特開 2022-125858 金属溶解装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022125858

(43)【公開日】2022-08-29

(54)【発明の名称】金属溶解装置

(51)【国際特許分類】

   F27B 3/28 20060101AFI20220822BHJP

   F27D 19/00 20060101ALI20220822BHJP

【ＦＩ】

F27B3/28

F27D19/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021023677

(22)【出願日】2021-02-17

(71)【出願人】

【識別番号】000003713

【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002158

【氏名又は名称】特許業務法人上野特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】網干 甚吾

(72)【発明者】

【氏名】師玉 隆志

【テーマコード（参考）】

4K045

4K056

【Ｆターム（参考）】

4K045AA04

4K045BA01

4K045DA01

4K045RB02

4K056AA05

4K056BB08

4K056FA04

(57)【要約】

【課題】電極からのアーク放電によって金属材料を溶解させる際に、金属材料の溶解があまり進んでいない時期から、電極の先端の位置を精度良く推定し、推定結果に基づいて電極の高さ位置を制御できる金属溶解装置を提供する。
【解決手段】電極昇降装置３０と、電極測長装置４０と、金属材料Ｍの溶解の進行に伴って、電極昇降装置４０によって電極を下降させる昇降制御部５２と、金属材料Ｍの溶解を開始する前に電極測長装置４０によって実測した電極１５の長さと、電極１５に投入した電力量に応じた電極１５の消耗量に基づいて、金属材料Ｍの溶解中の電極１５の先端１５ａの高さ位置を推定する電極評価部５３と、電極１５に供給する電圧を制御する電圧制御部５１と、を有し、電圧制御部５１は、金属材料Ｍの溶解中に、電極評価部５３によって推定された電極１５の先端１５ａの高さ位置に基づいて、電極１５に供給する電圧を制御する、金属溶解装置１とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属材料を収容する炉体と、
前記炉体内に挿入され、前記金属材料との間にアークを発生させ、前記金属材料を溶解させる電極と、
前記電極を把持部にて把持し、前記炉体に対する前記電極の高さ位置を調整する電極昇降装置と、
前記電極の長さを計測する電極測長装置と、
前記金属材料の溶解の進行に伴って、前記電極昇降装置によって前記電極を下降させる昇降制御部と、
前記金属材料の溶解を開始する前に前記電極測長装置によって実測した前記電極の長さと、前記電極に投入した電力量に応じた前記電極の消耗量に基づいて、前記金属材料の溶解中の前記電極の先端の高さ位置を推定する電極評価部と、
前記電極に供給する電圧を制御する電圧制御部と、を有し、
前記電圧制御部は、前記金属材料の溶解中に、前記電極評価部によって推定された前記電極の先端の高さ位置に基づいて、前記電極に供給する電圧を制御する、金属溶解装置。

【請求項2】

前記電圧制御部は、前記電極評価部によって推定された前記電極の先端の高さ位置が、基準位置よりも低くなると、前記電極に供給する電圧を、低水準値から高水準値へと上昇させる、請求項１に記載の金属溶解装置。

【請求項3】

前記炉体の炉底を基準として、前記炉体の高さをＬ、前記把持部の高さ位置をＬ１とし、
前記把持部から前記電極の先端までの高さ方向の距離をＬ２として、
前記基準位置は、（Ｌ１－Ｌ２）／Ｌが０．５以上０．７以下となる前記電極の高さ位置として定められている、請求項２に記載の金属溶解装置。

【請求項4】

前記高水準値は、前記電極に電力を供給する変圧器の二次側最大電圧に対して、８５％以上９５％以下に定められている、請求項２または請求項３に記載の金属溶解装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属溶解装置に関し、さらに詳しくは、電極の高さを制御しながら、アーク放電によって金属材料を溶解させる金属溶解装置に関する。

【背景技術】

【0002】

金属スクラップ等の金属材料を電極からのアーク放電によって溶解するアーク炉においては、金属材料に対する電極の高さ位置を調整するために、電極昇降装置が設けられることが多い。電極昇降装置を用いて、金属材料に対する電極先端の高さ位置を調整することで、金属材料の溶解にかかる条件を制御することができる。金属材料の溶解を効率的に進めるための条件は、炉内の金属材料の状態や、金属材料と電極の位置関係等に依存するため、炉内の金属材料の状態や、電極の高さ位置、あるいはそれらを反映するパラメータを、電極への投入電力等、溶解にかかる条件の制御に利用することができる。

【0003】

例えば、特許文献１では、電気炉の炉壁内部及び炉壁外面のうち複数の位置で測定した温度に基づいて、炉壁の内周面における熱流束を算出し、その算出結果に基づいてスクラップ（金属材料）の溶け落ちの開始を判定している。また、特許文献２では、被溶解物（金属材料）が炉体の内壁に固着して生成される塊状物の溶融温度として予め定められる温度の位置を連ねて作成される炉内プロフィールと、電極の位置に基づいて、操業条件の調整を行っている。特許文献２では、電極の位置は、炉体の縁などに定められる基準位置から電極が相対的に変位した量を昇降量測定器で測定される電極長さと、電極の基準位置からの変位量とに基づいて推定される。電極先端の高さ位置によって溶解にかかる条件を制御する場合に、電極の長さを実測することが重要となる。例えば特許文献３に、炉体の外で電極の長さを実測する電極測長装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－２２６８６４号公報

【特許文献2】特開２００８－１１６０６６号公報

【特許文献3】特開２０１６－１４８４６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

電極からのアーク放電によって金属材料を溶解させる際に、エネルギーロスを抑える観点からは、投入した電力が高効率で金属材料の加熱に用いられるように、金属材料と電極との位置関係に基づいて、電極への投入電力を制御することが有効である。この際、金属材料と電極との位置関係を正確に評価することが、投入電力の制御によるエネルギーロスの削減に、重要となる。特に、電極の周囲に金属材料が豊富に存在する溶解の初期に、積極的に電力を投入して金属材料の溶解を高速で進行させることが、エネルギーロスの低減に有効となる。

【0006】

しかし、特許文献１に開示される溶け落ちの判定や、特許文献２に開示される炉内プロフィールの作成のように、炉壁における温度分布から炉内の状況を推定する形態においては、溶解初期において、炉内の金属材料が占める体積が大きい状況では、炉壁への抜熱量が小さいため、炉内の金属材料の状況を高精度に推定しにくい。また、特許文献２では、炉内プロフィールとともに電極の位置を操業条件の調整に用いているが、電極の位置は、昇降量測定器で測定される電極長さに基づいて推定されている。昇降量測定器は、電極昇降装置による電極の昇降量を計測するのみであり、金属材料の溶解を継続する間に、電極の先端が消耗しても、その消耗が、推定される電極長さに反映されない。特許文献３に開示される電極測長装置は、電極の長さを高精度に実測できるものではあるが、炉体の外で計測を行うため、同様に、金属材料の溶解中に電極の先端が消耗することまで取り込んで、正確に電極の長さを計測できるものではない。

【0007】

本発明が解決しようとする課題は、電極からのアーク放電によって金属材料を溶解させる際に、金属材料の溶解があまり進んでいない時期から、電極の先端の位置を精度良く推定し、推定結果に基づいて電極の高さ位置を制御することができる金属溶解装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明にかかる金属溶解装置は、金属材料を収容する炉体と、前記炉体内に挿入され、前記金属材料との間にアークを発生させ、前記金属材料を溶解させる電極と、前記電極を把持部にて把持し、前記炉体に対する前記電極の高さ位置を調整する電極昇降装置と、前記電極の長さを計測する電極測長装置と、前記金属材料の溶解の進行に伴って、前記電極昇降装置によって前記電極を下降させる昇降制御部と、前記金属材料の溶解を開始する前に前記電極測長装置によって実測した前記電極の長さと、前記電極に投入した電力量に応じた前記電極の消耗量に基づいて、前記金属材料の溶解中の前記電極の先端の高さ位置を推定する電極評価部と、前記電極に供給する電圧を制御する電圧制御部と、を有し、前記電圧制御部は、前記金属材料の溶解中に、前記電極評価部によって推定された前記電極の先端の高さ位置に基づいて、前記電極に供給する電圧を制御する。

【0009】

ここで、前記電圧制御部は、前記電極評価部によって推定された前記電極の先端の高さ位置が、基準位置よりも低くなると、前記電極に供給する電圧を、低水準値から高水準値へと上昇させるものであるとよい。

【0010】

この場合に、前記炉体の炉底を基準として、前記炉体の高さをＬ、前記把持部の高さ位置をＬ１とし、前記把持部から前記電極の先端までの高さ方向の距離をＬ２として、前記基準位置は、（Ｌ１－Ｌ２）／Ｌが０．５以上０．７以下となる前記電極の高さ位置として定められているとよい。

【0011】

また、前記高水準値は、前記電極に電力を供給する変圧器の二次側最大電圧に対して、８５％以上９５％以下に定められているとよい。

【発明の効果】

【0012】

上記発明にかかる金属溶解装置においては、電極評価部による電極の先端の高さ位置の推定に、金属材料の溶解を開始する前に電極測長装置によって実測した電極の長さと、電極に投入した電力量に応じた電極の消耗量の両方を考慮している。よって、金属材料の溶解による電極の消耗を加味して、金属材料の溶解があまり進んでいない時期から、溶解がかなり進行した時期に至るまで、金属材料の溶解を行っている間の各時点における電極の先端の高さ位置を、精度良く推定することができる。そして、電圧制御部が、そのように推定された電極の先端の高さ位置に基づいて、電極に供給する電圧を制御するため、エネルギー効率の向上等、目的に応じた投入電力の制御を、高精度に行うことが可能となる。

【0013】

ここで、電圧制御部が、電極評価部によって推定された電極の先端の高さ位置が、基準位置よりも低くなると、電極に供給する電圧を、低水準値から高水準値へと上昇させるものである場合には、ある程度金属材料の溶解が進行し、電極の先端の高さ位置が低くなった状態で、電極に供給する電圧を増大させることにより、金属材料の溶解工程全体としてのエネルギー効率を、高めることができる。

【0014】

この場合に、炉体の炉底を基準として、炉体の高さをＬ、把持部の高さ位置をＬ１とし、把持部から電極の先端までの高さ方向の距離をＬ２として、基準位置が、（Ｌ１－Ｌ２）／Ｌが０．５以上０．７以下となる電極の高さ位置として定められていれば、炉壁等、設備部材におけるスパークの発生を避けながら、金属材料の溶解の比較的初期に、電極への投入電力を増大させることができ、金属材料の溶解の工程全体としてのエネルギー効率が、効果的に高められる。

【0015】

また、高水準値が、電極に電力を供給する変圧器の二次側最大電圧に対して、８５％以上９５％以下に定められている場合には、電源装置への過剰な負荷の印加を避けながら、効果的に電極への投入電力を増大させ、金属材料の溶解におけるエネルギー効率の向上に寄与させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態にかかる金属溶解装置の構成を示す図である。

【図2】電極高さに関わるパラメータを説明する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の一実施形態にかかる金属溶解装置について、図面を参照しながら説明する。

【0018】

［金属溶解装置の構成］
まず、本発明の一実施形態にかかる金属溶解装置１の構成について、簡単に説明する。図１に、金属溶解装置１の概略を示す。金属溶解装置１は、炉体１１および電極１５を備えたアーク炉１０と、電極昇降装置３０と、電極測長装置４０と、制御装置５０とを有している。制御装置５０は、電圧制御部５１と、昇降制御部５２と、電極評価部５３と、を有している。

【0019】

アーク炉１０においては、炉体１１に金属スクラップ等の金属材料Ｍを収容する。そして、蓋１２を貫通させて、電極１５を炉体１１の内部に挿入し、電極１５と金属材料Ｍの間で、アーク放電を行うことで、金属材料Ｍを加熱し、溶解させる。電極１５は、電極昇降装置３０の把持部３１にて把持され、電極昇降装置３０によって、高さ位置を変更可能となっている。図示した形態では、電極１５は１本のみとしているが、３本等、複数の電極１５を設けてもよい。電極１５が複数設けられる場合にも、後に説明する電極１５の高さ位置の制御、電極１５の先端１５ａの高さ位置の推定、電極１５に供給する電圧の制御は、各電極１５に対して独立に行われる。

【0020】

アーク炉１０に電力を供給する電源回路２０には、タップチェンジャを備えた炉用変圧器２１が設けられており、炉用変圧器２１の一次側回路２２が商用電源に接続されている。炉用変圧器２１の二次側回路２３は、電極１５に至っており、電極１５に電力を供給する。電極１５には、二次側回路２３から、三相交流が供給される。炉用変圧器２１は、制御装置５０の電圧制御部５１による制御を受けて、出力パターンを変化させることで、電極１５に供給する電圧を変化させることができる。すなわち、電極１５に投入する電力を変化させることができる。二次側回路２３には、計器用変流器および計器用変圧器が設けられており（図では、二次側計測器２５として一括して簡略表示している）、二次側回路２３の電流および電圧を計測可能となっている。二次側計測器２５によって計測された二次側回路２３の電流および電圧は、制御装置５０に入力され、後に説明する電極１５の昇降制御のための情報として用いられるとともに、電極１５の先端位置の推定のための、電極１５の消耗量の見積もりに用いられる。

【0021】

電極昇降装置３０は、把持部３１と、駆動部３２とを有しており、駆動部３２の駆動軸３３と把持部３１が、支持部材３４を介して接続されている。把持部３１は、電極１５を挟み込んで把持するクランプ状の部材である。駆動部３２は、電動機または油圧シリンダ等より構成され、上下方向に駆動軸３３の運動を駆動することができる。駆動部３２による上下運動の駆動により、把持部３１に把持された電極１５の昇降運動が駆動され、炉体１１に対する電極１５の高さ位置を変化させることができる。駆動部３２は制御装置５０に接続されており、駆動部３２による電極１５の昇降は、制御装置５０の昇降制御部５２によって制御される。駆動部３２には、リニアエンコーダより構成された位置検知部３５が設けられ、駆動軸３３が上下方向に移動した距離に基づき、把持部３１の上下方向の位置を検知することができる。電極昇降装置３０は、電極１５を保持したまま、軸回転することもできる。

【0022】

電極測長装置４０は、電極昇降装置３０の把持部３１によって把持された電極１５に対して、電極昇降装置３０の把持部３１の位置から電極１５の先端１５ａまでの距離を計測する装置である。電極測長装置４０としては、特許文献３に開示された装置等を利用することができる。詳細な説明は省略するが特許文献３の電極測長装置４０においては、砂４２を充填され、下方からコイルばね４３で支持された容器４１に、電極昇降装置３０による下降を利用して、把持部３１にて把持した電極１５を上方から進入させる。そして、容器４１の下方に取り付けたリミットスイッチ４４によって、容器４１の下降が検知されるまでの把持部３１の移動量に基づいて、電極１５の長さを算出するものである。電極１５の長さの算出は、リミットスイッチ４４からの出力と、電極昇降装置３０に設けられた位置検知部３５からの出力を、制御装置５０の電極評価部５３に入力して行う。電極評価部５３は、位置検知部３５の出力値に基づいて、基準位置からの把持部３１の移動量を算出し、それをもとに、電極１５の長さ、つまり把持部３１によって把持された箇所から先端１５ａまでの長さを評価する。

【0023】

制御装置５０は、コンピュータ等の演算・制御装置として構成されており、その機能の一部として、電圧制御部５１、昇降制御部５２、電極評価部５３を有している。これらのうち、昇降制御部５２は、電極昇降装置３０の駆動部３２に指令信号を発することで、電極１５の昇降を駆動することができる。電極１５の昇降は、蓋１２の開閉を行う場合や、電極１５を炉体１１から引き上げて、電極測長装置４０による測長等、炉外での操作を行う場合の他、炉体１１の中で金属材料Ｍを溶解させる間、溶解にかかる条件を制御するために、実施される。金属材料Ｍを溶解させる間の電極１５の高さ位置の制御としては、金属材料Ｍの溶解の進行に伴って、電極昇降装置３０によって電極１５を下降させる制御を行う。つまり、金属材料Ｍの溶解が進行し、固体状態から溶融状態となった金属材料Ｍの割合が増大し、金属材料Ｍが全体として占める体積が減少するほど、電極１５の高さ位置が下げられる。この電極１５の高さ位置の制御は、インピーダンス制御によって行うことができる。つまり、昇降制御部５２に二次側計測器２５から、二次側回路２３における電流値（Ｖ）と電流値（Ｉ）が入力され、Ｖ／Ｉとして算出される電極１５と金属材料Ｍの間のインピーダンスを指標とし、そのインピーダンスを所定の値に維持するように、電極１５の高さ位置の制御が行われる。

【0024】

電極評価部５３は、上記のように、金属材料Ｍの溶解を行っておらず、炉外で、電極測長装置４０によって電極１５の長さを計測する際は、電極測長装置４０および電極昇降装置３０からの信号入力を受け、電極１５の長さを評価する役割を果たす。さらに、電極評価部５３は、電極１５を炉体１１の中に配置し、金属材料Ｍの溶解を行っている間は、電極１５の長さと、電極昇降装置３０から入力される把持部３１の高さ位置に基づいて、電極１５の先端１５ａの高さ位置（炉底１１ａから電極１５の先端１５ａまでの高さ方向の距離）を推定することができる。この先端１５ａの高さ位置の推定に用いる電極１５の長さの値は、金属材料Ｍの溶解を開始する前に電極測長装置４０によって実測した電極１５の長さと、アーク放電による金属材料Ｍの溶解に伴う電極１５の消耗量に基づいて推定される。具体的には、電極評価部５３は、二次側計測器２５から電流値と電圧値の入力を受け、その時点までに電極１５に投入した電力量を算出し、その電力量に応じて、電極１５の消耗量を見積もる。そして、金属材料Ｍの溶解を開始する前に電極測長装置４０によって実測した電極１５の長さから、その消耗量を減じて、金属材料Ｍを溶解させている間の各時点における電極１５の長さを見積もる。電極１５の消耗量の見積もりには、算出された上記電力量と電極１５の消耗量の関係を、事前の試験によって評価しておいた情報を用いればよい。

【0025】

図２に示すように、炉体１１の炉底１１ａを基準として、把持部３１の高さ位置をＬ１、把持部３１から電極１５の先端１５ａまでの高さ方向の距離をＬ２とする。把持部３１の高さ位置Ｌ１は、電極昇降装置３０から電極評価部５３へと入力される。距離Ｌ２は、上記のように、金属材料Ｍの溶解開始前に実測した電極長から、溶解中の電極１５の消耗量を減じて、電極評価部５３によって推定される値である。この場合に、金属材料Ｍの溶解中の各時点における電極１５の先端１５ａの高さ位置は、Ｌ１－Ｌ２として見積もることができる。

【0026】

電圧制御部５１は、金属材料Ｍの溶解中に、電極評価部５３によって上記のようにして推定された電極１５の先端１５ａの高さ位置に基づいて、炉用変圧器２１を制御し、二次側回路２３から電極１５に供給する電圧を制御する。電圧制御部５１による電圧の制御について、次に詳しく説明する。

【0027】

［電極の先端の高さ位置に基づく電圧の制御］
上記のように、本実施形態にかかる金属溶解装置１においては、電極評価部５３によって、金属材料Ｍの溶解中に推定された電極１５の先端１５ａの高さ位置に基づいて、電圧制御部５１によって、電極１５に供給する電圧が制御される。金属材料Ｍの溶解が進行するに従って、電極１５が下降されるので、電極１５の先端１５ａの高さ位置は、金属材料Ｍの溶解の進行の程度を示す良い指標となる。その指標に基づいて、金属材料Ｍの溶解の進行の程度に応じて適した水準に、電極１５に供給する電圧を制御すればよい。

【0028】

例えば、金属材料Ｍの溶解の進行の程度によって、エネルギー効率、つまり、電極１５に供給した電力量のうち、金属材料Ｍの加熱に利用される電力量の割合を高められるように、電極１５に供給する電圧を変化させればよい。金属材料Ｍとの間でアーク放電を開始してから、金属材料Ｍの溶解がまだわずかしか進行していない段階では、電極１５に供給する電圧を低く抑えておく一方、金属材料Ｍの溶解がある程度進行し始めたら、電圧を上昇させることが、エネルギー効率の点で好ましい。金属材料Ｍの溶解がわずかしか進行しておらず、電極１５の表面の多くの部分が、炉壁等、炉内の設備部材に面している段階では、電極１５の先端１５ａと金属材料Ｍの間にアークが発生する以外に、炉壁等、炉内の設備部材との間に、スパークが発生し、金属材料Ｍの溶解以外にもエネルギーが消費されやすいので、過剰に電極１５に供給する電圧を上昇させない方が好ましい。一方で、金属材料Ｍの溶解がある程度進行し始め、電極１５が下降されると、電極１５の周囲を囲む金属材料Ｍの量が多くなり、不要なスパークが発生しにくくなるので、電極１５に供給する電圧を上昇させ、金属材料Ｍに大きな熱量を投入することで、金属材料Ｍの溶解を効率的に進めることができる。このようにして、金属材料Ｍの溶解の全工程のトータルとして、エネルギー効率を高め、エネルギーロスを削減することができる。

【0029】

電極１５の下降に伴って、電極１５に供給する電圧を連続的に上昇させても、段階的に不連続に変化させてもよい。制御の簡便性においては、電圧を段階的に変化させる形態の方が好ましい。この場合に、電圧を２段階の水準の間で変化させることが好ましいが、さらに多数の段階に区切って、電圧を変化させてもよい。

【0030】

本実施形態にかかる金属溶解装置１においては、インピーダンス制御によって、金属材料Ｍの溶解が進行するほど電極１５の高さ位置を下げる制御が行われており、金属材料Ｍの溶解の進行の程度を示す指標として、電極１５の先端１５ａの高さ位置が利用される。電極１５の先端１５ａの高さ位置は、特許文献１に開示されるような炉壁の温度分布等とは異なり、金属材料Ｍの溶解があまり進行していない初期の段階から、金属材料Ｍの溶解の進行の程度を正確に、また敏感に反映するパラメータである。よって、電極１５の先端１５ａの高さ位置に基づいて、電極１５に供給する電圧を制御することで、金属材料Ｍの溶解があまり進行していない段階であっても、金属材料Ｍの溶解の進行の程度に応じて、エネルギー効率の向上等、目的に応じた電圧の制御を、正確に行うことが可能となる。上記のように、金属材料Ｍの溶解がわずかしか進行していない段階では、大きな電力を電極１５に供給しても、スパークの発生によって、エネルギーロスが生じやすいが、溶解が定常的に進行し始めると、その溶解の進行の比較的初期の段階から、積極的に大きな電力を投入することで、未溶融の金属材料Ｍに効率的に熱を与えて、溶解の全工程のトータルとして、金属材料Ｍの加熱・溶解に電力を高効率で利用することができる。

【0031】

さらに、本実施形態にかかる金属溶解装置１においては、電極評価部５３で推定され、電極１５に供給する電圧の制御の指標として用いられる電極１５の先端１５ａの高さ位置が、金属材料Ｍの溶解を開始する前に、炉外の電極測長装置４０によって実測した電極長から、金属材料Ｍの溶解中のアーク放電に伴う電極１５の消耗量を減じて推定された、金属材料Ｍの溶解中の各時点における電極長に基づくものであるため、電極１５の先端位置の推定を、高精度に行うことができる。電極測長装置４０で電極長を実測しておくことにより、溶解開始前の電極長を、正確に把握することができる。さらに、金属材料Ｍの溶解の進行に伴って、電極１５は消耗されて徐々に短くなるが、二次側計測器２５で計測された投入電力量に基づいて推定される電極１５の消耗量を考慮することで、金属材料Ｍを溶解させている最中の電極長を、リアルタイムで推定することが可能となる。すると、金属材料Ｍの溶解があまり進んでおらず、電極１５の消耗量が少ない初期の段階から、金属材料Ｍの溶解が大きく進行し、電極１５の消耗量が多くなる溶解の終盤の時期に至るまで、各時点における電極１５の先端１５ａの高さ位置を、精度よく推定し、電極１５に供給する電圧の制御に利用することができる。その結果、エネルギー効率の向上等の目的が、金属材料Ｍの溶解の進行の程度に応じた電圧の制御によって、効果的に達成されるようになる。

【0032】

上記のように、金属材料Ｍの溶解の工程の全体を通じたトータルとしてのエネルギー効率を高めるためには、金属材料Ｍの溶解がある程度進行した段階で、電極１５に供給する電圧を上昇させる制御が有効である。電極１５の先端１５ａの高さ位置に対して、具体的にどのように電極１５に供給する電圧を変化させるかは、特に限定されるものではないが、例えば、電極評価部５３によって推定された電極１５の先端１５ａの高さ位置が、基準位置よりも低くなると、電極１５に供給する電圧を、低水準値から高水準値へと上昇させる形態を、好適なものとして挙げることができる。

【0033】

この場合に、電極１５に供給する電圧を低水準値から高水準値へと切り替える電極１５の先端１５ａの基準位置は、例えば以下のように定めることができる。上記のように、金属材料Ｍを溶解させている間の電極１５の高さ位置は、Ｌ１－Ｌ２として見積もられる。この場合に、炉底１１ａを基準に、炉体１１の高さをＬとし、相対高さＬ’を、Ｌ’＝（Ｌ１－Ｌ２）／Ｌとして、電極１５に供給する電圧を切り替える基準位置を、相対高さＬ’が、０．５以上、かつ０．７以下となる範囲で定めればよい。相対高さＬ’の値が大きいほど、電極１５の先端１５ａが高い位置に存在することになる。Ｌ’＝０が炉底１１ａの位置に対応し、Ｌ’＝１が炉体１１の上端縁の位置に対応する。基準位置における相対位置Ｌ’を０．５以上とすることで、金属材料Ｍの溶解の全工程のうちで、電極１５の位置が大きく下降していない、比較的初期の段階で、電圧を高水準値に切り替えることになる。すると、炉内に未溶融の金属材料Ｍが豊富に存在する段階で、その未溶融の金属材料Ｍに積極的に熱を投入することになり、エネルギー効率を向上させることができる。一方、基準位置における相対位置Ｌ’を０．７以下とすることで、電極１５の位置がまだ十分に下がっていないために、金属材料Ｍに周囲を囲まれていない電極１５と、炉壁等の設備部材との間にスパークが発生しやすい段階で、電圧を高水準値に切り替えて、スパークの発生にエネルギーを消費してしまう事態を、抑制することができる。なお、通常、金属スクラップ等、溶融対象の金属材料Ｍを炉体１１に収容する際に、その金属材料Ｍの上面の位置は、相対高さＬ’で、０．９～１．０程度とされる。

【0034】

電極１５の先端１５ａの高さ位置が上記の基準位置よりも低くなってから採用する値である高水準値は、炉用変圧器２１の二次側最大電圧の８５％以上９５％以下に定めておくとよい。ここで、二次側最大電圧は、炉用変圧器２１が二次側回路２３に出力できる最大の電圧を示す。高水準値を、二次側最大電圧の８５％以上とすることで、電極１５の先端１５ａの高さ位置が基準位置よりも低くなった状態で、大きな電力を投入することになり、金属材料Ｍの溶解におけるエネルギー効率を、効果的に向上させることができる。好ましくは、高水準値を、二次側最大電圧の９０％以上とするとよい。一方、高水準値を、二次側最大電圧の９５％以下に抑えておくことで、炉用変圧器２１等、電源設備への過剰な負荷の印加を回避しやすくなる。

【0035】

本実施形態にかかる金属溶解装置１においては、アーク放電による電極１５の消耗を考慮した電極１５の先端１５ａの高さ位置を利用することで、炉内の状態を反映する他のパラメータによらなくても、高精度に、金属材料Ｍの溶解の進行の程度を判定し、投入電力の制御を行うことができる。しかし、投入電力の制御を行うための指標として、炉内の金属材料Ｍの溶解状態を反映する他のパラメータを、電極１５の先端１５ａの高さ位置の情報と併用することもできる。そのようなパラメータとして、特許文献１，２に開示されるような炉壁における温度分布や、出願人による特開２０２０－０１６３４５号公報に詳しく説明されている、炉体１１からの発生音の周波数分布、および一次側回路２２における高周波成分の強度等、炉内の状況を反映するパラメータを用いることができる。電極評価部５３によって推定される電極１５の先端１５ａの高さ位置と、それらのパラメータとを総合して推定される金属材料Ｍの溶解の進行度が、所定の閾値を超えた段階で、電極１５に供給する電圧を、低水準値から高水準値に切り替えればよい。

【実施例0036】

以下に本発明を実施例により具体的に説明する。本発明はこれらによって限定されるものではない。

【0037】

［試験方法］
図１に示し、上に説明した構成を有する金属溶解装置を用い、鉄スクラップの溶解を行った。電極の本数は３本とした。溶解に際し、電極に供給する電圧を低水準値から高水準値へと切り替える際の電極の先端の基準位置を、相対高さＬ’（＝（Ｌ１－Ｌ２）／Ｌ）で０．２から１．０まで、０．１刻みで変化させて、複数回の溶解を行った。ここで、０．２との相対高さＬ’は、金属溶解装置の設備構成上、電極を最大限下降させて操業できる位置に対応する。

【0038】

溶解を行う間、設備部材と電極との間のスパークの発生の有無を、目視にて観察するとともに、電力ロス指標を見積もった。電力ロス指標とは、電極に投入した電力量のうち、金属材料の溶解に用いられなかった電力量（炉壁抜熱量から算出）の割合を示すものであり、ここでは、電極の先端の基準位置をＬ’＝０．２とした際の値を１００％の基準として、電力ロス指標を表示する。

【0039】

［試験結果］
下の表１に、電極に供給する電圧を切り替える際の電極の先端の基準位置と、スパークの発生状態および電力ロス指数の関係をまとめる。電極の先端の基準位置をＬ’＝０．８以上とした場合については、スパークの発生のために、溶解試験を続けることができず、電力ロス指標を見積もれなかった。

【0040】

【表1】

【0041】

表１によると、電極に供給する電圧の切り替えを行う電極先端の基準位置が、相対高さＬ’で０．５以上０．７以下の範囲では、電極と設備部材との間のスパークの発生が、起こっていないか、軽微な程度に抑えられている。また、電力ロス指数が、安定して低い水準に抑えられている。これに対し、基準位置がＬ’＝０．５未満の場合には、上記範囲と比較して、電力ロス指数が大きくなっており、しかも、基準位置が低くなるほど（相対高さＬ’が小さくなるほど）、その電力ロス指数が大きくなっている。一方、基準位置がＬ’＝０．７よりも大きい場合には、電極と設備部材との間にスパークが発生し、溶解を続けることができなくなっている。このことから、電極に供給する電圧を高水準値に切り替える電極先端の基準位置を、相対高さＬ’で０．５以上かつ０．７以下としておくことで、不要なスパークの発生を抑制し、かつ金属材料の溶解の比較的早い段階から積極的に電力を投入することで、エネルギー効率を高められると言える。

【0042】

なお、表１において、基準位置を変化させた際の電力ロス指標の変化量は、数値としては小さなものではあるが、電力ロス指標は、安定性の高い数値であり、十分に有意な変化量である。また、一般的な金属溶解装置の操業においては、多量の金属材料を溶解するので、電力ロス指数をわずかでも低減することができれば、１か月あるいは１年等の所定の期間の積算として、所要電力量を大きく低減することができる。

【0043】

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

【符号の説明】

【0044】

１ 金属溶解装置
１０ アーク炉
１１ 炉体
１１ａ 炉底
１５ 電極
１５ａ 電極の先端
２０ 電源回路
２１ 炉用変圧器
２５ 二次側計測器
３０ 電極昇降装置
３１ 把持部
３２ 駆動部
３４ 支持部材
３５ 位置検知部
４０ 電極測長装置
４１ 容器
５０ 制御装置
５１ 電圧制御部
５２ 昇降制御部
５３ 電極評価部
Ｍ 金属材料

【図1】

【図2】