JP2841569B2 - 直流アーク・プラズマ炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、アーク又はプラズマ放電によって生ずる高
温度を利用し、金属等の導電材料を加熱、溶解、精錬等
を行う直流アーク・プラズマ炉に関するものである。

［従来の技術］ 熱プラズマは超高温、高エネルギー源であり、アーク
放電によって、これを容易に発生させることが出来るの
で、溶接、溶解、反応等幅広い分野で利用されている。
そして溶接や溶解など容器（炉）の中で、アーク又はプ
ラズマを用いる場合には、容器内壁の耐熱対策や反応溶
解の均一性が設備及び操業面から重要である。

特に大容量のアーク・プラズマ炉では、耐火物損耗や
熱効率の点から、アーク又はプラズマからの伝熱が重要
である。

ここでは、代表例としてスクラップ溶解用アーク炉を
参考に、以下、従来技術の説明を行う。

従来から、例えば製鉄用の大容量アーク炉は、電源か
らの給電が容易で、かつ電圧の制御が容易であることか
ら交流式アーク炉が主力となっていた。

一方、近年では半導体技術の進歩によって、電力用半
導体素子も大容量化が可能となり、これに伴って、アー
ク炉も交流式アーク炉から直流式アーク炉に移行しつつ
ある。

この直流式アーク炉は、炉用変圧器までの経路及び設
備は交流式のものと同様であるが、炉用変圧器で炉用電
圧に降圧した後、サイリスタ装置等の整流装置により、
交流を直流に変換する。

そして、サイリスタ方式の場合には、直流回路に炉内
短絡時の過大な電流増加を抑制するための、直流リアク
トルが挿入されている。

また直流回路は、炉底電極に至るまでの導体（陽極
側）と、カーボン電極からなる可動電極に至るまでの導
体（陰極側）とから、給電用導体が構成されている。

従来の交流式アーク炉は、必ず３本の可動電極により
構成されていたが、直流式アーク炉の場合は、必ずしも
３本ではなく少なくとも１本の可動電極を用いればよ
い。

即ち、直流アーク炉の場合、容量150t炉位までは、１
本の可動電極で構成することが可能であり、電極の周囲
がシンプルとなるが、炉底電極が必要となる。

第６図は、従来の直流アーク炉の給電回路の構成例を
示す説明図である。

第６図において、１は炉用変圧器,2はサイリスタ変換
器,3及び3aは給電用の導体,4は直流リアクトル,5は直流
アーク炉,6は可動電極,7は炉底電極,8はホルダーアー
ム,9はスクラップなどの被溶解物である。

第６図において、一次側が図示しない交流電源に接続
された炉用変圧器１の二次側には、位相制御可能なサイ
リスタ変換器２の交流側入力端が接続されている。

また、サイリスタ変圧器２の直流側出力端の負極側
（−）は、給電用の導体３により直流リアクトル４を介
して、直流アーク炉５の可動電極６に接続され、さらに
サイリスタ変換器２の直流側出力端の正極側（＋）は、
給電用の導体3aにより、直流アーク炉５の炉底電極７に
接続され、直流電流Ｉの給電回路Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａが
構成されている。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のような、従来の直流アーク炉の給電回路では、
次のような問題がある。

即ち、従来は、特に考慮せずに給電用の導体３を配置
するか、或いは炉底電極７に出来るだけ均一に通流され
るように、炉底電極７の給電点を炉心を中心に対称点に
配置するようにしている。

このため、電源から直流アーク炉５に至るまでの給電
回路が作る磁場と、アーク自身の電流による電磁力によ
って、アークが一方向に振られてしまい、均等溶解を実
現する上での妨げになっている。

即ち、第６図に示すように、給電回路Ｃ−Ｄ−Ａ−Ｂ
の作る磁場Ｂによる電磁力Ｆによって、給電回路ループ
Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａの外側（図では右側）にアークが振
られてしまい、アークが向かう側の溶解が促進され、反
対側は遅れるので不均等な溶解となる。

また、炉底電極７の給電点を、炉心に対して対称に配
置しても、給電回路Ｃ−Ｄ−Ａ−Ｂの作る磁場Ｂを打消
すことは出来ず、上述のような問題は依然として残る。

本発明は、上記のような問題点を解決する被溶解物の
均等溶解を実現して、電力原単位や耐火物原単位の低減
を可能とする、直流アーク・プラズマ炉を提供すること
を目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本願発明は、アーク又
はプラズマによって加熱、溶解、精錬等を行う炉におい
て、 アーク発生部に気体及び／又は粉体を吹付けて、アー
ク柱を炉心より偏向させ、ホットスポット部よりアーク
を遠ざけ、熱量が不足してスクラップが溶け残っている
コールドスポット部に、アークからの放射・対流伝熱が
主に成されるように、気体及び／又は粉体を吹き込む装
置を付加した直流アーク・プラズマ炉である。即ち、本
願発明は、 アーク又はプラズマによって加熱、溶解、精錬等を行
う炉において、 アーク又はプラズマからの熱流が多くなるホットスポ
ット部から、アーク又はプラズマを遠ざけ、熱流が少な
くなっている方面に、アーク又はプラズマを偏向させる
ように単数又は複数の方向から気体及び／又は粉体を、
アーク又はプラズマに吹付けるようにしたことを特徴と
する直流アーク・プラズマ炉である。

また前記の炉において、炉壁の熱負荷を計測し、その
熱負荷に基づいて、気体及び／又は粉体のアーク又はプ
ラズマへの吹付け量を制御する上記の直流アーク・プラ
ズマ炉であり、 さらに、ホットスポット部の炉壁の前のスクラップが
無くなったことを、光学的又は熱的に検出して、その検
出値により、ホットスポット部からアーク発生部に、気
体及び／又は粉体のジェットを吹付けるようにした直流
アーク・プラズマ炉である。

［作用］ 本発明の直流アーク・プラズマ炉においては、アーク
に気体及び／又は粉体を吹きつけて、アークを偏向させ
ることによって、アークからの伝熱の方向を制御するも
のである。

まず、アークの特性について、第４図に基づいて述べ
る。

２つの電極間にアーク放電させると、その電極間はプ
ラズマ領域が形成され、これをアーク柱24と呼んでい
る。そしてアーク柱24が各電極６と接続している所を、
陰極点及び陽極点と呼んでいる。

アーク柱24は、プラズマ状態即ち弱電離気体であり電
磁流体である。そして、その中を電流が流れているた
め、外部から磁場で印加されると、電磁力でアーク柱24
が振られてしまう。

また流体であるので、例えば側面から気体などを吹付
けられると、これによってアーク柱24は振られる。

これらの現象は、磁気遮断器や気中遮断器等によっ
て、よく知られている。

また、アークからの周囲への伝熱は、図示する如く、
アーク光による放射伝熱と、アークジェット25による対
流伝熱とが支配的である。

ここでアークジェット25は、陰極点や陽極点におい
て、アーク柱24の電流が集中しているところで、電流自
身のピンチ力（電磁力）による電磁ポンプ作用によって
形成される。或いはプラズマトーチのように、強制的に
プラズマ作動ガスを流して、ジェットを強めているもの
もある。

従って、何等かの要因によって、アークがある方向に
偏向した場合、主に対流伝熱がその方向に強まるととも
に、放射伝熱もアーク柱24全体がその方向に露出する
（電極の陰から）ので強まり、偏向した方向が高い熱負
荷となる。

これが溶解や加熱の不均一性を招くわけであるが、先
に述べたように、アーク柱24は流体としての性質を持っ
ているので、側面から気体を吹付けると、その方に流さ
れる。

即ち、プラズマ状態の領域（導電性領域）が吹付けた
気体によって、冷やされたり流されたりするので、導電
性の電流の流れやすい領域が移動するため、アークがそ
ちらに偏向する。

以上のように、アーク柱24に気体や粉体などを吹付け
ることによって、アーク柱24を偏向させることができ、
吹付け方向や強さを制御することによって、アーク柱24
を特定の方向に偏向させ、伝熱量も制御することが可能
となる。

次に本発明の実施例について述べる。

［実施例］ 第１図及び第２図は、本発明の直流アーク・プラズマ
炉の実施態様例である直流アーク炉の側面及び平面から
みた説明図である。

第１図及び第２図において、10は気体及び／又は粉体
吹込装置（ガス吹込みノズル）,11はスクラップ検出装
置,12は炉壁,13はアーク（アーク発生部）,14はスクラ
ップ,15はガスジェット,16はコールドスポット,17はホ
ットスポット,18は溶鋼,19は出鋼口,20はガス吹込み制
御装置,21は電磁弁,22は流量調製バルブ、23は炉蓋であ
る。

尚図中、第６図と同符号は、同一または同じ機能を示
すので説明を省略する。

第１図及び第２図において、第６図と同様に一次側が
図示しない交流電源に接続された炉用変圧器１の二次側
には、位相制御可能なサイリスタ変換器２の交流側入力
端が接続されている。

また、サイリスタ変換器２の直流側出力端の負極側
（−）は、給電用の導電３により直流リアクトル４を介
して、直流アーク炉５の黒鉛製の可動電極６に接続さ
れ、さらに、サイリスタ変換器２の直流側出力端の正極
側（＋）は、給電用の導体3aにより、直流アーク炉５の
炉底電極７に接続され、直流電力Ｉの給電回路Ａ−Ｂ−
Ｃ−Ｄ−Ａが構成されている。

尚、黒鉛製の可動電極６はホルダーアーム８により支
持され、スクラップ等の被溶解物９を溶解可能に、上下
に可動するようになっている。

本発明の直流アーク・プラズマ炉は、第１図及び第２
図に示す如く、第６図の、従来の直流アーク炉５のホッ
トスポット17部に、ガス吹込みノズル10とスクラップ検
出装置（センサー）11を設け、スクラップ検出センサー
11によりガスを吹込み、ガス吹込み制御装置20により電
磁弁21並びに流量調整バルブ22を介して、ガスを吹込む
ようにしたものである。

スクラップ検出センサー11は、炉壁12へのアーク13か
らの熱負荷を検出し、熱負荷が大きくなると、炉壁12付
近のスクラップ14が無くなったと判断する。

但し、この他、光学的アーク光が、スクラップ14によ
って遮断されなくなったことで判定したり、パネルの温
度やガスを吹いて、その背圧で判定する方法等も用いる
ことが出来る。

また、ガス吹込みノズル10は、アーク13に向かってア
ーク柱24を反対側に振らせる（コールドスポット側16に
振る）ように、吹出し方向を定めている。そして、ガス
吹き込み制御装置20は、アーク13の偏向強さを調整出来
るように流量を調節できる。

またスクラップ検出センサー11によって、ホットスポ
ット17部にスクラップ14が無くなったことを検出する
と、ガス吹込み制御装置20が作動して、ガス吹込みノズ
ル10からアーク発生部13にガスを吹付け、アーク13をコ
ールドスポット16方向に偏向させる。

吹込むガスとしては、直流アーク炉の場合、電極の酸
化消耗の増大を招く純酸素は好ましくなく、安価な空気
または窒素を用いた。

また、炉内に、もともと装入する必要のある炭粉や石
炭等の粉体を、ガスと一緒に或いは単独に吹付けてもよ
い。

また、操業が安定している場合には、スクラップ検出
センサー11がなくても、特定の時期にガス吹込みノズル
10を作動させることができる。

次に、本発明の別な実施態様例である第３図に基づい
て説明する。

第３図は、ホットスポット17部だけでなく、図示する
如く、複数のガス吹込みノズル10を設け、第１図及び第
２図のスクラップ検出センサー11として、炉内の溶解進
捗度を判定する装置としての溶解進捗センサー26によっ
て、溶解の早い部分或いは遅い部分を検出し、アーク柱
13の偏向方向、偏向強さを自在に制御可能としたもので
ある。

上記の溶解の進捗度を検出する溶解進捗センサー26と
しては、炉壁12や炉蓋23各部に設けた熱流センサーなど
で、溶解が進んでいる所と遅れている所を判別する。こ
の溶解進捗センサーとしての熱流センサーの出力をもと
に、ガス吹込み制御装置20は、アークジェット25を溶解
の遅れている方向に偏向させるように、ガス吹込みノズ
ル10の組合わせ及びガス流量比を演算し、また溶解進捗
の差が大きい時には、ガス量を増して偏向の強さを大き
くして制御する。

これによって、溶解の進み方に応じて最適な熱負荷コ
ントロールが可能となる。

なお、この場合も気体だけでなく粉体を吹込んでよ
い。

またガス吹込みノズル10は、必ずしも炉壁12に設ける
必要はなく、炉蓋23を通してアーク発生部13に吹付けて
もよい。要はアーク13に衝突するように流体が吹付けら
れればよい。

次にノズルジェットによるアーク振れ防止の具体的な
例について、第１図〜第３図多び第５図に基づいて述べ
る。

第５図は本発明の制御フローを示す説明図である。

第３図に示す如く、本実施例では、溶解進捗センサー
26として、熱流計を用い、これによって計測するが、熱
流計はノズル10の真下の炉壁12の水冷パネルボックス部
に、炉周をほぼ均等に８ケ所に埋込み、その個所の熱流
を随時測定している。またガス吹込みノズル10は、炉の
周囲４ケ所に、熱流計１個おきの位置に配し、高さは炉
側壁の中央部位置に設置する。

吹込みノズル10の直径は30mmφ、カーボン粉を混入し
た窒素ガスを、音速以上の吹出速度で噴出させるように
した。そして、アーク発生部13である炉中心部の溶鋼18
のレベル＋100mmの方向に向かって、ガスジェット15を
吹き付けている。

或る熱流計が、その対向する炉側壁に取付けられた熱
流計の値より設定値以上の熱負荷を感じたら、アーク３
からの伝熱に偏向があると判断し、前述の熱流量差に応
じて吹出し速度を調整する。

例えば、第５図に示す如く、 S1:電流を通じ、アークを発生させ、スクラップの溶解
をスタートさせる。

S2:溶解進捗センサーとしての熱流計により熱流を連続
的に計測する。

S3:判断； No.iのノズルについて、 対応するセンサ出力（hi） hi＞設定値 ここで、hiはNo.iのノズルに対応した熱流計出力に、
その左右に設置された熱流計の出力の平均値を加えて1/
2した値を用い、設定値１を例えば20万Kcal/m²hrとし、 hi＞20万Kcal/m²hrか、 又は、 反対面に取付けたセンサー出力との差Δhiが設定値例
えば５万Kcal/m²hrとし、 Δhi＞５万Kcal/m²hrか、 何れかがYesならば、次ぎのステップに、Noならば再
びS2に戻る。

S4:S3において、Yesならば、No.iのノズルをタイマーを
設定して、一定時間N₂ガスをパージし、ノズルを開放す
る。

S5:Δhiに比例させた流量にて、カーボン粉を混入したN
₂ガスをNo.iのノズルより噴射させる。

S6:次いで、Δhiが設定値例えば２万Kcal/m²hrとして、 Δhi＜２万Kcal/m²hrを設定し、 Noならば再びS4に戻り、 Yesならば、次ぎのステップに移向する。

S7:No.iのノズルのN₂パージをタイマーを設定し、一定
時間行う。

S8:No.iのノズルの噴射を停止する。

以上の如きフローで、No.iのノズルについて行い、各
ノズルについても同様に行った。

又、S4〜S7については、対向しない２本のノズルを各
々流して同時に使用することもある。

尚本発明の実施例においては、直流アーク炉を実施態
様例として述べたが、本発明は直流プラズマ炉にも適用
できるものである。

［発明の効果］ 本発明の直流アーク・プラズマ炉によれば、アーク・
プラズマの偏向の方向や強さを制御できる気体／粉体吹
込み装置を設けたので、炉内の熱負荷が制御可能となっ
た。

この結果、 炉内の加熱溶解の均一化が図れ、運転時間や炉壁への
熱損失が低減する。

炉壁の損耗、損傷が低減され、トラブルがなくなった
とともに耐火物原単位が向上する。

等の効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】 第１図及び第２図は本発明の実施態様例である直流アー
ク炉の側面及び平面からみた説明図、第３図は本発明の
別な実施態様例における直流アーク炉の平面からみた説
明図、第４図は本発明における作用の説明図、第５図は
本発明の制御フローを示す説明図、第６図は従来の直流
アーク炉の側面からみた説明図である。 図において、1:炉用変圧器,2:サイリスタ変圧器,3,3a:
給電用の導体,4:直流リアクトル,5:直流アーク炉,6:可
動電極,7:炉底電極,8:ホルダーアーム,9:被溶解物,10:
気体及び／又は粉体吹込装置（ガス吹込みノズル）,11:
スクラップ検出装置,12:炉壁,13:アーク（アーク発生
部）、14:スクラップ,15:ガスジェット,16:コールドス
ポット,17:ホットスポット,18:溶鋼,19:出鋼口,20:ガス
吹込み制御装置,21:電磁弁,22:流量調整バルブ,23:炉
蓋,24:アーク柱,25:アークジェット,26:溶解進捗センサ
ー。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アーク又はプラズマによって加熱、溶解、
   精錬等を行う炉において、 アーク又はプラズマからの熱流が多くなるホットスポッ
   ト部から、アーク又はプラズマを遠ざけ、熱流が少なく
   なっている方面に、アーク又はプラズマを偏向させるよ
   うに、単数又は複数の方向から気体及び／又は粉体を、
   アーク又はプラズマに吹付けるようにしたことを特徴と
   する直流アーク・プラズマ炉。
2. 【請求項２】前記の炉において、炉壁の熱負荷を計測
   し、該熱負荷に基づいて、気体及び／又は粉体のアーク
   又はプラズマへの吹付け量を制御することを特徴とする
   請求項１記載の直流アーク・プラズマ炉。
3. 【請求項３】前記の炉において、前記ホットスポット部
   の炉壁の前のスクラップが無くなったことを光学的又は
   熱的に検出して、該検出値により、前記ホットスポット
   部から、アーク発生部に気体及び／又は粉体のジェット
   を吹付けるようにしたことを特徴とする請求項１記載の
   直流アーク・プラズマ炉。