JP2005283438A - 溶融金属の表面流速の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電磁コイルの傾きによる測定精度への影響を回避して精度良く溶融金属の表面流速を測定する。
【解決手段】 電磁コイル３から発生する磁束が溶融金属５の表層部に交錯しうるように、該電磁コイル３を前記表層部から離間させた状態で所定の測定位置に設置し、前記磁束と前記表層部における溶融金属流との電磁的相互作用によって電磁コイル３が受ける力を検出すると共に、該検出信号を溶融金属５の流速に変換することにより該溶融金属５の表面流速を測定する方法において、電磁コイル３を励磁していない状態で前記測定位置に設置し、該電磁コイル３の傾きにより電磁コイル３が受ける力に起因するオフセット信号を電気的に取り除いた後に電磁コイル３を励磁して前記表面流速の測定を開始する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶融金属の表面流速を精度良く測定する方法に関し、特に溶鋼の連続鋳造設備における鋳型内の溶鋼の表面流速を非接触で測定するのに好適な溶融金属の表面流速の測定方法に関する。

鋼に代表される各種金属の精錬や鋳造の操業においては、溶融金属の流速を検出し、制御することが、精錬の効率や、鋳造される金属材料の品質あるいは鋳造操業の安定性を確保する上で重要となることが多い。とりわけ鋼の連続鋳造においては、溶鋼浴面上に投入するモールドパウダーの溶融状態を制御し、鋳型と鋳片との適切な潤滑条件を作り出したり、あるいは鋳型内溶鋼へのモールドパウダーの巻き込みによる介在物欠陥を低減したりする上で、鋳型内の溶鋼の表面流速を把握することが求められている。

そして、その場合に、表面流速の測定手段自体が溶鋼の流れに干渉するようでは、正確な流速の測定ができないばかりか、鋳型内溶鋼へのモールドパウダーの巻き込みを助長するなどの害をもたらすことから、測定方法は非接触式であることが必須である。
このような連続鋳造設備における鋳型内の溶鋼の表面流速を非接触で測定する方法としては、棒状の支持部材の先端に永久磁石又は電磁コイルを取り付けたものを溶鋼の表面上に垂下させ、永久磁石又は電磁コイルによって形成される直流磁場と溶鋼の流れとの電磁的相互作用によって永久磁石又は電磁コイルが受ける力を支持部材に設けた歪みゲージなどを利用して検出し、これを速度信号に変換して溶鋼の表面流速を測定する方法が提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
特開平７−１８１１９５号公報 特表２００２−５４０４１４号公報

上記特許文献１では、直流磁場の発生源として永久磁石を使用する方法が開示されているが、永久磁石によって形成される直流磁場と溶鋼の流れとの電磁的相互作用によって永久磁石が受ける力は非常に微弱であるため、永久磁石の支持部材に金属薄板を用い、これに１組の歪ゲージを取り付け、永久磁石が受ける力により生じる金属薄板の歪を歪ゲージで検出することで、これを速度信号に変換して溶鋼の表面流速を測定している。

しかし、この方法では、永久磁石に傾きが生じている場合にそれに起因する力が永久磁石を支持する支持部材に作用し、該支持部材に設けた歪みゲージによって電気信号がオフセット信号として検出されて溶鋼の流速の測定精度に大きく影響する。
即ち、実際に歪ゲージで検出する力は非常に小さいため、永久磁石自身の微小な傾きにより流速信号以上の大きなオフセット信号を検出してしまう。実機で測定を行う場合、この永久磁石を鋳型周辺に設置する際には、溶鋼は既に流動していることから、流速信号と永久磁石の傾きによるオフセット信号とを分離することは不可能となるため、実機での測定には精度上問題がある。また、湯面変動が起こった場合、流速信号が変動してしまうため、正確な流速値が測定できないという問題もある。

一方、上記特許文献２では、直流磁場の発生源として電磁石を使用することの示唆がある。電磁石であれば、永久磁石よりも強い直流磁場を発生させることも可能であり、それによって、電磁石が溶融金属の表面の流れとの電磁的相互作用によって受ける力をいっそう強めることができるが、そうであっても、電磁石自身の微小な傾きが流速信号に重畳して誤差となることは避けられない。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、電磁コイルの傾きによる測定精度への影響を回避して精度良く溶融金属の表面流速を測定することができる方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、磁場を発生する部位を電磁コイルにして、磁場強度を制御できるようにすることを考えた。こうすることで、電磁コイルを励磁していない状態で所定の測定位置（例えは連続鋳造の鋳型内溶鋼の表面流速測定の場合は鋳型周辺）に設置することができる。電磁コイルを励磁していない状態で所定の測定位置に設置した場合に、電磁コイルに傾きが生じていると、それに起因する力が電磁コイルを支持する部材に作用し、該支持部材に設けた歪みゲージ等によって電気信号が検出される。この電気信号は、溶融金属の表面流速に起因するものではないので、これを電磁コイルの傾きによるオフセット信号とみなして電気的に取り除いた後に電磁コイルを励磁して表面流速の測定を開始すれば、流速信号と電磁コイルの傾きによるオフセット信号とを分離して溶融金属の表面流速を高精度で測定できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、電磁コイルから発生する磁束が溶融金属の表層部に交錯しうるように、前記電磁コイルを前記表層部から離間させた状態で所定の測定位置に設置し、前記磁束と前記表層部における溶融金属流との電磁的相互作用によって前記電磁コイルが受ける力を検出すると共に、該検出信号を前記溶融金属の流速に変換することにより該溶融金属の表面流速を測定する方法において、
前記電磁コイルを励磁していない状態で前記測定位置に設置し、該電磁コイルの傾きにより前記電磁コイルの支持部材に作用する力に起因するオフセット信号を電気的に取り除いた後に該電磁コイルを励磁して前記表面流速の測定を開始することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記溶融金属が連続鋳造における連鋳鋳型内の溶融金属であることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項２において、前記運鋳鋳型内の溶融金属の表面の高さを、溶融金属レベル計によって検出し、該検出値に基づいて前記電磁コイルに投入する電流を制御して磁束の強さを制御することを特徴とする。

本発明において使用する溶融金属の流速測定装置は、原理的には上述した特許文献１や特許文献２に開示されているものと略同様である。すなわち、測定対象である溶融金属に交錯して磁束を投入すると、その磁束と導体である溶融金属の相対移動によって溶融金属内に渦電流が発生し、この渦電流と前記磁束との間に働くローレンツ力が磁束を発生する磁場発生源に作用する。磁場発生源は溶融金属の表層部から離間した所定の測定位置に配置されるが、この磁場発生源に働く力（あるいは、それによってもたらされる変位）は、磁場発生源を支持する支持部材に設けた歪みゲージなどの手段によって電気信号に変換し、その大きさを流速に対応する信号として処理する。

ここで、本発明では、磁場発生源として、永久磁石と異なり磁場強度を変化させることができる電磁コイルを用いる。電磁コイルであれば、実機に設置する際に励磁をＯＦＦとした状態が可能なため、溶融金属が流動していた状態でも流速信号のゼロ点を検出することができる。
電磁コイルは空心コイルでもよいが、磁束密度を高め検出精度を向上するためには、磁心を有する電磁石が好ましい。電磁コイルは例えば棒状あるいは板状の支持部材の先端に取り付けられ、支持部材の電磁コイルから離間する側の端部あるいはその近傍に歪みゲージなどの力（又は変位）を電気信号に変換可能な各種の検出手段が設けられる。

各種の検出手段としては、歪みゲージの他にも、上記特許文献２に例示されているようなホールセンサ、ダブルパルスレーザ、圧力ゲージ、油圧あるいは空圧式手段、磁気抵抗パルスセンサ、光学パルスカウンタ、超音波装置などが挙げられるが、溶融金属が溶鋼のように１５００°Ｃを超える高温の場合には、耐熱性の高い検出手段を採用することが好ましい。

また、本発明は、連続鋳造における鋳型内溶融金属の流速の測定に使用するとその効果が大きい。なぜならば、連続鋳造、とりわけ鋼の連続鋳造では、溶鋼浴面上に投入するモールドパウダーの溶融状態を制御し、鋳型と鋳片との適切な潤滑条件を作り出したり、あるいは鋳型内溶鋼へのモールドパウダーの巻き込みによる介在物欠陥を低減したりする上で、鋳型内の溶鋼の表面流速を所望の条件に調整することが必要とされており、それによって、鋳造操業の効率化や製造される鋳片の品質向上に大きく貢献するからである。

連続鋳造では、鋳造中において連鋳鋳型内の溶融金属の湯面が変動することがある。これは連鋳鋳型内に溶融金属を注入するためのノズルに設けられたスライディングゲートなどの溶融金属流量の調整機構の開度と、鋳片の引き抜き速度の制御の安定性に起因するものや、鋳片の非定常バルジング部が引抜きロール間を通過する際に未凝固溶融金属が上方に絞り出されることによるものなど種々の要因により不可避的に発生する現象である。

湯面レベルが高まると、電磁コイルと溶融金属との間隔が狭まるから、溶融金属内に生起される渦電流が増し、結果的に電磁コイルに作用する力が増大し、また、湯面が下降した場合には、これとは反対に電磁コイルに作用する力が弱まる。したがって、湯面レベルの変動は電磁コイルに作用する電磁力の変動をもたらし、流速の測定値の外乱となる。
これをキャンセルするために本発明では、連鋳鋳型内の溶融金属表面の高さを、別途溶融金属レベル計によって検出し、その検出値に基づいて前記電磁コイルに投入する電流を制御して磁束の強さを制御する。溶融金属の湯面レベル計としては、連続鋳造操業に多用されている渦流式のレベル計やγ線レベル計などが好適に使用できる。湯面レベルが高い場合には前記電磁コイルに投入する電流を小さくし、一方、湯面レベルが低いときには前記電磁コイルに投入する電流を大きくすることによって、湯面レベルの変動が流速信号に及ぼす影響を打ち消すことができる。

本発明によれば、電磁コイルを励磁していない状態で所定の測定位置に設置し、該電磁コイルの傾きに起因するオフセット信号を電気的に取り除いた後に電磁コイルを励磁して溶融金属の表面流速の測定を開始するので、励磁後に得られる信号は、電磁コイルの傾きの影響を受けることなく、純然たる流速信号のみを検出することができ、これにより、溶融金属の表面流速の測定精度を著しく向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。図１は本発明に使用する流速測定装置の概略図、図２は流速測定装置を連続鋳造の鋳型内溶融金属の流速測定に使用する場合の配置を模式的に示す図、図３は溶融金属レベル計による検出値に基づいて電磁コイルに投入する電流を制御する方法を説明するための説明図である。
本発明に使用する溶融金属の流速測定装置１は、支持部材４の下端に電磁コイル３が取り付けられ、支持部材４の上端に歪みゲージ２が取り付けられている。

電磁コイル３からは磁束が測定対象となる溶融金属５表層の流れ（図中の矢印）に交錯するように投入され、この磁束と導体である溶融金属５の移動によって溶融金属５中に渦電流が発生し、前記磁束とこの渦電流の相互作用によるローレンツ力が電磁コイル３に作用する。そして、電磁コイル３に作用する力は電磁コイル３を支持する支持部材４に伝達されて、歪みゲージ２によって電気信号に変換され、溶融金属５の流速に対応する信号として検出される。

図２に、この流速測定装置１を連続鋳造の鋳型９内の溶融金属５の流速測定に使用する場合の配置を模式的に示す。
まず、タンディッシュ７内の溶湯がイマージョンノズル８を介して注入される鋳型９内の溶融金属５の湯面上に流速測定装置１の電磁コイル３が配置されるように、該流速測定装置１の保持部（図示せず）を鋳型９の周辺に固定する。この場合、保持部は連鋳鋳型９のオシレーション等の振動が発生しない場所に固定することが必要である。

かかる固定後、電磁コイル３を励磁しない状態で、電磁コイル３（流速測定装置１）の傾きにより支持部材４に作用する力を歪ゲージ２で検出してこの出力信号をオフセット信号として電気的に取り除いた後、電磁コイル３を励磁して溶融金属５の表面流速の測定を開始し、電磁コイル３から発生する磁束と溶融金属５の表層部における溶融金属流との電磁的相互作用によって電磁コイル３が受ける力を支持部材４を介して歪ゲージ２で検出すると共に、該検出信号を溶融金属５の流速に変換することにより該溶融金属５の表面流速を測定する。

また、この実施の形態では、鋳型９内の溶融金属５の湯面レベルの変動が流速信号に及ぼす影響を打ち消すために、図３に示すように、湯面レベル計６によって連鋳鋳型９内の溶融金属５の湯面レベルを検出し、該検出値と予め設定された基準湯面レベル値との比較に基づいて変換部１０が湯面レベルの変動による流速測定装置１からの流速信号の変動をキャンセルするように電流増幅器１１を介して電磁コイル３に投入する電流を制御して磁束の強さを制御している。

このようにこの実施の形態では、電磁コイル３を励磁していない状態で所定の測定位置に設置し、該電磁コイル３の傾きに起因するオフセット信号を電気的に取り除いた後に電磁コイル３を励磁して溶融金属５の表面流速の測定を開始するので、励磁後に得られる信号は、電磁コイル３の傾きの影響を受けることなく、純然たる流速信号のみを検出することができ、これにより、溶融金属５の表面流速の測定精度を著しく向上させることができる。

本発明に使用する流速測定装置の概略図である。 流速測定装置を連続鋳造の鋳型内溶融金属の流速測定に使用する場合の配置を模式的に示す図である。 溶融金属レベル計による検出値に基づいて電磁コイルに投入する電流を制御する方法を説明するための説明図である。

符号の説明

１ 流速測定装置
２ 歪ゲージ
３ 電磁コイル
４ 支持部材
５ 溶融金属
６ 湯面レベル計
７ タンディッシュ
８ イマージョンノズル
９ 運鋳鋳型

Claims (3)

1. 電磁コイルから発生する磁束が溶融金属の表層部に交錯しうるように、該電磁コイルを前記表層部から離間させた状態で所定の測定位置に設置し、前記磁束と前記表層部における溶融金属流との電磁的相互作用によって前記電磁コイルが受ける力を検出すると共に、該検出信号を前記溶融金属の流速に変換することにより該溶融金属の表面流速を測定する方法において、
   前記電磁コイルを励磁していない状態で前記測定位置に設置し、該電磁コイルの傾きにより前記電磁コイルの支持部材に作用する力に起因するオフセット信号を電気的に取り除いた後に該電磁コイルを励磁して前記表面流速の測定を開始することを特徴とする溶融金属の表面流速の測定方法。
2. 前記溶融金属が連続鋳造における連鋳鋳型内の溶融金属であることを特徴とする請求項１に記載した溶融金属の表面流速の測定方法。
3. 前記運鋳鋳型内の溶融金属の表面の高さを、溶融金属レベル計によって検出し、該検出値に基づいて前記電磁コイルに投入する電流を制御して磁束の強さを制御することを特徴とする請求項２に記載した溶融金属の表面流速の測定方法。

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