专利名称：连续铸造用铸模铜板的温度测量方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对构成熔化金属(钢液等)的连续铸造用铸模的铸模铜板的温度进行测量的方法和装置。本发明特别涉及针对整个宽范围的测温区域在不阻碍连续铸造的生产性的情况下高精度地测量铸模铜板温度的方法和装置。
背景技术：
以往，在制钢工序中使用的连续铸造机(CC)的铸模铜板嵌入热电偶。并且，通过由该热电偶测量铸模铜板的温度，由此进行铸模内的监视和控制。更加具体而言，由所述热电偶测量出的温度除了用于铸模内的钢液的漏钢(breakout :B0)预测和检测以外，还用于铸片的品质估计。此外，由所述热电偶测量出的温度还作为用于控制铸模中设置的电磁搅拌装置和电磁制动装置的指标来使用。一般情况下，所述热电偶设置在铸模铜板上所设的孔(在铸模铜板的与靠近于钢液的面对置的面开口，延伸到铸模铜板的内部的孔)内，使得测温点位于距离铸模铜板的靠近于钢液的面5 20mm的位置。对于上述的热电偶，如果设置得越多，则越能够详细地测量铸模铜板的温度(温度分布)，在这一点上是较为方便的。只要能够详细地测量铸模铜板的温度，就能够期待更加可靠地预测或检测钢液的漏钢这类的效果。此外，只要能够详细地测量铸模铜板的温度， 则钢液的流动状态的估计和壳体厚度的估计精度就有所提高，其结果能够期待铸片的表面品质的估计精度提高这类的效果。但是，通过设置多个热电偶，从而出现了热电偶的故障频度增大的问题。热别在近年来，由设置铸模中的电磁搅拌装置和电磁制动装置来控制在铸模内形成的铸片的品质。因此，由于与这些设备产生物理干扰，因此发生故障的热电偶的更换和修理等变得极为困难。为了解决以上说明的问题，提出了例如专利文献1(日本国特开2002-113562号公报)中记载的铸模铜板的温度测量方法。具体而言，专利文献1中示出了由热电偶测量铸模铜板的温度时的问题、特别是设置了电磁搅拌装置的情况下的问题。并且，专利文献1中作为其解决方案，记载了如下的方法，设置了在铸模铜板的上面开口并延伸到铸模铜板的内部的插入孔，在该插入孔中插入热电偶，从而测量铸模铜板内部的规定位置的温度。此外，作为使用超声波的模具材料表面的温度测量方法，提出了专利文献2(日本国特开2007-33077号公报)中记载的方法。具体而言，专利文献2中记载了如下方法，对于因热电偶的响应速度慢所以无法测量急剧变化的模具材料的靠近于熔液的面的温度(专利文献2的图2所示的一侧面加)，使用超声波对其进行测量。更加具体而言，在专利文献 2中，在所述靠近于熔液的面形成底面为平面的超声波反射用的洞穴，测量在所述靠近于熔液的面和所述洞穴的底面分别反射的超声波回波(echo)的传播时间差。并且，专利文献2 中还记载了如下内容，基于该测量出的传播时间差和所述靠近于熔液的面和所述洞穴的底面之间的距离求出超声波的传播速度，并根据预先求出的模具材料中的超声波传播速度的温度依赖性，求出所述靠近于熔液的面的温度。(1)热电偶的故障与其他设备之间的干扰问题
如上述，以往使用从铸造铜板的背面(铸模铜板的与熔液靠近的面的对置面)插入内部的热电偶测量连续铸造机的铸模铜板的温度。然而，如专利文献1中所述那样，热电偶的安装位置与铸模用冷却水的路径临近，且铸模平常暴露在被称为振荡(oscillation) 的振动中。因此，热电偶的保护管有时被冷却水腐蚀，或者热电偶的插入孔中浸入冷却水从而产生大的测温误差。此外，如上述那样，由于近年来靠近于铸模铜板的背面设置电磁搅拌装置和电磁制动装置等设备，因此，这些设备与热电偶及其布线产生物理干扰。因此，在更换发生故障的热电偶时，要取下电磁搅拌装置和电磁制动装置等设备，这样既费时又费力，在此期间需要使连续铸造长时间停止等，显著阻碍了生产性。这样，在以往的使用热电偶的铸模铜板的温度测量方法中，存在由于热电偶的腐蚀或冷却水浸入测温点由此输出异常值的问题。此外，在使用电磁搅拌装置和电磁制动装置等设备的情况下，存在难以更换发生故障的热电偶的问题。(2)热电偶的问题使用热电偶的温度测量只限于热电偶前端部附近的局部温度的测量。如上述，一般按照测温点位于距离铸模铜板的靠近于熔液的面5 20mm的位置的方式来配置热电偶。 因此，由热电偶测量出的温度仅具有上述测温点附近的几十mm左右的温度代表性。另一方面，在铸模铜板是平板状的情况下，其与熔液靠近的面例如具有 900mmX 2000mm左右的面积。因此，为了不漏掉地由热电偶测量靠近面整体的温度，需要极多的热电偶，实质上这是不能实现的，因此，实际情况下是将热电偶的根数限制在现实的根数来使用。例如，在专利文献1所记载的示例中，铸模铜板的每个与熔液靠近的面上有沈个左右的测温点。(3)专利文献1中记载的方法的问题作为专利文献1中记载的方法的问题，例如除了上述(2)叙述的问题以外，还有热电偶的高度方向的设置位置受到限定。基于作为热电偶所要求的机械强度、耐蚀性、响应性等观点，一般使用具有Φ3mm cp5mm左右的外形的鞘装式热电偶。为了将该热电偶设置在铸模铜板内部，需要如专利文献1的图1所示那样，使用钻头(drill)高精度地开凿细且深的插入孔。然而，开凿上述这种小径且深的插入孔是较为困难的。至少基于市面上的超硬钻头等的规格来推测的话，在铸模铜板开凿Φ 3mm左右的插入孔的情况下，其界限深度最多也就50mm 60mm左右。如专利文献1的图1所示那样，在从铸模铜板的上面开凿比热电偶稍大的插入孔的情况下，当开凿出过大的插入孔时会阻碍铸模铜板的热传导，这是不希望看到的。因此，假设开凿例如Φ6πιπι的插入孔，则认为界限深度为90mm左右。换言之，插入该插入孔的热电偶的测温点的限定位置高于从铸模铜板的上面向下90mm左右的位置。一般情况下，在钢液的液面位置因液面的翻腾从而无法得到稳定的测温值，因此将低于液面几cm IOcm左右的位置及其下方的位置设定为测温区域。因此，例如将测温点设定在距离铸模铜板的上面90mm的位置时，由于钢液的液面至少比该位置高几cm，因此出现少许的液面波动时或非稳定时，钢液从铸模溢出的危险性变高。此外，测温点的限定位置高于从铸模铜板的上面向下90mm左右的位置。因此，无法测量距离铸模铜板的上面90mm 的位置以下的位置处的温度，对于铸模内的钢液的漏钢的检测也不充分。
如上所述，专利文献1记载的方法存在如下问题。(a)难以开凿适当深度的插入孔所以缺乏实用性。(b)测温点限定于从铸模铜板的上面至下方90mm左右的范围。因此，其问题在于产生钢液溢出的危险性、以及在低于测温点的位置无法检测钢液的漏钢。(4)专利文献2记载的方法的问题专利文献2记载的方法需要在模具材料的靠近于熔液的面形成Φ Imm左右深度 Imm 2mm左右的平底洞穴(专利文献2的第0025段)。将该方法应用于连续铸造用的铸模铜板时，在铸模铜板的靠近于钢液的面上设置上述平底洞穴。因此，从形成了上述平底洞穴的部位处的钢液向铸模铜板的热传递与周围的部位不同，或者在上述平底洞穴中加入被称为粉末(powder)的润滑剂从而形成突起部，或者钢的一部分进入其中等。这些有可能导致在铸片出现伤痕或钢液出现漏钢的可能性增大。此外，由于平底洞穴的深度为1 2mm左右，因此在平底洞穴的底面和熔液靠近面分别反射的超声波回波的传播时间差(往复的传播时间差)为0.02nSec左右，需要检测该时间差的温度的微小变化。因此，需要时间分辨率和精度非常高的检测技术，装置的成本过高。此外，来自平底洞穴的超声波回波与来自熔液靠近面的超声波回波容易发生干扰，为了抑制这种干扰需要使用高频的超声波。但是，由于高频的超声波不容易传播，因此不利于在宽的范围中进行测量。基于以上几点，专利文献 2记载的方法适用于在不是连续铸造的铸造等中使用的模具表面涂敷的分模剂的热传导性等的评价，而不适合用于连续铸造用的铸模钢板的温度测量。此外，假设即便能够将专利文献2记载的方法应用于连续铸造用的铸模铜板的温度测量，在该方法中仅仅可获得铸模铜板的与钢液的靠近面内的一部分的测温值(严格来说是深度距离靠近面1 2mm左右的范围的平均值)。此外，为了垂直于上述靠近面入射超声波，需要在与所述靠近面对置的面安装超声波传感器。如上述，在该安装位置由于临近铸模用冷却水的路径或漏水等超声波传感器有可能出现故障。再有，由于与电磁搅拌装置、电磁制动装置、及其附带设备等存在物理上的干扰，因此不仅难以安装超声波传感器，而且在出现故障时进行更换也不容易。当更换超声波传感器时，需要使连续铸造长时间停止等，这样显著地阻碍了生产性。如上所述，专利文献2记载的方法存在以下问题。(a)由于有可能在铸片中产生伤痕等，因此难以应用于连续铸造用的铸模铜板的温度测量。(b)假设即便能够应用，由于仅仅能获得铸模铜板的与钢液的靠近面内的一部分的测温值，而且电磁搅拌装置以及电磁制动装置等设备与超声波传感器存在物理干扰，因此难以更换出现故障的超声波传感器。(c)需要时间分辨率非常高的检测装置，成本变得过高。
发明内容
本发明是为了解决这些现有技术中的问题而提出的，其目的在于提供一种针对整个宽范围的测温区域高精度地且不阻碍连续铸造的生产性地测量构成熔化金属的连续铸造用铸模的铸模铜板的温度的方法以及装置。为了解决上述问题，本发明提供一种连续铸造用铸模铜板的温度测量方法，对构成熔化金属的连续铸造用铸模的铸模铜板的温度进行测量，其包括第1步骤，在所述铸模铜板的内部设置超声波的反射源；第2步骤，朝向所述反射源，从超声波收发元件向大致平行于所述铸模铜板的与熔化金属靠近的靠近面的方向传播超声波；和第3步骤，基于由所述反射源反射并由所述超声波收发元件检测出的超声波回波，计算所述铸模铜板的温度。根据这种发明，因为基于由设置在铸模铜板内部的反射源反射的超声波回波(具体而言，例如基于超声波回波的传播时间、超声波的传播速度的温度依赖性(传播速度与温度的对应关系))，计算铸模铜板的温度，因此能够一次普遍地测量超声波的传播路径中的铸模铜板的温度(平均温度)。换言之，较之于以往每一个热电偶或每一个超声波收发元件仅能够在大致一处测温点进行温度测量，能够由一个超声波收发元件针对整个宽范围的测温区域进行铸模铜板的温度测量。此外，由于在铸模铜板的与熔化金属靠近的靠近面大致平行的方向传播超声波， 因此无需将超声波收发元件安装在与所述靠近面对置的面。也就是说，超声波收发元件除了安装于靠近面和靠近面所对置的面以外，还可以安装在铸模铜板的上面、底面和侧面的任意面。因此，能够远离铸模用冷却水的路径来配置超声波收发元件，能够减少因漏水等引起的超声波收发元件的故障或测温误差的发生。此外，超声波收发元件与电磁搅拌装置或电磁制动装置等设备难以在物理上出现干扰，在超声波收发元件发出故障的情况下能够较为方便地进行更换从而不会阻碍连续铸造的生产性。如以上，根据本发明所涉及的连续铸造用铸模铜板的温度测量方法，能够针对整个宽范围的测温区域高精度地且不阻碍连续铸造的生产性地测量铸模铜板的温度。优�。龅�1步骤中设置的所述反射源是在所述铸模铜板的与熔化金属靠近的靠近面所对置的面开口并向所述铸模铜板的内部延伸的孔。根据这种优选的方法，除了能够较为容易地设置反射源以外，还可以将现有的热电偶插入孔转用作反射源。此外，即便铸模用冷却水从开口浸入孔内，由反射源所反射的超声波回波的强度与冷却水浸入前相比也没有什么变化。并且，因为基于由反射源反射的超声波回波的传播时间而不是超声波回波的强度来测量温度，因此冷却水浸入的影响很小。此外，为了进一步降低冷却水浸入的影响，可以在孔内填充树脂等或者加盖。再有，所述孔是在靠近面所对置的面开口的结构，而不是在与熔化金属靠近的靠近面开口。因此，从熔化金属向铸模铜板的热传导不会因孔而局部地发生变化，熔化金属的一部分也不会注入孔内，所起到的效果是降低了在铸片产生伤痕或者熔化金属出现漏钢的可能性。优�。谒龅�1步骤中，在从一个或一对的超声波收发元件发送的超声波的传播路径中，设置多个反射源，在所述第3步骤中，基于由所述多个反射源之中任意选择的一对反射源分别反射的超声波回波的传播时间差、和超声波的传播速度的温度依赖性，计算所述铸模铜板的所述选择的一对反射源之间的温度。根据这种优选的方法，由于在超声波的传播路径中设置多个反射源，基于由任意选择的一对反射源分别反射的超声波回波的传播时间差计算铸模铜板的温度，因此能够提高温度测量的空间分辨率，能够提高针对局部温度波动的灵敏度。此外，由于增加了每一个超声波收发元件的测温点数量，因此其优点在于能够降低测量中所需的装置成本。此外，即便是在超声波发送元件和超声波接收元件由各自的元件构成的超声波收发元件(一对的超声波收发元件)的情况下，在与这些超声波发送元件和超声波接收元件相关的超声波传播路径中设置多个反射源，由此也可达到同样的效果。在所述第2步骤中例如在所述铸模铜板的上面配置超声波收发元件即可。在铸模铜板的上面配置超声波收发元件的情况下，有时来自配置在铸模上方的包水口的热辐射较强。因此，在将超声波收发元件直接配置在铸模上方的情况下，会将其暴露在高温下从而有可能发生故障或测温误差。为此，优选配置在铸模铜板上面的超声波收发元件进行冷却(也包括绝热)。此外，为了解决上述问题，本发明提供一种连续铸造用铸模铜板的温度测量装置， 对构成熔化金属的连续铸造用铸模的、在内部设置了超声波的反射源的铸模铜板的温度进行测量，其包括超声波收发元件，朝向所述反射源，向大致平行于所述铸模铜板的与熔化金属靠近的靠近面的方向传播超声波；和运算单元，基于由所述反射源反射并由所述超声波收发元件检测出的超声波回波的传播时间、和超声波的传播速度的温度依赖性，计算所述铸模铜板的温度。根据本发明所涉及的连续铸造用铸模铜板的温度测量方法和装置，能够针对整个宽范围的测温区域高精度地且不阻碍连续铸造的生产性地测量铸模铜板的温度。
图1是说明本发明所涉及的连续铸造用铸模铜板的温度测量方法的原理的剖视图。图2是示意表示用于实施本发明所涉及的连续铸造用铸模铜板的温度测量方法的装置结构例的图。图2(a)是表示装置整体的示意结构的图，图2(b)是在内部透过状态下表示超声波收发元件的附近的俯视图，图2(c)表示图2(b)的AA方向剖视图。图3表示从实际操作中使用的连续铸造铸模铜板的上面入射超声波时的超声波回波的一例。图4表示由设置在铸模铜板的内容的缝隙孔反射的超声波回波的一例。图5是说明本发明的实施例所涉及试验的概要的剖视图。图6表示在图5所示的试验中得到的、由作为反射源的热电偶插入孔反射的超声波回波的一例。图7表示在图5所示的试验中得到的、由铸模铜板的底面反射的超声波回波(底面回波)的一例。图8是表示在图5所示的试验中得到的、由运算控制装置具备的运算部计算出的各平均温度、以及由第1和第2热电偶测量出的温度的一例的曲线图。
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。图1是说明本发明所涉及的连续铸造用铸模铜板的温度测量方法的原理的剖视图。如图1所示，本发明所涉及的温度测量方法是对构成熔化金属M的连续铸造用铸模的铸模铜板C的温度进行测量的方法。此外，在连续铸造用铸模是四角筒状的情况下，铸模铜板C为平板状，在连续铸造用铸模是圆筒状的情况下，铸模铜板C为圆筒状，但任何情况下都适用本发明所涉及的温度测量方法。以下，以熔化金属M为钢液、连续铸造用铸模是四角筒状、铸模铜板C为平板状的情况为例进行说明。如图1所示，本发明所涉及的温度测量方法包括第1步骤，在铸模铜板C的内部设置超声波的反射源R ；第2步骤，朝向反射源R，从超声波收发元件1向大致平行于铸模铜板C的与钢液M的靠近面Cl的方向传播超声波U ；第3步骤，基于在反射源R进行反射并由超声波收发元件1检测出的超声波回波的传播时间、超声波的传播速度的温度依赖性(传播速度与温度的对应关系)，计算铸模铜板C的温度。具体而言，例如，基于在反射源Rl进行反射并由超声波收发元件1检测出的超声波回波Ul的传播时间Tl、和从超声波入射点至反射源Rl的距离Li，通过以下的式(1)求出超声波的传播速度。超声波的传播速度=(至反射源Rl的距离Li) X 2/传播时间Tl. . . (1)然后，基于其传播速度、和预先求得的铸模铜板C中的超声波的传播速度的温度依赖性，能够计算铸模铜板C的温度。该计算出的温度相当于从超声波入射点(图1所示的例子中为铸模铜板的上面)至反射源Rl之间的平均温度。此外，如图1所示，当在从一个超声波收发元件1发送的超声波U的传播路径中设置多个反射源R(图1所示的例子中为多个反射源R1、R2、R3)时，基于在多个反射源R(R1、 R2.R3)之中任意选择的一对反射源R分别反射的超声波回波的传播时间差、和超声波传播速度的温度依赖性，能够计算出铸模铜板C的所述选择的一对反射源R之间的平均温度。具体而言，例如选择一对反射源R1、R2，基于由反射源R2反射的超声波回波U2的传播时间T2与由反射源Rl反射的超声波回波Ul的传播时间Tl的差△ T12 ( = T2-T1)、和反射源R1、R2之间的距离L12，通过以下的式(2)求出超声波的传播速度。超声波传播速度=(反射源R1、R2之间的距离L12) X2/传播时间差ΔΤ12. · · (2)并且，能够基于该传播速度、和预先求出的铸模铜板C中的超声波的传播速度的温度依赖性，计算出铸模铜板C的温度。该计算出的温度相当于反射源Rl、R2之间的平均温度。此外，铸模铜板C中的超声波的传播速度的温度依赖性，例如可以使用铸模铜板 C、或由与铸模铜板C同种材料组成且尺寸较小的样品来求出。具体而言，例如，在距铸模铜板C或所述样品的端面规定短距离(例如IOOmm左右)的位置处设置反射源R，对从上述端面至该反射源R之间进行加热。然后，从设置在上述端面的超声波收发元件入射超声波， 测量从检测到由上述端面反射的表面回波的时刻起至检测到由反射源R反射的超声波回波的时刻为止的经过时间。将该经过时间设为由反射源R反射的超声波回波的传播时间。 接下来，基于该测量出的传播时间和超声波的传播距离，计算超声波的传播速度，并基于该传播速度和测温值，能计算出超声波的传播速度的温度依赖性(传播速度与温度的对应关系)。例如在后述那样使反射源R为孔的情况下，上述的测温值可由安装在该孔内的热电偶进行测量。由于如上述那样在距超声波入射点(端面)较短的距离处设置反射源R的情况下，能够较高精度地决定反射源R的加工位置，因此也能够高精度地求出作为计算超声波传播速度时的基准的超声波传播距离。其结果，也可高精度地计算出超声波的传播速度的温度依赖性。如图1所示，优选使反射源R为在铸模铜板C的与钢液M的靠近面Cl所对置的面 C2开口且向铸模铜板C的内部延伸的孔。如果存在几十nm的间隙则超声波进行反射，能否检测出由反射源R反射的超声波回波因反射源R的面积(与超声波传播方向垂直的方向的面积)、铸模铜板C内的超声波的衰减、来自其他反射源的噪声回波(例如由作为铸模用冷却水的路径的槽所反射的超声波回波)等而变化。上述孔优选例如Φ Imm Φ 5mm左右的钻孔、或间隙为0. 3mm Imm左右宽度为0. 3mm IOmm左右长度为几mm 几十mm左右的钻孔。如上述那样，上述孔形成为在铸模铜板C的钢液M的靠近面Cl所对置的面C2处开口且向铸模铜板C的内部延伸的孔。一般情况下，铸模铜板C的厚度为35mm 45mm左右，在对置面C2设置有作为铸模用冷却水的路径的槽。将该槽的深度设定为例如20mm时， 上述孔的深度需要大于该槽的深度。因此，作为上述孔例如可以采用以往使用的热电偶插入孔，或者新形成尺寸与热电偶插入孔大致相同的孔。此外，作为上述孔采用通过放电加工形成的缝隙孔的情况下，较之上述热电偶插入孔可以使孔的底部靠近于靠近面Cl。之所以这样，是因为能够形成与热电偶插入孔(Φ3πιπι Φ4πιπι左右)相比容积充分小的孔，不容易阻碍铸模铜板C的热传导。一般情况下，Φ 3mm Φ 4mm左右的热电偶插入孔的底部位于距离靠近面Cl至少5mm左右的位置。相对于此，在间隙为0. 5mm左右宽度为3mm左右的缝隙孔的情况下，能够使其底部靠近于距离靠近面Cl为2mm 3mm左右的位置。这样，如果使孔的底部靠近于铸模铜板C的与钢液M的靠近面Cl，且按照朝向该底部附近传播超声波的方式来配置超声波收发元件1，则其优点在于针对钢液M和外壳(在铸模内凝固的钢的外壳部)的温度变动的灵敏度提高。作为上述反射源R的孔并不限于内部为空洞的孔，也可以填充与铸模铜板C同种的材料或者不同种的材料。例如，可以在上述孔中填充铜以外的金属或树脂。在填充金属时，可以在超声波回波的反射面在孔的内面与填充材料之间设置少许(几十nm左右)的间隙。此外，在填充树脂的情况下，优选使用具有将填充部位的温度考虑在内的耐热性的树脂。通过将这些填充材料填充在孔内，由此能抑制铸模用冷却水的浸入。此外，如后述那样在距离铸模铜板C的端面IOOmm的位置设置反射源R的情况下， 如果从端面至该反射源R的平均温度变化1°C时(或者以IOOmm的间隔设置2个反射源R 的情况下，这两个反射源R之间的平均温度变化1°C时)，在端面与反射源R之间(或者2个反射源R之间)传播超声波的时间(往复的传播时间)产生约5nsec的变化。另一方面， 在该5nsec的期间超声波传播的距离约为ΙΟμπι。也就是说，为了获得1°C的测温精度，需要以10 μ m的精度了解从端面至反射源R的距离(或者2个反射源R之间的距离)。为了知道从端面至反射源R之间的距离(或者2个反射源R之间的距离)，有两种方法。其中一个是高精度决定反射源R的加工位置的方法，另一个是正确地测量所加工的反射源R的位置的方法。前者的方法存在的间题在于，如果针对具有900mmX 2000mm左右大面积的铸模铜板C中设置的所有反射源R要求上述精度，则成本增大。另一方面，在后者的方法中存在如下优点可以按照几百μm左右或者低于该精度的加工精度来加工反射源 R0具体而言，在铸模铜板C的端面设置超声波收发元件1之后，在基准温度下由超声波收发元件1检测来自反射源R的超声波回波的传播时间，使用上述(1)式和( 式，根据该检测出的传播时间、和基于预先求出的超声波的传播速度的温度依赖性得到的基准温度下的超声波的传播速度，能够按照逆运算的方式求出到反射源R的距离Ll或反射源R之间的距离L12。在该方法中，能够比较廉价地且高精度地求出到反射源R的距离Ll或反射源R之间的距离L12。此外，上述的基准温度可以是任意度，只要是容易使铸模铜板C为恒定温度进行管理的温度即可。一般情况下，只要将恒温状态或者接近于常温的状态下使铸模铜板C断热并且铸模铜板C的整体温度稳定之后的状态设定为基准温度。作为实现基准温度的方法，可以是在视为热平衡的状态或在温度方面视为稳定状态的状态下能够进行再现的方法、或者能够通过计算等高精度地估计温度状态的方法等，也可以是其他方法。图2是示意表示用于实施本发明所涉及的连续铸造用铸模铜板的温度测量方法的装置结构例的图。图2(a)是表示装置整体的示意结构的图，图2(b)是在内部透过状态下表示超声波收发元件的附近的俯视图，图2(c)表示图2(b)的AA方向剖视图。如图2所示，本发明所涉及的连续铸造用铸模铜板的温度测量装置(以下，适当简称为“温度测量装置”)100具备超声波收发元件1，朝向上述反射源R(图2中未图示)，在大致平行于铸模铜板C的与钢液M的靠近面Cl的方向传播超声波U ；和运算单元，基于在反射源R进行反射并由超声波收发元件1检测到的超声波回波的传播时间、超声波传播速度的温度依赖性， 计算铸模铜板C的温度。此外，如图2所示，本实施方式所涉及的温度测量装置100具备收发控制装置2， 控制由超声波收发元件1进行的超声波U的收发；运算控制装置3，对收发控制装置2进行驱动控制，并且对来自收发控制装置2的输出信号进行运算处理；和监视器4，显示信号波形和运算结果。在本实施方式中，运算控制装置3具备的运算部起到上述运算单元的功能。本实施方式所涉及的超声波接收元件1配置在铸模铜板C的上面，有时来自配置在铸模上方的包水口(timdish nozzle)的热辐射较强。因此，将超声波收发元件1直接配置在铸模铜板C的上面的情况下会暴露在高温中，有可能发生故障或测温误差。因此，作为优选结构，本实施方式所涉及的温度测量装置100具备用于冷却超声波收发元件1的保护罩5。在保护罩5上设有螺孔51，由插入该螺孔51的螺栓(未图示)将保护罩5固定在铸模铜板C的上面。由此，安装在保护罩5中的超声波收发元件1以稳定的状态配置在铸模铜板C的上面。在保护罩5内收容冷却管道52和绝热材料53，超声波收发元件1及其信号线11靠近于冷却管道52并且被绝热材料53包围。由此，即便将超声波收发元件1配置在铸模铜板C的上面，超声波收发元件1也不会暴露在高温中，能够减低发生故障或测温误差的可能性。当然，有时也不需要这种冷却。作为超声波收发元件1适合使用所谓的超声波探测器。在本发明中，在超声波探测器中尤其优选垂直探测器。此外，作为超声波收发元件1并不限于需要在与铸模铜板C 之间插入接触媒介的接触式超声波探测器，也可以使用电磁超声波式的超声波探测器。此外，作为超声波收发元件1，并不限定于以同一振荡器进行超声波收发的形式的超声波探测器，也可以使用以不同的振荡器进行超声波接收和发送的超声波探测器。当由超声波收发元件(超声波探测器)1所收发的超声波U的谐振频率高时，可提高超声波回波检测的时间分辨率还可提高温度测量的分辨率。不过，如果谐振频率过高，则由于所传播的超声波U的衰减变大，因此测量范围受限。另一方面，如果谐振频率过低，则回波检测的时间分辨率下降，温度测量的分辨率下降。因此，作为超声波收发元件1优选使用超声波的谐振频率(中心频率)为IMHz 20MHz左右的超声波探测器。如果要测量铸模铜板C的高度方向的整个区域(900mm左右)，则优选使用谐振频率为5MHz左右的超声波探测器。如果超声波收发元件(超声波探测器)1的接触面的尺寸过�。蛩辗⒌某� U的方向性受损，所传播的超声波U的能量分散。因此，被检测的超声波回波的强度下降，无法检测由分离的反射源R反射的超声波回波。因此，在通常设置于铸模铜板C的作为铸模用冷却水的路径的槽等容易出现反射，从而噪声回波增大。另一方面，由于铸模铜板C的厚度通常为35mm 45mm左右，因此即便超声波收发元件1的接触面的尺寸比它大也没有意义。如果不合理地选择接触面尺寸大的超声波探测器，则成本增加。此外，在铸模铜板C的厚度方向内距离进行水冷的面C2至少所述槽的深度的约20mm左右的范围，受到槽中流通的冷却水的温度影响，因此进行测温没有什么意义。在距离剩余的与钢液M的靠近面Cl约25mm左右的范围中，所传播的应该是超声波U 的能量的主要部分。基于以上内容，作为超声波收发元件1，优选使用接触面的尺寸(在接触面为圆形时是直径，在接触面为矩形时是一边)为5 25mm左右的超声波探测器。如图2所示，本实施方式所涉及的超声波收发元件1在铸模铜板C的上面在铸模铜板C的宽度方向，并排地设置5个 100个左右(图2中例示了 5个的情况)。此外，在铸模铜板C的宽度方向测温区域较宽的情况下，优选超声波收发元件1设置多个，但未必限定于多个，也可以是单个。此外，超声波收发元件1的设置位置也并不限于铸模铜板C的上面，如图2(a)中虚线所示那样，也可以设置在铸模铜板C的底面或侧面。也就是说，只要能够在大致平行于铸模铜板C的与钢液的靠近面C的方向传播超声波U，就可以选择任意的设置位置。本实施方式所涉及的收发控制装置2具备扫描部、脉冲发生/接收器部、放大器部、A/D转换部，例如由适当的电路构成。扫描部按照顺序切换多个超声波收发元件1内的收发超声波U的超声波收发元件 1 (例如按照从配置在铸模铜板C的宽度方向一端侧的超声波收发元件1至配置在另一端侧的超声波收发元件1的顺序切换提供来自脉冲发生/接收器部的脉冲信号的超声波收发元件1)的方式进行动作。脉冲发生/接收器部提供用于使超声波收发元件1发送超声波U的脉冲信号。如果将提供该脉冲信号的周期设定得较短，则能够提高针对温度变化的响应速度。此外，脉冲发生/接收器部对由超声波收发元件1检测并转换为电信号的超声波回波(以下适当称为“回波信号”)进行放大。放大器部具有进一步对从脉冲发生/接收器部输出的回波信号进行放大的功能。 该放大率(增益)是可变的。A/D转换部对由放大器部进行放大之后的回波信号进行A/D转换。超声波收发元件1基于从具有以上结构的收发控制装置2的脉冲发生/接收器部提供的脉冲信号，向铸模铜板C的内部发送超声波U。此外，超声波收发元件1检测由设置在铸模铜板C内部的反射源R或铸模铜板C的底面反射的超声波回波并转换为电信号(回波信号)。该回波信号由收发控制装置2的脉冲发生/接收器部和放大器部放大之后，由 A/D转换部进行A/D转换，然后输出至运算控制装置3。本实施方式所涉及的运算控制装置3具备运算部、控制部、接口部，例如由安装了用于实现这些部件的功能的软件的个人计算机来构成。运算部基于从收发控制装置2输出的回波信号，计算在反射源R或铸模铜板C的底面反射并由超声波收发元件1检测出的超声波回波的传播时间。运算部基于该计算出的超声波回波的传播时间、超声波传播速度的温度依赖性，计算铸模铜板C的温度。控制部的功能是对收发控制装置2具备的脉冲发生/接收器部等进行驱动控制。接口部的功能是向上位系统(除了过程控制计算机以外，判断漏钢或运算提示给操作者的品质指标的高位的运算装置等)发送数据(由运算部计算出的温度等)。以下，针对运算控制装置3的运算部中的运算内容，说明更为具体的例子。在运算控制装置3的运算部中，预先存储从超声波入射点(本实施方式中为铸模铜板C的上面)至反射源R(包括铸模铜板C的底面)的距离(例如，至上述图1所示的反射源Rl的距离Ll等)、预先求得的铸模铜板C中的超声波的传播速度的温度依赖性(传播速度与温度的对应关系)。运算控制装置3基于从收发控制装置2输出的回波信号，例如图1所示那样计算由回波Rl反射并由超声波收发元件1检测出的超声波回波Ul的传播时间Tl。接下来，运算部基于计算出的传播时间Tl、从超声波入射点至反射源Rl的距离 Li，通过以下的式(1)求出超声波的传播速度。超声波的传播速度=(至反射源Rl的距离Li) X 2/传播时间Tl. . . (1)最后，运算部基于该传播速度、超声波的传播速度的温度依赖性，计算出铸模铜板 C的温度。该计算出的温度相当于从超声波入射点(铸模铜板C的上面)至反射源Rl之间的平均温度。此外，如图1所示，在从一个超声波收发元件1发送的超声波U的传播路径中设置多个反射源R的情况下，运算控制装置3的运算部能进行以下的运算。也就是说，运算部基于从收发控制装置2输出的回波信号，例如选择一对反射源Rl、R2，可计算由反射源R2反射的超声波回波U2的传播时间T2与由反射源Rl反射的超声波回波Ul的传播时间Tl的差 ΔΤ12( = Τ2-Τ1)。接下来，运算部基于计算出的传播时间差ΔΤ12和反射源R1、R2之间的距离L12， 通过以下的式( 求出超声波的传播速度。超声波传播速度=(反射源R1、R2之间的距离L12) X2/传播时间差ΔΤ12. · · (2)最后，运算部基于该传播速度、超声波的传播速度的温度依赖性，计算铸模铜板C 的温度。该计算出的温度相当于反射源R1、R2之间的平均温度。并且，可以通过变更所选择的一对反射源(包括铸模铜板C的底面)，来计算任意的反射源R(包括铸模铜板C的底面)之间的平均温度。如上述，运算控制装置3的运算部基于从收发控制装置2输出的回波信号，计算超声波回波的传播时间。该超声波回波的传播时间相当于从超声波入射至铸模铜板C的时刻起至检测到超声波回波的时刻为止的经过时间。因此，在计算传播时间时，需要求出检测到超声波回波的时刻、和超声波入射至铸模铜板C的时刻。
作为求出超声波回波的检测时刻的方法，例示了如下的交零(zero cross)法。例如，如果作为超声波收发元件1使用谐振频率为5MHz的垂直探测器时，使用从收发控制装置2的脉冲发生/接收器部提供的一个脉冲信号，发送由以5MHz为中心频率的多个波组成的超声波U。尽管由超声波收发元件1检测到的超声波回波在传播距离较长时出现中心频率变低或波数少许增加等的变化，但是也会大致接近于发送时的超声波U的波形。对于由收发控制装置2的A/D转换部进行A/D转换之后的回波信号内的由特定的反射源R反射的超声波回波，根据到该反射源R的距离和铸模铜板C的温度范围，大致决定其检测时刻(以下称为预测检测时刻)。因此，在该预测检测时刻附近探测超声波回波的振幅峰值。超声波回波的振幅峰值能够决定为在预测检测时刻附近的回波信号之中其振幅超过特定阈值的值。然后，在超过该阈值的振幅的峰值的紧接之前或紧接之后，求出回波信号的振幅为零的时刻(交零点)。可将该交零点作为超声波回波的检测时刻。此外，在交零点存在于A/D转换的采样点之间的情况下，可以求出交零点作为交零点两侧的A/D转换值的内插点。此外，根据波的数目存在多处超过阈值的振幅峰值的情况下，可以预先决定要求出第几个峰值的交零点。 超声波U入射至铸模铜板C的时刻例如可作为如下时刻求出，即在发出超声波发送的触发(从收发控制装置2的脉冲发生/接收器部提供的脉冲信号)的时刻上作为偏移 (offset)时间加上从触发到超声波发送的时间延迟、超声波收发元件1内的超声波的传播时间等时间延迟部分所得的时刻。此外，如图1所示，也可以将超声波U入射至铸模铜板C 时发生的由铸模铜板C的表面(上面)反射的超声波回波(表面回波)S的交零点用作超声波U入射至铸模铜板C的时刻。此外，在求出从一个超声波收发元件1发送的超声波U的传播路径中的一对反射源R之间的温度时，不需要高精度地求出超声波U入射至铸模铜板C的时刻。这是因为如上所述由于使用由各反射源R反射的超声波回波的传播时间差，因此超声波U入射至铸模铜板C的时刻相互抵消，只要高精度地求出超声波回波的检测时刻即可。此外，作为求出超声波回波的检测时刻的方法，并不限于上述交零法，例如也可以采用互相关法。具体而言，例如在冷期间(尚未连续铸造钢液M时)的基准温度下针对铸模铜板 C预先采集回波信号，基于该冷期间的回波信号，求出冷期间的超声波回波的检测时刻(冷期间的超声波回波的检测时刻通过交零法求出)。接下来，求出该冷期间的回波信号、和针对实际对钢液M进行连续铸造时的铸模铜板C采取的回波信号之间的互相关。然后，将求出互相关最大的时间差加在冷期间下的超声波回波的检测时刻上，可以作为实际针对连续铸造钢液M时的铸模铜板C的超声波回波的检测时刻。与交零法相比，该互相关法能够抑制回波信号中可能含有的随机噪声的影响，因此，能够期待超声波回波的检测时刻的测量精度、进而铸模铜板C的温度测量的精度提高。此外，上述基准温度的意义与上述内容相同。如以上所说明，根据本发明所涉及的连续铸造用铸模铜板C的温度测量方法和装置100，由于基于设置在铸模铜板C内部的反射源R反射的超声波回波的传播时间、超声波的传播速度的温度依赖性(传播速度与温度的对应关系)，计算铸模铜板C的温度，因此能够一次普遍地测量出超声波传播路径中的铸模铜板C的温度(平均温度)。换言之，能够利
13用一个超声波收发元件1进行针对跨宽范围的测温区域的铸模铜板C的温度测量。此外，由于在大致平行于铸模铜板C的与钢液M的靠近面Cl的方向传播超声波， 因此无需将超声波收发元件1安装在相对于靠近面Cl的面。也就是说，超声波收发元件1 除了可以安装在靠近面C2和与靠近面相对的面C2以外，还可以安装于铸模铜板C的上面、 底面和侧面的任意面。因此，能够远离铸模用冷却水的路径来配置超声波收发元件1，能够减少因漏水等引起的超声波收发元件1的故障或测温误差的发生。此外，超声波收发元件1 与电磁搅拌装置或电磁制动装置等设备难以在物理上出现干扰，在超声波收发元件1发出故障的情况下能够较为方便地进行更换从而不会阻碍连续铸造的生产性。如以上，根据本发明所涉及的连续铸造用铸模铜板C的温度测量方法和装置100， 能够针对整个宽范围的测温区域高精度地且不阻碍连续铸造的生产性地测量铸模铜板C 的温度。以下，对与本发明相关的由发明者进行的试验的内容和结果进行说明。(1)连续铸造用铸模铜板一般以Cu为主要成分(重量百分比为96%以上)，含有少量的Co和Ni、或者Cr和^ 、进而Ag和P。本发明者发现，从铸模铜板的上面向内部入射超声波，超声波传播至处于900mm前方的铸模铜板的底面，能够检测由底面反射的超声波回波。由于在黄铜等铜合金中超声波的衰减较大，因此未必假设超声波在整个的这种长度中传播。图3表示从实际操作中使用的连续铸造铸模铜板的上面入射超声波时的超声波回波的一例。图3的横轴表示基于常温下的音速将超声波回波的传播时间换算为传播距离的值，图3的纵轴表示超声波回波的强度。如图3所示，可清楚地观测900mm处的底面回波 (由铸模铜板的底面反射的超声波回波)。基于以上事实可知，在铸模铜板的上面设置超声波收发元件(超声波探测器)，从而能够由一个超声波收发元件观测(能温度测量)从铸模铜板上面至900mm处的底面的整个区域。(2)在距离连续铸造用铸模铜板的端面IOOmm的位置设置Φ 5mm的钻孔，在该钻孔内安装热电偶，使用加热器至少对距离铸模铜板的上述端面IOOmm的区间进行加热。然后， 从设置在上述端面的超声波收发元件入射超声波，测量从检测到由上述端面反射的表面回波的时刻起至检测到由上述钻孔反射的超声波回波的时刻为止的经过时间，将该经过时间作为由钻孔反射的超声波回波的传播时间。接下来，基于该测量出的传播时间和超声波的传播距离(约200mm)，计算超声波的传播速度，进而基于该传播速度和热电偶的测温值，计算超声波的传播速度的温度依赖性(传播速度与温度的对应关系)。此外，作为超声波收发元件采用纵波用的、谐振频率为5MHz的垂直探测器。此外，表面回波和由钻孔反射的超声波回波的检测时刻通过交零法求出。基于上述试验结果可知，针对铸模铜板温度(热电偶的测温值)上升1 °C，铸模铜板内部传播的超声波(纵波)的传播速度大致变化-0.7 -0.4m/s左右。此外，还可知在常温至约200°C左右该传播速度与温度的关系大致为线性关系。此外，铸模铜板中的超声波 (纵波)的传播速度约为4400m/s 4900m/s。作为一例以IOOmm间隔设置2个反射源的情况下，在超声波的传播速度为4650m/ s、在这两个反射源之间的平均温度上述1°C时，在这2个反射源之间超声波传播的时间的变化约为5nsec(5Xl(r9sec)。因此，如果以IOOMHz采样并进行A/D转换，则由于采样间隔为lOnsec，所以若能够按照大致采样间隔的1/2左右的时间分辨率内插交零点，则可得到约1°C的温度测量分辨率。此外，如果时间分辨率为lnsec，则能够检测按照约20mm间隔设置的2个反射源之间的1°C的温度变化。在交零法中超声波回波的SN比为较高的情况下， 或者采用互相关法等时，能够获得这种程度的时间分辨率。(3)如图4所示可确认，能够清楚地检测在高度900mm的铸模铜板的内部在距上面 450mm的位置设置的间隙T = O. 6mm、宽度W = 2mm、长度L = IOmm的缝隙孔所反射的超声波回波。基于该事实，通过在从一个超声波收发元件发送的超声波的传播路径中设置多个这样的小孔，由此在超声波的传播方向将铸模铜板分割为多个区域，能够求出每个区域的平均温度。换言之，能够确认可使用一个超声波收发元件同时进行多个测温区域的温度测量。(4)如图5所示，使用本发明所涉及的温度测量方法和装置，进行测量实际对钢液 M进行连续铸造时(其中，使用试验用连续铸造装置)的铸模铜板C的温度的试验。试验用连续铸造装置的铸模铜板C与实际生产中使用的铸模铜板相比，在尺寸上存在差别(本试验中使用的铸模铜板C的高度为700mm)，但是其大致是相同的材质、形状。作为超声波收发元件1使用了纵波用的、谐振频率为5MHz的垂直探测器(接触面的尺寸Φ 12mm)。超声波回波的A/D转换的采样频率设为50MHz。作为反射源使用在距离铸模铜板C的上面约140mm的位置所设置的约Φ 4mm的热电偶插入孔Hl。在运算控制装置 3(参照图2、具备的运算部中，计算从铸模铜板C的上面至140mm处的区域的平均温度、从上面至底面的区域的平均温度、从140mm至底面的区域的平均温度。此时，由反射源(热电偶插入孔Hl)和铸模铜板C的底面分别反射的超声波回波的检测时刻采用交零法求出。此外，在本发明所涉及方法中的温度测量的同时，在上述的热电偶插入孔Hl中插入第1热电偶，在距铸模铜板C的上面约250mm的位置设置的约Φ 4mm的热电偶插入孔H2中插入第2 热电偶，从而由这些热电偶也测量了铸模铜板C的温度。图6 图8表示上述试验的结果。图6表示由作为反射源的热电偶插入孔Hl反射的超声波回波的一例，图7表示由铸模铜板的底面反射的超声波回波(底面回波)的一例。此外，图6和图7中表示连续铸造时(热期间)的超声波回波，并且还表示连续铸造前 (冷期间)的超声波回波。此外，图8是表示由运算控制装置3具备的运算部计算出的各平均温度、以及由第1和第2热电偶测量出的温度的一例的曲线。如图6所示，在进行连续铸造时，由热电偶插入孔Hl反射的超声波回波能够清楚地观测到。如图7所示，对于底面回波也同样。此外，如图8所示，由运算部计算出的从铸模铜板C的上面140mm 底面的区域的平均温度(图8中以“Δ”描绘的数据)和从上面至底面的区域的平均温度(图8中以“〇” 描绘的数据)表示接近于第1和第2热电偶的测温值的值，可以说得到了妥当的结果。若进一步具体说明，对于由上述运算部计算出的3个平均温度之中铸模铜板C的上面 140mm的区域的平均温度(图8中以“ □”描绘的数据)，由于受到位于钢液M的液面(距铸模铜板C的上面约100mm。参照图5)的上方的低温区域的温度影响较大，因此如图8所示那样其温度当然会低于第1和第2热电偶的测温值。因此，只要除了铸模铜板C的上面 140mm区域的平均温度以外的其他2个平均温度表示接近于第1和第2热电偶的测温值的值，则可以说得到了妥当的结果。
权利要求
1.一种连续铸造用铸模铜板的温度测量方法，对构成熔化金属的连续铸造用铸模的铸模铜板的温度进行测量，其包括第1步骤，在所述铸模铜板的内部设置超声波的反射源；第2步骤，朝向所述反射源，从超声波收发元件沿大致平行于所述铸模铜板的与熔化金属靠近的靠近面的方向传播超声波；和第3步骤，基于由所述反射源反射并由所述超声波收发元件检测出的超声波回波，计算所述铸模铜板的温度。
2.根据权利要求1所述的连续铸造用铸模铜板的温度测量方法，其特征在于， 所述第1步骤中设置的所述反射源是在所述铸模铜板的与熔化金属靠近的靠近面所对置的面开口并向所述铸模铜板的内部延伸的孔。
3.根据权利要求1或2所述的连续铸造用铸模铜板的温度测量方法，其特征在于，在所述第1步骤中，在从一个或一对的超声波收发元件发送的超声波的传播路径中， 设置多个所述反射源，在所述第3步骤中，基于由多个所述反射源之中任意选择的一对反射源分别反射的超声波回波的传播时间差、和超声波的传播速度的温度依赖性，计算所述铸模铜板的在所选择的一对反射源之间的温度。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的连续铸造用铸模铜板的温度测量方法，其特征在于，在所述第2步骤中，在所述铸模铜板的上面配置超声波收发元件。
5.一种连续铸造用铸模铜板的温度测量装置，对构成熔化金属的连续铸造用铸模并且在内部设置了超声波的反射源的铸模铜板的温度进行测量，其包括超声波收发元件，朝向所述反射源，沿大致平行于所述铸模铜板的与熔化金属靠近的靠近面的方向传播超声波；和运算单元，基于由所述反射源反射并由所述超声波收发元件检测出的超声波回波的传播时间、和超声波的传播速度的温度依赖性，计算所述铸模铜板的温度。
全文摘要
本发明提供一种连续铸造用铸模铜板的温度测量方法和装置，本发明所涉及的方法是对构成熔化金属(M)的连续铸造用铸模的铸模铜板(C)的温度进行测量的方法，其特征在于，包括第1步骤，在铸模铜板(C)的内部设置超声波的反射源(R)；第2步骤，朝向反射源(R)，从超声波收发元件(1)向大致平行于铸模铜板(C)的与熔化金属(M)的靠近面(C1)的方向传播超声波(U)；和第3步骤，基于由反射源反射并由超声波收发元件(1)检测出的超声波回波(U1)的传播时间、超声波的传播速度的温度依赖性，计算铸模铜板(C)的温度。
文档编号G01K11/24GK102355963SQ200980158079
公开日2012年2月15日 申请日期2009年3月17日 优先权日2009年3月17日
发明者山野正树, 本田达朗, 村上敏彦, 足立学 申请人:住友金属工业株式会社
专业数控铣床产品供应商
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