JP4277725B2 - 連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造機におけるモールド内の溶融金属の湯面レベルを制御する制御方法および装置によるもので、特に定常鋳込み中のバルジング性湯面変動を低減できるようにした連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法および装置に関するものである。

一般に、連続鋳造機におけるモールド内の溶融金属（以下、溶鋼と称する）の湯面レベルの制御を行なうことは、安定操業上のみならず、鋳片の品質確保上も重要なことである。

従来から、この種の連続鋳造機のモールド内湯面レベル制御としては、モールド内の湯面を湯面レベル計を用いて計測し、ＰＩ制御によって、モールド内への溶鋼流入量を調整するタンディッシュ下部のスライディングノズル（以下、SNと略記する）開度調整を行うものがベースとなっていた。この場合、制御系は、凝固しつつ鋳型から引き抜かれて行く溶鋼と、スライディングノズルの開度に依存して鋳型に供給される溶鋼のマスバランスを平衡させることを目的として構成される。

しかし、モールド内の湯面変動は、ＰＩ制御でもこのマスバランスの乱れを十分に補償できない時に発生し、主たる原因は引き抜き流量変動にあると考えられている。そして、この引き抜き流量変動の最も大きなものが、非定常バルジング性湯面変動と称されるものである。引き抜きピンチロールの間の鋳片の凝固シェルに、何らかの原因で鋳片長手方向でのシェル厚さや温度のむらが生じた場合に、バルジングし凝固した部分がそのままの形状を保ちながら、２次冷却帯のピンチロールで断続的に圧縮されることによって引き抜き流量変動が発生すると言われている。

非定常バルジング部が発生すると、２次冷却帯を通過する際に鋳片引抜用のピンチロールにて圧縮されるため、引抜抵抗が変化することが知られており、例えば、特開平５−２７７６８８号公報（特許文献１）および特開平６−６１１号公報（特許文献２）といった技術の開示がある。これらは、鋳片の引抜抵抗と湯面レベル変動に相関があることを利用して、引抜抵抗の変化をスライディングノズル操作にフィードフォワードする方法である。

原理的には、鋳片がロール間で膨らむ非定常バルジングが発生した場合や矯正ロールでの鋳片の押し込み時など、ピンチロールで鋳片を押し込むことで未凝固部が狭められ溶鋼が上昇するような現象を、このときのピンチロールの負荷の変化で捕らえようとするものである。湯面レベル制御系の観点からは、このような溶鋼の上昇などは、外乱による流量変動となり、タンディッシュから供給される溶鋼流量以外の場所から、モールド湯面を変化さるマスフローを乱す流量外乱として扱うことができ、この外乱を観測することに相当すると考えられる。
特開平５−２７７６８８号公報 特開平６−６１１号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２で示された方法のように流量変動外乱を引き抜き抵抗の変動で観測する場合、引き抜き抵抗が本当に流量外乱と同じかどうかが問題となる。特にダイナミック制御であるため、負荷変化と湯面レベル変化の相関ばかりでなく、流量外乱の位相特性と引き抜き抵抗の位相特性が大きく問題になる。すなわち両者の位相特性によっては、全く湯面レベル制御の効果がなかったり、最悪の場合には湯面変動を増幅させてしまう場合が生ずる。

これは、制御系が、SN開度調整による流量調整で、外乱である流量変動を、観測可能な湯面レベルという位置信号に基づいて、制御する系であることに由来する。すなわち、外乱は流量のディメンジョンであり、観測量の湯面は位置のディメンジョンであることから、本来外乱は湯面信号よりも位相が進んでいる必要がある。この位相進みの度合いは、閉ループ制御系の特性によって決まる所定値であり、適切な位相調整を行えば、効果的な湯面レベル制御が可能と考えられる。しかし、特許文献１および特許文献２で示された方法では、上述の点が全く考慮されておらず、湯面制御の精度向上が常時可能かどうかは極めて疑問であるといわざるを得ない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、高精度な湯面レベル制御を可能とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法および装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、連続鋳造機のモールド内湯面レベル信号を用いて、タンディッシュに設けられたスライディングノズルの開度を操作して、溶融金属の流入量の調整することによってモールド内の湯面を制御する連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法において、鋳片を引き抜くピンチロールのトルク信号を検出するトルク検出工程と、検出したピンチロールのトルク信号と前記湯面レベル信号の位相差θ2を検出し、その位相差に基づいて前記トルク信号を調整し、所定の調整ゲインを乗じた上で、スライディングノズル開度指令に加算するための開度補正信号を演算・出力する信号処理工程と、を有することを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法である。

また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法において、前記信号処理工程は、前記位相差θ2と、スライディングノズル開度制御入力から前記湯面レベル信号までの位相遅れθ1との差（θ2−θ1）に基づいて、前記トルク信号を調整することを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法である。

また請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方において、前記信号処理工程は、前記湯面レベル信号から特定周期の湯面変動周波数を検出する湯面変動周波数検出工程と、前記トルク信号から前記検出された湯面変動周波数成分を取り出すフィルタ工程と、を有することを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法である。

また請求項４に記載の発明は、連続鋳造機のモールド内溶融金属の湯面レベルを検出する湯面レベル計と、検出された湯面レベル信号に基づいて、タンディッシュに設けられたスライディングノズルの開度指令を出力するＰＩ制御器と、その開度指令によりスライディングノズルの開度を調整するスライディングノズル制御器とを有するモールド内の湯面レベルを制御するための連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置において、鋳片を引き抜くピンチロールのトルク信号を検出するトルク検出器と、検出したピンチロールのトルク信号と前記湯面レベル信号の位相差θ2を検出し、その位相差に基づいて前記トルク信号を調整し、所定の調整ゲインを乗じた上で、スライディングノズル開度指令に加算するための開度補正信号を演算・出力する信号処理装置と、を有することを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置である。

また請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置において、前記信号処理装置は、前記位相差θ2と、スライディングノズル開度制御入力から前記湯面レベル信号までの位相遅れθ1との差（θ2−θ1）に基づいて、前記トルク信号を調整することを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置である。

さらに請求項６に記載の発明は、請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置において、前記信号処理装置は、前記湯面レベル信号から特定周期の湯面変動周波数を検出する湯面変動周波数検出手段と、前記トルク信号から前記検出された湯面変動周波数成分を取り出すフィルタ手段と、を有することを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置である。

本発明は、高精度な湯面レベル制御が可能となり、パウダ巻き込みの少ないより高品質な鋳片の製造やより高速な鋳造が実現でき、高生産性にも寄与できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明を実施するための装置構成の一例を示す図である。図中、１は溶鋼、２はタンディッシュ、３は浸漬ノズル、４はモールド、５はシェル、６はスライディングノズル（以下、一部ＳＮと略記）、７は湯面、８は湯面レベル計、９はピンチロール（以下、一部Ｐ／Ｒと略記）、１０はピンチロール制御装置、１１はＰＩ制御器、１２はスライディングノズル制御装置、１３は信号処理装置、１４はトルク検出器、１５はアクチュエータをそれぞれ示している。

モールド４の上部にタンディッシュ２が配置され、そして、そのタンディッシュ底部にはスライディングノズル６が配置され、更に、スライディングノズル６の下面側には浸漬ノズル３が配置されている。タンディッシュ２内に満たされた溶鋼１は、スライディングノズル６、浸漬ノズル３を経てモールド４内へ注入される。

モールド４内へ注入された溶鋼１は、モールド側面より冷却されて、表面から凝固してシェル５を形成しつつ、ピンチロール９によって下方に引き抜かれ鋳片となる。この時、引抜速度は、ピンチロール制御装置１０によりほぼ一定に制御される。

モールド４内に注入される溶鋼量は、スライディングノズル６の開度により決まり、このスライディングノズル開度の調整は、スライディングノズル制御装置１２を介して油圧シリンダなどのアクチュエータ１５を駆動することにより行う。スライディングノズル開度制御は、モールド湯面レベルを検知する湯面レベル計８から得られる信号と湯面レベル設定値の偏差信号に基づいて湯面レベルが一定になるように働くＰＩ制御器１１の出力と、後述する信号処理装置１３からの出力とが加算され、スライディングノズル制御装置１２に入力されスライディングノズル開度設定値を変更することで実現される。湯面レベル計８としては、例えば渦流式レベル計を用いるが、その他どのような方式のレベル計を用いても構わない。

湯面変動の原因は、マスフローバランスの乱れであり、この乱れの原因でもっとも大きなものが非定常バルジングと呼ばれるものである。鋳片引抜中、凝固シェルが薄い場合には、溶鋼静圧に負けてピンチロールの間で凝固途中の鋳片が膨れるバルジングという現象が発生する。しかし、凝固シェルが何らかの原因で鋳片長手方向でのシェル厚さや温度のむらがあって、バルジングし凝固した部分がそのままの形状を保った場合、バルジング部分がピンチロールに乗り上げるようになり、それにより凝固シェルが内側に押されマスバランスが変化した分、湯面レベルの上昇へと繋がる。鋳片引抜に従ってバルジング部分が再びピンチロール間に来れば、凝固シェルが内側に押されていた分が元にもどり、湯面レベルが下降する。これが非定常バルジングと呼ばれる現象である。この時、バルジング部がピンチロールに乗り上げたり元に戻ったりを繰り返すため、ピンチロールに引抜抵抗の変化が生じる。

非定常バルジングによる鋳片の引抜抵抗の変化は、ピンチロールトルク信号の変化として検出できる。そして、ピンチロールトルク信号は、ピンチロール駆動が直流機であれば電機子電流として、交流機であれば電機子電流または交流機の駆動装置内で演算されたトルクとして検出する。通常ピンチロールは、一定速度で回転するように制御されている。このため、負荷トルクが増加した場合には、一定速度を維持するために、モータ発生トルクを増加させる必要がある。例えば、直流モータでは、電機子電流、すなわちモータ電流の増加として観測される。

ピンチロールトルクと湯面レベル変動には相関があるため、ピンチロールトルクの変化により湯面レベルの上昇・下降を予測できれば、事前に湯面レベル変動を抑制するようにＳＮ開度指令を補正することにより、湯面レベル変動を抑制することができる。これが、ピンチロールトルクによるフィードフォワード制御（以下、ＦＦ制御と呼ぶ）の考え方である。ＦＦ制御を実現するためには、先に述べたピンチロールトルク変動が湯面レベル変動と相関が高いことが必要であるとともに、ピンチロールトルク変動と湯面レベル変動の位相が適切であることも必要となる。

図２は、湯面レベル（ａ）とピンチロールトルク（ｂ）の時系列データの一例を示す図である。ピンチロールトルク（ｂ）の時系列データには、高周波分のノイズが乗ってはいるものの、湯面レベル（ａ）と同じ低周波の周期変動がみてとれる。さらに、位相的には、ピンチロールトルク（ｂ）の位相が湯面レベルに対して進む特性があり、図２ではこの位相進みは90度近い進みと観測される。

図３は、従来のＰＩ制御系のブロック図を示す。一般に図３であらわされる引き抜き外乱d と 湯面レベル観測値ｙの位相関係は、モールド特性として積分器（１／ＡＳ）が入るので位相が遅れることとなる。逆に言えば、引き抜き外乱dは湯面レベル観測値ｙに対して位相が進むこととなる。

ピンチロールトルクは、湯面レベルより90度程度位相が進んで観測される（図２）ため、引き抜き外乱dの湯面レベル観測値ｙに対する位相特性との関係が問題となってくる。図４は、外乱dと湯面レベルyの周波数特性（（ａ）ゲイン特性、（ｂ）位相特性）の一例を示す図である。仮に、バルジング変動が周波数0.1Hzでの周期振動であれば、湯面レベル信号に対して、約40度進む（湯面レベルが約40度遅れる）ことが分かる。すなわち、外乱dよりもピンチロールトルクの方が、50度程度位相が進んでいる系である。このため、ピンチロールトルク信号の位相を遅らせる位相調整を行えば、外乱dと同位相となり、効率的に外乱を除去する信号として利用することが可能といえる。

制御入力はＰＩ制御器の出力の位置に入るので、ピンチロールトルク信号を使ってＰＩ制御を補助する入力ucを入れることとする。この場合、制御入力uc〜湯面レベルyの関係を考えると、周波数伝達特性は、図５（bode線図ゲイン（ａ）と位相（ｂ））で記述される。uc〜yの位相特性はSN特性が入ることで、上述のd〜yの位相特性より位相的にはさらに遅れることになる。仮に、前述のように、バルジング周波数0.1Hzとすれば、図からは約60度の位相が遅れが見られる。図２では、ピンチロールトルク信号が湯面レベルに対して約90度進んでいるように観測されている。従って、この位相関係であれば、ピンチロールトルク信号を約30度遅らせて符号を反転させて、制御入力に加えれば、外乱を相殺できることになる。

上記を一般化するために、制御入力uc〜湯面レベルyまでの位相遅れをθ1とし、ピンチロールトルク信号が湯面レベル信号に対してθ2度進んでいる（湯面レベルがθ2遅れている）とする。θ2＞θ1の場合には、ピンチロールトルク信号をθ2−θ1だけ遅らせ、符号を反転させて、適切なゲインを乗じて制御入力ucとすれば、湯面変動を最も効率的に相殺できる。なお、θ2＜θ1の場合には、ピンチロールトルク信号をθ1−θ2だけ進める。さらに、位相調整量として、位相差θ2およびθ1の差を用いた例を示したが、この他に閾値を設けるなども適宜可能である。

図６は、本発明の制御系ブロック図の一例を示す図である。ピンチロールトルク信号は、図２のようにある負荷の回りで変化するため、バンドパスフィルタなどにより、変動周波数成分のみ、抽出する。具体的には、湯面レベル信号から特定周期の湯面変動周波数を検出し、ピンチロールトルク信号から検出された湯面変動周波数成分を取り出すフィルタ処理を行う。

次に、上述のようにピンチロールトルクと湯面レベルの位相特性、制御対象のuc〜yの位相特性から遅らせる位相角を求め、位相調整を行い、外乱を相殺できる位相にあわせる。最後に、適切な調整ゲインをかけて、符号を反転させて、ＰＩ制御器の出力に加算する。これらの処理は、図１に示した信号処理装置１３で行う。

図７は、本発明による制御結果を示す図である。実線は、従来技術すなわちＰＩ制御、破線は、本発明によるトルクＦＦ制御の制御シミュレーション結果を示している。湯面レベル変動が、ＰＩ制御に比べて半分程度に抑えられていることが分かる。

本発明を実施するための装置構成の一例を示す図である。 湯面レベルとピンチロールトルクの時系列データの一例を示す図である。 従来のＰＩ制御系のブロック図を示す図である。 外乱dと湯面レベルyの周波数特性の一例を示す図である。 制御入力ucと湯面レベルyの周波数特性の一例を示す図である。 本発明の制御系ブロック図の一例を示す図である。 本発明による制御結果を示す図である。

符号の説明

１ 溶鋼
２ タンディッシュ
３ 浸漬ノズル
４ モールド
５ シェル
６ スライディングノズル
７ 湯面
８ 湯面レベル計
９ ピンチロール
１０ ピンチロール制御装置
１１ ＰＩ制御器
１２ スライディングノズル制御装置
１３ 信号処理装置
１４ トルク検出器
１５ アクチュエータ

Claims (6)

1. 連続鋳造機のモールド内湯面レベル信号を用いて、タンディッシュに設けられたスライディングノズルの開度を操作して、溶融金属の流入量の調整することによってモールド内の湯面を制御する連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法において、
   鋳片を引き抜くピンチロールのトルク信号を検出するトルク検出工程と、
   検出したピンチロールのトルク信号と前記湯面レベル信号の位相差θ2を検出し、その位相差に基づいて前記トルク信号を調整し、所定の調整ゲインを乗じた上で、スライディングノズル開度指令に加算するための開度補正信号を演算・出力する信号処理工程と、
   を有することを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法。
2. 請求項１に記載の連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法において、
   前記信号処理工程は、前記位相差θ2と、スライディングノズル開度制御入力から前記湯面レベル信号までの位相遅れθ1との差（θ2−θ1）に基づいて、前記トルク信号を調整することを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法。
3. 請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方において、
   前記信号処理工程は、前記湯面レベル信号から特定周期の湯面変動周波数を検出する湯面変動周波数検出工程と、
   前記トルク信号から前記検出された湯面変動周波数成分を取り出すフィルタ工程と、
   を有することを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法。
4. 連続鋳造機のモールド内溶融金属の湯面レベルを検出する湯面レベル計と、
   検出された湯面レベル信号に基づいて、タンディッシュに設けられたスライディングノズルの開度指令を出力するＰＩ制御器と、
   その開度指令によりスライディングノズルの開度を調整するスライディングノズル制御器とを有するモールド内の湯面レベルを制御するための連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置において、
   鋳片を引き抜くピンチロールのトルク信号を検出するトルク検出器と、
   検出したピンチロールのトルク信号と前記湯面レベル信号の位相差θ2を検出し、その位相差に基づいて前記トルク信号を調整し、所定の調整ゲインを乗じた上で、スライディングノズル開度指令に加算するための開度補正信号を演算・出力する信号処理装置と、
   を有することを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置。
5. 請求項４に記載の連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置において、
   前記信号処理装置は、前記位相差θ2と、スライディングノズル開度制御入力から前記湯面レベル信号までの位相遅れθ1との差（θ2−θ1）に基づいて、前記トルク信号を調整することを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置。
6. 請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置において、
   前記信号処理装置は、前記湯面レベル信号から特定周期の湯面変動周波数を検出する湯面変動周波数検出手段と、
   前記トルク信号から前記検出された湯面変動周波数成分を取り出すフィルタ手段と、
   を有することを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置。

Images