China Steel Uses NI PXI and LabVIEW to Build an Air Leakage Detection System for Sintering Pallets

Dr. Wang Chih-Chung, China Steel Corporation (Taiwan)

"当社のソリューションは、作業員の安全性の向上、エネルギーの節減、二酸化炭素の排出量の削減、生産量の増大に大いに貢献しています。"

- Dr. Wang Chih-Chung, China Steel Corporation (Taiwan)

課題:

空気漏れが発生していないかどうかを点検する方法を開発する。そのうえで、空気漏れに関するデータを解析し、定期的な総点検と焼結パレットの交換を行うタイミングについて明確な基準を定めることにより、焼結プラントの生産性を高める。

ソリューション:

空気音に対応する音圧マイクとNIのハードウェア/ソフトウェアを使って、焼結パレットの空気漏れを直ちに検知するシステムを開発する。それにより、エネルギーの節減、二酸化炭素の排出量の削減、生産量の増大、品質の向上を促進する。

作成者:
Dr. Wang Chih-Chung - China Steel Corporation (Taiwan)
王智中 - 中國鋼鐵股份有限公司

鉄鋼業界の製鉄プラントでは、原料と溶融鉄を扱います。鉄鉱石の溶解と還元には、固体炭素燃料や炭素源となるコークスが使用されます。また、高炉を用いた製鉄にはシンター（焼結物）も必要となります。コークスとシンターは、それぞれコークス燃焼炉と鉄鉱石焼結プラントによって供給されます。鉄鉱石焼結プラントで生産されるシンターは、高炉による製鉄の原料となります。最初の処理工程では、原料である鉄鉱石、融剤（石灰石など）、コークスブリーズを混合シリンダに入れ、水を加えて均一に混合します。それにより生成されるのがペレットです。ペレットは、規定の混合割合で焼結機に送られて焼成されます。凝集されたシンターを粉砕/ろ過した後、サイズが5 mm～50 mmのシンターのペレットが製鉄の主原料として高炉に送られます。

焼結プラントが抱える問題

焼結では、凝集工程において凝集の状態を確認するための重要な指数として通気性（JPU）が用いられます。製造工程における通気性は、最終的には排気システムの通気量によって決まります。排気システムにおいて、焼結機は最も直接的に原料と接する部分です。同時に、最も空気漏れが生じやすい個所でもあります。

焼結機は多数の焼結パレットで構成されます。各パレットの前後には密封装置があります。この密封装置は、パレット梁部の底面とベローズ（ふいご）の側面で、硬い金属板に接触しています。焼結工程では、鋭い焼結原料を充填することによって摩擦が生じます。この摩擦は、ひっかき傷や空気漏れの原因になります（これを防ぐためには、スペースを広くとる必要があります）。摩擦によって焼結機のパレットに穴が空くと、通気性が低下します。それによってペレットの形成が難しくなり、焼結量が減少します。

損傷のない焼結パレットであれば空気漏れは生じません。その場合、システムのファンに対する負荷は小さくなり、消費電力も少なく抑えられます。一方、パレットに穴が存在すると、一定の通気量を維持するためにファンをより高速に回転させる必要があります。そうすると、ファンを駆動するモータの駆動電流が増えて消費電力が増加します。当社（China Steel社）は、空気漏れが発生していないかどうかを点検する方法を開発する必要に迫られていました。空気漏れに関するデータを解析し、定期的な総点検と焼結パレットの交換を行うタイミングについて明確な基準を定めることにより、焼結プラントの生産性を高めることが求められていたからです。

従来の点検手法

当社では、それまで焼結機の稼働中に作業員が手作業で空気漏れの点検を行っていました。各作業員は、粉塵が舞い、激しい騒音（約90～110 dB）にさらされる環境の中で、長時間に及ぶ点検を行い、自分の目と耳を頼りに判断を行う必要がありました。しかし、空気漏れは充填個所やパレットなど、さまざまな場所で生じる可能性があります。そのため、空気漏れが生じている個所の特定は非常に難しいケースがあります。

また、空気漏れで生じる音の大きさは、必ずしも空気の漏れ量には依存しません。そのため、空気漏れの音を聞くだけで、その空気漏れが深刻なものであるのかどうかを判断するのは困難です。しかも、手作業による点検の結果は定量化して記録することができません。したがって、焼結パレットの総点検を行う際の信頼できる基準として使用することはできません。

当社は、点検のスピードを上げることと、劣悪な労働環境に長時間さらされる作業員の健康に対するリスクを回避することが必要だと考えました。そのためには、空気漏れを自動的に検知するシステムを構築する必要があると考えました。具体的には、電気室内でシステムを操作することにより、すべての焼結パレットについて作業員が空気漏れの状態を直ちに試験/監視できるようにするシステムです。また、将来的に焼結パレットの総点検を行うための基盤にするために、このシステムを利用して信号の解析とデータの記録を実施したいと考えました。

NIの製品を選択

ITの1つの価値は、問題を定性的/定量的に解析して視覚化できるところにあります。空気漏れを検出するシステムを構築するためには、以下の各方法を確立する必要がありました。 1. 空気漏れの発生を検知する方法 2. 異なる個所で発生するそれぞれの空気漏れごとに異なる性質を識別し、その影響の範囲を定量化する方法 3. 計画的な保守と作業能力に関する検討に基づき、保守が最も必要なパレットを特定する方法

信号の集録/解析用のプラットフォームを選択する際には、使用するプログラミング言語の使いやすさや、演算性能、ハードウェアの通信性能、長期的な信頼性といった事柄について検討しました。そうしたなか、候補として挙がったのがナショナルインスツルメンツ（NI）の製品です。NIは、信頼性の高いモジュール式のハードウェアを多数取りそろえています。異なる計測要件にそれぞれが対応しており、NI LabVIEWとさまざまなツールキットによってそれらを制御することができます。NIのソリューションを採用したことで、当社のニーズと解決すべき検討課題に完全に対処したシステムを迅速に構築することができました。しかも、柔軟性と統合性に非常に優れていることに加え、必要なカスタマイズを施すことも可能でした。このシステムは、サウンドアレイ、RFID（Radio Frequency Identification）技術、NI PXIプラットフォームを組み合わせて構成しました。PXIプラットフォームは、空気漏れを自動検知するシステムに対して優れたソリューションを提供してくれました。

ソリューションの開発

空気音に対して音圧マイクを使用し、パレットの空気漏れの状態を監視する最適化された試験のために、私たちは一定の規則を定めました。また、パレットの各部について空気漏れの状態の試験を行うために、アレイ構造、NI PXIシャーシ、組込コントローラのNI PXI-8106、ダイナミックデータ集録用モジュールのPXI音響/振動モジュールを組み合わせて使用しました。開発プラットフォームとしてLabVIEWを使用し、検査、検証、実装方法の実現可能性を迅速に評価してシステムの安定性の試験も実施しました。パレットの空気漏れの情報を直ちに把握し、適切な保守を行うことによって、エネルギーの節減、二酸化炭素の排出量の削減、生産量の増大を果たし、製品の品質を向上させることができました。

導入効果

当社最大の焼結プラントに完全な自動点検システムを導入し、各パレットの空気漏れの状態を点検/記録しました。測定したデータに基づいて、空気漏れが深刻な20個のパレットを修理したところ、良好な結果が得られるようになりました。定期修理を実施する前の平均生産量は、1日当たり6205 tでした。それが、定期修理を行うようになってからは6292 tになりました。1日当たりの生産量は約87 t増え、生産速度は0.65％高まりました。

焼結システムは、定期修理の時間を除いて24時間体制で稼働します。そのため、20個のパレットを修理するだけで生産量は大幅に増加しました。一定の生産量を維持しつつ、焼結パレットの空気漏れを減らして実効的な通気性を高めることにより、焼結パレット用のファンの負荷を減らし、ファンモータに必要な駆動電流を低減することができました。

修理の実施前の消費エネルギーは3282 kWs/hでした。それに対し、修理実施後の消費エネルギーは3245 kWs/hとなりました。それにより、年間の平均電気料金は約54万台湾ドル（1万6000米ドル以上）削減されました。また、焼結工程全体の二酸化炭素の生成量は1kWh当たり0.637 kgでした。自動検知システムの導入後には、二酸化炭素の排出量が年間で約198 t減少しました。加えて、空気漏れの減少に伴い、シンターの合格率が向上しりました。それにより、回収が必要なシンターの量が減り、回収コストと再焼結によって生じる電力コストが減少しました。

高炉で生産する溶融鉄の主原料は焼結鉱です。高炉に供給される焼結鉱の量が足りない場合には、代替原料としてコークス用の石炭のペレットを外部から購入する必要があります。これまで、溶鉱工程における焼結鉱とペレットの割合は約78：22でした。定期修理を行うようになってからは、焼結プラントから供給されるシンターの量が大幅に増加し、焼結鉱とペレットの割合は82：18にまで良化しました。当社の試算によれば、ペレットの代わりに焼結鉱を使用することによる生産効率の増加分は、年間でおよそ
1800万台湾ドルに相当します。また、ペレットの代わりに焼結鉱を原料として使用することで、燃焼効率も向上しました。焼結鉱と、高炉による溶融鉄の生産量が増加した一方で、高炉の消費エネルギーは減少し、全体的な生産コストも低下しました。

NIのハードウェア/ソフトウェアを採用するメリット

NIの技術者は、システム開発に関するサービスとサポートの提供により、当社のグリーンエネルギーエンジニアリングソリューションの開発促進と実現可能性の評価を支援してくれました。また新たに開発した自動検知システムによって、焼結鉱の品質と生産量が大幅に向上しました。当社は今後ほかの焼結プラントにも今回導入した技術を適用する予定です。当社のソリューションは、作業員の安全性の向上、エネルギーの節減、二酸化炭素の排出量の削減、生産量の増大に大いに貢献しています。