JPH0484652A - 連続鋳造用鋳型と鋳片との間の摩擦力測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、連続鋳造用鋳型から鋳片を引抜く際に両者間
に作用する摩擦力をオンラインにて測定する装置に関す
る。

〔従来の技術〕

連続鋳造法は、上下に開口を有する筒形の鋳型に溶湯を
連続的に注入し、該鋳型の水冷された内壁面との接触に
より冷却して凝固せしめ、り（側を凝固シェルにて被覆
された鋳片となし、これを鋳型の＋側開口部から連続的
に引抜きつつ更に冷却し、内側にまで凝固が進行した後
に所定長さに切断して、圧延等の後工程の素材となる製
品鋳片を得る方法である。

このような連続鋳造法の操業においては、鋳型の内壁に
溶湯の一部が焼付き、生成された凝固シェルがこの焼付
き部にて破断されて健全な凝固シェルの成長が阻害され
ることがあり、この場合、製品鋳片に種々の表面欠陥を
生じる上、前記成長の阻害が著しいときには、鋳片外側
の凝固シェルが破断して内部の未凝固溶湯が流れ出す現
象、所謂ブレークアウトの発生を招来し、操業停止を余
儀なくされるという問題がある。そこで従来から、前記
焼付きの発生を未然に防止すべく、鋳型内壁と鋳片との
間にパウダ、レブシードオイル等の潤滑剤を供給すると
共に、焼付き部の脱落を促進すべく、操業中の鋳型を上
下に連続的に加振すること（オツシレーション）が行わ
れており、この際、前記潤滑剤の供給量を適正化し、ま
た前記オ・ノシレーションの振幅及び周期を適正化する
ため、鋳片の引抜き中に該鋳片と鋳型の内壁との間に作
用する摩擦力を精度良く測定することが重要な課題とな
っており、従来から種々の方法が提案されている。

これらの内、代表的なものとして次の２方法かある。第
１の方法は、オソシレーションのための加振源の駆動パ
ワーを鋳込時と非鋳込時とにおいて各別に測定し、前者
の測定結果と後者の測定結果との差、即ち鋳込時におけ
る加振源の負荷増大量を求め、これが鋳型と鋳片との間
の摩擦力に抗するために必要なものであるとして前記摩
擦力を算定する方法である。また第２の方法は、鋳型の
振動系の特性を伝達関数にて表現し、この伝達関数のゲ
イン及び位相の変化に基づいて摩擦力を算定する方法で
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが−船釣な鋳型の振動系は、所定の支点廻りに揺
動する加振ビームの一端に鋳型を固定支持する振動台を
連結する一方、この加振ビームの他端を加振源に連結し
て、加振源の発生力により加振ビームを揺動せしめ、こ
の揺動により振動台と共に鋳型を加振する構成となって
おり、鋳型と加振源との間に多くの非剛体要素を含むこ
とから、加振源の負荷増大量は鋳型と鋳片との間の摩擦
力を反映するものとはなり得ず、前記第１の方法におい
ては、摩擦力を精度良く算定することは不可能である。

また近年の連続鋳造設備においては、前記加振源として
、ステッピングシリンダ、電油シリンダ等の直動形のア
クチュエータが使用される１頃向にあるが、これらのア
クチュエータにおいては駆動パワーの測定そのものが不
可能であり、前記第１の方法を適用することはできない
。

また第２の方法においても、鋳型の振動系が多くの非剛
体要素を含むことから、該振動系の伝達関数が複雑な分
布定数モデルとなり、このモデルのパラメータ変化に基
づいて求められる摩擦力に高い精度を期待できないとい
う難点がある。

これらの問題点を解決するため本発明者等は、加振に伴
って鋳型並びに振動台に生じる変位及び加速度を夫々検
出すると共に、鋳型と振動台との間に作用する荷重を検
出し、ごれらの検出結果を鋳型と振動台との間に成立す
る伝達関数に導入して、該関数中の未知数として鋳型と
鋳片との間の摩擦力を求めるようになした摩擦力測定装
置を既に提案している（特願平１−２６１０４６号）。

この装置による場合、前記伝達関数が完全な集中定数モ
デルとして表現されることから、簡略な演算にて高精度
を期待し得るという利点がある反面、新設の連続鋳造設
備への適用を前提としたものであり、既設の連続鋳造設
備への適用に際しては、鋳型と振動台との間に荷重検出
器を介装するための人がかりな改造を要するという難点
がある。

また、前記第２の方法における難点は、得られた振動デ
ータを周波数解析し、モード毎の応答特性を伝達関数に
て表現する分布定数モデルを構築して、夫々におけるパ
ラメータ変化に基づいて摩擦力を求めることにより解消
し得るが、以上の演算をオンラインにて行うためには高
速演算が可能な大型の計算機が必要であり、設備費用の
大幅な増大を招来する上、維持管理に多大の手間を要す
るという難点がある。

更に以上の各方法においては、振動系の各部に装着され
た各種の状態量センサにおける検出ノイズに対する対策
が施されておらず、鋳型重量に対して十分に小さい摩擦
力の演算に際し、これらの検出ノイズの影響により演算
精度の向上の限界があるという難点があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、従来
に比して大幅に簡略化されたモデルにより、鋳型と鋳片
との間の摩擦力をオンラインにて精度良く演算でき、ま
た既設の連続鋳造設備への適用が容易である摩擦力測定
装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る連続鋳造用鋳型と鋳片との間の摩擦力測定
装置は、加振ビームを介して加振源に連結された振動台
上に連続鋳造用の鋳型を固定支持し、前記加振源の動作
により前記加振ビームを所定の支点回りに揺動させ、前
記振動台を介して前記鋳型を加振しつつ行われる鋳片の
引抜きに際し、該鋳片と前記鋳型との間に作用する摩擦
力を測定する装置において、前記鋳型の変位を検出する
変位検出器と、前記支点よりも前記加振源寄りの部分に
て前記加振ビームに生じる歪を検出する歪検出器と、前
記加振ビームの前記加振源との連結端に配され、該加振
源が発する加振力を検出する加振力検出器と、該加振力
検出器の検出結果を前記歪検出器の検出結果に基づいて
補正し、前記加振ビームの支点廻りの揺動トルクを演算
するトルク演算部と、前記加振ビームの支点よりも前記
鋳型寄りの部分をモード分解法にて定式化した状態空間
モデルに従い、前記トルク演算部の演算結果と前記変位
検出器の検出結果とを用いて前記摩擦力を演算する摩擦
力演箕部とを具備することを特徴とする。

〔作用〕

本発明においては、加振源が発する加振力を加振ビーム
の加振源との連結端に加わる力として検出し、この検出
結果と加振ビームの加振源側の部分の歪とから加振ビー
ムの支点廻りの揺動トルクを求め、加振ビームの前記支
点から先の部分を、一端に前記揺動トルクが作用し、他
端に振動台及び鋳型からなる集中荷重を備え、支点廻り
に微小角度範囲内にて揺動する撓み梁と考えて、モード
分解法により簡略な分布定数モデルを構築し、これに前
記揺動トルクの演算結果と鋳型の変位の検出結果とを導
入して摩擦力を演算する。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述する
。第１図は本発明に係る連続鋳造用鋳型と鋳片との間の
摩擦力測定装置（以下本発明装置という）を備えた連続
鋳造設備の模式図である。

図中１は、上下に開口を有し筒形をなす連続鋳造用の鋳
型である。鋳型１の内部には、図示しないタンデイツシ
ュから延設された注湯ノズル２を経て溶湯が注入されて
おり、この溶湯は、鋳型１の水冷された内壁との接触に
より冷却されて凝固し、その外側を凝固シェルにて被覆
された鋳片３となり、図示の如く、鋳型１の下側開口部
から連続的に引抜かれる。鋳型１は、厚肉の振動台４の
上部に固定支持されている。図中５は、振動台４と略同
−高さ−にて適宜の固定部分に立設された基台であり、
該基台５の上部には、リンクビーム５０の基端部が水平
軸廻りでの回動自在に枢支され、また基台５の高さ方向
中途部には、高い剛性を有する加振ビーム５１が、その
長手方向中途にて水平軸廻りでの回動自在に枢支されて
いる。リンクビーム５０と同側に略水平をなして延設さ
れた加振ビーム５１の一端部は、前記リンクビーム５０
の先端部と共に前記振動台４に連結され、また加振ビー
ム５１の他端部は、加振源として機能する加振シリンダ
６の出力端に連結されている。

以上の構成により加振ビーム５１は、加振シリンダ６の
進退動作に応じて枢支軸を支点５２として揺動し、この
揺動に伴って鋳型１は、該鋳型１を固定支持する振動台
４と共に加振される。なおこのとき、加振ビーム５１の
上側にて基台５と振動台４との間に介装されたリンクビ
ーム５０が、振動台４の水平を維持するリンクとして機
能するから、鋳型１の加振（オンシレージョン）は」二
下方向にのみ行われる。

本発明装置は、このように加振される鋳型１から鋳片３
を引抜くに際し、両者間に作用する摩擦力を、加振シリ
ンダ６が発する加振力と、前記支点５２よりも加振シリ
ンダ６例の部分（以下基端側という）において加振ビー
Ｊ・５１に生じる歪と、加振により鋳型１に生じる変位
とに基づいて演算するものである。加振シリンダ６が発
する加振力は、加振ビーム５１を加振シリンダ６の出力
端に連結する連結ピン５３に固着されたピンタイプのロ
ートセルフにより、連結ピン５３に作用する上下方向の
荷重として検出される。この構成により、加振シリンダ
６がステッピングシリンダ、電油シリンダ等の直動形の
アクチュエータである場合においても加振力の検出が可
能となる。また加振ビーム５１の基端側の歪は、該加振
ビーム５１の支点５２と連結ピン５３との間に貼着され
た歪ゲージ８により検出される。更に鋳型Ｉの変位は、
鋳型１又はこれと−体向に振動する振動台４の側面に固
着された振動検出器９にて検出される。この振動検出器
９として動電型の振動センサを用いた場合、鋳型１の変
位は、センサ出力の１回積分により得られ、また圧電型
の振動センサを用いた場合、鋳型１の変位は、センサ出
力の２回積分により得られる。ロートセルフにて検出さ
れる加振シリンダ６の加振力Ｆ、歪ｔ）−−’；’　８
にて検出される加振ビーム５１の基端側の歪ε、及び振
動検出器９にて検出される鋳型１の変位Ｘはいずれも摩
擦力演算器１０に与えられている。

摩擦力演算器１０は、第２図に示す如きモデルに従って
Ｊ９：振力の演算を行う。このモデルは、加振ビーム５
１の支点５２は剛体のハブであり、鋳型１及び振動台４
の加振は、支点５２に作用する揺動トルクＵにより、加
振ビーム５１の支点５２よりも振動台４例の部分（以下
先端側という）、即ぢ図中にＬとして示す長さ部分にお
いて鉛直面内にて住じる揺動に応して行われるとして構
築さね、た分布定数モデルであり、鋳型１及び振動台４
は、加振ビーム５１の先端に固着された集中質量Ｍとし
て取り扱われる。

さて加振ビーム５１が完全な剛体である場合、前記揺動
トルクＵば、加振力Ｆの検出値に基端例の長さβ　（第
１図参照）を乗した値（ＦｘＡ）として求まる。ところ
が実際の加振ビーム５１は剛体ではなく、前記加振力Ｆ
中には、加振ビーム５１０基端側を撓ませるに要する力
も含まれるから、揺動トルクＵの演算においてはこの撓
み分の補正が必要である。摩擦力演算器１０は、この補
正を実行して正しい揺動トルクＵの演算を行うトルク演
算部１１と、咳トルク演箕部１１の演算結果を用いて摩
擦力の演算を行う摩擦力演算部１２とを備えてなり、ロ
ートセルフによる加振力Ｆの検出結果と、歪ゲージ８に
よる加振ビーム５１基端側の歪εの検出結果とはトルク
演算部１１に、振動検出器９による鋳型１の変位Ｘの検
出結果は摩擦力演算部１２に夫々与えられている。

まずトルク演算部１１の動作について説明する。

加振ビーム５１が停止状態にある場合、加振ビーム５１
の先端には鋳型１及び振動台４からなる集中質量Ｍに重
力の加速度ｇが鉛直下方に作用する。このとき、加振ビ
ーム５１基端の連結ピン５３に装着されたロードセル７
は、Ｍｇに釣り合うカＦ。０を検出しており、このＦ。

０は加振ビーム５１の撓みに供されている。トルク演算
部１１には、このようにして求まる停止時の撓み力Ｆ。

０が設定されている。

一方、鋳型ｌが振動台４と共に加振される場合、集中質
ｉＭは上下に加速度運動せしめられるため、運動方向が
上向きであるとき、ロートセルフによる検出力Ｆ。は、
Ｆｏ＞Ｍｇとなり、運動方向が下向きであるとき、Ｆｏ
＜Ｍｇとなるが、加振ビーム５１の撓みが集中質量Ｍの
線形動作を阻害しない範囲で加振シリンダ６を進退動作
せしめるという条件下においては、歪ゲージ８による検
出子εとロードセル７の検出力Ｆ。との間には、１次式
にて近似される相関関係が得られる。実際には、連結ピ
ン５３と加振シリンダ６及び加振ビーム５１との間には
ガタが存在するから、Ｆｏとεとの間には次式に示す相
関関係が成立する。

Ｆ、＝ｋ・ε＋Δ　　・・・（１） 鋳込時における鋳型】のオソシレーション振幅は、加振
ビーム５１の長さに対して十分に小さいがら、鋳込時に
おいても（１）式の相関関係は成り立つ。

従って、歪ゲージ８の検出子εを（１）式に逐次代入し
て得られたＦ。から停止時の撓み力Ｆ。０を減じること
により、その時点において加振ビーム５１の撓みに供さ
れている力が得られる。

第３図は、摩擦力演算器１０の内部構成を示すブロック
線図である。本図に示す如くトルク演算部１１は、（］
、）式に示す相関関係を記憶している演算器１１ａ、加
算器１１ｂ、及び加振ビーム５１の基端側長さｌをその
ゲインとして有する乗算器１１ｃを備えてなる。歪ゲー
ジ８の検出子εは、演算器１１ａに与えられ、（１）式
に適用されてＦ。の演算がなされる。加算器１１ｂには
、演算器１１ａの演算結果Ｆ。、停止時の撓み力Ｆ。。

、及びロードセル７により検出された加振力Ｆが図示の
如く与えられており、次式の演算が行われる。

Ｆ′−Ｆ−（Ｆｏ−Ｆｏｏ）　　　−（２）この式中の
（Ｆ、−Ｆ。。）は、前述の如く加振ビーム５１の撓み
に供される力であるから、加算器１１ｂの出力として得
られるＦ′は、加振ビーム５１の揺動に供される力とな
り、この力Ｆ′に乗算器１１ｃにて加振ビーム５１の基
端側長さｌが乗ぜられる結果、支点５２廻りの揺動トル
クＵが精度良く演算される。

次に摩擦力演算部１２での演算内容について説明する。

摩擦力演算部１２における演算は、一端に鋳型１及び振
動台４からなる集中質量Ｍを備え、他端にトルク演算部
１１にて演算される揺動トルクＵが作用するとして、Ｌ
なる長さを有する加振ビーム５１の先端側において構築
された第２図に示すモデルに従って行われる。

第２図に示す如く、加振ビーム５１が剛体梁として揺動
するとき、これの長手方向に沿って支点５２を原点とす
る座標軸Ｘを考える。実際の加振ビーム５１は弾性梁で
あり、前記座標軸Ｘに直交する方向にｙ（χ、１）なる
撓み変位が生じるから、第２図に示すモデルの挙動は、
次式に示すモデル式にて表わされる。

但し、ρは加振ビーム５１の密度、Ａは断面積、Ｅは縦
弾性係数、■は断面２次モーメントである。

従って、加振ビーム５１の変位ｙ（ｘ、ｔ）は、（３）
式の解として次式により求められる。

ｙ　（ｘ、　ｔ）　−、ＥＬ　、　ａ　４（ｔ）　・φ
ｊ（ｔｌ　　−（４）ここで、モード関数の直交条件か
らｊ（−１２・・・ｏｏ）次モードの時間関数ａ　、（
ｔ）は、となり、また０次モード、即ち剛体モードでの
時間関数ａ。（１）は、 を考える場合、０次〜３次の夫々に対して２個、合計８
個の微分方程式が得られる。

Ｘ、　　＝Ｘ２ ■ ｘ３　　＝ｘ４ ｘｓ＝ｘ６ ｘ７　　＝ｘｅ となる。但し、Ｗ、は測定ノイズである。

このように（４）式にて示す振動モードは無限個存在す
るが、高次の項は減衰が大きく無視できるので、０次モ
ードを含む有限のＮ次までの振動モードを考えればよく
、この場合、（５）式又は（６）式にて表わされる振動
系の状態方程式は、２（Ｎ＋１）個の微分方程式となる
。例えば、３次モードまでこれらを行列表現により一括
的にまとめて次の状態方程式が得られる。

文−Ａ　−Ｘ　＋　ｂ　−ｕ（ｔｌ　　−ｆｉｌ但し、 であり、 わす。

である。

鋳型１と鋳片３との間に摩擦が存在しない場合、トルク
演算部１１での演算により得られた揺動トルクｕ　（ｔ
）を用いて（７）式により求まる変位は、鋳型１に装着
された振動検出器９による検出変位Ｘと一致する。とこ
ろが実際には摩擦が存在するため、鋳込中における鋳型
１の挙動は、先の状態空間変数Ｘに鋳片３との間の摩擦
力ｆを追加してなる状態空間変数２を導入する。但しこ
の２は、ディジタル計箕器内での演算処理に適用可能な
離散時間の状態変数であり、このことを示すためＺ（ｉ
）と哀史に、摩擦力ｆ　（ｉ）は、次式にて示す確率過
程にて定義されるとする。

ｆ　（ｉ　＋１）　＝　ｆ　（ｉｌ　＋　Ｗ（ｉ）　　
　・・・（９）但し、Ｗ（ｉｌは白色ノイズである。

以上により、摩擦力ｆ　（ｉ）を含む系の離散時間状態
方程式は次式にて表現される。

Ｚ（ｉｌ１）＝ＴＺ（ｉ）＋Ｄｕ（Ｄ＋Ｗ十Ｇｆ（ｉ）
　　・・・ａｏ）ここで、 但し、Ａ’、ｂ’は、前記Ａ及びｂの離散化マトリック
スであり、またＷ＋（ｉ）〜Ｗａ（ｉ）は測定ノイズで
ある。

摩擦力演算部１２は、第３図に示す如く、００）式にて
示される離散時間状態方程式を内蔵する演算器１２ａを
備えており、トルク演算部１１からの入力である揺動ト
ルクＵ及び振動検出器９による鋳型１の変位Ｘの検出結
果はこの演算器１２ａに与えられ、該演算器１２ａの出
力である状態空間変数２内の一要素としてＴ′Ｊ、棒刀
ｆが得られる。

〔効果〕

以上詳述した如く本発明装置においては、加振源が発す
る加振力を加振ビームとの連結端に加わる力として検出
するから、直動型のアクチュエータを用いた場合におい
ても加振力の検出が可能であり、また必要な検出器はい
ずれも既設の設備への適用が可能なものであるから、適
用可能範囲が極めて広い上、加振ビームの支点から加振
対象となる振動台及び鋳型までの間を前記支点に作用す
る揺動ｌ・ルクにより前記振動台と鋳型とからなる集中
質量を加振する撓み梁として簡略にモデル化し、このモ
デルに従って摩擦力を演算するから、高速演算を要求さ
れることなくオンラインでの摩擦力測定が可能となり、
また前記モデルへの入力である揺動トルクを演算するに
際し、加振力の検出結果をそのまま用いるのではなく、
加振源との連結端から支点までの間にて検出される歪に
より補正した値を用いるから、高精度での摩擦力の演算
を行い得る等、本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置を備えた連続鋳造設備の模式図、第
２図は摩擦力の演算に用いるモデルの説明図、第３図は
トルク演算部及び摩擦力演算部のブロック線図である。 ■・・・鋳型　　３・・・鋳片　　４・・・振動台６・
・・加振シリンダ　　７・・・ロードセル　　８・・・
歪ゲージ　　９・・・振動検出器　　１１・・・トルク
／１ｉＪＷ部１２・・・摩擦力演算部 特　許　出願人　　住友金属工業株式会社代理人　弁理
士　　河　　野　　登　　夫図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、加振ビームを介して加振源に連結された振動台上に
   連続鋳造用の鋳型を固定支持し、前記加振源の動作によ
   り前記加振ビームを所定の支点回りに揺動させ、前記振
   動台を介して前記鋳型を加振しつつ行われる鋳片の引抜
   きに際し、該鋳片と前記鋳型との間に作用する摩擦力を
   測定する装置において、 前記鋳型の変位を検出する変位検出器と、 前記支点よりも前記加振源寄りの部分にて 前記加振ビームに生じる歪を検出する歪検出器と、 前記加振ビームの前記加振源との連結端に配され、該加
   振源が発する加振力を検出する加振力検出器と、 該加振力検出器の検出結果を前記歪検出器の検出結果に
   基づいて補正し、前記加振ビームの支点廻りの揺動トル
   クを演算するトルク演算部と、 前記加振ビームの支点よりも前記鋳型寄りの部分をモー
   ド分解法にて定式化した状態空間モデルに従い、前記ト
   ルク演算部の演算結果と前記変位検出器の検出結果とを
   用いて前記摩擦力を演算する摩擦力演算部と を具備することを特徴とする連続鋳造用鋳型と鋳片との
   間の摩擦力測定装置。