JPH11183449A - 鋳片の中心固相率測定方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】鋼を連続鋳造する際の鋳片の凝固末期の未凝固
部の中心固相率を高精度で測定する方法およびその装置
を提供すること。 【解決手段】電磁超音波探触子の両側に、探触子よりも
所定値Ｌだけ鋳片面方向に突出させたタッチロール８を
軽度の一定の力で鋳片面３に押しつけ、探触子を鋳片面
の凹凸に追従させることにより、リフトオフを所定値に
保つ測定方法。タッチロールと共に鋳片面にシューブロ
ック９を押しつ、リフトオフをさらに安定化する方法。
探触子収納部４、１対のタッチロール８およびコネクタ
ボックス５とを有する計測体１と、それを載架する支持
アーム２、支持アームに付設されたラック１１、ピニオ
ン１２およびエアシリンダ１４を有する測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、連続鋳造時の鋳片
内部の凝固状態を非破壊で測定する方法に関する。さら
に詳しくは、電磁超音波探触子と鋳片との間のリフトオ
フを一定に維持することにより未凝固部の中心固相率を
高精度で測定する方法およびその測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属の連続鋳造方法では、タンディシュ
内の溶融金属は、タンディシュ底部に設けられている浸
責ノズルを経て鋳型に連続的に注入され、鋳型壁からの
冷却により凝固シェルを形成しつつ連続的に引き出さ
れ、中心部まで凝固して鋳片となる。鋳型から引き出さ
れた鋳片の凝固シェル内部の溶鋼の凝固状態は、溶鋼温
度、鋳片の引き抜き速度、冷却条件等により変化する。
凝固状態によっては、凝固シェルが破れて鋳片内部の溶
鋼が流出するブレイクアウトや、鋳片が異常に膨張する
バルジングが生じたり、中心偏析が顕著になる等の問題
が発生する。これらの問題が生じないようにするには、
従来のように鋳片の完全凝固時期を把握するだけでは不
十分であり、中心固相率を指標として管理するのが好ま
しいとされている。

【０００３】凝固末期の鋳片中心部の数ｍｍの厚さの領
域では、凝固シェルの間に溶融相と固相が混在する固液
混合領域が形成されている。この固液混合領域での固相
の体積比率は中心固相率と称される。凝固末期の固相率
の把握が重要とされるのは、完全凝固する前の段階での
凝固状況を把握することにより、より正確で適切な操業
管理が可能になるからである。例えば、鋳片中心部での
各元素の偏析を軽減するための未凝固圧延において、従
来のように完全凝固時期を指標とする方法では、適切な
圧下タイミングを決めるのが困難であり十分な中心偏析
軽減効果が得られない。中心固相率が把握できれば、鋳
造速度や冷却条件を適切に設定して最適条件で圧延する
ことが可能となる。

【０００４】中心固相率の測定方法としては、これまで
に、鋲打ち法、圧延時の負荷荷重から推定する方法、超
音波測定法等が開示されている。鋲打ち法は、鋳片に鋲
を打ち込み、鋲の溶解状況を調査して鋳片での固相率を
求める方法である。この方法は破壊検査であるのでオン
ラインでは測定できず、また、測定に時間を要するうえ
歩留が低下するという問題がある。圧延時の負荷から推
定する方法では、未凝固状態での測定が難しく、ロール
の撓み等の外乱もあり正確さに欠ける。超音波を用いて
測定する方法では、測定対象と探触子の間に水などの媒
質が必要であるが、高温の鋳片表面と探触子との間に安
定して水膜などの媒質を形成するのが困難である。

【０００５】鋳片の未凝固部を非破壊的に測定する方法
としては、測定対称物が高温であるので非接触で測定で
きことが望ましく、電磁超音波を用いる方法が検討され
ている。電磁超音波は、磁石とコイルで構成される探触
子を導体表面近傍に配し、探触子のコイルに交流を流
し、電磁誘導によって導体に渦電流を発生させ、その渦
電流と磁界との間にはたらく力によって物体の表面を歪
ませて発生させる弾性波である。物体中を伝播した弾性
波は、反対の表面近傍に配した探触子により、発生時と
逆の過程を得て検出される。電磁超音波の発生と検出
は、探触子を測定対象に接触させなくても可能であり、
また、従来の圧電型超音波変換子では困難であった横波
も材料に垂直に入射できる特徴がある。

【０００６】特開昭５２−１３０４２２号公報には、電
磁超音波方式を用いて凝固完了位置をオンラインで検出
する方法が開示されている。これは電磁的な方法で発生
させた横波超音波が鋳片の厚さ方向を透過する状況から
鋳片における完全凝固位置を検出するものである。超音
波の励振強度または超音波振動の受信効率は、送信子あ
るいは受信子（以下、「探触子」と総称する）と鋳片と
の距離（以下、「リフトオフ」と記す）に大きく依存す
る。リフトオフが変動すると受信信号強度が変化するの
で、特開昭５２−１３０４２２号公報で開示されている
方法では測定精度を維持するのが難しい。

【０００７】特開昭６２−１４８８５０号公報には、電
磁超音波の縦波と横波とを同時に鋳片に透入させ、溶融
部分で横波が吸収される現象を利用して溶融部分の有無
を検出する方法が開示されている。この方法は縦波と横
波の受信信号の強度比の変化から完全凝固位置を測定す
るもので、リフトオフが変動しても測定が可能である。
しかしこれらの方法では、計測対象が完全凝固位置の検
出に限られており、固液混合域の中心固相率の検出には
適用できない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、鋼を連続鋳造する際の鋳片の凝固状態、特
に凝固末期の中心固相率を高精度で測定する方法および
その装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は下記
（１）および（２）に記載の鋳片の中心固相率測定方法
および（３）に記載のその測定装置にある。

【００１０】（１）電磁横波超音波の透過波を検出して
連続鋳造鋳片の中心固相率を測定する方法において、探
触子と１対のタッチロールとを有する計測体を、鋳片面
の垂直方向に滑動可能にして支持アーム上に保持し、タ
ッチロールを探触子よりもリフトオフ設定値だけ鋳片面
側に突出した位置に配置し、支持アームに設けた押しつ
け装置からの力を計測体に作用させてタッチロールを鋳
片面に一定の力で押しつけることにより、探触子と鋳片
面との距離をリフトオフ設定値に保ちつつ横波超音波の
減衰状況を測定する電磁超音波による連続鋳造鋳片の中
心固相率測定方法。

【００１１】（２）鋳片面に平行な摺動面を有し、鋳片
面に対する摺動面の位置が、タッチロールの頂部と同一
平面か、所定の距離だけタッチロールの頂部よりも離れ
る方向に配設されたシューブロックを有する計測体を用
いる上記（１）に記載の鋳片の中心固相率測定方法。

【００１２】（３）横波超音波探触子を収納した探触子
収納部、リフトオフ量の調整が可能でかつ所定のリフト
オフ量で探触子収納部と一体化された１対のタッチロー
ルおよびコネクタボックスを有する計測体と、計測体を
鋳片面に垂直な方向に滑動可能に保持する支持アーム
と、支持アームに付設されたシリンダ、ラック、ピニオ
ンとを有し、探触子にはコネクタボックスを介して横波
発生用の電力および信号伝送用のケーブルが接続されて
おり、支持アームに付設されたシリンダから伝達される
一定の力でタッチロールを鋳片面に押圧することが可能
な機能を備える鋳片の中心固相率測定装置。

【００１３】横波超音波は、鋳片内部に溶融金属が存在
すると減衰が激しいので溶融部の比率が高い場合には鋳
片を透過させることができない。しかし、固液共存部分
では固相部分を経て伝播する横波があるため、横波は減
衰するものの透過させることができる。この場合の横波
の減衰度合いは固相の比率に影響される。従って、横波
の減衰度合いを測定すれば固相の比率が測定できる。

【００１４】図６は、連続鋳造した鋳片表面の凹凸の例
を示す図である。図６に示すように、鋳片面には鋳造中
にロールピッチに対応した高さ１．５ｍｍ前後のうねり
がある。図５は、横波電磁超音波の透過波の受信信号強
度に対する受信子のリフトオフの影響の例を示す図であ
る。図５に示されるように、リフトオフが１０ｍｍ近傍
の領域ではリフトオフが１ｍｍ変動すると受信信号強度
が２０％前後変化する。これらのことからリフトオフの
変動量を０．３ｍｍ以下に制御できれば、固相率の必要
とする測定精度が得られることが判明した。本発明は上
記の考え方を基にして完成されたものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を基に本発明の実施の
形態を詳細に説明する。

【００１６】図１は、本発明の測定方法に用いられる測
定装置を、水平方向に配置されている鋳片３の下面側に
配し、これを鋳造方向から見た場合の正面図である。

【００１７】図２は、図１におけるＡ−Ａ矢視図であ
る。この装置は、図２に示すように、連続鋳造機出側の
ロール１９間に配設される。支持アーム２は、機側と鋳
片の幅方向中央部間を出入りできるようになっており、
不使用時には、計測体１を機外に容易に引き出すことが
できる。

【００１８】図１に示すように、計測体１は、探触子収
納部４、コネクタボックス５、これらを保持するフレー
ム６、ガイド棒７、ガイド棒の先端に鋳造方向に回転自
在に保持されるタッチロール８、コネクタボックスを介
して探触子に電力を供給し、また電気信号を伝送するケ
ーブル１５などで構成されている。探触子収納部４に
は、横波超音波の発振子または受信子が収納されてい
る。コネクタボックス５には探触子の交換が容易におこ
なえるようにコネクタが含まれている。

【００１９】タッチロール８を保持するガイド棒７は、
計測体の左右両端に設けられ、上下位置調整用ボルト１
６を用いて探触子に対するタッチロール８のリフトオフ
設定値Ｌが調整できるようになっている。リフトオフ設
定値Ｌは測定時のリフトオフに相当するものである。ガ
イド棒７は２重構造になっており、給水管１８から冷却
水が供給され、ガイド棒７を冷却した後上部から流出
し、タッチロール８を冷却する。コネクタボックス５と
探触子収納部４も冷却水による冷却が施される。

【００２０】フレーム６には、Ａラック（歯ざお）１１
を有する脚１０が固着されており、脚１０は支持アーム
２に対して上下方向に滑動できるようになっている。計
測体１は、脚１０に設けられたＡラック１１、支持アー
ム２に回動自在に設けられているピニオン（小歯車）１
２、および、支持アーム２上で支持アーム２に平行な方
向に滑動自在なＢラック１３を介して、支持アーム２に
固着されたシリンダ１４の作動に連動して上下する。例
えば、シリンダ１４により、Ｂラック１３が矢印の方向
に引かれると、計測体１が上昇し、タッチロール８が鋳
片３の下面に接触して停止する。逆に、Ｂラック１３が
左方向に押されると計測体１が下降する。

【００２１】タッチロール８が鋳片面３に押しつけられ
る力は、シリンダ１４に発生させる力を調整することで
任意に設定できる。タッチロール８が鋳片面３に及ぼす
押しつけ力を軽くしておけば、鋳片面３の凹凸に沿って
計測体１が上下するので、リフトオフを所定の値Ｌに保
つことができる。鋳片面への押しつけ力が強くなりすぎ
ると、高温の鋳片面が変形し、表面の凹凸に対するタッ
チロール８の追従が不正確になる。同時に、タッチロー
ル８が容易に摩耗し、リフトオフが経時変化する。これ
を防ぐため、本発明では、タッチロール８の鋳片面に対
する押しつけ力は、２個のタッチロール合計で１５０Ｎ
以下とする。押しつけ力が小さすぎると、鋳片面３とタ
ッチロール８の接触が均一に安定して保たれない場合が
ある。このため、押しつけ力は、好ましくは２０Ｎ以上
とするのがよい。

【００２２】タッチロール８と鋳片面３とは、僅かな面
積で接触するだけであるので、鋳片面３の凹凸が激しい
場合にはタッチロール８のみでは凹凸に追従できず、リ
フトオフが変動したり探触子が破損したりするおそれが
ある。これを防止するために、タッチロール８の近傍
に、鋳片面３に平行な摺動面を有し、鋳片面に対する摺
動面の位置をタッチロール８の頂部と同一平面か、所定
の距離だけタッチロール８の頂部よりも離れる方向に配
置するシューブロック９を設けるのが好ましい。

【００２３】シューブロック９をこの様に配することに
より、タッチロール８では追従できない凹凸がある場合
でも、摺動面が鋳片面に接触することでリフトオフの過
度の変動が抑制できる。鋳片面の凹凸が少ない間は、鋳
片面にはシューブロックを必ずしも接触させる必要はな
い。タッチロール８の頂部とシューブロック９の摺動面
の位置は、リフトオフ値の０〜２０％鋳片面から離れる
方向に配置するのが好ましい。シューブロック９の摺動
面の鋳込み上流方向の角部には曲面を設ければ、鋳片面
の凹凸に追従しやすくなるので好ましい。

【００２４】さらに、シューブロック９に冷却水噴出口
１７を設け、高圧水配管を連接し、高圧水を鋳片面３に
向けて噴出し、シューブロック９の摺動面を冷却すれ
ば、シューブロックやタッチロールの酸化や摩耗が抑制
されるので好ましい。

【００２５】Ｂラック１３を作動させるシリンダ１４
は、油圧シリンダでもよいが、応答性が良いことと、高
熱環境に対する耐久性が優れていることからエアシリン
ダを用いるのが好ましい。また、防熱のためにシリンダ
のロッドを長くし、シリンダ機構部を鋳片から離すのが
望ましい。

【００２６】タッチロール８およびシューブロック９は
耐熱性と耐摩耗性に優れた材質で造られるのが好まし
く、例えば、鋳鉄等が好適である。タッチロール８およ
びシューブロック９の大きさは、連続鋳造機のロール間
に配設できる大きさであればよい。

【００２７】測定環境が高熱であるので、計測体１や支
持アーム２の先端部は、例えば防熱壁で囲う等の防熱対
策などを講じるのがよい。

【００２８】鋳片の上面側には、図１と上下対象な位置
に計測体と支持アーム等を配した測定装置を用い、上面
側の探触子と鋳片上面との距離（リフトオフ）を所定値
に保って測定する。発振子側には増幅アンプを発振子近
傍に装備する必要がある。このため、鋳片の上面側には
電磁超音波の発振子を配し、下面側には受信子を配して
測定するのが好ましい。

【００２９】

【実施例】（実施例１）厚み３００ｍｍの鋳片を引き抜
き速度２．０ｍ／分で鋳造する連続鋳造設備出側の未凝
固部が存在する位置において、支持アームに保持された
計測体を水平な鋳片の下面幅方向中央部に配置し、探触
子のリフトオフ制御効果を確認した。

【００３０】図１は、本発明の実施例に係わる固相率測
定装置を鋳片下面に配置し、これを鋳造方向から見た場
合の正面図である。計測体１は、受信子を収納した探触
子収納部４、コネクタボックス５、フレーム６、ガイド
棒７、探触子にたいするリフトオフ量Ｌが調節可能なタ
ッチロール８を有し、コネクタボックス５には受信子に
電力を供給するケーブルと、受信信号を伝送する信号用
ケーブル等が接続されている。

【００３１】計測体１は、脚１０を介して支持アーム２
に対して上下方向に滑動するように保持されている。フ
レーム６には、Ａラック（歯ざお）１１を有する脚１０
が固着されており、脚１０は支持アーム２に対して上下
方向に滑動できるようになっている。計測体１は、脚１
０に設けられたＡラック１１、支持アーム２に回動自在
に設けられているピニオン（小歯車）１２、および、支
持アーム２上で平行方向に滑動自在なＢラック１３を介
して、支持アーム２に固着されたシリンダ１４の作動に
連動して、上下できるようになっている。

【００３２】タッチロール８に隣接してシューブロック
９がガイド棒７に固定されている。タッチロール８は外
径３５ｍｍ、幅３５ｍｍであり、シューブロック９は幅
３５ｍｍ、長さ５５ｍｍであった。材質はいずれも鋳鉄
とした。タッチロール８のリフトオフ量Ｌは２ｍｍに調
整した。シューブロックの摺動面は、タッチロール８の
頂部から０．５ｍｍ鋳片面から離した位置に調整した。
タッチロール８の押しつけ力が、２個のロール合計で４
０Ｎになるようにエアシリンダの圧力を設定した。

【００３３】リフトオフの変動状況は、計測体に仮設し
た渦流式距離計（図示せず）を用いて計測体と鋳片表面
との距離を測定して確認した。また、鋳片面の凹凸を、
別途固定位置に仮設した渦流式距離計を用いて同時に測
定した。

【００３４】図３に、本発明の方法によるリフトオフの
制御状況をおこなった場合のリフトオフ値の変動状況の
例を実線で示す。横軸は時間であり縦軸は上述の方法で
測定したリフトオフ量を示す。探触子の寿命を長くする
ために計測は断続的におこなった。図３の破線は、固定
位置に仮設した渦流式距離計を用いて同時に測定した下
面の凹凸状況を示す。図３からわかるように、鋳片面に
は凹凸差（△Ｈ）が１．８ｍｍのうねりがあった。しか
し、リフトオフ制御を行った場合には、リフトオフの変
動量（△Ｌ）が０．３ｍｍ以内に安定して維持できた。

【００３５】（実施例２）実施例１と同じ連続鋳造機の
出側の鋳片上面の幅方向中央部に、配置が図１と上下対
象である以外は実施例１に記したのと同様の構成、寸
法、構造の計測装置を配し、下面には、実施例１に記載
したのと同一の計測装置を配した。鋳片上面の探触子収
納部およびコネクタボックスには、電磁超音波の横波を
発生させるのに必要な超音波発振子、制御信号および電
力供給装置を備えた。鋳片下面の探触子収納部およびコ
ネクタボックスには、電磁超音波の横波を受信するのに
必要な超音波受信子、制御信号および電力供給装置と受
信信号伝送装置を備えた。リフトオフ設定値Ｌは上下と
も２ｍｍ、シューブロックの摺動面は、上下とも、タッ
チロールの頂部から０．５ｍｍ下げた位置とし、タッチ
ロール押しつけ力は上下とも４０Ｎとした。

【００３６】この連続鋳造機の測定場所で、中心固相率
が０．２〜１の固液共存域が得られるように、厚さが３
００ｍｍの鋳片を、引き抜き速度２．０ｍ／分以下の範
囲で変更し、冷却条件も種々に変更して鋳造し、発振子
側、受信子側共にリフトオフ制御をおこなった場合と、
リフトオフ制御をおこなわなかった場合の、横波超音波
による中心固相率の検出精度を比較した。鋳片の中心固
相率は、前述の鋲打ち法により確認した。

【００３７】図４に、中心固相率と受信信号強度の関係
を示す。図４に●印で示したように、リフトオフ制御を
おこなった場合には、中心固相率の変化と受信信号強度
の変化が正確に対応した。図中に固液共存相として示し
た中心固相率が０．６５〜０．８の領域では、中心固相
率を特に精度よく推定することができた。これに対し、
比較例としておこなった、リフトオフ制御を行わない場
合は、図４に○印で示したように、同一の中心固相率に
対して受信信号強度が大幅に変動し、受信信号強度から
中心固相率を推定することが困難であった。

【００３８】

【発明の効果】本発明の測定方法によれば、鋳造中に探
触子と鋳片面とのリフトオフを安定して一定に維持する
ことが可能となり、連続鋳造の鋳片冷却過程において任
意な位置での鋳片中心部の固液共存領域の中心固相率を
精度よく求めることができる。本発明の測定装置は、鋳
造機のテーブルロール間に配置でき、タッチロールの追
従方法を機械的な構造で可能にしているので高温環境で
の耐久性に優れる。これにより、オンラインで冷却水量
制御、鋳込速度制御、鋳片圧下量制御等が適切におこな
えるようになるので、生産能率が向上し、中心偏析改善
など、鋳片の品質を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明例に係わる、鋳片下面に配置した計測装
置を鋳造方向から見た場合の正面図である。

【図２】本発明例に係わる、鋳片下面に配置した計測装
置の側面図である。

【図３】本発明例に係わる、リフトオフ制御効果を比較
例と共に示す図である。

【図４】中心固相率検出精度とリフトオフ制御との関係
を示す図である。

【図５】横波超音波の透過波の受信信号強度に対するリ
フトオフの影響を示す図である。

【図６】連続鋳造した鋳片表面の凹凸の例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１・・・計測体、２・・・支持アーム、３・・・凝固シ
ェル、４・・・探触子収納部、５・・・コネクタボック
ス、６・・・フレーム、７・・・ガイド棒、８・・・タ
ッチロール、９・・・シューブロック、１０・・・脚、
１１・・・Ａラック、１２・・・ピニオン、１３・・・
Ｂラック、１４・・・シリンダ、１５・・・ケーブル、
１６・・・上下位置調整用ボルト、１７・・・冷却水噴
出口、１８・・・冷却水配管、１９・・・ロール、Ｌ・
・・リフトオフ設定値。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電磁横波超音波の透過波を検出して連続鋳
   造鋳片の中心固相率を測定する方法において、探触子と
   １対のタッチロールとを有する計測体を、鋳片面の垂直
   方向に滑動可能にして支持アーム上に保持し、タッチロ
   ールを探触子よりもリフトオフ設定値だけ鋳片面側に突
   出した位置に配置し、支持アームに設けた押しつけ装置
   からの力を計測体に作用させてタッチロールを鋳片面に
   一定の力で押しつけることにより、探触子と鋳片面との
   距離をリフトオフ設定値に保ちつつ横波超音波の減衰状
   況を測定する電磁超音波による連続鋳造鋳片の中心固相
   率測定方法。
2. 【請求項２】鋳片面に平行な摺動面を有し、鋳片面に対
   する摺動面の位置が、タッチロールの頂部と同一平面
   か、所定の距離だけタッチロールの頂部よりも離れる方
   向に配設されたシューブロックを有する計測体を用いる
   請求項１に記載の鋳片の中心固相率測定方法。
3. 【請求項３】横波超音波探触子を収納した探触子収納
   部、リフトオフ量の調整が可能でかつ所定のリフトオフ
   量で探触子収納部と一体化された１対のタッチロールお
   よびコネクタボックスを有する計測体と、計測体を鋳片
   面に垂直な方向に滑動可能に保持する支持アームと、支
   持アームに付設されたシリンダ、ラック、ピニオンとを
   有し、探触子にはコネクタボックスを介して横波発生用
   の電力および信号伝送用のケーブルが接続されており、
   支持アームに付設されたシリンダから伝達される一定の
   力でタッチロールを鋳片面に押圧することが可能な機能
   を備える鋳片の中心固相率測定装置。