JPWO2013094194A1 - 連続鋳造における鋳片温度推定方法、鋳片の凝固完了状態推定方法、及び連続鋳造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば特許文献1では、連続鋳造中のストランド内に所定長さの鋳込みが進行する毎に鋳込み方向に垂直な計算断面を発生させている。そして、その計算断面が鋳込み方向に連続して設定された複数のゾーンをそれぞれ通過し、次のゾーン入側境界に到達した時点で、計算端面が直前に通過したゾーンの平均冷却条件を基に該計算断面内の2次元凝固計算を行う。更に、その計算で得られた計算断面内の温度分布を、次のゾーン以降で行なう上記凝固計算の初期値として与え、順次、計算断面内の凝固計算を行って、最終ゾーン入側境界での計算断面内の温度分布を求める方法が開示されている。
しかし、鋳片の内部温度の計算値に関しては実際の鋳片の内部温度に合わせているわけではないので、修正後の伝熱モデル(伝熱計算)を用いたとしても凝固完了位置を正しく推定できていることは保証できない。そのため、凝固完了位置が連鋳機を外れて大きなトラブルになる恐れがある。また、矯正ポイントにおける鋳片温度が鋳片の脆化域となり、鋳片表面に割れが生じる品質トラブルをもたらす恐れもある。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、連続鋳造によって製造される鋳片の凝固完了位置若しくは形状をより精度良く推定することを目的とする。
(1)鋳型に注入された溶鋼を該鋳型内で1次冷却後、表層が凝固した鋳片を引き抜きながら2次冷却を行うことで連続して鋳片を製造する連続鋳造における、前記鋳片長手方向の各位置における鋳片の温度を、少なくとも前記2次冷却の冷却条件に基づく熱流束を使用した伝熱計算によって推定する鋳片温度推定方法において、
前記鋳片に対し超音波を送受信することで当該鋳片の凝固完了位置の通過を検出する超音波センサ、及び鋳片の表面温度を測定する表面温度計測手段をそれぞれ連続鋳造機に配置し、
鋳造速度を変化させることで、鋳片の凝固完了位置を移動させ、前記超音波センサの受信信号の強度変化に基づき凝固完了位置を検出し、
前記超音波センサが前記凝固完了位置を検出したときに、前記表面温度計測手段の検出位置を通過した鋳片の表面温度を当該表面温度計測手段で測定し、
前記凝固完了位置を検出したタイミングで、前記超音波センサが凝固完了位置を検出した鋳片位置における、鋳片厚さ方向中心部の温度の計算値が固相線温度と一致し、且つ表面温度計測手段の検出位置における表面温度の計算値が当該表面温度計測手段の測定値と一致するように、前記伝熱計算で用いる熱伝導率、鋳型での抜熱量、2次冷却帯の熱伝達係数のうちの少なくとも1つのパラメータの値を修正し、該修正後のパラメータを用いて前記伝熱計算を再度行うことを特徴とする連続鋳造における鋳片温度推定方法。
(2)前記鋳造速度を増速することで、前記鋳片の凝固完了位置を、前記超音波センサによる検出位置よりも上流側から下流側に向けて移動させることを特徴とする上記(1)に記載の連続鋳造における鋳片温度推定方法。
(3)前記表面温度計測手段は、鋳片の表面温度を幅方向分布として測定し、表面温度計測手段の検出位置における表面温度の幅方向分布の計算値が当該表面温度計測手段の測定値と一致するように、前記修正を行うことを特徴とする上記(1)に記載した連続鋳造における鋳片温度推定方法。
(4)前記表面温度計測手段は、鋳片の表面温度を幅方向分布として測定し、表面温度計測手段の検出位置における表面温度の幅方向分布の計算値が当該表面温度計測手段の測定値と一致するように、前記修正を行うことを特徴とする上記(2)に記載した連続鋳造における鋳片温度推定方法。
(5)上記(1)から(4)に記載の鋳片温度推定方法による前記パラメータ修正後の鋳片温度推定結果に基づき、連続鋳造機内における鋳片の凝固完了位置を推定することを特徴とする連続鋳造における鋳片の凝固完了状態推定方法。
(6)上記(3)に記載の連続鋳造における鋳片温度推定方法による前記パラメータ修正後の鋳片温度推定結果に基づき、連続鋳造機内における鋳片の凝固完了位置の形状を推定することを特徴とする連続鋳造における鋳片の凝固完了状態推定方法。
(7)上記(4)に記載の連続鋳造における鋳片温度推定方法による前記パラメータ修正後の鋳片温度推定結果に基づき、連続鋳造機内における鋳片の凝固完了位置の形状を推定することを特徴とする連続鋳造における鋳片の凝固完了状態推定方法。
(8)上記(5)に記載の鋳片の凝固完了状態推定方法による推定結果に基づき、連続鋳造の操業条件を操作することで、凝固完了位置の状態を制御することを特徴とする連続鋳造方法。
(9)上記(6)または(7)に記載の鋳片の凝固完了状態推定方法による推定結果に基づき、連続鋳造の操業条件を操作することで、凝固完了位置の状態を制御することを特徴とする連続鋳造方法。
(10)前記連続鋳造の操業条件が、2次冷却条件、軽圧下条件、鋳造速度および鋳型電磁攪拌強度の少なくとも一つであることを特徴とする上記(8)に記載の連続鋳造方法。
(11)前記連続鋳造の操業条件が、2次冷却条件、軽圧下条件、鋳造速度および鋳型電磁攪拌強度の少なくとも一つであることを特徴とする上記(9)に記載の連続鋳造方法。
なお、上記パラメータの修正は、予め設定した時間間隔で定期的に実施したり、連続鋳造条件が定常状態から非定常状態になったりしたときなどに、適宜実施すれば良い。すなわち、常時実施する必要はない。
また、鋳片の凝固完了位置をより高精度で予測、推定することが可能となる。
また、得られた凝固完了位置や形状などの凝固状態の推定結果に基づき、2次冷却条件、軽圧下条件、鋳造速度、鋳型電磁攪拌強度などの連続鋳造の操業条件を操作することで、凝固完了位置・形状、つまり凝固状態を目的とする所望の位置形状に制御することが可能となる。この結果、連続鋳造の能率、品質の向上を実現することが可能となる。
(構成)
本実施形態の連続鋳造機は、図1に示すように、溶鋼14が満たされたタンディッシュ1の下方に鋳型2が設けられ、タンディッシュ1の底部に鋳型2への溶鋼供給口となる浸漬ノズル3が設けられている。鋳型2の下方には、サポートロール6が設置されている。符号7〜13は、それぞれ分割された冷却ゾーンであって、2次冷却帯を構成している。各冷却ゾーンには、複数のスプレーまたはエアミストスプレー用のノズルが2次冷却装置として配置されており、スプレーノズルから鋳片の表面に2次冷却水が噴霧される。なお、冷却ゾーンにおいて、反基準面側(the opposite side of the base plane)(上面側)の冷却ゾーンをaで表示し、基準面側(base plane)(下面側)をbで表示している。上記各冷却ゾーンの2次冷却装置は、コントローラ20からの指令に応じた冷却状態に調整される。
ここで、図1では冷却ゾーンが合計7つの場合を例示しているが、これは概念図であり、実際の連続鋳造機のゾーン数は機長などによりいくつに分割されるかは様々である。
なお、凝固完了位置が機端よりも上流側にあり、横波超音波センサ4を上記凝固完了位置に合わせて上流側に設置する場合には、温度計15を横波超音波センサ4の下流側に設置する構成とすることも可能である。ただし、鋳片内の熱の拡散により、下流側ほど鋳片内の温度分布が均一化し、表面温度を用いて伝熱計算のパラメータを修正する本発明の効果が小さくなるため、この場合であっても、温度計15の配置位置は、横波超音波センサ4と近接した位置が好ましい。
凝固完了位置移動手段20Aは、例えば、上記ピンチロールの回転速度を変更することで上記鋳造速度を増速して、鋳片の凝固完了位置を、上記超音波センサ4による検出位置に対し上流側から下流側に向けて移動させる。上記とは逆に、鋳造速度を減速させる場合は、鋳片の凝固完了位置を、上記超音波センサ4による検出位置に対し下流側から上流側に向けて移動させる。
ここで、特に凝固完了位置移動手段20Aを専用に持っているわけではない。鋳造速度を増速して鋳片の凝固完了位置を変更することが出来る機能部分を、凝固完了位置移動手段20Aと呼称している。
連続鋳造機における2次冷却計算(鋳片の2次冷却に関する伝熱計算)は、例えば、単位長さ(鋳造方向)にスライスされた鋳片断面を考え、鋳造中のストランド内の場所に応じて、水冷、空冷、ミスト冷却、ロール抜熱などで様々な状況での境界条件の熱流速を例えば下記式(1)で与えて、下記式(2)の2次元伝熱方程式を解くことで実施される。この伝熱計算は、公知の伝熱モデルによる計算式であり、他の伝熱計算の式を使用しても良い。
Q:熱流束
h:熱伝達係数
T:モデル表面温度
Ta:雰囲気温度である。
c:比熱
ρ:密度
k:熱伝導率
T:温度
である。
本実施形態では、この2次冷却計算に用いるパラメータのうち少なくとも1つのパラメータについて、上記横波超音波センサ4による凝固完了位置の検出と温度計15で測定した鋳片温度との2つの情報を用いて修正する。そして、修正後のパラメータを使用して上記各伝熱計算を再計算する。
まず、凝固完了位置移動手段20Aが、鋳造速度を段階的に増速して、鋳片の凝固完了位置を上記横波超音波センサ4の配置位置よりも鋳造方向上流側から下流側に移動させる。これとは逆に鋳造速度を段階的に減速する場合は、鋳片の凝固完了位置を上記横波超音波センサ4の配置位置よりも鋳造方向下流側から上流側に移動させる。
上記凝固完了位置の移動と同期をとって、横波超音波センサ4の受信信号の強度変化を連続的に検出して、横波超音波センサ4を配置した検出位置を凝固完了位置が通過するときを検出する。すなわち、鋳片中心部の固相率が1となる位置が横波超音波センサ4での検出位置と一致したことを検知する。なお、鋳片の凝固完了位置においては、鋳片の中心部の温度は固相線温度となっているはずである。
ここで、2次冷却計算のパラメータの初期値は、実際の2次冷却現象を正しく表現していない可能性がある。このため、上記凝固完了位置の通過を検出したときの横波超音波センサ4の配置位置に対応する鋳片中心温度の計算値は、固相線温度とは一致せず、また、温度計15の配置位置に対する表面温度の計算値も、温度計15で測定した表面温度測定値とは一致しないのが通例である。そこで、これらを一致させるべくパラメータ修正を行う。
まず、上記温度計15の配置位置で測定した表面温度測定値と、その温度計15の配置位置での鋳片表面温度計算値とが一致するように、2次冷却計算で用いる2次冷却帯の抜熱量を修正する。抜熱量を修正するには、伝熱計算で用いる熱伝達係数を修正するのが簡便である。
次に、上記で修正した抜熱量を用いて2次元断面スライス1枚について再度2次冷却計算を行い、横波超音波センサ4の位置における2次元断面の厚み方向中央部の温度が固相線温度に一致するように熱伝導率を修正する。
上記説明では、最初に表面温度でパラメータを修正し、次に中心温度の計算値を実際と合うようにパラメータ修正を行った場合で説明したが、その順番を逆にしてもよい。
また、熱伝達係数と熱伝導率の代わりに固相線温度、鋳型での抜熱量を修正してもよい。いずれにしても、2次冷却計算による鋳片の中心温度と表面温度がともに実際の温度と一致するように、2次冷却計算におけるパラメータを修正することが本実施形態の特徴の一つである。
まずステップS10では、初期設定したパラメータを用いて、上記伝熱計算の式に基づく2次冷却計算を行うことで、鋳片長手方向位置における横波超音波センサ4による検出位置での鋳片温度を計測する。
次に、ステップS20では、凝固完了位置を検出したときの横波超音波センサ4の幅方向位置における鋳片厚さ方向中央部の温度計測値が固相線温度となるように、鋳片の熱伝導率を表すパラメータを修正する。
次に、ステップS40では、上記凝固完了位置を検出したタイミングで温度計15の測定位置を通過した鋳片位置の表面温度計算値が温度計15による測定値と一致するように、熱伝達係数を修正する。
ここで、上記パラメータ修正の処理において、2次冷却帯の熱伝達係数を幅方向で調整し、2次冷却計算による表面温度計15の位置における幅方向表面温度分布を上記の幅方向温度分布と一致させるように修正しても良い。この場合には、鋳片の内部温度についても、幅方向の温度分布の推定精度を向上させることができる。また、各スライスについて、凝固完了位置を幅方向の複数のポイントで求めることにより、凝固完了位置の形状を求めることができる。
ここで、連続鋳造機によっては、鋳片5を軽圧下するための圧下ロールが設置されている場合もある。しかし、本発明の技術は軽圧下の有無には左右されない。
上記鋳造条件とは、注湯する溶鋼温度、鋳型内の冷却条件、鋳造品の成分、寸法、鋳造温度、鋳造速度、連続鋳造機内の2次冷却条件の操業条件である。
がしきい値に到達した時刻60[min]を凝固位置検出タイミングとする.この凝固完了位置検出タイミングでは、鋳片の厚み方向中心部の温度は固相線温度と一致する。また、この凝固位置検出タイミングで横波超音波センサ4を通過した鋳片が表面温度計15の位置を通過するタイミングで鋳片の表面温度を測定し、温度計15の配置位置における鋳片表面温度計算値と表面温度測定値が一致するように、また、横波超音波センサ4の検出位置における2次元断面の厚み方向中央部の温度が固相線温度に一致するように、鋳片の熱伝導率と2次冷却帯における熱伝達係数を調整(修正)した。
一方、図5は、熱伝導率および熱伝達係数修正後の2次冷却計算による温度計15の位置における幅方向の表面温度推定値と、温度計15による測定値とを比較した図である。上記処理によって、凝固完了位置における、鋳片幅方向中央部においては、温度推定値は測定値に一致しているが、幅方向の温度変動は表現できていない。なお図5の横軸は鋳片の幅方向位置(0が幅方向中央部である)を示している。
図6は、求めた熱伝達係数の幅方向の補正値であり、図7は熱伝達係数を幅方向で補正後の2次冷却計算による、凝固完了位置での幅方向の表面温度推定値および温度計15による測定値とを比較した図である。熱伝達係数を幅方向で補正することにより、表面温度推定値と測定値をほぼ一致させることができることが分かる。なお図6および図7の各々の横軸は鋳片の幅方向位置(0が幅方向中央部である)を示している。
図8では、横軸は鋳片の幅方向位置(「0」が幅方向中央部である。)、縦軸は鋳型内の湯面を基準とした距離であり、幅方向の各位置における凝固完了位置を示している。熱伝導率を修正した段階では、横波超音波センサ4によって検出した幅中央部の凝固完了位置とは一致しているが、幅方向にはフラットな形状であり、温度計15で測定された表面温度とは整合しない。熱伝達係数を幅方向で補正した場合には、横波超音波センサ4によって検出した幅中央部の凝固完了位置と一致し、かつ温度計15で測定された表面温度の幅方向分布とも整合する。
以上の説明では、最初に横波超音波センサ4を用いて2次冷却計算に用いる熱伝導率を修正し、次に温度計15を用いて熱伝達係数を幅方向に補正することで説明したが、この順序を逆にしてもよい。更に、きめ細かく合わせ込むのであれば、熱伝達係数と熱伝導率を少しずつ変えながら2次冷却計算を繰り返し行い、中心温度と表面温度が最も実際とよく一致するパラメータを見出す方法をとることもできる。また、熱伝達係数の幅方向分布の代わりに水量の幅方向分布を修正してもよい。また、熱伝達係数と熱伝導率の代わりに固相線温度、鋳型での抜熱量のパラメータを修正してもよい。
なお、上記実施例は鋳造速度を増速する場合について述べたが、鋳造速度を減速する場合も同様の処理をすればよいことは言うまでもない。
2 鋳型
3 浸漬ノズル
4 横波超音波センサ
5 鋳片
6 サポートロール
7〜13 冷却ゾーン
14 溶鋼
15 温度計
20 コントローラ
20A 凝固完了位置移動手段
20B パラメータ修正部
Claims (11)
- 鋳型に注入された溶鋼を該鋳型内で1次冷却後、表層が凝固した鋳片を引き抜きながら2次冷却を行うことで連続して鋳片を製造する連続鋳造における、前記鋳片長手方向の各位置における鋳片の温度を、少なくとも前記2次冷却の冷却条件に基づく熱流束を使用した伝熱計算によって推定する鋳片温度推定方法において、
前記鋳片に対し超音波を送受信することで当該鋳片の凝固完了位置の通過を検出する超音波センサ、及び鋳片の表面温度を測定する表面温度計測手段をそれぞれ連続鋳造機に配置し、
鋳造速度を変化させることで、鋳片の凝固完了位置を移動させ、前記超音波センサの受信信号の強度変化に基づき凝固完了位置を検出し、
前記超音波センサが前記凝固完了位置を検出したときに、前記表面温度計測手段の検出位置を通過した鋳片の表面温度を当該表面温度計測手段で測定し、
前記凝固完了位置を検出したタイミングで、前記超音波センサが凝固完了位置を検出した鋳片位置における、鋳片厚さ方向中心部の温度の計算値が固相線温度と一致し、且つ表面温度計測手段の検出位置における表面温度の計算値が当該表面温度計測手段の測定値と一致するように、前記伝熱計算で用いる熱伝導率、鋳型での抜熱量、2次冷却帯の熱伝達係数のうちの少なくとも1つのパラメータの値を修正し、該修正後のパラメータを用いて前記伝熱計算を再度行うことを特徴とする連続鋳造における鋳片温度推定方法。 - 前記鋳造速度を増速することで、前記鋳片の凝固完了位置を、前記超音波センサによる検出位置よりも上流側から下流側に向けて移動させることを特徴とする請求項1に記載の連続鋳造における鋳片温度推定方法。
- 前記表面温度計測手段は、鋳片の表面温度を幅方向分布として測定し、
表面温度計測手段の検出位置における表面温度の幅方向分布の計算値が当該表面温度計測手段の測定値と一致するように、前記修正を行うことを特徴とする請求項1に記載した連続鋳造における鋳片温度推定方法。 - 前記表面温度計測手段は、鋳片の表面温度を幅方向分布として測定し、
表面温度計測手段の検出位置における表面温度の幅方向分布の計算値が当該表面温度計測手段の測定値と一致するように、前記修正を行うことを特徴とする請求項2に記載した連続鋳造における鋳片温度推定方法。 - 請求項1ないし請求項4に記載の鋳片温度推定方法による前記パラメータ修正後の鋳片温度推定結果に基づき、連続鋳造機内における鋳片の凝固完了位置を推定することを特徴とする連続鋳造における鋳片の凝固完了状態推定方法。
- 請求項3に記載の連続鋳造における鋳片温度推定方法による前記パラメータ修正後の鋳片温度推定結果に基づき、連続鋳造機内における鋳片の凝固完了位置の形状を推定することを特徴とする連続鋳造における鋳片の凝固完了状態推定方法。
- 請求項4に記載の連続鋳造における鋳片温度推定方法による前記パラメータ修正後の鋳片温度推定結果に基づき、連続鋳造機内における鋳片の凝固完了位置の形状を推定することを特徴とする連続鋳造における鋳片の凝固完了状態推定方法。
- 請求項5に記載の鋳片の凝固完了状態推定方法による推定結果に基づき、連続鋳造の操業条件を操作することで、凝固完了位置の状態を制御することを特徴とする連続鋳造方法。
- 請求項6又は請求項7に記載の鋳片の凝固完了状態推定方法による推定結果に基づき、連続鋳造の操業条件を操作することで、凝固完了位置の状態を制御することを特徴とする連続鋳造方法。
- 前記連続鋳造の操業条件が、2次冷却条件、軽圧下条件、鋳造速度および鋳型電磁攪拌強度の少なくとも一つであることを特徴とする請求項8に記載の連続鋳造方法。
- 前記連続鋳造の操業条件が、2次冷却条件、軽圧下条件、鋳造速度および鋳型電磁攪拌強度の少なくとも一つであることを特徴とする請求項9に記載の連続鋳造方法。
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