JP2019200012A - 電気炉の水冷パネルの冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】止電時間帯における抜熱を抑制することによって、電気炉の操業に要する電力消費量を削減できる水冷パネルの冷却方法の提供。【解決手段】電気炉に電力を供給する通電時間帯に水冷パネルを流通する冷却水の流速を通電流速Ｍ（ton／hr）とし、電力の供給を停止する止電時間帯に水冷パネルを流通する冷却水の流速を止電流速Ｎ（ton／hr）として、止電流速Ｎを通電流速Ｍに比べて、Ｎ≦０．６×Ｍを満たす範囲で減少させることを特徴とする水冷パネルの冷却方法。【選択図】図１

Description

本発明は、電気炉の炉壁の配設される水冷パネルに冷却水を供給して冷却する冷却方法に関するものである。

電気炉は、炉内に金属スクラップを収容して、電極を通じて電力を供給（以下、通電という）することによって発熱して、金属スクラップを溶解し、さらにその溶解した金属スクラップ（以下、溶湯という）を精錬する装置である。したがって、電気炉の内面は、高温の溶湯に接触するので、種々の耐火物（たとえば耐火れんが、吹き付け材等）で構築される。
しかし耐火物は、優れた耐熱性を有するという利点はあるが、高価な材料であるから、使用量が増えれば電気炉の操業コストの増大を招く。

そこで図２に示すように、炉底や炉壁の溶湯に接触する位置は耐火れんが２および不定形耐火物３で構築し、炉壁の溶湯に接触しない位置に金属製の水冷パネル１を配設し、耐火物のコストを抑制するのが一般的である（特許文献１、２参照）。
水冷パネル１は、金属製の外殻の内部に冷却水を流通させて、耐火物の代替とするものである。

特許文献１、２に開示されるような従来の技術では、通電によって溶湯の温度が上昇する時間帯（以下、通電時間帯という）における炉壁の温度管理に必要な抜熱量を確保する観点から、通電時間帯の冷却水の流速Ｍ（以下、通電流速という）を決定して、その通電流速Ｍ（ton／hr）を維持しながら電気炉を操業する。なお通電流速Ｍは、電気炉の容量や型式によって異なるが、一般的に500〜2000ton／hr程度である。

ところが電気炉の操業においては、電力の供給を停止（以下、止電という）する時間帯（以下、止電時間帯という）が頻繁に発生する。止電時間帯としては、たとえば、精錬が終了した溶湯を排出して次チャージのために金属スクラップを装入するまでの時間帯、あるいは、後工程の進捗に合わせるために電気炉の操業を一時的に停止する時間帯等が挙げられる。これらの止電時間帯においては、溶湯の温度が必然的に低下する。

従来の技術では、このような止電時間帯においても冷却水を通電流速Ｍ（ton／hr）で供給し続ける。したがって止電時間帯では過剰な抜熱が発生し、その結果、電気炉に装入した金属スクラップを溶解するために通電を開始する時、あるいは、通電を再開して溶湯の温度を再び上昇させる時に、多大な電力を消費するという問題がある。

特開平11-293326号公報 特開2001-194070号公報

本発明は、従来の技術の問題点を解消し、止電時間帯における抜熱を抑制することによって、電気炉の操業に要する電力消費量を削減できる水冷パネルの冷却方法を提供することを目的とする。

本発明者は、電気炉の操業コストを低減するために、電力消費量を削減する技術について研究を続けて来た。そして、電気炉の操業における時間の推移と電力消費量の変動との関係を詳細に解析した結果、通電時間帯の開始直後（たとえば金属スクラップを溶解するための通電を開始した直後、あるいは、溶湯の温度を再び上昇させるために通電を再開した直後）の電力消費量が大きくなっており、その通電時間帯の開始直後の電力消費量は、止電時間帯の水冷パネルによる抜熱量と密接に関連していることを見出した。つまり、止電時間帯の抜熱を抑制すれば、通電時間帯の開始直後の電力消費量を削減することが可能であり、ひいては電気炉の操業コストを低減することが可能となる。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、電気炉の水冷パネルを冷却水で冷却する冷却方法において、電気炉に電力を供給する通電時間帯に水冷パネルを流通する冷却水の流速を通電流速Ｍ（ton／hr）とし、電力の供給を停止する止電時間帯に水冷パネルを流通する冷却水の流速を止電流速Ｎ（ton／hr）として、止電流速Ｎを通電流速Ｍに比べて減少させる水冷パネルの冷却方法である。

本発明の冷却方法においては、止電流速Ｎを通電流速Ｍに対して
Ｎ≦0.6×Ｍ
を満たす範囲で減少させることが好ましい。さらに、通電時間帯から止電時間帯に切り替える時刻をＴ_ECO（min）として、時刻Ｔ_ECOの前後のＴ_ECO−３min乃至Ｔ_ECO＋１minを満たす範囲内で冷却水の流速を通電流速Ｍから止電流速Ｎに変更することが好ましい。また、止電時間帯から通電時間帯に切り替える時刻をＴ_NOR（min）として、時刻Ｔ_NORの前後のＴ_NOR−１min乃至Ｔ_NOR＋３minを満たす範囲内で冷却水の流速を止電流速Ｎから通電流速Ｍに変更することが好ましい。

本発明によれば、電気炉の操業に要する電力消費量を削減でき、ひいては操業コストを低減できるので、産業上格段の効果を奏する。

(a)は電気炉の１チャージの操業において電圧が変化する例を示すグラフ、(b)は時間の経過に応じて冷却水の流速が変化する例を示すグラフである。 水冷パネルを配設した電気炉の例を模式的に示す断面図である。

本発明では、通電流速Ｍ（ton／hr）は、溶湯の温度が上昇する通電時間帯における炉壁の温度管理に必要な抜熱量を確保する観点から決定される値である。したがって、当該電気炉の操業にて冷却水の流速として従来から設定されている値を、本発明において通電流速Ｍとして使用しても良い。

一方、止電時間帯では溶湯の温度が低下するので、止電流速Ｎ（ton／hr）を通電流速Ｍに比べて減少（すなわちＮ＜Ｍ）するように設定する。こうして止電時間帯における炉壁の冷却を防止し、ひいては過剰な抜熱を抑制する。溶湯の温度が低下する止電時間帯で冷却水を減らしても、水冷パネルに悪影響（たとえば溶損、変形、亀裂等）が及ぶのを回避することは可能である。

止電流速Ｎを通電流速Ｍよりも減少させるにあたって、通電流速Ｍに対する減少量（＝Ｍ−Ｎ）が小さ過ぎる場合（すなわちＮがＭに近すぎる場合）は、止電時間帯における過剰な抜熱を抑制する効果が得られない。したがって止電流速Ｎは、通電流速Ｍに対してＮ≦0.6×Ｍを満たす範囲とすることが好ましい。

止電流速Ｎの通電流速Ｍに対する減少量（＝Ｍ−Ｎ）が大き過ぎる場合（すなわちＮが０に近すぎる場合）は、水冷パネルに溶損や変形、亀裂等が生じ易くなる。したがって、止電流速Ｎは、通電流速Ｍに対して0.1×Ｍ≦Ｎ≦0.6×Ｍを満たす範囲とすることが一層好ましい。

また、止電流速Ｎの設定値を０に近づける場合は、冷却水の温度が過剰に上昇するのを防止するために、冷却水の温度を測定することが好ましい。そして温度の測定値を、予め設定した閾値と比較して、測定値が閾値を超えた時に警報を発する手段を配設することによって、電気炉のオペレータが、その警報に応じて、冷却水の流量を変更する等の処置を講じることができる。

通電流速Ｍから止電流速Ｎへの変更、ならびに止電流速Ｎから通電流速Ｍへの変更は、通電と止電との切り替えに合わせて行なうことが好ましい。

具体的には、通電から止電に切り替える時刻Ｔ_ECO（min）と同時に、通電流速Ｍから止電流速Ｎへ変更することが好ましい。時間の巾をもたせるならば、時刻Ｔ_ECOの前後のＴ_ECO−３min乃至Ｔ_ECO＋１minを満たす範囲内で通電流速Ｍから止電流速Ｎへ変更しても良い。つまり、通電から止電に切り替える時刻の３min前よりも更に早く（すなわちＴ_ECO−３minよりも早く）通電流速Ｍから止電流速Ｎへ変更すると、通電時間帯の冷却水が減少するので、水冷パネルに悪影響を及ぼす懸念が生じるからである。通電から止電に切り替える時刻の１min後よりも更に遅く（すなわちＴ_ECO＋１minよりも遅く）通電流速Ｍから止電流速Ｎへ変更すると、止電時間帯の冷却水が増加するので、本発明の効果が減少する問題がある。

さらに、止電から通電に切り替える時刻Ｔ_NOR（min）と同時に、止電流速Ｎから通電流速Ｍへ変更することが好ましい。ただし、時刻Ｔ_NORの前後のＴ_NOR−１min乃至Ｔ_NOR＋３minを満たす範囲内で止電流速Ｎから通電流速Ｍへ変更しても良い。つまり、止電から通電に切り替える時刻の１min前よりも更に早く（すなわちＴ_NOR−１minよりも早く）止電流速Ｎから通電流速Ｍへ変更すると、止電時間帯の冷却水が増加するので、本発明の効果が減少する問題がある。止電から通電に切り替える時刻の３min後よりも更に遅く（すなわちＴ_NOR＋３minよりも遅く）止電流速Ｎから通電流速Ｍへ変更すると、通電時間帯の冷却水が減少するので、水冷パネルに悪影響を及ぼすという懸念が生じる。

このようにして止電時間帯における抜熱を抑制し、通電時間帯の開始直後の電力消費量を削減することによって、電気炉の操業に要する電力消費量を削減できる。

図２に示すように水冷パネルを配設した電気炉の操業において、印加される電圧が変化する例として、１チャージ分の操業データに基づいて作成したグラフを図１(a)に示す。縦軸の電圧および横軸の経過時間は、本発明を具体的に説明するための一例として示すデータであり、本発明はこれらの数値に限定されるものではない。

図１(a)の横軸に示す経過時間０minの左側（マイナス側）は、電気炉の操業が停止していた時間帯であり、既に説明した止電時間帯である。その電気炉内に金属スクラップを収容して、経過時間０minとして示す時刻Ｔ_NORに通電を開始する。その後、電気炉の容量や型式等の設備仕様に応じて設定された操業条件に従って電圧を印加していく。そして、経過時間25minとして示す時刻Ｔ_ECOで止電した理由は、電気炉内へのスクラップの追加装入が発生したことを想定している。スクラップは、未溶解の場合、嵩張るため、一度に全量のスクラップを電気炉内に入れることができないことが多い。そこで、一部のスクラップを溶解後に追加で装入することは一般的に行なわれており、その際に止電が発生する。また、スクラップの追加装入は、１回とは限らず、複数回実施されることがある。その度に止電が発生するため、本発明による冷却水の制御は更なる効果を発揮する。

この時間帯（すなわち経過時間０〜25min）が通電時間帯である。図１(a)に示す例では、この通電時間帯に金属スクラップの溶解（以下、第１溶解という）を行なう。そして、経過時間28minとして示す時刻Ｔ_NORに通電を再開する。この時間帯（すなわち経過時間25〜28min）が止電時間帯である。止電時間は、その他に、下工程の進捗に合わせる必要が生じたときや、操業上のトラブル等もあり、その都度発生することがある。これらの止電時間でも本発明は適用可能である。

その後、再び電気炉の設備仕様に応じて設定された操業条件に従って電圧を印加していき、金属スクラップの更なる溶解（以下、第２溶解という）および精錬を行なう。そして経過時間54minとして示す時刻Ｔ_ECOに止電して精錬を終了する。この時間帯（すなわち経過時間28〜54min）が通電時間帯である。

図１(a)の横軸に示す経過時間54minの右側（プラス側）は、次チャージの操業が始まるまで、止電時間帯である。

図１(a)に示す１チャージの操業において、通電と止電の切り替えに対応して、水冷パネルを流通する冷却水の流速を変化させた例を図１(b)に示す。この操業では、通電流速Ｍから止電流速Ｎへの変更、ならびに止電流速Ｎから通電流速Ｍへの変更は、通電と止電との切り替えと同時に行なった。つまり、時刻Ｔ_NORにて止電流速Ｎから通電流速Ｍへ、時刻Ｔ_ECOにて通電流速Ｍから止電流速Ｎへ変更した。

そして、通電時間帯（すなわちＴ_NORからＴ_ECOの時間帯）では通電流速Ｍを2000ton／hrとし、止電時間帯（すなわちＴ_ECOからＴ_NORの時間帯）では通電流速Ｎを400ton／hrとした。

次チャージ以降は、後工程の進捗に合わせるために操業を一時的に停止する時刻や金属スクラップを投入する時刻が各チャージ毎に変動するので、通電と止電の切り替えは必ずしも図１(a)と一致しない。したがって、第１溶解と第２溶解の夫々の所要時間が図１(a)の例と一致しない場合があるが、いずれのチャージも通電と止電の切り替えに応じて通電時間帯は通電流速Ｍ、止電時間帯は通電流速Ｎで電気炉を操業した。

以上を発明例１とする。
次に、通電流速Ｍから止電流速Ｎへ変更する時刻、ならびに止電流速Ｎから通電流速Ｍへ変更する時刻を、通電と止電との切り替えから前後にずらして電気炉を操業した。つまり、時刻Ｔ_ECO−１min（つまりＴ_ECOよりも１分早く）で通電流速Ｍから止電流速Ｎへ、時刻Ｔ_NOR＋１min（つまりＴ_NORよりも１分遅く）で止電流速Ｎから通電流速Ｍへ変更した。その他の操業条件は発明例１と同じとした。これを発明例２とする。

これらに対して従来は、通電時間帯のみならず止電時間帯も常に通電流速Ｍで電気炉を操業していた。これを従来例とする。

発明例１、２と従来例の１週間分の操業データを解析して、溶湯１tonあたりの電力消費量を比較した。従来例を100（指数）とすると、発明例１は98.2、発明例２は98.0であった。つまり本発明によれば、止電時間帯における過剰な抜熱を抑制することによって、通電時間帯の開始直後の電力消費量を削減し、ひいては電気炉の操業に要する電力消費量を削減できた。

１ 水冷パネル
２ 耐火れんが
３ 不定形耐火物
４ 排滓口

Claims (4)

1. 電気炉の水冷パネルを冷却水で冷却する冷却方法において、前記電気炉に電力を供給する通電時間帯に前記水冷パネルを流通する前記冷却水の流速を通電流速Ｍ（ton／hr）とし、前記電力の供給を停止する止電時間帯に前記水冷パネルを流通する前記冷却水の流速を止電流速Ｎ（ton／hr）として、該止電流速Ｎを前記通電流速Ｍに比べて減少させることを特徴とする水冷パネルの冷却方法。
2. 前記止電流速Ｎを前記通電流速Ｍに対して
   Ｎ≦0.6×Ｍ
   を満たす範囲で減少させることを特徴とする請求項１に記載の水冷パネルの冷却方法。
3. 前記通電時間帯から前記止電時間帯に切り替える時刻をＴ_ECO（min）として、該時刻Ｔ_ECOの前後のＴ_ECO−３min乃至Ｔ_ECO＋１minを満たす範囲内で前記冷却水の流速を前記通電流速Ｍから前記止電流速Ｎに変更することを特徴とする請求項１または２に記載の水冷パネルの冷却方法。
4. 前記止電時間帯から前記通電時間帯に切り替える時刻をＴ_NOR（min）として、該時刻Ｔ_NORの前後のＴ_NOR−１min乃至Ｔ_NOR＋３minを満たす範囲内で前記冷却水の流速を前記止電流速Ｎから前記通電流速Ｍに変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の水冷パネルの冷却方法。

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