JP6981830B2 - 鋼片温度推定装置および方法 - Google Patents
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Description
従来、鋼片の温度を推定する技術として、炉内の液体の状態である溶鋼を装置内に注入し、加熱、冷却して均一な鋼片を作成するために、放熱伝熱および伝導伝熱を求める式を変更した式を用いて、温度推移を予測する技術が提案されている(例えば、特許文献2など参照)。
[鋼片温度推定装置]
まず、図1を参照して、本実施の形態にかかる鋼片温度推定装置10について説明する。図1は、鋼片温度推定装置の構成を示すブロック図である。
この鋼片温度推定装置10は、全体としてサーバ装置、PC、産業用コントローラなどの情報処理装置からなり、鋼片加熱炉1から検出した鋼片Bの装入温度TINおよび炉壁温度TWに基づいて、鋼片加熱炉1で加熱している鋼片Bの内部の鋼片温度Tmを推定する装置である。
次に、図2〜図5を参照して、鋼片加熱炉1について説明する。図2は、鋼片加熱炉の模式図である。図3は、図2のA−A断面図である。図4は、図3のB−B断面図である。図5は、図3のC−C断面図である。ここでは、本実施の形態にかかる鋼片温度推定装置10が適用される鋼片加熱炉1が、ウォーキングハース型の鋼片加熱炉である場合を例として説明するが、これに限定されるものではない。
本発明は、鋼片温度推定装置10は、図2に示すように、装入口4に設置されている放射温度計などの装入温度計21で装入時に計測した、鋼片Bの装入温度TINを起点として、予熱帯1A、加熱帯1B、および均熱帯1Cに設置されている炉壁温度計22A,22B,22Cで計測した、それぞれの炉壁温度TWに基づいて、鋼片Bの鋼片温度Tmを推定するようにしたものである。
操作入力部12は、キーボード、マウス、タッチパネルなどの操作入力装置からなり、オペレータの操作を検出する機能を有している。
画面表示部13は、LCDなどの画面表示装置からなり、メニュー画面、設定画面、算出結果画面などの各種画面を表示する機能を有している。
温度取得部15は、通信I/F部11を介してコントローラ20や上位装置30とデータ通信を行うことにより、鋼片加熱炉1の装入温度計21検出された装入温度TINや、や炉壁温度計22A,22B,22Cで検出された炉壁温度TWを取得して、記憶部14に保存する機能を有している。
図6は、多層平面壁を示す説明図であり、図6(a)は各層の展開図であり、図6(b)は各層に関する伝熱状況を示す説明図である。
図7は、各層に関する伝導伝熱量を示す説明図であり、横軸が各層における鋼片温度を示し、縦軸が各層の距離(厚さ)を示している。図7に示すように、鋼片Bのうち第1層から第4層までの第i層の鋼片温度Tmiと、その第i層の内側に隣接する第j(j=i+1)層の鋼片温度Tmjは、隣接する層ij間を伝熱する伝導伝熱量qijにより変化する。
次に、図8および図9を参照して、本実施の形態にかかる鋼片温度推定装置10の動作について説明する。図8は、鋼片温度推定処理を示すフローチャートである。図9は、鋼片温度推定処理(続き)を示すフローチャートである。
伝導伝熱量算出部17は、記憶部14から取得した、第i(i=1〜Nの整数)層ごとに、重量Wiおよび装入温度TIN[℃]と、記憶部14から取得した熱量と温度との換算係数Cとに基づいて、次の式(9)により、第i層に関する保有熱量Qmi[kJ]をそれぞれ算出する(ステップ102)。
まず、温度取得部15は、炉壁温度計22A,22B,22Cのいずれかで測定された鋼片加熱炉1の炉壁温度TW(t)を、コントローラ20または上位装置30から取得して記憶部14に保存する(ステップ104)。
続いて、鋼片温度算出部18は、前回の算出時刻t−1に算出した第1層の保有熱量Qm1(t−1)を記憶部14から取得し、次の式(10)に基づいて、時刻tにおける第1層の保有熱量Qm1(t)を算出し、記憶部14に保存する(ステップ106)。
また、鋼片温度算出部18は、時刻t−1における第i層のQmj(t−1)と第i層から第j層への伝導伝熱量qij(t)とを記憶部14から取得し、前述した式(3)に基づき、時刻tにおける第j層の保有熱量Qmj(t)(暫定)を算出し、記憶部14に保存する(ステップ114)。
また、鋼片温度算出部18は、時刻tにおける第j層の保有熱量Qmj(t)、第j層の重量Wj、および換算係数Cを記憶部14から取得し、前述した式(4)に基づいて、時刻tにおける第j層の鋼片温度Tmj(t)を算出する(ステップ116)。
ここで、加熱が終了していない場合(ステップ108:NO)、ステップ103に戻って次の算出時刻まで待機する。一方、加熱が終了した場合(ステップ108:YES)、一連の鋼片温度算出処理を終了する。
次に、図12および図13に基づいて、本実施の形態にかかる鋼片温度推定装置10の動作例について説明する。図12は、鋼片温度推定結果(層数N=5)を示すグラフであり、図13は、鋼片温度推定結果(層数N=10)を示すグラフである。いずれのグラフも、横軸が時間[sec]を示し、縦軸が鋼片温度[℃]を示しており、総括熱吸収率としてΦWB=0.67を用いたものである。これらグラフにおいて、TWは炉壁温度を示しており、TTは目標温度を示している。
また、図12のグラフでは、鋼片Bの表面温度Tm1と内部温度Tm5の温度差は27.6[℃]であった。また、図13のグラフでは、鋼片Bの表面温度Tm1と内部温度Tm10の温度差は28.3[℃]であり、両者の推定結果は概ね合致していることが分かった。
特に、ΦWB=0.5では、鋼片表面温度および鋼片内部温度ともに大きく外れているが、ΦWB=0.6以上において、鋼片表面温度が抽出温度とよく整合している。また、鋼片内部温度もその絶対値は異なるものの、ブルームサイズごとの鋼片内部温度とBD電力量との間の負の相関については、その傾きとよく整合している。したがって、鋼片内部温度の変化量からBD電力量の変化量を推定できることが分かる。
次に、図16を参照して、本実施の形態にかかる鋼片温度推定装置10の、計測制御システムへの実装について説明する。図16は、鋼片内部温度の推定結果を示すグラフであり、横軸が時間を示し、縦軸が鋼片温度を示している。この推定結果は、装入温度が100℃下がった場合に、抽出鋼片内部温度が6℃下がることを示しており、実際の運転結果からみて納得できる結果である。
鋼片温度推定装置10を計測制御システムへ実装する場合、その実装要件として、鋼片(最大200本)の鋼片表面温度および鋼片内部温度を推定する必要がある。
このように、本実施の形態は、放射伝熱量算出部16が、多層平面壁を構成する層のうち最も外側に位置する第1層に対して鋼片加熱炉1から伝熱する放射伝熱量を算出し、伝導伝熱量算出部17が、層ごとに、当該層からその内側に隣接する内側層に対して伝熱する伝導伝熱量を算出し、鋼片温度算出部18が、放射伝熱量および伝導伝熱量に基づいて層のそれぞれが保有する保有熱量を算出し、これら保有熱量に基づいて層のそれぞれに関する鋼片温度を算出するようにしたものである。
これにより、鋼片加熱炉1から鋼片Bの第1層に対する放射伝熱量qWB(t)、さらには第1層の鋼片温度Tm1(t)を、少ない処理負担で正確に算出することができる。
これにより、多層平面壁を構成する各層i,j間の伝導伝熱量qij(t)、さらには各層i,jの鋼片温度Tmi(t),Tmj(t)を、少ない処理負担で正確に算出することができ、結果として、鋼片Bの内部温度を少ない処理負担で正確に算出することが可能となる。
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。例えば、抽出鋼片内部温度制御において在炉中の鋼片温度、抽出ピッチ、および炉温から、抽出時の鋼片内部温度を予測することができ、これを用いた予測制御が可能である。
Claims (5)
- 鋼片加熱炉で加熱している鋼片の内部における鋼片温度を推定する鋼片温度推定装置であって、
前記鋼片をその外側から内側に向けて仮想的に設けたN(Nは2以上の整数)個の層からなる多層平面壁と見なした際に、これら層のうち最も外側に位置する一続きの層である第1層に対して前記鋼片加熱炉から伝熱する放射伝熱量を算出する放射伝熱量算出部と、
前記層ごとに、当該層からその内側に隣接する内側層に対して伝熱する伝導伝熱量を算出する伝導伝熱量算出部と、
前記放射伝熱量および前記伝導伝熱量に基づいて前記層のそれぞれが保有する保有熱量を算出し、これら保有熱量に基づいて前記層のそれぞれに関する鋼片温度を算出する鋼片温度算出部と、を備え、
前記鋼片温度算出部は、前記N個の層のうち最も内側に位置する第N層の時刻tにおける前記保有熱量を、その直前の時刻t−1における前記第N層の保有熱量に、前記第N層の外側に隣接する第N−1層からの時刻tにおける前記伝導伝熱量を加算することで算出し、算出した前記保有熱量を前記第N層に関する鋼片温度に換算する、
ことを特徴とする鋼片温度推定装置。 - 請求項1に記載の鋼片温度推定装置において、
前記多層平面壁は、前記鋼片を長手方向に垂直な断面視で四角格子状に分割し、得られた複数の素片のうちから、前記鋼片の底面方向に開口するコの字形状で、前記素片を厚さ1列分ずつ外側から順に選択し、これらコの字形状の両側面を形成する素片を、上面を形成する素片と同一平面上に展開して得られた複数の層からなることを特徴とする鋼片温度推定装置。 - 請求項1または請求項2に記載の鋼片温度推定装置において、
前記放射伝熱量算出部は、時刻tに得られた炉壁温度TW(t)と、その直前の時刻t−1における前記第1層の鋼片温度Tm1(t−1)と、前記鋼片全体と対応する伝熱面積ABとに基づいて、時刻tにおける前記放射伝熱量qWB(t)を算出し、
前記鋼片温度算出部は、時刻tに得られた前記放射伝熱量qWB(t)を、その直前の時刻t−1における前記第1層の保有熱量Qm1(t−1)に加算することにより、時刻tにおける前記第1層の保有熱量Qm1(t)を算出し、得られた保有熱量Qm1(t)を温度に換算することにより時刻tにおける前記第1層の鋼片温度Tm1(t)を算出することを特徴とする鋼片温度推定装置。 - 請求項1〜請求項3のいずれかに記載の鋼片温度推定装置において、
前記伝導伝熱量算出部は、第i(i=1〜N−1の整数)層からその内側に隣接する第j(j=i+1)層への時刻tにおける伝導伝熱量qij(t)を算出する際、時刻tにおける第i層の鋼片温度Tmi(t)とその直前の時刻t−1における第j層の鋼片温度Tmj(t−1)との温度差ΔTと、第i層と第j層との間の層間面積Aijと、前記鋼片の熱伝導率kavとに基づいて、前記伝導伝熱量qij(t)を算出し、
前記鋼片温度算出部は、前記伝導伝熱量qij(t)を、時刻tにおける前記第i層の保有熱量Qmi(t)から減算して前記保有熱量Qmi(t)を更新した後、温度に換算することにより時刻tにおける前記第i層の鋼片温度Tmi(t)を算出し、前記伝導伝熱量qij(t)を時刻t−1における前記第j層の保有熱量Qmj(t−1)に加算して時刻tにおける前記第j層の保有熱量Qmj(t)を算出した後、温度に換算することにより時刻tにおける前記第j層の鋼片温度Tmj(t)を算出する
ことを特徴とする鋼片温度推定装置。 - 鋼片加熱炉で加熱している鋼片の内部における鋼片温度を推定する鋼片温度推定装置で用いられる鋼片温度推定方法であって、
放射伝熱量算出部が、前記鋼片をその外側から内側に向けて仮想的に設けたN(Nは2以上の整数)個の層からなる多層平面壁と見なした際に、これら層のうち最も外側に位置する一続きの層である第1層に対して前記鋼片加熱炉から伝熱する放射伝熱量を算出する放射伝熱量算出ステップと、
伝導伝熱量算出部が、前記層ごとに、当該層からその内側に隣接する内側層に対して伝熱する伝導伝熱量を算出する伝導伝熱量算出ステップと、
鋼片温度算出部が、前記放射伝熱量および前記伝導伝熱量に基づいて前記層のそれぞれが保有する保有熱量を算出し、これら保有熱量に基づいて前記層のそれぞれに関する鋼片温度を算出する鋼片温度算出ステップと、を備え、
前記鋼片温度算出ステップでは、前記鋼片温度算出部が、前記N個の層のうち最も内側に位置する第N層の時刻tにおける前記保有熱量を、その直前の時刻t−1における前記第N層の保有熱量に、前記第N層の外側に隣接する第N−1層からの時刻tにおける前記伝導伝熱量を加算することで算出し、算出した前記保有熱量を前記第N層に関する鋼片温度に換算する、
ことを特徴とする鋼片温度推定方法。
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