技術論文

鋼片加熱炉シミュレーション技術の開発
Development of temperature simulation technology for a reheating furnace
谷口剛＊

Tsuyoshi Taniguchi
Synopsis: The temperature simulation technology for a reheating furnace was developed, where the variation of radiationheat-transfer due to different distances between blooms was taken into account.
An optimum distance between blooms for efficient heating was found through the simulation model at a given
productivity, since wider bloom distance resulted in the increase of heat supplied to bloom sides and the decreaseof heating time.
Key words: reheating furnace, CAE analysis, radiation, distance between the blooms, productivity improvement

１．はじめに昨今の旺盛な特殊鋼鋼材需要に対応して生産能力を増大させるために、各種設備の改造が検討・実施されてきている。最近では、設備の設計、改造案の評価、操業の制御にシミュレーション技術が広く用いられており、鋼片加熱炉についても多くの報告例がある。鋼片加熱炉のシミュレー
ション技術は、加熱炉内の熱伝達計算を行って鋼片温度をシミュレーションする技術1-7)が基となっており、さらにシミュレーション結果を加熱炉の操業条件に反映させて最適加熱制御を行う報告例2,4)や、加熱炉のバーナーの燃焼シミ

Fig.1 Production processes of 150T steelmaking plant.

ュレーション6,7)をも行い、最適燃焼制御、排ガス制御を行う報告例7)もある。

鋼片加熱炉の生産性向上のために、ブルームの送り速度

当社においても、150T製鋼工場の鋼片加熱炉の生産性を上げると、ブルームの昇温が不十分になり、延性不足に向上が必要であったことから、鋼片加熱炉シミュレーショよる鋼片圧延疵が発生して品質の悪化を招く恐れがあるたン技術を開発し、種々の改造方案の検討を行った。本論文

め、同時に昇温速度を増加させる、あるいは在炉時間を延では、開発した鋼片加熱炉シミュレーション技術の概要と長するための設定変更や改造が必要である。

その適用例として加熱炉内のブルーム配置間隔変更時のシ

これに関して、昇温速度を増加させるために加熱炉の設ミュレーション評価結果を示す。

定温度を上げる方法や、在炉時間を延長するために炉長を延長する方法があるが、本論文では、鋼片加熱炉内のブル２．鋼片加熱炉ーム配置間隔変化による昇温速度の増加・在炉時間の延長についてシミュレーションを行い、その影響を評価した。

Fig. 1に150T製鋼工場の工程概略を示す。150T製鋼

鋼片加熱炉内のブルーム配置間隔は、ブルーム配置間隔

工場では、棒鋼や鋼管製品の中間成形体である鋼片（ビレを狭くすると炉内のブルーム装入本数が増えて在炉時間がット）を製造しており、電気炉でのスクラップ溶解からビ延長されるが、ブルーム間の側面からの入熱が減って昇温レットの検査まで連続して行っている。鋼片加熱炉は、ウ速度が減少すると考えられる。一方、ブルーム配置間隔をォーキングビーム式の連続加熱炉で、連鋳機で鋳込まれた拡大するとブルーム間の側面からの入熱が増えて昇温速度

ブルームを鋼片圧延に適した温度に加熱する役割を果たしが増加するが、炉内のブルーム装入本数が減って在炉時間ている。

が短縮されると考えられる。このようにブルーム配置間隔の変化は、ブルームの昇温に対して相反する効果を持つこ＊

研究・開発センター

プロセス開発グループ

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鋼片加熱炉シミュレーション技術の開発とから、鋼片加熱炉の生産性向上を検討する上で、適正な送り速度に対応した加熱炉内位置の温度に炉体上下壁と流ブルーム配置間隔を見出すべく、鋼片加熱炉のシミュレー入する雰囲気ガスの温度が経時変化するように非定常モデションを行った。

ルを作成した。輻射計算モデルについては、種々の輻射計算モデルを用いた場合のシミュレーション結果を比較し３．鋼片加熱炉シミュレーションて、実際の現象に最も適合したDiscrete ordinates
radiation modelを採用した。シミュレーションモデルのFig. 2に鋼片加熱炉内のブルーム加熱イメージを示す。

妥当性は、シミュレーション結果と放射温度計で測定した加熱炉からブルームへの熱伝達は、フレーム・炉体壁・他実際のブルームの鋼片加熱炉装入温度、抽出温度がほぼ一のブルーム・雰囲気ガスからの輻射、雰囲気ガスの対流に致することで確認できた。

よって行われ、ブルーム内部は熱伝導によって昇温して行く。1000℃を超える高温の加熱炉内では、輻射による伝熱が大部分を占め、対流による伝熱量は全体の数%に過ぎない8)とされている。

Fig.3 An example of the simulation model.
Table 1. Calculating conditions

Fig.2 Bloom heating image in the reheating furnace.

４．シミュレーション結果

これまでにもシミュレーション技術を用いて加熱炉の設定温度変更の影響を評価し、適正な設定温度を決めるための支援をしてきているが、ブルーム配置間隔の変更のようシミュレーションの結果、各種条件に応じてFig. 4に示な炉内配置の変化に応じた各部位への輻射伝熱の変化を、す温度分布図や、Fig. 5に示すブルームの昇温曲線が得ら十分な精度でシミュレーションすることはできていなかっれる。これらのシミュレーション結果を一定の生産性・加た。そこで、加熱炉内のブルーム配置間隔の変化に応じた熱炉温度設定の条件でブルーム配置間隔についてまとめた

輻射伝熱の変化をシミュレーションできる解析コードのものがFig. 6である。

FLUENTにてモデルを作成し、ブルーム配置間隔変更時のシミュレーション評価を行った。
Fig. 3にシミュレーションモデルの一例を示す。シミュ
レーション条件をTable 1に示す。シミュレーションモデ
ル形状は、鋼片加熱炉縦断面の二次元モデルを用い、対象とするブルーム以外の他のブルームからの輻射伝熱を考慮するため、対象ブルームの前後2本のブルームについてもシミュレーションを行った。実際の鋼片加熱炉ではフレー
ムと対象ブルームの位置関係は経時変化するが、モデルの簡略化のため、フレームおよび炉体壁を同一と見なし、炉体上壁、炉体下壁から設定温度に応じた輻射が生じるもの
Fig.4 An example of calculated temperature distribution.とした。また、ブルームを移動させる代わりに、ブルーム

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鋼片加熱炉シミュレーション技術の開発

ーム表面を十分に加熱するという観点からは、昇温しにくいブルーム側面の温度を高くできる条件が適正条件と言える。したがって、この生産性・温度設定条件での適正なブルーム配置間隔は、Fig. 6に矢印で示したブルーム配置間隔であることが分かった。

５．まとめ
鋼片加熱炉内のブルーム配置間隔の変化に応じた輻射伝熱の変化をシミュレーションできるモデルを作成した。このモデルを用いて、ブルーム配置間隔変更時のシミュレーション評価を行った結果、適正なブルーム配置間隔を明らかにすることができた。

参考文献
Fig.5 An example of calculated temperature courseof the bloom.

1) 江川元浩，白石典久，小橋正満：鉄と鋼，68（1982）12，S1188．
2) 遠藤敏夫，舟橋康行：鉄と鋼，71（1985）10，1335．
3) 水野正志，遠藤敏夫，八木富一：電気製鋼，57（1986）2，85．
4) 芳谷直治，永沼洋一，梁井俊男：製鉄研究，339（1990），41．
5) 大森敏明，永田敬博，谷口博，工藤一彦：日本機械学会論文集B，57（1991）542，3491．
6) 石井俊夫，日野善道，杉山峻一，石岡宗浩：材料とプロセス，10（1997）4，924．
7) 杉山峻一，石井俊夫，石岡宗浩，日野善道：NKK技報，161（1998），
26．
8) 連続鋼片加熱炉における伝熱実験と計算方法，日本鉄鋼協会，（1971），
7.

■著者

Fig.6 Influence of distance between the blooms on
the temperature at fixed productivity and heatpattern.
Fig. 6からブルーム配置間隔を狭くすると炉内のブルー

谷口剛

ム装入本数が増えることで、在炉時間が延長されてブルー
ムの中心温度は高くなるが、ブルームの側面への入熱が減少して側面の温度が上がりにくくなることが分かる。さらに、ブルーム配置間隔を狭くし過ぎると、側面への入熱が減少し過ぎて全体の入熱が少なくなるため、在炉時間が延長されるにも関わらずに中心温度が上がりにくくなることが分かる。また、ブルーム配置間隔を拡大するとブルーム側面への入熱が増加してブルーム側面の昇温速度が増加するが、炉内のブルーム装入本数が減ることで、在炉時間が短縮されてブルーム中心の温度が上がりにくくなり、ブルーム表面の昇温も抑えられることが分かる。
延性不足によって鋼片圧延疵を発生させないようにブル

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