JP4688755B2

JP4688755B2 - 鋼の連続鋳造方法

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Publication number: JP4688755B2
Application number: JP2006222544A
Authority: JP
Inventors: 新一福永; 裕彦奥村; 公久岸上; 祐二平本; 和文田畑; 研二川村; 順一衣袋
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-08-17
Filing date: 2006-08-17
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2026-08-17
Also published as: JP2008043981A

Description

本発明は、鋼の連続鋳造方法に係り、更に詳細には、高速で連続鋳造を行う場合に懸念される鋳型内凝固シェルの異常を的確に捉え、多大な生産障害となる鋳型直下での溶鋼漏れトラブルを未然に防止して、高効率かつ高生産性を実現できる鋼の連続鋳造方法に関する。

一般に、鋼の連続鋳造では、連続鋳造用鋳型（以下、単に鋳型ともいう）内に注入された溶鋼を冷却し、凝固シェルを形成させながら製造される鋳片を、鋳型から引き抜いている。この鋳型から引き抜かれた鋳片は、更に二次冷却帯で冷却され、連続鋳造機の末端に至るまでに完全に凝固される。
このような連続鋳造においては、鋳型内で形成される凝固シェルの成長の安定化が極めて重要であり、これが製品の品質及び生産性に最も影響を及ぼしている。特に近年、製品の生産性向上に向けて、連続鋳造の高速化が進められているが、この高速化に伴って、鋳型内で形成される凝固シェルの厚みが従来よりも薄くなり、凝固シェルの成長が不安定になり易くなっている。
このように、凝固シェルの成長が不安定な場合、凝固シェルが破れ、未凝固の溶鋼が流出するブレークアウト（以下、ＢＯともいう）が発生し、例えば、鋳造操業の中断又は長時間の休止、更には設備損傷のような事故を招く恐れがある。
そこで、このＢＯを防止することが重要な課題であった。

この問題を解決するべくＢＯを予知する方法として、例えば、特許文献１〜３には、鋳型を構成する銅板に複数の熱電対を埋設し、これら熱電対の温度変化、隣接した熱電対の温度変化、又はそのパターンを検出して、予め特定した温度変化又はパターンになった場合に、ＢＯが発生すると予知する方法が提案されている。
また、特許文献４には、小径の熱電対を銅板の表面近くまで複数埋設し、上記と同様熱電対の温度変化を検出し、パウダーの潤滑状態を判定し、ＢＯの発生を予知し予防する方法が提案されている。
このように、鋳型の温度分布を測定する手段としては、熱電対のようにスポット温度を測定できる検出端を、銅板に多数埋め込む方法が一般的である。
更に、特許文献５には、熱電対の代替として、ラマン散乱型の光ファイバー式温度センサーを用いる方法が提案されている。

特開昭６０−４４１６３号公報特開昭６０−６１１５１号公報特開２００１−１６２３５８号公報特開平１１−９０５９９号公報特開平９−４７８５５号公報

しかしながら、前記従来の方法には未だ解決すべき以下のような問題があった。
引用文献１〜４の方法では、ＢＯの検知能を向上させるために、銅板に多数の熱電対を埋設する必要がある。このため、例えば、熱電対を埋設する作業、又はこれを保守点検する作業に多くの労力が必要となり、また、コストも高騰化し、作業性も劣るという問題を有している。
また、この従来技術では、鋳型に凝固シェルが焼付き拘束されて略Ｖ字状等に破断し、鋳型内で溶鋼が流出するような、比較的広い範囲で鋳型の温度変化が検出される拘束性のＢＯについては予知可能である。しかし、凝固収縮の大きいＣ含有量０．０８〜０．１４質量％の包晶域の鋼種の鋳造、又はＮｂ、Ｖのような特殊元素を含有する鋼種の鋳造、あるいは高速鋳造時の鋳型コーナー近傍の凝固遅れに伴うＢＯについては、上記した拘束性のＢＯのように、凝固シェルがＶ字状に破断する現象が小さい。このため、温度異常を間隔の広がった熱電対で検知することは極めて難しく、また仮に検知できたとしても、その検知するタイミングが遅れ、対応が間に合わないという問題が発生する。

更に、連続鋳造の高速化に伴い、タンディッシュから鋳型内に溶鋼を注入するために使用している浸漬ノズルからの吐出流速が増大し、吐出流が鋳型の短片部材に衝突するため、図１２（Ａ）に示すように、例えば、鋳型のコーナー部周辺に形成される凝固シェルが再溶解して凝固遅れが発生する。
これにより、鋳型のコーナー部近傍に形成される凝固シェルの厚みに大きな不均一が生じるため、凝固収縮により凝固シェルの厚みが薄いコーナー部に割れが発生したり、またコーナーブリード（即ち、溶鋼の染み出し）が発生し易くなる。そして、これが更に拡大すると、図１２（Ｂ）に示すように、鋳型の下方でコーナー割れが生じて、鋳型内の未凝固状態の溶鋼が一気に流出するＢＯに至る。

このような、コーナー割れとコーナーブリードの発生は、鋳型のコーナー部で発生するため、温度センサーを鋳型のコーナー部へ埋設する必要がある。
しかし、通常、鋳型のコーナー部は、凝固シェルの収縮によって、エアーギャップが発生し易いため、温度のばらつきが大きく安定しない（温度変動が激しい）。従って、このような現象の温度異常を、通常の拘束性のＢＯの検知方法と同様の方法で判定しようとした場合、凝固シェルが破断し溶鋼が鋳型と凝固シェルとの間で流出したかどうかの判定ができない。
また、凝固シェルの破断が無いにも関わらず、鋳型が温度変動（上昇）してＢＯと誤認するような検知が多発するという問題が発生する。
このため、この部分を避けて鋳型に熱電対が埋設されている。

また、熱電対のコーナー部への埋設は、銅板の冷却構造上からも難しく、表面温度への影響、即ち鋳型内の凝固へ及ぼす影響が発生し易いことからも、コーナー部への取付けを避けることが一般的である。
そのため、一般的には、コーナー割れ起因によるＢＯの対策として、例えば、鋳型の短片部材の銅板のテーパーを大きくし、コーナー部の凝固遅れを抑制する手段を用いたり、またタンディッシュ内の溶鋼温度が高い場合は、鋳造速度を低下させて、短片部材側で形成される凝固シェルの再溶解現象を抑制するような操業での対応が実施されているのが実情である。

なお、特許文献５の方法では、測定したい場所をスポットで測温することは困難であり、所定長さの平均温度でしか評価できないため、鋳型からの熱の応答遅れ又は鋳型の温度上昇を見逃し易く、ＢＯの発生を抑制することは極めて困難である。また、ＢＯの検知精度を向上させるために、光ファイバーセンサーを銅板の表面近くに埋設すると、１５０℃程度で光ファイバーセンサーの周囲に被覆された樹脂からＨ_２ガスが発生し、光ファイバーセンサーを劣化させるという問題が発生する。通常、銅板の表面温度は、高速鋳造時に４００℃程度まで上昇するため、光ファイバーセンサーが熱で損傷し、センサーとして機能できなくなる。そのため、鋳片の生産を中断し、鋳型交換を行うためのロス時間が必要となり、更に光ファイバーセンサーを交換しメンテナンスするために鋳型の解体作業を行わなければならず、膨大なメンテナンス費用が必要になるという問題が発生する。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、例えば、凝固収縮の大きいＣ含有量０．０８〜０．１４質量％の包晶域の鋼種の鋳造、又はＮｂ、Ｖのような特殊元素を含有する鋼種の鋳造、あるいは高速鋳造化を行う場合に、懸念される凝固シェルの異常、特に鋳型のコーナー部周辺の凝固遅れに伴うブレークアウトを未然に防止し、高効率かつ高生産性を実現できる鋼の連続鋳造方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る鋼の連続鋳造方法は、連続鋳造用鋳型へ供給された溶鋼を凝固させながら、該連続鋳造用鋳型の下方へ引き抜き鋳片を製造する鋼の連続鋳造方法において、
前記連続鋳造用鋳型の前記溶鋼との接触面から板内部へ１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内には、内径が０．２ｍｍ以上６ｍｍ以下の金属製管材で保護され、該金属製管材の断面空隙率を４０％以上９９．７％以下にする光ファイバーセンサーが配置され、しかも前記光ファイバーセンサーが前記連続鋳造用鋳型の温度変化による光の波長変化を検出可能な検知部を備えるセンサーであり、前記光ファイバーセンサーで前記連続鋳造用鋳型の温度変化を測定する。

本発明に係る鋼の連続鋳造方法において、前記検知部は、前記光ファイバーセンサーの長さ方向に間隔を有して複数設けられていることが好ましい。
本発明に係る鋼の連続鋳造方法において、前記金属製管材は、前記鋳片の引き抜き方向に沿って配置され、しかも該金属製管材には前記光ファイバーセンサーが複数挿入され、該各光ファイバーセンサーの前記検知部が前記鋳片の引き抜き方向の異なる位置にそれぞれ配置されていることが好ましい。
本発明に係る鋼の連続鋳造方法において、前記金属製管材は、前記鋳片の引き抜き方向に沿って配置され、しかも該金属製管材には前記光ファイバーセンサーが複数挿入され、該各光ファイバーセンサーの前記検知部の少なくとも２個が前記鋳片の引き抜き方向の同一位置に配置されていることが好ましい。

本発明に係る鋼の連続鋳造方法において、前記連続鋳造用鋳型は、間隔を有して対向配置され、しかも該間隔を可変可能な一対の短片部材と、該各短片部材を幅方向両側から挟み込んだ状態で対向配置される一対の長片部材とを有し、前記光ファイバーセンサーは、前記短片部材の幅をＬとした場合、該短片部材の端から０．０２Ｌ以上０．２Ｌ以下の範囲内に配置されていることが好ましい。
本発明に係る鋼の連続鋳造方法において、前記連続鋳造用鋳型には、前記光ファイバーセンサーと熱電対を含む２種類以上の温度測定用センサーが設置されていることが好ましい。

請求項１〜６記載の鋼の連続鋳造方法は、金属製管材で保護された光ファイバーセンサーを、連続鋳造用鋳型の溶鋼との接触面側から所定の範囲内の板内部に配置するので、光ファイバーセンサーの損傷を抑制すると共に、凝固過程にある鋳片からの熱応答性を良好にできる。
また、金属製管材の大きさを規定することで、金属製管材内への光ファイバーセンサーの挿入時における作業性を良好にできると共に、金属製管材を配置する連続鋳造用鋳型の変形及び冷却性能への影響を少なくできる。
そして、光ファイバーセンサーが挿入された金属製管材の空隙率を規定することで、凝固過程にある鋳片の熱応答性を良好にできると共に、鋳型や金属製管材の熱膨張による光ファイバーセンサーへの歪の影響を少なくできる。
この光ファイバーセンサーは、光の波長変化を検出するセンサーであるので、他の光ファイバーセンサーと比較して、熱電対のようなスポット測温（例えば、１０ｍｍ範囲内の測温）が容易であり、鋳型からの熱の応答性を向上でき、連続鋳造用鋳型の温度変動を容易に捉えることができる。また、測定したい箇所へ検知部を配置することで、任意の位置で温度測定と歪測定が可能となる。
これにより、例えば、凝固収縮の大きい鋼種の鋳造、又は特殊元素を含有する鋼種の鋳造、あるいは高速鋳造化を行う場合に、懸念される凝固シェルの異常、特にコーナー部周辺の凝固遅れに伴うブレークアウトを未然に防止し、高効率かつ高生産性を実現できる。

請求項２記載の鋼の連続鋳造方法は、検知部が、光ファイバーセンサーに複数設けられているので、連続鋳造用鋳型の複数箇所の温度測定を容易にでき、温度変動の検出精度を向上できる。
請求項３記載の鋼の連続鋳造方法は、各光ファイバーセンサーの検知部が、鋳片の引き抜き方向の異なる位置にそれぞれ配置されているので、連続鋳造用鋳型の温度変動の検出精度を更に向上できる。
請求項４記載の鋼の連続鋳造方法は、各光ファイバーセンサーの検知部の少なくとも２個が、鋳片の引き抜き方向の同一位置に配置されているので、例えば、検知部の１個が損傷した場合においても、他の検知部により検出できる。

請求項５記載の鋼の連続鋳造方法は、光ファイバーセンサーを、短片部材の所定位置に配置するので、短片部材のコーナー部周辺の凝固シェルに発生した異常を確実に検知できる。
請求項６記載の鋼の連続鋳造方法は、鋳型に、光ファイバーセンサーと熱電対を含む２種類以上の温度測定用センサーが設置されているので、各温度測定用センサーの特性に応じた使い分けを行うことで、より安定した操業が可能になる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の一実施の形態に係る鋼の連続鋳造方法に使用する連続鋳造用鋳型の説明図、図２（Ａ）はＦＢＧセンサーの設置位置を示す鋳型の部分平面図、（Ｂ）はＦＢＧセンサーの設置位置とコーナー部凝固シェル異常検知指数との関係を示す説明図、図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれＦＢＧセンサーの斜視断面図、側断面図、図４はＦＢＧセンサーの熱応答性を検討した実験装置の説明図、図５（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれＦＢＧセンサーの応答時間と金属管内の空隙率との関係を示す説明図、図６はＦＢＧセンサーの温度測定誤差と金属管内の空隙率との関係を示す説明図、図７（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ金属管内に配置された複数のＦＢＧセンサーのグレーティング部の配置の説明図、図８はＦＢＧセンサーによる温度測定システムの説明図、図９はＦＢＧセンサーが設置された鋳型の部分斜視図、図１０（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれＦＢＧセンサーの設置位置を示す説明図である。

図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る鋼の連続鋳造方法は、連続鋳造用鋳型（以下、単に鋳型ともいう）１０へ供給された溶鋼を凝固させながら、鋳型１０の下方へ引き抜き鋳片を製造する方法であり、金属製管材（以下、単に金属管ともいう）１１で保護された光ファイバーセンサーの一例である光ファイバーグレーティングセンサー（以下、単にＦＢＧセンサーともいう）１２を鋳型１０に配置して、鋳型１０の温度変化を測定する方法である。以下、詳しく説明する。

鋳型１０は、間隔を有して対向配置され、しかもこの間隔を製造する鋳片の大きさに応じて可変可能な一対の短片部材（短辺部材ともいう）の一例である短片銅板１３（以下、単に銅板ともいう）と、各短片銅板１３を幅方向両側から挟み込んだ状態で対向配置される一対の長片部材（長辺部材ともいう）の一例である長片銅板１４（以下、単に銅板ともいう）とを有している。
それぞれ溶鋼との接触面（表面）側に配置される短片銅板１３と長片銅板１４の裏面側にはそれぞれバックプレート（図示しない）が配置されており、銅板の裏面側に多数形成された溝状水路へ冷却水を流すことで、短片銅板１３と長片銅板１４を冷却している。
なお、鋳型は、上記構成のものに限定されるものではなく、例えば、一対の短片部材の間隔が固定されたものでもよく、また、上下方向に貫通した開口部を備えるものでもよい。

上記したように、各銅板は一般的に水冷されているが、高速鋳造中の銅板の表面温度は、３５０℃以上４５０℃以下程度まで上昇する。一方、従来使用されている温度測定用センサーである熱電対は、耐熱性に劣るため、銅板の表層部への設置ができない。
また、熱電対は、銅板を固定しているバックフレームを貫通して埋設されるため、銅板をメンテナンス（例えば、改削）するときに、一旦、熱電対を銅板から取外し、銅板の熱電対取付け孔先端にある熱電対の溶接跡をきれいに削る必要がある。
このため、熱電対は、通常銅板の溶鋼との接触面から銅板内部へ１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下程度の場所に埋設されており、熱応答性が３〜５秒程度遅いという問題があった。
これに対し、本実施の方法では、ＦＢＧセンサー１２を金属管１１で保護して鋳型１０に埋設することで、５００℃でもＦＢＧセンサー１２が損傷しないため、銅板表層部への設置も可能であり、安定した温度測定と歪測定が可能になる。従って、ＦＢＧセンサー１２を設置する位置を、熱応答性を遅延させない深さ、即ち鋳型１０の溶鋼との接触面から銅板内部（厚み方向）へ１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内、好ましくは、下限を３ｍｍ、更には５ｍｍ、上限を１７ｍｍ、更には１５ｍｍとする。

このＦＢＧセンサー１２は、鋳型１０のコーナー部に相当する短片銅板１３の幅方向両端部に、鋳片の引き抜き方向（鋳片の鋳造方向）に沿って上下方向に設置している。ここで、ＦＢＧセンサーは、銅板の表面からその深さ方向（厚み方向）に渡って複数箇所設置してもよく、また、長片部材の銅板に設置してもよい。
ＦＢＧセンサー１２は、短片銅板１３の幅をＬとした場合、短片銅板１３の端から０．０２Ｌ以上０．２Ｌ以下（０．０２×Ｌ以上０．２×Ｌ以下）の範囲内に配置している。
短片銅板のコーナー部周辺の凝固シェルの異常を検知するためには、短片銅板の幅に対するＦＢＧセンサーの埋設位置が極めて重要である。このため、本発明者らは、長期間に渡る実機試験によって、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ＦＢＧセンサーの埋設位置Ｘを、短片銅板の幅方向端から０．０２Ｌ以上０．２Ｌ以下の範囲内にすることで、凝固シェルの異常を的確に検出することが可能となることを確認した。なお、図２（Ｂ）の縦軸のコーナー部凝固シェル異常検知指数とは、コーナー部周辺の割れ又は溶鋼の表面への染み出しを実際に検知した回数を指数化したものである。

ＦＢＧセンサーの埋設位置Ｘが、短片銅板の幅方向の端から０．０２Ｌ未満の場合、銅板端部への孔又は溝加工が難しくなるため、長片銅板との突合せ面に孔が露出したり、またＦＢＧセンサーを挿入している金属管が露出し易くなる。従って、鋳型の長時間の使用の際に、鋳造中の潤滑剤として使用しているパウダーの侵入による腐食又は鋳型準備時の清掃等で、例えば水の浸入の問題が発生する。更に、鋳片のコーナー部の凝固シェルの収縮による温度変動の影響を受け易いという問題もあり、図２（Ｂ）に示すように、コーナー部凝固シェル異常検知指数が低くなる。
一方、ＦＢＧセンサーの埋設位置Ｘが、短片銅板の幅方向の端から０．２Ｌを超える場合、鋳片のコーナー部での凝固シェルの異常時に、銅板の温度上昇が伝播しにくく、また熱応答性も大幅に低下するため、コーナー部凝固シェル異常検知指数が低くなる。
以上のことから、ＦＢＧセンサーの埋設位置を、０．０２Ｌ以上０．２Ｌ以下の範囲内としたが、好ましくは、下限を０．０５Ｌ、上限を０．１５Ｌ、更には０．１０Ｌとする。

光ファイバーセンサーとして散乱光を活用したものは、熱電対のようなスポット測温が難しく、通常１ｍ平均温度での測定が一般的であり、連続鋳造用鋳型の銅板の温度変動を的確に捉えることは難しい。特に、高速鋳造の際に鋳型内の凝固シェルの異常を検出するためには、最低でも２秒以内に各測定箇所の温度判定が必要であるが、測定したいポイントが増加するほど、平均化処理又は測定箇所の切り替えに時間を要するので、極めて難しいという問題がある。
通常、鋳型内の溶鋼湯面レベルから鋳型下端までの鋳型長さは、約８００ｍｍ程度である。なお、拘束性のＢＯを予知するための最も下端の熱電対埋設位置は、鋳型下端から上方へ３５０ｍｍ程度の位置に設けられている。従って、この下端位置の熱電対が凝固シェルの異常を検知してから、その凝固シェルが鋳型下端に到達する時間は、鋳造速度２．０ｍ／分の場合、１０秒（＝３５０ｍｍ／３３ｍｍ／秒）程度である。
このため、異常を検知してからブレークアウト（以下、ＢＯともいう）を防止するには、鋳造速度を緊急に減速し、凝固シェルの増大による凝固シェル破断部の修復を行う必要があるため、各温度測定箇所の熱応答性は極めて重要である。

この問題に対し、本実施の形態では、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、光ファイバーセンサーとして、鋳型の温度変化による光の波長変化を検出可能なグレーティング部（検知部の一例）１５を備える光ファイバーグレーティングセンサー１２を使用している。
ＦＢＧセンサー１２は、純度の高い石英で構成されたクラッド１６（外径が例えば１２５μｍ程度）と、その中央部に設けられＧｅ（ゲルマニウム）をドープした石英で構成されたコア１７（外径が例えば１０〜５０μｍ程度）と、クラッド１６の周囲を覆って機械的な補強と耐水性を確保するための例えば、ポリイミド樹脂製又は紫外線硬化樹脂製の樹脂部材１８（外径が例えば１５５〜９００μｍ程度）とで構成されている。

図３（Ｂ）に示すように、グレーティング部１５は、幅が例えば約１０ｍｍ程度の結晶化されたものであり、ＦＢＧセンサー１２の長さ（繊維）方向途中位置、即ちクラッド１６とコア１７の途中位置に設けられている。なお、グレーティング部１５は、ＦＢＧセンサー１２の長さ方向に１箇所設けられているが、ＦＢＧセンサー１２の長さ方向に間隔を有して複数設けてもよい。
このグレーティング部１５を、銅板の温度を測定したい位置に合わせて設置することで、グレーティング部１５を中心として１０ｍｍ範囲内でのスポット測温が可能となり、鋳型１０からの熱の応答性も向上する。また、測定したい箇所へグレーティング部１５を配置することで、任意に温度測定と歪測定が可能となる。

上記したように、クラッド１６の周囲には、耐熱温度が１５０〜２００℃程度の樹脂部材１８が被覆されているため、ＦＢＧセンサー１２を高温状況下でそのまま使用すると、樹脂部材１８中のＨ_２ガスが、クラッド１６とコア１７を劣化させるというＦＢＧセンサー１２の最大の問題が発生することになる。そこで、樹脂部材１８で被覆されたＦＢＧセンサー１２を予め炉の中に入れ、樹脂部材１８を例えば１００〜２００℃程度で焼く加熱処理を施し、炉中で発生する樹脂部材１８中のＨ_２ガスを炉中で吹き飛ばす。そして、この加熱処理されたＦＢＧセンサー１２を、金属管１１の中に挿入することで、銅板の温度が５００℃まで上昇しても、長期的に安定した温度測定と歪測定が可能であるという知見を得た。
その結果、ＦＢＧセンサー１２の最大の課題であった耐熱性を大幅に改善することが可能となり、鋳造中に約３００〜５００℃まで上昇する銅板でも、センサーとして使用できる。

ＦＢＧセンサー１２を保護する金属管１１は、Ｃｕ、Ｃｕ合金（例えば、Ｃｒ−Ｚｒ−Ｃｕ合金）、ステンレス、又は鉄で構成され、その内径は、０．２ｍｍ以上６ｍｍ以下である。
ここで、内径が０．２ｍｍ未満の場合、内径が小さくなり過ぎるため、金属管の中にＦＢＧセンサーを入れることが難しくなり、例えば、製造工程が複雑化したり、また作業時間がかかるため、生産性が大幅に低下するという問題が発生する。
一方、内径が６ｍｍを超える場合、金属管が大きくなり過ぎるため、金属管の影響で鋳型の表面温度の均一性が悪くなり、凝固の不均一が発生して、鋳片の表面割れが発生する。特に、金属管を鋳型のコーナー部へ設置する場合には、鋳型コーナー部の温度が上昇して鋳型コーナー部が変形し、短片銅板のコーナー部が熱変形を繰り返す結果、短片銅板と長片銅板との突合せ面に隙間が形成される。この隙間が大きくなると、隙間への地金差しが発生するため、鋳造時に形成される凝固シェルを引きちぎり、ブレークアウトが発生するという問題も発生する。

以上のことから、金属管の内径を、０．２ｍｍ以上６ｍｍ以下としたが、下限を０．５ｍｍ、更には１ｍｍとすることが好ましく、上限を５ｍｍ、更には３ｍｍとすることが好ましい。
このように、金属管の外径は極めて小さく、その中にＦＢＧセンサーを複数本挿入できるため、熱電対のように埋設場所が制限される恐れがない。
また、埋設方法についても、従来使用している熱電対のように、バックプレートを介することなく銅板単体に埋設することが可能であり、メンテナンス性も格段に向上し、大幅なコスト改善が可能となる。

なお、ＦＢＧセンサーを金属管に挿入するに際しては、金属管とＦＢＧセンサーとの間に形成される空隙が、温度変化に対する応答性と金属管の熱膨張によるＦＢＧセンサーへの歪に影響を及ぼす。そこで、直径０．２５ｍｍの紫外線硬化樹脂被覆の素線と、直径０．１５５ｍｍのポリイミド樹脂被覆の素線とをＦＢＧセンサー１２ａとし、また外径が８ｍｍから０．４ｍｍ、内径が６ｍｍから０．２ｍｍの様々な銅管１９を金属製管材として、銅管１９にＦＢＧセンサー１２ａを挿入し、温度変化に対する応答性を調査した結果について説明する。
なお、試験は、図４に示すように、銅管１９の外表面と銅管１９内にＦＢＧセンサー１２ａをそれぞれ取付け、８０℃の温水２０に浸漬して、銅管１９の外表面で検知した時間に対する銅管１９内で検知した時間の遅れを１０ｍ秒毎に測定した。この遅れ時間、即ち応答時間は、０．５℃以上の差が生じた（上昇した）時間である。

ＦＢＧセンサー１２ａとして使用した紫外線硬化樹脂被覆の素線とポリイミド樹脂被覆の素線の結果を、図５（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ示す。なお、図５（Ａ）、（Ｂ）の横軸は、銅管１９内の断面空隙率ΔＳであり、以下の式で求めた。
ΔＳ＝｛（ＫＳ−ＦＳ）／ＫＳ｝×１００
ΔＳ：銅管内の断面空隙率（％）
ＫＳ：銅管内の断面積（ｍｍ^２）
ＦＳ：ＦＢＧセンサーの断面積（ｍｍ^２）

前記したように、鋳型における制御用測温速度として、最大１秒程度しか許容されないことを考慮すると、図５（Ａ）、（Ｂ）から明らかなように、空隙率が９９．７％以下であれば、応答時間１秒以内の条件を満足することが分かる。
一方、空隙率は、小さいほうが応答性が改善されることは予想できるが、ＦＢＧセンサーは、銅管の熱膨張による歪の影響を避けるために、銅管と分離している必要があるので、実用上は僅かな間隙が必要である。この隙間がないと、銅管の熱膨張を検知してしまい、温度測定が不能となる。

また、熱電対とＦＢＧセンサーとを使用し、空隙率の影響について調査した結果を、図６に示す。なお、図６の縦軸に示す温度測定誤差は、熱電対とＦＢＧセンサーで同じ位置を測定したときの熱電対とＦＢＧセンサーの測定温度の差であるため、この温度測定誤差が小さいほど、ＦＢＧセンサーによる測定精度が良好であることになる。
図６に示すように、銅管の空隙率が４０％以上９９．７％以下のときに、温度測定誤差が小さくなり、熱電対とＦＢＧセンサーの測定温度の差がほとんどなく良好である結果が得られた。
以上のことから、金属管の断面空隙率を４０％以上９９．７％以下としたが、好ましくは、下限を７５％とし、上限を９９．５％、更には９０％とする。

ここで、上記した条件を満足しながら、金属管に複数本のＦＢＧセンサー１２を挿入する方法としては、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示す方法がある。
図７（Ａ）は、各ＦＢＧセンサー１２に、１箇所のグレーティング部１５が設けられたものを使用したときの説明図である。
図７（Ａ）に示すように、金属管には、複数のＦＢＧセンサー１２が挿入され、各グレーティング部１５は異なる位置にそれぞれ配置されている。なお、金属管は、鋳片の引き抜き方向に沿って配置されているので、各グレーティング部１５は、鋳片の引き抜き方向の異なる位置にそれぞれ配置され、鋳片の引き抜き方向に渡って一定間隔で測定できる。

図７（Ｂ）に示すように、金属管には、複数のＦＢＧセンサー１２が挿入され、各ＦＢＧセンサー１２には、１箇所のグレーティング部１５が設けられ、各グレーティング部１５の少なくとも２個（ここでは、２個）が、同一の測温位置に配置されている。なお、金属管は、鋳片の引き抜き方向に沿って配置されているので、対となる２個のグレーティング部１５は、鋳片の引き抜き方向の同一位置の測温ができる。
例えば、断線又は測定不良のような損傷が発生した場合、従来使用していた熱電対では、損傷箇所の温度測定が不可能となっていた。しかし、この場合、同一箇所の温度を２本のＦＢＧセンサー１２で測定しているので、仮に１本が不良になっても、もう１本のＦＢＧセンサー１２が温度測定を行いバックアップすることが可能である。
また、図７（Ｃ）は、複数の光ファイバーグレーティングセンサー２１のそれぞれに、周波数（波長）の異なる複数のグレーティング部（検知部の一例）２２〜２７が、その長さ方向に間隔を有して設けられたときの説明図である。これにより、多点測定を容易に実施できる。

ここで、ＦＢＧセンサー１２による温度測定システム３０について説明する。
図８に示すように、温度測定システム３０は、複数の金属管１１入りＦＢＧセンサー１２と、各ＦＢＧセンサー１２が接続された光チャンネルセレクタ３１と、この光チャンネルセレクタ３１が光通信ケーブル３２を介して接続されたＦＢＧアナライザ３３と、光チャンネルセレクタ３１とＦＢＧアナライザ３３が電気通信ケーブル３４を介して接続されたコンピュータ３５とを有している。

このように構成することで、ＦＢＧアナライザ３３から発光される広帯域のレーザ光は、一本の光通信ケーブル３２を通して、光チャンネルセレクタ３１に導入される。そして、ＦＢＧセンサー１２のグレーティング部１５にて、温度変化に比例して周波数シフトを生じた特定の波長のレーザ光のみが反射され、光チャンネルセレクタ３１と光通信ケーブル３２を介して、ＦＢＧアナライザ３３に戻ってくる。
このＦＢＧアナライザ３３では、この後方反射光を分波して波長を測定し、測定された波長データを電気通信ケーブル３４を介してコンピュータ３５に伝送し、所定の温度換算処理を行って温度データとする。

そして、コンピュータ３５に特定のプログラムを実行させることにより、ＦＢＧアナライザ３３と光チャンネルセレクタ３１へのコマンド、測定データに対する経時的処理と所定の閾値に対する警報出力が可能になる。ここで、コンピュータ３５でのデータ処理時間と、ＦＢＧアナライザ３３の処理時間と、光チャンネルセレクタ３１の切り替え時間及び通信時間の合計時間が、１秒以内であることが肝要であり、各機器の稼動条件及びデータ処理の条件を適切に設計する必要がある。なお、比較的長時間を必要とする光チャンネルセレクタの適用は、測定点数を増減することによって、適時判断すべきである。
温度測定システムは、上記した構成に限定されるものではなく、例えば、光ファイバーグレーティングセンサーからの後方反射光の切り替え装置、又は温度に変換する装置を有するものを使用することもできる。

図９、図１０（Ａ）に示す鋳型１０ａには、金属管１１で保護したＦＢＧセンサー１２と熱電対３６とで構成した温度測定用センサーが設置されている。ここで、ＦＢＧセンサー１２と熱電対３６を含む２種類以上の温度測定用センサーを設置することもでき、このＦＢＧセンサー１２と熱電対３６以外のセンサーとしては、例えば、白金測温抵抗体とサーミスタがある。
金属管１１で保護されたＦＢＧセンサー１２は、Ｖ字状に破断しにくい鋳片のコーナー部の異常を検知可能な位置に設置する。また、熱電対３６は、Ｖ字状に凝固シェルが破断する拘束性のＢＯを検知するため、例えば、１００ｍｍ以上５００ｍｍ以下のピッチで埋設する。これにより、メンテナンス性の向上とコスト低減を図ることができる。
このように構成することで、拘束性のＢＯとコーナー異常（例えば、コーナーブリード又はコーナー部の縦割れによるＢＯ）を独立に判定でき、誤ったＢＯの判定を行われることを防止でき、正確で早期にＢＯの予知が可能となるため、安定した操業が可能となる。

また、鋳型のコーナー部のエアーギャップによる温度変動に対しても、エアーギャップの少ない位置に埋設した熱電対３６とＦＢＧセンサー１２の温度を用いて、コーナー部の温度測定値と比較することで、エアーギャップによる温度変動を把握することが可能となる。
更に、拘束性のＢＯの予知に対しては熱電対３６を使用し、鋳型のコーナー部周辺の異常に対してはＦＢＧセンサー１２を活用することで、現象の異なる異常を異なる温度測定手段によって検出することができ、判定処理時間の短縮や判定ソフトの構築が、安価でかつメンテナンス性も良好なシステムを構築することができる。
なお、ＦＢＧセンサー１２は、図１０（Ｂ）に示すように、銅板の端部に２箇所（複数）設置してもよい。なお、熱電対を使用しない場合は、図１０（Ｃ）に示すように、図１０（Ａ）に示す熱電対の配置位置にＦＢＧセンサー１２を配置してもよい。

以上に示した構成の鋳型の中に、タンディッシュから浸漬ノズルを介して溶鋼を注入し、溶鋼を水冷されている鋳型の銅板によって冷却して、凝固シェルを形成させながら鋳片を引き抜いていく。
この鋳造に際しては、鋳型内のコーナー部周辺に形成される凝固シェルの凝固遅れ等により、鋳片に割れが発生して溶鋼が漏れた場合、ＦＢＧセンサーの後方反射光の強度が変化する。このとき、温度が他の定常部よりも上昇し、予め設定している閾値を超えたと判断された場合、警報が発せられ、鋳造速度を０．５ｍ／分以下まで急激に低下させ、この鋳造速度を一定時間保持するような自動減速処理が行われる。
これにより、開孔した割れ部の凝固が促進され、凝固シェルが修復される。ここで、異常検知後、自動減速処理ではなく、オペレータによる操作によって調整してもよい。
このように、鋳型内での凝固シェルの異常を正確に検知することで、ＢＯを未然に防止することができる。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
短片部材（銅板）の種類を変更した３種類の鋳型を使用し、厚みが２５０ｍｍ、幅が１２００ｍｍで、Ｃ含有量が０．１０質量％、Ｎｂ含有量が０．０３質量％である鋼の鋳造鋳片５０００トンを、鋳造速度１．７ｍ／分で製造した。
図１１（Ａ）に示す鋳型Ａは、温度センサーを全く設置していない銅板ａを組み込んだ鋳型であり、鋳型Ｂは、金属管で保護されたＦＢＧセンサーを、幅Ｌの銅板の端から０．２５Ｌの位置に設置した銅板ｂを組み込んだ鋳型であり、鋳型Ｃは、金属管で保護されたＦＢＧセンサーを、幅Ｌの銅板の端から０．０８Ｌの位置に設置した銅板ｃを組み込んだ鋳型Ｃである。

図１１（Ａ）には、ＢＯ発生指数と生産休止ロス時間指数（生産ロス発生指数）を示しており、ＢＯ発生指数は鋳型Ａの場合を１．０とし、生産ロス発生指数は鋳型Ａの場合を０．８とし、鋳型Ｂと鋳型ＣのＢＯ発生指数と生産ロス発生指数を、それぞれ示している。
図１１（Ａ）に示すように、金属管で保護されたＦＢＧセンサーを設置した鋳型Ｂを使用することにより、温度センサーを全く設置していない鋳型Ａと比較して、ＢＯ発生指数と生産ロス発生指数を低減できた。特に、ＦＢＧセンサーを銅板の端から０．０８Ｌの位置に設置した鋳型Ｃを使用することで、ＢＯ発生指数がほとんど皆無となり、生産休止ロス時間指数も大幅に改善した。

また、図１１（Ｂ）には、鋳片の生産性指数を示した。ここで、従来例は鋳型Ａを使用した場合の結果であり、実施例は鋳型Ｃを使用した場合の結果である。
図１１（Ｂ）から明らかなように、実施例では、従来例と比較して４倍以上の生産性指数を達成できることを確認できた。
以上のことから、本願発明により、凝固シェルの異常、特に鋳型のコーナー部周辺の凝固遅れに伴うブレークアウトを未然に防止し、高効率かつ高生産性を実現できることを確認できた。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の鋼の連続鋳造方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。

本発明の一実施の形態に係る鋼の連続鋳造方法に使用する連続鋳造用鋳型の説明図である。（Ａ）はＦＢＧセンサーの設置位置を示す鋳型の部分平面図、（Ｂ）はＦＢＧセンサーの設置位置とコーナー部凝固シェル異常検知指数との関係を示す説明図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれＦＢＧセンサーの斜視断面図、側断面図である。ＦＢＧセンサーの熱応答性を検討した実験装置の説明図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれＦＢＧセンサーの応答時間と金属管内の空隙率との関係を示す説明図である。ＦＢＧセンサーの温度測定誤差と金属管内の空隙率との関係を示す説明図である。（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ金属管内に配置された複数のＦＢＧセンサーのグレーティング部の配置の説明図である。ＦＢＧセンサーによる温度測定システムの説明図である。ＦＢＧセンサーが設置された鋳型の部分斜視図である。（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれＦＢＧセンサーの設置位置を示す説明図である。（Ａ）は鋳型の種類ごとのＢＯ発生指数と生産ロス発生指数の説明図、（Ｂ）は実施例に係る鋳片の生産性指数を示す説明図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来例に係る鋼の連続鋳造方法を行っている連続鋳造用鋳型の部分平面図、製造される鋳片の斜視図である。

符号の説明

１０、１０ａ：連続鋳造用鋳型、１１：金属製管材、１２、１２ａ：光ファイバーグレーティングセンサー（光ファイバーセンサー）、１３：短片銅板(短片部材)、１４：長片銅板(長片部材)、１５：グレーティング部（検知部）、１６：クラッド、１７：コア、１８：樹脂部材、１９：銅管、２０：温水、２１：光ファイバーグレーティングセンサー、２２〜２７：グレーティング部（検知部）、３０：温度測定システム、３１：光チャンネルセレクタ、３２：光通信ケーブル、３３：ＦＢＧアナライザ、３４：電気通信ケーブル、３５：コンピュータ、３６：熱電対

Claims

連続鋳造用鋳型へ供給された溶鋼を凝固させながら、該連続鋳造用鋳型の下方へ引き抜き鋳片を製造する鋼の連続鋳造方法において、
前記連続鋳造用鋳型の前記溶鋼との接触面から板内部へ１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内には、内径が０．２ｍｍ以上６ｍｍ以下の金属製管材で保護され、該金属製管材の断面空隙率を４０％以上９９．７％以下にする光ファイバーセンサーが配置され、しかも前記光ファイバーセンサーが前記連続鋳造用鋳型の温度変化による光の波長変化を検出可能な検知部を備えるセンサーであり、前記光ファイバーセンサーで前記連続鋳造用鋳型の温度変化を測定することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
請求項１記載の鋼の連続鋳造方法において、前記検知部は、前記光ファイバーセンサーの長さ方向に間隔を有して複数設けられていることを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
請求項１及び２のいずれか１項に記載の鋼の連続鋳造方法において、前記金属製管材は、前記鋳片の引き抜き方向に沿って配置され、しかも該金属製管材には前記光ファイバーセンサーが複数挿入され、該各光ファイバーセンサーの前記検知部が前記鋳片の引き抜き方向の異なる位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
請求項１及び２のいずれか１項に記載の鋼の連続鋳造方法において、前記金属製管材は、前記鋳片の引き抜き方向に沿って配置され、しかも該金属製管材には前記光ファイバーセンサーが複数挿入され、該各光ファイバーセンサーの前記検知部の少なくとも２個が前記鋳片の引き抜き方向の同一位置に配置されていることを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼の連続鋳造方法において、前記連続鋳造用鋳型は、間隔を有して対向配置され、しかも該間隔を可変可能な一対の短片部材と、該各短片部材を幅方向両側から挟み込んだ状態で対向配置される一対の長片部材とを有し、前記光ファイバーセンサーは、前記短片部材の幅をＬとした場合、該短片部材の端から０．０２Ｌ以上０．２Ｌ以下の範囲内に配置されていることを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼の連続鋳造方法において、前記連続鋳造用鋳型には、前記光ファイバーセンサーと熱電対を含む２種類以上の温度測定用センサーが設置されていることを特徴とする鋼の連続鋳造方法。