JP5673427B2

JP5673427B2 - ２流体スプレーノズルの異常検知方法

Info

Publication number: JP5673427B2
Application number: JP2011173160A
Authority: JP
Inventors: 喬雄越川; 信貴中川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2031-08-08
Also published as: JP2013035027A

Description

本発明は、連続鋳造機の二次冷却帯を構成する２流体スプレーノズルにおける異常（ノズルの詰り、ノズル先端のチップの脱落、冷却水と空気を混合する混合器の詰り等）を、連続鋳造中、早期に検知する方法に関する。

連続鋳造装置の二次冷却帯においては、鋳型から引き出した鋳片に冷却媒体（冷却水や、冷却水と空気の混合流体）を噴霧して、鋳片を冷却する。二次冷却帯は、鋳片の冷却を適切に制御するため、複数のスプレーノズルを備える複数の冷却帯が、それぞれ、独立して制御可能なように構成されている。

しかし、鋳造作業中、スプレーノズルの内部に水垢や塵が付着してスプレーノズルが詰ったり、また、スプレーノズル先端のノズルチップが外れたりすることがある。

二次冷却帯で、このような異常が発生すると、鋳片が所要の冷却態様で冷却されないので、表面割れや内部割れを生じるなど、鋳片の品質が低下するし、さらに、鋳造作業を中止せざるを得ない場合もある。それ故、鋳片の二次冷却を安定的に継続し、鋳片の品質を維持するためには、冷却機器、特に、スプレーノズルの異常を早期に検知し、適確に対処する必要がある。

従来、スプレーノズルの異常の検知は、連続鋳造の準備中又は停止中に、ポンプを駆動して、流量制御帯毎に二次冷却水を流し、スプレーノズルの背圧を測定し、この背圧でスプレーノズルの異常を判定していたが、判定終了まで時間がかかるうえ、背圧だけに頼る判定に信頼性がないことから、これまで、改善策がいくつか提案されている（例えば、特許文献１及び２、参照）。

特許文献１には、冷却媒体（冷却水）の水量、流調弁の開度、及び、スプレーノズルの背圧を測定し、基準流量に対応する弁開度及び背圧の基準パターンとの差を求め、それぞれが、又は、一方が所定値以上となった場合に、スプレーノズルに異常があると判定するスプレーノズル異常検出装置が開示されている。

しかし、特許文献１のスプレーノズル異常検出装置においては、流調弁の一次側の圧力が変化すると、その変化に応じ、基準流量における弁開度も変化するので、スプレーノズルの異常を精度良く判定することができない。

水と空気を混合した冷却媒体を噴霧する２流体スプレーノズルの場合、空気の流量が変化すると、水の背圧もその変化に応じて変化して、基準流量に対応する基準背圧との差も変化するので、スプレーノズルの異常を判定するのは難しい。また、２流体スプレーノズルの場合、冷却水の圧力及び／又は流量の監視だけで、ノズルの先端部の詰りや、混合器の詰りを判定することはできない。

特許文献２には、連鋳片の二次冷却において、スプレーノズルから供給する冷却水の供給圧力及び／又は単位時間当りの流量が、スプレーノズルの供給圧力−流量曲線に沿った一定の幅内に納まっているか否かを監視することが開示されている。しかし、特許文献２の監視では、２流体スプレーノズルの異常を検知することはできない。

特開平０７−１１２２５４号公報特開２００１−１７９４１４号公報

前述したように、従来の方法では、連続鋳造機の二次冷却帯における２流体スプレーノズルの異常（ノズルの詰り、ノズル先端のチップの脱落、冷却水と空気を混合する混合器の詰り等）を、連続鋳造中、早期に検知することは難しい。そこで、本発明は、連続鋳造機の二次冷却帯における２流体スプレーノズルの異常を、連続鋳造中、早期に検知することを課題とし、該課題を解決する検知方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、冷却水及び空気それぞれの背圧に着目し、上記課題を解決する手法について鋭意研究した。その結果、基準となる圧力−流量線に対する冷却水の圧力差と空気の圧力差の組合せで、スプレーノズルの異常を、早期に検知できることが判明した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１）連続鋳造機の二次冷却帯を構成する２流体スプレーノズルの異常を検知する方法において、
（a1）２流体スプレーノズルへ送給する冷却水の流量を調整する流調弁の二次側における圧力と流量を測定し、予め定めた圧力−流量基準線と対比して、圧力差を求め、
（a2）２流体スプレーノズルへ送給する空気の流量を調整する流調弁の二次側における圧力と流量を測定し、予め定めた圧力−流量基準線と対比して、圧力差を求め、
（ｂ）冷却水の圧力差と空気の圧力差の組合せで、２流体スプレーノズルの異常を検知する
ことを特徴とする２流体スプレーノズルの異常検知方法。
ここで、流調弁の二次側とは、流調弁の下流側を意味する。

（２）前記２流体スプレーノズルの異常が、スプレーノズルの詰り、スプレーノズル先端のノズルチップの脱落、冷却水と空気を混合する混合器の冷却水路の詰り、又は、冷却水と空気を混合する混合器の空気路の詰りであることを特徴とする前記（１）に記載の２流体スプレーノズルの異常検知方法。

（３）前記冷却水の圧力差と空気の圧力差の組合せにおいて、
（b1）冷却水の測定圧が基準圧を超え、かつ、空気の測定圧が基準圧を超えない場合、前記混合器の冷却水路の詰りを検知し、
（b2）空気の測定圧が基準圧を超え、かつ、冷却水の測定圧が基準圧を超えない場合、前記混合器の空気路の詰りを検知し、
（b3）冷却水の測定圧が基準圧を超え、かつ、空気の測定圧が基準圧を超える場合、スプレーノズルの詰りを検知し、
（b4）冷却水の測定圧が基準圧を下回り、かつ、空気の測定圧が基準圧を下回る場合、スプレーノズル先端のノズルチップの脱落を検知する
ことを特徴とする前記（２）に記載の２流体スプレーノズルの異常検知方法。

本発明によれば、連続鋳造機の二次冷却帯における２流体スプレーノズルの異常を、連続鋳造中、早期に検知することができるので、上記異常に適切に対処して、鋳造作業を中断することなく、鋳片の品質を維持しつつ、鋳造作業を継続することができる。

連続鋳造機の二次冷却帯の一態様を示す図である。２流体スプレーノズルの冷却系統の一例を示す図である。２流体スプレーノズルの混合器の一態様を示す図である。流調弁（図２、参照）の二次側における圧力と流量を測定して得た冷却水と空気の圧力−流量線と、予め定めた冷却水と空気の圧力−流量基準線を対比して示す図である。２流体スプレーノズルの異常を実際に検知する手順の例を示す図である。２流体スプレーノズルの異常を実際に検知した後の操業例を示す図である。

本発明について、図面に基づいて説明する。

図１に、連続鋳造機の二次冷却帯の一態様を示す。作業床１の鋳型（図示なし）から下方に引き抜かれた鋳片２は、ロール３で、湾曲しつつ搬送され、ａ−ｂ間の二次冷却帯を経て、曲げ戻されて水平部へ搬送される。二次冷却帯は、それぞれ独立して制御可能な複数の冷却帯４で構成されている。個々の冷却帯４を独立して制御することで、鋳片２の冷却を適確に制御する。

冷却帯４には、個々独立の制御のため、一つの冷却系統に連結されたスプレーノズルが、鋳片の表裏面に向け多数配列されている。図２に、２流体スプレーノズルの冷却系統の一例を示す。

冷却水を供給する冷却水本管５と、冷却水を２流体スプレーノズル１１の混合器１３に供給するスプレーヘッダー管１０が、冷却水導管５ａで連結されている。また、空気を供給する空気本管６と、空気を２流体スプレーノズル１１の混合器１３に供給するスプレーヘッダー管１０が、空気導管６ａで連結されている。

冷却水導管５ａと空気導管６ａには、流調弁８、流量計７、及び、圧力計９が、スプレーヘッダー管１０に向け、この順序で配置されている。

２流体スプレーノズル１１は、先端に、ノズルチップ１２を備え、中央部に、冷却水と空気を混合する混合器１３を備えている。冷却水及び空気のスプレーヘッダー管１０から、混合器１３に、所要の圧力で冷却水及び空気を供給して、２流体混合冷却媒体を形成する。

図３に、２流体スプレーノズルの混合器の一態様を示す。混合部１３ａを有する器内空間１３ｂに、冷却水及び空気のスプレーヘッダー管１０から、冷却水ｗと空気ａが、それぞれ、所要の圧力で送給され、混合部１３ａで、冷却水と空気が混合し、２流体スプレーノズル１１を通って、ノズルチップ１２から噴射される。

図２及び図３に示す２流体スプレーノズルにおいては、前述したよう、ノズルの詰り、ノズル先端のチップの脱落、混合器の詰り等の異常が発生する。本発明者らは、上記冷却系統における異常を検知する手法について鋭意研究し、次の手法で検知できることを見いだした。

（a1）２流体スプレーノズルへ送給する冷却水の流量を調整する流調弁（図２、参照）の二次側における圧力と流量を測定し、予め定めた圧力−流量基準線と対比して、圧力差を求める。

（a2）２流体スプレーノズルへ送給する空気の流量を調整する流調弁（図２、参照）の二次側における圧力と流量を測定し、予め定めた圧力−流量基準線と対比して、圧力差を求める。

（ｂ）（a1）で求めた冷却水の圧力差と、（a2）で求めた空気の圧力差の組合せで、２流体スプレーノズルの異常を検知する。

ここで、図４に、流調弁（図２、参照）の二次側における圧力（kgf／cm²）と流量（L／min）を、所定期間、実機において測定して得た冷却水と空気の圧力−流量線と、予め定めた冷却水と空気の圧力−流量基準線を対比して示す。

図４中、Ｐwsは、冷却水の圧力−流量基準線であり、Ｐasは、空気の圧力−流量基準線である。Ｐwmは、冷却水につき測定して得た圧力−流量線であり、Ｐamは、空気につき測定して得た圧力−流量線である。

図４において、測定圧と基準圧の最大乖離領域Ｐw'及びＰa'に着目すると、冷却水及び空気とも、測定圧は、基準圧を０．５kgf／cm²程度超えて上昇している。この二つの測定圧の上昇から、スプレーノズルの詰りを検知することができる。鋳造終了後、測定に係る冷却帯のスプレーノズルを点検した結果、３本のスプレーノズルが詰まっていたことが判明した。この点が、本発明の基礎をなす知見である。

さらに、実機試験の結果から、測定圧と基準圧との差をから、次のようにして、２流体スプレーノズルの異常箇所を、具体的に検知できることが判明した。この点も、本発明の基礎をなす知見である。

（b1）冷却水の測定圧が基準圧を超え、かつ、空気の測定圧が基準圧を超えない場合、冷却水と空気を混合する混合器の冷却水路の詰りを検知できる。

（b2）空気の測定圧が基準圧を超え、かつ、冷却水の測定圧が基準圧を超えない場合、前記混合器の空気路の詰りを検知できる。

（b3）冷却水の測定圧が基準圧を超え、かつ、空気の測定圧が基準圧を超える場合、前記混合器の冷却水路と空気路が同じタイミングで詰まることはほとんどないので、スプレーノズルの詰りを検知できる。

（b4）冷却水の測定圧が基準圧を下回り、かつ、空気の測定圧が基準圧を下回る場合、スプレーノズル先端のノズルチップの脱落を検知できる。

図５に、２流体スプレーノズルの異常を、実際に検知する手順の例を示す。２流体スプレーノズルの冷却水路及空気路において、流調弁（図２、参照）の二次側における圧力（kgf／cm²）と流量（L／min）の測定を開始する。測定して得た冷却水と空気の圧力−流量線と、予め定めた冷却水と空気の圧力−流量基準線を対比する。

冷却水の測定圧が基準圧を超え、かつ、空気の測定圧が基準圧を超えるか否かを判定する。両者とも超える場合（（b3）の場合）は、スプレーノズルの詰りを検知できる。空気の測定圧だけが基準圧を超えない場合（（（b1））の場合）、冷却水と空気を混合する混合器の冷却水路の詰りを検知できる。

冷却水の測定圧が基準値を超えない場合は、空気の測定圧が基準圧を超えるか否かを判定する。超える場合（（b2）の場合）、冷却水と空気を混合する混合器の空気路の詰りを検知できる。冷却水の測定圧と空気の測定圧が、両者とも基準圧よりも低い場合（（b4）の場合）、スプレーノズル先端のノズルチップの脱落を検知できる。冷却水の測定圧が基準値と等しく、空気の測定圧が基準値と等しい場合、２流体スプレーノズルは正常に機能していると判断できる。

２流体スプレーノズルに異常があると、冷却態様が変わり、鋼種によっては、表面割れや内部割れが生じるなど、鋳片の品質の低下を招く場合があるので、鋳片の品質を維持するため、鋳造条件を変更する必要がある。図６に、２流体スプレーノズルの異常を実際に検知した後の操業例を示す。

２流体スプレーノズルの異常を検知すると、鋳造中の鋼種につき、表面割れや内部割れを生じ易い鋼種か否かを判定する。

表面割れや内部割れを生じ易く、品質管理が厳しい鋼種の場合（図中、L1のライン）、鋳片温度をシミュレーションし、異常を抱える冷却帯での鋳片温度を出力し、この出力温度と許容鋳片温度（閾値）と比較する。比較の結果、鋳片温度が閾値を超える場合、直ちに鋳造速度を下げて、再度、鋳片温度をシミュレーションする。

上記シミュレーションの結果、鋳片温度が閾値を超えない条件で、次は、鋳片の凝固完了位置を出力し、許容凝固完了位置範囲と比較する。シミュレーションで出力した凝固完了位置が許容凝固完了位置範囲内にあれば、上記シミュレーションで決めた鋳造条件を変更する必要はないが、許容凝固完了位置範囲外であれば、さらに鋳造速度を下げて、再度、鋳片温度をシミュレーションする。このシミュレーションを繰返して行い、鋳片の品質を維持できる鋳造速度を求める。

表面割れや内部割れが生じ難い鋼種の場合（図中、L2のライン）、鋳片温度をシミュレーションし、異常を抱える冷却帯での鋳片温度を出力し、この出力温度と許容鋳片温度（閾値）と比較する。比較の結果、鋳片温度が閾値を超える場合、冷却パターンを変更して、再度、鋳片温度をシミュレーションする。

冷却パターンの変更は、異常を抱える冷却帯の水量を変更するか、さらに、異常を抱える冷却帯の前及び／又は後の冷却帯の水量を変更するか、又は、二次冷却帯全体の水量を変更して行なう。

上記シミュレーションの結果、鋳片温度が閾値を超えない場合は、鋳片の凝固完了位置を出力し、許容凝固完了位置範囲と比較する。シミュレーションで出力した凝固完了位置が許容凝固完了位置範囲内にあれば、上記シミュレーションで決めた鋳造条件を変更する必要はないが、許容凝固完了位置範囲外であれば、冷却パターンを変更して、再度、鋳片温度をシミュレーションする。このシミュレーションを繰返して行い、鋳片の品質を維持できる冷却パターンを求める。

このように、連続鋳造機の二次冷却帯において、２流体スプレーノズルの異常を検知できれば、必要な場合、鋳造速度及び／又は冷却パターンを変更して、鋳造を中断することなく、鋳片の品質を維持しつつ鋳造を継続することができる。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例）
表面割れや内部割れを生じ易く、品質管理の厳しい鋼種（Ｃ：０．１５〜０．１７質量％、Ｓｉ：０．０２〜０．０３質量％、Ｍｎ：０．４５〜０．５０質量％）を連続鋳造し、厚さ：２５０ｍｍ、幅：１６００ｍｍの鋳片を製造した。鋳造中、二次冷却帯を構成する個々の冷却帯において、流調弁の２次側の圧力と流量を測定し、予め定めた圧力−流量基準線と対比し、測定圧と基準圧を比較した。比較結果から、２流体スプレーノズルにおける異常を検知した。結果を表１に示す。

また、２流体スプレーノズルにおける異常を検知した後、図６に示す手順で操業条件を変更した。その結果を、表１に併せて示す。表２に、比較例として、流量調整弁の開度でノズルの状態を判断して、スプレーノズルにおける異常を検知できなかったものと、スプレーノズルを異常と検知したが、スプレーノズルを調査した結果、正常であった例を示す。

発明例１では、６ゾーンの基準の水圧７kgf／cm²に対し、測定水圧は１１kgf／cm²、基準の空気圧３kgf／cm²に対し、測定空気圧は３kgf／cm²となっており、測定の水圧のみ基準値より高くなっていたことから、６ゾーンの冷却水路の詰りと判断した。

この場合、６ゾーン鋳片温度が閾値８００℃より高く、８２０℃だったことから、鋳造速度を１．５ｍｐｍから１．３ｍｐｍに落としたところ、６ゾーン鋳片温度は閾値よりも低く７８０℃になり、凝固完了位置も閾値よりも小さく、鋳造を中断することなく、所望の品質の鋳片を製造することができた。

発明例２では、６ゾーン基準の水圧７kgf／cm²に対し、測定水圧は７kgf／cm²、基準の空気圧３kgf／cm²に対し、測定空気圧は５kgf／cm²となっており、測定の空気圧のみ基準値より高くなっていたことから、６ゾーンの空気路の詰りと判断した。

この場合、６ゾーン鋳片温度が閾値８００℃より高く、８１０℃になっていたことから、鋳造速度を１．５ｍｐｍから１．３ｍｐｍに落としたところ、６ゾーン鋳片温度は閾値よりも低く７７０℃になり、凝固完了位置も閾値よりも小さく、鋳造を中断することなく、所望の品質の鋳片を製造することができた。

発明例３では、６ゾーン基準の水圧７kgf／cm²に対し、測定水圧は１１kgf／cm²、基準の空気圧３kgf／cm²に対し、測定空気圧は５kgf／cm²となっており、測定の水圧及び空気圧が基準値より高くなっていたことから、６ゾーンのスプレーノズルの詰りと判断した。

この場合、６ゾーン鋳片温度が閾値８００℃より高く、８３０℃になっていたことから、鋳造速度を１．５ｍｐｍから１．３ｍｐｍに落としたところ、鋳片温度は閾値よりも低く７９０℃になり、凝固完了位置も閾値よりも小さく、鋳造を中断することなく、所望の品質の鋳片を製造することができた。

発明例４では、６ゾーン基準の水圧７kgf／cm²に対し、測定水圧は５kgf／cm²、基準の空気圧３kgf／cm²に対し、測定空気圧は２kgf／cm²となっており、測定の水圧及び空気圧が基準値より小さくなっていたことから、６ゾーンのノズルチップの脱落と判断した。

この場合、６ゾーン鋳片温度が閾値８００℃より高く、８２５℃になっていたことから、鋳造速度を１．５ｍｐｍから１．３ｍｐｍに落としたところ、６ゾーン鋳片温度は閾値よりも低く７８５℃になり、凝固完了位置も閾値よりも小さく、鋳造を中断することなく、所望の品質の鋳片を製造することができた。

一方、比較例１では、６ゾーン基準の水量４００L／min、基準の流量調整弁の開度７０％に対して、測定値は開度６０％であり、６ゾーンノズルは異常と判定した。しかし、スプレーノズルを調査したところ異常はなく、これは流量調整弁一次側の圧力が１６kgf／cm²から１８kgf／cm²に増加したことにより流量調整弁での圧力損失が増加して開度が小さくなったものであり、６ゾーンのノズルの状態を誤って判断することとなった。

比較例２では、６ゾーン基準の水量４００L／min、基準の流量調整弁の開度は７０％に対して、測定値は開度７０%であり、６ゾーンのスプレーノズルは正常であると判断したが、スプレーノズルを調査したところ、６ゾーンのスプレーノズルにスプレーノズル詰りが見つかり、得られた鋳片にも品質異常が見つかった。

これは、流量調整弁の１次側が１６kgf／cm²から１８kgf／cm²に増加したことにより流量調整弁での圧力損失が増加して開度が小さくなることと、６ゾーンスプレーノズルが詰ったために、流量調整弁二次側の圧力が増大して流量調整弁の開度が大きくなることが重なったため、６ゾーンのノズルの状態を誤って判断したと考えられる。

このように、発明例では、スプレーノズルの異常を正確に検知することができ、そして、スプレーノズルの異常を検知した時は、鋳造速度を遅くして、鋳片の品質異常を抑制することができる。

前述したように、本発明によれば、連続鋳造機の二次冷却帯における２流体スプレーノズルの異常を、連続鋳造中、早期に検知することができるので、上記異常に適切に対処して、鋳造作業を中断することなく、鋳片の品質を維持しつつ、鋳造作業を継続することができる。よって、本発明は、鉄鋼産業において利用可能性が高いものである。

１作業床
２鋳片
３ロール
４冷却帯
５冷却水本管
５ａ冷却水導管
６空気本管
６ａ空気導管
７流量計
８流調弁
９圧力計
１０スプレーヘッダー管
１１２流体スプレーノズル
１２ノズルチップ
１３混合器
１３ａ混合部
１３ｂ器内空間
ｗ冷却水
ａ空気
Ｐws 冷却水の圧力−流量基準線
Ｐas 空気の圧力−流量基準線
Ｐwm 冷却水の圧力−流量線
Ｐam 空気の圧力−流量線
Ｐw'、Ｐa' 測定圧力と基準圧力の最大乖離領域

Claims

連続鋳造機の二次冷却帯を構成する２流体スプレーノズルの異常を検知する方法において、
（a1）２流体スプレーノズルへ送給する冷却水の流量を調整する流調弁の二次側における圧力と流量を測定し、予め定めた圧力−流量基準線と対比して、圧力差を求め、
（a2）２流体スプレーノズルへ送給する空気の流量を調整する流調弁の二次側における圧力と流量を測定し、予め定めた圧力−流量基準線と対比して、圧力差を求め、
（ｂ）冷却水の圧力差と空気の圧力差の組合せで、２流体スプレーノズルの異常を検知する
ことを特徴とする２流体スプレーノズルの異常検知方法。
ここで、流調弁の二次側とは、流調弁の下流側を意味する。
前記２流体スプレーノズルの異常が、スプレーノズルの詰り、スプレーノズル先端のノズルチップの脱落、冷却水と空気を混合する混合器の冷却水路の詰り、又は、冷却水と空気を混合する混合器の空気路の詰りであることを特徴とする請求項１に記載の２流体スプレーノズルの異常検知方法。
前記冷却水の圧力差と空気の圧力差の組合せにおいて、
（b1）冷却水の測定圧が基準圧を超え、かつ、空気の測定圧が基準圧を超えない場合、前記混合器の冷却水路の詰りを検知し、
（b2）空気の測定圧が基準圧を超え、かつ、冷却水の測定圧が基準圧を超えない場合、前記混合器の空気路の詰りを検知し、
（b3）冷却水の測定圧が基準圧を超え、かつ、空気の測定圧が基準圧を超える場合、スプレーノズルの詰りを検知し、
（b4）冷却水の測定圧が基準圧を下回り、かつ、空気の測定圧が基準圧を下回る場合、スプレーノズル先端のノズルチップの脱落を検知する
ことを特徴とする請求項２に記載の２流体スプレーノズルの異常検知方法。