JP7347675B2 - 撮像装置付きバーナー、該バーナーを備える電気炉、及び、該電気炉を用いた溶鉄の製造方法 - Google Patents
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Description
溶解室内の様子は、もちろん、出滓用扉、炉蓋などを開けて確認することが考えられるが、開放時に炉外から炉内へと余分な空気が侵入し、大きな熱ロスを招く。更には、オペレーターが炉体近くまで近寄る必要があり、溶鉄又はスラグの突沸時には災害になりかねない。したがって、バーナーを点火・消火するタイミングの最適化は、事実上困難であり、溶鉄の効率的な製造には課題があった。
1.気体燃料を燃焼させて火炎を形成するバーナーであって、
レンズと、
前記レンズの撮像対象物側を前方とし、光軸方向に前記撮像対象物とは反対側を後方としたときに、
前記レンズの後方に設けられた撮像装置と、
前記レンズを内包する内管と、
前記内管よりも径が大きく、前記内管との間にレンズ冷却媒体用通路を隔てて前記内管を内包する外管と、
前記外管の径方向外側に設けられた、前記気体燃料を前記レンズの前方方向に噴射する気体燃料管、及び、支燃性気体を前記レンズの前方方向に噴射する支燃性気体管と、
前記気体燃料管及び前記支燃性気体管を内包し、最外部に設けられた冷却管と、
を有する多重管構造である、撮像装置付きバーナー。
前記支燃性気体管が、前記気体燃料管よりも径が大きく、前記気体燃料管との間に支燃性気体用通路を隔てて前記気体燃料管を内包し、
前記冷却管が、前記支燃性気体管よりも径が大きく、前記支燃性気体管との間にバーナー本体冷却媒体用通路を隔てて前記支燃性気体管を内包し、
前記内管、前記外管、前記気体燃料管、前記支燃性気体管及び前記冷却管が同軸状に配置される、前記1に記載の撮像装置付きバーナー。
前記撮像装置付きバーナーから得られた視覚情報に基づき前記撮像装置付きバーナーの操作条件を制御する、溶鉄の製造方法。
被加熱物が加熱される炉内の様子を観察しながらバーナーを操作できれば、例えば、電気炉で冷鉄源を溶解して溶鉄を得る際に、コールドスポットに存在する冷鉄源を効率的に溶解して溶鉄温度を均一に制御できるので、製造コストの低減に有効であり、産業上格別の効果を奏する。
以下の実施形態は、本発明の好適な一例を示すものであり、これらの例によって何ら限定されるものではない。
本発明の撮像装置付きバーナーは、レンズと、撮像装置と、レンズを内包する内管と、内管を内包する外管と、気体燃料を噴射する気体燃料管と、支燃性気体を噴射する支燃性気体管と、最外部に設けられた冷却管とを有する所定の多重管構造である。本発明の撮像装置付きバーナーが上記所定の構造であることにより、1000℃を超える非常に高温下であっても、バーナーで被加熱物が加熱される様子を鮮明に観察することができる。したがって、本発明のバーナーでは、例えば、電気炉などの非常に高温下において、このバーナーによる加熱状況を視覚的に確認しながら操作条件を制御することができる。その結果、例えば、電気炉において冷鉄源から溶鉄を製造するにあたり、バーナーによる冷鉄源の溶解効率を向上させ、製造コストを低減することができる。本発明のバーナーは、電気炉において冷鉄源から溶鉄を製造する際に、いわゆるコールドスポットに存在する未溶解の冷鉄源の溶解を促進させる、助燃バーナーとして、とりわけ好適に使用可能である。
以下、本発明のバーナーの好適な実施形態について、図を参照して詳述する。
バーナー1は、レンズ7及びレンズ7の後方に撮像装置8を有する。レンズ7は、複数のレンズからなるリレーレンズであることが好ましい。リレーレンズであれば、軸方向の長さを利用して、レンズ7の前面と撮像装置8とを離間させることができる。これにより、例えば、バーナー1を電気炉90に設置する際に、撮像対象物を炉内で鮮明に捉えるべくレンズ7の前面を炉内に位置させつつ、撮像装置8を高熱から守り、メンテナンスも簡易にすべく撮像装置8を炉外に位置させるように設置することができる。
撮像装置8は、レンズ7の後方に設けられ、レンズ7によって結像された対象物の像を撮像及び必要に応じて記録する。例えばバーナー1が電気炉90に設置される場合は、上述のとおり、撮像装置8は電気炉90の炉外に設置されることが好ましい。撮像装置8は、通常、カメラであり、ハウジング83により保護することが好ましい。また、撮像装置8を電気炉90の熱から更に保護するため、ハウジング83の任意の位置に設けられた冷却媒体供給口81及び冷却媒体排出口82を通じて、撮像装置冷却媒体80を流すことが好ましい。撮像装置冷却媒体80は、水などの液体でも任意の気体でもよいが、取扱の容易性からは気体であることが好ましく、空気、又は、窒素などの不活性ガスがより好ましい。
撮像装置8で取り込んだ映像は、一般的には、ケーブル(図示せず)を介して、オペレーターが操作する操作室のモニターや記録装置(いずれも、図示せず)へ繋ぐ。
内管6は、レンズ7を内包する。内管6がレンズ7を内包することにより、レンズ7を固定するとともに、レンズ7を熱や付着物等の周辺環境から物理的に保護することができる。内管6は、ハウジング83と接続されて撮像装置8を更に固定してもよい。内管6の外径は特に限定されないが、後述するレンズ冷却媒体70の流量を確保しつつコストを抑える観点からは、100mm以下とすることが好ましく、通常20mm以上とすることができる。
内管6は管形状とすることができ、材質は使用する雰囲気温度と設置する場所の強度との関係で適切に選択すればよい。コストの観点からは、炭素鋼、ステンレス鋼などを選ぶのが望ましい。
レンズ7がリレーレンズの場合、内管6とレンズ7とは同軸状に配置されることが好ましい。
外管5は、内管6よりも径が大きく、内管6との間にレンズ冷却媒体用通路を隔てて内管6を内包する。外管5が内管6を内包した多重管構造とすることにより、レンズ7を高熱の周辺環境からより保護することができる。また、外管5がレンズ冷却媒体用通路を隔てて内管6を内包することにより、この通路を通じて内管6と外管5との間の空間にレンズ冷却媒体70を流し、レンズ7を高熱の周辺環境から一層保護することができる。例えば、外管5の図1に示す位置に設けられた冷却媒体供給口71及び冷却媒体吐出口72を通じて、レンズ冷却媒体70をレンズ7の前方方向に吐出させれば、電気炉90の炉内から飛散してくる溶鉄96や溶融スラグを吹き飛ばして、これらがレンズ前面に付着・堆積することを回避するのに有効に利用することもできる。
例えば電気炉90内の溶鉄96の成分に影響を与えることなく、電気炉90内にレンズ冷却媒体70を吐出するためには、レンズ冷却媒体70は気体であることが好ましく、空気、又は、窒素などの不活性ガスがより好適に挙げられる。レンズ冷却媒体70の流量は、50NL/分以上が好ましい。なお、単位「NL/分」とは、本発明の技術分野において一般に用いられる流量の単位であり、通常、「L/分」として扱うことができる。
外管5は、ハウジング83と接続されて撮像装置8を更に固定してもよい。外管5の内径及び外径は特に限定されないが、レンズ冷却媒体70の流量を確保しつつコストを抑える観点からは、内径を120mm以下とすることが好ましく、30mm以上とすることができる。また、後述する気体燃料40の流量を確保しつつコストを抑える観点からは、外径を40mm以上とすることが好ましい。
外管5は管形状とすることができ、材質は使用する雰囲気温度と設置する場所の強度との関係で適切に選択すればよい。コストの観点からは、炭素鋼、ステンレス鋼などを選ぶのが望ましい。
レンズ7がリレーレンズの場合、外管5と内管6とレンズ7とは同軸状に配置されることが好ましい。また、外管5の軸方向における開口部(図1の外管5の紙面左側先端)は、内管6の軸方向における開口部(図1の内管6の紙面左側先端)よりも、レンズ7の前方方向に位置することが好ましい。このように、レンズ7の前面を奥まらせることにより、例えば電気炉90の炉内から飛散してくる溶鉄96や溶融スラグがレンズ前面に付着・堆積することをより良好に回避できる。
気体燃料管4は、外管5の径方向外側に設けられ、気体燃料40をレンズ7の前方方向に噴射する。この噴射された気体燃料40が例えば電気炉90内で燃焼されることにより、バーナー1から火炎が形成されて、未溶解の冷鉄源94を狙って溶解させることができる。
気体燃料管4は、図1及び図2Aに例示するように、外管5よりも径が大きく、外管5との間に気体燃料用通路を隔てて外管5を内包するように配置してもよいし、図2Bに例示するように、外管5の外周近傍に単数又は複数配置してもよい。中でも、図1及び図2Aに例示する配置が好ましい。気体燃料管4が外管5を更に内包した多重管構造とすることにより、レンズ7を高熱の周辺環境から更に保護することができる。また、気体燃料管4が気体燃料用通路を隔てて外管5を内包することにより、この通路を通じて外管5と気体燃料管4との間の空間に外管5を囲むように気体燃料40を噴射できるので、例えば、電気炉90の炉内から飛散してくる溶鉄96や溶融スラグを気体燃料40でも吹き飛ばして、これらがレンズ前面に付着・堆積することを回避するのに有効に利用することもできる。気体燃料40は、例えば、気体燃料管4の図1に示す位置に設けられた気体燃料供給口41及び気体燃料噴射口42を通じて、レンズ7の前方方向に噴射させることができる。
気体燃料40としては、例えば、LPG(液化石油ガス)、LNG(液化天然ガス)、水素、製鉄所副生ガス(Cガス、Bガス等)、これらの2種以上の混合ガスなどが挙げられ、これらを単独で又は組み合わせて用いることができる。
気体燃料40の流量は、150NL/分以上が好ましい。気体燃料管4は、外管5と接続して固定してもよい。気体燃料管4の内径及び外径は特に限定されないが、気体燃料管4が外管5を内包する場合、気体燃料40の流量を確保しつつコストを抑える観点からは、内径を140mm以下とすることが好ましく、40mm超とすることができる。また、後述する支燃性気体30の流量を確保しつつコストを抑える観点からは、外径を50mm以上とすることが好ましい。
気体燃料管4は管形状とすることができ、材質は使用する雰囲気温度と設置する場所の強度との関係で適切に選択すればよい。コストの観点からは、炭素鋼、ステンレス鋼などを選ぶのが望ましい。
レンズ7がリレーレンズの場合、気体燃料管4と外管5と内管6とレンズ7とは同軸状に配置されることが好ましい。また、気体燃料管4の軸方向における開口部(図1の気体燃料管4の紙面左側先端)は、外管5の軸方向における開口部(図1の外管5の紙面左側先端)よりも更に、レンズ7の前方方向に位置することが好ましい。このように、レンズ7の前面を更に奥まらせることにより、例えば電気炉90の炉内から飛散してくる溶鉄96や溶融スラグがレンズ前面に付着・堆積することを更に良好に回避できる。
支燃性気体管3は、外管5の径方向外側に設けられ、支燃性気体30をレンズ7の前方方向に噴射する。この噴射された支燃性気体30が上述の気体燃料40の燃焼を促進し、例えば電気炉90内で気体燃料40を燃焼されることにより、バーナー1から火炎が形成されて、未溶解の冷鉄源94を狙って溶解させることができる。
支燃性気体管3は、図1及び図2Aに例示するように、気体燃料管4よりも径が大きく、気体燃料管4との間に支燃性気体用通路を隔てて気体燃料管4を内包するように配置してもよいし、図2Bに例示するように、外管5の外周近傍に単数又は複数配置してもよい。中でも、図1及び図2Aに例示する配置が好ましい。支燃性気体管3が気体燃料管4を更に内包した四重管構造とすることにより、レンズ7を高熱の周辺環境から更に保護することができる。また、支燃性気体管3が支燃性気体用通路を隔てて気体燃料管4を内包することにより、この通路を通じて気体燃料管4と支燃性気体管3との間の空間に気体燃料管4を囲むように支燃性気体30を噴射できるので、例えば、電気炉90の炉内から飛散してくる溶鉄96や溶融スラグを支燃性気体30で吹き飛ばしてレンズ前面に付着・堆積することを良好に回避することもできる。支燃性気体30は、例えば、支燃性気体管3の図1に示す位置に設けられた支燃性気体供給口31及び支燃性気体噴射口32を通じて、レンズ7の前方方向に噴射させることができる。
支燃性気体30としては、純酸素(工業用酸素)、酸素富化空気、空気のいずれを用いてもよいが、電気炉90で冷鉄源94を溶解させる場合には純酸素を用いることが好ましい。
支燃性気体30の流量は、300NL/分以上が好ましい。支燃性気体管3は、気体燃料管4と接続して固定してもよい。支燃性気体管3の内径及び外径は特に限定されないが、支燃性気体管3が気体燃料管4を内包する場合、支燃性気体30の流量を確保しつつコストを抑える観点からは、内径を150mm以下とすることが好ましく、50mm超とすることができる。
支燃性気体管3は管形状とすることができ、材質は使用する雰囲気温度と設置する場所の強度との関係で適切に選択すればよい。コストの観点からは、炭素鋼、ステンレス鋼などを選ぶのが望ましい。
レンズ7がリレーレンズの場合、支燃性気体管3と、気体燃料管4と外管5と内管6とレンズ7とは同軸状に配置されることが好ましい。
冷却管2は、気体燃料管4及び支燃性気体管3を内包し、バーナー本体の最外部に設けられる。例えば、冷却管2の図1に示す位置に設けられた冷却媒体供給口21及び冷却媒体排出口22を通じて、バーナー本体冷却媒体20を流せば、電気炉90などの高温環境下でもバーナー本体を冷却しながら使用することができる。例えば電気炉90で冷鉄源94から溶鉄96を得る際でも、冷却媒体排出口22を通じてバーナー本体冷却媒体20を炉外に排出することができるので、冷却効率の観点からは、バーナー本体冷却媒体20が液体であることが好ましく、水が好適に用いられる。
なお、バーナー1を高温下で使用する際には、冷却管2の前方先端から氷柱状の塊が形成される場合がある。このような場合であっても、バーナー1の火炎により氷柱状の塊を溶かし消すことができるので、映像視野を鮮明に保つことができる。
冷却管2の材質は使用する雰囲気温度と設置する場所の強度との関係で適切に選択すればよい。コストの観点からは、炭素鋼、ステンレス鋼などを選ぶのが望ましい。
本発明の電気炉は、冷鉄源を溶解して溶鉄を得るための電気炉であり、上述した撮像装置付きバーナーを備えることを特徴とする。電気炉が所定の撮像装置付きバーナーを備えることにより、コールドスポットに存在する冷鉄源がバーナーで溶解される様子を視覚的に確認しながらバーナーを操作することができる。したがって、バーナーによる不十分な溶解及び過剰な溶解を防ぎ、溶解効率を高め、製造コストを低減することができる。
本発明の製造方法は、冷鉄源を溶解して溶鉄を得る方法であり、上述した撮像装置付きバーナーから得られた視覚情報に基づきバーナーの操作条件を制御することを特徴とする。そして、本発明の製造方法では、上述した本発明の電気炉と同様の効果が得られる。
従来のバーナーは撮像装置8を有さず、バーナーを操作しながら冷鉄源94の溶解状態を実際に確認することはできなかった。したがって、従来技術では、オペレーターの経験によってバーナーを操作しており、未溶解の冷鉄源を残さないようにバーナーを過剰に使用する傾向があった。しかしながら本発明では、冷鉄源の溶解状態を視覚的に確認しながらバーナーの操作条件を適時制御できるので、バーナーの操作条件を最適化し、未溶解の冷鉄源94に対して高効率に対処することが可能となった。
図1に示すバーナー1を図3及び4に模式的に示すように設置した電気炉90を用いて、冷鉄源94を溶解して溶鉄96を製造した。電気炉90は、炉径が約6.3m、炉高が4.1m、出鋼量が約120トンであり、水冷式の酸素吹込みランス97及び炭材吹込みランス98が上方から炉内に設置され、炉の水平方向略中心に電極92が1本設置された直流タイプを用いた。バーナー1(♯1,♯2,♯3)は、炉壁を貫通させて、炉体の外周を略3等分した計3か所に1基ずつ設置した(図3を参照)。
冷鉄源の1チャージ当たりの供給量:約130トン
冷鉄源の1回当たりの供給量:約65トン
冷鉄源の1チャージ当たりの供給回数:2回
冷鉄源の種類:ヘビーH2(日本鉄源協会「鉄系スクラップ検収統一規格」より)
1チャージ分の出鋼量:約120トン
目標出鋼温度:1580℃
目標出鋼炭素濃度:0.060%
コークス塊の供給量(副原料):1000kg
石灰の供給量(副原料):500kg
酸素吹込み流量(純酸素):0~5000Nm3/hr
炭材吹込み速度(粉コークス):0~100kg/min、炭材搬送ガス流量(空気):約350Nm3/hr
バーナー1基あたりの気体燃料の流量(LNG):0~350Nm3/hr
バーナー1基あたりの支燃性気体の流量(純酸素):0~770Nm3/hr
バーナー1基あたりのレンズ冷却媒体の流量(空気):8Nm3/hr
酸素吹込みランス97及び炭材吹込みランス98から、それぞれ純酸素及び粉コークスを供給しながら、冷鉄源94を溶解した。
また、バーナー1からの視覚情報により、レンズ7上に付着物が確認された場合は、この付着物を撮像したバーナー1の支燃性気体30の流量、及び必要に応じて気体燃料40の流量を上記範囲内で高めて、付着物が取り除かれたことが確認されるまで噴射した。これにより、操業中を通じて鮮明な映像視野を確保できた。
製造時間、電力原単位、酸素原単位、炭材原単位、バーナー1基あたりの気体燃料原単位及び支燃性気体原単位の平均を算出した。結果を表1に示す。ここで、各原単位は、出鋼された溶鉄の容量1トン当たりの各使用量として算出可能である。
発明例2では、以下の点を除いて発明例1と同様の条件で溶鉄96を20チャージ分製造した。すなわち、発明例2では、溶解プロセス中に更に、バーナー1により、酸素吹込みランス97及び炭材吹込みランス98周辺の冷鉄源94も観察し、その視覚情報に基づいて酸素吹込みランス97及び炭材吹込みランス98の操作条件も適宜変更した。具体的には、未溶解の冷鉄源94が確認された場合は、酸素吹込みランス97からの吹込み流量及び炭材吹込みランス98からの吹込み速度を上記範囲内で高めた。一方、冷鉄源94が全て溶解して溶鉄96となったことが確認された場合は、酸素吹込みランス97からの吹込み流量及び炭材吹込みランス98からの吹込み速度を上記範囲内で低める、又は、吹込みを停止した。
出鋼時の溶鉄96の目標温度が約1580℃、出鋼された溶鉄96中の目標炭素濃度が0.060質量%であるところ、発明例2では、出鋼時の平均溶鉄温度が1590℃、平均炭素濃度が0.058質量%であった。
製造時間、電力原単位、酸素原単位、炭材原単位、バーナー1基あたりの気体燃料原単位及び支燃性気体原単位の平均を算出した。結果を表1に示す。
バーナー1の撮像装置8を使用せず、冷鉄源94の溶解状態を視覚的に確認することなく、オペレーターの経験によってバーナー1の操作条件を制御した。それ以外は発明例と同様の条件で溶鉄96を20チャージ分製造した。
出鋼時の溶鉄96の目標温度が約1580℃、出鋼された溶鉄96中の目標炭素濃度が0.060質量%であるところ、比較例では、出鋼時の平均溶鉄温度が1640℃、平均炭素濃度が0.054質量%であった。
製造時間、電力原単位、酸素原単位、炭材原単位、バーナー1基あたりの気体燃料原単位及び支燃性気体原単位の平均を算出した。結果を表1に示す。
2 冷却管
20 バーナー本体冷却媒体
21 冷却媒体供給口
22 冷却媒体排出口
3 支燃性気体管
30 支燃性気体
31 支燃性気体供給口
32 支燃性気体噴射口
4 気体燃料管
40 気体燃料
41 気体燃料供給口
42 気体燃料噴射口
5 外管
6 内管
7 レンズ
70 レンズ冷却媒体
71 冷却媒体供給口
72 冷却媒体吐出口
8 撮像装置
80 撮像装置冷却媒体
81 冷却媒体供給口
82 冷却媒体排出口
83 ハウジング
90 電気炉
92 電極
94 冷鉄源
96 溶鉄
97 酸素吹込みランス
98 炭材吹込みランス
Claims (5)
- 気体燃料を燃焼させて火炎を形成するバーナーであって、
レンズと、
前記レンズの撮像対象物側を前方とし、光軸方向に前記撮像対象物とは反対側を後方としたときに、
前記レンズの後方に設けられた撮像装置と、
前記レンズを内包する内管と、
前記内管よりも径が大きく、前記内管との間にレンズ冷却媒体用通路を隔てて前記内管を内包する外管と、
前記外管の径方向外側に設けられた、前記気体燃料を前記レンズの前方方向に噴射する気体燃料管、及び、支燃性気体を前記レンズの前方方向に噴射する支燃性気体管と、
前記気体燃料管及び前記支燃性気体管を内包し、最外部に設けられた冷却管と、
を有する多重管構造であり、
前記気体燃料管が、前記外管よりも径が大きく、前記外管との間に気体燃料用通路を隔てて前記外管を内包し、
前記支燃性気体管が、前記気体燃料管よりも径が大きく、前記気体燃料管との間に支燃性気体用通路を隔てて前記気体燃料管を内包し、
前記冷却管が、前記支燃性気体管よりも径が大きく、前記支燃性気体管との間にバーナー本体冷却媒体用通路を隔てて前記支燃性気体管を内包し、
前記内管、前記外管、前記気体燃料管、前記支燃性気体管及び前記冷却管が同軸状に配置される、撮像装置付きバーナー。 - 管の軸方向における開口部が、前記内管、前記外管、前記気体燃料管の順に、前記レンズの前方方向に位置する、請求項1に記載の撮像装置付きバーナー。
- 請求項1又は2に記載の撮像装置付きバーナーを備え、冷鉄源を溶解して溶鉄を得る電気炉。
- 請求項1又は2に記載の撮像装置付きバーナーを備えた電気炉を用いて、冷鉄源を溶解して溶鉄を得る方法であって、
前記撮像装置付きバーナーから得られた視覚情報に基づき前記撮像装置付きバーナーの操作条件を制御する、溶鉄の製造方法。 - 前記撮像装置付きバーナーから得られた視覚情報により、前記レンズの前面に付着物が存在することが確認された場合に、前記支燃性気体管からの前記支燃性気体の噴射を行うか、又は、前記支燃性気体管からの前記支燃性気体の噴射及び前記気体燃料管からの前記気体燃料の噴射を行い、前記付着物を前記レンズから取り除く、請求項4に記載の溶鉄の製造方法。
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