(57)【要約】【課題】本発明は、バーナーの総燃焼量が変わった場合にも加熱炉内の鋼材温度を精度良く予測できる鋼材の温度予測方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の鋼材の温度予測方法は、火口の中心軸が水平かつ鋼材の搬送方向と垂直方向となるよう配設される複数のバーナーを備える加熱炉内の鋼材の温度予測方法であって、上記バーナーの総燃焼量が所定のときの加熱炉内の炉長方向における各位置での鋼材の基準総括熱吸収率を取得する工程と、上記バーナーの総燃焼量に基づき上記基準総括熱吸収率を補正した補正総括熱吸収率を取得する工程と、上記補正総括熱吸収率に基づき加熱炉内の炉長方向における各位置での鋼材の温度を予測する工程とを備え、上記補正を鋼材と上記バーナーとの搬送方向距離を用いて行うことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火口の中心軸が水平かつ鋼材の搬送方向と垂直方向となるよう配設される複数のバーナーを備える加熱炉内の鋼材の温度予測方法であって、
上記バーナーの総燃焼量が所定のときの加熱炉内の炉長方向における各位置での鋼材の基準総括熱吸収率を取得する工程と、
上記バーナーの総燃焼量に基づき上記基準総括熱吸収率を補正した補正総括熱吸収率を取得する工程と、
上記補正総括熱吸収率に基づき加熱炉内の炉長方向における各位置での鋼材の温度を予測する工程と
を備え、
上記補正を鋼材と上記バーナーとの搬送方向距離を用いて行うことを特徴とする鋼材の温度予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の温度予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材を例えば連続加熱炉等で加熱する際、加熱炉内での鋼材温度履歴は鋼材の品質に大きく影響する。目標とする温度履歴からの偏差が大きいと、脱炭と呼ばれる現象が発生し、所望の機械特性が得られなくなる可能性がある。そのため、製品の品質を担保するためには、加熱炉内における鋼材の温度履歴をオペレータが適切に制御する必要がある。
【０００３】
オペレータが温度履歴を適切に制御するには、高精度の鋼材の温度予測が必要である。一方で、生産性の観点からは温度予測の時間とコストを抑制する必要もある。そこで、予め総括熱吸収率（炉から鋼材への熱伝達効率）を求めておき、この総括熱吸収率を補正項で補正することで鋼材の温度を予測する方法が提案されている（特開２０１５−４０３３３号公報参照）。
【０００４】
しかし、加熱炉においては、操業条件によってバーナーの燃焼数が変化する。例えば鋼材の加熱温度が高い場合はバーナーの燃焼数は増加され、鋼材の在炉時間が長くなる場合は加熱炉の抽出温度を調整するためバーナーの燃焼数は低減される。このようにバーナーの燃焼数（総燃焼量）が変わると、総括熱吸収率は大きく変化する。これに対し、上記方法のような従来技術では、バーナーの総燃焼量の変化への対応は考慮されておらず、バーナーの燃焼数等が変わった場合に予測精度が大きく低下するという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−４０３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記不都合に鑑みて、本発明は、加熱炉内の鋼材温度を精度良く予測できる鋼材の温度予測方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するためになされた発明は、火口の中心軸が水平かつ鋼材の搬送方向と垂直方向となるよう配設される複数のバーナーを備える加熱炉内の鋼材の温度予測方法であって、上記バーナーの総燃焼量が所定のときの加熱炉内の炉長方向における各位置での鋼材の基準総括熱吸収率を取得する工程と、上記バーナーの総燃焼量に基づき上記基準総括熱吸収率を補正した補正総括熱吸収率を取得する工程と、上記補正総括熱吸収率に基づき加熱炉内の炉長方向における各位置での鋼材の温度を予測する工程とを備え、上記補正を鋼材と上記バーナーとの搬送方向距離を用いて行うことを特徴とする。
【０００８】
当該鋼材の温度予測方法は、あるバーナー総燃焼量のときの基準総括熱吸収率に対し、鋼材とバーナーとの搬送方向距離を用いて補正を行うことで、バーナーの総燃焼量が変わった場合にも計算負荷を高めることなく比較的高い精度で鋼材温度を予測することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の鋼材の温度予測方法は、バーナーの総燃焼量が変わった場合にも加熱炉内の鋼材温度を精度良く予測できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態の鋼材の温度予測方法の手順を示すフロー図である。
【図２】加熱炉内のバーナーの配置を説明する平面図であり、（ａ）は搬送面の下方から視た平面図、（ｂ）は搬送面の上方から視た平面図である。
【図３】加熱炉内のバーナーの配置を説明する側面図である。
【図４】実施例におけるパラメータの決定段階での鋼材の実測温度と予測温度とを比較するグラフである。
【図５】実施例で求めた補正係数を表すグラフである。
【図６】実施例で求めた基準総括熱吸収率及び補正総括熱吸収率を表すグラフである。
【図７】左列は実施例における鋼材の実測温度と予測温度とを比較するグラフであり、右列は実施例における実測温度と予測温度との偏差を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。
【００１２】
［鋼材の温度予測方法］
当該鋼材の温度予測方法は、火口の中心軸が水平かつ鋼材の搬送方向と垂直方向となるよう配設される複数のバーナーを備える加熱炉内の鋼材の温度予測方法である。当該鋼材の温度予測方法は、図１に示すように、初期条件を設定する初期条件設定工程Ｓ１と、バーナーの総燃焼量が所定のときの加熱炉内の炉長方向における各位置での鋼材の基準総括熱吸収率を取得する基準総括熱吸収率取得工程Ｓ２と、バーナーの総燃焼量に基づき基準総括熱吸収率を補正した補正総括熱吸収率を取得する補正総括熱吸収率取得工程Ｓ３と、補正総括熱吸収率に基づき加熱炉内の炉長方向における各位置での鋼材の温度を予測する温度予測工程Ｓ４とを主に備える。
【００１３】
当該鋼材の温度予測方法は、上記複数のバーナーを備える公知の加熱炉に適用できる。具体的には、例えば図２及び図３に示すように、鋼材Ａの搬送面１０の上側及び／又は下側に鋼材Ａの搬送方向（図中矢印方向）と垂直方向に火口が対向する複数対のいわゆるサイドバーナーを設けた加熱炉が用いられる。なお、搬送面１０は、鋼材Ａをウォーキングビームにより搬送する面である。また、図２及び図３では、搬送面１０の下方かつ搬送方向下流側に２対のバーナー１ａ、搬送面１０の上方かつ搬送方向下流側に１対のバーナー１ｂを配設しているが、バーナーの数や位置はこれに限定されない。また、加熱炉は図２及び図３に示す構成を１つの加熱ゾーンとし、複数の加熱ゾーンを有する構成としてもよい。
【００１４】
複数対のバーナーの搬送方向の間隔は適宜設計することができる。また、バーナーとしては例えば軸流バーナーが使用できる。
【００１５】
当該鋼材の温度予測方法が対象とする鋼材の形状は特に限定されず、棒鋼、鋼板等に適用が可能である。また、当該鋼材の温度予測方法で用いる加熱炉は他の加熱炉と組み合わせて使用できる。なお、鋼材の最終加熱温度は例えば１０００℃以上１２００℃以下である。
【００１６】
＜初期条件設定工程＞
初期条件設定工程Ｓ１では、鋼材の加熱条件を主に設定する。具体的には、鋼材の種類及び加熱初期温度、在炉時間、加熱炉内温度等を設定する。
【００１７】
＜基準総括熱吸収率取得工程＞
基準総括熱吸収率取得工程Ｓ２では、バーナーの総燃焼量が所定量（基準値）のときの鋼材の基準となる総括熱吸収率（基準総括熱吸収率）を加熱炉内の炉長方向における位置毎に取得する。
【００１８】
この基準総括熱吸収率は、実際に鋼材を加熱炉で所定の燃焼量で加熱した際の温度を実測し、この測定値から計算により求めてもよいし、予め算出した基準総括熱吸収率のテーブルから上記初期条件に対応した基準総括熱吸収率を選択して求めてもよい。
【００１９】
ここで、加熱炉内の搬送方向位置ｄにおける総括熱吸収率φＣＧ（ｄ）は下記式（１）の関係における係数である。
【００２０】
【数１】
2018003084.tif 000003
【００２１】
上記式（１）中、ｑ［Ｗ／ｍ２］は鋼材への熱流束、δ［Ｗ／ｍ２／Ｋ４］はステファンボルツマン定数、Ｔｆ［Ｋ］は炉内温度、Ｔｓ［Ｋ］は鋼材表面温度である。
【００２２】
基準総括熱吸収率を鋼材表面温度の実測値から求める場合、温度は例えば熱電対で測定することができる。得られた鋼材温度と、炉内温度、入熱量等とを用いて、式（１）から総括熱吸収率φＣＧを算出し、基準総括熱吸収率とする。
【００２３】
ここで、バーナーの総燃焼量は、燃焼しているバーナーの数（以下、「バーナーの燃焼数」ともいう）とバーナー１本当たりの燃焼負荷の積で表される。鋼材長手方向と同方向に火炎が延びている場合、１本当たりの燃焼負荷の変化は小さく、総燃焼量はバーナーの燃焼数に比例するとみなせる。なお、１本当たりの燃焼負荷の変化が大きい場合も、燃焼負荷に応じて総括熱吸収率を与えれば、同様に扱うことが出来るため、このような場合も、本発明の意図する範囲である。そのため、バーナーの燃焼数を用いて制御を行うこと、つまりバーナーの燃焼数が所定（基準値）の時の基準総括熱吸収率を求めることで、当該鋼材の温度予測方法の制御を容易にすることができる。基準総括熱吸収率におけるバーナーの燃焼数（所定の燃焼数）は限定されないが、後述する総括熱吸収率の補正を容易かつ確実に行う観点から、燃焼数は１以上とすることが好ましい。特に、図２及び図３に示すように対向する複数対のバーナーを用いる場合は、対となるバーナーの燃焼のオンオフを一括制御することが好ましいため、燃焼数は１対のバーナーを制御単位として決定するとよい。
【００２４】
＜補正総括熱吸収率取得工程＞
補正総括熱吸収率取得工程Ｓ３では、取得した基準総括熱吸収率を現在のバーナーの総燃焼量に応じて補正することで、現在のバーナー燃焼状態に対応する補正後の総括熱吸収率（補正総括熱吸収率）を取得する。なお、上述のように１つのバーナーの燃焼量が一定の場合は、バーナーの燃焼数に基づく補正を行うとよい。
【００２５】
ここで、鋼材がバーナーに近づくと、バーナー火炎の影響が大きくなり、鋼材への入熱量は増加する。一方、鋼材がバーナーから離れると、鋼材への入熱量は低下する。従って、燃焼しているバーナーと鋼材との距離により総括熱吸収率を補正することで、温度予測の精度を高めることができる。そのため、補正総括熱吸収率取得工程では、鋼材とバーナーとの搬送方向距離を考慮して基準総括熱吸収率が補正された補正総括熱吸収率を取得する。
【００２６】
補正総括熱吸収率は、基準総括熱吸収率を後述する手順の計算により補正することで求めてもよいし、予め算出した補正総括熱吸収率のテーブルからバーナーの総燃焼量（燃焼数）に対応した補正総括熱吸収率を選択して求めてもよい。
【００２７】
計算により基準総括熱吸収率を補正することで補正総括熱吸収率を求める手順の一例として、鋼材とバーナーとの搬送方向距離により決まる補正係数を基準総括熱吸収率に乗算する方法が好適に使用できる。具体的には、例えば下記式（２）で表される加熱炉内の搬送方向位置ｄにおける補正係数Ｆ（ｄ）を求める。
【００２８】
【数２】
2018003084.tif 000004
【００２９】
上記式（２）中、ｎは燃焼中のバーナー対の数である。ｂｉは燃焼中のｉ番目のバーナー対の加熱炉内の搬送方向位置である。Ｋｉは、ｉ番目のバーナー対毎に設定される係数である。Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は係数である。Ｋｉ及びＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、鋼材温度の実測を行い、実測値と予測値との偏差が小さくなるように予め決定される定数である。これらのパラメータは、具体的には、基準総括熱吸収率を算出した場合と異なるあるバーナーの燃焼条件において、鋼材測温実験を行い、測温結果を活用して決定することができる。なお、Ｋｉは燃焼中のバーナー対の数ｎが１の場合は１とすることができる。
【００３０】
式（２）で求めた補正係数Ｆ（ｄ）により、加熱炉内の搬送方向位置ｄにおける補正総括熱吸収率φＣＧＮＥＷ（ｄ）は、下記式（３）により算出される。
【００３１】
【数３】
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【００３２】
上記式（３）中、φＣＧＳＴ（ｄ）は、基準総括熱吸収率取得工程Ｓ２で取得した基準総括熱吸収率である。
【００３３】
＜温度予測工程＞
温度予測工程Ｓ４では、補正総括熱吸収率取得工程Ｓ３で取得した補正総括熱吸収率に基づき、加熱炉内の搬送方向位置ｄでの鋼材の温度を予測する。
【００３４】
温度予測の方法としては、公知の二次元熱伝導方程式を用い、上記（１）式及び初期条件設定工程Ｓ１で設定した条件を境界条件として搬送方向位置ｄにおける鋼材の表面から内部までの温度分布を求める。上記二次元熱伝導方程式は、下記式（４）で表される。
【００３５】
【数４】
2018003084.tif 000006
【００３６】
上記式（４）中、ρ［ｇ／ｍ３］は鋼材の密度、ｃ［Ｊ／ｇ／Ｋ］は鋼材の比熱、Ｔ［Ｋ］は鋼材の温度［Ｋ］、δｔは微小時間［ｓ］、δｘ、δｙは微小区間［ｍ］、λｘ、λｙ［Ｗ／ｍ／Ｋ］はｘ方向又はｙ方向の熱伝導率である。
【００３７】
なお、補正総括熱吸収率は、鋼材の部位ごとに求めることが好ましい。例えば図２及び図３の加熱炉で鋼材を加熱する場合、鋼材の上面、下面及び側面で別々に補正総括熱吸収率を取得することが好ましい。
【００３８】
このような温度予測を鋼材の複数点においてその搬送方向位置ｄ毎に行うことで、加熱炉内での鋼材の温度の変化予測を得ることができる。
【００３９】
当該鋼材の温度予測方法は、加熱炉内の鋼材温度を比較的高い精度で予測できるので、鋼材の予測温度に基づいて温度履歴を制御する工程を有する鋼材の加熱方法や、この加熱方法を用いる鋼材の製造方法に好適に適用できる。
【００４０】
［利点］
当該鋼材の温度予測方法は、バーナー総燃焼量が所定のときの基準総括熱吸収率に対し、鋼材とバーナーとの搬送方向距離を用いて補正を行うことで、バーナー総燃焼量が変わった場合にも計算負荷を高めることなく比較的高い精度で鋼材温度を予測することができる。
【００４１】
［その他の実施形態］
本発明の鋼材の温度予測方法は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、当該鋼材の温度予測方法は必要に応じて上述以外の工程を備えてもよい。
【実施例】
【００４２】
以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。
【００４３】
厚さ（搬送面と垂直方向の寸法）１５５ｍｍ、幅（搬送方向の寸法）１５５ｍｍ、ある長さ（搬送方向及び搬送面と垂直方向の寸法）の鋼材に対し、図２及び図３に示す構成の加熱炉を用い、下方の２対のバーナー１ａのうち、抽出側（出口側）の１対のバーナーのみを燃焼させた状態で加熱を行った。この条件で加熱中の鋼材に対し、上面から２５ｍｍ（Ａ）、７７．５ｍｍ（Ｂ）及び１３０ｍｍ（Ｃ）の３点の温度予測と、温度実測とを行った。
【００４４】
具体的には、まず基準総括熱吸収率として、図２及び図３のバーナーを全て燃焼させた状態での鋼材の実測温度から、鋼材長さ方向中央部での上面及び下面の総括熱吸収率を算出した。
【００４５】
次に、上記式（２）中のパラメータを以下のようにして決定した。なお、以下では加熱炉内の搬送方向位置（座標）ｄを０〜１．００とした。
【００４６】
まず、基準総括熱吸収率を算出した場合と異なるバーナーの燃焼数における鋼材の実測温度から、特にバーナー付近における鋼材の実測温度と、補正総括熱吸収率を用いた予測温度との偏差が０℃に近づくように、上記式（２）におけるＫｉ及びＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を決定した。具体的には、図２及び図３のバーナーのうち、上方のバーナーを燃焼させず、下方の２対のバーナーのみを燃焼させた状態で鋼材測温を行った。この測温結果に対し、式（２）におけるＫｉ及びＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４をＫ１＝１、Ｃ１＝１、Ｃ２＝０．０５、Ｃ３＝１、Ｃ４＝２とすることで、図４に示すように、上面から２５ｍｍの点において、鋼材の実測温度と予測温度との偏差が０℃に近づくように調整することができた。
【００４７】
なお、上方バーナーの搬送方向位置（座標）は０．９６であり、また、バーナーの燃焼数は１対であるため、上記式（２）において、ｂ＝０．９６、ｎ＝１と与えた。
【００４８】
上記と同様の方法を用いて、上面から１３０ｍｍの点において、鋼材の実測温度と予測温度との偏差が０℃に近づくように調整を行い、下面における式（２）におけるＫｉ及びＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４をＫ１＝１、Ｃ１＝１、Ｃ２＝０．０５、Ｃ３＝１、Ｃ４＝２と決定した。
【００４９】
なお、燃焼を行っていない下方バーナーの搬送方向位置（座標）は０．８０であり、また、抽出側の下方バーナーのみを燃焼させているため、式（２）において、ｂ＝０．８０、ｎ＝１と与えた。
【００５０】
次に、図２及び図３のバーナーのうち、下方の２対のバーナー１ａのうち、抽出側の１対のバーナーのみを燃焼させた状態の上面及び下面の補正係数Ｆ（ｄ）を上記Ｋｉ及びＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４並びにｎ、ｂの値を用いて上記式（２）によりそれぞれ求めた。この補正係数を図５に示す。さらに、補正総括熱吸収率を上記式（３）により算出した。得られた補正総括熱吸収率と基準総括熱吸収率とを図６に合わせて示す。
【００５１】
最後に、上記補正総括熱吸収率を用いて上記３点の温度を上記式（４）を用いて予測し、実測値と比較した。なお、鋼材側面の総括熱吸収率は、上面及び下面の総括熱吸収率の平均値とした。この結果を図７に示す。図７中の「実施例」は補正総括熱吸収率を用いて温度予測を行ったものであり、「比較例」は基準総括熱吸収率をそのまま用いて温度予測を行ったものである。また、実測値と予測値との偏差が２０℃以内の領域割合を上記３点ごとに求めた結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】
2018003084.tif 000007
【００５３】
図７及び表１の結果から、鋼材と燃焼中のバーナーとの搬送方向距離を用いて基準総括熱吸収率を補正することで、実測値との偏差が小さくなり、予測精度を大きく向上できることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
当該鋼材の温度予測方法は、バーナーの総燃焼量が変わった場合にも加熱炉内の鋼材温度を精度良く予測できるので、加熱工程を伴う種々の鋼材の製造に好適に適用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１ａ、１ｂ  バーナー
１０  搬送面
Ａ  鋼材
Ｓ１  初期条件設定工程
Ｓ２  基準総括熱吸収率取得工程
Ｓ３  補正総括熱吸収率取得工程
Ｓ４  温度予測工程
【図１】
2018003084.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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