JP2006175468A

JP2006175468A - 連続鋳造鋳片の軽圧下制御システム及び方法

Info

Publication number: JP2006175468A
Application number: JP2004370221A
Authority: JP
Inventors: Koji Ishizawa; 孝司石沢
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】鋳造に必要なデータを格納する上位計算機とは無関係に熱計算の実行が可能であり、制御精度を向上させることができる連続鋳造鋳片の軽圧下制御システム及び方法を提供すること。
【解決手段】連鋳鋳片の最終凝固域付近に複数の軽圧下ロールを配し、各ロール間隔をそれぞれ独立に制御可能とした連続鋳造設備において、鋳造中のストランド内に所定間隔で鋳造方向に垂直な計算断面を発生させ、各計算断面が複数の冷却ゾーンを通過した際の２次元凝固計算に基づく冷却履歴情報を保有しつつ、軽圧下ロール配置域での鋳片凝固状態を推定する計算モデルを、汎用の市販計算機を用いたサーバ・クラアイアント方式に適用したサーマルトラッキングシステム４と、連鋳設備本体の制御及び鋼種・操業パラメータを格納する上位計算機１とを独立に配置した。
【選択図】図４

Description

本発明は連鋳鋳片内の未凝固部を圧下ロールにより圧下するための最適な圧下位置を演算するサーバ・クラアイアント方式システムを本体制御装置から独立させて配置した連続鋳造設備の軽圧下制御システム及び方法に関するものである。

一般的に連続鋳造設備では、タンディッシュの底部に設けられた浸漬ノズルから鋳型内に溶湯を供給し、水冷された鋳型壁との接触によって一次冷却することにより、その周辺に凝固シェルが形成されたストランドとし、それを鋳型から引き抜きながらサポートロール群を形成する各ロールの間に設けられたスプレーノズルから噴出される冷却水或いは気水混合媒体によって二次冷却を行って内部まで完全に凝固させ、ロール群の後方に設けられたカッタにより所定の長さに切断して、複数の鋳片を連続的に製造している。また、２次冷却帯は、通常図３に示すように複数のゾーンに分割され、それぞれ独立に流量、圧力を制御可能なシステムを採用している。

このような連続鋳造設備の操業においては、ストランド内で溶鋼を完全に凝固させることが重要である。これは、最終凝固位置がストランド内で完了しなければ、鋳片内の未凝固溶鋼が外部に流出してしまい、鋳片品質はおろか操業の続行にさえ支障をきたすからである。さらに特殊鋼の分野では、鋳片の凝固末期に電磁撹拌あるいは軽圧下技術を適用し鋳片品質の向上を図る必要性が高まってきており、凝固末期での鋳片凝固状態を正確に把握可能な技術が求められている。

このような問題を解決するため、鋼の連続鋳造において、高品質の鋳片を得るため鋳造中の鋳片凝固状態をオンラインモデルの計算により予測する手法が特許文献１〜４等にて提唱されている。

特許文献１に開示されている技術は、鋳片を一定単位の切片の集合体と仮想し各鋳片毎に冷却履歴情報を持ち、この冷却履歴情報を基に２次冷却水量を設定し、流量制御装置へ設定する冷却制御方法において、流量制御装置に対する設定を鋳造速度に追従して変化する項目と鋳造速度に無関係な項目に分けて設定し、その両者の配分を鋳片長さ方向に分割した複数の冷却ゾーンごとにかえる２次冷却水の制御方法である。

特許文献２に開示されている技術は、電磁攪拌装置にて未凝固領域を攪拌する方法において、鋳片の引き抜き速度、溶湯温度、冷却水温度、冷却水水量、鋳片の径、または厚さに基づき鋳片内の伝熱計算を行い、鋳片の引き抜き方向各部における未凝固領域の径または厚さの分布を求め、未凝固領域の直径または厚さが予め設定した値に達する位置を求め、この領域に電磁攪拌装置を移動して未凝固領域に対する電磁攪拌を行うものである。

また、特許文献３に開示されている技術は、オンラインで未凝固部分の温度を予測する方法において、凝固初期の鋳型部分では、含熱量−変換温度法を適用し差分計算により鋳片の温度凝固状態を求め、鋳片の２次冷却帯では、差分計算の結果を用いて固液界面での熱バランス式と固相部温度を２次方程式近似する積分プロファイル法とを適用して鋳片の凝固速度式を求めた後、凝固速度式を解くことにより鋳片の凝固厚を求め、凝固厚を用いた所定の境界条件式を満足するように鋳片の未凝固部分の温度分布を仮定して未凝固部分の温度分布に基づいて鋳片の中心温度を予測する方法である。

また、特許文献４には、連続鋳造機に対して鋳込み方向に連続する複数ゾーンを設定するとともに、連続鋳造中のストランド内に所定長さの鋳込みが進行する毎に鋳込み方向に垂直な計算面を発生させ、計算面が各ゾーンを通過し、次のゾーン入側境界に到達した時点で、計算面が直前に通過したゾーンの平均冷却条件に基づいて計算面内の２次元凝固計算を行い、その結果から得られた計算面内の温度分布を、次のゾーンを通過し、更に次のゾーン入側境界に到達した時点で行う凝固計算の初期値として与える如く順次前記計算面内の凝固計算を行うことにより、最終ゾーン入側境界における計算面が全て固相線温度以下の場合は、鋳造速度を増加する指示を出し、最終ゾーン入側境界における計算面が固相線を超える場合は、境界に計算面が到達した時点で最終ゾーンの冷却条件を用いて、計算面について最終ゾーン内の凝固計算を行ってストランドの最終凝固位置を推定し、最終凝固位置が連続鋳造機の機端から所定の余裕距離だけ内側に位置するように鋳造速度を制御する鋳造方法が開示されている。
特開昭５９−２１２１５７号公報特開平５−２２８５８０号公報特開平５−１２３８４２号公報特開２００２−１７８１１７号公報

特許文献１に開示された技術のように、冷却制御モデルで求めた冷却水量ＱＭとこの冷却水量ＱＭに制御モデルで採用した鋳造速度ＶＭで割った設定値に現状の鋳造速度ＶＮを乗じた水量で制御する場合、鋳造速度に応じて冷却水量を変化させるため、鋳片の冷却速度を一定に維持するには複雑な制御装置を用いることになり、鋳片サイズ毎のパラメータのチューニングに多大な労力が必要である。

特許文献２に開示された技術は鋳片の厚み方向の伝熱計算を行って鋳片内の未凝固領域を設定して電磁攪拌装置を移動して積極的に攪拌しようとするもので、鋳片の厚みが幅方向一定の場合に適用され、ビレットやブルームのように厚み側からの凝固位置と幅からの凝固位置が違う場合には採用できない。

特許文献３に開示された技術のように、鋳型部分では含熱量−変換温度法を用いて差分計算を行い、２次冷却帯では鋳型部分で求めた差分計算結果を用いて熱バランス式と固相線温度を２次方程式により近似して凝固厚を求めるものでは、近似式を使用するため、精度を確保することはできない。また、計算機の容量がネックとなって精度のよい未凝固部分の温度分布の計算を行うことができない。

特許文献４に開示された技術では、最終ゾーン入側で機端の凝固位置を推定し、ストランド全体の鋳造速度を変更するため、後続の計算断面も鋳造速度が同時に変化する。このように後続の計算断面が最終ゾーン入側に到達したときの計算断面の履歴は先の計算断面と冷却履歴が同一ではないため、再度鋳造速度の変更が必要となる。このように本技術では鋳造速度が常に変化することになり、鋳片品質確保の点からはメリットが少ない。

いずれにしても、従来より精度を向上させるため、コンピュータを利用してさまざまな技術が開発されてきたが、より一層の精度向上が望まれていた。

また、従来の技術では、鋳造に必要なデータを上位計算機内に格納して制御計算させようとするため、この上位計算機にトラブルが発生した場合、制御装置を停止させなければならなかった。

本発明が解決しようとする課題は、鋳造に必要なデータを格納する上位計算機とは無関係に熱計算の実行が可能であり、制御精度を向上させることができる連続鋳造鋳片の軽圧下制御システム及び方法を提供することにある。

本発明の連続鋳造鋳片の軽圧下制御システムは、連鋳鋳片の最終凝固域付近に複数の軽圧下ロールを配し、各ロール間隔をそれぞれ独立に制御可能とした連続鋳造設備において、鋳造中のストランド内に所定間隔で鋳造方向に垂直な計算断面を発生させ、各計算断面が複数の冷却ゾーンを通過した際の２次元凝固計算に基づく冷却履歴情報を保有しつつ、軽圧下ロール配置域での鋳片凝固状態を推定する２次元計算モデルを、汎用の市販計算機を用いたサーバ・クラアイアント方式に適用したサーマルトラッキングシステムと、連鋳設備本体の制御及び鋼種・操業パラメータを格納する上位計算機とを独立に配置したことを特徴とする。

本発明の連続鋳造鋳片の軽圧下制御方法は、連鋳鋳片の最終凝固域付近に複数の軽圧下ロールを配し、各ロール間隔をそれぞれ独立に制御可能とした連続鋳造設備において、鋳造中のストランド内に所定間隔で鋳造方向に垂直な計算断面を発生させ、各計算断面が複数の冷却ゾーンを通過した際の２次元凝固計算に基づく冷却履歴情報を保有しつつ、軽圧下ロール配置域での鋳片凝固状態を推定する２次元計算モデルを、汎用の市販計算機を用いたサーバ・クラアイアント方式に適用したサーマルトラッキングシステムにて演算させることを特徴とする。

この軽圧下制御方法では、前記サーマルトラッキングシステムによる演算結果を各ストランドの制御装置にインプットして各ストランドでの最適軽圧下域にある軽圧下ロールの圧下量を制御することができる。

また、前記２次元計算モデルに含熱量−変換温度法と差分計算を用いると共に、同一ストランド内に複数の鋼種に対応させて圧下位置を設定することもできる。

上位計算機から熱計算部を独立させたので、サーマルトラッキングシステム内の計算機トラブルが発生しても設備を停止させる必要はなく、システムの復旧作業も連続鋳造設備本体の制御装置の稼動状況に無関係に実施可能である。計算部へのプログラム追加・変更も自由にできることは言うまでもない。

連続鋳造設備の運転と独立して本システムを稼動停止可能であるため、オフラインシミュレーション機能を使用すれば、最適冷却条件の事前検討、鋳造結果再現等が机上で検討可能であり、オンライン制御最適パラメータの事前検討にも活用できる。

図１および図４において、上位計算機１から鋳造すべき鋼種データ１４、鋼種条件１５、異鋼種位置１６等の鋼種・操業パラメータは各ストランド制御装置２，３へ送信される。各ストランド制御装置２，３ではタンディッシュ内溶鋼温度１７、操業条件１８等が設定されるようになっており、これらのデータをサーマルトラッキング制御装置４へ送信する。

サーマルトラキッング制御装置４は各ストランド制御装置２，３からのデータを中継する端子５、各種データを収納するサーバ６、データをもとに計算およびモニタリングする本体計算機７から構成されており、本体計算機７で得られる計算結果をサーバ６を介して各ストランド制御装置２，３に送信し、各ストランドでの条件の設定が行われる。

サーマルトラッキング制御装置４は計算に必要な条件の初期設定１９を行う。初期設定１９が完了したら上位計算機１からの入カデータである鋼種データ１４、鋼種条件１５より鋳片の液相線温度及び固相線温度を計算機２０にて算出し設定する。算出された鋳片の液相線温度及び固相線温度はデータ格納ボックス２２に鋼種データ１４に対応して格納される。鋳造開始後は上位計算機１、又は各ストランド制御装置２，３よりサーバ６を介して入力されるオンラインの溶鋼の温度データ、及び２次冷却水量、鋳造速度等をそれぞれデータ格納ボックス２３，２４に格納し、それらをもとに温度条件の設定を計算条件設定２５で行い、鋳造速度、冷却水水量の条件設定を計算条件設定２６で行う。設定が完了して、非定常差分計算を計算機２７で実行する。計算条件設定２５，２６はストランド全体の計算精度に影響を及ぼさない程度のある時間周期（例えば５秒毎）に現在のオンラインでの条件を取り込み、計算条件設定の更新を行う。

このようにして計算された各計算断面内での全断面温度と各計算断面のメニスカスからの距離をもとにストランド全体の凝固状態をグラフ化したものをモニタ２９にリアルタイムで表示する。鋳造の途中で鋳込む鋼種が変更になった場合、上位計算機１、又は各ストランド制御装置２，３よりサーバ６を介して入力される新たな鋼種データ１４、鋼種条件１５より新たな鋳片の液相線温度及び固相線温度を異鋼種発生認識装置２１にて算出し、算出された新たな鋳片の液相線温度及び固相線温度はデータ格納ボックス２２に新たな鋼種データ１４に対応して格納される。データ格納ボックス２２には複数の鋼種データに対応した温度データを格納可能としているため、同一ストランド内で複数の鋼種が存在しても計算可能となる。

上記の計算結果に基づいて、最適圧下領域を決定し、当該ロールのＮｏを圧下位置設定２８にて設定する。そして、設定されたデータをサーバ６を介して各ストランド制御装置２，３に送信して、圧下制御を実行する。このときの各ストランド制御装置は圧下制御専用に２，３とは別の制御装置を設けることもできる。

このように、鋳造中のストランド鋳片の凝固状態を時間依存の鋳造パラメータを基に外部シミュレーションにより推定し最適な軽圧下ゾーン（圧下ロール位置）を維持することができる。本方式によれば、サーマルトラキッング制御装置４（サーマルトラキッングシステム）と上位計算機１が完全に独立に配置されている為、仮にサーマルトラッキングシステム側に何らかの不具合が発生し機能不全に陥った場台でも、各ストランド制御装置２，３への伝送ラインをシャットダウンすれば連続鋳造設備への影響は最小限に抑えられ、鋳造作業は続行可能である。また、システムの復旧作業も連続鋳造設備本体の制御装置（上位計算機１）の稼動状況に無関係に実施可能である。

図２は連続鋳造設備における本発明の冷却計算モデルの概念を示したものであり、１／４の２次元モデルを採用しているが、計算機容量が許容できれば１／２モデルが採用可能なことは言うまでもない。

一般に鋼の連続鋳造設備においては、図３に示すごとく、ストランドはモールド９（１次冷却帯）を通過した後、複数の冷却ゾーンからなる２次冷却帯１３を引抜かれながら凝固していくが、これら各冷却ゾーンは鋼の品質を確保するため、それぞれ独立に冷却水量を制御されている。図３においてストランドの凝固末期に相当する領域（ＰＲ；ＺＯＮＥ７）に複数の圧下ロールを配し、鋳片の内部品質改善を行おうとした場合、最適な圧下領域はその部位が圧下帯（ＺＯＮＥ７）に到達するまでの上流側での冷却履歴に依存するため、モールド９から圧下帯までの鋳造速度、冷却水量が同一でない場合は常に変動することになる。

このため、本計算モデルは鋳造中のストランド内に所定間隔で鋳造方向に垂直な計算断面１２を発生させ、各計算断面１２が複数の２次冷却ゾーンを通過する際の冷却履歴をオンライン鋳造条件を取り込むことによりリアルタイムで計算し、軽圧下帯での凝固状態を精度良く推定し、最適な軽圧下領域を決定することを目的に構築された。

ここで実行する２次元非定常の凝固計算には従来公知の手法を適用できる。すなわち、鋳造方向に垂直な計算断面について、直交するｘ方向とｙ方向をとり、このｘ−ｙ座標上の任意の点についての下記の熱伝導方程式（１）を、差分法を用いて計算する。

この熱伝導方程式においては、熱伝導率Ｋ、比熱Ｃが温度Ｔの関数であるから、次に示す変換温度Φ及びエンタルピーＨを導入して、

と定義すると、熱伝導率Ｋ（Ｔ）は次式（３）で与えられる

また、比熱Ｃ（Ｔ）は次式（４）で与えられるため、次式（５）の方程式が得られる。

これらを差分化して近似的に温度分布を求める。

ここで図４にある鋼種データ１４は鋼の成分によって異なるエンタルピーと変換温度、及び熱伝導率の熱的物性であり、これらのデータを予め本体計算機７内にデータとして格納しておき、計算断面を発生させるタイミングにて上位計算機１、あるいは各ストランド制御装置２，３から信号を受信し、対応する鋼の物性に使用すれば同一ストランド内に異なる熱的物性を有する複数の鋼種が存在しても計算を維持できる。

本計算モデルによれば矩形比の小さい、ビレットやブルーム鋳造にも適用可能であり、かつエンタルピー等の熱的物性値を揃えておけばあらゆる鋼種に適用できる。さらには、同一ストランド内に物性の異なる複数の鋼種が存在する異鋼種連々の鋳造にも対応可能であり、それぞれの鋼種に対して最適な圧下位置を算出できるという特徴を有する。

本発明のシステムの概要を示す説明図である。本発明の冷却計算モデルを示す説明図である。連続鋳造設備を示す説明図である。本発明のシステムによる制御モデルの概要フロー図である。

符号の説明

１上位計算機
２Ｎｏ１ストランド制御装置
３Ｎｏ２ストランド制御装置
４サーマルトラッキング制御装置
５端子
６サーバ
７本体計算機
８タンディッシュ
９モールド
１０計算断面生成点
１１計算断面消滅点
１２計算断面
１３２次冷却帯
１４鋼種データ
１５鋼種条件
１６異鋼種位置
１７タンディッシュ内溶鋼温度
１８操業条件
１９初期設定
２０計算機
２１異鋼種発生認識装置
２２データ格納ボックス
２３データ格納ボックス
２４データ格納ボックス
２５計算条件設定
２６計算条件設定
２７計算機
２８圧下位置設定
２９モニタ

Claims

連鋳鋳片の最終凝固域付近に複数の軽圧下ロールを配し、各ロール間隔をそれぞれ独立に制御可能とした連続鋳造設備において、鋳造中のストランド内に所定間隔で鋳造方向に垂直な計算断面を発生させ、各計算断面が複数の冷却ゾーンを通過した際の２次元凝固計算に基づく冷却履歴情報を保有しつつ、軽圧下ロール配置域での鋳片凝固状態を推定する２次元計算モデルを、汎用の市販計算機を用いたサーバ・クラアイアント方式に適用したサーマルトラッキングシステムと、連鋳設備本体の制御及び鋼種・操業パラメータを格納する上位計算機とを独立に配置したことを特徴とする連続鋳造鋳片の軽圧下制御システム。
連鋳鋳片の最終凝固域付近に複数の軽圧下ロールを配し、各ロール間隔をそれぞれ独立に制御可能とした連続鋳造設備において、鋳造中のストランド内に所定間隔で鋳造方向に垂直な計算断面を発生させ、各計算断面が複数の冷却ゾーンを通過した際の２次元凝固計算に基づく冷却履歴情報を保有しつつ、軽圧下ロール配置域での鋳片凝固状態を推定する２次元計算モデルを、汎用の市販計算機を用いたサーバ・クラアイアント方式に適用したサーマルトラッキングシステムにて演算させることを特徴とする連続鋳造鋳片の軽圧下制御方法。
前記サーマルトラッキングシステムによる演算結果を各ストランドの制御装置にインプットして各ストランドでの最適軽圧下域にある軽圧下ロールの圧下量を制御することを特徴とする請求項２に記載の連続鋳造鋳片の軽圧下制御方法。
前記２次元計算モデルに含熱量−変換温度法と差分計算を用いると共に、同一ストランド内に複数の鋼種に対応させて圧下位置を設定することを特徴とする請求頃２又は３に記載の連続鋳造鋳片の軽圧下制御方法。