JPH06294685A

JPH06294685A - 溶湯レベル検出装置

Info

Publication number: JPH06294685A
Application number: JP8217693A
Authority: JP
Inventors: Kazuharu Hanazaki; 一治花崎
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1993-04-08
Publication date: 1994-10-21

Abstract

(57)【要約】【目的】連続鋳造用の鋳型内部の溶湯レベルを、高い
精度及び応答性を維持したまま広範囲に亘って検出でき
る溶湯レベル検出装置を提供する。【構成】鋳型Ｍの内壁に深さ方向に沿わせて光ファイ
バ10を埋設し、この光ファイバ10中にレーザ発振器11が
パルス状に発するレーザ光を入射させる。光ファイバ10
の各部において散乱し入射側に戻る後方散乱光を、ハー
フミラー14により反射させて波長分離モジュール12に与
え、ストークス光と反ストークス光とを分離し、光検出
器15及び光検出器16により夫々の光強度に変換してレベ
ル演算部13に与える。レベル演算部13は、この分光結果
を用いて光ファイバ10の埋設範囲内における鋳型Ｍ各部
の温度変化の分布を求め、この結果に基づいて鋳型Ｍ内
部の溶湯３のレベルを演算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、連続鋳造用鋳型内部の
溶湯レベルを検出する溶湯レベル検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】上下に開口部を有する筒形の鋳型に溶融
金属（溶湯）を注入し、該鋳型に対応する断面形状を有
する鋳片を連続的に製造する連続鋳造の操業において
は、鋳型からの溶湯の溢出、ブレークアウト等、安定操
業を阻害する各種の不都合の発生を未然に防止し、生産
能率の向上を図ると共に、鋳型内部での冷却，凝固状態
を安定化させ、製品鋳片の品質向上を図るべく、鋳型内
部に注入した溶湯のレベルを予め定めた目標レベルに維
持する溶湯レベル制御が行われている。

【０００３】この溶湯レベル制御の実施に際しては、操
業中に前記鋳型の内部に滞留し、上下に変動する溶湯の
レベルを、高精度に検出することが必要であり、従来に
おいては、次に示す如き種々の溶湯レベル検出装置が用
いられている。

【０００４】第１の溶湯レベル検出装置は、鋳型の深さ
方向に適宜の間隔を隔てて埋設した複数の温度計（熱電
対）により鋳型の内壁銅板の温度分布を測定して、測温
結果が大きく変化する位置に溶湯表面が存在するとして
溶湯レベルを特定するようにした装置である。

【０００５】第２の溶湯レベル検出装置は、放射線を利
用するものであり、鋳型の一側にこれの内部に向けてγ
線を放射する線源を設ける一方、該線源と鋳型を挾んで
対向する位置にシンチレーションカウンタを配し、該カ
ウンタによる計数量がγ線の伝播経路中に存在する減衰
物質、即ち、鋳型内部の溶湯の多少に応じて変化するこ
とにより溶湯レベルを検出する装置である。

【０００６】また第３の溶湯レベル検出装置は、鋳型上
部に固設した距離計により溶湯表面までの距離を測定す
る装置であり、前記距離計としては、溶湯表面に臨ませ
たコイルに高周波電流を通電し、これにより溶湯表面に
誘起される渦電流を前記コイル又は別個に設けた検出用
コイルのインピーダンス変化を媒介として捉えるもの
と、溶湯の表面に向けてレーザ光、マイクロ波、又は超
音波を投射し、前記表面からの反射を捉えるものとがあ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】さて、前述した３種の
溶湯レベル検出装置の内、第３の検出装置、即ち、溶湯
表面までの距離を測定する検出装置は、他の２種に比し
て応答性及び検出精度に優れており、操業中に細かく変
動する溶湯レベルを検出対象とする溶湯レベル制御にお
いては、制御精度の向上を図るべく、この種の検出装置
が主として用いられている。また、鋳型の内部には、溶
湯表面の酸化防止、該表面からの熱放散の防止、及び鋳
型の内壁と鋳片との間での潤滑性の改善等の目的でパウ
ダが投入されており、レーザ光、マイクロ波、又は超音
波の反射を捉える距離計を用いた場合、溶湯の表面を覆
う前記パウダの表面が検出対象となることから高い検出
精度の実現に限界があり、一般的には、溶湯自体に発生
する渦電流を捉える渦電流式の距離計が用いられてい
る。

【０００８】ところが一方、渦電流式の距離計の検出域
は前記コイルの直径に依存し、この直径を大きくした場
合、周囲に存在するタンディッシュ、鋳型、及び両者間
に介在する浸漬ノズルでの電磁誘導による外乱を受け、
検出精度が低下する難点があり、高い検出精度を維持し
たままでの検出域の拡大に限界がある。また近年におい
ては、前記パウダの投入等、操業に必要な各種の付随作
業を自動化すべく、ロボット、マニピュレータ等の自動
化機器を鋳型の上面空間に配設してなる連続鋳造設備が
実用化されつつあるが、この種の連続鋳造設備において
は、鋳型上面に前記距離計の固設を必要とする第３の検
出装置の使用は難しくなる。

【０００９】これに対し、第１の検出装置、即ち、熱電
対を用いる検出装置と、第２の検出装置、即ち、放射線
の透過を利用する検出装置とは、応答性及び検出精度が
低いことから、前記溶湯レベル制御への適用は難しい
が、鋳型の深さ方向に広範囲の検出域を設定し得る利点
を有しており、連続鋳造の操業開始に際し、鋳型に注入
される溶湯レベルが下側開口部からの引抜きが可能な所
定のレベルに達するまでの間のレベル監視、即ち、オー
トスタートの実行時におけるレベル監視に用いられてい
る。

【００１０】そこで従来においては、第１，第２の検出
装置と第３の検出装置とを併用し、操業開始に際しての
レベル監視に前者を用い、鋳片の引抜きが開始され、鋳
型内部の溶湯レベルが安定した段階で第３の検出装置に
切換えて、以後はこの検出装置の検出レベルに基づいて
溶湯レベル制御を行うようにしているが、前記切換えの
前後においては、夫々の検出原理の相違に起因して溶湯
レベルが大きく変動する虞があり、この変動抑制のため
の処理が必要である。

【００１１】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、連続鋳造用の鋳型内部の溶湯レベルを、高い精
度及び応答性を維持したまま広範囲に亘って検出でき、
また鋳型の上部空間への自動化機器の配設を阻害するこ
とのない溶湯レベル検出装置を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る溶湯レベル
検出装置は、連続鋳造用の鋳型の内部に滞留する溶湯の
レベルを検出する溶湯レベル検出装置において、前記鋳
型の内壁に深さ方向に沿って埋設された光ファイバと、
該光ファイバ中に入射するレーザ光を所定の周期にて発
するレーザ源と、前記レーザ光の後方散乱光をラマン分
光する分光手段と、該分光手段の分光結果を用いて前記
光ファイバの埋設範囲内での前記鋳型の温度変化の分布
を求め、この結果に基づいて前記溶湯レベルを演算する
レベル演算手段とを具備することを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明においては、従来と全く異なる原理、即
ち、レーザ光のラマン効果を利用して溶湯レベルを検出
する。ラマン効果は、物質中に光（レーザ光）を通した
とき入射光と等しい波長を有する強い弾性散乱光と共
に、入射光の波長から所定量だけずれた波長を有する弱
い非弾性散乱光として、ブリュアント散乱光とラマン散
乱光とが発生する現象であり、非弾性散乱光の内、ラマ
ン散乱光の発生要因が物質中の原子又はイオンの振動で
あり、この振動には温度依存性があることを利用する。
即ち、鋳型の内壁に深さ方向に沿って光ファイバを埋設
し、この光ファイバ中に短周期にて発せられるレーザ光
を入射せしめた場合、鋳型内部の溶湯の表面位置近傍か
らの後方散乱光においては、該位置での急激な温度変化
によりラマン散乱光の強度が増し、入射光の長波長（低
エネルギ）側に現れる分光成分（ストークス光）の強度
と、入射光の短波長（高エネルギ）側に現れる分光成分
（反ストークス光）の強度との比が変化する。レベル演
算手段は、前記光ファイバの後方散乱光のラマン分光の
結果を用い、ストークス光と反ストークス光との比に基
づいて光ファイバの埋設範囲内での温度変化の分布を求
め、この結果から溶湯レベルを演算する。

【００１４】

【実施例】以下本発明をその実施例を示す図面に基づい
て詳述する。図１は連続鋳造設備の溶湯レベル制御系へ
の本発明に係る溶湯レベル検出装置の適用例を示す模式
図である。

【００１５】図中Ｔは、その内部に溶湯３を貯留するタ
ンディッシュである。該タンディッシュＴの下方に適長
離隔した位置には、上下に開口を有する鋳型Ｍが配設さ
れ、該鋳型Ｍの内部には、タンディッシュＴの底面にそ
の基端を開口させた浸漬ノズル４が延設されている。而
して、タンディッシュＴ内の溶湯３は、浸漬ノズル４を
介して鋳型Ｍに注入され、該鋳型Ｍの内壁との接触によ
り冷却されて外側を凝固シェル50にて被覆された鋳片５
となり、鋳型Ｍの下方に連続的に引抜かれつつ更に冷却
されて、内側にまで凝固が進行した後に適宜の寸法に切
断され、後工程での素材となる製品鋳片が製造される。

【００１６】浸漬ノズル４の中途には、これの軸長方向
と略直交する面内でのゲート板60の移動により該浸漬ノ
ズル４を開閉して、鋳型Ｍへの注湯量を調節するスライ
ディングノズル６が固設してある。前記ゲート板60は、
浸漬ノズル４の内側断面形状に相当する開口を略中央に
有する平板であり、油圧シリンダ用いてなる開度調節シ
リンダ７の出力ロッドの先端に連結されている。而し
て、スライディングノズル６の開度調節は、開度調節シ
リンダ７の進退動作によりゲート板60を移動せしめて行
われ、鋳型Ｍへの溶湯３の注入量に対応するスライディ
ングノズル６の現状の開度は、開度調節シリンダ７に付
設された開度検出器70により、出力ロッドの進退位置を
媒介として検出されている。

【００１７】以上の如く鋳型Ｍに注入されて該鋳型Ｍの
内部に滞留する溶湯３の表面レベルは、本発明に係る溶
湯レベル検出装置１により検出される。図示の如く溶湯
レベル検出装置１は、鋳型Ｍの内壁に沿って深さ方向の
略全域に亘って埋設された光ファイバ10と、該光ファイ
バ10の一端に連結されたレーザ発信器11と、光ファイバ
10の後方（入射側）散乱光を用いた後述する処理によ
り、鋳型Ｍ内部の溶湯３のレベルを演算する演算処理部
12とを備えてなる。

【００１８】図２は、演算処理部12の内部構成を含む溶
湯レベル検出装置１のブロック図である。前記演算処理
部12は、後方散乱光を波長毎に分離する波長分離モジュ
ール13と、この分光結果に基づいて鋳型Ｍ内部の溶湯レ
ベルを演算するレベル演算部14と、これらの間に介装さ
れた一対の光検出器15，16とを備えてなる。

【００１９】レーザ発信器11は、一定波長を有するレー
ザ光を所定の時間毎にパルス状に発信し、光ファイバ10
中に入射せしめる動作をなす。光ファイバ10中に入射し
たレーザ光は、該光ファイバ10の各部において散乱し、
この散乱光の内、光ファイバ10の入射側へ伝播する後方
散乱光は、レーザ光の入射経路の中途に配されたハーフ
ミラー17により反射されて波長分離モジュール13に与え
られる。

【００２０】図３は、前記後方散乱光の波長分布を示す
説明図である。図示の如く後方散乱光は、入射されたレ
ーザ光と等しい波長（＝λ）を有する強い弾性散乱光
（レイリー光）と、前記レーザ光の波長の両側に夫々同
量（＝Δλ）だけずれた波長を有する弱い非弾性散乱光
とを含む。また非弾性散乱光は、前記レーザ光の波長よ
りも長波長側のストークス光（波長＝λ＋Δλ）と、同
じく短波長側の反ストークス光（波長＝λ−Δλ）とか
らなり、これらの内、光ファイバ10中の原子又はイオン
の振動に伴うラマン散乱の結果として発生するストーク
ス光の強度は、図３中に破線にて示す如く、前記振動の
原因となる周辺温度の高低に応じて増減するのに対し、
反ストークス光の強度は略一定であり、両者間には、散
乱の発生位置における絶対温度Ｔを含む次式に示す関係
がある。

【００２１】

【数１】

【００２２】溶湯レベル検出装置１は、以上の原理を利
用して鋳型Ｍ内の溶湯３のレベルを求めるものであり、
前記波長分離モジュール13は、ハーフミラー17を経て与
えられる後方散乱光から、ストークス光と反ストークス
光とを分離する動作をなし、これらは各別の光検出器15
及び光検出器16を経てレベル演算部14に与えられる。レ
ベル演算部14は、光検出器15，16からの入力により、光
ファイバ10の各部からの後方散乱光におけるストークス
光の光強度Ｉ_sと反ストークス光の光強度Ｉ_asとを夫々
認識し、これらを前記（１）式に逐次適用して、光ファ
イバ10各部の絶対温度Ｔの変化率ｄＴ／ｄｔを演算し、
鋳型Ｍへの埋設範囲内に含まれる所定の検出範囲、例え
ば、図２中のＬ₁からＬ₂までの間にて温度変化率ｄＴ
／ｄｔの分布に基づいて鋳型Ｍ内部の溶湯３のレベルを
求める。

【００２３】図４は、前記検出範囲内にて得られる温度
変化率ｄＴ／ｄｔの分布の一例を示している。光ファイ
バ10は、鋳型Ｍの深さ方向に内壁に沿って埋設してあ
り、鋳型Ｍの内壁温度は、該鋳型Ｍの内部に滞留する溶
湯３の表面レベルの相当位置にて急変し、これよりも上
側又は下側での温度の変化率は小さい。従って、図４に
示す如き温度変化率ｄＴ／ｄｔの分布が得られた場合、
Ｌ₁とＬ₂との間の極大部に対応するＬ点に溶湯レベル
が存在することがわかる。

【００２４】以上の如く得られる溶湯レベル検出装置１
の検出結果は、前記開度検出器70により検出されるスラ
イディングノズル６のノズル開度と、外部にて適宜に設
定される目標レベルと共にレベル制御部２に与えられて
いる。レベル制御部２は、溶湯レベル検出装置１による
検出レベルと前記目標レベルとを比較し、両者の偏差を
解消するために必要なスライディングノズル６の目標開
度を決定し、この目標開度を実現すべく、開度検出器70
から与えられる現状のノズル開度をフィードバック信号
として開度調節シリンダ８に動作指令を発するサーボ制
御部であり、この動作指令に従う開度調節シリンダ８の
動作により鋳型Ｍへの溶湯３の注入量が変更されて、鋳
型Ｍの内部に滞留する溶湯３のレベルを前記目標レベル
の近傍に正しく維持する溶湯レベル制御が行われる。

【００２５】このような溶湯レベル制御においては、鋳
型Ｍの内部における溶湯３のレベルを、高い精度と高い
応答性のもとで検出することが要求されるが、溶湯レベ
ル検出装置１によるレベル検出は、前述した如く、鋳型
Ｍへの光ファイバ10の埋設範囲内にて連続的に得られる
鋳型Ｍの内壁温度の変化に基づいて行われることから高
い精度が得られ、また前記温度変化は、光ファイバ10中
に入射されたレーザ光の散乱を媒介として捉えられるか
ら、良好な応答性が確保される。

【００２６】また、溶湯レベル検出装置１は、鋳型Ｍの
深さ方向に沿って少なくとも１本の光ファイバ10を埋設
することにより構成でき、この埋設のための鋳型Ｍの改
造はわずかであり、また鋳型Ｍの上部空間が自由空間と
なり、ロボット、マニピュレータ等の自動化機器の配設
が阻害されない。

【００２７】また溶湯レベル検出装置１による検出は、
鋳型Ｍの内壁に沿う光ファイバ10の埋設長さの全範囲に
亘って可能であり、前述した如く鋳型Ｍの深さ方向全域
に亘って光ファイバ10を埋設することにより、溶湯レベ
ル検出装置１の検出結果を、溶湯レベル制御のために用
いると共に、オートスタートの実行時におけるレベル監
視のために用いることもでき、オートスタート完了後の
操業開始に際し、鋳型Ｍ内に生じるレベル変動を小さく
抑えることができる。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明に係る溶湯レベ
ル検出装置においては、鋳型の内壁に深さ方向に沿って
光ファイバを埋設し、この光ファイバ中に入射されるレ
ーザ光の後方散乱光を捉え、これのラマン分光により光
ファイバの各部での温度変化の分布を求め、鋳型への埋
設範囲内におけるこの分布態様に基づいて溶湯レベルを
演算するから、連続鋳造用の鋳型内部の溶湯レベルを、
深さ方向の全範囲に亘って、高い精度及び応答性を維持
したまま検出でき、また鋳型の大幅な改造を要すること
がなく、更に鋳型の上部空間を必要としないことから、
鋳型上部への各種の自動化機器の配設を阻害することが
ない等、本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】連続鋳造設備の溶湯レベル制御系への本発明に
係る溶湯レベル検出装置の適用例を示すブロック図であ
る。

【図２】本発明に係る溶湯レベル検出装置の構成を示す
ブロック図である。

【図３】後方散乱光の波長分布を示す説明図である。

【図４】本発明に係る溶湯レベル検出装置によるレベル
演算方法の説明図である。

【符号の説明】

１溶湯レベル検出装置２レベル制御部３溶湯４浸漬ノズル５鋳片６スライディングノズル７開度調節シリンダ 10 光ファイバ 11 レーザ発信器 13 波長分離モジュール 14 レベル演算部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】連続鋳造用の鋳型の内部に滞留する溶湯
のレベルを検出する溶湯レベル検出装置において、前記
鋳型の内壁に深さ方向に沿って埋設された光ファイバ
と、該光ファイバ中に入射するレーザ光を所定の周期に
て発するレーザ源と、前記レーザ光の後方散乱光をラマ
ン分光する分光手段と、該分光手段の分光結果を用いて
前記光ファイバの埋設範囲内での前記鋳型の温度変化の
分布を求め、この結果に基づいて前記溶湯レベルを演算
するレベル演算手段とを具備することを特徴とする溶湯
レベル検出装置。