(57)【要約】【課題】  凝固完了位置の形状を捉え、凝固完了位置の形状に連動して変化する中心偏析の程度を凝固完了位置の形状に基づいてオンラインで的確に判定する。【解決手段】  横波超音波センサー６，８と、該センサーの配置位置と同一位置又は鋳造方向に離れた鋳片幅方向の同一位置に設置された縦波超音波センサー７，９と、該センサーの受信信号に基づき計算式から凝固完了位置４を求める凝固完了位置演算部と、を備え、横波センサーの受信信号の強度変化によって横波センサーの配置位置と鋳片の凝固完了位置とが一致したことが確認された時点において、計算式により算出される凝固完了位置が横波センサーの配置位置と合致するように、前記計算式が校正される凝固完了位置検知装置を用いて、鋳片の凝固完了位置を検出し、検出された凝固完了位置の最短部と最長部との差に基づいて鋳片の品質判定を行なう。【選択図】            図１
2006198645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造鋳片に対して横波超音波を送信し且つ送信した横波超音波を受信する横波超音波センサーと、該横波超音波センサーの配置位置と連続鋳造機の同一位置または鋳造方向に離れた鋳片幅方向の同一位置に設置された、連続鋳造鋳片に対して縦波超音波を送信し且つ送信した縦波超音波を受信する縦波超音波センサーと、該縦波超音波センサーで受信した受信信号に基づき計算式を用いて鋳片の凝固完了位置を求める凝固完了位置演算部と、を備え、前記横波超音波センサーの受信信号の強度の変化によって横波超音波センサーの配置位置と鋳片の凝固完了位置とが一致したことが確認された時点において、前記計算式により算出される凝固完了位置が横波超音波センサーの配置位置と合致するように、前記計算式が校正される凝固完了位置検知装置を用いて、連続鋳造鋳片の鋳片幅方向の凝固完了位置を検出し、検出された最短凝固完了位置と検出された最長凝固完了位置との差に基づいて鋳片の品質判定を行なうことを特徴とする、連続鋳造鋳片の品質判定方法。
【請求項２】
連続鋳造鋳片に対して横波超音波を送信し且つ送信した横波超音波を受信する第１の横波超音波センサーと、第１の横波超音波センサーの配置位置と連続鋳造機の同一位置または鋳造方向に離れた鋳片幅方向の同一位置に設置された、連続鋳造鋳片に対して縦波超音波を送信し且つ送信した縦波超音波を受信する縦波超音波センサーと、第１の横波超音波センサーの鋳造方向下流側の鋳片幅方向の同一位置に設置された、連続鋳造鋳片に対して横波超音波を送信し且つ送信した横波超音波を受信する第２の横波超音波センサーと、前記縦波超音波センサーで受信した受信信号に基づき計算式を用いて鋳片の凝固完了位置を求める凝固完了位置演算部と、を備え、第１の横波超音波センサーの受信信号の強度の変化によって第１の横波超音波センサーの配置位置と鋳片の凝固完了位置とが一致したことが確認された時点において、前記計算式により算出される凝固完了位置が第１の横波超音波センサーの配置位置と合致するように、前記計算式が校正されるとともに、第２の横波超音波センサーの受信信号の強度の変化によって第２の横波超音波センサーの配置位置と鋳片の凝固完了位置とが一致したことが確認された時点において、前記計算式により算出される凝固完了位置が第２の横波超音波センサーの配置位置と合致するように前記計算式が更に校正される凝固完了位置検知装置を用いて、連続鋳造鋳片の鋳片幅方向の凝固完了位置を検出し、検出された最短凝固完了位置と検出された最長凝固完了位置との差に基づいて鋳片の品質判定を行なうことを特徴とする、連続鋳造鋳片の品質判定方法。
【請求項３】
更に、前記品質判定に基づいて鋳片または鋼材における検査実施の有無を決定することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の連続鋳造鋳片の品質判定方法。
【請求項４】
鋳片または鋼材で検査を実施する際に、凝固完了位置の形状に応じて鋳片または鋼材の検査位置を特定することを特徴とする、請求項３に記載の連続鋳造鋳片の品質判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スラブ連続鋳造機で鋳造される連続鋳造鋳片の品質をオンラインで判定する品質判定方法に関し、詳しくは、鋳片の中心部に形成される偏析の程度をオンラインで判定する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼の凝固過程における最終凝固部では、炭素、燐、硫黄などの溶質元素が未凝固相に濃縮される。この濃縮された溶鋼が流動し、集積して凝固すると、初期濃度に比べて格段に高濃度となった成分偏析部が生成される。鋼が凝固すると体積収縮が起こり、この体積収縮に伴って溶鋼は吸引され、連続鋳造の場合には、鋳片の引抜き方向下流側へ吸引されて流動する。連続鋳造鋳片の凝固末期の未凝固相には十分な量の溶鋼が存在しないので、最終凝固部であるデンドライト樹間の濃化溶鋼が流動をおこし、それが鋳片中心部に集積して凝固し、所謂「中心偏析」が生成される。
【０００３】
中心偏析は鋼製品の品質を劣化させる。例えば、石油輸送用や天然ガス輸送用のラインパイプ材においては、サワーガスの作用により中心偏析を起点として水素誘起割れ（「ＨＩＣ」とも云う）が発生し、また、飲料水用の缶製品に用いられる深絞り材においては、成分の偏析により加工性に異方性が出現する。そのため、鋳造工程から圧延工程に至るまで、中心偏析を低減する対策が多数提案されている。
【０００４】
そのなかで、安価に且つ効果的に鋳片の中心偏析を低減する手段として、凝固末期に未凝固鋳片を鋳片の凝固収縮量に見合った圧下量で徐々に圧下する方法（以下、「軽圧下」と呼ぶ）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この軽圧下では、凝固収縮量に見合った軽圧下量で鋳片を徐々に圧下して未凝固相の体積を減少させ、デンドライト樹間の濃化溶鋼の流動を起こさないようにして中心偏析を防止しており、従って、鋳片の凝固完了位置（「クレータエンド位置」ともいう）を軽圧下帯の範囲内に制御して鋳造している。ここで、軽圧下帯とは、軽圧下を実施するためのロール群である。
【０００５】
ところで、スラブ鋳片（以下、「鋳片」と記す）においては、その断面が扁平形状であるため、凝固完了位置は幅方向で均一でなく、且つ時間によってもその形状が変動することが知られている。凝固完了位置が鋳片幅方向で異なると、軽圧下帯における軽圧下量が鋳片幅方向の各位置で異なってしまうため、軽圧下量の少ない位置即ち凝固完了位置が伸張した位置では十分な中心偏析改善効果が得られず、軽圧下を実施しても中心偏析を抑制できない場合も発生する。
【０００６】
このように、鋳片の中心偏析は、軽圧下を実施しても鋳造方向及び幅方向で一定ではなく、鋳造条件が大幅に変化した部位では目標水準を外れることさえも発生する。そのため、中心偏析の程度を判定すべく、鋳片或いは圧延された鋼材から検査用の試料を採取し、マクロ試験、成分分析試験、シャルピー試験などを行ない、鋳片の中心偏析の程度を検査し判定している。
【０００７】
これらの試験方法はオフラインの検査方法であり、フィードバックが遅れる欠点があり、そこで本発明者等は、特許文献２において、連続鋳造機によって鋳造される鋳片に横波超音波を透過させることによって鋳片の凝固完了位置を検出し、検出された最短凝固完了位置と検出された最長凝固完了位置との差に基づいて鋳片の品質判定を行なうことを提案した。ここで、最短凝固完了位置とは、鋳型内の溶鋼湯面から最も短い距離にある凝固完了位置のことであり、最長凝固完了位置とは、鋳型内の溶鋼湯面から最も遠い距離にある凝固完了位置のことである。
【０００８】
特許文献２では、横波超音波を用いて凝固完了位置を検知しているが、従来、凝固完了位置を検知するための種々の手段が提案されており、例えば、特許文献３には、縦波超音波及び横波超音波を鋳片幅方向に走査しながら鋳片を透過させ、鋳片幅方向中央部における縦波超音波の伝播時間と、鋳片幅方向での凝固部と未凝固部との境界位置における横波超音波伝播時間／縦波超音波伝播時間の比と、固相中及び液相中における縦波超音波の伝播速度とから、鋳片幅方向中央位置における未凝固層の厚みを求める方法が提案されており、また、特許文献４には、縦波超音波と横波超音波とを同時に鋳片を透過させ、横波超音波の透過波の振幅と縦波超音波の透過波の振幅との比を求め、求めた比に基づいて超音波センサーの設置位置における未凝固層の存在を判定する方法が提案されている。尚、横波超音波は固相のみを透過して液相を透過しないという性質があり、特許文献２〜４は、横波のこの特性を利用している。
【特許文献１】特開昭５４−１０７８３１号公報
【特許文献２】特開２００４−２９８９１６号公報
【特許文献３】特開昭５４−１１５６３６号公報
【特許文献４】特開昭６２−１４８８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来技術には次のような問題が残されている。
【００１０】
特許文献２では、横波が液相を透過しないことを利用して凝固完了位置が電磁超音波の送信器及び受信器を設置した位置に到達しているか否かを判定するだけであるので、一対の送信器及び受信器を設置しただけでは凝固完了位置を知ることができず、凝固完了位置を知るためには鋳造方向に多数の送信器及び受信器を設置しなければならないという問題がある。また、凝固完了位置が超音波センサーの設置位置よりも鋳造方向下流側になったときには、横波を用いた方法では透過信号が得られなくなるために凝固完了位置を検知することが不可能となり、品質の判定ができなくなるという問題もある。
【００１１】
特許文献３及び特許文献４は、鋳片の品質判定に関する技術ではないが、特許文献３及び特許文献４の方法では、凝固完了位置を検知する際に以下の問題がある。即ち、特許文献３では、固相及び液相における縦波の伝播速度を用いて液相厚みを算出しているが、この伝播速度が鋼種によって異なっている。この伝播速度は全ての鋼種で知られている訳ではないため、伝播時間から得られた測定値を校正するために、例えば、鋳造中の鋳片に金属製の鋲を打ち込み、冷却後に鋲の打ち込み部分を切断・研磨し、鋲がどの程度溶融したかを測定することによって固相厚みを把握し、この結果と照らし合わせて伝播時間から求めた計算値の合わせ込みを実施する必要がある。この作業は、手間やコストを費やし、従って、全ての鋼種について校正を行なうことは現実的には不可能である。また、測定箇所における鋳片の厚みを把握する必要があるが、未凝固層を有する鋳片はバルジングするため、鋳造中の鋳片の厚みを精度良く安定して測定することも難しく、測定精度を低下させる一因となっている。また、特許文献４では、横波超音波の透過波の振幅と縦波超音波の透過波の振幅との比から未凝固層の存在を判定するだけであるので、一対の送信器及び受信器を設置しただけでは凝固完了位置を知ることができず、凝固完了位置を知るためには鋳造方向に多数の送信器及び受信器を設置しなければならない。
【００１２】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、鋳片への鋲の打ち込みによる校正を必要とせず、センサーによる計測値のみから凝固完了位置を精度良く検知することの可能な凝固完了位置検知装置を使用して鋳片幅方向における凝固完了位置の形状を捉え、凝固完了位置の形状に連動して変化する中心偏析の程度を、捉えた凝固完了位置の形状に基づいてオンラインで的確に判定することが可能な品質判定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討・研究を行なった。以下に検討・研究結果を説明する。
【００１４】
先ず、鋳片への鋲の打ち込みによる校正を必要とせず、センサーによる計測値のみから凝固完了位置を精度良く検知することの可能な凝固完了位置検知装置に関する検討・研究結果を説明する。
【００１５】
連続鋳造鋳片における縦波超音波の伝播時間から固相厚みを推定する方法に関して伝播時間のシミュレーションを重ねた結果、従来の方法においては、縦波超音波の伝播速度の鋼種による依存性や鋳片厚みの影響が大きく、これらの校正を行なわないと精度良く測定することはできないことが分かった。但し、凝固完了位置が縦波超音波センサーよりも鋳造方向の下流側に存在して超音波の伝播経路に液相が含まれる場合には、液相における伝播速度が固相における伝播速度に比べて遅いため、縦波超音波センサーによって測定される伝播時間は固相厚みに応じて感度良く変化し、固相厚みの測定値及びこの固相厚みから導かれる凝固完了位置の相対的な測定精度は極めて高いことが分かった。
【００１６】
そこで、縦波超音波の伝播時間から固相厚みを推定する際に用いる物性値をオンラインで校正する方法として、横波が液相を透過しないことにより求められる凝固完了位置を利用して校正することを検討した。
【００１７】
内部がまだ未凝固の状態の小型鋼塊を用い、それを冷却しながら鋼塊に横波超音波を透過させると同時に鋼塊軸心部を熱電対で測温する試験を行った。その結果、鋼塊内部に未凝固相が存在する場合には、即ち鋼塊軸心部の固相率が１未満の場合には、横波超音波は鋼塊を透過できず、鋼塊が軸心まで凝固した時点即ち鋼塊軸心部の固相率が１になった時点で初めて横波超音波が鋼塊を透過することが分かった。更に、この性質は鋼種に依存せず生じることも明らかとなった。この性質に基づくことで、横波超音波センサーによる透過信号が、消失状態から出現した時点、或いは、検出状態から消失した時点は、鋼種や鋳造条件に拘わらず、凝固完了位置と横波超音波センサーの配置位置とが一致するという絶対値計測ができるとの知見が得られた。
【００１８】
従って、凝固完了位置を横波超音波センサーの配置位置とした条件下において、縦波超音波の伝播時間から凝固完了位置を算出する計算式を校正することにより、相対的な測定精度に優れている、縦波超音波の伝播時間を用いた凝固完了位置の推定方法を、絶対的な精度にも優れた検知手段として使用可能であるとの知見が得られた。
【００１９】
具体的には、縦波超音波センサーで測定された伝播時間から算出される凝固完了位置が横波超音波センサーの配置位置になるように物性値を決めてやれば、伝播時間により凝固完了位置を求める計算式は校正されることになる。以後、このようにして校正された伝播時間から凝固完了位置を求める計算式を用いることで、例えば鋳造速度（以下、「鋳片引き抜き速度」と同じ意味）を更に高くするなど、鋳造条件を変更したときの凝固完了位置を精度良く求めることができることが分かった。
【００２０】
ここで、第１の校正点となる横波超音波センサーの鋳造方向の下流側に第２の横波超音波センサーを配置し、第２の横波超音波センサーの位置を凝固完了位置とした鋳造条件下においても、凝固完了位置を算出する計算式を校正することにより、凝固完了位置の測定精度が大幅に向上することが分かった。
【００２１】
次ぎに、凝固完了位置の鋳片幅方向形状と中心偏析との関係ついて検討・研究した結果を説明する。
【００２２】
本発明者等は、小型試験機を用いた鋳造・圧延試験を行ない、凝固完了位置の鋳片幅方向形状と鋳片及び鋼材における中心偏析との関係を調査した。試験は、真空高周波溶解炉を用いて、その組成がＣ：０．１mass％（以下、「％」と記す）、Ｓｉ：０．３％、Ｍｎ：１．３％、Ｐ：０．００５％、Ｓ：０．００５％、Ｔｉ：０．０１％、sol.Ａｌ：０．０４％の中炭素鋼を溶製し、小型試験連続鋳造機（鋳片横断面形状：幅８００ｍｍ、厚み１００ｍｍ）を用い、鋳型内にモールドパウダーを添加し、軽圧下帯におけるロール間隔の絞り込み勾配を１ｍ当たり０．４ｍｍ（水準１）及び０．９ｍｍ（水準２）の２水準とし、鋳造速度を１．１ｍ／ｍｉｎとして鋳造した。鋳造した鋳片から検査用の鋳片全幅試料を採取し、試料採取後の鋳片を熱間圧延用に供した。軽圧下帯は鋳型内溶鋼湯面から１．８ｍ〜６．０ｍの範囲に設置され、鋳片に対して圧下力を付加することの可能な直径２２０ｍｍのロール群からなっている。
【００２３】
鋳片幅方向における凝固完了位置の検出は、後述する図２に示す超音波センサーを備えた凝固完了位置検知装置（詳細説明は後述）を使用した。用いた凝固完了位置検知装置の超音波センサーは、鋳片幅方向で移動可能な構造であり、鋳片幅方向全体の凝固完了位置を一対の超音波センサーで検出可能である。
【００２４】
凝固完了位置検知装置によって検出される、鋳片幅方向の凝固完了位置は、平坦状にはならず凹凸のある山谷形状となった。本発明では、鋳型内の溶鋼湯面に最も近い凝固完了位置を「最短凝固完了位置」と称し、逆に、鋳型内の溶鋼湯面から最も離れた凝固完了位置を「最長凝固完了位置」と称して整理・解析することとした。但し、鋳片短辺から１００ｍｍまでの範囲は過冷却になるので、この範囲は最短凝固完了位置を決める範囲から除外した。
【００２５】
水準１（絞り込み勾配＝０．４ｍｍ／ｍ）における最短凝固完了位置は、溶鋼湯面から２．４ｍの位置、最長凝固完了位置は、溶鋼湯面から４．５ｍの位置であり、最短凝固完了位置から最長凝固完了位置までの距離（以下、「凝固完了位置山谷差」と記す）は２．１ｍであった。そして、最長凝固完了位置は、鋳片幅方向位置では向かって左側の鋳片短片から１１０ｍｍの位置であり、最短凝固完了位置は、鋳片の幅方向中央部、即ち１／２幅の位置であった。一方、水準２（絞り込み勾配＝０．９ｍｍ／ｍ）における最短凝固完了位置は、溶鋼湯面から２．３ｍの位置、最長凝固完了位置は、溶鋼湯面から３．２ｍの位置であり、凝固完了位置山谷差は０．９ｍであった。そして、最長凝固完了位置は、鋳片幅方向位置では左側の鋳片短片から１３０ｍｍの位置であり、最短凝固完了位置は、鋳片の幅方向中央部、即ち１／２幅の位置であった。
【００２６】
鋳造した鋳片から全幅試料を採取した後、鋳片を均熱炉に装入して９０分間保持し、均熱炉で１２５０℃に加熱した後、最大圧下率が２０％の範囲内で１００ｍｍ厚→８０ｍｍ厚→６５ｍｍ厚→４５ｍｍ厚→３５ｍｍ厚→３０ｍｍ厚のパススケジュールで熱間圧延して鋼板を製造した。
【００２７】
鋳片からは、鋳片の最長凝固完了位置に相当する位置と、１／２幅位置と、１／４幅位置との３箇所から、５ｍｍ直径のドリルで切り粉を採取し、燃焼式炭素分析計によって炭素の分析を行ない、炭素の偏析度（Ｃ／Ｃ0 ）を調査した。偏析度（Ｃ／Ｃ0 ）は、各部位の炭素の分析値を、溶鋼から採取した試料の炭素分析値で除した値であり、正偏析の部分は、偏析度（Ｃ／Ｃ0 ）の値が１以上になり、逆に負偏析の部分は、偏析度（Ｃ／Ｃ0 ）の値が１以下になる。
【００２８】
圧延した鋼板では、NACE Standard TM284-96に記載されているＨＩＣ試験を行なった。具体的には、鋳片から検査用試料を採取した位置である、鋳片の最長凝固完了位置、１／２幅位置、１／４幅位置に対応する鋼板の３箇所から、２０ｍｍ幅、３０ｍｍ厚み、１００ｍｍ長さの試料を切り出し、５％ＮａＣｌを溶解させた０．５％酢酸溶液に９６時間浸漬させ、割れ発生の有無を調査した。割れは、下記の（１）式に示すＣＬＲの値が２％以下の場合を合格、それを超える場合を不合格とした。但し、（１）式において、ａは生成した割れ長さ、Ｗは検査した試料の幅であり、この試料の場合にはＷは２０ｍｍとなる。
【００２９】
【数１】
2006198645.tif 000003
【００３０】
表１に、上記試験における凝固完了位置長さ、偏析度（Ｃ／Ｃ0 ）及びＨＩＣ試験の測定結果をまとめて示す。尚、表１では、鋳片の試料位置を、鋳片の幅方向中心を基準として左側を負値、右側を正値で表示している。
【００３１】
【表１】
2006198645.tif 000004
【００３２】
表１からも明らかなように、水準１及び水準２ともに、凝固完了位置が一番伸びている部分において偏析度（Ｃ／Ｃ0 ）が最も悪く、また、その部分において鋼板のＨＩＣ試験が最も悪いことが判明した。また、この結果から、鋳片及び鋼板を評価する際には、凝固完了位置が最も長くなる部位、即ち中心偏析が最も悪くなる部位で評価する必要があることが判明した。
【００３３】
また、水準１と水準２とを比較すると、両者とも最長凝固完了位置の偏析度（Ｃ／Ｃ0 ）及びＨＩＣ試験が鋳片幅方向で最も悪いが、その絶対値に差があることが判明した。即ち、水準１では最長凝固完了位置のＨＩＣ試験が不合格であるのに対して、水準２では、他の部位に比べて悪化するものの、合格レベルであった。水準１及び水準２における凝固完了位置山谷差を比較すると、水準１では２．１ｍであるのに対して水準２では０．９ｍであり、水準２に比べて水準１の中心偏析が悪化した理由は、水準１の方が、凝固完了位置山谷差が大きくなったためであることが判明した。即ち、凝固完了位置山谷差に基づいて鋳片の品質判定を行なうことが可能であることが判明した。
【００３４】
本発明は、上記検討結果に基づいてなされたものであり、第１の発明に係る連続鋳造鋳片の品質判定方法は、連続鋳造鋳片に対して横波超音波を送信し且つ送信した横波超音波を受信する横波超音波センサーと、該横波超音波センサーの配置位置と連続鋳造機の同一位置または鋳造方向に離れた鋳片幅方向の同一位置に設置された、連続鋳造鋳片に対して縦波超音波を送信し且つ送信した縦波超音波を受信する縦波超音波センサーと、該縦波超音波センサーで受信した受信信号に基づき計算式を用いて鋳片の凝固完了位置を求める凝固完了位置演算部と、を備え、前記横波超音波センサーの受信信号の強度の変化によって横波超音波センサーの配置位置と鋳片の凝固完了位置とが一致したことが確認された時点において、前記計算式により算出される凝固完了位置が横波超音波センサーの配置位置と合致するように、前記計算式が校正される凝固完了位置検知装置を用いて、連続鋳造鋳片の鋳片幅方向の凝固完了位置を検出し、検出された最短凝固完了位置と検出された最長凝固完了位置との差に基づいて鋳片の品質判定を行なうことを特徴とするものである。
【００３５】
第２の発明に係る連続鋳造鋳片の品質判定方法は、連続鋳造鋳片に対して横波超音波を送信し且つ送信した横波超音波を受信する第１の横波超音波センサーと、第１の横波超音波センサーの配置位置と連続鋳造機の同一位置または鋳造方向に離れた鋳片幅方向の同一位置に設置された、連続鋳造鋳片に対して縦波超音波を送信し且つ送信した縦波超音波を受信する縦波超音波センサーと、第１の横波超音波センサーの鋳造方向下流側の鋳片幅方向の同一位置に設置された、連続鋳造鋳片に対して横波超音波を送信し且つ送信した横波超音波を受信する第２の横波超音波センサーと、前記縦波超音波センサーで受信した受信信号に基づき計算式を用いて鋳片の凝固完了位置を求める凝固完了位置演算部と、を備え、第１の横波超音波センサーの受信信号の強度の変化によって第１の横波超音波センサーの配置位置と鋳片の凝固完了位置とが一致したことが確認された時点において、前記計算式により算出される凝固完了位置が第１の横波超音波センサーの配置位置と合致するように、前記計算式が校正されるとともに、第２の横波超音波センサーの受信信号の強度の変化によって第２の横波超音波センサーの配置位置と鋳片の凝固完了位置とが一致したことが確認された時点において、前記計算式により算出される凝固完了位置が第２の横波超音波センサーの配置位置と合致するように前記計算式が更に校正される凝固完了位置検知装置を用いて、連続鋳造鋳片の鋳片幅方向の凝固完了位置を検出し、検出された最短凝固完了位置と検出された最長凝固完了位置との差に基づいて鋳片の品質判定を行なうことを特徴とするものである。
【００３６】
第３の発明に係る連続鋳造鋳片の品質判定方法は、第１または第２の発明において、更に、前記品質判定に基づいて鋳片または鋼材における検査実施の有無を決定することを特徴とするものである。
【００３７】
第４の発明に係る連続鋳造鋳片の品質判定方法は、第３の発明において、鋳片または鋼材で検査を実施する際に、凝固完了位置の形状に応じて鋳片または鋼材の検査位置を特定することを特徴とするものである。
【００３８】
尚、本発明における鋳片幅方向の同一位置とは、凝固完了位置の鋳造方向の変化がほとんど無いと見なせる範囲内を意味するものとする。スラブ連続鋳造機では、凝固完了位置が鋳片の幅方向で異なる場合もあるので、横波超音波センサーと縦波超音波センサーとで検出する凝固完了位置が同一であるか、或いは、凝固完了位置に鋳造方向の変化が生じたとしても変化の差がほとんど無いと見なせる幅方向の範囲内に横波超音波センサー及び縦波超音波センサーを配置する必要がある。具体的には、凝固完了位置の鋳片幅方向の形状を平坦と見なせる場合には、数１００ｍｍ離れていてもよく、逆に、凝固完了位置の鋳片幅方向の形状が大きく変化している場合には、数１０ｍｍ以内とする必要がある。これは、この目的に用いられる超音波の波長が数１０ｍｍであり、且つセンサーの大きさが数１０ｍｍ程度であることから、回折の影響も考慮すると、数１０ｍｍ以内であれば同一位置と見なすことができるからである。また、連続鋳造機の同一位置とは、鋳片幅方向が同一位置であるのみならず、鋳造方向にも同一位置であるという意味である。鋳造方向に同一位置とは、センサーを配置する鋳片支持ロール間隙の位置が同一であるという意味である。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、鋳片の凝固完了位置を横波超音波センサーによって検出した時点で、縦波超音波センサーで測定された縦波超音波の伝播時間から求められる凝固完了位置を校正するので、鋳片への鋲打ち込みなどの手間のかかる校正作業を施すことなく、横波超音波センサー及び縦波超音波センサーの測定値のみから鋳片幅方向の凝固完了位置を精度良く検知することが可能となる。これにより、全ての鋼種の様々な鋳造条件において凝固完了位置の鋳片幅方向形状を鋳造中に精度良く把握することができ、そして、検出した最短凝固完了位置と最長凝固完了位置との差に基づいて鋳片の中心偏析をオンラインで判定するので、鋳造中に凝固完了位置が変動して鋳片偏析が変化しても、偏析の悪化している部分を見逃すことなく、確実に且つ精度良く、中心偏析を判定することが可能となる。また、この判定結果に基づいて鋳片及び当該鋳片から圧延される鋼材における検査位置を特定することが可能となり、検査する個数も大幅に削減でき、検査コストも大幅に削減されると同時に、安定した品質の鋼製品を供給することが達成される。その結果、鋳片の中心偏析の低減並びに鋳片引抜き速度上限値までの増速による生産性の向上などが可能となり、工業上有益な効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。先ず、凝固完了位置検知装置を構成する横波超音波センサーと縦波超音波センサーとが同一位置に配置されたスラブ連続鋳造機における第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態例を示す図であって、本発明を実施したスラブ連続鋳造機の側面概略図である。
【００４１】
図１において、１は鋳片、２は固相部、３は液相部、４は凝固完了位置であり、連続鋳造機の鋳型１０１に注入された溶鋼は、鋳型１０１によって冷却されて鋳型１０１と接触する部位に固相部２を形成し、周囲を固相部２とし、内部を未凝固の液相部３とする鋳片１は、鋳型１０１の下方に対抗して配置された複数対の鋳片支持ロール１０２に支持されつつ鋳型１０１の下方に引き抜かれる。鋳造方向に隣り合う鋳片支持ロール１０２の間隙には、鋳片１の表面に向けて冷却水を吹き付けるエアーミストスプレーノズルや水スプレーノズルなどのスプレーノズルが配置された二次冷却帯（図示せず）が設置されており、鋳片１は鋳造方向下流側に引き抜かれながら二次冷却帯で冷却され、中心部まで完全に凝固する。この中心部まで完全に凝固した位置が凝固完了位置４である。凝固が完了した鋳片１は、鋳片支持ロール１０２の下流側に設置された鋳片切断機１０４で所定の長さに切断され、鋳片１Ａとして搬送用ロール１０３によって搬出される。
【００４２】
鋳片支持ロール１０２のうちの一部には、対向するロール間の間隔（「ロール間隔」という）が鋳片１の鋳造方向下流側に向かって徐々に狭くなるように設定され、鋳片１に対して圧下力を付与することの可能な支持ロール１０２の群、即ち、軽圧下帯１０５が設置されている。凝固末期の鋳片１を圧下することにより、凝固収縮に基づく濃化溶鋼の流動を抑えて、中心偏析を改善することができる。この軽圧下帯１０５におけるロール間隔の勾配は、鋳片１の圧下速度が０．６〜１．５ｍｍ／ｍｉｎの範囲になる程度に設定すればよい。圧下速度が０．６ｍｍ／ｍｉｎ未満では、偏析を軽減する効果が少なく、一方、圧下速度が１．５ｍｍ／ｍｉｎを越えると、濃化溶鋼が鋳造方向とは逆方向に絞り出され、鋳片中心部には負偏析が生成される虞があるからである。また、総圧下量は２〜６ｍｍで十分である。
【００４３】
このような構成のスラブ連続鋳造機において、鋳片１の凝固完了位置４を検出するための凝固完了位置検知装置が配置されている。凝固完了位置検知装置は、鋳片１を挟んで対向配置させた横波超音波送信器６及び横波超音波受信器８からなる横波超音波センサーと、鋳片１を挟んで対向配置させた縦波超音波送信器７及び縦波超音波受信器９からなる縦波超音波センサーと、横波超音波送信器６及び縦波超音波送信器７へ電気信号を与えて鋳片１に超音波を送出するための電気回路である超音波送信部５と、横波超音波受信器８及び縦波超音波受信器９にて受信した受信信号を処理するための横波透過強度検出部１０、凝固完了位置到達検出部１１、縦波伝播時間検出部１２及び凝固完了位置演算部１３と、を備えている。横波超音波送信器６及び縦波超音波送信器７にて送出された超音波は鋳片１を透過し、横波超音波受信器８及び縦波超音波受信器９でそれぞれ受信され、電気信号に変換される。
【００４４】
横波超音波センサー及び縦波超音波センサーは、例えば鋳片１の幅方向に移動可能な架台に取り付けられていて、送信器と受信器とが同期して移動することで、鋳片１の幅方向各位置における凝固完了位置４を検出できるようになっている。この場合、横波超音波センサー及び縦波超音波センサーも同期して移動する構造になっている。
【００４５】
横波透過強度検出部１０は、横波超音波受信器８により受信された横波超音波信号の強度を検出する装置で、凝固完了位置到達検出部１１は、横波透過強度検出部１０にて検出された横波超音波の透過信号の変化から、凝固完了位置４が横波超音波送信器６及び横波超音波受信器８の配置位置よりも鋳造方向の上流側か、或いは下流側かを判定する装置である。また、縦波伝播時間検出部１２は、縦波超音波受信器９にて受信した受信信号から鋳片１を透過する縦波超音波の伝播時間を検出する装置であり、凝固完了位置演算部１３は、縦波伝播時間検出部１２で検出された縦波超音波の伝播時間から凝固完了位置４を演算して求める装置である。ここで、横波透過強度検出部１０、凝固完了位置到達検出部１１、縦波伝播時間検出部１２及び凝固完了位置演算部１３は、計算機にて演算される。尚、横波超音波受信器８及び縦波超音波受信器９とこの計算機との間には、超音波信号増幅器や波形を計算機に取り込むためのＡ／Ｄ変換器などが必要であるが、図中では省略している。また、図１に示す凝固完了位置検知装置においては、横波超音波送信器６と縦波超音波送信器７とが一体的に構成され、同様に、横波超音波受信器８と縦波超音波受信器９とが一体的に構成されている。
【００４６】
横波超音波送信器６と縦波超音波送信器７、並びに、横波超音波受信器８と縦波超音波受信器９とが一体的に構成される例を、図２を参照して説明する。図２は、縦波超音波と横波超音波とを同一位置で発生・検出するための電磁超音波センサーの構成と動作について説明する図である。
【００４７】
図２において３１は磁石である。これは永久磁石でも電磁石でもどちらでも構わないが、永久磁石の方が電磁超音波センサーを小型化することができることから好ましい。３２は、縦波用コイルであり、内側の磁極の周囲を巻くように配置したパンケーキコイルである。一方、３３は、横波用コイルであり、磁極面と重なるように配置したパンケーキコイルである。３４は、磁石３１からの磁力線を示したものである。３５及び３６は、それぞれ縦波用コイル３２及び横波用コイル３３から鋳片１に生ずる渦電流を示したものであり、渦電流３５及び渦電流３６は、超音波送信部５から縦波用コイル３２及び横波用コイル３３に高周波電流が流されることによって発生する。
【００４８】
鋳片１に生じた渦電流３５及び渦電流３６は、磁力線３４で示される磁石３１からの静磁場との間にローレンツ力を発生させ、これによって縦波超音波３７及び横波超音波３８が発生する。超音波の受信については送信の逆作用であり、静磁場中の鋳片１が超音波によって振動することにより、鋳片１に渦電流が生じることを縦波用コイル３２及び横波用コイル３３で検知するものであり、送信と全く同じ構成を用いることができる。
【００４９】
連続鋳造機の隣り合う鋳片支持ロール間の間隙で、同一位置に縦波と横波とを発生・検出するためには、狭いロール間の間隙（一般に４０〜７５ｍｍ）に挿入可能な小型の電磁超音波センサーが必要である。電磁超音波センサーはよく知られているが、従来、この目的に見合った、縦波超音波と横波超音波とを同一箇所で発生・検出できる小型の電磁超音波センサーは提案されていない。本発明では、図２に示すように、鋳片１の幅方向に磁石３１を並べる構成としたことで、磁極を３つまたは３つ以上設けることが可能となり、鋳片支持ロール１０２の狭い間隙に電磁超音波センサーを挿入することが可能となった上に、縦波超音波と横波超音波とを同一箇所で発生・検出することが可能となった。また、センサーの設置数が減ることにより、設置コストの削減のみならず保守点検のコストも削減することができる。
【００５０】
この電磁超音波センサーの具体的な形状としては、磁極の面積は１０ｍｍ×１０ｍｍ〜３０ｍｍ×３０ｍｍ程度の範囲が望ましく、磁極の間隔は５ｍｍ〜３０ｍｍ程度の範囲が適当であり、磁極間の水平磁場が０．１Ｔ以上となる磁力を有することが適当である。磁石３１として永久磁石を用いる場合には、希土類系磁石を用いることが望ましく、高さは２０ｍｍ〜１００ｍｍ程度あればよい。コイルの巻き数は１０ターン〜１００ターン程度の範囲が適当である。また、鋳造方向でコイルが磁極からはみ出る部分については、コイルを折り曲げることによって鋳造方向のセンサー幅を狭くすることができるが、磁極から直ちに折り曲げると、鋳造方向へ向かう水平磁場を有効に活用することができなくなり、感度が低下するため、磁極から５ｍｍ程度はみ出してから折り曲げるとよい。はみ出す幅は、３ｍｍ程度では感度低下を防止する効果が少なく、１０ｍｍ以上ではセンサーの鋳造方向の幅を狭くする上では余り意味がないため、従って、３ｍｍ〜１０ｍｍ程度が適当である。
【００５１】
このような電磁超音波センサーを用いる場合、電気回路に要求される仕様としては、送信信号の電圧はおよそ１ｋＶ以上（電流では２０Ａ以上）、受信アンプのゲインは６０ｄＢ〜８０ｄＢ以上あれば発生・検出が可能であり、送信信号の周波数は、横波用は５０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚ、縦波用は１００ｋＨｚ〜４００ｋＨｚ程度の範囲が適当である。送信信号波形としては、正弦波を短時間発生させたトーンバースト波や、所定時間幅内で振幅や位相を変化させたチャープ波などの変調信号の何れでも構わない。
【００５２】
尚、横波超音波センサーと縦波超音波センサーとを連続鋳造機の同一位置に配置する場合、必ずしも縦波超音波と横波超音波とを同一位置で発生・検出させる電磁超音波センサーを使用する必要はなく、横波超音波センサーと縦波超音波センサーとの配置間隔が、凝固完了位置４の鋳造方向の変化がほとんど無いと見なせる範囲内であるならば、具体的には数１０ｍｍ以内であるならば、横波超音波センサーと縦波超音波センサーとを別々に配置してもよい。
【００５３】
以下、受信した信号の処理方法について説明する。先ず、横波透過強度検出部１０の動作について図３を参照して説明する。
【００５４】
図３は、横波透過強度検出部１０の動作を示す図で、送信信号の１発分に対応した受信信号波形を示している。図３中の最初の波は、送信信号が電気的に横波超音波受信器８に漏れ込んだものであり、２番目の波が横波超音波の透過信号である。ここで、横波超音波の透過信号が現れる時間位置は、鋳片１の厚み、鋳片１のおよその温度、及び横波超音波の伝播速度から、大まかに既知であるので、その位置の信号だけを取り出すゲートを設け、そのゲート内の信号の最大値を求めるようにする。この処理は、受信信号の波形をＡ／Ｄ変換で計算機内に取り込むことにより、計算処理で容易に実現することができる。信号の最大値の取り方としては、０Ｖを基準にした絶対値でも、また、ピークトゥーピーク値でも何れでもよい。尚、実際には、送信信号は数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚの周期で繰り返されるので、その一つ一つの波形を平均化してから横波超音波の透過強度を求めたり、一つ一つの波形の透過強度を平均化したりして、ノイズによる揺らぎの影響を少なくすることが有効である。
【００５５】
次いで、凝固完了位置到達検出部１１の動作について図４を参照して説明する。図４は、凝固完了位置到達検出部１１の動作の１例を示す図で、連続鋳造操業の数１０分間にわたって鋳造条件を変化させながら、横波透過強度検出部１０から送られてくる横波超音波の透過信号の強度を検出したチャート図である。
【００５６】
図４に示すように、連続鋳造操業の鋳造条件の変化に応じて横波超音波の透過信号の強度は変化する。図４中のＡ及びＢの範囲では透過信号の強度は非常に小さくなっており、凝固完了位置４が横波超音波送信器６及び横波超音波受信器８の配置位置よりも鋳造方向の下流側に存在する状態を表している。凝固完了位置到達検出部１１では、透過信号の強度が所定の判定しきい値を横切った時点で、凝固完了位置４が横波超音波センサーの配置位置を通過したと判定する。この判定しきい値は、予め定めた固定値でも、或いは横波超音波の透過信号が現れない時間領域の信号レベルからノイズレベルを求め、その値を用いた変動しきい値でも、どちらでも構わない。凝固完了位置到達検出部１１は、このようにして凝固完了位置４が横波超音波センサーの配置位置を通過したと判定すると、凝固完了位置演算部１３へタイミング信号を送出する。
【００５７】
次ぎに、縦波伝播時間検出部１２の動作について図５を参照して説明する。図５は、縦波伝播時間検出部１２の動作を示す図で、送信信号の１発分に対応した受信信号の波形を示す図である。図５中の最初の波は、送信信号が電気的に縦波超音波受信器９に漏れ込んだものであり、２番目の波が縦波超音波の透過信号である。ここで、縦波伝播時間検出部１２は、送信信号の送出タイミングから縦波超音波の透過信号の出現タイミングまでの時間を検出する。縦波超音波の透過信号の検出方法としては、図５に示すように、しきい値以上になる時点としても、或いはゲート内の最大値となる時点としても、どちらでもよい。この処理は、横波透過強度検出部１０と同様に、受信信号の波形をＡ／Ｄ変換で計算機内に取り込むことにより、計算処理で容易に実現することができる。また、実際には、送信信号は数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚの周期で繰り返されるので、その一つ一つの波形を平均化してから縦波超音波の伝播時間を求めたり、一つ一つの波形の伝播時間を平均化したりして、ノイズによる揺らぎの影響を少なくすることが有効である。
【００５８】
最後に、凝固完了位置演算部１３の動作について図６を参照して説明する。図６は、第１の実施の形態例における凝固完了位置演算部１３の動作を示す図で、縦波超音波の伝播時間から凝固完了位置４を算出する近似式を図示したものである。凝固完了位置４が縦波超音波送信器７及び縦波超音波受信器９の配置位置よりも鋳造方向の下流側になるほど、液相部３の厚みが増大するため、伝播時間は長くなる。従って、伝播時間と、鋳型１０１内の溶鋼湯面１４から凝固完了位置４までの距離とはおよそ比例関係になり、図６のような関係を示す。そこで、伝播時間から凝固完了位置４を求めるには、多項式の近似式、例えば下記の（２）式に示す一次式などを用いればよい。但し、（２）式において、ＣＥは鋳型内の溶鋼湯面１４から凝固完了位置４までの距離、Δｔは縦波超音波の伝播時間、ａ1 及びａ0 は多項式の係数である。
【００５９】
【数２】
2006198645.tif 000005
【００６０】
図６中、Ａで示す線は校正前の近似式を表している。ここで、凝固完了位置到達検出部１１から凝固完了位置４の通過判定のタイミング信号が凝固完了位置演算部１３に送出されると、凝固完了位置演算部１３では、その時点における縦波超音波の伝播時間（Δｔ1 ）を求め、更に、鋳型内の溶鋼湯面１４から凝固完了位置４までの距離（ＣＥ）が、横波超音波センサーの配置位置と合致するように、下記の（３）式を用いて（２）式の係数（ａ0 ）を修正する。但し、（３）式において、ＣＥ1 は鋳型内の溶鋼湯面１４から横波超音波センサーの配置位置までの距離、Δｔ1 は凝固完了位置４が横波超音波センサーの配置位置を通過したと判定した時点の縦波超音波の伝播時間である。
【００６１】
【数３】
2006198645.tif 000006
【００６２】
これによって、凝固完了位置４を求める近似式は校正され、例えば図６中にＢで示す校正後となる。校正後は、Ｂで示す校正後の近似式を用いて、縦波超音波の伝播時間に基づいて精度良く凝固完了位置４を鋳造中にオンラインで検知することが可能となる。
【００６３】
校正する時点は、新たな鋼種を鋳造する毎の１回だけでも、また、連続鋳造の操業中に横波超音波センサーの配置位置を凝固完了位置４が横切る毎に、或いは、操作員の判断による適当な時期の何れでもよい。
【００６４】
尚、縦波超音波と横波超音波とを同一位置で発生・検出するための電磁超音波センサーとして、前述した図２に示す電磁超音波センサーは磁極が３つであったが、磁極を４以上とすることもできる。図７は、縦波超音波と横波超音波とを同一位置で発生・検出するための電磁超音波センサーの磁極を４つとした例の構成を示す図である。図７では、実際には重なって配置される縦波用コイル３２と横波用コイル３３とを、磁極に対する配置が分かりやすくなるように、別々に描いており、図面の向かって左側が縦波用コイル３２の配置図で、右側が横波用コイル３３の配置図である。図２に示す電磁超音波センサーと同様に、縦波用コイル３２は内側の磁極の周囲を巻くように配置され、横波用コイル３３は磁極面と重なるように配置されている。磁極の数は４に限るものではなく、更に多くても実施可能である。このようにすると、縦波用コイル３２に対する水平磁場の強度が高くなるため、縦波超音波の感度が高くなる上に、横波超音波と縦波超音波の発生・検出位置がほぼ等しくなるという効果がある。
【００６５】
ところで、凝固完了位置４が縦波超音波センサーの配置位置よりも上流側の場合には、縦波超音波は全て固相部２を透過する。また、横波超音波も、縦波超音波と同一位置で発生・検出するため全て固相部２を透過する。この場合の伝播時間は固相部２における超音波の伝播速度に依存することになる。超音波の伝播速度は固相部２の温度に依存することから、縦波超音波及び横波超音波の伝播時間は鋳片１の温度によって変化することになる。一方、凝固完了位置４から電磁超音波センサーの配置位置までの距離が異なると電磁超音波センサーの配置位置における鋳片の温度は変化する。即ち、凝固完了位置４が電磁超音波センサーの配置位置から上流側に遠くなるほど電磁超音波センサーの配置位置における鋳片の温度は低下する。鋳片の温度が低いほど超音波の伝播速度は増加するため、伝播時間は短くなる。
【００６６】
従って、凝固完了位置４が縦波超音波センサーの配置位置よりも上流側の場合においても、伝播時間と、溶鋼湯面１４から凝固完了位置４までの距離との関係は、前述した図６に示すものと同様の傾向になる。しかしながら、凝固完了位置４が縦波超音波センサーの下流側に存在して伝播経路に液相部３が含まれる場合に較べると、固相部２に比べて伝播速度の遅い液相部３の影響がないため、凝固完了位置４が鋳造方向で変動しても、この変動の伝播時間に及ぼす影響は小さく、検出される伝播時間の変動率は小さい。
【００６７】
そのため、凝固完了位置４が縦波超音波センサーの上流側に存在する場合と下流側に存在する場合とで、伝播時間から凝固完了位置４を求める際に使用する計算式を異なる式とすることが好ましい。
【００６８】
具体的には、凝固完了位置４が縦波超音波センサーよりも上流側の場合には、伝播時間と凝固完了位置とを直接結び付けた実験式（図６に示すような式）を用いる方法、或いは、伝播時間から鋳片の内部温度または軸心温度を推定し、その値から凝固完了位置を推定する方法の何れでもよい。一方、凝固完了位置４が縦波超音波センサーよりも下流側の場合には、伝播時間と凝固完了位置とを直接結び付けた実験式（図６に示すような式）を用いる方法、或いは、伝播時間から固相部２の厚みまたは液相部３の厚みを推定し、その値から凝固完了位置を推定する方法の何れでもよい。図６に示すような実験式を用いる場合でも、凝固完了位置４が縦波超音波センサーよりも上流側の場合と下流側の場合とで、自ずと係数は異なってくる。
【００６９】
これを実施するためには、凝固完了位置４が縦波超音波センサーの配置位置よりも上流側であるか下流側であるかを判別する必要があり、従って、この場合には、凝固完了位置到達検出部１１では次の判定も実施する。即ち、横波超音波の透過強度が判定しきい値よりも大きければ凝固完了位置４は上流側と判定し、逆に、判定しきい値以下であれば凝固完了位置４は下流側と判定し、その信号を凝固完了位置演算部１３に送出する。凝固完了位置演算部１３では、その結果に基づき凝固完了位置４を計算するための計算式を選択し、選択した計算式を用いて凝固完了位置４を算出する。
【００７０】
このようにして構成される連続鋳造機において、本発明による連続鋳造鋳片の品質判定方法を以下のようにして実施する。
【００７１】
浸漬ノズル（図示せず）を介して鋳型１０１に溶鋼を鋳造する。鋳型１０１に鋳造された溶鋼は鋳型１０１で冷却されて固相部２を形成し、内部に液相部３を有する鋳片１として、鋳片支持ロール１０２に支持されつつ下方に連続的に引き抜かれる。鋳片１は軽圧下帯１０５により適宜な量の軽圧下量を付加されつつ二次冷却帯で冷却され、固相部２の厚みを増大して、やがて中心部まで凝固を完了する。その際に、凝固完了位置検知装置により凝固完了位置４の位置を検出する。
【００７２】
この場合、中心偏析を低減すべく鋳造する際には、最短凝固完了位置及び最長凝固完了位置の両者を軽圧下帯１０５の範囲内に制御することが望ましく、従って、最長凝固完了位置が軽圧下帯１０５を超えないように、鋳造速度及び二次冷却水量を調整する必要がある。但し、本発明において、軽圧下を実施することは必須条件ではなく、軽圧下を施さずに鋳造してもよい。
【００７３】
検出された鋳片幅方向の凝固完了位置４から、最短凝固完了位置及び最長凝固完了位置を求め、最長凝固完了位置と最短凝固完了位置との差、つまり凝固完了位置山谷差に基づいて、この鋳片の中心偏析に関する品質判定をオンラインで実施する。具体的には、検出された凝固完了位置山谷差の値を、所定時間毎にプロセス計算機（図示せず）などに記憶しておき、鋳片１が鋳片切断機１０４によって切断されて個々の鋳片１Ａとなったとき、記憶されていた、個々の鋳片１Ａに該当する凝固完了位置山谷差のうちの最大値を、当該鋳片１Ａの凝固完了位置山谷差として判定する。更に、この品質判定結果に基づき、鋳片１Ａの運用、例えば、この鋳片１Ａ或いはこの鋳片１Ａを圧延した鋼材に対して検査を実施するかどうかの判定を行なうこともできる。
【００７４】
凝固完了位置山谷差に基づく合格−不合格の判定、例えば検査を実施するか否かの判定は、基本的には実績を積んでしきい値を決定する。図８は、本発明者等が実機で調査した、凝固完了位置山谷差と最長凝固完了位置での炭素の偏析度（Ｃ／Ｃ0 ）との関係を示す図であり、図８に示すように、凝固完了位置山谷差が大きくなるほど偏析度（Ｃ／Ｃ0 ）は悪化する。
【００７５】
本発明者等の経験では、通常の中心偏析基準の付された鋳片の場合には、凝固完了位置山谷差が２ｍ以内であれば偏析度（Ｃ／Ｃ0 ）は１．３以下であり、合格として大丈夫であることを確認している。合格の場合には、１／２幅のみの検査にするか、場合によっては検査を実施しないなどの運用を行なう。一方、不合格となった場合には、１／２幅に加えて、最長凝固完了位置、または、２番目に凝固完了位置が長い部位について検査を実施するなどの運用を行なう。勿論、更に厳格且つ高度な品質レベルが要求されている製品に対しては、合否の判定基準を、凝固完了位置山谷差が１ｍ以内であることなどに変更してもよい。要は、要求される品質レベルを満足する偏析度（Ｃ／Ｃ0 ）を決定し、その偏析度（Ｃ／Ｃ0 ）を満たす凝固完了位置山谷差を判定基準とすればよい。
【００７６】
通常、最短凝固完了位置及び最長凝固完了位置の鋳片幅方向での位置は鋳造中にも変化する。しかし、スプレーノズルの詰まりなどがない状態で鋳片１を冷却している場合には、最短凝固完了位置は鋳片幅中央部に存在し、最長凝固完了位置は、鋳片厚みが２５０ｍｍ程度の場合には、鋳片短辺面から２００ｍｍ前後離れた位置に存在する。そのため、凝固完了位置形状は図９に示すようなＷ型になっている場合が多い。但し、この場合に凝固完了位置形状は鋳片１の中心に対して左右で対象ではなく、図９に示すように幅方向左右で差が生じる。このような場合、本発明では判定基準となる凝固完了位置山谷差として図中の差Ｌ１即ち大きいほうの差を対象とする。
【００７７】
このようにして鋳造した鋳片１を鋳片切断機１０４により切断して鋳片１Ａを得る。それぞれの鋳片１Ａは凝固完了位置山谷差に基づいて判定され、判定結果に基づき、必要に応じて鋳片１Ａから検査用の試料が採取され、次いで、次工程の熱間圧延工程に搬送される。熱間圧延後、凝固完了位置山谷差に基づく判定結果に則り、圧延された鋼材の最適箇所から検査用試料を採取する。鋳片１Ａの検査結果から、圧延しても無駄であると判断された場合には、熱間圧延を中止し、鋳片１Ａは屑化処理などを施す。
【００７８】
以上説明したように、本発明によれば鋳造される鋳片１の凝固完了位置山谷差に基づいて鋳片１の中心偏析をオンラインで判定するため、鋳造中に凝固完了位置山谷差が変動して鋳片偏析が変化しても、迅速且つ確実に中心偏析を精度良く判定することが可能となる。また、この判定結果に基づいて鋳片若しくは当該鋳片から圧延される鋼材における検査実施の有無を判定することが可能となるため、無駄なく且つ効率良く検査を実施することができ、鋼材の品質を高度に維持することができる。
【００７９】
次いで、凝固完了位置検知装置を構成する横波超音波センサーと縦波超音波センサーとが連続鋳造機の鋳造方向に離れた２箇所の鋳片幅方向の同一位置に配置されたスラブ連続鋳造機における第２の実施の形態について説明する。図１０は、本発明の第２の実施の形態例を示す図であって、本発明を実施したスラブ連続鋳造機の概略図である。
【００８０】
第２の実施の形態では、図１０に示すように、横波超音波送信器６及び横波超音波受信器８からなる横波超音波センサーと、縦波超音波送信器７及び縦波超音波受信器９からなる縦波超音波センサーとが鋳造方向の２箇所に別々に配置されている。この場合、横波超音波センサー及び縦波超音波センサーは、前述した図２に示すような縦波超音波と横波超音波とを同一位置で発生・検出するセンサーである必要はなく、通常の電磁超音波センサーを用いることができる。勿論、図２に示す電磁超音波センサーも用いることができる。
【００８１】
但し、スラブ連続鋳造機では、凝固完了位置４が鋳片１の幅方向で異なる場合もあるので、横波超音波センサーと縦波超音波センサーとで検出する凝固完了位置４の鋳造方向の変化がほとんど無いと見なせる幅方向の範囲内に横波超音波センサー及び縦波超音波センサーを配置する必要がある。具体的には、前述したように、二次冷却が適切で凝固完了位置４の幅方向の形状を平坦と見なせる場合には、数１００ｍｍ離れていてもよく、逆に、凝固完了位置４の幅方向の形状が大きく変化している場合には、数１０ｍｍ以内とする必要があり、従って、何れにも対応するためには、数１０ｍｍ以内とする必要がある。鋳片幅方向における凝固完了位置４を検出するべく横波超音波センサー及び縦波超音波センサーを鋳片１の幅方向で移動させる際には、この関係を維持した状態で移動させる必要がある。
【００８２】
また、横波超音波センサーの配置位置と縦波超音波センサーの配置位置との間隔は狭いほど検出精度が良く、配置間隔が広くなるほど精度が悪化するので、配置間隔はおよそ５ｍ以内とすることが好ましい。また、縦波超音波センサーの検出する縦波超音波の伝播時間は、前述したように、液相部３が含まれていると敏感に変化するため、凝固完了位置４が縦波超音波センサーの下流側に存在する状態の方が精度は良く、従って、縦波超音波センサーを横波超音波センサーの鋳造方向の上流側に配置することが好ましい。
【００８３】
その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態例と同一構成であり、同一の部分は同一符号により示し、その説明は省略する。
【００８４】
横波透過強度検出部１０、凝固完了位置到達検出部１１、縦波伝播時間検出部１２及び凝固完了位置演算部１３の動作も第１の実施の形態例と同様であり、凝固完了位置到達検出部１１から凝固完了位置４の通過判定のタイミング信号が凝固完了位置演算部１３に送出されると、凝固完了位置演算部１３ではその時点における縦波超音波の伝播時間（Δｔ1 ）を求め、更に、溶鋼湯面１４から凝固完了位置４までの距離（ＣＥ）が横波超音波センサーの配置位置となるように、前述した（３）式によって係数（ａ0 ）を修正する。凝固完了位置４を求める多項式の校正後は校正後の近似式を用いることで、縦波超音波の伝播時間に基づいて精度良く凝固完了位置４を鋳造中にオンラインで検知することが可能となる。校正の時期、並びに、凝固完了位置４が縦波超音波センサーの上流側であるか否かによって凝固完了位置４を算出するための計算式を変更することは、前述した第１の実施の形態での説明に沿って行なうこととする。
【００８５】
そして、上記構成の凝固完了位置検知装置を用いて、鋳造中の鋳片１の鋳片幅方向における凝固完了位置４を検出し、最短凝固完了位置と最長凝固完了位置との差に基づいて鋳片１の品質を判定する。品質判定の方法及び品質判定した鋳片及び当該鋳片から圧延される鋼材の運用は、前述した第１の実施の形態と同一であるので、その説明は省略する。
【００８６】
尚、図１０では、横波超音波センサーの配置位置を縦波超音波センサーの配置位置より下流側としているが、逆の上流側としてもよい。但し、この場合、縦波超音波センサーよりも上流側の凝固完了位置４を縦波超音波センサーによって検知する精度は余り高くないので、横波超音波センサーで凝固完了位置４の到達を検知した後、鋳造速度を考慮し、凝固完了位置４が縦波超音波センサーの配置位置に到達したと予想される時点で、多項式を校正することが望ましい。このようにすることで、高い精度を得ることができる。
【００８７】
最後に、凝固完了位置検知装置を構成する第２の横波超音波センサーが、第１の横波超音波センサーに対して鋳造方向の下流側に離れた鋳片幅方向の同一位置に配置されたスラブ連続鋳造機における第３の実施の形態について説明する。図１１は、本発明の第３の実施の形態例を示す図であって、本発明を実施したスラブ連続鋳造機の概略図である。
【００８８】
第３の実施の形態では、図１１に示すように、第１の実施の形態例における横波超音波送信器６、横波超音波受信器８、縦波超音波送信器７、縦波超音波受信器９からなる縦波超音波及び横波超音波を発生・検出可能な電磁超音波センサーの配置位置の下流側に、横波超音波送信器６Ａ及び横波超音波受信器８Ａからなる第２の横波超音波センサーが設置されている。この場合、第２の横波超音波センサーは、前述した図２に示すような縦波超音波と横波超音波とを同一位置で発生・検出するセンサーである必要はなく、通常の電磁超音波センサーを用いることができる。勿論、図２に示す電磁超音波センサーも用いることができる。また、凝固完了位置４の鋳片幅方向での変化の影響を避けるために、第２の横波超音波センサーは、横波超音波送信器６及び横波超音波受信器８からなる横波超音波センサー（以下、「第１の横波超音波センサー」と称す）と鋳片幅方向の同一位置に設置されている。そして、横波超音波受信器８Ａの受信信号は、横波透過強度検出部１０Ａに送出され、横波透過強度検出部１０Ａの信号は凝固完了位置到達検出部１１Ａに送出されている。横波透過強度検出部１０Ａ及び凝固完了位置到達検出部１１Ａは、それぞれ、前述した第１の実施の形態例における横波透過強度検出部１０及び凝固完了位置到達検出部１１と同一機能を有しており、第２の横波超音波センサーの配置位置を凝固完了位置４が通過することで、凝固完了位置到達検出部１１Ａは、凝固完了位置演算部１３へタイミング信号を送出するようになっている。鋳片幅方向における凝固完了位置４を検出するべく第１の横波超音波センサー、縦波超音波センサー及び第２の横波超音波センサーを鋳片１の幅方向で移動させる際には、第２の実施の形態例で説明したと同様に、これらのセンサーを鋳片幅方向で同一位置を維持したまま移動させる必要がある。
【００８９】
また、第２の横波超音波センサーの配置位置と第１の横波超音波センサーの配置位置との間隔が余りに狭いと校正精度を高めることができないので、校正精度を高める観点から、両者の配置間隔は２ｍ〜１０ｍ程度の範囲が適当である。その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態例と同一構成であり、同一の部分は同一符号により示し、その説明は省略する。
【００９０】
横波透過強度検出部１０、凝固完了位置到達検出部１１及び縦波伝播時間検出部１２の動作は第１の実施の形態例と同様であるが、凝固完了位置演算部１３の動作は異なるので、以下、凝固完了位置演算部１３の動作について図１２を参照して説明する。
【００９１】
図１２は、第３の実施の形態例における凝固完了位置演算部１３の動作を示す図で、縦波超音波の伝播時間から凝固完了位置４を算出する近似式を図示したものである。ここでは、第１の実施の形態例と同様に（２）式を用いて縦波超音波の伝播時間から凝固完了位置４を算出するものとする。図１２中、Ａで示す線は校正前の近似式を表している。
【００９２】
ここで、凝固完了位置到達検出部１１から、第１の横波超音波センサー位置における凝固完了位置４の通過判定のタイミング信号が凝固完了位置演算部１３に送出されると、凝固完了位置演算部１３では、その時点における縦波超音波の伝播時間（Δｔ1 ）を記憶する。次ぎに、鋳造速度や二次冷却強度などを変更させて凝固完了位置４を鋳造方向の下流側に延ばして凝固完了位置４が第２の横波超音波センサーの配置位置を通過すると、凝固完了位置到達検出部１１Ａから凝固完了位置４の通過判定のタイミング信号が凝固完了位置演算部１３に送出される。凝固完了位置演算部１３では、その時点における縦波超音波の伝播時間（Δｔ2 ）を求める。そして、下記に示す（４）式及び（５）式の連立方程式を解き、（２）式の定数（ａ1 ）及び定数（ａ0 ）を修正する。但し、（４）式及び（５）式において、ＣＥ1 は鋳型内の溶鋼湯面１４から第１の横波超音波センサーの配置位置までの距離、Δｔ1 は凝固完了位置４が第１の横波超音波センサーの配置位置を通過したと判定した時点の縦波超音波の伝播時間、ＣＥ2 は鋳型内の溶鋼湯面１４から第２の横波超音波センサーの配置位置までの距離、Δｔ2 は凝固完了位置４が第２の横波超音波センサーの配置位置を通過したと判定した時点の縦波超音波の伝播時間である。
【００９３】
【数４】
2006198645.tif 000007
【００９４】
【数５】
2006198645.tif 000008
【００９５】
これによって、凝固完了位置４を求める近似式は校正され、例えば図１２中にＢで示す線となる。校正後は、Ｂで示す校正後の近似式を用いて、縦波超音波の伝播時間に基づいて精度良く凝固完了位置４を鋳造中にオンラインで検知することが可能となる。この場合には第１の実施の形態よりも更に高い精度で凝固完了位置４を検知することができる。校正の時期、並びに、凝固完了位置４が縦波超音波センサーの上流側であるか否かによって凝固完了位置４を算出するための計算式を変更することは、前述した第１の実施の形態での説明に沿って行なうこととする。
【００９６】
そして、上記構成の凝固完了位置検知装置を用いて、鋳造中の鋳片１の鋳片幅方向における凝固完了位置４を検出し、最短凝固完了位置と最長凝固完了位置との差に基づいて鋳片１の品質を判定する。品質判定の方法及び品質判定した鋳片及び当該鋳片から圧延される鋼材の運用は、前述した第１の実施の形態と同一であるので、その説明は省略する。
【００９７】
尚、本発明は上記に説明した範囲に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができる。例えば、上記説明では電磁超音波センサーを用いた場合について説明したが、縦波超音波の送信及び受信には、圧電振動子を水と接触させる方法や、レーザー超音波法を用いてもよい。また、レーザー超音波法で送信し、電磁超音波法で受信することも計測感度を高めることから有用である。
【００９８】
更に、上記実施の形態においては、横波超音波送信器６と横波超音波受信器８とを、或いは、縦波超音波送信器７と縦波超音波受信器９とを、鋳片１を挟んで透過法で計測する配置としているが、送信器と受信器とを鋳片１の同一面上に配置し、鋳片１の反対面でのエコーを利用して反射法で計測するようにしてもよい。本発明にいう超音波センサーは、これらの何れの形態も含むものである。また、本発明においては、伝播時間から凝固完了位置を求める計算式の校正は、鋳片幅方向の任意の複数位置で行なってもよい。このように、鋳片幅方向の任意の複数位置において、それぞれ別の計算式を用いるようにすると、鋳片幅方向における冷却ムラや厚み変動の影響を少なくして、各位置それぞれで測定精度を向上させることができる。
【００９９】
また、縦波超音波の伝播時間から一次式を用いて凝固完了位置４を直接求める場合について説明したが、二次式或いは三次式などの多項式を用いてもよく、また、縦波超音波の伝播時間から固相部２の厚みを求め、求めた固相部２の厚みと鋳造速度とから凝固完了位置を求めてもよい。
【０１００】
更に、縦波超音波と横波超音波とを同一位置で発生・検出するための電磁超音波センサーについては、縦波用コイルと横波用コイルとを別々に配置せず、センサーの磁極の極性を交互に変えることによって縦波用のコイルと横波用のコイルとを同一のコイルで兼用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の第１の実施の形態例を示す図である。
【図２】縦波超音波と横波超音波とを同一位置で発生・検出するための電磁超音波センサーの構成と動作を示す図である。
【図３】横波透過強度検出部の動作を示す図である。
【図４】凝固完了位置到達検出部の動作の１例を示す図である。
【図５】縦波伝播時間検出部の動作を示す図である。
【図６】第１の実施の形態例における凝固完了位置演算部の動作を示す図である。
【図７】縦波超音波と横波超音波とを同一位置で発生・検出するための電磁超音波センサーの磁極を４つとした構成を示す図である。
【図８】最長凝固完了位置における凝固完了位置山谷差と偏析度との関係を示す図である。
【図９】凝固完了位置の幅方向形状の１例を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態例を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態例を示す図である。
【図１２】第３の実施の形態例における凝固完了位置演算部の動作を示す図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１  鋳片
２  固相部
３  液相部
４  凝固完了位置
５  超音波送信部
６  横波超音波送信器
７  縦波超音波送信器
８  横波超音波受信器
９  縦波超音波受信器
１０  横波透過強度検出部
１１  凝固完了位置到達検出部
１２  縦波伝播時間検出部
１３  凝固完了位置演算部
１４  溶鋼湯面
３１  磁石
３２  縦波用コイル
３３  横波用コイル
３４  磁力線
３５  渦電流
３６  渦電流
３７  縦波超音波
３８  横波超音波
１０１  鋳型
１０２  鋳片支持ロール
１０３  搬送用ロール
１０４  鋳片切断機
１０５  軽圧下帯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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