JP2024069933A

JP2024069933A - 三相クリプトール炉

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Publication number: JP2024069933A
Application number: JP2022180233A
Authority: JP
Inventors: 基郎浦山; Motoo Urayama; 大介浦山; Daisuke Urayama
Original assignee: BEITEKKU KK
Current assignee: BEITEKKU KK
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2022-11-10
Publication date: 2024-05-22
Anticipated expiration: 2042-11-10
Also published as: JP7253857B1

Abstract

【課題】クリプトール粒域の均熱性を確保する。【解決手段】円筒形の炉殻２の内部に炉体耐火物３を設け、３つの給電端子部４を炉殻２の内側に１２０°間隔で配置し、炉体耐火物３及び給電端子部４の内側にクリプトール粒を充填してクリプトール粒域５とする。クリプトール粒域５の中央上方から、溶解原料Ｍを装入する。給電端子部４は、クリプトール粒域５の外周に接触する断面円弧状の電極板１０と、一端部が電極板１０に結合され他端部が炉殻２の外側に突出している給電ロッド１１とを有する。さらに、クリプトール粒域５を通って溶解原料Ｍに向かって上方に排出されるようにキャリアガスを、給電ロッド１１を用いて供給するキャリガス供給手段が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、三相クリプトール炉に関する。

炭素や黒鉛を素材とするクリプトール粒の集合体に、交流電流を通してクリプトール粒の接触抵抗によるジュール熱によって発生する高熱を利用する、単相電流による単相クリプトール炉は知られている。

そこで、そのような単相クリプトール炉を改良し、三相交流を用いたクリプトール炉が開発され、研究所向けの小型超高温溶解炉が先に提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５９－２２５２８３号公報

発明者は、さらに研究を進め、クリプトール粒域に熱エネルギーの搬送媒体としてガスを供給することで、クリプトール粒域の均熱性を確保することができる三相クリプトール炉を開発した。

本発明は、クリプトール粒域の均熱性を確保することができる三相クリプトール炉を提供する。

本発明の一の態様に係る三相クリプトール炉は、筒形の炉殻の内部に炉体耐火物を設け、３つの給電端子部を前記炉殻の内側に１２０°間隔で配置し、前記炉体耐火物及び前記給電端子部の内側にクリプトール粒を充填してクリプトール粒域とする三相クリプトール炉であり、前記クリプトール粒域の上方に、溶解原料を装入する原料装入部が配置され、前記給電端子部は、前記クリプトール粒域の外周に接触する電極板と、一端部が前記電極板に結合され他端部が前記炉殻の外側に突出している給電ロッドとを有し、さらに、前記クリプトール粒域を通って上方に排出されるように、前記給電ロッドを用いてガスを供給する、ガス供給手段が設けられていることを特徴とする。

このようにすれば、クリプトール粒域に熱エネルギーの搬送媒体としてのガス（キャリアガス）が給電ロッドを利用して供給され、クリプトール粒域の均熱性が確保され、そのキャリアガスによってクリプトール粒域で発生した熱エネルギーが上方に搬送され、クリプトール粒域上方の、装入された溶解原料が効率よく加熱される。

前記ガス供給手段は、前記給電端子部に設けられ前記炉殻と前記電極板との間に空隙部を形成する支え枠と、前記給電ロッドに設けられ前記空隙部にガスを供給するガス通路と、前記電極板に設けられ前記空隙部から前記クリプトール粒域に前記ガスを供給する複数の小孔とを有することが望ましい。

また、前記ガスは酸化性ガス以外のガス、すなわち非酸化性ガスが好ましく、不活性ガス又は還元性ガスであることが望ましい。不活性ガスとしては、例えば窒素やアルゴン、ヘリウムなど、還元性ガスとしては、例えば水素などが想定される。なお、これに用いるガスは、非酸化性ガスであれば利用できると考えられる。

前記クリプトール粒域は、鉛直上方から見て、中央の円形状粒域と、その周囲に１２０°間隔で放射状に設けられた３つの扇形状粒域とを有し、前記電極板は、断面円弧状であり、前記各扇形状粒域の、半径方向外方の端面に前記電極板が接触している、ことが望ましい。

また、前記クリプトール粒域の下側に、溶湯受が設けられ、前記溶湯受が、前記クリプトール粒域の中央部分の下側に配置されクリプトール粒を保持する本体受部と、前記本体受部より半径方向外方に延び溶融物を外部に排出する出湯樋部とを有すること、前記溶湯受の本体受部を貫通して、アース電極が設けられていること、が望ましい。

さらに、前記電極板は、それぞれ前記各扇形状粒域の、半径方向外方の端面に対して、端面全体を覆うように設けられている、ことが望ましい。

そして、前記本体受部は、貫通孔を有する周回壁部が設けられた皿形状であり、前記出湯樋部は、通路を有する樋状であり、前記本体受部の周回壁部の内部が、前記貫通孔を通じて、前記出湯樋部の通路に接続されている、ことが望ましい。

また、前記クリプトール粒には、コークスからなるクリプトール粒、黒鉛からなるクリプトール粒のいずれかが含まれることが好ましい。すなわち、導電性のある原料からなるクリプトール粒を用いることが好ましく、導電性の高い原料を用いることがより好ましい。なお、導電性を有していれば、例えば炭化ケイ素など、コークスや黒鉛以外の材料を用いることも想定できる。

また、前記クリプトール粒域において、前記円形状粒域に、コークスからなるクリプトール粒が含まれ、前記扇形状粒域に、黒鉛からなるクリプトール粒が含まれることが望ましい。このようにすれば、比抵抗の小さな黒鉛粒を用いた扇形状粒域の発熱量を小さくし、比抵抗の大きなコークス粒を用いた円形状粒域の発熱力を大きくすることができ、全体として効率のよい発熱粒域を構成することができる。

本発明は、クリプトール粒域の均熱性を確保して、クリプトール粒体への投入電力とガスのバランスによってガスの出口温度を自由に変えることができ、溶解原料を効率よく加熱することができる。そして、ＣＯ₂ガスを発生せず、始動・停止が容易である。

本発明に係る三相クリプトール炉の概略構造を示す断面図である。図１のＡ－Ａ線における断面図である。電極端子部を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。前記三相クリプトール炉の、電気系の回路図である。三相交流の負荷抵抗の結線形の他の例を示す図である。（ａ）（ｂ）はそれぞれ二枚の電極端子板に挟まれた状態で扇形状粒域（クリプトール粒域）の抵抗値を計算するための説明図である。クリプトール粒域を鉛直上方から見た図である。１相分のクリプトール粒域の示す模式図である。抵抗値の計算のための説明図である。

以下、本発明に係る一実施形態について説明するが、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。図１は、本発明に係る三相クリプトール炉の概略構造を示す断面図、図２は、図１のＡ－Ａ線における断面図である。

図１に示すように、三相クリプトール炉１は、円筒形の炉殻２の内部に断熱ボード７Ａ，７Ｂ及び炉体耐火物３が設けられ、炉殻２の内側であって炉床に近い部分に３つの給電端子部４が１２０°間隔で配置されている。

炉体耐火物３及び給電端子部４の内側は、クリプトール粒を充填してクリプトール粒域５とされ、それらの上側に、排気筒６が設けられている。排気筒６の内部に断熱ボード７Ｃ及び排気筒耐火物８（耐火断熱煉瓦）が設けられ、中央に、溶解原料Ｍを装入する原料装入口９Ａが設けられている。

なお、本実施形態では、一例として黒鉛を原料とするクリプトール粒を用いているが、コークスや炭化ケイ素を原料とするクリプトール粒を用いることも可能である。例えば、コークスは黒鉛よりも安価であり、設備が大型化した場合などはコスト面でのメリットが大きい。また、円形状粒域などに炭化ケイ素を用いることで、溶解原料が鉄鋼の場合などに溶鋼への加炭を防ぐことが可能となる。

クリプトール粒域５は、鉛直上方から見て、中央の円形状粒域５Ａと、その周囲に１２０°間隔で放射状に設けられ中央に向かって徐々に幅が狭くなる３つの扇形状粒域５Ｂとを有する。そして、扇形状粒域５Ｂの間には、扇状の炉体耐火物３がそれぞれ配置され、扇形状粒域５Ｂの上側にも炉殻２の上端まで炉体耐火物３が設けられている。

また、円形状粒域５Ａの上方中央に対応して原料装入口９Ｂが設けられている。原料装入口９Ｂは、円形状粒域５Ａとほぼ同径で、原料装入口９Ａより大径となっている。

各給電端子部４は、クリプトール粒域５の外周に接触する断面円弧状の電極板１０（内径Ｒ、高さＨ、半径角６０°）と、一端部が電極板１０に結合され他端部が炉殻２の外側に突出している給電ロッド１１とを有する。そして、電極板１０は、それぞれ、各扇形状粒域５Ｂの、半径方向外方の端面に対して、端面全体を覆うように設けられ、前記端面全体に接触している。

炉体耐火物３及び各給電端子部４の内側は、電極板１０の高さとほぼ同じ高さまでクリプトール粒が充填され、クリプトール粒域５となっている。なお、給電ロッド１１は、炉殻２に設けた開口に絶縁物１４を介して取り付けられている。また、断熱ボード７Ａは、半径方向内方に向かって電極板１０付近まで延びる厚さを有する。

また、クリプトール粒域５の下側に、溶湯受１２が設けられている。溶湯受１２は、高温耐火物からなり、クリプトール粒域５の中央部分である円形状粒域５Ａの下側に配置される皿形状の本体受部１２Ａと、本体受部１２Ａより半径方向外方に延び溶融物を外部に排出する樋形状の出湯樋部１２Ｂとを有する。

本体受部１２Ａの周回壁部１２Ａａに貫通孔１２Ａｂが設けられ、その貫通孔１２Ａｂを通じて、本体受部１２Ａの内部と出湯樋部１２Ｂの通路部分とが連通している。本体受部１２Ａ内にもクリプトール粒が充填され、円形状粒域５Ａの一部となっている。そして、クリプトール粒域５内を滴下してくる溶湯を集めやすいように円形状粒域５Ａとほぼ同じ外径を有し、下方に突出する筒状部を含む皿形状となっている。

これにより、クリプトール粒域５内を滴下してくる溶湯を本体受部１２Ａで受け、出湯樋部１２Ｂを介して外部に排出するようになっている。

溶湯受１２の本体受部１２Ａを貫通して、黒鉛製のアース電極１３が設けられ、三相電流の安定化が図られている。１３ａはアース電極端子である。

各給電端子部４は、図１及び図３に示すように、電極板１０、給電ロッド１１のほか、炉殻２と電極板１０との間に、閉空間である空隙部Ｓを形成する支え枠１５と、給電ロッド１１に設けられ空隙部Ｓに熱エネルギーの搬送媒体としてのガス（キャリアガス）を供給するガス通路１１ａと、電極板１０に設けられ空隙部Ｓからクリプトール粒域５にキャリアガスを供給する複数の小孔１０ａとを有する。１６は給電ケーブルである。

各給電端子部４では、給電ロッド１１からガス通路１１ａを通じて支え枠１５の空隙部Ｓ内にキャリアガスが供給され、そのキャリアガスが、電極板１０に設けられた多数の小孔１０ａより扇形状粒域５Ｂに供給される。その後、キャリアガスは、中央の円形状粒域５Ａに向かって流れて互いに衝突し、それから上方に向かって流れ、排気筒６を通じて排出されるようになっている。

このように、クリプトール粒域５を通って溶解原料Ｍに向かって上方に排出されるようにキャリアガスを、給電ロッド１１（ガス通路１１ａ）を用いて供給するキャリアガス供給手段が構成されている。

三相クリプトール炉１の回路は図４に示すように構成され、受電キュビクル２１から単相変圧器２２を介して各給電端子部４に接続されてなり、三相の低圧大電流の交流電流を炉１に供給すると、内部に充填されたクリプトール粒（クリプトール粒域５）が発熱し、高温が発生する。なお、三相交流の負荷抵抗Ｔ１は、スター結線形を用いているが、図５に示すように、デルタ結線形の負荷抵抗Ｔ２とすることも可能である。

このような本発明に係る炉は、クリプトール粒領域の容積が、従来の炉（特開昭５９－２２５２８３号公報参照）に比べて大きくすることができるので、投入された電力が同じであれば、発生する高温体の温度は低くなる。これは、鉄・銅・アルミニウム合金のように融点の低い金属の溶解に適しており、一般の生産炉への適用が容易である。

また、生産炉として使用されるものであるから、５００ｋＶＡ以上の大型変圧器を用いるが、クリプトール粒の抵抗値は非常に小さいものであるため、変圧器の二次側出力電圧は小さく、二次電流は大きくなる。二次電流が３０ｋＶＡ以上となると、変圧器の二次側導体の交流インピーダンスを極力小さくする必要があり、二次側導体長をできるだけ小さくしなければならない。そのために、トランスは単相電圧器３台に分けて電極端子部のすぐ近くに配置しているのである。

（二枚の電極端子板に挟まれた扇状クリプトール粒域の抵抗値について）
続いて、クリプトール粒域５の電気抵抗について説明する。
図６（ａ）（ｂ）に示すように、高さＨの扇形状粒域１０１の内側と外側に金属製の電極板１０２，１０３を設け、電極板１０２，１０３間に交流電圧を印加すると、電極板１０２，１０３間に交流電流が流れるが、そのときの電極板１０２，１０３間の交流抵抗を求める。扇形状粒域１０１の中心点Ｏから半径ａの位置にある厚さΔａの弧状部分を想定すると、この弧状部分の抵抗値ΔＲは、下記の数式１で表すことができる。

Δａを極限まで小さくした場合のΔＲをｄＲとすると、下記の数式２のようになる。

したがって、電極板１０２，１０３間の総抵抗Ｒは、ｄＲをａ₁からａ₂まで積分したものであるから、下記の数式３のようになる。

供給されたキャリアガスはクリプトール粒域５（円形状粒域５Ａ，扇形状粒域５Ｂ）で発生したジュール熱を吸収して高温となるが、そのときの温度は次の数式４によって与えられる。

例えばキャリアガスをＡｒガスとし、それぞれの値をＥｇ＝３０ｋＷ、η＝０．８、Ｖｇ＝６０Ｎｍ³／ｈ、γｇ＝１．７８４ｋｇ／Ｎｍ³、Ｃｐ＝０．５２２ｋＪ／ｋｇ℃とすれば、下記の数式５となる。

この高温ガスの保有熱量により、円形状粒域５Ａの上部に置かれた被溶融原料の加熱及び溶解が行なわれる。つまり、給電端子部４より供給された不活性ガスが、クリプトール粒域５で発生する熱エネルギーの搬送媒体（キャリアガス）となっている。なお、キャリアガスは原料の加熱及び溶解に使用された後、ガス冷却器や集塵機を経て回収すれば、給電端子部４から供給するキャリアガスとして再使用することができ、非常に経済的である。

（高さＨの円形粒域に三相交流電量を流した場合の抵抗値について）
図７に示すように、クリプトール粒域５の円形状粒域５Ａの直径をＤとすると、他の寸法は次の数式６のようになる。

ｒ₂の値はどのように決めてもよいが、ここでは０．７Ｄとする。

そして、三相炉であるから，３つの電極板１０から三相交流電流がクリプトール粒域５の扇形状粒域５Ｂ内に流れ込むことになり、このクリプトール粒域５（厚さＨ）が三相負荷抵抗になる。

図８において、Ｒ₁部、Ｒ₃部、それらの間のＲ₂部の３つのゾーンを想定する。この３つのゾーンを合わせたものは、太線で囲まれたクリプトール粒域とほとんど重なっている。したがって、Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃それぞれのゾーン抵抗値が得られれば、クリプトール粒域の抵抗値Ｒは，３つの抵抗値を足したもので近似できるので、この３つの抵抗値を求めることにする。そして、Ｒ₁に、前述した数３の式を適用すると、次の数式７によって表すことができる。

Ｒ₃についても同様に表すと、次の数式８のようになる。

Ｒ₂の部分については、このままの形状では抵抗値を求めるのは困難なので、０．８Ｌ×０．８Ｂの長方形のゾーンに置き換えて抵抗値を求める（図９参照）。

上式において、θ₁＝６０°＝π／３，θ₂＝９０°＝π／２であるから、これを代入すると数式１０となり、Ｒを求めることができる。

この式では、Ｄの値を含まないことに注目すべきである。円形のクリプトール粒域の直径Ｄは、炉の大きさを決める基礎となる基準円直径であるが、三相交流負荷抵抗Ｒは、Ｄの大きさと無関係に、クリプトール粒域の高さＨとクリプトール粒の比抵抗ρによって決まることが分かる。

上記炉によれば、中央部のクリプトール粒域を円形にして給電端子部４よりの三相の電極電流が、扇形状粒域５Ｂを通じて円形状粒域５Ａに拡散して流れることによって粒域全体が発熱域となっている。クリプトール粒域５の大きさに見合った電流を供給することによって発生する高温を自由に設定できるため、設備の大きさに限界はなく、いくらでも大形の高温発生炉にすることが可能である。よって、溶融温度が１０００℃～１８００℃くらいの金属や金属酸化物の生産炉に適している。

電極端子として黒鉛電極棒ではなく、断面円弧状の金属製電極板１０を用い、その電極板１０の内側にクリプトール粒域５（扇形状粒域５Ｂ）を設けた構造とすることで、電極板１０とクリプトール粒域５（扇形状粒域５Ｂ）との接触部の面積を大きくして、その部分に発生する接触抵抗による発熱をできるだけ小さくなるようにしている。給電端子部４の電力損失を小さくすることができ、炉設備の大型化も容易になる。

このように給電端子部４があまり高温にならないので、水冷化の必要はなく、キャリアガスによる冷却（空冷）で対応できる。よって、本発明に係る三相クリプトール炉は、次のような効果を発揮する。

(i)中央部のクリプトール粒域の均熱性を確保する。
給電端子部４からクリプトール粒域５に向かってＡｒガスやＮ₂ガスのような不活性ガスをキャリアガスとして供給するので、クリプトール粒域５内で発生する局所的な不均一発熱が平準化されて、クリプトール粒域５全体に亘っての均熱性が確保され、溶解原料Ｍが効率よく加熱される。

(ii)クリプトール粒域５への投入電力とキャリアガスのバランスによってキャリアガスの出口温度を自由に変えることができる。
クリプトール粒域５に投入された電力は、炉体構造に由来する熱損失を除いてほとんどの熱エネルギーはキャリアガスに吸収される。したがって、投入電力を一定とした場合、ガスの出口温度はガスの流量に反比例して変化するので、ガス流量によってガスの出口温度を自由に制御できる。

(iii)ＣＯ₂ガスが発生しない。
ＣＯ₂ガスが発生しないので、脱炭素を実現する生産設備となる。従来、生産現場で使用されている竪型の連続溶解炉（例えば、キューポラなど）では高温を得るためにコークス燃焼を利用しているので、ＣＯ₂ガスが大量に発生するが、本発明に係る電熱式キューポラにすれば、鋳物の生産現場における脱ＣＯ₂ガス化に大きく貢献することができる。

(iv)始動・停止が容易である。
熱源として電力のみを使用しているので、一般の電気炉と同じく炉の始動・停止が容易である。コークス、重油、ガスなどの石化燃料を用いる連続溶解炉は、始動の際、炉況が安定するのに時間がかかる場合が多いが、本発明炉では、始動の際に、始動電流を短時間クリプトール粒域に供給するだけで高温安定状態が得られるので、生産現場における作業性が非常によくなる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。

例えば、上記した実施形態では、キャリアガスとして不活性ガスのＡｒガスを用いていたが、これ以外の不活性ガスや還元性ガスを用いることもできる。また、Ｈ₂ガスのような還元性ガスを用いることで、溶解原料が鉄鉱石のような金属酸化物の場合に、原料の還元溶融を行うことも可能である。

また、上記した実施形態では、一例として黒鉛を原料とするクリプトール粒を用いたが、コークスや炭化ケイ素を原料とするクリプトール粒を用いることも可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲に含まれる。

１三相クリプトール炉
２炉殻
３炉体耐火物
４給電端子部
５クリプトール粒域
５Ａ円形状粒域
５Ｂ扇形状粒域
６排気筒
７Ａ，７Ｂ断熱ボード
８排気筒耐火物
９Ａ，９Ｂ原料装入口
１０電極板
１０ａ小孔
１１給電ロッド
１１ａガス通路
１２溶湯受
１２Ａ本体受部
１２Ａａ周回壁部
１２Ａｂ貫通孔
１２Ｂ出湯樋部
１３アース電極
１３ａアース電極端子
１４絶縁物
１５支え枠
１６給電ケーブル
Ｍ溶解原料
Ｓ空隙部

Claims

筒形の炉殻の内部に炉体耐火物を設け、３つの給電端子部を前記炉殻の内側に１２０°間隔で配置し、前記炉体耐火物及び前記給電端子部の内側にクリプトール粒を充填してクリプトール粒域とする三相クリプトール炉であり、
前記クリプトール粒域の上方に、溶解原料を装入する原料装入部が配置され、
前記給電端子部は、前記クリプトール粒域の外周に接触する電極板と、一端部が前記電極板に結合され他端部が前記炉殻の外側に突出している給電ロッドと、を有し、
さらに、前記クリプトール粒域を通って上方に排出されるように、前記給電ロッドを用いてガスを供給する、ガス供給手段が設けられていることを特徴とする、
三相クリプトール炉。
前記ガス供給手段は、
前記給電端子部に設けられ前記炉殻と前記電極板との間に空隙部を形成する支え枠と、
前記給電ロッドに設けられ前記空隙部にガスを供給するガス通路と、
前記電極板に設けられ前記空隙部から前記クリプトール粒域に前記ガスを供給する複数の小孔と、を有する、
請求項１記載の三相クリプトール炉。
前記ガスは、酸化性ガス以外のガスである、
請求項１記載の三相クリプトール炉。
前記ガスは、Ｎ₂やＡｒガス等の不活性ガス、またはＨ₂ガス等の還元性ガスである、
請求項１記載の三相クリプトール炉。
前記クリプトール粒域は、鉛直上方から見て、中央の円形状粒域と、その周囲に１２０°間隔で放射状に設けられた３つの扇形状粒域とを有し、
前記電極板は、断面円弧状であり、
前記各扇形状粒域の半径方向外方の端面に前記電極板が接触している、
請求項１記載の三相クリプトール炉。
前記クリプトール粒域の下側に溶湯受が設けられ、
前記溶湯受が、前記クリプトール粒域の中央部分の下側に配置されクリプトール粒を保持する本体受部と、前記本体受部より半径方向外方に延び溶融物を外部に排出する出湯樋部とを有する、
請求項１記載の三相クリプトール炉。
前記溶湯受の本体受部を貫通してアース電極が設けられている、
請求項６記載の三相クリプトール炉。
前記電極板は、それぞれ前記各扇形状粒域の、半径方向外方の端面に対して、端面全体を覆うように設けられている、
請求項５記載の三相クリプトール炉。
前記本体受部は、貫通孔を有する周回壁部が設けられた皿形状であり、
前記出湯樋部は、通路を有する樋状であり、
前記本体受部の周回壁部の内部が、前記貫通孔を通じて、前記出湯樋部の通路に接続されている、
請求項６記載の三相クリプトール炉。
前記クリプトール粒には、
コークスからなるクリプトール粒、黒鉛からなるクリプトール粒のいずれかが含まれる、
請求項１記載の三相クリプトール炉。
前記クリプトール粒域において、
前記円形状粒域に、コークスからなるクリプトール粒が含まれ、
前記扇形状粒域に、黒鉛からなるクリプトール粒が含まれる、
請求項５記載の三相クリプトール炉。