TWI512258B - Energy saving method of setting the furnace pressure - Google Patents

Description

節能之爐壓設定方法

本發明是有關於一種爐壓設定的方法，特別是指一種節能之爐壓設定的方法

鋼材之加熱爐是用於將已被粗軋延之鋼材或是被連續鑄造之鑄片再加熱，使該鋼材或鑄片能在該加熱爐中到達適合軋延之一定溫度。由於在鋼材加熱的過程中，若被加熱之鋼材溫度低於特定軋延適合溫度之下限時，將會對之後的軋延作業及製品品質產生不良的影響，再加上由於鋼材的加熱時間會影響相對應之軋延進度，所以，該加熱爐是否能在短時間內達到預設溫度並穩定維持，即成為相關業者在加熱爐研發及製程改良上相當重要的目標。

參閱圖1及圖2，為中華民國公告第524956號「具有蓄熱式燃燒器之加熱爐及其操作方法」發明專利案，該案揭露一種加熱爐1，該加熱爐1包含一載入口11、一與該載入口11相連通之加熱區12、一與該加熱區12相連通之煙道13、一設置於該煙道13上之風門14、一設置於該加熱區12中之爐壓計15、一與該爐壓計15電連接之演算裝置16，及多數個設置於該加熱區12中之加熱器17 。

使用時，將需要再加熱之鋼材(圖未示)自該載入口11送入，並藉由設置於該加熱區12中的該等加熱器17來提升該加熱爐1之爐內溫度。該加熱爐1預設有一溫度設定值及一預設的爐壓固定值，並透過該爐壓計15監測該加熱區12的實際爐壓值是否有超過該預設的爐壓固定值。由於該等加熱器17燃燒時會產生大量的高溫廢氣，若不排出而累積於該加熱區12中，會使該加熱區12中的爐壓增加，造成使用上的危險，因此，該爐壓計15會將偵測到的實際爐壓值傳送給該演算裝置16，由該演算裝置16計算所述實際爐壓值與預設的爐壓固定值間之差距，並依據該結果，調整該風門14之開度。當實際爐壓值高於預設的爐壓固定值時，該演算裝置16會將該實際爐壓值與該爐壓固定值間之差距換算成該風門14應增加之開度，藉由控制該風門14使所述高溫廢氣可以經該煙道13由該風門14排出該加熱區12，而將實際爐壓值調整回與爐壓固定值相同的狀況。換言之，習知之加熱爐1可透過調整廢氣流量來調整該加熱區12之壓力，進而達到如圖2所示般，在任一時間點都維持固定爐壓的控制目標。

然而，在實際使用上，當習知加熱爐1需要快速升溫時，該等加熱器17就相對的需要大量的燃料供燃燒以產生大量熱能，但與此同時，該等加熱器17燃燒所產生之高溫廢氣量也會相對應的急遽增加，如此一來勢必要大量且快速的引出所述高溫廢氣，才能維持該加熱爐1內的 爐壓於預設的爐壓固定值。可是，此舉相對也會使得該加熱爐1內大量的熱能伴隨所述高溫廢氣排出，使該加熱區12中的熱能不斷散失，反而需要更多的熱能供應才能維持或增加該加熱區12的溫度，這除了會造成能源的耗損增加，更會延緩該加熱爐1的升溫速率，使得該加熱區12內之實際溫度達不到預先設定的目標，或是需要花長時間並消耗大量能源才能將加熱爐1之加熱區12的爐溫達到該溫度設定值。

因此，本發明之目的，即在提供一種節能，且滿足加熱爐之升溫需求的爐壓設定方法

於是，本發明節能之爐壓設定方法，適用於調整一加熱爐內的壓力及廢氣排放。該加熱爐包含一作業空間、一與該作業空間相連通之廢氣煙道、一設置於該作業空間中之監控模組，及一與該監控模組電連接之中控模組。該作業空間中包括多數個控制區，而該監控模組中則包括多數個分別設置於該等控制區之溫度感測器，及一可感測該等控制區之壓力的壓力感測器。該中控模組可針對每一控制區分別預設有一溫度設定值，及一調整前之爐壓設定值。該節能之爐壓設定方法包含：(a)利用該等溫度感測器感測各該控制區的溫度，並將所測得的各該溫度感測值傳遞至該中控模組；及(b)該中控模組於接收到各該控制區的溫度感測值後，進一步分析比較各該控制區之溫度設定值與各該相 對應之溫度感測值間之差異量，並根據各該差異量與時間的變化關係，分析計算出各該控制區達到各該溫度設定值所需的時間及升溫速率指標，並以達到相對應之溫度設定值的所需時間最久的該控制區之升溫速率指標為依據，以此計算出一新的爐壓設定值。

本發明之功效在於：因應各該控制區不同的升溫速率，由該中控模組經分析比較後設定出新的爐壓設定值，讓所述高溫廢氣可以延長停留於該加熱爐內的時間，使所述高溫廢氣可將自身之熱能反饋於該加熱區，除了可用於維持並加熱該等控制區之溫度外，並能減緩對該等燃燒器燃燒能源的需求。

2‧‧‧加熱爐

21‧‧‧作業空間

211‧‧‧控制區

22‧‧‧廢氣煙道

23‧‧‧監控模組

231‧‧‧溫度感測器

232‧‧‧壓力感測器

24‧‧‧中控模組

25‧‧‧流量調節閥

26‧‧‧燃燒器

91~94‧‧‧步驟

t₁ 、t₂ ‧‧‧作業時間點

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明中華民國公告第524956號「具有蓄熱式燃燒器之加熱爐及其操作方法」發明專利案之一加熱爐；圖2是一關係圖，說明該習知加熱爐爐壓設定值及作業時間之關係；圖3是一示意圖，說明本發明節能之爐壓設定方法之一較佳實施例所適用之一加熱爐；圖4是一方塊圖，說明該較佳實施例之一中控模組與一監控模組、多個燃燒器，及一流量調節閥之連結關係； 圖5是一流程圖，說明該較佳實施例實施方式；及圖6是一關係圖，說明該較佳實施例之爐壓設定值與作業時間之關係。

參閱圖3及圖4，本發明節能之爐壓設定方法，適用於調整一加熱爐2內的壓力及廢氣排放。該加熱爐2包含一形成有多數個控制區211的作業空間21、一與該作業空間21相連通之廢氣煙道22、一設置於該作業空間21中之監控模組23、一與該監控模組23電連接之中控模組24、一設置於該廢氣煙道22上且與該中控模組24電連接之流量調節閥25，及多數個設置於該作業空間21中並與該中控模組24電連接之燃燒器26，其中，每一控制區211內配設有至少一燃燒器26。該監控模組23包括多數個分別設置於該等控制區211中之溫度感測器231，及一設置於該作業空間21之壓力感測器232。

參閱圖3、圖4及圖5，為本發明節能之爐壓設定方法之一較佳實施例，該爐壓設定方法包含下列步驟：首先進行步驟91，以該等溫度感測器231感測各該控制區211的溫度，並將所測得的各該溫度感測值傳遞至該中控模組24。

進一步說明，該加熱爐2在運作時，為達到作業需求，該中控模組24會針對每一控制區211分別預設有一溫度設定值，並透過該中控模組24控制該等燃燒器26燃燒的燃料量，以使該等燃燒器26燃燒釋放出的熱能可滿 足各該控制區211的升溫需求。同時，藉由設置於該等控制區211的該等溫度感測器231分別感測各該控制區211的即時溫度，並將所感測到的各該溫度感測值傳回該中控模組24。

接著進行步驟92，該中控模組24於接收到各該控制區211的溫度感測值後，進一步分析比較各該控制區211之溫度設定值與各該相對應之溫度感測值間之差異量，並根據各該差異量與時間的變化關係，分析計算出各該控制區211達到各該溫度設定值的所需時間及升溫速率指標，並以達到相對應之溫度設定值的所需時間最久的該控制區211之升溫速率指標為依據，以此計算出一新的爐壓設定值。

詳細地來說，當任一控制區211之溫度感測器231所測得的溫度感測值高於該相對應之溫度設定值時，該中控模組24會控制與該控制區211相對應之燃燒器26減少燃燒燃料，使該控制區211之溫度可以降溫至該溫度設定值。而當任一溫度感測器231感測到該相對應之控制區211的溫度感測值低於該相對應之溫度設定值時，該中控模組24就會將各該溫度感測器231所測得的溫度感測值與各該相對應之溫度設定值作比較，並計算得出各該控制區211到達相對應之溫度設定值的所需時間及升溫速率指標。此時，該中控模組24會控制該等燃燒器26增加燃燒燃料，使所述溫度較低之控制區211的升溫速度可以加快。同時，由於所述溫度較低的控制區211之燃燒器26為了加速升 溫而需增加燃燒的燃料，故會相對應產生提高爐壓之大量高溫廢氣，因此，該中控模組24會從各該控制區211中以達到相對應之溫度設定值的所需時間最久的該控制區211的升溫速率指標，以下列算式(i)去計算新的爐壓設定值： 其中，P _n 表示新的爐壓設定值；f ()表示該控制區之升溫速率指標；f (x )表示溫度與壓力間之轉換係數；P _O 表示調整前之爐壓設定值。

由算式(i)中可以看出，該新爐壓設定值P _n 是由該升溫速率指標f ()之倒數乘以一溫度與壓力間之轉換係數f (x )，加上1後，再乘以調整前之爐壓P _O 而得。換言之，當該升溫速率指標f ()越大，調整前之爐壓P _O 所需要加上的值會越小，因此新爐壓設定值P _n 不會比調整前之爐壓P _O 增加太多。相反的，當該升溫速率指標f ()越小，調整前之爐壓P _O 所需要加上的值會越大，新爐壓設定值P _n 也會越大。因此，該加熱爐2之爐壓設定值會如圖6所示般，隨著不同的作業時間點t₁ 、t₂ 而有所調整。

復參閱圖3、圖4及圖5，需特別說明的是，即便該加熱爐2中有多個控制區211都未達到預設之溫度，由於達到相對應之溫度設定值所需時間最久的控制區211 經感測及運算後所得的新的爐壓設定值會高於其它控制區211運算所得之結果，因此，該中控模組24也只需以到達相對應之溫度設定值所需時間最久的該控制區211去進行新的爐壓設定值之運算即可。

此外，雖然在本發明節能之爐壓設定方法下，該加熱爐2可利用爐壓設定值的浮動來解決燃燒器26增加燃料燃燒而產生高溫廢氣量增加的問題，但若該加熱爐2長時間維持在一高壓狀態下，會對該加熱爐2的使用產生危險。因此，該加熱爐2之中控模組24會預設有一爐壓忍受係數。在步驟93中，該中控模組24會根據該壓力感測器232所測得的爐壓感測值，計算出該等控制區211的爐壓係數，當該等控制區211之爐壓係數大於或等於該爐壓忍受係數時，該中控模組24會強制降低爐壓設定值。

續參閱圖3、圖4及圖5，進一步說明，該中控模組24會依據該加熱爐2之爐形、使用狀況及材質來設定一爐壓上限值Pmax，及一爐壓忍受係數δ ，並設定該中控模組24依據不同升溫速率指標所設定之新的爐壓設定值不可超過該爐壓上限值Pmax，且該壓力感測器232所監測到之爐壓感測值亦必需符合下列算式(ii)之狀況： 其中，δ 表示爐壓忍受係數；δ _i 表示爐壓係數；P _r 表示爐壓感測值；f (t )表示一時間函數。

由算式(ii)中可看出，當所述爐壓感測值P _r 過大，或該爐壓所持續之時間過久而使該時間函數f (t )過大時，該爐壓係數δ _i 會越逼近該爐壓忍受係數δ 。因此，當該中控模組24判定該加熱爐2之爐壓係數δ _i 逼近或超過該爐壓忍受係數δ 時，會自動調降爐壓設定值，並進行步驟94，以此調控該流量調節閥25之開度，進而控制高溫廢氣之排放，使所述高溫廢氣可以排出，降低爐壓。換言之，本發明節能之爐壓設定方法並非無限制的上調爐壓設定值，只是相較於習知固定爐壓的設定方式，本發明提供爐壓設定值更大的調整彈性，以減緩所述高溫廢氣之排放速率及排放量。

參閱表1，為對各該控制區211採取一致之溫度設定，並分析在本發明節能之爐壓調節方法的設定下，及在習知固定爐壓的設定下，該加熱爐2之各該控制區211的升溫速率。結果證實，在固定爐壓的的情況下，各該控制區211要達到預設的溫度需耗時10分鐘。而在本發明節能之爐壓調節方法的設定下，僅需6分鐘即可快速達到預設溫度，升溫速率確實優於習知的爐壓設定方式。

藉由以上設計，本發明節能之爐壓設定方法於實際使用時具有以下所述優點：

(1)提升升溫速率：由於使用本發明節能之爐壓設定方法時，該等燃燒器26燃燒所產生之高溫廢氣不用為了符合固定爐壓的限制必須迅速排出，而可在一定的爐壓範圍內停留在該加熱爐2中，因此該等高溫廢氣能將自身之熱能反饋回該等控制區211中，協助該等控制區211維持熱度，甚至進一步幫助該等控制區211升溫，提升該等控制區211的升溫速率。

(2)減少燃燒耗能：承上所述，由於所述高溫廢氣可提供部分熱能供該等控制區211升溫，所以該等控制區211中的熱能需求會比在把所述高溫廢氣快速引出該等控制區211的情況下要少，再加上所述高溫廢氣存留於該等控制區211中亦可助於維持該等控制區211的溫度，故可減少該等燃燒器26燃燒的耗能。

綜上所述，本發明節能之爐壓設定方法藉由依各該控制區211不同的升溫速率，由該中控模組24經分析 比較後設定出新的爐壓設定值，使該等高溫廢氣可以延長停留於該加熱爐2內的時間，除了維持溫度外，並節省該等燃燒器26燃燒耗能的需求，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

91~94‧‧‧步驟

Claims (4)

1. 一種節能之爐壓設定方法，用於調整一加熱爐內的壓力及廢氣排放，該加熱爐包含一作業空間、一與該作業空間相連通之廢氣煙道、一設置於該作業空間中之監控模組，及一與該監控模組電連接之中控模組，其中，該作業空間包括多數個控制區，該監控模組包括多數個分別設置於該等控制區之溫度感測器，及一可感測該等控制區之壓力的壓力感測器，該中控模組並針對每一控制區分別預設有一溫度設定值，及一調整前之爐壓設定值；該節能之爐壓設定方法包含：(a)利用該等溫度感測器感測各該控制區的溫度，並將所測得的各該溫度感測值傳遞至該中控模組；(b)該中控模組於接收到各該控制區的溫度感測值後，進一步分析比較各該控制區之溫度設定值與各該相對應之溫度感測值間之差異量，並根據各該差異量與時間的變化關係，分析計算出各該控制區達到各該溫度設定值的所需時間及升溫速率指標，並以達到相對應之溫度設定值的所需時間最久的該控制區之升溫速率指標為依據，計算出一新的爐壓設定值。
2. 如請求項1所述的節能之爐壓設定方法，其中，該加熱爐之中控模組預設有一爐壓忍受係數，該節能之爐壓設定方法還包含：(c)該中控模組根據該壓力感測器所測得的爐壓感 測值，由該爐壓感測值乘以一時間函數而計算出該等控制區的爐壓係數，當該等控制區之爐壓係數大於等於該爐壓忍受係數時，該中控模組會強制降低該新的爐壓設定值。
3. 如請求項1至2中任一項所述的節能之爐壓設定方法，其中，該加熱爐還包含一設置於該廢氣煙道上且與該中控模組電連接之流量調節閥，該節能之爐壓設定方法還包含：(d)該中控模組依據所述爐壓設定值而調控該流量調節閥的開度，進而控制高溫廢氣排放。
4. 如請求項1至2項中任一項所述的節能之爐壓設定方法，其中，在該步驟(b)中，是由達到相對應之溫度設定值所需時間最久的該控制區之升溫速率指標的倒數，乘以一溫度及壓力間之轉換係數，加1後，再乘以調整前之爐壓設定值而得到新的爐壓設定值。