JP6555234B2 - 連続鋳造機の制御装置、連続鋳造機の制御方法、及び鋼の連続鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造機の制御装置、連続鋳造機の制御方法、及び鋼の連続鋳造方法に関する。

連続鋳造機において、モールド内の溶融金属（溶鋼）の湯面レベルの変動を抑制して湯面レベルが一定になるように制御することは、操業の安定上のみならず、鋳片の品質管理上からも極めて重要なことである。このような背景から、特許文献１，２には、溶鋼の湯面レベルの変動の原因の一つであるバルジング性湯面変動を抑制する方法が提案されている。具体的には、特許文献１には、湯面レベル信号から特定周波数のバルジング性湯面変動を抽出し、且つ、その位相特性を９０度進ませて出力する特性を有する外乱補償器からの出力信号をＰＩ制御器から出力される開度指示値に加算した開度指示値をスライディングノズルの最終的な開度指示値とする方法が提案されている。また、特許文献２には、特許文献１記載の方法を湯面レベルの変動周波数に応じて切り換えて使用することによって異なる周波数のバルジング性湯面変動を抑制する方法が提案されている。

なお、上述したバルジング性湯面変動とは、鋳片を引き抜く複数のピンチロールの間で鋳片が引き抜き方向に対し垂直な方向に膨らんだ状態で凝固し、膨らんだ部分が鋳片の引き抜きに伴ってピンチロールによって押し込まれることにより、モールド内の溶鋼のマスバランスが崩れて発生する溶鋼の湯面レベルの変動のことを意味する。バルジング性湯面変動は、ピンチロールの引き抜き速度（鋳造速度）とピッチとによって決まる強い周期性を有することが知られている。

特開平１０−３１４９１１号公報 特開２０１２−１７０９８４号公報

実操業では、バルジング性湯面変動が複数箇所で同時に発生することによって、異なる複数の周波数のバルジング性湯面変動が同時に発生することがある。しかしながら、特許文献１，２に記載の方法は、一つの周波数のバルジング性湯面変動しか抑制することができない。このため、特許文献１，２に記載の方法によれば、異なる複数の周波数のバルジング性湯面変動が同時に発生した場合、全体として充分なバルジング性湯面変動の抑制効果を得ることができない。

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、異なる複数の周波数のバルジング性湯面変動が同時に発生した場合であっても、バルジング性湯面変動を全体として充分に抑制可能な連続鋳造機の制御装置、連続鋳造機の制御方法、及び鋼の連続鋳造方法を提供することにある。

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融金属の湯面レベルを制御する連続鋳造機の制御装置であって、前記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に基づいて、モールドに溶融金属を供給するタンディッシュに配設され、前記タンディッシュから前記モールドへの溶融金属の供給量を調整するスライディングノズルの開度指示値を出力するＰＩ制御器と、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の偏差信号から所定周波数のバルジング性湯面変動を抽出し、抽出されたバルジング性湯面変動の位相特性を９０度進ませた信号に所定のゲインを乗算した信号を前記スライディングノズルの開度指示値として出力する複数の外乱補償器と、前記ＰＩ制御器から出力された開度指示値と前記複数の外乱補償器から出力された開度指示値との和に従って前記スライディングノズルの開度を調整することによって、前記タンディッシュから前記モールドへの溶融金属の供給量を制御するスライディングノズル制御器と、前記湯面レベル計によって測定された湯面レベルから線形計画問題を解くことによってバルジング性湯面変動の抑制効果が最大になる各外乱補償器のゲインを算出し、算出されたゲインを各外乱補償器における前記所定のゲインに設定する制御手段と、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方法は、連続鋳造機のモールド内の溶融金属の湯面レベルを制御する連続鋳造機の制御方法であって、湯面レベルを測定する測定ステップと、ＰＩ制御器が、前記測定ステップにおいて測定された湯面レベルに基づいて、モールドに溶融金属を供給するタンディッシュに配設され、前記タンディッシュから前記モールドへの溶融金属の供給量を調整するスライディングノズルの開度指示値を出力するステップと、複数の外乱補償器が、前記測定ステップにおいて測定された湯面レベルと該湯面レベルの目標値との偏差信号から所定周波数のバルジング性湯面変動を抽出し、抽出されたバルジング性湯面変動の位相特性を９０度進ませた信号に所定のゲインを乗算した信号を前記スライディングノズルの開度指示値として出力するステップと、スライディングノズル制御器が、前記ＰＩ制御器から出力された開度指示値と前記複数の外乱補償器から出力された開度指示値との和に従って前記スライディングノズルの開度を調整することによって、前記タンディッシュから前記モールドへの溶融金属の供給量を制御するステップと、制御手段が、前記測定ステップにおいて測定された湯面レベルから線形計画問題を解くことによってバルジング性湯面変動の抑制効果が最大になる各外乱補償器のゲインを算出し、算出されたゲインを各外乱補償器における前記所定のゲインに設定するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る鋼の連続鋳造方法は、本発明に係る連続鋳造機の制御方法によってモールド内の溶融金属の湯面レベルを制御しつつ鋳片を製造するステップ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、連続鋳造機の制御方法、及び鋼の連続鋳造方法によれば、異なる複数の周波数のバルジング性湯面変動が同時に発生した場合であっても、バルジング性湯面変動を全体として充分に抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態である連続鋳造機の制御装置が適用される連続鋳造機の一構成例を示す模式図である。 図２は、本発明の一実施形態である連続鋳造機の制御装置におけるモールド湯面制御系の構成を示すブロック図である。 図３は、外乱から湯面変動までの周波数特性の変化の一例を示す図である。 図４は、外乱から湯面変動までの周波数特性の変化の一例を示す図である。 図５は、外乱補償器を用いない場合、単独の外乱補償器を用いた場合、及び本発明を用いた場合における湯面レベルのシミュレーション結果を示す図である。 図６は、図５に示す湯面レベルの周波数解析結果を示す図である。

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について詳細に説明する。

〔連続鋳造機の構成〕
まず、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制御装置が適用される連続鋳造機の一構成例について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である連続鋳造機の制御装置が適用される連続鋳造機の一構成例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の制御装置が適用される連続鋳造機１では、モールド２の上部に溶鋼ＭＳが満たされたタンディッシュ３が配置され、タンディッシュ３の底部にはスライディングノズル４が取り付けられている。また、スライディングノズル４の下面側には浸漬ノズル５が取り付けられており、タンディッシュ３内の溶鋼ＭＳは、スライディングノズル４及び浸漬ノズル５を介してモールド２内に供給される。

モールド２内に注入された溶鋼ＭＳは、モールド２の側面から冷却されることによって、表面から凝固してシェルＳＨを形成しつつ、ピンチロール６によって下方に引き抜かれ鋳片Ｓとなる。この引き抜き速度は、図示しないピンチロール制御装置によってほぼ一定に制御されている。モールド２内に供給される溶鋼ＭＳの量は、スライディングノズル４の開度によって決まる。スライディングノズル４の開度の調整は、制御装置１０が油圧シリンダ等の図示しないスライディングノズル制御器を制御することによって行われる。

なお、スライディングノズル４の開度は、モールド２内に供給される溶鋼ＭＳの量と下方に引き抜かれる溶鋼ＭＳの量とがバランスするように制御される。具体的には、スライディングノズル４の開度指示値は、モールド２内の溶鋼ＭＳの湯面レベルが予め設定された湯面レベル目標値で一定となるように設定される。モールド２内の溶鋼ＭＳの湯面レベルは湯面レベル計２０によって測定され、測定値は制御装置１０に入力される。

〔モールド湯面制御系の構成〕
次に、図２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におけるモールド湯面制御系の構成について説明する。

図２は、本発明の一実施形態である連続鋳造機の制御装置におけるモールド湯面制御系の構成を示すブロック図である。図２に示すように、本発明の一実施形態である連続鋳造機の制御装置におけるモールド湯面制御系は、差分器１１、ＰＩ制御器１２、複数のゲイン乗算器１３−ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）、複数の外乱補償器１４−ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）、加算器１５、スライディングノズル制御器１６、及び湯面レベル計２０を備えている。

差分器１１は、制御装置１０から入力された湯面レベル目標値と湯面レベル計２０によって測定された湯面レベル実績値との差分値（偏差信号）を算出し、算出された差分値をＰＩ制御器１２及び複数のゲイン乗算器１３−ｎに出力する。

ＰＩ制御器１２は、湯面レベル目標値と湯面レベル実績値との差分値に基づいて、湯面レベル実績値を湯面レベル目標値に一致させるためのスライディングノズル４の開度指示値（ＳＮ開度指示値）をＰＩ制御により算出し、算出されたＳＮ開度指示値を加算器１５に出力する。

複数のゲイン乗算器１３−ｎはそれぞれ、湯面レベル目標値と湯面レベル実績値との差分値にそれぞれに制御装置１０によって設定されたゲインｋ_ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を乗算し、乗算値を対応する外乱補償器１４−Ｎに出力する。各ゲイン乗算器１３−ｎのゲインｋ_ｎの設定方法については後述する。

複数の外乱補償器１４−ｎ（伝達関数Ｄ_ｎ（ｓ））は、湯面レベルのバルジング性湯面レベル変動を外乱として補償するための装置である。具体的には、複数の外乱補償器１４−ｎはそれぞれ、対応するゲイン乗算器１３−ｎの出力信号から設定された所定周波数のバルジング性湯面変動を抽出し、抽出したバルジング性湯面変動の位相特性を９０度進ませた信号を加算器１５に出力する。換言すれば、複数の外乱補償器１４−ｎはそれぞれ、湯面レベル実績値と湯面レベル目標値との偏差信号から所定周波数のバルジング性湯面変動を抽出し、抽出されたバルジング性湯面変動の位相特性を９０度進ませた信号に対応するゲイン乗算器１３−ｎのゲインｋ_ｎを乗算した信号をＳＮ開度指示値として加算器１５に出力する。

加算器１５は、ＰＩ制御器１２及び複数の外乱補償器１４−ｎから入力されたＳＮ開度指示値の和を最終的なＳＮ開度指示値として算出し、算出されたＳＮ開度指示値をスライディングノズル制御器１６に出力する。

スライディングノズル制御器１６（伝達関数Ｇａ（ｓ））は、加算器１５から入力されたＳＮ開度指示値に従ってスライディングノズル４の開度を制御する。スライディングノズル４の開度を制御することによって、所定の無駄時間１７を経てモールド２への溶鋼ＭＳの流入量が制御され、溶鋼ＭＳの流入量に流入量外乱が加わった総流入量の溶鋼ＭＳがモールド２に流入する。この時、モールド２への溶鋼ＭＳの流入量を積分したもの（ブロック１９（伝達関数Ｇｐ（ｓ））がモールド２内の湯面レベルとなり、湯面レベルに湯面レベル外乱を加えた値が湯面レベル計２０（伝達関数Ｇｍ（ｓ））によって測定される。このようにして、湯面レベル実績値を湯面レベル目標値に一致させるべく作用するフィードバック制御ループが形成される。

なお、上述した無駄時間１７（伝達関数Ｇｔ（ｓ））は、湯面レベル計２０、差分器１１、ＰＩ制御器１２、複数のゲイン乗算器１３−ｎ、複数の外乱補償器１４−ｎ、加算器１５、スライディングノズル制御器１６、及びスライディングノズル４によって構成されるフィードバック制御ループ内で生じる無駄時間である。モールド２内の溶鋼ＭＳの湯面レベルの測定に要する湯面レベル計２０の測定時間、スライディングノズル制御器１６によってスライディングノズル４の開度を調整する際に要するスライディングノズル制御器１６及びスライディングノズル４の動作時間等が無駄時間１７に含まれる。

〔ゲイン設定方法〕
次に、図３，図４を参照して、ゲイン乗算器１３−ｎのゲインｋｎの設定方法について説明する。図３，図４は、外乱から湯面変動までの周波数特性の変化の一例を示す図である。

一般に、バルジング性湯面変動の周期Ｔは、その発生原理よりピンチロールのピッチａ［ｍ］及び鋳造速度ｖ［ｍ／ｓ］を用いて以下に示す数式（１）のように表される。なお、鋳造速度ｖは、ピンチロールに取り付けられたＰＬＧ（Pulse Logic Generator）等を用いて測定できる。

一方、ピンチロールのピッチａは連続鋳造機の設備によって決まり、一般的にはピンチロールの本数未満の複数の値（Ｎ個とする）を取る。そこで、各ピッチをａ_ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）とすると、発生し得るバルジング性湯面変動の周波数ｆ_ｎは以下に示す数式（２）のように表される。

従って、バルジング性湯面変動を抑制するための外乱補償器も最大Ｎ種類の設定が必要となり、各外乱補償器の伝達関数Ｄ_ｎ（ｓ）は以下に示す数式（３）のように表すことができる。なお、数式（３）中、パラメータζ，ωはそれぞれ、帯域通過フィルタの通過帯域の幅及び中心周波数を決定するパラメータであり、パラメータζ，ωの値によって帯域通過フィルタの周波数特性は変化する。各外乱補償器は、設定された中心周波数（設定周波数）成分に関して、湯面レベル変動に対する外乱のゲインを低下させる機能を有している。

ここで、複数の外乱補償器の出力信号を単純に重畳させると、各外乱補償器の出力信号が悪影響を及ぼしたり、フィードバック制御ループ全体のゲインが高くなりすぎたりして、フィードバック制御ループが不安定になる恐れがあるため、各外乱補償器のゲインを適切に決定する必要がある。このため、本実施形態では、各外乱補償器を起動にしたときのバルジング性湯面変動の抑制効果を定量的に評価し、最適なゲイン配分で各外乱補償器を起動にする。

具体的には、湯面レベル信号をＦＦＴ解析することにより得られたスペクトルの系列をＳ＝（ｓ_１，ｓ_２，…，ｓ_ｎ）とする。但し、ｓ_ｎは周波数ｆ_ｎのバルジング性湯面変動のスペクトル強度を示す。また、各外乱補償器に乗算するゲインの組み合わせをＫ＝（ｋ_１，ｋ_２，…，ｋ_ｎ）とする。そして、各外乱補償器のバルジング性湯面変動の抑制効果を以下の数式（４），（５）に示す関数の列を用いて評価する。

但し、数式（５）におけるパラメータＧ（ω_ｍ，ｆ_ｎ）は設定周波数をω_ｍ（ｍ＝１〜Ｎ）としたときの外乱補償器による周波数ｆ_ｎのバルジング性湯面変動の抑制効果を示し、外乱から湯面変動までの周波数特性の変化によって定められる関数とする。例えば、設定周波数ω_ｍが０．１である場合、外乱から湯面変動までの周波数特性は図３に示すように変化することから、Ｇ（０．１，０．１）＞０、且つ、Ｇ（０．１，０．０８）＜０と設定する。なお、図３において、曲線Ｌ１は外乱補償器を起動させないときの周波数特性を示し、曲線Ｌ２は外乱補償器を起動させたときの周波数特性を示している。

従って、ｍ番目（ｍ＝１〜Ｎ）の外乱補償器によって抑制される周波数のスペクトルが大きい場合はｈ_ｍ（Ｓ）の値は大きくなり、逆に増幅される周波数のスペクトルが大きい場合にはｈ_ｍ（Ｓ）の値は小さくなる。複数の外乱補償器を動作させたときの外乱から湯面変動までの周波数特性の変化を図４に示す。ここでは、設定周波数０．０７Ｈｚ及び設定周波数０．１Ｈｚの外乱補償器を同時に適用している。

なお、図４中の曲線Ｌ３は外乱補償器を起動させていないときの周波数特性を示し、曲線Ｌ４は設定周波数０．０７Ｈｚの外乱補償器を起動させたときの周波数特性を示し、曲線Ｌ５は設定周波数０．１Ｈｚの外乱補償器を起動させたときの周波数特性を示し、曲線Ｌ６は設定周波数０．０７Ｈｚ及び設定周波数０．１Ｈｚの外乱補償器を起動させたときの周波数特性を示している。

図４に示すように、各外乱補償器の効果が合わさっていることがわかる。よって、外乱抑制効果も重ね合わせられると考えられる。ここで、ｈ_ｍ（ｓ）とこの外乱補償器にかけるゲインｋ_ｎをかけたものが、この外乱補償器を起動したときの湯面変動抑制効果を表すと考えられる。従って、ゲインの組み合わせをＫ＝（ｋ_１，ｋ_２，…，ｋ_Ｎ）とした場合の複数の外乱補償器による湯面変動抑制効果は以下に示す数式（６）のように表すことができる。

そこで、本実施形態では、制御装置１０が、以下の数式（７）に示す線形計画問題を解くことによって湯面変動抑制効果が最も高いゲインＫ＝（ｋ_１，ｋ_２，…，ｋ_Ｎ）を算出し、算出されたゲインＫ＝（ｋ_１，ｋ_２，…，ｋ_Ｎ）をゲイン乗算器１３−ｎのゲインｋ_ｎに設定する。なお、数式（７）において、パラメータｋ_ｓｕｍは外乱補償器全体の出力が大きくなりすぎることを防ぐために予め決めておいた定数である。これにより、異なる複数の周波数のバルジング性湯面変動が同時に発生した場合であっても、バルジング性湯面変動を全体として充分に抑制することができる。

図５は、外乱補償器を用いない場合、単独の外乱補償器を用いた場合、及び本発明を用いた場合における湯面レベルのシミュレーション結果を示す図である。図６は、図５に示す湯面レベルの周波数解析結果を示す図である。図５において、曲線Ｌ７は外乱補償器を用いない場合の湯面レベル、曲線Ｌ８は単独の外乱補償器を用いた場合の湯面レベル、曲線Ｌ９は本発明を用いた場合の湯面レベルを示す。また、図６において、曲線Ｌ１０は外乱補償器を用いない場合の湯面レベルの周波数解析結果、曲線Ｌ１１は単独の外乱補償器を用いた場合の湯面レベルの周波数解析結果、曲線Ｌ１２は本発明を用いた場合の湯面レベルの周波数解析結果を示す。

図６に示すように、湯面レベルの周波数解析結果には変動のピークが２つあるが、従来技術である単独の外乱補償器を適用した場合は最も大きなスペクトル強度の変動のみが抑制され、次に大きなスペクトル強度の変動が増加している。これに対して、本発明を適用した場合には、バランスよく両方のスペクトル強度の変動を抑制できている。これにより、本発明によれば、異なる複数の周波数のバルジング性湯面変動が同時に発生した場合であっても、バルジング性湯面変動を全体として充分に抑制できることが確認された。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施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及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 連続鋳造機
２ モールド
３ タンディッシュ
４ スライディングノズル
５ 浸漬ノズル
６ ピンチロール
１０ 制御装置
１１ 差分器
１２ ＰＩ制御器
１３−ｎ（ｎ＝１〜Ｎ） ゲイン乗算器
１４−ｎ（ｎ＝１〜Ｎ） 外乱補償器
１５ 加算器
１６ スライディングノズル制御器
２０ 湯面レベル計
ＭＳ 溶鋼
Ｓ 鋳片
ＳＨ シェル

Claims (3)

1. 連続鋳造機のモールド内の溶融金属の湯面レベルを制御する連続鋳造機の制御装置であって、
   前記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に基づいて、モールドに溶融金属を供給するタンディッシュに配設され、前記タンディッシュから前記モールドへの溶融金属の供給量を調整するスライディングノズルの開度指示値を出力するＰＩ制御器と、
   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の偏差信号から所定周波数のバルジング性湯面変動を抽出し、抽出されたバルジング性湯面変動の位相特性を９０度進ませた信号に所定のゲインを乗算した信号を前記スライディングノズルの開度指示値として出力する複数の外乱補償器と、
   前記ＰＩ制御器から出力された開度指示値と前記複数の外乱補償器から出力された開度指示値との和に従って前記スライディングノズルの開度を調整することによって、前記タンディッシュから前記モールドへの溶融金属の供給量を制御するスライディングノズル制御器と、
   前記湯面レベル計によって測定された湯面レベルから線形計画問題を解くことによってバルジング性湯面変動の抑制効果が最大になる各外乱補償器のゲインを算出し、算出されたゲインを各外乱補償器における前記所定のゲインに設定する制御手段と、
   を備えることを特徴とする連続鋳造機の制御装置。
2. 連続鋳造機のモールド内の溶融金属の湯面レベルを制御する連続鋳造機の制御方法であって、
   湯面レベルを測定する測定ステップと、
   ＰＩ制御器が、前記測定ステップにおいて測定された湯面レベルに基づいて、モールドに溶融金属を供給するタンディッシュに配設され、前記タンディッシュから前記モールドへの溶融金属の供給量を調整するスライディングノズルの開度指示値を出力するステップと、
   複数の外乱補償器が、前記測定ステップにおいて測定された湯面レベルと該湯面レベルの目標値との偏差信号から所定周波数のバルジング性湯面変動を抽出し、抽出されたバルジング性湯面変動の位相特性を９０度進ませた信号に所定のゲインを乗算した信号を前記スライディングノズルの開度指示値として出力するステップと、
   スライディングノズル制御器が、前記ＰＩ制御器から出力された開度指示値と前記複数の外乱補償器から出力された開度指示値との和に従って前記スライディングノズルの開度を調整することによって、前記タンディッシュから前記モールドへの溶融金属の供給量を制御するステップと、
   制御手段が、前記測定ステップにおいて測定された湯面レベルから線形計画問題を解くことによってバルジング性湯面変動の抑制効果が最大になる各外乱補償器のゲインを算出し、算出されたゲインを各外乱補償器における前記所定のゲインに設定するステップと、
   を含むことを特徴とする連続鋳造機の制御方法。
3. 請求項２に記載の連続鋳造機の制御方法によってモールド内の溶融金属の湯面レベルを制御しつつ鋳片を製造するステップを含むことを特徴とする鋼の連続鋳造方法。

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