JP5838746B2

JP5838746B2 - 連続鋳造機の制御装置

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Publication number: JP5838746B2
Application number: JP2011247984A
Authority: JP
Inventors: 植田　正輝; 正輝植田; 悠介川端; 堤　康一; 康一堤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: JP2013103244A

Description

本発明は、連続鋳造機の制御装置に関する。

現在の製鉄プロセスにおいては、精錬した溶鋼を鋳造して鋳片を製造する方法として、連続鋳造機を用いた連続鋳造法と呼ばれる手法が一般に用いられている。この連続鋳造機の操業においては、鋳造される鋳片内の溶鋼の凝固が完了する位置(これを最終凝固位置という)が連続鋳造機の最終サポートロールの位置(これを連続鋳造機の機端という)よりも鋳型内湯面位置側にあることが必要である。これは、最終凝固位置が機端の外に出た条件で鋳造を行うと、未凝固の溶鋼に作用する鋳型内湯面位置からの高さ分に相当する溶鋼静圧により、鋳片がバルジングを起こし著しい形状変形が発生したり、トーチカッターで鋳片を切断した際に、鋳片内から未凝固部の溶鋼が噴出し、周辺へ飛散・流出して機器破損を引き起こしたりするからである。

そこで、従来より、鋳片の最終凝固位置が連続鋳造機の機端から機外に出ないようにするための方法が提案されている。例えば、特許文献１には、鋳造中の鋳片に超音波を入射し、その透過信号より鋳片の最終凝固位置を推定する方法が記載されている。また、特許文献２には、冷却履歴情報を用いた伝熱凝固計算によって最終凝固位置を推定する技術が記載されている。これらの特許文献１および特許文献２に記載の方法は、いずれも最終凝固位置を検知して、速やかに鋳造速度を低下または鋳造の停止をすることにより、最終凝固位置が連続鋳造機内となるように操業する技術である。

特開平１０−１９７５０２号公報特開２００６−１７５４６８号公報

しかしながら、上記のように最終凝固位置を検知してから速やかに鋳造速度を低下または鋳造の停止をしても、最終凝固位置の変化は、鋳造速度の変化に対して遅れて変化するので、最終凝固位置が連続鋳造機の機端より外に出てしまうことがあった。また、最終凝固位置が機端より十分に鋳型内湯面位置側にあると判断して鋳造速度を上げた際に、鋳造速度の上昇量が過剰となり、同様に最終凝固位置が機端より先になることもあった。このため、従来技術では、鋳造速度の調整は余裕を持って行わざるを得ないものとなり、鋳造速度を大きくできないことによる生産性の低下が発生していた。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、鋳片の最終凝固位置を常に連続鋳造機内に位置させつつ、鋳造速度を最大化する操業が可能となる連続鋳造機の制御装置を提供することである。

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、現在または過去の鋳造速度を維持した場合の将来における鋳片の最終凝固位置、および現在または過去の鋳造速度を変更した場合の将来における前記鋳片の最終凝固位置を推定する最終凝固位置推定手段と、前記最終凝固位置推定手段が推定した前記鋳片の最終凝固位置を少なくとも一つ以上表示する表示手段とを備え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によれば、鋳片の最終凝固位置を常に連続鋳造機内に位置させつつ、鋳造速度を最大化する操業が可能となる。

図１は、本発明の実施形態に係る連続鋳造機の制御装置を適用する連続鋳造機の概略構成を示す模式図である。図２は、本発明の実施形態に係る連続鋳造機の制御装置の概略構成を示すブロック図である。図３は、複数の減速パターンについての最終凝固位置の推定値の推移を表すグラフである。図４は、図３に示された最終凝固位置の推定値の推移を表すグラフにおける、減速を開始した付近の拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る連続鋳造機の制御装置について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る連続鋳造機の制御装置を適用する連続鋳造機の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の実施形態に係る連続鋳造機１は、溶鋼２が注入されるタンディッシュ３と、浸漬ノズル４を介してタンディッシュ３から注がれた溶鋼２を表面の凝固シェル５が樹枝状晶に成長するまで整形しつつ半凝固させる鋳型６と、鋳型６から半凝固状態の鋳片７を引き抜きつつ冷却搬送するサポートロール８と、サポートロール８によって搬送された鋳片７を所定の長さに切断するトーチカッター９とを備える。

上記構成の連続鋳造機１において、サポートロール８により冷却搬送される鋳片７は、最終凝固位置ＣＥにおいて内部の溶鋼２の凝固が完了し、この最終凝固位置ＣＥが最終のサポートロール８の位置（すなわち連続鋳造機１の機端Ｅ）よりも手前に位置するように操業される。なお、最終凝固位置ＣＥなど鋳片７の連続鋳造機１における位置は、鋳型内湯面位置Ｍを基点とした距離（ｍ）によって数値化されるのが一般的であり、以下では、断りなく連続鋳造機１における鋳片７の位置を鋳型内湯面位置Ｍを基点とした距離（ｍ）によって記載する。

図２は、本発明の実施形態に係る連続鋳造機１の制御装置の概略構成を示すブロック図である。図２に示されるように、本発明の実施形態に係る連続鋳造機１の制御装置１０は、記憶部１１と、演算部１２と、表示装置１３と、入力装置１４とを備える。

制御装置１０は、連続鋳造機１における鋳片７の最終凝固位置ＣＥの情報を取得し、連続鋳造機１の鋳造速度を変更する。制御装置１０が連続鋳造機１における鋳片７の最終凝固位置ＣＥの情報を取得する方法は、連続鋳造機１に設けられた超音波センサーにより最終凝固位置ＣＥを検出する方法、サポートロール８に作用する荷重変動を測定して最終凝固位置ＣＥを検出する方法、または、操業条件による伝熱凝固計算から最終凝固位置ＣＥを算出する方法などを用いることができる。もちろん、これ以外を用いても本発明を適切に実施することができる。

記憶部１１は、連続鋳造機１の鋳造速度および最終凝固位置ＣＥを記憶する記憶手段である。また、記憶部１１は、演算部１２が処理するプログラムなど、制御装置１０が必要とするその他の電子情報も記憶できる構成とすることが好ましい。

演算部１２は、記憶部１１に記憶された連続鋳造機１の鋳造速度および最終凝固位置ＣＥを参照して、将来の最終凝固位置ＣＥを推定する最終凝固位置推定手段１２ａを有する。この最終凝固位置推定手段１２ａが行う最終凝固位置ＣＥの推定については、後に詳述する。

表示装置１３は、最終凝固位置推定手段１２ａが推定した複数の最終凝固位置ＣＥを表示する表示モニターであり、入力装置１４は、オペレータが表示装置１３に表示された複数の最終凝固位置ＣＥの中から最適なものを選択し、その最終凝固位置ＣＥに対応した鋳造速度を入力するための入力手段である。なお、上記のような表示装置１３の表示に基づいて入力装置１４に鋳造速度を入力する作業をオペレータが行わずに、演算部１２が実行するプログラムによって自動化する構成も可能である。

〔最終凝固位置の推定〕
ここで、最終凝固位置推定手段１２ａが行う最終凝固位置ＣＥの推定方法について説明する。なお、以下に説明する最終凝固位置推定手段１２ａが行う最終凝固位置ＣＥの推定方法は、最終凝固位置ＣＥの推定方法の一例であり、この方法以外であっても、それが最終凝固位置ＣＥを推定する合理的な方法であるのならば、本発明を適切に実施することができる。

鋳片７の凝固シェル５の厚みｄ（ｍｍ）は、経過時間ｔ（ｍｉｎ)の１／２乗に比例することが知られている（式１）。この比例係数ｋ（ｍｍ・ｍｉｎ^{（−１／２）}）は凝固定数と呼ばれ、溶鋼の成分組成、鋳型内湯面位置Ｍにおける溶鋼２の温度、および冷却水の水量・温度・配分・噴霧圧などの二次冷却条件により定まる定数である。
ｄ＝ｋ・ｔ^{（１／２）}・・・（式１）

鋳片７内の溶鋼２が完全に凝固する状態とは、凝固シェル５の厚みｄ（ｍｍ）が鋳片７の中心に達したときであるので、鋳片７の厚さをＤ（ｍｍ）とすると、Ｄ＝２ｄの関係が成り立つときである。したがって、鋳造速度Ｖｃ（ｍ／ｍｉｎ）で鋳造した場合の鋳型内湯面位置Ｍから最終凝固位置ＣＥまでの長さＬ(ｍ)は、（式１）を（式２）のように変形することにより算出できる。
Ｌ=Ｖｃ・（Ｄ／２ｋ）^２・・・（式２）
また、（式２）を変形することにより、鋳型内湯面位置Ｍから最終凝固位置ＣＥまでの長さＬ(ｍ)に対する鋳造速度Ｖｃを求めることが出来る（式３）。
Ｖｃ＝Ｌ(Ｄ／２ｋ)^−２・・・（式３）

一方、非定常な状態での最終凝固位置ＣＥは、鋳造速度Ｖｃ１から鋳造速度Ｖｃ２へ変化させた場合の差ΔＶｃに比例して変化し、現在（ｔ＝０）の最終凝固位置をＣＥ（０）（ｍ）とすると、ｔ(ｍｉｎ)後の最終凝固位置ＣＥ（ｔ）(ｍ)は（式４）で簡易推定できる。
ＣＥ（ｔ）＝ＣＥ（０）＋ΔＶｃ×ｔ・・・（式４）

さらに、ΔＶｃを加速度α（ｍ／ｍｉｎ^２）で変化させた場合、最終凝固位置ＣＥは等加速度運動の関係より、以下のように簡易推定できる（式５）。
ＣＥ（ｔ）＝ＣＥ（０）＋ΔＶｃ×ｔ＋１／２×α×ｔ^２・・・（式５）

上記（式４）および（式５）は、時刻ｔが大きくなった場合において実際の最終凝固位置ＣＥから乖離してしまうが、時刻ｔ＝０（すなわち鋳造速度Ｖｃの変更時）の近傍では、移動過程における最終凝固位置ＣＥの推定として用いることが可能である。

なお、上記最終凝固位置ＣＥの推定方法は、本発明に適用できる推定方法の一例であり、その他の合理的な最終凝固位置ＣＥの推定方法であれば、本発明を適切に実施することができる。例えば、上述のように、操業条件による伝熱凝固計算から最終凝固位置ＣＥを算出する方法を用いることができる。操業情報による伝熱凝固計算を用いた最終凝固位置の推定方法は、センサーの設置位置に制約されず最終凝固位置を推定することができ、かつ、最終凝固位置の推定に要する時間も他の物理センサーに比べて同等以下とすることが容易であるという特徴がある。加えて、時間に対して連続的な推定をすることも出来るので、本発明の最終凝固位置ＣＥの推定方法として好ましい。

ところで、伝熱凝固計算では、予め連続鋳造機１の情報などを入力して計算するので、経時による連続鋳造機１の状態変動を考慮しきれず、実際と異なる結果を示す場合がある。そこで、伝熱凝固計算に加えて、さらに別の方法を使って最終凝固位置ＣＥを把握することがより好ましい。具体的には、先述の超音波センサを用いる方法、またはサポートロール８に作用する荷重変動を測定する方法を、伝熱凝固計算と組合わせて用いることが考えられる。

〔推定例〕
以下、図３および図４を参照して、最終凝固位置ＣＥの推定の例について説明する。図３は、最終凝固位置ＣＥがＳｍを越えた時点で、鋳造速度Ｖｃの減速を開始する場合における、複数の減速パターンについての最終凝固位置ＣＥの推定値の推移を表すグラフである。図４は、図３に示された最終凝固位置ＣＥの推定値の推移を表すグラフにおける、減速を開始した付近の拡大図である。

図３に示された最終凝固位置ＣＥの推定値の推移は、鋳造速度Ｖｃ１から鋳造速度Ｖｃ２へ変更した場合を想定した推定値の推移である。図３に示されるように、鋳造速度Ｖｃ１での定常の最終凝固位置ＣＥは、鋳型内湯面位置ＭからＣＥ_１ｍであり、鋳造速度Ｖｃ２での定常の最終凝固位置ＣＥは、鋳型内湯面位置ＭからＣＥ_２ｍである。そして、連続鋳造機１の機端ＥはＥｍであり、鋳造速度Ｖｃ２の状態を維持し続けた場合、最終凝固位置ＣＥが連続鋳造機１の機端Ｅを越えてしまうという状況である。

そこで、図３に示された最終凝固位置ＣＥの推定例では、最終凝固位置ＣＥがＳｍを越えた時点で鋳造速度Ｖｃの減速を開始した場合の複数の減速パターンについての最終凝固位置ＣＥを推定している。なお、鋳造速度Ｖｃの減速を開始（すなわち推定の開始）のトリガーとしては、連続鋳造機１の鋳型内湯面位置ＭからＳｍの位置に超音波センサーなどの最終凝固点を検出する手段を備える方法が考えられる。このように、連続鋳造機１の操業中のある時点からその後の最終凝固位置ＣＥの推定することにより、本発明の実施形態に係る連続鋳造機１の制御装置１０は、連続鋳造機１のオンラインでの制御を行う。なお、図３に示された最終凝固位置ＣＥの推定例では、鋳造速度Ｖｃの減速を開始（すなわち推定の開始）時を、時刻０分と定義してグラフの表示をしている。

図３に示された最終凝固位置ＣＥの推定例では、鋳造速度Ｖｃの減速のパターンとして、パターン１からパターン５までを推定し、その推定結果を表示している。図３のグラフによれば、この最終凝固位置ＣＥの推定例では、パターン３，４，５で減速すれば、最終凝固位置ＣＥが連続鋳造機１の機端Ｅを越えないことが解る。したがって、本推定例では、オペレーターが、減速のパターン３，４，５のうち一つを選択し、連続鋳造機１の鋳造速度Ｖｃを変更する制御を行うこで、最終凝固位置ＣＥが連続鋳造機１の機端Ｅを越えないようにすることができる。さらに好ましくは、オペレーターが、減速のパターン３を選択し、連続鋳造機１の鋳造速度Ｖｃを変更する制御を行うことで、終凝固位置ＣＥが連続鋳造機１の機端Ｅを越えないようにすることができるとともに、鋳造速度Ｖｃを最大化することが可能である。

〔好適なパラメータ〕
以下に、最終凝固位置ＣＥの推定および表示についての好適なパラメータについて説明する。

本発明の実施形態に係る連続鋳造機１の制御装置１０による最終凝固位置ＣＥの推定方法では、推定が行われる時点またはそのｔｐ(分)前の操業条件に基づいて、ｔａ(分)経過した後の最終凝固位置ＣＥの値を推定する。以下、推定が行われる時点のｔｐ(分)前を、参照時間ｔｐ(分)と記載し、推定を行うｔａ(分)経過後の時刻を推定時間ｔａ(分)と記載する。

本発明の実施形態に係る連続鋳造機１の制御装置１０による最終凝固位置ＣＥの推定方法では、参照時間ｔｐ(分)が極端に大きい場合、推定しようとする最終凝固位置ＣＥに対応する鋳片７が、連続鋳造機１の鋳片７のどの状態とも対応しないので、有意な最終凝固位置ＣＥの推定をすることが困難となる。よって、参照時間ｔｐ(分)と鋳造速度Ｖｃとの関係は、参照時間ｔｐ(分)と鋳造速度Ｖｃとの積が５未満が好ましく、また２未満であることがより好ましい。ただし、参照時間ｔｐ(分)の値は連続鋳造機１の仕様や鋳造する鋼種によって適宜決められるべきものであり、本発明の実施はこの値に制約されるものでない。

本発明の実施形態に係る連続鋳造機１の制御装置１０による最終凝固位置ＣＥの推定値の表示は、参照時間ｔｐ(分)における操業条件とは異なる操業条件で鋳造した場合の推定時間ｔａ(分)における最終凝固位置ＣＥの推定値を１つ以上表示することが好ましい。現在の操業条件を維持した場合の最終凝固位置ＣＥの推定値と操業条件を変更した場合の最終凝固位置ＣＥの推定値とが併せて表示されることにより、オペレーターが操業条件を変えた場合の最終凝固位置ＣＥがどのように変化をするかを理解し得る。すなわち、操業条件の変化に対して遅れて最終凝固位置ＣＥが変化する事に起因する、最終凝固位置ＣＥが機端Ｅより機外に出てしまう現象をより確実に防止できる。

最終凝固位置ＣＥを推定する推定時間ｔａ(分)の適正な値は、連続鋳造機１によって適切に設定することが好ましい。しかしながら、推定時間ｔａと鋳造速度Ｖｃとの積が少なくとも２以上になることが好ましい。また、推定時間ｔａが大きすぎると有意な最終凝固位置ＣＥの推定が困難となるので、推定時間ｔａと鋳造速度Ｖｃとの積が５０未満となるように推定時間ｔａを選定することが好ましい。

また，鋳造速度Ｖｃが大きい場合、鋳造速度Ｖｃの変更に対する最終凝固位置ＣＥの変化の遅れが増加する傾向がある。その場合は複数の推定時間ｔａについて最終凝固位置ＣＥを算出することが好ましい。複数の推定時間ｔａについて最終凝固位置ＣＥの推定位置を表示するようにすることで、最終凝固位置ＣＥが機端Ｅより機外に出てしまう現象の抑制がより確実に行えるようになる。

例えば、鋳造速度Ｖｃと鋳造機の最大鋳造速度Ｖｃｍａｘとの関係において、推定時間ｔａを下記のように設定することが考えられる。
（１）Ｖｃ／Ｖｃｍａｘ＜０．２の場合、ｔａ＝２
（２）０．２≦Ｖｃ／Ｖｃｍａｘ＜０．６の場合、ｔａ＝２，５
（３）０．６≦Ｖｃ／Ｖｃｍａｘ＜０．８の場合、ｔａ＝２，５，１０
（４）０．８≦Ｖｃ／Ｖｃｍａｘ≦１．０の場合、ｔａ＝２，5，１０，１５
勿論、推定時間ｔａの値は装置の仕様や鋳造する鋼種によっても適宜調整されるべきものであり、本発明の実施は上記値に制約されるものでない。

参照時間ｔｐの鋳造速度をＶｃｐ(m/分)としたときの推定時間ｔａの鋳造速度Ｖｃａ(m/分)の適正な値は、連続鋳造機１の仕様により適切に選択することができる。しかしながら、連続鋳造機１の最大鋳造速度をＶｃｍａｘ(m/分)とした場合、０．１Ｖｃｍａｘ≦Ｖｃａ≦Ｖｃｍａｘかつ０．１≦Ｖｃａ／Ｖｃｐ≦５という条件を満たす範囲から選定することが好ましい。また、Ｖｃｐ／Ｖｃｍａｘとして算出される値の小数点第２位を切り捨てた値をαと定義し、Ｖｃａ／Ｖｃｍａｘをβ（ただし０＜β＜１）と定義するとき、β＝α±０．１たる条件をみたすＶｃａを選定することが好ましい。さらに好ましくは、βはαに対して、−０．３，−０．２，−０．１，０，０．１，０．２，０．３の中から選ばれる5つの数字としている。好ましい組み合わせは、０を中心として、正負の符号を対称に２つずつ選ぶことである。なお、このいずれの場合もβの定義範囲を超えた場合は、その値は含まないものとする。その場合は、βの定義範囲を超えなかった値の符号の中から選ばれていない任意の値を選択してもよい。

なお、上述したＶｃａの選び方はあくまでも一例であり、その選び方は装置の仕様や鋳造する鋼種によって適宜決められるべきものである。本発明は、上記の値に制約されるものではない。また、推定時間ｔａの最終凝固位置ＣＥを表示した場合について記述したが、それ以外の時間、たとえば、０分後、１／２ｔａ分後、１．５ｔａ分後、２ｔａ分後といった時間について表示しても構わない。とりわけ０分後の結果を出力すると、上述したｔａ後の値と比較出来るようになるので、変化の傾向が分かるようになる。変化の傾向が把握できると、より的確な変位の推測ができるようになるので最終凝固位置ＣＥが機端Ｅを超えるのを防ぐことがより容易となる。

以上、本発明の実施形態に係る連続鋳造機１の制御装置１０は、現在または過去の鋳造速度を維持した場合の将来における鋳片７の最終凝固位置ＣＥおよび現在または過去の鋳造速度を変更した場合の将来における鋳片７の最終凝固位置ＣＥを推定する最終凝固位置推定手段１２ａと、最終凝固位置推定手段１２ａが推定した鋳片７の最終凝固位置ＣＥを少なくとも一つ以上表示する表示装置１３と、オペレーターが鋳造速度を入力するための入力装置１４とを備え、最終凝固位置推定手段１２ａは、変更後の鋳造速度および鋳造速度の変更に伴う加速度に基づいて鋳片７の最終凝固位置ＣＥを推定し、オペレーターが、表示装置１３に表示される少なくとも一つ以上の鋳片７の最終凝固位置ＣＥを選択し、選択した鋳片の最終凝固位置に対応した鋳造速度を入力装置１４に入力するので、鋳片７の最終凝固位置ＣＥを常に連続鋳造機１内に位置させつつ、鋳造速度を最大化する操業が可能となる。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の実施における操業条件とは鋳造速度Ｖｃに限らず、それ以外の操業条件並びに鋳造速度Ｖｃとそれ以外の操業条件、あるいはＶｃ以外の２以上の条件を組み合わせるなど、いずれの組み合わせの場合においても、勿論有効である。

１連続鋳造機
２溶鋼
３タンディッシュ
４浸漬ノズル
５凝固シェル
６鋳型
７鋳片
８サポートロール
９トーチカッター
１０制御装置
１１記憶部
１２演算部
１２ａ最終凝固位置推定手段
１３表示装置
１４入力装置

Claims

現在または過去の鋳造速度を維持した場合の将来における鋳片の最終凝固位置、および現在または過去の鋳造速度を変更した場合の将来における前記鋳片の最終凝固位置を推定する最終凝固位置推定手段と、
前記最終凝固位置推定手段が推定した前記鋳片の最終凝固位置を少なくとも一つ以上表示する表示手段と、を備え、
前記最終凝固位置推定手段は、前記鋳造速度変更後の所定の時間経過後における、複数の異なる鋳造速度の減速パターンに基づいて、前記鋳片の最終凝固位置を推定することを特徴とする連続鋳造機の制御装置。
前記最終凝固位置推定手段は、変更後の鋳造速度に基づいて前記鋳片の最終凝固位置を推定す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。
前記最終凝固位置推定手段は、鋳造速度の変更に伴う加速度に基づいて前記鋳片の最終凝固位置を推定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の連続鋳造機の制御装置。
鋳造速度が入力される入力手段をさらに備え、
前記表示手段に表示される少なくとも一つ以上の前記鋳片の最終凝固位置とそれに対応する鋳造速度の減速パターンが選択され、前記選択された鋳片の最終凝固位置と減速パターンに対応した鋳造速度が入力手段に入力されることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の連続鋳造機の制御装置。