JP5726103B2 - アーク炉の溶解状態判定装置 - Google Patents

Description

本発明はアーク炉の溶解状態判定装置に関し、特に、スクラップの溶解完了の判定を確実に行うことができる溶解状態判定装置に関する。

アーク炉においてはスクラップの初装溶解から、さらにスクラップを追装して溶解する追装溶解を経て、溶落後の酸化精錬へと複数のステップを経て１チャージの操業を行う。この場合、前ステップから次ステップへの移行はスクラップの追装可ないし溶落等の溶解完了を確認して行うが、密閉式のアーク炉では操業中の炉内を観察することが困難なため、従来は投入電力量のパターンを予めプログラム的に定めている。しかし、スクラップの形状や材質等のバラツキが大きいため、プログラム的な制御では実際のスクラップ溶解状態とのずれが大きくなり、安全率をみて充分なマージンを確保すると無駄な電力消費や熱損失、ホットスポットの発生等を招くという問題がある。

そこで、例えば特許文献１では、アーク炉の炉壁に接してマイクロホンを設けて炉内放電音を電流波形として可視化し、電流波形が振幅の小さい安定した状態になったことで溶落を判定するアーク炉が開示されている。

特公昭５５−１７３１４

しかし、上記従来の、炉内放電音を電流波形として可視化して電流波形の変化によって溶落を判定するものでは未だ確実な判定ができないという問題があった。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、スクラップの溶解完了を確実に判定して無駄な電力消費等を生じることなく次ステップへの工程移行を行うことができるアーク炉の溶解状態判定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明では、アーク炉の炉用変圧器（２）の一次側電圧を検出して基本周波数の偶数倍の周波数の高調波電圧成分を得る電圧検出手段（７）と、上記高調波電圧成分の電圧値が所定値よりも一定時間以上低下したことでスクラップの溶解完了を判定する判定手段（４）と、を備えている。なお、ここで「溶解完了」には、スクラップの追装を可能にする「追装可」と、酸化精錬等へ移行する「溶落」が含まれる。すなわち、上記「一定時間」を相対的に短く設定すれば「追装可」が判定でき、「一定時間」を相対的に長く設定すれば「溶落」が判定できる。

発明者の実験によると、スクラップの溶解完了の際には、炉用変圧器の一次側電圧の電圧成分のうち、基本周波数の偶数倍の周波数の高調波電圧成分の電圧値が大きく低下する。そこで、上記基本周波数の偶数倍の周波数の高調波電圧成分の電圧値が所定値を一定時間以上下回ったことによってスクラップの溶解完了と判定すれば、炉内でのスクラップの溶解完了を確実に判定することができ、それ以後の無駄な電力消費等を回避することができる。

本第２発明では、アーク炉の炉用変圧器の一次側電流を検出して基本周波数の偶数倍の周波数の高調波電流成分を得る電流検出手段と、上記高調波電流成分の電流値が所定値よりも一定時間以上低下したことでスクラップの溶解完了を判定する判定手段と、を備えている。なお、ここで「溶解完了」には、スクラップの追装を可能にする「追装可」と、酸化精錬等へ移行する「溶落」が含まれる。すなわち、上記「一定時間」を相対的に短く設定すれば「追装可」が判定でき、「一定時間」を相対的に長く設定すれば「溶落」が判定できる。

発明者の実験によると、スクラップの溶解完了の際には、炉用変圧器の一次側電流の電流成分のうち、基本周波数の偶数倍の周波数の高調波電流成分の電流値が大きく低下する。そこで、上記基本周波数の偶数倍の周波数の高調波電流成分の電流値が所定値を一定時間以上下回ったことによってスクラップの溶解完了と判定すれば、炉内でのスクラップの溶解完了を確実に判定することができ、それ以後の無駄な電力消費等を回避することができる

本発明は方法としても実現でき、この場合、アーク炉の溶解状態判定方法は、アーク炉の炉用変圧器の一次側電圧を検出して基本周波数の偶数倍の周波数の高調波電圧成分を得、上記高調波電圧成分の電圧値が所定値よりも一定時間以上低下したことでスクラップの溶解完了と判定する。

また、アーク炉の溶解状態判定方法は、アーク炉の炉用変圧器の一次側電流を検出して基本周波数の偶数倍の周波数の高調波電流成分を得、上記高調波電流成分の電流値が所定値よりも一定時間以上低下したことでスクラップの溶解完了と判定する。

なお、上記偶数倍の周波数は２倍とするのが好ましく、これによれば、スクラップの溶解完了時の高調波電圧成分の電圧値低下を確実に検出することができる。

上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以上のように、本発明のアーク炉の溶解状態判定装置によれば、スクラップの溶解完了を確実に判定して無駄な電力消費等を生じることなく次ステップへの工程移行を行うことができる。

溶解状態判定装置を備えたアーク炉の電気系統図である。 第１実施形態における炉用変圧器の一次側電圧の周波数成分の時間変化を示す図である。 炉用変圧器の一次側電圧の周波数成分の時間変化を示す図である。 炉用変圧器の一次側電圧と一次側電流の周波数成分の時間変化を示す図である。 第２実施形態における炉用変圧器の一次側の２次高調波電流の時間変化を示す図である。

(第１実施形態)
図１において、商用電源に至る主回路１にはタップチェンジャを備えた炉用変圧器２が設けられ、その二次側回路１１はアーク炉３の電極３１に至っている。炉用変圧器２からは現在選択されているタップ位置の信号２ａが制御装置４へ出力され、一方、制御装置４からは炉用変圧器２に対して所要のタップ位置を選択するためのタップ選択指令信号４ａが出力されている。二次側回路１１には計器用変流器５１と計器用変圧器５２が設けられて、制御装置４へそれぞれ二次側回路１１の電流（アーク電流）Ｉと電圧（アーク電圧）Ｖがフィードバックされている。なお、主回路１から電極３１の間は実際には三相交流であることが多いが、炉用変圧器２の直後に整流装置が挿入される直流アーク炉に対しても本発明は適用可能である。電極３１は図略の電極昇降機構に保持されて昇降可能となっていおり、制御装置４からの電流指令信号４ｂを受けた電極昇降装置６によって炉内のスクラップ３２に対して適宜上昇ないし下降させられる。

炉用変圧器２の一次側である主回路１には電圧検出手段としての高調波計７が接続してあり、一次側電圧の高調波成分信号が制御装置４へ出力されている。制御装置４では高調波成分信号の挙動より後述の手順によってアーク炉３のスクラップの追装可や溶落を把握して、次ステップのスクラップ追装や酸化精錬への移行の可否が判定される。

ここで、図２には商用電源の基本周波数が５０Ｈｚ、炉用変圧器２の容量が７５ＭＶＡ、炉容量が１００ｔであった場合の、基本周波数に対し２倍、４倍、６倍、８倍の周波数を有する２次、４次、６次、８次の各電圧高調波成分の時間変化を示す。図２に示すように、初装溶解においてその終期にスクラップの溶解が進行して追装可になると、各高調波の電圧値は大きく低下する。閾値電圧を例えば、２次高調波電圧として０．１５ｋＶに設定しておくと、溶解初期に閾値電圧を上回っていた２次高調波はスクラップの溶解が進行する溶解終期には閾値電圧を下回るようになる。そこで、２次高調波電圧が閾値電圧を一定時間（例えば１０秒）以上下回った時にスクラップの追装可と判定してこれを報知する。これにより、スクラップの追装が行われて、次ステップの追装１溶解が開始される。

なお、本実施形態では操業上の理由で、追装１溶解においては２次高調波が閾値電圧より下回らないうちに、スクラップの追装がなされて次ステップの追装２溶解が開始される。追装２溶解においても初装溶解時と同様に、溶解初期に閾値電圧を上回っていた２次高調波の電圧値は、スクラップの溶解が進行する溶解終期には閾値電圧を下回るようになる。そこで、２次高調波の電圧値が閾値電圧を一定時間（例えば３０秒）以上下回った時に溶落と判定し、この場合は、制御装置４からのタップ選択指令信号４ａによって炉用変圧器２のタップ位置が適宜変更されて次ステップの酸化精錬工程へ移行する。このようにして、スクラップの追装可ないし溶落が確実に判定されるから、これ以後の無駄な電力投入を回避しつつ次ステップへの工程移行を行うことができる。

なお、上記実施形態においては追装可と溶落の判定を、２次高調波の電圧値が同じ閾値電圧を下回る時間的長さで判定しているが、これに代えて、追装可と溶落の判定を異なる閾値電圧で行うようにしても良い。また、上記実施形態に示すように追装可ないし溶落の判定には２次電圧高調波を使用するのが好ましいが、閾値電圧をより低い値に変更すれば、４次、６次、８次の電圧高調波の電圧値によっても溶解完了ないし溶落を判定することができる。いずれにしても偶数次の電圧高調波を使用する必要がある。すなわち、図３に１次、３次、５次、７次について例示するように、奇数次の電圧高調波では、スクラップの溶解が進行してもその電圧値が大きく低下することはないからである。

また、図４から明らかなように、スクラップ溶解工程における炉用変圧器一次側の２次高調波電流（図中線Ｙ）は、上記実施形態で説明した２次高調波電圧（図中線Ｘ）と同様の挙動、すなわちスクラップの溶解が進行するにつれてその値が大きく低下するから、高調波電圧に代えて上記と同様の方法で高調波電流を使用してアーク炉の溶解状態を判定することもできる。

（第２実施形態）
高調波電流を使用したアーク炉の溶解状態判定の一例を図５に示す。図５は炉用変圧器２の一次側の、２次高調波電流の時間変化を示すもので、初装溶解においてその終期にスクラップの溶解が進行して追装可になると、高調波電流値は大きく低下する。適当な閾値電流Ａを設定しておくと、溶解初期に閾値電流Ａを上回っていた２次高調波電流はスクラップの溶解が進行する溶解終期には閾値電流Ａを下回るようになる。そこで、２次高調波電流が閾値電流Ａを一定時間（例えば１０秒）以上下回った時にスクラップの追装可と判定してこれを報知する。これにより、スクラップの追装が行われて、次ステップの追装１溶解が開始される。

追装１溶解においても適当な閾値電流Ｂを設定することにより、２次高調波電流が閾値電流Ｂを一定時間（例えば７秒）下回るとスクラップの追装可と判定してこれを報知する。これにより、スクラップの追装が行われて、次ステップの追装２溶解が開始される。追装２溶解においても初装溶解時と同様に、溶解初期に閾値電流Ｃを上回っていた２次高調波電流は、スクラップの溶解が進行する溶解終期には閾値電流Ｃを下回るようになる。そこで、２次高調波電流が閾値電流Ｃを一定時間（例えば５秒）以上下回った時に溶落と判定し、この場合は、制御装置４からのタップ選択指令信号４ａによって炉用変圧器２のタップ位置が適宜変更されて次ステップの酸化精錬工程へ移行する。このようにして、スクラップの追装可ないし溶落が確実に判定されるため、これ以後の無駄な電力投入を回避しつつ次ステップへの工程移行を行うことができる。

２…炉用変圧器、３…アーク炉、４…制御装置（判定手段）、７…高調波計（電圧検出手段）。

Claims (4)

1. アーク炉の炉用変圧器の一次側電圧を検出して基本周波数の偶数倍の周波数の高調波電圧成分を得る電圧検出手段と、上記高調波電圧成分の電圧値が所定値よりも一定時間以上低下したことでスクラップの溶解完了を判定する判定手段と、を備えるアーク炉の溶解状態判定装置。
2. 上記高調波電圧成分は基本周波数の２倍のものである請求項１に記載のアーク炉の溶解状態判定装置。
3. アーク炉の炉用変圧器の一次側電流を検出して基本周波数の偶数倍の周波数の高調波電流成分を得る電流検出手段と、上記高調波電流成分の電流値が所定値よりも一定時間以上低下したことでスクラップの溶解完了を判定する判定手段と、を備えるアーク炉の溶解状態判定装置。
4. 上記高調波電流成分は基本周波数の２倍のものである請求項３に記載のアーク炉の溶解状態判定装置。

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