JP6476767B2 - 電気炉及び電気炉の操業方法 - Google Patents

Description

この発明は電気炉及び電気炉の操業方法に関し、詳しくは炉体を電極に対して相対回転させる回転装置を備えた電気炉及びその操業方法に関する。

金属スクラップ等の金属材料を溶解する溶解炉として、従来、炉体内に挿入した３本の電極と炉体内の金属材料との間でアークを発生させ、アーク熱によって金属材料を溶解する三相交流式アーク炉が広く用いられている。
このような電気炉を用いた金属材料の溶解操業において、金属材料の溶解が不均一となってしまう問題が従来生じていた。

この三相交流式の電気炉では、炉体内に下向きに挿入された３本の電極が、炉体の中心軸線周りに平面視で三角形を成すように、即ち３本の各電極が三角形の各頂部に位置するように配置される。
その結果として、炉体内には電極からの距離が短い（即ち電極に近い）位置の所謂ホットスポットと、電極からの距離の長い（即ち電極から遠い）位置の所謂コールドスポットとが生じてしまう。

そしてホットスポットでは電極による加熱が強く行われるために金属材料が溶け易い一方で、コールドスポットでは電極による加熱が相対的に弱いために、ホットスポットの金属材料が全部溶け終わった後も、コールドスポットでは金属材料が溶け残ってしまうといった溶解の不均一を生じていた。
そしてこのような溶解の不均一に起因して、溶解の効率が悪く、溶解のための電力コストが高くなるといった問題の他、ホットスポットでは金属材料が全部溶解し終わった後も、コールドスポットの金属材料の溶解が継続して行われる間、その後も引き続いて強く加熱を受ける結果、炉壁等へ熱が逃げることによる投入電力のロス等の他、炉壁の耐火材の溶損が加速され、短い周期で耐火材溶損部の補修作業を行わなければならないといった問題が生じていた。

このような問題への対策として、図１１に示しているようにコールドスポットのそれぞれの周方向中心部の位置において、炉体１０２の周壁部１０４に、バーナ１０６を炉内向きに固定状態に取り付け、コールドスポットの金属材料Ｍをバーナ１０６から噴射した火炎で溶かすといったことが従来行われている。

しかしながら図１１（ロ）に示すように、当初においてバーナ１０６が目前（直前）に積み重なった金属材料に直接火炎を当てることができるときには、良好に金属材料Ｍを溶かすことができるものの、図１１（ハ）に示しているように目前の金属材料が溶けた後は、バーナ１０６からの火炎を残った金属材料に対し直接当てることができず、残った金属材料は雰囲気の熱でしか加熱されなくなってしまう。
このため残った金属材料Ｍに対してバーナ１０６による加熱が急激に弱くなり、結果としてバーナ１０６によるコールドスポットの材料に対する加熱効率は悪く、電気炉における溶解の時間が長くなるとともに、所要加熱エネルギーが多く，トータルコストが高くなってしまう問題を生じていた。
また、バーナの本数を増やして加熱範囲を拡大することも可能であるが、エネルギーコストが悪化するため、実用的ではないと考えられていた。

金属材料に対する加熱の効率を高める他の手段として、従来、炉体を固定状態の電極に対して回転させるようにした電気炉や、電極を固定状態にある炉体に対して回転させるようにした電気炉が提案されている。
例えば下記特許文献１，特許文献２には前者の電気炉が、また特許文献３には後者の電気炉がそれぞれ開示されている。

以上のような回転装置を備えた電気炉では、溶解中に炉体を電極に対し相対回転させ、当初コールドスポットに位置していた金属材料をホットスポットに、またホットスポットに位置していた金属材料をコールドスポットに位置移動させることで、金属材料に対する溶解の効率を高めることが可能である。
尚この場合、炉体を電極に対して周方向に約６０°相対回転させることで、当初ホットスポットの周方向の中心部に位置していた電極を、隣接するコールドスポットの周方向中心部に位置させることができる。

しかしながら、炉体を炉蓋側の電極に対して相対回転することでコールドスポットにあった金属材料に対する加熱を強め得たとしても、完全溶解に至るまでの所要時間が未だ十分に短いとは言えず、更なる改善が望まれていた。

特開昭６０−１２２８８６号公報 特開２０１４−４０９６５号公報 特開平７−１９０６２４号公報

本発明は、以上の事情を背景とし、金属材料に対する溶解の効率を更に高め得て、より均一な且つ高速溶解が可能な電気炉及びその操業方法を提供することを目的としてなされたものである。

而して請求項１は電気炉に関するもので、（ａ）筒状の周壁部及び炉底部を備えた炉体と、（ｂ）炉蓋の側に下向きに設けられた複数の電極と、（ｃ）該炉体を上下方向の軸線回りに前記電極に対し相対回転させる回転装置と、を備え、該電極と該炉体内に装入された金属材料との間に発生させたアークの熱で該金属材料を溶解する電気炉であって、周方向に隣接した前記電極と電極との間の位置において、且つ該位置全てにおいて、前記炉蓋の側にバーナを下向きに設けるとともに、該バーナは、その先端が真下よりも前記周壁部の側を向くように傾斜していることを特徴とする。

請求項２のものは、請求項１において、前記回転装置が、前記電極を周方向に固定とし、前記炉体を該周方向に回転運動させるものであることを特徴とする。

請求項３は、請求項１，２の何れかの電気炉の操業方法であって、前記炉体の上端の装入口から前記金属材料を前記炉体内に装入する装入工程の後において、前記金属材料の溶解中に前記炉体を前記電極と前記バーナとに対して相対回転させる回転工程を実行して溶解操業を行うことを特徴とする。
請求項４は、請求項３において、前記炉体を連続回転させながら前記電極及びバーナにて前記金属材料を加熱することを特徴とする。

以上のように本発明は、電気炉に、炉体の上下方向の軸線回りに炉体を電極に対して相対回転させる回転装置を備え、そして周方向に隣接した電極と電極との間の位置において、炉蓋の側にバーナを下向きに設けたものである。

本発明によれば、回転装置により炉体を炉蓋側の電極に対して相対回転させることで、それでまでコールドスポットにあった部分をホットスポットに、またホットスポットにあった部分をコールドスポットに移し替えることができ、これにより炉体内の金属材料に対する加熱をより均一化できる。

更に加えて、本発明では電極と電極との周方向の間の位置で、炉蓋側にバーナを下向きに設けているため、電極と電極との間の位置（周方向の間の位置）においてもバーナにより炉体内の金属材料を加熱することができる。
しかも本発明では回転装置による回転によって、金属材料に対するバーナからの加熱位置を変えることができるため、バーナによる加熱自体を金属材料の周方向の広い範囲に亘って及ぼすことができ、バーナからの加熱をより均等化することができる。

このような本発明では金属材料に対する加熱を均等化できるのに加えて、電極とバーナによる加熱によって加熱の速度を従来に増して高速化することができ、金属材料に対する加熱の所要時間をより短時間化でき、高速溶解を実現することができる。

本発明では炉蓋の径方向において、電極と炉体周壁部との間の位置に上記のバーナを配置しておくことができる。
このようにすれば、電極から遠い位置で、つまり炉体周壁部に近い位置で溶け残った金属材料に対し、電極よりも近い位置からバーナにて加熱を行うことが可能となり、加熱の効率をより一層高めることができ、また溶解操業に要する時間をより一層短縮化することが可能となる。

本願発明ではまた、電極と電極の間の位置の全てにバーナを設けており、金属材料に対するバーナからの加熱をより一層広範囲に及ぼすことができるとともに、加熱の効率をより一層高めることができる。

請求項３は上記電気炉を用いての操業方法であって、装入口から金属材料を炉体内に装入する装入工程の後において、金属材料の溶解中に、炉体を電極とバーナとに対して相対回転させる回転工程を実行して溶解操業するものである。
かかる請求項３の操業方法では、回転工程を実行することで、金属材料に対するバーナからの加熱位置を回転方向に変えて行くことができるため、バーナによる加熱自体を金属材料の周方向の広い範囲に亘って及ぼすことができ、バーナからの加熱をより均等化することができる。
これにより金属材料に対する溶解をより一層均等化することができ、また溶解の速度をより高速化し得て、溶解操業を短縮化することができる。

以上のような本発明によれば、金属材料に対する溶解の効率を更に高め得て、より均一な且つ高速溶解を実現することができる。

本発明の一実施形態の電気炉の構成を示した図である。 図１の電気炉を異なる断面で示した図である。 図１の回転装置の全体斜視図である。 同回転装置の全体平面図である。 図４のＶ−Ｖ断面図である。 図４のVI−VI断面図である。 同実施形態のバーナの取り付け状態を示した図である。 同実施形態での操業方法の内容を工程毎に示した説明図である。 図８とは異なる操業方法の例を示した図である。 図８，図９とは異なる操業方法の例を示した図である。 従来の電気炉の問題点を説明するための図である。

次に本発明を金属材料（ここでは鉄鋼材料）を溶解する電気炉に適用した場合の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１及び図２は本実施形態の電気炉の構成を示した図である。
図１において、１０は電気炉で、筒状（ここでは円筒状）の周壁部１２及び炉底部１４を備えた炉体１６と、炉体１６の上端の装入口１８を開閉可能に閉鎖する炉蓋２０と、炉蓋２０を挿通して炉体１６内に下向きに挿入される３本の電極２２とを備えている。

各電極２２は、平面視略円形をなした炉蓋２０の中心近くに、炉体１６の上下方向の軸線、ここでは中心軸線周りに等間隔（１２０°間隔）で配置されており、図示しない昇降装置にて個別に高さ調節自在に支持され、電極２２の下端と炉体１６内に装入された金属材料との上下方向の離間距離を調節し得るように構成されている。

炉蓋２０は、図示しない昇降装置及び旋回装置によって、炉体１６に対して上下方向に移動自在に構成されるとともに、水平方向に旋回して、炉体１６の装入口１８を開放し炉体１６内への金属材料の装入を可能としている。

本実施形態の電気炉１０は、ＥＢＴ炉であり、 図２で示したように炉底部１４が炉体１６の周壁部１２よりも径方向外方に一部突出して棚状の突出部２６を形成しており、そしてその突出部２６にこれを上下に貫通した出湯口（出鋼口）２７が設けられている。
炉体１６内の金属材料の溶湯（溶鋼）は、炉体１６全体を傾動させることで、出湯口２７から取鍋２３（図１）に向けて出湯される。

また出湯口２７と径方向の反対位置（対称位置）には出滓口２９が設けられている。出滓口２９は炉体の周壁部１２を内外方向に貫通して設けられている。
本例では炉体１６全体を上記出湯時とは反対の方向に傾動させることで、溶解操業の際に生じるスラグを出滓口２９より外部に排出することができる。

本実施形態の電気炉１０は、炉体１６が傾動可能で且つ炉蓋２０及び電極２２を周方向に固定した状態の下で、これらに対して回転可能となっている。
図１において、３４は炉体１６を支持したまま傾動し、炉体１６を傾動させる傾動体で、地面に設けられた炉台３６により傾動自在に支持されている。
傾動体３４を支持する炉台３６の上面及びこれに接する傾動体３４の下向きに凸曲形状をなす脚部３７の下面にはそれぞれ係合歯が形成されており、傾動の際これら係合歯の係合により炉台３６に対する傾動体３４のずれが防止されている。
傾動体３４は炉体１６を支持するための傾動床３５を有し、炉体１６は後述する回転装置３２を介して、傾動体３４の傾動床３５で支持されている。

本発明では回転装置を次のように構成することができる。
即ち回転装置は、イ)炉体を回転可能に傾動体上に支持する支持手段と、ロ)炉体と傾動体との間に設けられ、炉体をその中心軸線周りに回転案内するガイドレールと、ハ)炉体の側に設けられた、回転駆動力を受ける被駆動部と、ニ)傾動体側に設けられ、被駆動部と係合して、回転駆動力を被駆動部に伝える駆動部材と、ホ)傾動体側に設けられ、駆動力を発生させる駆動源と、を備えて構成し、傾動体と一体に傾動する形態で設けておくことができる。

この実施形態において、回転装置は具体的には以下のように構成されている。
先ずは傾動機構について説明する。
図２に示すように、傾動体３４の図中右端には駆動シリンダ３８の一端側が回転可能に連結されている。駆動シリンダ３８の他端は地面側に回転可能に連結されており、この駆動シリンダ３８を伸長させることで傾動体３４は炉体１６とともに図中左側が下向き、右側が上向きになる様に傾動する。これにより炉体１６内の溶鋼が出湯口２７から取鍋２３に向けて出湯される。

図３は本実施形態における回転装置３２の全体斜視図を、図４はその平面図を示している。
回転装置３２は多数の立壁を備えた円形リング状の支持フレーム４０を有しており、この支持フレーム４０の上面に炉体１６が載置固定されている。
リング状の支持フレーム４０の下面の内周部にはリング状歯車体４２が設けられ、その内周には歯形が形成されている。

一方、歯車体４２の外周中間部は、図５で示すように外方に角型断面をなして突出し、ベアリング部材４４の内輪部４６を構成している。
内輪部４６を包むようにコ字形断面の外輪部４８が配設されており、外輪部４８の凹面と内輪部４６の凸面即ち上下面及び外周端面との間には、コロ軸受４９が介設されている。

このような構造により、支持フレーム４０はベアリング部材４４等に支持されて、そのリング中心回りに傾動床３５に平行な面内で回転可能となっている。これにより回転装置３２に支持された炉体１６が炉体１６の中心軸線を回転中心として電極２２に対し回転可能となる。

支持フレーム４０のリング内方の径方向対称位置の傾動床３５上にはギアボックス５０が設けられ（図４）、その内部にギア体が配設されている。図５において傾動床３５側には駆動源としての油圧モータ５２が設けてあり、その出力軸に歯車体５３が装着されている。歯車体５３は傾動床３５側に立設された軸体５４に回転可能に支持された歯車体５５に噛合しており、この歯車体５５が上記リング状歯車体４２の歯形に噛合している。

これにより、油圧モータ５２を正逆回転させると、歯車体５３，５５，４２を介して支持フレーム４０が正逆回転させられる。
この実施形態では、支持フレーム４０,歯車体４２,ベアリング部材４４が支持手段を構成し、そのうちベアリング部材４４における内輪部４６,外輪部４８がガイドレールを兼ねて構成されている。
また歯車体４２の歯形が被駆動部を、歯車体５５，５３が駆動部を、更に油圧モータ５２が駆動源を構成している。

本実施形態では、油圧モータ５２によって、炉体１６の出湯口２７が出湯ヤードに正対した図４に示す原位置から反時計方向へ支持フレーム４０即ち炉体１６を回転させることができる。

両ギアボックス５０，５０の間の、支持フレーム４０の周方向中間位置にはストッパ機構５６が配設されている。ストッパ機構５６の詳細を図６に示す。図６において、支持フレーム４０には内方に向けて鞘部材５７が設けてある。鞘部材５７は円筒体で内方側の半部内周が内方に向けて漸次拡開するテーパ状に形成されている。
一方、傾動床３５側の架台５８上に駆動シリンダ５９によって内外方向へ直線進退させられる栓部材６０が設けられている。栓部材６０は外方側に位置する先端部が先端方向へ漸次縮径する円柱体となっており、栓部材６０の後端は駆動シリンダ５９のロッド６１に連結されている。

支持フレーム４０が原位置にある時には、図６に示すように、鞘部材５７が栓部材６０に正対しており、駆動シリンダ５９によって栓部材６０を進出させると、栓部材６０が鞘部材５７内に進入して、栓部材６０のテーパ状の先端部が鞘部材５７のテーパ状の半部内に嵌合する。これにより、支持フレーム４０、即ち炉体１６の回動が確実に規制され、この状態で炉体１６の出湯傾動ないし出滓傾動を行うことができる。

本実施形態の電気炉１０では、図７（Ａ）で示すように炉蓋２０に金属材料の溶解を促進するためのバーナ１９が３本取り付けられている。
各バーナ１９は、その配置を径方向について見れば、いずれも電極２２と炉体１６の周壁部１２との間に配置されている。
また周方向について見れば、電極２２と電極２２の間の位置（詳しくは隣接する電極２２の周方向の中間位置）の全てにバーナ１９が設けられている。これら３本のバーナ１９は、周方向に等間隔（１２０°間隔）で配置されている。
また図７（Ｂ）で示すように、炉体１６の周壁部１２の下側に溶け残った金属材料Ｍに対して効率的に加熱できるように、バーナ１９の先端が真下よりも少し周壁部１２の側に向くように取り付けられている。尚、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、バーナ１９は先端を真下に向け配置すること等、バーナ１９の下向きの配置は適宜設計し得る。

次に金属材料を溶解するための電気炉１０の操業方法について図８を用いて説明する。
通常、スクラップ等の金属材料は複数回に分けて炉内に装入される。本例では金属材料を２回に分けて炉内に装入するものとする。
先ず、炉蓋２０を旋回回避させ炉体１６の装入口１８を開放状態とし、金属材料を保持するスクラップバケットをクレーンにて装入口１８の上方にまで移動させ、スクラップバケット内の金属材料を炉内に装入する。

材料装入を終えたら炉蓋２０及び電極２２を炉体１６上部に載置し、電極２２先端より下向きのアークを発生させ、電極２２の先端部分に位置する材料を優先的に溶かし、電極２２は金属材料中を掘り進んで行く（この工程を以下ボーリング工程とする）。図８（Ａ）はこのボーリングを行っている状態を示している。
ボーリングが完了し電極２２が炉底部１４近くに到ったところで、電極２２周囲の材料を溶解させていく（図８（Ｂ））。
これにより電極２２の周りに未溶解金属が無くなると、炉体１６を電極２２に対して相対回転させることが可能となる。尚、図中炉内を網点で示した部分が未溶解金属材料、白地で示した部分が溶解金属材料である。この段階ではいまだ極端な溶解の不均一は生じていない。

次に溶解が進み炉内の未溶解金属材料の嵩が減った後、残りの金属材料の追装を行う。具体的には炉蓋２０を旋回回避させ、炉体１６を原位置から図中反時計方向に６０°回転させて、その後に金属材料を追装する（図８（Ｃ））。その後炉蓋２０及び電極２２を炉体１６上部に載置し、再びボーリング工程を含むアーク放電による金属材料の溶解を行うと、炉体１６の周方向に三箇所ずつのホットスポットとコールドスポットが生じて金属材料が不均一に溶解される（図８（Ｄ））。

ここで本実施形態では、電極２２による加熱と同時に炉蓋２０に設けた３本のバーナ１９から火炎を噴射し、電極２２と電極２２の間（周方向の間）の金属材料の加熱溶解を行う。
例えば図８（Ｄ）の状態では、電極２２と電極２２との間のコールドスポットの金属材料の溶解を行う。

図１８（Ｄ）の加熱後、炉蓋２０を上方に離間した状態で、炉体１６を図中時計方向に原位置まで６０°回転させホットスポットにあった金属材料をコールドスポットに、コールドスポットに位置していた金属材料をホットスポットへと位置を相対移動させる。
そして炉体１６を原位置に停止させて、炉蓋２０を閉じ、電極２２による加熱とバーナ１９による加熱とを行う。
詳しくはコールドスポットからホットスポットへと位置変化した金属材料に対して電極２２による加熱溶解を行い、またホットスポットからコールドスポットへと位置変化した金属材料に対してバーナ１９による加熱溶解を行う。

このときコールドスポットからホットスポットへと位置変化した金属材料は、先のコールドスポットの位置でバーナ１９による加熱溶解作用を受けているため、回転装置３２を備えた従来の電気炉による溶解操業に比べて未溶解の材料は少なくなり、電極２２による加熱溶解を速やかに終了することができる。

一方、ホットスポットから新たにコールドスポットに到った部分については、そこに金属材料が溶け残してあったとしても、バーナ１９によりこれを速やかに加熱溶解することができる。

尚、本実施形態では場合によって、図８（Ｄ）の状態から炉体１６を原位置まで６０°図中時計方向に回転させる際、即ち電極２２およびバーナ１９が炉体１６内の金属材料に対して相対移動している間も炉体１６を連続回転させながら電極２２及びバーナ１９にて金属材料を加熱溶解することも可能である。
特にこの場合には金属材料に対して電極２２及びバーナ１９による加熱位置を連続的に変化させることができ、金属材料に対して広い範囲に亘って加熱作用を及ぼすことができる。

また、上記の図８で示した操業例は金属材料の追装を行った後にバーナを使用した例であるが、本実施形態においては、図９に示すように溶解を開始する初装の段階（図９（Ａ））から電極２２及びバーナ１９にて金属材料を加熱溶解することも可能である。

以上のように本実施形態によれば、回転装置３２により炉体１６を炉蓋２０側の電極２２に対して相対回転させることで、それまでコールドスポットにあった部分をホットスポットに、またホットスポットにあった部分をコールドスポットに移し替えることができ、これにより炉体内の金属材料に対する加熱をより均一化できる。

更に加えて本実施形態では電極２２と電極２２との周方向の間の位置で、炉蓋２０側に、バーナ１９を下向きに設けているため、電極２２と電極２２との間の位置（周方向の間の位置）でもバーナにより炉体内の金属材料を加熱することができる。
しかも本実施形態では回転装置３２による回転によって金属材料に対するバーナからの加熱位置を変えることができるため、バーナ１９による加熱自体を金属材料の周方向の広い範囲に亘って及ばすことができ、バーナ１９からの加熱をより均等化することができる。

このような本実施形態では金属材料に対する加熱を均等化できるのに加えて、加熱の速度を従来に増して高速化することができ、金属材料に対する加熱の所要時間をより短時間化でき、高速溶解を実現することができる。

本実施形態では炉蓋２０の径方向において、電極２２と炉体周壁部１２との間の位置にバーナ１９を配置しており、電極２２から遠い位置の炉体１６に近い位置で溶け残った金属材料に対し、電極２２よりも近い位置からバーナ１９にて加熱をすることが可能となり、加熱の効率をより一層高めることができ、また溶解操業に要する時間をより一層短縮化することが可能となる。

尚、上記実施形態の操業方法では３本のバーナ１９から同時に火炎噴射を行っていたが、図１０で示すように炉内の１箇所で金属の溶け残りが生じた場合は、何れか１本のバーナ１９が溶け残り金属に対して直接火炎噴射できる位置まで炉体１６を回転させ、そのバーナ１９からの火炎噴射で溶け残り金属を溶解させるようにすることも可能である。

以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示である。例えば上記実施形態は炉蓋に３本のバーナを設けた例であったが、炉蓋に設けるバーナの数は２本，４本若しくはそれ以上の数であっても良いし、また炉体が回転する代わりに電極及びバーナが回転する場合であっても良い。
更に本発明は鉄鋼以外の金属を溶解する電気炉及びその操業に適用することも可能であるなど、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。

１０ 電気炉
１２ 周壁部
１４ 炉底部
１６ 炉体
１８ 装入口
１９ バーナ
２０ 炉蓋
２２ 電極
２６ 突出部
２７ 出湯口
２９ 出滓口
３２ 回転装置

Claims (4)

1. （ａ）筒状の周壁部及び炉底部を備えた炉体と、
   （ｂ）炉蓋の側に下向きに設けられた複数の電極と、
   （ｃ）該炉体を上下方向の軸線回りに前記電極に対し相対回転させる回転装置と、
   を備え、該電極と該炉体内に装入された金属材料との間に発生させたアークの熱で該金属材料を溶解する電気炉であって、
   周方向に隣接した前記電極と電極との間の位置において、且つ該位置全てにおいて、前記炉蓋の側にバーナを下向きに設けるとともに、
   該バーナは、その先端が真下よりも前記周壁部の側を向くように傾斜していることを特徴とする電気炉。
2. 請求項１において、前記回転装置が、前記電極を周方向に固定とし、前記炉体を該周方向に回転運動させるものであることを特徴とする電気炉。
3. 請求項１，２の何れかの電気炉の操業方法であって、
   前記炉体の上端の装入口から前記金属材料を前記炉体内に装入する装入工程の後において、前記金属材料の溶解中に前記炉体を前記電極と前記バーナとに対して相対回転させる回転工程を実行して溶解操業を行うことを特徴とする電気炉の操業方法。
4. 請求項３において、前記炉体を連続回転させながら前記電極及びバーナにて前記金属材料を加熱することを特徴とする電気炉の操業方法。

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