JP6973339B2

JP6973339B2 - 精錬用ランス設備

Info

Publication number: JP6973339B2
Application number: JP2018174804A
Authority: JP
Inventors: 純輝丸山
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2038-09-19
Also published as: JP2020046114A

Description

本発明は、冶金分野における溶鉄（溶銑、溶鋼）の精錬処理に用いられる精錬用ランス設備と、当該精錬用ランス設備を用いたランスの制振方法に関する。

溶銑の精錬処理は、溶銑を収容した溶銑搬送容器にランスを浸漬させた状態で、当該ランスから溶銑に酸素や酸化剤を吹き込むことで行われる。当該処理では、脱珪や脱燐効率を向上させることを目的として、ランスからの酸素や酸化剤の吹き込み量を調整したり、複数のランスを使用して撹拌効率を向上させたりしている。一方、ランスから酸素や酸化剤を吹き込むと、これらの吹き込みによりランスが振動し、これにより、ランスが短い期間で折損するという問題が生じている。

ランスから溶銑に酸素や酸化剤を吹き込むと、溶銑に渦流れが生じる。溶銑に生じた渦の振動数とランスの持つ固有振動数が一致すると、ランスに自励振動が生じる。自励振動によってランスに生じる応力は大きくなるので、ランスの設計にあたっては、この渦流れによる自励振動を抑制させ、自励振動によって生じる応力が許容値以下になるようにする必要がある。

特許文献１には、精錬用吹き込みランスの上端部に鉄製羽根板が設けられ、当該鉄製羽根板を振動防止治具に設けられたガイドロールと鉄製羽根受けとで挟み込み、これにより、精錬用吹き込みランスの鉛直方向の振動を抑制する精錬用吹き込みランス設備が開示されている。

特開２００７−２３１３４２号公報

精錬用ランスの固有振動には複数の振動モードがある。そして、精錬用ランスから吹き込まれる酸素や酸化剤の吹き込み量によって異なる振動モードの振動に対応した自励振動が生じる。特許文献１では、ガイドロールと鉄羽根受けで鉄製羽根板を挟み込むことで振動を抑制しているので、異なる振動モードの自励振動により生じる応力を効率よく抑制できるものではなかった。本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ランスの自励振動により生じる応力を効率よく抑制できる精錬用ランス設備、および、当該精錬用ランス設備を用いたランスの制振方法を提供することである。

このような課題を解決するための本発明の特徴は、以下の通りである。
（１）溶鉄の精錬に用いられる精錬用ランス設備であって、酸化剤および精錬剤の少なくとも１つを搬送ガスとともに前記溶鉄に吹き込むランスと、内部に空間が設けられ、前記ランスの周囲に設けられたダンパーと、前記ダンパー内に充填された流体と、前記ダンパーを支持する支持体と、前記流体の圧力を変化させるアクチュエーターと、前記アクチュエーターを制御する制御装置と、を有し、前記流体の圧力を変化させると前記ダンパーによる前記ランスの保持力が変化する、精錬用ランス設備。
（２）前記ランスの振動を測定する振動センサーをさらに有する、（１）に記載の精錬用ランス設備。
（３）（１）または（２）に記載の精錬用ランス設備を用いたランスの制振方法であって、
前記ランスからの吹き込み量に対応させて前記流体の圧力を変化させる、ランスの制振方法。
（４）（２）に記載の精錬用ランス設備を用いたランスの制振方法であって、前記ランスの振動が小さくなるように、前記流体の圧力を変化させる、ランスの制振方法。

本発明の精錬用ランス設備は、各振動モードに対応してダンバーの流体の圧力を変化できるので、各振動モードに対応した自励振動により生じた応力を効率よく抑制できる。これにより、ランスが短い期間で折損してしまうことを抑制できる。

本実施形態に係る精錬用ランス設備２０を用いて混銑車１０に収容された溶銑１４に脱燐処理している状態を示す部分断面模式図である。精錬用ランス設備２０の部分断面模式図である。ランス２２に生じる応力の変動を示すグラフである。

以下、本発明を発明の実施形態を通じて詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る精錬用ランス設備２０を用いて混銑車１０に収容された溶銑１４に脱燐処理している状態を示す部分断面模式図である。図１では、本実施形態に係る精錬用ランス設備２０の動作を説明するために混銑車１０のみ断面図で示している。なお、本発明に係る精錬用ランス設備を用いて溶銑の脱燐処理を行う例を用いて本実施形態を説明するが、これに限らず、本発明に係る精錬用ランス設備は、溶鉄（溶銑、溶鋼を含む）の脱珪処理または脱炭処理に用いることもできる。

混銑車１０は、搬送容器１２を有する。高炉から出銑された溶銑１４は、搬送容器１２に収容される。搬送容器１２に溶銑１４が収容された後、溶銑１４内に精錬用ランス設備２０のランス先端部が浸漬され、この状態で溶銑１４が脱燐処理される。予め定められた量の酸化剤や脱燐剤が精錬用ランス設備２０から吹き込まれ、目標とする燐濃度以下になった溶銑１４は、混銑車１０によって製鋼用精錬炉（転炉）を備えた製鋼工場へ搬送される。

精錬用ランス設備２０は、搬送容器１２の開口部から鉛直方向に対して斜め方向から挿入され、ランス２２が溶銑１４に浸漬された状態で保持される。ランス２２から酸化剤である酸化鉄と、ＣａＯ含有物質とを含む脱燐剤とが、搬送ガスとともに溶銑１４に吹き込まれる。ランス２２から溶銑１４に吹き込まれる酸化剤としては、鉄鉱石、焼結鉱粉、ミルスケール等の酸化鉄源が使用できる。また、搬送ガスとしては、気体酸素、空気、窒素、希ガス等が使用できる。

ランス２２から酸化剤や脱燐剤等が溶銑１４に吹き込まれると、吹き込まれた酸化剤や脱燐剤等により溶銑１４に渦流れが生じる。この溶銑１４に生じた渦流れの渦の周波数とランス２２のもつ固有振動数が一致することで自励振動が生じる。ランス２２に自励振動が長期間生じると、当該自励振動によって生じた応力によりランス２２が折損する。このため、本実施形態に係る精錬用ランス設備２０は、ランス２２の自励振動により生じた応力を抑制する構成を有する。

図２は、精錬用ランス設備２０の部分断面模式図である。精錬用ランス設備２０は、ランス２２と、支持体２４と、昇降装置２５と、油圧ダンパー２６と、油圧シリンダー３０と、加速度センサー３２と、制御装置３４と、クランプ３６と、を有する。図２では、精錬用ランス設備２０の構成を説明するために、ランス２２とクランプ３６以外の構成を断面で示している。

ランス２２は、外側に不定形耐火物からなる耐火物被覆層が設けられ、内部は単管または二重管構造となっている。支持体２４は、円筒形状の部材であり、油圧ダンパー２６を支持する。支持体２４は、外周面の一部が昇降装置２５に固定され、内側に油圧ダンパー２６が固定されている。昇降装置２５は、直方向に対して斜め方向に移動可能となっており、ランス２２の溶銑１４への浸漬深さを制御する。昇降装置２５には、支持体２４と、クランプ３６が固定されている。

油圧ダンパー２６は、ランス２２の周囲を保持するように、ランス２２を囲むように設けられている。油圧ダンパー２６の内部には、油２８が充填された空間が設けられており、油２８の圧力を変化させると、油圧ダンパー２６によるランス２２の周方向の保持力が変化する。すなわち、油２８の圧力を高めるとランス２２の保持力が高まり、油２８の圧力を下げるとランス２２の保持力が弱まる。なお、本実施形態では、油２８が充填された油圧ダンパー２６を用いた例を示したが、油２８は流体の一例であり、例えば、空気等の気体が充填されたダンパーを用いてもよく、油とは異なる液体が充填されたダンパー用いてもよい。

油圧シリンダー３０は、制御装置３４の制御により、油圧ダンパー２６の油圧を所定の油圧に制御する。油圧シリンダー３０は、アクチュエーターの一例であり、油圧シリンダー３０に代えて、空圧シリンダー、水圧シリンダー、モーター等の他のアクチュエーターを用いてもよい。

加速度センサー３２は、ランス２２が振動することによって生じる振動周波数や加速度を測定する。加速度センサー３２は、ランス２２に設けられ、ランス２２に生じたランス２２の軸線方向に直交する方向の加速度を測定し、測定された加速度信号を記録するとともに、当該加速度信号を高速フーリエ変換処理し、ランス２２の周波数解析をリアルタイムに実施して振動周波数を算出する。加速度センサー３２は、加速度信号と、振動周波数を示す信号とを制御装置３４に出力する。なお、加速度センサー３２は、ランス２２の振動を測定する振動センサーの一例である。

制御装置３４は、例えば、ＣＰＵや記録装置（ＨＤＤ）を有するコンピュータである。記録装置には、油圧シリンダー３０を制御するプログラムや、当該プログラムの実行に用いられるデータや、油圧シリンダー３０を制御する制御信号が、予め記録されている。

制御装置３４は、ランス２２からの吹き込まれる酸化剤や精錬剤の吹き込み流量を示す信号を取得する。制御装置３４は、吹き込み流量を示す信号を取得すると、当該吹き込み流量に対応した制御信号を、油圧シリンダー３０に出力する。

また、制御装置３４は、加速度センサー３２から振動周波数を示す信号を取得した場合には、当該振動周波数に対応した制御信号を出力してもよく、取得した吹き込み流量と、振動周波数とを用いて、記録装置に記録されている吹き込み流量に対応した制御信号を補正してもよい。さらに、加速度センサー３２からランス２２の加速度信号を取得した場合、当該加速度が小さくなるように、油圧シリンダー３０の油圧を動的に制御してもよい。この場合に、制御装置３４は、例えば、山登り法を用いて、加速度センサー３２から取得される加速度が最小になるように油圧シリンダー３０の圧力を動的に制御する。

油圧シリンダー３０は、油圧ダンパー２６の油圧を変化させる。油圧シリンダー３０は、制御装置３４から制御信号を取得すると、油圧を調整してシリンダーを動作させ、油圧ダンパー２６の油圧を制御信号に対応した油圧に変化させる。この油圧の変化により、油圧ダンパー２６によるランス２２の保持力が調整される。

油圧ダンパー２６は、支持体２４の内周面に固定されて設けられる。前述したように、支持体２４は、昇降装置２５に固定されているので、油圧ダンパー２６によるランス２２の保持力が高められると、ランス２２は周方向への移動が規制される。一方、油圧ダンパー２６によるランス２２の保持力が弱められると、ランス２２の周方向への移動が許容される。

クランプ３６は、油圧ダンパー２６が設けられた位置の反対側の端部に、昇降装置２５に固定されて設けられる。クランプ３６は、ランス２２の軸線方向および周方向へ移動を規制する。

ランス２２の自励振動は、ランス２２の固有振動数と、ランス２２から吹き込まれる酸化剤や脱燐精錬剤の吹き込みによって生じる渦流れの渦の振動数とが一致することで生じる。ランス２２の固有振動数には、一次モード、二次モード等の複数の振動モードがあり、溶銑１４に生じる渦の振動数によっては、様々な振動モードの自励振動が起こり得る。このように、渦の振動数によって様々な振動モードの自励振動が起こる得る所、発明者らは、ランス２２における各モードの固有振動数と渦の振動数とが一致することで生じる自励振動を効率よく抑制できる油圧ダンパー２６の保持力は、各振動モードでそれぞれ異なることを見出した。

図３は、ランス２２に生じる応力を示すグラフである。図３の縦軸は、振動によってランス２２に生じた応力（ＭＰａ）であり、横軸は吹き込み流量（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）である。図３に示した各プロファイルは、ランス２２からの吹き込み流量を増やすことで溶銑１４に生じる渦の振動数を高め、当該渦による振動によってランス２２に生じた応力の変動を示す。

図３の実線は、油圧ダンパー２６を設けていない精錬ランス設備を用いた場合にランス２２に生じた応力の変動を示す。図３におけるピークは、左側から、一次モード、二次モード、三次モード、四次モードの固有振動数の自励振動によってランス２２に生じた応力である。このように、各固有振動数に対応した自励振動は、ランス２２に大きな応力を与えることがわかる。図３の実線から、油圧ダンパー２６を設けていない場合には、油圧ダンパー２６を設けてランス２２の保持力を高めた他の条件よりも、振動によってランス２２に生じる応力が大きくなることがわかる。

図３の点線は、油圧ダンパー２６を設け、ダンパー条件１の油圧でランス２２を保持した場合にランス２２に生じた応力の変動を示す。ダンパー条件１の油圧は、ダンパー条件２、３より低い。

図３の点線からわかるように、油圧をダンパー条件１にすることで一次モードおよび二次モードの固有振動数の自励振動によりランス２２に生じた応力は、他のダンパー条件にした場合よりも小さくなった。一方、三次モードおよび四次モードの固有振動数の自励振動により生じた応力は、油圧をダンパー条件１にした場合には、他のダンパー条件にした場合より大きくなった。

図３の破線は、油圧ダンパー２６を設け、ダンパー条件２の油圧でランス２２を保持した場合にランス２２に生じた応力の変動を示す。ダンパー条件２の油圧は、ダンパー条件１より高く、ダンパー条件３より低い。

図３の破線からわかるように、油圧をダンパー条件２にすることで三次モードの固有振動数の自励振動によりランス２２に生じた応力は、他のダンパー条件にした場合よりも小さくなった。一方、一次モード、二次モードおよび四次モードの固有振動数の自励振動によりランス２２に生じた応力は、油圧をダンパー条件２にした場合には、他のダンパー条件にした場合より大きくなった。

図３の一点鎖線は、油圧ダンパー２６を設け、ダンパー条件３の油圧でランス２２を保持した場合に、ランス２２に生じた応力の変動を示す。ダンパー条件３の油圧は、ダンパー条件１、２より高い。

図３の一点鎖線からわかるように、油圧をダンパー条件３にすることで四次モードの固有振動数の自励振動によりランス２２に生じた応力は、他のダンパー条件にした場合よりも小さくなった。一方、一次モード、二次モードおよび三次モードの固有振動数の自励振動によりランス２２に生じた応力は、油圧をダンパー条件３にした場合には、他のダンパー条件にした場合より大きくなった。

これらの結果から、各固有振動数の自励振動によってランス２２に生じる応力を効率よく抑制できる油圧ダンパー２６の保持力は、各固有振動数によってそれぞれ異なることがわかる。このため、制御装置３４は、ランス２２から吹き込まれる酸化剤や精錬剤の流量を示すデータを取得し、当該吹き込み流量に対応した自励振動の応力を効率よく低減できる保持力になるように、制御信号を油圧シリンダー３０に出力する。油圧シリンダー３０は、油圧ダンパー２６の油圧が上記保持力になるように油圧を変化させる。これにより、各固有振動数の自励振動によってランス２２に生じる応力を効率よく抑制できる。また、自励振動によってランス２２に生じる応力を抑制できることは、ランス２２に生じた自励振動を制振できることになる。このため、本実施形態に係る精錬用ランス設備２０を用いることで、ランス２２に生じる自励振動を効率よく制振できるといえる。

例えば、ランス２２からの吹き込み流量が４８Ｎｍ^３／ｍｉｎであった場合に、制御装置３４は、油圧シリンダー３０に、油圧をダンパー条件３にする制御信号を出力する。これにより、吹き込み流量が４８Ｎｍ^３／ｍｉｎの場合にランス２２に生じる四次モードの固有振動数に対応した自励振動を効率よく抑制できる。さらに、吹き込み流量を４８Ｎｍ^３／ｍｉｎから１２Ｎｍ^３／ｍｉｎに変えた場合に、制御装置３４は、油圧シリンダー３０に油圧をダンパー条件１にする制御信号を出力する。これにより、吹き込み流量が１２Ｎｍ^３／ｍｉｎの場合にランス２２に生じる二次モードの固有振動数に対応した自励振動を効率よく抑制できる。

図３の二点鎖線は、ランス２２に設けられた加速度センサー３２の加速度が最小になるように油圧ダンパー２６の油圧を動的に制御した場合に、ランス２２に生じた応力の変動を示す。振動によりランス２２に生じる加速度を最小にするということは、当該振動により生じるランス２２の振幅を最小にすることになる。このように、振動によるランス２２の振幅が最小になるように油圧ダンパー２６の油圧が動的に制御されるので、油圧ダンパー２６の保持力は、全ての吹き込み量において最も応力を抑制できる保持力に制御される。この結果、図３の二点鎖線からわかるように、全ての吹き込み量において、ランス２２に生じる応力を大きく抑制できた。なお、ランス２２からの吹き込み量を実験的に変えながら同様の制御を行うことで、各吹き込み量に対応した応力を大きく抑制できる油圧ダンパー２６の油圧を事前に取得できる。

また、図３に示した例では、制御装置３４がランス２２から吹き込まれる酸化剤や精錬剤の流量を示すデータを取得し、当該流量に対応した制御信号を油圧シリンダー３０に出力する例を示したが、これに限らない。上述したように、加速度センサー３２からランス２２の振動周波数を取得する場合には、当該振動周波数に対応した制御信号を油圧シリンダー３０に出力してもよい。各振動周波数の振動を効率よく制振できる油圧ダンパー２６の油圧を事前に取得しておくことで、制御装置３４は、取得した固有振動数に対応したランス２２の振動を効率良く制振できる制御信号を油圧シリンダー３０に出力できる。

また、図２に示した例では、加速度センサー３２を有する精錬用ランス設備２０を示したが、これに限らない。制御装置３４は、ランス２２から吹き込まれる酸化剤や精錬剤の流量を示すデータを取得し、当該流量に対応した制御信号を油圧シリンダー３０に出力する場合には、精錬用ランス設備２０は、必ずしも加速度センサー３２を有さなくてもよい。

１０混銑車
１２搬送容器
１４溶銑
２０精錬用ランス設備
２２ランス
２４支持体
２５昇降装置
２６油圧ダンパー
２８油
３０油圧シリンダー
３２加速度センサー
３４制御装置
３６クランプ

Claims

溶鉄の精錬に用いられる精錬用ランス設備であって、
酸化剤および精錬剤の少なくとも１つを搬送ガスとともに前記溶鉄に吹き込むランスと、
内部に空間が設けられ、前記ランスの周囲に設けられたダンパーと、
前記ダンパー内に充填された流体と、
前記ダンパーを支持する支持体と、
前記ランスに設けられ、前記ランスの軸方向に直交する方向の加速度を測定する加速度センサーと、
前記流体の圧力を変化させるアクチュエーターと、
前記加速度センサーにより測定された前記加速度を用いて前記アクチュエーターを制御する制御装置と、
を有し、
前記流体の圧力を変化させると前記ダンパーによる前記ランスの保持力が変化する、精錬用ランス設備。