JP3614295B2

JP3614295B2 - 搬送中の導電材の誘導加熱温度制御方法

Info

Publication number: JP3614295B2
Application number: JP11135598A
Authority: JP
Inventors: 浩水野; 慶次飯島; 直彦井出; 聖中野; 雅明山本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1998-04-08
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2018-04-08
Also published as: JPH11297460A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は搬送中の導電材の温度を誘導加熱装置により所定温度に加熱する温度制御方法に関するもので、例えば、熱間圧延設備における搬送ラインを移動する粗バーの温度を、目標となる温度設定値に加熱する誘導加熱装置の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、熱間圧延設備における熱延鋼帯の製造においては、通常スラブを加熱炉で所定温度に加熱し、加熱されたスラブを粗圧延して粗バーとし、この後仕上圧延設備により仕上げ圧延することにより熱延鋼帯が製造される。このとき、スラブ用の加熱炉ではスラブはスキッドレール、あるいはウオーキングビームで支えられる。スキッドレール、あるいはウオーキングビームはその内部が水冷されているのでこれらに接していた部分は温度が低くなり、スラブの長手方向にスキッドマークと呼ばれる低温部が所定のピッチで分布する。このスキッドマークのあるスラブをそのまま圧延するとスキッドマークの部分において圧延後の寸法、材質に圧延ムラが生じ、品質が低下するという問題がある。
【０００３】
この問題を解決するために、粗バーの搬送ライン中でスラブのスキッドマーク部に当たる部分を選択的に加熱する方法が各種開示されている。たとえば、特開平５−５７３１９号公報には、粗バーの搬送路に、スキッドマークの幅より狭い間隔でロール電極を配置し、スキッドマーク部がロール電極間にさしかかったときロール電極間に通電して、抵抗加熱によりスキッドマーク部を加熱する方法が開示されている。
【０００４】
また、特開平７−３０７１９４号公報には、粗バーの搬送路に、誘導加熱コイルを複数有する誘導加熱装置を配置し、その入側でスラブの温度を検出してトラッキングし、スキッドマーク部が真下に来た誘導加熱コイルに通電することにより、スキッドマーク部を選択的に加熱する方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−５７３１９号公報に記載されるような、ロールに通電する方式においては、通電されるロールの摩耗が激しく、耐久性の面で実用上問題がある。一方、特開平７−３０７１９４号公報に記載されるような誘導加熱方式は、検出温度の値により各誘導加熱コイルの電源回路の遮断、接続を行う方式のため、各誘導加熱コイル間の負荷の分担を自由に設定できないという問題点がある。
【０００６】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、スキッドマークなどの温度ムラを含む粗バーを、複数の誘導加熱コイルにより所定温度上昇させて粗バー長手方向の温度変動を除去し、品質を向上させる際に、各誘導加熱コイルの負荷分担を定めることにより、最適な加熱を実現する制御方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、導電材の搬送ラインに沿って設置された複数の誘導加熱コイルを有する誘導加熱装置の手前で搬送中の導電材の温度を検出し、前記誘導加熱装置により、搬送中の導電材を所定温度に上昇させる温度制御方法において、各誘導加熱コイル出側での目標温度ｙを、以下の（１）式で与えられる関数により定めると共に、パラメータＴｓの値を調整することにより、各誘導加熱コイルの負荷分担を定めることを特徴とする搬送中の導電材の誘導加熱温度制御方法（請求項１）である。ただし、ｘは、加熱装置前に定めた起点からの距離、Ｌは、加熱装置前に定めた起点から最終番目の誘導加熱コイル出口までの距離、Ｔ up は、加熱装置前に定めた起点での温度を基準として、最終番目の誘導加熱コイル出口において、上昇させたい昇温量（温度）、Ｔ s は、昇温曲線の形状を定めるパラメータ（≠０）である。
ｙ＝Ｔ up （ exp （ｘ / Ｔ s ）−１） / （ exp （Ｌ / Ｔ s ）−１） … (1)
【０００８】
本手段においては、各誘導加熱コイル出側での導電材の目標温度の設定を、前記（１）式で与えると共に、パラメータＴ s を調整することにより、各誘導加熱コイルの負荷分担を定めているので、粗バーを複数台の誘導加熱コイルにより加熱する過程を詳細に定めることができ、無駄な加熱を防ぐとともに、各誘導加熱コイルの負荷バランスの制御が可能となる。
【０００９】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、各誘導加熱コイルにおける昇温量の設定が、全体の消費エネルギーが最小となるように決定されることを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１０】
この手段によれば、加熱に要するエネルギー消費を最小にすることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態の例を、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明を適用する設備構成の１例を示す図であり、６台の誘導加熱コイルを用いる粗バーの加熱プロセスの概要を示す。図１において、１は粗バー、２は粗バーの搬送ロール、３は粗バーの速度検出器、４は粗バーの温度検出器、５は温度制御装置、Ｃ１〜Ｃ６は誘導加熱コイル、Ｐ１〜Ｐ６は誘導加熱コイルの電力制御装置を示す。
【００１２】
搬送ロール２上の粗バー１は、誘導加熱装置の各コイルＣ１〜Ｃ６の内部を通過し加熱されて移動していく。この搬送速度は搬送ロール２に取り付けられた速度検出器３により検出される。また、誘導加熱装置に入る粗バーの温度は温度検出器４により検出される。
【００１３】
本実施の形態においては、これらの設備により、温度検出器４で検出された粗バーの各部位の温度を、誘導加熱装置の出側、すなわち誘導加熱コイルＣ６の出口において目標の温度と一致させるための各誘導加熱装置の負荷分担を決定する。
【００１４】
まず、各加熱コイルの出側において実現すべき粗バーの温度ｙを、位置又は時間の関数として与える。関数の形は様々考えられるが、例えば以下のように与える。
【００１５】
ｙ＝Ｔｕｐ（ｅｘｐ（ｘ／Ｔ_ｓ）−１）／（ｅｘｐ（Ｌ／Ｔ_ｓ）−１） …（１）
ここに、
ｘ：加熱装置前に定めた起点からの距離
Ｌ：加熱装置前に定めた起点から６番目の誘導加熱コイル出口までの距離
Ｔｕｐ：加熱装置前に定めた起点での温度を基準として、６番目の誘導加熱コイル出口において、上昇させたい昇温量（温度）
Ｔ_ｓ：昇温曲線の形状を定めるパラメータ（≠０）
【００１６】
前述したように、誘導加熱装置の入側で温度検出器４により粗バー１の各部分の温度を測定しておき、各部分の温度が、それぞれの誘導加熱コイルＣ１〜Ｃ６の出側で（１）式で示される温度となるように各誘導加熱装置の電力設定を行うようにする。加熱部位は離散的に配置された誘導加熱コイルＣ１〜Ｃ６を通過するため、昇温過程すべてを（１）式とするのではなく各誘導加熱コイルＣ１〜Ｃ６出口における温度を（１）式で与えられる同一場所での温度と一致させるものである。すなわち、各誘導加熱コイルが設置されている位置でのｘを算出し、これを（１）式に代入して求まるｙを、その誘導加熱コイル出側での目標温度とする。
【００１７】
このように加熱過程を関数で定めるときのメリットは、（１）式中のＴ_ｓをパラメータとして昇温曲線をさまざまに変更することが可能となるため、各誘導加熱コイルの負荷配分をＴ_ｓの変更で決定できることにある。
【００１８】
例えば、（１）式において、Ｌ＝５．４ｍの設備設定に対して、平均温度９９８℃、幅１６００ｍｍ、厚み３０ｍｍの粗バーを１ｍ／ｓｅｃの速度で移動させ、Ｔｕｐ＝４０度とする加熱を考える。ここで、Ｔ_ｓ＝５と定めた場合の昇温曲線を図２（横軸は基準点からの距離、縦軸は粗バーの温度）に、そのときの各誘導加熱コイルの加熱入力分布（Ｎｏ．は加熱装置の番号、縦軸は各加熱装置の消費電力）を図３に示す。
【００１９】
またＴ_ｓ＝−５と定めた場合の昇温曲線を図４に、各誘導加熱コイルの加熱入力分布を図５に示す（縦軸、横軸はそれぞれ図２、図３と同じ）。このとき図２〜図５を比較すると明らかなように、Ｔ_ｓの値を変更し、昇温曲線を変更することで各装置の負荷分配が変更されることがわかる。
【００２０】
ここで、決定された昇温曲線から各装置の入熱量は、例えば以下のようにすれば決定できる。まず温度検出器４での表面温度からＣ１入り側までの温度を粗バーの搬送速度から求められる通過時間を用いて伝熱方程式を解くことにより推定する。この時、Ｃ１出側での温度目標値は式（１）から決定されるので、粗バーの比熱などから必要な熱量が決定できる。さらに、Ｃ１で与える熱量が決定するとＣ２入り側までの粗バー温度推定が可能となり、Ｃ２出側の温度目標値から必要な熱量を決定できることになり、以下同様にＣ６までの入力を決定することができる。これを温度制御装置５において行う。
【００２１】
以上により、設備制約などで装置加熱容量に制限がある場合などで負荷分配を変更したい場合や、材料特性などで粗バー内部での熱拡散時間を調整したい場合などには（１）式におけるＴ_ｓを調整することで望ましい負荷分担を決定できる。また、関数の形状を（１）式から変更することで、より細かな負荷分配も可能となる。
【００２２】
以上の実施の形態においては、各誘導加熱コイルにおける昇温量の設定を粗バーの移動距離に応じて与えたが、粗バーが所定位置を通過してからの経過時間に応じて与えることも可能である。すなわち、（１）式におけるｘを予め定められた粗バーの移動速度パターンから時刻ｔ’の関数として記述し、（１）式に代入すればよい。
【００２３】
本発明における第２の実施の形態においては、各誘導加熱コイルにおける消費エネルギーの和が最小となるように、この昇温曲線を決定している。
【００２４】
以下、（１）式で昇温曲線を与える場合について、その例を示す。まずＴ_ｓと各装置の消費エネルギーの関係について述べる。厚さｈの粗バーの温度変化は、厚み方向の分布を考慮した場合以下の式で記述される。
【００２５】
【数１】

ここに、
ｘ：粗バーの厚み方向位置
θ：ｘの位置における粗バーの絶対温度
ｔ：時間
Ｃ_ｐ：粗バーの比熱
ρ：粗バーの密度
λ：粗バーの熱伝導率
Ｓ（ｘ）：加熱装置により入力される熱量
である。
【００２６】
また、境界条件として以下が与えられる。
【００２７】
【数２】

【数３】

ここに、
σ：ステファンボルツマン定数
ε：放射率
ｈ_ａ：粗バーと周辺空気との間の熱伝達係数
Ｔ_ａｉｒ：周辺空気温度
θ_ｘ＝０：ｘ＝０の位置における粗バーの絶対温度
θ_ｘ＝ｈ：ｘ＝ｈの位置における粗バーの絶対温度
である。
【００２８】
このとき、ある時間を経て入力Ｓ（ｘ）により粗バーを加熱する際に粗バーから失われる熱量は（３）、（４）式を経過時間で積分した値となると考えられる。これは、粗バー周辺温度と粗バーの表面温度の差の積分であることから、粗バーの表面温度が初期の段階から急激に上昇するよりも後半に温度を上昇させた方が、同じ温度に到達する際に失われる熱量、すなわち温度差の積分が少なくなることを意味する。
【００２９】
従って、例えば式（１）で昇温過程を与えた場合においては、図２に示すＴ_ｓ＝５の場合の方が図４に示すＴ_ｓ＝−５の場合に比べ、同じ温度に昇温するにも消費エネルギーが少なくなることになる。実際、各装置に投入された電力の合計は、図２の場合が１６，５０３ＫＷに対して、図３の場合は１７，０２１ＫＷと少なくなっている。
【００３０】
以上のことから、（１）式でＴ_ｓの値を変更することにより消費エネルギーも調整できることがわかる。一般に、ここではＴ_ｓ＞０の場合の方が、Ｔ_ｓ＜０の場合に比して消費エネルギーが少ない。
【００３１】
ところで、消費エネルギーのみを考えれば、Ｔ_ｓ＞０の適切な値を選択すればよいことになるが、Ｔ_ｓの値で昇温後の温度低下傾向が変化する。６台の加熱装置を用いて、Ｔ_ｓ＝２とした昇温パターンで加熱したときの鋼材の平均温度の時間的変化を図６（横軸は加熱装置前の基準点を通過した時点からの経過時間、縦軸は粗バー温度）に、そのときの各加熱装置の負荷配分を図７（Ｎｏ．は加熱装置の番号、縦軸は各加熱装置の消費電力）に示す。また、図８に、Ｔｓ＝１００としたときの鋼材の平均温度の時間的変化を、図９に、そのときの各加熱装置の負荷配分を示す。
【００３２】
これらより、昇温直後の時刻ｔ＝１０ｓｅｃにおける平均温度にほとんど差が無いにもかかわらず、時刻ｔ＝２０ｓｅｃにおける平均温度は、Ｔ_ｓ＝１００とした方が高いことが分かる。一方、６台の加熱装置全体の消費エネルギーについては、Ｔ_ｓ＝２の場合、１６８２８ｋｗであるが、Ｔｓ＝１００の場合１７５２４ｋｗである。このことから、加熱装置から鋼材が出てから所定時間経過した時点での温度の高さと電力消費量はトレードオフの関係にあることが分かる。よって、他の条件を勘案して、どの程度のＴ_ｓとするかを決定して使用する。
【００３３】
そこで本実施の形態においては、以下のように最適化問題を設定して、例えば（１）式のＴ_ｓを決定することで、十分な加熱が可能でしかも消費エネルギーが最小となる昇温曲線を与える。
【００３４】
すなわち、ｕ_ｉを各誘導加熱コイルの消費電力とし、評価関数として
【００３５】
【数４】

を最小とするようなＴ_ｓを決定する。ここではｎ＝６であり、制約条件として、
ｕ_ｍｉｎ≦ｕ_ｉ≦ｕ_ｍａｘ
θ’（ｔ_ｓ）≧Ｔ_ｄｓ
がある。
【００３６】
ここで、ｕ_ｍｉｎ、ｕ_ｍａｘはそれぞれ設備条件から決定される制約であり、θ’は厚み方向に関する粗バーの平均温度、ｔ_ｓは最後の誘導加熱コイル通過後の所定時間で、例えば厚み方向の温度分布が定常状態となるまでの時間などを選べばよい。またＴ_ｄｓは誘導加熱装置を使用しない場合の時刻ｔ_ｓにおける平均温度に所定量を加えた温度とする。
【００３７】
上記最適化問題は、通常知られる非線形最適化問題として解くことが可能である。以上説明したように、第２の実施の形態においては、各誘導加熱コイルの昇温量が、消費エネルギーを最小とするように決定できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明においては、各誘導加熱コイル出側での導電材の目標温度の設定を、前記（１）式で与えると共に、パラメータＴ s を調整することにより、各誘導加熱コイルの負荷分担を定めているので、設備制約などで装置加熱容量に制限がある場合などで負荷分配を変更したい場合や、材料特性などで粗バー内部での熱拡散時間を調整したい場合など、状況に応じて最適な各誘導加熱装置の負荷分担を決定でき、装置運用の自由度を高めることができる。
【００３９】
また、請求項２にかかる発明においては、各誘導加熱コイルにおける昇温量の設定が、全体の消費エネルギーが最小となるように決定されるので、省エネルギーを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する設備構成の一例を示す図である。
【図２】本発明による方法で決定された鋼材の昇温過程を示す関数の１例を示す図である。
【図３】図２で示された昇温過程を実現するための各誘導加熱装置の設定電力を示す図である。
【図４】本発明による方法で決定された鋼材の昇温過程を示す関数の他の例を示す図である。
【図５】図４で示された昇温過程を実現するための各誘導加熱装置の設定電力を示す図である。
【図６】Ｔ_ｓ＝２とした昇温パターンで加熱したときの鋼材の平均温度の時間的変化を示す図である。
【図７】Ｔ_ｓ＝２とした昇温パターンで加熱したときの各加熱装置の負荷配分を示す図である。
【図８】Ｔｓ＝１００とした昇温パターンで加熱したときの鋼材の平均温度の時間的変化を示す図である。
【図９】Ｔｓ＝１００とした昇温パターンで加熱したときの各加熱装置の負荷配分を示す図である。
【符号の説明】
１：粗バー
２：搬送ロール
３：速度検出器
４：温度検出器
５：温度制御装置
Ｃ１〜Ｃ６：誘導加熱コイル
Ｐ１〜Ｐ６：電力制御装置

Claims

導電材の搬送ラインに沿って設置された複数の誘導加熱コイルを有する誘導加熱装置の手前で搬送中の導電材の温度を検出し、前記誘導加熱装置により、搬送中の導電材を所定温度に上昇させる温度制御方法において、各誘導加熱コイル出側での目標温度ｙを、以下の（１）式で与えられる関数により定めると共に、パラメータＴｓの値を調整することにより、各誘導加熱コイルの負荷分担を定めることを特徴とする搬送中の導電材の誘導加熱温度制御方法。ただし、ｘは、加熱装置前に定めた起点からの距離、Ｌは、加熱装置前に定めた起点から最終番目の誘導加熱コイル出口までの距離、Ｔ up は、加熱装置前に定めた起点での温度を基準として、最終番目の誘導加熱コイル出口において、上昇させたい昇温量（温度）、Ｔ s は、昇温曲線の形状を定めるパラメータ（≠０）である。
ｙ＝Ｔ up （ exp （ｘ / Ｔ s ）−１） / （ exp （Ｌ / Ｔ s ）−１） … (1)
各誘導加熱コイルにおける昇温量の設定が、誘導加熱装置全体の消費エネルギーが最小となるように決定されることを特徴とする請求項１に記載の搬送中の導電材の誘導加熱温度制御方法。