JP6530413B2 - 直流アーク炉内の電気変数の測定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流プラズマアーク炉における動的アーク特性の測定に関する。

直流アーク炉の効率的な作動は、プロセス材料の溶融浴の上部に、開放プラズマアークが存在することにより行われる。溶融浴の上部の気体媒体中に確立された開放アークは、炉内の主要加熱および攪拌要素であり、炉が適切に機能するために、決定的に重要である。

プラズマアークは、高温炉内の電極の先端の間に延在するイオン化ガスの高温高速ジェットと、溶融浴の上部表面とを備えている。アークは、高度の導電性があり、炉にエネルギーを供給するために使用される直流電源の陰極と陽極との間に、非線形電気回路を形成している。

炉は、操作空間を有する容器を備えている。処理材料は、操作空間の下部に存在している。操作空間の内部は、過酷な条件下にあり、実用的な目的の場合には、一般的に、視界は、ゼロである。従って、電極の先端が、溶融浴に直接接触したままで、プロセスが進行することが起こる可能性がある。この場合には、アークは消滅し、電力は、溶融浴の抵抗加熱により、炉に供給される。これは、開放アーク動作の多くの利点をなくすものであり、望ましくない。従って、アーク炉の電気回路中に、アークが存在するか否かを確認できる方法を確立することが望ましい。

炉の周辺は、一般的に、熱くて埃が多く、過酷であり、電磁干渉を受けやすい環境である。炉の内部は、通常は、１５００℃以上の温度であり、高レベルの紫外線とともに、大量の埃や煙があるため、大きな課題を有している。これらの条件下で機能することができる炉内プローブカメラ、紫外線検出器、振動トランスデューサ、およびマイクロフォン等の測定機器は、高価であり、通常は連続的に作動させることができず、信頼性の高い動作をさせるためには、重要かつ高価な取り扱いと保守とが必要である。

従来、炉内のアークの安定性を測定するための様々な技術が提案されている。これらの中には、特許文献１〜８に記載されている技術が含まれている。

特許文献１は、容器内で電極が金属に接触したときに起こる電流の増加を検出することを基礎としている。特許文献２は、金属浴に対する電極の相対位置に関連する電磁放射を検出する技術を基礎としている。

特許文献３は、高調波が基本周波数から分離され、その結果得られる２つの信号を比較して、アーク発生のレベルを定量化する技術を記載している。この手法は、交流炉に適用することはできるが、直流炉内には基本周波数が存在しないため、直流アーク炉には適用することはできないと考えられる。

特許文献４は、炉内でのスラグの泡立ちの増加により、アーク電流の高調波の発生は減少するが、これを、適切な帯域通過フィルタを使用することにより、生成される信号のエネルギーレベルに反映させることができることを述べている。

特許文献６は、アークの電界強度を検出する技術に基づいている。

特許文献８は、スラグの上面に対する電極の下端部の位置は、高調波周波数に相関を有すること、また、これらの周波数が１００〜１４０Ｈｚの間にある場合には、電極先端の位置を変更させなければならないことを述べている。しかし、この周波数範囲内にある信号が、相関関係があるか否かについては、明確に述べてはいない。

特許文献７は、固体材料の「サイズと形状」を決定することを目的としているが、電極先端の位置を確認することに対する妥当性は明らかではない。

出願人の見解では、従来の様々な技術は、炉内での開放アークに直接に関係している電気的特性を、明確に定めるものではない。

米国特許第３７６７８３２号明細書 米国特許第４４７６５６５号明細書 米国特許第４８５２１１９号明細書 米国特許第５０５０１８５号明細書 米国特許第５３５１２６７号明細書 米国特許第５５３３０４４号明細書 米国特許第８４１０８００号明細書 米国特許出願公開第２００９ / ０２３２１８１号明細書

本発明の目的は、直流アーク炉内の開放アークを検出する方法を提供することである。本発明の方法は、炉に関連した外部回路の電気測定により決定することができる、明確に定義された電気的特性を求めることを根拠としており、炉の内部での測定を必要としていない。

本発明は、電源と、電源に接続された陽極および陰極とを含む直流プラズマアーク炉の中の開放アークを検出するための方法を提供するものであり、この方法は、
ａ）陽極と陰極との間の電圧振幅を一定時間間隔にわたって測定するステップと、
ｂ）前記一定時間間隔にわたる電圧振幅を時間の関数として表すステップと、
ｃ）前記時間の関数から、前記時間間隔に対する電圧の周波数スペクトルを導出するステップと、
ｄ）前記電圧の周波数スペクトルを解析して、炉内の開放アークを示す周波数スペクトルにおける特性を判定するステップとを含んでいる。

目視観察および実験過程によって実証された本発明の１つの実施形態では、周波数スペクトルの振幅の対数値は、実質的に、周波数の対数に対する線形減少関数として表される。

より具体的には、線形減少の勾配は、−２の程度である。また、周波数スペクトルの振幅は、対数スケールで表した場合には、周波数の各１桁上昇に対して、約２桁減少する。

時間間隔の継続時間は、可変にすることができる。

本発明の方法は、連続する複数の時間間隔のそれぞれにおいて、繰り返すことができる。

電圧は、各時間間隔の中で連続的に測定することができる。しかし、実用性を考慮すると、電圧振幅を、十分に高くして、適切なサンプリングレートでサンプリングすることにより、炉内の開放アークの形成によって引き起こされる、回路要因における電圧振幅の変動を含む電圧振幅変動をも、検出できることが望ましい。

電圧振幅は、毎秒１５，０００サンプル以上のサンプリングレートでサンプリングすることができる。この値は単なる例示であり、非限定的なものである。

本発明は更に、電源と、電源に接続された陽極と陰極とを含む直流プラズマアーク炉の中で、電極によって形成される開放アークを検出するための装置にも拡張することができる。この装置は、電圧振幅を測定するための回路と、プロセッサと、弁別器とを含んでいる。電圧振幅を測定するための回路は、陽極と陰極との間の電圧振幅を、一定時間間隔にわたって測定し、プロセッサは、一定時間間隔にわたる電圧振幅の周波数スペクトルを生成し、弁別器は、電圧の周波数スペクトルを解析して、炉内の開放アークに関わる周波数スペクトルの特性を判定する。

特性は、周波数の対数の関数として表わした周波数スペクトルの振幅の対数値が、概ね線形に減少する関数として表われることである。開放アークが発生しているときには、対数に基づいて表される周波数スペクトルの振幅は、周波数各１桁の上昇に対し、約２桁の割合で減少することが、実験により確認されている。

また、ある程度スラグ中に沈んだ電極で運転されている炉では、減衰（周波数スペクトルの振幅の対数値の減少）は、周波数の各１桁に対して、−１.５桁以上であることが観測されている。アークの発生しているときの周波数スペクトルの形状は、１ｋＨｚの周辺に生じる鋭いニーポイントで、著しく変化する。これは、１〜５ｋＨｚの領域における−２ｄＢの落ち込みが、直流アーク炉内部で開放アークが発生していることを示す確かな指標であることを示している。

電圧測定を実行するための回路は、連続的に動作させることができるが、十分に高いサンプリングレートで動作することもでき、炉容器中で開放アークが生成されるために生ずる、回路の要因に起因する電圧変動を検出することができれば、望ましいことである。サンプリングレートは、要求条件に応じて変化するが、典型的には、少なくとも毎秒１５，０００サンプルである。ただし、この値は、単なる例として示す値である。

電圧の測定は、連続的に、またはサンプリングプロセスによって、一定時間間隔をもって行われ、電圧の変動は、時間の関数として表すことができる。これは、例えば高速フーリエ変換を使用して、プロセッサによって実行され、一定時間間隔の間に対する電圧の周波数スペクトルが生成される。

また、電極の動きを制御する装置を使用して、炉の操作容積の中の開放アークの有無を確認すること、また、アークの振幅（長さ）の寸法を得ることも、本発明の範囲に含まれる。このタイプの装置から導出される情報は、制御機能の中で使用することができ、また、炉のオペレータに対する案内パラメータとして使用することもできる。

本発明の例を、添付の図面を参照しながら、詳しく説明する。

本発明の方法を実施するための装置を有する直流プラズマアーク炉を示す図である。 時間の関数としてプロットした電圧振幅サンプルを示す図である。 図２に示す電圧値に対するフーリエスペクトルである。数値は、対数値で示し、勾配フィッティングを行ってある。

添付図面の図１は、直流プラズマアーク炉１０、および本発明の方法を実施するために使用される構成要素を示す。

従来構造の直流アーク炉は、内部操作容積１４を有する容器１２を含んでいる。容器は、耐火ライニング１６を有している。陽極１８は、容器の底に設けられている。陽極は、直流電源２０に接続され、直流電源２０は、制御ユニット２２により、種々の技術を使用して制御される。

電源の負端子は、クランプ２６に接続され、クランプ２６は、細長グラファイト電極３０と結合されている。細長グラファイト電極３０は、容器の頂部３６にある開口３４を通して下方に延び、操作容積１４の中に延びている。

本明細書においては、本発明の一例を、単一の電極を使用している炉を参照して記載してある。しかしながら、これは、単なる一例として示すものである。本発明の原理は、２つ以上の電極を有する炉に対しても、完全に適用可能である。

頂部には、少なくとも１つの供給口３８が形成されている。精錬されるべき材料は、この供給口を介して、操作容積１４内に導入される。

精錬装置を操作する際には、供給材料と電極の先端３０Ａとの間に形成されるアーク４０を使用して材料を精錬する。典型的には、これにより、供給材料によって、金属浴４２およびスラグ浴４４が容器の底部に形成され、スラグ浴４４が、金属浴４２の上部を覆うことになる。

電極は動作時に徐々に消費されるので、アーク４０を最適な状態に維持するために、電極昇降機４８によって、操作容積１４内で電極を移動させることにより、電極先端部の位置を移動させる。

上記で説明した種々の構成要素は、従来から使用されているものであり、これらは、本発明の背景を説明するためだけに使用されている。

電極の先端３０Ａの位置と操作容積１４の内部の条件とは、オペレータが、容易に視覚的に識別することはできない。これらの条件下で、起きる可能性があることは、少なくとも、電極の先端３０Ａが溶融浴４４と直接に接触しているとすれば、この場合には、アークが消滅し、溶融浴の抵抗加熱によって、電力が炉に供給されている。これは望ましくない状況である可能性がある。

操作容積１４の内部が、容器の外部から見ることができれば、アーク４０の存在を視覚的に確認することができる。しかしながら、操作容積の内部の温度は、炉が作動している際には、高温に達していて、１５００℃を超えている。埃や煙が大量に存在し、それが視覚を妨げている。また、高いレベルの紫外線が容積内部に存在する。従って、アーク４０の存在を、高い信頼性でもって視覚的に判定することは不可能である。更に、可能と考えられる他の技術も、例えば振動トランスデューサ、マイクロフォン等に基づくものであれば、信頼性高く、かつ安全にそれらを使用することはできない。また、これらの手法は、使用可能で適切であるとしても、複雑であり、かつ高価になると考えられる。

上記のような状況に対処するために、本発明は、図１に示す様々な追加的要素を備え、これにより、操作容積の中で、開放アークの存在の検出を可能にするものである。

電圧測定モジュール５０は、陰極と陽極との間に接続されている。このモジュールは、高電圧絶縁ケーブルと、戦略的に配置されたサージアレスタとを使用して構成されている。これにより、測定過程において、敏感な要素に対する保護を行うことができる。

炉の両端の電圧を連続的に監視することは可能である。開放アーク４０によって生ずる、電気回路の中の電圧変動を測定できるように、十分に速い速度で電圧振幅をサンプリングすることにより、満足できる十分なデータを得ることができる。典型的には、少なくとも毎秒１５，０００サンプルのサンプリングレートが採用される。

炉電圧の振幅は、所定の期間の時間間隔にわたって、選択されたサンプリングレートでサンプリングされる。電圧の振幅のサンプルは、レコーダ、およびプロセッサ５２に供給される。プロセッサ５２の出力は、更なるプロセッサ５４に接続される。プロセッサ５４は、以下で述べる説明に基づいて、高速フーリエ変換を実行する。弁別器５６を使用して、プロセッサ５４の出力を解析する。

図２は、測定で得られた曲線を示す。図２は、時間の関数として、炉電圧の振幅を表している。試験は、実験室条件下で実行された。試験は、開放空間において、グラファイト電極と陽極表面との間に生成されたアークを使用して実行された。電圧は、所定の時間区間Ｔ（Ｔの最初にアークが生成される）にわたり、毎秒１５，０００サンプルの速度でサンプリングされた。生成されたアークは、その後、グラファイト電極の先端と陽極表面との間に保持される。アークの存在は、実験区域から約１０メートル離れた安全距離に配置された高速カメラを使用して、目視で確認された。継続時間区間Ｔは、１０ミリ秒の程度である。

サンプリング過程で得られたデータは、上記したように、要素５２の中に記録される。

プロセッサ５４は、これを使用して時間関数の高速フーリエ変換を行い、これにより炉電圧の周波数スペクトルを得る。

図３は、周波数スペクトルの対数値（横軸）の関数として炉電圧の対数値（縦軸）を示している。周波数スペクトルの振幅は、 約５００Ｈｚ〜５ｋＨｚの周波数範囲にわたって、周波数１桁に対して約２桁の割合で低下している。周波数スペクトルは、約５ｋＨｚを超えても下降し続ける可能性があるが、これは、まだ実験的に確認されてはいない。

図３の曲線におけるフィッティングで得られた勾配線６０は、約−２の値を持ち、これは、１桁当たり２桁の炉電圧の下降を示している。

弁別器５６は、前記曲線の負勾配を識別することができる。適切な制御技術を使用して、弁別器５６からの出力に応答することにより、制御装置４８は、電極３０の位置を自動的に調整して、操作容積１４の中で開放アークを維持することができる。また、装置から供給される情報を利用して、１つ以上の案内パラメータを得て、この案内パラメータを使用して、オペレータが、手動、または半自動で、炉の動作条件を制御することもできる。

１０ 直流プラズマアーク炉
１２ 容器
１４ 内部操作容積
１６ 耐火ライニング
１８ 陽極
２０ 直流電源
２２ 制御ユニット
２６ クランプ
３０ グラファイト電極
３０Ａ 電極の先端
３４ 開口
３６ 頂部
３８ 供給口
４０ アーク
４２ 金属浴
４４ スラグ浴
４８ 電極昇降機
５０ 電圧測定モジュール
５２ プロセッサ
５４ 更なるプロセッサ
５６ 弁別器
６０ フィッティングで得られた勾配線

Claims (6)

1. 電源と、前記電源に接続された陽極および陰極とを含む直流プラズマアーク炉内の開放アークを検出する方法であって、
   ａ）前記陽極と前記陰極との間の電圧振幅を、一定時間間隔にわたって測定するステップと、
   ｂ）前記一定時間間隔にわたる前記電圧振幅を、時間の関数として表現するステップと、
   ｃ）前記時間関数から、前記時間間隔に対する前記電圧の周波数スペクトルを導出するステップと、
   ｄ）前記電圧の前記周波数スペクトルを解析して、前記炉内の開放アークを示す前記周波数スペクトルにおける特性を判定するステップとを含み、
   前記特性は、前記周波数スペクトルの振幅の対数値を、前記周波数の対数の関数として表した場合に、実質的に直線減少関数となることであることを特徴とする方法。
2. ステップ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）からなる一連の処理が、所定の時間間隔ごとに繰り返して実行されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 各時間間隔において、前記電圧の前記振幅をサンプリングして、少なくとも、前記炉内の開放アーク生成による前記電圧振幅の変動を検出することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記電圧の前記振幅は、毎秒１５，０００サンプル以上のサンプリングレートでサンプリングされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 電源と、前記電源に接続された陽極および陰極とを含む直流プラズマアーク炉の中の電極によって生成される開放アークを検出するための装置であって、前記装置は、前記陽極と前記陰極との間の電圧の振幅を一定時間間隔にわたって測定するための回路と、プロセッサと、弁別器とを含み、前記プロセッサは、前記時間間隔にわたって前記電圧の周波数スペクトルを生成し、前記弁別器は、前記電圧の前記周波数スペクトルを解析して、前記炉内の開放アークに関する前記周波数スペクトルにおける特性を判定し、前記特性は、前記周波数の対数値の関数として表した前記周波数スペクトルの振幅の対数値が、実質的に線形減少関数であることであることを特徴とする装置。
6. 前記弁別器の出力信号に応答して動作可能な電極昇降機と組み合わせて使用して、前記炉内の前記陰極に接続された電極の位置を調整することを特徴とする、請求項５に記載の装置。

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