JPS61136616A - 金属片の加熱方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、加熱炉による金属片の加熱方法に関するもの
で、さらに詳言すれば、金属片を加熱する加熱炉を充分
な精度で制御することを目的としたものである。

〔従来の技術〕

金属片（以下、スラブと呼ぶ）を圧延する前に加熱する
際に、従来は。

■炉壁に設置した熱電対によって炉内雰囲気温度を測定
する。

■炉壁または炉の天井等に設置した放射温度針によって
スラブの表面温度を測定する。

これら■、■の何れかにより、または■、■の組合わせ
により炉内温度またはスラブ表面温度として把握し、こ
れらの測定演算温度が予め設定された目標値と一致する
ように制御する方法が行われている。

一方、加熱炉において、スラブを加熱する際の必要条件
は９次の２点である。

ａ、大断面のスラブから小断面の製品（板２条。

管等）に圧延する際の変形抵抗を低下させるためにスラ
ブ内平均温度を目標値に加熱制御する。

ｂ、スラブの変形抵抗を均一にし、圧延製品の断面寸法
を均一にするために、スラブの長平方向温度分布を均一
にする。

このａ、ｂの条件を満足するためには、スラブの断面内
の平均温度と温度分布との進行状況を正確に把握する必
要がある。

すなわち、第１図に示す如く、スラブ１は、一般にスキ
ッドバイブ２　（またはハース）に設けられたスキッド
ボタン３の上をプッシャー（図示省略）によって押され
て摺動し、またはウオーキングビーム（図示省略）によ
って歩行するように移動しつつ加熱されて行く。

このため、スラブ１の断面の中のスキッドバイブ２の直
上部付近が最も低温の部分（すなわち。

最冷点）となる、ここで、最冷癲の位置はスラブ１の寸
法や、この時点までのスラブｌに対する加熱履歴によっ
てわずかに異なるが、何れにしてもスキッドバイブ２の
直上付近となる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の方法は、前記したａ、ｂの２つの点から次の如き
欠点を有している。

炉壁に設置した熱電対では炉内の雰囲気温度が判るだけ
で、スラブ■の最冷点温度はおろかスラブ１の表面温度
さえも把握できない。

また、炉天井に設置した放射温度計ではスラブ１の上面
温度を把握することはできても、スラブ１の最冷点温度
は把握できず、これがため圧延に支暉を来したり、加熱
炉の燃料を無駄に消費することになっていた。

これらの欠点を解消すべく、スラブｌの上方から炉内上
部雰囲気温度、下方の炉内下部雰囲気温度およびスキッ
ド冷却管内の冷却水の温度を測定し、この各測定温度を
用いて、炉内のスラブ１のスキッド当接部位を含む複数
の部位について、スラブ１の厚さ方向の位置別に現時刻
におけるスラブ１の温度を伝熱モデルにより計算し、さ
らに抽出予定時刻における温度を予測計算して炉内温度
を制御する方法がある。

この方法では、スラブ１のスキッドボタン３との当接部
位の温度を、実測することなしに、スキンドパイブ２内
の冷却水温度と炉内雰囲気温度の測定値とから計算によ
り算出するので、長時間の計算を行っても、スラブ１内
の温度分布を高精度で求めることは不可能である。

また、他の方法（例えば、特公昭５８−１９７２８号）
として、スラブ１の熱間圧延において。

スラブ１の長さ方向における任意の制御対象点の加熱炉
からの抽出時におけるスラブ１の表面温度あるいは加熱
炉の均熱帯温度、圧延パスの前記制御対象点での圧延荷
重ならびにこの点の前記抽出点から圧延パスまでの圧延
条件に基づいて、前記制御対象点の加熱炉からの抽出時
のスラブｌの厚さ方向における最高温度と最低温度とを
求め、双方が所定の範囲内となるように、加熱炉設定温
度および抽出ピッチの両方もしくは何れか一方を調整す
るものがある。

この方法においても、加熱中の最高温度と最低温度とを
直接知ることは不可能であって、何れの場合も推定によ
って知るのみであり、充分な精度で知ることはできない
ものとなっている。

何れにせよ、従来は、スラブ１の最高温度と最低温度と
を正確に知ることができず、充分な精度で加熱炉を制御
することができないと云う問題があった。

・〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明に
よる加熱方法は、上記した従来例における問題点および
欠点を解消すべく創案されたもので、スラブ１に関する
各種の情報と装入側の燃焼ゾーンにおけるスラブ１の各
部の測定温度を用いて係数が学習修正され且つ伝熱計算
モデルに従ってスラブ１の温度分布と損失熱量とを算出
し。

この算出された温度分布と損失熱量とが予め設定された
目標値となるように各燃焼ゾーンへの投入熱量と炉内搬
送速度との両方もしくは何れか一方を制御するものであ
る。

以下２本発明による加熱方法を１本加熱方法の一実施例
を示す図面を参照しながら説明する。

本発明による金属片の加熱方法は、スラブ１を複数の燃
焼ゾーンを順に通過させて加熱する加熱炉において、ス
ラブ１の材質１寸法等の仕様及びスラブ１により製造さ
れる製品の仕様情報、また圧延等の後工程の処理情報、
さらには装入側の燃焼ゾーンにおけるスラブ１の炉幅方
向端部、炉列中心部付近部、そしてスキッドボタン３と
の接触部付近部の測定温度を用いて伝熱計算モデルの係
数を学習修正して温度分布と損失熱量とを算出し。

この算出された温度分布と損失熱量とが予め設定された
目標値となるように該当する燃焼ゾーンへの投入熱量と
炉内搬送速度との両方もしくは何れか一方を制御するの
である。

すなわち、スラブ１の炉内搬送速度がＶである時、加熱
速度ΔＱｉと投入熱量Ｑ　ｆ　ｉとは、スラブｌの材質
とか寸法等の仕様やスラブ１により製造される製品の仕
様情報を用いて伝熱計算モデルにより算出仮定すること
ができるが、この仮定された加熱速度ΔＱｉと投入熱量
Ｑ　ｆ　ｉとからスラブ１の温度分布および損失熱量を
計算し、この計算された温度分布および損失熱量のそれ
ぞれの目標値との間の差を零とすべく、前記加熱速度Δ
Ｑｉおよび投入熱量ＱｆｉＯ値を修正すると共に、装入
側の燃焼ゾーンにおけるスラブ１の炉幅方向端部と炉列
中央部付近部とそしてスキッドボタン３との接触部付近
部の測定温度を用いて、前記した伝熱計算モデルの係数
を学習修正するのである。

第１番目の燃焼ゾーンにおいて雰囲気からスラブ１に伝
達される熱量をＱ　ｓ　ｔ　、抽出側の燃焼ゾーンから
流入する燃焼廃ガスの顕熱をＱｇＣｉ＋１）１反対に装
入側の燃焼ゾーンに流出する燃焼廃ガスの顕熱をＱｇｉ
、投入された燃料の熱量すなわち投入熱量をＱｆｉ、雰
囲気からスキッドパイプ２の冷却水に吸収される熱量を
Ｑｇｗｔ、スラブ１から冷却水に吸収される熱量をＱｓ
ｗｉ、雰囲気から炉壁等を通して放散する熱量をＱｂｉ
とすると、この燃焼ゾーンにおける熱バランスは。

Ｑｆｉ　＋０ｇＣ４十Ｉ）””　Ｑｇｉ　＋Ｑｇｗｉ　
＋Ｑｓｗｉ　＋　Ｑｂｉ　＋　Ｑｓｉとなる。

この熱バランス式における各熱量は１次のようにして求
められる。

熱量Ｑｇｗｉは。

Ｑｇｗｉ　＝Ｓｓ−（θｇｉ−θ−）１αｓで求められ
る。　なお、　Ｓｓはスキッドパイプ３の延べ表面積、
αＳはスキッドパイプ３の熱伝導率。

Ｑｇｉは雰囲気温度、ｅｗは冷却水の平均温度である。

熱量Ｑｂｉは。

Ｑｂｉ＝Ｓｂ・（θｇｉ−θａｔ）−αｈで求められる
。　なお、Ｓｂは炉壁の延べ表面積。

αｂは炉壁の熱伝導率、θａｔは大気温度である。

熱量Ｑｓｗｉは。

Ｑｓｗｉ　＝Ｓｗ・（ｅ　ｉ　　（ｔ、−ｈ、ｙｓ　）
−θｗ〕・ａＨで求められる。　なお、Ｓ−はスキッド
ボタン３の断面積、　＋９　ｉ　　（Ｌ−ｈ、ｙｓ　）
は時刻ｔにおいて第１番目の燃焼ゾーンに有るスラブｌ
下面のスキントポタン３の中心ｙｓの位置の温度、θＷ
は冷却水の平均温度、α−はスキッドボタン３の熱伝導
率である。

燃焼ゾーンにおけるバーナからの燃焼ガス量Ｇｉは。

Ｇｉ−Ｆｉ　（Ｇｏ＋＾ｏ（ｍｉ−１））但し、　Ｆｉ
は燃焼シアンに投入された燃料流量、　Ｇ。

は理論廃ガス量、＾Ｏは理論空気量、　ａｔはバーナに
おける空気比である。

となる。　それゆえ、第ｉ燃焼ゾーンの火炎温度ｅｆｔ
は。

となる。　なお、　Ｃｇは燃焼廃ガスの比熱、０ｇは燃
焼廃ガスの密度、Ｈは燃料の低位発熱量、ρａは燃焼空
気の比重、　Ｃａは燃焼空気の比熱、θａは燃焼空気の
温度である。

抽出側の燃焼ゾーンから流入する廃ガスの量と温度とを
Ｖ（＋１，０ｇ　（ｔ＋１）″とし、装入側の燃焼ゾー
ンに流出する廃ガスの量と温度とをｖｉ、θｇｉ°　と
すると、平均雰囲気温度θｇｉと、廃ガスの熱バランス
は次のようになる。

Ｖｉ　　＝Ｇｉ　　＋Ｖ＋十＋ それゆえ、平均雰囲気温度θｇｉは。

となる。

また、廃ガスの熱バランスは。

Ｇｉ　　・　θｆｉ　＋　Ｖｔｎ　・　０ｇ（ｉ＋１）
’　　＝Ｖｉ　　−ｅｇｉ’　　＋Ｑｓｉ＋Ｑｇｗｉ　
＋Ｑｂｉとなる。　なお、Ｑｓｉは雰囲気からスラブｌ
に伝達される熱量、　Ｑｇｗｉは雰囲気からスキッドパ
イプ２の冷却水に吸収される熱量、Ｑｂｉは雰囲気から
炉壁等を通して放散する熱量である。

ところで、スラブｌ内の熱伝導は。

の伝熱モデル式で表わされる。なお、この式において、
α、βは定数であり、また−ｈ５　ｘ　Ｓ　ｈおよび−
！≦ｙｓｉである。

このスラブエにおける伝熱モデル式から、炉内の上部雰
囲気よりスラブ１に伝達される熱量Ｑ　ｓ　ｉは。

＝εσ〔（０ｇ　ｉ　＋　２７３）４−　（θｔ（ｔ、
ｈｖｙ　＋２７３）”　）＋δ　〔θｇｉ−θ１（Ｌｈ
、ｙ　）　　）となり、下部についても同様に。

Ｑｓｊ＝　Ｒ［−３−！狙日ｙ）十％担）］ｘ ＝ｇ　σ（（ｅｇｉ＋２７３）”　　（ｅｉ（ｔ、−ｈ
、ｙ）＋２７３）４）＋δ〔θｇｉ−θ１（ｔｌ−ｈ　
ｌ　Ｖ　）　）となる。　なお、Ｒはスラブ１の熱伝導
率、εは放射率、σはポルツマン定数、δは対流による
熱伝達係数である。

厚み２ｈ、長さ２１のスラブ１が速度Ｖで炉内を搬送さ
れ、装入側のゾーンからの距離Ｌｉを進む間に温度が０
ｌ−１（ｔ−’ｐｘｖｙ　）からＧｉ　　（ｔ、ｘ、ｙ
　）に上昇する時の加熱速度ΔＱｉは。

一θ１−１（ｔ−＋Ｘｙｙ）　） ＝　Ｑｓｉ　−Ｑｓｗｉ となり、加熱速度ΔＱｉは搬送速度Ｖの関数で表すこと
ができることになる。　なお、ρＳはスラブ１の密度、
　Ｃｓはスラブｌの比熱である。

このようにして、スラブ１の搬送速度Ｖ、スラブ１の寸
法、各ゾーンの雰囲気温度θｇｉ、各ゾーンへの投入熱
量Ｑｆｉ　、廃ガス温度θｉｌ、スラブ１の最高温度ｅ
ｈｉ、スラブ１の最低温度θＺｉ、そして冷却水の温度
θ賀の測定値から、前記した伝熱モデル式を用いて推定
したスラブ１の最高温度旦■および最低温度旦ムと、前
記した実測値である最高温度θｈｉおよび最低温度θ！
ｉとを比較し。

両者の差が最小となるように前記した伝熱モデル式のパ
ラメータ（α、β等）を学習修正し、この学習修正され
た伝熱モデル式に従って算出された温度分布と損失熱量
とが予め設定された目標値となるように投入熱量Ｑｆｉ
とスラブ１の搬送速度Ｖとの両方もしくは何れか一方を
制御するのである。

なお、この学習修正された伝熱モデル式のパラメータお
よび実測最高温度θｈｉそして実測最低温度θＩｉは９
次の加熱ゾーンにおける温度制御にフィードフォワード
されることは云うまでもない。

〔実施例〕

第１図および第２図に示した実施例において。

４はスラブ１のスキッドボタン３との接触部付近部の温
度を検出する温度計、５は炉列の中央部付近部の上面部
分の温度を測定する温度計、６は炉列の中央部付近部の
下面部分の温度を測定する温度針、７は炉の側壁からス
ラブ１の炉幅方向端部の温度を測定する温度針、８は加
熱ゾーン内の雰囲気温度Ｑｇを測定する温度針、９は各
温度測定信号やスラブ１の寸法等から最適な各加熱ゾー
ンへの投入熱量および加熱速度を演算して出力するコン
トローラ、１０は各ゾーンへの投入熱量を前記したコン
トローラ９からの指令に従って制御する投入熱量コント
ローラ、そして１１は前記コントローラ９からの指令に
従って加熱速度ΔＱｉを制御する加熱速度コントローラ
である。

なお、各コントローラの下には各投入熱量制御系や加熱
速度制御系の操作器やプロセスが存在するが、ここでは
それらは省略する。

この第１図および第２図に示した実施例による本発明方
法の制御の一例を第３図に示したフローチャートを従っ
て説明する。

ステップ１にて制御動作のスタートを指令しておいた状
態で、ステップ２によってスラブ１を加熱炉内に装入す
るに先立って上位の計算機等からコントローラ９にスラ
ブ１の仕様や、圧延温度条件や炉内各種温度実測データ
を入力し、このスラブ１によって製造される製品の仕様
を入力し、この入力信号に従ってステップ３で前記した
熱伝達計算モデル式の学習を行う。

この熱伝達モデル式を使用しての学習によってステップ
４で圧延等の後工程の処理速度に応じた加熱速度ΔＱｉ
および投入熱量Ｑｆｉを仮定する。

熱伝達計算モデル式を利用して加熱速度ΔＱｉおよび投
入熱量Ｑｆｉが仮定されたならば、ステップ５でスラブ
１の温度分布および損失熱量を推定計算し、この計算結
果を予め設定された目標値と比較して適正か否かをステ
ップ６で判断する。

ステップ５で仮定された温度分布および損失熱量が目標
値とならない場合には、ステップ８において前記熱伝達
計算モデル式により加熱速度ΔＱｉおよび投入熱量Ｑｆ
ｉを修正し、再びステップ５とステップ６とを繰り返す
。

この修正によって温度分布および損失熱量が目標値と等
しくなったならば２次のステップ７に移行して、このス
テップ５で設定されかつステップ６で最適と判断された
温度分布および熱損失を得ることのできる加熱速度ΔＱ
ｉおよび投入熱量Ｑｆｉをコントローラ９から投入熱量
コントローラ１０および加熱速度コントローラ１１に出
力する。

ステップ９においては、この出力された加熱速度ΔＱｉ
および投入熱量Ｑｆｉで対応する燃焼ゾーンを運転する
。

この対応する燃焼ゾーンでのスラブｌの加熱が終了して
抽出側の燃焼ゾーンに搬出するに際しては、この抽出側
が加熱炉の抽出筒か否かをステップ１０で判断し、抽出
筒でない場合には、前記学習修正された熱伝達計算モデ
ル式の係数、およびこの燃焼ゾーンにおけるスラブｌの
前記した各部の実測温度値を１次の燃焼ゾーンにおける
加熱速度ΔＱｉおよび投入熱量Ｑｆｉの修正算出データ
としてフィードフォワードして、再びステップ２からこ
の抽出側の燃焼ゾーンにおける加熱速度ΔＱｉと投入熱
量Ｑ　ｆ　ｉとの制御を行う。

このようにして、各々燃焼ゾーンでの加熱速度ΔＱｉお
よび投入熱量Ｑ　ｆ　ｉを制御しながらのスラブｌの加
熱制御が達成され９Ｍｔ後の燃焼ゾーンからスラブ１が
搬出されたならば、ステップ１０で加熱炉の抽出筒であ
ることを判断してステップ１１に移行して、スラブ１に
対する加熱炉の加熱制御動作を停止する。

所で、ステップ３．ステップ４．ステップ５゜そしてス
テップ８において入力される装入側の実測温度分布等の
データは、スラブ１の実測最高温度θｈｉと最低温度ｅ
ｌｉとであり、その他のデータはそのままスライドして
入力させる。

このように、スラブ１の温度分布は、投入熱量Ｑｆｉ、
雰囲気雰囲気温度ジスラブ法、初期温度分布等を入力す
ることによって熱伝達計算モデル式を利用して演算算出
することができるが、正確には抽出側に存在するスラブ
ｌの仕様等の影響を受けて変動するのであるが９本発明
の場合、炉内における各実測値によって熱伝達計算モデ
ル式の誤差を補正しながら、熱伝達計算モデル式を学習
するので、制御精度が大幅に向上することになる。

なお、スラブ１温度の実測値からスラブ１温度を評価す
るには次のようにして行う。

すなわち、雰囲気とスラブ１との間の熱伝達計算゛モデ
ル式によってスラブ１の寸法に対応した各点の温度を推
定する。特に、炉列中心部の上面。

下面または炉幅方向端部は、スラブ１の最高温炭分とな
り、スキッドボタン３との接触部分は、スラブ１の最低
温度部または最低温度部と極めて近い部分となるととを
利用する。

それゆえ、炉列中心部のスラブ１の上面の温度をｅｉ（
ｔ、ｈ、ｏ　）　、炉列中心部のスラブｌの下面の温度
をθ１（ｔｔ−ｈ＋ｏ　）　、炉幅方向端部のスラブ１
の温度をθｔ（ｔ、０　、１　）　、スキッドバイブ２
の直上の下面の温度をθ１（ｔｏ−ｈ、ｙｓ　）とする
と、スラブ１内の最高温度旦■、最低温度旦Ｕは。

旦ｈｉ　”ｖ　Ｍａｘ　’（θｔ（ｔｖｈ＊０　）　＊
　θｔ（ｔ、−ｈ＊０）　。

ｅｉ（ｔ、Ｏ，Ｊ）　） および 旦れζθｉ（ｔ、−Ｌｙｓ　） とすることができる。

この最高温度および最低温度に従ってスラブ断となる。

スラブ断面内平均温度５ａｖｅと目標温度θａｉｍとの
差ｄｅｌは。

ｄθｉ＝θａｗｅ　−ｅａｉｍ となり、スラブｌ断面円温度差Δθｉは。

Ａｅｉ　＝ｅｈｉ−θＩｉ となり、そして損失熱Ｑｌは。

Ｑｌ＝二（Ｑｇｗｉ　＋　Ｑｂｉ）　＋　Ｑｇｌ　＋　
Ｑｇ２・・となり、そして加熱速度ΔＱｉを求める。こ
れをなおｈ　ｗｌ、　ｗ２．　ｗ３は重み係数で、操業
方針に基づいて与えられるものである。

この評価関数Ｊが最小となるような各ゾーンの投入熱量
Ｑｆｉと加熱速度ΔＱｉすなわちスラブ搬送速度Ｖを求
めるのである。

このようにして、スラブ１の平均温度の偏差すなわち差
ｄθｉとスラブ断面内温度差Δθｉとそして損失熱量Ｑ
１を加熱速度一定の基で最小にすることができることに
なる。

この本発明方法によるスラブ１の加熱制御の一例を以下
に記載する。

厚み１８０〜２６０　ｗｍで、加熱炉への装入時の温度
が３０〜５００℃のスラブ１を１２０〜１５０トン／時
の加熱速度で加熱する加熱炉において、従来の制御方法
と本発明の制御方法とを比較したところ、第５図に示し
た表の如（であった。

ただし、各データは１力月平均値であり、ｄｅｉはスラ
ブ断面内平均温度と目標値との差、ｄｅは１力月内の差
ｄθｉの平均値、σｄｅは１力月内の前記差ｄθｉの標
準偏差、Ａｅｉはスラブ断面内温度さ、Δθは１力月内
のＡｅｉの平均値、σΔｅは１ケ月内のＡｅｉの標準偏
差、そして熱量原単位をＱｕとしている。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかな如く２本発明による加熱炉の制
御方法は、各燃焼ゾーン内に供給されてくるスラブの各
部分の実測温度と熱伝達計算モデル式とに従って、この
熱伝達計算モデル式の係数を学習修正しながら加熱速度
および投入熱量を制御するので、各燃焼ゾーンにおける
加熱制御が極めて精度良く制御することができ、またこ
の加熱制御はスラブの実測温度値を基準にして達成され
るので極めて信頼性の高いものとなり、さらに各燃焼ゾ
ーンにおける加熱制御は完全に自動的に達成されるもの
となっている等多くの優れた効果を発揮するものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明方法を実施した場合の各温度計の配置
例および反ラブ内の温度分布を示す断面図である。 第２図は９本発明方法を実施例の構成ブロック例を示す
ものである。 第３図は２本発明方法の操作例の説明に供するフローチ
ャート図である。 第４図は、スラブの断面における温度分布の基本例を示
す説明図である。 第５図は９本発明方法による実測結果と従来方法による
実測結果との比較表である。 符号の説明 １ニスラブ、２；スキッドバイブ、３；スキッドボタン
、　　４．　５．　６．　７．　８；温度計、９；コン
トローラ、１０；投入熱量コントローラ、１１；加熱速
度コントローラ。 出願人　　川　崎　製　鉄　株式会社 ブノ７９ グψ４１勿

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属片を複数の燃焼ゾーンを順に通過させて加熱
   する加熱炉において、前記金属片の材質、寸法等の仕様
   及び前記金属片により製造される製品の仕様情報、また
   圧延等の後工程の処理情報、さらには装入側の燃焼ゾー
   ンにおける前記金属片の炉幅方向端部、炉列中心部付近
   部、そしてスキッドボタンとの接触部付近部の測定温度
   を用いて伝熱計算モデルの係数を学習修正して温度分布
   と損失熱量とを算出し、該算出された温度分布と損失熱
   量とが予め設定された目標値となるように該当する燃焼
   ゾーンへの投入熱量と炉内搬送速度との両方もしくは何
   れか一方を制御する金属片の加熱方法。
2. （２）加熱炉の各燃焼ゾーンへの投入熱量の制御を前記
   各燃焼ゾーンの温度を測定することによって達成する特
   許請求の範囲（１）に示した金属片の加熱方法。