JPS6036456B2 - 連続焼鈍炉の板温制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、鋼帯の連続燐鈍炉の板温制御方法に係わり
、詳しくは連続暁鈍炉加熱帯における板温制御方法に関
するものである。

金属鋼帯の蓮続焼鎚炉ではその加熱帯として連続加熱帯
が用いられ、鋼帯の品質上の制約から定められた特有の
熱サイクルを確保すべく鋼帯を加熱処理している。

連続加熱帯の一般的な構成を第１図を用いて説明する。
この第１図は１例として堅型連続加熱帯の構成を示す図
である。本図に示すように連続加熱帯は一般的に炉内側
を耐火物１で断熱保護された炉殻２で形成された炉体と
、錨帯３を連続的に通板するためのハースロール４など
の駆動装置と、鋼帯３を加熱するための加熱装置５とそ
れらの制御装置などで構成される。加熱方式にはたとえ
ば電気加熱方式、ガス直火加熱方式、ガス間接加熱方式
など種々の方式があるが、コスト上の問題や、通常の鋼
帯鮪錨は光輝暁鈍されることからガス間接加熱方式を用
いることが多く、しかも鋼帯３が直接触れる炉内雰囲気
はたとえば日２ガスとＮ２ガスなどの混合よりなる還元
性雰囲気とされていることが多い。そこで以後は、便宜
上、炉構成としたても最も一般的なラジアントチューブ
式のガス間接加熱方式を備えた堅型連続加熱帯を例とし
て説明する。連続加熱帯の加熱能力は定常状態では一般
的に【１ー式で表わされることが知られている。

ｐ●日・Ｗ・Ｖ・（Ｑ。−Ｑｉ）＝２・Ｌ・Ｆ・０（Ｔ
を−Ｔき＞ ……（１１但し、ｐ：鋼帯密度Ｈ：
鋼帯厚み Ｗ：鋼帯幅 Ｖ：通板速度 Ｑｉ，Ｑｏ：炉入口、出口における鋼帯 含熱量（鍵帯温度の関数） Ｌ：有効炉長 Ｆ：等価総括熱吸収率 Ｔｇ：炉温 Ｔｓ：平均鋼帯温度 。

：ボルッマン定数｛１｝式において左辺は連続加熱帯内
で鋼帯３が得る熱量を表わし、右辺は該加熱帯の鋼帯３
に対する加熱能力を表わしている。

（１｝式はこの両者の平衡を示す式であり、鋼帯３は【
１’式の平衡が成り立つ温度まで加熱されることになる
。ここで鋼帯３の板厚や目標熱サイクルを与条件として
、種々のロットの組み合わせによって連続的に通板され
ている鋼帯３の実際の熱サイクルを守るためには、通板
速度または炉温を変更することで対処しなければならな
いことがわかる。実際の操業上では炉能力を最大限に発
揮することが望まれるため、目標熱サイクルを一定とし
た場合の鋼帯の板サイズ（特に板厚）に対する通板速度
および炉温の関係は第２図に示すように考えることがで
きる。すなわち板厚が炉能力の標準鋼帯厚ｔｏ以下では
、炉の加熱能力は十分あるため生産量を最大とするため
には、通板速度は設備の許容最大速度とすべきであり、
鋼帯の熱サイクルを確保するための加熱能力の調整は、
鋼帯厚が小さくなるに従って炉温を低下させることによ
り行なう。逆に鋼帯厚が標準鋼帯厚ら以上では主として
加熱装置などの設備保護上炉温に制限をうけるため加熱
能力が限界に達し、炉温の設備の許容最大炉温となり、
鋼帯の熱サイクルを確保するためには鋼帯厚が標準鋼帯
厚しより大きくなるに従って通板速度を低下することで
保証する。同図で鋼帯厚が標準鋼帯厚ｔｏの場合には通
板速度、炉溢共に設備の許容最大となり生産量は公称の
標準生産量となる。前述のように、鋼帯３の連続加熱帯
では成品の品質上談鋼帯の熱サイクルを精度良く守るこ
とが要請されており、鋼帯の材質の変更による目標熱サ
イクルの変化および該鋼帯サイズの変更などに対しては
通板速度および炉温を変更することで炉の加熱能力を調
整する必要がある。

ところで最近の連続加熱帯では一般に通板速度および炉
温についてはそれぞれ制御装置を備え、操業者または計
算機を有した設備では計算機から各時点での操業状態に
合わせて鋼帯の目標熱サイクルを満足にすべき通板速度
および炉温の設定値を指令できるようになっている。通
板速度の設定値変更がなされた場合は、実際には駆動系
モータの回転数が変わることになるが、この制御応答遅
れは非常に短かく、即座に変更後の通板速度設定値に変
更することが可能である。しかし、炉温の設定値変更が
なされた場合には実際の炉温の応答は非常に遅く、所望
の炉温に達するまでには長時間を必要とする。炉温の設
定値変更時の連続加熱帯の熱応答特性についてさらに詳
細に第３図を用いながら説明する。第３図は堅型の連続
加熱炉において燃焼量をステップ的に変更した場合の実
際の炉温の応答特性を実験により求めた結果を示す。

第３図は時間を横軸にとり加熱装置５の燃焼量の変化を
Ａに炉温の実測値をＢにそれぞれ示したものである。時
刻りこ燃焼量をステップ的に急増するが、炉温はゆっく
りとした応答で上昇し、時間Ｔｏ後の時刻ｔ２に到って
安定する。燃焼量の減少方向や増減量など種々の条件で
実験を行った同様な特性を示し、応答遅れ時間はほゞ一
定で、３０〜４０分である。すなわち従来での燃焼量の
ステップ変化に対する応答遅れは３０〜４び分であるこ
とが判明した。この応答遅れの原因は、炉を構成する耐
火物１やハースロール４などの炉内金物、さらには鋼帯
３などの連続加熱炉を構成する要素の温度変化応答遅れ
によると推定される。すなわちこれら構成要素の温度ま
たは温度分布は炉温レベルにより当然異つているため、
炉温が定常状態に達するためにはこれら構成要素の温度
分布が定常状態に達することが必要であるが、これらの
内部伝熱速度は有限であるため、燃焼量のステップ変化
に対して実炉温は応答遅れを生じると理解できる。炉温
制御系は一般に操作端は燃料の燃焼量であり、炉内に設
置された炉温検出端の実炉温情報と操業者または計算機
などから指令された設定炉温の偏差から、実炉温が設定
炉温より低ければ燃焼量を増加させ逆の場合には減少さ
せる動作を連続または周期的に行ない遂には実炉温を設
定炉温に到達せしめる機能を有するものであるが、普通
は比例・積分または比例・積分・微分法を用いて操作量
を定常値以上まで操作するいわゆるフオーシング制御を
採用して可能な限り炉温設定値変更に対する実炉温の応
答を迅速にすべく制御系を組み立てている。

多くの場合、制御系を最良のものとすれば、操作量に限
界がないという条件で、応答遅れ時間は約１／１０に縮
めることにできるといわれている。すなわち、鋼帯の連
続加熱炉において炉温制御の操作量である燃焼量に対す
る実炉温のステップ応答遅れが３０〜４０分であるから
、制御系を最適とすることにより炉溢制御系の制御応答
遅れは３〜４分と縮めれらる可能性があることになる。
しかし一般に炉の燃焼量には設備上、最大、最小の限界
があるため、実際上にはフオーシング制御は有効に働く
ことができないこともあり、極端な場合はステップ応答
とほぼ同様の条件となることもあり得る。第４図は炉温
設定値Ａのステップ変化に対して、炉温制御系が設備上
の限界に制約されることなく自由に機能を発揮できた場
合の例である。

時刻Ｔｏに炉温設定値Ａは急上昇されたため実炉温Ｂは
設定値より低温となり、このため制御系の演算に従って
燃焼量Ｃは上昇し、結果として実炉温Ｂも上昇し始める
。以下この動作を繰り返すとある程度実炉温Ｂが上昇す
ると逆に燃焼量Ｃは減少するように働き始めるが、前述
のように実炉温には熱応答遅れが存在するために実炉温
はそのまま目標に向って増加し続ける。以上のような動
作を繰り返して実炉温は、時間Ｔ．を要して時刻ｔ，に
は目標値に達して安定する。この時、制御系が最適に設
計されていれば実炉温の応答遅れ時間は３〜４分である
。この時炉の通板速度および鋼帯のサイズ（板厚、板幅
）が同じであれば時間Ｔ，の間は板温Ｄは過渡期にあり
板温外れとなる。第５図は、炉温設定値Ａのステップ変
化に対して炉温制御系の動作が設備上の限界に制約され
、その機能を十分には発揮できない場合の例である。

すなわち時亥比ｏ′における炉温設定値Ａのステップ変
更に対して炉温制御系は燃焼量Ｃを増加させようとする
が、設備上の上限にかかり、それ以上には増加すること
はできない。このような場合、最終的には実炉温Ｂは目
標値に落ち着くことになるが、応答遅れ時間Ｔ，′は第
４図の場合より長く要し、時刻ｔ，′に安定する。応答
遅れ時間Ｔ，′はステップ応答前後の燃焼量Ｃのレベル
と燃焼量Ｃの上下限値との関係によって異なり、最悪の
場合は第３図に示したような燃焼量Ｃのステップ応答特
性と同様の状態となり、炉温の応答遅れは３０〜４粉ご
要する場合も起り得る。第５図の場合も板温Ｄは応答遅
れ時間Ｔ，′の間は過渡期となり、板温外れの原因とな
る。以上のことから、鋼帯の連続加熱帯において鍵帯の
サイズ変更や目標熱サイクルの変化に対処して、鋼帯に
応じた熱サイクルを厳守するためには通板速度および炉
温の片方または両方を変更する必要があり、炉の通板速
度の変更は非常に迅速に行なうことが可能であるが、炉
温の変更には最大３０〜４０分、最小３〜４分の応答遅
れ時間を要し、その間は板温外れの原因となる。

従来の板温制御方法における炉温設定替の方法は炉温設
定値の変更が必要な鋼帯上の位置（し汎洛炉温設定替ポ
イントと称す）を追跡し、該炉温設定替ポイントが炉の
入口または出口に到達した時点に変更指令を行なうのが
普通である。

説明の便宜上炉内に存在する鋼帯の板温外れを論議外と
すれば、従来法を用いて炉温の設定替を行なった場合、
炉温上昇時には炉温設定替ポイントより以前の鋼帯（以
下先行鋼帯と称す）は、炉温が設定替前の安定した状態
であり問題ないが、炉温設定替ポイントより以降の鋼帯
（以下後行鋼帯と称す）は炉温が過渡期にあり実炉温が
炉温設定値に達していないために板温は目標板温より低
く、加熱不足の板温外れとなる。逆に炉温下降時には後
行鋼帯は炉温過渡期の間は設定炉温より高い炉温べ加熱
処理されるため、過加熱の板温外れとなる。このように
従来においては板温外れが生じ、これが問題であった。
本発明は、鋼帯の蓮続焼鈍炉加熱帯の板温制御方法に関
して炉温の設定替を行なう場合、従来方法では過熱又は
不足加熱の２種の板温外れが発生するのに対して、該暁
鈍目的から板温外れの許容幅は一般的に過加熱側に緩や
かであることに着目し、板塩外れを避け得ない場合は、
過加熱側に発生させ、しかも板温外れ区間を最小限とし
、成品鋼帯の歩留向上および品質向上を蓮せしめようと
する板温制御方法を提案するものである。

次に本発明にかかわる鋼帯達続焼鈍炉加熱帯の板温制御
方法について述べる。

蓬続焼錨炉で鋼帯厚または目標サイクルの異なる鋼帯を
連続して処理するためには炉の通板速度のみでなく炉温
をも変更することは不可欠であり、また炉温設定を変更
するためには炉機成要素の熱費性から実炉温の応答には
制御系を最適なものとしても３〜４分から３０〜４０分
の遅れがあるかとは避け得ない。一つの考え方として炉
温の過渡期には板温に対する他の操作端である通板速度
を連続的に変更して板温の目標サイクルを確保すること
が考えられるが、例えば第２図において標準鋼帯厚ｔｏ
以下の領域で板温変更が行なわれる場合は、炉温設定替
ポイント前后では設定炉温が異なるのみで炉の通板速度
は常に設備上限速度が設定されているため、加熱不足を
通板速度を低下することで防止することはできても過加
熱に対しては通板速度は上昇不可能のため防止すること
はできない。また加熱不・足を防止するために通板速度
を低下させることは生産量の減少につながる。すなわち
炉温設定替時の過渡的な板温外れは通板速度を調整する
ことにより一部は抑制することができるが極めて不満足
な対策である。ところで板溢制御においては該板温外れ
を常に許容範囲の大きい過加熱側に発生せしめ、しかも
その区間を最小限とすることが肝要であり、通板速度の
調整等の抑制はバックアップ対策とするのが妥当である
。本発明は炉温の設定替の方向（炉温上昇又は下降）と
その時点の該炉操業状態から炉温設定替の最適時期を推
定し、そのタイミングで炉温設定値変更を指令すること
により炉温過渡変動を常に過加熱側への板温外れとし、
同時に板溢外れ区間を最小となる板温制御方法を提案す
るものである。本発明にかかわる操作原理を第６図、第
７図、第８図を参照して説明する。

第６図は炉温を下降方向に変更する場合の例であり、こ
の場合は同図Ａに示すように鋼帯厚がＰ点を境として厚
物から薄物に変化するため、炉温はＢに示すようにＰ点
前后でステップ的に低下することを要求される条件であ
る。ここでＰ点は炉温設定替ポイントを表わしている。
このような場合はＰ点が炉の出口に到達した時に炉温設
定値を変更するのが良く、それによってＣに示すように
実際の炉温は徐々に変化するがその過渡変動は後行の薄
い鋼帯すなわち要求される炉溢しベルの低い鋼帯にあら
われ、応答遅れ時情ｍ，の間は後行鋼帯は要求される炉
温よりも高い炉温で熱処理されて過加熱方向の板温外れ
となる。応答遅れ時間Ｔ，は前述のようにその時点での
操炉条件により異なるが、どのような場合も炉温設定替
は炉温設定替ポイントＰ点が炉出口に到達した時点に指
令するのが最適である。第７図は炉温を上昇方向に変化
する場合を例示しており、同図Ａに示すように鋼帯厚が
Ｐ点を境として薄物から厚物に変化するため、炉温がＢ
に示すようにＰ点前后でステップ的に上昇することを要
求される条件である。このような場合加熱不足を防止す
るためには高い炉温を要求される板厚の厚い鋼帯が炉に
入る前に炉温の変化が完了しておかねばならない。すな
わち、先行鋼帯の処理中に前もって炉温を変化させるの
であるが、炉温の応答遅れ時間Ｔ，′を予測しＰ′点が
炉入口に到達するＴ，′時間前に炉温設定値を変更する
必要がある。そうすれば実際の炉温は同図Ｃに示すよう
に上昇し、後行鋼帯が炉に到達する時には炉温は所望の
炉温まで変化を完了した状態となっている。この場合先
行鋼帯の尾機のＴ，′時間相当分は実炉温は所要炉温に
比べて高いため同図Ｄに示すように過加熱方向の板温外
れとなる。ここで応答遅れ時間ｍ，′はその時点での操
炉条件により異なり３〜４分から極端には３０〜４び分
の場合もあるため、これまでのように、応答遅れ時間歌
．′を予測しないで安全側として常に３０〜４粉ンを採
用しＰ点が炉に到達する３０〜４び分節に炉温設定替を
行ったとすれば先行鋼帯の尾端の３０〜４０分の処理分
は過加熱の板温外れとなり、実際の過渡変動が３〜４分
で完了する場合は２５〜３５分の無駄な板温外れを誘起
するため好ましくない。従って本発明が有効に適用され
るためには炉温の応答遅れ時間Ｔ，′を予測することが
不可欠となる。応答遅れ時情町，′は前述のように炉の
熱慣性が原因で発生するものであり、また炉温制御系の
構成や調整度さらには燃焼量の上下限によっても異なる
。すなわち炉固有の特性値ということができる。本発明
者達は、縦型の連続加熱炉において実験を行ない、炉温
応答遅れ時間と炉温設定替前后の燃焼量の状態との関係
を求めることに成功した。すなわち設備固有の上，下限
燃焼量をそれぞれＱＵＬ，ＱＬＬとし、先行鋼帯の定常
時の燃焼量をＱｏ、後行鋼帯の定常時の燃焼量を燃焼量
増加方向の場合Ｑ，．、減少方向の場合Ｑ，２とし、燃
焼量の変更水準と設備上下限燃焼量との関係を示すため
の指数としての燃焼量変更率ｘ〔％〕を、ｘ＝（Ｑ，．
−Ｑ。）／（ＱＵＬ−Ｑ。）ｘｌｏｏ（＝（Ｑ。−Ｑ，
２）／（Ｑ。−ＱＬＬ）×１００）と定義すると（括弧
内は燃焼量低下の場合）、炉温応答遅れ時間ｙ〔ｓｅｃ
〕は燃焼量変更率ｘの関数として第８図に示すような曲
線で表わされることが判明した。これを式で示すと‘２
１式のようになる。但し、Ａ＝０．５３７＆ Ｂ＝ｘＣ
＝２０．３Ｃ＝３９５，ｎ＝１．８＆｛２｝式における
Ａ，Ｂ，Ｃ，ｎ，ｘｃ等の定数は各炉固有の値として異
なるものであり、本発明を適用する場合には対象の炉に
おいて実験を行ない各定数の値を前もって求めておく必
要がある。

次に、後行鋼帯を処理する場合の定常時の燃焼量の推定
であるが、これを該炉の熱効率り〔％〕を用いると簡単
に推定できる。すなわち、式｛１｝を計算することによ
り求められる該炉内で鋼帯が得る熱量Ｑｅに対して投入
熱量Ｑｆとの関係はり＝Ｑｅ／Ｑｆ×１００〔％〕であ
るためＱｆ＝Ｑｅ／り×１００となり、燃料発熱量をＲ
とすれば燃焼流量ＳはＳ＝Ｑｆ／Ｒで求められる。熱効
率りは炉の構造特に排エネルギーの利用割合や断熱構成
などにより異なる炉特有の値であるため前もって実験に
より求めておく必要がある。以上に説明した本発明によ
る炉溢設定替方法をまとめると炉温を低下方向に変更す
る場合は炉溢設定替ポイントが炉出口に到達した時点で
炉温設定替を行ない、炉温を上昇方向に変更する場合は
あらかじめ炉温応答遅れ時間Ｔ，′を推定しておき、炉
撮設定替ポイントが炉入口に到達するＴ，′だけ以前の
タイミング炉温設定替を行なうことにより、炉温の応答
遅れの鋼帯温度への影響を常に過加熱側とし、しかもそ
の区間は最小とすることが可能となる。

次に本発明にかかわる板温制御方法を鋼帯の連続焼鈍炉
加熱帯に適用した例について第９図を用いて説明する。

第９図で３は鋼帯、６は蓮総燐鈍炉、７はプライドルロ
ール、８は駆動モータ、９一１，９−２はプライドルロ
ール７に連結されて通板速度および鋼帯３の移動距離を
示す出力を出じる指速発電機およびパルス発生器、１１
は速度制御装置であり、指令された速度設定値で鋼帯３
は通板される。１２は炉温制御装置であり、炉内に設置
された炉温検出端（図示せず）からの炉温信号と指令を
うけた炉温設定値の偏差を無くすべく燃料の流調弁１３
を調整する。

１４は燃焼量に相当する燃焼流量を検出するオリフィス
などの燃料流量検出端である。

１５は設定炉温および設定通板速度を算出する装置であ
り、次に通板すべき鋼帯３がベイオフリールに装着され
た時に働き、板厚、板幅、目標板厚などの与えられた材
料情報と有効炉長と炉設備上より定められる上、下限燃
焼量、および炉設備の最高通板速度とから｛１１式に示
した演算を行ない、炉能力を最大限に活用するための設
定炉温、設定通板速度を算出する。

１６は炉温設定替時期を算出する演算装置で、次の順序
により、板温外れを全て過加熱方向としかつ過加熱区間
を最小とする炉温設定替の最適時期を出力する。

即ち、まず頚。温器１７からの美温と前記算出装置１５
からの設定炉温とを比較し、炉温を下げるか上げるかを
判定する。次いで、通板される鋼帯３の板温、板幅、炉
入口板溢、目標板温、設定炉温、設定通板速度、有効炉
長から｛１１式により鋼帯３が得る熱量Ｑｅを算出し、
次いで該熱量Ｑｅに応じた投入熱量Ｑｆを求め、その後
、燃焼流量Ｓが求められる。前記燃焼流量Ｓと燃料流量
検出端１４からの燃焼量Ｑｏの差則ち燃焼変更量と、炉
設備の上、下限燃焼量と前記燃焼量Ｑ。の差との比、燃
焼量変更率ｘを算出し、予め設定した燃焼量変更率ｘと
炉温応答遅れ時間ｙの関係から当該燃焼量変更率ｘにお
ける炉温応答遅れ時間ｙを求める。この炉温応答遅れ時
間ｙを指速発電機（９一１）から入力される速度を用い
て炉温設定替ポイントが通過する位置的な時期に変換し
て炉温設定替信号として出力する。１８は、炉温・通板
速度設定装置で、前記算出装置１５からの設定炉温と設
定通板速度をそれぞれの制御系の基準値として指令する
装置であり、炉温設定替に際しては前記炉温設定替時期
の演算装置１６からの炉温設定替信号と鋼帯位置追跡装
置１９からの炉温設定替ポイントの位置情報とタイミン
グをとり、炉温設定替を炉温制御装置１２に指令し、炉
温設定替が行なわれる。

以上詳細に説明したように本発明によれば連続嫌鈍炉に
おいて炉温設定替時にも不足加熱を発生せず、品質上の
緩い過加熱側の板温外れとし、しかも板温外れ区間は最
小限として品質上の問題を極力少さ〈抑制することがで
き、非常に有益である。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋼帯の連続競鎚炉加熱帯の構成を示す概要図、
第２図は該炉の速度、炉温の設定値に対する概念図、第
３図〜第５図は該炉の熱特性を示す図、第６図〜第７図
は本発明にかかわる板温制御方法の実施概念図、第８図
は本発明にかかわる炉温応答遅れ時間特性を表わす図、
第９図は本発明の実施様態を示す図である。 図面で２は炉殻、３は鋼帯、４はハースロール、５は加
熱装置、６は蓮続焼鎚炉、７はプライドルロール、８は
駆動モータ、９一１，９一２は指令発電機およびパルス
発生器、１１は速度制御装置、１２は炉温制御装置、１
３は流鋼弁、１４は燃料流量検出様、１５，１６は演算
装置である。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 連続焼鈍炉で鋼帯の板厚変更、目標板温変更に対し
   て炉温を低温方向あるいは高温方向に炉温設定替をする
   にあたり、低温方向に変更するさいは鋼帯の炉温設定替
   ポイントが炉出口に到達したときに炉温設定替を行ない
   、高温方向に変更するさいは、変更される鋼帯の板厚、
   板幅目標板温から鋼帯の得る熱量を算出して炉の燃焼流
   量を求め、次いで変更前からの燃焼量変更量と、炉設備
   面から定まる上、下限燃焼量と変更前燃焼量の差との比
   の燃焼量変更率を求め、予め定めた燃焼量変更率と炉温
   応答遅れ時間の関係から当該燃焼量変更率における炉温
   応答遅れ時間を推定し、鋼帯の炉温設定替ポイントが炉
   入口に入る前記炉温応答遅れ時間前に炉温設定替を行な
   うことを特徴とする連続焼鈍炉の板温制御方法。