JP4244675B2 - 連続鋳造鋳型内溶鋼流速の幅方向分布検出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続鋳造鋳型内における溶鋼流速の幅方向分布を検出するための検出方法に関し、とくに湯面形状が鋳型幅方向で一定でない場合にも、各湯面位置での溶鋼流速を正確に検出する方法について提案する。
【０００２】
【従来技術】
一般に、鋼の連続鋳造機の操業では、良質の鋼鋳片を得るために、連続鋳造鋳型内溶鋼流動の状態がある一定範囲内となるよう各種の方法を採用して努力している。例えば、溶鋼流動状態の指標として、非特許文献１に例示される鋳型内溶鋼流速測定などが行われているが、測定位置が局所的であるため流れの全体観が得られにくいという問題点があった。
また、特許文献１に開示されている技術は、鋳型の湯面直下の位置に水平方向に測温素子を埋設し、得られた温度情報と溶鋼温度、鋳造速度から凝固潜熱分を算出し溶鋼流動による熱伝達量を抽出し、伝熱工学的方法によって変換することにより、幅方向の溶鋼流速を得る方法である。
【０００３】
一方、渦流センサを用い湯面変動から鋳型内溶鋼の流動状態を把握する方法もある。しかし、渦流センサによる溶鋼レベル制御は、鋳型幅方向全体の溶鋼レベルの分布を得るためには、センサ用の計装機器を数多く設置する必要があることから、また、鋳型の外表面が直径数10 mmという大きな多数のセンサで覆われることとなり、コスト増と鋳型まわりの作業性の悪化、あるいは鋳型周辺作業によるセンサ破損等の問題があった。
【０００４】
このような観点から、鋳型内に埋設した温度センサによる溶鋼レベル検出技術が有望と考えられるが、従来の技術では、なお種々の問題があり実現が困難であった。例えば、特許文献２記載の連続鋳造鋳型内の溶鋼レベル検知方法は、鋳型壁に２点以上の測温素子を配置し、これら測温素子からの信号を各測温素子に対応して設定された上限値および下限値と比較して鋳型内溶鋼レベルが感応領域にある唯一の測温素子を求め、そして、各測温素子ごとに定められた制御受け持ち範囲と、選出された上記測温促音素子からの温度信号とを合わせて鋳型内溶鋼レベルを算出する方法を提案している。また、特許文献３には、鋳型内壁に縦方向に列をなして設けられたそれぞれの温度センサからの検出温度に、それぞれ定められた係数をかけて補正検出温度を求め、これら補正検出温度を合算して合算検出温度を求めた後、この合算検出温度に基いて電子計算機内の記憶媒体から対応する溶鋼レベルを読み出す方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２４６４１３号公報
【特許文献２】
特公昭５６−８７０１号公報
【特許文献３】
特開平２−１２７９５１号公報
【非特許文献１】
「ＩＳＩＪ」、１１（１９９８）、１８１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、鋳型幅方向の全域にわたる溶鋼流動を把握するには、溶鋼流速を多くの位置で効率的に計測する手段が必要であるところ、各従来技術の提案はなお改善の余地を残していた。たとえば、前記の特許文献１に開示された技術の場合、鋳型内溶鋼の湯面位置はそれぞれの場所において刻々と変化する場合が多く、またその幅方向の分布も鋳造速度、鋳型幅など様々な要因で必ずしも一定ではない。その結果、測温によって得られた凝固潜熱分が幅方向で不均一となるために、抽出した流速成分に大きな誤差を含むことが指摘されていた。また、溶鋼レベルの幅方向分布で評価することも可能であるが、流速を求めるには至らないという問題点がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、正確で応答性のよい鋳型内溶鋼流速の幅方向分布の簡易な検出法を提案することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
従来技術が抱えている上述した問題点を有利に解決することができ、かつ上記目的を実現する方法として、本発明は、鋳型上部から溶融金属を注入し、その鋳型下方から鋳造鋳片を連続的に引き抜くようにした連続鋳造機の、その鋳型内溶鋼流の様子を検出する方法において、湯面制御目標位置を中心としたその鉛直方向ならびに鋳型幅方向に沿う鋳型壁内に、複数の温度センサを所定の間隔で配設し、その温度センサによる温度測定値から、鉛直方向のある一つの測温列の温度分布を補間法によって求め、その温度分布のうちの最大値に、モールド上端からメニスカスまでの距離によって決まる係数αを乗じて得られるメニスカス相当位置の鋳型銅板温度を求め、前記補間温度分布内の前記銅板温度に相当する鉛直方向の位置をメニスカス位置として特定し、このようにして得られる鋳型幅方向の各メニスカス相当位置における鋳型の熱流束に基づき、鋳型銅板に埋設された測温素子出力Ｔ_ＴＣと鋳型冷却水温度Ｔ_Ｗから総括熱流束を算出し、その総括熱流束から凝固潜熱分を差し引いて溶鋼からの熱流束を求め、それと並行して、シェル表面の温度Ｔ_Ｌと溶鋼流の温度Ｔ_{ｍｅｔａｌ}を求めることにより、鋳型幅方向における測温列すべての位置についての湯面位置における凝固界面近傍の溶鋼流速ｕを求めることを特徴とする、連続鋳造鋳型内溶鋼流速の幅方向分布検出方法を提案する。
【０００９】
本発明においては、鋳型幅方向の各メニスカス相当位置における鋳型の熱流束に基づき、下記式（１）式、（２）式により、それぞれの位置の溶鋼流速を求めることが好ましい。
【００１０】
【数３】

【数４】

【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明では、鋳型壁内に、湯面制御目標位置、即ちメニスカス位置を中心とする鉛直方向に、所定の間隔で温度センサ、即ち測温素子を埋設（T_{j1 〜 N}）すると共に、こうした温度センサ列を、鋳型幅方向に任意の間隔で複数列（T_{i1 〜 M}）配設する。そして図１に示すように、鉛直方向の一つの測温列（T_i1）についての連続した温度分布を、複数の測定値（T_{j1 〜 N}）から補間法により求め、図１に示すような、T_1.1〜T_1.9のようにつながった温度曲線を得る。その後、この温度曲線（T_LEVEL＝α・T_MAX）の中のその最大値（T_1.7）から一定の係数（α＝モールド上端からメニスカスまでの距離を示す係数）を乗じて定義された溶鋼レベル位置相当銅板温度（T_LEVEL）と、前述の補間して得られた温度分布曲線内の溶鋼レベル位置相当銅板温度を与える鉛直方向の位置（モールド上端からの距離L＝110mm）を溶鋼レベル（メニスカス位置）として定義し、これを鋳型幅方向の各測温列（T_{i1 〜 M}）のすべてにわたり、実測値とそれぞれに基づく計算によって求める。
【００１２】
このようにして求めた、メニスカス位置を特定するモールド上端からの距離Lおよびその位置における温度情報（熱流速）から、下記（１）式および（２）式に基づき溶鋼流速（u）を求める。
【００１３】
【数５】

【数６】

【００１４】
なお、（１）式において、左辺のuは、流速を示し、右辺第１項の「νD_e/P_r」は定数、第２項にある「52.63D_eh_shell/λ_metal」は熱伝達条項である。また、（２）式における右辺第１項はシェル境界膜（凝固界面）の温度、第２項は総括熱流速を示すものである。
【００１５】
図２は、（１）式、（２）式の考え方をわかりやすく図示したもの、いわゆる温度情報から溶鋼流速を算出するための原理を説明するための図である。この図に示すように、溶鋼流速が大きくなると凝固シェルと溶鋼の界面における熱伝達が大きくなるため、凝固シェルを介する総括熱流束も増大する。総括熱流束は、鋳型銅板に埋設された測温素子出力と鋳型冷却水温度から（２）式第２項により算出される。総括熱流束は、溶鋼から凝固シェルまでの熱流束と凝固潜熱の和で表わされるので、流速が増大したことによる溶鋼から凝固シェルまでの熱流束は、総括熱流束から凝固潜熱を差し引いた値となる。したがって、凝固シェル表面の温度T_Lと溶鋼流の温度T_metalを調べることにより、（２）式から凝固界面における熱伝熱率h_shellが求められ（１）式の関係から、凝固界面近傍の流速uの算出が行われるのである。
【００１６】
従って、本発明によれば、鋳型幅方向における溶鋼流速を、複雑な計算を必要とすることなく、安価でかつ応答性のよい鋳型内溶鋼レベルおよびその溶鋼レベル位置における溶鋼流速の鋳型幅方向分布を簡便に検出することが可能になる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明方法の詳細を実施例によって説明する。
図１は、本発明を実施するために用いる鋳型の温度を検出する装置について示すものである。この装置は、図１の上段に示すように、連続鋳造機の鋳型１の壁面に、温度センサ３を上下方向９点（j:1〜9）、幅方向７点（i:1〜7）、鋳型内壁面から5 mmの深さ位置に配設した例である。この例において用いられる幅方向分布検出装置は、以下に説明するようなものである。前記温度センサ３からの出力は、A/D変換器６を介して、特定の測温列における上下方向の温度測定値をひとまとまりとして電子計算機７にて一括処理する。その電子計算機７には、測定した温度情報T(i,j)を一時格納し、予め設定されている温度センサ３の位置情報L(i)と連繋させるための情報レジスタ８、とびとびの値を持つ温度情報と位置情報から、予め設定しておいた補間法に基き、i列において任意の位置情報Lを与えると、その位置における温度情報T＝F(i,L)を返すテーブル並びに、その逆に任意の温度情報を与えるとその温度に対応する位置情報L＝F-1(i,L)を返すテーブルを作成、保持する計算情報レジスタ９、この計算情報レジスタ９のテーブルから、i列における最大温度TMAXを求め、予め設定された係数に基づきTMAXから溶鋼面相当位置における温度T_LEVELを計算し、同じく計算情報レジスタ９の逆変換テーブルからTLEVELに対応する位置情報L_LEVELを計算する計算情報レジスタ１０、計算情報レジスタ１０で求められたT_LEVEL、L_LEVELをオンラインで表示するCRT１１、時刻毎の計算結果を記録する固定ディスク装置（図示せず）が付属して設けられている。
【００１８】
本発明の実施例においては、上下方向の温度センサ３の間隔を15 mmに設定し、幅方向の列間隔は150 mmとした。これらの値は絶対的なものではなく、要求する検出精度が得られれば、いくらでも大きくすることは可能であるし、また電子計算機に余力があれば逆に精度を高めるために温度センサの間隔を狭めることも可能である。また必ずしも等間隔である必要はない。
【００１９】
そして、この実施例において、とびとびの値を持つ温度センサ３による複数の測定温度と位置情報とから補間する方法としてスプライン補間法を用いたが、温度センサの間隔を十分に小さくすることができれば、直線補間法でも十分な精度が得られる。
また、この実施例において、湯面制御目標位置であるメニスカス相当位置を特定するために必要な係数、即ちT_MAXからT_LEVELを求めるための係数αは、過流センサによる校正から得た0.675を採用した。ただし、αの値は温度センサの埋め込み位置など伝熱的な条件の差異により変わるため、鋳型設計の変更時には値を見直す必要がある。
なお、用いた電子計算機は市販のパーソナルコンピュータで、0.5秒間隔で温度分布、溶鋼レベル形状をCRT上に書き出すことが可能であり、特段に高い能力のものは必要としていないことを示している。得られた温度情報は第２図のモデルに基づき伝熱・凝固工学的に導出される（１）式および（２）式により溶鋼流速に変換した。
【００２０】
上記の各条件の下で、実際に鋳型内溶鋼流速の幅方向分布を、下記のようにして求めた。即ち、複数列の温度センサの各々の列において、独立に湯面位置ならびに湯面位置から50 mm下方における仮想の温度センサ出力を計算し、温度に対応する流速値を算出する。実際の鋳造においては、湯面レベルは幅方向で一定ではないため、同一の測温センサによる出力でも刻々とシェル厚が変化し、大きな誤差を生む。本発明法では、仮想的な測温点を常に湯面位置から一定の位置とすることができるので、流速の測定精度が飛躍的に向上する。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、複数の温度センサからの情報を統合し、単純な計算のみで市販のパーソナルコンピュータを用いて、0.5秒間隔で鋳型幅方向における溶鋼流速を高精度で算出することが可能となり、目的とする鋳型内溶鋼流速を安価なシステム構成で即時に確認することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による鋳型内溶鋼レベルおよび溶鋼レベル位置銅板温度の幅方向分布検出装置の１実施例を示すブロック図。
【図２】温度情報から溶鋼流速を算出する原理を示す模式図。

Claims (2)

1. 鋳型上部から溶融金属を注入し、その鋳型下方から鋳造鋳片を連続的に引き抜くようにした連続鋳造機の、その鋳型内溶鋼流の様子を検出する方法において、湯面制御目標位置を中心としたその鉛直方向ならびに鋳型幅方向に沿う鋳型壁内に、複数の温度センサを所定の間隔で配設し、その温度センサによる温度測定値から、鉛直方向のある一つの測温列の温度分布を補間法によって求め、その温度分布のうちの最大値に、モールド上端からメニスカスまでの距離によって決まる係数αを乗じて得られるメニスカス相当位置の鋳型銅板温度を求め、前記補間温度分布内の前記銅板温度に相当する鉛直方向の位置をメニスカス位置として特定し、このようにして得られる鋳型幅方向の各メニスカス相当位置における鋳型の熱流束に基づき、鋳型銅板に埋設された測温素子出力Ｔ_ＴＣと鋳型冷却水温度Ｔ_Ｗから総括熱流束を算出し、その総括熱流束から凝固潜熱分を差し引いて溶鋼からの熱流束を求め、それと並行して、シェル表面の温度Ｔ_Ｌと溶鋼流の温度Ｔ_{ｍｅｔａｌ}を求めることにより、鋳型幅方向における測温列すべての位置についての湯面位置における凝固界面近傍の溶鋼流速ｕを求めることを特徴とする、連続鋳造鋳型内溶鋼流速の幅方向分布検出方法。
2. 鋳型幅方向の各メニスカス相当位置における鋳型の熱流束に基づき、下記式（１）式、（２）式により、それぞれの位置の溶鋼流速を求めることを特徴とする請求項１に記載の幅方向分布検出方法。
   記
   

   

   

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