JP5228414B2

JP5228414B2 - スラグの流出検知方法

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Publication number: JP5228414B2
Application number: JP2007234517A
Authority: JP
Inventors: 正嗣矢加部
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2027-09-10
Also published as: JP2009068029A

Description

本発明は、転炉及び取鍋などの溶融金属容器に設置される流出孔を介して該溶融金属容器から、取鍋やタンディッシュなどの他の溶融金属容器に溶銑及び溶鋼などの溶融金属を排出する際に、溶融金属の排出の末期、溶融金属に巻き込まれて流出するスラグを検知する方法に関するものである。

転炉を用いた溶銑の脱炭精錬工程においては、精錬剤として生石灰（ＣａＯ）やドロマイト（ＭｇＣＯ₃ ・ＣａＣＯ₃ ）などの造滓剤を添加したり、副原料としてマンガン鉱石を添加したり、また、除去された溶銑中の不純物自体がスラグになったりし、更には、酸化精錬であることに起因して鉄の酸化物が不可避的に発生することから、スラグをなくすることは不可能であり、脱炭精錬終了後の溶鋼上にはスラグが形成される。形成されたスラグは、転炉から取鍋などへの出鋼過程の末期、転炉内の溶鋼が少なくなってくると溶鋼に巻き込まれ、溶鋼とともに取鍋内に排出される。このスラグは鉄酸化物及びマンガン酸化物などの酸素ポテンシャルの高い、所謂「低級酸化物」を含んでいるので、大量のスラグが取鍋内に流出した場合には、溶鋼を脱酸するために添加した溶鋼中のＡｌとスラグ中の低級酸化物とが反応して溶鋼中にアルミナが形成され、清浄性の高い鋼を得ることができなくなるという問題が発生する。また、取鍋の耐火物がスラグによって溶損し、取鍋耐火物の寿命が低下するという問題も発生する。

同様に、連続鋳造工程においては、取鍋からタンディッシュへ溶鋼を注入する際、取鍋内の溶鋼量が少なくなった注入過程の末期に、取鍋内のスラグが溶鋼に巻き込まれ、溶鋼とともにタンディッシュに流出する。この場合のスラグは、一般的には既に低級酸化物は還元されており、酸化度の低いスラグであるので、巻き込まれたスラグがタンディッシュ内で全て浮上して溶鋼と分離してしまえば問題にはならないが、タンディッシュで浮上しきれずに鋳型内まで持ち来たされる場合には、スラグは鋳片に捕捉され、鋳片の清浄性が低下するといった問題が発生する。

従って、スラグの流出を防止するために多数の提案がなされている。例えば、特許文献１には、転炉から出鋼口を介して取鍋へ溶鋼を出鋼する際に、転炉からの出鋼流を赤外線カメラで監視し、赤外線カメラで検知される流体が溶鋼からスラグに変わった時点で転炉を傾転（起立）させて出鋼を終了し、スラグの取鍋への流出を防止する方法が開示されている。また、特許文献２には、取鍋からタンディッシュへの溶鋼の注入流の幅方向放射エネルギー分布を二次元ＣＣＤカメラで測定し、測定結果のうちの連続する最大幅部分を溶鋼注入流の径として検出し、溶鋼注入流の径の幅及びその積分値が増大したときにスラグ流出と判定して、取鍋からタンディッシュへの溶鋼の注入を終了する方法が開示されている。尚、本発明においては、転炉からの出鋼流や取鍋からの注入流など、溶融金属容器の流出孔を介して流出する全ての流れを「排出流」と定義する。
特開２００１−１０７１２７号公報特開平２−２５１３６２号公報

特許文献１及び特許文献２ともに、溶鋼よりもスラグの方が、放射率が大きいこと、つまり放射エネルギーが大きいことを利用して溶鋼とスラグとを判別しているが、これらの従来技術には、次のような問題点がある。即ち、特許文献１及び特許文献２ともに、溶鋼とスラグとを判別する際に、或る一定の放射エネルギー値を、溶融金属とスラグとを判別するための閾値（以下、「エネルギー閾値」と記す）として設定し、検出される放射エネルギー値が、エネルギー閾値を越えたときにスラグ、エネルギー閾値以下の場合を溶鋼と判別しており、このエネルギー閾値を固定していることである。

本発明者等の知見によれば、スラグの粘性が高い場合には、流出孔の直径などその他の条件が同じであっても、流出する排出流（スラグ流）が細くなって放射率が見掛け上小さくなり、放射エネルギーが低下する。従って、エネルギー閾値を固定している特許文献１及び特許文献２では、流出する排出流が細くなった場合には、スラグが流出中であっても検出される放射エネルギー値が設定したエネルギー閾値を越えず、スラグと判定されないことが発生するという問題がある。また、この問題を回避するために、エネルギー閾値を下げて設定した場合には、溶損などにより流出孔の状態が悪いときには、排出流が乱れることから放射率が見掛け上大きくなり、溶鋼が流出しているにも拘わらず検出される放射エネルギー値がエネルギー閾値を越え、溶鋼をスラグと誤認識してしまうという問題が発生する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、転炉から取鍋への出鋼時及び取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入時などのように、溶融金属容器から他の溶融金属容器に流出孔を介して溶融金属を排出する際に、溶融金属の排出の末期、溶融金属に混入して流出するスラグを、溶融金属容器からの排出流が細くてもまた太くても、その形状に拘わらず的確に検知し、スラグの流出量をばらつきなく所定量に制御することのできるスラグの流出検知方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係るスラグの流出検知方法は、溶融金属容器の流出孔から流出する排出流を赤外線カメラで撮影し、赤外線カメラで測定される排出流の放射エネルギー値と予め設定したエネルギー閾値とを対比することによって溶融金属とスラグとを判別し、前記流出孔から流出する溶融金属に混合して流出するスラグを検知するスラグの流出検知方法であって、前記赤外線カメラで撮影される排出流の幅を逐次算出し、算出された排出流の幅に応じて溶融金属とスラグとを判別するためのエネルギー閾値を変更することを特徴とするものである。

第２の発明に係るスラグの流出検知方法は、第１の発明において、前記溶融金属容器が転炉であり、且つ前記溶融金属が溶鋼であることを特徴とするものである。

本発明によれば、赤外線カメラで撮影される溶融金属容器の流出孔からの排出流の幅を逐次算出し、算出された幅に応じて溶融金属とスラグとを判別するためのエネルギー閾値を変更するので、従来は溶鋼と判断されてスラグ流出を検知できなかった、排出流の幅が狭い場合（排出流が細い場合）であっても、スラグ検知が可能となる。一方、排出流の幅が広い場合（排出流が太い場合）には、排出流の放射エネルギーが高くなるが、エネルギー閾値が大きくなるので、溶鋼をスラグと誤認することが防止される。これにより、溶融金属容器からのスラグ流出量をばらつきなく所定量に制御することが可能となり、その結果、溶鋼清浄性の向上、脱酸剤原単位の削減などが達成されて工業上有益な効果がもたらされる。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明の実施の形態例を示す図であって、転炉から取鍋に溶鋼を出鋼する際に本発明を実施した例を示す概略断面図である。

図１に示すように、外殻を鉄皮１０とし、鉄皮１０の内側に耐火物１１が施工された転炉３の側壁には、溶鋼１を取鍋４に排出するための流出孔である出鋼口１２が設置されている。この転炉３の出鋼口１２の近傍には、スラグストッパー９が設置されており、スラグストッパー９は、転炉３とは距離を隔てた位置に設置されるスラグストッパー制御装置８によって制御されている。また、転炉３から取鍋４への排出流である出鋼流１Ａに混合して流出するスラグ２を検知するために、赤外線カメラ６及び検知部７からなるスラグ検知装置５が設置されている。

赤外線カメラ６は、出鋼流１Ａ及びその背景を二次元で撮影し、各被写体の放射エネルギーを測定するとともに、各被写体の放射エネルギーを表示する装置である。赤外線カメラ６により撮影された二次元の画像は検知部７に送られる。検知部７は、赤外線カメラ６から送られた画像に基づいて、出鋼流１Ａの幅の算出、スラグ流出の検知並びにスラグ流出の判定を行う装置である。赤外線カメラ６でなくても、例えばＣＣＤカメラなどでも被写体の放射エネルギーを計測することは可能であるが、検出感度が高いことから本発明では赤外線カメラ６を使用している。但し、赤外線カメラ６の代わりにＣＣＤカメラを使用しても、本発明を実施することは可能である。検知部７の信号は、スラグストッパー制御装置８に入力されている。

スラグストッパー９は、回転自在なアーム１３と、アーム１３の先端部に取り付けられた鋳鉄製の止め栓部１４と、アーム１３を駆動するための油圧シリンダー１５と、から構成されており、油圧シリンダー１５が作動することにより、アーム１３の先端部の止め栓部１４が出鋼口１２に嵌合するようになっている。この止め栓部１４には、止め栓部１４の中心部を貫通してガス吹込み孔（図示せず）が設けられ、このガス吹込み孔から供給される窒素ガスが、止め栓部１４を出鋼口１２に嵌合したときに、出鋼口１２の流路内に噴射されるようになっている。ガス吹込み孔を流れる窒素ガス流量及び油圧シリンダー１５を作動するための作動油は、スラグストッパー制御装置８によって制御されている。尚、図１では、油圧シリンダー１５に接続する油圧配管、ガス吹込み孔に接続するガス供給管及び流量調整弁などは省略している。

このような構成の転炉３及びスラグ検知装置５を用いて、次のようにして本発明を実施する。

転炉３に溶銑を装入し、更に、生石灰、焼成ドロマイト、蛍石などの造滓剤を装入して、上吹きランス（図示せず）または底吹き羽口（図示せず）若しくは双方から酸素ガスを溶銑に供給して脱炭精錬を実施する。溶銑は脱炭精錬されて溶鋼１が溶製され、造滓剤は溶融してスラグ２が生成される。溶製した溶鋼１を取鍋４に出鋼するに当たり、出鋼口１２が下面側に位置するように転炉３を傾動させる。転炉３の傾動により、溶鋼１は出鋼口１２を通る出鋼流１Ａとなって取鍋４に流下する。溶鋼１の出鋼が進み、転炉３に滞留する溶鋼１が少なくなると、溶鋼１の上に浮遊するスラグ２が溶鋼１に巻き込まれ、出鋼流１Ａに混入して取鍋４に流出する。

この出鋼流１Ａを赤外線カメラ６で連続して監視し、一定周期で出鋼流１Ａの二次元画像を撮影し、撮影した二次元画像の各位置の放射エネルギーを測定する。測定された各位置の放射エネルギーは検知部７に送られる。

図２に、或る時刻において赤外線カメラ６により測定された出鋼流１Ａ及び背景の放射エネルギーの二次元画像を示す。図２において、「Ｚ」として示す放射エネルギーの極めて低い部分（以下、「範囲（Ｚ）」と記す）は出鋼流１Ａの背景であり、「Ｘ」として示す放射エネルギーレベルの高い部分（以下、「範囲（Ｘ）」と記す）が出鋼流１Ａの溶鋼１の部分であり、出鋼流１Ａのなかで放射エネルギーレベルの高い「Ｙ」として示す部分（以下、「範囲（Ｙ）」と記す）がスラグ２の部分である。

撮影した二次元画像を、範囲（Ｘ）、範囲（Ｙ）及び範囲（Ｚ）の３つの範囲に判別する方法を、図３を用いて説明する。図３は、図２に示すＡ−Ａ’線上の放射エネルギー分布を示す概略図である。背景つまり範囲（Ｚ）の部分は、放射エネルギーが極めて低く、出鋼流１Ａの部分、つまり範囲（Ｘ）及び範囲（Ｙ）とは明確に判別することができる。出鋼流１Ａの部分において、溶鋼１の放射エネルギーはＥm であり、スラグ２の放射エネルギーは溶鋼１の放射エネルギー（Ｅm ）よりも高いＥs であるので、溶鋼１とスラグ２とを判別することができる。具体的には、図３に示すように、Ｅm よりも大きく且つＥs よりも小さい所定のエネルギー閾値Ｅc を設定しておき、計測される放射エネルギーレベルがエネルギー閾値Ｅc を越えた範囲をスラグ２、つまり範囲（Ｙ）とし、それ以外を溶鋼１、つまり範囲（Ｘ）として判別する。検知部７では、送られてくる放射エネルギーの測定データに基づき、二次元画像全体について、このようにして溶鋼１、スラグ２及び背景の３つに判別する。

つまり、赤外線波長領域におけるスラグ２の放射率は、溶鋼１の放射率の１．２〜１．５倍であり、これによって測定される放射エネルギーレベルに差が発生するので、赤外線カメラ６を使用することによって、出鋼流１Ａにおける溶鋼１とスラグ２とを明確に区別することが可能となる。図３は、出鋼流１Ａにスラグ２が混入した状態を示しており、スラグ２が混入していない場合には、画像は範囲（Ｘ）と範囲（Ｚ）とで構成され、出鋼流１Ａが全てスラグ２の場合には、画像は範囲（Ｙ）と範囲（Ｚ）とで構成される。

ここで、従来、エネルギー閾値Ｅc は一定値のまま判定していたが、本発明者等は、種々の試験操業の結果から、出鋼流１Ａの幅によって放射率が変化すること、換言すれば、出鋼流１Ａの幅によって放射エネルギーが変化することから、エネルギー閾値Ｅc を一定値としたまま判定すると、スラグ２を検知できない場合が発生することを確認した。具体的には、後述する実施例にも示すように、出鋼流１Ａの幅が狭くなる、つまり出鋼流１Ａが細くなると、溶鋼１及びスラグ２ともに放射率が小さくなるので、出鋼流１Ａの幅が狭い場合には、出鋼流１Ａの幅が広い場合、つまり出鋼流１Ａが太い場合に比べて、相対的にエネルギー閾値Ｅc を小さくする必要のあることを見出した。

そこで、本発明においては、検知部７は、先ず、赤外線カメラ６から送られてくる二次元画像の放射エネルギーデータに基づき、二次元画像における出鋼流１Ａの幅を算出する。出鋼流１Ａの幅を算出する方法は、例えば前述した図２において、範囲（Ｘ）の部分と範囲（Ｙ）の部分とを合計して出鋼流１Ａの面積を求め、求めた出鋼流１Ａの面積を画像の長さＬで除算することにより、近似的に出鋼流１Ａの幅を算出することができる。或いは、図２に示すＡ−Ａ’線のような走査線上での出鋼流１Ａの幅を求め、それを画像全体について求め、求めた値の平均値を出鋼流１Ａの幅とすることもできる。二次元画像において出鋼流１Ａの幅は、厳密には画像の上端部と下端部とで差が生じるが、その差はそれほど大きくなく、放射率の変化は小さいので、出鋼流１Ａの幅として平均値を用いても問題にはならない。

検知部７は、出鋼流１Ａの幅を算出したならば、予め検知部７に入力されている、出鋼流１Ａの幅とエネルギー閾値Ｅc との関係に基づいて、赤外線カメラ６から放射エネルギーデータが入力された時点での出鋼流１Ａの幅に応じたエネルギー閾値Ｅc を決定し、決定したエネルギー閾値Ｅc に基づいて範囲（Ｘ）か範囲（Ｙ）かを、つまり溶鋼１かスラグ２かを判定する。検知部７は、赤外線カメラ６からデータが送られてくる毎に、この出鋼流１Ａの幅を算出し、算出された出鋼流１Ａの幅に応じてエネルギー閾値Ｅc を定め、定めたエネルギー閾値Ｅc に基づいて溶鋼１かスラグ２かを判定する。

そして、検知部７は、出鋼流１Ａの面積（＝範囲（Ｘ）＋範囲（Ｙ））における範囲（Ｙ）の比率（Ｙ／（Ｘ＋Ｙ））が所定の値になった時点を「スラグ２が流出した時点」と判定して、その判定信号をスラグストッパー制御装置８に出力する。この場合、スラグ２の流出を可能な限り少なくしたい場合には、比率（Ｙ／（Ｘ＋Ｙ））を小さい値（例えば０．１程度）とし、一方、転炉３に残留する溶鋼１を少なくしたい場合には、比率（Ｙ／（Ｘ＋Ｙ））を大きくする（例えば０．５〜０．７程度）とするなど、溶製される溶鋼の品質レベルなどに応じて比率（Ｙ／（Ｘ＋Ｙ））を設定する。但し、比率（Ｙ／（Ｘ＋Ｙ））は、当該溶鋼の出鋼中は或る一定の値とする。

つまり、比率（Ｙ／（Ｘ＋Ｙ））は、当該溶鋼の出鋼中は或る一定の値であるので、赤外線カメラ６で測定される放射エネルギーの総量に応じてスラグ２の流出を判定することになるが、本発明においては、出鋼流１Ａの幅に応じて溶鋼１かスラグ２かを判定するので、赤外線カメラ６で測定される放射エネルギーの総量が同一であっても、出鋼流１Ａの幅によっては、溶鋼１と判定したり或いはスラグ２と判定したりすることになる。尚、エネルギー閾値Ｅc を一定値とする従来の検知方法では、放射エネルギーの総量に基づき一義的に溶鋼１かスラグ２かに判別される。

検知部７からスラグ流出の判定信号を受けたスラグストッパー制御装置８は、アーム１３の先端に設置した止め栓部１４によって出鋼口１２が閉塞されるように油圧シリンダー１５を作動させると同時に、止め栓部１４の先端部から窒素ガスが流れ出るように電磁弁（図示せず）を制御する。出鋼流１Ａは止め栓部１４によって止められるのみならず、出鋼口１２の内部に噴射される窒素ガスによって、出鋼口１２の内部の溶鋼１及びスラグ２は転炉３の内部に押し戻される。これにより、出鋼口１２の溶鋼１による閉塞は防止される。転炉３は、スラグストッパー９の作動と同時にまたは作動直後に、炉口が上となるように傾動し、その後、出鋼口１２が上面側に位置するように更に傾動し、スラグ２は炉口からスラグポット（図示せず）に排出される。

このように、本発明によれば、赤外線カメラ６で撮影される転炉３の出鋼口１２からの出鋼流１Ａの幅を逐次算出し、算出された幅に応じて、溶鋼１とスラグ２とを判別するためのエネルギー閾値を変更するので、従来は溶鋼１と判断されてスラグ流出を検知できなかった出鋼流１Ａの幅が狭い場合であっても、スラグ検知が可能となる。一方、出鋼流１Ａの幅が広い場合には、エネルギー閾値を大きくするので、溶鋼１をスラグ２と誤認することが防止される。これにより、転炉３からのスラグ流出量をばらつきなく所定量に制御することが可能となる。

尚、本発明は上記説明に限るものではなく種々の変更が可能である。例えば、上記説明では、溶銑を脱炭精錬して得た溶鋼１の転炉３からの出鋼時に本発明を適用しているが、溶銑を予備脱燐処理して得た脱燐溶銑を転炉３から溶銑鍋などへ出湯する際にも本発明を適用することができる。また、転炉３からの出鋼流１Ａに代えて、取鍋４からタンディッシュへの溶鋼の注入流に対しても同様に適用することができる。更に、スラグストッパー９の構造も上記に限るものではなく、出鋼口１２を閉塞することができる限り、どのような構造であってもよい。また更に、スラグストッパー９を使用することなく、検知部７がスラグ流出を判定した時点で、転炉３を起立するように傾動させて出鋼口１２からの流出を停止するようにしてもよい。

図１に示す構成の転炉及びスラグ検知装置を用いて、転炉から取鍋への溶鋼の出鋼時に出鋼流の幅及び放射エネルギーを測定した。用いた転炉は、容量が２５０トンの上底吹き転炉である。

図４に、出鋼開始からの経過時間に対して赤外線カメラで測定される放射エネルギーの総量と出鋼流の幅との関係を示す。スラグは出鋼開始から約２１７秒程度経過した時点から流出し始めており、スラグの粘性が高いためにスラグの流出が開始されると出鋼流の幅が狭くなることが観察された。出鋼流の幅が狭くなり始めた時点で放射エネルギーの総量が低下した。

この場合、従来は溶鋼とスラグとを判別するためのエネルギー閾値として２３０a.u.程度の一定値に設定しており、スラグの流出を検知できなかったが、本発明においてはエネルギー閾値として、出鋼流の幅が２８０ｍｍ以上の場合に２３０a.u.、出鋼流の幅が２８０ｍｍ未満の場合に１９０a.u.とすることで、スラグ流出を検知することが可能となった。尚、図４において、出鋼終了時に出鋼流の幅が急激に拡大しているのは、スラグストッパーを作動させたためである。

転炉から取鍋に溶鋼を出鋼する際に本発明を実施した例を示す概略断面図である。赤外線カメラにより撮影された出鋼流１Ａの二次元画像の概略図である。図２に示す、Ａ−Ａ’線上の放射エネルギー分布を示す概略図である。出鋼開始からの経過時間に対して赤外線カメラで測定される放射エネルギーの総量と出鋼流の幅との関係を示す図である。

符号の説明

１溶鋼
１Ａ出鋼流
２スラグ
３転炉
４取鍋
５スラグ検知装置
６赤外線カメラ
７検知部
８スラグストッパー制御装置
９スラグストッパー
１０鉄皮
１１耐火物
１２出鋼口
１３アーム
１４止め栓部

Claims

溶融金属容器の流出孔から流出する排出流を赤外線カメラで撮影し、赤外線カメラで測定される排出流の放射エネルギー値と予め設定したエネルギー閾値とを対比することによって溶融金属とスラグとを判別し、前記流出孔から流出する溶融金属に混合して流出するスラグを検知するスラグの流出検知方法であって、前記流出孔から流出する排出流が細くなって見掛けの放射率が小さくなると、前記赤外線カメラで撮影される排出流の幅を逐次算出し、算出された排出流の幅に応じて溶融金属とスラグとを判別するためのエネルギー閾値を当該溶融金属の排出中に変更することを特徴とする、スラグの流出検知方法。
前記溶融金属容器が転炉であり、且つ前記溶融金属が溶鋼であることを特徴とする、請求項１に記載のスラグの流出検知方法。