JPS5843452B2 - 板温制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、連続焼純ラインなどの金属鋼板の連続加熱
炉、特に直火式加熱炉などの熱応答速度の速い炉と間接
加熱炉などの熱応答速度の遅い炉とで構成される連続加
熱炉の板温制御方法に関するものである。

金属鋼板（ストリップ）の連続焼鈍炉では加熱装置とし
て連続加熱炉が用いられ、そして金属鋼板の品質の面か
ら特有の熱サイクルが定められている。

かかる焼鈍炉では加熱炉出側の目標板温に対する板温偏
差は、品質上重要な影響を及ぼす。

炉の加熱方式には電気方式とガス方式があるが、エネル
ギー効率及びコスト等の面でガス加熱方式が有利である
。

ガス加熱方式を採用する炉にはラジアントチューブ炉な
どの間接加熱炉と直火式加熱炉の２種類がある。

炉の構成としては品質面から間接炉のみか、直火炉と間
接炉とを組み合わせた構成となるのが通例である。

次に間接加熱炉の前段に直火式加熱炉を設けた連続加熱
炉における従来の加熱炉出口板温制御方法を説明するが
、これは特に加熱炉出口目標板温を変更する場合や板厚
の異った鋼板のつなぎ目付近での板温制御についてであ
る。

＝般に目標板温を上昇させた場合、炉の加熱能力に余裕
があれば加熱炉炉温を上昇させることによって目標板温
が達成される。

これに対し炉の加熱能力に余力がない場合には、炉温を
変更せずに通板速度を下降させることにより目標板温を
達成する。

また、この両者を組合せて加熱炉炉温を許容限度迄上昇
させ、更に通板速度を下降させることにより初めて目標
板温が達成出来る場合もある。

このように加熱炉温、通板速度の設定値変更を行った場
合、その設定値が適切であれば定常的には加熱炉出口板
温は目標板温になる。

しかし、炉温及び通板速度の変更指令を与えてから加熱
炉出口板温が定常値に達する迄には通常遅れがあり、そ
の過渡状態では実際の板温は目標値をはずれることにな
る。

この過渡状態が存在する主な理由は、第１に操作端が炉
温の場合は炉の熱時定数のためであり、第２に操作端が
通板速度の場合は速度制御系の応答性と加熱炉長のため
である。

それぞれの場合について更に詳しく説明すると操作端が
炉温の場合には実際の操作端は燃料流量であり、この燃
料流量をステップ状に変化させてから炉温か変化する際
の時定数（遅れ）は通常１０分〜２０分程である。

仮に、燃料流量に制限がなげれば、炉温を検出してその
変化を流量にフィードバックする炉温制御系を組み制御
パラメータを適切に設定して制御周期を十分短くすれば
、炉温の炉温基準に対するステップ応答の時定数（遅れ
）はほぼ１〜３分に短縮出来る。

しかしながら一般に、燃料流量には設備能力の面から上
下限が存在するので、最悪の場合には１０〜２０分程度
の時定数になるのを余儀なくされる。

実験によると間接加熱炉では、炉温の変化と炉出口板温
の変化との間にはほとんど時間遅れはなく、その応答性
は炉温の燃料流量に対するステップ応答と同じである。

従って、通板速度を３００ ｍｐｍと仮定すると１０〜
２０分の遅れでは３０００〜６０００ｍの板温はずれ（
加熱不良部）が出ることになる。

次に操作端が通板速度の場合について説明する。

通板速度をステップ状に変えた場合に、その速度変更で
は炉温は変化しないと仮定すると、速度を変えた時点で
炉の入口に存在した鋼板が炉出口に到達した後は所定の
板温に安定する。

しかし実際には速度を変化させた時点で炉内に存在した
鋼板は、炉入口から現在存在する地点迄は変化前の速度
で通板されていたため、その分だけは板温はずれが発生
する。

従って、この場合は板温はずれの長さは加熱炉長と等し
くなる。

炉温と通板速度を両方共変化させなげればならない場合
は上述した２通りの板温変化が複合して現われることに
なる。

第１図は目標板温を上昇させ、通板速度と炉温を変化さ
せることによりその目標板温を達成させる場合の、加熱
炉出口板温の過渡的な変化を説明するグラフである。

同図Ａは間接炉出口の目標板温の変化を示し、同図Ｂ、
Ｃは目標板温を達成するために設定変更された通板速度
と間接炉炉温の時間的変化を示し、その結果の間接炉出
口板温の時間的変化を同図りに示しである。

同図りの板温はずれ区間ａの内、ａ□は炉温整定時間分
の長さ、ａ２ は炉長外に相当する。

上述したことから明らかなように、従来の板温制御方法
ではいずれの場合にも相当な期間板温はずれとなり、多
量の不良鋼帯が発生する欠点がある。

本発明は板厚の異った鋼板のつなぎ目付近を炉に通す場
合（出口目標板温は一定）、又は板厚は不変であるが出
口目標板温を変更する場合、又はその両方が同時に生じ
た場合、それに応じて通板速度もしくは炉温を変化させ
ても過渡的に発生する板温はずれ部分を極力抑制するよ
うにした板温制御方法を提供することを目的としている
。

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第２図は本発明を適用した金属鋼板の連続加熱炉を示す
概要構成図で、８はストリップ（金属鋼帯）９０走行方
向（黒矢印で示す）前段に設置される熱応答速度の速い
炉（本例では直火式加熱炉）、７はその後段に設置され
る熱応答速度の遅い炉（本例では間接加熱炉）、１０は
板温制御装置である。

間接加熱炉Ｉにおいては熱料流量に対する出口板温の応
答速度は非常に遅く、熱料流量を一時的にフォーシング
（板温を上昇する場合は適切な量よりも多量に、逆に下
降させる場合は少量にすることにより応答性を早くする
こと）しても数分の時定数を持つが、直火式加熱炉８の
場合は数秒の時定数しか持たない。

本発明はこのような直火炉の熱応答の速さを利用したも
のである。

直火炉の応答性の速さを第３図に基いて説明する。

第３図は直火炉８において燃料流量（同図Ａ）をステッ
プ状に変化させた時の炉温（同図Ｃ）と直火炉出口板温
（同図Ｂ）の変化を示す実験結果である。

この炉温というのは炉壁付近の雰囲気温度で炉壁温度に
ほぼ比例しており、同図Ｃから明らかなように非常に緩
慢な変化（上昇）を示す。

これに対し、板温の上昇カーブは同図Ｂに示すようにす
、、ｂ２ の２つの部分にはっきりと分かれている。

部分ｂ２は炉温の上昇とともに緩慢に上昇する領域であ
るのに対し、部分す、は炉温の上昇と＆無関係に急速に
上昇する領域である。

部分ｂ２は炉壁からの輻射及び雰囲気ガスからの熱伝導
による温度上昇と考えられ、一方部分ｂ１は直接火焔か
らの輻射により加熱される温度上昇と考えられる。

部分ｂ１が存在することが直火式加熱炉８の特色で、燃
料流量をフォーシングすることにより輻射加熱のみで目
標板温に迄急激に加熱し、炉温の変化による板温変化が
生じ始めたら徐々に燃料流量をもとにすることにより、
板温制御の応答速度を非常に高速化出来る。

次に本発明の一実施例を第４図に基いて説明する。

ここでは板厚（同図Ａ）がＨｌからＨ２へと厚くなり、
目標板温を達成するためには通板速度（同図Ｂ）を間接
炉入口でｖｌからＶ２へと下降させ且つ間接炉炉温（同
図Ｃ）をＴＦｏ からＴＦＩへ上昇させなげればなら
ない場合を例としている。

第４図Ｂ、Ｃの如く速度及び炉温を変更すれば、間接炉
出口板温は同図りに示す如く変化し、板温はずれＣが過
渡的に発生する。

この板温はずれＣの過渡的な変化量は、炉温変更（間接
炉）による板温はずれＣ１と、速度変更による板温はず
れＣ２の部分からなる。

前者は間接炉炉温の過渡応答及び該炉温と該炉出口板温
の関係がわかれば予め定量的に判明する。

後者は速度変更による間接炉出口板温の過渡特性がわか
れば予め判明する。

この間接炉板温偏差Ｃは、間接炉入口の板温を一定とし
た場合に発生するもので、間接炉入口板温と間接炉出口
板温との関係がわかれＩＩ寂予測した間接炉出口板温偏
差を打ち消し得るような間接炉入口板温つまり直火炉出
口板温が判明する。

その様な板温変化を示したのが第４図Ｅである。

従って、間接炉７に同図Ｅの様な板温分布を有する金属
鋼板が入ってくれば、通板速度および間接炉炉温が同図
Ｂ ｐ Ｃの如く変化しても、間接炉出口板温を同図Ｆ
で示すように一定にできる（板温はずれが発生しない）
。

第４図Ｅで示される間接炉入口板温（直火炉出口板温）
は同図Ａの板厚が変化する部分で急激な変化をしなげれ
ばならないため通常の操作端では困難である。

そこで、本発明では先に述べた如く直火式加熱炉８にお
ける熱応答性の速さを利用して間接炉入口板温（直火炉
出口板温）を変化させることによって通板速度、間接炉
炉温の設定値替えに伴なう間接炉出口板温偏差を極力抑
制する。

再び第２図に戻って本発明の制御態様を詳細に説明する
。

同図において、１は間接炉７の目標板温や通板厚の変更
に伴う間接炉炉温、通板速度を演算する主演算装置であ
り、各演算出力はストリップ位置追跡装置４によって規
定される説定値替タイミングで炉温制御装置２、速度制
御装置３にそれぞれ出力される。

間接炉Ｔの前段に設置された直火式加熱炉８には、燃料
流量を操作端とする板温制御装置５が対置される。

６は本発明の板温制御方法に要する新たな演舞装置で、
ここで主演算装置１からの間接炉炉温と通板速度の設定
値及びそのタイ□ング情報を受は入れ、それらの設定替
によって発生する間接炉出口板温偏差（板温はずれ）を
あらかじめ予測して、これを打消すために必要な間接炉
入口板温変化を演算し、その演算結果を直火炉出口板温
基準として逐次板温制御装置５に与えるものである。

上記構成において、主演算装置１での演算内容は次の如
くである。

間接炉出口板温と通板速度、炉温の関係は例えば次式で
与えられる。

（１）式においてＶ及びＴｇは既知数であり、またＴｏ
には間接炉出口の目標板温を用いる。

（１）式に基いて通板速度Ｖ及び炉温Ｔｇを決定する際
のロジックは第５図の如くなる。

即ち、生産量を最大にする為に、まず通板速度Ｖ（Ｖｒ
ｅｆ ）を設備上もしくは操業上の上限値Ｖｍ ａｘと
仮定して（イ）、（１）式より炉温Ｔｇを計算する（口
）。

計算した炉温Ｔｇ（Ｔｇｒｅｆ ） が設備上もしく
は操業上の上限値Ｔｇｍａｘを越えていなげればｃ文目
標出口板温Ｔｏを実現させるための通板速度基準はＶｍ
ａｘとなり、また炉温基準は計算で求めたＴｇｒｅｆ
となる。

しかしＴｇｒ ｅ ｆ がＴｇｍａｘを越えている場合
にはＶｍａｘで通板しては間接炉１の加熱能力が不足し
ていることになる為、通板速度をＶｍａｘ以下に低下さ
せなければならない。

このためＴｇｒ ｅ ｆ二Ｔｇｍａｘとおきに）、あら
ためて（１）式より通板速度Ｖを計算する−）。

従って、この場合の炉温基準はＴｇｍａｘであり、また
速度基準は（ホ）で計算したＶｒ ｅ ｆとなる。

これらの出力を制御装置２，３に出力するタイミングは
、主に操業上、品質上の理由により決定される。

連続加熱炉て板温はずれの発生が不可避であるならば、
その偏差の方向は板温基準より高目にはずれることが好
ましいことが多いので、例えば板厚力構いものから厚い
ものに変化して速度を下降させねばならない場合には、
ストリップ接続部（該板厚変化部）が間接炉７入口に到
来した時点で速度を変更する。

逆に板厚が厚いものから薄いものに変化して速度を上昇
させねばならない場合には、ストリップ接続部が間接炉
１出口に来た時に速度を変える。

炉温基準の変更を要する場合も同様にその変更タイミン
グを決定する。

この様にして主演算装置１からの出力タイミングが決定
されるが、実際にストリップ接続部を追跡して出力する
タイミングを該装置１に知らせるのがストリップ位置追
跡装置４である。

この装置４は間接炉１の前面もしくは後両に設置された
プライドルロール又はその他のロールに取り付けたパル
ス発振器（図示せず）からのパルス信号をカウントする
ことにより、炉１の前面に設けた溶接点検出器（図示せ
ず）をス） ＩＪツブ接続部が通過した時点を基準とし
てストリップ移送時間を計算してストリップ位置を追跡
する。

炉温制御装置２は炉温計１１により計測された炉温をフ
ィードバックし、間接炉７に対する燃料流量Ｘを操作す
ることにより、炉温を自動的に炉温基準に保つもので、
ＰＩＤ制御素子を有している。

速度制御装置３は速度検出器１２により検出された通板
速度をフィードバックしてロール１３ａ、１３ｂ駆動用
モータ（図示せず）の電圧を操作することにより、通板
速度を自動的に速度基準に保つ制御をなす。

次に演算装置６の演算内容を、先行するストリップの板
厚がＨｌで後行ストリップの板厚がＨ２（Ｈｌ ＜Ｈ２
）であり、且つ間接炉７の出口板温を一定に保つ為に速
度をＶｌからＶ２に下降させなげればならない場合を例
に、第６図のタイムチャートを参照して説明する。

この場合、同図Ｂに示す通板速度をＶｌから■２に変更
するタイミングは、同図Ａに示す板厚Ｈ１のストリップ
とＨ２のストリップ接続部Ｊが間接炉１の入口に来た時
である。

この時、炉Ｉの中に存在するストリップはすべて板厚Ｈ
１のものである。

板厚Ｈ１のストリップは、速度Ｖ１で通板されている段
階で、その間接炉出口板温か目標値ＴＨになるが、速度
Ｖ１からＶ２へと低下した時点で炉内に残存する厚さＨ
ｌのストリップは、それ以降は低速のＶ２で炉Ｉ内を通
板されるためその出口板温はＴＨより高くなる。

速度を変化させた為に上昇した板温変化分を同図Ｃのよ
うに、（ＴＩＮ とするとＪＴＨが最大になる箇所は板
厚が変わる（ストリップ接続部Ｊ）直前の板厚Ｈ１のス
トリップ部分である。

この部分の板温（Ｔ、＋ＪＴＨ）はＨ＝Ｈ，、ＶｍＶ２
。

Ｔｃ二霜とおいて（１）式が成立するようなＴ。

である。

ＪＴＨ＞０の区間のストリップ長は間接炉長恥 と等し
くなるが、この間の間接炉出口板温は第６．図Ｃで示す
様に直線的に下降するものと仮定する。

演算装置６＆丸この変化分をＡＴＨ二〇として間接炉出
口板温を常にＴＨに保つために必要な間接炉入口板温を
演算し、これを板温制御装置５に対し直火炉板温基準と
して逐次出力する。

まず、ストリップ接続部Ｊ直前の間接炉出口板温をＴＨ
とするために必要な間接炉入口板温、つまり第６図りの
直火炉出口板温を（１）式から求める。

（１）式においてＨ二■□ 、Ｔｏ＝霜 、ＶｍＶ２と
おいて炉入口板温Ｔｉを求めると、とのＴｉが□−、！
（ＴＮとなる。

Ｔｉ は（１）式の両辺共に含まれておリ、その計算論
理は第１図の如（多少複雑になる。

この場合もＪＴＮ）００区間はやはり間接炉長Ｌｏとな
り、その間の板温は第６図りで示す如く直線的に変化（
上昇）する。

演算装置６は、ストリップ位置追跡装置４１から現在間
接炉１人口を通過しているストリップ部分がストリップ
接続部Ｊの何ｍ手前であるかを知らせてもらい、このタ
イミングに基づき板温制御装置５に対し現在の直火炉出
口板温基準値を与える。

ここで第７図のフローチャートの説明をするに、前記（
１）式の左辺をＸ、右辺をＹとおき、炉入口板温Ｔｉ
を横軸としてＸ、Ｙのグラフを画くと第９図の如くなる
。

（１）式を満たす温度Ｔｉ を求めることは第９図のＸ
、Ｙ曲線の交点の温度を求めることである。

第７図のブロック■では板温Ｔｉ以外のＸ、Ｙの値を決
めるための変数および定数を決める。

この場合通板速度ＶはＶ２に、板厚ＨはＨＨｌに、炉出
口板温Ｔ。

＆′！、ＴＨになる。ブロック■では１回目は例えばＴ
ｉ＝Ｔ□ とおく（Ｔｉ はＴｏより高いことはない
から有り得る最高値となる）。

このときの板温Ｔｉ をＴｉ１とおく。ブロック■では
Ｘ、Ｙの計算をする。

ブロック■では■で計算したＸとＹを用い、ｌ（Ｙ→０
／Ｙ１を計算する。

これが例えば０ｏ０１以下であれば計算は収束したとし
てこの時の板温Ｔｉ を入側板温とする。

それ以上であればブロック■で別の板温Ｔｉ を仮定す
る。

２回目は例えば室内温度（＝５０℃）にとってこれをＴ
ｉ２とする。

ここでまたブロック■に戻りＸ、Ｙを計算、ブロック■
でｌ（Ｙ→０／Ｙ１を計算する。

これで収束しなげれば３回目の板温Ｔｉは（この伺回目
かというのはブロック■で計数している）第９図でＴｉ
１のときのＩＹ−ＸＩをｔｌ、Ｔｉ２のときのＩＹ−Ｘ
Ｉをｔ２とし、よりＴｉ を求めてこれを板温Ｔｉ
とする。

このＴｉ をＴｉ３とすると、Ｔｉ３によってＸ、Ｙ
を計算、さらにＩ（Ｙ−Ｘ）／Ｙｌを計算して収束して
おればＴｉ３が求める板温Ｔｉ１収束していなげれば（
２）式と同様な よりＴｉ を求めてこれを新たな板温Ｔｉ とする。

この計算を収束するまで行なう。

計算回数がある回数例えば６回以上になっても収束しな
げれば計算を打切って最終回のＴｉ を求める入口板温
Ｔｉとする。

これはブロック■で行なう。板温制御装置５は、直火炉
８の出側に設けた板温計１４で検出した出口板温をフィ
ードバックして直火炉８に対する燃料流量Ｙを操作する
ことにより、直火炉出口板温を基準値に保つ自動制御を
行なう。

次に第８図を参照して他の実施例を説明する。

この例は、間接炉７の出口板温が同図ＡのようにＴＲ８
からＴＲ２！Ｆ−変更（ＴＲＩ ＞ ＴＨ□）され、そ
のため間接炉炉温を同図ＢのようにＴＦ、□からＴｉ２
に下降させる場合を示す。

この場合、出口板温基準変更点が間接炉出口に到来した
時に炉温基準なＴｉ２に変更すると、炉温は同図Ｂの如
くｔｌなる遅れ時間（通常３分〜２０分）をもってＴ１
ｔ２迄緩やかに下降する。

この時出口板温はほぼ同じ波形で同図Ｃに示す如＜ＴＲ
２（ζＴ工）に下降する。

そこでこの変化を補償するために、直火炉出口板温を同
図りの如く変化させる必要がある。

このためには板温基準変更点が直火炉出口を通過する時
にまず直火炉出口板温を（ＴＮ−ＪＴＮ）にし、時間ｔ
、をかけてＴＮになるようにする。

遅れ時間ｔ１は間接炉Ｔ及びその炉温度制御系のパラメ
ータが決まれば固定の値となるのでその数値はあらかじ
め実験によって定めておく。

（ＴＮ−、（ＴＮ）からＴＮに至るカーブは直線又は指
数曲線で近似する。

この（ＴＮ ＪＴＮ ）の値は、（１）式において
Ｔ。

＝ＴＲ２，Ｔｇ＝ＴＦ１（Ｈ２■は一定）とおいて第７
図の収束計算ロジックを用いて炉入口板温Ｔｉを計算す
れば容易に得られる。

以上述べたように、熱応答速度の極めて速い炉８を、熱
応答速度の遅い炉Ｉの前段に配置した金属鋼板Ｑ連続加
熱炉において、常時は炉８を予熱用として用いて炉７の
出口板温を目標板温に保持し、そして炉７の出口目標板
温の変更時或いは板厚変更点の通過時等の非常時には、
これらの変更点の前後に過渡的に発生する炉７の出口目
標板温と実際の出口板温との偏差（板温はずれ）分布を
推定し、その偏差分布情報を帰還して該偏差を相殺する
ように炉８の出口目標板温を制御するようにした本発明
の板温制御方法であれば炉８の応答性の速さから炉８，
７を通過するストリップは定常時のみならず前記非定常
時にも炉７における出口板温が常に目標板温に保持され
るので、過渡的な板温はずれによる不良鋼帯の発生を極
力防止することができる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ−Ｄは間接炉出口板温の過渡的な変化を示すタ
イムチャート、第２図は本発明を適用した連続加熱炉を
示す構成図、第３図Ａ−Ｃは直火炉の応答特性を示すタ
イムチャート、第４図Ａ〜Ｆは本発明の一実施例を説明
するためのタイムチャート、第５図は第２図の演算装置
における演算内容を示すフローチャート、第６図Ａ−Ｄ
は前記演算装置の演算結果をもとに変化する直火炉出口
板温を主として示すタイムチャート、第１図は間接炉入
口板温（直火炉出口板温）を求める演算内容を示すフロ
ーチャート、第８図Ａ−Ｄは本発明の他の実施例を説明
するためのタイムチャート、第９図は計算要領の説明図
である。 １・・・・・・主演算装置、２・・・・・・炉温制御装
置、３・・・・・・速度制御装置、４・・・・・・スト
リップ位置追跡装置、５・・・・・板温制御装置、６・
・・・・・演算装置、Ｔ・・・・・・間接加熱炉（炉Ｂ
）、８・・・直火式加熱炉（炉Ａ）、９・・・・・・ス
トリップ、１０・・・・・・板温制御装置、１１・・・
・・・炉温針、１２・・・・・・速度検出計、１３ａ・
・・１３ｂ・・・・・・ロール、１４・・・・・・板温
計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 出目板温設定の変更が可能な出口板温制御系を備え
   た直接加熱炉などの熱応答速度の極めて速い炉Ａを、炉
   温設定の変更が可能な炉温制御系を備えた間接加熱炉な
   どの熱応答速度の遅い炉Ｂの前段に配し、これらの炉Ａ
   、Ｂを順次通過するストリップの通板速度を任意に調整
   し得る速度制御系を設けると共に、両槽によって炉Ｂの
   出口板温を所望値に加熱する金属鋼板の連続加熱炉の板
   温制御方法において、 定常時には炉Ａにおいて所定の板温設定値のもとで板温
   制御を行ないつつ予熱し、次いで炉Ｂにおいてその出口
   板温が目標板温になるに適した炉温設定及び速度設定の
   もとで加熱し、 ストリップの炉Ｂ出口目標板温の変更点もしくは板厚変
   更点の炉通過時等の非定常時には、先行ストリップを加
   熱するに最適に設定された通板速度設定値又は炉Ｂ炉温
   設定値又はその両者を後行ストリップに適する値に変更
   すると共に、それらＱ変更により炉Ｂ出側における該ス
   トリップの炉Ｂ出口目標板温変更点もしくは板厚変更点
   の前後に過渡的に発生する炉Ｂ出口目標板温と炉Ｂ出口
   実板温との偏差を該ストリップの長手方向の各点につい
   て推定し、その各点が炉Ａを通過する際に該各点の炉Ｂ
   出口温度が前記炉Ｂ出口目標板温になるように前記推定
   結果に従って炉Ａ出口目標板温を調整することを特徴と
   する板温制御方法。