JP2014153077A - 溶融金属の湯面上に浮遊するスラグの厚さ測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スラグの厚さの測定を、オペレータに依らず、かつ高い精度で行うことが可能な方法を提供する。
【解決手段】スラグの厚さ測定方法は、中心周波数が２４〜３２ＧＨｚで、周波数変調の振幅が８〜１０ＧＨｚである周波数変調マイクロ波をアンテナから発信して受信するマイクロ波距離計を使用するものであり、マイクロ波距離計がマイクロ波を発信してから溶融金属湯面での反射波を受信するまでの第１の時間およびスラグ表面での反射波を受信するまでの第２の時間を算出するとともに、第１の時間t1、第２の時間t2および大気中におけるマイクロ波の速度cから計算値c(t1-t2)/2を算出するものであり、あらかじめ厚さが既知のスラグについての計算値の測定の結果から補正式を求めておき、操業時にマイクロ波距離計で連続的に測定した計算値を、この補正式で補正した値をスラグの厚さとする。
【選択図】図７

Description

本発明は、溶融金属の湯面上に浮遊するスラグの厚さを測定する方法に関し、特にスラグ厚さが薄い場合であっても、その厚さを高い精度で連続的に測定することを可能とするスラグ厚さ測定方法に関する。

鋼の連続鋳造は、溶鋼を水冷鋳型に注入して鋳型と接触させることで冷却し、これにより凝固シェルを形成させながら鋳型の下方に連続的に引き抜くことによって鋳片を製造するものである。

このような連続鋳造では、溶鋼を供給する取鍋を交換する際に溶鋼を一旦貯蓄し、また、溶鋼を複数の鋳型に分配する目的で、取鍋と鋳型との間の中間容器としてタンディッシュが用いられる。

取鍋内の溶鋼をタンディッシュに供給する作業の末期には、取鍋内の溶鋼湯面上に浮遊している取鍋内スラグが、溶鋼とともに取鍋からタンディッシュ内に若干流出することがある。タンディッシュ内に流入した取鍋内スラグは、タンディッシュ内で溶鋼中に拡散した後、その大部分は溶鋼の上部に浮上して溶鋼から分離し、タンディッシュ内の溶鋼の湯面上に層状をなしてタンディッシュ内スラグとして浮遊している。また、タンディッシュには、取鍋から溶鋼とともに流入したスラグに加えて、さらにタンディッシュ内の溶鋼の被覆等を目的としてフラックスが投入されている。フラックスは、溶鋼の熱により溶解してスラグとなる。

溶鋼の上部に浮上しきれない一部のスラグは、タンディッシュの浸漬ノズルを介した給湯により溶鋼とともに水冷鋳型に持ち込まれ、溶鋼の凝固後に非金属介在物として鋳片中に残存し、製品の表面欠陥等を引き起こす要因となる。タンディッシュ内において、スラグの量が増加すると、取鍋を交換する際にスラグの巻き込み等が発生し、溶鋼の上部に浮上しきれないスラグが増加するため、得られた鋳片の内質欠陥等、品質上の問題が発生することがある。

また、取鍋の交換時にタンディッシュ内の溶鋼が減少し、スラグの割合が大きくなると、スラグを巻き込みやすくなる。このため、タンディッシュ内のスラグの厚さが所定の値を超えるとタンディッシュ上部に設けられた排滓孔から外部にスラグを排出している。このスラグの排出は、その飛散による火災等、二次トラブルの原因となるばかりでなく、溶鋼も一部排出されることにより製品の歩留の低下の原因ともなる。

さらに、タンディッシュ内のスラグの厚さは、スラグの鋳型内流出によるブレークアウトを防止し、操業の安全性および製品の生産性を向上させる観点からも重要な管理因子である。

このように、鋳片の品質管理、歩留の向上および安全性の向上の観点から、連続鋳造の操業中において、取鍋から流入したスラグおよび意図的に投入したフラックスに由来するスラグのいずれも含めたタンディッシュ内のスラグ量を把握しておくことは重要である。当然、取鍋からタンディッシュに流出するスラグを最小限にすることは大前提である。

溶鋼の供給に伴うスラグの流出を極力抑制する方法として、特許文献１では、タンディッシュ内の溶鋼を鋳型に注入するスライディングノズルの開度信号と鋳型内の溶鋼の湯面レベル信号に基づいて、スライディングノズルの開操作および閉操作の制御を行う方法が提案されている。

しかし、特許文献１で提案された方法では、タンディッシュ内のスラグ量の測定は行われない。そのため、この方法を取鍋からタンディッシュへの溶鋼の供給に適用した場合、取鍋からのスラグの流出を確実に防止する観点から、連続鋳造操業中にスライディングノズルの閉操作を早期に行ってしまうと、取鍋内の残溶鋼が多くなり、溶鋼の歩留が大幅に低下するという問題が生じる。

ところで、現状の連続鋳造操業において、タンディッシュ内のスラグ量は、そのスラグの厚さによって管理されている。その手法として、通常は、オペレータがタンディッシュの上面の蓋の一部を開放して金属製の検尺棒をタンディッシュ内の溶鋼に装入し、検尺棒に付着したスラグの厚さを測定している。

鋳造中にタンディッシュ内のスラグが急激に増加することはないが、連続鋳造における連々数の増加、すなわち取鍋の交換回数の増加に伴い、タンディッシュ内のスラグ量は徐々に増加する。そのため、取鍋の交換毎にスラグの厚さの測定が不可欠である。しかし、検尺棒を用いたスラグの厚さの測定はオペレータの手作業による一時的な測定であるため、作業負担が発生するとともに、オペレータごとの測定値の差が大きく、しかも連続的に安定して測定できないという問題がある。

さらに、検尺棒を溶鋼に装入する際には、タンディッシュ上面の蓋の一部を開放しなければならず、タンディッシュ内の不活性ガス（例えばＡｒガス）雰囲気による大気遮断が不十分になり、大気の侵入による二次酸化に起因する溶鋼中の介在物の発生等、鋳片の内部品質を低下させる問題もある。

また、取鍋内の溶鋼の湯面上に浮遊するスラグの厚さを把握することも、タンディッシュへのスラグの流出を抑制するために重要である。転炉から取鍋内に流入したスラグの厚さも、タンディッシュ内のスラグの厚さと同様に、手作業で装入した検尺棒を用いて測定しており、オペレータの作業負担となっている。

特開平５−３５９号公報

上述のように、連続鋳造操業時の取鍋内やタンディッシュ内のスラグの厚さの測定はオペレータの手作業で行われており、作業負担の発生や測定精度の問題がある。また、取鍋内およびタンディッシュ内は高温雰囲気であるため、手作業での測定は安全上好ましくない。さらに、タンディッシュ内のスラグの厚さを測定する際には蓋を開放しなければならないため、タンディッシュ内への大気の侵入により鋳片の内部品質を低下させてしまうという問題がある。

本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、スラグの厚さの測定を、オペレータに依らず、かつ高い精度で行うことが可能な方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、スラグの厚さの測定を、マイクロ波距離計を用いて自動で行うことを検討した。マイクロ波距離計としては、高い精度で距離を測定するのに一般的に有効とされている周波数変調連続波（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｉｕｏｕｓ Ｗａｖｅ；ＦＭＣＷ）方式のものを使用することとした。

ＦＭＣＷ方式とは、マイクロ波の周波数を所定の中心周波数に対して所定の振幅、所定の周期で連続的に変調させる方式である。マイクロ波距離計のアンテナから測定対象物に対してマイクロ波を発信し、この測定対象物で反射したマイクロ波（反射波）を同じアンテナで受信する。マイクロ波の周波数は変調しているため、マイクロ波距離計で受信した測定対象物での反射波の周波数と、受信した時点で発信しているマイクロ波の周波数とは異なる。そのため、受信した反射波の周波数と受信した時点で発信しているマイクロ波の周波数との差から、マイクロ波を発信してから測定対象物での反射波を受信するまでの時間を算出できる。ＦＭＣＷ方式では、この算出した時間に大気中におけるマイクロ波の速度を掛けて２で割った値をアンテナから測定対象物までの距離とする。すなわち、下記（１）式で算出した値Ｌ（ｍｍ）をアンテナから測定対象物までの距離とする。
Ｌ＝ｃ・ｔ／２ …（１）
ここで、ｃ：大気中におけるマイクロ波の速度（ｍｍ／ｓ）、ｔ：受信した反射波の周波数と受信した時点で発信しているマイクロ波の周波数との差から算出した時間（ｓ）である。

現在、マイクロ波距離計は、転炉内の溶鋼の湯面レベルの測定に用いられている。マイクロ波距離計を用いれば、オペレータに依らず連続的に測定対象までの距離を測定することができるため、これを応用してスラグの厚さも連続的に測定できると考えられる。また、タンディッシュ内にアンテナを配置すれば、スラグの厚さを測定する際にタンディッシュの蓋を開放する必要がない。

マイクロ波距離計でスラグの厚さを測定する場合、アンテナから溶鋼および溶鋼湯面上に浮遊するスラグに向けてマイクロ波を発信し、そのマイクロ波の溶鋼湯面での反射波およびスラグ表面での反射波を同じアンテナで受信する。受信した反射波の周波数と、受信した時点で発信しているマイクロ波の周波数との差から、マイクロ波を発信してから溶鋼湯面での反射波を受信するまでの第１の時間およびマイクロ波を発信してからスラグ表面での反射波を受信するまでの第２の時間を算出する。そして、まず、大気中とスラグ中でのマイクロ波の速度の違いを無視した場合、前記（１）式と第１の時間ｔ１および第２の時間ｔ２から、マイクロ波距離計でアンテナから溶鋼湯面までの距離Ｌ０およびアンテナからスラグ表面までの距離Ｌ１を測定できる。そして、距離Ｌ０から距離Ｌ１を引いた値ΔＬがスラグの厚さとなると考えられる。ΔＬは、下記（２）式で表すことができる。
ΔＬ＝Ｌ０−Ｌ１＝（ｃ・ｔ１−ｃ・ｔ２）／２
＝ｃ・（ｔ１−ｔ２）／２ …（２）
ここで、ｃ：大気中におけるマイクロ波の速度（ｍｍ／ｓ）、ｔ１：第１の時間（ｓ）、ｔ２：第２の時間（ｓ）である。

タンディッシュ内の溶鋼の湯面上に浮遊するスラグの厚さは、通常は１０〜２０ｍｍの範囲内にある。本願発明者らが検討した結果、マイクロ波として中心周波数が２０ＧＨｚで、周波数変調の振幅（以下「変調振幅」ともいう。）が４ＧＨｚであるいわゆる汎用マイクロ波を用いた場合には、タンディッシュ内のスラグの厚さが薄すぎて溶鋼湯面での反射波とスラグ表面での反射波が分離されず、スラグ表面での反射波を明確に確認できないため、スラグの厚さを測定できないことがわかった。これに対し、中心周波数が２４〜３２ＧＨｚで、変調振幅が８〜１０ＧＨｚであるマイクロ波を用いた場合には、このスラグの厚さが薄くても測定できることを知見した。

また、このマイクロ波を用いて測定した上記の第１の時間および第２の時間から算出した計算値ΔＬを、定数を乗じて補正することによって、高い精度でスラグの厚さが得られることを知見した。以上の検討内容については後述する。

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、下記の溶融金属の湯面上に浮遊するスラグの厚さ測定方法にある。

中心周波数が２４〜３２ＧＨｚで、周波数変調の振幅が８〜１０ＧＨｚである周波数変調マイクロ波をアンテナから発信して受信するマイクロ波距離計を使用し、溶融金属の湯面上に浮遊するスラグの厚さを測定する方法であって、前記マイクロ波距離計が、前記アンテナから前記溶融金属および前記スラグに向けて前記マイクロ波を発信し、前記発信したマイクロ波の前記溶融金属湯面での反射波および前記スラグ表面での反射波を前記アンテナで受信し、前記アンテナで受信した前記溶融金属湯面での反射波の周波数と受信した時点で発信しているマイクロ波の周波数との差から、前記マイクロ波を発信してから前記溶融金属湯面での反射波を受信するまでの第１の時間を算出するとともに、前記アンテナで受信した前記スラグ表面での反射波の周波数と受信した時点で発信しているマイクロ波の周波数との差から、前記マイクロ波を発信してから前記スラグ表面での反射波を受信するまでの第２の時間を算出し、前記第１の時間および前記第２の時間から上記（２）式で表される計算値を算出するものであり、あらかじめ、前記マイクロ波距離計によって厚さが既知のスラグの厚さを測定して前記算出値を算出し、この計算値を前記厚さが既知のスラグの厚さに補正する補正式を求めておき、操業時に前記マイクロ波距離計で連続的に測定した前記計算値を前記補正式で補正した値をスラグの厚さすることを特徴とするスラグ厚さ測定方法。

本発明のスラグ厚さ測定方法は、前記溶融金属として、連続鋳造用タンディッシュ内に収容された溶鋼に対して適用することができる。

また、本発明のスラグ厚さ測定方法は、前記補正式として、前記計算値に定数を乗ずるものを適用し、前記定数として前記スラグの比誘電率を−０．５乗した数値を適用することができる。

本明細書の説明では、「フラックス」は溶融金属湯面上に投入する粉体をいい、「スラグ」とはフラックスが溶融したものを意味する。

本発明のスラグ厚さ測定方法によれば、スラグが厚さ１５０ｍｍ以下と薄い場合であってもその厚さを、オペレータに依らず、かつ高い精度で測定することができる。タンディッシュ内のスラグについてはタンディッシュの蓋を開放しないでも測定することができるため、大気の侵入による二次酸化に起因する溶鋼中の介在物の発生を抑制し、内部品質の高い鋳片を得ることができる。また、このスラグ厚さの測定値を用いて連続鋳造操業を制御することにより、連続鋳造時の取鍋交換時に発生するスラグの巻き込み等を抑制し、品質の高い鋳片を高い歩留で得ることができる。

フラックスの厚さの測定に用いた実験装置の構成を示す図である。 容器中のフラックスの厚さＸと、汎用マイクロ波を用いて測定したアンテナから容器の底面までの距離Ｌａおよびアンテナからフラックスの表面までの距離Ｌｂとの関係を示す図である。 容器中のフラックスの厚さＸと、中心周波数が３２ＧＨｚで、変調振幅が８ＧＨｚであるマイクロ波を用いて測定したアンテナから容器の底面までの距離Ｌａおよびアンテナからフラックスの表面までの距離Ｌｂとの関係を示す図である。 中心周波数が３２ＧＨｚで、変調振幅が８ＧＨｚであるマイクロ波を使用した場合の測定データの一例である。 マイクロ波距離計によるスラグの厚さの測定状態を示す模式図である。 溶鋼湯面上にフラックスおよびスラグが浮遊している状態についての測定データの一例である。 スラグの厚さの測定に用いた試験装置の構成を示す図である。 フラックスの投入回数と、ハンド測定によるスラグおよびフラックスの厚さとの関係を示す図である。 フラックスの投入回数と、ハンド測定で測定したスラグの厚さおよび本発明のスラグ厚さ測定方法で測定したスラグの厚さとの関係を示す図である。

以下、本発明を完成させるための検討の内容および本発明を実施するための形態について説明する。

１．検討の内容
１−１．測定可能なフラックス厚さの確認（第１予備実験）
タンディッシュ内の溶鋼湯面上に浮遊するスラグの厚さは、通常は１０〜２０ｍｍの範囲内にある。そこで、いわゆる汎用マイクロ波を用いた場合に、マイクロ波距離計のアンテナからスラグ表面までの距離、およびアンテナから溶鋼湯面までの距離を、スラグの厚さを算出できる程度に測定することが可能かどうかを実験室での実験（第１予備実験）で確認した。

第１予備実験では、スラグに替えてフラックスを使用した。すなわち、第１予備実験は、フラックスをスラグに見立て、フラックスを収容する容器の底を溶鋼湯面に見立てた実験である。

図１は、フラックスの厚さの測定に用いた実験装置の構成を示す図である。実験装置は、マイクロ波距離計１と、フラックス１３を収容する容器１０とからなる。マイクロ波距離計１は、ＦＭＣＷ方式のものであり、距離の測定対象物にマイクロ波を発信して、照射するとともに、発信したマイクロ波が測定対象物で反射した反射波を受信するアンテナ２と、受信した反射波の信号強度を増幅するアンプ３と、マイクロ波の発信を制御するとともに受信した反射波についてのデータを収集し、解析するパーソナルコンピュータ４とからなる。

マイクロ波距離計１は、マイクロ波の周波数を所定の中心周波数に対して所定の振幅、所定の周期で連続的に変調させるＦＭＣＷ方式のものである。マイクロ波距離計１では、上述のように、受信した測定対象部での反射波の周波数と受信した時点で発信しているマイクロ波の周波数との差から、マイクロ波を発信してから測定対象物での反射波を受信するまでの時間を算出する。そして、この算出した時間を上記（１）式に代入して得られた値をアンテナから測定対象物までの距離とする。

下記の表１には、第１予備実験に使用したフラックスの特性を示す。同表には、主要成分の組成、塩基度および粘度を示しており、表中に示すフラックスの主要成分以外の残部は不純物である。

第１予備実験では、いわゆる汎用マイクロ波である中心周波数が２０ＧＨｚで、変調振幅が４ＧＨｚであるマイクロ波を使用した。マイクロ波を容器１０内に照射すると、一部はフラックス１３の表面で反射し、残りはフラックス１３を透過して容器１０の底面１０ａで反射する。この予備実験では、アンテナ２から容器１０の底面１０ａまでの距離を一定とした状態で、容器１０内のフラックス１３の量を変化させ、アンテナ２からフラックス１３の表面までの距離が測定可能であるフラックス１３の量（容器１０中のフラックス１３の厚さＸ）について調査した。併せて、マイクロ波距離計１で測定したアンテナ２から容器１０の底面１０ａまでの距離Ｌａとフラックス１３の厚さＸとの関係について調査した。

図２は、容器中のフラックスの厚さＸと、汎用マイクロ波を用いて測定したアンテナから容器の底面までの距離Ｌａおよびアンテナからフラックスの表面までの距離Ｌｂとの関係を示す図である。同図に示す距離は、マイクロ波を発信してから測定対象物での反射波を受信するまでの時間の算出値と上記（１）式から得られた値である。

実験の結果、容器１０中のフラックス１３の厚さＸが１５０ｍｍ未満では、容器１０の底面１０ａからの反射波とフラックス１３の表面からの反射波が分離されなかったためフラックス１３の表面からの反射波を明確に確認することができず、アンテナ２からフラックス１３の表面までの距離が測定できなかった。しかし、同図に示すように、容器１０中のフラックス１３の厚さＸが１５０ｍｍ以上であれば、容器１０の底面１０ａからの反射波とフラックス１３の表面からの反射波をともに明確に確認でき、アンテナ２からフラックス１３の表面までの距離が測定可能であった。

また、図２に示すように、フラックス１３の厚さの増加Ｘに比例して、マイクロ波距離計１で測定したアンテナ２から容器１０の底面１０ａまでの距離Ｌａが増加した。これは、フラックスの誘電率と空気の誘電率とが異なり、フラックス中を透過するマイクロ波の速度がフラックスの影響を受けるためである。この結果から、マイクロ波距離計１で測定したアンテナ２から容器１０の底面１０ａまでの距離Ｌａから、マイクロ波距離計１で測定したアンテナ２からフラックス１３の表面までの距離Ｌｂを引いた値（Ｌａ−Ｌｂ、以下「差分値」ともいう。）は、実際のフラックス１３の厚さＸよりも大きい値であることがわかった。

ここで、差分値（Ｌａ−Ｌｂ）について説明する。アンテナ２で受信した容器１０の底面１０ａでの反射波の周波数と受信した時点で発信しているマイクロ波の周波数との差から、マイクロ波を発信してから容器１０の底面１０ａでの反射波を受信するまでの時間を算出し、これを第１の時間とする。また、アンテナ２で受信したフラックス１３の表面での反射波の周波数と受信した時点で発信しているマイクロ波の周波数との差から、マイクロ波を発信してからフラックス１３の表面での反射波を受信するまでの時間を算出し、これを第２の時間とする。

上述の（２）式は、溶鋼湯面上のスラグについてマイクロ波距離計で測定したアンテナから溶鋼湯面までの距離Ｌ０およびアンテナからスラグ表面までの距離Ｌ１の差（Ｌ０−Ｌ１）について数式であるが、これをマイクロ波距離計１で測定したアンテナ２から容器１０の底面１０ａまでの距離Ｌａとマイクロ波距離計１で測定したアンテナ２からフラックス１３の表面までの距離Ｌｂにあてはめると、差分値（Ｌａ−Ｌｂ）は下記（３）で表すことができる。
Ｌａ−Ｌｂ＝ｃ・（ｔ１−ｔ２）／２ …（３）
ここで、ｃ：大気中におけるマイクロ波の速度（ｍｍ／ｓ）、ｔ１：第１の時間（ｓ）、ｔ２：第２の時間（ｓ）である。

１−２．最適なマイクロ波の選定およびマイクロ波距離計で測定したフラックスの厚さの補正（第２予備実験）
本発明者らは、第１予備実験の結果について検討し、実際のフラックスの厚さＸと、マイクロ波距離計で測定した距離ＬａおよびＬｂから算出した差分値（Ｌａ−Ｌｂ）との相関から、この差分値を実際のフラックスの厚さＸに補正する補正式をあらかじめ求めておき、この補正式によってマイクロ波距離計で連続的に測定した値に基づく差分値を補正することにより、マイクロ波距離計を用いてフラックスの厚さを連続的に高い精度で測定できると考えた。この補正式は、後述するとおり、差分値に定数を乗ずるものであり、定数はフラックスの比誘電率を−０．５乗した値である。

また、第１予備実験を行ったところ、汎用マイクロ波を用いた場合、フラックスの表面での反射波を安定して検出することが困難であることがわかった。本発明者らは、この問題は、汎用マイクロ波は波長が十数ｍｍと長いため、測定精度が低いことに起因すると考えた。そして、汎用マイクロ波よりも波長が短いマイクロ波を使用し、かつ変調振幅を大きくすることで、容器の底面の反射波のみならずフラックスの表面での反射波も安定して検出でき、マイクロ波距離計で測定したフラックスの厚さの精度を向上できると考えた。ＦＭＣＷ方式では、周波数変調の振幅および中心周波数が測定精度の向上に重要である。

そこで、本発明者らは、前記図１に示す実験装置で、中心周波数が３２ＧＨｚで、変調振幅が８ＧＨｚであるマイクロ波を使用した第２予備実験を行った。

図３は、容器中のフラックスの厚さＸと、中心周波数が３２ＧＨｚで、変調振幅が８ＧＨｚであるマイクロ波を用いて測定したアンテナから容器の底面までの距離Ｌａおよびアンテナからフラックスの表面までの距離Ｌｂとの関係を示す図である。同図に示すように、このマイクロ波を使用した場合、容器中のフラックスの厚さＸが１５０ｍｍ未満であっても、１５ｍｍ以上であれば、アンテナからフラックスの表面までの距離が測定可能であった。また、本発明者らは、マイクロ波の中心周波数が２４〜３２ＧＨｚで、変調振幅が８〜１０ＧＨｚであれば同様の測定が可能であることを確認した。

図４は、中心周波数が３２ＧＨｚで、変調振幅が８ＧＨｚであるマイクロ波を使用した場合の測定データの一例である。同図には、容器１０内のフラックス１３の厚さＸを４０ｍｍとした場合の測定データを示す。同図から、フラックスの表面での反射波と容器の底面での反射波が明確に分離し、いずれも安定して検出できていることがわかる。また、マイクロ波距離計で測定されたアンテナから容器の底面までの距離Ｌａは５４５ｍｍ、アンテナからフラックスの表面までの距離Ｌｂは４８４ｍｍであり、これらの距離の差分値（Ｌａ−Ｌｂ）は６１ｍｍであり、実際のフラックスの厚さ（Ｘ＝４０ｍｍ）よりも大きい値であった。

本発明者らは、図３および図４に示す実験結果から明らかなように、フラックスの実際の厚さと、マイクロ波距離計で測定した各距離から算出した差分値との相関に基づき、差分値を実際のフラックスの厚さに補正する補正式として、下記（４）式を求めた。（４）式は、マイクロ波距離計で測定した各距離から算出した差分値（Ｌａ−Ｌｂ）に定数を掛けるものである。本発明者らの検討によれば、この定数は、フラックスの比誘電率ε_Lを−０．５乗した値に相当する。図４に示す測定データの場合、フラックスの比誘電率ε_Lは２．３３である。本発明者らは、マイクロ波距離計で連続的に測定した距離ＬａおよびＬｂから算出した差分値を（４）式で補正すれば、高い精度でフラックスの厚さが算出できることを確認した。
Ｘ＝（Ｌａ−Ｌｂ）・ε_L ^-0.5 …（４）
ここで、Ｘ：フラックスの厚さ（ｍｍ）、Ｌａ：マイクロ波距離計で測定したアンテナから容器の底面までの距離（ｍｍ）、Ｌｂ：マイクロ波距離計で測定したアンテナからフラックスの表面までの距離（ｍｍ）、ε_L：フラックスの比誘電率である。

２．マイクロ波距離計を使用したスラグの厚さの測定試験
図５は、マイクロ波距離計によるスラグの厚さの測定状態を示す模式図である。同図に示すように溶鋼１１の湯面上に浮遊している状態のフラックス１３とフラックス１３が溶融したスラグ１２について、ＦＭＣＷ方式のマイクロ波距離計で中心周波数が２４〜３２ＧＨｚで、変調振幅が８〜１０ＧＨｚであるマイクロ波を用いて、マイクロ波距離計のアンテナ２から溶鋼１１の湯面までの距離、アンテナからスラグ１２とフラックス１３の界面までの距離、およびアンテナ２からフラックス１３の表面までの距離の測定試験を行った。

図６は、溶鋼湯面上にフラックスおよびスラグが浮遊している状態についての測定データの一例である。測定試験の結果、同図に示すように、溶鋼湯面、スラグとフラックスの界面、およびフラックスの表面からの反射波がそれぞれ明確に分離し、いずれも安定して検出できていることがわかる。

そして、第１予備実験および第２予備実験で得られた知見から、溶鋼湯面上にフラックスおよびスラグが浮遊している状態におけるスラグの厚さおよびフラックスの厚さは、マイクロ波距離計で測定したアンテナから溶鋼湯面までの距離Ｌ０、マイクロ波距離計で測定したアンテナからスラグとフラックスの界面までの距離Ｌ１、およびマイクロ波距離計で測定したアンテナからフラックスの表面までの距離Ｌ２、ならびにスラグおよびフラックスの比誘電率ε_Sおよびε_Lから、下記（５）式および（６）式で算出できるといえる。スラグの比誘電率ε_Sも、フラックスの比誘電率ε_Lと同様に、スラグの実際の厚さと、マイクロ波距離計で測定した各距離から算出したスラグの厚さに対応する差分値との相関から、事前に算出しておく。
Ｔ１＝（Ｌ０−Ｌ１）・ε_S ^-0.5 …（５）
Ｔ２＝（Ｌ１−Ｌ２）・ε_L ^-0.5 …（６）
ここで、Ｔ１：スラグの厚さ（ｍｍ）、Ｔ２：フラックスの厚さ（ｍｍ）、Ｌ０：マイクロ波距離計で測定したアンテナから溶鋼湯面までの距離（ｍｍ）、Ｌ１：マイクロ波距離計で測定したアンテナからスラグとフラックスの界面までの距離（ｍｍ）、Ｌ２：マイクロ波距離計で測定したアンテナからフラックスの表面までの距離（ｍｍ）、ε_S：スラグの比誘電率、ε_L：フラックスの比誘電率である。

本発明者らが検討した結果、スラグについては、厚さがフラックスでの最小測定可能厚さ（１５ｍｍ）未満であっても、２ｍｍ以上であればアンテナからスラグとフラックスの界面までの距離が測定可能であることを確認した。これは、フラックスの溶融物であるスラグは、粉体であるフラックスと比べて気孔率が小さいため、スラグの比誘電率はフラックスよりも大きく、マイクロ波距離計で測定した各距離から算出したスラグの厚さに対応する差分値（Ｌ０−Ｌ１）は、フラックスの厚さに対応する差分値（Ｌ１−Ｌ２）よりも大きく増幅されて出力されるからである。

また、本発明者らは、フラックスが完全に溶融し、溶鋼湯面上にスラグしか浮遊していない場合には、（５）式において、Ｌ１を「マイクロ波距離計で測定したアンテナからスラグの表面までの距離」とすることにより、スラグの厚さを算出することができることを確認した。

本発明のスラグ厚さ測定方法によれば、オペレータに依らず、簡便に、かつ高い精度でスラグの厚さを測定することができる。スラグの厚さは１５ｍｍ以上であれば測定できるため、厚さが比較的薄いタンディッシュ内のスラグについても、スラグの巻き込み等により鋳片の品質を低下させる可能性がある程の厚さであれば厚さを測定することが可能である。また、アンテナをタンディッシュ内に配置すれば、タンディッシュの蓋を開放することなくスラグの厚さを連続的に非接触で測定することができる。

本発明のスラグ厚さ測定方法の効果を確認するため、以下の試験を行い、その結果を評価した。

１．試験方法
図７は、スラグの厚さの測定に用いた試験装置の構成を示す図である。試験装置は、マイクロ波距離計１と高周波溶解炉（大気炉）１５からなる。

高周波炉１５には、溶鋼１１が加熱された状態で収容される。高周波炉１５内にフラックスを投入すると、フラックスは溶鋼１１の熱によって溶融し、溶鋼１１の湯面上で、スラグ１２の層（溶融層）とフラックス１３の層（粉体層）に分離する。

マイクロ波距離計１は、アンテナ２と導波パイプ５と反射板６とアンプ３とからなる。アンテナ２から発信されたマイクロ波は、反射板６で反射して高周波炉１５内に照射され、溶鋼１１の湯面、スラグ１２とフラックス１３の界面、およびフラックス１３の表面で反射し、再び反射板６で反射して導波パイプ５で誘導されアンテナ２で受信される。本試験では、アンテナ２のマイクロ波受発信部から反射板６のマイクロ波反射部までの距離を１０００ｍｍとした。

２．試験条件
高周波炉１５では、２００ｋｇの鋼材を溶解し溶鋼１１とした。フラックスは、６回に分けて高周波炉１５内に投入した。１回あたりのフラックスの投入量は１．３ｋｇとした。これは、高周波炉１５内での厚さ（フラックスの体積を円筒形の炉内の横断面積で割った値）が２０ｍｍとなる量である。使用したフラックスは、前記表１に示す特性のものとした。

フラックスを投入するごとに、フラックスおよびスラグの厚さをマイクロ波距離計１で測定するとともに、金属製の検尺棒を用いてオペレータの手作業（以下「ハンド測定」という。）により測定した。マイクロ波距離計１では、中心周波数が３２ＧＨｚで、変調振幅が８ＧＨｚであるマイクロ波を使用した。

また、スラグの比誘電率ε_Sは３５とした。これは、あらかじめ、溶鋼湯面上に浮遊した所定の厚さ（ハンド測定で６．５ｍｍ）のスラグについて、マイクロ波距離計で測定したアンテナから溶鋼湯面までの距離、およびマイクロ波距離計で測定したアンテナからスラグとフラックスの界面までの距離（差分値３８．５ｍｍ）を用いて前記（５）式から算出した値である。

３．試験結果
図８は、フラックスの投入回数と、ハンド測定で測定したスラグおよびフラックスの厚さとの関係を示す図である。同図から、フラックスの投入回数の増加に伴って、高周波炉内のスラグおよびフラックスの厚さのいずれも増加していることがわかる。

図９は、フラックスの投入回数と、ハンド測定で測定したスラグの厚さおよび本発明のスラグ厚さ測定方法で測定したスラグの厚さとの関係を示す図である。「本発明のスラグ厚さ測定方法で測定したスラグの厚さ」とは、マイクロ波距離計で測定したアンテナから溶鋼湯面までの距離、マイクロ波距離計で測定したアンテナからスラグとフラックスの界面までの距離、およびスラグの比誘電率の値（ε_S＝３５）を前記（５）式に代入して算出した値である。

図９から、ハンド測定によるスラグの厚さと、本発明のスラグ厚さ測定方法によるスラグの厚さとは、同等であることがわかる。このことから、本発明のスラグ厚さ測定方法によれば、スラグの厚さを連続的に高い精度で測定できることがわかる。

本発明のスラグ厚さ測定方法によれば、スラグが厚さ１５０ｍｍ以下と薄い場合であってもその厚さを、オペレータに依らず、簡便に、かつ高い精度で測定することができる。タンディッシュ内のスラグについてはタンディッシュの蓋を開放しないでも測定することができるため、大気の侵入による二次酸化に起因する溶鋼中の介在物の発生を抑制し、内部品質の高い鋳片を得ることができる。また、このスラグ厚さの測定値を用いて連続鋳造操業を制御することにより、連続鋳造時の取鍋交換時に発生するスラグの巻き込み等を抑制し、品質の高い鋳片を得ることができる。

１：マイクロ波距離計、 ２：アンテナ、 ３：アンプ、
４：パーソナルコンピュータ、 ５：導波パイプ、 ６：反射板、 １０：容器、
１０ａ：底面、 １１：溶鋼、 １２：スラグ、 １３：フラックス、
１５：高周波溶解炉

Claims (3)

1. 中心周波数が２４〜３２ＧＨｚで、周波数変調の振幅が８〜１０ＧＨｚである周波数変調マイクロ波をアンテナから発信して受信するマイクロ波距離計を使用し、溶融金属の湯面上に浮遊するスラグの厚さを測定する方法であって、
   前記マイクロ波距離計が、
   前記アンテナから前記溶融金属および前記スラグに向けて前記マイクロ波を発信し、前記発信したマイクロ波の前記溶融金属湯面での反射波および前記スラグ表面での反射波を前記アンテナで受信し、
   前記アンテナで受信した前記溶融金属湯面での反射波の周波数と受信した時点で発信しているマイクロ波の周波数との差から、前記マイクロ波を発信してから前記溶融金属湯面での反射波を受信するまでの第１の時間を算出するとともに、
   前記アンテナで受信した前記スラグ表面での反射波の周波数と受信した時点で発信しているマイクロ波の周波数との差から、前記マイクロ波を発信してから前記スラグ表面での反射波を受信するまでの第２の時間を算出し、
   前記第１の時間および前記第２の時間から下記（１）式で表される計算値を算出するものであり、
   あらかじめ、前記マイクロ波距離計によって厚さが既知のスラグの厚さを測定して前記算出値を算出し、この計算値を前記厚さが既知のスラグの厚さに補正する補正式を求めておき、
   操業時に前記マイクロ波距離計で連続的に測定した前記計算値を前記補正式で補正した値をスラグの厚さすることを特徴とするスラグ厚さ測定方法。
   ΔＬ＝ｃ・（ｔ１−ｔ２）／２ …（１）
   ここで、ΔＬ：計算値（ｍｍ）、ｃ：大気中におけるマイクロ波の速度（ｍｍ／ｓ）、ｔ１：前記第１の時間（ｓ）、ｔ２：前記第２の時間（ｓ）である。
2. 前記溶融金属が、連続鋳造用タンディッシュ内に収容された溶鋼であることを特徴とする請求項１に記載の溶融金属湯面上に浮遊するスラグの厚さ測定方法。
3. 前記補正式が前記計算値に定数を乗ずるものであり、前記定数が前記スラグの比誘電率を−０．５乗した数値であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶融金属湯面上に浮遊するスラグの厚さ測定方法。

Images