JP5749416B2

JP5749416B2 - 鋼材の熱処理装置及び鋼材の製造方法

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Publication number: JP5749416B2
Application number: JP2004379515A
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Inventors: 飯島　慶次; 慶次飯島; 水野　浩; 浩水野
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Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2015-07-15
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Description

本発明は、誘導加熱装置を用いて鋼材を熱処理する技術に関する。

鉄鋼プロセスにおいては、製品となる鋼材の硬度、靭性等の性質を向上させ、より強く粘り強い鋼材を製造するため、焼き入れ、焼き戻し、焼きなまし等さまざまな熱処理が行われている。これらの熱処理は一般的に加熱過程と冷却過程に分けられる。このうち加熱過程では鋼材の成分に応じた変態点温度が基準となる。例えば、焼入れの場合は変態点よりも高温に加熱し、焼き戻しおよび焼きなましでは変態点に達しないように加熱を行わねばならない。

よって、熱処理の目的に応じて精度良く加熱することが必要である。また、同一部材内での品質のばらつきを抑えるためには、鋼材表面や内部の温度分布を所定の範囲内に抑える必要がある。この熱処理方法を均一加熱という。

また、一般に製造されている焼入れ、焼き戻しの熱処理を施された鋼材は、主に表面から冷却を受けるため、表面の硬度が内部に比べて高くなりがちである。このような板厚方向の硬度分布を持った鋼材は、腐食環境に弱く、海洋や、石油、天然ガスのパイプライン等に使用されると応力腐食割れを起こしやすいことがわかっている。

そこで、表層部を高温で加熱することにより軟化させ、表層部と内部の硬度差を少なくする処理が行われることもある。この熱処理方法を表層加熱という。

従来、これらの加熱条件を実現する加熱方法として、誘導加熱装置を用い、鋼材を誘導加熱炉内で昇温させる加熱段階と、加熱段階よりも周波数を高くし、かつ投入電力を下げて加熱する均熱段階との間に、加熱段階での誘導加熱と同一の周波数で、かつ加熱段階よりも投入電力を下げて誘導加熱する準加熱段階を設ける誘導加熱方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−１７００２１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、加熱時間が数十分を要するため効率的ではない。また、鋼材の加熱途中において誘導加熱装置の周波数を変更するものであるため、周波数を切り替える機構を装備する必要がある。従って装置が高価になり、さらに装置の構造が複雑になる。また、鋼材を加熱するための投入電力計算において、精度良い温度制御を実現する上で必要な要素である鋼材内部における誘導電流分布が考慮されていない。

そのため、誘導加熱装置を用いた圧延ライン上での熱処理のアイデアは従来から存在していたが、実用化には至らなかった。この理由には、誘導加熱能力の不足などのハード面の問題以外にも、熱処理方法を具体的にどのように問題を解けばよいのかという問題解決手法等のソフト面での問題もあった。熱処理を行うためには、長手方向・厚み方向の温度分布を所定の範囲内に加熱することが必要となる。このためには、誘導加熱時の鋼材の内部温度を精度よく推定する必要があり、この温度推定モデルを用いて加熱のための電力を求める計算する必要がある。さらには、加熱前の温度により加熱時の電力も異なるため、これらの処理をオンラインで行う必要がある。しかしながら、これらの問題に対して明確な解答を与えるような、電力の計算方法や搬送速度の決め方について検討した文献はほとんどなかった。

さらに、本発明のように誘導加熱装置を通過させて加熱する熱処理では、加熱後の幅方向の温度分布が不均一となる場合もあるため、幅方向での温度分布を考慮に入れた温度制御が必要となる。特に幅端部が温度条件から外れると、温度が外れた部分が切断され歩留まりが悪化する場合もある。

本発明は係る事情に鑑みてなされたものであって、鋼材の表面温度、内部温度が所定の制約条件を満たす加熱を行い、鋼材が目的の性質をもつような熱処理を行うことができる鋼材の熱処理装置及び鋼材の製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］鋼材を加熱する１台または複数台の誘導加熱装置と、前記誘導加熱装置に供給する電力を演算する演算装置を有する鋼材の熱処理装置であって、
前記演算装置は、鋼材断面では、鋼材表面からの距離が同じ位置では、同じ電流が流れ、発熱量も同じであるとして、鋼材断面各位置の発熱量の比を定めて、供給される電力から鋼材の断面内の温度分布を推定することにより、
前記誘導加熱装置によって加熱中の鋼材の温度について、
鋼材表面を除く厚み方向所定位置の幅方向温度分布における最大値が鋼材の内部温度について均一加熱条件として定めた所定の目標温度の上限値以下で、
鋼材表面を除く厚み方向所定位置の幅方向温度分布における最小値が鋼材の内部温度について均一加熱条件として定めた所定の目標温度の下限値以上となり、かつ、
鋼材表面における幅方向温度分布の最大値が鋼材の表面温度について均一加熱条件として定めた所定の目標温度の上限値以下
に加熱するための電力を前記演算装置にて演算することを特徴とする鋼材の熱処理装置。

［２］鋼材を加熱する１台または複数台の誘導加熱装置と、前記誘導加熱装置に供給する電力を演算する演算装置を有する鋼材の熱処理装置であって、
前記演算装置は、鋼材断面では、鋼材表面からの距離が同じ位置では、同じ電流が流れ、発熱量も同じであるとして、鋼材断面各位置の発熱量の比を定めて、供給される電力から鋼材の断面内の温度分布を推定することにより、
前記誘導加熱装置によって加熱中の鋼材の温度について、
鋼材表面を除く厚み方向所定位置の幅方向温度分布における最大値が鋼材の内部温度について均一加熱条件として定めた所定の目標温度の上限値以下で、
鋼材表面を除く厚み方向所定位置の幅方向温度分布における最小値が鋼材の内部温度について均一加熱条件として定めた所定の目標温度の下限値以上となり、かつ、
鋼材表面における幅方向温度分布の最大値が鋼材の表面温度について均一加熱条件として定めた所定の目標温度の上限値以下で、
鋼材表面における幅方向温度分布の最小値が鋼材の表面温度について均一加熱条件として定めた所定の目標温度の下限値以上
に加熱するための電力を前記演算装置にて演算することを特徴とする鋼材の熱処理装置。

［３］鋼材を加熱する１台または複数台の誘導加熱装置と、前記誘導加熱装置に供給する電力を演算する演算装置を有する鋼材の熱処理装置であって、
前記演算装置は、鋼材断面では、鋼材表面からの距離が同じ位置では、同じ電流が流れ、発熱量も同じであるとして、鋼材断面各位置の発熱量の比を定めて、供給される電力から鋼材の断面内の温度分布を推定することにより、
前記誘導加熱装置によって加熱中の鋼材の温度について、
鋼材表面における幅方向温度分布の最小値が鋼材の表面温度について表層加熱条件として定めた所定の目標温度の下限値以上で、
鋼材表面における幅方向温度分布の最大値が鋼材の表面温度について表層加熱条件として定めた所定の目標温度の上限値以下となり、かつ、
鋼材表面を除く厚み方向所定位置の幅方向温度分布における最大値が鋼材の内部温度について表層加熱条件として定めた所定の目標温度の上限値以下
に加熱するための電力を前記演算装置にて演算することを特徴とする鋼材の熱処理装置。

［４］鋼材を加熱する１台または複数台の誘導加熱装置と、前記誘導加熱装置に供給する電力を演算する演算装置を有する鋼材の熱処理装置であって、
前記演算装置は、鋼材断面では、鋼材表面からの距離が同じ位置では、同じ電流が流れ、発熱量も同じであるとして、鋼材断面各位置の発熱量の比を定めて、供給される電力から鋼材の断面内の温度分布を推定することにより、
前記誘導加熱装置によって加熱中の鋼材の温度について、
鋼材表面における幅方向温度分布の最小値が鋼材の表面温度について表層加熱条件として定めた所定の目標温度の下限値以上となり、かつ、
鋼材表面を除く厚み方向所定位置の幅方向温度分布における最大値が鋼材の内部温度について表層加熱条件として定めた所定の目標温度の上限値以下
に加熱するための電力を前記演算装置にて演算することを特徴とする鋼材の熱処理装置。

［５］鋼材を加熱する１台または複数台の誘導加熱装置と、前記誘導加熱装置に供給する電力を演算する演算装置を有する鋼材の熱処理装置であって、
前記演算装置は、鋼材断面では、鋼材表面からの距離が同じ位置では、同じ電流が流れ、発熱量も同じであるとして、鋼材断面各位置の発熱量の比を定めて、供給される電力から鋼材の断面内の温度分布を推定することにより、
前記誘導加熱装置によって加熱中及び加熱終了時の鋼材の温度について、
断面内の任意の位置の温度とその位置の目標温度との差を所定範囲内に加熱するための電力を前記演算装置にて演算することを特徴とする鋼材の熱処理装置。

［６］前記［１］〜［５］のいずれかに記載の鋼材の熱処理装置を用いて熱処理を行うことによって鋼材を製造することを特徴とする鋼材の製造方法。

本発明によれば、鋼材の表面温度、内部温度が所定の制約条件を満たす加熱を行い、鋼材が目的の性質をもつような熱処理を行うことができる。

本発明の一実施形態を以下に示す。

一般に、鋼材は加熱炉内で加熱されて、１２００℃前後にまで昇温する。その後、鋼材は、通常複数台の圧延機により所定の厚さ・幅に圧延される。圧延後、まだ８００℃〜１０００℃にある鋼材は、水により強制冷却され、または大気により自然冷却される。この処理によって、鋼材は焼入れされる。特に圧延後に加速冷却装置による急速冷却を行うことにより、鋼材の強度や靭性を強化できることがわかっている。

この後、必要に応じて、再びガス炉で焼き戻し、焼き鈍し等の熱処理が行われる。熱処理が行われた鋼材は、裁断され出荷される。

図１は、本発明の一実施形態が適用される鋼材の製造ラインの概略構成を示す側面図である。この鋼材製造ラインは、鋼材１を加熱する加熱炉２と、粗圧延機３と、仕上圧延機４と、加速冷却装置５と、矯正装置６と、熱処理装置７と、鋼材１の温度を測定する温度検出器８とを備えている。

この鋼材製造ラインでは、加熱炉２で加熱された鋼材１を、粗圧延機３と仕上圧延機４により圧延した後、加速冷却装置５により急速冷却し、矯正装置５を用いて鋼材１の反りや曲がりを矯正した後、ライン上に設置した熱処理装置７によって焼き戻し処理を行う。

そして、この実施形態においては、熱処理装置７が、１台又は複数台の誘導加熱装置１１（ここでは３台）と、誘導加熱装置１１に供給する供給予定電力を演算する演算装置１２と、前記演算装置により演算された供給予定電力を誘導加熱装置１１に供給する電源装置１３とで構成されている。

この鋼材製造ラインでは、圧延過程と冷却過程の後に、矯正装置６を用いて鋼材１の反りや曲がりを矯正した後、ライン上に設置された誘導加熱装置１１で焼き戻し処理を行う。

この鋼材製造ラインでは、ガス炉による熱処理の代わりに誘導加熱装置１１を用いて熱処理する。従って、圧延ライン上で焼き入れ処理後に焼き戻し処理を行うことができるため、能率を飛躍的に向上させることができる。また、誘導加熱装置１１を使用することにより、ガス炉を使用した場合に比べて加熱温度の精度を上げることができる。従って、厚み方向の温度分布をも精度良く制御することが可能となる。

特に、圧延後に加速冷却装置５による急速冷却を行い、その直後、誘導加熱装置１１による熱処理を行うことにより、強度や靭性が強化した鋼材を製造することができる。

誘導加熱装置１１は、鋼材１を所定の温度に加熱できる能力を有することが必須である。誘導加熱装置１１を用いて圧延ライン上で熱処理を行う場合、誘導加熱装置１１の搬送速度制約により熱処理能率が圧延能率に劣り、結果的に生産性が阻害される場合が生じる。そこで、搬送速度を上げるためには誘導加熱装置１１の台数を増やす必要があるが、設備が大掛かりになり、設備コストと設置スペースのコストが増えるとともに、消費電力も大きくなり、運転コストも増えて、実機への適用は困難となる。そこで,この実施形態では、誘導加熱装置１１が少ない台数でも、鋼材１を複数回往復させて加熱することで、圧延能率に劣らず、生産性を阻害しないとともに、コスト抑制を実現する加熱方法を行う。この場合の誘導加熱装置の通過回数はパス回数と呼ばれる。

また、加熱方法には、対象となる鋼材によって均一加熱と表層加熱とがある。どちらの場合にも、鋼材の表面温度と内部温度をそれぞれ別の目標温度に加熱する。内部温度とは、板厚方向の平均温度（平均温度）の場合もあるし、板厚中心部の温度（中心温度）の場合、板表面から任意の深さ（たとえば、板厚１／３、１／４深さ）の温度等がある。

均一加熱の場合は、加熱過程中の表面温度が上限温度を超えないようするとともに、内部温度が所定の目標温度と所定範囲内の差になるように加熱する。このような均一加熱により、同一部材での品質ばらつきを抑えることを実現する。

表層加熱の場合は、加熱過程中の表面温度が下限温度を超えるようにするとともに、内部温度が所定の目標温度以下になるように加熱する。このような表層加熱を行うことにより、表面と内部の硬度差を少なくすることができ、パイプライン等の用途での問題を回避できる。

均一加熱を行うためには、誘導加熱装置１１を複数台用意して加熱過程と冷却過程を繰り返しながら徐々に加熱をする必要がある。例えば、パス数を複数回として鋼材１を誘導加熱装置１１内を通過させた後に、反対方向に搬送させて再度加熱する工程を指定パス数回分繰り返す。このとき、誘導加熱装置１１内を通過している間は表面付近が表皮効果により加熱されて、誘導加熱装置１１を出た後、反転するまでは冷却過程となって表面からの放熱と内部への伝熱によって、表面と内部の温度が均一になっていく。

逆に、表層加熱を行うためには、誘導加熱装置１１により加熱された表面から内部への熱伝達や表面からの放熱によって表面と内部の温度が均一になる前に、表面を目標温度に加熱することが必要である。

この実施形態では、均一加熱、表層加熱ともに、鋼材内部の誘導加熱電流分布モデルと鋼材断面の温度分布を推定するモデルを用いることにより、熱処理方法の精度を向上させた。

さらに、同じ製造条件でも、加速冷却後の鋼材温度が操業条件により異なるため、誘導加熱装置１１に供給する供給予定電力（加熱電力）をテーブル等であらかじめ用意しておくよりは、加速冷却後、あるいは加熱前の鋼材温度に基づいて、加熱電力や搬送速度をオンラインで求めて決定するような仕組みを構築する必要がある。

上記の点を踏まえて、誘導加熱装置１１を用いて熱処理を行う際には、次の点が重要である。
（ａ）誘導加熱時の鋼材の内部温度を精度良く推定する。
（ｂ）加熱温度の目標及び制限を満たすような加熱電力と搬送速度を求める。
（ｃ）実用化にあたって、消費電力は、なるべく小さいほうが望ましい。

そこで、この実施形態に係る熱処理装置７おける演算装置１２は下記の機能を備えるようにしている。
（ａ）誘導加熱時の鋼材断面の温度分布を精度よく推定するため、二次元の差分式を採用して、鋼材温度、透磁率と浸透深さから鋼材断面の誘導電流分布を求め、発熱量を推定する。
（ｂ）加熱電力の設定値を求めるに際して、温度条件が複数あり、操作量（加熱電力）も複数あり、モデルが非線形であるため、非線形計画法で算出する。その結果、表面温度と内部温度は独立変数ではないが、複数台加熱により、ある程度独立と見なせ、別々に目標設定をすることが可能とした。
（ｃ）非線形計画法の目的関数を消費電力の和（消費電力量）とし、所定の温度条件を満たす加熱電力の中で消費電力量が最小となる加熱電力を求める。

以下に、この実施形態に係る熱処理装置７おける演算装置１２の具体的な演算処理内容を記載する。

最初に、加熱電力と搬送速度の求め方を示す。この実施形態では、鋼材断面の温度分布を推定する数式モデルを用いて、加熱電力設定計算と搬送速度設定計算を行う。

まず、誘導加熱による鋼材の温度分布を推定する数式モデルは以下のようなものである。

鋼材内部の電流分布は、浸透深さで表される。浸透深さは式（１）のように周波数、比透磁率で表される。

δ＝５．０３＊ＳＱＲＴ（Ｒ／μ／ｆｘ）／１００ ……（１）
ただし、δ：浸透深さ、Ｒ：比抵抗、μ：比透磁率、ｆｘ：周波数。

浸透深さの値が大きい場合には誘導電流が鋼材内部まで流れるが、浸透深さが小さい場合には、誘導電流が表面に集中するため加熱も表面に集中し、鋼材内部は表面からの熱伝達により加熱されることになる。従って、同じ電力を投入しても、浸透深さにより表面の加熱温度は変わってくる。そこで、比透磁率等により浸透深さを求め、浸透深さにより鋼材内部での電流分布を算出し、電流分布により鋼材内部の温度分布を求める。

鋼材の搬送方向と直交する方向の鋼材の断面を、図７のように２次元メッシュで分割し、時刻ｋにおける厚み方向i番目、幅方向j番目の温度をｘ_i,j,kと定義する。そして、その部分の分割幅として、ｄｙ_iを厚み方向分割幅、ｄｚ_jを幅方向分割幅とする。また、ｘ_1,j,kは鋼材表面の温度を表す。なお、この断面は鋼材の搬送方向（長手方向）の任意の位置における断面である。

一般に、鋼材表面からの距離ｙと、誘導電流密度ψ（ｙ）の関係は式（２）で表される。αは定数である。

ψ（ｙ）＝αｅｘｐ（−ｙ／δ） ……（２）
ｙ_iを式（３）で定義すると、厚み方向ｉ番目のブロックに流れる電流は、式（４）で表される。

よって、消費電力の比は式（５）で表される。

図８のように鋼材断面では、表面から同じ位置では、同じ電流が流れ、発熱量も同じであるとする。このとき、同じ電流が流れるドーナツ状の面積をｓ（ｉ）（ｉ＝１，２，…，ｎ）とすると、ｓ（ｉ）は下記のように表される。

各ｓ（ｉ）に加わる発熱量の比をｐ（ｉ）とすると、

これらは解析的に解くことができ、

よって、各部分の発熱量の比は以下のように表される。

次に、誘導加熱装置を用いた加熱過程における鋼材の温度変化を数式で表す。熱伝導方程式の差分式から、式（１６）を得る。

式（１６）のＱ_i,j,kは境界条件である大気との熱伝達と、加熱装置から供給される熱量からなる。

なお、式（１７）において、ｒ（ｉ、ｊ）＝ｄｑ（ｉ、ｊ）である。

式（１６）〜（１８）を用いることにより、加熱後の鋼材の温度分布（ｘ_1,j,k ｘ_2,j,k … ｘ_nb-1,j,k ｘ_nb,j,k）を求めることができる。これのフローを図２に示す。鋼材が誘導加熱装置を抜けたところで計算終了となる。

以上が誘導加熱による鋼材の温度分布を推定する数式モデルの説明である。

次に、この温度モデルを用いた加熱電力の求め方を図３に示す。

まず、適当な初期値電力ｕ_n,kを与えて、誘導加熱装置出側の加熱温度分布ｘ_i,j,kを計算する。そして、各誘導加熱装置での加熱温度と後述する温度条件を比較し、温度条件を満たしているかどうかの判定を行う。温度条件に合致していれば、その加熱電力を最終的な加熱電力として計算を終了する。合致していない場合は、新たな加熱電力を与えて温度計算のやり直しを行う。新しい加熱電力ｕ_k,jを与える方法は、線形計画法、非線形計画法など一般的な方法でかまわない。温度条件が実現可能であるならば、有限回の計算で収束する。

以下に、温度条件の例を示す。

（第１の温度条件）
均一加熱を行う場合であり、加熱中の内部温度（所定の厚み方向位置の温度ｘ_i1,j,k）が、所定の目標温度の上限値（第１の目標温度Ｒ１）と下限値（第２の目標温度Ｒ２）の間に入るようにするとともに、加熱中の表面温度ｘ_1,j,kが上限温度（第３の目標温度Ｒ３）以下になるようにする。すなわち、

（第２の温度条件）
均一加熱を行う場合であり、上記第１の温度条件において、さらに、加熱中の表面温度ｘ_1,j,kが下限温度（第４の目標温度Ｒ４）以上になるという条件を追加したものである。すなわち、

（第３の温度条件）
表層加熱を行う場合であり、加熱中の表面温度ｘ_1,j,kが、所定の目標温度の下限値（第５の目標温度Ｒ５）と上限値（第６の目標温度Ｒ６）の間に入るようにするとともに、加熱中の内部温度（所定の厚み方向位置の温度ｘ_i1,j,k）が上限温度（第７の目標温度Ｒ７）以下になるようにする。すなわち、

（第４の温度条件）
表層加熱を行う場合であり、上記第３の温度条件において、加熱中の表面温度ｘ_1,j,kが、所定の目標温度の上限値（第６の目標温度Ｒ６）以下になるという条件を外したものである。すなわち、

（第５の温度条件）
鋼材断面内の任意の位置の温度ｘ_i,j,kが、その位置の目標温度の下限値ｒ_i,jと上限値Ｒ_i,jの間に入るようにする。すなわち、

第５の温度条件では、図７のメッシュで区切られた各々の位置全てに対して目標温度の下限値、上限値を設定しても良いし、特定の位置を選択して目標温度の下限値、上限値を設定しても良い。

さらに、上記の温度条件に加えて、目的関数として各誘導加熱装置１１での消費電力量の和を与える。加熱中の鋼材の温度が上記温度条件に合致するかどうかの判定を行った後、各誘導加熱装置１１での消費電力量が最少になるかどうかの判定も重ねて行う。すなわち、この処理によって求められる加熱電力が各誘導加熱装置１１での消費電力量の和を最少にするようにする。この場合も、新しい加熱電力ｕ_k,jを与える方法は、線形計画法、非線形計画法など一般的な方法でかまわない。このフローを図４に示す。

次に、搬送速度の求め方を図５に示す。

搬送速度の決定には、始めにパス数を決めておき、図５に示すような収束計算を行う。適当な初期速度から始めて、電力設定計算を行う。速度によっては、電力能力の上限や、温度の条件によっては、加熱が不可能の場合がある。その場合は、速度を下げて電力の設定計算を行う。加熱可能なら、搬送速度を上げて電力の設定計算を行う。加熱可能な範囲の中で最も早い速度を求める。

そして、ここで決まった搬送速度をもとに、前項の電力設定計算を用いて加熱電力を求める。

以上がこの実施形態における加熱電力と搬送速度の求め方である。

このようにして演算装置１２が求めた加熱電力と搬送速度に基づいて、電源装置１３から各誘導加熱装置１１に加熱電力が供給され、鋼材１が加熱される。

このようにして求まる加熱電力と搬送速度は事前に計算してテーブル等に保存しておき利用することもできるし、鋼材の加速冷却が終了し、加熱開始温度が確定した時点にオンラインで計算して求めることもできる。

しかしながら、事前に計算しておいた場合は、加速冷却終了時の温度が予定と異なる場合がある。また、複雑なモデルを用いて収束計算を繰り返し行うため膨大な計算量になり、オンラインでは計算が間に合わないことも考えられる。このような場合は、以下のような修正方式が有効である。これは、加熱電力と搬送速度を事前に計算しておき、加速冷却終了後の実績温度で搬送速度を修正し、電力を再計算する方式である。

まず、図５に示す事前に搬送速度を求める計算を行った後に、加熱開始温度が変更になた場合の搬送速度の影響係数を求めておく。この手順を図６に示す。加熱開始温度をＴｉ、加熱開始温度の変更量をΔＴiとし、加熱開始温度がＴi+ΔＴiの場合に搬送速度をどれだけ変更すれば良いのかの係数を求める。影響係数を１から処理を始めて、加熱可能で最も処理時間が短くなるように影響係数を調整する。この値をｑとすると、実際の加熱開始温度がＴｉ＋ΔＴｉの場合の搬送速度ｖ’は、下式（２４）で求められる。

ｖ’（ｎ_p）＝（ｑΔＴｉ＋１）ｖ（ｎ_p） ……（２４）
ただし、ｎ_p：パス数、ｖ（ｎ_p）：事前に求めておいた速度、ｖ’（ｎ_p）：修正された搬送速度、ｑ：影響係数。

加速冷却を終了し、実績温度が検出された時点で、このような搬送速度の修正を行う。さらに、修正された速度で図３または図４に示す電力計算を再度行う。電力計算の収束計算のみであれば、時間はさほどかからない。修正方式を利用することにより、最も効率のよい搬送速度を求めることができ、加熱電力を精度よく設定することができる。

上記のようにして、この実施形態においては、誘導加熱時の鋼材断面の温度分布を推定し、推定された表面温度と内部温度が所定の温度目標を満たすように誘導加熱装置の加熱電力と搬送速度を定めているので、鋼材の表面温度、内部温度が所定の制約条件を満たす加熱を行い、鋼材が目的の性質をもつような熱処理を行うことができる。また、そのような熱処理を行うことにより、良好な品質の鋼材を製造することができる。

なお、この実施形態では、鋼材長手方向（鋼材搬送方向）の任意の位置において説明したが、代表位置として任意の位置を選択するか、所定間隔又は所定間隔でない不規則間隔の複数の長手方向位置で算出するようにしても良い。

また、表面温度は、鋼材上面のみに限らず、下面である裏面の温度としても良い。

以下、本発明の実施形態で述べた内の第１の温度条件による加熱の実施例を示す。

これは、加熱対象材（幅３０００ｍｍ）を、圧延後３００℃まで冷却したものを目標温度６５０℃に加熱した例である。

図９は鋼材の幅方向断面の表面温度と中心温度の初期温度分布を示す。冷却後の鋼材は、幅方向端部が中央に比べ冷えやすい。このため、幅中央に比べると、幅端部の温度が若干温度が下がっている。

この材料を加熱する際に、鋼材の幅中央の温度のみを加熱条件として加熱を行った場合の例を図１０と図１１に示す。図は加熱直後の幅方向の表面温度と中心温度の温度分布を示している。加熱直後なので中心温度よりも表面温度が高くなっている。図１０と図１１のどちらも、幅方向の加熱条件を考慮していないため、幅端部の中心温度が温度条件から外れてしまっている。この場合、温度条件から外れた端部は切り落とされることになり、歩留まり悪化の原因となる。また、この部分が多くなると、鋼材１枚が製造仕様を満たさなくなるため不良品となり、本来の目的に使用できなくなる場合もある。
本発明による方法で、幅方向の温度分布を制約条件に加えて加熱を行うと、加熱後の温度分布を図１２のようすることができる。加熱温度条件を外れるために幅端部の切断する部分を、最小限に抑えることができるとともに、品質のばらつきの少ない良質な鋼材を製造することができる。

本発明の一実施形態が適用される鋼材の製造ラインの概略構成を示す側面図。加熱時の鋼材温度分布を求める温度モデルにおけるフロー図。加熱電力を求める加熱電力設定計算のフロー図。加熱電力の最小値を求める電力設定計算のフロー図。搬送速度を決定する搬送速度設定計算のフロー図。搬送速度の影響係数を決定する手順を示すフロー図。温度モデルにおける鋼材断面の温度分布を表す記号の説明図。鋼材断面の誘導電流の分布を示す図。加熱前の鋼材断面の温度分布を示す図。従来方法による加熱後の鋼材断面の温度分布の例１を示す図。従来方法による加熱後の鋼材断面の温度分布の例２を示す図。本発明による加熱後の鋼材断面の温度分布の例を示す図。

符号の説明

１鋼材
２加熱炉
３粗圧延機
４仕上圧延機
５加速冷却装置
６矯正装置
７熱処理装置
８温度検出器
１１誘導加熱装置
１２演算装置
１３電源装置

Claims

鋼材を加熱する１台または複数台の誘導加熱装置と、前記誘導加熱装置に供給する電力を演算する演算装置を有する鋼材の熱処理装置であって、
前記演算装置は、鋼材断面では、鋼材表面からの距離が同じ位置では、同じ電流が流れ、発熱量も同じであるとして、ドーナツ状の面積を設定し、鋼材断面を２次元メッシュで分割された各部分の発熱量の比を定めて、供給される電力と、鋼材断面各位置の発熱量の比と加熱前の鋼材の幅方向温度分布とから鋼材断面を２次元メッシュで分割した各部分ごとの温度分布を推定することにより、
前記誘導加熱装置によって加熱中の鋼材の温度について、
鋼材表面を除く厚み方向所定位置の幅方向温度分布における最大値が鋼材の内部温度について均一加熱条件として定めた所定の目標温度の上限値以下で、
鋼材表面を除く厚み方向所定位置の幅方向温度分布における最小値が鋼材の内部温度について均一加熱条件として定めた所定の目標温度の下限値以上となり、かつ、
鋼材表面における幅方向温度分布の最大値が鋼材の表面温度について均一加熱条件として定めた所定の目標温度の上限値以下に加熱するための各誘導加熱装置の電力を、
前記鋼材の搬送速度がもっとも速くなるように前記演算装置にて演算することを特徴とする鋼材の熱処理装置。
鋼材を加熱する１台または複数台の誘導加熱装置と、前記誘導加熱装置に供給する電力を演算する演算装置を有する鋼材の熱処理装置であって、
前記演算装置は、鋼材断面では、鋼材表面からの距離が同じ位置では、同じ電流が流れ、発熱量も同じであるとして、ドーナツ状の面積を設定し、鋼材断面を２次元メッシュで分割された各部分の発熱量の比を定めて、供給される電力と、鋼材断面各位置の発熱量の比と加熱前の鋼材の幅方向温度分布とから鋼材断面を２次元メッシュで分割した各部分ごとの温度分布を推定することにより、
前記誘導加熱装置によって加熱中の鋼材の温度について、
鋼材表面を除く厚み方向所定位置の幅方向温度分布における最大値が鋼材の内部温度について均一加熱条件として定めた所定の目標温度の上限値以下で、
鋼材表面を除く厚み方向所定位置の幅方向温度分布における最小値が鋼材の内部温度について均一加熱条件として定めた所定の目標温度の下限値以上となり、かつ、
鋼材表面における幅方向温度分布の最大値が鋼材の表面温度について均一加熱条件として定めた所定の目標温度の上限値以下で、
鋼材表面における幅方向温度分布の最小値が鋼材の表面温度について均一加熱条件として定めた所定の目標温度の下限値以上に加熱するための各誘導加熱装置の電力を、
前記鋼材の搬送速度がもっとも速くなるように前記演算装置にて演算することを特徴とする鋼材の熱処理装置。
鋼材を加熱する１台または複数台の誘導加熱装置と、前記誘導加熱装置に供給する電力を演算する演算装置を有する鋼材の熱処理装置であって、
前記演算装置は、鋼材断面では、鋼材表面からの距離が同じ位置では、同じ電流が流れ、発熱量も同じであるとして、ドーナツ状の面積を設定し、鋼材断面を２次元メッシュで分割された各部分の発熱量の比を定めて、供給される電力と、鋼材断面各位置の発熱量の比と加熱前の鋼材の幅方向温度分布とから鋼材断面を２次元メッシュで分割した各部分ごとの温度分布を推定することにより、
前記誘導加熱装置によって加熱中の鋼材の温度について、
鋼材表面における幅方向温度分布の最小値が鋼材の表面温度について表層加熱条件として定めた所定の目標温度の下限値以上で、
鋼材表面における幅方向温度分布の最大値が鋼材の表面温度について表層加熱条件として定めた所定の目標温度の上限値以下となり、かつ、
鋼材表面を除く厚み方向所定位置の幅方向温度分布における最大値が鋼材の内部温度について表層加熱条件として定めた所定の目標温度の上限値以下に加熱するための各誘導加熱装置の電力を、
前記鋼材の搬送速度がもっとも速くなるように前記演算装置にて演算することを特徴とする鋼材の熱処理装置。
鋼材を加熱する１台または複数台の誘導加熱装置と、前記誘導加熱装置に供給する電力を演算する演算装置を有する鋼材の熱処理装置であって、
前記演算装置は、鋼材断面では、鋼材表面からの距離が同じ位置では、同じ電流が流れ、発熱量も同じであるとして、ドーナツ状の面積を設定し、鋼材断面を２次元メッシュで分割された各部分の発熱量の比を定めて、供給される電力と、鋼材断面各位置の発熱量の比と加熱前の鋼材の幅方向温度分布とから鋼材断面を２次元メッシュで分割した各部分ごとの温度分布を推定することにより、
前記誘導加熱装置によって加熱中の鋼材の温度について、
鋼材表面における幅方向温度分布の最小値が鋼材の表面温度について表層加熱条件として定めた所定の目標温度の下限値以上となり、かつ、
鋼材表面を除く厚み方向所定位置の幅方向温度分布における最大値が鋼材の内部温度について表層加熱条件として定めた所定の目標温度の上限値以下に加熱するための各誘導加熱装置の電力を、
前記鋼材の搬送速度がもっとも速くなるように前記演算装置にて演算することを特徴とする鋼材の熱処理装置。
鋼材を加熱する１台または複数台の誘導加熱装置と、前記誘導加熱装置に供給する電力を演算する演算装置を有する鋼材の熱処理装置であって、
前記演算装置は、鋼材断面では、鋼材表面からの距離が同じ位置では、同じ電流が流れ、発熱量も同じであるとして、ドーナツ状の面積を設定し、鋼材断面を２次元メッシュで分割された各部分の発熱量の比を定めて、供給される電力と、鋼材断面各位置の発熱量の比と加熱前の鋼材の幅方向温度分布とから鋼材断面を２次元メッシュで分割した各部分ごとの温度分布を推定することにより、
前記誘導加熱装置によって加熱中及び加熱終了時の鋼材の温度について、
断面内の任意の位置の温度とその位置の目標温度との差を所定範囲内に加熱するための各誘導加熱装置の電力を、
前記鋼材の搬送速度がもっとも速くなるように前記演算装置にて演算することを特徴とする鋼材の熱処理装置。
請求項１〜５のいずれかに記載の鋼材の熱処理装置を用いて熱処理を行うことによって鋼材を製造することを特徴とする鋼材の製造方法。