JP2002060850A - 加熱炉の温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料流量に応じて変化するフレーム長さの変
化に合わせて的確な燃焼制御をする。 【解決手段】 バーナ２２で燃焼される燃料の流量を操
作して炉温制御する炉温制御と、炉温を操作してストリ
ップ８の温度を制御するストリップ温度制御において、
ストリップ温度制御のパラメータを、燃料流量に応じて
変更する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属帯、例えば鋼
帯の焼鈍炉等の加熱炉の温度制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】冷間圧延された鋼帯の焼鈍処理は、図４
（縦断面図）及び図５（横断面図）に示す如く、焼鈍炉
１０内を炉内ロール１１にガイドされて進行する鋼帯
（ストリップと称する）８の進行方向に対して、これを
挟んで縦方向に所定数配設された伝熱輻射管（ラジアン
トチューブと称する）１４により行われることが多い。

【０００３】図５において、１６は、ラジアントチュー
ブ１４からの燃焼排ガスを排出するための排ガスダク
ト、１８は、ラジアントチューブ１４の出口に設けられ
た、燃焼制御用の空気が供給され、この空気供給によ
り、ラジアントチューブの空気燃料を霧吹の原理で吸い
出して燃焼制御するサクションタイプのエゼクタ、２０
は、該エゼクタ１８により燃料ガス（例えばＣ０を含む
Ｃガス）と空気を取り入れて、ラジアントチューブ１４
内で燃焼を行い、ラジアントチューブ１４を加熱するた
めのバーナ２２（図２参照）を備えた燃焼装置、２４
は、炉内ロール１１を駆動するモータである。

【０００４】このような加熱炉でストリップ８の加熱温
度を制御する際には、ストリップ温度を測定し、設定温
度との差に応じて炉壁あるいはラジアントチューブ１４
の温度（炉温と総称する）設定値を決定するストリップ
温度制御と、炉壁温度を測定して設定値との差に応じて
燃料流量を操作する炉温制御を行うのが一般的である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような加熱炉にお
いては、燃料の燃焼により炉壁あるいはラジアントチュ
ーブ１４が加熱され、これによりストリップ８が加熱さ
れるという伝熱経路を有するが、このような輻射による
伝熱においては、図１に示す如く、ストリップ８から見
た、熱源（炉壁又はラジアントチューブ）２６の立体角
が伝熱量を決定する要因である。通常、これを形態係数
と呼ばれる値に変換したものを各種の制御や計算に用い
るが、この値は、設備に固有なパラメータとされてい
る。

【０００６】しかしながら、実際にラジアントチューブ
１４を用いてストリップ８を加熱する場合、ラジアント
チューブ１４の温度分布は、バーナ２２の付近の温度が
高く、バーナより離れるに従って低下する。従って、図
２に示すように、伝熱に寄与する面積が、フレーム２３
の長さによって変化するため、ストリップから見た、ラ
ジアントチューブの立体角が変化する。従って、従来の
ように、形態係数を一定としていたのでは、適切な加熱
を行うことができなかった。

【０００７】なお、特開平８−３５０１５号公報には、
実績のラジアントチューブ表面温度のばらつきによる効
果を加味した昇温曲線を設定し、該昇温曲線に基づいて
算出したゾーン毎の必要熱量に対応し、且つ、ラジアン
トチューブ表面温度上限値を上回らないような補正を行
った上で、ラジアントチューブのバーナに供給する燃焼
ガスの流量を制御することが提案されているが、バーナ
のフレーム長さの変化による立体角の変化には対応でき
なかった。

【０００８】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、フレーム長さの変化に応じて応答性
の高い温度制御を行うことを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、バーナで燃焼
される燃料の流量を操作して炉温を制御する炉温制御
と、炉温を操作して被加熱体の温度を制御する被加熱体
温度制御を行う加熱炉の温度制御方法において、被加熱
体温度制御における被加熱体から見た熱源の形態係数
を、燃料流量に応じて変更することにより、前記課題を
解決したものである。

【００１０】本発明は、図１及び図２に示したような事
実に着目してなされたもので、フレーム長さによるラジ
アントチューブの立体角の変化を、制御パラメータとし
て取り込むことにより、高応答の制御を達成したもので
ある。

【００１１】フレーム長さは、バーナに導入される燃料
流量によってほぼ決定できるので、燃料流量に対する立
体角の変化を制御パラメータとすることができ、この値
を、炉温制御のパラメータとして使用する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。

【００１３】本実施形態を実施するための温度制御装置
は、図３に示す如く構成されている。図３において、２
２は、ラジアントチューブ１４の入口に設けられた、燃
焼装置２０のバーナであり、エゼクタ１８の空気流量制
御によりＣガスと空気を取り入れて、ラジアントチュー
ブ１４内での燃焼加熱を行う。エゼクタ１８に供給され
る空気流量は、流量発信器３０を通り、調節弁３２で制
御されている。又、バーナ２２に供給されるＣガスは、
流量発信器３４を通り、調節弁３６で流量制御されてい
る。

【００１４】図において、４０は、焼鈍炉１０の出口に
設けられ、炉出口におけるストリップ８の加熱温度を検
出するための放射温度計、４２は、各温度制御ゾーン毎
に設けられた炉内温度計、４４は、焼鈍炉の出側におけ
るストリップの加熱温度を設定し、温度制御の制御目標
値とするための温度設定器、４６は、出側ストリップ温
度の検出値と設定値との偏差、即ち、ストリップの温度
偏差を出力する加算点、４８は、該加算点４６と炉内温
度計４２とに入力接続され、該炉内温度偏差量に対し所
定の演算を行い、これを炉内温度の操作量として出力す
る炉内温度制御回路、５０は、板厚変更もしくは速度変
更等の加熱条件変更時に、所定の制御パターンに基づい
て予測信号を出力するコンピュータ、５２は、前記炉内
温度制御回路４８の出力信号により調節弁３２をＰＩＤ
制御して、エゼクタ１８への空気流量を調整し、ラジア
ントチューブ１４の加熱制御を行う空気流量制御回路、
５４は、流量発信器３０から空気流量信号を入力し、空
気流量に対するＣガスの流量を所定の比率で設定出力す
るための比率設定回路、５６は、該比率設定回路５４か
らの設定入力に対して調節弁３６を調整し、流量発信器
３４で検出されるＣガス流量をフィードバックしてＰＩ
Ｄ制御を行うガス流量制御回路である。

【００１５】本実施形態を実施するための、具体的な熱
源温度（炉内温度と等しいとする）の計算の仕方を示
す。

【００１６】図１において、ストリップからラジアント
チューブをみるときの形態係数Ｆ12は下式で表される。

【００１７】

【数１】

【００１８】単位時間にストリップに吸収されるエネル
ギーＱは下式で表される。

【００１９】

【数２】

【００２０】（１）、（２）式より、移動する熱量は、
燃料流量が大きくなればフレーム長さが長くなる結果、
熱源の面積が大となり、熱源→ストリップへの移動エネ
ルギーが大となることがわかる。

【００２１】Ｑがわかれば、ストリップの単位時間温度
上昇ΔＴ1は下式で求めることができる。

【００２２】ΔＴ1＝Ｑ／Ｗ／Ｃ …（３） ただし、Ｗ：ストリップ重量 Ｃ：比熱

【００２３】ラジアントチューブによる加熱では、フレ
ーム長さが移動エネルギーの大小を表すため、従来の制
御では、ストリップ温度を所定の値にするために必要な
Ｔ2をＦ12Ａ2を定数として、演算しようとしていたが、
今回の発明では、燃料流量→フレーム長さ→Ｆ12Ａ2の
関係が明らかになり、エネルギー移動量の関係をより正
確に表現できるようになった。このパラメータＦ12Ａ2
を、温度計算式に用いて、設定温度の精度を向上させる
ことができる。

【００２４】Ａ2の計算例としては、例えば Ａ2＝ａｑ＋ｂ …（４） ただし、ａ、ｂは定数などが考えられる。

【００２５】実際に適用する場合には、温度をΔＴ
（Ｋ）上昇させるのに必要な燃料を求める炉温制御装置
のゲインを下式のように前述の形態係数に置き換える形
で求めた。

【００２６】

【外１】 とＦ12を近似し、（２）、（３）、（４）式から下式を
導いた。

【００２７】

【数３】

【００２８】上式をさらに簡略化し、制御のゲインＧを

【外２】 として制御した。

【００２９】制御ゲインの求め方を以下に示す。

【００３０】ストリップ温度の目標値と炉出口でのスト
リップ実績温度からΔＴ、（３）式から必要移動熱量Ｑ
を求めることができる。さらに、このＱと燃料流量ｑか
らもとめたＦ12Ａ2から、（２）式を用いて、必要な熱
源温度＝炉内温度を得ることができる。

【００３１】よって、ストリップ温度と燃料流量の関係
を上記のようにあらかじめ求めておき、簡易な関数で表
現し、この値を制御ゲインとする。

【００３２】本実施形態は、このように温度制御装置に
おいて、炉内温度制御回路４８におけるＰＩＤ制御の比
例積分ゲインを、燃料流量の関数としたものである。

【００３３】また、本制御では、ストリップ温度の目標
値と実績値を一致させるために、下式で示す伝達関数を
もつＰＩＤ制御を採用した。

【００３４】 Ｙ（ｓ）＝ｅ（ｓ）×ｋｐ・（１＋１／（Ｔ・ｓ）＋Ｔｄ・ｓ） …（５） ただし、Ｙ（ｓ）：操作量（本発明では炉温設定） ｅ（ｓ）：ストリップ温度偏差（＝目標値−実績値） ｋｐ：比較ゲイン（本発明では制御ゲイン） Ｔ：積分ゲイン Ｔｄ：微分ゲイン

【００３５】ＰＩＤ制御は、ストリップ温度の偏差を解
消するための、炉内設定をもとめるものであり、
（２）、（３）式から導かれるように、ストリップの温
度と炉温の関係が正確に表現されれば、制御ゲインを正
確に決定することができ、結果として、より精度の高い
制御を行うことができる。

【００３６】ここで、炉内温度は、ラジアントチューブ
の温度を測定できるように設置し、図１における熱源温
度に等しいものと考える。

【００３７】なお、制御の方法は、ＰＩＤ制御に限定さ
れず、温度制御装置の具体的構成も図３に示すものに限
定されない。

【００３８】前記実施形態においては、本発明が、冷延
鋼帯の焼鈍炉の温度制御に適用されていたが、本発明の
適用対象は、これに限定されず、冷延鋼帯以外の鋼帯や
一般の金属帯の温度制御にも同様に適用できることは明
らかである。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、燃料流量の変化による
フレーム長さの変化によって生じる立体角の変化を制御
に反映させることができ、高精度で高応答な温度制御を
行うことが可能となる。

【００４０】発明者等の実験によると、連続焼鈍炉の加
熱体温度制御に際して、炉温設定を１０℃変更したとき
の６３％応答までの制御応答が、従来は、２０％負荷時
で１５分、８０％負荷時で１７分であったものが、本発
明実施時には、２０％負荷時で１２分、８０％負荷時で
も１２分に短縮できることが確認できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための熱源とストリッ
プの空間的な関係の例を示す斜視図

【図２】同じく燃料流量の変化によるフレーム長さの変
化を示す線図

【図３】本発明を実施するための温度制御装置の実施形
態を示す、一部ブロック線図を含む管路図

【図４】本発明が適用される焼鈍炉の断面形状を示す縦
断面図

【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う横断面図

【符号の説明】

８…鋼帯（ストリップ） １０…炉体 １１…炉内ロール １２…角（θ1） １３…角（θ2） １４…伝達輻射管（ラジアントチューブ） １６…排ガスダクト １８…エゼクタ ２０…燃焼装置 ２２…バーナ ２３…フレーム ３０、３４…流量発信器 ３２、３６…調節弁 ４０…放射温度計 ４２…炉内温度計 ４４…温度設定器 ４６…加算点 ４８…炉内温度制御回路 ５０…コンピュータ ５２…空気流量制御回路 ５４…比率設定回路 ５６…ガス流量制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K038 AA01 BA01 CA01 DA02 EA01 FA02 4K043 AA01 CA02 DA05 EA02 FA03 FA12 5H323 AA27 BB08 CA06 CB10 DA04 DB15 FF01 FF10 GG02 GG15 KK07 LL01 LL02 LL25 LL27 MM06

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バーナで燃焼される燃料の流量を操作して
   炉温を制御する炉温制御と、炉温を操作して被加熱体の
   温度を制御する被加熱体温度制御を行う加熱炉の温度制
   御方法において、 被加熱体温度制御における被加熱体から見た熱源の形態
   係数を、燃料流量に応じて変更することを特徴とする加
   熱炉の温度制御方法。