JP5535775B2 - 製鋼用アーク炉の電力投入制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、スクラップ、合金鉄、及び造滓材を有する原材料と燃焼用カーボン粉を製鋼用アーク炉に装入し、溶解して溶鋼を生成させ、精錬及び昇熱を行って目標成分構成を有する製品用溶鋼を製造するのに必要な投入電力量を決定する製鋼用アーク炉の電力投入制御方法に関する。
スクラップ、合金鉄、及び造滓材を有する原材料を溶解して溶鋼を生成させ、精錬及び昇熱を行って目標成分構成を有する製品用溶鋼を製造する製鋼用アーク炉においては、生産性の向上、生産コストの低減のために設備面及び操業面から種々の取り組みがなされている。また、製鋼用アーク炉に投入する電気エネルギー効率の向上、電力投入操作を行う作業者の作業負荷の軽減あるいは電力投入操作の無人化を目的として、電力投入制御技術の面で種々の制御方法が提案されている。
その最も一般的な方法は、原材料を溶解する溶解期、生成した溶鋼を精錬する精錬期、及び精錬後の溶鋼を加熱して目標成分構成の製品用溶鋼を生成させる昇熱期にそれぞれ必要な投入電力量と電力投入パターンを、過去の操業実績を基に鋼種及び操業パターン毎にそそれぞれモデルケースとしてデータベース化しておき、製造する鋼種と操業パターンが決まると、データベースからその鋼種と操業パターンに対応したモデルケースを選定し、実際に製鋼用アーク炉に装入する原材料の装入量によって、選定したモデルケースの投入電力量及び電力投入パターンを補正するものである。例えば、製鋼用アーク炉に対して実際に投入する投入電力量は、モデルケースを設定した際の基準原材料装入量に対する実績原材料装入量の重量比率を算出し、モデルケースの投入電力量に算出した重量比率を掛け合わせて決定している。
しかしながら、基準原材料装入量とモデルケースの投入電力量の関係を求める際に想定した原材料の成分構成と実際に装入する原材料の成分構成が異なる場合、原材料が溶解され、精錬及び昇熱されて製品用溶鋼となる際の反応熱に差があることから、装入された原材料を溶解し、精錬及び昇熱する際に要するエネルギーは、各チャージで大きく変動することになって、この変動に応じた最適な電力量の投入ができず、必ずしも電気エネルギーの面で最大効率を引き出せていないのが実情であった。
その結果、投入電力の増減、電力の入り切りのタイミングは、操作者の判断に頼るケースがほとんどであり、特に精錬期及び昇熱期においては高温のアーク炉の前に立った作業者が、スラグの状態や溶鋼の温度の上昇度合いを見ながら操作室内の他の作業者に電力投入の指示を与えており、作業負荷の軽減という面においても目覚ましい改善がなされたとは言い難い。
これらの問題を解決すべく、アーク炉におけるサーマルバランス（アーク炉への入熱とアーク炉からの出熱の熱収支）に基づいて電力投入制御を行う方法が特許文献１で提案されている。特許文献１の電力投入制御方法は、アーク炉の通電前に必要電力量を想定熱収支により決定するものであり、更には、１チャージの終了時にアーク炉の実績値でこのチャージの実績熱収支計算を行い、測定した電力量との差を操業時期別に移動平均して次のチャージでの設定通電量を補正し、精度を向上させようとするものである。
特許文献１に記載の電力投入制御方法において、熱収支により必要電力量を決定するためには、正確な熱収支をとる必要がある。しかしながら、スクラップ等の主原料、合金鉄や造滓材等の副原料は投入重量により熱収支計算を行っているが、熱収支を計算する上でその前段階となる物質収支計算が行われていない。そのため、仮定した物質収支を前提とした状態での熱収支計算を行うので、アーク炉への入物質とアーク炉からの出物質との物質収支が実際操業とは合っていないために生じる入熱量と出熱量のアンバランスの事態が度々生じて、投入電力量に過不足が生じることが多い状況になっているという問題がある。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、製鋼用アーク炉への入物質と製鋼用アーク炉からの出物質の物質収支及び熱収支に基づいて、１チャージに必要な投入電力量を過不足なく投入することが可能な製鋼用アーク炉の電力投入制御方法を提供することを目的とする。
前記目的に沿う本発明に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法は、スクラップ、合金鉄、及び造滓材を有する原材料と燃焼用カーボン粉から構成される入物質を製鋼用アーク炉に装入し、該原材料の溶解を行う溶解期、該原材料の溶解により生成した溶鋼を加熱してスラグ及びダストを生成させ目標成分構成を有する製品用溶鋼を製造する精錬を行う精錬期、精錬後に目標温度まで昇熱を行う昇熱期から構成される１チャージに必要な投入電力量を決定する製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、
前記製鋼用アーク炉からの出物質を、前記製品用溶鋼、前記スラグ、及び前記ダストから構成して、前記出物質と前記入物質の間の物質収支から、前記製品用溶鋼を製造する際の前記原材料の成分構成及び質量と前記出物質の成分構成及び質量をそれぞれ求めて、前記入物質により前記製鋼用アーク炉に持ち込まれる熱量Ｑｂ及び前記入物質の成分構成と前記出物質の成分構成の差から求まる過剰物質が酸化する際に発生する酸化反応熱量Ｑｏをそれぞれ演算し、
前記製品用溶鋼の熱量Ｑｓｔと、前記スラグの熱量Ｑｓｌｇと、前記ダストを含んだ排ガスの熱量Ｑｄと、前記製鋼用アーク炉に供給した冷却水による抜熱量Ｑｃとの和を前記製鋼用アーク炉からの出熱量ＱＯとして、前記入物質と前記出物質との間の熱収支から、前記１チャージの間に前記製鋼用アーク炉に供給するアーク熱量ＱａをＱｓｔ＋Ｑｓｌｇ＋Ｑｄ＋Ｑｃ−Ｑｂ−Ｑｏから求め、前記１チャージに必要な投入電力量を前記アーク熱量Ｑａから決定する。
前記製鋼用アーク炉からの出物質を、前記製品用溶鋼、前記スラグ、及び前記ダストから構成して、前記出物質と前記入物質の間の物質収支から、前記製品用溶鋼を製造する際の前記原材料の成分構成及び質量と前記出物質の成分構成及び質量をそれぞれ求めて、前記入物質により前記製鋼用アーク炉に持ち込まれる熱量Ｑｂ及び前記入物質の成分構成と前記出物質の成分構成の差から求まる過剰物質が酸化する際に発生する酸化反応熱量Ｑｏをそれぞれ演算し、
前記製品用溶鋼の熱量Ｑｓｔと、前記スラグの熱量Ｑｓｌｇと、前記ダストを含んだ排ガスの熱量Ｑｄと、前記製鋼用アーク炉に供給した冷却水による抜熱量Ｑｃとの和を前記製鋼用アーク炉からの出熱量ＱＯとして、前記入物質と前記出物質との間の熱収支から、前記１チャージの間に前記製鋼用アーク炉に供給するアーク熱量ＱａをＱｓｔ＋Ｑｓｌｇ＋Ｑｄ＋Ｑｃ−Ｑｂ−Ｑｏから求め、前記１チャージに必要な投入電力量を前記アーク熱量Ｑａから決定する。
本発明に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、前記合金鉄の成分構成及び質量は、前記スクラップの成分構成と前記製品用溶鋼の成分構成の差に基づいて決定し、前記造滓材の質量は、前記スラグの塩基度に基づいて決定することができる。
本発明に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、前記燃焼用カーボン粉の質量は、前記過剰物質を構成する成分と、該各成分の質量に基づいて決定することができる。
本発明に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、前記製品用溶鋼の熱量Ｑｓｔ、前記スラグの熱量Ｑｓｌｇ、前記ダストを含んだ排ガスの熱量Ｑｄ、及び前記製鋼用アーク炉に供給した冷却水による抜熱量Ｑｃを、過去の操業実績から構成された製品用溶鋼熱量データベース、スラグ熱量データベース、排ガス熱量データベース、及び抜熱量データベースを用いて、前記製品用溶鋼の製造条件に基づいてそれぞれ推定した溶鋼熱量ＥＱｓｔ、推定スラグ熱量ＥＱｓｌｇ、排ガス熱量ＥＱｄ、及び推定抜熱量ＥＱｃとし、前記溶解期から前記昇熱期の終了までに必要な前記投入電力量を決定する前記アーク熱量Ｑａを、ＥＱｓｔ＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ＋ＥＱｃ−Ｑｂ−Ｑｏから求めることができる。
本発明に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、前記１チャージの期間中に、溶鋼温度、排ガス温度、及び冷却水温度をそれぞれ測定して、前記溶解期の終了時点までの実測溶鋼熱量ＲＱｓｔ１、実測排ガス熱量ＲＱｄ１、及び実測抜熱量ＲＱｃ１をそれぞれ演算し、前記精錬期から前記昇熱期の終了までの溶鋼熱量、排ガス熱量、及び抜熱量をそれぞれＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ１、ＥＱｄ−ＲＱｄ１、及びＥＱｃ−ＲＱｃ１として、前記精錬期から前記昇熱期の終了までに必要な前記投入電力量を決定するアーク熱量Ｑａ’を、ＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ１＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ−ＲＱｄ１＋ＥＱｃ−ＲＱｃ１−Ｑｂ−Ｑｏから求めることが好ましい。
本発明に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、前記精錬期の終了時点までの実測溶鋼熱量ＲＱｓｔ２、実測排ガス熱量ＲＱｄ２、及び実測抜熱量ＲＱｃ２をそれぞれ演算し、前記昇熱期の終了まで（昇熱期の開始から終了まで）の溶鋼熱量、排ガス熱量、及び抜熱量をそれぞれＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ２、ＥＱｄ−ＲＱｄ２、及びＥＱｃ−ＲＱｃ２として、前記昇熱期の終了までに必要な前記投入電力量を決定するアーク熱量Ｑａ’’を、ＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ２＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ−ＲＱｄ２＋ＥＱｃ−ＲＱｃ２−Ｑｂ−Ｑｏから求めることが好ましい。
本発明に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法においては、出物質と入物質の間の物質収支及び熱収支に基づいて、１チャージの間に製鋼用アーク炉に供給するアーク熱量ＱａをＱｓｔ＋Ｑｓｌｇ＋Ｑｄ＋Ｑｃ−Ｑｂ−Ｑｏから求め、１チャージに必要な投入電力量を得られたアーク熱量Ｑａから決定するので、１チャージに必要な投入電力量を過不足なく投入することが可能となる。
本発明に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、合金鉄の成分構成及び質量を、スクラップの成分構成と製品用溶鋼の成分構成の差に基づいて決定し、造滓材の質量を、スラグの塩基度に基づいて決定する場合、入物質と出物質との物質収支を実際操業と合わせることができる。これにより、製鋼用アーク炉からの出熱量ＱＯ、入物質により製鋼用アーク炉に持ち込まれる熱量Ｑｂ、及び過剰物質の酸化反応熱量Ｑｏを正確に求めることができる。
本発明に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、燃焼用カーボン粉の質量を、過剰物質を構成する成分と、各成分の質量に基づいて決定する場合、過剰物質の酸化を確実に行うことができる。これにより、製品用溶鋼の成分構成を目標値に合わせることができる。
本発明に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、製品用溶鋼の熱量Ｑｓｔ、スラグの熱量Ｑｓｌｇ、ダストを含んだ排ガスの熱量Ｑｄ、及び製鋼用アーク炉に供給した冷却水による抜熱量Ｑｃを、過去の操業実績から構成された製品用溶鋼熱量データベース、スラグ熱量データベース、排ガス熱量データベース、及び抜熱量データベースを用いて、製品用溶鋼の製造条件に基づいてそれぞれ推定した溶鋼熱量ＥＱｓｔ、推定スラグ熱量ＥＱｓｌｇ、排ガス熱量ＥＱｄ、及び推定抜熱量ＥＱｃとし、溶解期から昇熱期の終了までに必要な投入電力量を決定するアーク熱量Ｑａを、ＥＱｓｔ＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ＋ＥＱｃ−Ｑｂ−Ｑｏから求める場合、操業開始時に必要な投入電力量を過不足なく供給することができる。
本発明に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、１チャージの期間中に、溶鋼温度、排ガス温度、及び冷却水温度をそれぞれ測定して、溶解期の終了時点までの実測溶鋼熱量ＲＱｓｔ１、実測排ガス熱量ＲＱｄ１、及び実測抜熱量ＲＱｃ１をそれぞれ演算し、精錬期から昇熱期の終了までの溶鋼熱量、排ガス熱量、及び抜熱量をそれぞれＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ１、ＥＱｄ−ＲＱｄ１、及びＥＱｃ−ＲＱｃ１として、精錬期から昇熱期の終了までに必要な投入電力量を決定するアーク熱量Ｑａ’を、ＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ１＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ−ＲＱｄ１＋ＥＱｃ−ＲＱｃ１−Ｑｂ−Ｑｏから求める場合、操業実績に合わせて、精錬期から昇熱期の終了までに必要な投入電力量を決定するアーク熱量Ｑａ’を補正することができる。これにより、溶解期の投入電力量が変動しても、精錬期以降の操業で修正できる。
本発明に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、精錬期の終了時点までの実測溶鋼熱量ＲＱｓｔ２、実測排ガス熱量ＲＱｄ２、及び実測抜熱量ＲＱｃ２をそれぞれ演算し、昇熱期の終了までの溶鋼熱量、排ガス熱量、及び抜熱量をそれぞれＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ２、ＥＱｄ−ＲＱｄ２、及びＥＱｃ−ＲＱｃ２として、昇熱期の終了までに必要な投入電力量を決定するアーク熱量Ｑａ’’を、ＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ２＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ−ＲＱｄ２＋ＥＱｃ−ＲＱｃ２−Ｑｂ−Ｑｏから求める場合、操業実績に合わせて、昇熱期の終了までに必要な投入電力量を決定するアーク熱量Ｑａ’’を補正することができる。これにより、精錬期の投入電力量が変動しても、昇熱期の操業で修正できる。
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法が適用される製鋼用アーク炉１０は、スクラップ、合金鉄、及び造滓材（副原料ともいい、石灰、蛍石、炭酸カルシウム等のカルシウム含有材で構成される）を有する原材料と燃焼用カーボン粉から構成される入物質を溶解して溶鋼を生成させ、生成した溶鋼の精錬及び昇熱を行って目標成分構成を有する製品用溶鋼を製造するものである。そして、入物質の溶解を行う溶解期、生成した溶鋼を加熱してスラグ及びダストを生成させて目標成分構成を有する製品用溶鋼を製造する精錬を行う精錬期、精錬後に目標温度まで昇熱を行う昇熱期にそれぞれ必要な熱エネルギーを発生させるための電力量は、電力投入制御装置１１で決定され、製鋼用アーク炉１０の黒鉛電極２０に供給される。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法が適用される製鋼用アーク炉１０は、スクラップ、合金鉄、及び造滓材（副原料ともいい、石灰、蛍石、炭酸カルシウム等のカルシウム含有材で構成される）を有する原材料と燃焼用カーボン粉から構成される入物質を溶解して溶鋼を生成させ、生成した溶鋼の精錬及び昇熱を行って目標成分構成を有する製品用溶鋼を製造するものである。そして、入物質の溶解を行う溶解期、生成した溶鋼を加熱してスラグ及びダストを生成させて目標成分構成を有する製品用溶鋼を製造する精錬を行う精錬期、精錬後に目標温度まで昇熱を行う昇熱期にそれぞれ必要な熱エネルギーを発生させるための電力量は、電力投入制御装置１１で決定され、製鋼用アーク炉１０の黒鉛電極２０に供給される。
ここで、電力投入制御装置１１は、図２に示すように、スクラップ、合金鉄、及び造滓材（副原料）からなる原材料と燃焼用カーボン粉から構成される入物質と、製品用溶鋼、スラグ、及びダストから構成される出物質と間の物質収支に基づいて、製品用溶鋼を規定の質量だけ製造するのに必要なスクラップの銘柄（成分構成）及び質量（重量）と、スクラップに添加する合金鉄の銘柄（成分構成）及び質量（重量）を決定する物質収支演算部１２を有している。
ここで、スクラップの各成分の比率（成分構成）は、使用する銘柄で異なるため、例えば、製品用溶鋼の成分構成に近い成分構成を有するように、１又は複数の銘柄のスクラップの選定と、選定した銘柄のスクラップの使用量を決定する。また、選定した銘柄のスクラップの成分構成を、製品用溶鋼の成分構成に、例えば、製造する鋼の製品規格範囲内で一致させることが精錬において可能となる成分構成を有する１又は複数の銘柄の合金鉄の選定と、選定した銘柄の合金鉄の使用量を決定する。
続いて、物質収支演算部１２では、使用するスクラップ及び合金鉄の銘柄及び使用量がそれそれ決定されると、スクラップと合金鉄からなる混合物の成分構成と、製品用溶鋼の成分構成との差から過剰成分の質量を算出する。そして、溶鋼中から過剰成分を酸化反応により除去するために、過剰成分が酸化反応で溶鋼を製品用溶鋼温度まで上昇させるのに必要な熱エネルギー量を求め、この熱エネルギー量を賄うために溶鋼中に吹込むカーボン粉の要求吹込み量（要求吹込み質量）を演算する。
ここで、製鋼用アーク炉１０において、入物質を溶解し、生成した溶鋼の精錬及び昇熱を行う際に、製鋼用アーク炉１０の黒鉛電極２０から溶鋼中に黒鉛（電極カーボン）が溶出する。このため、製鋼用アーク炉１０の１チャージ中の黒鉛電極２０の消費量（電極カーボンの質量）を、製鋼用アーク炉１０の操業実績から予め求めておく。そして、得られたカーボン粉の要求吹込み量を、黒鉛電極２０の消費量（溶鋼中に溶出した電極カーボン量）で補正して、カーボン粉の吹込み量を決定する。
更に、物質収支演算部１２では、目標成分構成を有する製品用溶鋼が製造される際に決まるスラグの塩基度に基づいて、１又は複数の銘柄の造滓材（副原料）の選定と、選定した銘柄の造滓材の使用量（質量）を決定する。
その結果、物質収支演算部１２から、最終的な入物質の構成（スクラップの銘柄及び使用質量、合金鉄の銘柄及び使用質量、造滓材の銘柄及び使用質量、カーボン粉質量、及び電極カーボン質量）が決定される。これに伴い、最終的な出物質の構成（製品用溶鋼の成分構成及び質量、スラグの質量、ダストの質量）が決定される。
その結果、物質収支演算部１２から、最終的な入物質の構成（スクラップの銘柄及び使用質量、合金鉄の銘柄及び使用質量、造滓材の銘柄及び使用質量、カーボン粉質量、及び電極カーボン質量）が決定される。これに伴い、最終的な出物質の構成（製品用溶鋼の成分構成及び質量、スラグの質量、ダストの質量）が決定される。
図１、図２に示すように、電力投入制御装置１１は、最終的な入物質の構成（成分構成と質量）と最終的な出物質の構成（成分構成と質量）に基づいて、製品用溶鋼の熱量Ｑｓｔと、スラグの熱量Ｑｓｌｇと、ダストを含んだ排ガスの熱量Ｑｄと、製鋼用アーク炉に１チャージの期間に亘って供給した冷却水による抜熱量Ｑｃと、入物質により製鋼用アーク炉１０に持ち込まれる熱量Ｑｂと、入物質の成分構成と出物質の成分構成の差から求まる過剰物質（過剰成分）が酸化する際に発生する酸化反応熱量Ｑｏをそれぞれ演算し、製鋼用アーク炉１０からの出熱量ＱＯをＱｓｔ＋Ｑｓｌｇ＋Ｑｄ＋Ｑｃから求めると共に、最終的な入物質と最終的な出物質との間の熱収支から、１チャージの間に製鋼用アーク炉に供給するアーク熱量ＱａをＱｓｔ＋Ｑｓｌｇ＋Ｑｄ＋Ｑｃ−Ｑｂ−Ｑｏから求める熱収支演算部１３を有している。
ここで、製品用溶鋼の熱量Ｑｓｔは、物質収支演算部１２で求めたスクラップの質量、製品用溶鋼の目標温度、製鋼用アーク炉１０に装入されるスクラップの初期温度を用いて求める。
また、スラグの熱量Ｑｓｌｇは、物質収支演算部１２で求めたスラグの質量と、スラグ温度と、造滓材を製鋼用アーク炉１０に装入する際の初期温度を用いて求める。ここで、原材料中に占める合金鉄及び造滓材の質量比率はスクラップの質量比率に比較して非常に小さい（例えば、スクラップ１００に対して、合金鉄及び造滓材は２）ので、造滓材の初期温度はスクラップの初期温度で近似できる。また、スラグの質量は溶鋼の質量と比較して非常に小さい（例えば、溶鋼１００に対して、スラグは１）ので、スラグ温度は、製品用溶鋼の目標温度で近似できる。
また、スラグの熱量Ｑｓｌｇは、物質収支演算部１２で求めたスラグの質量と、スラグ温度と、造滓材を製鋼用アーク炉１０に装入する際の初期温度を用いて求める。ここで、原材料中に占める合金鉄及び造滓材の質量比率はスクラップの質量比率に比較して非常に小さい（例えば、スクラップ１００に対して、合金鉄及び造滓材は２）ので、造滓材の初期温度はスクラップの初期温度で近似できる。また、スラグの質量は溶鋼の質量と比較して非常に小さい（例えば、溶鋼１００に対して、スラグは１）ので、スラグ温度は、製品用溶鋼の目標温度で近似できる。
排ガスの熱量Ｑｄは、１チャージの期間中、連続して測定する排ガス温度及び排ガス流量を用いて求める。なお、生成するダストは排ガス中に混入して製鋼用アーク炉１０外へ排出されるので、ダストにより持ち出される熱量は、排ガスの熱量に含まれる。
抜熱量Ｑｃは、１チャージの期間中、連続して測定する冷却水の温度変化（温度上昇分）及び冷却水流量を用いて求める。
抜熱量Ｑｃは、１チャージの期間中、連続して測定する冷却水の温度変化（温度上昇分）及び冷却水流量を用いて求める。
更に、電力投入制御装置１１は、１チャージの間に製鋼用アーク炉１０に供給するアーク熱量Ｑａから、溶解期、精錬期、昇熱期にそれぞれ必要な投入電力量を決定する電力量配分演算部１８を有している。ここで、電力量配分演算部１８は、製品用溶鋼の熱量Ｑｓｔ、スラグの熱量Ｑｓｌｇ、排ガスの熱量Ｑｄ、及び抜熱量Ｑｃを、過去の操業実績から構成された製品用溶鋼熱量データベース、スラグ熱量データベース、排ガス熱量データベース、及び抜熱量データベースを用いて、製品用溶鋼の製造条件に基づいてそれぞれ推定した溶鋼熱量ＥＱｓｔ、推定スラグ熱量ＥＱｓｌｇ、排ガス熱量ＥＱｄ、及び推定抜熱量ＥＱｃとし、溶解期から昇熱期の終了までに必要なアーク熱量Ｑａを、ＥＱｓｔ＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ＋ＥＱｃ−Ｑｂ−Ｑｏから求める機能と、アーク熱量Ｑａから溶解期に投入する投入電力量を演算する機能を備えた第１の演算手段１４を有している。
また、電力量配分演算部１８は、１チャージの期間中に、溶鋼温度、排ガス温度、及び冷却水温度をそれぞれ測定して、溶解期の終了時点までの実測溶鋼熱量ＲＱｓｔ１、実測排ガス熱量ＲＱｄ１、及び実測抜熱量ＲＱｃ１をそれぞれ演算し、精錬期から昇熱期の終了までの溶鋼熱量、排ガス熱量、及び抜熱量をそれぞれＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ１、ＥＱｄ−ＲＱｄ１、及びＥＱｃ−ＲＱｃ１として、精錬期から昇熱期の終了までに必要なアーク熱量Ｑａ’を、ＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ１＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ−ＲＱｄ１＋ＥＱｃ−ＲＱｃ１−Ｑｂ−Ｑｏから求める機能と、アーク熱量Ｑａ’から精錬期に投入する投入電力量を演算する機能を備えた第２の演算手段１５を有している。
更に、電力量配分演算部１８は、測定した溶鋼温度、排ガス温度、及び冷却水温度を用いて、精錬期の終了時点までの実測溶鋼熱量ＲＱｓｔ２、実測排ガス熱量ＲＱｄ２、及び実測抜熱量ＲＱｃ２をそれぞれ演算し、昇熱期の終了までの溶鋼熱量、排ガス熱量、及び抜熱量をそれぞれＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ２、ＥＱｄ−ＲＱｄ２、及びＥＱｃ−ＲＱｃ２として、昇熱期の終了までに必要な投入電力量を決定するアーク熱量Ｑａ’’を、ＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ２＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ−ＲＱｄ２＋ＥＱｃ−ＲＱｃ２−Ｑｂ−Ｑｏから求める機能と、アーク熱量Ｑａ’’から昇熱期に投入する投入電力量を演算する機能を備えた第３の演算手段１６を有している。
そして、電力量配分演算部１８には、第１〜第３の演算手段１４〜１６でそれぞれ演算された投入電力量からアーク電圧及びアーク電流をそれぞれ決定する設定信号を出力する信号出力手段１７が設けられている。
なお、電力投入制御装置１１は、物質収支演算部１２、熱収支演算部１３、第１〜第３の演算手段１４〜１６、信号出力手段１７、及び出力調整手段２９の各機能を発現するプログラムをコンピュータに搭載させることにより構成できる。
なお、電力投入制御装置１１は、物質収支演算部１２、熱収支演算部１３、第１〜第３の演算手段１４〜１６、信号出力手段１７、及び出力調整手段２９の各機能を発現するプログラムをコンピュータに搭載させることにより構成できる。
製鋼用アーク炉１０の黒鉛電極２０は、電極昇降装置１９で基側が保持され、先側が製鋼用アーク炉１０内に挿入されて昇降し、黒鉛電極２０の基端部は炉用変圧器２１を介して電源ケーブル２２と接続している。そして、電力量配分演算部１８の信号出力手段１７で決定されたアーク電圧の設定信号は、電圧設定器２３を介して炉用変圧器２１に入力され、黒鉛電極２０に印加されるアーク電圧が制御される。また、信号出力手段１７で決定されたアーク電流の設定信号は、電流設定器２４を介して電極昇降制御器２５に入力され、電極昇降制御器２５から出力される駆動信号に基づいて電極昇降装置１９が駆動して黒鉛電極２０の高さを変えて、アーク電流が制御される。
ここで、炉用変圧器２１の一次側には、電圧検出器２６が、炉用変圧器２１の二次側には電流検出器２７がそれぞれ接続されている。また、電圧検出器２６で測定されたアーク電圧と、電流検出器２７で測定されたアーク電流は、電力検出器２８に入力されて電力が算出される。そして、算出された電力は電力量配分演算器１８の出力調整手段２９に入力されて製鋼用アーク炉１０に実際に装入された実投入電力量が求められ、第１〜第３の演算手段１４〜１６でそれぞれ演算された投入電力量と実投入電力量との偏差が演算され、偏差量に応じて信号出力手段１７から出力される設定信号が調整され、実投入電力量が投入電力量に一致するように制御が行われる。また、電流検出器２７で測定されたアーク電流は、電極昇降制御器２５に入力され、電流検出器２７で測定されたアーク電流が、電流設定器２４の設定信号に基づくアーク電流に一致するように制御が行われる。これによって、第１〜第３の演算手段１４〜１６でそれぞれ演算された投入電力量を、製鋼用アーク炉１０に供給することができる。
続いて、本発明の一実施の形態に係る製鋼用アーク炉の電力投入制御方法について説明する。
製鋼用アーク炉１０の電力投入制御方法は、製鋼用アーク炉１０にスクラップ、合金鉄、及び造滓材を有する原材料と燃焼用カーボン粉から構成される入物質を装入して、目標成分構成を有する製品用溶鋼を生成するまでの１チャージの期間を、例えば５つ（炉況１〜５）に分け、各炉況毎に必要な投入電力量を演算して、黒鉛電極２０に供給する方法である。ここで、炉況１〜３は、入物質を３分割して製鋼用アーク炉１０に段階的に装入する溶解期、炉況４は入物質の溶解で生じた溶鋼の精錬を行う精錬期、炉況５は精錬後の溶鋼を加熱してスラグ及びダストを生成させ目標成分構成を有する製品用溶鋼を製造する昇温期を指す。なお、合金鉄及び造滓材は、それらの全量を溶解期に装入する場合と、合金鉄及び造滓材のそれぞれの一部を溶解期に装入し、残部を精錬期に装入する場合がある。
製鋼用アーク炉１０の電力投入制御方法は、製鋼用アーク炉１０にスクラップ、合金鉄、及び造滓材を有する原材料と燃焼用カーボン粉から構成される入物質を装入して、目標成分構成を有する製品用溶鋼を生成するまでの１チャージの期間を、例えば５つ（炉況１〜５）に分け、各炉況毎に必要な投入電力量を演算して、黒鉛電極２０に供給する方法である。ここで、炉況１〜３は、入物質を３分割して製鋼用アーク炉１０に段階的に装入する溶解期、炉況４は入物質の溶解で生じた溶鋼の精錬を行う精錬期、炉況５は精錬後の溶鋼を加熱してスラグ及びダストを生成させ目標成分構成を有する製品用溶鋼を製造する昇温期を指す。なお、合金鉄及び造滓材は、それらの全量を溶解期に装入する場合と、合金鉄及び造滓材のそれぞれの一部を溶解期に装入し、残部を精錬期に装入する場合がある。
物質収支演算部１２では、先ず、主原料であるスクラップ、合金鉄、副原料、カーボン粉、電極カーボン極で構成される入物質と、製品用溶鋼、スラグ、ダストで構成される出物質から、製品用溶鋼の成分構成に近い成分構成を製造するために最適なスクラップの銘柄及び質量（使用量）と、合金鉄の銘柄及び初期質量（初期使用量）を決定する。次いで、製品用溶鋼が製造される際に生成するスラグの塩基度に基づいて、１又は複数の銘柄の造滓材（副原料）を選定と、選定した銘柄の造滓材の初期質量（初期使用量）を決定する。
ここで、使用する銘柄ｊのスクラップの質量（トン）をＷＳＣ、ｊ（ｊ＝１、２、・・・、ｋ）、銘柄ｊの合金鉄の初期質量（トン）をＷｆａ１、ｊ（ｊ＝１、２、・・・、ｋ）、銘柄ｊの副原料の初期質量（トン）をＷｆａ２、ｊ（ｊ＝１、２、・・・、ｋ）、カーボン粉の初期質量（トン）をＷｆａ３、ｊ（ｊ＝１、２、・・・、ｋ）、電極カーボンの質量（トン）をＷｆａ４、ｊ（ｊ＝１、２、・・・、ｋ）とすると、入物質のｉ成分の質量（トン）を示すＷｓ１、ｉ（ｉ＝Ｆｅ、Ｃ、Ｍｎ、・・・）は次式で計算する。
Ｗｓ１、ｉ＝Σ（Ｋ１１、ｉ、ｊ・ＷＳＣ、ｊ）＋Σ（Ｋ１２、ｉ、ｊ・Ｗｆａ１、ｊ）＋Σ（Ｋ１３、ｉ、ｊ・Ｗｆａ２、ｊ）＋Σ（Ｋ１４、ｉ、ｊ・Ｗｆａ３、ｊ）＋Σ（Ｋ１５、ｉ、ｊ・Ｗｆａ４、ｊ）
ここで、Σは銘柄ｊによる総和である。また、Ｋ１１、ｉ、ｊ、Ｋ１２、ｉ、ｊ、Ｋ１３、ｉ、ｊ、
Ｋ１４、ｉ、ｊ、Ｋ１５、ｉ、ｊは、銘柄ｊに含まれているｉ成分の比率である。
Ｗｓ１、ｉ＝Σ（Ｋ１１、ｉ、ｊ・ＷＳＣ、ｊ）＋Σ（Ｋ１２、ｉ、ｊ・Ｗｆａ１、ｊ）＋Σ（Ｋ１３、ｉ、ｊ・Ｗｆａ２、ｊ）＋Σ（Ｋ１４、ｉ、ｊ・Ｗｆａ３、ｊ）＋Σ（Ｋ１５、ｉ、ｊ・Ｗｆａ４、ｊ）
ここで、Σは銘柄ｊによる総和である。また、Ｋ１１、ｉ、ｊ、Ｋ１２、ｉ、ｊ、Ｋ１３、ｉ、ｊ、
Ｋ１４、ｉ、ｊ、Ｋ１５、ｉ、ｊは、銘柄ｊに含まれているｉ成分の比率である。
製品用溶鋼の質量（トン）をＷｍ、スラグの質量（トン）をＷｓｌｇ、ダストの質量（トン）をＷｄとすると、出物質の各成分の質量（トン）を示すＷｓ２、ｉ（ｉ＝Ｆｅ、Ｃ、Ｍｎ、・・・）は、次式で計算する。
Ｗｓ２、ｉ＝Σ（Ｋ２１、ｉ、ｊ・Ｗｍ）＋Σ（Ｋ２２、ｉ、ｊ・Ｗｄ）＋Σ（Ｋ２３、ｉ、ｊ・Ｗｓｌｇ）
ここで、Σは銘柄ｊによる総和である。また、Ｋ２１、ｉ、ｊは、生成す溶鋼の鋼種により決定される定数であり、Ｋ２２、ｉ、ｊ、Ｋ２３、ｉ、ｊは過去の実績から算出される定数である。
Ｗｓ２、ｉ＝Σ（Ｋ２１、ｉ、ｊ・Ｗｍ）＋Σ（Ｋ２２、ｉ、ｊ・Ｗｄ）＋Σ（Ｋ２３、ｉ、ｊ・Ｗｓｌｇ）
ここで、Σは銘柄ｊによる総和である。また、Ｋ２１、ｉ、ｊは、生成す溶鋼の鋼種により決定される定数であり、Ｋ２２、ｉ、ｊ、Ｋ２３、ｉ、ｊは過去の実績から算出される定数である。
また、ダストの質量Ｗｄと、スラグの質量Ｗｓｌｇは、入物質中の成分ｉの質量からそれぞれ次式で決定する。
Ｗｄ＝Ｋ３１・ΣＷｓ１、ｉ
Ｗｓｌｇ=Ｋ４１・ΣＷｓ１、ｉ
ここで、Σは成分ｉによる総和である。また、Ｋ３１、Ｋ４１は過去の実績から算出される定数である。
Ｗｄ＝Ｋ３１・ΣＷｓ１、ｉ
Ｗｓｌｇ=Ｋ４１・ΣＷｓ１、ｉ
ここで、Σは成分ｉによる総和である。また、Ｋ３１、Ｋ４１は過去の実績から算出される定数である。
また、スクラップと合金鉄からなる混合物の成分構成と、製品用溶鋼の成分構成との差から算出される過剰成分毎の質量（トン）を示すＷｉ（ｉ＝Ｆｅ、Ｃ、Ｍｎ、・・・）は、次式から算出する。
Ｗｉ＝Ｗｓ１、ｉ−Ｗｓ２、ｉ
Ｗｉ＝Ｗｓ１、ｉ−Ｗｓ２、ｉ
ここで、精錬期における溶鋼中の成分ｉの歩留まりをδ１ｉとすると、選定した銘柄のスクラップの成分ｉを、製品用溶鋼の成分ｉに一致させるためには、選定した銘柄の合金鉄中の成分ｉの実質質量Ｗｆａ１、ｊ１は、Ｗｉ／δ１ｊとなる。したがって、選定した銘柄の合金鉄の成分ｉの最終質量［Ｗｆａ１、ｊ］は、選定した銘柄の合金鉄の成分ｉの初期質量Ｗｆａ１、ｊに実質質量Ｗｆａ１、ｊ１を加えたものになる。
また、昇温期でスラグが生成する際のスラグ中の成分ｉの歩留まりをδ２ｉとすると、選定した銘柄の造滓材（副原料）中の成分ｉを、選定した銘柄の造滓材から想定されるスラグ中の成分ｉに一致させるためには、選定した銘柄の造滓材中の成分ｉの実質質量Ｗｆａ２、ｊ２は、Ｗｉ／δ２ｊとなる。したがって、選定した銘柄の造滓材の成分ｉの最終質量［Ｗｆａ２、ｊ］は、選定した銘柄の造滓材の成分ｉの初期質量Ｗｆａ２、ｊに実質質量Ｗｆａ２、ｊ２を加えたものになる。
図２に示すように、熱収支演算部１３では、出熱量ＱＯを、溶鋼の熱量Ｑｓｔ、スラグの熱量Ｑｓｌｇ、ダストを含んだ排ガスの熱量Ｑｄ、及び製鋼用アーク炉１０に１チャージの期間に亘って供給される冷却水による抜熱量Ｑｃから構成する。また、入熱量を、入物質及び出物質から求まる過剰成分（スクラップと合金鉄からなる混合物の成分構成と、製品用溶鋼の成分構成との差）が酸化反応する際の酸化反応熱量Ｑｏ（カーボン粉と酸素を溶鋼中に吹込み、カーボン粉と酸素を反応させて燃焼させる）と、入物質により製鋼用アーク炉１０に持ち込まれる熱量Ｑｂ（原材料はバーナで加熱された後、製鋼用アーク炉１０に装入される）と、製鋼用アーク炉１０の黒鉛電極２０に投入する電力で発生するアークに伴うアーク熱量Ｑａから構成する。そして、製鋼用アーク炉１０への入物質と製鋼用アーク炉１０からの出物質の間の熱収支から、Ｑｏ＋Ｑｂ＋Ｑａ＝Ｑｓｔ＋Ｑｓｌｇ＋Ｑｄ＋Ｑｃとする。
溶鋼の熱量Ｑｓｔ［ｋＷｈ］は、製品用溶鋼の目標温度Ｔ１［℃］と、スクラップの初期温度Ｔ２［℃］と、スクラップの質量重量ＷＳＣ、ｊから、次式で求める。
Ｑｓｔ＝Ｃ２１・（Ｔ１−Ｔ２）・Σ（ＷＳＣ、ｊ）・γ１ｉ／η１ｉ
ここで、Ｃ２１は製品用溶鋼（溶鋼）の比熱、γ１ｉは炉況１〜炉況５で決まる定数で、単位は［ｋＷｈ／ｔ／℃］、η１ｉは炉況１〜炉況５における溶鋼への着熱効率である。
Ｑｓｔ＝Ｃ２１・（Ｔ１−Ｔ２）・Σ（ＷＳＣ、ｊ）・γ１ｉ／η１ｉ
ここで、Ｃ２１は製品用溶鋼（溶鋼）の比熱、γ１ｉは炉況１〜炉況５で決まる定数で、単位は［ｋＷｈ／ｔ／℃］、η１ｉは炉況１〜炉況５における溶鋼への着熱効率である。
スラグの熱量Ｑｓｌｇ［ｋＷｈ］は、製品用溶鋼の目標温度Ｔ１[℃]と、スクラップ初期温度Ｔ２［℃］と、スラグの質量Ｗｓｌｇから、次式で求める。
Ｑｓｌｇ＝Ｃ２２・（Ｔ１−Ｔ２）・Ｗｓｌｇ・γ２／η２
ここで、Ｃ２２スラグの比熱、γ２ｉは炉況１〜炉況５で決まる定数で、単位は［ｋＷｈ／ｔ／℃］、η２ｉは炉況１〜炉況５におけるスラグへの着熱効率である。
Ｑｓｌｇ＝Ｃ２２・（Ｔ１−Ｔ２）・Ｗｓｌｇ・γ２／η２
ここで、Ｃ２２スラグの比熱、γ２ｉは炉況１〜炉況５で決まる定数で、単位は［ｋＷｈ／ｔ／℃］、η２ｉは炉況１〜炉況５におけるスラグへの着熱効率である。
排ガス熱量Ｑｄ［ｋＷｈ］は、実際に測定される排ガス温度Ｔ３[℃]及び排ガス流量Ｆｄ［Ｎｍ３／ｈ］から、次式で求める。
Ｑｄ＝∫［｛（1+Ｔ３／２７３）・Ｆｄ｝・γ３ｉ］dt
ここで、γ３ｉ炉況１〜炉況５で決まる定数で、単位は［ｋＷｈ／Ｎｍ３／℃］である。
Ｑｄ＝∫［｛（1+Ｔ３／２７３）・Ｆｄ｝・γ３ｉ］dt
ここで、γ３ｉ炉況１〜炉況５で決まる定数で、単位は［ｋＷｈ／Ｎｍ３／℃］である。
入物質により製鋼用アーク炉１０に持ち込まれる熱量Ｑｂ［ｋＷｈ]は、スクラップ質量ＷＳＣ、ｊから、次式で求める。
Ｑｂ＝Ｃ２１・Σ（ＷＳＣ、ｊ）・γ１ｉ／η１ｉ
なお、入物質中のスプラップの質量比率は、例えば、９０〜９５なので、入物質の質量は、スクラップ質量ＷＳＣ、ｊで近似できる。
Ｑｂ＝Ｃ２１・Σ（ＷＳＣ、ｊ）・γ１ｉ／η１ｉ
なお、入物質中のスプラップの質量比率は、例えば、９０〜９５なので、入物質の質量は、スクラップ質量ＷＳＣ、ｊで近似できる。
酸化反応熱量Ｑｏ［ｋＷｈ］は、各成分ｉの酸化反応から、次式で求める。
Ｑｏ＝Σ（Ｗｉ・γ１ｉ）
ここで、Ｗｉは、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃ、ＣＯ、ＣａＯの質量であり、η４ｉ（ｉ＝Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃ、ＣＯ、ＣａＯ）は、精錬期における溶鋼への着熱効率である。
Ｑｏ＝Σ（Ｗｉ・γ１ｉ）
ここで、Ｗｉは、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃ、ＣＯ、ＣａＯの質量であり、η４ｉ（ｉ＝Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃ、ＣＯ、ＣａＯ）は、精錬期における溶鋼への着熱効率である。
また、酸化反応熱量Ｑｏを演算する際、溶鋼中の過剰成分の酸化反応で溶鋼の温度を上昇させるのに必要な熱エネルギー量を求め、この熱エネルギー量を賄うために溶鋼中に吹込むカーボン粉の要求吹込み量（要求吹込み質量）を演算し、黒鉛電極２０の消費量で補正して、カーボン粉の吹込み量を決定する。そして、カーボン粉の吹込み量がカーボン粉の初期質量Ｗｆａ３、ｊより多い場合は、カーボン粉の吹込み量と初期質量Ｗｆａ３、ｊの差分に相当する質量のカーボン粉を初期質量Ｗｆａ３、ｊに加えてカーボン粉の最終質量とする。
製鋼用アーク炉１０に原材料を装入して、予め設定された操業条件で操業を開始する場合、電力量配分演算部１８では、熱収支演算部１３の演算結果に基づいて、アーク熱量Qａ［ｋＷｈ］を、次式から求める。
Ｑａ＝Ｑｓｔ＋Ｑｓｌｇ＋Ｑｄ＋Ｑｃ−（Ｑｏ＋Ｑｂ） ・・・・・（１）
また、溶解期１から昇温期５において、それぞれ黒鉛電極２０に供給する投入電力量Ｑｉｐ［ｋＷｈ］（ｉ＝１、２、３、４、５）を、次式から求める。
Ｑｉｐ＝Ｑａ／η１ｉ ・・・・・（２）
Ｑａ＝Ｑｓｔ＋Ｑｓｌｇ＋Ｑｄ＋Ｑｃ−（Ｑｏ＋Ｑｂ） ・・・・・（１）
また、溶解期１から昇温期５において、それぞれ黒鉛電極２０に供給する投入電力量Ｑｉｐ［ｋＷｈ］（ｉ＝１、２、３、４、５）を、次式から求める。
Ｑｉｐ＝Ｑａ／η１ｉ ・・・・・（２）
ここで、溶解期１から昇熱期５終了までに必要な投入電力量は、第１の演算手段１４で演算される。第１の演算手段１４は、製鋼用アーク炉１０に入物質を装入して、予め設定された操業条件で操業を開始する際に、装入する入物質の温度（初期温度）を測定して、入物質により製鋼用アーク炉１０に持ち込まれる熱量Ｑｂを求めると共に、酸化反応熱量Ｑｏを演算する。
また、第１の演算手段１４は、過去の操業実績から構成された製品用溶鋼熱量データベース、スラグ熱量データベース、排ガス熱量データベース、及び抜熱量データベースを用いて、製品用溶鋼の製造条件から、推定溶鋼熱量ＥＱｓｔ、推定スラグ熱量ＥＱｓｌｇ、排ガス熱量ＥＱｄ、及び推定抜熱量ＥＱｃを演算し、溶解期１から昇熱期５の終了までに必要なアーク熱量Ｑａを、（１）式に基づいて、ＥＱｓｔ＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ＋ＥＱｃ−（Ｑｂ＋Ｑｏ）から求める。
更に、第１の演算手段１４は、（２）式に基づいて、原材料の溶解期１から昇熱期５終了までに必要な投入電力量Ｑ１ｐを、Ｑａ／η１１から求める。そして、溶鋼の精錬期４及び昇熱期５の着熱効率η１４、η１５を用いて、昇熱期５の投入電力量Ｑ１５ｐを、
Ｑ１５ｐ＝Ｑ１ｐ・η１５
精錬期４の投入電力量Ｑ１４ｐを、
Ｑ１４ｐ＝Ｑ１ｐ・η１４
として求める。その結果、溶解期１、２、３の総投入電力量Ｑ１２３ｐを、
Ｑ１２３ｐ＝Ｑ１ｐ・（１−η１４−η１５）
として求めることができる。
Ｑ１５ｐ＝Ｑ１ｐ・η１５
精錬期４の投入電力量Ｑ１４ｐを、
Ｑ１４ｐ＝Ｑ１ｐ・η１４
として求める。その結果、溶解期１、２、３の総投入電力量Ｑ１２３ｐを、
Ｑ１２３ｐ＝Ｑ１ｐ・（１−η１４−η１５）
として求めることができる。
ここで、溶解期１、２、３において、それぞれＷＳＣ１、ＷＳＣ２、ＷＳＣ３（ＷＳＣ１＋ＷＳＣ２＋ＷＳＣ３＝ΣＷＳＣ、ｊ）の割合で原材料が装入される場合、溶解期１における投入電力量Ｑ１ｐを、
Ｑ１ｐ＝Ｑ１２３ｐ・ＷＳＣ１／ΣＷＳＣ、ｊ、
溶解期２における投入電力量Ｑ２ｐを、
Ｑ２ｐ＝Ｑ１２３ｐ・ＷＳＣ２／ΣＷＳＣ、ｊ、
溶解期３における投入電力量Ｑ３ｐを、
Ｑ３ｐ＝Ｑ１２３ｐ・ＷＳＣ３／ΣＷＳＣ、ｊ
とそれぞれ決定する。したがって、溶解期１の開始時点での投入電力量は、Ｑ１ｐとなる。
Ｑ１ｐ＝Ｑ１２３ｐ・ＷＳＣ１／ΣＷＳＣ、ｊ、
溶解期２における投入電力量Ｑ２ｐを、
Ｑ２ｐ＝Ｑ１２３ｐ・ＷＳＣ２／ΣＷＳＣ、ｊ、
溶解期３における投入電力量Ｑ３ｐを、
Ｑ３ｐ＝Ｑ１２３ｐ・ＷＳＣ３／ΣＷＳＣ、ｊ
とそれぞれ決定する。したがって、溶解期１の開始時点での投入電力量は、Ｑ１ｐとなる。
溶解期１が終了した時点で、測定した溶鋼温度、排ガス温度、及び冷却水温度を用いて、溶解期１の終了時点までの実測溶鋼熱量ＲＱｓｔ１１、実測排ガス熱量ＲＱｄ１１、及び実測抜熱量ＲＱｃ１１をそれぞれ演算し、溶解期２から昇熱期５の終了までの溶鋼熱量、排ガス熱量、及び抜熱量をそれぞれＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ１１、ＥＱｄ−ＲＱｄ１１、及びＥＱｃ−ＲＱｃ１１として、溶解期２から昇熱期の終了までに必要なアーク熱量Ｑａ２を、ＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ１１＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ−ＲＱｄ１１＋ＥＱｃ−ＲＱｃ１１−Ｑｂ−Ｑｏから求める。その結果、溶解期２の開始時点での投入電力量をＱ２ｐを、
Ｑ２ｐ＝Ｑ１２３ｐ’・ＷＳＣ２／ΣＷＳＣ、ｊ
とする。ここで、Ｑ１２３ｐ’は
Ｑ１２３ｐ’＝（Ｑａ２／η１１）・（１−η１４−η１５）
である。
Ｑ２ｐ＝Ｑ１２３ｐ’・ＷＳＣ２／ΣＷＳＣ、ｊ
とする。ここで、Ｑ１２３ｐ’は
Ｑ１２３ｐ’＝（Ｑａ２／η１１）・（１−η１４−η１５）
である。
溶解期２が終了した時点で、測定した溶鋼温度、排ガス温度、及び冷却水温度を用いて、溶解期２の終了時点までの実測溶鋼熱量ＲＱｓｔ１２、実測排ガス熱量ＲＱｄ１２、及び実測抜熱量ＲＱｃ１２をそれぞれ演算し、溶解期３から昇熱期５の終了までの溶鋼熱量、排ガス熱量、及び抜熱量をそれぞれＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ１２、ＥＱｄ−ＲＱｄ１２、及びＥＱｃ−ＲＱｃ１２として、溶解期３から昇熱期５の終了までに必要なアーク熱量Ｑａ３を、ＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ１２＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ−ＲＱｄ１２＋ＥＱｃ−ＲＱｃ１２−Ｑｂ−Ｑｏから求める。その結果、溶解期３の開始時点での投入電力量をＱ３ｐを、
Ｑ３ｐ＝Ｑ１２３ｐ’’・ＷＳＣ３／ΣＷＳＣ、ｊ
とする。ここで、Ｑ１２３ｐ’’は
Ｑ１２３ｐ’’＝（Ｑａ３／η１１）・（１−η１４−η１５）
である。
Ｑ３ｐ＝Ｑ１２３ｐ’’・ＷＳＣ３／ΣＷＳＣ、ｊ
とする。ここで、Ｑ１２３ｐ’’は
Ｑ１２３ｐ’’＝（Ｑａ３／η１１）・（１−η１４−η１５）
である。
溶解期３が終了して、精錬期４から昇熱期５終了までに必要な投入電力量は、第２の演算手段１５で演算される。第２の演算手段１５は、第１の演算手段１４で測定される溶鋼温度、排ガス温度、及び冷却水温度を用いて、溶解期３の終了時点までの実測溶鋼熱量ＲＱｓｔ１、実測排ガス熱量ＲＱｄ１、及び実測抜熱量ＲＱｃ１をそれぞれ演算し、精錬期４から昇熱期５の終了までの溶鋼熱量、排ガス熱量、及び排ガス熱量をそれぞれＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ１、ＥＱｄ−ＲＱｄ１、及びＥＱｃ−ＲＱｃ１とする。そして、精錬期４から昇熱期５の終了までに必要なアーク熱量Ｑａ’を、ＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ１＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ−ＲＱｄ１＋ＥＱｃ−ＲＱｃ１−Ｑｂ−Ｑｏとする。
更に、第２の演算手段１５は、精錬期４から昇熱期５終了までに必要な投入電力量Ｑ４ｐを、溶鋼の精錬期４の着熱効率η１４を用いて、Ｑａ’／η１４から求める。そして、溶鋼の昇熱期５の着熱効率η１５を用いて、昇熱期５の投入電力量Ｑ４５ｐを、
Ｑ４５ｐ＝Ｑ４ｐ・η１５
精錬期４の投入電力量Ｑ４４ｐを、
Ｑ４４ｐ＝Ｑ４ｐ・η１４
として求める。したがって、精錬期４の開始時点での投入電力量は、Ｑ４ｐとなる。
Ｑ４５ｐ＝Ｑ４ｐ・η１５
精錬期４の投入電力量Ｑ４４ｐを、
Ｑ４４ｐ＝Ｑ４ｐ・η１４
として求める。したがって、精錬期４の開始時点での投入電力量は、Ｑ４ｐとなる。
精錬期４が終了して、昇熱期５終了までに必要な投入電力量は、第３の演算手段１６で演算される。第３の演算手段１６は、第１の演算手段１４で測定される溶鋼温度、排ガス温度、及び冷却水温度を用いて、精錬期４の終了時点までの実測溶鋼熱量ＲＱｓｔ２、実測排ガス熱量ＲＱｄ２、及び実測抜熱量ＲＱｃ２をそれぞれ演算し、昇熱期５の終了までの溶鋼熱量、排ガス熱量、及び抜熱量をそれぞれＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ２、ＥＱｄ−ＲＱｄ２、及びＥＱｃ−ＲＱｃ２とする。そして、昇熱期５の終了までに必要なアーク熱量Ｑａ’’を、ＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ２＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ−ＲＱｄ２＋ＥＱｃ−ＲＱｃ２−Ｑｂ−Ｑｏとする。更に、第３の演算手段１６は、昇熱期５の終了までに必要な投入電力量Ｑ５ｐを、Ｑａ’’／η１５から求める。したがって、昇熱期５の開始時点での投入電力量は、Ｑ５ｐとなる。
以上にように、製鋼用アーク炉への入物質と、製鋼用アーク炉からの出物質との間の物質収支及び熱収支から、１チャージに必要な投入電力量を決定することにより、溶解期、精錬期、及び昇熱期でそれぞれ必要とする投入電力量を過不足なく供給することができ、従来の製鋼用アーク炉における操業に対して、エネルギー原単位を例えば、約５%改善することが可能になった。
１０：製鋼用アーク炉、１１：電力投入制御装置、１２：物質収支演算部、１３：熱収支演算部、１４：第１の演算手段、１５：第２の演算手段、１６：第３の演算手段、１７：信号出力手段、１８：電力量配分演算部、１９：電極昇降装置、２０：黒鉛電極、２１：炉用変圧器、２２：電源ケーブル、２３：電圧設定器、２４：電流設定器、２５：電極昇降制御器、２６：電圧検出器、２７：電流検出器、２８：電力検出器、２９：出力調整手段
Claims (6)
- スクラップ、合金鉄、及び造滓材を有する原材料と燃焼用カーボン粉から構成される入物質を製鋼用アーク炉に装入し、該原材料の溶解を行う溶解期、該原材料の溶解により生成した溶鋼を加熱してスラグ及びダストを生成させ目標成分構成を有する製品用溶鋼を製造する精錬を行う精錬期、精錬後に目標温度まで昇熱を行う昇熱期から構成される１チャージに必要な投入電力量を決定する製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、
前記製鋼用アーク炉からの出物質を、前記製品用溶鋼、前記スラグ、及び前記ダストから構成して、前記出物質と前記入物質の間の物質収支から、前記製品用溶鋼を製造する際の前記原材料の成分構成及び質量と前記出物質の成分構成及び質量をそれぞれ求めて、前記入物質により前記製鋼用アーク炉に持ち込まれる熱量Ｑｂ及び前記入物質の成分構成と前記出物質の成分構成の差から求まる過剰物質が酸化する際に発生する酸化反応熱量Ｑｏをそれぞれ演算し、
前記製品用溶鋼の熱量Ｑｓｔと、前記スラグの熱量Ｑｓｌｇと、前記ダストを含んだ排ガスの熱量Ｑｄと、前記製鋼用アーク炉に供給した冷却水による抜熱量Ｑｃとの和を前記製鋼用アーク炉からの出熱量ＱＯとして、前記入物質と前記出物質との間の熱収支から、前記１チャージの間に前記製鋼用アーク炉に供給するアーク熱量ＱａをＱｓｔ＋Ｑｓｌｇ＋Ｑｄ＋Ｑｃ−Ｑｂ−Ｑｏから求め、前記１チャージに必要な投入電力量を前記アーク熱量Ｑａから決定することを特徴とする製鋼用アーク炉の電力投入制御方法。 - 請求項１記載の製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、前記合金鉄の成分構成及び質量は、前記スクラップの成分構成と前記製品用溶鋼の成分構成の差に基づいて決定し、前記造滓材の質量は、前記スラグの塩基度に基づいて決定することを特徴とする製鋼用アーク炉の電力投入制御方法。
- 請求項１又は２記載の製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、前記燃焼用カーボン粉の質量は、前記過剰物質を構成する成分と、該各成分の質量に基づいて決定することを特徴とする製鋼用アーク炉の電力投入制御方法。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載の製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、前記製品用溶鋼の熱量Ｑｓｔ、前記スラグの熱量Ｑｓｌｇ、前記ダストを含んだ排ガスの熱量Ｑｄ、及び前記製鋼用アーク炉に供給した冷却水による抜熱量Ｑｃを、過去の操業実績から構成された製品用溶鋼熱量データベース、スラグ熱量データベース、排ガス熱量データベース、及び抜熱量データベースを用いて、前記製品用溶鋼の製造条件に基づいてそれぞれ推定した溶鋼熱量ＥＱｓｔ、推定スラグ熱量ＥＱｓｌｇ、排ガス熱量ＥＱｄ、及び推定抜熱量ＥＱｃとし、前記溶解期から前記昇熱期の終了までに必要な前記投入電力量を決定する前記アーク熱量Ｑａを、ＥＱｓｔ＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ＋ＥＱｃ−Ｑｂ−Ｑｏから求めることを特徴とする製鋼用アーク炉の電力投入制御方法。
- 請求項４記載の製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、前記１チャージの期間中に、溶鋼温度、排ガス温度、及び冷却水温度をそれぞれ測定して、前記溶解期の終了時点までの実測溶鋼熱量ＲＱｓｔ１、実測排ガス熱量ＲＱｄ１、及び実測抜熱量ＲＱｃ１をそれぞれ演算し、前記精錬期から前記昇熱期の終了までの溶鋼熱量、排ガス熱量、及び抜熱量をそれぞれＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ１、ＥＱｄ−ＲＱｄ１、及びＥＱｃ−ＲＱｃ１として、前記精錬期から前記昇熱期の終了までに必要な前記投入電力量を決定するアーク熱量Ｑａ’を、ＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ１＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ−ＲＱｄ１＋ＥＱｃ−ＲＱｃ１−Ｑｂ−Ｑｏから求めることを特徴とする製鋼用アーク炉の電力投入制御方法。
- 請求項５記載の製鋼用アーク炉の電力投入制御方法において、前記精錬期の終了時点までの実測溶鋼熱量ＲＱｓｔ２、実測排ガス熱量ＲＱｄ２、及び実測抜熱量ＲＱｃ２をそれぞれ演算し、前記昇熱期の終了までの溶鋼熱量、排ガス熱量、及び抜熱量をそれぞれＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ２、ＥＱｄ−ＲＱｄ２、及びＥＱｃ−ＲＱｃ２として、前記昇熱期の終了までに必要な前記投入電力量を決定するアーク熱量Ｑａ’’を、ＥＱｓｔ−ＲＱｓｔ２＋ＥＱｓｌｇ＋ＥＱｄ−ＲＱｄ２＋ＥＱｃ−ＲＱｃ２−Ｑｂ−Ｑｏから求めることを特徴とする製鋼用アーク炉の電力投入制御方法。
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