JP4296946B2

JP4296946B2 - 連続鋳造鋳片の凝固完了位置検知方法及び検知装置

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Publication number: JP4296946B2
Application number: JP2004021285A
Authority: JP
Inventors: 幸理飯塚; 康一堤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP2005211926A

Description

本発明は、連続鋳造機で鋳造されている連続鋳造鋳片の凝固完了位置をオンラインで検知する方法及び装置に関するものである。

鋼の連続鋳造においては、連続鋳造鋳片の凝固完了位置（「クレータエンド位置」ともいう）が鋳片のどの位置にあるかを判定することが、極めて重要である。凝固完了位置を検知することが、鋳片の生産性や品質の向上に大きく貢献するためである。

例えば、生産性を向上させるために鋳造速度を上昇させると、凝固完了位置は鋳片の鋳造長手方向下流側に移動する。凝固完了位置が鋳片支持ロールの範囲を超えてしまうと、鋳片が静鉄圧の作用によって膨らみ（以下、「バルジング」と記す）、内質の悪化や巨大バルジングの場合には鋳造停止といった問題が発生する。従って、凝固完了位置が明確に分からない場合には、鋳造速度をむやみに増速することはできない。また、鋳片の中心偏析を低減して高品質化を図るための軽圧下操業では、凝固完了位置を軽圧下帯に位置させるように鋳造速度や二次冷却水強度を制御する必要がある。更に、スラブ鋳片においては、その断面が扁平形状であるため、凝固完了位置は鋳片の幅方向で均一ではなく、且つ、時間によってその形状が変動することが知られている。この幅方向で異なる凝固完了位置の形状も、鋳片の品質や生産性を決める大きな要因となっている。

これらの要求に応えるには、鋳片の凝固状態を把握する必要があり、従って、鋳片の凝固状態を判定するための種々の方法が提案されている。

現在、一般的に実用されている方法は、鋳片の凝固過程における伝熱計算を行い、鋳片中心部の温度が固相線温度となる位置を凝固完了位置として推定する方法である（例えば、特許文献１参照）。しかし、このような伝熱計算による方法では、計算に用いる物性値の精度が低いことや、実際の伝熱現象を完全にモデル化することが困難なことから、推定精度には限界があり、そこで、凝固完了位置を直接測定するために、超音波を利用した方法が種々試みられている。

例えば特許文献２には、電磁超音波の送信器及び受信器によって縦波の超音波を鋳片に伝播させ、鋳片を透過する縦波の伝播時間、鋳片の厚み、及び、予め計測して求めた固相域及び液相域での縦波の伝播速度に基づき、固相部及び液相部の厚みを求める方法が開示されている。更に、特許文献３には、このようにして求めた固相部の厚み（＝凝固シェル厚み）と、鋳造長手方向の距離と固相部厚みの変化量との相関関係とから、凝固完了位置を推定する方法が開示されている。

しかしながら、特許文献２及び特許文献３の方法では、凝固完了位置が超音波センサーの設置位置よりも上流側に位置する場合には、凝固完了位置を推定することができない。そこで、超音波の伝播速度が温度依存性を有することと、凝固完了位置が超音波センサーの設置位置から上流側に離れるほど鋳片の温度が低下することを利用し、超音波センサーの設置位置よりも上流側の凝固完了位置も推定することができるようにした技術が提案されている。

例えば、特許文献４には、超音波の伝播時間と凝固完了位置とを一次式で近似し、超音波の伝播時間から凝固完了位置を求める方法が開示されている。また、特許文献５には、超音波の伝播時間から求めた鋳片平均温度と、実測或いは伝熱計算で求めた鋳片表面温度とから、鋳片中心の温度を求め、凝固完了後の鋳片中心温度の時間当たりの降下率が鋳片の成分組成（これを「鋼種」と称す）や鋳片の厚みによって決まることを利用し、求めた鋳片中心温度から凝固完了位置を推定する方法が開示されている。
特開平５−１２３８４２号公報特開昭５５−１５８５０６号公報特開昭５７−３２８６３号公報特開昭６３−３１３６４３号公報特開昭６４−４８６５１号公報

しかしながら、特許文献４及び特許文献５に開示された方法でも、以下の問題が残されている。即ち、特許文献４の方法では、伝播時間と凝固完了位置とを近似式で関係付けているが、伝播時間は凝固完了位置だけでなく、鋳片温度の厚み方向分布や伝播速度の鋼種依存性にも影響を受ける。特に鋳片温度の厚み方向分布に関しては、二次冷却強度や冷却パターンが鋼種や鋳造速度によって様々に変更されるため、実際の操業中には、凝固完了位置は等しいが鋳片温度の厚み方向分布は異なる、という状態も発生する。そのため、特許文献４の方法は、実際の連続鋳造機において適用することは困難といわざるを得ない。

また、特許文献５の方法では、伝播時間から求めた鋳片平均温度と、鋳片表面温度とから、鋳片中心温度を求めているが、鋳片中心温度の時間当たりの降下率は、前述した伝播時間と同様に、鋳片温度の厚み方向分布の影響を受けてしまう。例えば、鋳片の平均温度が低い場合には、鋳片中心温度の時間当たりの降下率は高く、鋳片の平均温度が高い場合には、鋳片中心温度の時間当たりの降下率は低くなる。従って、特許文献５の方法においても精度良く凝固完了位置を推定することは困難である。また、鋳片の平均温度を求める際、超音波の伝播速度は鋼種による依存性を受けるため、鋼種毎に平均温度と伝播時間との関係を求めておかなければならない。これは非常に手間がかかる作業であり、実用上、この作業を完全に行うことは不可能である。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、連続鋳造機で鋳造される鋳片の凝固完了位置が超音波センサーよりも上流側に存在する場合であっても、凝固完了位置を簡便に且つ精度良く検知することの可能な、連続鋳造鋳片の凝固完了位置検知方法及び検知装置を提供することである。

上記課題を解決するための本願第１の発明に係る連続鋳造鋳片の凝固完了位置検知方法は、鋳造長手方向の２箇所以上において、鋳片を透過する超音波の伝播時間を測定して鋳片の中心温度を求め、該鋳片の中心温度から鋳造長手方向位置と鋳片中心温度との関係を求め、該関係に基づいて鋳造している鋼種の固相線温度となる位置を凝固完了位置として定めることを特徴とするものである。

第２の発明に係る連続鋳造鋳片の凝固完了位置検知方法は、第１の発明において、前記鋳片の中心温度は、鋳片を透過する超音波の伝播時間と鋳片の表面温度と鋳片の厚みと超音波の伝播速度の温度特性とから求めることを特徴とするものである。

第３の発明に係る連続鋳造鋳片の凝固完了位置検知方法は、第１または第２の発明において、横波超音波の透過信号の強度変化に基づいて横波超音波センサーの設置位置への凝固完了位置の到達を検知し、検知した時点における、横波超音波センサーの設置位置での中心温度を鋳造している鋼種の固相線温度として、前記鋳造長手方向位置と鋳片中心温度との関係を校正することを特徴とするものである。

第４の発明に係る連続鋳造鋳片の凝固完了位置検知装置は、鋳造長手方向の２箇所以上に設置された、鋳片に対して超音波を送信し且つ受信する超音波センサーと、この超音波センサーの受信信号から鋳片を透過する超音波の伝播時間を測定する手段と、該伝播時間に基づいて鋳片の中心温度を求める手段と、求めた鋳片の中心温度に基づいて鋳造長手方向位置と鋳片中心温度との関係を定める手段と、該関係と鋳造している鋼種の固相線温度とから鋳片の凝固完了位置を推定する手段と、を具備することを特徴とするものである。

第５の発明に係る連続鋳造鋳片の凝固完了位置検知装置は、第４の発明において、前記鋳片の中心温度を求める手段では、求めた超音波の伝播時間と鋳片の表面温度と鋳片の厚みと超音波の伝播速度の温度特性とから鋳片の中心温度を求めることを特徴とするものである。

第６の発明に係る連続鋳造鋳片の凝固完了位置検知装置は、第４または第５の発明において、前記超音波センサーの少なくとも１つを横波超音波センサーとするか或いは少なくとも１つの横波超音波センサーを更に備え、更に、この横波超音波センサーの受信信号の強度変化に基づいて横波超音波センサーの設置位置と鋳片の凝固完了位置とが一致したことを検知する検出手段を具備し、この検出手段によって凝固完了位置が検出された時点における、横波超音波の設置位置での鋳片の中心温度を鋳造している鋼種の固相線温度として、前記鋳造長手方向位置と鋳片中心温度との関係を校正することを特徴とするものである。

本発明によれば、連続鋳造機で鋳造されている鋳片の中心温度を鋳造長手方向の２箇所以上で求め、求めた鋳片中心温度から鋳造長手方向位置と鋳片中心温度との温度関係式を求め、この温度関係式に基づいて凝固完了位置を推定しているので、鋳片温度の厚み方向分布の影響を受けることなく、凝固完了位置を検知することができる。そのため、二次冷却強度や冷却パターンが鋼種や鋳造速度によって様々に変更される実際の連続鋳造操業においても、また、凝固完了位置が超音波センサーの上流側に在っても、精度良く鋳片の凝固完了位置を検知することが可能となる。その結果、様々な鋳造条件においても凝固完了位置を鋳造中に精度良く把握することが可能となり、連続鋳造機の機長を最大に使って生産性を向上したり、軽圧下を適切に施して中心偏析の軽減された鋳片を製造することなどができ、工業上有益な効果がもたらされる。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。先ず、第１の実施の形態例について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態例を示す図であって、本発明に係る凝固完了位置検知装置を備えたスラブ連続鋳造機の概略図である。

図１において、１は鋳片、２は固相部、３は液相部、４は凝固完了位置、５は鋳型内の溶鋼湯面であり、連続鋳造機の鋳型１０１に注入された溶鋼は、鋳型１０１によって冷却されて鋳型１０１と接触する部位に固相部２を形成し、周囲を固相部２とし、内部を未凝固の液相部３とする鋳片１は、鋳型１０１の下方に対抗して配置された複数対の鋳片支持ロール１０２に支持されつつ鋳型１０１の下方に引き抜かれる。鋳造長手方向に隣合う鋳片支持ロール１０２の間隙には、鋳片１の表面に向けて冷却水を吹き付けるエアーミストスプレーノズルや水スプレーノズルなどからなる二次冷却帯（図示せず）が設置されており、鋳片１は鋳造長手方向下流側に引き抜かれながら二次冷却帯で冷却され、中心部まで完全に凝固する。この中心部まで完全に凝固した位置が凝固完了位置４である。凝固が完了した鋳片１は、鋳片支持ロール１０２の下流側に設置された鋳片切断機１０４で所定の長さに切断され、鋳片１Ａとして搬送用ロール１０３によって搬出される。

このような構成のスラブ連続鋳造機において、本発明に係る凝固完了位置検知装置が配置されている。本発明の第１の実施の形態例に係る凝固完了位置検知装置は、鋳片１を挟んで対抗配置させた第１の送信センサー８及び第１の受信センサー１０からなる第１の超音波センサーと、鋳片１を挟んで対抗配置させた第２の送信センサー９及び第２の受信センサー１１からなる第２の超音波センサーと、第１の送信センサー８へ電気信号を与えて鋳片１に超音波を送出するための電気回路である第１の超音波送信部６と、第２の送信センサー９へ電気信号を与えて鋳片１に超音波を送出するための電気回路である第２の超音波送信部７と、第１の受信センサー１０及び第２の受信センサー１１にて受信した受信信号を処理する第１の伝播時間検出部１２と、第２の伝播時間検出部１３と、第１の鋳片中心温度計算部１４と、第２の鋳片中心温度計算部１５と、長手方向中心温度近似式計算部１６と、凝固完了位置推定部１７とを備えている。第１の送信センサー８及び第２の送信センサー９にて送出された超音波は鋳片１を透過し、第１の受信センサー１０及び第２の受信センサー１１でそれぞれ受信され、電気信号に変換される。

第１の伝播時間検出部１２は、第１の受信センサー１０にて受信した透過信号の受波時間から超音波の伝播時間を検出する装置で、第２の伝播時間検出部１３は、第２の受信センサー１１にて受信した透過信号の受波時間から超音波の伝播時間を検出する装置で、第１の鋳片中心温度計算部１４は、第１の伝播時間検出部１２によって検出された伝播時間と、別途入力された鋳片表面温度、鋳片厚み、及び超音波の伝播速度の温度特性とから鋳片中心温度を求める装置で、第２の鋳片中心温度計算部１５は、第２の伝播時間検出部１３によって検出された伝播時間と、別途入力された鋳片表面温度、鋳片厚み、及び超音波の伝播速度の温度特性とから鋳片中心温度を求める装置で、長手方向中心温度近似式計算部１６は、第１の鋳片中心温度計算部１４並びに第２の鋳片中心温度計算部１５によって求められた鋳片中心温度から鋳片１の鋳造長手方向の位置と鋳片中心温度との温度関係式を求める装置で、凝固完了位置推定部１７は、長手方向中心温度近似式計算部１６によって計算された温度関係式と鋳造している鋳片１の鋼種の固相線温度とから、凝固完了位置４を求める装置である。

ここで、第１の伝播時間検出部１２、第２の伝播時間検出部１３、第１の鋳片中心温度計算部１４、第２の鋳片中心温度計算部１５、長手方向中心温度近似式計算部１６、及び、凝固完了位置推定部１７は計算機にて演算される。尚、第１の受信センサー１０及び第２の受信センサー１１とこの計算機との間には、超音波信号増幅器や波形を計算機に取り込むためのＡ／Ｄ変換機が必要であるが、図１では省略している。用いる超音波としては、横波でもまた縦波でもどちらでも用いることができる。また、超音波センサーとしては、電磁超音波センサーを用いることができる。

第１の鋳片中心温度計算部１４及び第２の鋳片中心温度計算部１５には、それぞれの超音波センサーの設置された位置の鋳片表面温度と、鋳片厚みと、超音波の伝播速度の温度特性とが、別の回路を介して入力されるようになっている。鋳片表面温度は、放射温度計などによる測定値でも伝熱計算による計算値でもよいが、温度精度を高める観点から放射温度計などによる測定値を入力することが好ましい。超音波の伝播速度の温度特性とは、鋳片温度と超音波の伝播速度との関係式であり、既知のデータを用いてもよく、また、種々の温度で加熱保持された鋳片を用いて超音波の伝播速度を測定して求めたデータでもよい。鋳片１の成分組成により、即ち鋼種により超音波の伝播速度は変わるので、種々の鋼種のデータを把握することが好ましいが、作業負荷が大きいので、主たる鋼種のデータのみでも構わない。同様に、凝固完了位置推定部１７には、鋳造している鋳片１の鋼種の固相線温度が別の回路を介して入力されるようになっている。

スラブ連続鋳造機では、凝固完了位置４が鋳片１の幅方向で異なる場合もあるので、第１の超音波センサーと第２の超音波センサーとで検出する幅方向の位置が同一であるか、或いは、凝固完了位置４に鋳片幅方向の変化が生じたとしても変化の差がほとんど無いと見なせる幅方向の範囲内に第１の超音波センサー及び第２の超音波センサーを配置する必要がある。具体的には、凝固完了位置４の鋳片幅方向の形状を平坦と見なせる場合には、幅方向に数１００ｍｍ離れていてもよく、逆に、凝固完了位置４の鋳片幅方向の形状が大きく変化している場合には、数１０ｍｍ以内とする必要がある。これは、この目的に用いられる超音波の波長が数１０ｍｍであり、且つ超音波センサーの大きさが数１０ｍｍ程度であることから、回折の影響も考慮すると、数１０ｍｍ以内であれば同一位置と見なすことができるからである。

第１の超音波センサーと第２の超音波センサーとの長手方向の配置間隔は特に規定するものではないが、配置間隔が狭いと鋳片中心温度の差が少なく、鋳造長手方向の位置と鋳片中心温度との温度関係式を求める際に誤差が生じやすくなるので、長手方向の配置間隔は１ｍ以上とすることが好ましい。

以下、受信した信号の処理方法について説明する。先ず、第１の伝播時間検出部１２及び第２の伝播時間検出部１３の動作について図２を参照して説明する。

図２は、第１の伝播時間検出部１２及び第２の伝播時間検出部１３の動作を示す図で、送信信号の１発分に対応した受信信号波形を示している。図２中の最初の波は、送信信号が電気的に第１の受信センサー１０及び第２の受信センサー１１に漏れ込んだものであり、２番目の波が超音波の透過信号である。ここで、第１の伝播時間検出部１２及び第２の伝播時間検出部１３は、送信信号の送出タイミングから透過信号の出現タイミングまでの時間を検出する。透過信号の検出方法としては、図２に示すように、しきい値以上となる時点を求める方法でも、或いは、超音波の透過信号が現れる時間位置は、鋳片１の厚み、鋳片１のおよその温度、及び超音波の鋳片１における伝播速度から、大まかに既知であるので、その位置の信号だけを取り出すゲートを設け、そのゲート内の信号の最大値を求める方法でも、何れの方法でもよい。この処理は、受信信号の波形をＡ／Ｄ変換で計算機内に取り込むことにより、計算処理で容易に実現することができる。また、実際には、送信信号は数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚの周期で繰り返されるので、その一つ一つの波形を平均化してから横波超音波の透過強度を求めたり、一つ一つの波形の透過強度を平均化したりして、ノイズによる揺らぎの影響を少なくすることが有効である。

次ぎに、第１の鋳片中心温度計算部１４及び第２の鋳片中心温度計算部１５の動作について説明する。ここで、前提条件として、鋳片１の厚み方向温度分布を図３及び下記の（１）式で示す二次関数で表すこととする。但し、（１）式において、ｄは鋳片厚み、Ｔｓは鋳片表面温度、Ｔｃは鋳片中心温度、ｘは図３に示すように鋳片中心からの厚み方向の位置である。

ここで、超音波の伝播速度をＣ(T(x))とすると、超音波の鋳片１を透過する伝播時間Δｔは下記の（２）式で表される。

上記の（１）式及び（２）式において、超音波の伝播時間Δｔ、鋳片表面温度Ｔｓ、鋳片厚みｄ、超音波の伝播速度Ｃ(T(x))は既知であるので、未知数は鋳片中心温度Ｔｃのみとなり、従って、（１）式及び（２）式から超音波センサーが設置された位置の鋳片中心温度Ｔｃを求めることができる。

次ぎに、長手方向中心温度近似式計算部１６の動作について説明する。長手方向中心温度近似式計算部１６は、第１の鋳片中心温度計算部１４及び第２の鋳片中心温度計算部１５により求められた鋳片中心温度から鋳片１の鋳造長手方向の位置と鋳片中心温度との温度関係式を算出する。ここで、鋳造長手方向の位置と鋳片中心温度との温度関係式として、例えば下記に示す（３）式の一次式を用いる。但し、（３）式において、Ｔｃは鋳片中心温度、Ｘは鋳造長手方向の位置であって鋳型内の溶鋼湯面５からの距離で表示した位置であり、ａ及びｂは係数である。

尚、鋳造長手方向の位置と鋳片中心温度との温度関係式は一次式以外の式でも適用することができる。その場合、用いる温度関係式における係数の数よりも超音波センサーの設置数の方が多いか或いは等しくする必要があり、従って、例えば二次式を用いる場合には、係数は３であるので、鋳造長手方向での超音波センサーの設置数を３以上にする必要がある。

さて、第１の超音波センサーの設置位置をＸ1 、第１の超音波センサーで求められた鋳片中心温度をＴc1、第２の超音波センサーの設置位置をＸ2 、第２の超音波センサーで求められた鋳片中心温度をＴc2とすると、係数ａ及び係数ｂは、下記の（４）式及び（５）式で求められ、鋳造長手方向の位置と鋳片中心温度との温度関係式である上記（３）式が定められる。

最後に、凝固完了位置推定部１７の動作について説明する。凝固完了位置推定部１７は、長手方向中心温度近似式計算部１６によって求められた鋳造長手方向の位置と鋳片中心温度との温度関係式と、鋳片１として鋳造している鋼種の固相線温度とから、凝固完了位置４を推定する。即ち、鋳片１として鋳造している鋼種の固相線温度をＴsoとして（３）式に代入することで、凝固完了位置Ｘ_CEが下記の（６）式によって定められる。

以上説明したように、本発明においては、連続鋳造機で鋳造されている鋳片１の中心温度を鋳造長手方向の２箇所以上で求め、求めた鋳片中心温度から鋳造長手方向位置と鋳片中心温度との温度関係式を定め、この温度関係式に基づいて凝固完了位置４を推定しているので、鋳片温度の厚み方向分布の影響を受けることがなく、二次冷却強度や冷却パターンが鋼種や鋳造速度によって様々に変更される実際の連続鋳造操業においても、精度良く鋳片１の凝固完了位置４をオンラインで検知することが可能となる。

但し、上記の方法では、全ての鋼種について超音波の伝播速度の温度特性を把握できない場合があることから、超音波の鋳片成分組成による伝播速度の影響を排除できない場合が発生する。そこで、本発明の第２の実施の形態例では、横波超音波センサーを用い、超音波の鋼種依存性を校正するようにしている。この横波超音波センサーは、前述した第１及び第２の超音波センサーと兼用してもよく、また、新たに配置してもよい。

横波超音波は、伝播経路に液相部３が存在すると伝播しない性質がある。本発明者等は、凝固状態と横波超音波の伝播状況との関係について詳細な実験を重ねた結果、横波超音波が透過しなくなる凝固状態は、鋼種に依存することなく、鋳片中心部の固相率が１となる時点即ち凝固が完了する時点（軸心温度＝固相線温度）であることを見出した。この性質に基づくことで、横波超音波センサーによる透過信号が検出状態から消失した時点、或いは、消失状態から出現した時点は、鋼種や鋳造条件に拘わらず、凝固完了位置４と横波超音波センサーの設置位置とが一致するという重要な情報を得ることができる。これを用い、超音波の伝播速度の鋼種依存性によって生じる鋳片中心温度の誤差を校正する。

以下、第２の実施の形態例について説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態例を示す図であって、本発明に係る凝固完了位置検知装置を備えたスラブ連続鋳造機の概略図である。

本発明の第２の実施の形態例に係る凝固完了位置検知装置は、図１に示す第１の実施の形態例の凝固完了位置検知装置に対して、第１の送信センサー８と第１の受信センサー１０とからなる第１の超音波センサーを横波超音波センサーとし、更に、図４に示すように、第１の受信センサー１０にて受信した受信信号を処理する横波透過強度検出部１８と、凝固完了位置通過判定部１９とを追加した装置である。横波透過強度検出部１８は、第１の受信センサー１０により受信された横波超音波の強度を検出する装置で、凝固完了位置通過判定部１９は、横波透過強度検出部１８にて検出された横波超音波の透過信号の変化から、凝固完了位置４が第１の超音波センサーの設置位置よりも鋳造長手方向の上流側か、或いは下流側かを判定する装置である。また、長手方向中心温度近似式計算部１６には、鋳造している鋳片１の鋼種の固相線温度が別の回路を介して入力されるようになっている。その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態例と同一構成であり、同一の部分は同一符号により示し、その説明は省略する。

以下、受信した信号の処理方法について説明する。第１の伝播時間検出部１２及び第２の伝播時間検出部１３の動作、並びに、第１の鋳片中心温度計算部１４及び第２の鋳片中心温度計算部１５の動作は、前述した第１の実施の形態例と同一であるのでその説明は省略し、先ず、横波透過強度検出部１８の動作について、図５を参照して説明する。

図５は、横波透過強度検出部１８の動作を示す図で、送信信号の１発分に対応した受信信号波形を示している。図５中の最初の波は、送信信号が電気的に第１の受信センサー１０に漏れ込んだものであり、２番目の波が横波超音波の透過信号である。ここで、横波超音波の透過信号が現れる時間位置は、鋳片１の厚み、鋳片１のおよその温度、及び横波超音波の鋳片１における伝播速度から、大まかに既知であるので、その位置の信号だけを取り出すゲートを設け、そのゲート内の信号の最大値を求めるようにする。この処理は、伝播時間検出部１２，１３と同様に、受信信号の波形をＡ／Ｄ変換で計算機内に取り込むことにより、計算処理で容易に実現することができる。信号の最大値の取り方としては、０Ｖを基準にした絶対値でも、また、ピークトゥーピーク値でも何れでもよい。尚、実際には、送信信号は数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚの周期で繰り返されるので、その一つ一つの波形を平均化してから横波超音波の透過強度を求めたり、一つ一つの波形の透過強度を平均化したりして、ノイズによる揺らぎの影響を少なくすることが有効である。

次ぎに、凝固完了位置通過判定部１９の動作について、図６を参照して説明する。図６は、凝固完了位置通過判定部１９の動作を示す図で、連続鋳造操業の数１０分間にわたって鋳造条件を変化させながら、横波透過強度検出部１８から送られてくる横波超音波の透過信号の強度を検出したチャート図である。

図６に示すように、連続鋳造操業の鋳造条件の変化に応じて横波超音波の透過信号の強度は変化する。図６中のＡ及びＢの範囲では透過信号の強度は非常に小さくなっており、凝固完了位置４が第１の超音波センサーの配置位置よりも鋳造長手方向の下流側に存在する状態を表している。凝固完了位置通過判定部１９では、透過信号の強度が所定の判定しきい値を横切った時点で、凝固完了位置４が第１の超音波センサーの配置位置を通過したと判定する。この判定しきい値は、予め定めた固定値でも、或いは横波超音波の透過信号が現れない時間領域の信号レベルからノイズレベルを求め、その値を用いた変動しきい値でも、どちらでも構わない。凝固完了位置通過判定部１９は、このようにして凝固完了位置４が第１の超音波センサーの配置位置を通過したと判定すると、長手方向中心温度近似式計算部１６へタイミング信号を送出する。

次ぎに、長手方向中心温度近似式計算部１６の動作について説明する。ここで、伝播時間などから求められた鋳片中心温度と真温度との温度誤差をΔＴとし、また、第１の実施の形態例と同様に、第１の超音波センサーの設置位置をＸ1 、第１の超音波センサーで求められた鋳片中心温度をＴc1、第２の超音波センサーの設置位置をＸ2 、第２の超音波センサーで求められた鋳片中心温度をＴc2とし、これらを前述した（３）式に代入して（３）式の係数ａ及び係数ｂを求めると、係数ａ及び係数ｂは下記の（７）式及び（８）式で求められる。但し、（７）式及び（８）式において、ＴC1′はＴc1とΔＴとの和（ＴC1′＝Ｔc1＋ΔＴ）、Ｔc2′はＴc2とΔＴとの和（Ｔc2′＝Ｔc2＋ΔＴ）である。

従って、横波超音波センサー（この場合第１の超音波センサーと同一）の設置位置をＸ0 、鋳造している鋼種の固相線温度をＴsoとし、横波超音波の信号強度の変化から凝固完了位置４が横波超音波センサーの設置位置に到達した時点で、（７）式及び（８）式に示す係数を用いて下記に示す（９）式を計算することにより、鋳片中心温度の温度誤差ΔＴを求めることができる。

長手方向中心温度近似式計算部１６は、凝固完了位置通過判定部１９から凝固完了位置４が到達したという信号を受けると、（７）式、（８）式、及び（９）式を用いて鋳片中心温度の温度誤差ΔＴを求め、鋳造長手方向位置と鋳片中心温度との温度関係式である前述した（３）式を校正する。

凝固完了位置推定部１７は、長手方向中心温度近似式計算部１６によって校正された鋳造長手方向の位置と鋳片中心温度との温度関係式と、鋳片１として鋳造している鋼種の固相線温度とから、凝固完了位置４を推定する。（３）式を校正する時点は、新たな鋼種を鋳造する毎の１回だけでも、また、連続鋳造の操業中に横波超音波センサーの配置位置を凝固完了位置４が横切る毎に、或いは、操作員の判断による適当な時期の何れでもよい。

このように、第２の実施の形態例では、第１の実施の形態例に加えて更に鋳片中心温度を校正するので、超音波の鋳片成分組成による伝播速度の影響を排除することができ、全ての鋼種に亘って精度良く鋳片１の凝固完了位置４をオンラインで検知することが可能となる。

尚、本発明は上記に説明した範囲に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができる。例えば、上記説明では電磁超音波センサーを用いた場合について説明したが、縦波超音波の送信及び受信には、圧電振動子を水と接触させる方法や、レーザー超音波法を用いてもよい。また、レーザー超音波法で送信し、電磁超音波法で受信してもよい。更に、凝固完了位置通過判定部１９における判定を操作員の判断に任せ、凝固完了位置４の通過判定のタイミングを操作員が長手方向中心温度近似式計算部１６に指示するようにしてもよい。更には、データの収集を行った後に、凝固完了位置の通過判定や中心温度の誤差ΔＴの計算、並びに、凝固完了位置の推定作業を机上で人手によって行ってもよい。

図１に示すスラブ連続鋳造機及び凝固完了位置検知装置を用い、低炭素鋼を鋳造する際に本発明を適用した。第１の超音波センサー及び第２の超音波センサーとも横波電磁超音波センサーを用い、第１の超音波センサーを連続鋳造機の機端から２ｍ上流の位置に配置し、第２の超音波センサーを連続鋳造機の機端に配置した。鋳造速度はおよそ２．３ｍ／ｍｉｎとしたが、一部の期間では１．６ｍ／ｍｉｎまで減速した。

図７は、この鋳造中における鋳造速度の推移、求めた鋳片中心温度の推移、及び、検出した凝固完了位置の推移を示す図であり、図７の上段は鋳造速度の変化を示し、中段は第１の超音波センサー及び第２の超音波センサーにより求めた鋳片中心温度の推移を示し、下段は鋳片中心温度から推定した凝固完了位置の推移を示している。又、図７の下段には、鋳造中の鋳片に金属製の鋲を打ち込み、鋳造後、鋳片を切断してこの鋲の溶融状況から鋳片の凝固完了位置を確認した結果を○印で示している。図７からも明らかなように、鋲打ち込み法により確認した凝固完了位置と、本発明方法によって推定した凝固完了位置とは良く一致しており、本発明によって精度良く凝固完了位置を検出できることが確認できた。

図４に示すスラブ連続鋳造機及び凝固完了位置検知装置を用い、成分組成の異なる鋼種Ａ、鋼種Ｂ、鋼種Ｃの３種類の鋼種を鋳造する際に本発明を適用した。第１の超音波センサー及び第２の超音波センサーとも横波電磁超音波センサーを用い、第１の超音波センサーを連続鋳造機の機端から２ｍ上流の位置に配置し、第２の超音波センサーを連続鋳造機の機端に配置した。また、鋳造中の鋳片に金属製の鋲を打ち込み、鋳造後、鋳片を切断してこの鋲の溶融状況から鋳片の凝固完了位置を確認し、鋲打ち込み法により確認した凝固完了位置と本発明方法により推定した凝固完了位置とを対比した。

図８は、鋼種Ａにおける測定結果を示し、図９は鋼種Ｂにおける測定結果を示し、図１０は鋼種Ｃにおける測定結果を示している。図８〜１０において、●印は、上流側の横波超音波センサーの設置位置に凝固完了位置が到達した時点で鋳造長手方向位置と鋳片中心温度との温度関係式を校正し、この校正した温度関係式を用いて凝固完了位置を推定した結果であり、一方、△印は、超音波の温度特性として鋼種Ａのデータを用いて凝固完了位置を推定した結果である。図８〜図１０に示すように、鋼種Ａでは、元々鋼種Ａにおける超音波の温度特性値を使用しているので、温度関係式を校正しても、その効果は少ないが、鋼種Ｂ及び鋼種Ｃでは、温度関係式を校正することにより、鋲打ち込み法により確認した凝固完了位置と、本発明方法によって推定した凝固完了位置とは良く一致することが確認でき、従って、温度関係式を校正することによって精度良く凝固完了位置を検出できることが分かった。

本発明の第１の実施の形態例を示す図であって、本発明に係る凝固完了位置検知装置を備えたスラブ連続鋳造機の概略図である。第１の伝播時間検出部及び第２の伝播時間検出部の動作を示す図である。鋳片の厚み方向温度分布を示す図である。本発明の第２の実施の形態例を示す図であって、本発明に係る凝固完了位置検知装置を備えたスラブ連続鋳造機の概略図である。横波透過強度検出部の動作を示す図である。凝固完了位置通過判定部の動作を示す図である。実施例１における測定結果を示す図である。実施例２における鋼種Ａの測定結果を示す図である。実施例２における鋼種Ｂの測定結果を示す図である。実施例２における鋼種Ｃの測定結果を示す図である。

符号の説明

１鋳片
２固相部
３液相部
４凝固完了位置
５溶鋼湯面
６第１の超音波送信部
７第２の超音波送信部
８第１の送信センサー
９第２の送信センサー
１０第１の受信センサー
１１第２の受信センサー
１２第１の伝播時間検出部
１３第２の伝播時間検出部
１４第１の鋳片中心温度計算部
１５第２の鋳片中心温度計算部
１６長手方向中心温度近似式計算部
１７凝固完了位置推定部
１８横波透過強度検出部
１９凝固完了位置通過判定部
１０１鋳型
１０２鋳片支持ロール
１０３搬送用ロール
１０４鋳片切断機

Claims

鋳造長手方向の２箇所以上において、鋳片を透過する超音波の伝播時間を測定して鋳片の中心温度を求め、該鋳片の中心温度から鋳造長手方向位置と鋳片中心温度との関係を求め、該関係に基づいて鋳造している鋼種の固相線温度となる位置を凝固完了位置として定めることを特徴とする、連続鋳造鋳片の凝固完了位置検知方法。
前記鋳片の中心温度は、鋳片を透過する超音波の伝播時間と鋳片の表面温度と鋳片の厚みと超音波の伝播速度の温度特性とから求めることを特徴とする、請求項１に記載の連続鋳造鋳片の凝固完了位置検知方法。
横波超音波の透過信号の強度変化に基づいて横波超音波センサーの設置位置への凝固完了位置の到達を検知し、検知した時点における、横波超音波センサーの設置位置での中心温度を鋳造している鋼種の固相線温度として、前記鋳造長手方向位置と鋳片中心温度との関係を校正することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の連続鋳造鋳片の凝固完了位置検知方法。
鋳造長手方向の２箇所以上に設置された、鋳片に対して超音波を送信し且つ受信する超音波センサーと、この超音波センサーの受信信号から鋳片を透過する超音波の伝播時間を測定する手段と、該伝播時間に基づいて鋳片の中心温度を求める手段と、求めた鋳片の中心温度に基づいて鋳造長手方向位置と鋳片中心温度との関係を定める手段と、該関係と鋳造している鋼種の固相線温度とから鋳片の凝固完了位置を推定する手段と、を具備することを特徴とする、連続鋳造鋳片の凝固完了位置検知装置。
前記鋳片の中心温度を求める手段では、求めた超音波の伝播時間と鋳片の表面温度と鋳片の厚みと超音波の伝播速度の温度特性とから鋳片の中心温度を求めることを特徴とする、請求項４に記載の連続鋳造鋳片の凝固完了位置検知装置。
前記超音波センサーの少なくとも１つを横波超音波センサーとするか或いは少なくとも１つの横波超音波センサーを更に備え、更に、この横波超音波センサーの受信信号の強度変化に基づいて横波超音波センサーの設置位置と鋳片の凝固完了位置とが一致したことを検知する検出手段を具備し、この検出手段によって凝固完了位置が検出された時点における、横波超音波の設置位置での鋳片の中心温度を鋳造している鋼種の固相線温度として、前記鋳造長手方向位置と鋳片中心温度との関係を校正することを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の連続鋳造鋳片の凝固完了位置検知装置。