JP6294566B2 - 電気アーク炉内の金属溶融物の温度を決定するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気アーク炉（ＥＡＦ）内の金属溶融物のタッピング時間を決定するためのシステム及び方法であって、金属溶融物が電磁攪拌器によって撹拌されるシステム及び方法に関する。

典型的なＥＡＦ−ＥＭＳシステムは、電気アーク炉（ＥＡＦ）及び電磁撹拌システム（ＥＭＳ）を備えている。ＥＡＦは、金属材料の溶融のために電気アークを利用する炉である。典型的なＥＡＦは、１つ又は複数の電極と、これらの電極に動作可能に接続された電源システムとを備えている。ＥＡＦは、側壁に取り付けられて化学エネルギーを溶融物に供給するように配置されたガスバーナをさらに備えている。酸素及び炭素を炉の中に注入する手段（例えば、ランス）によって、追加の化学エネルギーが供給される。電極の動作は、電源システムに動作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、アーク電力と呼ばれる。電極は、電極と金属材料（すなわちＥＡＦの中に投入された固体の金属（例えば、スクラップ））との間にアークを形成する。それにより、金属材料は、アーク電力及び酸素注入から生じた化学エネルギーによって溶融且つ加熱される。電極制御システムは、金属材料の溶融中、金属溶融物の温度が目標タッピング温度に達するまで、ほぼ一定の電流と電力入力を維持し、その後、金属溶融物がついに取鍋炉に出銑される。金属溶融物の表面上には、スラグ及び煙層が形成される。

溶融工程の間、電磁撹拌（ＥＭＳ）システムは、炉内で金属溶融物を撹拌するように構成され、撹拌コイルを含む少なくとも１つの電磁攪拌器を備えている。電源システムが攪拌器に動作可能に接続される。撹拌コイルは、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、金属溶融物に撹拌力をもたらすため、移動磁界を生成する。撹拌器は、低周波数の移動磁界で機能する。低周波数の移動磁界は、炉の鋼製の外殻を貫き、リニア電気モータと似たような方法で溶融物を移動させる。このようにして、移動する直線状の磁界が炉内の溶融物に作用することによって直線状の力が生み出され、金属溶融物の均一温度がもたらされる。

目標タッピング温度で金属溶融物を出銑することは、エネルギー消費、並びに高度なＥＡＦ制御において重要である。今日において、電気アーク炉内の金属溶融物の温度は、ある時点での測定値を得るためにカートリッジを用いて測定される。このような温度測定には、幾つかの欠点がある。まずは、通常、ＥＡＦの出銑の前に、幾つかの温度測定試験を行う必要がある。これらの温度試験は、処理時間を延期し、さらに消耗型プローブのコストを増大させる場合がある。次に、このような測定を行うことは、かさばる作業服を着ながら厳しい環境で高温に対処しなければならないため、オペレータにとっては不快な作業である。

米国特許出願第２０１２／０１４０７８７Ａ１号では、ランスモードでバーナーガンユニットを操作することを含む方法が開示されており、ランスモードでは、ガス流が超音速で炉チャンバ内に案内される。経時的に酸素含有ガスによって形成された金属溶融物の表面には、ガス流が自由に吹き付けられる。金属溶融物の温度が測定可能であるためには、酸素を含む第１のガスを不活性ガスである第２のガスに切り替えなければならなく、その後、非接触センサを含む温度測定ユニットを用いて、金属溶融物の温度が測定される。

本発明の目的は、より正確なタピング温度を達成し、結果として、生産性を向上させ、不必要なエネルギー消費を減らすことである。

本発明の第１の態様では、電気アーク炉（ＥＡＦ）内の金属溶融物のためのタッピング時間を決定するための方法であって、少なくとも１つの電極が、スクラップを金属溶融物へ溶融するために設けられ、ＥＡＦが、金属溶融物の表面上にスラグ及び煙層をさらに含み、電磁攪拌器が、金属溶融物を撹拌するために設けられており、前記方法が、
ａ）スクラップを溶融するために電力を電極に供給することと、
ｂ）ＥＡＦ内で金属溶融物を電磁撹拌することと、
ｃ）ガスの流れによって、金属溶融物の表面からスラグ及び煙層を吹き払うことと、
ｄ）金属溶融物の温度を非接触的に測定することと、
ｅ）測定された温度を受信することと、
ｆ）受信された温度に基づいて、温度プロファイルを計算することと、
ｇ）計算された温度プロファイルに基づいて、ある時点でのタッピング温度を推定することと、
ｈ）推定された温度、目標タッピング温度、及び電極に供給された電力に基づいて、タッピング時間を決定することと
を含む方法がある。

本発明の一実施形態では、前記方法は、新しく測定された温度を受信するステップ、温度プロファイルを再計算又は調節することと、再計算／調節された温度プロファイルに基づいて、ある時点でのタッピング温度を推定するステップ、推定された温度、目標タッピング温度、及び電極に供給された電力に基づいて、タッピング時間を決定するステップをさらに含む。

第２の態様では、電気アーク炉内の金属溶融物のタッピング時間を決定するためのシステムであって、金属溶融物を撹拌するために設けられた電磁攪拌器と、金属溶融物の温度測定値を供給するための温度測定装置と、温度制御ユニットとを備えており、電気アーク炉が、電源に接続された少なくとも１つの電極を含み、温度制御装置が、電極に供給された電力に基づいて、金属溶融物の温度を制御するように構成され、温度測定装置が、非接触センサユニットと、前記センサユニットに接続された処理ユニットとを備え、前記センサユニットが、金属溶融物の温度を感知／測定し、且つ測定された温度を処理ユニットに送信するように構成され、処理ユニットが、測定された温度を受信し、且つ受信された温度を処理するように構成されているシステムがある。温度測定装置は、金属溶融物の表面上のスラグ及び煙を吹き払うように供給される不活性ガスを含む専用ランスユニットをさらに備え、処理ユニットは、処理された測定温度を温度制御ユニットに送信するようにさらに構成され、温度制御ユニットは、請求項１のステップｅ）−ｈ）を実行するように構成されている。

電磁攪拌器、非接触センサユニット、及び専用ランスユニットの構成は、タッピング時間の決定に対して相乗効果をもたらす。まずは、電磁攪拌器は、炉内の金属溶融物を混合し、溶融率を上昇させる。最も重要なことは、溶融物の温度は均一となり、代表的な試料がもたらされ、温度測定が意義あるものとなる。溶融温度が均一であるため、温度がどこで測定されるかは重要ではない。次に、専用ランスユニットは、スラグ及び煙を吹き払い、溶融物の温度の連続測定を可能にする。連続的な温度測定値を用いて、金属溶融物の温度プロファイルをより正確に計算することができ、これにより、タッピング時間の信頼性のある予測が可能となる。さらに、非接触的な温度測定は、オペレータの作業環境を改善する。

さらに、温度制御ユニットは、新しい温度測定値に基づいて、温度プロファイルを再計算するようにさらに構成されている。したがって、より正確な温度予測が達成される。

好ましくは、センサユニットは、好ましくは、マイクロ波放射計、赤外線センサ、又は光ファイバセンサの形態で非接触センサを備えている。

本発明のさらに別の実施形態では、専用ランスユニットは、連続的に又は幾つかの不連続な時点で金属溶融物の温度を測定するように配置されている。温度を連続的に測定することの利点は、より正確な時点で金属溶融物が取鍋炉に出銑されることを可能にすることである。結果的に、出銑間の時間と不必要なエネルギー消費が減少し、生産性が向上する。

これより、本発明の種々の実施形態の記載、及び添付図面の参照によって、本発明をより詳細に説明する。

本発明の一実施形態に従って、タッピング温度を制御するフロー図を示す。 本発明の別の実施形態に従って、タッピング温度を制御するフロー図を示す。 本発明の第３の実施形態に従って、ＥＡＦ内の金属溶融物のタッピング温度を制御するためのシステムのシステム概略図を示す。 図１ａー１ｂ、及び図２の実施形態のタッピング温度の推定を示す。

図２は、電気アーク炉（ＥＡＦ）２０内の金属溶融物のタッピング時間を決定／予測するためのシステム１を示しており、システム１は、金属溶融物を撹拌するために設けられた電磁攪拌器を有する電磁撹拌システム（ＥＭＳ）３０と、金属溶融物の温度測定値を提供するための温度測定装置４０と、金属溶融物の温度を推定／予測するための温度制御ユニット５０とを備えている。

ＥＡＦ２０は、例えば、金属又は金属合金などの金属材料を溶融するように構成されている。ＥＡＦは、ＤＣ ＥＡＦまたはＡＣ ＥＡＦであってよい。

ＥＡＦ２０は、１つ又は複数の電極２２（本実施例は、ＥＡＦに備えられた３つの電極を示している）と、格納式の屋根（図２で図示されていない）で覆われた容器２４であって、この容器を通して電極が炉に入る、容器２４と、スクラップを金属溶融物へ溶融するために電力を電極に供給する（図１のステップＳ１０）電極２２に動作可能に接続された電源システム２６とをさらに備えている。

ＥＡＦの動作は、容器２４にスクラップ金属を投入し、融解を開始させることによって始まる。電極２２はスクラップへと下げられ、アークが叩かれることによって、スクラップの溶融が始まる。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及び損傷から炉の屋根及び壁を保護するため、より低い電圧が選択される。ひとたび電極２２が炉２４の底部の重たい溶融物に達し、アークがスラグによって遮蔽されると、電圧の上昇が可能となり、電極をわずかに持ち上げることによってアークが伸びて、溶融物に対する電力が増大する。スクラップが溶融金属２１へと溶融するにつれて、スラグ層２３が溶融物２１の表面に形成される。さらに、煙層２３’がスラグ層の上に形成され得る。

ＥＭＳ３０は、外面に取り付けられ、好ましくは、ＥＡＦの容器２４の底部に取り付けられる。ＥＭＳシステム３０は、ＥＡＦ内の金属溶融物を撹拌する（ステップＳ２０）ように構成された少なくとも１つの電磁攪拌器を含む。電磁撹拌によって、容器２４内の溶融速度が加速し、溶融温度がより均一となる。最大で８メートルの直径を有する大きな容器を備えた最新のＥＡＦにあっては、均一な温度は、溶融温度の局所変動を減らすために特に重要である。したがって、撹拌がないときに比べて、溶融温度の局所変動は著しく減り、結果として溶融物の温度が均一となる。

製造現場の煤煙および厳しい環境ゆえに、溶融物の温度を測定することは難しい。溶融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又はカートリッジを使用することである。プローブ又はカートリッジは、精錬プロセスの終了時に溶融物に投入される。充分な温度が得られない場合、正しい温度又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。したがって、溶融物の温度を測定するため、オペレータは、このタスクを何度か繰り返さなければならない場合がある。得られた溶融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／エネルギーがすでに浪費されたことになる。したがって、溶融物のタッピングが遅くなりすぎないように、溶融物の温度を連続的に又は充分に高いサンプリングレートで測定できることが有利である。

この目標を達成するために、温度測定装置４０は、溶融温度を測定するように構成されている。温度測定装置４０は、非接触センサユニット４２と、センサユニット４２に接続された処理ユニット４４とを備えている。センサユニット４２は、金属溶融物の温度を感知／測定し、且つ測定された温度を処理ユニット４４に送信するように構成されている（ステップＳ４０）。処理ユニット４４は、測定された温度を受信し、受信された温度を処理し、処理された測定温度を温度制御ユニット５０に送信するように構成されている。温度測定装置４０は、ＥＡＦの側壁に取り付けることができる専用ランスユニット４６をさらに備えている。非接触センサユニットは、非接触センサを含む。実質的には、溶融物の温度を測定するためにあらゆる種類の非接触センサを使用してもよい。この実施例では、光ファイバが使用され、金属管内に取り付けられる。この金属管は、さらにランスユニットの内部に取り付けられる。この装置は、２０００℃を超す高温を測定することができる。光学センサの冷却のために、金属管の外側に冷却媒体が配置される。

しかしながら、容器２４内の金属溶融物の表面上に形成されたスラグ及び煙層２３、２３’は、非接触センサユニット４２の正確な測定を妨げる。したがって、ランスユニット４６は、溶融物の表面に不活性ガスを注入するように構成され、設けられている。スラグ及び煙層２３、２３’を吹き払うために、不活性ガスが高圧で注入されて、煙及びスラグ層２３’、２３が穿孔される。それにより、光学センサが、スラグ及び煙がない溶融物の表面で温度を測定することができる（ステップＳ３０）。測定された温度は、さらに処理ユニット４４に送信される。処理ユニット４４で測定信号が分析且つ処理される（Ｓ４０）。

測定された温度は、光ファイバを通して、例えば、分光計を含み得る処理ユニット４４に転送される。スペクトルが分析且つ処理され、その後、温度制御ユニット５０に入力される（ステップＳ５０）。

温度制御ユニット５０は、ＥＡＦ溶融温度予測モデルが設けられている。これは、ある時点での溶融運度を推定／予測するように溶融温度プロファイルを計算するため、組み込まれている（ステップＳ６０及びＳ７０）。このプロファイルは、処理温度測定値Ｔｍ及び電極に供給される電力Ｐに基づいて計算される。この目的のために使用することができる周知の制御モデルが数多く存在する。本発明では、タッピング時間の推定予測のために拡張カルマンフィルタが適用される。より正確な温度推定を達成するため、新しい測定温度を受信すると、温度プロファイルがさらに調節される（ステップＳ６０’及びＳ７０’）。調節された温度プロファイルを用いて、予め規定されたタッピング温度に達する時間を予測することができ、したがって、タッピング時間が決定される（ステップＳ８０）。

上述の利点以外に、非接触センサユニットを使用するさらなる利点は、広範囲の波長をカバーできることであり、測定領域又は測定点を容易に画定することができることである（例えば、センサに対して、数多くの測定点を画定することができる）。さらに、その他の物理的特性も同様に感知することができる。

図３は、温度プロファイルが、測定された温度に基づいて連続的に調節されることを示す。このプロファイルに基づいて、タッピング温度が適切に予測され、同様にタッピング時間が予測される。

温度制御ユニット５０は、ハードウェアと、メモリユニットと、ソフトウェアがロードされる少なくとも処理ユニットとを備え得る。

非接触センサを用いることは、ちょうどよいタイミングでの出銑を可能にし、結果的に生産性を向上させ、大量のエネルギーのアーク電力を節約する。

本発明の範囲は、提示された実施形態に限定されるべきではなく、当業者にとって明らかである他の実施形態を包括することを理解されたい。

Claims (6)

1. 電気アーク炉（ＥＡＦ）内の金属溶融物のためのタッピング時間を決定または予測するための方法であって、前記金属溶融物が目標タッピング温度に達するまで前記金属溶融物を溶融するために、少なくとも１つの電極が設けられ、前記ＥＡＦが、前記金属溶融物の表面上にスラグ及び煙層をさらに含み、電磁攪拌器が、前記金属溶融物を撹拌するために設けられており、前記方法が、
   ａ）スクラップを金属溶融物へ溶融するために電力を前記電極に供給すること（Ｓ１０）と、
   ｂ）前記ＥＡＦ内で前記金属溶融物を電磁撹拌すること（Ｓ２０）と、
   ｃ）不活性ガスを含むように専用に構成されたランスユニットを配置すること（Ｓ２５）と、
   ｄ）前記専用に配置されたランスユニットによって、前記金属溶融物の前記表面から前記スラグ及び煙を吹き払うこと（Ｓ３０）と、
   ｅ）前記金属溶融物の温度を非接触的に測定すること（Ｓ４０）と、
   ｆ）前記測定された温度を受信すること（Ｓ５０）と、
   ｇ）前記受信された温度に基づいて、温度プロファイルを計算すること（Ｓ６０）と、
   ｈ）前記計算された温度プロファイルに基づいて、ある時点でのタッピング温度を推定または予測すること（Ｓ７０）と、
   ｉ）前記推定された温度、前記目標タッピング温度、及び前記電極に供給された前記電力に基づいて、タッピング時間を決定すること（Ｓ８０）と
   を含む方法。
2. ｊ）新しく測定された温度を受信すると、前記温度プロファイルを再計算または調節すること（Ｓ６０’）と、
   ｋ）前記再計算または調節された温度プロファイルに基づいて、ある時点でのタッピング温度を推定または予測すること（Ｓ７０’）と、
   ｌ）前記推定された温度、前記目標タッピング温度、及び前記電極に供給された前記電力に基づいて、タッピング時間を決定すること（Ｓ８０）と
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 電気アーク炉（２０）内の金属溶融物（２１）のタッピング時間を決定または予測するためのシステム（１）であって、前記金属溶融物を撹拌するために設けられた電磁攪拌器（３０）と、前記金属溶融物の温度測定値を供給するための温度測定装置（４０）と、温度制御ユニット（５０）とを備えており、前記電気アーク炉（２０）が、電源（２６、Ｐ）に接続された少なくとも１つの電極（２２）を含み、前記温度制御ユニット（５０）が、前記電極に供給された前記電力に基づいて、前記金属溶融物の温度を制御するように構成され、前記温度測定装置（４０）が、非接触センサユニット（４２）と、前記センサユニットに接続された処理ユニット（４４）とを備え、前記センサユニット（４２）が、前記金属溶融物の温度を感知または測定し、且つ前記測定された温度を前記処理ユニット（４４）に送信するように構成され、前記処理ユニット（４４）が、前記測定された温度を受信し、且つ前記受信された温度を処理するように構成されているシステムにおいて、前記温度測定装置（４０）が、前記金属溶融物（２１）の表面上のスラグ及び煙層（２３、２３’）を吹き払うように供給される不活性ガスを含む専用ランス（４６）ユニットを備え、前記処理ユニット（４４）が、前記処理された測定温度を前記温度制御ユニット（５０）に送信するようにさらに構成され、前記温度制御ユニット（５０）が、請求項１に記載のステップｆ）−ｉ）を実行するように構成されていることを特徴とする、システム。
4. 前記温度制御ユニット（５０）が、新しい温度測定値に基づいて、前記温度プロファイルを再計算するようにさらに構成されている、請求項３に記載のシステム。
5. 前記センサユニット（４２）が、マイクロ波放射計、赤外線センサ、又は光ファイバセンサの形態で非接触センサを備えている、請求項３に記載のシステム。
6. 前記温度測定装置（４０）が、前記金属溶融物の温度を連続的に又は不連続な時点で測定するように構成されている、請求項３に記載のシステム。

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