JP2010196132A

JP2010196132A - 蓄熱式バーナを備えた加熱炉における炉幅方向の温度制御方法

Info

Publication number: JP2010196132A
Application number: JP2009044351A
Authority: JP
Inventors: Eiichi Tashiro; 栄一田代; Hiroshi Nozaki; 洋野崎
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2010-09-09

Abstract

【課題】蓄熱式バーナを備えた加熱炉において、その炉幅方向の温度制御を簡単な構成で容易かつ安価に実施できる方法を提供こと。
【解決手段】加熱炉の両側壁（ａ側及びｂ側）に蓄熱式バーナ１、２を対向させて配置し、ａ側の蓄熱式バーナ１とｂ側の蓄熱式バーナ２を交番燃焼させる、蓄熱式バーナを備えた加熱炉における炉幅方向の温度制御方法において、炉幅方向の温度を高くするｂ側の側壁側と対向するａ側の側壁側の蓄熱式バーナ１の燃焼時に、その燃焼量を増加させ、ｂ側の側壁側の蓄熱式バーナ２の燃焼時に、その燃焼量を減少させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱式バーナを備えた加熱炉の温度制御方法に関し、とくにその炉幅方向の温度制御方法に関する。

近年、鋼片、鋼材等の金属材料を加熱する加熱炉として、蓄熱式バーナを備えた加熱炉が広く用いられている。

この蓄熱式バーナを備えた加熱炉において、蓄熱式バーナは、金属材料（被加熱材）の進行方向の両側、すなわち加熱炉の両側壁に対向するように配置され、一方の側壁側の蓄熱式バーナと他方の側壁側の蓄熱式バーナを交番燃焼させるようにしている。すなわち、一方の側壁側の蓄熱式バーナの燃焼時には、他方の側壁側の蓄熱式バーナの燃焼を停止して、蓄熱体を通して炉内の燃焼排ガスを排出し、燃焼排ガスの顕熱を蓄熱体に蓄積する。一定時間後、燃焼と蓄熱を切り替え、蓄熱体に蓄積した顕熱を燃焼用空気の予熱に利用する。

図４は、蓄熱式バーナを備えた加熱炉の従来一般的な温度制御方法を示す説明図である。

加熱炉は、一般的に炉長手方向に区画された予熱帯、加熱帯及び均熱帯といった複数の燃焼帯から構成され、さらに各燃焼帯の上部ゾーン、下部ゾーンといった複数の燃焼ゾーンに区画されおり、各燃焼ゾーン単位で温度制御が実施されるが、図４は、その一つの燃焼ゾーンを示す。なお、図４中、太線は蓄熱式バーナ燃焼時に使用する燃料配管及び燃焼空気配管の経路、太線破線は蓄熱式バーナ蓄熱（排気）時に使用する排ガス配管の経路を示し、細線は信号経路を示す。

加熱炉（燃焼ゾーン）の両側壁には蓄熱体を備えた蓄熱式バーナ１、２が対向して配置され、一方の蓄熱式バーナ１が燃焼しているときは、他方の蓄熱式バーナ２が炉内の燃焼排ガスを吸引し、蓄熱を行う。この動作を一定周期で切り替える。燃焼と蓄熱の切替は、燃料用切替弁３、燃焼空気用切替弁４、及び排ガス用切替弁１０で行われ、燃焼時は、燃料用切替弁３と燃焼空気用切替弁４が開き、排ガス切替弁１０が閉じ、蓄熱時は、燃料用切替弁３と燃焼空気用切替弁４が閉じ、排ガス切替弁１０が開く。また、燃焼ゾーンには炉幅方向に温度計５ａ、５ｂ、５ｃが設置され、炉内の温度を測定している。

燃焼ゾーンの炉温を制御する炉温調節計８には、温度計５ａ、５ｂ、５ｃからの温度Ｔ_５ａ、Ｔ_５ｂ、Ｔ_５ｃの平均値、最大値、あるいは任意の温度計の温度が選択され、燃焼ゾーンの実績温度ＰＶ_Ｔ（℃）として入力される。そして炉温調節計８に燃焼ゾーンの目標温度ＳＶ_Ｔ（℃）が設定されると、実績温度ＰＶ_Ｔ（℃）と比較して温度調節計８から操作量ＭＶ_Ｔ（％）が燃焼量制御回路１２に出力され、燃料用流量調節弁６と燃焼空気用流量調節弁７に開度指令ＭＶ_Ｆ（％）、ＭＶ_Ａ（％）が出力され燃焼量、すなわち燃料流量と燃焼空気流量が、燃焼ゾーンの実績温度ＰＶ_Ｔ（℃）が目標温度ＳＶ_Ｔ（℃）に一致するように制御される。

このように、一般に蓄熱式バーナを加熱炉の両側壁に対向するように配置し、一方の側壁側の蓄熱式バーナと他方の側壁側の蓄熱式バーナを交番燃焼させる加熱炉においては、被加熱材を均一に加熱すること、すなわち燃焼ゾーン内の炉幅方向の温度分布を均一にすることを前提としたバーナ配置などの設備仕様及び燃焼制御としているため、燃焼ゾーン内の代表実績温度（複数の温度計で測定される温度の平均値、最大値、あるいは任意の温度計の温度）を目標温度に一致させる温度制御方法が採られている。

一方で、被加熱材、とくに加熱後に圧延に供される鋼片の加熱においては、鋼片の長手方向の一端（先端部分）と他端（後端部分）との間に温度差を設ける傾斜加熱の技術が望まれている。すなわち、加熱の後工程の圧延工程において長尺の鋼片の場合には、圧延中に後端部分の温度が低下し、圧延不良等が生じることがあることから、加熱炉では鋼片の後端部分を他の部分より高温にすることが望まれることがある。

このような傾斜加熱を加熱炉で実現する場合、被加熱材（鋼片）は、その長手方向が加熱炉における進行方向と直交するように配置されることから、加熱炉の炉幅方向に温度差を設ける温度制御を行う必要がある。

蓄熱式バーナを備えた加熱炉において炉幅方向の温度制御を行う方法としては、特許文献１の温度制御方法がある。この方法は、加熱炉の両側壁に蓄熱式バーナを配置するとともに、加熱炉の炉幅方向に沿って連続燃焼装置を複数配置し、この複数の連続燃焼装置の燃焼量を調整することで、加熱炉の炉幅方向の温度制御を行うものである。

しかし、特許文献１の温度制御方法では、加熱炉の両側壁に配置する蓄熱式バーナに加えて、加熱炉の炉幅方向に複数の連続燃焼装置を配置し、一つの連続燃焼装置毎に燃焼量を制御するため、連続燃焼装置毎に燃料用流量計、燃料用流量調節弁、燃焼空気用流量計、燃焼空気用流量調節弁等の付帯機器を設置する必要がある。したがって、設備費用が高価になるとともに、保守の負担もその分増大する。

特開平１１−３２３４３１号公報

本発明が解決しようとする課題は、蓄熱式バーナを備えた加熱炉において、その炉幅方向の温度制御を簡単な構成で容易かつ安価に実施できる方法を提供することにある。

本発明は、加熱炉の両側壁に蓄熱式バーナを対向させて配置し、一方の側壁側の蓄熱式バーナと他方の側壁側の蓄熱式バーナを交番燃焼させる、蓄熱式バーナを備えた加熱炉における炉幅方向の温度制御方法であって、炉幅方向の温度を高くする側の一方の側壁側と対向する他方の側壁側の蓄熱式バーナの燃焼時に、その燃焼量を増加させ、前記一方の側壁側の蓄熱式バーナの燃焼時に、その燃焼量を減少させることを特徴とするものである。

このように本発明では、一方の側壁側の蓄熱式バーナと他方の側壁側の蓄熱式バーナを交番燃焼させる際に、その燃焼量に差を付けることによって炉幅方向の温度制御を行うことから、新たに燃焼装置を配置することなく、炉幅方向の温度制御を行うことができる。すなわち、蓄熱式バーナを備えた加熱炉において、その炉幅方向の温度制御を簡単な構成で容易かつ安価に実施できる。

本発明において、前記他方の側壁側の蓄熱式バーナ及び前記一方の側壁側の蓄熱式バーナの燃焼量は、加熱炉の目標温度から決定される燃焼量を基準として増加及び減少させるようにすることが好ましい。このような制御方法とすることで、加熱炉を全体としては目標温度に維持しつつ、炉幅方向の温度制御を行うことができる。

さらに、本発明においては、特開平９−５３１１５号公報のように前記他方の側壁側の蓄熱式バーナ及び前記一方の側壁側の蓄熱式バーナの燃焼時間の長短で炉幅方向の温度分布に偏差をつける温度制御ではなく、前記他方の側壁側の蓄熱式バーナ及び前記一方の側壁側の蓄熱式バーナの燃焼時間を同一にする、すなわち従来の燃焼／蓄熱時間のサイクルを変更しないことにより、蓄熱式バーナの本来持つ熱効率を大きく損なうことなく、炉幅方向の温度制御を行うことができる。したがって、加熱炉の設備構成を変更することなく炉幅方向の温度制御を実施することができ、既設の加熱炉にも簡単に適用することができる。

本発明によれば、蓄熱式バーナを備えた加熱炉において、その炉幅方向の温度制御を簡単な構成で容易かつ安価に実施できる。

本発明の温度制御方法を示す説明図である。本発明の温度制御方法による炉幅方向の温度分布を示す模式図である。本発明の温度制御方法による操作量の時間変化を示す模式図である。蓄熱式バーナを備えた加熱炉の従来一般的な温度制御方法を示す説明図である。

図１は、本発明の温度制御方法を示す説明図である。

上述のとおり、加熱炉は、一般的に炉長手方向に区画された予熱帯、加熱帯及び均熱帯といった複数の燃焼帯から構成され、さらに各燃焼帯の上部ゾーン、下部ゾーンといった複数の燃焼ゾーンに区画されおり、各燃焼ゾーン単位で温度制御が実施されるが、図１は、その一つの燃焼ゾーンを示す。なお、図１中、太線は蓄熱式バーナ燃焼時に使用する燃料配管及び燃焼空気配管の経路、太線破線は蓄熱式バーナ蓄熱（排気）時に使用する排ガス配管の経路を示し、細線は信号経路を示す。

加熱炉の設備構成自体は、図４で説明した従来のものと同じであり、加熱炉（燃焼ゾーン）の両側壁には蓄熱体を備えた蓄熱式バーナ１、２が対向して配置され、一方の蓄熱式バーナ１が燃焼しているときは、他方の蓄熱式バーナ２が炉内の燃焼排ガスを吸引し、蓄熱を行う。この動作を一定周期で切り替える。燃焼と蓄熱の切替は、燃料用切替弁３、燃焼空気用切替弁４、及び排ガス用切替弁１０で行われ、燃焼時は、燃料用切替弁３と燃焼空気用切替弁４が開き、排ガス切替弁１０が閉じ、蓄熱時は、燃料用切替弁３と燃焼空気用切替弁４が閉じ、排ガス切替弁１０が開く。また、燃焼ゾーンには炉幅方向に温度計５ａ、５ｂ、５ｃが設置され、炉内の温度を測定している。

以下、本発明の温度制御方法を説明する。以下の説明では、図１において、蓄熱式バーナ１側をａ側、蓄熱式バーナ２側をｂ側とし、炉幅方向の温度分布を、ａ側よりもｂ側を高く制御する場合について説明する。

燃焼ゾーンの炉温を制御する炉温調節計８には、温度計５ａ、５ｂ、５ｃからの温度Ｔ_５ａ、Ｔ_５ｂ、Ｔ_５ｃの平均値Ｔ_ＡＶＥ（℃）が燃焼ゾーンの実績温度ＰＶ_Ｔ（℃）として入力される。そして炉温調節計８に燃焼ゾーンの目標温度ＳＶ_Ｔ（℃）が設定されると、実績温度ＰＶ_Ｔ（℃）と比較して温度調節計８から操作量ＭＶ_Ｔ（％）が操作量補正回路１３に出力される。

操作量補正回路１３に、炉幅方向の目標温度偏差ＳＶ_△Ｔ（℃）（ＳＶ_△Ｔ＝ｂ側温度Ｔ_５ｂ−ａ側温度Ｔ_５ａ）が設定されると、温度計５ａから入力されるａ側の温度Ｔ_５ａと温度計５ｂから入力されるｂ側の温度Ｔ_５ｂの差から求められる温度偏差の実績値ＰＶ_△Ｔ（℃）（ＰＶ_△Ｔ＝Ｔ_５ｂ−Ｔ_５ａ）と比較して炉幅温度差調節計９から操作量ＭＶ_△Ｔ（％）が出力される。

ｂ側の温度をａ側よりも高くするには、ａ側の蓄熱式バーナ１の燃焼量をｂ側の蓄熱式バーナ２の燃焼量よりも大きくする。すなわち、ａ側の蓄熱式バーナ１を燃焼させるとｂ側の温度が上昇し、逆にｂ側の蓄熱式バーナ２を燃焼させるとａ側の温度が上昇するので、蓄熱式バーナ１、２の燃焼量が同じであれば、図２に破線で示すように、炉幅方向の温度分布はほぼ均一になる。これに対して、ａ側の蓄熱式バーナ１の燃焼量をｂ側の蓄熱式バーナ２の燃焼量よりも大きくすると、蓄熱式バーナ１によるｂ側の加熱が勝り、図２に実線で示すように、ｂ側の温度がａ側よりもΔＴだけ高くなる。

ａ側の蓄熱式バーナ１の燃焼量をｂ側の蓄熱式バーナ２の燃焼量よりも大きくするため、ａ側の蓄熱式バーナ１の燃焼時には、炉幅温度差調節計９より出力された操作量ＭＶ_△Ｔ（％）に係数ｋ_ａ乗じたものを温度調節計８から出力された操作量ＭＶ_Ｔ（％）に加え、逆にｂ側の蓄熱式バーナの燃焼時には、操作量ＭＶ_△Ｔ（％）に係数ｋ_ｂ乗じたものを操作量ＭＶ_Ｔ（％）から減じて、操作量ＭＶ_Ｃ（％）を算出する。

すなわち、操作量ＭＶ_Ｃ（％）は以下のとおりとなる。
・ａ側の蓄熱式バーナ１の燃焼時
ＭＶ_Ｃ（％）＝ＭＶ_Ｔ（％）＋（ｋ_ａ×ＭＶ_△Ｔ（％））
・ｂ側の蓄熱式バーナ２の燃焼時
ＭＶ_Ｃ（％）＝ＭＶ_Ｔ（％）−（ｋ_ｂ×ＭＶ_△Ｔ（％））

なお、係数ｋ_ａ、ｋ_ｂは加熱炉の燃焼状況に応じて調整、決定されるものである。

算出された操作量ＭＶ_Ｃ（％）は燃焼量制御回路１２に出力され、燃料用流量調節弁６と燃焼空気用流量調節弁７に開度指令ＭＶ_Ｆ（％）、ＭＶ_Ａ（％）が出力され燃焼量、すなわち燃料流量と燃焼空気流量が、燃焼ゾーンの実績温度ＰＶ_Ｔ（℃）が目標温度ＳＶ_Ｔ（℃）に、また、炉幅方向の温度偏差の実績値ＰＶ_△Ｔ（℃）が目標温度偏差ＳＶ_△Ｔ（℃）に一致するように制御される。

図３に上述した本発明の温度制御方法による操作量ＭＶ_Ｃ（％）の時間変化を模式的に示す。図３中、実線が操作量ＭＶ_Ｃ（％）である。また、図３には温度調節計８から出力された操作量ＭＶ_Ｔ（％）の時間変化を一点鎖線によって示している。なお、実際に制御を行う場合は、操作量の急激な変化は流量制御の暴れにつながるので、階段状に操作量を変化させるのではなく、ある傾きを持って変化させる。

被加熱材として、厚み１８０ｍｍ×巾１８０ｍｍ×長さ５０００ｍｍの鋼片を本発明の温度制御方法によって加熱した例を示す。

使用した加熱炉は、燃焼ゾーンが予熱帯上部及び下部、加熱帯上部及び下部、均熱帯上部及び下部の合計６ゾーンからなり、各燃焼ゾーンには、図１に示したように、被加熱材の進行方向両側（両側壁）に蓄熱式バーナを対向させて３対配置した。対向する蓄熱式バーナ（図１のａ側及びｂ側）の燃焼時間及び蓄熱時間は、両側とも６０秒とした。

各燃焼ゾーンの加熱条件及び加熱結果を表１に示す。なお、表１に示す加熱後の鋼片先端部（図１のａ側）及び鋼片後端部（図１のｂ側）の温度は、各端部より５００ｍｍの厚み方向の平均温度である。

表１に示すように、本発明の温度制御方法により、炉幅方向に温度差を設けることができ、鋼片先端部と鋼片後端部との間に３０℃の温度差を設けることができた。

１、２蓄熱式バーナ
３燃料用切替弁
４燃焼空気用切替弁
５ａ、５ｂ、５ｃ温度計
６燃料用流量調節弁
７燃焼空気用流量調節弁
８炉温調節計
９炉幅温度差調節計
１０排ガス切替弁
１１排ガス流量調節弁
１２燃焼量制御回路
１３操作量補正回路

Claims

加熱炉の両側壁に蓄熱式バーナを対向させて配置し、一方の側壁側の蓄熱式バーナと他方の側壁側の蓄熱式バーナを交番燃焼させる、蓄熱式バーナを備えた加熱炉における炉幅方向の温度制御方法であって、
炉幅方向の温度を高くする側の一方の側壁側と対向する他方の側壁側の蓄熱式バーナの燃焼時に、その燃焼量を増加させ、
前記一方の側壁側の蓄熱式バーナの燃焼時に、その燃焼量を減少させる、蓄熱式バーナを備えた加熱炉における炉幅方向の温度制御方法。
前記他方の側壁側の蓄熱式バーナ及び前記一方の側壁側の蓄熱式バーナの燃焼量を、加熱炉の目標温度から決定される燃焼量を基準として増加及び減少させる請求項１に記載の蓄熱式バーナを備えた加熱炉における炉幅方向の温度制御方法。
前記他方の側壁側の蓄熱式バーナ及び前記一方の側壁側の蓄熱式バーナの燃焼時間を同一とする請求項１又は請求項２に記載の蓄熱式バーナを備えた加熱炉における炉幅方向の温度制御方法。