JPH09157760A - 連続加熱炉における炉温制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】連続加熱炉の炉温設定値の決定にあたり、装入
前鋼材の燃焼条件も十分に考慮して炉温設定値の急変が
なく、円滑な制御が可能となる炉温制御方法を提供する
ことを目的とする。 【解決手段】加熱炉内に存在するそれぞれの鋼材を抽
出時点でそれぞれの目標温度とするのに必要な設定炉温
を演算する。 加熱炉の上流側に存在する装入順がすでに決定してい
る加熱待ち鋼材に対しても、装入および抽出予定時刻を
演算する。 加熱待ち鋼材の装入および抽出予定時刻データに基づ
き、加熱待ち鋼材それぞれの設定炉温を演算する。 それぞれの鋼材における設定炉温演算値に対して炉内
および加熱待ち鋼材の優先度と、各帯での炉温変更が抽
出温度及ぼす影響係数とに基づいた重み付け平均を施
し、炉温設定値を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、製管ライン等での
圧延製品成形前の段階にある鋼材を加熱炉からの抽出時
に圧延可能温度にする、特に多帯（予熱帯、加熱帯およ
び均熱帯）式連続加熱炉における、炉内鋼材だけでなく
炉前鋼材も制御対象材とした炉温制御方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】通常、一貫製管ライン等の圧延製品製造
ラインにおいては、鋼材の加熱装置としてロータリ式加
熱炉に代表される予熱帯、加熱帯および均熱帯からなる
多帯式連続加熱炉（以下、加熱炉と称す）が用いられ
る。そして、その加熱炉の上流側には鋼材（ビレット）
の装入待ちテーブル、さらに上流にはビレットヤードお
よび連続鋳造設備等がある。一方、その加熱炉の下流側
にはビレットをパイプ等の製品に加工するミルライン、
材質（強度等）改善を行うための熱処理ライン等が続
く。

【０００３】加熱炉の操業上の制約条件としては、次の
ことが考えられる。

【０００４】上流側での搬送経路の違いにより、冷鋼
材や熱鋼材が装入される。

【０００５】鋼材（ビレット）サイズおよび材質等の
異なる鋼材が炉内で混在する。

【０００６】下流側ミルライン（圧延）処理時間の制
約により、抽出ピッチ制約（炉内搬送速度制約）があ
る。

【０００７】加熱炉抽出時の目標鋼材温度および均熱
達成が必要である。

【０００８】これらの制約に対して、特公昭５８−１８
４０１号公報では前述の項および項による装入時の
鋼材温度の変化に着目し、炉前の搬送履歴（搬送時間）
による装入温度予測または装入時の鋼材温度実績の取込
みを行い装入鋼材温度の把握精度を上げることにより炉
温設定を的確に行う制御を提案している。

【０００９】さらに、前記項に関しては、在炉時間予
測を圧延時間（ｔAi）および先行鋼材圧延完了から次の
圧延開始までのギャップタイム（ｔGi）から各鋼材の抽
出ピッチｔＰi を計算し、これを基に炉内各鋼材の在炉
時間計算を行い、前記項で示す目標達成のための炉温
設定計算を随時行う方法としている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の炉温
制御方法では以下の問題点がある。

【００１１】従来方法では、その鋼材の加熱炉装入温度
は搬送時間実績により計算されるかまたは装入時での実
測温度により決まる。その温度を基に、以後の炉内負荷
を予測し、設定炉温を決定している。

【００１２】しかしながら、搬送時間または入り側鋼材
温度は実績を使用することから装入温度が確定するのは
加熱炉入り口に鋼材が到達した時点であり、結局は装入
待ち鋼材は設定炉温計算のための対象材とはならない。
また、炉内鋼材と大きく燃焼条件の違う鋼材の装入が続
くと加熱炉の炉温設定値を急変させることになり制御が
不安定となる。

【００１３】一方、炉内鋼材に関しては最適な炉温を決
定するために抽出ピッチ、さらにはこれを用いて計算す
る残り在炉時間を精度良く予測することが要求される。

【００１４】しかしながら、従来方法では各鋼材の寸法
および圧延（製管）される製品寸法から決めた圧延時間
（ｔAi）と圧延作業上の制約から決められた先行鋼材圧
延完了から次鋼材圧延開始までのギャップタイム（ｔG
i）により各鋼材の抽出ピッチ（ｔAi＋ｔGi）を計算す
る方法を採っている。この方法では圧延後および加熱炉
前の設備状況等、前述の加熱炉操業の制約となる条件の
全ては考慮されておらず、決定した抽出ピッチが頻繁に
変更され、その結果として在炉時間予測の誤差が発生す
る。

【００１５】本発明は、係る従来技術の問題点に鑑みて
なされたものであり、連続加熱炉の炉温設定値の決定に
あたり、装入前鋼材に必要な加熱条件も十分に考慮して
炉温設定値の急変がなく、円滑な制御が可能となる炉温
制御方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明方法では、製管ラ
イン等での圧延前の段階にある鋼材を抽出時に圧延可能
温度にする予熱帯、加熱帯および均熱帯からなる連続加
熱炉における炉温制御の際に、製管ライン全体の搬送管
理を行うミル管理システム（ミルペーシング制御装置
等）により刻々に未来の搬送ダイヤを作成し、これを基
に加熱炉での炉内鋼材の残り在炉時間ならびに炉前鋼材
の加熱炉入り側までの搬送時間および加熱炉装入後の在
炉時間を求め、各鋼材に対する設定炉温を計算する。設
定炉温は各鋼材毎に求めるため、各帯毎に見ると複数個
の解が出る。このため、最終的には優先材（重要品等で
熱的条件が厳格なもの）があれば、その解を採用し、な
ければ炉温変更による抽出鋼材温度への影響係数の重み
付け平均を行い各帯１点の設定炉温を決めることを骨子
とする。

【００１７】本発明の連続加熱炉における炉温制御方法
は、次の手順で行われる。

【００１８】加熱炉各帯内に存在するそれぞれの鋼材
（ビレット）に対して、その鋼材の抽出時点でそれぞれ
の目標温度とするのに必要な設定炉温を演算する。

【００１９】加熱炉の上流側に存在する装入順がすで
に決定している加熱待ち鋼材それぞれに対しても、ライ
ン全体の搬送管理を行うミル管理システム（ミルペーシ
ング制御装置等）により装入および抽出予定時刻を演算
する。

【００２０】前記で算出された加熱待ち鋼材の装入
および抽出予定時刻データに基づき、加熱待ち鋼材それ
ぞれの設定炉温を演算する。

【００２１】それぞれの鋼材における設定炉温演算値
に対して炉内および加熱待ち鋼材の優先度と、炉温変更
が抽出温度に及ぼす影響係数とに基づいた重み付け平均
を施し、炉温設定値を決定する。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明方法を実施した製
管ライン用３帯式連続加熱設備の機能構成ブロック図で
ある。

【００２３】ここで、符号の４は、３帯式連続加熱炉
（加熱炉）で予熱帯４−２、加熱帯４−３および均熱帯
４−４で構成されている。なお、判り易くするため図１
においては、加熱炉４の３帯を模式的な形状で表してい
る。前記加熱炉４の上流側に装入待ちテーブル２ならび
にその前後に鋼材温度計１および３が配置されている。

【００２４】同じく加熱炉４の下流側には、デスケーラ
５、加熱炉出側鋼材温度計６および製管ミル７が配置さ
れている。

【００２５】符号の１５は本発明方法を実施する炉温制
御装置で炉温設定器１０および炉温を目標温度に制御す
る燃焼制御装置１４により構成されている。また、１１
は製管ライン全体の搬送管理を行うミルペーシング制御
装置、１２は搬送制御機ならびに１３は製管ライン全体
の操業管理情報が蓄えられているミル管理情報データベ
ース（ＤＢ）である。

【００２６】前記図１の実施例に基づき、本発明方法に
よる設定炉温の決定手順を次に説明する。

【００２７】（１）ビレット伝熱計算部（図１、符号１
０、Ｓ−５０参照）。

【００２８】ここでは、基本となる１本毎のビレット伝
熱計算を行う。

【００２９】熱伝導方程式 温度計算に用いる熱伝導方程式を（１）式に、ビレット
外面の境界条件式を（２）式に示す。

【００３０】

【数１】

【００３１】ここで、ＣB 、ρ_B 、λ_B ：ビレットの比
熱、密度、熱伝導率 ＴB ：ビレット温度、ＴF ：炉壁温度、ＴH ：炉床温度 ｆ_F 、ε_F ：ビレット炉壁間の形態係数と輻射率 ｆ_H 、ε_H ：ビレット炉床間の形態係数と輻射率 σ：Stefan Boltzman 定数 ＱB ：ビレットに吸収される熱量 （ｒ、θ）：円筒座標系。

【００３２】在炉および搬送時間予測 制御対象ビレットの現在から加熱炉抽出までの各帯の在
炉時間を予測する。

【００３３】ライン全体を管理するミルペーシング制御
装置１１により計算された各ビレットの加熱炉への装入
および抽出時刻（それぞれｔin、ｔout ）を基に現時点
で制御対象となるビレットが全て加熱炉から抽出される
までｔin、ｔout により時間を進め、それぞれのビレッ
トの各帯への滞在時間を計算する。

【００３４】抽出時温度予測計算 前項で求めた在炉時間を用いて、各制御対象ビレットの
抽出時の予測平均温度と均熱度を下記について計算す
る。

【００３５】（ａ）現状炉温が維持された場合の抽出時
の平均温度Ｔa と均熱度Ｔs を予測する。

【００３６】（ｂ）対象ビレットの現時点での滞在帯お
よび下流帯がΔＴF 変化したと仮定した場合の抽出時の
平均温度Ｔaiと均熱度Ｔsiを予測する。このＴaiおよび
Ｔsiは、各メッシュ点鋼材温度ＴBij （ｊ＝１〜ｎ）の
体積および比熱での加重平均を行う下記（３）および
（４）式で算出する。また、もしも、下流側に複数帯あ
ればそれぞれの帯に対しても計算する。なお、ΔＴF は
現状炉温の値（レベル）により可変とする。

【００３７】

【数２】

【００３８】ここで、ＴBij ：各メッシュ点の鋼材温度 ＶBij ：各メッシュ点の体積 ＣBij ：各メッシュ点の比熱 ｎ ：メッシュ点数 ＴBmax：メッシュ点内の鋼材温度の最大値 ＴBmin：メッシュ点内の鋼材温度の最小値。

【００３９】影響係数計算 各帯の炉温変化の抽出温度に対する影響係数αと均熱度
に対する影響係数βを前記−（ｂ）の対象ビレットの
現時点での滞在帯および下流帯をΔＴF 変化させてみた
場合の抽出時の平均温度Ｔaiと均熱度Ｔsiの予測値を基
に計算する。なお、ｉ帯（ｉ：帯Ｎｏ． １：装入待
ち、２：予熱帯、３：加熱帯、４：均熱帯）での炉温変
化の抽出時平均温度に対する影響係数αi およびｉ帯で
の炉温変化の抽出時均熱度に対する影響係数βi を下記
（５）式および（６）式で計算する。

【００４０】

【数３】

【００４１】（２）炉温設定計算部（図１、符号１０、
Ｓ−５２参照） 対象ビレット１本毎の設定炉温計算 抽出時に目標温度、目標均熱度に加熱するような設定炉
温を制御対象ビレット１本毎に計算する。そのために、
下記の（７−１）〜（７−６）式に示す制約条件のもと
で評価関数を最小化する設定炉温を線形計画（ＬＰ）で
求める。

【００４２】

【数４】

【００４３】なお、記号の定義は下記のとおりである。

【００４４】（ｉ ：帯Ｎｏ．、１：装入待ち、２：予
熱帯、３：加熱帯、４：均熱帯、ｉ0 ：現帯） Ｘi ：設定炉温（解） ＴFi ：現在炉温 Ｔac：目標温度 Ｔy ：目標温度補正値（範囲） Ｔsc ：目標均熱度 Ｔa ：現在炉温が維持された場合の予測抽出温度 Ｔs ：現在炉温が維持された場合の予測均熱度 ＴFmin：炉温設定下限、ＴFmax：同上限 ＳＴFi：隣接帯との炉温差 ｇi ：重み係数、無限に存在する解に対し燃料使用量
が最小となる解を選択するための評価関数（通常、上流
側炉温を低くするため、ｇは予熱帯>>加熱帯>>均熱
帯）。

【００４５】各帯毎の設定炉温計算 下記の条件にて各帯の設定炉温を決定する。

【００４６】（ａ）該帯に優先材が存在すれば、そのビ
レットの解を設定炉温とする。

【００４７】（優先材が複数本存在すれば影響係数αi
での重み平均を行う。） （ｂ）優先材がなければ、現時点からｘ分間に該帯から
抽出されるか、該帯に滞在するビレットの解を下記
（８）式により影響係数αi での重みづけ平均を行う。

【００４８】

【数５】

【００４９】ここで、ｍ：炉温決定の対象鋼材数（現時
刻からｘ分後までに該帯を通過および該帯に滞在する鋼
材数） なお、前記ｘの値も含め、炉温設定のためのビレットを
どの範囲から選択するかは操業状況により可変としてお
くことが望ましい。この実施例では、ｘ値として設定炉
温に対する実績炉温の応答遅れ時間分に少し余裕を持た
せて設定した。

【００５０】（３）装入温度計算部（図１、符号１０、
Ｓ−５３参照） ここでは、各制御対象ビレットの加熱炉４への装入温度
を求める。

【００５１】未装入のビレットに対しては、鋼材温度
計１の位置までの搬入経路（通過する設備毎に）と経過
時間とで放冷計算を行い、この鋼材の計算表面温度が鋼
材温度計１の測温データと同じになるよう、放冷時の熱
伝達率をパラメータにして収束計算する。

【００５２】装入するビレットに対しては、加熱炉入
り側の鋼材温度計３の位置での鋼材温度計１の位置から
経過時間で放冷計算を行い、前記と同様に、この鋼材
の計算表面温度が鋼材温度計３の指示値と同じになるよ
うに収束計算する。

【００５３】（４）パラメータ学習計算部（図１、符号
１０、Ｓ−５１参照） 前記ビレット伝熱計算（伝熱モデル）の計算精度を向上
させるために、重要パラメータである輻射率等に対し、
学習による補正が行われることが望ましい。

【００５４】ここでは、この学習を次の手順で行った。

【００５５】学習対象鋼材が加熱炉出側の鋼材温度計
６を通過した時点でその時点までの鋼材温度計算を行
う。

【００５６】前記の計算結果と鋼材温度計６での実
測値が同じとなるように、輻射率（炉壁とビレット間）
ε_F をパラメータとして収束計算する。

【００５７】それ以後の計算対象材（同じ材質）に対
してはこの輻射率ε_F を使用する。

【００５８】

【実施例】本発明方法を一貫製管ラインの３帯式連続加
熱炉において実施した。

【００５９】前述の図１に示す機能構成ブロック図に基
づきこの実施例を説明する。

【００６０】まず、上流側から連続して搬入される冷ビ
レットおよび熱ビレットを装入待ちテーブル２に乗せ
た。この時点で鋼材温度計１によりビレットの測温を行
ない、この実測値と現時点までの搬送経路および経過時
間の実績により、ビレットの装入待ちテーブル２および
加熱炉４への装入温度を計算した。制御としてはこの計
算が行われたビレットからが対象となる。この時点では
加熱炉への装入および抽出予定時刻はミルペーシング制
御装置１１により既に計算されている。炉温設定器１０
において待ちテーブルから炉内の全ビレットに対し炉温
設定計算を実施した。

【００６１】さらに、各ビレットが加熱炉４への装入時
点で鋼材温度計３により２回目の測温が行われ測温値に
よる鋼材温度補正を実施する。加熱炉４の抽出後はデス
ケーラ５通過後に鋼材温度計６が設置されており、その
実測値と伝熱計算での計算値との誤差分による輻射率
（炉壁と材間）に対するパラメータ学習機能を働かせ
た。

【００６２】本発明方法の対象範囲は加熱炉４の出側鋼
材温度計６までではあるが、後続のビレットをパイプに
成形する製管ミル７に対しミルのセットアップ計算を行
うための正確なビレット内部鋼材温度分布を渡せるよう
にした。

【００６３】また、加熱設備および供試鋼材の主要諸元
は、下記表１の通りである。なお、炉内には表１に示す
鋼材が連続して存在し、装入待ち鋼材も同サイズ鋼材が
続くこととした。

【００６４】

【表１】

【００６５】図２は、予熱帯に次行材が装入された時点
から加熱帯の炉温設定変更を開始する従来法による炉温
設定パターンと抽出温度の関係を示す図である。

【００６６】図３は、本発明方法による炉温設定パター
ンと抽出温度との関係を示す図である。

【００６７】図２および図３により従来法と本発明方法
での特徴的な炉温設定パターンおよび抽出温度の動きを
比較説明する。

【００６８】操業条件としては先行材の抽出目標を１１
８０℃、次行材を１２２０℃とし、次行材を優先材とし
た場合を示す。図２に示す従来法では予熱帯に次行材が
装入された時点から加熱帯の炉温が上昇することになり
設定炉温の変更量としては比較的大きくなる。実績炉温
も設定に追従して上がるものの応答が遅いため、刻々の
制御設定値が高めとなりその結果炉温の緩やかな上下動
を誘発し、抽出温度も安定までに長い時間を必要とす
る。また、制御遅れに伴うオーバーヒート状態が発生し
易い。

【００６９】一方、図３に示すように、本発明方法によ
ると制御対象が装入待ちテーブルの鋼材からとなるた
め、早いタイミングから炉温上昇が始まり、炉温の変更
量としても小さくなる。従来法と比較して炉の無駄炊き
もなく、抽出温度のオーバーヒートも非常に少ない。

【００７０】図４は、前記図３において、先行材と次行
材のどちらもが優先材で無いとした場合の炉温設定パタ
ーンと抽出温度との関係を示す図である。

【００７１】図４の場合においても、従来法では図２に
示すものと同じ制御経過をたどることとなるが、本発明
方法によると前記図３に示す事例と全く同じ効果が得ら
れることが判る。

【００７２】

【発明の効果】本発明方法によれば、連続加熱炉におけ
る鋼材の連続装入に対し、上流側の負荷変動を早い時点
で的確に把握し、設定炉温の決定に反映させることによ
り各帯の急激な炉温変更を押さえ、結果として抽出材の
目標温度の達成を確実に行う炉温制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施した製管ライン用３帯式連続
加熱設備の機能構成ブロック図である。

【図２】従来法による炉温設定パターンと抽出温度の関
係を示す図である。

【図３】本発明方法による炉温設定パターンと抽出温度
との関係を示す図である。

【図４】本発明方法による、他の実施例の炉温設定パタ
ーンと抽出温度との関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 鋼材温度計（待ちテーブル入り側） ２ 装入待ちテーブル ３ 鋼材温度計（加熱炉入り側） ４ 多（３）帯式連続加熱炉 ５ デスケーラ ６ 鋼材温度計（加熱炉出側） ７ 製管ミル １０ 炉温設定器 １１ ミルペーシング制御装置（ミル管理システム） １２ 搬送制御機 １３ ミル管理情報データベース（ＤＢ） １４ 燃焼制御装置 １５ 炉温制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加熱炉内に存在する鋼材のそれぞれに対し
   てその鋼材の抽出時点でそれぞれの目標温度とするのに
   必要な設定炉温を演算し、同じく加熱炉の上流側に存在
   する装入順がすでに決定している加熱待ち鋼材に対して
   もその鋼材の前記設定炉温を装入および抽出予定時刻デ
   ータに基づき演算し、それぞれの鋼材における設定炉温
   演算値に対して炉内および加熱待ち鋼材の優先度と、炉
   温変更が抽出温度に及ぼす影響係数とに基づいた重み付
   け平均を施し、炉温設定値を決定することを特徴とする
   連続加熱炉における炉温制御方法。