JP2641140B2 - くず鉄の溶融方法及びこの方法を実施するための電気炉 - Google Patents

くず鉄の溶融方法及びこの方法を実施するための電気炉

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、鉄を含む原料、特にくず鉄の溶融方法及び
この方法を実施するために改良された電気炉に関するも
のである。
従来の技術 くず鉄もしくは鉄を含む他の原料を溶解させ、所定の
金属組成物が得られるまで必要ならば合金の元素を添加
して得られた金属浴を還元するために使用される電気炉
は従来から知られている。
電気炉は、一般に、側壁と耐火性材料からなる炉床に
覆われた底部によって画成された炉体からなり、取外し
自在なヴォールト(丸天井)形の蓋によって閉じられて
いる。この蓋を少なくとも1つの電極が通過する。電極
は、一般に消耗型であり、グラファイトの棒からなる。
この電極は、鉛直方向に摺動するように装着されてい
る。従って、炉の装填物、通常はくず鉄の内部に下降す
ることができる。炉の装填物は、炉床に固定されている
少なくとも1つの電極と接触している。
単相交流炉もしくは直流炉の場合は、消耗電極と炉床
電極は電源の2つの極に接続されている。
二相交流もしくは三相交流炉の場合は、消耗電極は電
源の各々の極に接続されており、炉床と接触している電
極は装置の中性点となる。
このようにして、装填物と各消耗電極との間に1つも
しくは2つ以上の電気アークが形成される。このアーク
によって、くず鉄が溶解し、炉体の底部に金属浴が形成
される。
発明が解決しようとする問題点 これまで、交流炉が使用されることが多かった。しか
し、電極に直流電流を供給した方が騒音が少なく、また
交流の場合よりも高い電圧を利用できるのでエネルギー
効率が高いことが分かっていた。
しかし、これまで直流で電流量を極めて大きくして使
用することを回避してきたのは、導線、電極及び浴に常
に同方向に電流が流れると強力な磁界が形成されて、ア
ークが偏向するからである。また、電力が大きい場合、
複数の炉床電極及び電流帰還導線が使用される。この数
は、通常3である。しかし、この炉床電極及び電流帰還
導線はアークに大きな偏向効果を生じさせる磁界を形成
する。
装填物がくず鉄の形態の場合、電極はこのくず鉄内に
立坑を掘って侵入する。この立坑が一種のアーク間の絶
縁性を決定し、このアークの安定性を高める。反対に、
装填物が溶解している時には、電極、導線、装置のその
他の部分に電流が流れることによって生じる磁気効果の
影響を受けて、アークは予測できない方向に形成され
る。従って、このアークは極めて不安定である。
従って、アークが形成される最も温度が高い領域を炉
の中心に維持できない。その結果、炉の側壁と底部は、
極めて高い温度に露され、耐火性物質が大きく損耗す
る。
これまで、これらの欠点を解消するために、各々の導
線に電流が流れることによって生じる磁界が相互に釣合
がとれ、1つもしくは複数のアークが鉛直に維持される
ように可能な限り左右対称な装置を実現することが研究
されてきた。
例えば、文献DE−A−3,14,392では、すべての導線を
炉体の底部の下の同一点すなわち炉体の軸線上に配置し
ている。この点から導線は左右対称な方向に放射状に伸
び、負の導線は側壁に沿って鉛直方向に再上昇し、ヴォ
ールトの中心に装着された消耗電極と接続した可撓性導
線に接続される。
このような配置では導線の長さが長くなるので、装置
の費用も高くかかる。また、実際には導線の回路だけで
なく、その他の多数の有害な影響についても考慮しなけ
ればいけないので、完全な対称を得ることは極めて難し
い。
また、このようにすると、炉体の下に配置された空間
の大きさが増す。しかし、この空間はない方が好まし
い。
問題点を解決するための手段 本発明は、アークをより制御し、また、アークの鉛直
性を必ずしも維持しようとしなくても炉の所定の領域に
アークを向けることができる新規な方法を提供すること
を目的とする。
この領域は、一般に炉床の中央部である。従って、側
壁の過熱を防ぐこができる。また、ある地点、例えば冷
たいくず鉄及び/または添加材料の導入を行う地点にお
いて軸線に対してこの領域をずらすこともできる。
本発明によると、炉体の外表面に沿って、その炉体の
近傍に導線のグループ(群)を配置する。この導線のグ
ループは、各々が炉床電極に接続された電流帰還導線を
少なくとも2つ備えている。また、強度が制御された直
流電流の通過によって磁界が生じるようにこのクループ
の少なくとも2つの導線の外形と位置を決定する。この
磁界によるアークを偏向させる相互作用は、その他の導
線や装置の他の部分によって運転中に働く磁気の影響を
考慮して、アークが金属浴の所定の領域の方に向かうよ
うにする。
アークの収束を調節するために外形が決定されする導
線は、炉体の底部の下にある導線であることが特に好ま
しい。炉体の底部に沿ったこれらの導線の経路は、電流
が流れることによって生じる磁界によるアークに働く応
力の合力が可能な限り小さくなるように決定される。
別の実施態様では、炉体の側壁に沿って付加導線を位
置と方向を決定して配置する。この導線に制御された強
さの電流を流して、アークを浴の所定の領域に向けるこ
とができる磁界を形成する。
本発明の方法の別の可能な特性によると、炉体の底部
をなす金属の厚さ及び/または種類は、この炉体の底部
が電流が流れることによって生じるアークへの作用を最
小にすることができる磁気スクリーンを形成するように
決定される。
また、本発明は、炉体の底部の外表面に沿って配置さ
れ且つ電流が流れることによって生じる磁界が電気アー
クに与える影響が無視できるものとなる距離まで各々が
電極の領域に対して放射状に離れる第一の部分と、電源
に接続される第二の部分とを備える少なくとも2つの電
流帰還導線を備え、該電極の第一の部分は炉体の底部に
導入する手段を考慮して、電流帰還導線のグループの全
体の長さが最適な時に該導線を電流が流れることによっ
て生じた磁界がアークに作用する磁気の影響を考慮した
時に、相互相殺によって、このアークが金属浴の所定の
方向に向かうような全体の偏向効果を生じるように所定
の発散方向に沿って離れるような、本発明の方法の実施
のために改良された電気炉を提供することを目的とす
る。
本発明は、添付図面を参照した行う以下の実施例の説
明によって明らかとなろう。但し、この説明は、本発明
を何ら限定するものではない。
実施例1 第1図に、炉体1を備えるくず鉄溶融用電気炉を概略
的に示した。この炉体1は、底部11と側壁12によって画
成されており、ヴォールトの形態の取り外すことのでき
る蓋13によって閉じられている。炉体は転動式または回
動式の支持防14によって支持されている。この支持棒に
よって、炉体1を水平軸のまわりに傾動することがで
き、例えば一方にスラグを、もう一方に溶解した金属を
流すことができる。この流し孔とくず鉄の装填口は、図
示していない。
ヴォールト13には消耗電極が装着されている。例え
ば、グラファイト棒からなる3つの電極2は、通路65と
電気接続手段の役を果たす装置21内を鉛直方向に滑動す
るように炉体に装着されている。電極2を徐々に下降さ
せる手段は図示していない。
炉体1の底部11は、耐火性材料の炉床15によって被覆
されている。この炉床には底部11を通過する固定された
電極3が組込まれている。炉体1の近傍だが熱と流出す
る金属から保護するために十分な間隔を置いて、直流電
源4を配置する。この電源は、例えば2つの極を備える
変圧整流器である。2つの極は、各々、電流供給導線22
によって消耗電極2に接続された負の極41と電流帰還導
線5によって炉床電極3に接続された正の極42である。
周知のこの配置によると、電極内に電流が通過すると
電極2とくず鉄の間に電気アーク20が形成される。くず
鉄は溶解して液体状の金属浴16を形成している。電流
は、金属が完全に溶解し、合金元素の添加によって所望
の組成物が得られるまで流される。導線内が流れること
によって生じる電気アークへの磁界の影響を可能な限り
防ぐためには、導線は電極に平行な鉛直方向に十分な距
離まで延ばすのが好ましい。その結果、電源4に接続さ
れる導線の水平部分は、アークにあまり影響を与えなく
なる。これは、ヴォールト電極2のために図で採用して
いる解決策である。電流帰還導線5についても類似した
解決策を適用することができる。しかし、この配置にす
るには、炉体の下に位置する領域内を導線を通過させな
ければならないという欠点がある。しかし、この領域内
には、取り鍋の支持台用の通路をあけておくことが必要
である。
導線5を炉体に近づけると、導線に電流が流れること
によって生じる磁界によるアークへの作用が増大する。
本発明では例えば導線を炉体の底部から可能な限り離し
てこのような効果を防ごうとする代わりに、反対に導線
を炉体に近づけて、電流が流れることによって生じた磁
界を利用する。すなわち、導線の経路を適切に調節する
ことによってアーク形成領域の位置を制御する。
実際、現在の計算手段を有効に使用して、アークの方
向決定に作用することのできるあらゆる要素を考慮し、
十分な正確さでアークの予測可能な挙動を計算して導線
の経路を選択することを可能にする数学モデルを作るこ
とができる。
導線の取付けあるいは配線が可能であれば、炉体の底
部、場合によっては側壁に沿った特定な経路を辿らせて
電流帰還導線を炉床電極に接続することができるが、炉
体の下もしくはリング状の側壁12のまわりに付加的導線
を加えて、人為的に強度と方向が制御された磁界を形成
し、導線並びに一般にアークに作用する要素全体によっ
て生じる磁界を相殺することができる。
例として、第2図乃至第5図には電流帰還導線の可能
な様々な配置を示した。
一般に、本発明の方法の第一段階では、電流強度、炉
体の各部分の磁気特性、装填物の変化、特に溶解の各相
の途中での温度の上昇等を考慮して、例えば数学モデル
を使用して電流が流れるあらゆる要素のアークへの作用
を計算する。この計算では、特性及び位置が前もって固
定されている要素と変えることができる要素を区別す
る。さらに、この計算では導線の長さを計算に入れる。
第二段階では、アークの位置と金属浴の選択された領域
へのアークの収束を可能最大限有効に制御するのに必要
な導線の最小長さでの配置を決定する。そのために、磁
界を確実に相殺する導線の経路と、この結果に起因する
導線の長さの増加による導線の費用と電流の損失量の増
加との間の妥協点を求める。従って、一般的には、最大
限磁界を相殺できる最も経済的な導線の経路を決定す
る。
第2図至第5図は、炉床電極3と電流帰還導線5の配
置を上から見た図の概略図である。
第2図乃至第4図では、一般的な場合として、炉体1
の中央部に三角形に配置した3つの炉床電極31、32、33
を用いている。第5図の場合は、炉体の中心に配置した
1つの炉床電極34を用いている。変圧整流器4は、常に
図の上方に配置されている。
各々のケースに応じて、特に消耗電極2と装填物の装
填手段の取付け可能性に応じて、側部電極32と33との間
との間の距離Lと中央電極31と側部電極の平面との間の
距離lは変えることができる。
また、単一の中心電極34のみを使用する場合でも、生
じる磁界の均衡をより良くとることができる3本の電流
帰還導線5を炉体の下に配置することが好ましい。さら
に、各導線は一般に炉体の底面に沿って伸びて、対応す
る炉床電極から離れる第一の部分と変圧整流器に直接接
続する第二の部分とを有している。
中心導線51の第一の部分511は、変圧整流器4の方へ
も反対の方向へも直接向かうことができる。しかし、側
部電極52、53の第一の部分521、531は導線511に対して
互いに反対な角A、A′を成して発散する方向に沿って
電極領域から離れる。
第2図の場合には、中心の導線51の第一の成分511
は、電極32と33との間を通って変圧整流器4と反対の方
向に伸び、変曲部分513を介して接続部分512に接続され
ている。この場合、電極52及び53の第一の部分521及び5
31と変圧整流器の方向との間に各々形成された角A及び
A′は、45乃至60゜である。但し、この方向は、生じた
磁界をできる限り良く相殺できるように配置する可能性
に応じて決定される。導線の第一の部分511、521及び53
1は、変曲部分以外の接続部分によって生じた磁界がア
ークに対して無視できる程の影響しか及ぼさない距離ま
でほぼ直線方向に伸びている。
第3図の場合には、中央の導線の第一の部分511は、
電極32と33の平面に垂直な方向に沿って変圧整流器の方
へ直接向かっている。この場合、側部導線の第一の成分
521、531が上記方向に対して形成する角AとA′は、45
乃至135゜である。この場合、横の導線の向きは極めて
広範囲の中から選択でき、中央の導線51の長さは最小に
なることが分かる。
第4図の場合には、中央電極31が側部電極32と33が通
過する平面に対して変圧器4と反対側に位置している。
この場合、中央の導線の第一の部分511は、変圧整流器
4と反対の方向に伸びている。導線521と531の各々の角
AとA′は、0乃至45゜である。
第5図の場合には、炉体の底部11に1つの炉床電極34
のみが設けられている。しかし、この電極は、上記のよ
うに3本の導線51、52、53によって変圧整流器に接続さ
れている。このように電力を分割することができ、選択
された方向に電気アークを維持することを可能にする磁
界の相殺を確実に行うことができる。
この場合、中央の導線51は直接変圧整流器4に向かっ
ている。側部導線52、53の第一の部分521、531は、半径
方向に沿って対称的に伸び、導線51の方向との間に各々
角A及びA′を形成している。これらの角は、105乃至1
35゜である。
使用する電力、従って、電極およびと導線の分割数、
装置の各部分、特に底部の磁気特性、炉体の底部に沿っ
た経路に応じて多数の配置が採用できることが分かって
いる。
また、特に、炉体の底部に余裕が無くて電流帰還導線
に望ましい方向を与えることができない時には、炉体の
近傍で、炉体の側壁のまわりに誘導コイルを配置して導
線による作用を相殺することができる。
そのような配置を第6図に示した。第6図は、傾動板
10に装着され且つ消耗電極2と組合された炉床電極3を
備えた炉体1の炉床電極の軸を通る横断面図である。
上記傾動板10には、炉体の側壁のできる限り近傍に誘
導コイル6が装着されている。このコイルは、各々独立
した、可変の強さの直流電流が供給される1つもしくは
複数の巻線によって囲まれた軟鉄の鉄心からなる。その
ため、各コイル6は、直接、直流電源4に接続でき、強
度をより良く釣り合わせるために3本の導線62によって
整流器を介して変圧器4の3相に接続され3つの巻線を
備えている。しかし、第6図に示したように、分流して
電流帰還導線51にコイルを接続して、炉床電極3の帰還
電流によって直接上記コイルに電力を供給することもで
きる。
さらに、また、上記誘導コイルを、参照番号63で示し
たように炉体11の下に配置することもできる。
一般に、コイル6の位置と方向は、コイル内を電流が
流れることによって磁界が生じ、その磁界のアークへの
効果が装置の他の部分によって生じた磁気効果を相殺す
るように決定される。より改良された実施態様では、調
節手段64を使用してコイル6内の電流の強さを制御し
て、電気アークが浴の選択された方向に向かうようにす
ることと、またこの領域を常に移動させて炉体のあらゆ
る部分を同じ温度に保つことができる。
このように、前述の実施例では電流帰還導線の磁気効
果を利用していたが、最後の実施例では、電流帰還導線
の効果を相殺する付加磁界によってアークの中心決定を
行うことができる。
しかし、本発明による上記の説明の配置で電流帰還導
線内を電流が流れることによって生じる磁界の効果を相
殺することができるが、それでもやはり可能な限りこの
効果を最小にすることが重要である。この目的のため、
耐火性材料の炉床15の下に位置する炉体の底部11の透磁
率を大きくして、例えば、底部の厚さを厚くするか、透
磁率の高い特殊な合金で底部を形成して、電流帰還導線
51によって生じた磁界に対するスクリーンを形成するこ
とが好ましい。この厚さ及び/または合金の選択は、電
流帰還導線51を流れる電流の強さに応じて決定される。
また、磁気金属、一般には銅で作られている炉床の炉
床電極3が、底部11を通過して底部に磁界線の通過を可
能にする開口部30を形成している。従って、底部によっ
てもたらされる磁気保護を増大させるためには、磁気ス
クリーン35を電流帰還導線のまわりに配置することが好
ましい。この磁気スクリーンは、特殊な磁気特性を持つ
合金でつくられた厚い鋼板性のフードもしくは単なる円
盤の形態をしていて、炉床電極3の通過開口部30をマス
クするように水平な導線51の長さを最大限覆っているの
が好ましい。この円盤は、炉体の底面に控え棒36によっ
て吊るされた積層鋼板によって構成することができる。
もちろん、本発明は例として示した上記の実施例にの
み限定されるわけではなく、特許請求の範囲で定義され
る範囲を逸脱しない限り、均等手段を用いること、ある
いはアークの磁気効果全体を相殺するために上記に説明
した手段とは異なる手段を異なる方法で組合わせて、そ
の他の実施態様を考えることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、くず鉄溶融用電気炉全体の概略図であり、 第2図乃至第5図は、各々、電流帰還導線の経路の異な
る複数の実施例の概略図であり、 第6図は、本発明の別の実施態様の装置を備える炉の炉
体の概略的な側面図である。 (主な参照番号) 1……炉体、2……消耗電極、 3……炉床電極、4……変圧整流器、 5……電流帰還導線、6……誘導コイル、 10……板、11……底部、 12……側壁、13……蓋、 14……支持棒、15……炉床、 16……金属浴、20……アーク、 22……電流供給導線、35……磁気スクリーン、 36……控え棒、11……負の極、 42……正の極、51,52,53……導線、 61……導線、62……導線、 63……誘導コイル、64……調節手段

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】耐火性材料の炉床(15)で被覆された底面
    (11)を備え且つ取り外し自在な蓋(13)によって閉じ
    られた炉体(1)と、原料を該炉体に装填して溶解によ
    り液体状の金属浴(16)を形成する手段と、該蓋を通過
    して鉛直方向に摺動自在に装着された少なくとも1つの
    消耗電極(2)と上記炉床(15)に配置された少なくと
    も1つの固定された電極(3)とに各々電流供給導線
    (22)と電流帰還導線(5)を介して接続された2つの
    極(41,42)を備えた上記の各消耗電極(2)と原料お
    よび溶解した浴(16)との間に少なくとも1つの電気ア
    ークを形成する直流電源(4)とを含む直流式電気炉内
    で鉄を含む原料、特にくず鉄を溶解する方法において、
    上記炉体の底部(11)の外表面に沿った該炉体の近傍に
    炉床電極(3)に接続された少なくとも2つの電流帰還
    導線を含む導線群を配置し、上記導線群の少なくとも2
    つの導線を、制御された直流電流を流した際に、1つも
    しくは複数のアークが上記金属浴の所定領域に向うよう
    なアーク相互偏向効果を有する磁界を生じさせるような
    外形で、且つそのようになる方向に配置することを特徴
    とする方法。
  2. 【請求項2】1つもしくは複数のアークの方向を調節す
    る上記導線が、上記炉体の底部の下にある電流帰還導線
    (5)であることを特徴とする特許請求の範囲第1項に
    記載の溶解方法。
  3. 【請求項3】上記炉体の底部(11)に沿った上記電流帰
    還導線(5)の経路を、該導線を電流が流れることによ
    って生じる磁界によるアークに作用する力の合力ができ
    る限り小さくなるようにすることを特徴とする特許請求
    の範囲第2項に記載の方法。
  4. 【請求項4】上記炉体のまわりに付加磁界を形成する複
    数の誘導コイル(6)を、付加磁界の作用が他の導線の
    作用を相殺し且つ上記アーク(20)が上記浴の所定の領
    域に向くように配置し、電流を流すことを特徴とする特
    許請求の範囲第1項に記載の溶解方法。
  5. 【請求項5】上記誘導コイルが、付加的導線(62)を介
    して電源に接続されていることを特徴とする特許請求の
    範囲第4項に記載の溶解方法。
  6. 【請求項6】上記誘導コイル(6)が、炉床電極の電流
    帰還導線(5)に分流して接続されていることを特徴と
    する特許請求の範囲第4項に記載の溶解方法。
  7. 【請求項7】上記炉体の底面が電流通過によるアークに
    対する作用を最小にすることができる磁気スクリーンを
    構成するように、上記炉体の底部を構成する金属の厚さ
    および/または種類を決定することを特徴とする特許請
    求の範囲第1項乃至第6項のいずれか1項に記載の溶解
    方法。
  8. 【請求項8】電流の強さ、上記炉体の各部分の磁気特性
    及び溶解の各相の途中での温度の上昇に応じた装填物の
    変化を考慮して、電流が流れる全ての要素のアークに対
    する作用を計算することのできる数字モデルを作り、該
    計算においては特性及び位置が予め決定されている固定
    要素と変えることのできる可変要素とを区別する第一段
    階と、アークの方向を最適に制御するための導線を最小
    長さにするのに必要となる位置を決定するように導線の
    経路を変える第二段階とを含むことを特徴とする特許請
    求の範囲第1項に記載の方法。
  9. 【請求項9】耐火性材料の炉床(15)によって被覆され
    た底部(11)と側壁(12)によって区画され且つ丸天井
    形の取り外し自在な蓋(13)によって閉じられている炉
    体(1)と、 原料を前記炉体(1)に装入する手段と、 前記原料を溶融して溶融金属浴を形成する手段と を備える直流式金属溶融電気炉であって、 前記原料を溶融する手段が、 i)上記丸天井(13)を横切って鉛直方向に摺動自在に
    装着され、電気アークを発生する少なくとも1つの天井
    消耗電極(2)と、 ii)底部(11)を貫通し、底部(11)の所定の領域に配
    置された少なくとも1つの固定された電極(3)と、 iii)負極(41)が電流供給導線(22)により前記消耗
    電極(2)に接続され、正極(42)が少なくとも2つの
    電流帰還導線(51、52)により、少なくとも1つの炉床
    電極(3)に接続された直流電源と を備え、 iv)前記電流帰還導線(51、52)が、炉体(1)の底部
    (11)の外面に沿って配置され、これらの電流帰還導路
    の各々が上記電極(3)の領域から電流が流れることに
    よって生じる磁界が電気アークに与える影響が無視し得
    る距離だけ離れた第一の部分(511,521)と電源(4)
    に接続される第二の部分(512,522)とを備え、 v)該電極の第一の部分(521,522)が、炉体の底部に
    取り付け可能なように、電流帰還導線の群(5)の全体
    の長さを最適にした時に、該導線を電流が流れることに
    よって生じる磁界がアーク(20)に作用する全体の磁気
    の影響を考えた時に相互に相殺されて、該アークが金属
    浴の所定の方向に向かうような全体の偏向効果を生じさ
    せるように、所定の方向に互いに離れてゆくことを特徴
    とする電気炉。
  10. 【請求項10】前記炉体の側壁及び/または底部に沿っ
    て配置された複数の誘導コイル(6)を備え、該コイル
    に所定の強さの電流を流すと、アーク(20)が金属浴
    (16)の所定の領域に向かうことを可能にする付加磁界
    が形成されることを特徴とする特許請求の範囲第9項に
    記載の電気炉。
  11. 【請求項11】上記誘導コイル(6)には付加導線(6
    2)を介して電源(4)から独立した可変強度の電力が
    給電されることを特徴とする特許請求の範囲第10項に記
    載の電気炉。
  12. 【請求項12】上記誘導コイルが炉床電極(3)の電流
    帰還導線(5)に分流して接続されていることを特徴と
    する特許請求の範囲第10項に記載の電気炉。
  13. 【請求項13】上記炉体(1)の底部の厚さ及び/また
    はそれを構成する金属の種類が、該底部(11)を電流が
    流れることによって生じるアークの偏向効果を最小にす
    ることができる磁気スクリーンを構成するように決定さ
    れることを特徴とする特許請求の範囲第9項乃至第12項
    のいずれか1項に記載の電気炉。
  14. 【請求項14】上記炉体の底部(11)が炉床電極が通過
    する開口部(30)を備え、各電流帰還導線(51)は該電
    流帰還導線(51)とそれに対応する開口部(30)との間
    で該炉体(1)の底部(11)の下に配置された磁気スク
    リーン(35)と組合され、該スクリーンは対応する開口
    部(30)に対して導線(51)の水平な長さを可能な限り
    覆うように寸法が決められ、配置されていることを特徴
    とする特許請求の範囲第9項乃至第13項のいずれか1項
    に記載の電気炉。
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