(57)【要約】【課題】新たなセンサーを付けることなく、動的に溶鋼流速を推定し、推定した溶鋼流速に基づいて溶鋼流速を制御する、溶鋼流速推定方法および溶鋼流速制御方法を提供することを目的とする。【解決手段】連続鋳造機の鋳型内の溶鋼への移動磁場印加により変化する、溶鋼流速を推定する溶鋼流速推定方法であって、磁場発生コイルにかかる電流および／または電圧を計測し、磁場発生側と溶鋼側とを合わせた、電気的等価回路モデルに、オンラインパラメータ推定を行い、推定したパラメータから溶鋼流速を求める。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造機の鋳型内の溶鋼への移動磁場印加により変化する、溶鋼流速を推定する溶鋼流速推定方法であって、
磁場発生コイルにかかる電流および／または電圧を計測し、
磁場発生側と溶鋼側とを合わせた、電気的等価回路モデルに、オンラインパラメータ推定を行い、
推定したパラメータから溶鋼流速を求めることを特徴とする溶鋼流速推定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶鋼流速推定方法を用いて、
推定された流速と、予め設定された流速目標値との偏差を求めて、この偏差をなくすように、磁束を発生するコイルにかける電圧、電流、および周波数のいずれかまたはこれら組み合わせを調整することを特徴とする溶鋼流速制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続鋳造用鋳型内に注湯された溶鋼の流速を監視、或いは制御する技術に関し、特に浸漬ノズルから注入された溶鋼流に磁場を印加して適正化する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼の連続鋳造においては、鋳型内の溶鋼流動状態が、モールドパウダの巻き込みや非金属介在物の浮上阻害に影響を与えることが知られている。静磁場や移動磁場をかけることで、溶鋼の流動を制御する方法が従来から研究され、実際にも使用されている。この際重要となるのは、溶鋼流動状態あるいは溶鋼流速を検出することである。この溶鋼流速検知の方法はさまざまに検討されている。
【０００３】
従来からある最も簡単な流速の計測方法は、モールド内の溶鋼に浸漬したロッドに取り付けた応力ゲージを使用するものである。溶鋼の流れがロッドに対して発現する流体力学的作用力が応力ゲージで測定でき、この測定値から流速を推定することが可能である。
【０００４】
また例えば、特許文献１には、移動中の金属ベッドについて、磁石と導体である金属ベッドの移動との相互作用に基づく力を測定することにより、例えば移動速度を測定する非接触式のセンサーが開示されている。このセンサーを連続鋳型に適用することにより、鋳型内の溶鋼流速を、溶鋼と非接触下で測定できるとしている。
【０００５】
さらに、特許文献２には、溶鋼に移動磁場を与えるコイルの端子電圧と電流から流速を推定する方法が開示されている。ここでは、モールドの長辺側に配置されたインダクタ内の導体の電流・電圧が、溶鋼流速変化に伴う2次磁束変化の影響で変化することを利用した流速推定方法が述べられている。
【０００６】
なお、以下に上述の特許文献とともに、発明の開示で参照する非特許文献についても、あわせて記載する。
【特許文献１】特表２００２−５４０４１４号公報
【特許文献２】特表２００３−５００２１８号公報
【非特許文献１】杉本英彦ほか、ACサーボシステムの理論と設計の実際、p21-29、総合電子出版社
【非特許文献２】原島文雄ほか、モータ制御のしくみと考え方、p15-16、コロナ社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来からある最も簡単な流速の計測方法として挙げた「モールド内の溶鋼に浸漬したロッドに取り付けた応力ゲージを使用する方法」では、ロッドの溶損により不純物が溶鋼に混入するおそれがある上、常時使用するには溶損したロッドの交換など手間とコストがかかるという問題があり、非接触の方法が望まれている。
【０００８】
また、特許文献１に開示の技術では、高温の溶鋼流速を計測すると温度の揺らぎなどでセンサ特性が変わり、計測値に変動が生じたり、また、溶鋼流動制御に効果的な電磁ブレーキを用いると、流速センサー内の磁石が電磁ブレーキの磁場と干渉するため適用困難であるという問題があった。
【０００９】
さらに、特許文献２の具体的方法は、マックスウエルの方程式を近似的に解く方法であるが、磁場を与えるコイル側のモデルを考慮しない上、時間的に静的なモデルとなっている。このため、準定常な状態でのつりあい式と言える。しかしながら、流速が変化する過程は瞬時変化であり、磁場を与えるコイルを有する回路方程式の動的変化を捉える必要がある。また、ベクトルポテンシャルを用いているが、これを計測することは困難であり、現実的ではない。さらに、速度算定にはインダクタ内の導体間の電圧勾配の情報を必要とするが、このような値の計測は、現実には容易ではない。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、新たなセンサーを付けることなく、動的に溶鋼流速を推定し、推定した溶鋼流速に基づいて溶鋼流速を制御する、溶鋼流速推定方法および溶鋼流速制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１に係る発明は、連続鋳造機の鋳型内の溶鋼への移動磁場印加により変化する、溶鋼流速を推定する溶鋼流速推定方法であって、磁場発生コイルにかかる電流および／または電圧を計測し、磁場発生側と溶鋼側とを合わせた、電気的等価回路モデルに、オンラインパラメータ推定を行い、推定したパラメータから溶鋼流速を求めることを特徴とする溶鋼流速推定方法である。
【００１２】
また本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の溶鋼流速推定方法を用いて、推定された流速と、予め設定された流速目標値との偏差を求めて、この偏差をなくすように、磁束を発生するコイルにかける電圧、電流、および周波数のいずれかまたはこれら組み合わせを調整することを特徴とする溶鋼流速制御方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、溶鋼の流速変化を、電圧、電流の計測値と簡単な等価回路モデルを用いた上で、オンラインパラメータ推定をつかうことで流速を推定するようにしたので、新たなセンサーを付けることなく簡便に溶鋼流速を推定することができる。また、推定された流速に基づいて、溶鋼流速を制御するようにしたので、安定で高品質なスラブの生産が低コストで実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図1は、本発明に係る連続鋳造装置の縦断面を示す図である。図中、１は溶鋼、２はタンディッシュ、３は耐火物、４は鉄皮、５はスライディングノズル、６は固定プレート、７はスライディングプレート、８は浸漬ノズル、９は吐出口、１０は鋳型、１４は湯面センサー、１６はスライディングノズル開度制御装置、１７は湯面センサー、および１８は磁場発生装置をそれぞれ表す。
【００１５】
連続鋳造装置の鋳型１０の上部にタンディッシュ２が設けられ、図示しない取鍋から溶鋼１の供給を受けるようになっている。タンディッシュ２は、耐火物３で内張され、外側が鉄皮４で覆われている。スライディングノズル５がタンディッシュ２の底部に設けられている。スライディングノズル５は鉄皮４に固定された固定プレート６及びこれに対して摺動するスライディングプレート７を有しており、スライディングプレート７を摺動させることによりスライディングノズル５が開閉するようになっている。
【００１６】
浸漬ノズル８が、スライディングプレート７の下面に取り付けられている。浸漬ノズル８の下端部は、鋳型１０内の溶鋼１に浸漬され、その左右１対の吐出口９から溶鋼１が吐出するようになっている。
【００１７】
湯面センサー１４が、鋳型１０内の湯面に対面配置され、湯面の位置及びその変化が検出されるようになっている。湯面センサー１４は、スライディングノズル開度制御装置１６の監視入力側に接続されている。また、鋳型の両側の長辺面銅板の背後に、磁場発生装置１８が取付けられている。
【００１８】
このように、本発明は、長辺と短辺とを有する矩形状の鋳型内に、鋳型幅方向中央に設けられた浸漬ノズルを介して溶鋼を供給しながら、磁場の移動方向が前記長辺に沿う鋳型幅方向である移動磁場を鋳型内の溶鋼に印加して、鋳型内の溶鋼の流動を制御して鋳造する鋼の連続鋳造方法に適用される。
【００１９】
図２は、磁場発生装置１８を含む連続鋳造装置の水平断面を示す図である。磁場発生装置のコイル１９の配置の一例を示しており、たとえば、隣り合うコイルに120度づつ位相の異なる三相交流を順次接続することで、いわゆるリニアタイプの移動磁場を発生させるものである。なお、コイル配置に関しては、向きも含め様々なタイプがあり、図２に限定されるものではない。
【００２０】
図３は、溶鋼の流れと移動磁場の動きの例を示す図である。図中(a)は、移動磁場の移動方向を、浸漬ノズルから吐出する溶鋼流と反対の向きにした場合である。このとき、溶鋼は導電体であるので、溶鋼流と移動磁場の相対速度によって磁場を横切ることで誘導起電力が発生し、流れた電流によって、溶鋼流流速にブレーキをかける電磁力が発生する。
【００２１】
また、(b)のように移動磁場の移動方向を、浸漬ノズルから吐出する溶鋼流と同じ方向にかける場合には、溶鋼流よりも移動磁場の速度が速ければ、電磁力は加速力としてはたらき、遅ければブレーキとして働く。この場合も、移動磁場と溶鋼速度の相対速度によって磁場を横切る速度がきまり誘導起電力が発生し、流れた電流によって、電磁力が発生する。
【００２２】
移動磁場をかけるコイルの設置位置が、吐出流位置と離れている場合には、移動磁場が主体となって、磁場が溶鋼を横切り、溶鋼が移動磁場に遅れて追随して移動する場合もある。この場合は、誘導三相モータと同じ原理で、溶鋼の速度と移動磁場の速度の差が一定のすべりを満たす関係で、溶鋼が遅れて移動すると考えられる。移動磁場をモールド全体で旋回するように回転させた場合など（図４）に、このような現象が発生すると考えられる。この場合も結果的には、移動磁場と溶鋼速度の相対速度によって磁場を横切る速度がきまり誘導起電力が発生し、流れた電流によって、電磁力が発生するといえる。
【００２３】
以上説明したように、電磁力を溶鋼のブレーキや加速、あるいは溶鋼の旋回として使用した場合などいずれの場合も、発生する電磁力は移動磁場と溶鋼流れの相対速度で決定される。
【００２４】
一方、磁場発生コイル側からみると、電源周波数の速度で溶鋼側に磁束変化を与えることで、溶鋼側に渦電流を発生させ、その渦電流がつくる磁束の影響を受けることとなり、近似的には溶鋼側に二次コイルを含む閉回路があり、それが移動していると見ることが可能と考えられる。
【００２５】
換言すれば、一次側で磁界を作り、電磁誘導により二次側にエネルギーを伝えることから、変圧器として考えることができる。このとき、３相電源の１相分を取り出し、そこに含まれる電源、抵抗、コイルを磁場発生の簡易モデルとし、その磁場の影響を受ける溶鋼側をコイルと抵抗からなる閉回路とする一次近似モデルとして記述したのが、図５である。これは、誘導モータの１相分の等価回路と同じ構造である。
【００２６】
このときすべりｓを、以下の（１）式のように定義すると、図６のような一次側から換算した等価回路として記述できる。
【００２７】
【数１】
2008057990.tif 000003
【００２８】
図６で示した等価回路から明らかなように、負荷抵抗（1-s）/s×R2が、溶鋼流速vmを含むパラメータとなっており、溶鋼流速に変化が生ずると、この回路定数が変化することになる。従って、一次側の電圧v1と、流れる電流I1を計測することにより、その変化を捉えることが可能となる。
【００２９】
この説明では3相交流の１相分を用いた説明であるが、より正確には3相交流のすべてを用いる方法があり、３相誘導モータの速度推定の方法が利用できる。上述のように誘導モータの考え方を利用する。
【００３０】
図７は、巻き線形誘導モータの構造を説明する図である。一方、溶鋼の流動においては、これを直線状に伸ばした図８のような構造が、一組の三相交流の前にあると考えられる。これは、モールド長辺側の浸漬ノズルを挟んだ半分（全体の1/4面相当）とみることができる。
【００３１】
図７に示される誘導モータのモデルは、３相交流モデルで一旦記述される。しかし、制御系検討時などでは、２相交流モデルに変換した上で、回転座標変換したγ-δ座標系で記述した、以下の（２）式で表わされる誘導モータモデルでその動特性を検討する方法がよく用いられる（例えば、非特許文献１および２を参照）。
【００３２】
【数２】
2008057990.tif 000004
【００３３】
上記（２）式の関係式から、状態方程式を導くと以下の（３）式のようになる。
【００３４】
【数３】
2008057990.tif 000005
【００３５】
ただし、モデルパラメータは、それぞれ以下のように表わされる。
【００３６】
【数４】
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【００３７】
このモデルでは、モデル上の状態量を全電流、観測量を一次側（磁場発生装置側）の座標変換された電流、および操作量を一次側（磁場発生装置側）の座標変換された電圧としている。そして、またここでも、溶鋼速度に対応するωmが変化すると、モデルの係数（A行列の要素）が変化するモデルとなっている。
【００３８】
なお、一次側（磁場発生装置側）の回路定数L1およびR1は、装置定数としてあらかじめ決定できるが、２次側となる溶鋼側のモデル定数は、あらかじめ決定することができない。
【００３９】
そこで本発明では、入出力（電圧、電流）データからモデルパラメータを求める、モデル同定の問題を解くことで、これら未知のパラメータを決定するようにする。ただし、溶鋼流速は時々刻々変化する場合も想定されるので、速度を推定する問題は、入出力データからモデルパラメータを推定する適応同定問題とみなすこととする。
【００４０】
そして、逐次最小二乗法に基づくオンラインパラメータ推定法などの適応同定問題のさまざまな手法を利用することで、解法結果としての速度変化を含むパラメータを知ることができる。例えば、適応同定問題でのパラメータ推定精度をあげるため、入力電圧などの入力項に微小なランダム信号（例えば、M系列信号など）を混入させる手法を用いるようにするとよい。
【００４１】
また、より正確な速度を得るためには、モデル同定で求める（４）式のパラメータと観測位置の溶鋼流速を別の観測手段にてあらかじめ計測したうえで、２次側のコイル定数をあらかじめ求めておくことが有効である。これにより、推定溶鋼速度のキャリブレーションができ、このキャリブレーションの後は、キャリブレーション用の別の溶鋼流速計測手段をはずして、溶鋼流速の推定するようにするとより正確な速度推定ができる。
【００４２】
以上をまとめて、図９は、溶鋼流速の推定方法の処理フロー例を示す図である。すなわち、Step101では、磁束を発生するコイルにかかる電圧・電流データを計測する。
【００４３】
そして、Step102では、磁場発生側と磁場を印加される溶鋼側とを合わせた、電気的等価回路モデルを、３相交流モデルから２相交流モデルに変換した上で、回転座標変換しγ-δ座標系とし、Step101で計測した電圧・電流データを、γ-δ座標系の値に変換する。
【００４４】
次に、Step103では、モデルの未知パラメータを決定するために、逐次最小二乗法などのオンラインパラメータ推定を行う。そして最後に、Step104で、推定したパラメータから溶鋼流速を求める。
【００４５】
以上のように、溶鋼流動を制御する磁場発生装置の前にある溶鋼の流速変化を、電圧、電流の計測値と簡単な等価回路モデルを用いた上で、オンラインパラメータ推定をつかうことで流速を推定することが可能となる。
【００４６】
また、上記推定された流速と、予め別途設定された流速目標値との偏差を求めて、この偏差をなくすように、磁束を発生するコイルにかける電源電圧・電流・周波数などを調整すれば、所望の溶鋼流速を得ることが出来る。具体的には、操作量として、電源電圧・電流・周波数のいずれか決定した上で、PI制御などで操作量を算出し、インバータなどで構成される電源制御装置に与えれば容易に構成することが可能である。なお、推定流速から操作量の算出にあたっては、図９におけるStep102で示した変換計算の逆変換が必要である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る連続鋳造装置の縦断面を示す図である。
【図２】磁場発生装置を含む連続鋳造装置の水平断面を示す図である。
【図３】溶鋼の流れと移動磁場の動きの例を示す図である。
【図４】磁場の旋回による溶鋼の旋回の様子を模式的に示した図である。
【図５】１相分の等価回路例を示す図である。
【図６】一次側から換算した等価回路例を示す図である。
【図７】巻き線形誘導モータの構造を説明する図である。
【図８】リニア誘導モータモデルを示す図である。
【図９】溶鋼流速の推定方法の処理フロー例を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１          溶鋼
２          タンディッシュ
３          耐火物
４          鉄皮
５          スライディングノズル
６          固定プレート
７          スライディングプレート
８          浸漬ノズル
９          吐出口
１０          鋳型
１４          湯面センサー
１６          スライディングノズル開度制御装置
１７          湯面センサー
１８          磁場発生装置
１９          コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2008057990.tif 000010
【図５】
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【図６】
2008057990.tif 000012
【図７】
2008057990.tif 000013
【図８】
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【図９】
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