JP4804841B2 - Method for producing strip material by continuous casting using melt spinning method - Google Patents
Method for producing strip material by continuous casting using melt spinning method Download PDFInfo
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Description
本発明は、メルトスピニング型連続鋳造機による、金属帯等の帯状物質の製造方法に関するものである。この帯状物質は、各種機械部品として、また、各種エネルギ変換機器部品として広く産業的に適用される。 The present invention relates to a method for producing a strip-shaped material such as a metal strip by a melt spinning type continuous casting machine. This belt-like substance is widely applied industrially as various machine parts and as various energy conversion equipment parts.
メルトスピニング法は、比較的薄い帯状物質を高速に製造できる連続鋳造法として、広く製造業で適用されている。図1を用いて、メルトスピニング法における板厚の形成機構を説明する。 The melt spinning method is widely applied in the manufacturing industry as a continuous casting method capable of producing a relatively thin strip material at a high speed. The formation mechanism of the plate thickness in the melt spinning method will be described with reference to FIG.
流入境界6から流入してノズル4から噴射された融液2が、回転する冷却ロール5と接触することにより、冷却ロール5側から凝固する。ノズル4と冷却ロール5との間に湯だまりとして形成される融液2の液相、液相近傍の凝固相3の一部、並びに、凝固相3と液相間の境界である凝固界面7を総称して、当業者は、パドル1と呼ぶ。
The
パドル1の液相は、上流側自由表面8と下流側自由表面9と凝固界面7に囲まれている。パドル1の最下流部では、冷却ロール5側から成長した凝固相3が下流側自由表面に達して完全な帯状物質となる。以下、冷却ロール5側から成長した凝固相3を、帯状物質3と称して説明する。この位置での凝固相厚L0が最終的に得られる製品板厚L1と強い関係を持つ。板厚を決定する要因には、従来、ノズル4の流出口と冷却ロール5との間の間隙G、ノズル4での融液圧力である流入圧力Pin、ノズル4での融液温度である流入温度Tin、冷却ロール5の速度uR、冷却ロール5の冷却特性値(例えば、冷却ロール5の冷却水温Tw)等の板厚影響因子が存在するといわれてきた。この製造方法で得られる帯状物質には、用途上、高い板厚精度が求められる場合が多い。このため、板厚安定化及び板厚制御のための様々な手法が提案されてきた。
The liquid phase of the
下記の「特許文献1」には、冷却ロール5上で形成された直後の板厚を間隙Gの測定を介して測定し、目標板厚値からの偏差を間隙G又は流入圧力Pinを修正することにより補正するフィードバック制御手法が示されている。この他、冷却ロール5の速度uRや冷却ロール5の冷却水温Twを単独に修正する方法も知られている。
In “
これらの板厚影響因子修正量を算出する手法は、従来、下記の「特許文献2」に示された、PID制御法、又は、これに準じた簡易な手法が採用されてきた。これらの方法の場合、板厚計から得られた板厚偏差量(例えば、特許文献2においては、板幅一定の仮定のもとに融液重量変化率、即ち、融液流量実測値は、実測板厚と1対1に対応付けられる)に対して、どれだけ板厚影響因子を修正するのか算出する物理的に妥当な手法が存在せず、単に、経験的に求めた一定のフィードバック制御ゲインが設定されるのみであった。
Conventionally, the PID control method shown in the following “
しかし、同一板厚を満足する板厚影響因子群の各板厚影響因子間の組合せは無数に存在し、かつ、メルトスピニング操業中には、各因子の変化が避けられないため、ある操業時点で調整したフィードバック制御ゲイン値を、板厚影響因子の条件が異なる他の操業条件に対して共通に適用することは妥当ではない。このため、従来技術では、過剰な板厚変動を回避するためにPID制御におけるフィードバックゲインを極端に小さく設定する必要があり、制御応答遅れによって板厚偏差発生から修正完了まで、長時間を要する問題があった。
However, there are innumerable combinations between the thickness influencing factors of the thickness influencing factor group that satisfy the same thickness, and changes in each factor are inevitable during melt spinning operation. It is not appropriate to apply the feedback control gain value adjusted in
また、この手法では、原理的に高精度の板厚測定値を用いることが必須の条件であり、一般に高価である板厚計を設置しなければならない。さらに、板厚が測定できたとしても、例えば、一般的に製品に求められる、例えば、1μm以下の精度を常に満足する板厚測定は、振動の激しい冷却ロール5近傍では一般に困難であり、低精度の製品を製造するか、測定環境のより良い、冷却ロールの遠方に、高精度板厚を設置せざるをえない。冷却ロール5の遠方に板厚計を設置する場合には、制御応答遅れの問題は一層深刻になる。
In this method, in principle, it is indispensable to use a highly accurate thickness measurement value, and a generally expensive thickness gauge must be installed. Furthermore, even if the plate thickness can be measured, for example, plate thickness measurement generally required for products, for example, that always satisfies the accuracy of 1 μm or less is generally difficult in the vicinity of the
また、板厚測定値を使用するのではなく、板厚影響因子のうち特定の因子を一定に制御することにより、板厚を安定化させる技術も開示されている。例えば、下記の「特許文献3」では、板厚影響因子の1つである間隙Gを一定にするため、冷却ロール5の表面温度を一定にするように冷却ロール5の冷却水温Twを制御する手法が示されている。しかし、この手法は、板厚制御の観点からは間接的なものであり、制御されない板厚影響因子変動の影響によって板厚偏差が発生しても、これを修正することができないため、高精度での板厚制御が困難という問題が存在した。
In addition, a technique is disclosed in which the plate thickness is stabilized by controlling a specific factor among the plate thickness influencing factors to be constant instead of using the plate thickness measurement value. For example, in the following “
さらに、板厚測定値無しに、板厚を変化させる方法として、下記の「特許文献4」に示された、特定時刻毎に間隙G(従来技術に記載)や流入圧力Pinを修正して、所望の板厚推移を得ようとする板厚制御も試みられている。しかし、この手法では、板厚影響因子と板厚の関係がモデル化されていないため、操業ごとの板厚影響因子変動によって、得られる板厚が大きく変動する問題が存在した。
Furthermore, as a method of changing the plate thickness without the plate thickness measurement value, the gap G (described in the prior art) and the inflow pressure Pin shown in the following “
また、下記の「非特許文献1」では、操業因子から板厚を計算するオフライン実験回帰式を提案している。また、下記の「非特許文献2」では、パドル1を上流側及び下流側2つの自由表面、冷却ロール表面、ノズル流出口、凝固物質の流出境界で囲まれた領域とみなし、かつ、パドル内融液の粘性係数を温度低下に対して連続的に上昇させることにより凝固現象を表現する数値解析手法によって、メルトスピニング法における板厚傾向の算出を試みている。しかし、これらの手法が板厚制御に直接、適用されることはなく、制御への適用手法について開示されることもなかった。
In the following “Non-Patent
そこで、本発明においては、板厚計を必ずしも必要とせず、高速、かつ、高精度に板厚影響因子の制御値を修正することにより、板厚偏差の小さい帯状物質を製造するメルトスピニング法を用いた連続鋳造による帯状物質の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, a melt spinning method for manufacturing a strip material having a small thickness deviation by correcting the control value of the thickness influence factor at high speed and with high accuracy without necessarily requiring a thickness gauge. It aims at providing the manufacturing method of the strip | belt-shaped substance by the used continuous casting.
本発明者によるメルトスピニングに関する研究の結果、以下の解決方法を発明するに至った。 As a result of research on melt spinning by the present inventors, the following solution has been invented.
第1の発明は、鋳造機のノズルから回転する冷却ロール上に連続的に噴出された融液が、前記冷却ロール表面上でパドルを形成し、当該パドル中の融液が、前記冷却ロールとの接触冷却によって凝固し、前記冷却ロールとともに移動しながら固体の帯状物質を連続的に形成するメルトスピニング法を用いた連続鋳造による帯状物質の製造方法において、前記帯状物質の板厚影響因子である、前記ノズルの流出口と前記冷却ロールとの間の間隙、前記ノズルでの融液圧力、前記ノズルでの融液温度、前記冷却ロールの周速、及び、前記冷却ロールの冷却特性値を連続鋳造中に連続して測定し、当該測定値を入力値として所定の関数により、前記パドルの下流端での前記帯状物質の板厚を演算する演算工程と、前記帯状物質の製品板厚の目標値を、前記帯状物質の熱膨張係数、又は当該熱膨張係数及び前記帯状物質にかかる張力を用いた所定の関数によって板厚減少量を算出し、前記板厚減少量を前記帯状物質の製品板厚の目標値に減算することによって、前記パドルの下流端での前記帯状物質の板厚の目標値に換算する換算工程とを有し、前記演算工程で演算された前記パドルの下流端での前記帯状物質の板厚が、前記換算工程における換算後の板厚の目標値となるように、前記板厚影響因子から選ばれる1種又は2種以上を調整して、フィードフォワード制御することを特徴とするメルトスピニング法を用いた連続鋳造による帯状物質の製造方法である。 According to a first aspect of the present invention, a melt continuously jetted onto a cooling roll rotating from a nozzle of a casting machine forms a paddle on the surface of the cooling roll, and the melt in the paddle is connected to the cooling roll. In the method for producing a strip material by continuous casting using a melt spinning method that solidifies by contact cooling and moves along with the cooling roll and continuously forms a solid strip material, it is a plate thickness influencing factor of the strip material The gap between the outlet of the nozzle and the cooling roll, the melt pressure at the nozzle, the melt temperature at the nozzle, the peripheral speed of the cooling roll, and the cooling characteristic value of the cooling roll are continuously obtained. A calculation step of continuously measuring during casting and calculating the thickness of the strip material at the downstream end of the paddle according to a predetermined function using the measured value as an input value, and a target of the product thickness of the strip material The value Thermal expansion coefficient of the strip material, or to calculate the thickness reduction amount by the thermal expansion coefficient and a predetermined function using the tension applied to the strip material, the plate thickness reduction amount of the product thickness of the strip material target A conversion step of subtracting the value into a target value of the plate thickness of the strip material at the downstream end of the paddle, and the strip material at the downstream end of the paddle calculated in the calculation step Feed forward control is performed by adjusting one or more selected from the plate thickness influencing factors so that the plate thickness becomes the target value of the plate thickness after conversion in the conversion step. This is a method for producing a strip material by continuous casting using a melt spinning method.
第1の発明と従来技術との差異について述べる。
まず、第1の差異について述べる。
従来技術では、板厚を制御するためには、一般に板厚計を必要としているが、装置が高価、かつ、複雑化することが避けられない問題が存在する。従来技術のうち、特定の板厚影響因子を制御して板厚の安定化を間接的に図る手法や特定タイミングで無条件に板厚影響因子を変化させる手法では、原理的に板厚を高精度に制御することはできない。
The difference between the first invention and the prior art will be described.
First, the first difference will be described.
In the prior art, a plate thickness meter is generally required to control the plate thickness. However, there is a problem that the apparatus is expensive and inevitably complicated. Among the conventional technologies, the method of indirectly controlling the plate thickness by controlling a specific plate thickness affecting factor or the method of changing the plate thickness affecting factor unconditionally at a specific timing increases the plate thickness in principle. It cannot be controlled to accuracy.
一方、第1の発明では、主要板厚影響因子を全て網羅して板厚を計算するので、完全な板厚フィードフォーワード制御が可能であり、必ずしも板厚計からのフィードバックを必要しない。従って、第1の発明では、板厚計を必ずしも必要としない。尚、第1の発明では、各板厚影響因子を操業中に測定又は推定する必要がある。しかし、このための装置は、本来、操業管理上必須のもの(例えば、冷却ロール周速計)であるか、又は、板厚計に比べて一般に安価であるため、第1の発明におけるシステム全体の費用は、板厚計を使用する従来法のものに比べて安価である。 On the other hand, in the first invention, since the plate thickness is calculated by covering all the main plate thickness influencing factors, complete plate thickness feedforward control is possible, and feedback from the plate thickness meter is not necessarily required. Therefore, in the first invention, a thickness gauge is not necessarily required. In the first invention, it is necessary to measure or estimate each plate thickness affecting factor during operation. However, the apparatus for this purpose is essentially essential for operation management (for example, a cooling roll perimeter), or is generally less expensive than a plate thickness meter, and therefore the entire system according to the first invention. Is less expensive than the conventional method using a thickness gauge.
続いて、第2の差異について述べる。
従来技術では、複数の板厚影響因子を同時に修正する発想はなく、常に、単独の板厚影響因子を修正するのみであった。このことは、以下の点で不利である。
例えば、流入圧力Pinが低下して板厚が目標値以下となった場合、従来技術では、一般的に、即応性の低い流入圧力Pinではなく、即応性の高い間隙Gを増大させることで流量を増加させて板厚の増大を図っている。ところで、パドルが安定して形成されるために許容される板厚影響因子間の組合せには制約が存在する。パドルが安定であるとは、パドル上流側自由表面と下流側自由表面との間隔が定常的に一定の間隔を維持できることを意味する。
Next, the second difference will be described.
In the prior art, there is no idea of correcting a plurality of plate thickness influencing factors at the same time, and only a single plate thickness influencing factor is always corrected. This is disadvantageous in the following points.
For example, when the inflow pressure Pin decreases and the plate thickness becomes equal to or less than the target value, in the related art, the flow rate is generally increased by increasing the gap G with high responsiveness instead of the inflow pressure Pin with low responsiveness. Is increased to increase the plate thickness. By the way, there are restrictions on the combinations between the plate thickness influencing factors that are allowed to form the paddle stably. The fact that the paddle is stable means that the distance between the paddle upstream free surface and the downstream free surface can be constantly maintained at a constant distance.
間隙G単独の修正は、パドル安定限界から遠い板厚影響因子群の組合せの場合には有効な操作であるが、パドル安定性の限界に近い板厚影響因子群の組合せの場合、この様な操作は、板厚影響因子群の制約を超えさせ、パドルの崩壊を招く可能性がある。この様に、従来技術では、単独の板厚影響因子しか操作できないため、パドル安定性の限界近傍では、間隙Gを修正してパドル崩壊の危険を冒すか、あるいは、無制御状態として放置するかの2者択一しか存在せず、問題であった。 The correction of the gap G alone is an effective operation in the case of a combination of thickness influencing factor groups far from the paddle stability limit, but in the case of a combination of thickness influencing factor groups close to the limit of paddle stability, The operation exceeds the constraints of the plate thickness influencing factor group and may cause the paddle to collapse. In this way, in the prior art, only a single plate thickness influencing factor can be manipulated. Therefore, in the vicinity of the paddle stability limit, is it possible to correct the gap G and take the risk of paddle collapse, or leave it uncontrolled? There was only one of the two options.
一方、第1の発明では、複数の板厚影響因子を同時に修正することができる。このため、第1の発明では、前記のパドル安定性の限界近傍での操業にあたっては、例えば、流入圧力Pinを徐々に上昇させるとともに、即応性の比較的高い、冷却ロール回転速度を低下させて素早く板厚を目標値近傍に修正するとともに、その後の流入圧力Pinの上昇に応じて徐々に冷却ロール回転速度を元の速度に向けて復帰させる。こうすることにより、パドルの安定性を維持しつつ、板厚精度を確保することができる。つまり、パドル形成の制約限界近傍では、複数の板厚影響因子を同時に修正することが、パドルの安定性を確保しつつ板厚を制御する上で重要である。この事実は、本発明者によって見出されたものである。 On the other hand, in the first invention, a plurality of plate thickness influencing factors can be corrected simultaneously. For this reason, in the first aspect of the invention, in operation near the limit of the paddle stability, for example, the inflow pressure Pin is gradually increased and the cooling roll rotation speed, which is relatively quick, is decreased. The plate thickness is quickly corrected to the vicinity of the target value, and the cooling roll rotational speed is gradually returned to the original speed as the inflow pressure Pin thereafter increases. By doing so, it is possible to ensure the thickness accuracy while maintaining the stability of the paddle. That is, in the vicinity of the limit of paddle formation, it is important to simultaneously correct a plurality of plate thickness influencing factors in order to control the plate thickness while ensuring the stability of the paddle. This fact has been found by the present inventors.
尚、「所定の関数」としては、公知の手法、例えば、板厚影響因子を重回帰式して板厚補間式を求めてこれを用いてもよい。また、「パドル下流端での帯状物質の板厚を計算した後、その後の板厚変化を補正」する方法として、例えば、巻き取り機による板への張力を連続測定し、実測張力値と実測板厚変化率の関係から求めた経験的なモデル式を用いて、操業中瞬時の張力に応じた瞬時の板厚変化補正値を算出してもよい。 As the “predetermined function”, a known method, for example, a plate thickness interpolation factor may be obtained by multiple regression equations of the plate thickness influencing factors and used. In addition, as a method of correcting the plate thickness change after calculating the plate thickness of the strip material at the downstream end of the paddle, for example, continuously measuring the tension on the plate by a winder, the actual tension value and the actual measurement An instantaneous plate thickness change correction value corresponding to the instantaneous tension during operation may be calculated using an empirical model formula obtained from the relationship between the plate thickness change rates.
第2の発明は、鋳造機のノズルから回転する冷却ロール上に連続的に噴出された融液が、前記冷却ロール表面上でパドルを形成し、当該パドル中の融液が、前記冷却ロールとの接触冷却によって凝固し、前記冷却ロールとともに移動しながら固体の帯状物質を連続的に形成するメルトスピニング法を用いた連続鋳造による帯状物質の製造方法において、前記帯状物質の板厚影響因子である、前記ノズルの流出口と前記冷却ロールとの間の間隙、前記ノズルでの融液圧力、前記ノズルでの融液温度、前記冷却ロールの周速、及び、前記冷却ロールの冷却特性値を連続鋳造中に連続して測定し、当該測定値を入力値として所定の関数により、前記パドルの下流端での前記帯状物質の板厚を演算する演算工程と、前記帯状物質の製品板厚の目標値を、前記帯状物質の熱膨張係数、又は当該熱膨張係数及び前記帯状物質にかかる張力を用いた所定の関数によって板厚減少量を算出し、前記板厚減少量を前記帯状物質の製品板厚の目標値に減算することによって、前記パドルの下流端での前記帯状物質の板厚の目標値に換算する換算工程とを有し、前記演算工程で演算された前記パドルの下流端での前記帯状物質の板厚と、計器により測定された前記帯状物質の板厚との差が所定の目標範囲以内となるように、前記板厚影響因子から選ばれる1種又は2種以上を調整して、フィードバック制御することを特徴とするメルトスピニング法を用いた連続鋳造による帯状物質の製造方法である。 According to a second aspect of the present invention, the melt continuously jetted onto the cooling roll rotating from the nozzle of the casting machine forms a paddle on the surface of the cooling roll, and the melt in the paddle is connected to the cooling roll. In the method for producing a strip material by continuous casting using a melt spinning method that solidifies by contact cooling and moves along with the cooling roll and continuously forms a solid strip material, it is a plate thickness influencing factor of the strip material The gap between the outlet of the nozzle and the cooling roll, the melt pressure at the nozzle, the melt temperature at the nozzle, the peripheral speed of the cooling roll, and the cooling characteristic value of the cooling roll are continuously obtained. A calculation step of continuously measuring during casting and calculating the thickness of the strip material at the downstream end of the paddle according to a predetermined function using the measured value as an input value, and a target of the product thickness of the strip material The value Thermal expansion coefficient of the strip material, or to calculate the thickness reduction amount by the thermal expansion coefficient and a predetermined function using the tension applied to the strip material, the plate thickness reduction amount of the product thickness of the strip material target A conversion step of subtracting the value into a target value of the plate thickness of the strip material at the downstream end of the paddle, and the strip material at the downstream end of the paddle calculated in the calculation step And adjusting one or more selected from the plate thickness influencing factors so that the difference between the plate thickness and the plate thickness of the band-shaped material measured by the meter is within a predetermined target range, and feedback This is a method for producing a strip-like material by continuous casting using a melt spinning method.
第2の発明と従来技術の差異について述べる。
まず、第1の差異について述べる。
従来技術では、主に、フィードバック制御により、板厚を制御していた。このフィードバック板厚制御方法においては、板厚影響因子群と板厚の定量的な関係が明確に意識されていなかった。このため、板厚影響因子群の組合せのうち、フィードバック修正量に対する板厚変動の感度の最も高い条件に対しても制御が過補償にならない様にするため、常に、過剰に小さいフィードバックゲインを用いる必要があり、制御応答が遅いという問題があった。従来技術でも特定の板厚影響因子と板厚の関係式を与えて制御に使用する例はあるものの、他の板厚影響因子の影響が無視されているため、これらの関係式の予測精度は低く、大きなフィードバックゲインを実現できるものではなかった。
The difference between the second invention and the prior art will be described.
First, the first difference will be described.
In the prior art, the plate thickness is mainly controlled by feedback control. In this feedback plate thickness control method, the quantitative relationship between the plate thickness influencing factors and the plate thickness was not clearly conscious. For this reason, an excessively small feedback gain is always used in order to prevent the control from being overcompensated even in the condition of the highest sensitivity of the thickness variation with respect to the feedback correction amount among the combinations of the thickness affecting factor groups. There was a problem that control response was slow. Even in the prior art, there is an example of using a relational expression between a specific thickness influencing factor and the thickness and using it for control, but the influence of other thickness influencing factors is ignored, so the prediction accuracy of these relational expressions is It was low and could not realize a large feedback gain.
一方、第2の発明においては、主要な板厚影響因子を全て網羅し、操業時のこれら板厚影響因子の実測値又は推定値を全て用いて板厚を計算する。このため、板厚の予測精度が高く、フィードバック制御を行う場合のフィードバックゲインを大きく設定することができる。 On the other hand, in the second invention, all the main plate thickness influencing factors are covered, and the plate thickness is calculated using all the measured values or estimated values of these plate thickness influencing factors during operation. For this reason, the accuracy of predicting the plate thickness is high, and the feedback gain when performing feedback control can be set large.
続いて、第2の差異について述べる。
第1の発明と同様に、第2の発明でも複数の板厚制御因子を同時に修正できるので、パドルの安定性を維持しつつ、板厚精度を確保することができる。
Next, the second difference will be described.
Similar to the first invention, in the second invention, a plurality of plate thickness control factors can be corrected simultaneously, so that the plate thickness accuracy can be ensured while maintaining the paddle stability.
第3の発明は、前記演算工程で前記パドルの下流端での前記帯状物質の板厚を演算する際に用いる前記所定の関数として、前記板厚影響因子である前記ノズルでの融液圧力、及びこれ以外の前記板厚影響因子から選択される1種又は2種以上の組合せの板厚影響因子を用いて、次の式、
融液流量鋳造機=関数鋳造機(ノズルでの融液圧力,他の板厚影響因子)
融液流量パドル=関数パドル(ノズルでの融液圧力,他の板厚影響因子)
(ここで、「関数 鋳造機 」は、「ノズルでの融液圧力」及び「他の板厚影響因子」(複数の場合もありえる)を独立変数とし、ノズルでの融液の流量「融液流量 鋳造機 」を表す関数であり、また、「関数 パドル 」は、「ノズルでの融液圧力」及び「他の板厚影響因子」(複数の場合もありえる)を独立変数とし、ノズルでの融液の流量「融液流量 パドル 」を表す関数である。上記関係式を、それぞれ、鋳造機側の流量特性関数、パドルの流量特性関数と称する。)
において、それぞれ独立に表現される前記鋳造機側の流量特性関数及び前記パドルの流量特性関数を用いるとともに、前記板厚影響因子の入力値における特定の組合せに対して、前記鋳造機側の流量特性関数値と前記パドルの流量特性関数値とが一致するときの融液流量を、前記板厚影響因子群の組合せにおける融液流量とし、当該板厚影響因子群の組合せにおける前記融液流量から前記パドルの下流端における板厚を算出する関数を用いることを特徴とする第1の発明又は第2の発明に記載のメルトスピニング法を用いた連続鋳造による帯状物質の製造方法である。
According to a third aspect of the present invention, as the predetermined function used when calculating the plate thickness of the strip material at the downstream end of the paddle in the calculation step, the melt pressure at the nozzle that is the plate thickness affecting factor, And, using the plate thickness affecting factor of one type or two or more types selected from other plate thickness affecting factors other than this, the following formula:
Melt flow casting machine = function casting machine (melt pressure at nozzle, other factors affecting plate thickness)
Melt flow rate paddle = Function paddle (melt pressure at nozzle, other factors affecting plate thickness)
(Here, the “function casting machine ” uses “melt pressure at the nozzle” and “other thickness influencing factors” (may be plural) as independent variables, and the flow rate of the melt at the nozzle “melt The “function paddle ” is a function that represents “ flow casting machine ”, and “melt pressure at the nozzle” and “other plate thickness influencing factors” (which may be plural) are independent variables. (This is a function representing the melt flow rate “melt flow rate paddle. ” The above relational expressions are referred to as a flow rate characteristic function on the casting machine side and a flow rate characteristic function of the paddle, respectively.)
In the casting machine side flow rate function and the paddle flow rate characteristic function expressed independently of each other, and for the specific combination in the input value of the plate thickness influencing factor, the casting machine side flow rate characteristic The melt flow rate when the function value coincides with the flow rate characteristic function value of the paddle is the melt flow rate in the combination of the plate thickness affecting factor groups, and the melt flow rate in the combination of the plate thickness affecting factor groups A method for producing a strip-like material by continuous casting using the melt spinning method according to the first or second invention, wherein a function for calculating the plate thickness at the downstream end of the paddle is used.
第4の発明は、前記パドルの流量特性関数の算出方法として、選択された前記板厚影響因子群の組合せにおいて、複数の異なる値に対してパドル内挙動をモデル化した数値計算を行って前記パドル内部の前記異なる値それぞれにおける流量値と前記帯状物質の板厚を算出し、互いに異なる前記板厚影響因子群の各組合せと当該各組合わせに対応する前記帯状物質の板厚算出値から、前記パドル内部の流量特性関数における前記帯状物質の板厚に係る板厚影響因子群の回帰式を求め、当該回帰式を前記パドルの流量特性関数として用いることを特徴とする第3の発明に記載のメルトスピニング法を用いた連続鋳造による帯状物質の製造方法である。 According to a fourth aspect of the present invention, as a calculation method of the flow characteristic function of the paddle, in the combination of the selected thickness affecting factor groups, numerical calculation is performed by modeling behavior in the paddle for a plurality of different values. Calculate the flow rate value and the strip thickness of each of the different values inside the paddle, from each combination of the strip thickness influencing factor groups different from each other and the strip thickness calculation value of the strip corresponding to each combination, According to a third aspect of the present invention, a regression equation of a plate thickness influencing factor group related to a plate thickness of the strip material in a flow rate characteristic function inside the paddle is obtained, and the regression equation is used as a flow rate characteristic function of the paddle. It is the manufacturing method of the strip | belt-shaped substance by continuous casting using the melt spinning method of this.
尚、「互いに異なる前記板厚影響因子群の各組合せと当該各組合わせに対応する前記帯状物質の板厚算出値から、前記パドル内部の流量特性関数における前記帯状物質の板厚に係る板厚影響因子群の回帰式を求め」る方法として、公知の方法、例えば、折れ線近似法やスプライン関数による近似法が適用可能である。 Note that “the thickness of the strip material in the flow characteristic function inside the paddle from the calculated thickness values of the strip materials corresponding to the combinations of the thickness affecting factor groups different from each other” As a method of “determining the regression equation of the influential factor group”, a known method such as a polygonal line approximation method or an approximation method using a spline function can be applied.
第5の発明は、前記パドル内挙動をモデル化した数値計算において、前記パドル内領域を液相及び凝固相の2つの領域に分割し、それぞれの領域で、独立に領域内挙動をそれぞれにモデル化した数値計算を実施するとともに、これら液相と凝固相の境界であるところの凝固界面において液相及び凝固相の速度が一致し、かつ、前記凝固界面において液相及び凝固相の凝固界面応力が同じ大きさで互いに反対方向になる凝固界面の境界条件を繰り返し計算により求め、前記凝固界面での境界条件を液相及び凝固相でともに満足するときの前記帯状物質の板厚を、前記パドル内部の流量特性関数における前記帯状物質の板厚として用いることを特徴とする第4の発明に記載のメルトスピニング法を用いた連続鋳造による帯状物質の製造方法である。 According to a fifth aspect of the present invention, in the numerical calculation modeling the behavior in the paddle, the region in the paddle is divided into two regions, a liquid phase and a solidification phase, and the behavior in the region is modeled independently in each region. The velocity of the liquid phase and the solidification phase coincides at the solidification interface that is the boundary between the liquid phase and the solidification phase, and the solidification interface stress of the liquid phase and the solidification phase at the solidification interface. The boundary condition of the solidification interface having the same size and opposite directions is obtained by repeated calculation, and the thickness of the strip material when the boundary condition at the solidification interface is satisfied in both the liquid phase and the solidification phase is determined by the paddle. It is used as a plate thickness of the strip material in an internal flow rate characteristic function, and is a method for producing a strip material by continuous casting using the melt spinning method according to the fourth invention
ここで、冷却ロール冷却特性値とは、帯状物質板厚に与える、冷却ロール冷却の影響を表現するための指標であり、例えば、ロール冷却水温、冷却ロール−融液間の熱伝達係数値、冷却ロール−融液間の熱抵抗値、冷却ロール上での熱流束値、並びに、帯状物質の巻き取り温度である。 Here, the cooling roll cooling characteristic value is an index for expressing the influence of cooling roll cooling on the strip material thickness, for example, the roll cooling water temperature, the heat transfer coefficient value between the cooling roll and the melt, These are the heat resistance value between the chill roll and the melt, the heat flux value on the chill roll, and the winding temperature of the belt-like substance.
また、単に、「板厚」と表現する場合は、パドル最下流部での帯状物質の厚みのことであり、「製品板厚」と表現するときは、巻き取り時点での帯状物質板厚のことである。熱膨張差や、巻き取り機張力による板厚減少などの効果により、板厚と製品板厚は、一般には一致しない。 In addition, simply expressing “plate thickness” means the thickness of the strip material at the most downstream part of the paddle, and expressing “product thickness” means the thickness of the strip material plate at the time of winding. That is. In general, the plate thickness and the product plate thickness do not match due to effects such as a difference in thermal expansion and a reduction in the plate thickness due to the winding machine tension.
また、流量特性関数とは、予め定めた基準点における圧力を流量と関係付ける関数のことである。パドル内での凝固相速度は、概ね、ロール周速値と一致するとみなすと、板幅一定の場合は、[板厚]=[流量]/[ロール周速]なので、流量特性関数は、圧力と板厚の関係式として表現することもできる。 The flow rate characteristic function is a function that relates the pressure at a predetermined reference point to the flow rate. Assuming that the solidification phase velocity in the paddle is approximately equal to the roll peripheral speed value, when the plate width is constant, [plate thickness] = [flow rate] / [roll peripheral speed], the flow rate characteristic function is the pressure It can also be expressed as a relational expression between thickness and thickness.
本発明によれば、メルトスピニング型連続鋳造機を用いたメルトスピニング法に適用することにより、板厚計を必ずしも必要とせず、高速、かつ、高精度に板厚影響因子を修正することができ、板厚偏差の小さい帯状物質を製造することができる。 According to the present invention, by applying to a melt spinning method using a melt spinning type continuous casting machine, a thickness gauge is not necessarily required, and a thickness affecting factor can be corrected at high speed and with high accuracy. A strip-shaped substance with a small thickness deviation can be produced.
次に、本発明のメルトスピニング法を用いた連続鋳造による帯状物質の製造方法における実施形態について説明を行う。 Next, an embodiment of a method for producing a strip material by continuous casting using the melt spinning method of the present invention will be described.
まず、第1の発明の具体的な実施形態を説明する。 First, a specific embodiment of the first invention will be described.
(装置構成)
図2は、鋳造機の概略構成図である。この図2を用いて、第1の発明を説明する。
融液貯留器10に貯留された融液2は、液自身のヘッド又はコンプレッサ等の加圧装置15による雰囲気圧力の付与により、ノズル4出口で正圧を付与されて冷却ロール5上に噴出し、パドル1を形成する。パドル内で凝固した帯状物質3は、冷却ロール5とともに下流側に移動しながら冷却ロール5との接触により、さらに温度低下する。帯状物質3は、下流のある地点で巻き取り機11により付与された張力によって冷却ロール5から剥離し、巻き取り機11によって巻き取られる。
(Device configuration)
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the casting machine. The first invention will be described with reference to FIG.
The
融液貯留器10には、熱伝対等の流入温度計20及びダイヤフラム等の流入圧力計21が設置されており、それぞれ、流入温度Tinと流入圧力Pinを測定する。融液貯留器10は、加熱器34によって、保温及び昇温可能である。冷却ロール5は、可変速の冷却ロールモータ13により駆動され、ロータリーエンコーダの等の冷却ロール周速計19が設置されている。融液貯留器10全体は、昇降装置16によって冷却ロール5の表面と垂直方向に可動であり、間隙Gを変更できる。間隙Gの値は、透過光検出器等の間隙計18によって計測される。
The
冷却ロール5は、ロール表面又はロール内部を水冷ノズル等の冷却ロール冷却装置17によって冷却され、冷却水量は不図示の流量調整弁等により可変である。冷却ロール5から剥離した帯状物質3は、巻き取り機11に至る前に放射温度計等の巻き取り温度計22によって温度計測される。
The
以上の構成により板厚フィードフォーワード制御が可能である。板厚フィードバック制御を行う場合には、板厚計23を設置する。また、設備費の観点から、加圧装置15、加熱器34、並びに、冷却ロール冷却装置17については、省略してもかまわない。これら省略される装置のある場合、以下の制御方法の説明では、当該制御端の修正量を0と設定することに対応する。また、不図示の冷却ロール温度計等の冷却ロール膨張量を測定する機器及び昇降装置16の位置(設定値、又は、実績値)を用いて間隙計18を代用し、間隙Gを算出しても良い。
With the above configuration, plate thickness feed forward control is possible. When the thickness feedback control is performed, a
(板厚制御方法)
まず、フィードフォーワード制御について述べる。
帯状物質3の製品板厚目標値に、パドル1と巻き取り機11での帯状物質温度差(巻き取り温度計22と流入温度計20による温度差を用いて定義される)に帯状物質3の線膨張係数を乗じた値を加え、さらに、実験により求めた、巻き取り機11の張力による板厚減少量を減じた値を、パドル1の下流端における板厚目標値とする。以下、単に「板厚目標値」と記述した場合、パドル1の下流端でのものと定義する。
(Thickness control method)
First, feedforward control will be described.
The product plate thickness target value of the band-shaped
鋳造操業中に、流入温度計20、流入圧力計21、冷却ロール周速計19、間隙計18、並びに、巻き取り温度計22から演算装置12に入力した流入温度Tin、流入圧力Pin、冷却ロール5の速度uR、間隙G、並びに、巻き取り温度Tcの各測定値を用いて、ロール冷却特性値、帯状物質製品板厚計算値hcal、各板厚影響因子の板厚影響係数εiを演算装置12によって計算する。
During casting operation,
ロール冷却特性値として、例えば、冷却ロール5と凝固面間の熱抵抗Hrを用いる場合、次の式を熱抵抗Hrについて展開することにより、演算装置12への各入力測定値から算出できる。尚、Cpには潜熱を考慮した等価比熱を用いる。
As the roll cooling characteristic value, for example, when the thermal resistance Hr between the cooling
dTsol/dt = qout/(ρ・Cp・h) ・・・[式1]
qout = 1/Hr・(Tsol,surf − Trol,surf) ・・・[式2]
ここで、境界条件を以下に示す。
Tsol = Tin (t=0)
Tsol = Tc (t:巻取り温度計測時刻)
Tsol:帯状物質の冷却ロール半径方向断面平均温度
Trol:冷却ロール温度
qout:熱流束
ρ:帯状物質密度
Cp:帯状物質比熱
h:帯状物質板厚
添え字surf:冷却ロールと凝固相の界面
dT sol / dt = q out / (ρ · Cp · h) (Formula 1)
q out = 1 / Hr · (T sol, surf −T rol, surf ) [Equation 2]
Here, the boundary conditions are shown below.
T sol = Tin (t = 0)
T sol = Tc (t: winding temperature measurement time)
T sol : Average temperature in the radial direction of the cooling roll of the strip material T rol : Cooling roll temperature qout: Heat flux ρ: Band material density Cp: Strip material specific heat h: Strip material thickness Subscript surf: Interface between cooling roll and solidified phase
式1における帯状物質板厚hは、熱抵抗Hrを用いて表現された当該時刻における帯状物質製品板厚計算値hcalを用いる。この場合、帯状物質板厚hが複数の方程式で共用される未知数になる陰的表現となるが、前記の非特許文献3に示すガウス−ジョルダン法の様な一般的な方程式の解法によって、この帯状物質板厚hを求めることができる。
As the strip material thickness h in
また、熱抵抗Hrは、他の板厚影響係数に比べて時間変化が緩やか(なぜならば、熱抵抗Hrは、板とロールの真接触面積比率が最大の影響因子であり、ロール表面性状の変化により主に変化する。ロール表面性状は、操業中のロール表面摩耗・損耗により変化するものである。安定した操業を行なうために、一般に、ロール材質は、急激に摩耗・損耗しないものが選択されている。従って、操業中のロール磨耗・損耗によるロール真接触面積の時間変化率は比較的小さく、その結果、熱抵抗Hrの時間変化率も比較的小さいのである)であることを利用して、図2には示されていない付加的な計測器、例えば、巻き取り機重量計を用いて、板幅一定の前提のもとに、過去の重量と冷却ロール周速の履歴から帯状物質板厚hを算出しても良い。 Further, the thermal resistance Hr has a slow change over time compared to other plate thickness influence coefficients (because the thermal resistance Hr is the influential factor of the true contact area ratio between the plate and the roll, and the change in the roll surface properties. Roll surface properties change due to roll surface wear and wear during operation.In general, roll materials that do not wear or wear abruptly are selected for stable operation. Therefore, the time change rate of the true roll contact area due to roll wear and wear during operation is relatively small, and as a result, the time change rate of the thermal resistance Hr is also relatively small). 2 using an additional measuring instrument not shown in FIG. 2, for example, a winder weigh scale, on the premise of a constant plate width, from the history of past weight and cooling roll peripheral speed, Thickness h may be calculated
この場合、帯状物質板厚hを陰的に解く必要はなくなる。従来法においても、帯状物質の重量変化から帯状物質板厚hを求める手法は存在したが、これらの手法では、こうして求めた帯状物質板厚hを直ちに実測の帯状物質板厚とみなし、直接、フィードバック制御に用いていた。これに対し、本発明における重量変化から求められた帯状物質板厚hは、単に、熱抵抗Hrを算出するために補助的に使用されるものであり、制御対象として用いられる帯状物質製品板厚計算値hcalは、熱抵抗Hrを含めた全板厚影響係数から算出した計算値を用いる点で従来法とは異なる。 In this case, it is not necessary to solve the strip material thickness h implicitly. Even in the conventional method, there was a method for obtaining the strip material thickness h from the change in the weight of the strip material, but in these methods, the obtained strip material thickness h is immediately regarded as the actually measured strip material thickness, Used for feedback control. On the other hand, the strip material thickness h obtained from the weight change in the present invention is merely used as an auxiliary to calculate the thermal resistance Hr, and the strip material product thickness used as a control object. The calculated value hcal differs from the conventional method in that the calculated value calculated from the total plate thickness influence coefficient including the thermal resistance Hr is used.
板厚影響因子の板厚影響係数εiは、次の式3で定義される。
εi = ∂h/∂xi ・・・[式3]
x:板厚影響因子
添え字i:各板板厚影響因子の番号
The thickness influence coefficient εi of the thickness influence factor is defined by the
εi = ∂h / ∂xi (Equation 3)
x: Plate thickness influencing factor Subscript i: Number of each plate thickness influencing factor
次に、帯状物質製品板厚計算値hcalと目標板厚値haimとの差Δhcalは、一般に0ではないので、これを補正するための、各板厚影響因子修正量Δxiを計算する。 Next, since the difference Δhcal between the strip material product plate thickness calculated value hcal and the target plate thickness value haim is generally not 0, each plate thickness affecting factor correction amount Δxi for correcting this is calculated.
差Δhcalは、次の式4で表現できる。
Δhcal = Σ(βi・εi・Δxi) ・・・[式4]
βi:任意の値
The difference Δhcal can be expressed by the
Δhcal = Σ (βi · εi · Δxi) [Formula 4]
βi: Arbitrary value
ここで、各板厚影響因子は、互いに独立に変化させることができるので、式4を満たす任意の値βiの組合せは無数に存在する。そこで、この組合せのうち、最も妥当な組合せを採用する。
Here, since the plate thickness influencing factors can be changed independently of each other, there are innumerable combinations of arbitrary values βi
その具体的手法は、次の手順による。
第1段階として、予め、操作のし易い順(エンジニアリング上の制約や特定設備・特定作業者における操業上の制約等を考慮して、適宜定めるものとする)に板厚影響因子に優先順を設定する。
The specific method is as follows.
As a first step, prioritize the plate thickness influencing factors in the order in which they are easy to operate (determined as appropriate in consideration of engineering constraints and operational limitations of specific equipment / specific workers). Set.
第2段階として、優先順の最も高い板厚影響因子(例えば、間隙G)のみで差Δhcalを満足させることを考える。即ち、以下の式5である。
Δhcal=εi1・Δxi1 ・・・[式5]
i1:優先順1番のi
As a second stage, it is considered that the difference Δhcal is satisfied only by the plate thickness influencing factor having the highest priority (for example, the gap G). That is, it is the
Δhcal = εi1 · Δxi1 (Equation 5)
i1: i with the highest priority
第3段階として、式5のΔxi1なる修正を加えたxi1が、板厚影響因子条件の組合せごとに予め経験的又は解析的に求めておいたパドル形成可能な条件をマップ化したパドル形成限界範囲の内側に存在するかをチェックする。この限界範囲は、その時点での他の板厚影響因子の値の影響も考慮されたものである。もし、限界範囲内であれば、Δxi1を修正量として出力する。
As a third stage, xi1 to which Δxi1 in
第4段階として、もし、修正結果が限界範囲外である場合には、優先順2番、3番と、同様のチェックを満足するまで繰り返す。 As the fourth stage, if the correction result is out of the limit range, the second and third priority orders are repeated until the same check is satisfied.
第5段階として、最終優先順まで達してもパドル形成限界範囲外である場合には、複数の板厚影響因子を、優先順に従って同時に修正してパドル限界範囲に収まる様に修正量を探索する。 As a fifth step, when the final priority order is reached and the paddle formation limit range is not reached, a plurality of plate thickness affecting factors are simultaneously corrected according to the priority order to search for a correction amount so as to be within the paddle limit range. .
以上の優先順の設定にあたっては、常に同一の優先順に固定する必要は必ずしもない。例えば、各板厚影響因子の標準的な条件を予め定め、ある時刻でのこの標準値からの偏差の大きい順に優先順を設定してその時刻での制御に用いても良い。また、操業安定性の観点から修正すべきでない板厚影響因子については、修正用の優先順から除外して修正しないことにしてもよい。 When setting the above priority order, it is not always necessary to fix the same priority order. For example, standard conditions for each plate thickness influencing factor may be determined in advance, a priority order may be set in descending order from the standard value at a certain time, and used for control at that time. In addition, the plate thickness affecting factors that should not be corrected from the viewpoint of operation stability may be excluded from the priority order for correction and not corrected.
最後に、各板厚影響因子の修正量Δxiを補正して実際の修正量を算出して加圧装置15、加熱器34、冷却ロールモータ13、巻き取り機モータ14、昇降装置16、並びに、冷却ロール冷却装置17に対する出力をそれぞれ修正する。修正量Δxiを補正する理由は、瞬時の修正量をそのまま出力すると、板厚自励振動等の不安定現象を招く可能性があるからであり、この生の修正量を補正することによって、制御の安定化を図る。手法としては、Δhに対する一般的なPID制御等を適用すればよい。尚、自励振動などの不安定性が認められない場合には、ゲイン1の比例制御としてもかまわない。
Finally, the correction amount Δxi of each plate thickness influencing factor is corrected to calculate the actual correction amount, and the pressurizing
次に、フィードバック制御について説明する。
フィードフォーワード制御に対して、板厚実測値haqが演算装置12の入力として追加される。板厚実測値haqは、測定位置に応じてパドル下流端相当での値に補正されるものとし、以下、板厚実測値haqをパドル1の下流端での値とみなす。熱抵抗Hrの算出時に必要な帯状物質板厚hについては、板厚実測値haqを用いる。この他の帯状物質製品板厚計算値hcal、板厚影響係数εiの算出方法は、フィードフォーワード制御と同様である。各板厚影響因子の修正量の計算方法としては、例えば、Δh=haq−haimとして、以下、フィードフォーワード制御と同様の処理を行ってもよい。また、haq − hcal=0となる様に、板厚予測式のモデル係数を逐次修正する一般的な学習制御を用いても良い。
Next, feedback control will be described.
The plate thickness actual value haq is added as an input of the
次に第3の発明について説明する。
第1の発明において、主要板厚影響因子群の組合せと板厚の関係をあらゆる鋳造機条件及びあらゆるパドル条件に対して求めようとすると、著しい手間を要し、不経済である。そこで、第3の発明では、鋳造機のノズル4を境として、鋳造機側の流量特性とパドル側の流量特性を分離し、それぞれ独立に板厚影響因子群の条件による板厚を評価することにより、検討に必要な手間を大幅に削減できる。
Next, the third invention will be described.
In the first invention, if it is attempted to obtain the relationship between the combination of the main plate thickness influencing factors and the plate thickness for every casting machine condition and every paddle condition, it takes a lot of labor and is uneconomical. Therefore, in the third invention, the flow rate characteristic on the casting machine side and the flow rate characteristic on the paddle side are separated with the
ここで、ポイントとなるのは、本来、鋳造機(ノズル4出口を含めてこれより上流部と定義する)からパドル1まで一体として考えなければならない実機の鋳造条件において、鋳造機の流量特性とパドルの流量特性を結合する手法である。第3の発明では、鋳造機流量特性とパドル流量特性をそれぞれノズルでの流量と融液圧力の関数で次の式6及び式7の様に独立に表現する。
Here, the key point is the flow characteristics of the casting machine under the casting conditions of the actual machine that must be considered as a unit from the casting machine (which is defined as the upstream part including the
融液流量鋳造機=関数鋳造機(ノズルでの融液圧力,他の板厚影響因子) ・・・[式6]
融液流量パドル=関数パドル(ノズルでの融液圧力,他の板厚影響因子) ・・・[式7]
Melt flow casting machine = function casting machine (melt pressure at nozzle, other plate thickness influencing factors) ... [Formula 6]
Melt flow rate paddle = function paddle (melt pressure at nozzle, other plate thickness influencing factors) ... [Formula 7]
式6の表現は、「関数鋳造機」は、「ノズルでの融液圧力」及び「他の板厚影響因子」(複数の場合もありえる)を独立変数とし、ノズル4での融液の流量「融液流量鋳造機」を表す関数であり、式7でも同様である。式6を鋳造機流量特性関数、式7をパドル流量特性関数と称する。
The expression of
例えば、図3のパドル流量特性曲線は、式7中の「他の板厚影響因子」を特定の値に固定した場合に特定の曲線になる。このとき、図3上で圧力P1を設定すると、式7よりノズル位置での融液流量Q1が決定する。 For example, the paddle flow rate characteristic curve of FIG. 3 becomes a specific curve when “other plate thickness affecting factor” in Equation 7 is fixed to a specific value. At this time, when the pressure P1 is set in FIG. 3, the melt flow rate Q1 at the nozzle position is determined from Equation 7.
式6、式7中の「他の板厚影響因子」は、ノズル4での融液圧力を除いた前記板厚影響因子から選択した1種又は2種以上の任意の組合わせであり、式6と式7で一般には異なる板厚影響因子の組合せになる。同一の板厚影響因子群の組合せにおいて(式6、式7ではこのうち一部の影響因子を使用する)、流量の一致する条件、即ち、図3で鋳造機流量特性関数とパドル流量特性関数の交点での流量及び融液圧力を、操業の成立する点(操業点)とする。この点での流量値及び融液圧力値を、当該板厚影響因子群の組合せにおける流量及びノズル4での融液圧力の計算値とみなす。尚、一般に、ノズル4の開口サイズは操業中に固定なので、帯状物質3のパドル下流端での凝固相速度が既知であれば、ノズル4での流量は、容易に板厚に変換できる。操業点における板厚に、凝固相内での変形による板厚変化量を加えたものが最終的な帯状物質製品板厚になる。
“Other plate thickness influencing factors” in
以下具体的に説明する。
まず、鋳造機流量特性関数について述べる。
融液貯留器10内での融液2の液面静圧(加圧器が存在する場合、昇圧することができる)及び、液面高さで表現できる融液2のヘッドから、ノズル4までの圧力損失を減じたものが、ノズル4での圧力(全圧)になる。鋳造機入口全圧が一定の場合、粘性流体の特性から、ノズル4の流量が増えるに従って、流路での圧力損失が増大するので、ノズル4での全圧は低下する。
This will be specifically described below.
First, the casting machine flow characteristic function will be described.
From the head of the
従って、図3において、鋳造機流量関数は、座標点(流入圧力=鋳造機入口全圧,ノズルでの流量=0)を起点とした左上がりの曲線になる。具体的な曲線形状は、融液2の放流実験等を行い、圧力損失係数を求めることにより、少数の実験で確定できる。融液温度の変化等により融液物性値が変化すれば圧力損失特性が変化するので、流量特性関数も変化する。また、鋳造機流量特性に対して、板厚影響因子の全てが影響を与えるわけではない。例えば、冷却ロール周速は、鋳造機流量特性関数に直接何ら影響を与えないので、流量特性関数の構築時には、この板厚影響因子を無視してよい。
Therefore, in FIG. 3, the casting machine flow rate function is a curve that rises to the left starting from the coordinate point (inflow pressure = total pressure at the inlet of the casting machine, flow rate at the nozzle = 0). A specific curve shape can be determined by a small number of experiments by conducting a discharge experiment of the
次に、パドル流量特性関数について述べる。
多くの実験結果から、ノズル4での融液物性(例えば、密度、粘性係数、比熱、熱伝導率等)、ノズル圧力、冷却ロール周速、並びに、冷却ロール冷却特性が一定の場合、板厚が一定になることが確認されている。従って、ノズル流量(=板厚・板幅・冷却ロール周速)とノズル圧力の関係、即ちパドル流量特性関数も一定になることが期待できる(同一物性、同一冷却条件の場合)。
Next, the paddle flow characteristic function will be described.
From many experimental results, it is found that the melt thickness properties at the nozzle 4 (for example, density, viscosity coefficient, specific heat, thermal conductivity, etc.), nozzle pressure, cooling roll peripheral speed, and cooling roll cooling characteristics are constant. Has been confirmed to be constant. Therefore, it can be expected that the relationship between the nozzle flow rate (= plate thickness / plate width / cooling roll peripheral speed) and the nozzle pressure, that is, the paddle flow rate characteristic function will be constant (in the case of the same physical properties and the same cooling conditions).
ここで、パドル1の圧力分布が充分小さい場合、パドル1が形成できないので、流量=0である。一方、パドル1の圧力が大きい場合には、大きなパドル1が形成でき、その中で、凝固相が厚く成長できるので、板厚が大きく、即ち、ノズル流量が大きくなる。従って、パドル流量特性関数は、図3中で右上がりの曲線になる。パドル流量特性関数も、物性値や冷却ロール冷却条件の差により変化する。
Here, when the pressure distribution of the
また、鋳造機流量特性関数とパドル流量特性関数から操業点を求める手法を説明する。
図3において、両関数曲線の交点では、ノズル流量及びノズル圧力が一致しているので、この点のみにおいて操業が可能であり、両関数曲線の交点が操業点になる。尚、これらの流量特性関数は、予めオフラインで作成しておき、オンライン設定・制御においては、単に式、又はテーブル参照により、簡易に値を引き出すことができる様にしておく。
A method for obtaining the operating point from the casting machine flow rate characteristic function and the paddle flow rate characteristic function will be described.
In FIG. 3, since the nozzle flow rate and the nozzle pressure coincide at the intersection of both function curves, operation is possible only at this point, and the intersection of both function curves is the operation point. These flow rate characteristic functions are previously created off-line in advance, and in online setting / control, values can be easily derived simply by referring to formulas or tables.
次に、第4の発明について説明する。
パドル流量特性関数を算出するにあたって、板厚影響因子群の特定の条件に対応する板厚を知る必要がある。この様な目的のためには、多数の条件で実験を行うことが確実な方法である。この様な方針で求められた板厚影響因子による板厚実験回帰式として、前記の非特許文献1のものが有名であり、定性的な傾向は問題ないとされる。
Next, the fourth invention will be described.
In calculating the paddle flow rate characteristic function, it is necessary to know the plate thickness corresponding to a specific condition of the plate thickness affecting factor group. For this purpose, it is a reliable method to conduct experiments under a number of conditions. As the plate thickness experimental regression equation based on the plate thickness influencing factor obtained by such a policy, the
しかし、この非特許文献1での回帰式は、定量的には板厚の数十%以上の誤差があるため、第1の発明の板厚フィードフォーワード制御で求められる高精度の板厚予測式として適用することはできない。実験回帰式で予測誤差が大きい理由は、実験において、各板厚影響因子群の組合せを所定の値に維持することが実験技術上困難であることが最大の原因である。この様な誤差は、多数の実験を行い、統計処理することによって、減少させることは可能だが、鋳造実験は一般に高価かつ手間も要するため、膨大な実験を行うことは、経済的に不合理である。また、パドル内挙動は、輸送現象として複雑であるため、パドル内の流れを解析的な式で解くことは不可能である。
However, since the regression equation in
そこで、第4の発明において、板厚影響因子を容易に固定できる、数値計算手法を用いて、板厚影響因子群の個別条件に対応する板厚を算出する。数値計算手法は、原理的に、実験に比べて結果のバラツキが小さくなる傾向を持つので、実験に比べて少量の結果を用いて、ばらつきの小さい回帰式を求めることができ、経済的である。数値計算手法としては、パドル内を連続体の質量、運動量、及びエネルギの輸送方程式で記述し、併せて凝固をモデル化する。これらの式を、パドル内で離散式に変換し、有限要素法等を適用して解くことにより、パドル内での流れ場、温度場、凝固分布を計算できる。板厚は、最下流部での凝固相厚として計算結果から与えられる。 Therefore, in the fourth invention, the plate thickness corresponding to the individual conditions of the plate thickness affecting factor group is calculated using a numerical calculation method that can easily fix the plate thickness affecting factor. In principle, numerical calculation methods tend to have less variation in results than in experiments, so it is economical to use a small amount of results in comparison with experiments and obtain regression equations with less variation. . As a numerical calculation method, the inside of the paddle is described by the transport equation of mass, momentum, and energy of the continuum, and solidification is modeled together. By converting these equations into discrete equations in the paddle and solving them by applying a finite element method or the like, the flow field, temperature field, and solidification distribution in the paddle can be calculated. The plate thickness is given from the calculation result as the solidified phase thickness at the most downstream portion.
パドルに存在する自由表面(上流側及び下流側)と凝固界面からなる自由界面に対しては、例えば、前記の非特許文献4に示す一般的なALE法(計算メッシュの変形を通じて、自由表面形状を表現する手法の1つ)を適用することにより、自由界面位置を算出することができる。連続体の輸送方程式としては、流体相には、粘性流体を仮定し、固体相には、高粘度の粘性流体、粘塑性体、剛塑性体、弾塑性体等の一般的な輸送式を適用することができる。凝固モデルに関しては、凝固温度で比熱を増大させる方法、エンタルピ法、凝固界面に潜熱を吸収させる方法等の一般的な手法を適用できる。
For a free interface consisting of a free surface (upstream and downstream) existing in the paddle and a solidification interface, for example, the general ALE method shown in
この様にして求められた、板厚影響因子群の個別条件と板厚の組合せを複数個を用いて流入圧力Pin以外の条件を固定して、流入圧力Pinをパラメータとした、回帰式を求め、板厚を流量に換算する換算式として、1つのパドル流量特性関数とする。 The regression equation using the inflow pressure Pin as a parameter is obtained by fixing the conditions other than the inflow pressure Pin by using a plurality of combinations of the individual conditions and the thickness of the plate thickness influencing factor group. As a conversion formula for converting the plate thickness into the flow rate, one paddle flow rate characteristic function is used.
次に、流入圧力Pin以外の条件を先のものとは異なる条件に固定して、同様に別のパドル流量特性関数を求めることを繰り返す。板厚影響因子群の任意の組合せでの流量特性関数は、この板厚影響因子群の組合せと最も近い条件の前記計算により求めた板厚影響因子群からの補間により、求められる。この補間方法として、公知の技術、例えば、線形補間法を用いることができる。 Next, a condition other than the inflow pressure Pin is fixed to a condition different from the previous one, and another paddle flow rate characteristic function is similarly obtained. The flow rate characteristic function in an arbitrary combination of the plate thickness influencing factor groups is obtained by interpolation from the plate thickness influencing factor group obtained by the calculation under the condition closest to the combination of the plate thickness influencing factor groups. As this interpolation method, a known technique, for example, a linear interpolation method can be used.
この様に、回帰する対象がパドル流量特性関数でなければならない理由について、以下に説明する。
例えば、パドル流量特性関数を経由することなく、計算結果から単に重回帰を行いてパドル特性式を求め、この特性式と鋳造機流量特性関数の一致する点を求める手法も原理的にはありうる。しかし、この様な方式の場合、計算条件の設定方法によっては、流入圧力Pin以外の板厚影響因子が特定のケースで流入圧力Pinとノズル流量に正の相関が得られない場合がありうる。この様な条件で、操業点を求めようとした場合、鋳造機流量特性関数とパドル特性式の交点は、非現実的な点に発生する可能性が高く、問題であるからである。
The reason why the object to be returned must be a paddle flow rate characteristic function will be described below.
For example, in principle there is a method for obtaining a paddle characteristic equation by simply performing multiple regression from the calculation result without going through the paddle flow rate characteristic function, and obtaining a point where this characteristic equation and the casting machine flow rate characteristic function coincide with each other. . However, in such a method, depending on the calculation condition setting method, there may be a case where a plate thickness influencing factor other than the inflow pressure Pin cannot obtain a positive correlation between the inflow pressure Pin and the nozzle flow rate in a specific case. This is because when the operating point is to be obtained under such conditions, the intersection of the casting machine flow rate characteristic function and the paddle characteristic equation is likely to occur at an unrealistic point and is a problem.
また、本発明では、パドル1が安定して存在しえない板厚影響因子群の組合せの場合、数値計算での解は発散するので、この様な板厚影響因子群の組合せをパドル形成不能条件とみなし、物理的に妥当な収束解の存在するパドル安定化条件範囲を求める。このパドル安定化条件範囲は、第1の発明で板厚影響因子修正量を計算する際に用いられる。
Further, in the present invention, in the case of a combination of thickness influencing factor groups in which
次に、第5の発明について説明する。
第4の発明に示したパドル内流れの数値計算手法は、有効な板厚計算手法ではあるが、本発明に求められる、高精度の板厚予測を満足させるためには、数値計算手法にも特別の配慮が必要である。例えば、凝固相も含めたパドル全体を一様な粘性流(但し、温度による連続的な物性値変化を考慮する)とみなす方法の場合、十分な板厚精度の得られないことを本発明者は見出した。以下、精度上の問題点を列記する。
Next, a fifth invention will be described.
Although the numerical calculation method for the flow in the paddle shown in the fourth invention is an effective plate thickness calculation method, in order to satisfy the highly accurate plate thickness prediction required for the present invention, the numerical calculation method is also used. Special consideration is required. For example, in the case of a method in which the entire paddle including the solidified phase is regarded as a uniform viscous flow (however, a continuous change in physical property value due to temperature is considered), the present inventor cannot obtain sufficient plate thickness accuracy. Found. The following is a list of problems with accuracy.
第1に、従来法においては、凝固界面における圧力及び速度の不連続性に対して配慮が払われていなかった問題が存在する。これについて具体的に説明する。 First, in the conventional method, there is a problem in which no consideration has been given to discontinuities in pressure and velocity at the solidification interface. This will be specifically described.
いま、簡単のため、凝固相を粘性の高い粘性流とみなすことにする。質量保存式及び非圧縮性定常時の輸送方程式は、パドル内全域で次の数式8及び数式9のようになる。
For the sake of simplicity, the solidification phase is regarded as a viscous flow with high viscosity. The mass conservation equation and the transport equation in the incompressible steady state are expressed by the following
<質量保存式>
∂(ρui)/∂xi = 0 ・・・[式8]
<運動量輸送式>
ρ・uj∂ui/∂xj = −∂P/∂xi + ∂(μ・(∂ui/∂xj+∂uj/∂xi))/∂xj ・・・[式9]
ρ:密度
u:速度
x:長さ
P:圧力
μ:粘性係数
添え字i,j:座標軸方向番号
<Mass conservation type>
∂ (ρu i ) / ∂x i = 0 (Equation 8)
<Momentum transport type>
ρ · u j ∂u i / ∂x j = −∂P / ∂x i + ∂ (μ · (∂u i / ∂x j + ∂u j / ∂x i )) / ∂x j . Equation 9]
ρ: Density u: Speed x: Length P: Pressure μ: Viscosity coefficient Subscript i, j: Coordinate axis direction number
ここで、凝固界面で満たされるべき条件は、次の数式10〜数式12に示すとおりである。
ρLu'L = ρsu's ・・・[式10]
−PL + 2・μL∂u'L/∂x'
= −Ps + 2・μs∂u's/∂x' ・・・[式11]
μL(∂uL'/∂x" + ∂uL"/∂x')
= −μs(∂us'/∂x" + ∂us"/∂x') ・・・[式12]
u':凝固界面垂直方向速度
x':凝固界面垂直方向長さ
u":凝固界面平行方向速度
x":凝固界面平行方向長さ
添え字L:液相
添え字s:凝固相
Here, the conditions to be satisfied at the solidification interface are as shown in the following
ρ L u ′ L = ρ s u ′ s [Equation 10]
-P L + 2 · μ L ∂u ' L / ∂x'
= −P s + 2 · μ s ∂u ′ s / ∂x ′ (Equation 11)
μL (∂u L '/ ∂x "+ ∂u L " / ∂x')
= -Μs (∂u s '/ ∂x "+ ∂u s " / ∂x') (12)
u ': Solidification interface vertical velocity x': Solidification interface vertical length u ": Solidification interface parallel velocity x": Solidification interface parallel length Subscript L: Liquid phase Subscript s: Solidification phase
凝固により粘性係数が不連続に変化する一般的な物質の場合、μL≪μsであり、∂u/∂xは、周囲の流れ場によって決定するので、∂u'L/∂x'≫∂u's/∂x'とは限らない。従って、式11より、凝固界面上においては、一般に液相側と凝固相側で圧力が異なる。即ち、凝固界面上において、PL≠Psである。
In the case of a general substance whose viscosity coefficient changes discontinuously due to solidification, μ L << μ s , and ∂u / ∂x is determined by the surrounding flow field, so ∂u ′ L / ∂x ′ >> It is not necessarily ∂u ' s / ∂x'. Therefore, from
例えば、図4に示す、回転する冷却ロール5と自由スリップ境界24に拘束されて冷却ロール5上で凝固相の成長する急冷凝固連続鋳造機においては、帯状物質3は、塑性変形加工を受けながら凝固するため、∂u's/∂x'>0であり、凝固界面の凝固相側では、液相圧力よりも数桁大きい圧力値となるため、凝固界面での圧力不連続は無視できない大きさになりうる。
For example, in the rapid solidification continuous casting machine shown in FIG. 4 where the solidified phase grows on the
また、凝固によって一般に物質密度が変化するのでρL≠ρsであり、式10より、凝固界面において液相と凝固相で速度が不連続にならなければならない。即ち、凝固界面上において、uL≠usである。しかし、従来の連続鋳造の凝固解析では、これら圧力Pと速度uの凝固界面における不連続性を明確に認識して回避対策を講じたものは存在せず、凝固界面において、何らかの誤差を発生させることが避けられなかった。
Further, since the material density generally changes due to solidification, ρ L ≠ ρ s , and from
例えば、同一計算領域の中に液相と凝固相を共存させて有限体積法を用いて流れ場、温度場、並びに、凝固状態場(以下これらを総称して状態場と呼ぶ)を解く手法は、連続鋳造の数値計算にしばしば用いられてきたが、以下の様なモデル誤差発生要因が存在する。 For example, a method for solving a flow field, a temperature field, and a solidification state field (hereinafter collectively referred to as a state field) using a finite volume method with a liquid phase and a solidification phase coexisting in the same calculation region is as follows. Although it has often been used for numerical calculation of continuous casting, there are the following model error generation factors.
第1に、有限体積法で最も多用される、圧力Pと速度uをともに計算セル中心に配置する離散化手法(コローケド法)の場合、凝固界面は、セル境界で定義され、セルの運動方程式を解く際には凝固界面での圧力を補間する必要がある。有限体積法では、この圧力補間値がセル境界の両側セル(それぞれ、液相、凝固相)で共通であるため、前述の凝固界面における圧力不連続性を無視したことになり、大きなモデル誤差が発生する。 First, in the case of the discretization method (coloke method) in which both the pressure P and the velocity u are most frequently used in the finite volume method, the solidification interface is defined at the cell boundary, and the equation of motion of the cell When solving, it is necessary to interpolate the pressure at the solidification interface. In the finite volume method, this pressure interpolation value is common to both side cells (liquid phase and solidification phase, respectively) at the cell boundary, so the pressure discontinuity at the solidification interface is ignored, and a large model error occurs. appear.
第2に、速度uと圧力Pをセルの別々の位置で定義する手法(スタガード法)では、凝固界面上で圧力を補間せず、凝固界面上に速度uを設定する手法であり、凝固界面上で圧力を定義しなくて良いので、圧力不連続の影響は、第1の方法に比べて軽減できる。しかし、この手法では、凝固界面上に分布する速度uの速度差に基づいて働く応力がほとんど無視されるため、この影響によるモデル誤差の発生は避けられない。さらに、この手法では、凝固界面上の速度uを液相と凝固相で共用しなければならないため、凝固による密度変化起因の速度不連続を表現することはできず、モデル誤差が発生する。 Second, the method of defining the velocity u and the pressure P at different positions of the cell (staggered method) is a method of setting the velocity u on the solidification interface without interpolating the pressure on the solidification interface. Since it is not necessary to define the pressure above, the influence of the pressure discontinuity can be reduced as compared with the first method. However, in this method, since the stress acting on the basis of the speed difference of the speed u distributed on the solidification interface is almost ignored, generation of a model error due to this influence is inevitable. Furthermore, in this method, since the velocity u on the solidification interface must be shared by the liquid phase and the solidification phase, the velocity discontinuity due to density change due to solidification cannot be expressed, and a model error occurs.
第3に、凝固モデルとして、凝固相内目標速度ucと任意の圧力損失係数Cuを用いて、凝固相相当の領域にCu・(u − uc)なる体積力を与えて凝固相を表現する手法もしばしば採用されてきた。しかし、この手法では、凝固相内目標速度ucを与える一般的な手法がないため、凝固相内目標速度ucが一定であることが保証されている検討系(例えば、uc=uR)以外の、例えば図4の系では、モデル誤差を評価することさえ不可能である。従って、この手法の適用は妥当ではない。 Third, as a solidification model, a method for expressing a solidification phase by applying a volume force of Cu · (u−uc) to a region corresponding to the solidification phase using a target velocity uc in the solidification phase and an arbitrary pressure loss coefficient Cu. Has often been adopted. However, in this method, since there is no general method for giving the target velocity uc in the solidification phase, a study system other than a study system that guarantees that the target velocity uc in the solidification phase is constant (for example, uc = uR), For example, in the system of FIG. 4, it is not even possible to evaluate the model error. Therefore, the application of this method is not appropriate.
また、同一計算領域の中に液相と凝固相を共存させて有限要素法を用いて状態場を解く手法も同様に繁用される。この手法でも以下の凝固界面における以下のモデル誤差問題が存在する。 Similarly, a method of solving the state field using the finite element method in which the liquid phase and the solidified phase coexist in the same calculation region is also frequently used. This method also has the following model error problem at the following solidification interface.
第1に、有限要素法で高精度として一般に推奨されている、有限要素のノード上で速度uと圧力Pを定義して速度uと圧力Pをともに解く手法(圧力連続型原始関数法)では、凝固界面上に圧力Pを定義するノードが存在し(有限要素法では、凝固界面を一般に有限要素境界に配置するため、凝固界面上にノードが存在することになる)、凝固界面上で液相有限要素と凝固相有限要素が共有するノードを介して、同じ圧力値を共有することになる。この結果、凝固界面における圧力Pの不連続性は無視され、モデル誤差が発生する。具体的には、図4のケースで、本来、凝固相の凝固海面上圧力≫0とならなければならないのに、本手法では、凝固界面の圧力≒0となってしまう問題が発生する。 First, in the method (pressure continuous primitive function method) that defines the velocity u and the pressure P on the node of the finite element and solves both the velocity u and the pressure P, which is generally recommended as high accuracy in the finite element method. , There is a node that defines the pressure P on the solidification interface (in the finite element method, the solidification interface is generally located at the finite element boundary, so there is a node on the solidification interface), and there is a liquid on the solidification interface. The same pressure value is shared through nodes shared by the phase finite element and the solidification phase finite element. As a result, the discontinuity of the pressure P at the solidification interface is ignored and a model error occurs. Specifically, in the case of FIG. 4, the pressure on the solidified sea surface of the solidified phase is supposed to be >> 0, but in this method, the pressure of the solidified interface is approximately zero.
第2に、圧力Pを運動方程式から除去するペナルティ法も適用されることがある。この手法の場合、圧力Pが存在しないので、圧力の不連続性に関する問題は発生しない。しかし、ペナルティ法では、圧力の代わりに運動方程式に導入するペナルティ係数の物理的意味あいが乏しく、かつ、ペナルティ係数値に任意性が強いため、解析結果の妥当性が疑問視される場合が多く、定量的な予測のための数値計算手法としてそもそも基本的なモデル誤差の問題が大きい。 Second, a penalty method that removes the pressure P from the equation of motion may also be applied. In the case of this method, since the pressure P does not exist, the problem regarding the discontinuity of the pressure does not occur. However, in the penalty method, the physical meaning of the penalty coefficient introduced into the equation of motion instead of pressure is poor, and the penalty coefficient value is highly arbitrary, so the validity of the analysis result is often questioned. As a numerical calculation method for quantitative prediction, the problem of basic model error is large in the first place.
第3に、圧力Pを速度uとともに直接解くのではなく、圧力Pのポアソン方程式を別にたて、これを運動方程式と連成して解く分離解法もしばしば用いられる。この手法では、圧力のポアソン方程式を解く段階で隣接有限要素の圧力値が必要であり、凝固界面を挟んだ隣接セル間の離散方程式では、巨大な圧力差を使用しなければならないが、凝固界面におけるこの様な処理は、本来、物理的な意味をもつものではないので(圧力Pのポアソン方程式の導出過程では、暗に、物性値の均一性が仮定されているので)、モデル誤差が発生する問題がある。 Thirdly, a separate solution method is often used in which the pressure P is not directly solved with the velocity u, but the Poisson equation of the pressure P is separated and solved in conjunction with the equation of motion. In this method, the pressure value of the adjacent finite element is required at the stage of solving the Poisson equation of pressure, and in the discrete equation between adjacent cells across the solidification interface, a huge pressure difference must be used. This kind of processing is not intrinsically physical (since the Poisson equation of pressure P is implicitly assumed to be uniform in the physical property value), a model error occurs. There is a problem to do.
さらに、第1から第3の方法は、いずれも、凝固界面上のノードで速度uを共有する手法のため、速度uの不連続性に起因するモデル誤差が必ず発生する。 Furthermore, since all of the first to third methods share the velocity u among the nodes on the solidification interface, a model error due to the discontinuity of the velocity u always occurs.
そこで、第5の発明では、図5に示すように、連続鋳造時に、計算領域を液相計算領域29と凝固相計算領域28に分離し、それぞれの領域で数値計算を行った後、両者を接続して最終的な状態場を探索する。これにより、凝固界面での速度u、圧力Pの不連続性の問題を回避し、かつ、高精度に状態場を予測することができる。
Therefore, in the fifth invention, as shown in FIG. 5, at the time of continuous casting, the calculation area is separated into a liquid
この具体的手順は、次のとおりである。
第1段階として、図5に示す様に、計算領域を、凝固界面を境として、液相計算領域29と凝固相計算領域28に分離し、凝固界面を各計算領域の境界として設定する。
The specific procedure is as follows.
As a first step, as shown in FIG. 5, the calculation region is separated into a liquid
第2段階として、図6に示した凝固相計算領域28での状態場を数値計算する。ここで、流入境界26は、固定であり、境界条件は、次の式13〜式15に示すとおりである。
As the second stage, the state field in the solidification
σ = PmL ・・・[式13]
τ = μL(∂uL"/∂x' + ∂uL'/∂x")|凝固界面 ・・・[式14]
Ts = Tw(um's) ・・・[式15]
σ:凝固界面垂直応力
PmL:凝固界面の液相圧力
τ:凝固界面水平応力
Tw:凝固温度
um':凝固界面垂直方向の速度(凝固速度)
σ = Pm L [Equation 13]
τ = μ L (∂u L "/ ∂x '+ ∂u L ' / ∂x") | solidification interface ... [Formula 14]
T s = Tw (um ′ s ) (Equation 15)
σ: Solidification interface vertical stress Pm L : Liquidus pressure at solidification interface τ: Solidification interface horizontal stress Tw: Solidification temperature um ′: Speed in solidification interface vertical direction (solidification rate)
ここで、凝固温度Twは、凝固速度um'の関数としているのは、急冷凝固時には、凝固点降下の影響が無視できないことを反映したものであり、凝固点降下が無視できる場合には、Twを単に、融点に設定しても良い。流出境界25と冷却ロール5との接触面での境界条件、並びに、離散化式等は、従来技術のものを使用すれば良い。例えば、流出境界条件を一定圧力とし、冷却ロール5の表面境界条件を一定温度とし、精度の高い計算方法である、圧力連続型原始関数法を用いた有限要素法を用いれば良い。数値計算の結果、凝固界面での速度(凝固界面垂直方向と水平方向を合成したもの)ums及び熱流束qmsが求められる。
Here, the solidification temperature Tw is a function of the solidification rate um ′, which reflects that the influence of freezing point depression cannot be ignored during rapid solidification. The melting point may be set. As the boundary condition at the contact surface between the
第3段階として、図7に示す液相計算領域での状態場の数値計算を行う。凝固相での状態場計算結果を用いて、流出境界27での境界条件を、次の式16、17の様に与える。
As a third stage, numerical calculation of the state field in the liquid phase calculation region shown in FIG. 7 is performed. Using the state field calculation result in the solidification phase, the boundary condition at the
umL = ρs/ρL・ums ・・・[式16]
qmL = qms −γ・ρL・CpL・um'L ・・・[式17]
γ:凝固潜熱
um L = ρ s / ρ L · um s [Equation 16]
qm L = qm s −γ · ρ L · Cp L · um ′ L (Equation 17)
γ: Solidification latent heat
流入境界条件、冷却ロール5との接触面での境界条件、並びに、離散化式等については、従来の手法をそのまま適用すればよい。例えば、流入境界条件を圧力一定とし、冷却ロール5表面での境界条件として、ロール熱流束分布を指定し、圧力連続型原始関数法を用いた有限要素法を用いれば良い。この様にして数値計算を行った結果の凝固界面温度は、一般に、凝固温度Tw(um's)とは異なり、凝固界面の満たすべき条件を満足しない。
For the inflow boundary condition, the boundary condition on the contact surface with the
そこで、TmL=Tw(um's)となる様に、凝固界面の位置を修正する。凝固界面の修正法には、例えば、ALE法を用いて、凝固界面上のノードの移動方向を主流方向に限定する。図4の系を前提にすると、TmL > Tw(um's)の場合、液相への入熱を増やす方向、即ち、凝固界面長を延長して凝固界面の傾斜をより緩やかにする方向に凝固界面を移動させ、その逆の温度条件の場合には、凝固界面の傾斜をより急になる様に修正することにより、TmL=Tw(um's)を満たす界面位置を見出すことができる。 Therefore, the position of the solidification interface is corrected so that Tm L = Tw (um ′ s ). As a method for correcting the solidification interface, for example, the ALE method is used to limit the moving direction of the node on the solidification interface to the main flow direction. Assuming the system of FIG. 4, when Tm L > Tw (um ′ s ), the direction of increasing heat input to the liquid phase, that is, the direction of extending the solidification interface length to make the solidification interface slope more gentle. In the case of the opposite temperature condition, the interface position satisfying Tm L = Tw (um ′ s ) can be found by correcting the solidification interface so that the slope of the solidification interface becomes steeper. it can.
第4段階として、修正された凝固界面をもとに、再び凝固相の数値計算を第2段階と同様に実施し、その結果を用いて、引き続き、第3段階と同様に液相の数値計算を実施する。以上の凝固相と液相の数値計算の繰り返しを、凝固界面位置の修正量が予め定めた許容値以下になるまで繰り返す。この様にして得られた液相及び凝固相の状態場は、与えられた全ての輸送方程式と境界条件を満足しているので、物理的に妥当である。 As the fourth stage, based on the corrected solidification interface, the numerical calculation of the solidified phase is performed again in the same way as in the second stage, and using the result, the numerical calculation of the liquid phase is continued as in the third stage. To implement. The above-described numerical calculation of the solidification phase and the liquid phase is repeated until the correction amount of the solidification interface position is equal to or less than a predetermined allowable value. The state fields of the liquid phase and the solidified phase thus obtained are physically valid because they satisfy all the given transport equations and boundary conditions.
凝固相と液相の数値計算の連携方法として、上記の方法(第1の方法)ではなく、次の第2の方法を用いても良い。上記の第3段階で、凝固相の数値計算結果から求められたqmLを液相数値計算の境界条件として直接用いるのではなく、液相数値計算での凝固界面境界条件を一定温度(Tw)とし、凝固界面で計算される熱流束を目標熱流束qmLとなる様に、凝固界面位置を修正する。 Instead of the above method (first method), the following second method may be used as a cooperation method for numerical calculation of the solidified phase and the liquid phase. In the third stage, qm L obtained from the numerical calculation result of the solidified phase is not directly used as the boundary condition of the liquid phase numerical calculation, but the solidification interface boundary condition in the liquid phase numerical calculation is constant temperature (Tw). And the solidification interface position is corrected so that the heat flux calculated at the solidification interface becomes the target heat flux qm L.
第1の方法と第2の方法で得られる解は一致するが、凝固点降下の大きい系、即ちTw変動の大きい系では、第1の方法の数値安定性がより良く、逆に、Tw変動の小さい系では、第2の方法の安定性が良い傾向がある。 The solutions obtained by the first method and the second method are the same, but in a system with a large freezing point depression, that is, a system with a large Tw variation, the numerical stability of the first method is better. In small systems, the stability of the second method tends to be good.
第5の発明の第1のポイントは、凝固界面での速度u及び圧力Pを、液相数値計算と凝固相数値計算でそれぞれ別の値を使用するので、これらの状態量の凝固界面における不連続性を問題無く表現できる点である。 The first point of the fifth invention is that the velocity u and pressure P at the solidification interface are different values in the liquid phase numerical calculation and the solidification phase numerical calculation, respectively. The point is that continuity can be expressed without problems.
従来の連続鋳造数値計算における凝固界面位置の計算にあたっては、伝熱に関しては、液相と凝固相を同一の計算領域内に設定し(液相と凝固相で別の構成式を用いて、それぞれ別に運動方程式を解く様な場合であっても)、凝固界面位置の探索を、液相と凝固相の周囲全ての温度場を解く過程で求めることが常識であった。 In the calculation of the solidification interface position in the conventional continuous casting numerical calculation, regarding the heat transfer, set the liquid phase and the solidification phase in the same calculation region (use different constitutive equations for the liquid phase and the solidification phase, respectively) It was common knowledge to search for the solidification interface position in the process of solving all the temperature fields around the liquid phase and the solidification phase (even when solving the equation of motion separately).
これに対し、第5の発明の第2のポイントでは、液相数値計算と凝固相数値計算は、互いに独立してなされ、両者の連成は、単に、凝固界面上での速度、熱流束、並びに、凝固界面形状のみを互いにやりとりすれば良く、連成する相手の計算領域の中で必要とする情報量が格段に減少している点で、計算の効率化が図られている。つまり、液相数値計算で凝固界面を探索する際に、凝固相内部の温度場情報は一切必要なく、凝固界面における凝固相側の入出熱及び凝固界面での速度のみ把握できていれば良い。 On the other hand, in the second point of the fifth invention, the liquid phase numerical calculation and the solidification phase numerical calculation are performed independently of each other, and the coupling between them is simply the velocity on the solidification interface, the heat flux, In addition, only the solidification interface shape needs to be exchanged with each other, and calculation efficiency is improved in that the amount of information required in the coupled partner calculation area is significantly reduced. That is, when searching for a solidification interface by liquid phase numerical calculation, there is no need for temperature field information inside the solidification phase, and it is only necessary to know only the heat at the solidification phase side at the solidification interface and the velocity at the solidification interface.
また、本実施形態は、純物質、又は、急冷材を想定して凝固温度を一点の温度としたが、合金等を対象とする場合には、凝固温度に幅を持たせ、半凝固相を用いる一般的なモデルを用いてもかまわない。半凝固相を仮定した場合でも、一般的な物質の場合、粘性が凝固相並に上昇するのは、100%に近い凝固率の場合に限定されるので、凝固界面を固相率100%の点と置き換えれば、上記の手法をそのまま適用できる。 Further, in the present embodiment, the solidification temperature is set to a single temperature assuming a pure substance or a quenching material. A general model to be used may be used. Even in the case of assuming a semi-solid phase, in the case of a general substance, the viscosity rises to the same level as the solid phase, which is limited to a solidification rate close to 100%. If the point is replaced, the above method can be applied as it is.
メルトスピニングにおいても、帯状物質3には張力が付与され、凝固相の冷却中の収縮に起因する残留応力等の応力が付与される。このためメルトスピニングで、凝固相内流れを一様流とみなすことはできず、図4と同様の凝固界面での圧力P及び速度uの不連続性を回避する手法が必要である。そのための手法の基本的な考え方は、既に述べた、液相と凝固相を分離してそれぞれ、数値計算を行い、両者を連成する方法で対応可能である。但し、メルトスピニングにおいては、自由界面が存在するため、図4の系に加えて、数値計算上の特別の工夫が必要である。
Also in melt spinning, a tension is applied to the band-shaped
図4の系に対してなされた第5の発明の考え方を単純にメルトスピニングに適用した例を図8に示す。
この場合、凝固界面と上流側と下流側の2つの自由表面が接する。原理的には、この界面間接触点の位置を二次元的に移動させながら凝固界面を探索すれば、図4の場合と同様に収束解が得られるはずである。
FIG. 8 shows an example in which the concept of the fifth invention applied to the system of FIG. 4 is simply applied to melt spinning.
In this case, the solidification interface is in contact with the two free surfaces on the upstream side and the downstream side. In principle, if the solidification interface is searched while the position of the contact point between the interfaces is moved two-dimensionally, a converged solution should be obtained as in the case of FIG.
しかし、図8に示す様に、板厚に比べて長大な移動界面が複数接する界面で囲まれた領域の数値計算は極めて不安定になることが知られている。このため、図8の様な系は、解が得られたとしても、膨大な計算時間を必要とするため経済性の観点から適用は困難である。そこで、メルトスピニング用に改良した第5の発明では、図9に示す様に、凝固界面と2つの自由表面の間に、固定境界30をそれぞれ挟み、凝固界面と自由表面を直接接触させないことにより、前記の数値計算不安定性を軽減できる。
However, as shown in FIG. 8, it is known that the numerical calculation of a region surrounded by an interface where a plurality of moving interfaces that are longer than the plate thickness are in contact with each other becomes extremely unstable. For this reason, even if a solution as shown in FIG. 8 is obtained, it is difficult to apply it from the viewpoint of economy because it requires an enormous calculation time. Therefore, in the fifth invention improved for melt spinning, as shown in FIG. 9, the fixed
しかし、凝固界面と上流側自由表面の間に固定境界を設置した場合、この固定境界上でも本来、凝固相が発達するはずであるのに、固定境界自身は変形できないので、凝固界面形状、並びに、板厚の予測に悪影響を与える。そこで、この固定境界と凝固界面を合わせた凝固の発生しうる領域に、次の凝固モデルを使用することにより、この問題を回避する。この凝固モデルでは、凝固界面の形状のみで凝固を表現するのではなく、凝固速度と凝固界面形状を組み合わせて、真の凝固面形状を代用するのである。 However, when a fixed boundary is installed between the solidification interface and the upstream free surface, the solidification phase should originally develop on this fixed boundary, but the fixed boundary itself cannot be deformed. Adversely affects the prediction of sheet thickness. Therefore, this problem is avoided by using the following solidification model in a region where solidification can occur where the fixed boundary and the solidification interface are combined. In this solidification model, solidification is not expressed only by the shape of the solidification interface, but the true solidification surface shape is substituted by combining the solidification speed and the solidification interface shape.
凝固速度は、凝固界面に垂直な速度um'で定義されるが、メルトスピニングでは一般に凝固界面の傾斜が緩やかであるので、凝固界面に垂直な速度um'を冷却ロール半径方向速度vAとみなしても誤差は小さい。そこで、まず、凝固界面に垂直な速度um'を冷却ロール半径方向速度vAとおいて凝固界面勾配の影響を取り除き、勾配0の固定境界でも凝固速度を計算できるようにする。
The solidification speed is defined by a speed um ′ perpendicular to the solidification interface. In melt spinning, since the inclination of the solidification interface is generally gentle, the speed um ′ perpendicular to the solidification interface is regarded as the cooling roll radial speed vA. However, the error is small. Therefore, first, the speed um ′ perpendicular to the solidification interface is set to the cooling roll radial speed vA to eliminate the influence of the solidification interface gradient so that the solidification speed can be calculated even at a fixed boundary of the
次に、凝固界面での温度条件及び伝熱条件を満たす様に、冷却ロール半径方向速度vAを探索することを考える。満たすべき条件とは、次の式18、式19である。
TmL = Tw(vA) ・・・[式18]
qmL = qms −γ・ρL・CpL・vA ・・・[式19]
Next, consider searching for the cooling roll radial velocity vA so as to satisfy the temperature condition and the heat transfer condition at the solidification interface. The conditions to be satisfied are the following
Tm L = Tw (vA) (Equation 18)
qm L = qm s -γ · ρ L · Cp L · vA [Equation 19]
ここで、ある凝固界面区間Δxで冷却ロール半径方向速度vAによって増大した凝固相厚Δhは、以下の式20で表される。
Δh = vA/umrL・Δx ・・・[式20]
umrL:凝固界面速度の冷却ロール平行成分
Here, the solidification phase thickness Δh increased by the cooling roll radial speed vA in a certain solidification interface section Δx is expressed by the following
Δh = vA / umr L · Δx (Equation 20)
umr L : Cooling roll parallel component of solidification interface velocity
一方、凝固界面速度は、umrLとみなすことができるので、凝固界面にはこの速度も境界条件として与える。前述の様に、凝固界面が平坦な場合には、Δhは冷却ロール半径方向速度vAのみで表現され、逆に、真の凝固界面に対しては、vA=0となるはずである。なぜならば、umrLの凝固界面垂直方向成分が凝固速度と一致するため、この界面上で新たに冷却ロール半径方向速度vAを付与する余地はないからである。 On the other hand, since the solidification interface speed can be regarded as umr L , this speed is also given as a boundary condition to the solidification interface. As described above, when the solidification interface is flat, Δh is expressed only by the cooling roll radial velocity vA, and vA = 0 should be true for the true solidification interface. This is because the solidification interface vertical direction component of umr L coincides with the solidification speed, and there is no room for newly giving the cooling roll radial speed vA on this interface.
従って、凝固界面に沿った下流の特定区間iでの板厚は、次の式21で一般化できる。
hi = hi-1 + dhm/dx・Δxi
+ vA/umrL・Δxi ・・・[式21]
hm:凝固界面高さ
Δxi:区間iの区間長
Therefore, the plate thickness in the specific section i downstream along the solidification interface can be generalized by the following equation (21).
h i = h i-1 + dhm / dx · Δx i
+ VA / umr L · Δx i [Equation 21]
hm: Solidification interface height Δxi: Section length of section i
ところで、凝固界面の全区間でhm=0とし、冷却ロール半径方向速度vAのみで板厚を表現することも原理的には考えられる。しかし、この手法には、次の欠点が存在する。即ち、下流側自由界面高さhfの変化は、少なくとも、その最下流部では、次の式22のオーダになる。
dhf/dx ≒ vA/umr ・・・[式22]
By the way, it is possible in principle to express the plate thickness only by the cooling roll radial velocity vA with hm = 0 in the entire section of the solidification interface. However, this method has the following drawbacks. That is, the change in the downstream free interface height hf is in the order of the following
dhf / dx≈vA / umr (Equation 22)
従って、冷却ロール半径方向速度vAがx方向に急変した場合、下流側自由界面高さhfも急変する。しかし、冷却ロール半径方向速度vAによる凝固速度の表現は、本来、凝固界面高さhmの変化を模擬したものであり、凝固界面高さhmが急変しても下流側自由界面高さhfが急変する必要なない。従って、冷却ロール半径方向速度vAの急変による下流側自由界面高さhfの急変は、物理的に不合理であるとともに、下流側自由界面高さhfの急変部では表面張力の効果によって、内部圧力も急変するため、この部位での流れ場の計算安定性を著しく阻害する。 Therefore, when the cooling roll radial velocity vA suddenly changes in the x direction, the downstream free interface height hf also changes abruptly. However, the expression of the solidification speed based on the cooling roll radial speed vA originally simulates the change in the solidification interface height hm, and even if the solidification interface height hm changes suddenly, the downstream free interface height hf changes suddenly. There is no need to do. Therefore, the sudden change in the downstream free interface height hf due to the sudden change in the cooling roll radial velocity vA is physically unreasonable, and at the sudden change portion of the downstream free interface height hf, the internal pressure Also drastically hinders the computational stability of the flow field at this site.
従って、凝固界面と下流側自由界面の近接するパドル1の下流領域では、冷却ロール半径方向速度vAによる凝固速度の表現を使用せず、凝固界面高さhmの変化による表現を用いるべきである。前述の様に、上流側自由界面近傍での固定境界上では、冷却ロール半径方向速度vAによる凝固速度の表現が不可欠であるので、凝固速度の表現は、冷却ロール半径方向速度vAによるものと凝固界面高さ変化によるものを併用する必要がある。
Therefore, in the downstream region of the
また、冷却ロール半径方向速度vAを用いずに、(dhm/dx)のみで凝固速度を表現するための方法は、次の手順である。 Further, the method for expressing the solidification rate only by (dhm / dx) without using the cooling roll radial direction velocity vA is the following procedure.
第1段階として、2つの自由界面位置及び自由界面上速度を固定する。第2段階として、この時点での凝固界面高さhm分布を前提に、式18及び式17を満たす様に、冷却ロール半径方向速度vA分布を求める。第3段階として、当該区間で冷却ロール半径方向速度vA=0となる様に、式21を用いて、凝固界面高さhm分布を修正する。第4段階として、冷却ロール半径方向速度vAと凝固界面高さhm分布を固定したうえで、2つの自由界面の拘束を解除し、自由界面位置を含めたパドル内流れ場を計算する。以上の4段階を繰り返すことにより、複数の自由界面を有する状態場であても、安定して収束解を得ることができる。
As a first step, the two free interface positions and the velocity on the free interface are fixed. As a second stage, on the premise of the solidification interface height hm distribution at this time, the cooling roll radial velocity vA distribution is obtained so as to satisfy
次に、凝固界面と下流側自由界面の間の固定境界の取り扱いについて説明する。
流出境界には、この位置に対応する流出速度umrLを境界条件として与える。この固定境界は、凝固界面と自由界面の接触部を代用するものなので、本来、凝固界面と自由界面が充分接近した位置に固定境界は設定されるべきである。しかし、下流側のどこで凝固界面と自由界面が充分接近するのかを予め知ることは困難である。そこで、この固定境界を充分下流に設定し、この境界の上流で凝固界面と自由界面が所定値以内に接近した場合、それより下流での凝固界面及び自由界面の高さを固定することにする。この凝固界面と自由界面が所定値以内に接近した位置から固定境界までの領域をパドル流出領域31と呼ぶ。
Next, the handling of the fixed boundary between the solidification interface and the downstream free interface will be described.
An outflow velocity umr L corresponding to this position is given to the outflow boundary as a boundary condition. Since this fixed boundary substitutes the contact portion between the solidification interface and the free interface, the fixed boundary should be set at a position where the solidification interface and the free interface are sufficiently close. However, it is difficult to know in advance where the solidification interface and the free interface are close enough on the downstream side. Therefore, this fixed boundary is set sufficiently downstream, and when the solidification interface and the free interface approach within a predetermined value upstream of this boundary, the height of the solidification interface and free interface downstream is fixed. . A region from a position where the solidification interface and the free interface approach within a predetermined value to a fixed boundary is referred to as a
パドル流出領域内では、流れはほぼ一様になるので、この領域の上流端では、固定境界の流出速度umrLの平均速度が付与されることになる。また、自由界面の高さが固定されているので、この領域内部の圧力場は、自由界面曲率とは無関係になるので、流出速度に対応した、負圧も表現できる。但し、この領域では、凝固界面高さを固定しているため、ここでの温度場は、物理的意味のあるものではない。即ち、パドル流出領域は、数値計算作業性の便宜上設定されたものであり、物理的意味の存在する領域上流端での状態場を適切に表現するためのものである。 Since the flow is substantially uniform in the paddle outflow region, an average velocity of the fixed boundary outflow velocity umr L is given to the upstream end of this region. In addition, since the free interface height is fixed, the pressure field inside this region is independent of the free interface curvature, so that negative pressure corresponding to the outflow velocity can also be expressed. However, in this region, since the solidification interface height is fixed, the temperature field here is not physically meaningful. In other words, the paddle outflow area is set for the convenience of numerical calculation work and is used to appropriately represent the state field at the upstream end of the area where the physical meaning exists.
以上のモデル化により、凝固界面に付与される熱流束qms及び流出速度umrLが与えられれば、メルトスピニング液相での状態場を数値計算により解くことができる。他の境界条件や、離散化手法、数値解法については、伝統的な手法を用いればよい。例えば、流入境界条件を圧力及び温度一定条件とし、ノズル内壁面境界条件を速度=0、かつ、断熱条件とし、自由表面での境界条件を温度場に関しては断熱条件、流れ場に関しては、次の条件式23を用いる。
If the heat flux qms and the outflow velocity umr L applied to the solidification interface are given by the above modeling, the state field in the melt spinning liquid phase can be solved by numerical calculation. For other boundary conditions, discretization methods, and numerical solutions, traditional methods may be used. For example, the inflow boundary condition is a pressure and temperature constant condition, the nozzle inner wall boundary condition is speed = 0 and the adiabatic condition, and the boundary condition at the free surface is the adiabatic condition for the temperature field and the following for the flow field:
P = 2・σ/R ・・・[式23]
σ:表面張力
R:自由表面の曲率半径
また、数値解法には、有限要素法を用い、自由界面の位置探索にはALE法等を用いれば良い。
P = 2 · σ / R (Equation 23)
σ: Surface tension R: Radius of curvature of free surface Further, the finite element method may be used for the numerical solution, and the ALE method or the like may be used for searching the position of the free interface.
次に、凝固相の状態場を解く。
図10の様な系を設定する。流入境界の形状は、式21を用いて凝固速度を全て凝固界面高さhmで表した場合の凝固界面高さhm分布で与える。但し、パドル流出領域の凝固界面位置に物理的妥当性はないので、物理的な意味を有する、パドル流出領域上流端を凝固界面に接続する固定境界とみなす。凝固相の計算においては、凝固界面の位置を常に固定し、液相数値計算で求められた凝固界面上の圧力分布をこれに対応する位置の凝固相凝固界面での流入条件として用いる。
Next, the state field of the solidification phase is solved.
A system as shown in FIG. 10 is set. The shape of the inflow boundary is given by a solidification interface height hm distribution when all solidification rates are expressed by solidification interface height
メルトスピニングで凝固相に加えられる主要な応力は、巻き取り機11との間に働く張力なので、流出境界には張力に対応する境界面垂直応力を与える。図10の下端境界は、冷却ロール5の付着部に対応する凝固相ロール境界32と自由表面に対応する凝固相自由境界33に分割され、凝固相ロール境界での境界条件を一定速度(冷却ロール周速)及び、冷却ロール抜熱流束として与え、凝固相自由境界での境界条件を断熱条件及び式23で与える。
The main stress applied to the solidification phase by melt spinning is the tension acting between the
図10上端の境界は、自由表面に対応する凝固相自由境界とし、断熱条件及び式23で与える。以上の境界条件前提で、凝固相の状態場を伝統的な数値計算手法、例えば、ALE法を用いた有限要素法で解くと、板厚(流出境界での上端境界の高さ)、凝固界面での熱流束qms、並びに、凝固界面速度umsを求めることができる。
The boundary at the upper end of FIG. 10 is a solidified phase free boundary corresponding to the free surface, and is given by the adiabatic condition and
ここで求められた凝固界面での熱流束qmsと凝固界面速度umsは、凝固相での数値計算前に用いた液相凝固界面での熱流束と凝固界面速度(実際には、umr=ρs/ρL・umsとして使用)とは、一般に一致しない。そこで、更新された熱流束qmsと凝固界面速度umsを用いて再度、液相数値計算を実施する。以上のプロセスを熱流束qmsと凝固界面速度umsが変化しなくなるまで繰り返すと、液相と凝固相を含めたパドル全域での最終的な状態量場を得ることができる。 The heat flux qm s and the solidification interface velocity um s obtained here are the heat flux and solidification interface velocity at the liquid phase solidification interface used before the numerical calculation in the solidification phase (actually, umr = generally used as ρ s / ρ L · um s ). Accordingly, again using the and updated heat flux qm s solidification interface velocity um s, implementing the liquid phase numerical calculation. By repeating the above process until the heat flux qm s and the solidification interface velocity um s do not change, the final state quantity field in the entire paddle including the liquid phase and the solidification phase can be obtained.
ところで、メルトスピニングの場合、2つの自由界面位置が計算中に変動するため、収束解を得るのに必要な凝固相−液相間の連携計算の繰り返し回数は、図4の系の場合と比較して格段に多い。そこで、凝固相の変形が比較的小さい場合に限定して適用可能な、上記のモデルを簡略化した数値計算手法について説明する。 By the way, in the case of melt spinning, since the two free interface positions fluctuate during the calculation, the number of repetitions of the coagulation calculation between the solidification phase and the liquid phase necessary for obtaining the convergent solution is compared with the case of the system of FIG. And there are much more. Therefore, a numerical calculation method obtained by simplifying the above model, which can be applied only when the deformation of the solidified phase is relatively small, will be described.
メルトスピニングでは、一般にパドル長に比べて板厚が十分小さく、板厚方向の状態量変化率は、冷却ロール周速方向の状態量変化率に比べて格段に大きい。また、凝固相での変形が小さい場合には、凝固相の速度を一様に冷却ロール周速uRとみなしても誤差は小さい。 In melt spinning, generally, the plate thickness is sufficiently smaller than the paddle length, and the state quantity change rate in the plate thickness direction is much larger than the state quantity change rate in the cooling roll circumferential speed direction. If the deformation in the solidified phase is small, the error is small even if the speed of the solidified phase is regarded as the cooling roll peripheral speed uR.
ここで、冷却ロールと共に移動するラグランジェ座標系上でパドルの特定断面での凝固相状態量の時間変化を考える。このとき、凝固相は、ラグランジェ座標系上で静止しているので、連続の式と運動方程式を無条件に満たし、また、冷却ロール周速方向の状態量変化は、板厚方向の状態量変化に比べて無視できる。その結果、凝固相の状態量場は、凝固を考慮した、板厚方向一次元非定常熱伝導問題(ステファン問題)に単純化できる。 Here, a time change of the solid phase state quantity in a specific cross section of the paddle on the Lagrangian coordinate system moving with the cooling roll is considered. At this time, since the solidification phase is stationary on the Lagrangian coordinate system, the continuous equation and the equation of motion are unconditionally satisfied, and the state quantity change in the circumferential direction of the cooling roll is the state quantity in the plate thickness direction. It can be ignored compared to changes. As a result, the state quantity field of the solidified phase can be simplified to a one-dimensional unsteady heat conduction problem (stefan problem) in the thickness direction in consideration of solidification.
従来技術でもパドル断面をステファン問題とみなす計算手法は存在したが、凝固相と液相をともに含んだ計算領域を設定していたため、凝固相の温度場を求めるためには、液相内での温度分布の情報が不可欠であった。しかし、メルトスピニングの液相は、一様流速ではないのでステファン問題とみなすことには無理があり、従来技術でのモデル誤差は大きくならざるをえなかった。 Even in the prior art, there was a calculation method that considered the paddle cross section as a Stefan problem, but since a calculation region including both the solidified phase and the liquid phase was set, in order to obtain the temperature field of the solidified phase, Information on temperature distribution was essential. However, since the liquid phase of melt spinning is not a uniform flow rate, it is impossible to consider it as a Stefan problem, and the model error in the prior art has to be large.
本発明では、一様流速であることが保証されている凝固相のみに対してステファン問題を適用し、液相の影響は、単に、凝固相厚及び凝固界面における凝固速度のみで表現することにより、予測の困難な液相内温度分布を仮定することによるモデル誤差を回避することができる。 In the present invention, the Stefan problem is applied only to the solidification phase that is guaranteed to have a uniform flow rate, and the influence of the liquid phase is expressed simply by the solidification phase thickness and the solidification rate at the solidification interface. Therefore, it is possible to avoid a model error caused by assuming a temperature distribution in the liquid phase that is difficult to predict.
凝固相温度場は、次の式24を解いて求める。
dTs/dt = κ・(d2Ts/dy2) ・・・[式24]
t:時刻
κ:温度伝導率
y:ラグランジェ座標系上での板厚方向位置
The solidification phase temperature field is obtained by solving the following
dT s / dt = κ · (d 2 T s / dy 2 ) (Equation 24)
t: Time κ: Temperature conductivity y: Plate thickness direction position on Lagrange coordinate system
また、境界条件は、以下の式25及び式26のとおりである。
Ts = TR 冷却ロール表面(y=0) ・・・[式25]
Ts = Tw(vA) 凝固界面(y=hm) ・・・[式26]
TR:冷却ロール表面温度
Further, the boundary conditions are as shown in
T s = T R cooling roll surface (y = 0) ··· [Equation 25]
T s = Tw (vA) Solidification interface (y = hm) (Equation 26)
T R : Cooling roll surface temperature
境界条件に、冷却ロール5の表面熱抵抗の影響を含めても良い。冷却ロール表面温度TRは、冷却ロール5と凝固相を連成して解いて求めても良いし、凝固相に比べて冷却ロール5の熱伝導率が充分大きい場合には、冷却ロール表面温度TRを冷却ロール初期温度(一定値)としても大きなモデル誤差にはならない。上式で、凝固速度vAは、dhm/dxの影響も含めた総合的な凝固速度を表し、凝固界面高さhmは、液相数値解析結果から与えられる。
The boundary condition may include the influence of the surface thermal resistance of the
一方、式24を解いて得られたTsを用いて、次の式27から液相数値解析で必要になる凝固相熱流速目標値qLを与えることができる。
qL = ks(dTs/dy)|y=hm − ρCpvA ・・・[式27]
ks:凝固相熱伝導率
On the other hand, by using Ts obtained by solving the
q L = k s (dT s / dy) | y = hm −ρCpvA [Equation 27]
k s : Solid phase thermal conductivity
以上の手法を用いると、凝固相の(多次元)数値計算を行うことなしにパドル1内の状態場を求めることができ、計算負荷を大幅に節約することができる。また、温度場計算をステファン問題として解き、板厚への影響の大きい凝固相流れ場についてのみ、凝固相の多次元数値解析を行い、流体数値計算で用いるumrを与えてもよい。
When the above method is used, the state field in the
式24の解法には、数値計算を用いることもできるが、式27の温度勾配を高精度で求めるためには、メッシュ分割を著しく細かく設定する必要があり、計算負荷と計算安定性の点で必ずしも有利とはいえない。そこで、凝固相凝固界面での温度勾配の解析解を与える以下の手法を用いる。
Numerical calculation can be used for solving the
凝固相中で物性が一様で、凝固界面高さhmが常に一定の場合、次の式28の定常解となる。
Ts=(Tm − TR)・y/hm ・・・[式28]
When the physical properties are uniform in the solidification phase and the solidification interface height hm is always constant, the following
T s = (Tm−T R ) · y / hm (Equation 28)
式28でのTs分布をTs0とおく。このときの凝固相凝固界面温度勾配は、次の式29のとおりである。
(dTs/dy)|y=hm = (Tm − TR)/hm ・・・[式29]
Let T s distribution in
(DT s / dy) | y = hm = (Tm−TR) / hm (Equation 29)
また、式24はTについて線形なので、Ts = Ts0 + Ts'とおいて式24に代入すると、次の式20に示す偏差温度Ts'のみの熱伝導方程式が得られる。
dTs'/dt = κ・(d2Ts'/dy2) ・・・[式30]
Further, since
dT s ′ / dt = κ · (d 2 T s ′ / dy 2 ) (Equation 30)
また、境界条件は、次の式31及び式32で示される。
Ts' = 0 y=0 ・・・[式31]
Ts' = 0 y=hm ・・・[式32]
The boundary condition is expressed by the following
T s ′ = 0 y = 0 (Equation 31)
T s ′ = 0 y = hm (Equation 32)
いま任意のyの点yi(0≦yi≦hm)で任意温度偏差Ts'i0を与え、図11の様な直線温度分布を与えたとき(この温度分布をTs'iとおく)、式30はTに対して線形であり、かつ、Ts'iは、式31、式30の境界条件を満足するので、次の式33及び式34のように表せる。
Ts' = Ts'i + Ts" ・・・[式33]
初期条件:Ts'|t=0 = Ts'i|t=0 + Ts"|t=0 ・・・[式34]
When an arbitrary temperature deviation T s 'i0 is given at an arbitrary y point yi (0 ≦ yi ≦ hm) and a linear temperature distribution as shown in FIG. 11 is given (this temperature distribution is denoted as T s ' i). Since
Ts '= T s' i + Ts "··· [ formula 33]
Initial conditions: Ts '| t = 0 = T s' i | t = 0 + Ts "| t = 0 ··· [ formula 34]
Ts'i、Ts"で別々に熱伝導方程式を解き、それらの解の温度を足し合わせたものは、式30を解いて得た温度解に一致する。従って、Ts'|t=0を複数の互いに異なるyの点でのTs'i|t=0を加算して近似し、個々のTs'iの熱伝導方程式を解いた後、これらの解の温度を加算すれば、Ts'の近似解を得たことになる。
Solving the heat conduction equation separately with T s 'i, Ts "and adding the temperatures of those solutions is the same as the temperature solution obtained by solving
Ts'iの熱伝導方程式には、次の式35の解析解が存在する。
Ts'(y,t) = Σ{2Ts'i0/((nπ)2α(1−α))・sin(αnπ)
・sin(nπy/h)・exp[−(nπ/h)2κt]} ・・・[式35]
There is an analytical solution of the following equation 35 in the heat conduction equation of T s ' i.
Ts '(y, t) = Σ {2T s' i0 / ((nπ) 2 α (1-α)) · sin (αnπ)
Sin (nπy / h) exp [− (nπ / h) 2 κt]} [Expression 35]
ここで、Σは、n=1から∞までの値をとる。また、αは、α=y/hmで定義されるy方向無次元位置である。次に、式35のyに関する微分は、次の式36になる。
dTs'(y,t)/dy = Σ{2Ts'i0/(nπhα(1−α))
・sin(αnπ)・cos(nπy/h)
・exp[−(nπ/h)2κt]} ・・・[式36]
Here, Σ takes values from n = 1 to ∞. Α is a dimensionless position in the y direction defined by α = y / hm. Next, the differentiation of the expression 35 with respect to y becomes the following expression 36.
dTs '(y, t) / dy = Σ {2T s' i0 / (nπhα (1-α))
Sin (αnπ) cos (nπy / h)
Exp [− (nπ / h) 2 κt]} [Equation 36]
従って、y=hmにおける時刻0からte間の平均偏差熱流束qs'aは、次の式37になる。
qs'a = −Σ{2khTs'i0/((nπ)3κα(1−α)te)
・sin(αnπ)・cos(nπ)
・(1−exp[−(nπ/h)2κte])} ・・・[式37]
Therefore, the average deviation heat flux q s ′ a between
q s ' a = -Σ {2 khT s ' i0 / ((nπ) 3 κα (1-α) te)
・ Sin (αnπ) ・ cos (nπ)
(1-exp [-(nπ / h) 2 κte])} [Expression 37]
また、初期温度Ts'は、複数のTs'i0の組合わせで次の式38の様になる。
Ts' = Σ{αi/αj・Ts'i0}
+ Σ{(1−αi)/(1−αj)・Ts'i0} ・・・[式38]
Further, the initial temperature T s ′ is expressed by the following equation 38 by combining a plurality of T s ′
T s '= Σ {αi / αj · T s ' i0}
+ Σ {(1-αi) / (1-αj) · T s ' i0} [Equation 38]
ここで、式38の右辺第1項のΣは、j=iからNまでの総和をとり、右辺第2項のΣは、j=1からi−1までの総和をとる。Nは、近似に用いるTs'iの個数である。N点のTs'初期値を与えて、式38の連立一次方程式を解くと、Ts'i0初期値をTs'初期値の関数で表すことができる。 Here, Σ in the first term on the right side of Equation 38 takes the sum from j = i to N, and Σ in the second term on the right side takes the sum from j = 1 to i−1. N is the number of T s ' i used for approximation. When T s ' initial values at N points are given and the simultaneous linear equations of Equation 38 are solved, T s ' i0 initial values can be expressed as a function of T s ' initial values.
さらに、実際にステファン問題を解く場合には、あるステップでの近似温度分布から次の時間ステップでの温度分布を計算することになるが、このステップ間で凝固界面高さhmが変化するので、特定のαに対するy値が変化する。 Furthermore, when actually solving the Stefan problem, the temperature distribution at the next time step is calculated from the approximate temperature distribution at a certain step, but the solidification interface height hm changes between these steps. The y value for a particular α changes.
そこで、αの値を一定に保つ様に、ステップごとに、温度近似点を変更し、前ステップでのTs'を新たな近似点での値に補間する。また、ステップ内でのhm変化のパターンも予め定める必要がある。この方法では、凝固界面高さhmの変化を次の式39の様において、Ts'iの計算を行う。 Therefore, the temperature approximation point is changed for each step so as to keep the value of α constant, and Ts ′ in the previous step is interpolated to the value at the new approximation point. Also, it is necessary to predetermine a pattern of hm change within the step. In this method, the change of the solidification interface height hm is calculated as T s ′ i in the following equation (39).
また、式35中等のnの最大値は、通常50程度で充分である。なぜならば、これより大きなnが必要なケースは、凝固速度が極めて遅い場合に限られるからである。温度偏差の計算が重要なのは、凝固速度が速く、凝固相内温度分布が定常解から大きく外れる場合であり、凝固速度の遅い場合はそもそも、定常解に近い温度分布になっており、偏差成分の計算が必要ないからである。 In addition, the maximum value of n in Formula 35 and the like is usually about 50. This is because the case where n larger than this is necessary is limited to the case where the solidification rate is extremely low. The calculation of the temperature deviation is important when the solidification rate is fast and the temperature distribution in the solidification phase deviates significantly from the steady solution, and when the solidification rate is slow, the temperature distribution is close to the steady solution in the first place. This is because no calculation is necessary.
以上の偏差温度計算から求めた偏差熱流束qs'aと、式29にkを乗じて得られる平均熱流束を合計して、凝固界面での熱流束qsを求める。尚、以上の計算過程は、全て解析解の組合せで構成されており、数値解析手法を採用した際に発生しがちな、計算安定性や計算負荷の問題を回避することができる。
The deviation heat flux q s ′ a obtained from the above deviation temperature calculation and the average heat flux obtained by multiplying
(実施例1)
図2に示す鋳造機で帯状物質3の製造を行った。
融液貯留器10は、上部開放とし、融液自重によるヘッドで融液噴射圧を与える形式とした。融液2の高さは、融液貯留器10の上端に設置したレーザ式湯面計を用いて測定した。また、一般的なシース熱電対を融液中に設置して流入温度Tinを測定した。また、ロータリエンコーダ式の回転速度計により、速度uRを測定した。また、放射温度計を用いて、巻き取り温度Tcを測定した。また、透過光式間隙計により、間隙Gを測定した。
(Example 1)
The strip-shaped
The
これらの測定結果は、演算装置12にリアルタイムで入力され、演算結果から求めた瞬時の間隙Gの設定値を、リニアガイド式のノズル移動装置に対して出力し、間隙Gの値が所定値となる様、時事刻々、位置修正した。また、帯状物質3として、Ti−48at%Ni合金をを用いた。融液貯留器10外部に設置したヒータにより1350℃に維持された融液2を、内部水冷によって平均温度を常温に維持した純銅製回転冷却ロールの上に12分間噴射して、目標板厚50μm、目標板幅300mm、質量200kgの帯状物質3を連続鋳造した。
These measurement results are input to the
鋳造中は、連続測定した流入温度Tin、間隙G、速度uR、巻き取り温度Tc、及び融液貯留器10内での湯面高さ測定値から算出した流入圧力Pinを用いて、予め求めておいた、鋳造機流量特性関数及びパドル流量特性関数を用いて、瞬時の板厚を算出し、これに、熱膨張量差を補正して(巻き取り機11の張力による板厚偏差は微小であったので、特には補正を実施しなかった)、製品板厚計算値を求めた。流入圧力Pinは、圧力計を設置して測定しても構わない。
During casting, it is obtained in advance by using the inflow temperature Tin, the gap G, the speed uR, the winding temperature Tc, and the inflow pressure Pin calculated from the measured surface height in the
この製品板厚計算値が目標製品板厚と一致する様に、一般的なフィードフォーワード制御を用いて、時事刻々、間隙Gの値を設定した。鋳造機流量特性関数を求める方法には、実機鋳造機で冷却ロール5を用いずに融液の放流を行う実験を複数の融液背圧条件で行い、流量と圧力の関係式を求めた。パドル流量特性関数を求める方法には、圧力損失特性が既知の単純な構造の鋳造機を用いて冷却ロール5上でメルトスピニングによる帯状物質製造実験を複数の板厚影響因子群の組合せで行い、各実験で得られた帯状物質の実測製品板厚を、熱膨張量と巻取り機張力による変化量を補正したパドル出口での板厚に換算し、これら板厚データ群から流量を圧力で表す回帰式を求め、これをパドル流量特性関数とした。得られた製品板厚の目標板厚からの偏差は、平均値で目標製品板厚の1%、標準偏差で0.6%であった。
The value of the gap G was set from time to time using general feedforward control so that the calculated product thickness matches the target product thickness. As a method for obtaining the flow characteristic function of the casting machine, an experiment for discharging the melt without using the
(実施例2)
パドル流量特性関数を求める方法として、数値計算を用いた。数値計算手法としては、パドル1を粘性流体として構成式を与え、凝固相を粘性の高い液相とみなして、連続体の輸送方程式(例えば、前記の非特許文献5)を、有限要素法を用いて解いて流れ場、温度場、並びに、凝固界面位置を求めた。構成式の物性値には、実測値を用いた。境界条件をノズル4の出口、パドル1の下流端の凝固相断面、上流側自由表面、下流側自由表面、並びに、冷却ロール5表面で、速度又は応力条件として与えた。自由表面の計算には、前記ALE法を用いた。液相と凝固相を含めた単一の領域に計算領域を設定し、輸送方程式を液相と凝固相で同時に解いた。
(Example 2)
Numerical calculation was used as a method for obtaining the paddle flow characteristic function. As a numerical calculation method, a constitutive equation is given by using the
凝固界面位置の算出法については、温度場計算で、凝固温度に一致する有限要素を探索し、この一連の有限要素を凝固界面とみなした。これ以外の条件を全て実施例1と同様にして鋳造実験を行なった結果、得られた製品板厚の目標板厚からの偏差は、平均値で目標製品板厚の0.9%、標準偏差で0.5%であった。 Regarding the calculation method of the solidification interface position, a finite element corresponding to the solidification temperature was searched in the temperature field calculation, and this series of finite elements was regarded as the solidification interface. As a result of carrying out a casting experiment in the same manner as in Example 1 except for the other conditions, the deviation of the obtained product plate thickness from the target plate thickness was 0.9% of the target product plate thickness as an average value, and the standard deviation It was 0.5%.
(実施例3)
パドル流量特性関数を求める方法として、数値計算を用いた。
数値計算手法としては、パドル1を図9に示す液相計算領域、及び図10に示す凝固相計算領域に分割し、それぞれ独立に数値計算を行った。液相計算領域では粘性流体、凝固相計算領域では粘塑性体として構成式を与えた連続体の輸送方程式(例えば、前記の非特許文献5)を、有限要素法を用いて解いて流れ場、温度場、並びに、凝固界面位置を求めた。液相計算領域での境界条件を、ノズル4の出口、凝固界面、上流側自由表面、下流側自由表面、並びに、冷却ロール5の表面とし、速度又は応力条件として与えた。また、液相計算領域での境界条件を、凝固界面、パドル下流端の凝固相断面、下流側自由表面、並びに、冷却ロール表面とし、速度又は応力条件として与えた。
(Example 3)
Numerical calculation was used as a method for obtaining the paddle flow characteristic function.
As a numerical calculation method, the
自由表面の計算には、前記ALE法を用いた。そして、数値計算を以下の手順で行った。第1段階として、式13、式12の境界条件のもとに、凝固相計算領域での状態場を計算した。第2段階として、式16、式15の境界条件のもとに、液相計算領域での状態場を計算し、凝固界面での温度が凝固温度となる様に前記の手法を用いて凝固界面位置を修正した。第3段階として、再び、凝固相の計算と液相の計算を交互に行い、状態場の収束解を得た。これ以外の条件を全て実施例1と同様にして鋳造実験を行なった結果、得られた製品板厚の目標板厚からの偏差は、平均値で目標製品板厚の0.8%、標準偏差で0.45%であった。
The ALE method was used for calculation of the free surface. The numerical calculation was performed according to the following procedure. As a first step, the state field in the solidification phase calculation region was calculated under the boundary conditions of
(比較例1)
実施例1の鋳造機で冷却ロール5と巻き取り機11の中間にγ線型板厚計を設置し、その測定板厚をもとに、間隙Gの値をPIDフィードバック制御により修正し、これ以外の製造条件を全て実施例1と同様にして、帯状物質3を鋳造した。複数回の鋳造を行い、PID制御の各ゲインを最適に調整した結果、最良の鋳造での製品板厚の目標板厚からの偏差は、平均値で目標製品板厚の1.2%、標準偏差で2%であった。
(Comparative Example 1)
In the casting machine of Example 1, a γ-ray thickness gauge is installed between the cooling
従って、本発明は、従来技術よりも高精度に板厚を制御することができること実証することができた。 Therefore, the present invention was able to demonstrate that the plate thickness can be controlled with higher accuracy than the prior art.
1 パドル
2 融液(又は、液相)
3 帯状物質(又は、凝固相)
4 ノズル
5 冷却ロール
6 流入境界
7 凝固界面
8 上流側自由表面
9 下流側自由表面
10 融液貯留器
11 巻き取り機
12 演算装置
13 冷却ロールモータ
14 巻き取り機モータ
15 加圧装置
16 昇降装置
17 冷却ロール冷却装置
18 間隙計
19 冷却ロール周速計
20 流入温度計
21 流入圧力計
22 巻き取り温度計
23 板厚計
24 自由スリップ境界
25 流出境界
26 凝固相側凝固界面(又は、流入境界)
27 液相側凝固界面(又は、流出境界)
28 凝固相計算領域
29 液相計算領域
30 固定境界(又は、流出境界)
31 パドル流出領域
32 凝固相ロール境界
33 凝固相自由境界
34 加熱器
1
3 Band-shaped substance (or solidification phase)
4
27 Liquid phase side solidification interface (or outflow boundary)
28 Solidification
31
Claims (5)
前記帯状物質の板厚影響因子である、前記ノズルの流出口と前記冷却ロールとの間の間隙、前記ノズルでの融液圧力、前記ノズルでの融液温度、前記冷却ロールの周速、及び、前記冷却ロールの冷却特性値を連続鋳造中に連続して測定し、当該測定値を入力値として所定の関数により、前記パドルの下流端での前記帯状物質の板厚を演算する演算工程と、
前記帯状物質の製品板厚の目標値を、前記帯状物質の熱膨張係数、又は当該熱膨張係数及び前記帯状物質にかかる張力を用いた所定の関数によって板厚減少量を算出し、前記板厚減少量を前記帯状物質の製品板厚の目標値に減算することによって、前記パドルの下流端での前記帯状物質の板厚の目標値に換算する換算工程とを有し、
前記演算工程で演算された前記パドルの下流端での前記帯状物質の板厚が、前記換算工程における換算後の板厚の目標値となるように、前記板厚影響因子から選ばれる1種又は2種以上を調整して、フィードフォワード制御することを特徴とするメルトスピニング法を用いた連続鋳造による帯状物質の製造方法。 The melt continuously ejected from the nozzle of the casting machine onto the rotating cooling roll forms a paddle on the surface of the cooling roll, and the melt in the paddle is solidified by contact cooling with the cooling roll. In the method for producing a strip material by continuous casting using a melt spinning method that continuously forms a solid strip material while moving with the cooling roll,
The strip thickness affecting factor of the belt-shaped substance, the gap between the outlet of the nozzle and the cooling roll, the melt pressure at the nozzle, the melt temperature at the nozzle, the peripheral speed of the cooling roll, and A calculation step of continuously measuring the cooling characteristic value of the cooling roll during continuous casting, and calculating the thickness of the strip material at the downstream end of the paddle according to a predetermined function using the measured value as an input value; ,
The target value of the product thickness of the strip material is calculated by calculating the plate thickness reduction amount by a predetermined function using the thermal expansion coefficient of the strip material or the thermal expansion coefficient and the tension applied to the strip material, A conversion step of subtracting the amount of reduction from the target value of the product thickness of the strip material to the target value of the thickness of the strip material at the downstream end of the paddle,
One or more kinds selected from the plate thickness influencing factors so that the plate thickness of the strip material at the downstream end of the paddle calculated in the calculation step becomes a target value of the plate thickness after conversion in the conversion step A method for producing a strip-like material by continuous casting using a melt spinning method, wherein two or more kinds are adjusted and feedforward control is performed.
前記帯状物質の板厚影響因子である、前記ノズルの流出口と前記冷却ロールとの間の間隙、前記ノズルでの融液圧力、前記ノズルでの融液温度、前記冷却ロールの周速、及び、前記冷却ロールの冷却特性値を連続鋳造中に連続して測定し、当該測定値を入力値として所定の関数により、前記パドルの下流端での前記帯状物質の板厚を演算する演算工程と、
前記帯状物質の製品板厚の目標値を、前記帯状物質の熱膨張係数、又は当該熱膨張係数及び前記帯状物質にかかる張力を用いた所定の関数によって板厚減少量を算出し、前記板厚減少量を前記帯状物質の製品板厚の目標値に減算することによって、前記パドルの下流端での前記帯状物質の板厚の目標値に換算する換算工程とを有し、
前記演算工程で演算された前記パドルの下流端での前記帯状物質の板厚と、計器により測定された前記帯状物質の板厚との差が所定の目標範囲以内となるように、前記板厚影響因子から選ばれる1種又は2種以上を調整して、フィードバック制御することを特徴とするメルトスピニング法を用いた連続鋳造による帯状物質の製造方法。 The melt continuously ejected from the nozzle of the casting machine onto the rotating cooling roll forms a paddle on the surface of the cooling roll, and the melt in the paddle is solidified by contact cooling with the cooling roll. In the method for producing a strip material by continuous casting using a melt spinning method that continuously forms a solid strip material while moving with the cooling roll,
The strip thickness affecting factor of the belt-shaped substance, the gap between the outlet of the nozzle and the cooling roll, the melt pressure at the nozzle, the melt temperature at the nozzle, the peripheral speed of the cooling roll, and A calculation step of continuously measuring the cooling characteristic value of the cooling roll during continuous casting, and calculating the thickness of the strip material at the downstream end of the paddle according to a predetermined function using the measured value as an input value; ,
The target value of the product thickness of the strip material is calculated by calculating the plate thickness reduction amount by a predetermined function using the thermal expansion coefficient of the strip material or the thermal expansion coefficient and the tension applied to the strip material, A conversion step of subtracting the amount of reduction from the target value of the product thickness of the strip material to the target value of the thickness of the strip material at the downstream end of the paddle,
The plate thickness so that the difference between the plate thickness of the strip material at the downstream end of the paddle calculated in the calculation step and the plate thickness of the strip material measured by a meter is within a predetermined target range. A method for producing a strip-like material by continuous casting using a melt spinning method, wherein one or more selected from influential factors are adjusted and feedback controlled.
前記板厚影響因子である前記ノズルでの融液圧力、及びこれ以外の前記板厚影響因子から選択される1種又は2種以上の組合せの板厚影響因子を用いて、次の式、
融液流量鋳造機=関数鋳造機(ノズルでの融液圧力,他の板厚影響因子)
融液流量パドル=関数パドル(ノズルでの融液圧力,他の板厚影響因子)
(ここで、「関数 鋳造機 」は、「ノズルでの融液圧力」及び「他の板厚影響因子」(複数の場合もありえる)を独立変数とし、ノズルでの融液の流量「融液流量 鋳造機 」を表す関数であり、また、「関数 パドル 」は、「ノズルでの融液圧力」及び「他の板厚影響因子」(複数の場合もありえる)を独立変数とし、ノズルでの融液の流量「融液流量 パドル 」を表す関数である。上記関係式を、それぞれ、鋳造機側の流量特性関数、パドルの流量特性関数と称する。)
において、それぞれ独立に表現される前記鋳造機側の流量特性関数及び前記パドルの流量特性関数を用いるとともに、前記板厚影響因子の入力値における特定の組合せに対して、前記鋳造機側の流量特性関数値と前記パドルの流量特性関数値とが一致するときの融液流量を、前記板厚影響因子群の組合せにおける融液流量とし、当該板厚影響因子群の組合せにおける前記融液流量から前記パドルの下流端における板厚を算出する関数を用いることを特徴とする請求項1又は2に記載のメルトスピニング法を用いた連続鋳造による帯状物質の製造方法。 As the predetermined function used when calculating the plate thickness of the strip material at the downstream end of the paddle in the calculation step,
Using the thickness influence factor of the 1 type or 2 or more types of combination selected from the melt pressure in the nozzle which is the thickness influence factor, and the other thickness influence factors other than this, the following formula,
Melt flow casting machine = function casting machine (melt pressure at nozzle, other factors affecting plate thickness)
Melt flow rate paddle = Function paddle (melt pressure at nozzle, other factors affecting plate thickness)
(Here, the “function casting machine ” uses “melt pressure at the nozzle” and “other thickness influencing factors” (may be plural) as independent variables, and the flow rate of the melt at the nozzle “melt The “function paddle ” is a function that represents “ flow casting machine ”, and “melt pressure at the nozzle” and “other plate thickness influencing factors” (which may be plural) are independent variables. (This is a function representing the melt flow rate “melt flow rate paddle. ” The above relational expressions are referred to as a flow rate characteristic function on the casting machine side and a flow rate characteristic function of the paddle, respectively.)
In the casting machine side flow rate function and the paddle flow rate characteristic function expressed independently of each other, and for the specific combination in the input value of the plate thickness influencing factor, the casting machine side flow rate characteristic The melt flow rate when the function value coincides with the flow rate characteristic function value of the paddle is the melt flow rate in the combination of the plate thickness affecting factor groups, and the melt flow rate in the combination of the plate thickness affecting factor groups The method for producing a strip-like material by continuous casting using the melt spinning method according to claim 1 or 2, wherein a function for calculating a plate thickness at the downstream end of the paddle is used.
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