JP7851402B2

JP7851402B2 - 雰囲気による炉の制御

Info

Publication number: JP7851402B2
Application number: JP2024535408A
Authority: JP
Inventors: ケラッシ，アーメド; ダルマズ・シルバ，ウォルター; プリュニアン，モルバン
Original assignee: アルセロールミタル
Priority date: 2021-12-14
Filing date: 2022-12-13
Publication date: 2026-04-24
Anticipated expiration: 2042-12-13
Also published as: UA130100C2; KR20240090724A; CN118510917A; ZA202403406B; CA3237554A1; US20250019791A1; WO2023111837A1; WO2023111632A1; EP4448809A1; MX2024007246A; JP2024545653A

Description

本発明は、鋼帯の熱処理時の炉の雰囲気の調整方法に関する。より具体的には、この方法は、鋼帯の焼鈍中に使用することができる。

鋼帯の焼鈍中、鋼帯は、その延性を高め、その硬度を低下させるために、加熱され、次いでその再結晶温度を超えて維持される。これは、その雰囲気の温度及び露点が調整される炉内で行われる。雰囲気の制御は、帯の品質を保証するためのかなめである。

温度の調整は、所望の量の熱を供給する加熱装置（放射管、インダクタなど）によって確保される。

露点の調整は、例えば蒸気の形態の水を雰囲気に提供することによって確保される。

各鋼種及び形式は、好ましい炉の雰囲気、すなわち温度及び露点の範囲を含む好ましいプロセス条件を有する。したがって、異なる種及び形式の鋼帯を製造する連続生産ラインでは、炉の雰囲気を各製品に適合させる必要がある。製品移行中、ある炉の雰囲気から別の炉の雰囲気への時間が短いほど、製品の達成可能な品質は良好である。

露点を調整するために、既存のシステムは、露点測定装置及び水を注入するシステムと結合された制御ループ機構の一部である比例積分微分コントローラ（ＰＩＤコントローラ）を使用する。

このシステムでは、図１に示すように、雰囲気の露点を測定し（ＤＰ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}）、目標露点を定義する（ＤＰ_{ＴＡＲＧＥＴ}）。次いで、誤差値、例えば、測定された露点と目標露点との間の差が計算される。その後、ＰＩＤコントローラによって計算された比例積分項及び微分項に基づいて、注入するＨ_２Ｏの流れ（Ｈ_２Ｏ_{ＩＮＪＥＣＴ}）が決定される。最終的に、決定されたＨ_２Ｏの流れが炉に注入される。このシーケンスは、熱処理中ずっと定期的に繰り返される。

しかし、焼鈍炉は通常、炉に注入することができる蒸気の流れと比較して重要な容積を有することを思い出すことが重要である。したがって、炉内で異なる露点を必要とする２つの鋼種を短時間で連続して送る場合、コイル全長にわたって経時的に最適な露点を得ることができない。これは、特に第１の帯の後部及び第２の帯の前部に関して、歩留まりの低下又は不良な帯品質をもたらし得る。

本発明の目的は、焼鈍炉の部分に注入されるＨ_２Ｏの調整を改善することである。

より具体的には、本発明の目的は、最終製品の最適な品質をもたらす炉の部分において、鋼帯Ｓ_１の好ましい焼鈍雰囲気Ａ_ＴＡＲ１から鋼帯Ｓ_２の好ましい焼鈍雰囲気Ａ_ＴＡＲ２への移行管理を改善することである。好ましい焼鈍雰囲気は、ある範囲の値を含むことができる。

この目的は、請求項１に記載の方法を提供することによって達成される。方法はまた、請求項２～７の任意の特徴を有することができる。

本発明の他の特徴及び利点は、本発明の以下の詳細な説明から明らかになる。

本発明を説明するために、特に以下の図を参照して、様々な実施形態及び非限定的な実施例の試行を説明する。

従来技術において知られているような調整方法を示す。本発明による調整システムの一実施形態を示す。従来技術で知られている露点調整を示す。従来技術で知られている蒸気注入調整を示す。本発明による露点調整を示す。本発明による蒸気注入調整を示す。

図２に示すように、本発明は、Ｈ_２及びＮ_２を含む炉内の雰囲気Ａを調整する方法であって、組成Ｃ_１及び露出表面積Ａ_{ＳＵＲＦ１}を有する鋼帯Ｓ_１は、時間Ｔ_０から時間Ｔ_{Ｓ１ＥＮＤ}まで熱処理され、組成Ｃ_２及び露出表面積Ａ_{ＳＵＲＦ２}を有する鋼帯Ｓ_２は、時間Ｔ_{Ｓ２ＳＴＡＲＴ}から時間Ｔ_Ｎまで熱処理され、以下のステップ、すなわち、
Ａ．データ取得ステップであって、
ｉ．時間Ｔ_０において、前記雰囲気Ａの露点ＤＰ_０を測定し、
ｉｉ．前記鋼帯Ｓ_１の目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１が読み出され、前記目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１は少なくとも露点値を含み、
ｉｉｉ．前記鋼帯Ｓ_２の目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ２が読み出され、前記目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ２は少なくとも露点値を含むデータ取得ステップ、
Ｂ．調整ステップであって、
ｉ．Ｎ個の時間Ｔ_１～Ｔ_Ｎに対応するＮ個の予測雰囲気Ａ_{ＰＲＯ－１}～Ａ_{ＰＲＯ－Ｎ}を、
ａ．時間Ｔ_０で測定された前記雰囲気の前記露点ＤＰ_０、
ｂ．前記炉の容積
ｃ．前記時間Ｔ_１～Ｔ_Ｎの各々における前記炉内の前記鋼帯Ｓ_１及びＳ_２の組成及び露出表面積
に基づいて定義するステップ、
ｉｉ．前記炉内のＴ_１で注入されるＨ_２Ｏの量Ｑ_Ｈ２Ｏを、モデル予測制御コントローラを使用して、以下のデータ、すなわち、
ａ．前記予測雰囲気Ａ_{ＰＲＯ－１}～Ａ_{ＰＲＯ－Ｎ}、
ｂ．前記目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１及びＡ_ＴＡＲ２、
ｃ．前記炉の前記容積及びＮ_２及びＨ_２の更新流量、
ｄ．Ｔ_１における前記鋼帯Ｓ_１の組成及び露出表面積
を使用して推定するステップを含む調整ステップ、
Ｃ．Ｔ_１において、前記推定量のＨ_２Ｏを注入するステップ
を含む方法に関する。

炉は加熱手段を備える。加熱手段は、例えば、インダクタ及び／又は管などの放射要素であり得る。

炉は、予熱部分、加熱部分、均熱部分及び冷却部分などのいくつかの部分を備えることができる。この方法は、炉のあらゆる部分に適用することができる。好ましくは、方法は、加熱部分及び／又は均熱部分において適用される。

熱処理の種類は問わない。熱処理は焼鈍処理が好ましく、特に再結晶焼鈍が好ましい。

鋼帯Ｓ_１及び鋼帯Ｓ_２は、同じ製品群に対応する同じ組成又は同様の組成を有することができる。鋼帯Ｓ_１及び鋼帯Ｓ_２は、異なる組成を有することができる。

好ましくは、鋼帯は、重量パーセントで、０．０００１％～０．５０％のＣ、０．０１％～５．０％のＭｎ、０．００１％～５．０％のＳｉを含む。

鋼帯の露出表面積は、炉内にあり、炉の雰囲気に露出される鋼帯の表面を表す。露出表面は、単位当たり又は容積面積当たりで表すことができる。

Ｔ_{Ｓ１ＥＮＤ}は、ストリップＳ_１が炉内にない第１のステップである。換言すれば、Ｔ_{Ｓ１ＥＮＤ}は、Ａ_{ＳＵＲＦ１}がゼロに等しい第１の時間である。

Ｔ_{Ｓ２ＳＴＡＲＴ}は、ストリップＳ_２が少なくとも部分的に炉内にある第１のステップである。換言すれば、Ｔ_{Ｓ２ＳＴＡＲＴ}は、Ａ_{ＳＵＲＦ２}がゼロに等しくない第１の時間である。

第１のステップであるデータ取得ステップでは、雰囲気の露点が測定され、時間Ｔ_１～Ｔ_Ｎのいずれかにおいて熱処理される鋼帯の目標露点が読み出される。目標露点は、目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１及び／又はＡ_ＴＡＲ２が露点値の範囲を含むことができるように、目標露点範囲であってもよい。

鋼帯の目標雰囲気は、満足できる製品品質を保証する連続熱処理を実施することを可能にする。

露点値又は範囲は、鋼組成に依存する。これらは、例えばデータベースから読み出すことができる。

第２のステップである調整ステップでは、目標は、Ｎ回（Ｔ_１～Ｔ_Ｎ）、すなわち、各ステップで必要とされる水注入流量を決定しながら、炉内（例えば、雰囲気）に水が添加されない場合の、Ｎ個の予測雰囲気（Ａ_{ＰＲＯ－１}～Ａ_{ＰＲＯ－Ｎ}）に対応するＮ回のステップで炉の雰囲気を推定することである。

あるいは、Ｎ回（Ｔ_１～Ｔ_Ｎ）の炉の雰囲気の推定は、注入するＨ_２Ｏの量が異なる場合に行うことができる。

好ましくは、Ｎは２～１００の正の整数である。さらにより好ましくは、Ｎは５～５０の正の整数である。さらにより好ましくは、Ｎは１０～３０の正の整数である。

好ましくは、前記時間Ｔ_０～Ｔ_Ｎの各々は、５秒～１分だけ間隔を置かれる。さらに好ましくは、時間Ｔ_０～Ｔ_Ｎの各々は、１５秒～４５秒だけ間隔を置かれる。

好ましくは、時間Ｔ_０～Ｔ_Ｎの各々は、同じ期間間隔を置かれる。例えば、Ｎ＝５０であり、その時間の各々が１０秒の間隔を置かれる場合、Ｔ_０は時間ｔ＝０秒にあり、Ｔ_１は時間ｔ＝１０秒にあり、Ｔ_２は時間ｔ＝２０秒にあり、Ｔ_Ｎ＝Ｔ_５０は時間ｔ＝５００秒にある。

予測雰囲気Ａ_{ＰＲＯ－１}～Ａ_{ＰＲＯ－Ｎ}の定義は、ステップＡ．ｉで測定された露点、炉の容積、前記時間Ｔ_１～Ｔ_Ｎの各々についての前記炉内の鋼帯の組成及び露出表面積を使用して行われる。予測雰囲気のそのような推定は、当業者に周知である。

あるいは、予測雰囲気Ａ_{ＰＲＯ－１}～Ａ_{ＰＲＯ－Ｎ}の定義は、ステップＡ．ｉで測定された露点、炉の容積、前記時間Ｔ_１～Ｔ_Ｎの各々についての前記炉内の鋼帯の組成及び露出表面積、並びに注入されるＨ_２Ｏの量を使用して行われる。

１つ又はいくつかのステップにおいて、例えば、帯Ｓ_１及び帯Ｓ_２は、同時に部分的に炉内にあることが可能であり、これは、２つの帯が互いに溶接される場合に特に当てはまる。その場合、Ｔ_{Ｓ２ＳＴＡＲＴ}はＴ_{Ｓ１ＥＮＤ}の前に起こる。

その場合、予測雰囲気の定義は、炉内の帯の各々の組成及び表面積を使用して行われる。

１つ又はいくつかのステップにおいて、例えば、帯が炉内にないことも可能であり、これは、Ｔ_{Ｓ２ＳＴＡＲＴ}がＴ_{Ｓ１ＥＮＤ}の後に起こる場合に特に当てはまる。

予測雰囲気の定義は、好ましくは、前記雰囲気の温度及び圧力がステップＴ_１～Ｔ_Ｎについて一定であると仮定して行われる。

好ましくは、前記目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１及びＡ_ＴＡＲ２は、少なくともＨ_２濃度の最小値及び最大値、ＣＯ濃度の最大値を含む。

さらにより好ましくは、前記目標雰囲気は、０．１～５０体積％のＨ_２を含む。さらにより好ましくは、前記目標雰囲気は、１～５０体積％のＨ_２を含む。

次いで、炉内においてＴ_１で注入するＨ_２Ｏの量Ｑ_Ｈ２Ｏを推定する。これは、モデル予測制御（ＭＰＣ）を使用することによって行われる。

一般に、モデル予測制御は、プラントモデルの反復の有限時間の平準化最適化に基づく。時間ｔにおいて、現在のプラント状態がサンプリングされ、コスト最小化制御戦略が、将来の比較的短い時間範囲［ｔ，ｔ＋Ｔ］に対して計算される。

例えば、本発明では、注入されるＨ_２Ｏの量の定義は、最小化されるべきコスト関数を定義することによって実施され、コスト関数は、少なくとも１つの目標雰囲気Ａ_ＴＡＲとＮ個の予測雰囲気Ａ_ＰＲＯｎとの間の差を表す。

例えば、コスト関数は、以下の構造を有することができる。

式中、
－Ａ_{ＰＲＯ－ｎ}は、ステップｎにおける予測雰囲気であり、
－Ａ_ＴＡＲは目標雰囲気であり、
－Ｑ_Ｈ２Ｏｎは、ステップｎにおいて注入されるＨ_２Ｏの量であり、
－Ｍａｔ１及びＭａｔ２は、注入されたＨ_２Ｏの量と露点制御誤差との間の重要性、すなわち、目標露点と投影露点との間の差を重み付けするための調整パラメータである。

前記炉のＮ_２及びＨ_２の体積及び更新流量並びにＴ_１における鋼帯Ｓ_１の組成及び露出表面は、注入されるＨ_２Ｏの量と露点の発生との間の動態をモデル化することを可能にする。

あるいは、ステップＢ．ｉｉにおいて、前記炉内のＴ_１で注入されるＨ_２Ｏの流れ、又は蒸気は、モデル予測制御コントローラを使用して、以下のデータを使用して推定することができる。
ａ）前記予測雰囲気Ａ_{ＰＲＯ－１}～Ａ_{ＰＲＯ－Ｎ}
ｂ）前記目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１及びＡ_ＴＡＲ２
ｃ）前記炉の前記容積並びにＮ_２及びＨ_２の更新流量、
ｄ）Ｔ_１における鋼帯Ｓ_１の組成及び露出表面積。

第５のステップでは、工程Ｂ．ｉｉ．で定義された量又は流量のＨ_２Ｏが、炉に注入される。この注入は、炉に水を直接注入することによって、又はポータガス（ｐｏｒｔｅｒｇａｓ）を用いて行うことができる。

本発明によれば、炉内の雰囲気を設定値に近づけることができる。本発明は、炉内で帯の組成及び／又は設定点が変化する場合に特に有利である。

また、本発明は、Ｈ_２及びＮ_２を含む炉内の雰囲気Ａを調整する方法であって、組成Ｃ_１及び露出表面積Ａ_{ＳＵＲＦ１}を有する鋼帯Ｓ_１が、時間Ｔ_０から時間Ｔ_{Ｓ１ＥＮＤ}まで熱処理され、以下のステップ、すなわち、
Ａ．データ取得ステップであって、
ｉ．時間Ｔ_０において、前記雰囲気Ａの露点ＤＰ_０を測定し、
ｉｉ．前記鋼帯Ｓ_１の目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１が読み出され、前記目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１は少なくとも露点値を含むデータ取得ステップ、
Ｂ．調整ステップであって、
ｉ．Ｎ個の時間Ｔ_１～Ｔ_Ｎに対応するＮ個の予測雰囲気Ａ_{ＰＲＯ－１}～Ａ_{ＰＲＯ－Ｎ}を、
ａ．時間Ｔ_０で測定された前記雰囲気の前記露点ＤＰ_０、
ｂ．前記炉の容積
ｃ．前記時間Ｔ_１～Ｔ_Ｎの各々における前記炉内の前記鋼帯Ｓ_１の組成及び露出表面積
に基づいて定義するステップ、
ｉｉ．前記炉内のＴ_１で注入されるＨ_２Ｏの量Ｑ_Ｈ２Ｏを、モデル予測制御コントローラを使用して、以下のデータ、すなわち、
ａ．前記予測雰囲気Ａ_{ＰＲＯ－１}～Ａ_{ＰＲＯ－Ｎ}、
ｂ．前記目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１、
ｃ．前記炉の前記容積及びＮ_２及びＨ_２の更新流量、
ｄ．Ｔ_１における前記炉内の前記鋼帯Ｓ_１の組成及び露出表面積
を使用して推定するステップを含む調整ステップ、
Ｃ．Ｔ_１において、前記推定量のＨ_２Ｏを注入するステップ
を含む方法に関する。

＜実験結果＞
炉の雰囲気調整に対する本方法の影響を評価するために、２つの調整方法について、アルセロールミタルによって販売されるタイプのＩＦ（ＩｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌＦｒｅｅ）鋼と、アルセロールミタルによって販売されるタイプの二相７８０鋼との間の移行について、雰囲気をモデル化する。

第１のシミュレーションでは、雰囲気を、ＰＩＤコントローラを用いて調整する。第２のシミュレーションでは、特許請求される方法を使用して雰囲気を調整する。

両方のシミュレーションであって、ＩＦ鋼帯は、－３０℃の露点を必要とし、０分から９．５分まで炉内にあるのに対し、二相７８０鋼帯は、－１５℃の露点を必要とし、９．５分から２０分まで炉内にある。

各目標露点について、Ｈ_２Ｏのモル分率の５．１０^－４の許容差がある。したがって、３０℃の目標露点については、許容差は±８℃であり、－１５℃の目標露点については、許容差は±３℃である。

両方のシミュレーションについて、測定された露点（連続線）、目標露点（太い破線）及び許容差（細い破線）を、第１のシミュレーションについては図３Ａに、第２のシミュレーションについては図４Ａにプロットする。さらに、蒸気注入も、第１のシミュレーションについては図３Ｂに、第２のシミュレーションについては図４Ｂにプロットする。

第１のシミュレーションでは、許容範囲外で費やされた時間は１４％であるのに対し、第２のシミュレーションでは、特許請求された方法によれば、許容範囲外で費やされた時間はわずか４％である。したがって、特許請求される方法を用いると、許容範囲外で費やされる時間は、この例では３．５で割られる。

Claims

Ｈ_２及びＮ_２を含む炉内の雰囲気Ａを調整する方法であって、組成Ｃ_１及び露出表面積Ａ_{ＳＵＲＦ１}を有する鋼帯Ｓ_１は、時間Ｔ_０から時間Ｔ_{Ｓ１ＥＮＤ}まで熱処理され、組成Ｃ_２及び露出表面積Ａ_{ＳＵＲＦ２}を有する鋼帯Ｓ_２は、時間Ｔ_{Ｓ２ＳＴＡＲＴ}から時間Ｔ_Ｎまで熱処理され、以下のステップ、すなわち、
Ａ．データ取得ステップであって、
ｉ．時間Ｔ_０において、前記雰囲気Ａの露点ＤＰ_０を測定し、
ｉｉ．前記鋼帯Ｓ_１の目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１が読み出され、前記目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１は少なくとも露点値を含み、
ｉｉｉ．前記鋼帯Ｓ_２の目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ２が読み出され、前記目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ２は少なくとも露点値を含むデータ取得ステップ、
Ｂ．調整ステップであって、
ｉ．Ｎ個の時間Ｔ_１～Ｔ_Ｎに対応するＮ個の予測雰囲気Ａ_{ＰＲＯ－１}～Ａ_{ＰＲＯ－Ｎ}を、
ａ．時間Ｔ_０で測定された前記雰囲気の前記露点ＤＰ_０、
ｂ．前記炉の容積
ｃ．前記時間Ｔ_１～Ｔ_Ｎの各々における前記炉内の前記鋼帯Ｓ_１及びＳ_２の組成及び露出表面積
に基づいて定義するステップ、
ｉｉ．前記炉内のＴ_１～Ｔ _Ｎで注入されるＨ_２Ｏの量Ｑ_Ｈ２Ｏを、モデル予測制御コントローラを使用して、以下のデータ、すなわち、
ａ．前記予測雰囲気Ａ_{ＰＲＯ－１}～Ａ_{ＰＲＯ－Ｎ}、
ｂ．前記目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１及びＡ_ＴＡＲ２、
ｃ．前記炉の前記容積及びＮ_２及びＨ_２の更新流量、
ｄ．Ｔ_１における前記鋼帯Ｓ_１の組成及び露出表面積
を使用して推定するステップを含む調整ステップ、
Ｃ．Ｔ_１～Ｔ _Ｎにおいて、前記推定量のＨ_２Ｏを注入するステップ
を含む方法。
前記熱処理が焼鈍である、請求項１に記載の方法。
前記鋼帯が、重量パーセントで、０．０００１％～０．５０％のＣ、０．０１％～５．０％のＭｎ、０．００１％～５．０％のＳｉを含む、請求項１又は２に記載の方法。
Ｎが２～１００の正の整数である、請求項１に記載の方法。
前記時間Ｔ_０～Ｔ_Ｎの各々が、５秒～１分の間隔を置かれる、請求項１に記載の方法。
ステップＢ．ｉ．において、前記定義は、前記雰囲気の温度及び圧力が時間Ｔ_１～Ｔ_Ｎの間一定であると仮定して行われる、請求項１に記載の方法。
Ｈ_２及びＮ_２を含む炉内の雰囲気Ａを調整する方法であって、組成Ｃ_１及び露出表面積Ａ_１を有する鋼帯Ｓ_１が、時間Ｔ_０から時間Ｔ_Ｎまで熱処理され、以下のステップ、すなわち、
Ａ．データ取得ステップであって、
ｉ．時間Ｔ_０において、前記雰囲気Ａの露点ＤＰ_０を測定し、
ｉｉ．前記鋼帯Ｓ_１の目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１が読み出され、前記目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１は少なくとも露点値を含むデータ取得ステップ、
Ｂ．調整ステップであって、
ｉ．ｎ個の時間Ｔ_１～Ｔ_Ｎに対応するｎ個の予測雰囲気Ａ_{ＰＲＯ－１}～Ａ_{ＰＲＯ－Ｎ}を、
ａ．時間Ｔ_０で測定された前記雰囲気の前記露点ＤＰ_０、
ｂ．前記炉の容積
ｃ．前記時間Ｔ_１～Ｔ_Ｎの各々における前記炉内の前記鋼帯Ｓ_１の組成及び露出表面積
に基づいて定義するステップ、
ｉｉ．前記炉内のＴ_１～Ｔ _Ｎで注入されるＨ_２Ｏの量Ｑ_Ｈ２Ｏを、モデル予測制御コントローラを使用して、以下のデータ、すなわち、
ａ．前記予測雰囲気Ａ_{ＰＲＯ－１}～Ａ_{ＰＲＯ－Ｎ}、
ｂ．前記目標雰囲気Ａ_ＴＡＲ１、
ｃ．前記炉の前記容積及びＮ_２及びＨ_２の更新流量、
ｄ．Ｔ_１における前記炉内の前記鋼帯Ｓ_１の組成及び露出表面積
を使用して推定するステップを含む調整ステップ、
Ｃ．Ｔ_１～Ｔ _Ｎにおいて、前記推定量のＨ_２Ｏを注入するステップ
を含む方法。