JP6015288B2 - 計測用センサおよび鋼板処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造機や熱間圧延機などに用いられる磁気を計測するための計測用センサ、およびこれを備えた鋼板処理装置に関する。

鉄鋼業などの製造業において、高温環境下での磁気の計測が広く行われている。具体的には、連続鋳造機における印加磁場モニタリングや流動状態の計測などである。このような磁気の計測のうち、特に溶鋼や高温の鋼板に近接して磁界を計測する必要がある場合には、計測用センサの故障を防止するための対策が必要になる。

また、磁気計測には一般にホール素子が用いられる。ところが、ホール素子は半導体素子からなるため耐熱性が低く高温に耐えられない。具体的には、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を用いたホール素子の動作保証温度は、−４０℃〜１２５℃程度である。そのため、ＧａＡｓを用いたホール素子を１２５℃以上の高温雰囲気下に曝してしまうと、ホール素子が故障する可能性がある。

また、磁気計測には一般にコイルも用いられる。この磁気計測の計測用センサとしてコイルを採用した場合であっても、コイルは、高温に曝すと絶縁皮膜が劣化してショートや焼損による特性劣化が生じたり故障したりする可能性がある。

そこで、一般に、高温雰囲気下において使用する際の計測用センサにおいては、冷却を行うことにより高温状態下で保護する方法が採用されている。最も簡易な冷却方法としては、センサの外側に液体を通過させる領域を設け、この領域に冷却水を循環させてセンサを冷却する、いわゆる水冷ジャケットのような二重管を用いる方法が挙げられる。このような二重管を採用した計測用センサは広く一般に使用されている。

また、特許文献１には、計測用センサを水冷式にするとともに、計測用センサを冷却するための冷却水の水量および冷却ノズルに送水される冷却水の水量のそれぞれを、各別に水量調整可能とした構成が記載されている。

特開２００４−２０５３８２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたような水冷式の計測用センサを採用しても、計測用センサを取り付ける空間が小さい場合などに、冷却水の取り回しが困難になることがある。具体的には、連続鋳造機におけるモールド付近やセグメントロールの隙間、またはタンデム圧延機におけるロールの隙間などに代表されるように、センサを取り付けることができる空間が数ｃｍ以下の場合、冷却水の取り回しが困難になる。

また、計測用センサに冷却水配管などを設けた構造を採用すると、センサヘッドが大きくなって所望の位置への取り付けが不可能になったり、既存の設備や構造と干渉して損傷が生じたりすることが考えられる。例えば、計測用センサがロールなどに巻き込まれると、センサの故障のみならず製品の破断やロールの損傷といった重大なトラブルの原因にもなる。

また、冷却水を用いて計測用センサを冷却する方法では、冷却水に含まれるダストやスラッジなどによって、冷却水を通す配管やセンサを冷却するための空間が詰まることがある。この詰まりの発生によって冷却水の流れが停止したり流量が低下したりすると、計測用センサは高温に曝されて故障する可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、耐熱性に優れ、高温雰囲気下においても簡単な構成で効率良く冷却状態を維持可能な計測用センサ、およびこれを備えた鋼板処理装置を提供することにある。

上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る計測用センサは、磁気を計測可能に構成されたセンサ素子と、電磁気を透過するとともにセンサ素子を内部に保持した筐体と、少なくともセンサ素子から伝熱可能な領域に設けられ、電磁気を透過するとともに吸湿性を有する被覆材と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る計測用センサは、上記の発明において、センサ素子が、コイルまたはホール素子であることを特徴とする。

本発明に係る計測用センサは、上記の発明において、被覆材が、グラスウールまたは空隙を有する多孔質材からなることを特徴とする。

本発明に係る鋼板処理装置は、加熱された鋼板に対して所定の処理を行う鋼板処理装置において、鋼板を冷却する冷却用液体を噴射可能に構成された冷却手段と、磁気を計測可能に構成されたセンサ素子、電磁気を透過するとともにセンサ素子を内部に保持する筐体、および冷却手段から噴射される冷却用液体を吸収して保持可能な被覆材を有し、被覆材がセンサ素子から伝熱可能な領域に設けられた計測用センサと、を備えることを特徴とする。

本発明に係る鋼板処理装置は、上記の発明において、鋼板処理装置が、連続鋳造機または熱間圧延機であることを特徴とする。

本発明に係る計測用センサおよび鋼板処理装置によれば、簡単な構成で耐熱性に優れ、冷却用液体を噴射する冷却手段近傍で用いて高温雰囲気下においても効率良く冷却状態を維持できる計測用センサを得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態による計測用センサおよび鋼板処理装置の計測センサの周辺部分を示す模式図である。 図２は、従来技術による計測用センサの先端部の温度変化を示すグラフである。 図３は、本発明の一実施形態による計測用センサの先端部の温度変化を示すグラフである。 図４は、図２および図３におけるスラブ抜け時での計測用センサの先端部の温度変化の詳細を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。また、本発明は以下に説明する一実施形態によって限定されるものではない。

まず、本発明の理解を容易にするために、上述した課題を解決すべく本発明者が行った鋭意検討について説明する。すなわち、本発明者は、従来技術において磁気計測用の計測用センサに設けられる小型のセンサ素子が、加熱された鋼板（スラブ）からの輻射熱によって故障する可能性があることを鑑みて、センサ素子を冷却する方法について鋭意検討を行った。まず、本発明者は、センサ素子を冷却するために、計測用センサにセンサ素子を冷却するための冷却素子や冷却水を供給する冷却水配管を設けてセンサ素子を冷却する方法を検討した。ところが、上述したように、この場合には計測用センサが大型化して設置可能な場所が限定され、計測用センサを所望の場所に設置できないという問題があった。

そこで、本発明者は、連続鋳造機や熱間圧延機などの鋼板処理装置において、加熱されたスラブの冷却のために冷却スプレーノズルから冷却水を噴射している点に着目した。この冷却水は通常、スラブの表面を冷却するために用いられるが、本発明者は、近接する計測用センサのセンサ素子の冷却に積極的に活用することを想起した。

スラブからの熱輻射による故障が最も懸念されるセンサ素子を冷却水によって直接冷却できれば、センサ素子を冷却するために冷却素子や冷却水配管などの新たな構成を設ける必要もなくなる。また、冷却水を用いてセンサ素子を直接冷却する構成を採用すれば、高温環境下であってもセンサ素子を高い輻射熱から保護でき、磁気を計測する動作にも支障は生じない。

しかしながら、鋼板処理装置における操業上、実際には、冷却スプレーノズルからの冷却水の噴射が計画的に停止されることがある。この冷却水の停止について、具体的に連続鋳造機での鋳造を例に説明する。

すなわち、連続鋳造機での鋳造の定常時においては、冷却スプレーノズルからスラブに冷却水を噴射することでスラブの表面を冷却する。この間、スラブ近傍に設置された計測用センサのセンサ素子は、この冷却水を用いて冷却できる。ところが、スラブの鋳造が終了して、その上面のスラブトップがモールドを抜ける瞬間、スラブの上面はモールドによって冷却されなくなって溶鋼が露出した状態となる。このスラブトップに冷却水を吹き付けると、溶鋼と冷却水とが接触して操業に支障が生じるほどの極めて多量の水蒸気が発生してしまう。そこで、スラブトップがモールドを抜けるときには、冷却スプレーノズルからの冷却水の噴射を停止する。

このように冷却スプレーノズルからの冷却水の噴射が停止すると、冷却水を用いて冷却していた計測用センサは冷却されなくなり、スラブからの輻射熱を受けて計測用センサのスラブ側先端部の温度が急激に上昇する。なお、連続鋳造機以外の例えば熱間圧延機などにおいても、冷却パターン制御などによって加熱された高温体が存在するにもかかわらず冷却水の噴射が停止することがある。

そこで、本発明者は、スラブトップがモールドを抜ける、いわゆるスラブ抜け時における冷却水の噴射の停止時においても、計測用センサの先端部のセンサ素子を冷却し続ける方法について改めて検討を行った。そして、スラブ抜け時にも計測用センサの先端部を冷却し続けるためには、スラブ抜けの時点で計測用センサのセンサ素子の存在部分に冷却水を保持させておくのが望ましいことを想起した。

すなわち、計測用センサにおけるセンサ素子の存在部分が冷却水を保持した状態で輻射熱を受けると、保持している冷却水が急速に気化し、主に気化潜熱によってセンサ素子が冷却される。なお、保持された冷却水による熱容量の増加も一定の寄与があると考えられるが、水の比熱が４．２Ｊ／ｇ・Ｋ、気化潜熱が２．２ｋＪ／ｇであることを考慮すると、冷却への寄与は気化潜熱の方が大きいと考えられる。

そこで、本発明者は、計測用センサの少なくともセンサ素子の部分に、鋼板処理装置に既設の冷却スプレーノズルから噴射されるスラブを冷却するための冷却用液体を吸収可能で、かつ磁気の計測機能を損なわない、被覆材を設けることを想到するに至った。本発明は以上の鋭意検討に基づいて案出されたものである。

次に、以上のように案出された本発明の一実施形態による計測用センサについて説明する。図１は、この一実施形態による計測用センサと、これが設置される鋼板処理装置における計測用センサの周辺部分を示す。

図１に示すように、この一実施形態による計測用センサ１０は、センサ素子１、配線２、金属シース３、および吸湿性被覆材４から構成される。センサ素子１は、例えばホール素子やコイルなどの磁気計測用のセンサ素子からなる。なお、磁気計測以外のセンサ素子を用いることも可能である。配線２は、センサ素子１による検出信号の取り出し、および駆動電源（図示せず）との電気的接続に用いられる。筐体としての金属シース３は、電磁気を透過する例えば銅やステンレス鋼（ＳＵＳ）などの非磁性金属からなる。金属シース３の形状は、例えば長手方向に直角な断面が円形や四角形の、円柱形状または四角柱形状である。金属シース３の先端側はセンサ素子１を内部に保持して外力から保護可能な密閉状態となっている。

この一実施形態による被覆材としての吸湿性被覆材４は、電磁気を透過する非磁性、かつ液体を吸収して内部に液体を保持可能な構造の吸湿性を有する材料からなる。この吸湿性被覆材４は、例えば３００℃以上、好適には５００℃程度、より好適には１０００℃程度の温度までは溶融したり燃焼したりしない多孔質耐火物からなる。このような吸湿性被覆材４は、具体的に、空隙を有する多孔質材や実質的に多孔質であるグラスウールなどの例えば１〜３ｍｍ厚程度のガラステープやセラテックテープからなる。また、吸湿性被覆材４は、金属シース３の先端部で少なくともセンサ素子１から伝熱可能な領域、好適にはセンサ素子１を覆うような領域に、例えば耐熱性接着剤や針金などを用いて固着される。なお、吸湿性被覆材４は、金属シース３の先端部のみならず全体を覆う構成としてもよい。

以上のように構成された計測用センサ１０は、例えば従来公知の連続鋳造機や熱間圧延機などの鋼板処理装置内に設置される。そして、計測用センサ１０は、加熱されて高温になった例えば鋳造スラブや熱間圧延板などの高温体５に近接する位置に設置可能に構成されている。また、計測用センサ１０における吸湿性被覆材４が覆う領域は、この高温体５と計測用センサ１０との位置関係などに基づいても適宜設計を変更することができる。

この鋼板処理装置には、冷却手段としての冷却スプレーノズル６が設けられている。冷却スプレーノズル６は、加熱されて高温になった例えばスラブなどの高温体５の表面を冷却するために、冷却用液体７を、例えば冷却スプレーや冷却ミストなどにして噴射する。そして、図１に示すように、計測用センサ１０の設置位置は、例えば鋼板処理装置に設けられる圧延ロール（図示せず）などの近くの、冷却スプレーノズル６近傍である。これにより、計測用センサ１０は冷却用液体７の存在する環境下に設置されるため、吸湿性被覆材４は冷却スプレーノズル６から噴射された冷却用液体７を吸湿して内部に保持できる。吸湿性被覆材４が冷却用液体７を吸収し保持すると、冷却用液体７の気化潜熱などによって、少なくとも吸湿性被覆材４に覆われた部分でセンサ素子１が冷却される。計測用センサ１０は、鋳造スラブ、熱延板、または厚板材などの高温体５に例えば数ｃｍ程度の距離で近接して、磁界の計測を行う。

このように、高温体５の近傍に存在する既存の冷却スプレーノズル６から噴射される冷却用液体７をセンサ素子１の冷却に用いることにより、センサ素子１の冷却のために冷却水配管などを新たに設置する必要がない。そして、このような冷却水配管が不要であることから、小型の計測用センサ１０が得られてメンテナンス性などの面で有利になる。また、水などの気化潜熱が大きい冷却用液体７を用いるため、吸湿性被覆材４に保持される冷却用液体７がわずかであってもセンサ素子１の冷却に極めて有効に作用する。

次に、以上のように構成された一実施形態による計測用センサ１０を用いた場合と、吸湿性被覆材４を備えていない従来の計測用センサを用いた場合とにおける、計測用センサの先端部の温度変化について説明する。なお、比較のため、従来の計測用センサおよびその周辺部分として、一実施形態による計測用センサ１０において吸湿性被覆材４が設けられていない点以外は同様の構成のものを採用する。そのため、従来の計測用センサおよびその周辺部分の説明においても図１に示す符号を用いる。

図２および図３はそれぞれ、従来の計測用センサ１０および一実施形態による計測用センサ１０の先端部における、鋼板処理装置での鋳造中およびスラブ抜けを含む温度変化の時刻推移を示すグラフである。なお、温度の計測は、図１に示す金属シース３と同一形状で同一材質の金属シース（図示せず）の内部に熱電対を設け、計測用センサ１０の設置位置で行った。

図２から、鋳造中の定常状態においては、鋼板処理装置の冷却スプレーノズル６から冷却用液体７が噴射されているため、計測用センサ１０の先端部の温度は６０℃程度で安定している。これに対し、スラブ抜け時においては冷却用液体７の噴射が停止するため、計測用センサ１０の先端部の温度は急激に上昇して２００℃を超える温度にまでなることがわかる。なお、本発明者がスラブ抜け時の計測用センサ１０の先端部の温度を長期間観察したところ、最大で３００℃程度にまで達することが確認された。

一方、図３から、鋳造中の定常状態においては、図２に示す従来の計測用センサ１０の場合と同様に、計測用センサ１０の先端部の温度は６０℃程度で安定していることがわかる。また、スラブ抜け時において、計測用センサ１０の先端部の温度は上昇してはいるが、その温度は９０℃に達することなく８０℃程度までであることがわかる。すなわち、この一実施形態による計測用センサ１０は、図２に示す従来の計測用センサ１０の場合に比して、温度の上昇抑制効果が著しいことがわかる。これは、計測用センサ１０の先端部が、鋳造中においては冷却スプレーノズル６から噴射されて吸湿性被覆材４が吸収した冷却用液体７によって冷却され、スラブ抜け時においては吸湿性被覆材４が保持している冷却用液体７の気化潜熱によって冷却されるためである。なお、８０℃程度の温度であれば、センサ素子１を構成するホール素子やコイルによる磁気計測の動作上問題にならない。

さらに、図４は、図２の点線囲み内に示すスラブ抜け時の温度変化の計測例（従来例）、および図３の点線囲み内に示すスラブ抜け時の温度変化の計測例（本発明）において、計測時間をより詳細にしたグラフである。図４から、従来の計測用センサ１０においては、５０〜２００ｓの間で８０℃〜２２０℃程度の温度間を急激に上下していることがわかる。すなわち、図４から、従来の計測用センサ１０においては、極めて大きい昇温速度で高温まで加熱された後、極めて大きい降温速度で冷却されることがわかる。これは、耐熱性の低いセンサ素子１においては故障の原因となるほどの極めて急激な温度変化である。これに対し、この一実施形態による計測用センサ１０においては、その温度の上下がほとんど生じていないことがわかり、昇温速度、降温速度、およびピークの温度のいずれも、従来の計測用センサ１０の場合に比して大幅に低下していることがわかる。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、冷却素子や冷却水配管を用いずに計測用センサ１０の先端部のセンサ素子１を冷却できるので、冷却水配管などを設けるための追加工事などが必要なく、赤熱スラブなどの高温体５の近傍のような、極めて高温の雰囲気の厳しい環境下にあっても、実用可能な計測用センサ１０が得られる。また、冷却水配管などを用いる必要がないことから、小型の計測用センサ１０を低コストで得ることができ、その取り扱いが容易になるのみならず、冷却水配管の閉塞などの問題が生じないため、センサ素子１の故障の可能性を大幅に低減でき、計測用センサ１０の信頼性を向上できる。さらに、冷却用液体７の噴射が停止してもセンサ素子１を一定時間冷却し続けることができるので、冷却用液体７の噴射が停止されることがある環境下であっても、十分に使用可能な計測用センサ１０が得られる。

以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の一実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。

例えば、上述の一実施形態による計測用センサ１０は、凝固シェルが形成された溶鋼における磁気の計測に用いたり、連続鋳造機などのように溶鋼が露出している場所の近傍における磁気の計測に用いたりすることが可能である。

また、上述の一実施形態においては、計測用センサ１０の磁気計測用のセンサ素子１として、ホール素子またはコイルを採用しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、ＡＭＲ（Anisotropic Magneto Resistive）、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive）、およびＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistive）などの磁気抵抗効果素子、磁気インピーダンス素子、双安定磁気素子、フラックス・ゲートセンサ、ファラデー素子などの磁気光学素子、プロトン磁力計などの磁気共鳴型磁気センサ、電気力学的磁気センサ、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）などの種々の磁気計測用のセンサ素子を採用することが可能である。

１ センサ素子
２ 配線
３ 金属シース
４ 吸湿性被覆材
５ 高温体
６ 冷却スプレーノズル
７ 冷却用液体
１０ 計測用センサ

Claims (5)

1. 加熱された鋼板に対して所定の処理を行う鋼板処理装置内に設置される計測用センサにおいて、
   磁気を計測可能に構成されており、前記鋼板を冷却する冷却用液体を噴射する冷却手段の近傍に設置されたセンサ素子と、
   電磁気を透過するとともに前記センサ素子を内部に保持した筐体と、
   少なくとも前記センサ素子から伝熱可能な領域であって、前記センサ素子を覆う領域に設けられ、電磁気を透過するとともに吸湿性を有する被覆材と、
   を備えることを特徴とする計測用センサ。
2. 前記センサ素子が、コイルまたはホール素子であることを特徴とする請求項１に記載の計測用センサ。
3. 前記被覆材が、グラスウールまたは空隙を有する多孔質材からなることを特徴とする請求項１または２に記載の計測用センサ。
4. 加熱された鋼板に対して所定の処理を行う鋼板処理装置において、
   前記鋼板を冷却する冷却用液体を噴射可能に構成された冷却手段と、
   前記鋼板処理装置内に設置される計測用センサと、を備え、
   前記計測用センサは、
   磁気を計測可能に構成されており、前記冷却手段の近傍に設置されたセンサ素子と、
   電磁気を透過するとともに前記センサ素子を内部に保持した筐体と、
   少なくとも前記センサ素子から伝熱可能な領域であって、前記センサ素子を覆う領域に設けられ、電磁気を透過するとともに吸湿性を有する被覆材と、
   を備えることを特徴とする鋼板処理装置。
5. 前記鋼板処理装置が、連続鋳造機または熱間圧延機であることを特徴とする請求項４に記載の鋼板処理装置。

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