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【発明の名称】 管の非接触オンライン式高温壁厚測定方法と装置
【発明者】 【氏名】マルテイン・ザウエルラント
【要約】 【課題】品質を改善するための早期の手段を講じるために、不所望な壁構造を、最小の測定技術的コストで検出する。

【解決手段】本発明は、熱間圧延された管、特にストレッチレデュースされた管の六角形穴等のような不所望な内壁構造を検出するための、非接触オンライン式高温壁厚測定方法に関する。レーザ−超音波方法によって、および少なくとも１個の測定ヘッドを用いて、圧延プロセス中または圧延プロセスの直後の測定すべき管の壁のセグメントが周方向に走査され、場合によっては数学的な分析および対称性考察によって、管横断面の壁の延長状態がコンピュータで再現され、周方向に揺動する複数の測定ヘッドを使用する際各々の測定ヘッドが管壁の他の割り当て部分を走査する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 熱間圧延された管、特にストレッチレデュースされた管の六角形穴等のような不所望な内壁構造を検出するための、非接触オンライン式高温壁厚測定方法において、レーザ−超音波方法によって、および少なくとも１個の測定ヘッドを用いて、圧延プロセス中または圧延プロセスの直後の測定すべき管の壁のセグメントが周方向に走査され、場合によっては数学的な分析および対称性考察によって、管横断面の壁の延長状態がコンピュータで再現され、周方向に揺動する複数の測定ヘッドを使用する際各々の測定ヘッドが管壁の他の割り当て部分を走査することを特徴とする高温壁厚測定方法。
【請求項２】 最大で４個の測定ヘッドが管の周囲に分配配置され、少なくとも１個の測定ヘッドが不所望な内部構造の予想されるオーダーに依存して決定される角度セグメントにわたって、管の周方向に揺動させられることを特徴とする請求項１記載の高温壁厚測定方法。
【請求項３】 測定ヘッドの揺動サイクルが圧延速度に依存して定められることを特徴とする請求項１または２記載の高温壁厚測定方法。
【請求項４】 熱間圧延された管、特にストレッチレデュースされた管の六角形穴等のような不所望な内壁構造を検出するための、非接触オンライン式高温壁厚測定装置において、測定すべき管寸法に調節可能な少なくとも１個のコンパクトなレーザ−超音波−測定ヘッド（Ｌ１〜Ｌ３）を備え、この測定ヘッド内に、管（３）の表面から反射した、超音波信号を含む担体光を集めるための光学的要素（９）と共に、励起兼照射レーザ（８）が収容され、測定ヘッドが揺動装置によって管（３）のセグメントにわたって周方向に揺動可能であることを特徴とする高温壁厚測定装置。
【請求項５】 １個のレーザ−超音波−測定ヘッドまたは複数のレーザ−超音波−測定ヘッド（Ｌ１〜Ｌ・・・）が電子制御兼評価装置（６）に接続されていることを特徴とする請求項４記載の高温壁厚測定装置。
【請求項６】 壁厚に対応する超音波評価の出力信号が、装置に所属するＰＣで更に処理されることを特徴とする請求項４または５記載の高温壁厚測定装置。
【請求項７】 素管が傾斜圧延プロセスで製造され、ストレッチレデュースされた管（３）を測定するために、３個の測定ヘッド（Ｌ１〜Ｌ３）が管の周囲に均一に分配配置され、かつ一緒に約７０°だけ揺動可能であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載の高温壁厚測定装置。
【請求項８】 素管が傾斜圧延プロセスで製造され、ストレッチレデュースされた管（３）を測定するために、４個の測定ヘッド（Ｌ１〜Ｌ４）が管の周囲に均一に分配配置され、少なくとも１個の測定ヘッドが約７０°だけ揺動可能であることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一つに記載の高温壁厚測定装置。
【請求項９】 コンチ圧延ラインで粗圧延され、ストレッチレデュースされた管（３）を測定するために、３個または４個の測定ヘッド（Ｌ１〜Ｌ３またはＬ４）が管（３）の外周に分配配置され、少なくとも１個の測定ヘッドが約９０°だけ揺動可能であることを特徴とする請求項４〜８のいずれか一つに記載の高温壁厚測定装置。
【請求項１０】 揺動可能な複数の測定ヘッド（Ｌ１〜Ｌ・・・）が配置され、その揺動角度（ψ）が部分的にオーバーラップすることを特徴とする請求項４〜９のいずれか一つに記載の高温壁厚測定装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱間圧延された管、特にストレッチレデュースされた管の六角形穴等のような不所望な内壁構造を検出するための、非接触オンライン式高温壁厚測定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】継目無鋼管と溶接鋼管を製造する際にしばしば、少ない数の所定寸法の粗製品から、直径と壁厚の異なる多数の仕上げ管をきわめてフレキシブルに生じるために、しばしばいわゆるストレッチレデューサが使用される。内側工具を必要としないこの方法の利点は、壁厚と直径を迅速かつ低コストで変えることができる点にある。
【０００３】素管の変形は多数並べて配置された圧延スタンドで行われる。この場合、個々のスタンドでの回転数の変化によって、スタンド間で所定の引張り力が生じ、それによって仕上げ管の壁厚が適切に調節される。ストレッチレデューサ圧延ラインでの変形は今日では一般的に３ロールスタンドまたは４ロールスタンドで行われる。このロールスタンドの孔型は、丸く形成されていないで、３面または４面が楕円形に形成されている。孔型のこの形状は基本的に不可避であり、使用されるスタンド列の最後のスタンドだけが一般的に円形に形成されている。なぜなら、仕上げ圧延される管が充分に円形であるからである。
【０００４】楕円形サイジングにより、ストレッチレデュースされた管の横断面の壁厚がしばしばきわめて不均一になる。この壁厚の不均一性はいろいろな形を有する。例えば３ロールスタンドの場合、六角形であり、多角形穴と呼ばれる。４ロールスタンドの場合、八角形である。他のすべての壁厚偏差のように、多角形穴の形成は品質を損なう。
【０００５】多角形穴の形成は特に壁厚、適切に言い換えると、管直径に対する壁厚に依存するので、大きな壁厚範囲を発生するために、ロールの異なるサイジング、すなわちロールサイジングの異なる楕円度が必要である。しかし、圧延スタンドを準備するために多大のコストがかかるので、一般的に２個の孔型が使用される。すなわち、厚壁の管のための楕円度の小さな丸い孔を有する孔型と、薄壁の管のための楕円度の大きな楕円形の孔を有する孔型が使用される。更に、圧延材の平均引張り応力または引張り力を変形時に最適に調節することにより、発生する六角形穴の形成を小さくすることが試みられた。この試みによって、多角形寸法が引張りに依存して変化することが判った。この引張り力最適化は非常に骨の折れる作業であったが、多角形穴を有していない管が常に得られるとは限らない。なぜなら、不可避の影響因子の実際の変化が生じるからである。すなわち、実際に変化する変形条件のために多角形穴の形成を甘受しなければならず、製造の前に最適化を行うためには、莫大なコストがかかる。
【０００６】継目無鋼管は一般的に、３つの変形段、すなわち傾斜圧延機での穿孔、アッセルミル、コンチミルまたは他の圧延機でのストレッチおよびストレッチレデューサミルでの仕上げ圧延で製造される。３つの変形段はすべて、公称寸法からの特徴的で不所望な偏差を管壁に生じる。この偏差は後続の各々の変形段によって重ねられ、この重ねられた形で、ストレッチレデュースされた管の壁に再び表れる。例えば、２ロール傾斜圧延機では、管の周りにらせん状に延びる２つの壁肉厚部が生じる。この壁肉厚部は管の横断面で、周方向に延びる偏心部として現れる。アッセルミルで第２の変形段が行われると、同様に管の周りに延びるらせん状の肉厚部が発生する。この肉厚部は同じ方向に、しかし異なるピッチで管の周りに延びるかまたは反対の回転方向を有し、ストレッチレデューサミルのらせんと交叉する。
【０００７】これに対して、コンチラインで粗圧延されストレッチレデュースされた管の場合には、ＳＲＷ（傾斜圧延機、回転穿孔圧延機）の内部穴と傾斜圧延の周方向に延びる偏心体に加えて、四角形が形成される。この四角形はＳＲＷ出口のでその位相位置で認められる。従って、この内部欠陥に対処するために、その前提条件が与えられる。
【０００８】管の場合に発生する不所望な壁構造の問題は、製造プロセス中に内部欠陥を制御回路によって補正するときに解決される。例えば引張りパラメータの変更（一連の回転数の変更）によって解決される。公知のごとく、引張り力分布のパラメータと内部穴形成との間に一義的な関係があるので、内部穴形成は、素管の壁厚さに影響を及ぼすことなく、自動的に低減することが可能である。しかし、例えば管がその中心を一定にして圧延機から出るときに、熱間圧延された管の壁厚を圧延直後非接触測定することにより、内部穴の延長状態とそれに重ねられる欠陥を知っていることが前提である。しかし、これは経済的な測定方法と、低コストの測定装置を前提としている。この測定方法または測定装置は、管の長さにわたるまたは通過時間にわたる壁厚状態の測定のほかに、ストレッチレデュース時に発生する多角形穴に関する重要な情報を供給する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】技術水準の前述の問題から出発して、本発明の課題は、品質を改善するための早期の手段を講じるために、多角形穴、偏心体または四角形のような不所望な壁構造を、最小の測定技術的コストで検出することができる、非接触オンライン式高温壁厚測定方法および装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明に従い、レーザ−超音波方法によって、および少なくとも１個の測定ヘッドを用いて、圧延プロセス中または圧延プロセスの直後の測定すべき管の壁のセグメントが周方向に走査され、場合によっては数学的な分析および対称性考察によって、管横断面の壁の延長状態がコンピュータで再現され、周方向に揺動する複数の測定ヘッドを使用する際各々の測定ヘッドが管壁の他の割り当て部分を走査することによって解決される。
【００１１】レーザ−超音波−壁厚測定方法によって、超音波−通過時間測定の原理が適用される。音速が知られているので、超音波パルスが管壁を（２回）通過する時間から、調べようとする壁厚が判る。１０００°Ｃのオーダーの温度を有する高温壁の厚さを測定する際に超音波による測定ヘッドと測定物質の接続を非接触式に行わなければならないので、そのために光学的な方法が使用される。この方法の場合には、測定ヘッド自体が測定物質に対して熱的に安全な距離を置くことができる。測定物質の方に向けたフラッシュランプレーザによって発生する、赤外線範囲内の高エネルギー光パルスは、管表面で吸収される。これは一部がきわめて薄い表面層の減衰を生じる。この減衰パルスにより、管内のパルス維持に基づいて超音波パルスが生じる。この超音波パルスは管表面に対して垂直に管壁に入る。このようにして発生した超音波パルスは管内部表面で反射し、外側表面に戻り、新たに反射するので、減少する振幅の超音波エコー列が測定物質内に生じる。反射した超音波パルスは管外側表面にサブミニチュア範囲の振動を発生する。この振動はドップラー効果を利用して連続光の第２のレーザによって非接触式に検出可能である。光周波数と比較して低い周波数のＵＳ信号は、材料表面で反射した光の周波数変調を生じる。
【００１２】超音波信号の“担体”である反射した円錐状の光は、光度の強い集光レンズと光波導体を経て光学的な復調器、共焦点のファブリ−ペロ−干渉計に供給される。この出力信号は既に超音波エコー列を含んでいる。それ以上の増幅、ろ波および超音波エコー列の信号評価は、“慣用の”超音波電子評価装置によって行われる。この超音波電子評価装置の出力信号は壁厚値である。この壁厚値は装置に所属するコンピュータで更に処理される。
【００１３】管壁のセグメントの本発明による走査によって、品質を下げる不所望な管横断面内の構造体が、最少の測定技術的コストで検出可能である。例えばＳＲＷラインで溶接されたルッペを使用する際に、位相の位置を固定する多角形の穴（六角形または八角形）は点状のレーザ−超音波−壁厚測定によって既に単チャンネルである。すなわち、１個の測定ヘッドによって測定され、それによって認識される。品質の改善のための手段を圧延機経営者によってできるだけ早く講じることができる。
【００１４】本発明の実施形では、最大で４個の測定ヘッドが管の周囲に分配配置され、少なくとも１個の測定ヘッドが不所望な内部構造の予想されるオーダーに依存して決定される角度セグメントにわたって、管の周方向に揺動させられる。構造が重ねられて周方向に延びる際（例えばアッセルルッペのストレッチレデュースの際）、走査する３個だけの測定ヘッドによって（３点が円を定める、そのうちの少なくとも１個が管周方向に揺動可能である）、対称特性を利用して、７個以上の固定された測定ヘッドで得られる管構造に関する情報と同じ情報が得られる。揺動可能な測定ヘッドの場合または固定された走査測定ヘッドまたは揺動可能な走査測定ヘッドの組み合わせの場合、管横断面は数学的な分析（例えばフーリエ分析）、重ね合わせおよび対称性考察によって再現される。
【００１５】本発明の他の特徴に従って、測定ヘッドの揺動サイクルは好ましくは圧延速度に依存して定められる。例えば３０秒のオーダーの圧延時間の際、多角形の形成を見えるようにするためには、ほぼ１０秒の周期の比較的に長い揺動サイクルで充分である。
【００１６】管壁横断面の偏差を検出できるようにするために、測定ヘッドは電子評価装置に接続されている。この電子評価装置は好ましくは測定装置に対して離して電子切換え装置または測定キャビン内に保護されて配置されている。測定装置には、ストレッチレデューサ圧延機の近くのオペレータＰＣが所属する。
【００１７】慣用の電子評価装置では、超音波エコー列の増幅、ろ波および信号評価が行われる。この超音波エコー列の出力信号は壁厚値であり、この壁厚値はコンピュータで更に処理される。
【００１８】素管が傾斜圧延プロセスで製造され、ストレッチレデュースされた管を測定するために、３個の測定ヘッドが管の周囲に均一に分配配置され、かつ一緒に約７０°だけ揺動可能である。冒頭に述べたように、この管の場合にはストレッチレデューサ圧延機の背後で六角形または多角形のほかに、一般的に周方向の延びる偏心部が発生する。この偏心部は、１２０°をなして配置され一緒に揺動する３個の測定ヘッドの場合、各々の角度位置に対して、内部の偏心部が重ね合わされた多角形に関係なく自由に決定できるように、３個すべての測定ヘッドに影響を与えることができる。
【００１９】その代わりに、本発明の他の特徴によれば、素管が傾斜圧延プロセスで製造され、ストレッチレデュースされた管を測定するために、４個の測定ヘッドＬ１〜Ｌ４が管の周囲に均一に分配配置され、少なくとも１個の測定ヘッドが約７０°だけ揺動可能である。この場合、この少なくとも１個の測定ヘッドは偏心した壁の延長状態を検出する。
【００２０】本発明による測定方法では、コンチ圧延ラインで粗圧延され、ストレッチレデュースされた管を測定するために、３個または４個の測定ヘッドが管の外周に分配配置され、少なくとも１個の測定ヘッドが約９０°だけ揺動可能である。コンチ圧延の場合、四角形の形成はストレッチレデューサ圧延機の六角形と、傾斜圧延機の周方向の偏心部に重なる。この場合、ストレッチレデューサ圧延機の出口の四角形の位相位置を再び認識可能である。最高で４個の測定ヘッド（そのうちの少なくとも１個が揺動可能である）によって、そこで発生する壁のすべての異常を検出および最終的に除去することができる。
【００２１】本発明による測定方法と測定装置は、エルハルドプッシュベンチ装置の場合にも適用可能である。この場合、チャンネルの数と測定ヘッドの揺動角度を実際の構造に適合させなければならない。
【００２２】本発明の効果は、少なくとも個別的に揺動可能でレーザ−超音波方法で作動する測定ヘッドを使用し、この測定ヘッドのうち揺動可能な測定ヘッドが管壁の一部（セグメント）だけを検出することにより、比較的に少ない測定ヘッド数でかつ圧延プロセスに関する事前の知識を利用して、慣用の定置多チャンネル装置よりも多くの品質特徴を検出および利用することができることにある。これはかなりのコスト低減および経済的なプロセスを生じることになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】次に、いろいろな概略図に基づいて本発明を詳しく説明する。
【００２４】図１は、１個だけの測定ヘッドＬを備えた装置を示している。この測定ヘッドは管２の中心の回転点Ｘの回りに角度ψだけ位置Ｌ′へ揺動させられる。六角形は最も薄い壁Ｓmin と最も厚い壁Ｓmax を示している。多角形の形状は規則的である。なぜなら、外側円の中心と多角形の中心が両中心線の交点Ｘにあるからでる。図１には、六角形と、７０°のスキャナＬの揺動角度が示してある。他の六角形の場合、図５に示すように、管全体の横断面を再現できるようにするためには、Ｓmin からＳmax までの３０°の揺動角度で充分である。従って、７０°の角度は２倍の安全性を生じる。なぜなら、管の鏡像対称的な２つの区間を検出し、それによって比較することができ、測定結果の妥当性チェックが容易に可能であるからである。
【００２５】オンラインで非接触式に高温壁の厚さを測定するための本来の測定装置は、測定すべき管寸法に調節可能な少なくとも１個のコンパクトなレーザ−超音波−測定ヘッドＬ１からなっている。この測定ヘッド内には、管３の表面から反射し超音波信号を含む担体光を集光するために、励起兼照射レーザ８が光学要素９（図４参照）と共に収納され、図示していない揺動装置によって、管３のセグメントにわたって周方向に揺動可能である。その際、基本的には、揺動装置がどのような種類のものであるかはどうでもよく、管の周囲の定められたセグメントを検出できることだけが重要である。
【００２６】図２は内側六角形すなわち六角形穴４を有する管３の横断面を示している。この六角形穴の中心Ｚは外円５の中心Ｙから距離Ｅだけ離れている。管のこの偏心が周方向に延びる螺旋によって形成されるので、間隔Ｅは管の縦方向において中心Ｙの周りに延び、それによって管３の最も薄い個所Ｓmin と最も厚い個所Ｓmax （図１）も中心Ｙ周りに延びる。３個の測定ヘッドＬ１〜Ｌ３は基本位置では、管の中心Ｙから等しい距離に、管の周りに１２０°の角度をおいて分配されている。３個のすべての測定ヘッドは同じ方向に往復運動して角度ψだけ管の回りに揺動し、しかも測定ヘッドＬ１からＬ１′に、Ｌ２からＬ２′に、Ｌ３からＬ３′に揺動する。測定ヘッドＬ１は例えば水平方向に示してあるがしかし、その基本位置で、その揺動角度が内側多角形に対して対称であるように調節可能である。例えば７０°の揺動角度ψの場合、水平面に対して斜め下方に５°だけ傾斜している。
【００２７】揺動可能な測定ヘッドＬ１〜Ｌ３は、圧延中その角度基本位置または揺動角度ψが変化し得るという利点を有する。図３の他の例で示すように、例えば測定ヘッドＬ１〜Ｌ３はその基本位置で、図２の位置決めから出発して、その揺動角度ψが部分的にオーバーラップするように変更可能である。図３には、３個の測定ヘッドＬ１〜Ｌ３が示してある。この測定ヘッドは基本位置で７０°だけ互いにずらしてある。スキャナーがψ１＝ψ２＝ψ３＝７０°だけ揺動すると、角度ψ２は二重に走査され、しかも測定点が互いに所定のずれを有するように走査される。すなわち、単位面積あたりの測定点の量を２倍または３倍にすることができる。すなわち、運転中、制御する人がスキャナの角度位置を、普通の分解能で測定する普通の位置と異なり、管の所定の長さで測定ラスタを密にし、実際の管部分を拡大して表示するように調節すること（ルーペ機能）が考えられる。
【００２８】次に、図４の拡大図に基づいて、本発明の原理を、単チェンネル型測定ヘッドを例にして説明する。
【００２９】測定装置は測定すべき管３の直径に調節可能な測定ヘッドＬ１からなっている。この測定ヘッドには、現場に設けられた供給要素５（圧縮空気、冷却水）、電気切換えハウス６およびＳＲＷの制御台７上のオペレータＰＣが所属している。現場に設けられた測定ヘッドＬ１と電気切換えハウス６と制御台７は大きく離して設けることができる。基本的には、壁厚測定装置は熱間圧延工場内の厳しい周囲条件に耐えるように設計されている。
【００３０】水冷前面とガラス製の耐熱窓を有する特別なケーシングを備えた測定ヘッドＬ１は実質的に、次に説明する要素（公知であるので図示していない）を備えている。すなわち、フラッシュランプポンピングＮｄ：ＹＡＧパルスレーザと集束レンズのヘッドと、コントローラを含むｃｗレーザを備えた検出分岐部と、赤外線フィルタと、方向変換ミラーおよび方向変換プリズムを有する拡大光学装置、管表面から散乱したＵＳ変調光を集光するための高透過性結像レンズを備えた超音波励起分岐部。
【００３１】更に、スタート／ストップ信号を生じるための管入口を認識する、同様に図示していないセンサ装置と、揺動装置と、半径の調節手段と、ロール中心に高さ（間隔ｈ）を適合させる手段を備えた測定ヘッド調節機構と、管直径変更の際の手動または全自動寸法合わせ装置（間隔ｄ）と、サービスおよび測定位置のための機械的なストッパーを備えた測定ヘッド移動装置（動力による微動装置）、厚い多角形を形成する際にストレッチレデューサ圧延機の背後で測定軌道を最小壁と最大壁の間で変化させることができるようにするために、すなわち測定ヘッドを揺動させることができるようにするために、約３０°の角度セグメントだけ調節可能な角度調節装置（角度ψ）、駆動装置を備えた動力による自動角度調節装置を備えたｉ，ｄ，Ｒ、絶対値発信器および端位置監視装置が、測定ヘッドＬの範囲に（図５参照）所属する。
【出願人】 【識別番号】５００５０９０８１
【氏名又は名称】エス・エム・エス・デマーク・アクチエンゲゼルシヤフト
【出願日】 平成１２年１１月１７日（２０００．１１．１７）
【代理人】 【識別番号】１０００６９５５６
【弁理士】
【氏名又は名称】江崎 光史 （外３名）
【公開番号】 特開２００１−１９４１３６（Ｐ２００１−１９４１３６Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】 特願２０００−３５１１４３（Ｐ２０００−３５１１４３）