KR101709623B1 - 응고 완료 위치 제어 방법 및 응고 완료 위치 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

온도 산출부(101)가, 연속 주조기의 조업 조건을 이용한 전열 모델에 의해 주편(cast strand)의 표면 온도를 추정하여, 파라미터 보정부(102)가, 주편의 표면 온도의 측정값과 주편의 표면 온도의 추정값이 일치하도록, 전열 모델 내에 포함되는 열전도율, 몰드와 응고 셸과의 사이의 열전달 계수 및, 2차 냉각대의 열전달 계수 중의 적어도 1개의 파라미터를 보정하고, 응고 완료 위치 제어부(103)가, 보정된 파라미터를 이용한 전열 모델에 의해 주편 온도와 주편의 응고 완료 위치를 추정하여, 미리 정해진 응고 완료 위치 목표값과의 편차로부터 2차 냉각수량의 조작량을 산출하고, 보정된 2차 냉각수량의 함수인 파라미터에 산출된 조작량을 가산한 2차 냉각수량을 대입한 파라미터를 이용한 전열 모델에 의해 주편 온도와 응고 완료 위치를 추정하여, 소정의 조업상의 제약 조건을 충족하는 경우에, 산출된 조작량에 기초하여 2차 냉각을 제어한다.

Description

응고 완료 위치 제어 방법 및 응고 완료 위치 제어 장치{METHOD FOR CONTROLLING SOLIDIFICATION COMPLETION POSITION AND DEVICE FOR CONTROLLING SOLIDIFICATION COMPLETION POSITION}
본 발명은, 연속 주조기에 있어서의 주편(cast strand)의 온도를 추정하고, 응고 완료 위치 등의 주편의 응고 상태를 제어하는 응고 완료 위치 제어 방법(Final solidification point control method) 및 응고 완료 위치 제어 장치에 관한 것이다.
연속 주조기의 조업에 있어서, 연속 주조 중의 주편의 응고 상태를 파악하는 것은 매우 중요하다. 예를 들면, 몰드(mold)를 빠져나간 후의 냉각 스프레이(cooling spray)에 의한 냉각(2차 냉각, secondary cooling)이 불충분하기 때문에, 내부가 완전하게 응고되어 있지 않은 상태에서 주편이 연속 주조기 밖으로 발출된 경우, 주편을 절단했을 때에 내부의 용강(molten steel)이 유출되어 큰 트러블(trouble)이 된다. 이 때문에, 내부가 완전하게 응고되어 있지 않은 상태에서 주편이 연속 주조기 밖으로 발출되는 것을 억제하기 위해, 주편의 응고 상태를 정확하게 파악하는 것이 중요하다.
또한, 강(鋼)의 연속 주조시, 주편의 응고 말기의 미(未)응고상(相)에서는, 응고에 의해 용강의 체적이 수축되기 때문에, 최종 응고부인 덴드라이트수(樹)(dendritic structure)의 사이에 남아 성분이 농화된(concentrated) 용강이 유동하고, 주편 중심부에 집적하여 응고되는 소위 중심 편석(centerline segregation)이 발생하여, 철강 제품의 품질이 열화(degraded)된다. 예를 들면, 석유 수송용이나 천연 가스 수송용의 라인 파이프재(line pipe material)에 있어서는, 중심 편석이 발생하면, 사워 가스(sour gas)의 작용에 의해 중심 편석을 기점으로 한 수소 유기 균열(HIC, hydrogen induced cracking)이 발생한다. 또한, 음료수용의 캔 제품에 이용되는 딥 드로잉재(deep drawn material)에 있어서는, 중심 편석에 의한 성분의 편석에 의해 가공성에 이방성(anisotropy)이 출현해 버린다.
철강 제품의 품질의 열화를 초래하는 중심 편석을 방지하기 위해, 응고 말기에 미응고 주편을 주편의 응고 수축량에 걸맞은 압하량으로 서서히 압하하는 방법(이하, 경압하(soft reduction)라고 부름)이 알려져 있다. 경압하에 의하면, 응고 수축량에 걸맞은 압하량으로 주편을 서서히 압하하여 미응고상의 체적을 감소시켜, 덴드라이트수(dendritic structure) 사이의 농화 용강의 유동을 일으키지 않도록 하여 중심 편석을 방지한다. 그래서, 2차 냉각을 적정하게 행하고, 경압하를 실시하는 롤군(roll group)이 배치된 경압하대(soft reduction zone)의 범위 내에 주편의 응고 완료 위치를 제어할 필요가 있다.
또한, 주편 표면의 균열 등의 품질 트러블이 발생하는 것을 억제하기 위해, 몰드 바로 아래로부터 연직 방향 하방으로 인발된(drawn out) 주편을 수평 방향으로 굽히는 교정부(bending and straightening zones)에 있어서 주편의 온도가 취화역(brittle temperature range)에 걸리지 않도록 2차 냉각의 제약 조건(constraint conditions)을 설정할 필요가 있다.
이러한 배경으로부터, 연속 주조 중의 주편의 표면 온도 및 내부 온도를 계측하고, 교정부의 온도나 응고 완료 위치 등의 주편의 응고 상태를 파악하여 적정하게 제어하는 기술이 요구되고 있다. 그러나, 연속 주조 중의 주편의 표면 온도는, 2차 냉각수가 뿌려지는 위치에서는 내부 온도에 비해 매우 낮아지고, 복수의 냉각 존(zone)의 사이 등의 2차 냉각수가 뿌려지지 않는 위치에서는 복열(heat recuperation)한다. 게다가, 2차 냉각수의 존재나 수증기의 발생도 있기 때문에, 2차 냉각을 적정하게 제어하는 것을 목적으로 한 주편의 표면 온도의 계측은 곤란하다. 또한, 연속 주조기의 분위기 온도(ambient temperature)는 고온으로 매우 가혹하기 때문에, 주편의 내부 온도를 온라인으로 계측할 수 있는 기술은 없다. 이 때문에, 종래까지는, 전열 모델(heat transfer model)을 이용한 수치 계산에 의해 주편의 응고 상태를 추정하는 것이 행해지고 있다(특허문헌 1 참조).
구체적으로는, 특허문헌 1에 기재된 기술은, 처음에, 소정 길이의 주입이 진행될 때마다 연속 주조 중의 주편 내에 주입 방향(casting direction)으로 수직인 계산면(calculation plane)을 가상적으로 발생시킨다. 다음으로, 이 기술은, 계산면이 주입 방향으로 연속하여 설정된 복수의 존을 각각 통과하고 다음의 존 입측 경계(inlet side boundary)에 도달한 시점에서, 직전에 통과한 존의 평균 냉각 조건에 기초하여 계산면 내의 온도 분포를 계산한다. 그리고, 이 기술은, 얻어진 계산면 내의 온도 분포를 다음의 존 이후에서 행하는 계산의 초기값으로서 부여하고, 순차적으로 계산면 내의 온도 분포를 계산함으로써, 최종 존 입측 경계에서의 계산면 내의 온도 분포를 구하여 응고 상태를 추정한다.
일본공개특허공보 2002-178117호 일본공개특허공보 평9-24449호 일본공개특허공보 평10-291060호
그런데, 수치 계산에 의해 주편의 응고 상태를 추정하는 경우, 주편에 못박기(the nail shooting method) 등을 행하여 실제의 응고 상태를 확인하고, 확인 결과에 기초하여 전열 모델의 파라미터(parameter)를 조정함으로써 실제의 응고 상태와의 일치성을 보상하는 것이 행해진다. 그리고, 전열 모델의 파라미터의 조정이 일단 행해지면, 그 상태에서 계산 결과를 신용한 조업이 행해진다. 그러나, 주조 조건이나 강종(types of steel)이 상이한 경우나 냉각 기기의 변경 또는 시간 경과에 따른 열화나 일시적인 고장 등, 파라미터의 조정이 행해진 시점과는 상이한 조업 상태가 발생한 경우에는, 계산에 의한 응고 상태의 추정 결과가 실제와는 상이한 것이 되어, 주편의 응고 상태를 정밀도 높게 추정할 수 없게 된다.
또한, 이러한 문제점을 해결하기 위해, 특허문헌 2나 특허문헌 3에 기재된 기술이 제안되고 있다. 구체적으로는, 특허문헌 2에 기재된 기술은, 연속 주조기의 물리 현상을 수식화한 제어 모델을 이용하여 설정한 냉각 스프레이의 유량 지령에 기초하여 주조한 결과 얻어진 주편의 온도와 제어 모델을 이용하여 산출된 주편의 온도와의 차분(difference)으로부터 제어 모델의 파라미터를 수정한다. 특허문헌 3에 기재된 기술은, 주편의 측정점에 있어서의 표면 온도의 계산값이 측정값과 일치하도록 주편 표면으로부터의 열유속 분포(heat flux distribution)를 보정한다.
특허문헌 2, 3에 기재된 기술에 의하면, 모델의 파라미터를 수정함으로써 측정점에 있어서는 주편 온도의 측정값과 계산값을 일치시킬 수 있다. 그러나, 주편의 내부 온도의 계산값에 관해서는 실제의 내부 온도에 일치시키고 있지 않기 때문에, 수정 후의 모델을 이용했다고 해도 응고 상태를 정밀도 높게 추정할 수 있는 보증은 없다. 이 때문에, 주편의 응고 완료 위치가 연속 주조기를 벗어나 큰 트러블이 될 우려가 있다. 또한, 교정부에 있어서의 주편의 온도가 취화역에 걸려, 주편 표면에 균열이 발생하는 품질 트러블을 초래할 우려가 있다. 또한, 주편의 응고 완료 위치를 당초의 목표 위치로 수정하는 제어를 행하는 기술은 기재되어 있지 않다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 주편 온도(주편의 내부 온도 및 표면 온도)를 정밀도 높게 추정하여, 주편의 응고 상태를 제어 가능한 응고 완료 위치 제어 방법 및 응고 완료 위치 제어 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 응고 완료 위치 제어 방법은, 연속 주조기에 있어서의 주편의 응고 완료 위치를 제어하는 응고 완료 위치 제어 방법으로서, 연속 주조기 내의 주조 방향의 적어도 한 점에 있어서 주편의 표면 온도를 측정하는 온도 측정 스텝과, 연속 주조기의 조업 조건을 이용한 전열 모델에 의해 상기 온도 측정 스텝에 있어서의 측정 개소(point)에서의 주편의 표면 온도를 추정하는 온도 추정 스텝과, 상기 온도 측정 스텝에 있어서의 주편의 표면 온도의 측정값과 상기 온도 추정 스텝에 있어서의 주편의 표면 온도의 추정값이 일치하도록, 상기 전열 모델 내에 포함되는 열전도율, 몰드와 응고 셸(solidified shell)과의 사이의 열전달 계수 및, 2차 냉각대(cooling zone)의 열전달 계수 중의 적어도 1개의 파라미터를 보정하는 보정 스텝과, 상기 보정 스텝에서 보정된 파라미터를 이용한 전열 모델에 의해, 주편의 표면 온도와 내부 온도를 포함하는 주편 온도를 추정하고, 추정된 주편의 내부 온도에 기초하여 연속 주조기 내에 있어서의 주편의 응고 완료 위치를 추정하는 응고 완료 위치 추정 스텝과, 상기 응고 완료 위치 추정 스텝에서 구해진 응고 완료 위치 추정값과 미리 정해진 응고 완료 위치 목표값과의 편차로부터 2차 냉각수량의 조작량을 산출하는 조작량 산출 스텝과, 상기 보정 스텝에서 보정된 2차 냉각수량의 함수인 파라미터에 상기 조작량 산출 스텝에서 산출된 조작량을 가산한 2차 냉각수량을 대입한 파라미터를 이용한 전열 모델에 의해, 연속 주조기 내의 주편 온도를 추정하고, 추정된 주편의 내부 온도에 기초하여 연속 주조기 내에 있어서의 주편의 응고 완료 위치를 추정하는 응고 상태 추정 스텝과, 상기 응고 상태 추정 스텝에서 추정된 주편 온도와 응고 완료 위치가 소정의 조업상의 제약 조건을 충족하는지 아닌지를 판정하는 판정 스텝과, 상기 판정 스텝에 있어서 상기 제약 조건이 충족되는 경우에, 상기 조작량 산출 스텝에서 산출된 조작량에 기초하여 2차 냉각을 제어하는 조작 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 응고 완료 위치 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 판정 스텝에 있어서 상기 제약 조건이 충족되지 않은 경우에, 당해 제약 조건이 충족될 때까지, 상기 조작량 산출 스텝과, 응고 상태 추정 스텝과, 판정 스텝을 반복하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 응고 완료 위치 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 판정 스텝에 있어서의 제약 조건은, 응고 완료 위치의 허용 범위 및 교정부의 온도 범위인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 응고 완료 위치 제어 장치는, 연속 주조기에 있어서의 주편의 응고 완료 위치를 제어하는 응고 완료 위치 제어 장치로서, 연속 주조기 내의 주조 방향의 적어도 한 점에 있어서 주편의 표면 온도를 측정하는 온도 측정 수단과, 연속 주조기의 조업 조건을 이용한 전열 모델에 의해 상기 온도 측정 수단에 의한 측정 개소에서의 주편의 표면 온도를 추정하는 온도 추정 수단과, 상기 온도 측정 수단에 의한 주편의 표면 온도의 측정값과 상기 온도 추정 수단에 의한 주편의 표면 온도의 추정값이 일치하도록, 상기 전열 모델 내에 포함되는 열전도율, 몰드와 응고 셸과의 사이의 열전달 계수 및, 2차 냉각대의 열전달 계수 중의 적어도 1개의 파라미터를 보정하는 보정 수단과, 상기 보정 수단에 의해 보정된 파라미터를 이용한 전열 모델에 의해, 주편의 표면 온도와 내부 온도를 포함하는 주편 온도를 추정하고, 추정된 주편의 내부 온도에 기초하여 연속 주조기 내에 있어서의 주편의 응고 완료 위치를 추정하는 응고 완료 위치 추정 수단과, 상기 응고 완료 위치 추정 수단에 의해 구해진 응고 완료 위치 추정값과 미리 정해진 응고 완료 위치 목표값과의 편차로부터 2차 냉각수량의 조작량을 산출하는 조작량 산출 수단과, 상기 보정 수단에 의해 보정된 2차 냉각수량의 함수인 파라미터에 상기 조작량 산출 수단에 의해 산출된 조작량을 가산한 2차 냉각수량을 대입한 파라미터를 이용한 전열 모델에 의해, 연속 주조기 내의 주편 온도를 추정하고, 추정된 주편의 내부 온도에 기초하여 연속 주조기 내에 있어서의 주편의 응고 완료 위치를 추정하는 응고 상태 추정 수단과, 상기 응고 상태 추정 수단에 의해 추정된 주편 온도와 응고 완료 위치가 소정의 조업상의 제약 조건을 충족하는지 아닌지를 판정하는 판정 수단과, 상기 판정 수단에 의해 상기 제약 조건을 충족한다고 판정된 경우에, 상기 조작량 산출 수단에 의해 산출된 조작량에 기초하여 2차 냉각을 제어하는 조작 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 응고 완료 위치 제어 방법 및 응고 완료 위치 제어 장치에 의하면, 주편 온도를 정밀도 높게 추정하여, 주편의 응고 상태를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태인 응고 완료 위치 제어 장치가 적용되는 연속 주조기의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태인 응고 완료 위치 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태인 응고 상태 제어 처리의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 4는 표면 온도계의 배치 위치에 있어서의 주편의 표면 온도의 측정값 및 파라미터의 보정 전후에 있어서의 주편의 표면 온도의 추정값의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 파라미터의 보정 전후에 있어서의 주편의 두께 방향 중앙부의 온도 변화를 예시하는 도면이다.
도 6은 2차 냉각수량의 조작 전후에 있어서의 주편의 두께 방향 중앙부의 온도 변화를 예시하는 도면이다.
도 7은 2차 냉각수량의 조작 전후에 있어서의 주편의 표면 온도의 온도 변화를 예시하는 도면이다.
도 8은 제약 조건의 충족 전후에 있어서의 주편의 표면 온도의 온도 변화를 예시하는 도면이다.
도 9는 제약 조건의 충족 전후에 있어서의 주편의 두께 방향 중앙부의 온도 변화를 예시하는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태인 응고 완료 위치 제어 장치의 구성 및 그의 동작에 대해서 설명한다.
[연속 주조기의 구성]
우선, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태인 응고 완료 위치 제어 장치가 적용되는 연속 주조기의 구성에 대해서 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태인 응고 완료 위치 제어 장치가 적용되는 연속 주조기의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태인 응고 완료 위치 제어 장치가 적용되는 연속 주조기(1)에서는, 용강(2)이 충족된 턴디시(tundish; 3)의 연직 방향 하방에 몰드(4)가 설치되고, 턴디시(3)의 저부(bottom portion)에 몰드(4)로의 용강 공급구가 되는 침지 노즐(immersion nozzle; 5)이 설치되어 있다. 몰드(4)의 연직 방향 하방에는, 서포트 롤(support roll; 6)이 설치되어 있다.
주편(S)의 주입 방향에는 2차 냉각대로서 복수의 냉각 존(7a∼13a, 7b∼13b)이 배치되어 있다. 각 냉각 존에는 복수의 스프레이용 또는 에어 미스트(air-mist) 스프레이용의 노즐이 배치되고, 각 노즐로부터 주편(S)의 표면에 2차 냉각수가 분무된다. 또한, 도 1에서는, 반기준면측(the opposite side of the base plane)(상면측)의 냉각 존에는 부호 a를 도시하고, 기준면측(the base plane)(하면측)의 냉각 존에는 부호 b를 도시하고 있다. 또한, 본 구성예에서는, 냉각 존은 합계 7개이지만, 실제의 연속 주조기에 있어서의 냉각 존의 수는 기장(length of the machine) 등에 따라서 여러 가지이다.
최종의 냉각 존(13a, 13b)의 입측의 근방에는, 주편(S)의 표면 온도를 측정하는 표면 온도계(14)가 배치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 최종의 냉각 존(13a, 13b)의 입측의 근방에 표면 온도계(14)를 배치했지만, 보다 상류측의 냉각 존 간에 표면 온도계(14)를 배치해도 좋다.
[응고 완료 위치 제어 장치의 구성]
다음으로, 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태인 응고 완료 위치 제어 장치의 구성에 대해서 설명한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 형태인 응고 완료 위치 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태인 응고 완료 위치 제어 장치(100)는, 워크 스테이션이나 퍼스널 컴퓨터 등의 정보 처리 장치에 의해 구성되어 있다. 응고 완료 위치 제어 장치(100)는, 정보 처리 장치 내부의 CPU 등의 연산 처리 장치가 제어 프로그램을 실행함으로써, 온도 산출부(101), 파라미터 보정부(102) 및, 응고 완료 위치 제어부(103)로서 기능한다. 이들 각 부의 기능에 대해서는 후술한다. 또한, 응고 완료 위치 제어 장치(100)에는, 표면 온도계(14) 및, 표시 장치나 인쇄 장치 등의 출력 장치(110)가 접속되어 있다.
[응고 상태 제어 처리]
이러한 구성을 갖는 응고 완료 위치 제어 장치(100)는, 이하에 나타내는 응고 상태 제어 처리를 실행함으로써, 교정부의 온도역(temperature range) 등의 조업상의 제약 조건을 충족시키면서 주편(S)의 응고 완료 위치를 수정한다. 이하, 도 3에 나타내는 플로우 차트를 참조하여, 이 응고 상태 제어 처리를 실행할 때의 응고 완료 위치 제어 장치(100)의 동작에 대해서 설명한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태인 응고 상태 제어 처리의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다. 도 3에 나타내는 플로우 차트는, 연속 주조기가 가동하여, 예를 들면, 표면 온도계(14)의 배치 위치를 주편(S)이 통과한 타이밍(timing)에서 개시가 되고, 응고 상태 제어 처리는 스텝 S1의 처리로 진행시킨다.
스텝 S1의 처리에서는, 온도 산출부(101)는, 표면 온도계(14)의 배치 위치에 있어서의 주편(S)의 표면 온도를 측정한다. 이에 따라, 스텝 S1의 처리는 완료되고, 응고 상태 제어 처리는 스텝 S2의 처리로 진행시킨다.
스텝 S2의 처리에서는, 온도 산출부(101)가, 2차 냉각 계산(전열 모델을 이용한 주편의 2차 냉각에 관한 전열 계산)에 의해, 표면 온도계(14)의 배치 위치에 있어서의 주편(S)의 표면 온도의 추정값을 산출한다. 구체적으로는, 연속 주조기에 있어서의 2차 냉각 계산은, 주입 방향에 단위 길이로 슬라이스된(sliced) 주편 단면을 생각하여, 이하에 나타내는 수식 (1)에 의해 나타나는 2차원 전열 방정식(quadratic heat transfer equation)을, 주편(S) 내의 장소에 따라서 수냉, 공냉, 미스트 냉각, 롤 발열 등의 여러 가지 상황에 있어서의 주편 표면의 경계 조건의 열유속(수식 (2)를 참조)을 부여하여 풀어냄으로써 실행된다. 또한, 2차 냉각 계산 자체에 대해서는, 본 발명의 출원 시점에서 공지(公知)이기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
또한, 몰드(4) 내에 있어서의 전열 계산에서는, hm을 응고 셸과 몰드 내벽과의 열전달 계수, T를 몰드 내에 있어서의 응고 셸의 표면 온도, Tm을 몰드 내벽 온도로서, 수식 (2)의 경계 조건을 이하에 나타내는 수식 (3)과 같이 변경한다. 또한, 수식 (1) 중의 c는 주편(S)의 비열(比熱), ρ는 주편(S)의 밀도, k는 주편(S)의 열전도율, T는 주편(S)의 표면 온도, x, y는 각각 주편(S)의 두께 방향 및 폭 방향의 위치를 나타내는 좌표값이다. 또한, 수식 (2) 중의 Q는 열유속, h는 2차 냉각대의 열전달 계수, T는 주편(S)의 표면 온도, Ta는 분위기 온도를 나타내고 있다. 스텝 S2의 처리에서는, 초기 파라미터로서 미리 부여된 h, hm, k를 이용하여 주편(S)의 표면 온도의 추정값을 산출한다. 이에 따라, 스텝 S2의 처리는 완료되고, 응고 상태 제어 처리는 스텝 S3의 처리로 진행시킨다.
Figure 112015014505522-pct00001
Figure 112015014505522-pct00002
Figure 112015014505522-pct00003
스텝 S3의 처리에서는, 파라미터 보정부(102)가, 스텝 S2의 처리에 의해 얻어진 표면 온도의 추정값이 측정값과 일치하도록, 수식 (1)에 포함되는 열전도율 k, 수식 (3)에 포함되는 몰드 내벽과 응고 셸과의 사이의 열전달 계수 hm 및, 수식 (2)에 포함되는 2차 냉각대의 열전달 계수 h 중 적어도 1개의 파라미터의 값을 보정한다.
본 실시 형태에서는, 전열 모델의 파라미터로서, 2차 냉각대의 열전달 계수 h를 보정하지만, 열전도율 k, 몰드 내벽과 응고 셸과의 사이의 열전달 계수 hm을 보정하는 경우도 동일하게 이하의 처리를 적용할 수 있다. 또한, 보정 후의 2차 냉각대에 있어서의 열전달 계수 h'는, 보정 계수 α를 이용하여 다음식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015014505522-pct00004
파라미터의 값을 보정함으로써, 초기 파라미터 설정시부터 일반적인 주조 조업 조건(예를 들면 주탕(注湯; poured)하는 용강 온도, 몰드 내의 냉각 조건, 주조품의 성분, 치수, 주조 온도, 주조 속도, 연속 주조기 내의 2차 냉각수의 설정 등)이나 강종이 변경된 경우나, 냉각 기기의 변경, 시간 경과에 따른 열화, 혹은 일시적인 고장이 있는 경우 등에도, 조업 상태의 변화에 대응한 정밀도가 높은 2차 냉각 계산을 할 수 있다. 이에 따라, 스텝 S3의 처리는 완료되고, 응고 상태 제어 처리는 스텝 S4의 처리로 진행시킨다.
스텝 S4의 처리에서는, 응고 완료 위치 제어부(103)가, 스텝 S3의 처리에 의해 파라미터가 보정된 전열 모델을 이용하여, 주편(S)의 내부 온도 및 표면 온도(주편 온도)의 추정값을 산출하고, 추정된 주편(S)의 두께 방향 중앙부의 온도와 고상선(solidus) 온도를 비교함으로써, 주편(S)의 응고 완료 위치를 추정한다.
구체적으로는, 주입 방향으로 단위 길이로 슬라이스된 주편 단면을 연속적으로 상정하고, 각 주편 단면에 있어서 2차 냉각 계산을 행함으로써, 주편(S)의 길이 방향(주입 방향)의 온도 변화를 산출할 수 있다. 즉, 주조 중에 주조 속도나 냉각수량이 변화하는 경우에도, 온라인으로 수냉 실적 데이터, 주조 속도, T/D 용강 온도 등의 조업 조건을 취입하여 리얼 타임으로 2차 냉각 계산을 행함으로써, 주편(S)의 길이 방향의 온도 변화를 산출할 수 있다. 산출된 각 주편 단면의 두께 방향 중앙부의 온도와 고상선 온도를 비교함으로써, 주편(S)의 응고 완료 위치 및 형상을 추정할 수 있다. 이에 따라, 스텝 S4의 처리는 완료되고, 응고 상태 제어 처리는 스텝 S5의 처리로 진행시킨다.
스텝 S5의 처리에서는, 응고 완료 위치 제어부(103)가, 스텝 S4의 처리에 의해 추정된 주편(S)의 응고 완료 위치의 추정 위치와, 미리 설정된 응고 완료 위치의 목표 위치와의 편차에 기초하여, 편차를 해소하도록 주편(S)의 2차 냉각수량의 조작량을 산출한다. 2차 냉각수량의 조작량을 산출할 때, 응고 완료 위치 제어부(103)는, 응고 완료 위치의 추정 위치와 응고 완료 위치의 목표 위치와의 편차에 대하여 비례 연산이나 비례 적분 연산 등의 공지의 수법을 적용한다. 이에 따라, 스텝 S5의 처리는 완료되고, 응고 상태 제어 처리는 스텝 S6의 처리로 진행시킨다.
또한, 2차 냉각대의 열전달 계수 h는, 2차 냉각수량 w의 함수로서, 다음식 (5)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015014505522-pct00005
여기에서, 상기식 (4)의 보정 계수 α는 열전달 계수 h(w)에 대해서 구해진 것이지만, 2차 냉각수량 w에 대하여 조작량 Δw를 부여한 후의 열전달 계수 h(w＋Δw)에 대하여 적용해도 정밀도상의 문제는 없다. 즉, 보정 전의 열전달 계수 h(w＋Δw)와 보정 후의 열전달 계수 h'(w＋Δw)와의 관계는, 상기식 (4) 및 식 (5)에 의해, 다음식 (6)과 같이 나타낼 수 있다. 따라서, 2차 냉각수량을 조작해도, 스텝 S3의 처리에서 보정된 2차 냉각대의 열전달 계수 h'를 재차 보정할 필요는 없다. 2차 냉각수량을 조작한 경우, h'(w)를 h'(w＋Δw)로 변경하는 것만으로 좋다.
Figure 112015014505522-pct00006
스텝 S6의 처리에서는, 응고 완료 위치 제어부(103)가, 스텝 S3의 처리에서 보정된 파라미터 h'에, 스텝 S5의 처리에서 산출된 조작량 Δw를 가산한 2차 냉각수량 (w＋Δw)를 대입한 파라미터 h'(w＋Δw)를 이용한 전열 모델을 이용하여, 주편(S)의 주편 온도(내부 온도 및 표면 온도)의 추정값을 산출하여, 응고 완료 위치를 추정한다. 이에 따라, 스텝 S6의 처리는 완료되고, 응고 상태 제어 처리는 스텝 S7의 처리로 진행시킨다.
스텝 S7의 처리에서는, 응고 완료 위치 제어부(103)가, 스텝 S6의 처리에서 산출된 주편 온도의 추정값이 조업상의 제약 조건을 충족하는지 아닌지를 판정한다. 여기에서, 응고 완료 위치 제어부(103)는, 조업상의 제약 조건으로서, 교정부에서의 주편 온도가 취화역(취화하는 온도 범위)에 걸려 있지 않은 것과, 응고 완료 위치의 추정 위치가 소정의 허용 범위를 갖는 목표 위치에 있는 것을 확인한다.
응고 완료 위치 제어부(103)는, 이들 제약 조건을 충족하고 있지 않다고 판정한 경우는, 응고 상태 제어 처리를 스텝 S5의 처리로 되돌린다. 즉, 응고 완료 위치 제어부(103)는, 2차 냉각수량의 조작량을 변경하여, 주편 온도를 추정하는 처리를, 제약 조건을 충족할 때까지 반복한다. 한편, 응고 완료 위치 제어부(103)는, 상기의 제약 조건을 충족한다고 판정한 경우는, 응고 상태 제어 처리를 스텝 S8의 처리로 진행시킨다.
스텝 S8의 처리에서는, 응고 완료 위치 제어부(103)는, 스텝 S5의 처리에서 산출된 냉각수량의 조작량 Δw를 당초의 냉각수량 w에 가산한 냉각수량 (w＋Δw)에 의한 2차 냉각을 제어한다. 이에 따라, 응고 완료 위치 제어부(103)는, 응고 완료 위치를 목표 위치로 수정하는 제어를 행한다. 이에 따라, 스텝 S8의 처리는 완료되고, 일련의 응고 상태 제어 처리는 종료된다.
이상의 설명으로부터 분명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태인 응고 상태 제어 처리에서는, 주편 온도와 응고 완료 위치를 고(高)정밀도로 추정하여, 교정부에서의 표면 온도에 관한 제약 조건을 충족하면서, 응고 완료 위치를 소정의 범위의 목표 위치가 되도록 제어할 수 있다. 따라서, 응고 완료 위치가 기단(end of the machine)이 되도록 제어하면, 연속 주조기의 설비 능력을 최대로 발휘시켜 제품의 고생산성을 유지할 수 있다. 또한, 응고 완료 위치를 경압하대가 되도록 제어하면, 중심 편석 등의 내부 품질의 열화를 방지하여 고품질의 제품을 생산할 수 있다.
[실시예]
도 4는, 표면 온도계(14)의 배치 위치에 있어서의 표면 온도의 측정값 및 파라미터의 보정 전후에 있어서의 주조 위치(몰드(4)로부터의 거리)에서의 표면 온도의 추정값의 변화를 나타내는 도면이다. 본 실시예에서는, 파라미터 중 2차 냉각대에 있어서의 열전달 계수 h를 보정했다. 도 4에 있어서, 선 L1은 주조 위치와 보정 전의 파라미터로 추정된 표면 온도와의 관계를 나타내고, 선 L2는, 주조 위치와 보정 후의 파라미터로 추정된 표면 온도와의 관계를 나타낸다. 또한, 점 P1에 나타내는 표면 온도계(14)의 배치 위치(주조 위치＝25m)에 있어서의 표면 온도의 측정값은 808℃였다. 이 위치에 있어서의 보정 전의 파라미터로 추정된 표면 온도는, 점 P2에 나타내는 바와 같이 836℃였다. 그래서, 2차 냉각대에 있어서의 열전달 계수 h를 5％ 증가시키는 보정을 행하여, 선 L2에 나타내는 표면 온도의 추정값을 표면 온도계(14)의 배치 위치(주조 위치＝25m)에 있어서 점 P1에 일치시켰다.
도 5는, 파라미터의 보정 전후에 있어서의 두께 방향 중앙부의 온도 변화를 나타내는 도면이다. 도 5에 있어서, 선 L3은 주조 위치와 보정 전의 파라미터로 추정된 두께 방향 중앙부의 온도와의 관계를 나타내고, 선 L4는, 주조 위치와 보정 후의 파라미터로 추정된 두께 방향 중앙부의 온도와의 관계를 나타낸다. 또한, 본 실시예의 강종의 고상선 온도는 1500℃인 점에서, 두께 방향 중앙부의 온도가 1500℃가 되는 주조 위치가 응고 완료 위치로 추정된다. 즉, 도 5에 점 P3에서 나타내는 바와 같이, 보정 전의 파라미터로 추정된 응고 완료 위치는, 주조 위치＝29.7m이고, 보정 후의 파라미터로 추정된 응고 완료 위치는, 점 P4에 나타내는 바와 같이, 주조 위치＝29.1m이었다.
다음으로, 도 6∼도 9를 참조하여, 2차 냉각수량의 조작량을 결정하는 순서를 예시한다. 또한, 본 실시예에서는, 추정되는 응고 완료 위치의 목표 위치와의 편차에 기초하여 2차 냉각에 의한 발열량의 변경량을 구한다. 발열량의 변경량은, 2차 냉각수의 조작량과 응고 완료 위치의 추정 위치의 변화와의 관계로부터 구할 수 있다.
도 6은, 2차 냉각수량의 조작 전후에 있어서의 두께 방향 중앙부의 온도 변화를 나타내는 도면이다. 도 6에 있어서, 선 L4는, 주조 위치와 조작 전의 상태에서 추정된 두께 방향 중앙부의 온도와의 관계를 나타내고, 선 L5는, 주조 위치와 조작 후의 상태에서 추정된 두께 방향 중앙부의 온도와의 관계를 나타낸다. 또한, 선 L4는 도 5의 선 L4와 동일하다.
도 7은 2차 냉각수량의 조작 전후에 있어서의 표면 온도의 온도 변화를 나타내는 도면이다. 도 7에 있어서, 선 L2는, 주조 위치와 조작 전의 상태에서 추정된 표면 온도와의 관계를 나타내고, 선 L6은, 주조 위치와 조작 후의 상태에서 추정된 표면 온도와의 관계를 나타낸다. 또한, 선 L2는 도 4의 선 L2와 동일하다.
도 8은, 제약 조건의 충족 전후에 있어서의 표면 온도의 온도 변화를 나타내는 도면이다. 도 8에 있어서, 선 L2는 도 7의 선 L2와 동일하고, 주조 위치와 2차 냉각수량의 조작 전 상태에서 추정된 표면 온도와의 관계를 나타낸다. 선 L6은, 주조 위치와 2차 냉각수량의 조작 후 상태에서 제약 조건 충족 전에 추정된 표면 온도와의 관계를 나타내고, 도 7의 선 L6과 동일하다. 선 L7은, 주조 위치와 2차 냉각수의 조작 후의 상태에서 제약 조건 충족 후에 추정된 표면 온도와의 관계를 나타낸다.
도 9는, 제약 조건의 충족 전후에 있어서의 두께 방향 중앙부의 온도 변화를 나타내는 도면이다. 도 9에 있어서, 선 L4는 도 6의 선 L4와 동일하고, 주조 위치와 2차 냉각수량의 조작 전 상태에서 추정된 표면 온도와의 관계를 나타낸다. 선 L5는 도 6의 선 L5와 동일하고, 주조 위치와 2차 냉각수량의 조작 후의 상태에서 제약 조건 충족 전에 추정된 표면 온도와의 관계를 나타낸다. 선 L8은, 주조 위치와 2차 냉각수량의 조작 후의 상태에서 제약 조건 충족 후에 추정된 표면 온도와의 관계를 나타낸다.
본 실시예의 강종의 응고 완료 위치의 목표값은 28.3m(허용 범위는 주조 위치＝28.3∼28.5m)인 점에서, 도 6에 나타내는 바와 같이, 추정되는 응고 완료 위치를 점 P4에서 점 P5(몰드(4)측으로 0.8m)로 변경하도록, 발열량을 현재의 값으로부터 7.5％ 증가시킨다. 이때, 도 7의 선 L6에 나타내는 바와 같이, 주편(S)을 다시 굽히는 교정부 R1(주조 위치＝15∼20m)에서 취화역(표면 온도≤700℃)에 걸린다. 그래서, 교정부 R1에서의 표면 온도가 취화역에 걸리지 않는다는 제약 조건을 충족하도록, 2차 냉각의 발열량의 현재의 값으로부터의 증가량을 5％로 변경한다. 그 경우, 도 8의 선 L7에 나타내는 바와 같이, 주편(S)의 표면 온도는 교정부 R1에서 취화역에 걸리지 않아, 제약 조건을 충족시킨다. 또한, 응고 완료 위치는, 도 9의 점 P8에 나타내는 바와 같이, 주조 위치＝28.5m로 추정되고, 응고 완료 위치의 목표 위치의 허용 범위를 주조 위치＝28.3m∼28.5m로 하는 제약 조건을 충족한다. 이상에 의해, 2차 냉각의 발열량의 현재의 값으로부터의 증가량을 5％로 변경함으로써, 제약 조건을 충족하여 응고 완료 위치를 목표 위치(의 허용 범위)로 제어할 수 있는 것이 확인되었다.
이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 적용한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 실시 형태에 의한 본 발명 개시의 일부를 이루는 기술 및 도면에 의해 본 발명이 한정되지는 않는다. 즉, 본 실시 형태에 기초하여 당업자 등에 의해 이루어지는 다른 실시 형태, 실시예 및, 운용 기술 등은 모두 본 발명의 범주에 포함된다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 응고 완료 위치 제어 방법 및 응고 완료 위치 제어 장치는, 연속 주조기에 있어서의 주편의 온도를 추정하여, 응고 완료 위치 등의 주편의 응고 상태를 제어하는 기술에 적합하다.
1 : 연속 주조기
2 : 용강
3 : 턴디시
4 : 몰드
5 : 침지 노즐
6 : 서포트 롤
7a∼13a, 7b∼13b : 냉각 존
14 : 표면 온도계
100 : 응고 완료 위치 제어 장치
101 : 온도 산출부
102 : 파라미터 보정부
103 : 응고 완료 위치 제어부
110 : 출력 장치
S : 주편

Claims (4)

  1. 연속 주조기에 있어서의 주편의 응고 완료 위치를 제어하는 응고 완료 위치 제어 방법으로서,
    연속 주조기 내의 주조 방향의 적어도 한 점에 있어서 주편의 표면 온도를 측정하는 온도 측정 스텝과,
    연속 주조기의 조업 조건을 이용한 전열 모델에 의해 상기 온도 측정 스텝에 있어서의 측정 개소(point)에서의 주편의 표면 온도를 추정하는 온도 추정 스텝과,
    상기 온도 측정 스텝에 있어서의 주편의 표면 온도의 측정값과 상기 온도 추정 스텝에 있어서의 주편의 표면 온도의 추정값이 일치하도록, 상기 전열 모델 내에 포함되는 열전도율, 몰드와 응고 셸과의 사이의 열전달 계수 및, 2차 냉각대의 열전달 계수 중의 적어도 1개의 파라미터를 보정하는 보정 스텝과,
    상기 보정 스텝에서 보정된 파라미터를 이용한 전열 모델에 의해, 주편의 표면 온도와 내부 온도를 포함하는 주편 온도를 추정하고, 추정된 주편의 내부 온도에 기초하여 연속 주조기 내에 있어서의 주편의 응고 완료 위치를 추정하는 응고 완료 위치 추정 스텝과,
    상기 응고 완료 위치 추정 스텝에서 구해진 응고 완료 위치 추정값과 미리 정해진 응고 완료 위치 목표값과의 편차로부터 2차 냉각수량의 조작량을 산출하는 조작량 산출 스텝과,
    상기 보정 스텝에서 보정된 파라미터 가운데 2차 냉각수량의 함수로 표현되는 파라미터에 상기 조작량 산출 스텝에서 산출된 조작량을 가산한 2차 냉각수량을 대입한 파라미터를 이용한 전열 모델에 의해, 연속 주조기 내의 주편 온도를 추정하고, 추정된 주편의 내부 온도에 기초하여 연속 주조기 내에 있어서의 주편의 응고 완료 위치를 추정하는 응고 상태 추정 스텝과,
    상기 응고 상태 추정 스텝에서 추정된 주편 온도와 응고 완료 위치가, 교정부에서의 주편 온도가 취화 온도 범위에 걸려있지 않은 것, 및 응고 완료 위치가 소정의 허용 범위 내의 목표 위치에 있는 것으로 이루어지는 제약 조건을 충족하는지 아닌지를 판정하는 판정 스텝과,
    상기 판정 스텝에 있어서 상기 제약 조건이 충족되는 경우에, 상기 조작량 산출 스텝에서 산출된 조작량에 기초하여 2차 냉각을 제어하는 조작 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 응고 완료 위치 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판정 스텝에 있어서 상기 제약 조건이 충족되지 않은 경우에, 당해 제약 조건이 충족될 때까지, 상기 조작량 산출 스텝과, 응고 상태 추정 스텝과, 판정 스텝을 반복하는 것을 특징으로 하는 응고 완료 위치 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 판정 스텝에 있어서의 제약 조건은, 응고 완료 위치의 허용 범위 및 교정부의 온도 범위인 것을 특징으로 하는 응고 완료 위치 제어 방법.
  4. 연속 주조기에 있어서의 주편의 응고 완료 위치를 제어하는 응고 완료 위치 제어 장치로서,
    연속 주조기 내의 주조 방향의 적어도 한 점에 있어서 주편의 표면 온도를 측정하는 온도 측정 수단과,
    연속 주조기의 조업 조건을 이용한 전열 모델에 의해 상기 온도 측정 수단에 의한 측정 개소에서의 주편의 표면 온도를 추정하는 온도 추정 수단과,
    상기 온도 측정 수단에 의한 주편의 표면 온도의 측정값과 상기 온도 추정 수단에 의한 주편의 표면 온도의 추정값이 일치하도록, 상기 전열 모델 내에 포함되는 열전도율, 몰드와 응고 셸과의 사이의 열전달 계수 및, 2차 냉각대의 열전달 계수 중의 적어도 1개의 파라미터를 보정하는 보정 수단과,
    상기 보정 수단에 의해 보정된 파라미터를 이용한 전열 모델에 의해, 주편의 표면 온도와 내부 온도를 포함하는 주편 온도를 추정하고, 추정된 주편의 내부 온도에 기초하여 연속 주조기 내에 있어서의 주편의 응고 완료 위치를 추정하는 응고 완료 위치 추정 수단과,
    상기 응고 완료 위치 추정 수단에 의해 구해진 응고 완료 위치 추정값과 미리 정해진 응고 완료 위치 목표값과의 편차로부터 2차 냉각수량의 조작량을 산출하는 조작량 산출 수단과,
    상기 보정 수단에 의해 보정된 파라미터 가운데 2차 냉각수량의 함수로 표현되는 파라미터에 상기 조작량 산출 수단에 의해 산출된 조작량을 가산한 2차 냉각수량을 대입한 파라미터를 이용한 전열 모델에 의해, 연속 주조기 내의 주편 온도를 추정하고, 추정된 주편의 내부 온도에 기초하여 연속 주조기 내에 있어서의 주편의 응고 완료 위치를 추정하는 응고 상태 추정 수단과,
    상기 응고 상태 추정 수단에 의해 추정된 주편 온도와 응고 완료 위치가, 교정부에서의 주편 온도가 취화 온도 범위에 걸려있지 않은 것, 및 응고 완료 위치가 소정의 허용 범위 내의 목표 위치에 있는 것으로 이루어지는 제약 조건을 충족하는지 아닌지를 판정하는 판정 수단과,
    상기 판정 수단에 의해 상기 제약 조건을 충족한다고 판정된 경우에, 상기 조작량 산출 수단에 의해 산출된 조작량에 기초하여 2차 냉각을 제어하는 조작 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 응고 완료 위치 제어 장치.
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