JP5316765B2 - 熱処理炉の雰囲気制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、バッチ式の熱処理炉において、鋼材の熱処理時に炉内の雰囲気を制御する方法に関する。

従来、バッチ式の熱処理炉において、鋼材の熱処理時における炉内の雰囲気ガスの組成は、浸炭等の熱処理内容に応じてカーボンポテンシャルの指標値ＰＦで管理するのが一般的である。この指標値ＰＦは下記の式（１）に示すように、炉内雰囲気ガス中のＣＯ_２濃度（％）とＣＯ濃度（％）の二乗との比で定まる値である。
ＰＦ＝(ＣＯ)^２／ＣＯ_２ ……（１）

そして熱処理炉の操業時には、炉内の雰囲気ガス中のＣＯ_２濃度とＣＯ濃度の検出値に基づいて算出したＰＦ値の測定値を、熱処理内容に応じて予め定めたＰＦ値の基準値に合致させるように、炉内へ送入する吸熱形変成ガスやＮ_２ガスなどのカーボンポテンシャル調整用ガスの供給量を調節する。ところが上式から明らかなように炉内のＣＯ_２濃度が減少すると、指標値ＰＦの測定値が大幅に増加して制御過敏となり、ＰＦ制御にハンチング現象を生じるという問題点がある。そこでこれを解決するものとして、ＣＯ_２濃度の低下時に、その低下するＣＯ_２濃度に対応させて低下させた制御ゲインを用いてガス供給量の調節をおこなうことにより、ＰＦ値のハンチングを防止する方法が、特許文献１に記載されている。
特公平７−５９５８号公報

しかし上記特許文献１に記載の制御方法によっても、炉内のＣＯ_２濃度が僅少値（たとえば０．２％）に減少した場合は、ＰＦ値の測定値の大幅な変動は十分回避することができず、この結果生じるハンチングに加えて、ＣＯ_２濃度検出器（ＣＯ_２分析計）の検出精度にも限界があることからＰＦ値の演算精度も不正確となり、所望の熱処理状態の鋼材が得られないという問題点を有するものであった。

この発明は上記の点にかんがみてなされたもので、炉内雰囲気ガスのカーボンポテンシャルの指標値を、ＣＯ_２濃度に起因するハンチングを生ずることなく精度よく基準値に維持することができる熱処理炉の雰囲気制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためにこの発明の熱処理炉の雰囲気制御方法は、熱処理炉内のカーボンポテンシャルの指標値を、炉内に供給する吸熱形変成ガスと窒素ガスのうちの少なくとも吸熱形変成ガス量を調節することにより基準値に制御する熱処理炉の雰囲気制御方法において、炉内のＣＯ_２濃度が所定の設定値以下に低下したときに炉内へ空気を送入し、前記設定値とＣＯ_２濃度の検出値の偏差に応じたフィードバック制御出力に、前記吸熱形変成ガスとＮ_２ガスの炉内への送入量に応じたフィードフォワード制御出力を加えた総制御出力に基づいて、前記空気の送入量を調節することによりＣＯ_２濃度を前記設定値を目標値として制御し、その後ＣＯ_２濃度が前記設定値より所定値以上大となったとき前記空気の送入を停止することにより、ＣＯ_２濃度を前記設定値以上に維持することを特徴とする。

このように構成することにより、先ず炉内のＣＯ_２濃度が所定の設定値以下に低下したときに炉内へ送入される空気中の酸素により、炉内のＣＯガスを酸化させてＣＯ_２ガスを生成させ、ＣＯ_２濃度の設定値以下への低下を阻止できる。そしてＣＯ_２濃度のフィードバック制御に加えて、吸熱形変成ガスとＮ_２ガスの炉内への送入量に応じたフィードフォワード制御により空気の送入量を調節することにより、ＣＯ_２濃度は精度よく設定値に維持され、これに加えてＣＯ_２濃度の設定値をＣＯ_２濃度検出器の検出精度に応じた範囲で選定することができるので、ＰＦ値の演算精度も正確となり、カーボンポテンシャルの指標値をハンチングを生じることなく精度よく基準値に維持することができるのである。またＣＯ_２濃度が設定値より所定値以上大となったときは、炉内への空気の送入を停止することにより、過剰な空気の送入による吸熱形変成ガスやＮ_２ガスなどの不要な送入量制御を回避することができるのである。

以上説明したようにこの発明によれば、炉内雰囲気ガスのカーボンポテンシャルの指標値を、ＣＯ_２濃度に起因するハンチングを生ずることなく精度よく基準値に維持することができ、所望の熱処理状態の鋼材を得ることができる。

以下図１および図２に示す一例により、この発明の実施の形態を説明する。図１において１はバッチ式の熱処理炉で、周知の炉内加熱手段をそなえ鋼材からなる被処理物Ｗを、所定の炉内雰囲気ガス中で熱処理するものであり、その炉体に接続されたガス送入管２には、吸熱形変成ガス供給管３，Ｎ_２ガス供給管４，５、および空気供給管６が接続され、上記炉体に接続されたガス送出管７には排気ダンパ８が接続されている。

Ｎ_２ガス供給管５は炉内パージや炉圧保持のために一定量Ｑ_０のＮ_２ガスを、開閉弁１０を経て炉内へ供給するものである。これに対して吸熱形変成ガス供給管３には流量調節弁１１が、Ｎ_２ガス供給管４には流量調節弁１２が、それぞれ設けてある。

炉内雰囲気制御時には、ＣＯ分析計１３により測定した炉内のＣＯ濃度（％）とＣＯ_２分析計１４により測定した炉内のＣＯ_２濃度（％）の各測定信号を受けて、炉内ＰＦ演算・指示調節計１５は前記式（１）に示すカーボンポテンシャルの指標値（ＰＦ）を算出し、熱処理炉１内の炉内温度や被処理物Ｗの熱処理内容・工程に応じて予め選定してあるカーボンポテンシャルの指標値の基準値（図２に示すＰＦ設定パターン）に、上記算出した実測ＰＦ値を追従させるように、各流量調節弁開度制御用の制御出力ＭＶ_０を発し、この制御出力は調節弁出力換算器１６，１７によりそれぞれ吸熱形変成ガス調節弁開度制御出力ＭＶ_１およびＮ_２ガス調節弁開度制御出力ＭＶ_２として、流量調節弁１１，１２にそれぞれ入力され、これら両流量調節弁を介して熱処理炉１内に供給される吸熱形変成ガスおよびＮ_２ガスの流量を制御することにより、炉内雰囲気のＰＦ制御がおこなわれる。

一方、図示しない送風機等の空気供給源に接続された空気供給管６の途中には、空気流量調節弁２１を設けてあり、この空気流量調節弁２１の開度を、ＣＯ_２制御期間決定要素２２と、フィードバック制御用のＣＯ_２指示調節計２３と、フィードフォワード量演算器２４とからなるＣＯ_２制御手段２０によって調節することにより、炉内のＣＯ_２濃度を設定値ＳＶ（たとえば０．５％）以上に維持する。

以下その制御動作を、図１および図２により説明すると、熱処理炉１における被処理物Ｗの熱処理時に、前記の炉内ＰＦ演算・指示調節計１５による流量調節弁１１，１２の開度制御により炉内のＰＦ値を図２に示すＰＦ設定パターン（基準値）に制御するＰＦ制御期間内において、炉内のＣＯ_２濃度が図２における「ＣＯ_２の挙動」曲線に従って変動する場合、ＣＯ_２分析計１４による炉内のＣＯ_２濃度の検出値が、所定の設定値ＳＶ（たとえば０．５％）以下に低下したとき、この設定値ＳＶを比較値として内蔵するＣＯ_２制御期間決定要素２２は、ＣＯ_２制御開始指令を、ＣＯ_２指示調節計２３およびフィードフォワード量演算器２４の出力部に接続した開閉器２５に、それぞれ出力する。

ＣＯ_２指示調節計２３は、上記設定値ＳＶと、ＣＯ_２分析計１４によるＣＯ_２濃度の検出値の偏差に応じたフィードバック制御出力Ｓb を出力する。一方、フィードフォワード量演算器２４においては、前記流量調節弁１１に入力される吸熱形変成ガス調節弁開度制御出力ＭＶ_１を受けて流量換算要素２６により吸熱形変成ガス流量値Ｑ_１（工業単位）に換算し、同じく流量調節弁１２に入力されるＮ_２ガス調節弁開度制御出力ＭＶ_２を受けて流量換算要素２７によりＮ_２ガス流量値Ｑ_２に換算し、これら両流量値と定流量Ｎ_２ガス供給用のＮ_２ガス供給管５のＮ_２ガス定流量値Ｑ_０を加算して得られる総送気ガス量Ｑt の変化量ΔＱ、およびシミュレーション等により予め選定したＦＦゲインＫf に基づいて、ＦＦ出力換算およびゲイン要素２８により、所定の頻度（たとえば１秒毎）で下記の式（２）によりフィードフォワード制御出力Ｓf_ｎ を算出・出力し、これを上記フィードバック制御出力Ｓb に加算して得られる総制御出力Ｓにより、空気流量調節弁２１の開度調節がおこなわれる。
Ｓf_ｎ＝Ｋf ×ΔＱ／（Ｑ_Ｒ＋Ｑ_Ｎ＋Ｑ_０）＋Ｓf_ｎ−１
＝Ｋf ×（Ｑt_ｎ−Ｑt_ｎ−１）／（Ｑ_Ｒ＋Ｑ_Ｎ＋Ｑ_０）＋Ｓf_ｎ−１ ……（２）
但し
Ｓf_ｎ＝今回のＦＦ制御出力量 Ｓf_ｎ−１＝前回のＦＦ制御出力量
Ｑt_ｎ＝今回の総送気ガス量 Ｑt_ｎ−１＝前回の総送気ガス量
Ｑ_Ｒ＝流量調節弁１１の開度最大時（ＭＶ_１＝１００％時）の吸熱形変成ガス流量
Ｑ_Ｎ＝流量調節弁１２の開度最大時（ＭＶ_２＝１００％時）のＮ_２ガス流量

上記の空気供給管６による熱処理炉１内への空気の送入により，炉内のＣＯガスが酸化されてＣＯ_２ガスが生成され、ＣＯ_２濃度の設定値ＳＶ以下への低下が阻止される。そしてＣＯ_２制御手段２０によるフィードバック制御と、空気の送入量との相関関係が強い吸熱形変成ガスとＮ_２ガスの炉内への送入量に応じたフィードフォワード制御によって、空気の送入量を調節することにより、炉内のＣＯ_２濃度は図２に示すように精度よくＳＶ値に維持され、ＣＯ_２濃度が僅少値となってＰＦ値が大幅に変動するのが回避され、さらに設定値ＳＶをＣＯ_２分析計１４の検出精度上の許容範囲内で選定することにより、ＰＦ値の演算精度も正確となる。これによって、ＣＯ_２濃度に起因するハンチングを生じることなく、炉内のＰＦ値を精度よく基準値に維持することができ、所望の熱処理状態の被処理物Ｗを得ることができるのである。

その後、ＣＯ_２分析計１４により検出されるＣＯ_２濃度がＳＶ値より上昇して、図２に示すように設定値ＳＶより所定値α（たとえば０．２％）以上大となったときは、ＣＯ_２制御手段２０によるＣＯ_２濃度制御を終了して空気供給管６による炉内への空気の送入を停止する。これによって過剰な空気の送入による吸熱形変成ガスやＮ_２ガスなどの不要な送入量制御が回避される。

この発明は上記の例に限定されるものではなく、たとえば上記のＣＯ_２制御期間内に、炉内雰囲気のＰＦ制御が終了する場合は、その終了時点でＣＯ_２制御も終了して空気の送入を停止するものとする。また上記の例は、ＰＦ制御時に吸熱形変成ガスとＮ_２ガスの両方のガスの流量制御をおこなうものであるが、Ｎ_２ガスは定流量送入として吸熱形変成ガスの流量のみを制御することによりＰＦ制御をおこなう熱処理炉の雰囲気制御方法にも、この発明は適用できるものである。

この発明の実施の形態の一例を示す熱処理炉の制御系統図である。 図１の熱処理炉による熱処理過程における時間の経過と炉内のＣＯ_２濃度およびカーボンポテンシャルの指標値ＰＦとの関係を示す線図である。

符号の説明

１…熱処理炉、３…吸熱形変成ガス供給管、４…Ｎ_２ガス供給管、５…Ｎ_２ガス供給管、６…空気供給管、１１…流量調節弁、１２…流量調節弁、１３…ＣＯ分析計、１４…ＣＯ_２分析計、１５…炉内ＰＦ演算・指示調節計、２０…ＣＯ_２制御手段、２１…空気流量調節弁、２２…ＣＯ_２制御期間決定要素、２３…ＣＯ_２指示調節計、２４…フィードフォワード量演算器、Ｗ…被処理物。

Claims (1)

1. 熱処理炉内のカーボンポテンシャルの指標値を、炉内に供給する吸熱形変成ガスと窒素ガスのうちの少なくとも吸熱形変成ガス量を調節することにより基準値に制御する熱処理炉の雰囲気制御方法において、
   炉内のＣＯ_２濃度が所定の設定値以下に低下したときに炉内へ空気を送入し、
   前記設定値とＣＯ_２濃度の検出値の偏差に応じたフィードバック制御出力に、前記吸熱形変成ガスとＮ_２ガスの炉内への送入量に応じたフィードフォワード制御出力を加えた総制御出力に基づいて、前記空気の送入量を調節することによりＣＯ_２濃度を前記設定値を目標値として制御し、
   その後ＣＯ_２濃度が前記設定値より所定値以上大となったとき前記空気の送入を停止することにより、ＣＯ_２濃度を前記設定値以上に維持することを特徴とする熱処理炉の雰囲気制御方法。

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