JP7244196B2

JP7244196B2 - アーク炉電極昇降装置

Info

Publication number: JP7244196B2
Application number: JP2019189980A
Authority: JP
Inventors: 理人二本柳
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2023-03-22
Anticipated expiration: 2039-10-17
Also published as: JP2021064582A

Description

本発明の実施形態は、電極位置を一定インピーダンス制御により制御するアーク炉電極昇降装置に関する。

交流アーク炉は、炉内で３本の電極をそれぞれ昇降させることにより、電極と炉体に装入された鉄等のスクラップとの間でアーク放電を発生させ、そのアーク熱によってスクラップを溶解する。

溶解効率を最適とするため、アーク炉電極昇降装置は、電流信号および電圧信号をディジタルコントローラに取込み、電極とスクラップの間のインピーダンスを演算し、インピーダンス一定制御により電極の昇降制御を行う。そのため、インピーダンスを演算する電流信号および電圧信号の測定値の精度がアーク炉電極昇降装置の電極制御性能を左右する。

特開平１０－７９２９３号公報特開平１０－２０８８７１号公報

実施形態は、電極制御性能を向上させたアーク炉電極昇降装置を提供する。

実施形態に係るアーク炉電極昇降装置は、炉用変圧器の二次側に接続された電極とスクラップとの間の距離を、前記電極と前記スクラップとの間でアーク放電を生じているときのインピーダンスが一定になるように制御する。このアーク炉電極昇降装置は、前記電極と前記スクラップとの間の第１電圧を測定して前記炉用変圧器の二次側電圧を表すタップ位置信号にもとづいて係数を設定し、前記第１電圧に前記係数を乗じて第２電圧を出力する第１可変係数部と、前記第２電圧をディジタル信号に変換して第３電圧として出力する第１アナログディジタル変換器と、前記第３電圧を前記係数で除して第４電圧を出力する第２可変係数部と、前記電極と前記スクラップとの間に流れる電流を入力してディジタル信号に変換して第１電流として出力する第２アナログディジタル変換器と、前記第４電圧および前記第１電流にもとづいて、前記電極と前記スクラップとの間のインピーダンスが一定になるように速度指令値を生成する電極昇降主幹制御部と、を備える。前記第１可変係数部は、前記タップ位置信号が表す前記二次側電圧が低いほど、前記係数を大きく設定する。

本実施形態では、電極制御性能を向上させたアーク炉電極昇降装置が実現される。

実施形態に係るアーク炉電極昇降装置を例示する模式的なブロック図である。実施形態に係るアーク炉電極昇降装置の一部を例示する模式的なブロック図である。実施形態のアーク炉電極昇降装置の動作を説明するための概念図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、実施形態に係るアーク炉電極昇降装置を例示する模式的なブロック図である。
図１に示すように、実施形態のアーク炉電極昇降装置１０は、第１可変係数部１２と、第１アナログディジタル変換器１４と、第２可変係数部１６と、第２アナログディジタル変換器１８と、電極昇降主幹制御部２０と、を備える。

アーク炉電極昇降装置１０は、固定された炉体３に対して電極２を昇降させて、電極２と炉体３に装入されたスクラップ４との距離を制御する。電極２には、炉用変圧器５から交流電源が供給されている。電極２は、炉用変圧器５の二次側に接続されており、炉用変圧器５の電圧タップにより設定される交流電圧が印加される。電極２は、炉体３およびスクラップ４の上方で適切な距離になるように上下に昇降する。

アーク炉電極昇降装置１０は、炉用変圧器５の二次側に設けられた変流器６および電極２と炉体３との間に設けられた計器用変圧器７に接続されている。変流器６は、電極２とスクラップ４との間にアーク放電を発生したときの電流Ｉを検出する。計器用変圧器７は、電極２とスクラップ４との間にアーク放電を発生したときの電極２とスクラップ４との間の電圧Ｖを検出する。

アーク炉電極昇降装置１０は、検出された電流Ｉおよび電圧Ｖを入力して、これらにもとづいて、アーク放電時のインピーダンスが一定になるように、速度指令値を生成して、駆動装置３０に供給する。駆動装置３０は、供給された速度指令値にしたがって、電動機４０を駆動する。電動機４０は、電極２の昇降メカニズム（図示せず）に作用して、電極２とスクラップ４との間の距離を調整する。

炉用変圧器５の二次側には、タップ切替器５０が設けられている。タップ切替器５０は、タップ位置指令信号を入力し、タップ位置指令信号で設定された電圧を出力するように、炉用変圧器５の二次側のタップの接続を切り替える。また、タップ切替器５０は、タップ位置指令信号によって設定されたタップの位置またはタップが出力する電圧に応じたタップ位置信号を出力する。

アーク炉電極昇降装置１０は、タップ切替器５０から出力されたタップ位置信号を入力する。後に詳述するが、アーク炉電極昇降装置１０は、タップ位置信号にもとづいて、入力される電圧Ｖに係数を乗じて、アーク炉電極昇降装置１０のダイナミックレンジを有効に利用できるようにする。なお、タップ位置指令信号は、たとえば操作盤に設けられた操作スイッチやジョグ等の設定に応じて生成され、タップ切替器５０に供給される。アーク炉電極昇降装置１０のオペレータは、スクラップ４の溶融状況を観察等しながら、適切なインピーダンスとなるように、操作スイッチ等を設定する。

アーク炉電極昇降装置１０の構成について詳細に説明する。
第１可変係数部１２は、計器用変圧器７の出力に接続されており、計器用変圧器７によって測定された電圧Ｖのデータが入力される。第１可変係数部１２には、タップ位置信号が入力される。第１可変係数部１２は、タップ位置信号が表す電圧値にもとづいて設定される係数Ｋを、入力された電圧Ｖの値に乗じて出力する。

第１アナログディジタル変換器（以下、第１Ａ／Ｄ変換器ともいい、図中では単にＡ／Ｄ変換器と表記する）１４は、第１可変係数部１２の出力に接続されている。第１Ａ／Ｄ変換器１４は、入力されたアナログ値であるＫ×Ｖをディジタルデータに変換して出力する。

第１可変係数部１２に設定される係数Ｋは、タップ位置信号が表す電圧値にが低いほど大きい値に設定される。つまり、係数Ｋは、炉用変圧器５の二次側電圧が低いほど大きい値に設定される。後に詳述するように、炉用変圧器５の二次側電圧は、タップ位置指令信号によって適切な値に設定されるが、電極２とスクラップ４間のインピーダンス制御に応じて、１つのタップ位置に設定されていても、ある範囲で変動し得る。二次側電圧が高いほど電圧の変動範囲は広くなる。そのため、二次側電圧を高くするように係数Ｋを設定することによって、第１可変係数部１２は、第１Ａ／Ｄ変換器１４の広い入力ダイナミックレンジを活用することができる。

第２可変係数部１６は、第１Ａ／Ｄ変換器１４の出力に接続されている。第２可変係数部１６では、第１可変係数部１２に設定された係数Ｋの逆数１／Ｋが設定される。第２可変係数部１６の出力は、電極昇降主幹制御部２０に接続されている。

第２アナログディジタル変換器（以下、第２Ａ／Ｄ変換器ともいい、図中では単にＡ／Ｄ変換器と表記する）１８は、変流器６の出力に接続されており、変流器６によって測定された電流Ｉのデータが入力される。第２Ａ／Ｄ変換器１８の出力は、電極昇降主幹制御部２０に接続されている。

電極昇降主幹制御部２０は、測定電圧のディジタルデータおよび測定電流のディジタルデータを入力して、これらにもとづくインピーダンスを計算し、インピーダンスが一定になるように速度指令値を生成して、駆動装置３０に供給する。

図２は、実施形態に係るアーク炉電極昇降装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
図２には、炉用変圧器５の回路構成がより詳細に示されている。すなわち、炉用変圧器５は、一次巻線を有しており、端子Ｐ１，Ｐ２によって外部の回路に接続される。炉用変圧器５の二次巻線は、端子Ｓ１，Ｓ２によって外部の回路に接続される。たとえば、端子Ｓ１には電極２が接続される。炉用変圧器５に二次巻線は、この例では、２つの絶縁された巻線を含んでおり、それぞれの巻線に複数のタップが設けられている。一方の巻線の各タップには、端子Ｔ１～Ｔ６、他方の巻線のタップには、端子Ｔ７～Ｔ１２が設けられている。

炉用変圧器５の二次巻線の各タップＴ１～Ｔ１２を介して、タップ切替器５０が接続されている。タップ切替器５０は、たとえば回転式の接続子を有する無電圧タップ切替器であり、タップ位置指令信号に応じて、接続子の位置が設定される。たとえば、タップ位置指令信号の設定がタップ位置Ａとされた場合には、端子Ｔ１，Ｔ１２を接続する位置に接続子が設定される。この場合には、炉用変圧器５の二次側電圧は、もっとも低くなる。タップ位置指令信号の設定がタップ位置Ｘである場合には、端子Ｔ６，Ｔ７を接続する位置に接続子が設定される。この場合には、炉用変圧器５の二次側電圧は、もっとも高くなる。

第１可変係数部１２は、タップ切替器５０から出力されるタップ位置信号を入力する。この例では、係数Ｋは、二次側電圧が最高電圧に設定される場合の基準電圧を、タップ位置信号によって表された二次側電圧の基準電圧で除した値に設定される。このようにして、二次側電圧が低いほど係数Ｋを大きくすることができる。なお、基準電圧とは、タップ位置が設定され接続されたときに炉用変圧器５の二次側に出力される定格電圧である。実際の炉用変圧器５の二次側電圧は、基準電圧に対して所定の誤差を含んで出力される。所定の誤差は、炉用変圧器に応じて設定されており、たとえば、±１００％等である。

たとえば、上述の例では、係数Ｋは、タップ位置Ａの場合には、端子Ｔ６，Ｔ７を接続したときの二次側電圧の基準電圧を、端子Ｔ１，Ｔ１２を接続したときの二次側電圧の基準電圧で除した値に設定される。タップ位置Ｘの場合には、端子Ｔ１，Ｔ１２を接続したときの二次側電圧の基準電圧を、端子Ｔ１，Ｔ１２を接続したときの二次側電圧の基準電圧で除した値に設定される。

第１可変係数部１２は、たとえば演算増幅器を用いた非反転増幅回路を含んでいる。たとえば、第１可変係数部１２は、１つの演算増幅器を含んでいる。１つの演算増幅器は、複数の増幅率を設定できるように複数の抵抗器が設けられており、タップ位置信号によって適切な抵抗器を選択することによって、増幅率を設定できるようにしてもよい。あるいは、第１可変係数部１２は、複数の演算増幅器を含んでもよく、各演算増幅器は、タップ位置信号に応じた増幅率に設定され、タップ位置信号によって、適切な増幅率を有する演算増幅器が選択されるようにしてもよい。

実施形態のアーク炉電極昇降装置１０の動作について説明する。
図３は、実施形態のアーク炉電極昇降装置の動作を説明するための概念図である。
図３には、第１Ａ／Ｄ変換器１４に入力されるアナログデータと第１Ａ／Ｄ変換器１４から出力されるディジタルデータとの関係が示されている。横軸は、入力されるアナログデータであり、縦軸が出力されるディジタルデータである。
図３に示すように、入力されるアナログデータの大きさが小さい場合には、基準電圧に対する変動幅も狭くなる。入力されるアナログデータの大きさが大きい場合には、基準電圧に対する変動幅も広くなる。

たとえば、図３の“低電圧タップの基準電圧”は、上述の例のタップ位置Ａの場合である。また、“高電圧タップの基準電圧”は、上述の例のタップ位置Ｘの場合である。

タップ位置Ａの場合の基準電圧とタップ位置Ｘの場合の基準電圧との比が、たとえば１：２の場合には、タップ位置Ｘの場合の電圧変動範囲Ｘｍｉｎ～Ｘｍａｘ（図では－１００％～＋１００％と表記）は、２×Ａｍｉｎ～２×Ａｍａｘとなる。つまり、タップ位置Ａの場合に、Ｋ＝２と設定することによって、第１Ａ／Ｄ変換器１４の入力ダイナミックレンジを２倍程度に拡大して利用することができる。

このように、実施形態のアーク炉電極昇降装置１０では、炉用変圧器５の二次側電圧が低い設定であっても、第１可変係数部１２によって、第１Ａ／Ｄ変換器１４の入力ダイナミックレンジを広く利用することができる。なお、第１可変係数部１２によってＫ倍された電圧データは、第１Ａ／Ｄ変換器１４の出力に接続された第２可変係数部１６によって１／Ｋ倍されて、もとの電圧データをディジタル値として取得することができる。

係数Ｋの設定について、上述に限らず、適切なものを任意に設定することができる。たとえば、Ａ／Ｄ変換器の特性を考慮して、入力範囲を設定するようにしてもよい。

実施形態のアーク炉電極昇降装置１０の効果について説明する。
上述したとおり、実施形態のアーク炉電極昇降装置１０では、第１可変係数部１２によって、タップ位置信号に応じた係数Ｋを測定されたアナログの電圧データに乗じて、第１Ａ／Ｄ変換器１４に入力することができる。そのため、第１Ａ／Ｄ変換器１４に入力ダイナミックレンジをより広く利用することができるので、より高精度に電圧データを取得することができ、電極制御性能を向上させることができる。

アーク炉電極昇降装置では、アーク放電時の一定インピーダンス制御をスクラップの溶融の度合い等に応じて微細に制御する必要があるために、炉用変圧器５の二次側のタップを多数段階に切り替えられるようにしている場合がある。たとえば、タップの切替が１０段階以上におよぶ場合があり、設定する二次側電圧の最低電圧から最高電圧の比が２におよび、あるいは２を超えることもある。このような場合に、きめ細かく二次側電圧を設定しようとしても、一定インピーダンス制御のための電圧測定値に誤差が大きいのでは、所望の制御精度を実現することが困難になる。

実施形態のアーク炉電極昇降装置１０では、高精度に測定電圧を取得することができるので、所望の精度で一定インピーダンス制御をすることが可能になり、電極制御性能を向上させることができる。

アーク炉電極昇降装置１０は、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）等によって構成される場合があり、既存のタップ位置信号を利用して、炉用変圧器５の二次側電圧の設定基準値を認識することができるので、既存の設備にも容易に導入することができる。

図２において説明した具体例のように、係数Ｋの値を、最高電圧の基準電圧を、タップ位置指令信号によって設定され、タップ位置信号によって表された二次側電圧の基準電圧で除した値とすることによって、使用中のタップの基準電圧にかかわらず、もっとも入力ダイナミックレンジの広い範囲で電圧信号のデータを入力することができる。

以上説明した実施形態によれば、電極制御性能を向上させたアーク炉電極昇降装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

２電極、３炉体、４スクラップ、５炉用変圧器、６変流器、７計器用変圧器、１０アーク炉電極昇降装置、１２第１可変係数部、１４第１アナログディジタル変換器、１６第２可変係数部、１８第２アナログディジタル変換器、２０電極昇降主幹制御部、３０駆動装置、４０電動機、５０タップ切替器

Claims

炉用変圧器の二次側に接続された電極とスクラップとの間の距離を、前記電極と前記スクラップとの間でアーク放電を生じているときのインピーダンスが一定になるように制御するアーク炉電極昇降装置であって、
前記電極と前記スクラップとの間の第１電圧を測定して前記炉用変圧器の二次側電圧を表すタップ位置信号にもとづいて係数を設定し、前記第１電圧に前記係数を乗じて第２電圧を出力する第１可変係数部と、
前記第２電圧をディジタル信号に変換して第３電圧として出力する第１アナログディジタル変換器と、
前記第３電圧を前記係数で除して第４電圧を出力する第２可変係数部と、
前記電極と前記スクラップとの間に流れる電流を入力してディジタル信号に変換して第１電流として出力する第２アナログディジタル変換器と、
前記第４電圧および前記第１電流にもとづいて、前記電極と前記スクラップとの間のインピーダンスが一定になるように速度指令値を生成する電極昇降主幹制御部と、
を備え、
前記第１可変係数部は、前記タップ位置信号が表す前記二次側電圧が低いほど、前記係数を大きく設定するアーク炉電極昇降装置。
前記第１可変係数部は、前記係数を、前記第１アナログディジタル変換器の入力ダイナミックレンジを超えないように設定する請求項１記載のアーク炉電極昇降装置。
前記第１可変係数部は、前記タップ位置信号で表し得る前記二次側電圧のもっとも高い基準値を、前記タップ位置信号が表している前記二次側電圧の基準値で除した値に前記係数を設定する請求項１または２に記載のアーク炉電極昇降装置。