JP5585517B2

JP5585517B2 - 溶鋼に粉体を吹込む精錬設備、粉体吹込みタンクのリーク検知方法及びプログラム

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Publication number: JP5585517B2
Application number: JP2011085469A
Authority: JP
Inventors: 耕作田村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: JP2012219318A

Description

本発明は、粉体吹込みタンクから溶鋼に粉体を加圧ガスで吹込む精錬設備、その設備における粉体吹込みタンクのリーク検知方法及びプログラムに関する。

鉄鋼の製造工程の一つである製鋼工程内の二次精錬では、不純物の除去のために溶鋼に粉体を吹込んで精錬する。本工程を実現する一つの方式として、粉体吹込みタンクに粉体を装入した後、タンクシール弁で封じた上で粉体吹込みタンク内に加圧ガスを供給して蓄圧し、粉体吹込みタンク内に蓄圧された加圧ガスにて粉体をランスから溶鋼に吹込む。

タンクシール弁としてはボール弁等の気密性の高いものが選定されるが、粉体の粒径が小さいため、操業中にタンクシール弁に粉体が入り込んでしまうことがある。タンクシール弁に粉体が入り込んでしまうと、粉体がボールに噛み込んでタンクシール弁の気密性が保たれなくなる。また、長期間の使用等により、タンクシール弁のシール部分に摩耗が生じることもある。このようにタンクシール弁に粉体が入り込んだり、シール部分の摩耗が生じたりすると、そこから粉体吹込みタンク内の加圧ガスがリークして、粉体吹込みタンク内の圧力が下がってしまう。粉体の吹込みは溶鋼の静圧以上の圧力で行う必要があり、粉体吹込みタンク内の圧力が下がってしまうと、溶鋼に浸漬させているランスの先端の吹き出し口に溶鋼が入り込み、ランスが損傷して使用不可能となって操業が続けられなくなってしまう。

加圧ガスを流して圧送し続けながら粉体を吹込む他の方式の場合、少々のリークがあっても操業を停止するほどの影響を与えない。例えば特許文献１には、加圧ガスを流して圧送し続けながら粉体を吹込む他の方式において、タンク内圧力がランス背圧を下回った時はタンク側のリークと判断する溶鋼への粉体の吹き込み制御方法が開示されている。また、特許文献２には、ガス消費設備とガス供給設備とを結ぶガス供給配管のガス漏洩を検知するために、ガス消費設備とガス供給設備とを結ぶガス供給配管の前記ガス供給設備に近い部分に設けられガス供給配管内の圧力を検出する圧力計と、前記ガス供給配管の前記ガス消費設備に近い部分に設けられガス供給配管内のガス流量を検出する流量計とを備えるガス漏洩検知警報装置が開示されている。

特開平７−１５０２１８号公報特開昭６３−２４４９３号公報

しかしながら、粉体吹込みタンク内に蓄圧してから粉体を吹込む方式の場合、特許文献１にあるようにタンク内圧力とランス背圧とを比較してリークを確認する方式は使用できない。また、特許文献２にあるように、リークが想定される箇所に圧力計や流量計を設けるのでは、コストがかかるという問題がある。

従来は、多少リークして粉体吹込みタンク内の圧力が下がっても吹込みを継続できるように、粉体吹込みタンク内に蓄圧する圧力を必要以上に高圧化する設計がなされることもあった。しかしながら、この場合、粉体吹込みタンクの高圧容器化や加圧ガスの供給圧力の高圧化が必要となり、設備の建設コスト等を高めることになっていた。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成かつ低コストで粉体吹込みタンクのリークを検知できるようにすることを目的とする。

本発明の溶鋼に粉体を吹込む精錬設備は、粉体吹込みタンクから溶鋼に粉体を加圧ガスで吹込む精錬設備であって、前記粉体吹込みタンクに粉体を供給する粉体供給手段と、前記粉体吹込みタンクに加圧ガスを供給して蓄圧する加圧ガス供給手段と、前記粉体吹込みタンクの荷重を検出する荷重検出手段と、前記粉体供給手段と前記粉体吹込みタンクとの間を連結し、前記荷重検出手段の荷重検出方向に伸縮する伸縮管とを備え、さらに、前記粉体供給手段と前記粉体吹込みタンクとの間にタンクシール弁を備え、前記粉体供給手段は粉体切出し弁を備え、前記伸縮管は粉体切出し弁と前記タンクシール弁との間に配置されており、さらにまた、前記荷重検出手段で測定する荷重実績値と予め設定した荷重管理値とに基づいて、前記粉体切出し弁が閉じているとき前記粉体吹込みタンクの前記タンクシール弁からのリークを判定する制御手段を備えたことを特徴とする。
また、本発明の溶鋼に粉体を吹込む精錬設備の他の特徴とするところは、前記制御手段は、前記粉体吹込みタンクのリークを判定した場合、警報を発する又は前記粉体吹込みタンクへの蓄圧を停止する点にある。
また、本発明の溶鋼に粉体を吹込む精錬設備の他の特徴とするところは、前記伸縮管は金属製である点にある。
本発明の粉体吹込みタンクのリーク検知方法は、本発明の溶鋼に粉体を吹込む精錬設備における粉体吹込みタンクのリーク検知方法であって、前記荷重検出手段で測定する荷重実績値と予め設定した荷重管理値とに基づいて、前記粉体吹込みタンクのリークを判定する手順を有することを特徴とする。
本発明のプログラムは、本発明の溶鋼に粉体を吹込む精錬設備において粉体吹込みタンクのリークを検知するためのプログラムであって、前記荷重検出手段で測定する荷重実績値と予め設定した荷重管理値とに基づいて、前記粉体吹込みタンクのリークを判定する処理をコンピュータに実行させる。

本発明によれば、荷重検出手段の荷重検出方向に伸縮する伸縮管を用いることにより、粉体吹込みの制御のためにこれまでも設置されていた荷重検出手段を利用してリーク発生を判定することができ、簡易な構成かつ低コストで粉体吹込みタンクのリークを検知することができる。

本発明の実施形態に係る精錬設備の概略構成を示す図である。荷重検出センサで測定する荷重実績値の例を示す特性図であり、（ａ）が通常時の特性図、（ｂ）がリーク発生時の特性図である。粉体吹込みタンクへの蓄圧時におけるタンクシール弁まわりの状態を示す図であり、（ａ）は通常時の状態を示す図、（ｂ）はリーク発生時の状態を示す図である。リーク発生の判定処理を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
図１に、本発明の実施形態に係る、鉄鋼製造業における製鋼工程の精錬設備の概略構成を示す。この精錬設備は、粉体吹込みタンク（以下、単にタンクという）１から鍋２内の溶鋼３に粉体４を吹込む設備であり、以下に詳述するように、粉体吹込みタンクのリーク検知システムを有する。

タンク１の上方には、タンク１に粉体４を供給する粉体供給源であるホッパー５、ホッパー５からタンク１への粉体供給ルートを開閉する粉体切出し弁６を備え、これらホッパー５及び粉体切出し弁６により粉体供給手段が構成される。また、ホッパー５からタンク１への粉体供給ルート上には、粉体４を吹込むときにタンク１を封じるためのタンクシール弁８が配置される。そして、粉体切出し弁６とタンクシール弁８との間を金属製の伸縮管７で連結する。

また、タンク１の下方には、タンク１内に装入した粉体４を排出する出口弁９、出口弁９にフレキシブル配管で接続するランス１０を備える。ランス１０は、出口弁９から排出される粉体４を溶鋼３中に導引するためのもので、駆動電動機１１により上昇、下降制御される。

さらに、タンク１の側方には、タンク１にアルゴンガス、窒素ガス等を加圧した加圧ガスを供給する加圧ガス供給源１２、加圧ガス供給源１２からタンク１への加圧ガス供給ルートを開閉する加圧弁１３を備え、これら加圧ガス供給源１２及び加圧弁１３により加圧ガス供給手段が構成される。なお、加圧弁１３とタンク１とは、柔軟性を有するフレキシブル配管で接続する。

タンク１及びホッパー５は架構１４で支持されている。特にタンク１は、鉛直方向についてフローティング支持されており、タンク１の底面は、タンク１の荷重を検出する荷重検出センサ１５で支持される。ここで、粉体切出し弁６とタンクシール弁８との間に配置される伸縮管７としてはまっすぐなものを選定し、その取り付け方向はタンク１を支持する荷重検出センサ１５と同一軸方向とする。すなわち、伸縮管７は、荷重検出センサ１５の荷重検出方向、本実施形態の場合は上下方向に伸縮し、それ以外の方向への膨張は略ないものとする。伸縮管７はいわゆるベローズ（蛇腹）構造の伸縮自在管で構成することができる。

本実施形態に係る精錬設備では、溶鋼３への粉体４の吹込みを制御する制御装置１６を備える。制御装置１６は、詳細は後述するが、各種演算を行う比較演算部１７、各種指令を発する指令部１８、バルブ駆動回路１９、フィルタ２０を備える。バルブ駆動回路１９は、指令部１８からの指令に基づいて、粉体切出し弁６、タンクシール弁８及び加圧弁１３を制御する。また、出口弁９及び駆動電動機１１は、電動機制御盤２１の電動機駆動回路２２に接続しており、バルブ駆動回路１９は、指令部１８からの指令に基づいて、電動機駆動回路２２を介して出口弁９及び駆動電動機１１を制御する。

制御装置１６には、比較演算部１７にオペレータの入力により各種管理値を設定する管理値設定器２３、各種操作を行う操作器２４が接続する。また、制御装置１６には、警報を発する警報器２５が接続する。

また、制御装置１６の比較演算部１７には、荷重検出センサ１５で測定する荷重実績値がフィルタ２０を介して入力される。フィルタ２０は、工場内の振動等の外乱を除去するためのものであり、例えば高周波成分を除去するバンドパスフィルタが用いられる。

次に、本実施形態に係る精錬設備の処理動作を説明する。図２（ａ）には、通常時に荷重検出センサ１５で測定する荷重実績値の例を示す。まずタンク１への粉体４の供給を開始する（図２（ａ）のタイミングｔ₁）。この時点では、粉体切出し弁６、タンクシール弁８、出口弁９及び加圧弁１３はいずれも閉じている。粉体４の供給開始に際して、荷重検出センサ１５でタンク１の初期重量Ｔ₀を測定する。制御装置１６は、この初期重量Ｔ₀を比較演算部１７に格納する。予め操業管理者によって管理値設定器２３で設定された粉体４の供給設定量Ｔ₁が比較演算部１７に格納されており、荷重検出センサ１５でタンク１の初期重量Ｔ₀が測定され、比較演算部１７に格納された時点で、粉体４の供給完了の目標重量Ｔ₂＝Ｔ₀＋Ｔ₁が比較演算部１７に格納される。

目標重量Ｔ₂が比較演算部１７に格納された後、操業管理者による運転指令が操作器２４から入力されると、指令部１８は、バルブ駆動回路１９にタンクシール弁８の開指令を出力する。これによりタンクシール弁８が開く。そして、タンクシール弁８が開くと、指令部１８は、バルブ駆動回路１９に粉体切出し弁６の開指令を出力する。これにより粉体切出し弁６も開く。この状態では、ホッパー５の粉体４が、粉体切出し弁６から伸縮管７、タンクシール弁８を通って、タンク１に落下、供給される。

タンク１に粉体４が供給されると、荷重検出センサ１５で測定する荷重実績値が上昇していくので、その測定値が目標重量Ｔ₂に達すると、比較演算部１７は指令部１８に停止信号を出力する。指令部１８は停止信号を受け取ると、バルブ駆動回路１９に粉体切出し弁６の閉指令を出力する。これにより粉体切出し弁６が閉じる。そして、粉体切出し弁６が閉じると、指令部１８は、バルブ駆動回路１９にタンクシール弁８の閉指令を出力する。これによりタンクシール弁８が閉じて、タンク１への粉体４の供給が完了する（図２（ａ）のタイミングｔ₂）。なお、荷重検出センサ１５の測定値が目標重量Ｔ₂に達すると粉体切出し弁６、タンクシール弁８を閉じるが、弁６、８が閉じるまでの時間差のために、実際にタンク１への粉体４の供給が停止したときに荷重検出センサ１５の測定値はＴ₃（＞Ｔ₂）となる。

タンク１への粉体４の供給が完了すると、次にタンク１への蓄圧を開始する（図２（ａ）のタイミングｔ₃）。この時点では、粉体切出し弁６、タンクシール弁８、出口弁９及び加圧弁１３はいずれも閉じている。指令部１８は、バルブ駆動回路１９に加圧弁１３の開指令を出力する。これにより加圧弁１３が開いて、タンク１に加圧ガスが供給される。加圧弁１３が開いて時間ｔが経過すると、タンク１内の圧力が加圧ガス供給源１２の加圧ガスの圧力と等しくなるので、指令部１８は、バルブ駆動回路１９に加圧弁１３の閉指令を出力する。これにより加圧弁１３が閉じて、タンク１への蓄圧が完了する（図２（ａ）のタイミングｔ₄）。

タンク１への蓄圧が完了すると、指令部１８は、バルブ駆動回路１９に出口弁９の開指令を出力する。これにより出口弁９が開き、タンク１内に蓄圧された加圧ガスにより粉体４がランス１０の先端の吹込み口から吹出する（図２（ａ）のタイミングｔ₅）。また、指令部１８は、電動機駆動回路２２を介して駆動電動機１１に駆動信号を出力し、ランス１０を下降させて、ランス１０の先端の吹込み口を溶鋼３に浸漬させ、粉体４を溶鋼３に吹込む（図２（ａ）のタイミングｔ₆）。

溶鋼３への粉体４の吹込みが完了又は中止となると、指令部１８は、電動機駆動回路２２を介して駆動電動機１１に駆動信号を出力し、ランス１０を上昇させて、ランス１０の先端の吹込み口を溶鋼３の上方に移動させる（図２（ａ）のタイミングｔ₇）。また、指令部１８は、バルブ駆動回路１９に出口弁９の閉指令を出力する。これにより出口弁９が閉じて、溶鋼３への粉体４の吹込みが完了する（図２（ａ）のタイミングｔ₈）。

ここで、タンクシール弁８に粉体４が入り込んで、タンクシール弁８からタンク１内の加圧ガスがリークしてしまう状態を説明する。図２（ｂ）には、リーク発生時に荷重検出センサ１５で測定する荷重実績値の例を示す。

リーク発生時には、タンク１への蓄圧を開始すると、タンク１内の加圧ガスがタンクシール弁８から漏れ出して伸縮管７に流れ込む。図３は、タンク１への蓄圧時におけるタンクシール弁８まわりの状態を示す図であり、（ａ）は通常時の状態を示す図、（ｂ）はリーク発生時の状態を示す図である。図３（ｂ）に示すように、タンク１内の加圧ガスがタンクシール弁８から漏れ出して伸縮管７に流れ込むと、粉体切出し弁６は閉じているので、その加圧ガスが伸縮管７に蓄積することになる。したがって、伸縮管７に加圧ガスが充満し、伸縮管７を伸ばす方向に力が発生する。伸縮管７の断面積をＳ、加圧ガスの圧力をＰとすると、荷重検出センサ１５と同一軸方向に作用する力Ｎは、
Ｎ＝ａ×Ｐ×Ｓ
となる。係数ａは、粉体切出し弁６はガス封止用のバルブではないため完全に密封できないため、伸縮管７に作用する圧力はＰと等しくならない等の理由による低減分を表わしている。この力Ｎが発生することにより、荷重検出センサ１５の測定値は力Ｎに比例して増加する。すなわち、荷重検出センサ１５で測定する荷重実績値に基づいてリーク発生を判定することが可能になる。なお、図２（ｂ）に示すように、タンク１への蓄圧を開始してから、荷重検出センサ１５の測定値に基づいてリーク発生を判定できるようになるまでには時間遅れτがある。

図４を参照して、制御装置１６によるリーク発生の判定処理を説明する。予め操業管理者によって管理値設定器２３で設定された荷重管理値ΔＴが比較演算部１７に格納されている。荷重管理値ΔＴは、予め伸縮管７に加圧ガスを流して試験的に求めた数値とする。比較演算部１７は、タンク１への蓄圧を開始する直前の荷重検出センサ１５の測定値Ｔ₃を格納する（ステップＳ１０１）。

次に、比較演算部１７は、荷重検出センサ１５の現在の測定値Ｔと、タンク１への蓄圧を開始する直前の荷重検出センサ１５の測定値Ｔ₃との差が荷重管理値ΔＴ以上となったか否かを判定する（ステップＳ１０２）。

Ｔ−Ｔ₃≧ΔＴとなった場合、その時点で、伸縮管７を伸ばす方向に力が発生している、すなわちリークが発生していると判定するようにしてもよいが、本実施形態では、ステップＳ１０３に進み、Ｔ−Ｔ₃≧ΔＴの状態が所定時間だけ連続しているか否かを判定する。伸縮管７は所定のバネ定数を有する弾性体であるので、伸ばす方向に力が発生すると、荷重検出センサ１５の測定値は、漸減する正弦波状に現れる。そこで、正弦波状に現れる荷重検出センサ１５の測定値を全波整流した上で、Ｔ−Ｔ₃≧ΔＴの状態が所定時間だけ連続しているか否かを判定する。Ｔ−Ｔ₃≧ΔＴの状態が所定時間だけ連続している場合、ステップＳ１０４に進み、伸縮管７を伸ばす方向に力が発生している、すなわちリークが発生していると判定する。

リークが発生していると判定した場合、比較演算部１７は、警報器２５を介して警報を発したり、指令部１８に異常停止信号を出力したりする。指令部１８は異常停止信号を受け取ると、バルブ駆動回路１９に加圧弁１３の閉指令を出力する。これにより加圧弁１３が閉じて、タンク１への蓄圧を自動停止する。

ステップＳ１０２、Ｓ１０３でＮｏの場合、タンク１への蓄圧が完了するまで（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０２、Ｓ１０３の監視を繰り返す。

以上述べたように、タンクシール弁８からタンク１内の加圧ガスがリークしたことを早期に検知して、操業管理者に注意を喚起したり、タンク１への蓄圧を自動停止したりすることにより、ランス１０等の設備の損傷を防止することができる。また、タンク１内に蓄圧する圧力を必要以上に高圧化する必要がなくなるので、タンク１の高圧容器化や加圧ガスの供給圧力の高圧化が不要で、設備の建設コスト等を低減させることができる。

しかも、荷重検出センサ１５の荷重検出方向に伸縮する伸縮管７を用いることにより、粉体吹込みの制御のためにこれまでも設置されていた荷重検出センサ１５を利用してリーク発生を判定することができ、簡易な構成かつ低コストでリークの検知が可能になる。

制御装置１６は、パーソナルコンピュータ、シーケンサー、又はハードリレー回路を用いて構成することができる。例えばパーソナルコンピュータやシーケンサーを用いる場合には、ハードウェアとして管理値設定器２３に設定を入力するためのキーボード及びマウス、画面を表示するディスプレイ、電動機制御盤２１との信号を送受信するためのＩ／Ｏユニット、荷重検出センサからの信号をＩ／Ｏユニットに取り込むための荷重変換アンプ、ＤＨＤ又はＨＤＤ等の外部メモリ、並びにＣＰＵ及びメインメモリを含む本体で構成してもよい。この場合、比較演算部１７、指令部１８、管理値設定器２３で実行する各処理は、パーソナルコンピュータやシーケンサー本体内にソフトウェアを作成してロードして実行する。

１：粉体吹込みタンク、２：鍋、３：溶鋼、４：粉体、５：ホッパー、６：粉体切出し弁、７：伸縮管、８：タンクシール弁、９：出口弁、１０：ランス、１１：駆動電動機、１２：加圧ガス供給源、１３：加圧弁、１４：架構、１５：荷重検出センサ、１６：制御装置、１７：比較演算部、１８：指令部、１９：バルブ駆動回路、２０：フィルタ、２１：電動機制御盤、２２：電動機駆動回路、２３：管理値設定器。２４：操作器、２５：警報器

Claims

粉体吹込みタンクから溶鋼に粉体を加圧ガスで吹込む精錬設備であって、
前記粉体吹込みタンクに粉体を供給する粉体供給手段と、
前記粉体吹込みタンクに加圧ガスを供給して蓄圧する加圧ガス供給手段と、
前記粉体吹込みタンクの荷重を検出する荷重検出手段と、
前記粉体供給手段と前記粉体吹込みタンクとの間を連結し、前記荷重検出手段の荷重検出方向に伸縮する伸縮管とを備え、
さらに、前記粉体供給手段と前記粉体吹込みタンクとの間にタンクシール弁を備え、
前記粉体供給手段は粉体切出し弁を備え、
前記伸縮管は前記粉体切出し弁と前記タンクシール弁との間に配置されており、
さらにまた、前記荷重検出手段で測定する荷重実績値と予め設定した荷重管理値とに基づいて、前記粉体切出し弁が閉じているとき前記粉体吹込みタンクの前記タンクシール弁からのリークを判定する制御手段を備えたことを特徴とする溶鋼に粉体を吹込む精錬設備。
前記制御手段は、前記粉体吹込みタンクのリークを判定した場合、警報を発する又は前記粉体吹込みタンクへの蓄圧を停止することを特徴とする請求項１に記載の溶鋼に粉体を吹込む精錬設備。
前記伸縮管は金属製であることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶鋼に粉体を吹込む精錬設備。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の溶鋼に粉体を吹込む精錬設備における粉体吹込みタンクのリーク検知方法であって、
前記荷重検出手段で測定する荷重実績値と予め設定した荷重管理値とに基づいて、前記粉体吹込みタンクのリークを判定する手順を有することを特徴とする粉体吹込みタンクのリーク検知方法。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の溶鋼に粉体を吹込む精錬設備において粉体吹込みタンクのリークを検知するためのプログラムであって、
前記荷重検出手段で測定する荷重実績値と予め設定した荷重管理値とに基づいて、前記粉体吹込みタンクのリークを判定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラム。