JP2005296979A - 溶融金属の連続鋳造におけるブレークアウト予知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 局所的な温度変化によってブレークアウトを誤検知することなく安定した予知を行うことができると共に、簡便なロジックによって簡単で、且つ安価に予知を行うことができるブレークアウト予知方法を提供する。
【解決手段】 上下開放の内部水冷式鋳型１を用いて溶融金属を連続鋳造するに際して、該鋳型１の幅方向に複数設けた測温素子２による鋳型温度の測定値の変化に基づいて鋳片のブレークアウトを予知する方法において、測温素子２によって一定時間間隔毎に測定された鋳型温度の測定値の変化率を鋳型１の幅方向および所定の鋳込み長さ分にわたって逐次更新しつつ加算し、その加算値に基づいて鋳片のブレークアウトを予知する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、溶融金属の連続鋳造の際に発生する可能性のあるブレークアウトの兆候を早期に発見し、大規模な溶融金属洩れ等のトラブルを未然に防止するブレークアウト予知技術に関する。

金属や合金を溶解、精錬して所定の成分に調整した後、所望の形状の素形材に鋳造する方法として、連続鋳造方法が知られている。この連続鋳造は、上下開放の内部水冷式鋳型の上方から溶融金属を注湯し、少なくとも鋳型内面に接した溶融金属を凝固させて鋳片とし、これを鋳型の下端から連続的に引抜き、引抜かれた鋳片をさらに水スプレー等によって水冷（これを二次冷却という）して完全凝固させ、最終的に所望の長さで切断して金属素形材を得るものである。

鋳造される金属としては、鋼、銅、アルミニウムなどが一般的であり、とりわけ鋼の分野では、板材の素材となるスラブ、形鋼の素材となるブルーム、棒鋼、線材などの素材となるビレットなど多種の素材が連続鋳造によって製造されている。
ところで、銅やアルミニウムなどの熱伝導度が高い金属の場合には注湯された溶融金属は鋳型内でほとんど凝固してしまうのに対して、熱伝導度が低く、かつ凝固温度範囲の広い鋼の場合は、鋳型内では溶融金属（溶鋼）の極表層のみが殻状に凝固するのみであり（これを凝固シェルという）、その内部には未凝固の溶鋼を包含したまま、鋳型の下端から引抜かれることになる。

このため、凝固シェルの一部が何らかの理由で鋳型内面に固着したり、あるいは凝固に不均―があるために凝固シェルの極端に薄い部分が発生した場合には、鋳型内で凝固シェルが破断し、この凝固シェル破断部分が鋳型下端から引抜かれると、その部分から溶鋼が漏出するブレークアウトが発生し、大きな操業トラブルを発生することになる。
このような凝固シェルの鋳型内面への固着や凝固の不均一が発生しないように、鋳型内溶鋼の表面に添加するモールドパウダーを改良したり、鋳造時の鋳型の振動条件や鋳片の引き抜き方法などに工夫がなされているが、偶発的な凝固シェルの鋳型内面への固着現象を完全に無くすには到っていない。

そこで、凝固シェルの破断が未だ鋳型内にとどまっている間に、これを検知し、鋳片の引き抜き速度を一時的に低下させるなどの手段を講じてブレークアウトを来然に防止する、いわゆるブレークアウト予知技術の開発がなされており、実用化されている。
例えば、鋳型のメニスカス（溶鋼湯面）よりも下方に鋳片の引抜き方向に交差する方向に少なくとも一列に測温素子群を設け、その各点での測温値の変化速度に基づいて凝固シェルの破断を検出し、ブレークアウトの発生を予知する技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。

また、鋳型の幅方向に上下２段にわたって熱電対を複数配置し、凝固シェルの破断線の通過を検出して、より精度良くブレークアウトの発生を予知する技術が開示されている（例えば特許文献２参照）。
更に、ニューラルネットワークを用いた学習によるパターン認識を、測温データの解析に組み合わせてブレークアウトの予知を行う技術が開示されている（例えば特許文献３および非特許文献１参照）。
特開平１―１４３７４８号公報 特開２００１−１６２３５８号公報 特開平９−２５３８１７号公報 日本鉄鋼協会主催第１０５回製鋼部会 鋼１０５−自−６「ニューラルネットワークを用いたブレークアウト予知技術」)

しかし、上述の従来技術においては、実際には凝固シェルの破断等が生じていないのにブレークアウトの発生と判定してしまう、いわゆる誤検知の問題が残されている。
まず、ブレークアウトの誤検知の際の温度変化のパターンに着目すると、従来の温度変化に基づく予知方法では、複数本数の熱電対が、偶然に閥値を満たす温度変化を生じたために誤検知してしまう場合が希に発生することがある。

このような場合の温度変化の状況を、コンピュータのＣＲＴ画面などを用いて、横方向に各熱電対、縦方向に時系列で並べて、経験のあるオペレータが目視確認すると、その温度変化が、局所的で偶発的にあたかもブレークアウトであるかの様になっただけのものであるのか、あるいは本当にブレークアウトが起こっているためのものであるのかが判別できる場合がある。

上記特許文献１及び特許文献２におけるブレークアウト予知のロジック自体もこのような誤検知を防止するために、温度変化の収集の特徴を捉えるような考慮を各所で施しているが、過去に現実のブレークアウトで生じた最低の温度変化率に基づいて閥値を設定せざるを得ないために、局所的な温度変化によってどうしても誤検知が生じてしまうのが実情であった。

一方、ニューラルネットワークを用いたブレークアウト予知方法は論文としては誤検知率が非常に低く良好であるとの報告が有るが、複雑なロジックを構築しなければならないこと、調整にはあまり―般的でないニューラルネットワークの知識を有して無くてはならいこと等の点があり、簡便にこれを導入することは容易ではない。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、局所的な温度変化によってブレークアウトを誤検知することなく安定した予知を行うことができると共に、簡便なロジックによって簡単で、且つ安価に予知を行うことができるブレークアウト予知方法を提供することを目的とする。

前述の様に、種々のブレークアウト予知方法で誤検知してしまった場合の温度変化を、オペレータの目視判断においては、それが誤検知であることを容易に判別できる場合がありうる。そこで、本発明者等は、オペレータがどのような基準で誤検知と判断しているかを調査し、オペレータが、次の様な特徴に着目していることを見出した。
（１）局所的な温度変化が生じていること。
（２）全体的に温度変動が激しくなっていること。
（３）横方向に伝播していないこと。
（４）ＣＲＴ画面等に横方向に各熱電対、縦方向に時系列で並べて表示した熱電対の温度変化率の表示において、その形状がブレークアウトの際に特有な逆三角形の形状を示していないこと。

これらは、温度変化の状況を紙に文字等で印刷することで人が判読することもできなくはないが、間違いなく機械的に判断するには、一つの指標によって判断できることが必要である。
そこで、上記の（１）〜（４）の場合には誤ってブレークアウトと判定することなく、正確にブレークアウト予知を判定できる条件として、種々検討した結果、次のようにしてブレークアウト予知をすることが好適であるとの結論に達し、本発明を完成するに至った。

即ち、上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、上下開放の内部水冷式鋳型を用いて溶融金属を連続鋳造するに際して、該鋳型の幅方向に複数設けた測温素子による鋳型温度の測定値の変化に基づいて鋳片のブレークアウトを予知する方法において、
前記測温素子によって一定時間間隔毎に測定された鋳型温度の測定値の変化率を前記鋳型の幅方向および所定の鋳込み長さ分にわたって逐次更新しつつ加算し、その加算値に基づいて鋳片のブレークアウトを予知することを特徴とする。

本発明によれば、測温素子によって一定時間間隔毎に測定された鋳型温度の測定値の変化率を鋳型の幅方向および所定の鋳込み長さ分にわたって逐次更新しつつ加算し、その加算値に基づいて鋳片のブレークアウトを予知するようにしているので、局所的な温度変化によってブレークアウトを誤検知することなく、安定した予知を行うことができ、しかも、簡便なロジックで済むので、実際のソフトウェアを簡単に、且つ安価に構築することができる。

以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。図１は鋳型への測温素子の配置例を示す概略斜視図、、図２〜図４は各測温素子による温度変化率の経時変化の一例を示すグラフ図である。
本発明が対象とする連続鋳造は、溶融金属の連続鋳造であり、とりわけ、熱伝導度が低く、かつ凝固温度範囲が広いために、凝固シェルの内部が未凝固の状態で鋳片を鋳型下端から引抜くこととなる鋼の連続鋳造に適用することが好適である。すなわち、このような内部未凝固状態で引抜かれる連続鋳造がブレークアウトの発生確率が高く、その被害も大きいからである。

鋳片の断面形状により、幅広なスラブ連続鋳造、矩形大断面のブルーム連続鋳造、矩形小断面のビレット連続鋳造があるが、いずれに適用しても構わない。ただし、鋳型内溶鋼単位体積あたりの抜熱面積が大きいスラブ連続鋳造やブルーム連続鋳造では、ビレット連続鋳造よりもブレークアウトの発生確率が高い傾向があるので、それらに本発明を適用すると一層有利である。

本発明では、従来のブレークアウト予知方法と同様に、図１に示すように、鋳型１を構成する銅板内に熱電対などの測温素子２を埋め込んで、鋳造中の鋳型銅板の温度変化を一定時間周期で連続的に測定する。測温素子２の配置は、鋳型１の幅方向にわたって複数個配置する。高さ方向には１段でも複数段でもかまわない。また、図１では、スラブ連鋳用鋳型１の一方の広面（長辺側の面）に測温素子２を配置した場合を示しているが、対向する他方の広面にも配置してよく、また、狭面（短辺側の面）の一方または両方に設けてもよい。ここで、本発明では、便宜上、鋳造方向（鋳片が引抜かれる方向）と直交する方向を幅方向と呼ぶ。

ここで、測温素子の番号を幅方向の一端から１、２・・・Ｎとする。また測温する周期をτ（ｍｉｎ）とする。鋳片の引き抜き速度をＶｃ（ｍ／ｍｉｎ）とすると、Ｌ＝τ・Ｖｃが一周期の測温の間に鋳片が下降する距離に相当するので、Ｍ周期にわたって測温データを蓄積し監視すると、常時、現時点からＭ・Ｌ＝Ｍ・τ・Ｖｃの長さにわたって鋳片を監視することに相当する。

逆にいえば、監視しようとするサンプル長さをλ（ｍ）とすると、必要な周期は、λ／（τ・Ｖｃ）となる。鋳型の幅方向位置ｎにおける測温素子の、現時点からｍ周期前の温度変化率を△Ｔｎ（ｍτ）とし、これを鋳型の幅方向全巾、かつ現時点からＭ周期前（即ち、鋳片長さにしてＭ・τ・Ｖｃ前）までにわたっての総和
Σ_m=0 ` _M ｛ｌ×（△Ｔ１（ｍτ）＋・・・・＋△ＴＮ（ｍτ）｝
を計算する。ここに、ｌは幅方向の測温素子の間隔である。ここで、現時点からτだけ経過した後に新たに測温素子の温度変化率を測定したら、その時点の温度変化率が新たな△Ｔｎ（０）となり、その前の周期で測定された温度変化率は△Ｔ（τ）として蓄積され、常に新しい方からＭ＋１周期分の温度変化率をデータとして更新・保持し、上記の総和を求める。
そして、この総和が所定の上・下限値の範囲にあるときに、ブレークアウトの発生ありと判定する。図２〜図４に、各測温素子による温度変化率の経時変化の一例を示す。本発明では、図中の山の部分の体積に相当する大きさを計算することになる。

このように、測温素子によって一定時間間隔毎に測定された鋳型温度の測定値の変化率の履歴を鋳型の幅方向および所定の鋳込み長さ分にわたって逐次更新しつつ加算して体積的に求めることで、従来のロジックで温度がたまたま下降した後に温度が再上昇する局所的な温度上昇によってブレークアウトを誤検知していた様な場合においても、本発明では、温度下降の部分の体積をマイナスの体積として扱うことによって、合計の体積を減算する方向に計算できる。これにより、局所的な温度変動に対しても安定した予知を行うことができ、しかも、簡便なロジックで済むので、実際のソフトウェアを簡単に、且つ安価に構築することができる。

垂直曲げ型スラブ連鋳機（鋳型内寸、厚み：２６０ｍｍ、幅：６００〜１６５０ｍｍ）を用いて、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼、ＳＵＳ４３０ステンレス鋼および高炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）を鋳造するに当たり、約１ケ月にわたって、本発明法と従来法（特許文献２に開示の方法）に従ってブレークアウト予知の比較実験を行った。
なお、上記の実験において、上段、下段に熱電対をそれぞれ鋳型全周にわたって２５個づつ配置し、本発明法では上、下２段の熱電対を用い、―方、従来法では、上段一列の熱電対を用いて、それぞれの構成に従ってブレークアウトの予知を行った。また、隣り合う熱電対間の距離（Ｗ）はｌ５０ｍｍ、上段熱電対と下段熱電対と間の距離（Ｈ）は２００ｍｍ、鋳造速度（Ｖｃ）は１．０〜２．０ｍ／ｍｉｎとした。
従来法での誤検知比率は１０％であったが、本発明を適用した場合は５％に低減することができた。

鋳型への測温素子の配置例を示す概略斜視図である。 各測温素子による温度変化率の経時変化の一例を示すグラフ図である。 各測温素子による温度変化率の経時変化の一例を示すグラフ図である。 各測温素子による温度変化率の経時変化の一例を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 鋳型
２ 測温素子

Claims (1)

1. 上下開放の内部水冷式鋳型を用いて溶融金属を連続鋳造するに際して、該鋳型の幅方向に複数設けた測温素子による鋳型温度の測定値の変化に基づいて鋳片のブレークアウトを予知する方法において、
   前記測温素子によって一定時間間隔毎に測定された鋳型温度の測定値の変化率を前記鋳型の幅方向および所定の鋳込み長さ分にわたって逐次更新しつつ加算し、その加算値に基づいて鋳片のブレークアウトを予知することを特徴とする溶融金属の連続鋳造におけるブレークアウト予知方法。

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