JP5050626B2 - 溶融金属の誘導加熱装置における耐火物の損耗度検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶融金属の誘導加熱装置における耐火物の損耗度検知方法および装置に関する。

例えば、図２に示すような、溶鉱炉から出た銑鉄が凝固しないように保持しておくための貯銑炉（溶銑保持炉）には、内部の溶銑の温度降下を補償するための誘導加熱装置（インダクションヒーター）が備えられている。図２の例では、２台が手前に見えているが、実は、反対側にも２台の計４台が備えられている。

図２に示すような溶銑保持炉に付設された溶銑の誘導加熱装置（インダクションヒーター）は、溶銑保持炉から流路を通じて流入する溶銑（溶銑とそれを精錬した溶鋼は、総称して溶湯ともいう）を、該流路の周りに巻かれた誘導加熱用コイルに交流を通ずることで誘導加熱し、誘導加熱された溶銑は、図２中右に示すごとく、両サイドに分かれた流路を経て、溶銑保持炉に戻されるしくみになっている。このような形式の誘導加熱装置を、特に、溝型と呼んでいる。これに関する先行技術としては、特許文献１などがある。

以上説明した溝型のほかにも、また、溶銑に限らず、その他の溶融金属を加熱するものも含め、溶融金属の誘導加熱装置には、図３（ａ）に示すような、連続鋳造設備におけるタンディッシュ内の溶湯を加熱するもの（特許文献２）、図３（ｂ）に示すような、略円筒平底の容器内の溶融金属を加熱するもの（特許文献３）、図３（ｃ）に示すような、注入出部分および傾斜底をもつ略角筒の容器内の溶融金属を加熱するもの（特許文献４）のほか、さまざまな形式のものがある。

しかしながら、そのような形式の違いはあっても、共通していることは、誘導加熱装置は、直接に溶融金属と接しているわけではなく、間には、まず、ブッシングと呼ばれる水冷した銅のジャケットがあり、さらにその外側の溶融金属と接触する側には、耐火物があることであり、この耐火物の経時的な劣化により、溶融金属が漏洩（湯漏れともいう）してブッシングと接触し、さらにそれでも誘導加熱装置の運転を継続すると、漏洩の程度が拡大し、溶融金属が誘導加熱用コイルに接触して焼損させるおそれがあることである。

このため、先述の特許文献２、特許文献３、特許文献４などは、溶融金属と誘導加熱用コイルの間に電圧を印加し、電流の変化から、溶融金属の漏洩（湯漏れ）や耐火物の損耗度を検知するしくみを備えることにも言及している。

ここでは、一例として、図４に示すような溝型の誘導加熱装置の場合を例にとり、従来の、溶融金属の漏洩を検知するしくみについて、以下に説明する。

図４中、ＩＨは誘導加熱装置であり、それを構成する要素を列記すると、Ｍは溶融金属、Ｎ１は耐火物、Ｃは耐火物Ｎ１に覆われた誘導加熱用コイル、Ｎ２は耐火物である。

従来は、太線で示す二次側ループ３と、細線で示す一次側ループ２と、を整流素子６を介して結び、さらに、一次側ループ２に変換器７を介して接続した、メータリレー８に付設の検出接点９がＯＮして、ある一定の値を超える電流を検出した場合に、図示しない制御装置にて、溶融金属が漏洩したことを検知するしくみを構築していた。なお、図４中、１０は、メータリレー８に電源供給の目的で接続される回路であり、メータリレー電源と呼ばれる。

正常時は、溶融金属Ｍと誘導加熱用コイルＣとは耐火物Ｎ１を介して絶縁されているため、二次側ループ３には実質的に電流が流れない。異常時、すなわち耐火物Ｎ１が経時的に劣化すると、溶融金属設置極４から溶融金属Ｍを介して二次側ループ３に電流が流れるようになる。これを、一次側ループ２に変換器７を介して接続した、メータリレー８に付設の検出接点９がＯＮし、ある一定の値を超える電流を検出した場合に、図示しない制御装置にて、溶融金属が漏洩したことを検知するのである。
特開２００４−２１８０３８号公報 特開平０９−００４９８８号公報 実公平０６−０３８３９３号公報 特開平０６−３１３６８１号公報

しかしながら、以上説明した従来の方法では、溶融金属が漏洩して誘導加熱用コイルＣに接触するところまでいかないと、その検知ができないため、検知できたときには誘導加熱用コイルＣは即運転を停止する必要があった。その後も運転を継続すると漏洩の程度が拡大し、誘導加熱用コイルＣの周りで溶融金属が固化して取り外せなくなり、もはや交換不能になるのを防ぐためである。

特許文献１などで対象としている溝型の誘導加熱装置は、先述のように、例えば、図２に示す溶銑保持炉に設置されているが、このような溶銑保持炉は、１日２４時間連続操業し、３〜６ヶ月に１回、手前の２台の誘導加熱装置を２日程度かけて交換し、さらに３〜６ヶ月経つと反対側の２台の誘導加熱装置を同じ日数かけて交換する、という交換のパターンおよび頻度で操業している。

図２の例でいえば、略円筒状の溶銑保持炉は周方向に回動可能であり、例えば、手前の２台の誘導加熱装置を交換する作業中は反対側の２台の誘導加熱装置を運転することで、一応、操業を停止せずに、内部に溶銑を保持したまま交換作業を行うことができるようになっている。

ところが、ここで一つ問題がある。それは、溶融金属が漏洩したことを検知してから誘導加熱装置を代替品に交換しようとすると、そこから製造業者の方で代替品の誘導加熱装置を制作しはじめることから、２週間はかかってしまうことである。

事前に制作しておいた代替品の誘導加熱装置をスタンバイしておけば問題なさそうに思えるところ、実は、耐火物Ｎ１が、多くの場合、スタンプ材であることから、吸湿防止上、１ヶ月を超えて事前に制作したものをスタンバイしておけない。したがって、前述のように、溶融金属が漏洩したことを検知してから製造業者の方で代替品の誘導加熱装置を制作しはじめ、２週間もかかってしまう事態になるのである。

１〜２年に一度、溶銑保持炉は、１〜２ヶ月間停止して本格的に改修することになっており、その場合は予め予定もわかるため、そういう場合は停止期間が開始する１ヶ月前以降に制作に着手し、スタンバイした誘導加熱装置に、その改修期間中に交換することになる。

図２に示した溶銑保持炉には、図示していないものも含めると、４台の誘導加熱装置が設置されていることは先にも述べたが、そのうち１台で溶融金属の漏洩が発生すると、製造業者の方で代替品の誘導加熱装置を制作する２週間の間、あるいは、次の本格的な改修まで、残り３台で、さらにもう１台で溶融金属の漏洩が発生すると、残り２台で、という具合に減肺操業を強いられることになる。

従来の方法では、以上説明したような事態に至るのを未然に防止することができなかった。

わずかに先述の特許文献４に、図３（ｃ）に示したごとく、検知用導体２０を列設し、何番目の検知用導体２０にまで溶融金属が達しているかを検知することで、耐火物の損耗度、すなわち、劣化の進行状況を検知することが記載されているものの、検知用導体２０およびそれらに接続されるリード線を耐火物に埋設する必要があり、新品の容器の製作であっても煩雑であるのみならず、ましてや既存の容器への追加的埋設となると殆ど不可能に近いという問題があった。

また、耐火物の劣化が検知用導体２０に近いところではなく、他で局部的に速く進行して、溶融金属が検知用導体２０に接触する前にリード線の方に接触してしまうと、リード線が断線して、却って溶融金属の漏洩を検知できなくなりやすい問題もあった。

本発明は、以上説明したような、従来の方法のさまざまな問題を解決し、検知用導体やリード線の埋設などの煩雑な付帯機器や施工を必要とすることなく、溶融金属の誘導加熱装置における耐火物の損耗度を検知する方法および装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、以下の通りである。
[１]溶融金属を、ブッシングとさらに該ブッシングの外側の耐火物を介して非接触で、誘導加熱用コイルに交流を通じて加熱する、溶融金属の誘導加熱装置における耐火物の損耗度検知方法であって、前記溶融金属と前記ブッシングの間に電圧を印加し、前記溶融金属と前記ブッシングの間に流れる電流を検出することで、前記耐火物の損耗度を検知することを特徴とする溶融金属の誘導加熱装置における耐火物の損耗度検知方法。
[２]溶融金属を、ブッシングとさらに該ブッシングの外側の耐火物を介して非接触で、誘導加熱用コイルに交流を通じて加熱する、溶融金属の誘導加熱装置における耐火物の損耗度検知装置であって、前記溶融金属と前記ブッシングの間に電圧を印加し、前記溶融金属と前記ブッシングの間に流れる電流を検出することで、前記耐火物の損耗度を検知することを特徴とする溶融金属の誘導加熱装置における耐火物の損耗度検知装置。

本発明によれば、検知用導体やリード線の埋設などの煩雑な付帯機器や施工を必要とすることなく、溶融金属の誘導加熱装置における耐火物の損耗度を検知する方法および装置を提供できる。

以下、図１を参照しつつ、本発明の実施の形態の一例について説明する。図１に示した、溝型の誘導加熱装置における溶融金属の漏洩を検知するしくみは、先述の図４に示した、従来の、溝型の誘導加熱装置における溶融金属の漏洩を検知するしくみを基本的に踏襲したものである。ただし、二次側ループ３は、その一端が溶融金属設置極４を介して溶融金属Ｍに接触している点では共通しているものの、他端が誘導加熱用コイルＣではなくてブッシングＢに接続している点で相異する。溶融金属ＭとブッシングＢの間に直流の電圧を印加する。

図１中の太い破線で囲った部分が、本発明の耐火物の損耗度検知装置ＤＥである。これを設置した点も、先述の図４に示した、従来の、溝型の誘導加熱装置における溶融金属の漏洩を検知するしくみと相異する。

耐火物の経時的な劣化に伴い、耐火物の内部に徐々に溶融金属がしみこむ。その部分にクラックが発生し、ブッシングＢにまで溶融金属が到達する。よって、本来電流ゼロであるはずのところ、耐火物の経時的な劣化に伴い、徐々に電流がアップして、ブッシングＢにまで溶融金属が到達すると短絡状態になる。この過渡期の電流を検出し、それがある一定の値以上になったところで交換が必要な時期が近いと判断し、代替品の誘導加熱装置を制作しはじめよう、というのが本発明の狙いである。そうすれば実際に交換するまでの間、操業をそのまま継続でき、突発的に２週間もの減肺操業を強いられなくて済む。

さらに、以上説明したような、ブッシングＢにまで溶融金属が到達する前の段階で、代替品の誘導加熱装置を制作しはじめれば、実際に交換するまでの間に、漏洩がブッシングＢを通り越してさらに誘導加熱用コイルＣにまで達し、固化して交換不能になる最悪の事態は実際上確実に回避できる。

変換器１１のＯＵＴ側に接続した電流計１２により検出した電流値を、図示しない制御装置でとらえ、その電流値の変化を、制御装置内部の詳説しないロジックにて検出する。

電流値の変化は、例えば、二次側ループ３に流れる直流の大きさが耐火物Ｎ１の損耗度によって変化すれば、一次側ループ２に流れる交流の電流値も変化するので、耐火物Ｎ１が新品の状態のときに対し、その交流の電流値がどれだけ変化するか、で検出するようにすればよい。

その変化の量で耐火物の損耗度を検出し、その変化の量の絶対値がある一定の閾値以上になった場合に、溶融金属ＭとブッシングＢが短絡する時期が近いと判断すればよい。

ただ、これはあくまで一例であり、電流値の変化を閾値だけでなく微分量でも捉えるなどのロジックを組むなど、さまざまな方法でより確実な検出のしかたをしてもよい。

本発明の耐火物の損耗度検知装置ＤＥにて耐火物Ｎ１の損耗度の検知を開始するのに先立って、二次側ループ３をテストボタン１３にて短絡し、溶融金属ＭとブッシングＢの間が短絡した場合の模擬回路を作成する。

この状態で一次側ループ２に、ここでは一例として２５０ｍＡの電流が流れるように可変抵抗器５を操作する。この電流の大きさは特にここでの例に限るものではないが、市販の電流計の中でも安価なものを使用できる現実性を考えると、１０ｍＡ〜１Ａの電流が流れるように可変抵抗器５を操作するのが好ましい。

二次側ループ３に設置したテストボタン１３をＯＦＦにすることで、本発明の耐火物の損耗度検知装置ＤＥにて耐火物Ｎ１の損耗度の検知を開始する。

もしも耐火物の経時的な劣化により、数十ｍＡの電流が二次側ループ３に流れると、一次側ループ２の側には、その分だけ加算された電流（交流）が流れる。変換器１１を介して増幅された電流を電流計１２にて捉え、かつ、アナログ信号で図示しない制御装置にて電流値の変化を検出する。

以上のようなしくみにより、本実施の形態では、溶融金属設置極４を介して溶融金属ＭとブッシングＢの間に電圧を印加し、溶融金属ＭとブッシングＢの間に流れる電流を検出することで、耐火物Ｎ１の損耗度を検知する。

なお、以上説明した本発明の実施の形態は、あくまで一例であり、本発明の実施の形態は、以上の説明のものに限るものではない。

例えば、溶融金属ＭとブッシングＢの間に印加する電圧は直流としたが、必ずしも直流に限らなくてもよい。

また、溶融金属Ｍには、溶融金属設置極４を介して電圧を印加するようにしているが、これに代わるものを用いてもよい。

さらに、耐火物Ｎ１の損耗度を検知するための、二次側ループ３に流れる電流は、必ずしも上記の実施の形態のように整流素子６を介して一次側ループ２の側に流れる電流によって、しかも必ずしも変換器１１を介して検出しなくてもよく、変換器１１なしで検出してもよいし、あるいは、一次側ループ２の側でなくて二次側ループ３の側で検出してもよいし、あるいはまた別な方法としては、一次電源１ａの側で検出するなどしてもよい。

そして、溶融金属の誘導加熱装置としては、溝型のものに限らず、各種の形式のものに、本発明は適用できる。

図２に示した溶銑保持炉に設置している溝型の誘導加熱装置ＩＨが新品のとき、耐火物Ｎ１も新品であり、図１に示した溶融金属の漏洩を検知するしくみによれば、電流計１２で検出される電流の変化の量は０ｍＡであったが、改修して１ヶ月操業後に、一次側ループ２に設置した変換器１１を介してＯＵＴ側に設置した電流計１２で検出した電流の変化の量は５０ｍＡとなった。

これは、耐火物Ｎ１に溶融金属Ｍがしみこむことで、耐火物Ｎ１が経時的に劣化し、絶縁性が低下したことを意味している。

５ヶ月操業後に電流の変化の量が急激に大きくなり、６ヶ月操業後には耐火物Ｎ１の絶縁抵抗が、遂にゼロになり、電流の変化の量は２５０ｍＡとなった。この時点で溶融金属ＭとブッシングＢが短絡する時期が近いと判断された。

かかる経験に基づき、５ヶ月操業後に電流の変化の量が急激に大きくなったことをもって、代替品の誘導加熱装置を制作しはじめ、６ヶ月経過する前にその誘導加熱装置を計画的に交換すれば、減肺操業を強いられることはなくなる。

電流の変化の量が急激に大きくなるのは５ヶ月操業後とは限らないが、以上のことからすると、電流の変化の量が急激に大きくなったら、１ヶ月以内に計画的に交換を行えば、減肺操業を強いられることはなくなることになる。

本発明の実施の形態の一例について説明するための線図 従来技術について説明するための線図 従来技術について説明するための線図 従来技術について説明するための線図

符号の説明

１ 入力電源
２ 一次側ループ
３ 二次側ループ
４ 溶融金属設置極
５ 可変抵抗器
５ａ 抵抗器
６ 整流素子
７ 変換器
８ メータリレー
９ 検出接点
１０ メータリレー電源
１１ 変換器
１２ 電流計
２０ 検知用導体
ＤＥ 損耗度検知装置
ＩＨ 誘導加熱装置
Ｍ 溶融金属
Ｎ１ 耐火物
Ｎ２ 耐火物
Ｂ ブッシング
Ｃ 誘導加熱用コイル

Claims (2)

1. 複数の誘導加熱装置で溶融金属を加熱する場合において、前記複数の誘導加熱装置の各々には、１つの溶融金属設置極と複数の誘導加熱用コイルとが設けられており、前記誘導加熱装置に保持される溶融金属を、前記複数の誘導加熱用コイルの周りのブッシングとさらに該ブッシングの外側の耐火物を介して非接触で、誘導加熱用コイルに交流を通じて加熱する、溶融金属の誘導加熱装置における耐火物の損耗度検知方法であって、
   前記１つの溶融金属設置極を介して、前記溶融金属と前記ブッシングの間に電圧を印加し、前記溶融金属と前記ブッシングの間に流れる電流を検出して、
   前記複数の誘導加熱装置のうちのいずれかの前記耐火物の損耗度を検知することを特徴とする溶融金属の誘導加熱装置における耐火物の損耗度検知方法。
2. 前記電流の電流値の変化を微分量として捉えることで、前記損耗度を検知することを特徴とする、請求項１に記載の溶融金属の誘導加熱装置における耐火物の損耗度検知方法。

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