JP4258165B2 - 鋼材の加熱方法及びそのプログラム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導加熱装置を用いて温度分布をもつ鋼材を搬送しつつ均一に加熱する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数の誘導加熱装置を用いて、鋼材を搬送しながら加熱する場合の制御方法に関しては、例えば特開平１１−２９７４６０において、消費電力が最も少なくなるような各誘導加熱装置の電力分配を与える制御方法が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、誘導加熱装置を設置したライン上に鋼材を搬送しながら加熱する場合、鋼材の先端部と後端部では最初の誘導加熱装置によって誘導加熱されるまでの待ち時間が異なる。この結果、大気への熱放散によって鋼材の先端部と後端部では温度差が生じる。従って、先端部を加熱するために必要な電力と同じ電力を誘導加熱装置に設定して鋼材全体を加熱すると、鋼材は均一に加熱されず先端部と後端部で最終的な加熱温度に差が生じることになる。
【０００４】
このため、鋼材の進行方向に分割された各部分の温度を測定し、その温度値を用いて誘導加熱装置の最適な加熱電力をその都度繰り返して解析手法により計算することが考えられる。しかし、この方式では計算量が非常に多く、電力の計算を実行する制御装置に過大な負荷をかけることとなるため、現実的な構成ではない。
【０００５】
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであって、誘導加熱装置の設定電力の計算を行う制御装置に過大な負担をかけることなく、温度分布の存在する鋼材の温度を均一に加熱することができる鋼材の熱処理方法およびそのプログラムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解消するための本発明は、初段の誘導加熱装置の入側に設けられた温度検出器で検出された鋼材の先頭部分の温度と後端部分の温度と鋼材の搬送速度とから鋼材の先頭部分と後端部分についてそれぞれの誘導加熱装置毎の加熱目標温度を算出する目標温度算出ステップと、鋼材の先頭部分と後端部分においては、加熱目標温度に基づいてそれぞれの誘導加熱装置に供給する電力を算出し鋼材の先頭部分と後端部分の移動に合わせてそれぞれの誘導加熱装置に電力を制御して供給する電力供給ステップと、鋼材の先頭部分と後端部分に挟まれた中間部分においては、鋼材の先頭部分の実測温度と後端部分の実測温度と当該中間部分の実測温度とに基づいて鋼材の先頭部分と後端部分の誘導加熱装置毎の加熱目標温度を補正して中間部分の誘導加熱装置毎の加熱目標温度を算出する中間部分目標温度算出ステップと、中間部分の誘導加熱装置毎の加熱目標温度に基づいてそれぞれの誘導加熱装置に供給する中間電力を算出し鋼材の中間部分の移動に合わせてそれぞれの誘導加熱装置に中間電力を制御して供給する中間電力制御ステップとを備え、中間部分目標温度算出ステップは、ラインに設置された複数の誘導加熱装置のうち、先頭からｊ番目の誘導加熱装置の鋼材の先頭部分についての加熱目標温度Ｔｒ（ｊ）、ラインに設置された複数の誘導加熱装置のうち、先頭からｊ番目の誘導加熱装置の鋼材の後端部分についての加熱目標温度Ｔｒ’（ｊ）、鋼材の先頭からｉ番目の中間部分についての係数α（ｊ）を用いて、下記式から中間部分の加熱目標温度Ｔｉ（ｊ）を算出する鋼材の加熱方法である。
Ｔｉ（ｊ）＝（１−α（ｉ））Ｔｒ（ｊ）＋α（ｉ）Ｔｒ’（ｊ）
ここで、係数α（ｉ）は、鋼材先頭からｉ番目の温度実績Ｔ０（ｉ）、鋼材先頭温度Ｔ０（１）、鋼材後端温度Ｔ０（Ｎ）、鋼材分割数Ｎを用いて下記式から算出される。
α（ｉ）＝（Ｔ０（１）−Ｔ０（ｉ））／（Ｔ０（１）−Ｔ０（Ｎ））
【０００９】
また本発明は、コンピュータに、初段の誘導加熱装置の入側に設けられた温度検出器で検出された鋼材の先頭部分の温度と後端部分の温度と鋼材の搬送速度とから、鋼材の先頭部分と後端部分についてそれぞれの誘導加熱装置毎の加熱目標温度を算出する目標温度算出手順、鋼材の先頭部分と後端部分においては、加熱目標温度に基づいてそれぞれの誘導加熱装置に供給する電力を算出し鋼材の先頭部分と後端部分の移動に合わせてそれぞれの誘導加熱装置に電力を制御して供給する電力供給手順、鋼材の先頭部分と後端部分に挟まれた中間部分においては、鋼材の先頭部分の実測温度と、後端部分の実測温度と、当該中間部分の実測温度とに基づいて鋼材の先頭部分と後端部分の誘導加熱装置毎の加熱目標温度を補正して中間部分の誘導加熱装置毎の加熱目標温度を算出する中間部分目標温度算出手順、中間部分の誘導加熱装置毎の加熱目標温度に基づいてそれぞれの誘導加熱装置に供給する中間電力を算出し中間部分の移動に合わせてそれぞれの誘導加熱装置に中間電力を制御して供給する中間電力制御手順、を実行させ、中間部分目標温度算出手順は、ラインに設置された複数の誘導加熱装置のうち、先頭からｊ番目の誘導加熱装置の鋼材の先頭部分についての加熱目標温度Ｔｒ（ｊ）、ラインに設置された複数の誘導加熱装置のうち、先頭からｊ番目の誘導加熱装置の鋼材の後端部分についての加熱目標温度Ｔｒ’（ｊ）、鋼材の先頭からｉ番目の中間部分についての係数α（ｊ）を用いて、下記式から中間部分の加熱目標温度Ｔｉ（ｊ）を算出するプログラムである。
Ｔｉ（ｊ）＝（１−α（ｉ））Ｔｒ（ｊ）＋α（ｉ）Ｔｒ’（ｊ）
ここで、係数α（ｉ）は、鋼材先頭からｉ番目の温度実績Ｔ０（ｉ）、鋼材先頭温度Ｔ０（１）、鋼材後端温度Ｔ０（Ｎ）、鋼材分割数Ｎを用いて下記式から算出される。
α（ｉ）＝（Ｔ０（１）−Ｔ０（ｉ））／（Ｔ０（１）−Ｔ０（Ｎ））
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示す側面図である。
ライン上には誘導加熱装置１が複数台設置されており、被加熱材である鋼材２は図中左から右の方向に搬送されながら、それぞれの誘導加熱装置１によって加熱される。
【００１４】
初段の誘導加熱装置１の入側には温度検出器３が備えられ、加熱前の鋼材２の温度を検出する。検出された温度は制御装置４に入力され、制御装置４は鋼材２の温度から、それぞれの誘導加熱装置１に供給するべき電力量を計算し、電力供給装置５に対してその電力量を設定値として出力する。そして、電力供給装置５は誘導加熱装置１の電力を制御装置４からの設定値になるよう制御する。
【００１５】
尚、制御装置４には搬送ローラ７から搬送パルスが入力され、制御装置４はこのパルス信号に基づいて、鋼材２の搬送速度、搬送量を計算する。また、最終段の誘導加熱装置１の出側には温度検出器８が備えられ、加熱処理された鋼材２の温度を監視できるようになっている。
【００１６】
次に、本構成の誘導加熱装置１を用いて鋼材２の温度を制御する方法について説明する。
【００１７】
本実施の形態では、鋼材２の移動方向の温度を精度良く制御するため、鋼材２を仮想的に複数の部分（以下、「仮想部分」という）に分割して温度を管理する。図１で鋼材２に記された点線が仮想部分の境界を示している。この仮想部分に記載された番号ｉ−１、ｉ、ｉ＋１は、鋼材２の先頭からの順番を表したものである。
【００１８】
図２は、鋼材２の温度を制御する概略の手順を示すフロー図である。
【００１９】
誘導加熱装置１を用いて鋼材２を加熱する場合、それぞれの誘導加熱装置１での加熱目標温度は、最終目標温度、消費電力、鋼材２の熱処理上受ける温度制約条件などの要因により決定されるものである。通常これらの条件は加熱処理のための基準として、鋼材２毎に予め上位コンピュータ等から指示され、制御装置４に入力されている。
【００２０】
そこで、制御装置４はこれから加熱しようとする鋼材２について最終目標温度を取り出す（Ｓ１）。
【００２１】
そして、制御装置４は鋼材２が誘導加熱装置１によって加熱される前に、鋼材２の先頭部分と後端部分を含む仮想部分の温度を読み込む。即ち、鋼材２が搬送され、その各仮想部分が所定の位置を通過したときに、図示しない通過検出器が「材有り」を検出して制御装置４に信号を出力する。制御装置４はこのそれぞれのタイミングで鋼材２の各仮想部分の温度と鋼材２の搬送速度を読み込む（Ｓ２）。
【００２２】
そして、制御装置４は伝熱計算等の手法によって、鋼材２の先頭部分と後端部分について最終目標温度を得るための、それぞれの誘導加熱装置１の目標温度である加熱目標温度を算出する（Ｓ３）。ここで、先頭部分について、ラインに設置される複数の誘導加熱装置１のうち先頭からｊ番目の誘導加熱装置１の加熱目標温度をＴｒ（ｊ）とする。また、後端部分について、ラインに設置される複数の誘導加熱装置１のうち先頭からｊ番目の誘導加熱装置１の加熱目標温度をＴｒ’（ｊ）とする。
【００２３】
尚、各誘導加熱装置１の加熱目標温度は、各誘導加熱装置１の加熱電力が能力の範囲内で、各誘導加熱装置１の消費電力の和が最小になり、加熱途中の温度が与えられた制約条件（例えば加熱上限温度等）を超えない範囲に納まるように決定される。
【００２４】
次に、先頭部分と後端部分について加熱目標温度Ｔｒ（ｊ）、Ｔｒ’（ｊ）を得るための電力量をそれぞれの誘導加熱装置１毎に算出する（Ｓ４）。ここで、加熱後の鋼材２の温度が加熱目標温度Ｔｒ（ｊ）となるようなｊ番目の誘導加熱装置１の設定電力をＰ（ｊ）とする。また、加熱後の鋼材２の温度が加熱目標温度Ｔｒ’（ｊ）となるようなｊ番目の誘導加熱装置１の設定電力をＰ’（ｊ）とする。また鋼材２の搬送速度をｖとする。
【００２５】
続いて、鋼材２の先頭部分の移動に同期して、算出した設定電力Ｐ（ｊ）を電力供給装置５に出力する（Ｓ５）。電力供給装置５は、この設定電力電力Ｐ（ｊ）に基づいて誘導加熱装置１を制御する。
【００２６】
ところで、鋼材２の先頭部分から後端部分の間では、加熱されるまでの待ち時間の差によってたとえば図３に示すような温度分布が存在する。そこで、予め読み込んだ鋼材２のｉ番目の仮想部分の実測温度を取り出し（Ｓ６）、その温度に基づいて、鋼材２のｉ番目の仮想部分の温度を制御する。
【００２７】
ここで、もし制御装置４が、最終目標温度を得るためのそれぞれの誘導加熱装置１の加熱目標温度を、鋼材２の全ての仮想部分について、伝熱計算等の手法によって算出するとすれば、計算量が非常に多くなり計算を実行する制御装置に過大な負荷をかけることとなる。
【００２８】
そこで、制御装置４は予め求めた加熱目標温度Ｔｒ（ｊ）とＴｒ’（ｊ）を用いて、鋼材２の先頭からｉ番目の仮想部分の新たな加熱目標温度を算出する（Ｓ７）。ここで、鋼材２の先頭からｉ番目の仮想部分について、ラインに設置される複数の誘導加熱装置１のうち先頭からｊ番目の誘導加熱装置１の加熱目標温度をＴｉ（ｊ）とする。
【００２９】
さらに、鋼材先頭からｉ番目の温度実績をＴ０（ｉ）とすると、鋼材先頭温度はＴ０（１）、鋼材後端温度はＴ０（Ｎ）で表され、これを用いてＴ０（ｉ）は以下の式（１）で与えられる。尚、Ｎは鋼材２の分割数である。
【００３０】
Ｔ０（ｉ）＝（１−α（ｉ））Ｔ０（１）＋α（ｉ）Ｔ０（Ｎ） （１）
この式からαを求めると式（２）となる。
【００３１】
α（ｉ）＝（Ｔ０（１）−Ｔ０（ｉ））／（Ｔ０（１）−Ｔ０（Ｎ）） （２）
このα（ｉ）は、Ｔ０（ｉ）がＴ０（１）とＴ０（Ｎ）の内分または外分する場合の比率を表す値となる。
【００３２】
そこで、各誘導加熱装置１での加熱目標温度を求める場合において、先端部と後端部での加熱目標温度をこのα（ｉ）により内分または外分する。そうすると、鋼材２のｉ番目の仮想部分のｊ番目の誘導加熱装置での加熱目標温度Ｔｉ（ｊ）は式（３）で表される。
【００３３】
Ｔｉ（ｊ）＝（１−α（ｉ））Ｔｒ（ｊ）＋α（ｉ）Ｔｒ’（ｊ） （３）
図４は、先端部と後端部の加熱目標温度と、中間部の加熱目標温度を示す模式図である。
【００３４】
このようにして、先頭部分の加熱目標温度Ｔｒ（ｊ）と後端部分の加熱目標温度Ｔｒ’（ｊ）を用いて、鋼材２の先頭からｉ番目の仮想部分の新たな加熱目標温度Ｔｉ（ｊ）を算出することで、非常に負荷のかかる伝熱計算を省略することができ容易に制御装置４を構成し実現することができる。
【００３５】
制御装置４は、このようにして新しい加熱目標温度を算出した後、それぞれの誘導加熱装置１に加算すべき電力量ΔＰ（ｉ，１）を式（４）を用いて求める（Ｓ８）。
【００３６】
ΔＰ（ｉ，ｊ）＝（Ｔｒ（ｊ）−Ｔｉ（ｊ））×ｍ×Ｃｐ／Δｔ （４）
ただし、
ｍ：加熱対象部分の鋼材の質量
Ｃｐ：比熱
Δｔ：加熱対象部分がそれぞれの誘導加熱装置を通過する時間
この場合、鋼材２の先端からｉ番目の部分のｊ台目の誘導加熱装置１に供給すべき電力Ｐｉ（ｊ）は、式（５）で表される。
【００３７】
Ｐｉ（ｊ）＝Ｐ（ｊ）＋ΔＰ（ｉ，ｊ） （５）
また、電力Ｐｉ（ｊ）は、式（５）によらず式（６）によって求めても良い。
【００３８】
Ｐｉ（ｊ）＝（１−α（ｉ））Ｐ（ｊ）＋α（ｉ）Ｐ’（ｊ） （６）
ここで、Ｐ（ｊ）は先頭部分について、ラインに設置される複数の誘導加熱装置１のうち先頭からｊ番目の誘導加熱装置１の電力設定値であり、Ｐ’（ｊ）は、後端部分について、ラインに設置される複数の誘導加熱装置１のうち先頭からｊ番目の誘導加熱装置１の電力設定値である。
【００３９】
図５は、以上のようにして求めた先頭、後端部分の電力設定値と中間部分の電力設定値を表した模式図である。
【００４０】
そして、鋼材２の先端からｉ番目の仮想部分の移動に同期して、算出した設定電力を電力供給装置５に出力する（Ｓ９）。以上の処理を鋼材２の各部分について後端部分が全ての誘導加熱装置１を通過するまで繰り返す（Ｓ１０）。
【００４１】
この際、後端部については、ステップＳ４で求めた設定電力Ｐ’（ｊ）をステップＳ５と同様の手順で電力供給装置５に出力することで誘導加熱装置１の制御を行う。
【００４２】
尚、本実施の形態では、制御装置４から電力量を電力供給装置５に出力しているが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、制御装置４から目標温度を電力供給装置５に出力し、電力供給装置５で電力量を算出して誘導加熱装置１に供給するように構成しても良い。
【００４３】
また、本発明では温度が徐々に低下しているような温度分布を示す鋼材２の温度を均一にする実施例について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく温度が徐々に上昇している場合にも適用することができ、さらに温度が極値を持つような分布をしている場合にも適用することができることは上述の手順に従えば当然に把握できることである。
【００４４】
尚、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明を抽出することができる。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成を発明として抽出することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、誘導加熱装置の設定電力値の計算を行う制御装置に過大な負担をかけることなく、温度分布の存在する鋼材の温度を均一に加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示す側面図。
【図２】鋼材の温度を制御する概略の手順を示すフロー図。
【図３】鋼材の温度分布を示す図。
【図４】先端部と後端部の加熱目標温度と、中間部の加熱目標温度を示す模式図。
【図５】先頭、後端部分の電力設定値と中間部分の電力設定値を表した模式図。
【符号の説明】
１…誘導加熱装置
２…鋼材
３…温度検出器
４…制御装置
５…電力供給装置
７…搬送ローラ

Claims (2)

1. 誘導加熱装置を複数台配設したライン上を通過させることにより鋼材を目標温度に加熱する鋼材の加熱方法において、
   初段の誘導加熱装置の入側に設けられた温度検出器で検出された前記鋼材の先頭部分の温度と後端部分の温度と前記鋼材の搬送速度とから、前記鋼材の先頭部分と後端部分についてそれぞれの誘導加熱装置毎の加熱目標温度を算出する目標温度算出ステップと、
   前記鋼材の先頭部分と後端部分においては、前記加熱目標温度に基づいてそれぞれの誘導加熱装置に供給する電力を算出し、前記鋼材の先頭部分と後端部分の移動に合わせてそれぞれの誘導加熱装置に前記電力を制御して供給する電力供給ステップと、
   前記鋼材の先頭部分と後端部分に挟まれた中間部分においては、前記鋼材の先頭部分の実測温度と、後端部分の実測温度と、当該中間部分の実測温度とに基づいて、前記鋼材の先頭部分と後端部分の誘導加熱装置毎の加熱目標温度を補正して前記中間部分の誘導加熱装置毎の加熱目標温度を算出する中間部分目標温度算出ステップと、
   前記中間部分の誘導加熱装置毎の加熱目標温度に基づいてそれぞれの誘導加熱装置に供給する中間電力を算出し、前記鋼材の中間部分の移動に合わせてそれぞれの誘導加熱装置に前記中間電力を制御して供給する中間電力制御ステップと
   を備え、
   前記中間部分目標温度算出ステップは、
   ラインに設置された複数の誘導加熱装置のうち、先頭からｊ番目の誘導加熱装置の鋼材の先頭部分についての加熱目標温度Ｔｒ（ｊ）、ラインに設置された複数の誘導加熱装置のうち、先頭からｊ番目の誘導加熱装置の鋼材の後端部分についての加熱目標温度Ｔｒ’（ｊ）、鋼材の先頭からｉ番目の中間部分についての係数α（ｊ）を用いて、
   下記式から前記中間部分の加熱目標温度Ｔｉ（ｊ）を算出することを特徴とする鋼材の加熱方法。
   Ｔｉ（ｊ）＝（１−α（ｉ））Ｔｒ（ｊ）＋α（ｉ）Ｔｒ’（ｊ）
   ここで、係数α（ｉ）は、鋼材先頭からｉ番目の温度実績Ｔ０（ｉ）、鋼材先頭温度Ｔ０（１）、鋼材後端温度Ｔ０（Ｎ）、鋼材分割数Ｎを用いて下記式から算出される。
   α（ｉ）＝（Ｔ０（１）−Ｔ０（ｉ））／（Ｔ０（１）−Ｔ０（Ｎ））
2. 誘導加熱装置を複数台配設したライン上を通過させることにより鋼材を目標温度に加熱する鋼材の加熱制御プログラムにおいて、
   コンピュータに、
   初段の誘導加熱装置の入側に設けられた温度検出器で検出された前記鋼材の先頭部分の温度と後端部分の温度と前記鋼材の搬送速度とから、前記鋼材の先頭部分と後端部分についてそれぞれの誘導加熱装置毎の加熱目標温度を算出する目標温度算出手順、
   前記鋼材の先頭部分と後端部分においては、前記加熱目標温度に基づいてそれぞれの誘導加熱装置に供給する電力を算出し、前記鋼材の先頭部分と後端部分の移動に合わせてそれぞれの誘導加熱装置に前記電力を制御して供給する電力供給手順、
   前記鋼材の先頭部分と後端部分に挟まれた中間部分においては、前記鋼材の先頭部分の実測温度と、後端部分の実測温度と、当該中間部分の実測温度とに基づいて、前記鋼材の先頭部分と後端部分の誘導加熱装置毎の加熱目標温度を補正して前記中間部分の誘導加熱装置毎の加熱目標温度を算出する中間部分目標温度算出手順、
   前記中間部分の誘導加熱装置毎の加熱目標温度に基づいてそれぞれの誘導加熱装置に供給する中間電力を算出し、前記中間部分の移動に合わせてそれぞれの誘導加熱装置に前記中間電力を制御して供給する中間電力制御手順、
   を実行させ、
   前記中間部分目標温度算出手順は、
   ラインに設置された複数の誘導加熱装置のうち、先頭からｊ番目の誘導加熱装置の鋼材の先頭部分についての加熱目標温度Ｔｒ（ｊ）、ラインに設置された複数の誘導加熱装置のうち、先頭からｊ番目の誘導加熱装置の鋼材の後端部分についての加熱目標温度Ｔｒ’（ｊ）、鋼材の先頭からｉ番目の中間部分についての係数α（ｊ）を用いて、
   下記式から前記中間部分の加熱目標温度Ｔｉ（ｊ）を算出することを特徴とするプログラム。
   Ｔｉ（ｊ）＝（１−α（ｉ））Ｔｒ（ｊ）＋α（ｉ）Ｔｒ’（ｊ）
   ここで、係数α（ｉ）は、鋼材先頭からｉ番目の温度実績Ｔ０（ｉ）、鋼材先頭温度Ｔ０（１）、鋼材後端温度Ｔ０（Ｎ）、鋼材分割数Ｎを用いて下記式から算出される。
   α（ｉ）＝（Ｔ０（１）−Ｔ０（ｉ））／（Ｔ０（１）−Ｔ０（Ｎ））

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