JP5001461B2 - 光ファイバーによる金型のメニスカスの測定 - Google Patents

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Description

この発明は、金型銅板においてメニスカスの高さに配置されている一つ或いは複数の測定ファイバーによって或いは光ファイバーにより温度検出するプローブ(以下、ドイツ語の技術用語である「ゾンデ」[Sonde]ともいう。)によって金型内のメニスカスを測定する方法に関する。光ファイバーにより温度検出するゾンデ検出された温度によってメニスカスの正確な高さを推論される。この発明は更に適切なゾンデ(プローブ)を包含する。
メニスカスの正確な高さを決定する公知で通常の方法は、金型に収納されている放射性粒子を使用し、検出された光線が金型の種々の高さで測定されて、それによりメニスカスの高さを推論される。測定を改良するために、そのような粒子のより高い密度を金型にもたらすことを可能とする。
そのような方法は、方法がいつも高める光線保護処方に十分でなければならない欠点を有する。放射性粒子の使用は、簡単な保守作業を阻止し、これら材料用の高い供給源を前提とする。さらに、この方法はメニスカス波の形態の決定に適しておらず、これら形態から人は有効な情報を例えば鋳造速度のような他の鋳造パラメータによって獲得され得る。
さらに、金型のメニスカスが熱電対による温度検出によって検出される方法が知られている。
これらの方法は、熱電対が実際に非常に狭い間隔に配置され得ない欠点を有する。さらに、各個々の測定点には、一つの唯一の熱電対が必要とされるので、それにより、より大きい材料費用が生じて、特に大きなケーブル敷設費が生じる。最終的に熱電対は電磁ブレーキ或いは電磁逆コイルの磁界に関して抵抗力がない。その上、金型の規則的交換の際には、ケーブルの面倒な新たな接続が必要であり、取り違いが生じるか、或いは結合が忘れられ得る。
欧州特許第1769864号明細書(特許文献1)は、連続鋳造金型のメニスカスを検出する方法を記載し、この方法にはカメラが使用されて、金型の銅板の背面に向けられ、赤外線領域における金型銅板の変色を検出する。そのような配列に関する欠点は、そのようなカメラシステムが多くの場所を必要とし、さらに、メニスカスの監視が一般に冷却水成分によって金型銅板の後で酷く阻害されることである。赤外線光線を直接に金型銅板の点からカメラに案内するために、光波導体による方法に使用されるならば、人は、カメラに案内されて正しく接続されなければならない光波導体を各測定点に必要とする。
ドイツ特許出願公開第2655640号明細書(特許文献2)は、連続鋳造金型の溶融メニスカスを検出する装置を開示し、感熱磁気材料から成る検出要素が使用される。金型壁の温度変更によって最後にメニスカス高さを推論される。このシステムの大規模な配列は高局部的解像メニスカスの検出を不可能にする。さらに、この方法は、方法が既に上記されたように、極端な磁界に関して故障が起きやすい。多数のこれらの装置により、メニスカス波の形態に関する十分な情報を獲得できない。
欧州特許第1769864号明細書 ドイツ特許出願公開第2655640号明細書
それ故に、提起する技術課題は、上記欠点を除去することである。
上記された技術課題は、この発明によって解決されて、金型のメニスカスの高さを検出するために、温度分布がメニスカスの領域に金型の高さにわたり鋳造方向に検出され、金属を鋳造する金型のメニスカスを測定する方法において、この温度検出が一つ或いは複数の測定ファイバーによって或いは少なくとも一つの測定ゾンデによっての少なくとも一方によって行われ、測定ゾンデが金型銅板に用いられて光波導体(光ファイバー)センサーを包含し、評価装置による検出された温度分布からメニスカスの高さを検出されることを特徴とする方法によって与えられる。
この方法は、金型のメニスカスの確実且つ高局部的解像の検出を可能とする。放射性検出方法の範囲内におけるように、光線方向線が考慮されていないにちがいない。その上、このシステムは、熱電対により可能であるより高い局部的解像を有する。その上、そのようなシステムのケーブル敷設費が省略される。それは周辺磁界に対する故障が起き難い。システムは現金型銅板内に容易に一体化され、同時に再使用できる。
この方法の好ましい実施態様では、金型の下端の領域に鋳造過程を制御するために、少なくとも一つの他の測定ゾンデが温度検出するように配置されて、光ファイバーセンサー或いは熱電対の少なくとも一方を包含する。
そのような好ましい特徴事項は、鋳造過程を制御することを可能とし、光ファイバーセンサーの使用の下で公知の方法に比べて既に述べた利点を有する。
この方法の他の好ましい実施態様では、鋳造方向に対して垂直な幅方向に少なくとも二つの測定ゾンデが配置されているので、メニスカス高さが少なくとも二つの測定箇所で幅方向に検出され得るから、メニスカス波の形状に関する情報が得られ得る。
光ファイバーセンサー或いはゾンデのそのような配列によって高い局部的解像に基づいて、メニスカス波の形状が検出され、それにより鋳造速度を推論され得た。それ故に、制御回路によって例えば電磁ブレーキが制御され得る。
この方法の他の好ましい実施態様では、ファイバーブラッグ格子方法(FBG方法)、或いは光学時刻ドメイン反射方法(OTDR方法)、或いは光学周波数ドメイン反射方法(OFDR方法)が評価するために使用される。
この方法の他の好ましい実施態様では、評価システムのデータが制御システムに再送され、金型内のメニスカス高さが制御できる。
この方法の他に、この発明によると、メニスカスの領域で金属を鋳造する金型の温度検出によってメニスカスの高さを検出するゾンデにおいて、ゾンデが少なくとも一つの光波導体を備えていて、金型の銅板に取付けられ得ることを特徴とする。そのようなソンデの使用によってとにかく上記好ましい効果が得られ得る。
好ましい実施態様では、ゾンデが直方体状であるので、ゾンデが金型銅板の溶融体と反対側面上の溝に取付けられ得る。
他の好ましい実施態様では、メニスカスの方向において銅板に接触するソンデの一部には、複数の平行な溝が設けられていて、メニスカスに対して垂直に延びていて、その溝にはそれぞれに少なくとも一つの光波導体が配置されている。
他の好ましい実施態様では、各溝には少なくとも一つの光波導体が配置されていて、光波導体が長さに応じてずれて溝内に配置されている。
この配列によって測定箇所数がメニスカスに対して更に増加され得る。
他の好ましい実施態様では、ゾンデ(プローブ)が実質的に一つのシリンダの形状を有し、このシリンダの周りに少なくとも一つの光波導体が螺旋状に巻き付けられ、ゾンデ(プローブ)が金型銅板の孔に挿入され得る。
そのような一つのゾンデ(プローブ)上に光波導体を巻き付けることによって、測定箇所の密度がメニスカスに対して垂直に、巻線の密度或いは角度に応じて増加され得る。
他の好ましい実施態様では、複数の光波導体が螺旋状にシリンダに巻き付けられ、波導体がそれぞれに不連続に前後に互いに位置する領域でシリンダ上に巻き付けられる。
他の好ましい実施態様では、ゾンデが金型銅板の溶融体と反対を向いた側面上に配置され得る、或いは金型銅板のスリットに配置され得る板の形状を有し、少なくとも一つの光波導体が金型銅板に接触するゾンデの側面上に配置され得る。
一つのそのようなゾンデが温度情報を幅方向に配達できる。
一つの他の好ましい実施態様では、少なくとも一つの光波導体がメアンダー状及び/又は螺旋状に板上に配置されている。
そのような配列によって、可能な測定箇所の密度が板上で増加され得る。
一つの他の好ましい実施態様では、少なくとも一つの光波導体がゾンデ上で溝に配置されている。
一つの他の好ましい実施態様では、ゾンデが少なくとも一つの光波導体によって形成され、光波導体は直接に金型銅板の少なくとも一つの孔に配置され得る。
次に、短く実施例の図が記載されていて、実施例がその上に続く明細書に詳述して説明される。
金型銅板の一つの溝に取付けるこの発明のゾンデの実施例を示す。 図1aによる測定箇所を備える領域の平面図を示す。 金型銅板の孔に取付けるこの発明のゾンデの他の実施例を示す。 板の形状を有するこの発明のゾンデの他の実施例を示す。 ゾンデの溶融体に向いた側面の平面図で図3aによるゾンデの実施例を示し、一つの光導体ファイバーが螺旋状に板上の溝に配置されている。 図3aによるゾンデの他の実施例を示し、ゾンデの溶融体に向いた側面上で光導体ファイバーが溝にメアンダー状に配置されている。 図3aによるゾンデの他の実施例を示し、実質的に複数の光導体ファイバーが溶融体に向いた側面上の溝に配置されている。 この発明の一実施例による金型の概略的三次元横断面を示し、金型の幅側面の一つの銅板には図1によるゾンデが配置されている。 この発明の他の実施例による金型の概略的三次元横断面を示し、金型の幅側面の一つの銅板の一つの孔には図2によるゾンデが配置されている。 この発明の他の実施例による金型の概略的三次元横断面を示し、金型の幅側面の銅板には、溶融体と反対を向いた側面上に、ゾンデが3a、3b、3c或いは3dの一つのに基づく配置されている; この発明の他の実施例による金型の概略的三次元横断面を示し、金型の幅側面の銅板には、ゾンデが設けられていて、一つの唯一の光波導体から成り、この光波導体がメニスカスに対して垂直に延びている孔に配置されている。
図1aには、ゾンデ11のこの発明の実施例が示されている。実質的に直方体状本体が視覚でき、この本体が上下端にアーチ状に丸くなっている。ゾンデ11には、四つの溝4が設けられていて、それら溝には、それぞれ一つの光波導体(光波導体ファイバー)或いは光ファイバーセンサー2が配置されている。追加的に、測定箇所が示され、これら測定箇所では、温度が検出される。ゾンデ11は例えば金型銅板の溶融体と反対を向いた側面の溝に据付けられるので、光波導体2が溶融体の方向に配光されている。この場合には、ゾンデ11の据付けが行われるので、光波導体2が銅板と直接接触していて、銅板の水冷却部と溶融体との間に溶融体の方向に配置されている。示されたゾンデ11は他の幾何学を有し得て、幾何学が適している限り、金型銅板の溝に据付けられる。これらゾンデ或いは溝ゾンデ11が既に存在するシステムが一体化され得て、ゾンデ(温度監視する現システムに追加しても)が銅板の溝に組立てられる。
図1bは、光波導体2の測定箇所が存在する図1aによる領域の拡大平面図を示す。この実施例では、この領域の全縦寸法は、120mmである。この領域では、四本の互いに並んで位置する光波導体2が配置されている。図示された領域の全幅はおよそ5mmであり、それによりゾンデ11が非常にコンパクトである。個々の平行な光導体2の間隔とそれに伴う測定箇所の幅間隔とがおよそ1mmである。光波導体2の測定箇所3の縦間隔が実施例では4mmである。けれども、光波導体2の図1bに示される好ましいずれは、ゾンデ11の縦方向において測定箇所3が1mmの間隔に存在し、というのは、四本の平行な光波導体2がそれぞれ長さに基づく1mmだけずれて配置されているからである。それにより120mmの長さに120本の測定箇所3が生じる。光波導体2の間隔、ゾンデ11の大きさ、溝4と光波導体2の数並びに測定箇所3の間隔は、用途に応じて別に選択され得るので、測定箇所3の任意の密度が実現され得る。すべての上記寸法は、実施例の一つの良い関係にのみ用いられる。
さらに、局部的解像を改良するために、複数の光波導体ファイバー2をずらして一つの溝4の内部に配置することを可能とする。それにより温度検出の精度が更に改良され得る。
溝4の直径が一般に特に0.5mmと10mmの間に位置するか、或いは用途に応じて数センチメータの大きさである。
図1aと1bに示された光波導体2は、適切な温度利用システムと接続されていて、レザー光が光波導体2に案内され、適した評価方法によって温度がそれぞれの光波導体に沿って検出され得る。光ファイバーによる測定方法用の問題を生じる評価方法では、例えば公知のファイバーブラッグ格子方法(FBG方法)である。この方法では、光波導体2が使用されて、測定箇所が屈折率或いは格子の周期的変動により、或いはそのような変動により、刻み込まれて得る。そのような測定箇所3は図1aと1bに示されている。屈折率のこの周期的変動は、光波導体2が測定箇所3において一定波長用の周期に一致して誘電ミラーを意味することを導く。一つの点における温度変更によってブラッグ波長が変更され、この場合には、この波長が反射される。ブラッグ条件を満たさない光がブラッグ格子によって実質的に影響されない。異なった測定箇所3の種々の信号は、回転差異に基づいて互いに異なっている。そのようなファイバーブラッグ格子並びに適切な評価ユニットの詳述した構成は一般に知られている。局部的解像の精度は刻み込まれた測定箇所の間隔によって与えられている。
選択的に、温度を測定するために、光学周波数ドメイン反射方法(OFDR方法)或いは光学時刻ドメイン反射方法(OTDR方法)が使用され得る。両方法は光ファイバーラーマン逆散乱の原理に基づいていて、一つの光導体2の点における温度変更が光波導体材料のラーマン逆散乱の変更に起因することが利用される。評価ユニット、例えば一つのラーマン反射メータによって温度値が一つのファイバー2に沿って局部的解像されて検出され得て、この方法では、導体2の一定長さに渡って検出される。この方法では、一つの測定箇所3がファイバー2のある領域に渡って延びている。この長さは目下、数センチメータである。異なった測定箇所が光の回転差異によって互いに分離される。上記方法に基づき評価するそのようなシステムの構成は、一般に、レザー光をファイバー2の内部に発生させる必要なレザーのように、知られている。
図2は、この発明による温度を測定するゾンデの他の実施例を示す。示されたゾンデ(プローブ)21は、実質的に長く延びたシリンダ或いはロッドの形状を有し、そのシリンダ或いはロッド上に光波導体2が螺旋状に巻き付けられる。これら光波導体2を同じ形状でシリンダの表面上の溝を設けることが可能である。特に図2には、四本の光波導体2がシリンダ上に巻き付けられる。この場合には、これら四本の光波導体の各個々の光波導体が一つの領域(22,22’,22”,22”’)に配置されていて、この領域はこの一つの光波導体2によってのみで監視される。光波導体の螺旋状配列は、メニスカスに垂直に測定箇所3における大きな密度を可能とし、これは、特にOFDR方法とOTDR方法の際に利点である。光波導体2の接続部は、図面には視覚できない。そのようなゾンデ(プローブ)21が金型銅板の孔に配置されていて、この孔がメニスカスに垂直に形成される。この孔は用途に応じて最小限、光波導体2を含めてゾンデ(プローブ)21の直径より大きく選択すべきである。特に、図2に示されたゾンデ(プローブ)21は、光波導体2を備えた120mmの測定領域を有し、この測定領域はそれぞれ30mmの四つの測定領域(22,22’,22”,22”’)に区分されている。この場合には、示されたゾンデ(プローブ)21はまさに、溶融体に向いた側面には測定箇所3が存在するように巻き付けられている。これら測定箇所3は直線上に位置し、1mmの間隔を有する。それ故に、ゾンデ(プローブ)21に沿って120mmの長さの120個の測定箇所が存在する。その上、一つの光波導体2をゾンデ(プローブ)21の表面上に或いは適切な溝に備えることが可能である。測定領域(22,22’,22”,22”’)における光波導体2の他の数と測定領域(22,22’,22”,22”’)の他の数が可能である。すべての上記程度はより良い関係のみに用いられる。ゾンデ(プローブ)21が金型の各高さに温度を監視するように据付けられるが、しかし、メニスカスの高さに据付けられ、それにより正確なメニスカスの高さの検出が可能とされる。ゾンデ(プローブ)21から集合された情報の利用は、図1aと1bに対する明細書の方法の一つに基づいて行われる。
図3aは、一つのゾンデの他のこの発明の実施例を示す。このゾンデ31が実質的に一つの板の形状を有するか、或いは平面状である。一つのそのようなゾンデ31が銅板の溶融体と反対を向いた側面に据付けられ得るか、或いは銅板のスリットに据付けられ得る。この場合には、ゾンデには、図3b、3cと3dにおいて例として示されるように、光波導体2が適切な溝に配置されていて、それら溝が溶融体の方向において金型銅板と接触している。
この場合には、光波導体2或いは溝の配列は、図3bに示されるように、行われる。その上、光導体2の複数の測定箇所3がFBG方法による評価の場合に視覚できる。類似して、図3a乃至3dのすべての実施例用の評価がOFDR方法とOTDR方法によって行われる。
図3cは図3bと同様な配列を示すけれども、光波導体2或いは溝のメアンダー状配列を備える。メニスカスを監視するために、光波導体2を備えるゾンデ31は、出来るだけ多くの光波導体2がメニスカスに対して垂直に配置されているように配置されていて、それにより正確な高さ測定が可能とされる。その上、板状ゾンデ31上に光波導体2の平面的配列によってメニスカス高さの解像が幅方向に達成され、それによりメニスカス波の形状に渡る情報を維持することがより良くできる。
図3dは、板状ゾンデ31上に光波導体2の配列の他の可能性を示し、二つの或いは複数の光波導体2が螺旋状に板上に或いは溝に配置されている。この場合には、光波導体2がループ状に敷設されているので、同じ箇所において光波導体始端と終端が存在する。
図3a乃至3dに基づく実施例では、複数の光波導体2も一つの溝に設けられている。その上、これら光波導体が縦にずれて配置されていて、測定箇所の数と密度を更に増加させる。
図4は、図1による一つのゾンデ11の据付け状況を概略的に示す。図には金型8の幅広側面の銅板、溶融体7と鋳造管6が視覚できる。鋳造管6が溶融体7内のメニスカスの内部に連通する。金型内の流出する溶融体7と全体に下方へ移動する溶融体7とによって、しばしば一つの波或いは生じる波がメニスカスの高さに形成されている。メニスカスの高さには、図1による一つのゾンデ11が据付けられる。このゾンデ11は金型銅板の溝に据付けられ、特にゾンデが銅板8の温度を溶融体7の方向において測定できるように配置されている。それ故に、図面は概略的なものと見做される。金型の幅広側面に視覚可能な領域5が例えば温度を測定する熱電対が配置されている伸縮ボルトの孔或いは場所にある。けれども、これらはメニスカスを検出するために用いられ得ない。
図5は、図2による一つのゾンデ(プローブ)21の据付け状況を概略的に示す。金型自体の配列は、図4に一致し、しかし、使用されたゾンデ(プローブ)21が金型の幅広側面上の金型銅板8の孔に配置されている。この場合には、ゾンデ(プローブ)21が、図4のゾンデ11と同様に、一つの領域をメニスカスの上部と下部でカバーする。それ故に、ゾンデ(プローブ)21とメニスカス或いは溶融体7の間には、銅板8の銅のみが存在するので、正確な温度検出が可能である。
図6は、金型の幅広側面の金型銅板8における図3による一つのゾンデ31の配列を示す。ゾンデ31は適切な金型銅板8のメニスカスに対して垂直に立つスリットに据付けられ、光ファイバーセンサー2がゾンデ31の側面上に取付けられ、ゾンデが溶融体7に向いている。センサー2を備える板が一般に適切な隙間において金型銅板8の溶融体7と反対を向いた側面上に据付けられる。この場合には、ゾンデ31が測定領域を溶融体7の上部と下部でカバーする。その上、配置されたゾンデ31が情報を鋳造方向に対して垂直に或いはメニスカスの幅広方向に与えられる。それ故に、生じるメニスカス波の形状と変更についての供述が表現され得る。これは、図1、2と7のゾンデによって可能であり、無論、これらゾンデの複数のゾンデがメニスカスに対して垂直にメニスカス高さに配置されている。
図7は、一つの金型銅板8の幅広側面のこの発明のゾンデ41を示す。この場合には、ゾンデ41が一つの光波導体2から成り、この光波導体がメニスカスの領域でメニスカスに対して垂直な孔に配置されている。そのような孔が一つの光波導体或いは一つの光波導体ファイバー或いは、例えば貴金属製の可能な被覆を含める光波導体の直径より僅かに大きい直径を有する。
金型の特殊な特性に応じる実施例のすべてのゾンデの際の測定領域がカバーされて、特に100mmと200mmの間に延びているが、しかし、より大きく或いはより小さく選択され得る。
そのようなゾンデを金型の各高さに、例えば金型の下領域に配置することが考慮できる。この領域は例えば0mmと900mmの間に金型の下辺から延びている。そのような配置されたゾンデにより、鋳造過程がより良く特定されて制御される。
実施例に示されたすべてのゾンデは再使用できる。即ち、ゾンデが規則的に満期になる金型銅板の交換の際に、簡単な種類と形式で構成され得て、光波導体を含めて新たな金型に再成され得て、それはこの発明のゾンデを特に価格の有効なものに形成する。ゾンデが特に熱導体材料から、例えば貴金属或いは銅から成る。
さらに、一般に、光波導体2が外部影響に対する改良された保護のために、一つの貴金属外套を有することが可能である。その上、一般にそのような光導体2の複数の光導体が一つの貴金属外套或いは一つの貴金属ケースに配置されているので、一つのファイバーの稀に生じる欠陥の場合さえ、既にケースに敷設されている他のファイバーが再使用され得る。その上、一つのケースの内部には、複数のファイバーが測定するために配置されていて、それにより測定が更に精度で得られる、というのは、測定箇所の間隔がファイバーのずれによって任意に狭く選択され得るからである。光波導体ファイバー2が特に0.1mmと0.2mmの間の直径、或いはそのような通常の直径を有する。例えば貴金属から成るケースの直径は、通常には5mmより小さい。
その上、光波導体はレンズ継手、所謂「延長ビームコネクタ」を介して評価装置と接続され得る。そのような継手が確実な信号伝達を可能とし、非常に頑丈で且つ簡単に取り扱うことである。
1.....金型
2.....光波導体(光ファイバ)
3.....測定箇所
4.....溝
5.....伸縮ボルト
6.....鋳造管
7.....溶融体
8.....金型銅板
11.....ゾンデ
21.....ゾンデ
22.....第一領域
22’....第二領域
22”....第三領域
22”’...第四領域
31.....ゾンデ
41.....ゾンデ

Claims (8)

  1. 金属を鋳造する金型内でメニスカスを測定する方法であって、金型は金型銅板を備え、メニスカスの高さを検出するために、メニスカスの領域における温度分布が金型の高さに渡って検出され、この温度検出が少なくとも一つの測定プローブによって行われ、検出された温度分布から一つの評価装置によってメニスカスの高さが検出される方法において、
    測定プローブは少なくとも一つの光波導体を備え、しかも、測定プローブはシリンダの形状を有し、このシリンダの周りに前記光波導体が螺旋状に巻き付けられ、この測定プローブが金型銅板の孔に挿入されるものであることを特徴とする方法。
  2. 金型の下端の領域における鋳造過程を制御するために、少なくとも一つの他の測定プローブが温度検出するように配置されていて、光波導体或いは熱電対の少なくとも一方を包含することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 幅広方向において、鋳造方向に対して垂直に、少なくとも二つの測定プローブが配置されているので、メニスカス高さが少なくとも二つの測定箇所に幅広方向に検出され得るから、一つのメニスカス波の形状に関する情報が得られることを特徴とする請求項1或いは2に記載の方法。
  4. 評価装置のデータが金型内のメニスカス高さ制御できる制御システムに再送されることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の方法。
  5. メニスカスの領域における金属を鋳造する金型内で温度検出によってメニスカスの高さを検出するプローブであってこのプローブが少なくとも一つの光波導体を備え、プローブはシリンダの形状を有し、そして、このシリンダの周りに少なくとも一つの光波導体が螺旋状に巻き付けられ、それにより、プローブは金型銅板の孔に挿入されるものであることを特徴とするプローブ
  6. 少なくとも一つの光波導体がプローブ上で溝に配置されていることを特徴とする請求項に記載のプローブ
  7. 請求項5或いは6に記載のプローブが少なくとも一つ組み込まれる、金属を鋳造する金型の金型銅板であって、この金型銅板はメニスカスに対して垂直に設けられた少なくとも一つの孔を備え、この孔の中に少なくとも一つのプローブが挿入されることを特徴とする金型銅板
  8. 請求項7に記載の金型銅板を備えた金型
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