JP2019151864A - 鋼板温度予測方法、鋼板温度予測装置、及び鋼板温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼鈍炉の冷却工程における鋼板温度を精度よく予測可能な鋼板温度予測方法及び鋼板温度予測装置を提供すること。【解決手段】本発明の一実施形態である鋼板温度予測方法では、制御装置１３が、鋼板Ｓがロールと接触している区間では、ロールの直前における鋼板Ｓの温度及び炉内温度を用いてロールの温度を算出し、算出されたロールの温度を用いてロールと鋼板Ｓとの間の熱伝達を考慮して鋼板Ｓの温度を予測し、鋼板Ｓがロールと接触していない区間では、鋼板Ｓと炉内雰囲気との間の熱放射を考慮して鋼板Ｓの温度を予測することにより、焼鈍炉内の任意の位置における鋼板Ｓの温度を予測する。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼板温度予測方法、鋼板温度予測装置、及び鋼板温度制御方法に関する。

冷却工程における鋼板温度を予測する方法として、鋼板の上面に滞留する冷却水の影響を考慮して鋼板温度を予測する方法（特許文献１参照）、鋼板温度の予測値と測定値の相関関数を求めて鋼板温度を予測する方法（特許文献２参照）、冷却スプレー、強制対流、ロール接触による伝熱等の熱伝達係数を求め、各場所で最大となる熱伝達係数を求めて鋼板温度を予測する方法（特許文献３参照）、時刻及び炉内位置を微小時間及び距離で区切って伝熱モデルを用いて鋼板温度を予測する方法（特許文献４参照）が知られている。

特開２０１３−７６５号公報 特開２０１３−７１１２５号公報 特開２０１３−３５０１１号公報 特開２００８−２６６７１５号公報

特許文献１に記載の方法は、鋼板温度に対する冷却水の影響が大きい場所では鋼板温度を精度よく予測できるが、ロールとの接触による熱伝達が大きい場所では鋼板温度を精度よく予測できない。特許文献２に記載の方法は、鋼板温度を厳密に計算しているわけではないので、鋼板温度を精度よく予測できない。特許文献３に記載の方法は、鋼板の搬送速度及び温度や炉温の変化に伴うロール温度の変動を考慮していないために、鋼板温度を精度よく予測できない。特許文献４に記載の方法は、熱伝達係数を固定値にしており、接触時間等による熱伝達係数の変化を考慮していないために、鋼板温度を精度よく予測できない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、焼鈍炉の冷却工程における鋼板温度を精度よく予測可能な鋼板温度予測方法及び鋼板温度予測装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、鋼板温度を精度よく目標温度に制御可能な鋼板温度制御方法を提供することにある。

本発明に係る鋼板温度予測方法は、ロールによって焼鈍炉内を搬送される鋼板の温度を予測する鋼板温度予測方法であって、前記鋼板が前記ロールと接触している区間では、ロールの直前における鋼板の温度及び炉内温度を用いてロールの温度を算出し、算出されたロールの温度を用いてロールと鋼板との間の熱伝達を考慮して鋼板の温度を予測し、前記鋼板が前記ロールと接触していない区間では、鋼板と炉内雰囲気との間の熱放射を考慮して鋼板の温度を予測することにより、焼鈍炉内の任意の位置における鋼板の温度を予測するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る鋼板温度予測方法は、上記発明において、ロールと鋼板との間の熱伝達を考慮して鋼板の温度を予測する際に用いるロールと鋼板との間の熱伝達係数α_ｒは、鋼板の搬送速度をＬＳ、ロールと鋼板の接触長をＬとして以下に示す数式（１）で表され、プロセス及び鋼種に応じて数式（１）中のパラメータｈ_ｃ、ｈ_ｊの値を設定することを特徴とする。

本発明に係る鋼板温度予測装置は、ロールによって炉内を搬送される鋼板の温度を予測する鋼板温度予測装置であって、前記鋼板が前記ロールと接触している区間では、ロールの直前における鋼板の温度及び炉内温度を用いてロールの温度を算出し、算出されたロールの温度を用いてロールと鋼板との間の熱伝達を考慮して鋼板の温度を予測し、前記鋼板が前記ロールと接触していない区間では、鋼板と炉内雰囲気との間の熱放射を考慮して鋼板の温度を予測することにより、焼鈍炉内の任意の位置における鋼板の温度を予測する手段を備えることを特徴とする。

本発明に係る鋼板温度制御装置は、本発明に係る鋼板温度予測方法を用いて任意の位置における鋼板の目標温度から制御地点における鋼板の目標温度を予測し、制御地点における鋼板の温度を目標温度に制御することにより任意の位置における鋼板の温度を目標温度に制御するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る鋼板温度予測方法及び鋼板温度予測装置によれば、焼鈍炉の冷却工程における鋼板温度を精度よく予測できる。また、本発明に係る鋼板温度制御方法によれば、鋼板温度を精度よく目標温度に制御できる。

図１は、本発明の一実施形態である鋼板温度予測方法が適用される溶融亜鉛めっきラインの焼鈍炉の構成を示す模式図である。 図２は、本発明法により徐冷帯の入側における鋼板温度の実績値から徐冷帯の出側における鋼板温度を計算した結果を示す図である。 図３は、従来法により徐冷帯の入側における鋼板温度の実績値から徐冷帯の出側における鋼板温度を計算した結果を示す図である。

以下、本発明の一実施形態である鋼板温度予測方法について説明する。

〔構成〕
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態である鋼板温度予測方法が適用される溶融亜鉛めっきラインの焼鈍炉の構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である鋼板温度予測方法が適用される溶融亜鉛めっきラインの焼鈍炉の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である鋼板温度予測方法が適用される溶融亜鉛めっきラインの焼鈍炉１は、急冷帯２と、炉室３と、炉室４と、を備えている。炉室３には、急冷帯２において冷却された鋼板Ｓを搬送する５つのロール３ａ〜３ｅが配設され、炉室４には、炉室３から搬送されてきた鋼板Ｓを溶融亜鉛めっき工程等の下工程に搬送する１つのロール４ａが配設されている。

また、この焼鈍炉１には、制御系として、ロール４ａの位置における鋼板Ｓの温度を出側板温として測定する出側板温計１１、ロール３ａの位置における鋼板Ｓの温度を入側板温として測定する入側板温計１２、及び鋼板Ｓの温度を目標温度に制御する制御装置１３を備えている。本実施形態では、制御装置１３は、以下に示す出側板温予測計算処理及び入側目標板温予測計算処理を実行することにより出側板温及び入側板温の目標値（入側目標板温）を算出し、算出結果に基づいて急冷帯２を制御することにより入側板温を入側目標板温に制御する。

〔出側板温予測計算処理〕
次に、出側板温予測計算処理を実行する際の制御装置１３の動作について説明する。

出側板温予測計算処理では、まず、制御装置１３が、入側板温の実績値_ｐＴ_ｓ１［℃］、炉室３内の温度の実績値_ｐＴ_ｇ１［℃］、及び以下に示す数式（２）〜（５）を用いて、鋼板Ｓとロール３ｂとの接触に伴う鋼板Ｓとロール３ｂとの間の熱伝達による温度変化を考慮してロール３ｂの温度_ｃＴ_ｒ２及びロール３ｂの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ２を算出する。ここで、数式（２）〜（５）中、ｔは前回計算からの経過時間［ｓ］、τはロール温度時定数［ｓ］、_ｃＴ_ｒ２＿０はロール３ｂの温度の前回計算結果［℃］、βはロール温度パラメータ［−］、ＬＳはライン速度［ｍｐｍ］、Ｃ_ｐは鋼板Ｓの比熱［ｋｃａｌ／ｋｇ・℃］、ρは鋼板Ｓの密度［ｋｇ／ｍ^３］、Ｄは鋼板Ｓの板厚［ｍｍ］、α_ｒ２はロール３ｂと鋼板Ｓの熱伝達係数［ｋｃａｌ／ｈ・℃・ｍ^２］、Ｌ_ｒ２はロール３ｂと鋼板Ｓの接触長［ｍ］、ｈ_ｃは接触伝熱パラメータ［−］、ｈ_ｉは熱抵抗パラメータ［−］を示す。接触伝熱パラメータｈ_ｃ及び熱抵抗パラメータｈ_ｉの値は例えばテーブルデータを参照することによりプロセスや鋼種に応じて変更される。

次に、制御装置１３は、ロール３ｂの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ２と以下に示す数式（６）〜（９）を用いて、鋼板Ｓとロール３ｃとの接触に伴う鋼板Ｓとロール３ｃとの間の熱伝達による温度変化を考慮してロール３ｃの温度_ｃＴ_ｒ３及びロール３ｃの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ３を算出する。ここで、数式（６）中、_ｃＴ_ｒ３＿０はロール３ｃの温度の前回計算結果［℃］を示し、数式（８）中、α_ｒ３はロール３ｃと鋼板Ｓの熱伝達係数［ｋｃａｌ／ｈ・℃・ｍ^２］、Ｌ_ｒ３はロール３ｃと鋼板Ｓの接触長［ｍ］を示す。

次に、制御装置１３は、ロール３ｃの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ３、炉室４内の温度の実績値_ｐＴ_ｇ２［℃］、及び以下に示す数式（１０）〜（１４）を用いて、鋼板Ｓとロール３ｄとの接触に伴う鋼板Ｓとロール３ｄとの間の熱伝達による温度変化を考慮してロール３ｄの温度_ｃＴ_ｒ４及びロール３ｄの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ４を算出する。ここで、数式（１０）中、_ｃＴ_ｒ４＿０はロール３ｄの温度の前回計算結果［℃］を示し、数式（１３）中、α_ｒ４はロール３ｄと鋼板Ｓの熱伝達係数［ｋｃａｌ／ｈ・℃・ｍ^２］、Ｌ_ｒ４はロール３ｄと鋼板Ｓの接触長［ｍ］を示す。

次に、制御装置１３は、ロール３ｄの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ４、炉室３の出側における炉温Ｔ_ｇｒ［℃］、及び以下に示す数式（１５）〜（１８）を用いて、鋼板Ｓとロール３ｅとの接触に伴う鋼板Ｓとロール３ｅとの間の熱伝達による温度変化を考慮してロール３ｅの温度_ｃＴ_ｒ５及びロール３ｅの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ５を算出する。ここで、数式（１５）中、_ｃＴ_ｒ５＿０はロール３ｅの温度の前回計算結果［℃］を示し、数式（１７）中、α_ｒ５はロール３ｅと鋼板Ｓの熱伝達係数［ｋｃａｌ／ｈ・℃・ｍ^２］、Ｌ_ｒ５はロール３ｅと鋼板Ｓの接触長［ｍ］を示す。

そして、制御装置１３は、ロール３ｅの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ５と以下に示す数式（１９），（２０）を用いて、炉室４内の雰囲気と鋼板Ｓとの間の熱放射による温度変化を考慮して炉室３の出側における鋼板Ｓの温度を鋼板温度予測値_ｃＴ_ｓ２として算出する。これにより、出側板温予測計算処理は終了する。ここで、数式（１９），（２０）中、α_ｓはロール３ｅとロール４ａとの間における熱放射の熱伝達係数を示し、σはステファン／ボルツマン定数［ｋｃａｌ／ｈ・℃・ｍ^２］を示し、φ_ＣＧはロール３ｅとロール４ａとの間における総括熱吸収率［−］を示し、Ｌはロール３ｅとロール４ａとの間の長さ［ｍ］を示す。

〔入側目標板温予測計算処理〕
次に、入側目標板温予測計算処理を実行する際の制御装置１３の動作について説明する。

入側目標板温予測計算処理では、まず、制御装置１３が、炉室３内の温度の実績値_ｐＴ_ｇ１［℃］、炉室４内の温度の実績値_ｐＴ_ｇ２［℃］、出側板温の目標値_ｏＴ_ｓ２［℃］、及び以下に示す数式（２１）〜（２５）を用いて、炉室４内の雰囲気と鋼板Ｓとの間の熱放射による温度変化を考慮してロール３ｅの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ５及びロール３ｅの温度_ｃＴ_ｒ５の目標値を算出する。

次に、制御装置１３は、ロール３ｅの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ５及びロール３ｅの温度_ｃＴ_ｒ５の目標値と以下に示す数式（２６）〜（２９）を用いて、鋼板Ｓとロール３ｅとの接触に伴う鋼板Ｓとロール３ｅとの間の熱伝達による温度変化を考慮してロール３ｄの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ４及びロール３ｄの温度_ｃＴ_ｒ４の目標値を算出する。

次に、制御装置１３は、ロール３ｄの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ４及びロール３ｄの温度_ｃＴ_ｒ４の目標値と以下に示す数式（３０）〜（３３）を用いて、鋼板Ｓとロール３ｄとの接触に伴う鋼板Ｓとロール３ｄとの間の熱伝達による温度変化を考慮してロール３ｃの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ３及びロール３ｃの温度_ｃＴ_ｒ３の目標値を算出する。

次に、制御装置１３は、ロール３ｃの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ３及びロール３ｃの温度_ｃＴ_ｒ３の目標値と以下に示す数式（３４）〜（３７）を用いて、鋼板Ｓとロール３ｃとの接触に伴う鋼板Ｓとロール３ｃとの間の熱伝達による温度変化を考慮してロール３ｂの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ２及びロール３ｂの温度_ｃＴ_ｒ２の目標値を算出する。

そして、制御装置１３は、ロール３ｂの出側における鋼板Ｓの温度_ｃＴ_ｓｒ２及びロール３ｂの温度_ｃＴ_ｒ２の目標値と以下に示す数式（３８），（３９）を用いて、鋼板Ｓとロール３ｂとの接触に伴う鋼板Ｓとロール３ｂとの間の熱伝達による温度変化を考慮して入側板温の目標値_ｃＴ_ｓ１を算出する。これにより、入側目標板温予測計算処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である鋼板温度予測方法では、制御装置１３が、鋼板Ｓがロールと接触している区間では、ロールの直前における鋼板Ｓの温度及び炉内温度を用いてロールの温度を算出し、算出されたロールの温度を用いてロールと鋼板Ｓとの間の熱伝達を考慮して鋼板Ｓの温度を予測し、鋼板Ｓがロールと接触していない区間では、鋼板Ｓと炉内雰囲気との間の熱放射を考慮して鋼板Ｓの温度を予測することにより、焼鈍炉内の任意の位置における鋼板Ｓの温度を予測するので、焼鈍炉の冷却工程における鋼板の温度を精度よく予測できる。

図２は、本発明法により徐冷帯の入側における鋼板温度の実績値から徐冷帯の出側における鋼板温度（出側板温）を計算した結果を示す図である。図３は、従来法（回帰モデル）により徐冷帯の入側における鋼板温度の実績値から徐冷帯の出側における鋼板温度（出側板温）を計算した結果を示す図である。図２，図３において、破線Ｌ１は出側板温の実績値を示し、実線Ｌ２は出側板温の計算値を示している。図２と図３の比較から明らかなように、本発明法では、抜熱を考慮してロール温度及び熱伝達係数を算出した後に出側板温を計算しているので、出側板温の予測誤差（実績値と計算値の差）が従来法より小さくなることが確認できた。なお、本発明法において、８０００点のデータをとり、標準偏差σを計算したところ、標準偏差σは４．２となり、良好な計算結果が得られた。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、本実施形態は、溶融亜鉛めっきラインの焼鈍炉の比較的ロールが密集した炉室内における鋼板温度を予測する処理に本発明を適用したものであるが、本発明の適用範囲は本実施形態に限定されることはなく、例えば焼鈍炉の加熱帯内やロール間距離が長い設備内における鋼板温度を予測する処理にも適用できる。このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 焼鈍炉
２ 急冷帯
３，４ 炉室
３ａ〜３ｅ，４ａ ロール
１１ 出側板温計
１２ 入側板温計
１３ 制御装置
Ｓ 鋼板

Claims (4)

1. ロールによって焼鈍炉内を搬送される鋼板の温度を予測する鋼板温度予測方法であって、
   前記鋼板が前記ロールと接触している区間では、ロールの直前における鋼板の温度及び炉内温度を用いてロールの温度を算出し、算出されたロールの温度を用いてロールと鋼板との間の熱伝達を考慮して鋼板の温度を予測し、前記鋼板が前記ロールと接触していない区間では、鋼板と炉内雰囲気との間の熱放射を考慮して鋼板の温度を予測することにより、焼鈍炉内の任意の位置における鋼板の温度を予測するステップを含むことを特徴とする鋼板温度予測方法。
2. ロールと鋼板との間の熱伝達を考慮して鋼板の温度を予測する際に用いるロールと鋼板との間の熱伝達係数α_ｒは、鋼板の搬送速度をＬＳ、ロールと鋼板の接触長をＬとして以下に示す数式（１）で表され、プロセス及び鋼種に応じて数式（１）中のパラメータｈ_ｃ、ｈ_ｊの値を設定することを特徴とする請求項１に記載の鋼板温度予測方法。
   

   
3. ロールによって炉内を搬送される鋼板の温度を予測する鋼板温度予測装置であって、
   前記鋼板が前記ロールと接触している区間では、ロールの直前における鋼板の温度及び炉内温度を用いてロールの温度を算出し、算出されたロールの温度を用いてロールと鋼板との間の熱伝達を考慮して鋼板の温度を予測し、前記鋼板が前記ロールと接触していない区間では、鋼板と炉内雰囲気との間の熱放射を考慮して鋼板の温度を予測することにより、焼鈍炉内の任意の位置における鋼板の温度を予測する手段を備えることを特徴とする鋼板温度予測装置。
4. 請求項１に記載の鋼板温度予測方法を用いて任意の位置における鋼板の目標温度から制御地点における鋼板の目標温度を予測し、制御地点における鋼板の温度を目標温度に制御することにより任意の位置における鋼板の温度を目標温度に制御するステップを含むことを特徴とする鋼板温度制御方法。

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