連続鋳造における高度自動化・計装・モデリング

鋼連続鋳造の自動化、計装、モデリング

溶鋼連続鋳造プロセスは、溶鋼を半製品(ビレット、ブルーム、ビームブランク、ラウンド、スラブ)に凝固させ、圧延機での後続圧延に供するプロセスです。連続鋳造機基本操業は、所定組成溶鋼を、一次冷却ゾーン、噴霧冷却ゾーン、矯正機等の操業群を通じて所望形状・サイズストランドに変換することです。

連続鋳造プロセスは基本的に以下で構成：(i)鋳型上部に位置するタンディッシュ、溶鋼を製鋼取鍋から受け取り規制速度で鋳型へ供給、(ii)一次冷却ゾーン：水冷銅鋳型、タンディッシュから溶鋼供給、二次冷却ゾーン進入時ストランド形状維持に十分強固な凝固外殻生成、(iii)二次冷却ゾーン：鋳型下部配置コンテインメント部と併せ、ストランド(まだ大部分液相)通過、水または水・空気ミスト(エアミスト)噴霧で更なる凝固、(iv)ストランド曲げ解除・矯正部、(v)切断部：固化ストランド所望長さ切断用切断トーチ或機械せん断、(vi)ランアウトローラーテーブルから冷却ベッド或製品移送エリアへ。

鋼連続鋳造プロセスは熱伝達、溶鋼凝固プロセス、溶鋼流れ、液-固相転移を含む複雑技術プロセス。連続鋳造プロセス中に発生し得るすべての理化学現象影響を含む最適プロセス制御システム構築には相当困難伴う。このため連続鋳造プロセス制御は製鋼中最も困難なタスクの一つです。

連続鋳造に伴う物理現象

複雑性ゆえ連続鋳造プロセスには複数物理現象伴う。鋳型内および鋳型退出後二次冷却ゾーンでの溶鋼凝固プロセスに最多重要現象含む。一次冷却ゾーン部分プロセス：(i)対流起因複雑形状領域・浸漬ノズル/シュラウド通過溶鋼乱流、(ii)溶鋼領域内熱伝達、(iii)形成シェル-鋳型壁間鋳型内熱伝達、(iv)固体/液体スラグ層熱流、(v)熱応力形成、(vi)鋼凝固プロセス転移関連凝固シェル収縮、(vii)凝固現象伴う熱効果、(viii)鋳型壁機械的衝撃、(ix)鋳型壁-凝固ストランド間エアギャップ形成プロセス、(x)凝固帯内結晶形成伴う元素偏析効果。

表面欠陥形成は二次冷却ゾーンで発生。このゾーンプロセス：(i)液相コア領域内熱伝達(伝導・対流)、(ii)凝固シェル層熱伝導、(iii)凝固現象伴う熱効果、(v)噴霧ノズルシステムストランド冷却起因多段階熱伝達(噴霧ゾーン数・冷却タイプ関連)、(v)鋼凝固プロセス転移関連凝固ストランド収縮、(vi)個別凝固ゾーン形成(デンドライト結晶ゾーン、等軸晶ゾーン)、(vii)ロール-ストランド接触関連応力形成、連続鋳造機ロール間膨出可能性。

自動化・計装・モデリング推進要因

連続鋳造自動化・計装・モデリング推進要因には、顧客品質要求増大、競争激化、環境規制厳格化、安全要件増大等。さらに連続鋳造機全体生産システムは前後工程とのプロセス整合性確保必要。また自動化システムは生産計画・スケジューリング、品質保証、従来型監視制御機能等必須タスク実行要求される。

連続鋳造プロセス制御にはストランド凝固プロセス完全制御のため精巧な計装必要。連続鋳造機測定システムは大量プロセス情報提供。しかし、機械個別ポイントシェル厚変化、冶金長(液相コア長)等キー情報欠落。したがって数理モデルが連続鋳造制御システムで極めて重要。これら数理モデル精度によりプロセス中技術的意思決定使用可能。

自動化・計装システムと数理モデル組み合わせで連続鋳造製品品質向上・機械ダウンタイム削減を多面的に実現。数理モデル組み込みエキスパートシステム開発済み。品質要求増大と既知課題対処新アイデアから自動化・制御分野で複数進歩達成。

現代連続鋳造自動化システムは複数数理モデル用い鋳造プロセス各フェーズシミュレート。計算入力データはレベル1自動化から特定トランスポートアダプタ経由リアルタイム取得。鋳造プロセス目標パラメータは生産プログラム或操作者指定。エキスパートシステムでプロセスパラメータ最適値計算、製造品質管理、技術プロセス各状態オンフライモデリング、ロール・セグメントセットアップチェック実行。エキスパートシステムはレベル2自動化一部。明確ソフトウェアアーキテクチャと安定ミドルウェアプラットフォームが異自動化システム、エキスパートシステム、操作者間成功相互作用に重要役割。

HMI(ヒューマンマシンインターフェース)が操作者を生産プロセスガイド。操作要員関与は品質関連・安全関連活動限定。重要情報概要メインディスプレイ表示、詳細専用画面群から容易アクセス。操作者画面は操作要員理解言語・単位表示。システム全体は設定可能アプリケーション群構成、ユーザーは入力代わりに事前定義テキスト選択可能。図に連続鋳造典型自動化システム示す。

自動化システム階層

連続鋳造機技術プロセス自動化・制御システム設計・開発時、責任・要求・自動化システム応答レベル分類定義：

レベル0自動化

個別ユニット制御。自動化エリア内個別ユニットは接続センサ、トランスデューサ、ロータリートランスデューサ、ドライブ、制御、制御回路で制御。ユニット、ドライブ、インターロック通じ直接手動制御、レベル0自動化システム処理。大半安全機構もこのレベル格納。

レベル1自動化

PLC(プログラマブルロジックコントローラ)制御によるユニット群制御。レベル1自動化システム処理タスク：単一自動化エリア内複数デバイス制御システム。制御タスク通常PLCモジュール・マイクロコントローラでリアルタイム実行、システム応答時間間隔PLC制御20-150ms、マイクロコントローラ(例:モーションコントローラ)10-20ms確保。厳格応答時間制約で複雑生産プロセスモデル実装不可(例:モバイルユニット使用材料追跡・カバレッジ計画タスク他自動化レベル委任)。

連続鋳造機レベル1自動化機能通常含む：(i)タレット、ダミーバーカー、タンディッシュ制御、(ii)ダミーバー位置決定、(iii)ドライブロール調整、(iv)幅調整、鋳型テーパー、鋳型レベル制御、(iv)一次・二次冷却システム選択セットポイント基準空気・水調整。

レベル2自動化

プロセス制御用レベル2自動化。レベル2自動化システムは生産プロセス効率・品質保証決定に極めて重要役割。レベル2自動化システムは操業エンジニア或関連規格事前定義指示・設定使用し鋳造プロセス管理・監視。さらに各鋳造指示には目標製品品質生産最適条件示す品質評価パラメータセット含む。冶金モデルセット使用で鋳造プロセス完全自動化、操作者入力・介入最小化。プロセスモデル全機能接続し全体性能最適化。

レベル2自動化システム責任領域：(i)生産品質保証、(ii)プロセス制御・レベル1自動化システムへ命令・パラメータ伝送、(iii)自動生産データ取得、(iv)統合技術プロセス数理モデル使用シミュレーション・予測、(v)材料追跡、(vi)モバイル機器使用材料ハンドリング・カバレッジ計画最適化、(vii)警告・故障表示システム(生産故障・セット時間評価含む)。

連続鋳造プロセスレベル2自動化システム要件：(i)鋳造中プロセスパラメータ収集・表示、(ii)ストランド内部・表面・エッジ3D温度分布計算、(iii)ストランドシェル成長、凝固長、エッジ収縮、スケール、他鋳造特性計算、(iv)ストランド二次冷却システム動的位置決め、(v)セグメント動的調整(ソフトリダクション)実行、(vi)材料変化・凝固位置追跡、(vii)操作者介入受入・転送。

レベル2自動化通常含むプログラム・モデル：(i)ストッパー機構溶鋼流量制御、(ii)鋳型レベル制御、(iii)鋳型パウダーレベル制御、(iv)鋳造自動開始、(v)鋳型ブレイクアウト防止システム、(vi)鋳型・ストランド・最終撹拌、(vii)油圧鋳型振動、(viii)ヒート追跡モデル、(ix)リアルタイム品質評価、(x)切断最適化モデル、(xi)リアルタイムストランド凝固モデル、(xii)オンライン/オフライン凝固曲線計算、(xiii)動的機械的ソフトリダクション、(xiv)動的二次冷却制御、(xv)鋳造製品マーキング機、(xvi)光学製品認識システム、(xvii)プロセス分析・シミュレーション、(xviii)冶金データ管理、(xix)生産遅延検知、(xx)設備寿命追跡、(xxi)三次冷却含む鋳造製品ハンドリングロジスティクス。

連続鋳造プロセスレベル2自動化制御機能実装時、技術用語モデリングに複雑データ構造使用。他に、スプレープラン、エアプラン、参照温度曲線、鋳造パウダー、鋳造パラメータデータセット、鋼種、化学参照分析、鋼種グループ、クラック、サンプルカット用いた問題領域マッピングが典型冶金問題観点から多角度検討される。さらに、数理モデル、制御機構、ユーザーインターフェースには、計算関連実オブジェクト特性明確定義された連続鋳造プロセス簡素化標準化記述必要(ストランドガイダンス、鋳型、セグメント、ロール、噴霧ノズル、二次冷却制御回路、冷却セグメント等)。これら用語は簡潔ドメイン固有言語導入で容易記述可能。

連続鋳造レベル1/レベル2自動化システムタスク常に明確分類不可。各自動化タスク配置・分布結論は、入力パラメータ・プロセスデータ局在化、組込モデル応答時間可能性、必要ストレージ容量、自律度で決定。要求頻繁に2システム間分配(材料追跡等)、一部重複(安全インターロック等)。両システム各自専用ユーザーインターフェース有、各自動化レベルタスク向け設計。

レベル3自動化

生産計画用レベル3自動化。鋳造プログラム、作業スケジューリング・準備、在庫管理、保守計画、停止時間・保守タスク処理。

分散型レベル2自動化システムソフトウェアアーキテクチャ

レベル2自動化システム必須要件：統合数理モデルとレベル1制御システム、レベル3計画システム、接続データベース、連続鋳造機操作要員間安定・安全通信。レベル2自動化設計・構成時、多様コンポーネント、インターフェース、接続データソース重要、各コンポーネント振る舞いロジック過小評価不可。

レベル2自動化システム統合数理生産プロセスモデルがプロセス制御システム核心。プロセス実態監視でモデルにレベル1自動化システム実測値継続供給。一方、データは短期計画結果、レベル3自動化システム材料・オーダーデータでも補完。計算結果・生産プロセス全体像が連続鋳造機操作要員向けユーザーインターフェース表示。操作要員必要プロセス制御介入はレベル1自動化システム入力マスク(速度設定等)とレベル2自動化システムユーザーインターフェース(制御レジーム変更:参照温度・スプレープラン制御)両方使用実行可能。

こうしたシステム実装に多様ソフトウェアアーキテクチャパターン使用、頻繁にモデル(マルチエージェントアーキテクチャ)、イベント・メッセージングディスパッチャー(イベント駆動アーキテクチャ)、分散サービス(サービス指向アーキテクチャ)含む。

計装

連続鋳造初期から計装機器使用。タレット/取鍋カーから鋳造製品ランアウトローラーテーブルまで連続鋳造機主要コンポーネントすべてに計装機器使用。レードル、タンディッシュ、鋳型、二次冷却ゾーン、放射ゾーン、ランアウトローラーテーブル変数監視に計装機器広範使用(図2)。実際、鋳造パラメータ測定・制御への計装機器使用増大が連続鋳造機生産性・品質大幅向上主要要因の一つと評価。

計装機器は制御・自動化システム不可欠、現代生産性・品質基準達成への貢献過大評価不可能。計装機器は制御・自動化システム「目」、現技術でレードル、タンディッシュ、鋳型重要変数をプロセス・品質制御システムが「見る」ため永続計装利用可能。

連続鋳造プロセス計装主機能：(i)連続鋳造機械的・冶金的機能性能制御利用パラメータ測定、(ii)鋳造セクション毎品質格付け、(iii)操業・機械問題診断、(iv)製品品質・生産性と鋳造機設計・操業相関知識開発。

連続鋳造機使用計装機器数・洗練度急速増大。主理由：より高生産性・鋳造品質への要求増大、現代オンラインデジタルコンピュータ利用可能。特にスラブ鋳造機で品質・生産性要求最厳格。以前重点は鋳型計装(鋳型プラクティス・パラメータ製品品質・生産性最大影響)置かれた。しかし最近、レードル、タンディッシュ、コンテインメント、鋳造機ランアウトローラーテーブル計装開発・適用で顕著進歩。

二次冷却ゾーン噴霧室内危険環境鑑み、鋳造機制御システムがこのゾーン重要プロセス変数(ストランド表面温度等)変化に頻繁に「盲目」なの不思議でない。ここで使用計装通常一時的性質、実験ベース採用。他重要計装:ロール間膨出、凝固シェル厚、鋳型/ストランド摩擦測定用。

連続鋳造プロセスモデリング

鋼連続鋳造プロセスモデリングは非常に複雑タスク、多様数理モデルタイプ使用可能。現在、連続鋳造全プロセス発生全効果同時捕捉、単一包括的数値モデル提示不可能。連続鋳造プロセスモデリング自然分割は、実際溶鋼鋳造時随伴問題特定、或選択プロセスセクション焦点当て既存技術改善試み関連。

問題解決初期段階で、解決問題クラスへモデルタイプ適切選択と適応関連可能性判断が困難課題。理論的により複雑モデル(より「知的」)は鋳造プロセス主要技術パラメータ質問容易回答可能。しかし実践では多数制約遭遇。仮に複雑モデル検証済正解としても、ベストケース不要計算時間延長必要。定義問題解決必要パラメータ以上計算するため。第2危険:設定問題複雑性と使用ツール「知性」非同期化によるモデルパラメータ検証問題とプロセスデータ相関問題。モデル理論的精緻化進むほどパラメータ増加、未測定パラメータ発生リスク高まる。最後コメント:必要モデルパラメータ値取得戦略問題。連続鋳造プロセスモデリング数年経験示す最良選択:測定可能全モデルパラメータ実験測定。例:温度関数鋼比熱、鋼熱伝導率、粘度等形パラメータ。

物理モデリング

水で溶鋼模擬等連続鋳造プロセス物理モデリングで連続鋳造中溶鋼流れ挙動相当洞察獲得可能。連続鋳造流体流れ従来理解主に水モデル実験経由。新配置実装前効果テスト・理解有用手法。フルスケールモデルは操作者訓練・理解追加メリット。

物理モデル構築はモデルと実プロセス間幾何学と重要現象支配力バランス両方マッチング特定相似基準充足ベース。水モデルで溶鋼流れパターン再現には支配的力比率すべて両系同一必要。これによりモデルと鋼プロセス間速度比全位置同一。無次元グループサイズが2力相対重要度示す。極小/極大グループ無視可能だが、鋳造プロセス中間サイズ無次元グループすべて物理モデルでマッチング必要。適切幾何スケールと流体選択で達成。

幸い水と鋼は運動粘度非常に類似。したがってレイノルズ数とフルード数同時マッチングがフルスケール水モデル構築で可能。この2基準充足で等温単相流系(連続鋳造ノズル・鋳型等)合理的精度モデリング十分、大成功収められています。

フルスケールモデルは機械コンポーネント容易テスト・操作者訓練追加メリット。実際、両系速度十分高く完全乱流・極高レイノルズ数生成条件下では任意幾何スケール水モデルが大半流れ系で合理的結果生成。タンディッシュ・鋳型ノズル通過流れ重力駆動ため、水頭と幾何すべて同量スケーリング水モデルでフルード数通常充足。

物理モデル熱相似基準充足必要場合あり。例:レードル・タンディッシュ定常流れ物理流れモデルで熱浮力が支配的慣性駆動流れに対し大きい(修正フルード数サイズ示唆)、したがってモデルでも液鋼系同一保持必要。レードルでは速度推定困難ため、レイノルズ数2乗/修正フルード数、グラスホフ数検討便利。鋳型では慣性支配、熱浮力無視可能。熱浮力相対大きさフルスケール温水モデルでマッチング可能。しかし容易でなく、熱損失支配現象が流体伝導率・比熱、容器壁伝導率等モデルと鋼容器で異なる特性依存ため。他系(低速度、過渡、凝固含む)では熱伝達重要他相似基準同時充足実質的不可能。

連続鋳造プロセス複雑性と支配現象(図3示唆)で物理モデル困難。しかしコンピュータハードウェア・ソフトウェア能力増大で数理モデリングが連続鋳造全側面制御重要ツールに。

計算/数理モデリング

現在、計算コスト低下と商用モデリングパッケージ能力向上で、溶鋼連続鋳造複雑材料プロセスステップ理解追加ツールとして数理モデル適用容易化。計算モデル利点:熱伝達、粒子運動、二相流等他現象容易拡張可能(等温水モデル困難)。計算モデルは液鋼経験流れ条件より忠実表現可能。例:ストランド水モデル流出干渉物理的底部不要、移動凝固シェル存在考慮可能。

数理モデルで連続鋳造重要現象大半シミュレート可能。含む：(i)アルゴンガス泡、熱・溶質浮力影響複雑幾何(入口ノズル・ストランド液相プール)完全乱流過渡流体運動、(ii)パウダー-鋼相間・内部熱力学反応、(iii)鋼上面浮遊固体/液体フラックス層内流れ・熱輸送、(iv)表面張力、振動、重力誘導波、多相流含む自由液面・界面動的運動、(v)乱流液鋼過熱輸送、(vi)溶質輸送(鋼種切替時混合含む)、(vii)複雑幾何介在物液相輸送(浮力、乱流相互作用、ノズル壁・ガス泡・凝固鋼壁・上面へ介在物捕捉可能性含む)、(viii)凝固メニスカス、固体スラグリム、浸透液体フラックス、液鋼、パウダー層、介在物粒子間メニスカス領域熱・流体・力学相互作用、(ix)凝固鋼シェル、シェル-鋳型界面(パウダー層・成長エアギャップ含む)、銅鋳型通じ熱輸送、(x)シェル-鋳型隙間パウダー質量輸送、(xi)鋳型壁・サポートロール歪み・摩耗、(xii)溶融内・鋳型壁接触固体結晶核生成、(xiii)デンドライト・結晶粒・微細構造成長、相変態、析出物形成、微細偏析含む鋼シェル凝固、(xiv)熱収縮、相変態、内部応力起因凝固鋼シェル収縮、(xv)外力(鋳型摩擦、サポートロール間膨出、引き抜き、重力)起因凝固鋼シェル内応力生成、(xvi)熱ひずみ、クリープ、塑性(温度・鋼種・冷却速度依存)、(xvii)亀裂形成、(xviii)微視的・巨視的両スケール結合偏析。

連続鋳造プロセス驚異的複雑性で全現象同時モデリング不可能。したがって合理的仮定と低重要現象分離・無視必要。定量モデリングは特定関心事項影響全現象組み込み必要、各モデル特定目的必要。支配方程式選択後、通常離散化し有限差分/有限要素法で解く。適切数値検証実施重要。

数値誤差通常粗計算領域或非線形方程式解法未収束起因。既知テスト問題解法、メッシュリファインメント研究でグリッド独立解達成はモデル検証重要手法。最終的にモデルは実験室・プラントスケール両方実験測定対照検証後、実プロセスパラメトリックスタディ定量予測信頼可能。

モデル最終テスト:結果実装可能か、鋼製品欠陥回避等改善達成可能か。プラント試験最終的実装必要。試験は物理モデル、数理モデル、文献、過去経験等利用可能全情報源から供給洞察ベース実施。計算能力向上継続で数値シミュレーションツール能力前進、モデリングがハイテク連続鋳造プロセス将来進歩で増大役割果たす。モデリングは従来研究手法補強、プロセスあらゆる側面改善必要理解生成・定量化。高度計算モデリングが将来改善で極めて重要役割果たす領域：(i)過渡流シミュレーション、(ii)鋳型フラックス挙動、(iii)テーパー設計、(iv)オンライン品質予測・制御、特に高速ビレット鋳造、薄板鋳造、ストリップ鋳造等新問題・新プロセス。

連続鋳造プロセス将来進歩はモデル、実験、プラント試験からではなく、プロセスと問題理解する人々発想から来る。この理解は知識に根差し、計算モデル含むツールで確認・深化・定量化可能。計算ツール改善継続でこの重要役割果たす重要性増大、将来プロセス進歩導く。

想定計算目的と要求精度がモデル選択鍵。複数ケースで望ましい情報は冶金長とシェル厚変化ダイナミクス知識。ソフトリダクション実施場所決定時該当。ストランド鋳造速度変更必要時、新冷却強度決定手順必要。こうした問題にストランド応力、形成構造、潜在鋳造欠陥関連質問系列回答不要。したがってモデル自然に簡素化され、解決必要質問へ信頼性回答提供形態採用理解可能。

自動化・制御用重要モデル

連続鋳造自動化・制御用重要モデル以下。通常レベル2自動化レベル組み込み。

動的二次冷却制御

動的二次冷却制御に第3次元存在。モデルセットアップで精度・制御可能性次元昇格、二次冷却とソフトリダクション全く新しいフィロソフィー可能。二次冷却システムセットアップ時、ストランド3次元温度プロファイル計算に既知影響既知パラメータ全考慮前提。全異種ノズルタイプノズルテストスタンド測定し噴霧水分布評価。導出情報MSS(メンテナンスセットアップシステム)3Dモデル入力。可視化噴霧分布MSSで確認可能。

冷却ゾーン内ノズル正確位置入力、ゾーン噴霧分布MSS確認可能。冷却ゾーン熱除去量は噴霧水熱除去、ロール、放射熱考慮計算。MSSで全冷却関連設定構成可能、冷却ゾーン噴霧水分布と冷却プラクティス適用が連続鋳造機最適化される。冶金ノウハウ自動化セットアップ容易組込。内蔵オフラインシミュレーションシステムで新パラメータ設定本番適用前包括的テスト可能。

二次冷却レベル2自動化システムは、使用スプレープラン、参照温度曲線補間点、或完結機械全域スプレー水量時間変化関数として、ストランド表面・内部温度計算数理モデル提供。動的二次冷却制御システム3制御レジーム対応：(i)温度制御、(ii)ストランド経過時間、(iii)スプレープラン制御。

温度制御レジームでは動的二次冷却制御システムがストランド表面指定参照温度維持必要二次冷却水量計算。ストランド経過時間レジームは所与期間パラメータ変化考慮二次冷却制御一手法。スプレープラン制御レジームでは特定鋳造速度対応プリセット噴霧水量スプレープラン作成。鋳造速度変更発効時噴霧水量即座変更、結果ストランド表面温度操作者表示。温度スキャナー使用プラントでは動的二次冷却制御システムがスキャナー配信値適応、ストランド温度場計算係数測定値適応可能。

動的3D二次冷却システム

第1世代動的ソリューションはストランド中心2次元温度計算特徴。ストランドコーナーはプロセスモデルで大部分無視。コンピュータ性能継続改善でストランド全域任意点温度リアルタイム全3次元モード、十分微細離散化計算可能、ストランド表面・中心詳細温度プロファイル取得可能。

モデルは熱伝導方程式解く陽的有限体積近似ベース、温度依存材料特性(密度等)、位置依存鋳造製品厚み・幅考慮。動的3D二次冷却システムは放射、ロール熱伝達、自然対流、噴霧水起因鋳造製品表面熱伝達精密評価。さらに噴霧冷却・エアミスト冷却両方適用可能、ノズル噴霧分布パターンと実噴霧水温度考慮。これによりライデンフロスト現象消失700℃以下温度まで精密噴霧冷却熱伝達予測確保。結果、ストランド表面温度プロファイルとストランド凝固完了点更精密決定可能。

精密温度計算ベースで動的3D二次冷却システムはストランド長手方向だけでなく幅方向でも所望表面温度指定可能。個別冷却ノズル水流量・位置制御も可能。動的3D二次冷却制御アルゴリズムが目標ストランド表面温度値達成水流量セットポイント計算。放射温度計測定結果で計算・実測横方向ストランド温度プロファイル優秀適合示す。

動的3D二次冷却システム適用で連続鋳造将来課題向け冷却プラクティスセットアップ全く新しいフィロソフィー導入可能。可動噴霧ノズル(3Dスプレー)組合せで前例なき品質成果達成。

高度二次冷却動的3Dモデルは鋼種変更、鋳造速度変動、異なるタンディッシュ温度、タンディッシュ交換、鋳造シーケンス開始・終了等過渡鋳造状況でも正確水流量導出。全鋳造シーケンス通じ定義表面温度プロファイル維持する各冷却ゾーン水流量計算。メンテナンスシステムでプロセスエンジニア冷却プラクティス容易変更、連続鋳造ショップ固有冷却専門知識導入可能。オフラインシミュレーションシステムで新設定効果各種鋳造状況テスト後本番利用。

材料特性動的相計算

ストランド3次元温度プロファイル計算にはエンタルピー、固相分率、密度、伝導率等材料特性温度関数既知必要。所与鋼種組成で実験的既知場合、プロセスエンジニアMSS入力可能だが非常に時間消費。通常プロセスエンジニアこれら熱物理特性不知。ソフトウェアモデルが3Dモデル使用全熱物理データ計算。材料特性動的相計算は現在鋼種分析材料特性決定オンラインツールとして利用可能。

従来アプローチ:鋼種グループ化、グループ典型化学分析で材料特性決定。動的相計算使用で個別鋼種ごとデータ計算可能。これによりストランド最終凝固点、鋳造中ストランド温度分布等量予測更精密化、精密冶金処理可能、製品品質改善導く。さらにモデルは現在鋼分析ペリテクティックか否か表示、予期せぬペリテクティック鋼種時操作者アラート、ブレイクアウトリスク低減・品質改善。

動的相計算は熱力学モデルベース。高温域液-固相変態はギブス自由エネルギーモデルと微細偏析モデル組合せ記述。低温域固-固相変態にはアブラミ型モデル採用。モデル自由パラメータ実験測定量で決定。動的相計算オフラインシミュレーションと3Dモデル組合せで新鋼種冶金開発可能。

従来鋼種グループ化、グループ典型化学分析で材料特性決定。動的相計算で実際鋼分析から材料特性導出。計算で実際鋼分析対グループ分析比較で最終凝固点0.5m以上差異示すケースあり。この事実は実際鋼種オンライン計算重要性示し、鋳造製品品質改善に寄与。

動的ギャップソフトリダクション

動的ギャップソフトリダクションは連続鋳造プロセス動的ロールギャップ調整指す。特殊設計ストランドガイドセグメント(「スマートセグメント」)でロールギャップ遠隔調整可能、ストランド厚み変化対応と内部品質改善。動的3D熱追跡モデル提供オンライン情報ベースで動的ギャップソフトリダクションが調整可能ロールギャップセットポイント動的計算。

凝固状態(液相、半固相、固相)と計算ストランド厚みプロファイル依存ロール噛み合い監視が精密ロール調整・製品品質改善決定因子。最適ロール噛み合いはストランド過度力低減とロール摩耗減少も実現。より精密ロールギャップ制御で液相コアリダクション、意図的膨出ソフトリダクション等追加鋳造戦略実装可能。即ちソフトリダクションエリア前意図的動的ギャップ拡大で当該エリア高厚み減少可能、鋳造柔軟性・製品品質更改善。

動的ギャップソフトリダクションでスタートアップ、タンディッシュ交換、テールアウト戦略をストランド厚み、鋼種、鋳造ステータスベース自由定義可能。冷間ストランドヘッド/エンド異なる鋳造挙動起因ロール損傷・生産中断回避。

ノズルエキスパート:早期閉塞ノズル検知

冷却水ノズル噴霧でストランド均一冷却目指す。しかし1つ以上ノズル閉塞時、ストランド区画均一冷却不能、要求温度達せず。表面欠陥発生、鋳造製品ダウングレード可能性。連続鋳造機セグメント交換も困難源。ホース容易破損・詰まり。漏洩・ノズル閉塞結果認識で保守要員多大工数ノズル正常動作確認費やす。

ノズルエキスパートが連続鋳造機閉塞ノズル・破損ホース検知支援、ストランド均一冷却確保、高品質鋼生産確保。鋳造プロセス中ノズル状態自動監視。鋳造中断時手動起動も可能。利点:保守作業後或セグメント交換後ノズル状態チェック、鋳造再開前即時修理可能。

モデル計算考慮パラメータ:ノズルタイプ(ノズルテストスタンド測定結果)、圧力測定装置高さ、水圧、配管長・径、ノズル位置。二次冷却システム変更(異種ノズルタイプ使用等)時ノズルエキスパートセットアップ変更必要、正確計算結果取得のため。

ノズルエキスパートは統計モデルベース、各ゾーン閉塞比表示(例:ゾーン2ノズル96%確率で10%閉塞)。操作者はアラーム発生ゾーンのみ点検必要。計算鋳造開始信号で自動開始、鋳造プロセス全域ノズル状態監視。複数アラームで漏洩、閉塞ノズル、セグメント誤装着ノズル検知支援。

インターミックスエキスパート

事前シミュレーションで歩留まり改善。シーケンス鋳造時、取鍋交換毎タンディッシュ内で鋼種混合発生、ストランドでも混合。鋼化学組成ベースでインターミックスエキスパートが混合鋼ゾーン予定製品用途使用可否、ダウングレード或スクラップ必要か計算。タンディッシュ流れ実験情報と固化製品採取鋼サンプル分析結果組合せでインターミックス予測高精度確保、実際混合鋼ゾーン組成対応。

インターミックスエキスパートが前ヒート痕跡を現ヒート検知。鋼混合はタンディッシュだけでなく鋳型・ストランド上部でも発生。これら領域混合はインターミックス ミックスボックスタイプサブモデル評価、鋳造ストランド任意位置鋼化学組成計算可能。

タンディッシュ交換/セパレータプレート使用個別対応。インターミックス計算新ヒート「取鍋開放イベント」から開始、選択化学元素で循環実行。ヒートアサインメント機能でシーケンス鋳造ヒート適合性最終判断。最終製品判定(プライム、ダウングレード、全面スクラップ)影響クリティカル元素濃度プロファイル決定。クリティカル元素いずれか鋼種仕様不一致で偏差検知。

インターミックスモデル最大メリットはモデル出力とイールドエキスパートモデル組合せ達成、互換性ない鋼領域スクラップ指定し切断長最適化適用で最大プライム品質歩留まり確保。

プロセスエンジニア強力シミュレーション環境で任意異種鋼種組合せシミュレート可能。分析、タンディッシュ重量、ストランド寸法等入力パラメータ容易入力・修正、計算結果HMI可視化。単一分析元素或複数元素組合せグラフ表示。体積濃度、混合鋼長、スクラップ長、ストランド上ヒートレンジ等貴重情報グラフ下部表示。

モデル設定MSS容易実行。プロセスエンジニア任意鋼種リンクインターミックス決定化学元素選択可能。強力シミュレーション環境で2異種鋼種混合挙動シミュレート、計算体積濃度、ストランド沿い計算分析、スクラップ区間含むヒートレンジ表示。

スピードエキスパート

スピードエキスパートモデルは任意鋳造状況最適鋳造速度用。連続鋳造機適切鋳造速度選択極めて重要。複数側面(品質、安全、機械限界、生産要求)が鋳造速度選択影響。これら側面頻繁矛盾:生産増要求高鋳造速度、安全要件鋳造速度制限。通常複数連続鋳造ショップ自作ソフトウェアソリューションで異側面考慮鋳造速度計算。スピードエキスパート目的:大半側面カバー、プロセスエンジニア特殊ニーズ向けスピードエキスパート挙動調整容易メンテナンスツール提供。

スピードエキスパートが最適鋳造速度循環計算。鋳造速度計算は様々側面考慮規則ベース、スピードエキスパートプラクティス指定。各規則が要件満たす速度範囲決定。スピードエキスパートまず全速度範囲共通部分決定。共通部分空でなければ事前定義戦略(最大速度、目標速度、実速度有効範囲内なら速度変更回避)依存で鋳造速度選択。規則間競合で共通部分空時、事前選択競合解決戦略適用：(i)優先度(低優先度規則無視し解見出しまで)、(ii)最大速度最小値(全最大速度中最小選択)。

オンラインHMIで鋳造機操作者全規則速度範囲と導出最適鋳造速度閲覧可能。操作者規則優先度、戦略、競合解決戦略変更で微調整可能。速度セットポイントレベル1送信、自動実行可能。

MSSでスピードエキスパートプラクティス定義考慮：(i)品質関連ルール(品質エキスパートルール、鋼種別最小/目標/最大速度、過熱度、Mn/S比、低タンディッシュ重量、最適ソフトリダクション)、(ii)生産関連ルール(ヒートペーシング、鋳造開始、クリアリング)、(iii)安全関連ルール(機械保護、最小/最大速度予測計算)。

最適ソフトリダクションは最終凝固点がストランドセグメント末端位置時達成可能。定常状態仮定事前計算で各ストランドセグメント必要鋳造速度決定。

イールドエキスパート

イールドエキスパート目的:スクラップ最小化、歩留まり最適化。スクラップ部分、品質欠陥、重量制限、サンプルカット、幅変更考慮しながら最大予定製品数生産。重要特徴：(i)スクラップ区間/品質欠陥時製品長/重量最適化、(ii)鋳型幅調整スケジューリング、(iii)スクラップ区間配分アルゴリズム、(iv)最適化ステップオンライン/オフライン切替可能、(v)実際生産状況でも切断長最適化ステップリプレイ可能。

品質エキスパート

品質エキスパート:品質関連プロセスパラメータ定義決定、生産中実測データ追跡、鋳造製品品質予測、後続製品判定自動決定。オンライン品質アラートと鋳造機内鋳造ストランド品質プレビューで操作者支援。品質エキスパートは基本的/包括的製品品質格付け能力で2明確タイプ区別。

追跡全情報と計算結果を品質エキスパート生産モジュールから所謂ディスカバリーシステムへ転送可能。このシステムは追跡膨大情報長期アーカイブ・評価専用。