JP6641898B2 - 放射線厚み測定装置及びその校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間放射線厚み測定装置とその校正方法に関し、特に、造船、建築、自動車、産業用機械などに使用する鋼板の板厚測定装置とその校正方法に関するものである。

熱間圧延ラインでは、板厚を測定する装置として、出力した放射線量と板厚を通過して受信した放射線量から線吸収率を計算し、この線吸収率から密度補正や相互干渉補正、直線性補正などを介して板厚を算出する方法が取られている。

鋼板の密度は温度や鋼種、相変化などによって大きく変化するため、これらの情報をテーブルまたは補正式の形で放射線厚み測定装置に有し、測定毎にこれらのデータを用いて補正を行うことが一般的である。

例えば、特許文献１には、事前に作成しておいた鋼種・温度によって層別された補正テーブルを用いてガンマ線板厚計の測定値を補正する方法が示されている。

また、この補正テーブルを校正する方法として、特許文献２〜４には、冷間におけるレーザ板厚計の結果を用いて，放射線板厚計の密度式補正データを修正する方法が示されている。板厚の冷間値から熱間値への換算、または熱間値から冷間値への換算には、温度変化に伴う熱ひずみと相変態に伴う変態ひずみを考慮する必要がある。

しかしながら、これら従来の方法では、熱間状態の板厚から冷間状態の板厚を換算する際の、変態ひずみや熱ひずみに与える背応力の影響およびバンド組織の影響を考慮できておらず、板厚測定バラツキの原因となっていた。

ここで、背応力とは、材料を塑性変形させた際に導入される仮想的な応力であり、移動硬化現象を考えた際の降伏曲面の中心部の移動を表す２階のテンソルである。すなわち、背応力が導入されていると、ある方向には塑性変形しやすいが、ある方向には塑性変形しにくいといった異方性を表現できるようになる。この背応力を模式的に示したものが図１である。

また、バンド組織とは、鋳造時に発生する合金成分の偏析を起因とする層状の不均質組織であって、鋳造・圧延を経た材料に特徴的に表れる。この組織は高温（１３００℃以上）で長時間（３日程度）保持することによって回避することが可能であるが、通常はコスト増などの影響を考慮し、バンド組織が維持されたまま圧延ラインに送られる。

特開２０１２−０９３３１４号公報 特開２００３−３５５３０号公報 特開２００１−１４７１１６号公報 特開２００５−８３８２０号公報 特開平６−２８９１号公報

T. A. Kop, "Anisotropic dilatation behaviour during transformation of hot rolled steels showing banded structure", Mater. Sci. and Technol., 17(2001), pp. 1569-1574 T. Siwecki, "Effect of Micro-Segregation on phase transformation and residual stress", Mater. Sci. Forum Vols. 539-547(2007), pp. 4596-4601 A. Jablonka, K. Harster and K. Schwerdtfeger, Thermomechanical properties of iron and iron-carbon alloys : density and thermal contraction, Steel Research, 62, 1, pp.24-33(1991) J. Miettinen, Calculation of solidification-related thermo physical properties for steels, Metallurgical and Materials Transactions B, 28B, pp.281-297(1997)

本発明は、上記実情に鑑み、背応力とバンド組織が変態ひずみや熱ひずみに与える影響を考慮した校正機能を有する熱間放射線厚み測定装置に関する。

本発明者らは、高精度な熱間厚み測定装置の開発に当たり、測定時までの凝固プロセスや圧延・加工プロセスが変態ひずみや熱ひずみに与える影響を検討した。
その過程で、圧延プロセスによって導入される背応力と凝固プロセスおよび圧延プロセスで形成されるバンド組織に着目した。
その結果、背応力の影響で変態ひずみと熱ひずみが大きく変化し、また、バンド組織によっても変態ひずみが大きく変化する現象を見出した。

本発明は、以上のような検討結果を踏まえて、熱間放射線厚み測定値を校正する際に、熱間値と冷間値との換算に、背応力とバンド組織の影響を考慮した密度モデルを用いることによって、厚み測定バラツキを大幅に低減することを可能にしたもので、その要旨とするところは以下の通りである。

（１）放射線を利用した熱間厚み測定装置において、当該装置を用いた熱間における厚み測定結果と、熱間における厚み測定時の表面温度測定結果と、熱間厚み測定時におけるバンド組織予測結果と、熱間厚み測定時における材料の背応力予測結果と、冷間で同一の材料を測定した厚みデータに基づいて線吸収率演算に用いる補正式を校正する機能を有することを特徴とする熱間放射線厚み測定装置。

（２）（１）に記載の熱間放射線厚み測定装置において、放射線としてガンマ線を用いた厚み測定装置。
（３）（１）に記載の熱間放射線厚み測定装置において、放射線としてエックス線を用いた厚み測定装置。
（４）（１）〜（３）のいずれかに記載の熱間放射線厚み測定装置において、背応力の代わりに残留ひずみ量、累積圧下率、転位密度の少なくとも１つに基づいて線吸収率演算に用いる補正式を校正する機能を有することを特徴とする熱間放射線厚み測定装置。
（５）（１）〜（４）のいずれかに記載の熱間放射線厚み測定装置において、密度補正式または密度補正テーブルをレベル２のプロセスコンピュータ上で記憶し、厚み測定装置から送られた放射線吸収率をプロセスコンピュータ上で板厚に換算する機能を有することを特徴とする熱間放射線厚み測定装置。
（６）（１）〜（５）のいずれかに記載の熱間放射線厚み測定装置において、厚み測定時の表面温度測定結果の代わりに計算厚み平均温度を用いて温度補正式または他の補正式を校正する機能を有することを特徴とする熱間放射線厚み測定装置。

（７）放射線を利用した熱間厚み測定装置の校正方法において、厚み測定を行った材料の測定時における温度、及び厚み測定時の材料の背応力予測結果、及び厚み測定時のバンド組織予測結果、及び冷間で同一の材料を測定した厚みデータのうちの１種以上を基に補正式を校正することを特徴とする熱間放射線板厚測定装置の校正方法。

本発明によれば、測定バラツキの少ない高精度な熱間放射線厚み測定装置を供することが出来る。

背応力の模式図である。 光学顕微鏡で観察したバンド組織の例である。 変態前の圧下率と変態ひずみを示した例である。 従来の密度モデルと本発明の密度モデルの比較である。 板厚の作り込み精度の比較図である。

最初に、本発明の熱間放射線厚み測定装置の基本的な構成について説明する。
本発明者らは、変態ひずみや熱ひずみが、測定中の材料の鋳造条件や圧延条件によって大きく変化することを見出した。

従来から予加工によって変態開始温度が変化したり、転位密度による自由エネルギー状態が変化したり、変態モードが変化したりする現象については多くの研究がなされてきたが、これが背応力と結び付けられ、さらに圧延という加工モードによっても変態ひずみや熱応力にも大きな差が生じる現象については知られてこなかった。

また、バンド組織と異方性の変態膨張に関する研究はあるものの（非特許文献１および非特許文献２）、それが鋳造や圧延条件によってどのように変化し、最終的に変態ひずみに影響を与えるか否かの研究はなされてこなかった。
そこで、発明者らは種々の鋳造条件や圧延条件および冷却条件で実験を行い、これらの影響を考察した。

まず、鋳造条件および圧延条件によってバンド組織がどのような影響を受けるかを調査する。

一般に、バンド組織は鋳造時に生じる凝固偏析が圧延後にバンド状に残存する現象であるが、この凝固偏析は鋳造時の冷却速度との関連性が深い。また、この凝固偏析は圧延によって変形するため、鋳造条件（特に冷却速度）と圧延条件（特に圧下率）によって整理する。

ここで、凝固偏析はソーキングと呼ばれる高温での熱処理によって均一拡散させることが可能である。そこで、圧延によって得られた材料を９５０℃に加熱し、９００℃で圧下を加えた場合と、１３００℃に加熱し（ソーキング処理）、９００℃に圧下を加えた場合について以下に示す。

図２は引張り強度が４００ＭＰａである厚鋼板を９５０℃まで加熱し、９００℃で圧延した場合（ａ）と、１３００℃まで加熱し９００℃で圧延した場合（ｂ）の、板幅方向に垂直な面におけるミクロ組織を示している。組織撮影には、ナイタール腐食液を用いて腐食させ、５０倍の光学顕微鏡を利用した。本結果から明らかなように、９５０℃加熱の場合にはバンド組織が残存しているが、１３００℃加熱ではバンド組織が消失し、均一な組織となっていることが分かる。これは、高温下における拡散で合金元素が均一化したためである。

次に、本鋼板を９００℃で圧延した後、冷却時の板厚方向のひずみ変化を測定した。ひずみ変化の測定には、レーザ式変位計を用いた。このひずみ測定結果と温度との関係を図３に示す。ただし、図３は全ひずみ量から熱ひずみを除去し、変態ひずみのみを示している。

図３からは、圧下量に従って変態ひずみが増大していることが分かる。これは、圧下によって材料に背応力が導入されたために、相変態で微視的な塑性変形が生じる際、異方性をもった変形をするために発生する現象である。

ここで、圧延によって導入された背応力は、回復や再結晶などの影響で時間とともに減少する。そこで、成分・温度に応じた回復や再結晶などを考慮し、背応力の変化を考慮する。この減少量の演算方法の限定はしないが、成分系や温度履歴などに応じた式を用いることが好ましい。特に、Ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙと呼ばれる、ＮｂやＴｉなどの合金成分に受ける影響は大きいので、これらの影響を考慮することがより好ましい。また、累積圧下の効果も背応力として導入することができる。ここで、背応力は通常２階のテンソルで表わされるが、圧延による背応力の導入を近似的に圧縮成分のみを考慮することで、背応力のスカラーとして取り扱っても精度上大きな影響は無い。圧縮の背応力が進展すると、見かけの板厚方向変態ひずみは大きくなる。ここで、本材料の変態はフェライト・パーライト変態であったが、基本的にベイナイトやマルテンサイトなどの相においても背応力が変態ひずみに同様の影響を与えることが分かった。

次に、熱ひずみについて述べる。熱ひずみは温度に関して線形で与えられるとしてよいが、相変態前後で大きく変わる。成分にもよるが、鋼の場合にはオーステナイト相では２．２×１０^-5［Ｋ^-1］程度、フェライト・パーライト相では１．５×１０^-5［Ｋ^-1］程度の値を取ることが知られている。

一方で発明者らは、変形による熱ひずみへの影響を考察した。上記と同様の試験結果から加工後のオーステナイト域、フェライト域それぞれでの線膨張係数を表１に示す。表１の結果からオーステナイト域の線膨張係数は加工の影響を殆ど受けないが、フェライト域の線膨張係数は圧下率と共に上昇する傾向が分かった。この原因は、加工と変態による集合組織形成と関係があると考えられる。

本発明者らは、以上のような検討過程を経て本発明に至ったものであり、以下、そのような本発明で規定する要件や好ましい要件について順次説明する。

まず、熱間放射線厚み測定装置の測定原理を示す。
熱間放射線厚み測定装置は、放射性元素を発生源とする放射線発生装置と、発生装置から放出された放射線を、測定対象の反対側で放射線量を測定するレセプターを有し、厚み測定時の温度を測定またはプロセスコンピュータ内を含むレベル１またはレベル２で計算する手段を持ち、（温度補正を含む）密度補正および相互干渉補正および直線性補正を行う機能を有し、放射線の吸収量とこれらの補正手段から測定対象物の厚みを測定する。

ここで、発生させる放射線の種類はいかなるものを用いてもよいが、測定する厚みに応じて強度を変えることが好ましい。例えば、板厚６ｍｍを超える厚みの厚鋼板では、ガンマ線を用いた板厚測定を行うのが通常である。

次に、密度補正のための密度式について述べる。ここで、温度補正と密度補正を分けて表記する場合があるが、温度変化によって生じる密度変化を考慮していれば、密度補正として統一的に扱うことができるため、以下では単に密度補正と表記する。

測定対象となる熱間材料の密度は、対象材料の温度と結晶構造などによって変化する。例えば、鋼材の場合は、熱間ではオーステナイト相であり、冷間ではフェライト・パーライトなどの相となり、結晶構造によって、また温度や合金成分によって密度が変化する。これらの影響を考慮した密度式が提案されており（非特許文献３および非特許文献４）、鉄鋼材料についてはこれらの値を用いることが出来るが、好ましくは事前に各温度域で鋼種毎に密度を測定しておく。

一方で、本発明によれば、バンド組織（偏析組織）や背応力によって変態ひずみや熱ひずみが異方性を持つため、上記の密度式または密度データでは不十分である。すなわち、ベースとなる密度式または密度データに加えて、鋳造条件や圧延条件に代表されるプロセス条件に応じた異方性の影響による補正を行う。

本補正には、鋼種毎に圧延による背応力の影響や、鋳造・圧延によるバンド組織の影響を事前に実験や数値計算手法を通じて求めておく。好ましくは合金成分の影響を考慮した統一的な補正式を作成する。

本密度式を用いて冷間における厚み測定データを用いて熱間値を校正することが可能となる。

次に、実際の測定時に厚みを算出する方法について、厚鋼板の熱間圧延ラインを例に述べる。

熱間での厚み測定には、厚み測定時の温度データが必要になるが、当該データは板厚測定器に近接された放射温度計やレーザ超音波などを用いた温度測定データを使用することができる。また、レベル２であるプロセスコンピュータから受信した測定データまたは計算温度を用いることもできる。

さらに、厚み測定装置（レベル１）で測定された値を、プロセスコンピュータ（レベル２）に伝送し、プロセスコンピュータ上で複雑な補正を行うことも可能であり、この場合は当該伝送システムおよびプロセスコンピュータを含めた統合システムを厚み測定装置と呼ぶことができる。

厚み測定時の背応力およびバンド組織予測について述べる。厚み測定時の背応力は、加熱炉出側の状態を０とし、その後の圧延による背応力進展、回復や再結晶による背応力減少を逐次演算する。また、バンド組織予測は連続鋳造時の冷却条件と成分系および加工履歴から計算する。ここで、背応力およびバンド組織予測方法について限定はしないが、例えば背応力の発展式として以下の式を用いることができる。

としても差し支えないが、好ましくは鋼種毎に関係式を予め求めておく。

ところで、測定時の背応力やバンド組織は以上の方法で求めることが可能であるが、製品の板厚を求める際には、測定後の圧延による影響を考慮する必要がある。この影響はセットアップ計算と呼ばれる圧延開始前段階の圧下スケジュール計算の結果を用いることができる。

しかし、セットアップ計算の結果と実績圧下率とが異なる場合もあるので、厚み測定時には逐次実績結果によって圧延履歴を更新することが好ましい。

次に変態開始温度について述べる。
変態開始温度は背応力の方向によらず、加工ひずみの導入に応じて高温側に推移する。これは、加工による転位密度の上昇が自由エネルギーの上昇をもたらし、変態を促進させるためである。

加工による変態開始温度の上昇も、図３に示す実験結果から判断することが可能である。ここで、変態開始温度の上昇は転位密度の上昇が起因となっているため、回復や再結晶の影響で転位密度が低下する影響を考慮することが好ましい。

次に熱ひずみについて述べる。
加工履歴によって熱ひずみも影響を受けるため、熱ひずみへの影響も事前に把握しておく必要がある。前掲の表１に熱ひずみの値（先膨張係数）の変化を圧下率毎に整理したものを示す。表１からは、加工（圧下）によってフェライト域の線膨張係数が大きくなっていることが分かる。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例１）
質量％で、Ｃ：０．１％、Ｍｎ：１．０％、Ｓｉ：１．０％、Ａｌ：０．０３％、Ｎ：０．００４％、Ｐ：０．００１％、Ｓ：０．００１％、Ｔｉ：０．０％、Ｎｂ：０．０％、Ｃｒ：０．０％、Ｃｕ：０．１％、Ｎｉ：０．０％、Ｂ：０．０％、Ｍｏ：０．０％、Ｗ：０．０％、及び、Ｖ：０．０％を含有する連続鋳造機で鋳造した厚み２５０ｍｍの鋼片を複数枚用意した。

この鋼片からミクロ組織撮影用のサンプルを切り出し、３％ナイタール液で腐食させ、５０倍の光学顕微鏡撮影を行い、バンド組織を観察した（図２）。この結果から、バンド幅は約４０〜５０μｍ程度であり、ほぼ式(3)を満たすことが分かる。

次にこの鋼片から、圧縮試験片サンプルを切り出した。この圧縮試験片を誘導加熱装置を用いて９５０℃まで１０℃／sで加熱し、５分保持した。温度保持後、空冷を行って、長さ測定結果から変態開始温度を測定する。このとき、変態開始温度は約７８０℃であった。

同様に切り出した圧縮試験片を、９５０℃まで１０℃／sで加熱し、５分保持後、７８０℃となる５ｓ前に１０％、２０％および３０％の圧縮ひずみを０．２ｓで加え、その後０．２ｓで除荷し、無負荷状態での変態ひずみ量を測定した（図３（ａ））。

次にこの鋼片から、上記同様圧縮試験片サンプルを切り出した。この圧縮試験片を誘導加熱装置を用いて１３００℃まで１０℃／sで加熱し、５分保持後、空冷を行って、長さ測定結果から変態開始温度を測定する。このとき、変態開始温度は９５０℃加熱時と同様に約７８０℃であった。

同様に切り出した圧縮試験片を、１３００℃まで１０℃／sで加熱し、５分保持後、７８０℃となる５ｓ前に１０％、２０％および３０％の圧縮ひずみを０．２ｓで加え、その後０．２ｓで除荷し、無負荷状態での変態ひずみ量を測定した（図３（ｂ））。

以上の結果から、圧下による変態開始温度への影響は以下のように得られる。

次に、これらの鋼片を加熱炉で１２００℃に加熱後、熱間圧延機において２０ｍｍとなるまで圧延し、冷却床で９００℃から常温まで冷却した。このとき、圧延完了時に圧延機出側に設置されているガンマ線板厚計を用いて放射線吸収率を測定し、プロセスコンピュータで計算された板の断面平均温度と共に保存した。ガンマ線板厚計としてはＴＯＳＨＩＢＡ製のＴＯＳＧＡＧＥ１４１Ａを用いた。

常温まで冷却された板は、検査ラインに設置されているレーザ板厚計を用いて冷間での板厚を測定した。レーザ板厚計はＴＯＳＨＩＢＡ製のＴＯＳＧＡＧＥ−ＬＤを用いた。

レーザ板厚計のデータからガンマ線板厚計の校正を行う際に、背応力の影響およびバンド組織の影響を考慮して校正を行った場合、および、これらの影響を無視し従来の方法で校正を行った場合の密度補正データを図４に示す。

以上で得られた密度補正データを使用し、同鋼種を４０本圧延し、板厚の作り込み精度比較を行った。この結果を図５に示す。本結果より、板厚の誤差平均値が−０．０９ｍｍから０．００６ｍｍに改善、板厚の誤差率の標準偏差が０．００６から０．００１８に改善した。

本発明によれば、高精度に熱間の厚みを測定する放射線厚み測定器を提供し、製品の品質の最も重要な一つである厚みの精度が向上する。よって、本発明は、産業上の利用可能性が高いものである。

Claims (7)

1. 放射線を利用した熱間厚み測定装置において、当該装置を用いた熱間における厚み測定結果と、熱間における厚み測定時の表面温度測定結果と、熱間厚み測定時におけるバンド組織予測結果と、熱間厚み測定時における材料の回復または再結晶により減少する背応力予測結果と、冷間で同一材料を測定した厚みデータと、に基づいて線吸収率に基づく厚み演算に用いる補正式を校正する機能を有することを特徴とする熱間放射線厚み測定装置。
2. 請求項１記載の熱間放射線厚み測定装置において、放射線としてガンマ線を用いた厚み測定装置。
3. 請求項１記載の熱間放射線厚み測定装置において、放射線としてエックス線を用いた厚み測定装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の熱間放射線厚み測定装置において、背応力予測結果の代わりに回復または再結晶により減少する累積圧下率又は転位密度に基づいて線吸収率に基づく厚み演算に用いる補正式を校正する機能を有することを特徴とする熱間放射線厚み測定装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の熱間放射線厚み測定装置において、密度補正式または密度補正テーブルをプロセスコンピュータ上で記憶し、厚み測定装置から送られた放射線吸収率をプロセスコンピュータ上で板厚に換算する機能を有することを特徴とする熱間放射線厚み測定装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の熱間放射線厚み測定装置において、厚み測定時の表面温度測定結果の代わりに計算厚み平均温度を用いて温度補正式または他の補正式を校正する機能を有することを特徴とする熱間放射線厚み測定装置。
7. 放射線を利用した熱間厚み測定方法において、熱間における厚み測定結果と、熱間における厚み測定時の表面温度測定結果と、熱間厚み測定時におけるバンド組織予測結果と、熱間厚み測定時における材料の回復または再結晶により減少する背応力予測結果と、冷間で同一材料を測定した厚みデータと、に基づいて線吸収率に基づく厚み演算に用いる補正式を校正することを特徴とする放射線厚み計の校正方法。