製鋼所VD炉の計装機器配置状況

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VDは製鋼所における真空脱気（vacuum degass）の略称であり、パイプライン鋼やタンク用鋼をはじめとする各種鋼材の生産において重要な工程手段として、冶金企業からますます注目されています。2006年時点で、南京製鉄所の120t規模のVD炉は、連続して10数回も操業されるという、国内でも高水準の記録を達成していました。また、鞍山鋼鉄集団公司のVD炉も、業界内で非常に高い水準で利用されていました。济鋼は一時、1シフトあたり15炉連続生産という目標を達成しましたが、その後、それを上回る報告はほとんどありませんでした。 製鋼所のVD炉は、高度に自動化された計装機器が集約された装置であり、制御と計測の95％が自動化計装によって行われ、故障の51％が製鋼所のVD炉の自動化計装に起因している。製鋼所のVD炉は、自動化や電子技術を活用しているだけでなく、機械工学や熱工学の分野とも関連しています。多くの製鋼所では計装機器のメンテナンス技術力が不足しており、新しく設置されたVD装置が十分に機能していない。以下、著者は2001年にこの装置に触れて以来、何度も停止トラブルの対処を行ってきた経験に基づき、鞍鋼での研修や济鋼の現場で遭遇した具体的な故障事例も踏まえて、技術的な観点から分析を行う。 製鋼所VD炉の自動化計装の故障分析 ◆ HMIによる真空度の表示が不正確。 図1はVD脱気の基本原理を示しており、これがVD装置で最も一般的な構成です。このポンプは、主に複数段の主ポンプおよび補助ポンプと3つの凝縮器という2つの主要な部分で構成されている。各段のポンプ本体は、ラヴァルノズル、吸込室、およびディフューザーで構成されている。凝縮器は筒体、散水板、および冷却水配管で構成されている。水・蒸気システムには、凝縮水、蒸気、スチームウォーターセパレーターなどが含まれます。制御部はPLC電気制御システムと計装制御システムで構成されている。 http://yunrun.com.cn/upload/201910/13/201910131505307405.png 図1 製鋼所における真空脱気の模式図
段階的に複数の主噴射ポンプおよび補助噴射ポンプを起動し、ラヴァルノズルを通じて作業用蒸気の噴出速度を1.5マッハ以上に高める。そうすることで生じる圧力差を利用して、その蒸気を吸入口付近の高温の炉ガスと混合させ、混合ガスを形成する。この混合ガスはディフューザーを通過する際に速度が低下し、圧力が上昇して後段の凝縮器内に入る。後段の凝縮器で冷却されると、凝縮された物質は冷却水と共に凝縮器の底部にある排水口から熱井の水封槽内に流れ込む。一方、一部の炉ガスは凝縮器の上部にある出口から次の段階の噴射ポンプへ送られるか、大気中に排出される。この過程で生じる真空により、大気と真空室の間に圧力差が生じ、それによって鋼液中のガスが外に押し出される。また、アルゴンガスの攪拌作用により、鋼液の底部にあるガスや不純物が絶えず上昇し、炉ガスと共に排出されることで、鋼液の脱気が完了する。これにより、真空の形成と維持が鋼液の脱気を実現するための鍵であることがわかる。 単結晶シリコン圧力変換器 yunrun.com.cn/product/788.html 設置初期や生産が安定してからしばらくすると、真空度の低下速度に関する故障が発生しやすくなります。この場合、まずは真空度を測定する2つの変換器を点検する必要があります。特に、低圧用のYR-ER102-B1CABNN1NNC1 0-20kPa(0-200mbar)型単結晶シリコン圧力変換器では、ほこりやスラグが圧力測定用の配管を塞いでしまい、正確に圧力を測定できなくなることがあります。それに加えて、蒸気噴射真空ポンプを重点的に点検し、真空ポンプのノズルが外れたり軸線からずれたりした場合にも、このような問題が発生します。 1、真空システムの漏れ 所謂システムの漏れとは、一般的に言う外部への漏れのことで、主に計器用バルブの接続フランジやバルブ芯の上部で発生します。システム全体が負圧状態にあるため、見つけ出すのは非常に困難です。現場での一般的な対処法は二つある。一つはタバコに火をつけ、疑わしい場所に近づけて、煙の流れ方を観察することだ；二つ目は、薄い紙を疑わしい部分に貼り付ける方法で、紙が吸着されたら、漏れがひどいことを意味します。 2、ノズル接続部のガス漏れ　真空ポンプは3つの部分で構成されており、ノズルは故障しやすい部位です。特にノズルを接続するフランジは、高温の蒸気による洗浄によって緩む可能性が非常に高いです。経験上、100～300炉目には検査を行うべきで、遅くとも500炉目には開放する必要があります。そうしないと、すぐに内部から漏れが発生します。ノズルを開けて洗浄し、ガスケットを交換してフランジを締め付けることによってのみ、漏れを防ぐことができる。 3、システムの真空配管フランジ、計器用圧力取り出し管の溶接部、タンク蓋部からの漏気。VD真空脱気システムは、鋼包を真空室内に置いて脱気処理を行うものであるため、システムの真空容積は非常に大きく、配管を含めて約250m3に達する。システム全体のフランジシールポイントは100箇所以上あり、そのシールラインの総長は約180mに及びます。漏れの対処法としては、一つには補修溶接、ボルトの締め付け、または新しいガスケットへの交換がある；二つ目は、以下の状況がないかを確認すること：①カメラレンズの観察窓のシールが損傷している； ②真空タンクのシリコンゴム製シールストリップが押しつぶされたり、破損したり、老化したり、またはシールストリップの接合部に隙間ができたりする； ③溶接部にひび割れがある； ④給糸後の糸の処理が不適切で、真空蓋と真空タンクの間に漏気が生じた； ⑤真空計測用バルブの弁口が損傷； ⑥真空管路の充気用計器バルブまたは真空管路の排水用計器バルブが開放状態にある； ⑦流量計の測定孔の栓が外れたり、詰まったりする； ⑧コンデンサーの排水管や起動ポンプの排気管の出口が、ウォーターシールタンク内に入っていないなど。 VD真空タンクシステムの漏れについては、タンク蓋のシールリングなど、動的シール部を重点的に点検する必要があります。 内部漏れの主な原因は：①メインコンデンサーに接続されているチェックバルブの損傷（バルブカバーの剥離、ずれなど）； ②ノズル接続部のガスケットが破損しています。 システムの配管が長いため、機器のメンテナンスが不十分であり、一部の機器の接続部のシール性能が低下している。また、個々の機器には亀裂が存在し、特に逆止弁の故障によって内部および外部への漏れ量が増加し、**排気システムの排気量が増え、各ポンプの排気負荷も高まっている。 ◆システムの排気時間が長すぎる。VD装置は通常、6～8分で真空度を200Pa（2mbar）未満まで下げることができ、10分を超えなければ、厚さ270mmの連続鋳造機の0.8～1.0m/分という生産ペースは乱れない。しかし、故障時には、どれだけ長時間真空引きを行っても200Pa未満にはならない。なぜなら、蒸気によって得られた真空と内部に漏れ込んだ空気が平衡状態に達してしまい、漏れを塞いだり真空引きの能力を高めたりしない限り、真空度は永遠に200Pa未満にはならないからである。 現場でのメンテナンス経験によると、真空度を測定する圧力変換器は非常に重要な機器です。時には前方のフィルターが詰まることでシステムの真空引きにかかる時間が長くなることがあり、この不具合は目立たないため、堆積したほこりを清掃しないと正常に戻りません。 1. 真空ポンプジェットのノズルの詰まりと侵食　通常、真空ポンプは5段階に設計されており、すべての蒸気噴射ポンプが直列に動作して、煙ガスを段階的に圧縮する。ノズルはステンレス製で、加工精度が非常に高い。詰まりや腐食はラヴァルノズル部の蒸気の膨張効果に影響を与えるため、定期的な清掃が必要であり、またポンプ本体と蒸気ノズルの同軸度には非常に高い設置精度が求められるため、ノズルがベース上でしっかり固定されているかを確認する必要がある。点検停止中の停止時間を利用してノズルを分解し、異物を清掃する（図2参照）。必要に応じて給気管もブローする。 http://yunrun.com.cn/upload/201910/13/201910131648350561.png 図2 ジェットポンプのノズルに異物が付着している様子の図 某段階のジェットエンジンのノズルが詰まり、機能が低下するか、またはジェットエンジンのディフューザー部分にほこりが過剰に溜まって気流の通路が塞がれてしまう。ディフューザーの喉部に堆積した灰が一定の厚さに達すると、ディフューザーの軸線が変化し、このときラヴァルノズルから噴出する高速の蒸気がディフューザー内部で乱流を引き起こす。これによりポンプの動作特性が著しく低下し、ポンプの排気性能に悪影響を及ぼす。 2、凝縮器のノズルの侵食と詰まり 電磁流量計などの計測機器が正常であることを確認した上で、凝縮器に流入する水の流量の変化を分析する。ノズルと蒸気の接続部はほとんどが普通炭素鋼でできているため、腐食が比較的深刻に起こりやすく、この部分で故障が発生するとそれが見つかりにくいだけでなく、乱れた蒸気流が最終的に真空引き能力を妨げる可能性があるため、真空引き能力に直接的な影響を与えます。しかし、この場合、計測器の流量は通常増加します。 水ノズルは一般的なQ235材質で、腐食しやすく、長期間にわたる大量の水の流れによって簡単に外れてしまいます。計器付近の流量の変化を確認しながら、定期的にマンホールを開けてノズルを点検することで、月次のメンテナンス計画の一環とすることができます。また、詰まりがないかも同時に確認できます。長期間使用され、摩耗や腐食が進んだ部品については、大規模な点検を行い、部品を交換し、必要であれば新しいポンプに取り替えます。 3、真空システムのほこり付着 真空システムのほこり付着は、よく見られる故障の原因です。真空タンクから真空主遮断計測弁の間には粉塵分離器が設置されており、定期的に開封して除塵（100～300炉）を行う必要がある。同時に、真空ポンプの内壁は定期的に清掃する必要があります。そうしないと内壁にほこりがたまりすぎて真空度に影響を与えます。図3に示されています。 http://yunrun.com.cn/upload/201910/13/201910131649517792.png 図3 VD炉の真空管内に堆積したほこり 4、凝縮水の温度と水質の影響。 システムに凝縮器を設置する目的は、前段から来る凝縮可能なガスを凝縮して除去し、後段の噴射ポンプの負荷を軽減することです。凝縮器の作用原理は、冷却水と蒸気の間の相互対流により、最終的に冷却水が蒸気を吸収し、蒸気を凝縮水に変えて、凝縮器の下部にある排水口から水槽内に排出することです。凝縮された蒸気と同時に分離された炉ガスは、排気口から大気中または次の段階のポンプ内に排出される。冷却効果が悪い場合、高温の煙ガス中の凝縮可能なガスが完全に液体状に凝縮されず、コンデンサ内の煙ガス量が増えて真空度が低下します。そして、冷却水の量、水温、水質、およびコンデンサーのスケールが、冷却効果に影響を与える主な要因である。 システムの他の条件が一定である前提のもと、冷却水と高温の混合煙気との接触面積を増大させ、接触時間を長くすることは、両者が十分に熱交換を行い、理想的な冷却効果を得るための設計上の基本となる。VD凝縮器の設計思想は、冷却水と高温煙ガスの接触面積が大きいスクリーンプレート式の冷却水分配盤を採用し、盤上の穴から冷却水が水滴や水柱となって下方に流れるようにすることです。しかし、脱気時の高温煙ガスに含まれる粉塵量が多いため、分配盤の表面には10～20mmものスケールが付着し、φ8mmの穿孔はほぼすべて塞がれてしまった。その結果、オーバーフロー型の分配盤と同じ状態になり、凝縮器の機能が低下し、VDシステムの真空度が下がる主な原因の一つとなっている。 この時、凝縮器を定期的に清掃し、水質の浄化処理を行う必要があります。コンデンサーの各スプレー孔が通畅かどうかは、システムの冷却効果に直結し、それによって真空引き能力とも密接に関連しています。実際には、コンデンサーが異物によって詰まったり、スケールが付着したりしやすいことがわかっています。 コンデンサーの詰まり対処策：①冷水・温水ポンプの入口に防護ネットを設置し、外部から混入する大きな異物を防ぐ； ②水質浄化処理装置を追加し、水質を向上させ、システム内部のスケール付着を遅らせる。 まず、水の清浄度を確保し、不純物が含まれていないか、スケールが付着していないかをチェックする必要があります。そうでなければ、コンデンサーの凝縮孔が詰まりやすくなります。次に、全水量がほぼ決まっている状況下では、コンデンサー内の過剰な水流が真空ポンプの性能を低下させるため、各段階のコンデンサーにおける水の配分が非常に重要です。したがって、各バルブの開度は真空試験時にすでに決定されており、簡単には変更されない；変更が必要な場合は、元の状態に戻せるように印を残しておくのが最善です。 冷却水の温度が高すぎると、真空引き能力に深刻な影響を与え制約し、真空引きにかかる時間が長くなったり、所定の真空度に達できなくなったりします。したがって、定期的な温度計の点検は欠かせないステップです。 5、タンク蓋のカメラにおけるエアカーテンの流量が過大である。製造過程における溶鋼の状態を迅速に把握するため、一般的にVDタンク蓋には人の目による観察用の視窗と自動カメラによる観察の2つの方法が設けられている。前者は容器内にガスを充填しないが、後者は保護レンズの観点からエアカーテンを備え、一定量の計器用圧縮空気を容器内に充填する。一般的には、蓋を取り外す際に開きます。缶の蓋からの熱放射が非常に強いため、電磁弁は長時間動作することができず、ここの連動装置は通常、常時開放状態に設定されています。圧力と流量が適切でない場合、タンク内に吹き込まれるガスが排気時間を長引かせます。 ◆ジェットポンプと配管から異常なサージ音が発生している。 このような問題は比較的明確で、現場で見られる現象に基づいて分類すると、この種の故障が発生した場合は以下の点に注意すべきです：1、作動蒸気圧が低すぎるため凝縮水が増え、「ウォーターハンマー」のような現象が起こります。この場合は蒸気圧を上げる必要があります。 2、冷却水の量が不足しているか温度が高すぎるため、凝縮器の動作が正常でない。これはよく見られる故障で、通常は水圧を0.45MPa以上に上げ、水温を30℃以下に下げると効果的であり、各段の凝縮器の入口バルブの開度も適切に調整する必要があります。 3、エジェクターのディフューザー喉部にほこりが過剰に堆積し、気流通路が塞がっている。この現象には、点検清掃以外に解決策はない。 4、使用寿命が長く摩耗や腐食が進んだ部品については、大規模な点検を行い部品を交換し、必要であれば新しいポンプに交換するべきである。 5、作業用蒸気の水分含有量が過大なため、蒸気水分分離器およびドラムの排水機能を強化し、ボイラーの運転を改善し、排水器を点検または交換する。 6、作業用蒸気の温度が高すぎ、過熱度が20～30℃を超えている場合は、蒸気冷却装置を調整または点検し、過熱度を0～15℃の範囲に抑える。 7、HMIに計器やバルブの赤色アラームが表示された場合、アラームが出ている部位を確認してください。この時は、警報が発生した部位のリミットを適切に調整する必要があり、通常は復旧します；バルブの動作が十分に敏感でない場合は、シリンダーと空気供給圧をチェックする必要があります。 8、自動化計装ネットワークの通信障害は、一般的に遠隔ステーションのネットワーク接続部で発生します。これにより、多数のバルブ群が正常に動作しなくなるため、酸化や緩みを防ぐためにネットワークの接続部を定期的に点検する必要があります。 製鋼所のVD炉の自動化計装メンテナンス 1. 真空脱気システムの計装機器の漏れ検出 真空脱気システムの漏れ量を最小限に抑えるために、漏れ検出は不可欠な工程であり、システムの各部品の出荷時検査から現場での組み立て・調整に至るまで、一貫して行われる。全体のシステムは主に3つのエリアに分かれている：①真空ポンプエリアの計器。真空ポンプの各部品は出荷前に圧力試験と漏れ検査を受けなければならず、配管からの漏れの可能性は極めて低い。しかし、多数の検出計器を設置すると状況は複雑になり、現場で全体を組み立てた後も正圧石鹸泡法による漏れ検査が必要であり、0.15～0.2MPaの圧縮空気を送り込んで24時間保持する。関連する基準は、1時間あたりの平均圧力低下が2％を超えないことであり、実際には1時間あたりの平均圧力低下を0.4％未満に抑えることは十分に可能である。 ②真空配管エリアの計装機器 このエリアを組み立てた後も、正圧石鹸泡法による漏れ検査が必要であり、特に各種計装用バルブの部品は、漏れ検査の重点となります。 ③VD真空室と真空計：VD真空室は、最終的に負圧漏れ検査を行った上で受け入れられる。その漏れ率は1000Pa・L/s以下でなければならず、真空室の容積が170m3の場合、圧力上昇率は20Pa/h未満であるべきだ。また、0～2×104Paの低圧用トランスミッターが正常に動作しているかも確認できる。これは製鋼用脱気システムの使用要件を十分に満たすものである。 2、真空チューブの内壁の清潔度が真空引きに与える影響 理論的には、チューブの内壁が清潔であればあるほど真空引き能力を高めるのに有利だが、実際の製造現場では、より厳格な基準が定められている。すなわち、内壁の汚れを除去する際には表面が滑らかで、明らかな凹凸がなく、鋼板の本来の色が見える状態でなければならない。真空ポンプに入る前に、内部にCOがないことを確認し、十分な酸素濃度（18％以上）を保つ必要があります。また、防塵マスクを着用しなければなりません。 3、冷却水流量が真空引きに与える影響。 理論的には、真空引きは冷却水の量が多いほど良いわけではありません。なぜなら、冷却水の量が過剰だと、一方で蒸気が上昇する領域が狭くなり、抵抗が増大して流速が遅くなり、排気速度も低下するため、システムの真空度が上昇する速度も遅くなるからです；一方で、コンデンサーの直径は最大冷却水量に基づいて設計されているため、水量が過多で排水速度が一定のままだと、冷却水が噴射ポンプ内に逆流し、「サイフォン」現象に似た状態が発生して水面が上昇し、コンデンサーのスペースを圧迫する可能性があります。しかし実際の業務では、しばしば出口水温が高いことだけから冷却水の量が不足していると単純に判断し、無闇に冷却水の量を増やしてしまうため、結果的に逆効果となる。 コンデンサーの冷却水量が適切かどうかを判断する方法：①冷水と温水の実際の流量、温度差（水温差および鋼液の温度低下）、そして補正係数に基づいて、冷却水量が多すぎるか少なすぎるかを判断し、それに応じて水量を調整する； ②冷水ポンプおよび温水ポンプの実際の揚程をもとに、対応するポンプ特性曲線表から冷却水量を間接的に判断し、それに基づいて水量を調整する； ③水圧を調整し、水温を下げ、各段の凝縮器の入口バルブの開度を調整する。 4、外部漏れ箇所が真空度に与える影響 システム全体の配管が長く、接続部も多いため、外部からの漏れの可能性が高まる。各点での外部漏れは真空度に与える影響は比較的小さく、一般的に60～260Pa（0.6～2.6mbar）程度ですが、各点での累積による影響は大きくなります。各漏れ箇所を迅速かつ効果的に排除するために、フランジ接続用のネジなどの締結部品を点検するだけでなく、接続面の外縁にラップを巻くと非常に効果的です。 5、VD炉の自動化計装のメンテナンスサイクル ①毎日のメンテナンス：コントロールパネル上のHMI画面でバルブの動作状態を確認する。 ②週次メンテナンス：ほこりの除去、リミットスイッチの点検、ホース接続部とシール部の点検。 ③月次メンテナンス：排出バルブ、圧縮空気フィルター、蒸気切替バルブ、メイン遮断計装バルブのシール部、コンデンサーの点検。コンデンサーの排気管が冷たい場合、凝縮弁に問題がある可能性が非常に高いです。 ④年次メンテナンス：冷却器を分解し、点検・清掃；熱井を洗浄し、1段階から3段階のノズルが緩んでいないかを点検する。 現在、国内の多くの企業がVD鋼種を生産していますが、実際にはその差は非常に大きいです。200Paの真空度で製造された製品の品質は、300Pa、400Pa、500Paで製造されたものとは異なり、一般のユーザーが鋼液の品質を識別するのは非常に困難です。一部の企業で生産される100×106の鋼液の品質は、50×10-6以下の品質の鋼液と大きく異なり、これらの問題は最終的には自動計装制御のレベル向上とさらなる真空度の低下によって解決する必要がある。 現在、我が国の製造業では高機能な冶金材料への需要が高まっており、VD工程も各冶金企業の生産プロセスにおいて重要な役割を果たすようになるでしょう。VD装置の特殊性、特に製鋼所におけるVD炉の自動化計装が生産工程において果たす特別な役割についての理解を深めることで、VD技術の潜在能力を引き出すことができる。