JP2010069513A - 連続鋳造機のモールド内湯面レベル制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】連続鋳造機のモールド内湯面レベル制御を行うに際して、外乱である定在波の影響を除去して、的確にモールド内湯面レベル制御を実施することができるモールド内湯面レベル制御方法を提供する。
【解決手段】湯面レベル計１８をモールド幅中心位置に設置しているとともに、その湯面レベル計１８が計測した湯面レベル信号から２次定在波の影響を除去するための周波数フィルター２０を湯面レベル制御装置１９に設置している。
【選択図】図８

Description

本発明は、連続鋳造機のモールド内の湯面レベル制御方法に関するものである。

連続鋳造機において、モールド内の溶融金属（溶鋼）の湯面レベルの変動を抑止して、湯面レベルが一定になるように制御することは、操業の安定上のみならず、鋳片の品質管理上からも極めて重要なことである。

通常、このモールド内湯面レベル制御方法としては、モールド内の溶鋼の湯面レベルを湯面レベル計によって計測し、この計測値に基づき溶鋼流量調整装置としてのスライディングノズルの開度を調節して、モールドから引き抜かれていく溶鋼とタンディッシュから注入される溶鋼のマスバランスを釣り合わせるという方法がとられている。

すなわち、図１に、スラブ連続鋳造機のモールド周辺部の代表例を示すが、スラブ連続鋳造機のモールド１２の上方所定位置にはタンディッシュ１１が配置され、このタンディッシュ１１の底部には、スライディングノズル１４及び浸漬ノズル１３が配置されており、タンディッシュ１１に一旦滞留した溶鋼１は、スライディングノズル１４及び浸漬ノズル１３を介してモールド１２へ注入されるようになっている。スライディングノズル１４は、固定板１４ａ、摺動板１４ｂを備えており、摺動板１４ｂがアクチュエータ１５と連結されており、アクチュエータ１５によって摺動板１４ｂが固定板１４ａと密着した状態のまま摺動することで、スライディングノズル１４の開度が増減し、タンディッシュ１１からモールド１２への溶鋼１の流出量が制御されるようになっている。その際、アクチュエータ１５は、湯面レベル制御装置１９からスライディングノズル開度制御装置１６を経由して入力される信号によって作動する。一方、モールド１２内の溶鋼湯面の上方には、湯面レベル計（例えば、渦流センサ−）１８が配置されている。湯面レベル計１８はモールド１２における溶鋼湯面のレベル（高さ位置）を計測する装置であり、湯面レベル計１８の計測信号（湯面レベル信号）は湯面レベル制御装置１９に入力されている。

これにより、取鍋（図示せず）からタンディッシュ１１に注入された溶鋼１は、タンディッシュ１１の底部に設置されたスライディングノズル１４で定まる開度に応じて、浸漬ノズル１３を経てモールド１２へ注入される。モールド１２へ注入された溶鋼１は、モールド１２により冷却されてモールド１２との接触面で凝固して凝固シェル２を形成し、外殻を凝固シェル２とし内部を未凝固層とする鋳片はガイドロール及びピンチロール１７に支持されながら、ピンチロール１７によってモールド１２の下方へ引き抜かれる。その際に、湯面レベル制御装置１９は、湯面レベル計１８から得られる湯面レベル信号と、予め設定されている湯面レベル設定値との偏差を算定し、この偏差に基づいて、スライディングノズル開度制御装置１６を経由させてアクチュエータ１５にスライディングノズル１４の開度指令を出力することで、モールド内の溶鋼の湯面レベルが一定値（設定値）となるように制御する。

ちなみに、モールド内の溶鋼の湯面レベルの変動する最も大きな要因は、ガイドロールやピンチロールなどの鋳片支持ロールの間で生じる鋳片の厚み方向への膨らみ（バルジング）に起因する湯面レベル変動（バルジンク性湯面レベル変動）であるといわれている。

従来、このバルジンク性湯面レベル変動に対応した湯面レベル制御方法として、特許文献１には、湯面レベル計からの湯面レベル信号を周波数解析し、特定の周波数が検出された場合、その波形を微分し、信号として９０°進んだ値でＦＦ制御を行う帯域微分制御方式の湯面レベル制御方法が記載されている。また、特許文献２には、ピンチロールのトルクを検出し、特定の周波数で変動する場合、その信号位相が湯面変動より進んでいる場合は、ＦＦ制御を行うトルクＦＦ制御方式の湯面レベル制御方法が記載されている。
特開２００７−２６０６９３号公報 特開２００５−２７１０６７号公報

連続鋳造機において、モールド内の湯面レベルを制御する際に、制御するのは、上述したようなバルジンク性湯面レベル変動等の実質的な湯面レベルの変動であって、湯面の波打ちのような局所的な湯面の変動は外乱であり、その影響を除去する必要がある。

このような外乱の代表例として、特にスラブのような幅と厚さの比率の大きいモールドにおいて、モールド幅に応じた固有振動数で湯面変動を起こす定在波の存在がある。図２は、その定在波を示すものであり、特に問題となるのが、図２（ａ）に示すような、振動の節が１個であって、その節がモールド幅中央（モールド幅１／２位置）にある１次定在波と、図２（ｂ）に示すような、振動の節が２個であって、その節がモールド幅中央とモールド幅端の中間（モールド幅１／４位置）にある２次定在波である。

これに対して、前記の特許文献１や特許文献２に記載されている湯面レベル制御方法においては、上記のような定在波を外乱として処理することは考慮されていない。

このような定在波を外乱として処理しない状態でモールド１２内の湯面制御を行うと、実質的な湯面レベルの変動でない定在波による湯面変化を制御しようとして、制御系が安定せずに、発散することがある。例えば、図３に示すように、湯面レベル計１８、湯面レベル制御装置１９、スライディングノズル開度制御装置１６、アクチュエータ１５、スライディングノズル１４と流れる信号・動作がループを描いて収束しない状態となり、図４に示すように、スライディングノズル１４の開度が頻繁に変化して、モールド１２に流入する溶鋼１の量が不安定になり、モールド１２内の湯面変動を逆に大きくする可能性がある。

これに対して、上記の問題を防ぐために、湯面レベル制御の制御ゲインを下げると、全体的に制御性の悪化を招いてしまう。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、連続鋳造機のモールド内湯面レベル制御を行うに際して、外乱である定在波の影響を除去して、的確にモールド内湯面レベル制御を実施することができるモールド内湯面レベル制御方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］連続鋳造機のモールド内の湯面レベルを制御するモールド内湯面レベル制御方法であって、湯面レベル計を、１次定在波成分を除去するように、モールドの中心位置に設置して、モールドの中心位置の湯面レベルを計測し、その計測した湯面レベル信号から、周波数フィルターを用いて２次定在波の周波数成分を除去した補正湯面レベル信号を求め、その求めた補正湯面レベル信号が一定になるように、スライディングノズルの開度を調節することを特徴とする連続鋳造機のモールド内湯面レベル制御方法。

本発明においては、連続鋳造機のモールド内湯面レベル制御を行うに際して、外乱である定在波の影響を適切に除去して、モールド内湯面レベル制御を的確に実施することができる。

まず、本発明の基本的な考え方を述べる。

前述したように、特に問題となる定在波は、図２（ａ）に示した１次定在波と、図２（ｂ）に示した２次定在波である。そこで、１次定在波に対しては、図５（ａ）に示すように、１次定在波の節であるモールド幅中央に湯面レベル計１８を設置すれば、その影響を除去することができ、２次定在波に対しては、図５（ｂ）に示すように、２次定在波の節であるモールド幅１／４位置に湯面レベル計１８を設置すれば、その影響を除去することができるが、両者を同時に行うことは制御上非常に難しい。

そこで、湯面レベル計をモールド幅中央またはモールド幅１／４位置のいずれかに設置することによって、１次定在波または２次定在波のいずれか一方の影響を除去し、残った他方の定在波については、周波数フィルター処理によってその影響を除去することにした。ただし、その際のフィルター処理は、実質的な湯面レベル変動制御の制御性に悪影響を及ぼさないようにすることが肝要となる。発明者らは、実質的な湯面レベル変動（定在波成分を含まない湯面レベルの上下変動）の周波数帯域と定在波成分の変動周波数帯域を比較して、以下の知見を得た。

通常、１次定在波の周波数ｆ_１（例えば、約０．５Ｈｚ）は、実質的な湯面レベル変動の周波数ｆ_０（例えば、０．１〜０．３Ｈｚ）に近い。したがって、周波数フィルターを用いて１次定在波の影響を除去しようとすると、それに伴って実質的湯面レベル変動成分も除去されるため、実質的湯面レベル変動が見えなくなってしまって、湯面レベル制御の遅れ等が生じ、実質的湯面レベル変動制御の制御性に悪影響を及ぼす可能性がある。

一方、２次定在波の周波数ｆ_２（例えば、約０．８Ｈｚ）は、実質的な湯面レベル変動の周波数ｆ_０から離れている。したがって、周波数フィルターを用いて２次定在波の周波数帯域成分を除去して、２次定在波成分の影響を除去しても、実質的湯面レベル変動成分は除去されず、実質的な湯面レベル変動が見えなくなってしまうことはなく、実質的湯面レベル変動制御の制御性に悪影響を及ぼすことはない。

なお、発生する１次定在波の周波数ｆ_１、２次定在波の周波数ｆ_２は、鋳型幅（モールド幅）から、例えば、下記の式により求めればよい。なお、上記例示周波数はＬ＝２．３ｍとして求めた。

上記のことから、本発明においては、湯面レベル計をモールド幅中心位置に設置して、１次定在波の影響を除去し、その湯面レベル計が計測した湯面レベル信号に対して周波数フィルターを用いて２次定在波の影響を除去するようにしている。そして、１次定在波と２次定在波の影響が除去された実質的湯面レベル信号に基づいて、その実質的湯面レベル信号が一定値（設定値）になるように、スライディングノズルの開度を調節するようにしている。

なお、上記において、湯面レベル計１８が設置されるモールド幅中心位置とは、湯面レベル計１８と浸漬ノズル１３との干渉を考慮して、モールド幅中央（モールド幅１／２位置）からモールド幅の１／８の距離だけ離れた位置までの範囲を意味している。好ましくは、モールド幅中央からモールド幅の１／１６の距離だけ離れた位置までの範囲に設置するのがよい。

次に、上記の２次定在波の影響を除去するための周波数フィルターについて述べる。

その周波数フィルターの一例は、概念的には図６と下記（１）式で示すようなものである。すなわち、湯面レベル計が実測した実測データ（実測信号）をＹ（ｉ）とし、周波数フィルター処理によって補正された後の補正データ（補正信号）をＹｆ（ｉ）としたときに（ここで、ｉはデータのサンプリング番号）、過去３個分の実測データＹ（ｎ）、Ｙ（ｎ−１）、Ｙ（ｎ−２）と、過去２個分の補正データＹｆ（ｎ−１）、Ｙｆ（ｎ−２）を用いて、下記（１）式から、現在の補正データＹｆ（ｎ）を得るものである。

Ｙｆ（ｎ）＝（１／ａ０）×｛ｂ０×Ｙ（ｎ）＋ｂ１×Ｙ（ｎ−１）＋ｂ２×Ｙ（ｎ−２）−ａ１×Ｙｆ（ｎ−１）−ａ２×Ｙｆ（ｎ−２）｝ ・・・・・・（１）
ここで、ａ０、ａ１、ａ２、ｂ０、ｂ１、ｂ２はフィルター係数である。

このような周波数フィルターを用いることによって、特定の周波数を減衰・削除することができる。ただし、問題点としては、その周波数より低い部分で位相遅れを発生し、それによる制御性の悪化を招く可能性がある。そこで、前述のフィルター係数を適切に設定することにより、フィルターの強度（特定周波数の減衰強度、減衰率）を調整して、所望の制御性が得られるようにすることが肝要である。

ちなみに、図７（ａ）に示すように、フィルター強度（減衰強度）を上げると、位相遅れが大きくなり、図７（ｂ）に示すように、フィルター強度（減衰強度）を下げると、位相遅れが小さくなるので、従来は、位相遅れを避けるために、図７（ｂ）に示すような、フィルター強度の低いものを使用するのが普通であるが、ここでは、図７（ａ）に示すような、フィルター強度の高いものを使用するようにしている。

その理由は、前述したように、除去したい２次定在波の周波数ｆ_２（０．８Ｈｚ位）付近には、実質的湯面レベル変動制御に用いる周波数ｆ_０（０．１〜０．３Ｈｚ）が存在しないため、位相遅れがあっても制御系に与える影響が少ないからである。また、最終的には実質的湯面レベル変動制御の制御ゲインを２倍程度に上げるため、フィルター強度（減衰強度）を５０％超えにして、定在波の影響をできるだけ無くしておきたいからである。

そして、上記のような考え方に基づいて構成された本発明の一実施形態を以下に述べる。

本発明の一実施形態における基本的な構成は、図１に示したものと同様であり、図１に示したように、スラブ連続鋳造機のモールド１２の上方所定位置にはタンディッシュ１１が配置され、このタンディッシュ１１の底部には、スライディングノズル１４及び浸漬ノズル１３が配置されており、タンディッシュ１１に一旦滞留した溶鋼１は、スライディングノズル１４及び浸漬ノズル１３を介してモールド１２へ注入されるようになっている。スライディングノズル１４は、固定板１４ａ、摺動板１４ｂを備えており、摺動板１４ｂがアクチュエータ１５と連結されており、アクチュエータ１５によって摺動板１４ｂが固定板１４ａと密着した状態のまま摺動することで、スライディングノズル１４の開度が増減し、タンディッシュ１１からモールド１２への溶鋼１の流出量が制御されるようになっている。その際、アクチュエータ１５は、湯面レベル制御装置１９からスライディングノズル開度制御装置１６を経由して入力される信号によって作動する。一方、モールド１２内の溶鋼湯面の上方には、湯面レベル計（例えば、渦流センサ−）１８が配置されている。湯面レベル計１８はモールド１２における溶鋼湯面のレベル（高さ位置）を計測する装置であり、湯面レベル計１８の計測信号（湯面レベル信号）は湯面レベル制御装置１９に入力されている。

これにより、取鍋（図示せず）からタンディッシュ１１に注入された溶鋼１は、タンディッシュ１１の底部に設置されたスライディングノズル１４で定まる開度に応じて、浸漬ノズル１３を経てモールド１２へ注入される。モールド１２へ注入された溶鋼１は、モールド１２により冷却されてモールド１２との接触面で凝固して凝固シェル２を形成し、外殻を凝固シェル２とし内部を未凝固層とする鋳片はガイドロール及びピンチロール１７に支持されながら、ピンチロール１７によってモールド１２の下方へ引き抜かれる。その際に、湯面レベル制御装置１９は、湯面レベル計１８から得られる湯面レベル信号に基づいて、スライディングノズル開度制御装置１６を経由させてアクチュエータ１５にスライディングノズル１４の開度指令を出力することで、モールド内の溶鋼の湯面レベルが一定値（設定値）となるように制御する。

その上で、この実施形態においては、図８に示すように、湯面レベル計１８をモールド幅中心位置に設置しているとともに、その湯面レベル計１８が計測した湯面レベル信号から２次定在波の影響を除去するためのフィルター２０を湯面レベル制御装置１９に設置している。

これにより、この実施形態では、１次定在波の影響が除去された湯面レベル信号が湯面レベル制御装置１９に送られ、そこで周波数フィルター２０によって２次定在波の影響を除去する。そして、湯面レベル制御装置１９は、１次定在波と２次定在波の影響が除去された実質的湯面レベル信号と、予め設定されている湯面レベル設定値との偏差を算定し、この偏差に基づいて、実質的湯面レベル信号が一定値（設定値）になるように、スライディングノズル１４の開度を調節する。

その結果、図３、図４に示したような、定在波（外乱）による制御系の不安定・発散が抑制され、制御ゲインを上げることが可能になるので、図９に示すように、モールド内湯面レベル制御が的確に実施される。

ちなみに、図１０は、周波数フィルター２０によって２次定在波の影響が除去される状態を示す一例である。図１０において、細線が湯面レベル計１８からの実測湯面レベル信号であり、太線がその実測信号に対して周波数フィルター２０による処理を行った後の補正湯面レベル信号である。なお、横軸は信号のサンプリング番号であり、縦軸はそれぞれの湯面レベル信号値を基準化して示している。これにより、周波数フィルター２０によって２次定在波の影響が除去され、実質的湯面レベル信号が抽出されていることが分かる。すなわち、この実質的湯面レベル信号を用いることで、モールド内湯面レベル制御を的確に実施することができることが示されている。

スラブ連続鋳造機のモールド周辺部を示す図である。 定在波を示す図である。 湯面レベル制御がループを描いて収束しない状態を示す図である。 図３に示した状態になると湯面変動が増大することを示す図である。 定在波の節と湯面レベル計の設置位置の関係を示す図である。 周波数フィルター処理の概念図である。 周波数フィルターの強度と位相遅れの状態を示す図である。 本発明の一実施形態の湯面レベル制御を示す図である。 本発明の一実施形態の湯面レベル制御による湯面状態を示す図である。 本発明の一実施形態における周波数フィルター処理の効果を示す図である。

符号の説明

１ 溶鋼
２ 凝固シェル
１１ タンディッシュ
１２ モールド
１３ 浸漬ノズル
１４ スライディングノズル
１４ａ 固定板
１４ｂ 摺動板
１５ アクチュエータ
１６ スライディングノズル開度制御装置
１７ ピンチロール
１８ 湯面レベル計
１９ 湯面レベル制御装置
２０ 周波数フィルター

Claims (1)

1. 連続鋳造機のモールド内の湯面レベルを制御するモールド内湯面レベル制御方法であって、
   湯面レベル計を、１次定在波成分を除去するように、モールドの中心位置に設置して、モールドの中心位置の湯面レベルを計測し、
   その計測した湯面レベル信号から、周波数フィルターを用いて２次定在波の周波数成分を除去した補正湯面レベル信号を求め、
   その求めた補正湯面レベル信号が一定になるように、スライディングノズルの開度を調節することを特徴とする連続鋳造機のモールド内湯面レベル制御方法。

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