JPS6026271B2 - 誘導加熱炉の温度制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は鋼塊又は鋼片等の被加熱材を熱間加工に適し
た温度に加熱する誘導加熱炉の温度制御方法に関するも
のである。

一般に、誘導加熱炉の温度制御は、加工に通した温度に
加熱した被加熱材を、加工ラインが要求する加工ピッチ
に応じた抽出ピッチで供給することがきるように行なう
必要がある。

そこで、従来の温度制御法は、被加熱材の寸法と抽出ピ
ッチとに基づいて経験的に定められたコイル電圧を誘導
加熱コイルに供給するという方法で行なわれていた。

しかしながら、この方法が良好に機能するのは加工ライ
ンが一定のピッチで稼働し抽出ピッチを一定に保ち得る
場合のみであり、加工ラインに発生する種々の事情によ
り抽出ピッチを変動する必要が生じた場合においては、
状況に応じてコイル電圧を適切に手動制御することが極
めて困難であるため、結局加熱過剰材又は加熱不足材を
出すことになるという問題があった。特に抽出ピッチが
著しく低下するような場合にコイル電圧の調整に失敗す
ると被加熱材が炉内で溶融して大事故になるこもあった
。そこで、従来方法では抽出ピッチを下げる必要がある
ようなときでも敢えてこれを下げずに通常ピッチのまま
被加熱材を供給し続け、加工ピッチに適合しない過供給
の被加熱材は「焼き出し一と称して加工ラインに送らず
放出していた。しかし、これは加熱電力原単位悪化の原
因となるため好ましくないことである。誘導加熱炉につ
いて、この問題に対する適切な対応策が溝じられなかっ
たのは、誘導加熱炉は重油炊きあるいはガス炊きの連続
加熱炉とは大いに異なり、その温度制御が非常に複雑か
つ困難であるとして、従釆、温度制御のために必要な諸
要因の分析並びにその相互関係についての理論的解明が
なされていなかったことによる。

この発明はこのような事情にかんがみてなされたもので
あり、加工ピッチの変動に対応してコイル電流を時々刻
々制御することにより必要時に所定温度の被加熱材を抽
出することを可能とし、焼き出しあるいは加熱鼠昼剰材
、加熱不足材等による加熱電力原単位の悪化を防ぐとと
もに、操業の自動化、抽出温度の精度向上をも可能とす
る新規な誘導加熱炉の温度制御方法である。

したがって、この発明は、コイル電制御装置を備えた譲
導加熱炉の温度制御方法において、抽出ピッチ、コイル
電流および被加熱材温度の三者の関係に基づいてその内
部温度分布を計算し、かくして得られる個々の被加熱材
の抽出温度予測値と予め設定されている抽出温度目標値
との偏差を求めると共に、炉内全被加熱材について前記
各偏差を合算値が加工ラインの条件によって定まる定数
より常に小さくなるように、前記コイル電流制御装置の
コイル電流目標値が時々刻々設定、変更されることを要
旨とする。

以下図面を参照しながらこの発明の一実施例について詳
細に説明する。

第１図はこの発明を実施する三帯式の譲導加熱炉の計装
系統図を示す。炉本体は子熱帯ａ、加熱帯ｂ、均熱帯ｃ
の３帯に区分され、各帯はそれぞれ別個の小炉体１，２
，３からなる。被加熱材７は図示を省略した搬入装置に
より位置Ａから搬入され、予熱帯ａ、加熱帯ｂ、均熱帯
ｃを順次通過して、同じく図示を省略した抽出装置によ
り位置Ｂに抽出させる。被加熱材７の搬入は搬入検出装
置１４により逐次検知され、この検知信号は次々とコイ
ル電流演算装置１５に送られてくる。

コイル電流演算装置１５はこの検知信号ならびに搬入後
の材料移動量にもとづいて炉内被加熱材のトラッキング
を行なう。他方、コイル電流演算装置１５には予め設定
盤１６より入力された被加熱材の寸法、鋼種等の被加熱
材仕様並びに目標抽出温度等の加熱仕様が記憶されてい
る。また抽出ピッチおよび加工ラインの種々の情報、例
えば一時休止あるいは操業再開信号等も加工ライン情報
設定盤１７より逐次コイル電流演算装置１５に入力され
る。コイル電流演算装置１５は上記の各入力を得て、時
々刻々各帯ａ，ｂ，Ｃのコイル電流目標値を後述のよう
にして演算し、その演算結果をコイル電流制御装置８，
９，１０に出力する。そして、この演算及び出力のタイ
ミングピッチは、具体的には、実際に使用する譲導加熱
炉の特性や該実炉の操業条件に応じて適宜に設定される
。帯ａ，ｂ，ｃのコイル電流制御装置８，９，１０はそ
れぞれ上記目標値の電流を各帯のコイル巻線４，５，６
に供給する。他方、これらの各帯ａ，ｂ，ｃのコイル電
流実績値は電流計１１，１２，１３よりコイル電流演算
装置１５に時々刻々取り込まれる。次に、コイル電流演
算装置１５において行なわれる演算内容を第２図のフロ
ーシートに基いて説明する。

ブロック１ このブロックでは前回演算時における各被加熱材の温度
並びに現在演算時の各帯の電流実績値より各被加熱材の
現在の温度分布が計算される。

その計算方法は次のとおりである。すなわち、まず現在
演算時の各帯の実績炉内磁界日，、日２、比〔ＡＴ／の
〕が下記の（２１）、（２２）、（２３）式より計算さ
れる。日，＝Ａ，Ｎ，／Ｌ， （２
１）比＝Ａ２Ｎ２／Ｌ２ （２２）
比＝Ａ３Ｎ３／Ｌ３ （２３）但し
、Ａ，、Ａ２、Ａ３：実績コイル電流〔Ａ〕Ｎ，、Ｎ２
、Ｎ３：コイル巻数 Ｌ、Ｌ２、Ｌ８：炉長〔肌〕 なお、上式および以後の各式における添字１、２、３は
これら添字を付した各因子がそれぞれ予熱帯、加熱帯ま
たは均熱帯のものであることを示す。

次に、これらの計算結果に基いて炉内に存在する各被加
熱材の現在の内部電界分布が計算される。

これは下記（２４）、（２５）式に示すマックスゥェル
の方程式および（２６）〜（２８）式に示す関係式を、
被加熱材表面における磁界がその被加熱材の存在する帯
の炉内磁界に等しいという境界条件の下で解くことによ
り得られる。他日−泰６三了 （２４）ｍｔ茸併
岸官＝。

（２５）Ｄ＝ごＥ （
２６）〜 〜 （２７）Ｂ−
ｒＨ〜 〜 （２８）・：。

Ｅ但し、 百：磁界〔ＡＴ／ｗ〕 富：電界〔Ｖ／ｍ〕 ６：電東密度〔Ｃ／〆〕 Ｂ：磁束密度〔Ｗｂ／〆〕 Ｔ：電流密度〔Ａ／肘〕 ご：誘導率〔Ｆ／肌〕 仏：透磁率〔Ｈ／肌〕 。

：導電率〔Ｕ／Ｍ〕なお上式中ご、ｒ及び。

はそれぞれ被加熱材の温度に依存する物理定数であるか
ら、上記マックスウェルの方程式の解析的な解は得られ
ない。しかし偏微分方程式を差分方程式化して解くとい
う周知の数値計算法を用いることにより、上記マックス
ウェル方程式の数値解を得ることはできる。次に、この
ようにして得られた被加熱材の現在の内部電界分布に基
いて、次式（２９）により被加熱材内部で発生するジュ
ール熱Ｑの分布が与えられる。 〜
（２９）Ｑ＝ひＥ２〔Ｗ／（で・ｈｒ）〕そ
して最後に、（２９）式の計算結果と前回演算時の被加
熱材の温度分布をもとにして下記（３０）式から被加熱
材の現在の温度分布が計算される。

但し、加熱炉袋入後の第１回目の計算に用いる前回演算
時の被加熱材の温度は外気温度とする。Ｃｐ要＝入（第
十夢傷害）似ぬ（３ｏ）但し、 ｃ：比熱〔ｋｃａｌ′（ｋ９・℃）〕 ｐ：密度〔ｋ９／で〕 Ｔ：被加熱材温度ＣＯ〕 ｔ：時間〔ｈｒ〕 ＾：熱伝導率〔ｋｃａｌ／（肌・ｈｒ・℃）〕×・ｙ・
ｚ：直交座標軸（３０）式においてｃ、ｐ、＾は被加熱
材の温度に依存する物理定数であるからこの場合も解析
解を求めるのは因難であるが、前述した数値計算法によ
って前同様の数値解を得るこができる。

このブロック１の計算例を示せば、第１表の諸元が与え
られたときの計算結果は第３図に示す如くになる。但し
、ここでは被加熱材（丸ビレツト）の中心部の温度計算
結果のみを示している。これら一連の計算法については
、既に種々の方法が公知であり、そられを適用すればよ
い。第１表 ブロック０ このブロックでは炉内各処に存在する各被加熱材の各帯
での溜留時間が予測計算される。

この計算においては、各被加熱材はそれが抽出されるに
至る迄の間、現在操業中の抽出ピッチで進すものとし、
現在何らかの事情で休止中の場合は、適当に、十分大き
な抽出ピッチが仮定され、その上で谷帯での溜蟹時間が
予測計算される。

ブロックｍこのブロックでは各帯の炉内磁界が仮定され
る。

ブロックＷ このブロックではブロックｍで仮定された各帯の炉内磁
界の存在下で、ブロックローこおいて計算された夫々の
各帯滞留時間加熱される場合における被加熱材夫々の抽
出予測温度が計算される。

この計算は前記ブロック１における計算方法と同じ手法
によってなされる。ブロックＶ このブロックではブロックｍで仮定された各帯の炉内磁
界の妥当性が下記（３１）式により判定される。

ｎ （３１） ｌｉき，（Ｔ。

ｉ−Ｔ。）１＜Ｑ但し、 ｔｊ：ブロックＷで計算された被加熱材夫々の予測抽出
温度Ｔｏ：言設定盤１６より入力された目標抽出温度ｎ
：炉内に存在する被加熱材の本数Ｑ：定数 ここに、Ｑは加工ラインが要求する加熱精度に応じて定
められる定数である。

なお、この（３１）式は炉の特性に応じて変形されるこ
とがある。すなわちこのブロックＶでは上述した抽出温
度目標値ｍ。と被加熱材夫々の予測値Ｔｏｉとの偏差を
炉内全被加熱材について合算したものの絶対値ｌｉ−萱
．（Ｔ。ｉ一九）ｌ等、前記偏差の全体的な大きさを表
現する適宜の関数が設定されており、この関数値が加工
ラインの条件によって定まる定数Ｑに比較して小さいと
きに合格の判定が下される。このブロックにおいて合格
の判定がなされると次にブロック肌へ進むが、不合格の
場合にはブロックので各帯の仮定炉内磁界が修正され、
ブロックＷの計算を経て再びこのブロックＶでその妥当
性が判定される。ブロックの このブロックでは下記（３２）〜（私）式にしたがって
計算された磁界補正量△日，、△比、△日３により各帯
の仮定炉内磁界が修正される。

△日，＝△Ｔ・８， （３２）△鬼＝△
Ｔ・８２ （３３）Ａは＝△Ｔ・８３
（３４）但し、△Ｔ：ｉき，（Ｔ。

ｉ−Ｔ。）８１、８２、８３：各帯固有の常数 上式から明らかなように、このブロックでは予測抽出温
度と目標抽出温度の偏差の総和にもとづき各帯の磁界補
正量△日，、△日２、△鼠が決定される。

フロツク肌 このブロックでは、ブロックＶでその妥当性が認められ
た各帯炉内磁界日，′、Ｈ２′、日３′〔ＡＴ／仇〕を
もとに、下記（３５）〜（３７）式により、各帯のコイ
ル電流目標値１，、１２、１３〔Ａ〕が計算される。

１，＝日，′・Ｌ／Ｔ， （３５）１２
＝日２′・Ｌ／Ｔ２ （３６）Ｌ＝日３
′・Ｌ／Ｔ３ （３７）但し「Ｌ、Ｌ、
Ｔ３およびＬ、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれ各帯のコイル巻数
および炉長で〔仇〕である。

計算結果である各帯のコイル電流目標値１，、Ｌ、１３
はブロックＷから各帯のコイル電流制御装置８，９，１
０に出力される。

この発明は以上に説明した演算を時々刻々に行なうこと
により誘導加熱炉に制御しようとするものであって、こ
れにより操炉の自動化、抽出温度精度の向上および加熱
電力原単位の低減をいずれも可能とする。

実施例 １４仇収０×５０物岬そのクランクシャフト用ビレツト
１５０ｍ′Ｍ生産する場合の電力消費量は従来の方法で
は５７肌ＷＨ／Ｔであったが、この発明にかかる誘導加
熱炉の制御方法によればこれを４９０ＫＷＨ′Ｔに減少
させることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を応用した誘導加熱炉とその制御系統
を示す簡略側断面図、第２図はこの発明方法を実施する
場合の計算方法のフローシート、第３図は第２図のブロ
ック１における計算結果の一例を示す図表である。 ａ，ｂ，ｃ・・・・・・誘導炉の予熱帯、加熱帯および
均熱帯、１，２，３・・・・・・４・炉体、４，５，６
・・・・・・コイル巻線、８，９，１０・・・・・・コ
イル電流制御装置、１５・・・・・・コイル電流演算装
置。 第１図第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ コイル電流制御装置を備えた誘導加熱炉の温度制御
   方法において、抽出ピツチに、コイル電流おび被加熱材
   温度の三者の関係に基づいてその内部温度分布を計算し
   、かくして得られる個々の被加熱材の抽出温度予測値と
   予め設定されている抽出温度目標値との偏差を求めると
   ともに、炉内全被加熱材について前記各偏差値の合算値
   が加工ラインの条件によつて定まる定数より常に小さく
   なるように、前記コイル電流制御装置のコイルの電流目
   標値が時々刻々設定、変更されることを特徴とする誘導
   加熱炉の温度制御方法。