JP5359352B2 - 取鍋ノズル制御方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造工場において、取鍋からタンディッシュへ溶鋼を移す場合のタンディッシュ湯面レベルの制御方法及びシステムに関する。

連続鋳造工場において、取鍋内の溶鋼は取鍋底部に取り付けられたスライディングノズル又はロータリーノズルを介してタンディッシュ内に注入される。タンディッシュの湯面レベル変動は、鋳型（モールド）の湯面レベルに外乱を与える。鋳型（モールド）の湯面レベルが変動すると、溶鋼表面に浮遊しているパウダーが溶鋼中に巻き込まれるので、鋳片の品質に悪影響を及ぼす。したがって、タンディッシュの湯面レベルは極力変動させず、一定のレベルに維持しておく必要がある。タンディッシュの湯面レベルは取鍋底部のノズルの開度を調整することにより制御される。

図６は従来の取鍋ノズルの制御システムを示す。溶鋼は、取鍋１の底部のノズル２を経由してタンディッシュ３に流れていく。ダンディッシュ３にためられた溶綱は、鋳型（モールド）７に供給される。ノズル２の開度はモータ４によってノズル２を開閉方向に移動させることにより調整される。ノズル２の開度はセルシンなどのノズル開度センサ５によって検出される。

ノズル開度調整の目的は、タンディッシュ３内の溶鋼の湯面レベルを制御することにある。実際にはタンディッシュ下部の荷重計６の値を使用し、「タンディッシュの重量実績値」が「タンディッシュの重量目標値」に一致するようにしている。従来のノズル制御システムにおいては、「タンディッシュの重量目標値」と「タンディッシュの重量実績値」の偏差を用い、ＰＩ（比例積分）制御でノズル開度の目標値を決めていた。そして、ノズル開度の目標値とノズル開度センサ５からのノズル開度の信号値とが一致になるように、常にノズル開度の信号値をフィードバックしてノズルを位置決めしていた（特許文献１参照）。

実開平２−１１６５５号公報

しかし、従来のＰＩ（比例積分）制御においては、修正動作を常時行うので、ノズル２の動作回数が多く、ノズル材料である煉瓦の消耗が大きくなり、ランニングコストが大きいという課題があった。

さらに、従来のＰＩ（比例積分）制御においては、ノズルを駆動させるモータにノズル開度センサを取り付け、ノズル開度をフィードバックし、ノズル開度が目標値に一致するようにフィードバック制御している。しかし、例えば１００℃以上の高温雰囲気にノズル開度センサが取り付けられると、ノズル開度センサの耐熱温度が例えば８０〜１００℃程度なので故障が多く発生するという課題がある。センサが故障すると、ノズル開度が目標の開度であるにもかかわらずノズルをさらに全開になるまで開くことになり、タンディッシュから溶鋼がオーバーフローするおそれがある。

そこで本発明は、上記の課題を解決し、ノズル開度センサを使用せずにノズルの動作回数を低減でき、タンディッシュ湯面制御も良好な取鍋ノズル制御方法及びシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、取鍋内の溶鋼を取鍋底部のノズルを介してタンディッシュに供給すると共に、ノズルの開度を調整してタンディッシュの湯面レベルを制御する取鍋ノズル制御方法において、タンディッシュの重量目標値と重量実績値との偏差を一定時間間隔毎に求め、求めた偏差を予め偏差に対して段階的に設定されたノズル位置修正量と比較し、前記偏差が前記重量目標値を中心にした不感帯域に入っているとき、前記ノズルを移動させるモータ駆動装置及びモータに電圧パターンを出力することなく、前記偏差が前記不感帯域を超えて第一の制御領域に入っているとき、第一のノズル位置修正量に予め対応付けられた電圧パターンを前記モータ駆動装置及び前記モータに出力し、前記偏差がさらに大きくなり、前記第一の制御領域を超えて第二の制御領域に入っているとき、前記第一のノズル位置修正量よりも大きな第二のノズル位置修正量に予め対応付けられた電圧パターンを前記モータ駆動装置及び前記モータに出力し、前記モータ駆動装置及び前記モータを駆動する際、前記ノズルの開度を検出するセンサを使用しない取鍋ノズル制御方法である。

本発明の他の態様は、取鍋内の溶鋼を取鍋底部のノズルを介してタンディッシュに供給すると共に、ノズルの開度を調整してタンディッシュの湯面レベルを制御する取鍋ノズル制御システムにおいて、タンディッシュの重量を測定する荷重計と、ノズルを移動させるモータ駆動装置及びモータと、前記モータ駆動装置及びモータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記荷重計が測定した重量に基づいてタンディッシュの重量目標値と重量実績値との偏差を一定時間間隔毎に求め、求めた偏差を予め偏差に対して段階的に設定されたノズル位置修正量と比較し、前記偏差が前記重量目標値を中心にした不感帯域に入っているとき、前記ノズルを移動させるモータ駆動装置及びモータに電圧パターンを出力することなく、前記偏差が前記不感帯域を超えて第一の制御領域に入っているとき、第一のノズル位置修正量に予め対応付けられた電圧パターンを前記モータ駆動装置及び前記モータに出力し、前記偏差がさらに大きくなり、前記第一の制御領域を超えて第二の制御領域に入っているとき、前記第一のノズル位置修正量よりも大きな第二のノズル位置修正量に予め対応付けられた電圧パターンを前記モータ駆動装置及び前記モータに出力し、前記モータ駆動装置及び前記モータを駆動する際、前記ノズルの開度を検出するセンサを使用しない取鍋ノズル制御システムである。

タンディッシュの重量目標値と重量実績値との偏差を一定時間間隔毎に求め、予め偏差に対して段階的に設定されたノズル位置修正量の判断図表から数段階の電圧パターンをモータ駆動装置及びモータに出力することにより、ノズル開度センサを使用せずにノズルの動作回数を低減することができる。

また、偏差を測定する時間間隔や電圧パターンを調整可能にすることにより、システムに応じた最適な湯面制御を実現できる。

本発明の一実施形態の取鍋ノズル制御システムを示す全体図 判断図表を示すグラフ パルス状の電圧パターンを示す図 大型タンディッシュの実施例に使用した判断図表を示すグラフ 小型タンディッシュの実施例に使用した判断図表を示すグラフ 従来の取鍋ノズル制御システムを示す全体図

以下添付図面に基づいて本発明の取鍋ノズル制御システムの一実施形態を詳細に説明する。図１は取鍋ノズル制御システムの全体図を示す。取鍋８からタンディッシュ９に供給される溶鋼の流量は取鍋底部に設けたスライディングノズル１０によって調整される。スライディングノズル１０の開度は、モータ１１によってスライディングノズル１０を開方向又は閉方向にスライドさせることにより調整される。タンディッシュ９の重量は荷重計としてのロードセル１２によって測定される。ロードセル１２が測定した重量信号はモータ１１を制御するための制御装置１４に出力される。制御装置１４は、タンディッシュ９の重量目標値と重量実績値との偏差（「タンディッシュの重量実績値」−「重量目標値」）を一定時間間隔毎に求め、当該偏差に基づいて数段階のノズル位置修正量を出力する。制御装置が偏差を求める時間間隔は、タイマにより調整される。タイマ１７に設定される時間は、タンディッシュ９の湯面レベルを所定の範囲に制御した上で、スライディングノズル１０の動作回数が最低限になるように設定される。

制御装置１４は、偏差が入力されると、数段階のノズル位置修正量を出力する判断図表を持つ。図２に示すように、判断図表の横軸は偏差であり、縦軸はノズル位置修正量である。判断図表の横軸は、重量目標値を中心にした不感帯域（図中ＤからＥまでの領域）、不感帯域の両側の第一の制御領域（図中ＣからＤまでの領域、及びＥからＦまでの領域）、及び第一制御領域の両側の第二の制御領域（図中ＡからＣまでの領域、及びＦからＨまでの領域）に分けられる。これらの領域に対して、ノズル位置修正量が段階的に対応付けられている。すなわち、不感帯域の偏差に対しては、零のノズル位置移動量（図中「停止」）が対応付けられている。一方、第一の制御領域の偏差に対しては、零よりも大きな第一のノズル位置修正量（「図中「閉小」又は「開小」）が対応付けられている。第二の制御領域の偏差に対しては、第一のノズル位置修正量よりも大きな第二のノズル位置修正量（図中「閉大」又は「開大」）が対応付けられている。各制御領域において第一及び第二の制御領域に対応付けられる電圧パターンは前もって決定されている。決定された電圧パターンに基づきノズル開度の修正量も決定されており、それに基づき各制御領域での修正が行われる。すなわち制御装置は、当該偏差に基づいて数段階のモータ駆動電圧パターン（電圧波形）をモータ駆動装置１５及びモータ１１に出力する。その結果、スライディングノズル１０の位置が調整され、スライディングノズル１０が開方向又は閉方向にスライドする。ただし、スライディングノズル１０の磨耗抵抗等により同じ量が修正されるものではない。ノズル開度を検出するセンサが設けられていないからである。

電圧パターンのみでモータ１１を動作させることから、モータ１１及びモータ駆動装置１５は汎用インバータで十分であり、ステッピングシリンダ、ＮＣサーボのような位置制御の特化したものを使用する必要はない。

修正量が大きいときには５秒毎にノズル開度８ｍｍ、修正量が小さいときには５秒毎にノズル開度４ｍｍ等と実験により最適値及び修正間隔（タイマにより設定される時間間隔）が決定される。修正間隔は５〜１５秒の範囲に設定される。モータ駆動装置１５としてのインバータを介してモータ１１の制御が行われるが、５秒未満ではインバータの温度が上昇し破損に繋がる。１５秒を超えると修正間隔が大きすぎ湯面の変動が大となり、起動・停止の頻度が多くなりすぎて、最悪はオーバーフローを引き起こすおそれがある。

スライディングノズル１０を移動させる方向には開方向と閉方向とがあるので、閉方向を「正」に開方向を「負」にとる。タンディッシュの重量実績値が重量目標値よりも大きいときは、スライディングノズル１０を閉方向に移動させ、小さいときは、スライディングノズル１０を開方向に移動させる。

図１に示すように、制御装置１４は、タンディッシュの重量目標値と重量実績値との偏差を一定時間間隔毎に求め、求めた偏差から判断図表１６を用いてノズル位置修正量を段階的に出力する。ノズル位置修正量の計算結果は、予めタイマ１７により設定された一定時間間隔毎にモータ駆動装置１５に送られ、モータ１１を作動させる。なお、判断図表を用いた計算は、電気回路により実現されてもよいし、ソフトウェアにより実現されてもよい。

求めた偏差がＡからＣまでの第二の制御領域に入っているときは、制御装置１４は「開大」のノズル位置修正量を出力し、モータ駆動装置１５に図３の「修正量大」に示すパルス状の電圧パターンを出力する。「修正量大」の電圧パターンは理想的には矩形波であるがインバータの特性から三角波又は台形波になる。電圧パターンはタイマ１７により設定された時間間隔毎、例えば５秒毎に出力される。求めた偏差がＡからＣまでの第二の制御領域から外れたときは、制御装置１４は「修正量大」の電圧パターンを出力するのを停止する。モータ駆動装置１５は「修正量大」の電圧パターンに基づいてモータ１１を作動させる。モータ駆動装置１５に「修正量大」の電圧パターンが１パルス入力されると、モータ１１はスライディングノズル１０を約８ｍｍ開方向に移動させる。モータ１１がする仕事は時間×電圧（面積）により決められる。

求めた偏差がＣからＤまでの第一の制御領域に入っているときは、制御装置１４は「開小」のノズル位置修正量を出力し、モータ駆動装置１５に図３の「修正量小」に示すパルス状の電圧パターンを出力する。「修正量小」の電圧パターンも三角波又は台形波であり、タイマ１７により設定された時間間隔毎、例えば５秒毎にパルス状に出力される。求めた偏差がＣからＤまでの第一の制御領域から外れたときは、制御装置１４は「修正量小」の電圧パターンを出力するのを停止する。モータ駆動装置１５は「修正量小」の電圧パターンに基づいてモータ１１を作動させる。モータ駆動装置１５に「修正量小」の電圧パターンを１パルス入力されると、モータ１１はスライディングノズル１０を約４ｍｍ開方向に移動させる。

求めた偏差がＤからＥの不感帯領域に入っているときは、制御装置１４は「停止」のノズル位置移動量を出力し、モータ駆動装置１５には電圧パターンを与えない。モータ１１はスライディングノズル１０を動作させることはなく、スライディングノズル１０を停止したままにする。

求めた偏差がＥからＦの第一の制御領域に入っているときは、制御装置１４は「閉小」のノズル位置修正量を出力し、モータ駆動装置１５に図３の「修正量小」に示すパルス状の電圧パターンを出力する。モータ駆動装置１５に「修正量小」の電圧パターンが１パルス入力されると、モータ１１はスライディングノズル１０を約４ｍｍ閉方向に移動させる。

求めた偏差がＦからＨの第二の制御領域に入っているときは、制御装置１４は「閉大」のノズル位置修正量を出力し、モータ駆動装置１５に図３の「修正量大」に示すパルス状の電圧パターンを出力する。モータ駆動装置１５に「修正量大」の電圧パターンが１パルス入力されると、モータ１１はスライディングノズル１０を約８ｍｍ閉方向に移動させる。

求めた偏差がＡ以下又はＨ以上のときは、制御装置は制御不能と判断し、スライディングノズル１０を急速に閉じる。

図２に示すように、偏差に対して段階的に設定されたノズル位置修正量に基づいて制御するので、修正ステップを容易に変更可能である。例えばオーバーフローする領域では電圧パターンを修正し、調整量を（８ｍｍ→１２ｍｍ）とすることも可能であり、電圧パターンが容易にプリセットで変更できる。これに対し、従来の比例制御では、図２の直線パターン（符号ａ）のようになる。オーバーフロー防止に対処するためには折れ線パターン（符号ｂ）とする必要があるが、容易にはできない。比例制御ではパラメータを変更すると、傾きが変わるので、全領域でノズル位置修正量が変わってしまうからである。

なお、本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更できる。例えば、本発明はスライディングノズルだけでなく、ロータリーノズルにも適用することができる。

タンディッシュの最大重量が９２トン、ノズル口径が８０ｍｍ、ノズル駆動用モータが５．５ｋｗの連鋳機に本発明を適用した。タイマを５秒に設定し、判断図表には図４に示すものを使用し、「開大」を８ｍｍ、「開小」を４ｍｍ、「閉小」を４ｍｍ、「閉大」を８ｍｍに設定した。実際に操業したところ、タンディッシュの重量目標値が７３トンの場合、６５．３６〜６６．７６トンの制御実績が得られた。ノズルの動作回数は２．４回／分であった。

また、タンディッシュの最大重量が２２トン、ノズル口径が７５ｍｍ、ノズル駆動用モータが５．５ｋｗの連鋳機に本発明を適用した。タイマを５秒に設定し、判断図表には図５に示すものを使用し、「開大」を８ｍｍ、「開小」を４ｍｍ、「閉小」を４ｍｍ、「閉大」を８ｍｍに設定した。実際に操業したところ、タンディッシュの重量目標値が１６トンの場合、１７．５〜１８．６トンの制御実績が得られた。ノズルの動作回数は３回／分であった。

上記は、大型タンディッシュと小型タンディッシュに本発明の制御方法を適用した実施例である。ノズル動作回数は少なく、また湯面制御精度も良好であったため、本発明の制御方法が有効であるといえる。

８…取鍋
９…タンディッシュ
１０…スライディングノズル（ノズル）
１１…モータ
１２…ロードセル（荷重計）
１４…制御装置
１５…モータ駆動装置
１６…判断図表
１７…タイマ

Claims (4)

1. 取鍋内の溶鋼を取鍋底部のノズルを介してタンディッシュに供給すると共に、ノズルの開度を調整してタンディッシュの湯面レベルを制御する取鍋ノズル制御方法において、
   タンディッシュの重量目標値と重量実績値との偏差を一定時間間隔毎に求め、
   求めた偏差を予め偏差に対して段階的に設定されたノズル位置修正量と比較し、
   前記偏差が前記重量目標値を中心にした不感帯域に入っているとき、前記ノズルを移動させるモータ駆動装置及びモータに電圧パターンを出力することなく、
   前記偏差が前記不感帯域を超えて第一の制御領域に入っているとき、第一のノズル位置修正量に予め対応付けられた電圧パターンを前記モータ駆動装置及び前記モータに出力し、
   前記偏差がさらに大きくなり、前記第一の制御領域を超えて第二の制御領域に入っているとき、前記第一のノズル位置修正量よりも大きな第二のノズル位置修正量に予め対応付けられた電圧パターンを前記モータ駆動装置及び前記モータに出力し、
   前記モータ駆動装置及び前記モータを駆動する際、前記ノズルの開度を検出するセンサを使用しない取鍋ノズル制御方法。
2. 前記タンディッシュの重量目標値と重量実績値との偏差を求める前記一定時間間隔を、タイマにより調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の取鍋ノズル制御方法。
3. 前記第一のノズル位置修正量に対応付けられた前記電圧パターン、及び前記第二のノズル位置修正量に対応付けられた前記電圧パターンの波形を調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の取鍋ノズル制御方法。
4. 取鍋内の溶鋼を取鍋底部のノズルを介してタンディッシュに供給すると共に、ノズルの開度を調整してタンディッシュの湯面レベルを制御する取鍋ノズル制御システムにおいて、
   タンディッシュの重量を測定する荷重計と、ノズルを移動させるモータ駆動装置及びモータと、前記モータ駆動装置及びモータを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記荷重計が測定した重量に基づいてタンディッシュの重量目標値と重量実績値との偏差を一定時間間隔毎に求め、
   求めた偏差を予め偏差に対して段階的に設定されたノズル位置修正量と比較し、
   前記偏差が前記重量目標値を中心にした不感帯域に入っているとき、前記ノズルを移動させるモータ駆動装置及びモータに電圧パターンを出力することなく、
   前記偏差が前記不感帯域を超えて第一の制御領域に入っているとき、第一のノズル位置修正量に予め対応付けられた電圧パターンを前記モータ駆動装置及び前記モータに出力し、
   前記偏差がさらに大きくなり、前記第一の制御領域を超えて第二の制御領域に入っているとき、前記第一のノズル位置修正量よりも大きな第二のノズル位置修正量に予め対応付けられた電圧パターンを前記モータ駆動装置及び前記モータに出力し、
   前記モータ駆動装置及び前記モータを駆動する際、前記ノズルの開度を検出するセンサを使用しない取鍋ノズル制御システム。

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