JPS61199021A - 加熱炉の加熱制御方法 - 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〕 この発明は嗜熱間圧延ラインにおける加熱炉の温度制御
において、燃料を最少とする炉温設定値及び複数燃料の
混焼比率の設定方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この種の加熱炉の温度制御としては、飼料温度と
から燃料流量を計算するモデルの両非線形モデルを用い
、非線形の燃料最少化を行なうために、炉温をステップ
状に変化させて摂動シミュレーション法（基準状態と摂
動状態においてシミュレーションを行ない線形化係数を
決定する方法）を用いて線形化を行ない、その結果で材
料の昇温曲線を決定し、この昇温曲線と材料の現状温度
とを比較して炉温を決定する方法が採られている０〔発
明が解決しようとする問題点〕 上記のような従来の加熱炉の加熱制御方法では、第５図
に示すように一般に炉温の計算ゾーンは燃料流量を制御
できるゾーンよりも数が多いため、炉温を基にした摂動
法による最適化後の最適炉温および昇温曲線は、常に実
現可能なパターンとは限らないという問題があった。

また、線形化係数及び昇温パターンを決定する際、炉壁
への損失熱量、炉壁温度分布等を無視し、炉の応答遅れ
を考慮せずに炉温をステップ状に変化サセてシミュレー
ションを行なっているため、実際の材料の昇温傾向及び
炉の状態とかけ離れた昇温曲線が決定されるという問題
があった。

また、従来の方法では、第６図に示すようにフィードバ
ック信号を得る炉温検出器（１０４）は、各制御帯（１
０１ａ）において１ケ所であり、したがってこの１ケ所
の炉温を制御することになる。

ところで通常加熱炉においては、抽出端に近付くに従っ
て材料温度が高くなる之め、第６図に示すようにバーナ
側温度が高くなるようなバーナ設計となっている。この
ため、第６図に示すように前方に低負荷材料、後方に高
負荷材料が制御帯（１０１ａ）内に存在する場合、この
高負荷材料の必要炉内温度に合わせて炉温か制御され、
し友がって常に炉温設定値を高めにせざるを得す、燃料
消費の面からは大きな損失となるという問題があった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、燃料消費の損失を少なくし、しかも制御帯の温度分
布を適正に制御することができる加熱炉の加熱制御方法
を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る加熱炉の加熱制御方法は、燃料流量を基
にし非定常熱バランス式により炉温を計算するモデル、
炉温を基にして炉壁温度分布を求めるモデル、及び炉温
を基にして材料温度を求めるモデルの３つの非線形モデ
ルを用い、流量をステップ状に変化させる摂動法シミュ
レーションによシ線形化を行ない燃料流量最少の最適化
を行なって材料毎の目標昇温曲線を決定するとともに、
各制御帯に存在する各材料がこの目標昇温曲線に近づく
のに必要な制御帯内の温度分布を計算し、各燃料の総発
熱量を全燃料の総発熱量で除して得られる複数燃料の混
焼比率と炉温設定値とを、上記制御帯内の温度分布を用
いて計算し設定するようにしたものである。

〔作用〕

この発明においては、燃料流量を基にし非定常熱バラン
ス式により炉温を計算するモデル、炉温を基にして炉壁
温度分布を求めるモデル、及び炉温を基にして材料温度
を求めるモデルの３つの非線形モデルを用いて材料毎の
目標昇温曲線及び必要炉温を決定し、上記必要炉温を用
いて複数燃料の混焼比率及び炉温設定値を計算し設定す
るようにしているので、炉内に高負荷材と低負荷材とが
混在している場合でも、材料毎の必要炉温を満たし、し
かも燃料流量が最少となる炉温設定値が得られ、精度よ
く抽出温度を制御することが可能となる。

〔実施例〕

以下、この発明の原理について説明する。

第１図は材料毎の目標昇温曲線の決定方法を示す流れ図
であり、図中（１）は材料毎の目標昇温曲線計算の第１
８ｔｅｐｓ　（２）　＋　（”　、（４）は同様の第２
、第３、第４の各ａｔｅｐ、　（５）ｌｄ炉温計算モデ
ル、（６）Ｆｉ炉壁温度計算モデル、（γ）は材料温度
計算モデル、（８）は材料通過位置炉温の計算、（９）
は平均温度、均熱度の計算、α〔は線形化係数の計算、
αηは線形計画法（ＬＰ）の計算である。

次に、上記流れ図中の各モデル（５）　、　（６）、　
（７）について説明する。

炉温計算モデル（６）は以下の様にして構成されている
。

第５図に示す様に加熱炉を炉長方向にｎ個に分割し、各
分割されたメツシュについて各々次の様な熱バランス方
程式をたてる。

Ｃ１ ＝Ｑ、　　　　　　・・・燃料、空気の顕熱＋　Ｈｇｅ
　ｗｌ　　　・・拳燃料発熱量十Ｇ１１ｌ　”　　ｐｇ
　　　ｇｉ１１Φ・・上流よりの排ガス熱量 Ｉ　　　Ｔ）ｇ　　　ｇｉ ・・・下流への排ガス熱量 ＋Σ　Ｋ工ｉｊ　（（’Ｉ’ｇｊ＋２７３）’−（Ｔｇ
□＋２７３）’）ｊ＝１ ・・他メツシ二炉温よりのふ゛く対 土Σ　Ｋ２１ｋ（（Ｔ□＋２７３）’−（Ｔｇ１＋２７
３）’）ｋ＝１ ・・・炉壁よりのふく射 ＋ΣＫ　　（（Ｔ　　＋２７３）’−ＣＴｇ□＋２７３
）’）評、３１４　　ａＬ ・・・材料へのふく射 ＋　Ｃ２（Ｔ、１−Ｔｇ□）＋ｃ３（Ｔ、１−Ｔｇｌ）
・・・炉壁材料への対流 −Ｑｖ□　　　　・・・スキッド冷却水損失−・　・（
１） ここで、Ｈは燃料の単位流量当りの発熱量、Ｃは排ガス
比熱、Ｇ１は各メツシュの排ガス流量ｇ であり、Ｋ工ｉｊ、に２□□、に３□６はそれぞれふ〈
射交換係数、Ｃ工、　Ｃ２，Ｃ３は定数である。ま九、
ｎは炉長分割数、ｍはスラブ本数である。

上記式（１）は、燃料流量Ｗが与えられれば、炉壁温度
、スラブ温度を既知とすれば、次の様に変形される。

＋ΣＢ、に＠Ｔｇｋ＋　ｃｌ（ｓ＝１．　’５ｏｎ）・
−・（２） こｎは、ｎ元連立の非線形微分方程式であるが、１ｓｔ
ｅｐ前の炉内温度分布を出発値として、時間に関して龜
散化し、ニュートン法等を用いて収束させれば簡単に新
しい炉内温度分布上計算できる。

また、材料温度モデル（γ）は、良く知られている２次
元の熱云導方程式よシ次の様に表わせる。

表面における境界条件は ここで、Ｘは材料厚み方向、Ｙは材料の巾方向を表わし
、ｄ工、Ｇ２はそれぞれ材料厚み、材料中を表わす。ま
た、Ｃ５１λ８．γ８はそれぞれ材料の比熱、熱伝導率
、比重であり、ｑｓは材料の表面熱流束であり次式で表
わせる。

ｑ　＝Σ　Ｋ　　（（Ｔ　　＋２７３）’−（Ｔ、ｔ＋
２７３）’）・　ｔ＝ｔ　　３１ｔｇｉ 式（８）は、式（４）の境界条件を用いれば、通常の差
分手法で解く事ができる。

さらに、炉壁＠度モデル（６）は、第５図に示されてい
る様に炉長方向分割毎のメツシュ内において厚み方向の
みのｉｉ元熟熱伝導方程式よって、次の様に表わせる０ 炉内表面における境界条件は −（ＴＷ＋２７３）’　＋　０２（Ｔｇｌ−Ｔ、）・・
（γ）炉外表面における境界条件は ここで、Ｘは炉壁厚み方向、Ｇ３は炉壁の厚み、Ｃｗ、
γ１．λ、は炉壁の比熱、熱伝導率、比重を表わしてお
り、Ｈｏｌ１ｙ、ｒは外部熱伝達率、”ａｉｒは外部温
度を示している。式（６）も、式（γ）、式（８）の境
界条件を用いる事により通常の差分方程式で解く事が可
能となる。

上記３つのモデル（５）　、　（６）、　（γ）を組み
合わせて使用する事により、燃料流量を与えれば、炉温
、材料温度、炉壁温度の現在値を初期値として炉温、材
料温度、炉壁温度３者の将来温度が計算出来る。

次に、第１図を参照して材料毎目標昇温曲線の決定方法
について説明する。

まず第１ｓｔｏｐ（１）として、現在の流量ＷＫ　　で
もって全材料が抽出されるまでの時間、３つのモデル（
５）　、　（６）、　（γ）を繰り返して使用する事に
より、各材料抽出時の平均温度Ｔ　、均熱度（最高温度
−最低温度）ΔＴ、　％及び材料通過時の各位置での炉
内温度Ｔｇ□。が計算できる。

次に第２ｓｔｏｐ（２）として、各燃料流量、制御帯毎
に上記燃料流量をΔＷ１だけ５ｔｅｐ状に変化させる事
によって、前記第１５ｔｏｐ（１）と同様に各流量変化
時の各材料抽出時平均温度下１、均熱度ΔＴＫ、及び８
　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｓ各材料通過時
の炉内温度Ｔｇ□を計算する事が可能になる。

次に第３ａｔｅｐ（８１として、以下の線形化係数の計
算（至）を実行する。第２ｓｔｏｐ（２）の処置により
、非線形方程式の解である抽出時各材料平均温度、均熱
度、及び各材料通過時の各計算ゾーンでの炉内温度は次
の様に線形化する事ができる。

ここで、ＫＭＡＸは燃料流量制御帯の数であり、ＰＬＸ
”　Ｐ２Ｋ”　Ｐ３ｉＫは各々流量を変化させた場合の
線形化係数であり、次で与えられる。

また、各燃料流量は、＃工を各制御帯の変化量とすると
、 Ｗ　＝Ｗ　　＋ΔＷ工 ＩＣ と表わす事ができる。

昇温曲線を求めるうえでの制約条件は、材料の冶金学的
制約、及び炉操業上の制約から次の様なものである。

ここで、添字ＭＩＮ、　ＭムＸはそれぞれの下限値及び
上限値を示している。

まｔ１最適化の評価関係は、燃料最小化であるから次の
様になる。

式邸）の制約条件下での弐■）の厳少化は通常の線形計
画法（ＬＰ）の計算（９）で求める事が可能である。

上記解の流量が最適流量Ｗ　　であり、第４ｏｐｔ ｓｔｏｐ（４）としてこの流量を基にして、前記３モデ
ル（５）　、　（６）、　（γ）に工す、抽出までの各
材料の目標昇温曲線を計算する事が可能となる０ 次に、各材料毎の目標昇温曲線と現状温度とを用いて、
各制御帯の設定炉温及び混焼比率の計算方法について説
明する。

各材料の全炉内位置での目標昇温曲線が計算されている
から、現時刻より任意時間後の各材料位置Ｘに対応する
目標昇温曲線の値下８．。を求める。

又、現時刻での各材料の温度ｒｒｓｊ＠＠として、位置
Ｘ。

における各材料の必要炉温Ｔｇ〆を下記関数として求め
る。

ｒｒ　　＊　＝ｆ（Ｔ、ｊ＊、　Ｔ、ｊｌｌつ　　　　
　　・−＠Ｃ１７）ｊ ここで、ｊは材料のＮＯを示しでいる。

今、各制御帯に燃料として通常のバーナ側が高くなる炉
内温度分布を実現できる燃料Ａ（例えば重油）と、バー
ナ側での燃焼を極力おさえる緩慢燃焼型の燃料Ｂ（例え
ば転炉ガス）との相互に燃焼温度特性を異にする２種類
の燃料が存在している場合をすえる。

混焼比率を以下の様に定義する。

１　・Ｑ８） 上記混焼比率を変化させれば、各制御帯において、同一
の総発熱量時に第２図に示す様に炉内の温度分布を変更
する事が可能となる。

混焼比率及び設定炉温は前記各材料の位ｔｉｘ、と必要
炉温とによって下記の式で決定する。

１・四 但し、Ｋ工、　Ｋ２．　Ｋ３は定数 ＮＦｉ制御帯内材料本数 ＸＴは炉温検出器位置 しかして、第３図に示すように炉内に高負荷材と低負荷
材とが混在している場合にも、精度よ〈抽出温度を制御
できるばかりでなく、各燃料Ａ。

Ｂの損失を最少限に抑えることが可能となる。

次にこの発明の一実施例に基づく加熱炉制御について第
４図を参照して説明する。

第４図において、複数の制御帯（１０１ａ）に分割され
た加熱炉（１０１）には、燃焼用バーナ（１０５）、炉
温検出器（１０４）が配電されており、炉温設定機能（
１０６）によって設定された。各制御帯毎の設定温度に
なるよう燃料流量制御器（１０３）によって流量が制御
されている。（１０２）は材料情報機能であり、炉内の
材料の寸法、重量、抽出温度、炉内搬送情報等の材料情
報を炉温設定機能（１０６）に指示する。

炉温設定機能（１０６）は、現状温度計算機能（イ）と
材料毎目標昇温曲線計算機能（２１）と、混焼比率、設
定炉温計算機能（財）とからなっており、周期的に起動
される。現状温度計算機能（イ）は、材料情報を基にし
て炉温計算モデル（５）、炉壁温度計算モデル（６１゜
材料温度計算モデル（γ）により、現在の材料温度を計
算する。材料毎目標昇温曲線計算機能（２１）は、この
発明の説明で述べた様に第１図の流れ図に従つて各材料
毎の目標昇温曲線を各々、燃量最少化の下に決定する。

混焼比率、設定炉温計算機能（２２）は、各材料毎の必
要炉温及び位置を用いて、式αη、式（至）、式（イ）
に従って各制御帯の炉温を計算し、燃料流量制御器（１
０３）に指示をする。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおり、燃料流量を基にして、
炉内温度、炉壁温度、材料温度の将来変動をも考慮し、
各材料について燃料流量が最少となりかつ実現可能な目
標昇温曲線及び必要炉温を決定し、上記必要炉温に基づ
いて各制御帯の炉温設定値と混焼比率とを設定するよう
にしているので、炉内に高負荷材と低負荷材とが混在し
ているような場合でも、精度よ〈抽出温度が制御できる
ばかりでなく燃料流量の低減効果が非常に大きくなる等
の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は材料毎の目標昇温曲線の決定方法を示す流れ図
、第２図は混焼比率と炉内温度との関係図、第３図はこ
の発明の効果を示す説明図、第４図はこの発明の一実施
態様を示す全体構成図、第５図は加熱炉の炉温計算ゾー
ン分割を示す概略図、第６図は従来の加熱炉の加熱制御
方法を示す説明図である。 （５）・・炉温計算モデル （６）・・炉壁温間計算モデル （γ）・・材料温度計算モデル ■・１現状温度計算機能 ＠１）・・材料毎目標昇温曲線計算機能（イ）・・混焼
比率、設定炉温計算機能（’１０１）・−加熱炉 （１０３）・・燃料流量制御器 （１０４）・・炉温検出器 （１０５）・・燃焼用バーナ （１０６）　”拳炉温設定機能 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示すもの
とする。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数の加熱制御帯を有し、燃焼温度特性の異なる複数の
   燃料を同一の加熱制御帯で燃焼させることができる加熱
   炉において、燃料流量に基づき非定常熱バランス式によ
   り炉温の時間変化を計算する第１機能、炉温から炉壁内
   部温度の時間変化を計算する第２機能、炉温から材料内
   部温度の時間変化を計算する第３機能、上記第１、第２
   、第３の各機能を用い各制御帯の現状燃料流量での材料
   抽出時平均温度、均熱度及び材料通過時の各炉温をそれ
   ぞれ計算する第４機能、上記第１、第２、第３の各機能
   を用い各制御帯の燃料流量を現状流量からある一定値変
   化させた時の材料抽出時平均温度、均熱度、及び材料通
   過時の各炉温をそれぞれ計算する第５機能、上記第４、
   第５の各機能の結果に基づき現状燃料流量まわりでの線
   形化係数を計算し、これを用いて各種制約条件下で燃料
   最少化となる最適流量を計算する第６機能、上記第１、
   第２、第３の各機能を用い現在位置から抽出までの目標
   昇温曲線を計算する第７機能、及び上記目標昇温曲線と
   現在材料温度とに基づき各材料の必要炉温を計算する第
   ８機能を備え、各燃料の総発熱量を全燃料の総発熱量で
   除して得られる複数燃料の混焼比率と炉温設定値とを、
   上記第８機能で得られる必要炉温を用いて計算し設定す
   ることを特徴とする加熱炉の加熱制御方法。