JPS63293114A - 連続熱処理装置における熱処理温度制御方法およびその装置 - 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、連続熱処理装置を用いて焼入れ、焼戻しある
いは焼増等の熱処理が施される被熱処理材の温度制御方
法およびその装置に関する。

〈従来の技術〉 例えば鋼板等の材料は、焼入れ、焼戻し、焼増等の熱処
理によって加熱あるいは冷却を繰り返すことにより、所
望の品質が付与される。その際、冶金学的見地から熱処
理装置内の材料温度を精度よく制御する必要がある。

従来、このような熱処理工程における材料の温度制御は
、例えば加熱炉内においては、炉前半部の材料の表面温
度を放射温度計を用いて測定して、この測定値に基づい
て所望の温度に仕上げるべ（炉の条件を操作して温度制
御を行っている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところで、上記のような温度制御においては炉条件の初
期設定の際に代表的な温度パターンを採用しているため
に、個々の材料について測定温度と設定温度との間に制
御不可能なほどの大きな差を生ずることが少なくなかっ
た。

このような問題点を解消すべく、例えば特開昭６１−１
９５９１６号公報に開示されているように、炉内または
炉入口よりも上流側にて被加熱材表面の反射率を測定し
、測定結果に基づき連続熱処理炉の炉温及び／又は被加
熱材の移送速度を制御する被加熱材温度制御方法が提案
されている。すなわち、炉上流側部においては被加熱材
表面の反射率によって炉温制御を行い、炉下流側部にお
いては従来来の放射温度針を用いて被加熱材の表面温度
を測定して炉温制御を行おうとするものである。

しかしながら、この開示技術においては反射率の大小に
応じて炉上流側部の炉温を上げ下げするとしているが、
原則的にはその時点における材料温度を検出しなければ
、正確に炉温を制御することは困難である。また、炉下
流側部における従来の放射温度計による測定に関しては
、「炉下流側部にあっては被加熱材の温度と加熱炉後半
および均熱炉の炉温は接近しているので、温度測定誤差
が少ない（公報２ペ一ジ左上欄上１０〜１２行に掲載）
」としているが、放射温度計の測定値は放射率εによっ
て左右されるのが通常であるから、放射率εの選定誤り
による温度測定誤差が潜在することは避けられず、正確
な測定を行う上で従来から問題視されていることである
。さらに、この放射率εの選定誤りと熱媒体（雰囲気）
の熱伝達率αの設定誤りによって炉温設定誤差を生ずる
ことになり、高精度な炉温制御を期すことには根本的な
問題を含んでいることになる。

本発明は、上記のような問題点を解決すべくなされたも
のであって、放射温度計の測定値を基に正確な放射率（
または総括熱吸収率）、雰囲気の熱伝達率および材料表
面・平均温度を同時に決定することより、連続熱処理装
置の操作量を調節して正確な熱処理が行える温度制御方
法およびその装置を提供することを目的とする。

く問題点を解決するための手段〉 本発明者は、放射温度計を用いて連続熱処理装置におけ
る被熱処理材（以下単に材料という）温度の制御につい
て鋭意検討した結果、熱処理時におけるオンラインでの
データに基づいて放射率（または総括熱吸収率）、熱伝
達率および材料表面・平均温度を同時に決定する手段を
見出し、この知見に基づいて本発明を完成させるに至っ
た。

本発明は、連続熱処理装置を用いて被熱処理材を加熱ま
たは冷却するに際し、前記被熱処理材の同一箇所の材料
表面温度を熱処理全工程の前半において測温時間を異に
した少なくとも任意の２点にて放射温度計を用いて計測
し、この計測値および雰囲気温度、材料特性値等をもと
に放射率もしくは総括熱吸収率および雰囲気の熱伝達率
、材料表面温度、材料平均温度を同時に決定した後、前
記熱処理装置出口の材料温度を予測し、この予測値に基
づいて前記熱処理装置の入熱量を制御するようにしたこ
とを特徴とする連続熱処理装置における熱処理温度制御
方法であり、 また、連続熱処理装置によって処理される被熱処理材の
熱処理温度制御装置であって、前記熱処理装置の前半ゾ
ーンに設置された少なくとも２個の放射温度計と、これ
らの放射温度計の測定値を収集するデータ採取装置と、
このデータ採取装置の信号に基づいて放射率もしくは熱
吸収率および熱伝達率、材料表面温度、材料平均温度を
同時に決定する演算処理装置と、この演算処理装置の演
算結果に基づいて前半ゾーンおよび／または後半ゾーン
の必要燃料流量を制御する制御装置とから構成されるこ
とを特徴とする連続熱処理装置における熱処理温度制御
装置である。

く作　用〉 本発明の原理を第１図の流れ図に基づいて説明する。

連続熱処理装置を前半ゾーンと後半ゾーンに２分し、前
半ゾーンの所定箇所に一定距１ｌｉｌＪ！の間隔で配置
した少なくとも２個の放射温度計を用いて放射率εを例
えば１．０と設定したときの時刻１．と＋２における材
料の同一点の材料表面温度［ＴＪ’１（ｊ＝１．２）を
計測する。

次に仮の放射率ε゛を選択して、前記放射率εが１．０
のときの放射温度計の計測値［Ｔ」’ｌに対する放射率
がｅ゛のときの仮の材料表面温度Ｔ、　１（ｊ＝１．２
）を求める。

Ｔｊ’−（（［ＴＪ’］　　＋２７３）−’　　＋　λ
　。／Ｃ，ｊ！、　　ε　°　）　−１−２７３　　（
”Ｃ）・−・−・−・−・・・−・・−・−・・・・−
・・−・・−・・・・・−・・・（１）ここで、λ。：
放射温度計検出素子の吸収波長（μｍ） Ｃｔ　　＝１．４３Ｘ１Ｇ’　（＃ｌｌ　・ｄｏｓ）ボ
ルツマンの熱輻射式とニュートンの伝熱式との結合から
雰囲気の熱伝達率α６」を計算する。

α６Ｊ　−ε°・σ　（（ＴＪ”＋２７３）　”　＋　
（θ、　＋　２７３）す（ＴＪＩ十〇、　＋　５４６）
　　・・・・−・−・−・・・−・−・−・・・・・−
・−（２）ここで、θＬ　：雰囲気温度（’Ｃ） σ　：ステファン・ボルツマン定 数（−４，８８Ｘ　１０−・ｋｃａｌ／ｍ”・ｂ−Ｋ’
） この雰囲気の熱伝達率α、Ｊを用いて材料の平均温度↑
ｊを換算する。

ＴＪ−ＴＪ”　（１＋Ｎ／２（１−θＬ／ＴＪ’）　Ｂ
　１　（”Ｃ）ここで＊　Ｎ−（α５Ｊ−ｄ／λ）　Ｘ
　１０−　”−−−−−−・−（３）λ−熱伝達率、ｄ
：材料外径（−） Ｉ：平均温度位置係数 一方、ここで非定常熱伝導解析解を用いて、前半ゾーン
の加熱実績（すなわち学４．θＬ、　ｄ、　ｔ　＋ｔ）
から雰囲気の熱伝達率ａ！を逆算して求める。

ａ！−＝−２λ／＊−ｄ（Ｖ−’−Ｚ−’）　−’　Ｘ
　１Ｇ”（ｋｃａｌ／ｍ雪−ｈ　−Ｔ：　）　　−・−
−−・−−−−−−−・（４）ここで。

Ｙ＝　　（８ａ”・　、ｇ、、（↑１−　θｄ　↑富−
θ　Ｌ））　／（ａ・μ。・１＋１） Ｚ　＝　Ｆ　（ｍ、Ｙ） ｔｔｏ−８，８８９ｘｌＧ’。

ａ＝湿温度伝播率−３ハ） １　＋１　：時刻ＬＬから１．までの移動時間１ｓ） （すなわち−も・富−１＋） ｍ：材料の形状係数・・−板材ではｍ＝１゜丸棒材では
ｍ−２ この時点で、（２）式で求められた熱伝達率α、ｊの平
均値ｃｘ、ｊと（４）式で求められた熱伝達率ｅｒｒを
比較し、両者の差χの絶対値が許容誤差δ内に収まるま
で放射率ε°の選択を繰り返す。

前記ｅｘ、）とｃｘｙが所要精度内で一敗したら、その
ときのｇ’、ｃｔｙ　　（ま°たはｉ、ｊ）、Ｔ　ｓ　
’　＋　Ｔ　Ｊをそれぞれ同定すべき放射率（または総
括熱吸収率）ｔｓ熱伝達率αおよび決定すべき材料表面
温度ＴＪ、材料肉平均温度〒Ｊとする。

このようにして決定された雰囲気の熱伝達率αと、あら
かじめモデル化しである燃料流量Ｑとの関係式から前半
ゾーンに必要な燃料流量Ｑ、を（５）式により求める。

Ｑａ＝ｆ（α）−・・−・−・−・・・−・・・−・・
−・・・・・・・−一−−−−・・−・・−・・・−−
−−−−・−・−・（５）この燃料流量Ｑ、を設定値と
して前半ゾーンに供給する燃料流量をフィードバック制
御する。

次に、前記（４）式に準じ、前半ゾーンで決定された材
料表面温度予、と抽出目標温度↑４および後半ゾーン通
過所要時間１．とから、後半ゾーンでの雰囲気の必要熱
伝達率α、を計算する。

α１　■２λ／−・ｄ（Ｙｓ−’−Ｚｓ−’）−’ＸＩ
Ｏ”　　　−−−−（６）ここで、　Ｙｓ　−（８ａ富
−ｊ！ａ（↑ｍ＃ｔ）／（？４−θＬ）　）　／　（ａ
μｓ・ｔｍ）。

Ｚｍ　−Ｆ（ａ＋、Ｙｓ） このα、を用いて後半ゾーンにおいて必要な燃料流量Ｑ
、を前記（５）式に準じて求める。

、　Ｑ、■ｆ（α、）・−・−・・−・・・・・・−・
−・−・・−・−・・・−・・・・・・・・・−・・・
・−・・・・・・・・・・・・・・■この燃料流量Ｑ、
を設定値として後半ゾーンに供給する燃料流量をフィー
ドフォワード制御する。

なお、放射温度計の数は必ずしも２個でなくともよく３
個であってもよいし、各ゾーン毎に取付けてもよい。

以上の説明によって明らかなように、連続熱処理装置に
おい□て放射温度計を用いて材料温度を制御する場合、
相互に関連し合っている放射率（あるいは総括熱吸収率
）、熱媒または冷媒など雰囲気の熱伝達率、材料の表面
温度および平均温度を同時決定することによって、前半
ゾーンならびに後半ゾーンの加熱または冷却の条件を精
度よく設定し、材料温度を高精度に制御することが可能
であるから、最も望ましい手法である。

〈実施例〉 以下に、本発明の実施例について第２図に基づいて説明
する。第２図は、本発明に係る制御装置の実施例を示す
側断面図である。

図において、連続熱処理装置２０は第１ゾーン２１、第
２ゾーン２２、第３ゾーン２３、第４ゾーン２４の４ゾ
ーンから構成され、各ゾーンはそれぞれ燃焼バーナ９ａ
、９ｂ、９ｃ、９ｄによって加熱され、鋼片ｌは炉入口
に設けられたブツシャ２から矢示方向に送り込まれて各
ゾーンを一定速度で通過しながら所定温度に加熱されて
炉出口に設けられたピンチロール３に引き抜かれる０ｗ
４片１の表面温度は放射温度計４．５ａ、５ｂ（または
６ａ１６ｂあるいは７ａ、７ｂ）および８によってそれ
ぞれ測定される。

なお、放射温度計５ａと５ｂまたは６ａと６ｂあるいは
７ａと７ｂはそれぞれ第１〜３ゾーンの尾部に一定距離
ｌの間隔で設置される。実用上は、５ａと５ｂまたは６
ａと６ｂあるいは７ａと７ｂの各１組を選択する。

各放射温度計によって測定された測定値は、データ採取
装置１４に一括収集され、演算処理装置１５において、
平均放射率、熱伝達率、材料表面・平均温度が同時決定
され、制御装置１６を介して燃料供給管１０から分岐さ
れた各ゾーンの燃料供給管１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１
０ｄに設けられた燃料流量調節弁１１　ａ　、　１１　
ｂ　、１１　ｃ　、、１１　ｄをそれぞれ制御する。

なお、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、各ゾーンの
燃焼用空気供給管であり、　１３ａ　、１３ｂ　、１３
ｃ　、　１３ｄは、その流量ｔｍｍ弁である。

以下に、Ｃ：０．４６％を含む中炭素鋼の１５０ｍ角鋼
片を抽出目標温度１０４０℃に熱処理したときに本発明
を適用した例について説明する。

第１ゾーン〜第３ゾーンの尾部にそれぞれ設置された各
２台の放射温度計５ａ、５ｂ、（または６ａ、６ｂある
いは７ａ、７ｂ）のそれぞれの放射率εを１．０として
計測し、演算処理装置１５において放射率ε、熱伝達率
αおよび材料表面・平均温度Ｔ１．〒ｊを同時決定し、
その結果に基づいて制御装置１６を介してそれぞれダイ
ナミックに当該ゾーンおよび次ゾーンの燃料流量設定を
行い、各ゾーンの燃料流量調節弁１１ａ−１ｉｄを制御
した。

その結果、材料の抽出温度は１０４５℃±５°Ｃであっ
た。

一方、従来のヒートパターン方式によって加熱した抽出
温度は１０５５℃±１０″Ｃと目標温度よりも＋１５℃
の誤差であったから、本発明例では１／２以下の誤差に
収まりその有効性が検証できた。

この実施例においては鋼片について説明したが、本発明
はこれに限らず、全ゆる鉄鋼品種の加熱もしくは冷却の
温度域に適用可能であり、また非鉄金属、非金属等にも
適用可能であることはいうまでもない。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、放射温度計によ
る任意測定時における放射率または総括熱吸収率、雰囲
気の熱伝達率および材料の表面・平均温度を高精度に同
時決定がなされるから、当該工程も含めた以後の工程に
おける加熱もしくは冷却条件を精度よく設定することが
可能で、従って目標通りの温度に仕上げることができ、
高レベルでしかも変動の少ない製品の品質を得ることが
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の詳細な説明する流れ図、第２図は、
本発明に係る制御装置の実施例を示す側断面図である。 １・・・鋼片（被熱処理材）、２・・・ブツシャ、３・
・・ビンチロール、 ４．５．６．７．８・・・放射温度計、９・・・燃焼バ
ーナ、１１・・・燃料流量調節弁、１４・・・データ採
取装置、１５・・・演算処理装置、１６・・・制御装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）連続熱処理装置を用いて被熱処理材を加熱または
   冷却するに際し、前記被熱処理材の同一箇所の材料表面
   温度を熱処理全工程の前半において測温時間を異にした
   少なくとも任意の２点にて放射温度計を用いて計測し、
   この計測値および雰囲気温度、材料特性値等をもとに放
   射率もしくは総括熱吸収率および雰囲気の熱伝達率、材
   料表面温度、材料平均温度を同時に決定した後、前記熱
   処理装置出口の材料温度を予測し、この予測値に基づい
   て前記熱処理装置の入熱量を制御するようにしたことを
   特徴とする連続熱処理装置における熱処理温度制御方法
   。
2. （２）連続熱処理装置によって処理される被熱処理材の
   熱処理温度制御装置であって、前記熱処理装置の前半ゾ
   ーンに設置された少なくとも２個の放射温度計と、これ
   らの放射温度計の測定値を収集するデータ採取装置と、
   このデータ採取装置の信号に基づいて放射率もしくは熱
   吸収率および雰囲気の熱伝達率、材料表面温度、材料平
   均温度を同時に決定する演算処理装置と、この演算処理
   装置の演算結果に基づいて前半ゾーンおよび／または後
   半ゾーンの必要燃料流量を制御する制御装置とから構成
   されることを特徴とする連続熱処理装置における熱処理
   温度制御装置。