(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間圧延において、高温状態で、かつ、時々刻々温度が変化する被加熱材を誘導加熱装置で加熱する制御方法であって、
熱伝導方程式の差分式において、境界条件項の大気からの熱伝達を表す式を被加熱材の温度を中心に線形化し、誘導加熱装置の入り側における被加熱材の測定温度、前記誘導加熱装置出側における被加熱材の加熱目標温度、被加熱材の測定移動速度、誘導起電力による鋼材厚み方向の電力密度分布、誘導加熱装置の入り側における被加熱材の厚み方向温度分布、誘導加熱装置の出側における被加熱材の厚み方向温度分布、供給電力量との関係を表す線形近似式をもとめ、
前記線形近似式から算出される前記誘導加熱装置出側における被加熱材の厚み方向の温度分布の平均値が、目標温度になるように前記誘導加熱装置に供給する電力量を演算し、演算された前記電力量によって鋼材の加熱を制御することを特徴とする、誘導加熱装置の加熱制御方法。
【請求項２】
熱間圧延において、高温状態で、かつ、時々刻々温度が変化する被加熱材を誘導加熱装置で加熱する制御方法であって、
熱伝導方程式の差分式において、境界条件項の大気からの熱伝達を表す式を被加熱材の温度を中心に線形化し、誘導加熱装置の入り側における被加熱材の測定温度、前記誘導加熱装置出側における被加熱材の加熱目標温度、被加熱材の測定移動速度、誘導起電力による鋼材厚み方向の電力密度分布、誘導加熱装置の入り側における被加熱材の厚み方向温度分布、誘導加熱装置の出側における被加熱材の厚み方向温度分布、供給電力量実績との関係を表す線形近似式をもとめ、
前記誘導加熱装置出側における前記線形近似式から供給電力量実績にもとづいて推定される被加熱材の表面温度と前記誘導加熱装置出側における測定温度との偏差で、前記線形近似式で推定される厚み方向の温度分布の平均値を補正し、その補正された平均値が目標温度になるように電力のフィードバック量を算出し、該電力のフィードバック量を前記誘導加熱装置に供給する電力指令にフィードバック制御して鋼材の加熱を制御することを特徴とする、誘導加熱装置の加熱制御方法。
【請求項３】
熱間圧延において、高温状態で、かつ、時々刻々温度が変化する被加熱材を誘導加熱装置で加熱する制御方法であって、
請求項１によって演算された前記電力量に、請求項２によって求めた前記電力のフィードバック量を加算し、得られた電力量を、前記誘導加熱装置に供給する電力量として鋼材の加熱を制御することを特徴とする、誘導加熱装置の加熱制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加熱材の温度を、精度よく目標温度に制御する誘導加熱装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘導加熱装置による鋼板の温度制御方法としては、例えば、特公昭60−53438（以下、「先行技術１」という）の誘導加熱温度制御方法に開示されているように、長手方向に寸法が異なるそれぞれの被加熱材を複数の区分に分割し、分割された各区分ごとに昇温量を定めて、該当する部分が誘導加熱装置を通過する予定速度により、昇温量を調整する方法などがある。
【０００３】
また、特公昭６１−３１９４６（以下、「先行技術２」という）には、被加熱材の加熱前温度と加熱後温度との間の温度差が目標昇温量と一致するように、偏差に応じた比例制御フイードバックを行う制御系が提案されており、事前設定による誤差を補正できるような制御系が構成されている。
【０００４】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、先行技術１の手法は、主として鋼管の冷材加熱方法として考案されたものである。従って、熱間圧延におけるように、高温の状態でしかも時々刻々温度が変化する対象に関しては、誘導加熱装置入り側における被加熱鋼材の温度を検出しないと、正確な加熱ができないという問題点がある。
【０００５】
また、誘導加熱装置によると、その性質上、被加熱材の表面が主として加熱されるため、加熱前後において、被加熱材の厚み方向の温度分布が大きく変化する。先行技術１においては、被加熱材の厚み方向の温度分布を考慮していないので、誘導加熱装置への供給電力量を決定する際に、正確な供給電力量を決定できないという問題点がある。
【０００６】
さらに、先行技術２においては、誘導加熱装置の出側における温度検出値と目標温度との偏差をフイードバックする際においても、被加熱材の材質、断面積、移動速度、昇温量などにより、被加熱材の表面温度と平均温度との間の関係が異なるため、被加熱材の表面温度を目標温度に近づけるようなフイードバックを施しても、被加熱材の平均温度にばらつきが生じて、結果的には、温度制御の精度を悪化させるという問題点がある。
【０００７】
また、被加熱材の温度分布が収束する位置に温度検出器を設置することも考えられるが、その方法によると、温度検出器と誘導加熱装置との間の距離が大きくなるので、フイードバックする際にかなりの時間遅れが生じて、その制御性能が低下するという問題点がある。
【０００８】
本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を解決して、被加熱材の材質、断面積、移動速度、昇温量の大小に関わらず、被加熱材の温度を、精度よく目標温度に制御することができる誘導加熱装置の制御方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者等は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、差分方程式を用いて、被加熱材の厚み方向の温度分布を求め、温度分布から誘導加熱装置に供給する電力量を求め、求められた電力量によって鋼材の加熱を制御することによって、被加熱材を精度よく目標温度に加熱することができることを知見した。
【００１０】
この発明の方法は、上述した知見に基づいてなされたもので、この発明の誘導加熱装置の加熱制御方法の第１の態様は、誘導加熱装置の入り側における被加熱材の測定温度、前記誘導加熱装置出側における被加熱材の加熱目標温度、および、被加熱材の測定移動速度から、差分方程式を用いて、被加熱材の厚み方向の温度分布を求め、このようにして求められた前記温度分布によって前記誘導加熱装置に供給する電力量を演算し、演算された前記電力量によって鋼材の加熱を制御することを特徴とするものである。
【００１１】
この発明の誘導加熱装置の加熱制御方法の第２の態様は、誘導加熱装置の入り側における被加熱材の測定温度、および、被加熱材の測定移動速度から、差分方程式を用いて、前記誘導加熱装置の出側における被加熱材の厚み方向の温度分布を推定し、このようにして得られた前記温度分布、および、前記誘導加熱温度装置の出側における測定温度から、被加熱材の厚み方向の平均温度を推定し、前記目標温度と推定した前記平均温度との偏差を求め、前記偏差を前記誘導加熱装置に供給する電力量へフィードバック制御して鋼材の加熱を制御することを特徴とするである。
【００１２】
この発明の誘導加熱装置の加熱制御方法の第３の態様は、この発明の方法の第１の態様によって演算された前記電力量と、この発明の方法の第２の態様によって求めた前記偏差を加算し、得られた電力量を、前記誘導加熱装置に供給する電力量として鋼材の加熱を制御することを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（第1の実施の形態）
第１の実施の形態においては、誘導加熱装置の入り側における加熱材の測定温度、誘導加熱装置出側における被加熱材の加熱目標温度、および、被加熱材の測定移動速度から、差分方程式を用いて、被加熱材の厚み方向の温度分布を求め、このようにして求められた温度分布によって誘導加熱装置に供給する電力量を演算し、演算された電力量によって鋼材の加熱を制御する。
【００１４】
測定温度は加熱装置の入り側に設置した温度検出器によって検出される温度信号を使用し、測定移動速度は被加熱材の移動速度を検出する速度検出器によって検出される速度信号を使用する。
【００１５】
図1は本発明の第1の実施の形態に係る加熱装置を概略構成を示す側面図である。
1は誘導加熱装置、2は被加熱材を示す。被加熱材２は、誘導加熱装置１の中を移動し、加熱される。3は誘導加熱装置１の入り口付近に備え付けられて、被加熱材２の温度を検出する温度検出器であり、4は誘導加熱装置の出口付近に備え付けられ、被加熱材２の温度を検出する温度検出器である。6は上記温度検出器３、４によって求められた温度から、誘導加熱装置１に供給する電力量を計算する制御装置を示す。5は誘導加熱装置１の出力を、制御装置6によって与えられた値になるように制御を行う、誘導加熱装置１の制御装置である。
【００１６】
まず、熱伝導方程式の差分式から、被加熱材の温度変化を表す式（１）を求める。Ｋは式（２）、ｈは式（３）の通りである。
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ただし、nb：被加熱材の厚み方向の分割数、ｔ：被加熱材の厚さ、
Xi，j：時刻jにおける厚み方向iの温度（1≦i≦nb）、Cｐ：比熱、h：厚み方向分割幅、dt：サンプル周期、Ｑ１：境界条件項（外部から被加熱材に加わる熱量によって生じる時間的な温度変化）、λ：熱伝導率、ρ：密度である。
【００１７】
式（1）から、被加熱材をその厚み方向に三分割した温度計算式は、式（４）のとおりである。
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【００１８】
式（1）の境界条件項Ｑ１は、大気からの熱伝達と、加熱装置から供給される熱量からなり、式（５）、式（６）、式（７）によって表される。
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ただし、ｕｂ：加熱装置への供給熱量、ε：放射率、σ：ステファン−ボルツマン定数、ρ：密度、Cｐ：比熱、β：加熱効率、Ｔａ：大気温度、f（i）（i＝1，3）：誘導起電力による鋼材厚み方向の電力密度分布、α：熱伝達率である。
【００１９】
ここで、被加熱材の温度をｘ０と仮定し、温度ｘ０を中心に式（6）を式（８）、式（９）で示すように線形化する。
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式（9）を用いて、式（4）を整理すると、式（１０）を得る。
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ただし、ｘ（ｊ）は式（１１）の通り、Ｅは式（１２）の通り、Ａは式（１３）の通り、Ｑは式（１４）の通りである。
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【００２０】
式(８)において、行列Ｅの逆行列を右側から掛けることにより、式（１５）、式（１６）を得る。
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(15)
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(16)
ただし、Ａｘは式（１７）の通り、ｘｃは式（１８）の通り、ｂｘは式（１９）の通りである。
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(17)
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(18)
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(19)
【００２１】
さらに、式（２０）を用いて、被加熱材の平均温度ｘb(j)を得る。
ただし、Ｃｘは式（２１）の通りである。
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(20)
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(21)
【００２２】
ここで、目標温度が与えられた場合の誘導加熱装置への供給電力量を求める。図１における区間１、区間２、区間３の距離をそれぞれ、l１、l２、l３とし、更に、それぞれの区間１、２、３を通過する速度をそれぞれ、ｖｌ、ｖ２、ｖ３とする。誘導加熱装置入り側の温度検出器位置での被加熱材の温度分布をx(k)とすると、区間１の終端での温度は、式（２２）、式（２３）で表される。
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(22)
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(23)
加熱装置への供給電力量をｕｂとすると、区間２の終端での温度は、式（２４）、式（２５）で表される。
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(24)
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(25)
さらに区間３の終端での温度は、式（２６）、式（２７）、式（２８）で表される。
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(26)
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(27)
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(28)
【００２３】
この温度が目標温度Ｔｒに等しくなるように供給電力量ｕｂを決めればよいので、式（２９）から、目標温度Ｔｒにするための加熱装置への供給電力量は、式（３０）によって与えられる。式（３０）に表される電力指令ｕｂを誘導加熱装置から出力することによって、被加熱材を加熱目標温度に精度よく加熱することができる。
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(29)
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(30)
【００２４】
(第２の実施の形態)
第２の実施の形態においては、誘導加熱装置の入り側における被加熱材の測定温度、および、被加熱材の測定移動速度から、差分方程式を用いて、誘導加熱装置の出側における被加熱材の厚み方向の温度分布を推定し、このようにして得られた温度分布、および、誘導加熱温度装置の出側における測定温度から、被加熱材の厚み方向の平均温度を推定し、目標温度と推定した平均温度との偏差を求め、偏差を誘導加熱装置に供給する電力量へフィードバック制御して鋼材の加熱を制御する。
【００２５】
即ち、上記差分方程式から求められた温度分布を利用して、誘導加熱装置の出側に位置する温度検出器位置における粗バーの厚み方向の平均温度を推定する。次いで、誘導加熱装置の出側における目標温度と、上記推定平均温度との偏差のフィードバックを行う。
【００２６】
式(３０)によって、誘導加熱装置への供給電力量が与えられると、誘導加熱装置の出側に位置する温度検出器位置における温度分布が式（３１）によって得られる。
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ただし、ｕｊ：誘導加熱装置での供給電力量実績である。
【００２７】
これにより、フィードバック量は、式（３２）、式（３３）で与えられる。
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ただし、Ｔｅ：誘導加熱装置の出側の温度検出器位置における推定平均温度、ｋｆｂ：フィードバックゲイン、ｕｆｂ：フィードバック量である。
【００２８】
上記で推定した誘導加熱装置の出側の温度計位置における平均温度を用いて、平均温度と目標温度との間の偏差のフィードバックを行う。これにより、被加熱材の材質、断面積、移動速度、昇温量の大小に関わらず、被加熱材の温度を、精度よく目標温度に制御することができる。
【００２９】
(第３の実施の形態)
第３の実施の形態においては、第１の実施の形態で求められた誘導加熱装置への供給電力量ｕbと第２の実施の形態で求められた誘導加熱装置への供給電力量ｕfbを用いて、式（３４）で与えられるｕaを誘導加熱装置への供給電力量とする。
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【００３０】
これにより、被加熱材の材質、断面積、移動速度、昇温量の大小に関わらず、被加熱材の温度を、精度よく目標温度に制御することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の構成により、誘導加熱装置を使用し、被加熱材を誘導加熱装置出側の目標温度に加熱する際、この発明の第１の態様では、誘導加熱装置入り側の温度検出器で検出される温度信号と速度検出器から検出される速度信号から、被加熱材の厚み方向の温度分布した差分方程式を利用し算出された電力量を与えることにより、被加熱材を精度よく目標温度に制御すること一ができる。
【００３２】
また、この発明の第２の態様では、誘導加熱装置入り側の温度検出器で検出される温度信号と速度検出器から検出される速度信号から、被加熱材の厚み方向の温度分布した差分方程式を利用し、誘導加熱装置出側での温度分布を推定し、これと、誘導加熱装置出側での温度検出器から得られる温度信号から、誘導加熱装置出側の温度検出器位置での平均温度を推定し、フィードバックを行うことにより、被加熱材を精度よく目標温度に制御することができる。
【００３３】
さらに、この発明の第３の態様では、上記第１の態様で算出された誘導加熱装置の電力量と第２の態様により得られたフィードバックを加算した値を誘導加熱装置の電力量とすることにより、被加熱材を精度よく目標温度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による誘導加熱制御装置を表す側面図である。
【図２】図２は、本発明の第２の実施形態による誘導加熱制御装置を表す側面図である。
【図３】図３は、本発明の第１および第２の実施形態による誘導加熱制御装置における演算を表すブロック図である。
【符号の説明】
１．誘導加熱装置
２．被加熱材
３．加熱装置の入り側における温度検出器
４．加熱装置の出側における温度検出器
５．供給電力計算装置
６．制御装置
７．速度検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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