JP6326980B2 - 固相率算出方法および検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋳片内部の未凝固部分の有無を検出するために用いる固相率算出方法および検出装置に関する。

連続鋳造鋳片は、タンディシュ内の溶融金属をタンディシュの下部に設けられた鋳型に浸漬ノズルを介して連続的に注入し、鋳型内で凝固シェルを形成させて鋳型の下部から鋳片として連続的に引き出し、鋳片内部の溶鋼を外側から徐々に凝固させて形成される。連続鋳造において、鋳型から引き出された鋳片内部の溶鋼の凝固状態は、例えば溶鋼温度や鋳片の引き抜き速度、冷却条件等により変化する。凝固状態によっては、鋳片の中央部分に特定の成分が偏る中心偏析が起きたり、鋳片が異常膨張するバルジングや凝固シェルが破れ鋳片内部の溶鋼が流出するブレークアウト等が起きたりする。このため、鋳片の凝固状態を把握することは、鋳片の品質の改善や生産性の向上のために重要である。

例えば特許文献１には、軸受とロールスタンドのフレームとの間にロードセルを設置して、鋳片の未凝固部と完全凝固部との支持ロールにかかる荷重の差により、完全凝固位置を検出する連続鋳造鋳片の完全凝固位置検出方法が開示されている。

また、特許文献２には、連続鋳造機のロールセグメントにおいて、上下フレームを結ぶ支柱にかかる荷重を測定することにより鋳片の最終凝固位置を検出する連続鋳造機における凝固端位置の検出方法及び検出装置が開示されている。

特開平５−８００６号公報 特開２００６−２８９３７８号公報

しかし、特許文献１では、ロードセルがロールセグメント内部で高温かつ水蒸気の影響を受ける箇所に設置されているため、支持ロールにかかる荷重の差を安定的に測定することは困難である。また、特許文献２では、セグメントにかかる鋳片からの反力を測定するため、未凝固部と完全凝固部との反力の差異が小さい。このため、鋳片内部の凝固状態の検出精度が低いという問題がった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、鋳片内部の凝固状態を高精度の検出することが可能な、新規かつ改良された固相率算出方法および検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、連続鋳造機の鋳型内に注入された溶鋼を冷却して鋳片の外郭に凝固シェルを形成し、鋳型の下端から鋳片を引き抜きながら鋳片内部の未凝固部分を完全に凝固させる連続鋳造プロセスにおいて、鋳片内部の未凝固部分を検出するために鋳片の厚さ方向における中心部の中心固相率を取得する固相率算出方法が提供される。かかる固相率算出方法では、鋳片を加振して、加振に対する鋳片の振動応答として、前記鋳片内部の未凝固部分により消散される消散エネルギを算出し、予め取得された鋳片の消散エネルギと中心固相率との関係から、算出された消散エネルギに対応する中心固相率を算出する。

消散エネルギは、鋳片を加振する駆動部の変位および推力から算出してもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、連続鋳造機の鋳型内に注入された溶鋼を冷却して鋳片の外郭に凝固シェルを形成し、鋳型の下端から鋳片を引き抜きながら鋳片内部の未凝固部分を完全に凝固させる連続鋳造プロセスにおいて鋳片内部の未凝固部分の有無を検出する検出装置が提供される。かかる検出装置は、鋳片を厚さ方向から圧下して、鋳片を加振する圧下ロールと、圧下ロールを鋳片の厚さ方向に駆動する駆動部と、圧下ロールを加振させたときの駆動部の変位および推力を測定する測定部と、を有する検出部と、測定部による測定結果に基づいて鋳片の振動応答を算出する振動応答算出部と、予め取得された鋳片の振動応答と中心固相率との関係に基づいて、振動応答に対応する中心固相率を算出する中心固相率算出部と、中心固相率に基づいて、鋳片内部の凝固状態を取得する凝固状態取得部と、を有する情報処理部と、を備える。

圧下ロールは、鋳造方向における所定の位置に、鋳片の幅方向に複数配置され、凝固状態取得部は、各圧下ロールにより鋳片を加振して取得された各圧下位置での各中心固相率に基づいて、鋳片内部の未凝固部分の分布を取得してもよい。

このとき、情報処理部は、鋳片内部の未凝固部分の分布に応じて、圧下ロールを駆動させて鋳片を軽圧下する軽圧下実行処理部をさらに備えてもよい。

また、検出部は、連続鋳造機の冷却帯下流側に鋳造方向に沿って複数設けてもよい。

以上説明したように本発明によれば、鋳片内部の凝固状態を高精度の検出することが可能となる。

鋳片が直接加振されるときの力学モデルを示す説明図である。 加振力が作用する鋳片の振動特性を示すグラフである。 鋳片が完全凝固した場合と内部に未凝固部分が存在する場合とにおいて、鋳片を圧下したときの反力の違いを説明する説明図である。 鋳片の固相率と消散エネルギとの関係を表す一特性グラフである。 本発明の実施形態に係る検出装置を備える連続鋳造機の概略構成を示す側断面図である。 同実施形態に係る検出装置の一構成例を示す概略側面図である。 図６のＡ−Ａ切断線における断面を示す概略断面図である。 同実施形態に係る情報処理装置の構成例を示すブロック図である。 同実施形態に係る鋳片の固相率検出方法を示すフローチャートである。 鋳片の未凝固部分の分布の一例として、未凝固部分の分布がＵ型形状である場合を示す説明図である。 鋳片の未凝固部分の分布の他の一例として、未凝固部分の分布がＷ型形状である場合を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．基本原理＞
まず、図１〜図４を参照して、本発明の実施形態に係る鋳片の固相率検出方法の概要について説明する。なお、図１は、鋳片が直接加振されるときの力学モデルを示す説明図である。図２は、加振力が作用する鋳片の振動特性を示すグラフである。図３は、鋳片が完全凝固した場合と内部に未凝固部分が存在する場合とにおいて、鋳片を圧下したときの反力の違いを説明する説明図である。図４は、鋳片の中心固相率と消散エネルギとの関係を表す一特性グラフである。

本実施形態では、鋳片内部の凝固状態を鋳片の中心固相率に基づき判定する。鋳片の中心固相率は、鋳片の厚さ方向において中心からの固相の割合を表す指標であり、例えば鋳片が完全凝固したときを１とした場合、未凝固部分が多くなるほど０に近づく値となる。本実施形態では、この鋳片の中心固相率を、鋳片を加振したときの振動応答から取得する。

鋳片が直接加振されるときの挙動は、図１に示すような力学モデルにより表される。図１に示すモデルの質量ｍの物体は鋳片に相当する。当該物体に対して荷重Ｆ（ｔ）を加えて加振すると、物体は、弾性係数ｋのばねと減衰係数ｃのダンパとの作用を受けて振動する。図１に示す力学モデルの運動方程式は下記式（１）で表される。なお、Ｘは物体の変位、ｔは時間を表す。

上記式（１）の運動方程式の定常解は下記式（３）となり、同一大きさの外力Ｆ_０が物体に静的に作用した場合の変位Ｘ_ｓｔを用いて定常応答振幅Ｘ_０を無次元化して表すと下記式（５）のようになる。

すなわち、上記式（５）は外力に対する応答性を表した応用倍率を示しており、固有振動数Ωに対する加振周波数ωの比（すなわち、振動数比ω／Ω）と応用倍率の値（Ｘ_０／Ｘ_ｓｔ）とで表される加振力の作用による振動特性は、図２に示すようになる。図２において、振動数比が０のときは外力Ｆ_０が物体に静的に作用した静荷重時を表しており、振動係数が０より大きいときは物体が外力によって加振されている加振時を表している。

図２より、静荷重時よりも加振時の方が物体の変化量が大きいことがわかる。また、係数ζが小さくなるにつれて、すなわち、減衰係数ｃが小さくなるにつれて、外力を受けた物体の応答性は高くなる。本実施形態に係る鋳片の固相率検出方法では、このような加振時における応答性の変化に着目し、鋳片の中心固相率を取得する。

例えば、図３左側に示すように、駆動部により圧下部材（いずれも図示せず。）を上方から下方へ変位させて完全凝固した鋳片３を圧下して加振したとき、鋳片３はその衝撃をほとんど吸収しない。鋳片３が完全凝固した状態は、図１の力学モデルにおいて減衰係数ｃがほぼゼロの状態であり、鋳片３はばねの弾性作用を受けて振動する。このため、圧下部材は、鋳片３を圧下して下方へ変位した分だけ、鋳片３の圧下反力によりほぼ同一の変位速度で上方に押し上げられる。

一方、図３右側に示すように、凝固部分３の内部に未凝固部分３ｂが存在する鋳片３を、完全凝固した鋳片３と同様に、圧下部材（図示せず。）を上方から下方へ変位させて完全凝固した鋳片３を圧下して加振したとする。この場合、鋳片３の未凝固部分３ｂが減衰抵抗となって、圧下部材からの衝撃の一部が吸収される。鋳片３に未凝固部分３ｂがある状態は、図１の力学モデルにおいて減衰係数ｃが大きい状態であり、鋳片３はダンパの減衰性作用を受ける。このため、完全凝固した鋳片３を圧下した場合と比較して、小さい変位および変位速度で圧下部材は上下に移動する。

すなわち、内部に未凝固部分３ｂが存在する鋳片３を加振すると、圧下時と戻り時とで圧下部材が受ける鋳片３からの反力は１周期中に変化し、図３右下に示すようにヒステリシスループを描くようになる。このループ内の面積が１周期中に消散されたエネルギ（以下、「消散エネルギ」ともいう。）となる。消散エネルギは、鋳片３を加振する圧下部材（すなわち駆動部）の変位と、圧下された鋳片３からの反力とに基づき算出できる。なお、圧下された鋳片３からの反力は、鋳片３を圧下する駆動部の推力に相当する。

鋳片内部に未凝固部分３ｂが多く存在するほどヒステリシスループは大きくなり、消散されるエネルギは多くなる。一方、鋳片３が完全凝固すると、消散するエネルギは０に近づく。このように中心固相率と消散エネルギとの間には特定の関係がある。例えば、図４に示すような鋳片の中心固相率と消散エネルギとの関係を得ることができる。鋳片の中心固相率と消散エネルギとの関係は、連続鋳造機の実機オンラインテストにて鋳片を加振する鋳片加振試験と鋳片の凝固厚みを測定する鋲打試験とを実施し、鋲打試験にて得られる鋳片の中心固相率と振動応答測定データ（油圧シリンダ推力およびロッド変位）とから取得することができる。

未凝固部分３ｂが存在する固液共存状態の鋳片３では、シェルの曲げ振動に対して中間層の未凝固部分（粘弾性層）３ｂがせん断変形する。このとき、せん断歪みエネルギとして鋳片３の振動エネルギが熱エネルギに変換され発生する。このため、固液共存状態の鋳片３では振動が吸収されると考えられる。

本実施形態では、鋳片を加振したときの振動応答として、圧下部材により鋳片を加振した際の消散エネルギを測定することで、予め取得された鋳片の中心固相率と消散エネルギとの関係から鋳片の中心固相率を得る。このように鋳片を加振したときの振動応答に基づき中心固相率を求めることで、より高精度に中心固相率を得ることが可能となり、鋳片３の凝固状態をより正確に認識することが可能となる。

＜２．装置構成＞
図５〜図８に基づいて、鋳片３の中心固相率を検出する検出装置４０について説明する。図５は、本実施形態に係る検出装置４０を備える連続鋳造機２０の概略構成を示す側断面図である。図６は、本実施形態に係る検出装置４０の一構成例を示す概略側面図である。図７は、図６のＡ−Ａ切断線における断面を示す概略断面図である。図８は、本実施形態に係る情報処理装置５０の構成例を示すブロック図である。なお、図５〜図７では、説明のため、一部の構成部材の大きさを誇張して表現している場合があり、各図面において図示される各構成部材の相対的な大きさは、必ずしも実際の構成部材間における大小関係を正確に表現するものではない。

［２−１．連続鋳造機］
本実施形態に係る検出装置４０を備える連続鋳造機２０は、図５に示すように、連続鋳造用の鋳型１を用いて溶融金属２（例えば溶鋼）を連続鋳造し、スラブ等の鋳片１４を製造するための装置である。図５に示すような連続鋳造機２０は、垂直曲げ型の連続鋳造機２０と呼称される。なお、本発明は、図５に示すような垂直曲げ型の連続鋳造機２０に限定されず、湾曲型又は垂直型など他の各種の連続鋳造機に適用可能である。

連続鋳造機２０は、鋳型１と、取鍋４と、タンディッシュ５と、浸漬ノズル６と、二次冷却装置７と、鋳片切断機８とを備える。

取鍋４は、溶融金属２を外部からタンディッシュ５まで搬送するための可動式の容器である。取鍋４は、タンディッシュ５の上方に配置され、取鍋４内の溶融金属２がタンディッシュ５に供給される。タンディッシュ５は、鋳型１の上方に配置され、溶融金属２を貯留して、当該溶融金属２中の介在物を除去する。浸漬ノズル６は、タンディッシュ５の下端から鋳型１に向けて下方に延び、その先端は鋳型１内の溶融金属２に浸漬されている。当該浸漬ノズル６は、タンディッシュ５にて介在物が除去された溶融金属２を鋳型１内に連続供給する。

鋳型１は、鋳片３の幅及び厚さに応じて形成された四角筒状の型であり、例えば、一対の長辺鋳型板で一対の短辺鋳型板を幅方向両側から挟むように組み立てられる。これら鋳型板は、例えば水冷銅板で構成されている。かかる鋳型板と接触した溶融金属２は冷却されて、外殻の凝固シェル３ａの内部に未凝固部３ｂを含む鋳片３が製造される。凝固シェル３ａが鋳型１下方に向かって移動するにつれて、内部の未凝固部３ｂの凝固が進行し、外殻の凝固シェル３ａの厚さは、徐々に厚くなる。かかる凝固シェル３ａと未凝固部３ｂを含む鋳片３は、鋳型１の下端から引き抜かれる。

二次冷却装置７は、鋳型１の下方の二次冷却帯９に設けられ、鋳型１下端から引き抜かれた鋳片３を支持及び搬送しながら冷却する。この二次冷却装置７は、鋳片３の厚さ方向両側に配置される複数対の支持ロール１１と、鋳片３に対して冷却水を噴射する複数のスプレーノズル（図示せず。）とを有する。二次冷却装置７に設けられる支持ロール１１は、鋳片３の厚さ方向両側に対となって配置され、鋳片３を支持しながら搬送する支持搬送手段として機能する。当該支持ロール１１により鋳片３を厚さ方向両側から支持することで、二次冷却帯９において凝固途中の鋳片３のブレークアウトやバルジングを防止できる。

支持ロール１１は、二次冷却帯９における鋳片３の搬送経路（パスライン）を形成する。このパスラインは、図３に示すように、鋳型１の直下では垂直であり（垂直帯９Ａ）、次いで曲線状に湾曲して（湾曲帯９Ｂ）、最終的には水平になる（水平帯９Ｃ）。支持ロール１１は、垂直部９Ａに設けられ、鋳型１から引き抜かれた直後の鋳片３を支持するサポートロール、鋳片３を鋳型１から引き抜く駆動式ロールであるピンチロール、湾曲帯９Ｂ及び水平帯９Ｃに設けられ、パスラインに沿って鋳片３を支持及び案内するセグメントロールからなる。

なお、鋳片３の中心固相率を検出する検出装置４０は、水平帯９Ｃの鋳造方向下流側から複数のセグメントにそれぞれ設けられている。なお、検出装置４０を備えるセグメントを固相率検出セグメント１２ともいう。このように検出装置４０を設置することで、鋳片３が完全凝固に近づく領域において、鋳造方向に複数箇所で鋳片３の凝固状態を検出可能となる。また、本実施形態に係る検出装置４０は、鋳片３の未凝固部分３ｂの分布に応じて鋳片３を軽圧下する軽圧下装置としても機能することができる。これにより、鋳造方向上流側の検出装置４０により鋳片３の未凝固部分３ｂの分布を検出し、その検出結果に基づき鋳造方向下流側の検出装置４０により鋳片３を軽圧下して中心偏析を改善することも可能となる。

また、各固相率検出セグメント１２の検出装置４０により測定された情報は、情報処理装置５０に入力され、情報処理装置５０により検出装置４０の鋳片加振位置における中心固相率が算出される。本実施形態に係る情報処理装置５０は、検出装置４０の鋳片加振位置における中心固相率を算出する処理、算出した中心固相率を用いて鋳片３の幅方向における未凝固部分３ｂの分布を取得する処理、未凝固部分３ｂの分布に基づき検出装置４０を駆動して鋳片３を軽圧下する処理等を実行する。

なお、本実施形態においては、情報処理装置５０は、すべての固相率検出セグメント１２の検出装置４０に対する処理を行うものとして説明するが、本発明はかかる例に限定されず、検出装置４０それぞれに情報処理装置５０を設けてもよく、全固相率検出セグメント１２をいくつかのグループに分け、各グループに１つずつ情報処理装置５０を設けるようにしてもよい。検出装置４０および情報処理装置５０についての詳細な説明は後述する。

鋳片切断機８は、連続鋳造機２０のパスラインの水平帯９Ｃの終端に配置され、当該パスラインに沿って搬送された鋳片３を所定の長さに切断する。切断された厚板状の鋳片１４は、テーブルロール１５により次工程の設備に搬送される。

以上、図５を参照して、本実施形態に係る連続鋳造機２０の全体構成について説明した。なお、連続鋳造機２０によって製造される鋳片３の種類及びサイズは、特に限定されない。例えば、鋳片３は、厚さが２５０〜３００（ｍｍ）程度のスラブ、５００（ｍｍ）を超えるブルーム若しくはビレットであってもよいし、或いは、厚さが１００（ｍｍ）程度の薄スラブ、５０（ｍｍ）以下の薄帯連続鋳造鋳片等であってもよい。

［２−２．検出装置］
上述したように、本実施形態に係る連続鋳造機２０には、鋳片３の中心固相率を検出する検出装置４０が水平帯９Ｃの鋳造方向下流側の複数の固相率検出セグメント１２にそれぞれ設けられている。図５においては、検出装置４０が設置される固相率検出セグメント１２は４つであるが、本発明はかかる例に限定されず、検出装置４０の設置台数はこれより多くても少なくてもよい。例えば、検出装置４０の用途等を考慮して、検出装置４０が設置される固相率検出セグメント１２は３〜５程度としてもよい。

図６に、１つの固相率検出セグメント１２の一構成例を示す。図６に示すように、１つの固相率検出セグメント１２には、鋳造方向に３対の支持ロール１１の対と、１対の圧下ロール４１と支持ロール１１とからなる対とが配置されている。各ロールのうち、鋳片３の上面側に位置するロール１１、４１は、上ロールチョック３３によりそれぞれ支持されている。各上ロールチョック３３は上フレーム３１に支持されている。また、各ロールのうち、鋳片３の下面側に位置するロール１１は、下ロールチョック３４によりそれぞれ支持されている。各下ロールチョック３４は下フレーム３２に支持されている。

検出装置４０は、固相率検出セグメント１２において、例えば鋳造方向下流側に設けられる。検出装置４０は、圧下ロール４１と、油圧シリンダ４２とを備える。

圧下ロール４１は、鋳片３の厚さ方向に圧下する圧下部材であり、鋳片３の厚さ方向に移動可能に設けられる。油圧シリンダ４２は、圧下ロール４１を鋳片３の厚さ方向に移動させる駆動部である。圧下ロール４１は、油圧シリンダ４２によって鋳片３を押圧するように移動されることで、鋳片３の中心固相率検出において鋳片３を加振したり、鋳片３の未凝固部分３ｂを軽圧下したりする。また、油圧シリンダ４２は、鋳片３の厚さ方向におけるロッドの変位を測定可能な変位測定部（図示せず。）を備えている。ロッドの変位は、圧下ロール４１の変位と対応しており、鋳片３の振動応答をみるために測定される。なお、変位測定部は、油圧シリンダ４２に一体に設けられてもよく、別途変位センサを設けてもよい。

本実施形態では、図７に示すように、鋳造方向のある１つの位置において鋳片３の幅方向に３つの検出装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃが設けられている。鋳片３の幅方向に設置される検出装置４０は少なくとも１つあればよく、例えば圧下ロール４１ａ、４１ｂ、４１ｃを１つにして幅方向に長いロールを１つ設けてもよい。

ここで、検出装置４０を用いて取得する鋳片３の中心固相率は、１つの圧下ロール４１の長手方向における中心位置（すなわちロール長中心位置）での厚さ方向における凝固状態を示す指標である。したがって、鋳片３の幅方向に複数の検出装置４０を設置することで、鋳片３の幅方向における複数箇所での中心固相率を取得することが可能となる。本実施形態では、パスラインの幅方向両端に設けられた支持ロール１１の間に、３つの検出装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃが並設されているので、幅方向の３つの位置における中心固相率を取得することができる。

なお、本実施形態に係る各検出装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃは同一の構成とするが、本発明はかかる例に限定されず、圧下ロール４１のロール径やロール長等のサイズ等は異なるものであってもよい。

各検出装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃは、それぞれ独立して駆動可能に構成されている。したがって、鋳片３の幅方向における所望の位置の圧下ロール４１のみを鋳片３に押し付けることができる。各検出装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃの駆動を独立させることで、検出装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを軽圧下装置として機能させる際に、鋳片３の未凝固部分３ｂの分布に応じた最適な位置での軽圧下を行うことができる。

なお、各固相率検出セグメント１２に設けられた検出装置４０により鋳片３を加振、軽圧下する際、鋳片３の凝固収縮量に応じて、鋳造方向に配置された各固相率検出セグメント１２に圧下勾配を付けてもよい。すなわち、鋳造方向における所定位置での鋳片３の凝固収縮量に応じて圧下ロール４１による圧下量を調整して、固相率検出セグメント１２に適切な圧下量を設定する。これにより、鋳片３のクレータエンド形状に合わせた、より好ましい軽圧下を行うことが可能となる。

また、本実施形態に係る検出装置４０は、鋳片３を加振したときの消散エネルギを把握するための情報として、油圧シリンダ４２のロッド変位および油圧シリンダ４２の推力を取得するが、これらを検出するセンサは、上フレーム３１より上部のロールセグメント外部に設けられている。このように、ロールセグメント外にセンサを設けることで、センタの耐久性を保証することができる。

それぞれの固相率検出セグメント１２に設けられた各検出装置４０（４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ）によって測定された油圧シリンダ４２のロッド変位および油圧シリンダ４２の推力は、情報処理装置５０へ出力される。また、これらの検出装置４０は、情報処理装置５０からの制御入力を受けて駆動されてもよい。

［２−３．情報処理装置］
次に、図８に基づいて、情報処理装置５０の機能構成について説明する。情報処理装置５０は、上述したように、検出装置４０の鋳片加振位置における中心固相率を算出する処理、鋳片３の幅方向における未凝固部分３ｂの分布を取得する処理、検出装置４０を駆動して鋳片３を軽圧下する処理等を行う。情報処理装置５０は、消散エネルギ算出部５１と、中心固相率算出部５２と、凝固状態取得部５３と、軽圧下実行処理部５４と、出力部５５と、記憶部５６とを備える。

消散エネルギ算出部５１は、検出装置４０により鋳片３を加振した際に消散されたエネルギを算出する。消散エネルギ算出部５１は、鋳片３を加振した検出装置４０（例えば、固相率検出セグメント１２Ａの検出装置４０）から油圧シリンダ４２のロッド変位および油圧シリンダ４２の推力が入力されると、この加振による運動エネルギのうち鋳片３の未凝固部分３ｂの存在により消散した消散エネルギを算出する。消散エネルギΔＷは、図３右下に示すヒステリシスループの面積に相当し、下記式（６）から算出される。なお、式（６）において、Ｔは振動周期、Ｑ（Ｔ）は油圧シリンダの推力、ｘはロッド変位を表す。

消散エネルギ算出部５１は、式（６）から算出した消散エネルギを中心固相率算出部５２へ出力する。

中心固相率算出部５２は、記憶部５６に予め記憶されている中心固相率と消散エネルギとの関係に基づいて、測定された消散エネルギから鋳片加振位置における中心固相率を算出する。中心固相率算出部５２は、鋳片加振位置における中心固相率を算出すると、凝固状態取得部５３へ出力する。

凝固状態取得部５３は、中心固相率算出部５２により算出された中心固相率に基づいて、鋳片内部の凝固状態を取得する。凝固状態取得部５３は、鋳造方向の所定の位置においてその位置に設置された検出装置４０による測定結果から取得された中心固相率に基づいて、その位置での鋳片３の未凝固状態を取得する。

例えば図７に示すように、３つの検出装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃが鋳造方向同一位置において幅方向に並設されていたときには、鋳片３の幅方向の複数位置での中心固相率が取得されるので、鋳片３の幅方向に置ける未凝固部分３ｂの分布を取得することができる。これにより、未凝固部分３ｂの先端部形状（未凝固溶鋼形状）を特定することも可能となる。もちろん、凝固状態取得部５３は、１箇所の鋳片加振位置での中心固相率により、その位置での鋳片３の未凝固部分３ｂの有無を検出することも可能である。この結果は、例えば鋳片３が全厚みにおいて完全に凝固したクレータエンドを特定するために利用することができる。

凝固状態取得部５３は、取得した鋳片内部の凝固状態に関する情報を、軽圧下実行処理部５４または出力部５５のうち少なくともいずれか一方に出力する。

軽圧下実行処理部５４は、鋳片内部の凝固状態に基づいて、鋳片３を軽圧下するために検出装置４０を駆動制御する。軽圧下実行処理部５４は、中心偏析を改善するために、鋳片３の未凝固部分３ｂを軽圧下する。このとき、軽圧下実行処理部５４は、例えば図７に示すように、３つの検出装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃが幅方向に並設されているときには、中心偏析の改善に効果的な位置の検出装置を駆動して鋳片３を軽圧下させる。なお、軽圧下実行処理部５４により駆動される検出装置４０は、通常、鋳片３を加振した検出装置４０よりも鋳造方向下流側に位置する（例えば、固相率検出セグメント１２Ｂの検出装置４０）。しかし、本発明はかかる例に限定されず、鋳片３を加振した検出装置４０と同一、あるいはこれより鋳造方向上流側に位置する検出装置４０を作動させてもよい。

出力部５５は、凝固状態取得部５３により取得された鋳片内部の凝固状態をオペレータ等に通知するための出力装置である。出力部５５は、例えば、情報を表示するディスプレイやランプ等の表示装置であってもよく、音声を出力するスピーカ等の音声出力装置であってもよい。例えばディスプレイであれば、鋳片内部の凝固状態を表す画像や鋳片加振位置における中心固相率の値をオペレータに通知することができる。また、鋳片３が完全凝固したという情報が入力されたときに所定のランプを点灯したり、スピーカからアラームをすることで、鋳片３が完全凝固したことをオペレータに通知できる。

記憶部５６は、予め取得された中心固相率と消散エネルギとの関係を記憶する記憶装置であって、例えばＲＯＭやフラッシュメモリ等の不揮発性メモリ等を用いることができる。

なお、本実施形態において、情報処理装置５０は上記機能をすべて備えるものとするが、本発明はかかる例に限定されず、例えば出力部５５や記憶部５６等の一部の機能を情報処理装置５０と別体の装置により行うように構成してもよい。

＜３．固相率検出方法＞
図９〜図１１に基づいて、本実施形態に係る検出装置４０を用いた鋳片３の固相率検出方法について説明する。図９は、本実施形態に係る鋳片３の固相率検出方法を示すフローチャートである。図１０は、鋳片３の未凝固部分３ｂの分布の一例として、未凝固部分３ｂの分布がＵ型形状である場合を示す説明図である。図１１は、鋳片３の未凝固部分３ｂの分布の他の一例として、未凝固部分３ｂの分布がＷ型形状である場合を示す説明図である。図１０および図１１では、上側に鋳片３の上面側から見た図を示し、下側に鋳片３の切断線における断面図を示している。

［３−１．固相率検出］
（Ｓ１００：鋳片の加振）
本実施形態に係る鋳片３の固相率検出方法では、図９に示すように、まず、検出装置４０の油圧シリンダ４２を駆動させて圧下ロール４１を鋳片３を厚さ方向に押し、鋳片３を加振する（Ｓ１００）。鋳片３の加振は、例えばオペレータからの指示や連続鋳造機２０の鋳造方向における鋳片先端位置が所定の位置を通過するタイミングで行われる。検出装置４０は、鋳造方向に複数設けられた固相率検出セグメント１２の検出装置４０のうち、鋳片３の中心固相率を検出したい位置に設けられた検出装置４０のみ機能させればよい。例えば、鋳造方向最上流側の固相率検出セグメント１２の検出装置４０が機能する。このとき、同一の鋳造方向の位置において幅方向に並設されている検出装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃはすべて機能し、同一荷重、同一変位で鋳片３を押圧して加振する。

（Ｓ１１０：消散エネルギの算出）
鋳片３を加振すると、その時の油圧シリンダ４２の推力および油圧シリンダ４２のロッド変位が測定され、この加振による運動エネルギのうち消散したエネルギが算出される（Ｓ１１０）。油圧シリンダ４２の推力はロードセル等の計測器を用いて取得することができ、ロッド変位は変位検出部により取得できる。測定結果を受けて、情報処理装置５０の消散エネルギ算出部５１は、測定された油圧シリンダ４２の推力およびロッド変位から、鋳片３で消散されたエネルギ（消散エネルギ）を算出する。

（Ｓ１２０：中心固相率の算出）
鋳片３を加振したときの消散エネルギが算出されると、中心固相率算出部５２は、消散エネルギから鋳片３の中心固相率を算出する（Ｓ１２０）。中心固相率は、予め記憶部に記憶された中心固相率と消散エネルギとの関係に基づき取得される。中心固相率と消散エネルギとの関係は、上述したように、例えば図４に示すような、消散エネルギが大きいほど中心固相率ｆｓは小さくなるという関係がある。この関係から測定された消散エネルギから中心固相率ｆｓを取得することができる。

中心固相率算出部５２は、各検出装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃそれぞれが鋳片３を加振したときの消散エネルギに基づいて、それぞれ中心固相率を算出する。これにより、各検出装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃの圧下ロール４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃの長手方向中心位置における中心固相率が得られ、鋳片３の幅方向の３つの位置における中心固相率が取得されることになる。

［３−２．中心偏析の改善］
（Ｓ１３０：未凝固溶鋼形状の特定）
ステップＳ１２０にて鋳片３の幅方向の３つの位置における固相率が取得されると、凝固状態取得部５３は、各中心固相率に基づいて鋳片内部の未凝固部分３ｂの分布を推定し、未凝固部分３ｂの先端部形状（「未凝固溶鋼形状」ともいう。）を特定する（Ｓ１３０）。鋳片３の未凝固部分３ｂの先端部形状は、すなわち鋳片３が全厚みにおいて完全に凝固したクレータエンド部分の形状をいい、鋳造条件等に応じてその形状は変化する。

例えば、図１０に示すように、未凝固溶鋼形状がＵ型の場合、鋳造方向上流側に向かって鋳片３の幅方向の中央部分に未凝固部分３ｂが多く残っている。このような鋳片３の未凝固部分３ｂの分布を幅方向と厚さ方向とについてみると、図１０下側に示すように、未凝固部分３ｂの厚さは、幅方向の中央部分が厚く、両端に向かって薄くなっている。また、図１１に示すように、未凝固溶鋼形状がＷ型の場合、鋳造方向上流側に向かって幅方向の中央部分よりもその両端部分に未凝固部分３ｂが多く残っている。このような鋳片３の未凝固部分３ｂの分布を幅方向と厚さ方向とについてみると、図１１下側に示すように、未凝固部分３ｂの厚さは、幅方向の両端部分が厚く、中央部分が薄くなっている。

このような未凝固溶鋼形状の違いを、鋳片３の幅方向の複数位置で取得された各中心固相率に基づいて認識することができる。具体的には、凝固状態取得部５３は、鋳片３の幅方向の各位置について、中心固相率に基づき鋳片３の厚さ方向中心位置から中心固相率に応じた未凝固部分３ｂを特定する。そして、凝固状態取得部５３は、幅方向の未凝固部分３ｂの厚さの変化から、未凝固溶鋼形状を特定する。

（Ｓ１４０：鋳片の軽圧下）
ステップＳ１３０にて鋳片３の未凝固溶鋼形状が特定されると、軽圧下実行処理部５４は、未凝固溶鋼形状に応じて鋳片３を軽圧下するか否かを判定し、判定結果に応じて検出装置４０を作動させて鋳片３を軽圧下する（Ｓ１４０）。鋳片３の中央部分に特定の成分が偏る中心偏析を改善するため、鋳片３は完全凝固するまでの間に軽圧下される。この際、未凝固部分３ｂが存在する位置を軽圧下することで、より効果的に中心偏析を改善できる。そこで、軽圧下実行処理部は、鋳片３の未凝固溶鋼形状より未凝固部分３ｂがより多く残る部分を軽圧下するように鋳片３を軽圧下する。

例えば、図１０に示すように未凝固溶鋼形状がＵ型の場合、幅方向の中央部分に未凝固部分３ｂが多く残っている。この場合、軽圧下実行処理部は、図７に示す３つの検出装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃのうち、幅方向中央にある検出装置４０Ｂの油圧シリンダ４２ｂを駆動させて、圧下ロール４１ｂで鋳片３を軽圧下する。また、図１１に示すように未凝固溶鋼形状がＷ型の場合、幅方向の両端部分に未凝固部分３ｂが多く残っている。この場合、軽圧下実行処理部は、図７に示す３つの検出装置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃのうち、幅方向両側にある検出装置４０Ａ、４０Ｃの油圧シリンダ４２ａ、４２ｃを駆動させて、圧下ロール４１ａ、４１ｃで鋳片３を軽圧下する。

このように、鋳造方向における同一位置に複数の検出装置４０（４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ）を独立して駆動可能に設置することで、鋳片３の中心固相率を検出するために機能させることもでき、鋳片３の未凝固溶鋼形状に応じて適切に鋳片３を軽圧下することもできる。

なお、鋳片３を軽圧下する検出装置４０は、ステップＳ１００〜Ｓ１３０の処理によって得られた鋳片３の未凝固溶鋼形状に基づき駆動される場合には鋳片３の中心固相率を検出した検出装置４０より鋳造方向下流側に配置されているものが用いられる。しかし、例えばオペレータの指示に応じて、鋳片３の中心固相率を検出した検出装置４０あるいはこれより鋳造方向上流側に配置されている検出装置４０により鋳片３を軽圧下してもよい。

また、鋳片３の軽圧下は、凝固完了点（クレータエンド）より鋳造方向上流側の所定の領域に位置する部分で行われる。この際、軽圧下する位置の鋳片３の中心固相率は特に規定されないが、中心固相率が０．５未満の場合には鋳片３を軽圧下しても偏析抑制やポロシティー解消の面で効果がない場合もある。このため、軽圧下する位置の鋳片３の中心固相率は０．５以上が好ましい。一方、鋳片３が完全凝固し、すべて固相の場合は軽圧下できないため、軽圧下する位置の鋳片３の中心固相率の上限は１．０未満とする。

＜４．まとめ＞
以上、本実施形態に係る鋳片３の凝固状態を取得するための検出装置４０と、鋳片３の中心固相率の算出方法について説明した。本実施形態によれば、鋳片３の凝固状態を検出したい位置において検出装置４０により鋳片３を加振し、その振動応答を消散エネルギにより把握する。そして、鋳片３を加振したときの消散エネルギから鋳片加振位置における中心固相率を算出することで、鋳片３の凝固状態を取得できる。

また、鋳造方向の所定の位置において本実施形態に係る検出装置４０を鋳片３の幅方向に複数配置することで、鋳片３の幅方向の複数位置における中心固相率を取得することができる。これにより、鋳片３の幅方向における未凝固部分３ｂの分布を取得することができ、中心偏析を改善するための軽圧下を適切な位置で行うことができる。また、鋳片３の軽圧下を検出装置４により実施できるので、設備コストを低減することもできる。

さらに、本実施形態において中心固相率を検出することで、鋳片３の最終凝固位置であるクレータエンドを検出することも可能である。これにより、連続鋳造機２０の機長限界での操業が可能となり、生産性を向上させることもできる。また、機長内での鋳片３の完全凝固を確認することも可能となり、鋳片切断機８により未凝固部分３ｂを切断してしまい溶鋼が流出する等の操業トラブルを防止することもできる。

実施例として、本実施形態に係る検出装置を用いて鋳片の未凝固溶鋼形状に応じて鋳片を軽圧下したときの、鋳片の品質について検証した。本実施例では、図５〜図７に示した連続鋳造機２０に設置した検出装置４０を用いて鋳片の幅方向の複数位置で中心固相率（ｆｓ）を検出し、鋳片の未凝固溶鋼形状を特定した。中心固相率の検出方法および鋳片の軽圧下は、図９に示す処理フローに基づき実施した。この結果を表１に示す。表１の鋳片方向の軽圧下位置では、中心固相率ｆｓが表１の各値となった位置で軽圧下したときの中心偏析改善の判断を行ったことを示している。なお、中心偏析改善の判断は、鋳片幅方向のＭｎ偏析度のばらつきに基づき行い、Ｍｎ偏析度のばらつきが許容範囲内であれば中心偏析が改善されたとし、許容範囲外のときには中心偏析は改善されていないとした。

実施例１では、検出装置４０の検出結果より鋳片の未凝固溶鋼形状がＵ型と判定された場合である。したがって、実施例１では未凝固部分が多く残る中央部を図７に示す検出装置４０Ｂにより軽圧下した。このとき、軽圧下位置である幅方向中央部の中心固相率と鋳片品質との関係をみると、中心固相率が小さいと鋳片品質は低く、中心偏析の改善は見られなかったが、中心固相率が０．５以上となったとき軽圧下をすると鋳片品質は良好となり、中心偏析の改善が見られた。

実施例２では、検出装置４０の検出結果より鋳片の未凝固溶鋼形状がＷ型と判定された場合である。したがって、実施例２では未凝固部分が多く残る両端部を図７に示す検出装置４０Ａ、４０Ｃにより軽圧下した。このとき、幅方向両端部のうち検出装置４０Ａによる軽圧下位置での中心固相率と鋳片品質との関係をみると、実施例１と同様、中心固相率が小さいと鋳片品質は低く、中心偏析の改善は見られなかったが、中心固相率が０．５以上となったとき軽圧下をすると鋳片品質は良好となり、中心偏析の改善が見られた。

また、実施例１との比較として、比較例１に未凝固溶鋼形状がＵ型の場合に端部の検出装置４０Ａ、４０Ｃにより軽圧下したときの中心偏析改善結果を示す。比較例１では、未凝固部分の少ない部分を軽圧下したため、中心固相率が０．５以上である場合にも鋳片品質は低く、中心偏析の改善は見られなかった。同様に、実施例２との比較として、比較例２に未凝固溶鋼形状がＷ型の場合に中央部の検出装置４０Ｂにより軽圧下したときの中心偏析改善結果を示す。比較例２においても、未凝固部分の少ない部分を軽圧下したため、中心固相率が０．５以上である場合にも鋳片品質は低く、中心偏析の改善は見られなかった。

さらに、比較例３として、従来の軽圧下セグメントにより全幅にわたって鋳片を軽圧下したときの中心偏析改善結果を示す。比較例３では予め凝固計算にて鋳造方向の中心固相率を推定した。鋳片の凝固計算のみでは中心固相率の推定精度が低く、また未凝固部分の多い部分と少ない部分とを同時に軽圧下したため、鋳片の特定の成分の偏りを適切に解消することができず、中心固相率が０．５以上である場合にも鋳片品質は低く、中心偏析の改善は見られなかった。

以上より、鋳片を加振したときの振動応答に基づき算出した中心固相率から鋳片の未凝固溶鋼形状を特定し、この特定結果に基づき中心固相率ｆｓが０．５〜０．９となる位置で鋳片を軽圧下することで、鋳片の中心偏析を改善でき、品質を向上させることができた。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、鋳片の振動応答として消散エネルギを用いたが、本発明はかかる例に限定されない。鋳片の振動応答として、例えば鋳片の反力振動の振幅を用いてもよい。

１ 鋳型
４ 取鍋
５ タンディッシュ
６ 浸漬ノズル
７ 二次冷却装置
８ 鋳片切断機
９ 二次冷却帯
９Ａ 垂直帯
９Ｂ 湾曲帯
９Ｃ 水平帯
９Ｄ 矯正点
１１ 支持ロール
１２ 固相率検出セグメント
２０ 連続鋳造機
４０ 検出装置
４１ 圧下ロール
４２ 油圧シリンダ
５０ 情報処理装置
５１ 消散エネルギ算出部
５２ 中心固相率算出部
５３ 凝固状態取得部
５４ 軽圧下実行処理部
５５ 出力部
５６ 記憶部

Claims (6)

1. 連続鋳造機の鋳型内に注入された溶鋼を冷却して鋳片の外郭に凝固シェルを形成し、前記鋳型の下端から前記鋳片を引き抜きながら鋳片内部の未凝固部分を完全に凝固させる連続鋳造プロセスにおいて、前記鋳片内部の未凝固部分を検出するために前記鋳片の厚さ方向における中心部の中心固相率を取得する固相率算出方法であって、
   前記鋳片を加振して、加振に対する前記鋳片の振動応答として、前記鋳片内部の未凝固部分により消散される消散エネルギを算出し、
   予め取得された鋳片の前記消散エネルギと中心固相率との関係から、算出された前記消散エネルギに対応する中心固相率を算出する、固相率算出方法。
2. 前記消散エネルギは、鋳片を加振する駆動部の変位および推力から算出される、請求項１に記載の固相率算出方法。
3. 連続鋳造機の鋳型内に注入された溶鋼を冷却して鋳片の外郭に凝固シェルを形成し、前記鋳型の下端から前記鋳片を引き抜きながら鋳片内部の未凝固部分を完全に凝固させる連続鋳造プロセスにおいて前記鋳片内部の未凝固部分の有無を検出する検出装置であって、
   前記鋳片を厚さ方向から圧下して、前記鋳片を加振する圧下ロールと、
   前記圧下ロールを前記鋳片の厚さ方向に駆動する駆動部と、
   前記圧下ロールを加振させたときの前記駆動部の変位および推力を測定する測定部と、
   を有する検出部と、
   前記測定部による測定結果に基づいて前記鋳片の振動応答を算出する振動応答算出部と、
   予め取得された鋳片の振動応答と中心固相率との関係に基づいて、前記振動応答に対応する中心固相率を算出する中心固相率算出部と、
   前記中心固相率に基づいて、前記鋳片内部の凝固状態を取得する凝固状態取得部と、
   を有する情報処理部と、
   を備える、検出装置。
4. 前記圧下ロールは、鋳造方向における所定の位置に、前記鋳片の幅方向に複数配置され、
   前記凝固状態取得部は、前記各圧下ロールにより前記鋳片を加振して取得された各圧下位置での各中心固相率に基づいて、前記鋳片内部の未凝固部分の分布を取得する、請求項３に記載の検出装置。
5. 前記情報処理部は、鋳片内部の未凝固部分の分布に応じて、前記圧下ロールを駆動させて前記鋳片を軽圧下する軽圧下実行処理部をさらに備える、請求項４に記載の検出装置。
6. 前記検出部は、前記連続鋳造機の冷却帯下流側に鋳造方向に沿って複数設けられる、請求項３〜５のいずれか１項に記載の検出装置。
   

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