JP5683725B2 - 溶融および精錬プロセスを制御するための方法および制御システム - Google Patents

Description

本発明は、金属または金属合金を融解させるための１つ以上の電極と、融解させた金属または金属合金をかくはんするように配置された電磁かくはん器とを備えるアーク炉における溶融および精錬プロセスを制御するための方法および制御システムに関する。特に、本発明は、電磁かくはん器の出力の制御に関する。

アーク炉（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ：ＥＡＦ）は、電気アークを利用して金属または金属合金を融解させる炉である。典型的なＥＡＦは、３つの電極、これらの電極に作用可能に接続された電源システム、および容器を備えている。容器は、高温に耐えるための耐熱性の内張りを備えている。さらに、ＥＡＦは、側壁に取り付けられ、融解物へと化学エネルギをもたらすように配置されたガスバーナを備えている。追加の化学エネルギが、酸素および炭素を炉への注入するための手段（例えば、ランス）によってもたらされる。電極の動作は、電源システムへと作用可能に接続された制御ユニットによって制御される。電極へと供給されてアークを生み出す電力は、アーク電力と称される。電極は、電極および金属材料、すなわちＥＡＦへと投入された固体の金属（例えば、スクラップ）の間にアークを形成する。これにより、金属の融解物が、アーク電力および酸素の注入からの化学エネルギによって生じ、加熱される。電極制御システムは、金属材料の融解の最中にほぼ一定の電流および電力の入力を維持する。

溶融金属および融解物のどちらも、液体の形態の金属を意味する。

電磁かくはん（ＥＭＳ）システムを、炉内の融解物をかくはんするように配置することができる。典型的なＥＭＳシステムは、かくはんコイルを備える少なくとも１つの電磁かくはん器と、かくはん器へと作用可能に接続され、周波数変換器および変圧器を備えている電源システムと、冷却水ステーションと、電源システムへと作用可能に接続され、かくはん器の動作を制御する少なくとも１つの制御ユニットとを備える。かくはんコイルは、典型的には、炉の鋼製の外殻の外側に取り付けられる。このコイルは、融解物へとかくはん力をもたらすために移動する磁界を生成する。かくはん器は、炉の鋼製の外殻を貫き、融解物をリニア電気モータと同様のやり方で移動させる低周波数の移動する磁界にて機能する。このようにして、移動する直線状の磁界が炉内の融解物に作用することによって直線力が生み出される。電磁かくはん器へと供給される電力は、かくはん電力と称される。

かくはん電力は、多くの場合、製造現場の作業者の経験に大きく依存するその場しのぎの枠組みで決定される。これは、作業者が手動でかくはん電力をオン／オフすることによってかくはん作業、すなわちかくはんの強度／強さを決定することを意味する。その場しのぎの枠組みは、ＥＡＦの耐熱材料の損耗につながるだけでなく、不必要な電気エネルギの消費にもつながる。

国際公開第２０１３／０１０５７５号は、金属材料を融解させるためのアーク炉における溶融プロセスを制御するための方法および制御システムを開示している。この方法は、少なくとも１つのプロセス変数の測定データを受信または収集するステップと、プロセスの現在の状態を明らかにするステップと、溶融プロセスの最適化を実行するステップと、最適化の結果にもとづいてプロセス入力を決定するステップと、プロセス入力によって溶融プロセスを制御するステップとを含んでいる。

国際公開第２０１３／０１０５７５号

本発明の目的は、生産性を向上させるとともに、ＥＡＦの耐熱材料の損耗ならびにかくはん電力およびアーク電力の不必要な電力消費を減らすことにある。

本発明の第１の態様においては、金属を融解させるためのアーク炉における溶融および精錬プロセスを制御するための方法であって、溶融金属および固体の金属の初期値、アーク炉へと供給されるアーク電力、ならびに溶融金属および固体の金属の温度にもとづいて、ある時点における溶融金属および固体の金属の質量を計算／判断するステップと、計算／判断された質量にもとづいて、かくはん電力を決定するステップと、決定されたかくはん電力を電磁かくはん器へと供給するステップとを含む方法が提供される。

かくはん電力の決定は、溶融金属および固体の金属の質量ならびにアーク電力に依存するため、タッピング間の時間を短縮し、生産性を向上させる最大のかくはん効果が達成される。同時に、不要なかくはんが最小にされ、したがって耐熱材料の損耗が少なくなる。

本発明の実施の形態によれば、本方法は、計算された時点における溶融金属および固体の金属にもとづいて、関数を計算するステップと、計算された関数にもとづいて、かくはん電力を決定するステップと、決定されたかくはん電力を電磁かくはん器へと供給するステップとを含む。

本発明の一実施の形態によれば、本方法は、アーク電力および判断された溶融金属および固体の金属の質量にもとづいて、溶融金属および固体の金属の温度を判断するステップを含む。

本発明の一実施の形態によれば、本方法は、溶融金属の温度を充分に高いサンプリングレートで測定するステップを含む。あるいは、溶融金属の温度を連続的に測定してもよい。

好ましい実施の形態においては、本方法は、マイクロ波放射計を使用して溶融金属からの放射を測定し、測定された放射を溶融金属の温度へと変換するステップを含む。

別の好ましい実施の形態においては、本方法は、非接触のセンサを使用して溶融金属の温度を測定するステップを含む。

第３の好ましい実施の形態においては、本方法は、スラグ層の温度を測定し、該測定された温度を溶融金属の温度へと較正するステップを含む。

本発明の一実施の形態によれば、本方法は、測定された温度にもとづいて精錬プロセスにおけるタッピング温度を判断するステップを含む。

タッピング間の時間を短くし、したがって生産性を向上させるために、ＥＡＦ内の溶融金属の温度について、連続的なオンライン測定をもたらすことが好都合である。

第２の態様においては、金属を融解させるためのアーク炉であって、溶融金属および固体の金属と、溶融金属の表面のスラグ層とを含んでおり、電磁かくはん器が溶融金属をかくはんすべく配置されているアーク炉における溶融プロセスを制御するための制御システムであって、
溶融金属および固体の金属のそれぞれの初期値、アーク炉へと供給される電力、ならびに溶融金属および固体の金属の温度にもとづいて、ある時点における溶融金属および固体の金属の質量を計算／判断し、
計算／判断された質量にもとづいて、かくはん電力を決定し、
決定されたかくはん電力を電磁かくはん器へと供給する
ように構成された制御ユニットを備える制御システムが提供される。

本発明の一実施の形態においては、制御ユニットは、計算された溶融金属および固体の金属にもとづいて、関数を計算し、計算された関数にもとづいて、かくはん電力を決定し、決定されたかくはん電力を電磁かくはん器へと供給するようにさらに構成される。

本発明の別の実施の形態においては、制御システムは、炉内の溶融金属の温度を測定するための温度測定装置をさらに備える。

そのような装置は、非接触のセンサユニットまたはマイクロ波放射計ユニットのいずれかであってよく、検出素子および処理ユニットを備える。検出素子は、溶融金属の温度を検出／測定して、該測定された温度を処理ユニットへと送信するように構成され、処理ユニットは、測定された温度を受信し、該受信した温度を処理し、測定および処理された温度を制御ユニットへと送信するように構成される。

次に、本発明を、本発明の種々の実施の形態の説明によって、添付の図面を参照してさらに詳しく説明する。

本発明の一実施の形態によるかくはん電力の制御のフロー図を示している。 本発明の別の実施の形態によるかくはん電力の制御のフロー図を示している。 本発明の第３の実施の形態によるＥＭＳへのかくはん電力を制御するための制御システムのシステム概略図を示している。 本発明の第４の実施の形態によるＥＭＳへと供給されるかくはん電力と融解した鋼および固体の鋼の質量との間の関係を示している。

図２は、アーク炉（ＥＡＦ）３の電磁かくはん（ＥＭＳ）システム２へのかくはん電力を制御するための制御システム１を示している。ＥＡＦは、例えば金属または金属合金などの金属材料を融解させるように構成されている。スクラップ４４が、溶融プロセスに先立ってＥＡＦへとバケツで投入される。ＥＡＦは、ＤＣ ＥＡＦまたはＡＣ ＥＡＦであってよい。

ＥＡＦは、１つ以上の電極３０と、１つ以上のグラファイト電極を炉へと進入させる格納式の屋根で覆われた容器３２と、電極３０に作用可能に接続された電源システム３４とをさらに備えている。

ＥＡＦの動作は、容器３２にスクラップ金属４４を投入し、融解を開始させることによって始まる。電極３０がスクラップ４４へと下げられ、アークがぶつけられることによって、スクラップの融解が始まる。動作のこの第１の部分においては、アークからの過度の熱および損傷から炉の屋根および壁を保護するために、より低い電圧が選択される。ひとたび電極が炉の底部の重たい融解物に達し、アークがスラグによって遮へいされると、電圧を高めることが可能であり、電極をわずかに持ち上げることによってアークが長くされ、融解物への出力が高められる。スクラップ４４が溶融金属４０へと融解するにつれて、スラグ層４２が融解物４０の表面に形成される可能性がある。

ＥＭＳ２は、ＥＡＦの容器３２の外面に取り付けられ、好ましくはＥＡＦの容器３２の底部に取り付けられるが、側面への取り付けも同様に可能である。ＥＭＳシステム２は、ＥＡＦ内の溶融金属をかくはんすることで、金属の溶融のプロセスを加速させるように構成されている。

ＥＭＳ２は、かくはん器へと作用可能に接続されたかくはん電力供給システム２０をさらに備えている。

制御システム１は、かくはん器の動作を制御するためにかくはん電力供給システム２０へと作用可能に接続された制御ユニット１０を備えている。制御ユニット１０は、ハードウェアと、メモリユニットと、少なくともソフトウェアがロードされる処理ユニットとを備えることができる。

図１ａおよび１ｂを参照すると、制御ユニット１０は、ある時点における溶融金属および固体の金属の質量を計算または判断するように構成され、計算は、溶融金属および固体の金属の初期値と、ＥＡＦへと供給されたアーク電力と、溶融金属および固体の金属の温度とにもとづく（ステップ１００）。計算結果を、例えば以下のように与えることができ、
ｘ_１（ｔ）＝ｇ_１（ｘ_０１，ｘ_０２，Ｐ，Ｔ_１）
ｘ_２（ｔ）＝ｇ_２（ｘ_０２，Ｐ，Ｔ_２）
ここで、
ｘ_１（ｔ）およびｘ_２（ｔ）は、溶融金属および固体の金属の質量であり、例えば溶融プロセスの最中の時刻ｔにおける積分として計算することができ、ｘ_０１およびｘ_０２は、溶融金属および固体の金属の初期値であり、Ｐは、電極へと供給されたアーク電力であり、Ｔ_１およびＴ_２は、溶融金属および固体の金属の温度であり、Ｔ_１およびＴ_２を、アーク電力Ｐならびに判断された溶融金属および固体の金属の質量にもとづいて判断することができる。あるいは、温度を測定することも可能である（ステップ９０）。

制御ユニットは、計算／判断された溶融金属および固体の金属の質量にもとづいてかくはん電力を決定するようにさらに構成されている（ステップ２００）。例として、決定は、計算／判断された溶融金属および固体の金属の質量の関数によって、以下のように行なわれる（ステップ１５０）。
ｕ＝ｆ（ｘ_１，ｘ_２，・・・）

好ましくは、溶融金属が金属の総量のうちの特定のレベルを下回る場合、いかなるかくはん電力もＥＭＳへと供給されない。このレベルの範囲は、金属の総量の２５〜３５％の間であってよい。これは、溶融金属が所定のレベルに達していないとき、かくはん器が作動しないことを意味する。かくはん電力は、かくはん電力の電圧が固定である場合、電流の形態であってよい。

次いで、かくはん電力／電流は、溶融プロセスにおいて次第に増やされ、最大かくはん電力に到達する。決定されたかくはん電力が、電磁かくはん器の設定点であるため、必然的に、適切なかくはんの強度／強さ、すなわち炉内に引き起こされるかくはんおよび運動が得られる。最大かくはん電力、したがってかくはん強さが、精錬プロセスにおいて維持される。

別の例として、制御ユニットを、溶融金属と金属の総量との間の比を計算するように構成することもできる。次いで、かくはん電力が、計算された比にもとづいて決定される（ステップ２００’）。
ｕ＝ｆ（ｘ_１，ｘ_２，ｕ_ｍａｘ）
ここで、

である。

このようにして、かくはん器へと供給されるかくはん電流は、溶融金属が金属の総量の３０％を超えた後に、溶融金属と金属の総量との比に比例して増やされる。したがって、ＥＡＦ内の溶融金属の質量が大きいほど、より多くのかくはん電流がＥＭＳへともたらされる。

決定されたかくはん電流は、かくはんの強度を制御するために電磁かくはん器へと供給される（ステップ３００）。制御されたかくはんを有する他の利点は、安定なアークおよび安定なスラグ層が可能になることである。

いくつかの場合においては、ＥＡＦの中身が、新たな材料（スクラップおよびスラグ）を有する一連のバケツをＥＡＦへと投入することによってもたらされる可能性がある。そのような場合には、制御ユニットは、各々の投入の後に固体の金属の質量を再計算するようにさらに構成され、固体の金属の温度が変化を反映するように調節されることで、かくはん電流が相応に決定される。

制御ユニットを、炉に注入されるべき炭素の現在の量および炉へと注入されるべき酸素の現在の流れを計算するようにさらに構成することができる。制御されたかくはんゆえに、酸素やり切断（ｏｘｙｇｅｎ ｌａｎｃｉｎｇ）からの成果が、酸素の注入の際に新鮮な炭素豊富な鋼をもたらすことによって高められ、酸素の収率が改善される。

制御システムは、炉内の溶融金属の温度Ｔ_１を測定するための温度測定装置１０をさらに備えることができる（ステップ９０）。そのような場合、測定された融解物の温度Ｔ_１が、制御ユニットへともたらされる。これは、タッピング時間のより正確な制御を促進する。温度測定装置は、検出素子１４および処理ユニット１２をさらに備えることができる。検出素子１４は、溶融金属の温度を検出または測定するように構成される。検出された温度は、処理ユニット１２へとさらに送信され、処理ユニット１２は、測定された温度をさらに処理し、測定されて処理された温度を制御ユニットへと送信するように構成される。

製造現場の煤煙および厳しい環境ゆえに、融解物の連続的なオンライン測定を得ることが難しい。融解物の温度を測定するための１つのやり方は、使い捨ての温度プローブを使用することである。プローブは、精錬プロセスの終わりにおいて融解物へと配置される。充分な温度が得られない場合、正しい温度または充分に近い温度が得られるまで、さらなるプローブが配置される。このように、融解物の温度を測定するために、作業者またはロボットが、温度プローブを何度か配置しなければならない可能性がある。得られた融解物の温度が目標のタッピング温度を超える場合、大量のアーク電力／エネルギがすでに浪費されている。したがって、融解物のタッピングが遅くなりすぎないように、融解物の温度を連続的または充分に高いサンプリングレートで測定できることが好都合であり、すなわち高いサンプリングレートの検出素子が好ましい。これは、ちょうどよいタイミングでのタッピングを可能にし、したがって生産性を向上させ、アーク電力の大量のエネルギを節約する。

図２の例では、非接触のセンサが示されている。しかしながら、マイクロ波放射計も使用することができる。マイクロ波放射計が使用される場合、融解物からの放射が測定される。放射は、煤煙および水蒸気の影響を受けにくく、スラグ層４２などの光学的に厚い材料を貫通することができ、したがって融解物の温度を放射の反射にもとづいて明らかにすることができる。

さらに別の実施の形態においては、スラグ層の温度が測定され、これが溶融金属の温度を得るためにさらに較正される。電磁かくはんは、測定されたスラグ温度の使用を可能にする。これは、第一に、電磁かくはんによって溶融速度が高められ、ＥＡＦの容器内の温度が、かくはんが行なわれない場合（融解物中に大きな局所的な温度のばらつきが存在する）と比べて、きわめて均質かつ一様であるからである。第２に、かくはん器が、融解物をある方向に沿って移動させることができる直線力を生み出すため、スラグがほとんど押しのけられる場所において温度の測定を可能かつ有意義にする目をスラグに開けることがより容易である。

融解物のオンライン測定を連続的にもたらすことができるという事実ゆえ、精錬段階においてタッピング温度を判断することができ、したがって適切なタイミングでタッピングを行なうことができ（ステップ４００）、結果としてタッピング間の時間が短縮され、したがって生産性が向上する。

図３は、溶融プロセスにおける溶融金属および固体の金属、ならびにこの溶融プロセスに従ってかくはん器へと供給されるかくはん電流について、溶融プロセスの時間における推移を示している。この図において、溶融プロセスの開始時にはかくはんが行なわれていない。スクラップが融解して減少する一方で、融解物が増加して特定のレベルに達するとき、かくはん電力がオンにされる。かくはん電流が、完全／最大かくはん電流へと徐々に増やされ、これが精錬段階において完全に保たれる。

図は、比較において、かくはん電力が作業者の経験によってときどきオン／オフされるその場しのぎのかくはん電流の枠組みも示している。

本発明の技術的範囲は、上述の実施の形態に限られてはならず、当業者にとって自明な他の実施の形態も包含することを、理解すべきである。

１ 制御システム
２ ＥＭＳシステム
１０ 制御ユニット
１２ 処理ユニット
１４ 検出素子
２０ 電力供給システム
３０ 電極
３２ 容器
３４ 電源システム
４０ 溶融金属
４２ スラグ層
４４ スクラップ

Claims (13)

1. 金属を融解させるためのアーク炉における溶融および精錬のプロセスを制御するための方法であって、
   前記アーク炉は、溶融金属および固体の金属と、前記溶融金属の表面のスラグ層とを含んでおり、前記アーク炉には、電磁かくはん器が前記溶融金属をかくはんすべく配置されており、
   ある時点における前記溶融金属および固体の金属の質量を計算するステップであって、前記計算は前記溶融金属および固体の金属の質量の初期値、前記アーク炉へと供給されるアーク電力、ならびに前記時点における前記溶融金属および固体の金属の温度にもとづく、ステップ（１００）と、
   前記計算された質量にもとづいて、かくはん電力を決定するステップ（２００）と、
   前記決定されたかくはん電力を前記電磁かくはん器へと供給するステップ（３００）と
   を含む方法。
2. 前記計算された前記時点における前記溶融金属および固体の金属の質量にもとづいて、前記溶融金属と金属の総量との質量の比を計算するステップと、
   前記計算された比にもとづいて、かくはん電力を決定するステップ（２００’）と、
   前記決定されたかくはん電力を前記電磁かくはん器へと供給するステップ（３００）と
   を含む請求項１に記載の方法。
3. 前記アーク電力および、前記時点より前に計算された前記溶融金属および固体の金属の質量にもとづいて、前記時点における前記溶融金属および固体の金属の温度を判断するステップを含む請求項１に記載の方法。
4. 前記溶融金属の温度を、融解物のタッピングが遅くならないように充分に高いサンプリングレートで測定するステップを含む請求項１に記載の方法。
5. 前記溶融金属の温度を連続的に測定するステップを含む請求項１に記載の方法。
6. 前記スラグ層の温度を測定し、前記測定された温度を前記溶融金属の温度へと較正するステップを含む請求項４または５に記載の方法。
7. 非接触の温度センサを使用して前記溶融金属の温度を測定するステップを含む請求項４または５に記載の方法。
8. マイクロ波放射計を使用して前記溶融金属からの放射を測定し、前記測定された放射を前記溶融金属の温度へと変換するステップを含む請求項４または５に記載の方法。
9. 前記測定された温度にもとづいて前記精錬プロセスにおけるタッピング温度を判断するステップ（４００）を含む請求項４〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 金属を融解させるためのアーク炉（３）における溶融のプロセスを制御するための制御システム（１）であって、
    前記アーク炉（３）は、溶融金属（４０）および固体の金属（４４）と、前記溶融金属の表面のスラグ層（４２）とを含んでおり、前記アーク炉には、電磁かくはん器が前記溶融金属をかくはんすべく配置されており、
    請求項１〜６の各ステップを実行するように構成された制御ユニット（１９）を備えている制御システム（１）。
11. 炉内の前記溶融金属の温度を測定するための温度測定装置をさらに備える請求項１０に記載の制御システム（１）。
12. 前記温度測定装置が、非接触の温度センサユニットまたはマイクロ波放射計ユニットである請求項１１に記載の制御システム。
13. 前記温度測定装置が、検出素子（１４）および処理ユニット（１２）を備えており、前記検出素子（１４）が、前記溶融金属（４０）の温度を検出／測定して、前記測定された温度を前記処理ユニット（１２）へと送信するように構成され、前記処理ユニット（１２）が、前記測定された温度を受信し、前記受信した温度を処理し、前記測定および処理された温度を前記制御ユニット（１０）へと送信するように構成されている請求項１１に記載の制御システム。

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