JP6634949B2

JP6634949B2 - アーク炉の温度推定方法および操業方法

Info

Publication number: JP6634949B2
Application number: JP2016086924A
Authority: JP
Inventors: 礼太齊藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2036-04-25
Also published as: JP2017197786A

Description

本発明は、電気炉の温度推定方法および操業方法に関する。

図５は、電気炉製鋼法のうちで電気炉（アーク炉）１を用いるアーク炉製鋼法を模式的に示す説明図である。図５に示すように、アーク炉製鋼法では、スクラップや合金等の装入物２を炉内に装入し、電極３から通電（アーク放電４）を行って装入物２を溶解し、溶鋼５を製造する。装入物２の溶解後に、浸漬ノズル６または上吹きノズルを用いて酸素を投入することにより目標の温度に調整した後、出鋼する。溶鋼５の温度は、電気炉１の外壁に設けられた窓ないし温度測定専用の孔（いずれも図示しない）から紙管プローブを電気炉１内に装入することにより、測定される。なお、図５における符号７はスラグ（石灰および各種酸化物・酸化鉄）であり、符号８はバーナである。

特許文献１には、従来の過酷かつ危険で信頼性に欠ける、人手による溶鋼の温度測定作業に代わって、電気炉の側壁の一部を突出させた突出部の上面に設けられた温度測定用の開口を介して、温度測定用のプローブを電気炉の内外において上下させる昇降手段と、この昇降手段自体を温度測定用のプローブとともに溶鋼温度測定位置から退避自在にする移動手段とを備える溶鋼温度連続測定装置が開示されている。

この溶鋼温度連続測定装置は、必要な時に随時または連続的に溶鋼の温度測定を行うことができ、また、地金、スクラップおよび溶材等の炉中への装入時や装入した材料が溶け落ちる際における崩落によって温度測定用プローブが損傷する可能性が少ないという特徴を有する。

特開平６−２８１３６５号公報

電気炉内の溶鋼の温度の測定作業は、作業者が炉前で行うことも、あるいは特許文献１に開示されるように専用の装置を用いて行うことも、確かに可能である。しかし、いずれの場合にあっても、通電や送酸作業を停止して行う必要があるため、電気炉の稼働効率の低下は否めない。

また、溶鋼の測温値が目標よりも低い場合には、電力や酸素をさらに投入して再昇熱を行う必要があり、処理時間の延長を招く。一方、溶鋼の測温値が目標よりも高い場合には、それだけエネルギーコストをロスすることになる。

これまで、電気炉に収容された溶鋼の温度を連続的に求める技術は開示されていない。一般的に、電気炉内の温度上昇は、単位溶鋼当たりに投入された電力と投入された酸素量とによって計算により求めることが可能であるものの、電力での昇熱効率、すなわちアークの着熱効率は、電気炉内の状況、とりわけスラグのフォーミング状況によって大きく変化する。

そこで、本発明者は鋭意検討を重ねた結果、操業時の電気炉が発生する高調波に基づくことによりアークの着熱効率を高精度で推定することができ、これにより、電気炉内に収容された溶鋼の温度を高精度で連続的に推定できることを知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成した。

本発明は以下に列記の通りである。
（１）溶銑、スクラップおよび合金を溶解する電気炉の装入物の溶解後の昇熱作業を行う際に、投入電力量と送酸量に基づいて溶鋼の温度を連続的に推定することを特徴とする電気炉の温度推定方法。
（２）さらに、前記溶鋼の温度を、操業時の前記電気炉から発生する高調波情報に基づいて、推定する１項に記載された電気炉の温度推定方法。
これにより、電力での昇熱効率を正確に把握することが可能になる。
（３）溶銑、スクラップおよび合金を溶解する電気炉を操業する際に、１項または２項に記載された電気炉の温度推定方法を用いて溶鋼の温度を推定し、推定した溶鋼の温度に基づいて、投入する電力量または酸素量を決定することを特徴とする電気炉の操業方法。

本発明により、電気炉で通電や送酸による昇熱を行う際に、溶鋼の温度を、実際に測定するのではなく、連続的に推定して求めることができ、これにより、溶鋼の不要な再昇熱や過昇熱を防止でき、電気炉の稼働効率の向上や、処理時間の短縮化、さらにはエネルギーコストの低減を図ることが可能になる。

図１は、スラグフォーミングとアーク着熱効率との関係を模式的に示す説明図である。図２は、高調波と着熱効率の関係を示すグラフである。図３は、従来モデルと本発明モデルの精度を比較して示すグラフである。図４は、実温度推移とモデル温度推移を比較して示すグラフである。図５は、電気炉製鋼法のうちで電気炉（アーク炉）を用いるアーク炉製鋼法を模式的に示す説明図である。

本発明の特徴は、電気炉から発生する高調波情報とアークでの着熱効率を関連づけたこと、つまり、電気炉内の溶鋼の温度上昇は、単位溶鋼あたりに投入された電力と、投入された酸素量と、電気炉が発生する高調波を用いて高精度で推定される電力での昇熱効率（アークの着熱効率）とによって計算により求める点にある。この特徴を説明する。

溶鋼の温度上昇ΔＴは、対象物の質量ｍと比熱Ｃｐ，投入された熱量Ｑによって（１）式のように書き表せる。

（１）式をΔＴについて解いてさらに電力、酸素それぞれでの投入エネルギーと適当な効率を用いることにより（２）式を得ることができる。

（２）式において、Ｍは炉内装入物重量（ｔｏｎ）であり、Ｃ_ｐは溶鋼比熱（＝０．２１ｋＷｈ／ｔ／℃）であり、η_１は電力での（アークでの）着熱効率（％）であり、Ｅ_ｅｌｅは投入電力量（ｋＷｈ）であり、Ｖ_ｏ２は送酸量（Ｎｍ^３）であり、Ｐ_３はＣ，Ｓｉの燃焼熱（℃・ｔ／Ｎｍ^３）である。

従来は、（２）式における着熱効率η_１を一定値として溶鋼の温度上昇ΔＴを推定演算していた。

図１は、スラグフォーミングとアーク着熱効率との関係を模式的に示す説明図である。

図１に示すように、着熱効率η_１は、実際には、炉内のスラグフォーミング状況に応じて大きく変化する。すなわち、図１に示すように、アークがスラグでカバーされると輻射熱ロスが低下し、着熱効率η_１は向上する。一方、アークを覆うようなスラグフォーミングが起こると、電気炉から発生する高調波レベルは低下する傾向にある。これに対し、アークがスラグで十分にカバーされないと、輻射熱ロスが増加して着熱効率η_１が低下するとともに、電気炉から発生する高調波レベルは増加する傾向にある

図２は、高調波と着熱効率の関係を示すグラフである。
図２にグラフで示す関係を式で表すと、（３）式となる。

（３）式におけるω（ｔ）は、高調波情報であって、代表的には、電極に供給される電流を発生するトランスからの電気信号であるが、電気炉が発生するノイズ等により代用可能である。

（２）式および（３）式から、電気炉に収容された溶鋼の温度を連続的に推定することが可能である。

なお、本発明は、電気炉が交流アーク炉または直流アーク炉のいずれの場合にも適用される。いずれのアーク炉のアーク現象は、過渡現象が連続的に続く状態であり、一般電源では見られない２調波、３調波などの高調波が発生するが、本発明で用いる高調波情報は、これら２調波、３調波などを用いることができる。

以下に列記の仕様の電気炉（アーク炉）を用いて、通電や送酸による昇熱を行う際に、溶鋼の温度を、高調波を考慮せずに（２）式における着熱効率η_１を一定として溶鋼の温度上昇ΔＴを求める従来モデル（○印）と、高調波を考慮して（２）式における着熱効率η_１を（３）式により求めて溶鋼の温度上昇ΔＴを求める本発明モデル（●印）とを用いて、推定した。

［電気炉仕様］
・８０ｔ
・トランス；４０，０００（ｋＶＡ）
・二次電圧；２８０〜６２０（Ｖ）
・一次電圧；３３，０００（ｋＶ）
・三相交流
・Ｃガスバーナー×１基
・酸素インジェクション×２基
・炉殻径；φ６，１００
・炉殻高さ；４，３００Ｈ

図３に、従来モデル（○印）、本発明モデル（●印）それぞれのモデル精度（計算温度と実績温度の差）を比較してグラフで示す。

また、図４（ａ）は、電気炉内の溶鋼の温度の実測推移（●印）と、上記従来モデルによる推定温度曲線の一例を示すグラフであり、図４（ｂ）は、電気炉内の溶鋼の温度の実測推移（●印）と、上記本発明モデルによる推定温度曲線と、高調波情報の一例を示すグラフである。図４（ｂ）のグラフでは、実線は推定温度曲線の推移を示し、破線は高調波情報を示す。

図３，４のグラフから理解されるように、本発明により、計算温度と実績温度の差は、従来モデルよりも本発明モデルは小さくなっている（図３）とともに、本発明により高調波の高低に応じて連続して溶鋼の温度を連続して推定できることがわかる（図４）。このように、本発明により、溶鋼の温度を極めて高い測定精度で連続的に推定できることがわかる。

１電気炉（アーク炉）
２装入物
３電極
４アーク放電
５溶鋼
６浸漬ノズル
７スラグ（石灰および各種酸化物・酸化鉄）
８バーナ

Claims

溶銑、スクラップおよび合金を溶解するアーク炉の装入物の溶解後の昇熱作業を行う際に、投入電力量と、送酸量と、操業時の前記アーク炉から発生する高調波情報とを用いた式（２）及び式（３）に基づいて溶鋼の温度を連続的に推定することを特徴とするアーク炉の温度推定方法。
ここで、ΔＴは溶鋼の温度上昇（℃）であり、Ｍは炉内装入物重量（ｔｏｎ）であり、Ｃ _ｐは溶鋼比熱（＝０．２１ｋＷｈ／ｔ／℃）であり、η _１は電力での（アークでの）着熱効率（％）であり、Ｅ _ｅｌｅは投入電力量（ｋＷｈ）であり、Ｖ _ｏ２は送酸量（Ｎｍ ^３）であり、Ｐ _３はＣ，Ｓｉの燃焼熱（℃・ｔ／Ｎｍ ^３）であり、ω（ｔ）は高調波情報である。
溶銑、スクラップおよび合金を溶解するアーク炉を操業する際に、請求項１に記載されたアーク炉の温度推定方法を用いて溶鋼の温度を推定し、推定した溶鋼の温度に基づいて、投入する電力量または酸素量を決定することを特徴とするアーク炉の操業方法。