JP7469623B2 - 連続鋳造における鋳片欠陥の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造における鋳片欠陥の検出方法に関し、特にディプレッションと呼ばれる鋳片表面の凹み欠陥を鋳片欠陥として検出する方法に関するものである。

溶融金属を連続鋳造した鋳片の表面には、種々の表面欠陥が発生する。表面欠陥の一種として、ディプレッションと呼ばれる鋳片表面の凹み欠陥が知られている。ディプレッションは、Ｃ含有量が０．０７～０．１８質量％程度のいわゆる包晶カーボン鋼、あるいはＣ含有量が０．５％前後の中炭素鋼において発生し易い。また、連続鋳造条件、例えば鋳型内で使用するモールドパウダーの品質の変化などによって、ディプレッションの発生傾向が変化することがある。

連続鋳造機での鋳片の凹み測定は、高温条件下かつ多量の水蒸気のためにセンサーによる測定は困難である。そのため通常は、連続鋳造後に鋳片を冷却し、冷片を測定するのが一般的である。しかし、この手法ではディプレッション発見までに時間がかかるため、ディプレッションを発見した際にはすでに多くの鋳片を同条件で鋳造してしまっている。そのため、鋳造条件の変化でディプレッションが多発しているような場合、操業条件の適正化が遅れ、多量の鋳片でディプレッション多発異常が発生する結果となっている。

また、ディプレッション箇所は、凝固シェルの窪んだ部分では割れが存在しているリスクを伴う場合が多い。割れが発生した鋳片を、そのまま後工程で圧延を行うと、製品の表面欠陥の原因となることがある。そのため、ディプレッション部を確認し、有害な割れが発生している可能性を除去するためには、鋳片段階でディプレッション深さよりも若干深くハンドスカーフ等で手入れすることが必要である。従来、冷片のディプレッションを目視観察して特定し、割れ発生箇所をハンドスカーフなどで除去する作業を行っていた。この方法では、鋳片表面の全面を詳細に目視観察することが必要であり、手間がかかるとともに、検知漏れが発生しやすいとの問題もあった。

ディプレッションが生成すると、鋳型と鋳片の接触状態が悪化し、鋳型銅板温度が下がる。この温度低下を検知することでディプレッションの発生を検知する方法が知られている。

特許文献１には、Ｃ＝０．０８～０．１５％含有の溶鋼を連続鋳造するに際して連続鋳造鋳型の湯面下所定位置における鋳型壁温度が、正常時の所定値より２０°以上３０°未満下降し、これに続いて上記所定値に向う上昇に変わり、その上昇変化率が２℃／秒を越えることをもって、該鋳型内の凝固シェル表層部に、鋳造後の幅圧延の際割れに連がる縦又は横凹みが発生していることを検出する、モールド内鋳片の凝固収縮による異常凹の検出方法が開示されている。

特許文献２には、モールドの内面の温度を全周に亘って連続的に計測し、測定部位における計測温度曲線が、時間の経過につれて急激に下降した後再び急激に上昇する形態の下向きのピーク波形を示すことをもって縦方向ディプレッションの発生を検知する方法が開示されている。

特許文献３には、鋳型の側面に配置された第１温度センサと、その下流に配置された第２温度センサとを備え、前後して検出された第１温度間の第１温度差が連続して負を示す第１期間、当該期間中の落ち込み度合いを指標化した第１指標を算出するとともに、第１温度センサよりも遅いタイミングで第２温度センサの温度を検出して第２温度差を算出した上で落ち込み度合いを第２指標とし、第１指標と第２指標とを乗算して第３指標を生成し、第３指標に基づいて鋳片の表面にディプレッションが発生したか否かを判定する方法が開示されている。

特公平３－７７９４４号公報 特開平１０－１９３０６５号公報 特開２０１０－２７９９５７号公報

特許文献１、２に記載の方法により、ディプレッションの発生をある程度予知できる一方、有害なディプレッションが発生しているのに検知できない場合（「不検出」という。）、ディプレッション発生を予知したが実際には有害なディプレッションが発生していない場合（「過検出」という。）が、無視できない頻度で発生していた。また、特許文献３に記載の方法は、鋳型の上下に第１温度センサと第２温度センサを設けることが必要であり、検出装置の構成が煩雑となっていた。本発明は、検出装置を過度に煩雑にすることなく、鋳片のディプレッション発生をより精度良く検出することのできる、連続鋳造における鋳片欠陥の検出方法を提供することを第１の目的とする。

ディプレッション箇所は、初期凝固シェルの窪んだ部分では割れが存在しているリスクを伴う場合が多い。従って、鋳片欠陥の検出を行うに際し、ディプレッションの発生予測位置を鋳片表面のマップとして表示することができれば、手入れ操作者が迅速に鋳片表面の割れを発見することができるので好ましい。本発明は、ディプレッションの発生予測位置を鋳片表面のマップとして表示することのできる、連続鋳造における鋳片欠陥の検出方法を提供することを第２の目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
［１］鋼の連続鋳造において、鋳型壁の内部に、鋳片幅方向に横一列に複数の温度センサーを設置し、
予め臨界温度変化速度を負の値として定め、
各温度センサーの測定温度経時変化を時間微分した温度変化速度を求め、前記温度変化速度が前記臨界温度変化速度以下となった時間領域をディプレッション検出時間領域とし、鋳造した鋳片の長さ方向各位置が前記温度センサーを通過した時刻と前記ディプレッション検出時間領域とを対応させて鋳片のディプレッション検出領域とし、鋳片表面におけるディプレッション検出領域を鋳片幅方向と鋳造方向にわたる２次元の領域で特定することを特徴とする、連続鋳造における鋳片欠陥の検出方法。
［２］鋳片幅方向に設けた前記温度センサーのうち、互いに隣接する温度センサーの間の空間については、当該空間で幅方向に温度が直線的に変化するものとして幅方向各位置の温度を推定し、幅方向各位置において前記ディプレッション検出時間領域を求め、ディプレッション検出領域の前記特定に用いることを特徴とする、［１］に記載の連続鋳造における鋳片欠陥の検出方法。

本発明は、鋳型壁の内部に、鋳片幅方向に横一列に複数の温度センサーを設置し、各温度センサーの測定温度経時変化を時間微分した温度変化速度を求め、温度変化速度があらかじめ定めた臨界温度変化速度以下となった時間領域をディプレッション検出時間領域とし、鋳造した鋳片の長さ方向各位置が前記温度センサーを通過した時刻とディプレッション検出時間領域とを対応させて鋳片のディプレッション検出領域とし、鋳片表面におけるディプレッション検出領域を鋳片幅方向と鋳造方向にわたる２次元の領域で特定することにより、鋳片のディプレッション発生をより精度良く検出することができるとともに、ディプレッションの発生予測位置を鋳片表面のマップとして表示することができる。

鋳型における温度センサー設置位置を示す図である。 鋳片のディプレッション発生位置と温度測定結果とを対応させた図であり、（Ａ）は鋳片のディプレッション発生位置、（Ｂ）は温度測定位置における温度の経時変化、（Ｃ）は温度測定位置における温度変化速度の経時変化を示す図である。 （Ａ）は鋳片のディプレッション発生位置を示す図であり、（Ｂ）は鋳片の温度変化速度の２次元分布をマップとして示す図である。 （Ａ）は鋳片のディプレッション発生位置を示す図であり、（Ｂ－１）～（Ｂ－４）は臨界温度変化速度よりも冷却速度（負の温度変化速度）が速い部位の２次元分布をマップとして表示する図である。

鋳造する鋳片幅が６００ｍｍ、鋳片厚さが１００ｍｍとなる鋳型形状を有する連続鋳造装置を用い、連続鋳造を行った。鋳型の高さ（鋳型上端２から鋳型下端３までの距離）は７００ｍｍである（図１参照）。鋳型内のメニスカス４位置は、鋳型上端２から８０ｍｍの位置とする。鋳型の一方の鋳型長辺１には、図１に示すような位置に、鋳片幅方向に横一列に温度センサー（５Ａ～５Ｇ）を設置している。温度センサーの高さ方向配置位置は、鋳型上端２から６１５ｍｍ、メニスカス４から５３５ｍｍの位置である。温度センサーとしてはＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）を用い、鋳型表面からの深さ５．６ｍｍに設けている。

鋳造する溶鋼成分は表１に示すとおりであり、鋳片表面にディプレッションが発生し易い成分組成を選択している。鋳造速度は１ｍ／ｍｉｎとした。

連続鋳造中において、温度センサー（５Ａ～５Ｇ）で計測した温度を記録するとともに、鋳造した鋳片のディプレッションの目視検査を行った。鋳片８の長辺面におけるディプレッション発生位置９を図２（Ａ）の白丸として表示した。図２（Ａ）の長手方向が鋳造方向であり、その直交方向が鋳片８の幅方向である。温度センサー５Ｇの温度測定結果を図２（Ｂ）に示す。図２（Ａ）において、「温度測定位置（５Ｇ）」と記載した直線部分が、温度センサー５Ｇで温度を計測した鋳片部位である。鋳造速度を１ｍ／ｍｉｎ一定としたので、図２（Ａ）の鋳造方向の位置と、図２（Ｂ）の横軸（時間軸）の位置を、一対一で対応させることができる。さらに、温度センサー５Ｇで計測した温度の時間微分を縦軸として、図２（Ｃ）を描いた。

図２（Ａ）の「温度測定位置（５Ｇ）」の直線とディプレッション発生位置９の白丸とが重なっている部分（図２（Ｂ）（Ｃ）において下矢印で表示）について、図２（Ｂ）の温度の挙動、および図２（Ｃ）の温度変化の挙動を対比すると、図２（Ａ）のディプレッション発生位置９で図２（Ｂ）の温度が時間とともに下降しており、同じ時間軸位置で図２（Ｃ）の温度変化が負の極大位置と対応していることがわかった。図２（Ｃ）には、温度変化が－４℃／ｓｅｃの位置に一点鎖線を引き、一点鎖線よりも温度変化速度が負の値の大きい部分を「温度高速低下領域１０」と表示している。図２（Ａ）のディプレッション発生位置９において、図２（Ｃ）の温度変化速度が負の方向で－４℃／ｓｅｃを上回っている（温度変化速度の絶対値が４℃／ｓｅｃを上回っている）ことが明らかである。

次に、鋳型の幅方向一列に並べた温度センサー（５Ａ～５Ｇ）すべての温度計測結果を用い、鋳片表面における温度変化のマップ作成を試みた。図３（Ａ）は図２（Ａ）と同じであり、鋳片８表面のディプレッション発生位置９を白丸で示している。

鋳片幅方向において、温度測定は７個の温度センサー（５Ａ～５Ｇ）によって離散的に温度測定がなされている。温度変化のマップを作成するに当たり、隣り合う温度センサー間の空間（例えば温度センサー５Ａと温度センサー５Ｂの間の空間）については、両温度センサー間の幅方向の温度変化が直線であるとして幅方向各位置の温度を推定した。
また、鋳片の鋳造速度実績に基づいて、鋳造した鋳片の長さ方向各位置が温度センサーを通過した時刻と温度センサーでの温度測定結果とを対応づける。
その上で、鋳片表面（鋳造方向および鋳片幅方向）の各位置における温度変化速度について、図３（Ｂ）の下部に記載した明るさ分布で鋳片表面の２次元マップを作成したところ、図３（Ｂ）に示すマップが得られた。図３（Ａ）と図３（Ｂ）は、鋳片の幅方向及び鋳造方向の位置関係がお互いに対応している。図３（Ｂ）のマップの白っぽい部分（温度変化が負の方向で大きい部分）は、図３（Ａ）においてディプレッション発生位置９として認められた白丸部分と位置関係の対応がとれていることが分かる。図３（Ａ）と図３（Ｂ）それぞれの一点鎖線は、温度センサー５Ｇの計測箇所を示す。温度センサー５Ｇは鋳片幅方向で最外端の温度測定箇所であり、それよりも外側については温度の推定を行っていないので、図３（Ｂ）においてマップで白抜き部が描かれた幅方向端部は温度センサー５Ｇの位置となっている。

次に、臨界温度変化速度を、－３℃／ｓｅｃから－６℃／ｓｅｃまで１℃／ｓｅｃピッチで負の値として定め、図３（Ｂ）と同じマップ上において、温度変化速度が負の値で臨界温度変化速度以下となった部分（温度高速低下領域１０）を白抜き、それ以外を黒色として、図４（Ｂ－１）～（Ｂ－４）に描いた（以下「温度高速低下マップ１１」という。）。図４（Ｂ－１）は臨界温度変化速度が－３℃／ｓｅｃ、図４（Ｂ－４）は臨界温度変化速度が－６℃／ｓｅｃであり、図ごとに臨界温度変化速度が１℃／ｓｅｃピッチで異なっている。臨界温度変化速度が負の値として小さい値（例えば図４（Ｂ－１）（臨界温度変化速度が－３℃／ｓｅｃ））のときは白抜き部分が多く、実際のディプレッション発生位置９に加え、ディプレッションが観察されなかった部分も含まれ、この部分はディプレッションの過検出となる。一方、臨界温度変化速度が負の値として大きい値（例えば図４（Ｂ－４）（臨界温度変化速度が－６℃／ｓｅｃ））のときは白抜き部分が少なく、ディプレッションが観察されたにもかかわらず白抜き部分として明示されなかった箇所があり、この部分はディプレッションの不検出となる。そして、臨界温度変化速度には適正量が存在し、例えば図４に示す例では、図４（Ｂ－２）（臨界温度変化速度が－４℃／ｓｅｃ）が、温度計測結果に基づいて算出したマップの白抜き部分と、実際の鋳片で観察されたディプレッション発生位置９との対応が最も良好であった。

以上のとおりであるから、実際の鋳片で観察されたディプレッションの位置との対応に基づいて、予め臨界温度変化速度の最も好ましい値を負の値として定めることができる。以下「選定臨界温度変化速度」ともいう。その上で、各温度センサーの測定温度経時変化を時間微分した温度変化速度を求め、温度変化速度が臨界温度変化速度（選定臨界温度変化速度）以下となった時間領域をディプレッション検出時間領域とし、鋳造した鋳片の長さ方向各位置が温度センサーを通過した時刻とディプレッション検出時間領域とを対応させて鋳片のディプレッション検出領域２０とし、鋳片表面におけるディプレッション検出領域２０を鋳片幅方向と鋳造方向にわたる２次元の領域で特定することができる。以下「ディプレッション位置予測マップ２１」という。図４に示す例では、選定臨界温度変化速度が－４℃／ｓｅｃであり、図４（Ｂ－２）（臨界温度変化速度が－４℃／ｓｅｃ）がディプレッション位置予測マップ２１となる。

鋳型幅方向に設置する温度センサーの間隔が狭い場合には、温度センサーの間の空間についてデータを補完する処理を行うことなく、温度センサー設置位置の温度測定結果のみによって温度高速低下マップ１１（ディプレッション位置予測マップ２１）を描くことができる。また、温度センサー設置位置に対応する直線部分において温度高速低下領域１０を定めた上で、隣接する温度センサー間については、温度センサー位置の温度高速低下領域１０の境界を直線で結んで２次元の温度高速低下領域１０（ディプレッション検出領域２０）とすることもできる。鋳型幅方向の温度センサーの間隔が５０ｍｍ以下であれば、以上のようなデータ処理を行うことによってディプレッション位置予測マップを作成することができる。

鋳型幅方向に設置する温度センサーの間隔が広い場合には、隣接する温度センサーの間の空間については、幅方向の温度変化が直線であるとして幅方向各位置の温度を推定し、幅方向各位置において前記ディプレッション検出時間領域を求め、ディプレッション検出領域２０の特定に用いることとしてもよい。鋳型幅方向の温度センサーの間隔が１５０ｍｍ以下であれば、以上のようなデータ処理を行うことによってディプレッション位置予測マップを作成することができる。

本発明で用いる温度センサーについて好適な実施の形態を説明する。
温度センサーを設置する鋳型壁については、当該連続鋳造設備で鋳造する鋳片でのディプレッション発生状況によって定めれば良い。鋳片の長辺面のディプレッションのみを検出すれば足りる場合には、温度センサーを鋳型の長辺面のみに設置すれば良い。鋳片の短辺面のディプレッション発生位置の検出が必要なのであれば、鋳型の短辺面にも温度センサーを設置する。

温度センサーを設置する鋳型の高さ方向の設置位置については、メニスカスより下方であれば問題ないが、鋳型下端に近くなるほど高精度となるため、鋳型下端に近い位置に設置するのが望ましい。鋳型の溶鋼側表面から温度センサーまでの深さについては、鋳型摩耗による内面切削もあるので少なくとも５ｍｍとすれば良い。温度センサーの種類としては、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）、あるいは熱電対を用いることができる。

以下、本発明の考え方について説明を補足する。
本発明は、鋳片の表面欠陥であるディプレッションは鋳型内で発生するという知見に基づいている。ディプレッションが生成すると、鋳型と鋳片の接触状態が悪化し、鋳型銅板温度が下がる。この温度低下を検知することでディプレッションを検知するという着想により本発明はなされたものである。この温度変化は鋳型銅板に複数（幅方向）設置された温度センサー（熱電対等、やＦＢＧセンサー）によって測温する。

１ 鋳型長辺
２ 鋳型上端
３ 鋳型下端
４ メニスカス
５Ａ～５Ｇ 温度センサー
８ 鋳片
９ ディプレッション発生位置
１０ 温度高速低下領域
１１ 温度高速低下マップ
２０ ディプレッション検出領域
２１ ディプレッション位置予測マップ

Claims (2)

1. 鋼の連続鋳造において、鋳型壁の内部に、鋳片幅方向に横一列に複数の温度センサーを設置し、
   予め臨界温度変化速度を負の値として定め、
   各温度センサーの測定温度経時変化を時間微分した温度変化速度を求め、前記温度変化速度が前記臨界温度変化速度以下となった時間領域をディプレッション検出時間領域とし、鋳造した鋳片の長さ方向各位置が前記温度センサーを通過した時刻と前記ディプレッション検出時間領域とを対応させて鋳片のディプレッション検出領域とし、鋳片表面におけるディプレッション検出領域を鋳片幅方向と鋳造方向にわたる２次元の領域で特定することを特徴とする、連続鋳造における鋳片欠陥の検出方法。
2. 鋳片幅方向に設けた前記温度センサーのうち、互いに隣接する温度センサーの間の空間については、当該空間で幅方向に温度が直線的に変化するものとして幅方向各位置の温度を推定し、幅方向各位置において前記ディプレッション検出時間領域を求め、ディプレッション検出領域の前記特定に用いることを特徴とする、請求項１に記載の連続鋳造における鋳片欠陥の検出方法。

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