「デジタルツイン」を活用した革新的ラジアントチューブバーナーの短期開発 ～長寿命・低NOx・高効率化を実現～
ＪＦＥホールディングス 株式会社2024年6月19日
JFEスチール株式会社
「デジタルツイン」を活用した革新的ラジアントチューブバーナーの短期開発
～長寿命・低NOx・高効率化を実現～
当社はこのたび、仮想空間上に構築したデジタルツイン技術の活用により、革新的ラジアントチューブバーナーの短期開発に成功しました。本ラジアントチューブバーナーを東日本製鉄所（千葉地区）冷延工場で長期運用した結果、従来のラジアントチューブと比較して6倍程度の長寿命効果が見込まれるとともに、低NOx化、省エネ化を実現しています。
ラジアントチューブバーナーとは、連続溶融亜鉛めっきラインや連続焼鈍ラインにおいて、鋼板の引張り強度や伸びなどの機械特性を調整するために鋼板を加熱する際に用いる設備です。本バーナーは通常のバーナーとは異なり、燃料と空気が金属製のチューブ内で燃焼反応し、燃焼熱によって加熱されたチューブの輻射熱により鋼板を加熱する仕組みであり、鋼板表面を高品質に保持可能なため、当社の焼鈍炉でも数多く採用されています。一方で、ラジアントチューブバーナーはチューブ内という比較的狭い空間で燃焼反応が生じ高温になりやすいため、高温下に曝されることによるチューブ変形の抑制および低NOxと高熱効率の両立が求められていました。
そこで今回の開発では、試験炉の燃焼実験から得られた試験データと物理モデルを元に、仮想空間上に試験炉を忠実に再現したデジタルツインを構築（図1）し、ラジアントチューブの炉内支持構造、チューブ形状、バーナー周り、伝熱促進体、熱交換器を独自に開発しました。その結果、従来のラジアントチューブバーナーに対して、長寿命（変形速度1/6（図2））、低NOx（NOx発生量30%低減）、高効率（3%の省エネ化）の革新的ラジアントチューブバーナーの開発（図3）に至り、また、従来の約半分の期間での操業運用を実現しました。
また、本開発成果は、公益社団法人日本伝熱学会(会長：須賀 一彦氏)に認められ、2023年度日本伝熱学会・技術賞を受賞し、表彰式が5月30日に神戸国際会議場(兵庫・神戸)で行われました。日本伝熱学会・技術賞は、優秀な伝熱技術を開発した者に授与されるもので、当社の日本伝熱学会・技術賞の受賞は初となります。
現実世界の物理システムやプロセスを仮想空間上（デジタル）に現実世界と等価なモデル（双子＝ツイン）として再現し、現実世界を忠実にシミュレートするデジタルツインは、Cyber Physical System（以下、CPS）のコア技術となります。デジタルツインで得られた情報を制御システムに適用することで、一部の熟練のオペレーターの操業と同等またはそれ以上の高効率な操業が常時可能となります。さらに、デジタルツイン技術を設備設計プロセスに組み込み、現実世界では把握しえない設備内部の状態を仮想空間上で可視化することで、多くの試作・試験が可能となり、開発期間の大幅な短縮化に寄与するといった、生産プロセスの効率的な開発と運用に革新的な効果をもたらします。
昨今のデジタル技術の目覚ましい発展と2050年のカーボンニュートラルへの挑戦の中、鉄鋼業は変革の時期を迎えています。当社は、この変革期を成長のチャンスと捉え、デジタルツイン技術を用いた革新的なプロセス開発に努めるとともに、既存ビジネスの変革、新規ビジネス創出等、あらゆる事業領域において積極的なデータ活用による競争力の優位性を獲得することを目指しています。特に、デジタルツイン技術は、カーボンニュートラルの実現に向けた化石燃料を用いない燃焼・加熱技術の開発・鉄鋼製造プロセスへの適用にも親和性が高く、GXにおいても大きな役割を担うことが期待されています。今後もさらなる新技術の開発と実用化を進めることで、持続可能な社会の実現に貢献してまいります。さらに、自社技術や操業改善ノウハウをソリューションビジネス「JFE Resolus™（レゾラス）」の商品として積極的にお客様に提供し、お客様とともに発展を目指してまいります。
【表彰式写真】
（左より）日本伝熱学会 会長 平井 秀一郎氏（2023年度会長）
スチール研究所 サイバーフィジカルシステム研究開発部 主任研究員 川島 知之
棒線事業部仙台製造所設備部設備室 主任部員 小林 祥大
東日本製鉄所（千葉地区）エネルギー部エネルギー技術室 主任部員 浅川 一樹
【図1】ラジアントチューブバーナー試験炉のデジタルツイン
【図2】開発効果（従来ラジアントチューブバーナーの最大変形量を1とした時の100分率）
【図3】開発した技術
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| JFEスチール（株） | 総務部広報室 | TEL 03（3597）3166 |