(57)【要約】【課題】液面レベルを直接検出できるとともに、設置スペースを最小限に抑えることのできる溶融金属の液面レベル検出装置を提供する【解決手段】  溶融金属２が保持される容器１を構成する側壁１ａの外側であって、容器１の高さ方向のほぼ全域に配置され、側壁１ａを貫通して容器１の内部に磁力線Ｍを形成する磁気ヨーク１２と、磁気ヨーク１２に巻き回される磁気コイル１３と、を含む検出部１１と、磁気コイル１３に交流電流を印加する電源１４と、交流電流が印加される磁気コイル１３のインピーダンスを取得するとともに、取得したインピーダンスに基づいて、容器１に保持される溶融金属２の液面レベルを特定する制御部１５と、を備える液面レベルの検出装置１０。【選択図】図１
2014153137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属が保持される容器を構成する側壁の外側であって、前記容器の高さ方向の所定の範囲に配置され、前記側壁を貫通して前記容器の内部に磁力線を形成する磁気ヨークと、前記磁気ヨークに巻き回される磁気コイルと、を含む検出部と、
前記磁気コイルに交流電流を印加する電源と、
前記交流電流が印加される前記磁気コイルのインピーダンスを取得するとともに、取得した前記インピーダンスに基づいて、前記容器に保持される前記溶融金属の液面レベルを特定する制御部と、
を備えることを特徴とする溶融金属の液面レベル検出装置。
【請求項２】
前記制御部は、
予め測定され、前記容器における前記溶融金属の液面レベルと前記磁気コイルのインピーダンスとが対応付けられたレベル−インピーダンス情報を保持し、
取得した前記インピーダンスをレベル−インピーダンス情報に照合することで、前記液面レベルを特定する、
請求項１に記載の溶融金属の液面レベル検出装置。
【請求項３】
少なくとも前記検出部が対向して配置される前記側壁は、非磁性の耐火物からなる、
請求項１または２に記載の溶融金属の液面レベル検出装置。
【請求項４】
前記磁気ヨークは、
偏平なウェブと、前記ウェブの両端から張り出す一対のフランジと、を備え、
前記フランジの先端が前記側壁に対向して配置され、
前記磁気コイルは、
一対の前記フランジの各々に巻き回される、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶融金属の液面レベル検出装置。
【請求項５】
前記制御部は、
特定された前記溶融金属のレベルに基づいて、前記容器に供給される前記溶融金属の量を制御する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の溶融金属の液面レベル検出装置。
【請求項６】
鋳造の対象となる溶融金属を保持する容器と、
前記容器に保持される前記溶融金属の液面レベルを検出する装置と、を備え、
前記液面レベルを検出する装置は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の液面レベル検出装置であることを特徴とする鋳造設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造装置に用いられる、溶融金属を保持する容器内における液面を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、溶融金属を保持する容器内における液面を検出する装置として、いくつかの提案がなされている。
例えば、特許文献１は、鋳型内の溶鋼の液面レベルの変化を鋳型温度の変化として捉え、これによって生ずる鋳型壁の固有抵抗の変化によって生ずる渦電流の大きさの変化を利用する検出装置を開示している。この検出装置によると、広範囲の渦電流変化を１つの検出器により、広範囲でしかも連続的に液面レベルを検出できるとしている。
また、特許文献２は、溶融金属が収容されている容器の外側に、送信コイル及び受信コイルと、送信コイルに交番電圧を印加する手段と、受信コイルにおける誘起電圧を検出する手段とを備える検出装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭４８−９３５３９号公報
【特許文献２】特開平４−２５８３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された検出装置は、液面レベルの変化を鋳型温度の変化として間接的に捉えるため、液面レベルの変化を正確に検出することはできない。
特許文献２に開示された検出装置は、特許文献１に比べて検出精度は高いが、容器を挟んで送信コイルと受信コイルを対向配置する必要がある。したがって、送信コイルと受信コイルの設置スペースがない場合には適用することができない。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、液面レベルを直接検出できるとともに、設置スペースを最小限に抑えることのできる溶融金属の液面レベル検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる目的のもとになされた本発明の溶融金属の液面レベル検出装置は、検出部と、電源と、制御部と、を備えていることを特徴とする。
検出部は、溶融金属が保持される容器を構成する側壁の外側であって、容器の高さ方向の所定の範囲に配置され、側壁を貫通して容器の内部に磁力線を形成する磁気ヨークと、磁気ヨークに巻き回される磁気コイルと、を含む。
電源は、磁気コイルに交流電流を印加する。
そして、制御部は交流電流が印加される磁気コイルのインピーダンスを取得するとともに、取得したインピーダンスに基づいて、容器に保持される溶融金属の液面レベルを特定する。
本発明の液面レベル検出装置は、磁力線が空間を通過するのと溶融金属を通過するのとで磁気コイルのインピーダンスが相違することに基づいて、溶融金属の液面レベルを特定するので、液面レベルを直接検出できる。
また、本発明の液面レベル検出装置は、容器の外側に、磁気ヨークと磁気コイルからなる一つの検出部を設けるだけでよいので、設置スペースを最小限に抑えることができる。
【０００６】
本発明の液面レベル検出装置において、制御部は、予め測定され、容器における溶融金属の液面レベルと磁気コイルのインピーダンスとが対応付けられたレベル−インピーダンス情報を保持し、取得したインピーダンスをレベル−インピーダンス情報に照合することで、液面レベルを特定することができる。このように、レベル−インピーダンス情報を用いることで、高い精度で液面レベルを特定できる。
【０００７】
本発明の液面レベル検出装置において、少なくとも検出部が対向して配置される側壁は、非磁性の耐火物からなることが好ましい。容器の内部まで磁力線を確実に形成するためである。
【０００８】
本発明の液面レベル検出装置において、磁気ヨークは、偏平なウェブと、ウェブの両端から張り出す一対のフランジと、を備えるＣ型の磁気ヨークを用い、フランジの先端が側壁に対向して配置され、磁気コイルは、一対のフランジの各々に巻き回されることが好ましい。
最も本発明は、Ｃ型の磁気ヨークの他に、例えば、Ｅ型の磁気ヨークを、容器の形状、あるいは磁気ヨークを設置する上での制約に応じて選択できる。
【０００９】
本発明において、制御部は、特定された溶融金属のレベルに基づいて、容器に供給される溶融金属の量を制御することができる。この例として、溶融金属のレベルを一定に制御することが掲げられる。
【００１０】
本発明の液面レベル検出装置は、鋳造の対象となる溶融金属を保持する容器と、容器に保持される溶融金属の液面レベルを検出する装置と、を備える鋳造設備に適用することができる。この鋳造設備は、後述する第３実施形態に示すように、連続鋳造設備にも用いることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、液面レベルを直接検出できるとともに、設置スペースを最小限に抑えることのできる溶融金属の液面レベル検出装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による第１実施形態の液面レベル検出装置を示す上面図である。
【図２】図１の液面レベル検出装置の側断面図である。
【図３】第１実施形態の液面レベル検出装置の作用を説明する図であり、（ａ）は溶融金属の量が多く、（ｂ）は溶融金属の量が少ない。
【図４】第１実施形態の液面レベル検出装置の演算部が保持するテーブルデータの一例を示す図である。
【図５】第１実施形態の変形例を示す側断面図である。
【図６】本発明による第２実施形態の液面レベル検出装置を示す側断面図である。
【図７】本発明による第３実施形態の液面レベル検出装置を示す側断面図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図８】図７の液面レベル検出装置の検出部の近傍の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態の液面レベル検出装置（以下、単に検出装置）１０は、図１、図２に示すように、溶融金属２を保持する容器１に付随して設けられ、容器１に保持される溶融金属２の液面３のレベルを検出する。容器１は、図示を省略する溶融金属の供給源から受けた溶融金属２を保持しながら、鋳型、その他の溶融金属の使用先に供給する。
第１実施形態において、容器１は、セラミックス、その他の非磁性の耐火物からなり、溶融金属２は、鋼に代表される鉄系金属、ニッケル系金属、その他の金属を広く対象にすることができる。
【００１４】
検出装置１０は、磁気ヨーク１２及び磁気ヨーク１２に巻き回され磁気コイル１３を含む検出部１１と、磁気コイル１３に交流電流を印加する電源１４と、電源制御部１６及び演算部１７を含む制御部１５と、を備えている。
検出部１１は容器１の側壁１ａの外側に近接して配置されており、検出部１１と容器１の間を遮るものはない。検出部１１は、容器１の高さ方向に沿って、かつ、高さ方向のほぼ全域に亘って設けられている。
磁気ヨーク１２は、高透磁率材からなる板材、例えばＣ型の電磁鋼板を必要な枚数だけ積層することで構成される。磁気ヨーク１２は、平板状のウェブ１２ａと、ウェブ１２ａの両端からウェブ１２ａに直交する向きに張り出す一対のフランジ１２ｂ，１２ｂと、を備えており、フランジ１２ｂ，１２ｂの先端が容器１の側壁１ａに対向するように配置されている。
磁気コイル１３は、各々のフランジ１２ｂ，１２ｂに電線を必要な回数だけ巻き回すことで構成される。各々のフランジ１２ｂ，１２ｂに巻き回された電線は電気的に接続されている。磁気コイル１３は電源１４と接続されており、制御部１５からの指示にしたがって、電源１４から磁気コイル１３に交流電流が印加される。
【００１５】
制御部１５は、電源制御部１６と演算部１７を備えている。
電源制御部１６は、電源１４から磁気コイル１３に印加する交流電流の条件（周波数、振幅）を設定するとともに、設定した条件で交流電流が印加されるように電源１４を制御する。
演算部１７は、容器１が溶融金属２を保持している間、磁気コイル１３のインピーダンスを取得するとともに、取得したインピーダンスに基づいて、容器１における溶融金属２の液面３を演算により求める。
【００１６】
電源１４から磁気コイル１３に交流電流を印加すると、図１に示すように、磁気ヨーク１２の一方のフランジ１２ｂの先端（Ｎ極）から他方のフランジ１２ｂの先端（Ｓ極）に向けて磁力線Ｍが形成される。この磁力線Ｍは、容器１の側壁１ａを貫通するとともに、容器１の内部を通過する。なお、電源１４から磁気コイル１３に印加する交流電流は、磁力線Ｍが容器１の内部を通過することを前提として印加する必要がある。
【００１７】
磁気コイル１３のインピーダンスは、磁力線Ｍが通過する容器１の内部の状態によって相違する。本実施形態の場合、容器１の内部に存在するのは溶融金属２及び空間４であり、磁力線Ｍが通過するのが溶融金属２か空間４のいずれかによって、磁気コイル１３のインピーダンスが相違する。磁力線Ｍは容器１の高さ方向の全域に形成されるので、容器１の中に保持される溶融金属２の量、つまり液面が変動すれば、液面３よりも上の空間４の量も変動する。なお、空間４は、通常は大気であるが、容器１の内部に窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガスを充填する場合もある。
【００１８】
図３のケースを考える。なお、図３（ａ）は溶融金属２の量が多く液面３のレベルが高く、図３（ｂ）は溶融金属２の量が少なく液面３のレベルが低い。両者ともに、液面３よりも上は空間４である。
図３（ａ）、（ｂ）を比較すれば、液面３のレベルが高い方が液面３のレベルが低いのに比べて、磁力線Ｍが溶融金属２を通過する量が多いことを、容易に理解できる。ここで、磁力線Ｍが空間４を通過するのに比べて溶融金属２を通過する方が、磁気コイル１３のインピーダンスは高くなる。したがって、液面３のレベルが変動すると、磁気コイル１３のインピーダンスは液面３のレベルに対応した値になる。つまり、本実施形態の検出装置１０は、磁気コイル１３のインピーダンスを検出することにより、液面３を特定する。
【００１９】
インピーダンスの検出結果から液面３のレベルを特定するには、以下の手法を採用することができる。
この手法は、予め容器１に溶融金属２を供給しながら磁気コイル１３のインピーダンスを測定し、液面３のレベルと測定されたインピーダンスを対応付けて記憶させる。その一例を図４に示す。図４の例は、一行目から順に、液面レベル（ｈ0，ｈ1，ｈ2…）とインピーダンス（Ｚ0，Ｚ1，Ｚ2…）が対応付けられたテーブルデータであり、演算部１７に記憶されている。このテーブルデータは、空の容器１に溶融金属２を供給しながら磁気コイル１３のインピーダンスを測定し、測定されたインピーダンスと液面３のレベルを対応付けて記憶したものである。図４の例では、容器１が空の状態を液面レベルｈ0で示し、そのときのインピーダンスがＺ0であり、また、容器１に溶融金属２が満杯になった状態を液面レベルｈ100で示し、そのときのインピーダンスがＺ100である。
【００２０】
演算部１７は、以上のテーブルデータを保持しておく。そして、容器１に溶融金属２を供給し、実際に液面３のレベルを特定する場合には、演算部１７は磁気コイル１３のインピーダンスを連続的に取得し、取得したインピーダンスとテーブルデータを照合する。例えば、取得したインピーダンスがＺ50であれば、演算部１７は、液面３のレベルがｈ50であることを特定する。
【００２１】
磁気コイル１３のインピーダンスは、溶融金属２の材質によって変動しうるものである。したがって、容器１に保持される溶融金属２が複数材質あるのであれば、材質ごとにテーブルデータを用意しておき、検出対象となる溶融金属２の材質に適合したテーブルデータを選択して、液面３のレベルを特定すればよい。また、溶融金属２の材質に限らず、磁気コイル１３のインピーダンスを変動させる要素があるのであれば、その要素に対応したテーブルデータを用意することで、高い精度で液面３のレベルを特定することができる。
【００２２】
本発明は、液面３を特定するのに、以上説明したテーブルデータを用いる手法に限るものではない。容器１の材質及び容量、溶融金属２の材質などの条件は既知である。したがって、測定されたインピーダンスを用いて、磁場解析的に液面３のレベルを特定することもできる。
【００２３】
以上説明した通りであり、本実施形態によると、溶融金属２に磁力線Ｍを通過させることで、溶融金属２の液面３のレベルを直接検出できる。しかも、検出部１１を容器１の側壁１ａに沿って配置するので、容器１の上方に他の付帯設備があっても液面３を検出できる。
また、磁気ヨーク１２と磁気コイル１３からなる検出部１１だけを設ければよいので、送信コイルと受信コイルを必要とする従来の検出装置に比べて、検出装置の設置スペースを抑えることができるのに加えて、コストを抑えることもできる。
【００２４】
以上説明した検出部１１は、容器１の高さ方向の全域にわたって設けられているが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５に示すように、容器１の高さ方向の任意の領域のみに検出部２１を設けることもできる。液面３の変動範囲が一部に限られる場合に有効である。
図５に示す検出部２１は高さ方向の寸法が短いので、検出部１１に比べてインピーダンスの検出感度を向上させることが可能となる。もちろん、コスト的にも有利である。なお、任意の領域のみに検出部２１を設ける場合、これを高さ方向に移動させながら液面レベルを検出することもできる。
【００２５】
また、検出部１１，２１のいずれにおいても、検出対象である溶融金属２の磁気特性、検出部１１，１２の設置条件に応じて、磁気コイル１３に印加する交流電流の周波数を調整することにより、検出感度を調整することもできる。
【００２６】
［第２実施形態］
次に、検出された液面３のレベルを有効に用いる例を、第２実施形態として説明する。
第２実施形態は、図６に示すように、容器１に溶融金属２を供給するタンディッシュ５を備え、このタンディッシュ５から容器１に供給される溶融金属２の量を、検出された液面３のレベルに基づいて制御する。なお、図６において、第１実施形態と同じ要素には、第１実施形態と同じ符号を付している。
【００２７】
タンディッシュ５には溶融金属２を容器１に向けて流すための流路５ａが形成されている。この流路５ａには、溶融金属２の流量を調整する弁６が設けられている。この弁６が昇降することにより、容器１に供給される溶融金属２の流量が調整される。タンディッシュ５の底部には流路５ａに連なる供給ノズル７が設けられており、溶融金属２はこの供給ノズル７を通って容器１に供給される。供給ノズル７には、流量検出器８が設けられている。流量検出器８は、供給ノズル７を流れる溶融金属２の流量を検出する。
【００２８】
第２実施形態の検出装置２０は、制御部２５が、電源制御部１６及び演算部１７に加えて、弁制御部１８を備えている。弁制御部１８は、演算部１７で求められる容器１における溶融金属２の液面３のレベル情報を取得する。弁制御部１８は、取得した液面３のレベル情報に基づいて、弁６を昇降させて、タンディッシュ５から容器１に供給する溶融金属２の量を調整する。そうすることで、制御部２５は、容器１における溶融金属２の液面３を必要なレベルに制御する。
【００２９】
以下、検出装置２０により、容器１における液面３を一定のレベルに制御する例について説明する。なお、液面３のレベルの特定は、第１実施形態と同じ手法で行なわれるものとする。
いま、制御したい一定の液面３のレベルを図４の「ｈ50」とする。弁制御部１８は、この「ｈ50」を制御対象ｈｃとして保持するとともに、逐次特定される液面３のレベル情報ｈｉを演算部１７から取得する。弁制御部１８は、取得したレベル情報ｈｉと制御対象ｈｃを照合する。弁制御部１８は、レベル情報ｈｉが制御対象ｈｃよりも低い（ｈｉ＜ｈｃ）と判断すれば、弁６の開度を大きくすることで、タンディッシュ５から容器１に供給する溶融金属２の量を増やす。逆に、弁制御部１８は、レベル情報ｈｉが制御対象ｈｃよりも高い（ｈｉ＜ｈｃ）と判断すれば、弁６の開度を小さくすることで、タンディッシュ５から容器１に供給する溶融金属２の量を減らす。
【００３０】
弁６の開度を大きくする程度、または、小さくする程度は、レベル情報ｈｉと制御対象ｈｃの差（ｈｃ−ｈｉ）に基づいて設定すればよい。しかるに本実施形態は、流量検出器８を備えているので、容器１に実際に供給された溶融金属２の量を検出できる。したがって、流量検出器８で検出された流量をも考慮して、弁６の開度を設定することが、液面３を高い精度で一定に制御するのに有効である。
なお、流量検出器８としては、電磁流量計を用いることができる。電磁流量計は、磁界中を導電体が動くと導電体内に電圧が発生する、という、ファラデーの電磁誘導の法則を利用するものである。具体的には、電磁流量計は、導電性流体の流れと直角方向の磁界をパイプ外部から印加して、流れと磁界の両方に対して直角方向に発生する起電力を、パイプ内壁に一対の電極を設けて導電性流体に接触させて測定する。ただし、流量検出器８は、電磁流量計に限るものでなく、他の方式の流量計を用いることを許容する。
【００３１】
以上説明したように、第２実施形態の検出装置２０によると、液面レベルを一定に制御することができるので、容器１において溶融金属２の温度調整、および、成分調整を高精度で実現できる。その結果、容器１から出湯後に生産される鋳造製品の品質安定及び歩留まりの向上に寄与する。
【００３２】
［第３実施形態］
第３実施形態の検出装置は、図７に示すように、連続鋳造設備４０に設けられている。
連続鋳造設備４０は、一対のロール４１，４１を用いる双ロール法による装置である。双ロール法は当業者間で周知の技術であるので、ここでは要旨のみをはじめに説明する。
一対のロール４１，４１は、通常、熱伝導性の優れた銅、銅合金で作製され、内部に水冷機構を設けることで、溶融金属２の冷却能を確保する。２つのロール４１，４１が対向して配置されることで、タンディッシュ５の供給ノズル７を介して供給される溶融金属２が一旦貯留される溶湯溜まり４２が形成される。
溶融金属２は、一対のロール４１，４１と接触することで凝固シェルが生成され溶融金属２の周囲を取り囲み、鋳片Ｃとなってロール４１，４１の間から引き出される。引き出された鋳片Ｃは、図示を省略するピンチローラを通る過程で、冷却が進んで内部の溶融金属２の部分も次第に凝固される。
なお、ここでは双ロールによる連続鋳造設備を例示するが、他のタイプの連続鋳造設備、例えば固定式のモールドを用いた連続鋳造設備に対し適用することができる。
【００３３】
連続鋳造設備４０は、一対のロール４１，４１の軸方向の両側に、矩形状の側壁４３，４３が対向して配置されている。側壁４３，４３が配置されるので、鋳片Ｃの幅方向の寸法が規制される。側壁４３，４３は、セラミックス、その他の非磁性の耐火物からなる。一対のロール４１，４１、及び、一対の側壁４３，４３により、溶融金属２を保持する容器が形成され、溶湯溜まり４２はこの容器に形成される。
【００３４】
連続鋳造設備４０は、一方の側壁４３の外側に検出部３１を備えている。検出部３１は、磁気ヨーク１２及び磁気コイル１３を有する検出部１１，２１と同様の構成を備えている。
また、連続鋳造設備４０は、図示を省略するが、第２実施形態の制御部２５と同様の制御部を備え、液面３のレベルの検出、供給ノズル７の開度の調整を第２実施形態と同様に行なうことができる。
【００３５】
第３実施形態においても、溶湯溜まり４２の液面３のレベルを検出することができる。図８に示すように、検出部３１の寸法によっては、形成される磁力線Ｍが一対のロール４１，４１を通過することもあるが、液面３のレベルが変われば磁気コイル１３のインピーダンスが変わることについては、第１，２実施形態と同様である。
【００３６】
以上、本発明を第１〜３実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、磁気ヨーク１２としてＣ型のものを用いる例を示したが、例えば断面がＥ型の磁気ヨークを用いることもできる。
また、溶融金属を保持する容器は任意であり、容器１、ロール４１，４１と側壁４３，４３により形成されるモールドに限るものでない。
さらに、第２実施形態では液面３を一定に制御することを示したが、これに限らず、例えば、液面３を一定の速度で減少させるのに本発明を適用することもできる。
【符号の説明】
【００３７】
１      容器
１ａ    側壁
２      溶融金属
３      液面
４      空間
５      タンディッシュ
５ａ    流路
６      弁
７      供給ノズル
８      流量検出器
１０，２０  検出装置
１１，２１，３１  検出部
１２    磁気ヨーク
１２ａ  ウェブ
１２ｂ  フランジ
１３    磁気コイル
１４    電源
１５，２５  制御部
１６    電源制御部
１７    演算部
１８    弁制御部
４０    連続鋳造設備
４１    ロール
４２    溶湯溜まり
４３    側壁
Ｃ      鋳片
Ｍ      磁力線
【図１】
2014153137.tif 000003
【図２】
2014153137.tif 000004
【図３】
2014153137.tif 000005
【図４】
2014153137.tif 000006
【図５】
2014153137.tif 000007
【図６】
2014153137.tif 000008
【図７】
2014153137.tif 000009
【図８】
2014153137.tif 000010