JP2011125924A - 鋳型内溶鋼の湯面レベル制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】操業停止による休損・設備投資効果などを総合的に判断した、操業上支障の少ない範囲での簡易的な改造により、鋳型内溶鋼の湯面レベルの制御精度を向上する。
【解決手段】連続鋳造時における鋳型内溶鋼の湯面レベルを制御する方法である。タンディッシュ内の溶鋼を鋳型に注入する流出量調整用スライディングノズルの開度調整用油圧シリンダー装置の、作動弁内のスプールの位置制御を電気的に直接制御する。さらに前記湯面レベルの測定値と目標基準湯面レベル値との差から制御系の遅れを時間変化に対し測定することにより、最適な制御ゲインを算出する。
【効果】既設の湯面レベル制御装置系を大幅に改造することなく、スライディングノズルの開度調整用油圧シリンダー装置の応答性向上を図って、鋳型内溶鋼の湯面レベルの制御精度を向上させる効果がある。
【選択図】図１

Description

本発明は、連続鋳造用の鋳型に注入された溶鋼の湯面レベルを制御する方法に関するものである。

取鍋から、溶鋼の分配・貯蓄・介在物浮上を目的としたタンディッシュに注入された溶鋼（溶融金属）は、スライディングゲート或いはスライディングノズルを経由して浸漬ノズルにより鋳型内に注入される。鋳型内に注入された溶鋼は、鋳型により冷却され、鋳型下方に連続的に引き抜かれ鋳片が製造される。

このような連続鋳造における一般的な鋳型内溶鋼の湯面レベル制御の一例を図７に示す。

タンディッシュ１２からスライディングゲート１４、浸漬ノズル１５を介して鋳型１６に注入された溶鋼の湯面レベル１３は、連続的に引き抜かれる鋳片とのマスバランスと一致させるように、渦流センサー１７により湯面レベルが検知される。

そして、検知された湯面レベルと目標値との偏差を制御装置１８から油圧ユニット１９に設置されたサーボ弁２０に伝達し、油圧シリンダー装置２１を作動させてスライディングゲート１４の開度を制御し、鋳型１６内の溶鋼の湯面レベル１３を制御する。なお、図７中の１１は取鍋である。

鋳型１６内の溶鋼の湯面レベル１３は、浸漬ノズル詰り・周期性湯面変動などの外乱を受けて変動するために制御が難しく、制御精度の向上が望まれている。

そこで、タンディッシュから連続鋳造用鋳型に注入された溶鋼の湯面レベルの制御精度を向上する方法として、制御システムや制御装置の改善が行われている。このうち、制御システムに関しては、種々の改善策が提案されている。

例えば特許文献１では、鋳型内溶鋼の湯面レベルに基づいて求められる調節信号に、所定高周波の加振信号を、その周期を変化させつつ重畳させて制御する方法が提案されている。

また、特許文献２では、鋳造中の湯面レベル測定値と目標基準湯面レベル値との差の時間変化を測定してそのデータを周波数解析し、その周期が長周期の湯面差を鋳造のピンチロール回転速度制御により調整するなどの方法が提案されている。

特許文献１、２で提案された何れの方法も、鋳型への注湯量を調整する手段の応答性は、制御そのものを左右する制御装置で行うことに変りはない。従って、現有設備の中で流量制御の向上を、制御システムや設備的に図るには、多額の設備投資が必要であった。

また、連続鋳造用鋳型内の湯面レベル制御は、前記のように鋳型への溶鋼の注入量を制御することで実施しているのが一般的である。その鋳型への溶鋼の注入量は、例えばスライディンノズルの溶鋼通過面積を変化させることで行い、油圧シリンダー装置によりスライディングノズルを作動させて面積変化を与えることで調整している。

この油圧シリンダー装置では、サーボ弁を用いてロッドを出退動させる方法が一般的であるが、近年、サーボ弁と油圧シリンダー装置間の油圧配管での遅れを少なくする目的で、弁一体型の高応答アクチュエータ（シリンダー）が採用され、湯面レベルの制御精度の向上に寄与している。

しかしながら、サーボ弁を使用している従来の連続鋳造機に対しては、多額の設備投資が必要になる。

特開平６‐２１８５１１号公報 特開平１０−１４６６５８号公報

本発明が解決しようとする問題点は、現有設備の中で流量制御の向上を、制御システムや設備的に図るには、多額の設備投資が必要であったという点である。

本発明の鋳型内溶鋼の湯面レベル制御方法は、
操業停止による休損・設備投資効果などを総合的に判断した、操業上支障の少ない範囲での簡易的な改造により、鋳型内溶鋼の湯面レベルの制御精度を向上するために、
タンディッシュ内の溶鋼を鋳型に注入する流出量調整用スライディングノズルの開度調整用油圧シリンダー装置の、作動弁内のスプールの位置制御を電気的に直接制御し、
さらに前記湯面レベルの測定値と目標基準湯面レベル値との差から制御系の遅れを時間変化に対し測定することにより、最適な制御ゲインを算出することを最も主要な特徴としている。

本発明によれば、既設の湯面レベル制御装置系を大幅に改造することなく、スライディングノズルの開度調整用油圧シリンダー装置の応答性向上を図って、鋳型内溶鋼の湯面レベルの制御精度を向上させる効果がある。

本発明方法における制御系のブロック図である。 最適制御定数演算器での演算過程を示すブロック図である。 最適な流量係数を決定するためのフロー図である。 従来の制御方法を実施した場合の鋳型内溶鋼の湯面レベル変動状況を示した図である。 本発明方法を実施した場合の鋳型内溶鋼の湯面レベル変動状況を示した図である。 本発明方法と従来方法におけるサーボ弁応答特性を比較した図である。 鋳型内溶鋼の湯面レベル制御方法を実施する装置の一例を示す構成図である。

本発明の目的は、簡易的な改造により鋳型内溶鋼の湯面レベル制御の精度向上を図ることである。そして、この目的を、油圧シリンダー装置の作動弁内のスプール位置を電気的に直接制御し、さらに湯面レベルの測定値と目標基準湯面レベル値との差から制御系の遅れを時間変化に対し測定して最適な制御ゲインを算出することによって実現した。

以下、本発明について説明する。
本発明の目的は、従来からサーボ弁を使用している連続鋳造機に対し、多額の設備投資を行うこと無く、簡易的な改造により、鋳型内溶鋼の湯面レベルの制御精度向上を図るべく、新たなサーボ弁を採用することにある。

従来、連続鋳造用鋳型に注入された溶鋼の湯面レベルを制御する油圧シリンダー装置のサーボ弁は、フラッパー方式と称する電気・油圧サーボ弁を使用していた。このフラッパー方式の電気・油圧サーボ弁は、油圧シリンダー装置のロッドを作動させる作動油の方向を変化させる場合に、コイルに電流を流してフラッパーを動かすことによってスプールが動いてロッドが動く２段型である。

発明者らは、電気・油圧サーボ弁の代替として、スプールを電気的に直接作動させる高速リニアサーボ弁を採用することで、無駄な時間が少なくなって応答性が改善され、湯面レベルの制御精度（油圧シリンダー装置の応答性向上）が図れると考えた。

高速リニアサーボ弁と従来使用している電気・油圧サーボ弁の特性を比較したものを下記表１に示す。下記表１に示すように、高速リニアサーボ弁は、リニアモータ直動であるので周波数特性が約３倍になり、油圧シリンダー装置を作動させるサーボ弁の交換だけでも鋳型内溶鋼の湯面レベルの制御精度の向上が図れると考えた。

しかしながら、油圧シリンダー装置を作動させる油圧ユニットは、従来通り配管長が長いので、従来使用している電気・油圧サーボ弁から高速リニアサーボ弁に変更しただけでは、応答性の改善には限界がある。

また、高速リニアサーボ弁に変更した応答性改善を、単に制御ゲイン（PI）に反映してしまうと、制御ゲイン（PI）が大き過ぎた場合、油圧シリンダー装置の応答が追従できず、湯面レベル変動を大きくしてしまう。

一方、制御ゲイン（PI）を小さくしておくと、高速リニアサーボ弁に変更した応答性の改善効果がなく、従来通りの湯面レベル変動となることが、制御システム設計で検証された。

そこで、前記応答性改善による効果を十分に発揮させるため、得られた湯面レベル変動から湯面レベル制御系全体としての遅れ（流量係数：Kf）を算出し、遅れを考慮した最適な制御ゲイン（PI）を算出して適用することを考えた。

以上の考えに基づいてなされた本発明方法における制御系のブロック図を図１に示す。
図１において、１は比較器であり、鋳型内溶鋼の湯面レベルの目標値（Ｌref）と、湯面レベル計で検出した鋳型内溶鋼の湯面レベル検出値（Ｌ）を比較し、その偏差（ｅ＝Ｌref−Ｌ）をＰＩ調節計２に出力する。

ＰＩ調節計２は、比較器１から入力された前記偏差（ｅ）を零にするように演算し、スライディングノズル（以下、Ｓ／Ｎともいう。）制御器４に出力する。Ｓ／Ｎ制御器４は、入力された前記演算値をＳ／Ｎ開度指令値としてスライディングノズルの開度を調整する油圧シリンダー装置に出力し、スライディングノズルを操作する。これにより、タンディッシュから鋳型内への溶鋼の供給量を変化させ、鋳型内溶鋼の湯面レベルを安定させる。

ここで、時々刻々変化する操業条件に応じて、前記ＰＩ調節計２に、以下に説明するような、現有制御系における最適の制御ゲイン（PI）の算出を行うのが、本発明の制御方法である。

３は最適制御定数演算器で、図２に示すように、Ｓ／Ｎ開度実績を取込んでスライディングノズルの開口面積を計算し、溶鋼ヘッドと図３に示した流量係数決定フローによって事前に計算した流量係数（Kf）を基に溶鋼流入量を計算する。

この溶鋼流入量と、鋳込速度（Ｖｃ）を取込んで計算した溶鋼流出量を比較して湯面レベルを計算し、この湯面レベルと取り込んだ湯面レベル実績に基づき最適な制御ゲイン（PI：比例ゲイン、積分ゲイン）を算出する。

そして、この算出した最適な制御ゲイン（PI）を前記ＰＩ調節計２に入力し、ＰＩ定数に反映させる。なお、前記溶鋼ヘッドは、タンディッシュの重量実績に大きな変化がない場合は、一定値とすればよい。

このようにすることで、時々刻々変化する操業条件の変化に対応し、鋳型内溶鋼の湯面レベルを、湯面レベル目標値に一致させる（前記偏差ｅを最小にする）ことが可能になる。

なお、図３で示した流量係数（Kf）の決定フローは、最初は流量係数（Kf）を０とし、１ループごとにδを加えて最適（最も実績とシュミレーション値があう）な流量係数（Kf）を求めるものである。

ところで、この制御方法では、Ｓ／Ｎ開度実績（Ｓ／Ｎ動特性）の一次遅れが大きいと、図１に示したブロック図の方法で演算される最適のＰＩ定数が大きく（制御応答が悪く）なり、最適制御定数演算を行っても、湯面レベル偏差（ｅ）を安定化できない。

前記制御によって湯面レベルの安定化を図るためには、一次遅れが０．５秒以下であることが望ましく、一次遅れを０．５秒以下とした場合にＳ／Ｎ動特性の向上が図れる。従って、本発明では、従来使用されていた電気・油圧サーボ弁に換えて、前記の高速リニアサーボ弁を採用し、最適制御定数の演算による湯面レベルの安定化を図っている。

さらに、鋳型内の湯面レベル変動は、浸漬ノズル詰り、Ｓ／Ｎ開度調整部の閉塞など、予測不可能な外乱（流量係数変化）がある。従って、シミュレーションを行う場合、この誤差のある種々の外乱に対して、ある動的システムの状態を推定或いは制御するための無限インパルス応答フィルター（カルマンフィルタ）を用いて予測し、最適制御定数を演算すれば、さらなる制御精度の向上が図れる。

以下、本発明の効果を確認するために行った実施結果について説明する。
従来の電気・油圧サーボ弁を使用して湯面レベルの制御を行った時と、本発明方法により湯面レベル制御を行った時の、鋳型内湯面レベル変動幅の比較を図４及び図５に示す。

図４及び図５を得た際の操業条件は以下の通りである。
・鋳型サイズ：140mm×140mm
・平均鋳造速度：1.8m／min
・対象鋼種：ステンレス鋼・炭素鋼

従来の湯面レベル制御では、スライディングノズルの開閉による供給量制御の油圧シリンダー装置の応答が悪く、制御装置の制御ゲインを大きくすること（感度アップ）が出来ないため、図４に示すように周期的な変動を伴い、±15mm程度と大きな変動を示した。

一方、本発明の湯面レベル制御では、図５に示すように若干周期的な変動は残っているものの、変動幅は大幅に改善され、±9mmと変動幅が半減した。

このように、本発明方法により湯面変動幅が大幅に改善された理由は、図６にスライディングノズル（Ｓ／Ｎ）の開度指令と実績の関係を示すように、本発明方法では、従来方法と比べて0.5ｍｍ程度、指令値と実績のずれが小さくなっていることに基づく。

つまり、本発明では、スライディングノズルを開閉する油圧シリンダー装置の応答が改善され、湯面変動を制御する制御装置のゲインをアップすることが可能となり、結果として湯面レベル変動幅が改善されたのである。

なお、図６中のｓｄ値は、サーボ弁の開度指令値と開度実績の標準偏差を示したものである。

本発明は上記の例に限らず、請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

１ 比較器
２ ＰＩ調節計
３ 最適制御定数演算器
４ スライディングノズル制御器
１６ 鋳型
１７ 渦流センサー
２１ 油圧シリンダー装置

Claims (2)

1. 連続鋳造時における鋳型内溶鋼の湯面レベルを制御する方法であって、
   タンディッシュ内の溶鋼を鋳型に注入する流出量調整用スライディングノズルの開度調整用油圧シリンダー装置の、作動弁内のスプールの位置制御を電気的に直接制御し、
   さらに前記湯面レベルの測定値と目標基準湯面レベル値との差から制御系の遅れを時間変化に対し測定することにより、最適な制御ゲインを算出することを特徴とする鋳型内溶鋼の湯面レベル制御方法。
2. 前記作動弁内のスプールを作動するアクチュエータとしてリニアモータ方式のアクチュエータを使用することを特徴とする請求項１に記載の鋳型内溶鋼の湯面レベル制御方法。
   

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