JPH06258129A - スラグ下の湯面レベル測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スラグ層に懸濁している金属液滴に影響され
ることなく、溶湯とスラグ層との界面を正確に検出す
る。 【構成】 ５０体積％以下の金属粒が懸濁しているスラ
グ層が浮遊している金属浴の湯面を測定する際、金属浴
の上方に渦電流センサーを配置し、周波数０．５〜５０
０ＫＨｚの交流電流を渦電流センサーに供給する。交流
電流によって金属浴の湯面に渦電流を発生させ、渦電流
により生起される誘導磁界に基づき金属溶湯の湯面レベ
ルを算出する。 【効果】 たとえば周波数５０ｋＨｚの交流電流を使用
するとき、図５に示すように、スラグ層に懸濁している
金属粒が５０体積％以下では高精度に湯面が検出され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多量の金属粒が懸濁し
ているスラグ層で覆われている金属浴の湯面を高精度に
測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】転炉，真空脱ガス装置等でステンレス鋼
等の合金鋼を脱炭吹錬するとき、溶鋼中の炭素が吹錬酸
素と反応しＣＯガスとなって溶鋼から除去されると同時
に、有用成分であるＣｒ，Ｆｅ，Ｍｎ等も一部が次の反
応に従って酸化される。 ４［Ｃｒ］＋３Ｏ₂ →２（Ｃｒ₂ Ｏ₃ ） ２［Ｆｅ］＋Ｏ₂ →２（ＦｅＯ） ２［Ｍｎ］＋Ｏ₂ →２（ＭｎＯ）

【０００３】酸化物となったＣｒ，Ｆｅ，Ｍｎ等の金属
元素は、溶鋼表面に浮遊しているスラグに移行する。ス
ラグ中の金属元素は、製鋼の最終段階で酸化物から金属
状態に還元され、メタルとして溶鋼に回収される。回収
は、Ｃｒ，Ｆｅ，Ｍｎ等の金属元素がＳｉによって容易
に金属状態に還元されることを利用し、たとえば真空精
錬時に所定量のＳｉを取鍋内溶鋼に添加することにより
行われている。Ｓｉによる還元反応は、次の通りであ
る。 ２（Ｃｒ₂ Ｏ₃ ）＋３Ｓｉ→４［Ｃｒ］＋３（ＳｉＯ
₂ ） ２（ＦｅＯ）＋Ｓｉ→２［Ｆｅ］＋（ＳｉＯ₂ ） ２（ＭｎＯ）＋Ｓｉ→２［Ｍｎ］＋（ＳｉＯ₂ ） また、Ｓｉよりも酸素親和力が大きなＡｌ，Ｔｉ等を還
元剤として使用するとき、スラグ中のＳｉをメタルに移
行させることもできる。

【０００４】金属状態になったＣｒ，Ｆｅ，Ｍｎ等は溶
鋼に取り込まれ、溶鋼が成分調整される。成分調整を高
精度で行うためには、最終段階でスラグから溶鋼に移行
する金属元素を定量的に把握しておく必要がある。ま
た、最近では、Ｓｉ含有量に関する規格が極めて厳しい
鋼種が使用され始めている。このような高精度の成分調
整やＳｉ含有量が厳格に管理された鋼種に対応するため
には、Ｓｉによって還元される易還元性酸化物がスラグ
中に含まれている量を正確に把握することが必要であ
る。スラグに含まれている易還元性金属元素の量は、Ｃ
ｒ₂ Ｏ₃ ，ＦｅＯ，ＭｎＯ₂ 等の金属酸化物中の酸素濃
度及びスラグ量から算出される。算出された酸素量は、
還元剤として必要なＳｉの添加量を定めるときの基準に
なる。金属酸化物中の酸素を定量する方法として、スラ
グ試料を蛍光Ｘ線分析する方法が知られている。蛍光Ｘ
線分析においては、精錬中の転炉，真空脱ガス装置等か
ら採取した溶融スラグをガラスビード法，プレス成形法
等で分析用試料に作製している。

【０００５】ガラスビード法では、たとえば図１に示す
ように、凝固したスラグを粉砕した後、秤量し、スラグ
０．２ｇを炭酸ナトリウム等の融剤２．０ｇと共に白金
ルツボに入れ、ビードサンプラーで加熱・撹拌し、均一
に溶融・冷却する。この方法によるとき、分析用試料を
得るまでに２５分程度の作業が必要となる。プレス成形
法では、採取された適量のスラグをアルミニウム製キャ
ップに充填し、１５〜２０トンのプレスで加圧成形する
ことにより、分析用試料を作製している。プレス成形法
は、ガラスビード法に比較して分析用試料を得るまでの
時間が短いものの、粉砕した粒子のバラツキ等に起因す
る測定誤差を解消するため同一試料で２回の分析が必要
となる。そのため、結果として分析結果を得るまでに２
０分程度かかる。

【０００６】本発明者等は、この分析時間の短縮を図る
ため、製鋼スラグから採取された試料と炭素源との反応
により系外に排出される酸素量に基づき、製鋼スラグに
含まれているＣｒ，Ｆｅ，Ｍｎ等の易還元性金属酸化物
を定量する方法を開発し、平成４年１１月４日に特願平
４−３１９３６４号として出願した。この方法によっ
て、１０分以内の短時間でスラグ中の酸素を定量するこ
とが可能となる。他方、スラグ量を計量する方法とし
て、出鋼，排滓ごとに取鍋の重量を計量し、溶鋼及びス
ラグ量を含めた取鍋全重量から差し引く方法等が知られ
ているが、依然としてスラグ量を高精度に測定すること
が困難な現状にある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者等
は、計量容易な全重量Ｗ_T ，溶湯重量Ｗ_M 及び真空脱ガ
ス容器，取鍋等の容器重量Ｗ_V からスラグ重量Ｗ_S を演
算する方式を開発した。この方式によると、スラグ重量
Ｗ_S は、Ｗ_S ＝Ｗ_T − (Ｗ_M ＋Ｗ_V)で算出される。この
方式においては、溶湯の湯面を検出し、溶湯重量Ｗ_M を
把握することが要求される。スラグ下にある湯面のレベ
ルを検出する方法として、スラグ及びメタルに電気抵抗
の相違があることを利用し、スラグを貫通して電極を挿
入し、電気抵抗の変化によって湯面を検出することが考
えられる。しかし、スラグの固化状態に変動があること
等によって、この方式による測定は困難である。他方、
非接触方式で湯面を測定する手段として、渦電流センサ
ーの使用が考えられる。

【０００８】渦電流センサーは、連鋳鋳型内の湯面レベ
ルを検出することに使用されている。渦電流センサーの
高周波コイルに高周波電流を供給するとき、導電体であ
る溶湯の湯面に渦電流が発生する。発生した渦電流によ
って誘導磁界が湯面近傍に生じ、誘導磁界がコイルのイ
ンピーダンスを変化させる。コイルのインピーダンス変
化は、電圧又は周波数に変換され、湯面レベルを表す情
報として取り出される。連鋳鋳型内の湯面に浮遊してい
るスラグは、アルカリ金属，アルカリ土類金属の酸化物
等をベースにした絶縁性のフラックスに由来する。この
場合、渦電流センサーの高周波コイルに供給された高周
波電流によって生じる渦電流は、溶湯の湯面に特定さ
れ、渦電流センサーに取り込まれるスラグ起因の誤差要
因を無視することができる。

【０００９】しかし、転炉，取鍋，真空脱ガス容器等の
精錬用容器に収容されている溶湯の湯面に浮遊している
スラグには、多量の金属粒が液滴状等で懸濁している。
たとえば、転炉内のスラグ層には、０．１〜１０ｍｍ程
度の金属液滴が５０体積％程度懸濁している場合もあ
る。導電性物質である金属液滴が懸濁しているスラグ層
を介して渦電流センサーによる湯面検出を行うと、スラ
グ層に発生する渦電流による影響が大きくなり、測定結
果の信頼性が低下する。本発明は、このような問題を解
消すべく案出されたものであり、渦電流センサーに供給
される交流電流の周波数を特定することにより、導電性
の金属液滴が多量に懸濁しているスラグ層を介しても湯
面レベルを正確に検出することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の湯面レベル測定
方法は、その目的を達成するため、５０体積％以下の金
属粒が懸濁しているスラグ層が浮遊している金属浴の湯
面を測定する際、前記金属浴の上方に渦電流センサーを
配置し、周波数０．５〜５００ＫＨｚの交流電流を前記
渦電流センサーに供給し、前記交流電流によって前記金
属浴の湯面に渦電流を発生させ、該渦電流により発生す
る誘導磁界に基づき前記金属溶湯の湯面レベルを算出す
ることを特徴とする。

【００１１】渦電流センサーによる湯面の測定を、図２
を参照しながら説明する。なお、渦電流センサー１０と
して、測定精度を増すため、発振コイル１１の上下に受
信コイル１２，１３を配置したものを使用した。溶湯の
湯面１４近傍に配置した発振コイル１１に高周波電流を
供給すると、湯面１４に渦電流１５が流れる。渦電流１
５によって誘導磁界１６が生じ、磁力線１７が受信コイ
ル１２，１３で検出される。渦電流１５の強度、ひいて
は受信コイル１２，１３で検出される磁力線１７の強度
は、渦電流センサー１０と湯面１４との距離に応じて変
動する。そのため、受信コイル１２，１３で検出された
磁力線強度から湯面１４の位置を検出することができ
る。なお、受信コイル１２，１３は、何れか一方を省略
することも可能である。また、受信コイル１２及び１３
を互いに連続して設けることも可能である。

【００１２】湯面１４に浮遊しているスラグ層１８に金
属液滴が懸濁していると、スラグ層１８にも渦電流が発
生する。その結果、スラグ層１８の渦電流に起因する誘
導磁界が生じ、誤差要因が受信コイル１２，１３に取り
込まれる。スラグ層１８に発生する渦電流は、懸濁して
いる金属液滴の量が少ないスラグ層では無視することが
できる。しかし、転炉内スラグのように懸濁量が５０体
積％程度まで達することがあるスラグ層１８では、導電
性を帯びるため大きな渦電流が発生する。この渦電流に
より誘導磁界が生起され、測定値に対する誤差要因が受
信コイル１２，１３に取り込まれる。

【００１３】発振コイル１１に供給される交流電流の周
波数が測定値の精度向上に与える影響は定かではない。
しかし、一般的に供給電流の周波数が小さいほど湯面に
生じる磁界の表皮厚さ（湯面の深さ方向に磁界が減少す
る距離）が厚くなるため、測定値の信頼性が低下する。
逆に、過度に大きな周波数では、センサー側に近いスラ
グ面に渦電流が生じ、センサーはスラグ面を検出してし
まうことになる。このようなことから、０．５〜５００
ｋＨｚの高周波交流電流を発振コイル１１に供給しなが
ら測定を行うと、導電性のスラグ層１８による影響を受
けることなく、湯面レベルを高精度に検出できることを
実験的に解明した。特定された周波数の交流電流を使用
した湯面レベルの測定は、溶湯の湯面１４に浮遊してい
るスラグ層１８における金属液滴の分散量が５０体積％
まで有効である。しかし、懸濁している金属液滴が５０
体積％を超えるようなスラグ層１８では、導電性の上昇
に伴ってスラグ層１８に大きな渦電流が発生し、渦電流
によって生起される誘導磁界の影響が大きくなる。その
ため、測定値に対する信頼性が低下する。

【００１４】溶湯の湯面１４に浮遊しているスラグ層１
８は、図３に模式的に示すように金属液滴１９が均一に
分散しているものではない。そのため、比較的大きな径
の金属液滴１９或いは金属液滴１９が密に分散している
箇所では、金属液滴１９に起因する誤差要因が取り込ま
れ、渦電流センサー１０で測定された距離ｄ₁ が実際の
湯面１４までの距離ｄ₀ よりも短くなることがある。湯
面レベルを表す情報から距離ｄ₁ の測定結果は、渦電流
センサー１０で湯面を走査することによって排除され
る。たとえば、図４に示すように、容器２０の内部上方
に渦電流センサー１０が位置するように、容器１０の周
辺に設けた旋回軸２１にアーム２２を取り付け、アーム
２２の先端に渦電流センサー１０を設ける。そして、ス
ラグ層１８の上方で渦電流センサー１０を矢印方向に揺
動させる。渦電流センサー１０は、揺動しながら湯面１
４のレベルを連続的に検出する。得られた検出結果から
最長の値をピックアップするとき、図３に示した金属液
滴１９に起因する短い距離ｄ₁ が除かれる。

【００１５】

【実施例】 実施例１：（擬似スラグを使用した実験） 平均粒径１．０ｍｍのＣｕ粒子を２０体積％の割合でス
ラグ粉末に分散させ、縦１００ｍｍ，横１００ｍｍ及び
高さ２５ｍｍの直方体形状に成形した。非磁性材料であ
るステンレス鋼板ＳＵＳ３０４の上にスラグ成形体を配
置し、スラグ成形体の上方に渦電流センサーを昇降可能
に設けた。そして、渦電流センサーに５０ｋＨｚの交流
電流を供給し、スラグ形成体を介してステンレス鋼板表
面から渦電流センサーまでの距離ｄを測定した。また、
スラグ形成体を介在させることなくステンレス鋼板の上
方に渦電流センサーを配置し、ステンレス鋼板の表面ま
での距離ｄ₂ を渦電流センサーで測定した。

【００１６】渦電流センサーで得られた距離ｄ及びｄ₂
を、実際に測定したステンレス鋼板の表面から渦電流セ
ンサーまでの距離Ｄと比較した。その結果、スラグ成形
体の有無に拘らず、距離ｄ及びｄ₂ は実質的に同じ値で
あり、また誤差±１％の範囲で距離Ｄに一致していた。
このことから、スラグ中のＣｕ粒子に起因する誘導磁界
の磁力線は、測定値の信頼性を低下させる誤差要因とし
て渦電流センサーに取り込まれていないことが判る。

【００１７】実施例２：（金属粒の分散量に起因する影
響） スラグ成形体のＣｕ粒子分散量を変え、実測値Ｄを６０
ｍｍの一定値に維持した他は、実施例１と同様な条件下
でステンレス鋼板表面までの距離ｄ及びｄ₂ を測定し
た。測定結果ｄを実測値Ｄと比較し、測定誤差δＤ［＝
(ｄ−ｄ₂)／Ｄ］とスラグ成形体のＣｕ粒子分散量との
関係を調べた。調査結果を示す表１から明らかなよう
に、５０体積％以下のＣｕ粒子が分散しているスラグ成
形体を介した測定では、実施例１と同様に距離ｄ及びｄ
₂ は実測距離Ｄに精度良く一致していた。しかし、Ｃｕ
粒子の分散量が５０体積％を超える場合には、距離ｄ₂
に比較して距離ｄが小さくなる傾向がみられた。

【表１】

【００１８】実施例３：（周波数による影響） ステンレス鋼板表面から渦電流センサーまでの実測距離
Ｄを一定値６０ｍｍに維持し、渦電流センサーに供給す
る交流電流の周波数を変えた他は、実施例１と同様な条
件下で距離ｄ及びｄ₂ を測定し、実測距離Ｄと比較し
た。比較結果を示す表２から明らかなように、周波数
０．５〜５００ｋＨｚの範囲では、誤差δＤが±２％の
極めて高精度で測長できたことが判る。他方、周波数
０．１ｋＨｚの交流電流を供給した測定では、距離ｄ及
びｄ₂ 共に長くなる傾向が示された。これは、ステンレ
ス鋼板表面に発生する渦電流が弱いことに起因するもの
と推察される。他方、周波数１０００ｋＨｚの交流電流
を供給した測定では、距離ｄが短くなる傾向が示され
た。これは、スラグ成形体に発生した渦電流による誤差
要因が受信コイルに取り込まれたことに起因するものと
推察される。

【表２】

【００１９】実施例４：（実測試験） 実施例１〜３の結果から、金属粒子分散量が５０体積％
以下のスラグ層を介在させても、周波数０．５〜５００
ｋＨｚの交流電流を渦電流センサーに供給しながら測長
するとき、導電体であるステンレス鋼の表面位置を極め
て高精度に測定できることが判る。この実験結果を基に
して、溶解炉を使用した試験を行った。溶解炉として、
耐火性ライニングを施した容積５００ｋｇの実験炉を使
用した。この実験炉に、ＳＵＳ３０４系のステンレス溶
鋼５００ｋｇを装入した。湯面は、炉底から５００ｍｍ
の高さに位置した。また、湯面が位置する箇所で、実験
炉の内部断面積は０．２ｍ² であった。この状態、すな
わちスラグが溶湯表面にない状態で、湯面の上方に配置
した渦電流センサーによって距離ｄ₂ を求めると共に、
光学系により湯面から渦電流センサーまでの距離Ｄを実
測した。

【００２０】ステンレス溶鋼を温度１６００℃に保持
し、その上にシリカ−アルミナ系スラグ５０ｋｇを装入
した。スラグとしては、ＳｉＯ₂ ：４０重量％，Ａｌ₂
Ｏ₃ ：１０重量％及びＣａＯ：４０重量％を基本組成と
し、金属液滴として懸濁されるフェロクロムを種々の割
合で変更した。スラグは、装入後１０分間経過した時点
で湯面全域に均等に分布するスラグ層を形成した。この
ときのスラグの計算厚みは、１００ｍｍである。

【００２１】湯面から実測距離Ｄの高さに渦電流センサ
ーを配置し、周波数５０ｋＨｚの交流電流を供給し、渦
電流センサーにより距離ｄを求めた。測長結果とスラグ
中のフェロクロム含有量との関係を調査したところ、
(ｄ−ｄ₂)／Ｄで表される測定誤差δＤ（％）は、図５
に示すようにフェロクロム粒懸濁量の増加に伴って大き
くなる傾向を示した。しかし、フェロクロム粒懸濁量が
５０体積％以下のスラグ層を介した湯面レベルの測定で
は、湯面から渦電流センサーまでの実測距離Ｄの如何に
拘らず、測定誤差δｄ２％未満の極めて高い精度で湯面
レベルを測定することができた。この結果は、擬似スラ
グを使用した表１の測定結果に整合する。

【００２２】実施例５：（スラグ量の算出） 容量５００ｋｇの実験用真空脱ガス装置で、ステンレス
鋼ＳＵＳ３０４を精錬した。精錬後、溶鋼及びスラグを
収容している容器を計量したところ、総重量Ｗ_T は１２
５０ｋｇであった。なお、容器自体の重量Ｗ_V は、精錬
前の計量で７００ｋｇであることが分かっている。湯面
及びスラグ層が鎮静化した後、スラグ層の上方に配置し
た渦電流センサーで湯面レベルを測定したところ、湯面
は、容器の底面から５００ｍｍの高さにあった。この湯
面位置から算出される溶鋼の重量Ｗ_M は、５００ｋｇで
あった。したがって、溶鋼表面に浮遊しているスラグの
重量Ｗ_s は、Ｗ_s ＝Ｗ_T − (Ｗ_M ＋Ｗ_V)の関係から、５
０ｋｇと算出された。

【００２３】次いで、容器の底壁に設けたノズルから溶
鋼を出湯した。このとき、ノズル内を通過する流体の導
電性を検出する電極を内蔵させたノズルを使用し、電極
によって導電性の低下がみられたときに直ちにノズルを
閉塞する方式を採用した。これにより、溶鋼とスラグと
を完全に分離した状態で容器から排出することができ
た。排出された溶鋼及びスラグを計量したところ、それ
ぞれ４９８ｋｇ及び４９ｋｇであった。これら実測値
は、それぞれの計算値Ｗ_M 及びＷ_S に極めて近似した値
であった。この実施例から、本発明に従って渦電流セン
サーを使用するとき、転炉精錬や真空脱ガス処理等が終
了した後の湯面やスラグ層に関する正確な情報が得られ
ることが判る。得られたスラグ量に関する情報は、たと
えばスラグ中に含まれているＦｅ，Ｍｎ，Ｃｒ等の易還
元性金属をＳｉ等で還元し溶湯に回収するときに必要な
還元材添加量を求めることに使用される。また、測定さ
れた湯面レベルから溶湯重量が算出され、出湯時間を予
測することも可能となる。

【００２４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によると
き、金属液滴が浮遊しているスラグ層を介しても湯面レ
ベルを正確に検出することができる。そのため、溶湯重
量やスラグ重量等が正確に把握され、出湯，出滓等の操
業管理を正確に行うことができる。また、検出した湯面
レベルから湯面に浮遊しているスラグ層も算出されるた
め、スラグ中に含まれているＦｅ，Ｍｎ，Ｎｉ等の有価
金属を溶湯に回収するときに添加される還元剤の添加量
も正確に調整することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 金属酸化物中の酸素を定量する方法示すフロ
ー

【図２】 渦電流センサーで湯面を測定する説明図

【図３】 湯面に浮遊しているスラグ

【図４】 湯面を走査する渦電流センサー

【図５】 スラグ中の金属液滴が測定誤差に与える影響

【符号の説明】

１０：渦電流センサー １１：発振コイル １２，
１３：受信コイル １４：湯面 １５：渦電流
１６：誘導磁界 １７：磁力線 １８：スラグ層
１９：金属液滴 ２０：容器 ２１：旋回軸
２２：アーム

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ５０体積％以下の金属粒が懸濁している
   スラグ層が浮遊している金属浴の湯面を測定する際、前
   記金属浴の上方に渦電流センサーを配置し、周波数０．
   ５〜５００ＫＨｚの交流電流を前記渦電流センサーに供
   給し、前記交流電流によって前記金属浴の湯面に渦電流
   を発生させ、該渦電流により発生する誘導磁界に基づき
   前記金属溶湯の湯面レベルを算出することを特徴とする
   スラグ下の湯面レベル測定方法。