JP6648365B2 - 連続鋳造の開始時刻の決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、複数のチャージを連続的に鋳造するような「連続鋳造」において、この連続鋳造の開始時刻を決定する方法に関する。

従来より、高炉から出銑された溶銑はトピードカーなどにより転炉設備に移送され、転炉において精錬処理（脱りん処理や脱炭処理）が行われる。
精錬処理後の溶鋼は、取鍋に移し替えられて二次精錬設備へと移送され、溶鋼に対する更なる精錬が行われる。二次精錬後の溶鋼は連続鋳造機に移送され、スラブやブルームなどの鋳片へと鋳造される。鋳片を連続的に鋳造する連続鋳造機では、連続鋳造装置の生産性を向上させるために、（鋼種が異なる場合も含めて）複数のチャージを連続的に鋳造する連続鋳造が行われる。

連続鋳造をトラブル無く行うためには、前チャージと、それに続く後チャージとを途切れることなく、連続鋳造機に供給する必要があり、そのためには、転炉設備〜二次精錬設備〜連続鋳造機における「取鍋（実鍋、空鍋）」の物流計画が重要なものとなってくる。
連続鋳造機における取鍋の物流を考慮した技術としては、特許文献１に開示されたものがある。

特許文献１は、複数の転炉、二次精錬設備、連続鋳造機、搬送設備を有する製鋼プロセスの操業スケジュール作成システムにおいて、連続鋳造機の鋳造スケジュールをもとにして、鋳造工程から上工程に対して時間軸と工程をさかのぼりながら、物流シミュレーション実行システムを用いて搬送台車やクレーンの干渉を考慮し、操業スケジュールを仮決定する第一ステップと、第一ステップから得られた製鋼プロセスの吹錬スケジュールをもとにして、転炉設備から下工程に対して工程と時間軸を下りながら鍋の後処理工程による操業スケジュールへの影響を検証し、操業スケジュールを再計算する第二ステップを組み合わせる製鋼プロセスの操業スケジュール作成システムが開示されている。

特開平９−２３５６１０号公報

上記した連続鋳造機においては、連続鋳造の遅れや途切れ（「連々鋳切れ」と呼ぶこともある）を生じることが無いように、連続鋳造機に溶鋼を供給することが重要である。そのために、転炉、二次精錬設備、連続鋳造機、搬送設備を連携して操業する必要があり、そのための操業スケジュール、物流計画が組まれることになる。
とはいえ、様々な原因により、各設備での作業遅延が発生することがあり、スケジュールに狂いが生じ、ひいては、連続鋳造に途切れが発生することがあった。

連々鋳切れを引き起こす原因の１つとして、搬送設備における取鍋の取り合いが挙げられる。具体的には、取鍋の搬送には、台車や天井クレーンなどの搬送設備を用いて行うが、多くの場合、この搬送設備は１ラインしか敷設されていない。なお、二基の連鋳機に溶鋼鍋を搬送するために、搬送設備が２系統ある場合もあるが、一基の連鋳機に対して実鍋用、空鍋用の２系統の搬送設備を備える工場は少ない。これは、設備建設コスト、運転のための人件費コストが倍増するという経済的理由と、数百ｔの重量物を搬送するクレーンや台車を、隣接させて独立に運用する事が容易で無いという技術的理由に起因する。例えば、同じ軌道の上に台車を２台設置した場合、台車の動きは互いに制約されるため独立に運用する事はできない。この議論は、天井クレーンにおいても同様である。

搬送設備が１ラインの場合、連続鋳造機から転炉への空鍋を搬送している際には、転炉から二次精錬設備や連続鋳造機への実鍋の搬送ができないことになり、連々鋳切れを起こすことになる。同様に、転炉から連続鋳造機への実鍋の搬送時には、連続鋳造機からの空鍋は、実鍋搬送が終わるまで別の場所で待機する必要がある。すると、転炉への空鍋返送が遅れると共に溶鋼の出湯が遅れることになって、将来の連々鋳切れの原因となる。

このような状況に対応するために、適切なタイミングで実鍋や空鍋を搬送可能とする操業スケジュールを立案したり、空鍋が返送されない際には、転炉や二次精錬設備での溶鋼の処理終了温度を高めにするなどの対策を行ったり、連続鋳造機への実鍋の到着が遅れそうであれば、前チャージの鋳造速度を遅くするなどの対策を取るようにしていた。
しかしながら、このような対策は、現場の熟練したオペレータの知識が必要とされるものであり、経験の浅いオペレータでは対応不可能なことが多い。

一方、特許文献１の技術は、このような不都合を解消しようとするものであるが、この技術は「鋳造工程から上工程に対して時間軸と工程をさかのぼりながら、物流シミュレーションを実行すると共に、転炉設備から下工程に対して工程と時間軸を下りながら鍋の後処理工程による操業スケジュールへの影響を検証するもの」であり、非常に複雑なシステムである。そのため、そのシステムの精度の維持は容易ではなく、また、物流シミュレーションを行うために大きな計算機能力や、多くのパラメータ（例えば、各チャージの各設備での処理時間）の入力を必要とするものであり、実際の現場で継続的に活用するには困難を伴うものとなっている。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、異鋼種を連続的に鋳造するような連続鋳造において、連続鋳造に途切れが起こらないような操業スケジュールの決定方法、特に、連続鋳造の開始時刻の決定方法を、簡便かつ精度よく提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明にかかる連続鋳造の開始時刻の決定方法は、転炉と二次精錬設備と連続鋳造機と取鍋を搬送する搬送設備とを有する製鋼工場を操業するに際し、前記連続鋳造機における連続鋳造の最初のチャージを鋳造する開始時刻を決定する方法において、
前記最初のチャージの開始時刻を、下記の式(1)に基づいて、前記最初のチャージ向けの実鍋が前記連続鋳造機に到着する時刻よりΔｔだけ遅い時刻に設定することを特徴とする。
Δt＝（Ｎ−Ｍ）×Ｋ ・・・(1)
Ｎ：１回の連続鋳造で行うチャージ数
Ｍ：使用する取鍋の数
Ｋ：１回の差し合い（遅れ）で発生する取鍋の待ち時間

本発明の技術により決定した連続鋳造の開始時刻とすることで、連続鋳造が途切れることなく、安定して鋳片を連続鋳造することが可能となる。

製鋼工場を模式的に示した図である。 製鋼工場におけるガントチャートを示したものである（従来例、実鍋のみ）。 製鋼工場におけるガントチャートを示したものである（従来例、実鍋と空鍋あり）。 製鋼工場におけるガントチャートを示したものである（従来例、連々鋳切あり）。 製鋼工場におけるガントチャートを示したものである（実施例、連々鋳切なし）。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
本発明の連続鋳造の開始時刻の決定方法を説明する前に、本発明が適用される製鋼工場１について説明を行う。
図１は、本発明が適用される製鋼工場１を模式的に示したものである。
まず、高炉から出銑された溶銑は、例えばトピードカーなどにより転炉２に移送され、転炉２において精錬処理（脱りん処理、脱炭処理）が行われる。

精錬処理を行う転炉２は、例えば、気体酸素を溶銑に吹き込む上吹きランスと炉底から酸素又は不活性ガスを溶銑に吹き込む羽口を備えた上底吹き型であって、上吹きランスからの気体酸素により酸素を供給し、羽口からの酸素又は不活性ガスにより溶銑を攪拌するものである。
精錬処理後の溶鋼は、取鍋６に移し替えられ、搬送設備３を用いて二次精錬設備４へと移送され、溶鋼に対する二次精錬が行われる。

搬送設備３は、台車や天井クレーンで構成されており、特に、転炉２と二次精錬設備４と間で取鍋６を搬送する搬送設備を番号３−１で示すことにする。図１では、３−１は２基の天井クレーンと１台の搬送台車から構成される。搬送設備３−１は、実鍋（溶鋼が入った取鍋６）を転炉２から二次精錬設備４へと運んだり、空鍋（溶鋼を払い出した後の空の取鍋６）を転炉２へ運ぶものである。

二次精錬設備４は、例えば、電極加熱式の精錬設備（ＬＦ）であって、溶鋼が装入された取鍋６と、取鍋６の溶鋼内にガスを吹き込む吹き込み装置と、溶鋼を加熱する電極式加熱装置と、フラックス等を投入するための供給装置とを有している。
この精錬設備では、供給装置にてフラックス等を溶鋼に投入した後、電極式加熱装置で溶鋼を所定温度まで上げて、吹き込み装置からガスを吹き込んで溶鋼を攪拌することによって、化学成分の微調整を行うと共に、溶鋼内に含まれる非金属介在物の低減を行う。

二次精錬後の溶鋼は取鍋６に入った状態で搬送設備３により運ばれ、連続鋳造機５に移送され、スラブやブルームなどの鋳片へと鋳造される。特に、二次精錬設備４と連続鋳造機５の間で溶鋼鍋を搬送する設備（クレーン２機と台車１台）を番号３−２で示す。
連続鋳造機５の１つである垂直曲げ型連続鋳造機は、鋳造する溶鋼が装入された取鍋６と、この取鍋６からの溶鋼を一時的に貯留するタンディッシュと、このタンディッシュから供給される溶鋼を成形する鋳型とを備えている。また、垂直曲げ型スラブ連続鋳造機５は、鋳型直下に設置されて鋳造する鋳片を支持するロール（フットロール、サポートロール）を備えている。

このような垂直曲げ型スラブ連続鋳造機５では、タンディッシュに貯留した溶鋼を鋳型に供給して、鋳型にて一次冷却を行うと共に、各ロールにて鋳片を引き抜きながら、冷却ノズルで広面及び狭面を二次冷却することによって鋳片を鋳造する。
なお、連続鋳造機５に溶鋼を挿入して空となった溶鋼鍋（空鍋と呼ぶ）は、滓などを排出する作業や溶鋼鍋の手入れ作業が行われる場合があるが、本図ではそれは省略している。

二次精錬設備４と連続鋳造機５とを結ぶ搬送設備３−２も、台車や天井クレーンで構成されており、二次精錬設備４と連続鋳造機５とを１つのラインで結んでいる。搬送設備３−２は、実鍋の二次精錬設備４から連続鋳造機５への搬送と、空鍋の転炉２への搬送を担当する設備である。
なお、上記した連続鋳造機５では、同一鋼種が連続鋳造される場合もあれば、異鋼種の連続鋳造が行われる場合もある。連続鋳造（連々鋳と呼ぶこともある）とは、複数チャージの溶鋼を途切れることなく連続的に鋳造するものであり、連続鋳造設備の生産性を向上させることができるものとなっている。

このような連々鋳においては、前チャージに続く後チャージのための実鍋が遅れて到着し、連続的に鋳造ができないような「連々鋳切れ（あるいは‘連々切れ’）」といわれる状況が発生することがある。連々鋳切れが発生すると、鋳造の再開までには、タンディッシュの交換等の段取り時間が必要となり、連鋳機の非稼動時間が大幅に増加する。また、連々鋳切れの前後のチャージには品質上の問題が発生する場合もある。このように、連々鋳切れは、連々鋳の安定操業を行うためには避けるべき事態であり、そのために、転炉２、二次精錬設備４、連続鋳造機５、更には、搬送設備３を連携して操業するためのスケジュールが組まれることとなる。

とはいえ、様々な原因により、各設備での作業遅延が発生することがあり、製鋼プロセスにおけるスケジュールに狂いが生じ、ひいては、連々鋳切れが発生することがあった。
図４には、連々鋳切れが発生した際のガントチャートが示されている。この図に示されているように、連々鋳切れの原因の１つとして、複数の取鍋６が搬送設備３を取り合うために発生する、取鍋６の待ちなどが挙げられる。

具体的には、取鍋６の搬送には、搬送設備３を用いて行なうが、この搬送設備３は１ラインしか敷設されていないとする。例えば、転炉２と二次精錬設備４の間の搬送設備３−１は、転炉と台車間で溶鋼鍋を搬送するクレーン１基、溶鋼鍋を搬送する１台の台車、台車と二次精錬設備の間を搬送するクレーン１基からなる。１ラインであるため、空鍋搬送時に実鍋は待機する必要があり、逆も同様である。溶鋼鍋搬送の遅れは連々鋳切れの原因となる。

連々鋳切れに関して、より詳細に説明する。
図２は、実鍋のみが存在する場合（取鍋６が返送されない）の製鋼工場１におけるガントチャートを示したものである。なお、連続鋳造機５に溶鋼を挿入して空となった溶鋼鍋（空鍋と呼ぶ）は、滓などを排出する作業や溶鋼鍋の手入れ作業が行われる場合があるが、本図ではそれは省略している。

図２に示されている如く、例えば、転炉２におけるチャージ（１）で出湯されたで溶鋼が装入された実鍋は、二次精錬設備４のチャージ（１）で精錬処理が行われ、その後、実鍋が連続鋳造機５へ搬送され、連続鋳造機５でのチャージ（１）として供されることとなる。以下、チャージ（２）、チャージ（３）・・・チャージ（１０）も同様となる。なお、転炉２での処理には約３０分、二次精錬設備４での処理には約３０分、連続鋳造機での鋳造時間（１チャージ）には約３５分を有する。また、搬送設備３による転炉２〜二次精錬設備４の搬送時間は約２０分、搬送設備３による二次精錬設備４〜連続鋳造機５の搬送時間は約１０分である。

次に、図３に示すガントチャートを考える。このガントチャートでは、実鍋に加え、連続鋳造機５に対して溶鋼を払い出した後の空鍋が存在し、その空鍋が転炉２に返送されるものとなっている。
例えば、図３において、連続鋳造機５のチャージ（２）に対して溶鋼を供給した後の空鍋は、搬送設備３により、転炉２側へ搬送される。この際、搬送設備３は１ラインであるため、この搬送設備３において、転炉２〜二次精錬設備４の間での差し合い（実鍋を先に運ぶか、空鍋を先に運ぶかの取り合い）が発生する。

なお、図３におけるガントチャートにおいては、チャージ（６）以降での空鍋は、再度転炉で溶鋼を受ける予定となっていない。つまり、空鍋搬送を急ぐ必要がなく、もし、実鍋と指し合いが発生した場合は、搬送設備においては実鍋優先とすればよい。従って、差し合いが発生するのは、図３の丸印で示した５箇所となる。なお、差し合いが発生する空鍋の搬送は、破線の矢印で示している。

搬送設備３で差し合いが発生した際、転炉からの出鋼を遅滞なく実施し、転炉の無駄時間をなくすために、空鍋を転炉２側に返送することを優先する。その結果、実鍋の搬送に遅れが発生し、図４に示す如く、連々鋳切れが発生することとなる。この時、実鍋の搬送を優先すれば、当該実鍋チャージの連々切れは発生しないが、搬送が遅れた空鍋への転炉からの出鋼が遅れるため、そのチャージが連々切れを発生させることになる。同じように、連々切れを発生させる可能性があるのであれば、転炉の無駄時間をなくすように、空鍋の搬送を優先させる場合が多い。

図４は、図３の状況下で連々鋳切れが起こっている状況を示したガントチャートである。
図４に示すように、転炉２のチャージ（４）からの溶鋼が装入された実鍋は、二次精錬設備４へと搬送され、二次精錬処理が行われる。二次精錬処理後の実鍋は、連続鋳造機５へ移送され溶鋼がタンディッシュへ装入される。チャージ（４）の溶鋼が装入された実鍋は、搬送設備３により転炉２から二次精錬設備４へ搬送されようとするが、このとき、搬送設備３に差し合いが発生するが、まずは、連続鋳造におけるチャージ２からの空鍋を返送するようになる。そのため、チャージ（４）の実鍋に待ちが発生し、結果的に連続鋳続機における連々鋳切れ（チャージ（３）とチャージ（４）との間の鋳造切れ、１０分）が発生する状況となる。

同様に、転炉２におけるチャージ（５）の実鍋と、連続鋳造機５におけるチャージ（３）の空鍋との差し合いも発生し、連続鋳造機５におけるチャージ（４）とチャージ（５）との連々鋳切れ、５分が発生する。
ここで、実鍋の到着遅れ時間（１回あたり）は、状況に依存して常に一定ではない。連続鋳造機５におけるチャージ（４）への実鍋は１０分の遅れ、チャージ（５）への実鍋は５分の遅れ、チャージ（６）（７）への実鍋は遅れなし、チャージ（８）への実鍋は５分の遅れである。すなわち、図４の場合、３回で合計２０分の連々鋳切れが発生することになる。

つまり、図４から明らかなように、最初の３チャージは取鍋６の待ちは発生していないが、４チャージ目以降は、鋳造が完了した空鍋が転炉２に戻るため、実鍋と空鍋とが搬送設備３を取り合うことになる。このような差し合いは、実鍋の二次精錬設備４乃至は連続鋳造機５への延着を引き起こし、ひいては、連々鋳切れの原因となる。
合計の遅れ時間については、予測は難しいが、経験的に遅れの対象となり、実鍋の本数が増加するとそれに比例して増加する。差し合いにより遅れる可能性がある実鍋本数は、「連々数−鍋本数」であることが知見されており、この例の場合、５本である。言い換えれば、１０連々を１０本の鍋で回すのであれば、差し合いによる遅れを考慮する必要はないこととなる。

このような連々鋳切れを発生させないため、本実施形態では、転炉２と、二次精錬設備４と、連続鋳造機５と、搬送設備３とを有する製鋼工場１を操業するに際しては、連続鋳造機５における連続鋳造の開示時刻を遅らせることとしている（図５に示すように、Δｔだけ連続鋳造の開示時刻を遅らせるようにしている）。
図３に示すように、取鍋６による搬送設備３取り合いは、連鋳機から空鍋を転炉に戻す回数だけ発生している。即ち、連続鋳造のチャージ数から鍋数（取鍋６の数）を引いた回数だけ発生している。これは、そのため、開始時刻を遅らせる時間Δｔを、連続鋳造機５での連続鋳造の数Ｎと、取鍋６の数Ｍ、搬送設備３での取鍋６の待ち時間Ｋとを基に算出するようにしている。

図４では、実鍋と空鍋による搬送設備３−１の取り合い発生により、連続鋳造機５におけるチャージ（４）からチャージ（８）までの間で３回の溶鋼鍋の連鋳機への到着遅れが発生した例をしめしている。このとき、通常であれば、連々鋳は切れてしまい、連鋳には段取り変えのための待ち時間が発生し、また、連々が切れた前後のチャージに品質上の問題が生じる。
このような問題発生を回避するには、図５に示す如く、チャージ（１）の鋳造開始時間を遅れの総時間分、即ち、２０分遅らせればよい。それにより、連々鋳切れにつながる実鍋到着遅れを埋めることが可能となり、連々鋳切れを起こさないで済むことになる。

最初のチャージの連続鋳造開始時刻をどれだけ遅らせるか、即ちΔｔの決定方法が、本実施形態の課題である。この値が小さすぎると、連々切れが回避できないし、大きすぎると連続鋳造機の鋳造終了時刻が遅くなる事となる。
個々のチャージの溶鋼鍋の遅れ時間を正確に予測し、その和を計算することで、Δｔを導出する事は容易では無い。その実現には、まず、物流シミュレータの構築が必要である。そして、図２〜５では一定時間に設定されている、各設備（転炉、二次精錬、鋳造）の処理時間や搬送設備（クレーン、台車）の搬送時間を、正確に把握して入力する必要がある。また、処理時間や搬送時間の確率的な変動も考慮する必要がある。特許文献１が示すように、後ろ向きのシミュレーションと前向きのシミュレーションを実施するとなると、更にそのシステム構築の難易度は高くなり、計算時間なども考慮すると実用には多数の課題が存在する。

しかし、遅れ時間の総和を推定するのであれば、その難易度は軽減される。搬送設備の取り合い１回により、連々切れの発生の有無、そしてその時間の正確な導出は上記のように困難である。
しかし、発生する搬送設備の取り合い（実鍋と空鍋による搬送設備の取り合い）が発生する回数が多い場合には、遅れ時間の総和は指し合いの回数に比例して増加する傾向が見られる。

例えば、空鍋と実鍋による搬送設備の取り合い１回につき、平均的に５分程度の待ちが発生するという知見があれれば、図４の場合、取鍋６の差し合いは５回であって、全体で約２５分程度遅れると予想できることとなる。Δｔ＝２５分と考えれば、最初のチャージの鋳造開始を２５分遅らせることになり、これにより、２０分の遅れが発生してもそれに対応することができる。なお、２５分−２０分＝５分、必要以上に遅らせることになるが、連々切れのリスクを考えれば許容できるものと考える。なお、この“１回の差し合い（遅れ）で５分程度の待ち”という知見は、連々を構成している鋼種や、当日の設備の状況によって経験的に決定される値である。

この考えを一般的に拡張し、連々鋳切れを避けるためには、
Δt＝（Ｎ−Ｍ）×Ｋ ・・・(1)
Ｎ：１回の連続鋳造で行うチャージ数（図４の場合は１０チャージ）
Ｍ：使用する取鍋６の数（図４の場合は５個）
Ｋ：１回の差し合い（遅れ）で発生する取鍋６の待ち時間
で算出される遅れ時間Δｔを算出し、連続鋳造機５における連続鋳造の開示時刻を算出したΔｔだけ遅らせることとする。

以上のように、開始時刻を明確に遅らすことで、複数のチャージを連続的に鋳造する場合において、連続鋳造に途切れが起こらないようになり、安定した連々鋳を実現することが可能となる。
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 製鋼工場
２ 転炉
３ 搬送設備
３−１ 転炉と二次精錬設備を結ぶ搬送設備
３−２ 二次精錬と連続鋳造機を結ぶ搬送設備
４ 二次精錬設備
５ 連続鋳造機
６ 取鍋

Claims (1)

1. 転炉と二次精錬設備と連続鋳造機と取鍋を搬送する搬送設備とを有する製鋼工場を操業するに際し、前記連続鋳造機における連続鋳造の最初のチャージを鋳造する開始時刻を決定する方法において、
   前記最初のチャージの開始時刻を、下記の式(1)に基づいて、前記最初のチャージ向けの実鍋が前記連続鋳造機に到着する時刻よりΔｔだけ遅い時刻に設定することを特徴とする連続鋳造の開始時刻の決定方法。
   Δt＝（Ｎ−Ｍ）×Ｋ ・・・(1)
   Ｎ：１回の連続鋳造で行うチャージ数
   Ｍ：使用する取鍋の数
   Ｋ：１回の差し合い（遅れ）で発生する取鍋の待ち時間