)を満たすとともに、下記式(2)を満たす場合には下記式(3)を満たすように、下記式(2)を満たさない場合は下記式(4)を満たすように設定する超音波探触子設定ステップと、前記設定された超音波探触子を用いて、前記超音波探触子の非集束方向が前記鋼材の圧延方向と平行になるように、水侵探傷法により前記鋼材に超音波ビームを送受信しつつ、走査面が圧延方向と平行になるように前記鋼材上を2次元走査する超音波探傷ステップと、前記2次元走査した面に対応する超音波反射信号レベルの2次元分布を取得し、前記2次元分布から、前記長さd3に相当する信号レベル以上となる部分を評価する評価ステップと、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the steel material cleanliness evaluation method according to the present invention evaluates the cleanliness of a steel material formed by rolling a cast steel slab by ultrasonic flaw detection. a cleanliness evaluation method, the inclusions in the in the steel material to be detected by ultrasonic flaw detection, inclusions detection size for setting the minimum length d 3 in the rolling direction perpendicular to the width direction of the steel Setting step, underwater focal length F, ultrasonic frequency f, underwater ultrasonic sound velocity C, transducer width in the focusing direction of the ultrasonic probe D F , vibration in the non-focusing direction of the ultrasonic probe Lines used in the ultrasonic flaw detection, where the core width is D NF , the cross-sectional area in the direction perpendicular to the rolling direction of the steel slab is S 0 , and the cross-sectional area in the direction perpendicular to the rolling direction of the steel material is S 1 For forming focused ultrasound beam The acoustic probe satisfies the following formula (1) and satisfies the following formula (3) when the following formula (2) is satisfied. When the following formula (2) is not satisfied, the following formula (4) is satisfied. An ultrasonic probe setting step for setting so as to satisfy the condition, and using the set ultrasonic probe so that the unfocused direction of the ultrasonic probe is parallel to the rolling direction of the steel material Corresponding to an ultrasonic flaw detection step in which an ultrasonic beam is transmitted / received to / from the steel material by a water immersion flaw detection method, and the steel material is two-dimensionally scanned so that the scanning surface is parallel to the rolling direction An evaluation step of acquiring a two-dimensional distribution of ultrasonic reflected signal levels to be evaluated and evaluating a portion having a signal level equal to or higher than the length d 3 from the two-dimensional distribution.
また、本発明に係る鋼材の清浄度評価方法は、前記介在物検出サイズ設定ステップにおいて、前記長さd3を20μm以下に設定することを特徴とする。 Further, cleanliness evaluation method of the steel according to the present invention, in the inclusions detection size setting step, and setting the length d 3 in 20μm or less.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る鋼材の清浄度評価装置は、鋳造された鋼片を圧延して形成される鋼材の清浄度を超音波探傷によって評価する鋼材の清浄度評価装置であって、水中焦点距離をF、超音波周波数をf、水中超音波音速をC、超音波探触子の集束方向の振動子幅をDF、超音波探触子の非集束方向の振動子幅をDNF、前記鋼片の圧延方向と垂直な方向における断面積をS0、前記鋼材の前記圧延方向と垂直な方向における断面積をS1としたとき、前記超音波探傷で用いる線集束超音波ビームを形成するための超音波探触子を、下記式(1)を満たすとともに、下記式(2)を満たす場合には下記式(3)を満たすように、下記式(2)を満たさない場合は下記式(4)を満たすように設定し、前記設定された超音波探触子を用いて、前記超音波探触子の非集束方向が前記鋼材の圧延方向と平行になるように、水侵探傷法により前記鋼材に超音波ビームを送受信しつつ、走査面が圧延方向と平行になるように前記鋼材上を2次元走査し、前記2次元走査した面に対応する超音波反射信号レベルの2次元分布を取得し、前記2次元分布から、前記超音波探傷によって検出しようとする前記鋼材中における介在物の、前記鋼材の圧延方向と垂直な幅方向における最小の長さd3に相当する信号レベル以上となる部分を評価することを特徴とする。 In order to solve the problems described above and achieve the object, the steel material cleanliness evaluation apparatus according to the present invention evaluates the cleanliness of a steel material formed by rolling cast steel pieces by ultrasonic flaw detection. The underwater focal length is F, the ultrasonic frequency is f, the underwater ultrasonic velocity is C, the transducer width in the focusing direction of the ultrasonic probe is D F , and the ultrasonic probe is When the width of the vibrator in the non-focusing direction is D NF , the cross-sectional area in the direction perpendicular to the rolling direction of the steel slab is S 0 , and the cross-sectional area in the direction perpendicular to the rolling direction of the steel material is S 1 , An ultrasonic probe for forming a line-focused ultrasonic beam used for acoustic flaw detection satisfies the following formula (1), and satisfies the following formula (3) when the following formula (2) is satisfied: If the following formula (2) is not satisfied, the following formula (4) is set. Using the set ultrasonic probe, an ultrasonic beam is transmitted / received to / from the steel material by the water immersion flaw detection method so that the unfocused direction of the ultrasonic probe is parallel to the rolling direction of the steel material. However, the steel material is two-dimensionally scanned so that the scanning surface is parallel to the rolling direction, and a two-dimensional distribution of ultrasonic reflection signal levels corresponding to the two-dimensionally scanned surface is obtained. , characterized by evaluating the inclusions in the steel, the smallest portion of the signal level above which corresponds to the length d 3 in the rolling direction perpendicular to the width direction of the steel the to be detected by the ultrasonic flaw And
本発明によれば、鋳造時に混入した介在物の圧延による延伸を考慮して、線集束超音波による超音波探傷の条件をこれに適するように決定するため、介在物の検出能を十分に得ることができる。また、線集束超音波ビームの非集束方向と介在物の延伸方向とが平行となるように超音波ビームを送受信することで、線集束超音波ビームの非集束方向に探傷ピッチを粗くすることができるため、探傷領域当たりの測定点数を少なくし、評価効率を向上させることができる。 According to the present invention, in consideration of stretching due to rolling of inclusions mixed during casting, the condition of ultrasonic flaw detection by line-focusing ultrasonic waves is determined so as to be suitable for this, so that sufficient detection ability of inclusions is obtained. be able to. Also, by transmitting and receiving the ultrasonic beam so that the unfocused direction of the line-focused ultrasonic beam and the extension direction of the inclusions are parallel, the flaw detection pitch can be made coarse in the non-focused direction of the line-focused ultrasonic beam. Therefore, the number of measurement points per flaw detection area can be reduced and the evaluation efficiency can be improved.
以下、本発明の実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。 Hereinafter, a steel material cleanliness evaluation method and a cleanliness evaluation apparatus according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily replaced by those skilled in the art or those that are substantially the same.
本実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法は、鋳造された鋼片を圧延して形成される鋼材の清浄度を、水侵探傷法(以下、水侵法という)を利用した超音波探傷によって評価する方法である。ここで、以下ではまず本発明の背景となる技術を説明した後、本発明の具体的内容について説明することとする。 In the method for evaluating the cleanliness of steel materials according to the present embodiment, the cleanliness of steel materials formed by rolling cast steel slabs is determined by ultrasonic flaw detection using a water immersion flaw detection method (hereinafter referred to as a water immersion method). It is a method to evaluate. Here, first, the technology as the background of the present invention will be described first, and then the specific contents of the present invention will be described.
一般に、鋼材の製造工程としては、まず鋼片が鋳造され、その後その鋼片が圧延工程により延ばされて鋼材が製造される(例えば参考文献1参照)。なお、圧延工程は複数であることもあり、また、その間に熱処理や表面処理が行われることもある。 Generally, as a manufacturing process of a steel material, a steel slab is first cast, and then the steel slab is extended by a rolling process to manufacture a steel material (for example, see Reference 1). In addition, there may be a plurality of rolling processes, and heat treatment or surface treatment may be performed during that time.
参考文献1:特開2009−285698号公報 Reference 1: Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-285698
これらの製造工程において、介在物は鋳造時に鋼片中に混入すると推定される。またその際、介在物は図1左図に示すように、およそ球形であることが想定される。そして、このように鋳造時に混入した介在物は、同図右図に示すように、圧延工程を経て延伸されることが想定される。この場合、圧延後の鋼材(例えば丸棒鋼)における介在物の形状、すなわち介在物の圧延方向(延伸方向)における長さ(長径)Lと、当該圧延方向と垂直な幅方向における長さ(短径)d1は、同図に示すように、鋳造時における鋼片の圧延方向と垂直な方向における断面積をS0、圧延後における丸棒鋼の圧延方向と垂直な方向における断面積をS1、鋳造時における介在物の直径をd0としたとき、それぞれ下記式(6)および下記式(7)に示すものとなる。なお、前記した「圧延方向」とは、鋼片が圧延される方向であり、鋼材の長さ方向と平行な方向を意味している。 In these manufacturing processes, inclusions are presumed to be mixed into the steel slab at the time of casting. At that time, the inclusion is assumed to be approximately spherical as shown in the left figure of FIG. And it is assumed that the inclusion mixed at the time of casting is extended through a rolling process as shown in the right figure of the figure. In this case, the shape of inclusions in the rolled steel material (for example, round bar steel), that is, the length (major axis) L in the rolling direction (stretching direction) of the inclusions, and the length (short) in the width direction perpendicular to the rolling direction. As shown in the figure, the diameter d 1 is the cross-sectional area in the direction perpendicular to the rolling direction of the steel slab during casting S 0 , and the cross-sectional area in the direction perpendicular to the rolling direction of the round bar steel after rolling is S 1. When the diameter of inclusions at the time of casting is d 0 , the following expressions (6) and (7) are obtained, respectively. The above-mentioned “rolling direction” is a direction in which a steel slab is rolled, and means a direction parallel to the length direction of the steel material.
ここで、上記式(6)および上記式(7)において、介在物の圧延方向における長さL(以下、介在物の長さLという)は、圧延比S0/S1に比例して延伸するものと仮定し、介在物の圧延方向と垂直な幅方向における長さd1(以下、介在物の幅d1という)は、幅方向に垂直な断面において円形であると仮定している。また、上記式(6)および上記式(7)において、介在物の体積は圧延前後で不変であると仮定している。 Here, in the above formulas (6) and (7), the length L in the rolling direction of the inclusions (hereinafter referred to as the inclusion length L) is stretched in proportion to the rolling ratio S 0 / S 1. It is assumed that the length d 1 in the width direction perpendicular to the rolling direction of the inclusions (hereinafter referred to as inclusion width d 1 ) is circular in the cross section perpendicular to the width direction. Moreover, in the said Formula (6) and said Formula (7), it is assumed that the volume of the inclusion is unchanged before and after rolling.
このように圧延されて製造された鋼材に対して超音波探傷を行う場合、介在物の検出能および探傷効率を考慮して、例えば前記した特許文献1に記載されたような焦点型探触子を用いた水侵法によって行うことが一般的である。図2に、その際に用いられる点集束超音波探触子110と、当該点集束超音波探触子110によって形成される点集束超音波ビームを示す。
In the case where ultrasonic flaw detection is performed on the steel material manufactured by rolling in this way, a focus type probe as described in
図2に示したビーム集束部(焦点、集束領域)における介在物からの超音波反射信号(以下、反射信号という)は、ビーム集束部におけるビーム断面積S2と、点集束超音波ビーム内に含まれている介在物の断面積S3との比S3/S2におよそ比例すると考えられる。図3Aおよび図3Bは、点集束超音波ビームのビーム集束部に介在物が存在する場合を想定した断面図であり、鋼材における介在物が存在する領域を圧延方向と平行に切断し、その切断面を上から観察した様子を模式的に示す図である。なお、ここでは、鋼材の圧延方向と垂直に点集束超音波ビームを入射させることを想定している。このように点集束超音波ビームを圧延方向と垂直に入射すると、ビーム集束部における介在物の断面積が大きくなるため、微小な介在物の検出にも有利である。 Beam focusing unit shown in FIG. 2 (focal, focused area) reflected ultrasonic signals from the inclusions in (hereinafter, referred to as a reflected signal) and the beam cross-sectional area S 2 in the beam focusing unit, a point focused in the ultrasonic beam It is considered to be approximately proportional to the ratio S 3 / S 2 to the cross-sectional area S 3 of the inclusions included. 3A and 3B are cross-sectional views assuming that inclusions are present in the beam focusing portion of the point-focusing ultrasonic beam. A region where inclusions are present in a steel material is cut in parallel to the rolling direction, and the cutting is performed. It is a figure which shows typically a mode that the surface was observed from the top. Here, it is assumed that a point-focusing ultrasonic beam is incident perpendicular to the rolling direction of the steel material. When the point-focusing ultrasonic beam is incident perpendicularly to the rolling direction in this way, the cross-sectional area of the inclusions in the beam focusing portion increases, which is advantageous for detecting minute inclusions.
このとき、図3Aに示すように、介在物の長さLがビーム直径d2を上回る場合(L>d2)、点集束超音波ビームをどのように当てても介在物の一部が点集束超音波ビームからはみ出てしまう。この場合、鋼材からの反射信号は点集束超音波ビーム内の断面積にしか対応しないため、介在物全体の断面積がわからないという問題がある。なお、前記した「ビーム直径」とは、点集束超音波ビームのビーム集束部における直径のことを意味している。 At this time, as shown in FIG. 3A, when the length L of the inclusion exceeds the beam diameter d 2 (L> d 2 ), a part of the inclusion is pointed no matter how the point focused ultrasonic beam is applied. It protrudes from the focused ultrasound beam. In this case, since the reflected signal from the steel material corresponds only to the cross-sectional area in the point-focused ultrasonic beam, there is a problem that the cross-sectional area of the entire inclusion is not known. The above-mentioned “beam diameter” means the diameter of the point focusing ultrasonic beam at the beam focusing portion.
一方、図3Bに示すように、介在物の長さLがビーム直径d2以下(L≦d2)となるような点集束超音波ビームを使えば、介在物全体を点集束超音波ビーム内に収めることができる。しかし、この場合はビーム断面積S2が大きくなってしまうため、ビーム断面積S2と介在物の断面積S3との比S3/S2が小さくなり、鋼材からの反射信号の強度が弱くなるため、介在物の検出能が低下してしまうという問題がある。 On the other hand, as shown in FIG. 3B, if a point-focused ultrasonic beam is used in which the length L of the inclusion is equal to or less than the beam diameter d 2 (L ≦ d 2 ), the entire inclusion is contained within the point-focused ultrasonic beam. Can fit in. However, in this case, since the beam cross-sectional area S 2 becomes large, the ratio S 3 / S 2 between the beam cross-sectional area S 2 and the cross-sectional area S 3 of the inclusion becomes small, and the intensity of the reflected signal from the steel material becomes small. Since it becomes weak, there exists a problem that the detection ability of inclusions will fall.
なお、図3Aに示すように、ビーム直径d2を小さくした場合、介在物全体の断面積は分からないものの、点集束超音波ビーム内の介在物の断面積が一定以上(ビーム集束部の断面積に対する介在物の断面積が一定以上)であれば、介在物を検出することは可能である。 Incidentally, as shown in FIG. 3A, when reducing the beam diameter d 2, but do not know the cross-sectional area of the entire inclusions, point focused cross-sectional area of the inclusions in the ultrasound beam over a certain (beam focusing portion of the cross-sectional It is possible to detect inclusions if the cross-sectional area of the inclusions with respect to the area is greater than or equal to a certain value).
しかしこの場合も、前記したように、介在物の検出能を上げるには探傷ピッチpも小さくする必要があり(図15および上記式(5)参照)、その結果、探傷領域当たりの測定点数が多くなって評価効率が低下するという問題があった。そこで、本発明者らは、このような問題点を解決するために、評価効率に優れた鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置を考案した。以下、本発明の内容について説明する。 However, in this case as well, as described above, it is necessary to reduce the flaw detection pitch p in order to improve the detection ability of inclusions (see FIG. 15 and the above equation (5)). As a result, the number of measurement points per flaw detection area is reduced. There was a problem that the evaluation efficiency decreased as the number increased. In order to solve such problems, the present inventors have devised a steel material cleanliness evaluation method and a cleanliness evaluation device excellent in evaluation efficiency. The contents of the present invention will be described below.
本発明の実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法を行うための装置の基本的構成を図4に示す。清浄度評価装置1は、線集束超音波探触子(以下、超音波探触子という)10と、制御部20と、を備えている。なお、図4では本発明に関係する構成のみを図示し、その他の構成は図示を省略している。
FIG. 4 shows a basic configuration of an apparatus for performing a steel material cleanliness evaluation method according to an embodiment of the present invention. The
超音波探触子10は、線集束超音波ビーム(以下、超音波ビームという)を形成し、水侵法によって超音波探傷を行うものである。また、制御部20は、超音波探触子10を制御するとともに、超音波探触子10によって取得された反射信号を処理するものである。この制御部20は、具体的にはCPU、ディスク装置、メモリ装置、入力装置、出力装置、通信装置等で構成される一般的なコンピュータを、本実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法の後記各ステップを行う手段として機能させる。
The
本実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法は、図5に示すように、評価条件設定ステップ(ステップS1)と、被検体評価ステップ(ステップS2)と、を行う。そのうち、評価条件設定ステップでは、図6に示すように、介在物検出サイズ設定ステップ(ステップS11)と、超音波探触子設定ステップ(ステップS12)と、検出閾値設定ステップ(ステップS13)と、探傷ピッチ設定ステップ(ステップS14)と、をこの順番で行う。 As shown in FIG. 5, the steel material cleanliness evaluation method according to the present embodiment performs an evaluation condition setting step (step S1) and an object evaluation step (step S2). Among them, in the evaluation condition setting step, as shown in FIG. 6, the inclusion detection size setting step (step S11), the ultrasonic probe setting step (step S12), the detection threshold setting step (step S13), The flaw detection pitch setting step (step S14) is performed in this order.
まず、介在物検出サイズ設定ステップでは、介在物検出サイズを設定する。ここで、介在物検出サイズとは、超音波探傷によって検出しようとする鋼材中における最小(下限)の介在物のサイズのことである。より具体的には、検出しようとする最小の介在物の、圧延方向と垂直な幅方向における長さのことを意味している。以下では、この介在物検出サイズのことをd3で示す。 First, in the inclusion detection size setting step, the inclusion detection size is set. Here, the inclusion detection size is the minimum (lower limit) size of inclusions in the steel material to be detected by ultrasonic flaw detection. More specifically, it means the length in the width direction perpendicular to the rolling direction of the minimum inclusion to be detected. The following shows that the inclusions detected size d 3.
本ステップでは、図1に示すように、鋼材中の介在物が圧延によって延伸されたものと想定し、当該延伸後の介在物の幅d1に対応させた介在物検出サイズd3を設定する。そして、後段の超音波探傷ステップ(図10参照)において、d1>d3となる介在物を検出する。なお、介在物検出サイズd3は、値が小さいほど小さな介在物を検出できるため、なるべく小さな値とすることが好ましい。例えば以下の参考文献2には、20μm以下の欠陥が疲労き裂の起点となることが示されているため、本ステップでは、介在物検出サイズd3を20μm以下に設定することが好ましい。
In this step, as shown in FIG. 1, it is assumed that the inclusions in the steel material have been stretched by rolling, and the inclusion detection size d 3 corresponding to the width d 1 of the inclusion after the stretching is set. . Then, in the subsequent ultrasonic flaw detection step (see FIG. 10), inclusions that satisfy d 1 > d 3 are detected. Note that inclusions detected size d 3 is, it is possible to detect a smaller value small inclusions, it is preferable that the possible small value. For example, in
参考文献2:藤松威史ほか、「高炭素クロム軸受鋼の転がり疲れにおける内部欠陥からのき裂発生挙動」、鉄と鋼、一般社団法人日本鉄鋼協会、2008年、Vol.94、No.1、p13−20 Reference 2: Takefumi Fujimatsu et al., “Crack initiation behavior from internal defects in rolling fatigue of high-carbon chromium bearing steel”, Iron and Steel, Japan Iron and Steel Institute, 2008, Vol.94, No.1 , P13-20
次に、超音波探触子設定ステップでは、超音波探傷に使用する超音波探触子10を設定する。本ステップでは、超音波ビームによる超音波探傷の条件を、集束方向および非集束方向におけるビーム幅や振動子幅を考慮して決定する。以下、超音波探傷の条件を決定するための式について説明する。
Next, in the ultrasonic probe setting step, the
まず、超音波ビームのビーム集束部における集束方向のビーム幅d2Fは、超音波探触子10の集束方向の振動子幅をDF、水中焦点距離をF、水中超音波音速をC、超音波周波数をfとした場合、下記式(8)のように示すことができる。
First, the beam width d 2F in the focusing direction at the beam focusing part of the ultrasonic beam is such that the transducer width in the focusing direction of the
なお、超音波ビームの集束方向のビーム幅d2Fは、当該超音波ビームが鋼材中に入射した場合であっても、基本的には変化しない。 Incidentally, focusing direction of the beam width d 2F of the ultrasonic beam, even if the ultrasonic beam is incident in the steel material, does not change basically.
また、超音波ビームのビーム集束部における非集束方向のビーム幅d2NFは、超音波探触子10の非集束方向の振動子幅をDNFとし、超音波探触子10からの距離xが下記式(9)を満たすとき、下記式(10)に示すことができる。
Further, the beam width d 2NF in the non-focusing direction in the beam converging portion of the ultrasonic beam is such that the transducer width in the non-focusing direction of the
ここで、超音波ビームの集束方向における焦点(x=F)では、上記式(8)を満たす必要があるため、下記式(1)を条件として課す。 Here, the focal point (x = F) in the focusing direction of the ultrasonic beam needs to satisfy the above formula (8), so the following formula (1) is imposed as a condition.
このとき、超音波ビームのビーム集束部におけるビーム断面積S2は、下記式(11)のように示すことができる。 In this case, the beam cross-sectional area S 2 of the beam focusing portion of the ultrasonic beam can be represented by the following formula (11).
一方、介在物に関して、介在物の長さLは、上記式(6)および上記式(7)を考慮すると、介在物の幅d1および圧延比S0/S1を用いて、下記式(12)のように示すことができる。 On the other hand, regarding the inclusions, the length L of the inclusions is calculated using the following formula (6) and the formula (7) using the inclusion width d 1 and the rolling ratio S 0 / S 1. 12).
そして、図7Aおよび図7Bに示すように、超音波ビームの非集束方向と介在物の延伸方向とを一致させ、かつ介在物が超音波ビーム断面の中央にある場合を考えると、超音波ビーム内に含まれる介在物の断面積S3は、下記式(13)および下記式(14)のように示すことができる。なお、下記式(13)および下記式(14)では、d2NF<Lの場合は超音波ビーム内の介在物の断面を長方形として近似し、d2F≧d1であることを仮定している。 Then, as shown in FIG. 7A and FIG. 7B, considering the case where the unfocused direction of the ultrasonic beam and the extending direction of the inclusion are matched and the inclusion is at the center of the ultrasonic beam cross section, the ultrasonic beam sectional area S 3 of the inclusions contained within can be represented by the following formula (13) and the following equation (14). In the following formula (13) and the following formula (14), when d 2NF <L, the cross section of the inclusion in the ultrasonic beam is approximated as a rectangle, and it is assumed that d 2F ≧ d 1 . .
次に、超音波ビームのビーム断面積S2と、当該超音波ビーム内に含まれている介在物の断面積S3との比であるS3/S2について考える。超音波探傷時に介在物から得られる反射信号A1は、超音波ビーム全体から超音波が反射する場合の反射信号A0を用いると、下記式(15)のように示すことができる。なお、下記式(15)では、反射信号A1,A0における単位面積当たりの反射率は同等と仮定している。 Next, consider S 3 / S 2 , which is the ratio of the beam cross-sectional area S 2 of the ultrasonic beam and the cross-sectional area S 3 of the inclusions included in the ultrasonic beam. Reflected signals A 1 obtained from inclusion during ultrasonic flaw detection, the use of reflective signal A 0 when the ultrasonic wave is reflected from the entire ultrasonic beam can be represented by the following formula (15). In the following formula (15), it is assumed that the reflectances per unit area in the reflected signals A 1 and A 0 are equal.
ここで、超音波探傷では、前記した介在物検出サイズ設定ステップで設定した介在物検出サイズd3以上の介在物に対応する反射信号A1を検出できるようにすれば良いため、超音波探傷におけるノイズレベルをAn、検出のための余裕値(SN比)をαとしたとき、反射信号A1は、下記式(16)に示すような値とする。 Here, since the ultrasonic flaw detection, it suffices to detect the reflected signals A 1 corresponding to the inclusions detected size d 3 or more inclusions set by inclusions detection size setting step described above, the ultrasonic inspection When the noise level is A n and the margin for detection (SN ratio) is α, the reflected signal A 1 is a value as shown in the following equation (16).
以上より、d1≧d3となる介在物を検出するために超音波ビームの集束方向のビーム幅d2Fおよび非集束方向のビーム幅d2NFに求められる条件は、上記式(11)〜上記式(16)を考慮すると、下記式(17)および下記式(18)に示すものとなる。 From the above, the conditions required for the beam width d 2F in the focusing direction and the beam width d 2NF in the non-focusing direction of the ultrasonic beam in order to detect inclusions where d 1 ≧ d 3 are the above formulas (11) to (11). Considering equation (16), the following equations (17) and (18) are obtained.
ここでさらに、上記式(17)および上記式(18)におけるノイズレベルAnについて考える。発明者らは、仕様の異なる6種類の超音波探触子10について、図8に示すように、実際の超音波探傷と同等な条件で反射信号A0とノイズレベルAnの比較を行った。同図に示すそれぞれの「SN比の逆数」から、超音波探触子10の仕様によらず、An≒0.01・A0とすれば良いことが分かる。これを考慮すると、上記式(17)および上記式(18)は、下記式(19)および下記式(20)となる。
Here We think noise level A n in formula (17) and the equation (18). We, the six different
そして、余裕値αは、α≧2が少なくとも必要となる。この場合、上記式(19)および上記式(20)は、下記式(21)および下記式(22)となる。 The margin value α needs to satisfy at least α ≧ 2. In this case, the above formula (19) and the above formula (20) become the following formula (21) and the following formula (22).
また、余裕値αは、α≧5とすることがより好ましい。この場合、上記式(19)および上記式(20)は、下記式(23)および下記式(24)となる。 The margin value α is more preferably α ≧ 5. In this case, the above formula (19) and the above formula (20) become the following formula (23) and the following formula (24).
また、上記式(21)および上記(22)について、上記式(8)、(9)、(12)を利用してd2F,d2NF,Lを消去すると、下記式(25)および下記式(26)となる。そして、下記式(25)および下記式(26)に上記式(1)を加えたものが本ステップにおける条件式となる。 Further, with respect to the above formulas (21) and (22), when d 2F , d 2NF , and L are eliminated using the above formulas (8), (9), and (12), the following formulas (25) and (22) (26) And what added the said Formula (1) to following formula (25) and following formula (26) becomes a conditional expression in this step.
同様に、上記式(23)および上記式(24)について、上記式(8)、(9)、(12)を利用してd2F,d2NF,Lを消去すると、下記式(27)および下記式(28)となる。そして、下記式(27)および下記式(28)に上記式(1)を加えたものが本ステップにおけるより好ましい条件式となる。 Similarly, when d 2F , d 2NF , and L are eliminated using the above formulas (8), (9), and (12) for the above formula (23) and the above formula (24), the following formula (27) and The following formula (28) is obtained. And what added the said Formula (1) to the following formula (27) and the following formula (28) becomes a more preferable conditional expression in this step.
以上を踏まえ、本ステップでは、後記する超音波探傷ステップで用いる超音波探触子10を、上記式(1)を満たすとともに、上記式(25)または上記式(26)(好ましくは上記式(27)または上記式(28))を満たすように設定する。言い換えると、超音波探触子10を、上記式(1)を満たすとともに、下記式(2)を満たす場合には下記式(3)を満たすように、下記式(2)を満たさない場合は下記式(4)を満たすように設定する。
Based on the above, in this step, the
次に、検出閾値設定ステップでは、介在物の検出閾値Athを設定する。ここでは、介在物検出サイズd3に相当する介在物の反射信号A1を検出できれば良いため、上記式(11)〜上記式(16)を考慮すると、検出閾値Athは、下記式(29)および下記式(30)を満たすように設定する。 Next, in the detection threshold setting step, an inclusion detection threshold Ath is set. Here, since it is sufficient detect reflected signals A 1 inclusions corresponding to inclusions detection size d 3, considering the above formula (11) to the equation (16), the detection threshold A th is represented by the following formula (29 ) And the following formula (30).
次に、探傷ピッチ設定ステップでは、鋼材の圧延方向における探傷ピッチp1および鋼材の圧延方向に垂直な方向における探傷ピッチp2を決定する。探傷ピッチp1,p2は、ビーム幅d2F,d2NFを基に、探傷もれが無いように設定すれば良い。探傷ピッチpは、例えば図9のような測定点を考慮した場合、下記式(31)および下記式(32)を満たすように設定する。 Next, in the flaw detection pitch setting step, the flaw detection pitch p 1 in the rolling direction of the steel material and the flaw detection pitch p 2 in the direction perpendicular to the rolling direction of the steel material are determined. The flaw detection pitches p 1 and p 2 may be set based on the beam widths d 2F and d 2NF so that there is no flaw detection defect . The flaw detection pitch p is set so as to satisfy the following formula (31) and the following formula (32) when considering the measurement points as shown in FIG.
本実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法は、以上のように評価条件設定ステップ(図5のステップS1、図6のステップS11〜S14)を行った後、被検体評価ステップ(図6のステップS2)を行う。被検体評価ステップでは、図10に示すように、被検体準備ステップ(ステップS21)と、超音波探傷ステップ(ステップS22)と、評価ステップ(ステップS23)と、をこの順番で行う。 The steel material cleanliness evaluation method according to the present embodiment performs the evaluation condition setting step (step S1 in FIG. 5 and steps S11 to S14 in FIG. 6) as described above, and then the object evaluation step (step in FIG. 6). S2) is performed. In the subject evaluation step, as shown in FIG. 10, the subject preparation step (step S21), the ultrasonic flaw detection step (step S22), and the evaluation step (step S23) are performed in this order.
まず、被検体準備ステップでは、超音波探傷の被検体の準備を行う。本ステップでは、具体的には、例えば鋼材(丸棒鋼)の切出し、表面平滑化加工、結晶粒微細化のための熱処理等を行う。また、鋼材の切出しにおいては、図11に示すように、探傷面が圧延方向と平行になるようにする。また、後に水侵2次元探傷を効率良く行う上では、同図に示すように、探傷面が平面となるように被検体を切出すことが好ましい。 First, in the subject preparation step, a subject for ultrasonic flaw detection is prepared. Specifically, in this step, for example, cutting of steel (round bar steel), surface smoothing, heat treatment for crystal grain refinement, and the like are performed. Further, in cutting out the steel material, the flaw detection surface is made parallel to the rolling direction as shown in FIG. Further, in order to efficiently perform water immersion two-dimensional flaw detection later, it is preferable to cut out the subject so that the flaw detection surface becomes a flat surface as shown in FIG.
次に、超音波探傷ステップでは、超音波探傷を実施する。本ステップでは、線集束の超音波探触子10による探傷を精度良く、かつ効率的に行うために水侵法を用いる。そして、本ステップでは、超音波探触子設定ステップで設定された超音波探触子10を用い、探傷ピッチ設定ステップで設定された探傷ピッチp1,p2ごとに超音波を送受信しつつ、それぞれの位置ごとに反射信号A1を検出していくことで、反射信号レベル(反射信号強度)の2次元マップ(2次元分布)を生成する。
Next, in the ultrasonic inspection step, ultrasonic inspection is performed. In this step, the water infiltration method is used to perform flaw detection with the line-focusing
なお、本ステップでは、超音波ビームの非集束方向が常に鋼材の圧延方向に平行になるようにしながら探傷を行う。また、本ステップにおける超音波探傷の具体的方法としては、探傷面が平面の場合は、図12に示すように、例えば参考文献3に記載されているようなCスキャン探傷法を用いることが好ましい。なお、同図では点集束超音波ビームによる超音波探傷の場合を一例として示しているが、線集束の場合も同様である。 In this step, the flaw detection is performed while the unfocused direction of the ultrasonic beam is always parallel to the rolling direction of the steel material. Further, as a specific method of ultrasonic flaw detection in this step, when the flaw detection surface is a flat surface, it is preferable to use a C-scan flaw detection method as described in Reference 3, for example, as shown in FIG. . In the figure, the case of ultrasonic flaw detection using a point-focused ultrasonic beam is shown as an example, but the same applies to the case of line focusing.
参考文献3:特開2008−261889号公報 Reference 3: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-261889
また、探傷面が曲面の場合は、例えば図13に示すように、軸方向の回転と軸方向に平行な方向の移動を組み合わせて2次元走査を行うことが好ましい。 When the flaw detection surface is a curved surface, for example, as shown in FIG. 13, it is preferable to perform two-dimensional scanning by combining axial rotation and movement in a direction parallel to the axial direction.
このように、本ステップでは、超音波ビームを形成する超音波探触子10を用いて水侵法により被検体である鋼材に超音波を送受信しつつ、走査面が圧延方向と平行になるように鋼材上を2次元走査する。
As described above, in this step, while the
最後に、評価ステップでは、反射信号レベルの2次元マップを基に、鋼材の清浄度を評価する。本ステップでは、前記した超音波探傷ステップにおいて2次元走査した面に対応する反射信号レベルの2次元マップを取得し、介在物検出サイズd3に相当する信号レベル(検出閾値Ath)以上となる部分を評価する。本ステップにおける具体的な評価方法としては、例えば検出された介在物の個数をカウントして評価する、あるいは検出されたそれぞれの介在物の信号レベルを評価すること等が挙げられる。 Finally, in the evaluation step, the cleanliness of the steel material is evaluated based on the two-dimensional map of the reflected signal level. In this step, a two-dimensional map of the reflection signal level corresponding to the two-dimensionally scanned surface in the ultrasonic flaw detection step is acquired, and becomes equal to or higher than the signal level (detection threshold A th ) corresponding to the inclusion detection size d 3. Evaluate the part. As a specific evaluation method in this step, for example, the number of detected inclusions is counted and evaluated, or the signal level of each detected inclusion is evaluated.
以上説明した本発明に係る鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置1によれば、鋳造時に混入した介在物の圧延による延伸を考慮して、線集束超音波による超音波探傷の条件をこれに適するように決定するため、介在物の検出能を十分に得ることができる。また、線集束超音波ビームの非集束方向と介在物の延伸方向とが平行となるように超音波ビームを送受信することで、線集束超音波ビームの非集束方向に探傷ピッチを粗くすることができるため、探傷領域当たりの測定点数を少なくし、評価効率を向上させることができる。
According to the steel material cleanliness evaluation method and the
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本実施例では、本発明に係る方法および従来の点集束超音波ビームを利用した方法によって、圧延比S0/S1=100で圧延された鋼材の探傷を行った場合を想定した数値実験を行った。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In this example, a numerical experiment assuming a case where a steel material rolled at a rolling ratio S 0 / S 1 = 100 is flawed by the method according to the present invention and the method using a conventional point-focused ultrasonic beam is used. went.
本発明に係る方法では、介在物検出サイズd3=20μmとし、超音波探触子としては、超音波周波数f=50MHz、集束方向の振動子幅をDF=3mm、非集束方向の振動子幅をDNF=6mm、水中焦点距離F=38mmに設定した。これにより、以下に示すように、超音波探触子設定ステップにおける上記式(1)および上記式(4)の条件(あるいは上記式(1)および上記式(26)の条件)を満たすことになる。またこの場合、集束方向のビーム幅d2F=0.37mm、非集束方向のビーム幅d2NF=6mmとなる。 In the method according to the present invention, the inclusion detection size d 3 = 20 μm, the ultrasonic probe has an ultrasonic frequency f = 50 MHz, the transducer width in the focusing direction is D F = 3 mm, and the transducer in the non-focusing direction The width was set to D NF = 6 mm and the underwater focal length F = 38 mm. Thereby, as shown below, the conditions of the above formula (1) and the above formula (4) in the ultrasonic probe setting step (or the conditions of the above formula (1) and the above formula (26)) are satisfied. Become. In this case, the beam width d 2F in the focusing direction is 0.37 mm, and the beam width d 2NF in the non-focusing direction is 6 mm.
本実施例における超音波探傷ステップでは、鋳造時における直径d0=0.5mmの介在物が探傷範囲に存在する場合を考慮した。この場合、延伸後における介在物の幅d1=50μm、延伸後における介在物の長さL=50mmとなる。このような介在物について、本発明に係る線集束超音波探触子によって、非集束方向を圧延方向に合わせて探傷した結果と、比較のためにそれぞれ超音波ビーム直径0.37mm,6mmの従来技術に係る点集束超音波探触子によって探傷した結果を図14に示す。同図では、探傷結果として、それぞれの反射信号レベルと、探傷に必要な単位面積当たりの測定点数を示している。 In the ultrasonic flaw detection step in this example, the case where an inclusion having a diameter d 0 = 0.5 mm at the time of casting is present in the flaw detection range was considered. In this case, the width d 1 of the inclusion after stretching is 50 μm, and the length L of the inclusion after stretching is 50 mm. With respect to such inclusions, the results of flaw detection with the non-focusing direction aligned with the rolling direction by the line-focusing ultrasonic probe according to the present invention and conventional ultrasonic beam diameters of 0.37 mm and 6 mm, respectively, for comparison. FIG. 14 shows the result of flaw detection performed by the point-focusing ultrasonic probe according to the technology. In the figure, as a result of flaw detection, each reflected signal level and the number of measurement points per unit area necessary for flaw detection are shown.
図14に示すように、超音波ビーム直径が0.37mmの点集束超音波探触子を用いた場合は、検出できる反射信号レベルは高いものの測定点数が多くなって効率的に探傷できないことが分かる。また超音波ビーム直径が6mmの点集束超音波探触子を用いた場合は、測定点数は少ないものの、信号レベルが低くなってしまうことが分かる。一方、本発明に係る線集束超音波探触子を用いた場合は、反射信号レベルが高く、測定点数も少ない。そのため、本発明によれば、反射信号レベルの優れた検出能と、探傷の効率化とを両立できていることが分かる。 As shown in FIG. 14, when a point-focusing ultrasonic probe having an ultrasonic beam diameter of 0.37 mm is used, although the reflected signal level that can be detected is high, the number of measurement points increases, so that flaws cannot be detected efficiently. I understand. It can also be seen that when a point-focusing ultrasonic probe with an ultrasonic beam diameter of 6 mm is used, the signal level is low although the number of measurement points is small. On the other hand, when the line-focusing ultrasonic probe according to the present invention is used, the reflection signal level is high and the number of measurement points is small. Therefore, according to the present invention, it can be seen that both the detection capability of the reflected signal level and the efficiency of flaw detection can be achieved.
以上、本発明に係る鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置について、発明を実施するための形態および実施例により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。 The steel material cleanliness evaluation method and the cleanliness evaluation device according to the present invention have been specifically described above with reference to modes and examples for carrying out the invention. However, the gist of the present invention is limited to these descriptions. Rather, it should be construed broadly based on the claims. Needless to say, various changes and modifications based on these descriptions are also included in the spirit of the present invention.
1 清浄度評価装置
10 線集束超音波探触子
20 制御部
110 点集束超音波探触子
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記超音波探傷によって検出しようとする前記鋼材中における介在物の、前記鋼材の圧延方向と垂直な幅方向における最小の長さd3を設定する介在物検出サイズ設定ステップと、
水中焦点距離をF、超音波周波数をf、水中超音波音速をC、超音波探触子の集束方向の振動子幅をDF、超音波探触子の非集束方向の振動子幅をDNF、前記鋼片の圧延方向と垂直な方向における断面積をS0、前記鋼材の前記圧延方向と垂直な方向における断面積をS1としたとき、前記超音波探傷で用いる線集束超音波ビームを形成するための超音波探触子を、下記式(1)を満たすとともに、下記式(2)を満たす場合には下記式(3)を満たすように、下記式(2)を満たさない場合は下記式(4)を満たすように設定する超音波探触子設定ステップと、
前記設定された超音波探触子を用いて、前記超音波探触子の非集束方向が前記鋼材の圧延方向と平行になるように、水侵探傷法により前記鋼材に超音波ビームを送受信しつつ、走査面が圧延方向と平行になるように前記鋼材上を2次元走査する超音波探傷ステップと、
前記2次元走査した面に対応する超音波反射信号レベルの2次元分布を取得し、前記2次元分布から、前記長さd3に相当する信号レベル以上となる部分を評価する評価ステップと、
を含むことを特徴とする鋼材の清浄度評価方法。
Wherein the ultrasonic sound wave inclusions in the in the steel material to be detected by the flaw, inclusions detected size setting step of setting a minimum length d 3 in the rolling direction perpendicular to the width direction of the steel material,
The underwater focal length is F, the ultrasonic frequency is f, the underwater ultrasonic sound velocity is C, the transducer width in the focusing direction of the ultrasonic probe is D F , and the transducer width in the non-focusing direction of the ultrasonic probe is D NF , when the cross-sectional area in the direction perpendicular to the rolling direction of the steel slab is S 0 and the cross-sectional area in the direction perpendicular to the rolling direction of the steel material is S 1 , the line-focused ultrasonic beam used in the ultrasonic flaw detection When the ultrasonic probe for forming the electrode satisfies the following formula (1) and satisfies the following formula (2) when the following formula (2) is satisfied, the following formula (2) is not satisfied: Is an ultrasonic probe setting step for setting so as to satisfy the following formula (4);
Using the set ultrasonic probe, an ultrasonic beam is transmitted / received to / from the steel material by a water immersion flaw detection method so that the unfocused direction of the ultrasonic probe is parallel to the rolling direction of the steel material. Meanwhile, an ultrasonic flaw detection step for two-dimensionally scanning the steel material so that the scanning surface is parallel to the rolling direction;
An evaluation step of acquiring a two-dimensional distribution of ultrasonic reflection signal levels corresponding to the two-dimensionally scanned surface, and evaluating a portion having a signal level equal to or higher than the length d 3 from the two-dimensional distribution;
A method for evaluating the cleanliness of a steel material, comprising:
水中焦点距離をF、超音波周波数をf、水中超音波音速をC、超音波探触子の集束方向の振動子幅をDF、超音波探触子の非集束方向の振動子幅をDNF、前記鋼片の圧延方向と垂直な方向における断面積をS0、前記鋼材の前記圧延方向と垂直な方向における断面積をS1としたとき、前記超音波探傷で用いる線集束超音波ビームを形成するための超音波探触子を、下記式(1)を満たすとともに、下記式(2)を満たす場合には下記式(3)を満たすように、下記式(2)を満たさない場合は下記式(4)を満たすように設定し、
前記設定された超音波探触子を用いて、前記超音波探触子の非集束方向が前記鋼材の圧延方向と平行になるように、水侵探傷法により前記鋼材に超音波ビームを送受信しつつ、走査面が圧延方向と平行になるように前記鋼材上を2次元走査し、
前記2次元走査した面に対応する超音波反射信号レベルの2次元分布を取得し、前記2次元分布から、前記超音波探傷によって検出しようとする前記鋼材中における介在物の、前記鋼材の圧延方向と垂直な幅方向における最小の長さd3に相当する信号レベル以上となる部分を評価することを特徴とする鋼材の清浄度評価装置。
The underwater focal length is F, the ultrasonic frequency is f, the underwater ultrasonic sound velocity is C, the transducer width in the focusing direction of the ultrasonic probe is D F , and the transducer width in the non-focusing direction of the ultrasonic probe is D NF , when the cross-sectional area in the direction perpendicular to the rolling direction of the steel slab is S 0 and the cross-sectional area in the direction perpendicular to the rolling direction of the steel material is S 1 , the line-focused ultrasonic beam used in the ultrasonic flaw detection When the ultrasonic probe for forming the electrode satisfies the following formula (1) and satisfies the following formula (2) when the following formula (2) is satisfied, the following formula (2) is not satisfied: Is set to satisfy the following formula (4),
Using the set ultrasonic probe, an ultrasonic beam is transmitted / received to / from the steel material by a water immersion flaw detection method so that the unfocused direction of the ultrasonic probe is parallel to the rolling direction of the steel material. While scanning the steel material two-dimensionally so that the scanning surface is parallel to the rolling direction,
A two-dimensional distribution of ultrasonic reflection signal levels corresponding to the two-dimensionally scanned surface is acquired, and the rolling direction of the steel material of inclusions in the steel material to be detected by the ultrasonic flaw detection from the two-dimensional distribution minimum steel cleanliness evaluation apparatus characterized by evaluating a portion to be the signal level above which corresponds to the length d 3 in the vertical width direction.
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