JP3744374B2

JP3744374B2 - 加熱炉の温度制御方法および装置

Info

Publication number: JP3744374B2
Application number: JP2001087849A
Authority: JP
Inventors: 善道日野; 峻一杉山; 紀男新井; 邦行北川
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2021-03-26
Also published as: JP2002286227A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼方式の加熱炉の温度制御方法および装置に関し、特に鉄鋼用のバッチ式あるいは連続式加熱炉の温度制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄鋼用の熱間加工用加熱炉は、製造設備能力の制約、材質的要求、経済性を高次元で満足させること、すなわち、鋼片を必要最低限の所定の温度に、なるべく均一に、なるべく短時間で加熱することが求められる。鉄鋼用の加熱炉には燃焼を利用して加熱するものが多く、炉内に直接形成される直火型の炉が広く使用されている。このとき、炉内に形成された火炎によって炉内の温度は空間的に不均一な状態にあるため、一般には炉内の代表寸法、例えば、炉幅に相当する大きさを持つ鋼片は、不均一な炉内の温度を反映して場所によって異なった温度分布の状態で加熱される。そして、この不均一な鋼片温度の最低値が必要最小限の温度に達するまで加熱は完了しない。このことは、最低温度以外の部分は余分に高温化していることにほかならず、材質の不均一や経済性などの観点から加熱炉に求められる性能に対して炉内の温度が不均一であることは燃焼方式の加熱炉の根本的な問題である。
【０００３】
従来は、特開平１１−２４８３６０号公報にみられるように、炉内の構造やバーナの配置など固定的な設備でもって炉内の温度を均一化する方法や、炉の温度をコントロールするために備えられた熱電対によって測定される温度をみて炉の温度を変更する手法がとられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の、炉内の構造やバーナなどの炉内構造物に依存する制御方法では、空間的時間的に変化する炉内の温度分布が不明のため、温度分布を状況に応じて望ましい状態に変更することが不可能である。
また、炉内の温度を測定して燃焼を制御する方法は、状況の変化に対応した柔軟な対応がとれるとはいえ、熱電対はセラミックなどの保護管で覆われているため、炉内の温度変化が数十秒から数分程度遅れて検出されるという応答性の問題や、温度変化量を正確に指示しない、つまり平均値化していまうという問題があることである。
さらに、熱電対は炉内の燃焼が最も盛んな部分の温度を直接測定しているわけではない一方で、被加熱物に熱を与えるのはその高温部であるために厳格な温度コントロールには利用できないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、炉内のガス温度に関する情報を迅速かつ詳細に得て、時間遅れのない、真値に近い状態で炉内の温度を制御することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る加熱炉の温度制御方法は、燃焼による熱を利用して被加熱物を加熱する直火型の加熱炉において、炉内部を光学手段により撮像して得られる画像データの演算処理により炉壁及び被加熱物のデータを取り除いた炉内の輻射エネルギーの分布から炉内のガス温度分布を求め、このガス温度分布または輻射エネルギー分布に基づいて炉内の温度を制御することを特徴とするものである。
【０００７】
本発明では、特定のフィルターを用いて光学手段により炉内部を撮像し、その画像データを処理することにより炉内の輻射エネルギー分布を得る。この輻射エネルギー分布から炉内のガス温度分布が計算によって求められる。したがって、このガス温度分布または輻射エネルギー分布に基づいて炉内の温度を制御することにより、応答性の良い、真値に近い状態での炉内温度の制御が可能となる。
【０００８】
また、本発明の加熱炉の温度制御方法は、バーナの位置、角度、空気噴射速度などの燃焼状態、または被加熱物の位置、もしくは冷却用媒体の噴射などの状態を変更することにより、炉内の温度分布が目標値になるように制御することを特徴とする。
【０００９】
炉内のガス温度分布または輻射エネルギー分布は空間的時間的に変化するものであるため、状況に応じた対応が必要となる。そのためには、バーナの位置、角度、空気噴射速度などの燃焼状態、または被加熱物の位置、もしくは冷却用媒体の噴射などの状態を変更する。これによって、炉内の温度分布が目標値になるように制御することができる。
【００１０】
また、本発明の加熱炉の温度制御方法は、ガス温度分布または輻射エネルギー分布から被加熱物の入熱量または被加熱物の温度変化を予測し、その予測値に基づいてバーナの位置、角度、空気噴射速度などの燃焼状態、または被加熱物の位置、もしくは冷却用媒体の噴射などの状態を変更することにより、炉内の温度分布が目標値になるように制御することを特徴とする。
【００１１】
被加熱物を所望の温度に加熱し、または加熱温度を変更する場合、上述したごとく炉内のガス温度分布または輻射エネルギー分布が正確に把握されているので、そのガス温度分布または輻射エネルギー分布から被加熱物の必要な入熱量または被加熱物の温度変化を予測することができ、その予測値に基づいて炉内の温度分布が目標値になるように制御することにより、被加熱物をどのような温度分布の状態にも加熱することが可能となる。このとき、バーナの位置、角度、空気噴射速度などの燃焼状態、または被加熱物の位置、もしくは冷却用媒体の噴射などの状態を変更する操作を行うことにより、被加熱物の温度分布状態の制御が容易となる。
【００１２】
また、本発明の加熱炉の温度制御方法は、炉内部を異なる方向から撮像し、３次元のガス温度分布を求めることを特徴とする。
【００１３】
これにより、炉内ガスの温度の空間分解能を上げることができるため、被加熱物の温度を推定する際の推定精度を上げることができる。
【００１４】
上に述べた本発明の方法を実施するために、本発明の加熱炉の温度制御装置は、燃焼による熱を利用して被加熱物を加熱する直火型の加熱炉において、炉内部を撮像する光学測定手段と、炉内の画像データから炉壁及び被加熱物のデータを取り除いて輻射エネルギーの分布を演算する手段と、輻射エネルギーの分布から炉内のガス温度分布を演算する手段と、炉内のガス温度分布または輻射エネルギー分布に基づいてバーナの燃焼を制御する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、ガス温度分布または輻射エネルギー分布から被加熱物の入熱量または被加熱物の温度変化の予測値を演算する手段を含むものであり、燃焼制御手段は、バーナの位置、角度、空気噴射速度などの燃焼状態、または冷却用媒体の噴射などの状態を変更する手段を含むものである。
【００１６】
光学測定手段には、例えば２次元のＣＣＤカメラを用い、これに特定の波長を透過させるバンドパスフィルターを付けて炉内のバーナ火炎を対象とする光の強度を測定するようにする。また、３次元のガス温度分布を得るためには、複数の光学測定手段を加熱炉に対して直交する方向などに配置し、これらを同期させて測定する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は本発明の加熱炉の温度制御装置の概要を示す図である。図１において、１は加熱炉、２はバーナ、３はバーナ２の火炎、４はカメラ、５は第１の演算装置、６は第２の演算装置、７は燃焼制御装置である。
【００１８】
図示のように、加熱炉１の内部、すなわちバーナ２の火炎３を対象に炉内部をカメラ４で撮像する。このカメラ４は炉内のガスの温度を迅速かつ詳細に得るための光学測定装置の一例を示すものであり、具体的には、図２に示すように２次元のＣＣＤカメラ４を使用している。このＣＣＤカメラ４には燃焼ガス中の化学種に応じた特定の波長を透過させるバンドパスフィルター８を設け、フィルター８を透過した光の強度を測定することにしている。前記第１の演算装置５では、ＣＣＤカメラ４からの画像データを演算処理することによって炉内の空間的時間的に変化する輻射エネルギーの分布を測定する。また、炉内のガス温度は輻射エネルギーから推定することができる。さらに、第１の演算装置５では、炉内の輻射エネルギー分布あるいはガス温度分布から被加熱物１０の温度を予測し、被加熱物１０の目標温度を実現するようにガス温度分布を演算して第２の演算装置６に入力する。第２の演算装置６では、第１の演算装置５からのガス温度分布に基づいて燃焼状態を演算し、燃焼制御装置７によりバーナ２の燃焼状態を修正する。
【００１９】
図３はカメラによる炉内の観測状況とその測定結果としてのガス温度分布の一例を示すものである。（ａ）図のように、加熱炉１の覗き穴からＣＣＤカメラ４で炉内部を観測すると、（ｂ）図のような観測データが得られる。これを第１の演算装置５で演算処理することにより（ｃ）図のような炉内ガスの温度分布を求めるものである。すなわち、炉壁の影響はバックグラウンドとして取り除き、鋼片の部分はデータをマスクするなどして除き、炉内の空間（燃焼ガス）のみをデータ処理して温度分布を求める。例えば、Ｃ₂ラジカルのスワンバンドの２つの波長でフィルターをかけてその強度比とスワンバンドの遷移確率から温度を求める。図４に一例としてＣＨ₄火炎におけるＣ₂スワンバンドのスペクトルを示す。また、強度比は下記の計算式であらわされる。そして、この空間的時間的に変化するガスの温度分布から被加熱物への入熱量を精度良く追跡することにより、被加熱物の温度分布を求める（図３（ｄ）参照）。
【００２０】
【数１】

【００２１】
この測定方法によれば、バックグラウンドの輻射よりも注目している波長の強度が十分強ければ、燃焼反応のエネルギーの結果として現れる輻射エネルギーの高低の２次元の分布を直接測定することができる。
また、１台のカメラのフィルターを交換するか、あるいは２台以上のカメラにそれぞれ異なる波長のフィルターを装着することによって得られる複数の２次元輻射エネルギー分布から、測定した各点が熱平衡にあると仮定して、事前にあるいはその都度選定したスペクトルに相当する燃焼反応のエネルギー遷移確率を量子力学的に求め、温度による各スペクトルの強度比が測定した強度比に一致するような温度を推定することで炉内ガス温度の分布を求めることができる。
【００２２】
また、火炎が特定の波長のみにピークを持たない輝炎のような連続スペクトルであるような場合でも、２波長の強度比から輻射エネルギー分布あるいはガス温度分布を求めることができる。
【００２３】
また、被加熱物の温度の推定精度を上げるためには、ガスの温度の空間分解能を上げることが考えられる。そのためには複数の位置から測定する。例えば、図５に示すように、測定方向をクロスさせることにより、ガス温度分布を３次元化するとよい。
【００２４】
このようにして得られた炉内の輻射エネルギー分布あるいはガス温度分布から、望ましい炉の温度分布状態あるいは被加熱物の温度分布状態へ炉内ガス温度分布を遷移させるために、バーナの燃焼制御を行う。
【００２５】
燃焼を制御する方法としては、本発明の性格上火炎の長さや火炎の方向などを変える方法があげられる。
図６はその一例を示すものである。バーナ２の火炎の長さは、燃料あるいは空気の供給量を調整する流量調整弁１１によって調節される。例えば、バーナ２の空気（あるいは燃料）の噴射速度を増すことにより火炎は噴射方向に伸張し、火炎によって生じる高温の燃焼ガスがバーナよりも離れた場所に届いてその場所の温度を上昇させる。反対に空気（燃料）噴射速度を減じることによって、火炎は短くなりバーナの近くの温度が上昇する。
ここにバーナは炉の壁に据え付けられるのが通常であるから、この操作によって、温度を上昇あるいは下降させるべき炉内の位置に対して、所望の温度変化が生じるように温度分布を制御することが可能となる。
また、空気（燃料）の噴射速度を増し、あるいは減ずるにあたり、供給量を増しあるいは減ずる手段のみでは炉内の平均的温度の変化をもたらすため、空気（燃料）供給口の開口面積を減増するなどの手段を用いて速度と量をコントロールすることが望ましい。
【００２６】
また、図６ではバーナ２の向きを可変にする構成となっている。この手段によって火炎の先端が下を向くように変えることができるため、被加熱物１０の中央部が高温になるように加熱炉１の温度を制御することができる。すなわち、カメラ４から得られた特定スペクトルの信号強度は演算装置１２で目標値と比較され、適切な制御信号を発し、バーナ２の向きを調節する。なお、図６では燃焼制御装置は省略されているが、燃焼制御装置の中に上に述べた演算装置５、６、１２を組み込むことができる。
【００２７】
冷却用媒体の噴射によっても炉内温度の分布を制御することが可能である。冷却用媒体には、窒素、あるいは排気され低温になった燃焼排ガス、空気もしくは水などが選定される。この場合には、炉内の複数箇所に冷却用媒体の供給口を設け、温度を下げるべき場所、あるいはその近傍へ冷却用媒体を適切な量だけ噴射することで炉内の温度分布を制御することができる。
【００２８】
また、バーナ２の位置を変更することについては、通常の方法は炉壁に複数据え付けられているバーナの燃焼を切り替える方法をとればよい。この種のバーナには蓄熱式バーナが好適なものである。もちろん通常の燃焼式のバーナでもよい。
【００２９】
被加熱物１０の位置の変更は、被加熱物の装入位置を変えたり、ウォーキングビームなどの搬送手段で被加熱物の炉内位置を変更することである。
【００３０】
以上に述べた各手段は、被加熱物を所望の温度に加熱し、または加熱温度を変更する場合に、炉内の輻射エネルギー分布または温度分布の測定結果に基づき、状況に応じてとられる。したがって、被加熱物をどのような温度分布の状態にも加熱することができる。すなわち、一様な温度分布にも、あるいは傾斜状態の温度分布にも自由に制御することが可能である。
【００３１】
【実施例】
本発明の実施例を図７に従って説明する。小型の実験用加熱炉（内容積２立方メートル）１内に、熱電対１３を埋め込んで温度分布を測定可能にした直方体の厚さ３０ｍｍ、幅５００ｍｍ、長さ１５００ｍｍの鋼片１０を入れ、炉に備えた２基のバーナ２で加熱した。この際、本発明によるカメラ４は図面に垂直な方向から、炉内にある２つの火炎が観測できるように配置し、その信号を演算装置１２で処理し、バーナ２の燃焼量配分と総量について炉内の温度が一様になるように炉内温度の制御を行った。このとき、加熱の目標温度は１２３０℃とした。
また、従来例の温度制御の方法としては、一般的なセラミック保護管で覆われた熱電対１４を用い、さらにその熱電対１４により測定された温度をＰＩＤ制御の入力としてバーナ２を制御し、炉温目標値を同じく１２３０℃とした。
【００３２】
同一の加熱時間が経過した時点における１．５ｍの長さ方向５点での測定温度の相違を表１に示す。
本実施例により、鋼片の温度が一層均一になっていることがわかる。
【００３３】
【表１】

【００３４】
また、同一の構成で、鋼片の温度を片側から反対側まで１００℃の温度差が線形に付くように炉温も１００℃の差が付くような設定として加熱した場合の結果を表２に示す。
【００３５】
【表２】

【００３６】
本発明では、燃焼状態を２つのバーナ２のそれぞれに高中低の３つの状態を準備し、それぞれの燃焼状態での炉内温度分布と被加熱物への入熱熱流側の分布を演算するとともに、その熱流側分布が線形になるように随時状態を変更した。
従来例では温度差を付けるように、バーナ２はそれぞれのバーナに近い温度計１４で得られる温度を用いて制御したが、表２にみられるように鋼片の温度は線形になっていない。
一方、本発明では、炉内の温度分布から鋼片への入熱量を演算して比較的短時間のうちに火炎長の長短を変えるように制御し、時間平均した熱流束が鋼片の長手方向に線形になるように制御した結果、温度も線形にすることができた。
【００３７】
本発明はバッチ式、連続式の加熱炉のいずれにも適用できるものである。連続式加熱炉の場合、一もしくは複数の加熱ゾーンに対して本発明を適用すればよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃焼を利用した加熱炉内の輻射エネルギー分布または温度分布を光学的に詳細かつ迅速に検知することができるので、応答性の良い、真値に近い状態での炉内温度の制御が可能であり、したがって、燃焼状態等を制御して被加熱物の温度を望むような状態に自由に制御できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加熱炉の温度制御装置の概要図である。
【図２】図１のカメラの具体的な構成例を示す図である。
【図３】カメラによる炉内観測状況および測定結果のガス温度分布の模式図である。
【図４】メタンガス火炎の場合のＣ₂スワンバンドのスペクトル図である。
【図５】３次元のガス温度分布の模式図である。
【図６】本発明の他の実施の形態を示す加熱炉の温度制御装置の概要図である。
【図７】本発明の実施例装置の概要図である。
【符号の説明】
１加熱炉
２バーナ
３火炎
４カメラ
５第１の演算装置
６第２の演算装置
７燃焼制御装置
８バンドパスフィルター
１０被加熱物
１１流量調整弁
１２演算装置

Claims

燃焼による熱を利用して被加熱物を加熱する直火型の加熱炉において、炉内部を光学手段により撮像して得られる画像データの演算処理により炉壁及び被加熱物のデータを取り除いた炉内の輻射エネルギーの分布から炉内のガス温度分布を求め、このガス温度分布または輻射エネルギー分布に基づいて炉内の温度を制御することを特徴とする加熱炉の温度制御方法。
バーナの位置、角度、空気噴射速度などの燃焼状態、または被加熱物の位置、もしくは冷却用媒体の噴射などの状態を変更することにより、炉内の温度分布が目標値になるように制御することを特徴とする請求項１記載の加熱炉の温度制御方法。
ガス温度分布または輻射エネルギー分布から被加熱物の入熱量または被加熱物の温度変化を予測し、その予測値に基づいてバーナの位置、角度、空気噴射速度などの燃焼状態、または被加熱物の位置、もしくは冷却用媒体の噴射などの状態を変更することにより、炉内の温度分布が目標値になるように制御することを特徴とする請求項２記載の加熱炉の温度制御方法。
炉内部を異なる方向から撮像し、３次元のガス温度分布を求めることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の加熱炉の温度制御方法。
燃焼による熱を利用して被加熱物を加熱する直火型の加熱炉において、炉内部を撮像する光学測定手段と、
炉内の画像データから炉壁及び被加熱物のデータを取り除いて輻射エネルギーの分布を演算する手段と、
輻射エネルギーの分布から炉内のガス温度分布を演算する手段と、
炉内のガス温度分布または輻射エネルギー分布に基づいてバーナの燃焼を制御する手段と、
を備えたことを特徴とする加熱炉の温度制御装置。
ガス温度分布または輻射エネルギー分布から被加熱物の入熱量または被加熱物の温度変化の予測値を演算する手段を含むことを特徴とする請求項５記載の加熱炉の温度制御装置。
燃焼制御手段は、バーナの位置、角度、空気噴射速度などの燃焼状態、または冷却用媒体の噴射などの状態を変更する手段を含むことを特徴とする請求項５記載の加熱炉の温度制御装置。