(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型に取り付けた測温素子により鋳型温度の分布を測定し、この測温値に基づき鋳型内溶鋼の流動状況を推定すると共に、凝固状態判定装置により鋳片のクレータエンド位置を検出して鋳片幅方向のクレータエンド形状を求め、推定した鋳型内溶鋼流動状況と求めたクレータエンド形状とを対比し、予め鋳造条件に応じて調査しておいた両者の相関に基づき、クレータエンド形状が予め設定されている基準形状となるように鋳型内溶鋼の流動を制御しながら鋳造することを特徴とする連続鋳造鋳片の製造方法。
【請求項２】
鋳型内溶鋼に磁場を印加してその流動を制御することを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋳片の製造方法。
【請求項３】
前記凝固状態判定装置は、連続鋳造鋳片に対して電磁超音波の横波を透過させることによりその凝固状態を判定する装置であって、鋳片の表層部が相変態するまで当該鋳片を冷却する冷却手段と、冷却手段にて冷却された鋳片に対し、鋳片と非接触状態にある横波用の送信用電磁超音波センサによって送信信号としての横波超音波を送信する送信手段と、送信信号が鋳片を透過した透過信号を、鋳片と非接触状態にある横波用の受信用電磁超音波センサによって受信する受信手段と、受信手段において受信した受信信号に基づき鋳片の凝固状態を判定する判定手段と、を有する凝固状態判定装置であ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製造方法。
【請求項４】
前記凝固状態判定装置は、連続鋳造鋳片に対して電磁超音波の横波を透過させることによりその凝固状態を判定する装置であって、電磁超音波が鋳片を透過する伝播時間を超えない時間の最大数に対し、その５０％から１５０％の範囲に設定されたパルス幅内で、周波数、振幅若しくは位相の何れか、又はこれらの任意の組み合せにより変調したバースト状の送信信号を、鋳片と非接触状態にある横波用の送信用電磁超音波センサによって送信する送信手段と、送信信号が鋳片を透過した透過信号を、鋳片と非接触状態にある横波用の受信用電磁超音波センサによって受信する受信手段と、受信手段において受信した受信信号に対し、送信信号と同一又は類似の波形の参照信号を用いて相関演算を行い、鋳片の凝固状態を判定する判定手段と、を有する凝固状態判定装置であ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製造方法。
【請求項５】
前記凝固状態判定装置は、連続鋳造鋳片に対して電磁超音波の横波を透過させることによりその凝固状態を判定する装置であって、鋳片に対し、鋳片と非接触状態にある横波用の送信用電磁超音波センサによって送信信号としての横波超音波をパルス単位で繰り返し送信する送信手段と、送信信号が鋳片を透過した透過信号を、鋳片と非接触状態にある横波用の受信用電磁超音波センサによって受信する受信手段と、受信手段で受信された受信信号における各パルスを加算平均すると共に、その加算平均回数を１６回以上、且つ、信号伝播時間の変化がパルス加算による信号強度の相殺低下を生じさせない程度の時間幅に相当するパルス回数以下として信号処理し、この信号処理結果に基づいて鋳片の凝固状態を判定する判定手段と、を有する凝固状態判定装置であ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製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼の連続鋳造鋳片の製造方法に関し、詳しくは連続鋳造鋳片の完全凝固位置の形状を制御しつつ鋳造して、連続鋳造鋳片を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼の連続鋳造においては、連続鋳造鋳片の完全凝固位置（「クレータエンド位置」と云う）が鋳片のどの位置にあるかを判定することが極めて重要である。クレータエンド位置を検出することが、鋳片の生産性や品質の向上に大きく貢献するためである。
【０００３】
例えば、生産性を向上させるために鋳造速度を増やすと、クレータエンドは鋳片の引き抜き方向下流側に移動する。クレータエンド位置が鋳片支持ロールの範囲を超えてしまうと鋳片が静鉄圧により膨らみ（「バルジング」と云う）、内質の悪化や巨大バルジングの場合には鋳造停止と云った問題が発生する。それ故、クレータエンド位置が明確に分からない場合には、鋳造速度を無闇に増速できない。又、鋳片の中心偏析を低減して高品質化を図るための軽圧下操業では、クレータエンドを軽圧下帯に位置させるように鋳造速度や２次冷却量を制御する必要がある。これらの要求に応えるためには、鋳片の凝固状態を連続的に計測する必要がある。
【０００４】
従って、鋳片内部の凝固状態を判定するために、今までに種々の方法が提案されており、そのなかでも、超音波の横波の透過強度を利用した方法が多数提案されている。横波は固相のみ透過して液相が存在すると透過しないと云う性質があり、横波を鋳片の厚み方向に送信し、鋳片を透過した信号が検出されれば完全に凝固していると判断でき、信号が得られなければ未凝固層が残存していると判断できるからである。
【０００５】
例えば、特開昭６２−１４８８５０号公報では、縦波と横波を同時に発生できる電磁超音波センサを用い、横波の透過強度で凝固状態を判定している。同時に、未凝固層があっても透過する縦波の信号を用いることによりリフトオフ（鋳片とセンサとのギャップ）変動やセンサ異常もチェックできるようにしている。又、特開平１０−１９７５０２号公報では、鋳片における横波の共鳴周波数を測定し、この共鳴周波数から鋳片の中心固相率（鋳片軸心部の固液共存相における固相の比率）を求めている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらの測定装置を用いることによりクレータエンド位置の測定が可能となるが、スラブ鋳片においてはクレータエンド位置は鋳片の幅方向で均一ではなく、且つ、時間により変動することが経験的に知られている。鋳片の中心偏析を低減するためにはクレータエンド位置を鋳片幅方向で均一にすることが望ましいが、そのための有効な対策は従来提案されていない。
【０００７】
又、上記２つの公報に提案された装置を始めとして従来の凝固状態判定装置では感度が低い上にＳ／Ｎ（信号対雑音比）が低く、そのため、測定精度が悪いのみならず、非接触計測を行うほどには電磁超音波センサのリフトオフを大きくすることができず、長時間の連続計測が不可能であると云う問題点があった。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、鋳片の幅方向に空間的且つ時間的に変動するクレータエンドの形状を正確に捉え、そしてクレータエンド形状を常に最適な形状に制御しながら鋳造することのできる、連続鋳造鋳片の製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は上記課題を解決するために、鋭意検討を行った。以下に検討結果を説明する。
【００１０】
先ず最初にクレータエンド形状の制御方法について説明する。鋳片幅方向のクレータエンド形状は鋳片幅方向各部位の凝固速度により決定され、不均一なクレータエンド形状は鋳片幅方向の不均一凝固に起因して形成される。即ち、凝固の速い箇所ではクレータエンド位置は相対的に引き抜き方向上流側に上昇し、一方、凝固の遅れた箇所ではクレータエンド位置は相対的に引き抜き方向下流側に下降し、クレータエンドの形状は鋳片幅方向で不均一となる。
【００１１】
鋳片は鋳型内では水冷鋳型と接触して冷却され、鋳型から引き抜かれた後には二次冷却帯においてその表面に噴霧される冷却水により冷却される。鋳型内での冷却及び二次冷却帯での冷却の何れもが鋳片幅方向の不均一凝固の原因となりえるが、不均一凝固の他の原因として、鋳型内に注入された高温溶鋼との接触による凝固殻の再溶解若しくは凝固遅れも考慮しなければならない。
【００１２】
これらの原因の中から鋳片幅方向の不均一凝固の主たる原因を考察すると、（１）鋳型内では浸漬ノズルから吐出される溶鋼により流動が生じており、通常吐出流が衝突する鋳型短辺側の凝固殻厚みが薄くなること、（２）鋳型による冷却は凝固殻と鋳型との接触状態により決まり、凝固の不均一性即ち接触状態の不均一性は周期が短く、鋳片幅方向のクレータエンドの形状を左右するほどの影響は及ぼさないこと、（３）二次冷却強度は鋳片の表面割れ対策から通常鋳片幅方向では均一であり、二次冷却が均一であっても鋳片幅方向のクレータエンド形状は不均一となることから判断して、鋳片幅方向の不均一凝固は主に鋳型内の溶鋼流動に起因していると云う知見が得られた。鋳型内では凝固速度が速く、凝固殻の再溶解や凝固遅れが発生した場合には凝固殻厚みに大きな差が生じることも、この知見を裏付ける証拠である。クレータエンド形状を制御しようとして、二次冷却帯において鋳片幅方向の冷却強度に差を付けた場合には熱応力によって鋳片に表面割れを生じる虞があるが、鋳型内溶鋼の流動を制御する方法によれば鋳片の表面割れを心配する必要は全く無い。
【００１３】
クレータエンド形状を検出し、検出したクレータエンド形状が予め設定されている基準形状と異なった場合に鋳型内溶鋼の流動を制御してクレータエンド形状を制御することも可能ではあるが、この場合には、鋳型とクレータエンド位置とは最近の大型連続鋳造機では数十ｍも離れており、この間の既に鋳造されてしまった鋳片のクレータエンド形状を制御することができない。そこで、鋳型内溶鋼の流動状況を捉え、予め調査しておいたクレータエンド形状と鋳型内流動状況との相関から鋳型内溶鋼の流動状況を常に予め設定した流動パターンとなるように制御することで、クレータエンド形状をリアルタイムで制御することが可能となる。鋳型内溶鋼の流動状況は、鋳型に設置した測温素子による鋳型温度の測定値から推定することができ、又、鋳型内の溶鋼流動は鋳型内に磁場を印加することにより容易に制御することができる。
【００１４】
次に、凝固状態判定装置のＳ／Ｎ改善の検討結果を説明する。本発明者等は、横波電磁超音波を連続鋳造に適用した場合の感度について種々の実験と考察を重ねた結果、以下の各Ｓ／Ｎ改善方法を適宜組み合わせること、場合によっては単独のままで、完全非接触で計測できるセンサのリフトオフを実現できることを見出した。
【００１５】
第１のＳ／Ｎ改善方法は、被測定材即ち鋳片の表層部を冷却によって相変態させ、この冷却した部位に近接して横波用の送信用電磁超音波センサと受信用電磁超音波センサを配置するものである（以下「表層冷却によるＳ／Ｎ改善」とも云う）。
【００１６】
この方法の特徴は、冷却によって被測定材を相変態させていることと、横波用電磁超音波センサを用いている点にある。冷却過程においては、冷却速度が速く且つ冷却時間が短い場合、被測定材をキュリー点以下に低下させたとしても、過冷却のため結晶はしばらくγ相のままであり、磁性はすぐには回復しない。そこで本発明においては確実に磁性が回復するように相変態するまで冷却する。このようにすると、横波電磁超音波を磁性体に適用することとなるが、超音波の発生メカニズムとしてローレンツ力でなく磁歪の効果が支配的になると云う新たな効果を得ることができる。
【００１７】
図１でこれを説明する。キュリー点より高い温度では、横波電磁超音波はローレンツ力のみで発生している。ここで冷却すると、過冷却のためキュリー点より若干低い温度で磁性が回復する。これにつれて、ローレンツ力の効果は大きくなっていくが、ここで磁歪の効果も出てくるようになる、磁歪の効果はローレンツ力よりも更に大きくなるため、磁歪による電磁超音波は、ローレンツ力による電磁超音波より高い感度が得られる。従って、被測定材の表層部を冷却によって相変態させ、この冷却した部位に近接して横波用の送信用電磁超音波センサと受信用電磁超音波センサを配置すれば、大幅な感度向上を得ることができる。
【００１８】
ここで、冷却によって相変態させる必要のある被測定材の表層部としては、その幅が電磁超音波センサのコイル幅以上、長さが電磁超音波センサのコイル長さ以上、深さが用いる超音波の周波数における浸透深さ程度、例えば周波数が１ＭＨｚであれば０．１〜０．２ｍｍ程度以上であることが望ましい。尚、相変態させる必要のある表層部は、全てα相となることが望ましいが、表層部におけるγ相からα相への相変態の仕方は冷却条件や表層部の組成状態等により複雑に変化するため、部分的にγ相が残っている状態であっても或る程度以上α相に変態していれば本発明の効果は得られる。
【００１９】
第２のＳ／Ｎ改善方法は、送信信号のバースト波パルス幅がその伝播時間を超えない範囲で最大のパルス幅となるようにするものである（以下「バースト波によるＳ／Ｎ改善」とも云う）。具体的には、鋳片厚み、鋳片温度、音速とから定まる最大数の近傍に設定した所定パルス幅内で、周波数、振幅若しくは位相の何れか、又はこれらの任意の組み合せにより変調したバースト状の送信信号を送信用電磁超音波センサに印加して鋳片内に横波超音波を送信する。これを受信用電磁超音波センサにより受信し、その受信信号に対し、送信信号と同一又は類似の波形の参照信号を用いて相関演算を行うようにする。
【００２０】
ここでは、変調した送信信号を用い、受信信号の相関演算を行うようにしているが、これによる効果を最大限に得るために、送信信号のパルス幅を鋳片厚み、鋳片温度、音速とから定まる最大数の近傍に設定する。
【００２１】
鋳片を透過した信号は、図２に示されるように、送信信号から伝播時間だけ遅れた位置に現れる。伝播時間ｄｔは、鋳片厚みｄ、鋳片温度Ｔ（ｘ）、音速Ｃ（Ｔ）とから、下記の（１）式により推定できる。尚、ここでＴａは鋳片の平均温度である。
【００２２】
【数１】
0003757830.tif 000002
【００２３】
鋳片の温度分布は、大まかには伝熱計算で容易に求まるため、予め鋳片の厚み、操業条件に応じて平均温度を求めておけば伝播時間が求められる。従って、この伝播時間を超えない範囲で最大のパルス幅を設定することで、最大のＳ／Ｎ改善が得られる。
【００２４】
第３のＳ／Ｎ改善方法は、平均回数を１６回以上且つ平均後の透過信号が小さくならない範囲に設定した平均回数で、相関後の信号又は受信信号を送信信号に同期して加算平均するものである（以下「加算平均によるＳ／Ｎ改善」とも云う）。ここでは、同期加算平均を行うようにしているが、鋳片温度は操業状態によって様々に変化するため、図３に示すように透過信号の現れる位置は刻一刻変化することになる。この結果、伝播時間の変化率が大きい時、平均処理後に透過信号が小さくなってしまい、凝固状態の判定精度が低くなる。図３は平均回数が２回の場合を示しているが、平均回数が更に多いと、より伝播時間の変化割合は増えてしまうため、より透過信号が小さくなる。これを避けるため、平均後の透過信号が小さくならない範囲に設定する。ここで、Ｓ／Ｎ比を最大にする平均回数は次のように定められる。
【００２５】
透過信号を周波数ｆの正弦波とし、透過信号の単位時間あたりの伝播時間変化率をτ（=(t2-t1)/T）、パルス繰り返し周波数をＰＲＦ（=1/Tprf ）、平均回数をＮとすると、加算平均後の透過信号の振幅Ｘｓは下記の（２）式で表される。
【００２６】
【数２】
0003757830.tif 000003
【００２７】
又、ノイズの振幅Ｘｎは下記の（３）式で表される。
【００２８】
【数３】
0003757830.tif 000004
【００２９】
よって、平均後のＳ／Ｎ比改善量αとして下記の（４）式が得られる。
【００３０】
【数４】
0003757830.tif 000005
【００３１】
そこで、これらの式に基づいて最大の平均回数を求めれば良い。従って、これを超えない範囲で平均回数を設定することで、最大のＳ／Ｎ改善を得るようにする。
【００３２】
以上、個々のＳ／Ｎ改善方法について説明したが、１番目の「表層冷却によるＳ／Ｎ改善」は電磁超音波の発生原理を利用したもの、２番目の「バースト波によるＳ／Ｎ改善」は送信信号とノイズとの相関を利用したもの、３番目の「加算平均によるＳ／Ｎ改善」はノイズの時間ランダム性を利用したものであり、これらのＳ／Ｎ改善効果は全て異なる原理で得ている。従って、Ｓ／Ｎ改善量は加算されていくこととなり大きなＳ／Ｎ改善量が得られることになる。
【００３３】
これらのＳ／Ｎ改善方法や送信信号の高出力化方法を適宜組み合わせていくと、ある段階で電磁超音波センサにタッチロールを付けて鋳片に接触させるようなことをしなくても構わないほど、リフトオフを広く取ることができるようになる。従来技術では、リフトオフはせいぜい２ｍｍであり、本発明者等が知る限り、現実に、完全非接触で且つ連続的に連続鋳造鋳片の凝固状態を判定できるシステムは存在しない。しかし、上記したＳ／Ｎ改善方法同士、あるいはＳ／Ｎ改善方法と送信信号の高出力化方法を組み合わせることで、従来は不可能であった完全非接触且つ連続的な連続鋳造鋳片の凝固状態判定を現実に可能なものとすることができる。
【００３５】
本発明は上記検討結果に基づきなされたもので、第１の発明による連続鋳造鋳片の製造方法は、鋳型に取り付けた測温素子により鋳型温度の分布を測定し、この測温値に基づき鋳型内溶鋼の流動状況を推定すると共に、凝固状態判定装置により鋳片のクレータエンド位置を検出して鋳片幅方向のクレータエンド形状を求め、推定した鋳型内溶鋼流動状況と求めたクレータエンド形状とを対比し、予め鋳造条件に応じて調査しておいた両者の相関に基づき、クレータエンド形状が予め設定されている基準形状となるように鋳型内溶鋼の流動を制御しながら鋳造することを特徴とするものである。
【００３６】
第２の発明による連続鋳造鋳片の製造方法は、第１の発明において、鋳型内溶鋼に磁場を印加してその流動を制御することを特徴とするものである。
【００３７】
第３の発明による連続鋳造鋳片の製造方法は、第１の発明又は第２の発明において、前記凝固状態判定装置は、連続鋳造鋳片に対して電磁超音波の横波を透過させることによりその凝固状態を判定する装置であって、鋳片の表層部が相変態するまで当該鋳片を冷却する冷却手段と、冷却手段にて冷却された鋳片に対し、鋳片と非接触状態にある横波用の送信用電磁超音波センサによって送信信号としての横波超音波を送信する送信手段と、送信信号が鋳片を透過した透過信号を、鋳片と非接触状態にある横波用の受信用電磁超音波センサによって受信する受信手段と、受信手段において受信した受信信号に基づき鋳片の凝固状態を判定する判定手段と、を有する凝固状態判定装置であることを特徴とするものである。
【００３８】
第４の発明による連続鋳造鋳片の製造方法は、第１の発明又は第２の発明において、前記凝固状態判定装置は、連続鋳造鋳片に対して電磁超音波の横波を透過させることによりその凝固状態を判定する装置であって、電磁超音波が鋳片を透過する伝播時間を超えない時間の最大数に対し、その５０％から１５０％の範囲に設定されたパルス幅内で、周波数、振幅若しくは位相の何れか、又はこれらの任意の組み合せにより変調したバースト状の送信信号を、鋳片と非接触状態にある横波用の送信用電磁超音波センサによって送信する送信手段と、送信信号が鋳片を透過した透過信号を、鋳片と非接触状態にある横波用の受信用電磁超音波センサによって受信する受信手段と、受信手段において受信した受信信号に対し、送信信号と同一又は類似の波形の参照信号を用いて相関演算を行い、鋳片の凝固状態を判定する判定手段と、を有する凝固状態判定装置であることを特徴とするものである。
【００３９】
第５の発明による連続鋳造鋳片の製造方法は、第１の発明又は第２の発明において、前記凝固状態判定装置は、連続鋳造鋳片に対して電磁超音波の横波を透過させることによりその凝固状態を判定する装置であって、鋳片に対し、鋳片と非接触状態にある横波用の送信用電磁超音波センサによって送信信号としての横波超音波をパルス単位で繰り返し送信する送信手段と、送信信号が鋳片を透過した透過信号を、鋳片と非接触状態にある横波用の受信用電磁超音波センサによって受信する受信手段と、受信手段で受信された受信信号における各パルスを加算平均すると共に、その加算平均回数を１６回以上、且つ、信号伝播時間の変化がパルス加算による信号強度の相殺低下を生じさせない程度の時間幅に相当するパルス回数以下として信号処理し、この信号処理結果に基づいて鋳片の凝固状態を判定する判定手段と、を有する凝固状態判定装置であることを特徴とするものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図４及び図５は本発明の実施の形態を示す図であって、図４は本発明を実施したスラブ連続鋳造機の鋳型部分を示す概略図、図５はスラブ連続鋳造機の二次冷却帯に設置した凝固状態判定装置の１例を示す構成図である。
【００４１】
図４に示すように、相対する鋳型長辺銅板３４と、鋳型長辺銅板３４内に内装された相対する鋳型短辺銅板３５とを具備した鋳型３３の上方に、タンディッシュ４０が配置されている。鋳型長辺銅板３４及び鋳型短辺銅板３５は冷却水により水冷されている。タンディッシュ４０の底部には上ノズル４５が設けられ、この上ノズル４５の下方には、上ノズル４５に接続して固定板４６、摺動板４７及び整流ノズル４８からなるスライディングノズル４１が配置され、更に、スライディングノズル４１の下面側には浸漬ノズル４２が配置され、タンディッシュ４０から鋳型３３への溶鋼流出孔４９が形成されている。
【００４２】
図示せぬ取鍋からタンディッシュ４０内に注入された溶鋼３１は、溶鋼流出孔４９を経由して、浸漬ノズル４２の下部に設けられ、且つ鋳型３３内の溶鋼３１に浸漬された吐出孔４３より、吐出流４４を鋳型短辺銅板３５に向けて鋳型３３内に注入される。そして、溶鋼３１は鋳型３３内で冷却されて凝固殻３２を形成し、鋳型３３の下方に引き抜かれ鋳片となる。その際、鋳型３３内のメニスカス３８上にはモールドパウダー３９が添加され、モールドパウダー３９は溶融して、凝固殻３２と鋳型３３との間に流れ込み潤滑剤としての効果を発揮している。
【００４３】
鋳型長辺銅板３４には、メニスカス３８の近傍に鋳型長辺銅板３４の幅方向に沿って複数の孔が設けられ、鋳型長辺銅板３４の銅板温度を測定する測定点３６となっている。各測定点３６には測温素子３７が、その先端を鋳型長辺銅板３４に接して配置されている。測温素子３７の測定データは零点補償器（図示せず）により温度補償された後、データ解析装置（図示せず）に入力され、データ処理が施されている。測温接点となる測温素子３７の先端が冷却水により直接冷却されないように、測定点３６はシール材（図示せず）により鋳型用冷却水からシールされている。測温素子３７としては熱電対や抵抗測温体等を用いることができる。
【００４４】
測温素子３７による測温値から鋳型内の溶鋼流動を推定する方法は、鋳型幅方向の鋳型銅板温度分布を求め、鋳型温度が相対的に高い部位では溶鋼３１の流動速度が速いことに基づき推定することができる。溶鋼３１の流動速度が速い部位では、流速の効果によって溶鋼３１から凝固殻３２への熱伝達が大きくなることと、吐出孔４３から吐出される温度の高い溶鋼３１で常に更新されているからである。
【００４５】
鋳型長辺銅板３４の背面には、浸漬ノズル４２を境として鋳型長辺銅板３４の幅方向左右で２つに分割されたリニア型交流移動磁場発生装置５０が、その鋳造方向の中心位置を吐出孔４３の直下位置とし、鋳型長辺銅板３４を挟んで対向して配置されている。リニア型交流移動磁場発生装置５０は、磁場電源制御装置（図示せず）に結線され、印加する磁場の強度及び磁場の移動方向が制御される。このリニア型交流移動磁場発生装置５０により印加される磁場は移動磁場であり、具体的には、鋳型長辺銅板３４を挟んで対向するリニア型交流移動磁場発生装置５０の磁場移動方向を同一水平方向として、吐出流４４の減速又は加速を行う。移動磁場の移動方向を鋳型短辺銅板３５側から浸漬ノズル４２側とすることで吐出流４４は減速され、又、逆方向とすることで吐出流４４は加速される。
【００４６】
図５に示すように、連続鋳造機の二次冷却帯では鋳造中の鋳片１を鋳片支持ロール２が挟みこみ、鋳片１を図中右側へ引き抜いている。鋳片１の内部には未凝固層７が存在し、その先端がクレータエンドである。又、鋳片支持ロール２間に設けられた水冷用ノズル５は、鋳片１の表層部に対して水を放出して冷却し、その所定領域６をγ相からα相へ変態させている。
【００４７】
凝固状態判定装置は、鋳片１をα相変態した位置で挟んで対向配置させた送信用横波電磁超音波センサ３及び受信用横波電磁超音波センサ４からなるセンサ部と、送信用横波電磁超音波センサ３に送信信号を出力する送信出力系８，９（１４，１５），１６と、受信用横波電磁超音波センサ４にて受信した受信信号を処理する受信処理系１０，１１，１２，１３，１７とからなっている。送信用横波電磁超音波センサ３及び受信用横波電磁超音波センサ４は鋳片幅方向に移動して、鋳片１の幅全体で検出できる構成となっている。又、図５では一対の送信用横波電磁超音波センサ３及び受信用横波電磁超音波センサ４が設置されているが、クレータエンド位置を正確に検出するためには、鋳片引き抜き方向の上流側及び下流側に複数対の電磁超音波センサ３，４を設置することが好ましい。
【００４８】
送信用横波電磁超音波センサ３は、送信信号を横波の電磁超音波として発信し、鋳片１を透過した電磁超音波の透過信号を受信用横波電磁超音波センサ４が受信する。この受信信号を処理することによりクレータエンドの位置検出が行われる。尚、図５においては、電磁超音波センサ３，４の位置では鋳片内部が完全に凝固しており、クレータエンドはセンサ部の上流側にある。
【００４９】
又、送信出力系は、送信信号のトリガー信号発生部８と、送信信号発生部９と、バースト波のパルス幅を設定するパルス幅設定部１６とから構成される。送信信号発生部９は、更にトリガー信号に基づいて設定されたパルス幅のバースト波を発生するバースト波発生部１４と、発生したバースト波を増幅して送信信号としてセンサ３に出力する電力増幅部１５とからなっている。
【００５０】
一方、受信処理系は、受信信号の増幅部１０、同期加算平均部１２、平均回数設定部１３、相関処理部１７、及び、受信信号から透過信号を抽出して凝固状態を判定する評価部１１とから構成されている。
【００５１】
次に、以上のように構成された凝固状態判定装置の動作について説明する。
【００５２】
トリガー信号発生部８から送信のタイミング信号が出ると、バースト波発生部１４は、周波数、振幅若しくは位相の何れか又はこれらの任意の組み合せにより変調したバースト状の送信信号を発生する。ここで、パルス幅はパルス幅設定部１６にて指定された値とする。送信信号は電力増幅部１５で増幅され、送信用横波電磁超音波センサ３に印加される。
【００５３】
図６は電磁超音波センサ３，４の構造例を示す図である。同図に示すように、送信用横波電磁超音波センサ３はコイル１９を備えており、鋳片１の表層部でα相に変態している所定領域６に、送信信号による高周波の振動磁場Ｂｖを鋳片１の表面に平行な方向に加える。この結果、鋳片１の表面に平行な応力が磁歪によってかかるため、せん断波即ち横波が発生することになる。尚、ここで送信用横波電磁超音波センサ３は垂直方向に磁極を持つ磁石２０も備えているが、これは静磁場Ｂｓにより磁歪の効果を増すために用いられる。この磁石は永久磁石でも電磁石でも良い。
【００５４】
このようにして、発生した横波超音波は鋳片１を透過し、送信とは反対側の表面に到達する。こちら側には、図６と同様に受信用横波電磁超音波センサ４が対向しており、連続鋳造鋳片１の表層部でα相に変態している所定領域６に、磁石２０により静磁場Ｂｓがかけられている。ここに横波が到達すると、磁歪の逆効果として、この部分の透磁率が変化する。この結果、受信用横波電磁超音波センサ４のコイルを横切る磁束Ｂｓが高周波で振動的に変化するため、電磁誘導によってセンサコイル１９に電圧が発生し、受信信号が得られる。
【００５５】
この受信信号は増幅部１０で増幅された後、同期加算平均部１２に入力され、平均回数設定部１３により設定された回数だけ平均化される。同期加算平均部１２は種々の方法で実施可能だが、ここでは、Ａ／Ｄ変換を行って数値化し、トリガー発生部８の信号に同期して計算機によって平均化するようにした。演算式として下記の（５）式等を適用することができる。但し（５）式において、ｘi(j)は入力信号、ｙi(j)は出力信号、Ｎは平均回数、ｉはパルス繰り返し、ｎは一探傷信号のデータ点数であり、−∞≦ｉ≦∞、０≦ｊ≦ｎ−１である。
【００５６】
【数５】
0003757830.tif 000006
【００５７】
平均された受信信号は、相関処理部１７に入力される。ここでは、既に数値化されているので、更に計算を行うことが相関処理部１７の役割となる。相関処理は下記の（６）式で実施することができる。但し（６）式において、ｘi(j)は入力信号、ｙi(j)は出力信号、Ｃ(j)は参照信号、Ｎｃは参照信号の点数、ｉはパルス繰り返し、ｎは一探傷信号のデータ点数であり、−∞≦ｉ≦∞、０≦ｊ≦ｎ−１である。尚、直接（６）式を計算しないで、入力信号をＦＦＴしたものと参照信号をＦＦＴしたものの共役とを乗算し、その結果を逆ＦＦＴして出力を得るのが最も高速に処理できるため有用である。
【００５８】
【数６】
0003757830.tif 000007
【００５９】
バースト波発生部１４は、周波数、振幅若しくは位相の何れか、又はこれらの任意の組み合せにより変調したバースト状の送信信号を発生するが、変調方式はどの方式でも良い。変調方式の一例として、周波数変調であるチャープ波の例を下記の（７）式で示す。但し（７）式において、ｆｃはチャープ波の中心周波数、Ｂｗはチャープ波の周波数掃引幅、Ｔｗはチャープ波のパルス幅であり、０≦ｔ≦Ｔｗである。
【００６０】
【数７】
0003757830.tif 000008
【００６１】
チャープ波は自己相関関数が鋭い性質を持つ波形である。鋳片１を透過してきた受信信号の波形は、送信信号と相似であるから、相関処理部１７を通過した受信信号は、送信信号のパルス幅より短くなるパルス圧縮効果が得られ、パルス幅の短い鋭い波形となる。これは、評価部１１で凝固状態の判定を行う際に以下の点で有用である。一つ目は、透過信号の強度を求める際、透過信号の時間帯だけにゲートをかけて、その中の最大値を求めれば良いが、パルス幅の短い鋭い波形だとゲートの幅を狭くできるので、余分なノイズを拾わなくなる。二つ目は、透過信号の伝播時間を求める際、短いパルスだと時間の精度が高くなり、より精度良い鋳片の凝固状態判定ができるようになる。
【００６２】
以上のようにして、相関処理の出力を得て、評価部１１で凝固状態の判定を行う。これも計算で実施できるので、同期加算平均部１２、相関処理部１７、評価部１１は一つあるいは複数の計算機で実施できる。
【００６３】
尚、本実施の形態においては、「表層冷却によるＳ／Ｎ改善」、「バースト波によるＳ／Ｎ改善」及び「加算平均によるＳ／Ｎ改善」の全てを組み合わせた場合について説明したが、これら全てを組み合さなくてもセンサの非接触化を実現できる場合がある。具体的には、完全に非接触で計測可能なリフトオフ改善量としては従来技術（１〜２ｍｍ）より望ましくは＋７ｍｍ以上あれば良いが、＋４ｍｍ以上でも可能である。そこで、センサのリフトオフ特性がおよそ−４ｄＢ／ｍｍであることを考慮すると、従来に比べて１６ｄＢ以上のＳ／Ｎ改善があればセンサ〜鋳片間を非接触とすることが可能である。従って、従来に比べて１６ｄＢ以上のＳ／Ｎ改善が期待できるように、「表層冷却によるＳ／Ｎ改善」、「バースト波によるＳ／Ｎ改善」及び「加算平均によるＳ／Ｎ改善」を適宜組み合わせることが可能である。
【００６４】
このような構成の連続鋳造設備において本発明による連続鋳造鋳片の製造方法を以下のようにして実施する。
【００６５】
鋳造中、凝固状態判定装置により鋳片幅方向のクレータエンドの形状を求める。同時に、測温素子３７により鋳型長辺銅板３４の鋳型幅方向の温度分布を測定し、鋳型内溶鋼３１の流動状況を推定する。そして予め調査しておいた鋳型内溶鋼３１の流動状況とクレータエンド形状との相関に基づき、基準形状のクレータエンド形状に対応する流動状況となるようにリニア型交流移動磁場発生装置５０により磁場を印加して、吐出流４４の減速又は加速を行う。鋳型内溶鋼３１の流動は吐出流４４により左右されているので、吐出流４４の流速を制御することにより鋳型内溶鋼３１の全体の流動を制御することができる。
【００６６】
このようにしてクレータエンド形状を制御することにより、リアルタイムでクレータエンド形状を制御することが可能となる。鋳片１の中心偏析から判断した場合、クレータエンド形状は鋳片幅方向に凹凸がなく、平坦な形状が好ましい。従って、基準形状のクレータエンド形状とは、通常は平坦な形状を意味するものとするが、何らかの理由により特殊な形状を目的とする場合には、その形状が基準形状となる。リニア型交流移動磁場発生装置５０を用いて鋳型内溶鋼３１の流動状況を種々変化させ、その時のクレータエンド形状を調査しておくことにより、種々のクレータエンド形状に制御することができる。
【００６７】
尚、鋳型内溶鋼３１の流動状況を推定せず、凝固状態判定装置により検出したクレータエンド形状に基づいて鋳型内溶鋼３１の流動を制御しても良い。但し、この場合には、凝固状態判定装置まで至る間に既に鋳造されている鋳片１のクレータエンド形状は制御することができないので、鋳型内溶鋼３１の流動状況を推定しながら制御する方法を採用することが好ましい。
【００６８】
【実施例】
図４及び図５に示すスラブ連続鋳造機を用い、本発明を実施しながら、厚みが２５０ｍｍ、幅が１６００ｍｍの低炭素Ａｌキルド鋼鋳片を２．４ｍ／ｍｉｎの鋳造速度で鋳造した。鋳型長辺銅板にはメニスカスから５０ｍｍ下方の位置に２０ｍｍ間隔でアルメル・クロメル熱電対（ＪＩＳ熱電対Ｋ）を設置した。又、凝固状態判定装置は鋳片引き抜き方向の３箇所に設置した。
【００６９】
予めこの鋳造条件における鋳型内溶鋼の流動状況とクレータエンド形状との相関を調査した。調査結果の例を図７に示す。図７ではクレータ形状を大きく３種類に分類しており、鋳片短辺側のクレータエンド位置が引き抜き方向下流側に伸びた場合には、鋳型長辺銅板温度の分布は短辺側の温度が高くなり（タイプ１）、クレータエンド形状が平坦な場合には、鋳型長辺銅板温度の分布は幅方向で均一になり（タイプ２）、鋳片幅方向中央部のクレータエンド位置が鋳片引き抜き方向下流側に伸びた場合には、鋳型長辺銅板温度の分布は幅方向中央部の温度が高くなる（タイプ３）ことが分かった。そしてこの相関は極めて強い相関であることも分かった。この鋳造の場合にはタイプ２を基準形状と定め、リニア型交流移動磁場発生装置により鋳型内の溶鋼流動を制御した。尚、図７に示すクレータエンド形状の斜線部は未凝固層を表している。
【００７０】
凝固状態判定装置の各部の設定値は以下のように実施した。
【００７１】
１．表層冷却によるＳ／Ｎ改善：連続鋳造鋳片の表層部を相変態させる条件は次のようにした。ここでは、センサ手前の鋳片の表面温度は９００℃で、水冷用ノズルの水量は−２０℃／ｓの冷速が得られる量とした。被測定材の連続冷却変態線図（ＣＣＴ）は図８のようであったため、冷却速度が−２０℃／ｓの時の変態開始温度（曲線ａ）は約６２０℃となる。図１で説明した磁歪の効果を得るためには、変態開始よりも温度を下げて変態終了温度（曲線ｂ）に近づければ良いので、表層部が６２０℃以下となるようにした。この場合、下げれば下げるほど効果は大きくなるため、表面割れ等が発生しないように、品質上の制約から温度を決めれば良い。ここでは、表層の温度を６００℃まで冷やすとすると、３００℃低下させれば良い。従って、α相への冷却ゾーン長を３００℃÷２０℃／ｓ×４０ｍｍ／ｓ＝６００ｍｍとした。
【００７２】
以上の条件で、実際に透過信号のＳ／Ｎを測定すると、冷却しないでローレンツ力で電磁超音波を発生させた場合に比較して、冷却して相変態させ磁歪で電磁超音波を発生させた場合は１０ｄＢのＳ／Ｎ改善効果があった。尚、電磁超音波の周波数を考慮し、振動磁場の浸透深さ程度までが相変態開始するように冷却するとより感度を高くすることができる。
【００７３】
２．バースト波によるＳ／Ｎ改善：送信信号は次のようにした。透過信号は、送信後、図２に示すように伝播時間分だけ遅れた位置に現れる。従って、送信信号の漏れ込みが透過信号に重ならないように、この伝播時間より送信信号のパルス幅を短くすれば良い。ここで伝播時間は、鋳片厚み、鋳片温度、音速とから決定される。音速は鋳片温度（Ｔ）と鋼種に依存し、横波で炭素鋼の場合、概略３０００−０．６５Ｔ（ｍ／ｓ）である。即ち鋳片温度（Ｔ）が低いほど音速は速くなり、伝播時間は短くなる。
【００７４】
従って、適用しようとする測定位置において、鋳片の温度が最も低くなる場合が最も伝播時間が短くなる場合であるから、この時の伝播時間が最大数である。そこで、送信信号のパルス幅はこの値の近傍に設定すれば良いことになる。本発明は鋳片の凝固状態を判定するために使うので、鋳片の温度が最も低くなる場合とは、軸心の温度で１１００℃程度、平均温度で１０００℃程度と考えれば良い。
【００７５】
パルス幅の許容範囲は以下のように決められる。Ｓ／Ｎはパルス幅の１／２乗にほぼ比例するため、パルス幅を１／２位に短くすると６ｄＢ近く低下して効果が少なくなってしまう。一方、長すぎると透過信号に重なってしまうようになるが、波形の両端は、センサや増幅器の特性により多少振幅が小さくなるため、パルス幅は上記最大値の１．５倍位まで許容できる。このため、Ｓ／Ｎ向上効果の出るパルス幅の範囲としては最大数の５０%以上、１５０%以下が望ましく、最適な範囲としては８０%以上、１２０%以下が望ましい。
【００７６】
表１に、厚みが２００ｍｍ、２５０ｍｍ、３００ｍｍの鋳片について定めた送信信号の最適なパルス幅を示す。ここでは最低の温度を平均温度で１０００℃とし、その時の音速は２３５０ｍ／ｓとした。
【００７７】
【表１】
0003757830.tif 000009
【００７８】
尚、送信信号の漏洩信号が大きい場合、漏洩信号により受信アンプが飽和し、いわゆる追い込み現象によりしばらくの時間不感帯になる場合がある。従って、追い込みがある場合は、上表の値からこの追い込み時間を引いた値にパルス幅を設定すれば良い。
【００７９】
表１のうちで、鋳片厚み２５０ｍｍ、パルス幅１００μｓ、周波数１００ｋHzの場合について、実際に透過信号のＳ／Ｎを測定すると、１００ｋHzの１波のsin波に比較して、１２ｄＢのＳ／Ｎ改善効果があった。従って、上記のパルス幅の範囲に設定することで最低６ｄＢのＳ／Ｎ改善効果が得られた。
【００８０】
３．加算平均によるＳ／Ｎ改善：同期加算平均の平均回数は次のようにした。鋳造中の温度変化による伝播時間の変化率が大きい場合ほど、図３に示すように、平均化によって透過信号が小さくなってしまう可能性がある。そこで、伝播時間の変化率について様々な実験を繰り返した結果、同変化率がかなり大きくなる場合においては０．０３μｓ／ｓ〜０．３μｓ／ｓ程度であった。そこで、この値をパラメータとし、超音波の周波数１００ｋHz、パルス繰り返し周波数１００Hzの場合の場合について、（２）式に基づいて平均回数と透過信号の振幅の関係を求めると図９のようになった。
【００８１】
同図によれば、単位時間あたりの伝播時間の変化率τが最も早い０．３μｓ／ｓの時に平均回数２５６回程度までなら、振幅の低下はほとんどないことから、この場合は、平均回数の最大数は２５６と定められる。この時のＳ／Ｎ改善効果は（４）式のように平均回数の１／２乗に比例するので２４ｄＢが得られた。尚、上記最大数の算出に当たっては、透過信号強度の低下が１ｄＢ前後であれば振幅の低下がほとんどないことを基準にしている。即ち「伝播時間の変化率τが０．３μｓ／ｓの時に平均回数の最大数２５６回」と云う値は、透過信号強度の低下１ｄＢの場合である。伝播時間の変化率τが他の値となる場合にも、同様な基準により平均回数の最大数が算出される。
【００８２】
又、平均回数が少ないとＳ／Ｎ向上効果は少なくなるので、効果の出る範囲としては１６回以上が望ましい。この場合、＋１２ｄＢの効果がある。反対に平均回数が多すぎると図３のように振幅が小さくなるため、上記最大数の２倍程度以内が望ましい。最適な範囲としては上記最大数の５０%以上、２００%以下が適当である。尚、（２）式から明らかなように、超音波の周波数やパルス繰り返し周波数を変更する場合は、τを比例させて変化させた点で図９を読むことで、図９から平均回数と透過信号の振幅の関係を求めることができる。
【００８３】
以上に説明した３種類の効果は前述したように全て独立のため、これらを全て組み合わせることにより、１０＋６＋１２＝２８ｄＢのＳ／Ｎ改善効果が得られた。電磁超音波センサのリフトオフ感度特性は−４ｄＢ／ｍｍ程度であるため、２８／４＝＋７ｍｍリフトオフを広くすることができるようになった。
【００８４】
このようにして連続鋳造鋳片を鋳造することにより、鋳造中のほとんどの期間クレータエンドを平坦な形状に制御することが達成できた。その結果、鋳片の中心偏析は低減され高品質の鋳片を製造することができた。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、連続鋳造鋳片を製造する際に、鋳片の幅方向に空間的且つ時間的に変動するクレータエンドの形状を常に最適な形状に制御しながら鋳造することのでき、鋳片の中心偏析の低減、並びに、鋳造速度上限値までの増速による生産性の向上等が可能となり、工業上有益な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】横波電磁超音波の発生メカニズムを示す図である。
【図２】送信信号と伝播時間の関係を示す図である。
【図３】伝播時間の変化と平均処理の関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態を示す図で、本発明を実施したスラブ連続鋳造機の鋳型部分を示す概略図である。
【図５】本発明の実施の形態を示す図で、本発明に係る凝固状態判定装置の１例を示す構成図である。
【図６】本発明の実施の形態を示す図で、本発明に係る電磁超音波センサの構造例を示す図である。
【図７】鋳型内溶鋼の流動状況とクレータエンド形状との相関を示す図である。
【図８】被測定材料の連続冷却変態線図である。
【図９】平均回数と透過信号の振幅との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  鋳片
２  鋳片支持ロール
３  送信用横波電磁超音波センサ
４  受信用横波電磁超音波センサ
５  水冷用ノズル
６  所定領域
７  未凝固層
８  トリガー信号発生部
９  送信信号発生部
１０  増幅部
１１  評価部
１２  同期加算平均部
１３  平均回数設定部
１４  バースト波発生部
１５  電力増幅部
１６  パルス幅設定部
１７  相関処理部
１９  コイル
２０  磁石
３１  溶鋼
３２  凝固殻
３３  鋳型
３４  鋳型長辺銅板
３５  鋳型短辺銅板
３７  測温素子
４０  タンディッシュ
４１  スライディングノズル
４２  浸漬ノズル
５０  リニア型交流移動磁場発生装置
【図１】
0003757830.tif 000010
【図２】
0003757830.tif 000011
【図３】
0003757830.tif 000012
【図４】
0003757830.tif 000013
【図５】
0003757830.tif 000014
【図６】
0003757830.tif 000015
【図７】
0003757830.tif 000016
【図８】
0003757830.tif 000017
【図９】
0003757830.tif 000018