JP2000512733A - 液相の工程中の容積ガス流量を決定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、液相（６）の工程の直接測定にアクセスができないガス容積流量（１０）を決定する方法に関し、この方法では、流入ガス中に既知の濃度で存在するトレーサーガス、および工程に流入するおよび該工程から流出するガス（７、８、９）の既知量の容積ガス流量を、直接測定のためにアクセスできない未知のガス容積流量を決定するために使用し、下記の一連の式（ａ）によって決定する方法に関する。式（ａ）中 ここで、 −流入ガスＮｏ．ｊ中の測定用ガスＮｏ．ｉの濃度（％） −工程に流入するガスＮｏ．ｊの容積流量、 −工程から流出するガス流の容積流量、ここで、上記方法のために、これらの容積ガス流中の測定用ガスの容積ガス流量又は濃度のような適当な数の量が常に測定可能又は決定可能でなければならず、これによって上記の式のシステムが、求められる未知の量について完全に解くことができる。

Description

【発明の詳細な説明】 液相の工程中の容積ガス流量を決定する方法発明の技術分野 本発明は、液相の工程、例えば溶融工程、主として、直接測定のためのアクセ ス（接近）が部分的に又は完全に不可能な鋼製造工業における溶融工程、におけ る容積ガス流量を決定する方法に関する。従来の技術 最近、鋼製造に用いられる電気炉の電気エネルギー消費を低減させるための方 法が知られるようになり、その方法は主として主反応ガスの後燃焼を利用する。 これらの方法で、３０〜４０ｍ³／ｔの比酸素消費率が達成されたが、コンバー ター法における消費率より僅かに低いだけである。従って、炉への熱および材料 の両方の流入を記載するモデルへの要請が生じている。 電気的鋼製造法に関する現状は、炉中の冶金工程をエネルギーおよび質量バラ ンスによって監視および制御できる好都合な工程モデルが欠けていることを明ら かにしている。この欠乏は、該方法が酸素コンバーター内よりも遅くそしてコン バーター法よりも加熱期間中に温度測定および試料採取の機会がずっと多いとい う事実に起因する。工程シグナルに基づいて電気炉内で鋼を製造するための方法 が欠けている。例えば廃ガス分析は殆んど行われず、廃ガス流量の測定も行われ ていない。 容積廃ガス流量の直接測定は、このガスが高温のため、不可能であるか経済的 に用いられない。廃ガス流をゆっくり冷却する選択は容積流量の直接測定を可能 にするであろうが、望ましくなく且つ汚染性のダイオキシンを放出し得るので、 実行可能でない。 電気炉はまた、漏れの結果として、いわゆる侵入空気を引き込むという望まし くない傾向があり、この空気の容積流量は直接測定に役に立たない。 容積ガス流量の測定に関するかかる問題はまた、液相の工程の全範囲にも見ら れ、例えば反応がま処理の領域での金属２次加工、鋼コンバーター、真空処理、 および鉄鋼製造の分野だけでなく、例えばガラス製造の分野での、あらゆる種類 の溶融工程に見られる。発明が解決しようとする課題 従って本発明は、直接測定のためのアクセスが不可能な又は直接測定のための アクセスが困難な液相の工程、主として溶融工程、における容積ガス流量を決定 するための方法を記述する課題に基礎をおく。課題を解決するための手段 上記の課題は、直接測定するためのアクセスが不可能な又は直接測定のために アクセスするのが困難な液相の工程、主として融解工程、に流入するおよび該工 程から流出する容積ガス流量を決定する、下記を特徴とする方法によって解決さ れる： 該工程に流入するガス中に既知の濃度又は測定可能な濃度で存在するかこれら の流入ガスに加えられ、それら自体は該工程の結果として、特に容量又は質量の 減少又は増加に関して、変化しない特定の数の測定用ガス、いわゆるトレーサー 、理想的には、Ｎ₂のような不活性ガス又はヘリウムのような希ガス、 ガス流量が好ましくは測定によって知られている上記工程に流入する又は該工 程から流出する特定の数のガスの容積ガス流、 を、直接測定のためのアクセスが不可能な又はアクセスが困難な、未知の容積ガ ス流量の決定のために使用して、下記の式のシステムによって決定する方法： ここで、 −流入ガスＮｏ．ｊ中の測定用ガスＮｏ．ｉの濃度（％） −工程に流入するガスＮｏ．ｊの容積流量、−工程から流出するガス流の容積流量、 ここで、上記方法のために、これらの容積ガス流中の測定用ガスの容積ガス流 量又は濃度のような適当な数の量が常に測定可能又は決定可能でなければならず 、これによって上記の式のシステムが、求められる未知の量について完全に解く ことができる。 工程に流入又は流出するガス中の測定用ガス（トレーサー）を測定するために 、質量分析器を使用するのが都合がよい。質量分析器の分析精度は、ＣＯおよび ＣＯ₂の赤外線吸収、Ｈ₂の熱伝導度およびＯ₂の常磁性感受性を利用する従来の 方法およびこれらの判定基準を全ての成分に均一に適用する従来法よりも実質的 に高く、そして分析時間が短い。更に、質量分析器のみがアルゴン、ヘリウムお よびチッ素のような不活性ガスを分析できる。質量分析器はまた、測定用ガス（ トレーサー）の濃度を、工程制御に適した間隔で測定することができる。 本発明による方法は、鋼製造の溶融工程に一態様として適用される。 この目的に最も都合のよい鋼製造用溶融工程は、電気炉での工程である。廃ガ スは電気炉のパイプ屈曲部で最も有効に分析される。 本発明による方法の一態様は、電気炉内の溶融工程に、意図した流入物として 、既知の容積流量の容積トン数の酸素を、少なくとも未知の容積流量の、電気炉 の漏れから生じる周囲の空気と共に流し、そして廃ガスを工程から流出させるこ とを特徴とする。前記の空気は侵入空気として知られる。容積トン数の容積流量 は従来の方法で直接測定される。 理想的には２種類のガスが、不活性ガスのチッ素（Ｎ₂）および希ガスのアル ゴン（Ａｒ）の形体で測定用ガス（トレーサー）として使用され、これらのガス は工程に流入するガス中に、即ち、容積トン数の酸素および侵入空気中に、既知 の又は測定可能な濃度で存在するか、或いは上記の流入ガス中に加えられる。こ れらの測定用ガスは、特に容積又は質量の減少又は増加について、工程によって 変化せず、そして、既知の容積流量の加えた容積トン数の酸素と共に使用されて 、下記の式のシステムにより未知の容積ガス流量を決定する； ここで、 − 工程に流入する容積トン数の酸素に含まれるチッ素（Ｎ₂）の濃度（％） − 工程に流入する容積トン数の酸素に含まれるアルゴン（Ａｒ）の濃度（％ ） − 工程に流入する侵入空気に含まれるチッ素（Ｎ₂）の濃度（％） − 工程に流入する侵入空気に含まれるアルゴン（Ａｒ）の濃度（％） − 工程に流入する容積トン数の酸素の容積ガス流量 − 工程に流入する侵入空気の容積ガス流量 − 工程に流入する廃ガスの容積ガス流量 ここで、これらの計算のために、容積トン数の酸素の容積流量、並びに容積ト ン数の酸素および侵入空気から成る容積ガス流中のチッ素（Ｎ₂）およびアルゴ ン（Ａｒ）の濃度、および廃ガスの容積流中のチッ素（Ｎ₂）およびアルゴン（ Ａｒ）の濃度が測定可能又は決定可能でなければならず、これにより上記の式の システムが、求められた未知の量、即ち、侵入空気の容積流量および廃ガスの容 積流量、について完全に解くことができる。このシステムの式の解答は、求める 量について下記の式となる： および 本発明に従う方法の更に別の態様は、下記を特徴とする： ２種類のガス、即ち希ガスのヘリウム（Ｈｅ）および希ガスのアルゴン（Ａｒ ）、が工程に流入するガス中に即ち、容積トン数の酸素および侵入空気中に、既 知の又は測定可能な濃度で測定用ガス（トレーサー）として存在するか、或いは 上記の流入ガス中に加えられ、ここで該トレーサーは、特に容積又は質量の減少 又は増加について、工程の結果、変えられず、そして該トレーサーは、既知の容 積流量の加えた容積トン数の酸素と共に使用されて、下記の式のシステムにより 未知の容積ガス流量を決定する。 ここで、 − 工程に流入する容積トン数の酸素に含まれるヘリウム（Ｈｅ）の濃度（％）− 工程に流入する容積トン数の酸素に含まれるアルゴン（Ａｒ）の濃度（％） − 工程に流入する侵入空気に含まれるヘリウム（ Ｈｅ）の濃度（％） − 工程に流入する侵入空気に含まれるアルゴン（Ａｒ）の濃度（％） − 工程に流入する容積トン数の酸素の容積ガス流量 − 工程に流入する侵入空気の容積ガス流量 − 工程に流入する廃ガスの容積ガス流量 ここで、これらの計算のために、容積トン数の酸素の容積流量、並びに容積ト ン数の酸素および侵入空気から成る容積ガス流中のヘリウム（Ｈｅ）およびアル ゴン（Ａｒ）の濃度、および廃ガスの容積流中のヘリウム（Ｈｅ）およびアルゴ ン（Ａｒ）の濃度が測定可能又は決定可能でなければならず、これにより上記の 式のシステムが、求められた未知の量、即ち、侵入空気の容積流量および廃ガス の容積流量、について完全に解くことができる。このシステムの式の解答は、求 める量について下記のようになる。 および 本発明に従う方法のために、炭素（Ｃ）とチッ素（Ｎ₂）との追加の混合物を 供給するのが都合がよく、ここで該混合物中の炭素（Ｃ）およびチッ素（Ｎ₂） の容積ガス流量および夫々の濃度が既知又は測定可能でなければならず、これら のデータは未知の容積ガス流量を決定するための式中に含められる。 本発明の方法の一実施例は、トンネージ酸素として、その製造方法の結果とし て、すでにあるレベルのアルゴン、ヘリウム及びチッ素ガスを含む混合物を、好 ましくは真空吸収法（例えば、エアリキッド（Air Liquide）社のＶＳＡ又はＶ ＳＰＡ法）によって使用することを特徴としている。そうすればもう添加する必 要がないからである。エアリキッド社からＶＳＡプラントの方法で製造された容 積トン数酸素の容積成分による組成は、例えば次の通りである。 酸素 ９３％ アルゴン ４．５％ チッ素 ２．５％ ヘリウム 約０．００００８％（＝８ｐｐｍ） 更に微量のＨ₂Ｏ、ＣＯ₂及びＣ_n Ｈ_n そのような酸素プラントの操業では、酸素製造法の工程中にある種の測定用ガ ス（トレーサー）が生じるので、それらを加える必要がない。 本発明の方法は、コンバーター法又は鋼製造の後処理に関する液相工程、金属 二次加工として知られる分野、反応がま処理のような被覆操作、真空プラント法 または他の後処理法などにも効果的に適用することができる。本発明の方法の更 に別の実施例は、鋼製造または鋼処理以外の分野に関する液相方法、例えば、特 にガラス製造またはガラス溶融処理の分野からの方法に関することを特徴とする 。 本発明方法の主な利点は、本発明方法によって決定された流入ガス容量を工程 の数学的モデルに挿入することができ、このモデルの助けで工程をより効果的に コントロールすることができることである。 電気炉中の排出ガス流量を決定した後、例えばＣＯＨ₂及び他の成分の流量を 計算することができる。同様に、排出ガス容積流量の知識に基づいて、これらの ガスの完全酸化を達成するのに必要な酸素量を決めることができる。これは従っ て、ＣＯ及びＨ₂の酸化のために常に補給するべき酸素の最適量を決めることを 可能にする。侵入空気の容積流量も、炉の消費エネルギーを最適にすることに関 して非常に重要である。この流量の知識に基づいて、浴の脱炭素量を決定でき、 ＣＯ、ＣＯ₂及びＯ₂の流量を計算して、工程モデル中に挿入することができる。 本発明方法の実施例の更に、主な経費上の利点は、本発明方法に要するすべて の測定ガス（トレーサー）をすでに含有する容積トン数酸素、例えば真空吸収法 による酸素製造法の適用から生じる容積トン数酸素を使用することから生じる。 これに反して、アルゴンやヘリウムのようなトレーサーを後から添加することは 鋼の製造コストが液状鋼のトン当り約２ないし１０マルク（ＤＭ）増加するであ ろう。多くの例でこのようなコストはそのままで重要であり、これは本発明方法 の大きな技術的利点に加えて、重要な経済的利点をも含むことを意味する。 以下の記載で、本発明の実施例を図面を参照して記載する。然し、本発明は特 定の実施例に限定されるものではない。 第１図は、炉のパイプ曲部に排ガスを分析する為の質量分析計のために測定プ ローブを備えた、鋼製造用電気炉の略図を示す。 第２図は、流入ガス及び流出ガスをもつ液相工程の略図を示す。 第３図は、容積トン数酸素流入、特定の組成の侵入ガス流入及び排ガス排出を 備えた電気炉中での鋼製造工程の略図を示す。 第４図は容積トン数酸素流入、別の特定組成の侵入ガス流入及び排ガス排出を もった電気炉中での鋼製造工程の略図を示す。 第５図は、排ガス分析のための質量分析計を備えた鋼処理用コンバーター及び 真空プラントの略図を示す。 第１図は、測定プローブ２、炉のパイプ曲部に排ガス分析のための質量分析計 ４を備えた鋼製造用電気炉１の略図を示す。測定値は質量分析計４に移される前 に先ず測定ガス加工ユニット３で更に測定される為に加工される。質量分析計４ による分析結果は最後にデータ取得及び加工ユニット５にインプットする量を与 え、これは工程コントロールの目的に使用される。 第２図は流入及び流出ガスをもった液相工程６の略図を示す。流入ガス₁（７ ）及び流入ガス₂（８）、ないし流入ガス_m（９）、即ちｍガスのすべてがここで 工程中に流入し、１つの流出ガス１０が工程から流出する。各ガスは特定濃度の ｎの異なる測定ガス（トレーサー）、好ましくはチッ素、ヘリウムまたは類似の 不活性ガスを含有し、これによりこれらの測定ガスは工程６の結果として如何な る変化も受けない。排出ガス容積流量中のこれらトレーサーの濃度の測定が、他 のデータの適切な範囲が知られている場合には、排出ガスの容積流量のような直 接方法では測定することのできない量に関する情報を与えるであろう。この情報 は容積流量のバランスを通して得られ、トレーサー濃度を変える為に工程６の不 能力に関する値を与える。 下記の式のシステムはこのバランスを記載する。 これらの式内で特定量が公知の場合、システムが未知の求めている量に関して 解かれ、従ってこれらの量は間接的に測定され得る。 第３図は第１の流入ガスとして容積トン数酸素流入７、第２の流入ガスとして 侵入空気流入８、及び排ガス流出１０をもった電気炉６中の鋼製造工程の略図を 示す。ここで容積トン数酸素は下記濃度のトレーサーを含有している。 Ａｒ ４．５％ 及び Ｎ₂ ２．５％ 空気もれの結果、炉中に引き込まれた侵入空気に関しては下記のデータを適用 する。 Ａｒ ０．９３６％ 及び Ｎ₂ ７８．１％ この場合には、容積流量バランスの為の式のシステムは下記のように構成される 。 ここで容積トン数酸素の容積流量は直接測定できる。同様に、排ガス容積流量 中のアルゴン及びチッ素（Ｎ₂）の濃度は質量分析計を使用して測定できる。こ の場合では求める量は排ガスの容積流量及び侵入空気の容積流量である。上記の 式に従って、これは次の結果となる。 および 第４図は、第１の流入ガスとして容積トン数酸素流入７、第２の流入ガスとし て侵入空気流入８、及び排ガス流出１０をもつ電気炉６中での鋼製造工程の略図 を示す。ここで容積トン数酸素は下記の濃度のトレーサーを含む Ａｒ ４．５％ 及び Ｈｅ ０．００００８％（＝０．８ｐｐｍ） 炉中に空気もれの結果工程６によって引き込まれる侵入空気の為のデータは下 記の通りである。 Ａｒ ０．９３６％ 及び Ｈｅ ０．０００５２４％（＝５．２４ｐｐｍ） この場合には、容積流量バランスの為の式のシステムは従って下記の通りとな る。〔tech．Sauerstoff（技術酸素）＝容積トン数の酸素〕 〔Falschluft＝侵入空気〕 〔Abgas＝廃ガス又は排出ガス〕 ここで容積トン数酸素の容積流量は直接測定されうる。同様に、排ガスの容積 流中のアルゴンとチッ素（Ｎ₂）の濃度は質量分析計を使用して測定できる。こ の場合求める量は排ガスの容積流量及び侵入空気の容積流量である。上記の式に 従って、これは次の結果となる。 および 第５図は、排ガス分析を行う為の質量分析計４を備えた鋼処理の為のコンバー ター１１及び真空プラント１２の略図を示す。本発明の方法は、例えばコンバー ター１１及び真空プラント１２によって示される如く、いわゆる金属２次加工の 分野で、鋼の後処理工程においてガス容積流量を測定する為にも適している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トレツプシユー，フランク ドイツ連邦共和国 49134 ヴアレンホル スト ゲルトケンシユトラーセ ２ (72)発明者 フアン ヒユレン，ペーター ドイツ連邦共和国 52072 アーヒエン ニツアアレー 97 【要約の続き】 法のために、これらの容積ガス流中の測定用ガスの容積 ガス流量又は濃度のような適当な数の量が常に測定可能 又は決定可能でなければならず、これによって上記の式 のシステムが、求められる未知の量について完全に解く ことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．直接測定するためのアクセスが不可能な又は直接測定のためにアクセスする のが困難な液相の工程、主として融解工程、に流入するおよび該工程から流出 する容積ガス流量を決定する方法において： 該工程に流入するガス中に既知の濃度又は測定可能な濃度で存在するかこれ らの流入ガスに加えられ、それら自体は該工程の結果として、特に容量又は質 量の減少又は増加に関して、変化しない特定の数の測定用ガス、いわゆるトレ ーサー、理想的には、Ｎ₂のような不活性ガス又はヘリウムのような希ガス、 および、 ガス流量が知られている上記工程に流入する又は該工程から流出する特定の 数のガスの容積ガス流、 を、直接測定のためのアクセスが不可能な又はアクセスが困難な、未知の容積 ガス流量の決定のために使用して、下記の式のシステムによって決定する方法 ： ここで、 −流入ガスＮｏ．ｊ中の測定用ガスＮｏ．ｉの濃度（％）、 −工程に流入するガスの容積流量、 −工程から流出するガス流の容積流量、 ここで、上記方法のために、これらの容積ガス流中の測定用ガスの容積ガス 流量又は濃度のような適当な量値が常に測定可能又は決定可能でなければなら ず、これによって上記の式のシステムが、求められる未知の量について完全に 解くことができる。 ２．上記工程に流入する又は該工程がら流出するガス中の測定用ガス（トレーサ ー）を測定するために質量分析器を使用する、請求の範囲１に記載の方法 。 ３．上記液相中の工程が鋼製造用溶融工程である、請求の範囲１又は２に記載の 方法。 ４．上記鋼製造用溶融工程が電気炉内で行われる、請求の範囲３に記載の方法 。 ５．上記ガスが、電気炉内の上記溶融工程中に、既知量の容積トン数の酸素の容 積流量の形体で、意図した流人物として、少なくとも例えば電気炉の漏れから 生じた、侵入ガスとして知られる周囲の空気の未知の容積流量と共に流入し、 そして廃ガスが該工程から流出する、請求の範囲４に記載の方法。 ６．２種類のガス、即ち不活性ガスのチッ素（Ｎ₂）および希ガスのアルゴン （Ａｒ）、が工程に流入するガス中に、即ち、容積トン数の酸素および侵入空 気中に、既知の又は測定可能な濃度で測定用ガス（トレーサー）として存在す るか、或いは上記の流入ガス中に加えられ、ここで該トレーサーは、特に容積 又は質量の減少又は増加について、工程の結果、変えられず、そして該トレー サーは、既知の容槓流量の加えた容槓トン数の酸索と共に使用されて、下記の 式のシステムにより未知の容積ガス流量を決定することを特徴とする、請求の 範囲５に記載の方法： ここで、 − 工程に流入する容積トン数の酸素に含まれるチッ素（Ｎ₂）の濃度（％） − 工程に流入する容積トン数の酸素に含まれるアルゴン（Ａｒ）の濃度（％） − 工程に流入する侵入空気に含まれるチッ素（Ｎ₂ ）の濃度（％） − 工程に流入する侵入空気に含まれるアルゴン（Ａｒ）の濃度（％） − 工程に流入する容積トン数の酸素の容積ガス流量 − 工程に流入する侵入空気の容積ガス流量 − 工程に流入する廃ガスの容積ガス流量 ここで、これらの計算のために、容積トン数の酸素の容積流量、並びに容積 トン数の酸素および侵入空気から成る容積ガス流中のチッ素（Ｎ₂）およびア ルゴン（Ａｒ）の濃度、および廃ガスの容積流中のチッ素（Ｎ₂）およびアル ゴン（Ａｒ）の濃度が測定可能又は決定可能でなければならず、これにより上 記の式のシステムが、求められた未知の量、即ち、侵入空気の容積流量および 廃ガスの容積流量、について完全に解くことができる。 ７．２種類のガス、即ち希ガスのヘリウム（Ｈｅ）および希ガスのアルゴン （Ａｒ）、が工程に流入するガス中に即ち、容積トン数の酸素および侵入空気 中に、既知の又は測定可能な濃度で測定用ガス（トレーサー）として存在する か、或いは上記の流入ガス中に加えられ、ここで該トレーサーは、特に容積又 は質量の減少又は増加について、工程の結果、変えられず、そして該トレーサ ーは、既知の容積流量の加えた容積トン数の酸素と共に使用されて、下記の式 のシステムにより未知の容積ガス流量を決定することを特徴とする、請求の範 囲５に記載の方法： ここで、 − 工程に流入する容積トン数の酸素に含まれるヘリウム（Ｈｅ）の濃度（％） − 工程に流入する容積トン数の酸素に含まれるアルゴン（Ａｒ）の濃度（％） − 工程に流入する侵入空気に含まれるヘリウム（Ｈｅ）の濃度（％） − 工程に流入する侵入空気に含まれるアルゴン（Ａｒ）の濃度（％） − 工程に流入する容積トン数の酸素の容積ガス流量 − 工程に流入する侵入空気の容積ガス流量− 工程に流入する廃ガスの容積ガス流量 ここで、これらの計算のために、容積トン数の酸素の容積流量、並びに容積 トン数の酸素および侵入空気から成る容積ガス流中のヘリウム（Ｈｅ）および アルゴン（Ａｒ）の濃度、および廃ガスの容積流中のヘリウム（Ｈｅ）および アルゴン（Ａｒ）の濃度が測定可能又は決定可能でなければならず、これによ り上記の式のシステムが、求められた未知の量、即ち、侵入空気の容積流量お よび廃ガスの容積流量、について完全に解くことができる。 ８．炭素（Ｃ）およびチッ素（Ｎ₂）の混合物が、本発明に従う方法のために工 程に付加的に供給され、ここで該混合物中の炭素（Ｃ）およびチッ素（Ｎ₂） の容積ガス流量およびそれぞれの濃度が既知又は測定可能でなければならず、 そしてこれらのデータが、未知の容積ガス流量を決定するための式に含められ る、請求の範囲６又は７に記載の方法。 ９．容積トン数の酸素として混合物が使用され、該酸素はその製造方法、好まし くは減圧吸着法（例えばＡｉｒ Ｌｉｑｕｉｄｅ社のＶＳＡ又はＶＳＰＡ法） による方法、の結果、あるレベルの気体状のアルゴン、ヘリウムおよびチッ素 を既に含み、従ってこれらをも早添加する必要がない、請求の範囲６、７又は ８に記載の方法。 １０．液相中の工程が、いわゆる２次の金属加工の領域の鋼製造操作中のコンバ ーター工程又は後処理工程の形体、特に反応がま処理工程又は真空プラント工 程の形体、をとることを特徴とする、請求の範囲１又は２に記載の方法。 １１．液相中の工程が、鋼製造又は鋼処理以外の領域、特に例えばガラス製造又 はガラス溶融処理の分野の工程の形体をとることを特徴とする請求の範囲１又 は２に記載の方法。