JP5842751B2 - 連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造機の鋳型内湯面レベルを制御する方法、及び、連続鋳造機の鋳型内湯面レベルを制御する装置に関する。

連続鋳造機においてタンディッシュから浸漬ノズルを通じて鋳型に溶鋼を注入する際、溶鋼の流量は、スライディングゲート方式のノズル、又は、ストッパー方式のノズルを用いて調整される。これらのノズルでは、タンディッシュと鋳型とを繋ぐ流路の開口部面積（溶鋼が流通可能な流路断面積。以下において、「流路開度」ということがある。）を調整することにより、溶鋼の流量を調整する。

スライディングゲート方式では、溶鋼の流量が少ない場合に、流路開度に対する溶鋼流量の変化率（流路開度を変更した際における溶鋼流量の変化の度合い。以下において同じ。）が小さく、溶鋼流量が増大するにつれて、流路開度に対する溶鋼流量の変化率が大きくなる傾向がある。一方、ストッパー方式では、溶鋼の流量が少ない場合に、流路開度に対する溶鋼流量の変化率が大きく、溶鋼流量が増大するにつれて、流路開度に対する溶鋼流量の変化率が小さくなる傾向がある。

鋳型内への溶鋼流入量の調節を、流路開度を調節して行う際、いずれのノズル形式においても、流路開度の操作幅が大きく、且つ、流路開度の操作頻度が高くなると、ノズルの出口で乱流が発生し、浸漬ノズル内の溶鋼流れの乱れに起因する鋳型内湯面の波立ち等が発生しやすくなる。この問題を防ぐために、溶鋼注入流量が少ない鋳込開始時及び鋳込終了時にはストッパー方式のノズルを用いて鋳型内の湯面レベルを制御し、鋳造速度がほぼ一定で溶鋼注入量が多い定常鋳造時には、スライディングゲート方式のノズルを用いて鋳型内の湯面レベルを制御すれば、各々のノズルの流路開度の操作量を小さくすることができるので、流路開度の操作に起因する浸漬ノズル内の溶鋼流れの乱れを低減することができる。

これを実現するためには、鋳造中に、使用する溶鋼流量制御装置を切替える必要がある。例えば、特許文献１には、切替元制御装置をストッパー方式のノズルによる溶鋼流量制御装置とし、切替先制御装置をスライディングゲート方式のノズルによる溶鋼流量制御装置として、切替元制御装置によるフィードバック湯面制御から切替先制御装置によるフィードバック湯面制御へ切替えると同時に、切替元制御装置の流路開度を予め定めた時間の関数にしたがって全開に近づける技術が開示されている。また、特許文献２には、切替元制御装置をストッパー方式のノズルによる溶鋼流量制御装置とし、切替先制御装置をスライディングゲート方式のノズルによる溶鋼流量制御装置として、切替元制御装置によるフィードバック湯面制御を行いながら、切替先制御装置の流路開度を全開開度から段階的に低下させ、切替先制御装置の流路開度が所定の設定開度に達した時に、切替元制御装置による湯面制御から切替先制御装置による湯面制御へと切替える技術が開示されている。

特開平６−１５４２６号公報 特開平９−２４８６６２号公報

特許文献１に開示されている技術では、切替元制御装置の流路開度を全開に近づけることで生じる溶鋼流入量を増加させる外乱を、切替先制御装置によるフィードバック制御で補償しなければならない。しかしながら、通常の湯面レベル制御則では湯面レベルを目標値に保つ積分制御の作用のため、湯面レベルが目標値を上回るまでは切替先制御装置のノズルが流路開度を低減させる方向へ作動しない虞があり、その結果として流路開度操作の遅れにより湯面レベルが目標値を大きく上回る虞があった。また、特許文献２に開示されている技術は、特許文献１に開示されている技術で生じる問題を防ぐために考案された技術であるが、スライディングゲート方式のノズルにより流路開度を段階的に低下させた直後には、注入される溶鋼の流量が急激に低下し、湯面レベルを時間とともに低下させる外乱が発生する。通常の湯面レベル制御装置では、湯面レベルを目標値に保つ積分制御の作用のため、湯面レベルが目標値を下回るまでは切替先制御装置のノズルが流路開度を増大させる方向へ作動しない虞があり、その結果として流路開度操作の遅れにより湯面レベルが目標値を大きく下回る虞があった。このように、特許文献１及び特許文献２に開示されている技術では、鋳造中に溶鋼流量制御装置を切替えたときに、湯面レベルが大きく変動する虞があり、その結果として、鋳片の品質を低下させる虞があった。

そこで本発明は、鋳造中に溶鋼流量制御装置を切替える際の鋳型内湯面レベルの変動を抑制することが可能な連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法及び制御装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、鋳型への溶鋼注入量と鋳型からの溶鋼流出量との差が０になるように、切替先制御装置のフィードフォワード流路開度操作量を算出し、これを用いて切替先制御装置の動作をフィードフォワード制御することにより、従来技術における、切替先制御装置の動作遅れに起因する鋳型内湯面レベルの変動を抑制できることを知見した。鋳型への溶鋼流入量と鋳型からの溶鋼流出量との差を０に保つフィードフォワード制御則には、切替元制御装置の流路開度に対する溶鋼流入量のモデル式、及び、切替先制御装置の流路開度に対する溶鋼流入量のモデル式が必要である。そこで、本発明者らは、これらを定式化して切替先制御装置にフィードフォワード制御を取り入れることにより、連続鋳造機の鋳型内湯面レベルを制御する本発明を完成させた。
以下、本発明について説明する。

本発明の第１の態様は、タンディッシュから鋳型へ注入する溶鋼の流量を、タンディッシュと鋳型とを繋ぐ流路の開口部面積を変更することにより調整する、切替元制御装置及び切替先制御装置を備えた連続鋳造機で、切替元制御装置による鋳型内の溶鋼湯面レベルのフィードバック制御から、切替先制御装置による鋳型内の溶鋼湯面レベルのフィードバック制御へと切り替える際に、予め定めた時間関数で定まる切替元制御装置の流路開度の速度軌道に基づいて算出される、切替元制御装置の流路開度を全開開度に近づけるフィードフォワード制御開度変更操作量を、切替元制御装置で溶鋼湯面レベルをフィードバック制御する際の流路開度指令値に加えることにより、切替元制御装置の流路開度指令値を算出する切替前切替元指令値算出工程と、切替元制御装置の流路開度に上記フィードフォワード制御開度変更操作量を反映させることに伴う溶鋼注入量変化及び鋳造速度変更による溶鋼流出量変化を補償する、切替先制御装置に対するフィードフォワード制御開度操作量を、直前の制御周期における切替先制御装置の流路開度指令値に加えることにより、現在の制御周期における切替先制御装置の流路開度指令値を算出する切替前切替先指令値算出工程と、を制御周期毎に繰り返し、切替元制御装置の流路開度が、鋳型内の溶鋼湯面レベルの制御を切替先制御装置による制御へと切り替える設定開度に到達した時点で、鋳型内の溶鋼湯面レベルの制御を、切替先制御装置によるフィードバック制御へと切り替え、切替元制御装置がスライディングゲート方式湯面制御装置であり、且つ、切替先制御装置がストッパー方式湯面制御装置であるか、或いは、切替元制御装置がストッパー方式湯面制御装置であり、且つ、切替先制御装置がスライディングゲート方式湯面制御装置である、連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法である。

また、上記本発明の第１の態様において、切替先制御装置による鋳型内の溶鋼湯面レベルのフィードバック制御へと切り替えた後に、切替元制御装置の流路開度を全開開度に近づけるフィードフォワード制御開度変更操作量を、直前の制御周期における切替元制御装置の流路開度指令値に加えることにより、現在の制御周期における切替元制御装置の流路開度指令値を算出する切替後切替元指令値算出工程と、切替元制御装置の流路開度に上記フィードフォワード制御開度変更操作量を反映させることに伴う溶鋼注入量変化及び鋳造速度変更による溶鋼流出量変化を補償する、切替先制御装置に対するフィードフォワード制御開度操作量を、切替先制御装置で溶鋼湯面レベルをフィードバック制御する際の流路開度指令値に加えることにより、切替先制御装置の流路開度指令値を算出する切替後切替先指令値算出工程と、を有することが好ましい。

本発明の第２の態様は、タンディッシュから鋳型へ注入する溶鋼の流量を、タンディッシュと鋳型とを繋ぐ流路の開口部面積を変更することにより調整する、切替元制御装置及び切替先制御装置を備えた連続鋳造機で、切替元制御装置による鋳型内の溶鋼湯面レベルのフィードバック制御から、切替先制御装置による鋳型内の溶鋼湯面レベルのフィードバック制御へと切り替える制御切替手段を備える、連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御装置であって、予め定めた時間関数で定まる切替元制御装置の流路開度の速度軌道に基づいて算出される、切替元制御装置の流路開度を全開開度に近づけるフィードフォワード制御開度変更操作量を、切替元制御装置で溶鋼湯面レベルをフィードバック制御する際の流路開度指令値に加えることにより、切替元制御装置の流路開度指令値を算出する切替前切替元指令値算出部と、切替元制御装置の流路開度に上記フィードフォワード制御開度変更操作量を反映させることに伴う溶鋼注入量変化及び鋳造速度変更による溶鋼流出量変化を補償する、切替先制御装置に対するフィードフォワード制御開度操作量を、直前の制御周期における切替先制御装置の流路開度指令値に加えることにより、現在の制御周期における切替先制御装置の流路開度指令値を算出する切替前切替先指令値算出部と、を備え、切替前切替元指令値算出部における切替元制御装置の流路開度指令値の算出、及び、切替前切替先指令値算出部における切替先制御装置の流路開度指令値の算出が、制御周期毎に行われ、切替前切替元指令値算出部によって算出された、切替元制御装置の流路開度が、鋳型内の溶鋼湯面レベルの制御を切替先制御装置による制御へと切り替える設定開度に到達した時に、制御切替手段によって、鋳型内の溶鋼湯面レベルの制御が、切替先制御装置によるフィードバック制御へと切り替えられ、切替元制御装置がスライディングゲート方式湯面制御装置であり、且つ、切替先制御装置がストッパー方式湯面制御装置であるか、或いは、切替元制御装置がストッパー方式湯面制御装置であり、且つ、切替先制御装置がスライディングゲート方式湯面制御装置である、連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御装置である。

また、上記本発明の第２の態様において、さらに、切替先制御装置による鋳型内の溶鋼湯面レベルのフィードバック制御へと切り替えた後に、切替元制御装置の流路開度を全開開度に近づけるフィードフォワード制御開度変更操作量を、直前の制御周期における切替元制御装置の流路開度指令値に加えることにより、現在の制御周期における切替元制御装置の流路開度指令値を算出する、切替後切替元指令値算出部と、切替先制御装置による鋳型内の溶鋼湯面レベルのフィードバック制御へと切り替えた後に、切替元制御装置の流路開度に上記フィードフォワード制御開度変更操作量を反映させることに伴う溶鋼注入量変化及び鋳造速度変更による溶鋼流出量変化を補償する、切替先制御装置に対するフィードフォワード制御開度操作量を、切替先制御装置で溶鋼湯面レベルをフィードバック制御する際の流路開度指令値に加えることにより、切替先制御装置の流路開度指令値を算出する、切替後切替先指令値算出部と、を備えることが好ましい。

本発明によれば、切替元制御装置による制御から切替先制御装置による制御へと切り替えている間に、制御装置を切替えることに伴う鋳型内の湯面レベルの変動を抑制することが可能になる。その結果、連続鋳造機操業の安定化を図ることや、鋳片の品質を向上させることが可能になる。

本発明の連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御装置２０を説明する図である。 ストッパー２の側面図及び下面図である。 スライディングゲート９の上面図である。 本発明の連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法を説明するフローチャートである。 本発明による連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御結果を説明する図である。 本発明による連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御結果を説明する図である。 従来法による連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御結果を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されない。

本発明では、鋳型内の湯面レベルを制御する制御装置を切り替えている間に、切替元制御装置の流路開度を全開に近づける参照速度及び鋳造速度を用いて、鋳型への溶鋼注入量を制御するように切替先制御装置の流路開度変更量を決定し、制御装置切替中の鋳型内湯面レベルの変動を抑制する。

以下では、ストッパー方式のノズル（以下において、「ストッパー」ということがある。）を用いる湯面制御装置と、スライディングゲート方式のノズル（以下において、「スライディングゲート」ということがある。）を用いる湯面制御装置との２つの制御装置を備え、１つの浸漬ノズルを介してタンディッシュから鋳型に溶鋼を注入する連続鋳造機において、両者の間で湯面制御を切替える実施の形態について説明する。

図１は、本発明の連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御装置２０を備える連続鋳造機１００を説明する図である。図１に示した連続鋳造機１００は、溶鋼１２が注入されるタンディッシュ１、溶鋼１２を連続鋳造する際に用いられる鋳型７、及び、タンディッシュ１と鋳型７とを繋ぐ浸漬ノズル８と、鋳型内湯面レベル制御装置２０と、を有している。鋳型内湯面レベル制御装置２０は、溶鋼１２の湯面レベルを制御するストッパー方式湯面制御装置３及びスライディングゲート方式湯面制御装置５と、これら２つの制御装置を切替える制御切替手段４と、湯面レベル計６と、を有している。鋳型内湯面レベル制御装置２０において、鋳型７内の湯面レベルは、湯面レベル計６によって測定され、湯面レベル計６による測定結果は制御切替手段４へと送られる。ストッパー方式湯面制御装置３は、紙面上下動可能に構成されたストッパー２と、タンディッシュ１の底部に備えられたストッパー下ノズル１１とを有し、スライディングゲート方式湯面制御装置５は、紙面左右方向へ移動可能に構成されたスライディングゲート９、及び、該スライディングゲート９とタンディッシュ１との間に設けられたスライディングゲート上ノズル１０を有している。ストッパー方式湯面制御装置３を用いて鋳型内の湯面レベルを制御する場合には、ストッパー２の先端がストッパー下ノズル１１内に位置するようにストッパー２の動作が制御され、ストッパー２の位置を制御することによって、ストッパー下ノズル１１を流通する溶鋼１２の流通可能断面積（流路開度）を調整し、溶鋼１２の湯面レベルを制御する。これに対し、スライディングゲート方式湯面制御装置５を用いて鋳型内の湯面レベルを制御する場合には、スライディングゲート９を紙面左右方向へ移動させることにより、浸漬ノズル８内の流路断面積を低減するようにスライディングゲート９の動作が制御され、スライディングゲート９の位置を制御することによって、浸漬ノズル８内を流通する溶鋼１２の流通可能断面積（流路開度）を調整し、溶鋼１２の湯面レベルを制御する。

ストッパー２の側面図及び下面図を図２に、スライディングゲート９の上面図を図３に、それぞれ示す。図３には、スライディングゲート上ノズル開口部１０ａの直径がＤ_２であり、浸漬ノズル内壁面８ａの直径がＤ_４である様子が示されている。図２に示したように、ストッパー２を上下動させることにより、ストッパー下ノズル１１とストッパー２との間隔ｄ_１（ｙ）、流路長さｌ_１（ｙ）、ストッパー開度ｙ、及び、ストッパー開口面積Ａ_１（ｙ）を制御することができる。また、図３に示したように、スライディングゲート９を左右方向へ移動させることにより、スライディングゲート開口部９ａの直径と浸漬ノズル内壁面８ａの直径との重なり長さｘ、及び、スライディングゲート開口部の面積Ａ_３（ｘ）を制御することができる。

連続鋳造機１００において、タンディッシュ１の中から、鋳型７内の溶鋼湯面レベルまでの流路形状に着目して、タンディッシュ１から鋳型７までを複数の領域に分割すると、ベルヌーイの定理により、溶鋼流に関して以下のような関係式が成り立つ。

タンディッシュ１内の溶鋼湯面高さＨ_ｔｄと同底面における溶鋼流速ｖ_０との間には、下記式（１）の関係が成り立つ。

ここで、ｇは重力加速度、Ｈ_ｔｄはタンディッシュ１内の溶鋼高さ、ｐ_０はタンディッシュ１の底面における溶鋼静圧である。

ストッパー２とストッパー下ノズル１１との間に形成される溶鋼流路内の溶鋼流速ｖ_１については、ベルヌーイの定理より下記式（２）の関係が成り立つ。

ここで、ｙはストッパー開度、ｈ_１はストッパー下ノズル１１の高さ、ｌ_１（ｙ）はストッパー２とストッパー下ノズル１１との間の流路長さ、ｄ_１（ｙ）は同流路の間隔、ｆ_１は同流路の摩擦係数、ｐ_１は同流路における溶鋼静圧、ζ_１は同流路の入口における圧力損失係数である。

スライディングゲート上ノズル１０内の流路内溶鋼流速ｖ_２については、ベルヌーイの定理より下記式（３）の関係が成り立つ。

ここで、ｈ_２はスライディングゲート上ノズル１０の垂直高さ、ｆ_２はスライディングゲート上ノズル１０内流路の摩擦係数、Ｄ_２はスライディングゲート上ノズル１０の内径、ｐ_２はスライディングゲート上ノズル１０内の溶鋼静圧である。

スライディングゲート９の開口部の流路内溶鋼流速ｖ_３については、ベルヌーイの定理より下記式（４）の関係が成り立つ。

ここで、ｈ_３はスライディングゲート９の垂直高さ、ｆ_３はスライディングゲート９内流路の摩擦係数、ｘはスライディングゲート９の開度、Ｄ_３（ｘ）は開口面積を等価な円に換算したときの内径、ζ_３（ｘ）はスライディングゲート９の入口急縮による圧力損失係数、ｐ_３はスライディングゲート９内の開口部における溶鋼静圧である。

浸漬ノズル８内の流路内溶鋼流速ｖ_４については、ベルヌーイの定理より下記式（５）の関係が成り立つ。

ここで、ｈ_４はスライディングゲート９と鋳型７内の溶鋼表面との距離、ｆ_４は浸漬ノズル８内流路の摩擦係数、ζ_４（ｘ）はスライディングゲート９の出口急拡による圧力損失係数、Ｄ_４は浸漬ノズル８の内径である。

また、連続の法則により、各部における流量は等しいので、下記式（６）が成り立つ。

ここで、Ａ_１（ｙ）はストッパー開口面積、Ａ_２はスライディングゲート上ノズル１０内における流路開口面積、Ａ_３（ｘ）はスライディングゲート開口部の面積、Ａ_４は浸漬ノズル８内における流路開口面積である。

上記式（１）〜（６）より、溶鋼流量は下記式（７）で表される。

溶鋼注入量と鋳片としての引抜量とが一定になる条件は、鋳型７の水平断面積をＡ、鋳造速度をｖ_ｃとすると、

である。この条件を満たすことは、

とすると、上記式（７）乃至（９）より、

と等価である。

図４は、本発明の連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法（以下において、「本発明の制御方法」ということがある。）を説明するフローチャートである。図４に示した本発明の制御方法は、制御装置を切替えるか否かを判断する工程（Ｓ１）と、切替元制御装置の流路開度が所定開度未満であるかを判断する工程（Ｓ２）と、切替前切替元指令値算出工程（Ｓ３）と、切替前切替先指令値算出工程（Ｓ４）と、流路開度指令値出力工程（Ｓ５）と、切替元制御装置の流路開度が全開であるか否かを判断する工程（Ｓ６）と、切替後切替元指令値算出工程（Ｓ７）と、切替後切替先指令値算出工程（Ｓ８）と、切替先制御装置のフィードバック制御指令値を算出する工程（Ｓ９）と、切替元制御装置の流路開度を全開にする工程（Ｓ１０）と、切替元制御装置のフィードバック制御指令値を算出する工程（Ｓ１１）と、切替先制御装置の流路開度を全開にする工程（Ｓ１２）と、を有している。以下、図１乃至図４を参照しつつ、本発明の制御方法、及び、本発明の連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御装置について説明する。なお、ここでは、切替元制御装置がスライディングゲート方式湯面制御装置５であり、切替先制御装置がストッパー方式湯面制御装置３である場合について、説明する。

本発明の制御方法によって鋳型７内の湯面レベルを制御する場合には、まず最初に、Ｓ１において、切替元制御装置から切替先制御装置へ制御を切替えるか否かが判断される。Ｓ１で肯定判断がなされた場合には（後述するｔ＞Ｔ_１に相当）、切替元制御装置から切替先制御装置へ制御が切替えられるので、Ｓ２へと処理が進められる。

Ｓ２では、切替元制御装置による制御から切替先制御装置による制御へと制御が切替えられるときの流路開度に、切替元制御装置の流路開度が達しているか否かが判断される。Ｓ２で肯定判断がなされた場合には、切替元制御装置の流路開度が、切替元制御装置による制御から切替先制御装置による制御へと制御が切替えられるときの流路開度に達していないので、湯面レベル制御は、未だ切り替えられない。そこで、Ｓ２で肯定判断がなされた場合には、処理がＳ３へと進められる。

Ｓ３では、切替元制御装置による制御から切替先制御装置による制御へと制御が切替えられる前の段階における、切替元制御装置に対する流路開度指令値を算出する。この工程は、制御切替手段４における切替前切替元指令値算出部４ａで行われる。
Ｓ３では、制御周期Δｔごとに、湯面レベル計６による実測値と予め定めた目標値との偏差に基づいてスライディングゲートのフィードバック制御指令値ｘ_ＦＢ（ｔ）を算出するとともに、予め定めた時間関数で定まるスライディングゲート開度の速度軌道に基づき、該制御周期におけるスライディングゲート開度の変更操作量ｄｘ_ｒｅｆ（ｔ）を算出して、スライディングゲート開度指令値を
ｘ（ｔ）＝ｘ_ＦＢ（ｔ）＋ｄｘ_ｒｅｆ（ｔ）
として算出する。スライディングゲート開度の速度軌道は、該開度が全開又は全開に近い所定の開度に至るまでの速度を、該開度の時間変化率として規定するもので、例えば、スライディングゲートの開度が時刻Ｔ_１以後の所定の時間内に全開開度に達するように定めることができる。このようにして、切替元制御装置による制御から切替先制御装置による制御へと制御が切替えられる前の段階における、切替元制御装置に対する流路開度指令値を算出したら、処理はＳ４へと進められる。

Ｓ４では、切替元制御装置による制御から切替先制御装置による制御へと制御が切替えられる前の段階における、切替先制御装置に対する流路開度指令値を算出する。この工程は、制御切替手段４における切替前切替先指令値算出部４ｂで行われる。
Ｓ４では、切替元制御装置の流路開度に上記ｄｘ_ｒｅｆ（ｔ）を反映させることに伴う溶鋼注入量変化及び鋳造速度変更による溶鋼流出量変化を補償する、切替先制御装置に対するフィードフォワード制御開度操作量ｄｙ_ＦＦ（ｔ）を算出する。ｄｙ_ＦＦ（ｔ）は、例えば下記方程式（１１）の数値解として、ニュートン法などの数値解析法を用いて算出することができる。

制御装置の計算負荷を低減するために、ニュートン法などの反復法を用いることができない場合には、以下の関数

を用いて、Ｇ（ｘ、ｙ、ｖ_ｃ）＝Ｇ_ｘ（ｘ）＋Ｇ_ｙ（ｙ）＋Ｇ_ｖ（ｖ_ｃ）と表すことができるので、上記方程式（１１）の第１次近似解として

を算出しても良い。このようにして切替先制御装置に対するフィードフォワード制御開度操作量ｄｙ_ＦＦ（ｔ）を算出したら、これを、直前の制御周期における切替先制御装置の流路開度指令値ｙ（ｔ−Δｔ）に加えることにより、現在の制御周期における前記切替先制御装置の流路開度指令値ｙ（ｔ）を

として算出する。Ｓ３及びＳ４により、切替元制御装置及び切替先制御装置に対する指令値が算出されたら、引き続き、Ｓ５において、算出された指令値が制御切替手段４から切替元制御装置及び切替先制御装置へ向けて出力されることにより、鋳型７内の湯面レベルが制御される。上記Ｓ３及びＳ４は、上記Ｓ２で否定判断がなされるまで行われる。

Ｓ２で否定判断がなされた場合には、切替元制御装置の流路開度が、切替元制御装置による制御から切替先制御装置による制御へと制御が切替えられるときの流路開度に達している（後述するｔ＝Ｔ_２（＞Ｔ_１）に相当）。そのため、制御が切替元制御装置から切替先制御装置へと切替えられて、処理がＳ６へと進められる。

Ｓ６では、切替元制御装置の流路開度が全開になっているか否かが判断される。Ｓ６で肯定判断がなされた場合には、切替元制御装置から切替先制御装置への切替えが終了し、湯面レベル制御は切替先制御装置によって行われ、切替元制御装置による湯面レベル制御は行われない。そのため、Ｓ６で肯定判断がなされた場合には、切替先制御装置によるフィードバック制御を行うための制御指令値ｙ_ＦＢ（ｔ）がＳ９で算出される。さらに、切替元制御装置による湯面レベル制御は行われないので、Ｓ１０において、切替元制御装置に対する流路開度指令値が全開のまま維持される。このようにして、切替先制御装置に対する制御指令値及び切替元制御装置に対する制御指令値が特定されたら、引き続き、Ｓ５において、その制御指令値が制御切替手段４から切替元制御装置及び切替先制御装置へ向けて出力される。

これに対し、Ｓ６で否定判断がなされた場合には、切替元制御装置の流路開度が全開になっていないので、切替元制御装置の流路開度が全開に至るまで、切替元制御装置の流路開度が開方向に変更する。この流路開度の変更が湯面レベルを変動させ得るので、Ｓ６で否定判断がなされた場合には、切替元制御装置から切替先制御装置への切替え途中における湯面レベルの変動を抑制するために、引き続き、処理がＳ７へと進められる。

Ｓ７では、切替元制御装置の流路開度を全開開度に近づけるフィードフォワード制御開度変更操作量ｄｘ_ｒｅｆ（ｔ）を、直前の制御周期における切替元制御装置の流路開度指令値ｘ（ｔ−Δｔ）に加えることにより、現在の制御周期における切替元制御装置の流路開度指令値ｘ（ｔ）を

として算出する。この工程は、制御切替手段４における切替後切替元指令値算出部４ｃで行われる。このようにして、切替元制御装置による制御から切替先制御装置による制御へと制御が切替えられた後の段階における、切替元制御装置に対する流路開度指令値ｘ（ｔ）を算出したら、処理はＳ８へと進められる。

Ｓ８では、切替元制御装置の流路開度に上記フィードフォワード制御開度変更操作量ｄｘ_ｒｅｆ（ｔ）を反映させることに伴う溶鋼注入量変化及び鋳造速度変更による溶鋼流出量変化を補償する、切替先制御装置に対するフィードフォワード制御開度操作量ｄｙ_ＦＦ（ｔ）を、切替先制御装置で溶鋼湯面レベルをフィードバック制御する際の流路開度指令値ｙ_ＦＢ（ｔ）に加えることにより、切替先制御装置の流路開度指令値ｙ（ｔ）を算出する。この工程は、制御切替手段４における切替後切替先指令値算出部４ｄで行われる。ｄｙ_ＦＦ（ｔ）は、上記Ｓ４と同様に、方程式

の数値解、又は１次近似解として

にしたがって算出する。これをｙ_ＦＢ（ｔ）に加えることにより、現在の制御周期における切替先制御装置の流路開度指令値ｙ（ｔ）を

として算出する。

一方、Ｓ１で否定判断がなされた場合には、切替元制御装置による制御が継続される。本実施形態では、湯面レベル制御に用いられない制御装置は流路開度を全開にするので、Ｓ１で否定判断がなされた場合には、Ｓ１１において切替元制御装置のフィードバック制御指令値を算出し、続いて、Ｓ１２において切替先制御装置の流路開度を全開にするように指令値が決定される。これらの指令値は、制御切替手段４で算出され、算出された指令値は、制御切替手段４から切替元制御装置及び切替先制御装置へ向けて出力される。

以上、切替元制御装置がスライディングゲート方式湯面制御装置５であり、切替先制御装置がストッパー方式湯面制御装置３である場合について説明したが、本発明は当該形態に限定されない。切替元制御装置がストッパー方式湯面制御装置であり、切替先制御装置がスライディングゲート方式湯面制御装置である場合は、上記処理において、ストッパー方式湯面制御装置とスライディングゲート方式湯面制御装置とを入れ替えた、以下のような処理を行えば良い。

（１）時刻ｔ＝Ｔ_１より、制御装置切替処理を開始する。この時刻までは、スライディングゲートは全開開度で待機しておく。

（２）時刻ｔ＞Ｔ_１より、ストッパー開度が予め定めた開度を上回るまでは、制御周期Δｔごとに、湯面レベル計６による実測値と予め定めた目標値との偏差に基づき、ストッパーのフィードバック制御指令値ｙ_ＦＢ（ｔ）を算出するとともに、ストッパーの開度が時刻Ｔ_１以後の所定の時間内に全開開度に達するように、予め定めた時間関数で定まるストッパー開度の速度軌道に基づき、当該制御周期におけるストッパー開度の変更操作量ｄｙ_ｒｅｆ（ｔ）を算出して、ストッパーの流路開度指令値ｙ（ｔ）を

として算出する。

（３）次に、ストッパーの流路開度指令値にｙ_ＦＢ（ｔ）を反映させることに伴う溶鋼注入量変化及び鋳造速度変更による溶鋼流出量変化の影響を打ち消すためのスライディングゲートのフィードフォワード制御開度操作量ｄｘ_ＦＦ（ｔ）を、方程式

の数値解として、ニュートン法などの数値解析法を用いて算出する。なお、制御装置の計算負荷低減のため、ニュートン法などの反復法を用いることができない場合には、上記式（１２）乃至（１４）の関数を用いることでＧ（ｘ、ｙ、ｖ_ｃ）＝Ｇ_ｘ（ｘ）＋Ｇ_ｙ（ｙ）＋Ｇ_ｖ（ｖ_ｃ）と表すことができるので、方程式（２２）の第１次近似解として

を算出しても良い。時刻ｔにおけるスライディングゲート方式湯面制御装置への開度指令値ｘ（ｔ）は、上記式（２２）の数値解、又は、式（２３）を用いて、

として算出する。

（４）時刻ｔ＝Ｔ_２（＞Ｔ_１）において、ストッパーの開度が予め定めた開度を上回った場合、以降では、ストッパーの開度は予め定めた速度軌道にしたがって算出し、湯面レベルのフィードバック制御はスライディングゲート方式湯面制御装置により行う。
時刻ｔにおけるストッパー開度ｙ（ｔ）は、予め定めた時間関数で定まる速度軌道ｄｙ_ｒｅｆ（ｔ）を用いて、

として算出する。一方、同時刻のスライディングゲート開度ｘ（ｔ）は、湯面レベル計による実測値と目標値との偏差に基づくフィードバック制御を行うための制御指令値ｘ_ＦＢ（ｔ）に、ストッパー開度及び鋳造速度の変化の影響を補償するためのフィードフォワード制御開度変更量ｄｘ_ＦＦ（ｔ）を加えることにより算出する。ｄｘ_ＦＦ（ｔ）は、上記（３）と同様に、方程式

の数値解、又は、第１次近似解

としてｄｘ_ＦＦ（ｔ）を算出し、これにｘ_ＦＢ（ｔ）を加えることにより、

を算出する。以上の処理を制御周期ごとに行うことにより、切替元制御装置がストッパー方式湯面制御装置であり、切替先制御装置がスライディングゲート方式湯面制御装置であっても、鋳造中に溶鋼流量制御装置を切替える際の鋳型内湯面レベルの変動を抑制することができる。

タンディッシュから鋳型へ向けて流れる溶鋼の流量を調節可能な、スライディングゲート方式の湯面制御装置及びストッパー方式の湯面制御装置を備える連続鋳造機における鋳造中に、湯面レベルを制御する制御装置をスライディングゲート方式の湯面制御装置からストッパー方式の湯面制御装置へと切替える際に、本発明又は従来技術を適用したときの鋳型内の湯面レベルの変化を調べた。本発明を適用する場合、及び、従来技術を適用する場合の何れにおいても、同一の連続鋳造機を使用し、溶鋼の流量制御に使用されていない湯面制御装置の流路開度は全開開度に維持し、且つ、制御周期（Δｔ）は０．１秒とした。また、本発明を適用する場合、及び、従来技術を適用する場合の何れにおいても、切替元制御装置で溶鋼湯面レベルをフィードバック制御する際の流路開度指令値（ｘ_ＦＢ（ｔ））、及び、切替先制御装置で溶鋼湯面レベルをフィードバック制御する際の流路開度指令値（ｙ_ＦＢ（ｔ））の算出方法は同一とした。さらに、本発明を適用する場合、切替元制御装置（スライディングゲート方式の湯面制御装置）の流路開度を全開開度に近づけるフィードフォワード制御開度変更操作量（ｄｘ_ｒｅｆ（ｔ））は、工業用パーソナルコンピュータで算出した。なお、今回使用した連続鋳造機（スラブ用連続鋳造機）は、タンディッシュ、及び、開口部が長辺１．６ｍ，短辺０．２７ｍの長方形である鋳型を備えており、スライディングゲート上ノズル内径Ｄ_２は０．０７５ｍ、浸漬ノズル内径Ｄ_４は０．０７０ｍであった。

＜実施例１＞
制御装置をスライディングゲート方式の湯面制御装置からストッパー方式の湯面制御装置へと切替える際に、制御周期毎に上記方程式（１１）をニュートン法で数値的に解くことでストッパーのフィードフォワード制御開度操作量ｄｙ_ＦＦ（ｔ）を算出して、制御を行った。このときの、湯面偏差、流路開度、及び鋳造速度の経過を図５に示す。図５（ａ）の縦軸は湯面偏差［ｍｍ］、図５（ｂ）の縦軸は流路開度（左側の縦軸：ストッパー開度、右側の縦軸：スライディングゲート開度）［ｍｍ］、図５（ｃ）の縦軸は鋳造速度［ｍ／ｍｉｎ］であり、図５（ａ）乃至（ｃ）の横軸は時間［ｓ］である。
本実施例において、スライディングゲート開度の変更軌道は、一定速度で全開開度に近づくものとした。ｔ＝Ｔ_１の直後においてスライディングゲート開度の変更速度が緩やかになっているのは、ｔ＝Ｔ_１において鋳造速度が低下開始しており，その影響を補償するため，スライディングゲート開度を閉方向に操作するフィードフォワード開度操作量が加わったためである。ニュートン法で数値的に解いたｄｙ_ＦＦ（ｔ）を用いて制御した結果、図５（ｂ）に示したように、ストッパー開度は時刻ｔ＝Ｔ_１より切替処理を開始した直後は急速に閉方向へと近づき、その後、一定開度に漸近した。この制御の結果、図５（ａ）に示したように、湯面レベルはほとんど変化が見られなかった。

＜実施例２＞
制御装置をスライディングゲート方式の湯面制御装置からストッパー方式の湯面制御装置へと切替える際に、制御周期毎に上記方程式（１１）の第１次近似解をフィードフォワード制御開度操作量ｄｙ_ＦＦ（ｔ）として、制御を行った。このときの、湯面偏差、流路開度、及び鋳造速度の経過を図６に示す。図６（ａ）の縦軸は湯面偏差［ｍｍ］、図６（ｂ）の縦軸は流路開度（左側の縦軸：ストッパー開度、右側の縦軸：スライディングゲート開度）［ｍｍ］、図６（ｃ）の縦軸は鋳造速度［ｍ／ｍｉｎ］であり、図６（ａ）乃至（ｃ）の横軸は時間［ｓ］である。
本実施例において、スライディングゲート開度の変更軌道は、一定速度で全開開度に近づくものとした。ｔ＝Ｔ_１の直後においてスライディングゲート開度が変更されなかったのはｔ＝Ｔ_１において鋳造速度が低下開始しており，その影響を補償するため，スライディングゲート開度を閉方向に操作するフィードフォワード開度操作量が加わったためであり、スライディングゲート開度の変更開始後に、スライディングゲート開度の変更速度が緩やかに揺らいでいるのは、ストッパー開度フィードフォワード操作量として上記方程式（１１）の第１次近似解を用いているため，上記方程式（１１）の左辺関数の近似誤差が外乱となり湯面レベルを変動させ，フィードバック制御によるスライディングゲート開度操作を引き起こしたためである。ｄｙ_ＦＦ（ｔ）に第１次近似解を用いて制御した結果、図６（ｂ）に示したように、ストッパー開度は時刻ｔ＝Ｔ_１より切替処理を開始した直後は急速に閉方向へと近づき、その後、一定開度に漸近した。この制御の結果、図６（ａ）に示したように、湯面レベルの変動は抑制されたが、実施例１の場合よりも湯面レベルの変動幅が大きかった。

＜比較例＞
制御装置をスライディングゲート方式の湯面制御装置からストッパー方式の湯面制御装置へと切替える際に本発明を使用せず、特許文献２に開示されている技術のように、切替制御装置の切替指令入力直後からストッパー方式の湯面制御装置のストッパー開度を一定速度で閉方向に変更しながら、スライディングゲート方式の湯面制御装置で湯面レベルをフィードバック制御し、ストッパーが所定の開度に到達したときに、フィードバック制御をストッパー方式の湯面制御装置へと切替えるように制御を行った。このときの、湯面偏差、流路開度、及び鋳造速度の経過を図７に示す。図７（ａ）の縦軸は湯面偏差［ｍｍ］、図７（ｂ）の縦軸は流路開度（左側の縦軸：ストッパー開度、右側の縦軸：スライディングゲート開度）［ｍｍ］、図７（ｃ）の縦軸は鋳造速度［ｍ／ｍｉｎ］であり、図７（ａ）乃至（ｃ）の横軸は時間［ｓ］である。
図７（ａ）に示したように、本比較例では、時刻ｔ＝Ｔ_１より切替処理を開始した後、ストッパー開度が全開に近い場合には、湯面レベルが目標値に制御されたが、ストッパー開度が小さくなると急激に湯面レベルが降下した。ストッパー開度が所定の開度に到達していないために、ストッパー開度が小さくなってもスライディングゲート方式の湯面制御装置によるフィードバック制御が継続されている間は、スライディングゲート開度を全開に近づけても湯面レベルを目標値に復帰させることはできず、その後、ストッパー方式の湯面制御装置に湯面レベルのフィードバック制御が切り替わった直後から、湯面レベルは元の目標値に制御される状態へと急激に戻った。図５（ａ）、図６（ａ）、及び、図７（ａ）より、比較例における湯面レベルの変動幅は、実施例１及び実施例２における湯面レベルの変動幅よりも極めて大きい。この結果から、本発明によれば、鋳造中に溶鋼流量制御装置を切替える際の鋳型内湯面レベルの変動を抑制することが可能であることが示された。

１…タンディッシュ
２…ストッパー
３…ストッパー方式湯面制御装置
４…制御切替手段
５…スライディングゲート方式湯面制御装置
６…湯面レベル計
７…鋳型
８…浸漬ノズル
８ａ…浸漬ノズル内壁面
９…スライディングゲート
９ａ…スライディングゲート開口部
１０…スライディングゲート上ノズル
１０ａ…スライディングゲート上ノズル開口部
１１…ストッパー下ノズル
１２…溶鋼
２０…連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御装置
１００…連続鋳造機

Claims (4)

1. タンディッシュから鋳型へ注入する溶鋼の流量を、前記タンディッシュと前記鋳型とを繋ぐ流路の開口部面積を変更することにより調整する、切替元制御装置及び切替先制御装置を備えた連続鋳造機で、
   前記切替元制御装置による前記鋳型内の溶鋼湯面レベルのフィードバック制御から、前記切替先制御装置による前記鋳型内の溶鋼湯面レベルのフィードバック制御へと切り替える際に、
   予め定めた時間関数で定まる前記切替元制御装置の流路開度の速度軌道に基づいて算出される、前記切替元制御装置の流路開度を全開開度に近づけるフィードフォワード制御開度変更操作量を、前記切替元制御装置で前記溶鋼湯面レベルをフィードバック制御する際の流路開度指令値に加えることにより、前記切替元制御装置の流路開度指令値を算出する切替前切替元指令値算出工程と、
   前記切替元制御装置の流路開度に前記フィードフォワード制御開度変更操作量を反映させることに伴う溶鋼注入量変化及び鋳造速度変更による溶鋼流出量変化を補償する、前記切替先制御装置に対するフィードフォワード制御開度操作量を、直前の制御周期における前記切替先制御装置の流路開度指令値に加えることにより、現在の制御周期における前記切替先制御装置の流路開度指令値を算出する切替前切替先指令値算出工程と、を制御周期毎に繰り返し、
   前記切替元制御装置の流路開度が、前記鋳型内の溶鋼湯面レベルの制御を前記切替先制御装置による制御へと切り替える設定開度に到達した時点で、前記鋳型内の溶鋼湯面レベルの制御を、前記切替先制御装置によるフィードバック制御へと切り替え、
   前記切替元制御装置がスライディングゲート方式湯面制御装置であり、且つ、前記切替先制御装置がストッパー方式湯面制御装置であるか、或いは、前記切替元制御装置がストッパー方式湯面制御装置であり、且つ、前記切替先制御装置がスライディングゲート方式湯面制御装置である、連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法。
2. 前記切替先制御装置による前記鋳型内の溶鋼湯面レベルのフィードバック制御へと切り替えた後に、
   前記切替元制御装置の流路開度を全開開度に近づけるフィードフォワード制御開度変更操作量を、直前の制御周期における前記切替元制御装置の流路開度指令値に加えることにより、現在の制御周期における前記切替元制御装置の流路開度指令値を算出する切替後切替元指令値算出工程と、
   前記切替元制御装置の流路開度に前記フィードフォワード制御開度変更操作量を反映させることに伴う溶鋼注入量変化及び鋳造速度変更による溶鋼流出量変化を補償する、前記切替先制御装置に対するフィードフォワード制御開度操作量を、前記切替先制御装置で前記溶鋼湯面レベルをフィードバック制御する際の流路開度指令値に加えることにより、前記切替先制御装置の流路開度指令値を算出する切替後切替先指令値算出工程と、を有する、請求項１に記載の連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法。
3. タンディッシュから鋳型へ注入する溶鋼の流量を、前記タンディッシュと前記鋳型とを繋ぐ流路の開口部面積を変更することにより調整する、切替元制御装置及び切替先制御装置を備えた連続鋳造機で、前記切替元制御装置による前記鋳型内の溶鋼湯面レベルのフィードバック制御から、前記切替先制御装置による前記鋳型内の溶鋼湯面レベルのフィードバック制御へと切り替える制御切替手段を備える、連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御装置であって、
   予め定めた時間関数で定まる前記切替元制御装置の流路開度の速度軌道に基づいて算出される、前記切替元制御装置の流路開度を全開開度に近づけるフィードフォワード制御開度変更操作量を、前記切替元制御装置で前記溶鋼湯面レベルをフィードバック制御する際の流路開度指令値に加えることにより、前記切替元制御装置の流路開度指令値を算出する切替前切替元指令値算出部と、
   前記切替元制御装置の流路開度に前記フィードフォワード制御開度変更操作量を反映させることに伴う溶鋼注入量変化及び鋳造速度変更による溶鋼流出量変化を補償する、前記切替先制御装置に対するフィードフォワード制御開度操作量を、直前の制御周期における前記切替先制御装置の流路開度指令値に加えることにより、現在の制御周期における前記切替先制御装置の流路開度指令値を算出する切替前切替先指令値算出部と、を備え、
   前記切替前切替元指令値算出部における前記切替元制御装置の流路開度指令値の算出、及び、前記切替前切替先指令値算出部における前記切替先制御装置の流路開度指令値の算出が、制御周期毎に行われ、
   前記切替前切替元指令値算出部によって算出された、前記切替元制御装置の流路開度が、前記鋳型内の溶鋼湯面レベルの制御を前記切替先制御装置による制御へと切り替える設定開度に到達した時に、前記制御切替手段によって、前記鋳型内の溶鋼湯面レベルの制御が、前記切替先制御装置によるフィードバック制御へと切り替えられ、
   前記切替元制御装置がスライディングゲート方式湯面制御装置であり、且つ、前記切替先制御装置がストッパー方式湯面制御装置であるか、或いは、前記切替元制御装置がストッパー方式湯面制御装置であり、且つ、前記切替先制御装置がスライディングゲート方式湯面制御装置である、連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御装置。
4. さらに、
   前記切替先制御装置による前記鋳型内の溶鋼湯面レベルのフィードバック制御へと切り替えた後に、前記切替元制御装置の流路開度を全開開度に近づけるフィードフォワード制御開度変更操作量を、直前の制御周期における前記切替元制御装置の流路開度指令値に加えることにより、現在の制御周期における前記切替元制御装置の流路開度指令値を算出する、切替後切替元指令値算出部と、
   前記切替先制御装置による前記鋳型内の溶鋼湯面レベルのフィードバック制御へと切り替えた後に、前記切替元制御装置の流路開度に前記フィードフォワード制御開度変更操作量を反映させることに伴う溶鋼注入量変化及び鋳造速度変更による溶鋼流出量変化を補償する、前記切替先制御装置に対するフィードフォワード制御開度操作量を、前記切替先制御装置で前記溶鋼湯面レベルをフィードバック制御する際の流路開度指令値に加えることにより、前記切替先制御装置の流路開度指令値を算出する、切替後切替先指令値算出部と、
   を備える、請求項３に記載の連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御装置。