JP2017126417A

JP2017126417A - アーク炉電極昇降装置

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Publication number: JP2017126417A
Application number: JP2016003385A
Authority: JP
Inventors: 貴俊浅香; Takatoshi Asaka
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2017-07-20
Anticipated expiration: 2036-01-12
Also published as: JP6640566B2

Abstract

【課題】ハードウェア的な制約を受けずにリミットスイッチのバックアップを行うアーク炉電極昇降装置を提供する。【解決手段】アーク炉電極昇降装置１０は、電極２を昇降動作させる電動機２２の回転数にもとづいて、電極の移動距離を出力する電極移動距離演算部１８と、移動距離にもとづいて、電極の位置を判定して電極を停止させる停止信号を出力する電極位置判定部１２と、停止信号にもとづいて、電極の昇降動作を停止させる主幹制御部１４と、を備える。電極位置判定部は、移動距離が第１しきい値よりも大きい場合、または、移動距離が第２しきい値よりも小さいときに、停止信号を出力する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電極とスクラップの間でアーク放電を発生させることによりスクラップを溶解させる、製綱用のアーク炉電極昇降装置に関する。

三相交流アーク炉では、アーク炉電極昇降装置によって、電極を昇降させスクラップとの間の距離を制御する。製綱用のアーク炉電極昇降装置においては、電極昇降制御における機械系の保護のために、電極と一体で昇降する電極支持昇降マストの上限位置および下限位置にそれぞれリミットスイッチを設けている。上限リミットスイッチおよび下限リミットスイッチの故障時を考慮して、上限リミットスイッチよりもさらに上側の位置や、下限リミットスイッチよりもさらに下側の位置等に、バックアップ用リミットスイッチを追加的に設ける場合がある。

アーク炉の構造上、バックアップ用リミットスイッチを後から設けることが困難な場合がある。また、取り付けたリミットスイッチの位置調整を行うことが困難な場合もある。一方で、バックアップ用リミットスイッチを設けない場合には、リミットスイッチが故障したときに、リミットスイッチ検出位置を超過しても電極の昇降を停止させることができず、機械系の損傷を生じるおそれがある。

特開平５−２１７６７１号公報

実施形態は、ハードウェア的な制約を受けずに、上限リミットスイッチおよび下限リミットスイッチのバックアップを行うことによって、機械系の保護を可能にするアーク炉電極昇降装置を提供する。

実施形態に係るアーク炉電極昇降装置は、電極を昇降動作させる電動機の回転数にもとづいて、前記電極の移動距離を出力する電極移動距離演算部と、前記移動距離にもとづいて、前記電極の位置を判定して前記電極を停止させる停止信号を出力する電極位置判定部と、前記停止信号にもとづいて、前記電極の昇降動作を停止させる主幹制御部と、を備える。前記電極位置判定部は、前記移動距離が第１しきい値よりも大きい場合、または、前記移動距離が前記第１しきい値よりも小さい値を有する第２しきい値よりも小さいときに、前記停止信号を出力する。

本実施形態では、電動機の回転数にもとづいて電極の移動距離を出力する電極移動距離演算部と、電極の移動距離にもとづいて電極の位置を判定して電極の昇降動作を停止させる停止信号を出力する電極位置判定部とを備えているので、上限リミット信号および下限リミット信号を検出しなくても、電極の上限位置および下限位置を認識して電極の昇降動作を停止させることができる。そのため、ハードウェア的な制約を受けることなく、リミットスイッチのバックアップを行うことができる。

実施形態に係るアーク炉電極昇降装置を例示するブロック図である。実施形態のアーク炉電極昇降装置の動作の説明するためのフローチャートである。比較例のアーク炉電極昇降装置を例示するブロック図である。第２の実施形態に係るアーク炉電極昇降装置を例示するブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、実施形態に係るアーク炉電極昇降装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態のアーク炉電極昇降装置１０は、電極位置判定部１２と、電極昇降主幹制御部１４と、電極移動距離演算部１８と、を備える。

まず、アーク炉電極昇降装置１０が用いられる三相交流アーク炉の構成について説明する。三相交流アーク炉では、三相交流電源（図示せず）が炉用変圧器５に接続され、電極２が炉用変圧器５の二次側に接続されている。電極２は、炉体３に装入されたスクラップ４から上方に離間して配置される。炉用変圧器５の二次側には変流器６が内蔵されており、変流器６の二次側は、アーク炉電極昇降装置１０に接続されている。炉用変圧器５の二次側には、補助変圧器７が接続されており、補助変圧器７の二次側は、アーク炉電極昇降装置１０に接続されている。

電極２と一体となって昇降される昇降マスト（図示せず）には、上限リミットスイッチ２０ａおよび下限リミットスイッチ２０ｂが設けられている。上限リミットスイッチ２０ａは、機械系に損傷を与えることなく、電極２が移動することができる上限位置ＵＬｓに設けられている。この上限リミットスイッチ２０ａは、電極２が上限位置ＵＬｓに達したときに、上限リミット信号ＳＵＬを出力する。下限リミットスイッチ２０ｂは、機械系に損傷を与えることなく、電極２が移動することができる下限位置ＬＬｓに設けられている。この下限リミットスイッチ２０ｂは、電極２が下限リミットスイッチ２０ｂの位置に達したときに、下限リミット信号ＳＬＬを出力する。

電極２は、電動機２２および昇降駆動系２３によって上下に昇降する。アーク炉電極昇降装置１０の通常の動作では、電極２は、上限位置ＵＬｓと下限位置ＬＬｓとの間を昇降する。電動機２２は、たとえば誘導電動機であり、アーク炉電極昇降装置１０の出力によって駆動される。

電動機２２の回転数を検出するため、電極昇降電動機回転数検出回路２４が設けられている。電極昇降電動機回転数検出回路２４は、たとえばレゾルバ等である。電極昇降電動機回転数検出回路２４は、電動機２２の回転数を検出して所定のデータ形式に変換してアーク炉電極昇降装置１０に出力する。

アーク炉電極昇降装置１０は、電極２とスクラップ４との間に流れるアーク電流および電極２とスクラップ４との間のアーク電圧にもとづいて、負荷の垂下特性に合わせて電流電圧比が一定となるようにインピーダンス一定制御を行う。アーク炉電極昇降装置１０は、インピーダンス一定制御を行って、電動機２２および昇降駆動系２３を介して、電極２の位置を制御する。

アーク炉電極昇降装置１０は、上限リミット信号ＳＵＬまたは下限リミット信号ＳＬＬを受信したときには、電極２の昇降制御を停止する。また、後述するように、アーク炉電極昇降装置１０は、上限リミット信号ＳＵＬおよび下限リミット信号ＳＬＬのいずれも受信しない場合で、電極２が上限位置ＵＬｓまたは下限位置ＬＬｓに達したと判定したときには、電極２の昇降制御を停止する。

アーク炉電極昇降装置１０が用いられるアーク炉では、三相交流電源の各相に接続された３相分の電極のそれぞれがスクラップ４との間でアーク放電が発生し、炉体３に装入されたスクラップ４は溶解される。三相交流の各相の電極２とスクラップ４との距離は、それぞれ独立に制御される。つまり、アーク炉は、アーク炉電極昇降装置１０により電極２の昇降機構を制御している。以下では、特に断らない限り、３相あるうちの１相分の昇降機構およびアーク炉電極昇降装置１０について説明する。

アーク炉電極昇降装置１０の構成について説明する。
電極位置判定部１２は、上限リミットスイッチ２０ａおよび下限リミットスイッチ２０ｂに接続されている。電極位置判定部１２は、電極移動距離演算部１８に接続されている。電極位置判定部１２は、上限リミット信号ＳＵＬ、下限リミット信号ＳＬＬおよび電極２の移動距離Ｌｍを入力して、これらの値にもとづいて電極２の位置Ｐｏを判定する。電極位置判定部１２は、電極２の位置Ｐｏの判定結果にしたがって、上限位置ＵＬｓおよび下限位置ＬＬｓ、あるいはこれらに相当する位置に達したときに、電極２の昇降動作を停止させる停止信号Ｓｓｔｏｐを生成する。

電極昇降主幹制御部１４は、変流器６の二次側および補助変圧器７の二次側に接続されている。電極昇降主幹制御部１４は、変流器６からアーク電流に相当する電流値Ｉ、および補助変圧器７からアーク電圧に相当する電圧値Ｖを入力し、これらにもとづいて、電極２−スクラップ４間アーク放電のインピーダンスを計算する。計算されたインピーダンスは、一定になるように制御され、電極昇降主幹制御部１４は、電極２の位置を制御するための速度指令値Ｆを生成する。電極昇降主幹制御部１４の出力は、電極昇降電動機駆動部１６に接続されており、電極昇降電動機駆動部１６に速度指令値Ｆを供給する。

電極昇降主幹制御部１４は、電極位置判定部１２に接続されている。電極昇降主幹制御部１４は、電極位置判定部１２から停止信号Ｓｓｔｏｐを受信したときには、電動機２２を停止させる速度指令値Ｆ０を出力する。電動機２２を停止させる速度指令値Ｆ０は、たとえば「０」である。電極昇降主幹制御部１４は、停止信号Ｓｓｔｏｐを受信したときに、電動機駆動部１６への出力を停止するようにしてもよい。

電極昇降電動機駆動部１６は、電極昇降主幹制御部１４から供給される速度指令値Ｆにしたがって電動機２２に対する駆動信号Ｔを出力する。電極昇降電動機駆動部１６は、たとえばインバータ装置である。

電極移動距離演算部１８は、電極昇降電動機回転数検出回路２４に接続されている。電極移動距離演算部１８は、電極位置判定部１２に接続されている。電極移動距離演算部１８は、電極昇降電動機回転数検出回路２４から出力される電動機２２の回転数Ｎから電極２の移動距離Ｌｍを計算する。以下では、電極２がスクラップ４から離れる方向に移動する場合を移動距離Ｌｍの正とし、電極２がスクラップ４に近づく方向に移動する場合を移動距離Ｌｍの負とする。

本実施形態のアーク炉電極昇降装置１０の動作について説明する。
図２は、実施形態のアーク炉電極昇降装置の動作の説明するためのフローチャートである。
図２に示すように、ステップＳ１において、電極位置判定部１２は、上限リミット信号ＳＵＬまたは下限リミット信号ＳＬＬを受信したか否かを判定する。上限リミット信号ＳＵＬは、電極２が上方に移動して上限位置ＳＵＬに達したときに上限リミットスイッチ２０ａから出力される。下限リミット信号ＳＬＬは、電極２が下方に移動して下限位置ＬＬｓに達したときに下限リミットスイッチ２０ｂから出力される。電極位置判定部１２は、上限リミット信号ＳＵＬまたは下限リミット信号ＳＬＬを受信したときには、処理をステップＳ２に遷移させる。

ステップＳ２において、電極位置判定部１２は、上限リミット信号ＳＵＬを受信したときには、電極２の位置Ｐｏを上限位置ＵＬｓに設定する。電極位置判定部１２は、下限リミット信号ＳＬＬを受信したときには、電極２の位置Ｐｏを下限位置ＬＬｓに設定する。上限リミット信号ＳＵＬまたは下限リミット信号ＳＬＬを受信し、電極２の位置Ｐｏを上述の位置に設定することによって、電動機２２の回転数Ｎにもとづいて計算された移動距離Ｌｍの誤差を補正することができる。

ステップＳ３において、電極位置判定部１２は、電極２の位置Ｐｏを設定するとともに、電極２の昇降動作を停止させる停止信号Ｓｓｔｏｐを出力する。停止信号Ｓｓｔｏｐを受信した電極昇降主幹制御部１４は、電動機２２を停止させる速度指令値Ｆ０を電極昇降電動機駆動部１６に供給する。そのため、電極２の昇降動作は停止する。

ステップＳ１で電極位置判定部１２が上限リミット信号ＳＵＬおよび下限リミット信号ＳＬＬのいずれも受信しない場合には、処理は、ステップＳ４に遷移する。ステップＳ４において、電極位置判定部１２は、計算された位置Ｐｏが上限位置ＵＬｓよりも下であるか否かを判定する。位置Ｐｏが上限位置ＵＬｓよりも下である場合には、処理は次のステップＳ５に遷移する。

ステップＳ５において、電極位置判定部１２は、計算された位置Ｐｏが下限位置ＬＬｓよりも上であるか否かを判定する。位置Ｐｏが下限位置ＬＬｓよりも上の場合には、処理は、ステップＳ１へ戻る。

電極２が上限位置ＵＬｓと下限位置ＬＬｓとの間を昇降している場合には、上述のループが繰り返し実行される。

ステップＳ４で電極２の位置Ｐｏが上限位置ＵＬｓよりも下にない場合には、処理は、ステップＳ６に遷移する。ステップＳ６に遷移したときに、タイマが動作開始する。このタイマは、電極２の位置Ｐｏが上限位置ＵＬｓよりも下になるまで動作を継続する。ステップＳ６において、電極位置判定部１２は、タイマの動作時間があらかじめ設定された時間（タイムアウト時間）Ｔｏｕｔを超えているか否かを判定する。タイマの動作時間がタイムアウト時間Ｔｏｕｔを超えたときには、ステップＳ７において、電極位置判定部１２は、停止信号Ｓｓｔｏｐを出力する。停止信号Ｓｓｔｏｐを受信した電極昇降主幹制御部１４は、速度指令値Ｆ０を電極昇降電動機駆動部１６に供給し、電動機２２を停止させる。電極２は昇降動作を停止する。

電極位置判定部１２は、タイマの動作時間がタイムアウト時間Ｔｏｕｔを超えていないときには、ステップＳ４に戻って位置Ｐｏの判定を行う。タイムアウト時間Ｔｏｕｔを超えないうちにステップＳ４で電極２の位置Ｐｏが上限位置ＵＬｓよりも下となったときには、タイマは停止され、リセットされる。

ステップＳ５で電極２の位置Ｐｏが下限位置ＬＬｓよりも上ではない場合には、処理は、ステップＳ８に遷移する。ステップＳ８に遷移したときに、タイマが動作開始する。このタイマは、位置Ｐｏが下限位置ＬＬｓよりも上になるまで動作を継続する。ステップＳ８において、電極位置判定部１２は、タイマの動作時間がタイムアウト時間Ｔｏｕｔを超えているか否かを判定する。タイマの動作時間がタイムアウト時間Ｔｏｕｔを超えたときには、ステップＳ９に遷移し、電極位置判定部１２は、停止信号Ｓｓｔｏｐを出力する。停止信号Ｓｓｔｏｐを受信した電極昇降主幹制御部１４は、速度指令値Ｆ０を電極昇降電動機駆動部１６に供給し、電動機２２を停止させる。電極２は昇降動作を停止する。

タイマの動作時間がタイムアウト時間Ｔｏｕｔを超えていないときには、ステップＳ５に戻って位置Ｐｏの判定を行う。ここで、タイムアウト時間Ｔｏｕｔを超えないうちにステップＳ５で電極２の位置Ｐｏが下限位置ＬＬｓよりも上となったときには、タイマは停止され、リセットされる。なお、ステップＳ６において動作するタイマのタイムアウト時間と、ステップＳ８において動作するタイマのタイムアウト時間とは、同じであってもよく、異なっていてもよい。

電極移動距離演算部１８が出力する移動距離Ｌｍにもとづいて、電極２の上限位置ＵＬｓまたは下限位置ＬＬｓへの到達を検出するときには、タイマを用いることによって、ノイズ等による誤検出等を排除することができ、安全に昇降動作の保護を行うことができる。

本実施形態のアーク炉電極昇降装置１０の作用および効果について、比較例のアーク炉電極昇降装置１１０と比較しつつ説明する。
図３は、比較例のアーク炉電極昇降装置１１０を例示するブロック図である。比較例のアーク炉電極昇降装置１１０では、電極位置判定部および電極移動距離演算回路を有しない点で、本実施形態のアーク炉電極昇降装置１０と相違する。
図３に示すように、比較例のアーク炉電極昇降装置１１０では、電極昇降主幹制御部１１４が、アーク電流に相当する電流値Ｉおよびアーク電圧に相当する電圧値Ｖにもとづいて、インピーダンスを計算し、基準インピーダンスとの偏差を０とするように電極２の位置を制御する。電極昇降主幹制御部１１４は、上限リミット信号ＳＵＬを受信したときに、上昇方向への制御を停止し、下降方向への制御信号を出力する。また、下限リミット信号ＳＬＬを受信したときに、下降方向への制御を停止し、上昇方向への制御信号を出力する。

一方で、上限リミットスイッチ２０ａや下限リミットスイッチ２０ｂに故障が発生した場合等では、電極２が上限位置ＵＬｓまたは下限位置ＬＬｓに到達しているにもかかわらず、上限リミット信号ＳＵＬや下限リミット信号ＳＬＬが出力されないおそれがある。電極昇降主幹制御部１１４は、上限リミット信号ＳＵＬや下限リミット信号ＳＬＬにもとづいて、制御信号を出力することができないので、電極２は、上限位置ＵＬｓや下限位置ＬＬｓを超えて昇降動作を継続する。その結果、交流アーク炉の機械系を破損等してしまうおそれがある。上述したように、リミットスイッチの万一の故障等のためにバックアップ用にさらに上方、下方にバックアップ用リミットスイッチを設けることは、制御系の大幅な変更が生じ事実上困難であったり、物理的に追加すること自体が困難であったりする場合もある。

これに対して、本実施形態のアーク炉電極昇降装置１０では、電極移動距離演算部１８の出力にもとづいて電極２の位置Ｐｏを計算して、電極２の位置Ｐｏが適正であるか否かを判定する電極位置判定部１２を備えている。そのため、アーク炉電極昇降装置１０では、ハードウェアとしてリミットスイッチを追加することなく、リミットスイッチのバックアップを行うことができる。本実施形態のアーク炉電極昇降装置１０では、ハードウェアを追加することがないので、電極２を停止させる位置や停止させる位置に該当する設定値を任意に設定することができる。たとえば、上限位置ＵＬｓのさらに上方や、下限位置ＬＬｓのさらに下方に電極２の停止位置を設ける等することができるので、プラントの事情等に合わせて最適な保護システムを構築することができる。

以上説明した実施形態によればハードウェア的な制約を考慮することなく、上限リミットスイッチおよび下限リミットスイッチのバックアップを行うことによって、機械系の保護を可能にするアーク炉電極昇降装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

２電極、３炉体、４スクラップ、５炉用変圧器、６変流器、７補助変圧器、１０アーク炉電極昇降装置、１２電極位置判定部、１４電極昇降主幹制御部、１６電極昇降電動機駆動部、１８電極移動距離演算部、２０ａ上限リミットスイッチ、２０ｂ下限リミットスイッチ、２２電動機、２３昇降駆動系、２４電極昇降電動機回転数検出回路

Claims

電極を昇降動作させる電動機の回転数にもとづいて、前記電極の移動距離を出力する電極移動距離演算部と、
前記移動距離にもとづいて、前記電極の位置を判定して前記電極を停止させる停止信号を出力する電極位置判定部と、
前記停止信号にもとづいて、前記電極の昇降動作を停止させる主幹制御部と、
を備え、
前記電極位置判定部は、前記移動距離が第１しきい値よりも大きい場合、または、前記移動距離が前記第１しきい値よりも小さい値を有する第２しきい値よりも小さいときに、前記停止信号を出力するアーク炉電極昇降装置。
前記電極位置判定部は、前記移動距離が第１時間を超えて前記第１しきい値よりも大きいときに前記停止信号を出力し、前記移動距離が第２時間を超えて前記第２しきい値よりも小さいときに前記停止信号を出力する請求項１記載のアーク炉電極昇降装置。
前記電極位置判定部は、前記電極の移動の上限位置に達した場合に出力される上限リミット信号を受信したときに、前記電極の位置を前記上限位置とし、前記電極の移動の下限位置に達した場合に出力される下限リミット信号を受信したときに、前記電極の位置を前記下限位置とする請求項１または２に記載のアーク炉電極昇降装置。