JP7708639B2 - Refractory defect evaluation method - Google Patents
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Description
本発明は、耐火物の欠陥評価方法に関し、特に、耐火物の内部に存在する欠陥の相対的位置関係や、その変化を容易に把握可能な方法に関する。 The present invention relates to a method for evaluating defects in refractories, and in particular to a method that can easily grasp the relative positional relationship of defects present inside a refractory and their changes.
耐火煉瓦を始めとする耐火物は、高温に耐えうる素材として、製鉄設備やその他高温プロセスを要する設備に幅広く用いられている。例えば、製鉄所においては、高炉や転炉の内張として耐火物が使用されている。 Refractories, including firebricks, are widely used in steelmaking facilities and other facilities that require high-temperature processes because they can withstand high temperatures. For example, in steelworks, refractories are used as linings for blast furnaces and converters.
しかし、このような高温環境下で使用される耐火物には、操業時に受ける衝撃により損傷するという問題がある。耐火物の損傷形態の代表的なものとしては、熱スポーリングが挙げられる。すなわち、温度変化に起因する応力を繰返し受けることにより亀裂が発生、進展し、その結果、耐火物に剥離や破壊が生じる。 However, refractories used in such high-temperature environments have the problem of being damaged by the impacts they receive during operation. A typical form of damage to refractories is thermal spalling. In other words, repeated stress caused by temperature changes causes cracks to form and grow, resulting in peeling and destruction of the refractory.
このような耐火物の損傷は瞬時に起こるものではなく、ある程度の期間を経て発生する。そのため、この長期的なスパンで起こるスポーリング現象による損傷を抑制し、耐火物設備の炉寿命を向上させるには、耐火物内に発生、進展する亀裂の挙動を理解する必要がある。そしてそのためには、耐火物中に存在する亀裂や、その起点となり得る空隙(気孔)に関する情報を測定・評価することが求められる。なお、以下の説明においては、亀裂および空隙(気孔)を欠陥と総称する。 This type of damage to refractories does not occur instantly, but rather develops over a period of time. Therefore, in order to suppress damage caused by spalling over this long-term span and improve the furnace life of refractory equipment, it is necessary to understand the behavior of cracks that occur and grow within the refractory. To do this, it is necessary to measure and evaluate information about cracks that exist in the refractory and the voids (pores) that can be the origin of these cracks. In the following explanation, cracks and voids (pores) are collectively referred to as defects.
耐火物などの内部に存在する欠陥を評価する従来の方法としては、例えば以下のようなものが挙げられる。 Conventional methods for evaluating defects present inside refractories and other materials include, for example, the following:
非特許文献1では、乾燥重量、水中重量、および飽水重量を用いて耐火物の見掛気孔率を評価する方法が規定されている。 Non-Patent Document 1 specifies a method for evaluating the apparent porosity of refractories using the dry weight, submerged weight, and saturated weight.
非特許文献2では、水銀圧入法によってファインセラミックスの気孔径分布を評価する方法が規定されている。 Non-Patent Document 2 specifies a method for evaluating the pore size distribution of fine ceramics using mercury intrusion porosimetry.
非特許文献3では、X線CTスキャン装置を用いて耐火物内部の欠陥を評価する方法が提案されている。 Non-Patent Document 3 proposes a method for evaluating defects inside refractories using an X-ray CT scanner.
特許文献1では、直線偏光させた光をセラミックス基板に照射し、前記セラミックス基板を反射または透過した光を、偏光子を介して観察することにより、セラミックス基板中の欠陥を検出する技術が提案されている。 Patent Document 1 proposes a technology for detecting defects in a ceramic substrate by irradiating the ceramic substrate with linearly polarized light and observing the light reflected or transmitted through the ceramic substrate via a polarizer.
また、特許文献2では、複数の耐火物煉瓦で構成される耐熱容器用ライニングにおける煉瓦間の空隙の厚さを、超音波を用いて計測する技術が提案されている。 Patent Document 2 also proposes a technology that uses ultrasound to measure the thickness of the gaps between bricks in a lining for a heat-resistant container that is made up of multiple refractory bricks.
これらの従来技術によれば、耐火物などの内部に存在する欠陥を評価することができるものの、以下のような問題があった。 While these conventional techniques can evaluate defects present inside refractories and other materials, they have the following problems:
例えば、非特許文献1、2の方法では、見掛気孔率や気孔径分布を評価することができるものの、実際の耐火物の内部には多種多様な形状の欠陥が複雑に分布しているため、単純な見掛気孔率や気孔径分布のみから耐火物の特性を精度よく評価することはできない。耐火物の特性、とくに耐火物に負荷がかかった際にどのように亀裂が発生、進展するかを評価するためには、個々の欠陥の位置や、複数の欠陥の相対的な位置関係についてのより詳細な情報が必要となる。加えて、前記方法では測定の際に気孔の内部に水や水銀を満たす必要があるため、耐火物の表面に連通している気孔(開気孔)を測定することはできるが、表面に連通していない気孔(閉気孔)を測定することはできない。 For example, the methods of Non-Patent Documents 1 and 2 can evaluate the apparent porosity and pore size distribution, but because defects of various shapes are distributed in a complex manner inside an actual refractory, the characteristics of the refractory cannot be accurately evaluated based on the simple apparent porosity and pore size distribution alone. In order to evaluate the characteristics of the refractory, particularly how cracks develop and progress when a load is applied to the refractory, more detailed information is required about the location of each defect and the relative positional relationship of multiple defects. In addition, the above-mentioned methods require filling the inside of the pores with water or mercury during measurement, so they can measure pores that are connected to the surface of the refractory (open pores), but cannot measure pores that are not connected to the surface (closed pores).
一方、特許文献1、2のように、偏光させた光や超音波を用いる方法であれば、閉気孔についての情報も得られると考えられる。しかし、これらの方法でも、やはり個々の欠陥の詳細な分布や、複数の欠陥の相対的な位置関係を精度良く評価することは困難であった。 On the other hand, it is thought that information about closed pores can be obtained by using methods that use polarized light or ultrasound, such as those described in Patent Documents 1 and 2. However, even with these methods, it is still difficult to accurately evaluate the detailed distribution of individual defects or the relative positional relationships between multiple defects.
また、非特許文献3で提案されているようにX線CTスキャンを用いれば、内部欠陥の詳細な位置情報を得ることはできる。しかし、X線CTスキャンによって得られる透過画像データは極めて複雑であり、その解析は困難であった。特に、耐火物内に発生、進展する亀裂の挙動を理解するためには、耐火物へ負荷がかかった際の欠陥の発生、成長挙動を把握する必要がある。そしてそのためには、隣接する複数の欠陥の相対的な位置関係まで含めた解析を行う必要がある。しかし、X線CTスキャンなどの方法で得られる透過画像データから、そのような高度な解析の手法は確立されていないのが実状であった。 In addition, as proposed in Non-Patent Document 3, detailed position information of internal defects can be obtained by using X-ray CT scanning. However, the transmission image data obtained by X-ray CT scanning is extremely complex, making its analysis difficult. In particular, to understand the behavior of cracks that occur and grow within refractories, it is necessary to grasp the occurrence and growth behavior of defects when a load is applied to the refractory. To do this, it is necessary to conduct an analysis that includes the relative positional relationships of multiple adjacent defects. However, the reality is that such advanced analytical methods have not been established using transmission image data obtained by methods such as X-ray CT scanning.
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、耐火物の内部に存在する欠陥の相対的位置関係や、その変化を容易に把握可能な、耐火物の欠陥評価方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide a method for evaluating defects in refractories that can easily grasp the relative positional relationship of defects present inside the refractory and their changes.
本発明は上述の知見に基づいてなされたものであり、以下を要旨とするものである。 The present invention was made based on the above findings, and has the following gist:
1.耐火物の内部に存在する欠陥を評価する、耐火物の欠陥評価方法であって、
前記耐火物の透過画像データを取得する透過画像データ取得工程と、
前記透過画像データ取得工程で取得した前記透過画像データに対して、位相幾何学的解析を行う解析工程と、
を含むことを特徴とする耐火物の欠陥評価方法。
1. A method for evaluating defects in a refractory material, comprising:
A transmission image data acquisition step of acquiring transmission image data of the refractory material;
an analysis step of performing a topological analysis on the transmission image data acquired in the transmission image data acquisition step;
A method for evaluating defects in a refractory material, comprising:
2.前記解析工程における位相幾何学的解析を、パーシステントホモロジーを用いて行う、上記1に記載の耐火物の欠陥評価方法。 2. A method for evaluating defects in a refractory material as described in 1 above, in which the topological analysis in the analysis step is performed using persistent homology.
3.前記透過画像データ取得工程における透過画像データの取得を、X線CTスキャン装置を用いて行う、上記1または2に記載の耐火物の欠陥評価方法。 3. The refractory defect evaluation method described in 1 or 2 above, in which the transmission image data acquisition step is performed using an X-ray CT scanning device.
本発明の方法によれば、耐火物内部に3次元的に存在する欠陥を、非破壊で評価することができる。本発明の方法では、位相幾何学的解析を利用することにより、X線CTスキャンなどの手法によって得た透過画像データから、欠陥のサイズや分布に関する情報を数値化し、容易に把握することができる。これにより、破壊の原因となる欠陥を特定し、耐火物の安定性(安全性)を正確に評価することができる。 The method of the present invention allows for non-destructive evaluation of defects that exist three-dimensionally inside refractories. By utilizing topological analysis, the method of the present invention allows for easy understanding of information regarding the size and distribution of defects, which can be quantified from transmission image data obtained by techniques such as X-ray CT scanning. This allows for the identification of defects that cause destruction, and for an accurate evaluation of the stability (safety) of the refractory.
以下、本発明について詳細に説明する。なお、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。 The present invention will be described in detail below. Note that the present invention is not limited to this embodiment.
本発明の一実施形態における耐火物の欠陥評価方法は、耐火物の内部に存在する欠陥を評価する、耐火物の欠陥評価方法であって、前記耐火物の透過画像を取得する透過画像データ取得工程と、前記透過画像データ取得工程で取得した前記透過画像データに対して、位相幾何学的解析を行う解析工程とを含む。 The refractory defect evaluation method according to one embodiment of the present invention is a refractory defect evaluation method for evaluating defects present inside the refractory, and includes a transmission image data acquisition process for acquiring a transmission image of the refractory, and an analysis process for performing a topological analysis on the transmission image data acquired in the transmission image data acquisition process.
[耐火物]
上記耐火物としては、とくに限定されることなく任意の耐火物を対象とすることができる。前記耐火物は、定型耐火物および不定形耐火物のいずれであってもよい。前記耐火物としては、例えば、MgO-C煉瓦、Al2O3-SiC-C煉瓦、高アルミナ煉瓦、シャモット煉瓦、ろう石煉瓦、珪石煉瓦、キャスタブル耐火物、プラスチック耐火物、モルタル、断熱耐火物などが挙げられるが、これらに限定されない。なお、キャスタブル耐火物とは、流し込み施工可能(キャスタブル)な耐火物である。また、プラスチック耐火物とは、文字通り可塑性(plastic)の耐火物である。
[Refractories]
The refractory is not particularly limited and may be any refractory. The refractory may be either a shaped refractory or an unshaped refractory. Examples of the refractory include, but are not limited to, MgO-C bricks, Al 2 O 3 -SiC-C bricks, high alumina bricks, chamotte bricks, wax stone bricks, silica bricks, castable refractories, plastic refractories, mortar, and heat insulating refractories. The castable refractory is a refractory that can be poured (castable). The plastic refractory is literally a plastic refractory.
[欠陥]
本発明の方法は、耐火物の内部に存在する欠陥を評価対象とする。ここで、「欠陥」とは、耐火物の内部に存在する構造上の欠陥(構造欠陥ともいう)を指し、亀裂および空隙(開気孔および閉気孔)を含む。
[defect]
The method of the present invention evaluates defects present inside the refractory. Here, the term "defect" refers to structural defects (also called structural defects) present inside the refractory, and includes cracks and voids (open pores and closed pores).
[透過画像データ取得工程]
本発明の方法では、まず、前記耐火物の透過画像データを取得する(透過画像データ取得工程)。前記透過画像データを取得する方法はとくに限定されず、耐火物内部の欠陥に関する情報を含む透過画像データを取得できる方法であれば任意の方法を用いることができる。汎用性の観点からは、前記透過画像データ取得工程における透過画像データの取得を、X線CTスキャン装置を用いて行うことが好ましい。一般的なX線源であるX線管に比べて輝度や指向性に優れる放射光X線を用いて透過画像データを取得することもできる。
[Transmission image data acquisition process]
In the method of the present invention, first, transmission image data of the refractory is acquired (transmission image data acquisition step). The method of acquiring the transmission image data is not particularly limited, and any method can be used as long as it can acquire transmission image data including information about defects inside the refractory. From the viewpoint of versatility, it is preferable to acquire the transmission image data in the transmission image data acquisition step using an X-ray CT scanning device. Transmission image data can also be acquired using synchrotron X-rays, which have superior brightness and directivity compared to X-ray tubes, which are general X-ray sources.
[解析工程]
次いで、前記透過画像データ取得工程で取得した前記透過画像データに対して、位相幾何学的解析を行う(解析工程)。上述したように、実際の耐火物の内部には多数の微細な欠陥が存在しており、かつそのサイズや位置は一様では無く、3次元的に複雑に分布している。そのため、X線CTスキャンなどの手法で得られる透過画像データは、非常に複雑であり、そのままでは欠陥の分布や材料特性への影響を容易には理解することができない。そこで、位相幾何学的解析によって透過画像データに含まれる膨大な欠陥の情報から比較的理解の容易なパラメータを抽出することにより、耐火物の内部に存在する欠陥の相対的位置関係や、その変化を容易に把握することが可能となる。
[Analysis process]
Next, a topological analysis is performed on the transmission image data acquired in the transmission image data acquisition process (analysis process). As described above, many fine defects exist inside the actual refractory, and the size and position of the defects are not uniform, but are distributed in a three-dimensionally complex manner. Therefore, the transmission image data obtained by a method such as X-ray CT scanning is very complex, and it is not easy to understand the distribution of defects and their influence on material properties as it is. Therefore, by extracting relatively easy-to-understand parameters from the information on the huge number of defects contained in the transmission image data by the topological analysis, it becomes possible to easily grasp the relative positional relationship of defects existing inside the refractory and their changes.
以下、前記位相幾何学的解析としてパーシステントホモロジーを用いる場合について説明するが、本発明における位相幾何学的解析としては、これに限られることなく任意の方法を用いることができる。 The following describes the case where persistent homology is used as the topological analysis, but the topological analysis in the present invention is not limited to this and any method can be used.
パーシステントホモロジーは非特許文献4に説明されているとおりの解析手法であるが、以下、その概略について説明する。 Persistent homology is an analytical method as explained in Non-Patent Document 4, but we will provide an overview of it below.
例として、図1に示されるような2次元平面上の点群配置をパーシステントホモロジーにより解析する場合について説明する。ここで、各点は解析の対象となるもの(本発明の場合は欠陥)の位置を表している。そして、前記各点を中心とする円を仮想的に設定し、前記円の半径を増加させていく。 As an example, we will explain the case where a point cloud arrangement on a two-dimensional plane as shown in Figure 1 is analyzed using persistent homology. Here, each point represents the position of the object to be analyzed (in this case, a defect). Then, a circle is virtually set with each point as its center, and the radius of the circle is increased.
図1に示された点のうち、破線で囲まれた4つの点1、2、3、4に着目した場合、各点を中心とする円は、半径をr1、r2、r3、r4、r5と増加させていくにしたがって図2に示すような挙動を取る。パーシステントホモロジーでは、このように円の半径を増加させた際に、隣接する円の間に形成される孔の生成と消滅に着目する。 If we focus on the four points 1, 2, 3, and 4 surrounded by dashed lines among the points shown in Figure 1, the circles centered on each point behave as shown in Figure 2 as the radius is increased to r1, r2, r3, r4, and r5. In persistent homology, we focus on the creation and disappearance of holes that are formed between adjacent circles when the radius of the circle is increased in this way.
すなわち、半径がr1の時点では各円は接していないが(図2(a))、半径をr2まで増加させると4つの円が接することにより点配置1-2-3-4上の円の間に孔1-2-3-4が形成される(図(2b))。そして、さらに半径がr3まで増加すると、上下の円の周同士が接する結果、孔1-2-3-4が消滅し、2つの孔1-2-4および孔2-3-4に分割される(図(2c))。この孔1-2-3-4の生成と消滅の対応関係を孔1-2-3-4が生成および消滅した際の仮想円の半径の対(r2,r3)を、点配置1-2-3-4を表すbirth-death-pearと称する。そして、birth-death-pearを構成する要素のうち、孔の生成に対応するものをbirth 値、孔の消滅に対応するものをdeath値という。 That is, when the radius is r1, the circles are not in contact (Fig. 2(a)), but when the radius is increased to r2, the four circles come into contact, forming a hole 1-2-3-4 between the circles on the point arrangement 1-2-3-4 (Fig. 2(b)). When the radius is further increased to r3, the circumferences of the upper and lower circles come into contact, causing the hole 1-2-3-4 to disappear and split into two holes 1-2-4 and 2-3-4 (Fig. 2(c)). The corresponding relationship between the creation and disappearance of this hole 1-2-3-4 is the pair of radii (r2, r3) of the virtual circles when the hole 1-2-3-4 is created and disappeared, and is called the birth-death-pear that represents the point arrangement 1-2-3-4. Among the elements that make up the birth-death-pear, the one that corresponds to the creation of the hole is called the birth value, and the one that corresponds to the disappearance of the hole is called the death value.
さらに仮想円の半径を増大させ、半径がr4になると2つの孔のうち孔2-3-4が消滅し(図(2d))、さらに半径がr5になると残っていた孔1-2-4も消滅する(図(2e))。それぞれ点配置2-3-4および1-2-4に対応する(r3,r4)および(r3,r5)が各点群配置を表すbirth-death-pearとして求められる。 When the radius of the virtual circle is further increased and becomes r4, hole 2-3-4 of the two holes disappears (Fig. (2d)), and when the radius becomes r5, the remaining hole 1-2-4 also disappears (Fig. (2e)). (r3, r4) and (r3, r5), which correspond to point arrangements 2-3-4 and 1-2-4, respectively, are obtained as birth-death-pears representing each point cloud arrangement.
なお、birth値は孔を囲む点群の隣接最大距離の1/2、death値はその点群のうち少なくとも2つの点に内接する円の半径を意味する。このことから、birth値およびdeath値には、それぞれ孔を囲う点群間の近接距離と点群が囲む孔の大きさに数値化されていることがわかる。また、birth値とdeath値の差が大きい程、より広い空間に拡がる特徴的な点群配置を示す要素として識別が可能となる。 The birth value is half the maximum distance between adjacent points surrounding a hole, and the death value is the radius of a circle inscribed in at least two points in the point cloud. From this, it can be seen that the birth value and death value are quantified to represent the proximity distance between the point clouds surrounding a hole and the size of the hole surrounded by the point cloud, respectively. Furthermore, the larger the difference between the birth value and the death value, the more easily it can be identified as an element that indicates a characteristic point cloud arrangement that spreads over a wider space.
このようにして得られるbirth-death-pearには、元の点群データの持つ構造情報が集約されている。得られたbirth-death-pearを、birth値を横軸、death値を縦軸にとってプロットした図をパーシステント図 (persistent diagram、PD)と呼び、パーシステント図を用いることにより、複数の点群配置の構造情報を視覚的に表し、定量的に解析することができる。なお、パーシステント図には次数が存在し、0次のパーシステント図は点群の連結成分、1次のパーシステント図は点群による2次元の孔の形成、2次のパーシステント図は3次元の空洞の形成に関わる点群配置の情報を、それぞれ有している。 The birth-death-pear obtained in this way consolidates the structural information of the original point cloud data. A diagram in which the obtained birth-death-pear is plotted with the birth value on the horizontal axis and the death value on the vertical axis is called a persistence diagram (PD), and by using a persistence diagram, the structural information of multiple point cloud arrangements can be visually represented and quantitatively analyzed. Note that persistence diagrams have orders, with a zeroth order persistence diagram containing connected components of point clouds, a first order persistence diagram containing information on the formation of two-dimensional holes by point clouds, and a second order persistence diagram containing information on the point cloud arrangement related to the formation of three-dimensional cavities.
パーシステントホモロジーを、実際に耐火物の欠陥の解析に適用する場合には、欠陥の体積を考慮した1次のパーシステント図を用いる。まず、透過画像データ取得工程で取得した透過画像データに存在する欠陥のそれぞれに対して、各欠陥の体積と同じ体積を有する球(欠陥体積相当球)を、前記欠陥体積相当球の中心が各欠陥の重心に一致するように配置する(図3(a))。そして、図3(b)~(d)に示すように各欠陥体積相当球の半径を増加させてゆく。前記欠陥体積相当球の半径を増加させた球を、以下、仮想球と称する。 When persistent homology is actually applied to the analysis of defects in refractory materials, a first-order persistence diagram that takes into account the volume of the defect is used. First, for each defect present in the transmission image data acquired in the transmission image data acquisition process, a sphere having the same volume as the defect (defect volume equivalent sphere) is placed so that the center of the defect volume equivalent sphere coincides with the center of gravity of the defect (Figure 3(a)). Then, the radius of each defect volume equivalent sphere is increased as shown in Figures 3(b) to (d). The sphere with the increased radius of the defect volume equivalent sphere is hereinafter referred to as a virtual sphere.
半径を徐々に増加させていくと、ある時点において、図3(c)に示したように点1、2、3を中心とする仮想球に囲まれた2次元の孔1-2-3が生成する。そこで、この時点での三角形1-2-3を含む平面を考える。前記平面上において、仮想球断面の接点または交点から欠陥体積相当球断面円に向けて接線を引き、その長さをbirth値とする。 As the radius is gradually increased, at a certain point, a two-dimensional hole 1-2-3 is generated that is surrounded by a virtual sphere with points 1, 2, and 3 as its center, as shown in Figure 3(c). Consider a plane that includes the triangle 1-2-3 at this point. On the plane, draw a tangent from the tangent or intersection of the virtual sphere cross section to the sphere cross section circle equivalent to the defect volume, and the length of that tangent is the birth value.
さらに半径を増加させていくと、ある時点において、図3(d)に示したように孔1-2-3が消滅する。そこで、この時点において、仮想球断面の交点から欠陥体積相当球断面円に向けて引いた接線の長さをdeath値とする。 If the radius is further increased, at a certain point, the hole 1-2-3 disappears as shown in Fig. 3(d). Therefore, at this point, the length of the tangent drawn from the intersection of the imaginary spherical cross section to the spherical cross section circle equivalent to the defect volume is set as the death value.
図4、5は、本発明の耐火物の欠陥評価方法を、実際にアルミナ耐火物に適用した際の結果を示した図である。具体的には、まず、見かけ気孔率14.8%のアルミナ耐火物から、直径φ10mm、高さ10mmのサンプルを切り出した。次いで、X線CTスキャン装置を用いて前記サンプルの内部構造を測定し、3次元の透過画像データ(図4)を取得した。次に、前記透過画像データに対して、先述のパーシステントホモロジーを用いた位相幾何学的解析を行って、空隙分布の解析を行った。図5は、前記解析によって得られたパーシステント図の一例である。 Figures 4 and 5 show the results of applying the refractory defect evaluation method of the present invention to an alumina refractory. Specifically, a sample with a diameter of φ10 mm and a height of 10 mm was cut out from an alumina refractory with an apparent porosity of 14.8%. Next, an X-ray CT scanner was used to measure the internal structure of the sample, and three-dimensional transmission image data (Figure 4) was obtained. Next, a topological analysis was performed on the transmission image data using the persistent homology described above to analyze the void distribution. Figure 5 is an example of a persistence diagram obtained by the analysis.
このように、耐火物のような複雑な多孔質材料においても、パーシステントホモロジーによる解析が可能である。 In this way, persistent homology analysis is possible even for complex porous materials such as refractories.
また、耐火物のサンプル採取位置がたとえ変わったとしても、パーシステントホモロジーのような位相幾何学的解析を行うことで、材料の同一性を評価することもできる。 In addition, even if the location of the refractory sample has changed, the identity of the material can be assessed by performing topological analyses such as persistent homology.
さらに、耐火物材料へ機械的負荷(曲げ荷重、圧縮荷重等)を付与するなど、条件が変化した際のパージステント図の変化を解析することで、材料内に起こる変化を追うことができる。 Furthermore, by analyzing the changes in the purge stent diagram when conditions change, such as when a mechanical load (bending load, compressive load, etc.) is applied to the refractory material, it is possible to track the changes that occur within the material.
例えば、曲げ荷重や圧縮荷重を付与し、耐火物内部に亀裂が発生した場合、パーシステント図上のある領域に新たなbirth値、death値の組み合わせが発生する。さらに、これらの亀裂が成長して隣り合う亀裂が合体する場合、パーシステント図ではある領域のbirth値、death値の組み合わせが減少する。このように耐火物材料の変化をパーシステント図の変化から読み解く事ができる。 For example, when a bending or compressive load is applied and cracks appear inside the refractory, new combinations of birth and death values appear in certain areas on the persistence diagram. Furthermore, when these cracks grow and merge with adjacent cracks, the combinations of birth and death values in certain areas on the persistence diagram decrease. In this way, changes in refractory materials can be interpreted from changes in the persistence diagram.
さらに、パーシステント図から逆解析、相関解析を行うことにより、亀裂の発生しやすい、もしくは破壊に対して敏感な初期亀裂、空隙を特定することも可能である。 In addition, by performing reverse analysis and correlation analysis from the persistence diagram, it is possible to identify initial cracks and voids that are prone to crack initiation or sensitive to fracture.
このように、本発明の耐火物の欠陥評価方法によれば、耐火物への機械的負荷付与に伴ってどのように亀裂が生じるかを、非破壊で、かつ視覚的に評価することが可能である。 In this way, the refractory defect evaluation method of the present invention makes it possible to non-destructively and visually evaluate how cracks develop when a mechanical load is applied to a refractory.
以下、本発明の作用・効果について、実施例を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。 The following describes the effects and advantages of the present invention using examples. Note that the present invention is not limited to the following examples.
本発明の耐火物の欠陥評価方法を用い、耐火物試料に機械的負荷がかかった際に耐火物内部にどのように空隙(亀裂)が生じるのかを評価した。前記耐火物試料としては、見かけ気孔率14%、直径10mm、高さ10mmのアルミナ耐火物を使用した。 Using the defect evaluation method for refractories of the present invention, we evaluated how voids (cracks) are generated inside the refractory when a mechanical load is applied to the refractory sample. As the refractory sample, an alumina refractory with an apparent porosity of 14%, a diameter of 10 mm, and a height of 10 mm was used.
前記耐火物試料に対して、以下のパターンで圧縮荷重を付与した。
(1)無負荷(初期状態)
(2)4.3kN(圧縮強度の70%に相当)の荷重を負荷
(3)除荷
(4)5.0kN(圧縮強度の80%に相当)の荷重を負荷
(5)除荷
A compressive load was applied to the refractory sample in the following pattern.
(1) No load (initial state)
(2) A load of 4.3 kN (corresponding to 70% of the compressive strength) was applied. (3) Loading was removed. (4) A load of 5.0 kN (corresponding to 80% of the compressive strength) was applied. (5) Loading was removed.
上記のパターンで圧縮荷重を付与した際の荷重-クロスヘッド変位曲線を図6に示す。 Figure 6 shows the load-crosshead displacement curve when a compressive load is applied in the above pattern.
そして、上記(1)~(5)の各時点で、X線CTスキャン装置を用いて耐火物試料の空隙分布を撮影して透過画像データを取得し、2次元のパーシステントホモロジーを用いて得られた透過画像データにおける空隙・亀裂分布を解析した。 At each of the above points (1) to (5), an X-ray CT scanner was used to photograph the void distribution in the refractory sample to obtain transmission image data, and the void and crack distribution in the obtained transmission image data was analyzed using two-dimensional persistent homology.
上記(1)~(5)の各時点における2次元パーシステント図を図7に示す。上記(1)が図7(a)に、上記(2)が図7(b)に、上記(3)が図7(c)に、上記(4)が図7(d)に、及び上記(5)が図7(e)にそれぞれ相当する。図7(b)、(c)では、図7(a)に比べてdeath値400~600の範囲(図中、破線で示した領域)で点が増加している。このことから、圧縮強度の70%相当の荷重を付与したことにより400μm~600μm規模の亀裂が新たに発生した、および除荷した後にも前記亀裂が残存していることがわかる。 Figure 7 shows two-dimensional persistence diagrams for each of the above (1) to (5). The above (1) corresponds to Figure 7(a), (2) to Figure 7(b), (3) to Figure 7(c), (4) to Figure 7(d), and (5) to Figure 7(e). In Figures 7(b) and (c), the number of points has increased in the range of death values of 400 to 600 (area indicated by dashed lines in the figure) compared to Figure 7(a). This shows that applying a load equivalent to 70% of the compressive strength caused new cracks of 400 μm to 600 μm in size, and that these cracks remained even after the load was removed.
しかし、図7(d)、(e)を見ると、圧縮強度の80%相当の荷重を付与し、次いで除荷することでdeath値400~600の範囲における点が減少している。このことから、圧縮強度の80%相当の荷重を付与したことにより、上記400μm~600μm規模の新たに発生した亀裂の一部が合体したことがわかる。 However, looking at Figures 7(d) and (e), applying a load equivalent to 80% of the compressive strength and then unloading it reduces the number of points in the death value range of 400 to 600. This shows that applying a load equivalent to 80% of the compressive strength caused some of the newly generated cracks of 400 μm to 600 μm in size to coalesce.
このように、本発明の耐火物の欠陥評価方法によれば、耐火物に負荷がかかった際に、どのように欠陥が発生、合体するのかを、容易に把握することができる。
In this way, according to the refractory defect evaluation method of the present invention, it is possible to easily grasp how defects occur and coalesce when a load is applied to the refractory.
Claims (3)
前記耐火物が定形耐火物または不定形耐火物であり、
前記耐火物に対して機械的負荷をかけた状態と機械的負荷をかけていない状態のそれぞれにおいて前記耐火物の透過画像データを取得する透過画像データ取得工程と、
前記透過画像データ取得工程で取得した前記透過画像データに対して、位相幾何学的解析を行う解析工程と、
を含み、
前記機械的負荷が、曲げ荷重または圧縮荷重であることを特徴とする耐火物の欠陥評価方法。 A method for evaluating defects in a refractory material, comprising:
The refractory material is a shaped refractory material or an unshaped refractory material,
a transmission image data acquisition step of acquiring transmission image data of the refractory both in a state where a mechanical load is applied to the refractory and in a state where a mechanical load is not applied to the refractory;
an analysis step of performing a topological analysis on the transmission image data acquired in the transmission image data acquisition step;
Including,
The method for evaluating defects in a refractory material, wherein the mechanical load is a bending load or a compressive load .
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