JP2017067781A - 鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法および装置ならびに合金化炉誘導加熱装置制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】専用の測定用装置を設置することなく、製造工程内において、安価に鋼板に含まれるオーステナイトの割合をオンラインで測定することができる、鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法および装置、合金化炉誘導加熱装置への投入電力を制御する合金化炉誘導加熱装置制御方法を提供する。【解決手段】誘導加熱装置２のコイル端電圧から演算される鋼板有効発熱量と、誘導加熱による鋼板の温度上昇実績値から演算される鋼板有効発熱量とに基づいて鋼板比透磁率を演算し、該鋼板比透磁率の逆数としてオーステナイトの割合を演算する。【選択図】図４
Description
本発明は、誘導加熱プロセスによる鋼板の加熱において活用できるものであり、特に、鋼板に含まれるオーステナイトの割合をオンラインで測定する方法および装置に関するものである。ならびに、オンラインで測定したオーステナイトの割合に基づいて、鋼板の合金化に必要な温度を決定し、その合金化必要温度に基づいて合金化炉誘導加熱装置への投入電力を制御する合金化炉誘導加熱装置制御方法に関するものである。
近年、自動車車体の軽量化に伴い、軽量かつ高張力の鋼板に対する需要が増加している。特に、現在では鋼板の引張強度が増加するに伴い、オーステナイトを含む鋼板が増加しており、鋼板に含まれるオーステナイトの割合（以下、γ分率とも称する）をオンラインで測定する技術が求められている。
このγ分率のオンライン測定に関する技術としては、例えば特許文献１では、専用の渦電流方式の測定装置を設置し、予め取得しておいた関係式から求める方法が開示されている。
特許文献１に開示の技術では、製造ライン内に、専用の渦電流方式の測定装置を設置し、鋼板に含まれるγ分率をオンライン測定する必要がある。そして、オンラインで測定したγ分率に基づいて、鋼板の合金化に必要な温度を決定し、その合金化必要温度から合金化炉誘導加熱装置への投入電力を制御する合金化炉誘導加熱装置の制御方法についても求められるところである。
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものであり、専用の測定用装置を設置することなく、製造工程内において、安価に鋼板に含まれるオーステナイトの割合をオンラインで測定することができる、鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法および装置を提供することを目的とする。さらに、オンラインで測定したオーステナイトの割合に基づいて、鋼板の合金化に必要な温度を決定し、決定した合金化必要温度に基づいて合金化炉誘導加熱装置への投入電力を制御する合金化炉誘導加熱装置制御方法を提供することを目的とする。
上記課題は、以下の発明によって解決できる。
［１］ 誘導加熱装置による誘導加熱時の鋼板に含まれるオーステナイトの割合をオンラインで測定する、鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法であって、
誘導加熱装置のコイル端電圧から演算される鋼板有効発熱量と、誘導加熱による鋼板の温度上昇実績値から演算される鋼板有効発熱量とに基づいて鋼板比透磁率を演算し、該鋼板比透磁率の逆数として前記オーステナイトの割合を演算することを特徴とする鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法。
誘導加熱装置のコイル端電圧から演算される鋼板有効発熱量と、誘導加熱による鋼板の温度上昇実績値から演算される鋼板有効発熱量とに基づいて鋼板比透磁率を演算し、該鋼板比透磁率の逆数として前記オーステナイトの割合を演算することを特徴とする鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法。
［２］ 上記［１］に記載の鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法において、
前記鋼板比透磁率を演算するにあたっては、以下の（５）式を用いることを特徴とする鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法。
前記鋼板比透磁率を演算するにあたっては、以下の（５）式を用いることを特徴とする鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法。
ここで、
mr[−]：鋼板比透磁率、d[kg/m3]：鋼板密度、c：板幅[m]、b[J/kg・K]：鋼板比熱、T[K]：温度上昇値、Ls[mpm]：ライン速度、ω[Hz]：インバータ周波数、m0[H/m]：真空の透磁率、ρ[−]：鋼板抵抗率、n[回]：加熱コイルの巻数、S[m2]：コイル断面積、V0[V]：コイル端電圧、Aw[m2]：コイル断面積、B：磁束係数、lc[m]：コイル高さ
［３］ 誘導加熱装置による誘導加熱時の鋼板に含まれるオーステナイトの割合をオンラインで測定する、鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定装置であって、
放射温度計によって前記誘導加熱時の鋼板の温度上昇実績と、
誘導加熱装置のコイル印加電圧およびインバータ角周波数と、
鋼板の板幅およびライン速度とに基づいて、
鋼板比透磁率を演算し、該鋼板比透磁率の逆数として前記オーステナイトの割合を演算する演算部を具備することを特徴とする鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定装置。
mr[−]：鋼板比透磁率、d[kg/m3]：鋼板密度、c：板幅[m]、b[J/kg・K]：鋼板比熱、T[K]：温度上昇値、Ls[mpm]：ライン速度、ω[Hz]：インバータ周波数、m0[H/m]：真空の透磁率、ρ[−]：鋼板抵抗率、n[回]：加熱コイルの巻数、S[m2]：コイル断面積、V0[V]：コイル端電圧、Aw[m2]：コイル断面積、B：磁束係数、lc[m]：コイル高さ
［３］ 誘導加熱装置による誘導加熱時の鋼板に含まれるオーステナイトの割合をオンラインで測定する、鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定装置であって、
放射温度計によって前記誘導加熱時の鋼板の温度上昇実績と、
誘導加熱装置のコイル印加電圧およびインバータ角周波数と、
鋼板の板幅およびライン速度とに基づいて、
鋼板比透磁率を演算し、該鋼板比透磁率の逆数として前記オーステナイトの割合を演算する演算部を具備することを特徴とする鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定装置。
［４］ 上記［１］または［２］に記載の鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法を用いて、鋼板の合金化に必要な温度を決定し、決定した合金化必要温度に基づいて合金化炉誘導加熱装置への投入電力を制御することを特徴とする合金化炉誘導加熱装置制御方法。
本発明によれば、誘導加熱装置の実績データを用いて、オンラインでγ分率を測定できるようにしたので、専用の測定用装置を設置することなく、製造工程内において、安価に鋼板に含まれるγ分率を測定することができる。
また、鋼板の全長に渡ってγ分率を測定することができるため、品質保証の面で効果がある。そして、オンラインでγ分率が測定可能なため、フィードバック制御による鋼板に含まれるγ分率制御が可能になるという効果もある。
さらに、鋼板のγ分率に基づいて、合金化に必要な温度を決定し、合金化炉誘導加熱装置への投入電力を制御することで、目標とする合金化外れの減少が可能になるという効果もある。
本発明者らは、誘導加熱の原理を利用した、γ分率導出モデルを考案して以下に説明する本発明に想到した。以下、図および式を参照しながら、本発明を具体的に説明する。
図１は、本発明を適用する誘導加熱装置を用いた鋼板加熱の様子を示す図である。図中、１は鋼板、２は誘導加熱装置を、それぞれ表す。進行方向に移動する鋼板１の途中に設置した誘導加熱装置２によって、鋼板１の温度上昇を行なっている。
図２は、誘導加熱装置での加熱原理を説明するシステム構成図である。図中、１は鋼板、３はトランス、４はコンバータ、５はインバータ、６はコイルを、それぞれ表す。
トランス３から供給された電流I[A]は、コンバータ４を通して直流電流IDC[A]に変換され、平滑リアクトルによって平滑化された後、インバータ５によって、必要周波数を持った交流電流I1[A]に変換される。この交流電流が誘導加熱装置のコイル６に供給されることで、コイル両端に電圧差（以下、コイル端電圧、コイルに投入した電圧とも称する）V0[V]が生じ、以下の（１）式で表される励磁電流I0[A]を発生させる。
この結果、この励磁電流I0[A]によって生じた磁束の変化により、鋼板内部に渦電流が発生し、鋼板が抵抗加熱されることで、鋼板有効発熱量P[W]を発生する。このとき、鋼板有効発熱量P[W]は、誘導加熱装置に供給された電力に関するデータ、誘導加熱装置の寸法、鋼板寸法および物性値といった、各パラメータを使用して以下の（２）式のように表すことができる。
なお、各パラメータは下記の通りである。
V0[V]：コイル端電圧、S[m2]：コイル断面積、ω[Hz]：インバータ周波数、m0[H/m]：真空の透磁率、mr[−]：鋼板比透磁率、n[回]：加熱コイルの巻数、I0[A]：コイルに流れる励磁電流、Aw[m2]：コイル断面積、lc[m]：コイル高さ、B：磁束係数、P[W]：鋼板有効発熱量
以上、誘導加熱装置のコイルに投入した電圧V0[V]より励磁電流I0[A]を求めて、この励磁電流I0[A]から鋼板有効発熱量P[W]を求めている。なお、鋼板有効発熱量とは、鋼板全体で発生する発熱量に対して、実際に温度上昇に使用される有効エネルギー分のことを言う。
V0[V]：コイル端電圧、S[m2]：コイル断面積、ω[Hz]：インバータ周波数、m0[H/m]：真空の透磁率、mr[−]：鋼板比透磁率、n[回]：加熱コイルの巻数、I0[A]：コイルに流れる励磁電流、Aw[m2]：コイル断面積、lc[m]：コイル高さ、B：磁束係数、P[W]：鋼板有効発熱量
以上、誘導加熱装置のコイルに投入した電圧V0[V]より励磁電流I0[A]を求めて、この励磁電流I0[A]から鋼板有効発熱量P[W]を求めている。なお、鋼板有効発熱量とは、鋼板全体で発生する発熱量に対して、実際に温度上昇に使用される有効エネルギー分のことを言う。
また、一方で、鋼板有効発熱量P[W]は、誘導加熱による鋼板の温度上昇実績値からも求めることができる。図３は、誘導加熱時における鋼板の断面を示す図である。
鋼板に誘起された渦電流Iw[A]は、表皮効果を受けて、鋼板の深さ方向に対して指数関数的に減少していく。鋼板内部に流れる渦電流Iw[A]の総和は、鋼板表面に流れる渦電流が、電流浸透深さδ[m]まで均一に流れていると考えたときと同等であり、誘導加熱による鋼板の温度上昇値をT[K]とすれば、鋼板の温度上昇に使用されたエネルギーは（鋼板質量×比熱×温度上昇実績）であり、以下の（３）式のように表すことができる。
なお、各パラメータは下記の通りである。
d[kg/m3]：鋼板密度、lc[m]：コイル高さ、c[m]：板幅、δ[m]：鋼板浸透深さ、b[J/kg・K]：鋼板比熱、T[K]：温度上昇値、Ls[mpm]：ライン速度
渦電流による鋼板浸透深さδ[m]は、次の（４）式で表すことができる。
d[kg/m3]：鋼板密度、lc[m]：コイル高さ、c[m]：板幅、δ[m]：鋼板浸透深さ、b[J/kg・K]：鋼板比熱、T[K]：温度上昇値、Ls[mpm]：ライン速度
渦電流による鋼板浸透深さδ[m]は、次の（４）式で表すことができる。
ここで、δ[m]：鋼板浸透深さ、ρ[−]：鋼板抵抗率、ω[Hz]：インバータ周波数、m0[H/m]：真空の透磁率、mr：鋼板比透磁率
鋼板有効発熱量Pにより、鋼板の温度が上昇する事から、（２）式と（３）式はエネルギー的に等価であるため、鋼板比透磁率mrを未知数として連立方程式を解くと、次の（５）式が得られる。
鋼板有効発熱量Pにより、鋼板の温度が上昇する事から、（２）式と（３）式はエネルギー的に等価であるため、鋼板比透磁率mrを未知数として連立方程式を解くと、次の（５）式が得られる。
ここで、
mr[−]：鋼板比透磁率、d[kg/m3]：鋼板密度、c：板幅[m]、b[J/kg・K]：鋼板比熱、T[K]：温度上昇値、Ls[mpm]：ライン速度、ω[Hz]：インバータ周波数、m0[H/m]：真空の透磁率、ρ[−]：鋼板抵抗率、n[回]：加熱コイルの巻数、S[m2]：コイル断面積、V0[V]：コイル端電圧、Aw[m2]：コイル断面積、B：磁束係数、lc[m]：コイル高さ
（５）式において、c：板幅[m]、T[K]：温度上昇値、Ls[mpm]：ライン速度、ω[Hz]：インバータ周波数、V0[V]：コイル端電圧などが変数すなわち測定値である。
mr[−]：鋼板比透磁率、d[kg/m3]：鋼板密度、c：板幅[m]、b[J/kg・K]：鋼板比熱、T[K]：温度上昇値、Ls[mpm]：ライン速度、ω[Hz]：インバータ周波数、m0[H/m]：真空の透磁率、ρ[−]：鋼板抵抗率、n[回]：加熱コイルの巻数、S[m2]：コイル断面積、V0[V]：コイル端電圧、Aw[m2]：コイル断面積、B：磁束係数、lc[m]：コイル高さ
（５）式において、c：板幅[m]、T[K]：温度上昇値、Ls[mpm]：ライン速度、ω[Hz]：インバータ周波数、V0[V]：コイル端電圧などが変数すなわち測定値である。
そして、鋼板比透磁率とγ分率には逆数の関係があるため、（６）式に示すように、（５）式で得られた鋼板比透磁率からγ分率をオンラインで求めることができる。
図４は、本発明に係る装置構成例を示す図である。図中、１は鋼板、２は誘導加熱装置、４はコンバータ、５はインバータ、７は放射温度計、８は演算部、および９はネットワークをそれぞれ表す。
ネットワーク９を介してデータの収集およびこれに基づいて、γ分率の演算を行なう。先ず、誘導加熱による鋼板１のT温度上昇実績が、放射温度計７そして放射温度計変換器盤・I/O盤を経てネットワーク９に送られる。また、誘導加熱装置（IH）２からは、ωインバータ角周波数およびV0コイル印加電圧が、インバータ５、コンバータ４、IH I/F 制御盤、PLC（Programmable Logic Controller）を経てネットワーク９に送られる。このPLCには、c板幅がビジネスコンピュータ(B/C)、プロセスコンピュータ(P/C)を経て送られ、同様にネットワーク９に送られる。さらに、Lsライン速度についても、他のPLCからネットワーク９に送られる。
そして、ネットワーク９に送られデータに基づいて、演算部(例えば、PLCにて構成)８にて、上述の（５）および（６）式にてγ分率の演算が行なれる。演算されたγ分率は必要に応じてデータロガーにてロギングされデータ取り出しされる。
以上、本発明は、誘導加熱装置の実績データを用いて、オンラインでγ分率を測定できるようにしたので、専用の測定用装置を設置することなく、製造工程内において、安価に鋼板に含まれるγ分率を測定することができる。
また、鋼板の全長に渡ってγ分率を測定することができるため、品質保証の面で効果があるとともに、オンラインでγ分率が測定可能なため、フィードバック制御による鋼板に含まれるγ分率制御が可能になるという効果もある。
図５は、本発明を適用する合金化溶融亜鉛めっき鋼板製造ラインの装置例を示す図である。図５（ａ）中、１１は鋼板、１２は雰囲気ガス帯、１３は冷却帯、１４は合金化炉帯、１５は溶融亜鉛浴、１６は誘導加熱装置（前部）、１７は誘導加熱装置（後部）、１８は合金化炉誘導加熱装置、１９は放射温度計を、それぞれ表す。また、図５（ｂ）は、鋼板の通板途中での温度変化を模式的に表した図である。
直火炉（図示せず）を経た鋼板１１は、雰囲気ガス帯１２、冷却帯１３、溶融亜鉛浴１５、合金化炉帯１４の順に通板されて、合金化溶融亜鉛めっき鋼板となる。
鋼板１１は、直火炉で直接加熱されることにより、圧延油が除去されるとともに、その表面が酸化されて、表層に酸化鉄層が形成される。そして、鋼板１１は、水素と窒素といった混合ガスからなる雰囲気ガス帯１２に保持され、鋼板１１の表層に形成された酸化鉄層が還元され、鋼板１１の表層に還元鉄層が形成される。
そして、還元鉄層が形成された鋼板１１は、冷却帯１３を通板されて、溶融亜鉛浴１５への浸漬に適した板温に調整される。なお、図５に示す冷却帯１３では、誘導加熱装置（前部）１６、および誘導加熱装置（後部）１７の２つの誘導加熱装置が設置されており、誘導加熱装置（前部）１６では材質作りこみための板温調整、誘導加熱装置（後部）１７では浸漬に適した板温調整がそれぞれ行われる。適切な板温調整を行うために、誘導加熱装置の入口および出口には放射温度計１９をそれぞれ設置している。
冷却帯１３を通板された鋼板１１は、溶融亜鉛浴１５に浸漬された後に引き上げられ、ガスワイピング装置（図示せず）によって亜鉛付着量が調整される。このようにして、鋼板１１には、めっき皮膜が形成される。
めっき皮膜が形成された鋼板１１は、合金化炉帯１４で加熱され、めっき皮膜が合金化される。合金化炉帯１４での加熱にあたっては、合金化炉誘導加熱装置１８を制御して、合金化に必要な合金化温度に調整する。
図６は、合金化炉誘導加熱装置の制御ブロック例を示す図である。図中、２１は演算器（γ分率計算）、２２は制御器（投入電力）、１８は合金化炉誘導加熱装置を、それぞれ表す。
演算器２１では、鋼板データ、誘導加熱装置（前部）１６および誘導加熱装置（後部）１７におけるデータ（先の（１）、（２）式中でのパラメ−タなど）、および誘導加熱装置入側・出側温度を入力として、前述した（５）式よりγ分率を計算する。
そして、制御器２２では、計算したγ分率より、鋼板の合金化に必要な温度を決定する。合金化必要温度は、γ分率の関数とするか、従来の操業からγ分率vs合金化温度としてテーブルの形でもつようにすると良い。さらに、合金化必要温度が決定されたら、この合金化必要温度に基づいて合金化炉誘導加熱装置への投入電力を演算して、演算した投入電力にて合金化炉誘導加熱装置を制御する。
鋼板の合金化温度は、合金化炉誘導加熱装置への投入電力、板厚、板幅、ライン速度などの関数として与えられるから、この関係式を逆変換して、合金化必要温度から合金化炉誘導加熱装置への投入電力を求めるようにすればよい。
鋼板のγ分率に基づいて、合金化に必要な温度を決定し、合金化炉誘導加熱装置への投入電力を制御することで、目標とする合金化外れの減少が可能になる。
本発明を適用し図４の装置構成でオンラインで求めたγ分率の精度を評価するために、目標γ分率の異なる3水準の鋼種（計８サンプル）を対象に、オフラインで実測（SEM(Scanning Electron Microscopy)像観察）した値との比較を実施した。
図７は、γ分率のオフライン値とオンライン値の比較結果を示す図である。図から、本発明を適用しオンラインで求めたγ分率とオフラインで実測したγ分率に良い相関が確認でき、本発明が有用であることが確認できた。
これにより、測定装置の新設を必要とせずに、安価にγ分率をオンラインで測定することが可能となった。
また、鋼板の全長に渡ってγ分率を測定することができるため、品質保証の面で効果がある。さらに、オンラインでγ分率が測定可能なため、フィードバック制御による鋼板に含まれるγ分率制御が可能になるという効果もある。
１ 鋼板
２ 誘導加熱装置
３ トランス
４ コンバータ
５ インバータ
６ コイル
７ 放射温度計
８ 演算部
９ ネットワーク
１１ 鋼板
１２ 雰囲気ガス帯
１３ 冷却帯
１４ 合金化炉帯
１５ 溶融亜鉛浴
１６ 誘導加熱装置（前部）
１７ 誘導加熱装置（後部）
１８ 合金化炉誘導加熱装置
１９ 放射温度計
２１ 演算器（γ分率計算）
２２ 制御器（投入電力）
２ 誘導加熱装置
３ トランス
４ コンバータ
５ インバータ
６ コイル
７ 放射温度計
８ 演算部
９ ネットワーク
１１ 鋼板
１２ 雰囲気ガス帯
１３ 冷却帯
１４ 合金化炉帯
１５ 溶融亜鉛浴
１６ 誘導加熱装置（前部）
１７ 誘導加熱装置（後部）
１８ 合金化炉誘導加熱装置
１９ 放射温度計
２１ 演算器（γ分率計算）
２２ 制御器（投入電力）
Claims (4)
- 誘導加熱装置による誘導加熱時の鋼板に含まれるオーステナイトの割合をオンラインで測定する、鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法であって、
誘導加熱装置のコイル端電圧から演算される鋼板有効発熱量と、誘導加熱による鋼板の温度上昇実績値から演算される鋼板有効発熱量とに基づいて鋼板比透磁率を演算し、該鋼板比透磁率の逆数として前記オーステナイトの割合を演算することを特徴とする鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法。 - 請求項１に記載の鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法において、
前記鋼板比透磁率を演算するにあたっては、以下の（５）式を用いることを特徴とする鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法。
mr[−]：鋼板比透磁率、d[kg/m3]：鋼板密度、c：板幅[m]、b[J/kg・K]：鋼板比熱、T[K]：温度上昇値、Ls[mpm]：ライン速度、ω[Hz]：インバータ周波数、m0[H/m]：真空の透磁率、ρ[−]：鋼板抵抗率、n[回]：加熱コイルの巻数、S[m2]：コイル断面積、V0[V]：コイル端電圧、Aw[m2]：コイル断面積、B：磁束係数、lc[m]：コイル高さ - 誘導加熱装置による誘導加熱時の鋼板に含まれるオーステナイトの割合をオンラインで測定する、鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定装置であって、
放射温度計によって前記誘導加熱時の鋼板の温度上昇実績と、
誘導加熱装置のコイル印加電圧およびインバータ角周波数と、
鋼板の板幅およびライン速度とに基づいて、
鋼板比透磁率を演算し、該鋼板比透磁率の逆数として前記オーステナイトの割合を演算する演算部を具備することを特徴とする鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定装置。 - 請求項１または２に記載の鋼板に含まれるオーステナイトの割合の測定方法を用いて測定したオーステナイトの割合に基づいて、鋼板の合金化に必要な温度を決定し、決定した合金化必要温度に基づいて合金化炉誘導加熱装置への投入電力を制御することを特徴とする合金化炉誘導加熱装置制御方法。
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| CN110799838A (zh) * | 2017-06-28 | 2020-02-14 | 杰富意钢铁株式会社 | 退火炉中的钢板的磁性转变率测定方法以及磁性转变率测定装置、连续退火工序、连续热浸镀锌工序 |
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2016
- 2016-09-29 JP JP2016190941A patent/JP6414170B2/ja active Active
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