JP4725291B2

JP4725291B2 - 連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法及び連続鋳造鋳片の製造方法

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Publication number: JP4725291B2
Application number: JP2005315707A
Authority: JP
Inventors: 慶次飯島; 浩水野; 伸司富山; 泰二島崎
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-10-31
Also published as: JP2006263812A

Description

本発明は、連続鋳造機における鋳型内溶融金属の湯面レベルを制御する方法、並びに、この制御方法を利用した連続鋳造鋳片の製造方法に関し、詳しくは、定常鋳込み中のバルジング性湯面変動を効率的に低減することのできる鋳型内湯面レベル制御方法及びそれを利用した連続鋳造鋳片の製造方法に関するものである。

連続鋳造機において鋳型内の溶融金属の湯面レベルを制御することは、安定操業上のみならず、鋳片の品質確保上も極めて重要なことである。従来、この鋳型内湯面のレベル制御方法として、ＰＩ制御が多く用いられている。この場合の制御方法は、鋳型内溶融金属の湯面レベルを計測し、この計測値に基づきスライディングノズルなどの流量調整装置の開度をＰＩ制御によって調整し、鋳型から引き抜かれて行く溶融金属とタンディッシュから注入される溶融金属とのマスバランスを釣合わせるという方法である。

ところで、鋳型から引き抜かれた鋳片は、内部に未凝固層を有するままガイドロール、ピンチロールなどの鋳片支持ロールで支持されながら下方に引き抜かれ、やがて中心部までの凝固を完了する。内部を未凝固層とする鋳片の凝固シェルには、溶融金属の静圧がかかり、この静圧によって鋳片支持ロールの間では厚み方向への膨らみ（以下、「バルジング」と記す）が生じる。このバルジングにより、溶融金属はあたかも下流側に引き抜かれたと同様の挙動を示し、このバルジングが同一周期で且つ鋳片の鋳造方向の広い範囲で発生すると、鋳型内の湯面が比較的長周期で変動する、所謂バルジング性湯面変動が発生する。

このバルジング性湯面変動を防止するための湯面レベル制御装置として、本発明者等は先に特許文献１を提案した。この技術は、検出される湯面レベルと設定湯面レベルとの偏差信号から、特定周期の大きなバルジング性湯面変動を抽出し、且つその位相特性を所定の範囲で進ませて出力する特性を具備した外乱補償器を設置し、この外乱補償器から発信される位相を進めた信号をＰＩ制御に応用するという技術である。つまり、バルジング性湯面変動を予測し、それに応じてスライディングノズルなどの流量調整装置の開度を前もって、しかも周期的に増減させ、湯面レベルの変動を抑える技術である。
特開平１０−３１４９１１号公報

しかしながら、特許文献１では、湯面変動の周波数に応じて外乱補償器の設定周波数を変更すると提案しているが、設定周波数を変更する具体的な方法は開示していない。

通常、制御器や外乱補償器の設定周波数を変更する方法としては、複数の外乱補償器を用意しておき、周波数によって使用する外乱補償器を切り替える、或いは、外乱補償器を制御系から一旦切り離し、設定周波数を変更した後に再度つなぎ込むことなどが考えられている。但し、この場合には、外乱補償器の切り替え途中や外乱補償器を一旦切り離した際に、制御性能が悪化する恐れがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、外乱補償器を備えた湯面レベル制御装置を用いて外乱補償器の設定周波数を変更しながら鋳型内湯面レベルを制御するに当たり、複数の外乱補償器を周波数に応じて切り替えたり、外乱補償器を制御系から切り離したりすることをせず、外乱補償器の設定周波数を変更することを可能とする、連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法を提供すると同時に、この内湯面レベル制御方法を利用した連続鋳造鋳片の製造方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法は、連続鋳造機の鋳型内の湯面レベルを検出する湯面レベル計と、該湯面レベル計により検出される湯面レベルと予め設定した設定湯面レベルとに基づいてタンディッシュに設けられたスライディングノズルの開度指令を出力する制御装置と、前記湯面レベル計により検出される湯面レベルに基づいて或る特定の周波数帯の外乱を補償するための制御演算を行う外乱補償器と、を備えた鋳型内湯面レベル制御装置を用いて、鋳型内の湯面レベルを前記設定湯面レベルと一致するように制御する鋳型内湯面レベル制御方法において、前記外乱補償器は、設定周波数を変化させる部分と、設定周波数が固定された部分とが、分離された構造を有し、前記の設定周波数を変化させる部分の設定周波数を、鋳造速度または湯面レベルの変動周波数に基づいて変更することを特徴とするものである。

第２の発明に係る連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法は、第１の発明において、前記外乱補償器を、湯面レベル信号の位相を進めるフィルタで構成するか、或いは、湯面レベル信号の位相を進めるフィルタと、低周波のノイズをカットするハイパスフィルタと、高周波のノイズをカットするローパスフィルタと、で構成し、構成されたそれぞれのフィルタは、設定周波数を変化させる部分と、設定周波数が固定された部分とが、分離された構造を有し、それぞれのフィルタの設定周波数を変化させる部分の設定周波数を、鋳造速度または湯面レベルの変動周波数に基づいて変更することを特徴とするものである。

また、第３の発明に係る連続鋳造鋳片の製造方法は、第１または第２の発明に記載の連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法を用いて鋳型内の湯面レベルを制御しながらスラブ鋳片を製造することを特徴とするものである。

本発明によれば、鋳造速度或いは湯面変動の変動周波数に応じて外乱補償器の設定周波数を可変としたので、鋳造速度が変化した場合でも、１つの外乱補償器でバルジング性湯面変動に対処することが可能となり、その結果、複数の外乱補償器を周波数に応じて切り替えたり、外乱補償器を制御系から切り離したりする必要がなくなり、バルジング性湯面変動のない、極めて湯面変動の少ない状態を維持して鋳型内の湯面レベルを制御することが可能となる。

以下、本発明を溶鋼の連続鋳造に適用した場合を例として、添付図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態を示す図であって、本発明による鋳型内湯面レベル制御方法を実施したスラブ連続鋳造機の鋳型周辺部の側面概略図である。

図１において、スラブ連続鋳造機の鋳型２の上方所定位置にはタンディッシュ１が配置され、このタンディッシュ１の底部には、スライディングノズル３及び浸漬ノズル４が配置されており、タンディッシュ１に一旦滞留した溶鋼１０は、スライディングノズル３及び浸漬ノズル４を介して鋳型２へ注入されるようになっている。スライディングノズル３は、上部固定板３ａ、摺動板３ｂ及び下部固定板３ｃからなる３枚板構造であり、摺動板３ｂがアクチュエータ７と連結されており、摺動板３ｂが、アクチュエータ７によって上部固定板３ａ及び下部固定板３ｃと密着した状態のまま摺動することで、スライディングノズル３の開度が増減し、タンディッシュ１から鋳型２への溶鋼１０の流出量が制御されるようになっている。アクチュエータ７は、スライディングノズル３の開度を調整するためのＰＩ制御装置６から入力される信号によって作動する。一方、鋳型内溶鋼湯面の上方には、湯面レベル計５が配置されている。湯面レベル計５は鋳型２における溶鋼湯面の位置を計測する装置であり、湯面レベル計５の計測信号はＰＩ制御装置６に入力されている。鋳型内の溶鋼湯面には、保温剤、酸化防止剤、鋳型２との潤滑剤などの役割を担うモールドパウダー１１が添加されている。湯面レベル計５としては、例えば渦流式距離計などを利用することができる。

取鍋（図示せず）からタンディッシュ１に注入された溶鋼１０は、タンディッシュ１の底部に設置されたスライディングノズル３で定まる開度に応じて、浸漬ノズル４を経て鋳型２へ注入される。また、鋳型２へ注入された溶鋼１０は、鋳型２により冷却されて鋳型２との接触面で凝固して凝固シェル１２を形成し、外殻を凝固シェル１２とし内部を未凝固層とする鋳片はガイドロール及びピンチロール９に支持されながら、ピンチロール９によって鋳型２の下方へ引き抜かれる。この場合、鋳型２に注入される溶鋼量は、前述のように、スライディングノズル３の開度に応じて設定される。即ち、ＰＩ制御装置６から出力されるスライディングノズル３の開度指令により、アクチュエータ７はスライディングノズル３の開度を調整し、これよりタンディッシュ１からの溶鋼流入量が調整される。

ＰＩ制御装置６は、鋳型内溶鋼の湯面レベルを検出する湯面レベル計５から得られる湯面レベル検出信号と、予め設定されている湯面レベル設定値との偏差信号を連続的に入力し、この偏差信号に基づいて鋳型内溶鋼の湯面レベルが一定となるように、アクチュエータ７にスライディングノズル３の開度指令を出力する。

バルジング性湯面変動は、鋳片を支持するガイドロール及びピンチロール９（ガイドロールとピンチロール９をまとめて「鋳片支持ロール」と記す）の間で、鋳片の凝固シェル１２が引き抜き方向と垂直な方向にバルジングし、その量が変動して振動的になることにより、鋳型内溶鋼のマスバランスが崩れて発生するといわれている。また、変動の特徴として比較的長周期の周期性を有し、隣り合う鋳片支持ロールの間隔（「ロールピッチ」という）と、鋳造速度（＝鋳片引き抜き速度）とで定まる周期を有している。即ち、ロールピッチを鋳造速度で除算した値（ロールピッチ／鋳造速度）で定まる周期を有している。

本発明では、このバルジング性湯面変動を低減させるために、図１に示すように、外乱補償器８を設置する。外乱補償器８は、湯面レベル計５から得られる湯面レベル検出信号と設定湯面レベルとの偏差信号を入力し、この偏差信号から特定周期の大きなバルジング性湯面変動を抽出し、且つ、その位相特性を所定の範囲（例えば、４５度（°）から１３５度の範囲）で進ませて出力する特性を有している。そして、その信号を、アクチュエータ７に出力している。従って、アクチュエータ７は、ＰＩ制御装置６から入力される信号と、外乱補償器８から入力される信号によって作動する。

このため、外乱補償器８には、ノイズの多い湯面レベル信号からバルジング性湯面変動を抽出する機能と、抽出されたバルジング性湯面変動成分の位相を９０度程度進ませる機能と、の２つの機能が要求される。外乱補償器８の１例であるコントローラは、下記の（１）式の構造をしている。但し、（１）式において、ωは角周波数（ω＝２πｆ、但しｆ：周波数）、ζは減衰係数である。

設定周波数ｆを０．１２Ｈｚとしたときの、この周波数応答を図２に示す。図２の上段が周波数とゲインとの関係を示し、図２の下段が周波数と位相との関係を示している。周波数ｆが０．１２Ｈｚ付近で最もゲインが高くなり、且つ位相が９０度程度になる。

（１）式のωが制御対象の周波数を表しており、鋳造速度などが変わり、制御すべき周波数が変化した場合には、ωの値を変更した外乱補償器８を用意する必要がある。つまり、制御すべき周波数近傍で最もゲインが高くなり、且つ位相も９０度程度となるように、外乱補償器８の設定周波数を変更する必要がある。

この（１）式の特徴は、以下の３つの機能を持つフィルタを組み合わせたことにある。即ち、Ｋ₁ （ｓ）は、湯面レベル信号の角周波数ω付近の位相を９０度進めるフィルタで、擬似微分フィルタと呼ばれることもある。Ｋ₂（ｓ）は、ハイパスフィルタで、湯面レベル信号の低周波のノイズをカットする役割を担っている。Ｋ₃ （ｓ）は、ローパスフィルタで、湯面レベル信号の高周波のノイズをカットする役割がある。これらのフィルタを必要に応じて組み合わせて使用し、湯面レベルを制御する。例えば、Ｋ₁（ｓ）のみの場合でも、湯面制御が可能であるし、Ｋ₁ （ｓ）とＫ₂ （ｓ）との組み合わせ、或いは、Ｋ₁（ｓ）とＫ₃ （ｓ）との組み合わせでも湯面制御が可能である。

本発明では、これら３つのフィルタを組み合わせて外乱補償器８を構成し、このようにして構成した外乱補償器８の設定周波数を、鋳造速度を利用して変更する。以下にその方法を説明する。尚、バルジング発生時には、湯面変動の周波数ｆ（角速度ω）は、バルジング発生箇所のロールピッチＬと鋳造速度Ｖとから、例えば、ω＝２πｆ＝２πＬ／Ｖにより、求めることができる。

先ず、外乱補償器８を各機能に分割しないで、Ｋ₁ （ｓ）、Ｋ₂ （ｓ）、Ｋ₃ （ｓ）を組み合わせた構成の例を説明する。

前述した（１）式において、角周波数ωがΔω変化するとして、ω＝ω₀ ＋Δωとすると、（１）式は下記の（２）式で表される。

この伝達関数を、状態空間表現に変換すると、下記の（３）式及び（４）式が得られる。但し、Δω＜＜１であるとし、Δω² ＝０、Δω³ ＝０として近似を行った。

但し、（３）式及び（４）式において、Ａ₀ は下記の（５）式、Ｂ₀ は下記の（６）式、Ｃ₀は下記の（７）式、Ｄ₀ は下記の（８）式、Ａ'₀は下記の（９）式、Ｂ'₀は下記の（１０）式、Ｃ'₀は下記の（１１）式、Ｄ'₀は下記の（１２）式で表される。

（３）式及び（４）式を線形分数変換を用いて下記の（１３）式、（１４）式、（１５）式に変換する。

これらを図示すると、図３が得られる。尚、図３は、Ｋ₁ （ｓ）、Ｋ₂ （ｓ）、Ｋ₃ （ｓ）を組み合わせた外乱補償器８の構成図である。

また、この外乱補償器８において、周波数条件を０．０９Ｈｚ及び０．１５Ｈｚにしたときの周波数応答例を図４に示す。図４の上段が周波数とゲインとの関係を示し、図４の下段が周波数と位相との関係を示している。

このように、湯面変動の周波数が変わっても、外乱補償器８の周波数も連続的に変化して追従する。このため、複数の外乱補償器を切り替えたり、ＰＩ制御装置６との接続を切り離して周波数を変更した後、つなぎ直したりすることが不要となる。その結果、外乱補償器８の切り替え時の湯面変動の増大を未然に防止することができる。

図４によると、周波数が０．０９Ｈｚの場合と０．１５Ｈｚの場合とでゲインに差が生じている。これは、Δω² ＝０、Δω³ ＝０と近似したためである。そこで次に、外乱補償器８を３分割した例を用いて、周波数が変更になってもゲインの大きさが変わらないような外乱補償器８の構造を説明する。

前述した（１）式に示す外乱補償器８を、要素毎に下記の（１６）式、（１７）式、（１８）式に示す３つのフィルタに分割する。

（１６）式の伝達関数を状態空間に変換すると、下記の（１９）式及び（２０）式のようになる。

ここで、周波数ωがΔω変化するとして、ω及びω² をそれぞれ下記の（２１）式及び（２２）式で表示する。

ここで、例えば、ω₀ ＝２πｆ₀、ｆ₀ ＝０．１５Ｈｚ、Δω＝２πΔｆ、−０．０３＜Δｆ＜０．０３とすると、（１９）式及び（２０）式は以下の（２３）式及び（２４）式のように変換できる。

同様に、（１７）式のＫ₂ （ｓ）については、下記の（２５）式、（２６）式、（２７）式、（２８）式のように変換できる。

同様に、（１８）式のＫ₃ （ｓ）については、下記の（２９）式、（３０）式、（３１）式、（３２）式のように変換できる。

更に、（２３）式、（２４）式に線形分数変換を用いると、図５に示すパラメータ変動型に変換することができる。また、式で表すと、下記の（３３）式、（３４）式、（３５）式で表される。尚、Δωは２πΔｆで表される。

同様に、（２７）式と（２８）式、（３１）式と（３２）式も線形分数変換を用いてパラメータ変換型に変換することにより、図６に示す周波数でパラメータを可変にする補償器を構成することができる。また、式で表すと、下記の（３６）式、（３７）式、（３８）式、及び、下記の（３９）式、（４０）式、（４１）式で表される。

これらの処理を行うことにより、（１）式で示される外乱補償器８を周波数で変更することができるようになる。バルジング性湯面変動は、鋳片支持ロールのロールピッチと鋳造速度とで定まる周期を有しているので、鋳造速度に応じたバルジング性湯面変動の周波数と一致するように、周波数で構成される外乱補償器８の周波数を変更する。このようにすることで、鋳造速度が変化した場合でも、１つの外乱補償器８でバルジング性湯面変動に対処することができる。

図７に、変動周波数を０．０８Ｈｚ及び０．１５Ｈｚに変更したときの外乱補償器８の周波数応答を示す。図７において、実線が０．０８Ｈｚ、破線が０．１５Ｈｚの場合を示している。図７からも明らかなように、どちらの変動周波数に変更した場合でも、制御対象周波数で最もゲインが高くなり、位相も予定通りの９０度となっている。また、周波数に拘わらずゲインも一定となっている。

この制御方法を行った場合の鋳型内の湯面変動結果を図８に示す。この制御方法を用いることで、周期的なバルジング性湯面変動が大幅に低減され、効果的な湯面変動低減が行われていることが確認された。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図９は、本発明の第２の実施の形態を示す図であって、本発明による鋳型内湯面レベル制御方法を実施したスラブ連続鋳造機の鋳型周辺部の側面概略図である。

図９に示すように、本実施の形態において使用するスラブ連続鋳造機は、外乱補償器８に湯面レベルの変動周波数が入力されること以外は、図１に示す第１の実施の形態で使用したスラブ連続鋳造機と同一構成であり、同一の部分は同一符号により示し、その説明は省略する。即ち、本実施の形態においては、第１の実施の形態における鋳造速度の代わりに湯面レベルの変動周波数が外乱補償器８に入力される。

前述した（１）式で示される外乱補償器８は、第１の実施の形態と同様に、（１９）式〜（３２）式によって変換されており、周波数で変更することができるようになっている。そしてこの外乱補償器８に、湯面レベルの変動周波数として外乱の周波数を外部より与え、外乱補償器８の制御周波数を決定する。湯面レベルの変動周波数として入力する周波数は、湯面レベル検出信号の周波数解析、ピンチロール駆動電流の周波数解析、または、バルジング量を変位センサなどで直接計測し、これらから求めた周波数を湯面レベルの変動周波数として入力するなどすればよい。

更に、本発明では以下に示すＫ₁ （ｓ）とＫ₂ （ｓ）、Ｋ₃ （ｓ）との組み合わせによっても湯面変動の低減効果を得ることができる。Ｋ₁（ｓ）のみを使用する場合には、前述した図５の構成になり、Ｋ₁ （ｓ）とＫ₂ （ｓ）とを組み合わせた場合には、図１０の構成になり、Ｋ₁（ｓ）とＫ₃ （ｓ）とを組み合わせた場合には、図１１の構成になる。

これらＫ₁ （ｓ）とＫ₂ （ｓ）、Ｋ₃ （ｓ）とを組み合わせて使用する場合にも、制御すべき湯面変動の周波数に対応してＫ₁（ｓ）とＫ₂ （ｓ）、Ｋ₃ （ｓ）の構造が変わるので、外乱補償器８を入れ替えたりせずに制御を行うことができる。

第２の実施の形態でも、鋳造条件の変化に応じた適切な周波数を入力することで、第１の実施の形態と同様に鋳型内のバルジング性湯面変動を効率良く抑えることができる。

本発明の第１の実施の形態を示す図であって、本発明を実施したスラブ連続鋳造機の鋳型周辺部の側面概略図である。外乱補償器の周波数応答の例を示す図である。Ｋ₁ （ｓ）、Ｋ₂ （ｓ）、Ｋ₃ （ｓ）を組み合わせた外乱補償器の構成図である。図３に示す外乱補償器の周波数応答の例を示す図である。周波数可変型フィルタの構成を示す図である。周波数可変型フィルタの他の構成を示す図である。変動周波数を０．０８Ｈｚ及び０．１５Ｈｚに変更したときの外乱補償器の周波数応答を示す図である。本発明を行ったときの鋳型内の湯面変動を示す図である。本発明の第２の実施の形態を示す図であって、本発明を実施したスラブ連続鋳造機の鋳型周辺部の側面概略図である。Ｋ₁ （ｓ）とＫ₂ （ｓ）とを組み合わせた外乱補償器の構成図である。Ｋ₁ （ｓ）とＫ₃ （ｓ）とを組み合わせた外乱補償器の構成図である。

符号の説明

１タンディッシュ
２鋳型
３スライディングノズル
４浸漬ノズル
５湯面レベル計
６ＰＩ制御装置
７アクチュエータ
８外乱補償器
９ピンチロール
１０溶鋼
１１モールドパウダー
１２凝固シェル

Claims

連続鋳造機の鋳型内の湯面レベルを検出する湯面レベル計と、該湯面レベル計により検出される湯面レベルと予め設定した設定湯面レベルとに基づいてタンディッシュに設けられたスライディングノズルの開度指令を出力する制御装置と、前記湯面レベル計により検出される湯面レベルに基づいて或る特定の周波数帯の外乱を補償するための制御演算を行う外乱補償器と、を備えた鋳型内湯面レベル制御装置を用いて、鋳型内の湯面レベルを前記設定湯面レベルと一致するように制御する鋳型内湯面レベル制御方法において、前記外乱補償器は、設定周波数を変化させる部分と、設定周波数が固定された部分とが、分離された構造を有し、前記の設定周波数を変化させる部分の設定周波数を、鋳造速度または湯面レベルの変動周波数に基づいて変更することを特徴とする、連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法。
前記外乱補償器を、湯面レベル信号の位相を進めるフィルタで構成するか、或いは、湯面レベル信号の位相を進めるフィルタと、低周波のノイズをカットするハイパスフィルタと、高周波のノイズをカットするローパスフィルタと、で構成し、構成されたそれぞれのフィルタは、設定周波数を変化させる部分と、設定周波数が固定された部分とが、分離された構造を有し、それぞれのフィルタの設定周波数を変化させる部分の設定周波数を、鋳造速度または湯面レベルの変動周波数に基づいて変更することを特徴とする、請求項１に記載の連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法。
請求項１または請求項２に記載の連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御方法を用いて鋳型内の湯面レベルを制御しながらスラブ鋳片を製造することを特徴とする、連続鋳造鋳片の製造方法。