(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接測定するためのアクセスが不可能な又は直接測定のためにアクセスするのが困難な、漏れのある電気炉中での鋼製造用溶融工程に流入するおよび該工程から流出する容積ガス流量を決定する方法であって：
ａ）真空吸着法によって容積トン数の酸素を製造し、該容積トン数の酸素はその製造方法の結果として既にある量の測定用ガス、いわゆるトレーサー、アルゴン、ヘリウム及びチッ素を含むものであり、
ｂ）鋼製造用溶融工程が電気炉中で実施され、そして一方では定量的に既知の容積流速の形体の流入物としての容積トン数の酸素が、そして他方では、未知の容積流量での、周囲の空気の漏れによるいわゆる侵入空気が溶融工程中に流入し、
ｃ）未知の容積ガス流量の廃ガスが廃ガスパイプ屈曲部を通して電気炉から流出し、そして
ｄ）容積トン数の酸素中及び侵入空気中に既知の濃度で存在し、そして電気炉中で起る溶融工程の結果として、それ自身は如何なる変化も受けない、特にその容積または質量の減少または増加に関して変化を受けない、３種類の測定ガス中の少なくとも２種を使用して、侵入空気および廃ガスの未知の容積ガス流量を、下記の式のシステムによって決定する方法：
Ktracer 1,techn. Sauerstoff・Voltechn.Sauerstoff＋Ktracer 1,Falschluft・VolFalschluft
＝ｋtracer 1, Abgas・VolAbgas
Ktracer 2,techn. Sauerstoff・Voltechn.Sauerstoff＋Ktracer 2,Falschluft・VolFalschluft
＝ｋtracer 2, Abgas・VolAbgas
ここで、下記の既知の量を用いる：
Ktracer 1,techn. Sauerstoff=工程に流入する容積トン数の酸素に含まれるトレーサー１の濃度（％）
Ktracer 2,techn. Sauerstoff=工程に流入する容積トン数の酸素に含まれるトレーサー２の濃度（％）
Ktracer 1,Falschluft=工程に流入する侵入空気に含まれるトレーサー１の濃度（％）、及び
Ktracer 2,Falschluft=工程に流入する侵入空気に含まれるトレーサー２の濃度（％）
Voltechn.Sauerstoff=工程に流入する容積トン数の酸素の容積ガス流量
そして、下記の量を電気炉内で決定する：
ｋtracer 1, Abgas=廃ガスに含まれるトレーサー１の濃度（％）
ｋtracer 2, Abgas=廃ガスに含まれるトレーサー２の濃度（％）
VolFalschluft=工程に流入する侵入空気の容積ガス流量
VolAbgas=工程から流出する廃ガスの容積ガス流量
これによって上記の式のシステムを、求められる未知の量、即ち、侵入空気の容積ガス流量及び廃ガスの容積ガス流量、について完全に解くことができる。
【請求項２】
上記工程に流入する又は該工程から流出するガス中の測定用ガス（トレーサー）を測定するために質量分析器を使用することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項３】
廃ガスの容積流速中の測定用ガス濃度の測定を廃ガスパイプの屈曲部において行うことを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【請求項４】
容積トン数の酸素をＶＳＡまたはＶＳＰＡ法によって製造することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の技術分野
本発明は、液相の工程、例えば溶融工程、主として、直接測定のためのアクセス（接近）が部分的に又は完全に不可能な鋼製造工業における溶融工程、における容積ガス流量を決定する方法に関する。
従来の技術
最近、鋼製造に用いられる電気炉の電気エネルギー消費を低減させるための方法が知られるようになり、その方法は主として主反応ガスの後燃焼を利用する。これらの方法で、３０〜４０ｍ3／ｔの比酸素消費率が達成されたが、コンバーター法における消費率より僅かに低いだけである。従って、炉への熱および材料の両方の流入を記載するモデルへの要請が生じている。
電気的鋼製造法に関する現状は、炉中の冶金工程をエネルギーおよび質量バランスによって監視および制御できる好都合な工程モデルが欠けていることを明らかにしている。この欠乏は、該方法が酸素コンバーター内よりも遅くそしてコンバーター法よりも加熱期間中に温度測定および試料採取の機会がずっと多いという事実に起因する。工程シグナルに基づいて電気炉内で鋼を製造するための方法が欠けている。例えば廃ガス分析は殆んど行われず、廃ガス流量の測定も行われていない。
容積廃ガス流量の直接測定は、このガスが高温のため、不可能であるか経済的に用いられない。廃ガス流をゆっくり冷却する選択は容積流量の直接測定を可能にするであろうが、望ましくなく且つ汚染性のダイオキシンを放出し得るので、実行可能でない。
電気炉はまた、漏れの結果として、いわゆる侵入空気を引き込むという望ましくない傾向があり、この空気の容積流量は直接測定に役に立たない。
容積ガス流量の測定に関するかかる問題はまた、液相の工程の全範囲にも見られ、例えば反応がま処理の領域での金属２次加工、鋼コンバーター、真空処理、および鉄鋼製造の分野だけでなく、例えばガラス製造の分野での、あらゆる種類の溶融工程に見られる。
発明が解決しようとする課題
従って本発明は、直接測定のためのアクセスが不可能な又は直接測定のためのアクセスが困難な液相の工程、主として溶融工程、における容積ガス流量を決定するための方法を記述する課題に基礎をおく。
課題を解決するための手段
上記の課題は、直接測定するためのアクセスが不可能な又は直接測定のためにアクセスするのが困難な液相の工程、主として融解工程、に流入するおよび該工程から流出する容積ガス流量を決定する、下記を特徴とする方法によって解決される：
該工程に流入するガス中に既知の濃度又は測定可能な濃度で存在するかこれらの流入ガスに加えられ、それら自体は該工程の結果として、特に容量又は質量の減少又は増加に関して、変化しない特定の数の測定用ガス、いわゆるトレーサー、理想的には、Ｎ2のような不活性ガス又はヘリウムのような希ガス、
ガス流量が好ましくは測定によって知られている上記工程に流入する又は該工程から流出する特定の数のガスの容積ガス流、
を、直接測定のためのアクセスが不可能な又はアクセスが困難な、未知の容積ガス流量の決定のために使用して、下記の式のシステムによって決定する方法：
0004018140.tif 000002
ここで、
0004018140.tif 000003
ここで、上記方法のために、これらの容積ガス流中の測定用ガスの容積ガス流量又は濃度のような適当な数の量が常に測定可能又は決定可能でなければならず、これによって上記の式のシステムが、求められる未知の量について完全に解くことができる。
工程に流入又は流出するガス中の測定用ガス（トレーサー）を測定するために、質量分析器を使用するのが都合がよい。質量分析器の分析精度は、ＣＯおよびＣＯ2の赤外線吸収、Ｈ2の熱伝導度およびＯ2の常磁性感受性を利用する従来の方法およびこれらの判定基準を全ての成分に均一に適用する従来法よりも実質的に高く、そして分析時間が短い。更に、質量分析器のみがアルゴン、ヘリウムおよびチッ素のような不活性ガスを分析できる。質量分析器はまた、測定用ガス（トレーサー）の濃度を、工程制御に適した間隔で測定することができる。
本発明による方法は、鋼製造の溶融工程に一態様として適用される。
この目的に最も都合のよい鋼製造用溶融工程は、電気炉での工程である。廃ガスは電気炉のパイプ屈曲部で最も有効に分析される。
本発明による方法の一態様は、電気炉内の溶融工程に、意図した流入物として、既知の容積流量の容積トン数の酸素を、少なくとも未知の容積流量の、電気炉の漏れから生じる周囲の空気と共に流し、そして廃ガスを工程から流出させることを特徴とする。前記の空気は侵入空気として知られる。容積トン数の容積流量は従来の方法で直接測定される。
理想的には２種類のガスが、不活性ガスのチッ素（Ｎ2）および希ガスのアルゴン（Ａｒ）の形体で測定用ガス（トレーサー）として使用され、これらのガスは工程に流入するガス中に、即ち、容積トン数の酸素および侵入空気中に、既知の又は測定可能な濃度で存在するか、或いは上記の流入ガス中に加えられる。これらの測定用ガスは、特に容積又は質量の減少又は増加について、工程によって変化せず、そして、既知の容積流量の加えた容積トン数の酸素と共に使用されて、下記の式のシステムにより未知の容積ガス流量を決定する；
0004018140.tif 000004
ここで、
0004018140.tif 000005
ここで、これらの計算のために、容積トン数の酸素の容積流量、並びに容積トン数の酸素および侵入空気から成る容積ガス流中のチッ素（Ｎ2）およびアルゴン（Ａｒ）の濃度、および廃ガスの容積流中のチッ素（Ｎ2）およびアルゴン（Ａｒ）の濃度が測定可能又は決定可能でなければならず、これにより上記の式のシステムが、求められた未知の量、即ち、侵入空気の容積流量および廃ガスの容積流量、について完全に解くことができる。このシステムの式の解答は、求める量について下記の式となる：
0004018140.tif 000006
および
0004018140.tif 000007
本発明に従う方法の更に別の態様は、下記を特徴とする：
２種類のガス、即ち希ガスのヘリウム（Ｈｅ）および希ガスのアルゴン（Ａｒ）、が工程に流入するガス中に即ち、容積トン数の酸素および侵入空気中に、既知の又は測定可能な濃度で測定用ガス（トレーサー）として存在するか、或いは上記の流入ガス中に加えられ、ここで該トレーサーは、特に容積又は質量の減少又は増加について、工程の結果、変えられず、そして該トレーサーは、既知の容積流量の加えた容積トン数の酸素と共に使用されて、下記の式のシステムにより未知の容積ガス流量を決定する。
0004018140.tif 000008
ここで、
0004018140.tif 000009
ここで、これらの計算のために、容積トン数の酸素の容積流量、並びに容積トン数の酸素および侵入空気から成る容積ガス流中のヘリウム（Ｈｅ）およびアルゴン（Ａｒ）の濃度、および廃ガスの容積流中のヘリウム（Ｈｅ）およびアルゴン（Ａｒ）の濃度が測定可能又は決定可能でなければならず、これにより上記の式のシステムが、求められた未知の量、即ち、侵入空気の容積流量および廃ガスの容積流量、について完全に解くことができる。このシステムの式の解答は、求める量について下記のようになる。
0004018140.tif 000010
および
0004018140.tif 000011
本発明に従う方法のために、炭素（Ｃ）とチッ素（Ｎ2）との追加の混合物を供給するのが都合がよく、ここで該混合物中の炭素（Ｃ）およびチッ素（Ｎ2）の容積ガス流量および夫々の濃度が既知又は測定可能でなければならず、これらのデータは未知の容積ガス流量を決定するための式中に含められる。
本発明の方法の一実施例は、トンネージ酸素として、その製造方法の結果として、すでにあるレベルのアルゴン、ヘリウム及びチッ素ガスを含む混合物を、好ましくは真空吸収法（例えば、エアリキッド（Air Liquide）社のＶＳＡ又はＶＳＰＡ法）によって使用することを特徴としている。そうすればもう添加する必要がないからである。エアリキッド社からＶＳＡプラントの方法で製造された容積トン数酸素の容積成分による組成は、例えば次の通りである。
酸素        ９３％
アルゴン      ４．５％
チッ素        ２．５％
ヘリウム    約０．００００８％（＝８ｐｐｍ）
更に微量のＨ2Ｏ、ＣＯ2及びＣnＨn
そのような酸素プラントの操業では、酸素製造法の工程中にある種の測定用ガス（トレーサー）が生じるので、それらを加える必要がない。
本発明の方法は、コンバーター法又は鋼製造の後処理に関する液相工程、金属二次加工として知られる分野、反応がま処理のような被覆操作、真空プラント法または他の後処理法などにも効果的に適用することができる。本発明の方法の更に別の実施例は、鋼製造または鋼処理以外の分野に関する液相方法、例えば、特にガラス製造またはガラス溶融処理の分野からの方法に関することを特徴とする。
本発明方法の主な利点は、本発明方法によって決定された流入ガス容量を工程の数学的モデルに挿入することができ、このモデルの助けで工程をより効果的にコントロールすることができることである。
電気炉中の排出ガス流量を決定した後、例えばＣＯＨ2及び他の成分の流量を計算することができる。同様に、排出ガス容積流量の知識に基づいて、これらのガスの完全酸化を達成するのに必要な酸素量を決めることができる。これは従って、ＣＯ及びＨ2の酸化のために常に補給するべき酸素の最適量を決めることを可能にする。侵入空気の容積流量も、炉の消費エネルギーを最適にすることに関して非常に重要である。この流量の知識に基づいて、浴の脱炭素量を決定でき、ＣＯ、ＣＯ2及びＯ2の流量を計算して、工程モデル中に挿入することができる。
本発明方法の実施例の更に、主な経費上の利点は、本発明方法に要するすべての測定ガス（トレーサー）をすでに含有する容積トン数酸素、例えば真空吸収法による酸素製造法の適用から生じる容積トン数酸素を使用することから生じる。これに反して、アルゴンやヘリウムのようなトレーサーを後から添加することは鋼の製造コストが液状鋼のトン当り約２ないし１０マルク（ＤＭ）増加するであろう。多くの例でこのようなコストはそのままで重要であり、これは本発明方法の大きな技術的利点に加えて、重要な経済的利点をも含むことを意味する。
以下の記載で、本発明の実施例を図面を参照して記載する。然し、本発明は特定の実施例に限定されるものではない。
第１図は、炉のパイプ曲部に排ガスを分析する為の質量分析計のために測定プローブを備えた、鋼製造用電気炉の略図を示す。
第２図は、流入ガス及び流出ガスをもつ液相工程の略図を示す。
第３図は、容積トン数酸素流入、特定の組成の侵入ガス流入及び排ガス排出を備えた電気炉中での鋼製造工程の略図を示す。
第４図は容積トン数酸素流入、別の特定組成の侵入ガス流入及び排ガス排出をもった電気炉中での鋼製造工程の略図を示す。
第５図は、排ガス分析のための質量分析計を備えた鋼処理用コンバーター及び真空プラントの略図を示す。
第１図は、測定プローブ２、炉のパイプ曲部に排ガス分析のための質量分析計４を備えた鋼製造用電気炉１の略図を示す。測定値は質量分析計４に移される前に先ず測定ガス加工ユニット３で更に測定される為に加工される。質量分析計４による分析結果は最後にデータ取得及び加工ユニット５にインプットする量を与え、これは工程コントロールの目的に使用される。
第２図は流入及び流出ガスをもった液相工程６の略図を示す。流入ガス1（７）及び流入ガス2（８）、ないし流入ガスm（９）、即ちｍガスのすべてがここで工程中に流入し、１つの流出ガス１０が工程から流出する。各ガスは特定濃度のｎの異なる測定ガス（トレーサー）、好ましくはチッ素、ヘリウムまたは類似の不活性ガスを含有し、これによりこれらの測定ガスは工程６の結果として如何なる変化も受けない。排出ガス容積流量中のこれらトレーサーの濃度の測定が、他のデータの適切な範囲が知られている場合には、排出ガスの容積流量のような直接方法では測定することのできない量に関する情報を与えるであろう。この情報は容積流量のバランスを通して得られ、トレーサー濃度を変える為に工程６の不能力に関する値を与える。
下記の式のシステムはこのバランスを記載する。
0004018140.tif 000012
これらの式内で特定量が公知の場合、システムが未知の求めている量に関して解かれ、従ってこれらの量は間接的に測定され得る。
第３図は第１の流入ガスとして容積トン数酸素流入７、第２の流入ガスとして侵入空気流入８、及び排ガス流出１０をもった電気炉６中の鋼製造工程の略図を示す。ここで容積トン数酸素は下記濃度のトレーサーを含有している。
Ａｒ  ４．５％  及び  Ｎ2  ２．５％
空気もれの結果、炉中に引き込まれた侵入空気に関しては下記のデータを適用する。
Ａｒ  ０．９３６％  及び  Ｎ2  ７８．１％
この場合には、容積流量バランスの為の式のシステムは下記のように構成される。
0004018140.tif 000013
ここで容積トン数酸素の容積流量は直接測定できる。同様に、排ガス容積流量中のアルゴン及びチッ素（Ｎ2）の濃度は質量分析計を使用して測定できる。この場合では求める量は排ガスの容積流量及び侵入空気の容積流量である。上記の式に従って、これは次の結果となる。
0004018140.tif 000014
および
0004018140.tif 000015
第４図は、第１の流入ガスとして容積トン数酸素流入７、第２の流入ガスとして侵入空気流入８、及び排ガス流出１０をもつ電気炉６中での鋼製造工程の略図を示す。ここで容積トン数酸素は下記の濃度のトレーサーを含む
Ａｒ  ４．５％  及び  Ｈｅ  ０．００００８％（＝０．８ｐｐｍ）
炉中に空気もれの結果工程６によって引き込まれる侵入空気の為のデータは下記の通りである。
Ａｒ  ０．９３６％  及び  Ｈｅ  ０．０００５２４％（＝５．２４ｐｐｍ）
この場合には、容積流量バランスの為の式のシステムは従って下記の通りとなる。
0004018140.tif 000016
〔tech. Sauerstoff（技術酸素）＝容積トン数の酸素〕
〔Falschluft＝侵入空気〕
〔Abgas＝廃ガス又は排出ガス〕
ここで容積トン数酸素の容積流量は直接測定されうる。同様に、排ガスの容積流中のアルゴンとチッ素（Ｎ2）の濃度は質量分析計を使用して測定できる。この場合求める量は排ガスの容積流量及び侵入空気の容積流量である。上記の式に従って、これは次の結果となる。
0004018140.tif 000017
および
0004018140.tif 000018
第５図は、排ガス分析を行う為の質量分析計４を備えた鋼処理の為のコンバーター１１及び真空プラント１２の略図を示す。本発明の方法は、例えばコンバーター１１及び真空プラント１２によって示される如く、いわゆる金属２次加工の分野で、鋼の後処理工程においてガス容積流量を測定する為にも適している。
【図１】
0004018140.tif 000019
【図２】
0004018140.tif 000020
【図３】
0004018140.tif 000021
【図４】
0004018140.tif 000022
【図５】
0004018140.tif 000023