JP5743923B2

JP5743923B2 - アーク炉の溶解状態判定装置

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Publication number: JP5743923B2
Application number: JP2012034809A
Authority: JP
Inventors: 航太水谷; 隆宏大橋; 佐藤　光彦; 光彦佐藤; 北林　庄治; 庄治北林; 隆俊亀島; 仁成高宮; 省治佐々木
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: JP2013170748A

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加して溶解する追装溶解を経て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解完了の一種である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溶落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、アーク炉の炉内発生音を検出して、検出された音の強度に応じた音信号（７１ａ）を出力する音検出手段（７１）と、音信号（７１ａ）の周波数を解析して周波数−強度信号（７２ａ）を得る周波数解析手段（７２）と、上記周波数−強度信号（７２ａ）のうち、基本周波数の偶数倍の周波数を中心とした領域の信号成分の強度が、当該領域に近い低周波側および高周波側の各領域の信号成分の強度に比して一定時間以上持続して所定量以上高くなった時にスクラップの溶解完了と判定する判定手段（４）と、を備える。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、基本周波数の偶数倍の周波数を中心とした領域の信号成分の強度が、当該領域に近い低周波側および高周波側の各領域の信号成分の強度に比して顕著に高くなる。そこで、基本周波数の偶数倍の周波数を中心とした領域の信号成分の強度が、当該領域に近い低周波側および高周波側の各領域の信号成分の強度に比して所定量以上高くなった状態が一定時間以上持続した時に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、アーク炉の炉内発生音を検出して、検出された音の強度に応じた音信号（７１ａ）を出力する音検出手段（７１）と、音信号（７１ａ）の周波数を解析して周波数−強度信号（７２ａ）を得る周波数解析手段（７２）と、基本周波数の偶数倍の周波数を中心とする領域に所定の信号強度範囲で設定された第１の検知領域（Ｐ）において上記周波数−強度信号（７２ａ）の少なくとも一部の信号成分が当該領域内に入り、かつ上記偶数倍の周波数より低周波側と高周波側の周波数領域でそれぞれ所定の信号強度範囲で設定された第２および第３の検知領域（Ｑ，Ｒ）において上記周波数−強度信号（７２ａ）の信号成分が全てこれら領域内に入った状態が一定時間以上持続した時にスクラップの溶解完了と判定する判定手段（４）と、を備える。

本第２発明によれば、基本周波数の偶数倍の周波数を中心とした領域の信号成分の強度が、当該領域に近い低周波側および高周波側の各領域の信号成分の強度に比して所定量以上高くなった状態が一定時間以上持続したことを、各検知領域における周波数−強度信号の挙動から確実に認定してスクラップの溶解完了を判定することができる。

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、アーク炉の炉内発生音を検出し、検出された音の強度に応じた音信号の周波数を解析して周波数−強度信号を得、上記周波数−強度信号のうち、基本周波数の偶数倍の周波数を中心とした領域の信号成分の強度が、当該領域に近い低周波側および高周波側の各領域の信号成分の強度に比して一定時間以上持続して所定量以上高くなった時にスクラップの溶解完了と判定する。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。

また、アーク炉の溶解状態判定方法は、アーク炉の炉内発生音を検出して、検出された音の強度に応じた音信号の周波数を解析して周波数−音強度信号を得、基本周波数の偶数倍の周波数を中心とする領域に所定の信号強度範囲で設定された第１の検知領域において上記周波数−強度信号の少なくとも一部の信号成分が当該領域内に入り、かつ上記偶数倍の周波数より低周波側と高周波側の周波数領域でそれぞれ所定の信号強度範囲で設定された第２および第３の検知領域において上記周波数−強度信号の信号成分が全てこれら領域内に入った状態が一定時間以上持続した時に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４倍とするのが好ましい。

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。音信号の周波数成分の時間変化を示す図である。第１実施形態における溶解初期の周波数−強度信号の波形図である。溶解中期の周波数−強度信号の波形図である。溶解終期の周波数−強度信号の波形図である。溶解初期の周波数−強度信号の波形図である。溶解中期の周波数−強度信号の波形図である。溶解終期の周波数−強度信号の波形図である。第２実施形態における溶解初期の周波数−強度信号の波形図である。溶解中期の周波数−強度信号の波形図である。溶解終期の周波数−強度信号の波形図である。第３実施形態における溶解初期の周波数−強度信号の波形図である。溶解中期の周波数−強度信号の波形図である。溶解終期の周波数−強度信号の波形図である。

(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。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。

アーク炉３から離間した位置にこれに向けて音検出手段としての騒音計７１が設置されている。騒音計７１としては例えばリオン株式会社製ＮＬ−２１等が使用できる。騒音計７１はアーク炉３の炉内発生音を検出して、検出された音の強度に応じた音信号７１ａを出力する。音信号７１ａは周波数解析装置７２に入力し、各周波数成分に分離されて周波数−強度信号７２ａが生成される。周波数−強度信号７２ａは制御装置４に送られて、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。なお、周波数解析装置７２を制御装置４と一体化して、周波数解析の機能を制御装置４のハードウェアやソフトウェアの一部で実現するようにしても良い。

ここで、図２には商用電源の基本周波数が５０Ｈｚ、炉用変圧器の容量が７５ＭＶＡ、炉容量が１００ｔであった場合の、音信号７１ａのうちの、基本周波数の４倍である周波数２００Ｈｚとその低周波側と高周波側の１９０Ｈｚ，２１０Ｈｚの信号成分の時間変化を示す。これによると、初装溶解、追装１溶解、追装２溶解のいずれのステップにおいても、その終期におけるスクラップの追装可ないし溶落時には１９０Ｈｚ，２１０Ｈｚの各信号の強度が大きく低下するのに対して２００Ｈｚの信号強度は、むしろ高くなりあるいはその低下の程度が少なく、低周波側と高周波側の１９０Ｈｚ，２１０Ｈｚの各信号に対して信号強度が際立って高くなっている。

そこで、音信号７１ａのうち、基本周波数の４倍である周波数２００Ｈｚ付近の信号成分の強度が、その低周波側と高周波側の１９０Ｈｚ，２１０Ｈｚ付近における信号成分の強度に対して際立って高い状態を検知するために、制御装置４では、周波数−強度信号７２ａに対して例えば図３〜図５に示すような第１〜第３の検知領域Ｐ，Ｑ，Ｒを設定する。

本実施形態では検知領域Ｐを、商用周波数の４倍である周波数２００Ｈｚを中心に周波数１９５Ｈｚ〜２０５Ｈｚの領域で信号強度９０ｄＢ以上の範囲に設定している。また検知領域Ｑを、上記周波数２００Ｈｚより低周波側の、周波数１７０Ｈｚ〜１９０Ｈｚの領域で信号強度８０ｄＢ以下の範囲に設定し、検知領域Ｒを、上記周波数２００Ｈｚより高周波側の、周波数２１０Ｈｚ〜２３０Ｈｚの領域で信号強度９０ｄＢ以下の範囲に設定している。なお、これら検知領域は具体的状況に応じて設計的に決定されるものである。

初装溶解の初期には図３に示すように、周波数−強度信号７２ａの値は検知領域Ｒでは全て当該領域内に入るが、検知領域Ｐでは全く入っておらず、検知領域Ｑでは一部が領域外にある。初装溶解の中期には図４に示すように、周波数−強度信号７２ａの値は検知領域Ｐで略半分が当該領域内に入っているが、検知領域Ｑ，Ｒでは一部が領域外にある。

これに対して、初装溶解の後期でスクラップの溶解が進行すると、図５に示すように、周波数−強度信号７２ａの値は検知領域Ｐで多くの部分が領域内に入るとともに、検知領域Ｑ，Ｒでは周波数−強度信号７２ａの値が全て領域内に入る。これは、周波数２００Ｈｚ付近の音信号７１ａの信号成分の強度が、その低周波側と高周波側の１９０Ｈｚ，２１０Ｈｚ付近における音信号７１ａの信号成分の強度に対して際立って高い状態にあることを示している。

そこで、周波数−強度信号７２ａの値が、検知領域Ｐで少なくとも一部が領域内に入るとともに、検知領域Ｑ，Ｒで周波数−強度信号７２ａの値が全て領域内に入ったことが確認され、この状態が一定時間（例えば１０秒）以上持続すると制御装置５は追装可と判定してこれを報知する。そこで、スクラップの追装が行われて、追装１溶解が開始される（図２参照）。追装１溶解においても上記と同様の過程で、周波数−強度信号７２ａの値が検知領域Ｐで多くの部分が領域内に入るとともに、検知領域Ｑ，Ｒで周波数−強度信号７２ａの値が全て領域内に入り、この状態が上記一定時間以上持続すると追装可と判定され、これに基づいてスクラップの追装が行われて追装２溶解が開始される（図２参照）。

追装２溶解の後期に、周波数−強度信号７２ａの値が検知領域Ｐで多くの部分が領域内に入るとともに、検知領域Ｑ，Ｒで周波数−強度信号７２ａの値が全て領域内に入り、この状態が一定時間（例えば３０秒）以上持続すると溶落と判定され、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酸化精錬工程へ移行する（図２参照）。

以上のようにして、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することができる。なお、上記実施形態では、周波数−強度信号７２ａの値が検知領域Ｐで少なくとも一部が領域内に入るとともに、検知領域Ｑ，Ｒで周波数−強度信号７２ａの値が全て領域内に入ることによって、周波数２００Ｈｚ付近の信号成分の強度が、その低周波側と高周波側の１９０Ｈｚ，２１０Ｈｚ付近における信号成分の強度に対して際立って高い状態にあることを検知したが、この状態を検知するための検知領域の大きさやこれら検知領域内での周波数−強度信号７２ａの挙動については上記実施形態のものには限られない。

上記実施形態では、基本周波数５０Ｈｚの４倍の周波数２００Ｈｚにおける信号成分強度が、その低周波側と高周波側の１９０Ｈｚ，２１０Ｈｚ付近における信号成分強度に対して際立って高い状態にあることでスクラップの溶落完了を判定したが、図６〜図８の周波数−強度信号７２ａの挙動より明らかなように、基本周波数５０Ｈｚの２倍あるいは６倍の周波数１００Ｈｚ、３００Ｈｚの信号成分の強度も、溶解終期のスクラップ溶落完了時には、その低周波側と高周波側の８０Ｈｚ，１２０Ｈｚ付近、あるいは２８０Ｈｚ、３２０Ｈｚ付近における信号成分強度に対して際立って高い状態にあるから、これらの領域に検知領域を設定するようにしても良い。一般的にはスクラップの溶解完了時には基本周波数の偶数倍の周波数で信号強度が際立って高い状態になるが、上記実施形態に示すような基本周波数の４倍の周波数付近に検知領域を設定するのが好ましい。したがって、基本周波数が６０Ｈｚであれば、２４０Ｈｚ付近に検知領域を設定することになる。

（第２実施形態）
図９〜図１１には、基本周波数５０Ｈｚの４倍に加えて、２倍および６倍の周波数１００Ｈｚ、３００Ｈｚ付近での信号成分の強度変化を示す。本実施形態では検知領域Ｐを、商用周波数の４倍である周波数２００Ｈｚを中心に周波数１９５Ｈｚ〜２０５Ｈｚの領域で信号強度９０ｄＢ以上の範囲に設定するとともに、検知領域Ｑを、上記周波数２００Ｈｚより低周波側の、周波数１７０Ｈｚ〜１９０Ｈｚの領域で信号強度８０ｄＢ以下の範囲に設定し、検知領域Ｒを、上記周波数２００Ｈｚより高周波側の、周波数２１０Ｈｚ〜２３０Ｈｚの領域で信号強度９０ｄＢ以下の範囲に設定している。

本実施形態ではまた検知領域Ｐ１を、商用周波数の２倍である周波数１００Ｈｚを中心に周波数９５Ｈｚ〜１０５Ｈｚの領域で信号強度８５ｄＢ以上の範囲に設定するとともに、検知領域Ｑ１を、上記周波数１００Ｈｚより低周波側の、周波数７０Ｈｚ〜９０Ｈｚの領域で信号強度８０ｄＢ以下の範囲に設定し、検知領域Ｒ１を、上記周波数１００Ｈｚより高周波側の、周波数１１０Ｈｚ〜１３０Ｈｚの領域で信号強度８０ｄＢ以下の範囲に設定している。

さらに本実施形態では、検知領域Ｐ２を、商用周波数の６倍である周波数３００Ｈｚを中心に周波数２９５Ｈｚ〜３０５Ｈｚの領域で信号強度９０ｄＢ以上の範囲に設定するとともに、検知領域Ｑ２を、上記周波数３００Ｈｚより低周波側の、周波数２７０Ｈｚ〜２９０Ｈｚの領域で信号強度８５ｄＢ以下の範囲に設定し、検知領域Ｒ２を、上記周波数３００Ｈｚより高周波側の、周波数３１０Ｈｚ〜３３０Ｈｚの領域で信号強度８５ｄＢ以下の範囲に設定している。なお、これら検知領域は具体的状況に応じて設計的に決定されるものである。

初装溶解の初期には図９に示すように、周波数−強度信号７２ａの値は検知領域Ｐでは一部が当該領域内に入るが、検知領域Ｑでは大部分が領域外にあり、検知領域Ｒでは一部が領域外にある。また、上記信号７２ａは検知領域Ｐ１では一部が当該領域内にあるが、検知領域Ｑ１では一部が領域外にあり、検知領域Ｒ１では大部分が領域外にある。さらに、上記信号７２ａは検知領域Ｐ２では一部が当該領域内にあり、検知領域Ｑ２では大部分が領域外にある。検知領域Ｒ２では全部が領域外にある。

初装溶解の中期には図１０に示すように、周波数−強度信号７２ａの値は検知領域Ｐで一部が当該領域内に入っているが、検知領域Ｑ，Ｒでは一部が領域外にある。また検知領域Ｐ１で上記信号７２ａは一部が当該領域内に入り、検知領域Ｑ１で全てが当該領域内に入っているが、検知領域Ｒ１では一部が領域外にある。さらに検知領域Ｐ２で上記信号７２ａは一部が当該領域内に入っているが、検知領域Ｑ，Ｒでは一部が領域外にある。

これに対して、初装溶解の終期でスクラップの溶解が進行すると、図１１に示すように、周波数−強度信号７２ａの値は検知領域Ｐで一部が領域内に入るとともに、検知領域Ｑ，Ｒでは周波数−強度信号７２ａの値が全て領域内に入る。これは、周波数２００Ｈｚ付近の音信号７１ａの信号成分の強度が、その低周波側と高周波側の１９０Ｈｚ，２１０Ｈｚ付近における音信号７１ａの信号成分の強度に対して際立って高い状態にあることを示している。また上記信号７２ａの値は検知領域Ｐ１で一部が領域内に入るとともに、検知領域Ｑ１，Ｒ１では全て領域内に入る。これは、周波数１００Ｈｚ付近の信号７１ａの信号成分の強度が、その低周波側と高周波側の９０Ｈｚ，１１０Ｈｚ付近における信号７１ａの信号成分の強度に対して際立って高い状態にあることを示している。さらに上記信号７２ａの値は検知領域Ｐ２で一部が領域内に入るとともに、検知領域Ｑ２，Ｒ２では全て領域内に入る。これは、周波数３００Ｈｚ付近の信号７１ａの信号成分の強度が、その低周波側と高周波側の２９０Ｈｚ，３１０Ｈｚ付近における信号７１ａの信号成分の強度に対して際立って高い状態にあることを示している。

そこで、周波数−強度信号７２ａの値が、検知領域Ｐ、Ｐ１，Ｐ２で少なくとも一部が領域内に入るとともに、検知領域Ｑ、Ｑ１，Ｑ２，Ｒ、Ｒ１，Ｒ２で周波数−強度信号７２ａの値が全て領域内に入ったことが確認され、この状態が一定時間（例えば１０秒）以上持続すると制御装置４は追装可と判定してこれを報知する。そこで、スクラップの追装が行われて、追装１溶解が開始される（図２参照）。以下、第１実施形態で説明したと同様の過程で追装１溶解、追装２溶解、酸化精錬工程へ移行させられる。

（第３実施形態）
図１２〜図１４には商用電源の基本周波数が６０Ｈｚである場合の溶落判定の一例を示す。本実施形態では検知領域Ｐを、商用周波数の４倍である周波数２４０Ｈｚを中心に周波数２３５Ｈｚ〜２４５Ｈｚの領域で信号強度９０ｄＢ以上の範囲に設定している。また検知領域Ｑを、上記周波数２４０Ｈｚより低周波側の、周波数２１０Ｈｚ〜２３０Ｈｚの領域で信号強度８０ｄＢ以下の範囲に設定し、検知領域Ｒを、上記周波数２４０Ｈｚより高周波側の、周波数２５０Ｈｚ〜２７０Ｈｚの領域で信号強度８３ｄＢ以下の範囲に設定している。なお、これら検知領域は具体的状況に応じて設計的に決定されるものである。

初装溶解の初期には図１２に示すように、周波数−強度信号７２ａの値は検知領域Ｑ，Ｒでは全てこれら領域内に入るが、検知領域Ｐでは全く入っていない。初装溶解の中期には図１３に示すように、周波数−強度信号７２ａの値は検知領域Ｑ，Ｒで全てが当該領域内に入っているが、検知領域Ｐでは領域外にある。

これに対して、初装溶解の後期でスクラップの溶解が進行すると、図１４に示すように、周波数−強度信号７２ａの値は検知領域Ｐで一部が領域内に入るとともに、検知領域Ｑ，Ｒでは周波数−強度信号７２ａの値が全て領域内に入る。これは、周波数２４０Ｈｚ付近の音信号７１ａの信号成分の強度が、その低周波側と高周波側の２２０Ｈｚ，２６０Ｈｚ付近における音信号７１ａの信号成分の強度に対して際立って高い状態にあることを示している。

そこで、周波数−強度信号７２ａの値が、検知領域Ｐで少なくとも一部が領域内に入るとともに、検知領域Ｑ，Ｒで周波数−強度信号７２ａの値が全て領域内に入ったことが確認され、この状態が一定時間（例えば１０秒）以上持続すると制御装置４は追装可と判定してこれを報知する。その後、スクラップの追装が行われて、追装１溶解が開始される（図２参照）。以下、第１実施形態で説明したと同様の過程で追装１溶解、追装２溶解、酸化精錬工程へ移行させられる。

３…アーク炉、４…制御装置（判定手段）、７１…騒音計（音検出手段）、７１ａ…音信号、７２…周波数解析装置（周波数解析手段）、７２ａ…周波数−強度信号。

Claims

アーク炉の炉内発生音を検出して、検出された音の強度に応じた音信号を出力する音検出手段と、前記音信号の周波数を解析して周波数−強度信号を得る周波数解析手段と、前記周波数−強度信号のうち、基本周波数の偶数倍の周波数を中心とした領域の信号成分の強度が、当該領域に近い低周波側および高周波側の各領域の信号成分の強度に比して一定時間以上持続して所定量以上高くなった時にスクラップの溶解完了と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。
アーク炉の炉内発生音を検出して、検出された音の強度に応じた音信号を出力する音検出手段と、前記音信号の周波数を解析して周波数−強度信号を得る周波数解析手段と、基本周波数の偶数倍の周波数を中心とする領域に所定の信号強度範囲で設定された第１の検知領域において前記周波数−強度信号の少なくとも一部の信号成分が当該領域内に入り、かつ前記偶数倍の周波数より低周波側と高周波側の周波数領域でそれぞれ所定の信号強度範囲で設定された第２および第３の検知領域において前記周波数−強度信号の信号成分が全てこれら領域内に入った状態が一定時間以上持続した時にスクラップの溶解完了と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。