JP2009503419A - アーク炉の状態量を算定するための方法とアーク炉 - Google Patents

Abstract

アーク炉の状態量の算定、特にアーク炉における泡状スラグ（１５）の高さの算定のための方法に関する。本方法においては、アーク炉への供給エネルギーを少なくとも１つの電気的センサ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）を用いて求め、炉体音をアーク炉における振動の形で測定し、少なくとも１つの状態量、特にアーク炉における泡状スラグの高さを、測定した振動、即ち炉体音の評価と、少なくとも１つの電気的センサの測定データの評価とによって求められた伝達関数を用いて算定する。泡状スラグの高さの状態をこのように高信頼度で認識し、時間にわたって監視する。泡状スラグの高さがアーク炉におけるエネルギー注入効率にとって決定的である。更に泡状スラグでアーク（１８）を覆うことで、放射による損失を低減できる。この測定方法によって、泡状スラグ高さの信頼性の高い自動的な制御又は調節が可能になる。

Description

本発明は、少なくとも１つの電極を有するアーク炉の少なくとも１つの状態量を算定するための方法であって、アーク炉への供給エネルギーを少なくとも１つの電気的センサを用いて求める方法に関する。本発明は、炉殻と少なくとも１つの電極とを備え、電極毎に給電線が設けられているアーク炉にも関する。

独国特許第１９７４８３１０号明細書から、屑鉄、鋼、合金触媒又は添加剤のようなアーク炉の装入材料とアーク炉への供給エネルギーとの組み合わせに基づいてアーク炉における泡状スラグを予測することは公知である。しかしこの方法では、アーク炉の状態量を十分に高い信頼度にてかつ十分に正確に算定できないことが明らかになった。

本発明の課題は、アーク炉の状態量の改善された算定を可能にすることにある。

この課題は、冒頭に述べた方法において、アーク炉の振動を測定し、アーク炉の状態量を、測定された振動の評価と少なくとも１つの電気的センサの測定データの評価とによって求めた伝達関数により算定することで解決される。

アーク炉の状態量、特にアーク炉の本質的部分に関係する状態量を、本発明によれば、アーク炉の持続的な運転中に、即ちオンラインにて、非常に正確にかつ高信頼度で求め得る。従って、アーク炉の改善された自動的なプロセス制御および調節のための主要な前提が解決される。

状態量として泡状スラグの高さを算定するとよい。

アーク炉における振動、即ち炉体音を少なくとも１つの加速度センサを用いて測定すると望ましい。

アーク炉の少なくとも１つの電極の少なくとも１つのアークに由来する振動、即ち炉体音を測定するとよい。

伝達関数を励起信号と出力信号とから算定し、励起信号を少なくとも１つの電気的センサの測定データの評価によって求め、出力信号をアーク炉において測定した振動の評価によって求めると有利である。

少なくとも１つの電気的センサの助けにより電流信号を測定して、出力信号の形成に使用すると望ましい。

方法の有利な発展形態においては、励起信号を、電流信号と自らとの掛算、即ち電流信号の２乗によって形成できる。

少なくとも１つの電気的センサを用いて電圧信号を測定し、励起信号の形成のために使用するとよい。場合によっては、電流信号の測定および使用に対する代替又は追加として電圧信号の測定および／又は使用が行なえる。

励起信号を電流信号と電圧信号との掛算によって形成すると有利である。

伝達関数を、相互電力スペクトルを介して算定すると有利である。

伝達関数を、少なくとも１つの離散周波数において評価されるとよい。

少なくとも１つの離散周波数がアーク又はアーク炉への電力注入の周波数の倍数であるとよい。

泡状スラグの高さを、１つ以上の離散周波数における伝達関数の変化に依存して算定すると望ましい。

上述の方法の他の有利な構成を、請求項１４乃至２０に示す。

上記の課題は、炉殻および少なくとも１つの電極を備え、電極毎に給電線が設けられているアーク炉において、上述の方法を実施するためにそれの種々の形態において、給電線に少なくとも１つの電気的センサが設けられ、かつ炉殻の壁における振動の検出のための少なくとも１つの炉体音センサが設けられていることによっても解決される。

電極毎に電気的センサを設けるとよい。

少なくとも１つの炉体音センサを加速度センサとして構成するとよい。

電極毎に炉体音センサを設けるとよい。

１つ以上の炉体音センサを、各電極に対向する炉殻の壁に配置するとよい。

少なくとも１つの電気的センサおよび少なくとも１つの炉体音センサを信号処理装置に接続するとよい。

少なくとも１つの炉体音センサと信号処理装置との接続のために少なくとも１つの光ファイバを設けるとよい。

アーク炉の有利な発展形態では、少なくとも１つの炉体音センサを、少なくとも１つの信号線と、光ファイバに前置された光学装置とを介して、光ファイバに接続する。

少なくとも１つの信号線を保護して案内するとよい。

信号処理装置をアーク炉のための調節装置に接続するとよい。

以下、図面を参照しつつ実施例に基づき本発明の他の利点および詳細を説明する。図１は本発明によるアーク炉を概略的に示し、図２はアーク炉の断面を概略的に示す。

図１は、給電線を介して電源装置１２に接続された多数の電極３ａ、３ｂ、３ｃを有するアーク炉を示す。電源装置１２は炉変圧器を有すると好ましい。

アーク炉では、少なくとも１つの、図示の例では３つの電極３ａ、３ｂ、３ｃを用い、例えば屑鉄および／又は鋼等の装入原料を、場合によっては合金触媒および／又は添加剤と共に溶解する。アーク炉での溶鋼の発生時、スラグ又は泡状スラグ１５（図２参照）が生じ、混合媒質の吹込みにより泡立ち、このため少なくとも１つの電極３、３ａ、３ｂ、３ｃで生じたアーク１８（図２参照）によるエネルギー注入が改善される。

図示の例では電極３ａ、３ｂ、３ｃの給電線に電気的センサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃが設けており、これら電気的センサにより電流および／又は電圧又は電極３ａ、３ｂ、３ｃに供給されるエネルギーが測定可能である。電気的センサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、信号処理装置８に、例えばケーブルとして構成された電気的測定信号のための信号線１４ａ、１４ｂ、１４ｃを介して接続されている。

炉殻１の壁２又は壁板、即ち炉殻１の外面に、炉殻１の振動を測定する炉体音センサ４ａ、４ｂ、４ｃが配置されている。炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃは、直接的および／又は間接的に炉殻１又は炉殻１の壁２に接続して配置されているとよい。

図示の例で示す如く、炉体音測定のためのセンサ、即ち炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃは、炉殻１の外壁に配置するとよい。炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃは、例えば炉殻１の周りに等間隔で配置するとよい。炉体音測定の精度向上のため、電極３ａ、３ｂ、３ｃ毎に各１つの炉体音センサ４ａ、４ｂ、４ｃを設けると望ましい。この際、炉体音センサ４ａ、４ｂ、４ｃは、炉殻１の外壁に無条件で配置すればよいという訳ではない。１つの電極３ａ、３ｂ、３ｃに付設した少なくとも１つのセンサ４ａ、４ｂ、４ｃが、この電極３ａ、３ｂ、３ｃに対しできるだけ僅かの間隔を持った位置、特に炉殻１の外壁における位置に配置するとよい。炉体音は溶鋼１６および／又は泡状スラグ１５を経て炉殻１に導かれ、直接的および／又は間接的に炉殻１において振動の形で測定可能である。

炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃは、信号処理装置８に接続されている。炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃから信号処理装置８に与えられた信号は、少なくとも部分的に光ファイバ７を介して導かれる。光ファイバ７と炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃとの間には、１つ以上の炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃの信号の増幅および変換のために用いられる少なくとも１つの光学装置６が配置されている。炉殻１の周囲の近くに、又は場合によっては炉殻１に直接に、炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃの信号を導く信号線５、５ａ、５ｂ、５ｃを設けるとよい。信号線５、５ａ、５ｂ、５ｃは、熱、電磁場、機械的負担および／又は他の負担に対し保護されて案内されている。

電気的センサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、ケーブルとして構成された信号線１４ａ、１４ｂ、１４ｃを介して、信号処理装置８に接続するとよい。信号処理装置８において、炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃの測定信号と、電気的センサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの測定信号とから、評価データが求められる。評価データはアーク炉の少なくとも１つの状態量に関係し、特に評価データは泡状スラグ１５（図２参照）又はその高さに関係する。信号処理装置８は、状態信号１０、好ましくは現在算定したおよび／又は予め算定した泡状スラグ１５の高さを、アーク炉のための調節装置９に与える。状態信号１０は少なくとも部分的に評価データを代表する。調節装置９は、状態信号１０の考慮の下で、例えばアーク炉への混合媒質の吹込み、石炭投入、酸素および／又は他の物質の投入の制御のためのアーク炉の調節信号１１を算定する。

本発明の模範的な形態では、少なくとも１つの電極３、３ａ、３ｂ、３ｃの位置又は高さの制御又は調節のための制御信号１１も求める。電極３、３ａ、３ｂ、３ｃの位置、特に高さに影響を及ぼすべく、電極３、３ａ、３ｂ、３ｃの昇降制御のための１つ以上の制御手段を設け、調節装置９に接続している。

アーク炉に、詳しくは示さない制御コンピュータが接続され、該コンピュータにより泡状スラグ１５の発生と高さが制御又は調節可能である。制御コンピュータは、特にアーク炉の供給装置に操作信号１１を与える。制御コンピュータは、信号処理装置８および／又は調節装置９を持ち得る。アーク炉の供給装置は、例えば所謂吹込みランスを有し、これを経て炭素、酸素および／又は石灰がアーク炉内へ、即ちアーク炉の炉殻１内へ吹き込まれる。上述の物質が特に溶鋼１６の上部の泡状スラグ１５の中へ吹き込まれる。特に、供給装置を用い、空気を混合した炭素を泡状スラグの中に供給できる。泡状スラグ内で炭素が二酸化炭素および／又は一酸化炭素に変化する故、泡状スラグ１５が生じる。供給装置による混合媒質の吹込みによってアーク１８（図２参照）によるエネルギー注入を改善させ得る。更に、アーク炉において放射による損失を低減できる。

アーク炉内の物質の濃度、特にガスの濃度を直接又は間接に測定し、又はモデルにより求めるこができる。例えば炭素、酸素、二酸化炭素および／又は一酸化炭素等の物質の濃度に関するデータは、制御コンピュータ又は信号処理装置および／又は調節装置９に導くとよい。導いたデータを処理し、調節信号１１の算定に使用できる。

図１に示すアーク炉は、模範的な形態である３相交流アーク炉として構成している。原則的に本発明は種々の種類のアーク炉、例えば直流炉にも適用可能である。

図２は、アーク炉の電極３（３ａ、３ｂ、３ｃ）をアーク１８と共に略示する。アーク炉の炉殻１の壁２に、炉体音センサ４（４ａ、４ｂ、４ｃ）を配置している。これらセンサは、測定信号を信号処理装置８（図１参照）に導く信号線５（５ａ、５ｂ、５ｃ）に接続している。概略的に、炉殻１内に溶鋼１６および泡状スラグ１５を示している。

泡状スラグの高さは、信号処理装置８で、アーク炉での炉体音の伝達関数により算定できる。伝達関数は、図２に概略的に示す励起から検出迄の炉体音の伝達経路１７を特徴づける。

炉体音の励起は、アーク１８内の電極３（３ａ、３ｂ、３ｃ）への電力注入にて行う。炉体音、即ち励起に伴い生ずる振動は、溶鋼１６および／又は溶鋼１６を少なくとも部分的に覆う泡状スラグ１５を経てアーク炉の壁２に伝わる。炉体音の伝達は、付加的に少なくとも部分的に、未溶解のアーク炉の装入材料によっても行なわれ得る。炉体音の検出は、アーク炉の炉殻１の壁２に配置した炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃにより行える。炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃは、炉殻１の壁２の振動を検出する。炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃは、加速度センサとして構成するとよい。炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃは泡状スラグゾーンの上部にあるとよい。炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃは、電極３、３ａ、３ｂ、３ｃに対向するアーク炉の壁２の側面に配置すると好ましい。

電気的センサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、電極３、３ａ、３ｂ、３ｃの電流信号および／又は電圧信号を検出する。電流信号および／又は電圧信号は時間分解して検出すると好ましい。炉体音センサの信号は、保護線５、５ａ、５ｂ、５ｃを介して光学装置６（図１参照）に導く。光学装置６は本来のアーク炉の比較的近くに配置するとよい。光学装置６は、炉体音センサ４、４ａ、４ｂ、４ｃの信号の増幅と変換のために用いる。光学装置６でこれらの信号を光信号に変換し、光ファイバ７を介して妨害なしに比較的長距離、例えば５０〜２００ｍを経由して信号処理装置８に導く。

信号処理装置８において信号を収集して評価する。信号処理装置８で、信号を十分に高いサンプリング速度、例えば６０００サンプル／秒でディジタル化するとよい。電極３、３ａ、３ｂ、３ｃの励起パルスは、付属の電流信号と付属の電圧信号との掛算により形成するとよい。出力信号が炉体音信号を成す。この場合に時間領域における信号に関して、
（Ｉ） Ｙ（ｔ）＝ｈ（ｔ）×Ｘ（ｔ）
が成り立つ。但し、Ｙ（ｔ）は炉体音信号、Ｘ（ｔ）はアーク１８への電力注入、そしてｈ（ｔ）はステップ応答を表す。量ｈ（ｔ）とＸ（ｔ）は畳み込み演算子によって互いに結合されている。

伝達関数Ｈ（ω）は、周波数領域において、
（ＩＩ） ｙ（ω）＝Ｈ（ω）×ｘ（ω）
により求められる。但し、ｘ（ω）又はｙ（ω）は、励起信号および出力信号のフーリエ変換である。

量ｘ（ω）、ｙ（ω）およびＨ（ω）は複素数である。複素数割算を避けるために、Ｈ（ω）は相互電力スペクトルを介して算定される。
（ＩＩＩ） ｜Ｈ（ω）｜＝｜Ｗ_xy（ω）｜／Ｗ_xx（ω）
但し、Ｗ_xy（ω）は相互電力スペクトル、Ｗ_xx（ω）は入力側、即ち励起側における電力スペクトルを表す。

伝達関数Ｈ（ω）は離散周波数においてのみ算定され、離散周波数は電極３、３ａ、３ｂ、３ｃの電力供給の基本周波数の倍数（高調波）である。何故ならば、励起が結合された電力の基本波および高調波を介して行なわれるからである。例えば５０Ｈｚで動作するアーク炉電源装置１２の場合、離散周波数は１００Ｈｚの倍数である。

伝達関数Ｈ（ω）はアーク炉内の媒質を特徴づける。従って、媒質の時間的変化、例えば泡状スラグ１５の高さは伝達関数の変化によって算定される。伝達関数値の減衰又は増幅を介して、泡状スラグ１５の高さと相関関係にある結果として生じる値が算定される。これは、約１〜２秒の時間分解能での測定試験において証明された。

信号処理装置８における評価は、アーク炉の運転からの経験値により適合化される。信号検出、信号評価およびスラグ算定が運転中にオンラインで行なわれるので、アーク炉におけるスラグ高さを特徴づける状態信号が自動プロセス調節のために使用可能である。本発明に従って測定技術により改善された泡状スラグプロセスの知識によって、次の利点をもたらす改善されたプロセス制御およびプロセス調節が可能になる。
特に炉補修が原因である停止時間の低減による高い特有の溶解電力による生産性向上、
一定の湯出し温度における特有の溶解エネルギーの低減、
炉殻１の内壁における放射エネルギー低減による壁消耗低減、および
電極消費の低減。

本発明にとって重要な着想は次のとおり要約できる。
本発明は、アーク炉の状態量の算定、特にアーク炉における泡状スラグ１５の高さの算定のための方法に関する。本方法において、アーク炉への供給エネルギーを少なくとも１つの電気的センサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃを用いて求め、炉体音をアーク炉における振動の形で測定し、少なくとも１つの状態量、特にアーク炉における泡状スラグ１５の高さを測定した振動、即ち炉体音の評価と、少なくとも１つの電気的センサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの測定データの評価とによって求めた伝達関数を用いて算定する。泡状スラグ１５の高さの状態がこのように高信頼度でもって認識され、時間にわたって監視される。泡状スラグ１５の高さがアーク炉におけるエネルギー注入効率とって決定的である。更に、泡状スラグ１５によってアーク１８を覆うことで、放射による損失が低減される。改善した測定方法によって、泡状スラグ高さの信頼性の高い自動的な制御又は調節が可能になる。

本発明によるアーク炉の概略図 アーク炉断面の概略図

符号の説明

１ アーク炉、２ 壁、３、３ａ、３ｂ、３ｃ 電極、４、４ａ、４ｂ、４ｃ 炉体音センサ、５、５ａ、５ｂ、５ｃ 信号線、６ 光学装置、７ 光ファイバ、８ 信号処理装置、９ 調節装置、１０ 状態信号、１１ 制御信号、１２ 電源装置、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 電気的センサ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 信号線、１５ 泡状スラグ、１６ 溶鋼、１７ 伝達経路、１８ アーク

Claims (30)

1. 少なくとも１つの電極（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）を有するアーク炉の少なくとも１つの状態量の算定のための方法であって、アーク炉への供給エネルギーを少なくとも１つの電気的センサ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）を用いて求める方法において、
   アーク炉における振動を測定し、少なくとも１つの状態量を、測定された振動の評価と少なくとも１つの電気的センサ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）の測定データの評価とによって求めた伝達関数により算定する方法。
2. 状態量として泡状スラグ（１５）の高さを算定する請求項１記載の方法。
3. アーク炉における振動を少なくとも１つの加速度センサを用いて測定する請求項１又は２記載の方法。
4. アーク炉の少なくとも１つの電極（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）の少なくとも１つのアーク（１８）に由来する振動を測定する請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. 伝達関数を励起信号と出力信号とから算定し、励起信号を少なくとも１つの電気的センサ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）の測定データの評価によって求め、出力信号をアーク炉で測定した振動の評価により求める請求項１乃至４の１つに記載の方法。
6. 少なくとも１つの電気的センサ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）を用いて励起信号の形成のために使用する電流信号を測定する請求項５記載の方法。
7. 励起信号を電流信号の２乗によって形成する請求項６記載の方法。
8. 少なくとも１つの電気的センサ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）を用い励起信号の形成のために使用する電圧信号を測定する請求項１乃至７の１つに記載の方法。
9. 励起信号を電流信号と電圧信号との掛算により形成する請求項８記載の方法。
10. 伝達関数を相互電力スペクトルを介して算定する請求項１乃至９の１つに記載の方法。
11. 伝達関数を少なくとも１つの離散周波数において評価する請求項１乃至１０の１つに記載の方法。
12. 少なくとも１つの離散周波数がアーク（１８）への電力注入の周波数の倍数である請求項１１記載の方法。
13. 泡状スラグ（１５）の高さを１つ以上の離散周波数における伝達関数の変化に依存して算定する請求項１１又は１２記載の方法。
14. アーク炉の少なくとも１つの状態量を請求項１乃至１３の１つに記載の方法に従って算定する、アーク炉の制御のための方法であって、アーク炉のための操作および／又は調節信号（１１）を少なくとも１つの状態量により求める方法。
15. 操作および／又は調節信号（１１）をアーク炉の供給装置に与える請求項１４記載の方法。
16. 酸素の吹込みに影響を及ぼす操作および／又は調節信号（１１）を与える請求項１４又は１５記載の方法。
17. 炭素の吹込みに影響を及ぼす操作および／又は調節信号（１１）を与える請求項１４乃至１６の１つに記載の方法。
18. 石灰の吹込みに影響を及ぼす操作および／又は調節信号（１１）を与える請求項１４乃至１７の１つに記載の方法。
19. 少なくとも１つの電極（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）の位置に影響を及ぼす操作および／又は調節信号（１１）を与える請求項１４乃至１８の１つに記載の方法。
20. 操作および／又は調節信号（１１）を求めるためにニューロンネットを使用する請求項１４乃至１９の１つに記載の方法。
21. 炉殻（１）および少なくとも１つの電極（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）を備え、電極（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）毎に給電線が設けられたアーク炉で請求項１乃至２０の１つに記載の方法を実施すべく、給電線に少なくとも１つの電気的センサ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）が設けられ、かつアーク炉（１）の壁における振動の検出のための少なくとも１つの炉体音センサ（４、４ａ、４ｂ、４ｃ）が設けられたアーク炉。
22. 電極（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）毎に電気的センサ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）が設けられた請求項２１記載のアーク炉。
23. 少なくとも１つの炉体音センサ（４、４ａ、４ｂ、４ｃ）が加速度センサとして構成された請求項２１又は２２記載のアーク炉。
24. 電極（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）毎に炉体音センサ（４、４ａ、４ｂ、４ｃ）が設けられた請求項２１乃至２３の１つに記載のアーク炉。
25. １つ以上の炉体音センサ（４、４ａ、４ｂ、４ｃ）が、各電極（３、３ａ、３ｂ、３ｃ）に対向する炉殻（１）の壁に配置された請求項２４記載のアーク炉。
26. 少なくとも１つの電気的センサ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）と少なくとも１つの炉体音センサ（４、４ａ、４ｂ、４ｃ）とが信号処理装置（８）に接続された請求項２１乃至２５の１つに記載のアーク炉。
27. 少なくとも１つの炉体音センサ（４、４ａ、４ｂ、４ｃ）と信号処理装置（８）との接続のために少なくとも１つの光ファイバ（７）が設けられた請求項２１乃至２６の１つに記載のアーク炉。
28. 少なくとも１つの炉体音センサ（４、４ａ、４ｂ、４ｃ）が、少なくとも１つの信号線（５、５ａ、５ｂ、５ｃ）と、光ファイバ（７）に前置された光学装置（６）とを介して、光ファイバ（７）に接続された請求項２７記載のアーク炉。
29. 少なくとも１つの信号線（５、５ａ、５ｂ、５ｃ）が保護されて案内されるように構成された請求項２８記載のアーク炉。
30. 信号処理装置（８）がアーク炉のための調節装置（９）に接続された請求項２６乃至２９の１つに記載のアーク炉。

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