(57)【要約】【課題】鋳片断面温度を直接的に測定して鋳片の最終凝固位置、または最終凝固位置および形状を高精度で推定することができ、しかもセンサーの耐久性の問題が生じない連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定方法および装置、ならびにそれを用いた連続鋳造鋳片の製造方法を提供すること。【解決手段】連続鋳造設備の出側に設けられた切断機により切断された連続鋳造鋳片の断面温度を二次元放射温度計により測定し、測定した断面温度に基づいて連続鋳造鋳片の最終凝固位置を推定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造設備の出側に設けられた切断機により切断された連続鋳造鋳片の断面温度を二次元放射温度計により測定し、測定した断面温度に基づいて連続鋳造鋳片の最終凝固位置を推定することを特徴とする連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定方法。
【請求項２】
連続鋳造設備の出側に設けられた切断機により切断された連続鋳造鋳片の断面温度を二次元放射温度計により測定し、測定した断面温度に基づいて連続鋳造鋳片の最終凝固位置および連続鋳造鋳片の厚み方向の最終凝固形状を推定することを特徴とする連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定方法。
【請求項３】
二次元放射温度計の測定データから得られた断面温度分布画像をメッシュ状に分割し、その分割交点の温度が最も高い位置を最終凝固位置として判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定方法。
【請求項４】
二次元放射温度計の測定データから得られた断面温度分布画像をメッシュ状に分割し、ノイズ除去および二次元多項式適合平滑化を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定方法。
【請求項５】
二次元放射温度計により測定データから得られた断面温度分布画像をメッシュ状に分割し、その断面温度分布画像について、各幅方向位置の厚み方向の線分上で最も高温度のプロットを、厚み方向中央に対して座標表示することにより連続鋳造鋳片の厚み方向の最終凝固形状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最終凝固位置推定方法。
【請求項６】
連続鋳造設備の出側に設けられた切断機により切断された連続鋳造鋳片の断面温度を測定する二次元放射温度計と、
測定した断面温度に基づいて連続鋳造鋳片の最終凝固位置を演算する演算装置と
を有することを特徴とする連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定装置。
【請求項７】
連続鋳造設備の出側に設けられた切断機により切断された連続鋳造鋳片の断面温度を測定する二次元放射温度計と、
測定した断面温度に基づいて連続鋳造鋳片の最終凝固位置および連続鋳造鋳片の厚み方向の最終凝固形状を演算する演算装置と
を有することを特徴とする連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定装置。
【請求項８】
前記演算装置は、二次元放射温度計の測定データから得られた断面温度分布画像をメッシュ状に分割し、その分割交点の温度が最も高い位置を最終凝固位置として判定することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定装置。
【請求項９】
前記演算装置は、二次元放射温度計の測定データから得られた断面温度分布画像をメッシュ状に分割し、ノイズ除去および二次元多項式適合平滑化を行うことを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定装置。
【請求項１０】
前記演算装置は、二次元放射温度計により測定データから得られた断面温度分布画像をメッシュ状に分割し、その断面温度分布画像について、各幅方向位置の厚み方向の線分上で最も高温度のプロットを、厚み方向中央に対して座標表示することにより連続鋳造鋳片の厚み方向の最終凝固形状を推定することを特徴とする請求項７に記載の連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載した連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定方法で推定した最終凝固位置、または最終凝固位置および形状に基づき、鋳造条件を操作することを特徴とする連続鋳造鋳片の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼の連続鋳造設備において製造される連続鋳造鋳片の最終凝固位置を推定する方法および装置、ならびに連続鋳造鋳片の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
連続鋳造設備においては、上下が開放された水冷式の鋳型の上方から溶鋼を注入して凝固シェルを形成させ、内部が未凝固の鋳片が得られ、その鋳片が下方に引き抜かれる。この内部が未凝固の鋳片は、鋳型の下方に設けられた多数のロールによって案内されつつ下方に引き抜かれ、ロールの間に設けられた冷却水スプレーによって二次冷却されて鋳片中心部まで完全に凝固される。
【０００３】
このような連続鋳造設備において、連続鋳造された鋳片の最終凝固位置および形状は、鋳片の品質（延性／靭性）に影響を及ぼすため、鋳片の最終凝固位置および形状の把握は必須である。
【０００４】
従来、鋳片の最終凝固位置や形状を把握する技術としては、適宜の方法で鋳片表面温度を測定し、かつ伝熱計算モデルによる連続鋳造設備内の鋳片断面温度をシミュレーションすることにより鋳片の最終凝固位置や形状を推定する技術（例えば特許文献１、２）、あるいは超音波式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により鋳片の最終凝固位置や形状を推定する技術（例えば特許文献３）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−５４２５７号公報
【特許文献２】特開２０１２−１８７６３６号公報
【特許文献３】特開２０１０−５７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１、２等に記載された鋳片表面温度および伝熱計算モデルを用いて鋳片断面温度をシミュレーションする技術では、最終凝固位置は鋳片表面温度に基づく間接的な情報であること、また、モデル計算を用いるためモデル誤差／精度に依存すること、厚み方向の最終凝固形状は測定できない等の欠点がある。
【０００７】
また、上記特許文献３等に記載された超音波式センサーを用いる技術では、超音波式センサーを高温の鋳片に対して約５ｍｍの位置まで近接させる必要があり、超音波センサーの耐久性に問題がある。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、鋳片断面温度を直接的に測定して鋳片の最終凝固位置、または最終凝固位置および形状を高精度で推定することができ、しかもセンサーの耐久性の問題が生じない連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定方法および装置、ならびにそれを用いた連続鋳造鋳片の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、連続鋳造設備の出側に設けられた切断機により切断された連続鋳造鋳片の断面温度を二次元放射温度計により測定し、測定した断面温度に基づいて連続鋳造鋳片の最終凝固位置を推定することを特徴とする連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定方法を提供する。
【００１０】
本発明の第２の観点では、連続鋳造設備の出側に設けられた切断機により切断された連続鋳造鋳片の断面温度を二次元放射温度計により測定し、測定した断面温度に基づいて連続鋳造鋳片の最終凝固位置および連続鋳造鋳片の厚み方向の最終凝固形状を推定することを特徴とする連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定方法を提供する。
【００１１】
上記第１または第２の観点の連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定方法において、二次元放射温度計の測定データから得られた断面温度分布画像をメッシュ状に分割し、その分割交点の温度が最も高い位置を最終凝固位置として判定することができる。また、二次元放射温度計の測定データから得られた断面温度分布画像をメッシュ状に分割し、ノイズ除去および二次元多項式適合平滑化を行うことができる。
【００１２】
上記第２の観点の連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定方法において、二次元放射温度計により測定データから得られた断面温度分布画像をメッシュ状に分割し、その断面温度分布画像について、各幅方向位置の厚み方向の線分上で最も高温度のプロットを、厚み方向中央に対して座標表示することにより連続鋳造鋳片の厚み方向の最終凝固形状を推定することができる。
【００１３】
本発明の第３の観点では、連続鋳造設備の出側に設けられた切断機により切断された連続鋳造鋳片の断面温度を測定する二次元放射温度計と、測定した断面温度に基づいて連続鋳造鋳片の最終凝固位置を演算する演算装置とを有することを特徴とする連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定装置を提供する。
【００１４】
本発明の第４の観点では、連続鋳造設備の出側に設けられた切断機により切断された連続鋳造鋳片の断面温度を測定する二次元放射温度計と、測定した断面温度に基づいて連続鋳造鋳片の最終凝固位置および連続鋳造鋳片の厚み方向の最終凝固形状を演算する演算装置とを有することを特徴とする連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定装置を提供する。
【００１５】
上記第３または第４の連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定装置において、前記演算装置は、二次元放射温度計の測定データから得られた断面温度分布画像をメッシュ状に分割し、その分割交点の温度が最も高い位置を最終凝固位置として判定することができる。また、前記演算装置は、二次元放射温度計の測定データから得られた断面温度分布画像をメッシュ状に分割し、ノイズ除去および二次元多項式適合平滑化を行うことができる。
【００１６】
上記第４の観点の連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定装置において、前記演算装置は、二次元放射温度計により測定データから得られた断面温度分布画像をメッシュ状に分割し、その断面温度分布画像について、各幅方向位置の厚み方向の線分上で最も高温度のプロットを、厚み方向中央に対して座標表示することにより連続鋳造鋳片の厚み方向の最終凝固形状を推定することができる。
【００１７】
本発明の第５の観点では、第１または第２の観点の連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定方法で推定した最終凝固位置、または最終凝固位置および形状に基づき、鋳造条件を操作することを特徴とする連続鋳造鋳片の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、二次元放射温度計を用いるので切断後の鋳片断面温度を直接測定することができ、それに基づいて鋳片の最終凝固位置、または最終凝固位置および形状を高精度で推定することができる。また、連続鋳造設備内で鋳片断面温度を直接測定するので、実操業中、定常的に最終凝固位置および形状を推定することが可能で、その推定のための伝熱計算の精度を向上させるデータとしても活用可能である。また、連続鋳造鋳片の温度測定を行う二次元放射温度計は、測温対象である連続鋳造鋳片から離隔して設けることができるため、保全性／耐久性に優れている。さらに、二次元放射温度計により測定した鋳片断面温度に基づいて推定した最終凝固位置および形状を元に、鋳造条件を操作することにより、最終凝固位置および形状がどのように変化するかを把握することができ、これによって、中心偏析の少ない鋳片の製造条件を定めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定装置を搭載した鋼の連続鋳造設備を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定装置による最終凝固位置の推定方法を説明するための図である。
【図３】断面温度の平滑化を説明するための図である。
【図４】断面温度を平滑化する前および平滑化した後の断面温度分布画像を示す図である。
【図５】最終凝固形状の厚み方向推定方法および冷却バランス評価方法について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る連続鋳造鋳片の最終凝固位置推定装置を搭載した鋼の連続鋳造設備を示す模式図である。
【００２１】
図１に示すように、連続鋳造設備１は、取鍋（図示せず）からの溶鋼Ｌを一旦貯留する中間容器であるタンディッシュ２と、タンディッシュ２から溶鋼が供給されて溶鋼を凝固させる鋳型（モールド）３と、鋳型３の下方に設けられた複数のセグメント４と、鋳片を切断する切断機５と、鋳片の完全凝固位置を推定する最終凝固位置推定装置６とを有している。
【００２２】
鋳型３は水冷構造を有しており、鋳型３内に注入された溶鋼Ｌは鋳型３の壁部で冷却されて凝固シェル１１を形成し、内部が未凝固の鋳片１２が得られ、その鋳片１２が下方に引き抜かれる。
【００２３】
セグメント４は、鋳片１２を支持するように対向して設けられたサポートロール１３と冷却水をスプレーするスプレーノズル１４からなり、複数のセグメント４の対向するサポートロール１３の間に前段の湾曲部と後段の水平部を有する鋳片通路１５が形成される。サポートロール１３のうちいくつかは駆動ロールとなっており、鋳型３で形成された内部が未凝固の鋳片１２は、スプレーノズル１４から供給された冷却水により冷却されつつ駆動ロールによって連続的に引き抜かれ、その際に内部の未凝固部分が徐々に固化され、位置Ａで完全に凝固する。各セグメント４においては、スプレーノズル１４は鋳片通路１５の湾曲内側（内Ｒ側）および湾曲外側（外Ｒ側）に配置されており、鋳片１２の両側から冷却水がスプレーされるようになっている。なお、セグメント４の数は、連続鋳造設備１の長さに応じて適宜設定される。
【００２４】
切断機５はトーチカッターからなり、完全凝固した後の鋳片１２を切断するものである。切断機５で切断された鋳片１２は圧延工程へ搬送される。
【００２５】
最終凝固位置推定装置６は、切断後の鋳片１２の断面の温度を計測する二次元放射温度計２１と、二次元放射温度計２１が測定した鋳片断面の温度データを収集し、鋳片断面の温度分布画面を作成するとともに最終凝固位置および形状を演算するためのパーソナルコンピュータ２２とを有している。
【００２６】
このような連続鋳造設備１においては、タンディッシュ２から鋳型３へ溶鋼Ｌが連続的に供給されて凝固シェル１１が形成され、内部が未凝固の鋳片１２が下方へ引き抜かれる。鋳片１２は複数のセグメント４を経る間に冷却水により冷却されて未凝固部が徐々に固化され、位置Ａで完全に固化する。完全凝固した後の鋳片１２は切断機５により切断される。切断後の鋳片１２は、最終凝固位置推定装置６の二次元放射温度計２１によりその断面の温度を測定し、その温度データをパーソナルコンピュータ２２で収集・解析し、最終凝固位置および形状を演算し推定する。
【００２７】
次に、最終凝固位置推定装置６による最終凝固位置の推定方法を、図２を参照して説明する。まず、二次元放射温度計２１により測定されたデータから、パーソナルコンピュータ２２により鋳片断面部分を抽出し、図２（ａ）に示すような断面温度分布画像（撮影画面）を得る。その断面温度分布画像における断面温度を、後述するように、厚み方向／幅方向それぞれにおいて平滑化し、図２（ｂ）に示すように平滑化した画像をメッシュ状に分割し、その分割交点の温度が最も高い座標位置を最終凝固位置として判定する。
【００２８】
次に、断面温度の平滑化について図３を参照して説明する。
図３（ａ）に示すように、断面温度の平滑化は、厚み方向／幅方向それぞれにおいて(1)ノイズ除去、および、(2)二次多項式適合平滑化によって行われる。
【００２９】
(1)ノイズ除去
鋳片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、低温側のノイズを除去する。ここでは、図３（ｂ）に示すように、幅および厚みを画素毎に分割して温度をプロットする。固体である鋳片では隣り合うプロットは温度が近い。任意区間分のプロットを線分で結び、最も高い温度の線分をノイズ除去した温度とする。
【００３０】
(2)二次多項式適合平滑化
上記の方法でノイズ除去を行った後、隣り合う温度プロット間のスムージングを行うが、ここでは、任意の区間（プロット：５〜１５点分）において、Savitzky-Golay法に基づいた二次多項式適合平滑化を行う。これにより図３（ｃ）のように平滑化される。
【００３１】
Savitzky-Golay法は近似する対象プロットとその距離に応じて重みを付けて近似するため、固体である鋳片では隣り合うプロットは温度が近いという事実と合致する。
【００３２】
Savitzky-Golay法においては、平滑化重み係数を以下のように導出する。
最小二乗近似する二次曲線を次式のようにおく（一次および三次は奇関数であるため係数はゼロとなる）。
ａ＋ｂｘ２
生データをｙ（ｘ）とすると、生データと近似曲線との二乗和Ｓは、以下のように与えられる。
Ｓ＝Σ（ｙ−ａ−ｂｘ２）２
＝Σｙ２＋ｎ・ａ２＋ｂ２Σｘ４−２ａΣｙ−２ｂΣ（ｘ２ｙ）＋２ａｂΣｘ２
これを最小にするには（最小二乗近似するには）、
∂Ｓ／∂ａ＝２ｎａ−２Σｙ＋２ｂΣｘ２
＝０
∂Ｓ／∂ｂ＝２ｂΣｘ４−２Σ（ｘ２ｙ）＋２ａΣｘ２
＝０
したがって、
ｎａ−Σｙ＋ｂΣｘ２＝０                          （１）
ｂΣｘ４−Σ（ｘ２ｙ）＋ａΣｘ２＝０                （２）
ここで、中心点での二次式適合値は“ａ”であるため、“ａ”が平滑された結果となる。
そこで、（２）式より
ｂ＝（Σ（ｘ２ｙ）−ａΣｘ２）／Σｘ４
これを（１）式に代入すると
ｎａ−Σｙ＋Σｘ２（Σ（ｘ２ｙ）−ａΣｘ２）／Σｘ４＝０
ｎａΣｘ４−Σｘ４Σｙ＋Σｘ２（Σ（ｘ２ｙ）−ａΣｘ２）＝０
（ｎΣｘ４−（Σｘ２）２）ａ＝Σｘ４Σｙ−Σｘ２Σ（ｘ２ｙ）
ａ＝（Σｘ４Σｙ−Σｘ２Σ（ｘ２ｙ））／（ｎΣｘ４−（Σｘ２）２）
例えば、９点の演算では、ｎ＝９、Σｘ２＝６０、Σｘ４＝７０８であるから、
ａ＝（７０８×Σｙ−６０×Σ（ｘ２ｙ））／（９×７０８−６０２）
＝（５９×Σｙ−５×Σ（ｘ２ｙ）／２３１
＝（−２１×ｙ（−４）＋１４×ｙ（−３）＋３９×ｙ（−２）＋５４×ｙ（−１）＋５９×ｙ（０）＋５４×ｙ（１）＋３９×ｙ（２）＋１４×ｙ（３）−２１×ｙ（４）／２３１
すなわち、重み係数は、
−２１／２３１、１４／２３１、３９／２３１、５４／２３１、５９／２３１、５４／２３１、３９／２３１、１４／２３１、−２１／２３１
となる。
【００３３】
以上のように(1)ノイズ除去、および、(2)二次多項式適合平滑化を、幅方向/厚み方向に行って平滑化した断面温度分布を最終凝固位置を判定するための対象とした。平滑化前および平滑化後の断面温度分布画像を図４に示す。
【００３４】
次に、図５を参照して、最終凝固形状の厚み方向推定方法および冷却バランス評価方法について説明する。連続鋳造設備内では鋳片の外側から冷却されるため、鋳片内部が最終的な凝固位置となる。しかし内Ｒ側と外Ｒ側からの冷却がアンバランスな場合、最終凝固位置は完全な中央とならず最終凝固位置に偏りが発生する。つまり、冷却バランスが悪い場合、冷却効果の強い面では必要以上に冷却されているため、表面割れ等の品質異常の問題になり得る。過冷却を防止するためには、バランスの良い冷却が必要である。そこで、図５に示すように、二次元放射温度計の測定データから得られた断面温度分布画像（撮影画面）を平滑化し、メッシュ状に分割した断面温度分布画像から内Ｒ側と外Ｒ側の厚み方向の最終凝固形状を推定し、この最終凝固形状に基づいて冷却バランスを評価する。具体的には、メッシュ状に分割した断面温度分布画像について、鋳片断面の各幅方向位置における厚み方向の線分上で最も高温度のプロットを、厚み方向中央に対して座標表示し、この最も高温度のプロットの厚み中央からの距離を足し合わせて面積化し比率をとることで、内Ｒ側と外Ｒ側の厚み方向の最終凝固形状を推定することができ、この最終凝固形状から内Ｒ側と外Ｒ側のどちらの冷却が強いかを把握することができる。したがって、この比率を元に冷却条件を含めた操業条件（鋳造条件）改善に繋げることが可能である。
【００３５】
例えば、図５の例では、内Ｒ側の温度面積：外Ｒ側の温度面積＝８：７であり、この結果に基づいて、内Ｒ側および外Ｒ側の冷却を調整（例えば、外Ｒ側の冷却水量を８／７倍する）することにより、冷却条件を改善することができる。
【００３６】
なお、鋳片断面の最終凝固位置のみからでも冷却条件等の鋳造条件のアンバランスを把握することができ、最終凝固位置のみに基づいて鋳造条件を操作することによっても冷却条件を含めた操業条件（鋳造条件）改善を図ることができる。
【００３７】
以上のように、本実施形態によれば、二次元放射温度計２１を用いるので切断後の鋳片断面温度を直接測定することができ、それに基づいて鋳片の最終凝固位置、または最終凝固位置および形状を高精度で推定することができる。また、連続鋳造設備１内で鋳片断面温度を直接測定するので、実操業中、定常的に最終凝固位置および形状を推定することが可能で、伝熱計算の精度を向上させるデータとして活用可能である。また、鋳片１２の温度測定を行う二次元放射温度計２１は、測温対象である鋳片１２から離隔して設けることができるため、保全性／耐久性に優れている。さらに、鋳片断面の厚み方向の最終凝固形状を把握することができるので、冷却バランスを評価することができる。
【００３８】
また、二次元放射温度計２１により測定した鋳片断面温度に基づいて推定した最終凝固位置および形状を元に、鋳造条件（冷却条件、鋳造速度等）を操作（変更）することにより、最終凝固位置および形状がどのように変化するかを把握することができる。これによって、中心偏析の少ない鋳片の製造条件を定めることができる。
【００３９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、連続鋳造設備について垂直曲げ型のものを例示したが、これに限らず、全ての連続鋳造設備に適用可能である。また、断面温度から最終凝固位置および形状を求める手法や、断面温度の平滑化の手法も上記実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４０】
１  連続鋳造設備
２  タンディッシュ
３  鋳型（モールド）
４  セグメント
５  切断機
６  最終凝固位置推定装置
１１  凝固シェル
１２  鋳片
１３  サポートロール
１４  スプレーノズル
２１  二次元放射温度計
２２  パーソナルコンピュータ
Ｌ  溶鋼
【図１】
2014233734.tif 000003
【図２】
2014233734.tif 000004
【図３】
2014233734.tif 000005
【図４】
2014233734.tif 000006
【図５】
2014233734.tif 000007