JP6476971B2

JP6476971B2 - アーク式底吹き電気炉の操業方法

Info

Publication number: JP6476971B2
Application number: JP2015028608A
Authority: JP
Inventors: 勝彦加藤; 幹男府高; 田中　康弘; 康弘田中
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2035-02-17
Also published as: JP2016151375A

Description

本発明は、アーク式底吹き電気炉の操業方法に関する。

アーク式電気炉の操業では、生産性を向上させるため、スクラップ等の装入原料を溶解する過程で、炉壁から助燃ガスや溶解促進のための酸素を吹き込む技術が従来より知られている。
しかし、アーク式電気炉の炉底が、その直径に対して深さが極めて浅い、いわゆるシャローバスであるため、溶融金属（以下では「溶湯」とも言う。）を撹拌する力は極めて弱い。また、電極から付与される熱も溶湯上面の加熱に消費されるため、溶湯内に熱対流が発生しにくく、溶湯の温度が不均一になり易い。

そのため、炉底に設置したプラグから撹拌ガスを底吹きして溶湯を撹拌し、装入原料の溶解を改善する技術が開示されている。
例えば、特許文献１では、アーク式電気炉における底吹き撹拌において、ノズル（プラグ）数が３個を超えると、炉床（炉底）耐火物が損傷するため、ノズル数を３個以下とすることが記載されている。
また、特許文献２では、アーク式電気炉における底吹き撹拌において、通電開始後、Ａｒ、Ｎ_２などの不活性ガスを吹き込み口（プラグ）から吹き込みながら、溶解の進行に従って、炉床の湯溜り生成に合わせ、吹き込み口から吹き込むガスを酸素などの酸化性ガスに切り換えていく技術が開示されている。

特開昭６０−１０３１０９号公報特開昭５７−６００１１号公報

特許文献１記載の技術では、ノズル数が３個以下とされているため、各ノズルから炉内に吹き込む撹拌ガスの流量が必然的に多くなる。しかし、撹拌ガスの流量が多くなり過ぎると、溶湯を吹き抜ける撹拌ガスが顕著となり、吹き込んだ撹拌ガスの一部が撹拌に利用されなくなる結果、装入原料の溶解を完了するまでに時間がかかるという問題がある。
また、特許文献２記載の技術では、吹き込み口が同心円上に多数個配置されているところ、吹き込み口の配置間隔が狭まると、溶湯の撹拌がうまくいかず、特許文献１記載の技術と同様、装入原料の溶解を完了するまでに時間がかかるという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、生産効率化のため、アーク式電気炉の底吹き撹拌において、装入原料と溶湯の接触を従来より促進させ、撹拌による装入原料の加熱を促進して装入原料の溶解が完了するまでの時間を短縮する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るアーク式底吹き電気炉の操業方法では、アーク式底吹き電気炉の炉底に配置された撹拌ガス吹き込みプラグの個数が湯面面積１ｍ^２当たり０．１２個以上、且つ、隣接する前記撹拌ガス吹き込みプラグの中心間距離をＬ、溶融金属の溶湯深さをＨとすると、Ｌ／Ｈの最小値が０．５０以上とされ、
前記アーク式底吹き電気炉に装入した装入原料の溶解に際して、前記撹拌ガス吹き込みプラグからプラグ１個当たり１０Ｎｍ ^３／Ｈｒ以上の撹拌ガスを炉内に吹き込むこととし、
前記装入原料は、篩目２５ｍｍオーバーの転炉脱炭スラグを該装入原料の５〜３０質量％と、金属原料とを含むことを特徴としている。

ここで、湯面面積は、アーク式底吹き電気炉を上方から平面視した溶湯湯面の面積である。また、隣接する撹拌ガス吹き込みプラグの中心間距離Ｌは水平距離である。
なお、炉底が平面でない場合、溶湯深さＨは、隣接する２つのプラグ位置における溶湯深さの平均値とする。一般に、溶湯深さＨは５０ｃｍ以上、最大値は大型電気炉で２ｍ程度である。

溶湯の撹拌により未溶解な装入原料と溶湯の接触が相応に促進され、装入原料の加熱ひいては溶解が促進される。しかし、電気炉がシャローバスであるため撹拌効率が低いことに加えて、１個の撹拌ガス吹き込みプラグで溶湯を良好に撹拌できる範囲にも限界がある。溶湯の撹拌を促進するためには、撹拌ガス吹き込みプラグ１個当たりの撹拌ガス流量を増やすことも考えられるが、撹拌ガスの流量が、ある限界値を超えると、溶湯を吹き抜ける撹拌ガスが顕著となり、吹き込んだ撹拌ガスの一部が撹拌に利用できなくなる。

そこで、本発明では、湯面面積１ｍ^２当たりの撹拌ガス吹き込みプラグの個数を所定範囲とする。なお、「湯面面積１ｍ^２当たりの撹拌ガス吹き込みプラグの個数」とは、撹拌ガス吹き込みプラグの個数を操業時の湯面面積で割ったものである。
これにより、弱撹拌領域の面積が減少して溶湯全体が良好に撹拌され、その結果、装入原料と溶湯の接触が促進され、装入原料の加熱及び溶解が促進される。具体的には、撹拌ガス吹き込みプラグの個数を湯面面積１ｍ^２当たり０．１２個以上とする。
なお、撹拌ガス吹き込みプラグの設置個数には物理的な上限値（設置場所）が存在し、一般には湯面面積１ｍ^２当たり０．５個程度と考えられる。

さらに、本発明者等は、隣接する撹拌ガス吹き込みプラグの間隔及び溶湯深さが溶湯の撹拌に及ぼす影響について検討した。
炉底に設置された撹拌ガス吹き込みプラグから溶湯に吹き込まれる撹拌ガスによる湯面の広がりは、湯面の広がり半径が０．２１×溶湯深さＨであることが知られている（図４参照）。なお、鉛直線に対する撹拌ガスの広がり角度は１２度であることが当業者の技術常識とされている。

隣接する２本の撹拌ガス吹き込みプラグから炉内に吹き込まれる撹拌ガスによる湯面の広がりが干渉しないようにするためには、図４に示すように、隣接する撹拌ガス吹き込みプラグの中心間距離Ｌを０．４２Ｈ（＝０．２１Ｈ×２）超とする必要がある。さらにＬを広げて０．５０Ｈとすると、２つの湯面の広がりの間に隙間が生じて下降流が発生する。従って、Ｌを０．５０Ｈ以上、即ちＬ／Ｈを０．５０以上とすべきことを本発明者等は発見した。Ｌ／Ｈの上限値は特に設ける必要はないが、Ｌ／Ｈには物理的な上限値が存在し、一般には５程度である。
なお、特許文献２には、溶湯深さが最大１ｍ程度であることが記載され、特許文献２の第２図から溶湯深さ、第３図からプラグ中心間距離を測ると、Ｌ／Ｈの最小値は０．４０〜０．４５となる。

撹拌ガス吹き込みプラグ周辺における撹拌ガスの流量をプラグ１個当たり１０Ｎｍ^３／Ｈｒ以上とすることで、装入原料と溶湯の接触を、より促進させることができ、溶湯による装入原料の加熱を促進することができる。
なお、撹拌ガスの流量が多くなり過ぎると、溶湯を吹き抜ける撹拌ガスが顕著となり、吹き込んだ撹拌ガスの一部が撹拌に利用できなくなるため、撹拌ガス流量の上限値をプラグ１個当たり１００Ｎｍ^３／Ｈｒとすると良い。

また、本発明に係るアーク式底吹き電気炉の操業方法では、前記アーク式底吹き電気炉を平面視して、３本の電極の各中心を頂点とする正三角形の重心に炉中心が配置され、さらに、前記アーク式底吹き電気炉を平面視して、前記炉中心から前記電極の中心を通り炉壁まで延びる仮想線を中心線とし該電極の直径を幅とするバンド領域を想定し、前記バンド領域を除く炉底領域に前記撹拌ガス吹き込みプラグを配置することを好適とする。

一般に、平行に電流が流れる導体間には電磁力が発生する。３相電極では、電極サークルに対し外向きの電磁力がアークに作用する。このため、アークは鉛直ではなく炉壁に向かって傾いている。炉壁を指向するアークは、炉中心から電極の中心を通り炉壁まで延びる仮想線に沿って、高温ガスからなるアークジェット流を炉壁に吹き付ける。溶湯浴面の表層部を高速で流れるこのアークジェット流は、溶湯浴面にせん断力を与え、アークジェット流に沿った溶湯流動が発生する。

従って、撹拌ガス吹き込みプラグは、アークジェット流による溶湯流動を阻害しない領域、即ち、炉中心から電極の中心を通り炉壁まで延びる仮想線を中心線とし該電極の直径を幅とするバンド領域を除く炉底領域に配置することが望ましい。

本発明に係るアーク式底吹き電気炉の操業方法では、湯面面積１ｍ^２当たりの撹拌ガス吹き込みプラグの個数を０．１２個以上として弱撹拌領域面積を減少させると共に、隣接する撹拌ガス吹き込みプラグ間で下降流が発生するプラグ間隔を確保することにより、溶湯を十分に撹拌して、装入原料と溶湯の接触を従来に比べて促進させることができる。その結果、撹拌による装入原料の加熱が促進され、装入原料の溶解が完了するまでの時間を短縮することができる。

本発明の一実施の形態に係る電気炉の操業方法で用いられるアーク式底吹き電気炉の縦断面図である。同アーク式底吹き電気炉の炉底に設置した撹拌ガス吹き込みプラグの配置を示す模式図であって、（Ａ）は撹拌ガス吹き込みプラグ数が３個の場合、（Ｂ）は撹拌ガス吹き込みプラグ数が４個の場合、（Ｃ）は撹拌ガス吹き込みプラグ数が６個の場合をそれぞれ示している。バンド領域を除く炉底領域に撹拌ガス吹き込みプラグを配置した一例を示す模式図である。撹拌ガス吹き込みプラグから炉内に吹き込まれる撹拌ガスの流れを説明するための模式図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

本発明は、５ｔｏｎ〜１５０ｔｏｎの溶湯が溶製できるアーク式底吹き電気炉を対象とする。なお、本発明が対象とするアーク式底吹き電気炉の好ましい炉容量の下限は１０ｔｏｎ、より好ましくは３０ｔｏｎであり、好ましい炉容量の上限は１００ｔｏｎである。
本発明の一実施の形態に係る電気炉の操業方法で用いられるアーク式底吹き電気炉１０の縦断面図を図１に示す。
アーク式底吹き電気炉１０の炉１１は有底円筒状とされ、中心軸の周りには３本の電極１５が平面視して正三角形状に配置されている（図２参照）。溶湯１６を保持する炉底１２は耐火物でお碗状に形成され、炉側壁部には水冷パネル１４が配置されている。

炉底１２に複数埋設されている撹拌ガス吹き込みプラグ１３として、例えば、多孔質耐火物からなるポーラスプラグなどがあるが、細い管を束状にした細管集合型プラグが流量制御性に優れており好ましい。窒素ガスやアルゴンガスなどの撹拌ガスを撹拌ガス吹き込みプラグ１３から溶湯１６に吹き込み、溶湯１６を撹拌する。撹拌ガス吹き込みプラグ１３は、湯面面積１ｍ^２当たり０．１２個以上配置する。
また、隣接する撹拌ガス吹き込みプラグ１３の中心間距離をＬ、溶湯深さをＨとすると、Ｌ／Ｈは０．５０以上とされている。

撹拌ガス吹き込みプラグ１３の配置例を図２に示す。本例では、上方から炉底１２を見て、３本の電極１５を囲繞する正６角形を想定し、１つおきに選択した正６角形の頂点に撹拌ガス吹き込みプラグ１３を配置するケース（撹拌ガス吹き込みプラグ１３が３個）を図２（Ａ）に、正６角形から２つおきに頂点を削除し、残った頂点に撹拌ガス吹き込みプラグ１３を配置するケース（撹拌ガス吹き込みプラグ１３が４個）を図２（Ｂ）に、正６角形の各頂点に撹拌ガス吹き込みプラグ１３を配置するケース（撹拌ガス吹き込みプラグ１３が６個）を図２（Ｃ）にそれぞれ示す。

なお、符号１７は、アークジェット流による溶湯流動が発生するバンド領域である。バンド領域は、アーク式底吹き電気炉１０を平面視して、３本の電極１５の各中心を頂点とする正三角形の重心に炉中心１８が配置され、さらに、アーク式底吹き電気炉１０を平面視して、炉中心１８から電極１５の中心を通り炉壁まで延びる仮想線を中心線とし電極１５の直径を幅とする領域である。撹拌ガス吹き込みプラグ１３は、このバンド領域１７を除く炉底領域に配置することが望ましい。
図２の例では、バンド領域１７に撹拌ガス吹き込みプラグ１３が存在する。バンド領域１７を除く炉底領域に撹拌ガス吹き込みプラグ１３を配置した一例を図３に示しておく。

次に、アーク式底吹き電気炉１０の操業方法について説明する。
スクラップ、合金鉄、鋳銑、粒鉄などの金属原料をアーク式底吹き電気炉１０内に予め装入し、通電を開始することで金属原料の溶解を開始する。なお、金属原料の一部は通電開始以降に装入しても良い。

必要に応じて、生石灰や石灰石等の副原料を装入する。副原料の炉内への装入は、金属原料への通電開始前、金属原料の溶解完了後、その中間のいずれでも良い。
副原料は、金属原料に比べて熱伝導率が一般に低く（２０％クロム溶鋼の熱伝導率が２２Ｗ／ｍＫであるのに対し、例えば生石灰等の酸化物の熱伝導率は０．９Ｗ／ｍＫ程度）、なかでも篩目２５ｍｍオーバーの塊状副原料は加熱溶解されにくい。
因みに、副原料として、生石灰代替となる転炉脱炭スラグの塊状物等を想定すると、塊状副原料は、装入原料の５〜３０質量％となる。

撹拌ガス吹き込みプラグ１３による撹拌ガスの吹き込みは、金属原料や副原料の溶解開始時から行っても良いが、プラグの目詰まりを防止するため、材料装入前から撹拌ガスの炉内吹き込みを行うとなお良い。
撹拌ガスの吹き込み流量は、プラグ１個当たり１０Ｎｍ^３／Ｈｒ以上とする。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
アーク式底吹き電気炉には、１００ｔｏｎの溶湯が溶製できるものを使用した。電極は２４インチ径×３本、総投入電力は４０ＭＷとした。

使用した装入原料は以下の通りである。
ａ）金属原料：スクラップ、合金鉄、鋳銑（高炉溶銑を凝固させたもの）を合計５５ｔｏｎ（炉内装入物の５５質量％）
ｂ）副原料
・塊状副原料：２５ｍｍオーバーの転炉脱炭スラグを４ｔｏｎ（装入原料の５質量％）〜３０ｔｏｎ（装入原料の３０質量％）を想定しているが、最も溶解しづらい３０ｔｏｎにて試験を行った。
・その他の副原料：２５ｍｍアンダーの転炉脱炭スラグ、珪石、生石灰を１０ｔｏｎ

Ｌ／Ｈは、その最小値が０．４０、０．５０、５．０のいずれかの条件となるように設定した。
また、炉底に配置した撹拌ガス吹き込みプラグの数は、バンド領域上に撹拌ガス吹き込みプラグが存在する図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）の３ケース、並びにバンド領域上に撹拌ガス吹き込みプラグが存在しない図３の１ケースの計４条件とした。湯面面積１ｍ^２当たりのプラグ数は、プラグ数が３個の場合０．１１個、プラグ数が４個の場合０．１４個、プラグ数が６個の場合０．２２個である。
撹拌ガス吹き込みプラグから溶湯に吹き込むガス流量は、プラグ１個当たり１０Ｎｍ^３／Ｈｒ、４．２Ｎｍ^３／Ｈｒの２条件とした。

通電処理による装入原料の溶解完了を目視にて確認し、通電開始から溶解完了までに要する溶解時間を測定した。そして、溶解時間が３０分超４０分以下の場合を◎、溶解時間４０分超５０分以下の場合を○、溶解時間が５０分超６０分以下の場合を△、溶解時間が６０分超の場合を×とした。
試験結果の一覧を表１に示す。

検証試験の結果から以下のことが明らかとなった。
Ｌ／Ｈが０．５０未満もしくは撹拌ガス吹き込みプラグの数が０．１２個／ｍ^２未満の場合、比較例１、２に示すように、溶解時間が６０分超であったが、Ｌ／Ｈが０．５０以上かつ撹拌ガス吹き込みプラグの数が０．１２個／ｍ^２以上の場合、実施例１、２及び参考例１〜４に示すように、溶解時間は６０分以下であった。これは、撹拌ガス吹き込みプラグの必要数、並びに撹拌ガス吹き込みプラグ間における下降流の発生が阻害されないプラグ間隔が確保されているため、溶湯の撹拌が十分なされることにより、装入原料と溶湯の接触が促進された結果、装入原料の加熱及び溶解が促進され、溶解時間が短縮したものである。
撹拌ガス吹き込みプラグ１個当たりの流量を１０Ｎｍ^３／Ｈｒ以上とすることによって、溶解時間をさらに短縮することが可能である（参考例１に対する実施例１参照）。
バンド領域上に撹拌ガス吹き込みプラグを配置しないことによって、溶解時間をさらに短縮することが可能である（参考例１に対する参考例３、実施例１に対する実施例２参照）。

１０：アーク式底吹き電気炉、１１：炉、１２：炉底、１３：撹拌ガス吹き込みプラグ、１４：水冷パネル、１５：電極、１６：溶湯（溶融金属）、１７：バンド領域、１８：炉中心

Claims

アーク式底吹き電気炉の炉底に配置された撹拌ガス吹き込みプラグの個数が湯面面積１ｍ^２当たり０．１２個以上、且つ、隣接する前記撹拌ガス吹き込みプラグの中心間距離をＬ、溶融金属の溶湯深さをＨとすると、Ｌ／Ｈの最小値が０．５０以上とされ、
前記アーク式底吹き電気炉に装入した装入原料の溶解に際して、前記撹拌ガス吹き込みプラグからプラグ１個当たり１０Ｎｍ ^３／Ｈｒ以上の撹拌ガスを炉内に吹き込むこととし、
前記装入原料は、篩目２５ｍｍオーバーの転炉脱炭スラグを該装入原料の５〜３０質量％と、金属原料とを含むことを特徴とするアーク式底吹き電気炉の操業方法。
請求項１記載のアーク式底吹き電気炉の操業方法において、前記アーク式底吹き電気炉を平面視して、３本の電極の各中心を頂点とする正三角形の重心に炉中心が配置され、さらに、前記アーク式底吹き電気炉を平面視して、前記炉中心から前記電極の中心を通り炉壁まで延びる仮想線を中心線とし該電極の直径を幅とするバンド領域を想定し、前記バンド領域を除く炉底領域に前記撹拌ガス吹き込みプラグを配置することを特徴とするアーク式底吹き電気炉の操業方法。