JP7165955B1 - 連続鋳造鋳片の表面温度回復制御に基づく二次冷却水量配分方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次冷却水量の制御精度を向上させ連続鋳造鋳片の中間割れの発生を抑制するために、連続鋳造鋳片の表面温度回復制御に基づく二次冷却水量配分方法を提供する。【解決手段】連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを用いて、二次冷却帯の各領域の冷却水量に対応する二次冷却帯の各領域の温度と空冷領域の温度を得るステップと、二次冷却帯の各領域の温度に基づいて二次冷却帯の各領域の温度回復速度を得るとともに空冷領域の温度に基づいて空冷領域の温度回復速度を得るステップと、二次冷却帯の各領域の冷却水量と二次冷却帯の各領域の温度回復速度又は空冷領域の温度回復速度とのフィッティング関係を確立するステップと、二次冷却帯の各領域により求められる温度回復速度と空冷領域により求められる温度回復速度とに基づいて、前ステップで確立されたフィッティング関係を用いて二次冷却帯の各領域により求められる冷却水量を算出するステップとを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、連続鋳造鋳片の品質管理の技術分野に関し、特に、連続鋳造鋳片の表面温度回復制御に基づく二次冷却水量配分方法に関する。

実際の連続鋳造の二次冷却過程では、二次冷却帯の各領域の水量の違いにより、鋳片表面に温度回復が発生し、この温度回復は鋳片内部の品質に重要な影響を与える。鋳片の表面温度回復速度が１００℃／ｍを超えると、鋳片の中間割れの発生確率が大幅に増加する。したがって、鋳片の表面温度回復速度を１００℃／ｍ未満にすることは、中間割れを制御するための重要な手段である。

従来技術で提案されている冶金連続鋳造用冷却水のインテリジェント制御方法では、生産経験データベースに基づいて与えられた前記温度場計算モデルの初期パラメータに基づいて、一次冷却鋳片の表面目標温度、二次冷却鋳片の表面目標温度から一次冷却目標水量と二次冷却の各領域の目標水量を逆算して、鋳造機による生産に用いるステップ（ｃ）と、鋳造機により生産するに際して、鋳型の水量、入口と出口の温度、鋳型の銅板の厚さ、引き抜き速度、鋼種、ブレークアウト予測システムの熱電対によって測定された銅板の表面温度、鋳型のテーパ、鋳型の出口の鋳片の表面温度；及び二次冷却の各領域の水量、水温、環境温度、二次冷却の各領域の圧縮空気量、二次冷却の各領域に設置した温度監視装置から戻ってきた鋳片のリアルタイム表面温度を含む各データを監視し、算出された前記一次冷却鋳片の表面の算出温度が一次冷却鋳片の表面の実際温度と等しくなるように、前記温度場計算モデル中の各パラメータを前記データに基づいて調整して最適化するステップ（ｄ）と、パラメータが調整、最適化された前記温度場計算モデルを鋳造機による生産に適用し、最適化された前記温度場計算モデル、前記一次冷却鋳片の表面目標温度、前記二次冷却鋳片の表面目標温度に基づいて、最適化された一次冷却目標水量及び最適化された二次冷却の各領域の目標水量を算出するステップ（ｅ）と、前記一次冷却鋳片の表面実際温度が益々前記一次冷却鋳片の表面目標温度に近づき、前記二次冷却鋳片の表面実際温度が益々前記二次冷却鋳片の表面目標温度に近づくように、ステップ（ｄ）とステップ（ｅ）とを交互に繰り返すステップ（ｆ）とを含む。この方法では、二次冷却帯の各領域の水量を決定する際に、主に鋳片の表面温度に注目し、鋳片の表面温度回復速度を考慮していないため、この方法を用いる場合、鋳片の表面温度回復速度が過大になり、中間割れが発生する可能性がある。また、この方法では、多くの反復算出が必要であり、人件費や時間コストが高くなる。

従来技術に存在する上記問題に対し、本発明は、二次冷却水量の制御精度を向上させ、連続鋳造鋳片の中間割れの発生を抑制するために、連続鋳造鋳片の表面温度回復制御に基づく二次冷却水量配分方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明は以下の技術的解決手段を採用する。

連続鋳造鋳片の表面温度回復制御に基づく二次冷却水量配分方法であって、
二次冷却帯の各領域の冷却水量を取得し、連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを用いて、二次冷却帯の各領域の冷却水量に対応する二次冷却帯の各領域の温度と空冷領域の温度を得るステップＳ１と、
二次冷却帯の各領域の温度に基づいて二次冷却帯の各領域の温度回復速度を得るとともに、空冷領域の温度に基づいて空冷領域の温度回復速度を得るステップＳ２と、
二次冷却帯の各領域の冷却水量と二次冷却帯の各領域の温度回復速度又は空冷領域の温度回復速度とのフィッティング関係を確立するステップＳ３と、
二次冷却帯の各領域のターゲット温度回復速度と空冷領域のターゲット温度回復速度とに基づいて、Ｓ３で確立されたフィッティング関係を用いて、二次冷却帯の各領域により求められる冷却水量を算出するステップＳ４とを含む。

さらに、前記Ｓ１は、具体的には、
二次冷却帯の各領域の冷却水量を取得し、空冷領域の運転パラメータを収集するステップＳ１１と、
連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを作成し、二次冷却帯の各領域の冷却水量及び空冷領域の運転パラメータに基づいて連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを補正するステップＳ１２と、
補正された連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを用いて、二次冷却帯の各領域の温度と空冷領域の温度とを算出するステップＳ１３とを含む。

さらに、前記二次冷却帯の各領域の冷却水量は、二次冷却帯の各領域の初期水量を基にして所定の割合で複数回調整して得られる複数組の冷却水量を含む。

さらに、毎回の調整の割合が１５％～２５％である。

さらに、前記Ｓ１３における連続鋳造鋳片の凝固熱伝達数学モデルの作成は、具体的には、
二次冷却帯の各領域の水量分布を測定し、水量分布結果を取得するステップＳ１３１と、
水量分布の結果に基づいて、連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを作成するステップＳ１３２とを含み、
連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルは水量分布の結果を二次冷却帯の各領域の境界条件とする。

さらに、前記二次冷却帯の各領域のターゲット温度回復速度及び前記空冷領域のターゲット温度回復速度は全て９９℃／ｍ以上、１００℃／ｍ以下である。

さらに、前記二次冷却帯の各領域のターゲット温度回復速度及び前記空冷領域のターゲット温度回復速度は全て９９．５℃／ｍ以上、１００℃／ｍ以下である。

さらに、前記Ｓ３におけるフィッティング関係は、最小二乗法フィッティングにより得られる。

さらに、前記Ｓ３におけるフィッティング関係は、具体的には、以下を含む。

さらに、前記方法は、
フットローラ領域の初期水量÷二次冷却帯の各領域の初期水量の和×前記Ｓ４における二次冷却帯の各領域により求められる冷却水量の和であるフットローラ領域の水量を設定するステップＳ５をさらに含む。

本発明の連続鋳造鋳片の表面温度制御に基づく二次冷却水量の最適化方法は、従来技術と比較して、次のような利点を有する。

たくさんの実験において、本発明の技術的解決手段に基づいて、連続鋳造中に二次冷却の各領域及び空冷領域の温度回復速度に著しい影響を与える要素は、この領域のメニスカスに近い側の隣接領域の冷却水量であることを見出し、これに基づいて、本発明は、二次冷却領域の第ｉ領域の冷却水量が第ｉ＋１領域の温度回復速度に与える影響の「冷却水量 温度回復速度のフィッティング関係」、及び二次冷却領域の終末領域の冷却水量が空冷領域の温度回復速度に与える影響の「冷却水量 温度回復速度のフィッティング関係」を確立し、これに基づいて二次冷却領域の各領域の水量を正確に設定する。

本発明は、二次冷却帯の各領域の水量と鋳片の表面温度回復速度との間の影響の法則を発見し、「冷却水量 温度回復速度のフィッティング関係」を確立することにより、鋳片の表面温度回復速度を正確に制御することを可能とする。

各領域の温度回復速度を１００℃以内に抑えると、温度回復速度が高くなるにつれて、連続鋳造鋳片の表面割れの発生率が大幅に低減され、本発明の「冷却水量 温度回復速度のフィッティング関係」に基づいて、二次冷却帯の各領域及び空冷却帯の鋳片の表面温度回復速度に対する制御精度は１％以内、さらに０．５％以内に達し、それにより、二次冷却帯の各領域及び空冷帯により求められる回復速度の初期獲得範囲を９９℃／ｍ以上、１００℃／ｍ以下、さらに好ましくは９９．５℃／ｍ、１００℃／ｍ以下とすることが可能となり、さらに連続鋳片の表面割れの発生率を０．５％以内とすることが可能となる。

明細書の図面は、本発明の更なる理解を提供するために使用され、本発明の一部を構成し、本発明の概略的な実施例及びその説明は、本発明を説明するために使用され、本発明を不適切に限定するものではない。

本発明の実施例における連続鋳造鋳片の表面温度回復制御に基づく二次冷却最適化方法のフローチャートである。 本発明の実施例における鋳片の表面温度の測定結果と算出結果の比較である。 本発明の実施例における異なる二次冷却帯２領域の水量の場合の空冷領域での鋳片の表面温度回復速度である。 本発明の実施例における異なる二次冷却帯１領域の水量の場合の二次冷却帯２領域での鋳片の表面温度回復速度である。 本発明の実施例における最適化前後の鋳片の表面温度回復速度である。

ここでは、例示的な実施例を詳細に説明し、その一例を図面に示す。以下の説明が図面に関連する場合、異なる図面における同じ数字は、別に表示がない限り、同一又は類似の要素を表す。以下の例示的な実施例に説明される実施形態は、本発明と一致する全ての実施形態を表すものではない。むしろ、それらは、添付の特許請求の範囲に詳述されている本発明のいくつかの局面に合致する装置及び方法の一例にすぎない。

本発明の明細書及び特許請求の範囲における用語「第１」、「第２」などは、類似の対象を区別するために使用されるものであり、特定の順序又は順番を説明するものではない。このように使用されるデータは、ここで記載された本発明の実施例が、例えば、ここで図示又は記載されたもの以外の順序で実施され得るように、適切な場合に交換されてもよいことが理解されるべきである。さらに、用語「含む」及び「有する」、ならびにそれらの変形は、排他的でない包含をカバーすることを意図しており、例えば、一連のステップ又はユニットを含むプロセス、方法、システム、製品、又は機器は、明示的に記載されたステップ又はユニットに限定されるのではなく、明示的に記載されていない、又はこれらのプロセス、方法、製品、又は機器に固有の他のステップ又はユニットを含んでもよい。複数の場合は、２つ以上を含む。

なお、及び／又はについては、本発明で使用される用語「及び／又は」は、単に関連対象を説明する関連関係であり、３つの関係が存在し得ることを意味する。例えば、Ａ及び／又はＢは、Ａが単独で存在する場合、ＡとＢが同時に存在する場合、Ｂが単独で存在する場合の３つを表す。

連続鋳造鋳片の表面温度回復制御に基づく二次冷却水量配分方法は、次のステップ１）～ステップ４）を含む。

１）二次冷却帯の各領域の冷却水量Ｗ_ｉを取得し、連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルに基づいて、二次冷却帯の各領域の各点の温度Ｔ_ｉｊ及び空冷領域の各点の温度Ｔ_ｋｊを算出し、ここで、Ｗ_ｉは二次冷却帯の第ｉ領域の冷却水量であり、Ｔ_ｉｊは二次冷却帯の第ｉ領域の、鋳型のメニスカスからの距離がｊである位置の温度であり、Ｔ_ｋｊは空冷領域の、鋳型のメニスカスからの距離がｊである位置の温度である。

２）ステップ１）で取得された二次冷却帯の各領域と空冷領域の温度とに基づいて、各領域の温度回復速度Ｒ_ｉ、Ｒ_ｋを算出し、ここで、Ｒ_ｉは二次冷却帯の第ｉ領域の温度回復速度、Ｒ_ｋは空冷領域の温度回復速度である。

３）ステップ１）の二次冷却帯の各領域の冷却水量Ｗ_ｉ及びステップ２）で取得された二次冷却帯の各領域の温度回復速度Ｒ_ｉ、空冷領域の温度回復速度Ｒ_ｋから、二次冷却帯の第ｉ領域の冷却水量が第ｉ＋１領域の温度回復速度値に与える影響の「冷却水量－温度回復速度値のフィッティング関係」及び二次冷却帯の終末領域の冷却水量が空冷領域の温度回復速度値に与える影響の「冷却水量－温度回復速度値のフィッティング関係」を確立する。

４）二次冷却領域の各領域及び空冷領域のターゲット温度回復速度値Ｒ_ｕｉ、Ｒ_ｕｋを取得し、ステップ３）の「冷却水量 温度回復速度値のフィッティング関係」により、二次冷却領域の各領域により求められる冷却水量Ｗ_ｕｉをそれぞれ算出する。

任意選択に、ステップ１）は、二次冷却帯の各領域の冷却水量Ｗ_ｉを取得した後、冷却水量に対応する空冷領域の温度Ｔ_ｓｊを取得し、次にＷ_ｉ、Ｔ_ｓｊ、及び鋳型メニスカスからの距離ｊの値を用いて、連続鋳片の凝固伝熱数学モデルを補正し、ここで、Ｔ_ｓｊは、空冷領域の鋳片表面の中心の、鋳型メニスカスからの距離がｊである位置の温度をセンサで測定したものである。

任意選択に、連続鋳片の凝固伝熱数学モデルは、二次冷却帯の水量の横方向分布を考慮する。

任意選択に、二次冷却帯の各領域の冷却水量Ｗ_ｉを取得することは、具体的には、連続鋳造鋳片の初期二次冷却帯の各領域の推奨配水量の０．１～０．２倍を基準として取得し、増加率に従って調整した１組の水量を取得することである。

任意選択に、増加率は、（１５～２５）％×推奨配水量であってもよい。

任意選択に、二次冷却領域の各領域及び空冷領域のターゲット温度回復速度値Ｒ_ｕｉ、Ｒ_ｕｋはいずれも９９℃／ｍ以上、１００℃／ｍ以下である。

任意選択に、二次冷却領域の各領域及び空冷領域のターゲット温度回復速度値Ｒ_ｕｉ、Ｒ_ｕｋはいずれも９９．５℃／ｍ以上、１００℃／ｍ以下である。

任意選択に、冷却水量の温度回復速度のフィッティング関係は、最小二乗法を用いて確立される。

任意選択に、方法は、ステップ４）で得られた二次冷却帯の各領域により求められる冷却水量の和（ΣＷ_ｕｉ）×（連続鋳造鋳片の初期フットロール領域の推薦水量÷二次冷却帯の各領域の推薦配水量の和）であるフットロール領域の水量を設定するステップをさらに含む。

連続鋳造鋳片の表面温度回復制御に基づく二次冷却水量配分方法のフローチャートを図１に示す。

以下、具体的な実施例を用いて、ある製鉄所で連続鋳造により生産された８２Ｂ鋼を例として本特許についてさらに説明し、８２Ｂ鋼の主要な化学成分は表１に示され、８２Ｂ鋼の主要な連続鋳造プロセスのパラメータは表２に示される。

二次冷却水の横方向分布を考慮して連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを作成し、鋳片の表面温度測定によりモデルを補正する。連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルをより良好に補正するために、鋳片の引抜き方向及び幅方向の表面温度を同時に測定する。その中でも、引抜き方向における温度の測定は鋳片の表面の中心で行われ、合計４つの位置を測定し、幅方向における温度の測定はメニスカスから５．２０ｍ離れた５箇所で行われる。図２に測定温度と算出温度の比較を示す。誤差の許容範囲内では、測定温度と算出温度が良好に一致していることがわかり、作成された連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルが高い精度を有していることが示されている。

二次冷却帯２領域の水量を初期水量の０．４、０．６、０．８、１．０、１．２、１．４、１．６倍に調整し、補正した連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを用いて鋳片の表面温度を算出し、そして異なる二次冷却帯２領域の水量の場合の空冷領域での鋳片の表面温度回復速度を分析し、図３に示す。最小二乗法を用いて、二次冷却帯２領域の水量と空冷領域の鋳片の表面温度回復速度とをフィッティングし、二次冷却帯２領域の水量が空冷領域の鋳片の表面温度回復速度に与える影響の「冷却水量 温度回復速度のフィッティング関係」を得る。

式中、Ｒ_３は空冷領域の温度回復速度（℃／ｍ）を表し、Ｗ_２は二次冷却帯２領域の水量（ｍ^３／ｈ）を表す。

式１に基づいて、求められる温度回復速度９９℃／ｍを代入して二次冷却帯２領域の水量を得た結果、２．９３ｍ^３／ｈであり、これは最適化された二次冷却帯２領域の水量である。

二次冷却帯１領域の水量を初期水量の０．４、０．６、０．８、１．０、１．２、１．４、１．６倍に調整し、補正した連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを用いて鋳片の表面温度を算出し、異なる二次冷却帯１領域の水量の場合の二次冷却帯２領域の鋳片の表面温度回復速度を分析し、図４に示す。最小二乗法を用いて、二次冷却帯１領域の水量と二次冷却帯２領域の鋳片の表面温度回復速度をフィッティングし、二次冷却帯１領域の冷却水量が二次冷却帯２領域の温度回復速度に与える影響の「冷却水量－温度回復速度のフィッティング関係」を得る。

式中、Ｒ_２は二次冷却帯２領域の温度回復速度（℃／ｍ）を表し、Ｗ_１は二次冷却帯１領域の水量（ｍ^３／ｈ）を表す。

式２に基づいて、求められる温度回復速度９９℃／ｍを代入して二次冷却帯１領域の水量を得た結果、８．２２ｍ^３／ｈであり、これは最適化された二次冷却帯１領域の水量である。

初期プロセスでは、フィードローラ領域の水量の割合を２９．０％とし、この割合を維持し、上記で決定した二次冷却帯１領域の水量と二次冷却帯２領域の水量とから、フットローラ領域の水量を４．５６ｍ^３／ｈと決定する。

本特許に記載された方法を用いて二次冷却帯の各領域の水量を最適化した後、フットロール領域、二次冷却帯１領域及び二次冷却帯２領域の水量はそれぞれ４．５６、８．２２及び２．９３ｍ^３／ｈであり、連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを用いて最適化前後の鋳片の表面温度回復速度を分析すると、図５に示すようになる。最適化前の鋳片の表面温度回復速度は高く、二次冷却帯２領域と空冷領域でそれぞれ１１６．１℃／ｍと１６０．０℃／ｍであることがわかり、最適化後、二次冷却帯２領域と空冷領域の鋳片の表面温度回復速度は１００℃／ｍ以内に制御され、それぞれ９９．０℃／ｍと９９．７℃／ｍであり、検出の結果、連続鋳片の中間割れ率は０．５％である。

上述した本発明の実施例の番号は単なる説明であり、実施例の優劣を表すものではない。

本発明の実施例は、図面を参照して説明されたが、本発明は、上述した具体的な実施形態に限定されるものではなく、上記の具体的な実施形態は単なる概略的なものであり、限定的なものではなく、当業者は、本発明の示唆の下で、本発明の目的及び請求項によって保護される範囲を逸脱することなく、多くの形態を行うことができ、これらは全て本発明の保護範囲に属する。

Claims (6)

1. 連続鋳造鋳片の表面温度回復制御に基づく二次冷却水量配分方法であって、
   二次冷却帯の各領域の冷却水量を取得し、連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを用いて、二次冷却帯の各領域の冷却水量に対応する二次冷却帯の各領域の温度と空冷領域の温度を得るステップＳ１と、
   二次冷却帯の各領域の温度に基づいて二次冷却帯の各領域の温度回復速度を得るとともに、空冷領域の温度に基づいて空冷領域の温度回復速度を得るステップＳ２と、
   最小二乗法により二次冷却帯の各領域の冷却水量と二次冷却帯の各領域の温度回復速度又は空冷領域の温度回復速度とのフィッティング関係を確立するステップＳ３であって、具体的には、
   

   

   （式中、Ｒｉ＋１は二次冷却帯の第ｉ＋１領域の温度回復速度を表し、単位は℃／ｍであり、
   Ｒｋは空冷領域の温度回復速度を表し、単位は℃／ｍであり、
   Ｗｉは二次冷却帯の第ｉ領域の冷却水量を表し、単位はｍ^３／ｈであり、ｉは、二次冷却帯の各領域を表す正の整数であり、ｉ＝１、２、３、…、ｎであり、ｉ＝１は二次冷却帯の最初の領域であり、ｉ＝ｎは二次冷却帯の最後の領域であり、
   ｋは空冷領域を示し、ａｉ、ｂｉ、ｃｉはいずれも定数係数である。）
   を含むステップＳ３と、
   二次冷却帯の各領域のターゲット温度回復速度と空冷領域のターゲット温度回復速度とに基づいて、Ｓ３で確立されたフィッティング関係を用いて、二次冷却帯の各領域のターゲット冷却水量を算出するステップＳ４とを含み、
   前記Ｓ１は、具体的には、
   二次冷却帯の各領域の冷却水量を取得し、空冷領域の運転パラメータを収集するステップＳ１１と、
   連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを作成し、二次冷却帯の各領域の冷却水量及び空冷領域の運転パラメータに基づいて連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを補正するステップＳ１２と、
   補正された連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを用いて、二次冷却帯の各領域の温度と空冷領域の温度とを算出するステップＳ１３とを含み、前記空冷領域の運転パラメータは空冷領域の鋳造鋳片の表面温度であり、
   前記Ｓ１３における連続鋳造鋳片の凝固熱伝達数学モデルの作成は、具体的には、
   二次冷却帯の各領域の幅方向の水量分布を測定し、水量分布結果を取得するステップＳ１３１と、
   水量分布の結果に基づいて、連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルを作成するステップＳ１３２とを含み、
   連続鋳造鋳片の凝固伝熱数学モデルは水量分布の結果を二次冷却帯の各領域の境界条件とする、
   ことを特徴とする二次冷却水量配分方法。
2. 前記二次冷却帯の各領域の冷却水量は、二次冷却帯の各領域の初期水量を基にして所定の割合で複数回調整して得られる複数組の冷却水量を含むことを特徴とする請求項１に記載の二次冷却水量配分方法。
3. 毎回の調整の割合が１５％～２５％であることを特徴とする請求項２に記載の二次冷却水量配分方法。
4. 前記二次冷却帯の各領域にのターゲット温度回復速度及び前記空冷領域のターゲット温度回復速度は全て９９℃／ｍ以上、１００℃／ｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の二次冷却水量配分方法。
5. 前記二次冷却帯の各領域のターゲット温度回復速度及び前記空冷領域のターゲット温度回復速度は全て９９．５℃／ｍ以上、１００℃／ｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の二次冷却水量配分方法。
6. フットローラ領域の初期水量÷二次冷却帯の各領域の初期水量の和×前記Ｓ４における二次冷却帯の各領域により求められる冷却水量の和であるフットローラ領域の水量を設定するステップＳ５をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の二次冷却水量配分方法。

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