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KR102695836B1 - 연속 주조기의 제어 방법, 연속 주조기의 제어 장치 및, 주편의 제조 방법 - Google Patents

연속 주조기의 제어 방법, 연속 주조기의 제어 장치 및, 주편의 제조 방법 Download PDF

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KR102695836B1
KR102695836B1 KR1020217026128A KR20217026128A KR102695836B1 KR 102695836 B1 KR102695836 B1 KR 102695836B1 KR 1020217026128 A KR1020217026128 A KR 1020217026128A KR 20217026128 A KR20217026128 A KR 20217026128A KR 102695836 B1 KR102695836 B1 KR 102695836B1
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KR
South Korea
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molten steel
continuous casting
casting machine
steel flow
mold
Prior art date
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KR1020217026128A
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Inventor
료스케 마스다
요시나리 하시모토
아키토시 마츠이
슈고 모리타
타츠로 하야시다
타이가 고리야마
료 모리시타
Original Assignee
제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

본 발명의 일 실시 형태인 연속 주조기의 제어 장치(10)는, 연속 주조기(1)의 조업 조건 및 주형 내의 용강의 온도 데이터를 이용하여, 주형 내에 있어서의 용강의 유동 상태를 온라인으로 추정하는 용강 유동 상태 추정부(11)와, 용강 유동 상태 추정부(11)에 의해 추정된 용강의 유동 상태에 기초하여, 주형 내에서 주편으로 불순물이 혼입되는 요인이 되는 용강 유동 지표를 온라인으로 산출하는 용강 유동 지표 산출부(12)와, 용강 유동 지표 산출부(12)에 의해 산출된 용강 유동 지표가 적정 범위 내가 되도록, 연속 주조기(1)의 조업 조건을 제어하는 조업 조건 제어부(13)를 구비하고 있다.

Description

연속 주조기의 제어 방법, 연속 주조기의 제어 장치 및, 주편의 제조 방법{CONTROL METHOD FOR CONTINUOUS CASTING MACHINE, CONTROL DEVICE FOR CONTINUOUS CASTING MACHINE, AND MANUFACTURING METHOD FOR CASTING}
본 발명은, 연속 주조기의 제어 방법, 연속 주조기의 제어 장치 및, 주편의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 연속 주조기에 있어서 제조되는 슬래브(slabs) 등의 주편에 대한 고품질화의 요구가 더욱 더 높아지고 있다. 이 때문에, 연속 주조기의 주형 내에 있어서의 용강의 상황을 제어하는 기술이 개발되고 있다. 예를 들면 특허문헌 1에는, 주형 내의 용강에 자장을 인가하는 방법이 기재되어 있다. 주형 내의 용강에 자장을 인가하여 용강 유동을 제어함으로써, 주편의 품질을 안정화시킬 수 있다. 그러나, 용강에 자장을 인가해도 예기치 못한 조업 변동에 기인하여 완전하게는 용강 유동을 제어하는 것은 곤란하다. 이 때문에, 주형 동판에 매입된(embedded) 측온 소자(temperature measuring element)에 의한 용강의 측온 결과를 병용하여 조업을 제어하는 기술이 제안되고 있다. 예를 들면 특허문헌 2에는, 주형 내 동판 온도 데이터에 기초하여 주형 내의 용강 유동을 보정함으로써, 용강 유동을 고(高)정밀도로 추정하는 방법이 기재되어 있다.
또한, 주편에 요구되는 품질의 하나로서, 주편의 표층 근방에 혼입된 기포나 개재물 등의 불순물에 의한 결함이 적은 것을 들 수 있다. 연속 주조기에서는, 침지 노즐을 통하여 주형 내에 주탕된 용강은, 주형 벽면으로부터 각(殼:shell shape) 형상으로 응고를 개시하여(이하, 각 형상으로 응고된 강을 응고 쉘(solidified shell)이라고 칭함), 주조의 진행과 함께 응고 쉘 두께를 증가시켜 간다. 주형 내에 주탕되는 용강 중에는 기포나 개재물이 현탁하고 있지만, 이들 기포나 개재물이 응고 쉘에 포착되어 그대로 응고가 진행되면 상기의 결함이 된다.
용강 중에 현탁한 기포나 개재물은, 응고 계면의 용강 유속이 빠를수록 응고 쉘에 포착되기 어려운 것이 알려져 있고, 이 관점에서 주형 내의 용강 유동을 적절히 제어하는 기술 개발도 행해지고 있다. 예를 들면 특허문헌 3에는, 주조 속도가 1.6m/min 정도로 비교적 느린 경우 등에 있어서, 응고 계면에서의 용강 유속이 부족하여 결함이 발생하는 것을 억제하기 위한 기술이 개시되어 있다. 구체적으로는, 이 기술은, 침지 노즐로부터 토출되는 용강의 토출류에 제동력이 작용하도록 이동 자장을 인가하여 연속 주조할 때, 이동 자장 인가 위치에 대한 침지 노즐의 토출구의 위치 및 토출 각도를 적정한 범위로 하는 것이다.
일본공개특허공보 평10-305353호 일본공개특허공보 2016-16414호 일본공개특허공보 2005-152996호
특허문헌 2에는, 주형 내의 용강 유동을 고정밀도로 추정하는 방법이 기재되어 있지만, 주형 내에서 주편으로 불순물이 혼입되는 요인이 되는 용강 유동 지표를 추정하여, 용강 유동 지표를 적정 범위 내로 제어하는 것은 개시, 시사되어 있지 않다. 고품질인 주편을 제조하기 위해서는, 주형 내에서 주편으로 불순물이 혼입되는 요인이 되는 용강 유동 지표를 추정하여, 용강 유동 지표를 적정 범위 내로 제어하는 것이 필요하다. 이 때문에, 특허문헌 2에 기재된 방법만으로는, 고품질인 주편을 제조하는 것은 곤란하다.
한편, 특허문헌 3에는, 응고 계면에서의 용강 유속을 적정 범위로 제어하는 방법이 기재되어 있지만, 이 적정 범위는 어디까지나 설비의 기하학적 관계만으로 규정된 것이다. 그러나, 실제의 연속 주조에서는, 침지 노즐의 노즐 구멍에 개재물이 부착되어 편류(uneven flow)가 생기는 등의 용강 유속의 변동 요인이 있고, 이러한 변동이 생긴 경우에도, 그 변동 상황에 따라서 응고 계면에서의 용강 유속을 적정 범위 내로 제어할 필요가 있다. 즉, 주형 내에서 기포나 개재물 등의 불순물이 주편으로 혼입되는 요인이 되는 응고 계면의 용강 유속의 저하를, 연속 주조기의 조업 조건 및 주형 내의 용강의 온도 데이터를 이용하여 용강 유동 지표로서 추정하고, 그 추정 결과에 기초하여 용강 유동 지표를 적정 범위 내로 제어함으로써, 보다 고품질인 주편을 제조하는 것이 가능하게 된다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 고품질인 주편을 제조 가능한 연속 주조기의 제어 방법, 연속 주조기의 제어 장치 및, 주편의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 연속 주조기의 제어 방법은, 연속 주조기의 조업 조건 및 주형 내의 용강의 온도 데이터를 이용하여, 주형 내에 있어서의 용강의 유동 상태를 온라인으로 추정하는 용강 유동 상태 추정 스텝과, 상기 용강 유동 상태 추정 스텝에 있어서 추정된 용강의 유동 상태에 기초하여, 주형 내에서 주편으로 불순물이 혼입되는 요인이 되는 용강 유동 지표를 온라인으로 산출하는 용강 유동 지표 산출 스텝과, 상기 용강 유동 지표 산출 스텝에 있어서 산출된 용강 유동 지표가 적정 범위 내가 되도록, 상기 연속 주조기의 조업 조건을 제어하는 조업 조건 제어 스텝을 포함한다.
상기 용강 유동 지표에는, 전자 교반 자장에 의해 생기는 교반류 중에서 유속이 소정값 이하로 되어 있는 영역의 면적이 포함되어 있으면 좋다.
상기 용강 유동 지표에는, 용강 표면의 속도 또는 유동 상태가 포함되어 있으면 좋다.
상기 용강 유동 지표에는, 응고 계면 유속이 소정값 이하가 되는 면적이 포함되어 있으면 좋다.
상기 용강 유동 지표에는, 용강 표면 유속의 최대값이 포함되어 있으면 좋다.
상기 용강 유동 지표에는, 용강 표면 난류 에너지(molten steel surface turbulence energy)의 최대값이 포함되어 있으면 좋다.
상기 주형 내의 용강의 온도 데이터는, 주형에 설치된 온도 센서의 측정값을 포함한 온도 데이터이면 좋다.
상기 연속 주조기의 조업 조건에는, 주조 속도, 전자 교반 자장의 자속 밀도 및, 노즐 침지 깊이 중 적어도 하나가 포함되어 있으면 좋다.
상기 조업 조건 제어 스텝은, 주조 속도, 전자 교반 자장의 자속 밀도 및, 노즐 침지 깊이 중 적어도 하나를 미소하게 변화시킨 경우의 용강의 유동 상태를 제어 주기마다 추정함으로써, 조업 조건의 변경에 대한 용강의 유동 상태의 감도를 산출하는 스텝을 포함하면 좋다.
상기 조업 조건 제어 스텝은, 주조 속도, 전자 교반 자장의 자속 밀도 및, 노즐 침지 깊이의 사이의 상호 간섭을 양(陽)적으로(explicitly) 산출하여 제어하는 스텝을 포함하면 좋다.
본 발명에 따른 연속 주조기의 제어 장치는, 연속 주조기의 조업 조건 및 주형 내의 용강의 온도 데이터를 이용하여, 주형 내에 있어서의 용강의 유동 상태를 온라인으로 추정하는 용강 유동 상태 추정부와, 상기 용강 유동 상태 추정부에 의해 추정된 용강의 유동 상태에 기초하여, 주형 내에서 주편으로 불순물이 혼입되는 요인이 되는 용강 유동 지표를 온라인으로 산출하는 용강 유동 지표 산출부와, 상기 용강 유동 지표 산출부에 의해 산출된 용강 유동 지표가 적정 범위 내가 되도록, 상기 연속 주조기의 조업 조건을 제어하는 조업 조건 제어부를 구비한다.
본 발명에 따른 주편의 제조 방법은, 본 발명에 따른 연속 주조기의 제어 방법을 이용하여 연속 주조기를 제어하면서 주편을 제조하는 스텝을 포함한다.
본 발명에 따른 연속 주조기의 제어 방법, 연속 주조기의 제어 장치 및, 주편의 제조 방법에 의하면, 고품질인 주편을 제조할 수 있다.
도 1은, 본 발명이 적용되는 연속 주조기의 일 구성예를 나타내는 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 형태인 연속 주조기의 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은, 침지 노즐의 일 구성예를 나타내는 개략도이다.
도 4는, 전자 교반 자장의 자속 밀도가 상이한 2조건에 있어서의, 전자 교반 자장의 자속 밀도의 변경량과 용강 표면 최대 유속의 변화량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시 형태인 연속 주조기의 제어 장치에 의한 조업 조건 제어 처리의 흐름을 나타내는 플로우차트이다.
도 6은, 전자 교반 자장의 자속 밀도의 변화에 수반하는 저유속 면적의 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 7은, 전자 교반 자장의 자속 밀도의 변화에 수반하는 용강 표면 최대 유속의 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8은, 전자 교반 자장의 자속 밀도 및 노즐 침지 깊이의 변화에 수반하는 용강 표면 최대 유속의 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 9는, 조업 조건의 제어의 유무에 수반하는 슬래브의 결함 혼입률의 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 10은, 조업 조건 제어 처리의 실시예를 나타내는 타이밍 차트이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태인 연속 주조기의 제어 장치의 구성 및 그의 동작에 대해서 설명한다.
〔연속 주조기의 구성〕
우선, 도 1을 참조하여, 본 발명이 적용되는 연속 주조기의 일 구성예에 대해서 설명한다.
도 1은, 본 발명이 적용되는 연속 주조기의 일 구성예를 나타내는 개략도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 이 연속 주조기(1)에서는, 용강(2)이 채워진 턴 디쉬(3)의 연직 방향 하방에 주형(4)이 형성되고, 턴 디쉬(3)의 저부에 주형(4)으로의 용강(2)의 공급구가 되는 침지 노즐(5)이 형성되어 있다. 용강(2)은, 턴 디쉬(3)로부터 연속적으로 주형(4)에 부어지고, 내부에 냉각수의 수로가 형성된 주형(4)에 의해 냉각되고, 주형(4)의 하방으로부터 인발되어 슬래브가 된다. 그 때, 주형(4)에 부어지는 용강(2)의 중량과 인발되는 슬래브의 중량을 맞추기 위해, 인발 속도에 따라서 침지 노즐(5)의 바로 위에 형성된 도시하지 않는 슬라이딩 게이트 노즐 등에 의해 침지 노즐(5)의 개도(開度)가 조정된다. 주형(4)에는, 주조되는 슬래브의 두께 방향의 양단이 되는 F면 및 B면에, 복수의 온도 센서가 설치되어 있다. 각 온도 센서는, 각 설치 위치에서의 용강(2)의 온도를 측정한다. 또한, 주형(4)에는, 주형(4) 내의 용강(2)에 교반류를 유기하는 전자 교반 자장을 발생시키는 도시하지 않는 코일이 설치되어 있다.
〔제어 장치의 구성〕
다음으로, 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태인 연속 주조기의 제어 장치의 구성에 대해서 설명한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 형태인 연속 주조기의 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태인 연속 주조기의 제어 장치(10)는, 컴퓨터 등의 정보 처리 장치에 의해 구성되고, CPU(Central Processing Unit) 등의 내부의 연산 처리 장치가 컴퓨터 프로그램을 실행함으로써, 용강 유동 상태 추정부(11), 용강 유동 지표 산출부(12) 및, 조업 조건 제어부(13)로서 기능한다.
용강 유동 상태 추정부(11)는, 특허문헌 2에 기재된 용강의 유동 상태 추정 방법 등의 주지의 기술을 이용하여, 주형(4) 내에 있어서의 용강(2)의 유동 상태를 온라인으로 추정한다. 구체적으로는, 용강 유동 상태 추정부(11)는, 난류 모델을 고려한 수치 유체 역학 등의 물리 모델을 이용하여, 연속 주조기(1)의 조업 조건 및 주형(4)에 설치되어 있는 온도 센서의 측정값으로부터 주형(4) 내에 있어서의 용강(2)의 유동 상태를 온라인으로 추정한다. 연속 주조기(1)의 조업 조건으로서는, 주조 폭, 주조 속도, 전자 교반 자장의 자속 밀도, 침지 노즐(5)의 침지 깊이(노즐 침지 깊이) 등을 예시할 수 있다.
용강 유동 지표 산출부(12)는, 용강 유동 상태 추정부(11)에 의해 추정된 용강(2)의 유동 상태의 데이터를 이용하여, 주형(4) 내에서 슬래브(주편)로 불순물이 혼입되는 요인이 되는 용강 유동 지표를 온라인으로 추정한다. 여기에서, 슬래브로 혼입되는 불순물로서는, 몰드 파우더(mold powder)를 기원으로 한 개재물이 있다. 몰드 파우더는, 주형(4) 내에 주입된 용강의 상(上)표면에 상시 공급되어, 주형(4)과 슬래브의 소부(燒付:seizure)를 방지하는 윤활제로서, 용강(2)의 보온 효과 등도 갖고 있다. 주형(4) 내의 용강(2)의 최상부에서는, 몰드 파우더는 용융 상태로 용강(2)과 접촉하고, 용강(2)은 어느 유속으로 유동하고 있다. 여기에서, 본 발명에서는, 몰드 파우더와의 접촉 위치에 있어서의 용강(2)의 유속을 용강(2)의 표면 유속이라고 칭한다. 그 때문에, 용강(2)의 표면 유속이 과대해지면, 용융 파우더가 용강(2)의 내부에 권입되어 개재물 결함이 될 가능성이 있다. 또한, 알루미나 등의 개재물은, 침지 노즐(5)로부터 공급되는 Ar 가스 등의 기포와 함께 용강 유동에 맞추어 상승하고, 용융 파우더층에 흡수되어 용강(2)의 청정화가 행해진다. 그러나, 응고 계면 유속이 느린 경우에는, 개재물이나 기포가 응고 쉘측에 트랩되어, 제품 시에 표면 결함의 원인이 될 가능성이 있다. 여기에서, 응고 계면 유속이란, 주형 내의 응고 쉘의 근방 영역에 있어서의 용강의 유속을 의미한다.
이 때문에, 주형(4) 내에서 슬래브로 불순물이 혼입되는 요인을 나타내는 용강 유동 지표로서는, 주형(4) 내의 용강 표면 유속의 최대값(용강 표면 최대 유속), 응고 계면 유속이 소정값 이하가 되는 면적(저유속 면적), 용강 표면 난류 에너지의 최대값을 예시할 수 있다. 구체적으로는, 용강 유동 지표 산출부(12)는, 용강(2)의 유동 상태의 데이터로부터, 주형(4)의 최상단부(메니스커스(meniscus): 용강탕면의 높이 위치)의 용강 유동 상태 계산 메쉬(폭 방향 및 두께 방향의 전영역)에 있어서의 용강 유속의 최대값을 용강 표면 최대 유속으로서 산출한다. 또한, 용강 유동 지표 산출부(12)는, 용강(2)의 유동 상태의 데이터로부터, 주형(4)의 높이 방향(주조 방향) 및 두께 방향의 소정 위치에 있는 용강 유동 상태 계산 메쉬(폭 방향은 전영역)에 있어서 용강 유속이 소정값 이하인 용강 유동 상태 계산 메쉬의 면적을 산출한다. 예를 들면 용강 유동 지표 산출부(12)는, 폭 방향의 전영역, 또한, 주형 높이 방향으로는 적어도 메니스커스 위치에서 200㎜ 하방까지의 범위에서, 용강 유속이 소정값 이하인 용강 유동 상태 계산 메쉬의 면적을 주형 장변의 편면마다 합계하여, 그 값을 각각 저유속 면적으로 한다. 또한, 용강 유동 지표 산출부(12)는, 용강(2)의 유동 상태의 데이터로부터, 주형(4)의 최상단부의 용강 유동 상태 계산 메쉬(폭 방향, 두께 방향의 전영역)에 있어서의 난류 에너지의 최대값을 용강 표면 난류 에너지의 최대값으로서 산출한다.
여기에서, 난류 에너지란, 흐름의 흐트러짐(turbulence)의 강도를 나타내는 값으로, 어느 공간 위치에 있어서 시간적으로 변동하는 유속의 시간 평균값으로부터의 어긋남(deviation)의 크기에 기초하여 부여된다. 구체적으로는, 난류 에너지는 이하에 나타내는 수식으로 부여된다.
k＝(1/2)·Ui 2
U＝Uave＋Ui
k는 난류 에너지, U는 어느 공간 위치에 있어서의 유체의 유속의 순간값, Uave는 어느 공간 위치에 있어서의 유체의 유속의 시간 평균값, Ui는 어느 공간 위치에 있어서의 유체의 유속의 시간 평균값으로부터의 어긋남을 나타낸다.
저유속 면적은, 슬래브의 응고 계면에 있어서의 용강 유동이 빠른 경우에는 용강(2)에 의해 응고 쉘에 보착(補捉)되는(supplemented) 불순물(기포나 개재물)을 저감할 수 있는 효과가 있는 점에서 유효한 지표가 된다. 여기에서 저유속이라고 판정해야 하는 유속은, 강종 성분이나 요구되는 품질 레벨 및 주형 치수 등에 따라서 개별로 정하면 좋고, 일정값으로 정해야 하는 것은 아니다. 또한, 본 발명자들의 조사에 의하면, 저유속으로 판정하는 기준으로서, 0.05m/s 미만을 채용할 수 있다. 또한, 저유속 면적은, 예를 들면, 용강 유동 상태 계산 메쉬의 단위 면적을 1㎠(0.0001㎡)로 한 경우, 주형 장변의 편면에 대해서 저유속으로 판정된 단위 메쉬가 100메쉬 있을 때, 저유속 면적이 0.01㎡ 있다고 한다. 또한, 저유속 면적의 적정값에 대해서도, 강종 성분이나 요구되는 품질 레벨 및 주형 치수 등에 따라서 개별로 정하면 좋고, 일정값으로 정해야 하는 것은 아니다. 또한, 본 발명자들의 조사에 의하면, 요구되는 품질 레벨이 엄격한 경우는, 0.01㎡ 이하, 요구되는 품질 레벨이 그다지 엄격하지 않은 경우는, 0.02㎡ 이하, 를 각각 기준으로서 채용할 수 있다. 용강 표면 최대 유속은, 용강 표면에 있어서의 용강 유동이 느린 경우에는 몰드 파우더의 용강(2) 내로의 권입을 저감할 수 있는 효과가 있는 점에서 유효한 지표가 된다. 또한, 용강 표면 난류 에너지의 최대값은, 용강 표면 최대 유속과 동일한 이유로부터 유효한 지표가 된다.
조업 조건 제어부(13)는, 용강 유동 지표 산출부(12)에 의해 산출된 용강 유동 지표를 적정 범위 내로 제어하기 위해, 용강 유동 지표에 따라서 주조 속도, 전자 교반 자장의 자속 밀도 및, 노즐 침지 깊이 등의 조업 조건을 제어한다. 예를 들면, 응고 계면 유속이 소정값 이하가 되는 면적이 미리 정한 값을 초과한 경우는, 전자 교반 자장의 자속 밀도를 크게 하여 전자 교반력을 강하게 하도록 조업 조건을 제어한다. 전자 교반력에 의해 주형 내의 용강에 추가로 유속을 부여하면, 응고 계면 유속이 소정값 이하가 된 위치에 있어서도, 용강 유속이 증가하도록 작용하기 때문이다. 또한, 전자 교반 자장의 자속 밀도를 크게 해도, 여전히, 응고 계면 유속이 소정값 이하가 되는 면적이 미리 정한 값을 초과하고 있고, 게다가 응고 계면 유속이 소정값 이하가 되는 위치가 용강 표면에 가까운 경우는, 침지 노즐의 깊이를 얕게 하도록 조업 조건을 제어해도 좋다. 침지 노즐의 깊이를 얕게 하면, 침지 노즐로부터 토출되는 용강의 토출류의 영향이, 보다 용강 표면측에 나타나, 용강 표면의 용강 유속을 증가시키도록 작용하기 때문이다. 한편, 전자 교반 자장의 자속 밀도를 크게 함으로써, 응고 계면 유속이 소정값 이하가 되는 면적이 미리 정한 값 미만이 되긴 했지만, 용강 표면 유속 및/또는 용강 표면 난류 에너지가 소정값을 초과하는 경우는, 전자 교반 자장의 자속 밀도를 크게 한 채로, 침지 노즐의 깊이를 깊게 하도록 조업 조건을 제어해도 좋다. 침지 노즐의 깊이를 깊게 하면, 침지 노즐로부터 토출되는 용강의 토출류의 영향이, 용강 표면측에 나타나기 어려워져, 용강 표면 유속 및/또는 용강 표면 난류 에너지를 감소시키도록 작용하기 때문이다.
일반적으로, 주형(4) 내에 있어서의 용강(2)의 유동 상태는 연속 주조기(1)의 조업 상태의 차이에 따라서 변화한다. 예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같이, 좌우의 2개소에 토출구(5a)가 있는 침지 노즐(5)을 사용하고 있는 경우, 편측의 토출구(5a)에 알루미나 등의 개재물이 부착됨으로써, 주형(4) 내에 있어서의 용강(2)의 토출류에 좌우차(편류)가 생기는 경우가 있다. 이 편류는, 주조 폭, 주조 속도, 전자 교반 자장의 자속 밀도와 같은 조업 조건이 동일하더라도 발생하기 때문에, 주형(4)에 설치되어 있는 온도 센서의 측정값을 이용하여 편류를 포함하는 용강의 유동 상태를 정밀도 좋게 재현함으로써 정밀도 좋게 용강 유동 지표를 온라인으로 추정한다.
즉, 주형(4)에 설치되어 있는 온도 센서의 측정값에 대응하도록, 용강 유동 지표 산출부(12)에 있어서의 계산 조건을 수정하고, 계산값을 축차 갱신(successively updating)함으로써, 온라인으로 보다 정밀도 좋게 용강 유동 지표를 추정한다. 또한, 온도 센서의 설치수나 피치 및 측정값의 샘플링 간격은, 본 발명을 실시하는 환경 등에 따라서 가능한 범위에서 정하면 좋다. 본 발명자들의 조사에 의하면, 온도 센서를, 주조 방향 및 폭 방향으로 각각 50㎜피치 이하 및 100㎜피치 이하로 배치하고, 측정값을 1초 간격 이하에서 채취하도록 하면, 용강 유동 지표 산출부(12)의 계산 정밀도가 보다 향상한다. 용강 유동 지표를 온라인으로 추정함으로써, 결함 발생 리스크가 적은 적정 범위 내에서 조업이 되어 있는지를 파악할 수 있고, 조업 조건을 변경함으로써 용강 유동 지표를 적정 범위 내로 제어할 수 있다. 결과, 고품질인 슬래브를 제조할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 저유속 면적을 응고 계면 유속이 소정값 이하가 되는 면적이라고 하여 검토했지만, 용강 유동 지표로서는, 응고 계면 그 자체의 유속에는 한정되지 않는다. 전자 교반 자장 등에 의해 생기는 용강 유동(교반류) 중에서 저유속으로 되어 있는 영역이 있으면, 이러한 영역은 응고 계면으로의 기포나 개재물 보착에 악영향을 미치기 때문에, 이를 용강 유동 지표로 할 수 있다. 이와 같이 저유속 면적은 응고 계면 유속에 한정되지 않고 여러 가지의 정의의 방법이 가능하다. 마찬가지로, 용강 표면 유속의 최대값 및 용강 표면 난류 에너지의 최대값은, 용강의 표면 상태를 나타내고 있고, 상기한 바와 같이 몰드 파우더의 권입에 관련된다. 따라서, 용강 유동 지표로서는, 이들 최대값에 한정되지 않고, 용강 표면의 속도 또는 유동 상태를 적절히 규정함으로써 용강 유동 지표로 할 수 있다.
또한, 용강 유동 지표의 제어 시에 있어서는, 이하의 2점을 근거로 하여 행하는 것이 바람직하다. 1점째는, 용강 유동 현상이 비선형인 점이다. 즉, 원래의 조업 조건이 상이하면, 조업 조건의 변경량이 동일해도 용강 유동 지표의 변화량은 상이하다. 도 4(a), (b)는, 전자 교반 자장의 자속 밀도가 상이한 2조건에 있어서의, 전자 교반 자장의 자속 밀도의 변경량과 용강 표면 최대 유속의 변화량의 관계를 나타내는 도면이다. 도 4(a)에 나타내는 조건에서는, 전자 교반 자장의 자속 밀도를 변경해도 용강 표면 최대 유속은 거의 변화하지 않는다. 이에 대하여, 도 4(b)에 나타내는 조건은, 전자 교반 자장의 자속 밀도를 상승시키면 용강 표면 최대 유속도 증가한다. 또한, 전술한 바와 같이, 조업 조건에 의하지 않고 용강의 토출류에 편류도 발생할 수 있다. 따라서, 조업 조건의 변경량에 대한 용강 유동 지표가 변화하는 감도는 시시각각 변화할 가능성이 있어, 미리 기정의 감도를 형성하면 용강 유동 지표를 적정 범위 내로 제어하는 것이 곤란해지는 경우가 있다.
2점째는, 조업 조건과 용강 유동 지표의 사이에는 상호 간섭이 존재하는 것이다. 예를 들면, 주조 속도를 증가시키면, 저유속 면적은 감소하는 한편으로 용강 표면 최대 유속은 증가한다. 또한, 침지 노즐의 침지 깊이를 변경함으로써, 용강 표면 최대 유속 및 용강 표면 난류 에너지의 최대값을 변화시킬 수 있다. 모든 용강 유동 지표를 적정 범위 내로 제어하기 위해서는, 몇 가지의 조업 조건을 조합하여 간섭을 고려한 제어가 필요해진다. 그러나, 조업 조건의 변경량을 수속 계산(convergent calculation)에 의해 음(陰)적으로(implicitly) 구하고자 하면 계산 시간이 길어져 다이나믹하게 제어하는 것이 곤란해진다. 따라서, 간섭을 고려하여 조업 조건의 변경량을 양적으로(explicitly) 산출하고, 다음의 제어 주기에 있어서의 조업 조건에 반영시키는 것이 바람직하다.
도 5는, 본 발명의 일 실시 형태인 연속 주조기의 제어 장치에 의한 조업 조건 제어 처리의 흐름을 나타내는 플로우차트이다. 도 5에 나타내는 플로우차트는, 용강 유동 지표 산출부(12)에 의해 용강 유동 지표가 산출될 때마다 개시되고, 조업 조건 제어 처리는 스텝 S1의 처리로 진행된다. 또한, 이하에서는, 용강 유동 지표로서 저유속 면적 S, 용강 표면 최대 유속 V 및, 용강 표면 난류 에너지의 최대값 E를 제어하기 위해, 조업 조건 A, B, C를 변경하는 경우에 대해서 설명한다.
스텝 S1의 처리에서는, 조업 조건 제어부(13)가, 용강 유동 지표 산출부(12)에 의해 산출된 용강 유동 지표가 모두 적정 범위 내에 있는지 아닌지를 판별한다. 판별의 결과, 용강 유동 지표가 모두 적정 범위 내에 있는 경우(스텝 S1: Yes), 조업 조건 제어부(13)는, 조업 조건의 변경은 행하지 않고, 일련의 조업 조건 제어 처리를 종료한다. 한편, 용강 유동 지표의 적어도 1개가 적정 범위 외였을 경우에는(스텝 S1: No), 조업 조건 제어부(13)는, 조업 조건 제어 처리를 스텝 S2의 처리로 진행한다.
스텝 S2의 처리에서는, 조업 조건 제어부(13)가, 조작하는 대상의 조업 조건에 대해서, 각각을 미소하게 변화시킨 경우의 용강 유동 상태를 추정하여 용강 유동 지표를 산출한다. 또한, 조업 조건의 변화량은, 원래의 조업 조건으로부터 크게 변화시키면, 용강 유동 분포의 추정 정밀도가 악화될 가능성이 있기 때문에, 원래의 조업 조건의 10％ 이내에서 변화시키는 것이 바람직하다. 그리고, 조업 조건 제어부(13)는, 산출된 용강 유동 지표와 용강 유동 지표 산출부(12)에 의해 산출된 용강 유동 지표의 차분을 산출하고, 각각의 조업 조건을 변경한 경우의 용강 유동 지표의 감도 벡터를 산출함으로써 감도 행렬 X를 얻는다. 조업 조건 A를 변경한 경우의 용강 유동 지표의 감도 벡터(∂S/A, ∂V/A, ∂E/A), 조업 조건 B를 변경한 경우의 용강 유동 지표의 감도 벡터(∂S/B, ∂V/B, ∂E/B) 및, 조업 조건 C를 변경한 경우의 용강 유동 지표의 감도 벡터(∂S/C, ∂V/C, ∂E/C)를 얻은 경우의 감도 행렬 X를 이하의 수식 (1)로 나타낸다. 이에 따라, 스텝 S2의 처리는 완료되고, 조업 조건 제어 처리는 스텝 S3의 처리로 진행된다.
스텝 S3의 처리에서는, 조업 조건 제어부(13)가, 용강 유동 지표 산출부(12)에 의해 산출된 용강 유동 지표에 대해서, 각각의 적정 범위와의 차분값을 산출함으로써, 편차 벡터 Y를 얻는다. 저유속 면적 S, 용강 표면 최대 유속 V 및, 용강 표면 난류 에너지의 최대값 E의 편차가 각각 ΔS, ΔV, ΔE였을 경우, 편차 벡터 Y는 이하에 나타내는 수식 (2)와 같이 나타난다. 이에 따라, 스텝 S3의 처리는 완료되고, 조업 조건 제어 처리는 스텝 S4의 처리로 진행된다.
스텝 S4의 처리에서는, 조업 조건 제어부(13)가, 스텝 S2의 처리에 의해 얻어진 감도 행렬 X 및 스텝 S3의 처리에 의해 얻어진 편차 벡터 Y를 이용하여, 최소 제곱법에 의해 최적인 조업 조건의 변경량 벡터 Z＝(ΔA, ΔB, ΔC)를 산출한다. 이하의 수식 (3)은, 감도 행렬 X, 편차 벡터 Y, 조업 조건의 변경량 벡터 Z 및, 오차 벡터 ε과의 관계를 나타낸다. 최소 제곱법은, 수식 (3)에 있어서의 오차 벡터 ε의 제곱합을 최소로 하는 변경량 벡터 Z를 최적해로서 구하는 수법으로, 최적인 조업 조건의 변경량 벡터 Z는 이하에 나타내는 수식 (4)에 의해 산출할 수 있다. 이와 같이 하여, 최적인 조업 조건의 변경량 벡터 Z는, 기지량인 원래의 조업 조건 및 용강 유동 지표 산출부(12)에 의해 산출된 용강 유동 지표에 기초하여 양적으로 산출된다. 이에 따라, 스텝 S4의 처리는 완료되고, 조업 조건 제어 처리는 스텝 S5의 처리로 진행된다.
스텝 S5의 처리에서는, 조업 조건 제어부(13)가, 스텝 S4의 처리에 의해 얻어진 최적인 조업 조건의 변경량 벡터 Z＝(ΔA, ΔB, ΔC)를 조업 조건에 반영하여, 다음의 제어 주기에 있어서의 조업 조건으로 한다. 구체적으로는, 조업 조건 제어부(13)가, 다음의 제어 주기에 있어서 조업 조건 A＋ΔA, B＋ΔB, C＋ΔC를 이용하는 것으로 한다. 이에 따라, 스텝 S5의 처리는 완료되고, 일련의 조업 조건 제어 처리는 종료된다.
실시예
본 실시예로서, 극저탄소강의 연속 주조에 있어서, 본 발명을 적용했다. 주형 치수는, 폭 1200㎜, 두께 260㎜로, 정상(定常) 상태의 주조 속도는 1.6m/min이다. 본 실시예에서는, 저유속 면적의 적정 범위를 0.02㎡ 이하, 용강 표면 최대 유속의 적정 범위를 0.05∼0.30m/s로 설정하여 조업을 행했다. 조업 중, 연속 주조기(1)의 조업 중에 산출된 저유속 면적이 적정 범위보다 커졌기 때문에, 전자 교반 자장의 자속 밀도를 5％ 크게 했다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이, 주형(4) 내의 용강 교반력이 강해지고, 응고 계면 유속이 올라가고, 저유속 면적이 감소했다. 그러나, 이 조업 조건의 변경에 의해 용강 교반력이 강해진 것에 의해, 도 7에 나타내는 바와 같이, 용강 표면 최대 유속이 적정 범위를 초과해 버리는 경우가 있었다. 그래서, 노즐 침지 깊이를 30㎜ 깊게 했다. 이는, 침지 노즐(5)의 토출류가 주형 동판에 충돌, 반전하여 흐름이 교반류와 서로 겹쳐 용강 표면 유속을 높이고 있기 때문에, 침지 노즐(5)의 침지 깊이를 깊게 함으로써, 반전류가 작아져, 용강 표면 유속을 억제할 수 있기 때문이다. 이 조업 조건 변경에 의해, 도 8에 나타내는 바와 같이, 저유속 면적을 작게 하면서, 용강 표면 최대 유속을 적정 범위 내로 제어할 수 있었다. 또한, 온라인으로 용강 유동 지표(용강 표면 최대 유속, 저유속 면적 및, 용강 표면 난류 에너지의 최대값)를 추정함으로써, 용강 유동 지표를 적정 범위로 하기 위한 조업 조건을 제어하는 것이 가능해져, 결과적으로, 도 9에 나타내는 바와 같이, 슬래브 품질 지표인 슬래브의 결함 혼입률을 저감할 수 있었다. 이와 같이 하여, 본 발명에 따른 연속 주조기의 제어 방법에 의하면, 우수한 품질의 슬래브를 제조할 수 있는 것이 확인되었다.
도 10(a)∼(d)에 나타내는 실시예에서는, 시뮬레이션상에서, 침지 노즐을 막히게 하는 바와 같은 외란을 인공적으로 발생시킨 가상 플랜트(virtual plant)를 작성하여, 전자 교반 자장의 자속 밀도 및 주조 속도를 조작함으로써, 가상 플랜트로부터 산출된 저유속 면적 및 용강 표면 최대 유속을 본 발명의 일 실시 형태인 연속 주조기의 제어 장치에 의해 적정 범위 내로 제어할 수 있는지를 확인했다. 도 10(a)∼(d)에 나타내는 시간 t＝t1의 타이밍에서 외란을 발생시킨 결과, 용강 유동 지표 산출부(12)에 의해 산출된 저유속 면적 및 용강 표면 최대 유속과, 가상 플랜트의 저유속 면적 및 용강 표면 최대 유속의 사이에 추정 오차가 발생했다. 다음으로, 도 10(a)∼(d)에 나타내는 시간 t＝t2의 타이밍에서 용강 유동 상태 추정 처리를 개시한 결과, 용강 유동 지표 산출부(12)에 의해 산출된 저유속 면적 및 용강 표면 최대 유속과, 가상 플랜트의 저유속 면적 및 용강 표면 최대 유속의 추정 오차는 저감했다. 추가로, 도 10(a)∼(d)에 나타내는 시간 t＝t3의 타이밍에서 조업 조건 제어 처리를 개시한 결과, 전자 교반 자장의 자속 밀도가 상승하고, 주조 속도가 저하하여, 가상 플랜트의 저유속 면적 및 용강 표면 최대 유속은 적정 범위의 상한 근방으로 제어할 수 있었다. 이 점에서, 온라인으로 용강 유동 지표(용강 표면 최대 유속, 저유속 면적 및, 용강 표면 난류 에너지의 최대값)를 추정함으로써, 용강 유동 지표를 적정 범위로 하기 위한 조업 조건을 수시 제어하는 것이 가능해져, 고품질인 슬래브를 제조할 수 있는 것이 확인되었다. 또한, 도 10(a)∼(d)에 있어서, 파선 L1은 가상 플랜트의 저유속 면적, 선 L2는 용강 유동 지표 산출부(12)에 의해 산출된 저유속 면적, 파선 L3은 가상 플랜트의 용강 표면 최대 유속, 선 L4는 용강 유동 지표 산출부(12)에 의해 산출된 용강 표면 최대 유속을 나타낸다.
이상, 본 발명자들에 의해 이루어진 발명을 적용한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 실시 형태에 의한 본 발명의 개시의 일부를 이루는 기술 및 도면에 의해 본 발명이 한정되는 일은 없다. 예를 들면, 도 10(a)∼(d)에 나타내는 실시예에서는 전자 교반 자장의 자속 밀도 및 주조 속도를 조작하는 경우의 검증을 행했지만, 저유속 면적이나 용강 표면 유속, 용강 표면 난류 에너지 등의 유동 지표는 전자 교반 자장의 자속 밀도를 조작하는 것에 의해서도 제어할 수 있다. 이와 같이, 본 실시 형태에 기초하여 통상의 기술자들에 의해 이루어지는 다른 실시 형태, 실시예 및, 운용 기술 등은 모두 본 발명의 범주에 포함된다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명에 의하면, 고품질인 주편을 제조 가능한 연속 주조기의 제어 방법, 연속 주조기의 제어 장치 및, 주편의 제조 방법을 제공할 수 있다.
1 : 연속 주조기
2 : 용강
3 : 턴 디쉬
4 : 주형
5 : 침지 노즐
10 : 제어 장치
11 : 용강 유동 상태 추정부
12 : 용강 유동 지표 산출부
13 : 조업 조건 제어부

Claims (12)

  1. 연속 주조기의 조업 조건 및 주형 내의 용강의 온도 데이터를 이용하여, 주형 내에 있어서의 용강의 유동 상태를 온라인으로 추정하는 용강 유동 상태 추정 스텝과,
    상기 용강 유동 상태 추정 스텝에 있어서 추정된 용강의 유동 상태에 기초하여, 주형 내에서 주편으로 불순물이 혼입되는 요인이 되는 적어도 하나의 용강 유동 지표를 온라인으로 산출하는 용강 유동 지표 산출 스텝과,
    상기 용강 유동 지표 산출 스텝에 있어서 산출된 상기 적어도 하나의 용강 유동 지표가 적정 범위 내가 되도록, 상기 연속 주조기의 조업 조건을 제어하는 조업 조건 제어 스텝
    을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 용강 유동 지표에는, 응고 계면 유속이 소정값 이하가 되는 면적과, 용강 표면 유속의 최대값과, 용강 표면 난류 에너지의 최대값이 포함되는, 연속 주조기의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 용강 유동 지표에는, 전자 교반 자장에 의해 생기는 교반류 중에서 응고 계면 유속이 소정값 이하로 되어 있는 영역의 면적이 포함되는, 연속 주조기의 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주형 내의 용강의 온도 데이터는, 주형에 설치된 온도 센서의 측정값을 포함하는 온도 데이터인, 연속 주조기의 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연속 주조기의 조업 조건에는, 주조 속도, 전자 교반 자장의 자속 밀도 및, 노즐 침지 깊이 중 적어도 하나가 포함되는, 연속 주조기의 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 조업 조건 제어 스텝은, 주조 속도, 전자 교반 자장의 자속 밀도 및, 노즐 침지 깊이 중 적어도 하나를 미소하게 변화시킨 경우의 용강의 유동 상태를 제어 주기마다 추정함으로써, 조업 조건의 변경에 대한 용강의 유동 상태의 감도를 산출하는 스텝을 포함하는, 연속 주조기의 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 조업 조건 제어 스텝은, 주조 속도, 전자 교반 자장의 자속 밀도 및, 노즐 침지 깊이의 사이의 상호 간섭을 양(陽)적으로(explicity) 산출하여 제어하는 스텝을 포함하는, 연속 주조기의 제어 방법.
  11. 연속 주조기의 조업 조건 및 주형 내의 용강의 온도 데이터를 이용하여, 주형 내에 있어서의 용강의 유동 상태를 온라인으로 추정하는 용강 유동 상태 추정부와,
    상기 용강 유동 상태 추정부에 의해 추정된 용강의 유동 상태에 기초하여, 주형 내에서 주편으로 불순물이 혼입되는 요인이 되는 적어도 하나의 용강 유동 지표를 온라인으로 산출하는 용강 유동 지표 산출부와,
    상기 용강 유동 지표 산출부에 의해 산출된 상기 적어도 하나의 용강 유동 지표가 적정 범위 내가 되도록, 상기 연속 주조기의 조업 조건을 제어하는 조업 조건 제어부
    를 구비하고,
    상기 적어도 하나의 용강 유동 지표에는, 응고 계면 유속이 소정값 이하가 되는 면적과, 용강 표면 유속의 최대값과, 용강 표면 난류 에너지의 최대값이 포함되는, 연속 주조기의 제어 장치.
  12. 제1항, 제2항, 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 연속 주조기의 제어 방법을 이용하여 연속 주조기를 제어하면서 주편을 제조하는 스텝을 포함하는, 주편의 제조 방법.
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