JP6988705B2 - 鋳片気泡欠陥の非破壊検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造された鋳片内部の気泡欠陥を検出する非破壊検査方法に関する。

転炉や二次精錬で所定の成分に調整された溶鋼は、一般に連続鋳造機により冷却凝固されスラブやブルームなどの鋳片に形成される。その後、圧延工程で加工されて鋼板、鋼管、棒鋼、線材などの鉄鋼製品となる。鋳片の主な品質欠陥には、割れ、介在物、中心偏析、センターポロシティ、気泡などがあり、連続鋳造プロセスでは、これらの欠陥を可能な限り低減することが要求される。

このうち、気泡は、溶鋼中に溶け込んだ窒素や水素などのガス成分、あるいは浸漬ノズルへの介在物付着抑制のために吹き込むアルゴンガスに起因して生成する。気泡欠陥は、鋼板の表面疵、耐サワー鋼のブリスター（表面膨れ）の原因となる他、製品厚が厚く圧延工程において圧着しきれない場合は板厚方向の引張強度を低下させる原因ともなる。

気泡欠陥の低減策として、真空脱ガス処理の強化、浸漬ノズルの吐出孔径あるいは吐出角度の適正化、電磁撹拌や電磁ブレーキによる鋳型内流動制御、などの方法があるが、その効果を把握するには気泡欠陥のサイズや個数を定量的に測定する必要がある。
鋳片気泡欠陥を調査する方法としては、鋳片サンプル表面の研削と欠陥計測を繰り返す、いわゆる「段削り」がある。この方法は、研削面に露出した欠陥を計測するので、確実に欠陥を評価することができるが、作業負荷が大きく時間がかかることに加えて、研削により鋳片サンプルが欠損するため再計測ができないというデメリットがある。従って、鋳片サンプルの欠損を伴わない非破壊検査が望ましいといえる。

鋳片に限らず材料の非破壊検査方法としてＸ線透過試験が広く用いられている。この方法は、欠陥の無い母相部と欠陥部で密度が異なるためにＸ線の透過度が母相部と欠陥部で異なることを利用して、サンプルを透過したＸ線をフィルムやイメージングプレートを介して画像として可視化する方法である。
鋳片サンプルの場合、得られたＸ線透過画像に写っている欠陥について検査者がサイズごとの個数を目視で測定する方法が採られているが、欠陥個数が多いと作業負荷が大きく時間がかかるだけでなく、検査者によって測定結果が異なることも起こり得る。

そこで、特許文献１では、Ｘ線検出装置により取得した画像データを２値化して画素ごとに黒白を決定し、Ｘ線の透過量の多い白の画素をつないで気泡分布を計算しボイドの有無を判定する方法が開示されている。
また、特許文献２では、アルミダイカスト部品の予め設定された所定範囲の内部欠陥を超音波探傷及びＸ線ＣＴし、当該所定範囲の超音波探傷による内部欠陥及びＸ線ＣＴによる内部欠陥をそれぞれ画像解析することによりアルミダイカスト部品の内部欠陥、特に破断チル層の状態を検出する方法が開示されている。

特開２００６−９０７４３号公報 特開２０１３−８８３１０号公報

鋳片サンプルにＸ線を照射し、当該鋳片サンプルを透過したＸ線の画像データを解析する方法によれば、作業負荷の軽減や測定時間の短縮、さらには測定精度の向上などの効果が期待できる。しかしながら、Ｘ線による鋳片気泡欠陥の非破壊検査方法には下記の課題が存在することが判明した。
（ａ）溶鋼が凝固する際に樹枝状晶（デンドライト）が生成し、その樹間に溶質元素が濃化（ミクロ偏析）するため、樹枝状晶と樹間では組成と密度が異なる。このような鋳片サンプルにＸ線を照射すると、欠陥の無い母相部でも凝固組織が「模様」として検知される。そのため、凝固組織と欠陥部を識別する輝度閾値を設定して、輝度閾値を超える輝度値を有するオブジェクトを欠陥と判定するが、「模様」のサイズは数１０μｍ〜数１００μｍと様々である一方、気泡欠陥のサイズも小さいものは数１００μｍレベルであるため、輝度閾値を適切に設定しないと、凝固組織を欠陥部と誤認識することになる。
（ｂ）照射したＸ線の透過度は鋳片サンプルの厚みに依存する。鋳片サンプルには鋳片から切り出した厚さ１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度の板状片を用いるが、各鋳片サンプルの厚みには加工精度に起因する若干のばらつきがある。そのため、凝固組織と欠陥部を識別する輝度閾値が鋳片サンプルごとに異なるおそれがある。

加えて、特許文献２記載の方法では、超音波探傷とＸ線ＣＴを併用するため、設備が大がかりになると共に迅速性に欠けるという難点がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、検査者の技量に依存することなく、凝固組織と欠陥部を識別する輝度閾値を適切に設定して鋳片内部の気泡を迅速且つ正確に検出することが可能な非破壊検査方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、連続鋳造された鋳片の内部に生成する気泡を検出する非破壊検査方法であって、以下の工程を備えている。
（１）前記鋳片から採取した鋳片サンプルにＸ線を照射し、該鋳片サンプルを透過したＸ線の画像データを取得する工程
（２）前記画像データを画像処理し、輝度スペクトルから決定した一次閾値を超える輝度値を有するオブジェクトを検出する工程
（３）検出された各オブジェクトについて、該オブジェクトの縦横比を示すアスペクト比を算出し、アスペクト比が設定値以上の前記オブジェクトに対して輝度値のラインプロファイルを測定して輝度値の最大値をそれぞれ求める工程
（４）求められた前記輝度値の最大値の平均値を二次閾値とし、前記二次閾値を超える輝度値を有する前記オブジェクトのうち、短径が設定値以上のものを気泡と判定する工程

鋳片サンプルを透過したＸ線の画像データを画像処理すると、欠陥部に比べて凝固組織の輝度値は小さくなるので、凝固組織と欠陥部を識別する輝度閾値を設定して、輝度閾値を超える輝度値を有するオブジェクトを気泡と判定する。しかしながら、前述したように、輝度閾値を適切に設定しないと、凝固組織を欠陥部と誤認識するおそれがある。

凝固組織は気泡に比べてアスペクト比（縦横比）が大きいのが特徴である。そこで、本発明では、アスペクト比が設定値以上であるオブジェクトは凝固組織であって、気泡では無いと判断し、気泡では無いと判断されたオブジェクトに対して輝度値のラインプロファイルを測定して輝度値の最大値を求める。そして、輝度値の最大値の平均値を輝度閾値（二次閾値）とし、輝度閾値を超える輝度値を有するオブジェクトを気泡と判定する。

本発明に係る鋳片気泡欠陥の非破壊検査方法では、アスペクト比が設定値以上であるオブジェクトは気泡では無いと判断し、気泡では無いと判断されたオブジェクトに対して輝度値のラインプロファイルを測定して輝度閾値を決定するので、検査者の技量に依存することなく鋳片内部の気泡を迅速且つ正確に検出することができる。

本発明の一実施の形態に係る鋳片気泡欠陥の非破壊検査方法に使用する装置の構成図である。 鋳片から鋳片サンプルを採取する位置を示した模式図である。 本実施の形態に係る鋳片気泡欠陥の非破壊検査方法の手順を示したフロー図である。 モニターに表示されたデジタル画像データの一例である。 ＳＴＥＰ４の処理による輝度スペクトルの変化の一例を示したグラフである。 図５のグラフの縦軸を対数表示し、かつ横軸を拡大表示したグラフである。 気泡径と気泡個数との関係を検査方法ごとに示したグラフである。

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いて説明し、本発明の理解に供する。

本発明の一実施の形態に係る鋳片気泡欠陥の非破壊検査方法に使用する装置構成の一例を図１に示す。
本装置は、鋳片サンプルＳにＸ線を照射するＸ線発生装置１０と、鋳片サンプルＳを透過したＸ線を記録するＸ線記録媒体（本実施の形態ではイメージングプレート）Ｐと、イメージングプレートＰに記録されたＸ線をデジタル画像データとして取得するＸ線画像読取装置１１と、取得されたデジタル画像データを画像処理して気泡欠陥を検出するコンピュータ１２及びモニター１３とから概略構成されている。

イメージングプレートＰは、輝尽性蛍光体の微結晶が塗布されたプラスチック板である。Ｘ線により露光されたイメージングプレートＰ表面にレーザー光を照射すると、Ｘ線の露光量に応じた発光があるので、この発光量を計測することによりＸ線照射量に比例したＸ線画像を得ることができる。

コンピュータ１２には、画像解析ソフトウェアがインストールされたパーソナル・コンピュータなどを使用することができる。

図２は、連続鋳造された鋳片に発生する気泡欠陥を検出する場合の鋳片サンプルＳの採取位置を示したものである。気泡欠陥は鋳片の表面部に発生するため、鋳片表面部の幅方向について鋳片サンプルＳを採取する。鋳片サンプルＳのサイズは、鋳片幅方向に２００ｍｍ程度、鋳片厚さ方向に１００ｍｍ程度、鋳片サンプルＳの鋳造方向の厚みは１０ｍｍ程度とする。

次に、本発明の一実施の形態に係る鋳片気泡欠陥の非破壊検査方法の手順について図３を用いて説明する。

［ＳＴＥＰ１：Ｘ線透過撮影（ＳＴ１）］
イメージングプレートＰの直上に鋳片サンプルＳをセットし、Ｘ線発生装置１０から鋳片サンプルＳに向けてＸ線を照射する。
なお、その後実施する画像解析において解析範囲を指定するため、撮影前に、ポンチなどを用いて鋳片サンプルＳの所定位置に打刻しておくことが好ましい。

［ＳＴＥＰ２：デジタル画像取得（ＳＴ２）］
Ｘ線画像読取装置１１を用いて、イメージングプレートＰに記録されたＸ線画像をデジタル画像データとして取得する。
気泡が存在する位置ではＸ線の透過率が高くなる。そのため、イメージングプレートＰに気泡は黒く写るが、デジタル画像データ取得の際に白黒を反転させる操作を行う。従って、モニター１３上では、気泡は白色で表示される。

［ＳＴＥＰ３：画像解析範囲の指定（ＳＴ３）］
コンピュータ１２にインストールされている画像解析ソフトウェアを用いて、コンピュータ１２にデジタル画像データを読み込む。そして、画像解析する範囲を指定し、その部分の画像の切り出し（トリミング）を行う。トリミングされた画像の一例を図４に示す。
なお、解析範囲は目的に応じて適宜設定すれば良い。

［ＳＴＥＰ４：画像変換（ＳＴ４）］
トリミングした画像を画像解析する下準備として以下の（１）〜（３）の変換処理〔画像処理〕を施す。これは、Ｘ線画像全体の輝度が、画像ごとに必ずしも同じではないことから、その違いを補正する目的で行うものである。鋳片サンプルＳのサイズや、散乱Ｘ線の影響を低減するため撮影時に鋳片サンプルＳの周囲に配置する遮蔽板などもＸ線画像の輝度に影響する。

（１）グレースケール化：カラー画像を白黒画像に変換する。
（２）バックグラウンド平坦化：Ｘ線はＸ線源から円錐状に照射されるため、Ｘ線源からの水平距離が長くなるほどＸ線の透過距離も長くなる。このため、画像の中心部と端部の輝度の差を補正する処理を行う。
（３）輝度調整：各画像の輝度の平均値が所定の値となるよう、各画素の輝度値を相対的に変化させる。これは、輝度スペクトルを平行移動させることに対応する。

前記（１）〜（３）の操作による輝度スペクトルの変化の一例を図５に示す。この例では、カラー画像を８ビットの白黒画像（２５６階調）に変換し、バックグラウンド平坦化の後に平均輝度が１００になるよう輝度調整を行った。グレースケール化の時点では輝度スペクトルが左右非対称であるが、バックグラウンド平坦化により輝度スペクトルが左右対称に近くなり、輝度調整により輝度スペクトルが低輝度側に平行移動することがわかる。

［ＳＴＥＰ５：一次スクリーニング（ＳＴ５）］
輝度調整後の輝度スペクトルを用いて、母相部と欠陥部を識別する一次閾値を決定し、画像データの処理を行う。
図５のグラフの縦軸を対数表示し、かつ横軸を拡大表示したグラフが図６であるが、スペクトル曲線には屈曲点が存在する。これは、母相部の輝度スペクトルと欠陥部の輝度スペクトルが重なることにより生じる。そこで、この屈曲点の輝度値を一次閾値とする。図６の例における一次閾値は１０７である。一次閾値を下回る輝度値のオブジェクトは欠陥部と見なさず除外する。

［ＳＴＥＰ６：二次スクリーニング（ＳＴ６）］
一次閾値を超える輝度値を有するオブジェクトから、縦横比を示すアスペクト比が設定値以上のオブジェクトを、アスペクト比が大きい順に３個以上選択し、それらに対して輝度値のラインプロファイルを測定して輝度値の最大値をそれぞれ求める。そして、求められた輝度値の最大値の平均値を二次閾値とする。これが母相部と欠陥部を識別する二次閾値となる。
なお、ラインプロファイルとは、１つのライン（線）上の強度（輝度値）の変化をグラフで表したものである。具体的には、ライン上にある画素のグレースケールの値を算出してグラフとして描画する。

［ＳＴＥＰ７：気泡判定（ＳＴ７）］
二次閾値を超える輝度値を有するオブジェクトのうち、短径が設定値（以下、「検出下限値」と呼ぶ。）以上のものを気泡と判定する。
前記したように、二次閾値はラインプロファイルにより取得した輝度値の最大値の平均値であるから、輝度値が二次閾値を超えるオブジェクトの一部に母相部が含まれることがありうる。そのようなオブジェクトはサイズが小さいため、検出下限値を設定して除外する。検出下限値は、画像の４ピクセル分のサイズである。例えば、５０８ｄｐｉの画像の場合、１ピクセルのサイズが０．０５ｍｍとなるので、検出下限値は０．２ｍｍとなる。
二次閾値を超える輝度値を有し、かつ検出下限値より大きなサイズを有するオブジェクトを気泡と判定し、その個数及び気泡径を出力する。気泡径には、検査目的に応じて、長径、短径、円相当径などを選択すればよい。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、Ｘ線記録媒体してイメージングプレートを使用しているが、これに限定されるものではなく、フィルムなどを使用してもよい。

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
湾曲型連続鋳造機で鋳片（幅：２０００ｍｍ、厚さ：２８０ｍｍ）を鋳造し、鋳片上面側の幅方向に亘って鋳片サンプルを採取した。鋳片サンプルのサイズは、長さ２００ｍｍ×幅１００ｍｍ×厚さ１０ｍｍである。

Ｘ線の照射条件は以下の通りである。
管電圧：９０ｋＶ、照射時間：９０秒、照射距離：６００ｍｍ
また、Ｘ線画像は、解像度５０８ｄｐｉ、ＴＩＦＦ形式とした。

表１及び図７に試験結果を示す。なお、実施例における一次閾値は１０８、二次閾値は１０９であった。また、アスペクト比の設定値は１．５、検出下限値は０．２ｍｍとした。

比較例１は、鋳片サンプルの表層部を０．５ｍｍずつ段削りして気泡を目視計測したケースであり、データ取得に１０時間を要した。
比較例２では、Ｘ線画像に写っている気泡を目視計測した。データ取得に１．６時間を要し、気泡個数は比較例１より多くなった。特に、気泡径が小さくなるほど、比較例１との誤差が大きくなった（図７参照）。
比較例３は、Ｘ線画像を画像解析したものであるが、一次閾値１０８による一次スクリーニングのみを行ったケースである。凝固組織を気泡と誤検知したため、気泡個数が比較例１に比べて大幅に増加した。比較例２と同様、気泡径が小さくなるほど、比較例１との誤差が大きくなった（図７参照）。
一方、実施例におけるデータ取得時間は３分であり、気泡個数及び気泡径も比較例１とほぼ一致した。

１０：Ｘ線発生装置、１１：Ｘ線画像読取装置、１２：コンピュータ、１３：モニター、Ｓ：鋳片サンプル、Ｐ：イメージングプレート（Ｘ線記録媒体）

Claims (1)

1. 連続鋳造された鋳片の内部に生成する気泡を検出する非破壊検査方法であって、
   前記鋳片から採取した鋳片サンプルにＸ線を照射し、該鋳片サンプルを透過したＸ線の画像データを取得する工程と、
   前記画像データを画像処理し、輝度スペクトルから決定した一次閾値を超える輝度値を有するオブジェクトを検出する工程と、
   検出された各オブジェクトについて、該オブジェクトの縦横比を示すアスペクト比を算出し、アスペクト比が設定値以上の前記オブジェクトに対して輝度値のラインプロファイルを測定して輝度値の最大値をそれぞれ求める工程と、
   求められた前記輝度値の最大値の平均値を二次閾値とし、前記二次閾値を超える輝度値を有する前記オブジェクトのうち、短径が設定値以上のものを気泡と判定する工程とを備えることを特徴とする鋳片気泡欠陥の非破壊検査方法。

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