JP6673055B2

JP6673055B2 - アーク式電気炉の操業方法

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Publication number: JP6673055B2
Application number: JP2016128302A
Authority: JP
Inventors: 尚樹金子; 中川　淳一; 淳一中川; 勝彦加藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2020-03-25
Anticipated expiration: 2036-06-29
Also published as: JP2018003063A

Description

本発明は、金属原料を溶解する電気炉の操業方法に関する。

スクラップあるいは合金等の金属原料の溶解には、例えば、金属原料と電極との間で生じるアークを利用して金属原料を溶解するアーク式電気炉が用いられる。アークは数千℃の高温である。このため、電極近傍の耐火物はアークの輻射熱により損耗する可能性が高い。具体的には、初期の金属原料の溶解では、金属原料によって炉内壁面が被覆されていることから、電力が高位となっても耐火物は損傷しない。しかし、金属原料が溶解した後は、耐火物炉壁はアークに曝されてしまい、直接熱の影響を受けてしまう。このため、電力を高位にすると炉壁の損傷が発生する。一方、耐火物の損耗を抑制しようと電力を過度に低減すると、生産性が落ちる。

例えば、耐火物炉壁の表面温度を測定し、耐火物炉壁がアークから受ける輻射熱による損耗の程度を把握することも考えられるが、耐火物炉壁の表面は高温のため、直接測定することが難しい。このため、耐火物炉壁の損耗抑制と生産性とが両立するように電気炉を操業できることが望まれている。

例えば、特許文献１には、電気炉の操業において、炉内耐火物の温度を熱伝対で測定し管理する技術が開示されている。特許文献１では、製造品種により溶解時に到達する最高温度が異なることを利用し、例えば到達温度の高い品種の後に到達温度が低い品種を製造するというように製造品種を切り替えることで、耐火物への熱負荷を下げて耐火物溶損を抑制している。また、特許文献２には、電力及び電極と炉壁との距離から導出される耐火物損耗係数に基づいて、生産性の向上と耐火物損耗防止とを考慮した溶融金属の製造方法が開示されている。

特開平５−１０６９６８号公報特開２００３−１０５４１５号公報

しかし、上記特許文献１に記載の技術では、製造品種が１種である場合に適用できない。また、炉壁耐火物の温度を測定するときの耐火物の残存厚さは異なり、また、昇熱速度で炉壁表面の状態も異なるため、壁耐火物の温度を測定するのみでは炉壁表面の損耗状態を感知するのは困難である。したがって、耐火物の損耗状態を正確に把握することができず、耐火物の損耗抑制と生産性向上とを両立させるように電気炉を操業することは困難である。

また、上記特許文献２に記載の技術では、耐火物損耗係数は電気炉への投入電気に関する関数より導出される。このため、金属溶解前の炉内部保護の有無、水冷パネルによる影響といった炉内部の状況は考慮しておらず、過度に電力を抑制する可能性がある。したがって、耐火物の損耗抑制と生産性向上とを両立させるように電気炉を操業することは困難である。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、耐火物の損耗抑制と生産性向上とを両立させることが可能な、新規かつ改良された電気炉の操業方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、炉本体の内面に耐火物を施工して形成された耐火物炉壁を有する、金属原料を溶解するアーク式電気炉の操業方法であって、耐火物炉壁は、金属原料がすべて溶解するとアークに曝されるものであり、１チャージにおける耐火物炉壁の表面温度の最高到達温度を１０００℃以上１８００℃以下とし、かつ、耐火物炉壁の表面温度が１０００℃以上１８００℃以下の範囲では、耐火物炉壁表面から炉本体内部への熱流束が１５０Ｍｃａｌ／ｍ^２／ｈｏｕｒ以下となるようにして、アーク式電気炉に装入された金属を溶解する、アーク式電気炉の操業方法が提供される。

以上説明したように本発明によれば、耐火物の損耗抑制と生産性向上とを両立させることができる。

本発明の一実施形態に係る電気炉の構成を示す概略平面図である。同実施形態に係る電気炉の炉内温度を測定する熱電対の設置状態を示す部分概略斜視図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．電気炉の構成＞
まず、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態に係る電気炉の概略構成について説明する。図１は、本実施形態に係る電気炉の構成を示す概略平面図である。図２は、本実施形態に係る電気炉の炉内温度を測定する熱電対の設置状態を示す部分概略斜視図である。

本実施形態に係る電気炉はアーク式電気炉であって、金属原料と電極との間で生じるアークを利用して金属原料を溶解する。炉本体の開口部を覆う炉蓋には、炉本体内に挿入される電極が設けられている。

電気炉を平面視すると、図１に示すように、金属原料５を収容し、溶解した金属原料５が排出される出湯口１２を有する炉本体１０の中央部に、例えば３本の電極２１、２３、２５が配置される。炉本体１０の内面には、耐火物炉壁１４が設けられている。また、本実施形態に係る電気炉は、金属原料と電極との間で生じるアークの輻射熱を大きく受ける、炉本体１０と径方向に電極２１、２３、２５と対向する位置に、耐火物炉壁１４の表面の温度を測定する温度測定部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ（まとめて「温度測定部３０」とも称する。）が設けられている。

温度測定部３０（３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ）は、図２に示すように、それぞれ３つの熱電対３１、３３、３５により構成されている。熱電対３１、３３、３５は、炉本体１０と、炉本体１０の内面に施工されたパーマ耐火物１４ａ及びウェア耐火物１４ｂとを貫通して、先端部がウェア耐火物１４ｂ内に位置するように設けられる。各熱電対３１、３３、３５の先端部は、炉本体１０の径方向におけるパーマ耐火物１４ａの表面からの距離Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３が異なるように配置されている。これにより、温度測定部３０により測定する位置における炉内壁面の温度分布を推定することができる。温度測定部３０により測定された温度測定値は、電気炉の操業を制御する制御装置４０へ出力される。なお、本実施形態の温度測定部３０は、３つの熱電対３１、３３、３５により構成したが、本発明はかかる例に限定されず、複数の熱電対により構成されていればよい。

このような電気炉による金属原料の溶解は、まず、炉本体内に、スクラップ、合金鉄、鋳銑、粒鉄等の金属原料と、使石灰、石灰石、アルミナ、硅石等の副原料とを装入した後、炉蓋をかぶせ、電極を金属原料に向け近接させる。そして、電極に電圧を印加すると、炉本体内で金属原料と電極との間にアークが発生し、この際に生じるアーク熱によって金属原料が溶解される。さらに、ノズルを介して酸素を吹き込み、リン、珪素等の不純物の除去や炭素濃度の調整を行うとともに、溶融金属の温度を上昇させて金属原料の溶解を促進させる。

なお、電気炉の操業では、１回の金属原料装入から溶解までの処理を１チャージとして、金属原料装入から溶解までの処理が繰り返し行われる。

＜２．電気炉の操業方法＞
電気炉による金属原料の溶解において、金属原料がすべて溶解するまでは耐火物炉壁は金属原料に覆われているので、高電力で操業しても熱流束が小さいため、電気炉を高電力で操業可能である。しかし、金属原料がすべて溶解すると、耐火物炉壁はアークに曝され、電気炉を高電力で操業すると、耐火物炉壁が損耗してしまう。そこで、本実施形態では、以下の条件で電気炉の操業方法を行う。これにより、炉内影響に応じて耐火物が損耗しない範囲内で最大電力を投入して金属原料を溶解することができる。

（Ａ）１チャージにおける耐火物炉壁の表面温度の最高到達温度
まず、１チャージにおける耐火物炉壁の表面温度の最高到達温度を１０００℃以上１８００℃以下とする。最高到達温度が１８００℃を超えると耐火物炉壁の表面温度が耐火物の融点に近くなり、強度が顕著に下がる。耐火物炉壁の強度が低下すると、溶湯あるいはスラグの飛散により、耐火物炉壁の溶損が顕著となる。したがって、耐火物炉壁の表面温度は１８００℃以下にすることが望ましい。一方、最高到達温度を１０００℃未満とすると高い生産性を得られない。これより、最高到達温度は１０００℃以上とすることが望ましい。

耐火物炉壁の表面温度は、例えば図２に示した温度測定部３０により取得可能である。温度測定部３０は、先端部が耐火物炉壁１４の耐火物厚さ方向（すなわち、炉本体１０の径方向）の異なる位置となるように設置された複数の熱電対３１、３３、３５からなる。熱電対３１、３３、３５により測定された温度測定値は、制御装置４０へ出力される。制御装置４０は、これらの温度測定値に基づいて耐火物厚さ方向の温度勾配を演算し、耐火物炉壁１４の表面温度を推定する。このように耐火物厚さ方向の温度勾配を得ることで、当該温度勾配に基づき耐火物炉壁の表面温度をより正確に推定できる。なお、耐火物炉壁の表面温度の取得は、かかる方法に限定されず、例えば、表面温度を直接測定する方法、その他の適切な表面温度推定方法を用いてもよい。

（Ｂ）耐火物炉壁表面から内部への熱流束
また、耐火物炉壁の表面温度が１０００℃以上１８００℃以下の範囲では、耐火物炉壁表面から炉本体内部への熱流束を１５０Ｍｃａｌ／ｍ^２／ｈｏｕｒ以下とする。

耐火物炉壁の表面温度が１０００℃以上１８００℃以下の範囲は、耐火物は、溶湯あるいはスラグの接触による溶損は顕著に発生しない範囲ではあるものの、耐火物炉壁自体の強度は低下する。このため、耐火物炉壁の表面温度が１０００℃以上１８００℃以下の範囲にあるときに、溶湯あるいはスラグの接触により急激に高温になると、局所的に熱膨張差が発生し、スポーリングと同様な熱応力が発生する。したがって、耐火物炉壁の表面温度が１０００℃以上１８００℃以下の範囲にあるときに耐火物炉壁の表面温度の急激な上昇が発生すると、耐火物炉壁の割れを誘発し、損耗が顕著となる。

本願発明者らは、鋭意検討の結果、耐火物炉壁の表面温度が１０００℃以上１８００℃以下の範囲において、熱流束が１５０Ｍｃａｌ／ｍ^２／ｈｒ以下では、上述した熱膨張差による耐火物炉壁の損耗を抑制できることを知見した。熱流束が１５０Ｍｃａｌ／ｍ^２／ｈｒ以下の低位域では、温度勾配が緩やかであるため、局所的な熱膨張差が小さく、熱応力の発生も小さくなる。したがって、耐火物炉壁に割れが発生しにくくなる。一方、熱流束が１５０Ｍｃａｌ／ｍ^２／ｈｒ超となると、耐火物炉壁の割れの発生が顕著となる傾向があり、耐火物炉壁の補修が頻繁に必要となる耐火物損耗速度となる。したがって、耐火物炉壁の表面温度が１０００℃以上１８００℃以下の範囲において、熱流束が１５０Ｍｃａｌ／ｍ^２／ｈｒ以下となるように電気炉を操業することで、耐火物炉壁の寿命を向上することができる。

耐火物炉壁表面から炉本体内部への熱流束は、上記耐火物炉壁の表面温度の測定と同様、例えば図２に示した温度測定部３０により取得可能である。先端部が耐火物炉壁１４の耐火物厚さ方向の異なる位置となるように設置された複数の熱電対３１、３３、３５により測定された温度測定値は、制御装置４０へ出力される。制御装置４０は、これらの温度測定値に基づいて耐火物厚さ方向の温度勾配を演算し、耐火物炉壁１４表面から炉本体１０内部への熱流束を推定する。例えば、所定のサンプリング時間（例えば、３００秒以下の任意の時間）で温度勾配を演算し、熱流束を推定する。あるいは、熱電対３１、３３、３５のうちいずれか２つの温度測定値を用いて、２点の温度測定値の経時変化から伝熱における逆問題解析を行い、熱流束を算出してもよい。なお、当該熱流束は、かかる方法に限定されず、その他の適切な表面温度推定方法及び熱流束推定方法を用いてもよい。

熱流束は、各温度測定部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃそれぞれの温度測定値に基づいて取得される。そして、得られた熱流束から、各チャージにおける最大熱流束が決定される。

＜３．まとめ＞
以上、本実施形態によれば、このように、耐火物炉壁の表面温度及び熱流束について上記の操業条件を満たすように電気炉を操業することで、耐火物炉壁の損耗を抑制しながら、可能な範囲で高電力で電気炉を操業することができる。また、可能な範囲内で高電力で電気炉を操業できるため、操業時間を短縮することができる。その結果、耐火物炉壁の損耗をより抑制でき、炉壁等からの放熱ロスの低減等の改善による製造コスト削減が可能となる。

以下、本発明の電気炉の操業方法の有効性について検証した結果を示す。本検証では、１チャージの操業により、図１及び図２に示した電気炉を用いてスクラップとＣｒ含有合金とからなる金属原料を溶解し、９０ｔの溶湯を得た。このとき、電気炉に投入したトランス容量は９０ＭＶＡとした。そして、当該チャージと同様のチャージを繰り返し行い、１か月間、電気炉を操業させた。

下記表１に示す実施例及び比較例について、上記の操業条件に電気炉を操業し、耐火物炉壁の損耗状態及び生産性を評価した。耐火物炉壁の損耗、１チャージの生産性、及び１か月の生産性に対する評価基準は以下のとおりである。

［耐火物炉壁損耗の評価基準］
１００〜２００ｃｈ操業後の最大損耗量から算出した１チャージあたりの損耗量から算出される損耗速度により評価
○：損耗速度１．５ｍｍ／ｃｈ未満
×：損耗速度１．５ｍｍ／ｃｈ以上
［１チャージの生産性に対する評価基準］
１チャージあたりの金属原料の溶解時間により評価
◎：通電開始から通電終わりまでの時間が７５分未満
○：通電開始から通電終わりまでの時間が７５分以上９０分未満
×：通電開始から通電終わりまでの時間が９０分以上
［１か月の生産性に対する評価基準］
○：比較例１を基準とし、増産代が５％以上改善
×：比較例１を基準とし、増産代が５％未満

実施例１は、上述の実施形態に係る電子炉の操業方法を適用して１か月間操業した場合であり、各チャージの耐火物炉壁表面の最大到達温度は１０００℃以上１８００℃以下に収まっており、耐火物炉壁表面の最大熱流束は１５０Ｍｃａｌ／ｍ^２／ｈｏｕｒ以下に収まっている。このように電気炉を操業した結果、耐火物炉壁の損耗、１チャージの生産性、及び１か月の生産性はいずれも良好な結果となった。

一方、比較例１では、１か月の操業において耐火物炉壁表面の最大熱流束が１５０Ｍｃａｌ／ｍ^２／ｈｏｕｒを超えたチャージがあり、比較例２では、１か月の操業において耐火物炉壁表面の最大到達温度が１８００℃を超えたチャージがあった。このため、比較例１、２は、１チャージ毎の生産性は実施例１よりも良好であったが、耐火物炉壁の損耗速度が速く、１ケ月あたりの補修時間が増大した。その結果、１か月の生産性としては実施例１よりも増産代は改善されなかった。

また、比較例３では、１か月の操業において耐火物炉壁表面の最大到達温度が１０００℃以上となったチャージはなかった。したがって、耐火物炉壁の損耗は少ないものの、１チャージの生産性も低くなり、結果として１か月の生産性が実施例１よりも増産代は改善されなかった。

以上より、上記の実施形態に係る電気炉の操業方法を適用することで、耐火物の損耗抑制と生産性向上とを両立できることが示された。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

５金属原料
１０炉本体
１２出湯口
１４耐火物炉壁
２１、２３、２５電極
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ温度測定部
３１、３３、３５熱電対

Claims

炉本体の内面に耐火物を施工して形成された耐火物炉壁を有する、金属原料を溶解するアーク式電気炉の操業方法であって、
前記耐火物炉壁は、前記金属原料がすべて溶解するとアークに曝されるものであり、
１チャージにおける前記耐火物炉壁の表面温度の最高到達温度を１０００℃以上１８００℃以下とし、
かつ、前記耐火物炉壁の前記表面温度が１０００℃以上１８００℃以下の範囲では、前記耐火物炉壁表面から前記炉本体内部への熱流束が１５０Ｍｃａｌ／ｍ^２／ｈｏｕｒ以下となるようにして、
前記アーク式電気炉に装入された金属を溶解する、アーク式電気炉の操業方法。