JP2006088212A - 連続鋳造における湯面レベル制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非定常バルジングに起因する短い周期の湯面レベル変動に対して、安定かつ良好な湯面レベル制御性を実現して、湯面レベル変動を抑制することが可能な、連続鋳造における湯面レベル制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】流入流量制御アクチュエータがストッパであり、ストッパ位置指令値ｕからストッパ位置ｘまでの制御特性が一次遅れ、ストッパ位置ｘから流入流量ｑへの流入流量特性モデルを定数Gcとし、流入流量ｑから湯面レベルLへの動特性を積分で表現する場合を例にする。湯面レベルの目標値Lrefと検出値Lを比較して、その偏差ｅを出力する比較器３４、該偏差ｅを零とするようなストッパ位置指令値ｕ０を比例積分演算により算出するＰＩＤ調節計４０、外乱量を推定する外乱量推定器５０、外乱の周期を検出して外乱量の振幅・位相を補正する外乱量補正器５２、推定された外乱量に係数を乗算する係数乗算器５４から構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、連続鋳造における湯面レベル制御方法に係り、特に、ストッパあるいはスライディングノズル等の溶融金属のモールドへの流入流量を制御するアクチュエータを備えた連続鋳造機により、スラブ、ブルームなどの鋳片を連続的に製造する際に発生する、非定常バルジングと呼ばれる周期的な湯面レベル変動を抑制することが可能な湯面レベル制御方法に関するものである。

図２は、溶融金属からスラブ、ブルーム等の鋳片を連続的に製造する連続鋳造機（以下、連鋳機と称する）の構成の一例を示す図である。図中、１０は溶鋼、１２は取鍋、１４はタンディッシュ、１６はノズル、１８はモールド、２０はピンチロール、２２はカッタ、２４は鋳片、２６は湯面レベル計、および２８はストッパをそれぞれ表す。

取鍋１２内の溶鋼１０は、タンディッシュ１４及びノズル１６を通って、モールド１８に注入される。水冷されているモールド１８内で表面層が凝固した溶鋼１０は、ピンチロール２０で引き抜かれ、更に冷却されて凝固した後に、カッタ２２で所定の長さに切断され、鋳片２４となって後方の圧延工程に送られる。

この連鋳機において、モールド１８内の溶鋼の湯面レベルを安定に保つことは、良好な鋳片品質を確保する上で極めて重要である。即ち、湯面レベルの変動は、耐火物、溶融スラグ等の介在物の溶鋼中への巻き込みを生じ、凝固鋳片２４の表皮部に捕捉されてピンホール発生や皮下介在物生成による欠陥をもたらしたり、不均一な抜熱による割れを生じたりする。

従って、一般に連続鋳造においては、モールド１８内の湯面レベルを検出する湯面レベル計２６からの信号を受け、ストッパ２８やスライディングノズル等を流量制御アクチュエータとした湯面レベル一定制御が行われている。特に、最近の鋳造速度の高速化により、湯面レベル制御の重要性は、ますます高まっている。

従来の湯面レベル制御には、例えば特開昭５９−３０４６０号公報（特許文献１）や特開昭６３−１９２５４５号公報（特許文献２）に開示されている技術がある。すなわち、図３に示す如く、タンディッシュ１４からモールド１８への流路を絞ることにより流量を制御するアクチュエータであるストッパ２８と、ストッパ２８を所望位置に制御するストッパ制御器３０と、モールド１８内の湯面レベルを検出する湯面レベル計２６と、湯面レベル目標設定器３２と、湯面レベルの目標値と検出値を比較して、その偏差ｅを出力する比較器３４と、予め定められた制御パラメータにより、該偏差ｅを零とするようにストッパ位置指令値ｕを演算して、比例積分微分（ＰＩＤ）制御を行うＰＩＤ調節計３６と、からなる湯面レベル制御系を用いて実施するものである。モールドへの溶鋼流入流量を制御するアクチュエータとしては、スライディングノズルと称する丸い穴の開いた板を組合せ、それらをスライドさせるものもあるが、基本的な制御方法は、ストッパの場合と同一である。

鋳片２４を支持するピンチロール２０間で、膨張・収縮を周期的に繰り返す非定常バルジングが発生すると、鋳片内の溶鋼が押し上げられ、そして押し下げられ、湯面レベルが周期的に変動する。

上記の湯面レベル制御方法では、非定常バルジングに対して充分な効果を得られないため、例えば、日本鉄鋼協会第１１７回（春季）講演大会（平成元年４月４日〜６日）の予稿集第３０８頁の講演番号２４５の講演に対する予稿（非特許文献１）や、特開２００２−５９２４９号公報（特許文献３）において、非定常バルジングに起因する周期的な湯面レベル変動に対処するべく、渦流式湯面レベル計の測定値から、湯面レベルの変動量と周期を演算処理し、湯面レベル変動を打ち消す補正信号を算出し、これを湯面変動の周期に合わせてＰＩＤ調節計の出力へ加算する方法が開示されている。

しかしながら、これら非特許文献１および特許文献３の方法では、一旦制御が始まって湯面レベルの周期変動が減少してしまうと、湯面レベルだけを測定していたのでは非定常バルジングが一見収束したかのように観測されるため、時々刻々の補正値を正確に算出できない場合がある。

そこで、上記のような問題点を解消するべく、出願人は、先に、特開平３−１１００５１号公報（特許文献４）にて、湯面レベル動特性モデルを用いて湯面レベル予測値を算出し、該湯面レベル予測値と湯面レベル検出値を比較することにより、様々な外乱による湯面レベル変動を全て流入流量制御アクチュエータの指令値変化に帰着させ、外乱相当の指令値（＝外乱量）を打ち消す補正信号を流入流量アクチュエータに加える方法を開示している。さらに、類似の方法として、特開平３−１７４９６１号公報（特許文献５）、特開平５−２３８１１号公報（特許文献６）、特開平５−３１５６０号公報（特許文献７）を提案している。

しかし、特許文献４ないし特許文献７の方法では、鋳造速度の高速化に伴い、湯面レベル変動周期が短くなる場合は、外乱量の推定に、推定遅れなどの誤差が生じるため、不要なアクチュエータ出力の変動を引き起こすことが判明した。そこで、その対処として、特開平８−２４３７０３号公報（特許文献８）に示すような外乱推定誤差に応じて補正量を小さくする方法を提案した。
特開昭５９−３０４６０号公報 特開昭６３−１９２５４５号公報 日本鉄鋼協会第１１７回（春季）講演大会（平成元年４月４日〜６日）予稿集第３０８頁 特開２００２−５９２４９号公報 特開２００２−５９２４９号公報 特開平３−１７４９６１号公報 特開平５−２３８１１号公報 特開平５−３１５６０号公報 特開平８−２４３７０３号公報

しかし、特許文献８で開示した技術では、２．０ｍ／ｍｉｎ→２．５ｍ／ｍｉｎ→３．０ｍ／ｍｉｎへとますます高速化する鋳造速度に対しては、充分な湯面レベル制御ができないケース（後述の図１１および図１２を参照）が増えてきた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、非定常バルジングに起因する短い周期の湯面レベル変動に対して、安定かつ良好な湯面レベル制御性を実現して、湯面レベル変動を抑制することが可能な、連続鋳造における湯面レベル制御方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、湯面レベル実績値を湯面レベル目標値に一致させるべく溶融金属のモールドへの流入流量を制御するアクチュエータを操作するフィードバック制御ループと、前記アクチュエータへの指令値または前記アクチュエータの実績値と湯面レベル実績値とを用いて湯面レベル変動を引き起こす外乱量を推定し、該外乱推定量を用いて湯面レベル変動を引き起こす外乱量を打ち消すべく作用する外乱量打消制御ループとから構成される連続鋳造機の湯面レベル制御方法において、前記外乱推定量を所定期間記録し、該記録された外乱推定量に周期性がある場合、所定期間記録された外乱推定量から推定遅れ分早出しした１周期前の外乱推定量を取り出し、推定遅れ分ゲイン補正を行って、前記外乱量打消制御ループからアクチュエータへ付加する補正信号を作成することを特徴とする連続鋳造における湯面レベル制御方法である。

また本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の連続鋳造における湯面レベル制御方法において、前記推定遅れ分ゲイン補正に加えて、前記記録された外乱推定量の時間的振幅変化を用いて、更にゲイン補正を行うことを特徴とする連続鋳造における湯面レベル制御方法である。

さらに本発明の請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の連続鋳造における湯面レベル制御方法において、前記記録された外乱推定量から推定遅れ分早出しして外乱推定量を取り出す際、アクチュエータ動作遅れ分を追加加味して取り出すことを特徴とする連続鋳造における湯面レベル制御方法である。

本発明は、周期的な湯面変動である非定常バルジングに対し、周期に応じて外乱推定誤差を補正する手段を有するため、外乱推定遅れおよびアクチュエータ動作遅れを補償し、外乱量の時間的振幅変化に対してゲイン補正を行うようにしたので、短周期の湯面レベル変動が発生する場合においても、湯面レベル変動を抑止することが可能となった。

本発明を実施するための最良の形態を、以下図面および数式を用いて説明を行う。図１は、本発明の構成の一例を示す図である。以下、流入流量制御アクチュエータがストッパであり、ストッパ位置指令値ｕからストッパ位置ｘまでの制御特性が一次遅れ１／（１＋Ｔ・ｓ）、ストッパ位置ｘから流入流量ｑへの流入流量特性モデルを定数Gcとし、流入流量ｑから湯面レベルLへの動特性を積分で表現する場合を例にとって説明する。

湯面レベルの目標値Lrefと検出値Lを比較して、その偏差ｅを出力する比較器３４、該偏差ｅを零とするようなストッパ位置指令値ｕ０を比例積分演算により算出するＰＩＤ調節計４０、外乱量を推定する外乱量推定器５０、外乱の周期を検出して外乱量の振幅・位相を補正する外乱量補正器５２、推定された外乱量に係数を乗算する係数乗算器５４から構成されている。

外乱量推定器５０では、推定する外乱を外乱相当ストッパ位置指令量ｕＤとし、状態方程式を示す以下の（１）式を用いて算出する。

ここで、Ｇ１、Ｇ２およびＧ３は定数、Ｔはストッパの動特性を表す定数、Ａはモールド断面積、ｄ／ｄｔは微分演算子、添字ｅは推定値であることをそれぞれ表す。なお、ストッパ位置指令値ｕの代わりに、ストッパ位置ｘの実績値を使うことも可能である。

外乱量補正器５２では、図４に示すように、（１）式を用いて算出された外乱相当ストッパ位置指令量ｕＤ（以下、外乱量ｕＤ）を一定時間間隔で所定時間、記録する。次に周期同定部において、図５に示すように、記録された外乱量ｕＤから直流成分を除去して周期成分を取り出し、周期を同定する。そして、同定された周期を振幅補正・位相補正部へ出力する。

振幅補正・位相補正部では、図５に示すように、入力された周期に応じて、１周期前のデータよりも推定遅れ分早出ししたデータを抽出し、抽出されたデータに、入力された周期に応じたゲイン補正を乗算して外乱補正量を算出する。上記早出し量は、必ずしも採取した一定時間間隔である必要はなく、補間値を用いても良い。例えば、図５に示す場合では、時刻８と時刻９の値の補間値を用いることにより補正精度が向上する。

周期に応じた上記早出しおよびゲイン補正は、例えば、図６、図７に示すように、事前に、外乱量推定器の周波数毎の推定特性（真値に対する振幅変化および位相の遅れ）をシミュレーションにより算出し、周期に応じた関数あるいはテーブル参照方式として設定する。また、図８、図９に示すように、外乱量の振幅が時間的に変化する場合は、記録された外乱推定量の振幅変化を算出し、入力された周期から算出された補正ゲインに乗算する方法でゲイン補正する。時間的振幅補正ゲインの算出方法としては、例えば図１０に示すように、前周期と今周期のデータを直線近似し、係数ａを用いて補正する。係数乗算器５４では、外乱量補正器５２から出力された外乱補正量に制御性の調整を目的とする係数を乗算して外乱量打消制御ループからのストッパ位置指令補正量ｕｃとしている。

以上、外乱相当ストッパ位置指令量を推定する外乱推定器を用いて説明したが、流量外乱を推定する外乱推定器を用いる場合は、位相補正における早出し量の設定は、外乱推定遅れに加えてストッパ動作遅れを補償する設定とする必要がある。なお、（１）式は、外乱の構造をステップと仮定した推定式であるが、従来技術において示されているように、正弦波やランプ状など、他の形態であってもよい。また、位相補正、ゲイン補正方法として、事前に設定された方式としたが、オンラインにおいて、補正する手段を併用してもよい。

一定周期、一定振幅の外乱に対する外乱量打消制御ループを有する特許文献８の方法を用いた従来法と本発明による方法の制御例を、図１１に示す。従来法では、±３ｍｍの湯面レベル変動が、±２ｍｍへ改善されているが、本発明法では±０.２ｍｍと大幅に改善されている。また同じく、周期および振幅が変化する外乱に対する従来法と本発明による方法の制御例を、図１２に示す。従来法では±７ｍｍの湯面レベル変動が、本発明により±３ｍｍへ改善されている。

本発明の具体的構成の一例を示す図である。 本発明が適用される連続鋳造機の一構成例を示す図である。 従来の湯面レベル制御装置の構成を示すブロック線図である。 外乱推定量を説明する図である。 周期的成分を取り出した外乱推定量を説明する図である。 外乱推定特性を説明する図である。 外乱推定特性が周波数に応じて変化することを説明する図である。 振幅が変化する場合の外乱推定量を説明する図である。 周期的成分を取り出した振幅が変化する場合の外乱推定量を説明する図である。 時間的振幅変化に対するゲイン補正方法を説明する図である。 一定周期、一定振幅の外乱に対する従来法と本発明による方法の制御例を比較して示す図である。 周期および振幅が変化する外乱に対する従来法と本発明による方法の制御例を比較して示す図である。

符号の説明

１０ 溶鋼
１２ 取鍋
１４ タンディッシュ
１６ ノズル
１８ モールド
２０ ピンチロール
２２ カッタ
２４ 鋳片
２６ 湯面レベル計
２８ ストッパ
３０ ストッパ制御器
３２ 湯面レベル目標設定器
３４ 比較器
４０ PID調節計
４６ ストッパ動特性
４８ モールド内現象
５０ 外乱量推定器
５２ 外乱量補正器
５４ 係数乗算器

Claims (3)

1. 湯面レベル実績値を湯面レベル目標値に一致させるべく溶融金属のモールドへの流入流量を制御するアクチュエータを操作するフィードバック制御ループと、前記アクチュエータへの指令値または前記アクチュエータの実績値と湯面レベル実績値とを用いて湯面レベル変動を引き起こす外乱量を推定し、該外乱推定量を用いて湯面レベル変動を引き起こす外乱量を打ち消すべく作用する外乱量打消制御ループとから構成される連続鋳造機の湯面レベル制御方法において、
   前記外乱推定量を所定期間記録し、該記録された外乱推定量に周期性がある場合、所定期間記録された外乱推定量から推定遅れ分早出しした１周期前の外乱推定量を取り出し、推定遅れ分ゲイン補正を行って、前記外乱量打消制御ループからアクチュエータへ付加する補正信号を作成することを特徴とする連続鋳造における湯面レベル制御方法。
2. 請求項１に記載の連続鋳造における湯面レベル制御方法において、
   前記推定遅れ分ゲイン補正に加えて、前記記録された外乱推定量の時間的振幅変化を用いて、更にゲイン補正を行うことを特徴とする連続鋳造における湯面レベル制御方法。
3. 請求項１または２に記載の連続鋳造における湯面レベル制御方法において、
   前記記録された外乱推定量から推定遅れ分早出しして外乱推定量を取り出す際、アクチュエータ動作遅れ分を追加加味して取り出すことを特徴とする連続鋳造における湯面レベル制御方法。

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