JP4104486B2 - 再結晶率測定装置及び再結晶率測定方法 - Google Patents
再結晶率測定装置及び再結晶率測定方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば鋼材の再結晶率を非接触で測定する再結晶率測定装置及び再結晶率測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱間の鋼材製造プロセスでは、鋼材に、圧延等、さまざまな処理が施される。一般に、鋼材の結晶組織を微細化することにより、高強度・高靭性の特性を有する鋼材が得られる。例えば、鋼材が再結晶率の低い状態にあるほど、結晶内部に格子欠陥が多くあり、そこを起点として核が成長するので、結晶組織が微細化しやすくなる。このように、再結晶率は、鋼材の結晶組織の状態を知るための重要な情報である。
【０００３】
また、再結晶率は、当該鋼材について横波音速の異方性を表す音速パラメータと相関があることが知られている。この相関関係は、非特許文献１に開示されている。したがって、かかる音速パラメータを求めれば、当該鋼材の再結晶率を知ることができる。
【０００４】
【非特許文献１】
NDT&E International, Vol.33, 2000, p.253-259, “Ultrasonic vel ocity measurements for characterizing the annealing behaviour of cold worked austenitic stainless steel”
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は、熱間の鋼材製造プロセスにおいて、再結晶率をオンラインで測定することは行われていない。上記の非特許文献１では、接触型の横波プローブを使って横波音速を測定しており、当然、この方法は、熱間オンラインでの測定に用いることはできない。もし熱間オンラインで再結晶率についての情報が得られれば、例えば、その情報を次工程の圧延条件へフィードフォワードすることにより、組織微細の鋼材を効率的・安定的に製造できるようになり、また、高精度な鋼材の製造技術による材質ばらつきの低減にも貢献できる。
【０００６】
本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率を測定することができる再結晶率測定装置及び再結晶率測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１ 記載の発明は、板状の測定対象物の表面に、ヘッド部により第一レーザビームを集光照射して該測定対象物の内部に超音波を発生させて伝播させ、第二レーザビームを前記表面から所定位置に照射してその反射から、周波数変化検出手段を用いて該前記伝播した超音波を検出するレーザ超音波法により再結晶率を測定する再結晶率測定装置であって、前記ヘッド部は、前記第一レーザビームを前記測定対象物の表面にラインフォーカスビームにして照射することにより、前記測定対象物の内部にラインフォーカスビームのラインに対して所定方向に偏波した横波超音波を発生させる超音波発生部と、前記測定対象の表面において、前記ラインフォーカスビームの中心点を通り且つ直交する直線上であって、前記横波超音波が測定対象物の底面で反射して表面に戻ってきた所定位置に前記第二レーザビームを導くと共に、該所定位置で反射した該第二レーザビームを取得するビーム取得部とで構成され、前記周波数変化検出手段は、前記ビーム取得部で取得された前記第二レーザビームに基づいて、前記横波超音波の振動に起因して生じる前記第二レーザビームの周波数の変化を透過光強度変化として検出し、さらに、前記超音波発生部は回転機構を有して、測定対象表面上で前記ラインフォーカスビームのラインの向きを測定対象の幅方向と長手方向に平行にして第一レーザビームを照射することができて、それぞれのラインの向きで長手方向に偏波した第一の横波超音波と幅方向に偏波した第二の横波超音波を発生させるものであり、前記第一の横波超音波及び前記第二の横波超音波の各々について、前記周波数変化検出手段で検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す透過光強度変化の波形データに基づいて、各横波超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求め、その求めた伝播時間と横波超音波の伝播した距離とに基づいて各横波超音波の音速を算出し、前記第一の横波超音波の音速と前記第二の横波超音波の音速とを用いて前記測定対象物についての横波音速の異方性を表す音速パラメータを求め、該音速パラメータを用い、予め設定された前記測定対象物と同種の材料についての再結晶率と横波音速の異方性を表す音速パラメータとの相関関係を示すデータに基づいて前記測定対象物についての再結晶率を得る演算手段を具備することを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の再結晶率測定装置において、前記超音波発生部は、前記第一レーザビームを導く第一の光ファイバーから入射した該第一レーザビームを前記測定対象物の表面にラインフォーカスビームとして照射するシリンドリカルレンズからなり、前記ビーム取得部は、前記所定位置に前記第二レーザビームを集光するための第一のレンズと、前記所定位置で反射した第二レーザビームを反射して集光するためのハーフミラーと第二レンズとからなり、第二の光ファイバーで前記周波数変化検出手段へ導くことを特徴とするものである。
【００１０】
上記の目的を達成するための請求項３記載の発明は、板状の測定対象物の表面に、ヘッド部により第一レーザビームを集光照射して該測定対象物の内部に超音波を発生させて伝播させ、第二レーザビームを前記表面から所定位置に照射してその反射から、周波数変化検出手段を用いて該前記伝播した超音波を検出するレーザ超音波法により再結晶率を測定する再結晶率測定方法であって、前記第一レーザビームを前記ヘッド部により前記測定対象物の表面へラインフォーカスビームにして照射することにより、前記測定対象物の内部にラインフォーカスビームのラインに対して所定方向に偏波した横波超音波を発生させる第一手順と、前記測定対象の表面において前記ヘッド部により、前記ラインフォーカスビームの中心点を通り且つ直交する直線上であって、前記横波超音波が測定対象物の底面で反射して表面に到達する所定位置に前記第二レーザビームを導くと共に、該所定位置で反射した該第二レーザビームを取得する第二手順と、前記第二手順で取得された前記第二レーザビームに基づいて、前記横波超音波の振動に起因して生じる前記第二レーザビームの周波数の変化を前記周波数変化検出手段で透過光強度変化として検出する第三手順と、を繰り返して、前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の幅方向及び長手方向となるようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、それぞれ前記測定対象物の内部に長手方向に偏波した第一の横波超音波及び幅方向に偏波した第二の横波超音波を発生させて、それぞれの横波超音波に起因する反射した前記前記第二レーザビームの周波数の変化を表す透過光強度変化の波形データを検出する第一ステップと、前記第一ステップで検出された、前記第一の横波超音波及び第二の横波超音波それぞれについての透過光強度変化を表す波形データに基づいて、第一横波超音波及び第二の横波超音波それぞれについて前記測定対象物の内部を前記所定位置まで伝播した伝播時間を求める第二ステップと、前記第一の横波超音波及び第二の横波超音波それぞれについて、前記伝播時間と伝播した距離とに基づいて各横波超音波の音速を算出する第三ステップと、前記第一の横波超音波の音速と前記第二の横波超音波の音速とを用いて前記測定対象物についての横波音速の異方性を表す音速パラメータを求める第四ステップと、予め設定された、前記測定対象物と同種の材料についての再結晶率と音速パラメータとの相関関係を示すデータに基づいて、前記音速パラメータを用いて前記測定対象物についての再結晶率を得る第五ステップと、で構成されることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態である再結晶率測定装置の概略構成図、図２はその再結晶率測定装置におけるヘッド部の概略構成図、図３はある鋼種についての再結晶率と音速パラメータとの相関関係を示すグラフである。
【００１４】
本実施形態の再結晶率測定装置は、測定対象物の再結晶率を非接触で測定するものである。ここで、測定対象物としては、例えば、製鉄所において、熱間プロセスにより製造される板状の鋼材（厚板）を想定している。かかる厚板の表面温度は、通常、７００℃ぐらいである。また、厚板の厚さは１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。尚、本実施形態では、測定対象物の結晶粒アスペクト比が略同じである場合を考える。例えば、結晶粒アスペクト比が２〜３であるような測定対象物を用いることにする。ここで、結晶粒アスペクト比とは、鋼材の幅方向における結晶粒サイズに対する鋼材の長手方向（圧延方向）における結晶粒サイズの比である。
【００１５】
各種の鋼材では、再結晶率と当該鋼材の内部を伝播する横波超音波の音速から得られる所定の音速パラメータαとの間に密接な関係がある。図３にある鋼種についての再結晶率と音速パラメータαとの相関関係の一例を示す。図３において、横軸は鋼材の再結晶率、縦軸は音速パラメータαである。再結晶とは、大きいひずみのある結晶粒界に新しい結晶の核が発生し、次第に成長して、もとの結晶粒がこの新しい結晶粒（再結晶粒）に置き換わる現象をいう。そして、再結晶率とは、ある領域において再結晶粒の占める割合をいう。また、音速パラメータαは、当該鋼材中を伝播する横波超音波の音速の異方性を表すものであり、（ＶS1−ＶS2）／｛（ＶS1＋ＶS2）／２｝で定義される。ここで、ＶS1は鋼材の長手方向（圧延方向）に偏波した横波超音波の音速であり、ＶS2は鋼材の幅方向に偏波した横波超音波の音速である。
【００１６】
図３のグラフの例では、鋼材の再結晶率が小さいほど、音速パラメータαの絶対値は大きく、したがって、横波音速の異方性が大きいことが分かる。また、鋼材の再結晶率が大きいほど、音速パラメータαの絶対値が小さく、したがって、横波音速の異方性が小さいことが分かる。例えば、鋼材を圧延した直後には、再結晶粒はまだ発生していないので、再結晶率は０％である。そして、この圧延直後の鋼材は、その結晶方位が揃っており、横波音速の異方性が大きい。図３のグラフの例では、最左下にプロットした点が圧延直後の状態に対応している。また、再結晶粒はその結晶方位がランダムになるように成長するので、再結晶率が１００％に近づくにつれて、横波音速の異方性は小さくなる。図３のグラフの例では、最右上にプロットした点は再結晶が進んだ状態に対応している。
【００１７】
本実施形態の再結晶率測定装置では、鋼材中を伝播する横波の音速ＶS1，ＶS2を求めた後、図３に示すような再結晶率と音速パラメータαとの関係を利用して、鋼材の再結晶率を求めることにする。このとき、鋼材における横波の音速はレーザ超音波法を用いて算出する。
【００１８】
本実施形態の再結晶率測定装置は、図１に示すように、超音波発生用レーザ１０と、超音波検出用レーザ２０と、ヘッド部３０と、干渉計（周波数変化検出手段）５０と、光検出器６０と、コンピュータ（演算手段）７０とを備える。また、この再結晶率測定装置には、光学部品として、光ファイバ９１ａ，９１ｂ，９１ｃ、集光レンズ９２等が設けられている。
【００１９】
超音波発生用レーザ１０は、測定対象物２内に超音波を励起させるためのレーザである。超音波発生用レーザ１０としては、例えばＹＡＧレーザやＣＯ2 レーザなどの高エネルギーパルスレーザを使用する。超音波発生用レーザ１０から発せられたレーザビームは、光ファイバ９１ａを介してヘッド部３０に導かれる。
【００２０】
超音波検出用レーザ２０は、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームの照射によって測定対象物２内に発生し、測定対象物２内を伝播してきた超音波を検出するためのレーザである。超音波検出用レーザ２０としては、単一周波数のレーザビームを発するものを用いる。超音波検出用レーザ２０から発せられたレーザビームは、光ファイバ９１ｂを介してヘッド部３０に導かれる。
【００２１】
ヘッド部３０は、図２に示すように、超音波発生部３１と、ビーム取得部４１とを備える。超音波発生部３１は、測定対象物２の内部に、測定対象物２の圧延方向に偏波した第一の横波超音波（圧延方向偏波横波）を発生させると共に、測定対象物２の内部に、測定対象物２の幅方向に偏波した第二の横波超音波（幅方向偏波横波）を発生させるものである。この超音波発生部３１は、シリンドリカルレンズ３５と、シリンドリカルレンズ３５の回転機構（不図示）とを有する。
【００２２】
光ファイバ９１ａにより超音波発生部３１に導かれたレーザビームは、シリンドリカルレンズ３５に入射する。シリンドリカルレンズ３５は、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームをライン状に集光させ、ラインフォーカスビーム（第一レーザビーム）Ｌ１として測定対象物２の表面に照射するものである。
【００２３】
本実施形態では、例えば、光ファイバ９１ａの出射端において、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームの直径は約５ｍｍである。レーザビームは進行するにつれてその直径が広がってくる。シリンドリカルレンズ３５の入射面においてレーザビームの直径が約１０ｍｍとなるように、光ファイバ９１ａの出射端とシリンドリカルレンズ３５との距離を調整している。また、測定対象物２の表面において、長さ１０ｍｍ、幅０．３ｍｍ〜０．５ｍｍのラインフォーカスビームＬ１が照射されるように、シリンドリカルレンズ３５の特性、及びシリンドリカルレンズ３５と測定対象物２との距離等を設計している。
【００２４】
また、シリンドリカルレンズ３５の回転機構により、シリンドリカルレンズ３５の長手方向の軸は、測定対象物２の表面に平行な平面内において任意の方向を向くことができる。この回転機構は、例えばコンピュータ７０により制御される。
【００２５】
ラインフォーカスビームＬ１を測定対象物２の表面に照射すると、測定対象物２の表面に対して所定の角度φで斜めに進行する超音波を発生させることができる。このとき、横波超音波と縦波超音波が同時に発生し、横波超音波と縦波超音波とでは、その進行方向角度φが異なる。本実施形態では、主として、超音波のうち横波だけ考えることにする。図３に示す再結晶率と音速パラメータαとの関係から再結晶率を求めるには、横波についての音速情報を得れば十分だからである。
【００２６】
具体的に、ラインフォーカスビームＬ１を、そのラインの向きが測定対象物２の幅方向に平行となるようにして測定対象物２の表面に照射すると、圧延方向偏波横波が発生し、一方、ラインフォーカスビームＬ１を、そのラインの向きが測定対象物２の圧延方向に平行となるようにして測定対象物２の表面に照射すると、幅方向偏波横波が発生する。
【００２７】
尚、点状のレーザビームを測定対象物２の表面に照射すると、測定対象物２の表面に対していろいろな方向に進行する超音波が発生する。当然、それらの超音波には、圧延方向偏波横波、幅方向偏波横波が含まれているが、その強度は小さいので、圧延方向偏波横波と幅方向偏波横波を正確に検出することは困難である。このため、本実施形態では、ラインフォーカスビームＬ１を用い、そのラインの向きを変えることにより、圧延方向偏波横波と幅方向偏波横波をそれぞれ独立に発生させることにしている。
【００２８】
ビーム取得部４１は、圧延方向偏波横波及び幅方向偏波横波の各超音波について、当該超音波が測定対象物２の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（検出点位置）に、超音波検出用レーザ２０から発せられた第二レーザビームＬ２を導くと共に、測定対象物２の表面で反射した第二レーザビームＬ２を取得するものである。このビーム取得部４１は、集光レンズ４５ａ，４５ｂと、ハーフミラー４６とを有する。また、ビーム取得部４１は、一体的に構成されており、圧延方向及び幅方向に沿って移動することができる。
【００２９】
光ファイバ９１ｂによりビーム取得部４１に導かれた第二レーザビームＬ２は、集光レンズ４５ａで集光され、ハーフミラー４６を透過した後、測定対象物２上の検出点位置に照射される。ここで、測定対象物２の内部を伝播する横波超音波の進行方向角度φは予め分かっているので、その横波超音波の検出点位置も容易に知ることができる。ビーム取得部４１は、その検出点位置に、集光レンズ４５ａによって集光された第二レーザビームＬ２を導く。
【００３０】
また、本実施形態では、ビーム取得部４１は、ラインフォーカスビームＬ１の略中心点を通りそのラインに直交する平面と測定対象物２の表面とが交わる直線上に、第二レーザビームＬ２を導くことにしている。すなわち、当該直線上の所定位置が検出点位置となる。例えば、ラインフォーカスビームＬ１の端点では、点状のレーザビームを照射した場合と同じ状況になり、超音波がいろいろな方向に発生する。このため、ラインフォーカスビームＬ１の端点を通りそのラインに直交する平面と測定対象物２の表面とが交わる直線上には、いろいろな方向に発生した超音波が戻ってくるので、所定方向に偏波した横波を正確に検出することができない。これに対し、ラインフォーカスビームＬ１の略中心点では、所定方向に偏波した横波だけが発生するので、ラインフォーカスビームＬ１の略中心点を通りそのラインに直交する平面と測定対象物２の表面とが交わる直線上の所定位置を検出点位置とすることにより、所定方向に偏波した横波を正確に検出することができる。
【００３１】
測定対象物２の表面は粗面であるため、第二レーザビームＬ２は測定対象物２の表面においてほぼ等方的に散乱される。このとき、当該検出点位置に、測定対象物２の内部を伝播してきた超音波が戻ってくると、当該検出点位置が超音波振動をする。これにより、測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２は、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化する。
【００３２】
測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２のうち、その一部は、ハーフミラー４６で反射され、集光レンズ４５ｂで集光された後、光ファイバ９１ｃに入射する。この光ファイバ９１ｃは、かかる第二レーザビームＬ２を干渉計５０に導くものである。光ファイバ９１ｃから出射した第二レーザビームＬ２は、集光レンズ９２で集光された後、干渉計５０に入射する。
【００３３】
干渉計５０としては、例えばファブリ・ペロー干渉計が用いられる。このファブリ・ペロー干渉計５０は、超音波振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を検出するものであり、互いに対向する二つの反射ミラーを有する。この二つの反射ミラーは共振器を構成し、第二レーザビームＬ２を二つの反射ミラーの間で多重反射させることによりバンドパスフィルタとして機能する。二つの反射ミラー間の距離を調節することにより、この共振器を透過する光の周波数を調節することができる。
【００３４】
ここで、ファブリ・ペロー干渉計５０における共振曲線について説明する。図４はこの共振曲線の一例を示す図である。図４において、横軸は入射する光の周波数ｆを、縦軸はファブリ・ペロー干渉計５０からの出力、すなわちファブリ・ペロー干渉計５０を透過する光の強度Ｉを示している。図４から分かるように、透過光強度Ｉは、特定の周波数において急峻なピークを示すが、ピークの前後では速やかに低下する。このピークを示す周波数は、ファブリ・ペロー干渉計５０の反射ミラー間の距離を調節することによって変えることができる。そこで、図４に示す曲線の傾きが最大となる点（共振曲線動作点）Ａにおける周波数が、ちょうど第二レーザビームＬ２の発振周波数と一致するように反射ミラー間の距離が調節されていれば、周波数のわずかな変化±Δｆを、相対的に大きな透過光強度の変化±ΔＩに変換することができる。これにより、ファブリ・ペロー干渉計５０は、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化した第二レーザビームＬ２が入力したときに、その周波数の変化を透過光強度の変化として出力する。
【００３５】
ファブリ・ペロー干渉計５０から出力された透過光強度は、光検出器６０に送られる。光検出器６０は、透過光強度を電気信号に変換するものである。これにより、超音波振動は、最終的に電気的な信号として捉えられる。光検出器６０からの信号は、コンピュータ７０に送られ、波形データとして記録される。
【００３６】
コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波及び幅方向偏波横波の各横波超音波について、第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データに基づいて、当該横波超音波が測定対象物２の内部を伝播し、その底面で反射して再び表面に戻ってくるまでの伝播時間を求める。超音波発生用レーザ１０からレーザビームが発せられたタイミングと、ラインフォーカスビームＬ１が測定対象物２に照射するタイミングとは予め分かっている。このため、コンピュータ７０は、光検出器６０から送られた波形データに基づいて、周波数変化を検出したタイミングを調べることにより、横波超音波の伝播時間を求めることができる。
【００３７】
また、コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波の伝播時間に基づいてその圧延方向偏波横波の音速ＶS1を算出すると共に、幅方向偏波横波の伝播時間に基づいてその幅方向偏波横波の音速ＶS2を算出する。そして、その算出した圧延方向偏波横波の音速ＶS1及び幅方向偏波横波の音速ＶS2を用いて、音速パラメータα＝（ＶS1−ＶS2）／｛（ＶS1＋ＶS2）／２｝を求める。
【００３８】
コンピュータ７０の記憶部には、図３に示すような、各鋼種について再結晶率と音速パラメータαとの相関関係を示すデータが記憶されている。コンピュータ７０は、その求めた音速パラメータαを用いて、記憶部に記憶された当該測定対象物と同じ鋼種についての相関関係を示すデータに基づいて当該測定対象物２についての再結晶率を求める。
【００３９】
ユーザは予め、各鋼種について再結晶率と音速パラメータαとの相関関係を示すデータを求めておく必要がある。かかる相関関係を示すデータを得るには、まず、鋼種毎に複数のサンプル（厚板）を用意する。ここで、サンプルとしては、厚さが約５ｍｍであり、また、結晶粒アスペクト比が略同じ、例えば２〜３であるような厚板を用いる。そして、各サンプルについて、再結晶率と音速パラメータαとを個別に求める。具体的には、再結晶率は、当該サンプルをその長手方向に垂直な平面で切断したときの断面を顕微鏡で観察して、ある領域において再結晶粒の占める割合を実測することにより、求められる。一方、音速パラメータαは、例えば本実施形態の装置を用いることにより求められる。こうして求めた、再結晶率と音速パラメータαとをグラフで表すと、図３に示すようなグラフが得られる。尚、一般に、再結晶率と音速パラメータαとの関係は鋼種毎に異なるので、かかる関係を鋼種毎に求めることにしている。
【００４０】
ところで、サンプルの音速パラメータαを求める場合には、図１に示す装置の代わりに、図５に示すような装置を用いることが望ましい。図５は本実施形態の再結晶率測定装置の変形例を説明するための図である。図５に示す再結晶率測定装置は、超音波発生用レーザ１０と、超音波検出用レーザ２０と、超音波発生部３１ａと、ビーム取得部４１ａと、干渉計５０と、光検出器６０と、コンピュータ７０と、回転ステージ１００とを備える。尚、図５の再結晶率測定装置において、図１の装置と同一の機能を有するものには、同一の符号を付すことにより、その詳細な説明を省略する。
【００４１】
図５の再結晶率測定装置が図１に示す装置と異なる点は、主に二つある。第一は、回転ステージ１００に測定対象物２を載置し、回転ステージ１００を回転させることによりラインフォーカスビームＬ１のラインの向きを変える点である。すなわち、超音波発生部３１ａはシリンドリカルレンズ３５の回転機構を有していない。第二は、超音波発生部３１ａとビーム取得部４１ａとを別個に構成し、ビーム取得部４１ａを測定対象物２を介して超音波発生部３１ａと反対側に配置した点である。すなわち、ビーム取得部４１ａは、圧延方向偏波横波及び幅方向偏波横波の各超音波について、当該横波超音波が到達する測定対象物２の底面の位置に、第二レーザビームＬ２を導くと共に、測定対象物２の底面で反射した第二レーザビームＬ２を取得する。その他の構成は、図１の再結晶率測定装置と略同様である。
【００４２】
図５の再結晶率測定装置は、その構成が簡易であり、特に、サイズのそれ程大きくない測定対象物２に対する測定を行う場合に適している。したがって、上述したサンプルについてその音速パラメータを求める場合に好適である。但し、この装置は、測定対象物２を回転ステージ１００に載置するので、熱間オンラインでの測定を行う場合に用いることはできない。
【００４３】
次に、本実施形態の再結晶率測定装置において、測定対象物２の再結晶率を測定する手順について説明する。図６はその再結晶率測定装置において測定対象物２の再結晶率を測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【００４４】
まず、コンピュータ７０は、シリンドリカルレンズ３５の長手方向が幅方向となるように、シリンドリカルレンズ３５の回転機構を制御する（Ｓ１）。その後、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発すると共に、超音波検出用レーザ２０から第二レーザビームＬ２を発する。超音波発生用レーザ１０からのレーザビームは、シリンドリカルレンズ３５でライン状に集光され、ラインフォーカスビームＬ１として測定対象物２の表面に照射される。このとき、ラインフォーカスビームＬ１のラインの向きは測定対象物２の幅方向に平行であるので、測定対象物２の内部には圧延方向偏波横波が発生する。測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２がファブリ・ペロー干渉計５０に入射することにより、ファブリ・ペロー干渉計５０は、圧延方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を検出する。そして、コンピュータ７０は、その周波数変化を表す波形データに基づいて、圧延方向変位横波の伝播時間を求める（Ｓ２）。この伝播時間はコンピュータ７０の所定のメモリに記憶される。
【００４５】
次に、コンピュータ７０は、シリンドリカルレンズ３５の長手方向が圧延方向となるように、シリンドリカルレンズ３５の回転機構を制御する（Ｓ３）。その後、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発すると共に、超音波検出用レーザ２０から第二レーザビームＬ２を発する。このとき、シリンドリカルレンズ３５で集光されたラインフォーカスビームＬ１のラインの向きは測定対象物２の圧延方向に平行であるので、測定対象物２の内部には幅方向偏波横波が発生する。測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２がファブリ・ペロー干渉計５０に入射することにより、ファブリ・ペロー干渉計５０は、幅方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を検出する。そして、コンピュータ７０は、その周波数変化を表す波形データに基づいて、幅方向偏波横波の伝播時間を求める（Ｓ４）。この伝播時間はコンピュータ７０の所定のメモリに記憶される。
【００４６】
こうして検出された波形データに基づいて、圧延方向偏波横波、幅方向偏波横波についての伝播時間が求められると、次に、コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波の伝播時間に基づいて圧延方向偏波横波の音速ＶS1を算出すると共に、幅方向偏波横波の伝播時間に基づいて幅方向偏波横波の音速ＶS2を算出する（Ｓ５）。そして、圧延方向偏波横波の音速ＶS1と幅方向偏波横波の音速ＶS2とを用いて、音速パラメータαを求める（Ｓ６）。その後、コンピュータ７０は、記憶部に記憶された当該測定対象物２と同種の鋼材についての再結晶率と音速パラメータαとの関係を示すデータを利用し、当該測定対象物２の音速パラメータαから当該測定対象物２の再結晶率を求める（Ｓ７）。こうして得られた測定対象物２の再結晶率は、例えば、コンピュータ７０の画面に表示される。
【００４７】
本実施形態の再結晶率測定装置では、レーザ超音波法を用いることにより、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する横波超音波を発生させ、圧延方向に偏波した横波超音波、幅方向に偏波した横波超音波の各々について、当該横波超音波が測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求め、その求めた伝播時間に基づいて当該横波超音波の音速を算出する。そして、圧延方向偏波横波の音速と幅方向偏波横波の音速とを用いて測定対象物についての音速パラメータを求め、その求めた音速パラメータを用い、コンピュータの記憶部に記憶された測定対象物と同じ鋼種についての再結晶率と音速パラメータとの関係を示すデータに基づいて測定対象物についての再結晶率を得る。したがって、本実施形態の再結晶率測定装置を用いると、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率を求めることができる。このため、かかる再結晶率についての情報を、例えば次工程の圧延条件へフィードフォワードすることにより、組織微細の鋼材を効率的・安定的に製造できるようになり、また、高精度な鋼材の製造技術による材質ばらつきの低減にも貢献することができる。
【００４８】
尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
【００４９】
例えば、上記の実施形態では、ラインフォーカスビームを測定対象物の表面に照射することにより、測定対象物の内部に横波を発生させ、その発生させた横波を検出することにより、横波の音速を求める場合について説明したが、横波と同時に縦波が発生するので、その縦波が測定対象物の底面で横波にモード変換する成分であるモード変換横波を検出することにより、横波の音速を求めるようにしてもよい。但し、この場合は、測定対象物の底面でモード変換しなかった反射縦波をも検出する必要がある。
【００５０】
また、上記の実施形態では、測定対象物として、熱間プロセスで製造される厚板を用いた場合について説明したが、本発明の再結晶率測定装置は、かかる厚板以外のどのような金属に対しても適用することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の再結晶率測定装置では、レーザ超音波法を用いることにより、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する横波超音波を発生させ、圧延方向に偏波した第一の横波超音波、幅方向に偏波した第二の横波超音波の各々について、当該横波超音波が測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求め、その求めた伝播時間に基づいて当該横波超音波の音速を算出する。そして、第一の横波超音波の音速と第二の横波超音波の音速とを用いて測定対象物についての音速パラメータを求め、その求めた音速パラメータを用い、記憶手段に記憶された測定対象物と同じ鋼種についての再結晶率と音速パラメータとの関係を示すデータに基づいて測定対象物についての再結晶率を得る。したがって、本発明の再結晶率測定装置を用いると、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率を求めることができる。
【００５２】
また、本発明の再結晶率測定方法によれば、上記と同様に、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である再結晶率測定装置の概略構成図である。
【図２】再結晶率測定装置におけるヘッド部の概略構成図である。
【図３】ある鋼種についての再結晶率と音速パラメータとの相関関係を示すグラフである。
【図４】本実施形態の再結晶率測定装置におけるファブリ・ペロー干渉計の共振曲線の一例を示す図である。
【図５】本実施形態の再結晶率測定装置の変形例を説明するための図である。
【図６】本実施形態の再結晶率測定装置において測定対象物の再結晶率を測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
２…測定対象物
１０…超音波発生用レーザ
２０…超音波検出用レーザ
３０…ヘッド部
３１，３１ａ…超音波発生部
３５…シリンドリカルレンズ
４１，４１ａ…ビーム取得部
４５ａ，４５ｂ…集光レンズ
４６…ハーフミラー
５０…干渉計
６０…光検出器
７０…コンピュータ
９１ａ，９１ｂ，９１ｃ…光ファイバ
９２…集光レンズ
１００…回転ステージ
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば鋼材の再結晶率を非接触で測定する再結晶率測定装置及び再結晶率測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱間の鋼材製造プロセスでは、鋼材に、圧延等、さまざまな処理が施される。一般に、鋼材の結晶組織を微細化することにより、高強度・高靭性の特性を有する鋼材が得られる。例えば、鋼材が再結晶率の低い状態にあるほど、結晶内部に格子欠陥が多くあり、そこを起点として核が成長するので、結晶組織が微細化しやすくなる。このように、再結晶率は、鋼材の結晶組織の状態を知るための重要な情報である。
【０００３】
また、再結晶率は、当該鋼材について横波音速の異方性を表す音速パラメータと相関があることが知られている。この相関関係は、非特許文献１に開示されている。したがって、かかる音速パラメータを求めれば、当該鋼材の再結晶率を知ることができる。
【０００４】
【非特許文献１】
NDT&E International, Vol.33, 2000, p.253-259, “Ultrasonic vel ocity measurements for characterizing the annealing behaviour of cold worked austenitic stainless steel”
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は、熱間の鋼材製造プロセスにおいて、再結晶率をオンラインで測定することは行われていない。上記の非特許文献１では、接触型の横波プローブを使って横波音速を測定しており、当然、この方法は、熱間オンラインでの測定に用いることはできない。もし熱間オンラインで再結晶率についての情報が得られれば、例えば、その情報を次工程の圧延条件へフィードフォワードすることにより、組織微細の鋼材を効率的・安定的に製造できるようになり、また、高精度な鋼材の製造技術による材質ばらつきの低減にも貢献できる。
【０００６】
本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率を測定することができる再結晶率測定装置及び再結晶率測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１ 記載の発明は、板状の測定対象物の表面に、ヘッド部により第一レーザビームを集光照射して該測定対象物の内部に超音波を発生させて伝播させ、第二レーザビームを前記表面から所定位置に照射してその反射から、周波数変化検出手段を用いて該前記伝播した超音波を検出するレーザ超音波法により再結晶率を測定する再結晶率測定装置であって、前記ヘッド部は、前記第一レーザビームを前記測定対象物の表面にラインフォーカスビームにして照射することにより、前記測定対象物の内部にラインフォーカスビームのラインに対して所定方向に偏波した横波超音波を発生させる超音波発生部と、前記測定対象の表面において、前記ラインフォーカスビームの中心点を通り且つ直交する直線上であって、前記横波超音波が測定対象物の底面で反射して表面に戻ってきた所定位置に前記第二レーザビームを導くと共に、該所定位置で反射した該第二レーザビームを取得するビーム取得部とで構成され、前記周波数変化検出手段は、前記ビーム取得部で取得された前記第二レーザビームに基づいて、前記横波超音波の振動に起因して生じる前記第二レーザビームの周波数の変化を透過光強度変化として検出し、さらに、前記超音波発生部は回転機構を有して、測定対象表面上で前記ラインフォーカスビームのラインの向きを測定対象の幅方向と長手方向に平行にして第一レーザビームを照射することができて、それぞれのラインの向きで長手方向に偏波した第一の横波超音波と幅方向に偏波した第二の横波超音波を発生させるものであり、前記第一の横波超音波及び前記第二の横波超音波の各々について、前記周波数変化検出手段で検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す透過光強度変化の波形データに基づいて、各横波超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求め、その求めた伝播時間と横波超音波の伝播した距離とに基づいて各横波超音波の音速を算出し、前記第一の横波超音波の音速と前記第二の横波超音波の音速とを用いて前記測定対象物についての横波音速の異方性を表す音速パラメータを求め、該音速パラメータを用い、予め設定された前記測定対象物と同種の材料についての再結晶率と横波音速の異方性を表す音速パラメータとの相関関係を示すデータに基づいて前記測定対象物についての再結晶率を得る演算手段を具備することを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の再結晶率測定装置において、前記超音波発生部は、前記第一レーザビームを導く第一の光ファイバーから入射した該第一レーザビームを前記測定対象物の表面にラインフォーカスビームとして照射するシリンドリカルレンズからなり、前記ビーム取得部は、前記所定位置に前記第二レーザビームを集光するための第一のレンズと、前記所定位置で反射した第二レーザビームを反射して集光するためのハーフミラーと第二レンズとからなり、第二の光ファイバーで前記周波数変化検出手段へ導くことを特徴とするものである。
【００１０】
上記の目的を達成するための請求項３記載の発明は、板状の測定対象物の表面に、ヘッド部により第一レーザビームを集光照射して該測定対象物の内部に超音波を発生させて伝播させ、第二レーザビームを前記表面から所定位置に照射してその反射から、周波数変化検出手段を用いて該前記伝播した超音波を検出するレーザ超音波法により再結晶率を測定する再結晶率測定方法であって、前記第一レーザビームを前記ヘッド部により前記測定対象物の表面へラインフォーカスビームにして照射することにより、前記測定対象物の内部にラインフォーカスビームのラインに対して所定方向に偏波した横波超音波を発生させる第一手順と、前記測定対象の表面において前記ヘッド部により、前記ラインフォーカスビームの中心点を通り且つ直交する直線上であって、前記横波超音波が測定対象物の底面で反射して表面に到達する所定位置に前記第二レーザビームを導くと共に、該所定位置で反射した該第二レーザビームを取得する第二手順と、前記第二手順で取得された前記第二レーザビームに基づいて、前記横波超音波の振動に起因して生じる前記第二レーザビームの周波数の変化を前記周波数変化検出手段で透過光強度変化として検出する第三手順と、を繰り返して、前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の幅方向及び長手方向となるようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、それぞれ前記測定対象物の内部に長手方向に偏波した第一の横波超音波及び幅方向に偏波した第二の横波超音波を発生させて、それぞれの横波超音波に起因する反射した前記前記第二レーザビームの周波数の変化を表す透過光強度変化の波形データを検出する第一ステップと、前記第一ステップで検出された、前記第一の横波超音波及び第二の横波超音波それぞれについての透過光強度変化を表す波形データに基づいて、第一横波超音波及び第二の横波超音波それぞれについて前記測定対象物の内部を前記所定位置まで伝播した伝播時間を求める第二ステップと、前記第一の横波超音波及び第二の横波超音波それぞれについて、前記伝播時間と伝播した距離とに基づいて各横波超音波の音速を算出する第三ステップと、前記第一の横波超音波の音速と前記第二の横波超音波の音速とを用いて前記測定対象物についての横波音速の異方性を表す音速パラメータを求める第四ステップと、予め設定された、前記測定対象物と同種の材料についての再結晶率と音速パラメータとの相関関係を示すデータに基づいて、前記音速パラメータを用いて前記測定対象物についての再結晶率を得る第五ステップと、で構成されることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態である再結晶率測定装置の概略構成図、図２はその再結晶率測定装置におけるヘッド部の概略構成図、図３はある鋼種についての再結晶率と音速パラメータとの相関関係を示すグラフである。
【００１４】
本実施形態の再結晶率測定装置は、測定対象物の再結晶率を非接触で測定するものである。ここで、測定対象物としては、例えば、製鉄所において、熱間プロセスにより製造される板状の鋼材（厚板）を想定している。かかる厚板の表面温度は、通常、７００℃ぐらいである。また、厚板の厚さは１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。尚、本実施形態では、測定対象物の結晶粒アスペクト比が略同じである場合を考える。例えば、結晶粒アスペクト比が２〜３であるような測定対象物を用いることにする。ここで、結晶粒アスペクト比とは、鋼材の幅方向における結晶粒サイズに対する鋼材の長手方向（圧延方向）における結晶粒サイズの比である。
【００１５】
各種の鋼材では、再結晶率と当該鋼材の内部を伝播する横波超音波の音速から得られる所定の音速パラメータαとの間に密接な関係がある。図３にある鋼種についての再結晶率と音速パラメータαとの相関関係の一例を示す。図３において、横軸は鋼材の再結晶率、縦軸は音速パラメータαである。再結晶とは、大きいひずみのある結晶粒界に新しい結晶の核が発生し、次第に成長して、もとの結晶粒がこの新しい結晶粒（再結晶粒）に置き換わる現象をいう。そして、再結晶率とは、ある領域において再結晶粒の占める割合をいう。また、音速パラメータαは、当該鋼材中を伝播する横波超音波の音速の異方性を表すものであり、（ＶS1−ＶS2）／｛（ＶS1＋ＶS2）／２｝で定義される。ここで、ＶS1は鋼材の長手方向（圧延方向）に偏波した横波超音波の音速であり、ＶS2は鋼材の幅方向に偏波した横波超音波の音速である。
【００１６】
図３のグラフの例では、鋼材の再結晶率が小さいほど、音速パラメータαの絶対値は大きく、したがって、横波音速の異方性が大きいことが分かる。また、鋼材の再結晶率が大きいほど、音速パラメータαの絶対値が小さく、したがって、横波音速の異方性が小さいことが分かる。例えば、鋼材を圧延した直後には、再結晶粒はまだ発生していないので、再結晶率は０％である。そして、この圧延直後の鋼材は、その結晶方位が揃っており、横波音速の異方性が大きい。図３のグラフの例では、最左下にプロットした点が圧延直後の状態に対応している。また、再結晶粒はその結晶方位がランダムになるように成長するので、再結晶率が１００％に近づくにつれて、横波音速の異方性は小さくなる。図３のグラフの例では、最右上にプロットした点は再結晶が進んだ状態に対応している。
【００１７】
本実施形態の再結晶率測定装置では、鋼材中を伝播する横波の音速ＶS1，ＶS2を求めた後、図３に示すような再結晶率と音速パラメータαとの関係を利用して、鋼材の再結晶率を求めることにする。このとき、鋼材における横波の音速はレーザ超音波法を用いて算出する。
【００１８】
本実施形態の再結晶率測定装置は、図１に示すように、超音波発生用レーザ１０と、超音波検出用レーザ２０と、ヘッド部３０と、干渉計（周波数変化検出手段）５０と、光検出器６０と、コンピュータ（演算手段）７０とを備える。また、この再結晶率測定装置には、光学部品として、光ファイバ９１ａ，９１ｂ，９１ｃ、集光レンズ９２等が設けられている。
【００１９】
超音波発生用レーザ１０は、測定対象物２内に超音波を励起させるためのレーザである。超音波発生用レーザ１０としては、例えばＹＡＧレーザやＣＯ2 レーザなどの高エネルギーパルスレーザを使用する。超音波発生用レーザ１０から発せられたレーザビームは、光ファイバ９１ａを介してヘッド部３０に導かれる。
【００２０】
超音波検出用レーザ２０は、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームの照射によって測定対象物２内に発生し、測定対象物２内を伝播してきた超音波を検出するためのレーザである。超音波検出用レーザ２０としては、単一周波数のレーザビームを発するものを用いる。超音波検出用レーザ２０から発せられたレーザビームは、光ファイバ９１ｂを介してヘッド部３０に導かれる。
【００２１】
ヘッド部３０は、図２に示すように、超音波発生部３１と、ビーム取得部４１とを備える。超音波発生部３１は、測定対象物２の内部に、測定対象物２の圧延方向に偏波した第一の横波超音波（圧延方向偏波横波）を発生させると共に、測定対象物２の内部に、測定対象物２の幅方向に偏波した第二の横波超音波（幅方向偏波横波）を発生させるものである。この超音波発生部３１は、シリンドリカルレンズ３５と、シリンドリカルレンズ３５の回転機構（不図示）とを有する。
【００２２】
光ファイバ９１ａにより超音波発生部３１に導かれたレーザビームは、シリンドリカルレンズ３５に入射する。シリンドリカルレンズ３５は、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームをライン状に集光させ、ラインフォーカスビーム（第一レーザビーム）Ｌ１として測定対象物２の表面に照射するものである。
【００２３】
本実施形態では、例えば、光ファイバ９１ａの出射端において、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームの直径は約５ｍｍである。レーザビームは進行するにつれてその直径が広がってくる。シリンドリカルレンズ３５の入射面においてレーザビームの直径が約１０ｍｍとなるように、光ファイバ９１ａの出射端とシリンドリカルレンズ３５との距離を調整している。また、測定対象物２の表面において、長さ１０ｍｍ、幅０．３ｍｍ〜０．５ｍｍのラインフォーカスビームＬ１が照射されるように、シリンドリカルレンズ３５の特性、及びシリンドリカルレンズ３５と測定対象物２との距離等を設計している。
【００２４】
また、シリンドリカルレンズ３５の回転機構により、シリンドリカルレンズ３５の長手方向の軸は、測定対象物２の表面に平行な平面内において任意の方向を向くことができる。この回転機構は、例えばコンピュータ７０により制御される。
【００２５】
ラインフォーカスビームＬ１を測定対象物２の表面に照射すると、測定対象物２の表面に対して所定の角度φで斜めに進行する超音波を発生させることができる。このとき、横波超音波と縦波超音波が同時に発生し、横波超音波と縦波超音波とでは、その進行方向角度φが異なる。本実施形態では、主として、超音波のうち横波だけ考えることにする。図３に示す再結晶率と音速パラメータαとの関係から再結晶率を求めるには、横波についての音速情報を得れば十分だからである。
【００２６】
具体的に、ラインフォーカスビームＬ１を、そのラインの向きが測定対象物２の幅方向に平行となるようにして測定対象物２の表面に照射すると、圧延方向偏波横波が発生し、一方、ラインフォーカスビームＬ１を、そのラインの向きが測定対象物２の圧延方向に平行となるようにして測定対象物２の表面に照射すると、幅方向偏波横波が発生する。
【００２７】
尚、点状のレーザビームを測定対象物２の表面に照射すると、測定対象物２の表面に対していろいろな方向に進行する超音波が発生する。当然、それらの超音波には、圧延方向偏波横波、幅方向偏波横波が含まれているが、その強度は小さいので、圧延方向偏波横波と幅方向偏波横波を正確に検出することは困難である。このため、本実施形態では、ラインフォーカスビームＬ１を用い、そのラインの向きを変えることにより、圧延方向偏波横波と幅方向偏波横波をそれぞれ独立に発生させることにしている。
【００２８】
ビーム取得部４１は、圧延方向偏波横波及び幅方向偏波横波の各超音波について、当該超音波が測定対象物２の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（検出点位置）に、超音波検出用レーザ２０から発せられた第二レーザビームＬ２を導くと共に、測定対象物２の表面で反射した第二レーザビームＬ２を取得するものである。このビーム取得部４１は、集光レンズ４５ａ，４５ｂと、ハーフミラー４６とを有する。また、ビーム取得部４１は、一体的に構成されており、圧延方向及び幅方向に沿って移動することができる。
【００２９】
光ファイバ９１ｂによりビーム取得部４１に導かれた第二レーザビームＬ２は、集光レンズ４５ａで集光され、ハーフミラー４６を透過した後、測定対象物２上の検出点位置に照射される。ここで、測定対象物２の内部を伝播する横波超音波の進行方向角度φは予め分かっているので、その横波超音波の検出点位置も容易に知ることができる。ビーム取得部４１は、その検出点位置に、集光レンズ４５ａによって集光された第二レーザビームＬ２を導く。
【００３０】
また、本実施形態では、ビーム取得部４１は、ラインフォーカスビームＬ１の略中心点を通りそのラインに直交する平面と測定対象物２の表面とが交わる直線上に、第二レーザビームＬ２を導くことにしている。すなわち、当該直線上の所定位置が検出点位置となる。例えば、ラインフォーカスビームＬ１の端点では、点状のレーザビームを照射した場合と同じ状況になり、超音波がいろいろな方向に発生する。このため、ラインフォーカスビームＬ１の端点を通りそのラインに直交する平面と測定対象物２の表面とが交わる直線上には、いろいろな方向に発生した超音波が戻ってくるので、所定方向に偏波した横波を正確に検出することができない。これに対し、ラインフォーカスビームＬ１の略中心点では、所定方向に偏波した横波だけが発生するので、ラインフォーカスビームＬ１の略中心点を通りそのラインに直交する平面と測定対象物２の表面とが交わる直線上の所定位置を検出点位置とすることにより、所定方向に偏波した横波を正確に検出することができる。
【００３１】
測定対象物２の表面は粗面であるため、第二レーザビームＬ２は測定対象物２の表面においてほぼ等方的に散乱される。このとき、当該検出点位置に、測定対象物２の内部を伝播してきた超音波が戻ってくると、当該検出点位置が超音波振動をする。これにより、測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２は、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化する。
【００３２】
測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２のうち、その一部は、ハーフミラー４６で反射され、集光レンズ４５ｂで集光された後、光ファイバ９１ｃに入射する。この光ファイバ９１ｃは、かかる第二レーザビームＬ２を干渉計５０に導くものである。光ファイバ９１ｃから出射した第二レーザビームＬ２は、集光レンズ９２で集光された後、干渉計５０に入射する。
【００３３】
干渉計５０としては、例えばファブリ・ペロー干渉計が用いられる。このファブリ・ペロー干渉計５０は、超音波振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を検出するものであり、互いに対向する二つの反射ミラーを有する。この二つの反射ミラーは共振器を構成し、第二レーザビームＬ２を二つの反射ミラーの間で多重反射させることによりバンドパスフィルタとして機能する。二つの反射ミラー間の距離を調節することにより、この共振器を透過する光の周波数を調節することができる。
【００３４】
ここで、ファブリ・ペロー干渉計５０における共振曲線について説明する。図４はこの共振曲線の一例を示す図である。図４において、横軸は入射する光の周波数ｆを、縦軸はファブリ・ペロー干渉計５０からの出力、すなわちファブリ・ペロー干渉計５０を透過する光の強度Ｉを示している。図４から分かるように、透過光強度Ｉは、特定の周波数において急峻なピークを示すが、ピークの前後では速やかに低下する。このピークを示す周波数は、ファブリ・ペロー干渉計５０の反射ミラー間の距離を調節することによって変えることができる。そこで、図４に示す曲線の傾きが最大となる点（共振曲線動作点）Ａにおける周波数が、ちょうど第二レーザビームＬ２の発振周波数と一致するように反射ミラー間の距離が調節されていれば、周波数のわずかな変化±Δｆを、相対的に大きな透過光強度の変化±ΔＩに変換することができる。これにより、ファブリ・ペロー干渉計５０は、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化した第二レーザビームＬ２が入力したときに、その周波数の変化を透過光強度の変化として出力する。
【００３５】
ファブリ・ペロー干渉計５０から出力された透過光強度は、光検出器６０に送られる。光検出器６０は、透過光強度を電気信号に変換するものである。これにより、超音波振動は、最終的に電気的な信号として捉えられる。光検出器６０からの信号は、コンピュータ７０に送られ、波形データとして記録される。
【００３６】
コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波及び幅方向偏波横波の各横波超音波について、第二レーザビームＬ２の周波数変化を表す波形データに基づいて、当該横波超音波が測定対象物２の内部を伝播し、その底面で反射して再び表面に戻ってくるまでの伝播時間を求める。超音波発生用レーザ１０からレーザビームが発せられたタイミングと、ラインフォーカスビームＬ１が測定対象物２に照射するタイミングとは予め分かっている。このため、コンピュータ７０は、光検出器６０から送られた波形データに基づいて、周波数変化を検出したタイミングを調べることにより、横波超音波の伝播時間を求めることができる。
【００３７】
また、コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波の伝播時間に基づいてその圧延方向偏波横波の音速ＶS1を算出すると共に、幅方向偏波横波の伝播時間に基づいてその幅方向偏波横波の音速ＶS2を算出する。そして、その算出した圧延方向偏波横波の音速ＶS1及び幅方向偏波横波の音速ＶS2を用いて、音速パラメータα＝（ＶS1−ＶS2）／｛（ＶS1＋ＶS2）／２｝を求める。
【００３８】
コンピュータ７０の記憶部には、図３に示すような、各鋼種について再結晶率と音速パラメータαとの相関関係を示すデータが記憶されている。コンピュータ７０は、その求めた音速パラメータαを用いて、記憶部に記憶された当該測定対象物と同じ鋼種についての相関関係を示すデータに基づいて当該測定対象物２についての再結晶率を求める。
【００３９】
ユーザは予め、各鋼種について再結晶率と音速パラメータαとの相関関係を示すデータを求めておく必要がある。かかる相関関係を示すデータを得るには、まず、鋼種毎に複数のサンプル（厚板）を用意する。ここで、サンプルとしては、厚さが約５ｍｍであり、また、結晶粒アスペクト比が略同じ、例えば２〜３であるような厚板を用いる。そして、各サンプルについて、再結晶率と音速パラメータαとを個別に求める。具体的には、再結晶率は、当該サンプルをその長手方向に垂直な平面で切断したときの断面を顕微鏡で観察して、ある領域において再結晶粒の占める割合を実測することにより、求められる。一方、音速パラメータαは、例えば本実施形態の装置を用いることにより求められる。こうして求めた、再結晶率と音速パラメータαとをグラフで表すと、図３に示すようなグラフが得られる。尚、一般に、再結晶率と音速パラメータαとの関係は鋼種毎に異なるので、かかる関係を鋼種毎に求めることにしている。
【００４０】
ところで、サンプルの音速パラメータαを求める場合には、図１に示す装置の代わりに、図５に示すような装置を用いることが望ましい。図５は本実施形態の再結晶率測定装置の変形例を説明するための図である。図５に示す再結晶率測定装置は、超音波発生用レーザ１０と、超音波検出用レーザ２０と、超音波発生部３１ａと、ビーム取得部４１ａと、干渉計５０と、光検出器６０と、コンピュータ７０と、回転ステージ１００とを備える。尚、図５の再結晶率測定装置において、図１の装置と同一の機能を有するものには、同一の符号を付すことにより、その詳細な説明を省略する。
【００４１】
図５の再結晶率測定装置が図１に示す装置と異なる点は、主に二つある。第一は、回転ステージ１００に測定対象物２を載置し、回転ステージ１００を回転させることによりラインフォーカスビームＬ１のラインの向きを変える点である。すなわち、超音波発生部３１ａはシリンドリカルレンズ３５の回転機構を有していない。第二は、超音波発生部３１ａとビーム取得部４１ａとを別個に構成し、ビーム取得部４１ａを測定対象物２を介して超音波発生部３１ａと反対側に配置した点である。すなわち、ビーム取得部４１ａは、圧延方向偏波横波及び幅方向偏波横波の各超音波について、当該横波超音波が到達する測定対象物２の底面の位置に、第二レーザビームＬ２を導くと共に、測定対象物２の底面で反射した第二レーザビームＬ２を取得する。その他の構成は、図１の再結晶率測定装置と略同様である。
【００４２】
図５の再結晶率測定装置は、その構成が簡易であり、特に、サイズのそれ程大きくない測定対象物２に対する測定を行う場合に適している。したがって、上述したサンプルについてその音速パラメータを求める場合に好適である。但し、この装置は、測定対象物２を回転ステージ１００に載置するので、熱間オンラインでの測定を行う場合に用いることはできない。
【００４３】
次に、本実施形態の再結晶率測定装置において、測定対象物２の再結晶率を測定する手順について説明する。図６はその再結晶率測定装置において測定対象物２の再結晶率を測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【００４４】
まず、コンピュータ７０は、シリンドリカルレンズ３５の長手方向が幅方向となるように、シリンドリカルレンズ３５の回転機構を制御する（Ｓ１）。その後、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発すると共に、超音波検出用レーザ２０から第二レーザビームＬ２を発する。超音波発生用レーザ１０からのレーザビームは、シリンドリカルレンズ３５でライン状に集光され、ラインフォーカスビームＬ１として測定対象物２の表面に照射される。このとき、ラインフォーカスビームＬ１のラインの向きは測定対象物２の幅方向に平行であるので、測定対象物２の内部には圧延方向偏波横波が発生する。測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２がファブリ・ペロー干渉計５０に入射することにより、ファブリ・ペロー干渉計５０は、圧延方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を検出する。そして、コンピュータ７０は、その周波数変化を表す波形データに基づいて、圧延方向変位横波の伝播時間を求める（Ｓ２）。この伝播時間はコンピュータ７０の所定のメモリに記憶される。
【００４５】
次に、コンピュータ７０は、シリンドリカルレンズ３５の長手方向が圧延方向となるように、シリンドリカルレンズ３５の回転機構を制御する（Ｓ３）。その後、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発すると共に、超音波検出用レーザ２０から第二レーザビームＬ２を発する。このとき、シリンドリカルレンズ３５で集光されたラインフォーカスビームＬ１のラインの向きは測定対象物２の圧延方向に平行であるので、測定対象物２の内部には幅方向偏波横波が発生する。測定対象物２の表面で散乱された第二レーザビームＬ２がファブリ・ペロー干渉計５０に入射することにより、ファブリ・ペロー干渉計５０は、幅方向偏波横波の超音波の振動に起因して生じる第二レーザビームＬ２の周波数変化を検出する。そして、コンピュータ７０は、その周波数変化を表す波形データに基づいて、幅方向偏波横波の伝播時間を求める（Ｓ４）。この伝播時間はコンピュータ７０の所定のメモリに記憶される。
【００４６】
こうして検出された波形データに基づいて、圧延方向偏波横波、幅方向偏波横波についての伝播時間が求められると、次に、コンピュータ７０は、圧延方向偏波横波の伝播時間に基づいて圧延方向偏波横波の音速ＶS1を算出すると共に、幅方向偏波横波の伝播時間に基づいて幅方向偏波横波の音速ＶS2を算出する（Ｓ５）。そして、圧延方向偏波横波の音速ＶS1と幅方向偏波横波の音速ＶS2とを用いて、音速パラメータαを求める（Ｓ６）。その後、コンピュータ７０は、記憶部に記憶された当該測定対象物２と同種の鋼材についての再結晶率と音速パラメータαとの関係を示すデータを利用し、当該測定対象物２の音速パラメータαから当該測定対象物２の再結晶率を求める（Ｓ７）。こうして得られた測定対象物２の再結晶率は、例えば、コンピュータ７０の画面に表示される。
【００４７】
本実施形態の再結晶率測定装置では、レーザ超音波法を用いることにより、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する横波超音波を発生させ、圧延方向に偏波した横波超音波、幅方向に偏波した横波超音波の各々について、当該横波超音波が測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求め、その求めた伝播時間に基づいて当該横波超音波の音速を算出する。そして、圧延方向偏波横波の音速と幅方向偏波横波の音速とを用いて測定対象物についての音速パラメータを求め、その求めた音速パラメータを用い、コンピュータの記憶部に記憶された測定対象物と同じ鋼種についての再結晶率と音速パラメータとの関係を示すデータに基づいて測定対象物についての再結晶率を得る。したがって、本実施形態の再結晶率測定装置を用いると、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率を求めることができる。このため、かかる再結晶率についての情報を、例えば次工程の圧延条件へフィードフォワードすることにより、組織微細の鋼材を効率的・安定的に製造できるようになり、また、高精度な鋼材の製造技術による材質ばらつきの低減にも貢献することができる。
【００４８】
尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
【００４９】
例えば、上記の実施形態では、ラインフォーカスビームを測定対象物の表面に照射することにより、測定対象物の内部に横波を発生させ、その発生させた横波を検出することにより、横波の音速を求める場合について説明したが、横波と同時に縦波が発生するので、その縦波が測定対象物の底面で横波にモード変換する成分であるモード変換横波を検出することにより、横波の音速を求めるようにしてもよい。但し、この場合は、測定対象物の底面でモード変換しなかった反射縦波をも検出する必要がある。
【００５０】
また、上記の実施形態では、測定対象物として、熱間プロセスで製造される厚板を用いた場合について説明したが、本発明の再結晶率測定装置は、かかる厚板以外のどのような金属に対しても適用することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の再結晶率測定装置では、レーザ超音波法を用いることにより、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する横波超音波を発生させ、圧延方向に偏波した第一の横波超音波、幅方向に偏波した第二の横波超音波の各々について、当該横波超音波が測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求め、その求めた伝播時間に基づいて当該横波超音波の音速を算出する。そして、第一の横波超音波の音速と第二の横波超音波の音速とを用いて測定対象物についての音速パラメータを求め、その求めた音速パラメータを用い、記憶手段に記憶された測定対象物と同じ鋼種についての再結晶率と音速パラメータとの関係を示すデータに基づいて測定対象物についての再結晶率を得る。したがって、本発明の再結晶率測定装置を用いると、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率を求めることができる。
【００５２】
また、本発明の再結晶率測定方法によれば、上記と同様に、熱間オンラインで測定対象物の再結晶率を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である再結晶率測定装置の概略構成図である。
【図２】再結晶率測定装置におけるヘッド部の概略構成図である。
【図３】ある鋼種についての再結晶率と音速パラメータとの相関関係を示すグラフである。
【図４】本実施形態の再結晶率測定装置におけるファブリ・ペロー干渉計の共振曲線の一例を示す図である。
【図５】本実施形態の再結晶率測定装置の変形例を説明するための図である。
【図６】本実施形態の再結晶率測定装置において測定対象物の再結晶率を測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
２…測定対象物
１０…超音波発生用レーザ
２０…超音波検出用レーザ
３０…ヘッド部
３１，３１ａ…超音波発生部
３５…シリンドリカルレンズ
４１，４１ａ…ビーム取得部
４５ａ，４５ｂ…集光レンズ
４６…ハーフミラー
５０…干渉計
６０…光検出器
７０…コンピュータ
９１ａ，９１ｂ，９１ｃ…光ファイバ
９２…集光レンズ
１００…回転ステージ
Claims (3)
- 板状の測定対象物の表面に、ヘッド部により第一レーザビームを集光照射して該測定対象物の内部に超音波を発生させて伝播させ、第二レーザビームを前記表面から所定位置に照射してその反射から、周波数変化検出手段を用いて該前記伝播した超音波を検出するレーザ超音波法により再結晶率を測定する再結晶率測定装置であって、
前記ヘッド部は、前記第一レーザビームを前記測定対象物の表面にラインフォーカスビームにして照射することにより、前記測定対象物の内部にラインフォーカスビームのラインに対して所定方向に偏波した横波超音波を発生させる超音波発生部と、
前記測定対象の表面において、前記ラインフォーカスビームの中心点を通り且つ直交する直線上であって、前記横波超音波が測定対象物の底面で反射して表面に戻ってきた所定位置に前記第二レーザビームを導くと共に、該所定位置で反射した該第二レーザビームを取得するビーム取得部とで構成され、
前記周波数変化検出手段は、前記ビーム取得部で取得された前記第二レーザビームに基づいて、前記横波超音波の振動に起因して生じる前記第二レーザビームの周波数の変化を透過光強度変化として検出し、
さらに、前記超音波発生部は回転機構を有して、測定対象表面上で前記ラインフォーカスビームのラインの向きを測定対象の幅方向と長手方向に平行にして第一レーザビームを照射することができて、それぞれのラインの向きで長手方向に偏波した第一の横波超音波と幅方向に偏波した第二の横波超音波を発生させるものであり、
前記第一の横波超音波及び前記第二の横波超音波の各々について、前記周波数変化検出手段で検出された前記第二レーザビームの周波数変化を表す透過光強度変化の波形データに基づいて、各横波超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求め、その求めた伝播時間と横波超音波の伝播した距離とに基づいて各横波超音波の音速を算出し、前記第一の横波超音波の音速と前記第二の横波超音波の音速とを用いて前記測定対象物についての横波音速の異方性を表す音速パラメータを求め、該音速パラメータを用い、予め設定された前記測定対象物と同種の材料についての再結晶率と横波音速の異方性を表す音速パラメータとの相関関係を示すデータに基づいて前記測定対象物についての再結晶率を得る演算手段を具備することを特徴とする再結晶率測定装置。 - 前記超音波発生部は、前記第一レーザビームを導く第一の光ファイバーから入射した該第一レーザビームを前記測定対象物の表面にラインフォーカスビームとして照射するシリンドリカルレンズからなり、前記ビーム取得部は、前記所定位置に前記第二レーザビームを集光するための第一のレンズと、前記所定位置で反射した第二レーザビームを反射して集光するためのハーフミラーと第二レンズとからなり、第二の光ファイバーで前記周波数変化検出手段へ導くことを特徴とする請求項１に記載の再結晶率測定装置。
- 板状の測定対象物の表面に、ヘッド部により第一レーザビームを集光照射して該測定対象物の内部に超音波を発生させて伝播させ、第二レーザビームを前記表面から所定位置に照射してその反射から、周波数変化検出手段を用いて該前記伝播した超音波を検出するレーザ超音波法により再結晶率を測定する再結晶率測定方法であって、
前記第一レーザビームを前記ヘッド部により前記測定対象物の表面へラインフォーカスビームにして照射することにより、前記測定対象物の内部にラインフォーカスビームのラインに対して所定方向に偏波した横波超音波を発生させる第一手順と、
前記測定対象の表面において前記ヘッド部により、前記ラインフォーカスビームの中心点を通り且つ直交する直線上であって、前記横波超音波が測定対象物の底面で反射して表面に到達する所定位置に前記第二レーザビームを導くと共に、該所定位置で反射した該第二レーザビームを取得する第二手順と、
前記第二手順で取得された前記第二レーザビームに基づいて、前記横波超音波の振動に起因して生じる前記第二レーザビームの周波数の変化を前記周波数変化検出手段で透過光強度変化として検出する第三手順と、を繰り返して、
前記第一レーザビームを、そのラインの向きが前記測定対象物の幅方向及び長手方向とな るようにして前記測定対象物の表面に照射することにより、それぞれ前記測定対象物の内部に長手方向に偏波した第一の横波超音波及び幅方向に偏波した第二の横波超音波を発生させて、それぞれの横波超音波に起因する反射した前記前記第二レーザビームの周波数の変化を表す透過光強度変化の波形データを検出する第一ステップと、
前記第一ステップで検出された、前記第一の横波超音波及び第二の横波超音波それぞれについての透過光強度変化を表す波形データに基づいて、第一横波超音波及び第二の横波超音波それぞれについて前記測定対象物の内部を前記所定位置まで伝播した伝播時間を求める第二ステップと、前記第一の横波超音波及び第二の横波超音波それぞれについて、前記伝播時間と伝播した距離とに基づいて各横波超音波の音速を算出する第三ステップと、
前記第一の横波超音波の音速と前記第二の横波超音波の音速とを用いて前記測定対象物についての横波音速の異方性を表す音速パラメータを求める第四ステップと、予め設定された、前記測定対象物と同種の材料についての再結晶率と音速パラメータとの相関関係を示すデータに基づいて、前記音速パラメータを用いて前記測定対象物についての再結晶率を得る第五ステップと、で構成されることを特徴とする再結晶率測定方法。
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