KR100951232B1 - 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치 및 방법 - Google Patents

재결정율 및 결정립 형상비 측정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 예를 들어 강재의 재결정율과 결정립 형상비를 비접촉으로 측정하는 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는, 레이저 초음파법을 이용하여 측정 대상물의 내부에 그 표면에 대해 비스듬하게 진행하는 횡파 초음파를 발생시켜, 압연방향으로 편파된 제1 횡파 초음파 및 폭방향으로 편파된 제2 횡파 초음파의 각각에 대해, 해당 횡파 초음파의 진동에 기인해서 발생하는 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터를 구하고, 그 파형 데이터에 근거해서 당해 횡파 초음파의 음속 및 파형진폭의 2승적분치를 산출한다. 이어 제1 횡파 초음파의 음속과 제2 횡파 초음파의 음속을 이용해서 측정 대상물에 대한 음속 파라미터를 구함과 동시에, 제1 횡파 초음파의 파형진폭 2승적분치와 제2 횡파 초음파의 파형진폭 2승적분치를 이용해서 측정대상물에 대한 감쇠율 파라미터를 구한다. 구해진 음속 파라미터와 감쇠율 파라미터를 기초로 미리 기억된 재결정율, 결정립 형상비와 음속 파라미터, 감쇠율 파라미터와의 각 관계를 이용하여 상기 측정 대상물에 대한 재결정율과 결정립 형상비를 얻는다.
본 발명에 의하면, 비접촉방식의 열간 온라인으로 측정 대상물의 재결정율과 결정립 형상비를 구할 수 있다.
재결정율, 결정립 형상비, 레이저, 초음파, 음속 파라미터, 감쇠율 파라미터

Description

재결정율 및 결정립 형상비 측정장치 및 방법{AN APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING THE RECRYSTALLIZATION RATE AND GRAIN ASPECT RATIO}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치의 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 측정장치에서의 헤드부의 개략 구성도이다.
도 3(a)는 임의의 강종에 대한 결정립 형상비와 음속 파라미터와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 3(b)는 상기 강종에 대한 결정립 형상비와 감쇠율 파라미터와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 4(a)는 상기 강종에 대한 재결정율과 음속 파라미터와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 4(b)는 상기 강종에 대한 재결정율과 감쇠율 파라미터와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치의 파브리·페로 간섭계의 공진 곡선의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치의 변형예에 대한 개략 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 재결정율 및 결정립 형상비 측정과정을 보이는 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
2 : 측정 대상물 10 : 초음파 발생용 레이저
20 : 초음파 검출용 레이저 30 : 헤드부
31, 31a : 초음파 발생부 35 : 실린드리칼 렌즈
41, 41a : 빔 취득부 45a, 45b : 집광렌즈
46 : 하프 미러 50 : 간섭계
60 : 광 검출기 70 : 컴퓨터
91a, 91b, 91c : 광 파이버 92 : 집광렌즈
100 : 회전 스테이지
본 발명은 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치 및 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 예를 들어 강재의 재결정율과 결정립 형상비를 비접촉으로 측정하는 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
열간의 강재 제조과정에서는 강재에 대해 압연 등 다양한 처리가 실시된다. 일반적으로 강재의 결정 조직을 미세화함으로써 고강도·고인성을 갖는 강재를 얻을 수 있다. 예를 들어, 강재의 재결정율이 낮을 수록 결정 내부에 격자 결함이 많 이 존재하게 되고, 거기를 기점으로 핵이 성장하므로 결정 조직이 미세화되기 쉽다. 또한 폭 방향의 결정립 크기에 대한 압연 방향의 결정립 크기의 비율인 결정립 형상비가 클 수록 재결정된 새로운 결정립경이 작아지며, 또한 결정내에 핵생성 사이트(슬립 면)이 생기고 그곳을 기점으로 하여 핵이 성장하므로 결정조직이 미세화되기 쉽다. 이와 같이, 재결정율과 결정립 형상비는 강재의 결정 조직 상태를 알기 위한 중요한 정보이다.
다만, 재결정율은 해당 강재에 대해 횡파 음속의 이방성을 나타내는 음속 파라미터와 상관관계를 갖는 것이 알려져 있다. 이러한 상관관계는, [문헌] - NDTE International, Vol.33, 2000, p.253-259, "Ultrasonic velocity measurements for characterizing the annealing behaviour of cold worked austenitic stainless steel"에 개시되고 있다. 또한 결정립 형상비는 당해 강재에 대해 음속 파라미터와 상관관계를 가지고 있는 것이 알려져 있다. 이 상관관계는 [문헌] - "SUS304의 클리프 변형에 따른 초음파 속도변(1992)", p.22-24에 개시되고 있다.
그러나, 종래에는 열간의 강재 제조 과정에 있어서 재결정율이나 결정립 형상비를 온라인으로 측정하는 것은 실행되지 않았다. 상기 각 문헌에서는 접촉형 횡파 프로브를 사용해서 횡파 음속을 측정하고 있으며, 당연히 이 방법은 열간 온라인의 측정에 이용될 수는 없다. 만약 열간 온라인으로 재결정율이나 결정립 형상비에 대한 정보를 얻을 수 있다면, 예를 들어 그 정보를 다음 공정의 압연 조건에 피드 포워드(feed forward)함으로써 조직 미세의 강재를 효율적이고 안정적으로 제조할 수 있게 되며, 또한 정밀도가 높은 강재의 제조 기술에 의해 재질 편차의 저감 에도 공헌할 수 있다.
본 발명은 상기 사정에 근거해서 이루어진 것으로서, 측정 대상물의 내부에 압연방향으로 편파된 제1 횡파 초음파 및 폭방향으로 편파된 제2 횡파 초음파를 각각 발생시키고, 해당 횡파 초음파의 음속 및 파형진폭의 2승적분치를 산출하여 음속 파라미터 및 감쇠율 파라미터를 구하고, 상기 구해진 음속 파라미터와 감쇠율 파라미터를 기초로 미리 기억된 재결정율, 결정립 형상비와 음속 파라미터, 감쇠율 파라미터와의 각 관계를 이용하여 상기 측정 대상물에 대한 재결정율과 결정립 형상비를 산출함으로써, 열간 온라인으로 측정 대상물의 재결정율 및 결정립 형상비를 측정할 수 있는 비접촉의 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치는, 측정 대상물에 대한 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치에 있어서,
각 강종에 대해 재결정율, 결정립 형상비와 횡파 음속의 이방성을 나타내는 음속 파라미터와의 관계를 각각 나타내는 제1 데이터 및 각 강종에 대해 재결정율, 결정립 형상비와 횡파 감쇠율의 이방성을 나타내는 감쇠율 파라미터의 관계를 나타내는 제2 데이터를 기억하는 기억수단; 제1 레이저 빔을 상기 측정 대상물의 표면에 조사함으로써 상기 측정 대상물의 내부에 횡파 초음파를 발생시키는 초음파 발생수단; 상기 측정 대상물의 내부에 발생된 상기 측정 대상물의 길이 방향으로 편파된 제1 횡파 초음파 및 상기 측정 대상물의 폭 방향으로 편파된 제2 횡파 초음파의 각각에 대해, 해당 횡파 초음파가 도달하는 상기 측정 대상물의 특정 위치에 제2 레이저 빔을 유도하며 상기 측정 대상물에서 반사된 상기 제2 레이저 빔을 취득하는 빔 취득수단; 상기 빔취득수단으로 취득된 상기 제2 레이저 빔에 근거하여 해당 횡파 초음파의 진동으로 인해 발생되는 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 검출하는 주파수변화 검출수단; 상기 주파수변화 검출수단으로 검출된 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터를 이용하여 상기 제1 횡파 초음파 및 상기 제2 횡파 초음파의 음속을 산출하고, 상기 해당 횡파 초음파의 음속을 이용하여 상기 측정 대상물에 대한 음속 파라미터를 구하는 음속 파라미터 산출수단; 상기 주파수변화 검출수단으로 검출된 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터를 이용하여 상기 제1 횡파 초음파 및 상기 제2 횡파 초음파의 2승적분치를 산출하고, 상기 해당 횡파 초음파의 2승적분치를 이용하여 상기 측정 대상물에 대한 감쇠율 파라미터를 구하는 감쇠율 파라미터 산출수단; 및 상기 구해진 음속 파라미터 및 상기 감쇠율 파라미터를 이용하여 상기 기억수단에 기억된 상기 측정 대상물과 같은 강종에 대한 상기 제1 데이터 및 상기 제2 데이터에 근거해서 상기 측정대상물의 재결정율과 결정립 형상비를 구하는 연산수단을 포함하고, 상기 2승적분치는 상기 제1횡파 초음파 및 상기 제2횡파 초음파의 파형진폭의 2승을 적분한 값이되, 시간을 적분변수로 하고 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 나타내는 시간구간을 적분구간으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 재결정율 및 결정립 형상비 측정방법은, 측정 대상물에 대한 재결정율 및 결정립 형상비 측정방법에 있어서,
각 강종에 대해 재결정율, 결정립 형상비와 횡파 음속의 이방성을 나타내는 음속 파라미터와의 관계를 각각 나타내는 제1 데이터 및 각 강종에 대해 재결정율, 결정립 형상비와 횡파 감쇠율의 이방성을 나타내는 감쇠율 파라미터의 관계를 나타내는 제2 데이터를 구하는 제1단계; 제1 레이저 빔을 상기 측정 대상물의 표면에 조사하여 상기 측정 대상물의 내부에 횡파 초음파를 발생시키는 제2단계; 상기 측정 대상물의 내부에 발생한 상기 측정 대상물의 길이방향으로 편파된 제1 횡파 초음파 및 상기 측정 대상물의 폭방향으로 편파된 제2 횡파 초음파의 각각에 대해, 해당 횡파 초음파가 도달하는 상기 측정 대상물의 특정 위치에 제2 레이저 빔을 유도하고, 동시에 상기 측정 대상물에서 반사된 상기 제 2레이저 빔을 취득하는 제3단계; 상기 제3단계에서 취득된 상기 제2 레이저 빔을 기초로, 해당 횡파 초음파의 진동에 기인하여 발생되는 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 검출하는 제4단계; 상기 제4단계에서 검출된 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터를 기초로 해당 횡파 초음파가 상기 측정 대상물의 내부를 전파한 전파 시간을 구하는 제5단계; 상기 제5단계에서 구한 전파 시간을 기초로 해당 횡파 초음파의 음속을 산출하고, 상기 산출된 상기 제1 횡파 초음파의 음속 및 상기 제2 횡파 초음파의 음속을 이용하여 상기 측정 대상물에 대한 횡파 음속의 이방성을 나타내는 음속 파라미터를 구하는 제6단계; 상기 제4단계에서 검출된 상기 제2 레이저빔의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터를 기초로 해당 횡파 초음파의 파형진폭의 2승적분치를 산출하고, 상기 산출된 상기 제1 횡파 초음파의 파형진폭의 2승적분치와 상기 제2횡파 초음파의 파형진폭의 2승적분치를 이용하여 상기 측정대상물에 대한 횡파 음속의 감쇠율의 이방성을 나타내는 감쇠율 파라미터를 구하는 제7단계; 및 상기 제1단계에서 구한 상기 측정 대상물과 동일한 강종에 대한 상기 제1 데이터 및 상기 제2 데이터에 근거하여 상기 제6단계에서 구해진 음속 파라미터와 상기 제7단계에서 구해진 감쇠율 파라미터를 사용해서 상기 측정 대상물의 재결정율 및 결정립 형상비를 구하는 제8단계를 포함하고, 상기 2승적분치는 상기 제1횡파 초음파 및 상기 제2횡파 초음파의 파형진폭의 2승을 적분한 값이되, 시간을 적분변수로 하고 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 나타내는 시간구간을 적분구간으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치의 개략 구성도, 도 2는 도 1의 측정장치에서의 헤드부의 개략 구성도이다. 또한, 도 3(a)는 임의의 강종에 대한 결정립 형상비와 음속 파라미터와의 관계를 나타내는 그래프, 도 3(b)는 상기 강종에 대한 결정립 형상비와 감쇠율 파라미터와의 관계를 나타내는 그래프, 도 4(a)는 상기 강종에 대한 재결정율과 음속 파라미터와의 관계를 나타내는 그래프, 도 4(b)는 상기 강종에 대한 재결정율과 감쇠율 파라미터와의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치는 측정 대상물의 재결정율과 결정립 형상비를 비접촉으로 측정하는 것이다. 여기서 측정 대상물로서는 예를 들어, 제철소에 있어서 열간 프로세스에 의해 제조되는 판자 모양의 강재(후판)를 상정하고 있다. 이들 후판의 표면 온도는 일반적으로 700℃ 정도이다. 또한, 후판의 두께는 10mm~100mm 정도이다.
결정립 형상비란, 강재의 폭 방향에 있어서의 결정립 크기에 대한 강재의 길이 방향(압연 방향)에 있어서의 결정립 크기의 비율이다. 예를 들어, 강재가 압연되면 그 강재의 결정립은 압연 방향으로 길게 늘어지게 된다. 결정립 형상비는, 이들 결정립이 신장되는 상황을 나타내고 있다. 각종 강재에 있어서는, 재결정율이 일정할 때 결정립 형상비와 해당 강재의 내부를 전파하는 횡파 초음파의 음속으로부터 얻을 수 있는 소정 음속 파라미터α와의 사이에 밀접한 관계가 있다.
도 3(a)는 어떤 강종에 대한 결정립 형상비와 음속 파라미터와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 3(a)에 있어서, 가로 축은 강재의 형상비, 세로 축은 음속 파라미터α이다. 또한, 음속 파라미터α는, 해당 강재중을 전파하는 횡파 초음파의 음속의 이방성을 나타내는 것이며, (VS1 - VS2) / {(VS1 + VS2 )/2} 로 정의된다. 여기서 VS1는 강재의 길이 방향(압연 방향)으로 편파된 제1 횡파 초음파(압연 방향 편파 횡파)의 음속이며, VS2는 강재의 폭방향으로 편파된 제2 횡파 초음파(폭 방향 편파 횡파)의 음속이다. 형상비가 클 수록 음속 파라미터α의 절대치는 작아지며, 따라서 횡파 음속의 이방성이 작다는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 재결정율이 일정할 때 음속 파라미터α와 결정립 형상비와의 관계는 일차함수로 근사할 수가 있다.
또한, 각종 강재에서는 재결정율이 일정할 때 결정립 형상비와 당해 강재의 내부를 전파하는 횡파 초음파의 감쇠율로부터 얻을 수 있는 소정 감쇠율 파라미터β 사이에도 밀접한 관계가 있다. 도 3(b)는 상기 강종에 대한 결정립 형상비와 감쇠율 파라미터와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 3(b)에 있어서 가로 축은 강재의 결정립 형상비, 세로 축은 감쇠율 파라미터β이다. 감쇠율 파라미터β는, 당해 강재 내부를 전파하는 횡파 초음파의 감쇠율의 이방성을 나타내는 것이며, (AtS1 - AtS2) / {(AtS1 + AtS2)/2} 로 정의된다. 여기서, AtS1는 강재의 압연 방향으로 편파된 횡파 초음파의 감쇠율이며, AtS2는 강재의 폭방향으로 편파된 횡파 초음파의 감쇠율이다. 또한, 횡파 초음파의 감쇠율 AtSk(k=1, 2)는, 발생시에 있어서의 당해 횡파 초음파의 파형진폭의 2승적분치 A0,Sk에 대한 검출시에 있어서의 당해 횡파 초음파의 파형진폭의 2승적분치의 비율이다. 상기 2승적분치 A0,Sk, ASk는 당해 횡파 초음파의 파형진폭의 2승을 적분한 값이되, 시간을 적분변수로 하고 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 나타내는 시간구간을 적분구간으로 한다. 따라서, 검출시에 있어서 압연 방향 편파 횡파의 파형진폭의 2승적분치 A0, S1와 폭방향 편파 횡파의 파형진폭의 2승적분치 A0, S2가 동일하다고 가정하면 감쇠율 파라미터β는, (AtS1 - AtS2) / {(AtS1 + AtS2)/2} 로부터 구할 수가 있다. 도 3(b)의 그래프를 보면, 강재의 결정립 형상비가 클 수록 감쇠율 파라미터β의 절대치가 커지고, 따라서 횡파의 감쇠율의 이방성이 커진다는 것을 알 수 있다. 이것은 정성적이게는 다음과 같은 이유 때문이다. 즉, 횡파는 주로 입를 전파될 때에 감쇠된다고 생각할 수 있기 때문에, 입계가 많은 곳을 전파한 횡파의 감쇠율은 입계가 적은 곳을 전파한 횡파의 감쇠율보다 크다. 압연된 강재에 있어서는 압연 방향과 수직인 평면에 의한 단면에 있어서의 결정립계는, 폭 방향과 수직인 평면에 의한 단면에 있어서의 결정립계보다 많기 때문에, 폭방향 편파 횡파의 감쇠율은 압연 방향 편파 횡파의 감쇠율보다 크다. 따라서, 결정립 형상비가 크면 클 수록 감쇠율 파라미터β의 절대치는 커진다. 일반적으로, 재결정율이 일정할 경우 감쇠율 파라미터β와 결정립 형상비와의 관계는 일차함수로 근사할 수가 있다.
재결정이란, 큰 왜곡이 있는 결정립계에 새로운 결정의 핵이 발생하여 점차 성장하면서 원래의 결정립이 이 새로운 결정립(재결정립)으로 치환되는 현상을 말한다. 그리고, 재결정율이란, 어떤 영역에 있어서 재결정립이 차지하는 비율을 말한다. 각종 강재에 있어서는 결정립 형상비가 일정할 경우에 재결정율과 음속 파라미터α와의 사이에 밀접한 관계가 있다. 도 4(a)는 어떤 강종에 대한 재결정율과 음속 파라미터와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 4(a)에 있어서 가로 축은 강재의 재결정율, 세로 축은 음속 파라미터α이다. 도 4(a)의 그래프를 보면, 강재의 재결정율이 작을 수록 음속 파라미터α의 절대치는 커지며, 따라서 횡파 음속의 이방성이 크다는 것을 알 수 있다. 또한, 강재의 재결정율이 클 수록 음속 파라미터α의 절대치가 작아지며, 따라서 횡파 음속의 이방성이 작다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 강재를 압연한 직후에는 재결정립은 아직 발생하고 있지 않기 때문에 재결정율은 0%이다. 그리고, 이 압연 직후의 강재는 그 결정 방위가 비슷하며 횡파 음속의 이방성이 크다. 도 4(a)의 그래프의 예를 보면, 가장 왼쪽 아래에 플롯된 점이 압연 직후의 상태와 대응하고 있다. 또한, 재결정립은 그 결정 방위가 랜덤하게 성장하므로 재결정율이 100%에 가까워짐에 따라서 횡파 음속의 이방성은 작아진다. 그림4(a)의 그래프를 보면, 가장 오른쪽 위에 플롯된 점은 재결정이 진행된 상태와 대응하고 있다. 일반적으로 결정립 형상비가 일정할 경우, 음속 파라 미터α와 재결정율과의 관계는 삼차 함수로 근사할 수가 있다.
또한, 각종 강재에서는 결정립 형상비가 일정할 때 재결정율과 감쇠율 파라미터β와의 사이에도 밀접한 관계가 있다. 도 4(b)는 상기 강종에 대한 재결정율과 감쇠율 파라미터와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 4(b)에 있어서 가로 축은 강재의 재결정율, 세로 축은 감쇠율 파라미터β이다. 도 4(b)의 그래프의 예에서는 강재의 재결정율이 약 80%로, 감쇠율 파라미터β가 극소치를 취하며, 그 절대치가 가장 커짐을 알 수 있다. 일반적으로 결정립 형상비가 일정할 경우 감쇠율 파라미터β와 재결정율과의 관계는 삼차함수로 근사할 수가 있다.
　그런데, 본 발명자 등이 실험을 통해 조사한 바에 의하면, 음속 파라미터α와 감쇠율 파라미터β는 결정립 형상비에 거의 독립적으로 기여하며, 또한 음속 파라미터α와 감쇠율 파라미터β는 재결정율에 거의 독립적으로 기여함이 판명되었다. 따라서, 어떤 강종의 음속 파라미터α는, 재결정율을 x, 결정립 형상비를 y로 하면,
α= (a3x3 + a2x2 + a1x) + (b1y + b 0) ........... (수식1)
로 나타낼 수 있다. 여기서, a3, a2, a1, b1, b0는 정수이다. 상기 수식1에서, b1y＋b0는 재결정율x가 0%인 경우의 음속 파라미터α의 값이며, a3x3 ＋a2x2＋a1x＋b0는 결정립 형상비 y가 0인 경우의 음속 파라미터α의 값이다.
마찬가지로 어떤 강종의 감쇠율 파라미터β는, 재결정율을 x, 결정립 형상비 를 y로 하면,
β= (c3x3 + c2x2 + c1x) + (d1y + d 0) ........... (수식2)
로 나타낼 수 있다. 여기서, c3, c2, c1, d1, d0는 정수이다. 상기 수식에서, d1y＋d0는 재결정율x가 0%인 경우 감쇠율 파라미터β의 값이며, c3x3 ＋c2x2＋c1x＋d0는 결정립 형상비 y가 0인 경우의 감쇠율 파라미터β의 값이다.
각 정수를 구하려면 우선 재결정율이 일정인 복수 샘플을 이용해서 그림3(b)에 나타낸 바와 같은 감쇠율 파라미터와 결정립 형상비와의 관계를 나타내는 데이터를 취득함과 동시에, 결정립 형상비가 일정한 복수 샘플을 이용해서 그림 4(b)에 나타낸 바와 같은 감쇠율 파라미터와 재결정율과의 관계를 나타내는 데이터를 취득한다. 그리고 각 데이터에 대해서 근사 곡선을 구함으로써 각 정수를 결정할 수가 있다.
본 발명에 따른 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치에서는, 각 강종에 대해 재결정율 x, 결정립 형상비 y 및 음속 파라미터α의 관계를 나타내는 제1 데이터(상기 수식1)와, 각 강종에 대해 재결정율 x, 결정립 형상비 y 및 감쇠율 파라미터β의 관계를 나타내는 제2 데이터(상기 수식2)를 미리 취득해 둔다. 그리고, 강재중을 전파하는 횡파의 음속 VS1, VS2와 당해 횡파의 파형진폭의 2승적분치 AS1 , AS2를 산출해서 음속 파라미터α와 감쇠율 파라미터β를 구한 후, 상기 (1)식 및 (2)식을 이용해서 강재의 재결정율 x와 결정립 형상비 y를 구한다. 이 때, 강재중을 전파하 는 횡파의 음속 및 파형진폭의 2승적분치는 레이저 초음파법을 이용해서 산출한다.
본 발명의 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치는, 도 1에 도시된 바와 같이 초음파 발생용 레이저(10)와, 초음파 검출용 레이저(20)와, 헤드부(30)와, 간섭계(주파수변화 검출수단)(50)와, 광 검출기(60) 및 컴퓨터(연산수단)(70)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치에는 광학 부품으로서 광 파이버(91a, 91b, 91c), 집광렌즈(92) 등이 설치되어 있다.
상기 초음파 발생용 레이저(10)는, 측정 대상물(2)의 표면에서 초음파를 여기시키기 위한 레이저이다. 이러한 초음파 발생용 레이저(10)로서는, 예를 들어 야그(YAG) 레이저나 이산화탄소(CO2) 레이저 등 고에너지 펄스 레이저를 사용한다. 상기 초음파 발생용 레이저(10)에서 발사된 레이저 빔은 광 파이버(91a)를 통하여 헤드부(30)로 유도된다.
상기 초음파 검출용 레이저(20)는, 초음파 발생용 레이저(10)로부터의 레이저 빔의 조사에 의해 상기 측정 대상물(2)의 표면에서 발생하여 상기 측정 대상물(2) 내를 전파해 온 초음파를 검출하기 위한 레이저이다. 상기 초음파 검출용 레이저(20)로서는 단일 주파수의 레이저 빔을 발사하는 것을 이용한다. 상기 초음파 검출용 레이저(20)로부터 발사된 레이저 빔은 광 파이버(91b)를 통과하여 헤드부(30)로 유도된다.
상기 헤드부(30)는, 도 2에 도시된 바와 같이 초음파 발생부(31)와 빔 취득부(41)를 갖는다. 초음파 발생부(31)는, 상기 측정 대상물(2)의 내부에 상기 측정 대상물(2)의 압연 방향으로 편파된 제1 횡파 초음파(압연 방향 편파 횡파)를 발생시킴과 동시에 상기 측정 대상물(2)의 내부에 상기 측정 대상물(2)의 폭방향으로 편파된 제2 횡파 초음파(폭방향 편파 횡파)를 발생시킨다. 이 초음파 발생부(31)는 실린드리칼 렌즈(35)와 실린드리칼 렌즈(35)의 회전기구(도시하지 않음)를 갖는다. 광 파이버(91a)에 의해 초음파 발생부(31)로 유도된 레이저 빔은 실린드리칼 렌즈(35)에 입사된다. 실린드리칼 렌즈(35)는 초음파 발생용 레이저(10)로부터의 레이저 빔을 라인 모양으로 집광시켜, 라인 포커스 빔(제1레이저 빔) L1로서 측정 대상물(2)의 표면에 조사하게 된다.
본 실시 형태에서는, 광 파이버(91a)를 통과한 레이저 빔은 진행함에 따라서 그 직경이 퍼져 간다. 실린드리칼 렌즈(35)의 입사면에 있어서 레이저 빔의 직경이 약 10mm가 되도록 광 파이버(91a)의 출사단과 실린드리칼 렌즈(35)와의 거리를 조정하고 있다. 또한, 상기 측정 대상물(2)의 표면에 있어서 길이 10mm, 폭 0.3mm ~ 0.5mm의 라인 포커스 빔 L1이 조사되도록, 상기 실린드리칼 렌즈(35)의 특성 및 상기 실린드리칼 렌즈(35)와 상기 측정 대상물(2)과의 거리 등을 설계하고 있다.
또한, 상기 실린드리칼 렌즈(35)의 회전기구에 의해 실린드리칼 렌즈(35)의 길이 방향의 축은 상기 측정 대상물(2)의 표면과 평행을 이룬 평면내에 있어서 임의의 방향을 향할 수가 있다. 이 회전기구는 예를 들어 컴퓨터(70)에 의해 제어된다.
라인 포커스 빔 L1을 측정 대상물(2)의 표면에 조사하면 측정 대상물(2)의 표면에 대해서 소정의 각도 φ로 비스듬하게 진행하는 초음파를 발생시킬 수가 있 다. 이 때, 횡파 초음파와 종파 초음파가 동시에 발생되고 횡파 초음파와 종파 초음파와는 그 진행 방향 각도 φ가 서로 다르다. 본 실시 형태에서는 주로 초음파 중 횡파만을 생각하기로 한다. 재결정율과 결정립 형상비를 구하려면 횡파에 대한 음속 정보만을 얻으면 충분하기 때문이다.
　구체적으로, 라인 포커스 빔 L1을 그 라인 방향이 측정 대상물(2)의 폭방향과 평행을 이루도록 하여 측정 대상물(2)의 표면에 조사하면 압연 방향 편파 횡파가 발생하며, 한편, 라인 포커스 빔 L1을 그 라인 방향이 측정 대상물(2)의 압연 방향과 평행을 이루도록 하여 측정 대상물(2)의 표면에 조사하면 폭방향 편파 횡파가 발생한다.
다만, 점 모양의 레이저 빔을 측정 대상물(2)의 표면에 조사하면 측정 대상물(2)의 표면에 대해 여러가지 방향으로 진행하는 초음파가 발생한다. 당연히 그러한 초음파에는 압연 방향 편파 횡파 및 폭방향 편파 횡파가 포함되어 있으며, 그 강도가 작기 때문에 압연 방향 편파 횡파와 폭방향 편파 횡파를 정확하게 검출하기는 어렵다. 이 때문에, 본 실시 형태에서는 라인 포커스 빔 L1을 이용해서 그 라인 방향을 변화시킴으로써 압연 방향 편파 횡파와 폭방향 편파 횡파를 각각 독립적으로 발생시키도록 한다.
빔 취득부(41)는, 압연 방향 편파 횡파 및 폭방향 편파 횡파의 각 초음파에 대해, 해당 초음파가 측정 대상물(2)의 밑면에서 반사된 후 다시 표면으로 돌아온 위치(검출점 위치)에 초음파 검출용 레이저(20)로부터 발사된 제2레이저 빔 L2를 유도함과 동시에 측정 대상물(2)의 표면에서 반사된 제2레이저 빔 L2를 취득한다. 이 빔 취득부(41)는, 집광렌즈(45a, 45b)와 하프 미러(반투명 거울)(46)를 갖는다. 또한, 빔 취득부(41)는 일체적으로 구성되어 있어 압연 방향 및 폭방향에 따라 이동할 수가 있다.
광 파이버(91b)에 의해 빔 취득부(41)로 유도된 제2레이저 빔 L2는 집광렌즈(45a)로 집광되어 하프 미러(46)를 투과한 후 측정 대상물(2) 위의 검출점 위치에 조사된다. 여기서, 측정 대상물(2)의 내부를 전파하는 횡파 초음파의 진행 방향 각도는 미리 알려져 있으므로, 그 횡파 초음파의 검출점 위치도 용이하게 알 수 있다. 빔 취득부(41)는, 그 검출점 위치에 집광렌즈(45a)에 의해 집광된 제2레이저 빔 L2를 유도한다.
　또한, 본 실시 형태에서는 빔 취득부(41)는 라인 포커스 빔 L1의 대략 중심점을 통과하여 라인과 직교하는 평면과 측정 대상물(2)의 표면이 교차하는 직선상에 제2레이저 빔 L2를 유도한다. 즉, 해당 직선상의 소정 위치가 검출점 위치가 된다. 예를 들어, 라인 포커스 빔 L1의 끝점에서는 점 모양의 레이저 빔을 조사했을 경우와 같은 상황이 되며, 초음파가 여러 방향으로 발생한다. 이 때문에, 라인 포커스 빔 L1의 끝점을 통과하여 그 라인과 직교하는 평면과 측정 대상물(2)의 표면이 교차하는 직선상에는 여러 방향으로 발생한 초음파가 돌아오므로, 소정 방향으로 편파된 횡파를 정확하게 검출할 수는 없다. 이와 반대로, 라인 포커스 빔 L1의 대략 중심점에서는 소정 방향으로 편파된 횡파만이 발생하므로 라인 포커스 빔 L1의 대략 중심점을 통과하여 그 라인과 직교하는 평면과 측정 대상물(2)의 표면이 교차하는 직선상의 소정 위치를 검출점 위치로 함으로써 소정 방향으로 편파된 횡 파를 정확하게 검출할 수가 있다.
상기 측정 대상물(2)의 표면은 거칠기 때문에, 제2레이저 빔 L2는 측정 대상물(2)의 표면에 있어서 거의 등방적으로 산란된다. 이 때 해당 검출점 위치에 상기 측정 대상물(2)의 내부를 전파해온 초음파가 돌아오면 해당 검출점 위치가 초음파 진동을 하게 된다. 이로 인해, 상기 측정 대상물(2)의 표면에서 산란된 제2 레이저 빔 L2는 상기 측정 대상물(2)의 표면의 초음파 진동에 기인하는 도플러 편이(Doppler shift)에 의해 주파수가 변화된다.
　상기 측정 대상물(2)의 표면에서 산란된 제2레이저 빔 L2 가운데 일부는 하프 미러(46)에서 반사되고, 집광렌즈(45b)로 집광된 후 광 파이버(91c)에 입사한다. 이 광 파이버(91c)는 이들 제2레이저 빔 L2를 간섭계(50)로 유도한다. 광 파이버(91c)로부터 출사된 제2레이저 빔 L2는 집광렌즈(92)로 집광된 후 간섭계(50)로 입사한다. 이러한 간섭계(50)로서는, 예를 들어 파브리·페로 간섭계가 이용된다. 상기 파브리·페로 간섭계(50)는 초음파 진동에 기인하여 생기는 제2레이저 빔 L2의 주파수 변화를 검출하는 것이며, 서로 대향하는 2개의 반사 미러를 갖는다. 이 2개의 반사 미러는 공진기를 구성하며 제2레이저 빔 L2를 2개의 반사 미러 사이에서 다중 반사시킴으로써 밴드 패스 필터로서의 기능을 수행한다. 2개의 반사 미러간의 거리를 조절함으로써 이 공진기를 투과하는 빛의 주파수를 조절할 수 있다.
여기서, 파브리·페로 간섭계(50)에 있어서의 공진 곡선에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치에서의 파브리·페로 간섭계의 공진 곡선의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 5에 있 어서, 가로 축은 입사하는 빛의 주파수 f를, 세로 축은 파브리·페로 간섭계(50)로부터의 출력, 즉 파브리·페로 간섭계(50)를 투과하는 빛의 강도 I를 나타낸다. 도 5로부터 알 수 있듯이, 투과광 강도 I는 특정 주파수에 대해 급격한 피크를 나타내지만, 피크의 전후에서는 빠르게 저하된다. 이 피크를 나타내는 주파수는 파브리·페로 간섭계(50)의 반사 미러간의 거리를 조절함으로써 변화시킬 수가 있다. 그래서, 도 5에 나타낸 곡선의 기울기가 최대가 되는 점(공진 곡선 동작점) A에 있어서의 주파수가 제2레이저 빔 L2의 발진 주파수와 일치하도록 반사 미러간의 거리가 조절되면, 주파수의 약간의 변화 △f를 상대적으로 큰 투과광 강도의 변화 ±△I로 변환시킬 수가 있다. 이것에 의해, 파브리·페로 간섭계(50)는, 상기 측정 대상물(2)의 표면의 초음파 진동에 기인하는 도플러 편이에 의해 주파수가 변화된 제2레이저 빔 L2가 입력되었을 때에 그 주파수의 변화를 투과광 강도의 변화로서 출력한다.
상기 파브리·페로 간섭계(50)로부터 출력된 투과광 강도는 광 검출기(60)로 보내진다. 광 검출기(60)는 투과광 강도를 전기신호로 변환하는 것이다. 이것에 의해 초음파 진동은 최종적으로 전기적인 신호로서 파악될 수 있다. 광 검출기(60)로부터의 신호는 컴퓨터(70)에 보내져서 파형 데이터로서 기록된다.
상기 컴퓨터(70)는 압연 방향 편파 횡파 및 폭방향 편파 횡파의 각 횡파 초음파에 대해, 제2레이저 빔 L2의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터에 근거해서 해당 횡파 초음파가 측정 대상물(2)의 내부를 전파되어 그 밑면에서 반사된 후 다시 표면으로 돌아올 때까지의 전파 시간을 구한다. 초음파 발생용 레이저(10)로부 터 레이저 빔이 발사된 시점과 라인 포커스 빔 L1이 측정 대상물(2)에 조사되는 시점은 미리 알려져 있다. 이 때문에, 컴퓨터(70)는 광 검출기(60)로부터 보내진 파형 데이터에 근거해서 주파수 변화를 검출한 시점을 조사함으로써 횡파 초음파의 전파 시간을 구할 수가 있다.
또한, 컴퓨터(70)는 압연 방향 편파 횡파의 전파 시간에 근거해서 그 압연 방향 편파 횡파의 음속 VS1을 산출함과 동시에 폭방향 편파 횡파의 전파 시간에 근거해서 그 폭방향 편파 횡파의 음속 VS2를 산출한다. 그리고, 그 산출된 압연 방향 편파 횡파의 음속 VS1 및 폭방향 편파 횡파의 음속 VS2를 이용해서 음속 파라미터 α=(VS1－VS2)/｛(VS1＋VS2)/2｝를 구한다. 즉, 상기 컴퓨터(70)는 본 발명은 음속 파라미터 산출수단으로서의 역할을 수행한다.
컴퓨터(70)는 압연 방향 편파 횡파 및 폭방향 편파 횡파의 각 횡파 초음파에 대해, 제2레이저빔 L2의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터에 근거해, 당해 횡파 초음파의 파형진폭의 2승적분치를 산출한다. 그리고, 압연 방향 편파 횡파의 파형 진폭의 2승적분치 AS1와 폭방향 편파 횡파의 파형진폭의 2승적분치 AS2를 이용해서 감쇠율 파라미터β=(AS1－AS2)/｛(AS1＋AS2)/2｝를 구한다. 즉, 컴퓨터(70)는, 본 발명의 감쇠율 파라미터β 산출 수단으로서의 역할을 한다.
컴퓨터(70)의 기억부에는 상기 수식1에 나타낸 바와 같은 각 강종에 대해 재결정율 x, 결정립 형상비 y 및 음속 파라미터α의 관계를 나타내는 제1 데이터와, 상기 수식2에 나타낸 바와 같은 각 강종에 대해 재결정율 x, 결정립 형상비 y 및 감쇠율 파라미터β와의 관계를 나타내는 제2 데이터가 기억되고 있다. 상기 컴퓨터(70)는, 상기 구해진 음속 파라미터α와 감쇠율 파라미터β를 이용해서 상기 기억부에 기억된 당해 측정 대상물(2)과 같은 강종에 대한 제1 데이터 및 제2 데이터에 근거해서 당해 측정 대상물(2)의 재결정율 x와 결정립 형상비 y를 구한다.
구체적으로는 다음과 같이 재결정율 x와 결정립 형상비 y를 구한다. 음속 파라미터α와 감쇠율 파라미터β는 각각 상기 수식1 및 수식2에서와 같이,
α=(a3x3＋a2x2＋a1x)＋(b1y＋b0 ) … (수식1)
β=(c3x3＋c2x2＋c1x)＋(d1y＋d0 ) … (수식2)
로 얻을 수 있다. 먼저 상기 수식2를 y에 대해 풀어
y=β－(c3x3＋c2x2＋c1x)－d0 f(x,β)
로 나타내고 이를 상기 수식1에 대입한다. 이로 인해
(a3x3＋a2x2＋a1x)＋b1 f(x, β)＋b 0－α= 0
을 얻을 수 있다. 이를 x에 대해 풀어보면 재결정율 x를 구할 수 있다. 이 때, 예를 들어 뉴턴법 등 함수의 제로치를 구하는 일반적인 방법을 사용하면 좋다. 이렇게 해서 구한 재결정율 x를, y=f(x,β)에 대입함으로써 결정율 형상비 y를 구할 수가 있다.
사용자는 미리 각 강종에 대해 재결정율 x, 결정립 형상비 y 및 음속 파라미터 α의 관계를 나타내는 제1 데이터, 즉 수식1의 방정식에 나오는 각 정수 a3, a2, a1, b1, b0와 각 강종에 대해 재결정율 x, 결정립 형상비 y 및 감쇠율 파라미터β의 관계를 나타내는 제2 데이터, 즉 수식2의 방정식에 나오는 각 정수 c3, c2, c1 , d1, d0를 구해 둘 필요가 있다. 이들 데이터를 얻으려면 우선 각 강종에 대해 복수의 제1 샘플(후판)과 복수의 제2 샘플(후판)을 준비한다. 여기서, 제1 샘플 및 제2 샘플로는 바람직하게는 두께가 약 5mm인 것을 이용한다. 그리고 제1 샘플로는 바람직하게는 재결정율 x가 대략 같은, 예를 들어 0%인 후판을 이용하고, 제2 샘플로서는 결정립 형상비 y가 대략 같은, 예를 들어 2~3인 후판을 이용한다.
사용자, 복수의 제1 샘플에 대해서는 결정립 형상비 y, 음속 파라미터α, 감쇠 파라미터β를 개별적으로 구한다. 구체적으로는 결정립 형상비 y는 해당 제1 샘플을 길이 방향과 수직인 평면에서 절단했을 때의 단면을 현미경으로 관찰하여 결정립의 크기를 실측함으로써 구해진다. 한편, 음속 파라미터α와 감쇠율 파라미터β는, 예를 들어 본 실시 형태의 장치를 형상비 y와 음속 파라미터α를 그래프로 나타내면 도 3(a)에 나타낸 바와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 또한, 복수의 제1 샘플에 대한 결정립 형상비 y와 감쇠율 파라미터β를 그래프로 나타내면 도 3(b)에 나타낸 바와 같은 그래프를 얻을 수 있다.
또한 사용자는, 복수의 제2샘플에 대해서는 재결정율 x, 음속 파라미터α, 감쇠 파라미터β를 개별적으로 구한다. 구체적으로는 재결정율 x는 당해 제2샘플을 길이 방향과 수직인 평면에서 절단했을 때의 단면을 현미경으로 관찰하여 어떤 영역에 있어서 재결정립이 차지하는 비율을 실측함으로써 구해진다. 한편, 음속 파라미터α와 감쇠율 파라미터β는, 예를 들어 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치를 이용함으로써 구해진다. 이렇게 해서 구한 복수의 제2샘플에 대한 재결정율 x와 음속 파라미터α를 그래프로 나타내면 도 4(a)에 나타낸 바와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 또한, 복수의 제2샘플에 대한 재결정율 x와 감쇠율 파라미터β를 그래프로 나타내면 도 4(b)에 나타낸 바와 같은 그래프를 얻을 수 있다.
다음에, 이들 4개의 그래프에 대해 플롯한 각 점을 연결하는 근사 곡선을 구한다. 도 3(a)에 나타낸 바와 같은 결정립 형상비 y와 음속 파라미터α와의 관계를 나타내는 그래프의 근사 곡선(일차 함수), 도 4(a)에 나타낸 바와 같은 재결정율 x와 음속 파라미터α와의 관계를 나타내는 그래프의 근사 곡선(삼차 함수), 및 어떤 샘플에 대한 재결정율 x, 결정립 형상비 y, 음속 파라미터α의 한쌍의 값을 이용해서 상기 (1)식에 있어서의 각 정수a3, a2, a1, b1, b0 를 결정할 수가 있다. 또한, 도 3(b)에 나타낸 바와 같은 결정립 형상비 y와 감쇠율 파라미터β와의 관계를 나타내는 그래프의 근사 곡선(일차 함수), 도 4(b)에 나타낸 바와 같은 재결정율 x와 감쇠율 파라미터β와의 관계를 나타내는 그래프의 근사 곡선(삼차 함수), 및 어떤 샘플에 대한 재결정율 x, 결정립 형상비 y, 감쇠율 파라미터β의 한쌍의 값을 이용해서 상기 (2)식에 있어서의 각 정수 c3, c2, c1, d1, d0 를 결정할 수가 있다.
다만, 일반적으로 재결정율 x, 결정립 형상비 y 및 음속 파라미터α의 관계 와 재결정율 x, 결정립 형상비 y 및 감쇠율 파라미터β의 관계는 각각 강종마다 다르므로, 이들 관계를 강종마다 구하는 것이 바람직하다.
그런데, 샘플의 음속 파라미터α나 감쇠율 파라미터β를 구하는 경우에는 도 1에 나타낸 측정장치 대신에 도 6에 나타낸 바와 같은 장치를 이용하는 것이 바람직하다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치의 변형예에 대한 개략 구성도이다. 도 6에 도시된 본 발명의 변형예에 따른 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치는, 초음파 발생용 레이저 (10)와, 초음파 검출용 레이저(20)와, 초음파 발생부(31a)와, 빔 취득부(41a)와, 간섭계(50)와, 광 검출기(60)와, 컴퓨터(70) 및 회전 스테이지(100)를 포함한다. 다만, 도 6의 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치에 있어서 도 1의 장치와 동일한 기능을 갖는 것에 대해서는 동일한 부호를 부여함으로써 상세한 설명을 생략한다.
도 6의 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치가 도 1에 나타낸 장치와 다른 점은, 주로 2개 있다. 첫째는 회전 스테이지(100)에 측정 대상물(2)을 장착해서 상기 회전 스테이지(100)를 회전시킴으로써 라인 포커스 빔 L1의 라인 방향을 바꾼다는 점이다. 즉, 초음파 발생부(31a)는 실린드리칼 렌즈(35)의 회전 기구를 가지지 않는다. 둘째는, 초음파 발생부(31a)와 빔 취득부(41a)를 별도로 구성해서 빔 취득부(41a)를 상기 측정 대상물(2)에 있어서 초음파 발생부(31a)와 반대편에 배치한 점이다. 즉, 빔 취득부(41a)는 압연 방향 편파 횡파 및 폭방향 편파 횡파의 각 초음파에 대해 해당 횡파 초음파가 도달하는 측정 대상물(2)의 밑면 위치에 제2레이저 빔 L2를 유도함과 동시에, 측정 대상물(2)의 밑면에서 반사된 제2레이저 빔 L2 를 취득한다. 그 밖의 구성은, 도 1에 도시된 결정립 형상비 측정장치와 대략 같다.
도 6에 도시된 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치는, 구성이 간단하며 특히 크기가 그다지 크지 않은 측정 대상물(2)에 대한 측정을 실시할 경우에 적절하다. 따라서, 상술한 샘플에 대해 그 음속 파라미터α나 감쇠율 파라미터β를 구할 경우에 매우 적합하다. 다만, 이 장치는 측정 대상물(2)을 회전 스테이지(100)에 장착하므로 열간 온라인에 있어서 측정을 실시할 경우에는 이용할 수 없다.
　이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치에 대해, 측정 대상물(2)의 재결정율 x와 결정립 형상비 y를 측정하는 절차에 대해 설명한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 재결정율 및 결정립 형상비 측정과정을 보이는 흐름도로서, 강재의 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치에 대해 상기 측정 대상물(2)의 재결정율 x와 결정립 형상비 y를 측정하는 절차를 설명하기 위한 플로차트(flow chart)이다.
우선, 컴퓨터(70)는 실린드리칼 렌즈(35)의 길이 방향이 측정 대상물(2)의 폭방향이 되도록 실린드리칼 렌즈(35)의 회전 기구를 제어한다(S1). 그 후, 초음파 발생용 레이저(10)로부터 레이저 빔을 발사함과 동시에 초음파 검출용 레이저(20)로부터 제2레이저 빔 L2를 발사한다. 초음파 발생용 레이저(10)로부터의 레이저 빔은 실린드리칼 렌즈(35)로 라인 모양으로 집광되어 라인 포커스 빔 L1로서 측정 대상(2)의 표면에 조사된다. 이 때, 라인 포커스 빔 L1의 라인 방향은 측정 대상(2)의 폭방향과 평행을 이루므로, 상기 측정 대상물(2)의 내부에는 압연 방향 편파 횡 파가 발생한다. 측정 대상물(2)의 표면에서 산란된 제2레이저 빔 L2가 파브리·페로 간섭계(50)에 입사됨으로써 파브리·페로 간섭계(50)는 압연 방향 편파 횡파의 초음파의 진동에 기인해서 발생되는 상기 제2 레이저 빔 L2의 주파수 변화를 검출한다. 그리고, 컴퓨터(70)는 제2레이저 빔 L2의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터를 취득해서 소정 메모리에 기억한다(S2).
다음에, 컴퓨터(70)는 실린드리칼 렌즈(35)의 길이 방향이 압연 방향이 되도록 실린드리칼 렌즈(35)의 회전 기구를 제어한다(S3). 그 후, 초음파 발생용 레이저(10)로부터 레이저 빔을 발사함과 동시에 초음파 검출용 레이저(20)로부터 제2레이저 빔 L2를 발사한다. 이 때 실린드리칼 렌즈(35)로 집광된 라인 포커스 빔 L1의 라인 방향은 상기 측정 대상물(2)의 압연 방향과 평행을 이루므로, 상기 측정 대상(2)의 내부에는 폭방향 편파 횡파가 발생한다. 상기 측정 대상물(2)의 표면에서 산란된 제2 레이저 빔 L2가 파브리·페로 간섭계(50)에 입사함으로써 파브리·페로 간섭계(50)는 폭방향 편파 횡파의 초음파의 진동에 기인해서 발생되는 상기 제2 레이저 빔 L2의 주파수 변화를 검출한다. 그리고 컴퓨터(70)는 싱기 제2 레이저 빔 L2의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터를 취득해서 소정 메모리에 기억한다(S4).
다음에, 컴퓨터(70)는 압연 방향 편파 횡파의 초음파의 진동에 기인해서 생기는 제2레이저 빔 L2의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터에 근거해서 압연 방향 변위 횡파의 전파 시간을 구함과 동시에 폭방향 편파 횡파의 초음파의 진동에 기인해서 생기는 제2레이저 빔 L2의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터에 근거해 서 폭방향 변위 횡파의 전파 시간을 구한다(S5). 그 후, 컴퓨터(70)는 압연 방향 편파 횡파의 전파 시간에 근거해서 압연 방향 편파 횡파의 음속 VS1을 산출함과 동시에 폭방향 편파 횡파의 전파 시간에 근거해서 폭방향 편파 횡파의 음속 VS2를 산출한다(S6). 그리고, 압연 방향 편파 횡파의 음속 VS1과 폭방향 편파 횡파의 음속 VS2를 이용해서 음속 파라미터α를 구한다(S7).
　또한, 컴퓨터(70)는 압연 방향 편파 횡파의 초음파의 진동에 기인해서 생기는 제2레이저 빔 L2의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터에 근거해서 압연 방향 편파 횡파의 파형 진폭의 2승적분치 AS1을 산출함과 동시에, 폭방향 편파 횡파의 초음파의 진동에 기인해서 생기는 제2레이저 빔 L2의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터에 근거해서 폭방향 편파 횡파의 파형 진폭의 2승적분치 AS2를 산출한다(S8). 그리고, 압연 방향 편파 횡파의 파형진폭의 2승적분치 AS1과 폭방향 편파 횡파의 파형진폭의 2승적분치 AS2를 이용해서 감쇠율 파라미터β를 구한다(S9).
다음에 컴퓨터(70)는 기억부에 기억된, 측정 대상물(2)와 같은 강종에 대한 재결정율 x, 결정립 형상비 y 및 음속 파라미터α의 관계를 나타내는 제1 데이터, 해당 강종에 대한 재결정율 x, 결정립 형상비 y 및 감쇠율 파라미터β의 관계를 나타내는 제2 데이터를 이용해서 해당 측정 대상물(2)의 음속 파라미터α 및 감쇠율 파라미터β로부터 상기 해당 측정 대상물(2)의 재결정율 x 및 결정립 형상비 y를 구한다(S10). 이렇게 해서 얻어진 측정 대상물(2)의 재결정율 x 및 결정립 형상비 y는, 예를 들어 컴퓨터(70)의 화면에 표시된다.
　본 실시 형태의 재결정율 형상비 측정장치에서는, 레이저 초음파법을 이용함으로써 측정 대상물의 내부에 그 표면에 대해서 비스듬하게 진행하는 횡파 초음파를 발생시켜, 압연 방향 편파 횡파 및 폭방향 편파 횡파의 각각에 대해 당해 횡파 초음파의 진동에 기인해서 생기는 제2레이저 빔의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터를 취득하고, 그 파형 데이터에 근거해서 해당 횡파 초음파의 음속 및 파형진폭의 2승적분치를 산출한다. 그리고, 압연 방향 편파 횡파의 음속과 폭방향 편파 횡파의 음속을 이용해서 측정 대상물에 대한 음속 파라미터를 구함과 동시에, 압연 방향 편파 횡파의 파형진폭의 2승적분치와 폭방향 편파 횡파의 파형진폭의 2승 적분치를 이용해서 측정 대상물에 대한 감쇠율 파라미터를 구한다. 구해진 음속 파라미터와 감쇠율 파라미터를 이용해서 컴퓨터의 기억부에는 기억된 측정 대상물과 같은 강종에 대한 재결정율과 결정립 형상비와 음속 파라미터와의 관계를 나타내는 데이터에 근거해서 측정 대상물에 대한 재결정율과 결정립 형상비를 얻는다. 따라서, 본 실시 형태의 재결정율과 결정립 형상비 측정장치를 이용하면 열간 온라인으로 측정 대상물의 재결정율과 결정립 형상비를 구할 수가 있다. 이 때문에, 이들 재결정율과 결정립 형상비에 대한 정보를, 예를 들어 다음 공정의 압연 조건에 피드 포워드(feed forward) 함으로써, 조직 미세의 강재를 효율적이고 안정적으로 제조할 수 있게 되며, 또한 정밀도 높은 강재의 제조 기술에 의해 재질 격차의 저감에도 기여할 수가 있다.
　다만, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니며, 그 요지의 범위 내에 있어서 여러 가지 변형이 가능하다.
　예를 들어, 상기 실시예에서는 라인 포커스 빔을 측정 대상물의 표면에 조사함으로써 측정 대상물의 내부에 횡파를 발생시켜, 그 발생시킨 횡파를 검출하는 경우에 대해 설명했지만, 횡파와 동시에 종파가 발생하므로 그 종파가 측정 대상물의 밑면에서 횡파로 모드 변환되는 성분인 모드 변환 횡파를 검출하도록 할 수도 있다. 다만, 이 경우는 측정 대상물의 밑면에서 모드 변환되지 않았던 반사 종파도 검출할 필요가 있다.
　또한, 상기 실시 형태에서는 측정 대상물로서 열간 공정으로 제조되는 후판을 이용한 경우에 대해 설명했지만, 본 발명의 재결정율과 결정립 형상비 측정장치는 이들 후판 외에도 어떠한 금속에 대해서도 적용할 수가 있다.
본 발명에 의하면, 비접촉방식의 열간 온라인으로 측정 대상물의 재결정율과 결정립 형상비를 구할 수 있다.
또한, 비접촉의 온라인으로 구한 재결정율 및 결정립 형상비 정보를 다음 공정의 압연 조건에 피드 포워드(feed forward)함으로써 조직 미세의 강재를 효율적이고 안정적으로 제조할 수 있게 되며, 나아가 정밀도가 높은 강재의 제조 기술에 의해 재질 편차를 저감시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 측정 대상물에 대한 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치에 있어서,
    각 강종에 대해 재결정율, 결정립 형상비와 횡파 음속의 이방성을 나타내는 음속 파라미터와의 관계를 각각 나타내는 제1 데이터 및 각 강종에 대해 재결정율, 결정립 형상비와 횡파 감쇠율의 이방성을 나타내는 감쇠율 파라미터의 관계를 나타내는 제2 데이터를 기억하는 기억수단;
    제1 레이저 빔을 상기 측정 대상물의 표면에 조사함으로써 상기 측정 대상물의 내부에 횡파 초음파를 발생시키는 초음파 발생수단;
    상기 측정 대상물의 내부에 발생된 상기 측정 대상물의 길이 방향으로 편파된 제1 횡파 초음파 및 상기 측정 대상물의 폭 방향으로 편파된 제2 횡파 초음파의 각각에 대해, 해당 횡파 초음파가 도달하는 상기 측정 대상물의 특정 위치에 제2 레이저 빔을 유도하고 상기 측정 대상물에서 반사된 상기 제2 레이저 빔을 취득하는 빔 취득수단;
    상기 빔취득수단으로 취득된 상기 제2 레이저 빔에 근거하여 해당 횡파 초음파의 진동으로 인해 발생되는 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 검출하는 주파수변화 검출수단;
    상기 주파수변화 검출수단으로 검출된 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터를 이용하여 상기 제1 횡파 초음파 및 상기 제2 횡파 초음파의 음속을 산출하고, 상기 해당 횡파 초음파의 음속을 이용하여 상기 측정 대상물에 대한 음속 파라미터를 구하는 음속 파라미터 산출수단;
    상기 주파수변화 검출수단으로 검출된 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터를 이용하여 상기 제1 횡파 초음파 및 상기 제2 횡파 초음파의 파형진폭의 2승적분치를 산출하고, 상기 해당 횡파 초음파의 파형진폭의 2승적분치를 이용하여 상기 측정 대상물에 대한 감쇠율 파라미터를 구하는 감쇠율 파라미터 산출수단; 및
    상기 구해진 음속 파라미터 및 상기 감쇠율 파라미터를 이용하여 상기 기억수단에 기억된 상기 측정 대상물과 같은 강종에 대한 상기 제1 데이터 및 상기 제2 데이터에 근거해서 상기 측정대상물의 재결정율과 결정립 형상비를 구하는 연산수단을 포함하고, 상기 2승적분치는 상기 제1횡파 초음파 및 상기 제2횡파 초음파의 파형진폭의 2승을 적분한 값이되, 시간을 적분변수로 하고 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 나타내는 시간구간을 적분구간으로 하는 것을 특징으로 하는 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔은 라인 형상을 가지며, 상기 초음파 발생수단은 상기 제1 레이저 빔을, 그 라인 방향이 상기 측정 대상물의 폭 방향이 되도록 하여 상기 측정 대상물의 표면에 조사하여 상기 측정 대상물의 내부에 상기 제1 횡파 초음파를 발생시키며, 상기 제1 레이저 빔을 라인 방향이 상기 측정 대상물의 길이 방향이 되도록 하여 상기 측정 대상물의 표면에 조사하여 상기 측정 대상물의 내부에 상기 제2 횡파 초음파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 빔 취득수단은,
    상기 제1 레이저 빔의 라인 중심점을 통과하여 그 라인과 직교하는 평면과 상기 측정 대상물의 표면 또는 이면이 교차하는 직선상에 상기 제2 레이저 빔을 유도하는 것을 특징으로 하는 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 음속 파라미터 산출수단은,
    상기 제1 횡파 초음파 및 상기 제2 횡파 초음파의 각각에 대해, 상기 주파수 변화 검출수단으로 검출된 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터에 근거해서 해당 횡파 초음파가 상기 측정 대상물의 내부를 전파한 전파 시간을 구하여 그 구해진 전파시간에 근거해서 해당 횡파 초음파의 음속을 산출하고, 상기 제1 횡파 초음파의 음속과 상기 제2 횡파 초음파의 음속을 이용해서 상기 측정 대상물에 대한 음속 파라미터를 구하는 것을 특징으로 하는 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 감쇠율 파라미터 산출수단은,
    상기 제1 횡파 초음파 및 상기 제2 횡파 초음파 각각에 대해, 상기 주파수 변화 검출수단으로 검출된 상기 제2 레이저빔의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터에 근거해서 당해 횡파 초음파의 파형진폭의 2승적분치를 산출하고, 상기 제1 횡파 초음파의 파형진폭의 2승적분치와 상기 제2 횡파 초음파의 파형진폭의 2승적분치를 이용하여 상기 측정 대상물에 대한 감쇠율 파라미터를 구하는 것을 특징으로 하는 재결정율 및 결정립 형상비 측정장치.
  6. 측정 대상물에 대한 재결정율 및 결정립 형상비 측정방법에 있어서,
    각 강종에 대해 재결정율, 결정립 형상비와 횡파 음속의 이방성을 나타내는 음속 파라미터와의 관계를 각각 나타내는 제1 데이터 및 각 강종에 대해 재결정율, 결정립 형상비와 횡파 감쇠율의 이방성을 나타내는 감쇠율 파라미터의 관계를 나타내는 제2 데이터를 구하는 제1단계;
    제1 레이저 빔을 상기 측정 대상물의 표면에 조사하여 상기 측정 대상물의 내부에 횡파 초음파를 발생시키는 제2단계;
    상기 측정 대상물의 내부에 발생한 상기 측정 대상물의 길이방향으로 편파된 제1 횡파 초음파 및 상기 측정 대상물의 폭방향으로 편파된 제2 횡파 초음파의 각각에 대해, 해당 횡파 초음파가 도달하는 상기 측정 대상물의 특정 위치에 제2 레이저 빔을 유도하고, 상기 측정 대상물에서 반사된 상기 제 2레이저 빔을 취득하는 제3단계;
    상기 제3단계에서 취득된 상기 제2 레이저 빔을 기초로, 해당 횡파 초음파의 진동에 기인하여 발생되는 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 검출하는 제4단계;
    상기 제4단계에서 검출된 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터를 기초로 해당 횡파 초음파가 상기 측정 대상물의 내부를 전파한 전파 시간을 구하는 제5단계;
    상기 제5단계에서 구한 전파 시간을 기초로 해당 횡파 초음파의 음속을 산출하고, 상기 산출된 상기 제1 횡파 초음파의 음속 및 상기 제2 횡파 초음파의 음속을 이용하여 상기 측정 대상물에 대한 횡파 음속의 이방성을 나타내는 음속 파라미터를 구하는 제6단계;
    상기 제4단계에서 검출된 상기 제2 레이저빔의 주파수 변화를 나타내는 파형 데이터를 기초로 해당 횡파 초음파의 파형진폭의 2승적분치를 산출하고, 상기 산출된 상기 제1 횡파 초음파의 파형진폭의 2승적분치와 상기 제2횡파 초음파의 파형진폭의 2승적분치를 이용하여 상기 측정대상물에 대한 횡파 음속의 감쇠율의 이방성을 나타내는 감쇠율 파라미터를 구하는 제7단계; 및
    상기 제1단계에서 구한 상기 측정 대상물과 동일한 강종에 대한 상기 제1 데이터 및 상기 제2 데이터에 근거하여 상기 제6단계에서 구해진 음속 파라미터와 상기 제7단계에서 구해진 감쇠율 파라미터를 사용해서 상기 측정 대상물의 재결정율 및 결정립 형상비를 구하는 제8단계를 포함하고, 상기 2승적분치는 상기 제1횡파 초음파 및 상기 제2횡파 초음파의 파형진폭의 2승을 적분한 값이되, 시간을 적분변수로 하고 상기 제2 레이저 빔의 주파수 변화를 나타내는 시간을 적분구간으로 하는 것을 특징으로 하는 재결정율 및 결정립 형상비 측정방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔은 라인 모양을 가지며, 상기 제2단계에서는, 상기 제 1레이저 빔을 그 라인 방향이 상기 측정 대상물의 폭방향이 되도록 하여 상기 측정 대상물의 표면에 조사하여 상기 측정 대상물의 내부에 상기 제1 횡파 초음파를 발생시키며, 상기 제1레이저 빔을 그 라인 방향이 상기 측정 대상물의 길이 방향이 되도록 하여 상기 측정 대상물의 표면에 조사함으로써 상기 측정 대상물의 내부에 상기 제2 횡파 초음파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 재결정율 및 결정립 형상 비 측정방법.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 제3단계에서는, 상기 제1 레이저 빔의 라인 중심점을 통과하여 그 라인과 직교하는 평면과 상기 측정 대상물의 표면 또는 밑면이 교차하는 직선상에 상기 제2 레이저 빔을 유도하는 것을 특징으로 하는 재결정율 및 결정립 형상비 측정방법.
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