(57)【要約】【課題】炉体へのセンサ設置の手間を要することなく、ボーリング工程の終了を確実に判定する。  【解決手段】アーク炉３のアーク電圧Ｖを検出する計器用変圧器５２と、アーク炉３のアーク電流Ｉを検出する計器用変流器５１と、アーク炉３の電極３１の位置ｈeを検出する位置センサ４１と、検出されたアーク電圧Ｖとアーク電流Ｉよりアーク長さを算出し、検出された電極位置ｈeと算出された上記アーク長さＬとから炉内のスクラップ３２の高さｈsを推定して、推定されたスクラップ３２の高さｈsが所定の値に達した時にボーリング工程の終了を判定する制御装置４とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク炉のアーク電圧を検出する手段と、アーク炉のアーク電流を検出する手段と、検出されたアーク電圧とアーク電流よりアーク長さを算出する手段と、アーク炉のアーク電極の位置を検出する手段と、検出された電極位置と算出されたアーク長さより炉内のスクラップの高さを推定する手段と、推定されたスクラップの高さに基づいてボーリング工程の終了を判定する手段とを備えるアーク炉の炉内状態判定装置。  
【請求項２】
アーク炉のアーク電極の位置を検出する手段と、検出された電極位置より炉内のスクラップの高さを推定する手段と、推定されたスクラップの高さに基づいてボーリング工程の終了を判定する手段とを備えるアーク炉の炉内状態判定装置。  
【請求項３】
前記ボーリング工程の終了を判定する手段は、推定されたスクラップの高さの変化量が所定値を下回ったときにボーリング工程の終了と判定する請求項１又は２に記載のアーク炉の炉内状態判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアーク炉の炉内状態判定装置に関し、特に、ボーリング工程の終了を良好に判定できる炉内状態判定装置に関する。  
【背景技術】
【０００２】
アーク炉では主溶解工程に移行する前に、電極直下のスクラップ中心部を、電極を下降させつつ貫通溶解するボーリング工程を行う。このボーリング工程ではアーク電圧は低く維持されている。そして、これに続く主溶解工程では最大電力でスクラップの溶解を行う。従来は投入電力量のパターンを予め定めて、これに従ってプログラム制御的にボーリング工程から主溶解工程への切替を行っている。しかし、アーク炉ではスクラップの形状や材質等のバラツキが大きいため、プログラム制御のような一律の制御では実際のスクラップ溶解状態とのずれが大きく、適切な電力投入ができなかった。そこで、水冷パネルの排水温度を利用して炉況の検出を行うことが試みられた。また、特許文献１には、炉体の複数箇所に振動センサを設置して、これら振動センサで検出された振動レベルの低域推移を比較してボーリング工程の終了を判定する方法が示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−８３３３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、排水温度による判定は、非溶解のスクラップ残量が多い間はスクラップの溶解が進行してもそれが排水温度に反映されず、また排水温度は補助バーナの熱の影響を受けやすいということもあって、ボーリング工程の終了を確実に判定するのは困難であった。また、炉体振動による判定もその判定精度に問題があるとともに、温度が上昇する炉体の複数箇所に振動センサを設置する必要があるため設置構造の工夫や設置スペースの確保、あるいは設置のための手間を要するという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、炉体へのセンサ設置の手間を要することなく、ボーリング工程の終了を確実に判定することができるアーク炉の炉内状態判定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本第１発明では、アーク炉（３）のアーク電圧（Ｖ）を検出する手段（５２）と、アーク炉（３）のアーク電流（Ｉ）を検出する手段（５１）と、検出されたアーク電圧（Ｖ）とアーク電流（Ｉ）よりアーク長さ（Ｌ）を算出する手段（４）と、アーク炉（３）の電極（３１）の位置（ｈe）を検出する手段（４１）と、検出された電極位置（ｈe）と算出されたアーク長さ（Ｌ）より炉内のスクラップ（３２）の高さ（ｈs）を推定する手段（４）と、推定されたスクラップ（３２）の高さ（ｈs）に基づいてボーリング工程の終了を判定する手段（４）とを備える。
【０００７】
本第１発明においては、アーク電圧とアーク電流より算出されるアーク長さと、検出された電極位置とから炉内のスクラップの高さを推定し、これに基づいてボーリング工程の終了を判定しているから、従来のような炉体へのセンサの設置を行うことなく、確実にボーリング工程の終了を判定することができる。この場合のボーリング工程の終了は、スクラップの高さが所定値まで低下したことにより行うことができる。  
【０００８】
上記アーク長さが、予め知られた一定長さで近似できる場合には、以下の構成を採用することができる。すなわち、本第２発明では、アーク炉の電極（３１）の位置を検出する手段（４１）と、検出された電極位置より炉内のスクラップの高さ（ｈs）を推定する手段と、推定されたスクラップの高さ（ｈs）に基づいてボーリング工程の終了を判定する手段（４）とを備えている。本第２発明によれば、検出された電極位置より炉内のスクラップの高さを推定し、これに基づいてボーリング工程の終了を判定することができるから、本第１発明と同様の効果を得ることができる。また、本第２発明によれば、アーク電圧とアーク電流の検出手段、およびこれらからアーク長さを算出する手段が不要である。  
【０００９】
本第３発明では、前記ボーリング工程の終了を判定する手段（４）は、推定されたスクラップ（３２）の高さ（ｈs）の変化量（ｈsd）が所定値を下回ったときにボーリング工程の終了と判定する。本第３発明においては、炉床耐火物の消耗や投入スクラップ量の多少によるスクラップ高さの変動に影響されることなく、より確実にボーリング工程の終了を判定することができる。
【００１０】
なお、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。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明のアーク炉の炉内状態判定装置によれば、炉体へのセンサ設置の手間や設置スペースの確保を要することなく、ボーリング工程の終了を確実に判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１実施形態）
図１に本発明の状態判定装置を備えるアーク炉給電系の構成を示す。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、状態判定装置を兼ねる制御装置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、それぞれ制御部４へ二次側回路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。なお、主回路１から電極３１の間は実際には三相交流であることが多いが、炉用変圧器２の直後に整流装置が挿入される直流アーク炉に対しても本発明は適用可能である。
【００１３】
電極３１は電極昇降機構６１に保持されて昇降可能となっている。電極昇降装置６２は制御装置４からの電流指令信号４ｂを受けて、電極昇降駆動装置６３を介して上記電極昇降機構６１により電極３１を炉内のスクラップ３２に対して適宜上昇ないし下降させる。電極３１は実際には図２に示すように、その上端部が支腕６４の先端に保持されて上下動させられる。支腕６４の位置として基準位置（例えばシルレベル）Ｌdからの高さｈeが既存の位置センサ４１（図１）によって検出されており、検出された支腕位置ｈeが制御装置４へ入力している。
【００１４】
ＣＰＵを備える上記制御装置４は、支腕６４の高さ位置（電極位置）をｈeとし、電極長さをｌe、アーク長をＬとして、式（１）によって、基準位置Ｌdからのスクラップ３２の高さｈsを算出する（図２参照）。
ｈs＝ｈe−ｌe−Ｌ…（１）
ここで、電極長さｌeは一定値として予め知られており、また、アーク長Ｌは、いわゆるエアトンの式（２）を変形した式（３）より制御装置４内で算出される。
Ｖ＝ａ＋ｂＬ＋（ｃ＋ｄＬ）／Ｉ…（２）
Ｌ＝（Ｖ−ａ−ｃ／Ｉ）／（ｂ＋ｄ／Ｉ）…（３）
式（２）、式（３）中、Ｖは上述のアーク電圧、Ｉはアーク電流、ａ，ｂ，ｃ，ｄは、電極材料によって定まる定数である。ちなみに、電極が炭素棒である場合の上記定数の一例は、ａ＝２０．８（Ｖ）、ｂ＝４６．２（Ｖ／ｃｍ）、ｃ＝１２．２（Ｗ）、ｄ＝２１０（Ｗ／ｃｍ）である。
【００１５】
ボーリング工程は、電極３１直下のスクラップ３２（図３）が溶解されてその中心部が掘り下げられるもので、ボーリング工程の終わりには電極３１直下のスクラップ３２が溶湯３２１となるためスクラップ高さｈsは溶湯面ということになり、これはほぼ所定の値になる。そこで、式（１）で算出されるスクラップ高さｈsが所定値ｈｓｔ（例えば１００ｍｍ）まで低下した段階で制御装置４においてボーリング工程の終了と判定する。なお、スクラップ高さｈｓは、原料重量から計算可能な溶鋼量や炉底耐火物の減耗によって変動するから、これら溶鋼量や炉底耐火物の減耗に応じて上記所定値ｈｓｔの値を変化させると良い。
【００１６】
このような本実施形態によれば、スクラップ高さｈsを算出推定することによって、温度上昇する炉体へのセンサ設置のスペースや手間を要することなく、ボーリング工程の終了を確実に判定して次工程の主溶解工程へ移行することができる。
【００１７】
（第２実施形態）
上記第１実施形態ではアーク長Ｌを式（３）で算出していたが、実際の操業ではアーク電圧Ｖが５００（Ｖ）程度、アーク電流Ｉはアーク電圧とは二桁違う３００００〜５００００（Ａ）である。したがって、式（３）は式（４）のように簡略化でき、定数ａ，ｂに上記値を採用すると、アーク長さＬは１００ｍｍ程度の一定長さで近似することができる。
Ｌ＝（Ｖ−ａ）／ｂ…（４）
【００１８】
一方、電極長さｌｅは以下のように推定される。例えば図４に示す操業時の電極位置ｈｅの変化グラフから、電極位置ｈｅの最低値が６２００ｍｍと読み取られる。電極位置ｈｅが最低値を示すのは、スクラップが溶解した状態にあり、溶解時のスクラップ高さｈｓｏが零であると仮定すると、上記最低値からアーク長さＬ（＝１００ｍｍ）を引いて電極長さｌｅは６１００ｍｍと推定できる。ここで、図４の横軸の時刻単位は分・秒である。なお、スクラップ溶解時のスクラップ高さｈｓｏは、実際には前チャージのスクラップ高さｈｓの実績値やスクラップ装入量の実績値、および今チャージのスクラップ装入量の実績値等より推定される。
【００１９】
これにより本実施形態では、アーク電流Ｉやアーク電圧Ｖを検出することなく、制御装置４において電極位置ｈｅを検出するだけで、下式（５）より、スクラップ高さｈｓを推定することができ、スクラップ高さｈｓが所定値ｈｓｔ（例えば１００ｍｍ）まで低下した段階で制御装置４においてボーリング工程の終了が判定される。
ｈs＝ｈe−（６１００＋１００）
＝ｈｅ−６２００…（５）
【００２０】
本実施形態によれば、電極位置ｈｅからのみでスクラップ高さｈsを算出推定できるから、第１実施形態に比してさらに簡易な構成で、ボーリング工程の終了を確実に判定して次工程の主溶解工程へ移行することができる。なお、電極長さｌｅとしては、スクラップ装入等で電極を炉外へ引き出した際に測長装置で測った値を使用することもできる。
【００２１】
（第３実施形態）
第１および第２実施形態ではスクラップ高さｈsが溶湯面の高さである所定値に至ったときにボーリング工程の終了と判定したが、溶湯面の高さは炉床耐火物の消耗や投入スクラップ量の多少によって、ある程度変動する。そこで、本実施形態では、ボーリング工程の終わりになると電極３１直下のスクラップ３２が、高さ変動の少ない溶湯になることに注目して、制御装置４はスクラップ高さｈsの変化量ｈsdが所定値を下回ったときにボーリング工程の終了と判定する。これによれば、炉床耐火物の消耗や投入スクラップ量の多少による湯面変動の影響を受けることなく、より確実にボーリング工程の終了を判定することができる。
【００２２】
（他の実施形態）
上記各実施形態では電極長さｌeを一定としたが、電極３１は実際には通電によって消耗し短くなるから、通電電力量によって電極長さｌeの値を補正すると、さらにスクラップ高さｈsを正確に得ることができ、ボーリング工程の終了をより確実に判定することができる。また、電極３１は酸化によっても消耗し短くなるなるから、通電電力量に加えて使用時間によっても電極長さｌeの値を補正すると良い。
【００２３】
式（１）によってスクラップ高さhｓの値を経時的に知ることができるから、例えば図５に示すように、スクラップ高さｈsに応じて電極３１直下のスクラップ中心部３２の凹所３２２が下方へ延びる（図中の鎖線）ようなボーリング工程の進行状況の表示をモニタ上に行うようしても良い。
【００２４】
また、例えば図６に示すように、主溶解工程の終了時点での完全溶解電力量の推定値Ｗm、ボーリング工程完了時の電力量ＷB、および主溶解工程中での電力量Ｗから、式（４）のような比の値Ｒwを算出して、当該比の値Ｒwが、主溶解工程の開始時の０から終了時の１になるまで、工程の進行につれて、スクラップ中心部の凹所３２２を上記比の値Ｒwに応じて漸次横方向へ拡げる（図中の鎖線）ような表示をモニタ上に行うようにすることができる。
Ｒw＝（Ｗ−ＷB）／（Ｗm−ＷB）…（４）
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態における、状態判定装置を備えるアーク炉給電系の系統図である。
【図２】アーク炉電極部の概略断面図である。
【図３】ボーリング工程を示すアーク炉の概略断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態における、電極位置の時間変化を示すグラフである。
【図５】ボーリング工程の進行状況を示すモニタ画面の概略図である。
【図６】主溶解工程の進行状況を示すモニタ画面の概略図である。
【符号の説明】
【００２６】
３…アーク炉、３１…電極、３２…スクラップ、４…制御装置（スクラップ高さを推定する手段、ボーリング工程の終了を判定する手段）、４１…位置センサ（電極位置を検出する手段）、５１…計器用変流器（アーク電流を検出する手段）、５２…計器用変圧器（アーク電圧を検出する手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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