最適化装置、最適化方法、及び最適化プログラム
【課題】圧延材の製品品質を確保しつつ、最適化したい最適化指標量が最小になるように、圧延設備の制御を最適化する。
【解決手段】圧延装置が圧延材を圧延するための制御設定値を算出する設定計算部３１と、設定計算部３１により算出された制御設定値に基づいて、圧延装置により圧延された圧延材の材質を予測する材質予測計算部３２と、設定計算部３１により算出された制御設定値に基づいて、圧延装置が圧延材を圧延する上で最適化する指標の量を最適化指標量として算出する最適化指標量算出部３６と、材質予測計算部３２により予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、最適化指標量算出部３６により算出された最適化指標量を最小にする制御設定値を設定計算部３１に算出させる最適化部３４とを備える。
【解決手段】圧延装置が圧延材を圧延するための制御設定値を算出する設定計算部３１と、設定計算部３１により算出された制御設定値に基づいて、圧延装置により圧延された圧延材の材質を予測する材質予測計算部３２と、設定計算部３１により算出された制御設定値に基づいて、圧延装置が圧延材を圧延する上で最適化する指標の量を最適化指標量として算出する最適化指標量算出部３６と、材質予測計算部３２により予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、最適化指標量算出部３６により算出された最適化指標量を最小にする制御設定値を設定計算部３１に算出させる最適化部３４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧延設備において圧延材を圧延する際、圧延材の製品品質を確保しつつ、最適化指標量を最小になるように、圧延設備の制御を最適化する最適化装置、最適化方法、及び最適化プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料を圧延する圧延設備としては、鉄鋼の板（以下、鋼板という）を製造する熱間薄板圧延設備、厚板圧延設備、冷間圧延設備、鉄鋼の形鋼圧延設備、棒鋼、線材の圧延設備、及びアルミ、銅の圧延設備がある。
【０００３】
例えば、熱間薄板圧延設備は、スラブと呼ばれる直方体状の鉄鋼材料を加熱炉１０１で１２００℃程度に熱し、粗圧延機で粗圧延を施すころにより厚み３０〜４０ｍｍ程度のバーを得る。この際、バーヒータによってバーを昇温する場合もある。その後、熱間薄板圧延設備は、仕上圧延機において、粗圧延されたバーを厚み１．２〜１２ｍｍに圧延する。次に、熱間薄板圧延設備は、水冷機により５００〜７００℃くらいに冷却した後、最終的に巻き取り機で、コイルとして巻き取る。ここで、スラブは、圧延の各工程を経る度に、バー、コイルなどと呼び方が変わるが、以下、圧延材という呼称で統一するものとする。
【０００４】
このように、熱間薄板圧延設備は、圧延材を搬送しながら、加熱炉で所定の温度で加熱し、圧延機で大きく変形させることにより、一定の品質、即ち目標とする材質を担保することができるが、高い品質を担保するためには、製品の材質を予測し、この予測に基づいて熱間薄板圧延設備における各制御値を決定する必要があった。
【０００５】
例えば、特許文献１には、圧延前の鋼材実績成分値及び圧延後の鋼材サイズ（厚み、幅、長さ）と鋼材材質保証値（引っ張り強さ、降伏点、靭性）から加熱、圧延、冷却の予定プロセス条件を求める鋼板の材質予測制御方法が提案されている。
【０００６】
また、高品質が要求される一方で、高温で加熱すると、消費するエネルギーも大きくなるが、昨今の世界的な環境問題への取り組みや、日本のエネルギー事情等により、熱間薄板圧延設備においても、消費エネルギーの低減が強く望まれている。
【０００７】
そこで、例えば、省エネルギー対策として、圧延機で圧延していない時間、いわゆるアイドル(idle)時間に、ロール回転速度を落とす省エネ方法が一般的に行われている。また、圧延機では大量の冷却水、油圧系の油、ブロアの空気を使用するので、圧延機に水、油、空気を供給するポンプの台数制御や起動・停止制御において、省エネルギー化を図る省エネ方法が一般的によく知られている。
【０００８】
例えば、特許文献２には、圧延材個々の化学分析に対応するＡＲ３変態点以上となるような加熱炉抽出温度と、電力コストを低減する粗圧延の各パスの出口厚さと、ＡＲ３変態点以上の仕上げ圧延機の出口温度を設定する圧延方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２５０９４８１号公報
【特許文献２】特開昭５８−１１９４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２に記載の圧延方法では、仕上出側温度でＡＲ３変態点以上となるような加熱炉抽出温度と設定しても、変態以外に最終材質を左右する要素がある場合、最終材質の確保が出来ないことがある。
【００１１】
変態以外の最終材質を左右する要素としては、例えば、最終粒径に影響を及ぼす各パスの再結晶率や、マイクロアロイ鋼では固溶元素量や析出元素量および析出物の大きさなどの金属組織変化がある。これらの金属組織変化は、加熱炉から仕上出側まで過去の履歴が影響を及ぼすため、最終材質を確保するためには、金属組織変化を考慮して圧延条件の設定する必要があった。
【００１２】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、圧延材の製品品質を確保しつつ、最適化したい最適化指標量が最小になるように、圧延設備の制御を最適化する最適化装置、最適化方法、及び最適化プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化装置の第１の特徴は、圧延装置が圧延材を圧延するための制御設定値を算出する設定計算部と、前記設定計算部により算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置により圧延された圧延材の材質を予測する材質予測部と、前記設定計算部により算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延する上で最適化する指標の量を最適化指標量として算出する最適化指標量算出部と、前記材質予測部により予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出部により算出された最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算部に算出させる最適化部と、を備えたことにある。
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化装置の第２の特徴は、前記最適化指標量算出部は、前記設定計算部により算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延するために必要なエネルギーである使用エネルギーを、最適化指標量として算出することにある。
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化装置の第３の特徴は、前記最適化部は、前記圧延装置により圧延される圧延材の処理量が外部入力された要求処理量を満たし、かつ前記材質予測部により予測された前記処理量分全ての圧延材の材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出部により算出された前記処理量分の圧延材を圧延するために必要な最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算部に算出させることにある。
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化方法の第１の特徴は、圧延装置が圧延材を圧延するための制御設定値を算出する設定計算ステップと、前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置により圧延された圧延材の材質を予測する材質予測ステップと、前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延する上で最適化する指標の量を最適化指標量として算出する最適化指標量算出ステップと、前記材質予測ステップにより予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させる最適化ステップと、を有することにある。
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化方法の第２の特徴は、前記最適化指標量算出ステップは、前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延するために必要なエネルギーである使用エネルギーを、最適化指標量として算出することにある。
【００１８】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化方法の第３の特徴は、前記最適化ステップは、前記圧延装置により圧延される圧延材の処理量が外部入力された要求処理量を満たし、かつ前記材質予測ステップにより予測された前記処理量分全ての圧延材の材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された前記処理量分の圧延材を圧延するために必要な最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させることにある。
【００１９】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化プログラムの第１の特徴は、圧延装置が圧延材を圧延するための制御設定値を算出する設定計算ステップと、前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置により圧延された圧延材の材質を予測する材質予測ステップと、前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延する上で最適化する指標の量を最適化指標量として算出する最適化指標量算出ステップと、前記材質予測ステップにより予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させる最適化ステップと、をコンピュータに実行させることにある。
【００２０】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化プログラムの第２の特徴は、前記最適化指標量算出ステップは、前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延するために必要なエネルギーである使用エネルギーを、最適化指標量として算出することにある。
【００２１】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化プログラムの第３の特徴は、前記最適化ステップは、前記圧延装置により圧延される圧延材の処理量が外部入力された要求処理量を満たし、かつ前記材質予測ステップにより予測された前記処理量分全ての圧延材の材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された前記処理量分の圧延材を圧延するために必要な最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させることにある。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の最適化装置、最適化方法、及び最適化プログラムによれば、圧延材の製品品質を確保しつつ、最適化したい最適化指標量が最小になるように、圧延設備の制御を最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る最適化装置が適用された熱間圧延システムの構成を示した構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る最適化装置が備えるＣＰＵの構成を示した構成図である。
【図３】圧延材が消費するエネルギーの一例を説明した図である。
【図４】設備毎に消費するエネルギーの区分の一例を示した図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る最適化装置による処理のフローを示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る最適化装置が備えるＣＰＵの構成を示した構成図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る最適化装置による処理のフローを示すフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る最適化装置におけるそれぞれの最適化指標を選択した場合の、最適化のための繰返計算の終了判定の一例を示した図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る最適化装置による処理フローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る最適化装置の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
＜第１の実施形態＞
≪構成≫
図１は、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置が適用された熱間圧延システムの構成を示した構成図である。
【００２６】
図１に示すように、熱間圧延システム３００は、第１の実施形態に係る最適化装置１と、熱間で圧延材を圧延する熱間圧延装置１００と、熱間圧延装置１００を制御する制御装置２００とを備えており、最適化装置１は、制御装置２００に接続されている。図１中の矢印は、熱間圧延装置（熱間圧延ライン）において圧延される圧延材１５０が搬送される搬送方向を示している。一般的に、圧延材１５０は、熱間圧延装置において圧延される過程において、スラブ、バー、コイルとも呼ばれるが、ここでは、圧延材１５０という呼称で統一するものとする。
【００２７】
図１に示すように、熱間圧延装置１００は、加熱炉１０１と、プライマリデスケーラ１０３と、粗エッジャ１０５と、粗圧延機１０７と、粗出側板幅計１０９と、バーヒータ１１０と、粗出側温度計１１１と、仕上入側温度計１１３と、クロップシャー１１５と、セカンダリデスケーラ１１７と、仕上圧延機１１９と、仕上出側板厚計１２１と、マルチゲージ１２３と、仕上出側温度計１２５と、平坦度計１２７と、ランアウトテーブル１２９と、コイラ入側温度計１３１と、コイラ入側板幅計１３３と、コイラ１３５とを備える。
【００２８】
加熱炉１０１は、圧延材１５０を加熱するための炉である。
【００２９】
プライマリデスケーラ１０３は、加熱炉１０１の加熱により圧延材１５０表面に形成された酸化膜を、圧延材１５０の上下方向から高圧水を噴射することにより除去する。
【００３０】
粗エッジャ１０５は、熱間圧延ライン上面方向から見て、圧延材１５０の幅方向の圧延を行う。
【００３１】
粗圧延機１０７は、単数又は複数スタンドを備え、圧延材１５０の上下方向の圧延を行う。また、粗圧延機１０７は、温度低下防止等の観点から、ライン長を短くする必要があり、さらに複数パス（搬送方向に対する往復運動）による圧延が必要であることから、可逆式圧延機を含んで構成される場合が多い。また、粗圧延機１０７は、半製品である圧延材１５０に高圧水を噴射し、表面の酸化膜を除去するためのデスケーラを備えている。圧延は、高温で行われるため、酸化膜が形成されやすく、このような酸化膜を除去するための装置を適宜用いる必要がある。
【００３２】
粗出側板幅計１０９は、圧延中の半製品である圧延材１５０の板幅を測定する。
【００３３】
バーヒータ１１０は、粗圧延機１０７により圧延された圧延材１５０を加温する。
【００３４】
粗出側温度計１１１は、圧延中の半製品である圧延材１５０の表面温度を測定する。
【００３５】
仕上入側温度計１１３は、粗圧延機１０７と仕上圧延機１１９の間の距離が長いため、仕上圧延機１１９の入口における圧延材１５０の表面温度を測定する。
【００３６】
クロップシャー１１５は、圧延材１５０の先尾端部を切断する。
【００３７】
セカンダリデスケーラ１１７は、粗圧延機１０７と仕上圧延機１１９の間の距離が長いため、仕上圧延機１１９の入口に設けられ、仕上圧延後の圧延材１５０の表面性状を良くするため、粗圧延された圧延材１５０表面に形成される酸化膜を、圧延材１５０の上下方向から高圧水を噴射することにより除去する。
【００３８】
仕上圧延機１１９は、スタンドと呼ばれる圧延ロールが複数列設置されたタンデム式が採用されており、複数の圧延ロールで上下方向に圧延することにより、目標板厚の圧延材１５０を得ることができる。この仕上圧延機１１９のスタンドおよびスタンド間には、酸化膜形成を抑制するため、及び温度制御を行うために、スプレーが備えられている。
【００３９】
仕上出側板厚計１２１は、仕上圧延機１１９により圧延された圧延材１５０の板厚を測定する。
【００４０】
Ｘ線測定器の一種であるマルチゲージ( Multi-Channel Gauge)１２３は、Ｘ線の検出器を圧延材１５０の幅方向に並べた形態をしており、幅方向における板厚分布が測定できることから、板厚、クラウン、板幅など複数の種類のプロセス値を１台で測定できる複合型測定器である。
【００４１】
仕上出側温度計１２５は、仕上圧延機１１９による圧延後の圧延材１５０の表面温度を測定する。圧延材１５０の温度は、製品の金属組織の形成や材質と密接に関連しており、適切な温度に管理される必要がある。
【００４２】
平坦度計１２７は、仕上圧延機１１９による圧延後の圧延材１５０の平坦度を測定する。また、平坦度計１２７は、複数のＣＣＤカメラを備えており、圧延材１５０の板幅を測定することも可能である。
【００４３】
ランアウトテーブル１２９は、圧延材１５０の温度を制御するために、冷却水により圧延材１５０を冷却する装置である。これらには、通常のランアウトテーブル冷却装置に加えて、前後に強制冷却装置が備えられることもある。
【００４４】
コイラ入側温度計１３１は、ランアウトテーブル１２９により冷却された圧延材１５０の表面温度を測定する。圧延材１５０の温度は、圧延製品の金属組織の形成や材質と密接に関連しており、適切な温度に管理される必要がある。
【００４５】
コイラ入側板幅計１３３は、ランアウトテーブル１２９により冷却された圧延材１５０の板幅を測定する。通常の圧延では、オーステナイト域まで加熱された圧延材１５０は、ランアウトテーブル１２９においてフェライトやパーライトなどの組織に変態するため変態後の板幅を測定する。また、仕上圧延機１１９出側で約860℃前後、コイラ１３５入側で約600℃前後であることから、より室温に近い状態で測定することにより、線膨張による室温との誤差がより少ない状態で板幅を測定することができる。
【００４６】
コイラ１３５は、圧延材１５０を搬送するために巻き取る。
【００４７】
制御装置２００は、製品である圧延材１５０の品質を確保するための品質制御として、圧延材１５０の寸法制御と温度制御を行う。
【００４８】
制御装置２００は、寸法制御として、圧延材１５０の幅方向中央部の板厚を制御する板厚制御、板幅を制御する板幅制御、幅方向板厚分布を制御する板クラウン制御、圧延材１５０の幅方向の伸びを制御する平坦度制御を行う。
【００４９】
また、制御装置２００は、温度制御として、仕上圧延機１１９出口の温度を制御する仕上出口温度制御と、コイラ１３５前の温度を制御する巻取温度制御とを行う。
【００５０】
圧延材１５０の製品品質を決定する際に重要なのが、制御設定値を算出する設定計算や品質制御である。設定計算では、例えば、粗圧延機１０７及び仕上圧延機１１９に圧延材１５０が噛み込まれる前に、予め圧延ロールのロールギャップ、ロール速度が初期計算で算出され、これにより安定な通板が確保される。仕上圧延機１１９の冷却水の初期設定及び巻き取り温度制御の初期設定は、予め適切に行われる必要がある。
【００５１】
例えば、板幅制御において、板厚精度の向上を阻害する外乱としては、圧延材１５０の温度変動がある。加熱炉１０１で加熱される圧延材１５０は、加熱炉１０１の構造上スキッドマークという低温部分ができる場合がある。この低温部分は硬くなるので、板厚は厚くなり、また板幅も変化する。
【００５２】
ここで、圧延材１５０の温度と品質の関係について説明する。加熱炉１０１において圧延材１５０を十分加熱していないと、スキッドマークが顕著に現れ、圧延材１５０の搬送方向に板厚偏差がスキッドマークの周期で現れる。
【００５３】
特に、圧延材１５０の材質としてマイクロアロイ鋼が用いられる場合、加熱炉１０１からの抽出温度の変化によって、期待したマイクロアロイの効果が得られないことが懸念される。マイクロアロイ鋼は、ニオブやバナジウムに代表されるマイクロアロイを添加し、組織を微細化した鋼である。船舶やパイプラインをはじめとする用途で使用される厚板および熱間圧延鋼材は、高い強度、靭性、溶接性、加工性が要求される。
【００５４】
この強度と低温靭性の両立には組織の微細化が有効であり、熱間圧延の条件を適正化しオーステナイト状態を調整し（制御圧延）、制御圧延後にオーステナイト−フェライト変態温度領域で急冷することで（制御冷却）、フェライト組織を微細化するＴＭＣＰ(Thermo-Mechanical Control Process)を用いることも有効である。
【００５５】
ニオブやバナジウムに代表されるマイクロアロイは、ＴＭＣＰの効果を大きくする。その効果として、例えば、加熱炉１０１等の加熱工程においては、析出物のピンニング（pinning）効果により結晶粒の成長が抑制される。また、粗圧延機１０７や仕上圧延機１１９等の圧延工程においては、固溶元素によるソリュートドラッグ（solute drag）効果、加工による析出物のピンニング効果によって回復および再結晶が抑制されるため、フェライトの粒内析出が促進され、フェライト粒が微細化される。さらに、ランアウトテーブル１２９等の冷却工程においては、析出物による析出強化によって、最終製品の強度が向上されること、などが知られている。
【００５６】
このように、マイクロアロイ鋼は広く用いられているが、十分加熱されない場合、マイクロアロイの固溶量が十分得られず、固溶マイクロアロイによるソリュートドラッグ効果が減少することや、抽出後、圧延中および冷却中の析出量が減少し、析出物によるピンニング効果が減少することが懸念される。
【００５７】
また、低温の圧延材１５０を圧延する場合、硬い材料を圧延することになるので、粗圧延機１０７及び仕上圧延機１１９の圧延動力がより多く必要となり、粗圧延機１０７及び仕上圧延機１１９を駆動する駆動装置の消費エネルギーが増加する。
【００５８】
さらに、近年、圧延材１５０の圧延製品に対して顧客が要求する仕様は厳しくなる一方であり、とりわけ圧延製品の寸法形状に加え、強度及び延性などの機械的性質を許容範囲内に収めることが重要となっている。鉄鋼をはじめとする金属材料において、強度（降伏応力、耐力、硬さなど）、靱性（脆性遷移温度など）、成形性（r値など）などの機械的性質は、その合金組成だけでなく、加熱条件、加工条件、及び、冷却条件によっても変化する。合金組成の調整は、成分元素の添加量を制御することで行うが、成分調整時にはたとえば１００トン前後の溶鋼を保持できる成分調整炉を用いるなど、１つのロット単位が大きく、１５トン前後になる個々の製品ごとに添加量を変更することは非常に困難である。したがって、所望の材質の製品を製造するためには、加熱条件、加工条件、及び、冷却条件を適正にし、材質を造り込むこと、すなわち目標とする機械的性質などの材質を達成することが重要である。
【００５９】
一方、昨今の世界的な環境問題への取り組みや関心への高まりを受けて、二酸化炭素（CO2と記す）に代表される温暖化ガスを低減することも重要である。
【００６０】
上述したように、省エネルギーの実際の方策としては、たとえば粗圧延機１０７や仕上圧延機１１９で圧延していない時間、いわゆるアイドル(idle)時間に、ロール回転速度を落とし、電気エネルギーを省エネルギー化する方法がある。また粗圧延機１０７や仕上圧延機１１９では大量の冷却水、油圧系の油、ブロアの空気を使用するので、粗圧延機１０７や仕上圧延機１１９に水、油、空気を供給するポンプの台数制御や起動・停止制御において、省エネルギー化を図ることも考えられる。
【００６１】
また、熱間圧延装置１００で使用されるエネルギーは、燃料エネルギーが約６０％を占め、電気エネルギーの３４％と比較して大きい。そのため、燃料エネルギーの省エネルギー化を行うことが、熱間圧延装置１００で消費される総エネルギーの省エネルギー化にとって、効果的である。燃料エネルギーは、主として加熱炉１０１において消費される。そのため、加熱炉１０１における燃料エネルギーの省エネルギー化を図るため、加熱炉１０１に着目した制御を行うことが効果が大きい。
【００６２】
そこで、第１の実施形態に係る最適化装置１は、熱間圧延装置１００を制御する制御装置２００に接続され、熱間圧延装置１００により圧延された圧延材１５０の製品品質を確保しつつ、加熱炉１０１を中心に熱間圧延装置１００における使用エネルギーが最小になるように、制御装置２００による熱間圧延装置１００の制御を最適化する。
【００６３】
図１に示すように、最適化装置１は、ＣＰＵ１１と、ＲＯＭ１２と、ＲＡＭ１３と、入力部１４と、表示部１５と、ハードディスク１６とを備えており、それぞれは、バス２０を介して接続されている。
【００６４】
ＲＯＭ１２は、不揮発性半導体等で構成され、ＣＰＵ１１が実行するオペレーションシステム及び最適化プログラムを記憶している。
【００６５】
ＲＡＭ１３は、揮発性半導体等で構成され、ＣＰＵ１１が各種処理を実行する上で必要なデータを一時的に記憶する。
【００６６】
ハードディスク１６は、ＣＰＵ１１が最適化プログラムを実行する上で必要な情報を記憶している。
【００６７】
ＣＰＵ１１は、最適化装置１の中枢的な制御を行う。
【００６８】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１が備えるＣＰＵ１１の構成を示した構成図である。
【００６９】
図２に示すように、ＣＰＵ１１は、最適化プログラムを実行することにより、その機能上、設定計算部３１と、材質予測計算部３２と、エネルギー量計算部３３と、最適化部３４とを備える。
【００７０】
設定計算部３１は、安定かつ高精度に圧延材１５０を圧延するための制御設定値、即ち加熱炉条件や加熱炉抽出後の圧延操業パラメータなどの計算を行う。
【００７１】
例えば、設定計算部３１は、常温での圧延材１５０の寸法や重量が外部から入力され、これを加熱炉１０１に装入して所望の抽出温度まで上昇させる場合、何度の雰囲気温度の中を何時間在炉すればよいかを計算する加熱炉設定計算を実行する。
【００７２】
また、設定計算部３１は、設定計算を実行する。例えば、設定計算部３１は、加熱炉１０１から抽出された圧延材１５０の寸法や温度に基づき、圧延荷重、変形抵抗、圧延トルク、圧延パワーなどについて数式を用いた圧延モデルを使用して予測し、安定圧延のための制御設定値である仕上出側圧延速度設定値、ロールギャップ設定値などを計算する。
【００７３】
さらに、設定計算部３１は、圧延材材長や圧延材１５０の加減速の計算値に基づき、各時刻における仮想圧延材の位置を加熱炉１０１からコイラ１３５での巻き取り完了まで予測する。そして、設定計算部３１は、圧延材１５０の熱収支を周辺雰囲気への輻射、空気対流、冷却水対流、変態、加工による発熱、ロールへの伝熱などを考慮した温度モデルを使用して、加熱炉抽出温度や仕上出側目標温度や巻き取り目標温度に基づき、プライマリデスケーラ１０３、セカンダリデスケーラ１１７、仕上圧延機１１９、及びランアウトテーブル１２９のスプレーの設定および各地点での圧延材１５０の温度を計算する。
【００７４】
材質予測計算部３２は、設定計算部３１により計算された制御設定値で圧延を行った場合の、巻き取り後の降伏応力や引張強さなどの機械的性質などの圧延材１５０の材質を予測する。例えば、材質予測計算部３２は、金属組織情報および化学成分に基づいて、降伏応力や引張強さなどの機械的性質などに代表される材質を予測する。一例として、第１７３・１７４回西山記念技術講座「熱延鋼材の組織変化および材質の予測」（（社）日本鉄鋼協会刊）のP125に掲載されている。
【００７５】
巻き取り後の金属組織には、フェライト粒径、フェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトなどの各相体積率、中間データとしてオーステナイト粒径などがある。そこで、材質予測計算部３２は、圧延材の化学成分や、設定計算部３１により算出された圧延時の温度、荷重などの予測値に基づき、冶金現象を数式化したモデルを使用し、金属組織の変化を予測する。
【００７６】
この冶金現象を数式化したモデルには、様々なものが提案されており、静的回復、静的再結晶、動的回復、動的再結晶、粒成長などを表す数式群からなるものが広く知られている。一例として、塑性加工技術シリーズ７板圧延（コロナ社）P198〜229に一例が掲載されている。これらにより粒径やフェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトの体積率などを把握することができる。
【００７７】
エネルギー量計算部３３は、設定計算部３１の計算結果に基づき、計算対象の圧延材１５０を圧延する上で必要なエネルギー量を計算する。
【００７８】
図３は、圧延材１５０が消費するエネルギーの一例を説明した図である。
【００７９】
図３に示すように、圧延材１５０の消費するエネルギー２０１は、熱エネルギー２０２、加工エネルギー２０３、搬送エネルギー２０４、噴射エネルギー２０５に分けられる。
【００８０】
熱エネルギー２０２は、加熱炉１０１によって圧延材１５０が加熱される際に消費する加熱消費エネルギー２０６と、プライマリデスケーラ１０３、セカンダリデスケーラ１１７、仕上圧延機１１９、及びランアウトテーブル１２９において、圧延材１５０が空冷、及びスプレーにより水冷される際に消費する冷却消費エネルギー２０７がある。圧延材１５０の圧延中および冷却中に圧延材１５０の内部で変態が生じる場合のエネルギーも熱エネルギー２０２に含められる。また、圧延ラインの途中でバーヒータ１１０等により圧延材１５０が加熱される場合のエネルギーも、熱エネルギー２０２に含められる。
【００８１】
加工エネルギー２０３は、粗エッジャ１０５、粗圧延機１０７、仕上圧延機１１９において、圧延材１５０が変形される時に消費するエネルギーである。
【００８２】
搬送エネルギー２０４は、圧延材１５０が搬送テーブルで圧延ライン上で搬送される時に消費するエネルギーである。
【００８３】
噴射エネルギー２０５は、プライマリデスケーラ１０３、セカンダリデスケーラ１１７等のデスケーラにおける水噴射でスケールが除去される際に消費するエネルギーである。
【００８４】
図４は、設備毎に消費するエネルギーの区分の一例を示した図である。
【００８５】
図４では、圧延ラインにおいて圧延に直接関わる設備が消費するエネルギーと、この設備を駆動する駆動装置が消費するエネルギーとを区分して示している。
【００８６】
図４に示すように、加熱炉１０１では、重油や天然ガスなどの化石燃料を燃やすことが多く、燃料エネルギー３１０が消費される。バーヒータ１１０では、誘導加熱で加熱され、電気エネルギー３１１が消費される。ランアウトテーブル１２９では、空冷およびヘッドタンクから供給される冷却水による水冷が行われる。冷却水には循環水を用いられることが多く、冷却に使用された水は、ピットにて回収され、ろ過および冷却の過程を経て、再び冷却に用いられる。ヘッドタンクには、冷却水タンクからポンプを用いて揚水される。そのため、ランアウトテーブル１２９、仕上圧延機１１９等のスプレー、プライマリデスケーラ１０３、セカンダリデスケーラ１１７等のデスケーラには、ポンプ駆動用電動機３０１が備えられており、ポンプ駆動用電動機３０１によるポンプ駆動のための電気エネルギーが消費される。
【００８７】
粗圧延機１０７及び仕上圧延機１１９では、ロールが圧延機駆動用電動機３０２によって駆動されるので、電気エネルギーが消費される。
【００８８】
圧延材１５０の搬送にも電力が必要であり、搬送用テーブルを駆動するテーブル駆動用電動機３０３において、電気エネルギーが消費される。
【００８９】
エネルギー量計算部３３は、圧延に必要なエネルギーの計算を以下のように行う。
【００９０】
まず、圧延材が加熱炉１０１で消費するエネルギー量を以下のように計算する。たとえば、重量１５tonの圧延材１５０が常温（３０℃）から１２３０℃まで昇温されたとすると、鋼鉄の比熱を０．５kJ/kg/Kとすると、その圧延材１５０は９，０００，０００kJ（=0.5X1、200X15、000）の熱エネルギーを受けたことになる。
【００９１】
エネルギー量計算部３３は、比熱、初期温度、最終温度、重量に基づいて、圧延材１５０の昇温に直接的に必要なエネルギー量を計算する。加熱炉１０１内の圧延材１５０を加熱する場合は、雰囲気温度も上昇させなければならず、また壁を伝って熱が逃げる等の効率の低下があるので、圧延材１５０の昇温に直接的に消費されるエネルギーのほか、間接的に必要なエネルギーがある。加熱炉１０１には複数本の圧延材１５０があり、間接的に必要なエネルギーはそれら全てに係わるエネルギーである。
【００９２】
そのため、エネルギー量計算部３３は、ある計算対象の圧延材１５０の１本あたりに間接的に必要なエネルギー量を在炉本数、圧延材１５０のスラブサイズ、在炉時間を考慮して計算する。加熱炉１０１において必要なエネルギー量は、上記の圧延材１５０の昇温に直接的に必要な燃料エネルギーと、圧延材１５０の１本あたりに間接的に必要な燃料エネルギーとを加算したエネルギー量である。
【００９３】
エネルギー量計算部３３は、加熱炉１０１で消費する熱エネルギーと同様に、比熱、初期温度、最終温度、重量に基づいて、圧延材１５０がバーヒータ１１０で消費するエネルギー量を計算する。電気エネルギーから熱エネルギーへの変換効率を考慮した電気エネルギーの消費量が、バーヒータ１１０における誘導加熱に必要なエネルギー量である。
【００９４】
次に、エネルギー量計算部３３は、ランアウトテーブル１２９における冷却に必要なエネルギー量を、たとえば以下のように計算する。
【００９５】
ランアウトテーブル１２９での冷却は、一旦ヘッドタンクに蓄えられた水を用いることにより行われる。このヘッドタンクは圧延ラインが設置されている位置よりも上方に設置され、この位置の差を利用して各スプレーに水を供給する。このため、ポンプなどを使って一旦水をヘッドタンクに揚げなければならない。
【００９６】
エネルギー量計算部３３は、設定計算部３１で計算される各時刻でオン状態に設定されたスプレー数［本］をＣ、各スプレーが放出する冷却水流量［ｍ3/Ｈ］をＦＳとすると、ＣとＦＳとに基づいて、下記の（数式１）を用いて、ランアウトテーブル１２９で用いられる冷却水の総量ＦＴ［ｍ3］を算出する。
【００９７】
ＦＴ＝∫（Ｃ×ＦＳ） dt （数式１）
そして、エネルギー量計算部３３は、算出した冷却水の総量ＦＴ［ｍ3］と、計算対象の圧延材１５０と、直前に搬送された前材である圧延材１５０との冷却間隔Ｔ［H］と、前材の冷却終了時にタンクで余剰している水量［m3］とに基づいて、ポンプの揚水速度［m３/s］を算出する。その際に電動機で消費される電気エネルギー量は、ポンプおよび電動機の特性から計算でき、これがすなわちランアウトテーブル１２９における冷却に必要なエネルギー量となる。
【００９８】
エネルギー量計算部３３は、たとえば、噴射時のポンプ運転とアイドル時のポンプ運転のそれぞれの場合に、電動機で消費される電気エネルギー量を計算し、それらを加算することにより、デスケーラやスプレーで必要なエネルギー量を計算する。
【００９９】
次に、エネルギー量計算部３３は、圧延材１５０の加工に必要なエネルギー量を計算する。圧延材１５０の加工や変形に必要なエネルギーは、主に圧延スタンドで消費される。圧延スタンドでの現象は、設定計算部３１における圧延モデル式で記述される。すなわち、エネルギー量計算部３３は、圧延材１５０の特性や材料温度に従って、変形抵抗を計算し、変形抵抗に基づいて圧延荷重を計算し、圧延荷重に基づいて材料の変形に必要な圧延トルクを計算する。電動機が出力すべきトルクは、圧延トルクにロストルクと加速トルクを加えた値になる。
【０１００】
エネルギー量計算部３３は、電動機が必要とする電力量Ｅ[J]を下記の（数式２）及び（数式３）を用いて算出する。ここで、電力をＰ[Ｗ]、トルクをＴ[N・m]、回転速度をＶ[rad/s]、時間をｔ[H]とする。
【０１０１】
Ｐ＝Ｔ×Ｖ （数式２）
Ｅ＝Ｐ×ｔ （数式３）
さらに、エネルギー量計算部３３は、圧延材１５０の圧延に必要なトルクを予測し、仕上出側圧延速度を決定し、圧延材１５０の搬送方向における長さから圧延時間を算出する。そして、エネルギー量計算部３３は、算出した電力量Ｅ[J]と圧延時間とに基づいて、圧延材１５０の圧延に必要な電気エネルギー量[kJ = kW時]を、圧延材１５０の加工に必要なエネルギー量として算出する。
【０１０２】
次に、エネルギー量計算部３３は、圧延材１５０の搬送に必要な電気エネルギー量を算出する。圧延材１５０は複数台の電動機で分担して搬送されるので、エネルギー量計算部３３は、１台の電動機について、分担する圧延材１５０の重量からトルクを算出し、圧延材１５０の長さと搬送速度とに基づいて搬送時間を算出する。そして、エネルギー量計算部３３は、このトルクと搬送時間とに基づいて、上述した（数式２）及び（数式３）とを用いて、圧延材１５０の搬送に必要な電気エネルギー量[kJ]を算出する。なお、圧延材１５０の搬送に必要な電気エネルギー量には、加熱炉１０１内において圧延材１５０を搬送するために必要な電気エネルギー量も加算される。
【０１０３】
そして、エネルギー量計算部３３は、圧延材１５０の圧延に必要な総エネルギー量として、上記の各設備で必要な燃料エネルギーに電気エネルギーを加算したエネルギー量として算出する。
【０１０４】
最適化部３４は、加熱炉条件および加熱炉抽出後の圧延操業パラメータを最適化し、最終材質を確保しつつ、消費エネルギーを低減する。具体的には、最適化部３４は、材質予測計算部３２により予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、エネルギー量計算部３３により算出された圧延材１５０の圧延に必要な総エネルギー量を最小にする熱間圧延装置１００の制御設定値を設定計算部３１に算出させる。
【０１０５】
≪作用≫
本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１の作用について説明する。
【０１０６】
図５は、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１による処理のフローを示すフローチャートである。
【０１０７】
図５に示すように、まず、設定計算部３１は、加熱炉条件と圧延操業パラメータとの初期値が外部から供給されたか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ここでは、一例として、加熱炉条件として加熱炉抽出温度が供給され、加熱炉抽出後の圧延操業パラメータとして仕上出側圧延速度が供給された場合を例に挙げて説明する。なお、抽出温度および仕上出側圧延速度の初期値は、たとえば鋼種や仕上目標板厚などで区分されるテーブルを予めＲＯＭ１２に記憶しておき、設定計算部３１が、ＲＯＭ１２に基づいて、外部から供給された鋼種や仕上目標板厚に対応する加熱炉抽出温度及び仕上出側圧延速度を抽出するようにしてもよい。
【０１０８】
次に、設定計算部３１は、加熱炉設定計算を実行する（ステップＳ１０２）。具体的には、設定計算部３１は、常温における圧延材１５０の寸法及び重量に基づいて、圧延材１５０を加熱炉抽出温度まで加熱するために、加熱炉１０１内で何時間在炉させればよいのかを算出する。
【０１０９】
そして、設定計算部３１は、設定計算を実行する（ステップＳ１０３）。具体的には、設定計算部３１は、供給された加熱炉抽出温度及び仕上出側圧延速度の初期値で圧延する場合に、圧延材１５０の目標とする厚み、幅、仕上出側温度、及び巻き取り機前温度を達成するように、安定に圧延されるロールギャップ設定値などのその他の圧延条件を算出する。また、設定計算部３１は、圧延材材長や圧延材の加減速の計算値に基づき、各時刻における仮想圧延材の位置を加熱炉１０１からコイラ１３５での巻き取り完了まで予測し、圧延材１５０の熱収支を周辺雰囲気への輻射、空気対流、冷却水対流、変態、加工による発熱、ロールへの伝熱などを考慮した温度モデルを使用して、加熱炉抽出温度や仕上出側目標温度や巻き取り目標温度に基づき、プライマリデスケーラ１０３、セカンダリデスケーラ１１７、仕上圧延機１１９、及びランアウトテーブル１２９のスプレーの設定および各地点での圧延材１５０の温度を計算する。
【０１１０】
次に、材質予測計算部３２は、材質予測計算を実行する（ステップＳ１０５）。具体的には、材質予測計算部３２は、設定計算部３１により計算された制御設定値で圧延を行った場合の、巻き取り後の降伏応力や引張強さなどの機械的性質などの圧延材１５０の材質を予測する。ここでは、材質として、巻き取り後の引張強さ（TScal）を予測する例を挙げて説明する。
【０１１１】
最適化部３４は、材質が要求材質を満たすか否かを判定する（ステップＳ１０７）具体的には、最適化部３４は、算出された引張強さの予測値（TScal）が、予め定められた要求材質（TSth）以上であるか否かを判定する。
【０１１２】
ステップＳ１０７において、要求材質を満たさないと判定された場合（ＮＯの場合）、最適化部３４は、繰返計算制限回数以内か否かを判定する（ステップＳ１０９）。この繰返計算制限回数には、予め任意の数として設定されている。
【０１１３】
ステップＳ１０９において、繰返計算制限回数以内であると判定された場合（ＹＥＳの場合）、最適化部３４は、圧延操業パラメータである仕上出側圧延速度をΔV m/ｓだけ変更する（ステップＳ１１１）。
【０１１４】
一方、ステップＳ１０９において、繰返計算制限回数を超えたと判定された場合（ＮＯの場合）、最適化部３４は、加熱炉条件である加熱炉抽出温度をΔT℃だけ変更する（ステップＳ１１３）。
【０１１５】
このようにして、設定計算部３１と、材質予測計算部３２と、最適化部３４とが、ΔVおよびΔTを変更しながら、繰り返し計算を行うことにより、加熱炉条件である加熱炉抽出温度と、圧延操業パラメータである仕上出側圧延速度とを仮決定する。
【０１１６】
一方、ステップＳ１０７において、材質が要求材質を満たすと判定された場合（ＹＥＳの場合）、エネルギー量計算部３３は、加熱炉目標抽出温度、仕上出側圧延速度、及び設定計算部３１で計算した圧延条件に基づいて、熱間圧延装置１００で消費される総エネルギー量を算出する（ステップＳ１１５）。
【０１１７】
次に、最適化部３４は、エネルギー量計算部３３により算出された総エネルギー量の減少量が十分小さいか否かを判定する（ステップＳ１１７）。具体的には、必要エネルギー前回計算結果[kJ]をＥn-1、必要エネルギー今回計算結果[kJ]をＥn、閾値εとして、下記の（数式４）を満たすか否かを判定する。ここで、閾値εは、例えば、０．０１というように、予め設定されている。
【０１１８】
｜Ｅn-1 − Ｅn｜／Ｅn ＜ 閾値ε （数式４）
ステップＳ１１７において、エネルギー量計算部３３により算出された総エネルギー量の減少量が十分小さくないと判定された場合（ＮＯの場合）、最適化部３４は、繰返計算制限回数以内か否かを判定する（ステップＳ１１９）。
【０１１９】
ステップＳ１１９において、繰返計算制限回数以内であると判定された場合（ＹＥＳの場合）、最適化部３４は、圧延操業パラメータである仕上出側圧延速度をΔV m/ｓだけ変更する（ステップＳ１２１）。
【０１２０】
一方、ステップＳ１１７において、エネルギー量計算部３３により算出された総エネルギー量の減少量が十分小さいと判定された場合（ＹＥＳの場合）、最適化部３４は、さらに、エネルギー量計算部３３により算出された総エネルギー量の減少量が十分小さいか否かを判定し（ステップＳ１２３）、エネルギー量計算部３３により算出された総エネルギー量の減少量が十分小さくないと判定された場合（ＮＯの場合）、最適化部３４は、繰返計算制限回数以内か否かを判定する（ステップＳ１２５）。
【０１２１】
ステップＳ１２５において、繰返計算制限回数以内であると判定された場合（ＹＥＳの場合）、最適化部３４は、加熱炉条件である加熱炉抽出温度をΔT℃だけ変更する（ステップＳ１２７）。
【０１２２】
一方、ステップＳ１２５において、繰返計算制限回数を超えたと判定された場合（ＮＯの場合）、最適化部３４は、要求材料を満たし、かつ最もエネルギー消費量が小さい加熱炉条件と圧延操業パラメータとを選択する（ステップＳ１２９）。
【０１２３】
以上のようにして、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１によれば、設定計算部３１と、材質予測計算部３２と、エネルギー量計算部３３と、最適化部３４とが、ΔVおよびΔTを変更しながら、繰り返し計算を行うことにより、材質予測計算部３２により予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、エネルギー量計算部３３により算出された総エネルギー量を最小にする制御設定値を設定計算部３１に算出させるので、圧延材１５０の要求材質を担保しながら、消費する総エネルギー量を最小化する圧延条件を決定することができる。
【０１２４】
なお、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１によれば、加熱炉条件として加熱炉抽出温度、及び圧延操業パラメータである仕上出側圧延速度に関して、要求材質を満たす範囲内で、総エネルギー量が最小となるように制御設定値を算出したが、これに限らない。
【０１２５】
例えば、加熱炉条件としてバーヒータ１１０の加熱温度としてもよいし、圧延操業パラメータとして、ランアウトテーブル１２９の冷却条件、粗圧延機１０７又は仕上圧延機１１９の圧延パス数、各パスの荷重配分、及び圧延材１５０の板厚のうち、少なくともいずれか１つとしてもよい。
【０１２６】
また、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１によれば、満たすべき要求材質として引っ張り強さを挙げたが、これに限らず、降伏応力、脆性遷移温度、r値、穴拡げ率、などや、それらの組み合わせでもよい。
【０１２７】
なお、第１の実施形態では、熱間圧延装置１００を備える熱間圧延システム３００を例に挙げて説明したが、これに限らず、熱間薄板圧延設備、厚板圧延設備、冷間圧延設備、鉄鋼の形鋼圧延設備、棒鋼，線材の圧延設備、又はアルミ，銅の圧延設備を備える圧延システムにも適用可能である。
【０１２８】
＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、圧延材１５０の材質が要求材質を満たし、かつ圧延に必要なエネルギー量を最適化する指標である最適化指標とし、この最適化指標が最小となるように、制御設定値を算出する最適化装置１を例に挙げて説明した。
【０１２９】
しかしながら、最適化指標はエネルギー量に限らずプラントや、操業日時、鋼種などで異なる。そこで、圧延に必要な総エネルギー量の代わりに、例えば、燃料エネルギー量、電気エネルギー量、エネルギー原単位、コスト、コスト原単位、圧延で排出されるCO2量、圧延時のピーク電力を最適化指標として用いてもよい。
【０１３０】
第２の実施形態では、最適化指標を選択し、圧延材１５０の材質が要求材質を満たし、かつ選択された最適化指標の最適化量を最適化するように、制御設定値を算出する最適化装置を例に挙げて説明する。
【０１３１】
第２の実施形態に係る最適化装置１Ａは、図１に示した第１の実施形態に係る最適化装置１と同様に、熱間圧延装置１００を制御する制御装置２００に接続されている。
【０１３２】
また、第２の実施形態に係る最適化装置１Ａは、ＣＰＵ１１Ａと、ＲＯＭ１２と、ＲＡＭ１３と、入力部１４と、表示部１５と、ハードディスク１６とを備えている。このうち、ＲＯＭ１２と、ＲＡＭ１３と、表示部１５と、ハードディスク１６とは、第１の実施形態に係る最適化装置１が備えるそれぞれ同一符号が付された構成と同一であるので、説明を省略する。
【０１３３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る最適化装置１Ａが備えるＣＰＵ１１Ａの構成を示した構成図である。
【０１３４】
図６に示すように、ＣＰＵ１１Ａは、その機能上、設定計算部３１と、材質予測計算部３２と、最適化部３４と、最適化指標選択部３５と、最適化指標量計算部３６とを備えている。このうち、設定計算部３１と、材質予測計算部３２と、最適化部３４とは、第１の実施形態に係る最適化装置１が備えるそれぞれ同一符号が付された構成と同一であるので、説明を省略する。
【０１３５】
最適化指標選択部３５は、最適化指標である総エネルギー量、燃料エネルギー量、電気エネルギー量、エネルギー原単位、コスト、コスト原単位、圧延で排出されるCO2排出量、圧延時のピーク電力のうち、いずれか任意の１つを選択する。
【０１３６】
最適化指標量計算部３６は、設定計算部３１により算出された制御設定値に基づいて、最適化指標選択部３５により選択された最適化指標の量を最適化指標量として算出する。
【０１３７】
≪作用≫
本発明の第２の実施形態に係る最適化装置１Ａの作用について説明する。
【０１３８】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る最適化装置１Ａによる処理のフローを示すフローチャートである。なお、図７に示すフローチャートの処理ステップのうち、図５に示したフローチャートにおける処理ステップと同一ステップ番号が付された処理は、それぞれ同一処理であるので、説明を省略する。
【０１３９】
ステップＳ２０１において、最適化指標選択部３５は、最適化指標である総エネルギー量、燃料エネルギー量、電気エネルギー量、エネルギー原単位、コスト、コスト原単位、圧延で排出されるCO2排出量、圧延時のピーク電力のうち、いずれか任意の１つを選択する。
【０１４０】
ステップＳ２１５において、最適化指標量計算部３６は、最適化指標の量のうち、いずれか１つを計算する。なお、圧延に必要な総エネルギー量、燃料エネルギー、電気エネルギーについては、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１が備えるエネルギー量計算部３３による総エネルギー量、燃料エネルギー、電気エネルギーの算出方法と同一であるので、説明を省略する。
【０１４１】
最適化指標量計算部３６は、エネルギー原単位を算出する場合、まず、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１が備えるエネルギー量計算部３３と同様に、燃料エネルギー使用量と電気エネルギー使用量とを算出し、下記の（数式５）を用いてエネルギー原単位を算出する。ここで、エネルギー原単位をＥｓ[kJ/ton]、燃料エネルギー使用量をＥｆ[kJ]、電気エネルギー使用量をＥｅ[kJ]、生産量をＳ[ton]とする。
【０１４２】
Ｅｓ＝（Ｅｆ＋Ｅｅ）／Ｓ （数式５）
また、最適化指標量計算部３６は、CO2排出量を算出する場合、二酸化炭素排出係数を用いて算出する。ここで、二酸化炭素排出係数は、燃料や電力を消費したときにどれだけ二酸化炭素を排出するかを計算するための係数である。たとえば、天然ガスについては、0.5526 kg-C/kg（天然ガス１kgを燃焼させたとき，0.5526 kgの炭素を排出する）または、2.025 kg-CO2/kg（天然ガス１kgを燃焼させたとき、2.025 kgの二酸化炭素を排出する）と決められている。電気1 kWh を使うと二酸化炭素は、0.555 kg-CO2/kWhと規定されている。
【０１４３】
そこで、最適化指標量計算部３６は、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１が備えるエネルギー量計算部３３と同様に、燃料エネルギー使用量Ｅｆと電気エネルギー使用量Ｅｅとを算出し、下記の（数式６）を用いてCO2排出量を算出する。ここで、CO2排出量Ｍｇ[kg]、燃料に対する排出係数Ｋｆ[kg-CO2/kg]、電気に対する排出係数Ｋｅ[kg-CO2/kWh]とする。
【０１４４】
Ｍｇ＝Ｅｆ×Ｋｆ＋Ｅｅ×Ｋｅ （数式６）
また、最適化指標量計算部３６は、コストを算出する場合、まず、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１が備えるエネルギー量計算部３３と同様に、燃料エネルギー使用量Ｅｆと電気エネルギー使用量Ｅｅとを算出し、下記の（数式７）を用いてコストを算出する。ここで、コストをＣ[円]、燃料代原単位をＦｇ[円/kg]、電気代原単位をＥｇ[円/kWh]とする。
【０１４５】
Ｃ＝Ｅｆ×Ｆｇ＋Ｅｅ×Ｅｇ （数式７）
また、最適化指標量計算部３６は、コスト原単位を算出する場合、（数式７）を用いて算出したコストＣを生産量をＳ[ton]で除算することにより、コスト原単位Ｃｇを算出する。
【０１４６】
また、最適化指標量計算部３６は、ピーク電力を算出する場合、設定計算部３１が圧延材材長や圧延材１５０の加減速の計算値に基づき予測した、各時刻における圧延材１５０の位置と、エネルギー量計算部３３により算出された各設備の使用電力に基づいて、下記の（数式８）を用いて、ある時刻ｔに圧延ラインで使用する電力を算出する。
【０１４７】
そして、最適化指標量計算部３６は、監視対象期間（たとえば、ある圧延材が加熱炉から抽出されて巻き取りが終了するまでや、１キャンペーン中など）を設け、その期間中に（数式８）で計算される圧延ラインが使用している各刻の電力を監視し、使用電力が最も大きくなる時刻の電力Ｅｐ（ｔ）をピーク電力とする。ここで、ある時刻ｔに圧延ラインで使用する電力Ｅｐ（ｔ）[kWh]、ある時刻tにある設備で使用している電力をＥｕ（ｔ） [kWh]とする。
【数８】
【０１４８】
ステップＳ２１７及びステップＳ２２３において、最適化部３４は、最適化指標量計算部３６により算出された最適化指標の量が最適化されたか否かを判定する。
【０１４９】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る最適化装置１Ａにおけるそれぞれの最適化指標を選択した場合の、最適化のための繰返計算の終了判定の一例を示した図である。
【０１５０】
最適化部３４は、要求材質を満たし、かつ最適化指標量が最良となるような圧延条件を、繰返計算によって計算する。たとえば、最適化指標としてCO2排出量が選択された場合、最適化部３４は、CO2排出量が最小となるような圧延条件を、繰返計算によって計算する。
【０１５１】
そこで、最適化部３４は、図８に示すように、選択された最適化指標量が、最適化繰返計算終了基準に達するまで繰返計算を実行する。
【０１５２】
繰返計算の終了条件は、計算時間の観点で繰返回数に制限を設けるほか、該当回の繰返計算と前回の繰返計算において最適化指標量計算部３６により算出された最適化指標量を比較し、最適化指標量が最良に収束したかを判定する。
【０１５３】
たとえば、最適化指標としてCO2排出量が選択された場合は、CO2排出量の前回計算結果からの減少幅が十分小さいかで判定する。
【０１５４】
以上のように、本発明の第２の実施形態に係る最適化装置１Ａによれば、材質予測計算部３２により予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、最適化指標量計算部３６により算出された最適化指標量である総エネルギー量、燃料エネルギー量、電気エネルギー量、エネルギー原単位、コスト、コスト原単位、圧延で排出されるCO2排出量、圧延時のピーク電力のうち、いずれか１つを最小にする制御設定値を設定計算部３１に算出させるので、圧延材１５０の要求材質を担保しながら、様々な最適化指標の中から所望の最適化指標を選択し、この選択された最適化指標量を最小化する圧延条件を決定することができる。
【０１５５】
なお、本発明の第２の実施形態では、ＣＰＵ１１Ａが、各圧延材について図７に示した処理を実行したが、これに限らず、例えば、圧延機のロールチェンジからロールチェンジまでの１ロールキャンペーン中など、より長い期間において実行してもよい。
【０１５６】
また、本発明の第２の実施形態では、最適化指標選択部３５が、最適化指標の選択を予め行い、その最適化指標が最良となるような最適化計算を行ったが、これに限らず、複数の最適化指標に対してそれぞれが最良となるように、それぞれの最適化指標に対する最適化計算を行い、全ての最適化計算が終了した後に、最適化指標を選択し、圧延条件を決定してもよい。
【０１５７】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂについて説明する。
【０１５８】
本発明の第１の実施形態では、圧延材１５０の材質が要求材質を満たし、かつ圧延に必要なエネルギー量を最適化する指標である最適化指標とし、この最適化指標が最小となるように、制御設定値を算出する最適化装置１を例に挙げて説明した。
【０１５９】
本発明の第３の実施形態では、粗圧延機１０７又は仕上圧延機１１９のロールチェンジからロールチェンジまでの１ロールキャンペーン中（例えば、ロールチェンジ中のタイミングで言えば、今回のロールチェンジから次回のロールキャンペーンまで）のすべての圧延材１５０において、材質要求およびスループット（単位時間あたりの生産量）要求を満たし、かつキャンペーン中の圧延に必要なエネルギーの総量が最小となるように、制御設定値を算出する最適化装置１Ｂを例に挙げて説明する。
【０１６０】
本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂは、図１に示した第１の実施形態に係る最適化装置１と同様に、熱間圧延装置１００を制御する制御装置２００に接続されている。
【０１６１】
また、本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂは、図２に示した第１の実施形態に係る最適化装置１と同一の構成を備えるので、説明を省略する。
【０１６２】
≪作用≫
本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂの作用について説明する。
【０１６３】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂによる処理フローを示すフローチャートである。
【０１６４】
図９に示すように、ＣＰＵ１１の設定計算部３１は、粗圧延機１０７又は仕上圧延機１１９のキャンペーンにおける圧延材１５０の最適化計算を実行する（ステップＳ３０１）。具体的には、ＣＰＵ１１は、計算対象のロールキャンペーン中に圧延される全ての圧延材１５０に対して、図５に示した本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１による処理と同一の処理を実行することにより、最適化計算の方法を用いて、計算対象の圧延材１５０が材質要求を満たし、かつ対象の圧延材１５０の１本あたりの圧延に必要なエネルギーが最小となるような、加熱炉抽出温度および仕上出側圧延速度を加熱炉装入前にそれぞれ計算する。
【０１６５】
次に、ＣＰＵ１１の設定計算部３１は、抽出ピッチ設定計算を実行する（ステップＳ３０３）。具体的には、ステップＳ３０１において、計算対象のロールキャンペーン中の各圧延材に対して最適な圧延操業パラメータが既に計算されている。そのため、圧延材１５０が加熱炉１０１から抽出された後の圧延ライン上でどのように移動するかが既知である。そこで、設定計算部３１は、この情報によって圧延材１５０と先行する圧延材１５０が圧延ライン上で衝突しない抽出ピッチτiを計算する。ここで抽出ピッチτiは、圧延材１５０と先行する圧延材１５０との加熱炉抽出時間間隔とする。
【０１６６】
そして、設定計算部３１は、計算した抽出ピッチτiが要求スループットを満たしているか否かを判定する（ステップＳ３０５）。具体的には、設定計算部３１は、下記の（数式９）を満たしているか否かを判定する。
【数９】
【０１６７】
ここでTMAXは、要求スループットの観点で計算対象のロールキャンペーンの全ての圧延材１５０の圧延に費やすことができる最大時間である。抽出ピッチτiの初期値は、たとえば、圧延材１５０の衝突が生じない最も短い抽出間隔が短いピッチを選択する。
【０１６８】
ステップＳ３０３及びＳ３０５の処理ステップにより、設定計算部３１は、要求スループットを満たし、かつ、圧延ライン上で圧延材１５０同士が衝突しないような抽出ピッチを計算することができる。
【０１６９】
次に、設定計算部３１は、各圧延材１５０の抽出目標温度及び抽出ピッチτiに基づき、炉温設定計算を実行する（ステップＳ３０７）。加熱炉１０１の炉温の計算方法は、たとえば、文献 鉄鋼業における制御 高橋亮一著 コロナ社 （2002年出版）に示されている。
【０１７０】
そして、設定計算部３１は、ロールキャンペーンの全ての圧延材１５０について目標抽出温度が達成できるか否かを判定する（ステップＳ３０９）。
【０１７１】
ステップＳ３０９において、目標抽出温度が達成できないと判定された場合（ＮＯの場合）、設定計算部３１は、目標抽出温度を達成できない圧延材１５０の抽出ピッチを、先行する圧延材１５０と干渉しない範囲で変更して、ステップＳ３０７と同様に、炉温設定計算を実行する（ステップＳ３１１）。
【０１７２】
そして、設定計算部３１は、ロールキャンペーンの全ての圧延材１５０について目標抽出温度が達成できるか否かを判定する（ステップＳ３１３）。
【０１７３】
ステップＳ３１３において、目標抽出温度が達成できないと判定された場合（ＮＯの場合）、設定計算部３１は、繰返計算制限回数以内か否かを判定する（ステップＳ３１５）。
【０１７４】
ステップＳ３１５において、繰返計算制限回数を超えたと判定された場合（ＮＯの場合）、設定計算部３１は、目標抽出温度を達成できない圧延材１５０の目標抽出温度を変更する（ステップＳ３１７）。目標抽出温度の変更は、圧延材１５０の１本あたりの計算過程で得られる、必要エネルギーが最小エネルギーに近く、要求材質を満たすような、炉温制御のみで達成できるような目標抽出温度を選択する。もしくは、目標抽出温度を達成できない圧延材１５０に対し、ステップＳ３０１における最適化計算を再び実行することにより、材質要求を満たし、必要エネルギーが小さく、炉温制御のみで達成できるような目標抽出温度を計算する。
【０１７５】
一方、ステップＳ３１３において、目標抽出温度が達成できると判定された場合（ＹＥＳの場合）、即ち、ある抽出ピッチにおいて、全ての圧延材１５０のが目標抽出温度を達成できるような炉温設定が可能な場合は、エネルギー量計算部３３は、該当キャンペーンの圧延に必要な全エネルギー量を計算する（ステップＳ３１９）。たとえば、エネルギー量計算部３３は、加熱炉で消費される燃料エネルギーと、その他の設備で消費される電気エネルギーとそれぞれ計算した後に加算することにより、該当キャンペーンの圧延に必要な全エネルギー量を算出する。
【０１７６】
また、設定計算部３１が炉温設定計算を行う際に、キャンペーン中での炉温パターンを算出しているので、エネルギー量計算部３３は、この炉温パターンに基づいて、雰囲気温度の上昇に必要なエネルギー、壁を伝って熱が逃げる等の効率の低下、圧延材の昇温に必要なエネルギーを計算し、さらにそれらから燃料エネルギーの消費量を算出する。
【０１７７】
電気エネルギーは、上記の圧延材１５０の１本あたりの圧延に必要なエネルギー量が加算されることにより計算される。また、アイドルに必要なエネルギーも含める。
【０１７８】
次に、最適化部３４は、該当キャンペーンの圧延に必要な全エネルギー量の減少量が十分小さいか否かを判定する（ステップＳ３２１）。
【０１７９】
ステップＳ３２１において、該当キャンペーンの圧延に必要な全エネルギー量の減少量が十分小さくないと判定された場合（ＹＥＳの場合）、最適化部３４は、最適化部３４は、繰返計算制限回数以内か否かを判定する（ステップＳ３２３）。
【０１８０】
ステップＳ３２３において、繰返計算制限回数以内であると判定された場合（ＹＥＳの場合）、処理をステップＳ３０３へ移行し、繰返計算制限回数を超えたと判定された場合（ＮＯの場合）、処理を終了する。
【０１８１】
このようにして、材質要求およびスループット要求を満たし、かつエネルギー量が最小となるような抽出ピッチを得るために抽出ピッチを変更し、上記計算を、指定繰返回数を超えるまで、もしくは、エネルギー減少幅が指定値以下となるまで行うことができる。
【０１８２】
以上のように、本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂによれば、最適化部３４が、圧延材１５０の処理量が外部入力された要求処理量を満たし、かつ材質予測計算部３２により予測された処理量分全ての圧延材１５０の材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、エネルギー量計算部３３により算出された処理量分の圧延材１５０を圧延するために必要な最適化指標量を最小にする制御設定値を設定計算部３１に算出させるので、例えば、粗圧延機１０７又は仕上圧延機１１９のロールチェンジからロールチェンジまでの１ロールキャンペーン中のすべての圧延材１５０においても、圧延材１５０の製品品質を確保しつつ、最適化したい最適化指標量が最小になるように、圧延設備の制御を最適化することができる。
【０１８３】
なお、本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂでは、１ロールキャンペーン中に圧延される各圧延材の、抽出ピッチ、加熱炉抽出温度、仕上出側圧延速度に関して、材質要求およびスループット要求を満たし、エネルギーが最小となるような方法について説明したが、抽出ピッチや抽出温度、仕上出側圧延速度に限らず、ランアウトテーブルでの冷却条件や、圧延パス数、各パスの荷重配分、バーヒータの加熱条件などを変更した場合に関しても、上記と同様に、設定計算部３１における加熱炉条件および圧延条件を変更し、その条件化で、材質予測計算部３２による材質予測計算と、エネルギー量計算部３３による設定計算部３１で計算した圧延条件で圧延した場合のエネルギー計算を繰り返し行い、最適化部３４で材質要求を満たし、かつエネルギーが最小となる圧延条件を決定することができる。
【０１８４】
また、本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂでは、圧延に必要な総エネルギーを最小化する場合について説明したが、本発明の第２の実施形態に係る最適化装置１Ａと同様に、最適化指標選択部３５及び最適化指標量計算部３６とを備え、図８に示した燃料エネルギーや電気エネルギー量、エネルギー原単位、CO2排出量、コスト、コスト原単位、ピーク電力などの最適化指標が最良となるように、圧延ラインを最適化することができる。
【０１８５】
また、上述した実施形態を、コンピュータにインストールした最適化プログラムを実行させることにより実現することもできる。すなわち、この最適化プログラムは、例えば、最適化プログラムが記憶された記録媒体から読み出され、ＣＰＵで実行されることにより最適化装置１〜１Ｂのいずれか１つを構成するようにしてもよいし、通信ネットワークを介して伝送されてインストールされ、ＣＰＵで実行されることにより最適化装置１〜１Ｂのいずれか１つを構成するようにしてもよい。
【産業上の利用の可能性】
【０１８６】
本発明は、熱間圧延装置を制御する制御装置を設定する最適化装置に適用できる。
【符号の説明】
【０１８７】
１，１Ａ，１Ｂ…最適化装置
３１…設定計算部
３２…材質予測計算部（材質予測部）
３３…エネルギー量計算部
３４…最適化部
３５…最適化指標選択部
３６…最適化指標量計算部
１００…熱間圧延装置
１０１…加熱炉
１０３…プライマリデスケーラ
１０５…粗エッジャ
１０７…粗圧延機
１０９…粗出側板幅計
１１０…バーヒータ
１１１…粗出側温度計
１１３…仕上入側温度計
１１５…クロップシャー
１１７…セカンダリデスケーラ
１１９…仕上圧延機
１２１…仕上出側板厚計
１２３…マルチゲージ
１２５…仕上出側温度計
１２７…平坦度計
１２９…ランアウトテーブル
１３１…コイラ入側温度計
１３３…コイラ入側板幅計
１３５…コイラ
１５０…圧延材
２００…制御装置
３００…熱間圧延システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧延設備において圧延材を圧延する際、圧延材の製品品質を確保しつつ、最適化指標量を最小になるように、圧延設備の制御を最適化する最適化装置、最適化方法、及び最適化プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料を圧延する圧延設備としては、鉄鋼の板（以下、鋼板という）を製造する熱間薄板圧延設備、厚板圧延設備、冷間圧延設備、鉄鋼の形鋼圧延設備、棒鋼、線材の圧延設備、及びアルミ、銅の圧延設備がある。
【０００３】
例えば、熱間薄板圧延設備は、スラブと呼ばれる直方体状の鉄鋼材料を加熱炉１０１で１２００℃程度に熱し、粗圧延機で粗圧延を施すころにより厚み３０〜４０ｍｍ程度のバーを得る。この際、バーヒータによってバーを昇温する場合もある。その後、熱間薄板圧延設備は、仕上圧延機において、粗圧延されたバーを厚み１．２〜１２ｍｍに圧延する。次に、熱間薄板圧延設備は、水冷機により５００〜７００℃くらいに冷却した後、最終的に巻き取り機で、コイルとして巻き取る。ここで、スラブは、圧延の各工程を経る度に、バー、コイルなどと呼び方が変わるが、以下、圧延材という呼称で統一するものとする。
【０００４】
このように、熱間薄板圧延設備は、圧延材を搬送しながら、加熱炉で所定の温度で加熱し、圧延機で大きく変形させることにより、一定の品質、即ち目標とする材質を担保することができるが、高い品質を担保するためには、製品の材質を予測し、この予測に基づいて熱間薄板圧延設備における各制御値を決定する必要があった。
【０００５】
例えば、特許文献１には、圧延前の鋼材実績成分値及び圧延後の鋼材サイズ（厚み、幅、長さ）と鋼材材質保証値（引っ張り強さ、降伏点、靭性）から加熱、圧延、冷却の予定プロセス条件を求める鋼板の材質予測制御方法が提案されている。
【０００６】
また、高品質が要求される一方で、高温で加熱すると、消費するエネルギーも大きくなるが、昨今の世界的な環境問題への取り組みや、日本のエネルギー事情等により、熱間薄板圧延設備においても、消費エネルギーの低減が強く望まれている。
【０００７】
そこで、例えば、省エネルギー対策として、圧延機で圧延していない時間、いわゆるアイドル(idle)時間に、ロール回転速度を落とす省エネ方法が一般的に行われている。また、圧延機では大量の冷却水、油圧系の油、ブロアの空気を使用するので、圧延機に水、油、空気を供給するポンプの台数制御や起動・停止制御において、省エネルギー化を図る省エネ方法が一般的によく知られている。
【０００８】
例えば、特許文献２には、圧延材個々の化学分析に対応するＡＲ３変態点以上となるような加熱炉抽出温度と、電力コストを低減する粗圧延の各パスの出口厚さと、ＡＲ３変態点以上の仕上げ圧延機の出口温度を設定する圧延方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２５０９４８１号公報
【特許文献２】特開昭５８−１１９４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２に記載の圧延方法では、仕上出側温度でＡＲ３変態点以上となるような加熱炉抽出温度と設定しても、変態以外に最終材質を左右する要素がある場合、最終材質の確保が出来ないことがある。
【００１１】
変態以外の最終材質を左右する要素としては、例えば、最終粒径に影響を及ぼす各パスの再結晶率や、マイクロアロイ鋼では固溶元素量や析出元素量および析出物の大きさなどの金属組織変化がある。これらの金属組織変化は、加熱炉から仕上出側まで過去の履歴が影響を及ぼすため、最終材質を確保するためには、金属組織変化を考慮して圧延条件の設定する必要があった。
【００１２】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、圧延材の製品品質を確保しつつ、最適化したい最適化指標量が最小になるように、圧延設備の制御を最適化する最適化装置、最適化方法、及び最適化プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化装置の第１の特徴は、圧延装置が圧延材を圧延するための制御設定値を算出する設定計算部と、前記設定計算部により算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置により圧延された圧延材の材質を予測する材質予測部と、前記設定計算部により算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延する上で最適化する指標の量を最適化指標量として算出する最適化指標量算出部と、前記材質予測部により予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出部により算出された最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算部に算出させる最適化部と、を備えたことにある。
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化装置の第２の特徴は、前記最適化指標量算出部は、前記設定計算部により算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延するために必要なエネルギーである使用エネルギーを、最適化指標量として算出することにある。
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化装置の第３の特徴は、前記最適化部は、前記圧延装置により圧延される圧延材の処理量が外部入力された要求処理量を満たし、かつ前記材質予測部により予測された前記処理量分全ての圧延材の材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出部により算出された前記処理量分の圧延材を圧延するために必要な最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算部に算出させることにある。
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化方法の第１の特徴は、圧延装置が圧延材を圧延するための制御設定値を算出する設定計算ステップと、前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置により圧延された圧延材の材質を予測する材質予測ステップと、前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延する上で最適化する指標の量を最適化指標量として算出する最適化指標量算出ステップと、前記材質予測ステップにより予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させる最適化ステップと、を有することにある。
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化方法の第２の特徴は、前記最適化指標量算出ステップは、前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延するために必要なエネルギーである使用エネルギーを、最適化指標量として算出することにある。
【００１８】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化方法の第３の特徴は、前記最適化ステップは、前記圧延装置により圧延される圧延材の処理量が外部入力された要求処理量を満たし、かつ前記材質予測ステップにより予測された前記処理量分全ての圧延材の材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された前記処理量分の圧延材を圧延するために必要な最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させることにある。
【００１９】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化プログラムの第１の特徴は、圧延装置が圧延材を圧延するための制御設定値を算出する設定計算ステップと、前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置により圧延された圧延材の材質を予測する材質予測ステップと、前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延する上で最適化する指標の量を最適化指標量として算出する最適化指標量算出ステップと、前記材質予測ステップにより予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させる最適化ステップと、をコンピュータに実行させることにある。
【００２０】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化プログラムの第２の特徴は、前記最適化指標量算出ステップは、前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延するために必要なエネルギーである使用エネルギーを、最適化指標量として算出することにある。
【００２１】
上記目的を達成するため、本発明に係る最適化プログラムの第３の特徴は、前記最適化ステップは、前記圧延装置により圧延される圧延材の処理量が外部入力された要求処理量を満たし、かつ前記材質予測ステップにより予測された前記処理量分全ての圧延材の材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された前記処理量分の圧延材を圧延するために必要な最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させることにある。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の最適化装置、最適化方法、及び最適化プログラムによれば、圧延材の製品品質を確保しつつ、最適化したい最適化指標量が最小になるように、圧延設備の制御を最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る最適化装置が適用された熱間圧延システムの構成を示した構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る最適化装置が備えるＣＰＵの構成を示した構成図である。
【図３】圧延材が消費するエネルギーの一例を説明した図である。
【図４】設備毎に消費するエネルギーの区分の一例を示した図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る最適化装置による処理のフローを示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る最適化装置が備えるＣＰＵの構成を示した構成図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る最適化装置による処理のフローを示すフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る最適化装置におけるそれぞれの最適化指標を選択した場合の、最適化のための繰返計算の終了判定の一例を示した図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る最適化装置による処理フローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る最適化装置の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
＜第１の実施形態＞
≪構成≫
図１は、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置が適用された熱間圧延システムの構成を示した構成図である。
【００２６】
図１に示すように、熱間圧延システム３００は、第１の実施形態に係る最適化装置１と、熱間で圧延材を圧延する熱間圧延装置１００と、熱間圧延装置１００を制御する制御装置２００とを備えており、最適化装置１は、制御装置２００に接続されている。図１中の矢印は、熱間圧延装置（熱間圧延ライン）において圧延される圧延材１５０が搬送される搬送方向を示している。一般的に、圧延材１５０は、熱間圧延装置において圧延される過程において、スラブ、バー、コイルとも呼ばれるが、ここでは、圧延材１５０という呼称で統一するものとする。
【００２７】
図１に示すように、熱間圧延装置１００は、加熱炉１０１と、プライマリデスケーラ１０３と、粗エッジャ１０５と、粗圧延機１０７と、粗出側板幅計１０９と、バーヒータ１１０と、粗出側温度計１１１と、仕上入側温度計１１３と、クロップシャー１１５と、セカンダリデスケーラ１１７と、仕上圧延機１１９と、仕上出側板厚計１２１と、マルチゲージ１２３と、仕上出側温度計１２５と、平坦度計１２７と、ランアウトテーブル１２９と、コイラ入側温度計１３１と、コイラ入側板幅計１３３と、コイラ１３５とを備える。
【００２８】
加熱炉１０１は、圧延材１５０を加熱するための炉である。
【００２９】
プライマリデスケーラ１０３は、加熱炉１０１の加熱により圧延材１５０表面に形成された酸化膜を、圧延材１５０の上下方向から高圧水を噴射することにより除去する。
【００３０】
粗エッジャ１０５は、熱間圧延ライン上面方向から見て、圧延材１５０の幅方向の圧延を行う。
【００３１】
粗圧延機１０７は、単数又は複数スタンドを備え、圧延材１５０の上下方向の圧延を行う。また、粗圧延機１０７は、温度低下防止等の観点から、ライン長を短くする必要があり、さらに複数パス（搬送方向に対する往復運動）による圧延が必要であることから、可逆式圧延機を含んで構成される場合が多い。また、粗圧延機１０７は、半製品である圧延材１５０に高圧水を噴射し、表面の酸化膜を除去するためのデスケーラを備えている。圧延は、高温で行われるため、酸化膜が形成されやすく、このような酸化膜を除去するための装置を適宜用いる必要がある。
【００３２】
粗出側板幅計１０９は、圧延中の半製品である圧延材１５０の板幅を測定する。
【００３３】
バーヒータ１１０は、粗圧延機１０７により圧延された圧延材１５０を加温する。
【００３４】
粗出側温度計１１１は、圧延中の半製品である圧延材１５０の表面温度を測定する。
【００３５】
仕上入側温度計１１３は、粗圧延機１０７と仕上圧延機１１９の間の距離が長いため、仕上圧延機１１９の入口における圧延材１５０の表面温度を測定する。
【００３６】
クロップシャー１１５は、圧延材１５０の先尾端部を切断する。
【００３７】
セカンダリデスケーラ１１７は、粗圧延機１０７と仕上圧延機１１９の間の距離が長いため、仕上圧延機１１９の入口に設けられ、仕上圧延後の圧延材１５０の表面性状を良くするため、粗圧延された圧延材１５０表面に形成される酸化膜を、圧延材１５０の上下方向から高圧水を噴射することにより除去する。
【００３８】
仕上圧延機１１９は、スタンドと呼ばれる圧延ロールが複数列設置されたタンデム式が採用されており、複数の圧延ロールで上下方向に圧延することにより、目標板厚の圧延材１５０を得ることができる。この仕上圧延機１１９のスタンドおよびスタンド間には、酸化膜形成を抑制するため、及び温度制御を行うために、スプレーが備えられている。
【００３９】
仕上出側板厚計１２１は、仕上圧延機１１９により圧延された圧延材１５０の板厚を測定する。
【００４０】
Ｘ線測定器の一種であるマルチゲージ( Multi-Channel Gauge)１２３は、Ｘ線の検出器を圧延材１５０の幅方向に並べた形態をしており、幅方向における板厚分布が測定できることから、板厚、クラウン、板幅など複数の種類のプロセス値を１台で測定できる複合型測定器である。
【００４１】
仕上出側温度計１２５は、仕上圧延機１１９による圧延後の圧延材１５０の表面温度を測定する。圧延材１５０の温度は、製品の金属組織の形成や材質と密接に関連しており、適切な温度に管理される必要がある。
【００４２】
平坦度計１２７は、仕上圧延機１１９による圧延後の圧延材１５０の平坦度を測定する。また、平坦度計１２７は、複数のＣＣＤカメラを備えており、圧延材１５０の板幅を測定することも可能である。
【００４３】
ランアウトテーブル１２９は、圧延材１５０の温度を制御するために、冷却水により圧延材１５０を冷却する装置である。これらには、通常のランアウトテーブル冷却装置に加えて、前後に強制冷却装置が備えられることもある。
【００４４】
コイラ入側温度計１３１は、ランアウトテーブル１２９により冷却された圧延材１５０の表面温度を測定する。圧延材１５０の温度は、圧延製品の金属組織の形成や材質と密接に関連しており、適切な温度に管理される必要がある。
【００４５】
コイラ入側板幅計１３３は、ランアウトテーブル１２９により冷却された圧延材１５０の板幅を測定する。通常の圧延では、オーステナイト域まで加熱された圧延材１５０は、ランアウトテーブル１２９においてフェライトやパーライトなどの組織に変態するため変態後の板幅を測定する。また、仕上圧延機１１９出側で約860℃前後、コイラ１３５入側で約600℃前後であることから、より室温に近い状態で測定することにより、線膨張による室温との誤差がより少ない状態で板幅を測定することができる。
【００４６】
コイラ１３５は、圧延材１５０を搬送するために巻き取る。
【００４７】
制御装置２００は、製品である圧延材１５０の品質を確保するための品質制御として、圧延材１５０の寸法制御と温度制御を行う。
【００４８】
制御装置２００は、寸法制御として、圧延材１５０の幅方向中央部の板厚を制御する板厚制御、板幅を制御する板幅制御、幅方向板厚分布を制御する板クラウン制御、圧延材１５０の幅方向の伸びを制御する平坦度制御を行う。
【００４９】
また、制御装置２００は、温度制御として、仕上圧延機１１９出口の温度を制御する仕上出口温度制御と、コイラ１３５前の温度を制御する巻取温度制御とを行う。
【００５０】
圧延材１５０の製品品質を決定する際に重要なのが、制御設定値を算出する設定計算や品質制御である。設定計算では、例えば、粗圧延機１０７及び仕上圧延機１１９に圧延材１５０が噛み込まれる前に、予め圧延ロールのロールギャップ、ロール速度が初期計算で算出され、これにより安定な通板が確保される。仕上圧延機１１９の冷却水の初期設定及び巻き取り温度制御の初期設定は、予め適切に行われる必要がある。
【００５１】
例えば、板幅制御において、板厚精度の向上を阻害する外乱としては、圧延材１５０の温度変動がある。加熱炉１０１で加熱される圧延材１５０は、加熱炉１０１の構造上スキッドマークという低温部分ができる場合がある。この低温部分は硬くなるので、板厚は厚くなり、また板幅も変化する。
【００５２】
ここで、圧延材１５０の温度と品質の関係について説明する。加熱炉１０１において圧延材１５０を十分加熱していないと、スキッドマークが顕著に現れ、圧延材１５０の搬送方向に板厚偏差がスキッドマークの周期で現れる。
【００５３】
特に、圧延材１５０の材質としてマイクロアロイ鋼が用いられる場合、加熱炉１０１からの抽出温度の変化によって、期待したマイクロアロイの効果が得られないことが懸念される。マイクロアロイ鋼は、ニオブやバナジウムに代表されるマイクロアロイを添加し、組織を微細化した鋼である。船舶やパイプラインをはじめとする用途で使用される厚板および熱間圧延鋼材は、高い強度、靭性、溶接性、加工性が要求される。
【００５４】
この強度と低温靭性の両立には組織の微細化が有効であり、熱間圧延の条件を適正化しオーステナイト状態を調整し（制御圧延）、制御圧延後にオーステナイト−フェライト変態温度領域で急冷することで（制御冷却）、フェライト組織を微細化するＴＭＣＰ(Thermo-Mechanical Control Process)を用いることも有効である。
【００５５】
ニオブやバナジウムに代表されるマイクロアロイは、ＴＭＣＰの効果を大きくする。その効果として、例えば、加熱炉１０１等の加熱工程においては、析出物のピンニング（pinning）効果により結晶粒の成長が抑制される。また、粗圧延機１０７や仕上圧延機１１９等の圧延工程においては、固溶元素によるソリュートドラッグ（solute drag）効果、加工による析出物のピンニング効果によって回復および再結晶が抑制されるため、フェライトの粒内析出が促進され、フェライト粒が微細化される。さらに、ランアウトテーブル１２９等の冷却工程においては、析出物による析出強化によって、最終製品の強度が向上されること、などが知られている。
【００５６】
このように、マイクロアロイ鋼は広く用いられているが、十分加熱されない場合、マイクロアロイの固溶量が十分得られず、固溶マイクロアロイによるソリュートドラッグ効果が減少することや、抽出後、圧延中および冷却中の析出量が減少し、析出物によるピンニング効果が減少することが懸念される。
【００５７】
また、低温の圧延材１５０を圧延する場合、硬い材料を圧延することになるので、粗圧延機１０７及び仕上圧延機１１９の圧延動力がより多く必要となり、粗圧延機１０７及び仕上圧延機１１９を駆動する駆動装置の消費エネルギーが増加する。
【００５８】
さらに、近年、圧延材１５０の圧延製品に対して顧客が要求する仕様は厳しくなる一方であり、とりわけ圧延製品の寸法形状に加え、強度及び延性などの機械的性質を許容範囲内に収めることが重要となっている。鉄鋼をはじめとする金属材料において、強度（降伏応力、耐力、硬さなど）、靱性（脆性遷移温度など）、成形性（r値など）などの機械的性質は、その合金組成だけでなく、加熱条件、加工条件、及び、冷却条件によっても変化する。合金組成の調整は、成分元素の添加量を制御することで行うが、成分調整時にはたとえば１００トン前後の溶鋼を保持できる成分調整炉を用いるなど、１つのロット単位が大きく、１５トン前後になる個々の製品ごとに添加量を変更することは非常に困難である。したがって、所望の材質の製品を製造するためには、加熱条件、加工条件、及び、冷却条件を適正にし、材質を造り込むこと、すなわち目標とする機械的性質などの材質を達成することが重要である。
【００５９】
一方、昨今の世界的な環境問題への取り組みや関心への高まりを受けて、二酸化炭素（CO2と記す）に代表される温暖化ガスを低減することも重要である。
【００６０】
上述したように、省エネルギーの実際の方策としては、たとえば粗圧延機１０７や仕上圧延機１１９で圧延していない時間、いわゆるアイドル(idle)時間に、ロール回転速度を落とし、電気エネルギーを省エネルギー化する方法がある。また粗圧延機１０７や仕上圧延機１１９では大量の冷却水、油圧系の油、ブロアの空気を使用するので、粗圧延機１０７や仕上圧延機１１９に水、油、空気を供給するポンプの台数制御や起動・停止制御において、省エネルギー化を図ることも考えられる。
【００６１】
また、熱間圧延装置１００で使用されるエネルギーは、燃料エネルギーが約６０％を占め、電気エネルギーの３４％と比較して大きい。そのため、燃料エネルギーの省エネルギー化を行うことが、熱間圧延装置１００で消費される総エネルギーの省エネルギー化にとって、効果的である。燃料エネルギーは、主として加熱炉１０１において消費される。そのため、加熱炉１０１における燃料エネルギーの省エネルギー化を図るため、加熱炉１０１に着目した制御を行うことが効果が大きい。
【００６２】
そこで、第１の実施形態に係る最適化装置１は、熱間圧延装置１００を制御する制御装置２００に接続され、熱間圧延装置１００により圧延された圧延材１５０の製品品質を確保しつつ、加熱炉１０１を中心に熱間圧延装置１００における使用エネルギーが最小になるように、制御装置２００による熱間圧延装置１００の制御を最適化する。
【００６３】
図１に示すように、最適化装置１は、ＣＰＵ１１と、ＲＯＭ１２と、ＲＡＭ１３と、入力部１４と、表示部１５と、ハードディスク１６とを備えており、それぞれは、バス２０を介して接続されている。
【００６４】
ＲＯＭ１２は、不揮発性半導体等で構成され、ＣＰＵ１１が実行するオペレーションシステム及び最適化プログラムを記憶している。
【００６５】
ＲＡＭ１３は、揮発性半導体等で構成され、ＣＰＵ１１が各種処理を実行する上で必要なデータを一時的に記憶する。
【００６６】
ハードディスク１６は、ＣＰＵ１１が最適化プログラムを実行する上で必要な情報を記憶している。
【００６７】
ＣＰＵ１１は、最適化装置１の中枢的な制御を行う。
【００６８】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１が備えるＣＰＵ１１の構成を示した構成図である。
【００６９】
図２に示すように、ＣＰＵ１１は、最適化プログラムを実行することにより、その機能上、設定計算部３１と、材質予測計算部３２と、エネルギー量計算部３３と、最適化部３４とを備える。
【００７０】
設定計算部３１は、安定かつ高精度に圧延材１５０を圧延するための制御設定値、即ち加熱炉条件や加熱炉抽出後の圧延操業パラメータなどの計算を行う。
【００７１】
例えば、設定計算部３１は、常温での圧延材１５０の寸法や重量が外部から入力され、これを加熱炉１０１に装入して所望の抽出温度まで上昇させる場合、何度の雰囲気温度の中を何時間在炉すればよいかを計算する加熱炉設定計算を実行する。
【００７２】
また、設定計算部３１は、設定計算を実行する。例えば、設定計算部３１は、加熱炉１０１から抽出された圧延材１５０の寸法や温度に基づき、圧延荷重、変形抵抗、圧延トルク、圧延パワーなどについて数式を用いた圧延モデルを使用して予測し、安定圧延のための制御設定値である仕上出側圧延速度設定値、ロールギャップ設定値などを計算する。
【００７３】
さらに、設定計算部３１は、圧延材材長や圧延材１５０の加減速の計算値に基づき、各時刻における仮想圧延材の位置を加熱炉１０１からコイラ１３５での巻き取り完了まで予測する。そして、設定計算部３１は、圧延材１５０の熱収支を周辺雰囲気への輻射、空気対流、冷却水対流、変態、加工による発熱、ロールへの伝熱などを考慮した温度モデルを使用して、加熱炉抽出温度や仕上出側目標温度や巻き取り目標温度に基づき、プライマリデスケーラ１０３、セカンダリデスケーラ１１７、仕上圧延機１１９、及びランアウトテーブル１２９のスプレーの設定および各地点での圧延材１５０の温度を計算する。
【００７４】
材質予測計算部３２は、設定計算部３１により計算された制御設定値で圧延を行った場合の、巻き取り後の降伏応力や引張強さなどの機械的性質などの圧延材１５０の材質を予測する。例えば、材質予測計算部３２は、金属組織情報および化学成分に基づいて、降伏応力や引張強さなどの機械的性質などに代表される材質を予測する。一例として、第１７３・１７４回西山記念技術講座「熱延鋼材の組織変化および材質の予測」（（社）日本鉄鋼協会刊）のP125に掲載されている。
【００７５】
巻き取り後の金属組織には、フェライト粒径、フェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトなどの各相体積率、中間データとしてオーステナイト粒径などがある。そこで、材質予測計算部３２は、圧延材の化学成分や、設定計算部３１により算出された圧延時の温度、荷重などの予測値に基づき、冶金現象を数式化したモデルを使用し、金属組織の変化を予測する。
【００７６】
この冶金現象を数式化したモデルには、様々なものが提案されており、静的回復、静的再結晶、動的回復、動的再結晶、粒成長などを表す数式群からなるものが広く知られている。一例として、塑性加工技術シリーズ７板圧延（コロナ社）P198〜229に一例が掲載されている。これらにより粒径やフェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトの体積率などを把握することができる。
【００７７】
エネルギー量計算部３３は、設定計算部３１の計算結果に基づき、計算対象の圧延材１５０を圧延する上で必要なエネルギー量を計算する。
【００７８】
図３は、圧延材１５０が消費するエネルギーの一例を説明した図である。
【００７９】
図３に示すように、圧延材１５０の消費するエネルギー２０１は、熱エネルギー２０２、加工エネルギー２０３、搬送エネルギー２０４、噴射エネルギー２０５に分けられる。
【００８０】
熱エネルギー２０２は、加熱炉１０１によって圧延材１５０が加熱される際に消費する加熱消費エネルギー２０６と、プライマリデスケーラ１０３、セカンダリデスケーラ１１７、仕上圧延機１１９、及びランアウトテーブル１２９において、圧延材１５０が空冷、及びスプレーにより水冷される際に消費する冷却消費エネルギー２０７がある。圧延材１５０の圧延中および冷却中に圧延材１５０の内部で変態が生じる場合のエネルギーも熱エネルギー２０２に含められる。また、圧延ラインの途中でバーヒータ１１０等により圧延材１５０が加熱される場合のエネルギーも、熱エネルギー２０２に含められる。
【００８１】
加工エネルギー２０３は、粗エッジャ１０５、粗圧延機１０７、仕上圧延機１１９において、圧延材１５０が変形される時に消費するエネルギーである。
【００８２】
搬送エネルギー２０４は、圧延材１５０が搬送テーブルで圧延ライン上で搬送される時に消費するエネルギーである。
【００８３】
噴射エネルギー２０５は、プライマリデスケーラ１０３、セカンダリデスケーラ１１７等のデスケーラにおける水噴射でスケールが除去される際に消費するエネルギーである。
【００８４】
図４は、設備毎に消費するエネルギーの区分の一例を示した図である。
【００８５】
図４では、圧延ラインにおいて圧延に直接関わる設備が消費するエネルギーと、この設備を駆動する駆動装置が消費するエネルギーとを区分して示している。
【００８６】
図４に示すように、加熱炉１０１では、重油や天然ガスなどの化石燃料を燃やすことが多く、燃料エネルギー３１０が消費される。バーヒータ１１０では、誘導加熱で加熱され、電気エネルギー３１１が消費される。ランアウトテーブル１２９では、空冷およびヘッドタンクから供給される冷却水による水冷が行われる。冷却水には循環水を用いられることが多く、冷却に使用された水は、ピットにて回収され、ろ過および冷却の過程を経て、再び冷却に用いられる。ヘッドタンクには、冷却水タンクからポンプを用いて揚水される。そのため、ランアウトテーブル１２９、仕上圧延機１１９等のスプレー、プライマリデスケーラ１０３、セカンダリデスケーラ１１７等のデスケーラには、ポンプ駆動用電動機３０１が備えられており、ポンプ駆動用電動機３０１によるポンプ駆動のための電気エネルギーが消費される。
【００８７】
粗圧延機１０７及び仕上圧延機１１９では、ロールが圧延機駆動用電動機３０２によって駆動されるので、電気エネルギーが消費される。
【００８８】
圧延材１５０の搬送にも電力が必要であり、搬送用テーブルを駆動するテーブル駆動用電動機３０３において、電気エネルギーが消費される。
【００８９】
エネルギー量計算部３３は、圧延に必要なエネルギーの計算を以下のように行う。
【００９０】
まず、圧延材が加熱炉１０１で消費するエネルギー量を以下のように計算する。たとえば、重量１５tonの圧延材１５０が常温（３０℃）から１２３０℃まで昇温されたとすると、鋼鉄の比熱を０．５kJ/kg/Kとすると、その圧延材１５０は９，０００，０００kJ（=0.5X1、200X15、000）の熱エネルギーを受けたことになる。
【００９１】
エネルギー量計算部３３は、比熱、初期温度、最終温度、重量に基づいて、圧延材１５０の昇温に直接的に必要なエネルギー量を計算する。加熱炉１０１内の圧延材１５０を加熱する場合は、雰囲気温度も上昇させなければならず、また壁を伝って熱が逃げる等の効率の低下があるので、圧延材１５０の昇温に直接的に消費されるエネルギーのほか、間接的に必要なエネルギーがある。加熱炉１０１には複数本の圧延材１５０があり、間接的に必要なエネルギーはそれら全てに係わるエネルギーである。
【００９２】
そのため、エネルギー量計算部３３は、ある計算対象の圧延材１５０の１本あたりに間接的に必要なエネルギー量を在炉本数、圧延材１５０のスラブサイズ、在炉時間を考慮して計算する。加熱炉１０１において必要なエネルギー量は、上記の圧延材１５０の昇温に直接的に必要な燃料エネルギーと、圧延材１５０の１本あたりに間接的に必要な燃料エネルギーとを加算したエネルギー量である。
【００９３】
エネルギー量計算部３３は、加熱炉１０１で消費する熱エネルギーと同様に、比熱、初期温度、最終温度、重量に基づいて、圧延材１５０がバーヒータ１１０で消費するエネルギー量を計算する。電気エネルギーから熱エネルギーへの変換効率を考慮した電気エネルギーの消費量が、バーヒータ１１０における誘導加熱に必要なエネルギー量である。
【００９４】
次に、エネルギー量計算部３３は、ランアウトテーブル１２９における冷却に必要なエネルギー量を、たとえば以下のように計算する。
【００９５】
ランアウトテーブル１２９での冷却は、一旦ヘッドタンクに蓄えられた水を用いることにより行われる。このヘッドタンクは圧延ラインが設置されている位置よりも上方に設置され、この位置の差を利用して各スプレーに水を供給する。このため、ポンプなどを使って一旦水をヘッドタンクに揚げなければならない。
【００９６】
エネルギー量計算部３３は、設定計算部３１で計算される各時刻でオン状態に設定されたスプレー数［本］をＣ、各スプレーが放出する冷却水流量［ｍ3/Ｈ］をＦＳとすると、ＣとＦＳとに基づいて、下記の（数式１）を用いて、ランアウトテーブル１２９で用いられる冷却水の総量ＦＴ［ｍ3］を算出する。
【００９７】
ＦＴ＝∫（Ｃ×ＦＳ） dt （数式１）
そして、エネルギー量計算部３３は、算出した冷却水の総量ＦＴ［ｍ3］と、計算対象の圧延材１５０と、直前に搬送された前材である圧延材１５０との冷却間隔Ｔ［H］と、前材の冷却終了時にタンクで余剰している水量［m3］とに基づいて、ポンプの揚水速度［m３/s］を算出する。その際に電動機で消費される電気エネルギー量は、ポンプおよび電動機の特性から計算でき、これがすなわちランアウトテーブル１２９における冷却に必要なエネルギー量となる。
【００９８】
エネルギー量計算部３３は、たとえば、噴射時のポンプ運転とアイドル時のポンプ運転のそれぞれの場合に、電動機で消費される電気エネルギー量を計算し、それらを加算することにより、デスケーラやスプレーで必要なエネルギー量を計算する。
【００９９】
次に、エネルギー量計算部３３は、圧延材１５０の加工に必要なエネルギー量を計算する。圧延材１５０の加工や変形に必要なエネルギーは、主に圧延スタンドで消費される。圧延スタンドでの現象は、設定計算部３１における圧延モデル式で記述される。すなわち、エネルギー量計算部３３は、圧延材１５０の特性や材料温度に従って、変形抵抗を計算し、変形抵抗に基づいて圧延荷重を計算し、圧延荷重に基づいて材料の変形に必要な圧延トルクを計算する。電動機が出力すべきトルクは、圧延トルクにロストルクと加速トルクを加えた値になる。
【０１００】
エネルギー量計算部３３は、電動機が必要とする電力量Ｅ[J]を下記の（数式２）及び（数式３）を用いて算出する。ここで、電力をＰ[Ｗ]、トルクをＴ[N・m]、回転速度をＶ[rad/s]、時間をｔ[H]とする。
【０１０１】
Ｐ＝Ｔ×Ｖ （数式２）
Ｅ＝Ｐ×ｔ （数式３）
さらに、エネルギー量計算部３３は、圧延材１５０の圧延に必要なトルクを予測し、仕上出側圧延速度を決定し、圧延材１５０の搬送方向における長さから圧延時間を算出する。そして、エネルギー量計算部３３は、算出した電力量Ｅ[J]と圧延時間とに基づいて、圧延材１５０の圧延に必要な電気エネルギー量[kJ = kW時]を、圧延材１５０の加工に必要なエネルギー量として算出する。
【０１０２】
次に、エネルギー量計算部３３は、圧延材１５０の搬送に必要な電気エネルギー量を算出する。圧延材１５０は複数台の電動機で分担して搬送されるので、エネルギー量計算部３３は、１台の電動機について、分担する圧延材１５０の重量からトルクを算出し、圧延材１５０の長さと搬送速度とに基づいて搬送時間を算出する。そして、エネルギー量計算部３３は、このトルクと搬送時間とに基づいて、上述した（数式２）及び（数式３）とを用いて、圧延材１５０の搬送に必要な電気エネルギー量[kJ]を算出する。なお、圧延材１５０の搬送に必要な電気エネルギー量には、加熱炉１０１内において圧延材１５０を搬送するために必要な電気エネルギー量も加算される。
【０１０３】
そして、エネルギー量計算部３３は、圧延材１５０の圧延に必要な総エネルギー量として、上記の各設備で必要な燃料エネルギーに電気エネルギーを加算したエネルギー量として算出する。
【０１０４】
最適化部３４は、加熱炉条件および加熱炉抽出後の圧延操業パラメータを最適化し、最終材質を確保しつつ、消費エネルギーを低減する。具体的には、最適化部３４は、材質予測計算部３２により予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、エネルギー量計算部３３により算出された圧延材１５０の圧延に必要な総エネルギー量を最小にする熱間圧延装置１００の制御設定値を設定計算部３１に算出させる。
【０１０５】
≪作用≫
本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１の作用について説明する。
【０１０６】
図５は、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１による処理のフローを示すフローチャートである。
【０１０７】
図５に示すように、まず、設定計算部３１は、加熱炉条件と圧延操業パラメータとの初期値が外部から供給されたか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ここでは、一例として、加熱炉条件として加熱炉抽出温度が供給され、加熱炉抽出後の圧延操業パラメータとして仕上出側圧延速度が供給された場合を例に挙げて説明する。なお、抽出温度および仕上出側圧延速度の初期値は、たとえば鋼種や仕上目標板厚などで区分されるテーブルを予めＲＯＭ１２に記憶しておき、設定計算部３１が、ＲＯＭ１２に基づいて、外部から供給された鋼種や仕上目標板厚に対応する加熱炉抽出温度及び仕上出側圧延速度を抽出するようにしてもよい。
【０１０８】
次に、設定計算部３１は、加熱炉設定計算を実行する（ステップＳ１０２）。具体的には、設定計算部３１は、常温における圧延材１５０の寸法及び重量に基づいて、圧延材１５０を加熱炉抽出温度まで加熱するために、加熱炉１０１内で何時間在炉させればよいのかを算出する。
【０１０９】
そして、設定計算部３１は、設定計算を実行する（ステップＳ１０３）。具体的には、設定計算部３１は、供給された加熱炉抽出温度及び仕上出側圧延速度の初期値で圧延する場合に、圧延材１５０の目標とする厚み、幅、仕上出側温度、及び巻き取り機前温度を達成するように、安定に圧延されるロールギャップ設定値などのその他の圧延条件を算出する。また、設定計算部３１は、圧延材材長や圧延材の加減速の計算値に基づき、各時刻における仮想圧延材の位置を加熱炉１０１からコイラ１３５での巻き取り完了まで予測し、圧延材１５０の熱収支を周辺雰囲気への輻射、空気対流、冷却水対流、変態、加工による発熱、ロールへの伝熱などを考慮した温度モデルを使用して、加熱炉抽出温度や仕上出側目標温度や巻き取り目標温度に基づき、プライマリデスケーラ１０３、セカンダリデスケーラ１１７、仕上圧延機１１９、及びランアウトテーブル１２９のスプレーの設定および各地点での圧延材１５０の温度を計算する。
【０１１０】
次に、材質予測計算部３２は、材質予測計算を実行する（ステップＳ１０５）。具体的には、材質予測計算部３２は、設定計算部３１により計算された制御設定値で圧延を行った場合の、巻き取り後の降伏応力や引張強さなどの機械的性質などの圧延材１５０の材質を予測する。ここでは、材質として、巻き取り後の引張強さ（TScal）を予測する例を挙げて説明する。
【０１１１】
最適化部３４は、材質が要求材質を満たすか否かを判定する（ステップＳ１０７）具体的には、最適化部３４は、算出された引張強さの予測値（TScal）が、予め定められた要求材質（TSth）以上であるか否かを判定する。
【０１１２】
ステップＳ１０７において、要求材質を満たさないと判定された場合（ＮＯの場合）、最適化部３４は、繰返計算制限回数以内か否かを判定する（ステップＳ１０９）。この繰返計算制限回数には、予め任意の数として設定されている。
【０１１３】
ステップＳ１０９において、繰返計算制限回数以内であると判定された場合（ＹＥＳの場合）、最適化部３４は、圧延操業パラメータである仕上出側圧延速度をΔV m/ｓだけ変更する（ステップＳ１１１）。
【０１１４】
一方、ステップＳ１０９において、繰返計算制限回数を超えたと判定された場合（ＮＯの場合）、最適化部３４は、加熱炉条件である加熱炉抽出温度をΔT℃だけ変更する（ステップＳ１１３）。
【０１１５】
このようにして、設定計算部３１と、材質予測計算部３２と、最適化部３４とが、ΔVおよびΔTを変更しながら、繰り返し計算を行うことにより、加熱炉条件である加熱炉抽出温度と、圧延操業パラメータである仕上出側圧延速度とを仮決定する。
【０１１６】
一方、ステップＳ１０７において、材質が要求材質を満たすと判定された場合（ＹＥＳの場合）、エネルギー量計算部３３は、加熱炉目標抽出温度、仕上出側圧延速度、及び設定計算部３１で計算した圧延条件に基づいて、熱間圧延装置１００で消費される総エネルギー量を算出する（ステップＳ１１５）。
【０１１７】
次に、最適化部３４は、エネルギー量計算部３３により算出された総エネルギー量の減少量が十分小さいか否かを判定する（ステップＳ１１７）。具体的には、必要エネルギー前回計算結果[kJ]をＥn-1、必要エネルギー今回計算結果[kJ]をＥn、閾値εとして、下記の（数式４）を満たすか否かを判定する。ここで、閾値εは、例えば、０．０１というように、予め設定されている。
【０１１８】
｜Ｅn-1 − Ｅn｜／Ｅn ＜ 閾値ε （数式４）
ステップＳ１１７において、エネルギー量計算部３３により算出された総エネルギー量の減少量が十分小さくないと判定された場合（ＮＯの場合）、最適化部３４は、繰返計算制限回数以内か否かを判定する（ステップＳ１１９）。
【０１１９】
ステップＳ１１９において、繰返計算制限回数以内であると判定された場合（ＹＥＳの場合）、最適化部３４は、圧延操業パラメータである仕上出側圧延速度をΔV m/ｓだけ変更する（ステップＳ１２１）。
【０１２０】
一方、ステップＳ１１７において、エネルギー量計算部３３により算出された総エネルギー量の減少量が十分小さいと判定された場合（ＹＥＳの場合）、最適化部３４は、さらに、エネルギー量計算部３３により算出された総エネルギー量の減少量が十分小さいか否かを判定し（ステップＳ１２３）、エネルギー量計算部３３により算出された総エネルギー量の減少量が十分小さくないと判定された場合（ＮＯの場合）、最適化部３４は、繰返計算制限回数以内か否かを判定する（ステップＳ１２５）。
【０１２１】
ステップＳ１２５において、繰返計算制限回数以内であると判定された場合（ＹＥＳの場合）、最適化部３４は、加熱炉条件である加熱炉抽出温度をΔT℃だけ変更する（ステップＳ１２７）。
【０１２２】
一方、ステップＳ１２５において、繰返計算制限回数を超えたと判定された場合（ＮＯの場合）、最適化部３４は、要求材料を満たし、かつ最もエネルギー消費量が小さい加熱炉条件と圧延操業パラメータとを選択する（ステップＳ１２９）。
【０１２３】
以上のようにして、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１によれば、設定計算部３１と、材質予測計算部３２と、エネルギー量計算部３３と、最適化部３４とが、ΔVおよびΔTを変更しながら、繰り返し計算を行うことにより、材質予測計算部３２により予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、エネルギー量計算部３３により算出された総エネルギー量を最小にする制御設定値を設定計算部３１に算出させるので、圧延材１５０の要求材質を担保しながら、消費する総エネルギー量を最小化する圧延条件を決定することができる。
【０１２４】
なお、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１によれば、加熱炉条件として加熱炉抽出温度、及び圧延操業パラメータである仕上出側圧延速度に関して、要求材質を満たす範囲内で、総エネルギー量が最小となるように制御設定値を算出したが、これに限らない。
【０１２５】
例えば、加熱炉条件としてバーヒータ１１０の加熱温度としてもよいし、圧延操業パラメータとして、ランアウトテーブル１２９の冷却条件、粗圧延機１０７又は仕上圧延機１１９の圧延パス数、各パスの荷重配分、及び圧延材１５０の板厚のうち、少なくともいずれか１つとしてもよい。
【０１２６】
また、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１によれば、満たすべき要求材質として引っ張り強さを挙げたが、これに限らず、降伏応力、脆性遷移温度、r値、穴拡げ率、などや、それらの組み合わせでもよい。
【０１２７】
なお、第１の実施形態では、熱間圧延装置１００を備える熱間圧延システム３００を例に挙げて説明したが、これに限らず、熱間薄板圧延設備、厚板圧延設備、冷間圧延設備、鉄鋼の形鋼圧延設備、棒鋼，線材の圧延設備、又はアルミ，銅の圧延設備を備える圧延システムにも適用可能である。
【０１２８】
＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、圧延材１５０の材質が要求材質を満たし、かつ圧延に必要なエネルギー量を最適化する指標である最適化指標とし、この最適化指標が最小となるように、制御設定値を算出する最適化装置１を例に挙げて説明した。
【０１２９】
しかしながら、最適化指標はエネルギー量に限らずプラントや、操業日時、鋼種などで異なる。そこで、圧延に必要な総エネルギー量の代わりに、例えば、燃料エネルギー量、電気エネルギー量、エネルギー原単位、コスト、コスト原単位、圧延で排出されるCO2量、圧延時のピーク電力を最適化指標として用いてもよい。
【０１３０】
第２の実施形態では、最適化指標を選択し、圧延材１５０の材質が要求材質を満たし、かつ選択された最適化指標の最適化量を最適化するように、制御設定値を算出する最適化装置を例に挙げて説明する。
【０１３１】
第２の実施形態に係る最適化装置１Ａは、図１に示した第１の実施形態に係る最適化装置１と同様に、熱間圧延装置１００を制御する制御装置２００に接続されている。
【０１３２】
また、第２の実施形態に係る最適化装置１Ａは、ＣＰＵ１１Ａと、ＲＯＭ１２と、ＲＡＭ１３と、入力部１４と、表示部１５と、ハードディスク１６とを備えている。このうち、ＲＯＭ１２と、ＲＡＭ１３と、表示部１５と、ハードディスク１６とは、第１の実施形態に係る最適化装置１が備えるそれぞれ同一符号が付された構成と同一であるので、説明を省略する。
【０１３３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る最適化装置１Ａが備えるＣＰＵ１１Ａの構成を示した構成図である。
【０１３４】
図６に示すように、ＣＰＵ１１Ａは、その機能上、設定計算部３１と、材質予測計算部３２と、最適化部３４と、最適化指標選択部３５と、最適化指標量計算部３６とを備えている。このうち、設定計算部３１と、材質予測計算部３２と、最適化部３４とは、第１の実施形態に係る最適化装置１が備えるそれぞれ同一符号が付された構成と同一であるので、説明を省略する。
【０１３５】
最適化指標選択部３５は、最適化指標である総エネルギー量、燃料エネルギー量、電気エネルギー量、エネルギー原単位、コスト、コスト原単位、圧延で排出されるCO2排出量、圧延時のピーク電力のうち、いずれか任意の１つを選択する。
【０１３６】
最適化指標量計算部３６は、設定計算部３１により算出された制御設定値に基づいて、最適化指標選択部３５により選択された最適化指標の量を最適化指標量として算出する。
【０１３７】
≪作用≫
本発明の第２の実施形態に係る最適化装置１Ａの作用について説明する。
【０１３８】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る最適化装置１Ａによる処理のフローを示すフローチャートである。なお、図７に示すフローチャートの処理ステップのうち、図５に示したフローチャートにおける処理ステップと同一ステップ番号が付された処理は、それぞれ同一処理であるので、説明を省略する。
【０１３９】
ステップＳ２０１において、最適化指標選択部３５は、最適化指標である総エネルギー量、燃料エネルギー量、電気エネルギー量、エネルギー原単位、コスト、コスト原単位、圧延で排出されるCO2排出量、圧延時のピーク電力のうち、いずれか任意の１つを選択する。
【０１４０】
ステップＳ２１５において、最適化指標量計算部３６は、最適化指標の量のうち、いずれか１つを計算する。なお、圧延に必要な総エネルギー量、燃料エネルギー、電気エネルギーについては、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１が備えるエネルギー量計算部３３による総エネルギー量、燃料エネルギー、電気エネルギーの算出方法と同一であるので、説明を省略する。
【０１４１】
最適化指標量計算部３６は、エネルギー原単位を算出する場合、まず、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１が備えるエネルギー量計算部３３と同様に、燃料エネルギー使用量と電気エネルギー使用量とを算出し、下記の（数式５）を用いてエネルギー原単位を算出する。ここで、エネルギー原単位をＥｓ[kJ/ton]、燃料エネルギー使用量をＥｆ[kJ]、電気エネルギー使用量をＥｅ[kJ]、生産量をＳ[ton]とする。
【０１４２】
Ｅｓ＝（Ｅｆ＋Ｅｅ）／Ｓ （数式５）
また、最適化指標量計算部３６は、CO2排出量を算出する場合、二酸化炭素排出係数を用いて算出する。ここで、二酸化炭素排出係数は、燃料や電力を消費したときにどれだけ二酸化炭素を排出するかを計算するための係数である。たとえば、天然ガスについては、0.5526 kg-C/kg（天然ガス１kgを燃焼させたとき，0.5526 kgの炭素を排出する）または、2.025 kg-CO2/kg（天然ガス１kgを燃焼させたとき、2.025 kgの二酸化炭素を排出する）と決められている。電気1 kWh を使うと二酸化炭素は、0.555 kg-CO2/kWhと規定されている。
【０１４３】
そこで、最適化指標量計算部３６は、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１が備えるエネルギー量計算部３３と同様に、燃料エネルギー使用量Ｅｆと電気エネルギー使用量Ｅｅとを算出し、下記の（数式６）を用いてCO2排出量を算出する。ここで、CO2排出量Ｍｇ[kg]、燃料に対する排出係数Ｋｆ[kg-CO2/kg]、電気に対する排出係数Ｋｅ[kg-CO2/kWh]とする。
【０１４４】
Ｍｇ＝Ｅｆ×Ｋｆ＋Ｅｅ×Ｋｅ （数式６）
また、最適化指標量計算部３６は、コストを算出する場合、まず、本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１が備えるエネルギー量計算部３３と同様に、燃料エネルギー使用量Ｅｆと電気エネルギー使用量Ｅｅとを算出し、下記の（数式７）を用いてコストを算出する。ここで、コストをＣ[円]、燃料代原単位をＦｇ[円/kg]、電気代原単位をＥｇ[円/kWh]とする。
【０１４５】
Ｃ＝Ｅｆ×Ｆｇ＋Ｅｅ×Ｅｇ （数式７）
また、最適化指標量計算部３６は、コスト原単位を算出する場合、（数式７）を用いて算出したコストＣを生産量をＳ[ton]で除算することにより、コスト原単位Ｃｇを算出する。
【０１４６】
また、最適化指標量計算部３６は、ピーク電力を算出する場合、設定計算部３１が圧延材材長や圧延材１５０の加減速の計算値に基づき予測した、各時刻における圧延材１５０の位置と、エネルギー量計算部３３により算出された各設備の使用電力に基づいて、下記の（数式８）を用いて、ある時刻ｔに圧延ラインで使用する電力を算出する。
【０１４７】
そして、最適化指標量計算部３６は、監視対象期間（たとえば、ある圧延材が加熱炉から抽出されて巻き取りが終了するまでや、１キャンペーン中など）を設け、その期間中に（数式８）で計算される圧延ラインが使用している各刻の電力を監視し、使用電力が最も大きくなる時刻の電力Ｅｐ（ｔ）をピーク電力とする。ここで、ある時刻ｔに圧延ラインで使用する電力Ｅｐ（ｔ）[kWh]、ある時刻tにある設備で使用している電力をＥｕ（ｔ） [kWh]とする。
【数８】
【０１４８】
ステップＳ２１７及びステップＳ２２３において、最適化部３４は、最適化指標量計算部３６により算出された最適化指標の量が最適化されたか否かを判定する。
【０１４９】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る最適化装置１Ａにおけるそれぞれの最適化指標を選択した場合の、最適化のための繰返計算の終了判定の一例を示した図である。
【０１５０】
最適化部３４は、要求材質を満たし、かつ最適化指標量が最良となるような圧延条件を、繰返計算によって計算する。たとえば、最適化指標としてCO2排出量が選択された場合、最適化部３４は、CO2排出量が最小となるような圧延条件を、繰返計算によって計算する。
【０１５１】
そこで、最適化部３４は、図８に示すように、選択された最適化指標量が、最適化繰返計算終了基準に達するまで繰返計算を実行する。
【０１５２】
繰返計算の終了条件は、計算時間の観点で繰返回数に制限を設けるほか、該当回の繰返計算と前回の繰返計算において最適化指標量計算部３６により算出された最適化指標量を比較し、最適化指標量が最良に収束したかを判定する。
【０１５３】
たとえば、最適化指標としてCO2排出量が選択された場合は、CO2排出量の前回計算結果からの減少幅が十分小さいかで判定する。
【０１５４】
以上のように、本発明の第２の実施形態に係る最適化装置１Ａによれば、材質予測計算部３２により予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、最適化指標量計算部３６により算出された最適化指標量である総エネルギー量、燃料エネルギー量、電気エネルギー量、エネルギー原単位、コスト、コスト原単位、圧延で排出されるCO2排出量、圧延時のピーク電力のうち、いずれか１つを最小にする制御設定値を設定計算部３１に算出させるので、圧延材１５０の要求材質を担保しながら、様々な最適化指標の中から所望の最適化指標を選択し、この選択された最適化指標量を最小化する圧延条件を決定することができる。
【０１５５】
なお、本発明の第２の実施形態では、ＣＰＵ１１Ａが、各圧延材について図７に示した処理を実行したが、これに限らず、例えば、圧延機のロールチェンジからロールチェンジまでの１ロールキャンペーン中など、より長い期間において実行してもよい。
【０１５６】
また、本発明の第２の実施形態では、最適化指標選択部３５が、最適化指標の選択を予め行い、その最適化指標が最良となるような最適化計算を行ったが、これに限らず、複数の最適化指標に対してそれぞれが最良となるように、それぞれの最適化指標に対する最適化計算を行い、全ての最適化計算が終了した後に、最適化指標を選択し、圧延条件を決定してもよい。
【０１５７】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂについて説明する。
【０１５８】
本発明の第１の実施形態では、圧延材１５０の材質が要求材質を満たし、かつ圧延に必要なエネルギー量を最適化する指標である最適化指標とし、この最適化指標が最小となるように、制御設定値を算出する最適化装置１を例に挙げて説明した。
【０１５９】
本発明の第３の実施形態では、粗圧延機１０７又は仕上圧延機１１９のロールチェンジからロールチェンジまでの１ロールキャンペーン中（例えば、ロールチェンジ中のタイミングで言えば、今回のロールチェンジから次回のロールキャンペーンまで）のすべての圧延材１５０において、材質要求およびスループット（単位時間あたりの生産量）要求を満たし、かつキャンペーン中の圧延に必要なエネルギーの総量が最小となるように、制御設定値を算出する最適化装置１Ｂを例に挙げて説明する。
【０１６０】
本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂは、図１に示した第１の実施形態に係る最適化装置１と同様に、熱間圧延装置１００を制御する制御装置２００に接続されている。
【０１６１】
また、本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂは、図２に示した第１の実施形態に係る最適化装置１と同一の構成を備えるので、説明を省略する。
【０１６２】
≪作用≫
本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂの作用について説明する。
【０１６３】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂによる処理フローを示すフローチャートである。
【０１６４】
図９に示すように、ＣＰＵ１１の設定計算部３１は、粗圧延機１０７又は仕上圧延機１１９のキャンペーンにおける圧延材１５０の最適化計算を実行する（ステップＳ３０１）。具体的には、ＣＰＵ１１は、計算対象のロールキャンペーン中に圧延される全ての圧延材１５０に対して、図５に示した本発明の第１の実施形態に係る最適化装置１による処理と同一の処理を実行することにより、最適化計算の方法を用いて、計算対象の圧延材１５０が材質要求を満たし、かつ対象の圧延材１５０の１本あたりの圧延に必要なエネルギーが最小となるような、加熱炉抽出温度および仕上出側圧延速度を加熱炉装入前にそれぞれ計算する。
【０１６５】
次に、ＣＰＵ１１の設定計算部３１は、抽出ピッチ設定計算を実行する（ステップＳ３０３）。具体的には、ステップＳ３０１において、計算対象のロールキャンペーン中の各圧延材に対して最適な圧延操業パラメータが既に計算されている。そのため、圧延材１５０が加熱炉１０１から抽出された後の圧延ライン上でどのように移動するかが既知である。そこで、設定計算部３１は、この情報によって圧延材１５０と先行する圧延材１５０が圧延ライン上で衝突しない抽出ピッチτiを計算する。ここで抽出ピッチτiは、圧延材１５０と先行する圧延材１５０との加熱炉抽出時間間隔とする。
【０１６６】
そして、設定計算部３１は、計算した抽出ピッチτiが要求スループットを満たしているか否かを判定する（ステップＳ３０５）。具体的には、設定計算部３１は、下記の（数式９）を満たしているか否かを判定する。
【数９】
【０１６７】
ここでTMAXは、要求スループットの観点で計算対象のロールキャンペーンの全ての圧延材１５０の圧延に費やすことができる最大時間である。抽出ピッチτiの初期値は、たとえば、圧延材１５０の衝突が生じない最も短い抽出間隔が短いピッチを選択する。
【０１６８】
ステップＳ３０３及びＳ３０５の処理ステップにより、設定計算部３１は、要求スループットを満たし、かつ、圧延ライン上で圧延材１５０同士が衝突しないような抽出ピッチを計算することができる。
【０１６９】
次に、設定計算部３１は、各圧延材１５０の抽出目標温度及び抽出ピッチτiに基づき、炉温設定計算を実行する（ステップＳ３０７）。加熱炉１０１の炉温の計算方法は、たとえば、文献 鉄鋼業における制御 高橋亮一著 コロナ社 （2002年出版）に示されている。
【０１７０】
そして、設定計算部３１は、ロールキャンペーンの全ての圧延材１５０について目標抽出温度が達成できるか否かを判定する（ステップＳ３０９）。
【０１７１】
ステップＳ３０９において、目標抽出温度が達成できないと判定された場合（ＮＯの場合）、設定計算部３１は、目標抽出温度を達成できない圧延材１５０の抽出ピッチを、先行する圧延材１５０と干渉しない範囲で変更して、ステップＳ３０７と同様に、炉温設定計算を実行する（ステップＳ３１１）。
【０１７２】
そして、設定計算部３１は、ロールキャンペーンの全ての圧延材１５０について目標抽出温度が達成できるか否かを判定する（ステップＳ３１３）。
【０１７３】
ステップＳ３１３において、目標抽出温度が達成できないと判定された場合（ＮＯの場合）、設定計算部３１は、繰返計算制限回数以内か否かを判定する（ステップＳ３１５）。
【０１７４】
ステップＳ３１５において、繰返計算制限回数を超えたと判定された場合（ＮＯの場合）、設定計算部３１は、目標抽出温度を達成できない圧延材１５０の目標抽出温度を変更する（ステップＳ３１７）。目標抽出温度の変更は、圧延材１５０の１本あたりの計算過程で得られる、必要エネルギーが最小エネルギーに近く、要求材質を満たすような、炉温制御のみで達成できるような目標抽出温度を選択する。もしくは、目標抽出温度を達成できない圧延材１５０に対し、ステップＳ３０１における最適化計算を再び実行することにより、材質要求を満たし、必要エネルギーが小さく、炉温制御のみで達成できるような目標抽出温度を計算する。
【０１７５】
一方、ステップＳ３１３において、目標抽出温度が達成できると判定された場合（ＹＥＳの場合）、即ち、ある抽出ピッチにおいて、全ての圧延材１５０のが目標抽出温度を達成できるような炉温設定が可能な場合は、エネルギー量計算部３３は、該当キャンペーンの圧延に必要な全エネルギー量を計算する（ステップＳ３１９）。たとえば、エネルギー量計算部３３は、加熱炉で消費される燃料エネルギーと、その他の設備で消費される電気エネルギーとそれぞれ計算した後に加算することにより、該当キャンペーンの圧延に必要な全エネルギー量を算出する。
【０１７６】
また、設定計算部３１が炉温設定計算を行う際に、キャンペーン中での炉温パターンを算出しているので、エネルギー量計算部３３は、この炉温パターンに基づいて、雰囲気温度の上昇に必要なエネルギー、壁を伝って熱が逃げる等の効率の低下、圧延材の昇温に必要なエネルギーを計算し、さらにそれらから燃料エネルギーの消費量を算出する。
【０１７７】
電気エネルギーは、上記の圧延材１５０の１本あたりの圧延に必要なエネルギー量が加算されることにより計算される。また、アイドルに必要なエネルギーも含める。
【０１７８】
次に、最適化部３４は、該当キャンペーンの圧延に必要な全エネルギー量の減少量が十分小さいか否かを判定する（ステップＳ３２１）。
【０１７９】
ステップＳ３２１において、該当キャンペーンの圧延に必要な全エネルギー量の減少量が十分小さくないと判定された場合（ＹＥＳの場合）、最適化部３４は、最適化部３４は、繰返計算制限回数以内か否かを判定する（ステップＳ３２３）。
【０１８０】
ステップＳ３２３において、繰返計算制限回数以内であると判定された場合（ＹＥＳの場合）、処理をステップＳ３０３へ移行し、繰返計算制限回数を超えたと判定された場合（ＮＯの場合）、処理を終了する。
【０１８１】
このようにして、材質要求およびスループット要求を満たし、かつエネルギー量が最小となるような抽出ピッチを得るために抽出ピッチを変更し、上記計算を、指定繰返回数を超えるまで、もしくは、エネルギー減少幅が指定値以下となるまで行うことができる。
【０１８２】
以上のように、本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂによれば、最適化部３４が、圧延材１５０の処理量が外部入力された要求処理量を満たし、かつ材質予測計算部３２により予測された処理量分全ての圧延材１５０の材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、エネルギー量計算部３３により算出された処理量分の圧延材１５０を圧延するために必要な最適化指標量を最小にする制御設定値を設定計算部３１に算出させるので、例えば、粗圧延機１０７又は仕上圧延機１１９のロールチェンジからロールチェンジまでの１ロールキャンペーン中のすべての圧延材１５０においても、圧延材１５０の製品品質を確保しつつ、最適化したい最適化指標量が最小になるように、圧延設備の制御を最適化することができる。
【０１８３】
なお、本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂでは、１ロールキャンペーン中に圧延される各圧延材の、抽出ピッチ、加熱炉抽出温度、仕上出側圧延速度に関して、材質要求およびスループット要求を満たし、エネルギーが最小となるような方法について説明したが、抽出ピッチや抽出温度、仕上出側圧延速度に限らず、ランアウトテーブルでの冷却条件や、圧延パス数、各パスの荷重配分、バーヒータの加熱条件などを変更した場合に関しても、上記と同様に、設定計算部３１における加熱炉条件および圧延条件を変更し、その条件化で、材質予測計算部３２による材質予測計算と、エネルギー量計算部３３による設定計算部３１で計算した圧延条件で圧延した場合のエネルギー計算を繰り返し行い、最適化部３４で材質要求を満たし、かつエネルギーが最小となる圧延条件を決定することができる。
【０１８４】
また、本発明の第３の実施形態に係る最適化装置１Ｂでは、圧延に必要な総エネルギーを最小化する場合について説明したが、本発明の第２の実施形態に係る最適化装置１Ａと同様に、最適化指標選択部３５及び最適化指標量計算部３６とを備え、図８に示した燃料エネルギーや電気エネルギー量、エネルギー原単位、CO2排出量、コスト、コスト原単位、ピーク電力などの最適化指標が最良となるように、圧延ラインを最適化することができる。
【０１８５】
また、上述した実施形態を、コンピュータにインストールした最適化プログラムを実行させることにより実現することもできる。すなわち、この最適化プログラムは、例えば、最適化プログラムが記憶された記録媒体から読み出され、ＣＰＵで実行されることにより最適化装置１〜１Ｂのいずれか１つを構成するようにしてもよいし、通信ネットワークを介して伝送されてインストールされ、ＣＰＵで実行されることにより最適化装置１〜１Ｂのいずれか１つを構成するようにしてもよい。
【産業上の利用の可能性】
【０１８６】
本発明は、熱間圧延装置を制御する制御装置を設定する最適化装置に適用できる。
【符号の説明】
【０１８７】
１，１Ａ，１Ｂ…最適化装置
３１…設定計算部
３２…材質予測計算部（材質予測部）
３３…エネルギー量計算部
３４…最適化部
３５…最適化指標選択部
３６…最適化指標量計算部
１００…熱間圧延装置
１０１…加熱炉
１０３…プライマリデスケーラ
１０５…粗エッジャ
１０７…粗圧延機
１０９…粗出側板幅計
１１０…バーヒータ
１１１…粗出側温度計
１１３…仕上入側温度計
１１５…クロップシャー
１１７…セカンダリデスケーラ
１１９…仕上圧延機
１２１…仕上出側板厚計
１２３…マルチゲージ
１２５…仕上出側温度計
１２７…平坦度計
１２９…ランアウトテーブル
１３１…コイラ入側温度計
１３３…コイラ入側板幅計
１３５…コイラ
１５０…圧延材
２００…制御装置
３００…熱間圧延システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧延装置が圧延材を圧延するための制御設定値を算出する設定計算部と、
前記設定計算部により算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置により圧延された圧延材の材質を予測する材質予測部と、
前記設定計算部により算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延する上で最適化する指標の量を最適化指標量として算出する最適化指標量算出部と、
前記材質予測部により予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出部により算出された最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算部に算出させる最適化部と、
を備えたことを特徴とする最適化装置。
【請求項２】
前記最適化指標量算出部は、
前記設定計算部により算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延するために必要なエネルギーである使用エネルギーを、最適化指標量として算出する
ことを特徴とする請求項１記載の最適化装置。
【請求項３】
前記最適化部は、
前記圧延装置により圧延される圧延材の処理量が外部入力された要求処理量を満たし、かつ前記材質予測部により予測された前記処理量分全ての圧延材の材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出部により算出された前記処理量分の圧延材を圧延するために必要な最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算部に算出させる
ことを特徴とする請求項１又は２記載の最適化装置。
【請求項４】
圧延装置が圧延材を圧延するための制御設定値を算出する設定計算ステップと、
前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置により圧延された圧延材の材質を予測する材質予測ステップと、
前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延する上で最適化する指標の量を最適化指標量として算出する最適化指標量算出ステップと、
前記材質予測ステップにより予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させる最適化ステップと、
を有することを特徴とする最適化方法。
【請求項５】
前記最適化指標量算出ステップは、
前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延するために必要なエネルギーである使用エネルギーを、最適化指標量として算出する
ことを特徴とする請求項４記載の最適化方法。
【請求項６】
前記最適化ステップは、
前記圧延装置により圧延される圧延材の処理量が外部入力された要求処理量を満たし、かつ前記材質予測ステップにより予測された前記処理量分全ての圧延材の材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された前記処理量分の圧延材を圧延するために必要な最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させる
ことを特徴とする請求項４又は５記載の最適化方法。
【請求項７】
圧延装置が圧延材を圧延するための制御設定値を算出する設定計算ステップと、
前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置により圧延された圧延材の材質を予測する材質予測ステップと、
前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延する上で最適化する指標の量を最適化指標量として算出する最適化指標量算出ステップと、
前記材質予測ステップにより予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させる最適化ステップと、
をコンピュータに実行させるための最適化プログラム。
【請求項８】
前記最適化指標量算出ステップは、
前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延するために必要なエネルギーである使用エネルギーを、最適化指標量として算出する
ことを特徴とする請求項７記載の最適化プログラム。
【請求項９】
前記最適化ステップは、
前記圧延装置により圧延される圧延材の処理量が外部入力された要求処理量を満たし、かつ前記材質予測ステップにより予測された前記処理量分全ての圧延材の材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された前記処理量分の圧延材を圧延するために必要な最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させる
ことを特徴とする請求項７又は８記載の最適化プログラム。
【請求項１】
圧延装置が圧延材を圧延するための制御設定値を算出する設定計算部と、
前記設定計算部により算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置により圧延された圧延材の材質を予測する材質予測部と、
前記設定計算部により算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延する上で最適化する指標の量を最適化指標量として算出する最適化指標量算出部と、
前記材質予測部により予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出部により算出された最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算部に算出させる最適化部と、
を備えたことを特徴とする最適化装置。
【請求項２】
前記最適化指標量算出部は、
前記設定計算部により算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延するために必要なエネルギーである使用エネルギーを、最適化指標量として算出する
ことを特徴とする請求項１記載の最適化装置。
【請求項３】
前記最適化部は、
前記圧延装置により圧延される圧延材の処理量が外部入力された要求処理量を満たし、かつ前記材質予測部により予測された前記処理量分全ての圧延材の材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出部により算出された前記処理量分の圧延材を圧延するために必要な最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算部に算出させる
ことを特徴とする請求項１又は２記載の最適化装置。
【請求項４】
圧延装置が圧延材を圧延するための制御設定値を算出する設定計算ステップと、
前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置により圧延された圧延材の材質を予測する材質予測ステップと、
前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延する上で最適化する指標の量を最適化指標量として算出する最適化指標量算出ステップと、
前記材質予測ステップにより予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させる最適化ステップと、
を有することを特徴とする最適化方法。
【請求項５】
前記最適化指標量算出ステップは、
前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延するために必要なエネルギーである使用エネルギーを、最適化指標量として算出する
ことを特徴とする請求項４記載の最適化方法。
【請求項６】
前記最適化ステップは、
前記圧延装置により圧延される圧延材の処理量が外部入力された要求処理量を満たし、かつ前記材質予測ステップにより予測された前記処理量分全ての圧延材の材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された前記処理量分の圧延材を圧延するために必要な最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させる
ことを特徴とする請求項４又は５記載の最適化方法。
【請求項７】
圧延装置が圧延材を圧延するための制御設定値を算出する設定計算ステップと、
前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置により圧延された圧延材の材質を予測する材質予測ステップと、
前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延する上で最適化する指標の量を最適化指標量として算出する最適化指標量算出ステップと、
前記材質予測ステップにより予測された材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させる最適化ステップと、
をコンピュータに実行させるための最適化プログラム。
【請求項８】
前記最適化指標量算出ステップは、
前記設定計算ステップにより算出された制御設定値に基づいて、前記圧延装置が前記圧延材を圧延するために必要なエネルギーである使用エネルギーを、最適化指標量として算出する
ことを特徴とする請求項７記載の最適化プログラム。
【請求項９】
前記最適化ステップは、
前記圧延装置により圧延される圧延材の処理量が外部入力された要求処理量を満たし、かつ前記材質予測ステップにより予測された前記処理量分全ての圧延材の材質が外部入力された要求材質を満たす範囲内で、前記最適化指標量算出ステップにより算出された前記処理量分の圧延材を圧延するために必要な最適化指標量を最小にする前記制御設定値を前記設定計算ステップにより算出させる
ことを特徴とする請求項７又は８記載の最適化プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−６６９２９（Ｐ２０１３−６６９２９Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０９１４９（Ｐ２０１１−２０９１４９）
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（５０１１３７６３６）東芝三菱電機産業システム株式会社 (904)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（５０１１３７６３６）東芝三菱電機産業システム株式会社 (904)
【Ｆターム（参考）】
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