JP4546791B2 - 溶融金属の流速測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶融金属の流速測定方法および流速測定装置に関する。
具体的には、例えば、連続鋳造設備の鋳型下における溶融金属の流速を非接触で測定する方法および装置に関する。

例えば、連続鋳造設備の鋳型下における溶融金属の流速を非接触で測定することによって、溶鋼の流れを正確に把握して測定流速と鋳片品質との厳密な相関関係の解析を行うことができるため、溶融金属の流速測定方法について、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特開平10-104038号公報には、図３に示すように、励磁コイル４に一定の励磁電流を流し発生した励磁磁場Boを測定対象物の上部から対象面に対してほぼ垂直に印加し、測定対象物に発生した信号磁場Bｖを検出コイルSで検出し、または、図４に示すように検出コイルS1、S2で検出し、その検出信号から測定対象物の移動速度を検出する方法が開示されている。
しかし、図３の構成では熱変形などで検出信号に影響がでるので、その改善策として図４の構成が提案されている。図４の回路に当たっては、検出コイルS1、S2の検出信号をブリッジ回路に入力して信号和をとることで、熱変形などから発生する励磁磁場の影響を各々の信号を調節することで測定誤差を軽減できることが開示されている。

また、測定対象物との距離変動であるリフトオフ変動対策として、図５に示すように励磁コイル４にリフトオフ変動検出のための高周波の励磁電流を重畳させ、その高周波の励磁電流により測定対象物に発生する渦電流磁場を検出コイルS3、S4を設置し、検出コイルS3、S4での設置距離による検出値の違いをブリッジ回路で差分電圧ΔVとして検出し、距離変動補正を行なうことが記載されている。
ここで、ブリッジ回路での差分電圧ΔVの検出原理について図６を用いて説明する。図６に示すように、固定抵抗（インヒ゜ータ゛ンスZ1、Z3）の対角に検出コイルS3、S4（インヒ゜ータ゛ンスZ2、Z4）を設置すると、A、B両端に差分電圧ΔVが現れる条件として、リフトオフ変化検出信号ΔZ2、ΔZ4が発生すると、Z1・（Z2＋ΔZ2）≠Z3・（Z4＋ΔZ4）となり、その結果、ΔV＝Z1・（Z2＋ΔZ2）−Z3・（Z4＋ΔZ4）となる。つまり、検出コイルS3の方が測定対象物に近いのでΔZ2（コイルS3）＞ΔZ4（コイルS4）となりリフトオフ変化量に対応した差分電圧ΔVを検出することができ距離検出センサーとしての機能を果たすことができる。
そして、鋳型内に設置したとき、本装置の周囲に銅製の鋳型があり、渦電流が発生したとしても、検出コイルS3、S4に対して大きさも向きも等しくなるので（ΔZ2＝ΔZ4となるので）差分を取るとことで変化量は相殺され、励磁磁場と同様に銅製鋳型の影響はなくなることも記載されている。
しかし、このセンサー構成（検出コイルS1、S2、S3、S4）では励磁磁場Boの変化を検出出来ないので、磁性体が近くに存在すると励磁コイル周辺の磁気回路抵抗が変化するためにたとえ励磁コイルの励磁電流を一定にしていたとしても励磁磁場Boの強さが変化してしまうので検出信号への影響が発生する。

また、特願2003−198437号明細書（先願）には、図７に示すように、励磁コイルに一定の励磁電流を流し発生した励磁磁場Boを測定対象物の上部から対象面に対してほぼ垂直に印加し、測定対象物に発生した信号磁場Bｖを検出コイルS1、S2で検出し、その検出信号から測定対象物の移動速度を検出することが記載されている。そして、検出コイルS1、S2の検出信号を加算器に入力して信号和をとることで励磁磁場の影響が軽減できることが記載されている。
しかし、この検出回路においても磁性体が近くに存在すると励磁コイル周辺の磁気回路抵抗が変化するためにたとえ励磁コイルの励磁電流を一定にしていたとしても励磁磁場Boの強さが変化してしまうので検出信号への影響が発生するという問題点があった。

そこで、発明者等は各種外乱調査のために、実際に連続鋳造設備の鋳型下の短辺両サイドに図７の回路構成でセンサーを取付けオンラインで鋳片内の溶鋼流速の測定実験を行なってみた。その結果、図８に示すように、鋳造幅可変時に、周囲のロールなどの磁性体の影響を受け溶鋼流速を示す電圧の測定結果に影響が発生することが判明した。
また、ロックインアンプの出力について図９に示すが、溶鋼流速の上昇、下降流を検出する場合に、電圧だけでは上昇、下降流の判定はできず、位相の遅れ、進み状態で判定する必要があり、上昇〜下降流間の連続測定ができなく、かつ、絶対値測定も困難であった。また、その電圧が低くなるほど、位相検出誤差が大きく、検出精度の良いものではないことが判明した。

よって、従来の回路構成のままでは、実用化が困難であることが予想されたため、センサーを取り外しオフラインで原因調査を調査した結果、１）鋳造幅可変の影響に関しては、予想通り、励磁コイル周辺の磁気回路抵抗が変化するためにたとえ励磁コイルの励磁電流を一定にしていたとしても励磁磁場Boの強さが変化してしまうので検出信号への影響が発生し、測定誤差が大きいことを付き止めた。
また、２）位相検出誤差が大きいのは、温度ドリフト等のノイズ成分による波形の乱れによるものであることを付き止めた。
更に、図９に示すように、３）上昇〜下降流間ではシェル速度の影響も判明したことから、センサーの測定精度向上を狙いとしシェル速度の補正を行なうなどの更なる改善が必要だった。

特開平10-104038号公報 特願2003−198437号明細書（先願）

本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決し、本装置の周囲に銅製鋳型などの磁性体が近くに存在しても励磁コイル周辺の磁気回路抵抗変化の影響を受けることなく正確に溶融金属の流速を測定することができる溶融金属の流速測定方法および流速測定装置を提供することを課題とする。

発明者らは、垂直磁場を検出する垂直磁場検出に加えて、溶融金属の表面に対してほぼ平行な磁場を検出し、垂直磁場の検出値と前記平行磁場の検出値との比率を計算して流速を演算することにより、本装置の周囲に銅製鋳型などの磁性体が近くに存在しても励磁コイル周辺の磁気回路抵抗変化の影響を受けることなく正確に溶融金属の流速を測定することができる溶融金属の流速測定方法および流速測定装置を提供するものであり、その要旨とするところは、許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）連続鋳造設備の鋳型下の短辺の鋳片内の溶融金属の流速測定装置であって、
溶融金属の表面に対してほぼ垂直に垂直磁場を印加する垂直磁場印加手段と、前記垂直磁場を検出する垂直磁場検出手段と、
前記溶融金属の表面に対してほぼ平行な磁場を検出する平行磁場検出手段と、
前記垂直磁場の検出値と前記平行磁場の検出値との比率を計算し該比率を用いて溶融金属の流速演算手段とを有し、
前記水平磁場検出手段が2以上設けられており、かつ、各々の水平磁場検出手段で検出した水平磁場の加算結果が零とならないように調整することを特徴とする溶融金属の流速測定装置。
（２）前記垂直磁場検出手段が前記水平磁場検出手段の上部に配置されていることを特徴とする（１）に記載の流速測定装置。

本発明によれば、垂直磁場を検出する垂直磁場検出に加えて、溶融金属の表面に対してほぼ平行な磁場を検出し、垂直磁場の検出値と前記平行磁場の検出値との比率を計算して流速を演算することにより磁性体が近くに存在しても励磁コイル周辺の磁気回路抵抗変化の影響を受けることなく正確に溶融金属の流速を測定することができる溶融金属の流速測定方法および流速測定装置を提供することができるうえ、オンラインで鋳片内の溶鋼流速の上昇〜下降流間の連続検出が可能となり、かつ、各種外乱の除去が可能となり、測定精度が向上するため、測定流速と鋳片品質との厳密な相関関係の解析が可能となるため品質改善への期待は大きく、産業上有用な著しい効果を奏する。

本発明を実施するための最良の形態について、図１および図２を用いて詳細に説明する。
本発明者等は、各種検討の結果、磁性体による外乱除去方法ができる溶融金属の流速測定方法を見出したものであり、その特徴は、溶融金属の表面に対してほぼ垂直に垂直磁場を印加する垂直磁場励磁工程と、前記垂直磁場を検出する垂直磁場検出工程と、前記溶融金属の表面に対してほぼ平行な磁場を検出する平行磁場検出工程と、前記垂直磁場の検出値と前記平行磁場の検出値との比率を計算し該比率を用いて溶融金属の流速を演算する工程とを有することにある。

本発明は、図１および図２に示すように、まず、発振器２および定電流アンプ３を用いて励磁コイル４に電流を流すことにより溶融金属の表面に対してほぼ垂直に垂直磁場Boを印加する（S-1）。
次に、垂直磁場検出コイルZ（垂直磁場検出手段）により垂直磁磁場Boを検出する（S-2）。
本実施形態におけるＺコイルは1個であり、ブリッジ回路を使用していなく、更に、使用している電源周波数は1.5Hz程度であり、距離検出としての機能させることは困難である。あくまでも励磁磁場の変化を検出することを目的としている。
次に、水平磁場検出コイルX1,X2（水平磁場検出手段）により溶融金属の表面に対してほぼ平行な磁場を検出する（S-3）。
そして、増幅器５およびフィルター６を介して垂直磁場検出コイルZ（垂直磁場検出手段）からの垂直磁場検出信号と、加算器７およびフィルター８を介して水平磁場検出コイルX1,X2（水平磁場検出手段）からの水平磁場検出信号との比率計算を行ない、この比率を用いて流速演算手段９により溶融金属の流速を演算する（S-4）。

以下に本発明による測定原理について言及する。
＜磁性体による外乱発生理由＞
図２において、静止状態で検出コイルＸ1、Ｘ2の検出信号の加算結果がVs＝0となるようにバランス調整すれば、測定対象物が移動したときに検出される電圧信号Vsは(1)で表される。
Vs＝ｋ1・ｖ・Ns・（Np・Ip/R）・ω・sin(ωｔ−π/２) ……(1)
但し、k1：定数、ｖ：測定対象物の速度、Ns：検出コイルの巻数、
Np：励磁コイルの巻数、Ip：励磁コイルの電流、
R：励磁コイル周辺の磁気回路抵抗
ここで、励磁コイル周辺の磁気回路抵抗Rが磁性体が近づくことで小さくなると、たとえ励磁コイルの電流Ipを一定にしたとしても、(1)式より検出コイルX1、X2から検出される電圧信号Vsは大きくなることが理解できる。

＜磁性体による外乱除去の考え方＞
次に、励磁磁場Boを検出する垂直磁場検出コイルZから検出される電圧信号Vzは(2)式で表すことができる。
Vz＝ｋ2・Nz・（Np・Ip/R）・ω・sin(ωｔ−π/２) ……(2)
但し、k2：定数、Nz：励磁磁場検出コイルの巻数
ここで、VsとVzとの比率を計算すると、
Vs/Vz＝（k1/k2）・（Ns/Nz）・ｖ＝k・ｖ（ｋ：定数）・・・・(3)
となり、理論的には励磁コイル周辺の磁気回路抵抗Rの変化は打ち消されてしまうので検出信号への影響は除去されることになる。
しかし、実際的には、励磁磁場検出コイル、検出コイルのインダクタンス、抵抗やアンプ類の応答遅れ、温度ドリフト等の影響により位相の遅れ、または進み（θ1、θ2）等の位相誤差が発生し、θ1≠θ2の場合には、上記理論は成立しなくなり誤差要因を含むことになる。よって、次にこの位相誤差の影響を除去することを考える。

＜位相誤差の除去の考え方＞
ここで、位相誤差（θ1、θ2）を考慮に入れ(1),(2)式を整理すると(4),(5)式のようになる。
Vs＝ｋ1・ｖ・Ns・（Np・Ip/R）・ω・sin(ωｔ−π/２+θ1) ・・・・(4)
Vz＝ｋ2・Nz・（Np・Ip/R）・ω・sin(ωｔ−π/２+θ2) ・・・・(5)
但し、
θ1：検出コイルのインダクタンス、抵抗やアンプ類の応答遅れ等の影響により 位相の遅れまたは進み等
θ2：励磁磁場検出コイルのインダクタンス、抵抗やアンプ類の応答遅れ等の影響 により位相の遅れまたは進み等
これらのθ1、θ2の値を合わせることが出きれば消去が可能で問題はないが、実用上、インダクタンス、抵抗の製作ばらつき、温度ドリフト等が発生するので、現実面から考えて非常に困難である。
よって、その対策として(4),(5)式の実効値（各瞬時値の2乗の和の平均値の平方根）を計算し比率計算を行なうことにする。
一般的に瞬時値e＝Em・sin（ωｔ+θ）の実効値Vは(6)式で表される。
V＝Em/√2 ・・・・(6) 但し Em：最大値

そこで(4)、(5)式の実効値を求めること位相変化の影響が消去され(7),(8)式の様に整理される。
(４)式の実効値 Vsj＝ｋ1・ｖ・Ns・（Np・Ip/R）・ω/√2 ・・・・(7)
(５) 式の実効値 Vzj＝ｋ2・Nz・（Np・Ip/R）・ω/√2 ・・・・(8)
ここで、VsjとVzjとの比率を計算すると、
Vsj/Vzj＝（k1/k2）・（Ns/Nz）・ｖ＝k・ｖ（ｋ：定数） ・・・・(9)
となり、このようにすれば、理論計算と同様の結果となるため、位相誤差も消去が可能で、励磁コイル周辺の磁気回路抵抗Rの変化は打ち消されてしまうので検出信号への影響は除去されることになる。しかし、この状態では位相の情報がなくなってしまったので上昇、下降流の判定が出来なくなってしまうので、次にその対策について考えることにする。

＜上昇、下降流の検出対策の考え方＞
具体的な対策に入る前に、基本的な考え方を述べることにする。図１０に示す様に、本来なら下降流は点線のように−電圧で検出されるはずであるが、瞬時値の実効値計算しているので、絶対値処理を行なった場合と同様であり、下降流も＋電圧で検出してしまうために、上昇、下降流の判別ができなくなる。そこで、本発明においては図１１に示すように測定対象物が静止状態でバイアス電圧V0が発生するようにしてやれば、速度検出電圧VがV0より大きければ上昇流、VがV0より小さければ下降流と判別できる。

以下に、バイアス電圧を発生させる方法について説明する。。
静止状態で検出コイルX1、X2の検出信号の加算結果が0となるようにバランス調整すれば、測定対象物が移動したときに検出される電圧信号Vsは(1)で表されるが、加算結果がVs≠0となるようにアンバランス調整すれば、励磁磁場の影響を打ち消すことができなくバイアス電圧として現れることになる。
静止状態では
Vs＝ｋ0・Ns・（Np・Ip/R）・ω・sin(ωｔ−π/２) ・・・・(10)
移動状態では
Vs＝ｋ1・ｖ・Ns・（Np・Ip/R）・ω・sin(ωｔ−π/２) + ｋ0・Ns・（Np・Ip/R）・ω・sin(ωｔ−π/２)・・・・(11)
となる。ここで、同様に実効値（Vsj、Vzj）を求めて比率を計算すると、
(11)式の実効値 Vsj＝ｋ1・ｖ・Ns・（Np・Ip/R）・ω/√2
+ ｋ0・Ns・（Np・Ip/R）・ω/√2 ・・・・(12)
(5) 式の実効値 Vzj＝ｋ2・Nz・（Np・Ip/R）・ω/√2
Vsj/Vzj＝（k1/k2）・（Ns/Nz）・ｖ+（k0/k2）・（Ns/Nz）・・・・(13)
＝ 速度検出電圧 + バイアス電圧V0
(13)式からバイアス電圧V0と速度検出電圧Vを比較していれば上昇〜下降流間の連続検出は可能となる。

そして、シェル速度補正Ks を考慮に入れたのが次の(14)式である。
Vsj/Vzj＝（k1/k2）・（Ns/Nz）・ｖ +（k0/k2）・（Ns/Nz）+Ks・・・・(14)
＝速度検出電圧 + バイアス電圧V0 + シェル速度補正
よって、シェル速度補正Ks、その他定数部をオフラインで測定しておけば鋳片内の溶鋼流速の絶対値測定も可能となる。
なお、本発明に用いる水平磁場検出手段（検出コイルX1,X2）は図２に示すように２以上設けられており、かつ、各々の水平磁場検出手段で検出した水平磁場の加算結果がほぼ零となるような位置に配置されていることが好ましい。
このように、複数の水平磁場検出手段で検出した水平磁場の加算結果をほぼ零とすることによってさらに外乱の影響を低減することができる。
また、垂直磁場検出手段Ｚが、図２に示すように、水平磁場検出手段X1,X2に対向する位置に配置することによって、さらに外乱の影響を低減することができる。

測定子の磁性体の影響を確認するために、SUS316ステンレス円板（直半径350mm、厚さ15mm）を水平に置き中心軸の周りに回転運動させて、半径250mmで周速を検出した。周速を測定する場合の磁性体外乱として長さ150mm×幅100mm×厚さ15mmの鉄板をセンサーから両サイドＬ＝100mm、200mmの位置に平行に設置その影響を調査した。本実施例の実験装置を図１２に示す。
その調査結果を、円板速度20cm/s、40cm/sについて整理すると以下のようになり、本発明においては、磁性体の影響がほとんどなくなっていることが理解できる。
（円板速度20cm/sの場合）
鉄板位置 なし 100mm 200mm
本発明 20cm/s 20cm/s 20cm/s
比較 22cm/s 31cm/s 2cm/s

（円板速度40cm/sの場合）
鉄板位置 なし 100mm 200mm
本発明 40cm/s 41cm/s 41cm/s
比較 39cm/s 55cm/s 22cm/s

本発明における溶融金属の流速測定方法の処理フローを例示する図である。 本発明における溶融金属の流速測定装置の実施形態を例示する図である。 従来の溶融金属の流速測定装置を例示する図である。 従来の溶融金属の流速測定装置を例示する図である。 従来の溶融金属の流速測定装置を例示する図である。 従来の溶融金属の流速測定装置に用いるブリッジ回路を例示する図である。 従来の溶融金属の流速測定装置を例示する図である。 鋳造幅と電圧との関係を示す図である。 振幅と位相との関係を示す図である。 従来の溶融金属の流速測定装置における上下降流と電圧との関係を示す図である。 本発明の溶融金属の流速測定装置における上下降流と電圧との関係を示す図である。 本実施例の実験装置の概念図

符号の説明

１ 溶融金属
２ 発振器
３ 定電流アンプ
４ 励磁コイル
５ 増幅器
６ フィルター
７ 加算器
８ フィルター
９ 流速演算手段
１０ ロックインアンプ
X1,X2 水平磁場検出コイル（水平磁場検出手段）
Z 垂直磁場検出コイル（垂直磁場検出手段）
S、S1,S2 水平磁場検出コイル

Claims (2)

1. 連続鋳造設備の鋳型下の短辺の鋳片内の溶融金属の流速測定装置であって、
   溶融金属の表面に対してほぼ垂直に垂直磁場を印加する垂直磁場印加手段と、前記垂直磁場を検出する垂直磁場検出手段と、
   前記溶融金属の表面に対してほぼ平行な磁場を検出する平行磁場検出手段と、
   前記垂直磁場の検出値と前記平行磁場の検出値との比率を計算し該比率を用いて溶融金属の流速演算手段とを有し、
   前記水平磁場検出手段が2以上設けられており、かつ、各々の水平磁場検出手段で検出した水平磁場の加算結果が零とならないように調整することを特徴とする溶融金属の流速測定装置。
2. 前記垂直磁場検出手段が前記水平磁場検出手段の上部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の流速測定装置。

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