JP2000130960A

JP2000130960A - 直流電気炉の炉底電極

Info

Publication number: JP2000130960A
Application number: JP31111998A
Authority: JP
Inventors: Masato Iiyama; 眞人飯山; Junichi Fukumi; 純一福味; Norio Ao; 範夫青; Toshimichi Maki; 敏道牧
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2000-05-12

Abstract

(57)【要約】【課題】直流電気炉の炉底電極の構造を改良して寿命
の延長を図ることを目的とする。【解決手段】下記の構造を備えたことを特徴とする直
流電気炉の炉底電極である。（ａ）支持基板と、該支持
基板上に配設された不定形耐火物と、該不定形耐火物に
載置された電導性耐火物からなる電極ブロックとからな
る炉底電極であって、（ｂ）前記支持基板、前記不定形
耐火物及び前記電極ブロックを貫通した電導性の複数の
コンタクトピンを備え、（ｃ）前記コンタクトピンと接
触するように前記電極ブロックを構成する電導性定型耐
火物の表面の一部を被覆する１以上の金属シートを備え
る。また、前記コンタクトピンと前記電極ブロックとの
隙間に電導性不定形耐火物を充填することが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、鉄鋼等の金属ス
クラップ等を溶解する直流電気炉用の炉底電極に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】直流電気炉は、交流電気炉と異なり、電
極が１本のため電極原単位が小さくなること、溶解期の
騒音が小さいこと、１本の陰極から炉底電極に向かって
アークが垂直下方に飛ぶため均一な温度分布が得られ、
ホットスポットが生じないこと、誘導ロスが無くエネル
ギ効率が良好なことなどの種々の利点を有する。このた
め、最近では交流電気炉に代わる溶解炉として直流電気
炉が主流となっている。

【０００３】図６に示すように、従来の直流アーク炉１
は、炉底部に陽極としての炉底電極１０と、炉上部に配
設される陰極として黒鉛電極９を備えている。操業に際
しては、炉内にスクラップおよび副原料を装入し、炉底
部のコンタクトピン７と上部電極９との間に直流電気を
導通させ、この電気熱エネルギでスクラップを溶解する
ようになっている。１００ｔｏｎ電気炉では、例えば電
圧は５００から６００ｖｏｌｔ，電流は１００ｋＡ程度
である。

【０００４】マグネシヤ−炭素系耐火物からなる電極ブ
ロック８は全体を収容する鉄皮ケース内に収納され、多
数のコンタクトピン７は、電極ブロック８を貫通し、そ
の上端部のみが炉内に露出している。電導性定型耐火物
から構成される電極ブロック８はスタンプ材等の不定形
耐火物１７を介して支持基板６により支持され、支持基
板６は炉体の鉄皮１ｂに絶縁材を介して支持されてい
る。

【０００５】コンタクトピン７は電流基板５に接続さ
れ、電流基板５の下面側に接続部４および端子３が取り
付けられている。端子３には導体２が接続され、導体２
を介して電源から電流基板５に給電され、さらにコンタ
クトピン７のそれぞれに電流が分配されるようになって
いる。コンタクトピン７と電極ブロック８の隙間は非電
導性のマグネシヤ系の充填材、例えばマグネシヤ不定形
耐火物（ＭｇＯ：９６ｗｔ％、ＳｉＯ₂：２ｗｔ％、そ
の他：２ｗｔ％）を充填しているため、コンタクトピン
７を流れる電流は電極ブロック内を流れない。

【０００６】接続部４は、中空体であり、その内部通路
４ａの上端は開口している。この内部通路４ａは空冷す
るため図示しない空気供給源に接続している。また、通
路４ａの上部開口は上方の支持基板６の下面に対面し、
空気が吹き付けられて電流基板５、支持基板６が強制空
冷されるようになっている。

【０００７】図６に示すように、電極ブロック８の上面
は炉床耐火物１ａの炉床面と連続しているため、溶融金
属、例えば溶鋼と接触して部分的に溶融する。また、電
極ブロック８の上面は流動する溶鋼や、出鋼時において
スラグに晒されるため、耐火物からなる電極ブロック８
は溶損する。この溶損量、又は深さが所定値を超えると
電極ブロック８を交換しなければならない。

【０００８】従来の炉底電極は次の様な問題があった。（１）炉底電極の電極ブロック８に使用する電導性定型
耐火物として主にマクネシヤ−炭素系の煉瓦が使用され
ているが、電極ブロック８上面は炉床耐火物１ａ上面の
一部であるために、出鋼時の大気接触などの酸化雰囲気
では電極ブロック表面の耐火物が酸化され、損耗を早め
る原因となっていた。

【０００９】（２）更に電極ブロック８上面は溶鋼の流
動の影響を受け、溶損による損耗が大きかった。（３）溶鋼に接触する炉底電極ブロック上部のコンタク
トピン７は、抜熱能力の不足とコンタクトピン７自体に
発生するジュール熱により上端の一部が溶融し、電極ブ
ロック８の損耗の原因になっていた。

【００１０】（４）電極ブロックの炉底稼働面の一部が
電気絶縁性のスラグ等で覆われることにより、電流の偏
流が発生することがあり、その場合偏流範囲に存在する
電極のコンタクトピン７に電流が集中して発生するジュ
ール熱によりコンタクトピン７や電極ブロック８の損耗
を早め、時には支持基板６の溶融も起こし、電極寿命を
短くする原因となっていた。

【００１１】特開平４−２９５５９２号公報では、電極
寿命を延長させるため、電極ブロックをプレス成形して
電極ブロックの寿命延長を図っている。しかしこの方法
のみでは、電気集中によるコンタクトビンの溶融を抑制
することができないため、炉底電極の寿命延長としては
不十分である。

【００１２】このような、炉底電極の抜熱能力を増して
コンタクトピンの溶損を減らし、更に電流集中が起きな
い様な電極構造にすることの要求に対して、本発明者
は、下記の構造を備えた直流電極炉の炉底電極の発明を
既に行っている。（ａ）支持基板と、該支持基板上に配設された不定形耐
火物と、該不定形耐火物に載置された電導性耐火物から
なる電極ブロックとからなる炉底電極であって、（ｂ）
前記支持基板、前記不定形耐火物及び前記電極ブロック
を貫通した電導性の複数のコンタクトピンを備え、
（ｃ）前記コンタクトピンと前記電導性耐火物からなる
電極ブロックとの隙間に電流を導通する電導性不定形耐
火物が充填されている。

【００１３】上記発明は、上記炉底電極がコンタクトピ
ンと電導性耐火物からなる電極ブロックとの間に電導性
の不定形耐火物が充填されているので、コンタクトピン
を流れる電流の一部が電導性耐火物を介して電極ブロッ
クにも流れるためにコンタクトピンに発生するジュール
熱が減少してコンタクトピンの寿命を延長する効果があ
る。

【００１４】しかし、電導性の不定形耐火物のみでは電
気抵抗を下げるのに限界があり、コンタクトピンから電
導性耐火物に通電させる効果が充分ではない。また、直
流電気炉用の電導性耐火物を金属シートで包皮して覆う
技術が、特公平１−０５９５１５号公報及び特開平８−
２８５４７４号公報に開示されている。しかしながら、
前者は煉瓦同士の電気的接続を意図した発明であり、ま
た後者は金属同士の融着による煉瓦の浮上を防止するこ
とを意図したものである。従って、特定のコンタクトピ
ンに集中して電流が流れることを防止するものではな
い。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、直流電気炉
の炉底電極の長寿命化を図る発明者らの先行技術を、更
に改善し、多コンタクトピン式炉底電極を一層の長期間
の連続使用に耐え得る電極構造にすることを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め発明者は鋭意研究した結果、電導性耐火物とコンタク
トピンを直接電気的に接続することが望ましいことに着
想し、下記の発明をするに至った。発明の第１の態様
は、下記の構造を備えたことを特徴とする直流電気炉の
炉底電極である。（ａ）支持基板と、該支持基板上に配設された不定形耐
火物と、該不定形耐火物に載置された電導性耐火物から
なる電極ブロックとからなる炉底電極であって、（ｂ）
前記支持基板、前記不定形耐火物及び前記電極ブロック
を貫通した電導性の複数のコンタクトピンを備え、
（ｃ）前記コンタクトピンが貫通する前記電極ブロック
を構成する電導性耐火物の表面の一部を被覆する１以上
の金属シートを備える。

【００１７】電極ブロックを構成する電導性定型耐火物
の表面の一部が金属シートで被覆されており、この金属
シートを介して電極ブロックとコンタクトピンと電気的
に接続する。このため、コンタクトピンを流れる電流の
一部は電極ブロックにも流れ、コンタクトピンに発生す
るジュール熱を安定して減少することができ、コンタク
トピンの寿命を延長する効果がある。

【００１８】発明の第２の態様は、前記金属シートが前
記コンタクトピンと接触するバネ構造を備えたことを特
徴とする直流電気炉の炉底電極である。電極ブロックを
構成する電導性定型耐火物の表面の一部を金属シートで
被覆し、この金属シートをバネ構造とすることにより電
極ブロックとコンタクトピンとの接触は良好となり、電
気的に接続する。このため、コンタクトピンを流れる電
流の一部は電導性定型耐火物にも流れ、コンタクトピン
の寿命延長が図られる。

【００１９】発明の第３の態様は、前記電導性耐火物に
備えた金属シートが鉄薄板であることを特徴とする直流
電気炉の炉底電極である。金属シートの材質を、安価な
鉄薄板とすることで金属シートを備えた前記電導性耐火
物の製造費用を削減することができる。

【００２０】発明の第４の態様は、前記コンタクトピン
と電極ブロックを構成する電導性定型耐火物との隙間に
電流を導通する電導性不定形耐火物が充填されているこ
とを特徴とする直流電気炉の炉底電極である。電極ブロ
ックを構成する電導性定型耐火物との隙間に電流を導通
する電導性不定形耐火物が充填されていると、コンタク
トピンと電極ブロックを構成する電導性定型耐火物との
電気抵抗が更に減少し、コンタクトピンの寿命延長に効
果がある。

【００２１】

【発明の実施の形態】図６に示すように、直流電気炉１
は、炉底部に陽極として炉底電極１０と、炉上部に配設
される陰極として黒鉛電極９を備えている。操業に際し
ては、炉内にスクラップおよび副原料を装入し、炉底部
の鋼製のコンタクトピン７と上部電極９との間に直流電
気を生じさせ、この電気熱エネルギでスクラップを溶解
する。

【００２２】本発明に係る直流電気炉用の炉底電極の一
部を図１に示す。以下のような構造である。（ａ）支持基板６と、該支持基板上に配設された不定形
耐火物１７と、該不定形耐火物に載置された電導性耐火
物１４からなる電極ブロック８とからなる炉底電極であ
って、（ｂ）前記支持基板６、前記不定形耐火物１７及
び前記電極ブロック８を貫通した電導性の複数のコンタ
クトピン７を備え、（ｃ）前記コンタクトピン７と接触
するように前記電極ブロックを構成する電導性耐火物の
表面の一部を被覆する１以上の金属シート１５を備え
る。

【００２３】通常、電極ブロック８は耐火性の高いマグ
ネシヤ約７８ｗｔ％、炭素約１７ｗｔ％を含有するマグ
ネシヤ−炭素系の煉瓦、または不定形耐火物で構築され
ているので電気電導性がある。電極ブロック８は不定形
耐火物１７を介して金属製の支持基板６上に配設され
る。不定形耐火物１７としては通常スタンプ材が好適で
あるが、キャスタブル材も使用できる。また、一部をス
タンプ材、残部をキャスタブル材として張り分けること
もできる。この不定形耐火物１７は電極ブロック８の熱
が直接支持基板６に伝わり、これが変形することを防止
する。

【００２４】コンタクトピン７の長さは、従来の支持基
板６から電極上面まで、例えば６０ｔｏｎ電気炉の場合
約１０００ｍｍである。コンタクトピン７には上部にあ
る溶鋼１１からの熱が伝達されると共に、コンタクトピ
ン７を通電する電流によりジュール熱が発生するので溶
損しやすい。

【００２５】そこで、本発明では、電極ブロック８を構
成する電導性定型耐火物１４、例えばマグネシヤ−炭素
系煉瓦の下部を金属製のシート１５で被覆し、少なくと
もコンタクトピン７と電導性定型耐火物１４とを金属シ
ート１５を介して、電気的に接続することとした。その
例を図２に示す。図２においては金属シートは電導性定
型耐火物１４の底面の一部も被覆している。

【００２６】上記電導性定形耐火物１４に装着する金属
シート１５の長さは、コンタクトピン７を流れる電流を
少なくする点から、望ましくは電極ブロック８の下部か
ら１００ｍｍ以上とすることが望ましい。１００ｍｍ未
満ではコンタクトピン７と電極ブロック８間の通電が充
分確保されないためである。

【００２７】また、金属シート１５は、１枚で電導性耐
火物１４に装着される場合のほか（図２（ａ））、複数
枚（図２（ｂ））であってもよい。こうすることによ
り、一体の金属シートの装着が困難な電導性耐火物の形
状の場合にも対応できるので、金属シートを装着する工
程の柔軟性を高めることができる。また、図２（ｃ）は
金属シートを電導性耐火物とコンタクトピンの間に施工
時に挟み込む、或いは電導性耐火物に金属シートを接着
により取り付けると、電導性耐火物の形状の変更が不要
となる。

【００２８】さらに、この金属シートの電気的接点とし
ての効果を高めるためには、金属シートがバネ構造であ
ることが望ましい。これには、図３に示す金属シートの
折り目を利用したバネ構造とすることができる。また、
図４、図５に示すように、コンタクトピンに面した部分
にバネ状の突起物を設けて、電気的接点とする方法が望
ましい。このようにするとコンタクトピン７を流れる電
流の一部は金属シート１５を介して電導性がある電極ブ
ロック８にも直接流れ、コンタクトピンに発生するジュ
ール熱を減少できる。

【００２９】従って、直流電気炉の炉底の上面がスラグ
等の非電導性付着物１８によって部分的に絶縁されたよ
うな場合（図１）、従来の炉底電極の構造では表面がス
ラグで覆われていないコンタクトピンに電流が集中して
流れていたが、電導性定形耐火物に上記の金属シートを
被覆する本発明によれば、炉底全体の耐火物とコンタク
トピンが電気的に接続されるので、電流は他のコンタク
トピンへも分散させることが可能となる。これにより、
電流の集中に伴うコンタクトピンの溶損を回避すること
ができる。

【００３０】また、電気電導性がある充填材（電導性不
定形耐火物１６）を電極ブロック８とコンタクトピン７
との間に充填すると、コンタクトピンから電極ブロック
への通電効果の一層確実にすることができる。すなわ
ち、上記金属シートの効果が確保されない場合のバック
アップ効果が期待できる。この電導性不定形耐火物１６
としては、黒鉛粉、金属粉、サーメット粉のいずれか１
種以上を例えば７ｗｔ％以上を含む不定形耐火物、例え
ばマグネシヤー黒鉛の粉末を成分とする不定形耐火物が
望ましい。この不定形耐火物としてはスタンプ材、或い
はキャスタブル材等がある。

【００３１】また、上記電導性不定形耐火物を充填する
長さは、望ましくは金属シートの上端部から１００ｍｍ
以上とすることが望ましい。充填する長さが１００ｍｍ
未満の場合には、上記金属シートの効果が確保されない
場合に、コンタクトピンと電極ブロック間の通電が充分
確保されないおそれがあり、金属シートのバックアップ
効果が望めないからである。

【００３２】なお、電導性不定形耐火物で所定長さを充
填したその上部は、溶鋼と直接接触する部分であるの
で、通常の非電導性の不定形耐火物１６ａで充填するこ
とが望ましい。一般に電気電導性がある耐火物、例えば
マグネシヤ−炭素系の材料は、酸化や溶融メタルに対し
て通常のマグネシヤよりもコンタクトピンの材料と反応
し易く、コンタクトピンが溶損され易いためである。

【００３３】なお、コンタクトピンは通常鋼製の棒状体
で構成する。その直径は例えば４０ｍｍφから６０ｍｍ
φである。この場合、通電時の発熱を抑えるため、断面
積当たりの電流は例えば０．５Ａ／ｍｍ²以下が望まし
い。

【００３４】更に、支持基板は電極本来の機能を損なう
ことがないように、電気導電性がある鉄板等の金属板状
体を使用する。このような支持基板である金属板状体が
電流ヘッダの役割をなすために電流集中を減少させる。

【００３５】なお、電極ブロックを構成する電導性定型
煉瓦はマグネシヤ−炭素系耐火煉瓦、アルミナ−炭素系
耐火煉瓦、マグネシヤ−アルミナスピネル−炭素系耐火
煉瓦のいずれかで構築することができる。マグネシヤ−
炭素系耐火煉瓦、アルミナ−炭素系耐火煉瓦、マグネシ
ヤ−アルミナスピネル−炭素系耐火煉瓦はいずれも電気
電導性が高いので、コンタクトピンを流れる電流を減少
させ、炉底電極電極の寿命を延長する効果がある。

【００３６】また、電導性不定形耐火物は黒鉛粉、金属
粉、サーメット粉のいずれか1種以上を含む不定形耐火
物とすることができる。電導性不定形耐火物が黒鉛粉、
金属粉、サーメット粉を含むと電気電導性が高くなり、
コンタクトピンを流れる電流の一部が周囲の電極ブロッ
クに流れ、コンタクトピンに流れる電流を減少させ、電
極寿命を延長する効果がある。

【００３７】

【実施例】支持基板から炉底レベルまでが約１０００ｍ
ｍ、直径約２０００ｍｍの電極ブロックを備えた６０ｔ
ｏｎ電気炉において、支持基板上にある不定形耐火物の
厚さは約２００ｍｍである。該不定形耐火物上面の位置
に設けられた電導性定形耐火物としてマグネシヤ−炭素
系煉瓦に、長さ１２０ｍｍ、厚さ１ｍｍの鉄薄板を装着
した。鉄薄板は、図４に示すバネ構造のものとし、一つ
の鉄薄板にはバネ状の爪が上下方向に３個所、水平方向
に２箇所設けられている。また、鉄薄板の上部には、長
さ２００ｍｍにわたって、コンタクトピンと電極ブロッ
クとの隙間を電導性不定形耐火物（マグネシヤー黒鉛）
を充填し、更にその上部は非電導性のマグネシヤで充填
した。

【００３８】上記電極ブロックとコンタクトピンとの間
は約５ｍｍであり、充填材は粒径１ｍｍ以下の炭素材５
０ｗｔ％、粒径０．２ｍｍ以下のマグネシヤ５０ｗｔ％
からなる不定形耐火物である。なお、電極ブロックはマ
グネシヤ７９ｗｔ％、黒鉛１６ｗｔ％、その他５ｗｔ％
からなる耐火煉瓦で構築したものである。

【００３９】また、電極コンタクトピンの直径は４５ｍ
ｍφで、直径約２０００ｍｍの電極ブロックに２００本
配設した。その結果、電流密度は、０．３Ａ／ｍｍ2 以
下となった。また、電極周囲の炉床耐火物については、
状況を見ながら数回補修を行った。

【００４０】この電極ブロックを使用した鋼の溶解にお
ける電極ピンの温度を１２本のコンタクトピンについて
測定した。温度測定の場所はコンタクトピンの中心部で
支持基板の位置である。測定は、本発明を適用した構造
の炉底と従来の構造の炉底について、それぞれ３００チ
ャージ操業した時点で、１２本のコンタクトピン間の最
大温度差の比較を行った。

【００４１】その結果、従来の構造における炉底温度差
を１００（指数）とすると、本発明の構造の炉底では指
数２５まで低下していることが明らかとなった。すなわ
ち、本発明の場合、電極電流が一部のコンタクトピンに
集中して流れることを防止でき、均一化されている効果
が確認できた。

【００４２】その結果、電極周囲の耐火物の補修は数回
行ったものの、炉底電極自体は平均２８００ｃｈの連続
使用が出来た。なお、従来の電極寿命は約１５００ｃｈ
であり、本発明では上記の通り電極寿命は１．８倍に延
長した。従って、炉底電極補修原単位も低減し、また、
電極交換の回数の低減により生産性も向上した。

【００４３】

【発明の効果】以上述べた通り、この発明によれば、炉
底電極のコンタクトピンに流れる電流の一部を電極ブロ
ックに分散する結果、電極コンタクトピンの発熱量を減
少させることができ、電極の寿命を高めることができ
る。その結果、以下のような効果が得られる。・炉底電極補修原単位の低減・安定操業の実現・メンテナンス費用の低減・炉修回数の低減による生産性の向上などの多大な効果
が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の、直流電気炉の炉底電極のコンタクト
ピンと電導性耐火物及び金属シートの構造を示す図であ
る。

【図２】本発明の、電導性定形耐火物に金属シートを装
着する態様を示す図であり、（ａ）は一体の金属シート
を、（ｂ）は２分割された金属シートを取り付ける場合
を示す図である。（ｃ）は２分割で電導性耐火物に加
工、形状変更を要しない金属シートを示す図である。

【図３】本発明の、電導性定形耐火物に装着する折り目
を利用したバネ構造の金属シートを取り付ける方法を示
す断面図である。

【図４】本発明の電導性定形耐火物に装着する、爪状突
起物のバネ構造の金属シートを示す図であり、（ａ）は
バネ構造の詳細を、（ｂ）はコンタクトピンへの接触を
表す断面図である。

【図５】本発明の突起状のバネ構造の金属シートを示す
図であり、（ａ）はバネ構造の斜視図を、（ｂ）はコン
タクトピンへの接触態様を示す断面図である。

【図６】従来の炉底電極の構造の全体を示す図である。

【符号の説明】

１直流電気炉１ａ炉床耐火物２導体３端子４接続部４ａ中空接続部の内部通路５電極基板６支持基板７コンタクトピン８電極ブロック９陰極１０炉底電極１１溶鋼１４電極ブロックを構成する電導性定形耐火物１５金属シート１６電導性不定形耐火物１６ａ非電導性不定形耐火物１７不定形耐火物１８炉内非電導性付着物２１バネ状の突起物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青範夫東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者牧敏道東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内Ｆターム(参考） 3K084 AA02 CA08 CA09 CC07 CD10 DA13 DA15 4K014 CA01 CD12 4K045 AA04 BA02 RB02 4K063 AA04 AA12 BA02 CA06 FA53 FA64

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記の構造を備えたことを特徴とする直
流電気炉の炉底電極。（ａ）支持基板と、該支持基板上に配設された不定形耐
火物と、該不定形耐火物に載置された電導性耐火物から
なる電極ブロックとからなる炉底電極であって、（ｂ）
前記支持基板、前記不定形耐火物及び前記電極ブロック
を貫通した電導性の複数のコンタクトピンを備え、
（ｃ）前記コンタクトピンが貫通する前記電極ブロック
を構成する電導性定型耐火物の表面の一部を被覆し、か
つ前記コンタクトピンと接触する１以上の金属シートを
備える。
【請求項２】前記金属シートが前記コンタクトピンと
接触するバネ構造を備えたことを特徴とする請求項１に
記載の直流電気炉の炉底電極。
【請求項３】前記金属シートが薄鉄板であることを特
徴とする請求項１又は２に記載の直流電気炉の炉底電
極。
【請求項４】前記コンタクトピンと前記電極ブロック
を構成する電導性定型耐火物との隙間に電流を導通する
電導性不定形耐火物が充填されていることを特徴とする
請求項１から３のいずれかに記載の直流電気炉の炉底電
極。