JP4847770B2 - ラジアントチューブ式加熱帯の板温制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板の連続焼鈍設備におけるラジアントチューブ式加熱帯の板温制御方法に関する。

鋼板の連続焼鈍設備においては、加熱帯で鋼板を常温から目標板温まで加熱し、均熱帯でその温度に所定時間保持し均熱した後、冷却帯で所定温度まで冷却する。このような連続焼鈍設備の加熱帯においては、一般的にラジアントチューブ（輻射管）を使用した加熱が行われており、ラジアントチューブに導入する燃焼ガス量を増減することにより板温の制御が行われる。

ところが、ラジアントチューブ式加熱帯は、ラジアントチューブを介して鋼板を輻射加熱する方式であるため応答性が低く、目標板温変更時に実際の板温が目標板温から外れて所定の製品品質が得られない鋼板長さが長くなり製品歩留まりが低下するという問題があった。

これに対して、従来、加熱帯の応答性を向上させるための技術として、以下の技術が開示されている。まず、特許文献１にはラジアントチューブ式加熱帯の出側に応答性の高い誘導加熱炉を設けることが開示されている。また、特許文献２にはラジアントチューブ式加熱帯の入側に応答性の高い誘導加熱炉を設けることが、特許文献３には同じくラジアントチューブ式加熱帯の入側に応答性の高い高温ガスを吹き付ける噴流予熱装置を設けることが開示されている。さらに、特許文献４には、応答性の低い炉の入側若しくは出側又はその両方に応答性の高い炉を設けることが開示されている。
特開２０００−３４５２４号公報 特開２０００−３４５２３号公報 特開２００２−２９４３４７号公報 特開２００５−２９８９４１号公報

しかし、上記各特許文献に開示されている技術は、いずれも加熱帯の応答性を向上させるために、ラジアントチューブ式加熱帯に、別途、応答性の高い加熱方式による加熱装置を付加するというものであり、このように付帯の加熱装置を設けると設備の初期コストがかさむ。したがって、ラジアントチューブ式加熱帯自体の板温制御応答性を向上させる技術が望まれる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ラジアントチューブ式加熱帯の板温制御の応答性を向上させる方法を提供することにある。

本発明は、複数のゾーンに分けて燃焼制御を行いつつ連続走行する鋼板を加熱するラジアントチューブ式の加熱帯において当該加熱帯の出側の目標板温を上昇させるにあたり、出側の目標板温を上昇させ始める前に、もとの出側板温を維持しつつ前記複数のゾーンに対する燃焼負荷配分を、加熱帯入側のゾーンが通常操業時の燃焼負荷配分よりも高負荷となるようにし、出側の目標板温を上昇させるときの燃焼負荷変化を加熱帯出側のゾーンに集中させ、出側板温が目標板温に到達したら前記複数のゾーンに対する燃焼負荷配分を通常操業時の燃焼負荷配分に戻すことを特徴とするものである。

ここで、加熱帯の板温制御の応答遅れの要因としては、ラジアントチューブバーナーの燃焼ガス量の変化時間遅れ、ラジアントチューブ自体の温度変化時間遅れ、鋼板の移送遅れがある。出側板温制御の応答性は、鋼板の各ポイントが加熱帯の各ゾーンを通過する際に、各ゾーンの燃焼ガス量の変化とラジアントチューブ温度の変化がどの程度追従しており、鋼板の各ポイントが加熱帯出側に到達するまでにどれだけの時間を要するかによるとも言える。

そこで、本発明では、出側板温制御の応答性を向上させるために、まず、出側板温を上昇させる（ヒートアップ）前に、もとの出側板温を維持しつつ各ゾーンの燃焼負荷を入側のゾーンをより高負荷に移し、入側のゾーンの燃焼負荷を高く、出側のゾーンの燃焼負荷を低くする。この状態からヒートアップに入ると、燃焼負荷変化が出側のゾーンに集中するので、鋼板の移送遅れが吸収でき、出側板温制御の応答性が向上する。鋼板が、昇温中のゾーンを通過する時間を短縮することができることになる。言い換えれば、従来のように全ゾーンで均一にヒートアップすると、入側のゾーンのラジアントチューブ温度が上昇したことの影響が出側板温に反映されるには、入側から出側まで鋼板が移送される時間待たなければならないということである。

本発明においてヒートアップ時の出側板温制御の応答性をさらに向上させるためには、加熱帯中に仕切りを設け、この仕切りよりも出側のゾーンにおいても、出側の目標板温を上昇させ始める前に、もとの出側板温を維持しつつ燃焼負荷配分を、入側のゾーンが通常操業時の燃焼負荷配分よりも高負荷となるようにする。

仕切りは、加熱帯が１つのチャンバーで構成されている場合は、そのチャンバー内に設けられる。また、大容量の加熱帯であれば加熱帯を２つのチャンバーに分割することによって仕切りが設けられる。仕切りによって物理的に区切られていないゾーンにおいては、ゾーンは異なっても雰囲気ガスの対流伝熱により隣り合うゾーンとの熱のやり取りがある。したがって、仕切りよりも出側のゾーンにおいても、ヒートアップの前に燃焼負荷をより入側のゾーンに移し、仕切りよりも出側のゾーンのうち、より入側のゾーンの温度を高くしておくことで、ヒートアップ時に変化を大きくとろうとしている出側のゾーンの温度上昇を容易にすることができる。すなわち、加熱帯の最後域ゾーンは、ヒートアップ直前においては、非常に低い燃焼負荷に抑えられているが、ヒートアップ時には隣接するゾーンの温度がすでに高いために隣接するゾーンへの放散熱がなく、板温上昇時の温度上昇速度が増し、板温上昇速度が向上する。

このように、ヒートアップに先立って、加熱帯に設けられた仕切りよりも出側のゾーンにおいても、燃焼負荷をより入側のゾーンに移すことで、仕切りよりも出側のゾーンのうちの前段部が、ヒートアップに先立って高温に維持されるので、最後域のゾーンにおける昇温が容易となり、ヒートアップ時の板温制御の応答性が向上する。

本発明においては、出側板温を下降させる（クールダウン）際にも、ヒートアップ時と同様の考え方をとる。すなわち、出側板温を下降させる際には、出側板温を下降させ始める前に、もとの出側板温を維持しつつ前記複数のゾーンに対する燃焼負荷配分を、加熱帯出側のゾーンが通常操業時の燃焼負荷配分よりも高負荷となるようにし、出側の目標板温を下降させるときの燃焼負荷変化を加熱帯出側のゾーンに集中させ、出側板温が目標板温に到達したら前記複数のゾーンに対する燃焼負荷配分を通常操業時の燃焼負荷配分に戻す。

このように、クールダウンの際にも、燃焼負荷変化を加熱帯出側のゾーンに集中させることで、鋼板の移送遅れを吸収し、出側板温制御の応答性を向上させることができる。

本発明によれば、付帯の加熱装置を付加することなく、ラジアントチューブ式加熱帯の板温制御の応答性を向上させることができる。

図１は、ラジアントチューブ式加熱帯における板温制御システムの構成を示す。

加熱帯１は複数のゾーン１ａ、１ｂ、１ｃ・・・１ｎに分かれており、加熱帯１の出側の実績板温は板温計２で測定され、計装システム３を介して、プロセスコンピュータ４に取り込まれる。そして、プロセスコンピュータ４中の板温制御モデル４ａにて、目標板温、実績板温ならびに鋼種、板厚、板幅、通板速度、溶接点位置などのコイル情報に基づいて、フィードバック制御とフィードフォワード制御を行い、加熱帯１で燃焼させる燃料ガスの設定全流量を決定する。板温制御モデル４ａは、加熱帯１の各ゾーンに対する燃焼負荷を配分する燃焼負荷配分設定器４ｂを有し、燃料ガスの設定全流量を所定の配分比で分配して、各ゾーンの設定流量として計装システム３に出力する。計装システム３はこの設定流量に基づき、各ゾーンの流量調整弁５ａ、５ｂ、５ｃ・・・５ｎに開度指令を出力する。

なお、炉温制御を介した板温制御の場合は、板温制御モデル４ａが直接燃料ガスの流量を決定するのではなく、設定炉温の操作量を決定する。燃焼負荷配分設定器４ｂで、この設定炉温の操作量を各ゾーンに配分する。これにより、設定炉温を計装システム３に出力し、計装システム３中の炉温コントローラーが各ゾーンの燃料ガスの流量を決定することにより、炉温を制御し、これにより板温を制御する。

次に、図１の板温制御システムによるヒートアップ方法を説明する。まず、従来の方法から説明する。図２に従来のヒートアップ時の燃焼負荷変化と板温変化を模式的に示す。この例では、加熱帯のゾーン数は８とし、通板する鋼板の板厚、板幅及び通板速度は一定としている。従来の方法では、各ゾーンの燃焼負荷の移行を行わないので、全ゾーン均一にヒートアップする。ここで、図２の例では、各ゾーンの燃焼負荷配分を同一としているが、設備保護や通板性確保のために、若干、ゾーン間に燃焼負荷差をつけることはある。ただし、従来の方法では上述のとおり、各ゾーンの燃焼負荷の移行を行わないので、ゾーン間に若干の燃焼負荷差があったとしても基本的には全ゾーン均一にヒートアップする。なお、ヒートアップ中の燃焼状態は、最大燃焼（最大燃焼負荷）で固定してもよいし、目標板温と実績板温の偏差などから板温制御モデルで演算される燃焼負荷としてもよいが、図２の例では簡単のため最大燃焼としている。

このように従来の方法では、全ゾーンの燃焼負荷変化によってヒートアップするため、ヒートサイクル（板温履歴）は、図２に示すように、ヒートアップ直前に対してヒートアップ完了後のそれは第１ゾーン出側から高い板温となる。したがって、鋼板が第１ゾーンから加熱帯出側に到達するまでの移送時間が応答性に関係することになる。

これに対して、本発明の方法によるヒートアップ時の燃焼負荷変化と板温変化を図３に模式的に示す。この例でも、加熱帯のゾーン数は８とし、通板する鋼板の板厚、板幅及び通板速度は一定としている。

本発明では、ヒートアップを開始する前に、ゾーンの燃焼負荷を前段部分（加熱帯入側）に移行する（通常操業時は、例えば図２のヒートアップ直前における燃焼負荷配分のように全ゾーン均一な燃焼負荷配分である。）。これにより、ヒートアップ直前においては、従来と異なり、例えば第１〜第４ゾーンが最大燃焼となり、第５〜第８ゾーンはその分燃焼負荷が下がる。したがって、ヒートアップ開始前後で第１〜第４ゾーンは燃焼負荷変化がなく、第５〜第８ゾーンの燃焼負荷変化によってヒートアップする。したがって、板温制御の応答性に関係する鋼板の移送時間は、鋼板が第５ゾーンから加熱帯出側に到達するまでの時間になり、従来に比べ移送遅れを吸収できることになり、板温制御の応答性が向上する。

最後に、ヒートアップが完了して加熱帯の出側板温が目標板温に到達したら、各ゾーンの燃焼負荷配分を通常操業時の燃焼負荷配分に戻す。これによって、一連のヒートアップ時の板温制御が完了する。

このようなヒートアップ時の板温制御は、図１に示した板温制御モデル４ａとこれに付随する燃焼負荷配分設定器４ｂによって行うことができる。その板温制御のパターン例を図４に示す。同図に示すように、鋼種変更等によるヒートアップに先立ち、燃焼負荷配分設定器４ｂにて設定される入側ゾーン高負荷係数を段階的に大きくし、もとの加熱帯出側板温を維持する制御を行いつつ各ゾーン燃焼負荷配分を入側高負荷に徐々に移行させる。その後、ヒートアップを開始するが、そのタイミングは、上述の燃焼負荷移行後に各ゾーンの温度、すなわち各ゾーンのラジアントチューブの温度が安定した後に、ヒートアップ開始タイミングが訪れるようにする。言い換えれば、燃焼負荷移行後に各ゾーンの温度が安定するのに要する時間だけ事前に上述の燃焼負荷移行を開始する。これは、ヒートアップ開始前に燃焼負荷を移行したとしても、その影響が各ゾーンの温度（ラジアントチューブの温度）に現れてからでないと、その後のヒートアップ時の燃焼負荷変化による各ゾーンの温度変化の効果が十分得られないためである。入側ゾーン高負荷係数については、例えばヒートアップ開始において、全ゾーン最大燃焼とすると、この入側ゾーン高負荷係数は、この段階において結果的にリセットされることになる。

燃焼負荷移行のタイミングは、図１に示したプロセスコンピュータ４がヒートアップと認識する鋼種変更等の条件が基点となり、その数分前あるいはコイル数本前とする。具体的な燃焼負荷移行のタイミングとしては、例えば、燃焼負荷移行前の先行材の安定燃焼負荷と加熱帯の全容量とから、移行可能燃焼負荷量が演算でき、その移行により加熱帯の温度が安定するまでの時間を推算し、その時間だけ事前に燃焼負荷移行を開始するようにする。また、簡単には、燃焼負荷移行のタイミングは固定とし、例えばヒートアップ開始のＮ分前から燃焼負荷移行を開始するようにしてもよい。

次に、クールダウンの方法について説明する。まず、従来の方法から説明する。図５に従来のクールダウン時の燃焼負荷変化と板温変化を模式的に示す。この例でも、加熱帯のゾーン数は８とし、通板する鋼板の板厚、板幅及び通板速度は一定としている。従来の方法では、ヒートアップ時と同様に各ゾーンの燃焼負荷の移行を行わないので、全ゾーン均一にクールダウンする。したがって、クールダウン時の燃焼負荷変化もヒートアップ時と同様に全ゾーン均一であり、結果として板温制御の応答性は低いものとなっていた。

これに対して、本発明の方法によるクールダウン時の燃焼負荷変化と板温変化を図６に模式的に示す。この例でも、加熱帯のゾーン数は８とし、通板する鋼板の板厚、板幅及び通板速度は一定としている。

本発明では、クールダウンを開始する前に、ゾーンの燃焼負荷を後段部分（加熱帯出側）に移行する（通常操業時は、例えば図５のクールダウン直前における燃焼負荷配分のように全ゾーン均一な燃焼負荷配分である。）。これにより、ヒートアップ直前においては、従来と異なり、例えば第１〜第４ゾーンが最小燃焼となり、第５〜第８ゾーンはその分燃焼負荷が上がる。したがって、第４ゾーン出側の板温はクールダウン前後で変わらず、応答性に関するゾーンが後段に絞られるため、鋼板の移送遅れを吸収することができ、板温制御の応答性が向上する。

最後に、クールダウンが完了して加熱帯の出側板温が目標板温に到達したら、各ゾーンの燃焼負荷配分を通常操業時の燃焼負荷配分に戻す。これによって、一連のクールダウン時の板温制御が完了する。このようなクールダウン時の板温制御も、ヒートアップ時と同様に、図１に示した板温制御モデル４ａとこれに付随する燃焼負荷配分設定器４ｂによって行うことができる。

通板する鋼板の板厚、板幅及び通板速度は、板厚１ｍｍ、板幅１２８０ｍｍ、通板速度２４０ｍ／ｍｉｎと一定にして、ラジアントチューブ式加熱炉の実機において、鋼種変更に伴い加熱帯出側の板温（目標板温）を７６０℃から７９０℃に上昇させるヒートアップ試験を行った。加熱帯は、第１〜第４ゾーンが第１のチャンバー、第５〜第８ゾーンが第２のチャンバーとなっており、これが物理的な仕切りとなっている。

ヒートアップの試験結果を表１に示す。

比較例Ａは、ヒートアップ開始前に各ゾーンの燃焼負荷の移行を行わずに、基本的に全ゾーン均一にヒートアップを行った例で、５分間で２１℃の板温上昇しか得られず、板温制御の応答性は不十分であった。

これに対して表１中の実施例Ａは本発明の例で、表１において先行材通常操業時の燃料ガス配分比とヒートアップ直前の燃料ガス配分比とを比較するとわかるように、ヒートアップ開始前に加熱帯入側の第１〜第４ゾーンの燃焼負荷配分を高くし、その分、加熱帯出側の第５〜第８ゾーンの燃焼負荷配分を低くした例である。その後、全ゾーンを最大燃焼負荷としてヒートアップを行ったところ、５分間で２６℃の板温上昇が得られ、比較例Ａに比べ良好な板温制御の応答性が得られた。

実施例Ｂも本発明の例で、ヒートアップ開始前に加熱帯入側の第１〜第４ゾーンに加え、仕切りよりも出側のゾーンにおいても、その入側の第５ゾーンの燃焼負荷配分を高くし、その分、第６〜第８ゾーンの燃焼負荷配分を低くした例である。その後、実施例Ａと同様に全ゾーンを最大燃焼負荷としてヒートアップを行ったところ、５分間で３０℃の板温上昇が得られ、さらに良好な板温制御の応答性が得られた。

通板する鋼板の板厚、板幅及び通板速度は、板厚１ｍｍ、板幅１２５０ｍｍ、通板速度２００ｍ／ｍｉｎと一定にして、ラジアントチューブ式加熱炉の実機において、鋼種変更に伴い加熱帯出側の板温（目標板温）を７９０℃から７６０℃に下降させるクールダウン試験を行った。加熱帯のゾーン構成は実施例１と同じである。

クールダウンの試験結果を表２に示す。

比較例Ｂは、クールダウン開始前に各ゾーンの燃焼負荷の移行を行わずに、基本的に全ゾーン均一にクールダウンを行った例で、５分間で１５℃の板温下降しか得られず、板温制御の応答性は不十分であった。

これに対して表２中の実施例Ｃは本発明の例で、表２において先行材通常操業時の燃料ガス配分比とヒートアップ直前の燃料ガス配分比とを比較するとわかるように、クールダウン開始前に加熱帯出側の第６〜第８ゾーンの燃焼負荷配分を高くし、その分、第１〜第５ゾーンの燃焼負荷配分を低くした例である。その後、全ゾーンを最小燃焼負荷としてクールダウンを行ったところ、５分間で２５℃の板温下降が得られ、比較例Ｂに比べ良好な板温制御の応答性が得られた。

ラジアントチューブ式加熱帯における板温制御システムの構成を示す。 従来のヒートアップ時の燃焼負荷変化と板温変化を模式的に示す。 本発明の方法によるヒートアップ時の燃焼負荷変化と板温変化を模式的に示す。 本発明の方法によるヒートアップ時の板温制御のパターン例を示す。 従来のクールダウン時の燃焼負荷変化と板温変化を模式的に示す。 本発明の方法によるクールダウン時の燃焼負荷変化と板温変化を模式的に示す。

符号の説明

１ 加熱帯
１ａ、１ｂ、１ｃ・・・１ｎ 加熱帯のゾーン
２ 板温計
３ 計装システム
４ プロセスコンピュータ
４ａ 板温制御モデル
４ｂ 燃焼負荷配分設定器
５ａ、５ｂ、５ｃ・・・５ｎ 流量調整弁

Claims (3)

1. 複数のゾーンに分けて燃焼制御を行いつつ連続走行する鋼板を加熱するラジアントチューブ式の加熱帯において当該加熱帯の出側の目標板温を上昇させるにあたり、出側の目標板温を上昇させ始める前に、もとの出側板温を維持しつつ前記複数のゾーンに対する燃焼負荷配分を、加熱帯入側のゾーンが通常操業時の燃焼負荷配分よりも高負荷となるようにし、出側の目標板温を上昇させるときの燃焼負荷変化を加熱帯出側のゾーンに集中させ、出側板温が目標板温に到達したら前記複数のゾーンに対する燃焼負荷配分を通常操業時の燃焼負荷配分に戻すことを特徴とするラジアントチューブ式加熱帯の板温制御方法。
2. 加熱帯中に仕切りを設け、この仕切りよりも出側のゾーンにおいても、出側の目標板温を上昇させ始める前に、もとの出側板温を維持しつつ燃焼負荷配分を、入側のゾーンが通常操業時の燃焼負荷配分よりも高負荷となるようにする請求項１に記載のラジアントチューブ式加熱帯の板温制御方法。
3. 複数のゾーンに分けて燃焼制御を行いつつ連続走行する鋼板を加熱するラジアントチューブ式の加熱帯において当該加熱帯の出側の目標板温を下降させるにあたり、出側板温を下降させ始める前に、もとの出側板温を維持しつつ前記複数のゾーンに対する燃焼負荷配分を、加熱帯出側のゾーンが通常操業時の燃焼負荷配分よりも高負荷となるようにし、出側の目標板温を下降させるときの燃焼負荷変化を加熱帯出側のゾーンに集中させ、出側板温が目標板温に到達したら前記複数のゾーンに対する燃焼負荷配分を通常操業時の燃焼負荷配分に戻すことを特徴とするラジアントチューブ式加熱帯の板温制御方法。

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