(57)【要約】【課題】リフトオフを大きくでき、鋳片の割れを鋳造直後の高温の状態で検査し、且つ観察範囲を広げることなく検査する方法とその装置を提供する。【解決手段】本発明に係る鋳片欠陥検査方法は、電磁波を、鋳片の表面に向けて放射する放射工程と、鋳片表面で反射した前記電磁波の反射強度を測定する工程と、前記反射強度に基づき、割れの欠陥を検出する工程とを有することを特徴とする。また、本発明に係る鋳片欠陥検査装置は、電磁波を、鋳片表面で集束するように、前記鋳片表面に向けて、放射する放射手段と、鋳片表面で反射した前記電磁波の反射強度を測定する測定手段と、前記反射強度に基づき、鋳片の割れ欠陥を検出する欠陥検出手段とを有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳片表面に存在する割れ欠陥を、電磁波を利用して非接触で検出する欠陥検査方法であって、
電磁波を、鋳片の表面に向けて放射する放射工程と、
鋳片表面で反射した前記電磁波の反射強度を測定する工程と、
前記反射強度に基づき、割れの欠陥を検出する工程とを有することを特徴とする鋳片欠陥検査方法。
【請求項２】
前記放射工程においては、
放射する電磁波を、鋳片表面で集束するように放射することを特徴とする請求項１に記載の鋳片欠陥検査方法。
【請求項３】
前記放射工程においては、
鋳片表面に励起される電界が、前記割れ欠陥の割れの方向に対して垂直方向となるように電磁波を放射することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鋳片欠陥検査方法。
【請求項４】
電磁波を鋳片表面で集束する集束点の大きさを、最短の検出対象欠陥長の２倍以下とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の鋳片欠陥検査方法。
【請求項５】
前記電磁波の波長を、最短の検出対象欠陥長の２倍以下となるような電磁波を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の鋳片欠陥検出方法。
【請求項６】
電磁波を、鋳片表面で集束するように、前記鋳片表面に向けて、放射する放射手段と、
鋳片表面で反射した前記電磁波の反射強度を測定する測定手段と、
前記反射強度に基づき、鋳片の割れ欠陥を検出する欠陥検出手段とを有することを特徴とする鋳片欠陥検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続鋳造にて製造されるスラブ鋳片の欠陥検査方法及び欠陥検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼の連続鋳造では、溶鋼を水冷構造の鋳型に注入して冷却し、鋳型との接触面に凝固シェルを生成させながら、この凝固シェルを鋳型下方に連続的に引き抜き、途中冷却水にて凝固層を発達させ、全体が凝固した後ある長さにて切断し、鋳片を製造している。
鋳片の冷却過程の際、その冷却速度を早くすれば鋳片の引き抜き速度を早くすることが出来、その結果鋳片の製造速度も早くなり、生産量を増やすことができる。
【０００３】
しかしながら、鋳片はその厚みが２００〜３００ｍｍであり、表層から中心部までを同じ冷却状態に保つことは困難である。その結果、表層と内部にて温度差が発生する。温度の低い部分は温度の高い部分に比べ体積的に収縮することになる。表層の収縮が進むと、表層に応力が発生し、それが大きい場合に表層割れが発生してしまう。特に角型鋳片の角部は表面積が広くなるため温度が低くなり、割れが発生し易い。
【０００４】
このような割れが発生し検査にて見つけた場合、後の工程にて表層部を研削し割れ部を除去する作業が追加される。検査にて見落とした場合は、その割れ部分がきっかけとなり後の工程にて破断が生じたり表面に模様上の欠陥として残るなど、操業に大きな影響を与えることになる。そのため鋳片の割れを早い時点（切断直前、直後）で見つける為の欠陥検査装置が必要となっている。
【０００５】
従来、鋳片の割れ検査としては、カメラを設置しモニターする方法も含めて多くは目視であった。画像処理などを加えて自動化しているものも有るが、これらの問題点は、鋳片温度が高いと背景の赤外線の影響が大きく割れが見えくい、開口部が小さい割れは検出困難となること、スケールが被さると見えなくなること等である。
【０００６】
これらに対して特許文献１に示すように、電磁波を使用し割れ等の欠陥を検出することが試みられている。また、一般的な非破壊検査方法である渦電流や超音波を利用することも考えられる。
【特許文献１】特開平１０−３１１８０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、渦電流検査や超音波検査を用いた場合は、センサから対象物までの距離（以下リフトオフと呼ぶ）を近くする必要が有り、表面温度が８００℃以上に成り得るため、冷却構造などが大型化してしまう。また、表面性状の影響を大きく受ける為、鋳造直後の表面性状の悪い鋳片では信号のＳ／Ｎも悪くなる可能性が高い。
リフトオフを大きくすると、表面性状の影響・熱の影響は小さくなると考えられるが、鋳片上のセンサの観察範囲が広がってしまい、小さい割れへの感度不足となる。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、リフトオフを大きくでき、鋳片の割れを鋳造直後の高温の状態で検査し、且つ観察範囲を広げることなく検査する方法とその装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る鋳片欠陥検査方法は、
鋳片表面に存在する割れ欠陥を、電磁波を利用して非接触で検出する欠陥検査方法であって、
電磁波を、鋳片の表面に向けて放射する放射工程と、
鋳片表面で反射した前記電磁波の反射強度を測定する工程と、
前記反射強度に基づき、割れの欠陥を検出する工程とを有することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明に係る鋳片欠陥検査方法は、
前記放射工程においては、
放射する電磁波を、鋳片表面で集束するように放射することを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明に係る鋳片欠陥検査方法は、
前記放射工程においては、
鋳片表面に励起される電界が、前記割れ欠陥の割れの方向に対して垂直方向となるように電磁波を放射することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明に係る鋳片欠陥検査方法は、
電磁波を鋳片表面で集束する集束点の大きさを、最短の検出対象欠陥長の２倍以下とすることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明に係る鋳片欠陥検査方法は、
前記電磁波の波長を、最短の検出対象欠陥長の２倍以下となるような電磁波を用いることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明に係る鋳片欠陥検査装置は、
電磁波を、鋳片表面で集束するように、前記鋳片表面に向けて、放射する放射手段と、
鋳片表面で反射した前記電磁波の反射強度を測定する測定手段と、
前記反射強度に基づき、鋳片の割れ欠陥を検出する欠陥検出手段とを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電磁波を検査対象点と一致するように集束させるため、伝播経路を長くすることが出来、感度の低減を抑えながらリフトオフを大きくすることが可能となる。
また、鋳片上の観測範囲の小さい領域に電磁波を集中させることにより、小さい欠陥への感度低下を抑えた検査が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
実施の形態１．
以下、本発明を、スラブ連続鋳造機で溶鋼を鋳造する場合に適用した例を用いて具体的に説明する。
鋼の連続鋳造では、溶鋼を水冷構造の鋳型に注入して冷却し、鋳型との接触面に凝固シェルを生成させながら、この凝固シェルを鋳型下方に連続的に引き抜き、連続鋳造鋳片を製造している。連続鋳造機端では、スラブは所定の長さに切断される。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態１に係る鋳片欠陥検査方法を実現する鋳片欠陥検査装置の構造を示すものである。
図１に示す鋳片欠陥検査装置は、電磁波発生装置１０１、導波管１０２、誘電体レンズ１０４、ホーンアンテナ１０６を有する。
電磁波発生装置１０１は、例えばネットワークアナライザーにより実現され、ミリ波（１ＧＨｚ〜数１００ＧＨｚ）を発生させる。
電磁波発生装置１０１が発生させた電磁波は、導波管１０２を経由して、ホーンアンテナ１０６より放射される。
ホーンアンテナ１０６より放射された電磁波１０３’は、鋳片表面に到達する。これにより、電磁波の強度は高く保持され、被検体である鋳片との距離を離しても、感度良く検査することが可能となる。なお、集束された電磁波の集束点の大きさは、検出したい割れ欠陥の長さの２倍以下が好ましい。
【００１８】
図２は、連続鋳造機の機端に、本実施の形態１に係る鋳片欠陥検査装置２０５を設置した際の、機端前後の概略図を示すものである。
スラブ２０１は、機端直後に切断され、所定の長さのスラブ２０２になる。
スラブ２０１の段階で冷却状態の不均一度が大きいと、スラブ２０１に割れ２０３が生じる。この時点で、割れの有無を検査するため、本実施の形態１に係る鋳片欠陥検査装置２０５を設置してある。
鋳片欠陥検査装置２０５にて欠陥が検出された場合は、所定の長さにてスラブ２０１を切断しスラブ２０２の状態にした後、部分的に研削する。欠陥部が大きい場合は、欠陥部を含む５０ｃｍ〜１ｍほどの領域を切断し、廃棄する場合もある。
【００１９】
ここで、鋳片欠陥検査装置２０５から放射される電磁波１０３’の偏波は、スラブ２０１上に励起される電界が、割れ２０３に対して垂直になる様に放射される。この理由については、後述の図４を用いて説明する。
放射された電磁波１０３’は、スラブ２０１表面の検査対象点にて集束するように設定される。
【００２０】
図３は、図２の鋳片欠陥検査装置２０５がスラブ２０１に放射した電磁波の反射の様子を説明するものである。
鋳片欠陥検査装置２０５は、スラブ２０１に電磁波１０３’を放射し、スラブ２０１表面の割れをスキャンする（図３の上図）。
図３の下図は、割れ２０３の有無により、反射波の強度が異なる様子を示す。矢印の方向は電磁波の伝播の向きを表し、矢印の長さは電磁波の強度を表している。
割れ２０３が無い部分をスキャンしているとき（図３の下図（１））は、スラブ２０１上で電磁波１０３’は殆ど反射するが、割れ２０３部分をスキャンしているとき（図３の下図（２））は、電界が一部割れ２０３に沿って伝播し、電磁波１０３’は割れ２０３内で減衰するので、反射強度が小さくなる。
【００２１】
なお、反射波は別途設ける図示しないアンテナ、もしくは放射に使用したアンテナ（図１のホーンアンテナ１０６）にて受信し、ネットワークアナライザー（図１の電磁波発生装置１０１）にて解析する（請求項５に記載の測定手段と欠陥検出手段に相当）。
【００２２】
図４は、図３における反射波の強度と、スラブ２０１のスキャン位置との関係を示すものである。なお、図４は鋳片の表面内において、欠陥の割れの方向に対して、略垂直方向にスキャンした時の測定例である。
割れ２０３上をスキャンすると、上述のように反射波が減衰するため、反射強度を解析することにより、反射強度が大きく減衰している部分に割れが存在していることを検出することが可能になる。
【００２３】
酸化物等が表面にある場合、酸化物の電気的特性によっては、酸化物表面にて反射が大きく、割れによる強度信号の変化が小さい場合も有る。
この場合、割れが表面に存在していても、反射波の強度が検出可能な程度に小さくならないため、割れの検出が難しくなる。
この場合は、周波数を下げるなどして、酸化物の透過性を高め、酸化物表面における反射を小さくして、検出精度を高めることができる。
【００２４】
なお、電界を割れの方向に対して垂直にする理由は、電気抵抗が大きくなるので、電解の損失が大きくなるためである。さらに、一部は割れ深さ方向へ入り込むので、損失がより大きくなる。損失が大きくなると、反射波の強度の変化を検出しやすくなるため、割れの検出精度も増す。
もし、電界が割れに平行であれば、抵抗は小さくなり、したがって損失も小さくなるので、反射波の信号変化が小さくなり、割れの検出精度は低くなる。
【００２５】
次に、鋳片欠陥検査装置より放射する電磁波の波長について説明する。
使用する電磁波の波長によって、集束できる集束点の最小サイズが決まるので、その結果として検出可能な割れの寸法が定まる。これは、使用する電磁波の波長に対して１/２の長さ以上の割れであれば検出可能であるからである。
例えば本実施の形態１においては、図１の電磁波発生装置１０１はミリ波を発生させているが、この電磁波の波長が３ｍｍであり、周波数が１００ＧＨｚである場合、検出可能な割れは長さ１．５ｍｍ以上のものである。
検出したい割れの最小長さが１ｍｍだとすれば、波長は２ｍｍ以下が必要であり、この場合１５０ＧＨｚ以上の周波数を使用する必要が有る。
【００２６】
一般的にスラブ上にて問題となる割れは、長さ数ｍｍ以上であるため、１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚが使用範囲である。もし、対象が１０ｍｍを越すような長さであれば、１５ＧＨｚでもよい。別の表現を用いれば、電磁波の波長は、最短の検出対象欠陥長の２倍以下とするのが好ましい。
この理由は、導波管のサイズが電磁波の半波長のサイズより小さいと、導波管は電磁波を通さないためである。
割れ欠陥部を導波管とみなせば、鋳片欠陥検査装置が放射した電磁波は割れ欠陥部に入っていかないことになり、したがって反射が支配的となり、損失が少なくなるので、割れ欠陥部スキャン時の反射波の信号変化が小さくなる。
すると、反射波の強度を解析することによって割れを検出することが難しくなり、検出精度が低下する。
そのため、鋳片欠陥検査装置より放射する電磁波の波長が、最短の検出対象欠陥長の２倍以下となるように、電磁波の周波数を設定する。
【００２７】
ここで、感度良く割れを検出するためには、割れの方向によって電磁波の偏波を変える必要が有る。
これには、９０°偏波を変えた二つの鋳片欠陥検査装置を設置しても良いし、一つの鋳片欠陥検査装置を回転させて実現してもよい。
実際には鋳片の長手方向（連続鋳造における引き抜き方向）へ割れる縦割れが比較的多いと思われるため、このような場合は電界偏波が鋳片幅方向となるように鋳片欠陥検査装置を設置すればよい。
一方、スラブ中央では、縦割れ、コーナー部付近では幅方向に割れる横割れが多くなる場合もあるので、そのような場合には電界偏波を鋳片長手方向にすればよい。このように、欠陥の割れ方向が部位で変わるので、検査対象に合わせて偏波を変える必要がある。
【００２８】
図２において、鋳片欠陥検査装置２０５は、切断されたスラブ２０２上に設置されても良いし、さらにスラブの冷却床などに設置しても良い。
また、スラブは一度酸化膜を削った状態にすることにより、表面性状が安定化し、割れの検出感度が良くなることもあるため、切削後に検査する位置に鋳片欠陥検査装置２０５を取り付けても良い。
【００２９】
図５は、図２における連続鋳造機の周辺機器等について説明するものである。
一つのスラブ内の欠陥位置・個数によっては、当初予定の製造製品を変更したり、出荷先を変更するなどの処置をとる場合がある。
そのため、スラブの欠陥位置・個数は、鋳片欠陥検査装置２０５より記録システム２０６に出力して同システムに記録し、下工程へ連絡するように、構成することができる。
また、欠陥が多い場合は冷却工程が不適切な場合も考えられるため、上工程へフィードバックして、スラブ冷却装置２０７の冷却水制御等を最適化するように構成することができる。
このようにして、スラブ上の欠陥情報をデータベース化し、最適な処置を施すことにより、下工程での欠陥の発生、品質的に不適当な製品の製造、不適切な操業の継続等を、避けることができる。
【００３０】
本実施の形態１においては、電磁波発生装置１０１としてネットワークアナライザーを用いたが、ＧＵＮタイプ等の発振器とパワーメータ等の受信機を用いても良い。
【００３１】
以上のように、本実施の形態１に係る鋳片欠陥検査装置によれば、電磁波を、鋳片の検査対象点に向けて放射する放射手段（ホーンアンテナ１０６及び誘電体レンズ１０４）と、検査対象点で反射した前記電磁波の反射強度を測定する測定手段（ネットワークアナライザ１０１）と、前記反射強度に基づき、検査対象点の欠陥を検出する欠陥検出手段（ネットワークアナライザ１０１で兼用）とを有するので、感度の低減を抑えながらリフトオフを大きくすることができるので、スラブが高温である環境下への鋳片欠陥検査装置設置も可能となる。
【００３２】
また、前記放射手段（ホーンアンテナ１０６及び誘電体レンズ１０４）は、放射する電磁波の集束点が、検査対象点と一致するように集束させるので、電磁波の伝播経路を長くすることが出来、鋳片上の観測範囲の小さい領域に電磁波を集中させることにより、小さい欠陥への感度低下を抑えた検査が可能となる。
【００３３】
また、前記放射手段（ホーンアンテナ１０６及び誘電体レンズ１０４）は、鋳片上表面に励起される電界が、鋳片に存在する割れの方向に対して垂直方向となるように電磁波を放射するので、電気抵抗が大きくなり、電解の損失が大きくなるため、割れをスキャンしている時の反射波の強度変化を検出しやすくなり、割れの検出精度が増す。
【００３４】
また、前記放射手段（ホーンアンテナ１０６及び誘電体レンズ１０４）は、検査対象点に到達する電磁波の波長が、最短の検出対象欠陥長の２倍以下となるような電磁波を用いるので、鋳片表面の割れに沿って入射波が伝播しやすくなり、割れにおける反射波の強度変化が大きくなるので、割れの検出精度が増す。
【００３５】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る鋳片欠陥検査装置における電磁波発生手段について説明するものである。
実施の形態１においては、図１に示すように、誘電体レンズ１０４を用いて電磁波１０３を集束点に集束させている。
集束させる方法としては上記誘電体レンズの他に、図６に示すパラボラアンテナを用いることもできる。
図６において、電磁波発生装置６０１は所定の波長の電磁波を発生させ、放射器６０２により放射する。
放射された電磁波は、パラボラ反射鏡６０３及び双曲面鏡６０４にて反射し、伝播路６０５を経由して、焦点６０６において集束するように構成される。
検査対象である鋳片表面で反射した反射波は、別途設けたアンテナ（図示せず）等により受信され、図示しない解析装置等により強度を分析し、割れを検出する。
【００３６】
図７は、本発明の実施の形態２に係る鋳片欠陥検査装置における電磁波発生手段の、別の実現方法について説明するものである。
電磁波を集束させる方法としては、図７に示すような、複数のアンテナを利用したフェーズドアレイアンテナを使用することもできる。
アンテナ群７０１は、位相差を持たせたアンテナをアレイ状に並べたものである。
位相器群７０２は、アンテナ群７０１の個々のアンテナ毎に設けられた位相器の集合である。
個々のアンテナの電磁波位相を、位相器で変換することにより、任意の方向に電磁波を発生させることができるので、集束点において個々のアンテナの電磁波を集束させることができ、実施の形態１の図１における誘電体レンズ１０４と同等の集束効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る鋳片欠陥検査方法を実現する鋳片欠陥検査装置の構造を示すものである。
【図２】連続鋳造機の機端に、本実施の形態１に係る鋳片欠陥検査装置２０５を設置した際の、機端前後の概略図を示すものである。
【図３】図２の鋳片欠陥検査装置２０５がスラブ２０１に放射した電磁波の反射の様子を説明するものである。
【図４】図３における反射波の強度と、スラブ２０１のスキャン位置との関係を示すものである。
【図５】図２における連続鋳造機の周辺機器等について説明するものである。
【図６】本発明の実施の形態２に係る鋳片欠陥検査装置における電磁波発生手段について説明するものである。
【図７】本発明の実施の形態２に係る鋳片欠陥検査装置における電磁波発生手段の、別の実現方法について説明するものである。
【符号の説明】
【００３８】
１０１  電磁波発生装置、１０２  導波管、１０３  電磁波、１０３’  電磁波、１０４  誘電体レンズ、１０６  ホーンアンテナ、２０１  スラブ、２０２  スラブ（切断後）、２０３  割れ、２０５  欠陥検査装置、２０６  記録システム、２０７  スラブ冷却装置、２０８  ロール、６０１  電磁波発生装置、６０２  放射器、６０３  パラボラ反射鏡、６０４  双曲面鏡、６０５  伝播路、６０６  焦点、７０１  アンテナ群、７０２  位相器群。
【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６】
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【図７】
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