(57)【要約】【課題】  連続鋳造において、鋳型内の凝固シェルの厚み並びにモールドパウダーの流入厚みを、超音波を利用することによってリアルタイムに且つ精度良く計測する。【解決手段】  連続鋳造用鋳型１に超音波発信器７を設置し、当該超音波発信器から発信された超音波の、鋳型とモールドパウダー層５との境界からの反射波、モールドパウダー層と凝固シェル３との境界からの反射波及び凝固シェルと溶鋼２との境界からの反射波のそれぞれの伝播時間を計測し、計測した伝播時間に基づいてモールドパウダーの流入厚み及び凝固シェルの厚みを求める。その際に、モールドパウダー層と凝固シェルとの境界からの反射波と、凝固シェルと溶鋼との境界からの反射波とでは、反射波の位相が異なることを利用して区別する、また、モールドパウダーの流入厚みよりも十分に小さい波長の超音波を用いることにより、精度良く測定することができる。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造用鋳型に超音波発信器を設置し、当該超音波発信器から発信された超音波の、鋳型とモールドパウダー層との境界からの反射波、モールドパウダー層と凝固シェルとの境界からの反射波及び凝固シェルと溶鋼との境界からの反射波のそれぞれの伝播時間を計測し、計測した伝播時間に基づいてモールドパウダーの流入厚み及び凝固シェルの厚みを求めることを特徴とする、連続鋳造における鋳型内の凝固状態検知方法。
【請求項２】
モールドパウダー層と凝固シェルとの境界からの反射波と、凝固シェルと溶鋼との境界からの反射波とでは、反射波の位相が異なることを利用してそれぞれの反射波を特定することを特徴とする、請求項１に記載の連続鋳造における鋳型内の凝固状態検知方法。
【請求項３】
モールドパウダーの流入厚みよりも十分に小さい波長の超音波を用い、モールドパウダー層内で発生する多重反射波の信号を周波数解析することによってモールドパウダーの流入厚みを求め、且つ、計測信号から多重反射波の成分を除去することによって凝固シェルと溶鋼との境界からの反射波を特定することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の連続鋳造における鋳型内の凝固状態検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続鋳造における鋳型内の凝固状態検知方法に関し、詳しくは、鋳型内の凝固シェルの厚み、並びに、鋳型と凝固シェルとの間に流入するモールドパウダーの流入厚みをオンラインで計測する凝固状態検知方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼の連続鋳造過程においては、鋳型内の冷却状態の制御、つまり凝固シェルの厚さの監視が、鋳片の品質及び操業の安定性を確保する上で重要である。特に、初期凝固シェル厚みの不均一性が大きいと、鋳片が鋳造中にブレークアウトを起こしたり、鋳片に縦割れが生じるなどの問題を発生する。凝固シェルにこのような不均一性が起こる原因は、主に冷却状態の不安定さから生じるものであり、不安定さの原因としては、鋳型内へ供給する溶鋼量の変動、鋳型における冷却のムラ、鋳型内溶鋼の湯面変動などが考えられる。また、鋳型内溶鋼の保温や酸化防止、溶鋼中から浮上してくる介在物の吸収、凝固シェルと鋳型との潤滑などのためにモールドパウダーを使用している場合には、鋳型と凝固シェルとの間に流れ込むモールドパウダーの流入厚みも冷却状態に関係してくる。つまり、初期凝固シェル厚みやモールドパウダーの流入厚みを監視することにより、鋳型内の冷却状態を把握することが可能となる。
【０００３】
このような計測の従来の方法としては、以下の方法が提案されている。例えば、特許文献１には、連続鋳造用鋳型の壁内に超音波探触子を設け、鋳型内部に向けて超音波を発信し、その反射波に基づいて鋳型内の凝固シェルの厚みを求める方法が提案されている。特許文献２には、連続鋳造用鋳型の鋳造方向の温度分布を計測し、この計測値から予測した熱流束値を境界条件とする熱伝導方程式を解き、凝固シェルの厚み及びモールドパウダーの流入厚みを求める方法が提案されている。また、特許文献３には、連続鋳造用鋳型の鋳造方向の温度分布を計測し、この計測値から鋳型における鋳造方向の熱流束を算出し、求めた熱流束によって順次凝固シェル厚みを算出する方法が提案されている。
【特許文献１】特開昭５９−１５６５５８号公報
【特許文献２】特開２０００−３１７５９４号公報
【特許文献３】特開平１０−２７７７１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術には、幾つかの問題点があり、その主たるものを挙げれば、以下の如くである。即ち、特許文献１では、凝固シェル厚みを測定するだけであり、モールドパウダーの流入厚みは測定していない。これは、モールドパウダーの流入厚みが凝固シェル厚みに比べて薄く、精度良く計測できなかったものと思われる。また、凝固シェル厚みの計測に関しても、鋳型内の溶鋼湯面近傍の凝固シェル厚みが薄い部位においてはノイズが多く、特許文献１に開示された方法では精度良く測定することができない。
【０００５】
一方、特許文献２及び特許文献３では、鋳型の測温値に基づいて凝固シェルの厚み或いはモールドパウダーの流入厚みを求めているため、湯面変動などによって鋳型内の凝固状態が変化した場合、凝固シェルから鋳型への熱伝導の時間分は必ず計測値に時間遅れが生じ、リアルタイムで測定できないという点である。これを防止するために、過去のプロフィールを参考・学習して、予測という手段を採ったとしても、それが測定時点における厚みなどの値であるとは確実にはいえない。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、連続鋳造において、鋳型内の凝固シェルの厚み並びに鋳型と凝固シェルとの間に流入するモールドパウダーの流入厚みを、超音波を利用することにより、オンラインでリアルタイムに且つ精度良く計測することのできる、鋳型内の凝固状態検知方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための第１の発明に係る連続鋳造における鋳型内の凝固状態検知方法は、連続鋳造用鋳型に超音波発信器を設置し、当該超音波発信器から発信された超音波の、鋳型とモールドパウダー層との境界からの反射波、モールドパウダー層と凝固シェルとの境界からの反射波及び凝固シェルと溶鋼との境界からの反射波のそれぞれの伝播時間を計測し、計測した伝播時間に基づいてモールドパウダーの流入厚み及び凝固シェルの厚みを求めることを特徴とするものである。
【０００８】
第２の発明に係る連続鋳造における鋳型内の凝固状態検知方法は、第１の発明において、モールドパウダー層と凝固シェルとの境界からの反射波と、凝固シェルと溶鋼との境界からの反射波とでは、反射波の位相が異なることを利用してそれぞれの反射波を特定することを特徴とするものである。
【０００９】
第３の発明に係る連続鋳造における鋳型内の凝固状態検知方法は、第１または第２の発明において、モールドパウダーの流入厚みよりも十分に小さい波長の超音波を用い、モールドパウダー層内で発生する多重反射波の信号を周波数解析することによってモールドパウダーの流入厚みを求め、且つ、計測信号から多重反射波の成分を除去することによって凝固シェルと溶鋼との境界からの反射波を特定することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成の本願発明によれば、連続鋳造において、鋳型内の凝固シェル厚みと、鋳型と凝固シェルとの間に流入するモールドパウダーの流入厚みとが、リアルタイムで且つ精度良く計測可能となり、連続鋳造時の鋳型内における凝固・冷却状態をリアルタイムで把握することが可能となり、ブレークアウトや鋳片の縦割れなどの操業異常及び品質異常を未然に防止することができるので、鋳造速度の高速化や鋳片品質の向上が達成され、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】
【００１１】
以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例を示す図であって、本発明を実施した連続鋳造用鋳型部の概略断面図である。
【００１２】
図１において、水冷構造の銅製の鋳型１で囲まれた空間には、浸漬ノズル（図示せず）から溶鋼２が注入され、注入された溶鋼２は鋳型１によって冷却され、鋳型１と接触する側に凝固シェル３を生成する。この凝固シェル３を外殻とし、内部を未凝固の溶鋼２とする鋳片は、鋳型１の下方に設置されたピンチロール（図示せず）によって鋳型１の下方に連続的に引き抜かれる。この引き抜き中、鋳型１内の溶鋼湯面６の位置はほぼ一定位置に調整される。この溶鋼湯面６の上には、溶鋼２の保温や酸化防止、及び、凝固シェル３と鋳型１との潤滑などを目的としてモールドパウダー４が添加されている。モールドパウダー４は、溶鋼２の熱により加熱・溶融し、溶鋼２と接触する範囲には溶融パウダー層４ａを形成している。この溶融パウダー層４ａは、鋳型１と凝固シェル３との間隙に流入し、モールドパウダー層５を形成している。溶鋼湯面６の近傍のモールドパウダー層５及びモールドパウダー層５の凝固シェル３と接触する部位は溶融状態であり、この溶融状態のモールドパウダー層５が、主に鋳型１と凝固シェル３との潤滑剤として機能する。
【００１３】
凝固シェル３の厚みが幅方向で不均一になると鋳片に縦割れが発生し、また、モールドパウダー層５の厚み、即ち、モールドパウダー４の流入厚みが厚くなり、熱が鋳型１へ逃げにくくなるなどの要因によって凝固シェル３の厚みが不足すると、ブレークアウトの原因になる。そのため、凝固シェル３の厚みのみならず、モールドパウダー層５の厚みも監視することが必要である。
【００１４】
鋳型１の溶鋼湯面６の近傍には、超音波探触子７を埋め込むための設置孔８が設けられており、凝固シェル３に向けて超音波を発信し、且つ、反射波を受信するための超音波探触子７が設置孔８の内部に設置されている。超音波探触子７の埋め込みの際に注意する点は、発信する超音波が鋳型１の内面に対して所定の角度で伝播して、反射波が超音波探触子７の位置に戻って来るようにすることであり、そのために、斜角超音波探触子を用いたり、反射板を設けるなどしてもよい。また、超音波探触子７を鋳型１に密着させるために、ねじ切りなどを施し、超音波探触子７を鋳型１に固定してもよい。
【００１５】
図１は、鋳型１の背面から超音波探触子７を埋め込んだ例であり、鋳型１の背面に、鋳型内の溶鋼流動を制御するための電磁石などが設置されており、鋳型１の背面からの埋め込みが困難な場合には、例えば、図２に鋳型１の上面から超音波探触子７を埋め込んだ例を示すように、鋳型１の上面から超音波探触子７を埋め込んでもよい。また、鋳型１の横方向及び縦方向に多チャンネル設置し、凝固状態の分布を取れるようにしてもよい。図３は鋳型１の横方向に多チャンネル配置した例を示す図であり、鋳型１を上面から見た図であり、図３において１ａは鋳型長辺、１ｂは鋳型短辺である。
【００１６】
超音波探触子７のサイズは、使用する周波数によって異なってくる。使用する超音波が低周波数の場合には、超音波探触子７が大きくなり、鋳型１内への設置は困難と思われるので、鋳型１の外側（溶鋼などが接している面とは反対側）に設置することが好ましい。この場合、超音波の伝播を促進させるために、設置した超音波探触子と鋳型１との隙間は極力小さくすると同時に、温度による音速の変化が少ない充填材を超音波探触子と鋳型１との隙間に充填するなどすることが好ましい。使用する超音波が高周波数の場合には超音波探触子７は小さくなり、鋳型１の内部に埋設することができる。
【００１７】
超音波探触子７は超音波送受信処理装置９によって制御され、超音波の送受信を行う。図４に、超音波探触子７から発振された超音波の伝播の様子を概略図で示す。尚、図４は、図１に示すＡ部を拡大して示す図である。
【００１８】
図４に示すように、超音波探触子７から発振された超音波１０は、鋳型１の内部を伝播し、鋳型１とモールドパウダー層５との境界面１７で反射波１１と透過波１２になる。鋳型１の音響インピーダンスをＺ1 、溶融したモールドパウダー層５の音響インピーダンスをＺ2 とすると、境界面１７における反射率ｒ12及び透過率ｔ12は、それぞれ下記の（１）式及び（２）式で表される。
【００１９】
【数１】
2005262283.tif 000003
【００２０】
境界面１７を透過した透過波１２は、溶融したモールドパウダー層５を伝播し、モールドパウダー層５と凝固シェル３との境界面１８で反射波１３と透過波１４になる。モールドパウダー層５の厚みよりも波長が短い高周波数の超音波を使用した場合には、反射波１３は、多重反射として超音波探触子７に検出されることがある。凝固シェル３の音響インピーダンスをＺ3 とすると、境界面１８における反射率ｒ23及び透過率ｔ23は、それぞれ下記の（３）式及び（４）式で表される。（３）式及び（４）式におけるＺ2 は、溶融したモールドパウダー層５の音響インピーダンスである。
【００２１】
【数２】
2005262283.tif 000004
【００２２】
境界面１８を透過した透過波１４は、凝固シェル３を伝播し、凝固シェル３と溶鋼２との境界面１９で反射波１５と透過波１６になり、反射波１５が超音波探触子７で検出される。溶鋼２の音響インピーダンスをＺ4 とすると、境界面１９における反射率ｒ34及び透過率ｔ34は、それぞれ下記の（５）式及び（６）式で表される。（５）式及び（６）式におけるＺ3 は、凝固シェル３の音響インピーダンスである。
【００２３】
【数３】
2005262283.tif 000005
【００２４】
反射波１１を検出した後、反射波１３（或いは多重反射波）及び反射波１５が検出されるので、それらの伝播時間と各々の層での音速とから、モールドパウダー層５及び凝固シェル３の厚みがほぼリアルタイムで検出される。例えば、凝固シェル３における伝播時間をΔｔ、凝固シェル３における音速をＶs 、凝固シェル３の厚みをＤs とすれば、凝固シェル３の厚みは下記の（７）式によって求めることができる。この場合に、例えば鋳型１と凝固シェル３とが直接接している場合のように、モールドパウダー層５が無いような状況では、反射波１３のみが検出される。
【００２５】
【数４】
2005262283.tif 000006
【００２６】
各層の音響インピーダンスの代表的な数値（Z1＝4x107kg/m2・s、Z2=7.42x106kg/m2・s、Z3=3.56x107kg/m2・s、Z4=2.84x107kg/m2・s）を用いて計算すると、反射率ｒ23は正の符号であるが、反射率ｒ34は負の符号であり、位相が反転していることが分かる。つまり各層の厚みが小さく、多重反射が明確に除去できない場合も、反射波の位相を調べることで反射波１３と反射波１５とを区別することが可能となる。
【００２７】
また、厚みの薄いモールドパウダー層５を測定することも考慮して、モールドパウダー層５の厚みよりも十分に小さい波長の高周波を用い、得られる信号に対して、周波数解析などの信号処理を加え、モールドパウダー層５の厚みと凝固シェル３の厚みを求めることもできる。尚、本発明においては、伝播時間を計測し、計測した伝播時間と各層の音速とから各層の厚みを求めるので、各層の音速をオフラインで予め調査し把握しておく必要がある。従って、使用するモールドパウダー４の種類を変える場合には、その音速を事前に調べておく必要がある。
【００２８】
このように、本発明によれば、連続鋳造において、鋳型１内の凝固シェル３の厚みと、鋳型１と凝固シェル３との間に流入するモールドパウダー４の流入厚みとが、リアルタイムで且つ精度良く計測可能となり、連続鋳造時の鋳型内における凝固・冷却状態をリアルタイムで把握することが可能となり、ブレークアウトや鋳片の縦割れなどの操業異常及び品質異常を未然に防止することが可能となる。
【００２９】
また、計測されたモールドパウダー層５の厚み及び凝固シェル３の厚みを操業条件にフィードバックすることで、常に最適な条件で連続鋳造することができる。例えば、超音波送受信処理装置９で得たモールドパウダー層５の厚み及び凝固シェル３の厚みのデータを鋳造制御装置（図示せず）に入力し、得られたデータと予め設定した閾値とを対比して所定のアクションを決定し、決定したアクションを、鋳片引き抜き速度制御装置、二次冷却制御装置、鋳型振動制御装置、鋳型冷却水制御装置などに入力して鋳造条件を変更することで、最適な鋳造条件を維持することが可能となる。表１に具体的なアクションの例を示す。例えば、モールドパウダー層５の厚みの閾値を０．１ｍｍとし、モールドパウダー層５の厚みが０．１ｍｍ以下になったなら、表１に示すアクションを採るなどすればよい。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
尚、上記の説明では１つの超音波探触子７が送信及び受信を行う方法であったが、目標物以外からの多重反射を防ぐ目的で、送信専用の超音波探触子と受信専用の超音波探触子とを設け、これらを上下もしくは左右に離して設置する２音波探触子法を用いてもよい。また、送信波形を或るパターンで送信し、受信波形とパターン波形との相関をとることにより、ノイズの影響を受けにくくしてもよい。更に、フォーカシングをダイナミックに行い、フォーカス深さを変えながら各境界面を計測する方法も適用可能である。更にまた、溶鋼の連続鋳造以外の他の金属の連続鋳造にも適用することができる。
【実施例１】
【００３２】
図１に示す連続鋳造用鋳型を用い、低炭素アルミキルド鋼を１．５ｍ／分の引き抜き速度で連続鋳造する際に本発明を実施した。鋳型に、直径が６ｍｍ、帯域が５ＭＨｚの超音波探触子７を、鋳型の内面までの距離が１５ｍｍの位置に埋設した。設置位置の鋳型高さ方向位置は、溶鋼湯面６の近傍（溶鋼湯面の直下２０ｍｍを目標）となるようにし、本実施例では、鋳型の上面から１００ｍｍの位置とした。そして、超音波送受信処理装置９によって、図５に示すようなサイン波（ガウシアン分布）に調整された超音波を、超音波探触子７から送信した。
【００３３】
反射波として観測された波形を図６に示す。図６に示すように、超音波の送信時を０秒として、鋳型とモールドパウダー層との境界面１７からの反射波２０が先ず観測された。超音波探触子から境界面１７までの距離が１５ｍｍであるので、伝播時間は６．７マイクロ秒（μｓ）であった（鋳型銅板における音速：４５００ｍ／秒）。次に観測されたのは、モールドパウダー層と凝固シェルとの境界面１８からの反射波２１であり、反射波２０よりも３６０ナノ秒（ｎｓ）遅れていることから、モールドパウダー層の厚みが約０．５ｍｍ（モールドパウダー層における音速：２７５０ｍ／秒）であることが分かった。
【００３４】
反射波２２，２３，２４は反射波２１の多重反射波であり、凝固シェルと溶鋼との境界面１９からの反射波２５が、反射波２４の直前に確認できた。この遅れは反射波２１よりも８４０ナノ秒遅れており、凝固シェルの厚みが２ｍｍ（凝固シェルにおける音速：４７５０ｍ／秒）であることが分かった。尚、使用している音速は各層の平均値である。
【００３５】
モールドパウダー層５と凝固シェル３との厚みの関係によっては、反射波２５が、反射波２１の多重反射に隠れてしまい、凝固シェルの不感帯が生じてしまうが、多重反射により反射波２３，２４の振幅は大幅に減衰していることと、反射波２５は反射波２１と位相が反転していることとを利用して、反射波２２，２３，２４と反射波２５とを容易に判別することができた。更に、多重反射波は繰り返して生じるため、反射波２０に基づく計算から、多重反射波の減衰量や観測位置が予測できるので、その計算値を参考にして除去するなどの信号処理により、反射波２５を観測することも可能である。
【００３６】
各層での減衰が大きい場合には、周波数を下げることを余儀なくされた。例えば帯域２．５ＭＨｚの超音波探触子を使用した場合、図６に示すような反射波の波形が得られず、図７に示すような判別困難な波形になることもあった。本発明の方法では、この様な場合にも周波数解析により厚みの測定が可能である。
【００３７】
図７の反射波２６〜反射波３０はモールドパウダー層内の多重反射であるが、それぞれの位置の確定ができず、このままでは反射時間による厚み計算が困難である。しかし、この信号を周波数解析することにより、図８に示すような周波数分布が得られ、約２．８ＭＨｚにピークが有ることが分かった。従って、音速とピーク周波数とから、モールドパウダー層の厚みは０．５ｍｍと計算された。また、２．８ＭＨｚの波を選択的に除去すると、反射波３１が強調され、図９に示すように、反射波３２としてその位置を特定できるようになり、凝固シェルの厚みも求めることができた。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態例を示す図であって、本発明を実施した連続鋳造用鋳型部の概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態例を示す図であって、鋳型の上面から超音波探触子を埋め込んだ例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態例を示す図であって、鋳型の横方向に多チャンネルの超音波探触子を配置した例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態例を示す図であって、超音波探触子から発振された超音波の伝播の様子を示す概略図である。
【図５】実施例１において送信波として使用したサイン波を示す図である。
【図６】実施例１において反射波として観測された波形を示す図である。
【図７】実施例１において反射波として観測された波形の他の例を示す図である。
【図８】図７の信号を周波数解析して得た周波数分布を示す図である。
【図９】図７の信号から２．８ＭＨｚの波を選択的に除去したときに得られる波形の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  鋳型
２  溶鋼
３  凝固シェル
４  モールドパウダー
５  モールドパウダー層
６  溶鋼湯面
７  超音波探触子
８  設置孔
９  超音波送受信処理装置
１０  超音波
１１  反射波
１２  透過波
１３  反射波
１４  透過波
１５  反射波
１６  透過波
１７  境界面
１８  境界面
１９  境界面
【図１】
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【図２】
2005262283.tif 000009
【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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