JP6631824B1 - 連続焼鈍における鋼板の加熱方法および連続焼鈍設備 - Google Patents

Abstract

直火型の加熱炉と、均熱炉および冷却炉を有する連続焼鈍設備において鋼板を加熱する際、上記加熱炉と均熱炉との間に直火型のセミ均熱炉を配設し、上記加熱炉では、加熱炉出側の鋼板温度が（目標均熱温度−ΔＴ）となるよう加熱し、上記セミ均熱炉では、炉温を鋼板の目標均熱温度に設定して、セミ均熱炉内のいずれかの位置で鋼板温度が目標均熱温度となるよう加熱することで、鋼板の長さ方向および幅方向の温度を均一化し、かつ、鋼板が加熱目標とする均熱温度を超えて過加熱されるのを確実に防止する鋼板の加熱方法とその連続焼鈍設備。ここで、上記ΔＴは、加熱炉で板温をフィードバック制御したときの鋼板温度の振れ幅以上、かつ、セミ均熱炉の鋼板加熱能力の１／２以下の値である。

Description

本発明は、鋼板の連続焼鈍に関する技術であり、具体的には、熱延鋼板や冷延鋼板の連続焼鈍に用いて好適な鋼板の加熱方法と、その方法に用いる連続焼鈍設備に関するものである。

熱間圧延した鋼板（熱延鋼板）や冷延圧延した鋼板（冷延鋼板）に熱処理を施す方法としては、箱焼鈍炉を用いたバッチ焼鈍と、鋼板コイルを巻き戻しながら焼鈍炉内に通板し、連続的に熱処理を施す連続焼鈍とがあるが、近年では、生産性に優れる後者の連続焼鈍が多く用いられるようになってきている。この連続焼鈍は、バッチ焼鈍と比較して、鋼板の処理温度を均一化できたり、処理時間を短縮できたりするという利点がある。しかし、その反面、処理時間の短縮に伴い、急速加熱したり、焼鈍温度（均熱温度）を高温化したりする必要があり、これに起因して、コイル内の長さ方向や幅方向の鋼板温度が不均一化し易いという問題を抱えている。

連続焼鈍における鋼板内の処理温度を均一化する技術として、例えば、特許文献１には、先行する鋼帯の熱間圧延方向先端と後行する鋼帯の熱間圧延方向先端とを接合するか、または、先行する鋼帯の熱間圧延方向後端と後行する鋼帯の熱間圧延方向後端とを接合して連続的に熱処理を施す方法が開示されている。しかし、この特許文献１に開示の技術は、コイル長手方向の熱処理温度を間接的に均一化しようとする技術であり、鋼板温度を直接的に均一化しようとする技術ではない。また、この技術を実施するには、コイルの半数を巻き直す必要があり、生産性を著しく阻害するという問題がある。

また、特許文献２には、鋼板を焼鈍炉で連続焼鈍する際、焼鈍炉の上流側に予熱炉を設置して鋼板を予熱し、予熱炉の出側かつ焼鈍炉入側において測定された板温に基づいて、炉内加熱装置に供給する燃料流量を制御し、板温を焼鈍温度に保持する板温フィードフォワード制御を行なう連続焼鈍工程における板温制御方法が開示されている。

特開２００５−２３２４８２号公報 特開２００４−１９７１４４号公報

ところで、近年、熱延鋼板や冷延鋼板の分野においては、最終製品の品質特性に対する要求が年々厳しくなる傾向にあり、該要求を満たすために、鋼板に施す熱処理温度を極めて厳格に管理する、例えば、鋼板コイルの長さ方向の温度均一化だけでなく、鋼板の板幅方向の温度分布を所定の範囲内に均一化したり、鋼板が所定の温度を超えて過加熱されるのを防止したりする必要がある場合があることがわかってきた。

しかしながら、上記特許文献２に開示の技術は、予熱炉出側で測定した板温に基づいて、焼鈍炉に供給する燃料の流量を制御し、焼鈍炉における板温を制御しているが、予熱炉出側の板温をも制御する技術ではない。そのため、予熱炉出側で鋼板に大きな温度不均一や過加熱が発生していた場合には、焼鈍炉で鋼板温度を所定の範囲内に制御することが難しくなるという問題があった。

本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、連続焼鈍における長さ方向および幅方向の鋼板温度を均一化するだけでなく、鋼板が加熱目標とする均熱温度を超えて過加熱されるのを確実に防止することができる鋼板の加熱方法を提案するとともに、そのための連続焼鈍設備を提供することにある。

発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意検討を重ねた。その結果、直火型の加熱炉と、均熱炉および冷却炉を有する鋼板の連続焼鈍設備において、上記加熱炉と均熱炉との間に直火型のセミ均熱炉を配設し、上記加熱炉においては、加熱炉出側の鋼板温度（以降、「板温」とも略記する）が加熱目標とする均熱温度（以降、「目標均熱温度」ともいう）に対してΔＴだけ低い温度まで加熱し、上記セミ均熱炉においては、炉温を上記目標均熱温度に設定し、上記ΔＴを適正範囲に制御することにより、セミ均熱炉内のいずれかの位置で板温が目標均熱温度となるよう緩速加熱することで、上記目的を達成できることを見出し、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、直火型の加熱炉と、均熱炉および冷却炉を有する連続焼鈍設備における鋼板の加熱方法において、上記加熱炉と均熱炉との間に直火型のセミ均熱炉を配設し、上記加熱炉では、加熱炉出側の鋼板温度が（目標均熱温度−ΔＴ）となるよう加熱し、上記セミ均熱炉では、炉温を鋼板の目標均熱温度に設定して、セミ均熱炉内のいずれかの位置で鋼板温度が目標均熱温度となるよう加熱することを特徴とする鋼板の加熱方法を提案する。ここで、上記ΔＴは、加熱炉で板温をフィードバック制御したときの鋼板温度の振れ幅以上、かつ、セミ均熱炉の鋼板加熱能力の１／２以下の値とする。

本発明の上記鋼板の加熱方法は、上記セミ均熱炉の直火型バーナに供給する燃料の流量が、セミ均熱炉の燃料供給能力の下限値に達したときにはΔＴの値を大きくし、セミ均熱炉の燃料供給能力の上限値に達したときにはΔＴの値を小さくすることを特徴とする。

また、本発明の上記鋼板の加熱方法は、上記セミ均熱炉の直火型バーナに供給する燃料の流量を、セミ均熱炉の（燃料供給能力の下限値×１．２〜燃料供給能力の上限値×０．８）の範囲内とすることを特徴とする。

また、本発明は、直火型の加熱炉、均熱炉および冷却炉を有する鋼板用の連続焼鈍設備において、上記加熱炉と均熱炉との間に直火型のセミ均熱炉を設けてなり、上記加熱炉は、加熱炉出側の鋼板温度が（目標均熱温度−ΔＴ）となるよう加熱し、上記セミ均熱炉は、炉温を鋼板の目標均熱温度に設定して、セミ均熱炉内のいずれかの位置で鋼板温度が目標均熱温度となるよう加熱するものであることを特徴とする鋼板の連続焼鈍設備を提供する。ここで、上記ΔＴは、加熱炉で板温をフィードバック制御したときの鋼板温度の振れ幅以上、かつ、セミ均熱炉の鋼板加熱能力の１／２以下の値である。

本発明によれば、直火型の加熱炉と均熱炉の間に直火型のセミ均熱炉を設置し、鋼板板温が目標均熱温度に到達する直前に、セミ均熱炉で緩速加熱するようにしたので、鋼板を目標均熱温度に収束し易くなり、鋼板長手方向および幅方向の板温を均一化することができるとともに、鋼板が目標均熱温度を超えて過加熱されることを確実に防止することができる。したがって、本発明によれば、鋼板の熱処理温度を格段に精度よく制御することができるので、製品品質の向上や安定化に大いに寄与する。

連続焼鈍設備における鋼板温度の制御方法を説明する図である。 連続焼鈍における総括伝達係数Φ_ＣＧの経時変化の一例を示すグラフである。 図１に示した方法にフィードバック制御を付加した鋼板温度の制御方法を説明する図である。 本発明のセミ均熱炉を有する連続焼鈍設備における鋼板温度の制御方法を説明する図である。 本発明のセミ均熱炉の稼働有無による、セミ均熱炉出側で測定した板温の経時変化を比較して示すグラフである。 本発明のセミ均熱炉の稼働有無による、鋼板の長手方向の温度変動量（３σ）と板幅方法の温度差を比較して示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
図１は、直火型の加熱炉と、均熱炉と冷却炉を有する鋼板用連続焼鈍設備の前半部分の加熱炉と均熱炉における鋼板温度（板温）の制御方法を示したものである。図１において、鋼板１は、図の左側から加熱炉２に導入され、加熱炉の出側（図１のＡ点）に至るまでの間に、加熱目標とする均熱温度（目標均熱温度）まで加熱された後、均熱炉３に導入されて、該均熱温度に所定の時間保持された後、冷却される。この際、加熱炉２においては、上記の上位計算機において、入力された被処理材（鋼板）の条件（板厚、板幅、比熱等）や焼鈍条件（通板速度、雰囲気ガス、総括熱伝達係数Φ_ＣＧ等）に基づいて加熱炉２の炉温設定値が算出され、この炉温設定値を達成するために、加熱炉２に供給される燃料と空気の流量が自動制御されている。また、均熱炉３においては、炉温は鋼板の加熱目標温度である均熱温度に設定され、この炉温設定値を達成するために、均熱炉３に供給される燃料と空気の流量が自動制御されている。

なお、上記上位計算機による加熱炉の炉温設定値も求め方については、種々の方法があるが、例えば、下記（１）式のような熱伝達モデル式を用いて、収束計算することにより求めることができる。
ΔＴ_ｓ／ΔＸ＝２・Φ_ＣＧ・σ（Ｔ_ｆ ^４−Ｔ_ｓ ^４）／Ｃ_ｐ・ρ・Ｄ・Ｌ_ｓ …（１）
ここで、Ｔ_ｓ：出側板温（Ｋ）
Ｘ：加熱長（ｍ）
Φ_ＣＧ：総括熱伝達係数（総括熱吸収率）
σ：ステファン・ボルツマン定数（Ｊ／ｓ・ｍ^２Ｋ^４）
Ｔ_ｆ：炉温（Ｋ）
Ｃ_ｐ：比熱（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）
ρ：比重（ｋｇ／ｍ^３）
Ｄ：板厚（ｍｍ）
Ｌ_ｓ：通板速度（ｍ／ｓ）

ここで、上記加熱炉２の出側（図２中のＡ点）においては、前述したように、鋼板温度（板温）が、加熱目標である均熱温度まで正確に加熱されていることが必要である。しかしながら、上記した上位計算機に入力された条件は、常に一定ではなく、時々刻々と変化する。特に、加熱に用いるバーナがラジアントチューブ型ではなく、直火型のものを用いている加熱炉では、総括熱伝達係数Φ_ＣＧの経時変化が大きい。図２は、直火型バーナを用いている加熱炉を有する連続焼鈍設備において、板幅１０５２〜１０６２ｍｍの熱延鋼板に１０００℃の熱延板焼鈍を施す際、炉の立上げから２４時間経過するまでの間における総括熱伝達係数Φ_ＣＧの経時変化を実測した結果の一例を示したものである。このように総括熱伝達係数Φ_ＣＧが大きく変動する連続焼鈍設備においては、加熱炉の炉温を精度よく設定することは難しく、したがって、加熱炉出側（Ａ点）における板温を所定の目標均熱温度に制御することは不可能である。

そこで、上記問題点を解決するため、図３に示したように、加熱炉出側のＡ点に板温計４を設置して加熱出側の板温を測定し、この測定結果を炉温制御システムにフィードバックして、上記加熱炉出側Ａ点における板温が加熱目標の均熱温度となるよう、加熱炉に供給する燃料および空気の流量を制御し、炉温を調整することが行われている。この図３においては、板温計４で測定した加熱炉出側Ａ点の板温実測値ＰＶと、予め入力された加熱目標の均熱温度ＳＶとを対比し、その差に応じて加熱炉の設定温度に修正を加えている。

図３に示した鋼板温度の制御方法を採用することで、加熱炉出側における板温を加熱目標とする均熱温度に対して±α℃の変動幅を有して制御することが可能となる。しかし、以下のような問題点がある。
（１）加熱炉の熱容量は非常に大きく、上記のようなフィードバック制御では、ゲインをいくら上げても炉温の変化が遅いため、精度よい炉温制御が難しい。
（２）製品特性を向上するためには均熱温度は高い方が望ましいが、板温が高くなり過ぎると却って製品特性に悪影響を及ぼすような場合には、目標均熱温度に対してプラス側となる過加熱は避ける必要がある。また、熱エネルギーの観点からも目標均熱温度超えとなるような加熱は好ましくない。

そこで、本発明は、上記問題点に対する対応するため、図４に示したように、前述した加熱炉２と均熱炉３との間にセミ均熱炉５を設け、加熱炉２では、鋼板を加熱炉出側の板温が（均熱温度−ΔＴ）となるよう加熱し、セミ均熱炉５では、炉温を加熱目標とする均熱温度に設定し、セミ均熱炉５の出側より前の位置、即ち、セミ均熱炉５内のいずれかの位置（図４中に示したＢ点）で鋼板が均熱温度となるよう加熱する鋼板の加熱方法を提案する。

ここで、上記ΔＴは、加熱炉出側（図４のＡ点）で測定した鋼板温度に基づいて、加熱炉の炉温をフィードバック制御したときの加熱炉出側における鋼板温度の平均値に対する振れ幅を±α（℃）としたとき、α以上の値とする必要がある。ここで、上記αは、加熱炉出側板温の標準偏差σの３倍の値と定義する。上記ΔＴがα℃未満では、加熱炉の炉温をフィードバック制御した場合、鋼板温度が上振れしたときに、加熱炉出側で板温が加熱目標均熱温度をオーバーしてしまう部分が生じるおそれがある。

一方、上記ΔＴは、セミ均熱炉の炉温を加熱目標の均熱温度に設定したとき、セミ均熱炉において加熱可能な鋼板温度上昇量、すなわち、セミ均熱炉の鋼板加熱能力をβ（℃）としたとき、２ΔＴがβ以下、すなわち、ΔＴがβの１／２以下の値とする必要がある。ΔＴがβ／２の値より大きいと、加熱炉の炉温をフィードバック制御した場合、鋼板温度が下振れしたときに、セミ均熱炉で板温を目標とする均熱温度まで加熱することができない部分が生じるおそれがあるからである。なお、ΔＴは、好ましいβの０．４以下、より好ましくはβの０．３以下である。なお、上記セミ均熱炉における鋼板加熱能力βは、前述した加熱炉の炉温設定に用いている熱伝達モデルにより求めることができる。

上記本発明の加熱方法では、セミ均熱炉の出側に到達するまでの間のいずれかの位置で、鋼板を過加熱することなく目標とする均熱温度に加熱することができ、しかも、板幅方向に均一に加熱することができる。しかし、ΔＴが上記条件を満たしたとしても、ΔＴの値が小さ過ぎると、セミ均熱炉の前半部分で板温が目標均熱温度に到達することになり、実質的に均熱時間の延長を招くことになる。したがって、ΔＴは、均熱時間に対する許容範囲が厳しい場合には、セミ均熱炉の出側にできるだけ近い位置で均熱温度に到達するように設定する、具体的には、セミ均熱炉の長さにもよるが、ΔＴは、セミ均熱炉の後半側１／２の範囲で均熱温度に到達するように設定するのが好ましく、後半側１／３の範囲で均熱温度に到達するように設定するのがより好ましい。

また、本発明のセミ均熱炉の鋼板加熱能力βは、セミ均熱炉の直火型バーナに供給する燃料と空気の供給能力、特に、燃料の供給能力（供給流量）に大きく依存しており、ΔＴの設定値にも影響を及ぼす。そこで、本発明の鋼板加熱方法では、上記セミ均熱炉の直火型バーナに供給する燃料の流量実績値が、供給能力の下限値に達したとき（燃料供給能力に余力があるとき）にはΔＴを大きく設定し、逆に、供給能力の上限値に達したとき（燃料供給能力に余力がないとき）にはΔＴを小さく設定することが好ましい。

さらに、セミ均熱炉で鋼板を目標とする均熱温度まで安定的に加熱する観点から、セミ均熱炉の直火型バーナに供給する燃料の流量は、供給能力の下限値×１．２〜供給能力の上限値×０．８の範囲内における鋼板加熱能力βから上記ΔＴの上限を設定するのが好ましい。より好ましくは、供給能力の下限値×１．３〜供給能力の上限値×０．７の範囲内である。

なお、図４のセミ均熱炉の出側（図４中に示したＣ点）に板温計６を配設している。この板温計６は、セミ均熱炉出側における鋼板温度を測定するものであり、セミ均熱炉の炉温のフィードバック制御には用いていないが、フィードバック制御に用いてもよいことは勿論である。また、このＣ点の板温計６は、鋼板板幅方向の温度差を測定するため、少なくとも鋼板の板幅中央部と両幅端部の３点の板温を測定できるものであることが好ましい。

図４に示した、直火型の加熱炉、均熱炉および冷却炉を有し、上記加熱炉と均熱炉との間に、本発明の機能を有する直火型のセミ均熱炉を配設した連続焼鈍設備において、板厚２．０ｍｍ×板幅１１００ｍｍの熱延鋼板に、均熱温度を１０００℃とする熱処理を施した。なお、上記セミ均熱炉は、従来の加熱炉の後半部分を、前半部分と切り離して本発明のセミ均熱炉の機能を付与したものであり、セミ均熱機能が不要な場合には、従来の加熱炉としても使用することが可能となっている。
この際、上記熱処理は、セミ均熱炉を稼働して本発明の機能を発現させた場合、すなわち、炉温を均熱温度に設定して、加熱炉出側の鋼板温度が（均熱温度−ΔＴ）に設定し、上記ΔＴを本発明にしたがって適正範囲に制御した場合（発明例）と、セミ均熱炉の稼働を停止して、従来の加熱炉の一部として使用した場合（比較例）の２条件で行い、上記セミ均熱炉の出側に設置した板温計（図４に示した板温計６）を用いて鋼板の板幅中央と板幅両端部の３点の板温を連続測定した。

図５は、セミ均熱炉出側で測定した熱延鋼板の板幅中央部の実績温度の経時変化を、セミ均熱炉の稼働有無で比較して示したものである。なお、図５の縦軸の温度は、本発明例の平均値を０℃とした温度である。この図から、セミ均熱炉を設置することによって、鋼板長手方向の温度変化量は、３σ：１０．３℃から４．３℃へと１／２以下（ここで、上記σは標準偏差である。）に減少している。その結果、従来は、鋼板の過加熱を懸念して加熱炉出側におけるΔＴの値を大きい値に設定していたが、本発明例では、上記懸念がないため、ΔＴの値を小さくすることができるので、鋼板を早期に均熱温度まで加熱することができることがわかる。

また、図６は、図５に示した鋼板長さ方向の板温変動量に加えて、鋼板板幅方向の温度差（板幅方向の最高温度と最低温度の差）を発明例と比較例で対比して示したものである。この図から、板幅方向の温度差も、本発明のセミ均熱炉を適用することで、９．２℃から４．０℃へと１／２以下に低減できていることがわかる。

なお、本発明に関する上記説明では、セミ均熱炉は直火型であることを前提として説明してきたが、本発明のセミ均熱炉は直火型に限定されるものではなく、板温制御の精度を高める観点からは、ラジアントチューブ型であってもよい。

１：鋼板（鋼帯）
２：加熱炉
３：均熱炉
４：板温計
５：セミ均熱炉
６：板温計

Claims (4)

1. 直火型の加熱炉と、均熱炉および冷却炉を有する連続焼鈍設備における鋼板の加熱方法において、
   上記加熱炉と均熱炉との間に直火型のセミ均熱炉を配設し、
   上記加熱炉では、加熱炉出側の鋼板温度（℃）が（目標均熱温度（℃）−ΔＴ（℃））となるよう加熱し、
   上記セミ均熱炉では、炉温を鋼板の目標均熱温度に設定して、セミ均熱炉内のいずれかの位置で鋼板温度が目標均熱温度となるよう加熱することを特徴とする鋼板の加熱方法。ここで、上記ΔＴは、加熱炉で板温をフィードバック制御したときの鋼板温度の振れ幅以上、かつ、セミ均熱炉の鋼板加熱能力の１／２以下の値とする。
2. 上記セミ均熱炉の直火型バーナに供給する燃料の流量が、セミ均熱炉の燃料供給能力の下限値に達したときにはΔＴの値を大きくし、セミ均熱炉の燃料供給能力の上限値に達したときにはΔＴの値を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の鋼板の加熱方法。
3. 上記セミ均熱炉の直火型バーナに供給する燃料の流量を、セミ均熱炉の（燃料供給能力の下限値×１．２〜燃料供給能力の上限値×０．８）の範囲内とすることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼板の加熱方法。
4. 直火型の加熱炉、均熱炉および冷却炉を有する鋼板用の連続焼鈍設備において、
   上記加熱炉と均熱炉との間に直火型のセミ均熱炉を設けてなり、
   上記加熱炉は、加熱炉出側の鋼板温度（℃）が（目標均熱温度（℃）−ΔＴ（℃））となるよう加熱し、
   上記セミ均熱炉は、炉温を鋼板の目標均熱温度に設定して、セミ均熱炉内のいずれかの位置で鋼板温度が目標均熱温度となるよう加熱するものであることを特徴とする鋼板の連続焼鈍設備。ここで、上記ΔＴは、加熱炉で板温をフィードバック制御したときの鋼板温度の振れ幅以上、かつ、セミ均熱炉の鋼板加熱能力の１／２以下の値である。