JP2004212005A - アーク溶解設備における熱量監視装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】アーク溶解設備において、炉体から排出される排ガスにより持ち去られる出熱量を連続的に且つ精度良く計測して監視する熱量監視装置を提供する。
【解決手段】アーク炉本体１と、排出される排ガス中の未燃焼成分を燃焼する燃焼室１１と、燃焼室から排出される排ガスを冷却する冷却室１３と、を備えた溶解設備における熱量監視装置であって、排ガス中の未燃焼成分が完全に燃焼され更に冷却された後の排ガスの温度２８及び流量２９と、アーク炉本体の周囲雰囲気温度２７とから、冷却された後の排ガスの保有熱量を演算して求め、求めた排ガスの保有熱量と、アーク炉本体の排ガス出口点から排ガスの温度及び流量の計測点までの間における排ガスから冷却水への抜熱量の計測値と、を加算し、この加算値を、アーク炉本体の排ガス出口点における排ガスの持ち去る熱量として定め、この熱量に基づいて排ガスによるアーク炉本体からの出熱量を監視する。
【選択図】 図２
【解決手段】アーク炉本体１と、排出される排ガス中の未燃焼成分を燃焼する燃焼室１１と、燃焼室から排出される排ガスを冷却する冷却室１３と、を備えた溶解設備における熱量監視装置であって、排ガス中の未燃焼成分が完全に燃焼され更に冷却された後の排ガスの温度２８及び流量２９と、アーク炉本体の周囲雰囲気温度２７とから、冷却された後の排ガスの保有熱量を演算して求め、求めた排ガスの保有熱量と、アーク炉本体の排ガス出口点から排ガスの温度及び流量の計測点までの間における排ガスから冷却水への抜熱量の計測値と、を加算し、この加算値を、アーク炉本体の排ガス出口点における排ガスの持ち去る熱量として定め、この熱量に基づいて排ガスによるアーク炉本体からの出熱量を監視する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶鋼などの溶融金属を溶解・製造するアーク溶解設備において、排ガスや冷却水によってアーク炉本体から系外へ持ち去られる出熱量を管理する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄スクラップや還元鉄などを溶解用原材料として溶鋼などの溶融金属を製造するアーク溶解設備では、近年の高生産性を目標とする投入エネルギーの増大に伴って、アーク炉本体の炉壁部分や炉蓋部分を水冷パネルで覆うなどのアーク炉本体を強制的に冷却する構造が一般的に採用されるようになった。又、アーク炉本体から排出されるＣＯなどの未燃焼成分を含む排ガスは、その未燃焼成分が、排ガス処理設備の一環として設けられた燃焼室で完全燃焼された後、後段の集塵装置に支障を来さない温度にまで、燃焼室の後段に配置される冷却室や冷却ダクトなどで冷却されている。これらの燃焼室や冷却室及びダクトも、アーク炉本体と同様に水冷構造が多く用いられている。
【０００３】
アーク溶解設備において効率良く溶解用原材料を溶解するためには、主として電気エネルギーである投入エネルギーを溶解用エネルギーに効率良く変換する必要があり、この熱効率を算出する手段として、非特許文献１が制定されている。
非特許文献１では、アーク炉本体からの出熱量として、溶鋼やスラグが持ち去る熱量以外に、アーク炉本体の冷却水やアーク炉本体から排出される排ガスの持ち去る熱量を計測している。この場合、冷却水による抜熱量は、非特許文献１で規定する方法、即ち冷却水の入口出口での温度差と冷却水流量との積によって容易に求めることができるが、排ガスによる抜熱量は、非特許文献１によれば、排ガス流量及び排ガス温度の計測値のみならず、排ガスの成分（ＣＯ、ＣＯ２ 、Ｏ２ 、Ｎ２ の４成分）の計測値から算出することが規定されており、そのため、排ガスによる抜熱量を、非特許文献１の規定する方法にそって計測することは、短期間・単発的な計測ならば可能であるものの、継続的・連続的の計測は極めて困難である。
【０００４】
この理由は、アーク炉本体の出口である、エルボと呼ばれる水冷ダクトの出口付近における排ガスは、多くのダストを含み且つ高温であるため、継続的に設置して使用に耐えられ、且つ精度良く計測するガス分析装置が存在せず、継続的・連続的に排ガス成分を計測することができないからである。排ガスはＣＯなどの未燃焼成分を多く含んでおり、これらの量が分らないとその保有する熱量を把握することができない。又、排ガスの温度計測及び流量計測についても、排ガスが高温であり且つダストを多く含むため、継続的に設置して使用に耐えられ、且つ精度良く計測する流量計及び温度計が存在しない。
【０００５】
そのため、排ガスによる抜熱量は、やむなく、仮定したＣＯ濃度によって求めるなどの簡便的な方法を用いて算出されており、得られる熱効率は精度が低く、通常操業の継続的・連続的な監視・管理用として適用することはできなかった。
【０００６】
【非特許文献１】
ＪＩＳ−Ｇ０７０３−１９９５「アーク炉の熱勘定方式」
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来、冷却水と並んで大きな出熱要素である排ガスによる出熱量の把握が不完全であったり或いは把握されないため、溶解用原材料の溶解の進行に伴う熱効率の低下を定量的且つ連続的に把握することができないばかりか、バーナー加熱や炭材・酸素吹込みなどの効率の悪い不適切な使用を定量的且つ連続的に把握することができず、そのため、アーク溶解設備において必ずしも効率の良い溶解が行われていたとは云い難い。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、水冷構造の炉壁又は炉蓋を有するアーク炉本体と、水冷構造の燃焼室及び冷却室などの排ガス処理設備とが組み合わされたアーク溶解設備において、特に、アーク炉本体から排出される排ガスによって持ち去られる出熱量を連続的に且つ精度良く計測して監視することが可能な熱量監視装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための第１の発明に係る、アーク溶解設備における熱量監視装置は、アーク炉本体と、アーク炉本体から排出される排ガス中の未燃焼成分を燃焼する燃焼室と、燃焼室から排出される排ガスを冷却する冷却室と、を備えたアーク溶解設備における熱量監視装置であって、排ガス中の未燃焼成分が完全に燃焼され更に冷却された後の排ガスの温度及び流量の計測値と、アーク炉本体の周囲雰囲気温度の計測値とから、冷却された後の排ガスの保有熱量を演算して求め、求めた排ガスの保有熱量と、アーク炉本体の排ガス出口点から排ガスの温度及び流量の計測点までの間における排ガスから冷却水への抜熱量の計測値と、を加算し、この加算値を、アーク炉本体の排ガス出口点における排ガスの持ち去る熱量として定め、この熱量に基づいて排ガスによるアーク炉本体からの出熱量を監視することを特徴とするものである。
【００１０】
第２の発明に係る、アーク溶解設備における熱量監視装置は、第１の発明において、更に、アーク炉本体を冷却する冷却水の入口温度計測値と出口温度計測値との差と、冷却水流量の計測値とから、アーク炉本体を冷却する冷却水の保有熱量の変化量を演算して求め、求めた保有熱量の変化量を、アーク炉本体を冷却する冷却水の持ち去る熱量として定め、この熱量に基づいて冷却水によるアーク炉本体からの出熱量を併せて監視することを特徴とするものである。
【００１１】
第３の発明に係る、アーク溶解設備における熱量監視装置は、第２の発明において、更に、前記排ガスによるアーク炉本体からの出熱量、並びに前記冷却水によるアーク炉本体からの出熱量と、アーク炉本体への入熱量の計測値とを比較対比させ、アーク炉本体における熱効率を求め、当該熱効率を併せて監視することを特徴とするものである。
【００１２】
第４の発明に係る、アーク溶解設備における熱量監視装置は、第３の発明において、前記出熱量が増加した場合、若しくは、前記熱効率が低下した場合には、警報を発することを特徴とするものである。
【００１３】
第５の発明に係る、アーク溶解設備における熱量監視装置は、第３又は第４の発明において、前記出熱量が増加した場合、若しくは、前記熱効率が低下した場合には、アーク炉本体への電力投入レベル、アーク炉本体加熱用バーナーの出力、アーク炉本体への酸素及び炭材の吹込み量のうちの少なくとも１種以上に対して、その設定量の変更指令を発する機能を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る熱量監視装置では、アーク溶解設備で鉄スクラップなどを溶解する際に、アーク炉本体から排出される排ガスの持ち去る熱量（Ｑ１ ）を、排ガス中の未燃焼成分が完全に燃焼され更に冷却された後の排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）と、アーク炉本体の排ガス出口点から排ガスの保有熱量計測点までの間において排ガスが冷却水により冷却され、抜熱された抜熱量（Ｑｗｔ）との加算値（Ｑ１ ＝Ｑｇａｓ ＋Ｑｗｔ）として定める。
【００１５】
この場合に、排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）として、燃焼・冷却後の排ガス温度（Ｔｇａｓ ）及び排ガス流量（Ｒｇａｓ ）と、アーク炉本体の周囲雰囲気温度（Ｔａｉｒ ）とから、温度と流量との積として定まる熱量（Ｑｇａｓ ）、即ち、下記の（１）式によって定まる熱量を、排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）として定義する。尚、（１）式におけるＣｇ は排ガスの比熱である。
【００１６】
【数１】
【００１７】
一方、アーク炉本体の排ガス出口点から排ガスの保有熱量計測点までの間における排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）として、アーク炉本体の排ガス出口点から、排ガスの保有熱量を計測するために設置される温度及び流量の計測点までの範囲に配置される燃焼室、冷却室並びにこれらを結ぶダクトにおける冷却水による抜熱量の総和を、排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）として定義する。具体的には、個々の冷却経路における、供給冷却水温度（Ｔｉｎ）と排出冷却水温度（Ｔｏｕｔ ）との差と、冷却水供給流量（Ｒｗ ）とから、温度差と流量との積として定まる熱量（Ｑｗ ）、即ち、下記の（２）式によって定まる熱量を冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）として求め、求めた冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）の総和を、排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）（Ｑｗｔ＝ΣＱｗ ）として定義する。尚、（２）式におけるＣｗ は冷却水の比熱である。
【００１８】
【数２】
【００１９】
このようにして求めた排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）は、アーク炉本体出口点から排ガスの保有熱量を計測している位置までの区間で、排ガスが失った潜熱及び顕熱に相当する。従って、上記の排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）と、排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）との合計熱量が、排ガスがアーク炉本体出口点において保有していた熱量、即ち排ガスの持ち去る熱量（Ｑ１ ）として算出される。
【００２０】
このように、本発明では燃焼室によって排ガス中の未燃焼成分を完全燃焼させた後に、排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）を求めているので、排ガス中の主要成分であるＣＯについて、ＣＯ／ＣＯ２ 比率などのガス成分を評価する必要がない上に、燃焼室や冷却室で大きなダストが除去され、更に、排ガスの温度は連続計測が可能な温度まで冷却されているので、排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）を算出するための排ガス温度（Ｔｇａｓ ）及び排ガス流量（Ｒｇａｓ ）を、従前の計測手段であっても、継続的に且つ連続的に精度良く計測することができる。この場合、保有熱量（Ｑｇａｓ ）の算出精度を高めるために、排ガスの温度及び流量を計測する計測点においてガス成分を計測して、保有熱量（Ｑｇａｓ ）を算出する際の比熱（Ｃｇ ）を補正してもよい。
【００２１】
又、アーク炉本体を冷却する冷却水の持ち去る熱量（Ｑ２ ）としては、例えば、炉壁や炉蓋などのアーク炉本体を冷却する、全ての冷却水が持ち去る抜熱量を、供給冷却水温度（Ｔｉｎ）と排出冷却水温度（Ｔｏｕｔ ）との差と、冷却水供給流量（Ｒｗ ）とを用いて、前述の（２）式により冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）として求め、求めた冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）の総和を、冷却水の持ち去る熱量（Ｑ２ ）（Ｑ２ ＝ΣＱｗ ）として定義する。
【００２２】
このように、本発明によれば、アーク炉本体内の溶解用原材料やスラグへの入熱以外の出熱量の殆どを占める、アーク炉本体の冷却水による出熱量（＝熱量Ｑ２ ）並びに排ガスによる出熱量（＝熱量Ｑ１ ）を連続的・継続的に且つ精度良く把握することができる。
【００２３】
一方、アーク炉本体への入熱源は、アーク炉本体への投入電力、炉本体加熱用バーナーによる加熱、炉本体への酸素及び炭材の吹込み、及び、炉本体内の金属酸化による発熱であるが、金属酸化を除き何れも定量的に計測可能であり、そして、その占める割合も高いので、これらによる総入熱量（Ｑ３ ）と前述の出熱量（Ｑ１ 及びＱ２ ）とを比較対比することにより、アーク炉本体内の熱効率を評価することができる。その結果、バーナー加熱や酸素及び炭材の吹込みが不適切であったり、又アークの周囲に溶解用原材料がなくなって、熱効率が悪くなった場合には、出熱量が上昇したり、熱効率が低下するので、容易に認識することができ、アークを発生させるための電圧・電流の設定や、バーナーの出力を変更したり、炭材・酸素の吹込み方法を修正するなどして、無駄な出熱を抑制して効率的な溶解・加熱を行うことが可能になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１及び図２は、本発明の実施の形態の１例を示す図であって、図１は、本発明に係る熱量監視装置を適用したアーク溶解設備の全体概略図、図２は、本発明に係る熱量監視装置の構成を示す系統図である。
【００２５】
図１において、アーク炉本体１は、その炉底部分が耐火物で構成され、その炉壁２には炉壁２の全周にわたって水冷パネル３が設けてあり、又、炉壁２の上部に配置された炉蓋４は水冷構造となっており、そして、アーク炉本体１から排出される排ガスは、集塵ファン１６によって吸引され、炉蓋４に取り付けられたエルボと称するダクト９（以下「エルボ９」と記す）、燃焼室１１、更に冷却室１３を経由して、バグフィルター１７で浄化された後、排煙管１８から大気に放散されている。この場合に、エルボ９、エルボ９と燃焼室１１とを連結する水冷ダクト１０、燃焼室１１、燃焼室１１と冷却室１３とを連結する水冷ダクト１２、冷却室１３、及び冷却室１３に接続する水冷ダクト１４は、全て冷却水による水冷構造となっている。
【００２６】
アーク炉本体１には、炉蓋４を貫通して上下移動可能な複数本の電極５が配置されており、炉内に装入される鉄スクラップなどの溶解用原材料６は、電極５に通電することによって電極５の先端に発生するアークにより、加熱されて溶解する。アークを発生するための電圧（「アーク電圧」と呼ぶ）及び電流（「アーク電流」と呼ぶ）は、溶解の進捗に応じて設定値を変更し、調整できるようになっている。尚、電極５は、必ずしも複数本必要ではなく、例えば直流電源を用いた場合のように、１本であってもよい。
【００２７】
又、アーク炉本体１の炉壁２には、バーナー７が設けられ、溶解用原材料６の加熱・溶解を促進することができる。更に、アーク炉本体１の作業口（図示せず）或いは炉壁２には、コークス粉や微粉炭などの炭材と酸素とを吹込むための炭材・酸素吹込ランス８が設置されており、炭材・酸素吹込ランス８から炭材及び酸素を炉内に吹込んで炭材を燃焼させ、炭材の燃焼熱によって溶解用原材料６の加熱・溶解を促進することができる。この場合に、発生するＣＯによって炉内のスラグを泡立たせ（「スラグフォーミング」と呼ぶ）、フォーミングしたスラグで電極先端のアークを包みこむことで、アークの熱効率を高めることができる。
【００２８】
アーク炉本体１から排出される排ガスは、燃焼室１１でＣＯなどの未燃焼成分が完全燃焼され、続く冷却室１３で冷却される。燃焼室１１や冷却室１３では、排ガスの流速を落とすことによって、排ガス中に含まれる比較的大きいダストを除去している。排ガスは、その排出流路である、エルボ９、水冷ダクト１０、水冷ダクト１２及び水冷ダクト１４でも冷却される。水冷ダクト１４以降は、強制冷却を行わない通常の空冷式のダクト１５になっている。
【００２９】
アーク炉本体１を冷却するための冷却水、並びに、水冷ダクト１０から排煙管１８に至るまでの排ガス処理設備を冷却するための冷却水は、貯水池１９に蓄えられており、ポンプ２０で加圧・揚水された冷却水は給水本管２１を経由して、アーク炉本体１では、水冷パネル３、炉蓋４、エルボ９を冷却した後に排水管２２を経由して貯水池１９に戻り、一方、排ガス処理設備では、水冷ダクト１０、燃焼室１１、水冷ダクト１２、冷却室１３、水冷ダクト１４を冷却した後に排水管２３を経由して貯水池１９に戻るようになっている。貯水池１９には、冷却水を冷却するための冷却機（図示せず）が備えられている。
【００３０】
次に、図２に基づき、このようなアーク炉本体１及び排ガス処理設備を備えたアーク溶解設備における本発明に係る熱量監視装置２４の構成を説明する。
【００３１】
本発明に係る熱量監視装置２４では、アーク炉本体１から排出される排ガスの持ち去る熱量（Ｑ１ ）を排ガスの温度及び流量に基づいて演算し、又、アーク炉本体１を冷却する冷却水の持ち去る熱量（Ｑ２ ）を冷却水の温度及び流量に基づいて演算するため、排ガス及び冷却水の流路には、測温計及び流量計が設置されている。
【００３２】
即ち、排ガスの流路には、冷却室１３の出口のほぼ同一個所に、排ガスの温度を計測するための熱電対２８と、排ガスの流量を計測するためのピトー管式流量計２９とが設置されている。熱電対２８は保護管内に挿入されており、ピトー管式流量計２９はダストに対するパージ機能を有するものである。又、アーク炉本体１の周囲には、排ガスの入り側の温度となる、炉本体の周囲雰囲気温度を計測するための熱電対２７が、アーク炉本体１の熱を受けない位置に設置されている。これらの計測値は熱量監視装置２４に入力されている。
【００３３】
尚、排ガス流量については、上記排ガス温度計測点以降において系外からの外気の流入がないならば、排ガス処理設備の更に後段で排ガス温度と流量とを計測し、上記温度計測点における流量に換算して使用してもよいし、又、簡易的に集塵ファン１６の回転数や負荷から特性に基づいて算出した流量を用いてもよい。
【００３４】
一方、水冷パネル３、炉蓋４、エルボ９、水冷ダクト１０、燃焼室１１、水冷ダクト１２、冷却室１３、水冷ダクト１４の各冷却水流路には、それぞれ、その入口側に供給冷却水温度を計測するための測温抵抗体温度計３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７が設けられ、その出口側に、排出冷却水温度を計測するための測温抵抗体温度計３８，３９，４０，４１，４２，４３，４４，４５、並びに、冷却水供給流量を計測するためのオリフィス流量計４６，４７，４８，４９，５０，５１，５２，５３が設けられており、それぞれの計測値は、熱量監視装置２４に入力されている。尚、供給冷却水の温度を計測するための測温抵抗体温度計は、図２のように、それぞれの冷却水流路に全て配置する必要はなく、例えば測温抵抗体温度計３０の測定値を代表して使用してもよく、又、給水本管２１に一個所測温抵抗体温度計を配置し、その測定値を代表して使用してもよい。
【００３５】
本発明に係る熱量監視装置２４では、前述したように、アーク炉本体１から排出される排ガスの持ち去る熱量（Ｑ１ ）を、排ガス中の未燃焼成分が完全に燃焼され更に冷却された後の排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）と、アーク炉本体１の排ガス出口点即ちエルボ９の出口から排ガスの保有熱量計測点までの間における排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）と、の加算値として定めており、本実施の形態における排ガスの保有熱量計測点は、熱電対２８及びピトー管式流量計２９が設置されている、冷却室１３の出口となる。
【００３６】
熱量監視装置２４は、入力された、熱電対２８によって計測された排ガス温度（Ｔｇａｓ ）、ピトー管式流量計２９によって計測された排ガス流量（Ｒｇａｓ ）、熱電対２７によって計測された周囲雰囲気温度（Ｔａｉｒ ）を用いて、前述した（１）式に基づいて排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）を算出する。
【００３７】
又、熱量監視装置２４は、入力された、水冷ダクト１０、燃焼室１１、水冷ダクト１２、冷却室１３の各冷却水流路で計測された供給冷却水温度（Ｔｉｎ）、排出冷却水温度（Ｔｏｕｔ ）、冷却水供給流量（Ｒｗ ）を用いて、前述した（２）式に基づいて各冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）を求め、各冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）の総和を、排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）として算出する。求めた排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）と、排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）とを加算して、アーク炉本体１から排出される排ガスの持ち去る熱量（Ｑ１ ）を決定する。この数値は、排ガスによるアーク炉本体１からの出熱量として、熱量監視装置２４で監視されると共に、表示器２６に送信されて表示される。尚、熱電対２８及びピトー管式流量計２９が、水冷ダクト１４の出口に設置された場合には、水冷ダクト１４における抜熱量を含めて、排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）を算出する必要がある。
【００３８】
同様に、熱量監視装置２４は、入力された、水冷パネル３、炉蓋４、エルボ９の各冷却水流路で計測された供給冷却水温度（Ｔｉｎ）、排出冷却水温度（Ｔｏｕｔ ）、冷却水供給流量（Ｒｗ ）を用いて、前述した（２）式に基づいて各冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）を求め、各冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）の総和をアーク炉本体１から冷却水の持ち去る熱量（Ｑ２ ）として算出する。この数値は、冷却水によるアーク炉本体１からの出熱量として、熱量監視装置２４で監視されると共に、表示器２６に送信されて表示される。
【００３９】
尚、冷却室１３において水スプレーなどを用いて排ガスを直接冷却する場合には、水蒸気による熱量補正を行うか、或いは、排出される水スプレー水の温度及び流量から熱量補正を行う必要がある。この熱量補正は煩雑であり、この補正を回避するために、冷却室１３では水スプレーによる直接冷却を避け、間接冷却とすることが好ましい。
【００４０】
一方、熱量監視装置２４には、アーク炉本体１の入力を制御する入熱制御装置２５から、アーク電圧やアーク電流などの電極５における投入電力、バーナー７における酸素使用量や燃料使用量、更には、炭材・酸素吹込ランス８から吹込まれる酸素及び炭材の吹込み量などが入力されており、熱量監視装置２４は、これらの入力値に基づいて総入熱量（Ｑ３ ）を演算すると共に、算出した排ガスによるアーク炉本体１からの出熱量（＝熱量Ｑ１ ）及び冷却水によるアーク炉本体１からの出熱量（＝熱量Ｑ２ ）と総入熱量（Ｑ３ ）とを対比させて、アーク炉本体１における熱効率を演算する。演算された熱効率は、熱量監視装置２４で監視されると共に、表示器２６に送信されて表示される。総入熱量（Ｑ３ ）に対する、排ガスによる出熱量（＝熱量Ｑ１ ）及び冷却水による出熱量（＝熱量Ｑ２ ）の占める比率が高い場合には、溶解用原材料６への着熱が少なく、熱効率が悪い状態と判定することができる。尚、熱効率は、総入熱量（Ｑ３ ）からガスによる出熱量（＝熱量Ｑ１ ）及び冷却水による出熱量（＝熱量Ｑ２ ）を減算し、減算された値の総入熱量（Ｑ３ ）に対する比率（（Ｑ３ −Ｑ１ −Ｑ２ ）／Ｑ３ ）として求めることができる。
【００４１】
熱量監視装置２４及び表示器２６では、排ガスによる出熱量（＝熱量Ｑ１ ）、冷却水による出熱量（＝熱量Ｑ２ ）及び熱効率を定量的に数値で表示すると共に、時系列的にトレンドとして表示しており、その変化が分るようになっている。そして、所定の閾値を設けて設定することで、閾値を超えると警報を発報し、操作員に出熱量が過大であること或いは熱効率が低下したことを知らせるようになっている。又、表示器２６にはアーク電圧、アーク電流、電力、及びバーナー７の使用状況、炭材・酸素の吹込み状況も表示されるようになっている。
【００４２】
そのため、操作員は、出熱量のトレンドを見て、出熱量が増加傾向にある場合には、アークが適切にスラグで包み込まれているか否かを確認したり、炭材や酸素の吹込み方向や流量バランスの適切さを確認することが可能であり、又、出熱量が高くなっているのにバーナー７を使用している場合には、使用しているバーナー７に対して出力を絞ったり停止させたりすることが可能であり、出熱量を低下させることができる。
【００４３】
同様に、熱効率が低下傾向にある場合や低下した場合も、出熱量が過大になった場合と同様の処置により対処して、熱効率を向上させることができる。又、入熱量のバランスやパラメータ（電圧と電流の比など）を変更した場合に、熱効率がどのように変化するかを定量的に把握できるので、どの要素が熱効率の低下を招いているかを確かめることが可能となり、操業途中に最適な操業に修正することができる。
【００４４】
又、熱量監視装置２４には、操作員が熱量監視装置２４から離れて炉前作業に出なくてはならない場合などに出熱量が閾値を超えた場合に、入熱制御装置２５にフィードバックさせ、自動的に、バーナー７の出力を低下させる或いは停止させたり、アーク電圧を下げてショートアークにしたりして、設定量を変更させ、着熱効率の低下を防ぐような機能が付加されている。
【００４５】
更に、熱量監視装置２４は、入熱要素であるアーク電圧、アーク電流、電力、及びバーナー７の出力、炭材・酸素の吹込み量をデーターとして保存しておくことができる機能を備えている。そのため、過去の入熱、出熱データを呼び出して、どの時期に熱効率が下がるのか、又、その場合にどの入熱要素との関連が強いのかを、オフラインで分析することができるので、どのような操業にも共通する大きな操業パターンの最適化が可能となる。更に、操業パターン（アーク電圧、アーク電流、電力、バーナー出力、酸素及び炭材吹込み量など）を意図的に変更して、熱効率に及ぼす影響を操業中の各時期について評価することができるので、各時期に最も重要な要素を抽出して最適化することができる。
【００４６】
以上説明したように、本発明に係る熱量監視装置２４によれば、排ガス中の未燃焼成分が燃焼され且つ冷却されて、継続的な計測に問題のない温度になった以降の排ガスの温度及び流量の計測値から求まる保有熱量（Ｑｇａｓ ）と、この温度及び流量の計測点までに排ガスが冷却水に奪われた抜熱量（Ｑｗｔ）とに基づいて、排ガスよるアーク炉本体１からの出熱量（＝熱量Ｑ１ ）を算出するので、何れの計測も従前の計測手段によって長期間にわたって連続的に且つ精度良く計測することができるため、排ガスによるアーク炉本体１からの出熱量（＝熱量Ｑ１ ）を長期間、精度良く把握し、監視することが可能となる。
【００４７】
このようにして得られる排ガスよる出熱量（＝熱量Ｑ１ ）と、アーク炉本体１の冷却水による出熱量（＝熱量Ｑ２ ）とから、アーク炉本体１内の溶解用原材料６やスラグへの入熱以外の出熱量の殆どを占める出熱量を、連続的・継続的に且つ精度良く把握することができるため、アーク炉本体１における熱効率を常時定量的に把握することが可能となる。
【００４８】
その結果、（１）：熱効率が低下した場合には、アーク電圧・アーク電流の設定量を変更してアーク長さを短くしたり、炭材を吹込んでスラグを泡立たせ、アークを包むスラグフォーミングを強化したりして、着熱効率を向上させる手段を採ることができる、（２）：溶解用原材料６が溶け落ちて炉内空間中に無駄に吹いている状態となったバーナー７がある場合には、排ガスによる出熱量が増加するため、バーナー７が有効に溶解用原材料６に熱を与えているかを評価することが可能となり、無駄に吹かれているバーナー７を停止する判断を行うことができる、（３）：炭材の吹込み方向や吹込み量が適切でない場合には、溶解用原材料６に着熱されずに、排ガス中に未燃焼成分として排出されるので、排ガスによる出熱量の増加となって現れるため、炭材の吹込み方向を修正したり吹込み量を調整したりすることによって、熱効率の低下を抑制することができる、（４）：アーク電圧及びアーク電流の設定量やバーナー７の出力・使用時期、酸素及び炭材の吹込み時期や吹込み量を変更して、熱効率がどのように変わるかを評価することにより、最適な使用パターンや量を定量的に把握することができるので、最適な入熱パターンを確立することができる、等々の有効な付随的効果が発生する。
【００４９】
そのため、熱効率を把握しつつ溶解操業ができるので、熱効率の高い時期に投入エネルギーを増加させて生産性を向上させたり、熱効率の悪い時期にはアークを短くしたり又アークをスラグで包んだりしてアーク熱の着熱効率を増加させたり、或いは、無駄な燃料の投入を防いだり、更には、適切なタイミングで投入することによって迅速な溶解・加熱を実現することが可能であるという優れた効果がもたらされる。従来、溶解途中での瞬時瞬時の熱効率の指標がなく、ダイナミックにエネルギー投入の最適化を行うことはできなかったが、本発明によりこれが可能となる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る熱量監視装置によれば、排ガス中の未燃焼成分が燃焼され且つ冷却されて、継続的な計測に問題のない温度になった以降の排ガスの温度及び流量の計測値から求まる保有熱量と、この温度及び流量の計測点までに排ガスが奪われた抜熱量とに基づいて、排ガスよるアーク炉本体からの出熱量を算出するので、何れの計測も長期間にわたって連続的に且つ精度良く計測することができるため、排ガスによるアーク炉本体からの出熱量を長期間、精度良く把握し、監視することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例を示す図であって、本発明に係る熱量監視装置を適用したアーク溶解設備の全体概略図である。
【図２】本発明の実施の形態の１例を示す図であって、本発明に係る熱量監視装置の構成を示す系統図である。
【符号の説明】
１ アーク炉本体
２ 炉壁
３ 水冷パネル
４ 炉蓋
５ 電極
６ 溶解用原材料
７ バーナー
８ 炭材・酸素吹込ランス
９ エルボ
１０ 水冷ダクト
１１ 燃焼室
１２ 水冷ダクト
１３ 冷却室
１４ 水冷ダクト
１５ ダクト
１６ 集塵ファン
１７ バグフィルター
１８ 排煙管
１９ 貯水池
２０ ポンプ
２１ 給水本管
２２ 排水管
２３ 排水管
２４ 熱量監視装置
２５ 入熱制御装置
２６ 表示器
２７ 熱電対
２８ 熱電対
２９ ピトー管式流量計
３０〜４５ 測温抵抗体温度計
４６〜５３ オリフィス流量計
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶鋼などの溶融金属を溶解・製造するアーク溶解設備において、排ガスや冷却水によってアーク炉本体から系外へ持ち去られる出熱量を管理する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄スクラップや還元鉄などを溶解用原材料として溶鋼などの溶融金属を製造するアーク溶解設備では、近年の高生産性を目標とする投入エネルギーの増大に伴って、アーク炉本体の炉壁部分や炉蓋部分を水冷パネルで覆うなどのアーク炉本体を強制的に冷却する構造が一般的に採用されるようになった。又、アーク炉本体から排出されるＣＯなどの未燃焼成分を含む排ガスは、その未燃焼成分が、排ガス処理設備の一環として設けられた燃焼室で完全燃焼された後、後段の集塵装置に支障を来さない温度にまで、燃焼室の後段に配置される冷却室や冷却ダクトなどで冷却されている。これらの燃焼室や冷却室及びダクトも、アーク炉本体と同様に水冷構造が多く用いられている。
【０００３】
アーク溶解設備において効率良く溶解用原材料を溶解するためには、主として電気エネルギーである投入エネルギーを溶解用エネルギーに効率良く変換する必要があり、この熱効率を算出する手段として、非特許文献１が制定されている。
非特許文献１では、アーク炉本体からの出熱量として、溶鋼やスラグが持ち去る熱量以外に、アーク炉本体の冷却水やアーク炉本体から排出される排ガスの持ち去る熱量を計測している。この場合、冷却水による抜熱量は、非特許文献１で規定する方法、即ち冷却水の入口出口での温度差と冷却水流量との積によって容易に求めることができるが、排ガスによる抜熱量は、非特許文献１によれば、排ガス流量及び排ガス温度の計測値のみならず、排ガスの成分（ＣＯ、ＣＯ２ 、Ｏ２ 、Ｎ２ の４成分）の計測値から算出することが規定されており、そのため、排ガスによる抜熱量を、非特許文献１の規定する方法にそって計測することは、短期間・単発的な計測ならば可能であるものの、継続的・連続的の計測は極めて困難である。
【０００４】
この理由は、アーク炉本体の出口である、エルボと呼ばれる水冷ダクトの出口付近における排ガスは、多くのダストを含み且つ高温であるため、継続的に設置して使用に耐えられ、且つ精度良く計測するガス分析装置が存在せず、継続的・連続的に排ガス成分を計測することができないからである。排ガスはＣＯなどの未燃焼成分を多く含んでおり、これらの量が分らないとその保有する熱量を把握することができない。又、排ガスの温度計測及び流量計測についても、排ガスが高温であり且つダストを多く含むため、継続的に設置して使用に耐えられ、且つ精度良く計測する流量計及び温度計が存在しない。
【０００５】
そのため、排ガスによる抜熱量は、やむなく、仮定したＣＯ濃度によって求めるなどの簡便的な方法を用いて算出されており、得られる熱効率は精度が低く、通常操業の継続的・連続的な監視・管理用として適用することはできなかった。
【０００６】
【非特許文献１】
ＪＩＳ−Ｇ０７０３−１９９５「アーク炉の熱勘定方式」
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来、冷却水と並んで大きな出熱要素である排ガスによる出熱量の把握が不完全であったり或いは把握されないため、溶解用原材料の溶解の進行に伴う熱効率の低下を定量的且つ連続的に把握することができないばかりか、バーナー加熱や炭材・酸素吹込みなどの効率の悪い不適切な使用を定量的且つ連続的に把握することができず、そのため、アーク溶解設備において必ずしも効率の良い溶解が行われていたとは云い難い。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、水冷構造の炉壁又は炉蓋を有するアーク炉本体と、水冷構造の燃焼室及び冷却室などの排ガス処理設備とが組み合わされたアーク溶解設備において、特に、アーク炉本体から排出される排ガスによって持ち去られる出熱量を連続的に且つ精度良く計測して監視することが可能な熱量監視装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための第１の発明に係る、アーク溶解設備における熱量監視装置は、アーク炉本体と、アーク炉本体から排出される排ガス中の未燃焼成分を燃焼する燃焼室と、燃焼室から排出される排ガスを冷却する冷却室と、を備えたアーク溶解設備における熱量監視装置であって、排ガス中の未燃焼成分が完全に燃焼され更に冷却された後の排ガスの温度及び流量の計測値と、アーク炉本体の周囲雰囲気温度の計測値とから、冷却された後の排ガスの保有熱量を演算して求め、求めた排ガスの保有熱量と、アーク炉本体の排ガス出口点から排ガスの温度及び流量の計測点までの間における排ガスから冷却水への抜熱量の計測値と、を加算し、この加算値を、アーク炉本体の排ガス出口点における排ガスの持ち去る熱量として定め、この熱量に基づいて排ガスによるアーク炉本体からの出熱量を監視することを特徴とするものである。
【００１０】
第２の発明に係る、アーク溶解設備における熱量監視装置は、第１の発明において、更に、アーク炉本体を冷却する冷却水の入口温度計測値と出口温度計測値との差と、冷却水流量の計測値とから、アーク炉本体を冷却する冷却水の保有熱量の変化量を演算して求め、求めた保有熱量の変化量を、アーク炉本体を冷却する冷却水の持ち去る熱量として定め、この熱量に基づいて冷却水によるアーク炉本体からの出熱量を併せて監視することを特徴とするものである。
【００１１】
第３の発明に係る、アーク溶解設備における熱量監視装置は、第２の発明において、更に、前記排ガスによるアーク炉本体からの出熱量、並びに前記冷却水によるアーク炉本体からの出熱量と、アーク炉本体への入熱量の計測値とを比較対比させ、アーク炉本体における熱効率を求め、当該熱効率を併せて監視することを特徴とするものである。
【００１２】
第４の発明に係る、アーク溶解設備における熱量監視装置は、第３の発明において、前記出熱量が増加した場合、若しくは、前記熱効率が低下した場合には、警報を発することを特徴とするものである。
【００１３】
第５の発明に係る、アーク溶解設備における熱量監視装置は、第３又は第４の発明において、前記出熱量が増加した場合、若しくは、前記熱効率が低下した場合には、アーク炉本体への電力投入レベル、アーク炉本体加熱用バーナーの出力、アーク炉本体への酸素及び炭材の吹込み量のうちの少なくとも１種以上に対して、その設定量の変更指令を発する機能を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る熱量監視装置では、アーク溶解設備で鉄スクラップなどを溶解する際に、アーク炉本体から排出される排ガスの持ち去る熱量（Ｑ１ ）を、排ガス中の未燃焼成分が完全に燃焼され更に冷却された後の排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）と、アーク炉本体の排ガス出口点から排ガスの保有熱量計測点までの間において排ガスが冷却水により冷却され、抜熱された抜熱量（Ｑｗｔ）との加算値（Ｑ１ ＝Ｑｇａｓ ＋Ｑｗｔ）として定める。
【００１５】
この場合に、排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）として、燃焼・冷却後の排ガス温度（Ｔｇａｓ ）及び排ガス流量（Ｒｇａｓ ）と、アーク炉本体の周囲雰囲気温度（Ｔａｉｒ ）とから、温度と流量との積として定まる熱量（Ｑｇａｓ ）、即ち、下記の（１）式によって定まる熱量を、排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）として定義する。尚、（１）式におけるＣｇ は排ガスの比熱である。
【００１６】
【数１】
一方、アーク炉本体の排ガス出口点から排ガスの保有熱量計測点までの間における排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）として、アーク炉本体の排ガス出口点から、排ガスの保有熱量を計測するために設置される温度及び流量の計測点までの範囲に配置される燃焼室、冷却室並びにこれらを結ぶダクトにおける冷却水による抜熱量の総和を、排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）として定義する。具体的には、個々の冷却経路における、供給冷却水温度（Ｔｉｎ）と排出冷却水温度（Ｔｏｕｔ ）との差と、冷却水供給流量（Ｒｗ ）とから、温度差と流量との積として定まる熱量（Ｑｗ ）、即ち、下記の（２）式によって定まる熱量を冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）として求め、求めた冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）の総和を、排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）（Ｑｗｔ＝ΣＱｗ ）として定義する。尚、（２）式におけるＣｗ は冷却水の比熱である。
【００１８】
【数２】
このようにして求めた排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）は、アーク炉本体出口点から排ガスの保有熱量を計測している位置までの区間で、排ガスが失った潜熱及び顕熱に相当する。従って、上記の排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）と、排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）との合計熱量が、排ガスがアーク炉本体出口点において保有していた熱量、即ち排ガスの持ち去る熱量（Ｑ１ ）として算出される。
【００２０】
このように、本発明では燃焼室によって排ガス中の未燃焼成分を完全燃焼させた後に、排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）を求めているので、排ガス中の主要成分であるＣＯについて、ＣＯ／ＣＯ２ 比率などのガス成分を評価する必要がない上に、燃焼室や冷却室で大きなダストが除去され、更に、排ガスの温度は連続計測が可能な温度まで冷却されているので、排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）を算出するための排ガス温度（Ｔｇａｓ ）及び排ガス流量（Ｒｇａｓ ）を、従前の計測手段であっても、継続的に且つ連続的に精度良く計測することができる。この場合、保有熱量（Ｑｇａｓ ）の算出精度を高めるために、排ガスの温度及び流量を計測する計測点においてガス成分を計測して、保有熱量（Ｑｇａｓ ）を算出する際の比熱（Ｃｇ ）を補正してもよい。
【００２１】
又、アーク炉本体を冷却する冷却水の持ち去る熱量（Ｑ２ ）としては、例えば、炉壁や炉蓋などのアーク炉本体を冷却する、全ての冷却水が持ち去る抜熱量を、供給冷却水温度（Ｔｉｎ）と排出冷却水温度（Ｔｏｕｔ ）との差と、冷却水供給流量（Ｒｗ ）とを用いて、前述の（２）式により冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）として求め、求めた冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）の総和を、冷却水の持ち去る熱量（Ｑ２ ）（Ｑ２ ＝ΣＱｗ ）として定義する。
【００２２】
このように、本発明によれば、アーク炉本体内の溶解用原材料やスラグへの入熱以外の出熱量の殆どを占める、アーク炉本体の冷却水による出熱量（＝熱量Ｑ２ ）並びに排ガスによる出熱量（＝熱量Ｑ１ ）を連続的・継続的に且つ精度良く把握することができる。
【００２３】
一方、アーク炉本体への入熱源は、アーク炉本体への投入電力、炉本体加熱用バーナーによる加熱、炉本体への酸素及び炭材の吹込み、及び、炉本体内の金属酸化による発熱であるが、金属酸化を除き何れも定量的に計測可能であり、そして、その占める割合も高いので、これらによる総入熱量（Ｑ３ ）と前述の出熱量（Ｑ１ 及びＱ２ ）とを比較対比することにより、アーク炉本体内の熱効率を評価することができる。その結果、バーナー加熱や酸素及び炭材の吹込みが不適切であったり、又アークの周囲に溶解用原材料がなくなって、熱効率が悪くなった場合には、出熱量が上昇したり、熱効率が低下するので、容易に認識することができ、アークを発生させるための電圧・電流の設定や、バーナーの出力を変更したり、炭材・酸素の吹込み方法を修正するなどして、無駄な出熱を抑制して効率的な溶解・加熱を行うことが可能になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１及び図２は、本発明の実施の形態の１例を示す図であって、図１は、本発明に係る熱量監視装置を適用したアーク溶解設備の全体概略図、図２は、本発明に係る熱量監視装置の構成を示す系統図である。
【００２５】
図１において、アーク炉本体１は、その炉底部分が耐火物で構成され、その炉壁２には炉壁２の全周にわたって水冷パネル３が設けてあり、又、炉壁２の上部に配置された炉蓋４は水冷構造となっており、そして、アーク炉本体１から排出される排ガスは、集塵ファン１６によって吸引され、炉蓋４に取り付けられたエルボと称するダクト９（以下「エルボ９」と記す）、燃焼室１１、更に冷却室１３を経由して、バグフィルター１７で浄化された後、排煙管１８から大気に放散されている。この場合に、エルボ９、エルボ９と燃焼室１１とを連結する水冷ダクト１０、燃焼室１１、燃焼室１１と冷却室１３とを連結する水冷ダクト１２、冷却室１３、及び冷却室１３に接続する水冷ダクト１４は、全て冷却水による水冷構造となっている。
【００２６】
アーク炉本体１には、炉蓋４を貫通して上下移動可能な複数本の電極５が配置されており、炉内に装入される鉄スクラップなどの溶解用原材料６は、電極５に通電することによって電極５の先端に発生するアークにより、加熱されて溶解する。アークを発生するための電圧（「アーク電圧」と呼ぶ）及び電流（「アーク電流」と呼ぶ）は、溶解の進捗に応じて設定値を変更し、調整できるようになっている。尚、電極５は、必ずしも複数本必要ではなく、例えば直流電源を用いた場合のように、１本であってもよい。
【００２７】
又、アーク炉本体１の炉壁２には、バーナー７が設けられ、溶解用原材料６の加熱・溶解を促進することができる。更に、アーク炉本体１の作業口（図示せず）或いは炉壁２には、コークス粉や微粉炭などの炭材と酸素とを吹込むための炭材・酸素吹込ランス８が設置されており、炭材・酸素吹込ランス８から炭材及び酸素を炉内に吹込んで炭材を燃焼させ、炭材の燃焼熱によって溶解用原材料６の加熱・溶解を促進することができる。この場合に、発生するＣＯによって炉内のスラグを泡立たせ（「スラグフォーミング」と呼ぶ）、フォーミングしたスラグで電極先端のアークを包みこむことで、アークの熱効率を高めることができる。
【００２８】
アーク炉本体１から排出される排ガスは、燃焼室１１でＣＯなどの未燃焼成分が完全燃焼され、続く冷却室１３で冷却される。燃焼室１１や冷却室１３では、排ガスの流速を落とすことによって、排ガス中に含まれる比較的大きいダストを除去している。排ガスは、その排出流路である、エルボ９、水冷ダクト１０、水冷ダクト１２及び水冷ダクト１４でも冷却される。水冷ダクト１４以降は、強制冷却を行わない通常の空冷式のダクト１５になっている。
【００２９】
アーク炉本体１を冷却するための冷却水、並びに、水冷ダクト１０から排煙管１８に至るまでの排ガス処理設備を冷却するための冷却水は、貯水池１９に蓄えられており、ポンプ２０で加圧・揚水された冷却水は給水本管２１を経由して、アーク炉本体１では、水冷パネル３、炉蓋４、エルボ９を冷却した後に排水管２２を経由して貯水池１９に戻り、一方、排ガス処理設備では、水冷ダクト１０、燃焼室１１、水冷ダクト１２、冷却室１３、水冷ダクト１４を冷却した後に排水管２３を経由して貯水池１９に戻るようになっている。貯水池１９には、冷却水を冷却するための冷却機（図示せず）が備えられている。
【００３０】
次に、図２に基づき、このようなアーク炉本体１及び排ガス処理設備を備えたアーク溶解設備における本発明に係る熱量監視装置２４の構成を説明する。
【００３１】
本発明に係る熱量監視装置２４では、アーク炉本体１から排出される排ガスの持ち去る熱量（Ｑ１ ）を排ガスの温度及び流量に基づいて演算し、又、アーク炉本体１を冷却する冷却水の持ち去る熱量（Ｑ２ ）を冷却水の温度及び流量に基づいて演算するため、排ガス及び冷却水の流路には、測温計及び流量計が設置されている。
【００３２】
即ち、排ガスの流路には、冷却室１３の出口のほぼ同一個所に、排ガスの温度を計測するための熱電対２８と、排ガスの流量を計測するためのピトー管式流量計２９とが設置されている。熱電対２８は保護管内に挿入されており、ピトー管式流量計２９はダストに対するパージ機能を有するものである。又、アーク炉本体１の周囲には、排ガスの入り側の温度となる、炉本体の周囲雰囲気温度を計測するための熱電対２７が、アーク炉本体１の熱を受けない位置に設置されている。これらの計測値は熱量監視装置２４に入力されている。
【００３３】
尚、排ガス流量については、上記排ガス温度計測点以降において系外からの外気の流入がないならば、排ガス処理設備の更に後段で排ガス温度と流量とを計測し、上記温度計測点における流量に換算して使用してもよいし、又、簡易的に集塵ファン１６の回転数や負荷から特性に基づいて算出した流量を用いてもよい。
【００３４】
一方、水冷パネル３、炉蓋４、エルボ９、水冷ダクト１０、燃焼室１１、水冷ダクト１２、冷却室１３、水冷ダクト１４の各冷却水流路には、それぞれ、その入口側に供給冷却水温度を計測するための測温抵抗体温度計３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７が設けられ、その出口側に、排出冷却水温度を計測するための測温抵抗体温度計３８，３９，４０，４１，４２，４３，４４，４５、並びに、冷却水供給流量を計測するためのオリフィス流量計４６，４７，４８，４９，５０，５１，５２，５３が設けられており、それぞれの計測値は、熱量監視装置２４に入力されている。尚、供給冷却水の温度を計測するための測温抵抗体温度計は、図２のように、それぞれの冷却水流路に全て配置する必要はなく、例えば測温抵抗体温度計３０の測定値を代表して使用してもよく、又、給水本管２１に一個所測温抵抗体温度計を配置し、その測定値を代表して使用してもよい。
【００３５】
本発明に係る熱量監視装置２４では、前述したように、アーク炉本体１から排出される排ガスの持ち去る熱量（Ｑ１ ）を、排ガス中の未燃焼成分が完全に燃焼され更に冷却された後の排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）と、アーク炉本体１の排ガス出口点即ちエルボ９の出口から排ガスの保有熱量計測点までの間における排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）と、の加算値として定めており、本実施の形態における排ガスの保有熱量計測点は、熱電対２８及びピトー管式流量計２９が設置されている、冷却室１３の出口となる。
【００３６】
熱量監視装置２４は、入力された、熱電対２８によって計測された排ガス温度（Ｔｇａｓ ）、ピトー管式流量計２９によって計測された排ガス流量（Ｒｇａｓ ）、熱電対２７によって計測された周囲雰囲気温度（Ｔａｉｒ ）を用いて、前述した（１）式に基づいて排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）を算出する。
【００３７】
又、熱量監視装置２４は、入力された、水冷ダクト１０、燃焼室１１、水冷ダクト１２、冷却室１３の各冷却水流路で計測された供給冷却水温度（Ｔｉｎ）、排出冷却水温度（Ｔｏｕｔ ）、冷却水供給流量（Ｒｗ ）を用いて、前述した（２）式に基づいて各冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）を求め、各冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）の総和を、排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）として算出する。求めた排ガスの保有熱量（Ｑｇａｓ ）と、排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）とを加算して、アーク炉本体１から排出される排ガスの持ち去る熱量（Ｑ１ ）を決定する。この数値は、排ガスによるアーク炉本体１からの出熱量として、熱量監視装置２４で監視されると共に、表示器２６に送信されて表示される。尚、熱電対２８及びピトー管式流量計２９が、水冷ダクト１４の出口に設置された場合には、水冷ダクト１４における抜熱量を含めて、排ガスから冷却水への抜熱量（Ｑｗｔ）を算出する必要がある。
【００３８】
同様に、熱量監視装置２４は、入力された、水冷パネル３、炉蓋４、エルボ９の各冷却水流路で計測された供給冷却水温度（Ｔｉｎ）、排出冷却水温度（Ｔｏｕｔ ）、冷却水供給流量（Ｒｗ ）を用いて、前述した（２）式に基づいて各冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）を求め、各冷却水による抜熱量（Ｑｗ ）の総和をアーク炉本体１から冷却水の持ち去る熱量（Ｑ２ ）として算出する。この数値は、冷却水によるアーク炉本体１からの出熱量として、熱量監視装置２４で監視されると共に、表示器２６に送信されて表示される。
【００３９】
尚、冷却室１３において水スプレーなどを用いて排ガスを直接冷却する場合には、水蒸気による熱量補正を行うか、或いは、排出される水スプレー水の温度及び流量から熱量補正を行う必要がある。この熱量補正は煩雑であり、この補正を回避するために、冷却室１３では水スプレーによる直接冷却を避け、間接冷却とすることが好ましい。
【００４０】
一方、熱量監視装置２４には、アーク炉本体１の入力を制御する入熱制御装置２５から、アーク電圧やアーク電流などの電極５における投入電力、バーナー７における酸素使用量や燃料使用量、更には、炭材・酸素吹込ランス８から吹込まれる酸素及び炭材の吹込み量などが入力されており、熱量監視装置２４は、これらの入力値に基づいて総入熱量（Ｑ３ ）を演算すると共に、算出した排ガスによるアーク炉本体１からの出熱量（＝熱量Ｑ１ ）及び冷却水によるアーク炉本体１からの出熱量（＝熱量Ｑ２ ）と総入熱量（Ｑ３ ）とを対比させて、アーク炉本体１における熱効率を演算する。演算された熱効率は、熱量監視装置２４で監視されると共に、表示器２６に送信されて表示される。総入熱量（Ｑ３ ）に対する、排ガスによる出熱量（＝熱量Ｑ１ ）及び冷却水による出熱量（＝熱量Ｑ２ ）の占める比率が高い場合には、溶解用原材料６への着熱が少なく、熱効率が悪い状態と判定することができる。尚、熱効率は、総入熱量（Ｑ３ ）からガスによる出熱量（＝熱量Ｑ１ ）及び冷却水による出熱量（＝熱量Ｑ２ ）を減算し、減算された値の総入熱量（Ｑ３ ）に対する比率（（Ｑ３ −Ｑ１ −Ｑ２ ）／Ｑ３ ）として求めることができる。
【００４１】
熱量監視装置２４及び表示器２６では、排ガスによる出熱量（＝熱量Ｑ１ ）、冷却水による出熱量（＝熱量Ｑ２ ）及び熱効率を定量的に数値で表示すると共に、時系列的にトレンドとして表示しており、その変化が分るようになっている。そして、所定の閾値を設けて設定することで、閾値を超えると警報を発報し、操作員に出熱量が過大であること或いは熱効率が低下したことを知らせるようになっている。又、表示器２６にはアーク電圧、アーク電流、電力、及びバーナー７の使用状況、炭材・酸素の吹込み状況も表示されるようになっている。
【００４２】
そのため、操作員は、出熱量のトレンドを見て、出熱量が増加傾向にある場合には、アークが適切にスラグで包み込まれているか否かを確認したり、炭材や酸素の吹込み方向や流量バランスの適切さを確認することが可能であり、又、出熱量が高くなっているのにバーナー７を使用している場合には、使用しているバーナー７に対して出力を絞ったり停止させたりすることが可能であり、出熱量を低下させることができる。
【００４３】
同様に、熱効率が低下傾向にある場合や低下した場合も、出熱量が過大になった場合と同様の処置により対処して、熱効率を向上させることができる。又、入熱量のバランスやパラメータ（電圧と電流の比など）を変更した場合に、熱効率がどのように変化するかを定量的に把握できるので、どの要素が熱効率の低下を招いているかを確かめることが可能となり、操業途中に最適な操業に修正することができる。
【００４４】
又、熱量監視装置２４には、操作員が熱量監視装置２４から離れて炉前作業に出なくてはならない場合などに出熱量が閾値を超えた場合に、入熱制御装置２５にフィードバックさせ、自動的に、バーナー７の出力を低下させる或いは停止させたり、アーク電圧を下げてショートアークにしたりして、設定量を変更させ、着熱効率の低下を防ぐような機能が付加されている。
【００４５】
更に、熱量監視装置２４は、入熱要素であるアーク電圧、アーク電流、電力、及びバーナー７の出力、炭材・酸素の吹込み量をデーターとして保存しておくことができる機能を備えている。そのため、過去の入熱、出熱データを呼び出して、どの時期に熱効率が下がるのか、又、その場合にどの入熱要素との関連が強いのかを、オフラインで分析することができるので、どのような操業にも共通する大きな操業パターンの最適化が可能となる。更に、操業パターン（アーク電圧、アーク電流、電力、バーナー出力、酸素及び炭材吹込み量など）を意図的に変更して、熱効率に及ぼす影響を操業中の各時期について評価することができるので、各時期に最も重要な要素を抽出して最適化することができる。
【００４６】
以上説明したように、本発明に係る熱量監視装置２４によれば、排ガス中の未燃焼成分が燃焼され且つ冷却されて、継続的な計測に問題のない温度になった以降の排ガスの温度及び流量の計測値から求まる保有熱量（Ｑｇａｓ ）と、この温度及び流量の計測点までに排ガスが冷却水に奪われた抜熱量（Ｑｗｔ）とに基づいて、排ガスよるアーク炉本体１からの出熱量（＝熱量Ｑ１ ）を算出するので、何れの計測も従前の計測手段によって長期間にわたって連続的に且つ精度良く計測することができるため、排ガスによるアーク炉本体１からの出熱量（＝熱量Ｑ１ ）を長期間、精度良く把握し、監視することが可能となる。
【００４７】
このようにして得られる排ガスよる出熱量（＝熱量Ｑ１ ）と、アーク炉本体１の冷却水による出熱量（＝熱量Ｑ２ ）とから、アーク炉本体１内の溶解用原材料６やスラグへの入熱以外の出熱量の殆どを占める出熱量を、連続的・継続的に且つ精度良く把握することができるため、アーク炉本体１における熱効率を常時定量的に把握することが可能となる。
【００４８】
その結果、（１）：熱効率が低下した場合には、アーク電圧・アーク電流の設定量を変更してアーク長さを短くしたり、炭材を吹込んでスラグを泡立たせ、アークを包むスラグフォーミングを強化したりして、着熱効率を向上させる手段を採ることができる、（２）：溶解用原材料６が溶け落ちて炉内空間中に無駄に吹いている状態となったバーナー７がある場合には、排ガスによる出熱量が増加するため、バーナー７が有効に溶解用原材料６に熱を与えているかを評価することが可能となり、無駄に吹かれているバーナー７を停止する判断を行うことができる、（３）：炭材の吹込み方向や吹込み量が適切でない場合には、溶解用原材料６に着熱されずに、排ガス中に未燃焼成分として排出されるので、排ガスによる出熱量の増加となって現れるため、炭材の吹込み方向を修正したり吹込み量を調整したりすることによって、熱効率の低下を抑制することができる、（４）：アーク電圧及びアーク電流の設定量やバーナー７の出力・使用時期、酸素及び炭材の吹込み時期や吹込み量を変更して、熱効率がどのように変わるかを評価することにより、最適な使用パターンや量を定量的に把握することができるので、最適な入熱パターンを確立することができる、等々の有効な付随的効果が発生する。
【００４９】
そのため、熱効率を把握しつつ溶解操業ができるので、熱効率の高い時期に投入エネルギーを増加させて生産性を向上させたり、熱効率の悪い時期にはアークを短くしたり又アークをスラグで包んだりしてアーク熱の着熱効率を増加させたり、或いは、無駄な燃料の投入を防いだり、更には、適切なタイミングで投入することによって迅速な溶解・加熱を実現することが可能であるという優れた効果がもたらされる。従来、溶解途中での瞬時瞬時の熱効率の指標がなく、ダイナミックにエネルギー投入の最適化を行うことはできなかったが、本発明によりこれが可能となる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る熱量監視装置によれば、排ガス中の未燃焼成分が燃焼され且つ冷却されて、継続的な計測に問題のない温度になった以降の排ガスの温度及び流量の計測値から求まる保有熱量と、この温度及び流量の計測点までに排ガスが奪われた抜熱量とに基づいて、排ガスよるアーク炉本体からの出熱量を算出するので、何れの計測も長期間にわたって連続的に且つ精度良く計測することができるため、排ガスによるアーク炉本体からの出熱量を長期間、精度良く把握し、監視することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例を示す図であって、本発明に係る熱量監視装置を適用したアーク溶解設備の全体概略図である。
【図２】本発明の実施の形態の１例を示す図であって、本発明に係る熱量監視装置の構成を示す系統図である。
【符号の説明】
１ アーク炉本体
２ 炉壁
３ 水冷パネル
４ 炉蓋
５ 電極
６ 溶解用原材料
７ バーナー
８ 炭材・酸素吹込ランス
９ エルボ
１０ 水冷ダクト
１１ 燃焼室
１２ 水冷ダクト
１３ 冷却室
１４ 水冷ダクト
１５ ダクト
１６ 集塵ファン
１７ バグフィルター
１８ 排煙管
１９ 貯水池
２０ ポンプ
２１ 給水本管
２２ 排水管
２３ 排水管
２４ 熱量監視装置
２５ 入熱制御装置
２６ 表示器
２７ 熱電対
２８ 熱電対
２９ ピトー管式流量計
３０〜４５ 測温抵抗体温度計
４６〜５３ オリフィス流量計
Claims (5)
- アーク炉本体と、アーク炉本体から排出される排ガス中の未燃焼成分を燃焼する燃焼室と、燃焼室から排出される排ガスを冷却する冷却室と、を備えたアーク溶解設備における熱量監視装置であって、排ガス中の未燃焼成分が完全に燃焼され更に冷却された後の排ガスの温度及び流量の計測値と、アーク炉本体の周囲雰囲気温度の計測値とから、冷却された後の排ガスの保有熱量を演算して求め、求めた排ガスの保有熱量と、アーク炉本体の排ガス出口点から排ガスの温度及び流量の計測点までの間における排ガスから冷却水への抜熱量の計測値と、を加算し、この加算値を、アーク炉本体の排ガス出口点における排ガスの持ち去る熱量として定め、この熱量に基づいて排ガスによるアーク炉本体からの出熱量を監視することを特徴とする、アーク溶解設備における熱量監視装置。
- 更に、アーク炉本体を冷却する冷却水の入口温度計測値と出口温度計測値との差と、冷却水流量の計測値とから、アーク炉本体を冷却する冷却水の保有熱量の変化量を演算して求め、求めた保有熱量の変化量を、アーク炉本体を冷却する冷却水の持ち去る熱量として定め、この熱量に基づいて冷却水によるアーク炉本体からの出熱量を併せて監視することを特徴とする、請求項１に記載のアーク溶解設備における熱量監視装置。
- 更に、前記排ガスによるアーク炉本体からの出熱量、並びに前記冷却水によるアーク炉本体からの出熱量と、アーク炉本体への入熱量の計測値とを比較対比させ、アーク炉本体における熱効率を求め、当該熱効率を併せて監視することを特徴とする、請求項２に記載のアーク溶解設備における熱量監視装置。
- 前記出熱量が増加した場合、若しくは、前記熱効率が低下した場合には、警報を発することを特徴とする、請求項３に記載のアーク溶解設備における熱量監視装置。
- 前記出熱量が増加した場合、若しくは、前記熱効率が低下した場合には、アーク炉本体への電力投入レベル、アーク炉本体加熱用バーナーの出力、アーク炉本体への酸素及び炭材の吹込み量のうちの少なくとも１種以上に対して、その設定量の変更指令を発する機能を備えていることを特徴とする、請求項３又は請求項４に記載のアーク溶解設備における熱量監視装置。
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| JP2003001890A JP2004212005A (ja) | 2003-01-08 | 2003-01-08 | アーク溶解設備における熱量監視装置 |
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| JP2004212005A true JP2004212005A (ja) | 2004-07-29 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2003
- 2003-01-08 JP JP2003001890A patent/JP2004212005A/ja active Pending
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