JP2012144753A

JP2012144753A - 再溶解炉における電極とスタブの接合方法

Info

Publication number: JP2012144753A
Application number: JP2011001549A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Fukumoto; 圭佑福本
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2011-01-06
Filing date: 2011-01-06
Publication date: 2012-08-02

Abstract

【課題】再溶解炉に用いる消耗電極にスタブを取り付ける際に、溶接による場合に発生する電極とスタブの通り芯のずれを軽減し、かつ鋼種毎に手順を変更する必要の無い電極とスタブの取り付け方法を提供する。
【解決手段】再溶解炉の電極３の外径と長さから電極３の重量およびスタブ２の接合面に掛かるモーメントを算出し、これらの数値からボルト１０の径および本数を求め、スタブ２の下端面２ｂにボルト取り付け用の一体型のフランジ９を設け、電極３の上端面にネジ穴を開けた後、スタブ２と電極３を銅製のパッキン８を介してボルト１０により締結して接合する方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は再溶解炉に用いる消耗電極（以下、「電極」という。）へのスタブの取り付け方法に関するものである。再溶解炉の水冷鋳型（以下、「モールド」という。）に電極を装入して、モールド底部に接地させる前に、当該電極の上端面にスタブを取り付ける方法であり、従来の溶接による接合で発生するひずみを発生させることなく、容易にスタブを接合する方法に関する。

真空アーク再溶解炉やエレクトロスラグ再溶解炉などの再溶解炉では、それぞれの再溶解炉内に配置された水冷モールドの内部に、精製する電極を吊り下げた状態で溶解が行われる。具体的には、図２に示すように、電極３の上端面に溶接により取り付けたスタブ２を、図３に示すように、クレーンなどでスタブクランプ１により吊ってモールド４の内部に装入し、図４で示すように、スタブクランプ１で把持した状態で電極３はモールド内に配置される。ここで、スタブ２を説明すると、スタブ２は、上端面に摘まみ２ａを有し、下端面２ｂに電極３を接合しており、この電極３を吊り下げるための治具のことである。さらに、スタブクランプ１はスタブ２の摘まみ２ａを把持して、電極３を吊り下げる機械装置である。

ところで、再溶解炉においては、スタブクランプの中心軸とモールドの中心軸は合致しているので、両者の中心軸は同一直線上にある。よってスタブクランプとモールドには垂直な通り芯が形成されている。

再溶解炉で使用する電極の断面は真円で、その中心が長手方向において同一直線上にあって湾曲していないとするならば、当該電極の上端面における中心軸とスタブの中心軸を同一直線上に合致させて両者を溶接すれば、モールド内に電極を吊り下げたときに、電極の全長にわたって、電極外周とモールドの内壁の隙間（以下、「サイドギャップ」という。）は同一となり、再溶解炉の操業過程においてもサイドギャップのばらつきは殆ど起こらない。

しかし、実際に用いている電極は、断面が必ずしも真円でなく、全長方向でも少なからず湾曲している。そのため、このような電極をモールド内に吊り下げると、電極とモールド間のサイドギャップには、大きなばらつきが生じる。このサイドギャップのばらつきが大きくなると操業後に得られる鋼塊の品質の低下がもたらされる。

そこで、電極とモールド間のサイドギャップのばらつきを小さくするために、電極をモールドに配置する際に次のような調整作業が行われている。

モールドの外で、事前にスタブを電極の上端部に、差し金を使用して目視作業で通り芯が出るように取り付け、長尺な一体物としてから、モールド内に装入する。このとき、スタブクランプの上端部はモールドの上部から突出するものとする。

クレーンを用いてスタブクランプでスタブを把持して、スタブと一体化した電極をモールド内に装入してモールド底部に接地させる。その後、スタブクランプでスタブを把持した状態でモールドと電極とのサイドギャップを目視で確認する。サイドギャップにばらつきが確認されれば、スタブクランプの位置を調節し、サイドギャップを均等化した後にモールド底部に接地させる。

スタブクランプにはモールド底面と平行方向の位置調節を行う機構（以下、「Ｘ−Ｙ調芯装置」という。）が備わっており、電極とモールドとのサイドギャップの調整を行うことができる。しかし、Ｘ−Ｙ調芯装置はスタブクランプの支点を中心に作動するため、先端部と根元部では移動距離が異なるので、電極の全長にわたって均等にサイドギャップを調整することができない。

ところで、通常、電極の全長は３ｍ程のものもあるため、モールドの開口部付近におけるサイドギャップは目視で確認はできる。しかし、モールド底部におけるサイドギャップの確認は、不可能ではないが、精度が低いものとなる。さらに、電極は湾曲や部分的な変形があるため、上記の調整作業では全長での調節は難しい。

従来の方法では、再溶解炉のモールド内に電極を装入する前に電極の上端面とスタブを溶接により接合させる。スタブと電極の溶接時にはひずみが発生し、このためスタブと電極の通り芯がずれる可能性がある。スタブクランプから見ると、電極先端部の位置ずれは電極下端ではさらに大きいものとなり、サイドギャップの均等化が図れなくなる。しかも電極に用いられる材料の多くは、一般鋼とは違い、溶接前の予熱や溶接後の後熱が必要な工具鋼や、溶接後に一定の時間が経過すると変態割れが発生する耐熱鋼など、その溶接には鋼種に応じた手順が必要となる。

一方、電極へのスタブの取付けをモールド外で行ない、電極上端面のスタブの溶接する位置の決定に、コンピュータにより画像処理してサイドギャップが電極の全周にわたって最小になるように電極断面内の中心点を計算し、この中心点に基いてモールドとスタブクランプの通り芯に対する電極の傾きを調整し、電極の上端面へのスタブの溶接点を自動的に決定してスタブと電極との芯合わせをする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この方法はコンピュータによる画像処理を利用して芯合わせの位置を求めて溶接する方法であるが、このようにコンピュータによる画像処理が必要である。

特開２００７−６９２６３号公報

本発明は、再溶解炉に用いる消耗電極にスタブを取り付ける際に、溶接による場合に発生する電極とスタブの通り芯のずれを軽減し、かつ鋼種毎に手順を変更する必要の無い電極とスタブの取り付け方法を提供することである。

上記の課題を解決する本発明の手段では、図１に示すように、電極３とスタブ２の接合を、スタブ２と一体のフランジ９を用いてフランジ９と電極３の間に銅製のパッキン８を介在させてボルト１０により締結して行うことからなる電極３とスタブ２の取り付け方法である。

そこで、まず電極３の外径と長さから電極３の重量を算出する。この電極３の重量と長さから電極３とスタブ２の接合面に掛かるモーメントを算出し、それらから必要なボルト１０の径および本数を求める。スタブ２の下端面２ｂにボルト１０の取り付け用のスタブ２と一体型のフランジ９を配設し、電極３の上端面に機械加工によってネジ穴を開ける。また、締め付け力を均一にするため、トルクレンチを使用してボルト１０の締結を行うものとする。

さらに、電極３とスタブ２に一体のフランジ９との接合面は、溶解用に送られる電気を通すために確実に接地する必要がある。そのために、電極３とフランジ９の接合面の間に銅製のパッキン８をはさみ、この銅製のパッキン８をフランジ９と電極３に挿通したボルト１０による締めつけてフランジ９と電極３の間で圧迫することにより、電極３とスタブ２の確実な接地を行う。

ところで、基本的にボルト１０の材質と電極３の材質は違うため、溶解時にボルト１０まで溶解すると、モールド４内を汚染することなる。しかし、電極３は上端面まで溶解した方が歩留まりは良くなる。そこで、接合に使用するボルト１０の長さが短いほど電極３を溶解できる量が増えることとなる。したがってボルト３の長さは極力短くなるよう調整するものとする。

本発明では電極の上端面へのスタブの取り付けはボルトにより行うため、スタブと電極には溶接によるひずみが発生しない。そのため、溶接による電極とスタブの芯ずれが発生することはない。また、ボルトの締め付けには、トルクレンチを使用することで締め付け力を均一にできるため、作業員毎のばらつきが無くなり、一定の精度で電極とスタブの接合を行うことができる。

本発明の方法の電極とスタブの接合形態を示し、（ａ）は側面図で、（ｂ）は電極およびスタブの上端面から見た平面図である。従来の方法の電極とスタブの接合形態を示し、（ａ）は側面図で、（ｂ）は電極およびスタブの上端面から見た平面図である。溶解開始前の再溶解炉の一部断面で示す側面図である。溶解中の再溶解炉の一部断面で示す側面図である。

電極３の外径と長さから電極３の重量を算出する。重量と長さから電極３とスタブ２の接合面すなわちフランジ９に掛かるモーメントＭを算出し、それらから必要なボルト１０の径および本数を求める。このボルト１０に掛かる力はせん断応力と引張応力がある。

引き起こしの際に、スタブ２の吊上げ用の摘まみ２ａに掛かる力Ｆは、Ｆ＝ＷＬ／｛２（Ｌ＋Ｉ）｝で求められる。さらに、フランジ９に掛かるモーメントＭは、スタブ２の下端面２ｂから吊り上用の摘まみ２ａまでの長さをＩとしたときに、Ｍ＝ＦＩなのでＭ＝ＷＬＩ／{２（Ｌ＋Ｉ）}となる。引き起こしの際には、最下部のボルト１０ａを中心としてモーメントが生じる。このために他のボルトには引張荷重が働く。

最下部のボルト１０ａから順次１、２、３・・・と番号を付けて、それぞれに作用する引張荷重をＷ₁、Ｗ₂、Ｗ₃・・・とし、最下部からの距離をｒ₁、ｒ₂、ｒ₃・・・とすれば、モーメントの平衡からＭ＝ｒ₁Ｗ₁＋ｒ₂Ｗ₂＋・・・・＋ｒ_mＷ_nとなる（このとき_m＝１、２、・・・、ｎ−１、ｎ）。
また、Ｗ_n／Ｗ_m＝ｒ_n／ｒ_mなので、これを代入すると、Ｍ＝ｒ₁Ｗ_nｒ₁／ｒ_n＋ｒ₂Ｗ_nｒ₂／ｒ_n＋・・・＋ｒ_nＷ_nｒ_n／ｒ_nとなる。
よってＭ＝Ｗ_n（ｒ₁ ²＋ｒ₂ ²＋・・・＋ｒ_n-1＋１）／ｒ_nとなる。

ここでｒ_m＝Ｒ｛１−ｃｏｓ〔（３６０／ｎ）×ｍ〕｝なので、これを上記式に代入することでボルト１０にかかる最大荷重Ｗ_nが求められる。
ボルト１０の強度を谷径の断面積から求めると、引張応力はσ＝４Ｗ_n／（πｄ²）・・・（１）となる。

一方、せん断応力はτ＝４Ｗ／（ｎπｄ²）・・・（２）で求められる。

最大許容応力は、以下の数１に示す式でσ_maxとして求められるため、これを上記の式（１）、（２）を代入し、ボルト１０の材質からσ_maxを決定し、安全率を考慮して必要なボルト１０の谷径およびボルト１０の本数を算出する。

ここで、電極３の自重Ｗ＝１５０００ｋｇ、電極３の全長Ｌ＝３８００ｍｍ、スタブ２の下端面２ｂから吊り上用の摘まみ２ａまでの長さＩ＝１８００ｍｍ、電極３の中心からボルト１０の取り付け位置までの距離Ｒ＝２００ｍｍ、ボルト１０の材質：ＳＣＭ４３５、ボルト１０の許容応力σ：９５ｋｇ／ｍｍ²、安全率Ｓ：６、ボルト１０の本数：１０本とし、この条件の下で計算を行った。

引き起こしの際に電極３の上端面に掛かる力Ｆは、Ｆ＝ＷＬ／｛２（Ｌ＋Ｉ）｝から
Ｆ＝（１５０００×３８００）／〔２（３８００＋１８００）〕＝５０８９≒５１００ｋｇとなる。
フランジ部に掛かるもモーメントＭは、Ｍ＝ＦＩなので、Ｍ＝５１００×１８００＝９１８００００となる。
引張応力はモーメントの平衡より、Ｍ＝Ｗ₅〔２（ｒ₁ ²）＋２（ｒ₂ ²）＋２（ｒ₂ ²）＋２（ｒ₃ ²）＋２（ｒ₄ ²）＋１〕〕／ｒ₅・・・（３）となる。

ここでｒ_m＝Ｒ｛１−ｃｏｓ〔（３６０／ｎ）×ｍ〕｝なので、
ｒ₁＝３８．２、ｒ₂＝１３８．２、ｒ₃＝２６１．８、ｒ₄＝３６１．８、ｒ₅＝４００を、式（３）に代入すると、
９１８００００＝Ｗ₅〔２（３８．２²）＋２（１３８．２²）＋２（２６１．８²）＋２（３６１．８²）＋１〕／４００となる。
∴Ｗ²＝６１２０ｋｇとなる。

谷径をｄとすると引っ張り応力σは、σ＝Ｗ₅／（πｄ²／４）
＝６１２０／（πｄ²／４）
＝７７９２／ｄ²となる。
ここで、ボルト１０の許容応力σ_maxは９５ｋｇ／ｍｍ²、安全率Ｓは６なので、ボルト１０の谷径ｄは次の数２の計算の通りとなる。

となる。

よってボルト１０の谷径ｄが２２．１８ｍｍ以上となれば良いのでボルト１０のサイズはＭ２７以上のものを選定して、スタブ２の下端面２ｂにボルト１０の取付け用の一体型のフランジ９を設け、電極３の上端面にねじ穴を開けた後、スタブ２と電極３をこのボルト１０で締結して接合する。

１スタブクランプ
２スタブ
２ａ摘まみ
２ｂ後端面
３電極
４モールド
５モールド底部
６溶鋼
７溶接部
８銅パッキン
９フランジ（スタブと一体物）
１０ボルト
１０ａ最下部のボルト
Ｗ電極の自重
Ｆ引き起こしの際に電極の上端面に掛かる力
ｆ電極とスタブの引き起こしに掛かる力
Ｌ電極の長さ
Ｉスタブ下端面から吊り上用の穴までの長さ
ｎボルトの本数
ｄボルトの谷径
Ｒ電極の中心からボルトの取り付け位置までの距離
σ 引張応力
σ_max 許容引張応力
τ せん断応力
ｓ安全率
ｒ_m 引き起こしの際に最下部のボルトとｍ番目のボルトとの距離
Ｗ_m ｍ番目のボルトに掛かる引張荷重

Claims

電極の外径と長さから電極の重量およびスタブの接合面に掛かるモーメントを算出し、これらの数値からボルトの径および本数を求め、スタブの下端面にボルト取り付け用の一体型のフランジを設け、電極上端面にネジ穴を開けた後、スタブと電極をボルトによる締結で接合する方法からなることを特徴とした電極とスタブの接合方法。
スタブと電極をボルトによる締結で接合する方法は、スタブと電極の接合面の間に銅製のパッキンを挟み込んで締結する方法を特徴とする請求項１に記載の再溶解炉における電極とスタブの接合方法。