(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナに送る空気の圧力および燃料ガスの圧力を同じに設定する第１の圧力調節手段と、該第１の圧力調節手段で設定された燃料ガスの圧力をサイド調整する第２の圧力調節手段とを具備する銅溶解炉におけるバーナ燃焼制御装置において、
前記第２の圧力調節手段を制御するコントローラを設け、
該コントローラが、前記第１の圧力調節手段の制御内容に応じて前記第２の圧力調節手段を制御するメイン制御系と、前記バーナの混合ガスをテスト燃焼させて得た燃焼ガス中の一酸化炭素濃度値又は水素濃度値と規定値との偏差に応じて前記メイン制御系の制御に補正を加える補正制御系とを有するよう構成したことを特徴とするバーナ燃焼制御装置。
【請求項２】
前記コントローラが、燃料ガスリッチ要求時に前記メイン制御系を燃料ガス圧力増大側に切り替える第１切替手段および／又は燃料ガスリッチ要求時に前記補正制御系の前記規定値をより大きな値に切り替える第２切替手段を有することを特徴とする請求項１に記載のバーナ燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅溶解炉においてバーナ燃焼を自動的に制御するバーナ燃焼制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気銅（精錬直後の銅板）や銅線屑等を溶解して棒状の銅を連続的に鋳造するために、円筒型の銅溶解炉（別名シャフト炉）が使用される。この銅溶解炉は、図４に示したように、耐火煉瓦で製造した炉筒１１の周囲に１段又は複数段に亘って複数のバーナ１２を配置して、内部に投入した電気銅や銅線屑をそのバーナの燃焼炎で加熱させて溶解し、湯出口１３に集まる銅溶液を樋１４により連続的に取り出すようにしたものである。
【０００３】
上記したバーナ１２の各々は、図５に示したようなバーナ燃焼制御装置によってその燃焼が制御されている。図５において、２１はブロアで送られてくる空気の圧力を調節するための手動のバタフライ弁でなる燃焼調節弁である。２２はプロパンやブタン等の燃料ガスの圧力を調節するためのダイアフラム弁からなるゾーンレギュレータであり、燃焼調節弁２１の出口圧力に連動して、出口圧力がその燃焼調節弁２１の出口圧力よりも若干高い圧力になるように調節される。２３はガス／エアマニホールドであり、上記のようにして圧力調節された空気と燃料ガスを、各々のバーナに分配する。図５では、１個のバーナに供給する場合のみを示している。
【０００４】
２４は空気圧力を信号として取り出すシグナルマニホールドであり、ここで分岐した空気がゼロレギュレータ２５に入力される。このゼロレギュレータ２５は、ゾーンレギュレータ２２と同様にダイヤフラム弁でなり、シグナルマニホールド２４から送られる空気圧力によって、その出口圧力がシグナルマニホールド２４の出口圧力とほぼ同一となるように、圧力調節される。このようにガス／エアマニホールド２３に入力するまでは、後の圧力調節がし易いように燃料ガスの方が空気よりも圧力が高くなるように調節され、ゼロレギュレータ２５の出口側で両圧力がほぼ同一となるように調節される。２６はリミティングオリフィス弁であり、手動による微調整用である。２７は固定のオリフィスプレート（小孔が形成されたプレート）であり、リミティングオリフィス弁２６の感度が最適になるよう、その小孔の大きさや位置が調整されている。
【０００５】
以上において、銅の溶解量が変更されたとき、例えば増加したときは、燃焼調節弁２１を操作してガス／エアマニホールド２３の入口の空気圧力が高くなるように手動調節する。これにより、ゾーンレギュレータ２２が連動して操作され、ガス／エアマニホールド２３入口の燃料ガスの圧力が空気圧力よりも若干（例えば、１２〜１５インチＨ2Ｏ）高くなるよう自動調節される。そして、個々のバーナについては、ゼロレギュレータ２５によって、燃料ガスの出口圧力が空気圧力（上記燃焼調節弁２１で調節された圧力とほぼ同じ）とほぼ同じになるように自動調整される。
【０００６】
以上は自動調整であるが粗調整であり、微調整はリミティングオリフィス弁２６を手動調節することによって行われる。これは、バーナ１２内の混合ガスをサンプリングして、それを図示しないシステムによってテスト燃焼させたときのＣＯ値又はＨ２値が規定の値となるように、その弁開度を調節して行う。このＣＯ値又はＨ２値を検出して調整を行うのは、銅溶解においてはその品質保持上から酸化雰囲気とならないよう、いくらか還元雰囲気で溶解する必要があるからである。
なお、本願における「ＣＯ値」は一酸化炭素濃度の値であり、「Ｈ２値」は水素濃度の値であり、単位はいずれも％である。
【０００７】
なお、起動時では炉内に酸素が多いのでガスリッチの条件で燃焼（カラタキ）を行う必要があり、このときは、ＣＯ値又はＨ2値の規定値を変更して運転するために、上記リミッティングオリフィス弁２６を手動調節している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記バーナ燃焼制御装置は、その制御が基本的に手動制御であり、特に銅溶解炉の溶解量が変化したとき、燃焼ガスのＣＯ値又はＨ2値が規定値に保たれるように、リミティングオリフィス弁２６を必ず手動で調節する必要があり、これは各バーナ用について行う必要があり、手間がかかると共に、その調節にバラツキが発生し易く、例えば酸化雰囲気中で溶解を行って溶解銅の品質に悪影響を及ぼす恐れがあった。
【０００９】
また、上記したように、ガスリッチの要求が出て、ＣＯ値やＨ2値の設定値を変更して運転したい場合にも、各バーナ用のリミティングオリフィス弁２６を手動で調節する必要があった。
【００１０】
本発明は以上のような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、調整の自動化が行われるようにして、調整の手間をなくすと共に調整のバラツキをなくし、溶解銅の品質を一定に保持できるようにしたバーナ燃焼制御装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、バーナに送る空気の圧力および燃料ガスの圧力を同じに設定する第１の圧力調節手段と、該第１の圧力調節手段で設定された燃料ガスの圧力をサイド調整する第２の圧力調節手段とを具備する銅溶解炉におけるバーナ燃焼制御装置において、前記第２の圧力調節手段を制御するコントローラを設け、該コントローラが、前記第１の圧力調節手段の制御内容に応じて前記第２の圧力調節手段を制御するメイン制御系と、前記バーナの混合ガスをテスト燃焼させて得た燃焼ガス中の一酸化炭素濃度値又は水素濃度値と規定値との偏差に応じて前記メイン制御系の制御に補正を加える補正制御系とを有するよう構成した。
なお、「一酸化炭素濃度値」は、以下、「ＣＯ値」と記載し、「水素濃度値」は「Ｈ２値」と記載する。単位はいずれも％である。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、前記コントローラが、燃料ガスリッチ要求時に前記メイン制御系を燃料ガス圧力増大側に切り替える第１切替手段および／又は燃料ガスリッチ要求時に前記補正制御系の前記規定値をより大きな値に切り替える第２切替手段を有するよう構成した。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態のバーナ燃焼制御装置を示す図である。図５に示したものと同じものには同じ符号を付したが、燃焼調節弁２１、ゾーンレギュレータ２２、シグナルマニホールド２４、およびゼロレギュレータ２５は第１の圧力調節手段を構成する。３１はリミティングオリフィス弁２６の配管経路を遮断するための手動操作のボール弁である。３２はダイヤフラム弁からなる自動調節弁（第２の圧力調節手段）であり、リミティングオリフィス弁２６とボール弁３１をバイパスする配管経路に設けられている。
【００１４】
３３はこの自動調節弁３２を制御するためのコントローラであって、燃焼圧力信号（燃焼調節弁２１の出口圧力信号：銅溶解量信号）、燃焼ガスのＣＯ値又はＨ2値信号（バーナの混合ガスをサンプリングして図示しないシステムでテスト燃焼させて得たＣＯ値又はＨ2値の信号）、およびガスリッチ要求信号を入力して、その自動調節弁３２の弁開度を制御する。
【００１５】
図２は上記コントローラ３３の機能ブロック図である。ここでは、ＣＯ測定値を入力信号としているが、Ｈ2測定値を入力信号としてもよい。４１は燃焼圧力信号に応じて自動調節弁３２の開度を予めプログラムした関数発生器、４２は補正用の特性をプログラムした関数発生器、４３，４４，４５は加算器、４６，４７は乗算器、４８は減算器、４９はデータを保持するアナログメモリ、５０は積分作用を行う変化率設定器、５１、５２，５３，５４は切替器、５５、５６，５７，５８はデータ設定器、５９は手動操作器、６０はシーケンス回路である。
【００１６】
さて、ガスリッチ要求信号が入力しないときは、切替器５３，５４はオフとなっており、また無補正時（ノーモードリセット）は切替器５２がデータ設定器５５の出力データを選択するよう切り換えられている。さらに、自動時には切替器５１が加算器４３からの入力を選択している。
【００１７】
以上の条件（ガスリッチ要求なし、無補正、自動）のときは、ボール弁３１が閉じているとき、次に示す制御が行われる。まず、関数発生器４１で関数変換した燃焼圧力信号が出力して、加算器４３に入力する。この関数発生器４１は、図３の(a)に示すような特性の燃焼圧力信号を図３の(b)に示すような特性の信号に変換するもので、例えば折れ線カーブの特性であり、対応するバーナの特性、配管系統、燃料ガスの種類その他の条件に応じてその関数の内容が予め設定されている。
【００１８】
また、データ設定器５５で設定されている値は「０％」であり、この値が切替器５２からアナログメモリ４９→変化率設定器５０を経由して乗算器４６に入力するが、ここでの乗算結果は０になるので、加算器４３の出力には影響を与えない。この加算器４３の出力信号は切替器５１を経由して加算器４４に入力するが、切替器５３がオフであるので、加算器４３では入力信号がそのまま出力し、自動調節弁３２に出力する。
【００１９】
以上のように、ガスリッチ要求信号なし、無補正、自動運転の条件では、入力する燃焼圧力信号を関数発生器４１により関数変換した信号のみによって、つまりメイン制御系のみによって、自動調節弁３２が自動制御され、空気に対する燃料ガスの比率が調整（微調整）される。
【００２０】
次に、バーナの混合ガスをテスト燃焼させて得たＣＯ値によって補正を加えるときは、切替器５２がデータ設定器５５からの信号に代えて減算器４８からの信号を選択するようになる。このとき、例えばデータ設定器５８に規定のＣＯ値をａ％で設定しておけば、取り込んだＣＯ値（ｘ％）の信号とデータ設定器５８に設定したＣＯ値とが減算器４８で比較され、その偏差（ａ−ｘ）が切替器５２を経由してアナログメモリ４９に保持される。
【００２１】
ＣＯ値の測定は全部のバーナについて共通のテスト燃焼システム（図示せず）で順番に行う関係から、１個のバーナについては単位時間に１回だけ行われこれが繰り返されるので、ＣＯ測定値に基づいた偏差を次のＣＯ測定までの期間保持する必要があるのである。このアナログメモリ４９の保持信号は変化率設定器５０を経由して乗算器４６に入力する。
【００２２】
変化率設定器５０では、アナログメモリ４９で前回保持されていた信号と今回新たに保持された信号との差が大きいとき、これを直接補正信号として加えると一種の外乱が入力した状態となり制御系が不安定となるので、これを防止するために、積分作用を与えて変化がゆっくり行われるようにしている。この変化の程度は予め設定可能となっている。
【００２３】
乗算器４６では、関数発生器４２の出力信号に上記偏差に応じた値を乗算し、これを加算器４３に入力している。このようにここでは、ＣＯ測定値とＣＯ設定値との偏差に、現在の燃焼圧力信号（つまり、銅溶解量信号）を加味した信号を乗算する補正制御系を設け、その乗算結果を関数発生器４１に設定した関数に対する補正信号としている。
【００２４】
この結果、加算器４３の出力信号は、図３の(c)に示すように、関数発生器４１の出力信号の傾きが補正信号によって変化する信号となる。偏差が正のとき、つまり測定したＣＯ値が目標値より少ないときは、大きな傾きとなって自動調節弁３２の開度が大きくなり、その反対のときは小さな傾きとなって開度が小さくなり、空気に対する燃料ガスの比率がさらに調整（微調整）される。
【００２５】
次に、ガスリッチ要求信号が入力したときは、シーケンス回路６０が動作して、切替器５３，５４がオンとなる。切替器５３がオンになると、関数発生器４１の出力信号がデータ設定器５６に設定した値と乗算器４７で乗算されて、その乗算結果が切替器５３を経由して加算器４４に入力するので、自動調節弁３２に対しては、関数発生器４１から出力する信号に対して、その信号を設定器５６で設定された値だけ倍数した信号が加算されることになる。関数発生器４１の出力信号がＡであり、データ設定器５６の設定値がＫであるとすると、補正制御系を無視すれば、加算器４４の出力信号は、「Ａ（Ｋ＋１）」となる。
【００２６】
また、切替器５４がオンになると、加算器４５に対してデータ設定器５８で設定された値（ａ％）以外にデータ設定器５７で設定された値（ｂ％）が入力するので、両設定器５７，５８の設定値が加算され、測定したＣＯ値がこの値（ａ＋ｂ）％になるように補正制御系が働く。以上の両切替器５３，５４の切り替えにより、空気に対する燃料ガスの比率が大幅に大きくなる。
【００２７】
ところで、ガスリッチ要求信号入力時に、補正制御系の設定値を切り替える以外に、メイン制御系に別の制御信号を加算するようにしたのは、メイン制御系で要求信号に対する応答が速く行われるようにし（補正制御系ではＣＯ測定が間欠的であるので立ち上がりが遅い）、補正制御系でＣＯ値を観測しながら燃焼させるためである。
【００２８】
以上は自動制御であったが、手動制御を行うときは、切替器５１が手動操作器５９の出力を選択するよう切り替える。これにより、その手動操作器５９の操作によって、自動調節弁３２の開度を調節して燃料ガスのバーナへの供給圧力を任意に調節することができる。また、以上はボール弁３１を閉じて行う制御であったが、このボール弁３１を開き、自動調節弁３２をコントローラ３３により手動制御で閉じておけば、従来と同様にリミティングオリフィス弁２６により手動で微調整を行うことができる。
【００２９】
なお、上記では燃焼圧力を燃焼調節弁２１により空気の圧力を調節して行ったが、燃料ガスの圧力を調節して行うこともできる。このときは、この燃料ガスの圧力に応じてそれより若干低い圧力にガス／エアマニホールド２３入口の空気の圧力を調節する。また、そのガス／エアマニホールド２３出口においては、燃料ガスの圧力とほぼ同じ圧力となるように、空気圧力を調整することもできる。
【００３０】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、銅溶解量が変わったときでも、燃焼ガスのＣＯ値やＨ2値が規定の値に自動的に保たれるようになり、調整の保守が容易となると共に、溶解銅の品質を一定に保つことが容易に実現できる。
【００３１】
また、燃料ガスリッチ要求があった場合には、コントローラのメイン制御系や補正制御系が切り替えられるので、手動操作を行うことなく、所望の燃料ガスをバーナに送り込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のバーナ燃焼制御装置の制御系統を示す図である。
【図２】  コントローラの機能ブロック図である。
【図３】  関数発生器の特性の説明図である。
【図４】  銅溶解炉の概略構造を示す部分断面図である。
【図５】  従来のバーナ燃焼制御装置の制御系統を示す図である。
【符号の説明】
１１：炉筒、１２：バーナ、１３：湯口、１４：樋
２１：燃焼調節弁、２２：ゾーンレギュレータ、２３：ガス／エアマニホールド、２４：シグナルマニホールド、２５：ゼロレギュレータ、２６：リミティングオリフィス弁、２７：オリフィスプレート
３１：ボール弁、３２：自動調節弁、３３：コントローラ
４１、４２：関数発生器、４３〜４５：加算器、４６，４７：乗算器、４８：減算器、４９：アナログメモリ、５０：変化率設定器、５１〜５４：切替器、５５〜５８：データ設定器、５９：手動操作器、６０：シーケンス回路
【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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