JP6935159B1 - 帯状体の処理状態シミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】様々なデーターを入手しなくても、炉内を搬送される帯状体の処理状態を適切にシミュレーションできる方法の提供。【解決手段】帯状体Ｗが炉１０内で搬送されて処理される状態を検知するにあたり、帯状体を炉内で搬送させる搬送路Ｒを設定すると共に、帯状体を搬送路に沿って搬送させて炉内において処理する処理条件を設定し、帯状体と同じ特性を有する高粘度の流体Ｗａが帯状体と同じ速度で搬送路に沿って流れるとみなして流体解析を行い、炉内を搬送される帯状体の処理状態をシミュレーションする。【選択図】図４

Description

本発明は、帯状体が炉内で搬送されて処理される状態をシミュレーションする帯状体の処理状態シミュレーション方法に関するものである。特に、帯状体を炉内で搬送させて処理する場合において、帯状体を炉内で搬送させて熱処理する実験を何度も繰り返して行って様々なデーターを入手しなくても、炉内における温度や気流等の状態をシミュレーションして、炉内を搬送される帯状体の処理状態を適切にシミュレーションできるようにした点に特徴を有するものである。

従来から、特許文献１、特許文献２等に示されるように、鋼帯等からなる帯状体を炉内で搬送させて連続熱処理することが行われている。

また、このように鋼帯等からなる帯状体を炉内で搬送させて連続熱処理するにあたって、帯状体を連続熱処理する連続熱処理炉の温度制御を行うために、例えば、特許文献３に示されるように、先行鋼帯の後端部と後行鋼帯の先端部を溶接して形成した連続鋼帯を鋼帯連続熱処理炉の加熱帯を通過させながら加熱し、ブロアで冷却風が吹込まれる徐冷帯を通過させながら徐冷する際に、後端部側を除く先行鋼帯の徐冷処理は、徐冷帯の板温調整をフィードバック制御で行い、先行鋼帯の後端部側及びこれに続く後行鋼帯の徐冷処理は、操業条件変更毎にフィードフォワード制御をタイマーで設定された時間行うようにした鋼帯連続熱処理炉の温度制御方法が知られている。

そして、この特許文献３においては、フィードバック制御は、前記徐冷帯から出る前記先行鋼帯の出側板温に基づいて、板温調整をＰＩＤ制御で行い、前記フィードフォワード制御では、ブロア回転数、徐冷帯内を通過する連続鋼帯に冷却風を吹付けて冷却する際の強制対流熱伝達係数、及び冷却風の放出口から連続鋼帯までの吹付け距離の関係を学習させることにより決定した、ブロアの回転数Ｎを求めるのに必要な実験式を予め求めておき、フィードフォワード制御時のブロア回転数Ｎは、徐冷帯に進入する連続鋼帯の板厚、該徐冷帯に進入する該連続鋼帯のライン速度、徐冷帯に進入する連続鋼帯の入側板温設定値、徐冷帯から出る連続鋼帯の出側板温設定値、及び連続鋼帯に吹付ける冷却風の風温度をパラメータとして含む強制対流熱伝達係数予測式から算出される強制対流熱伝達係数を前記実験式に代入して得られる予測回転数に０．９以上１．１以下の係数を乗じて得られる範囲内の値に設定し、更に、フィードフォワード制御時に、ブロア回転数Ｎが予め設定された最小回転数未満で、かつ徐冷帯から出る連続鋼帯の出側板温が出側板温設定値未満の場合は、ブロア回転数Ｎを最小回転数に設定し徐冷帯に設けたヒーターにより炉温の調整を行うようにしたものが提案されている。

ここで、特許文献３に示されるものは、鋼帯連続熱処理炉の徐冷帯から出る鋼帯温度を制御するにあたって、前記のように先行鋼帯の後端部と後行鋼帯の先端部を溶接して形成した連続鋼帯を鋼帯連続熱処理炉の加熱帯を通過させながら加熱し、ブロアで冷却風が吹込まれる徐冷帯を通過させながら徐冷する際に、後端部側を除く先行鋼帯の徐冷処理は、徐冷帯の板温調整をフィードバック制御で行い、先行鋼帯の後端部側及びこれに続く後行鋼帯の徐冷処理を、操業条件変更毎にフィードフォワード制御をタイマーで設定された時間で行うようにしている。

そして、この特許文献３のものにおいては、前記のフィードフォワード制御において、様々な条件の下でブロアの回転数Ｎを求めるのに必要な実験式を予め求め、この実験式にさらに所定のパラメータとして含む強制対流熱伝達係数予測式から算出される強制対流熱伝達係数を代入して得られる予想回転数に基づいてブロア回転数Ｎを設定し、フィードフォワード制御時に、前記のブロア回転数Ｎを予め設定された最小回転数と比較すると共に、徐冷帯から出る連続鋼帯の出側板温状態にして基づいて、ブロア回転数Ｎを前記の最小回転数に設定して、徐冷帯に設けたヒーターにより炉温の調整を行うようにしている。

しかし、特許文献３に示されるものは、先行鋼帯の後端部と後行鋼帯の先端部を溶接して形成した連続鋼帯を実際に連続熱処理炉内で搬送させて連続熱処理し、鋼帯連続熱処理炉の徐冷帯から出る鋼帯温度を制御するだけのものであり、様々な帯状体を様々な連続熱処理炉内で搬送させて処理する状態をシミュレーションすることはできず、また鋼帯連続熱処理炉の徐冷帯から出る鋼帯温度を制御するにも、非常に面倒な計算や制御が必要になるという問題があった。

また、特許文献４においては、板厚、板幅あるいは加熱炉出口温度基準が異なるストリップを加熱炉に連続的に通板して連続焼鈍を行う連続焼鈍炉において、これら板厚、板幅、加熱炉出口温度基準（板温基準）の変更（セット替）あるいは中央ライン速度の変更時かつ／またはコイル内一定周期にて操作量として加熱炉の燃料流量を変更して、加熱炉出口ストリップ温度（板温）を制御するにあたり、現在から将来にわたる板温を連続的に予想しかつ／または現在から将来にわたる炉温を連続的に予測し、目標板温と予想板温との偏差かつ／または目標炉温と予想炉温との偏差および加熱炉の燃料流量の変動量による所定の評価関数を最適化する燃料流量を算出し、板温を制御するようにしたものが示されている。

そして、この特許文献４においては、加熱炉出口ストリップ温度（板温）を制御するにあたり、板温を炉温、燃料流量、板厚、板幅、中央ライン速度から予測する公知の板温予想モデルを利用し、またゾーン毎の炉温を燃料流量、板厚、板幅、中央速度から予想するゾーン炉温予想モデルを設け、これらのモデルによって板温及びゾーン炉温を連続的に予想するようにしている。その後、板温、ゾーン炉温、燃料流量、板厚、板幅、中央速度の各実績値を所定の周期にサンプリングして、前記の板温予想モデル及びゾーン炉温予想モデルに入力し、このような操作を繰り返して、板温及びゾーン炉温を連続的に予想し、また上記のように予想した予想板温と目標板温との偏差、予想ゾーン炉温と目標予想ゾーン炉温との偏差及び燃料流量の変動量を連続的に評価して評価関数を設定し、この評価関数に基づいて、最適な燃料流量を算出して、板温を制御するようにしている。

しかし、この特許文献４のものにおいては、板温を炉温、燃料流量、板厚、板幅、中央ライン速度から予測する公知の板温予想モデルを利用して板温及びゾーン炉温を予想するため、このようなデーターを予め収集したものが必要になり、データーのない新規な炉や板材に対応することが困難であり、また前記のように板温及びゾーン炉温を予想した後も、板温、ゾーン炉温、燃料流量、板厚、板幅、中央速度の各実績値を周期的にサンプリングして修正することが必要になり、板温を適切に制御することが非常に面倒で困難であり、様々な連続熱処理炉において、様々な帯状体を搬送させて処理する状態を適切にシミュレーションすることはできないという問題があった。

また、炉内の気体（流体）の中を走行する鋼帯（固体）の温度変化をシミュレーションするのは、物質が異なる気体と固体とでシミュレーション方法が異なるため、それを合わせて行うのは非常に計算が複雑であり、その結果の信頼性も低かった。

特公昭６３−６６８８３号公報 特公昭５２−２６７２３号公報 特許第５１１８３９３号公報 特開平４−７２０２２号公報

本発明は、帯状体が炉内で搬送されて処理される状態をシミュレーションするにあたり、帯状体を炉内で搬送させて処理する実験を何度も繰り返し行って様々なデーターを入手しなくても、炉内における温度や気流等の状態をシミュレーションして、炉内を搬送される帯状体の処理状態を適切にシミュレーションできるようにすることを課題とするものである。

本発明においては、前記のような課題を解決するため、帯状体が炉内で搬送されて処理される状態をシミュレーションする帯状体の処理状態シミュレーション方法において、前記の帯状体を炉内で搬送させる搬送路を設定すると共に、前記の帯状体を搬送路に沿って搬送させて炉内において処理する処理条件を設定し、前記の帯状体と同じ特性を有する粘度が０．６ｍＰａ・ｓ以上の高粘度の流体が帯状体と同じ速度で前記の搬送路に沿って流れるとみなして流体解析を行い、炉内を搬送される帯状体の処理状態をシミュレーションするようにした。ここで、前記のように流体解析を行うにあたっては、例えば、市販の流体解析ソフト（ＡＮＳＹＳ Ｆｌｕｅｎｔ：ＡＮＳＹＳ Ｉｎｃ）を用いることができる。

そして、本発明における帯状体の処理状態シミュレーション方法のように、帯状体を炉内で搬送させる搬送路を設定すると共に、前記の帯状体を搬送路に沿って搬送させて炉内において処理する処理条件を設定し、前記の帯状体と同じ特性を有する高粘度の流体が帯状体と同じ速度で前記の搬送路に沿って流れるとみなして流体解析を行うようにすると、帯状体が搬送路を沿って炉内で搬送される場合と同様に、搬送路に沿って流れる前記の高粘度の流体によって炉内における温度や気流等が変化する状態がシミュレーションされ、このように搬送路に沿って流れる高粘度の流体の状態を解析することにより、炉内を搬送される帯状体の処理状態をシミュレーションできるようになる。

ここで、本発明における帯状体は、固体であればよく、金属製の鋼帯の他、布や紙や樹脂フィルム等、何でもよい。

そして、本発明では、前記のような固体には存在しない「粘度」を仮定して固体を流体とみなしたことにより、流体と固体とではなく、流体同士として計算できるため、シミュレーション方法が統一でき、シミュレーションが簡単に速く行えるようになる。

そして、本発明における帯状体の処理状態シミュレーション方法においては、前記の高粘度の流体が、乱流状態ではなく、層流状態で前記の搬送路に沿って流れるように設定する。このように、高粘度の流体が層流状態で前記の搬送路に沿って流れるように設定すると、搬送路に沿って流れる高粘度の流体の状態が乱れることなく、帯状体と同様の状態で解析されるようになり、搬送路に沿って搬送される帯状体の処理状態を正確にシミュレーションできるようになる。

また、本発明における帯状体の処理状態シミュレーション方法においては、前記の高粘度の流体に、シミュレーションする帯状体の厚み、幅、密度、比熱、熱伝導率の特性を設定してシミュレーションする。このようにすると、実際に使用する帯状体に対応したシミュレーションが行えるようになる。

また、本発明における帯状体の処理状態シミュレーション方法においては、前記の高粘度の流体として、高粘度の流体における粘度を０．６ｍＰａ・ｓ以上に設定したため、搬送路に沿って流れる高粘度の流体によって炉内における温度や気流等が変化する状態が安定してシミュレーションされて、帯状体に対応したシミュレーションが行えるようになる。

また、本発明における帯状体の材質が金属であることを特徴とする。これは、工業的に帯状の金属を炉内において高温で熱処理することが多いので、前記のシミュレーション方法を最も有効に利用できる。

本発明においては、帯状体を炉内で搬送させて処理する状態をシミュレーションするにあたり、前記の帯状体を炉内で搬送させる搬送路を設定すると共に、前記の帯状体を搬送路に沿って搬送させて炉内において処理する処理条件を設定し、前記の帯状体と同じ特性を有する粘度が０．６ｍＰａ・ｓ以上の高粘度の流体が帯状体と同じ速度で前記の搬送路に沿って流れるとみなして流体解析を行うようにしたため、固体の帯状体が搬送路を沿って炉内で搬送される場合と同様に、搬送路に沿って流れる前記の高粘度の流体によって炉内における温度や気流等が変化する状態がシミュレーションされ、このように搬送路に沿って流れる高粘度の流体の状態を解析することにより、炉内を搬送される帯状体の処理状態をシミュレーションできるようになる。

この結果、本発明における帯状体の処理状態シミュレーション方法によると、帯状体が炉内の気体中で搬送されて処理される状態を検知するにあたり、従来のように、複雑な計算を用いたり、帯状体を炉内で搬送させて熱処理する実験を何度も繰り返して行って様々なデーターを入手しなくても、搬送路に沿って炉内を流れる高粘度の流体の状態を流体解析することにより、炉内における温度や気流等の状態をシミュレーションして、炉内を搬送される帯状体の処理状態を簡単かつ適切にシミュレーションできるようになる。

本発明の実施形態に係る帯状体の処理状態シミュレーション方法において、帯状体を搬送させて処理する炉の内部状態を示し、（Ａ）は帯状体を搬送させる方向に沿って炉を垂直方向に断面した垂直方向の断面説明図、（Ｂ）は帯状体を搬送させる方向に沿って炉を水平方向に断面した水平方向の断面説明図、（Ｃ）は帯状体を搬送させる方向と直交する方向に炉を断面した直交方向の断面説明図である。 前記の実施形態において、内部が加熱された炉内で、帯状体を搬送路に沿って搬送させる状態を示した概略断面説明図である。 前記の実施形態において、前記の炉の内部を加熱させるのに用いる発熱体を示し、（Ａ）は炉内において炉床の上に適当な隙間を介するように設ける底部発熱体の概略斜視図、（Ｂ）は炉内において炉壁から適当な隙間を介するように設ける側部発熱体の概略斜視図である。 前記の実施形態において、帯状体を炉内で搬送させる搬送路に沿って、帯状体と同じ特性を有する高粘度の流体を流した場合を想定して流体解析を行い、炉内における気流等の状態及び炉内を搬送される高粘度の流体（帯状体）の加熱状態をシミュレーションした結果を示した概略断面説明図である。

以下、本発明の実施形態に係る帯状体の処理状態シミュレーション方法を添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、本発明に係る帯状体の処理状態シミュレーション方法は下記の実施形態に示したものに限定されず、発明の要旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施できるものである。

この実施形態においては、図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、断熱材で構成された炉床１１と両側の炉壁１２と炉天井１３とで四角筒状に形成された炉１０の内部を加熱させるようにし、このように加熱された炉１０内において、図２に示すように、鋼帯等からなる帯状体Ｗが炉１０の長手方向に搬送されて加熱処理される状態をシミュレーションするようにしている。

ここで、前記のように炉１０内を加熱させるにあたり、この実施形態においては、炉１０内において、炉床１１の上に適当な隙間を介するようにして板状の底部発熱体２１を炉１０の長手方向に所要間隔を介して順々に設けると共に、炉床１１の両側の炉壁１２からそれぞれ適当な隙間を介するようにして、対になった側部発熱体２２を炉１０の長手方向に所要間隔を介して順々に設けている。

そして、前記のように炉１０内に設けられた前記の各底部発熱体２１及び対になった各側部発熱体２２を発熱させて炉１０内を加熱させ、このように加熱された炉１０内において帯状体Ｗを搬送路Ｒに沿って搬送させて加熱処理するにあたって、前記の帯状体Ｗが処理される状態をシミュレーションする場合について具体的に説明する。

ここで、この実施形態においては、前記の炉１０としては、炉床１１と炉壁１２と炉天井１３とがそれぞれ厚みが５００ｍｍの断熱材で形成され、炉１０の内部の幅Ｓが２０００ｍｍ，高さＨが２０００ｍｍになったものを用いた。

また、前記の底部発熱体２１としては、図３（Ａ）に示すように、厚みｔ１が１０ｍｍ、横方向の長さｘ１が１０００ｍｍ、縦方向の長さｙ１が１０００ｍｍの正方形の板状になったものを用い、前記の側部発熱体２２としては、図３（Ｂ）に示すように、厚みｔ２が１０ｍｍで、横方向の長さｘ２が１０００ｍｍ、縦方向の長さｙ２が５００ｍｍの長方形の板状になったものを用いた。

また、この実施形態においては、前記の底部発熱体２１を、炉１０の両側の炉壁１２からそれぞれ５００ｍｍ離れた炉幅方向の中央に位置において、前記の炉床１１の上に１５０ｍｍの隙間ｄ１を介するようにして、炉１０の長手方向に底部発熱体２１相互が３５００ｍｍの間隔ｆ１を介するようにして順々に設けると共に、前記の側部発熱体２２の横方向が炉１０の長手方向に沿うようにして、各側部発熱体２２を、炉床１１と炉天井１３とからそれぞれ７５０ｍｍ離れた炉１０の高さ方向の中央に位置において、両側の炉壁１２からそれぞれ１５０ｍｍの隙間ｄ２を介すると共に、隣り合う側部発熱体２２相互が炉１０の長手方向に３５００ｍｍの間隔ｆ２を介するようにして順々に設けた。そして、前記の各底部発熱体２１及び各側部発熱体２２の発熱温度をそれぞれ１３９４℃にして、炉１０の内部を加熱させるようにした。

また、この実施形態においては、このように加熱された炉１０内において加熱処理する帯状体Ｗとして、鉄系の金属を想定し、幅が１０００ｍｍ、厚みが１ｍｍ、密度が８０００ｋｇ／ｍ^３、比熱が５００Ｊ／ｋｇ／Ｋになったものを用い、この帯状体Ｗを搬送路Ｒに沿って炉１０内を搬送させる送り速度を０．６３３ｍ／ｓにして加熱処理する場合における帯状体Ｗの処理状態をシミュレーションするようにした。

そして、前記のように帯状体Ｗの処理状態をシミュレーションするにあたっては、前記の固体の帯状体Ｗの代わりに、幅、厚み、密度及び比熱が前記の帯状体Ｗと同じであって、粘度が０．６ｍＰａ・ｓ以上の高粘度の流体Ｗａが、層流状態で帯状体Ｗと同じ０．６３３ｍ／ｓの送り速度で搬送路Ｒに沿って炉１０内を流れる流体と設定し、市販の流体解析ソフト（ＡＮＳＹＳ Ｆｌｕｅｎｔ：ＡＮＳＹＳ Ｉｎｃ）を用いて流体解析を行い、炉１０内における温度や気流等の状態及び炉１０内を搬送される高粘度の流体Ｗａの温度の状態をシミュレーションし、その結果を図４に示した。なお、前記の流体Ｗａの粘度を高く設定するほど固体に近づけることができるが、試験の結果、粘度が０．６ｍＰａ・ｓを超えると、殆んど結果が変わらないことがわかった。

ここで、図４においては、炉１０の入口側から高粘度の流体Ｗａを温度２０℃の状態で炉１０内を搬送させた場合に、この高粘度の流体Ｗａが搬送路Ｒに沿って炉１０の入口側から出口側に向って移動されるに従って、この高粘度の流体Ｗａが次第に加熱されて温度が上昇する状態及び炉１０内における気流等の状態をシミュレーションした結果を示している。なお、この図４においては、前記の高粘度の流体Ｗａが加熱されて、高粘度の流体Ｗａの温度が１００℃になる位置をＰ１、２００℃になる位置をＰ２、３００℃になる位置をＰ３、４００℃になる位置をＰ４、５００℃になる位置をＰ５、６００℃になる位置をＰ６で示した。

そして、このように帯状体Ｗが炉１０内で搬送されて加熱処理される状態を、前記の帯状体Ｗと同じ特性を有する高粘度の流体Ｗａが、帯状体Ｗと同じ条件で炉１０内を搬送路Ｒに沿って流れるとしてシミュレーションした結果は、実際に帯状体Ｗを炉１０内における搬送路Ｒに沿って搬送されて加熱処理する場合に近い結果が得られ、従来困難であった炉１０内における気体の中を走行する固体のシミュレーションが簡単に行えることがわかった。

このため、本実施形態に示すようにして、帯状体Ｗが炉１０内で搬送されて加熱処理される状態をシミュレーションすると、帯状体Ｗを炉１０内で搬送させて熱処理する実験を何度も繰り返して行わなくても、炉１０内を搬送される帯状体Ｗが、炉１０内において加熱されて処理される状態を簡単かつ適切にシミュレーションできるようになった。

１０ ：炉
１１ ：炉床
１２ ：炉壁
１３ ：炉天井
２１ ：底部発熱体
２２ ：側部発熱体
Ｈ ：炉の内部の高さ
Ｓ ：炉の内部の幅
Ｒ ：搬送路
Ｗ ：帯状体
Ｗａ ：高粘度の流体
ｄ１ ：底部発熱体と炉床との隙間
ｄ２ ：側部発熱体と炉壁との隙間
ｆ１ ：底部発熱体相互の炉の長手方向の間隔
ｆ２ ：側部発熱体相互の炉の長手方向の間隔
ｔ１ ：底部発熱体の厚み
ｔ２ ：側部発熱体の厚み
ｘ１ ：底部発熱体の横方向の長さ
ｘ２ ：側部発熱体の横方向の長さ
ｙ１ ：底部発熱体の縦方向の長さ
ｙ２ ：側部発熱体の縦方向の長さ

Claims (4)

1. 帯状体が炉内で搬送されて処理される状態をシミュレーションする帯状体の処理状態シミュレーション方法において、前記の帯状体を炉内で搬送させる搬送路を設定すると共に、前記の帯状体を搬送路に沿って搬送させて炉内において処理する処理条件を設定し、前記の帯状体と同じ特性を有する粘度が０．６ｍＰａ・ｓ以上の高粘度の流体が帯状体と同じ速度で前記の搬送路に沿って流れるとみなして流体解析を行い、炉内を搬送される帯状体の処理状態をシミュレーションすることを特徴とする帯状体の処理状態シミュレーション方法。
2. 請求項１に記載の帯状体の処理状態シミュレーション方法において、前記の高粘度の流体が層流状態で前記の搬送路に沿って流れると設定することを特徴とする帯状体の処理状態シミュレーション方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の帯状体の処理状態シミュレーション方法において、前記の高粘度の流体に、シミュレーションする帯状体の厚み、幅、密度、比熱、熱伝導率の特性を設定してシミュレーションすることを特徴とする帯状体の処理状態シミュレーション方法。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の帯状体の処理状態シミュレーション方法において、シミュレーションする帯状体の材質が金属であることを特徴とする帯状体の処理状態シミュレーション方法。

Images