JP7302553B2

JP7302553B2 - 加熱炉の炉温制御方法、鋼材の製造方法および加熱設備

Info

Publication number: JP7302553B2
Application number: JP2020148057A
Authority: JP
Inventors: 祥宏鳥越; 展也池田; 悟史上岡
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2040-09-03
Also published as: JP2022042605A

Description

本発明は、加熱炉の炉温制御方法、鋼材の製造方法および加熱設備に関する。

一般的な直火型の連続多帯式加熱炉は、複数の帯域にそれぞれ配設される複数のバーナーで被加熱材を加熱する。その際、被加熱材の目標抽出温度を確保したうえで、各帯域の炉温を制御するのに必要な燃料流量の和が最小となるような昇温パターンとするのが通常である（特許文献１）。

また、特許文献２には、加熱炉内のバーナーに供給する燃焼空気流量の制御により被加熱材の昇温過程で発生するスケール量を低減する方法が記載されている。

特許文献３には、加熱炉で消費されるエネルギー、圧延機その他設備で消費されるエネルギーを総合的に最適化する手法が記載されている。

特開平０９－３１６５３１号公報特開２０１９－６０５８８号公報特開２０１３－６６９２９号公報

しかしながら、上記従来の技術には、未だ解決すべき以下のような問題があった。
上記特許文献１～３に開示の技術には、複数の被加熱材の昇温を行うため加熱炉の燃料使用量と被加熱材に生成されるスケール量とを総合的に勘案し、コストを安くする昇温パターンの制御方法は示唆されていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料使用量を増加させることなく昇温過程で生成されるスケール量を抑制する加熱炉の炉温制御方法、鋼材の製造方法およびその方法に好適な加熱設備を提供することにある。

上記課題を解決し、上記の目的を実現するため開発した本発明にかかる加熱炉の炉温制御方法は、加熱炉内で直列に配された複数の帯域のそれぞれの炉温を予め設定された昇温パターンに基づいて制御する加熱炉の炉温制御方法であって、前記昇温パターンは、各帯域の炉温の制御に必要な燃料流量の和を目的関数とし、前記加熱炉で加熱対象材を加熱することにより前記加熱対象材の表面に生成されるスケール量を制約条件として算出されるものであって、前記制約条件を満たす範囲で前記目的関数が最小となるように算出されたものであることを特徴とする。

なお、本発明にかかる加熱炉の炉温制御方法については、
（ａ）前記制約条件は、前記昇温パターンにより制御した各帯域の炉温を用いて予測される前記加熱炉出側における前記スケール量を、各帯域の現在の炉温を用いて予測される加熱炉出側における前記スケール量以下とすること、
（ｂ）前記昇温パターンによる前記加熱対象材を所定の高温域以上で加熱する加熱時間を、現在の加熱炉において前記高温域以上で前記加熱対象材を加熱する加熱時間より短時間とすること、
（ｃ）前記昇温パターンによる前記複数の帯域の内、炉温が最も高温な特定の帯域の炉温を、前記特定の帯域の現在の炉温より高温とすること、
などがより好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

上記課題を解決し、上記の目的を実現するため開発した本発明にかかる鋼材の製造方法は、上記いずれかの加熱炉の炉温制御方法が適用された加熱炉により加熱対象材を加熱する加熱工程を有するものである。

上記課題を解決し、上記の目的を実現するため開発した本発明にかかる加熱設備は、直列に配列された複数の帯域を有する加熱炉と、各帯域の炉温を予め設定された昇温パターンに基づいて制御する制御装置と、を備える加熱設備であって、前記制御装置は、各帯域の炉温の制御に必要な燃料流量の和を目的関数とし、前記加熱炉で加熱対象材を加熱することにより前記加熱対象材の表面に生成されるスケール量を制約条件として前記昇温パターンを算出するものであって、前記制約条件を満たす範囲で前記目的関数が最小となるように前記昇温パターンを算出することを特徴とする。

なお、本発明にかかる加熱設備については、
（ｄ）前記制約条件は、前記昇温パターンにより制御した各帯域の炉温を用いて予測される前記加熱炉出側における前記スケール量が、各帯域の現在の炉温を用いて予測される加熱炉出側における前記スケール量以下であること、
（ｅ）前記昇温パターンによる前記加熱対象材を所定の高温域以上で加熱する加熱時間は、現在の加熱炉において前記高温域以上で前記加熱対象材を加熱する加熱時間より短時間であること、
（ｆ）前記昇温パターンによる前記複数の帯域の内、炉温が最も高温な特定の帯域の炉温は、前記特定の帯域の現在の炉温より高温であること、
などがより好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

本発明に係る加熱炉の炉温制御方法によれば、複数の加熱対象材の昇温を行うため加熱炉の燃料使用量を削減しつつ加熱対象材に生成されるスケール量を抑制する昇温パターンを決定することで、燃料使用量を増加させることなく昇温過程で生成されるスケール量を抑制することが可能となる。もって、コストの低減と品質の向上に寄与するので、産業上有用である。

本発明の一実施形態にかかる加熱設備を示す概略説明図である。上記実施形態にかかる加熱炉の炉温制御方法の一例を示す概略フロー図である。上記実施形態にかかる昇温パターン決定計算におけるスケール生成抑制項の導入を示す概念図であって、（ａ）は、従来の最適化の例を示し、（ｂ）は、本発明にかかる最適化の一例を示す。被加熱材を加熱炉で加熱する際に、昇温パターン決定計算におけるスケール生成抑制項の有無による最適炉温と被加熱材の温度変化を示すグラフである。被加熱材を加熱炉で加熱する際に、昇温パターン決定計算におけるスケール生成抑制項の有無によるスケール生成量の変化を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態であるスケール量を抑制する加熱炉の炉温制御方法および加熱設備の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態である加熱設備を示す概略説明図である。図２は、上記実施形態にかかる加熱炉の炉温制御方法の一例を示す概略フロー図である。

本実施形態の加熱設備は、連続多帯式加熱炉１と、昇温パターンを最適化するための計算機１０と、加熱炉１の各帯域の炉温などの実績データを収集し、計算機１０が最適化した昇温パターンに適う各帯域の炉温設定値に基づき、燃料の流量調節を行う制御装置２０を備える。連続多帯式加熱炉１は、図１の例では、被加熱材（加熱対象材）の搬入口から非燃焼帯２、予熱帯３、第１加熱帯４、第２加熱帯５および均熱帯６の各帯域を直列に有している。予熱帯３、第１加熱帯４、第２加熱帯５および均熱帯６は、バーナー７を持ち、燃料の燃焼によって、各帯域の炉温が制御されている。加熱対象材である鋼材（図示せず）は、非燃焼帯２から、均熱帯６に向かって加熱炉１の中を搬送されて、目標抽出温度まで加熱される。図１中に鋼材の移動方向８を矢印で示す。

計算機１０は、プロセスコンピューターなどを用いることができ、収集した鋼材トラッキング情報１５によって、鋼材の在炉時間を計算する在炉時間計算部１１と、制御装置が収集し、送信された各帯域の炉温等の実績データに基づき鋼材温度を計算する鋼材温度計算部１２と、鋼材情報や目標抽出温度情報、設備耐熱温度情報などの加熱基準１６、在炉時間および鋼材温度から最適な昇温パターンを計算する最適昇温パターン計算部１３と、計算された最適な昇温パターン、在炉時間および鋼材温度から各帯域の設定炉温を計算する炉温計算部１４と、を有する。

制御装置２０は、ＤＣＳ（分散制御システム）などを用いることができ、加熱炉１各帯域の炉温を含む実績データを収集し（２１）、計算機１０の鋼材温度計算部１２に送信する（２２）。また、制御装置２０は、計算機１０から送信された各帯域の設定炉温（２３）に基づき、各帯域に燃料の流量調節弁指令（２４）を発する。ここで、図１の例では、計算機１０と制御装置２０とを分離しているが、計算機１０と制御装置２０とを一体としてもよいし、機能ごとに、または、各機能をさらに分割して構成してもよい。

本実施形態の加熱炉の炉温制御方法を図２のフロー図に基づき説明する。まず、制御の開始にあたり、各帯域の炉温等の実績データおよび鋼材トラッキング情報を収集する（Ｓ１）。得られた情報に基づき、計算機１０が、鋼材温度計算（Ｓ２）および在炉時間計算（Ｓ３）の処理を行う。計算された鋼材温度および在炉時間、さらに、各種制約条件に基づき最適昇温パターンを計算する（Ｓ４）。計算された昇温パターン、鋼材温度および在炉時間に基づき、各帯域の設定炉温を計算する（Ｓ５）。計算された設定炉温に基づき、制御装置２０が各帯域の燃料流量調節弁に指令を発し（Ｓ６）、終了する。

次に、本実施形態における昇温パターンの最適化について説明する。
鉄鋼プロセスにおいて、鋼材表面でのスケール（酸化物）の成長は、酸化物皮膜中のイオン拡散が律速している場合、拡散速度に依存するため、その時間変化が放物線的な関係であることが既に知られている。よって、酸化膜厚みは下記数式１に示す（１）式で表すことができ、酸化物の重量も酸化膜厚みから計算できる。ここで、ｘ：酸化膜厚み［μｍ］、ｔ：酸化時間［ｓｅｃ］、Ｋ_Ｐ：酸化速度定数［μｍ^２／ｓｅｃ］、Ｔ：鋼材温度［Ｋ］、Ａ、Ｂ：定数［－］、Ｐ：酸素分圧［ａｔｍ］、Ｒ：気体定数［８．３１４Ｊ／（Ｋ・ｍｏｌ）］である。

スケールの発生要因としては、被加熱材（加熱対象材）の表面温度が高い状態で大気雰囲気での加熱時間が長くなることで被加熱材にスケールが生成されると推定される。このことから、スケール削減のためには、被加熱材の表面温度が高い状態での加熱時間を短くすることが重要であると推定される。図３（ａ）に示す従来法による加熱炉の最適昇温パターン計算１３では、各制約条件式を満たしながら、目的関数、つまり、各帯域の燃料流量の和が最小となるような決定変数、つまり、各帯域の炉温を求めるために、たとえば、線形計画法を用いて解を導出している。しかしながら、スケールの量については考慮していない。

本実施形態では、図３（ｂ）に示すように昇温パターン計算ロジックにスケール抑制項を導入する。最適昇温パターン計算のロジックにスケール抑制項の導入を検討した結果を述べる。一般的に、スケール損失額に対して燃料費の方がコストへの影響が遥かに大きい。コスト管理は重要であり、スケール削減とコスト削減を共に実現する必要がある。このため、最適昇温パターン計算で求める目的関数、つまり、全燃料流量の最小化において、できるだけ燃料流量に影響を与えることなくスケール生成量を減らす昇温パターンを算出することとした。

リアルタイムで計算される昇温パターン計算において、燃料流量に関する目的関数を最小化するために用いる不等式制約条件式の中にスケール抑制項を新たに導入することで加熱炉の燃料使用量と被加熱材に生成されるスケール量との総合的にコストを安くする昇温パターンを考案した。具体的に、スケール抑制項である線形な制約条件式については、最適昇温パターンで加熱したときに生成する酸化膜厚みｘｏｐｔと、現状の炉温で加熱したときに生成する酸化膜厚みｘｐｒｅに対し、ｘｏｐｔ≦ｘｐｒｅなる不等号条件式とした。ｘｏｐｔおよびｘｐｒｅをそれぞれ求めるために、各帯域の出側鋼材温度に対して、酸化膜厚みｘ［μｍ］が鋼材表面温度Ｔ［Ｋ］に比例するように線形近似を行い、下記数式２の（２）式に示す。ｄｘ／ｄｔは、酸化膜厚みの時間変化［μｍ／ｓｅｃ］である。これにより酸化膜厚みを線形式で近似することができ、上記不等号条件式の両辺をそれぞれ線形式にて導出することができる。この線形式を下記数式３の（３）式に示す。ここで、θ’ｏｉｍ：昇温パターン計算で求める最適炉温で加熱した場合の被加熱材の表面温度［Ｋ］、θｏｉｍ：現在の炉温で加熱した場合の被加熱材の表面温度［Ｋ］、ｉ：連続多帯式加熱炉の帯域情報、ｋ：連続多帯式加熱炉の帯域の数である。図３（ｂ）は、本発明の一実施形態である昇温パターン決定計算におけるスケール抑制項の導入方法を示す概念図である。最適昇温パターン計算１３における不等式制約条件式にスケール抑制項を導入することで、スケール生成を抑制する最適昇温パターン計算のロジックを考案した。

最適昇温パターン計算１３に必要な炉温を用いて消費燃料を算出する方法や各鋼材の昇温パターンを算出する方法、具体的な炉温の設定方法については、特許文献１に記載の方法を用いることができる。計算に当たっては、設備の耐熱温度なども制約条件として考慮する。

上記（１）式から明らかなように、被加熱材である鋼材のスケール生成速度は、高温ほど大きくなる。したがって、最適昇温パターン計算１３において、被加熱材を所定の高温域以上で加熱する加熱時間を、現在の炉温のうち、同じ所定の高温域で加熱する時間より短くすれば、スケールの生成を抑制することができて好ましい。例えば、被加熱材が１０００℃以上に加熱される時間で管理することができる。

また、最適昇温パターン計算１３において、炉温が最も高温となる、たとえば、均熱帯６の炉温を、現在の炉温より高温とすれば、加熱炉１出側の被加熱材の目標抽出温度を同じとする条件では、最適昇温パターン計算１３に基づき、第１加熱帯４や第２加熱帯５の炉温を低くすることとなる。したがって、被加熱材を高温域で加熱する時間が短くなり、スケール生成の抑制が図れて、好ましい。

本発明の他の実施形態は、上記加熱炉の炉温制御方法が適用された加熱炉を用い、被加熱材を加熱するにあたり、スケール抑制項を有する最適昇温パターン計算により、各帯域の炉温を制御する加熱工程を有する鋼材の製造方法である。加熱する鋼材としては、たとえば、ブルームやビームブランク、スラブ、各種形鋼が適用できる。後工程に圧延工程、熱処理工程などを任意で施すことができる。

図４は、図１の加熱設備を用い、表１の条件Ｎｏ．Ａ１およびＡ２に示す最適昇温パターン決定計算におけるスケール抑制項の有無に基づく炉温設定値と被加熱材の表面温度軌跡の結果を示すグラフである。併せて、各帯域の炉温を表示した。図４に示す例では、被加熱材の寸法は長さ４．７６ｍ、厚み０．２１５ｍ、幅１．０５ｍであり、炉に挿入する時の被加熱材の温度は１００℃とし、炉内の搬送速度を１４．４ｍ／ｈｒとし、炉内５帯の初期炉温は装入側から順に５７５℃、９００℃、１１００℃、１２５０℃、１３００℃とした。図４および表１に示す通り、昇温パターン計算をスケール抑制項有無で計算した結果、スケール抑制項無（Ａ１）に比べてスケール抑制項考慮（Ａ２）ではより後段帯域（均熱帯６）の炉温が高くなる。また、スケール抑制無（Ａ１）の場合に使用される総燃料使用量は７５３２ｍ^３／ｈｒ、スケール抑制有（Ａ２）の場合に使用される総燃料使用量は７５６７ｍ^３／ｈｒとなり、燃料の使用量の増加率は＋０．４７％である。燃料使用量が増加したのは、燃料流量最小化を求める最適化問題において、スケール抑制項となる不等式制約条件式を導入したことによる。図５は、上記昇温パターン決定計算におけるスケール抑制項の導入方法の有無によるスケール生成量の変化を示すグラフであり、図４の条件による昇温パターンにて被加熱材を昇温させた場合に被加熱材に生成される酸化膜厚みを示している。被加熱材の表面温度が高い状態での加熱時間を短くするために後段で被加熱材の表面温度を上げるスケール抑制項を導入することで酸化膜厚みを０．２ｍｍ（８％）減少させることが可能となった。この時、スケールの増減量と燃料流量の増減量の比は、－８（％）／＋０．４７（％）＝－１７．０であった。

また他の条件として、表１に示す条件Ｂ１およびＢ２では、被加熱材の寸法は長さ５ｍ、厚み０．２ｍ、幅１．０５ｍであり、炉に挿入する時の被加熱材の温度は１００℃とし、炉内の搬送速度を１２ｍ／ｈｒとし、炉内５帯の初期炉温は装入側から順に６００℃、８００℃、１０００℃、１２００℃、１３００℃とした。本条件においても、スケール抑制無（Ｂ１）に比べてスケール抑制考慮（Ｂ２）の場合の燃料の使用量の増加率は０．６１％であるのに対し、酸化膜厚みは７％削減することができた。この時、スケールの増減量と燃料流量の増減量の比は、－７（％）／＋０．６１（％）＝－１１．５であった。このことから、本スケール抑制手法を用いることでコストに相関のあるスケールの増減量と燃料流量の増減量の比を－１１．５以下にすることが可能である。

一方で、上記（３）式に示した制約条件式において、現状鋼材温度、つまり、従来法による昇温パターンで加熱したときに生成する酸化膜厚みの９０％、８０％および７０％の酸化膜厚みとなる条件についても同様に最適昇温パターン計算を行ったが、最適化問題にて解が得られなかった。理由は、最適化計算において均熱帯６の炉温が設備制約の温度を超えたためであった。これらの結果は、燃料使用量をほとんど増加させることなくスケール生成量を抑制できることを明らかにした結果である。つまり、昇温パターン計算にスケール抑制項を導入した結果、算出した昇温パターンによる実験が実施例に記載された実験であり、消費燃料は微増したものの、スケール削減によるコスト減の方が大きくなった。

上記結果導出に用いた条件は上記記載の値のみに限られるものではない。さらに、燃焼帯４帯を含む合計５帯域の加熱炉の場合の結果を示したが、これも帯域数は上記に限られるものではない。以上、本発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１加熱炉
２非燃焼帯
３予熱帯
４第１加熱帯
５第２加熱帯
６均熱帯
７バーナー
８被加熱体（鋼材）移動方向
１０計算機
１１在炉時間計算部
１２鋼材温度計算部
１３最適昇温パターン計算部
１４炉温計算部
１５鋼材トラッキング情報
１６加熱基準情報
２０制御装置
２１実績（温度）データ収集
２２実績データ送信
２３炉温設定値送信
２４流量調節弁指令

Claims

加熱炉内で直列に配された複数の帯域のそれぞれの炉温を予め設定された昇温パターンに基づいて制御する加熱炉の炉温制御方法であって、
前記昇温パターンは、各帯域の炉温の制御に必要な燃料流量の和を目的関数とし、前記加熱炉で加熱対象材を加熱することにより前記加熱対象材の表面に生成されるスケール量を制約条件として算出されるものであって、前記制約条件を満たす範囲で前記目的関数が最小となるように算出されたものであることを特徴とする加熱炉の炉温制御方法。
前記制約条件は、前記昇温パターンにより制御した各帯域の炉温を用いて予測される前記加熱炉出側における前記スケール量を、各帯域の現在の炉温を用いて予測される加熱炉出側における前記スケール量以下とすることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉の炉温制御方法。
前記昇温パターンによる前記加熱対象材を所定の高温域以上で加熱する加熱時間を、現在の加熱炉において前記高温域以上で前記加熱対象材を加熱する加熱時間より短時間とすることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱炉の炉温制御方法。
前記昇温パターンによる前記複数の帯域の内、炉温が最も高温な特定の帯域の炉温を、前記特定の帯域の現在の炉温より高温とすることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の加熱炉の炉温制御方法。
請求項１～４のいずれか１項に記載の加熱炉の炉温制御方法が適用された加熱炉により加熱対象材を加熱する加熱工程を有する鋼材の製造方法。
直列に配列された複数の帯域を有する加熱炉と、各帯域の炉温を予め設定された昇温パターンに基づいて制御する制御装置と、を備える加熱設備であって、
前記制御装置は、各帯域の炉温の制御に必要な燃料流量の和を目的関数とし、前記加熱炉で加熱対象材を加熱することにより前記加熱対象材の表面に生成されるスケール量を制約条件として前記昇温パターンを算出するものであって、前記制約条件を満たす範囲で前記目的関数が最小となるように前記昇温パターンを算出することを特徴とする加熱設備。
前記制約条件は、前記昇温パターンにより制御した各帯域の炉温を用いて予測される前記加熱炉出側における前記スケール量が、各帯域の現在の炉温を用いて予測される加熱炉出側における前記スケール量以下であることを特徴とする請求項６に記載の加熱設備。
前記昇温パターンによる前記加熱対象材を所定の高温域以上で加熱する加熱時間は、現在の加熱炉において前記高温域以上で前記加熱対象材を加熱する加熱時間より短時間であることを特徴とする請求項６または７に記載の加熱設備。
前記昇温パターンによる前記複数の帯域の内、炉温が最も高温な特定の帯域の炉温は、前記特定の帯域の現在の炉温より高温であることを特徴とする請求項６～８のいずれか１項に記載の加熱設備。