JP5912976B2 - アーク炉の電極昇降制御方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、アーク炉に昇降可能に設けられる電極に電力を供給し、被処理物を溶解するアーク炉に関し、特にアーク炉の電極の昇降を制御するアーク炉の電極昇降制御方法及び装置に関する。

従来から、アーク炉に昇降可能に設けられる電極に電力を供給し、被処理物を溶解するアーク炉が知られている。図７は特許文献１に記載のアーク炉を示す。発電所等からの送電系統には、炉用遮断器３１を介して炉用変圧器３２が接続される。炉用変圧器３２の二次側には、導体を介してアーク炉３４の電極３３が接続される。電極３３に電力を供給すると、電極３３と被処理物との間にアーク放電が発生し、被処理物が主にジュール熱によって溶解する。なお、この図７においては、電極３３及び符号３５〜３７の各要素が一つのみ示されているが、実際には三相交流の各相に合わせて合計三つ設けられている。

電極３３はアーク炉３４に昇降可能に設けられる。電極３３を昇降させる電極昇降装置３７は、電極を昇降させるワイヤ、電動機、電動機を駆動するインバータからなる。電極昇降装置３７は電極昇降制御装置３８によって制御される。計器用変流器（ＣＴ）又は整流器からなる電流検出器３５は、電極３３に流れる電流を検出する。計器用変圧器（ＰＴ）又は整流器からなる電圧検出器３６は、電極３３と接地との間の電圧を検出する。電極昇降制御装置３８は、インピーダンス（すなわち、電流検出器３５が検出する電流の検出値と電圧検出器３６が検出する電圧の検出値との比）が一定になるように電極３３を昇降させる。インピーダンス一定制御を行うことによって、炉用変圧器３２からアーク炉３４に供給される電力を一定に維持することができる。よって、アーク炉３４の生産性を向上させることができる。

特開２００１−２５０６７３号公報

ところで、アーク炉の炉体内の被処理物が溶解するとき、まず、電極近傍の被処理物が溶け、その後、炉体の炉壁近傍の被処理物が溶ける。電極近傍の被処理物が溶けても、炉壁近傍の被処理物が固体のままであるので、炉壁近傍の固体の被処理物が電極近傍の溶融した被処理物になだれ込むことがある。

固体の被処理物が電極の下方になだれ込むと、電極の先端部が被処理物に没入し、溶融した被処理物が吹き上がる現象（スプラッシュと呼ばれる）が発生する。電極のカーボンが被処理物を還元することによって発生するＣＯガスがスプラッシュの一因になる。スプラッシュが発生すると、投入した電力を効率よく被処理物の溶解に利用することができなくなる。

そこで、本発明は、スプラッシュが発生するのを防止できるアーク炉の電極昇降制御方法及び装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、昇降可能に設けられる電極に交流電源から電力を供給することによって被処理物を溶解するアーク炉に用いられ、前記電極の昇降を制御するアーク炉の電極昇降制御方法において、前記電極に流れる電流の検出値が所定の設定電流値より小さいとき、前記電極を下降させ、前記電極に流れる電流の検出値が前記設定電流値より大きいとき、前記電極を上昇させ、前記電極に流れる電流の検出値が前記設定電流値以下の所定の電流値以下であり、かつ、前記電極と接地された前記アーク炉との間の電圧の検出値が所定の電圧値以上であるとき、前記電極の下降を停止するアーク炉の電極昇降制御方法である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアーク炉の電極昇降制御方法において、前記電極に流れる電流の検出値が前記設定電流値以下の所定の電流値以下である時間が、所定の時間以上のとき、前記電極の下降を停止することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のアーク炉の電極昇降制御方法において、前記電極に流れる電流の検出値が前記設定電流値よりも大きい所定の第一の急速巻上げ電流値以上のとき、前記電極を急速に上昇させ、前記電極に流れる電流の検出値が、前記第一の急速巻上電流値未満かつ前記設定電流値以上の所定の第二の急速巻上げ電流値以上になる時間が、所定の時間以上のとき、前記電極を急速に上昇させることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、昇降可能に設けられる電極に交流電源から電力を供給することによって被処理物を溶解するアーク炉に用いられ、前記電極の昇降を制御するアーク炉の電極昇降制御装置において、前記電極に流れる電流の検出値が所定の設定電流値より小さいとき、前記電極を下降させ、前記電極に流れる電流の検出値が前記設定電流値より大きいとき、前記電極を上昇させる電極昇降制御回路と、前記電極に流れる電流の検出値が前記設定電流値以下の所定の電流値以下であり、かつ、前記電極と接地された前記アーク炉との間の電圧の検出値が所定の電圧値以上であるとき、前記電極の下降を停止する電極突込み防止回路と、を備えるアーク炉の電極昇降制御装置である。

固体の被処理物が溶融した被処理物になだれ込むと、なだれ込んだ部分の電極と被処理物との間のインピーダンスが急激に上がる。このため、なだれ込んだ部分の電極に流れる電流が急激に下がり、当該電極と接地されたアーク炉との間の電圧が急激に上がる。請求項１に記載の発明によれば、電極に流れる電流の検出値が所定の電流値以下であり、かつ電圧の検出値が所定の電圧値以上のとき、電極の下降を停止するので、なだれ込んだ被処理物に電極が没入する直前を察知することが可能になり、電極を下げ過ぎないように制御することが可能になる。よって、スプラッシュが発生するのを防止できる。

一方、なだれ込んだ部分以外の電極では、なだれ込んだ部分の電極に流れる電流が下がることに伴って、電極に流れる電流が下がる。なだれ込んだ部分以外の電極では、インピーダンスが低い状態を維持するので、電流が下がることに伴って電圧も下がる。請求項２に記載の発明によれば、電極に流れる電流の検出値が所定の電流値以下である時間が所定の時間以上のとき、電極の下降を停止するので、なだれ込んだ部分以外の電極が溶融した被処理物に没入する直前を察知することが可能になり、電極を下げ過ぎないように制御することが可能になる。よって、スプラッシュが発生するのを防止できる。

請求項３に記載の発明によれば、第一及び第二の急速巻上電流値を設定し、二段階で急速巻上げを行うので、遮断器が落ちたり、炉用変圧器等の交流電源に過大な負荷がかかったりするのを防止できる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明と同様な効果を奏する。

本実施形態のアーク炉の構成図である。 本実施形態の電極昇降制御装置の回路図である。 本実施形態の電極制御装置が実行するプログラムのフローチャートである。 図４（ａ）はアーク炉のスプラッシュを説明する模式図であり、図４（ｂ）は電極の電流及び電圧の実測値のタイムチャートである。 図５（ａ）はアーク炉のスプラッシュを説明する模式図であり、図５（ｂ）は電極の電流及び電圧の実測値のタイムチャートである。 本実施形態のアーク炉の回路図である。 従来のアーク炉の構成図である。

図１は、本発明の一実施形態のアーク炉の構成を示す。図１において、１は炉用遮断器、２は交流電源としての炉用変圧器、３ａ，３ｂ，３ｃは黒鉛などからなる電極、４は炉体、５は電極に流れる電流を検出する計器用変流器（ＣＴ）又は整流器からなる電流検出器、６は電極と接地との間の電圧を検出する計器用変圧器（ＰＴ）又は整流器などからなる電圧検出器、７は電極を昇降させる電極昇降装置、８は電極昇降装置７のインバータ９に電極を昇降させるための指令を作成する電極昇降制御装置である。

この実施形態のアーク炉は、例えば低炭素フェロクロムの製造方法に用いられる。アーク炉には、原料として、クロム鉱石、焼石灰、及びカーボンが投入される。アーク炉はこれらの原料を溶解して一次スラグを生成する。一次スラグに還元剤としてのシリコクロムを添加すれば、クロム鉱石が還元され、低炭素フェロクロムと二次スラグが生成する。

炉用変圧器２は、手動によりタップ電圧を切替可能な負荷タップ切替器を備える。三本の電極３ａ，３ｂ，３ｃには炉用変圧器２からタップ電圧が印加される。三本の電極３ａ，３ｂ，３ｃには三相交流が流れる。

電極を昇降させる電極昇降装置７は、電極３ａ，３ｂ，３ｃを昇降させるワイヤ１０、ワイヤ１０を巻上げる巻上装置１１、巻上装置１１を駆動させる電動機１２、電動機１２に必要な電力を供給するインバータ９からなる。電極昇降装置７は、電極昇降制御装置８によって制御される。なお、この図１には、電極昇降装置７は一組のみ示されているが、実際には三本の電極３ａ，３ｂ，３ｃに合わせて三組存在する。電極３ａ，３ｂ，３ｃの昇降は一本毎に制御される。

電極昇降制御装置８は、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等からなる。電極昇降制御装置８は、電極３ａ，３ｂ，３ｃの昇降動作を制御するための信号を生成し、この信号をインバータ９に送信する。電極昇降制御装置８は、インピーダンス一定制御を行う。電流の検出値が演算した設定電流値より小さいとき（すなわち、インピーダンスが大きいとき）、電極３ａ，３ｂ，３ｃを下降させ、電流の検出値が演算した設定電流値より大きいとき（すなわちインピーダンスが小さいとき）、電極３ａ，３ｂ，３ｃを上昇させる。設定電流値は電流設定部１５で演算される。電極３ａ，３ｂ，３ｃが上昇又は下降するときの速度は、比例制御によって制御される。電流の検出値と設定電流値との偏差が大きいとき、偏差に比例した速い速度で電極３ａ，３ｂ，３ｃを上昇又は下降させ、偏差が小さいとき、偏差に比例した緩やかな速度で電極３ａ，３ｂ，３ｃを上昇又は下降させる。比例制御のゲインは感度調整部１４で調整される。

図２は電極昇降制御装置の回路図を示す。電極昇降制御装置８は、電極３ａ，３ｂ，３ｃの昇降を制御する電極昇降制御回路２１と、電極３ａ，３ｂ，３ｃが溶融した原料に突っ込むのを防止する電極突込み防止回路２２と、電極３ａ，３ｂ，３ｃに過大な電流が流れるのを防止する急速巻上回路２３と、を備える。電極昇降制御回路２１は、上述のようにインピーダンス一定制御を行い、設定電流値と電流の検出値の偏差に比例した信号をインバータ９に出力する。比例制御のゲインは感度調整部１４で調整される。急速巻上回路２３は、電極３ａ，３ｂ，３ｃを急速に巻上げるための回路であり、電極昇降制御回路２１が電極３ａ，３ｂ，３ｃを上昇させる速度よりも速い速度で電極３ａ，３ｂ，３ｃを上昇させる。急速巻上回路２３が電極を上昇させる速度は、感度調整部２５で調整される。

図３は、電極昇降制御装置８が実行するプログラムのフローチャートを示す。電極昇降制御装置８は、Ｓ１〜Ｓ４において、インピーダンス一定制御を行い、Ｓ６〜Ｓ８において、突込み防止制御を行い、Ｓ９〜Ｓ１１において、急速巻上制御を行う。

電極昇降制御装置８は、まず炉用変圧器２のタップ電圧ＶＰＶ（ｎ）を取り込む（Ｓ１）。タップ電圧は負荷タップ切替器によってｎ段階に設定可能となっている。

次に、設定電流値ＡＳＶ（ｉ）を演算する（Ｓ２）。設定電流ＣＣＳ％（０〜１００％の範囲内の値）は予め設定されている。Ｓ２では、電圧検出器６の電圧の検出値ＥＰＶ（ｉ）、タップ電圧ＶＰＶ（ｎ）、設定電流ＣＣＳ（％）に基づいて、下記の計算式から設定電流値ＡＳＶ（ｉ）を演算する。

［数１］
ＡＳＶ（ｉ）＝ＥＰＶ（ｉ）／Ｅ_０（ｉ）×ＣＣＳ（％）
Ｅ_０（ｉ）＝ＶＰＶ（ｎ）／√３

次に、電極昇降制御装置８は、電流検出器５の電流の検出値ＩＰＶ（ｉ）と設定電流値ＡＳＶ（ｉ）との偏差ＩＰＶ（ｉ）−ＡＳＶ（ｉ）を演算する（Ｓ３）。偏差は例えば０±５Ｖの電圧信号に変換され、電極昇降装置７のインバータ９に出力される（Ｓ４）。上記Ｓ１からＳ４を繰り返すことによって、電極３ａ，３ｂ，３ｃに流れる電流が設定電流値ＡＳＶ（ｉ）に近づくように、電極３ａ，３ｂ，３ｃの昇降が制御される。

次に、電極昇降制御装置８は、スプラッシュが発生するのを防止するために、突込み防止１（Ｓ６）及び突込み防止２（Ｓ７）を実行する。突込み防止１（Ｓ６）では、電流検出器５の電流の検出値ＩＰＶ（ｉ）が設定電流値ＡＳＶ（ｉ）以下であるかどうかを判断し、電圧検出器６の電圧の検出値ＥＰＶ（ｉ）が所定の電圧値Ｋ１以上であるかどうかを判断する。所定の電圧値Ｋ１は、タップ電圧に基づいて、例えばタップ電圧の７０％〜８５％の範囲に予め設定されている。そして、電流の検出値ＩＰＶ（ｉ）が設定電流値ＡＳＶ（ｉ）以下であり、電圧の検出値ＥＰＶ（ｉ）が電圧値Ｋ１以上であるとき、電極３ａ，３ｂ，３ｃの下降を停止する（Ｓ８）。

突込み防止２（Ｓ７）では、電極３ａ，３ｂ，３ｃが下降動作を継続する時間が所定の時間Ｔ１以上のとき、電極３ａ，３ｂ，３ｃの下降を停止する。具体的には、電流検出器５の電流の検出値ＩＰＶ（ｉ）が設定された下降出力値Ｋ以下であるかどうか判断し、下降出力値Ｋ以下である時間ｔ１が設定された時間Ｔ１以上であるかどうかを判断する。下降出力値Ｋは設定電流値ＡＳＶ（ｉ）以下に設定される。時間Ｔ１は例えば２秒に設定される。そして、電流の検出値ＩＰＶ（ｉ）が設定された下降出力値Ｋ以下である時間ｔ１が設定された時間Ｔ１以上であるとき、電極３ａ，３ｂ，３ｃの下降を停止する（Ｓ８）。

次に、電極昇降制御装置８は、急速巻上１（Ｓ９）及び急速巻上２（Ｓ１０）を実行する。急速巻上１（Ｓ９）では、電流検出器５の電流の検出値ＩＰＶ（ｉ）が、電流値Ｑ以上であるかどうかを判断する。電流値Ｑは予め例えば２０ＫＡに設定されている。そして、電流の検出値ＩＰＶ（ｉ）が電流値Ｑ以上であり、かつ電流値Ｑ以上である時間ｔ２が時間Ｔ２以上のとき、電極３ａ，３ｂ，３ｃを急速に巻上げる（Ｓ１１）。時間Ｔ２は例えば０．５秒に設定される。

急速巻上２（Ｓ１０）では、電極３ａ，３ｂ，３ｃが上昇動作を継続する時間ｔ３が所定の時間Ｔ３以上のとき、電極３ａ，３ｂ，３ｃを急速に巻上げる。具体的には、電流の検出値ＩＰＶ（ｉ）が設定電流値ＡＳＶ（ｉ）以上であるかどうかを判断する。そして、電流の検出値ＩＰＶ（ｉ）が設定電流値ＡＳＶ（ｉ）以上であり、かつ設定電流値ＡＳＶ（ｉ）以上である時間ｔ３が時間Ｔ３以上のとき、電極３ａ，３ｂ，３ｃを急速に巻上げる（Ｓ１１）。時間Ｔ３は時間Ｔ２よりも長く、例えば２．５秒に設定される。

以下に、突込み防止１の条件を上記のように設定した理由を説明する。図４（ａ）に示すように、炉体４の炉壁４ａ近傍の固体の原料がなだれ込むと、なだれ込んだ部分の電極３ａの下に固体の原料が入り込む。すると、なだれ込んだ部分の電極３ａと原料との間のインピーダンスが急激に上がり、電極３ａに流れる電流が急激に下がり、電極３ａと接地された炉体４との間の電圧が急激に上がる。

図４（ｂ）は、電極３ａの電流及び電圧の実測値を示すタイムチャートである。炉壁４ａ近傍の固体の原料がなだれ込むと、なだれ込んだ部分の電極３ａの電流が下がり、電圧が上がる（図４（ｂ）領域Ｃ１参照）。その後、スプラッシュが発生する。突込み防止１では、なだれ込んだ原料に電極３ａが没入する直前を察知することが可能になる。なお、電極３ａの電流が下がり、電圧が上がる現象は、原料を投入した直後の原料投入期にも、原料投入期の後の溶解期にも発生する。原料投入期では、固体の原料、スラグ、ＣＯガスが混在するので、インピーダンスの変動が激しい。溶解期では、原料投入期ほどインピーダンスの変動は激しくないものの、原料のなだれ込みによりインピーダンスが変動する。

図６を参照しつつ、電極３ａと原料との間のインピーダンスが上がると、電極３ａに流れる電流が下がり、電圧が上がる理由を説明する。アーク炉全体の抵抗は、炉体４の抵抗と原料２６の抵抗とに分けることができる。図６（ａ）に示すように、炉用変圧器からアーク炉に印加される直流電圧が１００Ｖ、炉体４の抵抗が１Ω、原料２６の抵抗が８Ωと仮定すると、電極３ａに流れる電流は１１．１Ａとなり、炉体４に印加される電圧は１１．１Ｖ、原料２６に印加される電圧は８８．９Ｖとなる。図６（ｂ）に示すように、原料２６の抵抗が８Ωから９Ωに上昇したと仮定すると、電極３ａに流れる電流は１０Ａに減少し、炉体４に印加される電圧は１０Ｖに減少し、原料２６に印加される電圧は９０Ｖに上昇する。炉体４の抵抗と原料２６の抵抗との差が少ない場合、原料２６の抵抗の変動の影響が大きい。原料２６に印加される電圧は、電極３ａと接地との間の電圧に相当する。原料２６の抵抗が大きくなると、電極３ａに流れる電流が下がり、電極３ａと接地されたアーク炉との間の電圧が上がる。

以下に、突込み防止２の条件を上記のように設定した理由を説明する。図５（ａ）に示すように、固体の原料がなだれ込んだ部分以外の電極３ｂでは、なだれ込んだ部分の電極３ａに流れる電流が下がることに伴って、電極３ｂに流れる電流が下がる。電極３ａと電極３ｂとは電気的に接続されているからである。しかし、電極３ｂの下方に固体の原料がなだれ込むことはないので、電極３ｂと原料との間のインピーダンスは低いままである。このため、電極３ｂに流れる電流が下がることに伴って電圧も下がる。

図５（ｂ）は、電極３ｂの電流及び電圧の実測値を示すタイムチャートである。電極３ｂにおいては、電流値が下がり、電圧値が下がった（図５（ｂ）領域Ｃ２参照）後、スプラッシュが発生する。突込み防止２では、なだれ込んだ部分以外の電極３ｂが溶融した原料に没入する直前を察知することが可能になる。

突込み防止の制御を行う前と後とで、原料の溶解電力原単位（ｋｗｈ／原料ｔ）及び１バッチ当たりのスプラッシュ回数を測定した。以下の表１に示すように、突込み防止の制御を行うことで、溶解電力原単位は１２５０（ｋｗｈ／原料ｔ）から１１５０（ｋｗｈ／原料ｔ）に低減し、バッチ（出湯から出湯までの間）当たりのスプラッシュ回数は１０回から２回に低減した。

なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲でさまざまな実施形態に変更可能である。例えば、本実施形態のアーク炉は低炭素フェロクロムの原料を溶解するのに限られることはなく、他の原料例えばスクラップを溶解するのに用いることができる。

上記実施形態では、突込み防止１の条件を、電流検出器５の電流の検出値ＩＰＶ（ｉ）が設定電流値ＡＳＶ（ｉ）以下であることとしているが、突込み防止１の条件を、電流の検出値ＩＰＶ（ｉ）が設定電流値ＡＳＶ（ｉ）以下の所定の電流値以下であることとすることができる。

上記実施形態では、突込み防止２の条件を、電流検出器５の電流の検出値ＩＰＶ（ｉ）が設定された下降出力値Ｋ以下であることとしているが、突込み防止２の条件を、電流の検出値ＩＰＶ（ｉ）が設定電流値ＡＳＶ（ｉ）以下であることとすることもできる。

上記実施形態では、急速巻上２の条件を、電流検出器５の電流の検出値ＩＰＶ（ｉ）が設定電流値ＡＳＶ（ｉ）以上であることとしているが、急速巻上２の条件を、設定電流値ＡＳＶ（ｉ）以上の所定の電流値以上とすることもできる。

上記実施形態では、ＰＬＣに電極昇降制御方法のプログラムを書き込んでいるが、基板上に実装されたアナログ回路によりプログラムを実行してもよい。

２…炉用変圧器
３ａ，３ｂ，３ｃ…電極
４…炉体
４ａ…炉壁
５…電流検出器
６…電圧検出器
７…電極昇降装置
８…電極昇降制御装置
２１…電極昇降制御回路
２２…電極突込み防止回路
２３…急速巻上回路

Claims (4)

1. 昇降可能に設けられる電極に交流電源から電力を供給することによって被処理物を溶解するアーク炉に用いられ、前記電極の昇降を制御するアーク炉の電極昇降制御方法において、
   前記電極に流れる電流の検出値が所定の設定電流値より小さいとき、前記電極を下降させ、前記電極に流れる電流の検出値が前記設定電流値より大きいとき、前記電極を上昇させ、
   前記電極に流れる電流の検出値が前記設定電流値以下の所定の電流値以下であり、かつ、前記電極と接地された前記アーク炉との間の電圧の検出値が所定の電圧値以上であるとき、前記電極の下降を停止するアーク炉の電極昇降制御方法。
2. 前記電極に流れる電流の検出値が前記設定電流値以下の所定の電流値以下である時間が、所定の時間以上のとき、前記電極の下降を停止することを特徴とする請求項１に記載のアーク炉の電極昇降制御方法。
3. 前記電極に流れる電流の検出値が前記設定電流値よりも大きい所定の第一の急速巻上電流値以上のとき、前記電極を急速に上昇させ、
   前記電極に流れる電流の検出値が、前記第一の急速巻上電流値未満かつ前記設定電流値以上の所定の第二の急速巻上電流値以上になる時間が、所定の時間以上のとき、前記電極を急速に上昇させることを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク炉の電極昇降制御方法。
4. 昇降可能に設けられる電極に交流電源から電力を供給することによって被処理物を溶解するアーク炉に用いられ、前記電極の昇降を制御するアーク炉の電極昇降制御装置において、
   前記電極に流れる電流の検出値が所定の設定電流値より小さいとき、前記電極を下降させ、前記電極に流れる電流の検出値が前記設定電流値より大きいとき、前記電極を上昇させる電極昇降制御回路と、
   前記電極に流れる電流の検出値が前記設定電流値以下の所定の電流値以下であり、かつ、前記電極と接地された前記アーク炉との間の電圧の検出値が所定の電圧値以上であるとき、前記電極の下降を停止する電極突っ込み防止回路と、
   を備えるアーク炉の電極昇降制御装置。

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