JP2007308777A - 連続式加熱炉を用いた鋼材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱式バーナを備えた連続式加熱炉において、連続式加熱炉の加熱能率の変化に関わらず燃料原単位を小さくすることができる鋼材の生産方法を提供する。
【解決手段】連続式加熱炉の装入側４に最も近い制御帯７に一対または複数対の蓄熱式バーナ１２を備え、予め連続式加熱炉の加熱能率に対する燃料原単位と、蓄熱式バーナ１２に供給する燃料流量との関係を定めておき、加熱能率の設定に基づき、蓄熱式バーナ１２に供給する燃料流量を決定し、この決定した燃料流量を蓄熱式バーナ１２に供給して鋼材２を加熱する工程を経て鋼材の製造を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱間圧延の前に、蓄熱式バーナを備えた連続式加熱炉を用いて、鋼材を連続的に加熱する工程を有する鋼材の製造方法に関する。

鋼材の製造過程では、スラブなどを薄く延ばしたり、中空管などの形状にしたりするために熱間圧延が行われる。連続式加熱炉（以下単に「炉」という場合がある。）は、この熱間圧延の前に、設定された目標抽出温度までスラブ等の鋼材を加熱するために使用される。この目標抽出温度は、熱間圧延時の鋼材の温度の違いにより金属の性質が異なってくることから、その鋼材から製造される最終製品に必要な性能により決定される。通常、連続式加熱炉の内部は、予熱帯、加熱帯及び均熱帯などの複数の帯に分けられる。予熱帯はバーナを備えないが、加熱帯及び均熱帯などは、複数のバーナを備え、独立してバーナの燃焼量を調節できる制御帯となっている。そして、さらにこれらの制御帯は、複数の制御帯に分けられる場合がある。鋼材は、装入口から装入されて、炉内搬送装置により炉内を搬送され、予熱帯において炉内雰囲気により予熱された後に、各制御帯においてバーナにより加熱され、目標抽出温度となって抽出口から抽出される。鋼材の抽出目標温度は、一般的に１０００℃〜１２５０℃程度であるが、８００℃〜１０００℃の物もあり、これらが同一の連続式加熱炉の内部に混在することもある。そのため、各制御帯でバーナの燃焼を調節することで、目標抽出温度の調整を行っている。

バーナには、非蓄熱型バーナ及び蓄熱式切り替えバーナ（以下単に「蓄熱式バーナ」という。）があり、連続式加熱炉ではこれら二種類のバーナが単独又は組み合わされて使用されている。非蓄熱型バーナは、燃焼用空気と燃料とをバーナノズル内部あるいは外部で混合して炉内へ連続的に噴射し、燃焼させる。燃焼量は、この燃料流量により調節されている。連続式加熱炉の排ガスを排出する煙道には、レキュペレータと呼ばれる熱交換器が設置され、燃焼用空気はこのレキュペレータを通過する時に排ガスと熱交換を行うことで約３００℃〜６００℃に加熱される。この燃焼用空気がバーナに供給されることで、連続式加熱炉の熱効率が上げられている。一方、蓄熱式バーナは、バーナに備えられた蓄熱装置を通過して燃焼用空気の供給及び炉内排ガスの排出を行い、この燃焼用空気と燃料とをバーナノズル内部あるいは外部で混合して炉内へ連続的に噴射し、燃焼させる。蓄熱式バーナは２基で一対であり、第一のバーナが燃焼している時は、第二のバーナは燃焼せずに炉内排ガスを吸引し、蓄熱装置へ排ガスの熱を蓄熱する。第一のバーナの燃焼が終了すると、第二のバーナは燃焼を開始する。この時、燃焼用空気は、排ガスが蓄熱装置を通過する際に、蓄熱装置が排ガスから蓄熱した熱により加熱され、通常８００℃〜１０００℃となる。これにより、非蓄熱型バーナでの燃焼用空気よりも高温の燃焼用空気を用いることができるため、熱効率が向上し、鋼材単位量当たりの加熱量（以下「燃料原単位」という。）を低減させることが可能である。

連続式加熱炉の操業には、鋼材を目標抽出温度にするとともに、燃料原単位を低減することが求められる。通常、連続式加熱炉では、装入側にレキュペレータを設置し、炉内排ガスを抽出側から装入側へ排出するため、排ガス損失になる排ガス温度を低くし、燃料原単位を低減することを目的に、装入側炉温を極力低く、抽出側炉温を極力高くする後段負荷型加熱が行われる。一方で、単位時間当たりの鋼材加熱量（以下「加熱能率」という。）が大きい操業を行う場合は、鋼材を短時間で加熱する必要があるため、後段負荷型加熱であっても、装入側炉温を高温にするように装入側バーナに供給する燃料を大きくした操業を行う必要がある。

しかし、装入側炉温が高くなると、レキュペレータに入る排ガス温度および熱交換後の排ガス温度が高くなり、排ガス損失が増え、燃料原単位は増加する。特に,低温の鋼材が装入される装入側の炉温を上昇させるためには、他帯と比較して大量の燃焼量が必要であり、非蓄熱型バーナでは総排ガス量が大幅に増加する。そこで、装入側に最も近い制御帯に蓄熱式バーナを備えた連続式加熱炉（以下単に「蓄熱式バーナを備えた連続式加熱炉」という。）を用いることで、蓄熱式バーナの燃焼排ガスは高熱交換率で回収され、さらにレキュペレータに入る総排ガス量を減少させることができるため、非蓄熱型バーナのみの連続式加熱炉に比べ排ガス損失が小さくなり、燃料原単位は低減する。

そのため、近年、燃料原単位の低減を図るため、連続式加熱炉への蓄熱式バーナの導入が進んでいる。例えば、特許文献１では、蓄熱式バーナを備えた連続式加熱炉において、燃焼帯ごとに熱収支から炉温を設定する連続式加熱炉の燃焼制御方法が開示されている。かかる技術によれば、非蓄熱型バーナだけでなく、蓄熱式バーナを備えた連続式加熱炉においても、最小の燃料流量で鋼材を加熱することができる、とされている。
特開平９−３１６５３１号公報

しかし、蓄熱式バーナを備えた連続式加熱炉での加熱能率が小さい操業において、熱交換率の良い蓄熱式バーナへ供給する燃料流量を大きくし、積極的に蓄熱バーナを使用するような操業を行うことによって装入側炉温が上昇しすぎると、レキュペレータでの排ガス損失が大きくなるため,逆に燃料原単位を悪くする場合がある。蓄熱式バーナを使うべきか否かは、蓄熱式バーナとレキュペレータの熱交換率のバランスによって決まるものであり、この場合は、上述した後段負荷型加熱から装入側炉温を低温に保つように装入側バーナに供給する燃料流量を小さくした操業を行う方が燃料原単位としては有利になる。よって、蓄熱バーナを使用する場合、このような状況を把握し、加熱能率に応じて燃料流量の設定を行わないと燃料原単位の悪化を招くという問題があるが、この問題の解決について特許文献１には何ら開示されていない。

そこで、本発明は上記問題を解決するため、蓄熱式バーナを備えた連続式加熱炉において、いかなる加熱能率においても燃料原単位を低減することができる鋼材の生産方法を提供することを課題とする。

以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

請求項１に記載の発明は、装入された鋼材（２）をバーナにより連続的に加熱し、目標抽出温度にして抽出する連続式加熱炉（１）であって、連続式加熱炉に独立してバーナの燃焼量の調節が可能である複数の制御帯が設けられ、排気側となる装入側に最も近い制御帯（７ａ）に一対または複数対の蓄熱式バーナ（１２、１２、…）が備えられ、予め連続式加熱炉の加熱能率と蓄熱式バーナに供給する燃料流量との関係を定めておき、加熱能率の設定に基づき、蓄熱式バーナに供給する燃料流量を決定し、決定した燃料流量を蓄熱式バーナに供給して鋼材を加熱する工程を有することを特徴とする鋼材の製造方法を提供することにより前記課題を解決する。

ここで、「鋼材」とは、材質が鋼であれば、インゴット、スラブなどの形態は問わない。また、「連続的」とは、連続式加熱炉の制御帯ごとに設定された目標温度に鋼材が達するまで継続してという意味である。「制御帯」とは、独立してバーナの燃焼量を調節できる帯であり、例えば、予熱帯、加熱帯、均熱帯、またはこれらがさらに分けられたものなどが該当する。

請求項２に記載の発明は、燃料流量の決定が、予め加熱能率と、燃料流量と、燃料原単位との関係を計算により求める工程と、加熱能率の設定に基づき、燃料原単位が最小になる燃料流量を決定する工程とにより行われることを特徴とする請求項１に記載の鋼材（２）の製造方法を提供することにより前記課題を解決する。

請求項３に記載の発明は、燃料流量及び目標抽出温度から、蓄熱式バーナ（１２、１２、…）を備えた制御帯（７ａ）より抽出側の制御（７ｂ、８、９）の炉温を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の鋼材（２）の製造方法を提供することにより前記課題を解決する。

請求項４に記載の発明は、蓄熱式バーナ（１２、１２、…）を備えた制御帯（７ａ）より抽出側の制御帯（７ｂ、８、９）の炉温が、燃料流量から蓄熱バーナを備えた制御帯出口の鋼材温度を求め、鋼材温度及び目標抽出温度から設定されることを特徴とする請求項３に記載の鋼材の製造方法を提供することにより前記課題を解決する。

請求項１に記載の発明によれば、連続式加熱炉の加熱能率の設定に基づいて、蓄熱式バーナの燃料流量を決定することができる。これにより、加熱能率ごとに燃料原単位が小さくなるように蓄熱式バーナの燃料流量を決定することができ、さらに燃料原単位が最小となるように燃料流量を決定することができる。特に、従来、蓄熱式バーナを備えた連続式加熱炉において、燃料原単位が大きくなっていた加熱能率の小さい操業においては、燃料原単位を大きく低減することが可能であり、これにより生産費を削減することができる。

請求項２に記載の発明によれば、予め求められた連続式加熱炉の加熱能率と、蓄熱式バーナへの燃料流量と、連続式加熱炉の燃料原単位との関係を用いて、連続式加熱炉の操業状況から加熱能率が設定されれば、燃料原単位が最小となる燃料流量を決定することができる。これにより、適正な燃料流量を精度良く、かつ容易に決定することが可能であるため、さらなる生産費の削減を容易にすることができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２に記載の発明において決定された蓄熱式バーナの燃料流量と鋼材の目標抽出温度から他の制御帯の炉温が決定されるため、請求項１または２に記載の発明による燃料原単位の低減という効果を維持しつつ、鋼材を目標抽出温度にすることが可能である。そのため、生産費を削減できるとともに、鋼材の品質を維持することができる。

請求項４に記載の発明によれば、燃料流量から蓄熱バーナを備えた制御帯出口の鋼材温度を求め、この鋼材温度及び目標抽出温度から蓄熱式バーナを備えた制御帯より抽出側の制御帯の炉温が設定されることで、請求項１または２に記載の発明による燃料原単位の低減という効果を維持しつつ、精度良く鋼材を目標抽出温度にすることが可能である。

本発明のこのような作用及び利得は、次に説明する発明を実施するための最良の形態から明らかにされる。

以下、図面に示す実施形態に基づき、本発明による鋼材の製造方法の一例として、鋼材を最初に加熱する制御帯に上下２対（計４対）の蓄熱式バーナを備え、他の制御帯には非蓄熱式バーナを備える連続式加熱炉を用いて鋼材を製造する場合を説明するが、以下に説明するものは本発明の実施形態の一例であって、本発明はその要旨を超えない限り以下の説明になんら限定されるものではない。

図１は、１つの実施形態にかかる本発明の鋼材の製造方法に用いられる連続式加熱炉１の炉長方向の内部を模式的に示した図である。連続式加熱炉１は、鋼材２、２、…を搬送する炉内搬送装置３の両端に配置された装入口４及び抽出口５を備え、内部は装入口４側から予熱帯６、第１加熱帯７、第２加熱帯８及び均熱帯９に分けられる。第１加熱帯７、第２加熱帯８及び均熱帯９は、それぞれが独立してバーナの燃焼量を調節可能である制御帯であり、さらに細かい制御帯に分けられる場合がある。連続式加熱炉１では、第１加熱帯７が、装入口４側の制御帯（以下「第１制御帯」という。）７ａと、抽出口５側の制御帯（以下「第２制御帯」という。）７ｂの２つの制御帯に分けられている。なお、第２加熱帯８及び均熱帯９は、連続式加熱炉１ではそれぞれ一の制御帯である。予熱帯６には、バーナが設置されておらず、上部には煙道１０が設けられ、この煙道１０には熱交換器であるレキュペーター１１が取り付けられている。第１制御帯７ａには、蓄熱式バーナ１２、１２、…が炉幅側の両側面に４基ずつ、炉幅方向から鋼材２、２、…を加熱するように取り付けられている。ここで、炉幅方向とは、炉長方向に直交し、かつ床面に水平な方向であり（以下同じ。）、炉幅側の側面とは、炉幅方向に面した側面をいう。図１においては、一方の側面に取り付けられた蓄熱式バーナ１２、１２、…のみが示されており、それぞれが他方の側面に対応して取り付けられた蓄熱式バーナ（本図省略）と一対となっている。また、第２制御帯７ｂ、第２加熱帯８及び均熱帯９の炉幅側の両側面下部には、非蓄熱型バーナが炉幅方向から鋼材を加熱するようにして取り付けられたサイドバーナ１３、１３、…が備えられている。また、第２制御帯７ｂ、第２加熱帯８の抽出口５側の側面上部には、非蓄熱型バーナが装入口４側方向斜め下向きに取り付けられた軸流バーナ１４、１４が備えられている。さらに、均熱帯９の上部には、非蓄熱型バーナが天井から下方に向けて取り付けられたルーフバーナ１５、１５、…が備えられている。かかる構成により、鋼材２は、装入口４から装入され、炉内搬送装置３により予熱帯６を通過して第１制御帯７ａへ搬送されると、蓄熱式バーナ１２、１２、…により加熱される。その後、鋼材２は、第２制御帯７ｂ及び第２加熱帯８において、サイドバーナ１３、１３、…及び軸流バーナ１４、１４により加熱されて温度が上昇し、また、均熱帯９において、サイドバーナ１３、１３、…及びルーフバーナ１５、１５、…により加熱されて、温度が均一になる。なお、炉内排ガスは、蓄熱式バーナ１２、１２、…により蓄熱装置を通って排出されるとともに、抽出口５側から装入口４側へ流れ、煙道１０のレキュペーター１１を通って排出される。そのため、蓄熱式バーナ１２、１２、…は蓄熱装置から、非蓄熱型バーナ１３〜１５はレキュペーター１１から、炉内排ガスと熱交換して加熱された燃焼用空気が供給される。これにより、連続式加熱炉１の熱効率が上げられている。

ここで、上述のとおり連続式加熱炉１は、加熱能率が大きい操業では、蓄熱式バーナを使用することにより燃料原単位が低減されるが、加熱能率が小さい操業では、蓄熱式バーナを使用することにより燃料原単位が増加する。そのため、予め連続式加熱炉１の加熱能率と蓄熱式バーナ１２、１２、…に供給する燃料流量との関係を定めておき、鋼材２の製造状況などにより連続式加熱炉１の加熱能率が設定されることで、蓄熱式バーナ１２、１２、…に供給する燃料流量を決定し、この燃料流量を蓄熱式バーナ１２、１２、…に供給して鋼材２を加熱する。このように、連続式加熱炉１の加熱能率により蓄熱式バーナの使用状況を変化させることで、どのような加熱能率においても燃料原単位が小さくなるように蓄熱式バーナ１２、１２、…に供給する燃料流量を決定することができる。特に従来、燃料原単位の大きかった加熱能率の小さい操業においては、燃料原単位を大きく低減することが可能である。なお、加熱能率に対する連続式加熱炉と蓄熱式バーナ１２、１２、…に供給する燃料流量との関係は、連続式加熱炉及び加熱する鋼材の目標抽出温度などにより異なるため、実際の連続式加熱炉の操業による状況や、後述する計算などにより決定することができる。

図２は、連続式加熱炉１の各制御帯の熱収支を示す図である。以下、図１及び図２で付した記号を用いて、上述した連続式加熱炉１の加熱能率と、蓄熱式バーナ１２、１２、…の燃料流量と、連続式加熱炉１の燃料原単位との関係を計算により求める方法について説明する。図２には、制御帯ｉが示されており、（ｉ）は、制御帯ｉにおける値を、（ｉ＋１）は、制御帯ｉの抽出口５側に隣接した制御帯ｉ＋１における値を意味する。また、破線の矢印は、蓄熱式バーナを備えた第１制御帯７ａと他の制御帯７ｂ、８、９では、発生が異なる熱である。制御帯ｉへ入る熱は、バーナでの燃料燃焼熱Ｑ_ｆｕｅｌ（ｉ）、鋼材２が制御帯ｉへ持ち込む鋼材顕熱Ｑ_ｓ＿ｉｎ（ｉ）、炉内排ガスは抽出側から装入側へ排出されることにより、上流の制御帯ｉ＋１から制御帯ｉへ流入する排ガス顕熱Ｑ_ｗｇ（ｉ＋１）がある。また、第１制御帯７ａへ入る熱としては、蓄熱式バーナ１２、１２、…の蓄熱装置により加熱された燃焼用空気の予熱空気顕熱Ｑ_ａ＿ｒ（ｉ）があり、制御帯７ｂ、８、９へ入る熱としては、レキュペーター１１により加熱された燃焼用空気の予熱空気顕熱Ｑ_ａ（ｉ）がある。一方、制御帯ｉから出る熱は、鋼材２が制御帯ｉから持ち出す鋼材顕熱Ｑ_{ｓ＿ｏｕｔ}（ｉ）、制御帯ｉから装入口４側に隣接した制御帯ｉ−１へ排出される排ガス顕熱Ｑ_ｗｇ（ｉ）、冷却水への放熱Ｑ_ｓｋｉｄ（ｉ）、炉体からの放散熱Ｑ_ｗ（ｉ）、開口部からの放散熱Ｑ_ｈ（ｉ）がある。また、第１制御帯７ａから出る熱としては、蓄熱式バーナ１２、１２、…の蓄熱装置により蓄熱される排ガス顕熱Ｑ_ｗｇ＿ｒ（ｉ）がある。

かかる熱により、制御帯ｉについて熱収支を計算する。制御帯ｉが第１制御帯７ａの場合は、下記（１）式のとおりである。
Ｑ_ｆｕｅｌ(i)＋Ｑ_ｓ＿ｉｎ(i)＋Ｑ_ｗｇ(i+1)＋Ｑ_ａ＿ｒ(i)
＝Ｑ_{ｓ＿ｏｕｔ}(i)＋Ｑ_ｗｇ(i)＋Ｑ_ｗｇ＿ｒ(i)＋Ｑ_ｓｋｉｄ(i)＋Ｑ_ｗ(i)＋Ｑ_ｈ(i) ……（１）
また、制御帯ｉが制御帯７ｂ、８、９の場合は、下記（２）式のとおりである。
Ｑ_ｆｕｅｌ(i)＋Ｑ_ｓ＿ｉｎ(i)＋Ｑ_ｗｇ(i+1)＋Ｑ_ａ(i)
＝Ｑ_{ｓ＿ｏｕｔ}(i)＋Ｑ_ｗｇ(i)＋Ｑ_ｓｋｉｄ(i)＋Ｑ_ｗ(i)＋Ｑ_ｈ(i) ……（２）
なお、予熱帯６については、上記（２）式において、Ｑ_ｆｕｅｌ（ｉ）及びＱ_ａ（ｉ）を０として用いる。

上記（１）、（２）式の各熱量は、単位をｋＪ／ｈｒとすると、次のとおりとなる。

ここで、ＨＬは燃料の発熱量（ｋＪ／Ｎｍ^３）、ＶＦは燃料流量（Ｎｍ^３／ｈｒ）、ｑ_ａは非蓄熱型バーナの燃料１Ｎｍ^３当たりの予熱空気顕熱（ｋＪ／Ｎｍ^３）、ｑ_ａ＿ｒは蓄熱式バーナ１２の燃料１Ｎｍ^３当たりの予熱空気顕熱（ｋＪ／Ｎｍ^３）である。ｑ_ｗｇはレキュペレータに入る排ガスの非蓄熱型バーナの燃料１Ｎｍ^３当たりの排ガス顕熱（ｋＪ／Ｎｍ^３）、ｑ_ｗｇ＿ｒは蓄熱式バーナの蓄熱装置に入る排ガスの蓄熱式バーナの燃料１Ｎｍ^３当たりの排ガス顕熱（ｋＪ／Ｎｍ^３）である。また、ｎｚは最終の制御帯の値を意味することから、連続式加熱炉１ではＶＦ（ｎｚ）は、均熱帯９の燃料流量（Ｎｍ^３／ｈｒ）となる。さらに、排ガス吸引率とは、制御帯７ａの燃焼で発生した排ガスのうち、蓄熱式バーナ１２、１２、…が吸引する排ガスの割合である。

これにより、各帯の熱収支を計算する。ここで、Ｑ_ｓ(ｉ)を鋼材２への入熱量(ｋＪ／ｈｒ）、Ｑ_loss（ｉ）を熱損失熱量(ｋＪ／ｈｒ）とすると、次のとおりとなる。
Ｑ_s(ｉ)＝Ｑ_{s＿ｏｕｔ}(ｉ)−Ｑ_s＿ｉｎ(ｉ) ……（１０）
Ｑ_loss(i)＝Ｑ_sｋｉｄ(i)＋Ｑ_ｗ(i)＋Ｑ_ｈ(i) ……（１１）

均熱帯９における熱収支は、（２）式から変形すると下記（１２”）式のとおりとなる。なお、均熱帯９では、排ガスの流入が無いのでＱ_ｗｇ(i+1)＝０となる。

このように均熱帯９の燃料流量ＶＦ(９)は、各帯の炉温から後述のとおりＱ_ｌｏｓｓ(９)を求め、鋼材温度から後述のとおりＱ_ｓ（９）を求めることにより、算出することができる。

第２加熱帯８における熱収支は、（２）式から変形すると下記（１３”）式のとおりとなる。

このように、第２加熱帯８の燃料流量ＶＦ(８)は各帯の炉温、鋼材温度に加え、上流の均熱帯９の燃料流量ＶＦ（９）から求めることができる。

第２制御帯７ｂにおける熱収支は、（２）式から変形すると下記（１４”）式のとおりとなる。

このように、第２制御帯７ｂの燃料流量ＶＦ(７ｂ)は、各帯の炉温、鋼材温度および上流の均熱帯９、第２加熱帯８の燃料流量から求めることができる。

第１制御帯７ａにおける熱収支は、（１）式から変形すると下記（１５”）式のとおりとなる。

このように、第１制御帯７ａの燃料流量ＶＦ(７ａ)は、各帯の炉温、鋼材温度、上流の均熱帯９、第２加熱帯８、第２制御帯７ｂの燃料流量および蓄熱式予熱空気の温度を求めることで、算出することができる。

予熱帯６における熱収支は、（２）式から変形すると下記（１６”）式のとおりとなる。

このように、予熱帯６はバーナが設置されていないため燃料流量ＶＦ(６)＝０である。なお、上流からの排ガス流入、炉温で決まる損失熱および鋼材入熱を計算し（１６”）式から炉温を決定することができる。

上記（１２）式〜（１６”）式の各熱量は、次のとおりである。
ｑ_ａ＝ｔ_ａ・Ｃ_ａ・ｍ・Ａ_０ ……（１７）
ｑ_ａ＿ｒ＝ｔ_ａ＿ｒ・Ｃ_ａ＿ｒ・ｍ・Ａ_０ ……（１８）
ｑ_ｗｇ＝ｔ_ｗｇ・Ｃ_ｗｇ・(Ｇ_０＋(ｍ−１)Ａ_０) ……（１９）
ｑ_ｗｇ＿ｒ＝ｔ_ｗｇ＿ｒ・Ｃ_ｗｇ＿ｒ・(Ｇ_０＋(ｍ−１)Ａ_０) ……（２０）
ここで、ｔ_ａはレキュペレータで予熱された空気温度（℃）、ｔ_ａ＿ｒは蓄熱装置で予熱された空気温度（℃）であり、それぞれレキュペレータに入る排ガス温度、蓄熱式バーナを備えた制御帯（７ａ）の炉温から経験的に求められる。Ｃ_ａ、Ｃ_ａ＿ｒはそれぞれの空気比熱（ｋＪ／Ｎｍ^３・℃）、ｍは空気比、Ａ_０は理論空気量（Ｎｍ^３／Ｎｍ^３)である。ｔ_ｗｇは制御帯６からレキュペレータに排出される排ガス温度（℃）、ｔ_ｗｇ＿ｒは制御帯７ａから蓄熱装置に排出される排ガス温度（℃）、Ｃ_ｗｇ、Ｃ_ｗｇはそれぞれの排ガス比熱（ｋＪ／Ｎｍ^３・℃）、Ｇ_０は理論排ガス量（湿り）（Ｎｍ^３／Ｎｍ^３)である。

また、鋼材の顕熱量Ｑ_sの算出としては、二次元（材長さ方向×厚み方向）伝熱モデルで各鋼材について計算する。連続式加熱炉の上部炉温と下部炉温を使用し、放射伝熱の形式で鋼材に入熱されるとする。この時の鋼材の総括熱吸収率としては、０．６から０．８程度を使用する。

損失熱量Ｑ_lossの算出は、下記により炉体放散熱量Ｑ_ｗ（ｋＪ／ｈｒ）、冷却水損失熱量Ｑ_sｋｉｄ（ｋＪ／ｈｒ）及び開口部損失熱量Ｑ_ｈ（ｋＪ／ｈｒ）の各値を各帯で計算し、すべてを合算する。炉体放散熱量Ｑ_ｗは、下記（２１）式により表すことができる。
Ｑ_ｗ＝Ｓ_ｗ・Ｋ_ｗ(Ｔ_ｆ(i)−Ｔ_ａ)・Ｈ_ｗ ……（２１）
ここで、Ｓ_ｗは帯ｉの炉内壁表面積(ｍ^２)、Ｋ_ｗは代表的耐火物構成から求める総括熱貫流率(ｋＪ／ｍ^２／℃／ｈｒ)、Ｔ_ｆ(i)は炉体を上下に分割して計算した帯ｉの炉温(℃)、Ｔ_ｈは大気温度(℃)、Ｈ_ｗは補正係数である。また、冷却水損失熱量Ｑ_sｋｉｄは、下記（２２）式により表すことができる。
Ｑ_ｓｋｉｄ＝Ｓ_ｈ・Ｋ_ｈ(Ｔ_ｆ(i)−Ｔ_ｈ)・Ｈ_ｈ ……（２２）
ここで、Ｓ_ｈは帯ｉの冷却配管表面積(ｍ^２)、Ｋ_ｈは耐火物構成から求める総括熱貫流率(ｋＪ／ｍ^２／℃／ｈｒ)、Ｔ_ｆ（ｉ）は帯ｉの下部炉温(℃)、Ｔ_ｈは冷却水温度(℃)、Ｈ_ｈは補正係数である。さらに、開口部損失熱量Ｑ_ｈは、下記（２３）式により表すことができる。

ここで、Ｓ_Ｏは帯ｉの全開口面積(ｍ^２)（ここでは炉内搬送装置３の開口部とする）、Φ_ＣＧは炉内温度基準の総括熱吸収率、Ｔ_ｆ（ｉ）は帯ｉの下部炉温(℃)、Ｔ_ａは大気温度(℃)、Ｈ_Ｏは補正係数である。なお、Ｈ_ｗ、Ｈ_ｈ、Φ_ＣＧ、Ｈ_Ｏは、連続式加熱炉の操業による実測値から下記のとおり決定した。
Ｈ_ｗ＝０．５〜２．０
Ｈ_ｈ＝０．５〜２．０
Φ_ＣＧ＝０．２〜０．７
Ｈ_Ｏ＝１．０〜４．０

以上より、連続式加熱炉１の燃料原単位ＣＰＴ（ｋＪ／１０^３ｋｇ）は、下記（２４）式で表すことができる。

ここで、ＴＰＨは加熱能率(１０^３ｋｇ／ｈｒ）である。

図３は、連続式加熱炉の加熱能率と、蓄熱式バーナの燃料流量と、連続式加熱炉の燃料原単位との関係を計算するフローチャートである。以下、図１〜図３で付した記号を用いて説明する。まず、計算条件の読み込みが行われる（ステップＳ１）。ここでは、連続式加熱炉１の情報として各帯の炉長、炉温初期値を与え、鋼材情報として鋼材の配置および平均温度の計算初期値与える。その後鋼材の装入、抽出を繰り返す連続式加熱炉１の操業情報として各鋼材のサイズ、装入温度、各帯での抽出設定温度、および抽出時刻（計算終了時間）を与えておく。また予め各帯の燃料流量の許容範囲を設定する。例えば、予熱帯６はバーナが無いのでＶＦ（６）＝０、第１制御帯７ａではＶＦ（７ａ）＝蓄熱式バーナ使用率１００％、非蓄熱型バーナでは０≦ＶＦ（ｉ）≦非蓄熱型バーナ使用率１００％というように与え、後述のステップＳ１２で判定に用いる。計算時間が初期化され（ステップＳ２）、初期時間ｔとなると、計算条件から時間ｔの炉内鋼材位置が計算される（ステップＳ３）。ここでは、各鋼材の初期位置が算出される。次に、各帯６〜９を上下部に分け、時間ｔにおける伝熱計算を行うための各鋼材位置に対応した炉温が計算される（ステップＳ４）。この炉温と鋼材温度から各鋼材入熱量および鋼材温度が計算される（ステップＳ５）。計算は上述した段落３２の方法により行われる。各帯の鋼材入熱量Ｑ_sは各鋼材位置から在炉帯ごとに積算して求める。次に、上述した（２１）式を用いて炉体放散熱量Ｑ_ｗを、（２２）式を用いて冷却水損失熱量Ｑ_sｋｉｄを、（２３）式を用いて開口部損失熱量Ｑ_ｈを計算して損失熱Ｑ_lossが計算される（ステップＳ６）。さらに、上述した（１７）、（１８）式により予熱空気顕熱ｑ_ａ、ｑ_ａ＿ｒが求められ（ステップＳ７)、（１９）、（２０）式によりおよび排ガス顕熱ｑ_ｗｇ、ｑ_ｗｇ＿ｒが求められる(ステップＳ８)。各帯のこれらの値を用いて均熱帯の（１２”）式から予熱帯の（１６”）式までを順次計算して各帯の燃料流量を求める。（ステップＳ９）

そして、時間ｔが、時間ｔ＋△ｔに更新され（ステップＳ１０）、計算時間ｔが計算条件で設定した終了時間となったかどうかが判断される（ステップＳ１１）。ステップＳ１１で肯定判断された場合（計算時間が終了時間となった場合）には、各帯の抽出設定温度に対する判定と燃料流量に対する判定を行う。ステップ１２で肯定判断された場合（鋼材温度及び燃料流量が設定したとおりである場合）は、上述した（２４）式により燃料原単位ＣＰＴを算出し(ステップＳ１３)、計算は終了する。燃料原単位ＣＰＴは、計算時間内に抽出された鋼材重量から求められる加熱能率ＴＰＨ（１０^３ｋｇ／ｈｒ）と、各時刻の燃料流量を積算した値から求めることができる。ステップＳ１１で否定判断された場合（計算時間が終了時間となっていない場合）には、ステップＳ３に戻されて時間ｔ＋△ｔにおける炉内鋼材位置を再計算する。これは抽出端の鋼材の位置および各鋼材サイズ、鋼材装入間隔から求められる。ステップＳ１２で否定判断された場合（鋼材温度及び燃料流量が設定した値と異なる場合）は、炉温設定および均熱帯９以外の各帯の抽出設定温度を変更して（ステップＳ１４）、ステップＳ２に戻される。例えば、鋼材温度が抽出設定温度に対して高ければ各帯の炉温を下げ、あるいは燃料流量許容範囲をオーバーすれば各帯の抽出設定温度を下げる等の調整をし、繰り返し計算を行う。これにより、燃料原単位を算出することで、設定した蓄熱式バーナの使用率に対する、連続式加熱炉１の加熱能率と燃料原単位との関係を計算することができる。

図４は、図３により求められた連続式加熱炉１の加熱能率と、蓄熱式バーナ１２、１２、…の使用率と、連続式加熱炉１の燃料原単位との関係を示すグラフである。以下、図１で付した記号を用いて説明する。横軸を連続式加熱炉１の加熱能率（％及び１０^３ｋｇ／ｈｒ）、縦軸を燃料原単位（ＭＪ／１０^３ｋｇ）とし、蓄熱式バーナ１２、１２、…の使用率０％、２５％、５０％及び１００％について作成した。ここで、加熱能率（％）は、連続式加熱炉の最大加熱能率（１０^３ｋｇ／ｈｒ）に対する操業加熱能率（１０^３ｋｇ／ｈｒ）の割合である。なお、鋼材２の目標抽出温度は１２００℃である。かかる関係より、加熱能率６０％より下では、蓄熱式バーナ１２、１２、…の使用率０％の燃料原単位が最も低い。一方、加熱能率６０％より上では、蓄熱式バーナ１２、１２、…の使用率１００％の燃料原単位が最も低い。そのため、加熱能率６０％を蓄熱式バーナの使用量の切換点とする。例えば、加熱能率６０％以下では蓄熱式バーナ１２、１２、…の使用率を０％とし、加熱能率６０％より上では蓄熱式バーナ１２、１２、…の使用率を１００％と調節することにより、連続式加熱炉１の燃料原単位は全ての加熱能率において最小となる。これにより、燃料原単位を低減させることができるため、燃料流量が削減され、生産費を低減させることが可能である。なお、上述では蓄熱式バーナの使用率の切換点は１点であるが、連続式加熱炉または目標抽出温度などの加熱条件によっては、切換点を複数有する場合がある。例えば、連続式加熱炉の燃料原単位が最小となる蓄熱式バーナの使用率が、加熱能率４０％未満では０％、加熱能率４０％以上６０％未満では５０％、加熱能率６０％以上では１００％となるような場合である。このような場合であっても、蓄熱式バーナの燃料流量を切換点２点（加熱能率４０％及び６０％）で調節することで、連続式加熱炉の燃料原単位を全ての加熱能率において最小とすることができる。

図５は、連続式加熱炉１の加熱能率（％）と、蓄熱式バーナ１２、１２、…の使用率（％）の関係を示した図である。以下、図１及び図５で付した記号を用いて説明する。図４によれば、加熱能率６０％を切換点として、加熱能率６０％より下では蓄熱式バーナ１２、１２、…の使用率を０％、加熱能率６０％より上では蓄熱式バーナ１２の使用率を１００％へ調節することになる。しかし、蓄熱式バーナ１２の燃料流量を急激に変化させると、蓄熱式バーナ１２、１２、…だけでなく、非蓄熱式バーナ１３〜１５の燃料流量も影響を受けて、バーナ１２〜１５が安定した燃焼をすることができない場合がある。この場合には、切換点の近傍に緩和域２１を設けることで、バーナ１２〜１５を安定して燃焼させることができる。なお、緩和域２１を設定する加熱能率Ｐ１及びＰ２は任意であり、連続式加熱炉１の燃料原単位とバーナ１２〜１５の安定した燃焼とから決定される。また、Ｐ１とＰ２との間は、一次関数以上のなめらかな連続関数により、つなげられることが好ましい。なお、前述のように蓄熱式バーナの使用率の切換点を複数有する場合であって、かつ蓄熱式バーナへの燃料流量の調節によりバーナの安定した燃焼ができない切換点がある場合には、その切換点の近傍に緩和域を設けることで、バーナを安定して燃焼させることができる。

図６は、各帯の炉温設定の状況を示す図である。以下、図１及び図６で付した記号を用いて説明する。横方向は、連続式加熱炉１の炉内位置であり、左端を装入口４、右端を抽出口５として、その間を各帯６〜９に分ける。縦軸は温度であり、鋼材２の温度及び各帯６〜９の炉温を示している。ＴＡは鋼材２が第１制御帯７ａから抽出された時の予想鋼材温度であり、ＴＢは鋼材２の目標抽出温度１２００℃である。以下、制御帯７ｂ、８、９の炉温設定の方法について説明する。図４により、連続式加熱炉１の加熱能率を設定することで、連続式加熱炉１の燃料原単位が最小となる蓄熱式バーナ１２、１２…の使用率が決定される、これにより蓄熱式バーナ１２、１２…への燃料流量が決定される。この燃料流量から、例えば、連続式加熱炉１の実績による蓄熱式バーナ１２、１２…の燃料流量と上流の制御帯７ｂの炉温と制御帯７ａの炉温Ｔ７ａとの関係を用いることにより、経験的に炉温Ｔ７ａを予測する。この炉温Ｔ７ａから、予熱帯６の炉温Ｔ６を計算により予測することができる。この炉温Ｔ６と炉温Ｔ７ａから、計算により予想鋼材温度ＴＡを予測することができる。

次に、予測鋼材温度ＴＡ及び目標抽出温度ＴＢから、第２制御帯７ｂ、第２加熱帯８及び均熱帯９の炉温の設定値を計算する。方法としては、例えば、目標抽出温度ＴＢから鋼材２の均熱帯９への装入温度ＴＣを経験的に設定し、この均熱帯９への装入温度ＴＣ、目標抽出温度ＴＢ及び均熱帯在帯時間から均熱帯炉温Ｔ９を求める。次に、予測鋼材温度ＴＡ、均熱帯９への装入温度ＴＣ並びに第２制御帯７ｂ及び第２加熱帯８の帯在時間から、第２制御帯７ｂの炉温炉温Ｔ７ｂ及び第２加熱帯の炉温Ｔ８を求める。なお、炉温Ｔ７ｂ、Ｔ８及びＴ９は、後段負荷型加熱とし、また経験的に炉温差を設定することなどにより、連続式加熱炉１の燃料原単位が小さくなるように設定する。この各炉温になるように、各制御帯のバーナの燃料流量が調節される。これにより、先に決定した蓄熱式バーナ１２、１２、…の燃料流量を基にして、鋼材２が目標抽出温度１２００℃となるように第２制御帯７ｂ、第２加熱帯８及び均熱帯９における燃料流量が調節されるため、制御帯７ａにおける燃料原単位の低減を維持しつつ、鋼材２を目標抽出温度ＴＢとすることが可能である。

以上から、図３のフローチャートにより、連続式加熱炉１について燃料原単位の計算を行った。ここで、連続式加熱炉１は、第１制御帯７ａに上下各２対（計４対）の蓄熱式バーナ１２、１２、…を備えるとともに、非蓄熱式バーナを第２制御帯７ｂに１２基、第２加熱帯に１６基、均熱帯に１８基、備えた。鋼材の抽出目標温度を１２１３℃とし、加熱能率（１０^３ｋｇ／ｈｒ）は、１５０〜２９０を約２５間隔で変化させ、それぞれの値で１６時間継続して加熱させた。図４のグラフを用い、加熱能率が切換点である加熱能率６０％以下では蓄熱式バーナ使用率を０％、大きいときにはＲＢ使用率を１００％となるように図３のステップＳ１の計算条件を設定して、燃料原単位を計算し、その平均値を求めた。比較例として、加熱能率に拘わらず、蓄熱式バーナ使用率を１００％とした場合を計算した。この結果、本発明による燃料原単位は、比較例に比べ燃料原単位が約２．３％低減しており、これにより本発明による燃料原単位の低減が確認できた。

なお、上記の実施形態においては、一例として装入側に最も近い第１制御帯７ａに上下各２対（計４対）の蓄熱式バーナを備え、他のバーナーには非蓄熱式バーナを備える連続式加熱炉１の場合について説明したが、本発明は、装入側に最も近い制御帯に蓄熱式バーナを備えれば、他のバーナは特に限定されない。そのため、他の制御帯には、蓄熱式バーナ、非蓄熱式バーナ及びこれらを混合して備えてもよい。また、装入側に最も近い制御帯備えられる蓄熱式バーナは、１対以上であればよい。

さらに、上記の実施形態においては、一例として制御帯が、第１制御帯及び第２制御帯に分けられた第１加熱帯、第２加熱帯及び均熱帯である場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、制御帯が異なっても、装入側に最も近い制御帯に蓄熱式バーナを備えることで、適用が可能である。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う連続式加熱炉を用いた鋼材の製造方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

蓄熱式バーナを備えた連続式加熱炉の炉長方向の内部を示す図である。 各制御帯の熱収支を示す図である。 燃料原単位の計算手順を示すフローチャートである。 加熱能率と、蓄熱式バーナの燃料流量と、燃料原単位との関係を示す図である。 加熱能率と蓄熱式バーナの使用率との関係を示す図である。 制御帯の炉温設定を示す図である。

符号の説明

１ 蓄熱式バーナを備えた連続式加熱炉
２ 鋼材
６ 予熱帯
７ 第１加熱帯
７ａ 第１制御帯
７ｂ 第２制御帯
８ 第２加熱帯
９ 均熱帯
１２ 蓄熱式バーナ

Claims (4)

1. 装入された鋼材をバーナにより連続的に加熱し、目標抽出温度にして抽出する連続式加熱炉であって、
   前記連続式加熱炉に独立してバーナの燃焼量の調節が可能である複数の制御帯が設けられ、前記装入側に最も近い前記制御帯に一対または複数対の蓄熱式バーナが備えられ、
   予め前記連続式加熱炉の加熱能率と前記蓄熱式バーナに供給する燃料流量との関係を定めておき、前記加熱能率の設定に基づき、前記蓄熱式バーナに供給する燃料流量を決定し、前記決定した燃料流量を前記蓄熱式バーナに供給して前記鋼材を加熱する工程を有することを特徴とする鋼材の製造方法。
2. 前記燃料流量の決定が、
   予め前記加熱能率と、前記燃料流量と、前記燃料原単位との関係を計算により求める工程と、
   前記加熱能率の設定に基づき、前記燃料原単位が最小になる前記燃料流量を決定する工程と
   により行われることを特徴とする請求項１に記載の鋼材の製造方法。
3. 前記燃料流量及び前記目標抽出温度から、前記蓄熱式バーナを備えた制御帯より抽出側の制御帯の炉温を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の鋼材の製造方法。
4. 前記蓄熱式バーナを備えた制御帯より抽出側の制御帯の炉温が、前記燃料流量から前記蓄熱バーナを備えた制御帯出口の鋼材温度を求め、該鋼材温度及び前記目標抽出温度から設定されることを特徴とする請求項３に記載の鋼材の製造方法。

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