CN1437704A - 钢的连铸铸件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造钢的连铸铸件的方法，该方法包括：测定工序，使用通过和铸件非接触地配置的传感器测定连铸铸件的凝固状态的方法，测定沿着铸件的铸造方向的凝固状态；检测工序，根据所测定的凝固状态检测环形坑端的位置；和控制工序，根据所检测的环形坑端的位置，控制从铸造速度和二次冷却水量条件中选择的至少一个条件；并且，测定铸件凝固状态的方法包括：冷却工序，把铸件的表层部分冷却到发生α相变；发送工序，把电磁超声波的横波发送给被冷却后的铸件；接收工序，接收透过铸件后的信号；和判定工序，根据所接收的信号，判定凝固状态。

Description

钢的连铸铸件的制造方法
技术领域
本发明涉及一种制造钢的连铸铸件的方法，特别是涉及一种通过检测铸造铸件的凝固端(称作环形坑端(クレ一タェンド，crater end))位置，控制铸造条件的方法。
背景技术
在钢的连铸过程中，检测铸造铸件的环形坑端位于铸造方向的何处，并据此控制铸造条件，对提高铸件的生产效率和品质是极其重要的。
例如，为提高生产率而增加铸造速度时，环形坑端向铸造方向下游一侧移动，但如果超出铸件支撑辊的所在区域，就会产生铸件因铁的静压力而膨胀(凸起)、因品质恶化和巨大凸起使铸造停止的问题。另外，为降低铸件的中心偏析、提高品质，把铸件轻压下时，需要控制铸造速度和二次冷却水量，以使环形坑端处于轻压下区的位置。环形坑端的位置随着铸造条件的变化在铸造方向上有大的变动时，铸造方向上游一侧的铸件会比环形坑端先凝固，致使向下游一侧的熔融钢供给中断，在铸件中心部产生气孔和层状空隙，并形成缺陷，大大降低了最终产品的成品率。另外，环形坑端的位置在铸造方向上有大的变动时，即使控制铸造速度和二次冷却水量，把环形坑端引导到轻压下区也很困难。
为了检测环形坑端的位置，需要连续测定铸件的凝固状态。此前已有各种关于这方面的提案，其中，利用超声波的横波(以下，称为横波超声波)的方法就有多种提案。这是因为横波超声波具有只透过固相不透过液相的性质，把横波超声波发送到铸件所在位置的厚度方向，若能检测到透过铸件的信号，就可以判断该位置已完全凝固，如果得不到信号，就可以判断为存在有未凝固层。另外，也有根据横波超声波透过铸件的传播时间来推测环形坑端位置的方法。
使横波超声波产生于热轧铸件并对其进行检测的方法已知有收发电磁超声波的电磁超声波法。作为使用电磁超声波法测定铸件凝固状态的方法，特开昭52-130422号公报公开的方法是，用两个横波用电磁超声波传感器夹持铸件，以测定透过铸件的横波超声波的信号强度。
特开昭62-148850号公报公开的方法是，使用能同时产生纵波和横波的电磁超声波传感器，根据横波超声波的信号强度测定凝固状态，同时一并使用透过未凝固层的纵波超声波的信号，同时检测升离(リフトォフ)(铸件和传感器的间隙)的变动和传感器异常。
特开平10-197502号公报公开的方法是，测定铸件中的横波超声波的共振频率，根据该共振频率求得铸件固相率(固液共存相中的固相比率)。
但是，这些使用电磁超声波方法测定铸件凝固状态的方法，灵敏度低，S/N(信噪比)也低，得不到足够的测定精度。为此，不得不把电磁超声波传感器的升离缩小到2mm左右，使得不能稳定地长时间连续测定。
因此，例如，特开平11-183449号公报提出的方法是，在传感器上安装接触辊，使该接触辊压着铸件进行长时间连续测定。但是，该方法如果在超过数百摄氏度并且氧化皮多的环境下连续使用时，因氧化皮堵塞在传感器和铸件间而损坏传感器，或接触辊粘着在铸件上，使得连续测定很难进行。
所以，为提高电磁超声波传感器的灵敏度，扩大升离，需要做到不使用接触辊能非接触地测定铸件。
作为提高电磁超声波传感器灵敏度的方法，特开昭53-106085号公报公开的方法是，使用靠劳伦兹力产生的电磁超声波，向热轧钢材喷射冷却用的流体，把钢材温度控制在居里点以下，在使钢材磁化的同时提高电导率。在该方法中，靠劳伦兹力产生的电磁超声波的驱动力F由磁通密度B和电流密度J表示为F＝B×J，所以B和J越大，灵敏度就越高。
特开2000-266730号公报公开的方法是，使用从规定脉宽内的频率、振幅、相位中选择的至少一个进行调制后的脉冲串(バ一スト)状发送信号，并使用和该发送信号相同或类似波形的参照信号，对接收信号进行相关运算。在该方法中，接收信号和发送信号的相关高，噪声和发送信号的相关低，所以通过相关运算提高S/N。
特开昭53-57088号公报公开的方法是，与电磁超声波发生器同步，把接收信号平均。在该方法中，噪声是在每次脉冲反复时产生的随机波形，所以通过平均提高S/N。
但是，特开昭53-106085号公报记载的方法，钢的磁通密度在居里点附近时小，为获得高磁通密度，需要急冷到比居里点低200℃以上的温度区，所以有损铸件品质。另外，通过劳伦兹力产生的电磁超声波的变换效率本来就非常低，所以S/N的提高效果小。
如果把电磁超声波应用到特开2000-266730号公报记载的方法上，和发送信号比，接收信号极其微弱，而且发送信号泄漏到接收信号中，所以脉冲串波的脉宽如果过长，发送信号会把接收信号隐藏掉。特别是应用于连铸时，铸件的内部温度在作业中发生变化，接收信号出现的位置发生变动，所以如果脉宽不能过长，S/N的提高效果小。
如果把特开昭53-57088号公报记载的方法应用到连铸上，如上所述，接收信号出现的位置发生变动，使得平均次数变多，所以S/N的提高效果小。
综上所述，过去的技术不能充分提高S/N，所以不能扩大电磁超声波传感器的升离范围，不能在非接触状态下稳定准确地检测环形坑端位置。
发明内容
本发明的目的是，提供一种连铸铸件的制造方法，该方法能够以与铸件非接触地方式稳定准确地检测环形坑端位置，不降低生产效率地制造高品质的铸件。
该目的是由下述的钢的连铸铸件的制造方法实现的，该方法具有：检测工序，使用通过和铸件非接触地配置的传感器测定连铸铸件的凝固状态的方法(1)，检测铸件的环形坑端位置；和控制工序，根据所检测的环形坑端位置，控制从连铸的铸造速度和二次冷却水量条件中选择的至少一个条件；而且，测定铸件凝固状态的方法(1)包括：冷却工序，把铸件的表层部分冷却到发生α相变；发送工序，把电磁超声波的横波作为发送信号发送给冷却后的铸件；接收工序，把发送信号透过铸件后的信号作为接收信号接收；和判定工序，根据接收信号判定铸件的凝固状态。
使用上述和铸件非接触配置的传感器测定铸件凝固状态的方法，除上述方法(1)外，以下两个方法也可以应用。
方法(2)包括：发送工序，在相对于不超过透过铸件的传播时间的最大时间宽度的50-150％大小的脉宽内，把从频率、振幅、相位中选择的至少一个进行调制后的脉冲串状电磁超声波的横波作为发送信号发送给铸件；接收工序，把发送信号透过铸件后的信号作为接收信号接收；和判定工序，使用和发送信号相同或类似波形的参照信号，对接收信号进行相关运算，以判定铸件的凝固状态。
方法(3)包括：反复发送工序，把电磁超声波的横波作为发送信号以脉冲单位反复发送给铸件；接收工序，把发送信号透过铸件后的信号作为接收信号接收；和判定工序，对各脉冲进行加和平均，同时使其平均次数为16次以上、加和平均后的信号强度不降低的脉冲次数以下，对接收信号进行信号处理，以判定铸件的凝固状态。
附图说明
图1是表示钢材温度和电磁超声波传感器灵敏度的关系示意图。
图2是表示发送信号和传播时间的关系图。
图3是表示传播时间和平均处理的关系图。
图4是表示作为本发明方法的主要构成要件的铸件凝固状态测定方法的一例的图。
图5是表示电磁超声波传感器的一例的图。
图6是试验用钢的连续冷却相变曲线图。
图7是表示平均次数和接收信号的振幅的关系图。
图8是表示作为本发明方法的主要构成要件的铸件凝固状态测定方法的其他例子的图。
图9是表示本发明方法的实施方式的一例的图。
实施方式
本发明者把电磁超声波传感器与连铸铸件非接触地配置，对发送、接收电磁超声波横波时传感器的灵敏度进行了研究，结果，发现利用以下所示3种方法可以得到高的S/N。
(1)第1方法
第1方法是把铸件的表层部分冷却到发生α相变，利用发送用传感器把电磁超声波的横波作为发送信号发送给通过冷却发生α相变后的部位，利用接收用传感器把发送信号透过铸件后的信号作为接收信号接收的方法。
第1方法和上述特开昭53-106085号公报的方法的不同点是，通过冷却使铸件表层部分发生α相变和使用电磁超声波的横波。特开昭53-106085号公报的方法在铸件冷却时，当冷却速度快且冷却时间短时，即使把铸件降低到居里点以下，因过冷却仍残留有非磁性的γ相，磁性不会马上恢复。另一方面，第1方法是为使磁性可靠恢复而冷却到发生α相变，所以施加作为电磁超声波产生机理的劳伦兹力效果，磁致伸缩效果占优势，能够得到高的S/N。即，如图1所示，在比居里点高的温度下，电磁超声波只产生劳伦兹力效果，但钢材一经冷却，因过冷却在比居里点略低的温度下，磁性恢复并增加了磁致伸缩效果。通过冷却劳伦兹力效果变大，但由于磁致伸缩效果比劳伦兹力效果还大很多，所以能提高电磁超声波的灵敏度，得到高的S/N。
这里，通过冷却而发生α相变的铸件的表层部分，其距表面的深度最好是依赖于电磁超声波频率的渗透深度左右。例如，频率是1MHz时，使深度为0.1-0.2mm以上，发生α相变即可。另外，通过相变最好完全形成α相，但是，表层部分中α相变的方法因冷却条件和钢的组成等而产生变化，所以即使残留有部分γ相，也能获得第1方法的效果。
(2)第2方法
第2方法是通过发送传感器，发送在不超过传播时间范围下把脉宽设为最大脉宽时的脉冲串状电磁超声波的横波，即，在设定为由铸件厚度、铸件温度、音速决定的最大时间宽度附近的规定脉宽内，发送把从频率、振幅或相位中选择的至少一个进行调制后的脉冲串状电磁超声波的横波，通过接收用传感器把发送信号透过铸件后的信号作为接收信号接收，使用和发送信号相同或类似的波形的参照信号，对接收信号进行相关运算的方法。
第2方法和特开2000-266730号公报的方法同样是使用调制后的发送信号对接收信号进行相关运算，但其特征是把发送信号的脉宽设定在由铸件厚度、铸件温度和音速决定的最大时间宽度附近。
透过铸件后的接收信号如图2所示，出现在从发送信号起仅滞后了传播时间量的位置处，传播时间dT可以利用铸件厚度d、铸件温度T(x)、音速C(T)、铸件平均温度Ta，按照下述公式(1)推算。 dT = ∫ 0 d dx / C ( T ( x ) ) ≈ d / C ( Ta ) - - - ( 1 )
所以，如果预先求出铸件厚度d、与作业条件适应的平均温度Ta，就能求得传播时间dT，通过在不超出该传播时间范围内设定最大脉宽，就能提高电磁超声波灵敏度，得到高的S/N。
(3)第3方法
第3方法是通过发送传感器把电磁超声波的横波作为按脉冲单位反复发送的信号进行发送；通过接收用传感器把发送信号透过铸件后的信号作为接收信号接收；对各脉冲进行加和平均，同时使其平均次数在16次以上、加和平均后的信号强度不降低的脉冲次数以下，即，在相当于因信号传播时间的变化而产生的脉宽变化不因脉冲加和产生信号强度降低的测定时间的脉冲次数以下，最好是256次，对接收信号进行信号处理的方法。即，是在平均次数为16次以上且平均后的信号强度不减小的次数下进行加和平均，使接收信号与发送信号同步进行的方法。
如果进行和特开昭53-57088号公报的方法相同的同步加和平均，铸件温度会因作业状态而产生变化，所以如图3所示，接收信号出现的位置在时刻变化着。因此，传播时间变化率大时，平均后的接收信号变小。图3表示的是平均次数为2次时的情形，如果进一步加大平均次数，传播时间变化率会进一步变大，接收信号就进一步减小。
第3方法为避免这一问题，按下述方法确定平均次数。
把接收信号作为频率f的正弦波，设接收信号的每单位时间的传播时间的变化率为τ[＝(t2-t1)/T]、脉冲反复频率为PRF(＝1/Tprf)、平均次数为Na，用下述公式(2)表示加和平均后的接收信号振幅Xs。 Xs = | Σ i = 0 Na - 1 sin ( 2 πft + i · τ / PRF ) | - - - - ( 2 ) 噪声的振幅Xn用下述公式(3)表示。
Xn＝Na-1/2                  (3)
所以，即可得到用下述公式(4)表示的平均后的S/N的改善量P。
P＝20log(Xs/Xn)             (4)
因此，根据这些公式求得最大平均次数，只要在不超出该次数的范围内设定平均次数，就能得到高的S/N。
如果根据能得到高S/N的上述第1、2、3方法判定铸件的凝固状态，就能利用非接触方法准确检测环形坑端位置。所以，根据所检测的环形坑端位置，控制选自连铸的铸造速度和二次冷却水量条件中的至少一个条件，就能不降低生产效率地制造高品质的铸件。例如，如果根据所检测的环形坑端位置，控制选自连铸的铸造速度和二次冷却水量条件中的至少一个条件，把环形坑端控制在轻压下区内，就能降低凝固时的中心偏析，制造高品质的铸件。
根据上述第1、2、3方法对S/N的改进完全是基于不同原理进行的，所以如果把这些方法进行组合，能够得到更高的S/N。
利用上述第1、2、3方法或它们的组合方法，使用电磁铁发送、接收电磁超声波的横波，如果使电磁铁的励磁电流是比判定凝固所需要的测定时间长的长时间持续的脉冲电流，那么可以得到更高的S/N。所以，能够充分扩大升离范围，可以稳定地制造连铸铸件。
为了根据凝固状态的测定结果检测环形坑端位置，如上所述，有根据接收信号的传播时间进行检测的方法和根据有无接收信号进行检测的方法。
前者方法是利用超声波的音速依赖于温度的现象，即利用铸件内部温度越高超声波传播时间就越长的现象。如果能在位于环形坑端下游一侧的铸件某部位设置一组传感器并可靠地测定超声波的传播时间，则环形坑端接近传感器，铸件内部温度一上升，传播时间就会变长，所以，如果通过铆接试验和在铸造方向设置多个传感器的方法，预先求得环形坑端位置和传播时间的关系，就能检测环形坑端位置。
后者方法是在发送信号被发送后，在接收信号出现的时间区设置门(グ一ト)，求出该门内的最大值，并求得接收信号的强度，根据该强度是否超过某阈值判定有无接收信号，以检测环形坑端位置。该方法需要在沿着铸件的铸造方向上设置多个传感器。
无论哪种检测方法，都能根据上述的第1、2、3方法或把它们进行组合的凝固状态检测方法获得高的S/N接收信号，并且也能高精确地测定其所需的传播时间，所以能够准确得知环形坑端位置。
根据上述第1、2、3的方法或它们的组合方法测定凝固状态时，如果在沿着铸件宽度方向的多个位置上进行测定，就能判明环形坑端的宽度方向的轮廓，若根据该结果再控制宽度方向的二次冷却水量等，就能实现宽度方向轮廓的均匀化，能够获得偏析少的高品质铸件。另外，沿着宽度方向的多个位置的测定，可以使一组传感器沿宽度方向扫描，也可以在宽度方向上设置多组传感器。
利用上述第1、2、3的方法或它们的组合方法检测环形坑端位置，根据所检测的环形坑端位置，可以配备轻压下铸件用的轻压下区，也可以切断铸件。
作为根据上述第1、2、3的方法或它们的组合方法判定铸件凝固状态的钢的连铸铸件的凝固状态检测装置，可以使用以下装置。
(i)钢的连铸铸件的凝固状态检测装置，具有：冷却装置，把铸件的表层部分冷却到发生α相变；发送用电磁超声波传感器，把电磁超声波的横波作为发送信号发送给冷却后的铸件；接收用电磁超声波传感器，把发送信号透过铸件后的信号作为接收信号接收；和评价装置，根据接收信号判定铸件的凝固状态。
(ii)钢的连铸铸件的凝固状态检测装置，具有：发送用电磁超声波传感器，在不超出透过铸件的传播时间的最大时间宽度的50-150％大小的脉宽内，把从频率、振幅、相位中选择的至少一个进行调制后的脉冲串状电磁超声波的横波作为发送信号发送给铸件；接收用电磁超声波传感器，把发送信号透过铸件后的信号作为接收信号接收；相关处理装置，使用和发送信号相同或类似的波形的参照信号，对接收信号进行相关运算；和评价装置，根据运算结果，判定铸件的凝固状态。
(iii)钢的连铸铸件的凝固状态检测装置，具有：发送用电磁超声波传感器，把电磁超声波的横波作为发送信号以脉冲单位反复发送给铸件；接收用电磁超声波传感器，把发送信号透过铸件后的信号作为接收信号接收；同步加和平均装置，对各脉冲进行加和平均，同时使其平均次数在16次以上、加和平均后的信号强度不降低的脉冲次数以下，对接收信号进行信号处理；和评价装置，根据信号处理结果，判定铸件的凝固状态。
如果把上述的(i)-(iii)的凝固状态检测装置进行组合，可以获得更高的S/N。
实施方式1
图4是表示作为本发明方法的主要构成要件的铸件凝固状态测定方法的一例的图。
碳钢的连铸铸件1通过连铸辊2向图中右侧移动。铸件1内部存在有未凝固部分7，其前端是环形坑端。通过设在辊2间的水冷用喷嘴5，铸件1的表层部分6被冷却，从γ相相变为α相。发送用电磁超声波传感器3及接收用电磁超声波传感器4夹持着α相变后的部位被对置配置。
把电磁超声波的横波作为发送信号从发送用电磁超声波传感器3输出的发送输出系统，由发送信号的触发送号产生单元8、发送信号产生单元9、和设定脉冲串波脉宽的脉宽设定单元16构成。发送信号产生单元9由脉冲串波产生单元14和电力放大单元15构成，脉冲串波产生单元14产生根据触发送号所设定的脉宽的脉冲串波，电力放大单元15把所产生的脉冲串波放大并作为发送信号输出给发送用电磁超声波传感器3。
通过接收用电磁超声波传感器4接收透过铸件后的信号并进行处理的接收处理系统，由接收信号的放大单元10、同步加和平均单元12、平均次数设定单元13、相关处理单元17、以及根据接收信号判定凝固状态的评价单元11构成。
一旦从触发送号产生单元8输出发送定时信号，脉冲串波产生单元14就产生把从频率、振幅或相位中选择的至少一个进行调制后的脉冲串状发送信号。这里，脉宽由脉宽设定单元16指定。发送信号在电力放大单元15被放大，并被施加给发送用电磁超声波传感器3。
如图5所示，通过发送用电磁超声波传感器3具有的线圈19，在铸件1发生α相变的表层部分6，因发送信号而产生的高频振动磁场By被平行施加给铸件1的表面。其结果，通过磁致伸缩使铸件1表面施加上平行的应力，所以产生剪切波即横波。在发送用电磁超声波传感器3上设有在垂直方向上具有磁极的磁铁20，这是为了通过静磁场Bs增加磁致伸缩的效果。该磁铁可以是永久磁铁也可以是电磁铁。
在相反一侧的铸件1表面，对置配置有和图5相同的接收用电磁超声波传感器4，在铸件1发生α相变的表层部分6，通过磁铁施加静磁场Bs。电磁超声波的横波透过铸件到达此处时，通过磁致伸缩的逆效应，该部分的导磁率发生变化。结果，横穿接收用电磁超声波传感器4的线圈的磁通量Bs发生变化，所以通过电磁感应使线圈产生电压，能够获得接收信号。
该接收信号在放大单元10被放大后，被输入给同步加和平均单元12，然后只按照平均次数设定单元13设定的次数被平均化。在同步加和平均单元12，可以用各种方法进行平均，但这里是通过A/D转换使数值化，并使与触发产生单元8的信号同步，通过计算机进行平均。平均化可用下述公式(5)进行。 y i ( j ) = ( 1 / Na ) · Σ k = 0 Na - 1 x i - k ( j ) - - - ( 5 )
这里，Xi(j)表示输入信号，Yi(j)表示输出信号，Na表示平均次数，i表示脉冲反复，-∞≤i≤∞、0≤j≤n-1(n：一个探伤信号的数据点数)。
经过平均后的接收信号被输入给相关处理单元17，根据下述公式(6)进行相关运算。另外，不利用公式(6)计算，而把输入信号进行FET(快速傅立叶变换)处理后的和把参照信号进行FET处理后的共轭进行乘法运算，把其结果进行逆FET处理并输出，可以做到最快速处理。 y i ( j ) = Σ k = 0 Nc - 1 c ( k ) · x i ( j + k ) - - - ( 6 )
这里，Xi(j)表示输入信号，Yi(j)表示输出信号，C(j)表示参照信号，Nc表示参照信号点数，i表示脉冲反复，是-∞≤i≤∞、0≤j≤n-1(n：一个探伤信号的数据点数)。
脉冲串波产生单元14产生把从频率、振幅或相位中选择的至少一个进行调制后的脉冲串状发送信号。作为调制方式的一例，把作为频率调制的线性调频脉冲波用下述公式(7)表示。
St(t)＝sin[2π·(fc-Bw/2+Bw·t/2Tw)·t]    (7)
这里，fc表示线性调频脉冲波的中心频率，Bw表示线性调频脉冲波的频率扫描宽度，Tw表示线性调频脉冲波的脉宽，是0≤t≤Tw。
透过铸件1的接收信号波形和发送信号相似，所以通过相关处理单元1 7后的接收信号，通过比发送信号脉宽变短的脉冲压缩效果后，呈脉宽短且锐利的波形。这在下面通过评价单元11判定凝固状态时，在以下2点上是有用的。第1点，求接收信号强度时，在接收信号的时间带上设置门，求其中的最大值即可，但脉宽短且锐利的波形可以把门的宽度变狭窄，所以不会带入多余的噪声。第2点，求接收信号的传播时间时，如果是短脉宽的脉冲，则时间精度提高，能够更精确地判定凝固状态。
如上所述，通过获得相关处理单元17的输出后，利用评价单元11判定凝固状态，就可以测定铸件1的测定部位的凝固状态。
另外，在同步加和平均单元12、相关处理单元17、评价单元11中的处理可用1台或多台计算机进行。在评价单元11中的处理可以用计算机，也可以通过人工方式检测有无接收信号。
以下所示的是提高S/N的例子。
1.使用上述第1方法时
把具有图6所示的连续冷却相变曲线图、以40mm/s的速度移动的表面温度为900℃的铸件，利用设置在发送用电磁超声波传感器3前面的水冷用喷嘴5，以-20℃/s的冷却速度进行冷却，测定了接收信号的S/N。从图6可看出，以-20℃/s的冷却速度冷却铸件时的相变开始温度(曲线a)约为620℃。运用图1说明的磁致伸缩效果在越冷却到相变结束温度(曲线b)以下时越大，但为避免产生表面裂纹等，把表面温度冷却到了600℃。因需要降低300℃的温度，所以必要时使冷却区域长为300/20×40＝600mm。
结果，和不进行这种冷却时比，S/N提高了10dB。
2.使用上述第2方法时
如上所述，接收信号仅在滞后了发送后的传播时间量后被接收，为了不使发送信号的泄漏和接收信号重叠，有必要使发送信号脉宽比该传播时间短。另外，传播时间由铸件厚度、铸件温度、音速决定，音速依赖于铸件温度T和钢种，在横波、碳钢时，大约是3000-0.65×Tm/s，所以温度越低，音速就越慢，传播时间就越短。
因此，在测定位置，铸件温度最低时是传播时间最短的时候，所以此时的传播时间是最大时间宽度。所以，发送信号的脉宽只要设定在该值的附近即可。本发明需要判定铸件的凝固状态，所以铸件温度最低的时候，可考虑是铸件中心温度1100℃左右、平均温度1000℃左右的时候。
S/N与脉宽的平方根基本成比例，所以把脉宽缩短约1/2左右时，效果会减小，约降低6dB。另一方面，过长时会和接收信号重叠，在波形两端因传感器和放大器的特性使振幅多少会变小，所以脉宽可以允许到上述最大时间宽度的1.5倍左右。因此，可以提高S/N的脉宽范围是最大时间宽度的50-150％，更优选是80-120％。
表1表示的是针对厚度200mm、250mm、300mm的铸件确定的发送信号的最佳脉宽。这里的最低平均温度是1000℃，此时的音速是2350m/s。表1
    铸件厚度     200mm     250mm     300mm
    最小传播时间     85μs     106μs     128μs
    脉宽     68-102μs     85-128μs     102-153μs
发送信号的泄漏信号大时，因泄漏信号使得接收放大器饱和，有时会产生因所谓挤入现象产生的时间死区。所以，有挤入现象时，把脉宽设定为从表1数值中减去挤入时间后的值即可。
厚度250mm、脉宽100μs、频率100kHz时，实际测定了接收信号的S/N，与100kHz的1波的正弦波比较，提高了12dB。所以，通过设定为上述脉宽范围，S/N最低提高6dB。
3.使用上述第3方法时
如上所述，因铸造中的温度变化造成传播时间变化率大时，通过平均化有可能使接收信号减小。对传播时间变化率的研究结果是，最大变化率为0.03-0.3μs/s左右。因此，以此值为参数，设超声波频率为100kHz、脉冲反复频率为100Hz，根据公式(2)求得了平均次数和接收信号振幅的关系。
其结果如图7所示，每单位时间的传播时间变化率τ为最快的0.3μs/s时，如果平均次数能在256次左右，基本不产生振幅降低，所以把最大平均次数确定为256次。
此时，公式(4)所示的S/N的提高量P达到了24dB。另外，计算最大平均次数时，是以接收信号强度的降低在1dB左右时基本没有振幅降低为前提的。即，传播时间变化率τ是0.3μs/s时的最大平均次数256次是接收信号强度的降低为1dB时的次数。同样，也能算出其他传播时间变化率τ时的最大平均次数。
平均次数少时，会使S/N的改善量减小，所以最好在16次以上。这样可以得到+12dB的改善量。相反，平均次数过多时，如图3所示，振幅变小，所以优选控制在上述最大平均次数的2倍左右以内。最佳平均次数是最大平均次数的50-200％。
另外，根据公式(2)可看出，变化超声波频率和脉冲反复频率时，如果使图7中的τ成比例地变化，能够求出平均次数和接收信号振幅的关系。
4.第1、第2、第3方法的组合方法
如上所述，第1、第2、第3方法是基于不同原理的方法，所以通过把这些方法全部组合，S/N提高10+6+12＝28dB。另外，电磁超声波传感器的升离灵敏度特性约为-4dB/mm，所以可以把升离扩大28/4＝+7mm。
即使不对这些方法进行全部组合，例如，根据把第1和第2进行组合的方法，S/N可以提高10+6＝16dB，可以把升离只扩大16/4＝+4mm，和过去的1-2mm的升离相比，能可靠地进行非接触的测定。
同样，根据把第1和第3进行组合的方法、把第2和第3进行组合的方法，或只是把平均次数设为64次以上的第3方法，能把升离分别扩大约+5.5mm、+4.5mm、+4.5mm。
实施方式2
图8是表示作为本发明方法的主要构成要件的铸件的凝固状态测定方法的其他例子的图。
为增加磁化力，图8中向图4所示的结构增加了使产生峰值高的脉冲磁化电流的脉冲磁化电流产生单元18。
脉冲磁化电流产生单元18与触发送号产生单元8的信号同步地产生脉冲磁化电流。脉冲磁化电流的持续时间设为超声波测定的相关时间即可，合适值是传播时间的约2倍以上的200μs以上。若能做到该程度，相对于发送脉冲的反复周期的时间是1/50左右，所以因磁化电流产生的发热量非常少，能够流过大的电流。所以，使用直流电流时，磁化电流3A左右已是极限，但若使用脉冲磁化电流，峰值可达10A，S/N约提高了10dB。
另外，如果把脉冲磁化电流应用到上述第1、2、3的方法上，可以把升离分别扩大+5mm、+4mm、+5mm。
此外，即使使用直流电流时，若使用下面的①和②方法，可以把磁化电流提高到10A左右，能够得到和使用脉冲磁化电流时相同的效果。
①：通过加粗电磁铁用的铜线，降低铜线的电阻。
②：通过加快电磁铁冷却用冷却介质的循环来加大冷却能力。
实施方式3
图9是表示本发明方法的实施方式的一例。
在连铸机31上设置有注入熔融钢并使其凝固的铸模22，在该铸模22的下方设置有多个对置的铸件支撑辊2。在铸件支撑辊2的下游一侧设置有多个传送辊29以及和铸件1的铸造速度同步的气体切割机30。在铸件支撑辊2上，从铸模22的正下方朝向下游一侧设置有由第1冷却区24a、24b、第2冷却区25a、25b、第3冷却区26a、26b、和第4冷却区27a、27b组成的二次冷却带23。
在二次冷却带23的各冷却区，从用于喷气雾或用于喷水的多个喷雾嘴向铸件1的表面喷射二次冷却水。
铸件支撑辊2的一部分被设定成：对置辊的间隔朝向铸件1的铸造方向下游一侧慢慢变窄，构成可以对铸件1施加压下力的轻压下区28。另外，铸件支撑辊2的辊间隔通过使用油压和电动机进行遥控操作，可以在铸造中进行改变，在任何部位，例如在弯曲部也可以配备轻压下区28。即，轻压下区28根据铸件1的环形坑端7a，可以在铸造方向的任何部位移动。
在该轻压下区28处，铸件1的压下速度被设定为0.6-1.5mm/分钟。压下速度不足0.6mm/分钟时，偏析减少的效果小，超过1.5mm/分钟时，熔融钢被挤出到铸造方向的反方向，使铸件中心部的一部分产生负偏析。另外，总压下量被设定为2-6mm。
在位于二次冷却带23的下游一侧的铸件支撑辊2之间，沿着铸造方向在3处设置有发送用电磁超声波传感器3、3a、3b和接收用电磁超声波传感器4、4a、4b，以检测铸件1的环形坑端7a的位置。
这样构成的连铸机31是按如下方式实施本发明的钢的连铸铸件的制造方法的。
从浸入式喷管注入到铸模22内的熔融钢，通过铸模22变成具有被冷却了的凝固壳21和内部未凝固层7的铸件1，边被铸件支撑辊2支撑着边向下方被连续拉拔。铸件1通过铸件支撑辊2时在二次冷却带23处被冷却，其凝固壳21的厚度增大，凝固最终发展到铸件中心部。其铸造方向上的完全凝固端是环形坑端7a。
使用沿着铸造方向设置的发送、接收用电磁超声波传感器3、3a、3b、4、4a、4b，如果利用上述的各种铸件凝固状态测定方法测定凝固状态，可以准确检测环形坑端7a的位置。
根据所检测的环形坑端7a的位置，如果用以下所示方法M1或M2轻压下铸件1，可以减少铸件1的中心偏析。
(1)方法M1：利用接收用电磁超声波传感器4检测到从发送用电磁超声波传感器3发送的信号时，使铸造速度上升或减少二次冷却水量，以使环形坑端7a向铸造方向下游一侧移动，另一方面，利用接收用电磁超声波传感器4a检测到从发送用电磁超声波传感器3a发送的信号时，使铸造速度降低或增加二次冷却水量，以使环形坑端7a向铸造方向上游一侧移动。这样，可以把环形坑端7a控制在被固定的轻压下区28内，获得中心偏析少的铸件1。
(2)方法M2：根据所检测的环形坑端7a的位置，通过遥控操作变更轻压下区28的位置，以便把环形坑端7a控制在轻压下区28内。这样，就可以把包含非稳定区的大部分铸件1的环形坑端7a控制在轻压下区28内，从铸造开始到结束始终能够获得中心偏析少的铸件1。
另外，为最大限度地提高连铸机31的生产率，需要把环形坑端7a移动到连铸机31的出口位置处。因此，利用接收用电磁超声波传感器4a检测到从发送用电磁超声波传感器3a发送的信号时，使铸造速度上升或减少二次冷却水量，以使环形坑端7a向铸造方向下游一侧移动，另一方面，利用接收用电磁超声波传感器4b检测到从发送用电磁超声波传感器3b发送的信号时，使铸造速度降低或增加二次冷却水量，以使环形坑端7a向铸造方向上游一侧移动。这样，就可以使环形坑端7a向连铸机31的出口移动。
在连续检测环形坑端7a时，如果环形坑端7a的位置在铸造方向上发生大的变动，其部位被存储到流程计算机中，对比气体切割机30要进行的切割位置和该部位，当该部位是切割位置时，错开该部位，并利用气体切割机30切断铸造中的铸件1，得到铸件1a。这样，生成于铸件1中心部的气孔或层状空隙不会出现在铸件1的切断面上，通过下一工序的热轧工艺进行压接，可以把因气孔或层状空隙造成的成品率降低防患于未然。另外，环形坑端7a的位置在铸造方向上的变动量达到0.5m/分钟以上时，要在离开至少1m的位置处切断比较好。
如上所述，利用通过电磁超声波传感器测定的传播时间，可以检测环形坑端7a的位置，根据传播时间的长短调整铸造速度和二次冷却水量，就可以使环形坑端7a保持在规定位置，例如，保持在轻压下区处。

Claims (33)

1.一种制造钢的连铸铸件的方法，其包括：
检测工序，使用通过和铸件非接触地配置的传感器测定连铸铸件的凝固状态的方法，检测所述铸件的环形坑端的位置；和
控制工序，根据所述检测的环形坑端的位置，控制从所述连铸铸造速度和二次冷却水量条件中选择的至少一个条件；
并且，测定所述铸件的凝固状态的方法包括：
冷却工序，把所述铸件的表层部分冷却到发生α相变；
发送工序，把电磁超声波的横波作为发送信号发送给所述冷却后的铸件；
接收工序，把所述发送信号透过所述铸件后的信号作为接收信号接收；和
判定工序，根据所述接收信号，判定所述铸件的凝固状态。
2.一种制造钢的连铸铸件的方法，其包括：
检测工序，使用通过和铸件非接触地配置的传感器测定连铸铸件的凝固状态的方法，检测所述铸件的环形坑端的位置；和
控制工序，根据所述检测的环形坑端的位置，控制从所述连铸的铸造速度和二次冷却水量条件中选择的至少一个条件；
并且，测定所述铸件的凝固状态的方法包括：
发送工序，在相对于不超过透过所述铸件的传播时间的最大时间宽度的50-150％大小的脉宽内，把从频率、振幅、相位中选择的至少一个进行调制后的脉冲串状电磁超声波的横波作为发送信号发送给所述铸件；
接收工序，把所述发送信号透过所述铸件后的信号作为接收信号接收；和
判定工序，使用和所述发送信号相同或类似波形的参照信号，对所述接收信号进行相关运算，判定所述铸件的凝固状态。
3.一种制造钢的连铸铸件的方法，其包括：
检测工序，使用通过和铸件非接触地配置的传感器测定连铸铸件的凝固状态的方法，检测所述铸件的环形坑端的位置；和
控制工序，根据所述检测的环形坑端的位置，控制从所述连铸的铸造速度和二次冷却水量条件中选择的至少一个条件；
并且，测定所述铸件的凝固状态的方法包括：
反复发送工序，把电磁超声波的横波作为发送信号以脉冲单位反复发送给所述铸件；
接收工序，把所述发送信号透过所述铸件后的信号作为接收信号接收；和
判定工序，对各脉冲进行加和平均，同时使其平均次数为16次以上、所述加和平均后的信号强度不降低的脉冲次数以下，对所述接收信号进行信号处理，以判定所述铸件的凝固状态。
4.如权利要求2所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中在把脉冲串状电磁超声波的横波作为发送信号发送给铸件的发送工序前面，还包括把所述铸件的表层部分冷却到发生α相变的冷却工序。
5.如权利要求3所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中在把电磁超声波的横波作为发送信号以脉冲单位反复发送给铸件的反复发送工序前面，还包括把所述铸件的表层部分冷却到发生α相变的冷却工序。
6.如权利要求2所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中还包括对接收信号进行信号处理的工序，对各脉冲进行加和平均，同时使其平均次数在16次以上、所述加和平均后的信号强度不降低的脉冲次数以下。
7.如权利要求6所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中在把脉冲串状电磁超声波的横波作为发送信号以脉冲单位反复发送给铸件的反复发送工序前面，还包括把所述铸件的表层部分冷却到发生α相变的冷却工序。
8.如权利要求1所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中使用电磁铁进行电磁超声波的横波的发送、接收，使所述电磁铁的励磁电流是比凝固判定所需要的测定时间长的长时间持续的脉冲电流。
9.如权利要求2所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中使用电磁铁进行电磁超声波的横波的发送、接收，使所述电磁铁的励磁电流是比凝固判定所需要的测定时间长的长时间持续的脉冲电流。
10.如权利要求3所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中使用电磁铁进行电磁超声波的横波的发送、接收，使所述电磁铁的励磁电流是比凝固判定所需要的测定时间长的长时间持续的脉冲电流。
11.如权利要求2所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中在沿铸件的铸造方向的多个位置测定所述铸件的凝固状态，检测环形坑端的位置。
12.如权利要求3所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中在沿铸件的铸造方向的多个位置测定所述铸件的凝固状态，检测环形坑端的位置。
13.如权利要求4所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中在沿铸件的铸造方向的多个位置测定所述铸件的凝固状态，检测环形坑端的位置。
14.如权利要求5所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中在沿铸件的铸造方向的多个位置测定所述铸件的凝固状态，检测环形坑端的位置。
15.如权利要求6所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中在沿铸件的铸造方向的多个位置测定所述铸件的凝固状态，检测环形坑端的位置。
16.如权利要求2所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中根据所检测的环形坑端的位置，控制从连铸的铸造速度和二次冷却水量条件中选择的至少一个条件，以把环形坑端控制在轻压下区内。
17.如权利要求3所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中根据所检测的环形坑端的位置，控制从连铸的铸造速度和二次冷却水量条件中选择的至少一个条件，以把环形坑端控制在轻压下区内。
18.如权利要求4所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中根据所检测的环形坑端的位置，控制从连铸的铸造速度和二次冷却水量条件中选择的至少一个条件，以把环形坑端控制在轻压下区内。
19.如权利要求5所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中根据所检测的环形坑端的位置，控制从连铸的铸造速度和二次冷却水量条件中选择的至少一个条件，以把环形坑端控制在轻压下区内。
20.如权利要求6所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中根据所检测的环形坑端的位置，控制从连铸的铸造速度和二次冷却水量条件中选择的至少一个条件，以把环形坑端控制在轻压下区内。
21.如权利要求2所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中在沿铸件的宽度方向的多个位置测定所述铸件的凝固状态，检测环形坑端的位置。
22.如权利要求3所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中在沿铸件的宽度方向的多个位置测定所述铸件的凝固状态，检测环形坑端的位置。
23.如权利要求4所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中在沿铸件的宽度方向的多个位置测定所述铸件的凝固状态，检测环形坑端的位置。
24.如权利要求5所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中在沿铸件的宽度方向的多个位置测定所述铸件的凝固状态，检测环形坑端的位置。
25.如权利要求6所述的制造钢的连铸铸件的方法，其中在沿铸件的宽度方向的多个位置测定所述铸件的凝固状态，检测环形坑端的位置。
26.一种制造钢的连铸铸件的方法，其包括：
检测工序，使用通过和所述铸件非接触地配置的传感器测定连铸铸件的凝固状态的方法，检测所述铸件的环形坑端的位置；
配备工序，配备有轻压下区，以便根据所述检测的环形坑端的位置，轻压下所述铸件；和
轻压下工序，通过所述轻压下区，轻压下所述铸件；
并且，测定所述铸件的凝固状态的方法包括：
发送工序，把电磁超声波的横波作为发送信号发送给所述铸件；接收工序，把所述发送信号透过所述铸件后的信号作为接收信号接收；和
判定工序，根据所述接收信号，判定所述铸件的凝固状态。
27.一种制造钢的连铸铸件的方法，其包括：
检测工序，使用通过和所述铸件非接触地配置的传感器测定连铸铸件的凝固状态的方法，检测所述铸件的环形坑端的位置；和
切断工序，根据所述检测的环形坑端的位置，切断所述铸件；
并且，测定所述铸件的凝固状态的方法包括：
发送工序，把电磁超声波的横波作为发送信号发送给所述铸件；接收工序，把所述发送信号透过所述铸件后的信号作为接收信号接收；和
判定工序，根据所述接收信号，判定所述铸件的凝固状态。
28.一种测定钢的连铸铸件的凝固状态的装置，其具有：
冷却装置，把铸件的表层部分冷却到发生α相变；
发送用电磁超声波传感器，把电磁超声波的横波作为发送信号发送给所述冷却后的铸件；
接收用电磁超声波传感器，把所述发送信号透过所述铸件后的信号作为接收信号接收；和
评价装置，根据所述接收信号，判定所述铸件的凝固状态。
29.一种测定钢的连铸铸件的凝固状态的装置，其具有：
发送用电磁超声波传感器，在不超过透过所述铸件的传播时间的最大时间宽度的50-150％大小的脉宽内，把从频率、振幅、相位中选择的至少一个进行调制后的脉冲串状电磁超声波的横波作为发送信号发送给铸件；
接收用电磁超声波传感器，把所述发送信号透过所述铸件后的信号作为接收信号接收；
相关处理单元，使用和所述发送信号相同或类似波形的参照信号，对所述接收信号进行相关运算；和
评价单元，根据所述运算结果，判定所述铸件的凝固状态。
30.一种测定钢的连铸铸件的凝固状态的装置，其具有：
发送用电磁超声波传感器，把电磁超声波的横波作为发送信号以脉冲单位反复发送给铸件；
接收用电磁超声波传感器，把所述发送信号透过所述铸件后的信号作为接收信号接收；
同步加和平均单元，对所述接收信号的各脉冲进行加和平均，同时使其平均次数在16次以上、所述加和平均后的信号强度不降低的脉冲次数以下，对所述接收信号进行信号处理；和
评价单元，根据所述信号处理结果，判定所述铸件的凝固状态。
31.如权利要求29所述的测定钢的连铸铸件的凝固状态的装置，其还具有把铸件的表层部分冷却到发生α相变的冷却装置。
32.如权利要求30所述的测定钢的连铸铸件的凝固状态的装置，其还具有把铸件的表层部分冷却到发生α相变的冷却装置。
33.如权利要求29所述的测定钢的连铸铸件的凝固状态的装置，其还具有同步加和平均单元，对所述接收信号的各脉冲进行加和平均，同时使其平均次数在16次以上、所述加和平均后的信号强度不降低的脉冲次数以下，对接收信号进行信号处理。
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