KR20220003105A - 레이저 초음파(lus) 측정 장비로 물체의 재료 특성을 추정하기 위한 방법 및 배열체 - Google Patents

레이저 초음파(lus) 측정 장비로 물체의 재료 특성을 추정하기 위한 방법 및 배열체 Download PDF

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Abstract

본 개시 내용은 생성 레이저(210), 검출 레이저(220), 및 검출기(230)를 포함하는 레이저 초음파(LUS) 측정 장비(200)로 물체(2)의 재료 특성을 추정하기 위한 방법에 관한 것으로서, 그러한 방법은: - 초음파 펄스가 물체 내에서 생성되도록 그리고 초음파 진동이 표면 상에서 즉각적으로 생성되도록, 생성 레이저에 의해서 레이저 펄스를 물체의 표면 상으로 제공하는 단계(S1), - 검출 레이저 및 검출기의 이용에 의해서 물체로부터 적어도 제1 후속 초음파 에코를 측정하는 단계(S2)로서, 초음파 에코는 물체 내에서 생성된 초음파 펄스로부터의 에코인, 단계(S2), - 검출 레이저 및 검출기의 이용에 의해서, 표면 상에서 즉각적으로 생성된 초음파 진동을 측정하는 단계(S3), 및 - 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코를 기초로, 초음파 감쇠 매개변수의 이용에 의해서 재료 특성을 추정하는 단계(S5)로서, 그에 의해서, 표면 상에서 즉각적으로 생성된 측정된 초음파 진동을 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코에 대한 기준으로 이용하는 것에 의해서, 재료 특성이 추정되는, 단계(S5)를 포함한다.

Description

레이저 초음파(LUS) 측정 장비로 물체의 재료 특성을 추정하기 위한 방법 및 배열체
본 개시 내용은, 생성 레이저, 검출 레이저, 및 검출기를 포함하는 레이저 초음파(LUS) 측정 장비로 물체의 재료 특성을 추정하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 개시 내용은 또한 강 압연 프로세스 제어 방법, 물체의 재료 특성을 측정하기 위한 배열체, 컴퓨터 프로그램 및/또는 컴퓨터 프로그램을 가지는 컴퓨터 판독 가능 매체에 관한 것이다.
강을 생산하기 위한 열간 압연은 일반적으로 알려진 금속 작업 프로세스이고, 그러한 프로세스에서 가열된 강 재료가 하나 이상의 롤러의 쌍 사이를 통과하여 재료의 두께가 감소되고 두께가 더 균일해진다. 열간 압연은, 압연 프로세스 중에 강의 온도가 재결정화 온도보다 높다는 것을 특징으로 한다. 그러한 프로세스는 일반적으로, 강 코일로 코일 작업될 수 있는, 세장형 강 판/스트립, 예를 들어 시트 금속을 초래한다.
높은 품질의 강을 생산할 수 있게 하기 위해서, 열간 압연 프로세스를 제어하는 것이 중요하다. 이는, 예를 들어, 강 재료의 온도, 롤러에 의해서 강에 제공되는 압력, 압연 프로세스의 속력 등을 제어하는 것에 의해서 수행될 수 있다. 강 특성에 영향을 미치고 그에 따라 강의 품질에 영향을 미치는 강의 하나의 매개변수는 입자 크기이다. 그에 따라, 강이 희망 입자 크기 또는 희망 입자 크기 범위를 갖도록, 열간 압연 프로세스 중에 강의 입자 크기를 측정하고 추정할 수 있고 이를 프로세스 제어를 위해서 이용할 수 있는 것이 유리할 것이다.
입자 크기를 측정하기 위한 하나의 알려진 방법은 소위 LUS 측정 장비의 이용에 의한 것이고, 여기에서, 강 재료 내에서 초음파 펄스를 생성하기 위해서 레이저를 이용한다. 강 내에서 생성된 초음파 펄스는 재료를 통해서 전파되고 초음파 에코(echo)를 제공하며, 그에 의해서 초음파 에코의 초음파 감쇠가 결정될 수 있다. 초음파 감쇠는 강의 입자 크기를 추정하기 위해서 사용될 수 있다.
입자 크기와 같은 물체의 재료 특성을 추정하기 위한 하나의 알려진 방법이 US 2007/0006651 A1에서 개시되어 있다. 그 설명에 따라, 이는, 재료 특성을 결정하기 위해서 초음파 감쇠를 이용하는 방법을 개시하고, 초음파 검출기로부터 상호작용 신호를 수신하는 것을 포함한다. 상호작용 신호는, 초음파 펄스가 물체 내에서 전파된 후에 물체의 검출 위치에 충돌하는 광대역 초음파 펄스의 적어도 하나의 발현(manifestation)을 캡쳐한다. 물체를 통한 전파에서, 초음파 펄스는 하나 이상의 물리적 메커니즘에 의해서 감쇠된다. 감쇠된 초음파 펄스에 상응하는 상호작용 신호의 일부가 시간 도메인(time domain)으로부터 주파수 도메인으로 변환되어 진폭 스펙트럼(amplitude spectrum)을 획득한다. 진폭 스펙트럼이 얻어지면, 이를 기준 진폭 스펙트럼과 비교하여 감쇠 스펙트럼을 획득한다. 이어서, 감쇠 스펙트럼을 감쇠 모델에 피팅하여(fit) 감쇠 매개변수를 도출하고, 감쇠 매개변수를 이용하여 재료 특성을 컴퓨팅(computing)한다.
또한, 기준 진폭 스펙트럼은 기준 단편(reference piece)의 이용에 의해서 진폭 스펙트럼과 유사한 방식으로 생성된다. 기준 단편은 광대역 초음파 펄스와 관련하여 물체와 동등한 회절 특성을 가지나, 기준 진폭 스펙트럼은 실질적으로 감쇠되지 않는데, 이는 기준 단편이, 기준 단편의 진폭 스펙트럼의 감쇠에 대해서 교정하기 위해서 사용되는 알려진 감쇠 매개변수를 가지기 때문이거나, 무시할 수 있는 감쇠를 제공하도록 기준 단편이 선택되기 때문이다.
그에 따라, 전술한 알려진 방법은, 재료 특성의 추정을 위해서 기준 단편을 이용하는 것을 필요로 한다. 다른 예로서, 재료 특성을 추정하기 위해서 다수의 에코를 이용하는 것이 또한 알려져 있다. 그에 따라, 계산을 위해서 기준 단편을 이용하는 대신, 재료 특성을 컴퓨팅하기 위해서 2개의 초음파 에코를 비교할 수 있다.
비록 전술한 방법이 강의 입자 크기를 추정하는 것과 같은 재료 특성을 추정하는 역할을 하는 것으로 생각되지만, 생산 환경에서, 특히 강의 열간 압연 중에 더 효율적이고 유용한 방법을 개발하기 위해서 여전히 노력하고 있다.
전술한 내용에 비추어 볼 때, 본 발명의 목적은 물체의 재료 특성을 추정하기 위한 개선된 방법 및 배열체를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은, 강 압연 프로세스 중에 입자 크기의 현장 측정(in situ measurement)을 수행하는 것에 의해서, 개선된 강 압연 프로세스의 제어를 제공하는 것이다.
제1 양태에 따라, 그러한 목적은 제1항에 규정된 바와 같은 방법에 의해서 달성된다. 제2 양태에 따라, 그러한 목적은 제11항에 규정된 바와 같은 방법에 의해서 달성된다. 제3 양태에 따라, 그러한 목적은 제12항에 규정된 바와 같은 배열체에 의해서 달성된다. 제4 양태에 따라, 그러한 목적은 제15항에 규정된 바와 같은 강 압연 밀에 의해서 달성된다. 제5 양태에 따라, 그러한 목적은 제16항에 규정된 바와 같은 컴퓨터 프로그램에 의해서 달성된다. 제6 양태에 따라, 그러한 목적은 제17항에 규정된 바와 같은 컴퓨터 프로그램을 가지는 컴퓨터 판독 가능 매체에 의해서 달성된다. 개시 내용의 추가적인 실시형태가 종속항 그리고 첨부된 설명 및 도면에서 확인될 수 있다.
제1 양태에 따라, 그러한 목적은, 생성 레이저, 검출 레이저, 및 검출기를 포함하는 레이저 초음파(LUS) 측정 장비로 물체의 재료 특성을 추정하기 위한 방법에 의해서 달성된다. 그러한 방법은:
- 초음파 펄스가 물체 내에서 생성되도록 그리고 초음파 진동이 표면 상에서 즉각적으로 생성되도록, 생성 레이저에 의해서 레이저 펄스를 물체의 표면 상으로 제공하는 단계,
- 검출 레이저 및 검출기의 이용에 의해서, 적어도, 물체로부터의 제1 후속 초음파 에코를 측정하는 단계로서, 초음파 에코는 물체 내에서 생성된 초음파 펄스로부터의 에코인, 단계,
- 검출 레이저 및 검출기의 이용에 의해서, 표면 상에서 즉각적으로 생성된 초음파 진동을 측정하는 단계, 및
- 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코를 기초로, 초음파 감쇠 매개변수의 이용에 의해서 재료 특성을 추정하는 단계로서, 그에 의해서, 표면 상에서 즉각적으로 생성된 측정된 초음파 진동을 이용하는 것에 의해서, 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코를 기준으로, 재료 특성이 추정되는, 단계를 포함한다.
본 발명의 제1 양태에 따른 방법의 제공에 의해서, 재료 특성이 개선된 방식으로 추정되고 결정될 수 있다. 사실상, 본 발명은, LUS 측정 장비를 이용할 때, 생성 이벤트 자체 즉, 표면 상에서 즉각적으로 생성되는 초음파 진동이 측정될 수 있고, 금속, 바람직하게 강일 수 있는, 물체의 재료 특성의 효율적인 추정 및 결정을 위해서 이용될 수 있다는 발명자의 인식을 기초로 한다. 생성 이벤트는, 즉 레이저 펄스가 생성 레이저에 의해서 물체의 표면 상으로 제공될 때, 신뢰 가능한 기준으로서 이용될 수 없다고 일반적으로 이해하고 있는데, 이는, 그러한 것이 생성 레이저로부터의 너무 많은 광 오염(light pollution) 그리고 또한 표면 상의 열 팽창에 의해서 유발되는 너무 많은 진동을 포함하기 때문이다. 생성 이벤트를 기준으로 이용하는 것에 의해서, 종래 기술에서 알려진 바와 같은 기준 단편 또는 다수의 초음파 에코를 이용하는 것에 비해서, 더 효율적인 측정 및 재료 특성 추정이 수행될 수 있다. 보다 특히, 임의의 기준 단편에서 측정을 수행할 필요가 없을 것이다. 또한, 기준으로서 생성 이벤트를 이용하는 것에 의해서, 다수 에코 방법을 이용할 때에 비해서, 더 큰 입자 크기가 측정되고 결정될 수 있다는 것을 깨달았다. 즉, 더 큰 입자 크기는 더 큰 초음파 감쇠 레벨을 초래할 것이고, 그에 의해서 충분한 정확도(신호 대 배경 비율)로 하나의 초음파 에코 만을 측정할 수 있을 것이다.
따라서, 본원에서 설명되는 바와 같이 표면에서 즉각적으로 생성되는 초음파 진동은 생성 이벤트, 즉 레이저 펄스가 물체의 표면 상으로 제공되는 때의 이벤트를 지칭한다. 이는 또한, 재료 특성 추정을 위해서 측정되고 이용되는 생성 진동이라고 지칭될 수 있다. 다시 말해서, 생성 이벤트는, 레이저 펄스가 물체의 표면 상으로 제공되는 시점에 상응한다. 또한, 이하에서 또한 이해되는 바와 같이, 표면 상에서 즉각적으로 생성되는 측정된 초음파 진동은 물체를 통해서 또는 물체 표면 상에서 이동된 초음파 펄스와 다르다.
바람직하게, 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코를 기초로 하는 스펙트럼 진폭을, 표면 상에서 즉각적으로 생성되는 측정된 초음파 진동을 기초로 하는 스펙트럼 진폭과 비교하는 것에 의해서, 기준이 제공될 수 있다.
선택적으로, 물체는, 레이저 펄스가 물체의 표면 상으로 제공될 때, 600 ℃ 이상의 온도를 가질 수 있다. 사실상, 생성 이벤트가 600 ℃ 이상의 상승된 온도에서 더 용이하게 측정되고 평가될 수 있다는 것을 깨달았는데, 이는 이러한 온도에서, 생성의 열적 부분에 의해서 유도된 초음파가 표면 상의 융제(ablation)로부터의 부분보다 작아지기 때문이다. 또한 선택적으로, 레이저 펄스가 물체의 표면 상으로 제공될 때, 온도는 800 내지 1200 ℃, 예를 들어 850 내지 950 ℃일 수 있다.
선택적으로, 표면 상에서 즉각적으로 생성되는 측정된 초음파 진동 및 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코는, 시간 도메인 내에서 진폭 진동을 갖는 신호를 초래하고, 방법은 신호를 시간 도메인으로부터 주파수 도메인으로 변환하기 위한 모델을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있고, 물체의 재료 특성은, 3 내지 200 MHz, 바람직하게 3 내지 100 MHz, 예를 들어 3 내지 40 MHz의 주파수 범위 내에 있는 변환된 신호의 값을 기초로 추정된다. 또한, 생성 이벤트를 전술한 주파수 범위 내에서 기준으로 이용할 때, 종래 기술에서와 같이 몇 개의 기준 단편을 이용하지 않고도, 상이한 두께들을 갖는 상이한 물체들의 입자 크기를 측정할 수 있다는 것을 깨달았다. 따라서, 본원에서 개시된 바와 같은 방법은 생산 환경에서, 특히 강 압연 밀에서 유리한 것으로 확인되었다. 또한, 터키 윈도우(Tukey window)와 같은, 아포다이제이션 함수(apodization function) 또는 테이퍼링 함수(tapering function)로 알려진, 윈도우 함수의 이용에 의해서, 표면 상에서 즉각적으로 생성되는 측정된 초음파 진동 및/또는 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코를 분리하는 것에 의해서, 변환된 신호가 제공될 수 있다. 단지 예로서, 터키 윈도우 0.7의 α-매개변수를 가질 수 있고, 윈도우는, 표면 상에서 즉각적으로 생성되는 측정된 초음파 진동 및/또는 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코의 FWHM(전체 폭의 절반 최대치(full width half maximum))의 2배 초과, 전형적으로 3배일 수 있다.
선택적으로, 표면 상에서 즉각적으로 생성되는 측정된 초음파 진동 및 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코는, 시간 도메인 내에서 진폭 진동을 갖는 신호를 초래하고, 방법은 신호를 시간 도메인으로부터 주파수 도메인으로 변환하기 위한 모델을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있고, 물체의 재료 특성은, 스펙트럼 진폭 문턱값보다 큰 변환된 신호의 주파수 범위 내의 값을 기초로 추정되며, 그러한 스펙트럼 진폭 문턱값은 (LUS) 측정 장비의 노이즈 바닥값(noise floor)을 규정하고, 그러한 노이즈 바닥값 미만에서는, 변환된 신호가 노이즈와 구분될 수 없다. 따라서, 노이즈 바닥값 미만에서, 초음파 신호는 구별될 수 없다. 노이즈 바닥값을 초과하는, 즉 무시할 수 있는 노이즈 패턴이 존재하는 측정을 이용하는 것이 유리하다는 것을 또한 깨달았다. 노이즈 패턴은, 불규칙적인 및/또는 확률적인 패턴을 나타내는 신호 패턴으로 규정될 수 있다. 선택적으로, 물체의 재료 특성은 바람직하게, 스펙트럼 진폭 문턱값, 즉 노이즈 바닥값의 적어도 열(10)배, 예를 들어 스펙트럼 진폭 문턱값의 적어도 25배인 변환된 신호의 주파수 범위 내의 값을 기초로, 추정될 수 있다. 또한 선택적으로, 물체의 재료 특성은 바람직하게 변환된 신호의 값을 기초로 하는 주파수 범위 내에서 추정될 수 있고, 여기에서 주파수 하한 값은 변환된 신호의 최대 스펙트럼 진폭 값의 적어도 60%, 예를 들어 최대 스펙트럼 진폭 값의 적어도 75%이다. 즉, 전술한 주파수 범위 내의 측정을 이용할 때, 재료 특성의 더 신뢰 가능한 추정이 얻어질 수 있다는 것을 깨달았다. 대안으로서 또는 보충으로서, 결과적인 감쇠 곡선의 하부 주파수 경계에서의 측정된 초음파 감쇠의 기울기가 음(negative)인 경우에, 이는, 회절 의존적 초음파 감쇠가 너무 크다는 것을 의미할 수 있다. 이어서, 하부 주파수 경계가 감쇠-최소치의 다른 측면으로 이동될 수 있고, 여기에서 회절 의존성은 무시될 수 있는 것으로 간주된다.
선택적으로, 물체는 금속 물체, 바람직하게 강 합금일 수 있고, 재료 특성은 입자 크기이다. 본원에서 물체의 입자 크기는 물체의 평균 입자 크기를 의미한다. 입자 크기는 강과 같은 재료의 개별적인 입자의 직경으로 규정될 수 있다.
선택적으로, 생성 레이저 및 검출 레이저의 레이저 빔이 물체 표면 상의 동일 위치를 향해서 지향될 수 있다. 본원에서, "동일 위치"는, 레이저 빔이, 1 mm(밀리미터) 이하인, 표면 상에서의 서로 간의 거리로 제공된다는 것을 의미할 수 있다. 다시 말해서, 생성 및 검출이 바람직하게 표면에서 중첩될 수 있다. 또한 선택적으로, 생성 레이저의 레이저 빔의 방향 및 검출 레이저의 레이저 빔의 방향이 서로에 대해서 각도적으로 분리될 수 있다. 서로에 대해서 각도적으로 분리된 생성 레이저 및 검출 레이저를 제공하는 것에 의해서, 측정이 더 개선될 수 있는데, 이는, 그에 의해서, 생성 레이저가, 일 실시형태에서 간섭계일 수 있는, 검출기를 덜 방해할 수 있기 때문이다. 그러나, 본원에서 개시된 바와 같은 방법이 또한, 레이저 빔들이 정렬된, 즉 동축적인, 생성 레이저 및 검출 레이저에 의해서 이용될 수 있다는 것에 주목하여야 한다.
선택적으로, 생성 레이저 및 검출 레이저는 상이한 레이저 빔 파장들을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 검출 레이저는, 생성 레이저에 의해서 제공되는 레이저 빔 파장보다 긴 레이저 빔 파장을 제공하도록 구성될 수 있다. 단지 예로서, 생성 레이저는 532 nm(나노미터)의 레이저 빔 파장을 제공하도록 구성될 수 있고, 검출 레이저는 1064 nm의 레이저 빔 파장을 제공하도록 구성될 수 있다.
제2 양태에 따라, 목적은 강 압연 프로세스를 제어하기 위한 방법에 의해서 달성되고, 그러한 방법은:
- 제1 양태의 실시형태 중 임의의 하나에 따른 방법을 이용하여 강 압연 프로세스 중에 강 물체의 입자 크기의 현장 측정을 수행하는 단계, 및
- 추정된 입자 크기를 기초로 강 압연 프로세스를 제어하는 단계를 포함한다.
제2 양태에 따라 제공되는 장점 및 효과는 대략적으로 제1 양태의 실시형태에 따른 방법에 의해서 제공되는 장점 및 효과와 유사하다. 제2 양태의 모든 실시형태가 제1 양태의 모든 실시형태에 적용 및 조합될 수 있고, 그 반대로도 마찬가지라는 것을 또한 주목하여야 한다.
개선된 강 압연 프로세스의 제어가 본원에서 개시된 제1 양태에 따른 방법의 이용에 의해서 제공될 수 있다는 것을 깨달았다. 보다 특히, 강 압연 프로세스 중에 측정된 강의 입자 크기가, 희망하는 평균 입자 크기에 도달하도록 프로세스를 보다 효율적으로 제어하기 위한 및/또는 강의 품질을 개선하기 위한 피드백 정보로서 및/또는 피드 포워드 정보로서 이용될 수 있다. 강 압연 프로세스는 바람직하게 열간 압연 프로세스이다. 추정된 입자 크기는 예를 들어, 강의 온도, 강 압연 밀의 롤러에 의해서 강에 제공되는 압력, 압연 프로세스의 속력 등의 제어를 위해서 사용될 수 있다. 또한, 강 압연 프로세스 중에 측정된 강의 입자 크기가, 프로세스를 위한 제어 매개변수로서 온도를 이용하는 것을 보충하는 것으로서 또는 그 대안으로서 이용될 수 있다. 또한 추가적으로, 추정된 입자 크기는 예를 들어 강 압연 프로세스에서 변형 분포를 제어하기 위해서 이용될 수 있다.
제3 양태에 따라, 목적은 물체의 재료 특성을 측정하기 위한 배열체에 의해서 달성되고, 그러한 배열체는:
- 생성 레이저, 검출 레이저, 및 검출기를 포함하는 레이저 초음파(LUS) 측정 장비, 및
- 제1 양태의 실시형태 중 임의의 하나에 따른 방법의 단계를 수행하도록 구성된 제어 유닛을 포함한다.
제3 양태에 따라 제공되는 장점 및 효과는 대략적으로 제1 및 제2 양태의 실시형태에 따른 방법에 의해서 제공되는 장점 및 효과와 유사하다. 제3 양태의 모든 실시형태가 제1 및 제2 양태의 모든 실시형태에 적용 및 조합될 수 있고, 그 반대로도 마찬가지라는 것을 또한 주목하여야 한다.
선택적으로, 생성 레이저 및 검출 레이저의 레이저 빔은 물체의 표면 상의 동일 위치를 향해서 지향될 수 있고/있거나, 생성 레이저의 레이저 빔의 방향 및 검출 레이저의 레이저 빔의 방향이 서로에 대해서 각도적으로 분리될 수 있다.
선택적으로, 생성 레이저 및 검출 레이저는 상이한 레이저 빔 파장들을 제공하도록 구성될 수 있다.
제4 양태에 따라, 목적은 본 발명의 제3 양태의 실시형태 중 임의의 실시형태에 따른 배열체를 포함하는 강 압연 밀에 의해서 달성된다. 강 압연 밀은 바람직하게 강 열간 압연 밀이다.
제4 양태에 따라 제공되는 장점 및 효과는 대략적으로 제1 및 제2 양태의 실시형태에 따른 방법에 의해서 제공되는 장점 및 효과와 유사하다. 제4 양태의 모든 실시형태가 제1, 제2 및 제3 양태의 모든 실시형태에 적용 및 조합될 수 있고, 그 반대로도 마찬가지라는 것을 또한 주목하여야 한다.
제5 양태에 따라, 목적은, 프로그램이 컴퓨터 상에서 실행될 때, 본 발명의 제1 및 제2 양태의 실시형태 중 임의의 실시형태의 단계를 수행하기 위한 프로그램 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램에 의해서 달성된다. 제6 양태에 따라, 목적은, 프로그램 제품이 컴퓨터 상에서 실행될 때, 본 발명의 제1 및 제2 양태의 실시형태 중 임의의 실시형태의 단계를 수행하기 위한 프로그램 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램을 가지는 컴퓨터 판독 가능 매체에 의해서 달성된다.
제4 및 제5 양태에 따라 제공되는 장점 및 효과는 대략적으로 제1 및 제2 양태의 실시형태에 따른 방법에 의해서 제공되는 장점 및 효과와 유사하다. 제5 및 제6 양태의 모든 실시형태가 제1, 제2, 제3 및 제4 양태의 모든 실시형태에 적용 및 조합될 수 있고, 그 반대로도 마찬가지라는 것을 또한 주목하여야 한다.
이하에서, 첨부 도면을 참조하여, 예로서 기재된 본 개시 내용의 실시형태를 더 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 양태의 예시적인 실시형태에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 제2 양태의 예시적인 실시형태에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 시간 도메인 내의 초음파 감쇠의 측정된 진폭의 그래프를 도시한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 주파수 도메인 내의 스펙트럼 진폭의 그래프를 도시한다.
도 5는 본 발명의 제1 양태의 예시적인 실시형태에 따라 계산된 스펙트럼 진폭 감쇠의 그래프를 도시한다.
도 6은 본 발명의 제1 양태의 예시적인 실시형태에 따른, 계산된 b-매개변수의 그래프를 도시한다.
도 7은 본 발명의 제1 양태에 따른 방법을 이용한 측정으로부터 획득된 계산된 보정 곡선을 도시한다.
도 8은 본 발명의 제3 양태의 예시적인 실시형태에 따른 강 압연 밀 및 배열체의 예시적인 실시형태를 도시한다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 LUS 측정 장비를 갖는 배열체의 예시적인 실시형태를 도시한다.
도면은 본 개시 내용의 실시형태를 예시하는 도면을 보여주고, 그에 따라 반드시 실제 축척으로 작성된 것은 아니다. 도시되고 설명된 실시형태가 예시적이라는 것 그리고 본 발명이 이러한 실시형태로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 특정 실시형태를 보다 잘 설명하고 도시하기 위해서, 도면 내의 일부 상세 부분이 과장되었을 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 달리 설명되지 않는 한, 설명 전체를 통해서 유사한 참조 문자는 유사한 요소를 지칭한다.
도 1에서, 도 9에 도시된 바와 같은 레이저 초음파(LUS) 측정 장비(200)에 의해서 물체(2)의 재료 특성을 추정하기 위한 방법의 흐름도가 도시되어 있다. LUS 장비(200)는 생성 레이저(210), 검출 레이저(220) 및 검출기(230)를 포함한다(도 9 참조). 그러한 방법은 이하의 단계를 포함한다:
- S1: 초음파 펄스가 물체(2) 내에서 생성되도록 그리고 초음파 진동이 표면 상에서 즉각적으로 생성되도록, 생성 레이저(210)에 의해서 레이저 펄스를 물체(2)의 표면 상으로 제공하는 단계,
- S2: 검출 레이저(220) 및 검출기(230)의 이용에 의해서, 적어도, 물체(2)로부터의 제1 후속 초음파 에코를 측정하는 단계로서, 초음파 에코는 물체(2) 내에서 생성된 초음파 펄스로부터의 에코인, 단계,
- S3: 검출 레이저(220) 및 검출기(230)의 이용에 의해서, 표면 상에서 즉각적으로 생성된 초음파 진동을 측정하는 단계, 및
- S5: 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코를 기초로, 초음파 감쇠 매개변수의 이용에 의해서 재료 특성을 추정하는 단계로서, 그에 의해서, 표면 상에서 즉각적으로 생성된 측정된 초음파 진동을 이용하는 것에 의해서, 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코를 기준으로, 재료 특성이 추정되는, 단계.
방법은 바람직하게 신호를 시간 도메인으로부터 주파수 도메인으로 변환하기 위한 모델을 제공하는 단계(S4)를 더 포함한다. 이러한 단계는, 도 1에서 쇄선으로 상자(S4)에 의해서 표시된 바와 같이 선택적이다. 신호는 푸리에 변환 모델의 이용에 의해서 변환될 수 있다.
도 2에서, 제2 양태의 예시적인 실시형태에 따른 강 압연 프로세스를 제어하기 위한 방법의 흐름도가 도시되어 있다. 그러한 방법은 이하의 단계를 포함한다:
- S10: 본 발명의 제1 양태에 따른 실시형태 중 임의의 하나에 따른 방법을 이용하여 강 압연 프로세스 중에 강 물체(2)의 입자 크기의 현장 측정을 수행하는 단계, 및
- S20: 추정된 입자 크기를 기초로 강 압연 프로세스를 제어하는 단계.
특히 도 3 내지 도 7과 관련하여, 본 발명의 제1 양태에 따른 본 발명의 예 및 실시형태를 설명할 것이다.
첫 번째로, 총 초음파 감쇠가 3개의 기여 인자를 가지며, 이하와 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00001
여기에서, α_흡수는 내부 마찰로 인한 재료 흡수이고, α_회절은 회절로 인한 감쇠이며, α_산란은 산란으로 인한 신호 감쇠이다. 또한, f는 주파수이고,
Figure pct00002
는 물체의 평균 입자 크기이고, T는 물체 온도이다. 따라서, 예시적인 실시형태에 따라, 물체의 온도(T)는 또한 강 압연 프로세스 중에 현장에서 측정된다. 예를 들어, 온도는 일반적으로 강 압연 밀 내의 몇 개의 상이한 위치들에서 측정되고, 이러한 측정은 본 발명을 위해서 사용될 수 있다. 대안으로서, 물체의 온도(T)는 근사화되고/되거나 미리 규정될 수 있다.
도 3은, 레이저 펄스가 강 물체(2)의 표면 상으로 제공된 후에 LUS 측정 장비(200)의 검출기(230)의 이용에 의해서 수행되는 측정의 예를 도시한다. 수직 축은 진폭을 규정하고, 수평 축은 μs의 시간이다. 측정된 신호는, 위상 천이 보상 및 3 내지 100 MHz 사이의 3 dB 제한을 갖춘 디지털 4차 버터워스 필터(Butterworth filter)를 이용하여 대역 통과 필터링되었다. 레이저 펄스가 표면 상으로 제공된 직후에 발생되는 제1의 비교적 큰 진폭 변동(GE)은, 표면 상에서 즉각적으로 생성되는 초음파 진동, 즉 생성 이벤트이다. 그 후에, 제1 초음파 에코(E1)가 검출기(230)에 의해서 관찰되고, 더 작은 에코(E2 및 E3)가 후속된다. 이어서, 생성 이벤트(GE) 및 후속 에코로부터의 관찰이, 예를 들어 전술한 바와 같은 푸리에 변환 모델을 이용하여, 시간 도메인으로부터 주파수 도메인으로 변환될 수 있다. 에코(E1 내지 E3) 및 생성 이벤트(GE)를 포함하는, 스펙트럼 내용이 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, "+"값은 스펙트럼 감쇠에 대해서 선택되고, 그러한 값은 바람직하게 (쇄선/점선에 의해서 도시된) 노이즈 바닥값(NF)의 약 25배일 수 있다. "x" 값은 최대 스펙트럼 진폭 값의 75 %로서 선택된다.
기준으로서 측정된 생성 이벤트를 이용하는 것에 의한 계산된 스펙트럼 감쇠의 예가 도 5에 도시되어 있다. 그러한 계산은 예를 들어 이하의 식에 의해서 수행될 수 있다:
Figure pct00003
여기에서 AGE 및 An은 각각 생성 이벤트(GE) 및 에코(E1 내지 E3) 중 하나의 측정으로부터의 스펙트럼 내용이다. 또한, Δd는 생성 이벤트(GE)로부터 에코 번호 n까지 이동된 거리이다. 바람직하게, 제1 에코(E1)의 스펙트럼 내용(AE1)이 사용되며, 이는 시간 도메인 내의 가장 큰 진폭 변동을 보여준다.
입계 산란으로 인한 초음파 감쇠는 초음파 소리의 파장 및 입자의 크기에 따라 달라진다. 일반적인 표현식이 다음과 같을 수 있고:
Figure pct00004
,
여기에서, n은 산란 체제(레일리(Rayleigh) n=4, 스토캐스틱(stochastic) n=2)에 따라 달라지고,
Figure pct00005
는 온도 의존성 이방성, 및 온도 의존성 속도로 인한 겉보기 파장을 설명한다. 여기에서 고려되는 파장 범위(n~3)에서, 이하의 표현식을 초래한다:
Figure pct00006
이어서, 상기 3차 다항식을 α(GE-n)의 스펙트럼적으로 관련된 부분, 즉 도 4의 "x" 값과 "+" 값 사이에 피팅하고, 여기에서 하부 주파수 경계("x")는, 최소 자승법(least square method)을 이용하여 회절이 무시될 수 있는 영역으로 조정될 수 있고, 도 5에서 쇄선으로서 디스플레이된다. 피팅된 b-매개변수는 (샘플 ??칭(quenching) 및 현미경에 의해서 발견될 수 있는) 야금학적 입자 크기에 대해서 플로팅될(plotted) 수 있고, 측정된 스펙트럼 감쇠를 입자 크기와 상호 관련시키는 보정 곡선 피팅이 수행될 수 있다. 전술한 식의 규칙에 따라, 야금학적 평균 입자 크기(
Figure pct00007
)와 b-매개변수 사이의 상관 관계가 다음과 같이 작성될 수 있고
Figure pct00008
여기에서 δ는 재료의 이방성에 따라 달라지는 재료 매개변수이다. 큰 δ 값은, 2개의 이웃하는 입자들 사이의 음향 임피던스 불일치가 크고 그에 따라 에너지의 산란 부분이 크다는 것을 암시한다.
본 발명의 제1 양태에 따라 기준으로서 생성 이벤트를 이용하는 것에 의해서 계산된 b-매개변수의 예가 도 6에 도시되어 있다. 강은 이러한 예에서 25 ℃의 상온이었다. 강 온도가 900 ℃였던 강 밀로부터의 미리-기록된 생성 이벤트를 이용하여 계산된 b-매개변수로부터, 입자 크기의 추정을 수행하였다. 보다 특히, 도 7에서, b-매개변수가 입자 크기에 대해서 플로팅된, 계산된 보정 곡선의 예가 도시되어 있다.
도시된 예에서, 7개의 스테인리스 강(SAE 304) 샘플을 본 발명에 따른 LUS로 특성화하였고, 샘플의 쌍을 절반으로 절단하고 광학 현미경(LOM) 및 전자 후방산란 회절 현미경(EBSD)으로 횡단면의 입계를 이미지화하는 것에 의해서, 샘플의 쌍을 파괴 검사하였다. 입자 크기를 초음파 전파 방향과 횡방향으로 평균 선형 절편 길이의 평균으로 취하였다. 선형 피팅을 입자 크기 추정 및 b-매개변수 계산 모두의 스프레드(spread)로 가중하였다.
도 8은, 본 발명의 제3 양태에 따른 LUS 측정 장비(200)를 가지는 배열체(100)를 포함하는 강 열간 압연 밀(1)을 도시한다. 강 열간 압연 밀은 예를 들어 열간 스트립 밀일 수 있다. 도면의 좌측으로부터, 강 슬라브(2)가 슬라브 퍼니스(21) 내에서 약 1250 ℃와 같은 특정 압연 온도로 가열된다. 다음 단계에서, 강 슬라브(2)가 조질 압연(3) 내로 진입되고, 여기에서 강 슬라브의 두께가, 예를 들어 약 200 mm로부터 30 mm로 감소되고, 길이가 증가되며, 그에 따라 강 전달바(transferbar)가 된다. 그 후에, 강 전달바(2)를 코일 작업한다. 그 후에, 강 전달바(2)는 열간 압연 밀(1)에 진입하고, 여기에서 먼저 청정 장비(4) 내에서 세정하여 밀 스케일을 제거할 수 있다. 후속 단계에서, 강 전달바(2)는 대향되게 위치된 롤러들(5)의 하나 이상의 쌍에 의해서 압연된다. 도시된 예에서, 6개의 롤러의 쌍이 있다. 롤러(5)의 쌍은 강 전달바의 두께를, 예를 들어 1.8 내지 16 mm까지 감소시킨다. 열간 압연 밀(1)의 단부에서의 압연 속력은 15 m/s 정도로 빠를 수 있다. 그 후에, 얇은 강 스트립(2)이 냉각 섹션 ROT(런 아웃 테이블) 장비(6) 내에서 냉각되고, 코일 작업되고/되거나 특정 길이로 절단된다.
열간 압연 프로세스 중에 강 판(2)의 평균 입자 크기를 추정하는 것에 의해서, 열간 압연 프로세스가 제어될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 제1 양태의 실시형태의 단계를 수행하는 컴퓨터 프로그램을 포함하는 제어 유닛(300)에 연결되는 LUS 측정 장비(200)가, 도 8에 도시된 바와 같이, 롤러(5)의 쌍 이전에 및/또는 이후에, 및/또는 2개의 인접한 롤러의 쌍들 사이에 배치될 수 있다. 제어는 피드백 및/또는 피드 포워드 제어일 수 있다. 전술한 바와 같이, 최종 강 스트립의 희망 입자 크기에 도달하기 위해서, 속력, 롤러 압력, 온도 등이 제어될 수 있다.
도 9는 강 압연 프로세스에서 강 물체(2)의 재료 특성을 측정하기 위한 배열체(100)의 개략도를 도시하고, 그러한 배열체는:
- 생성 레이저(210), 검출 레이저(220), 및 검출기(230)를 포함하는 LUS 측정 장비(200), 및
- 본 발명의 제1 양태의 실시형태 중 임의의 하나에 따른 방법의 단계를 수행하도록 구성된 제어 유닛(300)을 포함한다.
본 발명의 실시형태 중 임의의 하나에 따른 방법을 수행하기 위해서, 제어 유닛(300)은 마이크로프로세서, 마이크로 제어기, 프로그래밍 가능 디지털 신호 프로세서 또는 다른 프로그래밍 가능 장치를 포함할 수 있다. 제어 유닛은, 추가적으로 또는 대안적으로, 애플리케이션 주문형 집적 회로, 프로그래밍 가능 게이트 어레이 또는 프로그래밍 가능 어레이 로직, 프로그래밍 가능 로직 장치, 또는 디지털 신호 프로세서를 포함할 수 있다. 제어 유닛이 전술한 마이크로프로세서, 마이크로 제어기 또는 프로그래밍 가능 디지털 신호 프로세서와 같은 프로그래밍 가능 장치를 포함하는 경우에, 프로세서는, 프로그래밍 가능 장치의 동작을 제어하는 컴퓨터 실행 가능 코드를 더 포함할 수 있다.
LUS 측정 장비(200)는 하나 이상의 고정된 및/또는 이동 가능한 거울(240), 렌즈(250) 및 깔때기(260)를 갖는 보호 스크린을 더 포함할 수 있고, 그러한 구성요소의 전부 또는 대부분은 하우징(270) 내에 제공된다. 생성 레이저(210) 및 검출 레이저(220)의 레이저 빔의 강 스트립(2)의 표면 상으로의 방향은, 도 9에 도시된 바와 같이, 동축적이지 않을 수 있다. 레이저 빔은 벽(290)의 개구부(280)를 통해서 추가적으로 방출된다.
본 개시 내용이 전술된 그리고 도면에 도시된 실시형태로 제한되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이고; 첨부된 청구항의 범위 내에서 많은 변화 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 당업자는 이해할 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. 생성 레이저(210), 검출 레이저(220), 및 검출기(230)를 포함하는 레이저 초음파(LUS) 측정 장비(200)로 물체(2)의 재료 특성을 추정하기 위한 방법이며:
    - 초음파 펄스가 물체 내에서 생성되도록 그리고 초음파 진동이 표면 상에서 즉각적으로 생성되도록, 생성 레이저에 의해서 레이저 펄스를 물체의 표면 상으로 제공하는 단계(S1),
    - 검출 레이저 및 검출기의 이용에 의해서 물체로부터 적어도 제1 후속 초음파 에코를 측정하는 단계(S2)로서, 초음파 에코는 물체 내에서 생성된 초음파 펄스로부터의 에코인, 단계(S2)를 포함하는 방법에 있어서,
    - 검출 레이저 및 검출기의 이용에 의해서, 표면 상에서 즉각적으로 생성된 초음파 진동을 측정하는 단계(S3), 및
    - 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코를 기초로, 초음파 감쇠 매개변수의 이용에 의해서 재료 특성을 추정하는 단계(S5)로서, 그에 의해서, 표면 상에서 즉각적으로 생성된 측정된 초음파 진동을 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코에 대한 기준으로 이용하는 것에 의해서, 재료 특성이 추정되는, 단계(S5)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코를 기초로 하는 스펙트럼 진폭을, 표면 상에서 즉각적으로 생성되는 측정된 초음파 진동을 기초로 하는 스펙트럼 진폭과 비교하는 것에 의해서, 기준이 제공되는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    물체는, 레이저 펄스가 물체의 표면 상으로 제공될 때, 600 ℃ 이상의 온도를 가지는, 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    레이저 펄스가 물체의 표면 상으로 제공될 때, 온도는 800 내지 1200 ℃, 예를 들어 850 내지 950 ℃인, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    표면 상에서 즉각적으로 생성되는 측정된 초음파 진동 및 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코는, 시간 도메인 내에서 진폭 진동을 갖는 신호를 초래하고, 방법은 신호를 시간 도메인으로부터 주파수 도메인으로 변환하기 위한 모델을 제공하는 단계(S4)를 더 포함하고, 물체의 재료 특성은, 3 내지 200 MHz, 바람직하게 3 내지 100 MHz, 예를 들어 3 내지 40 MHz의 주파수 범위 내에 있는 변환된 신호의 값을 기초로 추정되는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    표면 상에서 즉각적으로 생성되는 측정된 초음파 진동 및 측정된 적어도 제1 후속 초음파 에코는, 시간 도메인 내에서 진폭 진동을 갖는 신호를 초래하고, 방법은 신호를 시간 도메인으로부터 주파수 도메인으로 변환하기 위한 모델을 제공하는 단계를 더 포함하고, 물체의 재료 특성은, 스펙트럼 진폭 문턱값보다 큰 변환된 신호의 주파수 범위 내의 값을 기초로 추정되며, 스펙트럼 진폭 문턱값은 (LUS) 측정 장비의 노이즈 바닥값을 규정하고, 노이즈 바닥값 미만에서는, 변환된 신호가 노이즈와 구분될 수 없는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    물체가 금속 물체, 바람직하게 강 합금이고, 재료 특성은 입자 크기인, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    생성 레이저 및 검출 레이저의 레이저 빔이 물체 표면 상의 동일 위치를 향해서 지향되는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    생성 레이저의 레이저 빔의 방향 및 검출 레이저의 레이저 빔의 방향이 서로에 대해서 각도적으로 분리되는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    생성 레이저 및 검출 레이저는 상이한 레이저 빔 파장들을 제공하도록 구성되는, 방법.
  11. 강 압연 프로세스를 제어하기 위한 방법이며:
    - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법을 이용하여 강 압연 프로세스 중에 강 물체의 입자 크기의 현장 측정을 수행하는 단계(S10), 및
    - 추정된 입자 크기를 기초로 강 압연 프로세스를 제어하는 단계(S20)를 포함하는, 방법.
  12. 물체(2)의 재료 특성을 측정하기 위한 배열체(100)이며:
    - 생성 레이저(210), 검출 레이저(220), 및 검출기(230)를 포함하는 레이저 초음파(LUS) 측정 장비(200), 및
    - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법의 단계를 수행하도록 구성된 제어 유닛(300)을 포함하는, 배열체.
  13. 제12항에 있어서,
    생성 레이저 및 검출 레이저의 레이저 빔이 물체의 표면 상의 동일 위치를 향해서 지향되고/되거나, 생성 레이저의 레이저 빔의 방향 및 검출 레이저의 레이저 빔의 방향이 서로에 대해서 각도적으로 분리되는, 배열체.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    생성 레이저 및 검출 레이저가 상이한 레이저 빔 파장들을 제공하도록 구성되는, 배열체.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배열체를 포함하는 강 압연 밀(1).
  16. 프로그램이 컴퓨터에서 실행될 때, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 단계를 수행하기 위한 프로그램 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램.
  17. 프로그램이 컴퓨터에서 실행될 때, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 단계를 수행하기 위한 프로그램 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램을 가지는 컴퓨터 판독 가능 매체.
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