JP2017227350A - Refractory wear management device of electric furnace, refractory wear management system of electric furnace, refractory wear management method of electric furnace, and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気炉の耐火物損耗管理装置、電気炉の耐火物損耗管理システム、電気炉の耐火物損耗管理方法、およびプログラムに関し、特に、スクラップをアーク放電により溶解する電気炉の炉壁を構成する耐火物の状態を管理するために用いて好適なものである。 The present invention relates to a refractory wear management apparatus for an electric furnace, a refractory wear management system for an electric furnace, a refractory wear management method for an electric furnace, and a program, and more particularly, to a furnace wall of an electric furnace for melting scrap by arc discharge. It is suitable for use for managing the state of the refractory material to be constructed.
電気炉(アーク溶解炉)では、1チャージ(ch)毎に、炉内にスクラップ等の原料が装入され、アーク電極から発生するアークによって原料を溶解・溶融して金属溶湯および溶融スラグを得る。このような電気炉の炉壁は、高温に曝されるので、耐火レンガ等の耐火物を用いて構成される。 In an electric furnace (arc melting furnace), for each charge (ch), raw materials such as scrap are charged into the furnace, and the raw materials are melted and melted by an arc generated from an arc electrode to obtain a molten metal and molten slag. . Since the furnace wall of such an electric furnace is exposed to high temperature, it is comprised using refractory materials, such as a refractory brick.
しかしながら、耐火物を用いて炉壁を構成しても、繰り返し操業が行われることにより耐火物は損耗し、その厚みが減少する。その原因の一つとして、複数のアーク電極から発生するアークが相互に反発し、当該アークが炉壁の内周面に向かい、耐火物を局部的に加熱することが挙げられる。特に、炉内に装入された原料が解け落ちるタイミングでは、耐火物は局部的に膨大な放射熱を受けることになり、耐火物の損耗が急激に進行する。従って、安全な操業を確保することや耐火物の長寿命化を図ること等の観点から、耐火物の損耗の状態を管理することは重要になる。 However, even if the refractory is used to form the furnace wall, the refractory is worn and reduced in thickness due to repeated operations. One of the causes is that arcs generated from a plurality of arc electrodes repel each other, the arcs head toward the inner peripheral surface of the furnace wall, and the refractory is locally heated. In particular, at the timing when the raw material charged in the furnace is melted, the refractory is subjected to a huge amount of radiant heat locally, and wear of the refractory proceeds rapidly. Therefore, it is important to manage the wear state of the refractory from the viewpoints of ensuring safe operation and extending the life of the refractory.
電気炉の炉壁を構成する耐火物の損耗の状態を把握する技術として、特許文献1、2に記載の技術がある。
特許文献1には、耐火物の内部に測温センサを配置し、測温センサで測定された温度と、事前に得ている温度と耐火物の損耗量との関係から、耐火物の残厚を推定することが開示されている。また、特許文献1には、測温センサで測定された温度と、耐火物の熱伝導率から、耐火物の残厚を推定することも開示されている。
As a technique for grasping the state of wear of the refractory constituting the furnace wall of the electric furnace, there are techniques described in
In
特許文献2には、耐火物の内部に測温センサを配置して耐火物の内部の温度を測定し、その温度が最大値・最小値を示す時刻と出銑開始時刻・出銑終了時刻とを比較することで、遅れ時間を算出し、算出した遅れ時間が基準時間以下である場合に、耐火物が損耗していると判断することが開示されている。また、特許文献2には、測温センサで測定された温度が最大値・最小値を示す時刻と通電開始時刻・通電終了時刻とを比較することで、遅れ時間を算出することも開示されている。
In
特許文献1に開示されている、耐火物の内部の測定温度から耐火物の損耗量を推定する方法では、温度と耐火物の損耗量との間に一定の関係が得られるためには、炉壁内面の温度が同一であり、且つ、耐火物内部の温度が定常であるか、又は、温度を測定した時点に至るまでの温度履歴が等しい、ことが前提である。また、特許文献1に開示されている耐火物の内部の測定温度と耐火物の熱伝導率から耐火物の残厚を推定する方法では、炉壁内面の温度が既知であり、且つ、耐火物内部の温度が定常である、ことが前提である。しかしながら、通常の操業において、1つのチャージ内で温度変動があることは当然ながら、チャージ間においても温度推移パターンは様々であり、このような非定常性の強い状況では、前述の何れの推定方法においても前提条件が崩れ、良好な推定精度は得られない。
In the method of estimating the wear amount of the refractory from the measured temperature inside the refractory disclosed in
また、特許文献2に開示されている、耐火物の内部の温度の最小値・最大値を示す時刻の通電開始時刻・通電終了時刻からの遅れ時間を算出し、この遅れ時間から耐火物の残厚を推定する方法では、耐火物の内部の温度の最小値・最大値を示す時刻が必ずしも通電開始・通電終了に対応するものとは限らない問題がある。例えば、通常、通電開始時には未溶解スクラップの影響で炉壁内面における入熱が殆ど無く、耐火物の温度に影響を与えないため、最小値と対応することは無い。また、操業中の投入電力は細かく制御されており、通電を終了しなくとも、投入電力を下げた時に耐火物温度との関係によっては炉壁内面において放熱に転じることがあり、この変化が最大値と対応する可能性がある。また、特許文献2に記載の技術では、操業中の耐火物の損耗量(即ち、1チャージの操業開始時と終了時以外の時間における耐火物の損耗量)を動的に管理することができない。
Further, the delay time from the energization start time and energization end time of the time indicating the minimum value and maximum value of the internal temperature of the refractory disclosed in
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、スクラップをアーク放電により溶解する電気炉の炉壁を構成する耐火物の損耗を高精度に監視できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to enable high-precision monitoring of wear of refractories constituting a furnace wall of an electric furnace for melting scrap by arc discharge. And
本発明の電気炉の耐火物損耗管理装置は、アーク電極で発生するアーク放電によりスクラップを溶解する電気炉の炉壁を構成する耐火物の損耗を管理する電気炉の耐火物損耗管理装置であって、前記電気炉の炉壁の内部と前記電気炉の炉壁の外周面とのうち、前記電気炉の炉壁の厚み方向の位置が異なる複数の位置に配置された温度検出端で測定された温度に基づいて、非定常伝熱逆問題解析を行うことにより、前記電気炉の炉壁の内周面における熱流束と時間との関係を導出する熱流束導出手段と、前記熱流束導出手段により導出された、前記電気炉の炉壁の内周面における熱流束と時間との関係に基づいて、1回の操業に対応する期間における当該熱流束の時間積分値を導出する熱流束積分手段と、前記熱流束積分手段により導出された、前記1回の操業に対応する期間における熱流束の時間積分値を含む情報を、前記耐火物の損耗を評価するための指標として出力する出力手段と、を有することを特徴とする。 The refractory wear management device for an electric furnace according to the present invention is a refractory wear management device for an electric furnace that manages the wear of the refractory constituting the furnace wall of the electric furnace that melts scrap by arc discharge generated at an arc electrode. Measured at a plurality of temperature detection ends arranged at different positions in the thickness direction of the furnace wall of the electric furnace between the inside of the furnace wall of the electric furnace and the outer peripheral surface of the furnace wall of the electric furnace. Heat flux deriving means for deriving the relationship between heat flux and time on the inner peripheral surface of the furnace wall of the electric furnace by performing unsteady heat transfer inverse problem analysis based on the measured temperature, and the heat flux deriving means The heat flux integrating means for deriving the time integral value of the heat flux in a period corresponding to one operation based on the relationship between the heat flux on the inner peripheral surface of the furnace wall of the electric furnace and the time derived by And derived by the heat flux integrating means The information includes a time integral value of the heat flux in the period corresponding to the operation of the one, and having and an output means for outputting as an index for evaluating the wear of the refractories.
本発明の電気炉の耐火物損耗管理システムは、前記電気炉の耐火物損耗管理装置と、前記出力手段により、前記1回の操業に対応する期間における熱流束の時間積分値を含む情報が出力された後、オペレータによる指示に基づいて、前記耐火物の損耗を抑制するための措置をとる抑制措置実行手段と、を有することを特徴とする。 In the refractory wear management system for an electric furnace of the present invention, the refractory wear management apparatus for the electric furnace and the output means output information including a time integral value of heat flux in a period corresponding to the one operation. And a suppression measure executing means for taking measures for suppressing the wear of the refractory based on an instruction from an operator.
本発明の電気炉の耐火物損耗管理方法は、スクラップをアーク放電により溶解する電気炉の炉壁を構成する耐火物の損耗を管理する電気炉の耐火物損耗管理方法であって、前記電気炉の炉壁の内部と前記電気炉の炉壁の外周面とのうち、前記電気炉の炉壁の厚み方向の位置が異なる複数の位置に配置された温度検出端で測定された温度に基づいて、非定常伝熱逆問題解析を行うことにより、前記電気炉の炉壁の内周面における熱流束と時間との関係を熱流束導出手段により導出する熱流束導出工程と、前記熱流束導出工程により導出された、前記電気炉の炉壁の内周面における熱流束と時間との関係に基づいて、1回の操業に対応する期間における当該熱流束の時間積分値を熱流束積分手段により導出する熱流束積分工程と、前記熱流束積分工程により導出された、前記1回の操業に対応する期間における熱流束の時間積分値を含む情報を、前記耐火物の損耗を評価するための指標として出力手段により出力する出力工程と、前記出力工程により、前記1回の操業に対応する期間における熱流束の時間積分値を含む情報が出力された後、オペレータによる指示に基づいて、前記耐火物の損耗を抑制するための措置をとる抑制措置実行工程と、を有することを特徴とする。 The refractory wear management method for an electric furnace according to the present invention is a refractory wear management method for an electric furnace for managing wear of a refractory constituting a furnace wall of an electric furnace for melting scrap by arc discharge. Based on the temperatures measured at the temperature detection ends arranged at a plurality of positions where the positions in the thickness direction of the furnace wall of the electric furnace are different from the inside of the furnace wall and the outer peripheral surface of the furnace wall of the electric furnace A heat flux deriving step for deriving the relationship between heat flux and time on the inner peripheral surface of the furnace wall of the electric furnace by heat flux deriving means by performing an unsteady heat transfer inverse problem analysis, and the heat flux deriving step Based on the relationship between the heat flux on the inner peripheral surface of the furnace wall of the electric furnace and the time derived by the above, the time integral value of the heat flux in a period corresponding to one operation is derived by the heat flux integrating means. Heat flux integration step, and the heat flux integration An output step of outputting information including a time integral value of heat flux in a period corresponding to the one operation derived by the process as an index for evaluating wear of the refractory, and the output After the information including the time integral value of the heat flux in the period corresponding to the one operation is output by the process, the suppression measure that takes measures to suppress the wear of the refractory based on the instruction from the operator And an execution step.
本発明のプログラムは、前記電気炉の耐火物損耗管理装置の各手段としてコンピュータを機能させることを特徴とする。 The program of the present invention causes a computer to function as each means of the refractory wear and tear management apparatus for the electric furnace.
本発明によれば、スクラップをアーク放電により溶解する電気炉の炉壁を構成する耐火物の損耗を高精度に監視することができる。従って、電気炉における生産性を維持しつつ、耐火物の維持費用を削減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the abrasion of the refractory material which comprises the furnace wall of the electric furnace which melt | dissolves scrap by arc discharge can be monitored with high precision. Therefore, the maintenance cost of the refractory can be reduced while maintaining the productivity in the electric furnace.
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。
[電気炉の概略構成および温度検出端の位置]
図1、図2は、電気炉1と、電気炉1の耐火物損耗管理システムの概略構成の一例を説明する図である。電気炉1について、図1では、平面図を示し、図2では、図1のA−A線における断面図を示す。尚、図1では、説明の都合上、図2に示す上蓋部2の図示を省略する。尚、以下の説明では、電気炉1の耐火物損耗管理システムを必要に応じて耐火物損耗管理システムと称する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Schematic configuration of electric furnace and position of temperature detection end]
1 and 2 are diagrams for explaining an example of a schematic configuration of an
図1および図2において、本実施形態では、電気炉1は、上部蓋2と、炉内において電気炉1の中心軸Sの周りに等しい角度間隔(120°間隔)で設置された3本のアーク電極3a〜3cと、電気炉1の底部に設けられた炉底電極4と、炉壁5と、を備える。
1 and 2, in this embodiment, the
炉壁5は、耐火レンガや耐火セメント等の耐火物を用いて構成される。炉壁5の外周面は、炉枠を構成する鉄皮で覆われる。本実施形態では、炉壁5を構成する耐火物の厚みが450mmである場合を例に挙げて説明する。尚、以下の説明では、炉壁5を構成する耐火物を必要に応じて「炉壁耐火物」と称する。
The
図1に示すように炉壁耐火物の内部には、複数の熱電対6a〜6iが埋め込まれている。本実施形態では、炉壁内面5a上の点の座標を0mmとして、炉壁内面5aに垂直な直線上の座標が150mm、300mm、450mmである3点に熱電対6a〜6iが埋め込まれている。ここで、炉壁内面5aとは、炉壁の内周面のうち、電気炉1内におけるアーク放電により発生する輻射熱を直接受ける可能性のある面、即ち電気炉1内の溶鋼やスクラップに直接接する可能性のある面のことである。尚、本実施形態では、炉壁耐火物の厚みは450mmであるので、炉壁内面5aに垂直な直線上の座標が450mmである点は、炉壁5の外周面上の点になる。
As shown in FIG. 1, a plurality of
熱電対6a〜6c、6d〜6f、6g〜6iは、それぞれ、電気炉1の中心軸Sに直交する直線であって、且つ、アーク電極3a、3b、3cの中心軸を通る直線7a、7b、7c上に並べられる。以下の説明では、このような直線を必要に応じて「直角軸線」と称する。
The
また、直角軸線7a、7b、7cと炉壁内面5aとの交点をホットスポット8a、8b、8cと称する。ホットスポットは、1つのアーク電極に対して1つ存在するので、アーク電極が複数あれば、それと同数の複数個のホットスポットが存在する。本実施形態の電気炉1においては、アーク電極3a、3b、3cは3本あるので、3箇所のホットスポット8a、8b、8cが存在する。これらホットスポット8a、8b、8cに対して、熱電対6a〜6c、6d〜6f、6g〜6iがそれぞれ直角軸線7a、7b、7c上で一列をなすようにする。即ち、一列をなす熱電対6a〜6c、6d〜6f、6g〜6iの位置の平均である重心位置は、それぞれホットスポット8a、8b、8cを通る直角軸線7a、7b、7c上にあると言い換えることができる。
Further, intersections between the right-
ホットスポット8a、8b、8cの高さ位置、言い換えればホットスポット8a、8b、8cに対して直角軸線7a、7b、7c上で一列をなす熱電対6a〜6c、6d〜6f、6g〜6iの高さ位置は、スクラップ9が全て溶け落ちた場合に溶鋼10の湯面より上にあるようにするのが好ましい。さらに、このような高さ位置のうち、スクラップ9が溶け落ちる際に、アーク放電により発生する輻射熱として、より大きな輻射熱を直接受ける高さ位置(言い換えると、炉壁耐火物の損耗が激しいと想定される高さ位置)をホットスポット8a、8b、8cの高さ位置とするのが好ましい。
The height positions of the
熱電対6a〜6c、6d〜6f、6g〜6iの列を、同一の高さのまま、炉壁内面5a上で電気炉1の中心軸Sの周りに45°回転した位置に配置する場合、後述するようにして算出される炉壁内面5aにおける熱流束の時間変化が緩慢となった。また、熱電対6a〜6c、6d〜6f、6g〜6iの列を、同一の高さのまま、炉壁内面5a上で電気炉1の中心軸Sの周りに60°回転した位置に配置した場合も同様に、炉壁内面5aにおける熱流束の時間変化が緩慢となった。そのため、後述するようにして算出される炉壁内面5aの熱流束の時間積分値が正しく導出されず、炉壁耐火物の損耗(炉壁耐火物に損耗が生じているか否かと炉壁耐火物の損耗の程度)を正しく判定することができなかった。従って、炉壁耐火物の損耗を抑制する措置として、投入電力を下げる措置をとる場合、投入電力を適切な値に調整することができない虞がある。投入電力を適切な値に調整することができないと、電力効率が下がるばかりでなく、炉壁内面5aがアーク電極3a、3b、3cから受ける輻射熱が適正に制御されないため、熱負荷がより多くかかる。そのため、炉壁耐火物の損耗が激しくなり、炉壁耐火物の寿命が短くなる虞がある。
When arranging the rows of
従って、熱電対6a〜6c、6d〜6f、6g〜6iの列は、前述したように、溶鋼10の湯面より上にあるホットスポット8a、8b、8cを通る直角軸線7a、7b、7c上に配置するのが、電力効率の向上および炉壁耐火物の長寿命化の両方に最も効果があることが分かった。
Therefore, the rows of the
本実施形態では、各ホットスポット8a、8b、8cに対して熱電対6a〜6c、6d〜6f、6g〜6iが一列をなす例を説明した。しかしながら、各ホットスポット8a、8b、8cに対して配置される複数の熱電対の位置関係は、1次元的な列に限定されない。例えば、千鳥状に2次元或いは3次元的に、即ち熱電対の群として、炉壁5内に複数の熱電対を埋め込むようにしてもよい。
In the present embodiment, the example in which the
ここで、熱電対の群は、直角軸線7a、7b、7cの近傍に配置するのが好ましい。具体的には、図1に示すように、アーク電極3a、3b、3cの中心軸から、各アーク電極3a、3b、3cに対応するホットスポット8a、8b、8cまでの距離をLとする。各アーク電極3a、3b、3cに対応するホットスポット8a、8b、8cに対する熱電対の群は、それぞれ、直角軸線7a、7b、7cから上下左右に各々0.2L以内の領域に収まっていることが好ましい。上下とは、電気炉1の中心軸Sに平行な方向であり、左右とは、前記上下方向に直角な方向(炉壁5の周方向)である。そして、上下左右の距離とは、炉壁稼動面5aに平行に計った直線距離である。即ち、熱電対の群は、炉壁耐火物の内部において、ホットスポット8a、8b、8cを中心とした一辺0.4Lの矩形を一面とする直方体領域に入るように設置する。この直方体領域の外側に熱電対の群があると、損耗の激しいホットスポット8a、8b、8cにおける熱流束を正しく算出することができず、炉壁耐火物の損耗(炉壁耐火物に損耗が生じているか否かと炉壁耐火物の損耗の程度)を正しく判定することが困難になる虞があるからである。熱電対の群は、ホットスポット8a、8b、8cに近い位置にあるのが好ましいので、直角軸線7a、7b、7cから上下左右に0.1L以内の領域に熱電対の群が収まっているのがより好ましい。
Here, the group of thermocouples is preferably arranged in the vicinity of the
本実施形態においては、L=1500mmである。従って、直角軸線7a、7b、7cから上下左右各々0.2×1500=300mm以内の領域に収まるように熱電対の群を炉壁耐火物内に埋め込むようにする。
また、群をなす複数の熱電対の位置の平均である重心位置は、ホットスポット8a、8b、8cを通る直角軸線7a、7b、7c上にあるようにするのが好ましい。
In the present embodiment, L = 1500 mm. Therefore, a group of thermocouples is embedded in the furnace wall refractory so as to be within an area of 0.2 × 1500 = 300 mm within each of the
Moreover, it is preferable that the center-of-gravity position, which is the average of the positions of a plurality of thermocouples forming a group, is on the right-
本実施形態では、3本のアーク電極3a、3b、3cがあるので、各アーク電極3a、3b、3cに対応する3箇所のホットスポット8a、8b、8cが存在する。これら3箇所に、熱電対6a〜6c、6d〜6f、6g〜6iの1次元的な列(或いは2次元的或いは3次元的な群)を配置すれば、炉壁耐火物の損耗(炉壁耐火物に損耗が生じているか否かと炉壁耐火物の損耗の程度)をよりきめ細かく判定することができる。具体的には、これら3箇所で、炉壁耐火物の損耗の程度が異なるため、炉壁耐火物の損耗が最も激しい箇所をいち早く特定することができ、炉壁耐火物の損耗を抑制する措置をいち早くとることができる。
In the present embodiment, since there are three
尚、電気炉1に配置されるアーク電極が1本である場合は、電気炉1の中心軸Sとアーク電極の中心軸とが一致し、アーク放電により発生する輻射熱が炉壁内面5aに与える影響は、均一性が高く、ホットスポット8a、8b、8cのように熱の影響が局所的に表れやすい場所は明瞭ではない。従って、複数の熱電対の高さ位置は、スクラップ9が全て溶け落ちた場合に溶鋼10の湯面より上にあればよい。
また、本実施形態においては、温度検出端として熱電対を用いたが、放射温度計等の他の温度検出端を用いることを妨げるものではない。また、本実施形態においては、1つのホットスポット8a、8b、8cに対して、それぞれ3つの熱電対6a〜6c、6d〜6f、6g〜6iを配置した。しかしながら、電気炉1の炉壁5(炉壁耐火物)の内部と電気炉1の炉壁5の外周面とのうち、電気炉1の炉壁5の内部を含む複数の位置であって、電気炉1の炉壁5の厚み方向の位置が異なる複数の位置に複数の温度検出端を配置していれば、1つのホットスポットに対する温度検出端の数は3つに限定されない。即ち、前記複数の位置は、電気炉1の炉壁5の内部のみの位置、または、電気炉1の炉壁5の内部および外周面の位置であればよい(言い換えると、前記複数の位置は、炉壁内面5aの位置を除く位置になる)。
When the number of arc electrodes arranged in the
Moreover, in this embodiment, although the thermocouple was used as a temperature detection end, it does not prevent using other temperature detection ends, such as a radiation thermometer. In the present embodiment, three
[耐火物損耗管理システム]
図2に示すように、本実施形態の耐火物損耗管理システムは、耐火物損耗管理装置101と、温度サンプリング装置102と、投入電力制御装置103と、電力投入装置104とを有する。
[Refractory wear and tear management system]
As shown in FIG. 2, the refractory material wear management system of the present embodiment includes a refractory material
温度サンプリング装置102は、所定の周期で繰り返し到来する温度サンプリング時間のそれぞれにおいて、熱電対6a〜6iで測定された温度を取得する。
耐火物損耗管理装置101は、後述する各種演算処理等を行うことにより、炉壁耐火物の損耗(炉壁耐火物に損耗が生じているか否かと炉壁耐火物の損耗の程度)をオペレータが評価するための指標となる情報を出力する。耐火物損耗管理装置101の詳細については後述する。
The
The refractory
投入電力制御装置103は、オペレータによる指示に基づいて、電力投入装置104の動作を制御する。
電力投入装置104は、投入電力制御装置103による制御に従って、アーク電極3a、3b、3cと炉底電極4に電力を供給する。
The input
The
<耐火物損耗管理装置101>
耐火物損耗管理装置101は、各温度サンプリング時間において熱電対6a〜6iで測定された温度に基づいて非定常伝熱逆問題解析を行うことにより、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束と時間との関係を演算し、その結果から、熱流束の時間積分値を演算する。
<Refractory material
The refractory
図3は、耐火物損耗管理装置101の機能的な構成の一例を示す図である。耐火物損耗管理装置101のハードウェアは、例えば、CPU、ROM、RAM、HDD、および各種のインターフェースを備える情報処理装置、PLC(Programmable Logic Controller)、または、専用のハードウェアを用いることにより実現することができる。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a functional configuration of the refractory wear and
耐火物損耗管理装置101は、熱流束導出部110と、熱流束積分部120と、出力部130と、を有する。以下に、これら各部が有する機能の一例を説明する。
The refractory wear and
<<熱流束導出部110>>
熱流束導出部110は、各温度サンプリング時間において熱電対6a〜6iで測定された温度から、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)における温度および熱流束を演算する。以下に、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)における温度および熱流束を演算する手法の一例を説明する。
<< Heat
The heat
<<<非定常熱伝導方程式の解法と入熱流束の計算>>>
本実施形態では、炉壁内面5aにおける熱流束は、熱電対6a〜6iで測定された温度から、非定常熱伝導方程式を満たす内外挿関数を用いた伝熱逆問題解析によって算出した温度の、炉壁内面5aの法線方向における勾配により算出される。尚、以下の説明では、熱電対6a〜6iで測定された温度を必要に応じて「温度情報」と称する。
非定常熱伝導方程式は、炉壁内面5aの温度をT、炉壁耐火物の密度をρ、炉壁耐火物の比熱をC、炉壁耐火物のx方向の熱伝導度をkx、y方向の熱伝導度をky、z方向の熱伝導度をkzとして、以下の(1)式で表わされる。
<<< Solution of unsteady heat conduction equation and calculation of heat input flux >>>
In this embodiment, the heat flux in the furnace wall
The transient heat conduction equation is expressed as follows: the temperature of the furnace wall
位置ベクトルを(x,y,z)、時間をtとし、非定常熱伝導方程式の厳密解を与えるx、y、z、tを変数とする内外挿関数F、パラメータαj,i、基準位置ベクトル(xj,yj,yj)、基準時間ti、基準位置ベクトルの数Nj、および基準時間の数Niを用いて、非定常熱伝導方程式の厳密解を与える関数を、以下の(2)式により表現する。 The position vector is (x, y, z), the time is t, and an extrapolation function F with parameters x, y, z, and t giving exact solutions to the unsteady heat conduction equation, parameter α j, i , and reference position A function that gives an exact solution of the unsteady heat conduction equation using the vector (x j , y j , y j ), the reference time t i , the number of reference position vectors N j , and the number of reference times N i is given by (2).
(xk,yk,yk)を温度情報測定位置ベクトル、tlを温度サンプリング時間とし、温度情報測定位置において測定された温度情報をak,lとして、パラメータαj,iを、以下の(3)式の連立方程式を用いて決める。 (X k , y k , y k ) is a temperature information measurement position vector, t l is a temperature sampling time, temperature information measured at the temperature information measurement position is a k, l , and parameter α j, i is This is determined using the simultaneous equations of (3).
内外挿関数F(x,y,z,t)は、以下の(4)式で与えられる。 The extrapolation function F (x, y, z, t) is given by the following equation (4).
図1に示すように本実施形態では、電気炉1において、450mmの厚さの炉壁耐火物に、炉壁5の外周面上の位置と、炉壁5の外周面から深さ150mmおよび300mmの位置に直線状に熱電対6a〜6c、6d〜6f、6g〜6iを埋め込み、取り付けた。即ち、温度情報測定位置の数Nkを「3」(Nk=3)とした。熱流束の算出対象となるホットスポットは、一箇所であり、それぞれのホットスポット8a、8b、8cに対して熱流束が個別に算出される。以下に、炉壁耐火物の内部の温度情報から炉壁内面5aの一箇所のホットスポットにおける熱流束を算出する方法の一例について説明する。ここで、炉壁耐火物の厚み方向をxとし、炉壁内面5aの座標をx=0mm、炉壁5の外面の座標をx=450mmとする。また、炉壁耐火物は、等方的な熱伝導度を有するため、当該熱伝導度をkで表わす。熱流束は、1次元熱伝導方程式を用いて炉壁耐火物の厚み方向の1次元温度分布を推定することにより算出される。即ち、(1)式に対応する非定常熱伝導方程式は、以下の(5)式となる。
As shown in FIG. 1, in the present embodiment, in the
また、(4)式に対応する内外挿関数Fは、以下の(6)式となる。 Further, the extrapolation function F corresponding to the equation (4) is the following equation (6).
任意の位置x、時間tにおける温度を表わす(2)式に対応する式は、以下の(7)式となる。ここで、xj、tiは、各々、基準位置、基準時間である。 An expression corresponding to the expression (2) representing the temperature at an arbitrary position x and time t is the following expression (7). Here, x j and t i are a reference position and a reference time, respectively.
(7)式は、基準位置xjにおいて基準時間tiに仮想的な熱源が存在したと考え、その仮想的な熱源の影響が位置x、時間tにおける温度に影響しているという考えに立脚するものである。従って、基準時間tiは、時間tより過去の時間である。また、前記仮想的な熱源の影響を表わす関数がF(x−xk,t−tl)である。パラメータαj,iは、前記仮想的な熱源の影響に与える重みを表わす。この重みを決定できれば、位置xにおける時間tでの温度を推定することができる。但し、基準時間tiをあまり近い過去に設定すると、F(x−xk,t−tl)は鋭い関数となり、誤差が大きくなる。 The expression (7) is based on the idea that a virtual heat source exists at the reference time t i at the reference position x j and the influence of the virtual heat source affects the temperature at the position x and the time t. To do. Therefore, the reference time t i is a time past the time t. The function representing the effect of the virtual heat source is F (x-x k, t -t l). The parameter α j, i represents a weight given to the influence of the virtual heat source. If this weight can be determined, the temperature at time t at position x can be estimated. However, if the reference time t i is set to a very close past, F (x− k k , t−t l ) becomes a sharp function and the error increases.
Nk個の温度情報測定位置を設け、Nl回の温度サンプリングを行った時点で、基準位置xjにおける基準時間tiからの影響の重みを求める。ここで、基準位置xjの数はNj個、基準時間tiの数はNi個である。即ち、Nk×Nl個の温度情報を用いて、Nj×Ni個のパラメータαj,iを求めることになる。
パラメータαj,iを求める方法は、基本的に、測定された温度情報が正しく再現されるように決めればよい。位置xk、時間tlにおいて測定された温度情報をak,lとする。T(xk,tl)=ak,lとなるので、パラメータαj,iを未知数とする以下の(8)式の連立方程式を得る。
N k temperature information measurement positions are provided, and when the temperature sampling is performed N l times, the influence weight from the reference time t i at the reference position x j is obtained. Here, the number of the reference positions x j is the number of N j number, the reference time t i is N i number. That is, N j × N i parameters α j, i are obtained using N k × N l pieces of temperature information.
The method for obtaining the parameter α j, i may be basically determined so that the measured temperature information is correctly reproduced. The temperature information measured at the position x k and time t l is a k, l . Since T (x k , t l ) = a k, l , the following simultaneous equation (8) with the parameter α j, i as an unknown is obtained.
(8)式において、パラメータαj,i以外の値は既知である。(8)式は、パラメータαj,iを決める基本的な連立方程式である。しかしながら、(8)式の連立方程式から常に解が得られるということは保証されていない。また、温度情報にランダムな測定誤差が入り込むことによって、安定的な解を得ることができない場合もある。 In equation (8), values other than the parameter α j, i are known. Equation (8) is a basic simultaneous equation that determines the parameter α j, i . However, it is not guaranteed that a solution can always be obtained from the simultaneous equations (8). In addition, there may be cases where a stable solution cannot be obtained due to random measurement errors entering the temperature information.
(8)式の右辺を、(6)式を用いて、再度、関数Fを用いて表わせば、(8)式の連立方程式は以下の(9)式のようになる。 If the right side of the equation (8) is expressed again by using the function F using the equation (6), the simultaneous equations of the equation (8) become the following equation (9).
(9)式の右辺は、パラメータαj,iが決まれば、温度情報測定位置xkおよび温度サンプリング時間tlにおける温度情報の推定値を与えることを示す。従って、(9)式の右辺をTk,lと、添え字k、lのみで表現することができる。即ち、(9)式の連立方程式は、以下の(10)式のようになる。但し、Tk,lは、以下の(11)式で表わされる。 The right side of equation (9) indicates that if parameter α j, i is determined, an estimated value of temperature information at temperature information measurement position x k and temperature sampling time t 1 is given. Therefore, the right side of the equation (9) can be expressed only by T k, l and subscripts k, l. That is, the simultaneous equations of equation (9) are as shown in equation (10) below. However, T k, l is expressed by the following equation (11).
ここで、基準位置xjの数Njを、温度情報測定位置の数Nkと一致させると共に、基準時間tiの数Niをサンプリング時間jの数Njと一致させれば、未知数であるパラメータαj,iの数Nj×Niと方程式の数Nk×Nlが一致し、原理的には(10)式の連立方程式を解けることになる。しかしながら、基準位置xj、基準時間tiの取り方によって、必ずしもNj×NiとNk×Nlは一致せず、必ずしも(10)式の連立方程式の解を求めることができない。また、前記未知数であるパラメータαj,iの数Nj×Niと方程式の数Nk×Nlとを一致させたとしても、安定的な解が得られることは保証されない。このような問題は、非特許文献1、2にあるように、"性質の悪い問題(ill-posed problem)"と呼ばれる。
Here, the number N j of the reference position x j, with match the number N k of temperature information measuring position, if the number N i of the reference time t i is equal to the number N j of the sampling time j, with unknown The number N j × N i of a certain parameter α j, i matches the number of equations N k × N l , and in principle, the simultaneous equations of equation (10) can be solved. However, depending on how the reference position x j and the reference time t i are taken, N j × N i does not necessarily match N k × N l, and it is not always possible to obtain a solution of simultaneous equations of equation (10). Even if the number N j × N i of the parameter α j, i that is the unknown is matched with the number N k × N 1 of the equation, it is not guaranteed that a stable solution can be obtained. Such a problem is called “ill-posed problem” as described in
ここで、(10)式、(11)式の連立方程式を簡潔に表現するために、二重添え字の組み(k,l)および(j,i)を各々一つの添え字sおよびpに置き換える。これは、例えば次のような方法で可能である。Nj×Ni=Q、Nk×Nl=Rとし、s=Nl(k−1)+l(k=1、2、・・・、Nk、l=1、2、・・・、Nl)とすれば、二重添え字(k,l)は一つの添え字s(s=1、2、・・・、R)に置き換えることができる。同様に、p=Ni(j−1)+i(j=1、2、・・・、Nj、i=1、2、・・・、Ni)とすれば、二重添え字(j,i)は一つの添え字p(p=1、2、・・・、Q)に置き換えることができる。 Here, in order to express the simultaneous equations of the equations (10) and (11) in a concise manner, the double subscript pairs (k, l) and (j, i) are respectively converted into one subscript s and p. replace. This is possible, for example, by the following method. N j × N i = Q, N k × N l = R, and s = N l (k−1) +1 (k = 1, 2,..., N k , l = 1, 2,. , N l ), the double subscript (k, l) can be replaced with a single subscript s (s = 1, 2,..., R). Similarly, if p = N i (j−1) + i (j = 1, 2,..., N j , i = 1, 2,..., N i ), double subscript (j , I) can be replaced with one subscript p (p = 1, 2,..., Q).
即ち、Nk行Nl列の行列成分であったTk,lおよびak,lは、R次元のベクトル成分Tsおよびasで表わすことができ、Nj行Ni列の行列成分であったαj,iは、Q次元のベクトル成分αp表わすことができ、F(xk−xj,tl−ti)は、R行Q列の行列成分Fs,pで表わされることになる。即ち、Tk,l=Ts、ak,l=as、αj,i=αp、F(xk−xj,tl−ti)=Fs,pで表される。これらのベクトルをT、a、およびαで表わし、また、行列をFで表わすこととする。このとき、(10)式、(11)式は、それぞれ、以下の(12)式、(13)式のように表わすことができる。 That is, T k, l and a k, l , which are matrix components of N k rows and N l columns, can be represented by R-dimensional vector components T s and a s , and matrix components of N j rows and N i columns. Α j, i can be represented by a Q-dimensional vector component α p , and F (x k −x j , t 1 −t i ) is represented by a matrix component F s, p of R rows and Q columns. Will be. That is, T k, l = T s , a k, l = a s , α j, i = α p , F (x k −x j , t l −t i ) = F s, p . These vectors are represented by T, a, and α, and the matrix is represented by F. At this time, the expressions (10) and (11) can be expressed as the following expressions (12) and (13), respectively.
ここで、asは計測値であり、Fs,pは関数値であり、既知の値である。即ち、温度情報の測定値を正しく与える係数αpを求める問題となる。前記のように、未知数の数Qと方程式の数Rは一般的に一致しない。この場合、(12)式を解くことができない。即ち、"性質の悪い問題(ill-posed problem)"と呼ばれる。非特許文献1、2にそのような問題を取り扱う"正則化法(regularization method)"と呼ばれる方法等が記載されている。
基本的に、計測値asと、推定値Tsとの誤差の2乗の総和が最小となるように係数αpを決定する。このような誤差の総和は、以下の(14)式のように表わされる。
Here, a s is a measured value, F s, p is a function value, and is a known value. That is, there is a problem of obtaining a coefficient α p that correctly gives a measured value of temperature information. As described above, the number of unknowns Q and the number of equations R generally do not match. In this case, equation (12) cannot be solved. That is, it is called “ill-posed problem”.
Basically, the coefficient α p is determined so that the sum of squares of errors between the measured value a s and the estimated value T s is minimized. The total sum of such errors is expressed by the following equation (14).
(14)式の値を最小にするように係数αpを決めればよい。しかしながら、非特許文献2によれば、このような手法でも安定的な解が得られない場合が多い。非特許文献2によれば、最小化すべき量を、以下の(15)式とすると安定な解が得られる。但し、rは正の定数であり、問題によって異なる。ここでは、rとして2.25×10-6を採用した。
The coefficient α p may be determined so as to minimize the value of the equation (14). However, according to
(15)式を最小にする係数αpを求める方法は、非特許文献1、2に記述されている。これら非特許文献1、2によれば"特異値分解(Singular Value Decomposition)"と呼ばれる手法を用いる。"特異値分解( Singular Value Decomposition)"によれば、非特許文献3に示されるように、任意のR行Q列の行列は、3個の正方行列の積で表示することができる。これら3個の正方行列のうち、一つは、対角成分のみが0でない行列であり、他の二つは、各々自身の転置行列、即ち行成分と列成分を入れ替えた行列が各々自身の逆行列となるような行列(直交行列)で表わされる。従って、前記行列Fに特異値分解を適用すれば、以下の(16)式を満たす前記3個の正方行列が一義的に存在することが保証される。即ち、以下の(16)式を満たす行列Σ、WおよびVが存在する。
The method for obtaining the coefficient α p that minimizes the equation (15) is described in
ここで、Σは前記対角成分のみが0でない行列であり、WおよびVは前記直交行列である。また、V'はVの転置行列である。但し、WはR次の正方行列、VはQ次の正方行列、ΣはR行Q列の行列であり、その対角成分の数は、RとQのうちの小さい方の数Uである。即ち、Uは、以下の(17)式で表現される。 Here, Σ is a matrix in which only the diagonal component is not 0, and W and V are the orthogonal matrices. V ′ is a transpose matrix of V. Where W is an R-order square matrix, V is a Q-order square matrix, Σ is an R-row Q-column matrix, and the number of diagonal components is the smaller number U of R and Q. . That is, U is expressed by the following equation (17).
ここで、行列Σのn番目の対角成分をσn、行列WおよびVのs行n列の成分を各々ws,n、vs,nと記載すれば、(16)式は、以下の(18)式のように書ける。 Here, if the n-th diagonal component of the matrix Σ is denoted as σ n , and the components of the matrix W and V in the s-row and n-column are denoted as w s, n and v s, n respectively, It can be written as (18).
(18)式を(15)式のFs,pに代入し、(15)式の値を最小とするような係数αpを求める。このような問題は、非特許文献1および非特許文献2によれば、以下の(19)式のように求められる。
ここで、rは定数であり、温度測定対象物の熱特性により変化する。r=0とした場合は、(16)式の値を最小とする解となるが、その場合の温度は、温度情報測定位置の間で大きく変化する不安定な温度になった。本実施形態においては、rの値を1.0×10-6〜5.0×10-6の範囲とすることで安定な解が得られ、温度を正しく推定することができた。対象とする耐火物と同一のものの試験片を少量切り出し、実験室レベルで小規模な事前試験をすることでrの最適値を決めることもできる。上の記載において、パラメータαj,iの計算に係る温度情報の測定データの数Nk×Nl=Rと、基準位置データの数Nj×Ni=Qは、異なった場合も含めたが、計算精度を考慮すれば、両者は一致することが好ましい。即ち、P=Qであることが好ましい。更なる計算精度を考慮すれば、温度情報測定位置の数と基準位置の数が一致し、且つ、パラメータαj,iの計算に係る温度サンプリングデータの数と基準時間の数が一致することが好ましい。 Here, r is a constant and varies depending on the thermal characteristics of the temperature measurement object. When r = 0, the solution minimizes the value of equation (16), but the temperature in that case is an unstable temperature that varies greatly between the temperature information measurement positions. In the present embodiment, a stable solution was obtained by setting the value of r in the range of 1.0 × 10 −6 to 5.0 × 10 −6 , and the temperature could be estimated correctly. It is also possible to determine the optimum value of r by cutting out a small amount of the same test piece as the target refractory and conducting a small-scale preliminary test at the laboratory level. In the above description, the number N k × N l = R of the temperature information measurement data related to the calculation of the parameter α j, i and the number N j × N i = Q of the reference position data are included even when they are different. However, in consideration of calculation accuracy, it is preferable that the two coincide. That is, it is preferable that P = Q. If further calculation accuracy is taken into consideration, the number of temperature information measurement positions and the number of reference positions may be the same, and the number of temperature sampling data and the number of reference times for calculating the parameters α j, i may be the same. preferable.
得られた係数αpを(13)式に代入し、添え字pを添え字j,iに戻し、添え字sを添え字k,lに戻す。即ち、添え字jは、pをNiで除算して得られた商に1を加えたものであり、前記除算で得られる余りが添え字iとなる。また、添え字kは、sをNlで除算して得られる商に1を加えたものであり、前記除算で得られる余りが添え字lとなる。 The obtained coefficient α p is substituted into the equation (13), the subscript p is returned to the subscripts j and i, and the subscript s is returned to the subscripts k and l. In other words, subscript j is obtained by adding 1 to the quotient obtained by dividing p by N i, the remainder obtained by the division becomes subscript i. The subscript k is obtained by adding 1 to the quotient obtained by dividing s by N l , and the remainder obtained by the division becomes the subscript l.
また、入熱流束は、以下のようにして計算することができる。
(x0,y0,z0)を炉壁内面5aにおける入熱流束推定点の座標とし、bを入熱流束推定点における当該炉壁内面5aにおいて外向き、即ち当該炉壁内面5aから溶鋼側を向いた単位法線ベクトルとし、Kを熱伝導度からなる行列とし、当該単位法線ベクトルbと、当該入熱流束推定点における温度勾配との内積である以下の(20)式で入熱流束qを与える。
Further, the heat input flux can be calculated as follows.
Let (x 0 , y 0 , z 0 ) be the coordinates of the heat input flux estimated point on the furnace wall
ここで、∇は勾配ベクトル演算子であり、Kは以下の(21)式で表わされる。 Here, ∇ is a gradient vector operator, and K is expressed by the following equation (21).
本実施形態においては、温度情報測定用の熱電対6a〜6c、6d〜6f、6g〜6iを1次元に配置し、また、熱電対6a〜6c、6d〜6f、6g〜6iが埋め込まれた耐火物の熱伝導度は等方的であるため、kx=ky=kz=kとした。即ち、入熱流束推定点の座標をx0として、(20)式は、(7)式を用いると、以下の(22)式のようになる。
In this embodiment, the
以上のように、温度情報から、所定の位置における入熱流束が計算される。 As described above, the heat input flux at a predetermined position is calculated from the temperature information.
[温度サンプリングの時間間隔と基準時間の時間間隔]
本実施形態においては、温度サンプリング装置102は、温度サンプリング開始時間τ1から、時間間隔Δ1でNk個の位置での温度情報をNl回サンプリングする。熱流束導出部110は、サンプリングされた温度情報を用いて、(20)式より係数αpを求め、(2)式におけるパラメータαj,iを求める。即ち、熱流束導出部110は、温度サンプリングを開始してからNl回目の温度サンプリングが終了した後に初めて係数αpを求める計算を行う。その後、熱流束導出部110は、温度サンプリングの進捗ごとに係数αpを計算する。係数αp、即ちパラメータαj,iは、前記のように、Nj個の基準位置xjにおける、Ni個の基準時間tiにおいて存在した仮想的な熱源が、任意の座標における任意の時間での温度に与える影響の重みを表わすものと考えることができる。従って、基準時間tiは、過去の時間と考えることが好ましい。即ち、基準時間tiとは、好ましくは、過去の時間τ2からτ2+(Ni−1)Δ2まで時間間隔Δ2でNi個あるとすることができる。即ち、温度サンプリング時間tlおよび基準時間tiは、以下の(23)式で表わされる。
[Temperature sampling time interval and reference time interval]
In the present embodiment, the
また、本実施形態においては、1次元を考えているので、(2)式或いは(11)式に示される、過去の熱源からの影響は、F(xk−xj,tl−ti)となり、以下の(24)式のように表わされる。 Further, in the present embodiment, since one dimension is considered, the influence from the past heat source shown in the formula (2) or (11) is F (x k −x j , t l −t i. ), And is expressed as the following equation (24).
Nl回の温度サンプリングが終了したら、熱流束導出部110は、上式より、(4)式或いは(6)式の内外挿関数Fを用いて、[非定常熱伝導方程式の解法と入熱流束の計算]に記載のように行列Fを特異値分解して、係数を求め、推定温度を求め、熱流束を求める。
When the temperature sampling of N l times is completed, the heat
基準時間tiは、過去の一定の時間として更新しなくても計算に支障をきたすことは無いが、計算の精度を向上させるためには、基準時間tiも更新するのが好ましい。例えば、温度サンプリング数が基準時間tiの数Niを超えたら、時間間隔Δ2で基準時間を更新する。但し、係数αj,iの計算に係る基準時間tiは、基準時間tiのパラメータαj,iの計算に係る温度情報のサンプリング時間より過去であることが必要である。温度サンプリング回数がNl、Niの両者より大きい場合、当該温度サンプリング回数はNl或いはNiの剰余系で表わすことができる。即ち、適当な数M1或いはM2を用いて、M1Nl+l(M1=1、2、・・・、l=1、2、・・・、Nl)、或いは、M2Ni+i(M2=1、2、・・・、i=1、2、・・・、Ni)で表すことができる。この場合、温度情報サンプリング時間tlと基準時間tiは、以下の(25)式のように表される。 Although the reference time t i does not hinder the calculation even if it is not updated as a fixed time in the past, it is preferable to update the reference time t i in order to improve the calculation accuracy. For example, when the number of temperature sampling exceeds the number N i of the reference times t i , the reference time is updated at the time interval Δ 2 . However, the reference time t i of the computation of the coefficients alpha j, i, it is necessary that the reference is the time t i of the parameter alpha j, past than the sampling time of temperature information according to calculation of i. Temperature sampling number N l, if both greater than N i, the temperature sampling count may be represented by the residue system of N l or N i. That is, using an appropriate number M 1 or M 2 , M 1 N l + l (M 1 = 1, 2,..., L = 1, 2,..., N l ) or M 2 N i + i (M 2 = 1, 2,..., i = 1, 2,..., N i ). In this case, the temperature information sampling time t l and the reference time t i are expressed by the following equation (25).
この場合、内外挿関数は、以下の(26)式のように表わされる。 In this case, the extrapolation function is expressed as the following equation (26).
温度測定を開始してからどの程度でスクラップの溶け落ちが始まるか予想がつけば、前記M1、M2を事前に決めておくことができる。従って、各々のM1、M2について(26)式に示されるFを事前に計算しておき、各々のFについて特異値分解(Singular Value Decomposition)を実施しておけば、温度推定を短時間で行うことが可能である。また、温度サンプリングの進捗とともに、(26)式のFを求め、特異値分解を行い、係数αpを求めるようにしてもよい。この場合は、計算ステップ数が増加してしまい、計算効率が低下する懸念がある。 If it is possible to predict how much scrap starts to melt after the temperature measurement is started, the M 1 and M 2 can be determined in advance. Therefore, if F shown in the equation (26) is calculated in advance for each of M 1 and M 2 and singular value decomposition (Singular Value Decomposition) is performed for each F, temperature estimation is performed in a short time. Can be done. Further, along with the progress of temperature sampling, F in the equation (26) may be obtained, singular value decomposition may be performed, and the coefficient α p may be obtained. In this case, there is a concern that the number of calculation steps increases and calculation efficiency decreases.
ここで、Nl=Niとし、更にΔ1=Δ2=Δとする。即ち、係数αj,iの計算に係る基準時間の数と、温度サンプリング回数の数を等しくし、温度サンプリングの進捗の時間間隔と基準時間の進捗の時間間隔を等しくとる。このとき、M1=M2であるから、(26)式は、以下の(27)式となる。 Here, it is assumed that N 1 = N i and further Δ 1 = Δ 2 = Δ. That is, the number of reference times related to the calculation of the coefficient α j, i is made equal to the number of temperature sampling times, and the time interval of progress of the temperature sampling is made equal to the time interval of progress of the reference time. At this time, since M 1 = M 2 , the expression (26) becomes the following expression (27).
(27)式は、温度サンプリングが進捗し、基準時間が更新されても不変である。従って、熱流束導出部110は、(27)式に示されたFを求めておき、[非定常熱伝導方程式の解法と入熱流束の計算]の項に記載された特異値分解を事前に適用しておき、温度サンプリングの進捗ごとに(19)式から係数αを求めればよい。これにより、計算ステップ数が大幅に少なくなり、精度を落とすことなく計算時間を著しく低減することができる。更に、事前に係数αが得られる場合、熱流束導出部110は、(20)式或いは(22)式より、炉壁内面5aにおける熱流束を求める。
Expression (27) remains unchanged even if the temperature sampling progresses and the reference time is updated. Therefore, the heat
<<熱流束積分部120>>
熱流束積分部120は、熱流束導出部110により導出された、各温度サンプリング時間における熱流束に基づいて、1回の操業に対応する期間における熱流束の時間積分値を導出する。
<<
The heat
電気炉1においては、炉壁5の損耗を抑制するために、バッチ操業の際の操業間の時間等を利用し、吹付材を炉壁内面5aに吹き付けることが行われる。本発明者らは、炉壁内面5aに種々の厚みで吹付材を吹き付け、その他の条件を同じにして電気炉1を操業することにより、炉壁耐火物の損耗量を統計的に考察した。このようにして得た本発明者らの知見について説明する。尚、炉壁と称した場合には、吹付材は含まれないものとする。
In the
<<<本発明者らが得た知見>>>
図4は、アーク電極3aに対する投入電力(電圧×電流)の一例を示す図である。図5は、炉壁耐火物の温度の一例を示す図である。また、図6は、炉壁内面5aの熱流束の一例を示す図である。
<<< Knowledge obtained by the present inventors >>>
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of input power (voltage × current) to the
図5において、グラフ501は、炉壁内面5a(ホットスポット8a)上の点の座標を0mmとして、炉壁内面5aに垂直な直線上の座標が150mmである位置に埋め込まれた熱電対(図1に示す熱電対6a)で測定された温度を示す。グラフ502は、同じく炉壁内面5a(ホットスポット8a)上の点の座標を0mmとして、炉壁内面5aに垂直な直線上の座標が300mmである位置に埋め込まれた熱電対(図1に示す熱電対6b)で測定された温度を示す。グラフ503は、炉壁内面5a(ホットスポット8a)上に配置された熱電対で測定された温度を示す。図5において、グラフ503の値が一定になっているのは、炉壁内面5a(ホットスポット8a)上の温度が熱電対による温度の測定上限値を超えていること(熱電対の断線が生じていること)を示す。グラフ504は、グラフ501、502を用いて前述したようにして導出される炉壁内面5a(ホットスポット8a)の温度を示す。
In FIG. 5, a
図6において、グラフ601は、グラフ501、502を用いて前述したようにして導出される炉壁内面5a(ホットスポット8a)の熱流束を示す。
前述したように電気炉1ではバッチ式で操業が行われるので、図4に示すように、それぞれの操業において電力が間欠的に繰り返しアーク電極3aに投入される(図4に示す例では、5回の操業が行われている例を示す)。
In FIG. 6, a
As described above, since the
図5に示すように、炉壁内面5a(ホットスポット8a)の温度の計算値(グラフ504)と測定値(グラフ503)は、それぞれの操業の前半の期間(炉壁内面5a(ホットスポット8a)上に配置された熱電対が断線するまでの期間)においては略一致している。したがって、炉壁内面5a(ホットスポット8a)の温度が、前述したようにして熱流束導出部110により高精度に導出されることが分かる。
As shown in FIG. 5, the calculated value (graph 504) and measured value (graph 503) of the temperature on the furnace wall
また、図4のプロットと図6のグラフ601とを比較すると、熱流束がピークを示すタイミングは、電力(電圧×電流)がピークを示すタイミングよりも遅く、時間遅れが生じている。これは、操業を開始し、スクラップが溶け落ちるまでは、炉壁耐火物の前面に存在するスクラップが、アーク電極3aからの輻射熱の遮蔽物になっているためであると考えられる。したがって、前述したようにして熱流束導出部110により導出される炉壁内面5a(ホットスポット8a)熱流束は、電気炉1の状態を高精度に反映することが分かる。
Further, when the plot of FIG. 4 is compared with the
図7は、操業開始前の吹付材の厚み(操業開始前の吹付残存厚)と操業終了後の吹付材の厚み(操業終了後の吹付残存厚)との関係の一例を示す図である。
前述したように吹付材を吹き付けて電気炉1を操業する場合、炉壁耐火物の表面に吹付材が残った状態で操業を開始し、炉壁耐火物の損耗を可能な限り抑制するような操業が行われる。操業開始前の吹付材の厚みが十分であれば、操業終了後も吹付材が残存し、炉壁耐火物の損耗を回避できる。一方、操業開始前の吹付材の厚みが十分でないと、操業中に吹付材の厚みが0(ゼロ)になり、炉壁耐火物の損耗が進行することが予想される。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the relationship between the thickness of the spray material before the start of operation (remaining spray thickness before the start of operation) and the thickness of the spray material after the end of operation (remaining spray thickness after the end of operation).
When the
図7において、一点鎖線で領域i、領域ii、および領域iiiを区分している。領域iは、操業開始前の吹付材の厚みが十分でないため、操業が終了するまでの間に吹付材の厚みが0(ゼロ)になり、炉壁耐火物の損耗が進行する状態に対応する。一方、領域iiiは、操業開始前の吹付材の厚みが十分あるため、操業終了後も吹付材が残存しており、炉壁耐火物の損耗を回避できる状態に対応する。領域iiは、領域iと領域iiiの中間状態にある。 In FIG. 7, a region i, a region ii, and a region iii are divided by a one-dot chain line. In the region i, since the thickness of the spray material before the start of operation is not sufficient, the thickness of the spray material becomes 0 (zero) until the operation is completed, and this corresponds to a state in which wear of the furnace wall refractory progresses. . On the other hand, the area iii corresponds to a state in which the spray material remains after the operation is completed because the spray material has a sufficient thickness before the operation is started, and wear of the furnace wall refractory can be avoided. Region ii is in an intermediate state between region i and region iii.
図8は、炉壁内面5a(ホットスポット8a)の熱流束(図8(a))と炉壁内面5a(ホットスポット8a)の熱流束の勾配(単位時間当たりの熱流束の変化量、図8(b))の一例を示す図である。
図8(a)において、グラフ801は、炉壁内面5a(ホットスポット8a)の熱流束である。図8(a)では、炉壁内面5a(ホットスポット8a)の温度(グラフ802)と、アーク電極3aに対する有効電力(グラフ803)を併せて示す。また、図8(a)において、グラフ801〜803の上に付している数字は、それぞれの操業における、操業開始前の吹付材の厚み(操業開始前の吹付残存厚)と操業終了後の吹付材の厚み(操業終了後の吹付残存厚)と炉壁耐火物の損耗量を示す。例えば、「62→3(0)」は、操業開始前の吹付材の厚みが62mmであり、操業終了後の吹付材の厚みが3mmであり、炉壁耐火物の損耗量が0(ゼロ)mmであることを示す。また、「3→0(−30)」は、操業開始前の吹付材の厚みが3mmであり、操業終了後の吹付材の厚みが0mmであり、炉壁耐火物の損耗量が30mmであること(炉壁耐火物の厚みが30mm減ったこと)を示す。また、連続する2つの操業において、後の操業における操業開始前の吹付材の厚みが、先の操業における操業開始前の吹付材の厚みよりも厚いのは、それら2つの操業の間に吹付材を炉壁内面5aに吹き付けたことによる。
FIG. 8 shows the heat flux (FIG. 8A) of the furnace wall
In FIG. 8A, a
ホットスポットにおける耐火物の損傷メカニズムは以下のように考えられている。アークの高温によって耐火物の溶融ないしは揮発が起こり、これにスラグ、ヒュームの浸食作用が加わる。さらに、炉内での温度変化が熱的スポーリングを引き起こし、スラグの浸透に基づく変質層の形成が構造的スポーリングにつながる。炉内雰囲気が耐火物の溶損に影響を与えることも知られており、内張表面における電磁誘導現象が損傷に関与するとの指摘もある。このように、損傷メカニズムが複雑であることからも、操業中の耐火物の損耗量を評価するための有効な指標がこれまで見出されていなかった。
本発明者らは、炉壁耐火物の損耗の主要因は炉壁耐火物の受ける熱負荷であると判断し、炉壁内面5aの熱流束の時間積分量に着目した。そこで、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値を指標として炉壁耐火物の損耗量を評価することとした。
The refractory damage mechanism in the hot spot is considered as follows. The high temperature of the arc causes the refractory to melt or volatilize, which adds to the erosion of slag and fume. Furthermore, temperature changes in the furnace cause thermal spalling, and the formation of altered layers based on slag infiltration leads to structural spalling. It is also known that the atmosphere in the furnace affects the refractory erosion, and it is pointed out that the electromagnetic induction phenomenon on the lining surface is involved in the damage. Thus, since the damage mechanism is complicated, an effective index for evaluating the wear amount of the refractory during operation has not been found so far.
The inventors of the present invention have determined that the main factor of wear of the furnace wall refractory is the thermal load received by the furnace wall refractory, and have focused on the amount of time integration of the heat flux of the furnace wall
また、図7に示す結果から、操業開始前の吹付材の厚みが或る値(図7に示す例では30mm程度)未満になると、耐火物の熱負荷を抑制する効果が失われ、炉壁内面5aの熱流束は急激に上昇すると考えられる。このことは、炉壁内面5aの熱流束の勾配と対応することを見出した。図8示す例では、図8(a)から分かるように、操業終了後の吹付材の厚みが30mm以上の場合には炉壁内面5aの熱流束の急激な上昇は見られない(図8(a)の矢印の先の数値とグラフ801を参照)。また、図8(b)からは、炉壁内面5aの熱流束の勾配が、60kcal/m2・Hr/s以上になるタイミングにおいて、炉壁内面5aの熱流束が急激に上昇することが分かる。
Further, from the result shown in FIG. 7, when the thickness of the spray material before the start of operation becomes less than a certain value (about 30 mm in the example shown in FIG. 7), the effect of suppressing the heat load of the refractory is lost, and the furnace wall It is thought that the heat flux of the
このことから、本発明者らは、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値の計算を開始するタイミングを、炉壁内面5aの熱流束の勾配が閾値を上回るタイミングにするのが好ましいという知見を得た。一方、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値の計算を終了するタイミングは、操業が終了する時刻に対応するタイミングになる。ここでは、アーク電極に対する有効電力が0(ゼロ)になるタイミングを、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値の計算を終了するタイミングとする場合を例に挙げる。
From this, the present inventors have found that it is preferable to set the timing of starting the calculation of the time integral value of the heat flux of the furnace wall
本発明者らは、以上のような炉壁内面5aの熱流束の時間積分値と、炉壁耐火物の損耗量との因果関係を検討した。
図9は、各チャージ(ch)における炉壁耐火物の損耗量と、当該チャージでの炉壁内面5aの熱流束の時間積分値(累積熱流束)との関係の一例を示す図である。尚、炉壁耐火物の損耗量は、炉壁耐火物に損耗が生じていない状態を0(ゼロ)とした場合の炉壁耐火物の厚みの減少量であり、この減少量が大きい程、負の方向に大きな値を示す(値そのものは小さくなる)ものとする。
The present inventors examined the causal relationship between the time integral value of the heat flux of the furnace wall
FIG. 9 is a diagram showing an example of the relationship between the amount of wear of the furnace wall refractory in each charge (ch) and the time integral value (cumulative heat flux) of the heat flux of the furnace wall
図9では、図7に示す領域i、ii、iiiの3つのグループごとに区別して、各チャージ(ch)における炉壁耐火物の損耗量と、当該チャージでの炉壁内面5aの熱流束の時間積分値(累積熱流束)との関係を表記する。即ち、図9では、操業開始前の吹付材の厚み(操業開始前の吹付残存厚)dが120mm以上である場合と、30mm以上120mm未満である場合と、30mm未満である場合とを区別して表記する。
In FIG. 9, the amount of wear of the furnace wall refractory in each charge (ch) and the heat flux of the furnace wall
図7を参照しながら説明したように、操業開始前の吹付材の厚み(領域i、ii、iii)により、炉壁耐火物の損耗の進行の程度が異なる。そこで、本発明者らは、図7に示す領域i、ii、iiiの3つのグループごとに、各チャージ(ch)における炉壁耐火物の損耗量と、当該チャージでの炉壁内面5aの熱流束の時間積分値(累積熱流束)との関係を分類することにより、これらの相関が明瞭に得られるのではないかと考えた。
As described with reference to FIG. 7, the degree of progress of wear of the furnace wall refractory varies depending on the thickness (regions i, ii, iii) of the spray material before the start of operation. Therefore, the present inventors, for each of the three groups of regions i, ii, and iii shown in FIG. 7, wear amount of the furnace wall refractory in each charge (ch) and the heat flow of the furnace wall
図10は、図9に示す、各チャージ(ch)における炉壁耐火物の損耗量と、当該チャージでの炉壁内面5aの熱流束の時間積分値(累積熱流束)との関係のうち、操業開始前の吹付材の厚み(操業開始前の吹付残存厚)dが30mm未満である場合の関係のみを抜き出して示す図である。図11は、図9に示す、各チャージ(ch)における炉壁耐火物の損耗量と、当該チャージでの炉壁内面5aの熱流束の時間積分値(累積熱流束)との関係のうち、操業開始前の吹付材の厚み(操業開始前の吹付残存厚)dが120mm以上である場合の関係のみを抜き出して示す図である。
FIG. 10 shows the relationship between the amount of wear of the furnace wall refractory in each charge (ch) and the time integral value (cumulative heat flux) of the heat flux of the furnace wall
図7を参照しながら説明したように、操業開始前の吹付材の厚み(操業開始前の吹付残存厚)dが30mm未満になると、炉壁耐火物の損耗の進行が顕著になる。図10に示すように、操業開始前の吹付材の厚み(操業開始前の吹付残存厚)dが30mm未満である場合、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値(累積熱流束)の増加に伴い、炉壁耐火物の損耗量が直線的に負の方向に増加する(値そのものは減少する)。
As described with reference to FIG. 7, when the thickness of the spray material before the start of operation (the remaining spray thickness before the start of operation) d is less than 30 mm, the progress of wear of the furnace wall refractory becomes remarkable. As shown in FIG. 10, when the thickness of the spray material before the start of operation (the remaining spray thickness before the start of operation) d is less than 30 mm, the time integral value (cumulative heat flux) of the heat flux of the furnace wall
また、図7を参照しながら説明したように、操業開始前の吹付材の厚み(操業開始前の吹付残存厚)dが120mm以上になると、炉壁耐火物の損耗を回避できる。図11に示すように、操業開始前の吹付材の厚み(操業開始前の吹付残存厚)dが120mm以上である場合、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値(累積熱流束)とは無関係に、炉壁耐火物の損耗量は殆どの場合0(ゼロ)になる。
Further, as described with reference to FIG. 7, when the thickness of the sprayed material before the start of operation (the remaining spray thickness before the start of operation) d is 120 mm or more, the wear of the furnace wall refractory can be avoided. As shown in FIG. 11, when the thickness of the sprayed material before the start of operation (the remaining spray thickness before the start of operation) d is 120 mm or more, the time integral value (cumulative heat flux) of the heat flux of the furnace wall
以上のように、本発明者らは、吹付け材の厚みが顕著に減少している場合には、各チャージ(ch)における炉壁耐火物の損耗量と、当該チャージでの炉壁内面5aの熱流束の時間積分値(累積熱流束)との関係は、正比例の関係に近似することができ、両者を明瞭に対応付けることができるという知見を得た。
As described above, when the thickness of the spray material is remarkably reduced, the present inventors have found that the amount of wear of the furnace wall refractory in each charge (ch) and the furnace wall
以上のような知見に基づき、前述したように本実施形態では、熱流束積分部120は、熱流束導出部110により導出された、各温度サンプリング時間における熱流束に基づいて、1回の操業に対応する期間における炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束の時間積分値を導出する。
Based on the above knowledge, as described above, in the present embodiment, the heat
<<出力部130>>
出力部130は、熱流束積分部120により導出された、1回の操業に対応する期間における熱流束の時間積分値を含む情報を、炉壁耐火物の損耗(炉壁耐火物に損耗が生じているか否かと炉壁耐火物の損耗の程度)をオペレータが評価するための指標となる情報として出力する。出力部130は、例えば、1回の操業に対応する期間における熱流束の時間積分値と、当該操業における熱流束の時間推移とを含む情報を出力する。かかる情報の出力の形態として、例えば、耐火物損耗管理装置101の内部の記憶媒体や可搬型記憶媒体への記憶、コンピュータディスプレイへの表示、および外部装置への送信のうち、何れか1つの形態を採ることができる。
<<
The
オペレータは、出力部130により出力された、1回の操業に対応する期間における熱流束の時間積分値が、予め定められている閾値を上回ると、炉壁耐火物の損耗が進んでいると判断して、投入電力制御装置103を操作し、アーク電極3a、3b、3cに対する投入電力を落とすか、操業を中止することを指示する。この閾値については、炉壁耐火物の損耗量の上限値と管理方針とに基づいて適宜設定することができる。投入電力制御装置103は、オペレータによる指示に基づいて、電力投入装置104の動作を制御し、投入電力を現在値よりも低い正の値、または0(ゼロ)にする。
The operator determines that the wear of the furnace wall refractory has progressed when the time integral value of the heat flux in the period corresponding to one operation output by the
[動作フローチャート]
次に、図12のフローチャートを参照しながら、耐火物損耗管理装置101の動作の一例を説明する。
まず、ステップS1201において、熱流束導出部110は、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束を導出する。尚、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束は、ホットスポット8a、8b、8c毎に個別に導出される。
[Operation flowchart]
Next, an example of operation | movement of the refractory material
First, in step S1201, the heat
次に、ステップS1202において、熱流束積分部120は、ステップS1201で導出された、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束の勾配(単位時間当たりの熱流束の変化量)を導出する。
Next, in step S1202, the
次に、ステップS1203において、熱流束積分部120は、ステップS1202で導出された、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束の勾配が閾値を上回るか否かを判定する。この判定の結果、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束の勾配が閾値を上回っていない場合には、ステップS1201に戻り、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束の勾配が閾値を上回ると判定されるまで、ステップS1201〜S1203の処理を繰り返し行う。
Next, in step S1203, the heat
そして、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束の勾配が閾値を上回ると、ステップS1204に進む。ステップS1204に進むと、熱流束積分部120は、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束の時間積分値を導出する。
And if the gradient of the heat flux of the furnace wall
次に、ステップS1205において、熱流束積分部120は、アーク電極3a、3b、3cに対する有効電力が0(ゼロ)になったか否かを判定する。この判定の結果、アーク電極3a、3b、3cに対する有効電力が0(ゼロ)になっていない場合には、ステップS1204に戻り、アーク電極3a、3b、3cに対する有効電力が0(ゼロ)になると判定されるまで、ステップS1204、S1205の処理を繰り返し行う。この場合、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束の時間積分値の導出が継続して行われる。
Next, in step S1205, the
そして、アーク電極3a、3b、3cに対する有効電力が0(ゼロ)になると判定されると、ステップS1206に進む。このとき、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束の時間積分値として、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束の勾配が閾値を上回ってから、アーク電極3a、3b、3cに対する有効電力が0(ゼロ)になるまでの期間における値が得られる。
If it is determined that the effective power for the
ステップS1206に進むと、出力部130は、このようにして1回の操業に対応する期間における炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束の時間積分値を含む情報を出力する。
In step S1206, the
次に、ステップS1207において、耐火物損耗管理装置101は、電気炉1の操業を終了するか否かを判定する。オペレータが、耐火物損耗管理装置101を操作して、電気炉1の操業を終了する指示を行うことによりこの判定を行うことができる。この判定の結果、電気炉1の操業を終了しない場合には、ステップS1201に戻り、電気炉1の操業を終了すると判定されるまで、ステップS1201〜S1207の処理を繰り返し行う。そして、電気炉1の操業を終了すると判定されると、図12のフローチャートによる処理を終了する。
Next, in step S1207, the refractory material
次に、図13〜図16のフローチャートを参照しながら、熱流束導出部110による処理(ステップS1201)の一例を説明する。
熱流束導出部110は、主として、事前準備ステップ(図13)、温度情報サンプリングステップ(図14)、メモリ操作ステップ(図15)、および熱流束計算ステップ(図16)を含む処理を行う。また、ここでは、温度サンプリング時間の間隔と基準時間の間隔とを等しくΔとする。即ち、事前に計算が必要な行列Fは一つだけであるとする。
Next, an example of the process (step S1201) by the heat
The heat
図13に示す事前準備ステップでは、まず、ステップS1301において、熱流束導出部110は、各種のパラメータを入力する。熱流束導出部110は、例えば、基準位置ベクトル(xj,yj,yj)、温度情報測定位置の数Nk、温度サンプリングの回数Nl、基準位置xjの数はNj、基準時間tiの数Ni、温度情報測定位置ベクトル(xk,yk,yk)、温度サンプリング時間・基準時間の間隔Δ、温度サンプリング開始時間τ1、過去の時間τ2、内外挿関数F(x,y,z,t)、耐火物の熱伝導度kx、ky、kz、および正の定数rを入力する。
In the preliminary preparation step shown in FIG. 13, first, in step S1301, the heat
次に、ステップS1302において、熱流束導出部110は、(4)式或いは(6)式からなる内外挿関数Fより、行列成分Fs,pを導出する。具体的には、以下の(28)式〜(31)式を用いて、行列成分Fs,pを導出する。
F(xk−xj,yk−yj,zk−zj,tl−ti)=F(xk−xj,yk−yj,zk−zj,τ2−τ1+(l−i)Δ) ・・・(28)
s=Nl(k−1)+l (k=1,2,・・・,Nk:l=1,2,・・・,Nl) ・・・(29)
p=Ni(j−1)+i (j=1,2,・・・,Nj:i=1,2,・・・,Ni) ・・・(30)
Fs,p=F(xk−xj,yk−yj,zk−zj,τ2−τ1+(l−i)Δ) (s=1,2,・・・,Nk×Nl=R:p=1,2,・・・,Nj×Ni=Q) ・・・(31)
Next, in step S1302, the heat
F (x k −x j , y k −y j , z k −z j , t l −t i ) = F (x k −x j , y k −y j , z k −z j , τ 2 − τ 1 + (l−i) Δ) (28)
s = N l (k−1) + l (k = 1, 2,..., N k : l = 1, 2,..., N l ) (29)
p = N i (j−1) + i (j = 1, 2,..., N j : i = 1, 2,..., N i ) (30)
F s, p = F (x k −x j , y k −y j , z k −z j , τ 2 −τ 1 + (l−i) Δ) (s = 1, 2,..., N k × N 1 = R: p = 1, 2,..., N j × N i = Q) (31)
次に、ステップS1303において、熱流束導出部110は、行列成分Fs,pを特異値分解し、(16)式或いは(18)式を満たす行列W、V、Σを導出する。特異値分解の方法は、非特許文献1〜非特許文献3に示される一般的な方法を用いることにより実現することができる。図13の事前準備ステップが終了すると、温度情報取得準備状態となる。尚、図13の事前準備ステップを実行するタイミングは、図14の温度情報サンプリングステップを実行する前であれば、どのタイミングであってもよい。図12のフローチャートを開始する前に図13の事前準備ステップを実行してもよい。
Next, in step S1303, the heat
図13の事前準備ステップが終了した後、熱流束導出部110は、図14の温度情報サンプリングステップを実行する。
まず、ステップS1401において、熱流束導出部110は、開始信号を受信するまで待機する。この開始信号は、例えば、外部装置からの信号や、耐火物損耗管理装置101に対するオペレータによる操作により発生する信号である。
After the preliminary preparation step of FIG. 13 is completed, the heat
First, in step S1401, the heat
開始信号を受信すると、ステップS1402に進む。ステップS1402に進むと、熱流束導出部110は、開始時間tを「0(ゼロ)」(t=0)とする。また、熱流束導出部110は、カウンタ変数cを「1」(c=1)とする。
次に、ステップS1403において、熱流束導出部110は、温度サンプリング開始時間τ1になるまで待機する。温度サンプリング開始時間τ1になると、ステップS1404に進む。
When the start signal is received, the process proceeds to step S1402. In step S1402, the heat
Next, in step S1403, the heat
ステップS1404に進むと、温度サンプリング装置102は、Nk個の温度情報測定位置における温度情報のサンプリングを行う。即ち、温度サンプリング装置102は、一度の温度サンプリングにおいて、Nk個の温度情報を取得する。熱流束導出部110は、このようにして温度サンプリング装置102で取得されたNk個の温度情報を、カウンタ変数cとともにバッファメモリに一時的に記憶する。ここで、バッファメモリとは、一時的に情報を記憶しておく領域を言う。
In step S1404, the
次に、ステップS1405において、熱流束導出部110は、メモリ操作ステップを呼び出す。これにより、図14のメモリ操作ステップによる処理の実行が開始する。
次に、ステップS1406において、熱流束導出部110は、カウンタ変数cに「1」を加算してカウンタ変数cを更新する。
Next, in step S1405, the heat
Next, in step S1406, the heat
次に、ステップS1407において、熱流束導出部110は、終了信号を受信したか否かを判定する。この終了信号は、例えば、外部装置からの信号や、耐火物損耗管理装置101に対するオペレータによる操作により発生する信号である。この判定の結果、終了信号を受信していない場合には、ステップS1403に戻り、次のサンプリング開始時間になるまで待機する。一方、終了信号を受信した場合には、図14のフローチャートによる処理を終了する。
このように、温度情報サンプリングステップでは、温度情報のサンプリングと、カウンタ変数cの更新と、温度情報およびカウンタ変数の送信を、サンプリング開始時間になる度に繰り返す。これを、終了信号を受信するまで継続する。
Next, in step S1407, the heat
As described above, in the temperature information sampling step, the sampling of the temperature information, the update of the counter variable c, and the transmission of the temperature information and the counter variable are repeated every time the sampling start time is reached. This is continued until an end signal is received.
図14のステップS1405において、メモリ操作ステップが呼び出される度(Nk個の温度情報とカウンタ変数cがバッファメモリに一時的に記憶される度)に、図15のメモリ操作ステップが開始する。メモリ操作ステップでは、バッファメモリの温度情報とカウンタ変数cがワークメモリに蓄積される。ここで、ワークメモリとは、熱流束の計算に用いる情報を蓄積する領域を言う。 In each step S1405 in FIG. 14, the memory operation step in FIG. 15 is started each time the memory operation step is called ( Nk pieces of temperature information and counter variable c are temporarily stored in the buffer memory). In the memory operation step, the buffer memory temperature information and the counter variable c are stored in the work memory. Here, the work memory refers to an area for accumulating information used for calculation of heat flux.
具体的にはまずステップS1501において、熱流束導出部110は、バッファメモリに一時的に記憶されているカウンタ変数cが温度サンプリングの回数Nlを下回っているか否かを判定する。この判定の結果、カウンタ変数cが温度サンプリングの回数Nlを下回っている場合には、ステップS1502に進む。ステップS1502に進むと、熱流束導出部110は、バッファメモリに一時的に記憶されている温度情報を、ak,c(k=1、2、・・・、Nk、c=1、2、・・・、Nl)としてワークメモリに蓄積する。また、熱流束導出部110は、当該温度情報に対応するカウンタ変数cをワークメモリに蓄積する。そして、図15のフローチャートによる処理を終了する。
First, in step S1501 in particular, the heat
一方、カウンタ変数cが温度サンプリングの回数Nlを下回っていない場合には、ステップS1503に進む。ステップS1503に進むと、熱流束導出部110は、バッファメモリに一時的に記憶されているカウンタ変数cが温度サンプリングの回数Nlに等しいか否かを判定する。この判定の結果、カウンタ変数cが温度サンプリングの回数Nlに等しい場合には、ステップS1504に進む。
On the other hand, if the counter variable c is not below the number N l temperature sampling, the process proceeds to step S1503. In step S1503, the heat
ステップS1504に進むと、熱流束導出部110は、バッファメモリに一時的に記憶されている温度情報を、ak,c(k=1、2、・・・、Nk、c=1、2、・・・、Nl)としてワークメモリに蓄積する。また、熱流束導出部110は、当該温度情報に対応するカウンタ変数cをワークメモリに蓄積する。これにより、ワークメモリには、Nk×Nl個の温度情報ak,lと最新のカウンタ変数cとが蓄積される。
In step S1504, the heat
そこで、ステップS1505において、熱流束導出部110は、熱流束計算ステップを呼び出す。これにより、図15の熱流束計算ステップによる処理の実行が開始する。そして、図15のフローチャートによる処理を終了する。
Therefore, in step S1505, the heat
ステップS1503において、バッファメモリに一時的に記憶されているカウンタ変数cが温度サンプリングの回数Nlに等しくないと判定された場合、即ち、バッファメモリに一時的に記憶されているカウンタ変数cが温度サンプリングの回数Nl以上である場合には、ステップS1506に進む。
ステップS1506に進むと、熱流束導出部110は、既にワークメモリに蓄積されているNk×Nl個の温度情報ak,l(k=1、2、・・・、Nk、l=1、2、・・・、Nl)のうち、最も古いl=1の温度情報をワークメモリから削除し、l≧2であるものについてl→l−1とし、新たなak,l(k=1、2、・・・、Nk、l=1、2、・・・、Nl−1)として書き換え、更新する。そして、熱流束導出部110は、バッファメモリに一時的に記憶されている最新のNk個の温度情報をak,l(l=Nl)としてワークメモリに蓄積し、更に、当該温度情報に対応するカウンタ変数cをワークメモリに蓄積する。その後、ステップS1505に進み、熱流束導出部110は、熱流束計算ステップを呼び出す。
このように、メモリ操作ステップでは、温度情報とカウンタ変数cとがバッファメモリに一時的に記憶される度に、ワークメモリの更新を行う。その結果、Nk×Nl個の温度情報ak,lがワークメモリに蓄積されている場合には、熱流束計算ステップを呼び出す。
If it is determined in step S1503 that the counter variable c temporarily stored in the buffer memory is not equal to the number of times of temperature sampling N 1 , that is, the counter variable c temporarily stored in the buffer memory is the temperature If it is the sampling number N l or more, the process proceeds to step S1506.
In step S1506, the heat
Thus, in the memory operation step, the work memory is updated each time the temperature information and the counter variable c are temporarily stored in the buffer memory. As a result, when N k × N l pieces of temperature information a k, l are stored in the work memory, a heat flux calculation step is called.
図15のステップS1505において熱流束計算ステップが呼び出される度(ワークメモリにおいてNk×Nl個の温度情報ak,lが更新される度)に、図16の熱流束計算ステップが開始する。
まずステップS1601において、熱流束導出部110は、ワークメモリに蓄積されているNk×Nl個の温度情報ak,l(k=1、2、・・・、Nk、l=1、2、・・・、Nl)に基づいて、(19)式により係数αpを求める。そして、熱流束導出部110は、添え字pを添え字j,iに変換し、パラメータαj,iを導出する。
Each time the heat flux calculation step is called in step S1505 in FIG. 15 (N k × N l pieces of temperature information a k, l are updated in the work memory), the heat flux calculation step in FIG. 16 is started.
First, in step S1601, the heat
次に、ステップS1602において、熱流束導出部110は、ワークメモリに蓄積されているカウンタ変数cに基づいて、最新データ取得時間t=τ1+(c−1)Δを導出する。
次に、ステップS1603において、熱流束導出部110は、(20)式或いは式(22)より炉壁内面5aにおける熱流束qを計算する。そして、図16のフローチャートによる処理を終了する。
尚、温度サンプリングの失敗等の問題があった場合に備えて、前記各ステップの間に冗長性を持たせるステップを入れることも可能であるが、本実施形態において特に問題は見出されなかった。
Next, in step S1602, the heat
Next, in step S1603, the heat
It should be noted that in order to prepare for the case where there is a problem such as temperature sampling failure, it is possible to insert a step for providing redundancy between the steps, but no particular problem was found in this embodiment. .
[まとめ]
以上のように本実施形態では、各温度サンプリング時間において熱電対6a〜6iで測定された温度に基づいて非定常伝熱逆問題解析を行うことにより、炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束と時間との関係を導出し、その結果から、1回の操業に対応する期間における熱流束の時間積分値を導出して出力する。従って、非定常に変化する温度を考慮して炉壁内面5a(ホットスポット8a、8b、8c)の熱流束を導出することができる。また、各チャージにおける炉壁耐火物の損耗量と、当該チャージでの炉壁内面5aの熱流束の時間積分値とを明瞭に対応付けることができる。よって、電気炉の耐火物の損耗を高精度に監視することができる。これにより、電気炉における生産性を維持しつつ、耐火物の維持費用を削減することができる。
[Summary]
As described above, in the present embodiment, by performing the unsteady heat transfer inverse problem analysis based on the temperatures measured by the
[変形例]
本実施形態では、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値の導出するに際し、積分を開始・終了するタイミングは、1回の操業に対応する期間であれば限定されない。例えば、操業を開始する時刻を、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値の導出を開始するタイミングとしてもよい。また、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値の導出を開始した後、操業時間として想定される予め設定された時間が経過したタイミングを、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値の導出を終了するタイミングとしてもよい。前述の実施形態のようにアーク電極に対する有効電力が0(ゼロ)になるタイミングを、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値の導出を終了するタイミングとしてもよい。
[Modification]
In this embodiment, when deriving the time integral value of the heat flux of the furnace wall
しかしながら、操業中の電気炉1において炉壁内面5aの熱流束が負となることがある。本実施形態は、炉壁内面5aの熱流束が正のときに耐火物が熱負荷を受けて損耗が生じるとの思想に基づいているが、熱流束が負のときに耐火物の回復は起こり得ない。そのため、熱流束が負のときに熱流束を積分すれば損耗量の評価指標としての精度を下げる因子となる。
従って、本実施形態のように炉壁内面5aの熱流束の勾配が閾値を上回るタイミングを、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値の導出を開始するタイミングとするのが好ましい。
However, in the
Therefore, it is preferable that the timing at which the gradient of the heat flux of the furnace wall
また、炉壁内面5aの熱流束が負の値から0(ゼロ)または正の所定値になるタイミングを、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値の導出を開始するタイミングとしてもよい。
The timing at which the heat flux of the furnace wall
また、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値の導出を開始した後、炉壁内面5aの熱流束の値が初めて0(ゼロ)になるタイミングを、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値の導出を終了するタイミングとしてもよい。
In addition, after starting the derivation of the time integral value of the heat flux of the furnace wall
また、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値の導出する期間において、炉壁内面5aの熱流束の値が負になる場合には、当該負の値を0(ゼロ)として、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値を導出してもよい。
Further, when the value of the heat flux of the furnace wall
また、本実施形態では、1回の操業に対応する期間における熱流束の時間積分値が、予め定められている閾値を上回ると、アーク電極3a、3b、3cに対する投入電力を下げる場合を例に挙げて説明した。しかしながら、炉壁耐火物の損耗を抑制する措置をとるようにすれば、必ずしも、アーク電極3a、3b、3cに対する投入電力を下げる措置をとらなくてもよい。例えば、スラグのフォーミングを行うことにより、ホットスポット8a、8b、8cとアーク電極3a、3b、3cとの間にスラグが位置するようにする措置を、アーク電極3a、3b、3cに対する投入電力を下げる措置に代えてまたは加えてとってもよい。
Moreover, in this embodiment, when the time integral value of the heat flux in the period corresponding to one operation exceeds a predetermined threshold value, the case where the input power to the
また、図10に示すような、炉壁耐火物の損耗量と、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値との関係を示す式やテーブルを記憶しておき、この関係に基づいて、炉壁内面5aの熱流束の時間積分値から、炉壁耐火物の損耗量を導出して出力してもよい。
Further, as shown in FIG. 10, an equation and a table indicating the relationship between the amount of wear of the furnace wall refractory and the time integral value of the heat flux of the furnace wall
尚、以上説明した本発明の実施形態は、コンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。また、前記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体及び前記プログラム等のコンピュータプログラムプロダクトも本発明の実施形態として適用することができる。記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROM等を用いることができる。
また、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。即ち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
The embodiment of the present invention described above can be realized by a computer executing a program. Further, a computer-readable recording medium in which the program is recorded and a computer program product such as the program can also be applied as an embodiment of the present invention. As the recording medium, for example, a flexible disk, a hard disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a magnetic tape, a nonvolatile memory card, a ROM, or the like can be used.
In addition, the embodiments of the present invention described above are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed as being limited thereto. Is. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
1:電気炉、2:上部蓋、3a〜3c:アーク電極、4:炉底電極、5:炉壁、6a〜6i:熱電対、7a、7b、7c:直角軸線、8a〜8c:ホットスポット、9:スクラップ、10:溶鋼、101:耐火物損耗管理装置、102:温度サンプリング装置、103:投入電力制御装置、104:電力投入装置、110:熱流束導出部、120:熱流束積分部、130:出力部 1: electric furnace, 2: upper lid, 3a-3c: arc electrode, 4: furnace bottom electrode, 5: furnace wall, 6a-6i: thermocouple, 7a, 7b, 7c: right angle axis, 8a-8c: hot spot , 9: scrap, 10: molten steel, 101: refractory wear management device, 102: temperature sampling device, 103: input power control device, 104: power input device, 110: heat flux deriving unit, 120: heat flux integrating unit, 130: Output unit
Claims (5)
前記電気炉の炉壁の内部と前記電気炉の炉壁の外周面とのうち、前記電気炉の炉壁の厚み方向の位置が異なる複数の位置に配置された温度検出端で測定された温度に基づいて、非定常伝熱逆問題解析を行うことにより、前記電気炉の炉壁の内周面における熱流束と時間との関係を導出する熱流束導出手段と、
前記熱流束導出手段により導出された、前記電気炉の炉壁の内周面における熱流束と時間との関係に基づいて、1回の操業に対応する期間における当該熱流束の時間積分値を導出する熱流束積分手段と、
前記熱流束積分手段により導出された、前記1回の操業に対応する期間における熱流束の時間積分値を含む情報を、前記耐火物の損耗を評価するための指標として出力する出力手段と、を有することを特徴とする電気炉の耐火物損耗管理装置。 A refractory wear management device for an electric furnace that manages the wear of the refractory constituting the furnace wall of an electric furnace that melts scrap by arc discharge generated at an arc electrode,
Temperature measured at temperature detection ends arranged at a plurality of different positions in the thickness direction of the furnace wall of the electric furnace among the inside of the furnace wall of the electric furnace and the outer peripheral surface of the furnace wall of the electric furnace A heat flux deriving means for deriving the relationship between the heat flux and the time on the inner peripheral surface of the furnace wall of the electric furnace by performing an unsteady heat transfer inverse problem analysis based on
The time integral value of the heat flux in a period corresponding to one operation is derived based on the relationship between the heat flux and the time on the inner peripheral surface of the furnace wall of the electric furnace derived by the heat flux deriving means. Heat flux integrating means to
Output means for outputting, as an index for evaluating wear of the refractory, information including a time integral value of the heat flux in a period corresponding to the one operation derived by the heat flux integrating means; An refractory wear management apparatus for an electric furnace, comprising:
前記出力手段により、前記1回の操業に対応する期間における熱流束の時間積分値を含む情報が出力された後、当該出力の結果に基づいて、前記耐火物の損耗を抑制するための措置をとる抑制措置実行手段と、を有することを特徴とする電気炉の耐火物損耗管理システム。 The refractory wear management device for an electric furnace according to claim 1 or 2,
After the information including the time integral value of the heat flux in the period corresponding to the one operation is output by the output means, a measure for suppressing the wear of the refractory based on the output result. And a refractory wear management system for an electric furnace, characterized by comprising:
前記電気炉の炉壁の内部と前記電気炉の炉壁の外周面とのうち、前記電気炉の炉壁の厚み方向の位置が異なる複数の位置に配置された温度検出端で測定された温度に基づいて、非定常伝熱逆問題解析を行うことにより、前記電気炉の炉壁の内周面における熱流束と時間との関係を熱流束導出手段により導出する熱流束導出工程と、
前記熱流束導出工程により導出された、前記電気炉の炉壁の内周面における熱流束と時間との関係に基づいて、1回の操業に対応する期間における当該熱流束の時間積分値を熱流束積分手段により導出する熱流束積分工程と、
前記熱流束積分工程により導出された、前記1回の操業に対応する期間における熱流束の時間積分値を含む情報を、前記耐火物の損耗を評価するための指標として出力手段により出力する出力工程と、
前記出力工程により、前記1回の操業に対応する期間における熱流束の時間積分値を含む情報が出力された後、当該出力の結果に基づいて、前記耐火物の損耗を抑制するための措置をとる抑制措置実行工程と、を有することを特徴とする電気炉の耐火物損耗管理方法。 An electric furnace refractory wear management method for managing wear of a refractory constituting a furnace wall of an electric furnace for melting scrap by arc discharge,
Temperature measured at temperature detection ends arranged at a plurality of different positions in the thickness direction of the furnace wall of the electric furnace among the inside of the furnace wall of the electric furnace and the outer peripheral surface of the furnace wall of the electric furnace A heat flux deriving step of deriving the relationship between the heat flux and the time on the inner peripheral surface of the furnace wall of the electric furnace by the heat flux deriving means by performing an unsteady heat transfer inverse problem analysis based on
Based on the relationship between the heat flux on the inner peripheral surface of the furnace wall of the electric furnace derived from the heat flux deriving step and the time, the time integral value of the heat flux in the period corresponding to one operation is calculated as the heat flow. A heat flux integrating step derived by a flux integrating means;
An output step of outputting information including a time integral value of the heat flux in a period corresponding to the one operation derived by the heat flux integration step as an index for evaluating wear of the refractory. When,
After the output process outputs information including the time integral value of the heat flux in the period corresponding to the one operation, a measure for suppressing wear of the refractory based on the result of the output. A refractory wear management method for an electric furnace, comprising:
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