JP5751144B2 - 連続鋳造機の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造機のモールド内の溶鋼の湯面レベルを制御する連続鋳造機の制御装置および制御方法に関するものである。

連続鋳造機では、モールド内の溶融金属（以下、溶鋼と表記）の湯面レベルが一定になるように制御することが、安定操業上のみならず、鋳片の品質管理上、極めて重要である。このため、連続鋳造機では、溶鋼の湯面レベルに基づいてスライディングノズルの開度を制御することによって、モールドから引き抜かれる溶鋼とモールドに注入される溶鋼とのマスバランスを釣り合わせるようにしている。このような制御によれば、モールドから引き抜かれる溶鋼の流量やモールドに注入される溶鋼の流量が何らかの要因によって変動したとしても、溶鋼の湯面レベルの変動を抑制できる。

このような連続鋳造機では、ガイドロールやピンチロールなどの鋳片支持ロール間で鋳片が厚み方向に膨らむバルジングが発生することがある。バルジングが発生した場合、モールドから引き抜かれる溶鋼の流量が周期的に変化するために、溶鋼の湯面レベルが周期的に変動するようになる。このような湯面レベルの周期的な変動（以下、バルジング性湯面レベル変動と表記）は、通常の比例積分（ＰＩ）制御や比例積分微分（ＰＩＤ）制御によって十分に抑制することが困難である。このような背景から、バルジング性湯面レベル変動を外乱として、外乱補償器によりバルジング性湯面レベル変動を補償する技術が提案されている（特許文献１〜３参照）。

具体的には、特許文献１には、湯面レベル信号を高速フーリエ変換することによってバルジング性湯面レベル変動の周波数（以下、バルジング周波数と略記）を算出し、算出されたバルジング周波数に基づいて外乱補償器の設定周波数を決定する技術が記載されている。特許文献２には、ピンチロールの間隔と速度との比からバルジング周波数を算出し、算出されたバルジング周波数に基づいて外乱補償器の設定周波数を決定する技術が記載されている。特許文献３には、バルジングの発生箇所におけるピンチロールの間隔と速度との比からバルジング周波数を算出し、算出されたバルジング周波数に基づいて外乱補償器の設定周波数を決定する技術が記載されている。

特開２００７−２５３１７０号公報 特開２００９−１６０６４７号公報 特開２００７−２６０６９３号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術では、湯面レベル信号を高速フーリエ変換することによってバルジング周波数を算出することから、ある程度以上の精度でバルジング周波数を算出するためには１０周期分程度の湯面レベル信号のサンプリングが必要になり、制御の遅れが発生する。具体的には、一般にバルジング周波数は０．１Ｈｚ程度であるので、１０周期分の湯面レベル信号をサンプリングするためには１００秒程度の時間が必要になる。バルジング周波数は主に鋳造速度によって変化する。このため、鋳造速度を変更してから１００秒経過した後に鋳造速度変更後のバルジング周波数を算出し、算出結果を制御に反映させたのでは、バルジング性湯面変動をリアルタイムに抑制することが困難になる。この結果、特許文献１記載の技術によれば、鋳造速度を変更してからしばらくの間は溶鋼の湯面レベルの制御精度が悪化する。

また、特許文献２記載の技術は、ピンチロールの間隔と速度との比からバルジング周波数を算出している。このため、特許文献２記載の技術によれば、バルジングの発生箇所が変化しない場合はバルジング周波数を正確に算出できるが、バルジングの発生箇所が変化する場合にはバルジング周波数を正確に算出できなくなる。一方、特許文献３記載の技術は、バルジングの発生箇所におけるピンチロールの間隔と速度との比からバルジング周波数を算出しているが、算出されたバルジング周波数と実際のバルジング周波数とが一致しないことがあった。

このような背景から、バルジング周波数をリアルタイムで精度高く算出し、算出結果に基づいてモールド内の溶鋼の湯面レベルを精度高く制御可能な技術の提供が期待されていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、バルジング周波数をリアルタイムで精度高く算出し、算出結果に基づいてモールド内の溶鋼の湯面レベルを精度高く制御可能な連続鋳造機の制御装置および制御方法を提供することにある。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る連続鋳造機の制御装置は、連続鋳造機のモールド内の溶鋼の湯面レベルを測定する湯面レベル計と、前記湯面レベル計によって測定された湯面レベルと該湯面レベルの目標値とに基づいて、該湯面レベルが目標値になるように前記モールドに溶鋼を注入するスライディングノズルの開度を制御する制御部と、前記湯面レベル計によって測定された湯面レベルに基づいて、湯面レベルに対する外乱を補償するように前記制御部が出力する開度指令値に外乱補償値を加算する外乱補償器と、を備え、前記外乱補償器は、互いに異なる特定周波数における湯面レベルの変動を２次振動系の伝達関数で表現した複数の周波数モデルを備え、前記湯面レベル計によって測定された湯面レベルと各周波数モデルの出力との偏差を各周波数モデルの入力に帰還することによって複数の特定周波数における湯面レベルの変動成分を抽出し、抽出された湯面レベルの変動成分のうち、振幅が最も大きい湯面レベルの変動成分に対応する特定周波数をバルジング周波数と判断し、該特定周波数の外乱を補償するように前記開度指令値に外乱補償値を加算することを特徴とする。

本発明に係る連続鋳造機の制御装置は、上記発明において、前記外乱補償器が、湯面レベル信号の位相を進める位相進み処理部を備えることを特徴とする。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る連続鋳造機の制御方法は、連続鋳造機のモールド内の溶鋼の湯面レベルを測定する湯面レベル計と、前記湯面レベル計によって測定された湯面レベルと該湯面レベルの目標値とに基づいて、該湯面レベルが目標値になるように前記モールドに溶鋼を注入するスライディングノズルの開度を制御する制御部と、を備える連続鋳造機の制御方法であって、互いに異なる特定周波数における湯面レベルの変動を２次振動系の伝達関数で表現した複数の周波数モデルの出力と前記湯面レベル計によって測定された湯面レベルとの偏差を各周波数モデルの入力に帰還することによって複数の特定周波数における湯面レベルの変動成分を抽出するステップと、抽出された湯面レベルの変動成分のうち、振幅が最も大きい湯面レベルの変動成分に対応する特定周波数をバルジング周波数と判断し、該特定周波数の外乱を補償するように前記制御部が出力する開度指令値に外乱補償値を加算するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る連続鋳造機の制御装置および制御方法によれば、バルジング周波数をリアルタイムで精度高く算出し、算出結果に基づいてモールド内の溶鋼の湯面レベルを精度高く制御することができる。

図１は、本発明の一実施形態である連続鋳造機の構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す制御装置の内部構成を示すブロック図である。 図３は、図２に示す外乱補償器の内部構成を示すブロック図である。 図４は、図３に示す周波数推定部の内部構成を示すブロック図である。 図５は、バルジング周波数の推定結果の一例を示す図である。 図６は、バルジング性湯面レベル変動の一例を示す図である。 図７は、本発明および従来技術の湯面レベル制御を行った際の湯面レベル変動を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である連続鋳造機の制御装置の構成およびその動作について説明する。

〔連続鋳造機の構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である連続鋳造機の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態である連続鋳造機の構成を示す模式図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態である連続鋳造機では、モールド１の上方にタンディッシュ２が配置され、タンディッシュ２の底部にスライディングノズル３および浸漬ノズル４が配置されている。タンディッシュ２に滞留した溶鋼５は、スライディングノズル３および浸漬ノズル４を介してモールド１に注入される。スライディングノズル３は固定板と摺動板とを備えている。

タンディッシュ２からモールド１に注入される溶鋼の流量は、油圧サーボ系などのアクチュエータ６が摺動板の位置を制御することによってスライディングノズル３の開度を増減することにより制御される。モールド１内の溶鋼５の湯面の上方には、渦流センサなどの湯面レベル計７が配置されている。湯面レベル計７は、モールド１内の溶鋼５の湯面レベル（高さ位置）を計測し、計測された湯面レベルを示す信号（湯面レベル信号）を制御装置８に入力する。

図示しない取鍋からタンディッシュ２に注入された溶鋼５は、スライディングノズル３の開度に応じて浸漬ノズル４を介してモールド１に注入される。モールド１に注入された溶鋼５は、モールド１によって冷却されることによってモールド１との接触面で凝固して凝固シェルを形成する。内部に液相部を有する鋳片は、ガイドロールおよびピンチロール９に支持されながらモールド１の下方に引き抜かれる。

制御装置８は、湯面レベル計７から入力される湯面レベル信号と予め設定されている湯面レベルの目標値との偏差信号にＰＩ制御を施すことによって、湯面レベルが目標値になるようにスライディングノズル３の開度指令値を算出する。そして、制御装置８は、算出された開度指令値をアクチュエータ６に出力することによってスライディングノズル３の開度を操作することにより、タンディッシュ２からモールド１に注入される溶鋼５の流量を制御する。

これにより、モールド１内の溶鋼５の湯面レベルに関するフィードバックループが構成されるので、モールド１に流入する溶鋼５の流量又はモールド１から流出する溶鋼５の流量が何らかの要因によって変動したとしても、モールド１内の溶鋼５の湯面レベルを目標値に制御することができる。

〔制御装置の構成〕
次に、図２を参照して、制御装置８の構成について説明する。図２は、図１に示す制御装置８の内部構成を示すブロック図である。

図２に示すように、制御装置８は、減算器８１と、ＰＩ（比例積分）制御部８２と、外乱補償器８３と、加算器８４と、を備えている。減算器８１は、溶鋼５の湯面レベルの目標値と湯面レベル計７から入力された湯面レベル信号との偏差信号をＰＩ制御部８２に入力するものである。ＰＩ制御部８２は、溶鋼５の湯面レベルが目標値になるように減算器８１から入力された偏差信号にＰＩ制御を施すことによってスライディングノズル３の開度指令値を算出するものである。ＰＩ制御部８２は、本発明に係る制御部として機能する。外乱補償器８３は、バルジング性湯面レベル変動を補償するための外乱補償値を出力するものである。

加算器８４は、ＰＩ制御部８２から出力されたスライディングノズル３の開度指令値に外乱補償器８３から出力された外乱補償値を加算してアクチュエータ６に出力するものである。これにより、バルジング性湯面レベル変動が発生した場合であっても、外乱補償器８３がバルジング性湯面レベル変動を抑制する外乱補償値を出力するので、モールド１内の溶鋼５の湯面レベルを目標値に制御できる。なお、本実施形態では、ＰＩ制御方法によって溶鋼５の湯面レベルを目標値に制御したが、偏差に基づいて操作量を算出する方法であれば、比例積分微分制御方法などのＰＩ制御方法以外の制御方法によって溶鋼５の湯面レベルを目標値に制御してもよい。

〔外乱補償器の構成〕
次に、図３を参照して、外乱補償器８３の構成について説明する。図３は、図２に示す外乱補償器８３の内部構成を示すブロック図である。

図３に示すように、外乱補償器８３は、複数（本例では５つ）の周波数推定部８３１ａ〜８３１ｅと、出力選択部８３２と、位相進み処理部８３３と、ゲイン乗算部８３４と、を備えている。複数の周波数推定部８３１ａ〜８３１ｅはそれぞれ、予め設定された互いに異なる周波数（以下、特定周波数と表記）ｆ_ｉ（ｉ＝１〜５）における湯面レベルの変動成分を出力するものである。出力選択部８３２は、複数の周波数推定部８３１ａ〜８３１ｅから出力された湯面レベルの変動成分のうち、最も振幅が大きい湯面レベルの変動成分をバルジング性湯面変動による変動成分として選択出力するものである。換言すれば、出力選択部８３２は、複数の周波数推定部８３１ａ〜８３１ｅから出力された湯面レベルの変動成分のうち、最も振幅が大きい湯面レベルの変動成分に対応する特定周波数ｆ_ｉをバルジング周波数と判断し、その特定周波数ｆ_ｉの変動成分を補償するように外乱補償器８３を制御する。

なお、バルジング周波数の変化は１波長分の湯面レベル信号から確認できるので、最も振幅が大きい変動成分は、特定周波数ｆ_ｉの中の最小周波数から変動成分の最大周期を算出し、現在から最大周期までの期間内における変動成分の振幅の最大値を求めることによって特定できる。位相進み処理部８３３は、フィードバック制御系の時間遅れを補償するために、出力選択部８３２から出力された湯面レベル信号の位相特性を所定の範囲進ませるものである。ゲイン乗算部８３４は、位相進み処理部８３３から出力された湯面レベル信号に適切な可調整ゲインを掛け合わせたものを外乱補償値として出力するものである。

〔周波数推定部の構成〕
次に、図４を参照して、周波数推定部８３１（８３１ａ〜８３１ｅ）の構成について説明する。図４は、図３に示す周波数推定部８３１（８３１ａ〜８３１ｅ）の内部構成を示すブロック図である。

図４に示すように、周波数推定部８３１は、周波数モデル８３５と、減算器８３６と、ＰＤ（比例微分）演算器８３７と、を備えている。周波数モデル８３５は、特定周波数ｆ_ｉ（ｉ＝１〜５）における湯面レベルの変動成分を２次振動系の伝達関数で表現したフィルタによって構成され、２次振動系の伝達関数は以下に示す数式（１）によって表される。数式（１）中のパラメータｓはラプラス演算子を表し、パラメータω_ｉは２πｆ_ｉであり、パラメータζは減衰係数を表している。

減算器８３６は、湯面レベル計７から出力された湯面レベル信号と周波数モデル８３５から出力される湯面レベル信号との偏差信号をＰＤ演算器８３７に入力するものである。ＰＤ演算器８３７は、減算器８３６から入力された偏差信号に基づいて周波数モデル８３５から出力される湯面レベル信号が湯面レベル計７から出力される湯面レベル信号に一致するようにＰＤ演算処理を実行し、ＰＤ演算信号を周波数モデル８３５に入力する。

以上のように、周波数推定部８３１は、湯面レベル計７から出力された湯面レベル信号と周波数モデル８３５から出力される湯面レベル信号との偏差信号が周波数モデル８３５の入力に帰還される構成になっている。このような周波数推定部８３１の構成によれば、湯面レベル７から出力される湯面レベル信号に対して周波数モデル８３５が励振されることによって、複数の周波数推定部８３１ａ〜８３１ｅ毎に湯面レベル７から出力される湯面レベル信号に含まれる特定周波数ｆ_ｉ（ｉ＝１〜５）における湯面レベルの変動成分を特定周波数推定波形として抽出することができる。

なお、特定周波数ｆ_ｉ（ｉ＝１〜５）はバルジング周波数の帯域内の値に設定されている。また、本実施形態では、周波数推定部８３１の数は５つであるとしたが、バルジング周波数の帯域幅に応じて周波数推定部８３１の数を５つから増減させてもよい。また、特定周波数ｆ_ｉの中心値は、鋳造速度とロールピッチとから算出されるバルジング周波数を初期値として、次回の処理以後の中心値は前回の処理で最大振幅を示した周波数とするとよい。また、特定周波数ｆ_ｉの中心値からの周波数の刻み幅は±０．１〜０．２Ｈｚ程度とするとよい。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である連続鋳造機の制御装置８では、外乱補償器８３が、湯面レベル計７によって測定された湯面レベルと各周波数モデル８３１の出力との偏差を各周波数モデルの入力に帰還することによって、湯面レベル計７によって測定された湯面レベルに含まれる複数の特定周波数ｆ_ｉにおける湯面レベルの変動成分を抽出し、抽出された湯面レベルの変動成分のうち、振幅が最も大きい湯面レベルの変動成分に対応する特定周波数ｆ_ｉをバルジング周波数と判断し、特定周波数ｆ_ｉの外乱を補償するように開度指令値に外乱補償値を加算する。このような構成によれば、ＦＦＴなどの周波数解析演算手法を用いることなくバルジング周波数近傍の帯域の周波数解析を行うことができるので、バルジング周波数をリアルタイムで精度高く算出し、算出結果に基づいてモールド内の溶鋼の湯面レベルを精度高く制御することができる。

〔実施例１〕
図５は、特定周波数ｆ_ｉを０．０９Ｈｚ，０．１０Ｈｚ，０．１１Ｈｚ，０．１２Ｈｚ，０．１３Ｈｚとしたときの入力信号（湯面レベル信号）に対する周波数推定部８３１の出力信号を示す図である。図５（ｂ）〜（ｆ）に示すように、本実施例では、領域Ｒ１の時間帯では特定周波数を０．１２Ｈｚとした周波数推定部８３１の出力信号の振幅が最大となり、領域Ｒ２の時間帯では特定周波数を０．１１Ｈｚとした周波数推定部の出力信号の振幅が最大となり、領域Ｒ３の時間帯では特定周波数を０．１０Ｈｚとした周波数推定部の出力信号の振幅が最大となっている。以上のことから、本発明によれば時系列で変化するバルジング周波数をリアルタイムで推定可能であることが確認された。なお、図５（ｂ）〜（ｆ）に示す各信号は、ノイズが除去された信号であるので、振幅の最大値は信号の微分値の正負の変化点における信号の絶対値を算出することによって評価できる。

〔実施例２〕
次に、従来技術および本発明の湯面レベル制御を用いてバルジング性湯面レベル変動を制御した場合の湯面レベルの変動について説明する。なお、本実施例では、図６に示すバルジング周波数０．１Ｈｚおよび振幅±１５ｍｍのバルジング性湯面変動を湯面レベル制御に対する外乱として加えた。また、従来技術の湯面レベル制御では、外乱補償器の設定周波数を０．１３Ｈｚに固定した。図７（ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明および従来技術の湯面レベル制御を用いてバルジング性湯面レベル変動を制御した場合の湯面レベルの変動を示す図である。図７（ｂ）に示すように、従来技術の湯面レベル制御では、外乱補償器の設定周波数とバルジング周波数との間にずれがあるために、バルジング性湯面レベル変動を十分に抑制することができず、湯面レベルが±６ｍｍ程度の振幅で変動した。これに対して、図７（ａ）に示すように、本発明の湯面レベル制御では、リアルタイムでバルジング周波数を検出し、検出されたバルジング周波数に基づいて外乱補償器の設定周波数を変更しているので、湯面レベルの変動を±３ｍｍ程度の振幅の範囲内に抑えることができた。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者などによりなされる他の実施の形態、実施例、および運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。

１ モールド
２ タンディッシュ
３ スライディングノズル
４ 浸漬ノズル
５ 溶鋼
６ アクチュエータ
７ 湯面レベル計
８ 制御装置
９ ピンチロール
８１ 減算器
８２ ＰＩ（比例積分）制御部
８３ 外乱補償器
８４ 加算器
８３１，８３１ａ〜８３１ｅ 周波数推定部
８３２ 出力選択部
８３３ 位相進み処理部
８３４ ゲイン乗算部
８３５ 周波数モデル
８３６ 減算器
８３７ ＰＤ（比例微分）演算器

Claims (3)

1. 連続鋳造機のモールド内の溶鋼の湯面レベルを測定する湯面レベル計と、
   前記湯面レベル計によって測定された湯面レベルと該湯面レベルの目標値とに基づいて、該湯面レベルが目標値になるように前記モールドに溶鋼を注入するスライディングノズルの開度を制御する制御部と、
   前記湯面レベル計によって測定された湯面レベルに基づいて、湯面レベルに対する外乱を補償するように前記制御部が出力する開度指令値に外乱補償値を加算する外乱補償器と、
   を備え、
   前記外乱補償器は、
   互いに異なる特定周波数における湯面レベルの変動を２次振動系の伝達関数で表現した複数の周波数モデルを備え、
   前記湯面レベル計によって測定された湯面レベルと各周波数モデルの出力との偏差を各周波数モデルの入力に帰還することによって複数の特定周波数における湯面レベルの変動成分を抽出し、抽出された湯面レベルの変動成分のうち、振幅が最も大きい湯面レベルの変動成分に対応する特定周波数をバルジング周波数と判断し、該特定周波数の外乱を補償するように前記開度指令値に外乱補償値を加算すること
   を特徴とする連続鋳造機の制御装置。
2. 前記外乱補償器は、湯面レベル信号の位相を進める位相進み処理部を備えることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造機の制御装置。
3. 連続鋳造機のモールド内の溶鋼の湯面レベルを測定する湯面レベル計と、前記湯面レベル計によって測定された湯面レベルと該湯面レベルの目標値とに基づいて、該湯面レベルが目標値になるように前記モールドに溶鋼を注入するスライディングノズルの開度を制御する制御部と、を備える連続鋳造機の制御方法であって、
   互いに異なる特定周波数における湯面レベルの変動を２次振動系の伝達関数で表現した複数の周波数モデルの出力と前記湯面レベル計によって測定された湯面レベルとの偏差を各周波数モデルの入力に帰還することによって複数の特定周波数における湯面レベルの変動成分を抽出するステップと、
   抽出された湯面レベルの変動成分のうち、振幅が最も大きい湯面レベルの変動成分に対応する特定周波数をバルジング周波数と判断し、該特定周波数の外乱を補償するように前記制御部が出力する開度指令値に外乱補償値を加算するステップと、
   を含むことを特徴とする連続鋳造機の制御方法。

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