JP2017510808A - 溶融金属の質量の決定 - Google Patents

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Abstract

本発明は、溶融金属の受容に適した冶金容器（１）内における溶融金属の質量（ｍｌｏａｄ）を決定するための方法に関する。その際、輸送車両（３）が加速する間に、充填されていない冶金容器（１）を積載する輸送車両（３）のパラメータが決定され、前記パラメータは、少なくとも輸送車両（３）の速度、加速度、及び、原動機駆動トルクを含んでいる。さらに、輸送車両（３）が加速する間に、溶融金属が充填された冶金容器（１）を積載する輸送車両（３）のパラメータが決定される。決定されたパラメータと、輸送車両（３）、冶金容器（１）、及び、溶融金属から成るシステムの運動方程式とを用いて、輸送車両（３）の設計データを考慮して、溶融金属の質量（ｍｌｏａｄ）が決定される。

Description

本発明は、溶融金属の受容に適した冶金容器内における溶融金属の質量を決定するための方法に関する。
製鋼所等で液状溶融金属を製造する際、鋼製取鍋、スラグポット、スクラップバスケット、又は、鉄製取鍋を移動させるために、輸送車両（精錬所用車両）が用いられる。このような容器の積載重量を決定するために、例えば力センサー、いわゆるロードセルが、輸送車両内に取り付けられる。その際、ロードセルのたわみによって、一般的にはひずみゲージの抵抗の変化を通じて、力が検出される。
しかしながら、ロードセルの調達には多くの費用を要する。加えて、ロードセルは極めて繊細な測定装置であり、高温領域で使用することによって、繰り返し破損する。さらに、ロードセルの維持には多くの費用を要する。なぜなら、ロードセルは、周期的に再較正されなければならないからである。較正は、設備が停止している間のみ可能である。較正のためには、検査分銅が必要であり、その質量は、典型的には１０ｔから１００ｔの間であり、検査分銅は、較正の際に、次々に試験棒に載置される（多点較正）。検出された現在値は、目標値と比較され、計量システムが較正される。
ロードセルの代わりに、費用を要する計量用プラットフォームが設置されるか、又は、軌道系に組み込まれる。重量測定のさらなる可能性は、プラットフォームトラックであり、スクラップバスケット又はスクラップシュートは、充填の際に、プラットフォームトラック上に配置され、引き続いて、車両によって目的地に輸送される。特定の使用の際には、さらに、クレーンで計量を行うことも可能である。
このようなセンサーシステムを組み込むことは、設備の運営者にとって、設計上及び財政上の大きな負担を意味しており、設計上常に可能とは限らない。従って、転炉内で生じるスラグの計量といった、多くの用途では、計量装置は完全に省略され、測定値の欠如又は不正確な見積もり値という結果がもたらされる。しかしながら、質量は、例えばプロセスモデルのために必要である。測定値が不正確であるか、又は、存在しない場合、当該モデルは、より少ない正確性で計算を行うか、又は、操作者の手による入力に依存する。それによって、当該モデルの不正確性及び不確実性が増大し、生産性の低下という結果がもたらされる。計量装置の測定にエラーが生じることによって、例えば、融剤が正しい量で装入されないことになる。このことは、例えば二次冶金における後処理につながり、当該後処理は、短期間で計画されなければならないので、より多くの費用が必要となり、生産性が低下することになる。計量装置の測定にエラーが生じることによって、さらに、容器が過剰に充填され、結果として、液状溶融金属が容器から溢れることになり得る。これは、容器の周囲にいる人間にとって、著しい危険を意味している。
特許文献１は、溶融金属のための冶金容器を輸送する輸送車両と、冶金容器及びその内容物を計量するための少なくとも１つのロードセルセンサーを有する計量システムと、を開示している。
特許文献２は、列車の複数の軌条走行車両のそれぞれの質量を見積もるための装置及び方法を開示している。その際、列車の速度と、各軌条走行車両の加速度及びトラクションとが検出され、軌条走行車両の質量が、列車の動的モデルを用いて見積もられる。
米国特許第４８７８５５１号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０２３８２９８号明細書
本発明の課題は、溶融金属の受容に適した冶金容器内における溶融金属の質量を決定するための改善された方法を記載することにある。
本発明によると、本課題は、請求項１の特徴によって解決される。
本発明の有利な態様は、下位請求項の対象である。
本発明に係る、溶融金属の受容に適した冶金容器内における溶融金属の質量を決定するための方法では、充填されていない冶金容器を積載した輸送車両の、当該輸送車両が加速する間のパラメータが決定され、当該パラメータは、少なくとも輸送車両の速度、輸送車両の加速度、及び、輸送車両の原動機駆動トルクを含んでいる。さらに、溶融金属が充填された冶金容器を積載した輸送車両の、当該輸送車両が加速する間のパラメータが決定される。決定されたパラメータは、プロセスモデルに伝達され、溶融金属の質量が、当該プロセスモデルと、輸送車両、冶金容器及び溶融金属から成るシステムの運動方程式とを用いて、輸送車両の設計データを考慮して決定される。
加速という概念は、本明細書全体を通じて、速度変化という、その物理的定義において用いられており、従って、速度の値を上昇させる速度変化も、速度の値を低下させる速度変化も含んでいる。
輸送車両の運動の速度及び加速度と、当該運動を生成する原動機駆動トルクとから、当該運動に関する運動方程式と、当該運動方程式に入力される輸送車両の設計データとを用いて、輸送車両の質量を決定することが可能であるが、それは、運動方程式が、これらの変数（質量、速度、加速度、原動機駆動トルク）を含んでおり、互いに関連付けているからであるということを、本発明は利用している。
本発明によると、速度、加速度、及び、原動機駆動トルクが、充填されていない冶金容器の輸送の際と、溶融金属が充填された冶金容器の輸送の際とに、それぞれ検出される。運動方程式を用いて、検出された速度、加速度、及び、原動機駆動トルクから、充填されていない冶金容器を積載する輸送車両の質量と、充填された冶金容器を積載する輸送車両の質量とが、それぞれ決定される。これらの決定された質量の差から、溶融金属が充填された冶金容器内の溶融金属の質量が決定される。
従って、本発明は、単に、冶金容器の輸送及び当該輸送に必要な原動機駆動トルクの運動学的データと、輸送車両の設計データとから、冶金容器内の溶融金属の質量を決定することを可能にする。特に有利なことに、高価で複雑なロードセル及び検査分銅又は曝露される高温領域に適合した高価なセンサーシステムは不要である。また、ロードセルの温度を制限するための冷却空気送風機、及び、ロードセルの再較正も省略される。本発明に係る方法は、さらに、製造中の空車運転による較正を可能にし、当該較正は、手動の介入又は製造の停止を必要としない。全体として、当該方法は、冶金容器内における溶融金属の質量の比較的容易で、安価で、確実な決定を可能にする。
本発明の一態様によると、原動機駆動トルクを算出するために、輸送車両の原動機の電流及び／又は原動機の電圧及び／又は原動機の出力と、輸送車両の原動機の回転数とが測定されるか、輸送車両の周波数変換データから読み出される。
有利なことに、本発明の当該態様は、原動機駆動トルクが、原動機の電流及び／又は原動機の電圧及び原動機の回転数又は駆動力から算出されること、及び、原動機の電流及び原動機の回転数が、原動機に供給を行う周波数変換器の周波数変換データから引き出されることを利用している。
本発明のさらなる態様によると、輸送車両が加速している間のパラメータが複数回にわたって決定される。
有利なことに、パラメータを複数回にわたって決定することによって、持続的な再較正による測定エラーを減少させることと、従って、質量決定の正確性を改善させることとが可能になる。
本発明のさらなる態様によると、溶融金属が充填された冶金容器が積載された輸送車両が移動している間の溶融金属の質量が決定される。
それによって、すでに、溶融金属が充填された冶金容器の輸送が、充填に適応可能である。特に、冶金容器の加速が、充填に適応し得るので、溶融金属の溢れが回避される。
本発明のさらなる態様によると、溶融金属の質量は、プロセスモデルと運動方程式とを用いて、最小二乗法又は再帰的最小二乗法で決定される。
以下に本発明の実施例を用いて詳細に説明するように、これらの手法は、特に有利なことに、溶融金属の質量を迅速かつ正確に決定することを可能にする。
本発明のさらなる態様によると、充填されていない冶金容器の質量、及び／又は、積載していない輸送車両の質量が決定される。
特に、充填されていない冶金容器の質量を繰り返し決定することによって、有利なことに、冶金容器の摩耗の程度、特にライニングの状態に関する帰納的推理が可能になる。積載していない輸送車両の質量を繰り返し決定することによって、有利なことに、輸送車両の汚染度とメンテナンス作業の必要性とに関する帰納的推理が可能になる。
その際、好ましくは識別システムが用いられ、当該識別システムによって、冶金容器に、充填されていない冶金容器に関して決定された質量が割り当てられる。
それによって、有利なことに、全ての冶金容器の摩耗の程度、特にライニングの状態を体系的に監視することが可能になる。
さらに、識別システムによって、好ましくは、冶金容器の摩耗が監視される。
冶金容器の摩耗、特に悪化するライニングの状態の監視によって、有利なことに、冶金容器の充填が、その充填可能な体積に適合することが可能になる。なぜなら、摩耗は、冶金容器の充填可能な体積を変化させるからである。
本発明のさらなる態様によると、冶金容器内における溶融金属の充填度は、冶金容器の幾何学的データ、金属性内容物の特性、及び、溶融金属の決定された質量を用いて算出される。
充填度を算出することによって、有利なことに、冶金容器の輸送を当該充填度に適合させることが可能になり、それによって、輸送の間に冶金容器から溶融金属が溢れることが防止される。
本発明のさらなる態様によると、冶金容器は鋼製取鍋として構成され、及び／又は、溶融金属は溶融鉄若しくは溶融鋼であり、及び／又は、輸送車両は軌条走行車両として、特に取鍋輸送車若しくはスラグポット輸送車両（いわゆるスラグポット輸送車）として構成されている。
本発明の当該態様は、一般的に用いられる冶金容器、溶融金属、及び、輸送車両に向けられている。
本発明はさらに、本発明に係る方法を実施するために、プロセスモデルと、輸送車両、冶金容器及び溶融金属から成るシステムの運動方程式とを用いて、輸送車両の設計データを考慮して、溶融金属の質量を決定するためのコンピュータプログラムを規定している。
特に有利なことに、当該コンピュータプログラムを用いて、最小二乗法又は再帰的最小二乗法が実行され得る。
本発明の上述した特性、特徴及び利点と、それらを実現する方法とは、図を用いて詳細に行われる以下の実施例の説明との関連において、より明確に理解可能になる。示されているのは以下の図である：
断面で示された冶金容器を積載した輸送車両の概略的側面図である。 冶金容器を積載した輸送車両の質量の算出結果値の推移を示した図である。 冶金容器内の溶融金属の質量の決定に関するブロック図である。
図１は、冶金容器１を積載した輸送車両３の側面図である。冶金容器１は、鋼製取鍋として構成されており、断面図で示されている。輸送車両３は、軌条走行車両として、いわゆる取鍋輸送車として構成されており、少なくとも１つの原動機５、少なくとも１つの変速装置７、及び、駆動輪９を含む駆動システムを有している。さらに、輸送車両３は、駆動側に屋根１１と、任意でケーブル牽引導線を案内するための車輪１３とを有している。さらに、輸送車両３は任意で、容器識別システム１５を有しており、冶金容器１は、容器識別システム１５によって読まれ得る識別要素１７を有している。
本発明によると、冶金容器１を積載した輸送車両３の質量が、冶金容器１に溶融金属を充填していない状態と充填した状態とで算出され、そこから、冶金容器１内の溶融金属の質量が決定される。
冶金容器１を積載した輸送車両３の質量は、それぞれ、充填されていない、又は、充填された冶金容器１を積載した輸送車両３の運動方程式を用いて決定される。プラスの速度を有する輸送車両３の直線運動に関しては、例えば、以下の単純化された運動方程式［１］が用いられる：
Figure 2017510808
 ここで、θｇｅｓは、輸送車両３の全ての車輪の質量慣性モーメントの合計であり、ｍ０は、充填されていない冶金容器１を積載した輸送車両３の質量であり、ｍｌｏａｄは、充填された冶金容器１内の溶融金属の質量であり、Ｒは、駆動輪９それぞれの半径であり、
Figure 2017510808
 は、輸送車両３の速度であり、
Figure 2017510808
 は、輸送車両３の加速度であり、ｄｖは、速度と共に入力される摩擦トルクであり、ｄｃは、速度からは独立して入力される摩擦トルクであり、Ｍｍｏｔは、原動機５の原動機駆動トルクであり、ｉは、変速装置７の変速比であり、ｎｍｏｔは、原動機５の数であり、ＦＲ
は、転がり摩擦を意味している。速度がマイナスの場合、運動方程式［１］は、適切に合わせられる。
小さい速度と、軌条走行車両として構成された輸送車両３とに関しては、運動方程式［１］中の一定の摩擦力は、極めて近似したものとして、考慮せずとも良く、運動方程式［１］は、
Figure 2017510808
 に単純化することが可能であり、ここで、ａ及びｂは、以下のように定義されている：
Figure 2017510808
単純化された運動方程式［２］を用いて、冶金容器１を積載した輸送車両３の質量が、冶金容器１が充填されていない状態と充填された状態とにおいてそれぞれ決定される。そのために、冶金容器１が充填されていない状態と充填された状態とにおいてそれぞれ、輸送車両３の加速運動の間に、複数の測定時点ｔｉで、速度
Figure 2017510808
 に関する速度測定値
Figure 2017510808
 と、加速度
Figure 2017510808
 に関する加速度測定値
Figure 2017510808
 と、原動機駆動トルクＭｍｏｔに関する駆動トルク測定値Ｍｍｏｔ，ｉと、がそれぞれ記録され、このとき、添え字ｉはそれぞれ異なる測定時点を意味している（ｉ＝１，．．．ｎ）。記録された測定値から、
Ｓ・ｐ＝ｙ ［３］
の方程式系がそれぞれ形成され、ここで、Ｓ、ｐ、ｙは、それぞれ記録された速度測定値及び加速度測定値から生成されたマトリックスＳと、成分ａ及びｂを有する未知の列ベクトルｐと、それぞれ記録された駆動トルク測定値から生成された列ベクトルｙとを、
Figure 2017510808
 によって示している。方程式［３］は、複数ｎの測定時点ｔｉによって過剰決定された、ｐの成分に関する方程式系として処理され、式
Figure 2017510808
 のいわゆる最小二乗（誤差）法によって、ｐに従って解決される。
方程式［４］に従う、ｐに関する解のそれぞれ第１の成分ａから、充填されていない冶金容器１の輸送の場合には、質量ｍ０の値が、充填された冶金容器１の輸送の場合は、質量ｍ０＋ｍｌｏａｄの値が算出される。これら両方の算出された値の差として、充填された冶金容器１内の溶融金属の質量ｍｌｏａｄに関する結果値が算出される。
図２は、時間ｔに応じた、算出された結果値ｍの推移ｍ（ｔ）を示しており、ｔ１からｔ６は、連続する測定時点を示しており、これらの時点において、溶融金属が充填された冶金容器１の輸送に関する速度測定値、加速度測定値、及び、駆動トルク測定値がそれぞれ記録される。結果値ｍは、測定値の記録開始当初にのみ、充填された冶金容器１内の溶融金属の実際の質量ｍｌｏａｄに対して大きく変動するが、その後すぐに実際の質量ｍｌｏａｄに収束するので、当該結果値は、第３の測定時点ｔ３の後ですでに、実際の質量ｍｌｏａｄに関して優れた近似値を供給している。このように、結果値ｍが実際の質量ｍｌｏａｄに急速に近似することは、それぞれの新しい測定時点ｔｉと共に、複数の測定値が計算に加えられることによるものであり、測定値の数が増えることによって、マトリックスＳ及び列ベクトルｙの入力数も増大し、それによって結果値ｍが実際の質量ｍｌｏａｄに急速に近づく。
最小二乗法の代わりに、従来のいわゆる再帰的最小二乗法を用いることも可能であり、当該手法では、新しい測定値は、結果値ｍの再帰的なアップデートのために用いられる。当該手法は、上述した最小二乗法とは対照的に、オンラインでも、すなわち、輸送車両３の加速中にも実行可能である。
図３は、冶金容器１内の溶融金属の質量ｍｌｏａｄに関する結果値ｍの決定のブロック図である。
その際、駆動データ１９から、輸送車両３の原動機５の原動機駆動トルクが算出可能であり、駆動データ１９は、プロセスモデル２１に供給され、当該プロセスモデルは、結果値ｍの算出に用いられるパラメータを含んでおり、特に輸送車両３の速度測定値、加速度測定値、及び、設計データ（例えば、質量慣性モーメント、車輪の半径、及び、原動機５の数）を含んでいる。これらのパラメータ及び駆動データ１９を用いて、結果値ｍの結果の算出２３が、上述の最小二乗法又は再帰的最小二乗法によって行われる。算出された結果値ｍは、出力値２５として出力される。任意で付加的に、図２に示された結果値の時間的推移ｍ（ｔ）が、出力ダイアグラム２７として、及び／又は、さらなる測定値の評価によって生じた、結果値ｍの百分率の変化が、変化値２９として検出され、出力される。その際、変化値２９は、まず、アップデートされた結果値ｍと、それぞれプロセスモデル２１内に記憶される、以前に決定された結果値ｍとの間の結果値の差３１を求め、次に、結果値の差３１及び以前に決定された結果値ｍから商を求め、最後に商３３を１００と乗じた積３５を求めることによって決定される。
以下において、上述した測定値の記録及び質量の決定の流れを例示的に説明する。
測定値の記録及び質量の決定の前に、充填されていない冶金容器１を積載した輸送車両３は、例えば溶融金属の放出場所に配置されている。
その後、輸送車両３は、例えば上位の制御システムを通じて、溶融金属を受容するために受容場所へ走行せよとの走行命令を受信する。
輸送車両３の駆動システムが走行命令を実行している間、駆動データ１９と、速度測定値及び加速度測定値とが連続的に記録される。駆動データ１９と測定値とは、例えば輸送車両３の原動機５に供給を行う周波数変換器等の既存のシステムから読み出され、及び／又は、測定値の記録のために付加的なセンサーが用いられる。例えば、速度測定値及び加速度測定値を求めるために、輸送車両３に、又は、その周囲に配置された運動センサー等である。駆動データ１９として、少なくとも１つの原動機の電流及び原動機の回転数、並びに／又は、駆動システムの全体として記録された出力が検出され、当該駆動データから、原動機駆動トルクが算出される。車両制御部は、記録された測定データと車両固有の設計データとから、上述した手法を用いて、充填されていない冶金容器１を積載した輸送車両３の質量ｍ０に関する値を算出する。
受け取り場所に到着した後、冶金容器１に溶融金属が充填される。その際、受容位置における輸送車両３の追跡が必要である場合（例えば回転する転炉容器から流出させる間に冶金容器１の中央に溶融金属を受容するために）、すでにその場所で質量の決定を行うことが可能である。
冶金容器１の充填が完了した後、車両制御部は、受容場所を離れ、放出場所へ向かうようにとの命令を受信する。充填された冶金容器１を積載した輸送車両３の後続する加速の間、その質量ｍ０＋ｍｌｏａｄに関する値が、充填されていない冶金容器１を積載した輸送車両３の質量ｍ０に関する値の算出の場合と同じように同様に算出される。ｍ０＋ｍｌｏａｄとｍ０とに関する算出された値の差は、充填された冶金容器１内の溶融金属の質量に関する結果値ｍである。結果値ｍは、自動化又はデータ処理システムに伝達されるか、又は、グラフィカルユーザーインターフェース又はディスプレイによって、操作者に直接示され得る。
未知の質量を算出するためのアルゴリズムは、車両制御部か、又は、上位の自動化システム内に実装され得る。車両制御部は、輸送車両３の内部か、又は、輸送車両３の外部に配置され得る。
容器識別システム１５は、冶金容器１の識別及び区別に用いられる。そのために、それぞれの冶金容器１には、当該冶金容器の特徴を明確に示す識別要素１７が設けられ、当該識別要素は、容器識別システム１５によって読み取り可能である。例えば、識別要素１７として、ＲＦＩＤトランスポンダー（ＲＦＩＤ＝無線自動識別）又はＱＲコード（登録商標）（＝高速応答コード）が用いられ、容器識別システム１５として、対応する読取装置が用いられる。それによって、それぞれの冶金容器１に、当該冶金容器１に関して決定された質量ｍ０に関する値が割り当てられ得る。これらの容器固有の値は、上位の自動化又はデータ処理システムに伝達され、自動化又はデータ処理システムによって評価される。充填されていない輸送車両３の質量を認識又は決定することによって、冶金容器１が使用される度に、その自重を決定することが可能であり、従って、有利なことに、連続的に、当該冶金容器１のライニングの状態を追跡かつ監視することができる。
冶金容器１の幾何学的データ、金属性内容物の特性、及び、冶金容器１内の溶融金属の質量ｍｌｏａｄに関する算出された結果値ｍを用いて、さらに、冶金容器１内の溶融金属の充填度が算出され得る。
本発明を、好ましい実施例によって、詳細に図示かつ説明してきたが、本発明は、記載された実施例に限定されるものではなく、当業者は、本発明の保護範囲を離れることなく、その他の変型例を引き出すことができる。
１ 冶金容器
３ 輸送車両
５ 原動機
７ 変速装置
９ 駆動輪
１１ 屋根
１３ 案内するための車輪
１５ 容器識別システム
１７ 識別要素
１９ 駆動データ
２１ プロセスモデル
２３ 結果の算出
２５ 出力値
２７ 出力ダイアグラム
２９ 変化値
３１ 結果値の差
３３ 商
３５ 積
ｍ 結果値
ｍ（ｔ） 結果値の推移
ｍｌｏａｄ 溶融金属の質量
ｔ 時間
ｔ１〜ｔ６ 測定時点
本発明は、溶融金属の受容に適した冶金容器内における溶融金属の質量を決定するための方法に関する。
製鋼所等で液状溶融金属を製造する際、鋼製取鍋、スラグポット、スクラップバスケット、又は、鉄製取鍋を移動させるために、輸送車両（精錬所用車両）が用いられる。このような容器の積載重量を決定するために、例えば力センサー、いわゆるロードセルが、輸送車両内に取り付けられる。その際、ロードセルのたわみによって、一般的にはひずみゲージの抵抗の変化を通じて、力が検出される。
しかしながら、ロードセルの調達には多くの費用を要する。加えて、ロードセルは極めて繊細な測定装置であり、高温領域で使用することによって、繰り返し破損する。さらに、ロードセルの維持には多くの費用を要する。なぜなら、ロードセルは、周期的に再較正されなければならないからである。較正は、設備が停止している間のみ可能である。較正のためには、検査分銅が必要であり、その質量は、典型的には１０ｔから１００ｔの間であり、検査分銅は、較正の際に、次々に試験棒に載置される（多点較正）。検出された現在値は、目標値と比較され、計量システムが較正される。
ロードセルの代わりに、費用を要する計量用プラットフォームが設置されるか、又は、軌道系に組み込まれる。重量測定のさらなる可能性は、プラットフォームトラックであり、スクラップバスケット又はスクラップシュートは、充填の際に、プラットフォームトラック上に配置され、引き続いて、車両によって目的地に輸送される。特定の使用の際には、さらに、クレーンで計量を行うことも可能である。
このようなセンサーシステムを組み込むことは、設備の運営者にとって、設計上及び財政上の大きな負担を意味しており、設計上常に可能とは限らない。従って、転炉内で生じるスラグの計量といった、多くの用途では、計量装置は完全に省略され、測定値の欠如又は不正確な見積もり値という結果がもたらされる。しかしながら、質量は、例えばプロセスモデルのために必要である。測定値が不正確であるか、又は、存在しない場合、当該モデルは、より少ない正確性で計算を行うか、又は、操作者の手による入力に依存する。それによって、当該モデルの不正確性及び不確実性が増大し、生産性の低下という結果がもたらされる。計量装置の測定にエラーが生じることによって、例えば、融剤が正しい量で装入されないことになる。このことは、例えば二次冶金における後処理につながり、当該後処理は、短期間で計画されなければならないので、より多くの費用が必要となり、生産性が低下することになる。計量装置の測定にエラーが生じることによって、さらに、容器が過剰に充填され、結果として、液状溶融金属が容器から溢れることになり得る。これは、容器の周囲にいる人間にとって、著しい危険を意味している。
特許文献１は、溶融金属のための冶金容器を輸送する輸送車両と、冶金容器及びその内容物を計量するための少なくとも１つのロードセルセンサーを有する計量システムと、を開示している。
特許文献２は、列車の複数の軌条走行車両のそれぞれの質量を見積もるための装置及び方法を開示している。その際、列車の速度と、各軌条走行車両の加速度及びトラクションとが検出され、軌条走行車両の質量が、列車の動的モデルを用いて見積もられる。
特許文献３からは、検出されたトラックの加速度を用いて、トラックの質量及び地面との接点を有する車輪の数を推量することが知られている。
米国特許第４８７８５５１号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０２３８２９８号明細書 国際公開第２００６／００１７４１号
本発明の課題は、溶融金属の受容に適した冶金容器内における溶融金属の質量を決定するための改善された方法を記載することにある。
本発明によると、本課題は、請求項１の特徴によって解決される。
本発明の有利な態様は、下位請求項の対象である。
本発明に係る、溶融金属の受容に適した冶金容器内における溶融金属の質量を決定するための方法では、充填されていない冶金容器を積載した輸送車両の、当該輸送車両が加速する間のパラメータが決定され、当該パラメータは、少なくとも輸送車両の速度、輸送車両の加速度、及び、輸送車両の原動機駆動トルクを含んでいる。
さらに、溶融金属が充填された冶金容器を積載した輸送車両の、当該輸送車両が加速する間のパラメータが決定される。決定されたパラメータは、プロセスモデルに伝達され、溶融金属の質量が、当該プロセスモデルと、輸送車両、冶金容器及び溶融金属から成るシステムの運動方程式とを用いて、輸送車両の設計データを考慮して決定される。さらに、冶金容器内における溶融金属の充填度は、冶金容器の幾何学的データ、金属性内容物の特性、及び、溶融金属の決定された質量を用いて算出される。さらに、冶金容器の輸送が当該充填度に適合させられ、それによって、輸送の間に冶金容器から溶融金属が溢れることが防止される。
加速という概念は、本明細書全体を通じて、速度変化という、その物理的定義において用いられており、従って、速度の値を上昇させる速度変化も、速度の値を低下させる速度変化も含んでいる。
輸送車両の運動の速度及び加速度と、当該運動を生成する原動機駆動トルクとから、当該運動に関する運動方程式と、当該運動方程式に入力される輸送車両の設計データとを用いて、輸送車両の質量を決定することが可能であるが、それは、運動方程式が、これらの変数（質量、速度、加速度、原動機駆動トルク）を含んでおり、互いに関連付けているからであるということを、本発明は利用している。
本発明によると、速度、加速度、及び、原動機駆動トルクが、充填されていない冶金容器の輸送の際と、溶融金属が充填された冶金容器の輸送の際とに、それぞれ検出される。運動方程式を用いて、検出された速度、加速度、及び、原動機駆動トルクから、充填されていない冶金容器を積載する輸送車両の質量と、充填された冶金容器を積載する輸送車両の質量とが、それぞれ決定される。これらの決定された質量の差から、溶融金属が充填された冶金容器内の溶融金属の質量が決定される。
従って、本発明は、単に、冶金容器の輸送及び当該輸送に必要な原動機駆動トルクの運動学的データと、輸送車両の設計データとから、冶金容器内の溶融金属の質量を決定することを可能にする。特に有利なことに、高価で複雑なロードセル及び検査分銅又は曝露される高温領域に適合した高価なセンサーシステムは不要である。また、ロードセルの温度を制限するための冷却空気送風機、及び、ロードセルの再較正も省略される。本発明に係る方法は、さらに、製造中の空車運転による較正を可能にし、当該較正は、手動の介入又は製造の停止を必要としない。全体として、当該方法は、冶金容器内における溶融金属の質量の比較的容易で、安価で、確実な決定を可能にする。
本発明の一態様によると、原動機駆動トルクを算出するために、輸送車両の原動機の電流及び／又は原動機の電圧及び／又は原動機の出力と、輸送車両の原動機の回転数とが測定されるか、輸送車両の周波数変換データから読み出される。
有利なことに、本発明の当該態様は、原動機駆動トルクが、原動機の電流及び／又は原動機の電圧及び原動機の回転数又は駆動力から算出されること、及び、原動機の電流及び原動機の回転数が、原動機に供給を行う周波数変換器の周波数変換データから引き出されることを利用している。
本発明のさらなる態様によると、輸送車両が加速している間のパラメータが複数回にわたって決定される。
有利なことに、パラメータを複数回にわたって決定することによって、持続的な再較正による測定エラーを減少させることと、従って、質量決定の正確性を改善させることとが可能になる。
本発明のさらなる態様によると、溶融金属が充填された冶金容器が積載された輸送車両が移動している間の溶融金属の質量が決定される。
それによって、すでに、溶融金属が充填された冶金容器の輸送が、充填に適応可能である。特に、冶金容器の加速が、充填に適応し得るので、溶融金属の溢れが回避される。
本発明のさらなる態様によると、溶融金属の質量は、プロセスモデルと運動方程式とを用いて、最小二乗法又は再帰的最小二乗法で決定される。
以下に本発明の実施例を用いて詳細に説明するように、これらの手法は、特に有利なことに、溶融金属の質量を迅速かつ正確に決定することを可能にする。
本発明のさらなる態様によると、充填されていない冶金容器の質量、及び／又は、積載していない輸送車両の質量が決定される。
特に、充填されていない冶金容器の質量を繰り返し決定することによって、有利なことに、冶金容器の摩耗の程度、特にライニングの状態に関する帰納的推理が可能になる。積載していない輸送車両の質量を繰り返し決定することによって、有利なことに、輸送車両の汚染度とメンテナンス作業の必要性とに関する帰納的推理が可能になる。
その際、好ましくは識別システムが用いられ、当該識別システムによって、冶金容器に、充填されていない冶金容器に関して決定された質量が割り当てられる。
それによって、有利なことに、全ての冶金容器の摩耗の程度、特にライニングの状態を体系的に監視することが可能になる。
さらに、識別システムによって、好ましくは、冶金容器の摩耗が監視される。
冶金容器の摩耗、特に悪化するライニングの状態の監視によって、有利なことに、冶金容器の充填が、その充填可能な体積に適合することが可能になる。なぜなら、摩耗は、冶金容器の充填可能な体積を変化させるからである。
本発明のさらなる態様によると、冶金容器は鋼製取鍋として構成され、及び／又は、溶融金属は溶融鉄若しくは溶融鋼であり、及び／又は、輸送車両は軌条走行車両として、特に取鍋輸送車若しくはスラグポット輸送車両（いわゆるスラグポット輸送車）として構成されている。
本発明の当該態様は、一般的に用いられる冶金容器、溶融金属、及び、輸送車両に向けられている。
本発明はさらに、本発明に係る方法を実施するために、プロセスモデルと、輸送車両、冶金容器及び溶融金属から成るシステムの運動方程式とを用いて、輸送車両の設計データを考慮して、溶融金属の質量を決定するためのコンピュータプログラムを規定している。
特に有利なことに、当該コンピュータプログラムを用いて、最小二乗法又は再帰的最小二乗法が実行され得る。
本発明の上述した特性、特徴及び利点と、それらを実現する方法とは、図を用いて詳細に行われる以下の実施例の説明との関連において、より明確に理解可能になる。示されているのは以下の図である：
断面で示された冶金容器を積載した輸送車両の概略的側面図である。 冶金容器を積載した輸送車両の質量の算出結果値の推移を示した図である。 冶金容器内の溶融金属の質量の決定に関するブロック図である。
図１は、冶金容器１を積載した輸送車両３の側面図である。冶金容器１は、鋼製取鍋として構成されており、断面図で示されている。輸送車両３は、軌条走行車両として、いわゆる取鍋輸送車として構成されており、少なくとも１つの原動機５、少なくとも１つの変速装置７、及び、駆動輪９を含む駆動システムを有している。さらに、輸送車両３は、駆動側に屋根１１と、任意でケーブル牽引導線を案内するための車輪１３とを有している。さらに、輸送車両３は任意で、容器識別システム１５を有しており、冶金容器１は、容器識別システム１５によって読まれ得る識別要素１７を有している。
本発明によると、冶金容器１を積載した輸送車両３の質量が、冶金容器１に溶融金属を充填していない状態と充填した状態とで算出され、そこから、冶金容器１内の溶融金属の質量が決定される。
冶金容器１を積載した輸送車両３の質量は、それぞれ、充填されていない、又は、充填された冶金容器１を積載した輸送車両３の運動方程式を用いて決定される。プラスの速度を有する輸送車両３の直線運動に関しては、例えば、以下の単純化された運動方程式［１］が用いられる：
Figure 2017510808
 ここで、
θｇｅｓは、輸送車両３の全ての車輪の質量慣性モーメントの合計であり、ｍ０は、充填されていない冶金容器１を積載した輸送車両３の質量であり、ｍｌｏａｄは、充填された冶金容器１内の溶融金属の質量であり、Ｒは、駆動輪９それぞれの半径であり、
Figure 2017510808
 は、輸送車両３の速度であり、
Figure 2017510808
 は、輸送車両３の加速度であり、ｄｖは、速度と共に入力される摩擦トルクであり、ｄｃは、速度からは独立して入力される摩擦トルクであり、Ｍｍｏｔは、原動機５の原動機駆動トルクであり、ｉは、変速装置７の変速比であり、ｎｍｏｔは、原動機５の数であり、ＦＲ
は、転がり摩擦を意味している。速度がマイナスの場合、運動方程式［１］は、適切に合わせられる。
小さい速度と、軌条走行車両として構成された輸送車両３とに関しては、運動方程式［１］中の一定の摩擦力は、極めて近似したものとして、考慮せずとも良く、運動方程式［１］は、
Figure 2017510808
 に単純化することが可能であり、ここで、ａ及びｂは、以下のように定義されている：
Figure 2017510808
単純化された運動方程式［２］を用いて、冶金容器１を積載した輸送車両３の質量が、冶金容器１が充填されていない状態と充填された状態とにおいてそれぞれ決定される。そのために、冶金容器１が充填されていない状態と充填された状態とにおいてそれぞれ、輸送車両３の加速運動の間に、複数の測定時点ｔｉで、速度
Figure 2017510808
 に関する速度測定値
Figure 2017510808
 と、加速度
Figure 2017510808
 に関する加速度測定値
Figure 2017510808
 と、原動機駆動トルクＭｍｏｔに関する駆動トルク測定値Ｍｍｏｔ，ｉと、がそれぞれ記録され、このとき、添え字ｉはそれぞれ異なる測定時点を意味している（ｉ＝１，．．．ｎ）。記録された測定値から、
Ｓ・ｐ＝ｙ ［３］
の方程式系がそれぞれ形成され、ここで、Ｓ、ｐ、ｙは、それぞれ記録された速度測定値及び加速度測定値から生成されたマトリックスＳと、成分ａ及びｂを有する未知の列ベクトルｐと、それぞれ記録された駆動トルク測定値から生成された列ベクトルｙとを、
Figure 2017510808
 によって示している。方程式［３］は、複数ｎの測定時点ｔｉによって過剰決定された、ｐの成分に関する方程式系として処理され、式
Figure 2017510808
 のいわゆる最小二乗（誤差）法によって、ｐに従って解決される。
方程式［４］に従う、ｐに関する解のそれぞれ第１の成分ａから、充填されていない冶金容器１の輸送の場合には、質量ｍ０の値が、充填された冶金容器１の輸送の場合は、質量ｍ０＋ｍｌｏａｄの値が算出される。これら両方の算出された値の差として、充填された冶金容器１内の溶融金属の質量ｍｌｏａｄに関する結果値が算出される。
図２は、時間ｔに応じた、算出された結果値ｍの推移ｍ（ｔ）を示しており、ｔ１からｔ６は、連続する測定時点を示しており、これらの時点において、溶融金属が充填された冶金容器１の輸送に関する速度測定値、加速度測定値、及び、駆動トルク測定値がそれぞれ記録される。結果値ｍは、測定値の記録開始当初にのみ、充填された冶金容器１内の溶融金属の実際の質量ｍｌｏａｄに対して大きく変動するが、その後すぐに実際の質量ｍｌｏａｄに収束するので、当該結果値は、第３の測定時点ｔ３の後ですでに、実際の質量ｍｌｏａｄに関して優れた近似値を供給している。このように、結果値ｍが実際の質量ｍｌｏａｄに急速に近似することは、それぞれの新しい測定時点ｔｉと共に、複数の測定値が計算に加えられることによるものであり、測定値の数が増えることによって、マトリックスＳ及び列ベクトルｙの入力数も増大し、それによって結果値ｍが実際の質量ｍｌｏａｄに急速に近づく。
最小二乗法の代わりに、従来のいわゆる再帰的最小二乗法を用いることも可能であり、当該手法では、新しい測定値は、結果値ｍの再帰的なアップデートのために用いられる。当該手法は、上述した最小二乗法とは対照的に、オンラインでも、すなわち、輸送車両３の加速中にも実行可能である。
図３は、冶金容器１内の溶融金属の質量ｍｌｏａｄに関する結果値ｍの決定のブロック図である。
その際、駆動データ１９から、輸送車両３の原動機５の原動機駆動トルクが算出可能であり、駆動データ１９は、プロセスモデル２１に供給され、当該プロセスモデルは、結果値ｍの算出に用いられるパラメータを含んでおり、特に輸送車両３の速度測定値、加速度測定値、及び、設計データ（例えば、質量慣性モーメント、車輪の半径、及び、原動機５の数）を含んでいる。これらのパラメータ及び駆動データ１９を用いて、結果値ｍの結果の算出２３が、上述の最小二乗法又は再帰的最小二乗法によって行われる。算出された結果値ｍは、出力値２５として出力される。任意で付加的に、図２に示された結果値の時間的推移ｍ（ｔ）が、出力ダイアグラム２７として、及び／又は、さらなる測定値の評価によって生じた、結果値ｍの百分率の変化が、変化値２９として検出され、出力される。その際、変化値２９は、まず、アップデートされた結果値ｍと、それぞれプロセスモデル２１内に記憶される、以前に決定された結果値ｍとの間の結果値の差３１を求め、次に、結果値の差３１及び以前に決定された結果値ｍから商を求め、最後に商３３を１００と乗じた積３５を求めることによって決定される。
以下において、上述した測定値の記録及び質量の決定の流れを例示的に説明する。
測定値の記録及び質量の決定の前に、充填されていない冶金容器１を積載した輸送車両３は、例えば溶融金属の放出場所に配置されている。
その後、輸送車両３は、例えば上位の制御システムを通じて、溶融金属を受容するために受容場所へ走行せよとの走行命令を受信する。
輸送車両３の駆動システムが走行命令を実行している間、駆動データ１９と、速度測定値及び加速度測定値とが連続的に記録される。駆動データ１９と測定値とは、例えば輸送車両３の原動機５に供給を行う周波数変換器等の既存のシステムから読み出され、及び／又は、測定値の記録のために付加的なセンサーが用いられる。例えば、速度測定値及び加速度測定値を求めるために、輸送車両３に、又は、その周囲に配置された運動センサー等である。駆動データ１９として、少なくとも１つの原動機の電流及び原動機の回転数、並びに／又は、駆動システムの全体として記録された出力が検出され、当該駆動データから、原動機駆動トルクが算出される。車両制御部は、記録された測定データと車両固有の設計データとから、上述した手法を用いて、充填されていない冶金容器１を積載した輸送車両３の質量ｍ０に関する値を算出する。
受け取り場所に到着した後、冶金容器１に溶融金属が充填される。その際、受容位置における輸送車両３の追跡が必要である場合（例えば回転する転炉容器から流出させる間に冶金容器１の中央に溶融金属を受容するために）、すでにその場所で質量の決定を行うことが可能である。
冶金容器１の充填が完了した後、車両制御部は、受容場所を離れ、放出場所へ向かうようにとの命令を受信する。充填された冶金容器１を積載した輸送車両３の後続する加速の間、その質量ｍ０＋ｍｌｏａｄに関する値が、充填されていない冶金容器１を積載した輸送車両３の質量ｍ０に関する値の算出の場合と同じように同様に算出される。ｍ０＋ｍｌｏａｄとｍ０とに関する算出された値の差は、充填された冶金容器１内の溶融金属の質量に関する結果値ｍである。結果値ｍは、自動化又はデータ処理システムに伝達されるか、又は、グラフィカルユーザーインターフェース又はディスプレイによって、操作者に直接示され得る。
未知の質量を算出するためのアルゴリズムは、車両制御部か、又は、上位の自動化システム内に実装され得る。車両制御部は、輸送車両３の内部か、又は、輸送車両３の外部に配置され得る。
容器識別システム１５は、冶金容器１の識別及び区別に用いられる。そのために、それぞれの冶金容器１には、当該冶金容器の特徴を明確に示す識別要素１７が設けられ、当該識別要素は、容器識別システム１５によって読み取り可能である。例えば、識別要素１７として、ＲＦＩＤトランスポンダー（ＲＦＩＤ＝無線自動識別）又はＱＲコード（登録商標）（＝高速応答コード）が用いられ、容器識別システム１５として、対応する読取装置が用いられる。それによって、それぞれの冶金容器１に、当該冶金容器１に関して決定された質量ｍ０に関する値が割り当てられ得る。これらの容器固有の値は、上位の自動化又はデータ処理システムに伝達され、自動化又はデータ処理システムによって評価される。充填されていない輸送車両３の質量を認識又は決定することによって、冶金容器１が使用される度に、その自重を決定することが可能であり、従って、有利なことに、連続的に、当該冶金容器１のライニングの状態を追跡かつ監視することができる。
冶金容器１の幾何学的データ、金属性内容物の特性、及び、冶金容器１内の溶融金属の質量ｍｌｏａｄに関する算出された結果値ｍを用いて、さらに、冶金容器１内の溶融金属の充填度が算出され得る。
本発明を、好ましい実施例によって、詳細に図示かつ説明してきたが、本発明は、記載された実施例に限定されるものではなく、当業者は、本発明の保護範囲を離れることなく、その他の変型例を引き出すことができる。
１ 冶金容器
３ 輸送車両
５ 原動機
７ 変速装置
９ 駆動輪
１１ 屋根
１３ 案内するための車輪
１５ 容器識別システム
１７ 識別要素
１９ 駆動データ
２１ プロセスモデル
２３ 結果の算出
２５ 出力値
２７ 出力ダイアグラム
２９ 変化値
３１ 結果値の差
３３ 商
３５ 積
ｍ 結果値
ｍ（ｔ） 結果値の推移
ｍｌｏａｄ 溶融金属の質量
ｔ 時間
ｔ１〜ｔ６ 測定時点

Claims (14)

  1. 溶融金属の受容に適した冶金容器（１）内における溶融金属の質量（ｍｌｏａｄ）を決定するための方法において、
    ‐輸送車両（３）が加速する間に、充填されていない前記冶金容器（１）を積載する前記輸送車両（３）のパラメータを決定するステップであって、前記パラメータは、少なくとも前記輸送車両（３）の速度と、前記輸送車両（３）の加速度と、前記輸送車両（３）の原動機駆動トルクとを含んでいるステップと、
    ‐前記輸送車両（３）が加速する間に、溶融金属が充填された前記冶金容器（１）を積載する前記輸送車両（３）のパラメータを決定するステップと、
    ‐前記パラメータをプロセスモデル（２１）に伝達し、前記輸送車両（３）の設計データを考慮して、前記プロセスモデル（２１）と、前記輸送車両（３）、前記冶金容器（１）、及び、前記溶融金属から成るシステムの運動方程式とを用いて、前記溶融金属の質量（ｍｌｏａｄ）を決定するステップと、
    を特徴とする方法。
  2. 前記原動機駆動トルクを算出するために、前記輸送車両（３）の原動機の電流及び／若しくは原動機の電圧及び／若しくは原動機の出力と、前記輸送車両（３）の原動機の回転数とが測定されるか、又は、前記輸送車両（３）の周波数変換データから読み出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記パラメータが、前記輸送車両（３）の加速の間に、複数回にわたり決定されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記溶融金属の質量（ｍｌｏａｄ）が、前記溶融金属が充填された前記冶金容器（１）を積載する前記輸送車両（３）の移動中に決定されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記溶融金属の質量（ｍｌｏａｄ）が、前記プロセスモデル（２１）及び前記運動方程式を用いて、最小二乗法又は再帰的最小二乗法で決定されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 充填されていない前記冶金容器（１）の質量が決定される、及び／又は、充填されていない前記輸送車両（３）の質量が決定されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 識別システム（１５）が用いられ、前記識別システムを用いて、冶金容器（１）に、充填されていない前記冶金容器（１）に関して決定された質量が割り当てられることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
  8. 前記識別システム（１５）を用いて、前記冶金容器（１）の摩耗が監視されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
  9. 前記冶金容器（１）内の溶融金属の充填度が、前記冶金容器（１）の幾何学的データ、金属性内容物の特性、及び、前記溶融金属の決定された質量（ｍｌｏａｄ）を用いて算出されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記冶金容器（１）が、鋼製取鍋として構成されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記溶融金属が、溶融鉄又は溶融鋼であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記輸送車両（３）が、軌条走行車両として、特に取鍋輸送車若しくはスラグポット輸送車両として構成されていることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 輸送車両（３）の設計データを考慮して、プロセスモデル（２１）と、前記輸送車両（３）、冶金容器（１）、及び、溶融金属から成るシステムの運動方程式とを用いて、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法で、前記溶融金属の質量（ｍｌｏａｄ）を決定するためのコンピュータプログラム。
  14. 請求項１３に記載のコンピュータプログラムを備えたコンピュータプログラム製品。
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