JP2006281258A

JP2006281258A - 非線形の水冷熱伝達係数モデルの自動調整装置

Info

Publication number: JP2006281258A
Application number: JP2005103447A
Authority: JP
Inventors: Kinya Sakakawa; 欣也坂川; Nobuyasu Okada; 誠康岡田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP4701794B2

Abstract

【課題】精度良く水冷熱伝達係数モデルの自動調整が可能な非線形水冷熱伝達係数モデルの自動調整装置を提供する。
【解決手段】予め決めた冷却条件で金属板を冷却した際の実績巻取り温度と、上記水冷熱伝達係数モデルを使用して演算した予測巻取り温度との温度誤差が小さくなると推定される方向に、当該水冷熱伝達係数モデルによる予測温度と上記実績温度との誤差温度が所定値以下となるまで、上記水冷熱伝達係数モデルの複数のパラメータ係数について同時に補正して上記水冷伝達係数モデルによる再演算を繰り返す。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱間圧延工程における巻取り温度制御に使用される非線形の水冷熱伝達係数モデルの自動調整装置に関する。

熱間圧延工程では、仕上げ圧延機出側に配置された冷却設備で金属板を目標の巻取り温度まで温度降下させて巻取り装置に巻き取っている。
このとき、水冷の抜熱は、鋼板の温度表面、冷却水の温度、注水密度などの種々の因子により変動することに鑑み、これらをパラメータとした水冷熱伝達係数の水冷熱伝達係数モデルを設定し、該水冷熱伝達係数モデルを使用して、目標温度となるための抜熱量を演算し、その抜熱量となるように冷却設備の冷却条件を設定している。

ここで、温度制御の精度を向上させるためには、上記水冷熱伝達係数モデルの精度を上げる必要がある。
従来、上記水冷熱伝達係数モデルの調整は、例えば特許文献１に記載のように、モデル式全体を補正する学習項Ｗを乗算して行い、該学習項Ｗを、目標値と実績値とから求めることで調整を行っている。さらに、各パラメータ係数を、目標値を重回帰して求めている。

また、ランアウトテーブルでの水冷熱伝達係数の算出方法として、非特許文献１に記載の方法がある。これは、図３のような冷却が行われたとき、空冷部分での放熱量Ｑiexp、Ｑoexp及び水冷ゾーン入側・出側温度θiexp、θoexpからＱical、Ｑocal及びθcoolを計算し、水冷熱伝達係数αを（Ｑical−Ｑocal）／｛Ｔcool×（θcool−θｗ）｝として同定する方法で行われる。上記θｗは水温である。
特開平９−２６７１１３号公報日本鉄鋼協会、鋼材の強制冷却、特別報告書１９７８年ｐ１０７〜１０９

しかし、上記特許文献１のような水冷熱伝達係数モデルの調整では、モデル式全体を一括して学習項Ｗで補正するので、精度が良くないという問題があり、また、各パラメータの係数を個別に調整すると、非常に時間が掛かるという問題がある。
また、水冷熱伝達係数は、鋼板の表面温度の変化に大きく依存することが知られている。非特許文献１のような方法では、多数の冷却設備の入側実測温度、及び各水冷設備間における冷却後の実績温度を測定可能であれば、さまざまな鋼板表面温度における水冷熱伝達係数が算出可能であるが、実際に水冷設備上に設置されている温度計は、通常、３〜４機程度であり、なおかつ、各温度計間は、数十メートルから百数十メートルという離れた間隔で設定されている。このため、上記方法では、温度計間の実績の温度降下に対する平均化された水冷熱伝達係数しか算出することができず、水冷熱伝達係数モデルにおける鋼板の表面温度依存性を細かく調整することが難しいという問題がある。また、水冷熱伝達係数には、その変動要因（冷却水水温、水量密度など）に関してのモデルのパラメータ係数は個別に調整する必要があるため、調整には非常に時間が掛かる。

なお、非線形の水冷熱伝達係数モデル、特に差分方程式を使用したモデルでは、熱伝達係数の逆算は非常に困難である。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、精度良く水冷熱伝達係数モデルの自動調整が可能な非線形の水冷熱伝達係数モデルの自動調整装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した構成は、熱間圧延工程における仕上げ圧延機出側から巻取り機までの間に配置された１又は２以上の水冷設備によって、搬送される金属板の温度を降下させて、当該金属板の巻取り温度を目標巻取り温度に制御するに際し、上記目標巻取り温度にするための抜熱量を非線形の水冷熱伝達係数モデルで演算し、その演算した抜熱量に応じた冷却条件に上記水冷設備を調整する金属板の冷却制御装置に使用される、上記水冷熱伝達係数モデルのパラメータ係数を自動で調整する自動調整装置であって、
予め決めた冷却条件で金属板を冷却した際の所定位置での実績温度と、上記予め決めた冷却条件で上記水冷熱伝達係数モデルを使用して演算した上記所定位置での予測温度との温度誤差が小さくなると推定される方向に、当該水冷熱伝達係数モデルによる予測温度と上記実績温度との誤差温度が所定値以下となるまで、上記水冷熱伝達係数モデルのパラメータのうちの２以上のパラメータの係数について同時に修正して上記水冷熱伝達伝達係数モデルによる予測温度の再演算を繰り返すことを特徴とする非線形の水冷熱伝達係数モデルの自動調整装置を提供する。
また、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した構成に対し、上記非線形の水冷熱伝達係数モデルは、差分方程式を使用していることを特徴とするものである。

本発明によれば、非線形の水冷熱伝達係数モデルを精度良く調整することが可能となる。

次に、本発明に係わる実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、熱間圧延工程における冷却制御装置の一例を示す概要図である。なお、本実施形態では、金属板として鋼板を例示して説明するが、他の金属板の冷却制御設備、及び他の構成の冷却制御設備についても適用可能である。
本実施形態では、図１に示すように、仕上げ圧延機１で熱間圧延された金属板である鋼板２は、ランナウトテーブルで巻取り機３に向けて連続的に搬送され、連続的に巻取り機３に巻き取られてコイルとなる。

上記仕上げ圧延機１の出側から巻取り機３までのパスラインに沿って、上流側から水冷ゾーン及び空冷ゾーンが設けられ、水冷ゾーンには、独立に注水制御可能な複数のバンクからなる水冷設備４が配置されて、鋼板２に向けて注水することで鋼板２を急冷可能となっている。
各バンクは、コントローラ６からの指令によって注水の有無及び量が制御されることで、水冷設備４の冷却条件が調整される。

また、仕上げ圧延機１の出側、水冷ゾーン出側及び空冷ゾーン出側にはそれぞれ温度計７，８，９が設置されていて、各温度計７，８，９，は、それぞれ各位置を通過する鋼板２の温度の実績値を連続的に測定してコントローラ６に出力している。
ここで、以下の説明では、仕上げ圧延機１の出側をＦＤＴと、水冷ゾーン出側をＣＴＮと、空冷ゾーン出側（巻取り温度の測定位置）をＣＴＳと呼称する場合もある。また、上記鋼板２は、長さ方向に沿って所定長さ毎（例えば１ｍ毎）のピースに仮想的に区分され、ピース毎に使用するバンクや注水量が調整されることでそれぞれ所定の温度に冷却される。

また、コントローラ６は、温度降下予測部６Ａ、補正部６Ｂ、及び注水制御部６Ｃを備える。そのコントローラ６には、鋼板２の搬送速度、及び仕上げ圧延終了後の鋼板２の板厚等の冷却制御のための情報が供給される。
上記温度降下予測部６Ａは、鋼板２が所定長さ（例えば１ｍ）進む毎に、ＦＤＴでの温度計実績、最新の搬送予測結果を熱伝熱係数モデルに入力し、当該ＦＤＴ位置にあるピース部分がＣＴＮ位置に移動したときのＣＴＮ予測温度（ＣＴＮ予測温度からＦＤＴでの温度計実績を引けば、ＣＴＮでの予測温度降下量になる）を当該熱伝熱係数モデルを使用して演算して、各ピース部分毎の予測温度及を温度降下補正部６Ｂに出力する。

上記熱伝達係数モデルとしては、公知の熱伝達係数モデルを使用することができるが、本実施形態では、クランクニコルソン法その他の差分方程式を使用した熱伝達係数モデルとする。なお、差分方程式を使用する伝熱モデルである差分温度モデルは、熱伝達係数の逆算が不可能で、熱伝達係数の学習を行うには、熱伝達係数の大きさを変化させながら収束計算を行う必要があり、計算機負荷が大きく且つ迅速な学習値の演算が困難である。

上記補正部６Ｂでは、ＦＤＴ〜ＣＴＮの水冷部分、及びＣＴＮ〜ＣＴＳの空冷部分毎に、その範囲での温度降下量の誤差比率若しくは偏差に基づき、補正のための学習値ＴＣＦｎ、ＴＣＦｓを連続的に演算し更新する。
そして、上記温度降下予測部６Ａから入力したＣＴＳ予測温度を上記学習値ＴＣＦｎ、ＴＣＦｓによって補正して、補正後の学習ＣＴＳ予測温度を注水制御部６Ｃに出力する。

注水制御部６Ｃでは、学習ＣＴＳ予測温度及びＦＤＴ実績温度から求まる補正後の予測温度降下量に基づき、マップなどによって、現在ＦＤＴ位置を通過したピースを冷却する為に注水するバンクを選択すると共にそのバンクの注水量を選定して当該ピースの冷却条件である注水スケジュールを演算し、当該ピースの移動に沿って上記注水スケジュールに合わせて冷却制御を行う。なお、上記説明では、これから水冷設備４で急冷されるピースの温度降下量を補正するように説明しているが、学習項の反映開始時などにおいて、水冷途中のピースについても降下温度を補正して、下流側の水冷条件を変更するようにしてもよい。

さらに、上述のような冷却制御装置で使用される、上記非線形の水冷熱伝達係数モデルの自動調整装置１０を備える。
自動調整装置１０は、図２に示すように、熱伝達係数モデル計算部１０Ａ、温度降下計算部１０Ｂ、調整量算出部１０Ｃ、判定部１０Ｄ、及びパラメータ係数修正計算部１０Ｅを備える。
熱伝達係数モデル計算部１０Ａは、各パラメータ係数の値、及び上記冷却制御装置における実績データが入力され、その入力値を使用して、実績データに、熱伝達係数モデルに対応したモデル計算値を算出して、温度降下計算部１０Ｂに出力する。

温度降下計算部１０Ｂは、入力したモデル計算値に基づき、対象とする水冷熱伝達係数モデルによる、実績データから予測される冷却設備出側での予測巻取り温度を算出して、調整量算出部１０Ｃに出力する。
調整量算出部１０Ｃでは、予測巻取り温度と実績巻取り温度との誤差が最小となる推定される方向に、水冷熱伝達係数モデルのパラメータ修正量を算出して、判定部１０Ｄに出力する。上記パラメータ補正量の算出は、例えば、予測巻取り温度と実績巻取り温度の二乗誤差を算出し、線形Ｔａｉｌｏｒ微分補正法を使用して、二乗誤差を最小とするようなパラメータ補正量を算出する。

判定部１０Ｄでは、所定の収束条件を満足したか否かを判定し、満足した場合には処理を終了し、補正後の各パラメータ係数を出力する。また、所定の収束条件を満足していない場合には、パラメータ係数修正計算部１０Ｅにパラメータ修正量を出力する。
上記所定の収束条件としては、たとえば、所定回数演算を行ったか、上記パラメータ修正量が所定値以下になったか、予測巻取り温度と実績巻取り温度の誤差が所定値以下となったかなどが考えられる。
パラメータ係数修正計算部１０Ｅは、パラメータ修正量が入力されると、各パラメータ係数に対し、それぞれ対応するゲインで上記パラメータ修正量を乗算して、各パラメータ係数の全てに対して補正を行い、その補正後の各パラメータ係数を上記熱伝達係数モデル計算部１０Ａに出力する。これによって、上記処理が繰り返される。

次に、上記構成についての作用・効果などについて説明する。
まず、対象とする設備構成における、目標巻取り温度とする冷却条件を、対象とする水冷熱伝達係数を使用して演算し、その冷却条件となるように冷却設備を設定する。このとき、水冷熱伝達係数の各パラメータ係数は適当な初期値としておく。
その設定条件で実際に冷却制御を実施して、巻取り装置前での実際の実績巻取り温度を測定する。

そして、上記冷却条件及び実績巻取り温度を上記自動調整装置１０に入力する。
自動調整装置１０では、予測巻取り温度と実績巻取り温度の二乗誤差を算出し、その誤差が最小となるような水冷熱伝達係数のモデルパラメータ修正値を、自動で全パラメータに対して同時に算出して修正することを、所定の収束条件を満足するまで繰り返す。
これによって、水冷熱伝達係数の鋼板の表面温度依存性を、精度良く調整することが可能となり、また、その他の水冷熱伝達係数モデルの影響因子も同時に調整することが可能でるため、モデル調整時間も短縮される。

そして、水冷熱伝達係数モデルを高精度に調整することで、巻取り温度予測精度が向上し、巻取り温度制御の精度が向上する。
ここで、上記実施形態では、最適化の補正法として、線形最小二乗Ｔａｉｌｏｒ微分補正法を適用する場合を例示しているが、他の補正法を採用しても構わない。
また、同時補正の対象のパラメータとして全てのパラメータを対象としているが、必ずしも全てのパラメータを対象とする必要はなく、主要な複数のパラメータだけを同時補正の対象としても良い。

本発明に基づく実施形態に係る冷却制御設備を示す概略構成図である。本発明に基づく実施形態に係る自動調整装置の概要構成図である。従来の算出方法を説明する図である。

符号の説明

ＦＤＴ仕上げ圧延機出側
ＣＴＮ水冷ゾーン出側
ＣＴＳ空冷ゾーン出側
１仕上げ圧延機
２鋼板
３巻取り機
４水冷設備
６コントローラ
６Ａ温度降下予測部
６Ｂ補正部
６Ｃ注水制御部
７仕上げ圧延機出側の温度計
８水冷ゾーン出側の温度計
９空冷ゾーン出側（巻取り機直前）の温度計
１０自動調整装置
１０Ａ熱伝達計数モデル計算部
１０Ｂ温度降下計算部
１０Ｃ調整量算出部
１０Ｄ判定部
１０Ｅパラメータ係数修正計算部

Claims

熱間圧延工程における仕上げ圧延機出側から巻取り機までの間に配置された１又は２以上の水冷設備によって、搬送される金属板の温度を降下させて、当該金属板の巻取り温度を目標巻取り温度に制御するに際し、上記目標巻取り温度にするための抜熱量を非線形の水冷熱伝達係数モデルで演算し、その演算した抜熱量に応じた冷却条件に上記水冷設備を調整する金属板の冷却制御装置に使用される、上記水冷熱伝達係数モデルのパラメータ係数を自動で調整する自動調整装置であって、
予め決めた冷却条件で金属板を冷却した際の所定位置での実績温度と、上記予め決めた冷却条件で上記水冷熱伝達係数モデルを使用して演算した上記所定位置での予測温度との温度誤差が小さくなると推定される方向に、当該水冷熱伝達係数モデルによる予測温度と上記実績温度との誤差温度が所定値以下となるまで、上記水冷熱伝達係数モデルのパラメータのうちの２以上のパラメータの係数について同時に修正して上記水冷熱伝達伝達係数モデルによる予測温度の再演算を繰り返すことを特徴とする非線形の水冷熱伝達係数モデルの自動調整装置。
上記非線形の水冷熱伝達係数モデルは、差分方程式を使用していることを特徴とする請求項１に記載した非線形の水冷熱伝達係数モデルの自動調整装置。