JP2021528564A - 電磁センサーを使用する熱処理機器内の鋼帯微細構造の制御のための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

加工炉内の所望の配置で鋼帯内の相分率を測定する複数の微細構造センサーを備える鋼帯加工システムが提供される。プロセス制御システムは、微細構造センサーの出力を受信して、加工炉内の所望の配置で所望の相分率を達成するのに必要な加熱および冷却の量を決定するための複数の制御ループを備える。1つ以上のエネルギーシステムで、プロセス制御システムの出力を受信し、所望の場所の加熱または冷却を調整して、所望の相分率を達成する。

Description

優先権情報
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、2018年6月21日に出願した仮出願第62/688,081号の優先権を主張するものである。

本発明は、鋼帯加工の分野に関し、特に、電磁センサーを使用する熱処理における鋼帯微細構造に関する。

鋼などの金属の生産加工時に、金属の圧延の後に、制御された冷却が続く。生産加工において、特に冷却プロセスにおいて、金属の微細構造が発達し、その結果、加工された金属の最終的な微細構造が得られる。加工された金属の微細構造は、引張強度などの金属の特性の多くの態様に影響を及ぼす。

従来の微細構造分析技術は破壊的であり、たとえば、加工された材料のコイルの端から分析用のサンプルを取り出すことを伴う。これは長い時間を要し、費用もかかり、連続監視を許さず、加工された材料のごく一部しか評価しない。

加工材料が鋼であるときには、35の電磁技術で、鋼内の電気伝導率や透磁率の変化による強磁性相の変化を検出することによって鋼の相変態を監視できることが知られている。さらに、加工される鋼の付近にコイルが置かれている場合、電気伝導率および透磁率は鋼の微細構造の影響を受けるので、この結果、コイルに対する40のインピーダンス測定値が変化することになる。たとえば、高温で安定している鉄の相であるオーステナイトは常磁性であるのに対し、低温で安定している相であるフェライト、パーライト、ベイナイト、およびマルテンサイトは約760℃のキュリー温度以下では45強磁性である。鋼特性は、鋼の冷却速度および合金成分によって大部分制御される、これらの相の体積分率によって大きく変化する。

本発明の一態様により、鋼帯加工システムが提供される。鋼帯加工システムは、加工炉内の所望の配置で鋼帯内の相分率を測定する複数の微細構造センサーを備える。プロセス制御システムは、微細構造センサーの出力を受信して、加工炉内の所望の配置で所望の相分率を達成するのに必要な加熱および冷却の量を決定するための複数の制御ループを備える。1つ以上のエネルギーシステムで、プロセス制御システムの出力を受信し、所望の場所の加熱または冷却を調整して、所望の相分率を達成する。

本発明の一態様により、鋼帯熱処理方法が提供される。この方法は、複数の微細構造センサーを使用して、加工炉内の所望の配置の鋼帯の相分率を測定することを含む。また、この方法は、プロセス制御システムを提供することを含み、このプロセス制御システムは、微細構造センサーの出力を受信して、加工炉内の所望の配置で所望の相分率を達成するのに必要な加熱および冷却の量を決定するための複数の制御ループを備える。さらに、この方法は、プロセス制御システムの出力を受信する1つ以上のエネルギーシステムを使用して所望の相分率を達成するように所望の配置の加熱または冷却を調整することを含む。

本発明により使用されるプロセス制御システムを例示する概略図である。 本発明により使用されるプロセス制御システムの別の実施形態を例示する概略図である。

本発明は、連続亜鉛めっきラインまたは連続焼なましラインにおける高性能高強度鋼の熱処理を制御するためのシステムおよび方法を提供する。製鉄業者が所望の特性を有する鋼を生産するためには、AC1共析変態温度とAC3完全オーステナイト変態温度(full austenite transformation temperature)との間の温度への加熱および保持を含む変態域内焼なましにおけるフェライト対オーステナイトの量に関連付けられている相分率を制御することができなければならない。その後の冷却プロセスにおいて残留オーステナイト(対マルテンサイトまたは他のフェライト相)の量も制御しなければならない。鋼の熱処理時の変態の範囲を制御することは、所与の鋼組成に対して所望の最終的微細構造を達成するために必要である。

本発明は、加工炉内の適切な配置で鋼帯の相分率を直接測定するように設計されている電磁センサーを実装することと、センサーからの出力を使用して、加工炉内の所望の配置で所望の相分率を達成するように加熱および冷却の量の全部または一部を制御することとを伴う。さらに、本発明では、冷却量を制御することを目的として熱処理炉の冷却部の端部のところ、または近くで電磁センサーを追加的に利用する。各配置で、相分率を測定するセンサーからの信号は、それぞれ加熱または冷却の量を制御するために使用されるコントローラへの入力として使用される。

制御ループは、電磁センサーからの信号が加熱または冷却を直接制御するために使用される直接閉ループで使用することもできる(たとえば、加熱のためのバーナの燃焼量もしくは誘導コイル出力、または対流冷却のためのファンの速度)。代替的に、出力が金属温度設定点である閉ループコントローラへの入力として電磁センサーからの出力が使用される入れ子閉制御ループを使用することもできる。次いで、この温度設定点は、加熱または冷却の量を制御するために鋼帯温度測定センサーと連動して使用される別の温度コントローラへの入力として使用される。

図1は、本発明により使用される鋼帯加工システム2を例示する概略図である。圧延装置内で、鋼帯8が、焼なましプロセスで使用される加熱室4に送られる。焼なまされた後の鋼帯8を冷却するために冷却部6が設けられている。第1の微細構造センサー10が加熱室4の出力のところに位置決めされ、第2の微細構造センサー12が冷却部6の出力のところに位置決めされる。第1および第2の微細構造センサー10、12は、両方とも、その適切な配置における鋼帯8の相分率を測定する。第1の微細構造10さらに第2の微細構造12の測定された相分率の結果は、プロセス制御システム14に送られる。

プロセス制御システム14は、加熱室4および冷却部6の両方の温度を制御するために使用される2つの制御ループ28、30を備える。第1の制御ループ28は、第1の総和モジュール18と、指定された伝達関数を有する第1のPIDコントローラ16とを備える。第2の制御ループ30は、第2の総和モジュール22と、指定された伝達関数を有する第2のPIDコントローラ20とを備える。

第1の総和モジュール18は、入力として、第1の微細構造センサー10の出力32とターゲットの分率34とを受信する。第1の総和モジュール18の出力36は、第1のPIDコントローラ16に供給される。第1のPIDコントローラ16は、その伝達関数に従って、出力38をエネルギー源24に供給し、加熱室4の加熱温度を制御する。第2の総和モジュール22は、入力として、第2の微細構造センサー12の出力40とターゲットの分率42とを受信する。第2の総和モジュール22の出力44は、第2のPIDコントローラ20に供給される。第2のPIDコントローラ20は、その伝達関数に従って、出力46を冷却媒体26に供給し、冷却部6の冷却温度を制御する。

図2は、本発明により使用される鋼帯加工システム52の別の実施形態を例示する概略図である。圧延装置内で、鋼帯58が、焼なましプロセスで使用される加熱室54に送られる。焼なまされた後の鋼帯58を冷却するために冷却部56が設けられている。第1の微細構造センサー60が加熱室54の出力のところに位置決めされ、第2の微細構造センサー62が冷却室56の出力のところに位置決めされる。第1および第2の微細構造センサー60、62は、両方とも、その適切な配置における鋼帯の相分率を測定する。第1の微細構造60さらに第2の微細構造62の測定された相分率の結果は、プロセス制御システム64に送られる。

プロセス制御システム64は、加熱室54および冷却部56の両方の温度を制御するために使用される2つの制御ループ78、80を備える。第1の制御ループ78は、第1の総和モジュール68と、PIDコントローラ66と、第1の総和モジュール86の出力を受信する設定点トリムモジュール98とを備える。設定点トリムモジュール98は、出力100が金属温度設定点であるコントローラである。第2の総和モジュール102は、設定点トリムモジュール98の出力100と、加熱室54上に位置決めされている温度センサー106の出力104とを受信する。指定された伝達関数を有する第1のPIDコントローラ66が提供される。第2の総和モジュール102の出力106は、第1のPIDコントローラ66に供給される。第1のPIDコントローラ66は、その伝達関数に従って、出力88をエネルギー源74に供給し、加熱室54の加熱温度を制御する。

第2の制御ループ80は、第3の総和モジュール72と、指定された伝達関数を有する第2のPIDコントローラ70とを備える。第3の総和モジュール72は、入力として、第2の微細構造センサー62の出力90とターゲットの分率92とを受信する。第3の総和モジュールの出力は、第2のPIDコントローラ70に供給される。第2のPIDコントローラ70は、その伝達関数に従って、出力96を冷却媒体76に供給し、冷却部56の温度を制御する。

図1および図2に示されている第1の微細構造センサーおよび第2の微細構造センサーは、電磁センサーを含む。電磁センサーを使用する鍵の1つは、それらが直接、鋼の微細構造の相分率を測定することができることである。従来のソリューションでは、温度のみが測定され、これは鋼の所望の相分率を達成するための代替として使用される。温度測定は、典型的には、非接触放射線検出器を使用して行われる。このタイプの検出器は、正確な読み取り値を得るために知られていなければならない表面放射率が変化するので、高性能高強度鋼を測定するときに不正確になり得る。それに加えて、必要な加工温度は、典型的には、生産環境を完全に代表するものとなり得ない実験室環境で決定される。相分率を直接測定することによって、加工温度(加熱および冷却)は自動的に調整され得る。

最後に、提案された測定配置での相分率特性は、最終材料の熱処理における暫定点である。プロセスの終了時の鋼の最終的な微細構造は異なる。所望の金属特性が望むとおりに達成されない場合、以前のソリューションでどの暫定温度が変化するかを決定するのは難しい場合がある。これは、多くの場合、試行錯誤によって達成される。本発明の提案により、加工される鋼の所望の最終的微細構造および特性を達成することがかなり容易になる。

本発明は、それのいくつかの好ましい実施形態に関して図示され、説明されているけれども、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その形態および詳細に対する様々な変更、省略、および追加は、その範囲内で行われ得る。

2 鋼帯加工システム
4 加熱室
6 冷却部
8 鋼帯
10 第1の微細構造センサー
12 第2の微細構造センサー
14 プロセス制御システム
16 第1のPIDコントローラ
18 第1の総和モジュール
20 第2のPIDコントローラ
22 第2の総和モジュール
24 エネルギー源
28、30 制御ループ
32 出力
34 ターゲットの分率
36 出力
38 出力
40 出力
42 ターゲットの分率
44 出力
46 出力
52 鋼帯加工システム
54 加熱室
56 冷却室
58 鋼帯
60 第1の微細構造センサー
62 第2の微細構造センサー
64 プロセス制御システム
66 PIDコントローラ
68 第1の総和モジュール
70 第2のPIDコントローラ
72 第3の総和モジュール
74 エネルギー源
76 冷却媒体
78、80 制御ループ
80 第2の制御ループ
86 第1の総和モジュール
88 出力
90 出力
92 ターゲットの分率
96 出力
98 設定点トリムモジュール
100 出力
102 第2の総和モジュール
104 出力
106 出力
106 温度センサー

Claims (20)

1. 鋼帯加工システムであって、
   加工炉内の所望の配置における鋼帯の相分率を測定する複数の微細構造センサーと、
   前記加工炉内の前記所望の配置で所望の相分率を達成するのに必要な加熱および冷却の量を決定するべく、前記微細構造センサーの出力を受信するために複数の制御ループを備える、プロセス制御システムと、
   前記所望の相分率を達成するべく前記所望の配置での前記加熱または冷却を調整するために前記プロセス制御システムの出力を受信する1つ以上のエネルギーシステムと、
   を備える鋼帯加工システム。
2. 前記微細構造センサーは、電磁センサーを含む請求項1に記載の鋼帯加工システム。
3. 前記加工炉は、前記鋼帯を加熱または焼なましするための加熱室を備える請求項1に記載の鋼帯加工システム。
4. 前記加工炉は、前記鋼帯を冷却するための冷却部を備える請求項1に記載の鋼帯加工システム。
5. 前記制御ループのうちの1つは、前記加熱室内の前記鋼帯に使用される温度を定めるために使用されるパラメータをもたらす請求項3に記載の鋼帯加工システム。
6. 前記制御ループのうちの1つは、前記冷却部内の前記鋼帯を冷却するための温度を定めるために使用されるパラメータをもたらす請求項4に記載の鋼帯加工システム。
7. 前記電磁センサーは、前記鋼帯の相分率を直接測定する請求項2に記載の鋼帯加工システム。
8. 前記微細構造センサーのうちの1つは、前記加熱室の端部に位置決めされる請求項1に記載の鋼帯加工システム。
9. 前記微細構造センサーのうちの1つは、前記冷却部の端部に位置決めされる請求項1に記載の鋼帯加工システム。
10. 前記制御ループのうちの1つは、金属温度設定点を定める設定点トリムモジュールを含む請求項1に記載の鋼帯加工システム。
11. 鋼帯熱処理の方法であって、
    複数の微細構造センサーを使用して、加工炉内の所望の配置における鋼帯の相分率を測定するステップと、
    プロセス制御システムを提供するステップであって、前記プロセス制御システムは、
    前記加工炉内の前記所望の配置で所望の相分率を達成するのに必要な加熱および冷却の量を決定するべく前記微細構造センサーの出力を受信するために複数の制御ループを備える、ステップと、
    前記プロセス制御システムの出力を受信する1つ以上のエネルギーシステムを使用して前記所望の相分率を達成するように前記所望の配置での加熱または冷却を調整するステップと、
    を含む方法。
12. 前記微細構造センサーは、電磁センサーを含む請求項11に記載の方法。
13. 前記加工炉は、前記鋼帯を加熱または焼なましするための加熱室を備える請求項11に記載の方法。
14. 前記加工炉は、前記鋼帯を冷却するための冷却部を備える請求項11に記載の方法。
15. 前記制御ループのうちの1つは、前記加熱室内の前記鋼帯に使用される温度を定めるために使用されるパラメータをもたらす請求項13に記載の方法。
16. 前記制御ループのうちの1つは、前記冷却部内の前記鋼帯を冷却するための温度を定めるために使用されるパラメータをもたらす請求項14に記載の方法。
17. 前記電磁センサーは、前記鋼帯の相分率を直接測定する請求項12に記載の方法。
18. 前記微細構造センサーのうちの1つは、前記加熱室の端部に位置決めされる請求項11に記載の方法。
19. 前記微細構造センサーのうちの1つは、前記冷却部の端部に位置決めされる請求項11に記載の方法。
20. 前記制御ループのうちの1つは、金属温度設定点を定める設定点トリムモジュールを含む請求項11に記載の方法。

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