JP7350860B2 - 湿度制御装置を伴う製鋼炉 - Google Patents

Description

本発明は、製鋼炉に関し、より詳細には、鋼を加熱および均熱するための炉に関する。具体的には、本発明は、鋼帯焼鈍炉およびその内部湿度の制御に関する。

製鋼所には、多くの異なる種類の炉がある。溶融亜鉛めっきラインには、鋼帯が溶融亜鉛浴に浸漬される前に鋼帯を焼鈍するためのラインの部分がある。図１は、そのような溶融亜鉛めっきライン１の概略図である。焼鈍炉２の配置は、図１から見られることができる。図２は、従来技術の焼鈍炉２およびその制御構造を示す。焼鈍炉２は、典型的には、加熱部３と均熱部４の両方を含む。加熱部３はラジアントチューブ加熱（ＲＴＨ）などの炉とすることができ、均熱部４はラジアントチューブ均熱炉（ＲＴＳ）とすることができる。以下、ＲＴＨ炉３およびＲＴＳ炉４に関して、従来技術および本発明について説明する。

鋼帯は、図２の矢印によって示されるにＲＴＨ３に入る。鋼帯はＲＴＨ３を通って上下に蛇行し、ＲＴＨ３の端部で、鋼帯はＲＴＳ４に入る。鋼帯は、ＲＴＳ４を通って上下に蛇行する。鋼帯は、焼鈍を終了すると、図２の矢印によって示されるようにＲＴＳ４を出る。

ＲＴＨ３およびＲＴＳ４の雰囲気およびその湿度を変更および制御することがしばしば有用である。図２は、ＲＴＨ３およびＲＴＳ４の雰囲気／湿度を制御するための従来技術のシステムの概略図を示す。雰囲気は、典型的にはＨＮ_ｘガスで構成され得るが、他の雰囲気ガスが使用されることもできる。雰囲気ガス５の供給は、ＲＴＨ３およびＲＴＳ４に雰囲気を連続的に供給するために使用される。さらに、蒸気発生器６により、炉の雰囲気が加湿されてもよい。発生器６によって生成された蒸気は、炉に別々に注入されてもよいが、典型的には炉の雰囲気ガスと混合され、次いで混合物が炉に送られる。

湿度はＲＴＨ３およびＲＴＳ４内で制御される必要がある。したがって、蒸気発生器６を連続的にフルブラスト運転することはできない。蒸気入力は、炉内に適切な湿度を生成するように調節されなければならない。さらに、湿度要件は、炉を通過している異なる鋼について異なる。湿度制御および鋼の変化による変化を達成するために、炉は湿度制御システムを有する。従来技術の制御システムは、蒸気発生器６の出力を調整する蒸気発生器コントローラ６’を含む。従来技術のシステムはまた、大気／蒸気入力場所から炉の反対側の端部に配置された露点センサ（７、９）を含む。このセンサは、炉の雰囲気の露点（湿度）を検出し、その測定された信号１０をＰＩＤ（比例積分微分）コントローラ８に送信する。ＰＩＤコントローラ８は、任意の所与の瞬間に炉内にある特定の鋼の所望の炉露点温度（湿度レベル）に対応する設定点入力信号１０を含む。ＰＩＤコントローラはまた、フィードバック信号１０’、１１’を受信する（露点センサ７、９からの測定された露点）。ＰＩＤコントローラは誤差信号を生成し、誤差信号は設定点信号１０、１１と結合して蒸気発生器コントローラの制御信号１０’’、１１’’を生成し、蒸気発生器コントローラは次に蒸気発生器の出力を制御する。

理論的には、この閉ループフィードバック制御システムは、ＲＴＨ３およびＲＴＳ４内の露点を制御することができるべきである。しかしながら、実際には、このシステムは、炉の露点を制御する作業には非常に不十分である。図３は、露点および蒸気発生器の出力と炉を通過する時間／コイル映像のプロットである。システムが特定の鋼に対して設定された露点を有する場合、照準露点と呼ばれるグラフ上の設定点バーがあり、蒸気発生器は（スチーマ出力曲線によって確認され得るように）蒸気を炉ガスに注入する。測定された露点は、ＲＴＳ露点として示されている。露点（およびスチーマ出力）は所望の設定点から著しく変化し、非常に振動性であるため、所望の露点が従来技術のシステムによって達成されていないことは明らかである。

これは完全に許容できず、したがって、所望の露点までより容易に制御することができ、異なる種類の鋼コイルが連続的に通過するときに必要とされる設定点変化に対処することができる炉および制御システムが当技術分野で必要とされている。

本発明は、露点制御システムを伴う鋼帯焼鈍炉を備える。炉／制御システムは、従来技術の制御システムよりも容易に所望の露点に制御することができ、異なる種類の鋼コイルが連続的に通過するときに必要とされる設定点の変化に対処することができる。

本発明は、上部領域および下部領域を有する炉と、炉の上部領域の注入領域に炉の雰囲気ガスを注入するように構成された炉雰囲気注入器とを含む。システムはまた、蒸気を炉の雰囲気ガスに混合するために雰囲気注入システムと結合することができる蒸気発生器を含むことができる。発生器は、蒸気の発生を制御するための蒸気発生器制御ユニットを含むことができる。

炉システムはまた、炉内に所望の露点を提供するように蒸気発生器を制御するための制御システムを含むことができる。制御システムは、入力露点（ＤＰ）設定点信号発生器を含むことができ、入力露点設定点信号発生器は、所望の炉ＤＰに対応するＤＰ設定点信号を生成する。

制御システムは、局所露点を測定し、測定された局所露点を表す信号を送信する２つのＤＰセンサをさらに含むことができる。ＤＰセンサのうちの１つは、炉の上部領域に、かつ注入領域に隣接して配置された上部ＤＰセンサであってもよい。ＤＰセンサの他方は、注入領域から離れた、炉の下部領域に配置された下部ＤＰセンサであってもよい。

制御システムは、カスケードループ構成で構成された２つの比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラをさらに含むことができる。制御はまた、３つの信号変換器（ＳＣ）を含むことができる。各ＳＣは、ＤＰ入力信号を受信し、それを蒸気分圧（ＰＰＳ）出力信号に変換するように設計されている。

ＰＩＤコントローラの下部は、第１のＳＣに接続されてもよく、第１のＳＣは、ＤＰ設定点信号発生器からの入力ＤＰ設定点信号、および下部ＰＩＤコントローラに送信される出力ＰＰＳ設定点信号を有してもよい。下部ＰＩＤコントローラはまた、第２のＳＣに接続され、第２のＳＣは、下部ＤＰセンサからの入力下部フィードバックＤＰ信号、および下部ＰＩＤコントローラに送信される出力下部フィードバックＰＰＳ信号を有することができる。下部ＰＩＤコントローラは、ＰＰＳ設定点信号と下部フィードバックＰＰＳ信号とを比較して、下部ＰＩＤ誤差値を生成することができる。誤差値は、下部ＰＩＤ出力ＰＰＳ信号を生成するためにＰＰＳ設定点信号に加算されてもよい。

下部ＰＩＤコントローラは、上部ＰＩＤコントローラに接続されてもよく、下部ＰＩＤコントローラは、下部ＰＩＤ出力ＰＰＳ信号を上部ＰＩＤコントローラに送信してもよい。下部ＰＩＤ出力ＰＰＳ信号は、上部ＰＩＤコントローラの上部入力ＰＰＳ設定点信号となる。

上部ＰＩＤコントローラはまた、第３のＳＣに接続することができる。第３のＳＣは、上部ＤＰセンサからの入力上部フィードバックＤＰ信号および上部ＰＩＤコントローラに送信される出力上部フィードバックＰＰＳ信号を有することができる。

上部ＰＩＤコントローラは、上部入力ＰＰＳ設定点信号を上部フィードバックＰＰＳ信号と比較し、上部ＰＩＤ出力信号を生成するために、上部入力ＰＰＳ設定点信号に加算されることができる上部ＰＩＤ誤差値を生成することができる。

上部ＰＩＤコントローラは、蒸気発生器制御ユニットに接続されている。上部ＰＩＤコントローラは、上部ＰＩＤ出力信号を蒸気発生器制御ユニットに送信することにより、炉内への蒸気の注入を制御する。

露点制御システムを伴う焼鈍炉は、フィードフォワード制御ユニットをさらに含むことができる。フィードフォワード制御ユニットは、上部ＰＩＤ出力信号に加算される調整信号を計算する。上部ＰＩＤ出力信号に加算される調整信号は、鋼グレード／化学、ライン速度、および鋼帯幅の既知の今度の変化に基づいて計算される。

溶融亜鉛めっきラインの概略図である。 焼鈍炉内の雰囲気／湿度を制御するための従来技術のシステムの概略図である。 従来技術の制御システムの露点および蒸気発生器出力と時間のプロットを示す図である。 ℃における露点と炉ガスの水のパーセントとの間の関係をプロットしている図である。 Ｐａにおける水の分圧と℃における露点との関係をプロットした図である。 制御構造を伴う本発明の炉の概略図である。 本発明の制御構造を使用したＲＴＳ炉の露点といくつかの鋼コイルの製造時間をプロットした図である。 フィードフォワードモジュールを含む本発明の炉／制御システムの概略図である。

本発明は、所望の露点までより容易に制御することができ、異なる種類の鋼コイルが連続的に通過するときに必要とされる設定点変化に対処することができる、鋼帯および制御システムのための焼鈍炉である。

従来技術の炉および制御構造の限界および欠陥を評価する際に、本発明者らは、露点と大気中の水濃度との間の関係が非常に非線形であることに注目した。図４は、℃における露点と炉ガス中の水のパーセントとの関係をプロットしている。図から分かり得るように、関係は非常に非線形であり、露点を制御する作業を非常に困難にする。本発明者らはまた、露点と水の分圧との間の関係が比較的線形であることに注目した。図５は、Ｐａにおける水の分圧と℃における露点との関係をプロットしている。したがって、本発明者らは、すべての露点設定点および露点測定値が、制御構造に入力されたときに分圧に変換されるステップを制御システムに追加した。

本発明者らはまた、露点センサが実際に水を検知するまでの炉に入力される水の混合時間が非常に長いことに注目した。これもまた、水入力とセンサ測定との間の大きなタイムラグのために露点の制御を非常に困難にする。これに対抗するのを助けるために、本発明者らは、蒸気注入点により近い第２の露点センサを追加した。

最後に、本発明者らは、露点の制御を改善するために、元のものとカスケード式の付加ＰＩＤコントローラを追加した。

図６は、新しい制御構造を伴う炉を図示している。１つの炉（ＲＴＨ３）のみが図示されているが、ＲＴＨ３とＲＴＳ４の両方に対して同じ制御構造が実施された。新しい制御構造は、元の露点センサ７および炉の底部を保持し、蒸気注入点の近くの炉の最上部に新しい露点センサ７’を追加する。制御構造はまた、設定された露点および測定された露点を蒸気の分圧に変換するための露点変換器１２、１２’および１２’’を含む。したがって、変換器１２は、設定点露点信号１０を水１０^＊の設定点分圧に変換する。変換器１２’は、下部露点センサ７からの測定された露点信号１０’を蒸気１０’^＊の分圧に変換する。最後に、変換器１２’’は、上部露点センサ７’からの測定された露点信号１０’’’を蒸気１０’’’^＊の分圧に変換する。

℃における露点を大気中の水の分圧に変換するための式は、以下の式によって与えられる、すなわち、

雰囲気からＰａへの変換は、１気圧＝１０１３２５Ｐａであることに留意されたい。

本発明の制御システムは、ここで、カスケード制御を形成する２つのＰＩＤコントローラを含む。蒸気１０^＊の分圧への変換後の設定点信号は、外側ループＰＩＤコントローラ８に入力され、これは、蒸気１０’^＊の分圧に変換された、下部露点センサ７からの測定された露点信号１０’と比較される。外側ループＰＩＤコントローラ８は、２つの信号１０^＊および１０’^＊を使用して誤差信号を生成し、それは、設定点信号１０^＊に加算されて、内側ループＰＩＤコントローラ８’への入力信号１０’’^＊を生成する。

この入力信号１０’’^＊は、蒸気１０’’’^＊の分圧に変換されている、上部露点センサ７’からの測定された露点信号１０’’’と比較される。内側ループＰＩＤコントローラ８’は、２つの信号１０’’^＊および１０’’’^＊を使用して、蒸気発生器６の出力を調整する蒸気発生器コントローラ６’への出力信号１０’’’’^＊を生成する入力信号１０’’^＊に加算される誤差信号を生成する。

炉の制御構造に対するこれらの改善は、炉内の露点制御の著しい改善をもたらす。図７は、本発明の制御構造を使用したＲＴＳ炉の露点といくつかの鋼コイルの製造時間をプロットし、設定点の変化を含んでいる。見て分かり得るように、炉の露点制御は大幅に改善され、連続生産のために十分良好である。

本発明者らは、制御構造へのフィードフォワード機構の可能な必要性をさらに考慮した。フィードフォワード信号は、処理されている鋼の種類（すなわち、炭素含有量、水蒸気との反応性など）、予想される線速度の変化、鋼帯幅の変化、およびシステムに対する雰囲気の変化に基づいて生成される。図８は、フィードフォワードモジュール１４を含む炉／制御システムの図である。フィードフォワード信号１０＾は、これらの要因に基づいて数学的に生成され、カスケード制御システムの出力信号１０’’’’^＊と組み合わされて、蒸気発生器コントローラ６’および最終的に蒸気発生器６への信号を先取り的に調整する。フィードフォワード信号１０＾は、今度の変化が何を伴うかに応じて、蒸気発生器６によって炉に注入される蒸気の量を増減することができる。

（最終的に内側ループＰＩＤ８’によって制御される）スチーマ出力が４％未満または１００％超（すなわち、蒸気発生器６の物理的限界の外側）である場合、その積分器が巻き上がるのを防止する内部論理が存在する。その同じ論理は、巻き上げを防止するためにその積分器を保持状態にするために外側ループＰＩＤに送られる必要がある。

制御システムはまた、乾式論理を含むことができる。この論理は、スチーマ出力が蒸気注入の閾値未満であり、誤差が炉に水が多すぎるような場合には、ＲＴＨ炉とＲＴＳ炉の両方にＨＮｘ（蒸気を追加しない純粋な雰囲気）を大量に送る。これは、炉の露点が非常に高く、スチーマが最も低い設定にある場合に使用される。雰囲気ガス供給５から乾燥雰囲気ガスで炉を大量に満たすと、過剰な水分が非常に迅速に洗い流される。過剰な水分が炉から洗い流されると、蒸気発生器６は、炉を適切な所望の露点に戻すことができる。

Claims (2)

1. 上部領域および下部領域を有する炉を備えた、露点制御システムを伴う鋼帯焼鈍炉であって、前記炉は、
   前記炉の前記上部領域の注入領域に炉の雰囲気ガスを注入するように構成された雰囲気注入システムと、
   前記炉の雰囲気ガスに蒸気を混合するために前記雰囲気注入システムと結合され、蒸気の生成を制御するための蒸気発生器制御ユニットを含む蒸気発生器と、
   前記蒸気発生器を制御して、前記炉内に所望の露点を提供するための制御システムであって、前記制御システムは、入力露点（ＤＰ）設定点信号発生器を含み、これは、所望の炉ＤＰに対応するＤＰ設定点信号を生成する、制御システムと、を含み、
   前記制御システムは、局所露点を測定し、前記測定された局所露点を表す信号を送信する２つのＤＰセンサをさらに含み、前記ＤＰセンサの１つは前記炉の上部領域および隣接する前記注入領域に配置された上部ＤＰセンサであり、前記ＤＰセンサの他方は、前記注入領域から離れた、前記炉の前記下部領域に配置された下部ＤＰセンサであり、
   前記制御システムは、カスケードループ構成で構成された２つの比例積分微分コントローラ（上部ＰＩＤコントローラおよび下部ＰＩＤコントローラ）をさらに含み、
   前記制御システムは、３つの信号変換器（ＳＣ）をさらに含み、各ＳＣは、ＤＰ入力信号を受信し、それを蒸気分圧（ＰＰＳ）出力信号に変換するように設計されており、
   前記下部ＰＩＤコントローラは、第１のＳＣに接続され、前記第１のＳＣは、前記ＤＰ設定点信号発生器からの入力ＤＰ設定点信号、および、前記入力ＤＰ設定点信号から変換されて前記下部ＰＩＤコントローラに送信される出力ＰＰＳ設定点信号を有しており、
   前記下部ＰＩＤコントローラはまた第２のＳＣに接続され、前記第２のＳＣは、前記下部ＤＰセンサからの入力下部フィードバックＤＰ信号、および、前記入力下部フィードバックＤＰ信号から変換されて前記下部ＰＩＤコントローラに送信される出力下部フィードバックＰＰＳ信号を有しており、
   前記下部ＰＩＤコントローラは、前記出力ＰＰＳ設定点信号と前記出力下部フィードバックＰＰＳ信号とを比較し、下部ＰＩＤ誤差値を生成し、前記下部ＰＩＤ誤差値を前記出力ＰＰＳ設定点信号に加算して下部ＰＩＤ出力ＰＰＳ信号を生成し、
   前記下部ＰＩＤコントローラは、前記上部ＰＩＤコントローラに接続され、前記下部ＰＩＤコントローラは、前記下部ＰＩＤ出力ＰＰＳ信号を前記上部ＰＩＤコントローラに送信し、前記下部ＰＩＤ出力ＰＰＳ信号は、前記上部ＰＩＤコントローラのための上部入力ＰＰＳ設定点信号になり、
   前記上部ＰＩＤコントローラはまた、第３のＳＣに接続され、前記第３のＳＣは、前記上部ＤＰセンサからの入力上部フィードバックＤＰ信号および、前記入力上部フィードバックＤＰ信号から変換されて前記上部ＰＩＤコントローラに送信される出力上部フィードバックＰＰＳ信号を有しており、
   前記上部ＰＩＤコントローラは、前記上部入力ＰＰＳ設定点信号と前記出力上部フィードバックＰＰＳ信号とを比較し、上部ＰＩＤ誤差値を生成し、前記上部ＰＩＤ誤差値を前記上部入力ＰＰＳ設定点信号に加算して上部ＰＩＤ出力信号を生成し、
   前記上部ＰＩＤコントローラは、前記蒸気発生器制御ユニットに接続され、前記上部ＰＩＤコントローラは、前記上部ＰＩＤ出力信号を前記蒸気発生器制御ユニットに送信し、前記炉への蒸気の注入を制御する、露点制御システムを伴う鋼帯焼鈍炉。
2. 前記制御システムは、フィードフォワード制御ユニットをさらに含み、
   前記フィードフォワード制御ユニットは、前記上部ＰＩＤ出力信号に加算される、フィードフォワード信号を生成し、前記フィードフォワード信号は、処理されている鋼の種類、予想される線速度の変化、鋼帯幅の変化、およびシステムに対する雰囲気の変化、に基づいて生成される、請求項１に記載の露点制御システムを伴う鋼帯焼鈍炉。

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