JPH116756A

JPH116756A - 溶融金属のレベル測定装置

Info

Publication number: JPH116756A
Application number: JP16089097A
Authority: JP
Inventors: Munenori Kusumoto; 宗徳楠本; Minoru Oda; 実織田; Koichi Tezuka; 浩一手塚; Takashi Itakura; 孝板倉
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1997-06-18
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 1999-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】適切な電極の材料・寸法等を規定することに
より測定不良を防止し、鋳造開始初期の溶融金属レベル
の変位が大きい場合にも測定が可能な溶融金属レベルの
測定方法を提供する。【解決手段】溶融金属中に２本の電極を浸漬させて、
その一方の電極から溶融金属を通過して他方の電極まで
信号が伝播する時間により溶融金属のレベルを測定する
溶融金属のレベル測定装置において、電極２７、２８の
材料は溶融金属１４より融点が低く、２本の電極２７、
２８の間隔ｄは溶融金属１４の流動による電極２７、２
８の最大撓み量の２倍を超えていることを特徴とする溶
融金属のレベル測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、溶融金属中に２
本の電極を浸漬させて、その一方の電極から溶融金属を
通過して他方の電極まで信号が伝播する時間により溶融
金属のレベルを測定する溶融金属のレベル測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】連続鋳造設備では、モールド内の溶融金
属レベルを制御することにより、操業の安定、鋳造製品
の品質向上が図られる。とくに、溶融金属レベルを一定
に保つことは鋳造製品の表面性状の向上に不可欠であ
り、溶融金属レベル計測のための種々の測定装置が提案
され、使用されてきた。例えば、電磁誘導方式の距離
計、放射線を用いた距離計、光学式の距離計等がある。

【０００３】これらの距離計測方式は、主として定常状
態の溶融金属レベルの制御という目的から、比較的狭い
範囲での距離計測が重視されていた。従って、モールド
全体（下端から上端まで）のような広範囲の変位の計測
についてはあまり考慮されていなかった。

【０００４】ところが近年、設備の自動化および製品の
より一層の品質向上を求める動きの中で、鋳造開始初
期、即ち溶融金属が所定のレベルに到達するまでの溶融
金属レベルの制御が重視されてきた。そのため、鋳造開
始初期の溶融金属レベルを計測する必要があるが、この
場合、溶融金属レベルの変位が大きく、上述の方式では
計測が困難である。

【０００５】そこで、これらの改良や新方式を求めて研
究、開発が進められている。このような技術として、超
音波方式、電磁波方式等が提案されている。その中で、
擬似ランダム信号を用いた方式は、連続鋳造設備等の各
種ノイズの多い環境でも距離計測が可能であり、注目を
集めている。

【０００６】例えば、特開平２−１４５９８５号公報に
は、同一パターンで周波数のわずかに異なる２つの擬似
ランダム信号を用いた距離計測方式が提案されている。
これは、擬似ランダム信号をアンテナから送信し、反射
波の時間遅れから距離を計測する方式である。

【０００７】特開平２−９８６８５号公報には、同様の
距離計測方式において、擬似ランダム信号を直接アンテ
ナから送信する代わりに、擬似ランダム信号を搬送波に
乗せて（搬送波を信号で変調して）送信する技術が提案
されている。これは、搬送波を用いることにより、使用
環境に応じて適切な波長を選択するという技術である。

【０００８】特開平７−１９１１３０号公報には、溶融
金属に２本の電極を浸漬し、その中に擬似ランダム信号
を伝送して距離計測を行う技術が提案されている。この
技術によると、電極として溶融金属より高い融点の金属
を用いるか、溶融金属内へ（電極を）自動的に繰り込ん
でゆくようにするとよい。また、電極に溶融金属と同一
の材料を用いれば、融けても溶融金属の成分に影響を与
えないと記載されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】特開平２−１４５９８
５号公報および特開平２−９８６８５号公報記載の技術
では、距離測定用の信号（擬似ランダム信号）をアンテ
ナから送信する必要がある。しかし、一般にモールド内
のような狭い空間では、電波の多重反射の影響があるた
め、溶融金属レベルからの反射を分離することが困難で
ある。また、モールド上部は周辺に鋳造用の各種の装置
が設置されているため、アンテナを設置する空間が無い
という問題もある。

【００１０】特開平７−１９１１３０号公報記載の技術
では、上記の従来技術のように電波を使用することによ
る問題点は解決できるが、その反面、次のような測定不
良が起こる可能性がある。以下、図５に測定不良の際の
電極の状況を模式的に示す。図５（ａ）は、鋳片一体化
の場合を示し、溶融金属１４に浸漬された電極２７、２
８の先端部が溶け残り、鋳片の凝固シェル１５に取り込
まれている。図５（ｂ）は、電極交差の場合を示し、２
本の電極２７、２８が撓み、溶融金属１４の表面より上
の部分で互いに接触して短絡している。

【００１１】例えば、鋼の連続鋳造において溶鋼に軟鋼
の電極を浸漬すると、電極の先端部が溶け残り、上記の
図５（ａ）に示す測定不良（鋳片一体化）が起こる可能
性がある。特に比較的小断面の鋳片では、モールド１１
の下端でも電極２７、２８が溶け残ることがあり、鋳片
の凝固シェル１５に取り込まれやすい。このように電極
が鋳片と一体化すると、鋳片の引抜き開始時に電極がセ
ンサごと溶鋼中に引きずり込まれ、その後の測定が不能
となるばかりか、鋳片自体が不良品となる。

【００１２】一方、電極が鋳片の凝固シェルに取り込ま
れなかった場合は、モールド内の浸漬ノズルから吐出す
る強い溶鋼流により２本の電極２７、２８が撓み、図５
（ｂ）に示す電極交差が起こることがある。この場合
は、距離計測値は短絡箇所までの値となり、溶鋼レベル
の測定は全く不可能となる。

【００１３】この発明は、これらの問題点を解決するた
めになされたもので、適切な電極の材料・寸法等を規定
することにより測定不良を防止し、鋳造開始初期の溶融
金属レベルの変位が大きい場合にも測定が可能な溶融金
属レベルの測定方法を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明は、溶融金属中
に２本の電極を浸漬させて、その一方の電極から溶融金
属を通過して他方の電極まで信号が伝播する時間により
溶融金属のレベルを測定する溶融金属のレベル測定装置
において、電極の材料は溶融金属より融点が低く、２本
の電極の間隔は溶融金属の流動による電極の最大撓み量
の２倍を超えていることを特徴とする溶融金属のレベル
測定装置である。

【００１５】この発明では、溶融金属より電極の材料の
融点が低いので、溶融金属中に浸漬された電極は次第に
溶損し短くなっていく。従って、溶融金属の凝固に伴う
凝固シェルへの電極先端部の取込みを防ぐことができ
る。

【００１６】また、２本の電極の間隔が溶融金属の流動
による電極の最大撓み量の２倍を超えているので、電極
同士の接触が防止される。溶融金属の流動による電極の
最大撓み量は、式で表すと、次のようになる。ｙ＝ＷＬ³／（３ＥＩ）（１）ここで、ｙは電極の最大撓み量、Ｗは外力、Ｌは電極の
長さ（溶融金属の表面まで）、Ｅはヤング率、Ｉは断面
２次モーメントを表す。

【００１７】この式（１）では、外力Ｗ以外の変数は電
極の材料と寸法から決まるので、最大撓み量ｙは外力Ｗ
がわかれば容易に求まることになる。外力Ｗについて
は、流体力学的に求めるか、あるいは流体模型実験や実
測により求めればよい。２本の電極の間隔ｄを、得られ
た最大撓み量ｙの２倍以上、ｄ＞２ｙとすれば、電極同士の接触が防止される。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の実施の形態の
１例を示す図であり、特に電極の部分を示している。こ
の図では、電極棒２７、２８の先端部が、容器１１内の
溶融金属１４の中に浸漬されている。電極は、電極棒２
７、２８が電極ホルダ２５、２６に取り付けられた構造
となっている。

【００１９】溶融金属１４が溶鋼の場合、電極棒として
は、ＳＵＳを用いるのがよい。電極棒２７、２８の寸法
は直径５ｍｍ程度、間隔ｄは７０ｍｍ程度あれば十分で
あるが、これより大きくしても差し支えない。例えば、
前述の式（１）において、電極の長さ（溶融金属の表面
まで）Ｌを60ｃｍ、ヤング率Ｅを 1.75 ×10⁶Ｎ／ｃｍ
²、断面２次モーメントＩを0.01ｃｍ⁴とすると、電極
の最大撓み量ｙ（ｃｍ）は、外力Ｗ（Ｎ）に対して、ｙ＝ 4.11 Ｗとなり、外力Ｗによる電極の最大撓み量ｙが算出でき
る。

【００２０】外力Ｗについては、溶融金属の粘性と流速
および電極の浸漬部分の寸法から流体力学的に求めるこ
とができる。但し、連続鋳造機のモールド内のように浸
漬ノズルからの溶融金属の噴出等、流速分布が複雑な場
合は流体模型実験により求めるのがよい。また、設備的
に実測が可能であれば、その方が確実とも言える。

【００２１】図２は、信号処理系についての実施の形態
の１例を示す図であり、ここでは擬似ランダム信号を用
いる測定方式を使用している。第１、第２の擬似ランダ
ム信号発生器２１、２２は、同一パターンで周波数がわ
ずかに異なる擬似ランダム信号を発生する。第１の擬似
ランダム信号発生器２１で発生された信号は、電極ホル
ダ２５に取り付けられた電極棒２７の中を伝播してい
く。

【００２２】次いで、信号は溶融金属１４の中を伝播
し、電極ホルダ２６に取り付けられた電極棒２８の中を
戻ってくる。この信号の戻ってくるまでの時間を測定す
ることにより、溶融金属１４の表面レベルが求まる。こ
こでは、時間測定の精度を上げるため、周波数がわずか
に異なる２つの信号を用いて次のような信号処理を行
う。

【００２３】まず、第１の乗算器２３では、擬似ランダ
ム信号発生器２１、２２で発生された２つの擬似ランダ
ム信号の積（第１乗算値）を出力する。同時に、第２の
乗算器２４では、第１の擬似ランダム信号発生器２１で
発生され溶融金属１４から戻ってきた信号と第２の擬似
ランダム信号発生器で発生された信号の積（第２乗算
値）を出力する。フィルタ３１、３２は、ローパスフィ
ルタあるいはバンドパスフィルタであり、第１、第２の
乗算値の高周波成分を除去する。

【００２４】ここで、擬似ランダム信号発生器２１、２
２で発生された信号の周波数をｆ、ｆ＋Δｆ、擬似ラン
ダム信号の１周期当りのビット数をｋ（同一パターン）
とする。擬似ランダム信号の周期は、ｋ／ｆ、ｋ／（ｆ
＋Δｆ）となる。これら２つの擬似ランダム信号は、周
期ｋ／Δｆごとにパターンが一致するので、これらの乗
算値も周期ｋ／Δｆごとにピークを示す。

【００２５】第１、第２の乗算値のピーク位置は、乗算
器の入力となる２つの信号の位相差により決まり、位相
差が同一の場合２つの乗算値のピーク位置が同一とな
る。第１、第２の乗算値のピーク位置のずれから、第１
の電極に入力した信号と第２の電極に戻ってきた信号の
位相差がわかる。位相差から信号の伝播時間を求めて距
離に換算することにより溶融金属レベルの位置が測定で
きる。

【００２６】第２の乗算値のピークは、戻ってくる擬似
ランダム信号（の位相差）が１周期（ｋ／ｆ）遅れる
と、第１の乗算値のピークに対して１周期（ｋ／Δｆ）
遅れることになる。このように、第１、第２の乗算値の
周期は、擬似ランダム信号の周期のｆ／Δｆ倍に拡大さ
れているので、位相差、信号の伝播時間、および溶融金
属レベルの位置の測定精度がｆ／Δｆ倍に向上する。

【００２７】

【実施例】この発明の電極を有するレベル測定装置を用
いて、鋼の連続鋳造機の鋳造初期におけるモールド内の
溶鋼レベルを測定した。電極は前述の図１に示す構成
で、ＳＵＳ製５ｍｍφの棒を使用し、電極間隔は７０ｍ
ｍとした。測定結果を、図３（ａ）に示す。なお比較の
ため、電極を普通鋼の丸棒およびＳＵＳ製パイプとした
場合（寸法は同一）についての測定結果を、図３
（ｂ）、（ｃ）に示す。

【００２８】図３（ａ）より明らかなように、発明法に
おいては溶鋼レベルが徐々に上昇していく様子が見られ
る。これに対して、比較法では溶鋼レベルの上昇途中で
測定値が上下に激しく変動している（図３（ｂ）の円
内）。これは、溶鋼レベルより上の部分で２本の電極の
接触・短絡（電極交差）があったことを示しており、前
述の図５（ｂ）の状況に対応している。また、図３
（ｃ）では、測定値が得られなかった部分（図中の円
内）がある。これは、電極がＳＵＳ製パイプのため溶損
しやすく、先端部が開放状態（先端開放）となったこと
を示している。

【００２９】これらの測定不良となる場合の電極の状況
を図４に示す。電極が溶鋼により加熱され軟化すると、
図４（ａ）に示すように溶鋼流により溶鋼中を浮遊する
（先端浮遊）。その結果、湯面（溶鋼表面）における２
本の電極２７、２８の間隔が変化し、信号の伝播経路の
長さが変化することになるので距離計測値に誤差を生じ
る。

【００３０】また、電極の融点が低過ぎると、図４
（ｂ）に示すように、電極２７、２８の溶鋼中に浸漬さ
れた部分は速やかに溶融して消失するため、電極の先端
部が湯面と同レベルとなる。そのため、湯面変動により
電極の先端部が湯面レベルより上、即ち溶鋼の外に出る
ことがある。この場合、計測回路としては電極の先端開
放の状態となるので、距離計測値は得られない。

【００３１】電極棒の材料は同じＳＵＳでも、形状につ
いてはパイプ状より棒状の方が好ましい。断面積（材料
の部分の断面積）が同一の場合、パイプ状の方が断面２
次モーメントＩを大きくできる。しかしその反面、溶鋼
との接触面積が大きくなるため溶融し易くなり、電極の
先端部が湯面レベルとほぼ同じ位置まで消失する。その
ため、湯面の変動により電極の先端部が開放状態となる
ことがあり、距離測定用の信号の伝播が不可能となり測
定不能となる。

【００３２】測定の成功率として、鋳造初期から定常域
までの溶鋼レベルの測定において、２本の電極の接触・
短絡（図３ｂ）や先端部開放（図３ｃ）がなかった場合
の比率を求めた。その結果は次のようになった。（ａ）発明の方式：測定成功率９７％（ｂ）従来の方式：測定成功率１０％

【００３３】このように、発明の方式のレベル測定装置
は、スラブ連続鋳造機の鋳造初期のように、溶融金属レ
ベルが変動しながら上昇する場合に用いても、また、鋳
片サイズの比較的小さい連続鋳造機においても、安定し
て精度のよい計測を行うことができる。

【００３４】

【発明の効果】この発明では、電極の材料、寸法等を適
切に規定することにより、電極が鋳片凝固シェルに取り
込まれて溶融金属中に引きずり込まれたり、２本の電極
が撓んで接触し短絡することが防止される。その結果、
鋳造開始初期の溶融金属レベルの変位が大きい場合にも
測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態の１例（電極の部分）を示す
図である。

【図２】信号処理系についての実施の形態の１例を示す
図である。

【図３】鋳造初期におけるモールド内の溶鋼レベルの測
定結果を示す図である。（ａ）発明法（ｂ）従来技術（電極交差の場合）（ｃ）従来技術（先端開放の場合）

【図４】測定不良となる場合の電極の状況を示す図であ
る。（ａ）先端浮遊の場合（ｂ）先端開放の
場合

【図５】測定不良の際の電極の状況を模式的に示す図で
ある。（ａ）鋳片一体化の場合（ｂ）電極交差の
場合

【符号の説明】

１１容器１４溶融金属２５、２６電極ホルダ２７、２８電極棒２１、２２第１、第２の擬似ランダム信号発生器２３、２４第１、第２の乗算器３１、３２フィルタ

フロントページの続き (72)発明者板倉孝東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融金属中に２本の電極を浸漬させて、
その一方の電極から溶融金属を通過して他方の電極まで
信号が伝播する時間により溶融金属のレベルを測定する
溶融金属のレベル測定装置において、電極の材料は溶融
金属より融点が低く、２本の電極の間隔は溶融金属の流
動による電極の最大撓み量の２倍を超えていることを特
徴とする溶融金属のレベル測定装置。