JP2005076935A - 鋼片加熱炉およびその操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼片加熱炉の温度制御を、鋼片周辺のガス温度を測定しえ正確に行なう。
【解決手段】 炉内で加熱される鋼片周辺の炉内ガス温度を、炉壁温度等の影響を受けず
に測定することのできる炉内ガス温度計を、炉長方向中央部分の炉長全長の少なくとも１
／３の長さの区間に設け、加熱される鋼片の表面から鉛直上方向に１０００ｍｍ迄の範囲
の炉内ガス温度を測定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の鋼片加熱炉。
前記炉内ガス温度計で測定された炉内ガス温度、または測定された炉内ガス温度と炉壁
に設けられた熱電対で測定された温度とが、加熱目標温度と一致するように、燃焼バーナ
等の出力を変化させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鋼片加熱炉の操
業方法。
【選択図】図１

Description

この発明は、鋼片を圧延機により圧延する際に、鋼片を圧延に適した温度に加熱する鋼片加熱炉およびその操業方法に関するものである。

鋼片を加熱する鋼片加熱炉では、加熱炉の炉内温度を熱電対によって測定するのが一般的である。このような熱電対は、鋼片加熱炉の中に適当な間隔で、あるいは炉内の温度制御区分（帯という）毎に設置される。

加熱炉の炉内温度制御においては、この熱電対によって測定された炉内温度が、与えられた目標炉温と一致するように、燃焼バーナの出力等が調整される。

このような熱電対は、例えば熱電対を保護管で覆って、炉壁から１００ｍｍ〜３００ｍｍ程度炉内へ突き出すようにして、炉壁へ取り付けられる。

また、このような熱電対を用いた炉内温度制御における目標炉温の決定方法は、大別すると２種類の決定方法がある。

１つは、加熱される鋼片（以下、被加熱材という）の炉内位置や炉内滞在時間に応じて、各帯または時刻での目標炉温をあらかじめ決めておく方法である（例えば、特許文献１）。

この方法は、加熱炉の操炉条件が比較的一定で、かつ、同じ諸元の被加熱材が何度も加熱される場合に有効である。そして、被加熱材の温度を推定せずに、目標炉温を決定するため、複雑な伝熱計算等が不要で、一旦、その目標炉温設定値が決まれば、以後はテーブルを参照する等して、炉内温度制御が行なえる。

もう一つは、被加熱材の温度を、熱電対の測定結果を用いて推定し、その鋼片の温度推定値が、あらかじめ決められた被加熱材の目標温度となるよう、目標炉温を設定するというものである（例えば、特許文献２）。

この方法は、複雑な伝熱計算と炉温設定計算が必要であるが、加熱炉の燥炉条件が常に変動したり、炉内に同時に装入されている被加熱材の種類が多種の場合であっても、最も望ましい炉温設定値を得ることができる。

被加熱材の加熱過程が、製品である鋼材の材質に影響を及ぼすことはよく知られている。このため、従来から加熱炉内での被加熱材の加熱過程を、何らかの形で管理する方法が取られている。例えば、次のような方法がある。
（１）組織の固溶促進のために、８５０℃以上の温度で６０分間以上加熱する。
（２）被加熱材表面の酸化皮膜（一般にスケールという）生成抑制のために、表面温度は１２００℃以下に維持する。
等である。

加熱過程では、前記例を維持すべく炉温設定をするとともに、もし、前記例を逸脱した場合には、その被加熱材を不良品として処置する必要がある。
特開平１１-２５６２３５号公報 特開昭６２-５４０２４号公報

前述した従来から採用されている炉壁から炉内へ突き出した熱電対による炉温測定には、次のような問題点がある。
（１）炉内ガスが気体であるのに対して、熱電対は固体であるので熱応答に違いがある。
（２）熱電対は炉壁に保護管と一体となって固定されており、保護管あるいは熱電対自身が炉壁からの熱伝導の影響を受ける。
（３）被加熱材の加熱工程で被加熱材の加熱に寄与するのは、炉内ガスの放射エネルギーによるものが大部分であり、さらに、加熱される被加熱材近傍の炉内ガスこそ、最も加熱に寄与している。これに対して、炉壁の熱電対は加熱中の被加熱材近傍の炉内ガスの温度を測定することができない。

これらの理由から、熱電対で測定した炉温には常に無視できない測定誤差がある。そしてこのような測定誤差は、以下の問題を生じさせる。
（１）炉内温度制御では、熱電対によって測定された炉内温度が、与えられた目標炉温に一致するよう、燃焼バーナの出力等が調整されるが、熱電対では正しい炉内温度が測定されにくいので、実際の炉温はあらかじめ与えられた目標炉温とは一致しない。
（２）特許文献１に示されているような、被加熱材の炉内位置や炉内滞在時間に応じて、各帯または時刻での目標炉温をあらかじめ決めておく方法の場合、実際の炉温の測定誤差を加味して、目標温度をあらかじめ決める必要がある。これらの目標温度は、実験室の小型の電気炉を用いて実験的に求められる場合が多い。実験結果から得られた目標温度をそのまま大型工業炉に適用した場合、前記炉温測定誤差によって、実際には実験室とは異なる炉温となる。その結果、測定誤差を考慮した炉温設定が必要となる。例えば、測定誤差が±２０℃ある場合には従来技術の例は、
（１）組織の固溶促進のために、８７０℃以上の温度で６０分間以上加熱する。
（２）被加熱物表面の酸化皮膜（一般にスケールという）生成抑制のために、表面温度は１１８０℃以下に維持する。
といった炉温管理値となる。その結果、（１）の場合は炉温測定誤差がない場合に比べて、炉温設定値が高くなり燃料原単位を悪化させる。また、（２）の場合は炉温測定誤差がない場合に比べて、炉温設定が低くなり、加熱工程に引続いて行われる圧延工程などで、被加熱材が低温なため、厳しい圧延条件を強いられる。一般に厳しい圧延条件では、製品の寸法精度悪化や通板事故などが発生しやすい。

また、特許文献２に示されているように、被加熱材の温度を熱電対の測定結果を用いて推定し、その被加熱材温度推定値があらかじめ決められた、被加熱材目標温度となるよう、目標炉温を設定する方法の場合、被加熱材の温度推定に熱電対による測定温度を用いるため、この熱電対の測定温度に誤差がある場合、被加熱材の温度推定に誤差が生じ、ひいては正しい炉温設定値を求めることができない。

この発明は、従来技術の上述のような問題点を解消するためになされたものであり、炉内ガス温度を炉壁温度等の影響を受けることなく測定し、その測定値に基づいて炉温の制御を行うので、炉温の制御を正確に行うことができ、加熱される鋼片の品質を高く維持できる鋼片加熱炉およびその操業方法を提供することを目的としている。

この発明に係る鋼片加熱炉は、炉内で加熱される鋼片の周囲のガス温度を、炉壁温度等の影響を受けずに測定することのできる炉内ガス温度計を設置したものである。

また、前記炉内ガス温度計が、炉長方向中央部分の炉長全長の少なくとも１／３の長さの区間に設けられ、加熱される鋼片の表面から鉛直上方向に１０００ｍｍ迄の範囲の炉内ガス温度を測定するようにしたものである。

また、この発明に係る鋼片加熱炉の第一の操業方法は、上記鋼片加熱炉の操業方法であり、前記炉内ガス温度計で測定された炉内ガス温度、または測定された炉内ガス温度と炉壁に設けられた熱電対で測定された温度とが、加熱目標温度と一致するように、燃焼バーナ等の出力を変化させるものである。

また、この発明に係る鋼片加熱炉の第二の操業方法は、上記鋼片加熱炉の操業方法であり、前記炉内ガス温度計で測定された炉内ガス温度、または測定された炉内ガス温度と炉壁に設けられた熱電対で測定された温度とから加熱される鋼片の内部温度分布を推定するとともに、前記加熱される鋼片の内部温度分布が目標温度分布と一致するように、燃焼バーナ等の出力を変化させるものである。

また、この発明に係る鋼片加熱炉の第三の操業方法は、上記鋼片加熱炉の操業方法であり、前記炉内ガス温度計で測定された炉内ガス温度、炉壁に設けられた熱電対で測定された温度および加熱される鋼片の表面温度のうちのいずれか少なくとも２つ以上を、炉体伝熱モデルによる状態推定に用いて、燃焼バーナ等の出力を変化させるものである。

前記した従来技術の問題点は、炉温測定を炉壁に取り付けた熱電対で行うことに起因している。この課題に対して、発明者らは、従来の炉壁の熱電対に代わって、炉内ガス温度を直接計測して燃焼バーナ等の出力を調整し、また被加熱材の品質管理に使用する方法を考えた。まず炉内ガス温度の測定位置は、少なくとも、炉長方向の中央部１／３の区間であって、被加熱物である鋼片の上方に１０００ｍｍ迄とする。このようにしたのは、この範囲以外で炉内ガス温度を測定しようとしても、炉壁温度等の影響を受けて、炉内ガス温度そのものの正確な温度測定ができないからである。

また、この炉内ガス温度測定値が、従来の炉壁熱電対測定値と比較して著しく傾向が異なる場合には、単純な置き換えではなく、炉壁熱電対や表面温度計の計測値と炉内ガス温度計測値との両方用いる方法をとる。

このようにすることにより、従来に比較してより正確な炉内温度制御を行なうことができる。

本発明により、鋼片が正確に目標温度に加熱されるので、鋼片の品質を高く維持できるとともに、鋼片を圧延中の事故を低減でき、かつ圧延歩留を向上させることができる。

以下に、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は、本発明の鋼片加熱炉の最良の実施の形態を示す平面図である。

この鋼片加熱炉は、鋼片１を鋼片１の圧延に適した温度に加熱するための加熱炉であり、鋼片１の装入側から抽出側に向かって、予熱帯２、第一加熱帯３、第二加熱帯４および均熱帯５と４つの加熱ゾ−ンに区分されている。

鋼片１は各加熱ゾ−ンを順次通過していく間に、鋼片１の両側に配置された複数の燃焼バ−ナ６により所定の温度になるまで加熱される。

加熱炉の炉長方向の中央部１／３の区間に該当する第一加熱帯３の一部と第二加熱帯４には、鋼片１周辺のガス温度を炉壁７の温度等の影響を受けることなしに測定できる炉内ガス温度計８が設けられるとともに、炉壁７には各加熱ゾ−ン毎に熱電対９が設けられている。

そして、炉内ガス温度計８は、加熱される鋼片１の表面から鉛直上方向に１０００ｍｍの範囲の炉内ガス温度を測定できるように設置されている。

図２は、図１に示す鋼片加熱炉の第二加熱帯４における鋼帯１の加熱温度を、炉内ガス温度計８を用いて制御する際の制御系統図である。炉内ガス温度計８で測定された炉内ガス温度の測定値は、炉内温度差分演算器１０に送られる。炉内温度差分演算器１０には炉温設定器１１により目標炉温が設定してあり、炉内ガス温度計８で測定された炉内ガス温度の測定値と目標炉温とから、その差分が演算される。

そして、炉内温度差分演算器１０の演算結果は加熱温度制御器１２に送られ、測定値が目標炉温に比べて低い場合には、流量制御器１３に対してバ−ナ６に供給する燃料および燃焼用空気の供給量を増やすように指令を発する。また、測定値が目標炉温に比べて高い場合には、流量制御器１３に対して燃料および燃焼用空気の供給量を減らすように指令を発する。

そして、流量制御器１３により、燃焼バ−ナ６に供給される燃料および燃焼用空気の供給量が増減される。

図３は、鋼片加熱炉で加熱される鋼片１の装入から抽出までの温度の履歴を示すグラフであり、太線は鋼片１の表面温度、細線は鋼片１の厚さ方向中心部の温度である。鋼片１は装入側から加熱炉内を搬送されつつ加熱され、抽出時に所望の温度となる。炉長方向の中央部１／３の区間は、図３においてはＡの区間に該当する。このＡの区間より装入側に近い区間では、加熱速度が鋼片１内部の熱伝導に律則され、炉温の影響が少ない。またＡの区間より抽出側に近い区間では、加熱速度は鋼片１表面の熱伝達に依存するが、この区間では鋼片１への熱流束がそれ以前よりも相対的に小さい。このことは、抽出側の区間では熱負荷が中央部１／３の区間より小さいことを意味し、そのため炉温制御が安定している。よって、抽出側の区間では、炉壁熱電対９の温度測定値と炉内ガス温度計８の炉内ガス温度測定値との差が小さく、測定値の差が鋼片１の温度に与える影響が小さい。

上述したような理由により、Ａの区間以外は炉壁熱電対９のみによる温度制御で十分である。

図４は、前記した炉長方向の中央部１／３の区間（Ａ区間）に設置された、炉壁熱電対９の温度測定値と、鋼片１の表面からの鉛直方向の測定位置が異なる４つの炉内ガス温度計の温度測定値の経時的な変化を比較したグラフであり、最太線は炉壁熱電対９の温度測定値、太線は鋼片１の表面から鉛直上方向４００ｍｍおよび６００ｍｍの高さの炉内ガス温度を測定している炉内ガス温度計１および２の温度測定値、細線は鋼片１の表面から鉛直上方向１０００ｍｍおよび１２００ｍｍの高さの炉内ガス温度を測定している炉内ガス温度計３および４の温度測定値である。

炉壁熱電対９の温度測定値と、炉内ガス温度計１〜４の温度測定値とを比較すると、炉内ガス温度計のうち炉内ガス温度計１〜３の温度測定値は、炉壁熱電対９の温度測定値とはバイアスがあり、炉内ガス温度計４の温度測定値よりも炉壁熱電対９の温度測定値に対する相関が低い。

特に、図４の丸で囲んだＸの区間においては、炉壁熱電対９の温度測定値と炉内ガス温度計４の温度測定値は非常に似通った変動を示しており、炉内ガス温度計４による炉内ガス温度測定位置（すなわち鋼片１の表面から鉛直上方向１０００ｍｍを超える位置）では、従来の炉壁熱電対９では捉えられなかった鋼片１への炉内ガスの影響を、捉えることはできないということが分かる。

以上の理由により、炉内ガス温度計での炉内ガス温度測定位置は、鋼片１の表面に近いほどよく、望ましくは鋼片１の表面から鉛直上方向１０００ｍｍまでの範囲がよい。

被加熱材の内部温度は、次の（１）式に示す被加熱材表面の熱伝達方程式と、（２）式および（３）式に示す被加熱材内部の熱伝導方程式とから推定することができる。

しかしながら、従来被加熱材の内部温度を上記（１）〜（３）式を用いて推定するときには、（１）式の炉内ガス温度（θ_gas）に相当するところを、炉壁温度で代用していたので、これらの式を用いても被加熱材の内部温度を正確に推定することはできなかったのである。

これに対して、炉内ガス温度計として、例えば放射温度計を用いた場合、放射温度計で加熱炉内に存在する特定ガス成分の吸収波長帯における熱放射エネルギーを検出することができるので、その特定ガス成分のガス温度を直接計測し、そのガス温度を炉内ガス温度として測定することができる。

したがって、炉内ガス温度の計測に放射温度計を用いることにより、従来行われていた炉壁に設置された熱電対による炉内ガス温度の計測と比較して、より正確な炉内ガス温度をより応答性良く計測することが可能となるのである。

ここで、前記特定ガス成分としては、ＣＯ₂又はＨ₂Ｏであることが好ましい。ＣＯ₂又はＨ₂Ｏの吸収波長帯域に合わせた狭帯域光学フィルタを前記放射温度計と組み合わせることで、ＣＯ₂又はＨ₂Ｏ成分のガス温度を選択的に計測することが可能となる。また、ＣＯ₂及びＨ₂Ｏは炉内に大量に存在し、他の成分、例えばＮ₂と比較して吸収波長帯における熱放射エネルギーは極めて強いため、全波長帯域にわたる炉内の迷光などの影響を受けずに正確な温度の計測が可能となる。

熱延鋼帯用スラブを、図１に示した本発明の鋼片加熱炉で加熱した。この鋼片加熱炉は、装入側から抽出側まで炉長が４２ｍあり、炉内は装入側から、予熱帯２、第一加熱帯３、第二加熱帯４、均熱帯５の４つの加熱帯に分かれており、これらの加熱帯は仕切り壁によって区分けされている。炉温制御ループは各加熱帯毎に上部帯、下部帯に分かれており、加熱炉全体で８つの炉温制御ループがある。

そして、各炉温制御ループ毎に、各加熱帯の燃焼バーナの出力を増減する。また、各加熱帯にはそれぞれ少なくとも１つの炉壁熱電対９が設置されている。
炉内ガス温度計８は、第一加熱帯３の出口付近から、第二加熱帯４の出口付近にわたって、炉長方向に４ｍ間隔で合計４台設置されており、またその高さは、スラブ上面から９００ｍｍ離れている。

図５は、上述した鋼片加熱炉の第二加熱帯４の上部帯の温度制御系統図である。
第二加熱帯４に設けられた３台の炉内ガス温度計８の温度測定値と、２台の炉壁熱電対９の温度測定値が、重み付け平均演算器１４に送られる。そして、ここで演算された温度測定値の重み付け平均値が、第二加熱帯４の温度実績値として炉内温度差分演算器１５に送られる。

炉内温度差分演算器１５では、あらかじめ炉温設定器１６により設定してある目標炉温と、重み付け平均演算器１４から送られてきた第二加熱帯４の温度実績値とが比較され、その差分が算出される。

そして、その算出結果は加熱温度制御器１７に送られ、加熱温度制御器１７から流量制御器１８に指令が発せられ、流量制御器１８は燃焼バ−ナ６に供給する燃料や燃焼用空気の供給量を制御して、前記の第二加熱帯４の温度実績値が目標炉温に近づくようにする。

本発明の鋼片加熱炉の実施の形態を示す平面図である。 本発明の鋼片加熱炉の第二加熱帯の加熱温度を、炉内ガス温度計を用いて制御する際の制御系統図である。 鋼片加熱炉で加熱される鋼片の装入から抽出までの温度の履歴を示すグラフである。 炉長方向の中央部１／３の区間に設置された、炉壁熱電対の温度測定値と、鋼片の表面からの鉛直方向の測定位置が異なる２つの炉内ガス温度計の温度測定値の経時的な変化を比較したグラフである。 本発明の鋼片加熱炉の第二加熱帯の上部帯の温度制御系統図である。

符号の説明

１ 鋼片
２ 予熱帯
３ 第一加熱帯
４ 第二加熱帯
５ 均熱帯
６ 燃焼バ−ナ
７ 炉壁
８ 炉内ガス温度計
９ 熱電対
１０ 炉内温度差分演算器
１１ 炉温設定器
１２ 加熱温度制御器
１３ 流量制御器
１４ 重み付け平均演算器
１５ 炉内温度差分演算器
１６ 炉温設定器
１７ 加熱温度制御器
１８ 流量制御器

Claims (5)

1. 炉内で加熱される鋼片周辺の炉内ガス温度を、炉壁温度等の影響を受けずに測定するこ
   とのできる炉内ガス温度計を設置したことを特徴とする鋼片加熱炉。
2. 前記炉内ガス温度計が、炉長方向中央部分の炉長全長の少なくとも１／３の長さの区間
   に設けられ、加熱される鋼片の表面から鉛直上方向に１０００ｍｍ迄の範囲の炉内ガス温
   度を測定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の鋼片加熱炉。
3. 前記炉内ガス温度計で測定された炉内ガス温度、または測定された炉内ガス温度と炉壁
   に設けられた熱電対で測定された温度とが、加熱目標温度と一致するように、燃焼バーナ
   等の出力を変化させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鋼片加熱炉の操
   業方法。
4. 前記炉内ガス温度計で測定された炉内ガス温度、または測定された炉内ガス温度と炉壁
   に設けられた熱電対で測定された温度とから加熱される鋼片の内部温度分布を推定すると
   ともに、前記加熱される鋼片の内部温度分布が目標温度分布と一致するように、燃焼バー
   ナ等の出力を変化させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鋼片加熱炉の
   操業方法。
5. 前記炉内ガス温度計で測定された炉内ガス温度、炉壁に設けられた熱電対で測定された
   温度および加熱される鋼片の表面温度のうちのいずれか少なくとも２つ以上を、炉体伝熱
   モデルによる状態推定に用いて、燃焼バーナ等の出力を変化させることを特徴とする請求
   項１または請求項２に記載の鋼片加熱炉の操業方法。

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