(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の炉帯を有する連続式加熱炉の燃焼制御方法において、
煙道に最も近い加熱帯は、目標炉温と炉温実債の差によらず、鋼片情報に基づいて決定された、材料が帯出側目標温度を達成する燃料ガス流量を設定し、
それ以外の加熱帯は、それぞれ炉温を目標炉温の一定値に保つように燃料ガス流量を設定して制御することを特徴とする連続式加熱炉の燃焼制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続式加熱炉の燃焼制御方法に係り、特に、計算機を用いた鋼片加熱炉の燃焼制御に用いるのに好適な、必要最小限の熱量で鋼片を加熱することが可能な、連続式加熱炉の燃焼制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄所の熱間圧延工場では、前工程、例えば連続鋳造工程で得た圧延素材としての鋳片を、熱間圧延に適切な温度に再加熱することをいう。そして、今日では、その加熱手段として、予熱帯、加熱帯及び均熱帯と呼ばれる複数の炉帯を有する、いわゆる連続式加熱炉が一般に用いられている。
【０００３】
この加熱炉２０は、通常、図１に示す如く、製造ラインに沿って直列に連結された各炉帯（スラブ装入口２０Ａ側からスラブ抽出口２０Ｂへ順に予熱帯２２、第１加熱帯２４、第２加熱帯２６及び均熱帯２８）を備えており、各炉帯には燃料ガスバーナが備えられ、各炉帯の炉温に応じて、これを一定に保つように燃料ガス供給量が制御されている。図１の加熱炉２０では、第１加熱帯２４が煙道２０Ｃに最も近い位置に配置されている。
【０００４】
一般に加熱炉では、装入される鋳片（スラブ）１０の鋼種、サイズあるいは装入温度が様々であるばかりか、各炉帯での加熱目的も異なるので、管理すべき項目が多く、炉内の雰囲気温度（炉温）制御、引いては、燃料の燃焼制御が非常に難しい。そのため、従来より、炉温制御方法が多々研究され、種々の実績値をベースにして、鋳片の加熱状況をシュミレートする数学モデルを作成し、該モデルをオンラインの計算機で演算しつつ制御する方法が種々開発されている。
【０００５】
このような鋼片加熱炉の燃焼制御を行う場合、基本的には、▲１▼材料の現在温度を推定する部分、▲２▼加熱炉抽出までの加熱時間を求める部分、▲３▼抽出目標温度を達成するまでの理想的な目標昇温パターンを決定する部分、▲４▼求めた目標昇温パターンに鋼材温度が近付くよう、設定炉温を決定する部分があり、このうち、特に▲３▼と▲４▼の決定方法は、近年幾つか提案されている。
【０００６】
例えば、特開昭６１−１９９０１６には、材料の目標昇温パターンを数学モデルで決定する際に、燃料流量を現状値からある一定値だけ変化させたときの該材料の抽出時平均温度、均熱度（鋳片搬送用スキッドの有無による鋳片の温度差）、及び該材料が通過する時の各炉温を計算して、現燃料流量値近傍での線形係数を求め、更に、該材料の抽出時平均温度、均熱度に関する制約条件下で燃料流量が最小となる最適燃料流量を線形計画法を用いて求め、この燃料流量から、各材料の設定炉温を重み付け平均値として計算して、各帯設定炉温を決定することが記載されている。
【０００７】
又、特開平３−１４０４１５では、オンラインでの計算機負荷低減を目的として、次式で示すような集中定数系の温度モデルを用いて、抽出時の温度と均熱度が目標値通りとなるような目標昇温パターンを決定している。
【０００８】
θｏ＝θｇ−（θｇ−θｉ）・exp （−α・ｔ／Ｄ）              …（１）
α＝ａ・σ／（ρ・Ｃｐ）・（θｇ2 ＋θｏ2 ）・（θｇ＋θｏ）  …（２）
θｏ：ｔ時間後の鋼材温度［Ｋ］
θｉ：初期の鋼材温度［Ｋ］
θｇ：炉温［ｋ］
ｔ：加熱時間［ｈｒ］
Ｄ：鋼片厚［ｍ］
ａ：修正定数［−］
σ：ステファンボルツマン定数［ｋｃａｌ／ｍ2 ｈｒＫ4 ］
ρ：鋼材の比重［ｋｇ／ｍ3 ］
Ｃｐ：鋼材の比熱［ｋｃａｌ／ｋｇＫ］
【０００９】
ここで、前記温度モデル中の修正係数ａ及び鋼材の比熱Ｃｐは未知定数であり、オフラインで操業実績を元に、代表値を決めている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、直列に複数個の加熱帯を持つ加熱炉で、各加熱帯の炉温により、それぞれの加熱帯の燃料ガス流量を決定する燃焼制御（炉温制御とも称する）では、特に、加熱炉の煙道２０Ｃに最も近い加熱帯では、煙道へ燃焼空気が逃げてしまうため、投入した燃料流量に対して十分に炉温が追従しない場合が発生する。このような場合に、従来の炉温制御を使用すると、設定した目標炉温に追従させるべく燃料流量を増加させるが、その多くは煙道から排ガスとなって炉外へ排出されるため、炉温が上がらず、いつまでも無駄な燃料を投入し続けてしまい、燃料コストの悪化を招いてしまうという問題点を有していた。
【００１１】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、煙道へ逃げる燃焼空気の存在に拘らず、的確な燃焼制御を行うことを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の炉帯を有する連続式加熱炉の燃焼制御方法において、煙道に最も近い加熱帯は、目標炉温と炉温実債の差によらず、鋼片情報に基づいて決定された、材料が帯出側目標温度を達成する燃料ガス流量を設定し、それ以外の加熱帯は、それぞれ炉温を目標炉温の一定値に保つように燃料ガス流量を設定して制御するようにして、前記課題を解決したものである。
【００２０】
本発明者は、煙道に近い加熱帯では、燃料ガス流量と炉温とは必ずしも相関性が高くないこと、従って、煙道に近い加熱帯の炉温による流量制御は、必ずしも有効でないことを突き止めた。これに対するために、煙道に近い加熱帯では、燃料ガス流量を鋼片情報により設定することが適切であり、このようにして、煙道に最も近く炉効率の悪い加熱帯の燃料消費量を適正化し、炉全体の燃焼効率を向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２２】
本発明の第１実施形態は、図１に示したような加熱炉において、煙道２０Ｃに最も近い第１加熱帯２４は、炉温に拘らず鋼片情報のみに基づいて燃料ガス流量を設定し、それ以外の加熱帯は、それぞれ炉温を一定値に保つように燃料ガス流量を制御する。
【００２３】
図２に、本実施形態における加熱炉の燃焼制御装置を示す。上位計算機４０の中の煙道に最も近い第１加熱帯２４の燃焼制御部分に関して、炉温制御モード４２、即ち炉温によるＭガス流量設定値４１を採用する従来のプロセスの他に、流量制御モード４４として、鋼材情報によるＭガス流量設定値４３を用いるプロセスを新設し、スイッチ４５によって、上記２つのモード４２、４４を切り換えるようにしている。又、下位計算機５０に従来の流量自動モード５１、即ちＭガス任意流量設定値５２を与えて流量設定するプロセスに流量手動介入（手介）モード５３を設け、上位計算機４０からの情報によって流量設定するプロセスを加えている。
【００２４】
加熱帯の炉温が約８００℃〜１２００℃であれば燃料ガス点火温度と炉体保護温度の条件を満足しており、炉温はこの上下限内の範囲内にあれば良い。炉温がこの範囲内であれば、煙道に最も近い第１加熱帯２４の燃料ガス流量の設定は鋼片情報によるものとし、炉温を上昇させるために燃料ガス流量を必要以上に流さないように抑制する。
【００２５】
図３及び図４は鋼材情報が同一の条件下で試験操業を行った加熱炉の煙道に最も近い第１加熱帯２４の状況を示したものである。従来の炉温制御モードによるガス流量制御では、図３の曲線Ａ（縦軸は左側の目盛）に示すガス流量となり、その時の加熱炉の排ガス温度は曲線Ｃ（縦軸は右側の目盛）のように推移した。この時の鋼材の装入温度は図４の曲線Ｅのとおりであった。同一鋼材情報の下で本発明の鋼材情報による燃料ガス流量設定を行った試験操業では、上記図３のガス流量曲線Ａに対応するガス流量は曲線Ｂのようになり、加熱炉の排ガス温度推移は曲線Ｄとなった。このとき鋼材の装入温度の推移は図５の曲線Ｆであった。
【００２６】
以上の試験操業の結果、加熱炉の最も煙道に近い第１加熱帯２４においては、従来の炉温制御モードでは、鋼材装入温度が低下した時、本発明の鋼材情報による流量設定に比べ、燃料ガス流量の増大変動が大きく、加熱炉の排ガス温度が上昇している。このとき、加熱される鋼材の加熱炉出口の状態は、その他の加熱帯の燃料ガス制御によって所望の状態になっている。図３から、従来の加熱炉制御に比べて、本発明による燃料ガス制御では加熱炉全体の熱効率が改善されていることが明白である。
【００２７】
図５に従来の燃料ガス燃焼制御方法による煙道に最も近い第１加熱帯の炉温と燃料ガス流量との関係を示した。この図５によれば、煙道に最も近い第１加熱帯の炉温と、該第１加熱帯の燃料ガス流量とは相関性が低く、燃料ガス流量の変動と炉温はほとんど無関係であることが分かる。
【００２８】
図６は、鋼片情報の一つとして鋼片装入温度を挙げ、これとガス流量との関係を示したグラフである。図中、○印、Δ印、×印は、それぞれ鋼片装入温度が３００℃〜６００℃未満、６００℃以上の場合の、本発明実施前の比較例と本発明の実施例とを比較して示したものである。実施例では、それぞれ比較例に比べ燃料ガス流量が少なくなっており、燃料ガス流量の消費が削減されていることがわかる。
【００２９】
次に、鋼片情報のみに基づく制御に、従来の炉温制御における温度モデルを併用した本発明の第２実施形態を詳細に説明する。
【００３０】
本実施形態は、特開平９−２０９０４４で提案されたような従来の温度モデルを、本発明による流量制御と併用するようにしている。
【００３１】
具体的には、図７に示す如く、所定の周期でプラント実績（各帯炉温）及び炉内の各材料のデータ（材料の位置、厚み、幅、長さ、材質、装入温度実績）から公知の差分モデルを用いて、現在の材料温度を推定し（材料温度推定部１００）、炉内の材料の抽出順を元に公知の方法で加熱時間を計算する（加熱時間予測部１１０）。
【００３２】
次いで、これに引き続き、あるいは非同期で、材料温度推定部１００と同様の温度モデル（差分モデル）を用いて、現在の材料温度を初期値とし、ある炉温で加熱した時の抽出までの材料温度を予測計算し、これらの結果（材料の現在及び抽出時の平均温度、炉温、加熱時間）から、集中定数系の温度モデルをオンラインで決定する（温度モデル決定部１２０）。
【００３３】
又、集中定数系の温度モデルは、例えば次式のような形とする。
【００３４】
0003982042.tif 000002
θｏ：ｔ時間後の鋼材温度［Ｋ］
θｉ：初期の鋼材温度［Ｋ］
θｇ：炉温［Ｋ］
ｔ：加熱時間［ｈｒ］
Ｄ：鋼片厚［ｍ］
Φｃｇ：総括熱吸収率［−］
σ：ステファンボルツマン定数［ｋｃａｌ／ｍ2 ｈｒＫ4 ］
ρ：鋼材の比重［ｋｇ／ｍ3 ］
Ｃｐ：鋼材の比熱［ｋｃａｌ／ｋｇＫ］
θｍ：初期温度θｉからｔ時間後の温度θｏまでの鋼材平均温度［Ｋ］
【００３５】
実際には、温度モデル決定は、モデルのパラメータを決定することになるが、このパラメータは、加熱炉の加熱特性を考慮して、均熱帯、加熱帯というように、帯毎に決定する。又、これらのパラメータを、材料の加熱が進行するに連れて、例えば材料帯入時に見直すことにより、精度を上げることができる。
【００３６】
次いで、これに引き続き、あるいは非同期で、上記温度モデル決定部１２０で決定した集中定数系温度モデルを用いて、材料の現在及び抽出時の温度、加熱時間から、燃料コストが一番有利な昇温パターンを作成する（目標昇温パターン決定部１３０）。この目標昇温パターンは、帯出側目標温度という形で、計算機に記憶しておく。
【００３７】
最後に、これに引き続き、あるいは非同期で、図８に示す如く、対象の加熱帯の各材料について、各加熱帯での昇温量（帯出側目標温度−帯入側温度）、炉温実績値、帯入側温度（計算値もしくは実績値）に基づいて、各材料が、その加熱帯で必要とする燃料流量を、図９に例示するような、予め作成しておいた設定テーブルから検索し、この検索値を前記加熱時間予測部１１０で求められた対象加熱帯の加熱時間で除すことによって、単位時間当りに必要な燃料流量を求める。このようにして求められた各材料の燃料流量を、次式に示すように、各材料が対象加熱帯を出るまでの残り加熱時間で加重平均を行い、対象加熱帯の燃料流量設定値を求める（燃料ガス流量決定部１４０）。
【００３８】
Ｑｓ＝Σ（Ｑｉ・ｔｉ）／Σｔｉ              …（５）
Ｑｉ＝ｑｉ／Ｔｉ                            …（６）
ｉ＝１〜ｎ；対象材料数
Ｑｓ：対象加熱帯での燃料流量設定値［Ｎｍ3 ／Ｈｒ］
Ｑｉ：各材料の対象加熱帯で必要な単位時間あたりの燃料流量［Ｎｍ3 ／Ｈｒ］
ｔｉ：各材料の対象加熱帯出側までの残り加熱時間［Ｈｒ］
ｑｉ：各材料の対象加熱帯で必要な燃料流量［Ｎｍ3 ］（テーブル値）
Ｔｉ：各材料の対象加熱帯での予測加熱時間［Ｈｒ］
【００３９】
本実施形態では、このようにして、集中定数系温度モデルにより決定した目標昇温パターンを元に、対象加熱帯での昇温量（帯出側目標温度−帯入側温度）、炉温実績値、炉入側温度（計算値若しくは実績値）に基づいて、設定テーブルから各材料の必要燃料流量を求め、それを各材料について対象加熱帯出口までの残り加熱時間で加重平均を行うようにしたので、加熱炉の装入側（第１）加熱帯のように、炉温制御では投入燃料流量に対して炉温実績が目標炉温に追従しないような場合に、燃料流量にリミットがかかって無駄な燃料の消費を抑制することができ、燃料コストの削減が可能となる。
【００４０】
又、目標昇温パターンについては、集中定数系の温度モデルを分布定数系（差分モデル）の温度計算結果に基づいてオンラインで決定したものを使用し、且つ、本発明の流量制御中も材料温度推定部１００で差分モデルにより材料温度を逐次計算しているため、特開平９−２０９０４４で提案した従来法と同等の加熱精度を維持したまま燃料を削減することができる。
【００４１】
加熱炉の装入側に最も近い燃焼帯である第１加熱帯を対象にして、従来制御と本制御を適用した時のシミュレーション結果を図１０に示す。図から、特に鋼材の装入温度が低い場合には、従来制御では炉温が十分に追従しないため、燃料の設定流量が非常に多くなっているが、本制御では約１／２〜２／３の設定流量となっている。しかしながら、炉温では従来制御と本制御ではほとんど差はなく、これにより燃料のムダ焼きを防止していることがわかる。
【００４２】
本実施形態においては、各加熱帯の必要燃料流量を、対象加熱帯での昇温量（帯出側目標温度−帯入側温度）、炉温実績値、帯入側温度をキーとした流量設定テーブルを用いて簡便に決定することができる。なお、必ずしも流量設定テーブルを用いる必要はない。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、煙道に近い加熱帯では鋼片情報に基づいて燃料ガス流量を調整するようにしたので、全体として燃料コストを削減することが可能となる。
【００４５】
特に、鋼片情報に基づく制御に、従来の炉温制御における温度モデルを併用した場合には、従来の炉温制御での欠点をカバーし、燃料コスト削減が可能となるだけでなく、従来の温度モデルを併用しているため、従来の同等の加熱精度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加熱炉の模式的縦断面図
【図２】本発明の第１実施形態の要旨構成を示すブロック線図
【図３】試験操業における燃料ガス流量と排ガス温度の推移を示すグラフ
【図４】試験操業における装入温度の推移を示すグラフ
【図５】燃料ガス流量と炉温との関係を示すグラフ
【図６】第１実施形態による燃料ガス流量削減効果を示すグラフ
【図７】本発明の第２実施形態の全体構成を示すブロック線図
【図８】同じく要部を示す説明図
【図９】第２実施形態で用いられているスラブ必要ガス流量設定テーブルの例を示す線図
【図１０】第２実施形態の効果を示すグラフ
【符号の説明】
１０…鋼片（スラブ）
２０…加熱炉
２０Ａ…スラブ装入口
２０Ｂ…スラブ抽出口
２０Ｃ…煙道
２２…予熱帯
２４…第１加熱帯（煙道に最も近い加熱帯）
２６…第２加熱帯
２８…均熱帯
４０…上位計算機
４２…炉温制御モード
４４…流量制御モード
４５、５４…切替スイッチ
５０…下位計算機
５１…流量自動モード
５３…流量手動介入（手介）モード
１００…材料温度推定部
１１０…加熱時間予測部
１２０…温度モデル決定部
１３０…目標昇温パターン決定部
１４０…燃料ガス流量決定部
【図１】
0003982042.tif 000003
【図２】
0003982042.tif 000004
【図３】
0003982042.tif 000005
【図４】
0003982042.tif 000006
【図５】
0003982042.tif 000007
【図６】
0003982042.tif 000008
【図７】
0003982042.tif 000009
【図８】
0003982042.tif 000010
【図９】
0003982042.tif 000011
【図１０】
0003982042.tif 000012