JP7319529B2

JP7319529B2 - バッチ式加熱炉の操業方法

Info

Publication number: JP7319529B2
Application number: JP2019110144A
Authority: JP
Inventors: 聡林; 利一青木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-06-13
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2023-08-02
Anticipated expiration: 2039-06-13
Also published as: JP2020200522A

Description

本発明は、バッチ式加熱炉の操業方法に関する。

鋼材を所定の温度まで加熱するための炉として、例えば特許文献１および特許文献２に記載されたような一方向焚きのバッチ式加熱炉が知られている。特許文献１および特許文献２に記載された例では、炉内で敷台の上に鋼材を互いの間に隙間を開けて積み重ね、炉内上部に配置されたバーナーで炉内を加熱するとともに炉内下部から排ガスを吸引し、バーナーによる加熱雰囲気を鋼材の間に通すことによって鋼材を加熱する。バッチ式加熱炉は、例えば連続式加熱炉に比べて少ない敷地および費用で設置でき、また大量の鋼材を少ない数のバーナーで加熱できることから、現在もなお使用されている。

特開昭５７－１８１３２５号公報特開平２－１４１５３３号公報

しかしながら、上記のようなバッチ式加熱炉では、積み重ねられた各段の鋼材の間で、目標温度に到達するまでの時間に偏差が生じるという問題があった。具体的には、最上段に位置する鋼材は、片面の全体が加熱雰囲気に露出しているため昇温が早く、比較的短時間のうちに目標温度に到達する。一方、下段に位置する鋼材は、加熱雰囲気に露出される面が限られるため昇温が遅く、目標温度に到達するまでの時間が長い。従って、例えば最下段の鋼材が目標温度に到達するまで加熱を継続したときに、バーナーによって供給される熱は既に目標温度に到達している最上段の鋼材を余分に加熱するのにも消費されるため、この点において加熱効率が低下している。

そこで、本発明では、少なくとも２段に積み重ねられた鋼材を加熱するバッチ式加熱炉における加熱効率を向上させることを可能にする、バッチ式加熱炉の操業方法を提供することを目的とする。

本発明のある観点によれば、少なくとも２段に積み重ねられた鋼材を加熱するバッチ式加熱炉の操業方法は、鋼材のうち、最上段に位置する第１の鋼材の温度推定値を第１の推定式を用いて算出し、最上段の次の段に位置する第２の鋼材の温度推定値を第２の推定式を用いて算出する工程と、第１の鋼材の温度推定値が所定値に到達したときに、第１の鋼材をバッチ式加熱炉から抽出する工程と、第１の鋼材が抽出された後、第２の鋼材の温度推定値を第１の推定式を用いて算出する工程とを含む。

上記のバッチ式加熱炉の操業方法において、鋼材は、少なくとも３段に積み重ねられ、鋼材のうち、第２の鋼材の次の段に位置する第３の鋼材の温度推定値を第３の推定式を用いて算出する工程と、第１の鋼材が抽出された後、第３の鋼材の温度推定値を第２の推定式を用いて算出する工程と、第２の鋼材の温度推定値が所定値に到達したときに、第２の鋼材をバッチ式加熱炉から抽出する工程と、第２の鋼材が抽出された後、第３の鋼材の温度推定値を第１の推定式を用いて算出する工程とをさらに含んでもよい。

上記のバッチ式加熱炉の操業方法において、鋼材の温度推定値Ｔｍを、バッチ式加熱炉の炉内雰囲気の温度測定値Ｔｆ、経過時間ｔ、係数Ａおよび比例定数ｋを含む式（ｉ）を用いて算出し、第１の推定式と第２の推定式との間では係数Ａおよび比例定数ｋの少なくともいずれかの値が異なってもよい。

上記の構成によれば、最上段に位置する鋼材の抽出後は上から２段目だった鋼材３が新たに最上段になり、片面の全体が加熱雰囲気に露出されることによって昇温が促進される。これによって、鋼材の余分な加熱を減らし、加熱効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るバッチ式加熱炉の構成を示す断面図である。図１のII－II線矢視図である。図１に示すバッチ式加熱炉において、本発明の実施形態に係る操業方法を実施しない場合の鋼材温度の推移を示すグラフである。図１に示すバッチ式加熱炉において、本発明の実施形態に係る操業方法を実施した実施例の加熱期における鋼材の温度推定値の推移を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は本発明の一実施形態に係るバッチ式加熱炉の構成を示す断面図であり、図２は図１のII－II線矢視図である。図１および図２に示された例において、一方向焚きのバッチ式加熱炉１では、炉床に敷台２が設置され、敷台２の上に鋼材３が積み重ねられる。鋼材３は、少なくとも２段（図示された例では５段）に積み重ねられ、図２に示されるように、平面配置では互いの間に隙間を開けて、かつ隣り合う段の鋼材が互いに交差するように配置される。炉の上方にはスライド式の蓋体４が設置され、蓋体４を開放して上方からクレーンなどを用いて鋼材３を出し入れすることができる。

また、バッチ式加熱炉１では、炉内上部にバーナー５が配置され、バーナー５には燃料ガス、例えばコークス炉ガス（ＣＯＧ：coke oven gas）および空気が供給される。排ガスは炉内下部から煙道６を経由して排出され、レキュペレーター（熱交換器）に供給される。炉内では、バーナー５によって加熱された加熱雰囲気が、積み重ねられた鋼材３の外面、および各段の鋼材３の間の隙間を通過することによって、鋼材３が加熱される。炉内には、炉温を測定するための熱電対７、およびバーナー５の燃焼状態を監視するためのＯ_２濃度計８も設置される。熱電対７には演算装置９が接続され、後述するように温度測定値に基づいて鋼材３の温度推定値を算出する。

図３は、図１に示すバッチ式加熱炉において、本発明の実施形態に係る操業方法を実施しない場合の鋼材温度の推移を示すグラフである。現行のバッチ式加熱炉１において、上述した熱電対７とは別に各段の鋼材３に熱電対を取り付けて、加熱工程における表面温度を測定した。図示された例において、バッチ式加熱炉１における鋼材３の加熱は、すべての鋼材３を約８００℃まで昇温させる予熱期と、予熱期に続いて鋼材３を約１２００℃まで昇温させる加熱期とに分けて実施される。温度測定の結果、予熱期、加熱期とも、最上段の昇温が最も早く、上から２段目、３段目がそれに続き、最下段の昇温が最も遅いことがわかった。

具体的には、経過時間２００分で昇温を開始した場合、予熱期では最上段の鋼材３の表面温度が経過時間約６００分で８００℃を超えるのに対し、最下段の鋼材３の表面温度が約８００℃に到達するのは経過時間約１７００分であり、この間の約１１００分間、最上段の鋼材３は余分に加熱されていることになる。続く加熱期では、最上段の鋼材３の表面温度が経過時間約２０００分で１２００℃を超えるのに対し、最下段の鋼材３の表面温度が１２００℃に到達するのは経過時間約２５００分であり、この間の約５００分間、最上段の鋼材３は余分に加熱されていることになる。この範囲で鋼材３を余分に加熱することによる品質への大きな影響はないが、結果としてバーナー５に余分な燃料を供給することになる点で、加熱効率が低下している。

そこで、本実施形態では、バッチ式加熱炉１での加熱工程において各段の鋼材３の温度推定値を熱電対７の温度測定値に基づく推定式を用いて算出し、最上段の鋼材３の温度推定値が所定値（上記の例では１２００℃）に到達したときに最上段の鋼材３をバッチ式加熱炉１から抽出する。抽出後は上から２段目の鋼材３が新たに最上段の鋼材３になり、片面の全体が加熱雰囲気に露出されることによって昇温が促進される。この手順を繰り返し、新たに最上段になった鋼材３の温度推定値が所定値に到達する度に最上段の鋼材３をバッチ式加熱炉１から抽出すれば、鋼材３の余分な加熱をすることなく、バーナー５に供給した燃料を効率的に用いて、鋼材３の所定の加熱温度まで昇温させることができる。

一例として、鋼材の温度推定値をＴｍ、熱電対７による炉内雰囲気の温度測定値をＴｆ、経過時間をｔ、比例定数をｋとすると、鋼材加熱速度ｄＴｍ／ｄｔについて以下の式（１）が成り立ち、式（１）を積分すると式（２）が、式（２）を変形すると式（３）が得られる。

上記の式（３）における比例定数ｋおよび係数Ａは、鋼材３の段数によって変化しうる。具体的には、比例定数ｋおよび係数Ａは、鋼材３が最上段、または相対的に上の段に位置するほど経過時間ｔ（ｍｉｎ）に対して鋼材の温度推定値Ｔｍ（℃）が上昇しやすくなるように設定される。例えば、鋼材３が４段に積み重ねられたバッチ式加熱炉１において、炉内雰囲気の温度測定値Ｔｆが１２８０℃に制御される場合、最上段、２段目、３段目、および最下段における係数Ａ_１～Ａ_４および比例定数ｋ_１～ｋ_４の値は以下のように設定することができる。４段よりも多い、または４段よりも少ない段数で鋼材３が積み重ねられる場合は、より多くの、またはより少ない係数Ａおよび比例定数ｋが定義されてもよい。

Ａ_１＝７５０，ｋ_１＝－０．００５８
Ａ_２＝７５０，ｋ_２＝－０．００４５
Ａ_３＝７５０，ｋ_３＝－０．００２３
Ａ_４＝７５０，ｋ_４＝－０．００１８

本実施形態に係るバッチ式加熱炉１では、演算装置９が熱電対７の温度測定値Ｔｆから例えば上記の式（３）、係数Ａ_１～Ａ_４、および比例定数ｋ_１～ｋ_４を用いて各段の鋼材３の温度推定値を算出し、最上段の鋼材３の温度推定値が所定値に到達すると、最上段の鋼材３の抽出を指示する。具体的には、演算装置９は、鋼材３の搬送のためのクレーンのオペレータに鋼材３の抽出を指示する。この場合、例えばオペレータの操作によって蓋体４が開放され、クレーンを用いて最上段の鋼材３が抽出される。なお、最上段の鋼材３の抽出時には、蓋体４が開放されて炉内の加熱雰囲気が放散されることによって一時的に炉内雰囲気の温度が低下するが、炉体および鋼材３に熱が蓄積されているため温度低下は一時的であり、炉内に残された鋼材３の昇温速度に与える影響は小さい。

図４は、図１に示すバッチ式加熱炉において、本発明の実施形態に係る操業方法を実施した実施例の加熱期における鋼材の温度推定値の推移を示すグラフである。図示された例では、経過時間約１４５０分で加熱期が開始されている。この時点での最上段に位置する第１段の鋼材３の温度推定値Ｔｍ_１は、上記の係数Ａ_１および比例定数ｋ_１を用いた以下の式（４）（第１の推定式）を用いて算出される。また、この時点で上から２段目に位置する第２段の鋼材３の温度推定値Ｔｍ_２は、上記の係数Ａ_２および比例定数ｋ_２を用いた式（５）（第２の推定式）を用いて算出される。同様に、この時点で上から３段目に位置する第３段、および４段目に位置する第４段の鋼材３の温度推定値Ｔｍ_３，Ｔｍ_４は、それぞれ式（６）（第３の推定式）および式（７）（第４の推定式）を用いて算出される。

経過時間１７２５分の時点において、最上段に位置する第１段の鋼材３の温度推定値Ｔｍ_１が所定値（１２００℃）に到達したため、第１段の鋼材３をバッチ式加熱炉１から抽出した。この抽出の後、第２段の鋼材３が最上段に位置することになるため、第２段の鋼材３の温度推定値Ｔｍ_２を、係数Ａ_１および比例定数ｋ_１を用いた式（８）（第１の推定式）を用いて算出するように演算装置９の処理を変更する。同様に、新たに上から２段目および３段目に位置する第３段および第４段の鋼材３の温度推定値Ｔｍ_３，Ｔｍ_４を、それぞれ式（９）（第２の推定式）および式（１０）（第３の推定式）を用いて算出するように演算装置９の処理を変更する。

以下同様に、最上段になった第２段の鋼材３の温度推定値Ｔｍ_２が所定値（１２００℃）に到達したら第２段の鋼材３をバッチ式加熱炉１から抽出し、第３段および第４段の鋼材３の温度推定値Ｔｍ_３，Ｔｍ_４をそれぞれ式（１１）（第１の推定式）および式（１２）（第２の推定式）を用いて算出するように演算装置９の処理を変更する。

第３段の鋼材３の温度推定値が所定値に到達して第３段の鋼材３が抽出され、バッチ式加熱炉１には第４段の鋼材３のみが残ると、第４段の鋼材３の温度推定値Ｔｍ_４を以下の式（１３）（第１の推定式）を用いて算出するように演算装置９の処理を変更する。

上記の実施例において、温度推定値Ｔｍ_４が所定値に到達し、第４段の鋼材３をバッチ式加熱炉１から抽出して加熱工程を終了したのは経過時間２０７５分の時点であった。従来、すなわち第１段から第４段の鋼材３を途中で抽出することなく第４段の鋼材３が所定の温度（１２００℃）に到達するまで加熱を継続した場合は経過時間２３１０分の時点で第４段の鋼材３が所定の温度に到達したため、本発明の実施形態に係る操業方法によって加熱工程の時間を２３５分短縮できたことになる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内において、各種の変形例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１…バッチ式加熱炉、２…敷台、３…鋼材、４…蓋体、５…バーナー、６…煙道、７…熱電対、９…演算装置。

Claims

少なくとも２段に積み重ねられた鋼材を加熱する炉内上部にバーナーが配置されたバッチ式加熱炉の操業方法であって、
前記鋼材のうち、最上段に位置する第１の鋼材の温度推定値を第１の推定式を用いて算出し、最上段の次の段に位置する第２の鋼材の温度推定値を第２の推定式を用いて算出する工程と、
前記第１の鋼材の温度推定値が所定値に到達したときに、前記第１の鋼材を前記バッチ式加熱炉から抽出する工程と、
前記第１の鋼材が抽出された後、前記第２の鋼材の温度推定値を前記第１の推定式を用いて算出する工程と
を含む、バッチ式加熱炉の操業方法。
前記鋼材は、少なくとも３段に積み重ねられ、
前記鋼材のうち、前記第２の鋼材の次の段に位置する第３の鋼材の温度推定値を第３の推定式を用いて算出する工程と、
前記第１の鋼材が抽出された後、前記第３の鋼材の温度推定値を前記第２の推定式を用いて算出する工程と、
前記第２の鋼材の温度推定値が前記所定値に到達したときに、前記第２の鋼材を前記バッチ式加熱炉から抽出する工程と、
前記第２の鋼材が抽出された後、前記第３の鋼材の温度推定値を前記第１の推定式を用いて算出する工程と
をさらに含む、請求項１に記載のバッチ式加熱炉の操業方法。
前記鋼材の温度推定値Ｔｍを、前記バッチ式加熱炉の炉内雰囲気の温度測定値Ｔｆ、経過時間ｔ、係数Ａおよび比例定数ｋを含む式（ｉ）を用いて算出し、前記第１の推定式と前記第２の推定式との間では係数Ａおよび比例定数ｋの少なくともいずれかの値が異なる、請求項１または請求項２に記載のバッチ式加熱炉の操業方法。