JP3736493B2 - インペラーによる溶銑の攪拌流速制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶銑鍋等の容器内に収容された溶銑をインペラーによって攪拌する際の流速（以下、攪拌流速という）の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、 鋼材の特性向上の要求が高まっており、溶銑段階から溶鋼精錬にいたる各工程で不純物（たとえばＰ，Ｓ等）を低減するための処理が行なわれている。これらの不純物のうち、Ｓは、溶鋼の精錬に先立って溶銑段階で行なう脱硫処理（いわゆる溶銑予備処理）で除去するのが一般的である。
【０００３】
溶銑予備処理における脱硫方法としては、溶銑鍋等に収容した溶銑中に脱硫剤をインジェクションする方法、あるいは脱硫剤を溶銑の浴面に投入して機械攪拌する方法等が広く採用されている。
脱硫剤を溶銑の浴面に投入して機械攪拌する方法は、脱硫剤を溶銑の浴面に投入し、溶銑中に挿入された攪拌羽根（いわゆるインペラー）を回転させることによって、脱硫剤を巻き込むとともに溶銑を攪拌する。 その結果、 脱硫反応界面の面積が増大するので、低Ｓ濃度域まで脱硫処理が可能となる。
【０００４】
インペラーを用いて溶銑を攪拌しつつ脱硫処理を行なうにあたって、溶銑の攪拌流速は脱硫処理に重大な影響を及ぼす。 つまり、攪拌流速が遅い場合は、溶銑の攪拌が不十分であるので脱硫効率が低下する。一方、 攪拌流速が速い場合は、溶銑が容器から溢れ出る。
脱硫処理における攪拌流速は、溶銑鍋に収容された溶銑の量，成分，温度あるいはインペラーの浸漬深さ，回転数，使用回数等に応じて変動する。攪拌流速の変動は脱硫効率に影響を及ぼして、溶鋼中のＳ含有量にバラツキを生じる原因になる。したがって、インペラーを用いて溶銑を攪拌しつつ脱硫処理を行なう際には、攪拌流速を一定に維持するように制御する必要がある。
【０００５】
攪拌流速の制御方法としては、作業者が溶銑鍋内の溶銑浴面を目視で観察して、インペラーの回転数や浸漬深さを調整するのが一般的な方法である。しかしこの方法では、同じ条件（すなわち溶銑温度，溶銑成分，溶銑量，脱硫剤成分，脱硫剤投入量等が同一）で脱硫処理を行なった場合でも、 作業者の技能の個人差に起因して、脱硫処理後のＳ含有量にバラツキが生じる。
【０００６】
攪拌流速に影響を及ぼす因子としては、これらの溶銑量，成分，温度あるいはインペラーの浸漬深さ，回転数のみならず、インペラーの使用回数も考慮する必要がある。 その理由は、インペラーは耐火物で製造されるので、繰り返し使用することによってインペラーが磨耗し、攪拌流速が変動する原因になるからである。
【０００７】
このようにインペラーによる攪拌流速は種々の要因の影響を受けて変動するので、作業者が溶銑浴面を目視で観察しながらインペラーの設定を調整する方法では、攪拌流速を一定に制御するのは困難であり、その結果、脱硫処理後のＳ含有量にバラツキが生じるのは避けられなかった。
そこでインペラーの設定を自動制御する方法が種々提案されている。たとえば特開2000-45009号公報には、溶銑脱硫装置におけるインペラの浸漬深さ制御方法が開示されている。この技術は、溶銑攪拌用のインペラの浸漬深さを自動的に制御するものである。しかし特開2000-45009号公報に開示された技術を適用してインペラの浸漬深さを制御しても、溶銑の攪拌流速は、浸漬深さの他に、溶銑量，成分，温度あるいはインペラーの回転数，使用回数の影響を受けるので、攪拌流速を一定に制御するのは困難であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題を解消し、 インペラーを用いて溶銑を攪拌するにあたって、攪拌流速を高い精度で制御する方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、攪拌流速を制御するために、機械的に攪拌流速を測定する方法について検討した。しかし機械的に測定する方法では、溶銑に接触する部材の耐用性に問題があり、実用的ではないことが分かった。そこで溶銑に接触せず攪拌流速を測定する方法について研究し、本発明をなすに至った。
【００１０】
本発明は、容器に収容された溶銑をインペラーを用いて攪拌しつつ溶銑の浴面をカメラによって撮像し、カメラで撮像された画像を画像処理装置に伝送し、 画像処理装置で時間経過に伴う画像の変化に基づいて溶銑の攪拌流速を算出し、溶銑の攪拌流速算出値を攪拌制御装置に伝送し、攪拌制御装置で攪拌流速算出値とあらかじめ設定された攪拌流速目標値とに基づいてインペラーの浸漬深さ目標値と回転数目標値とを算出し、浸漬深さ目標値を浸漬深さ制御装置に伝送しかつ回転数目標値を回転制御装置に伝送し、 浸漬深さ制御装置を用いて浸漬深さ目標値に基づいてインペラーの浸漬深さを制御するとともに回転制御装置を用いて回転数目標値に基づいてインペラーの回転数を制御する溶銑の攪拌流速制御方法である。
【００１１】
前記した発明においては、第１の好適態様として、カメラで撮像された画像を前処理装置に伝送し、前処理装置で画像の濃度を調整し、 濃度を調整された画像を画像処理装置に伝送することが好ましい。
また第２の好適態様として、攪拌制御装置が、攪拌流速算出値と攪拌流速目標値とに加えて、容器内の溶銑量、溶銑成分、溶銑温度およびインペラーの使用回数を入力信号として演算処理を行ない、浸漬深さ目標値と回転数目標値とを算出することが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を適用する装置の例を模式的に示す説明図である。図１に示すようにインペラー１は、巻上げ駆動装置９によって高さ調整が可能であり、容器11（たとえば溶銑鍋等）に収容された溶銑２内に挿入される。巻上げ駆動装置９は、インペラー１の高さ（すなわち溶銑２内の浸漬深さ）を調整できるものを使用すれば良いのであるから、特定の構成に限定しない。とたえば電動モーター等の従来から知られている装置が使用できる。
【００１３】
次いでインペラー１は、溶銑２内に挿入された状態で、回転駆動装置10によって回転する。回転駆動装置10は、インペラー１を回転できるものを使用すれば良いのであるから、特定の構成に限定しない。とたえば電動モーター等の従来から知られている装置が使用できる。
インペラー１が回転することによって溶銑２が攪拌される。このようにして溶銑２を攪拌しながら、溶銑２浴面をカメラ３で撮像する。カメラ３で撮像された画像は画像処理装置５へ伝送される。画像処理装置５は、後述するように、画像から溶銑２の攪拌流速を演算する装置である。しかしカメラ３で撮像された画像には、下記の (1)〜(3) の問題がある。したがってカメラ３で撮像された画像を前処理装置４に伝送して、画像の濃度を調整した後、 画像処理装置５に伝送するのが好ましい。
(1) 画像処理装置５で画像を量子化する際に誤差が生じる。
【００１４】
画像処理装置５に伝送された画像は、ＲＧＢ（すなわち光の３原色：赤，緑，青）毎に 256階調に量子化される。したがって、浴面の色調の差が、目視では確認できるにも関らず、画像処理装置５では量子化の誤差によって同じ濃度の画像として処理される可能性がある。画像処理装置５は、同一濃度の画素の移動距離，移動方向および所要時間に基づいて速度ベクトル（すなわち攪拌流速）を演算するものであるから、このような誤差が生じると、算出された攪拌流速の精度が低下する。
(2) 攪拌によって溶銑２浴面が波立つ。
【００１５】
溶銑２が高温であるので、浴面は発光している。その溶銑２浴面が波立つことによって、画像処理装置５で画像を 256階調に量子化する際に生じる誤差が大きくなる。このような誤差が大きくなると、画像処理装置５で算出された攪拌流速の精度が低下する。
(3) 攪拌が進行すると溶銑２浴面の色調の差が小さくなる。
【００１６】
攪拌の進行にともなって、溶銑２が均一になるとともに、温度が低下するので、溶銑２浴面の色調の差が小さくなるのは避けられない。その結果、画像処理装置５で算出された攪拌流速の精度が低下する。
つまり高温の溶銑２のような自己発光体をカメラ３で撮像した画像の濃度は、図２に示すように、特定の領域に集中する。 この画像を画像処理装置５に直接（前処理装置４を介さずに）伝送すると、 256階調に量子化する際に微妙な濃度差が同一濃度として処理される。このような量子化の際に生じる誤差が原因となって、攪拌流速を算出する精度が低下する。したがってカメラ３で撮像された画像を前処理装置４に伝送して、画像の濃度を強調した後、 画像処理装置５に伝送するのが好ましい。
【００１７】
前処理装置４は、画像の濃度を強調する処理を施す装置である。図３は、強調処理を施す前の画像の濃度と濃度補正係数との関係を示すグラフである。濃度の強調処理は、図２に示す画像の濃度（すなわち強調処理を施す前の濃度）に該当する濃度補正係数を図３から読み取り、画像の濃度と濃度補正係数とを乗算する処理である。このようにして濃度の強調処理を施すことによって、暗い領域（すなわち濃度の低い領域）ほど濃度の低減率が大きくなる。その結果、強調処理の前は特定の領域に集中していた画像の濃度が、図４に示すように、広い領域に拡大される。
【００１８】
したがってカメラ３で撮像された画像の濃度を前処理装置４で強調した後、 画像処理装置５に伝送することによって、 (1)〜(3) の問題点を解決できる。
画像処理装置５は、カメラ３あるいは前処理装置４から伝送された画像を 256階調に量子化する。そして同一濃度の画素の移動距離，移動方向および所要時間に基づいて溶銑２の攪拌流速を演算する。画像処理装置５は、同一濃度の画素が複数ある場合に、直前に算出された攪拌流速との速度差が最小となるように画素の組合せを求めるロジック，または類似した濃度の画素と組合せるロジックを有しており、攪拌流速を高い精度で算出できる。
【００１９】
ここで画素の移動量は、画像内における移動量であるから、カメラ３の取付け位置や容器11，溶銑２浴面の位置に関する３次元データをあらかじめ画像処理装置５にインプットしておき、カメラ３のレンズ等の光学的データから幾何学的な距離に換算する。こうして求めた各画素の速度を統計処理することによって、溶銑２の攪拌流速を求めることができる。
【００２０】
これらの画像処理に用いる演算ソフトは、市販されている動画像処理パッケージや水流解析パケージ等の一般的な演算ソフトが使用できる。
画像処理装置５で算出された攪拌流速の値（以下、 攪拌流速算出値という）は、攪拌制御装置６に伝送される。 また攪拌制御装置６には、目標となる攪拌流速の値（以下、 攪拌流速目標値という）があらかじめインプットされている。攪拌制御装置６は攪拌流速目標値と攪拌流速算出値とを比較して、攪拌流速算出値を攪拌流速目標値に一致させるために、インペラー１の回転数の目標値（以下、回転数目標値という）および浸水深さの目標値（以下、浸水深さ目標値という）を算出する。
【００２１】
これらの回転数目標値および浸水深さ目標値の算出に用いる演算ソフトは、実験データや操業データに基づいて作成した攪拌モデルを使用する。 こうして溶銑鍋11やインペラー１の特性に応じた攪拌モデルを作成して、回転数目標値および浸水深さ目標値の算出することによって、高い精度で攪拌流速を制御できる。
攪拌制御装置６で算出された回転数目標値は回転制御装置７に伝送され、回転駆動装置10を介してインペラー１の回転数を制御する。 一方、 攪拌制御装置６で算出された浸漬深さ目標値は浸漬深さ制御装置８に伝送され、巻上げ駆動装置９を介してインペラー１の浸漬深さを制御する。
【００２２】
なお、攪拌制御装置６の攪拌モデルは、図５に示すように、攪拌流速算出値と攪拌流速目標値とに加えて、容器11に収容された溶銑２の量，成分，温度およびインペラー１の使用回数を入力信号として演算処理して、回転数目標値および浸水深さ目標値を算出するのが好ましい。 溶銑２の量，成分，温度およびインペラー１の使用回数は、攪拌流速に多大な影響を及ぼす因子であるから、これらのデータに基づいて回転数目標値および浸水深さ目標値を算出することによつて、攪拌流速を制御する精度が一層向上する。
【００２３】
以上に説明したように、本発明によれば、高い精度で攪拌流速を制御できるので、脱硫処理に適用すると、脱硫効率を向上することができる。
【００２４】
【実施例】
図１に示す装置を用いて、溶銑の脱硫処理を行なった。 すなわち溶銑鍋11に溶銑２を収容して、溶銑２浴面に脱硫剤を溶銑１ton あたり７kg投入して、インペラー１を溶銑２中で回転させた。
さらにカメラ３で溶銑２浴面を撮像し、得られた画像を前処理装置４に伝送して画像の濃度を強調した後、 画像処理装置５に伝送した。次いで、画像処理装置５で算出した攪拌流速を攪拌制御装置６に伝送して、インペラー１の回転数目標値と浸漬深さ目標値を算出した。
【００２５】
こうして得られた回転数目標値を回転制御装置７に伝送し、回転駆動装置10を介してインペラー１の回転数を制御するとともに、浸漬深さ目標値を浸漬深さ制御装置８に伝送し、巻上げ駆動装置９を介してインペラー１の浸漬深さを制御した。
このようにして脱硫処理を行ない、攪拌流速の積分値が、脱硫処理の終了点としてあらかじめ設定された値に到達した時点で脱硫処理を終了した。これを発明例とする。
【００２６】
一方、 比較例として、溶銑鍋11に溶銑２を収容して、溶銑２浴面に脱硫剤を溶銑１ton あたり７kg投入して、インペラー１を溶銑２中で回転させた。このとき、カメラ３を使用せず、作業者が溶銑２浴面を目視で観察して、インペラー１の回転数と浸漬深さを調整した。
発明例と比較例について、脱硫剤原単位および脱硫外れ率を調査した。その結果を表１に示す。なお、脱硫剤原単位は溶銑１ton あたりの脱硫剤の使用量（kg／ton ）であり、脱硫外れ率は脱硫処理を行なった全チャージ数に対するＳ含有量が目標範囲を外れたチャージ数の比率 (％) である。
【００２７】
【表１】

【００２８】
表１から明らかなように、発明例では、比較例に比べて脱硫剤原単位，脱硫外れ率ともに低減された。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、高い精度で攪拌流速を制御できるので、脱硫処理に適用することによって脱硫効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する装置の例を模式的に示す配置図である。
【図２】自己発光体の画像の濃度分布の例を示すグラフである。
【図３】強調処理を施す前の画像濃度と濃度補正係数との関係を示すグラフである。
【図４】強調処理を施す前の画像濃度と強調処理を施した後の濃度分布の例を示すグラフである。
【図５】攪拌制御装置で用いる攪拌モデルの入力と出力の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ インペラー
２ 溶銑
３ カメラ
４ 前処理装置
５ 画像処理装置
６ 攪拌制御装置
７ 回転制御装置
８ 浸漬深さ制御装置
９ 巻上げ駆動装置
10 回転駆動装置
11 容器（溶銑鍋）

Claims (3)

1. 容器に収容された溶銑をインペラーを用いて攪拌しつつ前記溶銑の浴面をカメラによって撮像し、前記カメラで撮像された画像を画像処理装置に伝送し、 前記画像処理装置で時間経過に伴う前記画像の変化に基づいて前記溶銑の攪拌流速を算出し、前記溶銑の攪拌流速算出値を攪拌制御装置に伝送し、前記攪拌制御装置で前記攪拌流速算出値とあらかじめ設定された攪拌流速目標値とに基づいて前記インペラーの浸漬深さ目標値と回転数目標値とを算出し、前記浸漬深さ目標値を浸漬深さ制御装置に伝送しかつ前記回転数目標値を回転制御装置に伝送し、 前記浸漬深さ制御装置を用いて前記浸漬深さ目標値に基づいて前記インペラーの浸漬深さを制御するとともに前記回転制御装置を用いて前記回転数目標値に基づいて前記インペラーの回転数を制御することを特徴とする溶銑の攪拌流速制御方法。
2. 前記カメラで撮像された画像を前処理装置に伝送し、前記前処理装置で前記画像の濃度を調整し、 前記濃度を調整された画像を前記画像処理装置に伝送することを特徴とする請求項１に記載の攪拌流速制御方法。
3. 前記攪拌制御装置が、前記攪拌流速算出値と前記攪拌流速目標値とに加えて、前記容器内の溶銑量、溶銑成分、溶銑温度および前記インペラーの使用回数を入力信号として演算処理を行ない、前記浸漬深さ目標値と前記回転数目標値とを算出することを特徴とする請求項１または２に記載の攪拌流速制御方法。

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