(57)【要約】【課題】金属溶解炉内の異常反応をより早く検知できる金属溶解炉の異常検知装置及び方法を提供する。【解決手段】本発明による金属溶解炉の異常検知装置３は、電気炉１からの排ガスが通される集塵ダクト２０に設けられて、集塵ダクト２０内での排ガスの圧力を検出する圧力計３０と、圧力計３０に接続されて、圧力計３０が検出する圧力に基づいて電気炉１内で異常反応が発生したことを検知する検知器３１とを備える。検知器３１は、圧力上昇開始から圧力ピークに達するまでの時間が所定時間内で、かつ単位時間当たりの圧力変化量が所定値以上のときに、電気炉１内で異常反応が発生したことを検知できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属溶解炉内の異常反応を検知するための金属溶解炉の異常検知装置であって、
前記金属溶解炉からの排ガスが通されるダクトに設けられて、前記ダクト内での前記排ガスの圧力を検出する圧力計と、
前記圧力計に接続されて、前記圧力計が検出する圧力に基づいて前記金属溶解炉内で異常反応が発生したことを検知する検知器と
を備えている、金属溶解炉の異常検知装置。
【請求項２】
前記検知器は、圧力上昇開始から圧力ピークに達するまでの時間が所定時間内で、かつ単位時間当たりの圧力変化量が所定値以上のときに、前記金属溶解炉内で異常反応が発生したことを検知する、
請求項１記載の金属溶解炉の異常検知装置。
【請求項３】
前記検知器は、圧力上昇開始から圧力ピークに達するまでの時間が１秒以上かつ３秒以下で、且つ単位時間当たりの圧力変化量が０．１ｋＰａ／秒以上のときに、前記金属溶解炉内で異常反応が発生したことを検知する、
請求項２記載の金属溶解炉の異常検知装置。
【請求項４】
前記圧力計が設けられる前記ダクトは、前記排ガスと空気とを混合して前記排ガスに含まれる可燃性ガスを燃焼させる燃焼塔と前記金属溶解炉との間に設けられている、
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の金属溶解炉の異常検知装置。
【請求項５】
金属溶解炉内の異常反応を検知するための金属溶解炉の異常検知方法であって、
前記金属溶解炉からの排ガスが通されるダクト内での前記排ガスの圧力を圧力計によって検出する工程と、
前記圧力計が検出する圧力に基づいて前記金属溶解炉内で異常反応が発生したことを検知する工程と
を含む、金属溶解炉の異常検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属溶解炉内の異常反応を検知するための金属溶解炉の異常検知装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の金属材料又は金属類の溶解、溶融及び精錬工程、特にステンレス鋼等を含む特殊鋼や高合金鋼を溶製する製鋼工程においては、金属溶解炉及び金属精錬炉などの様々な設備が用いられる。
【０００３】
このうち、金属溶解に利用される電気炉では、主に金属スクラップ、フェロアロイ及び鉱石類などの金属分を含有する主原料と、例えば加炭材（コークスなど）、還元材及び造滓材などの精錬やスラグ性状の調整を目的とした副原料とを含む原料の溶解を行っている。
【０００４】
現在稼動している電気炉の多くは、アーク加熱式電気炉である。また、生産量及び生産コストの要請から、アーク加熱式電気炉の大型化及び大容量化が進んでいる。アーク加熱式電気炉で上記原料を溶解する際、上記原料に含まれる加炭材は、アーク熱により炉内で燃焼されて煤を発生させる。また、粉状の原料を電気炉内に装入した場合は、一部の粉状原料が熱空気の対流によって電気炉外へと流出する。これらの原因により、電気炉から排出される排ガスにはダストが含まれる。このため、近年の電気炉には、付帯設備として集塵設備を設ける事例が多くなっている。
【０００５】
図５は、代表的な金属溶解設備の構成を簡略的に示す系統図である。図５において、金属溶解設備には、電気炉１と集塵設備２とが含まれている。電気炉１は、例えばステンレス鋼などの金属を溶かすための金属溶解炉であり、アーク加熱式電気炉によって構成されている。電気炉１からは、ダストを含む排ガスが排出される。
【０００６】
集塵設備２は、電気炉１からの排ガスに含まれるダストを捕集するための設備である。集塵設備２には、集塵ダクト２０、燃焼塔２１、ガスクーラー２３、バグフィルタ２５、集塵ファン２６及び排気口２７が含まれている。
【０００７】
集塵ダクト２０は、電気炉１、燃焼塔２１、ガスクーラー２３、バグフィルタ２５、集塵ファン２６及び排気口２７をそれぞれ接続する配管である。電気炉１からの排ガスは、集塵ファン２６が発生する負圧により集塵ダクト２０を通して燃焼塔２１に導入される。燃焼塔２１は、外部から取り込んだ空気と電気炉１からの排ガスとを混合させて、排ガスに含まれている例えばＣＯ及びＨ２などの可燃性ガスを完全燃焼させる。ガスクーラー２３は、燃焼塔２１の下流に配置されており、燃焼塔２１を通過した排ガスを冷却する。バグフィルタ２５は、ガスクーラー２３の下流に配置されており、排ガスに含まれているダストを捕集する。バグフィルタ２５を通過した排ガスは、排気口２７から集塵設備２の外に排出される。なお、集塵設備２の構成は図５に示される構成に限定されず、例えば排ガスの熱を利用して原料の予熱を行う原料予熱装置や、電気炉全体を覆うファーネスハウスなどが系統内に追加されてもよい。
【０００８】
電気炉１にて溶解される原料は、輸送中又は屋外ヤードでの保管時に雨に濡れて水分を含有する場合がある。また、原料の種類によっては、製造工程上不可避的に油分を含有している場合がある。これら油水分を含有した原料を電気炉１に装入して溶解すると、油水分と金属溶湯が反応し、可燃性ガスを発生することがある。
【０００９】
水分の場合、１４００℃以上の高温水蒸気は酸化作用を有するため、下記の（１）式のように金属溶湯中のＣと反応して可燃性ガスであるＣＯ，Ｈ２を生成する。また、油分の場合は、揮発して下記の（２）式のように炉内酸素により酸化されて、可燃性ガスであるＣＯ，Ｈ２を生成する。したがって、一度に多量の油水分が金属溶湯と接触した場合は、これらの反応が急激に起こり、多量の可燃性ガスが発生することになる（これを以下、異常反応と表記する）。
Ｈ２Ｏ＋Ｃ→Ｈ２↑＋ＣＯ↑・・・（１）
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎ／２Ｏ２→（ｎ＋１）Ｈ２↑＋ｎＣＯ↑・・・（２）
【００１０】
上記の反応により発生する可燃性ガスは、通常であれば、燃焼塔２１で取り込まれた空気中の酸素と反応され、完全燃焼されて無害化される。しかし、電気炉１内で異常反応が発生した場合、燃焼塔２１で可燃性ガスが完全燃焼しきらずに、ガスクーラー２３、バグフィルタ２５及び集塵ファン２６まで可燃性ガスが引き込まれ、それらの場所で可燃性ガスが空気中の酸素と接触して異常燃焼することがある。この可燃性ガスの異常燃焼により、例えばバグフィルタ２５の焼損やガスクーラー２３又は集塵ファン２６の破損などの設備トラブルが発生する。
【００１１】
次に、図６は、図５の電気炉１の構成を示す説明図である。図６に示すように、電気炉１は、炉殻１０、炉蓋１１及び複数の電極１２を有している。炉殻１０は、耐火物で構成された容器であり、側部に出鋼口１０ａを有している。炉殻１０の上部開口は炉蓋１１に覆われている。炉蓋１１には複数の貫通孔が設けられており、それらの貫通孔を通して各電極１２が炉殻１０内に挿入されている。
【００１２】
電気炉１内で異常反応が発生した場合、可燃性ガスの一部が炉内酸素と反応して燃焼する。このため、炉殻１０と炉蓋１１との隙間、出鋼口１０ａ、及び電極１２と炉蓋１１との隙間などから、爆炎および煙が発生する。一般的に、異常反応が発生した際の対応策としては、電気炉オペレーターが電気炉１を監視するモニター越し又は直接目視にて、爆炎又は煙の発生を確認した後に止電操作を行い、異常反応が収まるまで電極１２への送電を止める方法がとられている。
【００１３】
しかしながら、このような方法では、異常反応発生の検知をオペレーターの目視に頼っているため、異常反応の後に発生するおそれのある集塵設備２での異常燃焼を防止するためのアクションを自動化することが困難である。また、オペレーターの見逃しといった人的ミスの根絶も困難であることから、設備トラブルの防止といった観点からは、異常反応発生後の対応をオペレーターの目視に一任するのは好ましくない。
【００１４】
下記の特許文献１には、電気炉より発生する排ガス中のＣＯ濃度およびＯ２濃度を測定することにより、集塵設備の異常を検知する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平９−１２２４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記のような特許文献１に記載の従来の異常検知方法では、ガス濃度分析計を用いている。しかしながら、ガス濃度分析計の応答速度は数十秒と遅いため、従来方法では、集塵設備２にて可燃性ガスが異常燃焼するまでに異常検知が間に合わず、設備トラブルを回避できない場合がある。
【００１７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、金属溶解炉内の異常反応をより早く検知できる金属溶解炉の異常検知装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る金属溶解炉の異常検知装置は、金属溶解炉内の異常反応を検知するための金属溶解炉の異常検知装置であって、金属溶解炉からの排ガスが通されるダクトに設けられて、ダクト内での排ガスの圧力を検出する圧力計と、圧力計に接続されて、圧力計が検出する圧力に基づいて金属溶解炉内で異常反応が発生したことを検知する検知器とを備える。
【００１９】
本発明に係る金属溶解炉の異常検知方法は、金属溶解炉内の異常反応を検知するための金属溶解炉の異常検知方法であって、金属溶解炉からの排ガスが通されるダクト内での排ガスの圧力を圧力計によって検出する工程と、圧力計が検出する圧力に基づいて金属溶解炉内で異常反応が発生したことを検知する工程とを含む。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の金属溶解炉の異常検知装置及び方法によれば、金属溶解炉からの排ガスが通されるダクト内での排ガスの圧力に基づいて金属溶解炉内で異常反応が発生したことを検知するので、ガス濃度分析計を用いる従来方法と比較して、金属溶解炉内の異常反応をより早く検知できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態による金属溶解設備を示す系統図である。
【図２】図１の圧力計が検出する圧力値の変動の一例を示すグラフである。
【図３】電気炉内にて異常反応が起こった際の圧力及びＨ２ガス濃度の測定結果を示すグラフである。
【図４】圧力計が検出する圧力変動と電気炉の異常反応との関係を示すグラフである。
【図５】代表的な金属溶解設備の構成を簡略的に示す系統図である。
【図６】図５の電気炉の構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態
図１は、本発明の実施の形態による金属溶解設備を示す系統図である。図１に示す金属溶解設備には、電気炉１、集塵設備２及び異常検知装置３が含まれている。
【００２３】
電気炉１は、例えばステンレス鋼などの金属を溶かすための金属溶解炉であり、アーク加熱式電気炉によって構成されている。電気炉１からは、ダストを含む排ガスが排出される。電気炉１の具体的な構成は、図６に示す従来構成と同様である。
【００２４】
集塵設備２は、電気炉１からの排ガスに含まれるダストを捕集するための設備である。集塵設備２には、集塵ダクト２０、燃焼塔２１、原料予熱装置２２、ガスクーラー２３、補助ファン２４、バグフィルタ２５、集塵ファン２６、排気口２７、ファーネスハウス２８及び補助ダクト２９が含まれている。
【００２５】
集塵ダクト２０は、電気炉１、燃焼塔２１、原料予熱装置２２、ガスクーラー２３、補助ファン２４、バグフィルタ２５、集塵ファン２６及び排気口２７をそれぞれ接続する配管である。
【００２６】
電気炉１からの排ガスは、補助ファン２４及び集塵ファン２６が発生する負圧により集塵ダクト２０を通して燃焼塔２１に導入される。燃焼塔２１は、外部から取り込まれた空気と電気炉１からの排ガスとを混合させて、排ガスに含まれている例えばＣＯ及びＨ２等の可燃性ガスを完全燃焼させる。
【００２７】
原料予熱装置２２は、排ガスの熱を利用して例えばスクラップ等の原料の予熱を行う装置である。原料予熱装置２２は、燃焼塔２１とガスクーラー２３との間に配置されている。原料予熱装置２２には、例えばスクラップ等の原料が貯められている。原料予熱装置２２内の原料は、燃焼塔２１からの排ガスにより熱せられる。この熱せられた原料は、後に電気炉１に装入され得る。集塵ダクト２０は、原料予熱装置２２を迂回して燃焼塔２１とガスクーラー２３とを直接的に接続する迂回路も構成している。図示しない制御体により、排ガスを原料予熱装置２２に通すか否かが制御され得る。
【００２８】
ガスクーラー２３は、燃焼塔２１の下流に配置されており、燃焼塔２１を通過した排ガスを冷却する。バグフィルタ２５は、ガスクーラー２３の下流に配置されており、排ガスに含まれているダストを捕集する。バグフィルタ２５を通過した排ガスは、排気口２７から集塵設備２の外に排出される。
【００２９】
ファーネスハウス２８は、電気炉１全体を覆うハウジングである。ファーネスハウス２８内の雰囲気ガスにもダストが含まれている。補助ダクト２９はファーネスハウス２８をバグフィルタ２５に接続している。ファーネスハウス２８内の雰囲気ガスは、集塵ファン２６が発生する負圧により補助ダクト２９を通してバグフィルタ２５に導入される。バグフィルタ２５を通過した雰囲気ガスは、排気口２７から集塵設備２の外に排出される。
【００３０】
異常検知装置３は、電気炉１（金属溶解炉）内の異常反応を検知するための装置である。異常検知装置３には、圧力計３０及び検知器３１が含まれている。
【００３１】
圧力計３０は、電気炉１からの排ガスが通される集塵ダクト２０に設けられて、その集塵ダクト２０での排ガスの圧力を検出するためのセンサである。
【００３２】
圧力計３０としては様々な構成のものを使用できるが、９０〜１００ｋＰａを測定範囲内に有し、かつ電気炉１からの排ガスの熱および粉塵に機械的に耐え得る構成のものが好ましい。一例としては、横河電機株式会社が製造するＥＪＡ３１０絶対圧力伝送器を挙げることができる。
【００３３】
圧力計３０の設置場所は任意であるが、電気炉１からの排ガスの圧力変動を敏感に検知するために、集塵設備２の上流側（電気炉１により近い側）に位置する集塵ダクト２０に設けることが好ましい。燃焼塔２１の上流側と下流側とでは、空気の流入および燃焼塔２１内部の可燃性ガスの燃焼により排ガス圧力が変わる。このため、圧力計３０の設置場所としては、電気炉１と燃焼塔２１の間の集塵ダクト２０がより好ましい。
【００３４】
圧力計３０は、電気炉１からの排ガスの圧力を常時検出できる。電気炉１内にて異常反応が発生した場合、排ガスの圧力は一時的かつ急速に増大する。
【００３５】
検知器３１は、圧力計３０に接続されており、圧力計３０が検出する圧力に基づいて電気炉１内で異常反応が発生したことを検知する。なお、検知器３１が圧力計３０に接続されているとは、圧力計３０が検出する圧力の情報を検知器３１が利用できる状態にされていることを意味し、検知器３１が圧力計３０に内蔵されている態様も含む。検知器３１は、例えばプログラムに基づいて演算処理を行うコンピュータ又は専用回路等によって構成され得る。
【００３６】
次に、図２は、図１の圧力計３０が検出する圧力値の変動の一例を示すグラフである。図２の縦軸は圧力［ｋＰａ］を示し、横軸は時刻を示している。一般に、電気炉１から発生する排ガスの発生量は、溶解する原料の種類、溶解炉期及び例えば助燃バーナー等の補助溶解設備の稼動状況によって変動する。補助ファン２４及び集塵ファン２６の回転数は、排ガスの発生量に応じて適切に設定され得る。圧力計３０が検出する圧力値は、排ガスの発生量並びに補助ファン２４及び集塵ファン２６の回転数に依存して図２のように変動することとなる。
【００３７】
電気炉１内で異常反応が発生した場合、図２において符号４が付されたパルスのように、圧力計３０が検出する圧力値は急速に上昇する。符号４を付している圧力値のパルスは、１．６秒で０．７３ｋＰａの圧力が上昇したことを示している。検知器３１は、圧力計３０が検出する圧力値のパルス状の変動を検知した際に電気炉１内で異常反応が発生したことを検知できる。より具体的には、検知器３１は、圧力上昇開始から圧力ピークに達するまでの時間が所定時間内で、かつ単位時間当たりの圧力変化量が所定値以上のときに、電気炉１内で異常反応が発生したことを検知することができる。検知器３１がこのような検知動作を行うことで、金属溶解設備の通常の稼働状況変化に伴う圧力変動と電気炉１内で異常反応が発生したことに伴う圧力変動とをより確実に切り分けることができ、電気炉１内で異常反応が発生したことを誤検知する虞を低減できる。
【００３８】
次に、実施例について説明する。容量が１６０トンのアーク加熱式の電気炉１を用いてＳＵＳ３０４を溶製する際の排ガス圧力を連続的に測定した。金属溶解設備の全体の系統は図１に示した通りである。圧力計３０としては横河電機株式会社が製造するＥＪＡ３１０絶対圧力伝送器を使用し、その圧力計３０を燃焼塔２１入側の集塵ダクト２０（電気炉１と燃焼塔２１の間の集塵ダクト２０）に設置した。
【００３９】
また、比較例として、従来技術である燃焼塔２１出側における未燃の可燃性ガス濃度の測定を行った。より具体的には、Ｈ２ガス濃度の測定を行った。測定には熱伝導式のＨ２分析計を使用し、燃焼塔２１出側の集塵ダクト２０にサンプリングプローブ５を設置した。
【００４０】
図３は、電気炉１内にて異常反応が起こった際の圧力及びＨ２ガス濃度の測定結果を示すグラフである。図３の右側の縦軸は圧力値［ｋＰａ］を示し、左側の縦軸はＨ２ガスの濃度［質量％］を示し、横軸は時刻を示している。
【００４１】
電気炉１内での異常反応の発生は、オペレーターの目視により２１時００分５２秒に起こったことが確認されている。圧力計３０の検出圧力は２１時００分５２秒００を基準として、１．２秒間に０．２０ｋＰａ上昇している。このことから、圧力計３０の圧力検出は電気炉１内の異常反応の発生から時間遅れがないことがわかる。一方、比較例として示したＨ２濃度は、２１時０２分０１秒に上昇を開始しており、２１時０２分１８秒にピークに達している。これら応答速度の結果をまとめると、下記表１に示す通りとなる。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
このことから、電気炉１からの排ガスが通される集塵ダクト２０内での排ガスの圧力に基づいて電気炉１内で異常反応が発生したことを検知することにより、ガス濃度分析計を用いる従来方法と比較して、金属溶解炉内の異常反応をより早く検知できることが確認できた。
【００４４】
次に、図４は、圧力計３０が検出する圧力変動と電気炉１の異常反応との関係を示すグラフである。図４の縦軸は圧力上昇量［ｋＰａ］を示し、横軸は圧力上昇開始から圧力ピークに達するまでの時間［秒］を示している。圧力上昇量は、圧力上昇が始まる直前の圧力値と圧力のピーク値との差分値である。図中「×」は、圧力変動が検出された際に異常反応が発生していたことを示している。図中「○」は、圧力変動が検出された際に異常反応が発生していなかったこと、すなわち圧力変動が金属溶解設備の通常の稼働状況変化に伴うものであったことを示している。
【００４５】
上述の実施例の設備にて、圧力計３０が検出する圧力変動と電気炉１の異常反応との関係を調査したところ、図４に示すような関係を見出すことができた。圧力上昇開始から圧力ピークに達するまでの時間が１秒以上かつ３秒以下で、且つ単位時間当たりの圧力変化量が０．１ｋＰａ／秒以上のときに、実際に電気炉１内で異常反応が発生していた。すなわち、圧力上昇開始から圧力ピークに達するまでの時間が１秒以上かつ３秒以下で、且つ単位時間当たりの圧力変化量が０．１ｋＰａ／秒以上のときに、電気炉１内で異常反応が発生したことを検知するように検知器３１を構成することで、電気炉１内で異常反応が発生したことを誤検知する虞をより確実に低減できる。
【００４６】
本実施の形態の金属溶解炉内の異常反応を検知するための金属溶解炉の異常検知方法は、電気炉１（金属溶解炉）からの排ガスが通される集塵ダクト２０内での排ガスの圧力を圧力計３０によって検出する工程と、圧力計３０が検出する圧力に基づいて電気炉１内で異常反応が発生したことを検知する工程とを含む。
異常反応が発生したことを検知する工程では、圧力上昇開始から圧力ピークに達するまでの時間が所定時間内で、かつ単位時間当たりの圧力変化量が所定値以上のときに、電気炉１内で異常反応が発生したことを検知することができる。
より好ましくは、異常反応が発生したことを検知する工程では、圧力上昇開始から圧力ピークに達するまでの時間が１秒以上かつ３秒以下で、且つ単位時間当たりの圧力変化量が０．１ｋＰａ／秒以上のときに、電気炉１内で異常反応が発生したことを検知する。
圧力計が設けられる集塵ダクト２０は、排ガスと空気とを混合して排ガスに含まれる可燃性ガスを燃焼させる燃焼塔２１と電気炉１との間に設けられていることが好ましい。
【００４７】
このような金属溶解炉の異常検知装置及び方法では、電気炉１からの排ガスが通される集塵ダクト２０内での排ガスの圧力に基づいて電気炉１内で異常反応が発生したことを検知するので、ガス濃度分析計を用いる従来方法と比較して、電気炉１内の異常反応をより早く検知できる。これにより、電気炉１内での異常反応の発生を迅速に検知することができ、異常反応に伴って発生する可燃性ガスによる集塵設備２の設備トラブルを予防することができる。
【００４８】
また、圧力上昇開始から圧力ピークに達するまでの時間が所定時間内で、かつ単位時間当たりの圧力変化量が所定値以上のときに、電気炉１内で異常反応が発生したことを検知するので、金属溶解設備の通常の稼働状況変化に伴う圧力変動と電気炉１内で異常反応が発生したことに伴う圧力変動とをより確実に切り分けることができ、電気炉１内で異常反応が発生したことを誤検知する虞を低減できる。
【００４９】
さらに、圧力上昇開始から圧力ピークに達するまでの時間が１秒以上かつ３秒以下で、且つ単位時間当たりの圧力変化量が０．１ｋＰａ／秒以上のときに、電気炉１内で異常反応が発生したことを検知するので、電気炉１内で異常反応が発生したことを誤検知する虞をより確実に低減できる。
【００５０】
さらに、圧力計が設けられる集塵ダクト２０は、排ガスと空気とを混合して排ガスに含まれる可燃性ガスを燃焼させる燃焼塔２１と電気炉１との間に設けられているので、電気炉１からの排ガスの圧力変動を敏感に検知でき、電気炉１内での異常反応の発生をより迅速に検知することができる。
【００５１】
なお、実施の形態では圧力上昇開始から圧力ピークに達するまでの時間が所定時間内で、かつ単位時間当たりの圧力変化量が所定値以上のときに、電気炉１内で異常反応が発生したことを検知するように説明したが、異常反応の検知はこの態様に必ずしも限定されない。例えば、通常であれば電気炉１からの排ガスの発生量に大きな変動が無い設備においては、圧力計３０が検出する圧力値が所定値を超えた場合に電気炉１内で異常反応が発生したことを検知器３１が検知してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１    電気炉（金属溶解炉）
２    集塵設備
２０  集塵ダクト
２１  燃焼塔
３    異常検知装置
３０  圧力計
３１  検知器
【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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