KR20030054633A - 연속주조 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속주조 슬래브(slab)의 내부결함을 탐상하는 장치에 있어서, 슬래브의 내부에 존재하는 내부결함을 초음파로 탐상하여 결함을 측정하는 연속주조 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 주조과정을 통해 생산된 슬래브(1)의 내부결함 고속 탐상장치에 있어서, 슬래브(1)의 저면을 지지하는 거치대(10)와, 유체(22)가 채워지며 유체(22)가 슬래브(1)의 저면과 접하도록 유체(22)를 저장하는 탱크(20)와, 탱크(20)의 내부에 위치하는 초음파탐촉자(30)를 선회 및 이동하는 머니퓰레이터(manipulator)(40) 및, 초음파탐촉자(30)로부터 수신된 에코신호를 처리하며 머니퓰레이터(40)의 작동을 제어하는 제어부(60)를 포함하는 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치가 제공된다.

Description

연속주조 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치{Interior crack exploration apparatus of continuous casting slab }

본 발명은 연속주조 공정을 통해 생산된 슬래브의 내부결함을 탐상하는 장치에 관한 것이며, 특히, 수침법을 이용하여 슬래브의 내부결함을 탐상함으로써 슬래브의 결함을 측정하기 위해 슬래브의 표면에 부착된 산화층 등을 제거하는 과정을 수행하지 않아도 되며, 또한, 탐상대역에 따라 머니퓰레이터 및 다양한 탐촉자를 이용하여 슬래브의 특정부위를 집중적으로 탐상하여 슬래브의 내부결함을 탐상하는 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치에 관한 것이다.

도면에서, 도 1은 연속주조 공정에서 생산된 슬래브의 내부결함을 나타낸 횡단면 사진이고, 도 2는 종래의 기술에 따른 수직 탐촉자와 사각탐촉자를 이용한 피검체의 내부결함탐상 원리를 설명하기 위한 개략도이다.

연주 슬래브(1)는 후강(厚鋼)을 만들기 위한 반제품 강괴로서, 그 두께는 250mm이상이다. 이런 슬래브(1)는 연속주조 공정을 통해 만들어지며, 응고과정에서 주조 몰드 벽을 향하여 형성되는 열전달 경로에 따른 방향성 때문에 서로 다른 방향의 열 구배가 만나는 삼중점(triple point)이 형성된다. 야금학적 금속 응고 연구 결과에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 삼중점 근처에서 슬래브(1) 단면의 두께 방향(이하에서는 '단변부(1t)'라 함)에 수직한 트리플 포인트 크랙(triple point crack)(3)과 단변부(1t)에 대하여 평행하게 생성되는 미드웨이 크랙(midway crack)(5)이 형성된다. 이들 트리플 포인트 크랙(3)과 미드웨이 크랙(5)의 길이는 약 10~30mm로서, 슬래브(1)의 이러한 결함들은 차후의 열간 압연과정에서 전파되어, 후판재 제조공정에서의 실수율 및 품질 저하의 심각한 원인으로 작용한다.

종래에는 이러한 슬래브 내에 결함을 탐상하기 위해 다양한 기술들이 개발되었다. 이와 같은 기술들로서는 와전류 검사법, 자분 탐상법 및, 침투 탐상법 등이 있는데, 이들은 슬래브의 표면에 형성된 결함을 탐상하기에는 유용하지만, 두께 250mm이상의 슬래브의 내부에 형성된 내부결함을 검사하기에는 적합하지 못하다. 한편, 두께 100mm이하의 피검체에 대해서는 방사선 투과법을 활용할 수 있으나, 이 또한 250mm의 두께를 갖는 슬래브 즉 후물재의 경우에는 효과적인 투과 방사선을 생성시키기가 현실적으로 어렵다는 단점이 있다.

현재 기술로서 250mm이상의 슬래브와 같은 후물재의 내부결함을 탐상하기 위한 기술로서는 초음파 응용방법이 유일한 방법이며, 실제 공정에서도 내부결함을 꼭 탐상할 필요가 있을 시엔 수동 탐상방법으로 내부결함을 측정하고 있다.

그러나, 초음파를 이용하여 슬래브의 내부결함을 탐상하기 위해서는 슬래브의 표면에 액체 커플런트를 도포하고 초음파로 스캔하여야 하는데, 일반적으로 연속주조 공정을 거친 슬래브의 표면에는 산화층이 형성되고, 이런 산화층 때문에 액체 커플런트를 도포하더라도 초음파를 피검체에 효과적으로 전달하기에 어려움이있을 뿐만 아니라, 주물재의 특성상 초음파 감쇠가 커서 검사원의 초음파 탐촉자에 가하는 압력의 변화에 따라 측정신호가 크게 변화는 문제가 발생한다.

한편 도 2에서는 종래에 사용되었던 초음파 탐상장치에 대하여 설명하고 있다. 도 2의 (a)에서와 같이 수직탐촉자(7)를 사용할 경우에는 미드웨이 크랙(midway crack)(5)과 같이 단변부(1t)에 평행한 결함에 대해서는 도 2의 (b)와 같은 슈(shoe)(9)를 사용하여야 하며, 도 2의 (b)에서와 같이, 사각 탐촉자(8)를 사용할 경우에는 슬래브(1) 표면을 연마하는 등의 부가적인 작업 필요성 때문에 탐상 속도의 제한이 따른다는 단점이 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 수침법에 의해 슬래브의 내부결함을 탐상함으로써 고속 탐상이 가능하며 또한, 탐상대역에 따라 머니퓰레이터 및 다양한 탐촉자를 이용하여 탐상할 수 있는 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 연속주조 공정에서 생산된 슬래브의 내부결함을 나타낸 횡단면 사진이고,

도 2는 종래의 기술에 따른 수직 탐촉자와 사각탐촉자를 이용한 피검체의 내부결함탐상 원리를 설명하기 위한 개략도이고,

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 슬래브 내부결함 고속 탐상장치를 나타낸 개략도이고,

도 4는 도 3에 도시된 고속 탐상장치의 신호흐름을 나타낸 개념도이고,

도 5a는 배열형 초음파 탐촉자를 사용한 초음파 집속 및 주사(scan)의 원리를 나타낸 사진이고,

도 5b는 슬래브의 기계가공 결함을 대상으로 얻는 결함영상을 나타낸 사진이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

1 : 슬래브 3 : 트리플 포인트 크랙

5 : 미드웨이 크랙 10 : 거치대

20 : 탱크 22 : 유체

30 : 초음파탐촉자 40 : 머니퓰레이터

50 : 회로부 60 : 제어부

70 : 모니터 100 : 고속 탐상장치

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 주조과정을 통해 생산된 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치에 있어서, 상기 슬래브의 저면을 지지하는 거치대와, 상기 유체가 채워지며 상기 유체가 상기 슬래브의 저면과 접하도록 상기 유체를 저장하는 탱크와, 상기 탱크의 내부에 위치하는 초음파탐촉자를 선회 및 이동하는 머니퓰레이터(manipulator) 및, 상기 초음파탐촉자로부터 수신된 에코신호를 처리하며 상기 머니퓰레이터의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치가 제공된다.

또한, 본 발명의 상기 초음파탐촉자는 다채널(Multi-Channel) 탐촉자, 선형 배열형(Linear array) 탐촉자 또는 위상 배열형(Phased array) 탐촉자 중에서 어느 한 탐촉자이다.

아래에서, 본 발명에 따른 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

슬래브의 내부결함 고속 탐상장치는 연주 슬래브 삼중점 근처에 존재하는 미드웨이 크랙(midway crack) 및 트리플 포인트 크랙(triple point crack)과 같은 내부결함을 고속으로 탐지하는 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 250mm이상의 슬래브 두께를 투과하여 내부결함에 대한 정보를 제시할 수 있는 초음파 방식을 채택하며, 슬래브 표면에 발생한 두꺼운 산화층의 존재 하에서도 피검체와 탐촉자 사이의 효과적으로 초음파를 전달할 수 있도록 일반적인 커플런트 도포 방식 대신에 수침법을 활용한다.

그리고, 미드웨이 크랙(midway crack)과 트리플 포인트 크랙(triple point crack)의 존재 영역을 대상으로 약 10m정도의 길이를 갖는 슬래브를 그 길이방향 즉 종방향으로 고속 탐상이 가능하도록 10개 이상의 탐촉자로 구성된 다채널 탐촉자와, 약 64개 이상으로 구성된 선형 배열형 초음파 탐촉자 및, 위상 배열형 탐촉자, 중에서 어느 하나를 선택적으로 사용하고, 이를 탐촉 센서류를 부착한 머니퓰레이터(manipulator)를 이용하여 슬래브의 표면 산화층 존재 하에서도 자유로운 입사각도 조정 및 종방향의 고속 주사를 가능하도록 한다.

또한, 이상의 시스템을 효과적으로 합체하여 슬래브 내부결함에 대한 2차원 영상신호(B-scan) 획득으로 연주 슬래브 내부의 결함을 종합적으로 고속 평가할 수 있게 구성되어 있다.

도면에서, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 슬래브 내부결함 고속 탐상장치를 나타낸 개략도이고, 도 4는 도 3에 도시된 고속 탐상장치의 신호흐름을 나타낸 개념도이고, 도 5a는 배열형 초음파 탐촉자를 사용한 초음파 집속 및 주사(scan)의 원리를 나타낸 사진이며, 도 5b는 슬래브의 기계가공 결함을 대상으로 얻는 결함영상을 나타낸 사진이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치(100)는 수침법 적용을 위해 상면이 개방된 탱크(20)에 물 또는 기름인 유체(22)가 채워진다. 그리고, 이런 탱크(20)의 상면에 중량물인 슬래브(1)를 안착하고 탱크(20)의 내부에는 자유각도로 초음파 빔을 슬래브(1) 내부로 집속할 수 있는 머니퓰레이터(manipulator)(40)가 설치된다. 미드웨이 크랙(midway crack)(5)과 트리플 포인트 크랙(triple point crack)(3) 각각의 유형 및 탐상 영역에 따라 다음과 같이 검사를 수행한다.

먼저, 슬래브(1)의 두께 방향 혹은 폭 방향으로 좁은 범위를 탐상할 경우에는 10개 이내의 초음파 탐촉자로 구성된 다채널 장치를 머니퓰레이터(40)에 장착하여 활용하고, 이런 상태에서 그 이상의 영역에 대해서는 머니퓰레이터(manipulator)(40)를 작동하여 폭 방향으로 선회하면서 주사하는 방식을 이용하여 내부결함을 탐상한다. 한편, 경우에 따라서는 64채널 이상의 선형배열형 탐촉자를 머니퓰레이터에 장착하여 내부결함을 탐상할 수 있으며, 필요시에는 64채널 이상의 위상배열형 탐촉자를 이용하여 자유자재의 집속 및 방향을 제어하여 슬래브(1)의 탐상영역을 따라 내부결함 탐상을 수행한다.

이와 같은 머니퓰레이터(40)를 이용한 탐촉자의 선택은 물론 초기 투자 경비에 의존함으로 필요시에는 초음파 탐촉자에 부가하여 커플런트인 물을 연주 슬래브(1) 표면에 뿌리는 버블러(bubbler)를 채택하여, 삼중점 근처의 검사 영역을 따라 내부결함 탐상한다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치(100)는 초음파 발생 및 수신을 위한 회로부(50)와, 앞에서 설명한 다수 개의 초음파탐촉자(30)들 중에 선택된 어느 한 탐촉자와, 탐촉자가 부착되어 필요한 초음파 입사각도와 2차원적인 일평면으로 주사할 수 있는 머니퓰레이터(manipulator)(40)와, 이들을 종합적으로 제어 할 수 있는 시스템 제어부(61), 신호 취득 및 결함 판정부(65), 그리고 수십 톤에 이르는 연주 슬래브(1)가 안착되며 내부에 탱크(20)가 위치하는 거치대(10) 등을 포함한다.

한편, 도 4에서의 송신 집속기(51)는 집속을 위한 지연 시간을 적합한 초음파 배열(array)에 적용할 수 있도록 하는 장치이고, 고전압 구동부(52)는 송신 집속기(51)에서 집속된 신호를 받아 적합한 시간에 초음파를 송신하도록 고압의 펄스를 만드는 장치이다. 또한, 수신부(53)는 되돌아온 에코신호를 수신 집속기에 전달하기 전에 수신신호를 적합한 전압으로 조절하여 A/D변환기(Analog-to-Digital Converter)를 통해 디지털화된 수신신호를 생성하는 장치이고, 수신 집속기(54)는디지털 수신신호를 수신 집속하여 집속된 RF(radio frequency)신호로 생성하는 장치이다.

또한, 시스템 제어부(60)는 전체 시스템에 제어신호를 생성하고 사용자와 시스템을 연결해 주며 본 발명의 실시예에 따른 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치(100)를 제어하는 장치이고, 중간신호 처리부(62)와 에코 프로세서(63)는 각각 집속된 상기 RF신호를 저장하고, 인-페이즈(in-phase) 및 직교(quadrature)신호를 생성하며, 포락선을 검출하여 영상신호를 만드는 장치이다. 그리고, 화상 처리부(64)는 영상신호를 모니터(70)에 나타내기 위해 디지털 스캔 컨버터(Digital Scan Convert)하는 장치이다.

이와 같이 구성된 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치의 작동관계에 대하여 상세히 설명하겠다.

먼저, 위상배열 방식이란 다수의 초음파 발진자를 선형 또는 임의의 형태로 배열하여 초음파 송신시에는 각각의 발진자에 전달되는 신호의 인가시간을 전자적으로 조절하여 방사되는 초음파 빔의 집속(focusing) 및 조향(steering)을 수행하고, 수신시에는 각각의 발진자에 수신된 신호에 적절한 지연시간을 주어 더해 줌으로서, 특정 위치로부터 반사되어 돌아오는 신호의 강도를 증가시키는 방식이다.

도 5a에서의 (a)에 도시된 그림에서는 선형으로 배열된 초음파 발진자에 선형적인 지연시간을 적용함으로써 초음파의 진행 방향을 특정 각도로 조절할 수 있는 조향 방법을 보여주는 것이며, 도 5a에서의 (b)는 대칭적인 지연시간을 적용함으로써 특정 깊이에 초음파를 집속시키는 방법을 보여주고 있다. 물론, 집속과 조향을 동시에 적용하여 특정 방향 및 특정 깊이로 초음파를 조향 및 집속할 수 있다.

또한, 도 5b는 상부의 위상배열형 탐촉자와 선형배열형 탐촉자를 각각 이용하여 기계가공 결함을 대상으로 얻은 결함 영상의 일례를 보여주고 있다. 이와 같은 위상배열 방식은 재래식 초음파 탐상 장치와 달리 2차원 영상신호(B-scan)에서의 결함 영상을 제공함으로 작업자로 하여금 쉽게 결함의 유무를 확인할 수 있도록 해 준다.

또한 위상배열 탐촉자는 초음파의 진행방향 및 집속점을 전자적으로 조절할 수 있음으로 도 2에 보이듯이, 종래의 초음파 탐촉자 적용시에 요구되는 웨지나 슈(shoe)가 필요 없으며, 탐촉자의 이동 없이도 탐상 대상체 내부에 초음파를 집속할 수 있다.

본 발명에서는 앞에서 설명한 바와 같이, 고가의 위상배열 탐촉자 대신에 전술한 바와 같이 약 10개 이내의 탐촉자를 배치하는 방식인 다채널 초음파 탐상법과, 수침법 대신에 버블러(bubbler)를 채용한 다채널 초음파 탐상법을 적용할 수도 있다. 이는 비교적 좁은 영역에 대해 슬래브 두께 방향을 일시에 탐상하면서 종방향으로 주사하거나, 필요시에는 좀더 넓은 영역을 탐상할 수 있도록 머니퓰레이터(manipulator)를 횡방향으로 주사하여 대응하는 방식이다.

본 발명의 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치가 탐상하는 내부결함은 연속주조를 통해 생산된 슬래브로서, 이런 슬래브는 초음파의 감쇠가 심한 주조조직으로 되어 있다. 따라서 초음파 탐촉자의 주파수 대역은 상대적으로 저주파가 되도록 선택되어야 한다. 따라서, 본 발명의 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치에 채택되는 다채널 초음파 탐촉자, 선형 혹은 위상 배열형 초음파 탐촉자는 주조조직에서의 감쇠와 결함 분해능을 종합적으로 고려하여 0.5MHz 대역에서 5MHz 대역을 사용되지만, 슬래브 내부결함인 미드웨이 크랙(midway crack)과 트리플 포인트 크랙(triple point crack)의 크기가 수십mm에 이르는 정도이므로 필요시에는 0.5Mhz 이하의 저주파를 사용할 수 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치는 수침법을 사용함으로써, 슬래브의 표면에 형성된 산화층을 제거하는 작업을 수행하지 않아도 됨으로써, 슬래브의 내부결함을 탐상하기 위한 시간을 감소하여 작업효율을 증진시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치는 머니퓰레이터를 사용하여 탐상영역을 효율적으로 설정하여 탐상함으로써, 고속 탐상작업이 수행될 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (2)

1. 주조과정을 통해 생산된 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치에 있어서,

   상기 슬래브의 저면을 지지하는 거치대와,

   상기 유체가 채워지며 상기 유체가 상기 슬래브의 저면과 접하도록 상기 유체를 저장하는 탱크와,

   상기 탱크의 내부에 위치하는 초음파탐촉자를 선회 및 이동하는 머니퓰레이터(manipulator) 및,

   상기 초음파탐촉자로부터 수신된 에코신호를 처리하며 상기 머니퓰레이터의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 초음파탐촉자는 다채널(Multi-Channel) 탐촉자, 선형 배열형(Linear array) 탐촉자 또는 위상 배열형(Phased array) 탐촉자 중에서 어느 한 탐촉자인 것을 특징으로 하는 슬래브의 내부결함 고속 탐상장치.