JPS63307217A

JPS63307217A - 加熱炉における段付軸の温度制御方法

Info

Publication number: JPS63307217A
Application number: JP14187587A
Authority: JP
Inventors: Toshiichi Imura; 井村　敏一
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-06-05
Filing date: 1987-06-05
Publication date: 1988-12-14

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、異なる径を有する車軸等の段付軸を加熱する
際の加熱炉の温度制御方法に関するものである。

（従来の技術）従来、丸鋼等の柱体を、連続加熱炉で急速加熱して目的
の温度に加熱しようとした場合、その連続加熱炉を適当
なゾーンに分割して行うようにしている。このような加
熱における被加熱材における昇温は、加熱炉温度Ｔ、と
これに対する被加熱材料の表面温度Ｔ２の温度差が大き
いほど早く、その移動熱量Ｑは、Ｑ＝Ｈｏ−３・　（Ｔ＋　　Ｔｚ　）　　”・　■ただ
し　Ｈｏ：熱伝達率Ｓ二表面積で示される。また、この移動熱量Ｑを総括熱伝達係数φ
、６との関係で示すと、となり、移動熱ＮＱは総括熱伝達係数φＣＧ一定の下に
上記温度差（Ｔ、−Ｔ２）に比例する。

しかして、従来の温度制御では、総括熱伝達係数φＣＧ
を、加熱炉の各ゾーン毎の定数として設定し、被加熱材
料の表面温度Ｔ２を目的の温度に加熱するに要する移動
熱量を得るに必要な炉温度Ｔ１を算出して制御するよう
にしていた。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、上記した従来の制御方法では、総括熱伝
達係数は各ゾーン毎の定数であるため、材料の入炉温度
や軸寸法、形状等が変化する場合、急速加熱においては
精度上問題がある。すなわち、従来の予測＃御は、被加
熱材料として、シンプルな同一径、厚みの材料を対象と
しているものであった。

従って、異なる径を有する車軸等の材料を加熱する場合
で、可能な限り短時間で省エネルギーかつ冶金的、機械
的品質上に問題なく行おうとした場合、次のような問題
がある。

まず、急速に目的温度に加熱するためには、雰囲気温度
（炉温度）を高くする必要があるが、この場合特に小径
部の昇温が早く、オーバーヒートにならないようにする
必要がある。

次に車軸の場合径の組合わせが多く、急速加熱のヒート
パターン（制御条件）が各々の車軸毎に必要であり、非
常にコストアンプとなる。また、省エネルギーかつ炉長
短縮を目的として、被加熱材は顕熱搬入となり、その材
料毎に温度にバラツキがあり、同一径でも同一ヒートパ
ターンでは均熱性が困難である。

本発明はこのような問題点に鑑みて成されたものであり
、異径の段付軸であってもオーバーヒートすることなく
、かつその精度が向上して急速加熱の制御が可能な加熱
炉における段付軸の温度制御方法を提供するものである
。

（問題点を解決するための手段）上記問題点を解決するために本発明の方法は、被加熱材
である段付軸における異径部毎の実体表面温度を測定し
、この実体表面温度により総括熱伝達係数を自動修正し
ながら異径部の実体温度をそれぞれ予測計算し、この計
算結果と目的温度及び小径部表面最高温度を一定上限範
囲に抑える品質許容温度の設定値とにより、加熱炉の雰
囲気温度を決定するものである。

（作　　用）本発明は上記した方法によって、一定の上限範囲に抑え
られながら、目的温度に向かって、実体温度の測定、予
測、雰囲気温度の決定を繰り返し温度制御を行うことと
なる。

（実　施　例）以下本発明方法の実施例について図面を参照しながら説
明する。第１図は本発明方法による加熱炉の温度制御ル
ープを示すブロック図、第２図はその制御によって加熱
される被加熱材である段付軸の急速加熱ヒートパターン
図である。

まず、第２図のヒートパターン図に基づき、被加熱材の
加熱温度の設定方法について説明する。

同図において、Ｔ、は炉内雰囲気温度の変化を示し、’
ｒｒ＋は小径部表面温度変化曲線、Ｔｒｉは小径部中心
温度変化曲線、Ｔ、ｌＩは大径部表面温度変化曲線、Ｔ
７２は大径部中心温度変化曲線であり、同図は横軸に時
間（炉長）をとり、縦軸に温度をとって示したものであ
る。部材を加熱する場合、上記０式が示すように温度差
（’ｒ＋　−Ｔ２　）が大きい程移動熱量は大きく、急
速に加熱される。そこで、１．時間までは、加熱炉の能
カ一杯にヘッドアンプ（目標温度Ｔ、より高い）をかけ
て、温度Ｔ　ｍ　ａ　ｘの炉内雰囲気温度で材料を急速
に加熱する。

このとき、小径部は昇熱が早く（ＴｒＩ、Ｔ、、２）、
大径部は昇熱が遅れる（ＴＩ、Ｔ　Ｒ２）。次の時間ｔ
１〜ｔ２の間では、ｔ２において小径部温度が品質上許
容される温度Ｔ　Ｑ　ｆｆｌ　１１　Ｘまで炉内雰囲気
温度を降下させるべく、例えば連続炉ではＴ’ｈｌ温度
に炉温を設定する。このとき、降下させても大径部に対
してはヘンドアツブ状態にある。

次に、ｔ２〜ｔ４間では、小径部のＴ　ｏ　ｍ　ａ　ｘ
で操業しながら、大径部の軸中心温度ＴＲ□が変態点温
度（中炭素鋼の場合Ａｒ点＃７２０〜７５０℃）を超え
る点までヘンドアツブＴｈ２温度をかけ、設定温度ＴＡ
を超えたときに炉内雰囲気温度Ｔ。

が目標温度Ｔ、になるようにランプ的に降温させる。こ
こで、バッチ炉ではｔ、〜ｔ１時間は“０”でも良いが
、連続加熱炉ではゾーン長さが決まって゛いるためにＴ
６□温度が炉温設定となる。そして、ｔ４のタイミング
時には、Ｔｏｆｆｉ−Ｔｓ　＃Ｔｓ　　ＴＡ　−−■となること
が必要である。そして、次のｔ４〜ｔ５間では、各温度
’ｒｒ１％　Ｔ’ｒ２、Ｔ　Ｂ　Ｉ　％　Ｔ　Ｒ２を目
標温度Ｔｓに一致（許容範囲有）させるべき時間を確保
する。なお、ｔ４時に０式とするのは、上記０式が示す
ように、熱量の移動が温度差に比例するためである。

以上説明したような加熱温度の設定とタイミングによっ
て、被加熱材である段付軸を連続加熱炉の各ゾーンで炉
内雰囲気温度と大径部及び小径部の表面温度の実体温度
を測定し、それらの温度に基づく総括熱伝達係数φｃ６
を自動修正しながら、その都度大径部及び小径部の実体
温度（上記Ｔｒ＋、Ｔｒ２、Ｔ　ＲＩ　、Ｔ　Ｒｚ　）
を予測計算し、その予測計算された温度が上記タイミン
グｔ、〜ｔのどのタイミングかを判断しながら制御を行
う。その制御は第１図の温度制御ループによって行うも
のであり、以下この第１図に基づき説明する。

第１図は１ゾ一ン分を示し、■は連続加熱炉で、１ａは
そのゾーン区隔壁部を示し、２は上記加熱炉１内を連続
的に矢印方向に搬送される被加熱材である段付軸である
。３は制御回路部であり、４は、この回路部３に対する
データのインプットを・７行うキーを有する入力部、５は炉内雰囲気温度計、６は
炉１加熱用バーナ、７は被カロ熱材２の実体表面温度を
測定する輻射温度計、８は各ゾーンに対する被加熱材２
の入炉を検出する光電スイッチである。

上記入力部４より、まず加熱材物理常数入力回路９に対
し、比熱、熱伝動率、加熱材形状、鋼材密度等を入力す
るとともに、ゾーン炉長決定回路１０に炉長を入力し、
更に総括熱伝達係数（φ。、）修正回路１１に初期値を
入力し、また温度設定回路１２に目標温度Ｔ、や品質許
容温度Ｔ、□８Ｘ等の操炉温度条件を入力する。上記雰
囲気温度計５によって検出された炉温度は、温度調節器
１３と、小径部温度予測計算回路１４及び大径部温度予
測計算回路１５に入力される。また上記輻射温度計７に
よって計測される被加熱材２の表面温度は、各ゾーンの
入口近傍において計測され、その結果は径部缶表面温度
回路１６に入力される。更に、光電スイッチ８の検出出
力は、径判別回路１７及び搬送速度判別回路１８に入力
される。そして、径判別回路１７の出力により上記径部
缶表面温度回路１６の温度出力は予測計算回路１４及び
１５に入力されるとともに、次ゾーンの上記φｃｃ修正
回路１１に入力される。また、１般送速度判別回路１８
は、温度予測に必要な在炉時間を計算するもので、イン
プットされた炉長と、加熱材形状と、光電スイッチ８に
よるしゃ断時間（すなわち被加熱材２の始端から終端ま
での時間）によって計算される。これは異径部を持った
被加熱材２を斜めに配置したロールで自転させながら前
進させるために搬送速度が定められないからである。な
お、径判別回路１７による径の判別は、搬送速度判別回
路１８による搬送速度と予めインプットされた被加熱材
２の形状とから判別されるものである。

上記小径部温度予測計算回路１４と大径部温度予測計算
回路１５は、物理常数等インプットされたデータと計測
された被加熱材表面温度及び炉内雰囲気温度、搬送速度
、修正されたφｃｃ等のデータに基づき、各ゾーン毎の
予測計算を行う。これは、前述の第２図で示したように
、被加熱材２の表面及び中心の実際温度（Ｔ、、Ｉ、Ｔ
ｒ２、ＴＲいＴ　Ｒ２）は、時間とともに変化しており
、実際の測定後の（次の）実体温度を予測するものであ
る。

なお、この予測計算式は公知の式を用いるものである。

以上のようにして、小径部と大径部の温度を予測計算し
た結果と、温度設定回路１２ムニインプントすることに
よって予め設定された目標温度Ｔ。

及び品質許容温度Ｔ。ＩＩＩＩＩＸ等、上記第２図に示
すヒートパターンの各点における温度条件を総合比較し
て、当該ゾーンにおける設定温度をゾーン設定温度決定
回路１９によって決定する。そして、その出力を温度調
節器１３に入力して、温度計５によって検出した炉内雰
囲気温度と比較し、比較値に応じてバルブ２０を調節し
バーナ６により炉１内の温度制御を行う。

上記制御回路部３における予測計算をはじめ判別等は、
デジタル計算によって行うが、この制御回路部３に温度
調節器１３の機能も包括することは容易になし得ること
である。また、正常運転、休憩時運転、異常時運転の各
々に予測計算を含めた、昇温、降温、保持のプログラム
を入れておくと、省エネルギー的に効果を期待でき、か
つオペレータ運転操作作業の軽減が可能である。

以上のような温度制御ループの構成によって、外径φ１
５０〜φ２５０、全長２．５ｍの段付軸を、平均温度５
５０℃で、バレル型ローラハース式急速焼準焼入炉にホ
ットチャージし、８５０℃まで０．７５時間の急速加熱
が可能となる。そして、これにより、熱効率５５％のバ
ルル型ローラハース式焼準焼入炉の設計が可能となる。

また、具体的な条件で温度制御を行った結果、第３図に
示すヒートパターンとなり、実際の温度と予測温度はほ
ぼ一致した。ここで、条件は下記第１表及び第２表に示
す通りである。

第１表　被熱材（発明の効果）本発明の温度制御方法は以上説明したように、被加熱材
の実体表面温度を測定し、総括熱伝達係数を自動修正し
ながら実体温度を予測し、炉内雰囲気温度を決定する温
度制御であるため、その制御精度が向上し、かつ急速加
熱の予測制御が可能となった。また小径部の最高制御温
度を品質上許容できる一定上限範囲とするので、オーバ
ーヒートが発生しないものであり、異径部を持つ段付軸
の温度制御方法として極めて有効な発明である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る加熱炉における段付軸の温度制御方
法の実施例を示すもので、第１図はその温度制御ループ
を示すブロック図、第２図はその一般的なヒートパター
ン図、第３図は具体例を示すヒートパターンの説明図で
ある。１は加熱炉、２は被加熱部材、３は制御回路部、４は入
力部、５は炉内雰囲気温度計、７は輻射温度計、１１は
総括熱伝達係数修正回路、１２は目標温度及び品質許容
温度設定回路、１４は小径部温度予測計算回路、１５は
大径部温度予測計算回路。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被加熱材である段付軸における異径部毎の実体表
面温度を測定し、この実体表面温度により総括熱伝達係
数を自動修正しながら異径部の実体温度をそれぞれ予測
計算し、この計算結果と目的温度及び小径部表面最高温
度を一定上限範囲に抑える品質許容温度の設定値とによ
り、加熱炉の雰囲気温度を決定することを特徴とする加
熱炉における段付軸の温度制御方法。