(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造用ノズルを対象とした超音波探傷方法であって、
前記連続鋳造用ノズルの内表面から離れた位置に設置した送信用の探触子と、
前記送信用の探触子と前記連続鋳造用ノズルの厚みを挟んで対向配置するように、前記連続鋳造用ノズルの外表面から離れた位置に設置した受信用の探触子とを用いて、
前記送信用の探触子から送信した超音波を前記受信用の探触子で受信し、受信波を解析することにより欠陥の検出を行う、水浸法又は空気伝播法を基にした透過法を採用し、
前記送信用の探触子において前記連続鋳造用ノズルの内表面に対面する表面を、前記内表面と同一の曲率を有する凸形状とし、
前記送信用の探触子から送信する超音波の周波数は、１ＭＨｚ以下で、前記連続鋳造用ノズルの厚み方向に共振を起こさせる周波数とすることを特徴とする連続鋳造用ノズルの超音波探傷方法。
【請求項２】
連続鋳造用ノズルを対象とした超音波探傷方法であって、
前記連続鋳造用ノズルの外表面から離れた位置に設置した送信用の探触子と、
前記送信用の探触子と前記連続鋳造用ノズルの厚みを挟んで対向配置するように、前記連続鋳造用ノズルの内表面から離れた位置に設置した受信用の探触子とを用いて、
前記送信用の探触子から送信した超音波を前記受信用の探触子で受信し、受信波を解析することにより欠陥の検出を行う、水浸法又は空気伝播法を基にした透過法を採用し、
前記送信用の探触子において前記連続鋳造用ノズルの外表面に対面する表面を、前記外表面と同一の曲率を有する凹形状とし、
前記送信用の探触子から送信する超音波の周波数は、１ＭＨｚ以下で、前記連続鋳造用ノズルの厚み方向に共振を起こさせる周波数とすることを特徴とする連続鋳造用ノズルの超音波探傷方法。
【請求項３】
前記連続鋳造用ノズルの厚み方向に共振を起こさせる周波数ｆは、
ｆ＝Ｖ／λ＝ｎ・Ｖ／（２ｄ）
Ｖ：連続鋳造用ノズル内部を伝搬する縦波速度
ｄ：連続鋳造用ノズルの肉厚
λ：超音波の波長
ｎ：自然数
が成立する周波数であることを特徴とする請求項１又は２に記載の連続鋳造用ノズルの超音波探傷方法。
【請求項４】
前記連続鋳造用ノズルにはジルコニア−黒鉛質材料が配材されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の連続鋳造用ノズルの超音波探傷方法。
【請求項５】
連続鋳造用ノズルを対象とした超音波探傷システムであって、
前記連続鋳造用ノズルの内表面から離れた位置に設置した送信用の探触子と、
前記送信用の探触子と前記連続鋳造用ノズルの厚みを挟んで対向配置するように、前記連続鋳造用ノズルの外表面から離れた位置に設置した受信用の探触子とを備え、
前記送信用の探触子から送信した超音波を前記受信用の探触子で受信し、受信波を解析することにより欠陥の検出を行う、水浸法又は空気伝播法を基にした透過法を採用し、
前記送信用の探触子において前記連続鋳造用ノズルの内表面に対面する表面を、前記内表面と同一の曲率を有する凸形状とし、
前記送信用の探触子から送信する超音波の周波数は、１ＭＨｚ以下で、前記連続鋳造用ノズルの厚み方向に共振を起こさせる周波数とすることを特徴とする連続鋳造用ノズルの超音波探傷システム。
【請求項６】
連続鋳造用ノズルを対象とした超音波探傷システムであって、
前記連続鋳造用ノズルの外表面から離れた位置に設置した送信用の探触子と、
前記送信用の探触子と前記連続鋳造用ノズルの厚みを挟んで対向配置するように、前記連続鋳造用ノズルの内表面から離れた位置に設置した受信用の探触子とを備え、
前記送信用の探触子から送信した超音波を前記受信用の探触子で受信し、受信波を解析することにより欠陥の検出を行う、水浸法又は空気伝播法を基にした透過法を採用し、
前記送信用の探触子において前記連続鋳造用ノズルの外表面に対面する表面を、前記外表面と同一の曲率を有する凹形状とし、
前記送信用の探触子から送信する超音波の周波数は、１ＭＨｚ以下で、前記連続鋳造用ノズルの厚み方向に共振を起こさせる周波数とすることを特徴とする連続鋳造用ノズルの超音波探傷システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続鋳造用ノズルを対象とした超音波探傷方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼業において、精錬された溶鋼を連続的に鋳造する工程では、タンディッシュから鋳型内に溶鋼を注入する耐火物として連続鋳造用ノズル（以下、単にノズルとも呼ぶ）が使用されている。連続鋳造用ノズルは、使用中に折損や異常溶損を生じると、溶鋼の品質汚染に繋がり、歩留や生産性に重大な影響を及ぼす。
【０００３】
連続鋳造用ノズルの使用中の折損や異常溶損を未然に防止するために、従来より、耐火物製造者は、特許文献１に代表されるようなＸ線透過装置を用いて、製造時にノズルに内在する欠陥の有無を検査し、欠陥が存在しないことを確認した上で、鉄鋼製造者に販売する形態をとっている。連続鋳造用ノズルの使用中の折損や異常溶損は、ノズルに内在する欠陥が起点となり発生する頻度が高いからである。ここで、検査の対象とする欠陥は、連続鋳造用ノズルの製造時に不可避的に含有される、大きさが１００μｍ以下の球状の密封気孔ではなく、製造条件のばらつきにより製造時に発生する層状の空隙である。
【０００４】
連続鋳造用ノズルのＸ線透過装置を用いた欠陥の検出方法とは、例えば図１２に示すように、連続鋳造用ノズル１００を回転ステージ２０１に載せ、ノズル１００を回転させながらＸ線源２００からＸ線を照射し、ノズル１００を透過するＸ線の線量の濃淡差から欠陥を検出するものである。
【０００５】
ここで、図１２に示すように、連続鋳造用ノズル１００は、円筒形状を呈し、アルミナ−黒鉛質の部位１０１と、パウダー部に配置される高耐食性材料のジルコニア−黒鉛質の部位１０２とを含む、複数の組成からなることが多い。
しかしながら、連続鋳造用ノズル１００のジルコニア−黒鉛質が配置されている部位１０２にＸ線透過法を適用すると、ジルコニアを構成する原子ジルコニウムは、原子量が大きいために、すなわちＸ線吸収能が高いために、透過するＸ線の線量に濃淡差がつき難いという現象が生じる。そのために、ジルコニア−黒鉛質が配置されている部位１０２では、厚みが５００μｍ程度以上の大きさの欠陥しか検出できないという課題を抱えていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−２３２５４７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】超音波探傷法（改訂新版）、日本学術振興会・日刊工業新聞発行（昭和４９年７月３０日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
単一の組成からなる均質な組織を有する材料を対象とした欠陥の検出方法として、非特許文献１に記載されているような超音波探傷法が知られている。超音波探傷法とは、欠陥が内在する材料に周波数が１ＭＨｚ〜５ＭＨｚの超音波を照射し、材料から反射する超音波の波形の解析（反射法）、又は材料を透過する超音波の波形の解析（透過法）により、欠陥の探傷を行うものである。
【０００９】
超音波は探触子から励起されるが、励起させた超音波を材料に照射する方法として、以下の３つの方法がある。
（１）接触法：被検査体表面上に接触物質３０１を介して探触子３０２を接触させ、探触子３０２から励起させた超音波を接触物質３０１を通して被検査体に向けて送信し、探触子３０２で反射波を検出する、又は被検査体表面上に接触物質３０３を介して接触させた他の探触子３０４で透過波を検出する方法（図１３、図１４）。
（２）水浸法：被検査体表面から一定の距離だけ離れた位置に探触子４０１を設置した状態で、被検査体と探触子４０１を水中に浸漬させ、探触子４０１から励起させた超音波を水を媒体として被検査体に向けて送信し、探触子４０１で反射波を検出する、又は被検査体表面から一定の距離だけ離れた位置に設置した受信用の探触子４０２で透過波を検出する方法（図１５、図１６）。
（３）空気伝播法：被検査体表面から一定の距離だけ離れた位置に探触子４０１を設置した状態で、探触子４０１から励起させた超音波を空気を媒体として被検査体に向けて送信し、探触子４０１で反射波を検出する、又は被検査体表面から一定の距離だけ離れた位置に設置した受信用の探触子４０２で透過波を検出する方法（図１５、図１６）。
【００１０】
本願発明者は、連続鋳造用ノズルを対象として超音波探傷法を適用することを考えた。
ここで、反射法による超音波探傷法を適用する場合、単一の組成からなる均質な組織を有する材料においては、材料中に空気を含む欠陥が存在すると、単一の組成から成る固相と空気（気相）の音響インピーダンスが著しく異なるため、欠陥の表面（固相と気相の異なる相の界面）で完全に反射されて、欠陥検出が可能である。
ところが、複数の組成からなる連続鋳造用ノズル１００において、例えばジルコニア−黒鉛質が配置されている部位１０２に反射法を適用すると、ジルコニアと黒鉛の音響インピーダンスが異なるために、ノズル１００に照射された超音波は、ジルコニアと黒鉛の界面で一部反射してくることになる。そのため、反射法による超音波探傷法では、接触法、水浸法、空気伝播法のいずれの場合にも、ジルコニアと黒鉛の界面を欠陥と誤検出するため、欠陥を正確に検出できないことがわかった。
【００１１】
本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、連続鋳造用ノズルを対象として超音波探傷法を適用し、高精度に欠陥を検出できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための手段は、以下の通りである。
［１］  連続鋳造用ノズルを対象とした超音波探傷方法であって、
前記連続鋳造用ノズルの内表面から離れた位置に設置した送信用の探触子と、
前記送信用の探触子と前記連続鋳造用ノズルの厚みを挟んで対向配置するように、前記連続鋳造用ノズルの外表面から離れた位置に設置した受信用の探触子とを用いて、
前記送信用の探触子から送信した超音波を前記受信用の探触子で受信し、受信波を解析することにより欠陥の検出を行う、水浸法又は空気伝播法を基にした透過法を採用し、
前記送信用の探触子において前記連続鋳造用ノズルの内表面に対面する表面を、前記内表面と同一の曲率を有する凸形状とし、
前記送信用の探触子から送信する超音波の周波数は、１ＭＨｚ以下で、前記連続鋳造用ノズルの厚み方向に共振を起こさせる周波数とすることを特徴とする連続鋳造用ノズルの超音波探傷方法。
［２］  連続鋳造用ノズルを対象とした超音波探傷方法であって、
前記連続鋳造用ノズルの外表面から離れた位置に設置した送信用の探触子と、
前記送信用の探触子と前記連続鋳造用ノズルの厚みを挟んで対向配置するように、前記連続鋳造用ノズルの内表面から離れた位置に設置した受信用の探触子とを用いて、
前記送信用の探触子から送信した超音波を前記受信用の探触子で受信し、受信波を解析することにより欠陥の検出を行う、水浸法又は空気伝播法を基にした透過法を採用し、
前記送信用の探触子において前記連続鋳造用ノズルの外表面に対面する表面を、前記外表面と同一の曲率を有する凹形状とし、
前記送信用の探触子から送信する超音波の周波数は、１ＭＨｚ以下で、前記連続鋳造用ノズルの厚み方向に共振を起こさせる周波数とすることを特徴とする連続鋳造用ノズルの超音波探傷方法。
［３］  前記連続鋳造用ノズルの厚み方向に共振を起こさせる周波数ｆは、
ｆ＝Ｖ／λ＝ｎ・Ｖ／（２ｄ）
Ｖ：連続鋳造用ノズル内部を伝搬する縦波速度
ｄ：連続鋳造用ノズルの肉厚
λ：超音波の波長
ｎ：自然数
が成立する周波数であることを特徴とする［１］又は［２］に記載の連続鋳造用ノズルの超音波探傷方法。
［４］  前記連続鋳造用ノズルにはジルコニア−黒鉛質材料が配材されていることを特徴とする［１］乃至［３］のいずれか一つに記載の連続鋳造用ノズルの超音波探傷方法。
［５］  連続鋳造用ノズルを対象とした超音波探傷システムであって、
前記連続鋳造用ノズルの内表面から離れた位置に設置した送信用の探触子と、
前記送信用の探触子と前記連続鋳造用ノズルの厚みを挟んで対向配置するように、前記連続鋳造用ノズルの外表面から離れた位置に設置した受信用の探触子とを備え、
前記送信用の探触子から送信した超音波を前記受信用の探触子で受信し、受信波を解析することにより欠陥の検出を行う、水浸法又は空気伝播法を基にした透過法を採用し、
前記送信用の探触子において前記連続鋳造用ノズルの内表面に対面する表面を、前記内表面と同一の曲率を有する凸形状とし、
前記送信用の探触子から送信する超音波の周波数は、１ＭＨｚ以下で、前記連続鋳造用ノズルの厚み方向に共振を起こさせる周波数とすることを特徴とする連続鋳造用ノズルの超音波探傷システム。
［６］  連続鋳造用ノズルを対象とした超音波探傷システムであって、
前記連続鋳造用ノズルの外表面から離れた位置に設置した送信用の探触子と、
前記送信用の探触子と前記連続鋳造用ノズルの厚みを挟んで対向配置するように、前記連続鋳造用ノズルの内表面から離れた位置に設置した受信用の探触子とを備え、
前記送信用の探触子から送信した超音波を前記受信用の探触子で受信し、受信波を解析することにより欠陥の検出を行う、水浸法又は空気伝播法を基にした透過法を採用し、
前記送信用の探触子において前記連続鋳造用ノズルの外表面に対面する表面を、前記外表面と同一の曲率を有する凹形状とし、
前記送信用の探触子から送信する超音波の周波数は、１ＭＨｚ以下で、前記連続鋳造用ノズルの厚み方向に共振を起こさせる周波数とすることを特徴とする連続鋳造用ノズルの超音波探傷システム。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、連続鋳造用ノズルを対象として超音波探傷法を適用し、高精度に欠陥を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係る超音波探傷システムによる超音波探傷の概要を示す図である。
【図２】実施形態に係る送信用の探触子を示す外観図である。
【図３】実施形態に係る超音波探傷システムによる超音波探傷の概要を示す図である。
【図４】受信用の探触子で検出する透過波の波形の例を示す図である。
【図５】ノズルを透過する超音波の波形を解析するモデルを説明するための図である。
【図６Ａ】周波数４００ｋＨｚの超音波を用いた場合で、欠陥がない場合の計算機シミュレーション結果（受信波の振幅）を示す図である。
【図６Ｂ】周波数４００ｋＨｚの超音波を用いた場合で、欠陥がある場合の計算機シミュレーション結果（受信波の振幅）を示す図である。
【図７Ａ】周波数４３０．８ｋＨｚの超音波を用いた場合で、欠陥がない場合の計算機シミュレーション結果（受信波の振幅）を示す図である。
【図７Ｂ】周波数４３０．８ｋＨｚの超音波を用いた場合で、欠陥がある場合の計算機シミュレーション結果（受信波の振幅）を示す図である。
【図８】実施例で用いた試料を示す図である。
【図９】実施例で用いた試料を示す図である。
【図１０】実験の概要を説明するための図である。
【図１１】実施形態に係る超音波探傷システムによる超音波探傷方法の概要を示す図である。
【図１２】連続鋳造用ノズルのＸ線透過装置を用いた欠陥の検出方法を説明するための図である。
【図１３】接触法を基にした反射法の概要を説明するための図である。
【図１４】接触法を基にした透過法の概要を説明するための図である。
【図１５】水浸法又は空気伝播法を基にした反射法の概要を説明するための図である。
【図１６】水浸法又は空気伝播法を基にした透過法の概要を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
本発明では、連続鋳造用ノズルを対象として超音波探傷法を適用し、水浸法又は空気伝播法を基にした透過法を採用する。
図１は、実施形態に係る超音波探傷システムによる超音波探傷の概要を示す図である。
本実施形態で対象とする連続鋳造用ノズルは、図１２に示したように、アルミナ−黒鉛質の部位１０１と、パウダー部に配置される高耐食性材料のジルコニア−黒鉛質の部位１０２とを含む、複数の組成からなる連続鋳造用ノズル１００である。
【００１６】
図１に示すように、平面視において、連続鋳造用ノズル１００の内表面（内周面）１００ａから離れた位置に送信用の探触子１を設置する。また、送信用の探触子１と連続鋳造用ノズル１００の厚みを挟んで対向配置するように、連続鋳造用ノズル１００の外表面（外周面）１００ｂから離れた位置に受信用の探触子２を設置する。
図２に示すように、送信用の探触子１においてノズル内表面１００ａに対面する表面１ａを、ノズル内表面１００ａと同一の曲率を有する凸形状とする。なお、受信用の探触子２においてノズル外表面１００ｂに対面する表面２ａは平面（フラット）形状とする。
また、送信用の探触子１から送信する超音波の周波数は、１ＭＨｚ以下で、連続鋳造用ノズル１００の厚み方向に共振を起こさせる周波数とする。
【００１７】
図３を参照して、実施形態に係る超音波探傷システムによる超音波探傷の概要を説明する。なお、図３では、送信用の探触子１を簡略化して図示するが、上述したようにノズル内表面１００ａに対面する表面１ａは、ノズル内表面１００ａと同一の曲率を有する凸形状となっている。連続鋳造用ノズル１００の厚みを挟んで送受信用の探触子１、２を対向配置し、超音波の送受信を行いながら、探触子１、２をノズル１００の長手方向に相対移動させながら走査する。
図４に、受信用の探触子２で検出する透過波の波形の例を示す。欠陥が内在する位置では、超音波が反射するために透過せず、超音波の波形が得られていないことがわかる。
なお、連続鋳造用ノズル１００の全体において本発明を適用した超音波探傷法を適用するようにしてもよいし、アルミナ−黒鉛質の部位１０１では従来通りＸ線透過法を適用し、ジルコニア−黒鉛質の部位１０２では本発明を適用した超音波探傷法を適用するようにしてもよい。
【００１８】
ここで、水浸法又は空気伝播法を基にした透過法を採用する理由を説明する。
超音波探傷法には、既述したように接触法、水浸法、空気伝播法があるが、円筒形状の連続鋳造用ノズル１００に、接触法を基にした透過法を適用する場合、例えば送信用の探触子１を接触物質を介してノズル内表面１００ａ上に密接に接触させ、受信用の探触子２を接触物質を介してノズル外表面１００ｂ上に密接に接触させた上で、これら送受信用の探触子１、２を同調させて同一円心上を移動させる必要がある。このような作業は、非常に煩雑で長時間を要する作業であり、連続鋳造用ノズルの生産性を阻害する要因になるために、実際の製造工程への適用は困難となる。以上のことを考慮して、水浸法又は空気伝播法を基にした透過法を採用する。
【００１９】
次に、送信用の探触子１の表面形状を凸形状とし、また、送信用の探触子１から送信する超音波の周波数は、１ＭＨｚ以下で、連続鋳造用ノズル１００の厚み方向に共振を起こさせる周波数とした理由を説明する。
【００２０】
既述したように、反射法による超音波探傷法では、ジルコニアと黒鉛の界面を欠陥と誤検出するため、欠陥を正確に検出できないという課題がある。
そこで、透過法による超音波探傷法の適用を試みる。連続鋳造用ノズルにおいて、例えばジルコニア−黒鉛質が配置されている部位に、周波数が１ＭＨｚ〜５ＭＨｚの超音波を用いると、ジルコニア−黒鉛質には製造時に不可避的に大きさが１００μｍ以下の気孔が含有されることと、透過する超音波の波長が短いことから、気孔と超音波が干渉する結果、接触法、水浸法、空気伝播法のいずれの場合にも、気孔を欠陥と誤検出することがあるという課題を見出した。
したがって、超音波の周波数を１ＭＨｚ以下とする。その一方で、周波数が１ＭＨｚ以下の超音波を用いると、超音波の波長が長いために、ノズル１００を透過する過程で超音波の減衰が大きくなる結果、接触法、水浸法、空気伝播法のいずれの場合にも、欠陥を正確に検出できないという課題を見出した。
【００２１】
超音波のノズル内部の伝播過程での減衰には、送信用の探触子１の表面形状とその設置位置が大きく影響を及ぼすと考え、本願発明者は、水浸法又は空気伝播法を基にした透過法による超音波探傷法を適用する場合において、図５に示すモデルを用いて、ノズルを透過する超音波の波形を計算機シミュレーションにより解析した。
図５のモデルは、内径２００ｍｍ、外径３００ｍｍ、肉厚５０ｍｍのジルコニア−黒鉛質のノズル１００を対象とし、その肉厚の中央部に幅１５ｍｍ、厚み０．５ｍｍの欠陥５１を導入したモデルとなっている。
また、送受信用の探触子１、２の幅は２０ｍｍ×２０ｍｍ以下とする。探触子１、２の幅が２０ｍｍ×２０ｍｍ超であると、探触子１、２の投影断面積が、連続鋳造用ノズル１００に内在する欠陥の投影断面積よりも大きくなりすぎ、透過する超音波の波形を正確に解析できず、高精度な欠陥の探傷ができないからである。
なお、図５では、送信用の探触子１をノズル内表面１００ａ側に配置し、かつ、受信用の探触子２をノズル外表面１００ｂ側に配置したモデルを示すが、送信用の探触子１をノズル外表面１００ｂ側に配置し、かつ、受信用の探触子２をノズル内表面１００ａ側に配置したモデルも同様に構築した。
【００２２】
表１に示すように、水浸法又は空気伝播法を基にした透過法において、送信用の探触子１の表面形状とその設置位置の各種組み合わせＡ〜Ｆで、受信波の減衰状況を解析した。なお、組み合わせＡ〜Ｆのいずれも、受信用の探触子２においてノズル外表面１００ｂに対面する表面２ａは平面（フラット）形状である。
その結果、送信用の探触子１をノズル内表面１００ａから離れた位置に設置し、かつ、送信用の探触子１においてノズル内表面１００ａに対面する表面１ａを、ノズル内表面１００ａと同一の曲率を有する凸形状とした組み合わせＥで、超音波の減衰が小さくなることを突き止めた。
また、送信用の探触子１をノズル外表面１００ｂから離れた位置に設置し、かつ、送信用の探触子１においてノズル外表面１００ｂに対面する表面１ａを、ノズル外表面１００ｂと同一の曲率を有する凹形状とした組み合わせＣで、超音波の減衰が小さくなることを突き止めた。
【００２３】
【表１】
0006421632.tif 000002
【００２４】
さらに、組み合わせＥにおいて、１ＭＨｚ以下の周波数の超音波を用いた場合の超音波の減衰状況を、周波数を変えて計算機シミュレーションした。その結果、水浸法又は空気伝播法を基にした透過法においては、超音波の周波数が、ノズル１００の厚み方向に共振を起こさせる周波数であるときに、減衰を大幅に抑制できることを見出した。
【００２５】
ここで、ノズル１００の厚み方向に共振を起こさせる周波数は、以下のようにして求めることができる。すなわち、式（１）が成立するときに共振が生じることから、式（２）が成立する周波数ｆを求める。
２ｄ＝ｎ・λ・・・（１）
ｄ：ノズル肉厚（ｍｍ）
λ：超音波の波長（ｍ）
ｎ：自然数
ｆ＝Ｖ／λ＝ｎ・Ｖ／（２ｄ）・・・（２）
Ｖ：ジルコニア−黒鉛質を伝搬する縦波速度；１０７７０（ｍ／ｓ）
【００２６】
ここでは、１ＭＨｚ以下である周波数の代表例を示すためにｎを４と選定した。この場合、肉厚５０ｍｍの厚み方向に共振を起こさせる周波数、すなわち式（２）を満たす周波数は４３０．８ＫＨｚとなる。
組み合わせＥにおいて、送信用の探触子１から超音波を送信し、受信用の探触子２が受信する超音波の波形の振幅を計算機シミュレーションした結果を説明する。
図６Ａと図６Ｂに、周波数４００ｋＨｚの超音波を用いた場合の結果を示す。図６Ａは欠陥がない場合の受信波の振幅を、図６Ｂは欠陥がある場合の受信波の振幅を示す。
図７Ａと図７Ｂに、周波数４３０．８ｋＨｚの超音波を用いた場合の結果を示す。図７Ａは欠陥がない場合の受信波の振幅を、図７Ｂは欠陥がある場合の受信波の振幅を示す。
超音波探傷の精度は、欠陥がない場合と欠陥がある場合とにおける受信波の波形エネルギー（振幅絶対値の時間積分値）の比で評価することができ、その比が１よりも小さければ小さいほど、探傷精度が高いことを示す。
超音波照射後から１９０μｓから２７０μｓまでの時間帯の受信波の波形エネルギーの比を求めると、周波数４００ｋＨｚの超音波を用いた場合（図６Ａ、図６Ｂ）では０．９３となる一方、周波数４３０．８ＫＨｚの超音波を用いた場合（図７Ａ、図７Ｂ）では０．６８となり、ノズル１００の厚み方向に共振を起こさせる周波数を用いた場合に、より高い探傷精度を得ることができる。水浸法又は空気伝播法を基にした透過法による超音波探傷法においては、波形エネルギーの比が０．７以下であれば、優位差を持って欠陥を探傷できているとされている。なお、受信波を計測する時間帯を超音波照射後から１９０μｓ後から２７０μｓ後の時間帯とするのは、受信する超音波の波形が一定であるからである。
【００２７】
送受信用の探触子１、２を、連続鋳造用ノズル１００の内表面１００ａ、外表面１００ｂから一定の距離だけ離れた位置に設置するのは、超音波の音圧を均一にさせるためである。探触子１、２を一定の距離だけ離れた位置に設置しないと、超音波の音圧が不均一になり、正確な欠陥の探傷ができなくなる。その距離は、探触子１、２の幅をＤ、超音波の波長をλとすると、Ｄ2／４λで与えられる。したがって、探触子１、２は、連続鋳造用ノズル１００の内表面１００ａ、外表面１００ｂから、Ｄ2／４λ以上離れた位置に設置するのが望ましい。本例では、探触子１、２の幅が２０ｍｍ、λが２５ｍｍであり、送受信用の探触子１、２を、連続鋳造用ノズル１００の内表面１００ａ、外表面１００ｂからそれぞれ４ｍｍ以上離れた位置に設置する。
【実施例】
【００２８】
本発明を適用した超音波探傷法により、高精度に欠陥を検出できることを実証するために下記の実験を行った。
図８、図９に示すように、連続鋳造用ノズルに配材されるジルコニア−黒鉛質材料に人工的な欠陥３１（層状の間隙）を形成した試料３を作製し、その試料に内在する欠陥３１を検出する実験を行った。
ジルコニア−黒鉛質材料の成分は、ジルコニア８２ｍａｓｓ％、黒鉛１８ｍａｓ％である。欠陥３１は、ジルコニアと黒鉛をフェノール樹脂で混練して得られた胚土を枠に充填する際に、幅２０ｍｍ×高さ３０ｍｍ×厚み０．０１ｍｍの可燃性有機材料を混入させ、成形した後に窒素雰囲気中で１０００℃で焼成し、可燃性有機材料を焼失させることにより形成した。
試料３は、内径６５ｍｍ、外径１３０ｍｍ、高さ１５０ｍｍの円筒形状である。欠陥３１は、円筒形状の試料の底面から６０ｍｍの位置に、中心軸に対して同心円状に配置するものと（図８）、径方向に延びるように配置するもの（図９）との２種類を作製した。なお、厚み０．０１ｍｍの欠陥３１は、同心円状に配置される場合及び径方向に配置される場合、従来のＸ線透過法では検出できないことは確認している。
【００２９】
図１０に、実験の概要を示す。
送信用の探触子１は、円筒形状の試料３の内側に、内表面から１０ｍｍだけ離れた位置に設置されている。探触子１の幅は２０ｍｍ×２０ｍｍであり、その表面形状は試料３の内表面の曲率と同一の曲率を有する凸状である。
受信用の探触子２は、円筒形状の試料３の外側に、外表面から１０ｍｍだけ離れた位置に設置されている。探触子２の幅は２０ｍｍ×２０ｍｍである。
試料３に対する超音波探傷は、試料３の円周方向については、内側に設置されている探触子１を固定し、回転駆動モータ４により外側に設置されている探触子２を回転角２°ずつ同心円状に走査することで行った。試料３の長手方向については、鉛直駆動モータ５により探触子１、２を０．５ｍｍずつ並行上昇させることで行った。
なお、水浸法を基にした超音波探傷は、空気伝播法を基にした超音波探傷方法と同一の方法を水中で行うことで実施した。
【００３０】
実施例に用いた試料３の厚み方向で共振を生じさせる周波数は、ｄ＝３２．５ｍｍ、Ｖ＝１０７７０（ｍ／ｓ）、ｎ＝自然数（１、２、３、４、５、６）として、式（２）により計算でき、１ＭＨｚ以下での周波数としては、１６６、３３１、４９７、６６３、８２８、９９４ＫＨｚとなる。
【００３１】
送信用の探触子１から送信する超音波の周波数を１６６、３３１、４９７、６６３、８２８、９９４ＫＨｚと変えて、欠陥の探傷試験を実施した。
周波数１６６ＫＨｚの超音波を用い、水浸法において図８に示す同心円状に配置された欠陥の探傷試験の結果について述べる。
欠陥が内在する領域における各測定点での受信波について、超音波照射後の１９０μｓから２７０μｓの時間帯の波形エネルギーを計算し、その計算値から、欠陥がある場合の測定点における平均波形エネルギーを算出した。受信波を計測する時間帯を超音波照射後から１９０μｓ後から２７０μｓ後の時間帯とするのは、受信する超音波の波形が一定であるからである。
一方、欠陥が内在する領域と同じ表面積を有する欠陥が含まれていない領域における各測定点での受信波について、超音波照射後の１９０μｓから２７０μｓの時間帯の波形エネルギーを計算し、その計算値から、欠陥がない場合の測定点における平均波形エネルギーを算出した。
この結果、欠陥がある場合の平均波形エネルギーと欠陥がない場合の平均波形エネルギーの比を求めると０．３６となり、高精度に欠陥を検出することができている。
【００３２】
また、周波数９９４ＫＨｚの超音波を用い、空気伝播法において図９に示す径方向に配置された欠陥の探傷試験の結果について述べる。
欠陥が内在する領域における各測定点での受信波について、超音波照射後の１９０μｓから２７０μｓの時間帯の波形エネルギーを計算し、その計算値から、欠陥がある場合の測定点における平均波形エネルギーを算出した。
一方、欠陥が内在する領域と同じ表面積を有する欠陥が含まれていない領域における各測定点での受信波について、超音波照射後の１９０μｓから２７０μｓの時間帯の波形エネルギーを計算し、その計算値から、欠陥がない場合の測定点における平均波形エネルギーを算出した。
この結果、欠陥がある場合の平均波形エネルギーと欠陥がない場合の平均波形エネルギーの比を求めると０．４７となり、高精度に欠陥を検出することができている。
【００３３】
以上のことから、水浸法又は空気伝播法のいずれの方法においても、同心円状及び径方向に配置されている両方の欠陥を高精度に検出することができた。
【００３４】
以上、本発明を実施形態と共に説明したが、上記実施形態は本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
本実施形態とは探触子１、２の位置関係を逆にして、図１１に示すように、連続鋳造用ノズル１００の外表面１００ｂから離れた位置に送信用の探触子１を設置し、また、送信用の探触子１と連続鋳造用ノズル１００の厚みを挟んで対向配置するように、連続鋳造用ノズル１００の内表面１００ａから離れた位置に受信用の探触子２を設置するようにしてもよい。この場合、送信用の探触子１においてノズル外表面１００ｂに対面する表面１ａを、ノズル外表面１００ｂと同一の曲率を有する凹形状とする。
【符号の説明】
【００３５】
１：送信用の探触子
１ａ：表面
２：受信用の探触子
２ａ：表面
３：試料
３１：欠陥
１００：連続鋳造用ノズル
１００ａ：内表面
１００ｂ：外表面
１０１：アルミナ−黒鉛質の部位
１０２：ジルコニア−黒鉛質の部位
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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