(57)【要約】【課題】本発明は、エネルギー効率の高い鋼材の加熱装置の提供を目的とする。【解決手段】本発明は、熱間加工又は熱処理用の鋼材の加熱装置であって、上記鋼材をバーナーから噴出される燃焼ガスにより加熱する加熱炉と、上記加熱炉へ装入される前の鋼材を予熱ガスにより予熱する予熱炉と、上記バーナーに供給される燃焼用空気を予熱する熱交換器と、上記加熱炉から排出される排ガスを上記予熱炉の予熱ガスとして供給する第１排ガス流路と、上記第１排ガス流路とは並列して設けられ、上記加熱炉から排出される排ガスを上記熱交換器の予熱ガスとして供給する第２排ガス流路とを備える。上記第１排ガス流路に供給する排ガスの流量と、上記第２排ガス流路に供給する排ガスの流量とを調整する機構をさらに備えるとよい。加熱前の鋼材の温度を測定する温度計と、上記温度計の測定結果に基づき予熱炉へ装入する鋼材を選択する機構とを備えるとよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間加工又は熱処理用の鋼材の加熱装置であって、
上記鋼材をバーナーから噴出される燃焼ガスにより加熱する加熱炉と、
上記加熱炉へ装入される前の鋼材を予熱ガスにより予熱する予熱炉と、
上記バーナーに供給される燃焼用空気を予熱する熱交換器と、
上記加熱炉から排出される排ガスを上記予熱炉の予熱ガスとして供給する第１排ガス流路と、
上記第１排ガス流路とは並列して設けられ、上記加熱炉から排出される排ガスを上記熱交換器の予熱ガスとして供給する第２排ガス流路と
を備える鋼材の加熱装置。
【請求項２】
上記第１排ガス流路に供給する排ガスの流量と、上記第２排ガス流路に供給する排ガスの流量とを調整する機構をさらに備える請求項１に記載の鋼材の加熱装置。
【請求項３】
上記排ガス流量調整機構が上記第１排ガス流路に配設されている請求項２に記載の鋼材の加熱装置。
【請求項４】
上記排ガス流量調整機構が上記第２排ガス流路に配設されている請求項２又は請求項３に記載の鋼材の加熱装置。
【請求項５】
上記予熱炉へ装入される鋼材の重量を測定する重量計、上記加熱炉へ装入される鋼材の重量を測定する重量計、予熱後の鋼材の温度を測定する温度計、上記加熱炉へ供給する燃料の流量を測定する流量計、及び上記熱交換器へ流入する燃焼用空気の流量を測定する流量計と、
上記重量計、温度計及び流量計の測定結果に基づき上記排ガス流量調整機構を用いてエネルギー効率が最大化されるように上記予熱炉及び上記熱交換器へ供給する排ガス流量比を制御する機構と
をさらに備える請求項２、請求項３又は請求項４に記載の鋼材の加熱装置。
【請求項６】
上記加熱炉から排気される排ガスの温度を測定する温度計をさらに備える請求項５に記載の鋼材の加熱装置。
【請求項７】
加熱前の鋼材の温度を測定する温度計と、
上記温度計の測定結果に基づき上記予熱炉へ装入する鋼材を選択する機構とを備える請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の鋼材の加熱装置。
【請求項８】
上記予熱炉から排気される排ガスの温度を測定する温度計と、
上記温度計の測定結果に基づく上記予熱炉へ装入する鋼材の選択により上記予熱炉から排気される排ガスが所定温度以上となるように排ガス温度を制御する機構とを備える請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の鋼材の加熱装置。
【請求項９】
上記熱交換器を迂回させる燃焼用空気のバイパス流路を備え、
上記熱交換器から排気される排ガスの温度を測定する温度計と、
上記温度計の測定結果に基づき燃焼用空気の一部又は全部を上記バイパス流路へ流すことにより上記熱交換器から排気される排ガスが所定温度以上となるように排ガス温度を制御する機構とを備える請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の鋼材の加熱装置。
【請求項１０】
上記バーナーに供給される燃料ガスの流量を調整する機構と、
加熱後の鋼材の温度が所定範囲内となるように上記燃料ガス流量調整機構を用いて上記燃料ガス流量を制御する機構と
を備える請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の鋼材の加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱延工場等ではスラブやビレット等の鋼材を連続式又はバッチ式の加熱炉で加熱した後に熱間圧延が行われる。また、厚板工場等では厚板等の鋼材を連続式又はバッチ式の熱処理炉で加熱した後、熱処理が行われる。例えば厚板工場において厚板を製造する場合、連続式鋳造機で鋳造されたスラブが、台車等により搬送され、加熱炉の手前でストックヤードに一時的に保管される。この保管中にスラグの温度は最大で室温（約２５℃）まで低下する。このため、このスラブは熱処理スケジュールに応じ順次ストックヤードから加熱炉に装入され、１２００℃程度の温度まで加熱された後、圧延機へ送られ圧延処理される。
【０００３】
このような加熱炉としては、スラブを装入側から抽出側まで搬送するウォーキングビーム式の搬送装置が配設され、この搬送装置の経路の上下に配設された複数のバーナーにより燃料ガスを燃焼させてスラブを加熱する加熱炉が公知である。上記バーナーには燃焼空気用ブロワにより燃焼用空気が供給され、燃料ガスが燃焼される。燃料ガスの燃焼後の排ガスは、加熱炉装入端部である炉尻から炉尻煙道を通り煙突へ送られ外部へ排気される。この加熱炉から排気される排ガスの顕熱は、リジェネバーナーやレキュペレーター等の熱交換器によりその一部が回収されて燃焼用空気の予熱に利用されるが、大半は煙突から排気される。従って、例えばレキュペレーター付属の加熱炉のエネルギー効率は５０％程度に留まる。このため、例えば生産規模が２００ｔ／ｈの加熱炉であれば、３００Ｍｃａｌ／ｔ程度の燃料原単位を必要とする。
【０００４】
このエネルギー効率を向上させるために加熱炉から排気される排ガスによりスラブ等の鋼材の予熱を行う予熱炉を備えた加熱装置が提案されている（特開２０１４−２１９１３９号公報及び特開２０１１−１９６６１５号公報参照）。
【０００５】
この従来の加熱装置は、加熱炉から排気される排ガスを全て予熱炉へ供給する。ところが、予熱炉に装入される前の鋼材の温度はストックヤードでの保管時間に依存してばらつきがある。このため、この従来の加熱装置では、例えば予熱炉に比較的温度の高い鋼材が装入された場合、予熱炉に導入された排ガスとの温度差が小さく排ガスの顕熱を十分に回収できないため、燃焼用空気を予熱する熱交換器へ排ガスを供給する場合よりもエネルギー効率がかえって低下するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−２１９１３９号公報
【特許文献２】特開２０１１−１９６６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、本発明の目的は、エネルギー効率の高い鋼材の加熱装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた発明は、熱間加工又は熱処理用の鋼材の加熱装置であって、上記鋼材をバーナーから噴出される燃焼ガスにより加熱する加熱炉と、上記加熱炉へ装入される前の鋼材を予熱ガスにより予熱する予熱炉と、上記バーナーに供給される燃焼用空気を予熱する熱交換器と、上記加熱炉から排出される排ガスを上記予熱炉の予熱ガスとして供給する第１排ガス流路と、上記第１排ガス流路とは並列して設けられ、上記加熱炉から排出される排ガスを上記熱交換器の予熱ガスとして供給する第２排ガス流路とを備える。
【０００９】
当該加熱装置は、第１排ガス流路及び第２排ガス流路により加熱炉から排気される排ガスを予熱炉の予熱ガスと熱交換器の予熱ガスとに分配して供給できる。このため、当該加熱装置は、予熱ガスの顕熱を予熱炉及び熱交換器それぞれで回収できるので、予熱炉又は熱交換器のいずれか一方で回収する場合に比べて、多くの予熱ガスの顕熱が回収できる。予熱炉及び熱交換器に排ガスを供給する方法として、例えば予熱炉で鋼材の予熱に利用された排ガスを燃焼用空気の予熱に利用する方法も考えられる。しかし、この場合には空気を予熱する熱交換器へ供給される排ガスの温度が加熱炉から排気される排ガスの温度より低下するため、排ガスと燃焼用空気との温度差が小さくなり、排ガスから燃焼用空気への伝熱量が十分ではない。これに対し、当該加熱装置は加熱炉から排気される排ガスを予熱炉及び熱交換器に並列に供給するので、加熱炉から排気される排ガスの温度を大きく低下させることなく、上記予熱炉及び上記熱交換器に予熱ガスを供給できる。このため、当該加熱装置は、供給される予熱ガスと鋼材や燃焼用空気との温度差が確保し易いので、予熱ガスから鋼材や燃焼用空気への伝熱効率がよい。従って、当該加熱装置はエネルギー効率が高い。
【００１０】
上記第１排ガス流路に供給する排ガスの流量と、上記第２排ガス流路に供給する排ガスの流量とを調整する機構をさらに備えるとよい。このように第１排ガス流路に供給する排ガスの流量と、第２排ガス流路に供給する排ガスの流量とを調整する機構を備えることで、エネルギー効率がさらに高まる。
【００１１】
上記排ガス流量調整機構が上記第１排ガス流路に配設されているとよい。このように上記排ガス流量調整機構を上記第１排ガス流路に配設することで、例えば排ガスから鋼材への伝熱量が少ない場合に予熱炉へ供給する排ガスの流量を絞ることができる。これにより、エネルギー効率がさらに高まる。
【００１２】
上記排ガス流量調整機構が上記第２排ガス流路に配設されているとよい。このように上記排ガス流量調整機構を上記第２排ガス流路に配設することで、熱交換器に導入する排ガスの流量を精度よく調整できる。これにより、エネルギー効率がさらに高まる。
【００１３】
上記予熱炉へ装入される鋼材の重量を測定する重量計、上記加熱炉へ装入される鋼材の重量を測定する重量計、予熱後の鋼材の温度を測定する温度計、上記加熱炉へ供給する燃料の流量を測定する流量計、及び上記熱交換器へ流入する燃焼用空気の流量を測定する流量計と、上記重量計、温度計及び流量計の測定結果に基づき上記排ガス流量調整機構を用いてエネルギー効率が最大化されるように上記予熱炉及び上記熱交換器へ供給する排ガス流量比を制御する機構とをさらに備えるとよい。このように上記重量計、温度計及び流量計とこれらの測定器の測定結果に基づいて排ガス流量比を制御する機構とをさらに備えることで、エネルギー効率が最大となる排ガス流量比を見積り、この見積りに基づいて、排ガス流量調整機構を用いて排ガスの流量比を調整することができる。これにより、エネルギー効率がさらに高まる。
【００１４】
上記加熱炉から排気される排ガスの温度を測定する温度計をさらに備えるとよい。このように上記加熱炉から排気される排ガスの温度を測定する温度計をさらに備えることで、エネルギー効率が最大となる排ガス流量比の見積り精度が向上する。これにより、エネルギー効率がさらに高まる。
【００１５】
加熱前の鋼材の温度を測定する温度計と、上記温度計の測定結果に基づき上記予熱炉へ装入する鋼材を選択する機構とを備えるとよい。加熱前の鋼材の温度が比較的高い鋼材を予熱炉へ装入すると、排ガス温度と鋼材との温度差が小さいため排ガスから鋼材への伝熱効率が低下する。このため、例えば一定量の排ガスの顕熱を回収するには加熱前の鋼材の温度が低い鋼材を予熱する場合に比べ、加熱前の鋼材の温度が高い鋼材を予熱する場合の方が、鋼材を予熱路内に長く滞在させる必要があり、生産性が低下する。従って、加熱前の鋼材の温度により予熱炉へ装入する鋼材を選択することで生産性の低下が抑止でき、燃料原単位を減らすことができる。
【００１６】
上記予熱炉から排気される排ガスの温度を測定する温度計と、上記温度計の測定結果に基づく上記予熱炉へ装入する鋼材の選択により上記予熱炉から排気される排ガスが所定温度以上となるように排ガス温度を制御する機構とを備えるとよい。このように予熱炉から排気される排ガスが所定温度以上となるように排ガス温度を制御する機構を備えることで、排ガスの酸露点腐食による予熱炉等の設備の劣化や破損を抑止できる。このため、エネルギー効率を高めつつ、安定した操業ができる。
【００１７】
上記熱交換器を迂回させる燃焼用空気のバイパス流路を備え、上記熱交換器から排気される排ガスの温度を測定する温度計と、上記温度計の測定結果に基づき燃焼用空気の一部又は全部を上記バイパス流路へ流すことにより上記熱交換器から排気される排ガスが所定温度以上となるように排ガス温度を制御する機構とを備えるとよい。このように熱交換器から排気される排ガスが所定温度以上となるように排ガス温度を制御する機構を備えることで、酸露点腐食による熱交換器等の設備の劣化や破損を抑止できる。このため、エネルギー効率を高めつつ、安定した操業ができる。
【００１８】
上記バーナーに供給される燃料ガスの流量を調整する機構と、加熱後の鋼材の温度が所定範囲内となるように上記燃料ガス流量調整機構を用いて上記燃料ガス流量を制御する機構とを備えるとよい。このように燃料ガス流量調整機構と、この燃料ガス流量調整機構を用いて燃料ガス流量を制御する機構とを備えることで、加熱炉から抽出される鋼材の温度を所望の温度に調整し易い。このため、エネルギー効率を高めつつ、安定した操業ができる。
【００１９】
ここで、「酸露点腐食」とは、排ガス中に含まれる硫黄分等が水分との結合により硫酸等の酸となって凝縮（酸凝縮）し、金属を腐食させることをいう。また、「排ガスの流量比」とは、排ガスの総量に対する予熱炉へ供給する排ガスの比及び排ガスの総量に対する熱交換器へ供給する排ガスの比を意味する。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明の加熱装置は鋼材の加熱におけるエネルギー効率を高められる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態の加熱装置を示す模式図である。
【図２】図１の加熱装置の排ガス流量調整工程のフローを示す流れ図である。
【図３】図１の加熱装置とは異なる実施形態の加熱装置を示す模式図である。
【図４】予熱前の鋼材温度と予熱後の鋼材の受熱量、鋼材温度、及び予熱炉から排気される排ガス温度との関係を示すグラフである。
【図５】排ガスの流量比と、予熱炉及び熱交換器から排気される排ガス温度並びに加熱装置全体のエネルギー効率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を適宜図面を参照しつつ詳説する。
【００２３】
［第１実施形態］
図１に示す加熱装置１は、本発明の一実施形態にかかる熱間加工又は熱処理用の鋼材の加熱装置であり、厚板工場、形鋼工場、熱延工場等でのスラブ、ビレット等の鋼材の加熱に用いることができる。当該加熱装置１は、上記鋼材をバーナーから噴出される燃焼ガスにより加熱する加熱炉２と、上記加熱炉２へ装入される前の鋼材を予熱ガスにより予熱する予熱炉３と、上記バーナーに供給される燃焼用空気を予熱する熱交換器４とを主に備える。
【００２４】
また、当該加熱装置１は、３つの搬送装置（第１搬送装置５ａ、第２搬送装置５ｂ、及び第３搬送装置５ｃ）を備える。上記第１搬送装置５ａは、加熱前の鋼材が一時的に保管されているストックヤードＸの抽出口、予熱炉３の抽出口、加熱炉２の装入口、及び第３搬送装置５ｃに鋼材を搬送できる。また、上記第２搬送装置５ｂは、第１搬送装置５ａにより搬送された鋼材を第３搬送装置５ｃへ搬送できる。さらに、上記第３搬送装置５ｃは、第２搬送装置５ｂにより搬送された鋼材を加熱炉２の抽出口、予熱炉３の装入口、及び当該加熱装置１の鋼材搬出口に搬送できる。
【００２５】
また、当該加熱装置１は、４つの排ガス流路（第１排ガス流路６ａ、第２排ガス流路６ｂ、第３排ガス流路６ｃ、及び第４排ガス流路６ｄ）と排ガスを外部に排出する煙突７とを備える。上記第１排ガス流路６ａは、加熱炉２から排出される排ガスを上記予熱炉３の予熱ガスとして供給する流路である。また、上記第２排ガス流路６ｂは、上記第１排ガス流路６ａとは並列して設けられ、上記加熱炉２から排出される排ガスを上記熱交換器４の予熱ガスとして供給する流路である。当該加熱装置１は、これらの第１排ガス流路６ａ及び第２排ガス流路６ｂにより、上記加熱炉２から排気される排ガスを上記予熱炉３の排ガスと上記熱交換器４の排ガスとに分配して供給できる。また、上記第３排ガス流路６ｃ及び第４排ガス流路６ｄは、それぞれ上記予熱炉３及び上記熱交換器４から排気される排ガスを回収し、回収された排ガスは、煙突７から外部へ排気される。
【００２６】
また、当該加熱装置１は、上記予熱炉３又は熱交換器４に供給する排ガスの流量を調整する２つの排ガス流量調整弁（第１排ガス流量調整弁８ａ及び第２排ガス流量調整弁８ｂ）を備える。上記第１排ガス流量調整弁８ａは、上記予熱炉３へ排ガスを分配供給する第１流路６ａに配設される。また、上記第２排ガス流量調整弁８ｂは、上記熱交換器４へ排ガスを分配供給する第２流路６ｂに配設される。
【００２７】
また、当該加熱装置１は、加熱炉２のバーナーへ供給される燃料ガスを加熱炉２へ流入させる燃料ガス流路９を備える。また、当該加熱装置１は、上記燃料ガス流路９に配設され、加熱炉２へ流入する燃料ガス流量を調整する燃料ガス流量調整弁１０を備える。
【００２８】
また、当該加熱装置１は、熱交換器４を介して加熱炉２へ燃焼用空気を流入させる燃焼用空気流路１１と、熱交換器４を迂回させる燃焼用空気のバイパス流路１２とを備える。また、当該加熱装置１は、上記バイパス流路１２に配設され、熱交換器４を迂回させる燃焼用空気流量を調整するバイパス流量調整弁１３を備える。
【００２９】
また、当該加熱装置１は、予熱炉３へ装入される鋼材の重量Ｍ１を測定する重量計１４ａ、加熱炉２へ装入される鋼材の重量Ｍ２を測定する重量計１４ｂ、加熱前の鋼材の温度Ｔ１を測定する温度計１４ｃ、予熱後の鋼材の温度Ｔ２を測定する温度計１４ｄ、上記予熱炉３から排気される排ガスの温度Ｔ３を測定する温度計１４ｅ、上記熱交換器４から排気される排ガスの温度Ｔ４を測定する温度計１４ｆ、加熱炉２から排気される排ガスの温度Ｔ５を測定する温度計１４ｇ、加熱後の鋼材の温度Ｔ６を測定する温度計１４ｈ、加熱炉へ供給する燃料の流量ＱＦを測定する流量計１４ｉ、及び熱交換器へ流入する燃焼用空気の流量ＱＡを測定する流量計１４ｊを備える。また、当該加熱装置１は、上記測定器の測定結果に基づき上記排ガス流量調整弁、燃料ガス流量調整弁１０及びバイパス流量調整弁１３の開閉量を調整する制御機構１５を備える。
【００３０】
（ストックヤード）
ストックヤードＸは、加熱前の鋼材を一時的に保管する。当該加熱装置１にはこのストックヤードＸから抽出された鋼材が供給され、当該加熱装置１により加熱される。ストックヤードＸに保管されている鋼材の温度は、鋼材が保管されている時間及び加熱前の鋼材の処理条件に依存して変わるが、通常２５℃以上６００℃以下の範囲である。
【００３１】
＜加熱炉＞
加熱炉２は、第１搬送装置５ａにより装入口に装入された鋼材を所定温度まで加熱し、抽出口から鋼材を抽出する。具体的には、加熱炉２は、燃料ガス流路９から供給される燃料ガスを燃焼用空気流路１１から供給される燃焼用空気と混合してバーナーにより燃焼し、その燃焼ガスを用いて鋼材を加熱する。
【００３２】
鋼材の加熱後の温度としては、特に限定されないが、例えば１１００℃以上１３００℃以下とできる。また、上記燃料ガスとしては、特に限定されないが、例えばコークス炉ガス（Ｃガス）、コークス炉ガスと高炉ガスとの混合ガス（Ｍガス）等を用いることができる。
【００３３】
加熱炉２としては、公知の加熱炉を用いることができる。公知の加熱炉としては、例えばウォーキングビーム式の搬送装置が配設され、鋼材が加熱炉２の装入側端部から抽出側端部まで移動する間に、鋼材の上下に配設された複数のバーナーで燃料ガスを燃焼させ、装入側から順に予熱帯、加熱帯及び均熱帯で鋼材の温度を制御する加熱炉を挙げることができる。上記加熱炉は、急速な加熱によって歪みが生じないように予熱帯で比較的緩やかな温度上昇速度で鋼材を加熱した後、加熱帯で目標の温度となるように比較的高い温度上昇速度で鋼材を加熱し、均熱帯で温度むらを解消するように緩やかに鋼材を加熱する。
【００３４】
また、当該加熱装置１は、鋼材の加熱に用いられた後の燃焼ガス、すなわち排ガスを第１排ガス流路６ａ及び第２排ガス流路６ｂを介して、予熱炉３の排ガスと熱交換器４の排ガスとに分配して供給することができる。この排ガスの第１排ガス流路６ａ及び第２排ガス流路６ｂへの取出口は、加熱炉２の装入口側に配設することが好ましい。上記取出口を装入口側に配設することで、燃焼ガスの流れる方向と鋼材の搬送方向とが対向するので、鋼材を効率的に加熱することができる。この排ガスの温度としては、燃料ガスの燃焼条件等により決まるが、例えば５００℃以上９００℃以下である。また、排ガスの流量としては、燃料ガスの燃焼条件等により決まるが、例えば１００００Ｎｍ３／ｈ以上５００００Ｎｍ３／ｈ以下である。
【００３５】
加熱炉２で加熱される鋼材の量（流量）としては、操業条件等に依存して決まるが、例えば１００ｔ／ｈ以上２５０ｔ／ｈ以下とできる。
【００３６】
＜予熱炉＞
予熱炉３は、第３搬送装置５ｃにより予熱炉３の装入口から装入された鋼材を予熱する。具体的には、予熱炉３は、加熱炉２から排気される排ガスのうち第１排ガス流路６ａを介して供給される排ガスを予熱ガスとして用いて鋼材を予熱する。また、予熱に用いた後の排ガスは、第３排ガス流路６ｃにより回収され、煙突７から排気される。予熱後の鋼材は、予熱炉３の抽出口から第１搬送装置５ａへ抽出される。
【００３７】
予熱炉３としては、予熱ガス（排ガス）と鋼材との間で熱交換ができるものであれば、特に限定されない。例えば予熱炉３は、耐火煉瓦等の断熱材で形成された炉体と、この炉体内を予熱炉３の装入口から抽出口へ鋼材を搬送する機構とを備え、炉体内部を搬送される鋼材と接するように予熱ガスを炉体内部に流通させることで熱交換を行う予熱炉を用いることができる。
【００３８】
第１排ガス流路６ａからの排ガスの取込口は、予熱炉３の抽出口側に配設することが好ましい。また、第３排ガス流路６ｃへの排ガスの排気口は、予熱炉３の装入口側に配設することが好ましい。このように排ガスの取込口及び排気口を配設することで、排ガスの流れる方向と鋼材の搬送方向とが対向するので、鋼材を効率的に予熱することができる。
【００３９】
予熱炉３での予熱後の鋼材の温度の下限としては、１５０℃が好ましく、２００℃がより好ましい。一方、予熱炉３での予熱後の鋼材の温度の上限としては、７００℃が好ましく、６００℃がより好ましい。予熱炉３での予熱後の鋼材の温度が上記下限未満である場合、予熱炉３の抽出口付近においても鋼材の温度が低いため、予熱炉３内で排ガスから鋼材への総伝熱量が多くなる。このため、排ガス温度が酸露点温度以下に低下し易く、排ガスの酸露点腐食による予熱炉３の設備の劣化や破損が発生するおそれがある。逆に、予熱炉３での予熱後の鋼材の温度が上記上限を超える場合、排ガスと鋼材との温度差が小さくなるため、排ガスから鋼材への総伝熱量が小さくなる。このため、当該加熱装置１のエネルギー効率が低下するおそれがある。なお、この酸凝縮は排ガスの温度が低下した際に発生し、酸凝縮が始まる温度を「酸露点温度」という。
【００４０】
予熱炉３での鋼材の予熱前後の温度差の下限としては、１００℃が好ましく、１５０℃がより好ましい。一方、予熱炉３での鋼材の予熱前後の温度差の上限としては、４００℃が好ましく、３００℃がより好ましい。上記予熱前後の温度差が上記下限未満である場合、排ガスから鋼材への総伝熱量が小さくなり、当該加熱装置１のエネルギー効率が低下するおそれがある。逆に、上記予熱前後の温度差が上記上限を超える場合、排ガス温度が酸露点温度以下に低下し易く、排ガスの酸露点腐食による予熱炉３の設備の劣化や破損が発生するおそれがある。
【００４１】
＜熱交換器＞
熱交換器４は、加熱炉２のバーナーに供給する燃焼用空気を予熱する。具体的には、熱交換器４は、加熱炉２から排気される排ガスのうち第２排ガス流路６ｂを介して供給される排ガスと燃焼用空気流路１１を介して供給される燃焼用空気との間で熱交換を行うことで燃焼用空気を予熱する。
【００４２】
熱交換器４としては、燃焼用空気を予熱できる限り特に限定されないが、例えば公知のレキュペレーターやリジェネバーナー等を用いることができる。
【００４３】
熱交換器４での予熱後の燃焼用空気の温度の下限としては、１５０℃が好ましく、２００℃がより好ましい。一方、熱交換器４での予熱後の燃焼用空気の温度の上限としては、７００℃が好ましく、６００℃がより好ましい。熱交換器４での予熱後の燃焼用空気の温度が上記下限未満である場合、熱交換器４の出口付近においても燃焼用空気の温度が低いため、熱交換器４内で排ガスから燃焼用空気への総伝熱量が多くなる。このため、排ガス温度が酸露点温度以下に低下し、排ガスの酸露点腐食による熱交換器４の設備の劣化や破損が発生するおそれがある。逆に、熱交換器４での予熱後の燃焼用空気の温度が上記上限を超える場合、排ガスと燃焼用空気との温度差が小さくなるため、排ガスから燃焼用空気への総伝熱量が小さくなる。このため、エネルギー効率が低下するおそれがある。
【００４４】
＜搬送装置＞
搬送装置は、鋼材をストックヤードＸから抽出し、予熱炉３及び加熱炉２を経由して当該加熱装置１の鋼材搬出口へ搬送することができる。具体的には、まず第１搬送装置５ａはストックヤードＸから抽出された鋼材を第２搬送装置５ｂへ搬送し、第２搬送装置５ｂが上記鋼材を第３搬送装置５ｃへ搬送する。そして第３搬送装置５ｃは上記鋼材を予熱炉３の装入口に搬送し、上記鋼材が予熱炉３に装入される。次に、第１搬送装置５ａは、予熱炉３の抽出口から抽出された予熱済みの鋼材を加熱炉２の装入口に搬送し、上記鋼材が加熱炉２に装入される。最後に、第３搬送装置５ｃは、加熱炉２の抽出口から抽出された加熱済みの鋼材を当該加熱装置１から次工程の装置、例えば圧延機へ搬出する。
【００４５】
ここで第１搬送装置５ａにより鋼材を搬送できるストックヤードＸ、予熱炉３の抽出口、加熱炉２の装入口、及び第３搬送装置５ｃが第１搬送装置５ａの搬送方向に沿ってこの順に配設されるとよい。また、第３搬送装置５ｃにより鋼材を搬送できる第２搬送装置５ｂ、加熱炉２の抽出口、予熱炉３の装入口、及び当該加熱装置１の鋼材搬出口が第２搬送装置５ｂの搬送方向に沿ってこの順に配設されるとよい。このように配設することで、例えばストックヤードＸから第２搬送装置５ｂへ鋼材を搬送する方向と、予熱炉３の抽出口から加熱炉２の装入口へ装入する方向とが一致する。従って、第１搬送装置５ａ、第２搬送装置５ｂ及び第３搬送装置５ｃは、鋼材を同一方向に搬送する簡便な構成とできる。また、鋼材の搬送方向が同一であるので、当該加熱装置１は、鋼材を連続して処理することができる。なお、第１搬送装置５ａ、第２搬送装置５ｂ及び第３搬送装置５ｃが双方向に搬送可能である場合は、上述の配置には限定されない。
【００４６】
上記搬送装置としては、特に限定されず、公知の搬送装置、例えばローラコンベア等を用いることができる。
【００４７】
＜排ガス流量調整弁＞
第１排ガス流量調整弁８ａは、上記第１排ガス流路６ａに供給する排ガスの流量を主に調整する。また、第２排ガス流量調整弁８ｂは、上記第２排ガス流路６ｂに供給する排ガスの流量を主に調整する。これら第１排ガス流量調整弁８ａ及び第２排ガス流量調整弁８ｂの開閉量を調整することで、当該加熱装置１は、予熱炉３及び熱交換器４へ供給する排ガス流量を精度よく調整することができる。なお、この開閉量の調整は、後述する制御機構１５により行われる。
【００４８】
上記排ガス流量調整弁としては、特に限定されないが、例えば公知のダンパ等を用いることができる。
【００４９】
また、第１排ガス流量調整弁８ａは、予熱炉３に供給する排ガスを遮断できるとよい。このように第１排ガス流量調整弁８ａにより予熱炉３に供給する排ガスを遮断することで、当該加熱装置１は、排ガスの全量を熱交換器４に供給することができる。このため、例えば予熱炉３に鋼材が装入されておらず予熱炉３へ排ガスを供給する必要がない場合、排ガスの全量を熱交換器４に供給することで、当該加熱装置１のエネルギー効率を高められる。
【００５０】
＜燃料ガス流量調整弁＞
燃料ガス流量調整弁１０は、加熱炉２へ流入する燃料ガス流量を調整する。この燃料ガス流量調整弁１０の開閉度を調整することで、当該加熱装置１は、加熱炉２から抽出される鋼材の温度を調整できる。なお、この開閉量の調整は、後述する制御機構１５により行われる。
【００５１】
上記燃料ガス流量調整弁１０としては、特に限定されないが、例えば公知のダンパ等を用いることができる。
【００５２】
＜バイパス流量調整弁＞
バイパス流量調整弁１３は、熱交換器４を迂回させる燃焼用空気の流量を調整する。このバイパス流量調整弁１３により当該加熱装置１は燃焼用空気の一部を上記バイパス流路１２へ流すことができる。
【００５３】
上記バイパス流量調整弁１３としては、特に限定されないが、例えば公知のダンパ等を用いることができる。
【００５４】
また、バイパス流量調整弁１３は、バイパス流路１２に迂回させる燃焼用空気を遮断できるとよい。このようにバイパス流路１２に迂回させる燃焼用空気を遮断することで、燃焼用空気の全量を熱交換器４に供給できる。このため、例えば燃焼用空気への伝熱後も排ガスの温度が酸露点温度以下とならない場合、燃焼用空気の全量を熱交換器４に供給することで、当該加熱装置１のエネルギー効率を高められる。
【００５５】
＜測定器＞
測定器１４は、上述の重量計、温度計、及び流量計により、予熱炉３へ装入される鋼材の重量Ｍ１、加熱炉２へ装入される鋼材の重量Ｍ２、加熱前の鋼材の温度Ｔ１、予熱後の鋼材の温度Ｔ２、上記予熱炉３から排気される排ガスの温度Ｔ３、上記熱交換器４から排気される排ガスの温度Ｔ４、加熱炉２から排気される排ガスの温度Ｔ５、加熱後の鋼材の温度Ｔ６、加熱炉２へ供給する燃料の流量ＱＦ、及び熱交換器４へ流入する燃焼用空気の流量ＱＡを測定する。上記測定器１４の測定結果は、後述する制御機構１５に送られる。
【００５６】
予熱炉３へ装入される鋼材の重量Ｍ１及び加熱炉２へ装入される鋼材の重量Ｍ２を測定する重量計としては、例えば公知のロードセル等を用いることができる。また、予熱炉３へ装入される鋼材の重量Ｍ１の測定位置は、予熱炉３へ鋼材が装入されるより前であれば特に限定されないが、例えば第３搬送装置５ｃの予熱炉３の装入口手前とできる。加熱炉２へ装入される鋼材の重量Ｍ２の測定位置は、加熱炉２へ鋼材が装入されるより前であれば特に限定されないが、例えば第１搬送装置５ａの加熱炉２の装入口手前とできる。
【００５７】
加熱前の鋼材の温度Ｔ１、予熱後の鋼材の温度Ｔ２、上記予熱炉３から排気される排ガスの温度Ｔ３、上記熱交換器４から排気される排ガスの温度Ｔ４、及び加熱炉２から排気される排ガスの温度Ｔ５を測定する温度計としては、例えば公知の放射温度計等を用いることができる。また、加熱前の鋼材の温度Ｔ１の測定位置は、特に限定されないが、例えば第１搬送装置５ａのストックヤードＸからの鋼材抽出口の下流側とできる。予熱後の鋼材の温度Ｔ２の測定位置は、特に限定されないが、例えば第１搬送装置５ａの予熱炉３の抽出口の下流側とできる。予熱炉３から排気される排ガスの温度Ｔ３の測定位置は、特に限定されないが、例えば第３排ガス流路６ｃの予熱炉３の排ガス排気口の下流側とできる。熱交換器４から排気される排ガスの温度Ｔ４の測定位置は、特に限定されないが、例えば第４排ガス流路６ｄの熱交換器４の排ガス排気口の下流側とできる。加熱炉２から排気される排ガスの温度Ｔ５の測定位置は、特に限定されないが、例えば排ガスの第１排ガス流路６ａ及び第２排ガス流路６ｂへの取出口を結ぶ直線上とできる。加熱後の鋼材の温度Ｔ６の測定位置は、特に限定されないが、例えば第３搬送装置５ｃの加熱炉２の抽出口の下流側とできる。
【００５８】
加熱炉２へ供給する燃料の流量ＱＦ、及び熱交換器４へ流入する燃焼用空気の流量ＱＡを測定する流量計としては、例えば公知の電磁流量計等を用いることができる。また、加熱炉２へ供給する燃料の流量ＱＦの測定位置は、特に限定されないが、例えば燃料ガス流路９の燃料ガス流量調整弁１０の上流側とできる。熱交換器４へ流入する燃焼用空気の流量ＱＡの測定位置は、特に限定されないが、例えば燃焼用空気流路１１の熱交換器４の上流側とできる。
【００５９】
＜制御機構＞
制御機構１５は、上記測定器１４の測定結果に基づき、予熱炉３の排ガスの予測温度及び熱交換器４の排ガスの予測温度が酸露点温度以下とならない範囲で、上記排ガス流量調整機構すなわち上記排ガス流量調整弁を用いてエネルギー効率が最大化されるように予熱炉３及び熱交換器４へ供給する排ガス流量比を制御する。
【００６０】
具体的には、まず、ある排ガスの流量比を仮定し、予熱炉３の排ガスの予測温度及び熱交換器４の排ガスの予測温度を算出する。上記予測温度の算出には、以下に示す熱交換器４のエネルギー効率η１を算出する計算式（１）、及び予熱炉３のエネルギー効率η２を算出する計算式（２）を用いる。
【数１】
2017141493.tif 000003
ここで、Ｃｐ−ａｉｒは空気の比熱［Ｊ／ｋｇ／Ｋ］を意味し、Ｃｐ−ｅｘは排ガスの比熱［Ｊ／ｋｇ／Ｋ］を意味する。また、Ｃｐ−ｓｔｅｅｌは鋼材の比熱［Ｊ／ｋｇ／Ｋ］を意味する。これらは、それぞれ鋼材や燃料ガス等の種類に依存した定数である。また、Ｑｅｘ−ａｉｒが熱交換器４に供給される排ガスの流量［Ｎｍ３／ｈ］、Ｑｅｘ−ｓｔｅｅｌが予熱炉３に供給される排ガスの流量［Ｎｍ３／ｈ］を表す。この排ガスの流量Ｑｅｘ−ａｉｒ及びＱｅｘ−ｓｔｅｅｌは燃焼用空気の流量ＱＡ、燃料ガスの流量ＱＦ及び排ガス流量調整弁の開閉量により決まる量である。また、Ｔａｉｒは、予熱後の燃焼用空気の温度［℃］を意味する。なお、上式では予熱前の燃焼用空気の温度として２５℃を想定しているが、この温度は操業条件等に応じ適宜適切な温度に変更可能である。また、上式では予熱炉３へ装入する鋼材の選択温度として１００℃を想定しており、Ｔ１（＜１００℃）とは、加熱前の鋼材の温度が１００℃未満である鋼材に対してのみ演算を行うことを意味する。この予熱炉３へ装入する鋼材の選択温度は操業条件等に応じ適宜適切な温度に変更可能である。
【００６１】
さらに詳細に述べると、予熱炉３の排ガスの予測温度及び熱交換器４の排ガスの予測温度は、式（１）及び式（２）を用いてＴ３及びＴ４の値を求めることで算出する。ここで、予熱炉３へ装入される鋼材の重量Ｍ１、予熱後の鋼材の温度Ｔ２、及び加熱炉２から排気される排ガスの温度Ｔ５は、測定器で測定された測定結果を用いる。また、Ｑｅｘ−ａｉｒ及びＱｅｘ−ｓｔｅｅｌの算出に必要な加熱炉２へ供給する燃料の流量ＱＦ及び熱交換器４へ流入する燃焼用空気の流量ＱＡも、測定器で測定された測定結果を用いる。また、加熱前の鋼材の温度Ｔ１及び予熱後の鋼材の温度Ｔ２は、測定器の測定結果を用いてもよいが、操業条件から想定される温度（固定値）を用いてもよい。熱交換器４のエネルギー効率η１、予熱炉３のエネルギー効率η２、及び予熱後の燃焼用空気の温度Ｔａｉｒは、操業条件から想定されるエネルギー効率や温度（いずれも固定値）を用いる。なお、実際には流量比を変え排ガスの流量Ｑｅｘ−ａｉｒ又はＱｅｘ−ｓｔｅｅｌを変更するとＴ２やＴａｉｒの温度が変化する。そこで上記式（１）、（２）を繰り返し計算することで収束解を得るようにするとよい。このように収束解を得ることで、Ｔ３及びＴ４の算出精度が向上する。
【００６２】
次に、当該加熱装置１全体のエネルギー効率Ｒを算出する。上記エネルギー効率Ｒの算出には、以下に示す当該加熱装置１全体のエネルギー効率Ｒの計算式（３）を用いる。
【数２】
2017141493.tif 000004
ここで、Ｈｖ−ｆｕｅｌは燃料ガスの単位体積当たりの発熱量［Ｊ／ｍ３］を意味し、燃料ガスの種類に依存した固定値である。なお、上式では鋼材の加熱後の温度として１２００℃を想定しているが、上式は、適宜所望の加熱温度に変更して用いることができる。また、Ｔ１（≧１００℃）とは、加熱前の鋼材の温度が１００℃以上である鋼材に対して演算を行うことを意味する。
【００６３】
さらに詳細に述べると、エネルギー効率Ｒは、予熱炉３へ装入される鋼材の重量Ｍ１、加熱炉２へ装入される鋼材の重量Ｍ２、加熱前の鋼材の温度Ｔ１、予熱後の鋼材の温度Ｔ２、及び加熱炉２へ供給する燃料の流量ＱＦを上記式（３）に代入することで算出できる。これらの重量及び温度は、測定器により測定される重量や温度を用いることができる。
【００６４】
また、上記式（３）では、予熱及び加熱によって鋼材が得た熱量を元にエネルギー効率Ｒを算出したが、有効に使われた排ガス顕熱と予熱及び加熱によって鋼材が得た熱量とが等しいと考えられることを利用して、上記エネルギー効率Ｒは下記式（４）により算出してもよい。
【数３】
2017141493.tif 000005
【００６５】
制御機構１５は、上述の予熱炉３の排ガスの予測温度及び熱交換器４の排ガスの予測温度並びにエネルギー効率計算を流量比を変化させて行う。これらの計算結果から制御機構１５は、予熱炉３の排ガスの予測温度及び熱交換器４の排ガスの予測温度が酸露点温度以下とならない範囲で当該加熱装置１のエネルギー効率Ｒが最大化されるように上記排ガス流量調整弁の開閉量を調節する。なお、酸露点温度は、排ガスに含まれる湿度等にも依存するが、通常１４０℃以上１６０℃以下である。
【００６６】
また、「エネルギー効率が最大化されるように予熱炉及び熱交換器へ供給する排ガス流量比を調整する」とは、エネルギー効率が最大となる排ガス流量比の理論値に対して、排ガス流量比が一定の差分内に収まるように排ガス流量比を調整することをいう。制御機構１５により調整された排ガス流量比と上記理論値との差分の上限としては、１０％が好ましく、５％がより好ましい。上記差分が上記上限を超える場合、エネルギー効率が不十分となるおそれがある。一方、上記差分の下限は特に限定されず、０％である。
【００６７】
流量比を変化させてエネルギー効率Ｒが最大となる流量比を探索する方法としては、特に限定されないが、例えば予熱炉へ供給する排ガスの流量の排ガス全体の流量に対する比を離散的に複数設定し、その流量比におけるエネルギー効率Ｒの算出結果からエネルギー効率Ｒを流量比の多項次関数として近似し、その関数が最大となる流量比を算出する方法を用いることができる。また、エネルギー効率Ｒが最大となる流量比は、二分木探索等の公知の収束計算によって算出してもよい。
【００６８】
また、制御機構１５は、予熱炉３へ装入する鋼材の選択により予熱炉３から排気される排ガスが所定温度以上となるように排ガス温度を制御する。具体的には、制御機構１５は、温度計により測定される予熱炉３の排ガス温度Ｔ３が例えば酸露点温度未満まで低下している場合、予熱炉３への鋼材の装入を行わず直接加熱炉２へ鋼材を装入する。又は、制御機構１５は予熱炉３の排ガス温度Ｔ３が酸露点温度以上となるように上記排ガス流量調整弁の開閉量を調節してもよいし、予熱炉３へ装入する鋼材の選択と上記排ガス流量の調整との両方を行ってもよい。
【００６９】
このように制御機構１５が予熱炉３から排気される排ガスが酸露点温度以上となるように排ガス温度を制御する機構を備えることで、排ガスの酸露点腐食による予熱炉３等の設備の劣化や破損を抑止できる。
【００７０】
また、制御機構１５は、燃焼用空気の一部をバイパス流路１２へ流すことにより熱交換器４から排気される排ガスが所定温度以上となるように排ガス温度を制御する。具体的には、温度計により測定される熱交換器４の排ガス温度Ｔ４が例えば酸露点温度未満まで低下している場合、制御機構１５はバイパス流量調整弁１３の開閉量を調整して、バイパス流路１２を流れる燃焼用空気の量を増加させる。又は、制御機構１５は予熱炉３の排ガス温度Ｔ３が酸露点温度以上となるように上記排ガス流量調整弁の開閉量を調節してもよいし、バイパス流路１２へ流す燃焼量空気の量の調整と上記排ガス流量の調整との両方を行ってもよい。
【００７１】
このように熱交換器４から排気される排ガスが酸露点温度以上となるように排ガス温度を制御する機構を備えることで、酸露点腐食による熱交換器４等の設備の劣化や破損を抑止できる。
【００７２】
また、制御機構１５は、加熱後の鋼材の温度が所定範囲内となるように上記燃料ガス流量調整機構を用いて上記燃料ガス流量を制御する。具体的には温度計により測定される加熱後の鋼材の温度Ｔ６が所望の温度、例えば１２００℃未満まで低下している場合、制御機構１５は燃料ガス流量調整弁１０の開閉量を調整して、燃料ガス流路９を流れる燃料ガスの量を増加させる。一方、温度計により測定される加熱後の鋼材の温度Ｔ６が所望の温度を超えている場合、制御機構１５は燃料ガス流量調整弁１０の開閉量を調整して、燃料ガス流路９を流れる燃料ガスの量を減少させる。
【００７３】
このように燃料ガス流量調整弁１０の開閉量を調節することで、予熱炉３及び熱交換器４へ供給する排ガス流量比が変化した場合においても加熱炉２から抽出される鋼材の温度を所望の温度に調整できる。このため、当該加熱装置１は、エネルギー効率を高めつつ、安定した操業ができる。
【００７４】
また、制御機構１５は、加熱前の鋼材の温度Ｔ１により予熱炉３へ装入する鋼材を選択する機構を備える。具体的には、加熱前の鋼材の温度Ｔ１を測定する温度計の測定結果に基づき、加熱前の鋼材の温度Ｔ１が所定温度未満である場合に鋼材を予熱炉３へ装入し、加熱前の鋼材の温度Ｔ１が上記所定温度以上である場合には鋼材が予熱炉３を経由せず直接加熱炉２に装入されるように制御機構１５が第１搬送装置５ａを制御する。加熱前の鋼材の温度が比較的高い鋼材を予熱炉３へ装入すると、排ガス温度と鋼材との温度差が小さいため排ガスから鋼材への伝熱効率が低下する。このため、一定量の排ガスの顕熱を回収するには加熱前の鋼材の温度が低い場合に比べ、鋼材を予熱路内に長く滞在させる必要があり、生産性が低下する。従って、加熱前の鋼材の温度により予熱炉３へ装入する鋼材を選択することで生産性の低下が抑止でき、燃料原単位を減らすことができる。
【００７５】
鋼材を予熱炉３へ装入するか否かを選択する基準となる温度の上限としては、２００℃が好ましく、１５０℃がより好ましい。上記基準温度が上記上限を超える場合、排ガスの顕熱を回収するために鋼材を予熱炉３内に長く滞在させる必要があり、生産性が低下するおそれがある。一方、上記基準温度の下限は、特に限定されない。
【００７６】
＜鋼材の加熱方法＞
当該加熱装置１を用いた鋼材の加熱方法は、鋼材を予熱炉により予熱する工程と、鋼材を加熱炉により加熱する工程と、排ガスの流量を調整する工程とを備える。
【００７７】
予熱工程では、鋼材を予熱する。具体的には、まず、搬送装置を用いて鋼材をストックヤードＸから抽出し、予熱炉へ装入する。次に、予熱炉内で装入された鋼材を排ガスにより予熱する。最後に、予熱後の鋼材を予熱炉の抽出口から抽出する。
【００７８】
加熱工程では、鋼材を加熱する。具体的には、まず予熱後の鋼材又はストックヤードＸから抽出した鋼材を搬送装置を用いて加熱炉へ装入する。次に、加熱路内で装入された鋼材をバーナーから噴出される燃焼ガスにより加熱する。最後に、加熱後の鋼材を加熱炉の抽出口から抽出し、当該加熱装置１から次工程の装置、例えば圧延機へ搬出する。
【００７９】
排ガス流量調整工程では、制御機構１５により排ガスの流量を調整する。この排ガス流量調整工程は、図２に示すように加熱前の鋼材の温度に基づいて予熱炉へ装入する鋼材を選択する工程（Ｓ１）と、エネルギー効率が最大化されるように上記予熱炉及び上記熱交換器へ供給する排ガス流量比を調整する工程（Ｓ２）と、予熱炉へ装入する鋼材の選択により上記予熱炉から排気される排ガスが所定温度以上となるように排ガス温度を調整する工程（Ｓ３）と、燃焼用空気の一部又は全部を上記バイパス流路へ流すことにより上記熱交換器から排気される排ガスが所定温度以上となるように排ガス温度を調整する工程（Ｓ４）と、加熱後の鋼材の温度が所定範囲内となるように燃料ガス流量を調整する工程（Ｓ５）とを備える。
【００８０】
まず、鋼材の予熱炉への装入選択工程（Ｓ１）において、制御機構１５の鋼材選択機構により、加熱前の鋼材の温度Ｔ１に基づいて鋼材を予熱炉３を経ずに加熱炉２へ装入するか否かを選択する。
【００８１】
次に、排ガス流量比調整工程（Ｓ２）において、制御機構１５の排ガス流量比制御機構により、測定器の測定結果に基づいて予熱炉３の排ガスの予測温度及び熱交換器４の排ガスの予測温度を算出する。この算出結果に基づき制御機構１５はさらに上記予測温度が酸露点温度より大きく、かつエネルギー効率が最大となる流量比を算定する。そして算定した流量比となるように排ガス流量調整弁の開閉量を調節する。
【００８２】
次に、予熱炉の排ガス温度調整工程（Ｓ３）において、制御機構１５の予熱器３から排気される排ガス温度の制御機構により、予熱器３の排ガス温度Ｔ３に基づいて鋼材を予熱炉３を経ずに加熱炉２へ装入するか否かを選択する。具体的には、温度計により測定される予熱炉３の排ガス温度Ｔ３が例えば酸露点温度未満まで低下している場合、制御機構１５により予熱炉３への鋼材の装入を行わず直接加熱炉２へ鋼材を装入する。これにより予熱炉３で排ガスから鋼材に回収される顕熱が減少するので、予熱炉３から排気される排ガスの温度が高まる。従って、排ガス温度Ｔ３が酸露点温度以上となるように調整できる。
【００８３】
次に、熱交換器の排ガス温度調整工程（Ｓ４）において、制御機構１５の熱交換器４から排気される排ガス温度の制御機構により、熱交換器４の排ガス温度Ｔ４に基づいてバイパス流量調整弁１３の開閉量の調整する。これにより制御機構１５は、バイパス流路１２を流れる燃焼用空気の量を調整する。具体的には、温度計により測定される熱交換器４の排ガス温度Ｔ４が例えば酸露点温度未満まで低下している場合、制御機構１５によりバイパス流路１２を流れる燃焼用空気の量を増加させる。これにより熱交換器４で排ガスから燃焼用空気に回収される顕熱が減少するので、熱交換器４から排気される排ガスの温度が高まる。従って、熱交換器４から排気される排ガス温度が酸露点温度以上となるように調整できる。
【００８４】
次に、燃料ガス流量調整工程（Ｓ５）において、制御機構１５の燃料ガス流量調整弁１０の開閉量調節機構により、燃料ガス流路９に供給される燃料ガスの量を調整する。具体的には、加熱後の鋼材の温度が所定温度より低い場合は制御機構１５により燃料ガスの量を増加させ、加熱後の鋼材の温度が所定温度より高い場合は制御機構１５により燃料ガスの量を減少させる。
【００８５】
上記排ガス流量比調整工程（Ｓ２）から燃料ガス流量調整工程（Ｓ５）までの工程は、鋼材が予備炉３及び加熱炉２に装入されるごとに行われる。
【００８６】
＜利点＞
当該加熱装置１は、第１排ガス流路６ａ及び第２排ガス流路６ｂにより加熱炉から排気される排ガスを予熱炉３の予熱ガスと熱交換器４の予熱ガスとに分配して供給できる。このため、当該加熱装置１は、予熱ガスの顕熱を予熱炉３及び熱交換器４それぞれで回収できるので、予熱炉３又は熱交換器４のいずれか一方で回収する場合に比べて、多くの予熱ガスの顕熱が回収できる。また、当該加熱装置１は加熱炉２から排気される排ガスを予熱炉３及び熱交換器４に並列に供給するので、加熱炉２から排気される排ガスの温度を大きく低下させることなく、上記予熱炉３及び上記熱交換器４に予熱ガスを供給できる。このため、当該加熱装置１は、供給される予熱ガスと鋼材や燃焼用空気との温度差が確保し易いので、予熱ガスから鋼材や燃焼用空気への伝熱効率がよい。従って、当該加熱装置１はエネルギー効率が高い。
【００８７】
［第２実施形態］
図２に示す加熱装置２０は、２基の加熱炉（第１加熱炉２ａ及び第２加熱炉２ｂ）と２基の予熱炉（第１予熱炉３ａ及び第２予熱炉３ｂ）と２基の熱交換器（第１熱交換器４ａ及び第２熱交換器４ｂ）とを備える。上記第１加熱炉２ａから排気される排ガスは第１予熱炉３ａ及び第１熱交換器４ａに供給され、上記第１熱交換器４ａにより予熱された燃焼用空気は第１加熱器２ａに供給される。また、上記第２加熱炉２ｂから排気される排ガスは第２予熱炉３ｂ及び第２熱交換器４ｂに供給され、上記第２熱交換器４ｂにより予熱された燃焼用空気は第２加熱器２ｂに供給される。
【００８８】
また、当該加熱装置２０は、２基の予熱炉に供給する排ガスの流量をそれぞれ調整する排ガス流量調整弁（第１排ガス流量調整弁８ｃ及び第２排ガス流量調整弁８ｄ）を備える。上記第１排ガス流量調整弁８ｃは、上記第１加熱炉２ａから第１予熱炉３ａへ排ガスを分配供給する第１排ガス流路６ａに配設される。また、上記第２排ガス流量調整弁８ｄは、上記第２加熱炉２ｂから第２予熱炉３ｂへ排ガスを分配供給する第１排ガス流路６ａに配設される。
【００８９】
また、当該加熱装置２０は、第１予熱炉３ａへ装入される鋼材の重量Ｍ１１を測定する重量計２１ａ、第２予熱炉３ｂへ装入される鋼材の重量Ｍ１２を測定する重量計２１ｂ、第１加熱炉２ａへ装入される鋼材の重量Ｍ２１を測定する重量計２１ｃ、第２加熱炉２ｂへ装入される鋼材の重量Ｍ２２を測定する重量計２１ｄ、加熱前の鋼材の温度Ｔ１を測定する温度計２１ｅ、第１予熱炉３ａでの予熱後の鋼材の温度Ｔ２１を測定する温度計２１ｆ、第２予熱炉３ｂでの予熱後の鋼材の温度Ｔ２２を測定する温度計２１ｇ、第１予熱炉３ａから排気される排ガスの温度Ｔ３１を測定する温度計２１ｈ、第２予熱炉３ｂから排気される排ガスの温度Ｔ３２を測定する温度計２１ｉ、第１熱交換器４ａから排気される排ガスの温度Ｔ４１を測定する温度計２１ｊ、第２熱交換器４ｂから排気される排ガスの温度Ｔ４２を測定する温度計２１ｋ、第１加熱炉２ａへ装入される鋼材の温度Ｔ５１を測定する温度計２１ｌ、第２加熱炉２ｂへ装入される鋼材の温度Ｔ５２を測定する温度計２１ｍ、第１加熱炉２ａへ供給する燃料の流量ＱＦ１を測定する流量計２１ｎ、第２加熱炉２ｂへ供給する燃料の流量ＱＦ２を測定する流量計２１ｏ、第１熱交換器４ａへ流入する燃焼用空気の流量ＱＡ１を測定する流量計２１ｐ、及び第２熱交換器４ｂへ流入する燃焼用空気の流量ＱＡ２を測定する流量計２１ｑを備える。また、当該加熱装置２０は、上記重量計、温度計及び流量計の測定結果に基づき上記排ガス流量調整弁の開閉量を調整する制御機構２２を備える。
【００９０】
搬送装置、排ガス流路、煙突７、燃料ガス流路９、及び燃焼用空気流路１１については、第１実施形態の加熱装置１と同様のため、同一符合を付して説明を省略する。また、個々の加熱炉、予熱炉、及び熱交換器については、第１実施形態の加熱装置１の加熱炉２、予熱炉３、及び熱交換器４と同様のため、説明を省略する。
【００９１】
＜測定器＞
測定器は上述の緒量を重量計、温度計及び流量計により測定する。上記測定器の測定結果は、後述する制御機構２２に送られる。上記重量計、温度計及び流量計は、第１実施形態の測定器と同様のものを用いることができる。
【００９２】
第１加熱炉２ａへ装入される鋼材の温度Ｔ５１の測定位置としては、第１搬送装置５ａの第１加熱炉２ａの装入口の上流側とできる。また、第２加熱炉２ｂへ装入される鋼材の温度Ｔ５２の測定位置としては、第１搬送装置５ａの第２加熱炉２ｂの装入口の上流側とできる。加熱炉２へ装入される鋼材の温度Ｔ５１、Ｔ５２以外の温度、重量及び流量の測定位置は、第１実施形態の測定器の測定位置と同様とできる。
【００９３】
＜制御機構＞
制御機構２２は、加熱前の鋼材の温度Ｔ１により予熱炉３へ装入する鋼材を選択する機構を備える。具体的には、加熱前の鋼材の温度Ｔ１を測定する測定器２１の測定結果に基づき、制御機構２２が加熱前の鋼材の温度Ｔ１が所定温度未満である場合、鋼材は予熱炉を経由して加熱炉へ装入される。加熱前の鋼材の温度Ｔ１が上記所定温度以上である場合には、鋼材が予熱炉を経由せず直接加熱炉に装入されるように第１搬送装置５ａを制御する。なお、予熱炉へ装入される鋼材は第１予熱炉３ａで予熱された後、第２予熱炉３ｂへ装入され、さらに予熱される。一方、予熱後の鋼材又は予熱炉を経由しない鋼材は、第１加熱炉２ａ又は第２加熱炉２ｂのいずれかに装入される。
【００９４】
また、制御機構２２は、上記測定器２１の測定結果に基づき、上記排ガス流量調整弁の開閉量の調節により予熱炉及び熱交換器へ供給する排ガス流量比を制御する機構を備える。具体的には、第１予熱炉３ａ、第２予熱炉３ｂ、第１熱交換器４ａ、及び第２熱交換器４ｂに対して第１実施形態で述べた熱交換器４のエネルギー効率の計算式（１）及び予熱炉３のエネルギー効率の計算式（２）を連立し、当該加熱装置２０全体のエネルギー効率が最大となるように逐次加速緩和法（ＳＯＲ法；Ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ  Ｏｖｅｒ  Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ法）等を用いて集束計算を行うことで、上記排ガス流量調整弁の開閉量を決定できる。なお、第２実施形態では、測定器２１は加熱炉２から排気される排ガスの温度を測定しない。この場合、計算式（１）及び計算式（２）に用いられる加熱炉から排気される排ガスの温度Ｔ５１、Ｔ５２としては、操業条件から想定される温度（固定値）を用いる。例えば加熱炉から排気される排ガスの温度Ｔ５１、Ｔ５２としては、鋼材の加熱温度が１２００℃である場合、８００℃とできる。
【００９５】
＜鋼材の加熱方法＞
当該加熱装置２０を用いた鋼材の加熱は、鋼材を予熱炉により予熱する工程と、鋼材を加熱炉により加熱する工程と、排ガスの流量を調整する工程とを備える加熱方法により行える。予熱工程及び加熱工程は第１実施形態における予熱工程及び加熱工程と同様であるので説明を省略する。
【００９６】
排ガス流量調整工程は、制御機構２２により排ガスの流量を調整する。この排ガス流量調整工程は、鋼材の予熱炉への装入選択工程及び排ガス流量比調整工程を備える。
【００９７】
まず、鋼材の予熱炉への装入選択工程において、制御機構２２の鋼材選択機構により、加熱前の鋼材の温度Ｔ１に基づいて鋼材を予熱炉を経ずに加熱炉へ装入するか否かを選択する。
【００９８】
次に、排ガス流量比調整工程において、制御機構２２の排ガス流量比制御機構により、測定器の測定結果に基づいて予熱炉の排ガスの予測温度及び熱交換器の排ガスの予測温度を算出する。この算出結果に基づき制御機構２２はさらに上記予測温度が酸露点温度より大きく、かつエネルギー効率が最大となる流量比を算定する。そして算定した流量比となるように排ガス流量調整弁の開閉量を調節する。
【００９９】
＜利点＞
当該加熱装置２０は、２基の加熱炉２、予熱炉３及び熱交換器４を用い、それぞれの排ガスの流量比を制御するので、エネルギー効率をさらに高めることができる。
【０１００】
［その他の実施形態］
本発明の加熱装置は、上記実施形態に限定されるものではない。
【０１０１】
上記実施形態では、制御機構が加熱前の鋼材の温度により予熱炉へ装入する鋼材を選択する機構を備える場合を説明したが、この選択機構は必須の構成ではなく、省略可能である。この選択機能を省略する場合、例えばストックヤードから抽出された鋼材は全て予熱炉へ装入される。また、上記選択機構を省略する場合、加熱前の鋼材の温度Ｔ１を測定する温度計を省略することができる。
【０１０２】
また、当該加熱装置が予熱後の燃焼用空気の温度を測定する温度計を備えてもよい。上記温度計により予熱後の燃焼用空気の温度を測定することで、制御機構が予熱炉及び熱交換器へ供給する排ガス流量比を調整する際の精度が向上する。
【０１０３】
上記第１実施形態では、燃焼用空気の一部をバイパス流路へ流すことにより熱交換器から排気される排ガスが所定温度以上となるように排ガス温度を調整する方法を説明したが、燃焼用空気流路のバイパス流路への分岐と熱交換器への供給口との間に燃焼用空気を遮断できる流量調整弁を設け、上記流量調整弁の遮断により燃焼用空気の全部をバイパス流路へ流すことができる構成としてもよい。また、バイパス流量調整弁を３方弁とし、燃焼用空気の流入先を燃焼用空気流路又はバイパス流路のいずれかに切り換えられるように構成してもよい。
【０１０４】
また、上記実施形態では、排ガス流量比を制御する機構を備える場合を説明したが、排ガス流量比制御機構は必須の構成要件ではなく、省略可能である。排ガス流量比制御機構を省略する場合は、第１排ガス流路と第２排ガス流路との流路の断面積比率や操業条件等により定まる流量比で加熱炉から排出される排ガスが予熱器と熱交換器とに分配される。なお、排ガス流量比制御機構を省略する場合、排ガス流量調整機構や、予熱炉へ装入される鋼材の重量を測定する重量計、上記加熱炉へ装入される鋼材の重量を測定する重量計、予熱後の鋼材の温度を測定する温度計、上記加熱炉へ供給する燃料の流量を測定する流量計、及び上記熱交換器へ流入する燃焼用空気の流量を測定する流量計を合わせて省略することができる。
【０１０５】
また、上記第１実施形態では、排ガス流量調整弁が第１排ガス流路及び第２排ガス流路に配設される場合を説明し、上記第２実施形態では排ガス流量調整弁が第１排ガス流路のみに配設される場合を説明したが、排ガス流量調整弁が第２排ガス流路のみに配設される加熱装置や、排ガス流量調整弁を備えない加熱装置も本発明の意図するところである。
【０１０６】
また、予熱炉や加熱炉の数は上記実施形態に限定されるものではなく、３基以上あってもよい。また、当該加熱装置が予熱炉の数と加熱炉の数とが異なる構成であってもよい。
【実施例】
【０１０７】
以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１０８】
（実施例１）
まず、図１に示す加熱装置においてシミュレーションにより予熱前の鋼材温度と、予熱後の鋼材の受熱量、鋼材温度、及び予熱炉から排気される排ガス温度（出口排ガス温度）との関係を算出した。その際、予熱炉へ流入する排ガスの温度を８００℃、排ガスの流量を３００００Ｎｍ３／ｈ、鋼材流量を１７５ｔ／ｈとしてシミュレーションを行った。なお、鋼材の予熱前の温度は２５℃以上６００℃以下の７条件とした。結果を図４に示す。
【０１０９】
次に、シミュレーションにより排ガスの流量比と、予熱炉及び熱交換器から排気される排ガス温度並びにエネルギー効率との関係を算出した。熱交換器のエネルギー効率η１を０．６、予熱炉のエネルギー効率η２を０．４、加熱炉からの排ガス温度を６００℃、燃焼用空気の流量を１５Ｎｍ３／ｈとしてシミュレーションを行った。結果を図５に示す。なお、図５の横軸の流量比は、予熱炉及び熱交換器へ供給する排ガスの総流量に対する予熱炉へ供給する排ガス流量の比である。
【０１１０】
図４の結果から予熱前の鋼材の温度が低い鋼材の方が鋼材の受熱量が大きく、予熱炉から排気される排ガス温度が低い。このことから予熱前の温度が低い鋼材は予熱前の温度が高い鋼材に比べて排ガスとの温度差が大きいため鋼材への伝熱量が大きくなり顕熱の回収が効率的に行えることが分かる。従って、加熱前の鋼材の温度により予熱炉へ装入する鋼材を選択することで、排ガスの顕熱の回収が効率的に行われ生産性の低下が抑止でき、燃料原単位を減らすことができると考えられる。
【０１１１】
また、図５の結果から、加熱炉から排気される排ガスを予熱炉の排ガスと熱交換器の排ガスとに分配して供給することでエネルギー効率が高まり、排ガスの流量比が約７０％の位置でエネルギー効率が最大となる。このことから排ガスの流量比を調整することで、エネルギー効率を高められることが分かる。
【０１１２】
また、図５において予熱炉へ供給する排ガス量を２５％未満とすると予熱炉の排ガス温度が１５０℃を下回り、予熱炉へ供給する排ガス量を９０％超、すなわち熱交換器へ供給する排ガス量を１０％未満とすると、熱交換器の排ガス温度が１５０℃を下回る。酸露点温度が１５０℃程度であるので、排ガスの流量比を調整することで、エネルギー効率を最大化しつつ、排ガスの酸露点腐食による設備の劣化や破損を抑止できると考えられる。
【０１１３】
（実施例２）
図２に示す加熱装置において、シミュレーションにより必要な投入熱量、排ガス流量、エネルギー効率、及び燃料原単位を算出した。ここで必要な投入熱量とは、鋼材を加熱装置により所望の温度に加熱するために必要な熱量を意味する。
【０１１４】
シミュレーション条件は以下の通りである。鋼材の流量は４００ｔ／ｈとした。この鋼材のうち１００℃未満の鋼材のみを予熱炉へ装入し、１００℃以上の鋼材は直接加熱炉へ装入する条件とした。１００℃未満の鋼材の割合を５０質量％とし、１００℃未満の鋼材の平均温度を２５℃、１００℃以上の鋼材の平均温度を３５０℃とした。また、第１加熱炉及び第２加熱炉から抽出される鋼材の温度は１２００℃とし、排出される排ガスの温度は８００℃とした。第１加熱炉から排出される排ガスの流量の４０体積％を第１予熱炉へ供給し、残りの６０体積％を第１熱交換器に供給した。また、第２加熱炉から排出される排ガスの流量の４０体積％を第２予熱炉へ供給し、残りの６０体積％を第２熱交換器に供給した。ここで、予熱炉へ供給される排ガスの流量の４０体積％は、加熱装置の測定器の測定結果に基づき、制御機構により算出された最適な流量比に対応する数値である。なお、予熱炉へ装入される鋼材は、第２予熱炉、第１予熱炉の順に装入され、その後第１加熱炉又は第２加熱炉のいずれかに装入されて１２００℃に加熱される。結果を表１に示す。
【０１１５】
（比較例１）
加熱装置として、２基の加熱炉（第１加熱炉及び第２加熱炉）と２基の予熱炉（第１予熱炉及び第２予熱炉）と２基の熱交換器（第１熱交換器と第２熱交換器）とを備え、第１加熱炉からの排ガスの全量が第１予熱炉へ供給され、第２加熱炉からの排ガスの全量が第２予熱炉へ供給される加熱装置を用いた。鋼材を全て予熱炉へ装入し、第１加熱炉及び第２加熱炉からの排ガスを全て予熱炉へ供給した以外は、実施例２と同様の条件でシミュレーションを行い、必要な投入熱量、排ガス流量、エネルギー効率、及び燃料原単位を算出した。結果を表１に示す。
【０１１６】
【表１】
2017141493.tif 000006
【０１１７】
表１の結果から、実施例２の加熱装置は、比較例１の加熱装置に比べて投入熱量及び燃料原単位が少なく、エネルギー効率が高い。比較例１の加熱装置は、加熱炉から排気される排ガスを予熱炉の排ガスと熱交換器の排ガスとに分配して供給していないため、排ガスからの伝熱量が少なくなりエネルギー効率が低くなったと考えられる。このため、鋼材を１２００℃に加熱するために多くの熱量を必要とし、燃料原単位が上昇したと考えられる。一方、実施例２の加熱装置は、加熱炉から排気される排ガスを予熱炉の排ガスと熱交換器の排ガスとに分配して供給するので、多くの排ガスの顕熱が回収でき、比較例１に比べてエネルギー効率が９ポイント向上したと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
以上説明したように、本発明の加熱装置は鋼材の加熱におけるエネルギー効率を高められる。従って、当該加熱装置を用いることで燃料原単位を下げることができる。
【符号の説明】
【０１１９】
１、２０  加熱装置
２、２ａ、２ｂ  加熱炉
３、３ａ、３ｂ  予熱炉
４、４ａ、４ｂ  熱交換器
５ａ、５ｂ、５ｃ  搬送装置
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ  排ガス流路
７  煙突
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ  排ガス流量調整弁
９  燃料ガス流路
１０  燃料ガス流量調整弁
１１  燃焼用空気流路
１２  バイパス流路
１３  バイパス流量調整弁
１４ａ〜１４ｊ、２１ａ〜２１ｑ  測定器（重量計、温度計、流量計）
１５、２２  制御機構
Ｘ  ストックヤード
【図１】
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【図２】
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【図３】
2017141493.tif 000009
【図４】
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【図５】
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