JP5884177B2 - 連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定方法及び凝固完了位置推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造設備で鋳造される連続鋳造鋳片の凝固完了位置を推定する凝固完了位置推定方法及び凝固完了位置推定装置に関する。

鋼の連続鋳造においては、連続鋳造鋳片の凝固完了位置が鋳片のどの位置にあるかを判定することが、極めて重要である。凝固完了位置を検知することが、鋳片の生産性や品質の向上に大きく貢献するためである。
例えば、生産性を向上させるために鋳造速度を上昇させると、凝固完了位置は鋳片の鋳造方向下流側に移動する。このとき、凝固完了位置が鋳片支持ロールの範囲を超えてしまうと、鋳片が静鉄圧の作用によって膨らみ（以下、「バルジング」と記す）、内質の悪化や巨大バルジングの場合には鋳造停止といった問題が発生する。従って、凝固完了位置が明確に分からない場合には、鋳造速度をむやみに増速することはできない。

連続鋳造鋳片の凝固完了位置を算出する方法としては、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、連続鋳造鋳片の表面温度実測値を用い、伝熱計算モデルにより凝固完了位置を算出するものである。
また、別の方法として、例えば特許文献２に記載の技術がある。この技術は、超音波センサーを用いて、液相厚の違いによる超音波伝播時間の差から鋳片内部の液相厚／固相厚を測定することで、凝固完了位置を検出するものである。

特開昭６０−５４２５７号公報 特開２０１０−５７００号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術にあっては、連続鋳造鋳片の表面温度しか使用していないため、凝固完了位置を精度良く算出することができない。また、上記特許文献２に記載の技術にあっては、超音波センサーを高温鋳片に近接させる必要があり、当該センサーの耐久性やメンテナンス性に問題がある。
そこで、本発明は、耐久性に長けた構成で、連続鋳造鋳片の凝固点完了位置を精度良く推定することができる連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定方法及び凝固完了位置推定装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定方法の一態様は、連続鋳造機で鋳造する鋳片の、前記連続鋳造機のモールド内の溶鋼の湯面から完全凝固した位置までの距離である凝固完了位置を推定する連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定方法であって、連続鋳造機出側の切断機で切断された直後の前記鋳片の断面温度を非接触で直接測定し、測定した断面温度に基づいて、前記断面温度が高いほど、前記鋳片の前記凝固完了位置が鋳造方向下流側に位置することを利用して、前記鋳片の前記凝固完了位置を推定し、推定された前記凝固完了位置が前記連続鋳造機の鋳片支持ロールの範囲を超えるか否かを判断することを特徴としている。

このように、直接測定した鋳片断面温度を使用して凝固完了位置を推定するので、精度良く凝固完了位置を推定することができる。また、鋳片断面温度を非接触で測定可能であるため、鋳片との離隔距離を確保することができ、温度を検出するセンサーの耐久性、保全性に長けている。
また、上記において、二次元放射温度計を用いて、前記断面温度の分布を非接触で直接測定することを特徴としている。

このように、二次元放射温度計を用いることで、鋳片断面の温度分布を測定することができる。連続鋳造鋳片は、モールドとの接触や冷却水の吹き付け等により、表面から冷却されて形成されるため、鋳片の表面部と中心部とでは切断機による切断直後で温度が異なる。そのため、鋳片断面の温度分布を測定することで、凝固完了位置の推定に用いる温度を適切に取得することができる。

さらに、上記において、前記断面温度の分布に基づいて断面温度のピーク温度を算出し、当該ピーク温度に基づいて、前記鋳片の凝固完了位置を推定することを特徴としている。
このように、断面ピーク温度が高いほど、鋳片の凝固完了位置が鋳造方向下流側に位置することを利用して、断面ピーク温度に基づいて鋳片の凝固完了位置を推定する。したがって、適切に鋳片の凝固完了位置を推定することができる。

また、上記において、前記断面温度の分布に対してノイズ除去処理及び平滑化処理を行った後、前記ピーク温度を算出することを特徴としている。
このように、ノイズ除去と平滑化を行うので、精度良く断面ピーク温度を算出することができる。
さらにまた、前記ピーク温度が所定温度以上であるとき、未凝固抜け異常が発生する可能性があると判断することを特徴としている。

このように、ピーク温度が所定温度以上である場合には、凝固完了位置が目標とする凝固完了位置よりも鋳造方向下流側であり、未凝固抜け異常が発生する可能性があると判断し、警報を発したり鋳造速度を遅くしたりするなどの異常時処理を行うことができる。したがって、確実に未凝固抜け異常を回避することができる。
また、本発明に係る連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定装置の一態様は、連続鋳造機で鋳造する鋳片の、前記連続鋳造機のモールド内の溶鋼の湯面から完全凝固した位置までの距離である凝固完了位置を推定する連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定装置であって、前記連続鋳造機外に配置され、連続鋳造機出側の切断機で切断された直後の前記鋳片の断面温度を非接触で直接測定する温度測定手段と、前記温度測定手段で測定した断面温度に基づいて、前記断面温度が高いほど、前記鋳片の前記凝固完了位置が鋳造方向下流側に位置することを利用して、前記鋳片の前記凝固完了位置を推定し、推定された前記凝固完了位置が前記連続鋳造機の鋳片支持ロールの範囲を超えるか否かを判断する凝固完了位置推定手段と、を備えることを特徴としている。

このように、鋳片断面温度を直接測定するので、精度良く凝固完了位置を推定することができる。また、鋳片断面温度を非接触で測定するので、温度を検出するセンサーの耐久性の問題を解消することができる。

本発明によれば、直接測定した鋳片断面温度を使用することで、凝固完了位置の推定精度を向上させることができる。また、鋳片断面温度を非接触で測定可能であるため、鋳片との離隔距離を確保することができ、温度を検出するセンサーの耐久性やメンテナンス性を向上させることができる。

本実施形態における連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定装置が設置された連続鋳造設備の側面図である。 断面ピーク温度Ｔｐと凝固完了位置Ｐとの関係を示す図である。 凝固完了位置推定処理手順を示すフローチャートである。 平滑化処理を説明する図である。 ピーク温度Ｔｐの算出方法を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態における連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定装置が設置された連続鋳造設備の側面図である。
図中、符号１は連続鋳造機本体である。連続鋳造機１は、溶鋼が注入されるモールド２と、複数（ここでは１９台）のセグメント３とを備える。ここで、各セグメント３は、特に図示しないが複数のガイドロールで構成されている。モールド２内へ注入された溶鋼は、モールド２の側面より冷却されることで、表面から凝固してシェルを形成し、上記ガイドレールに支持されつつ下方に引き抜かれて鋳片４となる。そして、連続的に抽出された鋳片４は、連続鋳造機１出側に配置されたトーチカー（切断機）５によって所定長に切断される。

連続鋳造機１外には、非接触で温度分布が測定可能な二次元放射温度計１１が設置されている。この二次元放射温度計１１は、トーチカー５で切断された直後の鋳片４の断面温度（スラブ断面温度）の分布を測定し、測定したスラブ断面温度分布を信号処理部１２に出力する。
信号処理部１２は、二次元放射温度計１１で測定したスラブ断面温度分布を用いて、鋳片４の凝固完了位置Ｐを推定する。

図２は、スラブ断面内のピーク温度（断面ピーク温度）Ｔｐと凝固完了位置Ｐとの関係を示す図である。この図２において、縦軸は断面ピーク温度Ｔｐ［℃］、横軸は凝固完了位置Ｐ［ｍ］である。ここで、断面ピーク温度Ｔｐは、スラブ断面を細分化し区分毎に算出した平均温度の最高値であり、凝固完了位置Ｐは、モールド内の溶鋼の湯面から完全凝固した位置までの距離である。

このように、測定した断面ピーク温度Ｔｐと計算上の凝固完了位置Ｐとの関係を調査したところ、直線αで示すように、ほぼ線形の関係があることがわかった。すなわち、凝固完了位置Ｐが機端に近いほど、断面ピーク温度Ｔｐは高い傾向にある。
また、鋳片４が連続鋳造機１を抜けてからトーチカー５で切断されるまで間の温度降下は一定である。したがって、トーチカー５での切断直後に測定した断面ピーク温度Ｔｐに基づいて、図２の直線αに示す関係を用いて凝固完了位置Ｐを推定することができることになる。

そこで、本実施形態では、二次元放射温度計１１で測定したスラブ断面温度分布から断面ピーク温度Ｔｐを算出し、算出した断面ピーク温度Ｔｐに基づいて凝固完了位置Ｐを推定するものとする。そして、未凝固抜けを未然に防止すべく、推定した凝固完了位置Ｐに基づいて未凝固抜けのおそれがあるか否かを判定し、未凝固抜けのおそれがあると判定した場合には所定の処置を行うようにする。

図２に示すように、凝固完了位置Ｐが機端位置Ｐｍａｘ（ここでは、４０．８［ｍ］）であるときの断面ピーク温度ＴｐはＴｐｍａｘである。ここから、断面ピーク温度ＴｐがＴｐｍａｘを超えると、未凝固部を含む鋳片４が連続鋳造機１から抽出されることがわかる。
したがって、機端位置Ｐｍａｘに対して安全側（例えば、３７［ｍ］の位置）に凝固完了目標位置Ｐ１を設定し、凝固完了位置が凝固完了目標位置Ｐ１であるときの断面ピーク温度Ｔｐ１を、未凝固抜け判定閾値として設定する。

そして、測定した断面ピーク温度Ｔｐが、未凝固抜け判定閾値Ｔｐ１を上回っている場合に、未凝固抜け異常のおそれがあると判定する。換言すると、測定した断面ピーク温度Ｔｐに基づいて凝固完了位置Ｐを推定し、推定した凝固完了位置Ｐが凝固完了目標位置Ｐ１よりも機端側にあると判定した場合に、未凝固抜け異常のおそれがあると判定する。
この判定結果は、異常時処理部１３に入力され、異常時処理部１３で当該判定結果に応じた処理が行われる。具体的には、異常時処理部１３は、信号処理部１２から未凝固抜け異常のおそれがあることを示す異常判定結果を入力したとき、警報を発したり鋳造速度を遅くしたり冷却強度を強めたりする異常時処理を行う。

なお、図１において、二次元放射温度計１１、信号処理部１２及異常時処理部１３で凝固完了位置推定装置を構成している。
図３は、信号処理部１２で実行する凝固完了位置推定処理手順を示すフローチャートである。
先ずステップＳ１で、信号処理部１２は、二次元放射温度計１１で測定した温度分布から、鋳片４の断面部分に対応する温度分布（スラブ断面温度分布）を抽出し、ステップＳ２に移行する。

ステップＳ２では、信号処理部１２は、スラブ断面温度分布に対してノイズを除去する処理を行う。スラブ断面の温度はスケールや水等の低温側のノイズが生じるため、ここでは、低温側のノイズを除去する処理を行う。
先ず、スラブ断面温度分布の幅（又は厚み）を画素毎に分割する。そして、固体であるスラブでは隣り合うプロットで温度が近いことを利用し、予め定めた区間内の測定点を相互に線分で結び、最も高い温度の線分を、ノイズを除去した温度とする。もしくは、予め定めた区間内の測定点の最大値と最小値との差の閾値を定めておき、最大値と最小値との差が閾値を超える場合には、最小値のデータを、上記差が閾値の範囲内となるような値で置き換える方法を用いて低温側のノイズを除去する。なお、ノイズ除去処理としては、低温側のノイズが除去可能な方法であれば、その他の方法を適用することもできる。

次にステップＳ３では、信号処理部１２は、ノイズ除去後のスラブ断面温度分布の平滑化処理を行う。ここでいう平滑化処理とは、隣り合う温度プロット間のスムージングを行う処理である。
ここでは、例えば、任意の区間（プロット：３〜１５点程度）において、Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌａｙ法に基づいた、２次多項式適合平滑化法を用いる。具体的には、端部から上記で定めた区間を１点ずつずらし、区間の中心点の温度平滑値を算出することで、図４（ａ）に示すように、両端部以外の全点について平滑化を行う。なお、この方法は結果的に各データの荷重平均として平滑された温度を算出するが、重みの算出方法に別の方法（距離に応じて変化するＧａｕｓｓ関数を使うなど）を適用することもできる。また、平滑化の方法としては、より高次の多項式を用いることも可能である。

この平滑化を幅方向、厚み方向の両方について行う。その結果、図４（ｂ）に示す平滑化処置前のスラブ断面温度分布は、平滑化処理後、図４（ｃ）に示すようになる。
次にステップＳ４で、信号処理部１２は、前記ステップＳ３で得られたスラブ断面温度分布から、スラブ断面内で最も温度が高い断面ピーク温度Ｔｐを算出し、ステップＳ５に移行する。ここでは、スラブ断面温度分布をメッシュ状に区分し、その１区分（画素数）当たりの平均温度をそれぞれ算出する。そして、最も高い平均温度値を断面ピーク温度Ｔｐとする。

ステップＳ５では、信号処理部１２は、前記ステップＳ４で算出した断面ピーク温度Ｔｐが、所定の判定閾値Ｔｐ１を上回っているか否かを判定する。そして、Ｔｐ＞Ｔｐ１である場合には、鋳片４の凝固完了位置Ｐが、凝固完了目標位置Ｐ１よりも機端側にあり、未凝固部を含む鋳片４が連続鋳造機１から抽出される可能性が高いと判断してステップＳ５に移行する。

ステップＳ５では、信号処理部１２は、未凝固抜け異常が発生するおそれがあることを示す異常判定結果を異常時処理部１３に出力してから、凝固完了位置推定処理を終了する。
一方、前記ステップＳ４でＴｐ≦Ｔｐ１であると判断した場合には、連続鋳造機１内部で確実に鋳片４が凝固すると判断して、そのまま凝固完了位置推定処理を終了する。

次に、本実施形態の動作について、具体的に説明する。
連続鋳造機１のモールド２内へ注入された溶鋼は、モールド２の側面より冷却されることで、モールド２と接触する部位に凝固部を形成する。周囲を凝固部とし、内部を未凝固の液相部とする鋳片４は、モールド２の下方に対向して配置された複数対のガイドロールに支持されつつモールド２の下方に引き抜かれる。ここで、鋳造方向に隣り合うガイドロールの間隙には、鋳片４の表面に向けて冷却水が吹き付けられる。このように、鋳片４は、冷却水で冷却されながら鋳造方向下流側に引き抜かれる。連続鋳造機１から抽出された鋳片４は、トーチカー５によって所定長に切断され、次工程へ搬送される。

凝固完了位置推定装置の二次元放射温度計１１は、トーチカー５によって切断された直後のスラブ断面温度を非接触で直接測定する。このとき二次元放射温度計１１によって取得した撮影画像（熱画像）は、例えば図５（ａ）に示すようになる。
信号処理部１２は、二次元放射温度計１１によって取得した撮影画像から、図５（ｂ）に示すように、鋳片４の断面部分に対応する断面画像を抽出する（図３のステップＳ１）。次に、抽出した断面画像についてノイズ除去処理と平滑化処理とを施した後（ステップＳ２，Ｓ３）、図５（ｃ）に示すようにメッシュ状に細分化する。そして、その１区分（画素数）当たりの平均温度のうち、最も高い温度を断面ピーク温度Ｔｐとして算出する（ステップＳ４）。

スラブ断面において測定温度がこの断面ピーク温度Ｔｐとなっている箇所は、スラブ中で最後に凝固した箇所（最終凝固位置）である。最終凝固位置の温度は、鋳片４の凝固完了位置Ｐが鋳造方向下流側であるほど高くなる。
上述したように、断面ピーク温度Ｔｐと凝固完了位置Ｐとの間には、図２の直線αに示す関係があるため、測定した断面ピーク温度Ｔｐに基づいて凝固完了位置Ｐを推定することができる。

このように、二次元放射温度計１１を用いることで、鋳片４の断面の温度分布を測定することができる。そのため、最終凝固位置の温度である断面ピーク温度Ｔｐを適切に測定することができる。その結果、断面ピーク温度Ｔｐに基づいて、鋳片４の凝固完了位置Ｐを適切に推定することができる。
また、このとき、スラブ断面温度を直接測定するので、断面ピーク温度Ｔｐを精度良く測定することができ、凝固完了位置Ｐを精度良く推定することができる。さらに、スラブ断面温度を非接触で測定するので、超音波センサー等を用いる場合のように、センサーを高温鋳片に近接させる必要がない。そのため、センサーの耐久性やメンテナンス性を向上させることができる。

さらに、測定したスラブ断面温度分布に対してノイズ除去処理及び平滑化処理を施してから断面ピーク温度Ｔｐを算出するので、断面ピーク温度Ｔｐをより精度良く算出することができ、高精度な凝固完了位置Ｐの推定が可能となる。
そして、信号処理部１２は、このようにして推定した凝固完了位置Ｐに基づいて、未凝固抜け異常のおそれがあるか否かを判定する。ここでは、断面ピーク温度Ｔｐと凝固完了位置Ｐとの間に図２の直線αに示す関係があることを利用し、断面ピーク温度Ｔｐが、凝固完了位置が凝固完了目標位置Ｐ１であるときの断面ピーク温度に相当する判定閾値Ｔｐ１を上回っている場合に、未凝固抜け異常のおそれがあると判断する。

例えば、凝固完了目標位置Ｐ１よりも鋳造方向上流側で凝固が完了している場合には、算出した断面ピーク温度Ｔｐが判定閾値Ｔｐ１以下となる（ステップＳ５でＮｏ）。したがって、この場合には、未凝固抜け異常のおそれはないと判断し、そのままの操業を継続する。
一方、凝固完了目標位置Ｐ１で凝固が完了していない場合には、断面ピーク温度Ｔｐが判定閾値Ｔｐ１を上回る（ステップＳ５でＹｅｓ）。したがって、この場合には、未凝固抜け異常のおそれがあると判断し、その判断結果を異常時処理部１３に出力する（ステップＳ６）。これにより、異常時処理部１３は、警報を発したり鋳造速度を遅くしたりするなどの異常時処理を行う。

このように、断面ピーク温度Ｔｐが判定閾値Ｔｐ１を上回っているときに、未凝固抜け異常が発生する可能性があると判断し、異常時処理を行うので、未凝固抜け異常を防止することができる。
また、このとき、機端位置Ｐｍａｘに対して安全側に設定した凝固完了目標位置Ｐ１で完全凝固となったときの断面ピーク温度Ｔｐ１を、未凝固抜けの判定閾値Ｔｐ１とする。凝固完了目標位置Ｐ１を適切に設定することで、生産性の向上と安全性の確保とを実現することができる。

１…連続鋳造機、２…モールド、３…セグメント、４…鋳片、５…トーチカー、１１…二次元放射温度計、１２…信号処理部

Claims (6)

1. 連続鋳造機で鋳造する鋳片の、前記連続鋳造機のモールド内の溶鋼の湯面から完全凝固した位置までの距離である凝固完了位置を推定する連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定方法であって、
   連続鋳造機出側の切断機で切断された直後の前記鋳片の断面温度を非接触で直接測定し、測定した断面温度に基づいて、前記断面温度が高いほど、前記鋳片の前記凝固完了位置が鋳造方向下流側に位置することを利用して、前記鋳片の前記凝固完了位置を推定し、推定された前記凝固完了位置が前記連続鋳造機の鋳片支持ロールの範囲を超えるか否かを判断することを特徴とする連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定方法。
2. 二次元放射温度計を用いて、前記断面温度の分布を非接触で直接測定することを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定方法。
3. 前記断面温度の分布に基づいて断面温度のピーク温度を算出し、当該ピーク温度に基づいて、前記鋳片の凝固完了位置を推定することを特徴とする請求項２に記載の連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定方法。
4. 前記断面温度の分布に対してノイズ除去処理及び平滑化処理を行った後、前記ピーク温度を算出することを特徴とする請求項３に記載の連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定方法。
5. 前記ピーク温度が所定の判定閾値を上回っているとき、未凝固抜け異常が発生する可能性があると判断することを特徴とする請求項３又は４に記載の連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定方法。
6. 連続鋳造機で鋳造する鋳片の、前記連続鋳造機のモールド内の溶鋼の湯面から完全凝固した位置までの距離である凝固完了位置を推定する連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定装置であって、
   前記連続鋳造機外に配置され、連続鋳造機出側の切断機で切断された直後の前記鋳片の断面温度を非接触で直接測定する温度測定手段と、
   前記温度測定手段で測定した断面温度に基づいて、前記断面温度が高いほど、前記鋳片の前記凝固完了位置が鋳造方向下流側に位置することを利用して、前記鋳片の前記凝固完了位置を推定し、推定された前記凝固完了位置が前記連続鋳造機の鋳片支持ロールの範囲を超えるか否かを判断する凝固完了位置推定手段と、を備えることを特徴とする連続鋳造鋳片の凝固完了位置推定装置。

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