電磁力により持続可能な未来に貢献

今から約85年前、電磁撹拌装置が電気アーク炉の溶融金属を初めて撹拌させました。ルードヴィッヒ・ドレフュス博士がABB（当時はASEA）で発明して以来、電磁攪拌装置（EMS）は進化する炉の種類に対応するために、絶え間ない開発が行われてきました。

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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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現在では、地球上で最も二酸化炭素を排出する産業のひとつである鉄鋼業のエネルギー効率化において重要な役割を果たし、製造業や建設部門、そして世界経済の発展に不可欠な、グリーン・スティールを含む新しい高品位な製品の生産を可能にしています。

ABBとTenova社は、イタリアのAcciaieria Arvedi社向けに、革新的な電気炉（EAF）溶解設備および電磁攪拌ソリューションを提供。

この撹拌装置はスプーンではない - ドレフュスの画期的な成果は、ファラデーの電磁誘導の法則（磁場の変化によって電流が誘導されて流れること）を溶融金属にまで適用したことです。ABB冶金部門R＆Dチームリーダーである Hongliang Yangは、1937年に特許を取得したこの発明の意義について、「取鍋の外側から非接触で溶鋼を効率的に撹拌する手段を生み出し、撹拌方向と撹拌力の両方を制御できるようにしたことだ」と述べています。

炉の横または下に設置されたEMSは、溶鋼を移動させる移動磁場を作り出し、溶鋼全体の温度をより一定にし、スラグと金属の反応を促進します。

Yangによれば、1930年代、一般的に使用されていた回転子による機械的撹拌からの画期的なステップアップでした。この機械的撹拌は、溶鋼を移動させる非効率的な方法であり、またメンテナンスの問題がつきもので、ダウンタイムに影響を与えるものでした。

溶鋼撹拌の第三の方法として知られている、窒素、酸素、アルゴンなどの気体を炉底から吹き込むガス撹拌は、当時はあまり発達していなかった、とYangは述べます。「溶融金属にガスを吹き込む箇所は炉の弱点になる可能性があり、この技術には多くの安全上の問題がありました」

その後、ガス撹拌の多くは改善され、ABBは現在、取鍋精錬の用途の一部で、溶鋼へのガス吹き込みと組み合わせて電磁攪拌装置を使用する、ABB EMGASと呼ばれる複合撹拌技術が、2000年代初頭に初めて試行されました。これは取鍋炉プロセスのさまざまな工程で性能が向上することがわかりました。「ABB EMGASは、溶鋼の脱硫を促進する乱流鋼／スラグ界面を形成するのに特に効果的です」とYangは述べます。

ArcSave® は特定のプロセスニーズに合わせて攪拌力をカスタマイズします。この技術は、電気炉（EAF）操業の冶金的パフォーマンスを最適化します。

1947 年にスウェーデンの電気アーク炉 (EAF) に EMS 技術が初めて商業的に適用されるまで、ABB は金属産業向けの炉製造における技術的リーダーでした。「ドレフュス氏の電磁撹拌装置の発明により、溶鋼内の撹拌を計算して制御できるようになり、ABB は間違いなく世界をリードする冶金技術のサプライヤになりました」とYangは述べます。

それ以来、ドレフュスの発明に基づいた数千台の EMS が、EAF、取鍋炉 (これも ABB によって初めて開発された)、鋼の連続鋳造やアルミニウムの溶解などの金属産業向けに導入されてきました。

お客さまとの対話がイノベーションを促進

ABB は、EMS 製品のあらゆるコミッショニングにおいてお客さまと緊密に連携することで、さまざまな条件、原料の使用下でテクノロジーがどのように動作するかについて、比類のない知見を培ってきました。この詳細なデータは、新しい設置や開発時に活用されます。

「私たちはこの分野で世界で最も長い経験を持っています」とYangは述べます。「当社のテクノロジーのさまざまなアプリケーションからの結果を照合し、お客さまごとにそれがどのように機能するかについてのシミュレーションを提供できます」

「ほぼすべての導入時に、当社の担当者をお客さまの現場に派遣して設置後のフォローアップを行い、『結果がどうなるか』を調べます」とYangは続けます。「それは非常に特別なことで、この業界ではユニークなことだと思います」

ABB は、個々のお客さまとのコラボレーションに加えて、数十年にわたり、大手メーカーや業界関係者と協力してきました。

たとえば、1980年代にABBは日本の川崎製鉄と提携して、従来のスラブ鋳造に電磁場を適用してスラブの品質をさらに改善しました。この共同作業から生まれた製品は、スラブ鋳造プロセスでのジェット流によって引き起こされる運動量の制御を可能にしたことから、EMBR (電磁ブレーキ) として知られるようになりました。この提携は 1990 年代にも続き、従来のスラブ鋳造機用の溶鋼流動制御装置を開発しました。

1985 年に ABB が発明した電磁ブレーキソリューションにより、鉄鋼メーカーは従来の垂直曲げキャスターと同様の鋼材清浄度を達成できます。bending casters.

ABB はその後、新たな市場の需要にこたえるために、第 3 世代の溶鋼流動制御装置 (FC Mold G3) を開発しました。そして 2016 年には、連続鋳造における温度測定を可能にし、比類のないプロセスの洞察を提供する製品 Optimold Monitor を発売しました。さらに新しい Optimold Control と組み合わせることで、生産される金属の品質を次のレベルに引き上げるリアルタイムの閉ループプロセス制御が可能になります。

新しいアーク炉の効率を高める

冶金プロセスの継続的な開発には提携が不可欠であるとYangは述べます。プロセスの一部は摂氏 1,500 度以上の高温で行われるため、”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”。彼は、「起こっている多くの現象やその物理的パラメータについては確認できないため、テクノロジーの多くは経験に基づいて開発されています」と述べています。ABB のデータベースにより、シミュレーションで高度な精度が可能になりますが、それでも「すべての新しい開発は、さらに進める前にどこかに導入しその技術を証明する必要があります」とYangは述べます。

今日、鉄鋼、アルミニウム、その他の金属メーカーは、競争力のある価格を維持しながら、製品の品質を向上させ、生産中に排出される炭素を削減するという複数のプレッシャーにさらされています。ABB の電磁撹拌装置は、金属製造のエネルギー効率と生産量を向上させ、製造業者がプロセスを制御できるようにすることで、新しく強力な合金の製造を促進するために、さまざまな炉やプロセス向けに開発されました。

鉄鋼のグリーン化

たとえば、最新の電気炉は、いわゆる「グリーンスチール」を大量に生産できる可能性を示しています。電気を動力源とする電気炉は、再生可能なエネルギーで稼働させることができます。従来は、鉄鋼のリサイクル可能性を利用してスクラップ金属を新しい鉄鋼製品に作り変え、この不可欠な材料の循環型経済への道を照らしてきました。

ABB Abilityl™ Optimold Monitor を使用すると、連続鋳造時の金型温度をリアルタイムで視覚化できます。

2022年、ABBと電炉メーカーであるTenova社との長年にわたる協力により、鉄鋼メーカーのAccaieria Arvedi社から、炉出湯サイズ300トンの記録的な溶解ユニットが最終承認されるというマイルストーンを達成しました。

Tenova 社の Consteel EAF では、連続スクラップ充填システムを具備するために、最新世代の EAF-EMS である ABB の ArcSave 電磁撹拌装置の革新的な技術が必要でした。「私たちは協力して、特定の炉に合わせて撹拌装置を構成する方法に関する新しいコンセプトを開発しました」とYangは述べます。

共同設計した製品は Consteerrer として知られており、Acciaieria Arvedi 社では電力消費量の 3.6% 削減に成功しました (これは工場の CO2 排出量の年間 38,000 トンの削減に相当します)。生産性が 5% 向上し、同時に製造された鋼の最終酸素含有量が 17% 減少しました。その他の利点としては、金属スクラップからの収量の増加とキャリーオーバースラグの減少が挙げられます。

真のグリーン・スチールごは、鉄鉱石から酸素を取り出すためにグリーン水素やバイオガスを利用することで生成される直接還元鉄を使用したもので、以前はコークス（高炭素石炭）を使用してこのプロセスを実現していました。ABB冶金チームによる現在開発中のプロジェクトにおいて、Yangは「アーク炉用のこの新しい原料を効率的に使用できるEMSプロセスを開発しています」と述べています。

変革のためには測定が必要不可欠

Yangは、ABBは金属技術だけでなく、その製品を適用できる冶金プロセスにも取り組んでいると指摘します。

7 人の研究者からなる彼の開発チームのもう 1 つの焦点はデジタル化です。具体的には、新しいセンシング機器を使用した測定、中央ポイントへのデータの転送、およびそのデータの有効的な調査を可能にすることです。「先ほども申し上げたように、冶金プロセスの側面は予測不可能です」とYangは述べます。「したがって、測定は非常に重要です。私たちのプロジェクトの 1 つは、光ファイバーを使用して温度を測定することです。コンパクトなサイズ、柔軟な構造、高感度、電磁干渉に対する耐性などの特性により、光ファイバーセンサーは冶金環境に最適です」

「これは新しい分野です」とYangは述べます。「これにより、データを収集し、分析し、その結果を使用して機器を制御したり、新しい製品を作るための新しいアイデアを得ることができます」

Yangは、新しいものへ挑戦するスリルと、冶金学のるつぼでまだ知られていない相互作用を利用してイノベーションを推進し、業界の持続可能性を向上させる可能性に夢中になっています。ーこれは、継続的な機会による一つの刺激的な使命なのです。