JP2014037906A

JP2014037906A - 焼鈍炉の燃焼制御方法

Info

Publication number: JP2014037906A
Application number: JP2012179679A
Authority: JP
Inventors: Masami Suetake; 真巳末竹
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2014-02-27

Abstract

【課題】焼鈍炉の炉内温度を変更する際に、炉内温度を効率良く短時間で変更するとともに、燃料ガスの消費量を削減することができる燃焼制御方法を提供する。
【解決手段】基準空燃比をμ_BAとし、空気過剰率をμ_SUとして燃料ガスをラジアントチューブ内で燃焼させる焼鈍炉の目標温度Ｔ_TA（℃）と実測温度Ｔ_ME（℃）からΔＴ＝Ｔ_ME−Ｔ_TAを算出し、ΔＴと閾値αとを比較して、ΔＴ≧αの場合に空燃比μ＝μ_BA＋μ_SUとし、ΔＴ＜αの場合に空燃比μ＝μ_BAとして燃料ガスを燃焼させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＡＬ、ＣＧＬ等の連続プロセスラインに設置される焼鈍炉の燃焼制御方法に関するものである。

冷間圧延で得られる冷延鋼板は、その後の工程（たとえばＣＡＬ、ＣＧＬ等）で様々な加工を施されるので、加工性を改善するために、焼鈍炉を設置して700〜900℃で焼鈍を行なうことが多い。焼鈍炉では、冷延鋼板の表面が酸化されるのを防止する必要があることから、窒素と水素を所定の割合で混合した雰囲気ガスを炉内に供給して、炉内を還元性雰囲気に保持している。

一方で、炉内の温度を上昇させるためのバーナーは、ラジアントチューブと呼ばれる閉塞した管内に配設されており、バーナーの燃焼によって生じる排ガス（たとえばＮＯ_X、ＣＯ、ＣＯ₂）や未燃焼の燃料ガスが炉内の雰囲気に混入するのを防止している。このように閉塞されたラジアントチューブ内でバーナーを安定して燃焼させるためには、燃料ガスのみならず酸素（すなわち空気）を一定の割合で供給する必要がある。

そこで焼鈍炉では、バーナーの燃焼効率を向上することによって、余剰の排ガスや未燃焼の燃料ガスの発生を抑えるために、下記の(4)式で算出される空燃比を調整しながらバーナーを燃焼させている。なお(4)式中のβは、燃料ガスの種類によって設定される係数であり、たとえば燃料ガスとしてコークス炉から排出されるガス（いわゆるＣガス）を使用する場合にはβ＝4.2と設定される。
空燃比＝空気流量／（β×燃料ガス流量）・・・(4)
特許文献１に開示された技術は、各種燃焼炉の空燃比を制御することによって、燃焼効率の向上、省エネルギー、公害防止、無酸化雰囲気の維持を図るものである。燃焼炉には炉内の温度を制御するために温度検出器が設置されているが、その温度検出器で測定した実測温度は空燃比の制御には活用されていない。そのため、空燃比を一定に維持することは可能であるが、炉内の温度を変更する際のバーナーの燃焼制御が不安定になり、その結果、炉内温度の変更に長時間を要し、ひていは燃料ガスの消費量の増大を招く。

特開昭54-26536号公報

本発明は、焼鈍炉の炉内温度を変更する際に、炉内温度を効率良く変更するとともに、燃料ガスの消費量を削減することができる燃焼制御方法を提供することを目的とする。

発明者は、一定に保持された空燃比が炉内の温度に及ぼす影響について検討し、以下のような知見を得た。
空燃比は、焼鈍炉の仕様、冷延鋼板の寸法や焼鈍温度等に応じて、予め設定されるものである。焼鈍炉の操業において、空燃比を予め設定された値（以下、基準空燃比という）に保持するために供給する空気は燃焼温度より低温であるから、空気流量は炉内の温度に多大な影響を及ぼす。

特に焼鈍炉の目標温度を変更して、炉内の温度を高温から低温に低下させる過程では、発熱量を減らすために、燃料ガス流量を減少する。そして、従来の空燃比制御では、変更した後の目標温度に応じて予め設定された空燃比（すなわち基準空燃比）に保持するために、空気流量も減少する。ラジアントチューブ内に供給される空気は燃焼温度より低温であるから、その空気流量が減少すれば、炉内の温度低下に要する時間が長くなる。

これに対して、空気の供給量を増加すれば、炉内の温度を短時間で低下させることが可能となる。そこで、上記の基準空燃比における空気流量よりも過剰に供給する空気の流量（以下、過剰空気流量という）から下記の(5)式で空気過剰率を算出し、基準空燃比と空気過剰率との合計を空燃比として燃料ガスを燃焼させる。つまり炉内の温度を低下させる過程では、空燃比を基準空燃比よりも増加させることによって、短時間で目標温度に到達できる。
空気過剰率＝過剰空気流量／（β×燃料ガス流量）・・・(5)
ところが空燃比を増加させると、基準空燃比を保持するための空燃比制御によって燃料ガス流量も増加するので、発熱量が増加し、炉内の温度低下に要する時間が長くなり、燃料ガスの消費量が増加する。

このような、炉内の温度を低下させる過程における問題を解消するためには、
(A)温度変更の初期段階では、炉内の実測温度と目標温度との差が大きいので、空燃比を基準空燃比よりも増加させて燃料ガスを燃焼させることによって、効率良く短時間で炉内の温度を低下させる、
(B)温度変更の終了段階では、炉内の実測温度と目標温度との差が小さくなるので、空燃比を基準空燃比として燃料ガスを燃焼させることによって、燃料ガス流量の増加（すなわち発熱量の増加）を抑制する
という対策を講じる必要がある。

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、基準空燃比をμ_BAとし、空気過剰率をμ_SUとして燃料ガスをラジアントチューブ内で燃焼させる焼鈍炉の目標温度Ｔ_TA（℃）と実測温度Ｔ_ME（℃）から下記の(1)式でΔＴを算出し、ΔＴと閾値αとを比較して、ΔＴ≧αの場合に焼鈍炉の空燃比μを下記の(2)式で算出される値に設定し、ΔＴ＜αの場合に焼鈍炉の空燃比μを下記の(3)式で算出される値に設定して燃料ガスを燃焼させる焼鈍炉の燃焼制御方法である。なお、閾値αは正の値（α＞０）である。
ΔＴ＝Ｔ_ME−Ｔ_TA ・・・(1)
μ＝μ_BA＋μ_SU ・・・(2)
μ＝μ_BA ・・・(3)
また本発明の燃焼制御方法は、燃料ガスをラジアントチューブ内で燃焼させながら焼鈍炉の炉内温度を低下させるために目標温度Ｔ_TAを変更した後、実測温度Ｔ_MEを目標温度Ｔ_TAまで低下させる過程の燃焼制御に適用することが好ましい。

本発明によれば、焼鈍炉の炉内温度を変更する際に、燃料の消費量を削減することができるので、産業上格段の効果を奏する。

本発明における燃料流量と空燃比との関係を示すグラフである。本発明の計装フローを示すフロー図である。ラジアントチューブを配設した焼鈍炉の例を模式的に示す断面図である。

まず、図３を参照して、ラジアントチューブを配設した焼鈍炉について説明する。鋼板８は、駆動ロールとしてのハースロール９にて焼鈍炉の中を上下に移動しながら、右から左へ進んで行く。鋼板８の通り道の間にはラジアントチューブ３が設置されており、バーナー（図示せず）によって加熱され、熱放射と熱伝導により鋼板８が焼鈍される。また焼鈍炉は、通常、いくつかの加熱帯10に区切られている。各加熱帯10には温度計１が設置されており、炉内の温度を制御することで製品の材質作り込みが行なわれる。

加熱帯10の計装フローを図２に示す。各加熱帯10には複数本のラジアントチューブ３が設置されている。さらに温度制御用の温度計１と温度制御コントローラ２が設置されており、ラジアントチューブ３内でバーナーを燃焼させ、間接加熱によって温度制御される。温度制御コントローラ２からの出力は、ダブルクロスリミットシーケンス４にて燃料ガス流量実績値と空気流量実績値に応じた空燃比演算５により、燃料ガス流量目標値と空気流量目標値が演算される。これらの流量目標値を燃料ガス流量コントローラ６と空気流量コントローラ７に入力することによって、それぞれの流量が制御される。

本発明における燃焼制御の制御系は以上の通りである。
次に、図１を参照して、基準空燃比μ_BAと空気過剰率μ_SUについて説明する。
投入される燃料流量は、冷延鋼板の温度を上げるために必要な熱量と、外に逃げる熱量との和で決まる。したがって、炉温設定が低い場合、冷延鋼板のサイズが小さい場合、焼鈍炉の搬送速度が遅い場合、冷延鋼板の温度を保持する場合等においては、必要な燃料流量が少ないので、空気が過剰に供給される分だけ燃焼後の温度が低下する。温度が低くなると、燃料流量が増加するので、通常より多い燃料流量で熱平衡に達し、その結果、過剰に供給される空気分だけ燃料を余分に供給することになり、燃料原単位が低下する。

たとえば、目標温度Ｔ_TA（℃）と実測温度Ｔ_ME（℃）を用いて(1)式で算出されるΔＴが、０℃から50℃に増加し、熱平衡に達する燃料流量が、30％から10％となる例を図１に示す。
図１において、従来の燃焼制御方法では、空燃比はＡ点からＢ点方向に移動するが、過剰に供給する空気分だけ温度が下がるので、Ｂ点より燃料流量が高いＣ点で熱平衡に達する。

これに対して本発明では、空燃比はＡ点からＢ点に移動し始め、ΔＴが閾値α未満（ΔＴ＜α）となった時に、空燃比μは基準空燃比μ_BAと等しく（μ＝μ_BA）なり、Ｄ点で熱平衡に達する。したがって、上記した従来の燃焼制御方法と比べると、ＣＤ間の燃料流量を削減することができる。
以上に説明したように、本発明によれば、焼鈍炉の炉内温度を変更する際（とりわけ炉内温度を低下させる際）に、炉内温度を短時間で変更し、燃料ガスの消費量を削減することができる。一般に焼鈍炉内は、加熱帯や均熱帯等に分けて温度制御、空燃比制御を行なっており、いずれにも本発明を適用できる。

焼鈍炉の設定温度を800℃から750℃（＝目標温度Ｔ_TA）に変更する際に、図１に示すように、本発明を適用して、ラジアントチューブ内のバーナーにて燃料ガスを燃焼させた。すなわち、燃料ガスはＣガスを使用し、(4)式および(5)式中の係数βを4.2、閾値αを15とし、ΔＴ≧αの場合に空燃比μ＝μ_BA＋μ_SU、ΔＴ＜αの場合に空燃比μ＝μ_BAとして燃料ガスを燃焼させた。なお、基準空燃比μ_BA＝1.1とした。これを発明例とする。

一方、比較例として、同様の温度変更を行なう際に、ΔＴ＝０となるまで空燃比μ＝μ_BA＋μ_SU、ΔＴ＝０となった後に空燃比μ＝μ_BAとして燃料ガスを燃焼させた。
発明例と比較例を比べると、燃料ガスの消費量は発明例の方が４％少なかった。

１温度計
２温度制御用コントローラ
３ラジアントチューブ
４ダブルクロスリミットシーケンス
５空燃比演算
６燃料ガス流量コントローラ
７空気流量コントローラ
８鋼板
９ハースロール
10 加熱帯

Claims

基準空燃比をμ_BAとし、空気過剰率をμ_SUとして燃料ガスをラジアントチューブ内で燃焼させる焼鈍炉の目標温度Ｔ_TA（℃）と実測温度Ｔ_ME（℃）から下記の(1)式でΔＴを算出し、該ΔＴと閾値αとを比較して、ΔＴ≧αの場合に前記焼鈍炉の空燃比μを下記の(2)式で算出される値に設定し、ΔＴ＜αの場合に前記焼鈍炉の空燃比μを下記の(3)式で算出される値に設定して前記燃料ガスを燃焼させることを特徴とする焼鈍炉の燃焼制御方法。
ΔＴ＝Ｔ_ME−Ｔ_TA ・・・(1)
μ＝μ_BA＋μ_SU ・・・(2)
μ＝μ_BA ・・・(3)
前記目標温度Ｔ_TAが、前記焼鈍炉の炉内温度を低下させるために変更したものであることを特徴とする請求項１に記載の焼鈍炉の燃焼制御方法。