JP2010236723A

JP2010236723A - 誘導溶解炉の警報装置

Info

Publication number: JP2010236723A
Application number: JP2009083108A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Watanabe; 敏之渡辺; Shinichi Miyajima; 伸一宮島
Original assignee: Kitashiba Electric Co Ltd
Current assignee: Kitashiba Electric Co Ltd
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP5530116B2

Abstract

【課題】炉壁の変化を精度よく検出することができ、安全性を向上させることができる誘導溶解炉の警報装置を提供する。
【解決手段】コントローラ１０は、ロードセル８により計測された被加熱材Ｙの質量が定格閾値未満の場合に、警報閾値を補正する（ＳＴＥＰ２３）。また、測温計９により計測された被加熱材Ｙの温度が被加熱材Ｙの溶解温度より高温の温度閾値以上であることを条件に（ＳＴＥＰ２５）、負荷インピーダンスＲを算出する（ＳＴＥＰ２６）。そして、算出された負荷インピーダンスＲが、その警報閾値と同値またはこれを超える場合に（ＳＴＥＰ２７，２８）、警報を出力する（ＳＴＥＰ３１，３２）。
【選択図】図２

Description

炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被溶解材を溶解させる誘導溶解炉の警報装置に関する。

従来、誘導溶解炉の警報装置としては、下記特許文献１に示すように、炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力を供給する回路に電圧および電流を測定する手段を設け、計測する測定値から負荷インピーダンスを算出し、算出した負荷インピーダンスを予め定められた基準値と比較することで警報信号を出力するものが、本願出願人により考案されている。

実公平１−１５８０９７号公報

ここで、負荷インピーダンスは、測定条件によりその値が変化するものであるが、従来の警報装置では、負荷インピーダンスが大幅に変化する場合にこれを捉えて、警報を出力するものであるが、日々の誘導溶解炉の稼動状況の中で炉壁の変化を精度よく検出して、警報を出力することは困難であった。

以上の事情に鑑みて、本発明は、炉壁の変化を精度よく検出することができ、安全性を向上させることができる誘導溶解炉の警報装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１発明の誘導溶解炉の警報装置は、炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉の警報装置であって、前記炉内に収納された被加熱材の質量を測定する質量測定手段と、前記炉内で溶解させた被加熱材の温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段により測定される前記被加熱材の温度が該被加熱材の溶解温度より高温の温度閾値以上であることを条件に、前記電力供給手段の前記加熱コイルへの電力供給状態から負荷インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、前記インピーダンス算出手段により算出される負荷インピーダンスが、その警報閾値と同値またはこれを超える場合に警報を出力する警報出力手段と、前記質量測定手段により測定される質量に応じて前記警報閾値を補正する閾値補正手段とを備えることを特徴とする。

第１発明の誘導溶解炉の警報装置によれば、被加熱材の温度が溶融温度以下の場合に、負荷インピーダンスが変動することに着目し、被加熱材の温度が負荷インピーダンスの温度依存性がなくなる温度閾値以上の場合に、負荷インピーダンスを算出する。

さらに、炉内に収納される被加熱材の質量に応じて負荷インピーダンスが変動することに着目し、被加熱材の質量に応じた警報閾値の補正を行った上で、算出した負荷インピーダンスが警報閾値と同値またはこれを超えるか否か判定する。

これにより、負荷インピーダンスの測定条件に合わせて警報閾値を適切に設定することができ、炉壁の変化を精度よく検出することができる。そして、該検出結果に基づく警報出力を行うことで、誘導溶解炉の安全性を向上させることができる。

第２発明の誘導溶解炉の警報装置は、第１発明の誘導溶解炉の警報装置において、前記警報出力手段は、前記インピーダンス算出手段により算出される負荷インピーダンスが、前記警報閾値としての上限閾値以上の場合に、前記炉壁に不純物が付着していると判定して補修警報を出力する補修警報出力と、前記警報閾値としての下限閾値以下の場合に、該炉壁が浸食されていると判定して解体警報を出力する解体警報出力とのいずれか一方または両方を行うことを特徴とする。

第２発明の誘導溶解炉の警報装置によれば、前記警報閾値として、負荷インピーダンスの上限閾値と下限閾値を設定し、これらの閾値と同値またはこれを超える場合にそれぞれ固有の警報出力を行う。

具体的に、炉壁は、被加熱材が炉内で溶解され撹拌されることにより、徐々に浸食される。この場合には、加熱コイルと被溶解物との距離が小さくなるため、負荷インピーダンスが徐々に小さくなる。これに対して、負荷インピーダンスの測定条件に合わせた下限閾値を適切に設定することで、炉壁の浸食状況を精度よく検出することができる。

一方、炉壁には、被加熱材の加熱冷却を繰り返すうちに、不純物としてのスラグが付着し、蓄積される。この場合には、加熱コイルと被溶解物との距離が大きくなるため、負荷インピーダンスが徐々に大きくなる。これに対して、負荷インピーダンスの測定条件に合わせた上限閾値を適切に設定することができ、炉壁への不純物の付着状況を精度よく検出することができる。

これにより、炉壁の変化を精度よく検出して、該検出結果に基づく警報出力を行うことで、誘導溶解炉の安全性を向上させることができる。

第３発明の誘導溶解炉の警報装置は、第２発明の誘導溶解炉の警報装置において、前記閾値補正手段は、前記質量測定手段により測定された質量が予め設定された定格質量未満の場合に、予め設定された上限閾値および下限閾値に対して、前記炉内に収納された被加熱材の質量と負荷インピーダンスの関係から規定される補正値を乗算する補正を行うことを特徴とする。

第３発明の誘導溶解炉の警報装置によれば、炉内に収納される被加熱材の質量が定格質量未満の場合には加熱コイルに無負荷の部分が生じて、負荷インピーダンスが非線形的に変動することに着目し、被加熱材の質量に応じた警報閾値の補正を次のように行う。すなわち、炉内に収納された被加熱材の質量と負荷インピーダンスの関係を規定するマップ等を参照して補正値を決定し、この補正値を警報閾値としての上限閾値および下限閾値に乗算する。

これにより、定格質量未満で誘導溶解炉を稼動させている場合にも、警報閾値を適切に設定することができ、炉壁の変化を精度よく検出することができる。そして、該検出結果に基づく警報出力を行うことで、誘導溶解炉の安全性を向上させることができる。

誘導溶解炉の全体的な構成を示す構成図。誘導溶解炉の警報処理手順を示すフローチャート。被加熱材の質量に応じた警報閾値の補正方法を示す説明図。

図１を参照して、本実施形態の誘導溶解炉の警報装置について説明する。誘導溶解炉は、溶解炉本体Ｘ内に収納された被加熱材Ｙを溶解させるものである。

具体的に、誘導溶解炉は、電源１と、高圧受電盤２と、高調波フィルタ３と、変換装置用変圧器４と、高周波インバータ５と、高周波整合装置６と、加熱コイル７と、ロードセル８と、測温計９と、コントローラ１０とを備える。

電源１は、定格の交流電源であって、高圧受電盤２に接続されている。

高圧受電盤２は、誘導加熱装置への電源通電・停止と故障発生時の電源遮断を行う装置であって、パワーヒューズ２１と、遮断機２２と、計器用変流器２３と、計器用変圧器２４とを備える。

パワーヒューズ２１は、短絡事故時に電流遮断する手段であって、遮断機２２は、電源の通電と停止に伴う開閉動作を行う。また、計器用変流器２３は、この回路の回路電流ををコントローラ１０への出力信号に変換し、計器用変圧器２４は、この回路の回路電圧をコントローラ１０への出力信号に変換する。そして、これらの出力信号は、信号Ａとして、コントローラ１０へ出力される。

高調波フィルタ３は、高圧受電盤２に接続され、高周波インバータ５から高調波電流が電力系統に流出しないように抑制する装置であって、限流リアクトル３１と、直列リアクトル３２と、高調波コンデンサ３３とから構成される。また、高調波フィルタ３は、高調波電流が所定値を超過した場合に異常信号である信号Ｂをコントローラ１０へ出力する。

変換装置用変圧器４は、高調波フィルタ３に接続され、高周波インバータ５が所定の出力電圧を出力するために、高周波インバータ５への入力電圧を調整する装置であって、温度上昇や内部ガス圧異常などの際に異常信号である信号Ｃを出力する。

高周波インバータ５は、変換装置用変圧器４に接続され、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源から任意の高周波電流を生成するための装置であって、交流/直流変換器である順変換器５１と、直流/交流変換器である逆変換器５２から構成され、コントローラ１０からの運転・停止・出力制御信号により制御される。

また、高周波インバータ５には、直流リアクトル５３が内蔵されており、順変換器５１で生成する直流電圧に重畳するリプル成分を除去すると共に、逆変換器５２や加熱コイル７などの負荷破損時の過電流の急激な流出を抑制する。

さらに、高周波インバータ５は、故障時にコントローラ１０に故障状態を伝える信号や、電圧・電流・電力・周波数といった稼動時の電気データ（本発明の電力供給状態に相当する）を、信号Ｄとしてコントローラ１０へ出力する。

高周波整合装置６は、高周波インバータ５に接続され、高周波インバータ５と加熱コイル７とのインピーダンス整合を図る装置である。高周波整合装置６は、インピーダンス整合を図るための高周波整合変圧器６１と、加熱コイル７の遅れ力率を進み力率に補償する力率調整コンデンサ６２とを備え、これらの構成要素の温度上昇や破損などの異常信号を信号Ｅとしてコントローラ１０へ出力する。

なお、これらの構成要素１〜６が、本発明の電力供給手段に相当する。

加熱コイル７は、高周波インバータ５から供給されれた高周波電力により、溶解炉本体Ｘ内に収納された鉄等の被加熱材Ｙにうず電流を発生させ，うず電流により金属材料間に発生するジュール熱で被加熱材Ｙを昇温させて溶解させる。このとき、図示しない温度検出手段や冷却水路の循環機構などの際に異常信号である信号Ｆがコントローラ１０に出力される。

ロードセル８は、溶解炉本体Ｘの下方に設けられた質量測定手段であって、溶解炉本体Ｘ内に収納された被加熱材Ｙの質量を計測し、その質量信号を信号Ｇとしてコントローラ１０へ出力する。

放射温度計９は、加熱コイル７により溶解された被加熱材Ｙの温度を非接触式に計測する温度測定手段であって、計測温度を信号Ｈとしてコントローラ１０へ出力する。

コントローラ１０は、誘導溶解炉の運転・停止、出力調整等の制御を行うと共に、前記構成要素１〜９の破損あるいは定格状態を超過した運転条件になった場合に、誘導溶解炉を保護する運転制御手段としての機能を備える。

また、コントローラ１０は、誘導溶解炉の警報装置としてのインピーダンス算出手段、警報出力手段および閾値補正手段としての機能を備える（コントローラ１０が本発明の警報装置に相当する）。

具体的に、コントローラ１０は、高周波インバータ５から出力された電気データ信号(信号Ｄ)を常時監視しており、後述する所定の条件（図２のＳＴＥＰ２５）を満たす場合に、現在の負荷インピーダンスＲを算出する。なお、負荷インピーダンスＲの算出方法については、本願出願人による前記特許文献１に記載されているため、詳細な説明は省略するが、これに限らず、加熱コイル７へ供給される高周波電力から負荷インピーダンスを算出する種々の方法が採用され得る。

また、コントローラ１０は、算出した負荷インピーダンスＲが、後述する警報閾値（図図２のＳＴＥＰ２７，２８）と同値またはこれを超える場合に警報を出力すると共に、ロードセル８により計測された質量に応じて警報閾値を補正する。

なお、コントローラ１０は、かかる制御処理を実行するプログラムが図示しないメモリに記憶保持され、必要なプログラムがメモリから読み出されることにより、制御処理を実行するための演算装置(シーケンサ)として機能する。

また、コントローラ１０を構成する各手段は、ＣＰＵ，ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウェアにより構成されているが、これらの各手段は共通のハードウェアによって構成されていてもよく、これらの各手段の一部又は全部が、異なるハードウェアによって構成されていてもよい。

さらに、コントローラ１０には、モニタ１１と、スピーカ１２とが接続されている。モニタ１１は、例えば、タッチパネル等から構成され、誘導溶解炉の運転状態や各種警報等が表示される。また、スピーカ１２からは、誘導溶解炉の運転状態や各種警報が、音声または各種ブザ音等により出力される。

次に、図２を参照して、コントローラ１０による警報処理について説明する。

まず、コントローラ１０は、誘導溶解炉の稼動を開始すると、使用する誘導溶解炉が新たに築炉されたものであるか否かをチェックする（ＳＴＥＰ１１）。

そして、コントローラ１０は、当該誘導溶解炉が新たに築炉されたものである場合には（ＳＴＥＰ１１でＹＥＳ）、当該誘導溶解炉の耐火材の仕様から予め定められる各種閾値等（カウンタ閾値、警報閾値、定格）をコントローラ１０に設定した上で（ＳＴＥＰ１２）当該誘導溶解炉での溶解作業回数を指し示す溶解カウンタをリセットする（ＳＴＥＰ１３）。

一方、コントローラ１０は、当該誘導溶解炉が新たに築炉されたものでない場合には（ＳＴＥＰ１１でＮＯ）、これらの初期設定および処理（ＳＴＥＰ１２，１３）を行うことなく、溶解カウンタをカウントアップし（ＳＴＥＰ１４）、カウントアップした溶解カウンタが、カウンタ閾値（例えば２００回）以上となっているか否かをチェックする（ＳＴＥＰ１５）。

そして、溶解カウンタが、カウンタ閾値以上となっている場合には（ＳＴＥＰ１５でＹＥＳ）、当該誘導溶解炉は溶解作業回数がその上限に達したため、溶解炉本体Ｘを解体すべき旨の解体警報をモニタ１１およびスピーカ１２を介して出力し（ＳＴＥＰ３１）、当該誘導溶解炉の稼動を終了する。

一方、溶解カウンタが、カウンタ閾値未満の場合には（ＳＴＥＰ１５でＮＯ）、被加熱材（溶解材料）Ｙを溶解炉本体Ｘに収納し（ＳＴＥＰ１６）、前記電力供給手段１〜７を介して、高周波電力を加熱コイル７に供給して被加熱材Ｙを昇温・溶解させる（ＳＴＥＰ１７）。

次いで、コントローラ１０は、ロードセル８を介して被加熱材Ｙの質量を計測し（ＳＴＥＰ１８）、溶解作業が終了しているか否かをチェックする（ＳＴＥＰ１９）。

そして、溶解作業が未だ終了していない場合には（ＳＴＥＰ１９でＮＯ）、ＳＴＥＰ１８で計測した被加熱材Ｙの質量が、当該誘導溶解炉の定格質量以上となっているか否かをチェックする（ＳＴＥＰ２０）。

ここで、被加熱材Ｙの質量が定格質量未満の場合には（ＳＴＥＰ２０でＮＯ）、新たに被加熱材Ｙを溶解炉本体Ｘに追加収納し（ＳＴＥＰ２１）、ＳＴＥＰ１７にリターンして、ＳＴＥＰ１７以下の処理を実行する。

一方、被加熱材Ｙの質量が定格質量以上の場合には（ＳＴＥＰ２０でＹＥＳ）、測温計９を介して被加熱材Ｙの温度を計測し（ＳＴＥＰ２４）、計測した温度が、負荷インピーダンスＲの算出条件を満たす温度閾値以上であるか否かをチェックする（ＳＴＥＰ２５）。具体的に、温度閾値は、定格溶湯となる温度であって、誘導溶解炉の耐熱温度（１６００℃〜１７００℃）未満の温度（例えば１５５０℃）に設定されている。

そして、被加熱材Ｙの温度が温度閾値以上の場合には（ＳＴＥＰ２５でＹＥＳ）、コントローラ１０は、高周波インバータ５から出力された電気データ信号(信号Ｄ)に基づいて、負荷インピーダンスＲを算出する。一方、被加熱材Ｙの温度が温度閾値未満の場合には（ＳＴＥＰ２５でＮＯ）、新たに被加熱材Ｙを追加することなく、ＳＴＥＰ１７にリターンして、ＳＴＥＰ１７以下の処理を実行する。

一方、ＳＴＥＰ１９で、溶解作業が終了している場合には（ＳＴＥＰ１９でＹＥＳ）、ＳＴＥＰ１８で計測した被加熱材Ｙの質量が、当該誘導溶解炉の定格質量以上となっているか否かをチェックする（ＳＴＥＰ２２）。

そして、被加熱材Ｙの質量が定格質量以上の場合には（ＳＴＥＰ２２でＹＥＳ）、ＳＴＥＰ２４以下の処理を実行し、被加熱材Ｙの質量が定格質量未満の場合には（ＳＴＥＰ２２でＮＯ）、質量に基づく警報閾値の補正処理を実行した上で（ＳＴＥＰ２３）、ＳＴＥＰ２４以下の処理を実行する。

ここで、ＳＴＥＰ２３の質量に基づく警報閾値の補正処理は、溶解炉本体Ｘ内に収納される被加熱材の質量が定格質量未満の場合には、図３に示すように、定格質量の場合の負荷インピーダンスを１００％とすると、負荷インピーダンスＲが非線形的に大きくなる。そのため、かかる関係式（マップやデータテーブルを含む）に基づいて、インピーダンスＲの上限閾値および下限閾値を次のように補正する。すなわち、上限閾値および下限閾値に対して、それぞれ質量比例値および前記関係式により規定される補正値を乗算する。これにより、定格質量未満で誘導溶解炉を稼動させている場合にも、警報閾値を適切に設定することができる。

次に、ＳＴＥＰ２６で負荷インピーダンスＲが算出されると、コントローラ１０は、算出された負荷インピーダンスＲが、警報閾値としての下限閾値以下となっているか否かをチェックする（ＳＴＥＰ２７）。

ここで、下限閾値は、溶解炉本体Ｘの仕様に応じて、例えば、数十％炉壁厚が浸食された場合にこれを検出するように設定される。また、ＳＴＥＰ２３で下限閾値が補正された場合には、補正後の下限閾値を用いてチェックを行う。

そして、負荷インピーダンスＲが下限閾値以下の場合には（ＳＴＥＰ２７でＹＥＳ）、当該誘導溶解炉は炉壁が規定値以下に浸食されているため、溶解炉本体Ｘを解体すべき旨の解体警報をモニタ１１およびスピーカ１２を介して出力し（ＳＴＥＰ３１）、当該誘導溶解炉の稼動を終了する。

一方、負荷インピーダンスＲが下限閾値を上回っている場合には（ＳＴＥＰ２７でＮＯ）、コントローラ１０は、該負荷インピーダンスＲが、警報閾値としての上限閾値以上となっているか否かをチェックする（ＳＴＥＰ２８）。

ここで、上限閾値は、溶解炉本体Ｘの仕様に応じて、例えば、数十％炉壁厚に対して、不純物であるスラグ等が付着した場合にこれを検出するように設定される。また、ＳＴＥＰ２３で上限閾値が補正された場合には、補正後の上限閾値を用いてチェックを行う。

そして、負荷インピーダンスＲが上限閾値以上の場合には（ＳＴＥＰ２８でＹＥＳ）、当該誘導溶解炉は炉壁に規定値以上に不純物が付着しているため、溶解炉本体Ｘの補修を行うべき旨の補修警報をモニタ１１およびスピーカ１２を介して出力し（ＳＴＥＰ３２）、当該誘導溶解炉の稼動を終了する。

一方、負荷インピーダンスＲが上限閾値を下回っている場合には（ＳＴＥＰ２８でＮＯ）、コントローラ１０は、ユーザによる稼動の終了指示があるか否かをチェックし（ＳＴＥＰ３３）、稼動終了が指示された場合には（ＳＴＥＰ３３でＹＥＳ）、この処理を終了し、稼動終了が指示されない場合には（ＳＴＥＰ３３でＮＯ）、ＳＴＥＰ１４にリターンし、ＳＴＥＰ１４以下の処理を実行する。

以上、詳細に説明したように、本実施形態のコントローラ１０によれば、負荷インピーダンスＲの測定条件に合わせて警報閾値（上限閾値および下限閾値）を適切に設定することができ、溶解炉本体Ｘの炉壁の変化を精度よく検出することができる。そして、検出結果に基づいて警報出力を行うことで、誘導溶解炉の安全性を向上させることができる。

尚、本実施形態において、上限閾値および下限閾値は、それぞれ１つの閾値としているが、それぞれ複数の閾値を段階的に設けて、溶解炉本体Ｘの炉壁の変化を段階的に捉えると共に、これらの段階に合わせて警報のレベルを変化させてもよい。

１…電源、２…高圧受電盤、３…高調波フィルタ、４…変換装置用電圧器、５…高周波インバータ、６…高周波整合装置、７…加熱コイル、８…計量装置（質量測定手段）、９…測温計（温度検出手段）、１０…コントローラ（警報装置）、Ｘ…溶解炉本体、Ｙ…被加熱材。

Claims

炉壁の外周に設けられた加熱コイルに電力供給手段を介して電力を供給することにより炉内に収納された被加熱材を溶解させる誘導溶解炉の警報装置であって、
前記炉内に収納された被溶解材の質量を測定する質量測定手段と、
前記炉内で溶解させた被加熱材の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段により測定される前記被加熱材の温度が該被加熱材の溶解温度より高温の温度閾値以上であることを条件に、前記電力供給手段の前記加熱コイルへの電力供給状態から負荷インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、
前記インピーダンス算出手段により算出される負荷インピーダンスが、その警報閾値と同値またはこれを超える場合に警報を出力する警報出力手段と、
前記質量測定手段により測定される質量に応じて前記警報閾値を補正する閾値補正手段と
を備えることを特徴とする誘導溶解炉の警報装置。
請求項１記載の誘導溶解炉の警報装置において、
前記警報出力手段は、前記インピーダンス算出手段により算出される負荷インピーダンスが、前記警報閾値としての上限閾値以上の場合に、前記炉壁に不純物が付着していると判定して補修警報を出力する補修警報出力と、前記警報閾値としての下限閾値以下の場合に、該炉壁が浸食されていると判定して解体警報を出力する解体警報出力とのいずれか一方または両方を行うことを特徴とする誘導溶解炉の警報装置。
請求項２記載の誘導溶解炉の警報装置において、
前記閾値補正手段は、前記質量測定手段により測定された質量が予め設定された定格質量未満の場合に、予め設定された上限閾値および下限閾値に対して、前記炉内に収納された被加熱材の質量と負荷インピーダンスの関係から規定される補正値を乗算する補正を行うことを特徴とする誘導溶解炉の警報装置。