JP2016528673A - 電気アーク炉を作動させる方法および電気アーク炉 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気アーク炉（２）と、電気アーク（６ａ、６ｂ、６ｃ）を生成するための少なくとも１つの電極（４ａ、４ｂ、４ｃ）を備える電気アーク炉（２）を作動させる方法であって、電極（４ａ、４ｂ、４ｃ）に導かれる電流（Ｉ）の所望の値が所定の基準値（Ｉ０）のまわりで振動する、方法とに関するものである。

Description

本発明は、電気アーク炉を作動させる方法および電気アーク炉に関するものである。

電気アーク炉は、鉄鋼スクラップを融解して再利用するための装置である。鉄鋼の用途の種々の領域によれば、このタイプの電気アーク炉では広範なスクラップが使用される。スクラップは、削り屑および細いワイヤから重いビームまたは数トンもある棒の形態で、電気アーク炉の中へ送り込まれ得る。

従来型の電気アーク炉では、精錬過程の初期に、スクラップが、ばら材料として電気アーク炉の中へ送られる。ばら材料が電気アークを取り巻き、そのため放射エネルギーを吸収するので、このばら材料は非常に効率的に融解され得る。

融解する段階では、広いボリュームにわたるスクラップの精錬が望まれる。したがって、電極の周囲が自由に融解すると直ちに、無秩序なスクラップ崩壊のリスクが増し、スクラップが電極に向かってずり落ちて電極破損を引き起こす可能性がある。このために、最新の電気アーク炉は、融解段階の間は、できる限り高い２次電圧（最近は典型的には１２００Ｖまで上がっている）で運転され、これは、長い電気アークを形成して、長いアークの影響力の領域における広域にわたってスクラップの融解が達成されることを意味する。融解期間が短縮されて電極破損のリスクが低減される。

最新のシステムと比較して電気炉用変圧器の電圧ステップが小さい傾向がある、より古い電気アーク炉（より古いシステムの一般的な２次電圧は最大８００Ｖである）では、従来のやり方で広範な領域にわたるスクラップの融解を実現することができない。

スクラップの一部分が溶けると溶鋼の液体溶液が現れ、その中に、一般的にはさらなる融解を必要とするスクラップのより大きな部片が多数存在する。これらの部片には、もはやアークが直接到達することがない。したがって、これらの部片は、隣接した液体溶液からの対流によらなければ融解することができない。湯の温度が液相温度よりわずかしか高くなく、溶液運動がわずかであるため、この融解には比較的長い時間が必要とされる。

特に、非常に大きいスクラップ部片の場合、必要な処理時間が長くなり、その結果、融解過程の効率が低下する。まだ完全には融解していない個々のスクラップ部片が湯出しされ、最悪の場合には湯出し口を塞ぐリスクが存在する。

バスケットによる装填を伴う従来型の電気アーク炉は別として、説明された現象は、装填がシャフトによって、すなわち連続的に行なわれる電気アーク炉にも関するものである。すべての入力素材が炉容器の制限されたセクタへと導入されるので、影響がさらに増幅される恐れがある。このセクタは所定の冷間サイトである。

したがって、本発明の目的は、電気アーク炉を作動させる方法と、これらの不都合が回避され、融解される鉄鋼の融解過程が改善される電気アーク炉とを提供することである。

本発明によれば、第１の目的は、請求項１の特徴を有する、電気アーク炉を作動させる方法によって達成される。この方法によれば、電気アークを生成するための少なくとも１つの電極を有する電気アーク炉の動作では、電極に供給される電流のターゲット値が所定の基準値のまわりで振動する。

本発明の意味の範囲内で、本明細書における「振動」という用語は、電極に供給される電流の目標値が、所定の基準値から外れ、次いで再び基準値に戻る変化と、電極に供給される電流の目標値の、所定の基準値のまわりでの周期的変化との両方を意味するように理解される。

電極に供給される電流の目標値のこのタイプの振動または調節により、電極における電気アーク長さに影響を及ぼすことが可能になる。電極における電気アークの目標とされる延長と、場合によっては存在するさらなる電極における電気アークの同時の短縮とが、適切な交互に起こる制御を伴って、融解作業中の総合的な放射出力の向上をもたらす。より古いシステムでは、特に、そのような広いボリュームにわたるスクラップの融解は、電気炉用変圧器の既存の２次電圧が低レベルであるにもかかわらず達成される可能性がある。

このようにして、融解時間の短縮と、スクラップ崩壊のリスクの低減とが達成される。このように作動される電気アーク炉によって、湯が形成されると直ちに、適切な溶液運動も生成され得、対流熱伝達がかなり改善され、その結果、スクラップの均一で高速の融解が達成される。

したがって、本発明による方法は、炉におけるスクラップの存在から始まり、湯およびスクラップの存在を通じて、湯の中のスクラップの完全な溶解まで、融解過程の全体にわたって有利である。

振動が周期的に行なわれると、この方法が成功することが判明している。複数の電極を用いて、１つの電極から次の電極へと延長されたアークの渡り歩き（ｗａｎｄｅｒｉｎｇ）が達成され得る。特に、スクラップの融解段階における周期的周波数（ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ｆは０．０５Ｈｚから０．２Ｈｚである。

特に大きなスクラップ部を有する炉の領域において、延長された電気アークを用いて長期にわたる滞留時間が可能であり、残りの領域は、より小さくより急速に融解可能なスクラップ部を有して、より速く通過される。このようにして、炉の温度プロファイルが均等になり、したがって、より均等でより高速の融解が達成され得る。炉の空間の特定の領域における滞留時間は、特に、融解段階の開始および／または既に到達している湯の平均の放熱分布（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）および／または冷却要素の現在の熱的壁面負荷からカウントされた短絡の数に依拠するものである。

特に好ましくは、電気アーク炉は３つの電極を備え、それぞれの電流が１２０°の位相シフトを有する。

３つの電極のそれぞれにおける電流Ｉの目標値が順番に振動するために、振動による影響を受けたそれぞれの電極において、より長い電気アークが特に生成され、影響を受けない電極において、相対的により短い電気アークが生成される。これは、詳細には、電極調節の（通常は対称の）インピーダンス目標動作点におけるインピーダンス調整によって行なわれる。このようにして、３つの導体の二次電圧システムの中性点は、特定の相が、別の相電圧の電圧レベルを犠牲にして、１．５倍までの電圧増加を経験するように変位される。

この効果を数学的に説明するために、ここで電極の「放射指数（ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）」ＲＥを導入する。
ＲＥ＝Ｕ_ａｒｃ＊Ｐ_ａｒｃ
この式で、Ｕ_ａｒｃ＝電極における電圧であり、Ｐ_ａｒｃ＝電極における電力出力である。

放射指数によって、電気アーク長さおよびその融解効果が簡易化したモデルで表され得る。ここで、放射指数の増加は、簡易化したやり方で表現するとアーク延長に対応する。電極における放射指数を増加させるのに必要なインピーダンス調整は、位相順序に依拠する。ここで、インピーダンス目標値は、電極における放射指数の増加が、他の電極における対称の減少、すなわち、いずれの場合にも同一の減少によって達成されるように調節され得る。

したがって、対称の放射増加の一例は次のようになる。
ＲＥ（電極１）＝１２０％
ＲＥ（電極２）＝９０％
ＲＥ（電極３）＝９０％
ここで、電極１における電気アークは延長されることになり、電極２および３におけるアークは特に同一の量だけ短縮されることになる。

このタイプの放射指数調節は、初期の融解段階において最大２０％までに制限される。測定したところ、インピーダンスを１５％調節すると、延長されたアークで電極における放射が約２０％増加する。これを越える調節は、炉の中の総合的な電力出力を低減する効果がある。動的放射（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ）のレベルの条件は、炉の運転プログラムのそれぞれのステップにおける放射指数の事前設定値および／または現在の変圧器タップおよび／または現在のカーブ番号（ｃｕｒｖｅ ｎｕｍｂｅｒ）および／または高調波の評価に依拠して、意味深く作成することができる。「カーブ番号」は変圧器タップの特定の動作点と理解されるべきであり、変圧器タップに対して様々な動作点が設定され得る。運転プログラムに対して変圧器タップの特定のカーブ番号の一定の関連付けが行なわれ得、放射指数調節は実行されるかまたは実行されない。

具体的には、３つの電極は、それらの縦軸の方向に見ると円形のライン上に配置されており、電気アーク炉の中のより長い電気アークは、この円形のラインによって囲まれた領域を回って回帰的に循環する。これは、調節パターンを三相において周期的に交換することによって達成され得、各電極の放射が次々に増加する。電極から電極へ渡り歩く長い電気アークが形成され、非常に効率よく電極グループを回って循環する。

したがって、好ましくは、電気アーク炉の中にスクラップが存在して、電流Ｉの目標値を振動させることにより、アークによって生成される放射出力パワーの増加が目標とされたやり方で達成される。

さらに、好ましくは電気アーク炉の中に湯が存在して、電流Ｉの目標値を振動させることにより、電気アーク炉における湯の運動が目標とされたやり方で生成される。ここで、特に、少なくとも１つの電極の縦軸の方向に見たとき、同電極を回って循環する湯の運動が、目標とされたやり方で生成される。この攪拌運動が、融解過程をかなり増進する。

これは、以下の発見に基づくものである。

電気アーク炉の電極によって生成された電気アークは、衝撃を有するプラズマジェットを表す。この衝撃が液体の鉄鋼溶液に対して働き、その結果、溶液に影響が及び、したがって溶液の運動が引き起こされる。力の作用Ｆは、アーク電流の実効値に過剰に比例して（ｏｖｅｒ−ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｔｅｌｙ ｗｉｔｈ）、すなわち電極に供給される電流Ｉに過剰に比例して増加する。ここで、力はＩ^２に比例する。

電極に供給される電流Ｉの目標値を、したがって特にアーク電流の実効値を、所定の基準値のまわりで振動させることによって、溶液表面が振動する。これらの振動によって適切な溶液運動が生成され得ることにより、対流熱伝達が改善される。詳細には、０．２Ｈｚと２Ｈｚの間の周期的周波数で振動が周期的に起こるという点において、好ましくは適切な溶液運動が生成され得る。

周期的周波数を適切に選択することに加えて、電極に供給されるそれぞれの電流の位相を適切に配置することにより、３つの電極および３角形に配置された電気アークを含む三相電気アーク炉における対流熱伝達がさらに改善される。

液体溶液を伴う従来型の三相の電気アーク炉の運転においては、電気アークは、溶液表面上で非常に安定して燃える。この動作モードでは、電極に供給される電流の実効値のいかなる変化もほとんど生じない。アークの１００Ｈｚ（メイン周波数の２倍）の回転が原因となる、わずかな溶液運動が刺激され得る。個々の電流の位相シフトによって喚起されるこの効果は、溶液運動を生成するための電気アーク炉の本発明による運転によって、このとき付加的に利用され得る。

本発明による、電極に供給される電流の目標値の所定の基準値のまわりでの振動により、また、それぞれの電極の個々の電流の付加的な位相シフトによって、電気アーク炉の従来型の運転と比較して、溶液の改善された回転と、結果として得られる運動とが達成され得る。したがって、それぞれの電極の個々の電流は、たとえば以下の形を有する。

Ｉ＝Ｉ_０＋ΔＩ＊ｓｉｎ（２πｆｔ＋φ）

ここで、Ｉは電極に供給される電流の実効値であって、基準値Ｉ_０と振動する部分ΔＩ＊ｓｉｎ（２πｆｔ＋φ）から構成され、φは位相角度であり、三相の電気アーク炉では、それぞれの電流が１２０°の位相シフトを有する。

したがって、電流の振幅ΔＩおよび／または周期的周波数ｆを変化させることによって、電流の振動と、結果として生じる鉄鋼溶液の基準値のまわりの運動とが起こり得る。言い換えれば、振幅ΔＩおよび周期的周波数ｆは、所望の溶液運動を生成するために融解過程中にも変更され得る。具体的には、融解過程の初期と、溶液運動の始動とにおいて、時間セグメントの間に周期的周波数を増加することができる。したがって、溶液運動を開始することができるように、初期には低い周期的周波数ｆが用いられ、次いで溶液運動の増加に伴って周期的周波数ｆが上昇され、その結果として溶液運動に新規の増加がもたらされる。ここに、周期的周波数ｆは、鉄鋼溶液の慣性または質量に基づいて選択される。その、検討中の時間セグメントにおける周期的周波数ｆの増加は、好ましくは溶液運動を最大化するように行なわれる。検討中の時間セグメントに続いて、周期的周波数ｆが再び一定に維持され得る。

振動のために適切な０．２Ｈｚから２Ｈｚの周期的周波数ｆが選択されると、炉容器の中に循環する波形が形成される。容器およびピッチ円の直径に依拠して、適切な周波数は１Ｈｚ未満の領域にある。結果として生じる定義された設定可能な溶液運動が、所望の優れた対流熱伝達をもたらす。波形の形成は、特に溶液運動の初期の生成中に個々の電極に供給される電流の周期的周波数ｆが増加することによって好都合であり得る。したがって、鉄鋼溶液における電流のそれぞれの周期的周波数ｆが、したがって循環波形の循環周波数が、鉄鋼溶液の回転速度の増加を最大にするように、すなわち鉄鋼溶液の加速度を最大にするように増加される。

概して言えば、目標値の目標とされた振動と、その結果の電流実効値の目標とされた振動と、適切な循環周波数とによって、鉄鋼溶液の強制的な回転と、関連するより優れた混合と、鉄鋼溶液の温度の均質化とがもたらされる。特に、偏心的に供給される電気エネルギーおよび／または融解する材料の偏心的な追加および関連する不均一なエネルギー入力または融解する材料の偏心的な分布の場合には、融解材料に対するエネルギーのより優れた分布または供給がもたらされる。その結果として、直立炉（ｓｈａｆｔ ｆｕｒｎａｃｅｓ）における、より短い処理時間と、装填時間および予備加熱時間の確保とがもたらされる。

本発明による方法は、ＤＣ電気アーク炉にも用いられ得る。これは、一般的にはたった１つの電極を有し、またはいくつかの特別な場合には２つの電極を有する。目標値の定義された変化、したがって電極に供給される電流の実効値の定義された変化によって、炉の容器の中心から外側に及ぶ波が実現される。このようにして、対流熱伝達も改善される。

説明された方法は、従来型の電気アーク炉および直立炉に利用可能である。

本発明によれば、第２の目的は、請求項１２の特徴を有する電気アーク炉によって達成される。このタイプの電気アーク炉は、電気アークを生成するための少なくとも１つの電極と、本発明による方法を実行するためのソフトウェアが実施される制御／調整ユニットとを有する。

次に、本発明の前述の特性、特徴および利点、ならびにこれらを実現するやり方が、例示的実施形態の以下の説明の文脈において、図面を参照することにより、より詳細に、より明瞭かつ明示的に説明される。

本発明のさらなる開示のために、例示的実施形態の図面が参照される。これらは原理の概略見取り図である。

電気アーク炉の概略断面図である。 電極に供給される電流の実効値および／または目標値を時間に対して示すグラフである。

図１が示す電気アーク炉２は、この場合、鉄鋼のスクラップ部８を溶解するために電気アーク６ａ、６ｂ、６ｃを生成するための３つの電極４ａ、４ｂ、４ｃを有する。３つの電極４ａ、４ｂ、４ｃは、ここでは３角形に配置されている。電気アーク炉２の運転中にスクラップ部８が融解され、その結果、湯１０が形成される。３つの電極４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれにおけるアーク６ａ、６ｂ、６ｃを順々に延長する（２つの他の電極におけるアークを同時に短縮する）ことにより、（電極の縦軸の方向に見て）循環する延長されたアークが生成され、その結果、空間的により大規模なスクラップの融解が可能になる。

示された湯１０において、電気アーク炉２の特定の動作時間の後、一般的には、融解されるべき多数のより大きなスクラップ部片８がまだ存在している。これらには、もはやアーク６ａ、６ｂ、６ｃが到達しない。したがって、これらの部片は、隣接した液体の湯１０からの対流によらなければ融解することができない。個々の電極４ａ、４ｂ、４ｃは、それぞれ電流源１２に接続されており、電流源１２の助けにより、電極４ａ、４ｂ、４ｃに電流Ｉが供給される。

次に、液体の湯１０の中にあるスクラップ部片８のさらなる融解を確実にするために、電極４ａ、４ｂ、４ｃに供給される電流Ｉは、その目標値が所定の基準値Ｉ_０のまわりで振動するように、制御／調整ユニット１４によってさらに調節される。これは、最初に、電流目標値または対応する電極４ａ、４ｂ、４ｃのインピーダンス目標値またはアーク６ａ、６ｂ、６ｃが変化されるという点において達成される。

たとえば電極４ａに供給される電流Ｉの目標値の時間ｔに対する変化が図２に示されている。見られるように、電流Ｉの実効値は、たとえばこの場合、所定の基準値Ｉ_０のまわりで、正弦波状に１Ｈｚの周波数で周期的に振動する。したがって、電流の実効値は一定ではないが、所定の基準値Ｉ_０のまわりで振動する。電流Ｉのこのタイプの振動のために、湯１０の運動が誘導され、その結果、対流が改善される。したがって、電流Ｉは以下の形を有する。

Ｉ＝Ｉ_０＋ΔＩ＊ｓｉｎ（２πｆｔ＋φ）

溶液の運動は、周波数ｆおよび振幅ΔＩによって制御することができる。示された例では位相角度φ＝０°である。電極４ｂおよび４ｃの他の電流Ｉは１２０°だけオフセットされ、その結果、電極４ｂの電流Ｉの位相角度は１２０°であり、電極４ｃの電流Ｉの位相角度は２４０°である。この位相シフトによって、湯１０の回転も達成され、その結果、対流がさらに改善され、したがってスクラップ部８が短時間で融解され得る。

上記で説明された方法は、従来型の電気アーク炉を用いて、機器のいかなる改修もなく実行することができるので、実現するのが技術的に簡単である。電極に供給される電流の実効値の目標値を、上記のパターンに従うプログラム手段によって変化させるだけでよい。このために、本発明による方法を実行するのに適切なソフトウェアは、制御／調整ユニット１４において実施される。対応する目標値の条件に基づいて、電流Ｉの実際の値が、制御／調整ユニット１４によって所定の値に制御／調整される。

本発明が、好ましい例示的実施形態に基づいて示され、かつ詳細に説明されてきたが、本発明は与えられた例によって制限されず、当業者なら、本発明の保護範囲から逸脱することなく、そこから他の変形形態を導出することができる。

２ 電気アーク炉
４ａ 電極
４ｂ 電極
４ｃ 電極
６ａ 電気アーク
６ｂ 電気アーク
６ｃ 電気アーク
８ スクラップ部片
１０ 湯
１２ 電流源
１４ 制御／調整ユニット
Ｉ_０ 電流の基準値

電気アーク炉は３つの電極を備え、それぞれの電流が１２０°の位相シフトを有する。

Claims (12)

1. 電気アーク（６ａ、６ｂ、６ｃ）を生成するための少なくとも１つの電極（４ａ、４ｂ、４ｃ）を有する電気アーク炉（２）を作動させる方法であって、前記電極（４ａ、４ｂ、４ｃ）に供給される電流（Ｉ）の目標値が所定の基準値（Ｉ_０）のまわりで振動する、方法。
2. 前記振動が周期的に起こる、請求項１に記載の方法。
3. 周期的周波数（ｆ）が０．２Ｈｚから２Ｈｚである、請求項２に記載の方法。
4. 前記基準値（Ｉ_０）のまわりでの前記電流（Ｉ）の前記振動が、前記電流（Ｉ）の振幅および／または周期的周波数（ｆ）を変化させることによって起こる、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記周期的周波数（ｆ）が時間セグメント中に増加される、請求項４に記載の方法。
6. 前記電気アーク炉（２）が３つの電極（４ａ、４ｂ、４ｃ）を備え、前記それぞれの電流が１２０°の位相シフトを有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記３つの電極（４ａ、４ｂ、４ｃ）のそれぞれにおける電流（Ｉ）の目標値が順番に振動するために、前記振動の影響を受ける前記それぞれの電極（４ａ、４ｂ、４ｃ）において、より長い電気アークが特に生成され、影響を受けない前記電極において、相対的により短い電気アークが生成される、請求項６に記載の方法。
8. 前記３つの電極（４ａ、４ｂ、４ｃ）が、それらの縦軸の方向に見て円形のライン上に配置されており、前記電気アーク炉（２）の中のより長い電気アークが、前記円形のラインによって囲まれた領域を回って回帰的に循環する、請求項６または７に記載の方法。
9. 前記電気アーク炉の中にスクラップが存在して、前記電流（Ｉ）の前記目標値を前記振動させることにより、前記電気アークによって生成される放射出力パワーの増加が目標とされたやり方で達成される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記電気アーク炉（２）の中に湯（１０）が存在して、前記電流（Ｉ）の前記目標値を前記振動させることにより、前記電気アーク炉（２）における前記湯（１０）の運動が生成される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記少なくとも１つの電極（４ａ、４ｂ、４ｃ）の縦軸の方向に見たとき、前記少なくとも１つの電極（４ａ、４ｂ、４ｃ）を回って循環する前記湯（１０）の運動が、目標とされたやり方で生成される、請求項１０に記載の方法。
12. 電気アーク（６ａ、６ｂ、６ｃ）を生成するための少なくとも１つの電極（４ａ、４ｂ、４ｃ）と、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法を実行するためのソフトウェアを実施する制御／調整ユニット（１４）とを有する電気アーク炉（２）。

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