JP2012078170A - 移動速度検出器、連続鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導電体表面の移動速度を簡易な構成で検出でき、さらには同時にレベル検出をも可能とする小型で低価格の移動速度検出器を提供するとともに、このような移動速度検出器を備えた連続鋳造装置を提供する。
【解決手段】移動速度検出器１を、導体表面Ｚａから等距離に設けた主コイル２１と従コイル２２とをコンデンサ３と共に同じ電流で並列共振させ、導電体表面における渦電流の移動によって影響を受けた主コイル２１と従コイル２２の電圧波形の位相差を検出し、その位相差に基づいて、導電体表面Ｚａの移動速度を検出するように構成し、また並列共振の共振周波数に基づいて導体表面Ｚａから主コイル２１及び従コイル２２までの距離を検出し、その距離により移動速度の補正をも可能とするように構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属等の導電体に対して非接触で速度検出を行うことができる移動速度検出器、並びに特に導電体として溶融金属が適用される場合の移動速度検出器を利用した連続鋳造装置に関するものである。

溶鋼に代表される溶融金属の連続鋳造装置においては、タンディッシュに貯留された溶融金属が、タンディッシュの底部から浸漬ノズルを通じて鋳型へと注入されるのが一般的になされているが、鋳型内の溶融金属の表面（メニスカス）が常に一定となるように、浸漬ノズルからの溶融金属の吐出量が管理されている。しかしながら、長期間に亘る使用により、浸漬ノズルの内面や吐出口には、溶融金属に含まれている介在物が堆積物（例えば溶融金属が溶鋼である場合には、酸化アルミニウムや酸化マグネシウム等）として付着する結果、浸漬ノズルの内径が狭くなって設定された通りの吐出量が得られなくなり、また堆積物が浸漬ノズルの内部や吐出口に偏在すると鋳型内への吐出方向に偏りが生じることとなり、鋳造効率の低下の一因となる。このように、介在物の堆積によって吐出性能が低下した吐出ノズルは交換する必要があるため、その交換時期を適切に把握することは極めて重要である。

浸漬ノズル内の介在物の堆積状況を直接的に検出することは困難であることから、従来より、鋳型内の溶融金属の表面近傍における流速を計測することで、間接的に浸漬ノズル内の介在物の堆積状況を検知し、ノズル交換等の対策を早めに行い得るようにする、という方法が採用されている。溶融金属の表面近傍における流速の計測には、かつては速度検出用のロッドを鋳型内の溶融金属に挿入する方法が用いられていたが、高温によるロッドの変形や溶融等の問題から、近年では、導体である溶融金属が磁界中を移動する際にその流速に応じて検出コイルに発生する起電力を利用するという非接触での流速測定方法が採用されている。このような流速測定方法の例として、溶融金属の自由表面直下に流れを有するメニスカスの直上に、その流れ方向と垂直に１次コイルを配置するとともに、その１次コイルを挟んで流れの上下流側に一対の２次コイルを配置し、１次コイルに交流電流を印加して磁力線を形成し、自由表面直下の流れによる磁力線の歪みによって現れて流速に対応する２次コイル間の起電力の位相差を求めることにより、流速を測定する方法（特許文献１，特許文献２参照）や、溶融金属の表面に高周波磁界を印加してローレンツ力によりその表面を微少に波立たせ、その波立ちの上下流双方において渦電流を検出することで溶融金属の波立ちレベルを測定し、溶融金属の表面における流速が反映された波立ちレベル変動の伝播状態に基づいて流速を測定する方法（特許文献３参照）などが種々考えられている。

特開平２−３１１７６６号公報 特開平５−２９７０１２号公報 特開２００３−２２２６３５号公報

このような各種の従来の技術では、溶融金属の表面に電磁場を作用させる媒体と、その電磁場により影響を受けた溶融金属の変化を検出する媒体とを別個に設ける必要があり、特に検出用の媒体ではごく微少な電気的な変化を検出する必要があった。すなわち、特許文献１，２に記載の流速の計測方法では、微少な誘起電圧を検出するためのセンサが必要であり、また特許文献３に記載の流速の計測方法では、渦電流による微少なレベル信号の処理が必要とされる。その他の従来から用いられている溶融金属表面の流速計測方法であってもこのような事情は同様である。そのため、速度検出器が大型化及び高コスト化し、また微少な変化の検出や処理には種々の誤差が含まれやすく正確な速度計測が困難であった。ここで、鋳型内の溶融金属の流速測定技術では、検出コイルに発生する起電力が、検出コイルと溶融金属との間の距離、すなわち溶融金属の表面からの検出コイルの高さ（溶融金属レベル）の影響を強く受けることから、流速測定器に加えて、レベルセンサが別途設けられていた。このようなレベル測定には、従来から渦電流レベル計が一般的に用いられている。すなわち、このようなレベル計を用いて溶融金属レベルを測定し、その測定値に基づいて流速を補正すれば正確な溶融金属表面の流速を計測できるものと考えられる。しかしながら、鋳型内の溶融金属のレベル計として実用化されているものの精度では、正確な流速の補正ができるほどには高精度ではなく、専用の高精度な流速補正用レベル計を新たに開発するのは工業的には理に適うことではない。したがって、従来の流速測定方法のように、検出された微少な値から得られた流速を、従来のレベル計で補正したとしても、正確な流速を測定できたとは言い難いものであったといえる。

このような事情から、本発明は、溶融金属のレベル変動によっても測定精度が大きく影響を受けることがなく、また専用のレベルセンサを用いなくてもレベル検出とレベルに基づく速度補正を可能とし、装置の小型化も可能な移動速度検出器と、このような移動速度検出器を備えた連続鋳造装置を提供することを目的としており、特に移動速度検出器については、溶融金属のみならず、液体か固体かは問わず移動する導電体一般にも適用可能なものを提供することを目的としている。

すなわち本発明に係る移動速度検出器は、移動する導電体の表面から離間して配置され、一定の周波数の電流で励磁される励磁回路と、この励磁回路において導電体の移動の上流側と下流側の導電体の表面から等距離にある２箇所における電圧波形をそれぞれ検出するとともに、これら２つの電圧波形を比較することによって２つの電圧波形の位相差を検出する位相差検出部と、この位相差検出部で検出した２つの電圧波形の位相差の時間分を積分することによって電圧値に変換する位相差／電圧変換部と、この位相差／電圧変換部で変換した電圧値に基づいて前記導電体の移動速度を求める速度検出部、とを具備していることを特徴とするものである。

本発明で速度検出の対象とされる導電体は、溶融金属、固体金属はもちろんのこと、その他の各種導電体の何れであってもよく、本発明はその導電体の表面における移動速度を検出するものである。励磁回路は、電源制御回路、電源増幅回路、励磁コイル、及び配線材等を含めた電気回路として構成されるものである。導電体が高温となる溶融金属の場合は、熱によって動作不良が生じることを防止するために、熱の影響を受ける溶融金属の表面近傍には励磁コイル（及びその直近の配線材）のみを配置することが好ましいが、非高温の導電体や温度補償等の条件が十分な回路素子（上述した電源制御回路や電源増幅回路）の場合には、励磁回路全体を導電体の表面近傍に配置することは可能である。なお、２つの検出箇所は、導電体の表面から等距離となる位置に設定されることが望ましいが、導電体の表面からの距離が異なる位置に設定されることを妨げるものではない。

ここで、励磁回路に対して導電体の表面が静止している（表面の速度が０である）場合には、電源制御部により同じ電流で励磁された励磁回路によって導電体の表面上に誘導される渦電流による鎖交磁束は、励磁回路上の２つの検出箇所で等しいため、２つの検出箇所で検出される電圧波形間には位相差は生じない。しかしながら、導電体の表面が２つの検出箇所の一方側から他方側へある速度で移動している場合には、２つの検出箇所と導電体の表面の渦電流との間に位置の差が生じ、それぞれのコイルへの鎖交磁束に相違が生じるため、２箇所で検出される電圧波形間に位相差が生じる。この位相差を検出することで、導電体の表面の速度を検出することが可能となるという原理を本発明では利用している。

そこで本発明では、まず位相差検出部おいて、２つの検出箇所の電圧波形をそれぞれ検出し、これら２つの電圧波形を比較して両者の位相差を検出する。そして、位相差／電圧変換部において、検出された２つの電圧波形の位相差の時間分を積分することにより電圧値に変換する。さらに、速度検出部においては、位相差／電圧変換部で変換された電圧値が導電体の移動速度に比例することを利用して、電圧値を導電体の移動速度を示す値を求める。このようにして求められた移動速度値を適宜に処理し出力すれば、導電体の移動速度を知ることができる。

このように、本発明の移動速度検出器は、励磁回路に一定周波数の電流を入力し、検出対象である移動中の導電体からの影響を受けた励磁回路上の２箇所における電圧波形の位相差を検出することによって導電体の移動速度を検出するように構成することができる。したがって、導電体へ電磁場により作用する媒体と、その電磁場によって移動中の導電体に生じる変化を検出する媒体とをそれぞれ別体として設けていた従来技術と比較すれば、本発明では導電体に作用する媒体と検出用の媒体とを別途に設ける必要がないため、小型化に適しコスト面でも格段に有利であり、また従来技術のように導電体の微少な変化を検出しなくても、直接的には励磁回路上の２箇所の電圧波形の変化を検出するだけでよいので、検出誤差を含みにくく正確に速度を検出することができるという利点がある。

このような本発明において、励磁回路は、移動する導電体の表面近傍にその表面から等距離の位置においてこの導電体の移動方向に沿って配置され相互にインピーダンスが等しい主コイル及び従コイルと、主コイル及び従コイルと共通の並列回路を構成するコンデンサ、又は主コイル及び従コイルとそれぞれ個別の並列回路を構成するコンデンサと、主コイル及び従コイルに同一の電流を供給して当該主コイル及び当該従コイルと前記コンデンサとを共通に又は個別に励磁するように交流電源を制御する電源制御部とによって構成することができる。この場合、位相差検出部を、主コイル及び従コイルの入力側と出力側との間の一定振幅の電流による電圧波形をそれぞれ検出するとともに、これら２つの電圧波形を比較することによって両者の位相差を検出するものとする。

主コイルと従コイルには、電気的性質が等価であり、特にインピーダンスが等しいものを用いることとし、導電体の表面から等距離における同一平面上であって導電体の移動方向に沿って配置されるが、これら主コイルと従コイルは、同じ電流が流されることにより、導電体の表面と直交する磁界が発生するように配置される必要がある。主コイルと従コイルを直列に接続する場合には、両コイルと並列回路を構成するようにコンデンサを接続し、電源制御部によって励磁することで、直列接続された両コイルとコンデンサとが並列共振するように制御された電流を両コイルに供給する。一方、主コイルとコンデンサによって並列回路を構成するとともに、それとは別のコンデンサと従コイルとによって並列回路を構成する場合、電源制御部では、主コイル側の並列回路において主コイルとコンデンサとが並列共振するように制御された電流を主コイルに供給するが、主コイルに供給した電流と略同じ電流を従コイル側にも供給して強制的に励磁する。従コイル側に用いるコンデンサは、主コイル側に用いるコンデンサと同容量のものとなる。なお、主コイル側の励磁回路と従コイル側の励磁回路とに供給される電流は、厳密には僅かに異なる可能性があるが、本発明において「略同じ電流」若しくは「同じ電流」と言う場合には、全く同じ電流である場合は勿論のこと、ごく小さい差異で同じ電流と見なせる程度である場合も含まれる。

ここで、上述した原理説明を具体的に当て嵌めて説明すると、主コイル及び従コイルからなるコイル群に対して導電体の表面が静止している（表面の速度が０である）場合には、主コイルと従コイルとによって導電体の表面上に誘導される渦電流による鎖交磁束は等しいため、主コイルと従コイルのインピーダンスは等しく、主コイルと従コイルとは同一の電圧波形で共振し、主コイル側と従コイル側の検出される電圧波形間には位相差は生じない。しかしながら、導電体の表面が主コイル側から従コイル側へ、又は従コイル側から主コイル側へ移動している（表面がある速度で動いている）場合には、主コイル及び従コイルと導電体の表面の渦電流との間に位置の差が生じ、主コイルと従コイルとに同じ励磁電流を印加していれば、それぞれのコイルへの鎖交磁束に相違が生じるため、主コイルと従コイルとでインピーダンスに相違が生じ、主コイル側と従コイル側とで検出される電圧波形間に位相差が生じる。

そこで、位相差検出部おいて、主コイル及び従コイルの入力側と出力側との間の一定振幅の電流による電圧波形をそれぞれ検出し、これら２つの電圧波形を比較して両者の位相差を検出する。そして、位相差／電圧変換部において、検出された２つの電圧波形の位相差の時間分を積分することにより電圧値に変換する。さらに、速度検出部においては、位相差／電圧変換部で変換された電圧値が導電体の移動速度に比例することを利用して、電圧値を導電体の移動速度を示す値を求める。このようにして求められた移動速度値を適宜に処理し出力することで、導電体の移動速度を検出できることとなる。

このように、本発明の移動速度検出器は、検出に用いる主従２つのコイルに電流を入力し、検出対象である移動中の導電体からの影響を受けた２つのコイルの電圧波形の位相差を検出することによって導電体の移動速度を検出するように構成することができる。すなわち、導電体の表面の移動速度検出に際して、直接的な検出が必要なのは２つのコイルの電圧波形の変化だけであるため、従来技術と比べると、検出器のサイズやコストを大幅に小さくしつつもより正確な速度を検出することが可能である。

このような本発明に係る導電体の移動速度検出器においては、検出対象となる導電体の表面と主従２つのコイルとの距離が一定である場合には、その離間距離に導電体の移動速度が影響されないため、検出した速度を離間距離によって補正する必要はない。しかしながら、導電体の表面と主従２つのコイルとの距離を把握する必要がある場合や、離間距離が変化するような場合には、その離間距離の検出を考慮に入れなければならない。ここで、前述したとおり、導電体がある速度で移動する場合には、通電された主コイルと従コイルとによって導電体の表面に誘導された渦電流は、微少時間では移動速度に応じて比例的に微少距離だけ移動する。このとき、渦電流の移動量に応じてその移動の上流側のコイルに与える鎖交磁束が減少し、下流側のコイルに与える鎖交磁束が増加することとなる。その結果、上流側のコイルのインダクタンスが減少し、下流側のコイルのインダクタンスが増加するため、元々は同一であった２つのコイルのインダクタンスに差が生じて、移動速度を検出することができる。導電体の表面から主コイル及び従コイルまでの距離を検出する際には、主コイルと従コイルが直列接続されている場合は、それぞれのインダクタンスの変化分は略等しいので、各コイルのインダクタンスの和は略一定となる。また、主コイル側と従コイル側とを個別に励磁している場合は、従コイル側は主コイル側と同じ電流で強制励磁されているので、並列共振周波数を検出するのは主コイル側である。そして、元々インダクタンスの変化分は微少であるから無視することができ、主コイルのインダクタンスだけでも略一定と見なすことができる。そこで、並列共振の共振周波数を検出すれば、共振回路に用いたコンデンサの容量は予め分かっているため、並列共振に関係するインダクタンスが判明する。このインダクタンスは導電体の表面と主従２つのコイルとの離間距離との関数として表すことができるため、離間距離を得ることができる。

このような原理を利用して、本発明では、上述した移動速度検出器の構成に加えて、主コイル及び従コイルの並列共振の共振周波数を検出する共振周波数検出部と、この共振周波数検出部で検出した共振周波数に基づいて算出される並列共振に関係するインダクタンスから導電体の表面と主コイル及び従コイルとの離間距離を表す値に変換する周波数／距離変換部、とをさらに設けることで、距離検出器を別途に設けることなく、移動速度検出器に距離検出器としての機能を付加することができるようにすることができる。

主コイルと従コイルとを直列に接続してコンデンサと並列共振回路を構成した場合には、主コイルと従コイルのインダクタンスの差は相殺されるため、並列共振に関係するインダクタンスは、主従２つのコイルのインダクタンス（導電体の静止時における主コイルと従コイルのインダクタンスの和）の和として得られる。また、主コイルとコンデンサとから構成される並列共振回路と従コイルとコンデンサとから構成される並列回路とを別々に設け、主コイル側に入力した電流と同じ電流を従コイル側にも流して強制励磁する場合には、インダクタンスの差は主コイルのインダクタンス（導電体が静止している場合には従コイルのインダクタンスと等しい）と比べて極めて小さいため、並列共振に関係するインダクタンスは主コイルのインダクタンス（導電体の静止時のインダクタンス）として得られる。

さらに、導電体の表面と主従２つのコイルとの距離が変化するために、その離間距離を導電体の移動速度に反映させる必要がある場合は、本発明では、速度検出部において、周波数／距離変換部により得られた離間距離を表す値に基づいて、導電体の移動速度を補正して求めるように構成することができる。このようにして補正された移動速度を適宜に出力すれば、導電体の表面と２つのコイルとの距離が変化する場合であっても、距離検出器を別途に設ける必要なく導電体の正確な移動速度を知ることができる。

また上述した本発明の移動速度検出器は、前述した従来技術の速度検出器のように、連続鋳造装置に好適に用いることができる。すなわち、本発明に係る連続鋳造装置は、溶融金属を貯留するタンディッシュと、タンディッシュから溶融金属の供給を受けて溶融金属を冷却しつつ吐出する鋳型と、タンディッシュの底部から鋳型へ前記溶融金属を供給する浸漬ノズルと、上述の移動速度検出器とを具備するものであり、移動速度検出器における主コイル及び従コイルを、浸漬ノズルの鋳型の周壁に対する一側方であって且つ鋳型内の溶融金属の表面の上方においてその表面から等距離となる位置に配置していることを特徴とするものである。

このような連続鋳造装置であれば、タンディッシュから浸漬ノズルを通じて鋳型へ注入される溶融金属の表面（メニスカス）における移動速度を、小型で正確な速度検出が可能な移動速度検出器によって検出することができるため、浸漬ノズルの内面や吐出口に介在物が堆積することによって生じる吐出量の変化と、それに伴う浸漬ノズルの交換時期を適切に把握することができ、適切な連続鋳造を行うことが可能となる。また、移動速度検出器には溶融金属の高さ（溶融金属から励磁回路上の２つの検出箇所（例えば主従２つのコイル）までの高さ）を把握するためのレベル検出器としての機能を兼ね備えさせることができるため、別途にレベル検出器を設ける必要がなく、適切なレベル管理が可能となり、溶融金属の表面レベルに応じて適切な移動速度の検出も可能となる。

本発明の移動速度検出器によれば、導電体の表面の移動速度を検出するために用いる励磁回路に一定周波数の電流を入力して励磁させ、検出対象である移動中の導電体からの影響を受けた励磁回路上の２つの検出箇所の電圧波形の位相差を検出することによって導電体の移動速度を検出するように構成したものであるため、従来技術のように導電体へ電磁場を作用させる媒体と、導電体が受けた変化を検出する媒体の２種類の媒体を別体として設ける必要がないため、検出器の小型化及び低コスト化を図ることができるうえに、従来技術のように導電体の微少な変化を検出したり処理する必要がないため、より正確に導電体表面の移動速度を検出することが可能である。さらに、本発明の移動速度検出器には、導電体の表面から励磁回路上の検出箇所までの離間距離を検出する機能を付加することができるため、速度検出と距離検出の両方の機能を兼ね備えた検出器を小型且つ低コストなものとして提供することができ、特に検出した離間距離によって移動速度を補正することで、さらに正確な導電体表面の速度検出も可能である。

そして、このような速度検出器を備えた本発明の連続鋳造装置であれば、溶融金属の表面速度を的確に検出することで、浸漬ノズルへの介在物の堆積状態を把握して、浸漬ノズルの交換時期を適切に知ることができ、さらには速度検出と併せて溶融金属のレベル検出やそれを利用した速度補正も可能であることから、小型で低コストでありながら優れた機能を有する移動速度検出器を備えた連続鋳造装置を提供することができる。このような連続鋳造装置は、より適切な連続鋳造に資するものとなる。

本発明の実施形態が適用される連続鋳造装置を示す模式図。 本発明の第１実施形態における移動速度検出器の構成を示す機能ブロック図。 同実施形態の移動速度検出器のコイル群により形成される磁界と溶鋼表面の移動との関係を示す原理図。 同実施形態の移動速度検出器において検出した主コイル及び従コイルの電圧波形からそれらの位相差及び電圧に変換する状態を示す図。 共振周波数と高さとの関係の一例を表すグラフ。 本発明の第２実施形態における移動速度検出器の構成を示す機能ブロック図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態及び後述する第２実施形態に係る移動速度検出器１（１’）を、連続鋳造装置１００に適用した態様を模式的に示す図である。まず、連続鋳造装置１００は、溶融金属である溶鋼Ｚが注入された取鍋１１０と、取鍋１１０から溶鋼Ｚが供給されるタンディッシュ１２０と、タンディッシュ１２０の底部に接続された浸漬ノズル１３０と、タンディッシュ１２０から浸漬ノズル１３０を通じて溶鋼Ｚが注入される鋳型１４０と、鋳型１４０で冷却されて押し出される鋼片を圧延する圧延装置（鋼片と圧延装置は図示省略）とを備えている。浸漬ノズル１３０の下端部側は鋳型１４０内の溶鋼Ｚ内に挿入されており、鋳型１４０内の溶鋼Ｚの表面（メニスカス）Ｚａは浸漬ノズル１３０の下端よりも上方にある。なお、以上のような連続鋳造装置１００の構成は公知であるため、詳述を省略する。

本実施形態では、この鋳型１４０内の溶鋼Ｚの表面Ｚａにおける移動速度とレベルとを管理するための移動速度検出器１（１’）を備えている。特にこの移動速度検出器１（１’）においては、タンディッシュ１２０の底部と鋳型１４０の上端との間において、浸漬ノズル１３０に対して鋳型１４０の１つの周壁寄りに２つのコイル（主コイル２１及び従コイル２２）からなるコイル群２を配置している。すなわち、本実施形態の連続鋳造装置１００では、浸漬ノズル１３０から吐出された溶鋼Ｚが鋳型１４０内で流れを持って動いていることから、その溶鋼表面Ｚａの上方において、ある１つの方向に流れている溶鋼表面Ｚａの速度と表面高さ（溶鋼Ｚ表面ａとコイル群２までの距離）を検知し、管理することとしている。

＜第１実施形態＞ 以下、本発明の第１実施形態における移動速度検出器１について詳述する。移動速度検出器１は、図２に示すように、直列に接続された上述の２つのコイル（主コイル２１及び従コイル２２）からなるコイル群２と、これら主コイル２１及び従コイル２２と共に並列回路Ａを構成するコンデンサ３と、図示しない電源部からの電流をこの並列回路Ａを並列共振させるように交流電流を供給する電源制御部４と、主コイル２１と従コイルの電圧波形の位相差を検出する位相差検出部５と、位相差検出部５で検出した位相差を電圧値に変換する位相差／電圧変換部６と、位相差／電圧変換部６で得られた電圧値に基づいて溶鋼表面Ｚａの移動速度を示す値に変換する速度検出部７と、並列回路Ａの共振周波数を検出する共振周波数検出部８と、共振周波数検出部８で検出した共振周波数を溶鋼表面Ｚａとコイル群２との距離（すなわち、溶鋼表面Ｚａの高さを表す値である）に変換する周波数／高さ変換部９とを備えている。

主コイル２１と従コイル２２には、インピーダンスを含めた電気的性質が等しいコイルが適用され、直列に接続されている。これら主コイル２１と従コイル２２は、図３に模式的に示したように、溶鋼表面Ｚａから等しい高さ位置ｈに配置される。コンデンサ３は直列接続された主コイル２１及び従コイル２２と並列に接続されるものであり、所定の容量のものが適用される。これら主コイル２１及び前記従コイル２２とコンデンサ３とによって形成された並列回路Ａには、電源制御部４によって交流電流が発振されて並列共振するようになされている。なお、並列回路Ａには、適宜に抵抗を設けることができる。

電源制御部４は、図示しない交流電源から供給された電流を、並列回路Ａの主コイル２１及び従コイル２２とコンデンサ３とが並列共振するように制御する電流制御部４１と、電流制御部４１で制御された電流を主コイル２１と従コイル２２に流す電流増幅部４２とを備えている。電流制御部４１と電流増幅部４２は、いずれも所定の励磁回路によって構成されるものである。すなわち、主コイル２１と従コイル２２とには、一定の等しい電流が流されており、コンデンサ３を含む並列回路Ａにおいて主コイル２１と従コイル２２は、等しい電圧波形で並列共振するように構成されている。

ここで、電源制御部４からの発振電流によって並列回路Ａを並列共振させた場合、主コイル２１及び従コイル２２によって生じる磁界と溶鋼表面Ｚａの速度ｖとの関係について、図３に模式的に示した原理図を用いて説明する。なお、以下の説明では、溶鋼表面Ｚａの流れに沿って上流側に主コイル２１を配置し、下流側に従コイル２２を配置しているものとする。まず、コイル群２に対して溶鋼表面Ｚａが静止している（同図（ａ））場合、電源制御部４によって励磁された並列回路Ａ内の直列に接続されたインピーダンスの等しい主コイル２１と従コイル２２とによって、同図に破線で示すように磁束Φができ、磁界が形成されるが、それによって溶鋼表面Ｚａ上の位置Ｐに誘導される渦電流（図中、黒丸で示す）による鎖交磁束は等しいため、主コイル２１と従コイル２２のインピーダンスは等しいままであり、主コイル２１と従コイル２２は同一の電流で励磁していることから、主コイル２１と従コイル２２の検出される電圧波形間には位相差は生じない。一方、溶鋼表面Ｚａが主コイル２１側から従コイル２２側へある速度ｖで移動している場合（又は従コイル２２側から主コイル２１側へ速度ｖで移動している場合）、溶鋼表面Ｚａ上の渦電流は微少時間Δｔにおいて位置Ｐから位置Ｑまで距離Δｘだけ移動するため、主コイル２１及び従コイル２２と溶鋼表面Ｚａの渦電流との間に位置の差が生じ、各コイル２１，２２への鎖交磁束に相違が生じることから、主コイル２１と従コイル２２との間にインピーダンスに差が生じる。そのため、電流増幅部４２からの出力電流からそのインピーダンスの変化分だけ位相差が生じることとなる。その結果、主コイル２１と従コイル２２とで検出される電圧波形間に、溶鋼表面Ｚａの速度に応じた位相差が生じる。

このような主コイル２１と従コイル２２の電圧間の位相差を検出するための構成として、位相差検出部５は、主コイル２１の入力側と出力側との電圧波形を検出するとともに、従コイル２２の入力側と出力側との電圧波形を検出し、それらを比較することで両電圧波形間の位相差を検出する機能を有するものであり、適宜の電気回路により構成される。具体的には、主コイル２１及び従コイル２２は、交流電流により発振されてコンデンサ３と共に並列共振しているため、図４（ａ）に示すとおり、主コイル２１及び従コイル２２の発振波形は正弦波として検出される（主コイルについては破線、従コイルについては実線で示す。以下同じ。）が、上述したように、溶鋼表面Ｚａが速度ｖで移動していることに起因して、主コイル２１の電圧波形と従コイルの電圧波形との間に位相差が生じる。そこで、主コイル２１及び従コイル２２それぞれの電圧を基準電位と比較することで、同図（ｂ）に示すように矩形波として出力し、さらに同図（ｃ）に示すように、進み位相型となる従コイル２２の電圧の矩形波信号を基準として、主コイル２１の電圧の矩形波信号との位相差信号を測定、検出する。位相差信号は、主コイル２１に基づく信号（同図に破線で示す）と、従コイル２２に基づく信号（同、実線で示す）の２種類が得られる。

位相差／電圧変換部６は、位相差検出部５で検出した位相差を電圧値に変換する機能を有するものであり、適宜の電気回路により構成される。具体的には、位相差として検出した２種類の信号について、一方を時間分で積分した積分信号とし、他方を積分値の放電信号とすることで、図４（ｄ）に示したような電圧値に変換する。なお、同図では、位相差信号に基づいて、積分信号と放電信号とを組み合わせたアナログ回路による変換方法について示しているが、デジタル回路によって位相差信号を電圧値へと変換することも可能である。すなわち、位相差信号よりも十分高い周波数のクロックパルスで位相差信号をパルス検出してデジタル化し、電圧値に変換する方法が採用できる。ただし、デジタル回路を利用した場合であっても、積分信号と放電信号とを組み合わせることについては、アナログ回路を採用した場合と変わりはない。

そして、速度検出部７は、位相差／電圧変換部６で得られた電圧値を、溶鋼表面Ｚａの移動速度を表す値を求める機能を有するものであり、例えば位相差／電圧変換部６に接続したコンピュータにより実現される。具体的には、溶鋼表面Ｚａの移動速度と位相差／電圧変換部６で得られた電圧値とは比例関係にあるため、その電圧値に所定の定数を乗じることで、溶鋼表面Ｚａの移動速度を表す値が得られる。この移動速度を表す値を適宜に出力することで、溶鋼表面Ｚａの移動速度が得られる。ところで、このようにして得られた溶鋼表面Ｚａの移動速度は、溶鋼表面Ｚａの高さ、すなわち溶鋼表面Ｚａとコイル群２との距離に影響を受けることから、速度検出部７では、後述する周波数／高さ変換部９による出力結果を用いて補正処理を行う。

共振周波数検出部８は、主コイル２１及び従コイル２２とコンデンサ３とからなる並列回路Ａの共振周波数を検出するものである。この並列回路Ａで検出される共振周波数に基づいて、並列共振に関係するインダクタンスを求めることができるが、主コイル２１と従コイル２２とは直列接続されているため、並列共振に関係するインダクタンスＬは、主コイル２１のインダクタンスＬ１と従コイル２２のインダクタンスＬ２の和として得られる。ここで、溶鋼表面Ｚａにおける渦電流の移動量に応じてその移動の上流側となるコイル（図１の例で言えば主コイル２１）に与える鎖交磁束が減少するためそのコイルのインダクタンスは減少し、下流側のコイル（図１の例で言えば従コイル２２）に与える鎖交磁束が増加するためそのコイルのインダクタンスは増加する。しかしながら、一方のコイルのインダクタンスの増加分と他方のコイルのインダクタンスの減少分とは、主コイル２１と従コイル２２のインダクタンスＬ１，Ｌ２を足し合わせることで相殺される。また、並列回路Ａに用いたコンデンサの容量Ｃは既知の値であることから、この並列回路Ａの共振周波数ｆは、次式１で表される。

・・・式1

周波数／高さ変換部９は、共振周波数検出部８で検出した共振周波数ｆに基づいて、溶鋼表面Ｚａと主コイル２１及び前記従コイル２２までの高さを示す値に変換し出力するものであり、例えば周波数／高さ変換部９に接続したコンピュータにより実現される。このコンピュータは、位相差／電圧変換部６に接続したコンピュータと同じものであってもよいが、別のコンピュータを用いることを妨げるものではない。具体的には、共振周波数と高さとの関係を予めシミュレーション又は較正試験して表にしておき、検出した共振周波数ｆとその表とに基づいて高さを示す値が得られる。ここで、並列回路の並列共振に関係するインダクタンスＬと高さｈとの関係をグラフ化した図を図５に示す。同図の縦軸を上述した式１により共振周波数ｆに変換することで、共振周波数ｆと高さｈとの関係が示される。すなわち、インダクタンスＬが小さいほど共振周波数ｆが大きくなり、それに従って高さｈの値が小さくなる。並列共振に関係するインダクタンスＬと高さｈとの関係を近似式で表すと次式２のようになる。なお、式２中、μ_０は真空透磁率、ｘ_０はコイルの巻線の電線間隔、ｒ_０はコイルの電線の半径である。図５では、一例として、電線の半径を０．４ｍｍ、電線間隔を２ｃｍとした場合において、高さｈが１ｃｍから２５ｃｍまでの範囲におけるインダクタンスＬとの関係を示している。

・・・式２

この式２に、求められたインダクタンスＬの値を適用し、高さｈの式として展開することで、高さを示す値ｈが求まる。そして、この高さを示す値は、溶鋼表面Ｚａのレベル管理に用いられると共に、速度検出部７において求められた速度を示す値の補正に利用される。速度検出部７では、主コイル２１と従コイル２２の電圧波形の位相差から導いた溶鋼表面Ｚａの速度を示す値を、高さを示す値によって補正することで、溶鋼表面Ｚａのレベルに応じた正確な移動速度を出力することができることとなる。

このように、本実施形態では、直列接続した主コイル２１と従コイル２２とを溶鋼表面Ｚａから同じ高さ位置に設けてコンデンサ３と共に並列回路Ａを構成し、主コイル２１と従コイル２２とに同じ電流を入力し、検出対象である溶鋼表面Ｚａにおける渦電流のある速度での移動によって影響を受けた主コイル２１と従コイル２２の電圧波形の位相差を検出することに基づいて、溶鋼表面Ｚａの移動速度を検出するようにしているため、従来技術のように溶鋼表面Ｚａへ電磁場を作用させる媒体と、導電体が受けた変化を検出する媒体の２種類の媒体を別体として設ける必要がない。また、コイル群２の並列共振の周波数に基づいて、溶鋼表面Ｚａからコイル群２までの高さを検出し、さらにはその高さに基づいて溶鋼表面Ｚａの速度を補正することも可能である。したがって、本実施形態によれば、従来技術のように溶鋼表面Ｚａの微少な変化を検出したり処理する必要がない移動速度検出器１を小型且つ低コストなものとして得ることができるとともに、別途に高さ検出器を設ける必要もなくすことができる。また、このような移動速度検出器１を設けた連続鋳造装置１００においては、低コストで正確な溶鋼表面Ｚａの速度管理と高さ管理が可能となるため、浸漬ノズル１３０への介在物の堆積状態による溶鋼表面Ｚａの速度や高さの変化を正確に把握することで浸漬ノズル１３０の交換時期を適切に知ることができるため、より適切で安全な連続鋳造が可能となる。

＜第２実施形態＞ 図６に機能ブロック図を示す本発明の第２実施形態における移動速度検出器１’は、第１実施形態の移動速度検出器１と同様に、主コイル２１’及び従コイル２２’の２つのコイルから構成されるコイル群２’（図示省略）と、電源制御部４’と、位相差検出部５’と、位相差／電圧変換部６’と、速度検出部７’と、共振周波数検出部８’と、周波数／高さ変換部９’とを備えている。以下ではこれらの各構成について、第１実施形態のものと異なる点について主に詳述する。

本実施形態の移動速度検出器１’では、主コイル２１’と従コイル２２’は、それぞれコンデンサ３１’，３２’と共に個別に並列回路Ｂ１，Ｂ２を形成している。主コイル２１’と従コイル２２’とにはインピーダンスを含めて電気的に等価なものが用いられ、コンデンサ３１’，３２’にも同じもの（同容量のもの）が適用される。このような各並列回路Ｂ１，Ｂ２をそれぞれ並列共振させる電源制御部４’は、電流制御部４１’と電流増幅部４２’とから構成され、さらに電流増幅部４２’は、主コイル用電流増幅部４２ａ’と従コイル用電流増幅部４２ｂ’とから構成される。電流制御部４１’は、並列回路Ｂ１と並列回路Ｂ２とをそれぞれ励磁するように交流電源からの電流を制御するものであり、まず主コイル用電流増幅部４２ａ’を通じて並列回路Ｂ１に発信電流を供給する。従コイル用電流増幅部４２ｂ’は、主コイル用電流増幅部４２ａ’によって並列回路Ｂ１に流された電流を検出し、それと同じ電流（同じ波形の電流）を並列回路Ｂ２に流して強制的に励磁するように制御している。すなわち、主コイル２１’と従コイル２２’とには、同じ電流が流され、並列回路Ｂ１と並列回路Ｂ２とは同一の電流波形でそれぞれ個別に励磁されることになる。なお、並列回路Ｂ１に流される電流と並列回路Ｂ２に流される電流とは、実際には僅かに異なる可能性はあるが、本実施形態では、両電流は実質的に同じとみなせる程度であるものとする。

このように、並列回路Ｂ１が並列共振しており、それと同一の電流波形で並列回路Ｂ２を強制励磁している場合、両者は同じ電流波形で励磁されていることとなり、第１実施形態の場合と同様に、溶鋼表面Ｚａが図３（ａ）に示したように静止していれば、検出される２つの電圧波形に位相差は生じないが、同図（ｂ）に示したように速度ｖで溶鋼表面Ｚａが移動していれば、２つの電圧波形に速度ｖに応じた位相差が生じることとなる。そこで、本実施形態でも、第１実施形態と同様に、位相差検出部５’によってその位相差を検出し、位相差／電圧変換部６’によって位相差を電圧値に変換し、速度検出部７’によって電圧値から溶鋼表面Ｚａの速度を求める。

本実施形態においても、共振周波数検出部８’において並列回路の並列共振に関係する共振周波数を検出し、その共振周波数に基づいて周波数／高さ変換部９’において溶鋼表面Ｚａからコイル群２’までの高さを示す値を検出し、さらに速度検出部７’において高さを示す値で速度を補正することについては、第１実施形態と変わりはない。ただし、並列共振に関係する共振周波数の検出については、主コイル２１’側の並列回路Ｂ１と従コイル側２２’の並列回路Ｂ２とは、並列回路Ｂ１の共振周波数で個別に励磁されていることから、検出している共振周波数ｆは、主コイル２１’側の並列回路Ｂ１の共振周波数である。また、溶鋼表面Ｚａの移動によるインダクタンスの変化量ΔＬは、主コイル２１’のインダクタンスＬ１と比べて極めて小さい（Ｌ１＞＞ΔＬ）ため、本実施形態において並列共振に関係するインダクタンスＬは、主コイル２１’のインダクタンスＬ１とみなすことができる。また、主コイル２１’側のコンデンサの容量も既知であるため、前掲の式１により、検出した並列回路Ｂ１の共振周波数ｆから、並列共振に関係するインダクタンスＬを求めることができる。周波数／高さ変換部９’では、このインダクタンスＬを用いて溶鋼表面Ｚａからコイル群２’までの高さｈを求め出力することで、溶鋼表面Ｚａのレベル管理用の情報として利用するとともに、速度検出部７’において高さｈで速度を補正し出力することで、溶鋼表面Ｚａの移動速度の情報として利用する。

すなわち、本実施形態の移動速度検出器１’においても、主コイル２１’と従コイル２２’とを溶鋼表面Ｚａから同じ高さ位置に設けてそれぞれコンデンサ３１’，３２’と個別の並列回路Ｂ１，Ｂ２を形成しているが、２つの並列回路Ｂ１，Ｂ２には同一の電流を入力することで、第１実施形態の移動速度検出器１と同様に、検出対象である溶鋼表面Ｚａにおける渦電流のある速度での移動によって影響を受けた主コイル２１’と従コイル２２’の電圧波形の位相差を検出することに基づいて、溶鋼表面Ｚａの移動速度を検出し、また並列共振に関する共振周波数に基づいて、溶鋼表面Ｚａからコイル群２’までの高さを検出し、さらにはその高さに基づいて溶鋼表面Ｚａの速度を補正するようにしている。そのため、移動速度検出器１’の小型化や低コスト化が可能であり、このような移動速度検出器１’を設けた連続鋳造装置１００についても溶鋼表面Ｚａの速度管理とレベル管理を適切に行い、有用な連続鋳造が可能なものとすることができる。

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、速度検出の対象である導電体が一定の表面高さで常に移動する固体金属である場合など、その対象とコイル群との距離（高さ）に関する情報を特に要しない場合には、共振周波数検出部と周波数／距離（高さ）変換部を設ける必要はなく、速度検出部においても距離に基づいた速度の補正処理を行う必要はない。

また、移動速度検出器に、コイルやコンデンサを備えない単純な励磁回路を適用する場合、一定周波数の電流で励磁回路を励磁し、その励磁回路上において導電体の表面からの距離が等しい２箇所に設定された検出箇所において電圧波形の位相差を検出することに基づいて、導電体の表面の移動速度を検出することも可能である。適用する励磁回路が１つ（主コイルと従コイルとを直列に接続）の場合は、その回路において導電体の表面からの距離が等しくなる２箇所を検出箇所とすればよく、励磁回路を２つ設ける（主コイル側の回路と従コイル側の回路とを個別に励磁）場合は、それぞれの励磁回路を同じ電流を流し、導電体の表面からの距離が等しくなる両回路の１箇所ずつを検出箇所とすればよい。このような励磁回路を適用する場合、励磁回路が励磁電流により並列共振するものではない場合には、導電体の表面レベルが一定である検出対象の移動速度検出器として利用することが好適である。

また、本発明を、コイル群と検出対象である導電体との距離検出器としてのみ使用することも可能であり、その場合は、位相差検出部と位相差／電圧変換部と速度検出部との機能を停止するか、もしくはそれらを当初から設けない構成とすることも可能である。その他、本発明を構成する各部についても条規実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することができる。

１，１’…移動速度検出器
２，２’…コイル群
２１，２１’…主コイル
２２，２２’…従コイル
３，３１’，３２’…コンデンサ
４，４’…電源制御部
５，５’…位相差検出部
６，６’…位相差／電圧変換部
７，７’…速度検出部
８，８’…共振周波数検出部
９，９’…周波数／距離（高さ）変換部
１００…連続鋳造装置
１２０…タンディッシュ
１３０…浸漬ノズル
１４０…鋳型
Ａ，Ｂ１，Ｂ２…並列回路
Ｚ…導電体（溶鋼）
Ｚａ…導電体の表面（溶鋼表面）

Claims (5)

1. 移動する導電体の表面から離間して配置され、一定の周波数の電流で励磁される励磁回路と、
   前記励磁回路において前記導電体の表面から等距離となり且つ当該導電体の移動に対して上流側と下流側となる２箇所における電圧波形をそれぞれ検出するとともに、これら２つの電圧波形を比較することによって両者の位相差を検出する位相差検出部と、
   前記位相差検出部で検出した２つの電圧波形の位相差の時間分を積分することによって電圧値に変換する位相差／電圧変換部と、
   前記位相差／電圧変換部で変換した電圧値に基づいて前記導電体の移動速度を求める速度検出部、とを具備していることを特徴とする移動速度検出器。
2. 前記励磁回路は、移動する前記導電体の表面近傍に当該表面から等距離の位置において当該導電体の移動方向に沿って配置され相互にインピーダンスが等しい主コイル及び従コイルと、前記主コイル及び前記従コイルと共通の並列回路を構成するコンデンサ、又は前記主コイル及び前記従コイルとそれぞれ個別の並列回路を構成するコンデンサと、前記主コイル及び前記従コイルに同一の電流を供給して当該主コイル及び当該従コイルと前記コンデンサとを共通に又は個別に励磁するように交流電源を制御する電源制御部と、を備えるものであり、
   前記電源制御部は、前記主コイル及び前記従コイルに略同一の電流を供給して当該主コイル及び当該従コイルと前記コンデンサとを共通に又は個別に励磁するように交流電源を制御するものであり、
   前記位相差検出部は、前記主コイル及び前記従コイルの入力側と出力側との間の一定振幅の電流による電圧波形をそれぞれ検出するとともに、これら２つの電圧波形を比較することによって両者の位相差を検出するものである、請求項１に記載の移動速度検出器。
3. 前記主コイル及び前記従コイルの並列共振の共振周波数を検出する共振周波数検出部と、前記共振周波数検出部で検出した共振周波数に基づいて算出される並列共振に関係するインダクタンスから前記導電体の表面と前記主コイル及び従コイルとの離間距離を表す値に変換する周波数／距離変換部、とをさらに具備している請求項２に記載の移動速度検出器。
4. 前記速度検出部は、前記周波数／距離変換部により得られた離間距離を表す値に基づいて、前記位相差／電圧変換部で変換した電圧値から求められた前記導電体の移動速度を補正するものである請求項３に記載の移動速度検出器。
5. 溶融金属を貯留するタンディッシュと、
   前記タンディッシュから前記溶融金属の供給を受けて当該溶融金属を冷却しつつ吐出する鋳型と、
   前記タンディッシュの底部から前記鋳型へ前記溶融金属を供給する浸漬ノズルと、
   請求項１乃至４の何れかに記載の移動速度検出器とを具備し、
   前記移動速度検出器における前記主コイル及び前記従コイルを、前記浸漬ノズルの前記鋳型の周壁に対する一側方であって且つ前記鋳型内の溶融金属の表面の上方において当該表面から等距離となる位置に配置していることを特徴とする連続鋳造装置。

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