JPH10291060A

JPH10291060A - 連続鋳造システム

Info

Publication number: JPH10291060A
Application number: JP13569697A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Ebisu; 嘉男戎; Kazuyoshi Sekine; 和喜関根
Original assignee: EBISU KK; EBISU Co Ltd
Current assignee: EBISU KK; EBISU Co Ltd
Priority date: 1997-04-19
Filing date: 1997-04-19
Publication date: 1998-11-04

Abstract

(57)【要約】【目的】連続鋳造において、鋳片表面温度を測定し当
該実測温度に基づいて、凝固シュミレーションを行い当
該測定点における温度の計算値と実測値が一致するよう
鋳片表面からの熱流束分布を補正するとともに冷却強さ
を制御する。【構成】凝固の状態をシュミレートする演算手段、少
なくとも１点鋳片表面温度を測定する手段ならびにあら
かじめ定められた目標温度と実測温度が一致するよう鋳
片表面の冷却強さをコントロールする手段から構成され
ることを特徴とする連続鋳造システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は連続鋳造における操
業の監視ならびに制御に関する装置及び方法に関するも
のであり、特に鋳片の温度測定、凝固状況の監視ならび
に制御に係る。

【０００２】

【従来の技術】本発明者は先に平成８年特許願第１５５
４９２号において連続鋳造における中心欠陥を無くすた
めの方法及び装置について出願した。当該方法は鋳造方
向に伸びた固液共存相において主として凝固収縮によっ
て誘起されるデンドライト間液相流れに起因する液相の
圧力降下に着目し、中心欠陥を発生する領域を見出し、
当該領域において欠陥発生臨界液圧以上の液相圧力を保
持するよう鋳造方向に電磁力を印加することによって当
該欠陥の発生を無くそうとするものである。

【０００３】当該電磁力鋳造法の一例として、典型的な
鋼の連続鋳造に適用した場合の連続鋳造システムの概要
を図４に示す。

【０００４】すなわち、当該システムは、水冷鋳型と、
レードル出口からの溶鋼を受けるためのタンディッシュ
と、水冷鋳型を通過した鋳片を曲げるための複数の曲げ
ロールと、複数の矯正ロールと、鋳片内部の固液共存部
に電磁力を印加するための電磁ブースター等から構成さ
れている。電磁ブースターには、鋳込温度、引抜き速
度、噴霧水量など鋳片からの抜熱速度及びその結果とし
ての凝固現象を決定するこれらの操業データに基づいて
クレータエンドの位置、液圧降下の分布、内部欠陥（Ｖ
偏析、ミクロポロシティ）発生位置などを算出し、これ
らの情報に基づいて内部欠陥の発生を抑制するに必要な
印加電磁力の位置と大きさと範囲を算出する演算手段を
具備している。すなわち、検出部は操業パラメータの入
力信号を取り込む装置、コンピュータシステムは検出部
からの操業データに基づいて凝固過程の数値演算処理を
行い操作部を介して制御対象である連鋳機本体に操作量
をフィードバックする機能を有している。また、表示装
置により凝固状況を随時監視することができる。

【０００５】鋳片の表面温度を測定する方法として光温
度計と熱電対を用いる方法が一般的である。前者の方法
は銅の連鋳においては水冷による水蒸気などのため測定
精度に問題があると言われている。また後者についても
確立した方法は見当らない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のような連鋳シス
テムにおいては、操業中の凝固状況をできる限り正確に
把握することが第一に肝要であり、上記内部欠陥の問題
に限らず、種々の技術上の課題に対する対策を講ずるに
際してその基礎となるものである。上記先出願において
は種々の実測値（これには鋳片表面温度も含まれる）に
基づいて上記数値演算の補正を行うことが述べられてい
るが、本発明はその基礎となる鋳片表面温度測定につい
て詳細な機構を示そうとするものである。そして、温度
測定値に基づいて数値演算を補正し、さらに表面温度を
ある目標値にコントロールする方法を示そうとするもの
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】まず、表面温度測定手段
として熱電対を用い鋳片表面と接触させる方式を採用す
る。接触方式には、温度センサーを固定し鋳片の移動
に対して摺動させる方式、温度センサーを鋳片に対し
て軽く押し付け鋳片の移動と共に移動可能な機構とする
接触移動方式が考えられる。本発明は後者の接触移動方
式を採用することにより上記課題を解決するものであ
る。

【０００８】次に、温度測定値を用いて鋳片表面からの
熱伝達係数を求める方法については、前記数値演算手段
を用いて温度測定点における温度の計算値が実測値と一
致するように表面からの抜熱量あるいは表面熱伝達係数
を補正する。当該演算手段は少なくとも連鋳機のプロフ
ィール、連鋳品の合金成分、断面寸法、鋳造温度、鋳造
速度に関する操業条件に基づき、鋳片表面からの熱流束
分布を境界条件として、凝固現象を記述するための支配
方程式（エネルギー保存式、合金の温度と固相率の関係
式、合金元素に関する質量保存式、固液共存相内の液相
の流れを記述するダルシー式、液相に関する運動方程式
など）を数値解法によって解き凝固の状態、すなわち鋳
片の温度分布、最終凝固位置、液相および固液共存相の
プロフィール、液相の流動ならびに圧力、偏析、ミクロ
ポロシティの生成などを求める機能を有するものであ
る。詳しくは本発明者らによる前記先願を参照された
い。

【０００９】また、温度測定点における目標温度と温度
実測値の差に基づき両者が一致するように冷却能を制御
する。

【００１０】

【作用】図３（ａ）に示すごとく表面温度センサー１
は、鋳片引抜き方向と平行に固定配置されたガイドに沿
って動くとともに鋳片に対して上下方向に動く機構を備
えている（上下運動はモーターなどを用いればよい。図
示せず）。センサーの構造は図３（ｂ）に示すごとく熱
電対の先端は熱良導性の保護キャップ１ｂの内面に接触
または溶接され、当該保護キャップは断熱性の高い内筒
１ｃに取り付けられる。さらに水スプレーからの冷却を
遮断するための保護管１ｄに内蔵されている。保護キャ
ップ１ｂはバネなどによって鋳片表面に対して軽く押し
付けられる機構を備えている（図示せず）。

【００１１】センサーは鋳片表面への押付け、平行移
動、鋳片表面からの離脱、最初の位置へ戻すという１サ
イクルの運動を行う機構を持っていればよい。また、鋳
片表面に対して垂直に上下動させる必要はなくある点を
軸に回転接触させてもよい。このような装置は容易に作
ることが出来る。またモーター駆動部など必要な部分に
は水冷機構を設ける。

【００１２】熱電対先端部の質量ならびに熱容量は鋳片
のそれに比べて極小であり、極く短い接触時間で鋳片表
面温度と一致する。内筒１ｃに断熱性の高い材料を用い
るのは、内筒への熱流を防ぎ接触時間を短くするためで
ある。

【００１３】次にこのようにして測定した鋳片表面温度
（最低１点）を用いて前記数値演算を行い、凝固状況を
モニターする方法について述べる。説明の便宜上、メニ
スカスからクレータエンド（最終凝固位置）間において
クレータエンド近傍のある位置（以後Ｃ点と呼ぶ）に、
温度測定点を１個所設ける場合を考える。ある既知の操
業条件下において、Ｃ点における表面温度はメニスカス
から出発した表面粒子（有限の広がりを持つ微小な領
域、以後表面要素と呼ぶ）がＣ点に達するまでの間に失
った熱流の合計によって決まる。［厳密に言えば、Ｃ点
より下流側の冷却条件にも影響されるが、一般に下流か
らの熱伝導速度は鋳片の移動速度に比べて小さく、この
ように見なしてさしつかえない。すなわち下流側の事情
には影響されないものとする。］

【００１４】今、鋳造方向をＺとし表面熱伝達係数をｈ
とすると表面からの熱流速ｑは次式で与えられる。ｑ＝ｈ（Ｔ_ｓ−Ｔ_ａ）［ｃａｌ／ｃｍ^２ｓ］・・・・・・（１）ここにＴ_ｓは表面温度、Ｔ_ａは周囲の温度（一定）であ
る。ただし、ｑ，ｈ及びＴ_ｓはＺの函数である。［水ス
プレー冷却の場合ｈは水量密度（ｃｃ／ｃｍ^２ｓ）、Ｔ
_ｓ、表面輻射等の函数としていくつかの実験式が報告さ
れている。例えば日本鉄鋼協会、鉄鋼基礎共同研究会発
行の鉄鋼の凝固現象に関するデータ集（１９７７）を参
照されたい。］

【００１５】数値演算に際して、Ｃ点における実測温度
と計算値が一致するようｑあるいはｈを修正するアルゴ
リズムは次の通りである。１）与えられた水スプレー密度分布に対してｈ分布（ま
たはｑ分布そのもの）を仮定する。２）前記数値演算手段を用い、メニスカスを出発した表
面要素がＣ点に達するまでの期間について数値計算を行
う。３）Ｃ点の温度計算値Ｔ_ｃａｌと実測値Ｔ_ｏｂｓが一致
すれば計算終了。一致しなければＴ_ｃａｌとＴ_ｏｂｓの
差に基づいてｑ（またはｈ）を修正し、ステップ２）に
もどしてもう一度最初から計算をやり直す。

【００１６】ステップ３）におけるこの種の修正は数値
解析において一般的に行われておりニュートン法などい
くつかの方法が考えられる。そのうちの一つを次式に示
す。ここにｑ_ｏｌｄは修正前のｑ分布、ｑ_ｎｅｗは修正後の
ｑ分布、αは定数である。ｑを全体にカサ上げ（または
カサ下げ）する、ｈ（またはｑ）のスプレー強度依存性
がわかっている場合にはこれを考慮して修正すればよ
い。

【００１７】このようにして得られた数値計算結果は、
温度実測値に基づいているがゆえに凝固状況をより正確
に反映するものである。測定点を増やす場合、上流側よ
り順次ｈ分布を補正することにより精度は一層向上す
る。

【００１８】一方、Ｃ点においてある目標温度を設定し
実測値との差に基づいて、実測値が目標値に一致させる
よう冷却強さを制御することは公知公用の制御技術によ
り容易に実施できる。図５はＣ点での収束の様子を説明
するために１例として冷却強さをステップ入力した場合
の表面温度の応答を模式的に示す。水量調整は速い操作
であり、これに対する温度変化の応答は遅い。以上より
実際の冷却強さ分布に対応するｈ分布（またはｑ分布）
を知ることが可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明を鋼の連続鋳造に適用した
場合の具体例を図１に示す。複数の温度センサー１から
の熱起電力信号は温度検出部に取り込まれ増幅、チャン
ネル切替え、ＡＤ変換されモデムによりインターフェイ
スを介してコンピュータ（ＣＰＵ）に送信する。コンピ
ュータには前記数値演算プログラムが格納されており、
前述の如く、鋳込温度、引抜き速度などの操業条件下に
おいて凝固計算を行い温度測定値と計算値が一致するよ
う表面熱伝達係数を補正する。

【００２０】このようにして算出された凝固進行状況
は、実測値を用いているがゆえに極めて信頼性の高いデ
ータでありモニターなどの表示装置に表示することによ
ってオペレーターは鋳片内部の凝固の状況をリアルタイ
ムで知ることができる。

【００２１】一方、測定点における目標温度と実測値の
差に基づき冷却能の強弱を調節することにより目標温度
と実測値を一致させることができる。

【００２２】図２は本発明の原理をＡ１合金、Ｃｕ合金
などの非鉄金属の連鋳に適用した場合の具体例を示す。
非鉄金属の場合、鋼に比べて断面寸法が一般に小さく、
引抜き速度も遅いのでクレータエンドは浅い。従って主
たる冷却コントロールの対象となる操作量は水冷鋳型内
の流量である。

【００２３】

【発明の効果】本発明の効果をまとめると次の通りであ
る。（１）表面温度を測定し、ＣＰＵに取込み前記先願で詳
述した凝固解析プログラムにより数値計算を実行するこ
とにより、実操業中に凝固の様子をリアルタイムでモニ
ターすることができる。実操業中の凝固のあるがままの
姿を知ることが第１に肝要であり、これは表面温度測定
技術と数値演算機能の結合により可能となったものであ
り本発明者らの知る限り従来なかった技術である。［こ
のことは、医者が病人を治療するに際して、その人の健
康状態ないし病気を正しく診断することが極めて重要で
あると比喩すれば、その意義がよく理解されるだろう］

【００２４】（２）操業は技術的なある考え方（あるい
は経済的な根拠も加味される）に従って行われるもので
あり、思い通りに操作できなければならない。このため
に鋳込み温度、引抜き速度、冷却パラメータ等の操業上
のパラメータをコントロールする。しかしながら実際に
はこれが凝固を思い通りにコントロールしていることを
意味しない。本システムは上記（１）により凝固の実態
を知るとともに、ある点の表面温度をある目標値にコン
トロールすることにより凝固パターンそのものを自由に
コントロールすることができる。この場合、ある考え方
とは操業者のポリシーと言ってもよいものであり、本発
明はそれを実現するための道具を提供するものである。
通常このようなことを実行するには多大な時間と労力を
必要とするが、本システムを利用することによりはるか
に効率よく実施することができる。

【００２５】（３）本システムを利用することにより凝
固状況を常時監視することができ異常の発見をいち早く
見つけることができるので迅速な対応が可能となる。従
来より操業条件の変動に対しては種々の監視が行われて
いるが、本システムは鋳片そのものを直接監視すること
ができるので監視体制はより強化される。

【００２６】（４）現在、例えば水スプレー冷却に際し
て流量などの要因と表面熱伝達率ｈの関係についてある
程度データはあるもののまだまだ不充分である。本シス
テムはこれらの関係を実操業に則して知ることができる
のでより信頼性の高いデータである。ｈについては数値
計算から求めるので、諸々の物性値の精度が影響するも
のの相対的な比較を行うのであるから精度の影響は小さ
いと言える。

【００２７】以上の如く本発明による、温度計測に基礎
を置く連鋳の操業監視／制御システムは凝固現象の実態
をより正確に把握することを可能にした新規なシステム
であり連鋳技術の向上に大きく貢献するものである。ま
た鉄、非鉄を問わず全ての連続鋳造プロセスに適用され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による操業監視／コントロールシステム
の概要図であり、鋼の連続鋳造に適用した場合を示す。

【図２】本発明による操業監視／コントロールシステム
の概要図であり、非鉄金属の連続鋳造に適用した場合を
示す。

【図３】本発明による表面温度センサーを示す図であ
り、（ａ）は鋳片に対して接触し鋳片の移動とともに動
く機構を示した模式図、（ｂ）はセンサー先端の熱電対
の詳細図である。

【図４】平成８年国際出願ＰＣＴ／ＪＰ９６／０３２９
３において本発明者出願による連続鋳造システムの構成
図である。

【図５】鋳片表面温度測定位置において予め定められた
目標温度と一致するよう冷却強さを調節する制御方法の
１例を示す図である。Ｗ_１，Ｗ_２，・・・は冷却強さ分
布、Ｔ_１，Ｔ_２，・・・はこれらに対応する温度（一
定）である。

【符号の説明】

１表面温度センサー１ａ熱電対１ｂ熱良導性のキャップ１ｃ断熱性の内筒１ｄ外筒２温度検出部であり、熱起電力の増幅器、多重チャ
ンネル切替え、ＡＤ変換器、モデムなどより構成される３コンピュータ（ＣＰＵ）４表面温度、冷却水量などの操業パラメータならび
に鋳片の凝固状況を表示するための表示装置５水量調節などを行う機能を持つ冷却制御部６水スプレー噴霧、水冷鋳型などの鋳片抜熱装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】連続鋳造において、少なくとも連鋳品の
合金成分、断面寸法、鋳造温度、鋳造速度、鋳片表面か
らの熱流束分布に関する操業条件に基づいて、凝固の状
態をシュミレートする演算手段を有する連続鋳造システ
ムにおいて、少なくとも１点鋳片表面温度を測定する手
段を具備し、当該実測温度に基づいて、前記演算におい
て前記測定点における表面温度の計算値が前記実測温度
と一致するよう前記鋳片表面からの熱流束分布を補正す
る演算手段を具備することを特徴とする連続鋳造システ
ム。
【請求項２】連続鋳造において、少なくとも１点鋳片
表面温度を測定する手段を具備し、当該測定点において
あらかじめ定められた目標温度と前記実測温度が一致す
るよう鋳片表面の冷却強さをコントロールする手段を具
備することを特徴とする連続鋳造システム。
【請求項３】請求項１または２いずれか記載の温度測
定手段は、熱電対先端部を鋳片表面に対し押付け、接触
を保ったまま所定の時間鋳片の移動とともに移動した
後、前記鋳片表面から離脱し、当初の位置に戻す機構を
具備することを特徴とする連続鋳造システム。
【請求項４】請求項３記載の温度測定手段において、
熱電対先端部は鋳片表面に押付けられるカップの内面に
接して配置され、周囲の雰囲気から熱的に遮断するため
の外筒容器に内蔵される構造とすることを特徴とする連
続鋳造システム。