JPS5825730B2 - 多帯式加熱炉の温度制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は多帯式加熱炉の温度制御に係り、特に連続して
搬入されるスラブの移動炉床位置に対応した温度制御方
法に関する。

加熱炉は通常３０ｍ〜６０ｍの長さを持ち、般に３〜４
ケの炉帯に分けられている。

多帯には燃料と空気を供給するバーナが設けられており
、燃料流量を調整することによって炉帯の温度は細帯か
らほぼ独立に制御することが可能となっている。

このような連続加熱炉に対し最近では計算制御を導入し
加熱炉操業の主要な目的である次の諸点をより確実に実
行しようとしている。

その第１はスラブを所定の圧延順序で加熱炉より抽出し
、圧延ラインに供給する。

第２はスラブ毎に適切な抽出目標温度となるよう焼き上
げかつ燃料原単位を最小とするよう制御すること、であ
る。

特に、第２の問題は省エネルギーの見地より今後ますま
す重要となってくる問題である。

しかしながら従来は温度制御そのものを重視するあまり
、省エネルギー的な見地から温度制御について検討され
た例は少なく、満足できる温度制御方法は確立されてい
ないのが現状である。

本発明の目的はスラブの炉床位置およびスラブ温度に対
応して燃料最小化による炉温制御を行うことにある。

本発明はスラブの内部の温度分布を予測計算で求め、そ
の温度分布のスラブ温度パターンからの偏差の２乗が最
小になるように炉温制御を行うものである。

はじめにその基礎となる事柄について述べる。

この問題を熱収支の観点より定量的に検討すると次のよ
うになる。

加熱炉内の熱現像は第２図に示すように熱の発生と移動
によって支配されており熱の移動は輻射、対流、拡散に
よって生ずる。

例えばスラブや炉壁の加熱では、周囲との輻射伝熱が支
配的であり、スラブ内部の伝熱は拡散によって支配され
る。

炉内の任意の場所の温度はそこに流入する熱と流出する
熱のバランスで決マル。

なお第１図は多帯式加熱炉の概略図でＬ１〜１−３は多
帯の炉温設定装置、２，３はそれぞれ第１１第２加熱帯
を、４は均熱帯を示している。

５は加熱炉の均熱帯から搬出されたスラブを圧延する粗
圧延機を、６はレキュペレータを、７はスラブを示す。

２１〜２３，２７〜２９は多帯の炉温検出器である。

２４〜２６．３０〜３２は多帯に設けられているバーナ
ーである。

そこで今炉帯■について考える。

燃料■ｆ（■）が投入され、燃焼によってＱｆ（Ｉ）な
る熱が発生するものとする。

燃料と混合して投入される空気は、排熱回収装置レキュ
ペータで３００℃〜４００℃まで予熱されているので、
予熱空気の顕熱ＱＡ（Ｉ）も投入熱量と考えることが出
来る。

投入熱量Ｑｆ（Ｉ）＋ ＱＡ （Ｉ）はスラブの加熱に
消費され、さらにスキッド（固定炉床で水冷されている
）や炉壁からもれ損失熱として失われる。

この炉帯に流入、流出する排ガスの温度はほぼ炉温に等
しいのでかなり大きな熱量を有しており、流入した炉帯
の燃料流量に影響を与える。

流入排ガスの顕熱をＱＧ （Ｉ）、炉帯■内にあるスラ
ブの受熱量をｌ Ｑｓ （Ｉ）、もれ損失熱をＱＬ （
Ｉ）とするとエネルギー保存則により次の関係が成り立
つ。

Ｑｆ（Ｉ）＋ＱＡ（Ｉ）＋Ｑｏ （Ｉ ＋ ｌ ）”
ＱＧ （Ｉ）＋ ｌ Ｑｓ （Ｉ）＋ ＱＬ （Ｉ）
−・−・−（１）ここで、Ｉ＝ｌ−Ｎ（Ｎ
：炉帯数） さらに炉帯■に投入された燃料Ｖｆ（Ｉ）が 焼し、排
ガスと水蒸気がそれぞれＶＧ （Ｉ） 、 ＶＷ （Ｉ
）だけ発生したとすれば、この帯から流出する排ガスと
水蒸気の体積は次のように表わされる（体積保存の法則
）。

ＶＧ（Ｉ）＝ＶＧ（Ｉ＋１ ）＋ＶＧ（Ｉ） （Ｉ＝
ｌ〜Ｎ）・・・・・・（２） Ｖｗ（Ｉ）” Ｖｗ（Ｉ ＋ １ ） ＋ＶＷ（Ｉ）
（” ）・・・・・・（３） 簡単のため炉内は定常状態とすれば、以上の３式の各項
は燃料流量■ｆ（■）と炉帯温度Ｔ、を用いて次のよう
に表わすことが出来る。

Ｑｆ（Ｉ）二Ｖ ｆ （Ｉ）・ＨＬ
・・・・・・（４）ＱＡ（■）：ｖｆ（■）°Ａｒ°
（ＴＰＲＥ−ＴＲＭ）°ＣＡ・・・−・・（５） ＱＧ（Ｉ）＝ＶＧ（Ｉ）・（Ｔｒ−ＴＲＭ）・ＣＧ＋■
ｗ（■）・（Ｔｒ−ＴＲＭ）・Ｃｗ・・・・・・（６）
Ａ Ｑｓ （Ｉ）＝ Σ１Ｊ （Ｔ Ｉ ）
−−（７）Ｊ＝１ ＱＬ （Ｉ）−ξＬ”ＴＩ＋ηＬ ・・
・・・・（８）ＶＧ（■）＝■ｆ（■）・（Ｇｏ−Ａｏ
＋Ａｒ）・・・・・・（９）Ｖｗ（Ｉ）−Ｖ ｆ（Ｉ）
・Ｗ。

ここで、ＨＬ：単位燃料当りの発熱量（Ｊ／Ｎｍ’）ｖ
ｆ： （Ｎ ｍ’／ ｈ ） Ａｒ：空燃比（Ｎｍ／Ｎｍ’） Ａｏ：理論空気量（Ｎ ７７１’／ Ｎ ｍ３）ＴＰＲ
Ｅ：空気の予熱温度Ｃ’Ｃ） ＴＲＭ ：室温（℃） ＣＡ：空気比熱（Ｊ／Ｎ？７２″・℃） Ｗｏ＝単位燃料当りの水蒸気発生量 （Ｎ？７２″／ Ｎ ｍ” ） Ｔｒ：第■炉帯炉温（’Ｃ） ここで、ＣｇＷ＝（Ｇｏ−〜＋Ａｒ）ＣＧ＋Ｗｏ−Ｃｗ
右辺の第１項はスラブ加熱ともれ損失に消費される熱量
を燃料換算した値を示しており、第２項は流入排ガスが
放出する熱量を燃料換算した値であ＊＊る。

炉に投入される全燃料流量ＶｆＴをＶｆ（１）。Ｖｆ（
２）・・・・・・Ｖｆ（Ｎ）の和から計算すると、この
第２項は互いに打ち消し合い、次の簡単な式が得られる
。

ここで、ＴｏＵＴ：煙道中の排ガス温度 ■ｆＴ ：全燃料流量（Ｎ ７Ｆ＋”／ ｈ ）ψ
ニレキュベータの熱交換効率を 表わす定数 結論としてａ■式より燃料流量を低減するには、（１）
スラブ受熱量ＪＱｓ（Ｉ）を小さくすること。

（２）もれ損失熱ＱＬ （Ｉ）を小さくすること。

（３）排ガス温度ＴＯＵＴを出来るだけ下げること。

が燃料原単位向上につながることがわかる。

具体的には、スラブ受熱量を小さくする方法として抽出
目標度をさげるとか温片（ホットチャージ材）を装入す
ることが考えられる。

特に前者に比較し後者は、最近の連続鋳造設備の普及と
も呼応しており非常に効果的な燃料原単位向上の解決手
段と考えられる。

方連続加熱炉の燃焼制御としての特徴として次の諸点が
あげられる。

（１）制御の対象として考慮するスラブ枚数が非常に多
い。

通常１５０〜２００枚程度の材料仕様の異なるスラブが
入っておりこれらのどのスラブ（勿論ホットチャージ材
（６００℃位）に対してもコールドチャージ材（常温）
に対しても）に対しても満足のいく制御をしなければな
らない。

（２）肝心のスラブ自体の温度分布については実操業中
測定することが全くできず各炉帯の炉壁温度より数式モ
デルによりスラブ温度を計算し推測せねばならない。

即ちせっかくホットチャージ材を装入することにより燃
料原単位向上をはかろうとしても上載１）。

（２）の問題を解決するような制御システムでない限り
ホットチャージ材装入の効果は得られない。

本発明は上記（１） 、 （２）を実用的でシンプルな
加熱炉制御システムを導入しこの問題を解決したもので
ある。

さらに本発明について述べると、加熱炉内にあるスラブ
の加熱は主に輻射伝熱に支配される。

輻射によるスラブへの伝熱量は次の式で表わされる。

ここでＱｓｏはステファンボルツマンの伝熱式を表わし
ており、φＯＧは炉構造や燃料流量によって変化する輻
射効率を表わすパラメータ（総括熱吸収係数）を表わす
。

一方スラブ内部の熱伝達は３次元熱拡散方程式で記述さ
れるが、通常スラブの代表点として用いられるスラブ平
面の中心付近では、厚さ方向の熱拡散が支配的になる。

この時のスラブ内部の温度分布は次の非線形偏微分方程
式によって表わされる。

したがってα３Ｙ式をスラブ上面と下面の境界条件とし
て（１４）式を解けばスラブ内部の温度θ（τ、Ｘ）が
決まる。

この式の解析解は存在しないが差分化近似し数値解法に
よって任意時刻のスラブ温度が計算される。

このようにしてスラブの温度を知ることが出来れば、各
スラブ毎燃料原単位を最小とするような昇温パターン決
定装置なるものにて決定された昇温パターンとなるよう
に各炉帯温度をコントロールすればよいが、通常の加熱
炉では第１図のように各炉帯にせいぜい２ケ所位しか炉
温設定装置を有していない為各炉帯毎自由な炉温分布を
制御することは不可能である。

そこで本発明では次のような手法により最適炉温を決定
している。

炉帯Ｉ内のスラブ群（ｉ＝Ｉ−Ｍ、）に関し、現在のス
ラブ温度θｉを出発点にしである試行炉温ＴＲＹによる
一定時間Ｒ１後のスラブ温度を先程の（１４） 、 （
１３Ｙ式を使用し、厚さ方向の平均温度θｉを計算する
。

（第３図（ａ）参照）この予測計算結果を評価するため
にスラブ温度パターンからの隔りを表わす次のような評
価関数を演算する。

（第４図参照） でスラブ位置に関する重み関数 ｌｉ ：炉帯入口からの距離 Ｌｒ：第■炉帯長 Ｗｏ：炉帯入口での重み関数 Ｑ、ｉニスラブｉのＲ１後の昇温パターンの温度この評
価Ｊｒを小さくすることは炉帯内スラブ全体として昇温
パターンに近づけることを意味する。

この最小化のために、新たに試行炉温ＴＦＬＹ’を次式
により決定し、この炉温に関し上記の予測計算と評価関
数の演算を繰返す。

（第３図（ｂ））この炉温修生は、昇温パターンに比べ
加熱不足ぎみ（ＡＶ＞０）の時は試行炉温をＪＴＸ増加
させ、過加熱の場合には、ＡＴＸだけ下がることを意味
する。

このような炉温決定方法によればスラブ各々が異なった
初期温度で装入され異なった昇温パターンの場合でも設
備の限られた制限内で可能な限り努力した制御を実行す
ることになる。

ここで問題となるのは重み関数の決定である。

０６）式で定義したような重み関数では通常のＯ＜Ｗｏ
く１の範囲の値を使用し抽出側に近い程重みが大きくな
るように使う。

この方が抽出温度達成にも又燃料原単位向上に有利であ
ることが知られているからである。

一方ホットチャージ材等が装入される場合、装入側での
重みが小さいま＼の状態であるとせっかくのホットチャ
ージ材の熱量がむだに使用されるばかりか過制御状態と
なって燃料消費量を大きくする結果となる。

そこで本発明の特徴はスラブ装入時のスラブ温度履歴（
初期値温度）の前装人情材料との変化量に応じてダイナ
ミックにこの重み関数の特性を変化させホットチャージ
材、コールドチャージ材が混入する場合でも過制御とな
らぬような加熱炉制御を実現した点である。

第５図に本発明の実施例を示す。

加熱炉４０は第１図と同様な構成のもので本実施例の場
合ウオーキングビーム１２によりスラブは１ピツチずつ
進行するようになっており、この１ピツチ完の信号は、
装入装置４３、抽出装置４４よりの信号、装入完信号と
抽出完信号とともにＰＩ１０装置４５を介してトランキ
ング処理装置４６に送られる。

トラッキング装置は装入完毎に次装入スラブの仕様を記
憶する材料情報テーブルの装入マツプを変更し次装人材
を炉床マツプに移す処理を行う。

同様に抽出完毎に炉床マツプを変更し次抽出材をミルラ
イン制御用マツプに移す処理、及びウオーキングビーム
１ピツチ完毎に炉床マツプを対応して変更する処理を行
う。

従って装入マツプ及び炉床マツプを参照すれば常に現在
のスラブの状態を把握できる。

従って最適炉温決定装置４８は一定時間周期ごと（Ｒ１
時間毎）に動作する際、各炉帯のスラブ状況を正確につ
かむことが出来、第３図（ｂ）に示すようなアルゴリズ
ムにて最適炉温をＲ１時間毎更新することができる。

４７は重み係数変更装置でスラブ装入マツプ５０および
炉床マツプ５１からの信号により、重み係数テーブル４
９をダイナミックに変更する。

一方トラッキング装置は装入毎、重み係数修正装置４７
を動作させる。

重み係数修正装置は起動する毎に炉床マツプと装入マツ
プを参照し前回装入スラブの初期値温度θ。

と次回装入予定のスラブの初期値温度θ。

との差を常に監視し、α＝Ｉθｄ１−θ。

を毎装入時算出しかつこのαを指数平滑した値ｉ−α−
１＋δ（α−α−１） Ｗｏ＝ｆ（ω と重み係数を関係づけて制御する特徴をもっており、第
６図に示すようにｆ（ωとしては第６図のようなものが
使われる。

、°、ｉ≧α０のときはＷ。

＝２■ “＜“・′）２きｃｔｗ・ ２ このように重み係数テーブル４９をダイナミックに変更
することにより最適炉温決定装置は急激に装入材温度が
前装人材の初期値と比較し変化する場合でも簡便な方法
で良好な加熱炉制御が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は加熱炉の構造を説明する図、第２図は熱収支モ
デルを説明する図、第３図は最適炉温決定アルゴリズム
を説明する図、第４図は重み係数の式を説明する図、第
５図は本発明の詳細な説明する図、第６図は重み係数を
示す図、をそれぞれ示す。 １−１〜１−３・・・・・・炉温設定装置、２，３・・
・・・・第２、第３加熱帯、４・・−・・・均熱帯、５
・・・・・・粗圧延機、６・・・・・・レキュペレータ
、７・・・・・・スラブ、４７・・・・・・重み係数変
更装置、４９・・・・・・重み係数テーブル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多帯式加熱炉の温度を多帯ごとに温度設定制御装置
   を備えて炉温を制御するものにおいて、前記加熱炉に搬
   入されたスラブの炉内での移動に応じて対応スラブの炉
   床位置を記憶し、前記スラブの炉床位置に対応したスラ
   ブ温度を算出し、あらかじめ定められている炉床位置に
   応じた昇温パターンと前記算出されたスラブ温度との偏
   差を算出し、前記炉床位置に応じて前記偏差に重み係数
   を乗じた値に応じて多帯の温度を設定制御することを特
   徴とする多帯式加熱炉の温度制御方法。 ２ 前記特許請求の範囲第１項記載において、あらかじ
   め定められているスラブの炉床位置に応じた昇温パター
   ンと算出されたスラブ温度との偏差の自乗に重み係数を
   乗じた温度制御評価値に応じて多帯の温度を設定制御す
   ることを特徴とする多帯式加熱炉の温度制御方法。 ３ 前記特許請求の範囲第２項記載において、前温度制
   御評価値が最小になる多帯の温度を設定し制御すること
   を特徴とする多帯式加熱炉の温度制御方法。 ４ 前記特許請求の範囲第１項において、ｉ番目の搬送
   スラブと（ｉ＋１）番目の搬送スラブの温度差に応じて
   前記重み係数を修正することを特徴とする多帯式加熱炉
   の温度制御方法。 ５ 前記特許請求の範囲第３項において、第ｉ番目に搬
   送されるスラブと第（ｉ＋１）番目に搬送されるスラブ
   の温度差に応じて前記重み係数を修正することを特徴と
   する多帯式加熱炉の温度制御方法。 ６ 前記特許請求の範囲第５項記載において、スラブが
   搬送されるごとに前回搬入スラブと今回の搬入スラブの
   温度偏差の平滑値に化して前記重み係数を修正すること
   を特徴とする多帯式加熱炉の温度制御方法。