JP3387362B2 - 金属または合金溶融物の湯面レベル検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属または合金の
溶融物（以下溶湯と称す）を含む容器内における溶湯表
面（以下湯面と称す）レベルを検出する方法に関するも
のである。この方法により、例えば、金属または合金の
鋳造における鋳型（以下モールドと称す）内湯面レベル
が検出され、得られる情報は、モールド内湯面レベルを
一定に保つのに利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】金属を鋳造する際、鋳塊の引き出し速度
を一定に保つことは鋳塊の品質安定上極めて重要であ
り、その為には、モールド内における溶湯湯面レベルを
一定に保つ必要がある。湯面レベルを一定に保つ方法と
して、以前は人力によるコントロールが行なわれていた
が、危険を伴う劣悪な環境下での作業になるだけでな
く、精度が低いと云う問題が克服されず、現在では機器
を用いるコントロールに切り替わっている。この方法
は、何等かの手段で湯面レベルを検出し、検出出力を制
御系に送り、その作動で湯面レベルをコントロールする
ものである。最近のコンピュータ技術の発達により、信
号処理、制御系の作動における問題は解消されたが、湯
面レベルの検出方法に関する限り、未だ問題が残ってい
る。従来、湯面レベルの検出方法としては、接触式、非
接触式等種々の方法が知られているが、最も便利な方法
は光を利用する方法である。この方法は、高温の湯面を
カメラ等の光センサーで検知して湯面レベルを測定する
ものであるが、環境の比較的良い離れた場所にカメラ等
の光センサーを設置できるだけでなく、信号の処理にや
はり最近発達の目覚ましい画像処理技術を適用できる利
点がある。

【０００３】この方法は、湯面温度の高い金属、例えば
鋼の様に１５００℃以上の溶湯温度を示すものでは、湯
面と、対照となるモールド壁面との温度差が大きいた
め、湯面とモールド内壁の輝度差が大きく、湯面とモー
ルドの境界を明暗差として明瞭に検出来る。しかし、マ
グネシウム（融点：６４９℃）、アルミニウム（同：６
６０℃）等の、融点が１０００℃以下と低い金属におい
ては、元々この温度域における可視光の輻射量が少ない
のに加え、湯面とモールド内壁の温度差が小さく、両者
の可視光領域の輝度差が小さいため湯面とモールドの境
界が不明瞭となり、単純に湯面とモールド内壁間の可視
光領域における輝度差を利用する方法では湯面レベルの
検出が非常に困難である。また、この温度領域では、湯
面より熱輻射される光のほとんどが赤外領域にあること
から、赤外線センサーを利用することも考えられるが、
溶融マグネシウム、アルミニウム等の溶湯表面が鏡面状
を呈するものでは熱放射率が０．１以下と非常に低い、
すなわち、放射赤外線量が非常に低いため、湯面レベル
の検出はやはり非常に困難である。

【０００４】この困難性を克服するものとして、融点が
８５０℃以下の金属または合金の双ロール式連続鋳造に
おける溶湯面の検出技術が、特開平７−１１６７８６号
公報に開示されている。この方法は、可視輻射光を利用
するのではなく、新たに外部光源を設け、この光源から
の光の、湯面と対照とするロール表面間の反射率の差を
明暗の差としてＣＣＤカメラで検出するものであるが、
光軸と大凡直交する、対照として利用できるロール面を
有しない装置には適用できないことと、ロール表面と同
程度の反射率を有する金属溶湯に対しては原理的に適用
できない欠点がある。その対策として、ロール表面近く
に黒色対照板を設置することも同時に開示されている
が、この方法では、溶湯レベルの検出は確かに容易には
なるものの、ロールの存在がやはり必要であり、且つ、
装置構造が複雑になる欠点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、装置構造的
には簡単でありながらも、１０００℃以下の融点を有す
る低融点金属または合金を含め、湯面レベルの精度の高
い検出を可能にする方法の提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、一般的な
材質のモールド内に保持されている溶融金属は、その濡
れ特性および表面張力により湯面中央部が上に凸になる
こと、この凸部に対して適当な方向から光を照射する
と、湯面とモールド壁が接する部分に影が生成し、この
影が湯面とモールド壁の境界を示す明瞭な指標となるこ
とを見出し、本発明の完成に至った。すなわち、本発明
は、 容器内に保持され容器内壁を濡らさない金属また
は合金溶融物の表面に、光束の一部のみが湯面で遮られ
残りが光の進行方向の容器内壁に届くように光源から光
を照射し、湯面と容器内壁面の接する部分に影を形成さ
せながら湯面及び容器内壁面からの反射光をカメラで受
光して、該影の部分を湯面レベル情報として検出する、
金属または合金溶融物の湯面レベル検出方法に関する。
以下に本発明を説明する。

【０００７】

【発明の実施の形態】ガラス管中にある水銀上面が上に
凸になることは良く知られている現象であるが、これは
水銀の濡れ特性すなわち、水銀がガラス壁を濡らさない
ことによる。水銀に限らず、容器内に保持されたその他
の金属、合金の溶融物も、容器材料によっては容器内壁
を濡らさず、その湯面は上に凸になる。各種金属または
合金の鋳造に一般的に用いられるモールドの材質は銅で
あるが、その内表面は鋳造物の滑りを良くする目的で金
属との馴染みを低くする表面処理が施されているため、
多くの金属または合金の溶融物はモールド壁を濡らさぬ
濡れ特性を示すこととなり、その湯面は上に凸になる。
この凸状になった湯面に斜め上方の適当な位置から光を
照射すると、凸部により光が遮られ、到達する光量が相
対的に少ない影の部分が形成される。この場合、到達光
量の最も少ないのは、最も窪んだ部分すなわち、湯面が
容器内壁と接する部分であり、従って、影は湯面が接す
る容器内壁に沿って形成される。この影の部分と、光量
が相対的に大きい他部分間の明暗差は、両者を容易に識
別出来る程度に十分に大きく、この明暗差をＣＣＤカメ
ラ等、光に感応する機器でセンシングすることにより、
湯面レベルを精度良く検出できる。

【０００８】本発明の方法では、前記影の部分とその周
辺部の明暗の差を湯面レベルとして検出するものである
が、明暗の差は、湯面に対する光の照射方向に依存して
変化する。光源からの照射光は一定の幅を持った光束で
あり、この光束の一部のみが湯面で遮られ、残りの光の
一部または全量が光の進行方向側にあるモールド内壁に
到達するようにしさえすれば、光の進行方向側にあるモ
ールド内壁上に、到達光量が相対的に低い影の部分が形
成され、湯面境界の検出が可能となる。光源からの光束
の一部のみが湯面で遮られる様にする照射の方法は色々
あるが、光束の中央部を結ぶ線すなわち光軸が、湯面中
央部の上またはその近傍を通る様にするのが良い。湯面
中央部には垂直方向に給湯ノズルが存在するが、障害に
はならない。光源光軸が水平面と成す角度をαとすると
き、αが大きくなるに従って、影の部分の面積は小さく
なり、α＝９０°で面積はゼロになる。従って、角αは
９０°未満となるようにする。また、光の全量が、湯面
に届く前に光源側にあるモールド壁で遮られないように
設定する必要があることは言うまでもない。実際の光源
の光軸は、湯面からモールド上端までの距離で示すモー
ルド壁の高さ、モールド径、溶湯保持鍋の存在更には光
源設置スペース確保の可能性を考慮しながら、最も明瞭
な明暗差が得られる様に角αを決めることになる。

【０００９】一方、反射光を検知するカメラの焦点は、
当然、前記した影の部分に合わせることになるが、影は
長さを持っているから、カメラの焦点方向を示す線すな
わちカメラ光軸は光源光軸と交わる必要はなく、互いに
捻れの関係にあっても構わない。カメラの焦点を影の部
分に合わせるための、カメラの設置位置についても種々
考えられるが、本発明においては、カメラ光軸の水平面
と成す角度βと前記αの関係を、β＞αであるようにす
るとき、前記影の部分とその周辺部との明暗の差をより
明瞭に捉えることが可能となり、好ましい結果を得るこ
とができる。カメラの光軸は、光源の光軸を含み水平面
と直交する面内に含まれる必要はないが、光源の光軸を
含み水平面と直交する面内に含まれるようにすることに
より、湯面境界を示す線で画面が上下に２分される、左
右対称な画像を得ることができる。

【００１０】また、本発明は、光を照射し、反射光を捉
えるのであるから、光源の場合同様、反射光がカメラに
到達する前に、カメラの焦点とカメラ間にあるモールド
壁で遮られないように角度βを設定する必要があるのは
言うまでもない。カメラの焦点で交差するカメラ光軸
と、光源光軸またはカメラ光軸と光源光軸が捻じれの関
係にあるときには光源光軸と平行な線と成す角度は、モ
ールド壁による撮影妨害を避けるため必然的に９０°以
下となる。実際のカメラの光軸は、角αは勿論、湯面か
らモールド上端までの距離で示すモールド壁の高さ、モ
ールド径更にはカメラ設置スペース確保の可能性を考慮
しながら、最も明瞭な湯面境界を示す画像が得られる様
に、角βおよびカメラ光軸が光源光軸と成す角度を決め
ることになる。

【００１１】光源の位置が同一であれば、前記影の部分
とその周辺部の明暗の差は、湯面中央部と周辺部の高低
差に依存する。一方、この高低差は、溶湯の特性、特
に、表面張力の大きさに依存する。従って、湯面レベル
の検出の容易さの程度は、溶湯の表面張力の大きさに依
存することになる。本発明の方法は、融液すなわち溶湯
の表面張力が０．３Ｎ／ｍ以上の金属または合金に適用
するのが望ましい。湯面レベルの検出が更に容易にな
り、レベル検出精度が上がるからである。

【００１２】金属または合金溶融物の表面張力は、アル
カリ金属、アルカリ金属を主成分とする合金を除き、
０．３Ｎ／ｍ以上であることから、本発明の方法は、ほ
とんどの金属に対して好適に使用できることになるが、
その有効性が最も顕著に現われるのは、他に有効な手段
がない、１０００℃以下の融点を有する金属または合金
溶融物の湯面レベルの検出においてである。この領域に
融点を有し、本発明が好適に適用できる対象金属または
合金の例としては、金属アルミニウム、金属マグネシウ
ム、マグネシウム主成分とする種々の合金例えば、ＡＺ
３１、ＡＺ６１、ＡＺ８０、ＺＫ６０等、アルミニウム
合金例えば、２０２４、６０６３、７０５０、７０７５
等を挙げることができる。中でも、需要の多い金属アル
ミニウム、金属マグネシウムの鋳造におけるモールド内
湯面検出に好適に使用できることは意味が大きい。

【００１３】本発明で光源として用いられるランプとし
ては、同時に使用するカメラの感応域の波長に合った波
長の光を発するものであれば特に種類を選ばないが、性
能の優れたカメラの存在、目視確認が出来ること、操作
の容易さ、コスト、および寿命の点で、可視光域に発光
スペクトルを有するランプ、例えば、ハロゲンランプ、
キセノンランプを用いるのが好ましい。また、光源は、
後方に曲面の反射板等が付置され指向性が付与されたも
のを使用することが望ましい。より低いエネルギーでよ
り明瞭な湯面像を得ることが可能となる。

【００１４】一方、反射光を受光するカメラは、使用す
る光源の発光域の波長に合わせて選ぶことになるが、望
ましい光源は可視光を発するものであることから、カメ
ラも、この領域に最高感度を有するものを使用するのが
望ましいことになる。可視光域に感応するカメラとして
は種々のものが知られているが、性能的に優れたものが
比較的安価に入手出来るＣＣＤカメラを使用するのが最
も好ましい。また、温度等、カメラ回りの環境条件をカ
メラ設置に適したものに保てないときには、カメラを更
に遠く離すか保護容器の中にセットする必要があるが、
必要に応じて望遠レンズを装着することができるし、ま
た、カメラを水冷管で冷却した保護容器内にセットする
こともできる。

【００１５】カメラで取り込まれた、湯面とモールド内
壁の境界を明瞭に示す影として示された湯面画像は画像
処理装置に入力され、公知または他の適当な手段で画像
処理されて、湯面レベルを示す情報を含んだ信号に変換
される。変換後の信号は、シーケンサを経て湯面レベル
制御装置に出力され、バルブ等制御装置を公知の方法で
作動させ、湯面レベルを一定に保つことができる。以下
に、図面を参照しながら、本発明を更に詳しく説明す
る。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明の湯面レベル検出方法を組み
込んだ湯面レベル制御装置で湯面レベルをコントロール
しながら連続鋳造を行なう装置の一実施例の全体構成を
示す図であり、鋳造が行なわれる部分は断面図で示され
ている。溶湯保持鍋１から給湯ノズル２を通じてモール
ド３に供給された金属または合金溶湯４は、モールド３
内で冷却され下部から固化し、油圧シリンダー７と連動
し上下に移動するボトムブロック６に支持され、モール
ド下部からビレット５として一定速度で引き出される。
モールド３内の湯面は、溶湯の濡れ特性のため湯面中央
部が上に凸となり、湯面に光源１０から光を照射する
と、湯面を隔てて光源と反対側のモールド内壁に、到達
光量の相対的に少ない影の部分ができる。この影を含む
部分をカメラ１１で撮影することにより湯面とモールド
内壁の境界を、前記影と内壁の明暗差として示す画像を
捉えることができる。カメラで捉えられた映像信号はコ
ンピュータ１２に送られる。コンピュータ１２では、映
像信号をモニター１３でモニタリングすると同時に、適
当な方法で画像処理されて湯面情報を含む信号をシーケ
ンサ２０に送る。シーケンサ２０に送られてきた信号は
制御装置２１を動かす電気信号に変換され、制御装置２
１に出力される。制御装置で更に変換・増幅された出力
はバルブ２２に送られバルブ２２を駆動させ給湯ノズル
２を流れる溶湯量をコントロールし、モールド３内の湯
面レベルを連続的に一定に保つことができる。

【００１７】図２には、本発明の方法で得られた、モニ
ター１３画面上の画像の例を示す。この例は、径３３０
ｍｍ、深さ２００ｍｍの円筒形モールド内の金属マグネ
シウム溶湯の湯面を検出した例であるが、光源（１ｋＷ
狭角ハロゲンランプ）およびＣＣＤカメラは、湯面から
大凡４ｍ離れた位置で、それぞれの光軸が水平面と成す
角度α、βがα＝２０°、β＝４０°となるように設置
されている。また、カメラの焦点は、モールド内壁上
の、湯面レベルが維持されるべき高さの位置に合わせら
れており、カメラ光軸はこの位置で光源光軸と交わって
いる。また、カメラの光軸は、光源光軸を含み水平面に
直交する面内に存在する。この様にカメラを設定する
と、図２に示す様な左右対称の湯面境界像を得ることが
出来る。尚、この場合には、必然的に、中央部に溶湯ノ
ズル像が出現するが、これは画像処理段階で消去可能で
あり、何等障害にはならない。

【００１８】図３には、本発明の方法で得られた、モニ
ター１３画面上の画像の他の例を示す。光源、カメラの
湯面からの距離、及び夫々の光軸が水平面と成す角は図
２と同じであるが、カメラの光軸は、光源光軸を含み水
平面に直交する面とは同一面内にはなく、両光軸の成す
角度を時計方向で約９０°とした場合の画像であり、図
２の画像の左半分を拡大したものに近い画像が得られて
いる。図２、図３の何れにおいても、湯面とモールド内
壁の境界は非常に明瞭であり、本発明の湯面レベル検出
方法の高い有効性が確認できる。

【００１９】図４は、図２に示したものと同様の撮影画
像を画像処理して得られた、湯面レベルに関する情報を
含む信号を制御装置に出力して湯面レベルをコントロー
ルしながら、金属マグネシウムの連続鋳造を行なったと
きの湯面レベルの経時変化の一例を、手動コントロール
と比較して示す。画像処理は、次の方法で行なった。予
め撮影した、目標湯面レベルを維持している湯面の画像
をＸ軸方向５００画素、Ｙ軸方向４８０画素の計５００
×４８０＝２４万画素に分割し、その中から湯面とモー
ルド内壁境界を示す線を必ず含む一つの適当な領域、例
えば本例の場合、Ｘ＝２００、２４９及びＹ＝３００、
３４９の４直線で囲まれた２５００画素よりなる領域を
選択し、その領域に含まれる各画素の輝度を２５６段階
に分けて登録パターンとして画像処理装置に登録して置
く。この登録パターン中心部のＹ座標が、維持を目標と
する湯面レベルを与える。次に、図２の画像を登録パタ
ーン作成の時と同様２４万画素に分割し、Ｘ座標につい
ては前記登録領域と同じＸ＝２００、２４９の２直線、
Ｙ座標については全Ｙ座標をカバーするＹ＝０、４７９
の２直線、の計４直線で囲まれた領域（サーチウイン
ド）内を、登録領域と同じ大きさ（Ｘ軸方向：５０画
素、Ｙ軸方向：５０画素）のパターンウインドでＹ軸方
向に走査し、各位置におけるパターンウインド内の各画
素の輝度を、登録パターン中でそれと対応する位置関係
にある画素の輝度と比較しながら輝度が両者で一致する
画素数を計測する。この計測値が最も大きくなるパター
ンウインド中心部のＹ座標の数値を、測定湯面レベル値
としてＡＳＣＩＩコードでシーケンサーに出力する。シ
ーケンサーでは入力されたＹ座標の数値を湯面レベルに
換算した後、制御装置に出力し、バルブ２２の開度を調
節して湯面レベルのコントロールを行なった。尚、カメ
ラによる画像取り込みは０．３秒毎に行なった。本例で
は、モールド下端から湯面までの距離で示したモールド
湯面レベルの維持目標値は１２０ｍｍに設定したが、手
動から本発明の検出方法を採用した自動制御方法に切り
替え後、目標湯面レベルは高い精度で維持されており、
本発明の検出方法の高い有効性が確認される。

【００２０】

【発明の効果】本発明の方法によると、溶融金属または
合金の湯面レベルを簡単な手段で検出することが出来
る。検出される湯面の画像は非常に明瞭であり、適当な
画像処理技術および制御技術と組み合わせることによ
り、容器内溶融金属または合金の湯面レベルを精度良く
コントロールすることが可能であり、金属または合金の
鋳造に大きな威力を発揮する。特に、他に良好な手段の
ない、融点が１０００℃以下の金属・合金溶融物の湯面
検出にも適しており、需要の多い、金属マグネシウム、
金属アルミニウムおよびそれ等を主成分とする合金の鋳
造に使用出来る利点は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の湯面レベル検出方法を組み込んだ、湯
面レベルを制御する装置の一実施例の全体構成を示す図
である。

【図２】本発明の方法で得られた画像の一例を示す図で
ある。カメラ光軸が、光源光軸を含み水平面と直交する
面内に含まれる場合の画像である。

【図３】本発明の方法で得られた画像の他の例を示す図
である。カメラ光軸が、光源光軸を含み水平面と直交す
る面内に含まれない場合の画像である。両光軸の角度約
９０°。

【図４】本発明の方法で得られた画像を処理して、湯面
レベルをコントロールした場合の、湯面レベルの経時変
化の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ 溶湯保持鍋 ２ 給湯ノズル ３ モールド ４ 溶湯 ５ ビレット １０ 光源 １１ カメラ １２ コンピュータ １３ モニター ２２ バルブ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−90130（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−116786（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−26665（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−178732（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 23/28 B22D 11/16 104

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】容器内に保持され容器内壁を濡らさない金
   属または合金溶融物の表面（以下湯面と称す）に、光束
   の一部のみが湯面で遮られ残りが光の進行方向の容器内
   壁に届くように光源から光を照射し、湯面と容器内壁面
   の接する部分に影を形成させながら湯面及び容器内壁面
   からの反射光をカメラで受光して、該影の部分を湯面レ
   ベル情報として検出する、金属または合金溶融物の湯面
   レベル検出方法。
2. 【請求項２】光源の発する光が可視領域に最大強度を有
   するものであり、且つ、カメラが該領域に最大感度を有
   するものである、請求項１に記載の金属または合金溶融
   物の湯面レベル検出方法。
3. 【請求項３】光源およびカメラの光軸が水平面と成す角
   度を夫々α、βとするとき、β＞αである、請求項１ま
   たは２に記載の金属または合金溶融物の湯面レベル検出
   方法。
4. 【請求項４】溶融物の表面張力が０．３Ｎ／ｍ以上であ
   る、請求項１から３までの何れかに記載の金属または合
   金溶融物の湯面レベル検出方法。
5. 【請求項５】金属または合金の融点が１０００℃以下で
   ある、請求項１から４までの何れかに記載の金属または
   合金溶融物の湯面レベル検出方法。
6. 【請求項６】金属または合金が、金属マグネシウム、金
   属アルミニウム、または、そのどちらかを主成分とする
   合金である、請求項１から５までの何れかに記載の金属
   または合金溶融物の湯面レベル検出方法。