JP5824826B2 - めっき浴内の温度分布推定装置、温度分布推定方法、及び連続溶融金属めっきプロセスの操業方法 - Google Patents
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Description
ここで、めっき浴中では、FeとZn、またはFeとAlの化合物であるドロスと呼ばれる不純物が生成され、生成されたドロスが鋼板に付着した場合には、表面欠陥となってプレス加工時に顕在化するという問題がある。そして、めっき浴の温度(浴温)の変動は、浴中のドロス生成に影響を与えるため、浴温変動を小さくすることは品質管理上非常に重要である。
これに対し、特許文献1では、めっき浴内の異なる箇所の浴温をそれぞれ測定し、その測定結果に基づいて浴中の温度差を低減させる、めっき浴のドロス発生抑制方法が開示されている。特許文献1では、浴中の温度差としては、浴中の最高温度と最低温度の差であって、該温度差を5℃以内に管理することが望ましいとされている。また、めっき浴の異なる箇所としては、めっき浴の上部および下部が望ましいとされている。
また、ドロス生成にはめっき浴内の温度分布(浴温分布)が影響するが、温度分布は、めっき浴に進入する鋼板が持ち込む熱量、めっき浴から失われる熱量、およびヒーター(加熱手段)によってめっき浴に加えられる熱量のバランス、およびめっき浴内の溶融金属の流動によって複雑に変動する。そのため、浴温分布を制御、管理するには、個別の熱電対の測定値、あるいは特許文献1に開示されているように2点の測定値の差の時間変動を監視するのでは不十分であり、より多くの測定点の情報から浴温分布の時間変動を詳細に把握する必要がある。
本発明は、上記のような点に着目したもので、めっき浴内の実測する温度測定点の数を抑えつつ、精度良く浴温分布推定を可能とする技術を提供することを目的とする。
(a)めっき浴に進入する金属帯が持ち込む熱量、めっき浴から失われる熱量、および加熱手段によってめっき浴に加えられる熱量のバランス(熱収支)
(b)めっき浴内の溶融金属の流動
また、めっき浴中の所定位置の温度は、上記の浴温分布に影響を与える要因を考慮した計算式(モデル式)を用いることにより推定することができる。すなわち、めっき浴と浴中に浸漬する金属帯との熱収支、および加熱手段での加熱によるめっき浴の温度変化を表す関係式を用いることにより推定することができる。この温度推定値を、温度測定値の代わりに用いることにより、めっき浴中に設置する温度センサの数を抑えつつ、めっき浴内の温度分布推定を高精度に行うことができるようになる。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
すなわち、上記課題を解決するために、本発明のうち請求項1に記載した発明は、 溶融金属を貯留しためっき浴に金属帯を連続的に浸漬した後に引き上げると共に、そのめっき浴内の溶融金属を加熱する加熱手段を備えるめっき設備における、上記めっき浴内の温度分布を推定する温度分布推定装置において、
上記めっき浴内の温度をそれぞれ測定する1又は2以上の温度センサと、
上記めっき浴内に浸漬する金属帯とめっき浴との熱収支を求める熱収支算出手段と、
上記加熱手段によるめっき浴への加熱量と上記熱収支算出手段が算出する熱収支とに基づき、めっき浴内の1又は2箇所以上の温度を推定する第1の温度推定手段と、
上記1又は2以上の温度センサが測定した温度測定値と第1の温度推定手段が推定した温度推定値とに基づき、空間的に補間を行うことで、めっき浴内における、上記温度センサで測定する位置及び第1の温度推定手段が推定する位置以外のめっき浴中の位置の温度を推定する第2の温度推定手段と、
を備えることを特徴とする。
第2の温度推定手段は、推定する位置の推定温度Teを、予め設定した重みWi、若しくは、温度Tiに対応するめっき浴中の位置と推定温度Teに対応するめっき浴中の位置における温度の相関の大小を示す重みWiを用いて、下記式に基づき推定することを特徴とする。
上記めっき浴内の1又は2以上の箇所の温度を測定すると共に、
上記めっき浴内に浸漬する金属帯とめっき浴との熱収支、及び上記加熱手段によるめっき浴への加熱量に基づき、めっき浴内の1又は2箇所以上の温度を推定し、
更に、上記測定した温度及び上記推定した温度に基づき、空間的に補間を行うことで、めっき浴内における、上記温度を測定する位置及び温度推定する位置以外の任意の位置の温度を推定することを特徴とする。
た基準とする温度分布とを比較することにより、めっき浴内の温度分布を監視することを特徴とする連続溶融金属めっきプロセスの操業方法を提供する。
また、請求項5に係る発明によれば、浴内における特定の点状位置の温度ではなく、浴全体の温度分布を、精度よく推定することができるようになったので、時々刻々の浴温分布を通常の操業状態における浴温分布などの予め設定した基準の浴温分布と比較することにより、めっき浴内の温度、流動の異常が検出しやすくなる。この結果、これらの異常によるめっき鋼板の表面品質不良を生じさせることなくめっきプロセスの操業を行えるようになる。
図1は、本実施形態に関するめっき設備を説明する概要構成図である。
(構成)
本実施形態では、金属帯として帯状の鋼板3を例示する。その他の金属板からなる金属帯であっても適用可能である。本実施形態では、順次、先行の鋼板3の尾端と後行の鋼板3の先端とを溶接によって接続することで、連続してめっき処理を行う場合を想定して説明する。
浴温制御装置7は、制御用浴温検出器6が測定した浴温測定値と、制御用計算機9から伝送された浴温目標値に基づいて、浴温を浴温目標値に一致させるための加熱制御量を求め、その加熱制御量をヒーター制御装置10に出力する。ヒーター制御装置10は、浴温制御装置7から入力した加熱制御量に応じた加熱量に上記ヒーター8を操作する。これによって、上記の浴温測定値が浴温目標値に一致するようにフィードバック制御が行われる。
符号12は浴温推定器12である。浴温推定器12は、めっき浴内の予め設定した1又は2以上の位置の浴温を推定する装置である。浴温推定器12は、上記めっき浴内に浸漬する鋼板3とめっき浴との間の熱収支と、ヒータによるめっき浴への加熱量とから予め設定した1又は2以上の位置の浴温を推定する。そして、浴温推定器12は、推定した浴温を浴温分布推定器13に出力する。
熱収支算出手段12Aは、上記めっき浴内に浸漬する鋼板3とめっき浴との熱収支を求める。第1の温度推定手段12Bは、ヒーター8によるめっき浴への加熱量と上記熱収支算出手段12Aが算出する熱収支とに基づき、めっき浴内の1又は2箇所以上の温度を推定する。
符号5の位置は、シンクロール2の上側の領域A(上側領域Aとも呼ぶ。)内に位置する。この上側領域Aは、めっき浴に浸漬した鋼板3、シンクロール2およびシンクロール2の支持機構に取り囲まれている。このため、めっき浴内において、この上側領域Aへの溶融亜鉛20の外部からの流入、及びこの上側領域Aから外部への溶融亜鉛20の流出が少ないので、上側領域Aは、その他のめっき浴中の位置との温度変化の相関が比較的小さい。また、この上側領域Aは、鋼板3とめっき浴との熱収支の影響を直接的に受ける部分であるため、上記熱収支から精度良く温度を推定可能と考えられる。以上の理由から、例えば、めっき浴に進入する鋼板3の温度が低下して鋼板3がめっき浴に持ち込む熱量が減少すると、上記上側領域Aの浴温が低下することで、上記上側領域Aにおいてドロスの析出、成長が促進され、鋼板3の表面欠陥発生率が高くなる恐れがある。そのため、上記上側領域Aの溶融金属の温度を管理することは鋼板3の表面品質管理上重要である。しかし、浴中の機器(シンクロール2の支持機構など)との干渉があるため、上記上側領域A内の位置(5の位置)に浴温測定のための熱電対4をめっき処理中に設置することが困難な場合もある。
ここで、めっき浴に進入する鋼板3の温度は、通常は浴温よりも高いことから、めっき浴に進入する鋼板3は、熱を浴に与えながらめっき浴内を移動する。一方、浸漬した鋼板3がめっき浴から引き上げられる際には、そのときの鋼板3温度は浴温と一致していると考えてよい。以上から、本実施形態では、鋼板3が浴へ持ち込む熱量と持ち出す熱量の差、つまり熱収支を以下のように求める。すなわち、単位時間に鋼板3がめっき浴に与える熱量は、進入板温Tsと浴温代表値Tcとの温度差、単位時間にめっき浴を通過する鋼板3の体積、鋼板3の比熱ρ、及び鋼板3の密度Cを乗じることで精度良く推定することが出来る。また、単位時間にめっき浴を通過する鋼板3の体積は、鋼板3の板幅B、板厚h、および搬送速度Vの積(=BhV)となる。さらに、鋼板3がめっき浴に与える熱量による浴温の変動は、めっき浴内の流動などによって拡散することで、めっき浴内の各点における浴温は、所定の遅れをもって変動する。
同様に、ヒーター8からの入熱(出力P)、すなわちヒーター8がめっき浴に与える熱量による浴温の変動も、めっき浴内の流動などによって拡散することで、めっき浴内の各点における浴温は、所定の遅れをもって変動する。これに鑑み、ヒーター8の出力による浴温変化から5の位置の浴温変化までの動特性を表す伝達関数を設定し、その伝達関数をG(s)と記載する。
(2)式で表されるuは、鋼板3とめっき浴との熱の授受(熱収支)を求める式である。
以上のように、制御用計算機9が鋼板3の板幅B、板厚h、搬送速度Vを浴温推定器12に伝送し、制御用浴温検出器6が、測定した浴温代表値Tcを浴温推定器12に出力し、めっき浴に進入する鋼板3温度を測定する板温検出器11が進入板温Tsを浴温推定器12に出力し、ヒーター8が出力Pを浴温推定器12に出力する。そして、熱収支算出手段12Aが上記(2)式に基づいて熱収支を求め、第1の温度推定手段12Bが、上記(1)式に基づいて、5の位置における浴温推定値Tmを求める。
値Tmが実際の浴温を精度良く近似するように調整する必要がある。その調整はたとえば
次のようにして実施する。5の位置に熱電対4を仮設置してめっき操業を行うことで、伝達関数F(s)、G(s)のパラメータ及定数項T0を調整する。すなわち、伝達関数F(s)、G(s)を1次遅れ系の伝達関数とし、その時定数とゲインおよびT0を(1)式に含まれる変数の時系列信号に基づいて調整する。これにより、(1)式で推定した5の位置における浴温推定値Tmが仮設置した熱電対4による測温値Ttと精度よく近似するように、これらのパラメータを調整できる。このとき、鋼板3とめっき浴との熱の授受による影響と、ヒーター8の加温による影響は、それぞれ個別に求める方が望ましい。そのため、時系列信号の中で板幅、板厚、搬送速度、進入板温の変化が無視できる浴中の区間を用いて伝達関数G(s)を求める。
具体的には、伝達関数G(s)を下記式で表す。
同様に、ヒーター8出力の変動が無視できる区間を用いて伝達関数F(s)を求める。
具体的には、伝達関数F(s)を下記式で表す。
また、図1において符号13は、第2の温度推定手段を構成する浴温分布推定器13である。
本実施形態の浴温分布推定器13は、熱電対4(No.1〜6)から得られる浴温測定値Ti(i=1、2、…、6)、および5の位置の浴温推定値Tmを入力し、その入力した浴温を使用し(5)式に基づき空間的に補間を行って、浴槽1(ポット)内の複数の箇所の浴温を推定する。(5)式では、TmをTi(i=7)としている。なお、制御用浴温検出器6の測定値も使用して推定しても良い。
これによって、めっき浴内の温度、流動の異常によるめっき鋼板3の表面品質不良を早期に検出若しくは事前に抑制したプロセスの操業を行う。時々刻々の浴温分布を通常の操業状態における浴温分布と比較する方法としては、浴中において予め温度の監視領域を設けておき、当該部分の浴温の差の最大値が予め定められた閾値を越えた場合に異常と判断する方法が望ましい。
または、時々刻々求める浴温分布の変化からめっき浴内の温度、流動の異常を検出しても良い。
図3に、上記構成の装置で演算し表示装置14で表示された推定浴温分布の例を示す。この浴温分布の例は、目標値からの偏差として浴温分布の等高線の値を表示している。なお、Ti(i=7)がTmである。
また、5の位置の浴温推定値Tmを用いず、熱電対4 (No.1〜6)から得られる浴温測定値Ti(i=1、2、…、6)の6点の測温値だけを用いて、上記(5)式によって各部の温度を推定してみた。この場合、(5)式において、i=1〜6となる。その推定による温度分布を図4に示す。
これによって、温度分布推定に用いる温度測定点の数を実質的に増やすことができる結果、少ない浴温測定点によって浴槽1内の浴温分布を測定することが可能となる。
ここで、本実施形態では、浴温推定器12で1箇所のみの温度推定を実施する例を説明した。これに代えて、複数の箇所の温度推定を実施してもよい。
また、本実施形態によれば、一度めっき浴と鋼板3との熱収支およびめっき浴のヒーター8による入熱による、めっき浴の温度変化を表す関係式を得ておけば、熱電対4の劣化などによる温度測定誤差の影響を受けることもなく、常に高精度の浴温分布推定を行うことができる。
2 シンクロール
3 鋼板
4 熱電対(温度センサ)
6 制御用浴温検出器
7 浴温制御装置
8 ヒーター(加熱手段)
9 制御用計算機
10 ヒーター制御装置
11 板温検出器
12 浴温推定器(第1の温度推定手段)
12A 熱収支算出手段
12B 温度推定手段
13 浴温分布推定器(第2の温度推定手段)
14 表示装置
20 溶融亜鉛
21 冷却帯
Te 推定温度
Ti 浴温測定値
Tm 浴温推定値
Ts 進入板温
Tt 測温値
Claims (5)
- 溶融金属を貯留しためっき浴に金属帯を連続的に浸漬した後に引き上げると共に、そのめっき浴内の溶融金属を加熱する加熱手段を備えるめっき設備における、上記めっき浴内の温度分布を推定する温度分布推定装置において、
上記めっき浴内の温度をそれぞれ測定する1又は2以上の温度センサと、
上記めっき浴内に浸漬する金属帯とめっき浴との熱収支を求める熱収支算出手段と、
上記加熱手段によるめっき浴への加熱量と上記熱収支算出手段が算出する熱収支とに基づき、めっき浴内の1又は2箇所以上の温度を推定する第1の温度推定手段と、
上記1又は2以上の温度センサが測定した温度測定値と第1の温度推定手段が推定した温度推定値とに基づき、空間的に補間を行うことで、めっき浴内における、上記温度センサで測定する位置及び第1の温度推定手段が推定する位置以外のめっき浴中の位置の温度を推定する第2の温度推定手段と、
を備えることを特徴とするめっき浴内の温度分布推定装置。 - 溶融金属を貯留しためっき浴に金属帯を連続的に浸漬した後に引き上げると共に、そのめっき浴内の溶融金属を加熱する加熱手段を備えるめっき設備における、上記めっき浴内の温度分布推定方法において、
上記めっき浴内の1又は2以上の箇所の温度を測定すると共に、
上記めっき浴内に浸漬する金属帯とめっき浴との熱収支、及び上記加熱手段によるめっき浴への加熱量に基づき、めっき浴内の1又は2箇所以上の温度を推定し、
更に、上記測定した温度及び上記推定した温度に基づき、空間的に補間を行うことで、めっき浴内における、上記温度を測定する位置及び温度推定する位置以外の任意の位置の温度を推定することを特徴とするめっき浴内の温度分布推定方法。 - 請求項3又は請求項4に記載した温度分布推定方法を用いてのめっき浴内の温度分布を求め、その求めためっき浴内の温度分布と予め設定した基準とする温度分布とを比較することにより、めっき浴内の温度分布を監視することを特徴とする連続溶融金属めっきプロセスの操業方法。
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