特許 7539026 交流電気炉の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-15

(45)【発行日】2024-08-23

(54)【発明の名称】交流電気炉の制御方法

(51)【国際特許分類】

   F27B 3/28 20060101AFI20240816BHJP

   F27D 19/00 20060101ALI20240816BHJP

   F27D 11/08 20060101ALI20240816BHJP

   C22B 9/20 20060101ALN20240816BHJP

【ＦＩ】

F27B3/28

F27D19/00 Z

F27D11/08 G

C22B9/20

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020057828

(22)【出願日】2020-03-27

(65)【公開番号】P2021156511

(43)【公開日】2021-10-07

【審査請求日】2023-01-20

(73)【特許権者】

【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】110001184

【氏名又は名称】弁理士法人むつきパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】貝吹 大我

(72)【発明者】

【氏名】鳥居 昌生

【審査官】村岡 一磨

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／２０７６０９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開昭６０－１３８３８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０４０９６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２７９２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０８９２２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２７Ｂ １／００－ ３／２８

Ｆ２７Ｄ ７／００－２３／０４

Ｃ２２Ｂ ９／２０

Ｃ２１Ｃ ５／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

炉体内部に挿入された金属スクラップと、該金属スクラッブに対し上方より垂下された棒状電極と、の間にアーク放電を与えて該金属スクラップを溶融させる交流電気炉の制御方法であって、
電圧Ｖをボーリング電圧Ｖ１で前記金属スクラップを真下に掘り進めるボーリングを行う工程と、
電流Ｉを最大電流Ｉｍまで大きくしていくように電流制御としつつ、電圧Ｖを前記ボーリング電圧Ｖ１から最高電圧Ｖｍ（Ｖｍ＞Ｖ１）まで昇圧させ前記金属スクラップの上方から所定位置まで前記棒状電極を下降させて中央孔を形成していく工程と、
前記最大電流Ｉｍを維持するようにして、前記棒状電極の周囲にアーク放電させて前記中央孔を拡げるように前記金属スクラップを溶融させていく工程と、
電流Ｉを前記最大電流Ｉｍに維持しつつ電圧Ｖを前記最高電圧Ｖｍから所定電圧Ｖ２（Ｖｍ＞Ｖ２）まで降圧させる工程と、
電圧Ｖを前記所定電圧Ｖ２に維持しつつ、電流Ｉを前記最大電流Ｉｍ以上に維持し、前記炉体底部の溶湯に通電し昇温させる昇熱工程と、
をこの順に含むことを特徴とする交流電気炉の制御方法。

【請求項2】

前記最高電圧Ｖｍは、前記交流電気炉の定格電圧の９０％以上であることを特徴とする請求項１記載の交流電気炉の制御方法。

【請求項3】

前記棒状電極を３本含み、三相交流の各相を前記棒状電極にそれぞれ与えることを特徴とする請求項１又は２に記載の交流電気炉の制御方法。

【請求項4】

前記棒状電極はそれぞれ独立して昇降するように制御されることを特徴とする請求項３記載の交流電気炉の制御方法。

【請求項5】

前記棒状電極の長手方向を回転軸に前記炉体を回転させることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の交流電気炉の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炉体内部に挿入された金属スクラップと棒状電極との間にアーク放電を与えて該金属スクラップを溶融させる交流電気炉の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

炉体内部に挿入された金属スクラップと棒状電極との間にアーク放電を与えて該金属スクラップを溶融させるアーク炉が知られている。かかるアーク炉の操業では、金属スクラップの上方から所定位置まで棒状電極を下降させて中央孔を形成し、棒状電極の周囲を溶融させて溶鋼を得る（溶融工程）。その後、炉体底部の溶湯に通電して昇温させる（昇熱工程）。ここで、三相交流の各相を３本の棒状電極のそれぞれに与える交流電気炉では、形成された中央孔と各電極との距離が近接し金属スクラップの溶融を進行させやすいホットスポットに対して、同距離が離間し溶融の遅いコールドスポットが生じ得る。このコールドスポットでは金属スクラップの加熱に時間を要し、溶融が不均一に進行して操業の安定性に欠けるとともに、電力効率も低下することとなる。そこで、このコールドスポットを解消する操業方法が提案されている。

【0003】

例えば、特許文献１では、交流電気炉の炉底に複数のガス吹き込み口を設け、ホットスポットのアークによる熱流動に加え、コールドスポットをガス撹拌させて流動させ、炉内を均一に溶融させる溶解方法が開示されている。かかる方法によれば、コールドスポットであった部分がホットスポット、あるいはこれに準じる高温部となり、炉内に装入された金属スクラップの均一な溶融を安定して得られる。

【0004】

一方、外部からのガスの吹き込みによる炉内の強制流動に対して、電極に対して炉体を旋回させることで炉内の金属スクラップを電極に対して相対移動させコールドスポットを解消しようとする試みも行われている。

【0005】

特許文献２では、電極に対して炉体を旋回させ得る交流電気炉において、炉体内における金属スクラップの溶融状態の空間分布を推定し、ホットスポットとコールドスポットの間で金属材料の溶融状態の不均一性が所定の基準以上となると、炉体の旋回を行う交流電気炉の制御方法が開示されている。炉体の旋回を制御することで効率的にコールドスポットを解消し、金属スクラップの均一な溶融を安定して得られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１５－１３７３６９号公報

【文献】特開２０１６－９０１３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記したように、棒状電極を下降させて形成された中央孔の径について、コールドスポットを解消するように金属スクラップを均一に溶融させることで操業の安定を図り、電力効率を高めることができる。また、溶融工程の終盤や昇熱工程おける炉壁へのアークの漏れを抑制することで、より電力効率を向上させ得る。かかる操業制御において、炉内の溶融状態を目視で観察することはできないが、特に、アークの電流値を計測することで炉内の溶融状態を推測することが出来る。

【0008】

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、操業の安定と電力効率の向上とを与え得る交流電気炉の制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明による交流電気炉の制御方法は、炉体内部に挿入された金属スクラップと棒状電極の間にアーク放電を与えて該金属スクラップを溶融させる交流電気炉の制御方法であって、電流Ｉを大きくしていくように電圧Ｖを最高電圧Ｖ_ｍまで昇圧させ前記金属スクラップの上方から所定位置まで前記棒状電極を下降させて中央孔を形成し、このときの最大電流Ｉ＝Ｉ_ｍを維持するようにして、前記棒状電極の周囲の前記金属スクラップを溶融させていく溶融工程と、電流ＩをＩ_ｍ以上に維持しつつ電圧ＶをＶ_ｍから降圧させ、前記炉体底部の溶湯に通電し昇温させる昇熱工程と、を含むことを特徴とする。

【0010】

かかる特徴によれば、アークの到達距離を制御して、溶融工程初期のアークの到達距離を短くして中央孔の周囲を均一に溶融させていくとともに、溶融工程後期及び昇熱工程では炉壁へのアークの漏れを抑制できて、操業の安定と電力効率の向上とを与え得るのである。

【0011】

上記した発明において、電圧Ｖ_ｍは、前記交流電気炉の定格電圧の９０％以上であることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、比較的短い操業時間としつつも、操業の安定と電力効率の向上とを与え得るのである。

【0012】

上記した発明において、前記棒状電極を３本含み、三相交流の各相を前記棒状電極にそれぞれ与えることを特徴としてもよい。また、前記棒状電極はそれぞれ独立して昇降するように制御されることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、操業の安定と電力効率の向上とを与え得るのである。

【0013】

上記した発明において、前記棒状電極の長手方向を回転軸に前記炉体を回転させることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、溶融工程におけるコールドスポットの形成を抑制し、操業の安定と電力効率の向上とを与え得るのである。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】金属スクラップを溶融する複数の工程を示す交流電気炉の側断面図である。

【図2】（ａ）従来例及び（ｂ）実施例における交流電気炉の電圧、電流、電力線図である。

【図3】従来の溶融工程の複数の段階を示す交流電気炉の上断面図である。

【図4】実施例における溶融工程の複数の段階を示す交流電気炉の上断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明による１つの実施例としての交流電気炉の制御方法について、図１乃至図３を用いて説明する。

【0016】

図１に示すように、交流電気炉１０は、炉体１の内部に挿入された金属スクラップＳに対し、上方より垂下された棒状電極２からアーク放電させて、金属スクラップＳを溶融させることができる。棒状電極２は複数備えられ、本実施例では、三相交流を電源として用いるため３本とされ、それぞれに各相を接続させる。金属スクラップＳは、以下のような工程で溶融される。

【0017】

図１（ａ）に示すように、まず、溶融工程初期Ｓ１では、棒状電極２から金属スクラップＳに向けてアーク放電させるとともに、棒状電極２を金属スクラップＳの上方から所定の位置まで下降させて行く。つまり、この工程は、金属スクラップＳの略中央に上方を開口させた空孔を開けるボーリング工程である。アーク放電により加熱された金属スクラップＳの中央部分は、溶融して下方に流下し、溶湯となって炉体１の底部に貯留される。一方、溶融した中央部分は空孔となって金属スクラップＳに形成された中央孔ＣＨとなる。

【0018】

次いで、図１（ｂ）に示すように、溶融工程中期Ｓ２では、中央孔ＣＨの内部から棒状電極２の周囲の金属スクラップＳを溶融させて行く。ここでは、金属スクラップＳが多く残っており、棒状電極２の周囲は金属スクラップＳに囲まれている。

【0019】

さらに、図１（ｃ）に示すように、溶融工程後期Ｓ３では、溶融をさらに進行させて、炉体１内部の金属スクラップＳの全体を溶融させて行く。ここでは、金属スクラップＳが少なくなり、炉壁３の一部を棒状電極２に向けて露出させている。

【0020】

また、昇熱工程Ｓ４（図２参照）では、ほぼ全ての金属スクラップＳを溶融させた後に、炉体底部に貯留された溶湯にアーク放電し、溶湯の温度を上昇させる。

【0021】

ところで、このような溶融工程、昇熱工程を経るための交流電気炉１０の制御としては、従来、以下のように行われていた。

【0022】

図２（ａ）に示すように、溶融工程初期Ｓ１では、金属スクラップＳを真下に掘り進めるボーリングを行うため、棒状電極２の直下にアーク放電させる。そのため、棒状電極２に印加する電圧Ｖ_０を低く設定する。そして、続く溶融工程中期Ｓ２において速やかに大電力を投入すべく、段階的に電圧Ｖ_０を上げてゆく。このとき、電流Ｉ_０は、電圧Ｖ_０に伴って大きくなるのではなく、頭打ちになる。これについては後述する。

【0023】

そして、溶融工程中期Ｓ２では、操業時間を短くすべく電圧Ｖ_０を定格電圧Ｖ_ｒ又はこれに準じる高電圧として棒状電極２の周囲にアーク放電させて、中央孔ＣＨを拡げるように金属スクラップＳを溶融させてゆく。

【0024】

溶融工程後期Ｓ３では、金属スクラップＳの多くを溶融して炉壁３を棒状電極２に対して露出させるので、炉外への熱漏れを大きくしないように炉壁３に向けたアーク放電を抑制すべく電圧Ｖ_０を低下させる。

【0025】

これに対し、本実施例においては、以下のように交流電気炉１０を制御した。

【0026】

図２（ｂ）に示すように、溶融工程初期Ｓ１では、金属スクラップＳを真下に掘り進めるボーリングを行うため、従来と同様に、棒状電極２に印加する電圧を低く設定する。そして、溶融工程中期Ｓ２に先立って電圧を上昇させる際に、電流Ｉ_１を大きくしていくように電流制御としつつ、電圧Ｖ_１を最高電圧Ｖ_ｍまで昇圧させる。例えば、従来よりも電圧の上昇の段階を小刻みに設定したり、棒状電極２の高さを低めに設定したりすることでこのような昇圧を可能とする。その結果、電流Ｉ_１を溶融工程における最大電流Ｉ_ｍまで上昇させることができる。

【0027】

溶融工程中期Ｓ２では、電流Ｉ_１を最大電流Ｉ_ｍとして維持するようにして、棒状電極２の周囲にアーク放電させて、中央孔ＣＨを拡げるように金属スクラップＳを溶融させてゆく。ここで、最大電流Ｉ_ｍは、上記した従来の制御における電流Ｉ_０の最大値よりも大きくできる。比較のため、従来の制御における電流Ｉ_０を重ねて点線で図示した。従来制御の電流Ｉ_０の最大値は、最大電流Ｉ_ｍよりも小さいことが判る。このようにすることで、時間当たりの投入電力Ｗ_１を比較的大きくすることができる。例えば、最大電圧Ｖ_ｍを従来の電圧Ｖ_０の最大値よりも小さくしたにも関わらず、電流Ｉ_１を大きくすることで、上記した従来制御における電力Ｗ_０に対し、同等の電力Ｗ_１とすることができるのである。

【0028】

なお、このとき、最高電圧Ｖ_ｍは定格電圧Ｖ_ｒの９０％以上として比較的大きな電力を投入できるようにすることが好ましい。また、電流Ｖ_１／電流Ｉ₁を所定値以上とするように制御し、電流を高く維持するようにすることも好ましい。

【0029】

溶融工程後期Ｓ３では、従来と同様に炉壁３へ向けたアーク放電を抑制するよう電圧Ｖ_１をＶｍから降圧させてゆくが、ここでも溶融工程中期Ｓ２と同様に、電流Ｉ_１を最大電流Ｉ_ｍとして維持する。

【0030】

昇熱工程Ｓ４では、降圧させた電圧Ｖ_１を維持しつつ、電流Ｉ_１は溶融工程の最大電流Ｉ_ｍ以上として維持し、炉体底部に貯留された溶湯に通電し、溶湯を昇温させる。

【0031】

以上の結果、投入される時間当たりの電力の最大値は従来と同等となり、さらにこの電力の最大値を維持できる時間が従来よりも長くなるため、電力効率を向上させることができる。

【0032】

ところで、従来の制御と本実施例による制御との違いに関し、推定される炉内の様子にについて述べる。

【0033】

従来では、図３（ａ）に示すように、溶融工程初期Ｓ１のボーリング後においては、棒状電極２から外側へ向けてアーク（矢印参照）が伸び、棒状電極２の外側近傍をホットスポットとし、棒状電極２同士の間の外側近傍をコールドスポットとして金属スクラップＳを溶融させる。これは、各棒状電極２の間に働く電磁力によってアークの伸びる方向を偏向してしまうためである。その結果、ホットスポットである棒状電極２の外側近傍の溶融が進み、コールドスポットである棒状電極２同士の間の外側近傍の溶融が遅れる。特に、急激な昇圧でアークの到達距離を急激に大きくして、ホットスポット及びコールドスポットの形成を助長してしまうと考えられる。そして、アークの到達距離を伸ばした結果として抵抗の大きな状態となり、上記したように電流Ｉ_０の最大値が頭打ちになるものと考えられる。

【0034】

その結果、図３（ｂ）に示すように、溶融工程中期Ｓ２においては、溶融されていない金属スクラップSを多く残したまま、棒状電極２に対して露出された炉壁３に向けてアーク放電される。このように、アークを炉壁３へ漏らしてしまうと、アーク放電によるエネルギーは炉壁３から炉体１を加熱し外部に向けて放熱される。つまり、金属スクラップＳの溶融に用いられるエネルギーが減ってしまう。そのため、スクラップＳの溶融において、電力効率を低下させてしまう。

【0035】

そして、図３（ｃ）に示すように、溶融工程後期Ｓ３では、炉壁３へのアーク漏れを抑制して炉体１を保護するために電圧を低下させる。そして、低下させた電圧によるアーク放電によって、残りの金属スクラップＳを溶融させる。

【0036】

このように、従来の方法では、特にアークの炉壁３への漏れによって電力効率が低くなってしまっていたと考えられる。

【0037】

図４（ａ）に示すように、本実施例においては、溶融工程初期Ｓ１のボーリング後に電流Ｉ_１を大きくするように昇圧させる。つまり、アークにおける電気抵抗を比較的小さい状態とする。例えば、段階的に昇圧させることで従来に比べてホットスポット及びコールドスポットの形成を抑制させて、金属スクラップＳの中央孔ＣＨの内表面を全体的に溶融させて、比較的なだらかな内表面形状とさせ、比較的近距離かつ広範囲にアーク（矢印参照）の到達し得る面を残存させつつ溶解を進行させるものと考えられる。また、電流Ｉ_１を大きくすることで電圧Ｖ_１も従来よりも低めに設定しても溶融に必要な電力量を確保できる。

【0038】

次いで、図４（ｂ）に示すように、溶融工程中期Ｓ２においては、溶融の進行によっても炉壁３の露出を少なくでき、電流Ｉ_１を最大電流Ｉ_ｍとして維持しつつ、炉壁３を露出させるまでに従来よりも多くの金属スクラップＳを溶融させることができる。

【0039】

そして、図４（ｃ）に示すように、溶融工程後期Ｓ３においては、炉壁３の露出の後は電圧を降下させて残りの金属スクラップＳを溶融させる。

【0040】

このように、本実施例においては、電流Ｉ_１を最大電流Ｉ_ｍとして維持することで、電力効率を向上させ得た。特に、炉壁３の露出までにより多くの金属スクラップＳを溶融させ得るため、炉壁３へのアークの漏れが少なく、これによっても電力効率を向上させ得たものと考えられる。

【0041】

また、交流電気炉１０は、棒状電極２の長手方向を回転軸として炉体１を回転させる回転機構を備えることも好ましい。溶融工程Ｓ２において、回転機構を用いて炉体１を回転させることで、コールドスポットの形成をさらに抑制することができ、操業の安定と電力効率の向上に寄与する。

【0042】

さらに、棒状電極２は、それぞれ独立して昇降するように制御されるようにすることも好ましい。このようにすることで、上記したような交流電気炉１０の制御を容易とし、また、金属スクラップＳの崩落などに対しても個々の棒状電極２の昇降で対応できて、操業の安定と電力効率の向上に寄与する。

【0043】

以上、本発明の代表的な実施例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

【符号の説明】

【0044】

１ 炉体
２ 棒状電極
３ 炉壁
１０ 交流電気炉

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】