JP4998655B2

JP4998655B2 - 連続式加熱炉の燃焼制御方法

Info

Publication number: JP4998655B2
Application number: JP2004288799A
Authority: JP
Inventors: 太紀衞藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP2006104490A

Description

本発明は、熱間圧延用スラブを加熱する連続式加熱炉の燃焼制御方法に関し、特に炉内におけるスラブ温度を正確に把握して、加熱炉抽出温度が目標温度となるように燃焼制御を行なう技術に関する。

スラブを圧延可能な温度に加熱する加熱炉の形式は、バッチ式と連続式に大別される。鉄鋼圧延工場の加熱炉は生産性に優れ、自動化が容易な連続式炉が主流で、特に連続式炉のなかでも大型のスラブの加熱処理が容易なウォーキングビーム炉が用いられることが多い。

加熱炉の操業では、炉内で隣接するスラブ厚の差や、圧延作業ロールの磨耗を考慮した装入計画に従って炉内に搬入されるスラブを圧延可能な目標温度まで最少の燃料使用量で加熱することが課題とされ、種々の自動燃焼制御方法が提案されている。

特許文献１は、連鋳ブルーム、連鋳スラブ等の連鋳片を連続的に加熱する加熱炉において、時間経過とともに対象ゾーンの炉温を大きく変化させる非定常な操業条件下においても省エネルギーを考慮した最適制御が可能となるように、装入温度と目標抽出温度を初期値として与え、ゾーン毎に目標温度を設定したヒートパターンと各ゾーンにおける実績温度とを比較することを特徴とする。

特許文献２は、加熱炉抽出温度の制御方法に関し、圧延能率を低下させることなく、加熱炉の燃料原単位を低減させることを目的とし、鋼材１本ごとに圧延ドラフトスケジュールを計算し、所要パス回数を維持できる抽出温度の最低値を求め、その温度を指標として加熱炉を操業することを特徴とする。

特許文献３は、各加熱ゾーンを独立に炉温制御できる連続式加熱炉における自動燃焼制御方法に関し、複数の種類の異なるスラブを同時に連続的に加熱する場合において、各々の鋼材のヒートパターンを加重平均化して求めて、炉温制御した際に生じる、各鋼材毎の予定ヒートパターンとの差を解消するために必要とされる昇温時間を、当該鋼材より出側にある全ての鋼材に均等に振り分け、ウォーキングビームの搬送速度を調整することを特徴とする。
特開昭５６−８１６３７号公報特開昭５６−６３２５号公報特開平８−２４６０５７号公報

特許文献１〜３に記載の加熱炉の自動燃焼制御方法は、いずれも省エネルギーを考慮して最適燃焼制御を行うものであるが、地球環境の観点から鉄鋼業におけるＣＯ_２排出量の削減要望が強まり、加熱炉操業においても更なる燃料原単位の削減が求められている。

従来、連続式加熱炉においては予熱ゾーン、加熱ゾーンおよび均熱ゾーンに設置された温度計によって各ゾーンの雰囲気温度を測定し、得られた温度をそのゾーンの平均炉温としてスラブ温度を推定していた。

しかしながら、各ゾーンの境界部近傍の炉温は隣接するゾーンの影響を受け、各ゾーンの平均炉温から乖離した温度非定常部となるため、平均炉温を用いて燃焼制御を行なうとスラブ抽出温度のバラツキが大きくなるという問題があった。

また、平均温度からスラブ温度を推定しているためスラブの均熱性が不明であり、スラブ温度を目標温度に均一に加熱するためには在炉時間を長めに設定する在炉時間規制の必要があったため、燃料原単位を悪化させるとともに、生産能率の低下を招いていた。
特に、加熱ゾーンでは、予熱ゾーンと加熱ゾーンの境界で大きな温度勾配を生じ、さらに加熱燃焼による燃料消費量も多いため、スラブ抽出温度や燃料原単位に及ぼす影響が大きい。

本発明は、予熱ゾーン、加熱ゾーンおよび均熱ゾーンを有する連続式加熱炉において、加熱ゾーンにおける炉内雰囲気温度分布からスラブ温度を精度良く推定し、最小の燃料原単位でスラブ抽出温度を目標温度とする燃焼制御方法を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段により達成できる。
１．予熱ゾーン、加熱ゾーンおよび均熱ゾーンからなり、前記加熱ゾーンはそれぞれ独立して燃焼制御可能な複数の分割ゾーンを有する連続式加熱炉において、炉内におけるスラブ温度から加熱炉抽出温度を予測し、前記予測される加熱炉抽出温度が目標温度となるように燃焼状態を制御する燃焼制御方法であって、
加熱ゾーン内の各分割ゾーンに設けた温度計によりスラブが位置する分割ゾーンの雰囲気温度を求め、前記雰囲気温度からスラブ温度を計算し、その計算結果から前記加熱炉抽出温度が目標温度となるように前記分割ゾーンの雰囲気温度を燃焼制御し、次いで前記スラブが次の分割ゾーンに搬入された際に前記同様の燃焼制御を繰り返すことを特徴とする連続式加熱炉の燃焼制御方法。

２．前記分割ゾーンの燃焼制御を蓄熱式加熱バーナを用いて制御することを特徴とする１に記載の連続式加熱炉の燃焼制御方法。

本発明によれば、予熱ゾーン、加熱ゾーン、均熱ゾーンなどの各ゾーン、特に燃料原単位の大きな加熱ゾーンにおいて、スラブ温度を正確に把握できるため、加熱炉抽出温度を目標温度に制御することが可能である。

また、スラブ温度が正確に把握されるので、スラブの温度均一性を確保するための在炉時間が適正化され、燃料原単位を削減できるとともに生産性を向上させることが可能である。

本発明に係る第１の実施形態における燃焼制御方法は、加熱ゾーンに設置した複数の温度計から加熱ゾーンの炉内雰囲気温度分布を正確に推定し、加熱ゾーン内のスラブ位置での雰囲気推定温度からスラブ温度を計算して求めることを特徴とする。

図１に本発明を適用する連続式加熱炉の一例を模式的な構造図で示す。連続式加熱炉１は予熱ゾーン１１、加熱ゾーン１２および均熱ゾーン１３を有し、各ゾーン内はさらにａ〜ｋのゾーンに分割されている。予熱ゾーン１１、加熱ゾーン１２および均熱ゾーン１３の境界には仕切り壁１１１、１１２が設置されている。
予熱ゾーン入り側を除いた分割ゾーンには燃焼バーナ１５を有し、各ゾーン毎の燃焼制御が可能である。また炉内雰囲気温度を測定するための炉温温度計１４ａ，１４ｂが炉の上下に設置されている。加熱ゾーン１２は、この例では分割ゾーンｅとｇに炉温温度計１４ａ、１４ｂが配置されている。
本発明を適用する炉において燃焼バーナの構造、数および配置位置は特に規定しないが、蓄熱式燃焼バーナを用いるとゾーン毎の燃焼制御が可能であり、各ゾーンの温度を容易に目標値に設定できるので好ましい。

図２は、炉温温度計１４１、１４２の測定結果ｔ_１、ｔ_２から推定した加熱ゾーン内の雰囲気温度分布である。炉内温度は一定ではなく、勾配を有することがわかる。また、予熱ゾーンおよび均熱ゾーンとの境界には仕切り壁が設置されているため、温度分布は不連続である。
本発明に係る燃焼制御方法では、まず、スラブ２が加熱ゾーンの分割ゾーンｅに搬入された際に、上述した雰囲気温度分布からゾーンｅでの炉内温度を推定し、炉内温度からスラブの内部温度を計算する。
スラブ内部温度の計算方法は特に規定しないが、炉内温度をスラブ表面温度とし、伝熱計算により板厚方向の温度分布を求め、平均値をスラブ温度とすることが好ましい。上述した方法でスラブ温度を求め、該スラブ温度の場合に加熱炉から抽出される際のスラブ温度（加熱炉抽出温度）を計算で予測する。
スラブ抽出温度が目標値となるように、各分割ゾーンでの燃焼量や搬送速度を制御する。ゾーンｆ、ゾーンｇでも同様の制御を行えば、目標値に対するスラブ抽出温度の精度は向上する。

この計算により得られた加熱ゾーンでのスラブ温度分布は、実際に熱電対でスラブ温度を実測した結果と良い相関が得られており、少なくとも２箇所で炉内温度を測定して雰囲気温度分布を推定すれば、スラブ温度を精度よく推定できることが判明した。

尚、本発明ではスラブが予熱ゾーン１１や均熱ゾーン１３にある場合の燃焼制御は特に規定しないが、加熱ゾーン１２における場合と同様の燃焼制御を行うことも可能である。

本発明に係る第２の実施形態における燃焼制御方法は、加熱ゾーン内の各分割ゾーンに設けた温度計によりスラブが位置する分割ゾーンの雰囲気温度を求め、その雰囲気温度からスラブ温度を計算して求めることを特徴とする。
図３に本発明を適用する連続式加熱炉の一例を模式的な構造図で示す。第２の実施形態では、加熱ゾーンの各分割ゾーンｅ，ｆ，ｇのそれぞれに炉温温度計１４ａ，１４ｂが設置されている。それ以外については、第１の実施形態と同じである。
本発明に係る燃焼制御方法では、まず、スラブ２が加熱ゾーンの分割ゾーンｅに搬入された際に、分割ゾーンｅに設置された炉温温度計１４ａ，１４ｂで分割ゾーンｅの炉内温度を測定する。測定された炉内温度からスラブの内部温度を計算する。
スラブ内部温度の計算方法は特に規定しないが、炉内温度をスラブ表面温度とし、伝熱計算により板厚方向の温度分布を求め、平均値をスラブ温度とすることが好ましい。上述した方法でスラブ温度を求め、該スラブ温度の場合に加熱炉から抽出される際のスラブ温度（加熱炉抽出温度）を計算で予測する。
スラブ抽出温度が目標値となるように、各分割ゾーンでの燃焼量や搬送速度を制御する。ゾーンｆ、ゾーンｇでも同様の制御を行えば、目標値に対するスラブ抽出温度の精度は向上する。実施形態１に比べて直接分割ゾーンの温度を測定するため、実施形態２の方がより正確にスラブ温度を推定することが可能となる。

図１に示す構造の蓄熱式加熱バーナを用いた連続式加熱炉で、加熱ゾーンを数ｍ間隔に区分した分割ゾーンを有するものを用いて本発明例と比較例でスラブ加熱を行い、加熱状況を調査した。

本発明例では加熱ゾーン内の分割ゾーンｅ，ｇに設置した炉温温度計で炉内雰囲気温度分布を求め、スラブが分割ゾーンｅに搬入された際に、炉内雰囲気温度分布から分割ゾーンｅの雰囲気温度を推定し、その温度をスラブ表面温度としてスラブ温度を計算した。スラブが分割ゾーンｆ，ｇに搬入された場合には、同様の方法でスラブ温度を計算した。

一方、比較例では分割ゾーンｆに設置した炉温温度計で求めた雰囲気温度を加熱ゾーンの炉内平均温度とし、炉内平均温度をスラブ表面温度としてスラブ温度を計算した。

本発明例、比較例で、スラブの加熱炉抽出温度が目標温度となるように燃焼制御を同じ方法で行い、スラブの加熱状況を調査した。燃焼制御における予熱ゾーン、均熱ゾーンでの熱履歴は本発明例と比較例で同じとし、均熱ゾーンでの炉温は目標温度とした。

図４に加熱炉からの抽出温度を目標温度１２００℃とした場合のスラブ加熱状況を示す。本発明例と比較例でスラブの抽出温度の平均値は等しかったが、標準偏差において本発明例ではσ＝１０℃に対して比較例ではσ＝１４℃であり、本発明によりバラツキが改善された。

図５に加熱炉へのスラブ装入温度が加熱炉からの抽出温度に及ぼす影響を示す。本発明例では装入温度によらず安定した抽出温度が得られたが、比較例では、装入温度が高くなると抽出温度も高くなり、目標温度（１１５０℃）から大きく逸脱する傾向が得られた。

スラブ抽出温度のバラツキは熱間圧延後の材質のバラツキにつながるため、本発明による品質安定化に対する寄与は大きい。

また、スラブ温度を正確に計算できるようになったため、在炉時間規制の必要が無くなり、在炉時間の短縮、ひいては圧延能率の向上を達成することができた。

第１の実施形態における連続式加熱炉の構造の一例を模式的に示す図。第１の実施形態における加熱ゾーンの炉内雰囲気温度分布の測定結果を示す図。第２の実施形態における連続式加熱炉の構造の一例を模式的に説明する図。実施例（加熱炉抽出温度の分布状態を示す図）。実施例（加熱炉抽出温度に及ぼす装入温度の影響を示す図）。

符号の説明

１連続式加熱炉
１１予熱ゾーン
１２加熱ゾーン
１３均熱ゾーン
１４ａ、１４ｂ、１４１、１４２、１４３、１４４炉温温度計
１５燃焼バーナ
１１１、１１２仕切り壁
ａ〜ｋ分割ゾーン

Claims

予熱ゾーン、加熱ゾーンおよび均熱ゾーンからなり、前記加熱ゾーンはそれぞれ独立して燃焼制御可能な複数の分割ゾーンを有する連続式加熱炉において、炉内におけるスラブ温度から加熱炉抽出温度を予測し、前記予測される加熱炉抽出温度が目標温度となるように燃焼状態を制御する燃焼制御方法であって、
加熱ゾーン内の各分割ゾーンに設けた温度計によりスラブが位置する分割ゾーンの雰囲気温度を求め、前記雰囲気温度からスラブ温度を計算し、その計算結果から前記加熱炉抽出温度が目標温度となるように前記分割ゾーンの雰囲気温度を燃焼制御し、次いで前記スラブが次の分割ゾーンに搬入された際に前記同様の燃焼制御を繰り返すことを特徴とする連続式加熱炉の燃焼制御方法。
前記分割ゾーンの燃焼制御を蓄熱式加熱バーナを用いて制御することを特徴とする請求項１に記載の連続式加熱炉の燃焼制御方法。