(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造鋳型内の偏流検知方法であって、
浸漬ノズルを挟んで対向する一対の鋳型辺それぞれの鋳造方向に配置、埋設された複数の温度検出手段の計測値を取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得した前記温度検出手段の計測値を用いて伝熱逆問題を解き、稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値を計算する計算ステップと、
前記計算ステップで計算した稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値に基づいて、湯面レベルを判定し、前記一対の鋳型辺の稼動面における湯面レベル差を求める湯面レベル差解析ステップとを有し、
前記湯面レベル差解析ステップでは、前記計算ステップで計算した稼動面における熱流束の鋳造方向と逆向きとなる湯面の法線方向の成分値が最大となる位置を湯面レベルと判定することを特徴とする連続鋳造鋳型内の偏流検知方法。
【請求項２】
請求項１に記載の連続鋳造鋳型内の偏流検知方法により求めた湯面レベル差が所定の値を超えたとき、鋳造速度を減少させることを特徴とする連続鋳造鋳型内の偏流制御方法。
【請求項３】
湯面レベル差が１０ｍｍを超えたとき、鋳造速度を１０％以上減少させることを特徴とする請求項２に記載の連続鋳造鋳型内の偏流制御方法。
【請求項４】
連続鋳造鋳型内の湯面変動検知方法であって、
前記連続鋳造鋳型の鋳造方向に配置、埋設された複数の温度検出手段の計測値を取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得した前記温度検出手段の計測値を用いて伝熱逆問題を解き、稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値を計算する計算ステップと、
前記計算ステップで計算した稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値に基づいて、湯面レベルを判定し、湯面変動速度を求める湯面変動解析ステップとを有し、
前記湯面変動解析ステップでは、前記計算ステップで計算した稼動面における熱流束の鋳造方向と逆向きとなる湯面の法線方向の成分値が最大となる位置を湯面レベルと判定することを特徴とする連続鋳造鋳型内の湯面変動検知方法。
【請求項５】
浸漬ノズルの中心から左右鋳型短辺までの鋳型長辺幅方向距離をそれぞれＷ／２とした場合に、鋳型長辺において、前記浸漬ノズルの中心から３Ｗ／８以内に前記温度検出手段を配置、埋設することを特徴とする請求項４に記載の連続鋳造鋳型内の湯面変動検知方法。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の連続鋳造鋳型内の湯面変動検知方法により求めた湯面変動速度が所定の値以上となったとき、鋳造速度を減少させることを特徴とする連続鋳造鋳型内の湯面変動制御方法。
【請求項７】
湯面変動速度が１０ｍｍ毎３０秒以上となったとき、鋳造速度を１０％以上減少させることを特徴とする請求項６に記載の連続鋳造鋳型内の湯面変動制御方法。
【請求項８】
連続鋳造鋳型内の偏流検知装置であって、
浸漬ノズルを挟んで対向する一対の鋳型辺それぞれの鋳造方向に配置、埋設された複数の温度検出手段の計測値を入力する入力手段と、
前記入力手段で入力した前記温度検出手段の計測値を用いて伝熱逆問題を解き、稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値を計算する計算手段と、
前記計算手段で計算した稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値に基づいて、湯面レベルを判定し、前記一対の鋳型辺の稼動面における湯面レベル差を求める湯面レベル差解析手段とを備え、
前記湯面レベル差解析手段は、前記計算手段で計算した稼動面における熱流束の鋳造方向と逆向きとなる湯面の法線方向の成分値が最大となる位置を湯面レベルと判定することを特徴とする連続鋳造鋳型内の偏流検知装置。
【請求項９】
連続鋳造鋳型内の湯面変動検知装置であって、
前記連続鋳造鋳型の鋳造方向に配置、埋設された複数の温度検出手段の計測値を入力する入力手段と、
前記入力手段で入力した前記温度検出手段の計測値を用いて伝熱逆問題を解き、稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値を計算する計算手段と、
前記計算手段で計算した稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値に基づいて、湯面レベルを判定し、湯面変動速度を求める湯面変動解析手段とを備え、
前記湯面変動解析手段は、前記計算手段で計算した稼動面における熱流束の鋳造方向と逆向きとなる湯面の法線方向の成分値が最大となる位置を湯面レベルと判定することを特徴とする連続鋳造鋳型内の湯面変動検知装置。
【請求項１０】
連続鋳造鋳型内の偏流検知を行うためのプログラムであって、
浸漬ノズルを挟んで対向する一対の鋳型辺それぞれの鋳造方向に配置、埋設された複数の温度検出手段の計測値を入力する入力処理と、
前記入力した前記温度検出手段の計測値を用いて伝熱逆問題を解き、稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値を計算する計算処理と、
前記計算した稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値に基づいて、湯面レベルを判定し、前記一対の鋳型辺の稼動面における湯面レベル差を求める湯面レベル差解析処理とをコンピュータに実行させ、
前記湯面レベル差解析処理では、前記計算処理で計算した稼動面における熱流束の鋳造方向と逆向きとなる湯面の法線方向の成分値が最大となる位置を湯面レベルと判定することを特徴とするプログラム。
【請求項１１】
連続鋳造鋳型内の湯面変動検知を行うためのプログラムであって、
前記連続鋳造鋳型の鋳造方向に配置、埋設された複数の温度検出手段の計測値を入力する入力処理と、
前記入力した前記温度検出手段の計測値を用いて伝熱逆問題を解き、稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値を計算する計算処理と、
前記計算した稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値に基づいて、湯面レベルを判定し、湯面変動速度を求める湯面変動解析処理とをコンピュータに実行させ、
前記湯面変動解析処理では、前記計算処理で計算した稼動面における熱流束の鋳造方向と逆向きとなる湯面の法線方向の成分値が最大となる位置を湯面レベルと判定することを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続鋳造鋳型（モールド）内の偏流検知方法及び偏流制御方法、湯面変動検知方法及び湯面変動制御方法、偏流検知装置及び湯面変動検知装置、並びにプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
連続鋳造操業において、鋳片品質の高位安定化及び鋳片品質の変動を把握する上で、連続鋳造鋳型内の偏流検知や湯面変動検知は極めて重要である。
まず、偏流や湯面変動といった現象の発生原因及び鋳片品質に与える影響について説明する。
【０００３】
（偏流について）
例えばスラブの連続鋳造において、浸漬ノズルの左右の吐出孔から吐出した溶鋼流が鋳型短辺に衝突して上昇流と下降流を形成する。この左右の吐出流は、浸漬ノズル直胴部における流動のばらつきや直胴部内壁への介在物付着等によって左右に吐出される吐出流の強さにばらつきが生じ（以下、偏流ともいう）、鋳型短辺に衝突する流速に差異が生じる。この偏流が生じると、浸漬ノズルを挟んだ湯面の左右で流速に違いが生じ、溶鋼流速が速い側では湯面付近で表面に浮遊する溶融パウダーを巻き込んだり、鋳型短辺衝突後に生じる下降流流速が増大し、溶鋼中の非金属介在物をストランド深くまで侵入させたりして、鋳片内部品質を悪化させる。結果、製品工程でヘゲ疵やスリバー疵の増大を招き、より深く侵入した介在物はユーザでのプレス加工時等に介在物を起点とした割れの原因となる。
【０００４】
（湯面変動について）
連続鋳造における浸漬ノズル内壁に付着した主にＡ１2０3系介在物の剥離により溶鋼流の流動抵抗が変化し、吐出流が脈動することが従来から知られている。付着の進行による流動抵抗の漸増に対応して、スライディングノズル或いはストッパー等の流量制御系は開度を開いてきているため、介在物剥離直後の流動抵抗の急激な減少に対応できず、連続鋳造鋳型内に流入する溶鋼流量が一時的に増大し、溶鋼吐出流速が増大する。結果、湯面付近で表面に浮遊する溶融パウダーを巻き込んだり、鋳型短辺衝突後に生じる下降流流速が増大し、溶鋼中の非金属介在物をストランド深くまで侵入させたりして、鋳片内部品質を悪化させる。結果、製品工程でヘゲ疵やスリバー疵の増大を招き、より深く侵入した介在物はユーザでのプレス加工時等に介在物を起点とした割れの原因となる。
【０００５】
例えば特許文献１には、鋳型壁の高さ方向に沿って等間隔に複数個の測温素子を埋設し、任意周期毎に各素子の点における温度の時間変化率値を演算し、該時間変化率の最大値を示す素子（ｎ）を検出し、該素子（ｎ）とその前後の素子（ｎ−１）、（ｎ＋１）の各時間変化率値を結ぶ二次曲線の最大値を示す位置を求め、該位置を湯面レベルとする技術が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、鋳造方向に間隔をおいて鋳型の複数箇所に埋設した温度計測手段で鋳型温度を計測し、鋳型温度計測値に基づいて各計測点における鋳型内面での熱流束を伝熱逆問題手法を用いてそれぞれ推定する技術が開示されている。
【０００７】
特許文献３には、鋳型短辺側に向いた溶鋼の吐出孔を有する浸漬ノズルを鋳型中央に配して鋳造を行う連続鋳造に際し、前記浸漬ノズルを境とする左右両側の鋳型銅板の各長辺および短辺内にそれぞれ溶鋼表面から深さ方向に少なくとも２本以上、更に銅板表面から深さ方向に少なくとも２本以上の熱電対を埋設し、上記熱電対で検出される前記浸漬ノズルを境とする左右両側対称位置の熱電対から測定される温度差あるいはその温度差から求められる熱流束差とある一定値に対する偏差を求め、この偏差をもとに鋳型内溶鋼吐出流の偏流を検出する技術が開示されている。
【０００８】
特許文献４には、鋳型両短辺にそれぞれ埋設した温度計または浸漬ノズルとその両側の鋳型両短辺との間に配設したレベル計により、鋳型両短辺近傍に生じる溶鋼湯面の隆起量を測定することによって鋳型内における溶鋼偏流を検知する技術が開示されている。
【０００９】
特許文献５には、鋳型銅板幅方向に複数の熱電対を配置して鋳型銅板温度を測定し、各測定温度の特定の周波数成分の変動量から鋳型内幅方向各位置の湯面変動量を推定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭５３−２６２３０号公報
【特許文献２】特開２００１−２３９３５３号公報
【特許文献３】特開平１−２６２０５０号公報
【特許文献４】特開平４−８４６５０号公報
【特許文献５】特開平１１−９０６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に代表される既存の手法は、鋳型の鋳造方向の温度が最大となる位置が湯面近傍にあり、湯面位置とある相関があるという経験則に基づくものである。このように経験則に基づく場合、湯面レベルの検出精度が低いものとなってしまう懸念がある。具体的には、鋳型に埋設された熱電対の温度変化率は溶鋼温度や、湯面変化速度によって左右され、溶鋼温度が高いほど温度変化率が大きくなり、また湯面変化速度が大きいと鋳型の温度上昇の時間遅れにより湯面位置の検出遅れが大きくなるという問題がある。また、特許文献１には、偏流検知に関する記述はなく、湯面変動検知に関しては、「溶鋼レベルの上昇或いは下降傾向を判別することが可能」との記述のみで、どの程度の湯面検知精度が得られるのかの具体的な記述はない。
特許文献２の手法は、熱流束を伝熱逆問題を用いて推定する方法であるが、熱流束と湯面レベル、湯面変動検知、偏流検知の関係についての記述はない。
特許文献３の手法は、熱電対を埋設した部位に溶鋼流が流れ、かつ壁面に沿って流動した場合には偏流検知が可能である。しかしながら、本発明者らの流動実験によると、溶鋼流は吐出孔から吐出した後、徐々に広がりながら鋳型短辺に向かって流れるため、長辺の凝固シェル壁面に溶鋼流が到達するには、一定の流動距離（幅）が必要であること、本発明者らの研究によれば、浸漬ノズル直胴部における流速分布の影響を受けて、吐出した流れが鋳型短辺にまっすぐ向かう流れとはならない場合が多く（長辺に流れが到達しない場合が多い）、長辺での温度差の左右での温度差あるいは熱流束差があったとしても、左右の偏流に起因するとは限らないため、偏流が過検知ぎみとなることが避けられない。また、鋳型短辺に埋設した熱電対の左右の温度差あるいは熱流束差から偏流を検知する場合、左右の吐出流が非対称な流れとなり、上述したように吐出した流れが短辺にまっすぐ向かう流れとはならない場合が多いために、左右対称の熱電対位置であっても、片側の熱電対位置のみ吐出流が強く衝突する場合がある。そのために、温度差あるいは熱流束差が偏流に起因したものとはならず、偏流が過検知ぎみとなることが避けられない。
特許文献４の手法は、短辺の溶鋼隆起の両短辺の差が１０ｍｍ以下となる制御を行うとしているが、熱電対の出力で１０ｍｍの差を検出しようとした場合、鋳型壁面高さ方向に数ｍｍでの非常に細かいピッチで熱電対を埋設する必要があり、熱電対取り付けや保守管理等、煩雑な手間が生じることは避けられず、実用性に乏しい。また、浸漬ノズルと両短辺の間に配設したレベル計で隆起を計測する場合、センサーの計測範囲の大きさにもよるが、鋳型壁面に近接しすぎると鋳型壁面の影響で正確な湯面の計測ができなくなるため、鋳型壁面からセンサーを一定距離以上離す必要がある。しかしながら、距離が離れると湯面の隆起は小さくなるため、正確な偏流検知精度が得られなくなる問題がある。
特許文献５の手法は、鋳型銅板幅方向に配置した複数の熱電対の特定周波数の変動量と、各位置の湯面変動量との間に相関関係があるとの経験則に基づくものであるが、湯面変動の中で湯面の上昇、下降が把握可能かは明示されていない。 連続鋳造の操業においては、湯面変動量以外に湯面の急上昇や低下による品質悪化要因の検出も重要であり、特許文献５の手段では、十分な対応が困難である。
【００１２】
本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、湯面位置における熱移動の影響を捉えて湯面レベルを検出することにより湯面レベルの検出精度を高め、鋳型内の偏流の検知精度、湯面変動の検知精度向上を図り、鋳片品質の安定化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための、本発明は以下のとおりである。
［１］  連続鋳造鋳型内の偏流検知方法であって、
浸漬ノズルを挟んで対向する一対の鋳型辺それぞれの鋳造方向に配置、埋設された複数の温度検出手段の計測値を取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得した前記温度検出手段の計測値を用いて伝熱逆問題を解き、稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値を計算する計算ステップと、
前記計算ステップで計算した稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値に基づいて、湯面レベルを判定し、前記一対の鋳型辺の稼動面における湯面レベル差を求める湯面レベル差解析ステップとを有し、
前記湯面レベル差解析ステップでは、前記計算ステップで計算した稼動面における熱流束の鋳造方向と逆向きとなる湯面の法線方向の成分値が最大となる位置を湯面レベルと判定することを特徴とする連続鋳造鋳型内の偏流検知方法。
［２］  ［１］に記載の連続鋳造鋳型内の偏流検知方法により求めた湯面レベル差が所定の値を超えたとき、鋳造速度を減少させることを特徴とする連続鋳造鋳型内の偏流制御方法。
［３］  湯面レベル差が１０ｍｍを超えたとき、鋳造速度を１０％以上減少させることを特徴とする［２］に記載の連続鋳造鋳型内の偏流制御方法。
［４］  連続鋳造鋳型内の湯面変動検知方法であって、
前記連続鋳造鋳型の鋳造方向に配置、埋設された複数の温度検出手段の計測値を取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得した前記温度検出手段の計測値を用いて伝熱逆問題を解き、稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値を計算する計算ステップと、
前記計算ステップで計算した稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値に基づいて、湯面レベルを判定し、湯面変動速度を求める湯面変動解析ステップとを有し、
前記湯面変動解析ステップでは、前記計算ステップで計算した稼動面における熱流束の鋳造方向と逆向きとなる湯面の法線方向の成分値が最大となる位置を湯面レベルと判定することを特徴とする連続鋳造鋳型内の湯面変動検知方法。
［５］  浸漬ノズルの中心から左右鋳型短辺までの鋳型長辺幅方向距離をそれぞれＷ／２とした場合に、鋳型長辺において、前記浸漬ノズルの中心から３Ｗ／８以内に前記温度検出手段を配置、埋設することを特徴とする［４］に記載の連続鋳造鋳型内の湯面変動検知方法。
［６］  ［４］又は［５］に記載の連続鋳造鋳型内の湯面変動検知方法により求めた湯面変動速度が所定の値以上となったとき、鋳造速度を減少させることを特徴とする連続鋳造鋳型内の湯面変動制御方法。
［７］  湯面変動速度が１０ｍｍ／３０秒以上となったとき、鋳造速度を１０％以上減少させることを特徴とする［６］に記載の連続鋳造鋳型内の湯面変動制御方法。
［８］  連続鋳造鋳型内の偏流検知装置であって、
浸漬ノズルを挟んで対向する一対の鋳型辺それぞれの鋳造方向に配置、埋設された複数の温度検出手段の計測値を入力する入力手段と、
前記入力手段で入力した前記温度検出手段の計測値を用いて伝熱逆問題を解き、稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値を計算する計算手段と、
前記計算手段で計算した稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値に基づいて、湯面レベルを判定し、前記一対の鋳型辺の稼動面における湯面レベル差を求める湯面レベル差解析手段とを備え、
前記湯面レベル差解析手段は、前記計算手段で計算した稼動面における熱流束の鋳造方向と逆向きとなる湯面の法線方向の成分値が最大となる位置を湯面レベルと判定することを特徴とする連続鋳造鋳型内の偏流検知装置。
［９］  連続鋳造鋳型内の湯面変動検知装置であって、
前記連続鋳造鋳型の鋳造方向に配置、埋設された複数の温度検出手段の計測値を入力する入力手段と、
前記入力手段で入力した前記温度検出手段の計測値を用いて伝熱逆問題を解き、稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値を計算する計算手段と、
前記計算手段で計算した稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値に基づいて、湯面レベルを判定し、湯面変動速度を求める湯面変動解析手段とを備え、
前記湯面変動解析手段は、前記計算手段で計算した稼動面における熱流束の鋳造方向と逆向きとなる湯面の法線方向の成分値が最大となる位置を湯面レベルと判定することを特徴とする連続鋳造鋳型内の湯面変動検知装置。
［１０］  連続鋳造鋳型内の偏流検知を行うためのプログラムであって、
浸漬ノズルを挟んで対向する一対の鋳型辺それぞれの鋳造方向に配置、埋設された複数の温度検出手段の計測値を入力する入力処理と、
前記入力した前記温度検出手段の計測値を用いて伝熱逆問題を解き、稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値を計算する計算処理と、
前記計算した稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値に基づいて、湯面レベルを判定し、前記一対の鋳型辺の稼動面における湯面レベル差を求める湯面レベル差解析処理とをコンピュータに実行させ、
前記湯面レベル差解析処理では、前記計算処理で計算した稼動面における熱流束の鋳造方向と逆向きとなる湯面の法線方向の成分値が最大となる位置を湯面レベルと判定することを特徴とするプログラム。
［１１］  連続鋳造鋳型内の湯面変動検知を行うためのプログラムであって、
前記連続鋳造鋳型の鋳造方向に配置、埋設された複数の温度検出手段の計測値を入力する入力処理と、
前記入力した前記温度検出手段の計測値を用いて伝熱逆問題を解き、稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値を計算する計算処理と、
前記計算した稼動面における熱流束の鋳造方向の成分値に基づいて、湯面レベルを判定し、湯面変動速度を求める湯面変動解析処理とをコンピュータに実行させ、
前記湯面変動解析処理では、前記計算処理で計算した稼動面における熱流束の鋳造方向と逆向きとなる湯面の法線方向の成分値が最大となる位置を湯面レベルと判定することを特徴とするプログラム。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、湯面位置における熱移動の影響を捉えて湯面レベルを検出することにより湯面レベルの検出精度を高め、鋳型内の偏流の検知精度、湯面変動の検知精度向上を図り、鋳片品質の安定化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態における連続鋳造鋳型の概要を模式的に示す図である。
【図２】第１の実施形態における熱電対の配置を示す図である。
【図３】第１の実施形態における連続鋳造鋳型内の偏流検知の概要を説明するための図である。
【図４】第１の実施形態に係る連続鋳造鋳型内の偏流制御装置の機能構成を示す図である。
【図５】伝熱逆問題の座標系を示す図である。
【図６】湯面レベルの検出の概要を説明するための図である。
【図７】湯面レベルを実測するための装置構成例を示す図である。
【図８】本発明の手法で検出した湯面レベルと、既存の手法で検出した湯面レベルと、実測の湯面レベルとを示す特性図である。
【図９】第１の実施形態において制御部が実行する制御処理を示すフローチャートである。
【図１０】第１の実施形態において鋳造速度を減少させた場合に制御部が実行する制御処理を示すフローチャートである。
【図１１】第２の実施形態における連続鋳造鋳型の概要を模式的に示す図である。
【図１２】第２の実施形態における熱電対の配置を示す図である。
【図１３】第２の実施形態における連続鋳造鋳型内の湯面変動検知の概要を説明するための図である。
【図１４】第２の実施形態に係る連続鋳造鋳型内の湯面変動制御装置の機能構成を示す図である。
【図１５】第２の実施形態において制御部が実行する制御処理を示すフローチャートである。
【図１６】第２の実施形態において鋳造速度を減少させた場合に制御部が実行する制御処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態として、連続鋳造鋳型（以下、単に鋳型と呼ぶ）内の偏流を検知し、必要に応じて偏流を抑制するように鋳造速度を制御する例を説明する。
図１に、鋳型１の概要を模式的に示す。鋳型１は、互いに対向する一対の鋳型短辺２ａ、２ｂと、互いに対向する一対の鋳型長辺３ａ、３ｂとにより構成される。鋳型１の内面を稼動面、外面を水冷面と呼ぶ。即ち、鋳型１の各面のうち、溶湯に接する面が稼動面である（ただし、潤滑パウダーを用いる場合は該潤滑パウダーを通して溶湯に接する）。
鋳型１の中央には浸漬ノズル４が配置されており、浸漬ノズル４の左右の吐出孔４ａ、４ｂから左右の鋳型短辺２ａ、２ｂへ向かって溶鋼が吐出される。符号５は、湯面を示す。なお、図１は左右一対の吐出孔４ａ、４ｂを有する例を示すが、吐出孔は左右複数対あってもよい。
【００１７】
一対の鋳型短辺２ａ、２ｂには、鋳造方向に複数の熱電対６が配置、埋設される。図２に、鋳型短辺２ａ（２ｂ）の熱電対６の配置例を示す。
本実施形態では、図３に示すように、偏流の指標として、一方の鋳型短辺２ａの稼動面における湯面レベルと、他方の鋳型短辺２ｂの稼動面における湯面レベルとの差（以下、湯面レベル差と呼ぶ）ΔＹを求める。
【００１８】
図４に、連続鋳造鋳型内の偏流制御装置１００の機能構成を示す。なお、本実施形態では、偏流制御装置１００が本発明を適用した連続鋳造鋳型内の偏流検知装置としても機能する。
１０１は入力部であり、鋳型短辺２ａ、２ｂの鋳造方向に配置、埋設された複数の熱電対６の計測値を入力する。
１０２は計算部であり、詳細は後述するが、入力部１０１で入力した熱電対６の計測値を用いて伝熱逆問題を解き、稼動面における熱流束の鋳造方向のベクトル成分値、換言すれば稼動面における熱流束の湯面に垂直な方向のベクトル成分値を計算する。
１０３は湯面レベル差解析部であり、計算部１０２で計算した稼動面における熱流束の鋳造方向と逆向きとなる湯面の法線方向のベクトル成分値が最大となる位置を湯面レベルと判定し、鋳型短辺２ａ、２ｂの稼動面における湯面レベル差ΔＹを求める。
１０４は制御部であり、詳細は後述するが、湯面レベル差解析部１０３で求めた湯面レベル差ΔＹに基づいて、偏流を抑制するように鋳造速度を制御する。
入力部１０１、計算部１０２、湯面レベル差解析部１０３、及び制御部１０４は、例えば一定周期で、熱電対６の計測値の入力、ベクトル成分値の計算、湯面レベル差ΔＹの計算、及び湯面レベル差ΔＹに応じた制御を実行する。
【００１９】
（湯面レベルの検出について）
連続鋳造操業においては、鋳型１内にパウダーを添加して、溶鋼の保温及び酸化防止、溶鋼中の介在物の吸収、凝固シェルの潤滑性の確保、抜熱の調整をする。これにより、鋳型内メニスカスでの凝固シェルを均一に生成して表面割れを防止し、鋳型と凝固シェルの焼き付きを防止する。
このように鋳型１内の湯面上にはパウダーが供給されることから、本発明では「パウダーによる抜熱の影響で湯面に垂直で上向きの熱流束値は、鋳型の他の部位と比べて最も大きくなる。」という推論に基づき、湯面レベルを検出する。
【００２０】
以下、鋳型１に埋設された複数の熱電対６の計測データに基づいて、稼働面の熱流束ベクトルを推定する伝熱逆問題を説明する。
温度推定のための内外挿温度関数ｕ*を、鋳型１に埋設された複数の熱電対６の時系列データセットに基づいて、鋳型１の鋳造方向−抜熱方向の２次元断面温度分布の時間変化を予測する数式を作成する。同式に基づいて、稼働面における熱流束ベクトル（大きさと向き）を求め、湯面レベル判定のための基本物理量とする。
【００２１】
図５に、伝熱逆問題の座標系を示す。空間ｘ軸は稼働面をｘ＝０とする抜熱方向、空間ｙ軸は鋳型１の上端をｙ＝０とする鋳造方向であり、これらに時間軸ｔを加えた時空間３次元座標を考える。
図５のプロットは、あるｙにおける空間ｘ−時間ｔの２次元断面図上の計算に使用する情報量の定義点を示す。ｘ軸の熱電対位置の情報量は熱電対６の計測データを使う。一方、水冷面の位置には熱電対が無いので、水冷熱伝達係数と水温を既知として決まる熱流束値を情報量に使い、上述した熱電対位置と併せ、測温データ採取点の領域と定義する。この領域をｙ軸方向にある熱電対位置に拡張し、空間ｘ−空間ｙ−時間ｔの３次元測温データ採取点の領域とする。
上述した３次元測温データ採取点の領域の情報量に基づいて作成した内外挿温度関数ｕ*(ｘ，ｙ，ｔ)を使って、稼働面における熱流束ベクトルを推定する。
【００２２】
以下に、内外挿温度関数ｕ*(ｘ，ｙ，ｔ)を構成するための数学手続きを述べる。
式（１）の非定常熱伝導方程式を考える。ここで、ａは鋳型１の熱拡散係数の平方根の物理量である。位置座標ｘ，ｙは[０，１]で規格化した。
【００２３】
【数１】
0006428418.tif 000002
【００２４】
冷却面の境界条件を式（２）で表す。ここで、ｇ(ｔ)＝ｕwγとし、水温ｕwと熱伝達係数γの積として定義した。βは鋳型１の熱伝導率である。
【００２５】
【数２】
0006428418.tif 000003
【００２６】
鋳型１の熱電対温度情報を式（３）で記述する。ｘ*，ｙ*は熱電対位置を表し、[０，１]で規格化している。
【００２７】
【数３】
0006428418.tif 000004
【００２８】
内外挿温度関数ｕ*(ｘ，ｙ，ｔ)は後述する基底関数φを使い、式（４）で記述する。
【００２９】
【数４】
0006428418.tif 000005
【００３０】
係数λjは、行列方程式（５）を解いて決定する。ここで、Ａは（ｍ＋ｌ）×（ｍ＋ｌ）行列、ｂは（ｍ＋ｌ）ベクトルである。ｘk，ｘs，ｔk，ｔsは上述の測温データ採取点の領域にある情報量の定義点である。一方、ｘj，ｔjは中心点と呼ばれる時空間座標上での基準点の座標であり、通常は、情報量の定義点と同一点を採用しておけばよい。
【００３１】
【数５】
0006428418.tif 000006
【００３２】
次に、基底関数φを、式（１）式を満足する基本解の形式を使い、式（６）、（７）のように定義する。
【００３３】
【数６】
0006428418.tif 000007
【００３４】
ここで、Ｔは基本解の拡散プロフィールを調整するパラメータであり、Ｈ(ｔ)はヘビサイド関数である。稼働面における熱流束のｙ方向成分ｑyは、式（８）で計算することができる。ｋは鋳型材料の熱伝導率である。
【００３５】
【数７】
0006428418.tif 000008
【００３６】
実機において、本発明の手法で湯面レベルを検出し、既存の手法で検出した湯面レベル及び実測の湯面レベルと比較した。図２に示すように、鋳型短辺２ａ、２ｂに熱電対６を埋設している。
本発明の手法では、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、稼動面における熱流束の鋳造方向のベクトル成分値を計算し、それが最大となる位置を湯面レベルと判定する。図６（ｃ）には、鋳型１内の温度分布（ドットが濃いほど高温であることを示す）と、稼動面における熱流束とを示す。図６（ｄ）には、稼動面における熱流束の鋳造方向のベクトル成分値を示す。
【００３７】
一方、既存の手法では、図６（ｂ）に示すように、鋳型１内の温度分布を計算し、経験則に基づいて、最高温度×０．６５となる位置を湯面レベルと判定する。
【００３８】
また、図７に示すように、湯面にフロート５０１を浮かべ、フロート５０１にロッド５０２を設けている。また、オッシレーション測定治具５０３を設定している。そして、ロッド５０２の先端、オッシレーション測定金物先端の動きをビデオカメラ５０４で撮影し、画像処理により垂直方向の変位をデジタル化し記録することにより、湯面レベルを実測した。
【００３９】
図８に、本発明の手法で検出した湯面レベルと、既存の手法で検出した湯面レベルと、実測の湯面レベルとを示す。横軸は時間を、縦軸は湯面レベルを示す。
既存の手法では、実測の湯面レベルが高くなると検出精度が極端に低下し、実測値に追従できなくなっている。
それに対して、本発明の手法では、広範囲に亘り実測値を追従できているのがわかる。湯面レベルの実測精度が５−１０ｍｍ程度のバラツキがあることを勘案すると、本発明の手法により検出した湯面レベルは実測の湯面レベルと良い対応関係にあるといえる。
【００４０】
以上述べたように、パウダーによる抜熱という湯面位置における熱移動の影響を捉えて湯面レベルを検出するので、湯面レベルの検出精度を高めることができる。
【００４１】
（制御部１０４の処理について）
図９に、制御部１０４が実行する制御処理を示す。
ステップＳ９０１で、制御部１０４は、湯面レベル差解析部１０３から湯面レベル差ΔＹを取得する。
ステップＳ９０２で、制御部１０４は、ステップＳ９０１で取得した湯面レベル差ΔＹが所定の値、本例では１０ｍｍを超えているか否かを判定する。１０ｍｍを超えていれば、偏流が発生しているとして、ステップＳ９０３に進む。１０ｍｍ以下であれば、偏流は発生していないとして、本処理を抜ける。
ステップＳ９０３で、制御部１０４は、鋳造速度を減少させる。本実施形態では、鋳造速度を、現在の鋳造速度よりも１０％以上減少させる。鋳造速度を減少させることにより、鋳型１内での溶鋼の流動を抑え、浸漬ノズル４の左右での溶鋼の偏流を抑えることができる。
【００４２】
図１０は、図９のステップＳ９０３で鋳造速度を減少させた場合に制御部１０４が実行する制御処理を示す。
ステップＳ１００１で、制御部１０４は、湯面レベル差解析部１０３から湯面レベル差ΔＹを取得する。
ステップＳ１００２で、制御部１０４は、ステップＳ１００１で取得した湯面レベル差ΔＹが所定の値、本例では１０ｍｍ以下であるか否かを判定する。１０ｍｍ以下であれば、偏流は抑えられたとして、ステップＳ１００３に進む。１０ｍｍを超えていれば、偏流が発生しているとして、本処理を抜ける。
ステップＳ１００３で、制御部１０４は、現在の鋳造速度を、ステップＳ９０３で減少させる前の鋳造速度に復帰させる。
【００４３】
ここで、本実施形態では、偏流の指標となる湯面レベル差ΔＹの閾値を１０ｍｍ、鋳造速度の減少率を１０％以上としたが、これは実績から得られた知見に基づくものである。
表１に、偏流に起因する欠陥（ヘゲ疵やスリバー疵）の発生率を示す。縦軸は湯面レベル差ΔＹを、横軸は鋳造速度を示す。ここでは、欠陥の発生率が０．７％以上となる範囲が、許容できない範囲であるとする（図中の白抜きの範囲）。
通常時の鋳造速度が１．４０ｍｐｍであるとする。鋳造速度が１．４０ｍｐｍの場合、湯面レベル差ΔＹが１０ｍｍを超えると、許容できない欠陥が発生する。この場合に、鋳造速度を１．３５ｍｐｍに減少させても（３．６％の減少）、鋳造速度を１．３０ｍｐｍに減少させても（７．１％の減少）、許容できない欠陥が発生するが、鋳造速度を１．２５ｍｐｍに減少させると（１０．７％の減少）、欠陥の発生率は許容範囲に収まることがわかる。
【００４４】
【表１】
0006428418.tif 000009
【００４５】
以上述べたように、湯面位置における熱移動の影響を捉えて湯面レベルを検出することにより湯面レベルの検出精度を高め、鋳型内の偏流の検知精度向上を図り、鋳片品質の安定化を実現することができる。
【００４６】
なお、本実施形態では、湯面レベル差ΔＹが所定の値を超えたとき、鋳造速度を減少させる制御を実行する例を説明したが、それに限定されるものではない。例えば湯面レベル差ΔＹが所定の値を超えた状態で鋳型１を通過した鋳片については、一級品への充当を取りやめる、すなわち二級品に充当するといった取り扱いとしてもよい。
【００４７】
また、本実施形態では、浸漬ノズル４の吐出方向に位置する鋳型短辺２ａ、２ｂに熱電対６を埋設したが、鋳型長辺３ａ、３ｂに熱電対６を埋設してもよい。ただし、偏流を捉えるためには、一定の流動距離を確保するとともに、浸漬ノズル４の吐出流が衝突する鋳型短辺２ａ、２ｂ付近での湯面レベルを捉える必要があることから、鋳型長辺３ａ、３ｂのうち鋳型短辺２ａ、２ｂに近い位置に熱電対６を配置、埋設するのが好ましい。具体的には、浸漬ノズル４の中心から左右鋳型短辺２ａ、２ｂまでの鋳型長辺幅方向距離をそれぞれＷ／２とした場合に、鋳型長辺３ａ、３ｂにおいて、浸漬ノズル４の中心から３Ｗ／８より遠くに熱電対６を配置、埋設する。
【００４８】
［第２の実施形態］
第２の実施形態として、鋳型内の湯面変動を検知し、必要に応じて湯面変動を抑制するように鋳造速度を制御する例を説明する。なお、第１の実施形態で説明したものについての説明は省略し、第１の実施形態との相違を中心に説明する。
【００４９】
一対の鋳型長辺３ａ、３ｂには、鋳造方向に複数の熱電対６が配置、埋設される。図１２に示すように、本実施形態では、鋳型長辺３ａ、３ｂに、それぞれ２列で熱電対６を配置、埋設する。鋳型１内に流入する溶鋼流量に起因する湯面変動を捉えることから、偏流の影響をさけるために、浸漬ノズル４の吐出流が衝突する鋳型短辺２ａ、２ｂから離れた位置での湯面レベルを捉えるのが好ましい。そこで、浸漬ノズル４の中心から左右鋳型短辺２ａ、２ｂまでの鋳型長辺幅方向距離をそれぞれＷ／２とした場合に、鋳型長辺３ａ、３ｂにおいて、浸漬ノズル４の中心から３Ｗ／８以内に熱電対６を配置、埋設する。
【００５０】
本実施形態では、図１３に示すように、湯面変動の指標として、湯面変動速度ＶYを求める。
なお、本実施形態では、複数列で熱電対６を配置する例を説明した。このように複数列で熱電対６を配置する場合、例えば、列ごとに熱電対６の計測値を用いて湯面レベルを推定し、これら湯面レベルの平均値を現在の湯面レベルとして取り扱い、湯面変動速度ＶYを求めるようにすればよい。また、一の鋳型長辺の１列だけに熱電対６を配置、埋設するようにしてもよい。
【００５１】
図１４に、連続鋳造鋳型内の湯面変動制御装置２００の機能構成を示す。なお、本実施形態では、湯面変動制御装置２００が本発明を適用した連続鋳造鋳型内の湯面変動検知装置としても機能する。
２０１は入力部であり、鋳型長辺３ａ、３ｂの鋳造方向に配置、埋設された複数の熱電対６の計測値を入力する。
２０２は計算部であり、第１の実施形態で説明した計算部１０２と同様、入力部２０１で入力した熱電対６の計測値を用いて伝熱逆問題を解き、稼動面における熱流束の鋳造方向のベクトル成分値、換言すれば稼動面における熱流束の湯面に垂直な方向のベクトル成分値を計算する。
２０３は湯面変動解析部であり、計算部２０２で計算した稼動面における熱流束の鋳造方向と逆向きとなる湯面の法線方向のベクトル成分値が最大となる位置を湯面レベルと判定し、湯面変動速度ＶYを求める。
２０４は制御部であり、詳細は後述するが、湯面変動解析部２０３で求めた湯面変動速度ＶYに基づいて、湯面変動を抑制するように鋳造速度を制御する。
入力部２０１、計算部２０２、湯面変動解析部２０３、及び制御部２０４は、例えば一定周期で、熱電対６の計測値の入力、ベクトル成分値の計算、湯面変動速度ＶYの計算、及び湯面変動速度ＶYに応じた制御を実行する。
【００５２】
（制御部２０４の処理について）
図１５に、制御部２０４が実行する制御処理を示す。本実施形態では、計算部２０２において、湯面変動速度ＶYとして、３０秒単位での湯面変動量（ｍｍ）を求めるものとする。
ステップＳ１５０１で、制御部２０４は、湯面変動解析部２０３から湯面変動速度ＶYを取得する。
ステップＳ１５０２で、制御部２０４は、ステップＳ１５０１で取得した湯面変動速度ＶYが所定の値、本例では１０ｍｍ毎３０秒以上となっているか否かを判定する。１０ｍｍ毎３０秒以上であれば、急激な湯面変動が発生しているとして、ステップＳ１５０３に進む。１０ｍｍ毎３０秒を下回っていれば、急激な湯面変動は発生していないとして、本処理を抜ける。
ステップＳ１５０３で、制御部２０４は、鋳造速度を減少させる。本実施形態では、鋳造速度を、現在の鋳造速度よりも１０％以上減少させる。鋳造速度を減少させることにより、急激な湯面変動を抑えることができる。
【００５３】
図１６は、図１５のステップＳ１５０３で鋳造速度を減少させた場合に制御部２０４が実行する制御処理を示す。
ステップＳ１６０１で、制御部２０４は、湯面変動解析部２０３から湯面変動速度ＶYを取得する。
ステップＳ１６０２で、制御部２０４は、ステップＳ１６０１で取得した湯面変動速度ＶYが所定の値、本例では１０ｍｍ毎３０秒を下回っているか否かを判定する。１０ｍｍ毎３０秒を下回っていれば、急激な湯面変動は抑えられたとして、ステップＳ１６０３に進む。１０ｍｍ毎３０秒以上であれば、急激な湯面変動が発生しているとして、本処理を抜ける。
ステップＳ１６０３で、制御部２０４は、現在の鋳造速度を、ステップＳ１５０３で減少させる前の鋳造速度に復帰させる。
【００５４】
ここで、本実施形態では、湯面変動の指標となる湯面変動速度ＶYの閾値を１０ｍｍ毎３０秒、鋳造速度の減少率を１０％以上としたが、これは実績から得られた知見に基づくものである。
表２に、湯面変動に起因する欠陥（ヘゲ疵やスリバー疵）の発生率を示す。縦軸は湯面変動速度ＶYを、横軸は鋳造速度を示す。ここでは、欠陥の発生率が０．７％以上となる範囲が、許容できない範囲であるとする（図中の白抜きの範囲）。
通常時の鋳造速度が１．４０ｍｐｍであるとする。鋳造速度が１．４０ｍｐｍの場合、湯面変動速度ＶYが１０ｍｍ毎３０秒以上となると、許容できない欠陥が発生する。この場合に、鋳造速度を１．３５ｍｐｍに減少させても（３．６％の減少）、鋳造速度を１．３０ｍｐｍに減少させても（７．１％の減少）、許容できない欠陥が発生するが、鋳造速度を１．２５ｍｐｍに減少させると（１０．７％の減少）、欠陥の発生率は許容範囲に収まることがわかる。
【００５５】
【表２】
0006428418.tif 000010
【００５６】
以上述べたように、湯面位置における熱移動の影響を捉えて湯面レベルを検出することにより湯面レベルの検出精度を高め、鋳型内の湯面変動の検知精度向上を図り、鋳片品質の安定化を実現することができる。
【００５７】
以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
本発明を適用した連続鋳造鋳型内の偏流検知装置、偏流制御装置、湯面変動検知装置、湯面変動制御装置は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータ装置により実現することが可能である。
また、本発明は、連続鋳造鋳型内の偏流検知機能、偏流制御機能、湯面変動検知機能、湯面変動制御機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータがプログラムを読み出して実行することによっても実現可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１：連続鋳造鋳型、２ａ、２ｂ：鋳型短辺、３ａ、３ｂ：鋳型長辺、４：浸漬ノズル、５：湯面、６：熱電対、１００：連続鋳造鋳型内の偏流制御装置、１０１：入力部、１０２：計算部、１０３：湯面レベル差解析部、１０４：制御部、２００：連続鋳造鋳型内の湯面変動制御装置、２０１：入力部、２０２：計算部、２０３：湯面変動解析部、２０４：制御部
【図１】
0006428418.tif 000011
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
0006428418.tif 000024
【図１５】
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【図１６】
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