JPS5848010B2 - 加熱炉自動燃焼制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属鋼片（スラブ）を加熱する加熱炉の炉温制
御方法に係わり、特に炉操業状態が犬輻に変化した場合
の炉温制御方法に関する。

近年、加熱炉の燃焼制御に計算機が用いられるようにな
り炉内スラブの加熱状況を加熱モデルによって推定する
ことが可能になった。

この結果、スラブ抽出温度の制御精度が向上し、さらに
省エネルギのために炉温を制御することがある程度可能
になった。

しかしながら、炉操業状態が大幅に変化したときにはい
くつかの問題が残っている。

たとえば圧延ラインのトラブルや圧延量の計画変更等が
発生すると、スラブの抽出ピッチが変化し、加熱時間が
変化する。

従来の方式では、このように操業状態が大幅に変化した
ときに、抽出温度精度が変動するのを防ぐために、抽出
時刻よりもかなり早い時期に目標温度まで加熱し、抽出
までの間その温度を保持するように制御していた。

この方式を用いると、炉の装入側の温度が全体的に高く
なるので、スキツドや炉壁からのもれ損失エネルギが多
くなる。

さらに通常炉内のガス流は抽出側から装入側に向ってお
り、排ガスは装入口付近から煙道に導びかれるので、装
入側の炉温度が高くなると排ガス熱量が犬になりエネル
ギ損失が増力口する。

本発明の目的はかかる従来の燃焼制御方式の欠点に鑑み
、炉操業状態の変化に対応する最適燃焼計画を決定し、
その計画に従って力Ｕ熱するように炉温を決定すること
により、抽出温度精吠が高く、かつ省エネルギ効果の大
きい自動燃焼制御方法を提供することにある。

本発明は、操作デスクもしくは上位計算機より入力した
炉操業状態の変化に関するパラメータから炉内全スラブ
の抽出計画を作り、さらにこの抽出計画に対応するスラ
ブの昇温パターンを決定し、以後新たに炉の操業状態の
変更が発生するまでその予定に従ってスラブの力日熱を
続けることにより最適燃焼をおこないうるようにしたも
のである。

第１図は本発明の一実施例を示しており、図中の１は多
帯式加熱炉、２は炉内スラブ、３ａ〜３ｃは各帯の代表
温度を検出する温度計、４ａ〜４ｃは各帯に供給される
燃料の調節系、６は操作デスク、１００は燃焼制御装置
を表わしている。

さらに１０１はデータ入力部、１０２はスラブ温度計算
部、１０３は抽出スケジューリング部、１０４はスラブ
昇温パターン発生部、１０５は最適炉温計算部、１０６
は出力部を表わしている。

データ入力部１０１は検出器３ａ〜３ｃで検出した炉温
Ｔｏを一定周期で入力し、デイジタルフィルタリング処
理によりノイズカットをおこなう。

例えば次の指数平滑型フィルタリングをおこなう。

Ｔ ＝ （ １− ａ ） Ｔ”−”＋ ａＴｏ
−（１）α ：フィルタリング定数 Ｔ−１：前回のフィルタリング値 Ｔ ：新しいフィルタリング値 以後、このＴを炉温と呼ぶことにする。

スラフ、温度計算部１０２ではデータ入力部１０１より
炉温Ｔを入力し、現在のスラブ温度分布（厚さ方向分布
等）を計算する。

すなわちスラブを厚さ方向にｎ等分し分割点の温度を一
次元差分方程式によって決定する。

ある時刻τＯでスラブ温度を計算してからτ時間後の温
変を知るにはτ。

でのスラブ温度を出発点にして、時間Ｊτ刻みでτ時間
の昇温計算をおこなう。

すなわち、Ｎ−τ／Ｊτ回の計算により、τ時間後の温
度に到達する。

さらに現時刻の温度を計算した後に、これからτＰ一時
間の間ある炉温Ｔ，で加熱した場合のスラブ温度を予測
計算することも可能である。

もしτ１時陸蝉にθＰ温度まで加熱する必要があるなら
ば、ＴＰをいろいろ変えてスラブ温度をθになる炉温を
選び出し、これを以後の設定炉温として出力することが
できる。

この点に関しては後で述べる。

一般に炉内スラブの抽出タイミングが圧延ラインのトラ
ブルや生産量の変更等で変動すると、炉内スラブの在炉
時間が変化し、スラブの抽出温度の変動要因となる。

もちろん抽出よりも早い時点で目標温度まで加熱してそ
の温度で待機していれば目標温度で抽出することができ
るが、前述の如く省エネルギの点からは、この待機時間
を減らした方が良い。

このためには、新らしい操業条件を知り、それに合せて
抽出タイミングを予測し、その抽出直前で目標温度にな
るように加熱をする必要がある。

抽出スケジューリング部１０３ではこの抽出タイミング
の予測、云いかえるとスラブの在炉時間（スラブ装入か
ら抽出までの時間）の予測をおこなう。

抽出スケジューリング部１０３では、先ずスラブ装入時
に基準在炉時間７，（０）を次式によって計算する。

なおＮはそれ以前に装入された炉内スラブ本数を表わす
。

ここで、ｔＲｉはスラブ１の圧延ピッチ（＝抽出ピッチ
）の基準値で、スラブの重量、厚さ、鋼種に関しあらか
じめ標準圧延要時間と標準圧延間隔の和として決定して
おく。

ここで通常用いられている圧延セットアップ計算により
圧延速度を決めることができるので、この圧延速度を時
間積分した値がコイル長（−スラブ長×スラブ厚／コイ
ル厚）に等しくなるまでの時間を標準圧延時間として用
いればよい。

さらに停止時間ｔ（０）．とじては圧延材のロツドのＳ
ｌ かわり目の場合とかサイクルの替り目における作業基準
に対応した停止時間をセットする。

このようにして各スラブに対し、その装入時点で基準在
炉時間がセットされる。

こ０）ようにして、スラブの基準在炉時間メ０）が決ま
ると、後で詳述する如＜Ｚ（０）時間で目標温度到達す
るように加熱がおこなわれる。

しかしながら実際のスラブ在炉時間は種々の要因で変化
する。

例えば単位時間あたりの圧延トン数（以後これをＴ／Ｈ
と略記する）の計画量が標準的な値と異なる場合には、
圧延ピッチがＴ（Ｑ’ （ ｊ ＝ １〜Ｎ）と異なる
ので在炉時間Ｚもｚ，（０）と異った値になる。

さらに突発的な圧延停止（一抽出停止）が発生したり、
停止時刻や停止時間長が変更された場合には、停止時間
がｔ（？），（Ｊ−１〜Ｎ）と異なってくるので、やは
り在炉時間Ｚはｚ（０）と違う値をとる。

抽出スケジューリング部１０３では、このような圧延計
画Ｔ／Ｈの変更や停止計画の変更がオペレータもしくは
上位計算機より指示されたとき、この変更に伴う各スラ
ブの在炉時間の変化量ＪＺｊ（Ｊ＝１〜Ｎ）を次式によ
り計算する。

ただし、抽出順がＭ１からＭ２までのスラブの生産量を
ＡＴ／Ｈ修正し、さらに各スラブの抽出前の停止時間を
ＪｔＳｉ修正する指令が入いった場合を扱う。

？Ｚｊ：抽出順ｊのスラブの在炉時間変化量Ｎ ：現
在加熱中のスラブ本数 Ｊｔ１ ：抽出順ｉの圧延ピッチ変更量 ｔＲｉ：スラブｉの現在の圧延ピッチ（予定値）ｔ８ｉ
：スラブｉの現在の抽出停止時間（予定値） Ｗｉ ：スラブｉの重量 Ｔ／Ｈ：スラブＭ１からＭ２マでの現在の圧延生産計画 ，ｆＴ／Ｈ ：スラブＭ１からＭ２までの圧延生産計画
の修正量 この変更に伴って加熱中のスラブの在炉時間Ｚ１圧延ピ
ッチｔＲｉ、停止時間ｔ８１は次のように変化する。

？って抽出スケジューリング部１０３ではＺｊ，ｔＪ
，ｉ Ｓ Ｊ （ Ｊ ”” １〜Ｎ）を記憶し、スケ
ジューリングの変更が指示されたとき上記のアルゴリズ
ムに従って新しい値に変更する。

スラブ昇温パターン発生部１０４ではスラブの在炉時間
Ｚが変化したとき、その在炉時間で目標温度に加熱する
ための昇温パターンを選択する。

ここで昇温パターンとは、炉内の位置の関数として表わ
したスラブ昇温カーブを意味している。

昇温パターンは後述する方法であらかじめ決定されてお
り、いろいろなスラブ厚さ、鋼種、在炉時間、抽出目標
温度（これらを加熱条件と呼ぶ）に対し、それぞれの最
適パターンを記憶しておく。

すなわち炉内の任意のスラブに関しその加熱条件が決ま
ればそれに最も近い加熱条件の昇温パターンを選び出す
ことができる。

従ってあるスラブの在炉時間が変化したとき、一連の昇
温パターンの中で、新しい在炉時間に最も近い在炉時間
に対応する昇温パターンを選択する。

第２図は抽出温度目標値１２００℃のキルド鋼（厚さ２
５０ｍ１１Ｌ）の在炉時間が３時間から３．５時間に変
化したときの昇温パターンの変化を示したものである。

当初在炉時間が３時間として加熱しているので昇温パタ
ーンａに沿ってスラブ昇温かおこなわれる。

この加熱中に例えば３０分の突発的圧延停止が生じたた
め、それ以後の加熱はパターンｂに沿っておこなわれる
。

なお、横軸は鋼片が炉に装入されてから抽出されるまで
の時間経過を在炉時間で正規化した値を示している。

縦軸は炉温設定温度を表わしている。次に昇温パターン
の決定方法について説明する。

次に述べる方法を要約すると、炉の熱収支モデルから導
れた燃料流量を最小にする加熱状態下におけるスラブ昇
温曲線をオフライン計算によって決定するりである。

第３図は３帯式連続加熱炉の熱の移動状況を示したもの
で、１は加熱炉本体、１１は排熱回収装置でバーナに供
給する空気を予熱する。

Ｑｆ（■）は？Ｉ帯に供給された燃料の発熱量、ＱＡｍ
は第Ｉ帯に供給された空気の顕熱、ＱＬ（Ｉ）は第Ｉ帯
の炉壁やスキツド等から逃げる損失熱量、Ｑは装入スラ
ブの顕熱、Ｑｏは抽出スラブの顕熱、Ｑｇａｓは排ガス
の顕熱を表わす。

これらの間には次の関係が成り立つ。

ここで、 総燃料投入量を■とすると 表わすことができる。

ここで、ＨＬは発熱量、Ａｒは空燃比、ＴＰゆは予熱空
気温度、ＴＡは室温、ＣＡは空気の比熱、γは単位燃料
に対する廃ガスの単位温度変化における熱量、Ｔ’ｇａ
ｓは排ガス温度を示している。

式（１１） ， （１２） ， （１３）を式（ＩＯ）
に代入すると■は次のように表わされる。

さらに排熱回収装置（レギュペレータ）の効率ηを次式
で表わす。

ここでＴ ｇａ５ は、レキュペレータ入口のガス温
度を示している。

この時予熱空気温度’ｆ’ｐｎ，。は次のようにＴｇａ
ｓの関数として表わされる。

ここでＣは排ガス発生に関する定数である。

式（１６）を（１４）式に代入すると （１５）式を用，いると（Ｌ７）式は次のように表わさ
ｎる式（２０）においてスラブ抽出時顕熱Ｑｏ、炉の損
失熱量ＱＬ、及びレキュペレータ入口の廃ガス温度Ｔｇ
ａｓ’は全て炉温分布が決まれば一義的に決まる。

式ＣＯは炉温分布と燃料流量の関係を表わす式である。

従って任意の炉温分布が与えられた時、それに対応する
燃料流量の大きさを評価することができる。

一般に加熱炉を運転する場合さまざまな制約条件がある
。

この制約条件の例を（２１）〜（２５）式に示す。

（２１）式と（２２）式は、抽出スラブの抽出条件の制
限式を示し６゜゛６・（２１）弐６″１′・７ラブ？抽
出温一（１ 度の平均温度θＯＵＴが、その下限値θ とそ−（
２） の上限値θ。

ＵＴとの間となるように力口熱することを表わす式であ
る。

（２２）式は、抽出スラブの表面温度と中心部温度との
差ＪθＯＵＴ・が、その制限値Ｊθ０以下となるように
加熱することを表′わす式である、（２３）〜（２５）
式は、各炉帯の炉温度Ｔ１が最高炉温度制限値以下とな
るように力日熱することを表わす式である。

従って条件（２１）〜（２５）の下で（１７）式で表わ
される燃料■を最小にすれば、その時得られる炉温パタ
ーンを最適なパターンと考えることができる。

第４図にこの最小化の処理フロー図を示す。

先ず異なるＮ個の炉温分布Ｔ＋ −（ Ｔ， ｉ，Ｔ
２ｉ ，Ｔ３１）を制約条件（２３）〜（２５）式を満
たす範囲からえらぶ。

次に各分布に対応する抽出スラブ温度θｏｕＴｔｌθＯ
ＵＴ’を計算する。

この計算には（２）〜（４）式の熱伝導方式の差分近似
式を用いることができる。

このようにして抽出スラブの平均温度θＯＵＴが求まれ
ば、スラブ抽出時の熱量Ｑ。

は次式より求まる。

ここで、Ｃ８：スラブの比熱、Ｍ８：スラブ重量。

また各炉帯からの損失熱量は炉帯温吠から次式によって
求めることができる。

ここでαγ，β１は炉構造によって決まる定数であらか
じめ定めた定数である。

さらにＴｇａ ｓ’は第１帯の炉温の関数ｆ（Ｔ１）で
あり（例Ｔｇａｓ’ξＴ１，ξ：定数）、Ｔ１が決まれ
ば容易に求めることができる。

これらのＱ Ｏ ｒ Ｑ Ｌ ， Ｔｇａｓ’の値を（
１７）式に適用し考えている炉温分布に対女禮料流量Ｖ
を決定する。

次に各パターンに関し求めたＶの中で最犬のものを選択
し、これに対応する炉温分布ＴＡを以下に述べるような
方法で修正する。

この時■が最大となる炉温分布ＴＡを除＜（Ｎ−１）個
の分布の重心Ｔｏを求めＴＡを次の点ＴＡ′に変更する
。

ここで、δはＴＡを重心方向にどれだけ移動するかを決
定する定数である。

δの値としては１．３程度の値を用いるのが好ましい。

この時Ｔ八′が条件（２３）〜（２５）式を満さなけれ
ばδをより小にして条件を満足させる。

次にこの点の表わす炉温パターンに対し抽出温度と燃料
を前述のようにして求める。

この時スラブ抽出温度、炉温分布が条件（２１），（２
２）式を満たすかどうかチェックし満たしていなければ
、条件を満たすように炉温分布を再修正する。

この再修正を全ての条件が或立するまで繰返す。

この計算が完了すると再び最犬の燃料流量を選びその炉
温分布を修正する。

このように遂次燃料流量を低減していくと、燃料流量は
最適値に収束する。

収束条件としてはＮ個の燃料流量の標準偏差Ｓを次式に
よって求め、それがあらかじめ定められた値εより小に
なった場合に収束したとみなす。

この時Ｎヶの炉温パターンを平均し最適パターンとする
。

このようにしてスラブ抽出条件と炉操業条件を満たし、
燃料を最小とする炉温パターンが決まる。

このようにしていろいろな条件のもとでの昇温パターン
を決定し記憶しておく。

第１図の最適炉温計算部１０５はスラブが昇温パターン
発生部１０で選択された昇温パターンに沿って力日熱す
るように最適な炉帯温度の設定値を決定する。

このために一定時間τＰ後のスラブ温巖θＰを予測計算
しスラブ昇温曲線からの偏差を表わす次の量を計算する
。

？置の重みωｉとしては炉帯入側から出側に向って徐々
に大きくなるような関数を用いるのがよい。

もしＪ■があらかじめ与えられた基準値εより犬なる場
合は炉帯温度を修正してτ１後のスラブ温度を再度計算
し、Ｊをε以下とする炉帯温度を求める。

以上のように炉帯毎に昇温パターンからの偏差を最小に
するτ を求め、これらの組（τＰ１，Ｐ τ”２，・・・・・・）を最適な炉温設定として、第１
図の出力部１０６を与える。

第１図の出力部１０６では１０５で計算した設定値の上
下限チェックをおこなって、上下限範囲を満たす場合に
は、その値をマイナス炉帯温妾制御の目標値として出力
する。

この目標値を検出器３ａ〜３ｃで検出された炉帯温度と
が一致するように燃料の調節系４３〜４ｃは作用する。

すなわち燃料流量が調整される。

本実施例の効果を第５図，第６図，第７図を用いて説明
する。

これらは、力口熱炉が定常運転されているとき、突発的
な圧延停止（３０分間）が炉の操業状態に与える影響を
調べたものである。

第５図は各帯の出口を通過するスラブの温度を示してお
り、第６図は各帯の温変の時間変化を示している。

第５図は炉帯出口を通過するスラブのうち適当に選んだ
スラブのデータを記録したもので、その選択されたスラ
ブに対し抽出順に図の如くスラブ應を割り尚てた。

なお突発停止が発生する前には、炉内材は平均３時間の
力日熱で抽出されている。

これに３０分の停止力切口わるので炉内材の平均な炉時
間は３５時間となる。

このとき炉内材の昇温パターンは新しい在炉時間に相当
するパターンに変更される。

第５図において、一点鎖線は目標パターンから読みとら
れた各帯出口における目標温度を示している。

第５図におけるθ（１），θ（２），θ（３）は、夫々
第１帯、第２帯、第３帯の出口を通過するスラブの温度
を示している。

そして、各炉帯毎の温変グラフにおける「○」の点のプ
ロットは、停止前に装入されたスラブの温度の変化を示
す。

「○」の点のプロットは、停止完了後の再起動時に装入
されたスラブの温度の変化を示す。

第６図の１，２，３はそれぞれ第１ ，２ ，３、帯の
検出温変を示している。

第７図は第１帯の中間部に位置するスラブ（スラブ４１
２）の停止前後（第７図ａ，ｂ）の昇温パターンを示し
ている。

破線は実際のスラブ昇温過程を示す。

在炉時間が長くなりゆっくり加熱することができるので
、昇温パターンは全体的に低い値となっている。

第５図において、抽出再開後第１帯，第２帯の出口を通
過するスラブの温度は目標値からかなりズレているが最
終的には抽出温度θ３が目標値（１２００℃）に制御さ
れていることがわかる。

さらに第６図より停止後炉温か全体的に低下しエネルギ
損失が減少すること、特に第１帯温度の低下が著しく、
これに伴って排ガス熱量が低減される。

このように本発明によれば、抽出温度、精度を改善し、
かつ燃料流量を低減することが可能である。

本実施例は３帯式加熱炉に関するものであったが、本発
明が帯数によらず多帯式加熱炉に適用できる。

さらに本発明は、圧延ラインに刀日熱炉が複数設けられ
ているときはも適用できる。

この場合にはスラブの在炉時間はそのスラブが所属して
いる炉だけでなく，、操業中の全炉に装入されているス
ラブの抽出順によってきまる。

従って、この場合には全炉に共通な抽出順管理テーブル
を設け、その登録スラブの順に圧延時間と停止時間をチ
ェックすれば、（５）式を用いて新装入材の在炉時間を
決定し、（６）〜（９）式を用いて操業変更時の在炉時
間を計算することもできる。

このように各スラブの在炉時間が与えられたとき、その
在炉時間で目標温寒に力日熱する制御は炉毎に独立に行
うことができる。

すなわち前記の最適炉温計算アルゴリズムを使用できる
。

本発明によれば、加熱炉のいろいろな操業状態下におい
て、抽出温度の精変を向上し、かつ省エネルギ運転をお
こなうことが呵能である。

【図面の簡単な説明】

第１図、本発明の実施例を第２図、昇温パターンの修正
例を、第３図、加熱炉における熱移動の説明図を、第４
図、燃料最小パターン決定フロー図を、第５図、抽出突
発停止を含む操炉状態下での炉帯出口通過スラブの温寒
データ例を、第６図、抽出突発停止を含む操炉状態下で
の炉温変化例を、第７図、抽出突発停止を含む操炉状態
下でのスラブ昇温パターンの変化をそれぞれ示す。 １・・・・・・加熱炉、２・・・・・・スラブ、３ａ〜
３ｃ・・曲温吠計、４ａ〜４ｃ・・・・・・燃料制御系
、１００・・・・・・燃料制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 設定値に炉温を制御するための燃料調節系を備えた
   金属加熱炉において、炉内の複数のスラブ加熱状態を推
   定し、該推定値からスラブのカロ熱条件を決定し、該加
   熱条件から決まるあらかじめ記憶されているスラブ昇温
   パターンから最も近い加熱条件を有する昇温パターンを
   選択せしめ、該選択された昇温パターンに沿って加熱す
   るための炉温を決定し、これを該燃料調節系の設定値と
   して加熱炉の温度制御を行なうことを特徴とする加熱炉
   自動燃焼制候方法。