JPS61199016A - 連続式加熱炉の制御方法 - Google Patents

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〕 この発明は、複数の制御帯を有する連続式加熱炉の制御
方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この種の加熱炉の温度制御として、オンラインで
昇温曲線を決定する方法としては、例えば特開昭５６−
７５５３３号公報に示されているように、炉温から材料
温度を計算するモデル、および炉温と材料温度とから燃
料流量を計算するモデルの両弁線形モデルを用い、非線
形の燃料最少化を行なうために、炉温をステップ状に変
化させて摂動シミュレーション法（基準状態と摂動状態
においてシミュレーションを行ない線形化係数を決定す
る方法）を用いている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような従来の連続式加熱炉の制御方法では、一般
に炉温の計算ゾーンは燃料流量を制御できるゾーンよシ
も数が多いため、炉温を基にした摂動法による最適化後
の最適炉温および昇温曲線は、常に実現可能なパターン
とは限らないという問題があった。

また、線形化係数および昇温パターンを決定する際、炉
壁への損失熱量、炉壁温度分布等を無視し、炉の応答遅
れを考慮せずに炉温をステップ状に変化させてシミュレ
ーションを行なっているため、冥際の材料の昇温傾向お
よび炉の状態とかけ離れた昇温曲線が決定されるという
問題があつ九また、たとえなんらかの昇温曲線が決定さ
れたとしても、炉に装入される材料セサイズ、物性値、
加熱鋼種Ｃ鋼片の抽出温度上・下限、均熱度制限）の組
み合せでグループにまとめてあり、炉内の材料グループ
は多品種少生産により、数１０種にまたがる事もあり、
その昇温曲線通シに各々の材料を焼き上げるのは困難で
あった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、実現可能でかつ実際に即した昇温曲線が得られ、各
材料の抽出温度の精就向上および燃料消費量の低減を図
ることができる連続式加熱炉の制御方法を得ることを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る連続式加熱炉の制御方法は、燃″料流量
を基にし炉内温度、炉壁温度、および材料温度の各要素
をも考慮して、各材料につき燃料流量が最少となる最適
な昇温曲線を決定し、この昇温曲線に沿って炉内の様々
な材料を平均的あるいはある材料を優先的に焼き上げる
ために、各材料の設定炉温に炉温設定用重み係数を乗じ
加重平均した値を各制御帯の炉温設定値とするようにし
たものである。

〔作用〕

この発明においては、燃料流量を基にし炉内温度、炉壁
温度、および材料温度の各要素をも考慮して、各材料に
ついて燃料流量が最少となる昇温曲線を決定しているの
で、実現可能な最適昇温曲線が得られる。また各材料の
設定炉温に炉温設定用重み係数を乗じ加重平均した値を
各制御帯の炉温設定値としているので、炉内の様々な材
料を平均的あるいはある材料を優先的に焼き上げる隙の
各材料の抽出温度を精度よく制御できる。

〔実施例〕

以下、この発明の原理について説明する。

炉温計算モデルは以下の様にして構成されている０ 第１図に示す様に加熱炉を炉長方向にｎ個に分割し各分
割されたメツシュについて各々次の様な熱バランス方程
式をたてる。

Ｃ１ ＝Ｑエ　、　　　・・・燃料、空気の顕熱８　□　　・
・・燃料発熱量 １＋ｌ　　ｐｇ　　ｇｉや、・拳上流よシの排ガス熱量
−Ｇ−Ｃ”Ｔ　　　　・・下流への排ガス熱量１　　　
ｐｇ　　　ｇｌ ＋Σによ、　（（Ｔｇｊ＋２７３）’−ＣＴｇ□＋２７
３）’）Ｊ＝１ 一拳他メッシュ炉温工りのふく射 ＋Σ　Ｋ２１ｋ（（Ｔ、に＋２７３）’−ＣＴｇ□＋２
７３）’）ｋ＝１ ・・拳炉壁よシのふく射 ＋Σに３１ｔｔ　（ＴＢｔ＋２７３）’−〔Ｔｇ１＋２
７３〕’）ｔ＝１ ・・・材料へのふく射 十０２（Ｔ、１−Ｔｇｌ）＋Ｃ３（Ｔａ１−Ｔ、）・・
・炉壁、材料への対流 −ＱＷ□　　　　・・−スキッド冷却水損失・・・（１
） ここでＨに燃料の単位流量当りの発熱蓋、Ｃｇ　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　ｐｇは排ガス比熱、Ｇ□は各メツシュの
排ガス流量であり、Ｋ工、ｊ、に２１に、に３１ｔはそ
れぞれふく射交換係数、Ｃ工、Ｃ２，Ｃ３は定数である
。また、ｎは炉長分割数、ｍはスラブ本数である。

上記式（１）は、燃料流量Ｗが与えられれば、炉壁温度
、スラブ温度を既知とすれば、次の様に変形される。

される。

＋ΣＢ１ｋｌＩＴｇｋ＋０１（１＝１・・・ｎ）・１（
２） これは、ｎ元連立の非線形微分方程式であるが、１ｓ　
ｔａｐ前の炉内温度分布を出発値として、時間に関して
離散化し、ニュートン法等を用いて収束させれば、簡単
に新しい炉内温度分布を計算できる。

また、材料温度モデルは、良く知られている２次元の熱
伝導方程式よシ次の様に表わせる。

表面における境界条件は、 ここで、Ｘは材料厚み方向１、は材料の巾方向を表わし
、ｄ工、ｄ２はそれぞれ材料厚み、材料中を表わす。ま
た、Ｃ８，λ８．γ８はそれぞれ材料の比熱、熱伝導率
、比重であり、ｑＢは材料の表夏熱流束であり次式で表
わせる。

式（８）は、式（４）の境界条件を用いれば、通常め差
分手法で解く事ができる。

炉壁温度モデルは、第１図に示されている様に炉長方向
分割毎のメツシュ内において、厚み方向のみの１次元熱
伝導刀根式によって次の様に表わせる。

炉内表面における境界条件は、 −（Ｔ、、＋２７３）’＋ｃ２（Ｔｇ□−Ｔ、、）　　
＊　、　、　（ア）炉外表面における境界条件は、 ここで、Ｘは炉壁厚み方向、ｄ３は炉壁の厚み、Ｃ７，
γ７．λ、は炉壁の比熱、熱伝導率、比重を表わしてお
り’　”０（ＩＴは外部熱伝達率、Ｔ、工ｒは外部温度
を示している。式（６）も、式（γ）１式（８）の境界
条件を用いる事によシ通常の差分方程式で解く事が可能
となる。

上記３つのモデルを組み合わせて使用する事により、燃
料流量を与えれば、炉温、材料温度、炉壁温度の現在値
を初期値として炉温、材料温度、炉壁温度、３者の将来
温度が計算出来る。

次に、燃料を最少とする材料の昇温曲線の決定方法を第
２図に示す流れ図に従って説明する。なお、図中、（１
）は昇温曲線決定の第１５ｔｏｐ、（２）は同様の第２
ｓｔｏｐ、　（８１は同様の第３ｓｔｏｐ、　（４）は
同様の第４ｓｔｏｐ、　（５）は炉温計算モデル、（６
）は炉壁温度計算モデル、（γ）は材料温度計算モデル
、（８）は材料通過位置炉温の計算、（９）は平均温度
、（樽は線形化係数の計算、α１）ハ線形計画法（ＬＰ
）の計算である。

まず、第１ｓｔｏｐ（１）として、現在の流量ＷＫ′で
もって全材料が抽出されるまでの時間、３つのモデル（
５１、（６）、　（γ）を繰り返して使用する事により
、各材料抽出時の平均温度下６、均熱度（最高温度−最
低温度）ΔＴｓ′、及び材料通過時の各位置での炉内温
度Ｔ　０が計算できる。

次に、第２ｓｔｏｐ（２）として、各燃料流量制御毎に
上記燃料流量をΔＷ１だけｓ　ｔｏｐ状に変化させる事
によって１、前記第１ｓｔｏｐ（１）と同様に、各流量
変化時の各材料抽出時平均温度ｙＫ、均熱度ΔＴＫ、お
よび材料通過時の炉内温度Ｔｇ、Ｋを計算する事が可能
になる。

次に、Ｍ　３５ｔｏｐ（ａｌとして、以下の線形化係数
の計算叫を冥行する。第２ｓｔｏｐ（２１の処置により
、非度は、次の様に線形化する事ができる。

ここで、ＫＭＡＸ　ｉｉ燃料流量制御帯の数であり’　
”ＩＫ’Ｐ２Ｋ”３□３は各々流量を変化させた場合の
線形化係数であシ、次で与えられる。

また、各燃料流量は、ΔＷＫを各制御帯の変化量とする
と、 ｖ＝ｖ０＋ΔｗＫ Ｋ を表わす事ができる。

昇温曲線を求めるうえでの制約条件は、材料の冶金学的
制約および炉操業上の制約から次の様なものである。

ここで、添字ＭＩＮ、　ＭＡＲｔｄそれぞれの下限値及
び上限値を示している。

また、最適化の評価関係は燃料最少化であるから次の様
になる。

式（１５７の制約条件下での式ＣＬ６）の最少化は通常
の線形計画法（ｔ、ｐ）の計算０１で求めることが可能
であるＯ 上記解の流量が各材料の最適流量”Ｋｏｐｔであム第４
５ｔｏｐ（４）としてこの流量を基にして前記３モデル
（５）　、　（６’）　、　（７）に：す、抽出までの
各材料の最適昇温曲線を計算する事が可能となる。

こうして求まった昇温パターンを基に目標温度が決定さ
れると各々の材料に対する炉温設定位置における設定炉
温か、前述の現状材料温度、目標温度などから決定され
得るであろう。

一般に加熱炉において炉温の計算ゾーンは匍ｊ御できる
ゾーンよシ多く、設定位置の温度にするには、制御用温
度に換算し直す事によって初めて、その位置における設
定値を確保できる。そこで、Ｔｇム’　＝Ｔｇａ　＋（
Ｔｇ（り−Ｔｇ（ｘ））”°°（ロ）０内は炉温分布が
前述で判明しているので、設定炉温に対する補正項に対
応し、こうする事である材料に対する必要な炉温か確実
に得られる。

但し・′ｒｇＡ’　：設定炉温 Ｔｇ（ｊ）　”炉温設定用ゾーンの炉温Ｔｇｆｘ）　”
炉温設定用ゾーンを含む帯の制御用温度計の存在するジ
ー ン こうして、材料１本毎の設定炉温は決定されたがこの設
定値を基に各制御帯に対する炉温設定値を以下の式によ
って求める。

ここでＣ（１）は各々の材料に対する設定用ｌみ係数で
あり、Ｃ（１）をすべて同じにすると各々の昇温パター
ンに沿って平均的に焼き上がるであろうし操業上ある材
料を優先的に焼き上げようとするならば、その材料に関
するＣ（１）の重みを高める事で実現可能となる。第３
図はこの状態を示す。

次にこの発明の一実施例に基づく加熱炉制御について第
４図を参照して説明する。

第４図において、複数の制御帯に分割された加熱炉（１
０１）には燃焼用バーナ（１０５）、炉温検出器（１０
４）が配置されており、炉温設定機能（１０６）によっ
て設定された。各制御帯毎の設定温度になる様、燃料流
量制御器（１０３）によって流量が制御されている。（
１０２）は材料情報機能であり、炉内の材料の寸法、重
量、抽出温度、炉内搬送情報等の材料情報を炉温設定機
能（１０６）に指示する。

炉温設定機能（１０６）は、現状温度計算機能（イ））
と昇温曲線決定機能（２１１と設定炉温計算機能（財）
とからなっており、周期的に起動される。現状温度計算
機能（社）は、材料情報を基にして炉温計算モデル（５
）、炉壁温度計算モデル（６）、材料温度計算モデル（
７）により、現在の材料温度を計算する。昇温曲線決定
機能（２１）は、この発明の説明で述べた様に第２図に
示す流れ図に従って各材料毎の昇温曲線を各々燃料最少
化の下に決定する。

設定炉温計算機能（ロ））は、各材料毎の目標昇温曲線
と現状温度とを比較して、各制御帯の炉温を計算し、燃
料流量制御器（１０３）に設定炉温を指示する０ しかして、燃料流：！２ｔ’を基にして炉内温度、炉壁
温度、材料温度の各要素をも考慮して、各材料について
燃料流量が最少となる実現可能な昇温曲縁を決定してい
るため、各材料の抽出温度を精度良く制御できるばかシ
でなく、燃料流量の低減効果が非常に犬きくなる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおり、燃料流量を基にし炉内
温度、炉壁温度、及び材料温度の各要素をも考慮して、
各材料につき燃料流量が最少となる最適な昇温曲線を決
定するようにしているので、実現可能な最適の昇温曲線
が得られる。

また、炉内の様々な材料を上記各々の昇温曲線に沿って
平均的あるいはある材料を優先的に焼き上げるために、
各材料の設定炉温に炉温設定用重み係数を乗じ加重平均
した値を各制御帯の炉温設定値とするようにしているの
で、各材料の抽出温度を精度↓〈制御でき、しかも燃料
消費量を低減させることができる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は加熱炉の炉温計算ゾーン分割を示す概略図、第
２図は最適昇温曲線決定の流れ図、第３図に炉温設定値
の補正値決定概念図、第４図はこの発明の一実施態様を
示す全体構成図である。 （６）・Ｏ炉温計算モデル （６）・・炉壁温度計算モデル （７）・・材料温度計算モデル ■・・現状鴫度計算機能 （２１）・・昇温曲線計算機能 に）・・設定炉温計算機能 （１０１）・・加熱炉 （１０５）Φ・燃料流量制御器 （１０４）・・炉温検出器 （１０５）・・燃焼用バーナ （１０６）・・炉温設定機能

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数の制御帯を有する連続式加熱炉の加熱制御において
   、燃料流量に基づき非定常熱バランス式により炉温の時
   間変化を計算する第１機能、炉温から炉壁内部温度の時
   間変化を計算する第２機能、炉温から材料内部温度の時
   間変化を計算する第３機能、上記第１、第２、第３の各
   機能を用い各制御帯の現状燃料流量での材料抽出時平均
   温度、均熱度、および材料通過時の各炉温をそれぞれ計
   算する第４機能、上記第１、第２、第３の各機能を用い
   各制御帯の燃料流量を現状流量からある一定値変化させ
   た時の材料抽出時平均温度、均熱度、および材料通過時
   の各炉温をそれぞれ計算する第５機能、上記第４、第５
   の各機能の結果に基づき現状燃料流量まわりでの線形化
   係数を計算しこれを用いて制約条件下で燃料最少化とな
   る最適燃料流量を計算する第６機能、および上記第１、
   第２、第３の各機能を用い材料の現在位置より抽出まで
   の昇温曲線を決定する第７機能を備え、上記第７機能に
   第６機能で得られた最適燃料流量を入力して最適昇温曲
   線を求め、かつ炉内の材料が各々の昇温曲線に沿つて平
   均的あるいは所定の材料について優先的に焼き上げるた
   めに、各々の材料の設定炉温に炉温設定用重み係数を乗
   じて加重平均した値を各制御帯の炉温設定値とすること
   を特徴とする連続式加熱炉の制御方法。