直火型連続加熱炉の制御方法および制御装置
【課題】鋼板の大きさやライン速度が変化した場合であっても、鋼板の温度を目標温度に精度高く制御すること。
【解決手段】制御装置１００は、先行材の大きさと後行材の大きさとに違いがある場合又は後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、大きさおよびライン速度の変化量を入力変数、大きさおよびライン速度の変化に伴う後行材の温度変動量を出力変数とする回帰モデルを利用して、後行材の温度変動量を算出し、算出された後行材の温度変動量に基づいて、先行材の目標温度および直火型連続加熱炉の加熱装置に供給する燃料流量の少なくとも一方を制御する。すなわち、制御装置１００は、加熱炉の出側における板温を予測するのではなく、回帰モデルを利用して板温の変動量を直接予測する。
【解決手段】制御装置１００は、先行材の大きさと後行材の大きさとに違いがある場合又は後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、大きさおよびライン速度の変化量を入力変数、大きさおよびライン速度の変化に伴う後行材の温度変動量を出力変数とする回帰モデルを利用して、後行材の温度変動量を算出し、算出された後行材の温度変動量に基づいて、先行材の目標温度および直火型連続加熱炉の加熱装置に供給する燃料流量の少なくとも一方を制御する。すなわち、制御装置１００は、加熱炉の出側における板温を予測するのではなく、回帰モデルを利用して板温の変動量を直接予測する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接によって接続された複数の鋼板を連続的に焼鈍する直火型連続加熱炉の制御方法および制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製造プロセスにおける連続加熱炉では、炉の出側における鋼板の温度（以下、板温と略記）を厳格に管理することによって鋼板の品質を保証している。このため、連続加熱炉では、鋼板の大きさやライン速度（通板速度）が変更された場合であっても、板温の変動を抑制することによって板温が目標板温になるように制御する必要がある。このような背景から、従来の連続加熱炉では、既に通板された鋼板（先行材）の大きさや目標板温とこれから通板される鋼板（後行材）の大きさや目標板温との間に差がある場合、先行材と後行材との間に後行材の大きさに近いつなぎ材を装入し、つなぎ材の目標板温を後行材の目標板温に設定している。
【０００３】
しかしながら、つなぎ材の大きさと後行材の大きさとを常に同じにすることは容易ではなく、つなぎ材の大きさと後行材の大きさとを同じにできないことがある。そして、つなぎ材の大きさと後行材の大きさとに違いがある場合には、後行材の板温が変動し、後行材の板温を目標板温に制御できない。このため、つなぎ材の大きさと後行材の大きさとの違いによる後行材の板温変動量を予測し、予測された板温変動量分だけつなぎ材の尾端部の目標板温を変更することによって、後行材の板温を目標板温に制御する方法が提案されている（特許文献１参照）。なお、特許文献１には、ライン速度が変更された際、鋼板の大きさの変更時と同様の処理を行うことによって後行材の板温を目標板温に制御する技術も記載されている。
【０００４】
また、特許文献２，３には、つなぎ材を用いずに後行材の板温を目標板温に制御する技術が記載されている。詳しくは、特許文献２には、先行材および後行材の板温を予測し、予測結果に基づいて評価関数を利用して求めた最適なタイミングで炉温指令値を変更することによって、先行材および後行材の板温を目標板温に制御する技術が記載されている。また、特許文献３には、直火型の連続焼鈍炉に特化した板温モデルを用いて先行材および後行材の板温を予測し、予測結果に基づいて先行材および後行材の板温が目標板温になるようにライン速度および目標板温を制御する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３０１２７号公報
【特許文献２】特開２０００−５４０３２号公報
【特許文献３】特開平０７−１８８７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の特許文献１〜３記載の技術には以下に示すような問題点がある。すなわち、特許文献１に記載されているつなぎ材と後行材との板温を推定するモデルは、単位時間あたりに通板される鋼板の重量を変数とした数式であり、板温に対する板幅、板厚、およびライン速度の変化の影響を個別に考慮できる形式になっていない。このため、特許文献１記載の技術によれば、板幅、板厚、およびライン速度が変化した際、板温およびその変動量を正確に推定できないために、板温を目標板温に精度高く制御できない。また、つなぎ材を使用して板温を目標板温に制御するために、板温を安価に目標板温に制御することが難しい。
【０００７】
一方、特許文献２記載の技術は、炉壁からの輻射熱で鋼板を間接的に加熱する間接加熱炉を対象としている。このため、特許文献２に記載されている板温の推定モデルは、輻射熱のみを考慮しており、鋼板を直接加熱する直火型の加熱炉には適用できない。また、特許文献２記載の技術で使用されている板温の推定モデルは、板厚方向の熱の移動のみを考慮した１次元の非定常熱伝導方程式であるので、板幅方向の板温を正確に推定できない。このため、特許文献２記載の技術によれば、鋼板の板幅が変化した際、板温およびその変動量を正確に推定できないために、板温を目標板温に精度高く制御できない。なお、一般に、間接加熱炉で用いられるモデルでは、板幅方向の板温は計算しない。これは、板幅が変化すると鋼板が加熱炉から奪う熱量が変化することによって炉温が変化することから、板幅方向の板温を計算する場合には、板幅の変化に伴い輻射熱量が変化するという複雑なモデルが必要になる上に、測定できない多数のパラメータによってモデルの調整が困難になるためである。
【０００８】
これに対して、特許文献３記載の技術は、直火型の加熱炉に適用可能な板温の推定モデルを用いている。しかしながら、特許文献３記載の技術では、炉壁から鋼板への輻射伝熱、雰囲気から鋼板への輻射伝熱、および雰囲気から鋼板への対流伝熱の比率や測定が困難である雰囲気温度については仮定値を用いているために、板温およびその変動量を正確に推定することができない。また、板幅の変化に伴う板温の変化については考慮していない。このため、特許文献３記載の技術によれば、鋼板の板幅が変化した際、板温およびその変動量を正確に推定できないために、板温を目標板温に精度高く制御できない。
【０００９】
このように、特許文献１〜３記載の技術によれば、直火型の加熱炉における鋼板の温度およびその変動量を正確に推定することができない。このため、鋼板の大きさやライン速度が変化した場合であっても、直火型加熱炉における鋼板の温度の変動量を正確に推定し、鋼板の温度を目標温度に精度高く制御可能な技術の提供が期待されていた。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、鋼板の大きさやライン速度が変化した場合であっても鋼板の温度を目標温度に精度高く制御可能な直火型連続加熱炉の制御方法および制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
直火型連続加熱炉における炉壁と鋼板との間および雰囲気温度と鋼板との間の熱の移動は物理的に複雑であるために、それらを完全に把握して鋼板の温度を予測することは技術的に困難である。そこで、本発明の発明者らは、鋼板の大きさやライン速度が変化した際の鋼板の温度の変動量を予測できれば、鋼板の温度の変動を抑制し、鋼板の温度を目標温度に精度高く制御できるという技術思想を想到するに至った。そして、本発明の発明者らは、鋼板の板厚、板幅、およびライン速度の変更量と鋼板の温度の変動量との関係を解析したところ、それらの間には強い相関関係があり、鋼板の板厚、板幅、およびライン速度の変更量から鋼板の温度の変動量を高精度に予測できることを知見した。
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る直火型連続加熱炉の制御方法は、溶接によって接続された複数の鋼板を連続的に焼鈍する直火型連続加熱炉の制御方法であって、既に通板された先行材の大きさとこれから通板される後行材の大きさとに違いがある場合又は後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、大きさおよびライン速度の変化量を入力変数、大きさおよびライン速度の変化に伴う後行材の温度変動量を出力変数とする回帰モデルを利用して、後行材の温度変動量を算出する予測ステップと、前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度変動量に基づいて、前記先行材の目標温度および前記直火型連続加熱炉の加熱装置に供給する燃料流量の少なくとも一方を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る直火型連続加熱炉の制御方法は、上記発明において、前記制御ステップは、先行材の大きさと後行材の大きさとに違いがある場合、前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度変動量と後行材の目標温度との和を前記先行材の指定位置から尾端部までの範囲における先行材の目標温度としてフィードバック制御し、前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度変動量と先行材の目標温度と後行材の目標温度との差分値との和を補償すべき温度変動量として燃料流量変更量を算出し、算出された燃料流量変更量と現在の燃料流量使用量との和を前記加熱装置に対する燃料流量指令値としてフィードフォワード制御するステップを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る直火型連続加熱炉の制御方法は、上記発明において、前記制御ステップは、後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度の変動量と先行材の目標温度と後行材の目標温度との差分値との和を補償すべき後行材の温度変動量として燃料流量変更量を算出し、算出された燃料流量変更量と現在の燃料流量使用量との和を前記加熱装置に対する燃料流量指令値としてフィードフォワード制御するステップを含むことを特徴とする。
【００１５】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る直火型連続加熱炉の制御装置は、溶接によって接続された複数の鋼板を連続的に焼鈍する直火型連続加熱炉の制御装置であって、既に通板された先行材の大きさとこれから通板される後行材の大きさとに違いがある場合又は後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、大きさおよびライン速度の変化量を入力変数、大きさおよびライン速度の変化に伴う後行材の温度変動量を出力変数とする回帰モデルを利用して、後行材の温度変動量を算出する予測手段と、前記予測手段によって算出された後行材の温度変動量に基づいて、前記先行材の目標温度および前記直火型連続加熱炉の加熱装置に供給する燃料流量の少なくとも一方を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る直火型連続加熱炉の制御方法および制御装置によれば、鋼板の大きさやライン速度が変化した場合であっても、鋼板の温度を目標温度に精度高く制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉が適用される連続焼鈍ラインの構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、図２に示す操業データＤＢ内に格納される操業データの一例を示す図である。
【図４】図４は、鋼板の大きさが変更された際の板温制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】図５は、先行材の目標温度のフィードバック制御処理を説明するための図である。
【図６】図６は、先行材の目標温度のフィードバック制御処理および燃料流量のフィードフォワード制御処理を説明するための図である。
【図７】図７は、燃料流量のフィードフォワード制御処理を説明するための図である。
【図８】図８は、鋼板のライン速度が変更された際の板温制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】図９は、燃料流量のフィードフォワード制御処理を説明するための図である。
【図１０】図１０は、本発明による板幅変更に伴う板温変化の評価の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明によって予測された板幅変更に伴う板温変動と実際の板温変動との関係を示す図である。
【図１２】図１２は、従来法によって予測されたライン速度変更に伴う板温変動と実際の板温変動との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明によって予測されたライン速度変更に伴う板温変動と実際の板温変動との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、従来法によって予測された板厚変更に伴う板温変動と実際の板温変動との関係を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明によって予測された板厚変更に伴う板温変動と実際の板温変動との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉の制御方法および制御装置について説明する。
【００１９】
〔連続焼鈍ラインの構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉が適用される連続焼鈍ラインの構成について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉が適用される連続焼鈍ラインの構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉が適用される連続焼鈍ライン１は、ペイオフリール２ａ，２ｂ、溶接機３、クリーニングセクション４、テンションレベラ５ａ〜５ｄ、入側ルーパ６、直火型連続加熱炉７、出側ルーパ８、スキンパスミル９、および後処理部１０を主な構成要素として備えている。
【００２１】
ペイオフリール２ａ，２ｂは、コイル状に巻き取られている鋼板Ｓを払い出して溶接機３に供給する設備である。溶接機３は、ペイオフリール２ａ（又はペイオフリール２ｂ）から払い出された鋼板（先行材）の尾端部とペイオフリール２ｂ（又はペイオフリール２ａ）から払い出された後行の鋼板（後行材）の先端部とを溶接する設備である。クリーニングセクション４は、溶接機３によって溶接された鋼板を洗浄液中に通板することによって鋼板に付着した油脂などを除去する設備である。
【００２２】
テンションレベラ５ａ，５ｂは、クリーニングセクション４を通過した鋼板の歪みを矯正して入側ルーパ６に供給する設備である。入側ルーパ６は、後段の焼鈍処理のために、鋼板の張力を保ちながら鋼板を一時待機させるための設備である。入側ルーパ６によってタイミング調整された鋼板は、テンションコントロールユニット１１ａを経由して直火型連続加熱炉７に通板される。
【００２３】
直火型連続加熱炉７は、加熱炉７ａ、均熱炉７ｂ、および冷却炉７ｃを備え、溶接によって接続された複数の鋼板を加熱炉７ａ、均熱炉７ｂ、および冷却炉７ｃに順次通板することによって複数の鋼板を連続的に焼鈍する。焼鈍後の鋼板は、ウォータークエンチ設備１２およびテンションコントロールユニット１１ｂを経由して出側ルーパ８に搬入される。出側ルーパ８は、後段の後処理のために、鋼板の張力を保ちながら鋼板を一時待機させるための設備である。
【００２４】
スキンパスミル９は、テンションレベラ５ｃ，５ｄと協働して、出側ルーパ８から送出された鋼板を調質圧延するための設備である。後処理部１０は、鋼板から不要部分を切断するトリマ、鋼板にオイルを塗るオイラー、および検査プロセスで検出された不良部を切断するシャーなどを備える設備である。後処理部１０を通過した鋼板は、テンションリール１３ａ，１３ｂに巻き取られる。
【００２５】
〔制御装置の構成〕
次に、図２，図３を参照して、図１に示す直火型連続加熱炉７の制御装置の構成について説明する。
【００２６】
図２は、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉の制御装置の構成を示すブロック図である。図３は、図２に示す操業データＤＢ１０４内に格納される操業データの一例を示す図である。
【００２７】
図２に示すように、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉の制御装置１００は、パーソナルコンピュータやワークステーションなどの情報処理装置によって構成され、情報処理装置内部のＣＰＵなどの演算処理装置がコンピュータプログラムを実行することによって回帰モデル作成部１０１、板温変動量算出部１０２、および燃料流量変動量算出部１０３として機能する。制御装置１００は、本発明に係る予測手段および制御手段として機能する。
【００２８】
回帰モデル作成部１０１は、制御装置１００に接続されている操業データＤＢ１０４内に格納されている過去の操業データを利用して、鋼板の大きさおよびライン速度の変化量を入力変数、鋼板の大きさおよびライン速度の変化に伴う鋼板の温度変動量を出力変数とする回帰モデルを作成する。具体的には、図３に示すように、過去の操業データには、焼鈍処理された鋼板の鋼種、板厚、板幅、ライン速度、目標板温、および鋼板の温度の変動量（板温変動量）に関するデータが含まれている。
【００２９】
回帰モデル作成部１０１は、図３に示す操業データを利用して鋼板のライン速度、板厚、および板幅の変更が加熱炉７ａの出側における鋼板の温度に及ぼす影響の度合いを影響係数ａ１〜ａ４（＜０）として重回帰分析により算出し、算出結果に基づいて以下の数式（１）に示すような回帰モデルを作成する。なお、鋼板の放射率は鋼種毎に異なるために、影響係数ａ１〜ａ４は鋼種によって変化する。このため、影響係数ａ１〜ａ４は鋼種毎に算出しておくことが望ましい。そして、回帰モデル作成部１０１は、算出された回帰モデルを制御装置１００内部のＲＯＭなどの記憶装置に記憶する。
【００３０】
【数１】
【００３１】
ここで、数式（１）中、ΔＴ１は鋼板の大きさおよびライン速度の変化に伴う鋼板の温度変動量［℃］、ＬＳ１，ＬＳ２は先行材および後行材のライン速度［ｍ／ｓｅｃ］、Ｄ１，Ｄ２は先行材および後行材の板厚［ｍｍ］、Ｗ１，Ｗ２は先行材および後行材の板幅［ｍｍ］、Ｔ１，Ｔ２は先行材および後行材の加熱炉７ａの出側における目標温度（目標出側板温）［℃］、ａ１はライン速度変更の影響係数、ａ２は板厚変更の影響係数、ａ３は板幅変更の影響係数、ａ４は断面積変更の影響係数を示している。また、数式（１）の右辺の第１項はライン速度の変動に伴う鋼板の温度変動量を示し、第２項は鋼板の板厚の変化に伴う鋼板の温度変動量を示し、第３項は鋼板の板幅の変化に伴う鋼板の温度変動量を示し、第４項は鋼板の断面積の変化に伴う鋼板の温度変動量を示している。
【００３２】
板温変動量算出部１０２は、回帰モデル作成部１０１によって作成された回帰モデルを利用して鋼板の大きさおよびライン速度の変化に伴う鋼板の温度変動量ΔＴ１を算出する。そして、板温変動量算出部１０２は、算出された鋼板の温度変動量ΔＴ１に基づいて、炉温指示値を出力する板温指令系１１０をフィードバック制御する。燃料流量変更量算出部１０３は、板温変動量算出部１０２によって算出された鋼板の温度変動量ΔＴ１を利用して、鋼板の温度の変動を抑制するために必要な燃料流量の変更量を算出する。そして、燃料流量変更量算出部１０３は、算出された燃料流量の変更量に基づいて、加熱炉７ａを加熱する加熱装置に燃料を供給する燃料弁の開度を制御する燃料制御系１１１をフィードフォワード制御する。
【００３３】
このような構成を有する制御装置１００は、以下に示す板温制御処理を実行することによって、鋼板の大きさが変更された場合やライン速度が変更された場合であっても、鋼板の温度を目標温度に精度高く制御する。以下、鋼板の大きさが変更された場合とライン速度が変更された場合とに分けて、板温制御処理を実行する際の制御装置１００の動作について説明する。
【００３４】
〔大きさ変更時〕
始めに、図４に示すフローチャートを参照して、鋼板の大きさが変更された際の板温制御処理の流れについて説明する。
【００３５】
図４は、鋼板の大きさが変更された際の板温制御処理の流れを示すフローチャートである。図４に示すフローチャートは、連続焼鈍ライン１が稼働されたタイミングで開始となり、板温制御処理はステップＳ１の処理に進む。板温制御処理は連続焼鈍ライン１が稼働している間、所定の制御周期毎に繰り返し実行される。
【００３６】
ステップＳ１の処理では、板温変動量算出部１０２が、これから加熱炉７ａに通板される後行材に関する各種設定計算を実行するタイミングで、後行材の大きさと既に通板されている先行材の大きさとの間に違いがあるか否かを判別する。後行材および先行材の大きさに関する情報は、加熱炉７ａの入り側に設置された測定器を利用して測定される。判別の結果、大きさに違いがない場合、板温変動量算出部１０２は、板温制御処理を終了する。一方、大きさに違いがある場合には、板温変動量算出部１０２は、板温制御処理をステップＳ２の処理に進める。
【００３７】
ステップＳ２の処理では、板温変動量算出部１０２が、先行材のライン速度ＬＳ１＝後行材のライン速度ＬＳ２として、回帰モデル作成部１０１によって作成された回帰モデルに先行材および後行材の板厚Ｄ１，Ｄ２と先行材および後行材の板幅Ｗ１，Ｗ２とを代入することによって、先行材との大きさの違いに伴う後行材の板温変動量ΔＴ１を算出する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、板温制御処理はステップＳ３の処理に進む。
【００３８】
ステップＳ３の処理では、燃料流量変更量算出部１０３が、以下に示す数式（２）を利用して、ステップＳ２において算出された先行材との大きさの違いに伴う後行材の板温変動量ΔＴ１と先行材の目標出側板温Ｔ１と後行材の目標出側板温Ｔ２との差分値ΔＴ２との和を補償すべき板温変動量ΔＴとして算出する。
【００３９】
【数２】
【００４０】
補償すべき板温変動量ΔＴが算出されると、燃料流量変更量算出部１０３は、熱バランス式を利用して補償すべき板温変動量ΔＴから板温の変動を抑制するために必要な単位時間あたりの燃料流量変更量Ｆを算出する。具体的には、板温変動量ΔＴを抑制するために必要な単位時間あたりの熱量（左辺）が後行材に投入される単位時間あたりの熱量（右辺）に等しいとすると、以下に示す数式（３）が成り立つ。
【００４１】
【数３】
【００４２】
ここで、数式（３）中、ρは後行材の比重［ｋｇ／ｍ３］、Ｃは後行材の比熱［ｋｃａｌ／ｋｇ・℃］、ＬＳ２は後行材のライン速度［ｍ／ｓｅｃ］、Ｄ２は後行材の板厚［ｍｍ］、Ｗ２は後行材の板幅［ｍｍ］、ΔＴは補償すべき板温変動量［℃］、Ｆは単位時間当たりの燃料流量変更量［Ｎｍ３／ｈｒ］、Ｃａｌは燃料熱量［ｋｃａｌ／Ｎｍ３］を示している。
【００４３】
従って、燃料流量変更量算出部１０３は、数式（３）を数式（４）のように変形し、後行材の比重ρ、比熱Ｃ、ライン速度ＬＳ２、板厚Ｄ２、および板幅Ｗ２と、板温変動量ΔＴおよび燃料熱量Ｃａｌとを数式（４）に代入することによって、板温変動量ΔＴを抑制するために必要な単位時間あたりの燃料流量変更量Ｆを算出することができる。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、板温制御処理はステップＳ４の処理に進む。
【００４４】
【数４】
【００４５】
ステップＳ４の処理では、板温変動量算出部１０２が、図５に示すように、後行材の目標出側板温Ｔ２とステップＳ２の処理によって算出された後行材の板温変動量ΔＴ１との和、換言すれば、先行材の目標出側板温Ｔ１とステップＳ３の処理によって算出された補償すべき板温変動量ΔＴとの和が先行材の指定位置から先行材の尾端部までの区間の目標板温になるように先行材の板温目標値（当初の板温目標値）を修正する。なお、図５に示す例は、補償すべき板温変動量ΔＴが負の値、換言すれば、後行材の板温が目標出側板温に対し減少するおそれがある場合の目標出側板温の制御を示しており、後行材の板温が目標出側板温に対し減少しないように先行材の指定位置から先行材の尾端部までの区間の目標出側板温を増加させている。
【００４６】
そして、図６に示すように、板温指令系１１０は、板温変動量算出部１０２によって修正された板温目標値と板温計１１２によって測定された加熱炉７ａの出側における先行材の板温実績値との差分値に基づいて、加熱炉７ａの出側における先行材の温度が目標出側板温Ｔ２＋ΔＴ１（＝Ｔ１＋ΔＴ）になるように炉温指示値を炉温制御系１１３に出力する。なお、図６に示すように、炉温制御系１１３は、板温指令系１１０から出力された炉温指示値と炉温計１１４から出力された加熱炉７ａの炉温実績値との差分値に基づいて、加熱炉７ａの炉温が目標炉温になるように燃料制御系１１１に燃料流量指示値を出力する。このように、板温変動算出部１０２は、後行材の板温目標値Ｔ２と先行材との大きさの違いに伴う後行材の板温変動量ΔＴ１との和を先行材の指定位置から尾端部までの範囲における先行材の目標温度としてフィードバック制御する。
【００４７】
また、燃料流量変更量算出部１０３は、図７に示すように、先行材の指定位置から後行材の尾端部までの区間の燃料流量変更量をステップＳ３の処理によって算出された燃料流量変更量Ｆに設定する。なお、図７に示す例は、補償すべき板温変動量ΔＴが負の値、換言すれば、後行材の板温が目標出側板温に対し減少するおそれがある場合の燃料流量の制御を示しており、後行材の板温が目標出側板温に対し減少しないように燃料流量を増加させて加熱炉７ａの炉温を増加させている。そして、図６に示すように、燃料制御系１１１は、燃料流量変更量算出部１０３によって設定された燃料流量変更量Ｆと炉温制御系１１３から出力された燃料流量指示値との和と流量計１１５によって計測された燃料流量実績値との差分値に基づいて、加熱装置に燃料を供給する燃料弁の開度を制御する。このように、燃料流量変更量算出部１０３は、燃料流量変更量Ｆと現在の燃料流量使用量との和を燃料制御系１１１に対する燃料流量指令値としてフィードフォワード制御する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、一連の板温制御処理は終了する。
【００４８】
〔ライン速度変更時〕
次に、図８に示すフローチャートを参照して、鋼板のライン速度が変更された際の板温制御処理の流れについて説明する。
【００４９】
図８は、鋼板のライン速度が変更された際の板温制御処理の流れを示すフローチャートである。図８に示すフローチャートは、連続焼鈍ライン１が稼働されたタイミングで開始となり、板温制御処理はステップＳ１１の処理に進む。板温制御処理は連続焼鈍ライン１が稼働している間、所定の制御周期毎に繰り返し実行される。
【００５０】
ステップＳ１１の処理では、板温変動量算出部１０２が、後行材のライン速度が先行材のライン速度に対して変更されたか否かを判別する。判別の結果、ライン速度が変更されていない場合、板温変動量算出部１０２は、板温制御処理を終了する。一方、ライン速度が変更された場合には、板温変動量算出部１０２は、板温制御処理をステップＳ１２の処理に進める。
【００５１】
ステップＳ１２の処理では、燃料流量変更量算出部１０３が、先行材の板厚Ｄ１＝後行材の板厚Ｄ２、先行材の板幅Ｗ１＝後行材の板幅Ｗ２、および先行材の目標出側板温Ｔ１＝後行材の目標出側板温Ｔ２として、数式（２）に先行材および後行材のライン速度ＬＳ１，ＬＳ２を代入することによって、補償すべき板温変動量ΔＴを算出する。そして、燃料流量変更量算出部１０３が、熱バランス式を利用して板温変動量ΔＴから板温の変動を抑制するために必要となる単位時間あたりの燃料流量変更量Ｆを算出する。なお、この一連の処理は第１の実施形態におけるステップＳ２およびステップＳ３の処理と実質的に同じであるので詳細な説明は省略する。これにより、ステップＳ１２の処理は完了し、板温制御処理はステップＳ１３の処理に進む。
【００５２】
ステップＳ１３の処理では、燃料流量変更量算出部１０３が、図９に示すように、ライン速度が変更されたタイミング（時間ｔ＝ｔ１）で燃料流量変更量をステップＳ１２の処理によって算出された燃料流量変更量Ｆに設定する。そして、燃料制御系１１は、図６に示すように、燃料流量変更量算出部１０３によって設定された燃料流量変更量Ｆと炉温制御系１１３から出力された燃料流量指示値との和と流量計１１５によって計測された燃料流量実績値との差分値に基づいて、加熱装置に燃料を供給する燃料弁の開度を制御する。すなわち、燃料流量変更量算出部１０３は、燃料流量変更量Ｆと現在の燃料流量使用量との和を燃料制御系１１１に対する燃料流量指令値としてフィードフォワード制御する。これにより、ステップＳ１３の処理は完了し、一連の板温制御処理は終了する。
【００５３】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉の制御装置１００は、先行材の大きさと後行材の大きさとに違いがある場合又は後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、大きさおよびライン速度の変化量を入力変数、大きさおよびライン速度の変化に伴う後行材の温度変動量を出力変数とする回帰モデルを利用して、後行材の温度変動量ΔＴ１を算出し、算出された後行材の温度変動量ΔＴ１に基づいて、先行材の目標温度および直火型連続加熱炉の加熱装置に供給する燃料流量の少なくとも一方を制御する。すなわち、制御装置１００は、加熱炉の出側における板温を予測するのではなく、回帰モデルを利用して板温の変動量を直接予測する。このような構成によれば、板温の変動量を精度高く算出できるので、鋼板の大きさやライン速度が変化した場合であっても、鋼板の温度を目標温度に精度高く制御することができる。
【００５４】
〔実施例〕
以下、本発明および従来法を利用して、鋼板の板幅、ライン速度、および板厚を変更した際の板温変動の予測精度を評価した結果について述べる。なお、従来法では、以下の数式（５）に示す非定常熱伝導方程式を以下の数式（６）に示す境界条件式のもとで解くことによって加熱炉の出側における板温を算出し、算出された板温を用いて板温の変動量を算出した。これに対して、本発明では、回帰式を利用して板温の変動量を直接算出した。ここで、数式（５），（６）中のρは鋼板の比重［ｋｇ／ｍ３］、Ｃは鋼板の比熱［ｋｃａｌ／ｋｇ・℃］、λは鋼板の熱伝導度［ｋｃａｌ／ｍｈｒ・℃］、ｔは時間［ｈｒ］、ｘは鋼板の板厚方向の座標［ｍ］、φｃｇは統括熱吸収率、σはステファンボルツマン係数［ｋｃａｌ／ｍ２・ｈｒ・℃４］、Ｔｒは炉温［℃］、Ｔｓは鋼板表面温度［℃］、Ｔは板温［℃］を示している。
【００５５】
【数５】
【数６】
【００５６】
〔板幅変更時〕
従来法を利用して鋼板の板幅変更に伴う板温変化を評価した場合、図１０に示すような板幅変更に伴う板温変化は確認できなかった。このため、従来法を利用した場合には、鋼板の板幅が変更された際、板温を目標温度に精度高く制御することは困難になる。これに対して、本発明を利用して鋼板の板幅変更に伴う板温変化を評価した場合、図１０に示すような板幅変更に伴う板温変化が確認でき、また図１１に示すように予測された温度変動量は実際の温度変動量を精度よく再現できた。このため、本発明によれば、鋼板の板幅が変更された場合であっても、板温を目標温度に精度高く制御できることが知見された。
【００５７】
〔ライン速度変更時〕
従来法を利用して鋼板のライン速度変更に伴う板温変化を評価した場合、図１２に示すように、板温変動の予測値と実績値とはある程度の一致を示し、予測誤差の標準偏差は７．５［℃］であった。これに対して、本発明を利用して鋼板のライン速度変更に伴う板温変化を評価した場合、図１３に示すような板温変動の予測値と実績値とは良い一致を示し、予測誤差の標準偏差は３．９［℃］であった。以上のことから、本発明によれば、鋼板のライン速度が変更された際、従来法を利用した場合よりも板温を目標温度に精度高く制御できることが知見された。
【００５８】
〔板厚変更時〕
従来法を利用して鋼板の板厚変更に伴う板温変化を評価した場合、図１４に示すように、板温変動の予測値と実績値とはある程度の一致を示し、予測誤差の標準偏差は１２．９［℃］であった。これに対して、本発明を利用して鋼板の板厚変更に伴う板温変化を評価した場合、図１５に示すような板温変動の予測値と実績値とは良い一致を示し、予測誤差の標準偏差は８．９［℃］であった。以上のことから、本発明によれば、鋼板の板厚が変更された際、従来法を利用した場合よりも板温を目標温度に精度高く制御できることが知見された。
【００５９】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者などによりなされる他の実施の形態、実施例、および運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００６０】
１ 連続焼鈍ライン
２ａ，２ｂ ペイオフリール
３ 溶接機
４ クリーニングセクション
５ａ〜５ｄ テンションレベラ
６ 入側ルーパ
７ 直火型連続加熱炉
８ 出側ルーパ
９ スキンパスミル
１０ 後処理部
１１ａ，１１ｂ テンションコントロールユニット
１２ ウォータークエンチ設備
１３ａ，１３ｂ テンションリール
１００ 制御装置
１０１ 回帰モデル作成部
１０２ 板温変動量算出部
１０３ 燃料流量変動量算出部
１０４ 操業データＤＢ
１１０ 板温制御系
１１１ 燃料制御系
１１２ 板温計
１１３ 炉温制御系
１１４ 炉温計
１１５ 流量計
Ｓ 鋼板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接によって接続された複数の鋼板を連続的に焼鈍する直火型連続加熱炉の制御方法および制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製造プロセスにおける連続加熱炉では、炉の出側における鋼板の温度（以下、板温と略記）を厳格に管理することによって鋼板の品質を保証している。このため、連続加熱炉では、鋼板の大きさやライン速度（通板速度）が変更された場合であっても、板温の変動を抑制することによって板温が目標板温になるように制御する必要がある。このような背景から、従来の連続加熱炉では、既に通板された鋼板（先行材）の大きさや目標板温とこれから通板される鋼板（後行材）の大きさや目標板温との間に差がある場合、先行材と後行材との間に後行材の大きさに近いつなぎ材を装入し、つなぎ材の目標板温を後行材の目標板温に設定している。
【０００３】
しかしながら、つなぎ材の大きさと後行材の大きさとを常に同じにすることは容易ではなく、つなぎ材の大きさと後行材の大きさとを同じにできないことがある。そして、つなぎ材の大きさと後行材の大きさとに違いがある場合には、後行材の板温が変動し、後行材の板温を目標板温に制御できない。このため、つなぎ材の大きさと後行材の大きさとの違いによる後行材の板温変動量を予測し、予測された板温変動量分だけつなぎ材の尾端部の目標板温を変更することによって、後行材の板温を目標板温に制御する方法が提案されている（特許文献１参照）。なお、特許文献１には、ライン速度が変更された際、鋼板の大きさの変更時と同様の処理を行うことによって後行材の板温を目標板温に制御する技術も記載されている。
【０００４】
また、特許文献２，３には、つなぎ材を用いずに後行材の板温を目標板温に制御する技術が記載されている。詳しくは、特許文献２には、先行材および後行材の板温を予測し、予測結果に基づいて評価関数を利用して求めた最適なタイミングで炉温指令値を変更することによって、先行材および後行材の板温を目標板温に制御する技術が記載されている。また、特許文献３には、直火型の連続焼鈍炉に特化した板温モデルを用いて先行材および後行材の板温を予測し、予測結果に基づいて先行材および後行材の板温が目標板温になるようにライン速度および目標板温を制御する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３０１２７号公報
【特許文献２】特開２０００−５４０３２号公報
【特許文献３】特開平０７−１８８７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の特許文献１〜３記載の技術には以下に示すような問題点がある。すなわち、特許文献１に記載されているつなぎ材と後行材との板温を推定するモデルは、単位時間あたりに通板される鋼板の重量を変数とした数式であり、板温に対する板幅、板厚、およびライン速度の変化の影響を個別に考慮できる形式になっていない。このため、特許文献１記載の技術によれば、板幅、板厚、およびライン速度が変化した際、板温およびその変動量を正確に推定できないために、板温を目標板温に精度高く制御できない。また、つなぎ材を使用して板温を目標板温に制御するために、板温を安価に目標板温に制御することが難しい。
【０００７】
一方、特許文献２記載の技術は、炉壁からの輻射熱で鋼板を間接的に加熱する間接加熱炉を対象としている。このため、特許文献２に記載されている板温の推定モデルは、輻射熱のみを考慮しており、鋼板を直接加熱する直火型の加熱炉には適用できない。また、特許文献２記載の技術で使用されている板温の推定モデルは、板厚方向の熱の移動のみを考慮した１次元の非定常熱伝導方程式であるので、板幅方向の板温を正確に推定できない。このため、特許文献２記載の技術によれば、鋼板の板幅が変化した際、板温およびその変動量を正確に推定できないために、板温を目標板温に精度高く制御できない。なお、一般に、間接加熱炉で用いられるモデルでは、板幅方向の板温は計算しない。これは、板幅が変化すると鋼板が加熱炉から奪う熱量が変化することによって炉温が変化することから、板幅方向の板温を計算する場合には、板幅の変化に伴い輻射熱量が変化するという複雑なモデルが必要になる上に、測定できない多数のパラメータによってモデルの調整が困難になるためである。
【０００８】
これに対して、特許文献３記載の技術は、直火型の加熱炉に適用可能な板温の推定モデルを用いている。しかしながら、特許文献３記載の技術では、炉壁から鋼板への輻射伝熱、雰囲気から鋼板への輻射伝熱、および雰囲気から鋼板への対流伝熱の比率や測定が困難である雰囲気温度については仮定値を用いているために、板温およびその変動量を正確に推定することができない。また、板幅の変化に伴う板温の変化については考慮していない。このため、特許文献３記載の技術によれば、鋼板の板幅が変化した際、板温およびその変動量を正確に推定できないために、板温を目標板温に精度高く制御できない。
【０００９】
このように、特許文献１〜３記載の技術によれば、直火型の加熱炉における鋼板の温度およびその変動量を正確に推定することができない。このため、鋼板の大きさやライン速度が変化した場合であっても、直火型加熱炉における鋼板の温度の変動量を正確に推定し、鋼板の温度を目標温度に精度高く制御可能な技術の提供が期待されていた。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、鋼板の大きさやライン速度が変化した場合であっても鋼板の温度を目標温度に精度高く制御可能な直火型連続加熱炉の制御方法および制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
直火型連続加熱炉における炉壁と鋼板との間および雰囲気温度と鋼板との間の熱の移動は物理的に複雑であるために、それらを完全に把握して鋼板の温度を予測することは技術的に困難である。そこで、本発明の発明者らは、鋼板の大きさやライン速度が変化した際の鋼板の温度の変動量を予測できれば、鋼板の温度の変動を抑制し、鋼板の温度を目標温度に精度高く制御できるという技術思想を想到するに至った。そして、本発明の発明者らは、鋼板の板厚、板幅、およびライン速度の変更量と鋼板の温度の変動量との関係を解析したところ、それらの間には強い相関関係があり、鋼板の板厚、板幅、およびライン速度の変更量から鋼板の温度の変動量を高精度に予測できることを知見した。
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る直火型連続加熱炉の制御方法は、溶接によって接続された複数の鋼板を連続的に焼鈍する直火型連続加熱炉の制御方法であって、既に通板された先行材の大きさとこれから通板される後行材の大きさとに違いがある場合又は後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、大きさおよびライン速度の変化量を入力変数、大きさおよびライン速度の変化に伴う後行材の温度変動量を出力変数とする回帰モデルを利用して、後行材の温度変動量を算出する予測ステップと、前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度変動量に基づいて、前記先行材の目標温度および前記直火型連続加熱炉の加熱装置に供給する燃料流量の少なくとも一方を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る直火型連続加熱炉の制御方法は、上記発明において、前記制御ステップは、先行材の大きさと後行材の大きさとに違いがある場合、前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度変動量と後行材の目標温度との和を前記先行材の指定位置から尾端部までの範囲における先行材の目標温度としてフィードバック制御し、前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度変動量と先行材の目標温度と後行材の目標温度との差分値との和を補償すべき温度変動量として燃料流量変更量を算出し、算出された燃料流量変更量と現在の燃料流量使用量との和を前記加熱装置に対する燃料流量指令値としてフィードフォワード制御するステップを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る直火型連続加熱炉の制御方法は、上記発明において、前記制御ステップは、後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度の変動量と先行材の目標温度と後行材の目標温度との差分値との和を補償すべき後行材の温度変動量として燃料流量変更量を算出し、算出された燃料流量変更量と現在の燃料流量使用量との和を前記加熱装置に対する燃料流量指令値としてフィードフォワード制御するステップを含むことを特徴とする。
【００１５】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る直火型連続加熱炉の制御装置は、溶接によって接続された複数の鋼板を連続的に焼鈍する直火型連続加熱炉の制御装置であって、既に通板された先行材の大きさとこれから通板される後行材の大きさとに違いがある場合又は後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、大きさおよびライン速度の変化量を入力変数、大きさおよびライン速度の変化に伴う後行材の温度変動量を出力変数とする回帰モデルを利用して、後行材の温度変動量を算出する予測手段と、前記予測手段によって算出された後行材の温度変動量に基づいて、前記先行材の目標温度および前記直火型連続加熱炉の加熱装置に供給する燃料流量の少なくとも一方を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る直火型連続加熱炉の制御方法および制御装置によれば、鋼板の大きさやライン速度が変化した場合であっても、鋼板の温度を目標温度に精度高く制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉が適用される連続焼鈍ラインの構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、図２に示す操業データＤＢ内に格納される操業データの一例を示す図である。
【図４】図４は、鋼板の大きさが変更された際の板温制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】図５は、先行材の目標温度のフィードバック制御処理を説明するための図である。
【図６】図６は、先行材の目標温度のフィードバック制御処理および燃料流量のフィードフォワード制御処理を説明するための図である。
【図７】図７は、燃料流量のフィードフォワード制御処理を説明するための図である。
【図８】図８は、鋼板のライン速度が変更された際の板温制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】図９は、燃料流量のフィードフォワード制御処理を説明するための図である。
【図１０】図１０は、本発明による板幅変更に伴う板温変化の評価の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明によって予測された板幅変更に伴う板温変動と実際の板温変動との関係を示す図である。
【図１２】図１２は、従来法によって予測されたライン速度変更に伴う板温変動と実際の板温変動との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明によって予測されたライン速度変更に伴う板温変動と実際の板温変動との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、従来法によって予測された板厚変更に伴う板温変動と実際の板温変動との関係を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明によって予測された板厚変更に伴う板温変動と実際の板温変動との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉の制御方法および制御装置について説明する。
【００１９】
〔連続焼鈍ラインの構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉が適用される連続焼鈍ラインの構成について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉が適用される連続焼鈍ラインの構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉が適用される連続焼鈍ライン１は、ペイオフリール２ａ，２ｂ、溶接機３、クリーニングセクション４、テンションレベラ５ａ〜５ｄ、入側ルーパ６、直火型連続加熱炉７、出側ルーパ８、スキンパスミル９、および後処理部１０を主な構成要素として備えている。
【００２１】
ペイオフリール２ａ，２ｂは、コイル状に巻き取られている鋼板Ｓを払い出して溶接機３に供給する設備である。溶接機３は、ペイオフリール２ａ（又はペイオフリール２ｂ）から払い出された鋼板（先行材）の尾端部とペイオフリール２ｂ（又はペイオフリール２ａ）から払い出された後行の鋼板（後行材）の先端部とを溶接する設備である。クリーニングセクション４は、溶接機３によって溶接された鋼板を洗浄液中に通板することによって鋼板に付着した油脂などを除去する設備である。
【００２２】
テンションレベラ５ａ，５ｂは、クリーニングセクション４を通過した鋼板の歪みを矯正して入側ルーパ６に供給する設備である。入側ルーパ６は、後段の焼鈍処理のために、鋼板の張力を保ちながら鋼板を一時待機させるための設備である。入側ルーパ６によってタイミング調整された鋼板は、テンションコントロールユニット１１ａを経由して直火型連続加熱炉７に通板される。
【００２３】
直火型連続加熱炉７は、加熱炉７ａ、均熱炉７ｂ、および冷却炉７ｃを備え、溶接によって接続された複数の鋼板を加熱炉７ａ、均熱炉７ｂ、および冷却炉７ｃに順次通板することによって複数の鋼板を連続的に焼鈍する。焼鈍後の鋼板は、ウォータークエンチ設備１２およびテンションコントロールユニット１１ｂを経由して出側ルーパ８に搬入される。出側ルーパ８は、後段の後処理のために、鋼板の張力を保ちながら鋼板を一時待機させるための設備である。
【００２４】
スキンパスミル９は、テンションレベラ５ｃ，５ｄと協働して、出側ルーパ８から送出された鋼板を調質圧延するための設備である。後処理部１０は、鋼板から不要部分を切断するトリマ、鋼板にオイルを塗るオイラー、および検査プロセスで検出された不良部を切断するシャーなどを備える設備である。後処理部１０を通過した鋼板は、テンションリール１３ａ，１３ｂに巻き取られる。
【００２５】
〔制御装置の構成〕
次に、図２，図３を参照して、図１に示す直火型連続加熱炉７の制御装置の構成について説明する。
【００２６】
図２は、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉の制御装置の構成を示すブロック図である。図３は、図２に示す操業データＤＢ１０４内に格納される操業データの一例を示す図である。
【００２７】
図２に示すように、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉の制御装置１００は、パーソナルコンピュータやワークステーションなどの情報処理装置によって構成され、情報処理装置内部のＣＰＵなどの演算処理装置がコンピュータプログラムを実行することによって回帰モデル作成部１０１、板温変動量算出部１０２、および燃料流量変動量算出部１０３として機能する。制御装置１００は、本発明に係る予測手段および制御手段として機能する。
【００２８】
回帰モデル作成部１０１は、制御装置１００に接続されている操業データＤＢ１０４内に格納されている過去の操業データを利用して、鋼板の大きさおよびライン速度の変化量を入力変数、鋼板の大きさおよびライン速度の変化に伴う鋼板の温度変動量を出力変数とする回帰モデルを作成する。具体的には、図３に示すように、過去の操業データには、焼鈍処理された鋼板の鋼種、板厚、板幅、ライン速度、目標板温、および鋼板の温度の変動量（板温変動量）に関するデータが含まれている。
【００２９】
回帰モデル作成部１０１は、図３に示す操業データを利用して鋼板のライン速度、板厚、および板幅の変更が加熱炉７ａの出側における鋼板の温度に及ぼす影響の度合いを影響係数ａ１〜ａ４（＜０）として重回帰分析により算出し、算出結果に基づいて以下の数式（１）に示すような回帰モデルを作成する。なお、鋼板の放射率は鋼種毎に異なるために、影響係数ａ１〜ａ４は鋼種によって変化する。このため、影響係数ａ１〜ａ４は鋼種毎に算出しておくことが望ましい。そして、回帰モデル作成部１０１は、算出された回帰モデルを制御装置１００内部のＲＯＭなどの記憶装置に記憶する。
【００３０】
【数１】
【００３１】
ここで、数式（１）中、ΔＴ１は鋼板の大きさおよびライン速度の変化に伴う鋼板の温度変動量［℃］、ＬＳ１，ＬＳ２は先行材および後行材のライン速度［ｍ／ｓｅｃ］、Ｄ１，Ｄ２は先行材および後行材の板厚［ｍｍ］、Ｗ１，Ｗ２は先行材および後行材の板幅［ｍｍ］、Ｔ１，Ｔ２は先行材および後行材の加熱炉７ａの出側における目標温度（目標出側板温）［℃］、ａ１はライン速度変更の影響係数、ａ２は板厚変更の影響係数、ａ３は板幅変更の影響係数、ａ４は断面積変更の影響係数を示している。また、数式（１）の右辺の第１項はライン速度の変動に伴う鋼板の温度変動量を示し、第２項は鋼板の板厚の変化に伴う鋼板の温度変動量を示し、第３項は鋼板の板幅の変化に伴う鋼板の温度変動量を示し、第４項は鋼板の断面積の変化に伴う鋼板の温度変動量を示している。
【００３２】
板温変動量算出部１０２は、回帰モデル作成部１０１によって作成された回帰モデルを利用して鋼板の大きさおよびライン速度の変化に伴う鋼板の温度変動量ΔＴ１を算出する。そして、板温変動量算出部１０２は、算出された鋼板の温度変動量ΔＴ１に基づいて、炉温指示値を出力する板温指令系１１０をフィードバック制御する。燃料流量変更量算出部１０３は、板温変動量算出部１０２によって算出された鋼板の温度変動量ΔＴ１を利用して、鋼板の温度の変動を抑制するために必要な燃料流量の変更量を算出する。そして、燃料流量変更量算出部１０３は、算出された燃料流量の変更量に基づいて、加熱炉７ａを加熱する加熱装置に燃料を供給する燃料弁の開度を制御する燃料制御系１１１をフィードフォワード制御する。
【００３３】
このような構成を有する制御装置１００は、以下に示す板温制御処理を実行することによって、鋼板の大きさが変更された場合やライン速度が変更された場合であっても、鋼板の温度を目標温度に精度高く制御する。以下、鋼板の大きさが変更された場合とライン速度が変更された場合とに分けて、板温制御処理を実行する際の制御装置１００の動作について説明する。
【００３４】
〔大きさ変更時〕
始めに、図４に示すフローチャートを参照して、鋼板の大きさが変更された際の板温制御処理の流れについて説明する。
【００３５】
図４は、鋼板の大きさが変更された際の板温制御処理の流れを示すフローチャートである。図４に示すフローチャートは、連続焼鈍ライン１が稼働されたタイミングで開始となり、板温制御処理はステップＳ１の処理に進む。板温制御処理は連続焼鈍ライン１が稼働している間、所定の制御周期毎に繰り返し実行される。
【００３６】
ステップＳ１の処理では、板温変動量算出部１０２が、これから加熱炉７ａに通板される後行材に関する各種設定計算を実行するタイミングで、後行材の大きさと既に通板されている先行材の大きさとの間に違いがあるか否かを判別する。後行材および先行材の大きさに関する情報は、加熱炉７ａの入り側に設置された測定器を利用して測定される。判別の結果、大きさに違いがない場合、板温変動量算出部１０２は、板温制御処理を終了する。一方、大きさに違いがある場合には、板温変動量算出部１０２は、板温制御処理をステップＳ２の処理に進める。
【００３７】
ステップＳ２の処理では、板温変動量算出部１０２が、先行材のライン速度ＬＳ１＝後行材のライン速度ＬＳ２として、回帰モデル作成部１０１によって作成された回帰モデルに先行材および後行材の板厚Ｄ１，Ｄ２と先行材および後行材の板幅Ｗ１，Ｗ２とを代入することによって、先行材との大きさの違いに伴う後行材の板温変動量ΔＴ１を算出する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、板温制御処理はステップＳ３の処理に進む。
【００３８】
ステップＳ３の処理では、燃料流量変更量算出部１０３が、以下に示す数式（２）を利用して、ステップＳ２において算出された先行材との大きさの違いに伴う後行材の板温変動量ΔＴ１と先行材の目標出側板温Ｔ１と後行材の目標出側板温Ｔ２との差分値ΔＴ２との和を補償すべき板温変動量ΔＴとして算出する。
【００３９】
【数２】
【００４０】
補償すべき板温変動量ΔＴが算出されると、燃料流量変更量算出部１０３は、熱バランス式を利用して補償すべき板温変動量ΔＴから板温の変動を抑制するために必要な単位時間あたりの燃料流量変更量Ｆを算出する。具体的には、板温変動量ΔＴを抑制するために必要な単位時間あたりの熱量（左辺）が後行材に投入される単位時間あたりの熱量（右辺）に等しいとすると、以下に示す数式（３）が成り立つ。
【００４１】
【数３】
【００４２】
ここで、数式（３）中、ρは後行材の比重［ｋｇ／ｍ３］、Ｃは後行材の比熱［ｋｃａｌ／ｋｇ・℃］、ＬＳ２は後行材のライン速度［ｍ／ｓｅｃ］、Ｄ２は後行材の板厚［ｍｍ］、Ｗ２は後行材の板幅［ｍｍ］、ΔＴは補償すべき板温変動量［℃］、Ｆは単位時間当たりの燃料流量変更量［Ｎｍ３／ｈｒ］、Ｃａｌは燃料熱量［ｋｃａｌ／Ｎｍ３］を示している。
【００４３】
従って、燃料流量変更量算出部１０３は、数式（３）を数式（４）のように変形し、後行材の比重ρ、比熱Ｃ、ライン速度ＬＳ２、板厚Ｄ２、および板幅Ｗ２と、板温変動量ΔＴおよび燃料熱量Ｃａｌとを数式（４）に代入することによって、板温変動量ΔＴを抑制するために必要な単位時間あたりの燃料流量変更量Ｆを算出することができる。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、板温制御処理はステップＳ４の処理に進む。
【００４４】
【数４】
【００４５】
ステップＳ４の処理では、板温変動量算出部１０２が、図５に示すように、後行材の目標出側板温Ｔ２とステップＳ２の処理によって算出された後行材の板温変動量ΔＴ１との和、換言すれば、先行材の目標出側板温Ｔ１とステップＳ３の処理によって算出された補償すべき板温変動量ΔＴとの和が先行材の指定位置から先行材の尾端部までの区間の目標板温になるように先行材の板温目標値（当初の板温目標値）を修正する。なお、図５に示す例は、補償すべき板温変動量ΔＴが負の値、換言すれば、後行材の板温が目標出側板温に対し減少するおそれがある場合の目標出側板温の制御を示しており、後行材の板温が目標出側板温に対し減少しないように先行材の指定位置から先行材の尾端部までの区間の目標出側板温を増加させている。
【００４６】
そして、図６に示すように、板温指令系１１０は、板温変動量算出部１０２によって修正された板温目標値と板温計１１２によって測定された加熱炉７ａの出側における先行材の板温実績値との差分値に基づいて、加熱炉７ａの出側における先行材の温度が目標出側板温Ｔ２＋ΔＴ１（＝Ｔ１＋ΔＴ）になるように炉温指示値を炉温制御系１１３に出力する。なお、図６に示すように、炉温制御系１１３は、板温指令系１１０から出力された炉温指示値と炉温計１１４から出力された加熱炉７ａの炉温実績値との差分値に基づいて、加熱炉７ａの炉温が目標炉温になるように燃料制御系１１１に燃料流量指示値を出力する。このように、板温変動算出部１０２は、後行材の板温目標値Ｔ２と先行材との大きさの違いに伴う後行材の板温変動量ΔＴ１との和を先行材の指定位置から尾端部までの範囲における先行材の目標温度としてフィードバック制御する。
【００４７】
また、燃料流量変更量算出部１０３は、図７に示すように、先行材の指定位置から後行材の尾端部までの区間の燃料流量変更量をステップＳ３の処理によって算出された燃料流量変更量Ｆに設定する。なお、図７に示す例は、補償すべき板温変動量ΔＴが負の値、換言すれば、後行材の板温が目標出側板温に対し減少するおそれがある場合の燃料流量の制御を示しており、後行材の板温が目標出側板温に対し減少しないように燃料流量を増加させて加熱炉７ａの炉温を増加させている。そして、図６に示すように、燃料制御系１１１は、燃料流量変更量算出部１０３によって設定された燃料流量変更量Ｆと炉温制御系１１３から出力された燃料流量指示値との和と流量計１１５によって計測された燃料流量実績値との差分値に基づいて、加熱装置に燃料を供給する燃料弁の開度を制御する。このように、燃料流量変更量算出部１０３は、燃料流量変更量Ｆと現在の燃料流量使用量との和を燃料制御系１１１に対する燃料流量指令値としてフィードフォワード制御する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、一連の板温制御処理は終了する。
【００４８】
〔ライン速度変更時〕
次に、図８に示すフローチャートを参照して、鋼板のライン速度が変更された際の板温制御処理の流れについて説明する。
【００４９】
図８は、鋼板のライン速度が変更された際の板温制御処理の流れを示すフローチャートである。図８に示すフローチャートは、連続焼鈍ライン１が稼働されたタイミングで開始となり、板温制御処理はステップＳ１１の処理に進む。板温制御処理は連続焼鈍ライン１が稼働している間、所定の制御周期毎に繰り返し実行される。
【００５０】
ステップＳ１１の処理では、板温変動量算出部１０２が、後行材のライン速度が先行材のライン速度に対して変更されたか否かを判別する。判別の結果、ライン速度が変更されていない場合、板温変動量算出部１０２は、板温制御処理を終了する。一方、ライン速度が変更された場合には、板温変動量算出部１０２は、板温制御処理をステップＳ１２の処理に進める。
【００５１】
ステップＳ１２の処理では、燃料流量変更量算出部１０３が、先行材の板厚Ｄ１＝後行材の板厚Ｄ２、先行材の板幅Ｗ１＝後行材の板幅Ｗ２、および先行材の目標出側板温Ｔ１＝後行材の目標出側板温Ｔ２として、数式（２）に先行材および後行材のライン速度ＬＳ１，ＬＳ２を代入することによって、補償すべき板温変動量ΔＴを算出する。そして、燃料流量変更量算出部１０３が、熱バランス式を利用して板温変動量ΔＴから板温の変動を抑制するために必要となる単位時間あたりの燃料流量変更量Ｆを算出する。なお、この一連の処理は第１の実施形態におけるステップＳ２およびステップＳ３の処理と実質的に同じであるので詳細な説明は省略する。これにより、ステップＳ１２の処理は完了し、板温制御処理はステップＳ１３の処理に進む。
【００５２】
ステップＳ１３の処理では、燃料流量変更量算出部１０３が、図９に示すように、ライン速度が変更されたタイミング（時間ｔ＝ｔ１）で燃料流量変更量をステップＳ１２の処理によって算出された燃料流量変更量Ｆに設定する。そして、燃料制御系１１は、図６に示すように、燃料流量変更量算出部１０３によって設定された燃料流量変更量Ｆと炉温制御系１１３から出力された燃料流量指示値との和と流量計１１５によって計測された燃料流量実績値との差分値に基づいて、加熱装置に燃料を供給する燃料弁の開度を制御する。すなわち、燃料流量変更量算出部１０３は、燃料流量変更量Ｆと現在の燃料流量使用量との和を燃料制御系１１１に対する燃料流量指令値としてフィードフォワード制御する。これにより、ステップＳ１３の処理は完了し、一連の板温制御処理は終了する。
【００５３】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である直火型連続加熱炉の制御装置１００は、先行材の大きさと後行材の大きさとに違いがある場合又は後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、大きさおよびライン速度の変化量を入力変数、大きさおよびライン速度の変化に伴う後行材の温度変動量を出力変数とする回帰モデルを利用して、後行材の温度変動量ΔＴ１を算出し、算出された後行材の温度変動量ΔＴ１に基づいて、先行材の目標温度および直火型連続加熱炉の加熱装置に供給する燃料流量の少なくとも一方を制御する。すなわち、制御装置１００は、加熱炉の出側における板温を予測するのではなく、回帰モデルを利用して板温の変動量を直接予測する。このような構成によれば、板温の変動量を精度高く算出できるので、鋼板の大きさやライン速度が変化した場合であっても、鋼板の温度を目標温度に精度高く制御することができる。
【００５４】
〔実施例〕
以下、本発明および従来法を利用して、鋼板の板幅、ライン速度、および板厚を変更した際の板温変動の予測精度を評価した結果について述べる。なお、従来法では、以下の数式（５）に示す非定常熱伝導方程式を以下の数式（６）に示す境界条件式のもとで解くことによって加熱炉の出側における板温を算出し、算出された板温を用いて板温の変動量を算出した。これに対して、本発明では、回帰式を利用して板温の変動量を直接算出した。ここで、数式（５），（６）中のρは鋼板の比重［ｋｇ／ｍ３］、Ｃは鋼板の比熱［ｋｃａｌ／ｋｇ・℃］、λは鋼板の熱伝導度［ｋｃａｌ／ｍｈｒ・℃］、ｔは時間［ｈｒ］、ｘは鋼板の板厚方向の座標［ｍ］、φｃｇは統括熱吸収率、σはステファンボルツマン係数［ｋｃａｌ／ｍ２・ｈｒ・℃４］、Ｔｒは炉温［℃］、Ｔｓは鋼板表面温度［℃］、Ｔは板温［℃］を示している。
【００５５】
【数５】
【数６】
【００５６】
〔板幅変更時〕
従来法を利用して鋼板の板幅変更に伴う板温変化を評価した場合、図１０に示すような板幅変更に伴う板温変化は確認できなかった。このため、従来法を利用した場合には、鋼板の板幅が変更された際、板温を目標温度に精度高く制御することは困難になる。これに対して、本発明を利用して鋼板の板幅変更に伴う板温変化を評価した場合、図１０に示すような板幅変更に伴う板温変化が確認でき、また図１１に示すように予測された温度変動量は実際の温度変動量を精度よく再現できた。このため、本発明によれば、鋼板の板幅が変更された場合であっても、板温を目標温度に精度高く制御できることが知見された。
【００５７】
〔ライン速度変更時〕
従来法を利用して鋼板のライン速度変更に伴う板温変化を評価した場合、図１２に示すように、板温変動の予測値と実績値とはある程度の一致を示し、予測誤差の標準偏差は７．５［℃］であった。これに対して、本発明を利用して鋼板のライン速度変更に伴う板温変化を評価した場合、図１３に示すような板温変動の予測値と実績値とは良い一致を示し、予測誤差の標準偏差は３．９［℃］であった。以上のことから、本発明によれば、鋼板のライン速度が変更された際、従来法を利用した場合よりも板温を目標温度に精度高く制御できることが知見された。
【００５８】
〔板厚変更時〕
従来法を利用して鋼板の板厚変更に伴う板温変化を評価した場合、図１４に示すように、板温変動の予測値と実績値とはある程度の一致を示し、予測誤差の標準偏差は１２．９［℃］であった。これに対して、本発明を利用して鋼板の板厚変更に伴う板温変化を評価した場合、図１５に示すような板温変動の予測値と実績値とは良い一致を示し、予測誤差の標準偏差は８．９［℃］であった。以上のことから、本発明によれば、鋼板の板厚が変更された際、従来法を利用した場合よりも板温を目標温度に精度高く制御できることが知見された。
【００５９】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者などによりなされる他の実施の形態、実施例、および運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００６０】
１ 連続焼鈍ライン
２ａ，２ｂ ペイオフリール
３ 溶接機
４ クリーニングセクション
５ａ〜５ｄ テンションレベラ
６ 入側ルーパ
７ 直火型連続加熱炉
８ 出側ルーパ
９ スキンパスミル
１０ 後処理部
１１ａ，１１ｂ テンションコントロールユニット
１２ ウォータークエンチ設備
１３ａ，１３ｂ テンションリール
１００ 制御装置
１０１ 回帰モデル作成部
１０２ 板温変動量算出部
１０３ 燃料流量変動量算出部
１０４ 操業データＤＢ
１１０ 板温制御系
１１１ 燃料制御系
１１２ 板温計
１１３ 炉温制御系
１１４ 炉温計
１１５ 流量計
Ｓ 鋼板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接によって接続された複数の鋼板を連続的に焼鈍する直火型連続加熱炉の制御方法であって、
既に通板された先行材の大きさとこれから通板される後行材の大きさとに違いがある場合又は後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、大きさおよびライン速度の変化量を入力変数、大きさおよびライン速度の変化に伴う後行材の温度変動量を出力変数とする回帰モデルを利用して、後行材の温度変動量を算出する予測ステップと、
前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度変動量に基づいて、前記先行材の目標温度および前記直火型連続加熱炉の加熱装置に供給する燃料流量の少なくとも一方を制御する制御ステップと、
を含むことを特徴とする直火型連続加熱炉の制御方法。
【請求項２】
前記制御ステップは、
先行材の大きさと後行材の大きさとに違いがある場合、
前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度変動量と後行材の目標温度との和を前記先行材の指定位置から尾端部までの範囲における先行材の目標温度としてフィードバック制御し、
前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度変動量と先行材の目標温度と後行材の目標温度との差分値との和を補償すべき温度変動量として燃料流量変更量を算出し、
算出された燃料流量変更量と現在の燃料流量使用量との和を前記加熱装置に対する燃料流量指令値としてフィードフォワード制御するステップ
を含むことを特徴とする請求項１に記載の直火型連続加熱炉の制御方法。
【請求項３】
前記制御ステップは、
後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、
前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度の変動量と先行材の目標温度と後行材の目標温度との差分値との和を補償すべき後行材の温度変動量として燃料流量変更量を算出し、
算出された燃料流量変更量と現在の燃料流量使用量との和を前記加熱装置に対する燃料流量指令値としてフィードフォワード制御するステップ
を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の直火型連続加熱炉の制御方法。
【請求項４】
溶接によって接続された複数の鋼板を連続的に焼鈍する直火型連続加熱炉の制御装置であって、
既に通板された先行材の大きさとこれから通板される後行材の大きさとに違いがある場合又は後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、大きさおよびライン速度の変化量を入力変数、大きさおよびライン速度の変化に伴う後行材の温度変動量を出力変数とする回帰モデルを利用して、後行材の温度変動量を算出する予測手段と、
前記予測手段によって算出された後行材の温度変動量に基づいて、前記先行材の目標温度および前記直火型連続加熱炉の加熱装置に供給する燃料流量の少なくとも一方を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする直火型連続加熱炉の制御装置。
【請求項１】
溶接によって接続された複数の鋼板を連続的に焼鈍する直火型連続加熱炉の制御方法であって、
既に通板された先行材の大きさとこれから通板される後行材の大きさとに違いがある場合又は後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、大きさおよびライン速度の変化量を入力変数、大きさおよびライン速度の変化に伴う後行材の温度変動量を出力変数とする回帰モデルを利用して、後行材の温度変動量を算出する予測ステップと、
前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度変動量に基づいて、前記先行材の目標温度および前記直火型連続加熱炉の加熱装置に供給する燃料流量の少なくとも一方を制御する制御ステップと、
を含むことを特徴とする直火型連続加熱炉の制御方法。
【請求項２】
前記制御ステップは、
先行材の大きさと後行材の大きさとに違いがある場合、
前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度変動量と後行材の目標温度との和を前記先行材の指定位置から尾端部までの範囲における先行材の目標温度としてフィードバック制御し、
前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度変動量と先行材の目標温度と後行材の目標温度との差分値との和を補償すべき温度変動量として燃料流量変更量を算出し、
算出された燃料流量変更量と現在の燃料流量使用量との和を前記加熱装置に対する燃料流量指令値としてフィードフォワード制御するステップ
を含むことを特徴とする請求項１に記載の直火型連続加熱炉の制御方法。
【請求項３】
前記制御ステップは、
後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、
前記予測ステップにおいて算出された後行材の温度の変動量と先行材の目標温度と後行材の目標温度との差分値との和を補償すべき後行材の温度変動量として燃料流量変更量を算出し、
算出された燃料流量変更量と現在の燃料流量使用量との和を前記加熱装置に対する燃料流量指令値としてフィードフォワード制御するステップ
を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の直火型連続加熱炉の制御方法。
【請求項４】
溶接によって接続された複数の鋼板を連続的に焼鈍する直火型連続加熱炉の制御装置であって、
既に通板された先行材の大きさとこれから通板される後行材の大きさとに違いがある場合又は後行材のライン速度が先行材のライン速度から変化した場合、大きさおよびライン速度の変化量を入力変数、大きさおよびライン速度の変化に伴う後行材の温度変動量を出力変数とする回帰モデルを利用して、後行材の温度変動量を算出する予測手段と、
前記予測手段によって算出された後行材の温度変動量に基づいて、前記先行材の目標温度および前記直火型連続加熱炉の加熱装置に供給する燃料流量の少なくとも一方を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする直火型連続加熱炉の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−８７３１９（Ｐ２０１３−８７３１９Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２７８９４（Ｐ２０１１−２２７８９４）
【出願日】平成２３年１０月１７日（２０１１．１０．１７）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１７日（２０１１．１０．１７）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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