JP4729582B2 - 交流電気炉内に電気エネルギーを供給する電子式スイッチングの方法 - Google Patents

Description

本発明は、交流電気炉の少なくとも１つの電極に給電して、特にエネルギーによって金属を熔解する電子式スイッチングの方法に関する。

本発明は、電気炉で非鉄金属，鉄合金，プロセススラグ及び鋼を生産しかつスラグ精製する電気炉で使用可能である。これらの電気炉は、電気誘導炉，低シャフト型電気炉又はアーク炉として構成され得る。

交流電気炉に給電するこのような電子式スイッチング回路は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第 2 034 874号明細書から公知である。この明細書で開示された電子式スイッチング回路は、主電源と電気炉の少なくとも１つの電極との間に接続されている。この電子式スイッチング回路は、電極用のオン／オフスイッチ，電極用の供給電圧を主電源から提供する変圧器及び変圧器と電極との間に接続された電極の通電を制御する交流制御器から構成された直列回路を有する。

交流制御器は、一般に逆並列接続されたサイリスタから構成され、位相制御式の電流制御を実現する。この場合、交流制御器の出力分割を実現するサイリスタが、一般に電気炉の全ての動作範囲に、すなわち非常に大きい電流範囲に仕様決定されている。大きい供給電圧によって運転される特に大出力の炉の場合、サイリスタの高い遮断電圧に起因して、一般に非常に高価な直列接続したサイリスタが必要である。しかしながら大きい遮断電圧を有するサイリスタは、大きい電流を切り替えできない；特定の運転状態の場合、特に電気炉の抵抗運転の場合に必ず起こりうるような大きい電流を切り替えるためには、それ故に多くの個別のサイリスタ又は全ての交流制御器を並列接続する必要がある。したがってこのときに、少なくとも個々の運転状態で必要な高い電極電流を通電することができる。それ故に電気炉の確実な運転を全ての運転状態で、特に高い電極電流でも保証するためには、従来の高価でかつ経費のかかる変換回路が必要である。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第 2 034 874号明細書

本発明の課題は、従来の技術から出発して電気炉の運転が全ての運転状態で、特に高い電極電流でも問題なく可能であるように、公知の電子式スイッチング回路及び電気エネルギーを交流電気炉内に供給する方法を構造的に簡単にかつ安価に改良することにある。

この課題は、請求項１に記載の電子式スイッチングの方法によって解決される。したがって交流電気炉に給電する本発明の方法で使用される電子式スイッチング回路は、電極に通電する電流量を測定する電流測定装置，交流制御器に対して並列接続されているバイパス−遮断スイッチ及び電極に通電する電流量に応じてバイパス−遮断スイッチを開閉する制御装置を特徴とする。

上述した特徴は、非常に簡単にかつ同時に安価に実現することができる。これらの特徴の使用される構成では、これらの特徴は、好ましくは迫っている過負荷時でも、すなわち特に大きい電極電流を必要とする電気炉の運転状態の間に交流制御器のバイパスを可能にする。例えば沈められた電極を有しかつアーク成分のない抵抗運転のような運転状態が、交流制御器に通電する電極電流の特別な制御を必要としない；このとき、この特別な制御の機能は、不必要であって要求通りにバイパスされる。電気炉の別の運転状態の場合、例えばアーク成分のある抵抗運転の間では、バイパス−遮断スイッチが本発明にしたがって開かれる。その結果、電極電流が、交流制御器に通電されてこの交流制御器によって制御され得る。一般に、アークを伴う運転の間に電極に通電する電流量は、アークのない抵抗運転の間より小さい。

本発明のバイパス−遮断スイッチによって実現される交流制御器に通電する電流の制限に起因して、電気炉の運転が制限されることなしに、この交流制御器は、好ましくは大幅に小さく寸法決めされ得かつより簡単にかつより安価に製造され得る。
交流制御器の直前及び直後に、さらにバイパス−遮断スイッチの端子間に追加の遮断スイッチを設けることは、バイパス−遮断スイッチが閉じられている時に、すなわち交流制御器がバイパスされる時に、電極電流が遮断され、同時に電気炉の運転が中断される必要なしに、この交流制御器が、例えばメンテナンスのために電子式スイッチング回路から取り出され得るという利点を奏する。バイパス−遮断スイッチを本発明にしたがって設けることによって、電子式スイッチング回路が、冶金学の要求に起因して生じるような電気炉のいろいろな運転状態に適合される。

さらに上述した課題は、交流電気炉つまりこの交流電気炉の電極に電気エネルギーを供給するために使用される方法によって解決される。この方法の利点は、使用される電子式スイッチング回路に関して上述した利点に一致する。
電子式スイッチングの方法の好適な構成は、従属請求項に記載されている。
全部で４つの図面が、明細書に添付されている。

以下に、本発明を上述した図面に関連して実施の形態の形式で詳しく説明する。
鋼を溶解するためには、３つ又は６つの電極を有する電気炉が一般に使用される。６つの電極を有する炉の場合、エネルギーを炉容器１２内に供給するための電極１１がそれぞれ、２つ一組に接続される。３つの電極１１を有する電気炉の場合、大電流の通電のリアクタンスを低減するため、これらの電極は、一般にナップザック回路(Knappsackschaltung)に接続されている。しかしながらこのナップザック回路の代わりに、これらの電極の星形回路(Sternschaltung)も可能である。

図１は、電気エネルギーを電極に供給する本発明の方法で使用される電子式スイッチング回路を示す。図１は、単相の図面である；対応するスイッチング回路が、その他の相に対して設けられ得る。

電極用のエネルギーは、一般に中間電圧網１から供給される。電子式スイッチング回路は、中間電圧網と電極１１との間に炉変圧器６を有する。この炉変圧器６の一次側が、以下で電源と呼ぶ中間電圧網１に面し、その二次側が、電極１１に面している。電子式スイッチング回路は、電源１と炉変圧器６の一次側との間に第１直列回路を有する。この第１直列回路は、電圧測定装置２，電気炉に接続し又は遮断する炉電力スイッチ３及び電流測定装置４を有し、炉変圧器の一次巻線を星形回路又はΔ形回路に選択的に接続する星形スイッチ／Δ形スイッチをオプションで有し、過電圧保護１３を有する。この星形スイッチ／Δ形スイッチは、炉変圧器６の測定電圧範囲を、例えば係数1.73だけ上又は下にシフトさせることを可能にする。

電子式スイッチング回路は、炉変圧器６の二次側と電極１１との間に主に第２直列回路を有する。この第２直列回路は、第１遮断スイッチ１０ａ，交流制御器８及び第２遮断スイッチ１０ｂから構成される。大電流遮断スイッチ９が閉じられている場合、炉の運転、特に浸された電極を有しかつアーク成分のない抵抗運転が中断される必要なしに、遮断スイッチ１０ａ及び１０ｂは、電気的な遮断つまり例えばメンテナンス作業に対する交流制御器８の取り外しを可能にする。交流制御器８は、位相制御式の電極電流の制御を可能にする。

本発明によれば、電子式スイッチング回路は、交流制御器８に対して並列接続され、かつ第１遮断スイッチ１０ａ及び第２遮断スイッチ１０ｂに対してもオプションで並列接続されたバイパス−遮断スイッチ９によって補充されてある。このバイパス−遮断スイッチ９は、制御装置１４によって制御される。この制御装置１４は、電流装置４によって測定される電極１１に通電する電流量に応じてバイパス−遮断スイッチ９を制御する。制御装置１４は、記憶装置にプログラミングした制御部，プロセスガイダンスシステム又はその他のコンピュータ保護されたシステムの形態で実現され得る。
本発明の方法で使用される電子式スイッチング回路に協働する電気炉の機能を、この電子式スイッチング回路の構成にしたがって詳しく説明する。

図２は、６つの電極を有する電気誘導炉用の一般的な電圧−電流−電力グラフであるＵ−Ｉ−Ｐグラフである。このグラフでは、有効電量１００が、縦座標上にプロットされた二次電流と横座標上にプロットされた二次電圧とに応じて示されている。特性曲線群２００が、炉抵抗を示す。電気炉の短絡インピーダンスは、ここでは特性曲線３００によって示されている。グラフ中のこれらの特性曲線は、一定なサイリスタ点弧角に対してだけ有効である。より大きい点弧角又はより小さい点弧角の場合、特性曲線の位置が、横座標に対してずれる。

特性曲線４ａと４ｂとは、変圧器巻線４ａの一次側の星形回路の場合と変圧器巻線４ｂの変圧器の一次側のΔ形回路の場合との二次電圧に応じた電極による最大許容電流を示す。特性曲線５００は、本発明の交流制御器８の最大測定電流、すなわち電流閾値を示す。

一般に、プロセス，使用材料及び製品に応じた電気炉の場合、主に以下の冶金学的な運転状態が区別され得る：
ａ）浸漬された電極を有し、アーク成分がない抵抗運転；
ｂ）僅かなアーク成分しか有さない抵抗運転；及び
ｃ）高いアーク成分を有する運転
これらの３つの運転状態を以下で詳しく説明する：

浸漬された電極を有し、アーク成分がない抵抗運転

プロセスに必要なエネルギーが、スラグの抵抗加熱によって生成される。電極１１が、スラグ中に明らかに浸漬されている。浸漬深さは、特に電極の直径に依存する；しかしながらこの浸漬深さは、一般に約200mm である。この運転方式では、電流が、スラグに通電される。これによって、電気エネルギーが、スラグの電気抵抗に起因してジュール熱に変換される。このジュール熱は、冶金学的な吸熱反応、例えば還元及び溶解を促進する。浸漬された電極を有し、アーク成分がない抵抗運転は、高い電極電流及び1000Ｖ未満にある比較的に低い二次電圧を特徴とする。

この運転方式の場合、浸漬された電極に起因した制御が、特に要求されない。それ故に電気炉は、一般的な電気炉である、すなわち電流制御なしに運転され得る。それ故に、この運転の間にブリッジ遮断スイッチ９を閉じること、すなわち交流制御器８をブリッジすることが望ましい。こうして、交流制御器８内の電力半導体である一般的なサイリスタが、大きい電流から保護される。

僅かなアーク成分しか有さない抵抗運転

電気炉のこの運転に必要なエネルギーの大部分が、スラグの抵抗加熱によって生成される。この場合、電流が、スラグに通電される。これによって、電気エネルギーが、スラグの抵抗によってジュール熱に変換される。このジュール熱は、冶金学的な吸熱反応、例えば還元及び溶解を促進する。追加のより小さいエネルギーが、電極の下の領域内又は電極に発生するアークによってもたらされ得る。最小限に浸漬された電極、又は、電極の位置が、スラグ槽のすぐ上にある場合に、このことが良好に実施される。この運転に対しては、一般に比較的大きい電流強度及び比較的低い電圧が必要である；図４，領域ｂ）参照。確かにこの運転モードの場合の電圧は、浸漬された電極の場合より明らかに高い。約30〜50ＭＷの電力の炉の場合、二次電圧は、一般に1000Ｖ前後の範囲内にある。

高いアーク成分を有する抵抗運転

この運転モードの場合、エネルギーのより大きい部分が、アークによってもたらされる。アークが、その放射熱を鉱石と融剤の混合物の層及びスラグ層に直接伝達する。この場合、基本的に、剥き出しのアークによる動作と覆われたアークによる動作とに区別される。

剥き出しのアークによる動作の場合、アークが、側面の熱放射を利用することなしに鉱石と融剤の混合物ＭｏｅつまりスラグＳに当たる；図３参照。この場合、Ｎは、覆われなかったアークの領域を示す。図３中には、電極１１，アークＬ，スラグＳ及び溶解された金属１５を通過する通電経路に関する補充した電気回路図もある。理想的な観点では、電極１１及び溶解された金属１５のオーミック抵抗は、零とみなされてもよい。このとき、電極電流に対しては、アークＬに起因したオーミック抵抗Ｒ_L 及びスラグＳに起因したオーミック抵抗Ｒ_S が残る。

覆われたアークによる動作の場合、電極１１の縁領域の一部が、鉱石と融剤の混合物Ｍｏｅによって覆われる；図３中の電極の右端参照。アークのエネルギーに加えて、ほぼ等しいか又はより小さい割合の抵抗加熱によってもたらされるエネルギーが、電極中に入力される。高いアーク成分を有するこの説明した運転モードに対しては、一般に高い電圧での低い電流が必要である；図４の領域ｃ参照。

30〜50ＭＷより上の電力を有する炉の場合、電圧は、一般に1000Ｖより上にある。不安定な傾向にあるアークは、非線形にかつ推計学的に振舞うので、電極電流を制御することが強く要求される。運転モードｃ）の場合、全ての必要な電極電流が、交流制御器８によって通電され制御される。この場合、大電流遮断スイッチ９が開かれている。

運転モードｂ）とｃ）との間の移行は不定である。電力の上昇が、まず変圧器６の二次電圧の上昇によって増大し、入力されるエネルギーのアークＬの割合が増大し、図３参照、そして電極電流に対する電流閾値３００を下回った場合に、ブリッジ遮断スイッチ９が開かれることが基本的に成立する。こうして、交流制御器が接続され、エネルギー入力を最適にするために使用される。これとは反対に、アークによるエネルギー入力が減少し、二次電圧が低下し、そして電極電流が増大する、すなわち基本的に電極電流によって電流閾値を超えた場合は、交流制御器８を適時に電気ループから再び取り外す必要がある。基本的に、ブリッジ遮断スイッチ９を開く電流閾値３００は、ブリッジ遮断スイッチを閉じる電流閾値に等しい。確かにこれらの両過程に対しては、例えばヒステリシスで組み合わせた異なる電流閾値も考えられる。

図４は、図２と同様に129 ＭＶＡのＦｅＮｉプロセスに対する６つの電極を有する電気炉内にエネルギーを供給するための本発明の方法で使用される電子式スイッチング回路のグラフに関する例を示す。図２と同様に、ここでも特性曲線３００は、交流制御器８に通電する最大電流及びブリッジ遮断スイッチ９に切り替えるための電流閾値を示す。交流制御器８は、この閾値の上の電極電流で遮断される。これによって、交流制御器の電気負荷が軽減される。このことには、交流制御器８の全体及び特にこの交流制御器８の電力半導体が遥かに小さく寸法決めされ得るという利点がある。このため、簡単で安価な解決手段が可能になる。

電気炉、特に電気還元炉が、運転モードｂ）及びｃ）に対して定められている場合でも、しかしながらこれらの電気炉は、ブリッジ遮断スイッチ９が閉じられている、すなわち交流制御器８がブリッジされている動作運転及び部分負荷運転の範囲内で運転され得る。

本発明の方法で使用される電子式スイッチング回路を示す。 電気誘導炉に対する一般的な電圧−電流−電力グラフであるＵ−Ｉ−Ｐグラフである。 電気炉内の電極及び溶鉱の断面図及び電極電流のこの部分に対する付随する補充した電気回路図である。 電気炉のさらにプロットされた異なる運転領域及びプロットされた電流閾値を有する図２にしたがうグラフである。

１ 中間電圧網
２ 電圧測定装置
３ 炉電力スイッチ
４ 電流測定装置
６ 炉変圧器
８ 交流制御器
９ 大電流遮断スイッチ
１０ａ 第１遮断スイッチ
１０ｂ 第２遮断スイッチ
１１ 電極
１２ 炉容器
１３ 過電圧保護
１４ 制御装置
１５ 金属

Claims (2)

1. 電気エネルギーを交流電気炉の少なくとも１つの電極（１１）に供給して、金属を溶解する以下のステップから成る方法であって：
   供給電圧を電源（１）から電気炉に対して供給し；そして
   交流制御器（８）によって電極（１１）に通電する電流を制御する方法において、
   前記電極に通電する電流量を測定し、
   前記電極（１１）に通電する電流量が、プリセットされている電流閾値（３００）を超えた時に、前記交流制御器（８）がブリッジされる結果、前記電気炉は、一方の運転モード（ｂ）としての僅かなアーク成分しか有さない抵抗運転によって運転され、
   当該電流量が、前記プリセットされている電流閾値（３００）の下にある時に、前記交流制御器（８）の当該ブリッジが開かれる結果、前記電気炉は、他方の運転モード（ｃ）としての高いアーク成分を有する運転によって運転されることを特徴とする方法。
2. 前記交流制御器（８）は、この交流制御部（８）がブリッジされている時に、前記電気炉の運転中に整備の目的で前記電極に給電する電子式スイッチング回路から取り外されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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