JP5998914B2 - 連続鋳造設備における湯面レベルのモデル予測制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造設備における湯面レベルのモデル予測制御方法に関するものである。

溶鋼の連続鋳造設備による鋳造を開始する際には、溶湯の漏洩を避けるためにモールドの下方から予めダミーバーを挿入したうえで注湯を開始し、モールド内の湯面レベルが目標レベルに達したことがレベル計で検知された後にピンチロールの駆動を開始するオートスタート方法（例えば特許文献１）が採用されている。

この場合には、タンディッシュの底面に設けられたノズルをストッパーで開閉してモールドへの溶湯注湯量を制御しているが、地金付着によりノズルが詰まることがあるため、目標通りに湯上がりが進行しないことがある。特に複数のモールドと、各モールドへの注湯量を制御する複数のストッパーと、各モールドに共通のピンチロールとを備えた設備によって複数ストリームの連続鋳造を行う連続鋳造設備においては、各モールド内の湯面レベルが目標レベルに達する時間にバラツキが生じることがある。

そこで従来は複数のモールドの何れかの湯面レベルが目標レベルに達したら、そのモールドに対応するストッパーは小開と閉鎖を繰り返すことにより、その他のモールドの湯面レベルが目標レベルに達するのを待って共通のピンチロールの駆動を開始する方法が採用されてきた。しかしこの方法では各モールドの湯面レベルが同時に目標レベルに達するように制御することは容易ではなく、ストリーム間の湯面レベル差が大きくなり過ぎて連続鋳造を中断せざるを得ないことがあった。

特開２００３−２５１４４５号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、ノズル詰まりが生じた場合にも、モールド内の湯面レベルを目標時間通りに目標レベルに到達させることができる湯面レベルのモデル予測制御方法を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、複数のモールドと、各モールドへの注入量を制御する複数のストッパーと、各モールドに共通のピンチロールを備えた設備によって複数ストリームの連続鋳造を行う連続鋳造設備において、各モールドへの注湯量をノズルのストッパー開度により制御する連続鋳造設備における湯面レベルのモデル予測制御方法であって、プログラムに従って間欠駆動される各ストッパーの開度変化に基づく各モールド内の湯面レベルの上昇を基準湯上がりモデルとして作成しておき、レベル計で測定された各モールド内の湯面レベルを前記基準湯上がりモデルと比較して偏差を求め、この偏差を解消するように湯上がりモデルを再計算するとともに、前記各ストッパーの開度を補正する動作を一定周期で繰り返すことを特徴とするものである。

なお請求項２のように、レベル計として各モールド部分に配置された熱電対温度計を使用することが好ましく、また請求項３のように、プログラムに従って間欠駆動される各ストッパーの開度が、最初は全開、その後は半開の繰り返しであることが好ましい。

本発明によれば、プログラムに従って間欠駆動される各ストッパーの開度変化に基づくモールド内の湯面レベルの上昇を基準湯上がりモデルとして作成しておき、レベル計で測定された各モールド内の湯面レベルを一定周期で基準湯上がりモデルと比較して偏差を求め、この偏差を解消するように各ストッパーの開度を補正する。この周期を１〜５秒程度と短く設定しておけば、ノズル詰まりが生じても直ちにストッパーの開度を補正することができ、各モールド内の湯面レベルを目標時間通りに目標レベルに到達させることができる。このため、本発明を複数ストリームの連続鋳造を行う連続鋳造に適用すれば、各モールドの湯面レベルがほとんど同時に目標レベルに達するように注湯することができ、ストリーム間のレベル差が大きくなり過ぎて鋳造を中断せざるを得なくなる従来のトラブルを有効に防止することができる。

請求項２のように、レベル計として各モールド部分に配置された熱電対温度計を使用すれば各モールド内の湯面レベルを精度よく測定することができる。また請求項３のように、プログラムに従って間欠駆動される各ストッパーの開度が、最初は全開、その後は半開の繰り返しであるようにしておけば、比較的短時間で注湯が可能となる。

複数ストリームの連続鋳造設備の模式的な断面図である。 プログラムに従って間欠駆動されるストッパーの開度変化と、基準湯上がりモデルとを示すグラフである。 実績湯上がりと規範湯上がりとのずれを示すグラフである。 再計算した湯上がりモデルと再計算したストッパーの開度変化とを示すグラフである。 実績湯上がりと再計算した湯上がりモデルとのずれを示すグラフである。 再再計算した湯上がりモデルと再再計算したストッパーの開度変化とを示すグラフである。

以下に本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は複数ストリームの連続鋳造設備の模式的な断面図であり、１は溶鋼が供給されるタンディッシュ、２はタンディッシュ１の底面に設けられた複数のノズルである。この実施形態は２つのノズル２を持つツインストリームタイプであるが、３つのノズル２を持つトリプルストリームタイプであってもよい。各ノズル２の上部にはそれぞれ棒状のストッパー３が設けられており、ストッパー駆動機構４により個別に昇降させて開度を調整することにより、ストリーム毎の注湯量を制御することができる。ストッパー駆動機構４としては例えばステッピングシリンダを用いることができるが、これに限定されるものではない。

各ノズル２の下部にはそれぞれ連続鋳造用のモールド５が設けられており、ノズル２を介して溶鋼を注湯することによって、同時に複数ストリームの連続鋳造を行える構造となっている。この実施形態では鋳片Ｓの断面積は１６０ｍｍ×１６０ｍｍ以下のビレットである。モールド５の下方に配置されたピンチロール６は複数ストリームに共通のものである。このため各モールド５内の湯面レベルが目標レベルに到達するタイミングにずれがあると、後行ストリームが目標レベルに到達するまで、ピンチロール６の駆動を開始することができないこととなる。

各モールド５にはレベル計として、多数の熱電対温度計７が上下方向に所定間隔、例えば数センチ間隔で配置されている。溶湯が存在する湯面以下の部位ではモールド内面の温度は溶鋼温度程度の高温であり、溶湯が存在しない湯面以上の部位ではモールド内面の温度は比較的低いので、熱電対温度計によって湯面レベルを精度よく測定することができる。なおレベル計としては、熱電対温度計７と過流式レベル計８とを併用することもできる。また熱電対温度計７のみを用いる場合にも、補間式を利用することによって湯面レベルを精度よく測定することができる。

本発明では、連続鋳造の開始時における標準的なストッパー３の開度変化を予めプログラムにより設定しておく。その具体例は例えば図２のグラフの下段に示す通りであり、最初は全開、その後は半開の繰り返しである。注湯開始直後にストッパー３を全開とするのは、注湯に要する時間を短縮するためであり、その後に半開を繰り返すのは、ノズル２の地金の詰まりを除去するとともに、湯面レベルの制御を行い易くするためである。

このようにストッパー３の開度を変化させた場合、注湯体積速度Ｑ_ｉｎは、数１の式によって算出できる。この数１の式において、Ｈはタンディッシュヘッド位置（ｍｍ）、αはノズル流量特性（ｋｇ/（ｓ・ｍｍ））、ρは溶鋼密度（ｋｇ/ｍｍ^３）、Ｘはストッパー開度（ｍｍ）である。このＱｉｎをモールドの内部面積（ｍｍ^２）で割ると湯面上昇速度（ｍｍ/ｓ）となる。

次に引き抜き速度（ｍｍ/ｓ）をＶｃとすると、モールド内湯面レベルの理論値は数２の式により表される。数２の式の右辺の第２項は湯面上昇量であり、ストッパー開度Ｘの積分値である。また右辺の第３項は湯面降下量であり、引き抜き速度Ｖｃの積分値である。このように本発明では、溶鋼注湯速度と引き抜き速度との差からモールド内湯面レベルの理論値Ｌ（ｔ）を算出する。

本実施形態では、注湯スタート時にはＬ（初期）＝−６００ｍｍであり、Ｌ＝−２２０ｍｍとなったときに引き抜きを開始する。Ｌ＝−２２０ｍｍとなるまでは引き抜きは開始されないため、Ｖｃ＝０のままである。このようにして、プログラムに従って間欠駆動されるストッパーの開度変化に基づくモールド内の湯面レベルの上昇を、基準湯上がりモデルとして作成する。その具体例を図２の上段に示す。図２の基準湯上がりモデルでは、ストッパー開度のグラフにおいてＳ０で示す全開時に湯面レベルを１８０ｍｍ上昇させ、その後のＳ１からＳ４の半開時に５０ｍｍずつ上昇させてＬ＝−２２０ｍｍに到達させる。

この基準湯上がりモデルは、ノズル２に詰まりが生じなかった場合の湯面レベルの上昇状態を示すものであるが、ノズル詰まりがあると図３に示すように、実績湯上がりが遅れることとなる。そこでこの実施形態では湯面が−４５０ｍｍの位置に達したときに基準湯上がりモデルと実績湯上がりとの偏差を求める。図３に示すように実績湯上がりが３０ｍｍ遅れていることが検出された場合、残りの４回のストッパー半開を利用して基準湯上がりモデルに追い付くように湯上がりを再計算する。また再計算された湯上がりを達成できるように、ストッパーの開度を再計算する。その様子を図３の下段に示す。

このようにして湯面のレベル制御が開始された後は、レベル計で測定されたモールド内の湯面レベルを再計算された湯上がりモデルと比較して偏差を求め、この偏差を解消するようにストッパーの開度を補正する。具体的には、上記したように、湯面が−４５０ｍｍの位置に達したときの湯面レベルの実際の上昇量が、目標の１８０ｍｍに対して１５０ｍｍであった場合には、１５０／１８０＝０.８３であるから、ノズル詰まりによってノズル流量特性αが８３％にまで低下していたこととなる。このためその逆数である補正係数β＝１８０／１５０＝１.２倍だけストッパー開度を増加させる。その様子を図４に示す。もしその後、ノズル詰まりに変化がなければ、図４のグラフに示すように当初の基準湯上がりモデルと同一タイミングでＬ＝−２２０ｍｍに到達できることとなる。

しかし実際にはノズルの流量係数がその後も一定に保たれるとは限らない。このため本発明では１〜５秒程度の一定周期ごとに湯面レベルの測定と、湯上がりモデルの再計算と、流量特性の再計算に基づくストッパー開度の補正を繰り返す。

例えば図５に示すように、前回再計算された湯上がりモデルではＬ＝−３８５ｍｍであるのに対して測定された実績湯上がりが−４００ｍｍであったとすると、１５ｍｍの遅れが生じている。この場合には基準湯上がりモデルに追い付くように湯上がりを再再計算するとともに、数３の式に基づいて流量特性を再再計算する。

この例では、（−３８５＋４５０）／（−４００＋４５０）＝１.３であるから、前回計算された流量係数α（ｎ−１）を更に１.３倍に補正し、図６のようにストッパー開度を補正する。以下同等に一定周期で湯上がりモデルの再計算と、流量特性の再計算に基づくストッパー開度の補正を繰り返せば、基準湯上がりモデルで設定されたタイミングでＬ＝−２２０ｍｍに到達させることができる。このため本発明を複数ストリームの連続鋳造設備に適用すれば、各モールド５の湯面レベルが同時に目標レベルに達するようにすることができ、従来のように、ストリーム間の湯面レベル差が大きくなり過ぎて連続鋳造を中断せざるを得なくなるようなトラブルを確実に回避することができる。本発明を実機に適用した結果、ストリーム間の湯面レベル差を従来の６０ｍｍから６ｍｍにまで減少させることができた。

また本発明の湯面レベルのモデル予測制御方法は、引き抜き開始後に湯面レベルを一定に維持するためにも使用することができる。その場合には数２の式中のＶｃに鋳造速度を代入し、基準湯上がりモデルを一定値に置き換えればよい。このようにし本発明によれば、リアルタイムで湯面レベルの制御を行うことが可能となる。

１ タンディッシュ
２ ノズル
３ ストッパー
４ ストッパー駆動機構
５ モールド
６ ピンチロール
７ 熱電対温度計
８ 過流式レベル計

Claims (3)

1. 複数のモールドと、各モールドへの注入量を制御する複数のストッパーと、各モールドに共通のピンチロールを備えた設備によって複数ストリームの連続鋳造を行う連続鋳造設備において、各モールドへの注湯量をノズルのストッパー開度により制御する連続鋳造設備における湯面レベルのモデル予測制御方法であって、
   プログラムに従って間欠駆動される各ストッパーの開度変化に基づく各モールド内の湯面レベルの上昇を基準湯上がりモデルとして作成しておき、
   レベル計で測定された各モールド内の湯面レベルを前記基準湯上がりモデルと比較して偏差を求め、
   この偏差を解消するように湯上がりモデルを再計算するとともに、前記各ストッパーの開度を補正する動作を一定周期で繰り返すことを特徴とする連続鋳造設備における湯面レベルのモデル予測制御方法。
2. 前記レベル計として、各モールド部分に配置された熱電対温度計を使用することを特徴とする請求項１記載の連続鋳造設備における湯面レベルのモデル予測制御方法。
3. プログラムに従って間欠駆動される前記各ストッパーの開度が、最初は全開、その後は半開の繰り返しであることを特徴とする請求項１記載の連続鋳造設備における湯面レベルのモデル予測制御方法。

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