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特開2022-42605加熱炉の炉温制御方法、鋼材の製造方法および加熱設備
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  • 特開-加熱炉の炉温制御方法、鋼材の製造方法および加熱設備 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022042605
(43)【公開日】2022-03-15
(54)【発明の名称】加熱炉の炉温制御方法、鋼材の製造方法および加熱設備
(51)【国際特許分類】
   C21D 11/00 20060101AFI20220308BHJP
   F23N 5/00 20060101ALI20220308BHJP
   F27D 19/00 20060101ALI20220308BHJP
   F27B 9/40 20060101ALI20220308BHJP
   C21D 1/00 20060101ALI20220308BHJP
【FI】
C21D11/00 102
F23N5/00 D
F27D19/00 A
F27B9/40
C21D1/00 112K
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2020148057
(22)【出願日】2020-09-03
(71)【出願人】
【識別番号】000001258
【氏名又は名称】JFEスチール株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001542
【氏名又は名称】特許業務法人銀座マロニエ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】鳥越 祥宏
(72)【発明者】
【氏名】池田 展也
(72)【発明者】
【氏名】上岡 悟史
【テーマコード(参考)】
3K003
4K034
4K038
4K050
4K056
【Fターム(参考)】
3K003EA08
3K003FA01
3K003FB05
3K003GA02
4K034AA06
4K034AA11
4K034BA08
4K034CA04
4K034DB02
4K034DB04
4K034DB05
4K038AA01
4K038BA01
4K038CA01
4K038DA01
4K038EA01
4K050AA01
4K050BA02
4K050CD02
4K050CE09
4K050EA06
4K056AA08
4K056BB01
4K056CA02
4K056FA03
4K056FA13
(57)【要約】
【課題】燃料使用量を増加させることなく昇温過程で生成されるスケール量を抑制する加熱技術を提供する。
【解決手段】加熱炉内で直列に配された複数の帯域のそれぞれの炉温を予め設定された昇温パターンに基づいて制御する加熱炉の炉温制御方法であって、前記昇温パターンは、各帯域の炉温の制御に必要な燃料流量の和を目的関数とし、前記加熱炉で加熱対象材を加熱することにより前記加熱対象材の表面に生成されるスケール量を制約条件として算出されるものであって、前記制約条件を満たす範囲で前記目的関数が最小となるように算出されたものとする方法である。
【選択図】図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
加熱炉内で直列に配された複数の帯域のそれぞれの炉温を予め設定された昇温パターンに基づいて制御する加熱炉の炉温制御方法であって、
前記昇温パターンは、各帯域の炉温の制御に必要な燃料流量の和を目的関数とし、前記加熱炉で加熱対象材を加熱することにより前記加熱対象材の表面に生成されるスケール量を制約条件として算出されるものであって、前記制約条件を満たす範囲で前記目的関数が最小となるように算出されたものであることを特徴とする加熱炉の炉温制御方法。
【請求項2】
前記制約条件は、前記昇温パターンにより制御した各帯域の炉温を用いて予測される前記加熱炉出側における前記スケール量を、各帯域の現在の炉温を用いて予測される加熱炉出側における前記スケール量以下とすることを特徴とする請求項1に記載の加熱炉の炉温制御方法。
【請求項3】
前記昇温パターンによる前記加熱対象材を所定の高温域以上で加熱する加熱時間を、現在の加熱炉において前記高温域以上で前記加熱対象材を加熱する加熱時間より短時間とすることを特徴とする請求項1または2に記載の加熱炉の炉温制御方法。
【請求項4】
前記昇温パターンによる前記複数の帯域の内、炉温が最も高温な特定の帯域の炉温を、前記特定の帯域の現在の炉温より高温とすることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の加熱炉の炉温制御方法。
【請求項5】
請求項1~4のいずれか1項に記載の加熱炉の炉温制御方法が適用された加熱炉により加熱対象材を加熱する加熱工程を有する鋼材の製造方法。
【請求項6】
直列に配列された複数の帯域を有する加熱炉と、各帯域の炉温を予め設定された昇温パターンに基づいて制御する制御装置と、を備える加熱設備であって、
前記制御装置は、各帯域の炉温の制御に必要な燃料流量の和を目的関数とし、前記加熱炉で加熱対象材を加熱することにより前記加熱対象材の表面に生成されるスケール量を制約条件として前記昇温パターンを算出するものであって、前記制約条件を満たす範囲で前記目的関数が最小となるように前記昇温パターンを算出することを特徴とする加熱設備。
【請求項7】
前記制約条件は、前記昇温パターンにより制御した各帯域の炉温を用いて予測される前記加熱炉出側における前記スケール量が、各帯域の現在の炉温を用いて予測される加熱炉出側における前記スケール量以下であることを特徴とする請求項6に記載の加熱設備。
【請求項8】
前記昇温パターンによる前記加熱対象材を所定の高温域以上で加熱する加熱時間は、現在の加熱炉において前記高温域以上で前記加熱対象材を加熱する加熱時間より短時間であることを特徴とする請求項6または7に記載の加熱設備。
【請求項9】
前記昇温パターンによる前記複数の帯域の内、炉温が最も高温な特定の帯域の炉温は、前記特定の帯域の現在の炉温より高温であることを特徴とする請求項6~8のいずれか1項に記載の加熱設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、加熱炉の炉温制御方法、鋼材の製造方法および加熱設備に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的な直火型の連続多帯式加熱炉は、複数の帯域にそれぞれ配設される複数のバーナーで被加熱材を加熱する。その際、被加熱材の目標抽出温度を確保したうえで、各帯域の炉温を制御するのに必要な燃料流量の和が最小となるような昇温パターンとするのが通常である(特許文献1)。
【0003】
また、特許文献2には、加熱炉内のバーナーに供給する燃焼空気流量の制御により被加熱材の昇温過程で発生するスケール量を低減する方法が記載されている。
【0004】
特許文献3には、加熱炉で消費されるエネルギー、圧延機その他設備で消費されるエネルギーを総合的に最適化する手法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平09-316531号公報
【特許文献2】特開2019- 60588号公報
【特許文献3】特開2013- 66929号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上記従来の技術には、未だ解決すべき以下のような問題があった。
上記特許文献1~3に開示の技術には、複数の被加熱材の昇温を行うため加熱炉の燃料使用量と被加熱材に生成されるスケール量とを総合的に勘案し、コストを安くする昇温パターンの制御方法は示唆されていない。
【0007】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料使用量を増加させることなく昇温過程で生成されるスケール量を抑制する加熱炉の炉温制御方法、鋼材の製造方法およびその方法に好適な加熱設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決し、上記の目的を実現するため開発した本発明にかかる加熱炉の炉温制御方法は、加熱炉内で直列に配された複数の帯域のそれぞれの炉温を予め設定された昇温パターンに基づいて制御する加熱炉の炉温制御方法であって、前記昇温パターンは、各帯域の炉温の制御に必要な燃料流量の和を目的関数とし、前記加熱炉で加熱対象材を加熱することにより前記加熱対象材の表面に生成されるスケール量を制約条件として算出されるものであって、前記制約条件を満たす範囲で前記目的関数が最小となるように算出されたものであることを特徴とする。
【0009】
なお、本発明にかかる加熱炉の炉温制御方法については、
(a)前記制約条件は、前記昇温パターンにより制御した各帯域の炉温を用いて予測される前記加熱炉出側における前記スケール量を、各帯域の現在の炉温を用いて予測される加熱炉出側における前記スケール量以下とすること、
(b)前記昇温パターンによる前記加熱対象材を所定の高温域以上で加熱する加熱時間を、現在の加熱炉において前記高温域以上で前記加熱対象材を加熱する加熱時間より短時間とすること、
(c)前記昇温パターンによる前記複数の帯域の内、炉温が最も高温な特定の帯域の炉温を、前記特定の帯域の現在の炉温より高温とすること、
などがより好ましい解決手段になり得るものと考えられる。
【0010】
上記課題を解決し、上記の目的を実現するため開発した本発明にかかる鋼材の製造方法は、上記いずれかの加熱炉の炉温制御方法が適用された加熱炉により加熱対象材を加熱する加熱工程を有するものである。
【0011】
上記課題を解決し、上記の目的を実現するため開発した本発明にかかる加熱設備は、直列に配列された複数の帯域を有する加熱炉と、各帯域の炉温を予め設定された昇温パターンに基づいて制御する制御装置と、を備える加熱設備であって、前記制御装置は、各帯域の炉温の制御に必要な燃料流量の和を目的関数とし、前記加熱炉で加熱対象材を加熱することにより前記加熱対象材の表面に生成されるスケール量を制約条件として前記昇温パターンを算出するものであって、前記制約条件を満たす範囲で前記目的関数が最小となるように前記昇温パターンを算出することを特徴とする。
【0012】
なお、本発明にかかる加熱設備については、
(d)前記制約条件は、前記昇温パターンにより制御した各帯域の炉温を用いて予測される前記加熱炉出側における前記スケール量が、各帯域の現在の炉温を用いて予測される加熱炉出側における前記スケール量以下であること、
(e)前記昇温パターンによる前記加熱対象材を所定の高温域以上で加熱する加熱時間は、現在の加熱炉において前記高温域以上で前記加熱対象材を加熱する加熱時間より短時間であること、
(f)前記昇温パターンによる前記複数の帯域の内、炉温が最も高温な特定の帯域の炉温は、前記特定の帯域の現在の炉温より高温であること、
などがより好ましい解決手段になり得るものと考えられる。
【発明の効果】
【0013】
本発明に係る加熱炉の炉温制御方法によれば、複数の加熱対象材の昇温を行うため加熱炉の燃料使用量を削減しつつ加熱対象材に生成されるスケール量を抑制する昇温パターンを決定することで、燃料使用量を増加させることなく昇温過程で生成されるスケール量を抑制することが可能となる。もって、コストの低減と品質の向上に寄与するので、産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】本発明の一実施形態にかかる加熱設備を示す概略説明図である。
図2】上記実施形態にかかる加熱炉の炉温制御方法の一例を示す概略フロー図である。
図3】上記実施形態にかかる昇温パターン決定計算におけるスケール生成抑制項の導入を示す概念図であって、(a)は、従来の最適化の例を示し、(b)は、本発明にかかる最適化の一例を示す。
図4】被加熱材を加熱炉で加熱する際に、昇温パターン決定計算におけるスケール生成抑制項の有無による最適炉温と被加熱材の温度変化を示すグラフである。
図5】被加熱材を加熱炉で加熱する際に、昇温パターン決定計算におけるスケール生成抑制項の有無によるスケール生成量の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態であるスケール量を抑制する加熱炉の炉温制御方法および加熱設備の構成について説明する。図1は、本発明の一実施形態である加熱設備を示す概略説明図である。図2は、上記実施形態にかかる加熱炉の炉温制御方法の一例を示す概略フロー図である。
【0016】
本実施形態の加熱設備は、連続多帯式加熱炉1と、昇温パターンを最適化するための計算機10と、加熱炉1の各帯域の炉温などの実績データを収集し、計算機10が最適化した昇温パターンに適う各帯域の炉温設定値に基づき、燃料の流量調節を行う制御装置20を備える。連続多帯式加熱炉1は、図1の例では、被加熱材(加熱対象材)の搬入口から非燃焼帯2、予熱帯3、第1加熱帯4、第2加熱帯5および均熱帯6の各帯域を直列に有している。予熱帯3、第1加熱帯4、第2加熱帯5および均熱帯6は、バーナー7を持ち、燃料の燃焼によって、各帯域の炉温が制御されている。加熱対象材である鋼材(図示せず)は、非燃焼帯2から、均熱帯6に向かって加熱炉1の中を搬送されて、目標抽出温度まで加熱される。図1中に鋼材の移動方向8を矢印で示す。
【0017】
計算機10は、プロセスコンピューターなどを用いることができ、収集した鋼材トラッキング情報15によって、鋼材の在炉時間を計算する在炉時間計算部11と、制御装置が収集し、送信された各帯域の炉温等の実績データに基づき鋼材温度を計算する鋼材温度計算部12と、鋼材情報や目標抽出温度情報、設備耐熱温度情報などの加熱基準16、在炉時間および鋼材温度から最適な昇温パターンを計算する最適昇温パターン計算部13と、計算された最適な昇温パターン、在炉時間および鋼材温度から各帯域の設定炉温を計算する炉温計算部14と、を有する。
【0018】
制御装置20は、DCS(分散制御システム)などを用いることができ、加熱炉1各帯域の炉温を含む実績データを収集し(21)、計算機10の鋼材温度計算部12に送信する(22)。また、制御装置20は、計算機10から送信された各帯域の設定炉温(23)に基づき、各帯域に燃料の流量調節弁指令(24)を発する。ここで、図1の例では、計算機10と制御装置20とを分離しているが、計算機10と制御装置20とを一体としてもよいし、機能ごとに、または、各機能をさらに分割して構成してもよい。
【0019】
本実施形態の加熱炉の炉温制御方法を図2のフロー図に基づき説明する。まず、制御の開始にあたり、各帯域の炉温等の実績データおよび鋼材トラッキング情報を収集する(S1)。得られた情報に基づき、計算機10が、鋼材温度計算(S2)および在炉時間計算(S3)の処理を行う。計算された鋼材温度および在炉時間、さらに、各種制約条件に基づき最適昇温パターンを計算する(S4)。計算された昇温パターン、鋼材温度および在炉時間に基づき、各帯域の設定炉温を計算する(S5)。計算された設定炉温に基づき、制御装置20が各帯域の燃料流量調節弁に指令を発し(S6)、終了する。
【0020】
次に、本実施形態における昇温パターンの最適化について説明する。
鉄鋼プロセスにおいて、鋼材表面でのスケール(酸化物)の成長は、酸化物皮膜中のイオン拡散が律速している場合、拡散速度に依存するため、その時間変化が放物線的な関係であることが既に知られている。よって、酸化膜厚みは下記数式1に示す(1)式で表すことができ、酸化物の重量も酸化膜厚みから計算できる。ここで、x:酸化膜厚み[μm]、t:酸化時間[sec]、K:酸化速度定数[μm/sec]、T:鋼材温度[K]、A、B:定数[-]、P:酸素分圧[atm]、R:気体定数[8.314J/(K・mol)]である。
【0021】
【数1】
【0022】
スケールの発生要因としては、被加熱材(加熱対象材)の表面温度が高い状態で大気雰囲気での加熱時間が長くなることで被加熱材にスケールが生成されると推定される。このことから、スケール削減のためには、被加熱材の表面温度が高い状態での加熱時間を短くすることが重要であると推定される。図3(a)に示す従来法による加熱炉の最適昇温パターン計算13では、各制約条件式を満たしながら、目的関数、つまり、各帯域の燃料流量の和が最小となるような決定変数、つまり、各帯域の炉温を求めるために、たとえば、線形計画法を用いて解を導出している。しかしながら、スケールの量については考慮していない。
【0023】
本実施形態では、図3(b)に示すように昇温パターン計算ロジックにスケール抑制項を導入する。最適昇温パターン計算のロジックにスケール抑制項の導入を検討した結果を述べる。一般的に、スケール損失額に対して燃料費の方がコストへの影響が遥かに大きい。コスト管理は重要であり、スケール削減とコスト削減を共に実現する必要がある。このため、最適昇温パターン計算で求める目的関数、つまり、全燃料流量の最小化において、できるだけ燃料流量に影響を与えることなくスケール生成量を減らす昇温パターンを算出することとした。
【0024】
リアルタイムで計算される昇温パターン計算において、燃料流量に関する目的関数を最小化するために用いる不等式制約条件式の中にスケール抑制項を新たに導入することで加熱炉の燃料使用量と被加熱材に生成されるスケール量との総合的にコストを安くする昇温パターンを考案した。具体的に、スケール抑制項である線形な制約条件式については、最適昇温パターンで加熱したときに生成する酸化膜厚みxoptと、現状の炉温で加熱したときに生成する酸化膜厚みxpreに対し、xopt≦xpreなる不等号条件式とした。xoptおよびxpreをそれぞれ求めるために、各帯域の出側鋼材温度に対して、酸化膜厚みx[μm]が鋼材表面温度T[K]に比例するように線形近似を行い、下記数式2の(2)式に示す。dx/dtは、酸化膜厚みの時間変化[μm/sec]である。これにより酸化膜厚みを線形式で近似することができ、上記不等号条件式の両辺をそれぞれ線形式にて導出することができる。この線形式を下記数式3の(3)式に示す。ここで、θ’oim:昇温パターン計算で求める最適炉温で加熱した場合の被加熱材の表面温度[K]、θoim:現在の炉温で加熱した場合の被加熱材の表面温度[K]、i:連続多帯式加熱炉の帯域情報、k:連続多帯式加熱炉の帯域の数である。図3(b)は、本発明の一実施形態である昇温パターン決定計算におけるスケール抑制項の導入方法を示す概念図である。最適昇温パターン計算13における不等式制約条件式にスケール抑制項を導入することで、スケール生成を抑制する最適昇温パターン計算のロジックを考案した。
【0025】
【数2】
【0026】
【数3】
【0027】
最適昇温パターン計算13に必要な炉温を用いて消費燃料を算出する方法や各鋼材の昇温パターンを算出する方法、具体的な炉温の設定方法については、特許文献1に記載の方法を用いることができる。計算に当たっては、設備の耐熱温度なども制約条件として考慮する。
【0028】
上記(1)式から明らかなように、被加熱材である鋼材のスケール生成速度は、高温ほど大きくなる。したがって、最適昇温パターン計算13において、被加熱材を所定の高温域以上で加熱する加熱時間を、現在の炉温のうち、同じ所定の高温域で加熱する時間より短くすれば、スケールの生成を抑制することができて好ましい。例えば、被加熱材が1000℃以上に加熱される時間で管理することができる。
【0029】
また、最適昇温パターン計算13において、炉温が最も高温となる、たとえば、均熱帯6の炉温を、現在の炉温より高温とすれば、加熱炉1出側の被加熱材の目標抽出温度を同じとする条件では、最適昇温パターン計算13に基づき、第1加熱帯4や第2加熱帯5の炉温を低くすることとなる。したがって、被加熱材を高温域で加熱する時間が短くなり、スケール生成の抑制が図れて、好ましい。
【0030】
本発明の他の実施形態は、上記加熱炉の炉温制御方法が適用された加熱炉を用い、被加熱材を加熱するにあたり、スケール抑制項を有する最適昇温パターン計算により、各帯域の炉温を制御する加熱工程を有する鋼材の製造方法である。加熱する鋼材としては、たとえば、ブルームやビームブランク、スラブ、各種形鋼が適用できる。後工程に圧延工程、熱処理工程などを任意で施すことができる。
【実施例0031】
図4は、図1の加熱設備を用い、表1の条件No.A1およびA2に示す最適昇温パターン決定計算におけるスケール抑制項の有無に基づく炉温設定値と被加熱材の表面温度軌跡の結果を示すグラフである。併せて、各帯域の炉温を表示した。図4に示す例では、被加熱材の寸法は長さ4.76m、厚み0.215m、幅1.05mであり、炉に挿入する時の被加熱材の温度は100℃とし、炉内の搬送速度を14.4m/hrとし、炉内5帯の初期炉温は装入側から順に575℃、900℃、1100℃、1250℃、1300℃とした。図4および表1に示す通り、昇温パターン計算をスケール抑制項有無で計算した結果、スケール抑制項無(A1)に比べてスケール抑制項考慮(A2)ではより後段帯域(均熱帯6)の炉温が高くなる。また、スケール抑制無(A1)の場合に使用される総燃料使用量は7532m/hr、スケール抑制有(A2)の場合に使用される総燃料使用量は7567m/hrとなり、燃料の使用量の増加率は+0.47%である。燃料使用量が増加したのは、燃料流量最小化を求める最適化問題において、スケール抑制項となる不等式制約条件式を導入したことによる。図5は、上記昇温パターン決定計算におけるスケール抑制項の導入方法の有無によるスケール生成量の変化を示すグラフであり、図4の条件による昇温パターンにて被加熱材を昇温させた場合に被加熱材に生成される酸化膜厚みを示している。被加熱材の表面温度が高い状態での加熱時間を短くするために後段で被加熱材の表面温度を上げるスケール抑制項を導入することで酸化膜厚みを0.2mm(8%)減少させることが可能となった。この時、スケールの増減量と燃料流量の増減量の比は、-8(%)/+0.47(%)=-17.0であった。
【0032】
また他の条件として、表1に示す条件B1およびB2では、被加熱材の寸法は長さ5m、厚み0.2m、幅1.05mであり、炉に挿入する時の被加熱材の温度は100℃とし、炉内の搬送速度を12m/hrとし、炉内5帯の初期炉温は装入側から順に600℃、800℃、1000℃、1200℃、1300℃とした。本条件においても、スケール抑制無(B1)に比べてスケール抑制考慮(B2)の場合の燃料の使用量の増加率は0.61%であるのに対し、酸化膜厚みは7%削減することができた。この時、スケールの増減量と燃料流量の増減量の比は、-7(%)/+0.61(%)=-11.5であった。このことから、本スケール抑制手法を用いることでコストに相関のあるスケールの増減量と燃料流量の増減量の比を-11.5以下にすることが可能である。
【0033】
一方で、上記(3)式に示した制約条件式において、現状鋼材温度、つまり、従来法による昇温パターンで加熱したときに生成する酸化膜厚みの90%、80%および70%の酸化膜厚みとなる条件についても同様に最適昇温パターン計算を行ったが、最適化問題にて解が得られなかった。理由は、最適化計算において均熱帯6の炉温が設備制約の温度を超えたためであった。これらの結果は、燃料使用量をほとんど増加させることなくスケール生成量を抑制できることを明らかにした結果である。つまり、昇温パターン計算にスケール抑制項を導入した結果、算出した昇温パターンによる実験が実施例に記載された実験であり、消費燃料は微増したものの、スケール削減によるコスト減の方が大きくなった。
【0034】
【表1】
【0035】
【表2】
【0036】
上記結果導出に用いた条件は上記記載の値のみに限られるものではない。さらに、燃焼帯4帯を含む合計5帯域の加熱炉の場合の結果を示したが、これも帯域数は上記に限られるものではない。以上、本発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【0037】
1 加熱炉
2 非燃焼帯
3 予熱帯
4 第1加熱帯
5 第2加熱帯
6 均熱帯
7 バーナー
8 被加熱体(鋼材)移動方向
10 計算機
11 在炉時間計算部
12 鋼材温度計算部
13 最適昇温パターン計算部
14 炉温計算部
15 鋼材トラッキング情報
16 加熱基準情報
20 制御装置
21 実績(温度)データ収集
22 実績データ送信
23 炉温設定値送信
24 流量調節弁指令
図1
図2
図3
図4
図5