(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料を熔融させるための電気アーク炉内の熔融プロセスを制御する方法であって、
ｉ）前記熔融プロセスを反映した少なくとも１つのプロセス変数の測定を受信するステップ、
ｉｉ）前記熔融プロセスの現在の熔融状態を、前記熔融プロセスの状態モデル、前記熔融プロセスの過去の熔融状態、過去の制御入力、及び前記少なくとも１つのプロセス変数の前記測定に基づいて決定するステップ、
ｉｉｉ）前記熔融プロセスの前記現在の熔融状態及び前記熔融プロセスの所望の終了熔融状態に関わる制約を利用して、所望のプロセス特性を最小化する現在のプロセス入力を決定するステップ、
ｉｖ）前記現在のプロセス入力を利用して、電磁撹拌装置への給電（ｕ１）を制御して、前記熔融プロセスを制御するステップ、
並びに
ｖ）前記熔融プロセスの前記所望の終了熔融状態が得られるまでステップｉ）〜ｉｖ）を繰り返すステップ
を含み、
前記プロセス特性は、１回の熔融サイクルあたりの熔融プロセスの総熔融時間又は総電力消費である、方法。
【請求項２】
前記現在のプロセス入力は、さらに、電極給電ユニット（１３）、酸素流制御ユニット（１６）、バーナーガス供給ユニット（１７）、及び固体材料供給ユニット（２０）を制御するのに利用される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
金属材料を熔融させるための電気アーク炉（ＥＡＦ）内の熔融プロセスを制御するための方法であって、熔融物を撹拌するための電磁撹拌装置（ＥＭＳ）を備えており、
−前記撹拌装置への給電（ｕ１）を含むプロセス入力が、前記プロセスの少なくとも１つの熔融状態（ｘ）、状態モデルに依存する損失関数、及び初期開始条件に関連付けられている前記熔融プロセスの前記状態モデルを含む最適化問題を定義するステップと、
−時間及び／又はエネルギ消費に関する前記熔融プロセスの最適化を実行するステップであって、
前記初期開始条件を用いて、前記最適化問題に基づいて、前記プロセスの前記熔融状態を決定するステップであって、
ｉ）前記最適化の結果に基づいて、前記撹拌装置への前記給電（ｕ１）のための制御信号の基準値を決定するステップ、
ｉｉ）前記撹拌装置への前記給電（ｕ１）を制御するために前記制御信号を用いるステップ、
ｉｉｉ）前記熔融プロセスを反映した少なくとも１つのプロセス変数（ｙ１〜ｙ６）の測定データを収集するステップ、
ｉｖ）前記状態モデル、前記決定された過去の熔融状態、及び前記決定された過去の制御信号に基づいて、前記プロセスの前記現在の熔融状態（ｘ）を決定するステップ、
ｖ）状態観測装置を用いて、前記測定データに基づいて、前記プロセスの現在の熔融状態を補正するステップ、
ｖｉ）前記最適化の開始条件として前記補正された現在の熔融状態を用いて、前記最適化問題に基づいて、時間及び／又はエネルギ消費に関する前記熔融プロセスの最適化を実行するステップ、並びに
ｖｉｉ）前記プロセスの間、前記プロセスの所望の熔融状態が達成されるまでステップｉ）〜ｖｉ）を繰り返すステップ
を含むステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
前記電気アーク炉は、前記金属材料を熔融させるための１つ又は複数の電極を備え、
前記プロセス入力は更に、前記電気アーク炉の前記電極への給電を含み、
前記基準値を決定するステップは更に、前記最適化の結果に基づいて前記電極への前記給電（ｕ２）のための制御信号の基準値を決定するステップを含み、且つ
前記用いるステップは更に、前記電極への前記給電を制御するために、前記電極への前記給電（ｕ２）のための前記決定された制御信号を用いるステップを含む、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記電気アーク炉は、前記熔融物に酸素を供給するために壁又は底部に配置される注入ユニットを備え、
前記状態モデルの前記プロセス入力は更に、前記注入ユニットへの酸素供給（ｕ３）を含み、
前記基準値を決定するステップは更に、前記最適化の前記結果に基づいて前記注入ユニットへの前記酸素供給（ｕ３）のための制御信号の基準値を決定するステップを含み、且つ
前記用いるステップは更に、前記注入ユニットへの前記酸素供給（ｕ３）を制御するために前記制御信号を用いるステップを含む、
請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
前記電気アーク炉は、前記熔融物を加熱するために配置される少なくとも１つのガスバーナーを備え、
前記状態モデルの前記プロセス入力は更に、前記ガスバーナーへのバーナーガス供給（ｕ４）を含み、
前記基準値を決定するステップは更に、前記最適化の前記結果に基づいて、前記ガスバーナーへの前記バーナーガス供給（ｕ４）のための制御信号の基準値を決定するステップを含み、且つ
前記用いるステップは更に、前記ガスバーナーへの前記バーナーガス供給（ｕ４）を制御するために前記制御信号を用いるステップを含む、
請求項３〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記電気アーク炉は、前記熔融物に炭素粉末を添加するための手段を備え、
前記状態モデルの前記プロセス入力は更に、前記手段への炭素粉末供給（ｕ５）を含み、
前記基準値を決定するステップは更に、前記最適化の前記結果に基づいて、前記手段への前記炭素粉末供給（ｕ５）のための制御信号の基準値を決定するステップを含み、且つ
前記用いるステップは更に、前記手段への前記炭素粉末供給（ｕ５）を制御するために前記制御信号を用いるステップを含む、
請求項３〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つのプロセス変数（ｙ１〜ｙ６）が前記熔融プロセスの温度を反映している、請求項３〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つのプロセス変数（ｙ１〜ｙ６）は、
−前記電気アーク炉からの燃焼排ガスの温度、
−前記撹拌装置の冷却水の温度、
−前記電気アーク炉からの冷却水の温度、
−前記電気アーク炉からの燃焼排ガスの濃度、並びに
−熔融物温度
の少なくとも１つである、請求項３〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
金属材料を熔融させるための電気アーク炉（ＥＡＦ）内の熔解プロセスを制御するための制御システムであって、熔融物を撹拌するための電磁撹拌装置（ＥＭＳ）及び前記撹拌装置に給電（ｕ１）するための給電ユニットを備えており、
−前記撹拌装置への前記給電のための制御値に反応して前記給電（ｕ１）を制御するための、前記撹拌装置の前記給電ユニットに作動式に接続される撹拌装置制御ユニットと、
−前記撹拌装置への前記給電を測定するよう配置される少なくとも１つのセンサと、
−前記撹拌装置への前記給電（ｕ１）を測定するよう配置される少なくとも１つのセンサから前記プロセス変数に関する測定データを受信するよう配置される処理ユニットであって、
−前記撹拌装置への前記給電（ｕ１）を含むプロセス入力が、前記プロセスの少なくとも１つの熔融状態、状態モデルに依存する損失関数、及び初期開始条件に関連付けられている前記熔融プロセスの前記状態モデルを含む事前に定義された最適化問題に基づいて、時間及び／又はエネルギ消費に関する前記熔融プロセスの最適化を実行し、
−前記初期開始条件を用いて、前記最適化問題に基づいて、前記プロセスの前記熔融状態を決定し、且つ
ｉ）前記最適化の結果に基づいて、前記撹拌装置への前記給電（ｕ１）のための制御信号の基準値を決定するステップ、
ｉｉ）前記金属材料の前記撹拌を制御するための前記撹拌装置制御ユニットに前記基準値を提供するステップ、
ｉｉｉ）前記熔融プロセスを反映した少なくとも１つのプロセス変数の測定データを収集するステップ、
ｉｖ）前記状態モデル、前記決定された過去の熔融状態、及び前記決定された過去の制御信号に基づいて、前記プロセスの前記現在の熔融状態を決定するステップ、
ｖ）状態観測装置を用いて、前記測定データに基づいて、前記プロセスの現在の熔融状態を補正するステップ、
ｖｉ）前記最適化の開始条件として前記補正された現在の熔融状態を用いて、前記最適化問題に基づいて、時間及び／又はエネルギ消費に関する前記熔融プロセスの最適化を実行するステップ、並びに
ｖｉｉ）前記プロセスの間、前記プロセスの所望の熔融状態が達成されるまで前記ステップを繰り返すステップ
を実行するよう配置される処理ユニットと
を備えることを特徴とする制御システム。
【請求項１１】
金属材料を熔融させるための１つ以上の電極及び前記電極に給電（ｕ２）するために配置される給電ユニットを備えており、
−前記電極への前記給電のための制御値に反応して前記給電（ｕ２）を制御するための、前記電極の前記給電ユニットに作動式に接続される電極制御ユニットと、
−前記電極への前記給電（ｕ２）を測定するよう配置される少なくとも１つのセンサと、
−前記電極への前記給電（ｕ２）を測定するよう配置される前記少なくとも１つのセンサから前記プロセス変数に関する測定データを受信するよう配置される処理ユニットであって、
−前記電極への前記給電（ｕ２）を含むプロセス入力が、前記プロセスの少なくとも１つの熔融状態、前記状態モデルに依存する損失関数、及び初期開始条件に関連付けられている前記熔融プロセスの状態モデルを含む事前に定義された最適化問題に基づいて、時間及び／又はエネルギ消費に関する前記熔融プロセスの最適化を実行し、
−前記初期開始条件を用いて、前記最適化問題に基づいて、前記プロセスの前記熔融状態を決定し、且つ
前記最適化の前記結果に基づいて、前記電極への前記給電（ｕ２）のための制御信号の基準値を決定するステップ、
前記金属材料の前記熔融を制御するための前記電極制御ユニットに前記基準値を提供するステップ
を実行するよう配置される処理ユニットと
を備えることを特徴とする請求項１０に記載の制御システム。
【請求項１２】
前記熔融物に酸素を供給するために壁又は底部に配置される注入ユニット、及び酸素流（ｕ３）を前記注入ユニットへ供給するために配置される供給ユニットを備えており、
−前記注入ユニットへの前記酸素供給のための制御値に反応して前記酸素流を制御するための、前記酸素流（ｕ３）を供給するために配置される前記供給ユニットに作動式に接続される流れ制御ユニットと、
−前記注入ユニットへの前記酸素供給（ｕ３）を測定するよう配置される少なくとも１つのセンサと、
−前記注入ユニットへの前記酸素供給（ｕ３）を測定するよう配置される前記少なくとも１つのセンサから前記プロセス変数に関する測定データを受信するよう配置される処理ユニットであって、
−前記注入ユニットへの前記酸素供給（ｕ３）を含むプロセス入力が、前記プロセスの少なくとも１つの熔融状態、前記状態モデルに依存する損失関数、及び初期開始条件に関連付けられている前記熔融プロセスの状態モデルを含む事前に定義された最適化問題に基づいて、時間及び／又はエネルギ消費に関する前記熔融プロセスの最適化を実行し、
−前記初期開始条件を用いて、前記最適化問題に基づいて、前記プロセスの前記熔融状態を決定し、且つ
前記最適化の前記結果に基づいて、前記注入ユニットへの前記酸素供給（ｕ３）のための制御信号の基準値を決定するステップ、
前記注入ユニットへの前記酸素供給（ｕ３）を制御するための前記流れ制御ユニットに前記基準値を提供するステップ
を実行するように配置される処理ユニットと
を備えることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の制御システム。
【請求項１３】
固体金属材料を予熱するため、及び固体金属材料を熔融するため、及び前記熔融物を加熱するために配置される少なくとも１つのガスバーナー、及びバーナーガス流（ｕ４）を前記ガスバーナーへ供給するために配置される供給ユニットを備えており、
−前記バーナーへの前記バーナーガス供給のための制御値に反応して前記バーナーガス流（ｕ４）を制御するための、前記バーナーガス流（ｕ４）を前記バーナーに供給するために配置される前記供給ユニットに作動式に接続される流れ制御ユニットと、
−前記バーナーへの前記バーナーガス供給（ｕ４）を測定するよう配置される少なくとも１つのセンサと、
−前記バーナーへの前記バーナーガス供給（ｕ４）を測定するよう配置される前記少なくとも１つのセンサから前記プロセス変数に関する測定データを受信するよう配置される処理ユニットであって、
−前記バーナーへの前記バーナーガス供給（ｕ４）を含むプロセス入力が、前記プロセスの少なくとも１つの熔融状態、前記状態モデルに依存する損失関数、及び初期開始条件に関連付けられている前記熔融プロセスの状態モデルを含む事前に定義された最適化問題に基づいて、時間及び／又はエネルギ消費に関する前記熔融プロセスの最適化を実行し、
−前記初期開始条件を用いて、前記最適化問題に基づいて、前記プロセスの前記熔融状態を決定し、且つ
前記最適化の前記結果に基づいて、前記バーナーへの前記バーナーガス供給（ｕ４）のための制御信号の基準値を決定するステップ、
前記バーナーへの前記バーナーガス流（ｕ４）を制御するための前記流れ制御ユニットに前記基準値を提供するステップ
を実行するように配置される処理ユニットと
を備えることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の制御システム。
【請求項１４】
前記熔融物に炭素粉末を添加するための少なくとも１つの手段、及び炭素粉末流を前記熔融物に供給するために配置される供給ユニットを備えており、
−前記熔融物に前記炭素粉末を添加するための前記少なくとも１つの手段への前記炭素粉末供給のための制御値に反応して前記炭素粉末流を制御するための、前記熔融物に前記炭素粉末を添加するための前記少なくとも１つの手段へ前記炭素粉末を供給するために配置される前記供給ユニットに作動式に接続される流れ制御ユニットと、
−前記熔融物に前記炭素粉末を添加するための前記少なくとも１つの手段への前記炭素粉末供給を測定するよう配置される少なくとも１つのセンサと、
−前記熔融物に前記炭素粉末を添加するための前記少なくとも１つの手段への前記炭素粉末供給を測定するよう配置される前記少なくとも１つのセンサから、前記プロセス変数に関する測定データを受信するよう配置される処理ユニットであって、
−前記熔融物に前記炭素粉末を添加するための前記少なくとも１つの手段への前記炭素粉末供給を含むプロセス入力が、前記プロセスの少なくとも１つの熔融状態、前記状態モデルに依存する損失関数、及び初期開始条件に関連付けられている前記熔融プロセスの状態モデルを含む事前に定義された最適化問題に基づいて、時間及び／又はエネルギ消費に関する前記熔融プロセスの最適化を実行し、
−前記初期開始条件を用いて、前記最適化問題に基づいて、前記プロセスの前記熔融状態を決定し、且つ
前記最適化の前記結果に基づいて、前記熔融物に前記炭素粉末を添加するための前記少なくとも１つの手段への前記炭素粉末供給のための制御信号の基準値を決定するステップ、
前記熔融物に前記炭素粉末を添加するための前記少なくとも１つの手段への前記炭素粉末流を制御するための前記流れ制御ユニットに、前記基準値を提供するステップ
を実行するように配置される処理ユニットと
を備えることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属又は金属合金を熔融させるための１つ以上の電極を備えた電気アーク炉（ＥＡＦ）、及び熔融物を撹拌するための電磁撹拌装置（ＥＭＳ）内の熔融プロセスを制御するための方法及び制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気アーク炉（ＥＡＦ）製鋼は、相当にエネルギを消費する工業プロセスである。これは大量の電気エネルギ及び化学エネルギを消費する。現在のＥＡＦは、３００回にわたるタッピングで何トンもの鋼鉄を熱と共に製造するが、ＥＡＦでの製鋼は莫大な電気エネルギ及び化学エネルギを必要とするため、このような炉１つの年間エネルギコストは極めて高い。最近のＥＡＦ技術開発が主にエネルギ消費（電力及び酸素）の削減、並びにこれによる生産性の向上を目的としているのは、このためである。また、環境問題の観点から、ＥＡＦからの二酸化炭素及びその他の排出を低減することが求められている。
【０００３】
典型的な電気アーク炉は、３つの電極、これら電極に作動式に接続される給電システム、及び容器を備え、この容器は、場合によってはその大部分が水冷され、格納可能な屋根で覆われ、この屋根を通って１つ又は複数のグラファイト電極が炉に入る。更に電気アーク炉は通常、冷却水ステーション及び少なくとも１つの制御ユニットを備え、この制御ユニットは給電システムに作動式に接続され、電極の動作を制御する。電極は、ＥＡＦに供給された金属材料（例えばスクラップ）と電極との間にアークを形成する。これにより、金属熔融物（装入物）が生成され、これは熔融物を通過する電流及びアークが放出する放射エネルギの両方によって加熱される。電極調整システムは、装入物の熔融中、ほぼ一定の電流及び電力入力を維持する。
【０００４】
アーク炉は通常、炉床の周囲にホットスポットとコールドスポットのパターンを呈し、コールドスポットは電極の間に位置する。現在の炉は、側壁にガスバーナーを装備し、これらを用いて化学エネルギをコールドスポットに供給し、熔融物の加熱をより均一にする。例えば酸素及び炭素を炉に注入するためのランスを用いて、追加の化学エネルギが供給される。
【０００５】
典型的なＥＭＳシステムは、撹拌コイルと、周波数変換器及び変圧器を備え、撹拌装置に作動式に接続される給電システムと、冷却水ステーションと、給電システムに作動式に接続されて攪拌装置の動作を制御する少なくとも１つの制御ユニットとを備える、少なくとも１つの電磁撹拌装置を備える。撹拌コイルは典型的には炉の鋼鉄製シェルの外側に設置される。このコイルは、熔融金属の溶融物の撹拌力を生み出す進行磁場を生成する。撹拌装置は、低周波数進行磁場を用いて動作し、炉の鋼鉄製シェルを貫通して熔融物を移動させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本開示の目的は、ＥＡＦの総サイクル時間を減少させ、鉄の収率を上昇させることである。これにより、電極及び撹拌装置の電力消費、並びに化学エネルギ（即ち酸素、炭素及びバーナーガス）の添加が減少し、ＥＡＦの生産性が上昇する。
【０００７】
したがって、本開示の第１の態様では、金属材料を熔融させるための電気アーク炉内の熔融プロセスを制御する方法が提供され、この方法は：
ｉ）熔融プロセスを反映した少なくとも１つのプロセス変数の測定を受信するステップ、
ｉｉ）熔融プロセスの現在の状態を、熔融プロセスのモデル、熔融プロセスの過去の状態、過去の制御入力、及び少なくとも１つのプロセス変数の測定に基づいて決定するステップ、
ｉｉｉ）所望のプロセス特性を最小化する現在のプロセス入力を決定するステップであって、この決定は、プロセス入力の許容される全ての値に対して所望のプロセス特性を最小化すること、並びに熔融プロセスの現在の状態及び熔融プロセスの所望の終了状態に関わる制約を利用することを含む、ステップ、
ｉｖ）現在のプロセス入力を利用して熔融プロセスを制御するステップ、並びに
ｖ）熔融プロセスの所望の終了状態が得られるまでステップｉ）〜ｉｖ）を繰り返すステップ
を含む。
【０００８】
第２の態様では、
−撹拌装置への給電を含むプロセス入力を、プロセスの少なくとも１つの状態、状態モデル及び初期開始条件による損失関数に関連付ける熔融プロセスの状態モデルを含む最適化問題を定義するステップ、
−初期開始条件を用いて、最適化問題に基づいてプロセスの状態を決定することを含む、時間及び／又はエネルギ消費に関する熔融プロセスの最適化を実行するステップ、
−最適化の結果に基づいて、撹拌装置への給電のための制御信号の基準値を決定するステップ、
−撹拌装置への給電を制御するために、制御信号を用いるステップ、
−熔融プロセスを反映した少なくとも１つのプロセス変数の測定データを収集するステップ、
−状態モデル、決定された過去の状態、及び決定された過去の制御信号に基づいて、プロセスの現在の状態を決定するステップ、
−状態観測装置を用いて、測定データに基づいて、補正されたプロセスの現在の状態を決定するステップ、
−最適化の開始条件として補正された現在の状態を用いて、最適化問題に基づいて、時間及び／又はエネルギ消費に関する熔融プロセスの最適化を実行するステップ、
−プロセスの間、プロセスの所望の状態が達成されるまで上述のステップを繰り返すステップ、
を特徴とする方法が提供される。これにより、金属材料の熔融が改善され、これは、冶金反応を改善し、これによって動作サイクル時間が減少する。定量化可能な量の電気及び化学エネルギ節約を実現でき、ＥＡＦの生産性が上昇する。
【０００９】
本発明の一実施形態によると、電気アーク炉は金属材料を熔融させるための１つ又は複数の電極を備え、状態モデルのプロセス入力は更に、電極への給電を含み、基準値を決定するステップは更に、最適化の結果に基づいて電極への給電のための制御信号の基準値を決定するステップを含み、また、用いるステップは更に、電極への給電を制御するために、電極への給電のための上記決定された制御信号を用いるステップを含む。
【００１０】
本発明の更なる実施形態によると、電気アーク炉は、熔融物に酸素を供給するために配置される注入ユニットを更に備え、状態モデルのプロセス入力は更に、注入ユニットへの酸素供給を含み、基準値を決定するステップは、最適化の結果に基づいて注入ユニットへの酸素供給のための制御信号の基準値を決定するステップを更に含み、また、用いるステップは、注入ユニットへの酸素供給を制御するために制御信号を用いるステップを更に含む。
【００１１】
本発明の更なる実施形態によると、電気アーク炉は更に、熔融物を加熱するために配置される少なくとも１つのガスバーナーを備え、状態モデルのプロセス入力は更に、ガスバーナーへのバーナーガス供給を含み、基準値を決定するステップは更に、最適化の結果に基づいてガスバーナーへのバーナーガス供給のための制御信号の基準値を決定するステップを含み、また、用いるステップは更に、ガスバーナーへのバーナーガス供給を制御するために、制御信号を用いるステップを含む。
【００１２】
本発明の更なる実施形態によると、電気アーク炉は更に、熔融物に炭素粉末を添加するための手段を備え、状態モデルのプロセス入力は更に、上記手段への炭素粉末供給を含み、基準値を決定するステップは更に、最適化の結果に基づいて上記手段への炭素粉末供給のための制御信号の基準値を決定するステップを含み、また、用いるステップは更に、上記手段への炭素粉末供給を制御するために、制御信号を用いるステップを含む。
【００１３】
本発明の目的は、電気アーク炉内の熔融プロセスを制御するための制御システムによっても得られ、制御システムは、撹拌装置への給電のための制御値及び撹拌装置への給電を測定するよう配置される少なくとも１つのセンサに反応して給電を制御するための、撹拌装置の給電ユニットに作動式に接続される撹拌装置制御ユニットを備えることを特徴とする。制御システムは更に、撹拌装置への給電を測定するよう配置される少なくとも１つのセンサから、プロセス変数に関する測定データを受信するよう配置される処理ユニットを備え、撹拌装置への給電を含むプロセス入力を、プロセスの少なくとも１つの状態、前記状態モデルに依存する損失関数、及び初期開始条件に関連付ける熔融プロセスの状態モデルを含む、事前に定義された最適化問題に基づいて、時間及び／又はエネルギ消費に関する熔融プロセスの最適化を実行する。処理ユニットは更に、初期開始条件を用いて最適化問題に基づいてプロセスの状態を決定するよう配置され、また、以下のステップ：
−最適化の結果に基づいて、撹拌装置への給電のための制御信号の基準値を決定するステップ、
−金属材料の撹拌を制御するための撹拌装置制御ユニットに上記基準値を提供するステップ、
−熔融プロセスを反映した少なくとも１つのプロセス変数の測定データを収集するステップ、
−状態モデル、決定された過去の状態、及び決定された過去の制御信号に基づいて、プロセスの現在の状態を決定するステップ、
−状態観測装置を用いて、測定データに基づいて、補正されたプロセスの現在の状態を決定するステップ、
−最適化の開始条件として補正された現在の状態を用いて、上記最適化問題に基づいて、時間及び／又はエネルギ消費に関する熔融プロセスの最適化を実行するステップ、並びに
−プロセスの間、プロセスの所望の状態が達成されるまで上述のステップを繰り返すステップ
を実行するよう配置される。
【００１４】
本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の図面から、当業者にとってより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による電気アーク炉の断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による熔融プロセスのフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による発生し得る熔融プロファイルを示し、固体（ｘ１）鋼鉄及び液体（ｘ２）鋼鉄の量を、ＥＡＦに影響を与えるプロセス入力（ｕ１、ｕ２、ｕ３、ｕ４、ｕ５）のうちの１つと共に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、電気アーク炉（ＥＡＦはＤＣ  ＥＡＦであってもＡＣ  ＥＡＦであってもよく、これ以降ＥＡＦと称する）を示しており、このＥＡＦは、内部に装入されるスクラップ等の金属材料を熔融させるために構成されている。ＥＡＦは更に、１つ又は複数の電極、格納可能な屋根で覆われた容器、及び、電極に作動式に接続される給電システムを備え、この屋根を通って１つ又は複数のグラファイト電極が炉に入る。ＥＡＦ１内の熔融金属の電磁撹拌用の少なくとも１つの装置（これ以降、撹拌装置と称する）を、ＥＡＦ容器の外側表面、好ましくは底面に配置する。給電システムは、撹拌装置に作動式に接続される。電極に作動式に接続される給電システム及び撹拌装置に作動式に接続される給電システムは、２つの別個の給電システムであってよいが、両方の目的のために同一のシステムを用いることもできる。撹拌装置の動作を制御するために、ハードウェア、１つ又は複数のメモリユニット、１つ又は複数の処理ユニット（即ちプロセッサ）、及びソフトウェアを含む少なくとも１つの制御ユニットが、給電システムに作動式に接続される。撹拌装置及び電極を制御するよう配置される少なくとも１つの制御ユニットは、給電システムに作動式に接続され、また、電極の動作を制御するために給電システムにも接続されてよいが、この目的のために別個の制御システムを配置することもできる。
【００１７】
ＥＡＦの動作は、炉にスクラップ金属を装入することから開始され、ここでメルトダウンが始まる。電極はスクラップ上まで下げられ、アークが発生し、これによりスクラップの熔融が開始される。動作のこの第１の部分では、炉の屋根及び壁をアークによる過剰な熱及び損傷から保護するために、低い電圧を選択する。電極が炉の基部の重い熔融物に達し、アークがスラグにより遮蔽されると、電圧を上昇させることができ、電極を僅かに引き上げ、これにより、アークの長さを伸ばして熔融物への電力を増大させる。これにより、金属の溶融プールをより迅速に形成することができ、タッピング間時間を削減することができる。熔融金属に酸素を注入するために、ＥＡＦの壁又は底部に注入ユニットが配置される。ＥＡＦ内部のスクラップ及び熔融金属に追加の化学熱を供給するために、１つ又は複数のバーナーがＥＡＦ内に配置される。これら２つのプロセスにより、スクラップのメルトダウンを加速させる。また、熔融金属中に炭素を注入するための手段もＥＡＦ内に配置される。熔融金属を加速させるために撹拌装置が配置され、これは更に、スクラップのメルトダウン及びタッピング間時間を加速させる。
【００１８】
統合型ＥＡＦ制御の発想は、撹拌制御、酸素注入ユニット（例えばランス）制御、ガスバーナー制御、気体廃棄物制御、及び電極給電制御の全てが、１つの制御方策として統合されるような方法で、ＥＡＦを制御するというものである。
【００１９】
ｔ＝０においてＥＡＦに金属材料（即ちスクラップ）（ｘ１、ｘ２等）を装入する初期状態を想定すると、以下に示すように最適化問題を解くことにより、０≦ｔ≦ｔｆにおけるプロセス入力ｕの基準値を決定することができる。
0005620030.tif 000002
ただし、
ｘ（ｋ＋ｌ）＝ｆｓ（ｘ（ｋ），ｕ（ｋ），ｄ（ｋ））  （熔融プロセスの状態モデル）
ｘ（ｔｆ）＝ｘｆ  （終了条件／終了状態）
ｘ（０）＝ｘ０  （開始条件／初期状態）
ｘ１≦ｘ≦ｘｈ
ｕ１≦ｕ≦ｈｈ
【００２０】
上述の問題を解くことにより、プロセスは、典型的にはあらゆる状態と同様にベクトルである初期状態ｘ（０）から、所望の終了状態へと可能な限り短い時間で有利に変化する。したがって、最適なプロセス入力は、金属材料の熔融が始まる時点で決定される。熔融プロセス中の各瞬間ｔκについて、適切なプロセス入力ｕ（ｔκ）がプロセスに適用される。このアプローチは、現実のＥＡＦからのフィードバックを全く使用しないため、プロセス入力(例えば撹拌装置若しくは電極への給電、酸素流、バーナーガス流、又は炭素注入等)をプロセスの少なくとも１つの状態（ｘ）、状態モデルに依存する損失関数、及び初期開始条件に関連付ける、熔融プロセスの状態モデルに依存している。初期開始条件ｘ０が定義されると、これを用いて、上に提示した最適化問題に基づいてプロセスの状態を決定することを含む、時間及び／又はエネルギ消費に関する熔融プロセスの最適化が実行される。
【００２１】
１つ又は複数のプロセス変数の測定が利用可能である場合、プロセスの所望の状態が達成されるまで、前の手順を規則的な又は不規則な間隔で繰り返すことを考慮に入れた、１つ又は複数のプロセス変数の測定に基づく推定により、熔融プロセスの現在の状態に関する情報を得ることができる。一実施形態では、各間隔におけるステップは以下の通りである：
Ａ）熔融プロセスを反映した少なくとも１つのプロセス変数の測定ｙ（ｔκ）を収集又は受信するステップ、
Ｂ）熔融プロセスの現在の状態を、状態モデル、決定された過去の状態
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決定された過去の制御信号ｕ（ｔκ−１）、及び少なくとも１つのプロセス変数の測定ｙ（ｔκ）に基づいて推定して決定するステップ。状態観測装置（例えば移動水平推定装置又は拡張カルマンフィルタ）を用いて、熔融プロセスの現在の推定状態
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を決定することができる、
Ｃ）現在の推定状態
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を最適化の開始条件として用いて、時間及び／又はエネルギ消費に関する上述の最適化問題を解くステップ。この最適化の結果は、ｔκ≦ｔ≦ｔｆにおける制御信号（プロセス入力）ｕ（ｔ）の基準値である。得られた基準値における第１の制御信号ｕ（ｔκ）をプロセスに適用する、
Ｄ）熔融プロセスの最適化の結果に基づいて、プロセス入力（ｕＸ）の制御信号の基準値を決定するステップ、
Ｅ）プロセス入力（ｕＸ）及びそれに伴って熔融プロセスを制御するために、制御信号を使用するステップ、並びに
Ｆ）プロセスの所望の状態ｘ（ｔｆ）が達成されるまで、プロセスの間この手順（ステップＡ〜Ｅ）を繰り返すステップ。各反復において、推定状態
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は初期状態ｘ０に置換される。よって、各反復において、初期条件として
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が設定される。
【００２２】
プロセスの所望の状態が達成されると、例えば連鋳プロセス等の更なる処理のために、熔融金属をＥＡＦからタッピングする。
【００２３】
制御されるＥＡＦにおいて可能なプロセス入力及びプロセス変数を、以下の表に列挙する。
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【００２４】
プロセス変数の例を以下の表に列挙する。
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【００２５】
プロセス変数ｄ（ｔ）が時間の既知の関数である場合、熔融プロセスのエネルギ又は時間消費を最小化する制御変数ｕ（ｔ）の値を算出することができる。
【００２６】
モデル予測制御（ＭＰＣ）／フィードバックの場合、即ち、移動水平推定装置を使用する場合、プロセス変数ｄ（ｋ）の例は、プロセスに影響を与えるが最適化において決定されない、測定可能な信号である。このような信号は例えば、熔融プロセスに関連する測定可能な外乱であり得る。
【００２７】
プロセスの現在の状態の例は、以下の表に列挙する状態のうち少なくとも１つである。
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【００２８】
一般に、ＥＡＦ技術に関するエネルギ節約は２つのタイプ、即ち、例えば、酸素供給、スクラップの予備加熱、二次燃焼及び底部ガス撹拌等の冶金プロセスの改善と、例えば電極調整又はメルトダウン制御等のＥＡＦプロセス及び動作の自動化とに分けることができる。
【００２９】
ＥＡＦスラグの主な構成要素は、酸素を注入しながら鋼鉄を燃焼させることによって生じる一酸化鉄である。この加熱の後、炭素（コークス又は石炭の形態）をこのスラグ層に注入し、これが一酸化鉄と反応して金属鉄及び一酸化炭素ガスを形成し、これによってスラグは発泡し、より高い熱効率並びにより良好なアーク安定性及び電気効率が得られる。平滑なバス状態に達すると、即ちスクラップが完全に熔融すると、精製動作を行って、タッピングの準備として、鋼鉄の化学的性質を検査及び補正し、熔融物をその凝固点温度より高温に過熱する。多量のスラグ形成剤をバス中に導入し、多量の酸素をスラグ中に吹き込んで、ケイ素、硫黄、リン、アルミニウム、マグネシウム及びカルシウム等の不純物を完全に燃焼させ、これらの酸化物をスラグから除去する。炭素は、酸素との親和性がこれらの元素より高いため、これらの元素を初めに完全に燃焼させた後で炭素の除去を行う。ニッケル及び銅等の、酸素との親和性が鉄より低い金属は、酸化によって除去することができず、直接還元製鉄及び銑鉄を導入する等、スクラップの化学的性質のみによって制御しなければならない。スラグは終始発泡状態に維持され、炉から溢れてスラグ用ドアからスラグピットへと流出することがある。
【００３０】
換言すれば、本発明の発明的概念により、電気アーク炉内の熔融プロセスを制御する方法が提供され、この方法は：
ｉ）熔融プロセスと関連する少なくとも１つのプロセス変数の測定データを受信するステップ、
ｉｉ）熔融プロセスの現在の状態を、熔融プロセスの過去の状態、過去のプロセス入力、及び測定データに基づいて決定するステップ、
ｉｉｉ）所望のプロセス特性を最小化する現在のプロセス入力を決定するステップであって、この決定は、プロセス入力の許容される全ての値に対して所望のプロセス特性を最小化すること、並びに熔融プロセスの現在の状態及び熔融プロセスの所望の終了状態に関わる制約を利用することを含む、ステップ、並びに
ｉｖ）現在のプロセス入力に基づいて熔融プロセスを制御するステップ
を含む。
【００３１】
好ましくは、上記ステップを、熔融プロセスの現在の状態が熔融プロセスの所望の終了状態と等しくなる、又は本質的に等しくなるまで繰り返す、即ち反復する。
【００３２】
一実施形態では、ステップｉ〜ｉｖの反復を１分毎に行う。ステップｉ〜ｉｖの反復を、例えば５分毎、１０分毎等、より長い間隔で行うことも、又は熔融サイクル中にごくわずかな回数だけ行うことも想定できる。
【００３３】
プロセス特性とは、例えば、１回の熔融サイクルあたりの熔融プロセスの総電力消費、又は１回の熔融サイクルにかかる総時間を意味するものと理解されたい。プロセス特性はまた、例えば、電気アーク炉内で金属のほぼ１００％が液体状態になるまでにかかる総時間を意味するものとすることもできる。プロセス特性が熔融プロセスの総電力消費で一実施形態では、以下の最小化問題に基づいて総電力消費を最小化することができる。
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ただし、
ｘ（ｋ＋ｌ）＝ｆｓ（ｘ（ｋ），ｕ（ｋ），ｄ（ｋ））  （熔融プロセスの状態モデル）
ｘ（ｔｆ）＝ｘｆ  （終了条件／終了状態）
ｘ（０）＝ｘ０  （開始条件／初期状態）
ｘ１≦ｘ≦ｘｈ
ｕ１≦ｕ≦ｈｈ
【００３４】
好ましくは、上述の制御プロセスは、上述のように様々なプロセスパラメータを制御するために、プロセス入力ｕ１〜ｕ５等の複数のプロセス入力を生成するように準備する。
【００３５】
更に、金属材料を熔融させるための電気アーク炉（ＥＡＦ）内の熔融プロセスを制御するための制御システムが提供され、このシステムは、
熔融プロセスの各プロセス変数を感知するよう配置される複数のセンサ、並びに
処理ユニットであって、
複数のセンサが感知したプロセス変数を受信し、
−熔融プロセスの現在の状態を、熔融プロセスの過去の状態、過去のプロセス入力、及び測定データに基づいて決定し、
−所望のプロセス特性を最小化する現在のプロセス入力を決定し、ここでこの決定は、プロセス入力の許容される全ての値に対して所望のプロセス特性を最小化すること、並びに熔融プロセスの現在の状態及び熔融プロセスの所望の終了状態に関わる制約を利用することを含む
よう配置される処理ユニット
を備え、この制御システムは、現在のプロセス入力に基づいて熔融プロセスを制御するよう配置される。
【００３６】
特に、この制御システムは、熔融プロセスのプロセスパラメータを制御する。このようなパラメータは例えば、電磁撹拌装置を制御するための撹拌装置の給電ユニット８、電極給電ユニット１３、酸素流制御ユニット１６、バーナーガス供給ユニット１７、及び固体材料供給ユニット２０を用いて制御することができる。
【００３７】
ここに提示した実施形態は好ましいものであるとはいえ、本発明はこれらの実施形態によって限定されてはならず、当業者に明らかで一実施形態も含むものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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