(57)【要約】【課題】計算負荷が軽減し、かつ十分な推定精度が得られる溶湯容器の回転トルク推定方式を提供する。【解決手段】入力された容器内面位置データから該容器内空間を数値的に確定して出力する第１の演算手段１００  と、入力された空間形状データおよび同空間に入れる液体の属性データから同液体が同空間に入ったときにもつ形状、体積、表面位置、質量、重心位置等を計算して出力する第２の演算手段２００  とを用いて算出した容器内張り耐火物２２および溶体（溶湯１２、スラグ１３）の質量と重心位置、ならびに別途計算した金物２１およびスカル３１の質量と重心位置からそれぞれ回転トルクを傾転角度ごとに算出して合計する方式である。また、第１、第２の演算手段を用いる代わりに、第２の演算手段の入力と出力との対応テーブルを備えた第３の演算手段３００  を用いる方式、さらには第２の演算手段の出力から湯面高さを推定する方法も提案した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された容器内面位置データから該容器内空間を数値的に確定して出力する第１の演算手段と、入力された空間形状データおよび同空間に入れる液体の属性データから同液体が同空間に入ったときにもつ形状、体積、表面位置、質量、重心位置等を計算して出力する第２の演算手段とを用いる溶湯容器の回転トルク推定方式であって、
溶湯容器の部材をなす金物の質量、重心位置のデータを用いて所定の相異なる複数の傾転角度に対する前記金物の回転トルクを算出する第１の演算部と、
前記容器に付着したスカルの質量および重心位置のデータを用いて前記複数の傾転角度に対する前記スカルの回転トルクを算出する第２の演算部と、
前記容器の内張りをなす耐火物の内面計測位置データを前記容器内面位置データとして前記第１の演算手段に入力する第１の入力部と、
該第１の演算手段の出力データおよび前記金物の内面形状のデータを前記空間形状データとしかつ前記耐火物の比重データを前記液体の属性データとして前記第２の演算手段に入力する第２Ａの入力部と、
該第２Ａの入力部からの入力データに基づき第２の演算手段で傾転角度０度の条件で算出された液体の質量および重心位置を前記耐火物のものとして、それらから前記複数の傾転角度に対する前記耐火物の回転トルクを算出する第３の演算部と、
前記該第１の演算手段の出力データを前記空間形状データとしかつ前記容器に装入される溶体の質量および比重データを前記液体の属性データとして前記第２の演算手段に入力する第２Ｂの入力部と、
該第２Ｂの入力部からの入力データに基づき第２の演算手段で前記複数の傾転角度ごとに算出された溶体の重心位置、および前記質量データから前記複数の傾転角度に対する前記溶体の回転トルクを算出する第４の演算部と、
前記複数の傾転角度の各々について前記第１〜第４の演算部の算出した同じ傾転角度に対する回転トルクを合計する第５の演算部とを有することを特徴とする溶湯容器の回転トルク推定方式。
【請求項２】
溶湯容器の部材をなす金物の質量、重心位置のデータを用いて所定の相異なる複数の傾転角度に対する前記金物の回転トルクを算出する第１の演算部と、
前記容器に付着したスカルの質量および重心位置のデータを用いて前記複数の傾転角度に対する前記スカルの回転トルクを算出する第２の演算部と、
請求項１  記載の第２の演算手段を用いて予め演算した相異なる複数の入力データと該演算により得られた出力データとの対応関係を整理してなるテーブルにより溶体の装入量および耐火物の損耗量の入力データをそれらの質量および重心位置に変換して出力する第３の演算手段と、
該第３の演算手段に前記溶体の装入量および前記耐火物の損耗量を入力する第３の入力部と、
前記第３の演算手段から出力された傾転角度０度での前記耐火物の質量および重心位置のデータを用いて前記複数の傾転角度に対する前記耐火物の回転トルクを算出する第３の演算部と、
前記第３の演算手段から出力された前記溶体の質量および前記複数の傾転角度での同溶体の重心位置のデータを用いて前記複数の傾転角度に対する前記溶体の回転トルクを算出する第４の演算部と、
前記複数の傾転角度の各々について前記第１〜第４の演算部の算出した同じ傾転角度に対する回転トルクを合計する第５の演算部とを有することを特徴とする溶湯容器の回転トルク推定方式。
【請求項３】
請求項１記載の溶湯容器の回転トルク推定方式を用いた溶湯容器内湯面高さ推定方法であって、前記第２の演算手段で算出された傾転角度０度に対する溶湯の表面位置を湯面高さ相当位置とすることを特徴とする溶湯容器内湯面高さ推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶湯容器の回転トルク推定方式および湯面高さ推定方法に関する。溶湯容器とは、溶湯（溶融金属の意。以下適宜単に湯ともいう。）あるいはさらにスラグを受容し、傾転して内容物を排出する容器をいう。これには溶湯を搬送するものの他、溶湯を精錬するものも含まれる。具体例としては、製鋼に使用される溶銑鍋や転炉等が挙げられる。
【０００２】
【従来の技術】
溶湯容器（以下適宜単に容器ともいう。）には、製鋼用転炉等のように動力を用いて支軸回りに傾転させるもの（動力傾転式）や、溶銑鍋等のように支軸相当の１点と他の１点とをクレーン等で吊るいわゆる２点吊りにより傾転させるもの（吊持傾転式）がある。溶湯の入った容器が傾転すると、容器内で溶湯が移動することから容器に回転トルクが働く。回転トルクには、容器を元の正立位置（傾転角度０度の位置）へ戻そうとする正転トルクと、さらに傾転を進めようとする逆転トルクとがある。動力傾転式の湯入り溶湯容器の傾転中に停電などで動力が零になったとき、あるいは吊持傾転式の湯入り溶湯容器を２点吊りして傾転させたとき、逆転トルクが発生すると、内容物が溢れ出すため極めて危険である。したがって金属精錬工程で使用中の容器にこのような逆転トルクが発生する可能性を予測しておくことが必要である。
【０００３】
この回転トルクは、基本的には容器の傾転支軸（例えば転炉でいえばトラニオン軸）の回りの、容器を構成する各部材および容器内の溶湯あるいはさらにスラグ（これを溶体と総称する。）の各重心に夫々の質量に応じて作用する重力のモーメントの和として算出される。
しかし、溶湯容器内面は通常耐火物でライニングされており、このライニングの状態は溶湯容器の使用によって変化し、通常はライニングが損耗する。ライニングが変化すると傾転時の容器内溶湯の移動状況も変化し、発生する回転トルクの大きさや方向も変化する。また、容器に入れる溶鋼やスラグなども毎回変化するのが普通である。また、ライニングの変化は容器自体の重心位置を変えてしまうのでこれによっても回転トルクが変わる。
【０００４】
そのため、溶湯容器の回転トルクを推定するには、上記複数の変動要因を全て考慮する必要がある。しかし、特許文献，非特許文献を調査した範囲では、かかる回転トルクを推定する技術について述べたものは見当らない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、溶湯容器の回転トルクを推定する技術について述べたものが公知文献には見当らないので、本発明者の経験から言及すると、従来では、例えば製鋼用転炉の回転トルクを推定するにあたり、初期炉内空間プロフィルとライニング損耗程度およびスカル付着程度の推定値とから現用炉内空間プロフィルを概算し、さらに多くの傾転角度ごとに、前記概算した炉内空間プロフィルを中心軸方向に細かく分割し、各分割区域内の容器構成部材および容器内溶湯の個々について逐一前記モーメントを算出して合計するという方法をとっていた。しかしそのような方法では、計算負荷が多大であるばかりか、十分な推定精度が得られていたとは言い難かった。
【０００６】
そこで、本発明は、計算負荷が軽減し、かつ十分な推定精度が得られる溶湯容器の回転トルク推定方式を提供することを目的とする。また、それと共に、この回転トルク推定方式を用いた簡易な溶湯容器内湯面高さ推定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
近年、レーザを用いた計測器により一般容器の内面形状が精度良く計測できるようになった。また、ＣＡＤの長足の進歩により内面形状が特定された容器内で移動した液状物体の形状や重心位置が容易にかつ高精度に計算できるようになった。本発明はこれらの要素技術を活用して前記目的を達成したものである。
すなわち、本発明は、以下のとおりである。
【０００８】
（１）入力された容器内面位置データから該容器内空間を数値的に確定して出力する第１の演算手段と、入力された空間形状データおよび同空間に入れる液体の属性データから同液体が同空間に入ったときにもつ形状、体積、表面位置、質量、重心位置等を計算して出力する第２の演算手段とを用いる溶湯容器の回転トルク推定方式であって、
溶湯容器の部材をなす金物の質量、重心位置のデータを用いて所定の相異なる複数の傾転角度に対する前記金物の回転トルクを算出する第１の演算部と、
前記容器に付着したスカルの質量および重心位置のデータを用いて前記複数の傾転角度に対する前記スカルの回転トルクを算出する第２の演算部と、
前記容器の内張りをなす耐火物の内面計測位置データを前記容器内面位置データとして前記第１の演算手段に入力する第１の入力部と、
該第１の演算手段の出力データおよび前記金物の内面形状のデータを前記空間形状データとしかつ前記耐火物の比重データを前記液体の属性データとして前記第２の演算手段に入力する第２Ａの入力部と、
該第２Ａの入力部からの入力データに基づき第２の演算手段で傾転角度０度の条件で算出された液体の質量および重心位置を前記耐火物のものとして、それらから前記複数の傾転角度に対する前記耐火物の回転トルクを算出する第３の演算部と、
前記該第１の演算手段の出力データを前記空間形状データとしかつ前記容器に装入される溶体の質量および比重データを前記液体の属性データとして前記第２の演算手段に入力する第２Ｂの入力部と、
該第２Ｂの入力部からの入力データに基づき第２の演算手段で前記複数の傾転角度ごとに算出された溶体の重心位置、および前記質量データから前記複数の傾転角度に対する前記溶体の回転トルクを算出する第４の演算部と、
前記複数の傾転角度の各々について前記第１〜第４の演算部の算出した同じ傾転角度に対する回転トルクを合計する第５の演算部とを有することを特徴とする溶湯容器の回転トルク推定方式。
【０００９】
（２）溶湯容器の部材をなす金物の質量、重心位置のデータを用いて所定の相異なる複数の傾転角度に対する前記金物の回転トルクを算出する第１の演算部と、
前記容器に付着したスカルの質量および重心位置のデータを用いて前記複数の傾転角度に対する前記スカルの回転トルクを算出する第２の演算部と、
（１）記載の第２の演算手段を用いて予め演算した相異なる複数の入力データと該演算により得られた出力データとの対応関係を整理してなるテーブルにより溶体の装入量および耐火物の損耗量の入力データをそれらの質量および重心位置に変換して出力する第３の演算手段と、
該第３の演算手段に前記溶体の装入量および前記耐火物の損耗量を入力する第３の入力部と、
前記第３の演算手段から出力された傾転角度０度での前記耐火物の質量および重心位置のデータを用いて前記複数の傾転角度に対する前記耐火物の回転トルクを算出する第３の演算部と、
前記第３の演算手段から出力された前記溶体の質量および前記複数の傾転角度での同溶体の重心位置のデータを用いて前記複数の傾転角度に対する前記溶体の回転トルクを算出する第４の演算部と、
前記複数の傾転角度の各々について前記第１〜第４の演算部の算出した同じ傾転角度に対する回転トルクを合計する第５の演算部とを有することを特徴とする溶湯容器の回転トルク推定方式。
【００１０】
（３）（１）記載の溶湯容器の回転トルク推定方式を用いた溶湯容器内湯面高さ推定方法であって、前記第２の演算手段で算出された傾転角度０度に対する溶湯の表面位置を湯面高さ相当位置とすることを特徴とする溶湯容器内湯面高さ推定方法。
前記本発明（２）は、第３の演算手段にスカルの付着量から同スカルの質量および重心位置を算出する機能が付加されたものでもよく、また第３の入力部にスカルの付着量を第３の演算部に入力する機能が付加されたものでもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明（１）、（２）は、例えば図４に示すように、溶体例えば溶鋼１２およびスラグ１３を装入された溶湯容器例えば転炉１１が傾転角度θだけ傾転したとき、その状態にある容器および内容物に発生する総合回転トルクを推定する方式である。なお、図４において、１４は傾転角度θでの容器中心軸、１５は傾転角度０度での容器中心軸、１６は容器支軸（例：トラニオン軸）、１７は装入口、１８は湯出し口である。
【００１２】
まず、本発明（１）について説明する。
本発明（１）では図２に概要を示すような第１および第２の演算手段を用いる。第１の演算手段１００  は、容器内面位置に関するデータを入力され、該入力データを用いて該容器内空間の数値的確定データを算出するソフトウエアであり、これに該当するものとしては例えばＡｕｔｏ−Ｄｉｓｋ  社の”Ａｕｔｏ−ＣＡＤ”が挙げられる。第２の演算手段２００  は、空間形状に関するデータおよび該空間に入れる液体の属性に関するデータ（質量、比重など）を入力され、これらの入力データを用いて同空間内での同液体の形状、体積、表面位置、質量、重心位置等を算出するソフトウエアであり、これに該当するものとしては例えば前記Ａｕｔｏ−Ｄｉｓｋ  社の”Ａｕｔｏ−ＣＡＤ”上で使用できる同社の”Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｄｅｓｋ−Ｔｏｐ”  が挙げられる。
【００１３】
本発明（１）の実施形態を図１にフロー図で示す。同図に示すように、本発明（１）は、第１〜第５の演算部１〜５を有する。
第１〜第４の演算部１〜４はいずれも対象物の質量と重心位置のデータから同対象物の回転トルク（容器支軸回りのモーメント）を容器の傾転角度毎に算出する。第１〜第３の演算部１〜３はそれぞれ、容器の傾転によって重心位置（容器支軸との距離）が変わらないもの、すなわち、第１の演算部１では容器の部材をなす金物、第２の演算部２では容器に付着したスカル、第３の演算部３では容器の内張りをなす耐火物を対象物とする。一方、第４の演算部４は、容器の傾転によって重心位置（容器支軸との距離）が変わる溶体（溶湯あるいはさらにスラグ）を対象物とするものである。また、第５の演算部５は、第１〜第４の演算部１〜５の算出結果である金物、スカル、耐火物、溶体の回転トルクを傾転角度毎に合計して総合回転トルクを算出する。
【００１４】
金物の質量と重心位置のデータとしては、容器使用による金物の変化が小さいことから、設計値を用いうる。スカルの質量と重心位置のデータとしては、例えば容器使用実績に基づいて適宜定めた対応関係を用いて計算した値を用いうる。
耐火物の質量と重心位置のデータには、第２Ａの入力部２０Ａ  からの入力（空間形状と同空間内液体属性）を第２の演算手段２００  で傾転角度０度の条件下で演算処理した結果の出力を用いる。第２Ａの入力部２０Ａ  からの入力には、空間形状データとして金物内面形状の設計値および第１の演算手段１００  の出力データである容器内空間の数値的確定データを用い、液体属性データとして耐火物の比重を用いる。なお、液体（耐火物相当）の量は空間（金物と耐火物との界面と耐火物表面とで挟まれた空間）全体を満たす量とする。第１の演算手段１００  への入力すなわち容器内面位置データとしては、耐火物の内面計測位置データが第１の入力部１０を介して送られる。この耐火物の内面計測位置データは、例えばレーザーを用いた非接触式の耐火物内面形状測定器を用いて容器内面を実測することにより採取される。
【００１５】
溶体の質量と重心位置のデータには、第２Ｂの入力部２０Ｂ  からの入力（空間形状と同空間内液体属性）を第２の演算手段２００  で傾転角度を種々変えた条件下で演算処理した結果の出力を用いる。第２Ｂの入力部２０Ｂ  からの入力には、空間形状データとして前記容器内空間の数値的確定データを用い、液体属性データとして溶体の質量、比重を用いる。
【００１６】
本発明（１）では、上記のように、耐火物の内面計測位置データから算出した容器内空間の数値的確定データを用いているので、耐火物の内面形状および容器内の溶体の形状を精度よく算出することができる。よって、本発明（１）によれば十分な精度で溶湯容器の回転トルクを推定しうる。また、第１、第２の演算手段へのデータ入力手段として第１、第２Ａ、第２Ｂの入力部を備えたので計算負荷は軽減されている。
【００１７】
次に、本発明（３）について説明する。
図１には本発明（３）の実施形態を併示している。本発明（１）で用いる第２の演算手段２００  は、第２の入力部２０Ｂ  からの入力データから傾転角度０度での溶湯の表面位置を算出することもできる。この算出した表面位置は実際のものに非常に近い。よって、本発明（３）では、本発明（１）の回転トルク推定方式を用いた溶湯容器内湯面高さ推定方法として、前第２の演算手段で算出された傾転角度０度に対する溶湯の表面位置を湯面高さ相当位置とする方法を提案した。なお、本発明（３）の実施時には、第１〜第５の演算部および第２Ａの入力部を用いる必要はないから、それらに用いる入力データを揃える手間は不要である。
【００１８】
次に、本発明（２）について説明する。
本発明（２）は、本発明（１）を簡易化したものである。本発明（２）の実施形態を図３にフロー図で示す。同図に示すように、本発明（２）では、本発明（１）のものと同じ第１〜第５の演算部１〜５を有するが、第３、第４の演算部３、４への入力データ供給手段を、本発明（１）で用いる第２の演算手段２００  に代えて、第３の演算手段３００  とし、第３の演算手段３００  への入力データ供給手段として第３の入力部３０を備えた。
【００１９】
第３の演算手段３００  は、第２の演算手段２００  を用いて予め演算した相異なる複数の入力データと該演算により得られた出力データとの対応関係を整理してなるテーブル（数表）を有する。このテーブルの入力側において、金物の内面形状、耐火物および溶体の比重は定数（ユーザの入力は不要）とし、容器内空間の数値的確定データ、溶体の質量を変数とし、容器内空間の数値的確定データは耐火物の損耗量（欠損深さ）、溶体の質量は溶体（溶湯あるいはさらにスラグ）の装入量と対応づけた。前記定数は容器の設計仕様および使用条件に適合した値とし、前記変数は容器の使用条件に適合した変域内の離散値とした。これらの変数が第３の入力部３０を介して第３の演算部３００  へ送られる。出力への影響が大きい入力項目については隣接する離散値間の値を入力し、補間法により出力値を決定するようにした。同テーブルの出力項目は、傾転角度０度での耐火物の質量、重心位置、および傾転角度毎の溶体の質量、重心位置とした。
【００２０】
なお、第３の演算手段３００  では、前記テーブルに複数の条件について予め計算して得たスカルの付着量と該スカルの質量、重心位置との対応関係も組み入れ、第３の入力部から入力されるスカルの付着量データをそれに対応する同スカルの質量、重心位置に変換できるようにした。
本発明（２）では、本発明（１）を特定の容器に適合させて簡易化したから、本発明（１）に比して汎用性の点で劣るが、ユーザサイドでの使用時には規模の大きい第１、第２の演算手段による演算は実行されないので、格段に短い時間で結果を得ることができる。また、第３の演算手段のテーブルデータは第２の演算手段の相対応する入力と出力を用いて作成されているので、推定精度は本発明（１）とほとんど同じレベルになる。
【００２１】
【実施例】
〔実施例１〕
製鋼用転炉に対して図１に示した形態で本発明（１）を適用した。第１の演算手段には前記”Ａｕｔｏ−ＣＡＤ”を用い、第２の演算手段には前記”Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｄｅｓｋ−Ｔｏｐ”  を用いた。この転炉は、複数回使用された後、装入口周辺のスカル付着量は計算値で３０ｔｏｎ  程度であり、内張り耐火物損耗量は、前記耐火物内面形状測定器による炉内面測定結果によれば、炉底部で２００ｍｍ  程度、炉腹部で約４００ｍｍ  程度、コーン部で０ｍｍであった。
【００２２】
この転炉が空炉状態および溶体（溶鋼３００ｔｏｎ、スラグ２０ｔｏｎ  ）装入状態で傾転したときに発生する総合回転トルクの推定結果は図５に示すとおりであった。なお、総合回転トルクは、正値を正転トルク、負値を逆転トルクとした。また、傾転角度は５度おきとした。
〔実施例２〕
製鋼用転炉に対して図３に示した形態で本発明（２）を適用した。第３の演算手段のテーブルは、炉内面の観察実績に基づいてスカル付着形態および耐火物損耗形態を図６に示すようにモデル化した転炉１１について溶鋼１２およびスラグ１３の装入量（Ｑｍ  、Ｑｓ  ）、スカル３１付着量（Ｑｓｓ）、炉腹部損耗域３２の損耗量（炉腹損耗量ＢＸ）、コーン部損耗域３３の損耗量（コーン部損耗量ＢＹ）、炉底部損耗域３４の損耗量（炉底損耗量ＢＺ）を種々変更した入力条件で前記”Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｄｅｓｋ−Ｔｏｐ”  を運転して得た出力（傾転角度０度での耐火物の質量、重心位置および各傾転角度での溶鋼、スラグの質量、重心位置）を入力条件と対応づけて作成した。
【００２３】
入力条件の変更範囲は、Ｑｍ  ＝２６５  〜３００ｔｏｎ（１０ｔｏｎ  おき）および０ｔｏｎ  （空炉）、Ｑｓ  ＝２０〜５０ｔｏｎ  （１０ｔｏｎ  おき）および０ｔｏｎ  （空炉）、Ｑｓｓ＝０〜３０ｔｏｎ  （１０ｔｏｎ  おき）、ＢＸ＝０〜９００ｍｍ  間の両端を含む７点、ＢＹ＝０〜２００ｍｍ  （５０ｍｍおき）、ＢＺ＝０〜４００ｍｍ  （１００ｍｍ  おき）とした。なお、このテーブルはＥｘｃｅｌ  を用いて作成した。
【００２４】
第３の入力部での入力様式は、Ｑｍ  、Ｑｓ  、Ｑｓｓ、ＢＹには上記変更範囲内の任意の数値を入力し、ＢＸ、ＢＺには所定の数値群内から選択して入力するものとした。
炉内面状況がＱｓｓ＝３０ｔｏｎ  、ＢＸ＝６００ｍｍ  、ＢＹ＝０ｍｍ、ＢＺ＝４００ｍｍの転炉を空炉状態およびＱｍ  ＝３００ｔｏｎ、Ｑｓ  ＝２０ｔｏｎ  の溶体装入状態で傾転したときに発生する総合回転トルクの推定結果は図７に示すとおりであった。なお、総合回転トルクは、正値を正転トルク、負値を逆転トルクとした。また、傾転角度は５度おきとした。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、溶湯容器の傾転時に発生する回転トルクを容易にかつ高精度に推定でき、また、溶湯の湯面高さも簡単に推定できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明（１）および（３）の実施形態を示すフロー図である。
【図２】本発明（１）で用いる第１および第２の演算手段の概要を示すフロー図である。
【図３】本発明（２）の実施形態を示すフロー図である。
【図４】本発明の適用対象容器の１例である傾転状態の製鋼用転炉を示す断面図である。
【図５】本発明（１）による回転トルク推定結果の１例を示す転炉傾転トルクカーブ図である。
【図６】製鋼用転炉のスカル付着形態および耐火物損耗形態をモデル化した例を示す断面図である。
【図７】本発明（２）による回転トルク推定結果の１例を示す転炉傾転トルクカーブ図である。
【符号の説明】
１  第１の演算部
２  第２の演算部
３  第３の演算部
４  第４の演算部
５  第５の演算部
１０    第１の入力部
１１    転炉（溶湯容器）
１２    溶鋼（溶湯）
１３    スラグ
１４    傾転角度θでの容器中心軸
１５    傾転角度０度での容器中心軸
１６    容器支軸（例：トラニオン軸）
１７    装入口
１８    湯出し口
２０Ａ  第２Ａの入力部
２０Ｂ  第２Ｂの入力部
２１    金物
２２    耐火物
３０    第３の入力部
３１    スカル
３２    炉腹部損耗域
３３    コーン部損耗域
３４    炉底部損耗域
１００  第１の演算手段
２００  第２の演算手段
３００  第３の演算手段
【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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【図７】
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