JP2012183582A - 製鋼用レードルの予熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐火物を内装する製鋼用レードルを受鋼前に予熱するに際して、より低設備費で加熱効率を約２０％から約８０％に向上させて省エネルギーを図る。
【解決手段】レードルを断熱カバーで密閉して内部に抵抗発熱体を設け、容量に対応した大出力で耐火物を放射加熱する。出力に対応した発熱体表面積を特定し、発熱体を１６００℃以上とし、耐火物表面を１２５０℃以上に予熱する。熱排ガスなしと断熱性と大出力とにより熱損比率が小さくなり高加熱効率が得られる。高速加熱によりアーク溶解炉サイクルと同時間内で予熱されるので安価な夜間電力のみで運転可能となる。電源設備には既設のレードル精練用のアーク式再加熱装置の電源を切替転用する。
【選択図】 図２

Description

本発明は製鋼用のレードルを受鋼前に予熱する装置に関している。

製鋼用のレードルは有底円筒状の鉄皮容器に断熱材を内張りし、さらその内側に耐火物が内張りされて構成されている。耐火物施工後は受鋼時に含水分による爆発や沸騰を避けるため乾燥される。さらに溶鋼による耐火物への熱衝撃を和らげるため内壁面が約１０００℃になるよう予熱される。予熱温度が低いと受鋼後の溶鋼の冷却が過大になって品質管理上好ましくないこと、壁面・底面に溶鋼が固着して種々の事故を誘発すること等作業上の問題が頻発する。

一度受鋼したレードルでは次の受鋼までの時間が短い場合、予熱は短時間で済まされたり省略される。予熱作業にはバーナーが使用される。予熱の程度は工場により異なるが予熱温度が高いほど以後の溶鋼処理が安定し、且つ溶鋼の過剰な事前昇温を避けることができる。

特許文献１にはレードルを高温予熱する効果が説明されている。耐火物表面温度を従来行われていない１２００℃以上に、且つ耐火物内温度勾配が直線的になるよう充分に予熱、望ましくは溶鋼と同一温度まで予熱することにより溶鋼の冷却が格段に低減する。その結果出鋼温度を下げることができ、１）省エネルギーが得られること、２）精錬温度を低位に誘導して脱酸水準が向上すること等が記載されている。

近年屑鉄を原料とする電炉業界ではコスト低減を目的に、電気炉の熔解能力（ｋＷ）を強化して操業時間を短縮し、単価の安い夜間電力のみを使用するいわゆる夜間専業方式の操業がなされている。この場合、昼間で冷えたレードルは夜間の始業に当たり充分予熱しなければならない。回分式で出鋼される溶鋼を連続して連続鋳造するには通常２，３台のレードルが循環使用される。従って毎日２，３台を予熱しなければならない。これは夜間専業方式の不利な一面である。

レ−ドル予熱における問題は燃料消費の無駄が大きいことである。加熱効率（＝所定蓄熱量／消費熱量）を実測すると約１５％であり極めて低い。その原因は以下である。
１）バーナーは大量の熱排ガスを発生するので本来加熱効率が低い。
２）耐火物は伝熱性が低く鋼材のように急速に昇温せず長時間を要し排熱が増加する。
３）被加熱物の構造に問題がある。加熱炉のように効率を考慮した構造ではなく単純なバケツ状であるから火炎が効果的に流れず多くが瞬時に吹き出る。
４）同様に被加熱物の大きな熱容量に対して相応のバーナー出力（ｋｃａｌ／ｈ）が必要だが、燃焼空間容積が相対的に大きくないので火炎の吹き出しが多くなる。
５）底面の昇温が遅れ無駄が増加する。
６）耐火物表面が１２００℃を越えて上昇してくると火炎との温度差が小さくなり伝熱性が低下して無駄が増加する。

加熱効率を改善するため排熱を回収し燃焼空気を予熱する蓄熱式バーナー、通称リジェネバーナーが普及している。この場合バーナー自体の効率は改善されるがそれでもレードル予熱における効率は２５％を越えられない。

特許文献２にはレードルを断熱カバーにより密閉し、内部空間でアークを発生させてレードルを予熱する方法が開示されている。当方法を理想的に実施すると加熱効率の大幅向上が期待されるが定量的説明が無く、又今日でも応用されていない。
アーク加熱にしろ抵抗加熱にしろ熱排ガスの無い電気加熱が予熱に全く使用されていない理由を検討すると、
１）電気加熱炉の加熱効率は必ずしも良くないことが経験的に知られていること、
２）電気料金が燃料と比較して割高であること、夜間電力を使用しようとしても夜間操業前に予熱が必要で処理タイミングが合わない、
３）必要出力を概算すると数千ＫＷになり、高価な重電設備を勘案すると不採算になる、
４）高温予熱に適切な設備が開発されていないこと等が挙げられる。
予熱において省エネルギーを図るには上記４点の問題を解決しなければならない。

第１の問題の加熱効率について検討する。種々の電気加熱炉の加熱効率を調査すると回分式、連続式によらず高々約４０％である。その原因は、被加熱物への伝熱は壁面からの放射のみで大きくない（火炎よりも劣る）ため必然的に炉体が大きくなって放熱が増加すること、開口部があること、炉体昇温に大きな熱量を要すること、その結果被加熱物に必要な熱量に対して炉温維持に必要な熱量が肥大しているからである。

加熱効率に関するレードルと電気加熱炉の上記の比較は正確ではない。後者の炉体昇温分に対して加熱効率を比較すべきである。当該部分の加熱効率を見るとさらに低位になっている。その原因は、生産能率（ｔ／ｈ）を基準に設定される加熱能力（ｋＷ）に対して炉体熱容量が既述の理由で過大になっており、準備の昇温に長時間（通常数時間）を要して、その間の無駄熱が増加するからである。
この事実から炉体の加熱効率（レードルの予熱の効率に相当）を向上させるには、加熱能力（ｋＷ）を思い切って『大出力』とし、短時間で昇温すれば良いというヒントが得られる。熱収支の概算から加熱効率８０％は不可能ではなさそうである。

第２のエネルギー単価について検討する。大口需要家についてＭｃａｌ当たりのエネルギー単価を比較すると、ＬＮＧは約６円、灯油は約８円に対して、電力は昼夜連続の場合約１４円だが夜間専業では約７円になる。それぞれ大差が無くなる。従って予熱装置も夜間専業に組み込むことができれば競争可能となる。

この場合の問題は、夜間時間帯開始と同時にアーク溶解炉が稼働開始する。約１時間後に出鋼となるがそれまでにレードル予熱が完了していなければならない。従来のように予熱に数時間をかけることはできない。溶解時間以内が必要条件となる。ここから従来以上数倍の実効加熱能力が必要となる。これは第１の問題の解決策『大出力』と整合する。

第３の問題である電源関連設備費用に関して、省エネ期待値に対して重電の市場価格では採算が低く半額以下が求められる。格安中古品から組み立てることも考えられるが、間尺に合う部品は見つかりにくい。何故設備費が過大になるのか細かく検討すると、数千ｋＷ・数万Ａの大電流を処理する場合、回路の開閉時のアーク発生の防止対策が不可欠であり高価であること、衝撃的な入出力を緩和する制御器が必要になること、変電所からの配電工事が必要となること他弱電のように簡単には行かないことが解った。

第４の問題即ち実用し得る電気による高温予熱装置の開発とその経済性である。
第１案として既述のアーク加熱方式では、充分な出力と熱源の高温化に関しては合格であるが、アークの点火と制御、昇降機構、気密性、ホットスポットの分散、電極棒からの放熱、ガスの噴出等設備・作業上の問題が大きく且つあまりに多い。実施されない理由が解る。

第２案として抵抗加熱方式では、参考事例として超高温ヒーター（Ｍｏ化合物を使用した発熱体で通称カンタルヒーター）が候補となる。耐用上限は１７００℃、炉内温度１６００℃以下、単位出力は最大２０ｋＷが市販されている。 必要本数・必要設置スペース・ヒーター単価及び耐久性・耐破損性等を考慮すると実用は設備費用上及び消耗費上とても困難と判明した。同様にＳｉＣを発熱体とした場合、炉の使用上限温度は１１００℃で同様に本目的には不十分である。当着想を実現するには高温且つ高出力熱源を具備するコンパクトで耐久性があり、消耗が少ない低廉な設備・発熱体の開発が不可欠となる。

種々の抵抗発熱体を検討した結果、アーク炉用の黒鉛電極棒が意外に低廉・強固で且つ２０００℃以上にも耐え、酸化消耗のみが問題と解った。当問題を解決した上、さらに発熱体の構造等工夫次第によっては応用可能との見通しを得た。

公開特許公報２００４−１１５８２３ 公開特許公報昭５２−１４３９２３

以上述べたように、溶解炉から溶鋼をレードルに移送するに当たり、該レードルの耐火物は事前に充分予熱することが必要であり、予熱温度が高いほど省エネルギーと品質に有利である。予熱手段にはバーナーが使用されているが予熱しにくい構造と性質のため加熱効率は１５〜２５％と極めて低く無駄が多い。本発明は当該予熱の高温化と省エネルギーを目的とする。該目的達成のため実用性の高い方法と設備によって加熱効率を８０％以上、加熱温度１２００℃以上とすることを解決すべき課題とする。

当課題を解決するため加熱方法としては、１）効率強化の第１条件として熱排ガスの少ない電気加熱方式を採用する、２）第２条件として無効熱比率を下げるため加熱装置の実効出力を従来の数倍に強化する［結果としてエネルギー単価の有利な夜間専業（溶解炉作業時間内で予熱）が可能となる］、３）第３条件として無効熱を削減するよう内外対流の抑制と断熱強化を講ずる。
他方加熱装置本体及び作業面として、１２００℃を越える高温予熱に有利で且つ耐久性のある高温熱源として抵抗発熱体の材質と構造及び使用環境に工夫を加える。
設備費の過半を占める電源設備に関しては、他用途に使用されている電源を転用する。転用に際して電源と発熱部が電気的・機械的に整合するよう工夫する等を講じた。

第１の発明は、直立する有底円筒状の製鋼用レードルを受鋼前に上方開口部を耐火断熱性のカバーで覆って予熱する装置において、予熱装置が、該カバーに設けた抵抗発熱体を該レードルの内部空間に配置してレードル耐火物表面を放射加熱する加熱装置と、レードル精練時の再加熱用に既設されているアーク加熱装置の電源を適時切替転用した該加熱装

第２の発明は、加熱装置の出力Ｐ（ｋＷ）をレードルの容量Ｗ（ｔ）に対して下記（１）式に基づいて設定し、該発熱体の表面積Ａ（ｍ²）を該発熱体の温度Ｔ（℃）に対して下記（２）式に基づいて設定することを特徴とする第１発明に記載した製鋼用レードルの予熱装置である。
Ｐ≧１７０×Ｗ^2/3 −−−−−（１）
Ａ≧Ｐ／（１．７Ｔ−２４００） −−−−−（２）

第３の発明は、抵抗発熱体の材質を黒鉛とし、該抵抗発熱体の温度を１６００℃以上とし、カバーによる覆いを密閉状とし、内部を非酸化性又は還元性雰囲気とすることを特徴とする第１発明又は第２発明に記載した製鋼用レードルの予熱装置である。

述語の定義は以下とする。
１） 耐火断熱性カバーとは、発熱体の発熱部や耐火物から外部への断熱だけではなく発熱体基部から漏出する熱に対しても断熱機能を持つ図１中の９の保温箱を含む。
２） 加熱装置の出力Ｐとは、電源から発熱体に導入される電力である。
３） レードル容量Ｗとは、収容量の公称設計値である。
４） 発熱体の表面積とは、発熱部の表面積であり発熱体の基部（断面積が発熱部の数倍でほとんど発熱しない）のそれを除く。
５） 密閉状とは、対流で内外に空気が循環しない程度であり、雰囲気が維持される程度とする。
６） 耐火物表面温度とは壁面及び底面を対象とし、表面から内部に向かって直線的温度勾配を持つ状態での温度とする。加熱中は表皮の昇温が先行していて直線的でない。加熱を停止すると数分で勾配が直線的になる。測定方法としては通電停止１分後の値とする。

１） レードルの予熱に対して加熱効率（＝耐火物への蓄熱量／消費熱量）は下記理由により従来の数倍となる８０％以上が得られ省エネルギーに寄与する。
ａ： 電気抵抗加熱を採用するので熱排ガスが無く入熱の大部分が耐火物へ移行する。
ｂ： 耐火断熱性の密閉状カバーにより漏出熱は主に耐火物通過分となり低減される。
ｃ： 加熱の実効出力が従来の数倍に強化され短時間で処理されるので漏出熱比率が低 下する。

２） 高温予熱が下記理由により可能になって一層の省エネルギーが得られる。
ａ： 発熱体は大きな実効出力を持つこと、該出力が効果的に耐火物へ移行するよう発熱体は充分な表面積を持つこと、耐火物表面温度が１２００℃を越えても伝熱性を保持する１６００℃以上の高温発熱体を持つことから１３００℃以上望ましくは溶鋼温度約１６００℃まで予熱可能となる。
ｂ： 高温予熱により溶鋼の冷却が小さくなり、それに起因して出鋼温度が下げられて省エネルギー、又は低温出鋼再加熱方式では再加熱量の低減により省エネルギーが可能となる。これは加熱効率がアーク式溶解炉では約６０％、レードル再加熱（アーク式）では約４０％、本発明の方法では約８０％であることから帰結される。

３） 高温予熱の他の効果として精錬温度が低位へ誘導され脱酸水準が向上する。
４） コスト面では、実効加熱出力が大幅増強され予熱時間は溶解炉と同期させることができるので夜間電力が使用でき、電力単価が約半減する。黒鉛発熱体の酸化消耗は雰囲気制御により０．０１ｋｇ／ｋＷｈ以下に削減されコスト負担は大きくない。
５） 設備は数千ｋＷの電源と発熱体１式と断熱カバーと昇降機構から成り、比較的簡素で電源設備を除いて高価ではない。
６） 最大の問題である電源設備費に関しては、レードル精練時に使用されるアーク式再加熱装置（通称レードルファーネス）の電源が切替使用されるので配線工事費に限定され大幅に削減される。
７） 夜間電力は原子力発電比率が高いのでＣＯ₂ 削減に寄与する。

本願発明のレードル予熱装置の本体部分である加熱装置の概略図である。 本願発明のレードル予熱装置の全体概略図である。 本願発明の加熱装置の結線方法を示し、Ａは３相星形負荷の場合で、Ｂは３相電源を単相で使用する場合である。 放射伝熱量に及ぼす発熱体温度と壁面温度との関係を示す。

図１に従って予熱装置の要所を説明する。製鋼用レードル１は外皮が鉄皮２であり、その内側には耐火断熱材３が、さらに内側には耐火物４が重層されて構成されている。
予熱装置の本体である加熱装置０は、レードルの上方開口部を密閉する耐火断熱性のカバー６と、該カバー６を貫通してレードル内部空間に配置される抵抗発熱体５と、該発熱体５に通電する３相電源接続部８と、該発熱体５の基部７からの漏熱を防止する保温箱９と、該カバーをレードルから着脱するための昇降旋回機構１１（図２）と、機側制御盤（図２）１２とから構成される。発熱体５は相数の複数倍の黒鉛棒で構成され、各相間を下端側では黒鉛、上端では導体でそれぞれが直列結線になるよう接続される。

図２は予熱装置の全体構造を示す。電源設備１０は、配電ブスバー１３と、回路転轍器１４と、回路遮断器１５と、ＬＦ電源変圧器１６から構成される。ＬＦ（Ladle Furnace）とはアークにより再加熱されるレードル精練装置の通称で多くの製鋼工場に付設されている。
回路転轍器１４は電源変圧器１６からの電流を当該設備の予熱装置０へ、又は既存のレードル精練用のアーク再加熱装置１８へ切り替える機能を持つ。回路遮断器１５は大電力を瞬時に開閉する機能を持つ。電源変圧器１６の容量は、処理する溶鋼量に比例し通常５０００〜２００００ｋＶＡであり、レードル予熱に必要とされる容量の２倍以上である。即ち容量上では転用には充分な能力がある。

次ぎに当予熱装置の構成条件について説明する。夜間操業の始業に当たりレードルの耐火物は昼間で約２００℃以下に冷却されている。受鋼前に該カバー６を該レードル１に上置して通電し、耐火物表面温度を約１０００℃以上、望ましくは１３００℃〜１６００℃に、約１時間以内で急速予熱する。それには加熱装置の出力Ｐ（ｋＷ）は必要充分な大きさにしなければならない。
出力Ｐ（＝電圧×電流、ｋＷ）はレードル容量Ｗ（ｔ）に関係した（１）式に基づいて決定される。
Ｐ≧１７０×Ｗ^2/3 −−−−−（１）
上記の式の下限の出力であれば、例えば３０トンのレードルの場合、出力１７００ｋＷで、加熱効率８０％で、耐火物を平均２００℃から表面約１０００℃（平均約８００℃）に１時間で昇温することができ作業上支障のない従来の水準に達する。

抵抗発熱体から耐火物への伝熱は大部分が放射に依存するので発熱体の表面積に比例する。必要出力と上記の伝熱量は均衡しなければならない。従って上記出力を支える表面積Ａ（ｍ²）は出力Ｐ（ｋＷ）と発熱体の温度Ｔ（℃）に関係して（２）式に基づいて決定される。
Ａ≧Ｐ／（１．７Ｔ−２４００） −−−−−（２）
上記の式の下限の表面積であれば、例えば３０トンのレードルの場合、出力１７００ｋＷ、発熱体の設定温度１７００℃（又は２０００℃）に対して必要表面積Ａは３．４ｍ²（又は１．７ｍ² ）となる。

上記式に示されるように温度（Ｔ）が高いほど表面積（Ａ）の削減（ひいては発熱体の質量削減）に有利である。適性範囲として１６００℃以上とする。１６００℃未満では必要表面積が過大で設備費・消耗費とも不都合になる。

このような高温に耐える発熱体としては金属系では無理で化合物系に限定される。Ｍｏ化合物（商品名カンタルヒーター）と黒鉛しか見当たらない。前者では細径で１ｍ長のＵ型ユニットが市販されているが単位出力は数ｋＷしかなく、且つ高価で且つ脆弱であるため本発明の目的にはとても応用することはできない。
本発明では黒鉛と特定する。理由として低単価であること、強度、衝撃、熱応力に優れることである。発熱体の材質を黒鉛とする場合の問題は、５００℃以上で使用すると酸化消耗することである。従って雰囲気を非酸化性又は還元性にする必要があり、当然本発明に組み込まれる。当業者には特に困難ではない。
耐用上限とし２３００℃の事例があるが本目的に対する問題は明確ではない。

回路と発熱体の構造・寸法は以下の５関係式（３相交流の場合上式は多少変わる）で結ばれ、発熱体と電源の仕様が固まる。
Ｉ＝√（Ｐ／Ｒ） −−−−−（３）
Ｅ＝Ｉ×Ｒ −−−−−（４）
Ｒ＝μ×ｎ×Ｌ／Ｓ −−−−−（５）
Ｓ＝π／４×ｄ² −−−−−（６）
Ａ＝ｎ×π×ｄ×Ｌ −−−−−（７）
ここで記号の意味とその単位は以下である。
Ｉ：電流（A）、Ｐ：出力（ｋW）、Ｒ：抵抗（Ω）、Ｅ：電圧（V）、μ：黒鉛抵抗率（Ωm）、ｎ：発熱体本数、Ｌ：発熱部長さ（m）、Ｓ：発熱体断面積（m²）、ｄ：発熱体直径（m）、Ａ：発熱体表面積（m²）

問題はｎ＝１の場合、抵抗Ｒ値が過小、電流Ｉ値が過大になり、低電圧・大電流の電源変圧器を要することになり、出力上問題の無いアーク再加熱炉の電源でも適応することができなくなることである。従ってＲ値を上げることが不可欠になる。その目的のため本数ｎを過大、発熱体直径ｄを過小にすると消耗・耐久上の問題が過大になる。適性条件の解明が課題となり、既存変圧器の電圧・電流仕様に適合させるように発熱体の構造・寸法・本数ｎとその接続方法を設定しなければならない。直列結線が有利である。

図３は発熱体の結線方法を示し、３相交流をそのまま使用する場合、発熱体６本（ｎ＝２）を星形結線すると発熱体と電源変圧器の回路特性が整合して大変都合がよい。単相で使用する場合は４本を直列結線するとやはり都合良く整合する。

以上は主に装置の内容であるが次ぎに操業方法について説明する。
本発明の予熱装置は夜間操業開始時に溶解炉と同時に稼働させる。通電に先立ち造滓材の石灰の一部と炭材をレードル底部に装入する。通電により発熱体が急速に昇温する。２０００℃に維持するよう電圧を制御する。レードル耐火物は前日操業の残熱約２００℃から加熱され同時に石灰も加熱される。石灰からＣＯ₂ガスが発生し、炭材と反応してＣＯガスに改質され、還元性雰囲気が形成され黒鉛の酸化消耗が抑制される。

予熱とともに耐火物表面温度は上昇し内部は傾斜状の分布になる。経験的に表面温度が１０００℃以上になると作業上の不都合は無くなる。耐火物平均温度は約８００℃になる。表面温度が約１３００℃近辺になると付着スラグの一部が溶解し底部に流れ落ちる。装入した石灰は該スラグを固着させノズルや通気プラグを損傷させない機能も持つ。受鋼直前まで通電し、停止後直ちに受鋼する。通電時間は溶解炉とほぼ同一で約１時間である。
当該予熱時間において従来以上に予熱を強化すると受鋼後の溶鋼の冷却が減少する。その結果出鋼温度を下げる、又は受鋼後の再加熱量を少なくすることが可能になる。

次ぎに以上述べた装置と作業方法の要点の根拠を説明する。
必要出力Ｐを算出する（１）式の根拠に対して：
耐火物厚さは容量に関わらずほぼ同程度であるから予熱すべき耐火物量はレードル内面積に比例、即ち容量の２／３乗に比例、従って必要出力は（１）式の構造になる。次ぎに比例係数は容量３０トンのレードルにおいて作業上支障のない水準の実績値を基に熱精算を加えて決定した。

抵抗発熱体の必要表面積Ａを算出する（２）の根拠は以下である。
発熱体の出力Ｐは放射伝熱量Ｐ’（ｋｃａｌ／ｈ ）と均衡し、下記ステファン・ボルツマン式に依存する。
Ｐ’＝４．９εＡ（θh⁴−θw⁴）×１０^-8
ε：放射率、Ａ：表面積（m²）、θh：発熱体温度（Ｋ）、θw：壁面温度（Ｋ）
ここでθwを１２００℃とし、
θhが１７００℃の場合は、Ｐ（ｋＷ）≒ ５００×Ａ
θhが２０００℃の場合は、Ｐ（ｋＷ）≒１０００×Ａ となる。
この間はほぼ直線に近似することができるので発熱体温度Ｔと出力と表面積の関係を（２）式で近似させた。
図４には放射伝熱量に及ぼす発熱体温度と壁面温度の影響を示す。

加熱効率８０％以上の根拠について説明する。消費熱量は有効分として耐火物への蓄熱と無効分としての熱損に分かれる。
熱損は、密閉状であるからカバーを含め耐火断熱壁を貫通する熱流束Ｑ’と、密閉とは言え避けられない通気分Ｑ"と、発熱体昇温分Ｑｈと、カバー蓄熱分Ｑｃから成る。Ｑｈ，Ｑｃはほぼ定数であるがＱ’、Ｑ”は予熱時間に比例して増加する。従って定性的には出力が小さく予熱時間が長くなるほど加熱効率が低下することが解る。
定量化へ向けて試算する。貫通熱流束Ｑ’は鉄皮温度の実測から算出される。３０トンのレードルでは、Ｑ’は約８０Ｍｃａｌ／ｈ以下、Ｑ”はその数分の１、発熱体分Ｑｈは約６０Ｍｃａｌ，カバー蓄熱分Ｑｃは約７０Ｍｃａｌで、１時間で処理する場合、出力１７００ｋＷに対して約２７０ｋＷ、約１６％が無駄となっている。なお石灰昇温分はいずれ投入しなければならない有効熱である。加熱効率８０％は充分可能であることが解る。

予熱強化が熱経済上いかに有利かを説明する。アーク式溶解炉の昇温加熱効率は約６０％、レードル内溶鋼のアーク式再加熱の効率は約４０％とされる。他方本発明のレードル耐火物の加熱効率は約８０％である。溶鋼の直接昇温よりも容器の事前の昇温且つ効果的昇温による溶鋼冷却の低減の方が有利であることが解る。

以上から予熱装置の出力をより大きくし、耐火物をより高温に予熱し、受鋼後の溶鋼の冷却を小さくして全体で電力消費を削減することがより望ましい。
予熱強化により出鋼温度を下げ、精錬温度を下げることは、レードル精練の主目的である脱酸に対しても有利である。なぜなら脱酸温度が低いほど平衡酸素量が低下し、脱酸が進行し易くなるからである。他に耐火物耐久にも有利である。

発熱体について検討する。黒鉛を使用する場合、問題は抵抗率（Ωｍ）が他の化合物系発熱体に比較して桁違いに小さいことである。そのため所定出力を得るには電流値を極端に大きくするか、発熱体断面積を小さくして必要抵抗値を確保しなければならない。
電流値が１０万アンペア程度になると導体断面積が過大になってアーク溶解炉と同様以上の構造になり設備費用上無理となる。
他方発熱体断面積を小さくする方法は既述の必要表面積に反するだけでなく、強度・耐久性や消耗による交換頻度からも好ましくない。解決案として発熱体を薄板状にする等は耐久面から不適切である。

発明者は実用に耐えるよう発熱体を太径棒状に構成し、発熱体断面積Ｓと必要表面積Ａが整合する条件を種々試算した結果、発熱体を図３に示す構造にすることによって解決した。即ち発熱体５を偶数本懸垂させて必要表面積を確保し、それぞれを単相直列結線にすることにより回路抵抗を増加させ、電流値を許容範囲に抑制することができた。

電源として既設のレードル精練用のアーク再加熱装置を転用する際、初回チャージのレードル予熱時は精練再加熱時と異なり問題ないが、２チャージ目は初回分の精練と重なる。併用は実施不能に思えるがその対策は以下である。加熱装置の出力を大きめに設計・設定して時間不足を補い、負荷が重複する際には通電を頻繁に切り替える。再加熱側は通常設備余力があり最大値に設定すること、予熱強化の効果として再加熱の負荷・時間が軽減されることにより解決される。再加熱の切電時にはガス撹拌を強力にすること（通電時にはアーク不安定でできない）により加熱と撹拌を効果的に組み合わせることがレードル精練の賢明な操業方法である。

容量９０トンのレードルの予熱に対してどのように適用するか説明する。出力は最少３４００ｋＷとなるがより高温に予熱するには４０００ｋＷとなる。さらに予熱時間不足にも対処するため６０００ｋＷとする。発熱体は常用２０００℃とし、必要発熱体表面積は６．０ｍ²となる。発熱体の実効長さは内壁高さの約７０％として２．８ｍとし、本数を合計６とすると発熱体の直径ｄは０．１１ｍとなる。結線を図３ＡのようにＹとすると１相の抵抗値（μ＝６×１０^-6とする）は２本の直列結線であるから約０．００３５Ωとなり、必要電圧は１４５Ｖ、必要電流は２４０００Ａと算出される。電圧が１００〜５００Ｖ，電流値Ｉが１０〜４０ｋＡは既設の再加熱装置の調整可能範囲にあり、上記値は極めて好ましい整合性を示す。

本願発明は、既存の製鋼工場のレードル整備場に設置されているバーナーに容易に且つ採算良く代替させることができる。

０：抵抗加熱装置 １：製鋼用レードル ２：鉄皮 ３：耐火断熱材 ４：耐火物 ５：抵抗発熱体 ６：耐火断熱カバー ７：発熱体基部 ８：電源接続部 ９：保温箱 １０：電源設備 １１：昇降旋回機構 １２：機側制御盤 １３：配電ブスバー １４：回路転轍器 １５：回路遮断器 １６：ＬＦ電源変圧器 １７：配電ケーブル １８：ＬＦ再加熱装置

第１の発明は、直立する有底円筒状の製鋼用レードルを受鋼前に上方開口部を耐火断熱性のカバーで覆って予熱する装置において、予熱装置が、該カバーに設けた抵抗発熱体を該レードルの内部空間に配置してレードル耐火物表面を放射加熱する加熱装置と、レードル精練時の再加熱用に既設されているアーク加熱装置の電源を適時切替転用した該加熱装置の電源とから成ること特徴とする製鋼用レードルの予熱装置である。

上記式に示されるように温度Ｔが高いほど表面積Ａの削減（ひいては発熱体の質量削減）に有利である。適性範囲として１６００℃以上とする。１６００℃未満では必要表面積が過大で設備費・消耗費とも不都合になる。

回路と発熱体の構造・寸法は以下の５関係式（３相交流の場合上式は多少変わる）で結ばれ、発熱体と電源の仕様が固まる。
Ｉ＝√（Ｐ／Ｒ） −−−−−（３）
Ｅ＝Ｉ×Ｒ −−−−−（４）
Ｒ＝μ×ｎ×Ｌ／Ｓ −−−−−（５）
Ｓ＝π／４×ｄ² −−−−−（６）
Ａ＝ｎ×π×ｄ×Ｌ −−−−−（７）
ここで記号の意味とその単位は以下である。
Ｉ：電流（A）、Ｐ：出力（ｋW）、Ｒ：抵抗（Ω）、Ｅ：電圧（V）、μ：黒鉛抵抗率（Ωm）、ｎ：１相当たりの発熱体本数、Ｌ：発熱部長さ（m）、Ｓ：発熱体断面積（m²）、ｄ：発熱体直径（m）、Ａ：発熱体表面積（m²）

抵抗発熱体の必要表面積Ａを算出する（２）の根拠は以下である。
発熱体の出力Ｐは放射伝熱量Ｐ’（ｋｃａｌ／ｈ ）と均衡し、下記ステファン・ボルツマン式に依存する。
Ｐ’＝４．９εＡ（θh⁴−θw⁴）×１０^-8
ε：放射率、Ａ：表面積（m²）、θh：発熱体温度（Ｋ）、θw：壁面温度（Ｋ）
ここでθwを１２００℃とし、
θhが１７００℃の場合は、Ｐ（ｋＷ）≒ ５００×Ａ
θhが２０００℃の場合は、Ｐ（ｋＷ）≒１０００×Ａ となる。
この間はほぼ直線に近似することができるので発熱体温度Ｔと出力Ｐと表面積Ａの関係を（２）式で近似させた。
図４には放射伝熱量に及ぼす発熱体温度と壁面温度の影響を示す。

Claims (3)

1. 直立する有底円筒状の製鋼用レードルを受鋼前に上方開口部を耐火断熱性のカバーで覆って予熱する装置において、予熱装置が、該カバーに設けた抵抗発熱体を該レードルの内部空間に配置してレードル耐火物表面を放射加熱する加熱装置と、レードル精練時の再加熱用に既設されているアーク加熱装置の電源を適時切替転用した該加熱装置の電源とから成ることを特徴とする製鋼用レードルの予熱装置。
2. 加熱装置の出力Ｐ（ｋＷ）をレードルの容量Ｗ（ｔ）に対して下記（１）式に基づいて設定し、該発熱体の表面積Ａ（ｍ²）を該発熱体の温度Ｔ（℃）に対して下記（２）式に基づいて設定することを特徴とする請求項１に記載した製鋼用レードルの予熱装置。
   Ｐ≧１７０×Ｗ^2/3 −−−−−（１）
   Ａ≧Ｐ／（１．７Ｔ−２４００） −−−−−（２）
3. 抵抗発熱体の材質を黒鉛とし、該抵抗発熱体の温度を１６００℃以上とし、カバーによる覆いを密閉状とし、内部を非酸化性又は還元性雰囲気とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した製鋼用レードルの予熱装置。

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