JPH04361859A - タンディッシュの湯面レベル制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、連続鋳造設備の操業中
に鋳型に注入される溶湯を一旦貯留するタンディッシュ
において、これの内部の湯面レベルを所定レベルに維持
すべく動作する湯面レベル制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】連続鋳造設備の操業中に鋳型内部の湯面
レベルを一定に保つべく行われる湯面レベル制御は、鋳
型内での溶湯の冷却，凝固状態を安定化させ、製品鋳片
の表面品質向上を図ると共に、鋳型上部からの溶湯の溢
出、ブレークアウト等、操業の休止を強いる各種の不都
合を未然に防止するために極めて重要なものである。

【０００３】鋳型内部における湯面レベル制御は、従来
から一般的に行われている如く、鋳型への注湯ノズルの
中途に、スライディングノズル又はストッパ装置等の開
閉手段を付設する一方、鋳型内部の湯面レベルを渦流レ
ベル計等のレベル計により精度良く測定し、この測定結
果を所定の目標レベルと比較して、両者の偏差を解消す
べく前記開閉手段の開度を調節する手順にて行われる。

【０００４】前記開閉手段の開度調節は、従来一般的に
、油圧サーボシリンダとサーボ弁とからなる油圧サーボ
系により行われているが、近年においては、精度及び応
答性の更なる向上を図り、鋳込速度の高速化に対処すべ
く、ステッピングシリンダに代表される直動形シリンダ
により開度調節を行う構成とした連続鋳造設備も実用化
されている。

【０００５】さて鋳型への注湯量は、前記開閉手段の開
度の関数であると共に、注湯ノズル内部での溶湯の速度
の関数でもあり、この速度は、注湯ノズルの上流側での
溶湯の静圧ヘッド、即ちタンディッシュ内部での溶湯の
貯留深さに支配されることから、鋳型における湯面レベ
ル制御の更なる精度向上のためには、タンディッシュ内
部の溶湯の深さ、即ちタンディッシュ内部に滞留する溶
湯の湯面レベルを一定に保つことが重要となってきた。

【０００６】タンディッシュの内部への溶湯の供給は、
該タンディッシュから鋳型への注湯の場合と同様、溶解
炉にて溶製された溶湯を搬送する取鍋（レードル）から
、これの底部に着脱自在に取付けた供給ノズルを経て連
続的に行われており、このタンディッシュにおける従来
の湯面レベル制御は、タンディッシュの支承部に介装し
たロードセル等の荷重センサによりタンディッシュ及び
これの内部の溶湯の重量を検出し、この検出結果に基づ
き前記供給ノズルの中途に設けた開閉手段を開閉して、
供給量を加減する手順にて行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところがこの制御にお
いては、タンディッシュ内部の湯面レベルは、前記荷重
センサにて検出されるタンディッシュと溶湯との合計重
量から間接的に知り得るのみであり、更に前記荷重セン
サは、タンディッシュ自体の重量も含む検出荷重を基準
として選定されることから、この荷重センサの検出結果
からタンディッシュ内での湯面レベルの変動を精度良く
測定することは不可能であった。

【０００８】また、現状の湯面レベルを正確に知り得な
いことから、前記供給ノズルの開閉手段においても、電
動シリンダ、又はオンオフ制御される２方向電磁弁から
の送給油圧により動作する油圧ワークシリンダ等、応答
速度が遅いアクチュエータによる間欠的な開度調節が行
われているのみである。

【０００９】このように、タンディッシュにおいて従来
行われている湯面レベル制御は、前述の如く大まかなも
のであり、鋳型での湯面レベル制御の高精度化を図る場
合、タンディッシュでの湯面レベル変動の影響が顕在化
し、所定の効果が得られない難点があった。

【００１０】この難点の解消のため、鋳型における湯面
レベル制御と同様の制御をタンディッシュにて行おうと
する場合、測定レンジが狭い渦流レベル計によりタンデ
ィッシュ内部の湯面レベルを測定することは困難であり
、また、作動油の清浄性を必要とする油圧サーボシリン
ダは、レードルへの着脱に際して油圧配管の着脱を伴う
前記供給ノズルの開閉手段の開度調節には不適当であり
、更に、ステッピングシリンダを代表とする直動シリン
ダを供給ノズルの開閉に用いる場合、直動シリンダその
ものが非常に高価である上、前記開閉のための油圧ワー
クシリンダを備えた既設の設備に適用する場合、油圧系
及び制御系の全般に亘る大幅な更新を必要とし、長期間
に亘る操業停止を強いられるという不都合が生じる。

【００１１】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、タンディッシュ内部の湯面レベルを所定の目標
レベルに精度良く維持でき、またこれを既設の設備の小
幅な更新により実現するタンディッシュの湯面レベル制
御装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係るタンディッ
シュの湯面レベル制御装置は、連続鋳造用のタンディッ
シュに溶湯を供給する供給ノズルの中途に油圧ワークシ
リンダにより開閉される開閉手段を設け、前記タンディ
ッシュ内部の湯面レベルを所定の目標レベルに維持すべ
く、前記ワークシリンダへの送給油圧を制御して供給量
を加減するタンディッシュの湯面レベル制御装置におい
て、前記タンディッシュ内部の溶湯表面に臨ませてあり
、該表面に投射したレーザ光の反射を捉えて現状の湯面
レベルを測定するレベル計と、前記ワークシリンダに並
設され、内蔵するスプールの移動により前記送給油圧を
制御する４方向スプール弁と、前記スプールに移動力を
付与するパルスモータと、前記レベル計による測定レベ
ルと前記目標レベルとの偏差に基づいて前記開閉手段の
目標開度を所定周期毎に定め、前記パルスモータに動作
指令を発する演算制御部とを具備することを特徴とし、
更にこれに加えて、前記演算制御部は、前記測定レベル
と前記目標レベルとの偏差と共に、前記測定レベル、前
記開閉手段の開度、及び前記目標開度夫々の時間的な変
化量を状態変数とする状態空間モデルに基づく最適制御
演算により前記目標開度を定めることを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明においては、広い測定レンジを要するタ
ンディッシュ内部の湯面レベルの測定を、レーザ光の反
射を利用したレベル計により精度良く行う一方、開閉手
段のアクチュエータである油圧ワークシリンダに、パル
スモータの回転により移動する内蔵スプールを備えた４
方向スプール弁を並設し、前記レベル計の測定結果と目
標レベルとの偏差を解消すべく前記パルスモータを駆動
し、これに伴う前記スプールの移動により前記ワークシ
リンダへの送給油圧を制御して、開閉手段の開度調節を
高精度にて行わせる。また、前記偏差の解消のために必
要な開閉手段の目標開度を最適制御演算により決定し、
更なる精度の向上を図る。

【００１４】

【実施例】以下本発明をその実施例を示す図面に基づい
て詳述する。図１は本発明に係るタンディッシュの湯面
レベル制御装置（以下本発明装置という）を備えた連続
鋳造設備の模式図である。

【００１５】図中Ｔは、その内部に溶湯３を貯留するタ
ンディッシュである。該タンディッシュＴの下方に適長
離隔した位置には筒形をなす鋳型Ｍが配してあり、該鋳
型Ｍの内部には、タンディッシュＴの底面にその基端を
開口させた注湯ノズル４が延設されている。而して、タ
ンディッシュＴ内の溶湯３は、注湯ノズル４を介して鋳
型Ｍに注入され、該鋳型Ｍの内壁との接触により冷却さ
れて外側を凝固シェルにて被覆された鋳片５となり、鋳
型Ｍの下方に連続的に引抜かれる。そしてこの引抜きの
間に更に冷却されて、内側にまで凝固が進行した後に適
宜の寸法に切断され、圧延等の後工程における素材とな
る製品鋳片が得られる。

【００１６】タンディッシュＴへの溶湯３の供給は、転
炉，電気炉等の溶解炉にて溶製された溶湯３をその内部
に収納して搬送し、タンディッシュＴの上部に位置する
取鍋Ｌから、これの底部に取付けた供給ノズル６を経て
連続的に行われており、前述の如く行われる連続鋳造設
備の操業の間、タンディッシュＴ内の湯面レベルを所定
の目標レベルに維持すべく、前記供給ノズル６の中途に
取付けたスライディングノズル７を開閉制御する湯面レ
ベル制御が行われている。

【００１７】この湯面レベル制御に際し、制御対象とな
るタンディッシュＴ内の湯面レベルを測定するレベル計
３０は、前記注湯ノズル４の近傍にてタンディッシュＴ
の上部に固設してあり、溶湯３の表面に向けてレーザ光
を投射する発光器及び該レーザ光の反射光を受光する受
光器を備えたプローブ部３１と、該プローブ部３１から
溶湯３の表面までの距離、即ち溶湯３の表面位置を前記
受光器による受光結果に基づいて演算し、この結果を出
力するレベル算出部３２とを備えてなる。

【００１８】このようにレベル計３０は、レーザ光を利
用して湯面レベルを測定する構成となっているから、タ
ンディッシュＴの底面から上縁に至るまでの広い測定レ
ンジにて、高精度での測定が可能である。従って、レー
ドルＬからタンディッシュＴへの溶湯３の供給を開始し
た後、鋳型Ｍへの注湯を開始するまでの間の湯面レベル
監視に使用できることは勿論、この後に行われる連続鋳
造設備の操業中にタンディッシュＴ内に生じる湯面レベ
ルの変動を精度良く測定できる。

【００１９】レベル計３０による測定レベル、具体的に
はレベル算出部３２の出力はレベル制御部１に与えられ
ている。レベル制御部１は、予め設定された所定の目標
レベルとこの測定レベルとの偏差を用いて後述の演算を
行い、この偏差を解消すべく前記スライディングノズル
７に開度指令を出力する動作をなす。

【００２０】公知の如くスライディングノズル７は、供
給ノズル６の軸心と略直交する面内にてゲート板７０を
摺動させ、該ゲート板７０に形成された貫通孔にて供給
ノズル６の開閉を行う開閉手段であり、前記ゲート板７
０は、油圧により動作するワークシリンダ７１の出力ロ
ッドの先端に連結され、該ワークシリンダ７１の進退動
作に応じて摺動するようになしてある。ワークシリンダ
７１の外側には、４方向スプール弁８が並設してあり、
該スプール弁８には、これの内蔵スプールの駆動源とな
るパルスモータ９が付設されている。図２は、４方向ス
プール弁８の内部構成を示す模式的縦断面図である。

【００２１】本図に示す如く４方向スプール弁８は、ハ
ウジング８０の軸心位置に形成された円形断面をなす弁
室８１内にスプール８２を内嵌してなる。該スプール８
２は、弁室８１の一側に連設された案内室８３内にてそ
の回転を拘束され、軸長方向への摺動のみが可能となっ
ている。またスプール８２の他側には、これと同軸的に
ねじ軸８４が延設されており、このねじ軸８４は、ハウ
ジング８０の同側端部に同軸的に固設されたパルスモー
タ９の回転軸に嵌着されたナット部材８５に螺合せしめ
てある。而してパルスモータ９が回転した場合、これに
伴って生じるナット部材８５の回転によりねじ軸８４が
螺進し、スプール８２はこの螺進に応じて摺動する。

【００２２】弁室８１の内周には、軸長方向に略等しい
間隔を隔てて５本の環状溝　８１ａ〜　８１ｅが形成し
てあり、相互に連通させてある両側の環状溝　８１ａ，
８１ｅは、低圧状態に維持された油タンクに、中央に位
置する環状溝　８１ｃは、前記ワークシリンダ７１への
送給油圧を発生する油圧源に、残りの２本の環状溝　８
１ｂ，８１ｄは、ワークシリンダ７１の両油室Ｓ１　，
Ｓ２　に夫々連通させてある。またこの弁室８１内にて
摺動するスプール８２の外周には、軸長方向に所定長離
隔して２本の制御溝　８２ａ，８２ｂが、環状をなして
形成されている。

【００２３】図２はスプール８２が摺動範囲の中央（中
立位置）にある場合を示しており、スプール８２外周の
制御溝　８２ａ，８２ｂは、ワークシリンダ７１の両油
室Ｓ１　，Ｓ２　に連なる環状溝　８１ｂ，８１ｄに夫
々連通し、油タンクに連通する環状溝　８１ａ，８１ｅ
及び油圧源に連通する環状溝　８１ｃはいずれもスプー
ル８２の外周にて閉止された状態にある。従ってこのと
き、ワークシリンダ７１の両油室Ｓ１　，Ｓ２　への油
圧の送給はなされず、該ワークシリンダ７１は動作しな
い。

【００２４】一方、スプール８２が前記中立位置から図
の左向きに摺動した場合、該スプール８２外周の一方の
制御溝　８２ａは、油タンクに連なる環状溝　８１ａを
環状溝　８１ｂに連通し、また他方の制御溝　８２ｂは
、油圧源に連なる環状溝　８１ｃを環状溝　８１ｄに連
通する。従ってこのとき、油圧源から環状溝　８１ｃに
導入される油圧は、制御溝　８２ｂにて連通された環状
溝　８１ｄを経て一方の油室Ｓ２　に送給され、他方の
油室Ｓ１　との間に生じる圧力差によりワークシリンダ
７１の出力ロッドは退入動作する。逆に、スプール８２
の摺動が図の右向きに生じた場合、油圧源の発生油圧は
油室Ｓ２　に送給され、ワークシリンダ７１の出力ロッ
ドは進出動作する。

【００２５】以上の如く本発明装置においては、スライ
ディングノズル７を開閉するワークシリンダ７１の動作
がこれに付設した４方向スプール弁８の内蔵スプール８
２の摺動に応じて生じ、このスプール８２の摺動がパル
スモータ９の回転に伴って生じることから、前記レベル
制御部１からの開度指令をパルスモータ９の駆動回路９
０に与え、この駆動回路９０からのパルス出力によりパ
ルスモータ９を駆動することにより、前記レベル計３０
による測定レベルと目標レベルとの偏差を解消するため
に必要なスライディングノズル７の開度が精度良く実現
される。なお、パルスモータ９の回転をスプール８２の
摺動に変換する機構は、図２に示す如き、ねじ軸８４と
ナット部材８５とからなるねじ機構に限らず、ラック・
ピニオン機構等、回転運動を直線運動に変換する他の機
構を用いてもよい。

【００２６】また、４方向スプール弁８は簡素な構成を
有し耐熱性に優れた弁であり、タンディッシュＴの上部
の高温域にあるワークシリンダ７１に近接配置でき、ワ
ークシリンダ７１の両油室Ｓ１　，Ｓ２　に短寸の油路
にて連結できることから、該スプール弁８の動作に応じ
てワークシリンダ７１が動作するまでの時間を極めて短
くでき、応答性の向上が図れる。なお、このように開閉
されるスライディングノズル７の現状の開度は、駆動回
路９０からの出力パルスの積算値としてレベル制御部１
にフィードバックされている。

【００２７】図３は、レベル制御部１の内部構成を示す
ブロック図である。前述した如くレベル制御部１には、
レベル計３０による測定レベル、予め設定された目標レ
ベル及びスライディングノズル７の開度検出値が与えら
れていると共に、レードルＬからタンディッシュＴへの
溶湯３の供給開始を指令する信号（レードルオープン指
令）と、タンディッシュＴから鋳型Ｍへの注湯開始を指
令する信号（鋳込スタート指令）とが与えられている。

【００２８】レベル制御部１は、測定レベルと目標レベ
ルとの偏差を算出する加算器１０と、この偏差を解消す
るために必要なスライディングノズル７の目標開度を演
算し、この結果を前記開度指令として出力する開度演算
部１１と、この出力に従って動作する制御系、即ち、パ
ルスモータ９、４方向スプール弁８及びスライディング
ノズル７をモデル化してなり、制御系各部の状態を推定
演算するモデル部１２とを備えてなる。

【００２９】モデル部１２での演算結果は、開度演算部
１１にフィードバックされており、開度演算部１１にお
ける目標開度の決定は、加算器１０から与えれらる測定
レベルと目標レベルとの偏差にモデル部１２の演算結果
に基づいて逐次変更されるゲインを乗じて行われる。

【００３０】モデル部１２は、開度演算部１１の出力、
並びに、この出力の結果として実際の制御系にて検出さ
れる状態量、即ち、前述の如く得られるスライディング
ノズル７の開度検出値及びレベル計３０による測定レベ
ルを用いて演算される状態量を変数とし、離散時間方程
式として次式にて表される状態空間モデルである。

【００３１】

【数１】

【００３２】この式中の状態変数Ｅｎ　は、測定レベル
ｙｎ　と目標レベルｒ０　との偏差であり、同じくΔｙ
ｎ　、Δｘｎ　及びΔｕｎ　は、測定レベルｙｎ　、開
度検出値ｘｎ　及び目標開度ｕｎ　夫々の時間的な変化
量である。即ち、Ｅｎ　＝ｒ０　−ｙｎ　 Δｙｎ　＝ｙｎ　−ｙｎ−１　 Δｘｎ　＝ｘｎ　−ｘｎ−１　 Δｕｎ　＝ｕｎ　−ｕｎ−１　 であり、添字ｎは、サンプリング順を示している。

【００３３】モデル部１２においては、現在及び過去数
回の測定レベル、開度検出値及び目標開度を（１）式に
適用し、８行８列のマトリックスＡが逐次更新されてい
る。開度演算部１１には、このマトリックスＡの１列を
構成し、次に出力すべき開度指令（目標開度ｕｎ　）を
現在及び過去数回の前記各状態変数から求めるための最
適ゲインＫが与えられ、開度演算部１１における目標開
度ｕｎ　の演算は、前記最適ゲインＫを用いた次式に従
って行われる。

【００３４】

【数２】

【００３５】このようにレベル制御部１における目標開
度の演算は、測定レベルｙｎ　と目標レベルｒ０　との
偏差Ｅｎ　、並びに、測定レベルｙｎ　、開度検出値ｘ
ｎ　及び目標開度ｕｎ　夫々の時間的な変化量を状態変
数とする状態空間モデルに基づく最適制御演算によって
行われており、スライディングノズル７における経時的
な流量特性の変化、タンディッシュＴの内壁における耐
火レンガの剥離状態の変化等、制御系各部における状態
変化の影響を受けず、常に高精度での制御が可能となる
。

【００３６】なお、制御系の挙動を示す前記マトリック
スＡの初期値は、レードルオープン指令が与えられてか
ら鋳込スタート指令が与えられるまでの間、即ち、タン
ディッシュＴへの溶湯３の供給開始後、鋳型Ｍへの注湯
を開始するまでに所定の開度パターンに従ってスライデ
ィングノズル７の開閉が行われている間に、この間の２
〜３点においてレベル計３０の測定結果から湯面の上昇
速度、即ち、溶湯３の供給量を求め、これらを各点にお
けるスライディングノズル７の開度と夫々対照して、ス
ライディングノズル７の初期流量ゲインを学習し、この
結果から前記マトリックスＡを演算する手順にて与えら
れる。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明装置においては
、レーザ光の反射を利用し、広い測定レンジにて高い測
定精度が得られるレベル計によりタンディッシュ内部の
湯面レベルを測定する一方、タンディッシュへの溶湯の
供給ノズルを開閉するワークシリンダに、パルスモータ
の回転により高精度にて移動せしめ得る内蔵スプールを
備えた４方向スプール弁を並設し、この弁からの送給油
圧によりワークシリンダを動作させる構成としたから、
更に、目標開度を最適制御演算により決定し、制御系各
部における経時的な状態変化の影響を排除しているから
、従来に比して格段に高い精度及び応答性にてタンディ
ッシュの湯面レベルを所定レベルに維持することができ
、該タンディッシュから注湯される鋳型での湯面レベル
にタンディッシュ内部のレベル変動の影響が生じること
がなく、鋳込速度の高速化及び製品鋳片の品質向上に寄
与し得る等、本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置を備えた連続鋳造設備の模式図であ
る。

【図２】４方向スプール弁の内部構成を示す縦断面図で
ある。

【図３】レベル制御部の内部構成を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

１　　レベル制御部 ３　　溶湯 ７　　スライディングノズル ８　　４方向スプール弁 ９　　パルスモータ ３０　　レベル計 ７１　　ワークシリンダ ８１　　弁室 ８２　　スプール ８４　　ねじ軸 ８５　　ナット部材 Ｌ　　レードル Ｍ　　鋳型 Ｔ　　タンディッシュ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　連続鋳造用のタンディッシュに溶湯を
   供給する供給ノズルの中途に油圧ワークシリンダにより
   開閉される開閉手段を設け、前記タンディッシュ内部の
   湯面レベルを所定の目標レベルに維持すべく、前記ワー
   クシリンダへの送給油圧を制御して供給量を加減するタ
   ンディッシュの湯面レベル制御装置において、前記タン
   ディッシュ内部の溶湯表面に臨ませてあり、該表面に投
   射したレーザ光の反射を捉えて現状の湯面レベルを測定
   するレベル計と、前記ワークシリンダに並設され、内蔵
   するスプールの移動により前記送給油圧を制御する４方
   向スプール弁と、前記スプールに移動力を付与するパル
   スモータと、前記レベル計による測定レベルと前記目標
   レベルとの偏差に基づいて前記開閉手段の目標開度を所
   定周期毎に定め、前記パルスモータに動作指令を発する
   演算制御部とを具備することを特徴とするタンディッシ
   ュの湯面レベル制御装置。
2. 【請求項２】　　前記演算制御部は、前記測定レベルと
   前記目標レベルとの偏差と共に、前記測定レベル、前記
   開閉手段の開度、及び前記目標開度夫々の時間的な変化
   量を状態変数とする状態空間モデルに基づく最適制御演
   算により前記目標開度を定める請求項１記載のタンディ
   ッシュの湯面レベル制御装置。