JPH037046B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主に連続鋳造鋳型内の溶鋼湯面のレベ
ル測定方法に関するものである。

連続鋳造法において、鋳型内の溶鋼湯面レベル
を正確に測定することは、タンデイツシユから鋳
型内への溶鋼の注入量を制御したり、鋳型内から
の鋳片の引抜速度を制御する上で重要な事項であ
る。

従来、連続鋳造鋳型内溶鋼湯面レベルの測定方
法としては、種々の測定方法が開示されている。
その主なものとして、RI法熱電対法渦流
法光学的測定方法赤外線カメラ測定方法電
極浸漬法等があげられるが、各種の問題点があつ
た。その問題点としては、 ……安全面での管理が必要であり、現在他の方
法に代替がなされつつある。

……間接的、かつスポツト的な測定方法であ
り、応答性、精度の面で劣る。

……他の方法に比べ、精度、応答性の面で優れ
ているが、センサーを溶鋼湯面に近づける必要
があること、また鋳型内での電磁撹拌を実施す
る場合には、磁場の影響を受ける。

、……溶鋼酸化防止または潤滑材として溶鋼
湯面上にパウダーが付加される場合には、パウ
ダー層厚の変動の影響を受ける。

……接触式測定方法であるため他の設備との干
渉が生じ、かつ操作性に劣る。等である。

かくして本発明は、これら従来の測定方法の問
題点に対処すべく創案されたものであり、安全
性、応答性、測定精度に優れており、パウダーが
溶鋼湯面上に付加されている場合においてパウダ
ー層厚変動の影響を受けないと共に鋳型内での電
磁撹拌を実施する場合の磁場の影響を受けずに連
続鋳造時の鋳型内溶鋼湯面レベルを非接触で測定
しうる溶鋼湯面レベルの測定方法を提案するもの
である。

以下本発明を図面に示す実施例に基いて説明す
る。第１図は本発明の一実施例であり、図中符号
３はアンテナを示す。このアンテナ３は溶鋼Ａの
湯面２と、鋳型１の内壁Ｂとがアンテナ３の指向
性の範囲内に入るように鋳型１内又は鋳型上部に
立設されている。ところで本発明の場合、マイク
ロ波帯においては鋳型１の内壁Ｂの反射率はきわ
めて１に近いことから、以下に述べる鋳型１の内
壁Ｂの存在による干渉を利用すべく前述の様にア
ンテナ３を立設する必要があるものである。ここ
で干渉とは、湯面２上の１点から出た熱放射が直
接アンテナに入る場合と、鋳型１の内壁Ｂで反射
された後、アンテナに入る場合の熱放射の干渉を
いう。

なお、本発明で、熱放射の鋳型１内壁Ｂからの
反射が必要であり、かつ鋳型１の反射率がほとん
ど１（正反射）となることが必要である。そのた
めに、アンテナ３で受信される溶鋼湯面２からの
熱放射は、鋳型内壁Ｂの表面粗さを考慮して、波
長0.4mm以上の波長帯域を用いるものとする。

以上において第４図に示す如く、アンテナ３を
立設し、アンテナ３の指向性の範囲内、すなわち
アンテナ３の視野（視野角2θ₀）内に鋳型１の内
壁Ｂと溶鋼Ａの湯面２とが入る場合、第４図の斜
線部の干渉領域内の点Ｐからの熱放射は、径路Ｒ
と径路R′を経て受信され、干渉すると共にその
受信量が増加する。

よつて溶鋼湯面レベルが変化すると、干渉する
領域が変化するため、受信される熱放射量も変化
することになる。しかして本発明はこの熱放射量
の変化（受信電力変化）を検出して溶鋼湯面レベ
ルを測定するものである。

すなわち、第１図に示す様に波長0.4mm以上の、
特にマイクロ波、ミリ波帯域の熱放射をとらえる
アンテナ３を設置すると共に、このアンテナ３に
電力測定器４を接続して熱放射電力Ｐを測定す
る。

測定される熱放射電力Ｐは湯面レベルｈの関数
となり、実操業範囲では、後述するように、受信
電力変化△ｐは湯面の変化△ｈに比例することが
明らかになつた。従つて、熱放射、換言すれば熱
放射電力Ｐを測定することにより、湯面レベルｈ
を測定することが可能となる。

なお電力測定器４としては受信電力が10^-12〜
10^-14Wと微少であるため、一般にラジオメータ
といわれる高感度受信器を使用するのが好まし
い。しかして電力測定器４の構成の一例のブロツ
ク図を第２図に示す。第２図において符号５はサ
ーキユレータ、６は高周波増幅器、７はデイテク
タ、８は同期検波器、９はダイオードスイツチ、
１０はダミーロード、１１は同期発振器、１２は
積分器である。

以上の構成よりなる本発明の測定方法により、
湯面レベルの変化Δhと受信電力変化Δpとの関係
について、以下の条件で測定を行なつた。

測定条件 波長 λ＝30mm 帯域幅（10GHz） アンテナ 円形ホーンアンテナ40mmφ 指向性（θ₀）0.1rad 観測角（φ）０ rad アンテナ−湯面間距離（ｈ）0.1ｍ 電力測定器 第２図に示すもの使用 測定対象 わん曲型スラブ用CC鋳型 鋳型内寸法 200mm×1300mm 湯面上パウダー添加 以上の条件においてその測定結果を第３図に示
す。この様に湯面レベルの変化（Δh）に対応し
た受信電力変化（Δp）が得られた。第３図から
明らかなごとく、実操業での湯面レベルの変化
Δhは約５mm以内であるから、この範囲での受信
電力変化Δpと湯面レベルの変化Δhは、ほとんど
比例関係にあり、受信電力変化Δpを湯面レベル
の変化Δhの制御に用いることができることが容
易にわかる。

なお、この測定結果の如く、パウダーからの放
射電力は溶鋼からの放射電力に比べて非常に弱い
ためパウダーの影響を受けずに正確に湯面レベル
の測定が可能となる。

次にアンテナ温度T_Aすなわち測定される熱放
射電力Ｐと、湯面〜アンテナ間距離ｈの関係を、
第４図を用いて詳述する。

第４図のモデルにおいて、以下の仮定のもと
に、Ｐとｈの関係を解析する。

Γ仮定１：アンテナの指向性はアンテナの中心軸
をθ＝０として、＋θ₀〜−θ₀の間で一定（Ｇ＝
π／θ₀）であるとする。

Γ仮定２：幾何光学が成立するとする。

Γ仮定３：湯面上の異なつた点からの熱放射は干
渉しないとする。

表面素分dAにおいて、その鉛直から角度θ方
向に単位周波数当たりに放射される電力を考える
と、立体角dΩを通過する電力のスペクトル強度
dPは、 dP＝−Icosθ・dΩ・dA (1) で表わされる。ここで、Ｉは単位面積、単位周波
数、単位立体角当たりの電力。

この関係を、第４図のモデルに適用した場合、
図中の非干渉域にある点ｘ〜ｘ＋dxの部分から
の熱放射電力のうち、アンテナに捕えられる電力
ΔP₁は、 dA→dx、dΩ→Ｇ（θ）／2πR、Ｉ→−kTB〓（θ） と変換して、次式で表わされる。

ΔP₁＝１／2πＧ（θ）・ε（θ）・kTBcosθ／Ｒ・dx(
2) ここで、Ｇ（θ）：アンテナの電力利得、ε
（θ）：θ方向放射率、Ｂ：受信帯域幅、ｋ：ボル
ツマン定数、Ｔ：溶鋼温度、Ｒ：点ｘ〜ｘ＋dx
の部分からアンテナまでの距離。（AC間距離） 一方、干渉域内の点からの放射は、経路Ｒを経
てアンテナに受信される成分と、経路R′を経て
アンテナに受信される成分があり、その両者が干
渉する。（ここでR′はAB間、BC間の距離の和を
示す） それぞれの経路を経て受信される電力ΔP₂およ
びΔP₂′は、(2)式と同様に次式で表わされる。

ΔP₂＝１／2πＧ（θ）・ε（θ） ・kTBcosθ／Ｒ・dx (3) ΔP₂′＝１／2πＧ（θ′）・ε（θ′） ・kTBcosθ′／R′・dx (4) アンテナ部分での、電力ΔP₂、ΔP₂′による電界
強度を、ｅ，e′とすると、電力と電界強度の関係
を示す式から、 Ｐ＝１／η₀｜ｅ｜² (5) ここで、Ｐ：電力、ｅ：電界強度、η₀：界イン
ピーダンス。

経路Ｒと経路R′とで経路差ΔR＝R′−Ｒを生じ
ることにより、干渉の結果生じる電界は、ｅ−
e′・exp（−jβΔR）となり、干渉の結果受信され
る電力は、 ｄ〓＝１／η₀｜ｅ−e′・exp（−j〓〓^R）｜² (6) で表わされる。

(5)式より、ｅ＝√₀・√₂、e′ ＝√₀・√₂′が得られ、これらを(6)式に代入
して、 ｄ〓＝｜√₂−√₂′・exp（−j〓〓^R）｜² (7) 右辺をさらに展開すると、 ｄ〓＝｜√₂−√₂′cos（βΔR）＋
ｊ√₂′sin（βΔR）｜² ＝（√₂−√₂′cos（βΔR））²
＋（√₂′sin（βΔR））² ＝ΔP₂＋ΔP₂′−２・√₂・√₂′
cos（βΔR）(8) (8)式に(3)、(4)式を代入すると、 ここで、仮定１より、アンテナの視野内では、 Ｇ（θ）＝Ｇ（θ′）＝π／θ₀ また、dxとdθの関係を求めると、 ｘ＝−x₀＋Rsinθ Rcosθ＝ｈより、dx＝Rcosθdθ＋sinθ・dR dRcosθ−Rsinθdθ＝０ 故に、 dx＝Rcosθ・dθ＋Rsin²θ／cosθ・dθ＝Ｒ・１／cos
θ(10) 同様に ｘ＋x₀＝R′sinθ′ R′cosθ′＝ｈよりdx＝R′cosθ′dθ＋sinθ′・dR′ dR′cosθ′−R′sinθ′dθ＝０ 故に、 dx＝R′cosθ′dθ＋R′sin²θ′／cosθ′・dθ ＝R′・１／cosθ′dθ （11） (10)、（11）式をそれぞれ(9)式の第１項、第２項
に代入すると、 アンテナの視野＝θ＝θ₁〜θ₁＋2θ₀で受信され
る電力は、（12）式を用いて、 と表わされる。

ここで、ε（θ）＝ε₀cosθとし、（ε₀は鉛直方向
へ放射率）φ＝θ₁＋θ₀とおくと、 （14）式において、ε₀、ｋ、Ｔ、Ｂ、θ₀、φは
定数であり、第１項は湯面レベルに依存しない。

第２項だけを考えて、以下、ｈと〓との関係を
解析する。

第４図より、 R²＝（ｘ−x₀）²＋h² R′²＝（ｘ＋x₀）²＋h²（15）tan（φ＋θ₀） ＝x₀／ｈ−y₀ φ＝θ₁＋θ₀＝０（すなわち、アンテナが真下を
向いている場合）として、θ₀が非常に小さい（す
なわち、アンテナの指向性が鋭い）とすると、ｘ
±x₀≪ｈより、 Ｒ＝ｈ（１＋（ｘ−x₀／ｈ）²）^1
/2ｈ（１＋１／２ （ｘ−x₀）²／h²） R′＝ｈ（１＋（ｘ−x₀／ｈ）²）
^1/2ｈ（１＋１／２ （ｘ−x₀）²／h²） √³・′³h³ ΔR＝R′−Ｒ＝2xx₀／ｈ x₀＝（ｈ−y₀）・θ₀ tan（φ＋θ₀）＝tanθ₀θ₀、cosφ＝１、sinθ₀
θ₀ 以上の近似を（14）式第２項に代入して、 〓＝ε₀kTB／θ₀｛θ₀−∫^y0〓⁰ ₀cos2β・xx₀／ｈ／ｈ
・dx｝ （16） 故に、 〓＝ε₀kTB（１−１／θ₀h∫^y0〓⁰ ₀cos2βx₀x／
ｈ・dx）＝ε₀kTB（１ −１／θ₀h〔ｈ／2βx₀sin2βθx₀x／ｈ〕₀ ^y0
〓⁰＝ε₀kTB（１ −１／2βθ₀ ²（ｈ−y₀）sin2βθ₀ ²（ｈ−y₀
）_y0／ｈ（17） アンテナで熱放射を受信する場合のアンテナ温
度T_Aと受信電力〓の関係は、次式で表わされる。

〓＝kT_AＢ （18） （17）（18）式より、 T_A＝ε₀T・（１−１／2βθ₀ ²（ｈ−y₀） sin2βθ₀ ²（ｈ−y₀）y₀／ｈ （19） アンテナ〜湯面間の距離ｈの変化Δhと、アン
テナ温度の変化ΔT_Aの関係は（19）式より、 ΔT_A１／2βθ₀ ²Δhsin〔2βθ₀ ²y₀（１−y₀／Δh）
〕（20） また、（18）式よりΔPP＝kT_AＢとなるから、
アンテナ〜湯面間の距離の変化による受信電力
PPの変化ΔPPは次式のようになる。

Δ〓ｋ・Ｂ／2βθ₀ ²Δh sin〔2βθ₀ ²y₀（１−y₀／Δh）〕 （21） β＝209.4（１／ｍ） （マイクロ波波長30mmの場合） θ₀＝0.1（rad） y₀＝0.1（ｍ）のような場合 を考えると、 第３図に示す ような関係と なる。

連続鋳造における湯面の変動は、通常約５mmの
範囲に測定制御されるものであり、第３図より、
Δhが約５mmの範囲においては、ΔPPとΔhはほぼ
比例関係にあることになる。

かくして本発明は以上の構成よりなり、本発明
による測定方法であれば安全性、応答性にすぐ
れ、鋳型内電磁攪拌による磁場の影響も受けずに
正確に測定できる。よつて連続鋳造プロセス制御
等を効率良く実施することができる。尚、連続鋳
造に限らず他の鋳型内湯面レベルの測定にも応用
できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概略図、第２図は電力測定器
の一ブロツク図、第３図は測定結果を示すグラ
フ、第４図は熱放射の干渉領域を示す概略図であ
る。 Ａ……溶鋼、Ｂ……内壁、１……鋳型、２……
湯面、３……アンテナ、４……電力測定器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 溶鋼湯面と鋳型内壁とが指向性の範囲内に入
   るよう鋳型内または鋳型上部にアンテナを立設
   し、該アンテナによつて湯面からの熱放射及び鋳
   型内壁から反射した熱放射を測定し、溶鋼湯面の
   レベル変化に応じて変化するアンテナの受信電力
   変化により鋳型内の溶鋼湯面レベルを測定する鋳
   型内の溶鋼湯面レベル測定方法。