JP5137990B2 - 電気抵抗炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気的に製鋼原料などを溶解する電気抵抗炉の操業方法に関する。

鉄鋼材料の１種であるステンレス鋼は、たとえば電気アーク炉でスクラップなどの原料が溶解され、転炉で脱炭され、さらに脱ガス工程で精錬と成分調整とが行われるという製鋼工程にて溶製される。製鋼工程以外の工程も含めてステンレス鋼の生産工程では、たとえば集塵ダスト、酸洗スラッジなどの副生物が多量に発生する。

これらの副生物は、金属成分を含むので有用であるが、その再利用方法が確立されていなかったので、従来産業廃棄物として処分されていた。しかし、現在では資源の有効利用の観点から見直され、副生物をステンレス鋼の製鋼原料として再利用することが試みられている。

生産工程で発生する副生物は、含有される金属成分の比率が少なく、またその形状が粉状または泥状であることが多い。すなわち、副生物は、電気伝導率が低く細粒なので、これを電気アーク炉の溶解原料として使用すると、均一なアークを発生させることが困難になり、またアーク発生時の衝撃で飛散するなどの難点がある。したがって、副生物を電気アーク炉の製鋼原料として利用することは好ましくない。そこで、副生物を製鋼原料として再利用するための炉としては、炉体内の原料に対して電極から直接通電し、原料で発生する抵抗発熱を利用して溶解させる電気抵抗炉が考えられる。

このような炉体内の原料に電極から直接通電することによって原料を溶解させる電気抵抗炉は、一般的には、高炉で生成されて固化したスラグの再溶解などに用いられている（特許文献１参照）。

図１１は、製鋼原料の溶解に用いられる電気抵抗炉１の構成を示す。電気抵抗炉１は、上方に向かって開口部２が形成され内面が耐火材３によって内張りされる炉体４と、開口部２から炉体４の内部へ挿入され炉体内の原料に通電するための棒状電極５とを含む。電気抵抗炉１では、３本の電極５を備えるので、個々の電極をそれぞれ５ａ，５ｂ，５ｃで表し、総称する場合には電極５で表す。

電気抵抗炉１では、電極５が炉体内の原料に没入され、３本の電極５ａ，５ｂ，５ｃの相互間に三相交流が供給されることによって、原料に電流が直接流れて抵抗発熱し、原料が溶解される。原料の溶解が進行するのに伴い、開口部２からシュータを使用して炉体内へ原料が追加投入される。原料が繰り返し追加投入されて炉体内の溶解された原料がある程度の量に達すると、電極５への電力供給を停止し、炉体４および耐火材３を貫通するようにして予め形成されたタップ孔６に詰められている封止材７を除去し、タップ孔６から溶解した原料の金属成分を出湯させる。なお、金属成分を出湯させた後、炉体内で金属成分の層上に生成されている溶解スラグもタップ孔６から出して除去する。

このような電気抵抗炉１の操業における原料の追加投入に際しては、電気抵抗炉１の内部の炉内状況を知ることができないので、炉の操作者が、開口部２から目視して得られる外観状況に基づいて炉内状況を想像しながら、予め決められたタイミングで、予め決められた量の原料を投入している。

電気抵抗炉１では電極相互間で通電するので、電流は電極５の先端部付近で最も多く流れる。したがって、炉体内の温度分布が必ずしも均一にはならず、相対的に温度の低い部分が生じることがある。このような温度の低い部分は耐火材３で構成される炉壁付近に発生し易く、炉壁に原料が固着して塊状物８が生成されることがある。この塊状物はクラストと呼ばれることがある。

クラスト８が生成されて炉体４の内方に向かって成長すると、平面的に考えた場合には溶解に利用できる有効な炉内面積が減少し、三次元的に考えた場合には炉内容積が減少する。

開口部２からの目視による外観状況のみに基づいて原料を追加投入すると、炉内面積の減少した部分に原料が投入されることがある。このような場合、投入された原料は、電極５の先端部付近であって抵抗発熱が多く温度も高い領域へ円滑に落下することができない。その結果、追加投入される原料を逐次抵抗発熱で溶解させることができず、原料の効率的な溶解を行うことができなくなる。

さらに、投入された原料が、炉内面積の減少した領域で滞留し溶解されることなく軟化して一体化すると、開口部２をあたかも蓋のようにして塞ぐという、いわゆる棚吊りを形成することがある。棚吊りが形成されると、以後に投入される原料は、棚吊りの上に堆積され、電極５の先端部付近であって抵抗発熱が多く温度も高い領域へ達することができなくなる。また、電極５からの通電によって生じる抵抗発熱は、炉体内であって棚吊りの下方に存在する原料の昇温に大部分が費やされるので、棚吊り下方の原料が過昇温の状態になる。この過昇温になった原料からの熱伝導や輻射によって棚吊りが溶解して一気に崩落すると、棚吊りの上に堆積していた未溶解の原料が溶解した原料中へ落下する。棚吊りから落下した原料が溶解された過昇温の原料と急激に反応することによって発生するガスと、原料そのものとが、炉体内から外方に向かって噴出し飛散する現象を吹上げという。吹上げが発生すると、飛散した原料およびガスによって炉体内の熱が外へ持出されるので、熱損失が増大し原料の溶解効率が一層低下する。

このように、クラスト８が成長して炉内面積・容積が減少した状態で操業すると、原料の溶解効率が低下し、原料の溶解処理量が減少して電力原単位も増加するという問題がある。

電極５の昇降は、クラスト８が成長して炉内面積・容積が減少している位置に関わらず、電流値をほぼ一定にする自動制御によって行われている。すなわち、原料内への電極５の没入深さが深いと、深い位置の原料温度は高く、また電極５の通電面積も大きくなり抵抗が小さくなるので電流が多く流れる。このような場合、電流値が所定値まで減少するように電極５を上昇させ、原料に対する電極５の没入深さが浅くなるように制御される。一方、原料内への電極５の没入深さが浅く、電流値が所定値よりも小さい場合は、上記と逆に電極を下降させるように制御される。このことによって、原料に対する電極５の没入深さはほぼ一定に保たれるが、クラスト８の成長位置とは無関係に電極５が昇降されるので、上記のような溶解効率の低下などの問題が生じる。

一般的に鉄材料の溶解に使用する高炉に関する先行技術には、炉底および炉壁を構成する耐火物に複数の温度センサを設け、温度センサによる測定値に基づいて伝熱解析を行い、炉底耐火物の侵食形状および炉底耐火物上に生成した炉内溶融物の凝固層形状を予測するというものがある（たとえば特許文献２および特許文献３参照）。

特開昭５８−１７３３７９号公報 特開平７−２７８６３２号 特開平９−６７６０７号公報

特許文献２および特許文献３では、炉底耐火物の寿命が高炉寿命を律速することから、炉底耐火物の侵食形状および炉底耐火物上に生成した炉内溶融物の凝固層形状の予測精度を向上することによって、高炉寿命診断の精度を向上することが開示される。

特許文献２および特許文献３には、いずれも炉内状況を推測することが開示されるが、推測した炉内状況を炉底耐火物ひいては高炉の寿命予測または延長のために用いているに過ぎず、炉内の原料の溶解効率を向上させるという思想については、全く開示も示唆もしていない。

本発明の目的は、電気抵抗炉を使用して溶解効率と電力原単位とに優れ、棚吊り等のトラブル発生が少ない電気抵抗炉の操業方法を提供することである。

本件発明者らは、電気抵抗炉の炉壁の厚さ方向に伝わる熱流量に基づく熱伝導計算から求められる炉体内の所定温度の位置を連ねて形成される炉内プロフィールと、電極の昇降手段の動作から推測される炉体内における電極位置との両者を可視化することによって、炉内状況の把握が可能になること、また把握される炉内状況に基づいて電極位置を炉体内の溶解に好適な位置へ配置することによって、原料の効率的溶解と棚吊り等のトラブル発生の防止とが実現されるとの知見を得て本発明の完成に至ったものである。

本発明の電気抵抗炉の操業方法は、その課題を解決するため、炉体内で複数の電極間で通電して、電極間に介在する被溶解物を溶解させる電気抵抗炉の操業方法であって、
被溶解物が炉体の内壁に固着して生成される塊状物の溶解温度として予め定められる温度の位置を連ねて炉内プロフィールを作成し、
炉内プロフィールおよび電極の位置を可視化し、
可視化される炉内プロフィールおよび電極の位置に基づいて、操業条件の調整を行うことを特徴とする電気抵抗炉の操業方法である。

また、本発明の前記操業条件の調整は、前記被溶解物の前記炉体内への追加投入に関して行うことを特徴とする。

また本発明で前記操業条件の調整は、前記電極に関して行うことを特徴とする。

また本発明の前記電極は、実測値を操業１チャージあたりの消耗量で修正した長さと、基準位置からの昇降量とに基づいて先端位置を推定し、
前記電極に関して行う操業条件の調整は、前記塊状物が炉内に成長している場合、成長位置に電極先端の推定位置を移動させて行うことを特徴とする。

また本発明は、前記塊状物の溶解温度として予め定められる温度の位置を、
炉体の炉壁に複数の測定箇所を分布させ、各測定箇所で炉壁の厚さ方向に複数の温度センサを設けて検出する温度を用いて熱伝導計算することによって求めることを特徴とする。

本発明の電気抵抗炉の操業方法によれば、可視化された炉内状況に基づいて製鋼原料の溶解を行うことができるので、溶解効率が高くて処理能力に優れるとともに、電力原単位が低く抑えられ、さらに棚吊り等のトラブル発生を防止することが可能になる。

本発明の実施の一形態としての電気抵抗炉の操業方法を適用する溶解装置１０の構成を簡略化して示す。 炉体内の周方向に熱電対２３が設けられる位置を示す。 熱電対２３が耐火材３の厚さ方向に設けられる位置を示す。 炉内プロフィール作成装置３１における炉内プロフィールの求め方を説明するものである。 炉内プロフィール２０と電極５の推定位置とを１つに集合して図形化したものである。 電気抵抗炉１１の上面から見た炉内プロフィールである。 電気抵抗炉１１の断面から見た炉内プロフィールである。 電気抵抗炉１１の上面から見た炉内プロフィールである。 電気抵抗炉１１の断面から見た炉内プロフィールである。 本発明のもう一つの実施形態である溶解装置に備わる可視化装置６１の構成を簡略化して示す。 製鋼原料の溶解に用いられる電気抵抗炉１の構成を示す。

図１は、本発明の実施の一形態としての電気抵抗炉の操業方法を適用する溶解装置１０の構成を簡略化して示す。
溶解装置１０は、電気抵抗炉１１と、可視化装置１２とを含む。可視化装置１２は、後述するように炉内プロフィール２０を作成して表示する。なお、本実施形態の電気抵抗炉１１で、図１１に示す電気抵抗炉１と対応する部分については同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。

電気抵抗炉１１は、内面が耐火材３によって内張りされる炉体４と、３本の棒状電極５と、電極５を昇降させる電極昇降装置２１と、電極５の昇降量を測定する昇降量測定器２２と、耐火材３の内部に設けられる複数の温度センサ２３とを含む。なお、図１では図示を省略しているけれども、電気抵抗炉１１の周囲には、電極５に電力を供給する電源、炉体内へ原料を投入するためのシュータ、その他の炉の稼動のために必要な機器、装置が備えられる。

炉体４は、鋼製であり、ほぼ円筒形状を有し、上方に開口部２が形成される容器状構造体である。炉体４の底部および側壁は耐火材３によって内張りされる。電気抵抗炉１１では、耐火材３として、定形の耐火レンガ３ａと、不定形耐火物３ｂとが用いられる。

電極５は、炭素製であり、円柱または円筒形状を有する。電極５には、その長さ方向の所定位置に通電用の端子２４（通称ホルダー）が設けられる。端子２４には前述のように図示を省略するケーブルが接続され、該ケーブルを介して電源が接続され、電源から電力供給される。

電極５の炉体内に位置する端部と反対側の端部は保持部材２５に装着される。保持部材２５は電極昇降装置２１の駆動で昇降変位する。電極昇降装置２１は、昇降駆動部２６と操作部２７とを含む。また昇降量測定器２２は、昇降駆動部２６と保持部材２５との間に設けられ、電極５が昇降した変位量を測定する。操作部２７から昇降駆動部２６を操作して、電極５を１本ずつ個別に昇降させることができ、また３本まとめて昇降させることができる。

温度センサ２３には、たとえばアルメル−クロメル熱電対が用いられる。熱電対はアルメル−クロメルに限定されるものではなく、白金−白金・ロジウムなど他の種類の熱電対であっても良い。また温度センサ２３は、熱電対に限定されるものではなく、高温に耐えて温度測定できるものであれば他のものであっても良い。

図２は、炉体内の周方向に熱電対２３が設けられる位置を示す。熱電対２３は、炉体内の周方向に適宜な間隔をおいて１４箇所に配置される。熱電対２３が配置される周方向の位置および配置される箇所の数は特に限定されるものではないが、熱電対２３は炉体内の周方向全体にわたって配置されることが好ましい。周方向全体にわたって炉内状況を把握できるようにするためである。

図２中において電極５の周囲に散在し仮想線で囲まれる領域２８は、シュータから炉体内へ原料が投入される位置を表す。電気抵抗炉１１では、９箇所に原料の投入位置が設定される。

熱電対２３は、炉体４の内周に沿った設置箇所の各位置において電極５の昇降方向に４箇所設けられる。図１では、熱電対２３が電極昇降方向に設けられる位置を、炉の浅い方から深い方へ向かって順番にＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとして表す。熱電対２３が電極５の昇降方向に設けられる位置Ａ〜Ｄは、電極５の昇降範囲、特に電極５の炉体内に位置する先端部が昇降する範囲にわたって配置されることが望ましい。電極昇降方向にも炉内状況を把握し、通電時に最も発熱量が大きくなる電極先端部が配置されるべき位置を特定できるようにするためである。

図３は、熱電対２３が耐火材３の厚さ方向に設けられる位置を示す。熱電対２３は、電極昇降方向における１つの設置箇所において、耐火材３の厚さ方向に異なる位置２箇所を選択して設置される。後述する炉内プロフィール作成装置３１によって炉内プロフィールを作成するためには、炉体４の側壁を構成する耐火材３の厚さ方向の異なる位置で温度を測定し、耐火材３の厚さ方向の熱流量を求めなければならない。したがって、熱電対２３は、耐火材３の厚さ方向に少なくとも２箇所以上設置されることが必要である。

以下電気抵抗炉１１おける溶解動作について説明する。溶解開始前においては、電極５は、その先端部がタップ孔６とほぼ同じ深さの位置にあり、この状態で炉体内に原料と還元剤、また必要に応じて造滓剤等のスラグ成分調整材が投入される。

次いで、電源から電極５へ電力供給して電極相互間に通電することによって上記の原料等に直接電流を流す。直接通電によって原料等で発生する抵抗発熱を利用して原料等を溶解させる。原料等の溶解が進行するのに応じて、炉体内へ追加の原料が投入され、投入された原料が逐次溶解される。溶解された原料、特に金属成分がある程度の量に達すると、電極５に対する電力供給が停止され、溶解した金属成分および溶融スラグが、タップ孔６から排出される。

電気抵抗炉１１では、原料等の初期投入から溶解された金属成分および溶融スラグが炉外へ排出されるまでを一連の動作として繰り返し実行される。前記一連の動作をチャージと呼ぶ。

本発明の電気抵抗炉の操業方法を適用する溶解装置１０では、上記電気抵抗炉１１における溶解動作時の炉内状況を把握することができ、炉内状況の把握は可視化装置１２によって実現される。

以下可視化装置１２について説明する。可視化装置１２は、炉内プロフィール作成装置３１と、図形処理装置３２と、表示装置３３とを含む。

炉内プロフィール作成装置３１は、炉内プロフィール演算部３４と入力部３５とを含む。入力部３５は、たとえばキーボードなどで構成され、耐火材３およびクラスト８の熱伝導率ならびに耐火材３の厚さを炉内プロフィール演算部３４へ入力することができる。

炉内プロフィール演算部３４は、入力部３５から入力されるデータと、熱電対２３で検出される温度とを用いて熱伝導計算を行い、クラスト８の溶融温度として予め定められる温度の炉体内における位置を算出し、該位置を連ねて形成される炉内プロフィール２０を作成する。

図４は、炉内プロフィール作成装置３１における炉内プロフィールの求め方を説明するものである。なお、図４は、熱電対２３が設置される場所のうち、炉体４の周方向の１箇所であって、かつ電極昇降方向の１箇所における断面を見たものである。図４に例示する電気抵抗炉１１では、基礎耐火材層４１、第１耐火レンガ層４２、第２耐火レンガ層４３、第３耐火レンガ層４４および不定形耐火物がスタンプされたスタンプ層４５の５層からなる耐火材３の層と、その炉体内方側に固着した原料であるクラスト８が存在する構成となっている。

図４中のλ１〜λ５は、第１〜第３耐火レンガ層４２，４３，４４、スタンプ層４５およびクラスト８の熱伝導率であり、ｂ１〜ｂ５は、前記各層の厚さである。

熱電対２３は、耐火材３の厚さ方向に２箇所、すなわち、基礎耐火材層４１と第１耐火レンガ層４２との間、および第２耐火レンガ層４３と第３耐火レンガ層４４との間に設けられる。基礎耐火材層４１と第１耐火レンガ層４２との間に設置される熱電対２３を熱電対２３α、第２耐火レンガ層４３と第３耐火レンガ層４４との間に設置される熱電対２３を熱電対２３βで表す。

熱電対２３αおよび２３βによる測温結果は、炉内プロフィール演算部３４へ入力される。この測温結果と、入力部３５から入力される熱伝導率および厚さのデータに基づいて炉内プロフィールが求められる。図４の例示では、クラスト８の溶融温度として予め定められる温度を１２００℃としている。クラスト８の融点は、その組成によって異なるが、炉壁に付着したクラスト８を採取し、ゼーゲルコーン試験などによって予め求めることができる。

次に、炉内プロフィール演算部３４における炉内プロフィールの求め方について説明する。なお、炉内プロフィールを求めるにあたって、炉体４の側壁に対する垂直方向の熱流量Ｑが一定であると仮定している。

まず、熱電対２３αおよび２３βの測温結果ｔ１およびｔ３を用いて、炉体４の側壁に対する垂直方向の熱流量Ｑを算出する。熱流量Ｑを求めるための基本式は式（１）で与えられる。
Ｑ＝Ｋ・ΔＴ ・・・（１）
ここで、 Ｋ：熱貫流率
ΔＴ：各層の表裏間の温度差［ｄｅｇ］
Ｑ：熱流量［Ｋｃａｌ／ｍ^２・ｈ］

第１および第２耐火レンガ層４２，４３における熱貫流率Ｋは、それぞれの熱伝導率と厚さとを用いて式（２）で与えられるので、熱流量Ｑが式（３）で求められる。
１／Ｋ＝ｂ１／λ１＋ｂ２／λ２ ・・・（２）
Ｑ＝Ｋ・（ｔ３−ｔ１） ・・・（３）

熱流量Ｑを一定と仮定しているので、各層の熱伝導率λと、厚さｂとを用いて、以下の式（４）〜（６）から熱電対が設置されていない層境界の温度ｔ２，ｔ４，ｔ５が求められる。
Ｑ＝λ２／ｂ２・（ｔ３−ｔ２） ・・・（４）
Ｑ＝λ３／ｂ３・（ｔ４−ｔ３） ・・・（５）
Ｑ＝λ４／ｂ４・（ｔ５−ｔ４） ・・・（６）

ｔ５が、１２００℃以下の場合、クラスト８の溶融位置を示すクラスト８の厚さｂ５は、スタンプ層４５の侵食されていない表面、またはクラスト８の厚さ方向のどこかにあるので、式（７）によって求められる。
Ｑ＝λ５／ｂ５・（１２００−ｔ５）・・・（７）

またｔ５が１２００℃を超える場合、クラスト８がすべて溶融していることを示し、スタンプ層４５が侵食されて、１２００℃となる位置がスタンプ層４５内のどこかにあり、そのスタンプ層４５の厚さｂｘは式（８）で求められる。
Ｑ＝λ４／ｂｘ・（１２００−ｔ４）・・・（８）

図４に例示する電気抵抗炉１１では、基礎耐火材層４１から第２耐火レンガ層４３までの厚さが０．２５ｍになるように形成されるので、１２００℃となる炉内位置までの距離Ｌは、ｔ５が１２００℃以下の場合には式（９）で求められ、ｔ５が１２００℃を超える場合には式（１０）で求められる。
Ｌ＝（０．２５＋ｂ３＋ｂ４＋ｂ５）・・・（９）
Ｌ＝（０．２５＋ｂ３＋ｂｘ） ・・・（１０）

表１および表２に示す実測データに基づいて演算した例を以下に示す。表１に示す耐火レンガ層はシャモットレンガからなり、スタンプ層はカーボンペーストからなる。

上記の式（２）および式（３）から熱貫流率Ｋおよび熱流量Ｑが求められる。
１／Ｋ＝０．０６５／０．８４＋０．１１５／０．９２からＫ＝４．９、
Ｑ＝４．９（６７９．８−２６６．８）からＱ＝２０２３．７である。

以下この熱流量Ｑを用いて、上記式（４）〜（６）から、温度ｔ２，ｔ４，ｔ５がそれぞれ次のように求められる。ｔ２＝４２６．８℃、ｔ４＝９０９．５℃、ｔ５＝１２１９．８℃である。ｔ５が１２００℃を超えるので、炉体内の１２００℃となる位置は、上記式（８）で求められる。

２０２３．７＝４．５／ｂｘ（１２００−９０９．５）からｂｘ＝０．６４６となる。したがって、１２００℃となる炉内位置までの距離Ｌは、上記式（１０）から、Ｌ＝（０．２５＋０．１１５＋０．６４６）＝１．０１１ｍとなる。

炉内プロフィール作成装置３１では、熱電対２３が設置されるすべての箇所について上記の演算が行われ、炉内で１２００℃となる位置を連ねて形成される炉内プロフィールが作成される。

図形処理装置３２は、図形処理部３６と入力部３７とを含む。入力部３７は、たとえばキーボードなどで構成され、電極５の寸法である長さおよび直径を図形処理部３６へ入力することができる。

図形処理部３６は、入力されるデータを元に図形化処理、すなわち入力されるデータを画像情報に変換するものである。炉内プロフィール作成装置３１によって作成される炉内プロフィールは、図形処理部３６に対して出力され、図形処理部３６で画像情報に変換される。なお、本実施形態では、図形処理装置３２での図形化に際しては、炉内プロフィール作成装置３１によって得られる距離Ｌを、円筒形状を有する炉体４の半径である３．５ｍから減算し、炉体４の中心からの距離として炉内プロフィールを表している。

また、図形処理装置３２では、電極長さおよび電極昇降装置２１の動作に基づいて推定される炉体内の電極位置を図形化することができる。炉体内の電極位置の推定はたとえば次のようにして行うことができる。電極５の寸法、特に長さを実測して入力部３７から図形処理部３６へ入力する。また図形処理部３６には、炉体４の縁などに定められる基準位置から電極５が相対的に昇降変位した量を昇降量測定器２２で測定して入力される。この電極長さと、電極５の基準位置からの変位量とに基づいて電極５の位置、特に電極５の先端位置を推定することができる。

電極先端は操業を通じて消耗するが、たとえば以下のような補正をすることによって電極位置の推定精度を向上することができる。電極５の長さを１日に１回実測する。操業１チャージあたりの電極消耗量は経験則から求められるので、１チャージごとに前記実測値に対して電極消耗量を減算する修正を行う。該修正値を入力部３７から図形処理部３６へ入力することによって電極５の推定位置の補正をすることができる。

図形処理装置３２は、炉内プロフィールまたは電極位置だけを図形化することもでき、また炉内プロフィールと電極位置とを１つに集合して図形化することもできる。

表示装置３３は、たとえば液晶ディスプレイまたは陰極線管などで実現され、図形処理装置３２から出力される画像情報を受けて可視像として表示する。表示装置３３は、さらにプリンタを含むものであっても良い。

図５は、炉内プロフィール２０と電極５の推定位置とを１つに集合して図形化したものである。可視化装置１２によれば、炉内状況を明確に把握することができる。すなわち、溶解装置１０の操作者は、炉内プロフィール２０、換言すれば炉内におけるクラスト８の溶融位置と、電極５の推定位置との相互関係を明確に把握することができる。

このように炉内状況を明確に把握することができるので、溶解装置１０の操作者は、電極昇降装置２１を操作し、電極５の推定先端位置を、クラスト８が炉内側へ成長した位置へ精度良く移動させることができる。電極５の先端位置付近は抵抗発熱量が最も多いので、電極先端位置をクラスト８が炉内側へ成長した位置へ精度良く移動させることによって、該位置のクラスト８を優先的に溶解させることができる。したがって、クラスト８が炉内側へ大きく成長することを防止することが可能になり、炉内面積や炉内容積が減少することを防止できる。

明確に把握される炉内状況に基づいて、クラスト８が炉内側に成長している部分へ電極５の先端位置を移動させ、クラスト８を溶融させて炉内面積や容積が減少しないように溶解作業を行った結果得られる炉内プロフィールを図６および図７に示す。

図６は、電気抵抗炉１１の上面から見た炉内プロフィールである。図６には、図１に示す電極昇降方向における熱電対設置箇所のうち、相異なるＡ、ＢおよびＣそれぞれの位置における炉の周方向の炉内プロフィールを示す。図６中の第１の曲線５１がＡ位置での炉内プロフィールを示し、以下第２の曲線５２がＢ位置、第３の曲線５３がＣ位置の炉内プロフィールを表す。なお、先の図２で示したように炉の周方向には１４箇所に熱電対２３を設置しているが、図６では１２箇所からの温度測定結果に基づいて炉内プロフィールを求めている。

第１〜第３の曲線５１，５２，５３で表される炉内プロフィールは、いずれもほぼ耐火材３の内壁に沿った比較的円に近い形状を示し、炉内側へクラスト８が大きく成長してせり出している所が無い。すなわち充分な炉内容積が確保されている。

溶解装置１０の操作者は、図６に示すような炉内プロフィールで表される炉内状況を把握することができるので、充分な炉内容積が確保されている場所へ原料を追加投入することができる。充分な炉内容積が確保されている場所へ投入された原料は、電極間で通電されている近傍の位置まで円滑に落下して逐次溶解される。このことによって、棚吊りおよび吹上げなどのトラブルの発生が防止され、溶解効率が向上して処理量が増大し、電力原単位も減少させることができる。

図７は、電気抵抗炉１１の断面から見た炉内プロフィールである。図７には、炉の周方向に熱電対２３を設置した箇所のうち、１箇所について電極昇降方向にＡ位置、Ｂ位置およびＣ位置を連ねて形成される炉内プロフィールを示す。本来周方向の１箇所ごとに図示するべきであるけれども、周方向１２箇所のそれぞれにおける深さ方向の炉内プロフィールを便宜上１つの断面上に重ねて表示したものである。図７にＴ１〜Ｔ１２で示す曲線は、周方向の１２箇所の熱電対設置位置のそれぞれに対応する炉内プロフィールである。

炉内状況を把握しながら、炉内側にクラスト８が成長しないように溶解作業を行うことによって、図７に示すように、クラスト８が炉内側へ局部的にせり出して炉内容積を減少させるような状況の発生が防止されている。

また、炉内プロフィールがスタンプ層４５などの耐火材３側に位置する場合には、耐火材３の侵食を知ることができる。このことから、耐火材３の異常損耗を早期に察知し、出湯後に炉壁を補修することによって、漏銑などの操業トラブルも未然防止することができる。

一方、溶解装置１０において、可視化装置１２を備えるけれども、可視化された炉内状況を利用せずに、操作者が炉体４の開口部２から目視することによって得られる外観状況のみに基づいて、溶解作業を行った結果得られた炉内プロフィールを図８および図９に示す。図８および図９に示す炉内プロフィールは、操作者による外観状況の目視に基づいて、予め定められたタイミングで予め定められた量の原料を投入するとともに、電極位置制御を電流値に基づく自動で制御した結果得られたものである。なお、図８は先の図６と同じ熱電対設置位置、図９は先の図７と同じ熱電対設置位置について作成された炉内プロフィールである。

図８は、電気抵抗炉１１の上面から見た炉内プロフィールである。図８中第１の曲線５４がＡ位置での炉内プロフィールを示し、以下第２の曲線５５がＢ位置、第３の曲線５６がＣ位置の炉内プロフィールを表す。先の図６に示す炉内プロフィールに比べて、図８に示す炉内プロフィールは、円形から外れた形状を示し、炉内側へ部分的にせり出した部分が認められる。すなわち、クラスト８が炉内側へ成長して炉内容積を減少させている。

図９は、電気抵抗炉１１の断面から見た炉内プロフィールである。電極５の昇降方向においても、特に、Ｔ１０およびＴ１１で示される位置では、炉底に近い側のＣ位置で炉内プロフィールが大きく炉内側へせり出している。これらの位置では、クラスト８が大きく炉内側へ成長し、炉内容積を減少させていることが判る。

図１０は、本発明のもう一つの実施形態である電気抵抗炉の操業方法が適用される溶解装置に備わる可視化装置６１の構成を簡略化して示す。本実施形態の溶解装置に備わる可視化装置６１は、図１に示す溶解装置１０に備わる可視化装置１２に類似するので、可視化装置１２と対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

可視化装置６１の特徴は、炉内プロフィールと炉体内の電極の推測位置とに基づいて電極昇降装置２１の動作を制御する制御手段６２を含むことである。

制御手段６２は、たとえばマイクロコンピュータによって実現される。本実施形態の可視化装置６１におけるマイクロコンピュータ６２は、炉内プロフィール作成装置３１および図形処理装置３２も一体化された構成である。

マイクロコンピュータ６２による電極昇降装置２１の動作制御は、たとえば次のようにして行うことができる。マイクロコンピュータ６２は、炉内プロフィール作成装置３１から炉の水平方向および電極昇降方向の炉内プロフィールを取得する。また、図形処理装置３２の入力部３７から図形処理部３６に対して電極５の直径と、電極中心の炉中心に対する相対位置とを入力することによって、マイクロコンピュータ６２は、図形処理装置３２を介して電極の直径と炉中心に対する電極中心の相対位置のデータを取得することができる。なお、電極５は水平方向における位置が変化しないとする。

炉内プロフィールと、電極直径および炉中心に対する電極中心の相対位置とによって、電極先端部の外周面と炉内プロフィールとの間の距離を求めることができる。マイクロコンピュータ６２は、電極先端部の外周面と炉内プロフィールとの間の距離が最も短くなるように、電極昇降装置２１を動作させて電極５の先端部を位置決めする。なお、電極５は３本あるので、それぞれの電極５について求めた最短距離のうちさらに最も短くなる距離を選択して、電極昇降装置２１を動作させる。

このように制御すれば、操作者は、少なくとも電極の昇降方向の位置決めについては手動操作する必要がなくなり作業負荷が軽減される。本実施形態の溶解装置の基本的な効果は、図１に示す溶解装置１０の効果と同一なので説明を省略する。

次に、本発明の電気抵抗炉の操業方法を適用する溶解装置１０を使用して、可視化装置１２で炉内状況を把握しながら溶解作業を行った場合である操業実施例と、可視化装置を有しない溶解装置を使用して溶解作業を行った場合である操業比較例との操業実績を比較する。

操業実施例および操業比較例ともに、１０日間操業した実績を抽出し、原料処理量、電力原単位、金属成分生産量および操業安定性について評価した。

原料処理量は、電気抵抗炉へ投入して溶解処理することができた原料の量を重量で表したものである。電力原単位は、原料１トンを溶解処理するのに要した電力量である。金属成分生産量は、原料から取り出すことができ製鋼副原料として使用することができた金属成分の量を重量で表したものである。操業安定性は、操業中に発生する吹上げの頻度によって評価した。

原料処理量および金属成分生産量は多いほど好ましく、電力原単位は少ない方が好ましい。操業安定性は、吹上げがほとんど生じなかった場合を良好と判断し、吹上げがある程度の頻度で発生した場合を不良と判断した。なお、原料処理量および金属成分生産量については、１日あたりの平均値で評価した。

評価結果を表３に示す。操業実施例は、操業比較例に比べて原料処理量で約８トン／日多く、金属成分生産量で約４トン／日多い。また電力原単位は、操業実施例の方が操業比較例よりも大きく改善されている。

操業安定性は、操業実施例では良好であり、操業比較例では不良であった。操業実施例の場合、吹上げがほとんど発生しないので、熱損失の少ないことが処理能力向上に寄与している。

以上のように、可視化装置１２を備え、炉内状況を把握しながら製鋼原料を溶解することができる本発明の電気抵抗炉の操業方法によれば、溶解効率が改善されて処理能力の向上が実現され、電力原単位も減少させることができ、操業トラブルの発生も防止されることが明らかである。

１，１１ 電気抵抗炉
４ 炉体
５ 電極
８ クラスト
１０ 溶解装置
１２，６１ 可視化装置
２１ 電極昇降装置
２２ 昇降量測定器
２３ 熱電対
３１ 炉内プロフィール作成装置
３２ 図形処理装置
３３ 表示装置
６２ マイクロコンピュータ

Claims (5)

1. 炉体内で複数の電極間で通電して、電極間に介在する被溶解物を溶解させる電気抵抗炉の操業方法であって、
   被溶解物が炉体の内壁に固着して生成される塊状物の溶解温度として予め定められる温度の位置を連ねて炉内プロフィールを作成し、
   炉内プロフィールおよび電極の位置を可視化し、
   可視化される炉内プロフィールおよび電極の位置に基づいて、操業条件の調整を行うことを特徴とする電気抵抗炉の操業方法。
2. 前記操業条件の調整は、前記被溶解物の前記炉体内への追加投入に関して行うことを特徴とする請求項１記載の電気抵抗炉の操業方法。
3. 前記操業条件の調整は、前記電極に関して行うことを特徴とする請求項１または２記載の電気抵抗炉の操業方法。
4. 前記電極は、実測値を操業１チャージあたりの消耗量で修正した長さと、基準位置からの昇降量とに基づいて先端位置を推定し、
   前記電極に関して行う操業条件の調整は、前記塊状物が炉内に成長している場合、成長位置に電極先端の推定位置を移動させて行うことを特徴とする請求項３記載の電気抵抗炉の操業方法。
5. 前記塊状物の溶解温度として予め定められる温度の位置を、
   炉体の炉壁に複数の測定箇所を分布させ、各測定箇所で炉壁の厚さ方向に複数の温度センサを設けて検出する温度を用いて熱伝導計算することによって求めることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の電気抵抗炉の操業方法。

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