JP5831145B2 - 連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造機のモールド内湯面レベルを制御する制御装置及び制御方法に関するもので、特に、鋳造速度加速時に発生するバルジング性湯面変動を、設備投資費用を上げることなく、より早い段階で抑制することが可能な連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置及び制御方法に関する。

一般に、連続鋳造機におけるモールド（鋳型）内の溶融金属（以下、溶鋼と称する）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重要なことである。

従来から、この種の連続鋳造機のモールド内湯面レベル制御としては、一般にＰＩ制御が多く用いられている。この場合、制御系は、凝固しつつモールドから引き抜かれていく溶鋼と、スライディングノズルの開度に依存してモールドに供給される溶鋼のマスバランスを平衡させることを目的として構成される。

モールド内の湯面変動は、このマスバランスの乱れを十分に補償できない時に発生し、主たる原因は、引抜流量変動によると考えられている。そして、この引抜流量変動の最も大きなものが、周期性の強いバルジング性湯面変動と称されるもので、引抜ピンチロールの間の鋳片の凝固シェルが振動することによって発生すると言われており、ピンチロールの引抜速度（鋳込み速度）とピンチロールの間隔とで決まる周波数を有することが知られている。

バルジング性湯面変動を低減する方法として、特許文献１では、湯面レベル信号から特定周波数のバルジング性湯面変動を抽出し、且つその位相を９０度進ませて出力する特性を有した外乱補償器からの出力信号を、ＰＩ制御器から出力される開度指令に加算して、最終的なスライディングノズルの開度指令とすることによって、バルジング性湯面変動を抑制するとしている。

この特許文献１に記載の方法では、バルジング性湯面変動が発生していることを判定し、その周波数を外乱補償器に設定する必要があるが、その具体的な方法は記述されていない。

また、特許文献２では、湯面レベル信号の測定時刻を測定時の鋳造速度によって補正した後、線形補間によるリサンプリングを行って周波数解析を行い、バルジング性湯面変動の周期であるバルジング周波数を検出するとなっている。

特開平１０−３１４９１１号公報 特開２００９−１６０６４７号公報

しかしながら、周波数解析による湯面変動周波数の検出は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）などの手法を使用したとしても計算負荷が大きいため、パソコン又は専用のマイコンなどを使用したシステムが前提となる。これは、シーケンサなど汎用工業機器のみで構成した場合に比べて、費用・信頼性の面で不利な特徴である。また、検知される周波数の精度を高めるためにサンプリング期間を長くとる必要があるため、周期性湯面変動発生から、実際に制御を開始して抑制効果を得られるまでの期間が長くなってしまう。

モールド湯面制御系のブロック線図を図１に示す。外乱補償器４２の伝達関数３は、次式で表わされる。

ここで、ζ、ωは、帯域通過フィルタの通過帯域の幅と中心周波数を決定するパラメータである。ζ、ωの値によって、フィルタの周波数特性は変化するため、帯域微分制御を入りにした場合の外乱から湯面レベルまでの周波数特性も、図２（ζ＝０．２、ω＝０．１の例）のように変化する。

この外乱補償器４２は、設定した周波数成分に関して、湯面レベル変動に対する外乱のゲインを低下させる効果を持つ。従って、湯面レベル変動を小さくするためには、外乱の周波数（バルジング周波数）を正確に知ることが重要となる。

バルジング周波数は、過去の湯面レベル信号をＦＦＴ解析することで求めることができるが、ＦＦＴ解析を行うには、繰り返し計算を含む複雑な計算処理が必要であり、汎用シーケンサに実装することが困難である。また、十分な期間のデータ及びサンプリング周期が必要である。即ち、データ点数が少ないとＦＦＴ解析の結果の周波数分解能が悪化してしまうため、正確にフィルタパラメータを設定することができなくなってしまう。逆に周波数分解能を上げるためには、サンプリング周波数を大きくするか、データ採取期間を長くする必要がある。サンプリング周波数を大きくするにはハードウエアの性能を上げる必要があるが、設備投資費用が上がってしまう。データ採取期間を長く取れば、それだけ過去長い時間のデータを使って解析を行うことになるため、湯面に非定常バルジングの影響が現れてから判定をするまでの時間が長くなってしまうという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、鋳造速度加速時に発生するバルジング性湯面変動を、設備投資費用を上げることなく、より早い段階で抑制できるようにすることを課題とする。

本発明は、連続鋳造機のモールド内の湯面レベルを制御する制御装置において、前記モールド内の湯面レベルを検出する湯面レベル計と、前記湯面レベル計により検出される湯面レベル信号に基づいて、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ＰＩ制御器と、前記ＰＩ制御器から出力される開度指令を入力し、前記スライディングノズルの開度を調整して、前記タンディッシュからの溶融金属流入量を調整するスライディングノズル制御器と、前記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バルジング性湯面変動を抽出し、且つその位相特性を９０度進ませて出力する特性を有した外乱補償器と、前記湯面レベル計により検出される湯面レベル信号及び鋳造速度を一定時間記録し、過去の湯面変動データに対し非定常バルジングの周波数ｆｉ周辺の周波数成分のみを通過させる帯域通過フィルタをかけ、得られたデータ系列の最大値と最小値の差を減算器で求めて評価値とすることで非定常バルジングが発生していることを判定し、前記外乱補償器を起動させる機能を有する外乱補償器制御装置と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。
ここで、ｆｉ＝ｖ／ａｉ（ｉ＝１,・・・,ｋ）
ｖ：鋳造速度［ｍ／ｓ］
ａｉ：ロールピッチ［ｍ］
ｋ：異なるロールピッチの数

本発明は、又、連続鋳造機のモールド内の湯面レベルを検出する湯面レベル計と、前記湯面レベル計により検出される湯面レベル信号に基づいて、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ＰＩ制御器と、前記ＰＩ制御器から出力される開度指令を入力し、前記スライディングノズルの開度を調整して、前記タンディッシュからの溶融金属流入量を調整するスライディングノズル制御器と、前記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バルジング性湯面変動を抽出し、且つその位相特性を９０度進ませて出力する特性を有した外乱補償器と、を備えた連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置を用いて、連続鋳造機のモールド内の湯面レベルを制御する際に、前記湯面レベル計により検出される湯面レベル信号及び鋳造速度を一定時間記録し、過去の湯面変動データにおける非定常バルジングの周波数ｆｉ周辺の周波数成分のみから得られたデータ系列の最大値と最小値の差を評価値とすることで非定常バルジングが発生していることを判定し、前記外乱補償器を起動させることを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法を提供するものである。
ここで、ｆｉ＝ｖ／ａｉ（ｉ＝１,・・・,ｋ）
ｖ：鋳造速度［ｍ／ｓ］
ａｉ：ロールピッチ［ｍ］
ｋ：異なるロールピッチの数

本発明により、鋳造速度加速時に発生するバルジング性湯面変動を、設備投資費用を上げることなく、より早い段階で抑制することができるため、湯面変動発生による鋳造速度減速等の操業アクションが不要になることで生産性向上に寄与することができる。また、操業解析を行う際の指標として、各ロールピッチに対応する非定常バルジングによる湯面変動量の振幅を得ることができる。

本発明の第１実施形態におけるモールド湯面制御系のブロック線図 外乱から湯面変動までの周波数特性の変化の一例を示す図 本発明の実施形態によるモールド内湯面レベル制御装置を適用した連続鋳造機のモールド周辺部の構成例の正面断面の概略図 本発明の第２実施形態におけるモールド湯面制御系のブロック線図

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図３は、本発明の実施形態によるモールド内湯面レベル制御装置を適用した連続鋳造機のモールド周辺部の構成例の正面断面の概略図である。

タンディッシュ２０内に満たされた溶鋼１０は、スライディングノズル２２及び浸漬ノズル２４を経て、モールド３０内に注入される。図において、１６はモールドパウダである。

モールド３０内へ注入された溶鋼１０は、モールド側面により冷却され、表面から凝固してシェル１２を形成しつつ、ピンチロール３２によって下方に引き抜かれて鋳片１４となる。このとき、引抜速度は、ほぼ一定に制御される。

モールド３０内に注入される溶鋼量は、スライディングノズル２２の開度により決定され、このスライディングノズル２２は、スライディングノズル制御器であるアクチュエータによって駆動される。

スライディングノズル開度は、モールド３０内に注入される溶鋼量と下方へ引き抜かれる量がバランスするように制御され、その制御は、モールド湯面レベルを検知する湯面レベル計３４から得られる信号と、湯面レベル設定値の偏差信号に基づいて、湯面レベルが一定になるように制御装置４０のＰＩ制御により、スライディングノズル開度設定値を変更することで実現される。

ここで、バルジング性湯面変動は、鋳片１４を引き抜くピンチロール３２の間で、鋳片１４が引抜方向と垂直な方向に膨らんだ状態で凝固し、膨らんだ部分が鋳片１４の引抜きに伴ってピンチロール３２により押し込まれることにより、モールド３０内の溶鋼１０のマスバランスが崩れて発生すると言われている。又、変動の特徴として、強い周期を有し、その周波数は、ピンチロール間隔と鋳造速度で定まる。

本実施形態においては、非定常バルジングの発生する原理に着目し、特許文献２のように周波数解析を行うのではなく、特定の周波数の変動が起きているかどうかのみを判定することとした。非定常バルジングの周期ｆは、その発生原理より、２次冷却帯のピンチロール３２のロールピッチをａ[ｍ]、鋳造速度をｖ[ｍ／ｓ]とすると、
ｆ＝ａ／ｖ …（２）
という関係が成り立つ。鋳造速度は、ピンチロール３２に取り付けたパイロットジェネレータＰＬＧ３６などで測定が可能である。

ロールピッチは鋳造機の設備によって決まり、一般的には複数の値（ｋ個とする）をとる。そこで、各ロールピッチをａｉとすると、発生しうる非定常バルジングの周波数は、
ｆｉ＝ｖ／ａｉ（ｉ＝１,・・・,ｋ） …（３）
となる。そこで、過去の湯面変動データに対し、図１に示す如く、ｆｉ周辺の周波数成分のみを通過させる帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）４６をかけ、得られたデータ系列の（最大値−最小値）即ち振幅を減算器４８で求めて評価値とする。この帯域通過フィルタ４６は、単純な四則計算を行うことで実現できる。このとき使用する湯面変動データと採取期間は、発生すると考えられる最も長い湯面変動周期
ｍａｘ（１／ｆｉ） （ｉ＝１,・・・,ｋ） …（４）
とすればよい。

本実施形態においては、非定常バルジングの発生を、所定周波数の湯面変動の発生により判定するようにしたので、簡単な構成で判定を行うことができる。

なお、図４に示す第２実施形態の如く、帯域通過フィルタ４６と減算器４８の代わりに波形比較器５０を設けて、周波数だけでなく波形を比較することによって、精度を高めることができる。

１０…溶鋼
１２…シェル
１４…鋳片
２０…タンディッシュ
２２…スライディングノズル
２４…浸漬ノズル
３０…モールド
３２…ピンチロール
３４…湯面レベル計
４０…制御装置
４２…外乱補償器
４６…帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）
４８…減算器
５０…波形比較器

Claims (2)

1. 連続鋳造機のモールド内の湯面レベルを制御する制御装置において、
   前記モールド内の湯面レベルを検出する湯面レベル計と、
   前記湯面レベル計により検出される湯面レベル信号に基づいて、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ＰＩ制御器と、
   前記ＰＩ制御器から出力される開度指令を入力し、前記スライディングノズルの開度を調整して、前記タンディッシュからの溶融金属流入量を調整するスライディングノズル制御器と、
   前記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バルジング性湯面変動を抽出し、且つその位相特性を９０度進ませて出力する特性を有した外乱補償器と、
   前記湯面レベル計により検出される湯面レベル信号及び鋳造速度を一定時間記録し、過去の湯面変動データに対し非定常バルジングの周波数ｆｉ周辺の周波数成分のみを通過させる帯域通過フィルタをかけ、得られたデータ系列の最大値と最小値の差を減算器で求めて評価値とすることで非定常バルジングが発生していることを判定し、前記外乱補償器を起動させる機能を有する外乱補償器制御装置と、
   を備えたことを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置。
   ここで、ｆｉ＝ｖ／ａｉ（ｉ＝１,・・・,ｋ）
   ｖ：鋳造速度［ｍ／ｓ］
   ａｉ：ロールピッチ［ｍ］
   ｋ：異なるロールピッチの数
2. 連続鋳造機のモールド内の湯面レベルを検出する湯面レベル計と、
   前記湯面レベル計により検出される湯面レベル信号に基づいて、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ＰＩ制御器と、
   前記ＰＩ制御器から出力される開度指令を入力し、前記スライディングノズルの開度を調整して、前記タンディッシュからの溶融金属流入量を調整するスライディングノズル制御器と、
   前記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バルジング性湯面変動を抽出し、且つその位相特性を９０度進ませて出力する特性を有した外乱補償器と、
   を備えた連続鋳造機モールド内湯面レベル制御装置を用いて、連続鋳造機のモールド内の湯面レベルを制御する際に、
   前記湯面レベル計により検出される湯面レベル信号及び鋳造速度を一定時間記録し、
   過去の湯面変動データにおける非定常バルジングの周波数ｆｉ周辺の周波数成分のみから得られたデータ系列の最大値と最小値の差を評価値とすることで非定常バルジングが発生していることを判定し、
   前記外乱補償器を起動させることを特徴とする連続鋳造機モールド内湯面レベル制御方法。
   ここで、ｆｉ＝ｖ／ａｉ（ｉ＝１,・・・,ｋ）
   ｖ：鋳造速度［ｍ／ｓ］
   ａｉ：ロールピッチ［ｍ］
   ｋ：異なるロールピッチの数

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