JPH1183330A - アーク溶解炉の溶解進捗評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アーク溶解炉における装入原料の溶解進捗を
精度良く評価することができる方法。 【解決手段】 熱源であるアーク１５から発生し炉殻１
２の各部に伝わる振動をそれぞれ検出するため、炉殻１
２への取付高さが異なる複数の箇所にそれぞれ振動セン
サ１を取付け、この複数の各振動センサ１の検出信号を
それぞれ計測手段２，３及び４によって計測振動レベル
に変換し、この複数の各計測振動レベルの低域推移を比
較判断する装置５により装入原料の溶解進捗を評価する
方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄スクラップ、直
接還元鉄等の冷鉄源を溶解し、溶鋼を製造するアーク炉
において、炉内の冷鉄源の溶解の進捗を評価する方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、資源および環境問題から発生量の
多い鉄鋼スクラップをアーク炉を用いて溶解するプロセ
スが増えている。アーク炉では、スクラップの溶解に多
くの電力を消費するため、炉内の状況を把握して、状況
に適した電圧や電流の設定に切換え、電力の利用効率を
向上させることが望まれている。従来の一般的なアーク
溶解炉の溶解進捗検出方法としては、スクラップ溶解の
推移を複数個のスクラップ溶解フェーズの推移としてモ
デリングし、それらフェーズ毎に適切と思われる電圧、
電流をあらかじめ電力投入パタンとして設定しておき、
このパタンに従って電力投入を行っていた。

【０００３】例えば典型的な電力投入パタンでは、以下
の３つのフェーズを順に経てスクラップ溶解が終了す
る。 第１のフェーズ（スクラップボーリング） ここで、スクラップボーリングとは、炉内に装入された
スクラップを溶かし始めた最初の状態を言い、アークが
下のスクラップを溶かし、電極が下降して行く状態であ
る。このスクラップ溶解最初期には、熱効率と炉蓋の設
備的保護の観点から、低電圧とする。 第２のフェーズ（最大電力投入） かまくら溶解とか主溶解とも言われ、周囲がスクラップ
に覆われている状況なので、電力投入効率も良く、最大
電力とする。 第３のフェーズ（フラットバスへの移行） 炉内のスクラップのかなりの部分が溶解した状態であ
り、アークによる高温雰囲気はスクラップ溶解に寄与せ
ずに炉外に吸われていくので、低電圧、高電流とする。

【０００４】これらのフェーズは、投入エネルギー量
（投入電力量、投入酸素量）があらかじめ決められた所
定量に達したところで切換えられる。そしてパタンに設
定されているフェーズ毎の設定電力や切換えの投入エネ
ルギー量をチューニングしたり、またパタンを複数個持
ち、装入スクラップに応じて適用するパタンを変える等
を試行していくことによって、スクラップ溶解の電力投
入効率を高めていくというのが従来の電力の利用効率向
上の手法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これら従来の
方法では以下の問題があった。スクラップ溶解は上記に
述べた平均的定性モデルに大まかに従って推移してい
き、そして電力投入パタン制御はその定性モデルに従っ
ている。しかし個別のスクラップ溶解は、そのモデルに
完全に一致するのではなく大まかに一致しているだけ
で、スクラップの形状、質、配合、炉内での積まれ方が
異なれば、溶解の推移も異なってくる。溶解フェーズの
切換えタイミングも、あるスクラップ溶解では適切であ
っても、別のスクラップ溶解では不適切ということもあ
る。従って一律同じ電力投入パタンで制御しても、個別
のスクラップ溶解の電力投入に無駄が生じるのは不可避
である。これは電力投入パタン制御が平均的、統計的な
モデルに従ったオープンルームであることに起因してお
り、炉況を推定できるセンサを検出端としたフィードバ
ック機構を備えた制御系を構築することができれば、炉
況に応じて電力を切換えることができ、個別のスクラッ
プ溶解に最適な電力投入制御を行うことができる。

【０００６】このアーク炉の炉況を推定するためのセン
サを設けた従来技術の参考文献としは、例えば特公昭５
５−１７３１３号公報「溶解状況の検出できるアーク
炉」（以下参考文献１という）がある。上記参考文献１
は、スクラップ溶解時のアーク放電音を炉体に設置した
マイクなどの音波変換器により電流変換し、オシロスコ
ープ等の音波分析器を用い波形分析し、この音波波形の
推移を分析した結果に基づきアーク炉制御を行うもので
ある。しかしこのアーク放電音による方法は、アーク柱
の届かない炉壁部位の装入原料の溶解状況とアーク放電
音との関連がなく、この部位の装入原料の溶解状況を検
出することはできなかった。

【０００７】この参考文献１の欠点を改良した従来技術
の参考文献としては、例えば特開平２−１０１３８１号
公報「アーク炉における溶解状況検出方法」（以下参考
文献２という）がある。上記参考文献２は、アーク炉に
おける装入原料の溶解過程において、このアーク炉の炉
壁の振動を周波数解析して得たパワースペクトルから、
電源周波数とその高調波及びこれらの近傍周波数成分を
除去した残りのパワースペクトル成分の和の時間積算値
を求め、この積算値に基づいて装入原料溶解状況を検出
するものである。

【０００８】しかしこの参考文献２における炉壁近傍の
装入原料の崩壊に伴い発生する衝撃を炉体に設置した振
動センサーで検出する方法は、装入原料の崩れ落ちを検
知することを目的としているため、実施例では、商用電
源周波数±１０Ｈｚとこの電源周波数の高調波±１０Ｈ
ｚのパワースペクトル成分は、装入原料の崩れ落と相関
のない信号成分として除去している。このように参考文
献２においては、アークから周辺未溶解スクラップ層を
介して炉壁に伝達されるアーク固有の振動周波数（高調
波をも含めて）を検出していないので、アーク炉内の溶
解進捗の推移状況を正しく評価できるものではなく、満
足すべきものではなかった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
アーク溶解炉の溶解進捗評価方法は、アーク溶解炉にお
ける装入原料の溶解進捗を評価する方法において、熱源
であるアークから発生し炉殻の各部に伝わる振動をそれ
ぞれ検出するため、炉殻への取付高さが異なる複数の箇
所にそれぞれ振動センサを取付け、この複数の各振動セ
ンサの検出信号をそれぞれ計測手段によって計測振動レ
ベルに変換し、この複数の各計測振動レベルの低減推移
を比較判断することにより装入原料の溶解進捗を評価す
るものである。

【００１０】本発明の請求項２に係るアーク溶解炉の溶
解進捗評価方法は、前記本発明の請求項１に係る方法に
おいて、前記複数の各振動センサの検出信号からアーク
固有の特定周波数帯域の信号のみを取出してそれぞれ計
測手段によって計測振動レベルに変換し、この特定周波
数帯域における複数の各計測振動レベルの低域推移を比
較判断することにより装入原料の溶解進捗を評価するも
のである。

【００１１】その結果、炉殻外壁に取付けた振動センサ
から計測される振動レベルにより、アーク溶解処理で特
に重要である溶解後期から精錬期にかけての炉内スクラ
ップの残存状況を的確に把握することができ、ショート
アークへの切換えや精錬期への移行タイミングを適正に
行うことができる様になり、溶解後期の無駄な電力が抑
制でき電力原単位が低減されると共に炉壁耐火物の損傷
も減らすことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】最初に、本発明に係るアーク溶解
炉における溶解進捗評価方法の原理について説明する。
加熱源であるアークが発する強力な雷鳴音による炉殻に
伝えられる振動は、炉壁の前面に存在する残存スクラッ
プ等の材料により伝達される。そして、その振動レベル
は溶解が進み、残存材料が少なくなると低下するもので
ある。そこで本発明においては、熱源であるアークから
発生し炉殻の各部に伝わる振動をそれぞれ検出するた
め、アーク炉の炉殻の外壁面又は柱への取付高さが異な
る複数の箇所にそれぞれ振動センサを取付け、この複数
の各振動センサの検出信号をそれぞれ計測振動レベルに
変換し、この複数の各計測振動レベルの低減推移を比較
判断することによって、各振動センサを取付けた炉壁前
の残存材料の有無を判定して溶解進捗を評価し、さらに
振動レベルが予め設定したレベルより低下したことによ
り溶解の進捗並びに精錬期（スクラップが溶けた後の溶
鋼の成分調整を行う期間）への移行時期を詳細に推定す
ることができる。

【００１３】さらに本発明においては、上記計測振動レ
ベルの周波数成分に着意し、スクラップ溶解時には、補
助エネルギーとして酸素の吹込みが行われるので、この
炉内に吹込まれる酸素のジェット音を除外すると共に、
各振動センサの検出信号から振動の発生源であるアーク
固有の特定周波数帯域の信号のみを取出すバンドパスフ
ィルタを設け、この特定周波数帯域における計測振動レ
ベルの低域推移を比較判断することにより装入原料の溶
解進捗を評価するようにしたので、さらに精度の高い評
価結果が得られる。

【００１４】図１は本発明のアーク溶解炉の溶解進捗評
価方法を実施するための構成図である。図１において、
１はそれぞれ振動センサ（ピックアップ）、２はそれぞ
れアンプ、３は内部に３個のバンドパスフィルタを含ん
でいるフィルタ、４は振動計測器、５は進捗評価装置、
６は電圧・電流設定装置、７は電極昇降制御装置、８は
アーク電流制御装置、９はチャート表示器、１０は黒鉛
電極、１１は炉蓋、１２は炉殻、１３は炉床、１４はス
クラップ、１５はアーク、１６はスラグ、１７は溶鋼で
ある。

【００１５】図１を用いて本発明の構成及び作用を説明
する。アーク炉の炉殻１２の外側で、炉殻１２への取付
高さが異なる複数の箇所に振動センサ１を取付ける。図
１では３個の振動センサ１が炉殻１２への取付高さが異
なる３箇所にそれぞれ取付けられている。３つの各振動
センサ１により検出され、電気信号に変換されて出力さ
れた信号は、それぞれ対応する各アンプ２により所定の
ゲインで信号増幅される。３つのアンプ２によりそれぞ
れ増幅された各信号は、フィルタ３に入力される。

【００１６】フィルタ３は、３つのバンドパスフィルタ
を含んでおり、それぞれ入力信号から高、低周波帯域の
不要振動信号を除去し、アーク固有の周波数帯域（例え
ば実施形態２で説明する１００Ｈｚ〜５００Ｈｚの帯
域、または交流アーク炉の場合には、商用電源周波数の
２倍及び６倍を中心とする通過帯域）のみを通過させ、
その各通過出力をそれぞれ振動計測器４へ供給する。振
動計測器４は、３つの入力信号をそれぞれ計測振動レベ
ル（例えば変位または速度、加速度等のレベル）に変換
し、これらの変換後の信号を進捗評価装置５及びチャー
ト表示器９へそれぞれ出力する。

【００１７】進捗評価装置５は、３つの入力信号、即ち
炉殻１２に取付けられた３つの振動センサ１により検出
され、それぞれ変換された３つの計測振動レベルの時間
的な変化及び振動レベルの低下に応じて、炉内の溶解進
捗状況を評価し、スクラップ溶解の進捗に応じた電圧・
電流設定信号等の制御信号を電圧・電流設定装置６へ出
力する。電圧・電流設定装置６は、進捗評価装置５から
供給される制御信号に基づき、電極昇降制御装置７及び
アーク電流制御装置８へそれぞれの制御信号を出力す
る。またチャート表示器９は、振動計測器４の出力する
３つの計測振動レベルの時間的推移をそれぞれチャート
上に記録して表示する。

【００１８】以下に具体的な本発明の実施形態１，２を
示す。 実施形態１ 実施形態１においては、炉径；７２００mm、高さ；６０
００mmのアーク炉にスクラップ１５０ｔを装入し、３０
インチの黒鉛電極１０により、最大７５０Ｖ、１３０ｋ
Ａの電源容量で溶解した。また、炉側壁に設けた作業口
より、水冷酸素ランスから６０００Ｎｍ³ ／ｈｒの送酸
した。そして炉内に溶湯が溜まってきたら８０ｋｇ／ｍ
ｉｎで炭粉をスラグ中に吹込み精錬を行った。なお、炭
粉は精錬時に溶鋼成分調整およびスラグフォーミング形
成のために使用される。この炉殻１２の外側に振動セン
サ１を２つ取付けた。１つは高さが溶解終了時点での溶
鋼上面（以下ＭＬと言う）の付近に取付け、もう１つは
ＭＬ＋１５００mmの位置に取付け、それぞれ炉殻の振動
を検出した。この検出信号がアンプ２、フィルタ３及び
振動計測器４を介して振動レベルとして計測され、この
計測振動レベルの時間的推移をチャート表示器９により
記録したものが図２である。

【００１９】図２は本発明の実施形態１における振動レ
ベルの計測例を示す図であり、図の縦軸は振動レベル
（単位はｄＢ）、横軸は時間である。図２の波形から観
察されるように、溶解末期が近づき炉壁前のスクラップ
が少なくなるにつれて、高さの異なる位置で検出された
２つの振動レベルはともに低下する。ＭＬ付近の振動レ
ベルは、スクラップがすべて溶けた時（Melt Down 、以
下ＭＤと言う）近傍での低下が大きい。これは振動セン
サを取付けた位置がＭＬ付近であるため振動センサ前面
のスクラップがＭＤ近傍になるまで溶けずに残っている
ことを意味し、この振動レベルが低くなったときはＭＬ
付近の炉壁前面のスクラップは溶解してフラットバスに
なっていることがわかる。従ってこの振動レベルでＭＤ
判定を行うことができる。

【００２０】一方ＭＬ＋１５００で検出した振動レベル
は、溶解末期が始まるにつれて徐々に低下し、そしてＭ
Ｄ前のかなり早い時期から低い値で一定する。これは振
動センサを取付けた位置が高いために振動センサ前面の
スクラップがＭＬよりは早い時期に溶解して炉壁が露出
していることを表している。

【００２１】本実施形態１では、この２つの振動レベル
を利用して以下のような制御を行った。 （１）ＭＬ付近の振動レベル、ＭＬ＋１５００の振動レ
ベルが共に大きい期間（ＭＬ＋１５００の振動レベルが
１００ｄＢ以上の期間） 未だスクラップは炉内に十分に残っているとして、最大
電力（７５０Ｖ、１３０ＫＡ）を投入し、かつ酸素でス
クラップをカッティングする。 （２）ＭＬ付近の振動レベルが未だ大きく、ＭＬ＋１５
００の振動レベルが小さくなった期間（ＭＬ＋１５００
の振動レベルが１００ｄＢ以下の期間） ＭＬ＋１５００のレベルまではスクラップは溶解してい
るが、まだ未溶解スクラップがＭＬ付近に残っていると
して、酸素カッティングを停止させ電力はショートアー
ク（放電距離を短くして溶鋼への着熱を向上させる操
業）傾向（６００Ｖ）に切換える。

【００２２】（３）ＭＬ付近の振動レベル、ＭＬ＋１５
００の振動レベルがともに小さくなった期間（ＭＬの振
動レベルが６５ｄＢ以下、ＭＬ＋１５００の振動レベル
が９０ｄＢ以下の期間） スクラップは完全に溶解してフラットバスになったと
し、酸素を溶鋼中に吹込み、また炭粉をスラグ中に投入
するようにした。電力は更にショートアークにし、５５
０Ｖとした。

【００２３】また、他にスクラップの装入量が１２０ｔ
と少ないヒートで試験した結果、１５０ｔ装入した場合
に対しておおよそ装入スクラップ重量に比例して２割近
く早い時期に上記と同様の振幅レベルの推移が観察され
た。以上の様に、振幅レベルに基づく溶解進捗把握によ
り、ショートアークへの切換えや精錬作業の開始を適切
に行うことができ、それまでの電力投入パタン制御によ
る操作と比較すると、２５〜３０ｋＷｈ／ｔの電力原単
位の低減が見られた。また、振動レベルの計測において
は、粉塵や火炎、スプラッシュによるトラブルも皆無で
あり保守上も全く問題が無いことが分かった。

【００２４】実施形態２ 上記実施形態１の溶解炉において、振動センサ１は、振
動周波数が２ｋＨｚ以上の高周波領域に対しても感度の
良いものを使用し、検出周波数帯域を変えて観察した結
果、５００Ｈｚ付近の信号が最もよく溶解の進捗をとら
えていることがわった。振動周波数が１ｋＨｚ以上の高
い周波数領域の信号は変化が現れにくいのに加えて、酸
素ランスのジェット音の影響が現れる。また逆に、低い
周波数域では電極の昇降系や炉に付帯する設備の動きに
よる振動が重畳する。従って、アークパワーの小さい炉
においては、これらの振動を除去するために、アーク固
有の周波数帯域のみを通過させるバンドパスフィルタを
組込んだアンプ２（例えばアクティブフィルタ）を使用
するか、まはたバンドパスフィルタを振動計測器４の前
に設けることが有効である。アーク固有の周波数は１０
０Ｈｚ〜５００Ｈｚ程度の範囲にあり、特に交流アーク
炉では商用電源周波数の２倍及び６倍を中心にバンドパ
スフィルタの通過帯域を選ぶと良い。

【００２５】アーク炉の炉内は非常に高温で火炎やダス
トの影響がある上に、スクラップの性状が様々であるた
めに、これまで溶解の進捗状況を正しく評価するのは困
難であった。しかし上記の本実施形態１及び２によれ
ば、アーク溶解処理において特に重要な、溶解後期の低
電圧・大電流のショートアークへの移行時期や炭粉の吹
込開始時期を的確に把握することができ、また炉殻の振
動を検出する振動センサは炉殻の外側に配置されている
ので、スプラッシュや火炎などによるトラブルが発生し
ないので、保守上の問題が無い。また、溶鋼上面レベル
では地金付着が殆ど無いので、この近傍に取付けられた
振動センサには地金付着による影響が無く、残存する冷
鉄源の量に応じた振動が再現性良く検出できるので、溶
解の進捗に従った適切なアークの設定や酸素および炭粉
の吹込が可能となり、溶解効率を向上できる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明によればアーク溶解
炉における装入原料の溶解進捗を評価する方法におい
て、熱源であるアークから発生し炉殻の各部に伝わる振
動をそれぞれ検出するため、炉殻への取付高さが異なる
複数の箇所にそれぞれ振動センサを取付け、この複数の
各振動センサの検出信号をそれぞれ計測手段によって計
測振動レベルに変換し、この複数の各計測振動レベルの
低減推移を比較判断することにより装入原料の溶解進捗
を評価するようにしたので、その結果、アーク溶解工程
で特に重要である溶解後期から精錬期にかけての炉内ス
クラップの残存状況を的確に把握することができ、ショ
ートアークへの切換えや精錬期への移行タイミングを適
正に行うことができる様になり、溶解後期の無駄な電力
が抑制でき電力原単位が低減されると共に炉壁耐火物の
損傷も減らすことができる。

【００２７】また本発明によれば、前記炉殻に取付けら
れた複数の各振動センサの検出信号からアーク固有の特
定周波数帯域の信号のみを取出してそれぞれ計測手段に
よって計測振動レベルに変換し、この特定周波数帯域に
おける複数の各計測振動レベルの低域推移を比較判断す
ることにより装入原料の溶解進捗を評価するようにした
ので、前記計測振動レベルの周波数帯域を制限しない場
合よりも精度の高い評価結果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアーク溶解炉の溶解進捗評価方法を実
施するための構成図である。

【図２】本発明の実施形態１における振動レベルの計測
例を示す図である。

【符号の説明】

１ 振動センサ ２ アンプ ３ フィルタ ４ 振動計測器 ５ 進捗評価装置 ６ 電圧・電流設定装置 ７ 電極昇降制御装置 ８ アーク電流制御装置 ９ チャート表示器 １０ 黒鉛電極 １１ 炉蓋 １２ 炉殻 １３ 炉床 １４ スクラップ １５ アーク １６ スラグ １７ 溶鋼

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷尾 憲 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アーク溶解炉における装入原料の溶解進
   捗を評価する方法において、 熱源であるアークから発生し炉殻の各部に伝わる振動を
   それぞれ検出するため、炉殻への取付高さが異なる複数
   の箇所にそれぞれ振動センサを取付け、この複数の各振
   動センサの検出信号をそれぞれ計測手段によって計測振
   動レベルに変換し、この複数の各計測振動レベルの低減
   推移を比較判断することにより装入原料の溶解進捗を評
   価することを特徴とするアーク溶解炉の溶解進捗評価方
   法。
2. 【請求項２】 前記複数の各振動センサの検出信号から
   アーク固有の特定周波数帯域の信号のみを取出してそれ
   ぞれ計測手段によって計測振動レベルに変換し、この特
   定周波数帯域における複数の各計測振動レベルの低域推
   移を比較判断することにより装入原料の溶解進捗を評価
   することを特徴とする請求項１記載のアーク溶解炉の溶
   解進捗評価方法。