JP2014190671A - 加熱炉及び加熱炉の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱炉で鋼材を加熱するに際して、煙道内を通過する排出ガスの廃熱を十分、且つ効率的に熱回収することができる加熱炉、及び加熱炉の制御方法を提供する。
【解決手段】排出ガスが通過する煙道７を一対備えるとともに、各煙道７に排出ガスの廃熱を回収する熱交換器１１が配備されている加熱炉１において、煙道７の少なくとも一方に備えられ且つ当該煙道７の開口を閉鎖する閉止弁２４と、熱交換器１１の出側の空気の予熱温度を算出する空気温度算出手段２０と、空気温度算出手段２０の算出結果を基に、両方の煙道７を開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度が、一方の煙道７のみ開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度より低い場合、閉止弁２４を閉鎖する閉止弁操作手段２５と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、鋼材を加熱するに際に生じる廃熱を再利用する加熱炉、及び加熱炉における廃熱を効率的に再利用することのできる加熱炉の制御方法に関する。

製鋼工程において製造した、スラブ・ビレット・ブルーム等の鋼材（鋳片）を連続圧延して圧延材を製造する熱間圧延工程では、圧延材の元となる鋼材を加熱炉内で加熱し、下流側にある圧延機（粗圧延機、仕上げ圧延機）に送り、連続的に圧延を行う。
ところで、鋼材を加熱炉で加熱するにあたっては、鋼材を加熱炉内に装入して、圧延に適した温度まで昇温させている。炉内雰囲気の昇温は、炉内に備えられている燃焼バーナで行われるものとなっている。鋼材を昇温させた後の熱（廃熱）は、煙道を通過して、外部に排出される。このとき、廃熱が有する熱量は、煙道に備えられた熱交換器で回収されてブロワから送られた空気と熱交換されている。熱交換された空気は、予熱空気の経路を通過して、炉内に備えられた燃焼バーナに予熱空気として送られる。

この廃熱が有する熱量を有効に再利用することは、省エネなどの観点から好ましく、加熱炉における廃熱の再利用の技術として、例えば、特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１は、被加熱材装入側の左右両側から廃ガスを誘引排出する２系統の煙道を有する連続式加熱炉において、各系統煙道に設置したレキュペレータ入側又は出側の廃ガス温度がレキュペレータの許容温度範囲内にあるときは、炉圧制御系により各煙道のダンパーを併動開閉制御し、上記各煙道のいずれか一方のレキュペレータ入側廃ガス温度が前記許容温度範囲の上限を超えた場合又は、上記各煙道のいずれか一方のレキュペレータ出側廃ガス温度が前記許容温度範囲の下限を下回った場合は、上記各煙道のいずれか一方のダンパーを炉圧制御系により開閉制御し、他方のダンパーを各レキュペレータ間の入側廃ガス温度差又は出側廃ガス温度差に基いて、該上限を超えた廃ガス温度又は下限を下回った廃ガス温度が該許容範囲に入る様に開閉制御することを開示する。つまり、特許文献１には、レキュペレータ（熱交換器）の入側と出側の排出ガスの温度を測定し、その測定したレキュペレータの前後の温度が予め設定した許容温度範囲内であるか否かで煙道のダンパの開閉制御を行う技術が開示されている。

特公平６−６０３５６号公報

従来、加熱炉で圧延材の元となる鋼材を加熱した後の排出ガスは、所定量の熱エネルギを有し、排出ガスが有する熱エネルギを高い効率で取り出して再利用するためには、特許文献１のように何らかの技術が必要となる。
ところが、加熱炉の操業に際しては、長期に亘って操業するにつれて加熱炉の煙道が経年劣化する。煙道が経年劣化すると、煙道内に少量の空気が流入したり（侵入空気）、煙道内を通過する排出ガスの熱量が外部に放出されたり（放散熱）して、煙道内の排出ガスの温度が低下することがあった。特に、加熱炉内の燃焼量が低下した状況下の煙道内では、熱交換器入側で排出ガスの温度が低下し、熱交換器での廃熱回収の効率が悪化してしまう問題があった。

しかしながら、特許文献１は、上述したような加熱炉内の燃焼量が低下した場合の侵入空気及び放散熱については全く考慮されていないため、長期間に亘って、煙道の熱交換器において効率的、且つ十分な廃熱回収が行われているか疑問が残る。また、煙道内の排出ガスの温度が低下し熱回収効率が悪化すると、燃焼バーナでの燃料の消費が多くなり、むだに製造コストがかかる虞もある。

本発明は、上述の問題に鑑み、加熱炉で鋼材を加熱するに際して、煙道内を通過する排出ガスの廃熱を十分、且つ効率的に熱回収することができる加熱炉、及び加熱炉の制御方
法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る加熱炉は、排出ガスが通過する煙道を一対備えるとともに、各煙道に排出ガスの廃熱を回収する熱交換器が配備されている加熱炉において、前記煙道の少なくとも一方に備えられ且つ当該煙道の開口を閉鎖する閉止弁と、前記熱交換器の出側の空気の予熱温度を算出する空気温度算出手段と、前記空気温度算出手段の算出結果を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度が、一方の煙道のみ開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度より低い場合、前記閉止弁を閉鎖する閉止弁操作手段と、を有することを特徴とする。

好ましくは、前記空気温度算出手段は、前記加熱炉内の燃焼量を基に、当該加熱炉の煙道接続部での排出ガスの温度及び流量を算出する炉端排出ガス算出部と、前記炉端排出ガス算出部の算出結果、前記煙道内に侵入する空気量及び前記煙道から放散される熱量を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器の入側の排出ガス温度と、一方の煙道のみを開放しているときの熱交換器の入側の排出ガス温度とを求める熱交換器入側排出ガス算出部と、前記熱交換器入側排出ガス算出部の算出結果を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器の出側の空気の予熱温度と、一方の煙道のみを開放しているときの熱交換器の出側の空気の予熱温度とを求める熱交換器出側空気算出部と、を備えており、前記閉止弁操作手段は、熱交換器出側空気算出部の算出結果を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度が、一方の煙道のみ開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度より低い場合、前記閉止弁を閉鎖するように構成されているとよい。

本発明における加熱炉の制御方法は、排出ガスが通過する煙道を一対備えるとともに、各煙道に排出ガスの廃熱を回収する熱交換器が配備されている加熱炉の制御方法において、前記煙道の少なくとも一方には、当該煙道の開口を閉鎖する閉止弁が備えられるものとなっており、前記熱交換器の入側の排出ガスの温度及び前記熱交換器の出側の空気の予熱温度を算出する空気算出工程と、前記空気算出工程の算出結果を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度が、一方の煙道のみ開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度より低い場合、前記閉止弁を閉鎖する閉止弁操作工程と、を有することを特徴とする。

好ましくは、前記空気算出工程は、前記加熱炉内の燃焼量を基に、当該加熱炉の煙道接続部の排出ガスの温度及び流量を算出する炉端排出ガス算出工程と、前記炉端排出ガス算出工程の算出結果、前記煙道内に侵入する空気量及び前記煙道から放散される熱量を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器の入側の排出ガス温度と、一方の煙道のみを開放しているときの熱交換器の入側の排出ガス温度とを求める熱交換器入側排出ガス算出工程と、前記熱交換器入側排出ガス算出部の算出結果を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器の出側の空気の予熱温度と、一方の煙道のみを開放しているときの熱交換器の出側の空気の予熱温度とを求める熱交換器出側空気算出工程と、を備えており、前記閉止弁操作工程は、熱交換器出側空気算出工程の算出結果を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度が、一方の煙道のみ開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度より低い場合、前記閉止弁を閉鎖するとよい。

本発明の技術を用いることで、加熱炉で鋼材を加熱するに際して、煙道内を通過する排出ガスの廃熱を十分、且つ効率的に熱回収することができる。

本発明の加熱炉の概略構成を示した図である。 本発明の加熱炉の煙道接続部での断面図である。 本発明の加熱炉を用いて、廃熱回収の方法を模式的に示した図である。 本発明の加熱炉における空気予熱温度と侵入空気量との関係を算出した結果を示した図である。 図４の結果より、加熱炉内の燃焼量と侵入空気量との関係を算出した結果を示した図である。

以下、図を参照しながら、本発明の加熱炉について、説明する。
その前に、熱間圧延装置について説明する。
熱間圧延装置は、上流側から、ブルームやビレットなどの鋼材Ｗ（鋳片）を加熱する加熱炉１、デスケーラ、粗圧延機、仕上げ圧延機、巻き取り装置が順番に配設されている。
鋼材Ｗは、加熱炉１内に装入され所定の温度に昇温され加熱炉１から抽出される。その後、デスケーラで鋼材Ｗの表面についたスケールを剥離させ、粗圧延機及び仕上げ圧延機で圧延されて圧延材となる。製造された圧延材は巻き取り装置で巻回される。

本願発明は、上記した熱間圧延装置に備えられた加熱炉１、及びこの加熱炉１の制御方法に関するものである。
以下、本発明の加熱炉１について、詳しく説明する。
図１は、加熱炉１を模式的に示したものであり、図２は図１に示された加熱炉１の煙道接続部での断面図、つまり加熱炉１の搬入口３側を断面視した図である。

なお、以降の説明において、図１の紙面に向かっての左右方向を、加熱炉１の前後方向とし、図１の紙面に向かっての貫通方向を、加熱炉１の左右方向とする。図１の紙面に向かっての上下方向を、加熱炉１の上下方向とする。
図１に示すように、本発明の加熱炉１は、鋼材Ｗを加熱する炉体２と、炉体２内の雰囲気温度を昇温させる燃焼バーナ６と、炉体２内で生じた排出ガスを外部に放出する煙道７（排出ガス経路）とを有している。また、煙道７には、煙道７内を通過する排出ガスの廃熱を回収する熱交換器１１（レキュペレータ）が配備されている。また、燃焼に用いられる空気を燃焼バーナ６に供給するブロワ１２と、このブロワ１２から供給された空気を熱交換器１１を介した上で燃焼バーナ６に送る予熱空気経路１３が備えられている。

加えて、本発明の加熱炉１は、煙道７の少なくとも一方に備えられ、且つ当該煙道７の開口を閉鎖する閉止弁２４と、熱交換器１１の出側の空気の予熱温度を算出する空気温度算出手段２０と、空気温度算出手段２０の算出結果を基に、閉止弁２４を開閉操作する閉止弁操作手段２５と、を有している。
炉体２は、内部が空洞の筐体であって、鋼材Ｗを炉体２内に搬入するための搬入口３と、所定温度に加熱された鋼材Ｗを炉外へ搬出する搬出口４とが鋼材Ｗの搬送方向にそれぞれ形成されている。また、炉体２の内部には、鋼材Ｗを搬入口３から搬出口４へ一定時間（１〜２時間）かけて少しずつ搬送するウォーキングビーム５（鋼材搬送装置）が設けられている。図１の紙面の左側の搬入口３から連続して搬入された鋼材Ｗは、ウォーキングビーム５により加熱炉１内を図１の矢印方向に搬送されつつ加熱・昇温され、搬出口４から搬出される。本実施形態の加熱炉１は、鋼材Ｗの搬送方向に沿って予熱帯・燃焼帯とから構成されており、炉体２には、加熱炉１内の雰囲気温度を上昇させるための燃焼バーナ６が燃焼帯に複数設けられている。

燃焼バーナ６は、炉体２の側壁及び天井付近に配備され、図１，図２に示すように、側壁に配備した燃焼バーナ６は、ウォーキングビーム５で搬送されている鋼材Ｗを左右方向から挟み込むように配備されている。一対の燃焼バーナ６は、搬送方向に沿って複数配設されている（本実施形態では４対）。燃焼バーナ６には、熱交換器１１で熱交換され昇温された空気が通過する予熱空気経路１３が配備されている。その予熱空気経路１３を介して送られてきた予熱空気は、重油、ＣＯＧ、ＬＮＧや都市ガスなどの燃料の燃焼に用いられる。燃料が燃焼することによって、加熱炉１内の雰囲気温度が上昇する。加熱炉１内の雰囲気温度の上昇に寄与した排出ガスは、所定の熱エネルギを有しつつも煙道７に送られて外部に排出される。

煙道７は、筒状に形成された長尺の構造体であり、加熱炉１の左右に一対備えられている。例えば、図２の左側の煙道７を第１の煙道７とし、図２の右側の煙道７を第２の煙道７とする。煙道７の流入口８は加熱炉１の搬入口３側（煙道接続部）に設けられており、煙道７の流出口９は上方に向かって突出するように設けられている。本実施形態では、煙道７は加熱炉１の下方を通過してから上方に突出する（略コ字状）ように備えられている
が、加熱炉１の上方を通過するように配備されていてもよい。

各煙道７には、加熱炉１内の圧力を調整する炉圧ダンパ１０と、煙道７内を通過する排出ガスの廃熱を回収する熱交換器１１（レキュペレータ）が配備されている。また、煙道７の少なくとも一方には、当該煙道７の開口を閉鎖する閉止弁２４が備えられている。また、煙道７の側壁には、煙道７内の排出ガス温度などを測定する温度測定装置（例えば、シース熱電対）が備えられている。なお、従来の加熱炉１の操業では、両方の煙道７を用いて、排出ガスを外部へ放出している。

熱交換器１１は、煙道７の中途部に備えられ、ブロワ１２から送られてきた空気と、熱エネルギを有する排出ガスとを熱交換するものである。つまり、熱交換器１１は、排出ガスの廃熱を回収し、回収した廃熱をブロワ１２から送られてきた空気を予熱するために再利用している。熱交換器１１の一次側（排出ガス経路７）には、煙道７内の排出ガスが流通し、二次側（予熱空気経路１３）にはブロワ１２から送られた空気が流通しており、排出ガスから空気へと熱が付与される。

予熱空気経路１３を通過する空気は、排出ガス経路７を通過する排出ガスの熱エネルギが付与されることにより、所定の温度にまで昇温した予熱空気となる。予熱空気は、予熱空気経路１３を経て燃焼バーナ６に送られる。また、熱交換によって温度が低下した排出ガスは、煙道７の流出口９から外部に放出される。
ところで、加熱炉１の燃焼量Ｎｋ（Ｍｃａｌ／ｈ）が少なくなった場合、熱交換器１１出側における空気の予熱温度Ｔａ（℃）が低下していることがある。すなわち、加熱炉１の燃焼量Ｎｋ（Ｍｃａｌ／ｈ）が低下すると、煙道７の熱交換器１１において効率的、且つ十分な廃熱回収が行われなくなる。

そこで、本発明の加熱炉１では、空気温度算出手段２０で熱交換器１１の出側の空気の予熱温度Ｔａ（℃）を算出し、その算出結果を基に、両方（２本）の煙道７を開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ２（℃）が、一方の煙道７のみ開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ１（℃）より低い場合、閉止弁操作手段２５により閉止弁２４を閉鎖している。言い換えれば、加熱炉１の燃焼量Ｎｋ（Ｍｃａｌ／ｈ）が低下した場合、一方の煙道７のみを使用し、熱交換器１１へ導入する熱量を大きなものとする。

以下、本発明の加熱炉１に備えられた閉止弁２４、空気温度算出手段２０及び閉止弁操作手段２５について、詳細な説明を行う。
図３に示すように、閉止弁２４は、加熱炉１の煙道接続部と熱交換器１１との間に配備され、閉止弁操作手段２５によって制御されている。本実施形態では、閉止弁２４は、第２の煙道７側に備えられている。閉止弁２４の開閉を切替するにあたって、空気温度算出手段２０で算出された結果を基に行われている。

空気温度算出手段２０は、図示しないが、加熱炉１に備えられている制御装置に設けられている。
空気温度算出手段２０は、加熱炉１内の燃焼量Ｎｋを基に、当該加熱炉１の煙道接続部での排出ガスの温度Ｔｇ及び流量Ｑｇを算出する炉端排出ガス算出部２１と、炉端排出ガス算出部２１の算出結果、煙道７内に侵入する空気量Ｑａｉｒ（Ｎｍ^３／ｈ）及び煙道７から放出される放散熱量Ｎｈ（Ｍｃａｌ／ｈ）を基に、両方（２本）の煙道７を開放しているときの熱交換器１１の入側の排出ガス温度Ｔｒ_ｉｎ２（℃）と、一方の煙道７のみを開放しているときの熱交換器１１の入側の排出ガス温度Ｔｒ_ｉｎ１（℃）とを求める熱交換器入側排出ガス算出部２２と、熱交換器入側排出ガス算出部２２の算出結果を基に、両方の煙道７を開放しているときの熱交換器１１の出側の空気の予熱温度Ｔａ２（℃）と、一方の煙道７のみを開放しているときの熱交換器１１の出側の空気の予熱温度Ｔａ１（℃）とを求める熱交換器出側空気算出部２３と、を備えている。

炉端排出ガス算出部２１は、加熱炉１内の燃焼量Ｎｋ（Ｍｃａｌ／ｈ）を基に、加熱炉１内の排出ガス温度Ｔｇ（℃）と排出ガス流量Ｑｇ（Ｎｍ^３／ｈ）とを算出するものである。
炉端排出ガス算出部２１は、まず加熱炉１内の燃焼量Ｎｋを算出する。加熱炉１内の燃
焼量Ｎｋは、加熱炉１の燃焼帯の熱収支（例えば、加熱炉１の燃焼バーナ設置帯における鋼材Ｗ（スラブ）の顕熱、排出ガスの顕熱、及び固定損失熱など）から求められる。炉端排出ガス算出部２１は、求めた加熱炉１内の燃焼量Ｎｋを基に、加熱炉１の最も煙道７に近く、燃焼バーナ６を設置しない予熱帯の熱収支より、炉端の排出ガス温度Ｔｇを算出する。

また、炉端排出ガス算出部２１は、求めた加熱炉１内の燃焼量Ｎｋを基に、加熱炉１の炉端の排ガス流量Ｑｇを算出する。加熱炉１の炉端の排ガス流量Ｑｇは、加熱炉１内の燃焼量Ｎｋより燃料流量Ｆを求め式（１）に適用することで算出する。
Ｑｇ（Ｎｍ^３／ｈ）＝Σ｛［(ｍi−１)×Ａ０＋Ｇ０］×Ｆi｝ ・・・（１）
ただし、ｍ：空気比、Ａ０：理論空気量、Ｇ０：理論排出ガス量、Ｆ：燃料流量（Ｎｍ^３／ｈ）ｉ：該当帯番号
このようにして求められた加熱炉１内の排出ガス温度Ｔｇと排出ガス流量Ｑｇは、熱交換器入側排出ガス算出部２２で求められる熱交換器１１（レキュペレータ）の入側における排出ガスの温度Ｔｒ_ｉｎ（℃）を算出する際に用いられる。

熱交換器入側排出ガス算出部２２は、炉端排出ガス算出部２１で算出した加熱炉１内の排出ガス温度Ｔｇと排出ガス流量Ｑｇ（Ｎｍ^３／ｈ）と、煙道７内に入り込む侵入空気量Ｑａｉｒ（Ｎｍ^３／ｈ）及び煙道７から放出される放散熱量Ｎｈ（Ｍｃａｌ／ｈ）を基に、熱交換器１１に流入する排出ガスの温度Ｔｒ_ｉｎ（℃）を算出するものである。
熱交換器入側排出ガス算出部２２は、まず、煙道７内への侵入空気量Ｑａｉｒを算出する。侵入空気量Ｑａｉｒは、加熱炉１の炉端及び熱交換器１１の入側における排出ガスの酸素濃度（ｐｐｍ）及び、熱交換器１１の入側における排出ガスの酸素濃度（ｐｐｍ）を測定し、その酸素濃度の差を基に、算出する。熱交換器１１入側における排出ガスの流量Ｑｒ_ｉｎ（Ｎｍ^３／ｈ）は炉端における排出ガスの流量Ｑｇ（Ｎｍ^３／ｈ）と侵入空気量Ｑａｉｒの和となる。

次に、煙道７の放散熱量Ｎｈ（Ｍｃａｌ／ｈ）を算出する。放散熱量Ｎｈを算出するにあたっては、炉端における排出ガスの顕熱Ｎｇ（Ｍｃａｌ／ｈ）と、熱交換器１１の入側における排出ガスの顕熱Ｎｒ（Ｍｃａｌ／ｈ）との差（Ｎｈ＝Ｎｇ−Ｎｒ）を算出する。
なお、炉端における排出ガスの顕熱Ｎｇは、以下に示す式（２）よって求められる。
Ｎｇ＝Ｃｐ×Ｔｇ×Ｑｇ ・・・（２）
ただし、Ｃｐ：排出ガス比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）
また、熱交換器１１の入側における排出ガスの顕熱Ｎｒは、以下に示す式（３）よって求められる。

Ｎｒ＝Ｃｐ×Ｔｒ_ｉｎ×Ｑｒ_ｉｎ ・・・（３）
ただし、Ｃｐ：排出ガス比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）
そして、熱交換器入側排出ガス算出部２２は、算出された侵入空気量Ｑａｉｒと放散熱量Ｎｈを基に、両方の煙道７（第１の煙道７及び第２の煙道７）を開放しているときの熱交換器１１の入側の排出ガス温度Ｔｒ_ｉｎ２（℃）と、一方の煙道７のみ（第１の煙道７）を開放しているときの熱交換器１１の入側の排出ガス温度Ｔｒ_ｉｎ１（℃）を算出する。

熱交換器１１の入側の排出ガス温度Ｔｒ_ｉｎ２及びＴｒ_ｉｎ１を算出するにあたっては、算出された侵入空気量Ｑａｉｒ及び放散熱量Ｎｈと、平均燃焼量Ｎｋｎで加熱炉１を操業しているときの熱測定結果（例えば、直近の３回分）と、で算出した値を熱交換器１１の入側の排出ガス温度Ｔｒ_ｉｎ２及びＴｒ_ｉｎ１とする。
このようにして、算出された両方の煙道７を開放しているときの熱交換器１１の入側の排出ガス温度Ｔｒ_ｉｎ２と、一方の煙道７のみを開放しているときの熱交換器１１の入側の排出ガス温度Ｔｒ_ｉｎ１は、熱交換器出側空気算出部２３で求められる熱交換器１１の出側における空気の予熱温度Ｔａ（℃）を算出する際に用いられる。

熱交換器出側空気算出部２３は、熱交換器入側排出ガス算出部２２で算出した熱交換器１１入側における排出ガス温度Ｔｒ_ｉｎ（℃）を基に、熱交換器１１から流出する空気の予熱温度Ｔａ（℃）を算出するものである。ここで、熱交換器１１の伝熱面積を次のよう
に設定する。排出ガスの流路面積をＡｏuｔ（ｍ^２）とし、空気の流量面積をＡiｎ（ｍ^２）とする。

熱交換器出側空気算出部２３は、まず、熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ（℃）と、熱交換器１１出側の排出ガスの温度Ｔｒ_ｏｕｔ（℃）を仮定する。このとき、空気（予熱空気）の顕熱の差Ｎａｓ（Ｍｃａｌ／ｈ）＝排出ガスの顕熱の差Ｎｇｓ（Ｍｃａｌ／ｈ）が成立するように、熱交換器１１出側の排出ガスの温度Ｔｒ_ｏｕｔを設定する。
次に、熱交換器１１入側と熱交換器１１出側との間（二次側）の空気の予熱温度の平均値Ｔａｎ（℃）及び、熱交換器１１入側と熱交換器１１出側との間（一次側）の排出ガスの温度の平均値Ｔｇｎ（℃）に対する物性値を設定する。そして、設定した物性値を基に、熱交換器１１内における空気（予熱空気）の通過流速Ｖａｎ（ｍ／ｓ）、及び熱交換器１１内における排出ガスの通過流速Ｖｇｎ（ｍ／ｓ）を算出する。

さらに、熱交換器１１内の経路（配管）の管外熱伝達率αｏｕｔ（ｋｃａｌ／ｍ^２・ｈ・℃）及び、管内熱伝達率αｉｎ（ｋｃａｌ／ｍ^２・ｈ・℃）を算出する。熱交換器１１内の経路の管外熱伝達率αｏｕｔと管内熱伝達率αｉｎとを基に、総括熱伝達率Ｋ（ｋｃａｌ／ｍ^２・ｈ・℃）を算出する。また、熱交換器１１入側及び出側との間（二次側）の空気の予熱温度の平均値Ｔａｎ（℃）と、熱交換器１１入側及び出側との間（一次側）の排出ガスの温度の平均値Ｔｇｎ（℃）を基に、対数平均温度差ΔＴｍ（℃）を算出する。

以上の算出結果を基に、熱交換器１１の伝熱量Ｎｄ（Ｍｃａｌ／ｈ）を算出する。熱交換器１１の伝熱量Ｎｄを算出するにあたっては、以下に示す式（４）よって求める。
熱交換器１１の伝熱量Ｎｄ＝総括熱伝達率Ｋ×対数平均温度差ΔＴｍ×空気の流量面積Ａiｎ ・・・（４）
そして、空気（予熱空気）の顕熱の差Ｎａｓ（Ｍｃａｌ／ｈ）＝熱交換器１１の伝熱量Ｎｄ（Ｍｃａｌ／ｈ）が成立する熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ１、Ｔａ２を算出する。

以上の算出結果をまとめたものが、図４及び図５に示されている。
図４は、煙道７内に侵入する侵入空気量Ｑａｉｒに対して、空気の予熱温度Ｔａをまとめたグラフである。なお、加熱炉１の生産性を１５７（ｔ／ｈ）とし、放散熱量Ｎｈを２００（Ｍｃａｌ／ｈ）とする。
図４を見てみると、侵入空気量Ｑａｉｒが０（Ｎｍ^３／ｈ）である場合、両方（２本）の煙道７を開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ２は３６１℃（■印）であり、一方の煙道７のみ開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ１は３４８℃（◆印）である。つまり、Ｔａ２＞Ｔａ１となり、両方の煙道７を開放して排出ガスの熱量を回収した方が有利であることが確認できる。

次に、侵入空気量Ｑａｉｒが６０００（Ｎｍ^３／ｈ）である場合、両方の煙道７を開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ２は２７５℃（■印）であり、一方の煙道７のみ開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ１は３０１℃（◆印）である。この傾向は、侵入空気量Ｑａｉｒが６０００（Ｎｍ^３／ｈ）より大きくなったとしても続くことになる。つまり、侵入空気量Ｑａｉｒ≧６０００（Ｎｍ^３／ｈ）の場合には、Ｔａ１＞Ｔａ２となり、一方の煙道７のみ開放して排出ガスの熱量を回収した方が有利であることが確認できる。

ゆえに、一方の煙道７のみ開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ１の曲線と、両方の煙道７を開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ２の曲線とが交わる交差点を境に、一方の煙道７のみ開放して排出ガスの熱量を回収した方よいか否かを確認することができる。この交差点を加熱炉１の燃焼量Ｎｋごとに、プロットしてまとめたものが図５に示されている。

図５は、加熱炉１の燃焼量Ｎｋに対して、煙道７内に侵入する侵入空気量Ｑａｉｒをまとめたグラフである。
図５を見てみると、加熱炉１の燃焼量Ｎｋがおよそ３８×１０^３（Ｍｃａｌ／ｈ）のとき、侵入空気量Ｑａｉｒはおよそ１１００（Ｎｍ^３／ｈ）である。また、加熱炉１の燃焼量Ｎｋがおよそ４４×１０^３（Ｍｃａｌ／ｈ）のとき、侵入空気量Ｑａｉｒはおよそ１９
００（Ｎｍ^３／ｈ）である。加熱炉１の燃焼量Ｎｋがおよそ７２×１０^３（Ｍｃａｌ／ｈ）のとき、侵入空気量Ｑａｉｒはおよそ３５００（Ｎｍ^３／ｈ）である。

つまり、加熱炉１の燃焼量Ｎｋが少なく、且つ侵入空気量Ｑａｉｒが多い場合（図５に示す曲線より左側）、一方の煙道７のみ開放して排出ガスの熱量を回収した方が有利であることが確認できる。また、加熱炉１の燃焼量Ｎｋが多く、且つ侵入空気量Ｑａｉｒが少ない場合（図５に示す曲線より右側）、両方の煙道７を開放して排出ガスの熱量を回収した方が有利であることが確認できる。

以上より、煙道７内に侵入する侵入空気量Ｑａｉｒが増大するにつれて、一方の煙道７のみ開放して排出ガスの熱量を回収した方が有利であることが確認できる。
このようにして、算出された熱交換器１１（レキュレペータ）出側の空気（予熱空気）の温度Ｔａ１、Ｔａ２は、閉止弁操作手段２５が閉止弁２４を閉鎖するか否かを判断する際に用いられる。

閉止弁操作手段２５は、熱交換器出側空気算出部２３の算出結果を基に、両方の煙道７を開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ２（℃）が、一方の煙道７のみ開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ１（℃）より低い場合、閉止弁２４を閉鎖するように構成されており、加熱炉１の操業を制御する制御装置（図示せず）に格納されている。

閉止弁２４を閉鎖するか否かを判断するにあたっては、閉止弁操作手段２５は、両方の煙道７を開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ２と、一方の煙道７のみ開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ１とを比較し、その結果を基に閉止弁２４の開閉操作を行っている。
例えば、両方の煙道７を開放して加熱炉１の操業を行っている場合に、煙道７の熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ２が一方の煙道７のみ開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ１より下回った（Ｔａ１＞Ｔａ２）と判断されると、熱交換器１１入側の排出ガスの温度Ｔｒ_ｉｎ２は低下していることとなり、第２の煙道７に備えられた閉止弁２４を閉鎖（全閉）する。同時に、第２の煙道７側の予熱空気経路１３に備えられた空気供給弁２６も閉鎖（全閉）する。

一定の時間を経て、一方の煙道７のみ開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ１が煙道７の熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ２以下（Ｔａ２≧Ｔａ１）と判断されると、一方の煙道７のみ開放しているときの熱交換器１１入側の排出ガスの温度Ｔｒ_ｉｎ１は、両方の煙道７を開放しているときの熱交換器１１入側の排出ガスの温度Ｔｒ_ｉｎ２より上昇していることとなり、第２の煙道７に備えられた閉止弁２４を開く。同時に、第２の煙道７側の予熱空気経路１３に備えられた空気供給弁２６も開く。このようにすることで、煙道７内を通過する排出ガスの熱量を十分、且つ効率的に回収することができる。

なお、閉止弁２４及び空気供給弁２６を開閉操作する際には、予熱空気経路１３の熱交換器１１の圧力損失ΔＰａ１＝（Ｐａ１−Ｐａ１’）及び、ΔＰａ２＝（Ｐａ２−Ｐａ２’）と、排出ガス経路７（煙道７）の熱交換器１１の圧力損失ΔＰｇ１＝（Ｐｇ１−Ｐｇ１’）及び、ΔＰｇ２＝（Ｐｇ２−Ｐｇ２’）の関係が、ΔＰａ１／ΔＰｇ１＝ΔＰａ２／ΔＰｇ２となるように閉止弁２４及び空気供給弁２６の開度を調整する。また、（圧力損失ΔＰ∝流量Ｑ^２)をＱａ_ｉｎ１／Ｑｇｒ_ｉｎ１＝Ｑａ_ｉｎ２／Ｑｇｒ_ｉｎ２となるように閉止弁２４及び空気供給弁２６の開度を調整する。また、ハンチング（制御応答結果が振動する）を防止するために、加熱炉１内の燃焼量Ｎｋをオフセットし、空気の予熱温度Ｔａを算出する。

以上述べた本発明の加熱炉１を用いて、加熱炉１を制御する方法、言い換えれば煙道７に備えられた閉止弁２４の開閉操作をする方法について、説明する。
まず、本発明の加熱炉１に配備された空気算出手段は、炉端排出ガス算出部２１で加熱炉１内の燃焼量を基に、当該加熱炉１の後端部（炉端）の排出ガスの温度Ｔｇ及び流量Ｑｇを算出する。

次に、炉端排出ガス算出部２１の算出結果（炉端の排出ガスの温度Ｔｇ及び流量Ｑｇ）
、煙道７内に侵入する侵入空気量Ｑａｉｒ及び煙道７から放散される放散熱量Ｎｋを基に、両方の煙道７を開放しているときの熱交換器１１の入側の排出ガス温度Ｔｒ_ｉｎ２と、一方の煙道７のみを開放しているときの熱交換器１１の入側の排出ガス温度Ｔｒ_ｉｎ１とを求める。

さらに、熱交換器入側排出ガス算出部２２の算出結果（排出ガス温度Ｔｒ_ｉｎ２及び、排出ガス温度Ｔｒ_ｉｎ１）を基に、両方の煙道７を開放しているときの熱交換器１１の出側の空気の予熱温度Ｔａ２と、一方の煙道７のみを開放しているときの熱交換器１１の出側の空気の予熱温度Ｔａ１とを求める。
そして、熱交換器出側空気算出部２３の算出結果（空気の予熱温度Ｔａ２及び、空気の予熱温度Ｔａ１）を基に、両方の煙道７を開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ２が、一方の煙道７のみ開放しているときの熱交換器１１出側の空気の予熱温度Ｔａ１より低い場合、閉止弁２４を閉鎖する。また、第２の煙道７側の予熱空気経路１３に備えられた空気供給弁２６も閉鎖する。

以上述べたように、本発明の加熱炉１及び加熱炉１の制御方法を用いることで加熱炉１で鋼材Ｗを加熱するに際して、煙道７内を通過する排出ガスの廃熱を十分、且つ効率的に熱回収することができる。そして、加熱炉１の燃焼量Ｎｋに応じて、煙道７の本数（１つの煙道７、あるいは両方の煙道７）の切り替え制御を行うことで、加熱炉１の全燃焼量領域における廃熱の回収効率を最大にすることができるという効果をもたらす。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 加熱炉
２ 炉体
３ 搬入口
４ 搬出口
５ ウォーキングビーム（鋼材搬送装置）
６ 燃焼バーナ
７ 煙道（排出ガス経路、一次側）
８ 流入口
９ 流出口
１０ 炉圧ダンパ
１１ 熱交換器（レキュペレータ）
１２ ブロワ
１３ 予熱空気経路（二次側）
２０ 空気温度算出手段
２１ 炉端排出ガス算出部
２２ 熱交換器入側排出ガス算出部
２３ 熱交換器出側空気算出部
２４ 閉止弁
２５ 閉止弁操作手段
２６ 空気供給弁
Ｗ 鋼材（鋳片）

Claims (4)

1. 排出ガスが通過する煙道を一対備えるとともに、各煙道に排出ガスの廃熱を回収する熱交換器が配備されている加熱炉において、
   前記煙道の少なくとも一方に備えられ且つ当該煙道の開口を閉鎖する閉止弁と、
   前記熱交換器の出側の空気の予熱温度を算出する空気温度算出手段と、
   前記空気温度算出手段の算出結果を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度が、一方の煙道のみ開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度より低い場合、前記閉止弁を閉鎖する閉止弁操作手段と、
   を有することを特徴とする加熱炉。
2. 前記空気温度算出手段は、
   前記加熱炉内の燃焼量を基に、当該加熱炉の煙道接続部での排出ガスの温度及び流量を算出する炉端排出ガス算出部と、
   前記炉端排出ガス算出部の算出結果、前記煙道内に侵入する空気量及び前記煙道から放散される熱量を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器の入側の排出ガス温度と、一方の煙道のみを開放しているときの熱交換器の入側の排出ガス温度とを求める熱交換器入側排出ガス算出部と、
   前記熱交換器入側排出ガス算出部の算出結果を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器の出側の空気の予熱温度と、一方の煙道のみを開放しているときの熱交換器の出側の空気の予熱温度とを求める熱交換器出側空気算出部と、
   を備えており、
   前記閉止弁操作手段は、熱交換器出側空気算出部の算出結果を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度が、一方の煙道のみ開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度より低い場合、前記閉止弁を閉鎖するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。
3. 排出ガスが通過する煙道を一対備えるとともに、各煙道に排出ガスの廃熱を回収する熱交換器が配備されている加熱炉の制御方法において、
   前記煙道の少なくとも一方には、当該煙道の開口を閉鎖する閉止弁が備えられるものとなっており、
   前記熱交換器の入側の排出ガスの温度及び前記熱交換器の出側の空気の予熱温度を算出する空気算出工程と、
   前記空気算出工程の算出結果を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度が、一方の煙道のみ開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度より低い場合、前記閉止弁を閉鎖する閉止弁操作工程と、
   を有することを特徴とする加熱炉の制御方法。
4. 前記空気算出工程は、
   前記加熱炉内の燃焼量を基に、当該加熱炉の煙道接続部の排出ガスの温度及び流量を算出する炉端排出ガス算出工程と、
   前記炉端排出ガス算出工程の算出結果、前記煙道内に侵入する空気量及び前記煙道から放散される熱量を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器の入側の排出ガス温度と、一方の煙道のみを開放しているときの熱交換器の入側の排出ガス温度とを求める熱交換器入側排出ガス算出工程と、
   前記熱交換器入側排出ガス算出部の算出結果を基に、両方の煙道を開放しているときの熱交換器の出側の空気の予熱温度と、一方の煙道のみを開放しているときの熱交換器の出側の空気の予熱温度とを求める熱交換器出側空気算出工程と、
   を備えており、
   前記閉止弁操作工程は、熱交換器出側空気算出工程の算出結果を基に、両方の煙道を開
   放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度が、一方の煙道のみ開放しているときの熱交換器出側の空気の予熱温度より低い場合、前記閉止弁を閉鎖する
   ことを特徴とする請求項３に記載の加熱炉の制御方法。

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