JP6477519B2 - 連続熱処理ラインの中央速度制御方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、連続熱処理ラインの中央速度を制御する連続熱処理ラインの中央速度制御方法および装置に関するものである。

コイル状の金属帯（以下、鋼帯とも称する）を装入し、需要家オーダに応じて寸法、材質等の異なる製品を製造する連続熱処理ラインにおいて、製品が所定の材質を確保しつつ、連続熱処理ラインにおける金属帯搬送速度（以降、ライン速度、炉速、また単に速度とも称する）を最大にするために、これまでに板温や速度を制御する技術が開示されている。

例えば、特許文献１の「連続焼鈍ラインにおけるライン速度の加減速レート自動設定システム」には、オペレータによるライン速度変更操作がなされたときに、板温制御回路において操業条件変更処理指令に対応する加減速レートを所定周期で繰返し設定計算し、設定計算結果を加減速レート制御信号としてライン制御回路へ周期的に戻し、ライン制御回路で加減速レート制御信号に基づいて設定後のライン速度及び燃焼量を演算し、ライン速度変更指令をライン速度制御機構に、燃焼量変更指令を炉況変更制御機構に出力する方法が開示されている。

また、特許文献２の「連続処理ラインの中央速度制御方法」には、品種、寸法の異なる金属帯がルーパ間を移送する際に、入側ルーパ容量から受ける入側ルーパ制約速度と、炉負荷能力、均熱時間、過時効処理時間等から受ける中央制約速度と、出側ルーパ容量から受ける出側ルーパ制約速度と、モータ容量等の設備上の最高速度や最小速度、及びオペレータの設定に係る上下限速度から受ける共通制約速度と、これらすべての速度を満たすための速度変更タイミングとを予測し、夫々の制約速度が付加される制約範囲に金属帯の先端が到達してから尾端が通過するまでの間、全制約速度を満足する最大速度に達するよう、中央速度の速度変更を行う方法が開示されている。なお、このように制約条件に基づいて決ってくる速度（制約条件を満たすように決まるライン速度）を、以下では制約速度と称する。

さらに、特許文献３の「連続熱処理設備の速度制御方法、装置、及びコンピュータプログラム」には、各熱処理炉での設備能力、および、前記金属ストリップの板幅と板厚を含む製造仕様を含む制約条件に基づいて、各熱処理炉の数式モデルを用いて各熱処理炉の理論制約速度を算出し、予め用意した複数パターンの速度変更タイミング及び速度変更レートに基づいて速度スケジュールを作成し、それぞれの速度スケジュールについて熱処理設備に含まれる各熱処理炉を模擬したシミュレータにより得られた板温および目標板温並びに速度変更レートを要素として含む評価関数を使用して、速度変更タイミング及び速度変更レートを決定する方法が開示されている。

特開２００３−２２６９１１号公報 特許第２９１０５０６号公報 特許第４８３３６１４号公報

しかしながら、上述の先行技術では以下の課題がある。

すなわち、特許文献１のライン速度変更操作がなされたときに、逐次加減速レートを変更する技術では、理論上の最大速度である制約速度スケジュールに基づいて予測計算を行うものではないため、板温実績に応じて逐次加減速レートを変更した結果、生産能率を阻害してしまう懸念がある。

また、特許文献２の全制約速度を満足する最大速度に達するように中央速度の速度変更を行う技術では、加減速レートの決定にライン速度と板厚を用いているが、速度変更を行う前の速度と速度変更後の速度との差の絶対値である速度変更幅は考慮されていない。そのため、同じ加減速レートでも速度変更幅が大きくなるケースにおいて、板温が目標値を外れてしまう懸念がある。

さらに、特許文献３の設備能力やコイル諸元等からネック速度スケジュールを算出し、それを元に板温予測シミュレーションを実施することで速度変更タイミングおよび速度変更レートを算出する技術では、入側・出側の停止時間やルーパ消費量など、熱処理設備以外の動的な制約を考慮できていないため、想定していないパターンの操業が行われた際に、板温外れを防ぐための最適な加減速レート設定になっている保証が無く、板温が閾値を外れてしまう懸念がある。また、板温シミュレーションが実際の板温の挙動を十分に現せている保証も無い。

本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものであり、速度変更幅の大きい加減速が発生した場合でも板温外れを防ぐとともに、必要十分な加減速レートを設定することで、品質を保証できる最大の生産能率を達成することができる、連続熱処理ラインの中央速度制御方法および装置を提供することを目的とする。

上記課題は、以下の発明によって解決できる。

［１］ 入出側にルーパーを持ち、これらのルーパー間に熱処理設備を配置した連続熱処理ラインにおいて、
連続熱処理ラインの設備能力制約条件および鋼帯の品質に起因する品質確保制約条件に基づき、鋼帯単位で制約炉速を算出し、
鋼帯単位で求めた制約炉速を順番に繋げて、横軸を鋼帯長手位置として中央速度制約スケジュールを求め、
該中央速度制約スケジュール内で中央速度を閾値以上に変更する点において加減速レートの修正を行い、
修正した加減速レートに基づいて中央速度制約スケジュールを求める再スケジューリングを、中央速度制約スケジュールが収束するまで行い、
最終的に求められた中央速度制約スケジュールと加減速レートに従って中央速度を制御することを特徴とする連続熱処理ラインの中央速度制御方法。

［２］ 上記［１］に記載の連続熱処理ラインの中央速度制御方法において、
加減速レートの修正にあたっては、
熱処理条件に応じた加減速レートを予め決めたテーブルからのテーブル値とする、あるいは熱処理設備の温度変更における時定数を利用した算出式を用いることを特徴とする連続熱処理ラインの中央速度制御方法。

［３］ 入出側にルーパーを持ち、これらのルーパー間に熱処理設備を配置した連続熱処理ラインにおいて、
連続熱処理ラインの設備能力制約条件および鋼帯の品質に起因する品質確保制約条件に基づき、鋼帯単位で制約炉速を算出する手段と、
鋼帯単位で求めた制約炉速を順番に繋げて、横軸を鋼帯長手位置として中央速度制約スケジュールを求める手段と、
該中央速度制約スケジュール内で中央速度を閾値以上に変更する点において加減速レートの修正を行う手段と、
修正した加減速レートに基づいて中央速度制約スケジュールを求める再スケジューリングを、中央速度制約スケジュールが収束するまで行う手段と、
最終的に求められた中央速度制約スケジュールと加減速レートに従って中央速度を制御する手段とを具備することを特徴とする連続熱処理ラインの中央速度制御装置。

［４］ 上記［３］に記載の連続熱処理ラインの中央速度制御装置において、
前記加減速レートの修正を行う手段では、
熱処理条件に応じた加減速レートを予め決めたテーブル、あるいは熱処理設備の温度変更における時定数を利用した算出式を具備することを特徴とする連続熱処理ラインの中央速度制御装置。

本発明によれば、中央速度の速度変更幅に応じて加減速レートを動的に変化させることで、板温外れを防ぐとともに、必要十分な加減速レートを設定することで、品質を保証できる最大の生産能率を達成することができる。

本発明を適用する連続熱処理ラインの設備列の一例を示す図である。 本発明に係る連続熱処理ラインの中央速度制御方法における処理手順例を示す図である。 中央速度制約スケジュールの修正を説明する概念図である。 加減速レートの修正前後の中央速度制約スケジュールを示す図である。

図１は、本発明を適用する連続熱処理ラインの設備列の一例を示す図である。さらに、図２は、本発明に係る連続熱処理ラインの中央速度制御方法における処理手順例を示す図である。

図１中、１は払出しリール（ペイオフリール）、２は入側設備、３は入側ルーパー、４は熱処理設備、５は出側ルーパー、６は出側設備、７は巻取りリール（テンションリール）、および８はプロセスコンピュータをそれぞれ表す。

連続熱処理ラインの最先端に設けられた払出しリール１からコイル（以下、金属帯、鋼帯とも称する）が払出される。この時、板厚、板幅あるいは目標板温の異なる鋼帯を連続して熱処理するため、払出しリール１は複数設けられ（図示せず）、目標板温などの異なる鋼帯を払出し、入側設備２の一つである溶接機で溶接して一連の鋼帯として連続熱処理が行われる。

前記溶接機でコイルを停止した状態で溶接しなければならないため、入側ルーパー３では、少なくとも溶接に必要な時間の間に後段の熱処理設備４に送られる分の鋼帯を貯める。通常は、溶接に必要な時間の間にも熱処理設備４内のライン速度を一定に保つことが可能なように、溶接所要時間に見合う鋼帯量を後段に送り出している。

熱処理設備４は、予熱帯、加熱帯、均熱帯、および冷却帯のいずれかのセクションを直列に組み合わせて配置した熱処理炉である。プロセスコンピュータ８は、入側ルーパー３から送り込まれた鋼帯が目標板温となるように、炉温制御およびライン速度制御している。

熱処理設備４を出た鋼帯は、出側ルーパー５を経て、出側設備６の一つである切断機で切断され、巻取りリール７にてコイル状に巻取られる。図示していないが、払出しリール１と同様に、巻取りリール７も複数設置されている。

前記切断機では溶接した一連の鋼帯を切断するため、また巻取りリール７では巻取りが完了したリールから次のリールに交換するために、鋼帯の動きを停止しなければならない。出側ルーパー５では、少なくとも停止に必要な時間の間に熱処理設備４から送られてくる分の鋼帯を貯める。通常は、この停止時間の間にも熱処理設備４内のライン速度を一定に保つことが可能なように、停止時間に見合う鋼帯量を操業中に貯留している。

一般的に、熱処理設備の温度変更における時定数は中央速度の速度変更における時定数と比べて大きく、炉温度が所望の温度になるまでの非定常期間が長くなる。特に、ラジアントチューブ炉などの時定数が比較的大きい熱処理設備においては両者の差が大きくなる。

そして、速度変更幅が大きいほど、炉温度が所望の温度になるまでの非定常期間がより長くなり、加熱する鋼帯温度が目標から外れてしまい目標とする品質確保できなくなってしまう懸念が大きくなる。特に、板厚０．１５ｍｍといった薄物の鋼帯では、この傾向が顕著である。このような問題意識から、中央速度の変動幅を考慮した本発明に想到したものである。

図２にて本発明における処理手順を以下に説明していく。先ず、Step01では、鋼帯単位で制約炉速を算出する。ここでは、連続熱処理ラインの設備能力制約条件および熱処理温度・時間など鋼帯の品質に起因する品質確保制約条件に基づき、理論上可能な最大炉速である制約炉速を算出する。

ここで、設備能力に起因する制約条件とは、炉の加熱能力（炉燃焼負荷）、炉内のパス長、モータの制約に伴う最大速度、および入出側のルーパー容量の制約条件である。

また、鋼帯に起因する制約条件とは、板厚、板幅、鋼帯の装入長さ、および分割長さといった鋼帯の寸法、ならびに鋼帯の成分・組織、さらに目標とする材質（成分・組織）を得るために必要な均熱温度や均熱時間などの製造条件の、制約条件である。

制約炉速の算出としては、例えば、炉の加熱能力が最大でＫ(kg／ｈ)、鋼帯の寸法が板厚ｔ(m)、板幅ｗ(m)、密度ρ(kg／m³)で、その他の制約はないものとすれば、理論上可能な最大炉速Ｖ(m／h)はＫ／（ρ×ｔ×ｗ）で与えられる。

なお、実際には炉の加熱能力などの単一の制約から制約炉速が決定できる訳ではなく、熱処理炉の入側部分、中央部分である熱処理炉、熱処理炉の出側部分、それぞれにおける制約が存在し、それら全ての制約を満たす最大の炉速を選択するのが好ましい。

各制約から規定される制約炉速としては、大きく４種類の制約炉速、すなわち、入側制約炉速、中央制約炉速、出側制約炉速、およびその他制約炉速がある。

先ず入側制約炉速としては、コイル切替時にルーパー短端（下限）とならないための制約炉速、コイル切替後にルーパーを回復するための制約炉速、および入側次コイルの準備を行う時間確保のための制約炉速などがある。

また中央制約炉速としては、炉の加熱能力による制約炉速、ヒートパターン変更での絞りを抑制するための制約炉速、および在炉時間確保のための制約炉速などがある。

また出側制約炉速としては、コイル切替時にルーパー長端（上限）とならないための制約炉速、コイル切替後にルーパーを回復するための制約炉速、および次使用テンションリールの巻取準備を行う時間確保のための制約炉速などがある。

さらにその他制約炉速としては、オペレータの設定に係る上下限速度から受ける共通制約速度（たとえば、オペレータが強制的に設定できるコイル毎の制約炉速、オペレータが強制的に連続したコイル全体に設定できるステータス制約炉速など）、および後述する昇温・降温に間に合うための制約炉速などがある。

以上の全ての制約炉速を満たす制約炉速を算出する。そして、連続熱処理ラインに装入される予定である、異なる複数の鋼帯について、それぞれの制約炉速を順に算出する。

次に、Step02では、中央速度制約スケジュールの算出を行う。鋼帯単位で求めた制約炉速を順番に繋げて、横軸を鋼帯長手位置として中央速度制約スケジュールを求める。

そして、Step03では、スケジュールが変更されたかどうかの判断を行う。なお、この判断ステップは、中央速度制約スケジュールの再スケジュールを繰り返した場合にスケジュールに変更が見られなくなった場合の処理終了を判断するものである。前のStep02が最初に求めた中央速度制約スケジュールである場合は、無条件で次のStep04に進む。

Step04では、加減速時点での速度変更幅＞閾値 かどうかの判断を行う。中央速度を変更する点において、速度変更幅（速度変更量の絶対値）を算出し、この速度変更幅が予め決めた閾値を上回る場合には加減速レートの補正を行う。

図３は、中央速度制約スケジュールの修正を説明する概念図である。図３（ａ）は、Step0１で求めた中央速度制約スケジュールを示し、図３（ｂ）は、加減速時点の内で加減速レートを修正すべき時点または修正すべきでない時点を示している。

図３（ａ）の中央速度制約スケジュールでは、加速または減速を行うところ３箇所（加減速開始１〜３）あるが、加減速の速度変更幅が予め決めた閾値を超えた、鋼帯長手方向の２ヶ所が加減速レートの修正対象であることを示している（図３（ｂ）参照）。

Step04で閾値を超えなかった場合には、処理を終了し、Step04で閾値を超えた場合には、Step05で加減速レートを修正する。加減速レートの修正にあたっては、鋼帯のサイズや熱処理条件に応じた加減速レートを予め決めたテーブルからのテーブル値とする、あるいは熱処理設備の温度変更における時定数を利用した、例えば以下の（１）式による加減速レートとする。

図４は、加減速レートの修正前後の中央速度制約スケジュールを示す図である。図４（ａ）は、加減速レートの修正前の中央速度制約スケジュールを示しており、鋼帯長手位置の中央の速度変動幅が小さい部分が修正の対象外であり、両側の加減速部分が修正対象である。そして、図４（ｂ）の加減速レートの修正後の中央速度制約スケジュールでは、両側の修正対象での加減速レートが小さく修正されている。

図４（ｂ）では加減速レートのみ変更するような例を示しているが、実際には加減速レートを変えることでルーパーの貯留・消費量や熱処理設備到達タイミングが変わるため、炉速スケジュール全てを見直すこと（再スケジューリング）が必要になる。そこで、Step05で加減速レートを修正した後には、Step06以降の再スケジューリングを行う。

Step02中央速度制約スケジュールからの繰返し処理を、Step03でYesとなるか、Step04でNoとなるまで行い、最終的に求められた中央速度制約スケジュールと加減速レートに従った中央速度が決定される。この決定した中央速度に基づいて、熱処理設備の中央速度が制御される。

なお、Step03での再スケジュールの変更判断にあたっては、再スケジュール前後での加減速開始終了時点のそれぞれの違いが一定範囲に収まったことなどによって行うようにする。

１ 払出しリール
２ 入側設備
３ 入側ルーパー
４ 熱処理設備
５ 出側ルーパー
６ 出側設備
７ 巻取りリール
８ プロセスコンピュータ

Claims (4)

1. 入出側にルーパーを持ち、これらのルーパー間に熱処理設備を配置した連続熱処理ラインにおいて、
   連続熱処理ラインの設備能力制約条件および鋼帯の品質に起因する品質確保制約条件に基づき、鋼帯単位で制約炉速を算出し、
   鋼帯単位で求めた制約炉速を順番に繋げて、横軸を鋼帯長手位置として中央速度制約スケジュールを求め、
   該中央速度制約スケジュール内で中央速度を変更する加減速時点の速度変更幅が閾値より大きい場合には加減速レートの修正を行い、
   修正した加減速レートに基づいて中央速度制約スケジュールを求める再スケジューリングを、中央速度制約スケジュールに変更がなくなるまで、もしくは中央速度制約スケジュールに変更があっても加減速時点の速度変更幅が閾値以下になるまで行い、
   最終的に求められた中央速度制約スケジュールと加減速レートに従って中央速度を制御することを特徴とする連続熱処理ラインの中央速度制御方法。
2. 請求項１に記載の連続熱処理ラインの中央速度制御方法において、
   加減速レートの修正にあたっては、
   熱処理条件に応じた加減速レートを予め決めたテーブルからのテーブル値とする、あるいは熱処理設備の温度変更における時定数を利用した算出式を用いることを特徴とする連続熱処理ラインの中央速度制御方法。
3. 入出側にルーパーを持ち、これらのルーパー間に熱処理設備を配置した連続熱処理ラインにおいて、
   連続熱処理ラインの設備能力制約条件および鋼帯の品質に起因する品質確保制約条件に基づき、鋼帯単位で制約炉速を算出する手段と、
   鋼帯単位で求めた制約炉速を順番に繋げて、横軸を鋼帯長手位置として中央速度制約スケジュールを求める手段と、
   該中央速度制約スケジュール内で中央速度を変更する加減速時点の速度変更幅が閾値より大きい場合には加減速レートの修正を行う手段と、
   修正した加減速レートに基づいて中央速度制約スケジュールを求める再スケジューリングを、中央速度制約スケジュールに変更がなくなるまで、もしくは中央速度制約スケジュールに変更があっても加減速時点の速度変更幅が閾値以下になるまで行う手段と、
   最終的に求められた中央速度制約スケジュールと加減速レートに従って中央速度を制御する手段とを具備することを特徴とする連続熱処理ラインの中央速度制御装置。
4. 請求項３に記載の連続熱処理ラインの中央速度制御装置において、
   前記加減速レートの修正を行う手段では、
   熱処理条件に応じた加減速レートを予め決めたテーブル、あるいは熱処理設備の温度変更における時定数を利用した算出式を具備することを特徴とする連続熱処理ラインの中央速度制御装置。