ABB冶金事業で注目の5つの事例

2000年以来、ABB冶金技術の研究開発は、より高い性能と持続可能性に対する業界の要求に応えて、次々と研究論文や特許を発表してきました。ここでは、金属製造の生産性、品質、効率を向上させるABBの開発のなかで、最も商用化された5つの事例を紹介します。

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持続可能性目標を達成する方法について学ぶ

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1. ArcSave: 電気炉用次世代電磁撹拌装置

概要:

電磁撹拌は、溶融金属を撹拌して高品質でより効果的な生産を達成する手段として、1930 年代に ABB (当時 ASEA) のルートヴィヒドレフュス博士によって発明されました。電磁撹拌装置（EMS）は炉の外側に設置され、溶融金属を撹拌させる磁場を生成します。その結果、溶融金属全体の温度がより均一になり、スラグと溶鋼の反応が促進されます。

飛躍的進歩:

さまざまなアプリケーションや炉向けに EMS のバージョンを継続して開発し、2015 年に ABB は ArcSave を発売しました。電気アーク炉（EAF）向けに完全にカスタマイズ可能なこの技術は、ステンレス鋼、炭素鋼、特殊鋼のいずれの製造においても効果を発揮し、スクラップ加熱、均質化、合金の溶解、脱炭、脱スラグ、タッピングのそれぞれの工程で、撹拌強度・時間・撹拌方向を制御することができます。

最大の課題:

「初号機の案件において、Arcsaveの導入には炉体改造が必要となるため、当然ながら失敗することは許されませんでした」と ABB冶金事業の研究開発チームリーダー、Hongliang Yang は述べています。「私たちはシミュレーションを繰り返し実行することで、Arcsaveソリューションが期待する効果を十分に示すことを確認し、6 ～12 か月以内に投資回収が出来ると確信しておりました。その結果、お客さまからの厚い信頼を得ることができ、ABB の新しい ArcSave 技術とその効果を実証することができました」

利点:

「炭素と酸素の反応を平衡状態に近づけることにより、ArcSave はスクラップからの鋼の歩留まりを高め、生産性を 5 ～ 7% 向上させ、エネルギー消費を 3 ～ 5% 削減します」とYangは述べます。

より安全なタッピングもポイントです。溶鋼全体の温度がより均一になると、EBTの詰まりは著しく減少し、そのため目詰まりによる遅延が減少し、同時に危険作業がなくなることで、よりスムーズで信頼性の高い EAF 操業が可能になります。さらに、ArcSave による攪拌をEBTに向けることで、タッピング時に渦の形成を遅らせ、取鍋へのスラグのキャリーオーバーが減少します。

ケーススタディ:

スウェーデンのOutokumpu Stainless社は、約 90％のスクラップを使用して毎年 50 万トンのステンレス鋼を生産しており、ABBと提携して90トンのEAFの効率を改善しました。ArcSave を使用することで、エネルギー使用量を 3 ～ 4% 削減し、炉の生産性がを6 ～ 8% 向上させ、タップ温度ヒット率がを70% 向上させることができました。Outokumpu社の冶金学者は「私たちは ArcSave を使用してボトムスカルの問題を解決することができました。その結果、よりスムーズで予測可能な EAF 運用が低コストで実現しました」と述べています。

2. FCモールド G3: スラブ連鋳機用の最先端の流動制御

概要:

1990年代には、川崎製鉄株式会社（現JFEスチール株式会社）と共同で、従来のスラブ連続鋳造機向けに「溶鋼流動制御装置（FC mold）」を開発しました。スラブ鋳造は、溶鋼を連続的に冷却・凝固させてスラブにし、焼鈍、圧延、亜鉛メッキなどのさらなる加工を行う半製品を製造します。第一世代のFCモールドは、モールドの下部に直流磁場、上部の「メニスカス」部分に第二の直流磁場を備えており、この組み合わせによってメニスカスの湯面変動が安定し、モールド内の溶鋼流動の制御能力が向上しました。

飛躍的進歩:

2010 年代初頭に、ABB は 3 つの独立した磁場を使用して動作するFC Mold G3を開発しました。型の上部ゾーンでは、交流磁場がメニスカスの流速を制御し、直流磁場がメニスカスの変動を抑制します。下部セクションでは、スラブ幅全体をカバーする 2 番目の DC フィールドが下向きの流れを最小限に抑え、気泡や介在物を浮上させます。FCモールドを使用しない場合は、気泡や介在物は凝固中にトラップされ、欠陥として現れることで、スラブの不良率が高くなる可能性がありました。AC フィールドと DC フィールドを組み合わせることで、モールド内下部での流速を抑えながらメニスカスを撹拌することができます。.

最大の課題:

モールド内の溶鋼流動をしっかりと理解することが大事です。「ABBとお客さまの緊密な関係により、導入事例から得られたデータと経験を照合し、有益な知見を得ることができました。水モデリングと数値モデリングに基づくさらなる研究により、FC Mold G3の開発と適用を成功させることができました」とYangは述べています。
」とYangは述べています。

利点:

鋳型内の流体の流れをより包括的に制御することで、スラブの品質がさらに向上し、幅広い鋳造条件下で表面欠陥と内部欠陥を最大 50% 削減します。また、FC Mold G3 は不良率を最大 80% 削減し、リソース効率を向上させます。より高い鋳造速度を可能にすることで生産性が向上し、通常の長い寿命にわたってメンテナンスがほとんど必要なくなります。

ケーススタディ:

FC モールド G3 の最新のアプリケーションは、ティッセンクルップ (tkSE) 社のドイツのデュイスブルク - ブリュクハウゼン工場で導入されました。ABBは、独自の電磁撹拌、ブレーキ技術であるABB FC Mold G３を使用して、同工場の2台のスラブ・キャスターの生産を最適化するための大型契約を受注しました。tkSE社の既存の連続鋳造設備のアップグレードは、2024年に試運転が開始される予定です。これはtkSE社の戦略20-30の一部であり、成長するe-モビリティ市場における衝突安全基準に準拠した、より優れた表面、より薄く高性能な鋼材を求める自動車関連顧客の要求に応えるため、操業を最適化するものです。

3. Optimold MonitorとOptimold Control: 比類のないプロセスの洞察と制御

概要:

冶金プロセスは摂氏 1,500 度以上の温度で行われます。「その温度で何が起こっているのか、すべてを想像することはできません」とYangは述べます。「起こっている多くの現象や、その物理的パラメーターを確認できません」

飛躍的進歩:

2016年、ABBは、金型全体にわたって4,000のモニタリングポイントを照合するデバイスであるOptimold Monitorを発売し、従来の測定システムよりも20倍以上優れた解像度を実現しました。既存の光ファイバー測定技術の機能を超えて、スラブ鋳造における金型プレートの温度だけでなく、局所的な熱や流れのイベントも追跡し、「ステッカー」や亀裂も検出します。

ABB Ability™ Optimold Monitor のソフトウェアを使用することにより、データは処理され、金型銅板の熱分布画像として視覚化され、オペレーターは、例えば、リアルタイムのメニスカスプロファイル、流速、金型冷却、テーパーコントロール、サブマージドエントリーノズルの詰まりなどの要因など、懸念事項や関心のある領域をゼロにすることができます。

ABB Ability™ Optimold Controlと併用することで、このテクノロジーは電磁アクチュエーターとセンサー間のループを閉じ、金型流体のリアルタイム自動オンライン制御を可能にします。

最大の課題:

課題は、冶金プロセスに関する信頼性の高い知見を得るために、超高温下で機能する測定技術を開発する必要があることでした。「ABBは、開発の非常に早い段階で光ファイバーセンサを使用するビジョンと技術パートナーシップを有していました」とYangは述べます。「生成されたビッグデータを分析するABBの技術力と組み合わせることで、金型内の状態の監視と制御がはるかに正確になりました」

利点:

履歴データと結果をログに記録することで、より堅牢で再現性のある鋳造プロセス、確実に高品質の出力、およびプロセスへの最小限の手作業により、より安全で予測可能な作業環境が可能になります。自動かつ正確なプロセス制御により、生産性が向上し、エネルギー消費が最適化されます。

ケーススタディ:

ABB は、2015 年にオランダのエイマイデンにあるTata Steel社に Optimold Monitor を初めて納入しました。光ファイバーシステムは、当初からほぼ障害なく機能しています。「リアルタイムの高解像度温度が視覚化され分析されると、冶金学者が何年もかけて解明しようとしていた多くの秘密が明らかになりました」とYangは述べます。たとえば、ABB と Tata Steel社は、ビッグデータ分析と組み合わせたこのシステムを使用して、実際のキャスターのメニスカス速度と最終製品の品質との相関関係を初めて実証しました。2022 年、ABB はアジアの鉄鋼メーカーと世界初の Optimold Control の導入を完了しました。「Optimold Control の統合により、ABB の新しいコンピテンシーに沿った要求が決定され、当社が目標を達成していることがわかります」と、Yang は述べます。

4. 電磁撹拌の幅広い応用：各種アルミ炉の運用改善

概要:

単一チャンバーアルミニウム炉 ( AL-EMS ) 用の電磁撹拌装置は、1960 年代に ABB により初めて導入されました。AL-EMS シリーズは的は、電磁力により炉内の溶湯を攪拌することで、インゴット・スクラップの溶解速度を加速し、ドロスの量を減らし、それによって歩留まりを向上させ、エネルギー効率を高めることです。アルミニウムの需要が加速しており、それに伴い、より高度でカスタマイズされた EMS システムの必要性も高まっています

飛躍的進歩:

2000 年代初頭、ABB はアルミニウム市場に投資するという戦略を打ち出しました。標準化された AL-EMS の完全なシリーズは、20 トンから 200 トンを超えるまでのさまざまな炉サイズに対応するために開発されました。また、一室炉や二室炉など、さまざまな種類の炉があります。溶解炉、保持炉、混合炉にはAL-EMSが装備されています。現在、AL-EMS は ABB冶金ビジネスの柱の 1 つとなり、電磁撹拌はアルミニウム生産者にとって不可欠な技術となっています。

最大の課題:

「設備だけでなく、総合的なソリューションを提供することです」とYangは述べます。「私たちは炉のサプライヤとエンドユーザの両方と深く関わっており、そのため、メーカーの変化する要求を洞察することができます」また、Yangはさらに「万能のソリューションは存在しません。ABBの冶金学者による強力な社内チームが、市場をリードするAL-EMS製品群を進化させ、あらゆる用途に最高の性能、信頼性、プロセス効率を提供することを可能にしています」と述べます。「私たちは、撹拌装置の性能を予測し、商業的な性能保証を提供するために、各お客さまの炉に対して数値流体力学 (CFD) シミュレーションを実行します。これは、当社のサービスのユニークな特徴です」

利点:

ABB AL-EMSシリーズは、炉の生産性を最大25%向上させる炉サイクル時間の短縮、ドロス生成の最大15%低減、化学均質化時間の短縮、温度の均質化、エネルギー消費量の最大10%低減、信頼性の高い運転とメンテナンスの低減など、多くの改善をメーカーに提供します。

ケーススタディ:

世界的な産業・エネルギー企業であるMytilineos社は、ギリシャのViotiaにあるアルミニウム炉で使用する固形スクラップの量を大幅に増やしたいと考えていました。その目標を達成するために、ABBのAL-EMSを選びました。2019 年に導入されたこのソリューションは「大きな利点を示しました」と、AOG (Mytilineos) のCasthouse Process EngineerであるAnastasios Psarros氏は述べています。これには「固体材料比率が 59% 増加し、サイクル時間が 52% 短縮されました」と彼は説明します。「また、均一化された生産プロセスと改善された炉のライフサイクルを確保しながら、ガス消費量が 23% 削減されたことも確認されました」

5. 最先端のシミュレーション：型にとらわれずに画期的な理論をテストする機能

概要:

「シミュレーションは、ABBの冶金事業における技術開発において常に不可欠な部分でした」と Yang は述べます。ABB の Yngve Sundberg は、ルートヴィヒ・ドレフュス博士の画期的な研究に基づいて構築され、1990 年代に退職するまで電磁設計の計算とシミュレーションの第一人者でした。同じ頃、ABB の Göte Tallbäck は、電磁流体力学を冶金産業に応用した先駆者の 1 人でした。

飛躍的進歩:

2000 年以来、ABB のシミュレーション技術は、特に電磁解析と流体シミュレーションの分野で急速に進歩してきました。現在、複雑な寸法と物理的特性を備えた当社の電磁解析により、さまざまな容器内の溶融金属の流体力学をシミュレーションすることができます。気泡、自由表面、溶融物の凝固に寄与するマルチフィジックスは、当社のシミュレーションパッケージの重要な要素となっています。今日、ABBは、金属製造において電磁攪拌に応用されるシミュレーション技術の最先端にいます。

最大の課題:

「最大の課題はおそらく、金属ビジネスでは需要サイクルが増減するため、より高度な技術に投資することで明確な利益が得られることをお客さまに理解いただく必要があることでしょう。ABB は、シミュレーションにおける画期的な進歩が当社の製品の中核であることを認識しており、重要なシミュレーションの研究開発に継続的に投資しています」とYangは述べています。「過去数年間、私たちはこの分野で世界最高の研究者を探し、採用してきました」と彼は付け加えます。「お客さまはいつでも当社に来て、当社のシミュレーションが最先端のものであることを確認することができます」

利点:

冶金プロセスを正確にシミュレーションできることの主な利点は、研究開発プロジェクトと個々の商業施設の双方において撹拌の影響を予測できることです。Yangは、「電磁撹拌の新たな用途を継続的に開発することは、シミュレーション技術がなければほぼ不可能でしょう。」と述べています。

ケーススタディ:

その一つが、 Tundish EMSの開発です。タンディッシュでの電磁撹拌は非常に新しい概念であるため、より清浄な鋼を得るための撹拌速度と均質化の最適な構成と金属学的効果を発見するためには、広範なシミュレーションが必要でした。その後、中国の常州市にあるZenith Steel 社のパイロット設備にて、工場のマルチストランド・ビレットキャスター・タンディッシュの1つで、電磁撹拌による洗浄と均質化効果が検証されました。

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1. ArcSave: 電気炉用次世代電磁撹拌装置

2. FCモールド G3: スラブ連鋳機用の最先端の流動制御

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4. 電磁撹拌の幅広い応用：各種アルミ炉の運用改善

5. 最先端のシミュレーション：型にとらわれずに画期的な理論をテストする機能

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