JP7128600B1

JP7128600B1 - 屑鉄の大量溶解装置

Info

Publication number: JP7128600B1
Application number: JP2022010657A
Authority: JP
Inventors: 勝彦山田
Original assignee: 山田榮子
Priority date: 2022-01-27
Filing date: 2022-01-27
Publication date: 2022-08-31
Anticipated expiration: 2042-01-27
Also published as: JP2023109246A

Abstract

【課題】ＣＯ２放出の少ない屑鉄の大量溶解装置を提供する。【解決手段】アーク炉に替わって誘導炉を使用し、炉の高径比（＝容器深さ／内径）を大きく特定し、容器上部外周に低周波コイルを設けて装入原料をキューリー点までは効率的に予熱し、容器下部外周には高周波コイルを設けて溶解に集中させる。溶解能率が強化され、且つ電力源単位の向上が得られる。上記の炉を２種電源＋２炉体に組み立てると一層電力効率が向上する。アーク炉のように溶解促進のための炭材投入（発泡スラグの形成とＣＯ沸騰強化）は不要になる。【選択図】図１

Description

本発明は、現在屑鉄の大量処理を担っているアーク式溶解炉に代替可能な誘導溶解炉に関している。

屑鉄を主原料としアーク熱溶解による電炉製鋼法は特殊鋼用として誕生成長し、その後地産地消型の普通鋼小規模鉄鋼業の基幹設備として広範に普及、今日生産量が製鋼総量の約３０％に達するだけでなく、主流の高炉－転炉製鋼法と比較して資源の自給・エネルギー消費・ＣＯ２発生量及び投資効率の有利性からその意義が再認識されつつある。国内では設備技術・操業技術・製品品質・公害対策とも高度に進展、技術的にはもはや大きな飛躍は望めない観がある。

他方、対極には本願発明の図面の図５に例示するように少量多品種の金属溶解には鋳鉄を含め、熔解容量が数トン以下の高周波・低周波の誘導溶解炉が多用されている。精錬機能は低いが良質原料を使用し、使い勝手がよい。問題は当然ながら大型炉に比較して電力原単位が大きいことである。
ここ数年、誘導溶解炉は急速に容量が拡大して量産普通鋼に適用可能となり、海外特に低開発国では設備投資総額が小さい故に急速に普及、異様な発展を示しつつある。
エネルギー・耐火物等の原単位はアーク炉にまだまだ及ばないものの大きな可能性を秘める。

アーク炉の問題点を検討する。コストの過半を占める電力の節減が長く追求され、現在優れた製鋼工場の電力原単位は３００ｋＷｈ／ｔ以下と低位である。変圧器の増強、酸素・ＬＮＧバーナーの付設、原料の連続装入、スクラップ・プレヒーターの付設、炭材投入による発泡スラグ操業等々が寄与している。
その結果、ＬＮＧ原単位は５～１０Ｎｍ³／ｔ、酸素ガス３０～４０Ｎｍ³／ｔ、炭材５～１０ｋｇ／ｔ、最大３０ｋｇ／ｔと補助燃料が増加している。炭材の使用はＣＯ２の発生抑制に対して大いに問題含みである。

非特許文献１には、新鋭アーク炉に関する詳細な説明がある。それによると大量の熱排ガスを効率的に原料屑鉄の予熱に活用するものであって、消費電力の削減は著しいが、大量の酸素ガス（４０Ｎｍ³／ｔ）とそれに見合う大量のＬＮＧと炭材が消費される。炭材消費が３０ｋｇ／ｔ（３％Ｃに相当）を超えると転炉における脱炭量と大差がなくなり、ＣＯ２発生量が過大になる。今後の製鋼方法としては問題が大きい。

誘導炉の問題点を検討する。
非特許文献２には通常のアーク炉対大型誘導炉の普通鋼実操業における比較が記述されている。電力原単位は、約３５０ｋＷｈ／ｔ対約６００ｋＷｈ／ｔであって、誘導炉は圧倒的に不利である（Figure 3）。原因は溶解サイクル（通称 Tap to Tap）がアーク炉が約６０分に対して誘導炉が約１５０分（電源容量の設計値が低位と推測）であって、能率が低くエネルギーの損失が増加していると考えられる（Figure 4）。

電力差は約２５０ｋＷｈ／ｔとなるが、誘導炉では高価な黒鉛電極棒を使用しない利点がある。当該費用を電力に換算すると約１００～１５０ｋＷｈ／ｔに相当する。アーク炉は補助燃料を使用しているので差はさらに縮まる。誘導炉の低能率を解決すると両者の差異は克服不可能とは言い切れない水準であろう。

低能率の改善策として、上記の事例では誘導炉を３基併設して見かけ上溶解サイクルを５０分とし、後続行程の需要量に対処している。経営的には意味があってもエネルギー効率面では効果が大きくない。
特許文献１には、少量多品種のＡｌ合金溶解において電力消費改善策として、バーナーを持つ水平式予熱炉を近傍に設け、原料を一定温度に予熱後誘導炉に装入することが記載されている。これは量産普通鋼に対しても参考になる策である。

誘導炉の他の問題として、一般的には溶鋼の加熱と溶解を主とするなら高周波、攪拌・保温を主とするなら低周波が好ましいとされているが、特許文献２には、誘導攪拌力を強化するため、単一のソレノイドコイルを回路上で２分割して適切な攪拌を発生させている。ソレノイドの活用方法として参考になる。

誘導炉において本来意図したことではないが新たな利点がある。補助熱源としての炭材やスラグ発泡用の炭材を要しないことである。将来の炭素税を勘案すると先進国においても十分競争力を持ち得る溶解炉・製鋼方法になる可能性がある。

公開特許公報２０２１－７１２３０公開特許公報２００６－３８３５１

水上ら、ふぇらむ Vol.26(2021) No.12 p.737 革新的スクラップ予熱型電気炉の開発 Harald,SEAISI Qoarterly Journal 2017 Vol.46 No.2, p.6 Induction Furnace Versus Electric Arc Furnace in Steeｌ Making Process

本願発明は、屑鉄の大量処理に適用されているアーク加熱電気炉製鋼法において、大量に発生しているＣＯ２ガスを削減することを目的とし、そのためにはアーク炉に替わって排ガスが圧倒的に少ない高周波誘導炉を使用することを原則とする。該誘導炉を使用する場合、アーク炉と比較して溶解能率（ｔ／ｈ）の低さから電力源単位が２倍近くになるという決定的と思える問題がある。当該問題の主原因は溶解能率がまだまだ低いことにあり、即ち低能率が各種の熱損を増大させていることに鑑み、誘導炉の溶解能率を強化することを解決すべき課題とする。

第１の発明は、屑鉄を処理する誘導溶解炉であって、るつぼに相当する有底円筒状の耐火物容器の深さを定格容量深さの１．５倍以上とし、該定格容量深さ部分を溶解室として外周にソレノイド型高周波誘導加熱コイルを設け、該溶解室の上方を予熱室として該耐火物容器の外周にソレノイド型低周波コイルを設け、定格容量分までは屑鉄を反復装入して満載状態を維持しつつ加熱溶解することを特徴とする屑鉄の誘導溶解炉である。

第２の発明は、耐火物容器と２種の誘導加熱コイルとから成る炉体部分を２基、高周波電源と低周波電源を各１基として、各電源を適宜どちらかの炉体へ切り替え可能としたことを特徴とする第１発明に記載した屑鉄の誘導溶解炉である。

本願発明の構造は、高周波溶解炉の上方に低周波加熱装置を連結させて屑鉄の効率的予熱を付加したものと言える。
第１の効果は、新たな加熱装置の付設による溶解能率（ｔ／ｈ）の向上である。溶解能率の向上は種々の効果を生む。まず生産力の増強である。需要堅調な地域では有力な経営手段となる。
１炉体２電源方式で上記効果が得られるが、電源稼働率に問題がある。溶落に近づくと低周波の入力は不要になり稼働休止になる。出鋼前後は次回の原料装入を含めて高周波の入力停止が生ずる。いずれも電源稼働に無駄が生ずる。２種電源２炉体方式なら、電源を適時切り替えることにより、電源の非稼働時間はゼロに近づく、溶解能力・溶解能率を一層向上させる。

第２に溶解能率の向上は、炉壁からの伝導熱損失、溶鋼面からの放射熱損失、誘導回路の自己誘導損失等を相対的に減少させ、コスト最大要因の電力原単位（ｋＷｈ／ｔ）を向上させる。

第３に溶解能率の向上は第２のコスト要因である耐火物原単位を改善する。耐火物の損耗は、ヒートサイクル数・高温負荷時間及びスラグとの反応性に影響を受ける。溶解能率は上記第２，第３要因に対して有利に作用する。ちなみにアーク炉では耐火物コストは水冷炉壁等によりあまり大きくはない。

第４の効果は、誘導加熱効率の向上である。屑鉄の満載状態では底部は溶解、頂部は常温に近い。誘導加熱の入力効率は、表皮効果に関する計算式から被加熱材の電気抵抗・透磁率及び電源の周波数等の影響を強く受ける。キューリー点（約７７０℃）以下では磁性を活用した低周波が高周波よりも有利であり、以上では高周波が有利であることは当業者には周知である。
本願発明はこの原理を適用し、予熱部分における加熱効率は従来の高周波単一よりも相当向上する。
電源設備費は設計出力の約１／３が高価格の高周波から低価格の低周波（５０または６０Ｈｚ）に変更されるのでその分明らかに割安になる。

第５は、誘導炉そのものの効果であるが、アーク炉のように大量の熱排ガスを発生しない。アーク熱の吸収効率を上げるための炭材投入による発泡スラグの発現を要しない。炭材投入・ＣＯ反応の促進に起因する溶鋼攪拌による溶解促進も要しない。誘導加熱が誘導攪拌を伴っている。その結果ＣＯ２発生は格段に低減する。
本願発明の２段階式誘導加熱は当該効果を加えることがあっても減ずることはない。

第６に、誘導炉の作業上の弱点は、『棚吊り』と言われるように、下部の溶融部と上部の未溶融部が分離してブリッジを形成すると溶解進行が急減する。転炉のように中心軸部に酸素・ＬＮＧバーナーを溶解補助に活用する、又は油圧ハンマー等を使用することにより当該問題は解決され、能率向上にも寄与する。

本願発明の２段誘導溶解炉の縦断面模式図である。本願発明の２段誘導溶解炉による屑鉄の溶解途上の状態１を示す。本願発明の２段誘導溶解炉による屑鉄の溶解途上の状態２を示す。複合電源１基と２炉体方式による操業効率化の概念図である。従来の高周波溶解炉の模式図である。

本願発明の屑鉄大量処理用の誘導炉の構造を図１に従って説明する。
１は坩堝に相当する有底円筒状の耐火物容器であって屑鉄を内装し、該耐火物容器１の上部外周にはソレノイド型の低周波コイル２が設けられ通電によって屑鉄を誘導加熱し、該低周波コイル２の外周には柱状継鉄３が間隔をおいてに直立設置され、磁束を収束して誘導効率の向上と周辺への悪影響を減ずる機能を果たす。
同様に下部外周にはソレノイド型の高周波コイル４が設けられ、該高周波用コイル４の外周にも柱状継鉄５が設けられ、同様の機能を果たす。
低周波周波数は５０又は６０Ｈｚであり、高周波は通常５００～２０００Ｈｚである。

６は定格容量（例；６０トン）時の溶鋼面であり、前記高周波コイル４の高さは該溶鋼面６に近い値が設定される。図示するように溶鋼深さをＨ２とし、耐火物容器の深さをＨ１とし、Ｈ１はＨ２の１．５倍以上に設定する。当該条件は本願発明の重要要件である。
Ｈ１－Ｈ２はフリーボードと通称され、溶鋼の沸騰・溢出対策としてある程度の値が設定されるが本願発明では積極的に拡大し、予熱帯としている。
熔解に必要な正味エネルギーは約１５００℃までの含熱量と溶融熱と溶鋼昇温分の和であり、約７００℃までの加熱分は全体の約１／３である。従って低周波加熱では約１／３を担い、必要加熱帯高さは定格溶鋼深さの１／２以上が必要となる。これがＨ１をＨ２の１．５倍以上とした根拠である。

図２は原料屑鉄２２を満載し、溶解途上の状態を示す。高周波誘導加熱により容器底部には約１５００℃（融点）の溶鋼溜まり２３が形成され、且つ誘導攪拌により未溶解部の溶解を補助する。高周波誘導電流は被加熱材の表皮に集中するので溶解に対しては低周波よりも効果的に作用する。
屑鉄の見かけ密度は約２ｋｇ／ｍ³ であって、定格溶鋼深さの約３．５倍の長さの屑鉄が予熱室を通過する。予熱室の必要長さは特定したが、十分長さはコイルの加熱能に依存する。電源とコイルの適切な設計により高径比（＝容器深さ／容器内径）の過大を抑制することができる。

低周波コイル２の内側では屑鉄の温度はキューリー点（約７７０℃）以下であって、低周波誘導により、磁気ヒステリシス発熱と誘導電流によるジュール熱との両者によって効果的に予熱される。加熱効率（＝被加熱材の含熱量／消費熱量）は適切に設計すると７５％以上が得られる。

誘導炉の作業上の弱点は、『棚吊り』と言われるように、下部の溶融部と上部の未溶融部が分離してブリッジを形成すると溶解の進行が急減することである。溶解を順調に進めるため、原料の配合や装入順序の適正化だけでなく、油圧ハンマーによる未溶融部の突き落としや、図３に示すように、転炉のように中心軸部に酸素・ＬＮＧバーナーを溶解補助に活用することにより棚吊りは防止され能率向上に寄与する。
ハンマーやバーナーの付設は本発明の不可欠要件ではないが、本発明の趣旨に添う望ましい条件であり、既存のアーク炉と競合するためにも改良手段となる。

図４は本発明の熔解装置の能力を効果的に発揮させる方法を示す概念図である。
主に耐火物容器と誘導コイルとから成る炉体を左右２基設ける。耐火物容器１Ｌ，１Ｒの上部外周にはそれぞれ低周波コイル２Ｌ，２Ｒ、下部外周には高周波コイル４Ｌ，４Ｒが設けられる。１台の低周波電源４１から切替継電器４２を介してどちらかの低周波コイル２Ｌ，２Ｒに通電される。同様に１台の高周波電源４３から切替継電器４４を介してどちらかの高周波コイル４Ｌ，４Ｒに通電される。

効率的作業方法は以下となる。左炉に原料を装入しつつ、高周波電源をＯＮとし、原料の積層に従って低周波電源をＯＮにする。原料が満載されると右炉に原料を装入する。
左炉の装入原料の沈下に対応して原料を追加装入し、定格量＋約１５％まで間欠的にまたは連続的に装入する。装入が終了したら保温カバー３１を取り付け、その後容器上部の屑鉄が赤熱（７００～８００℃）すると、低周波電源を右炉に切替え直ちに通電する。左炉の原料全体が溶落し、溶鋼面が定格容量深さ＋約１５％に達し、所定温度に達すると、高周波電源を右炉に切替え、直ちに通電する。左炉は傾転してレードル（図示せず）に出鋼する。出鋼に際して溶鋼量の約１５％を炉内に残し、次回通電初期の誘導効率の低下を防止する。右炉も同様に作業する。両電源の非稼働時間はきわめて少なくなり、溶解能率は大きく向上する。当然、次回からの原料装入量は定格量である。

両電源をどのコイルにも接続可能なように継電器を拡大するとさらに適切な入力配分が可能となって、電力源単位が向上する。

誘導炉はアーク炉のように大量の熱排ガスを発生しない。多少のＣＯ反応が生ずるが、アークの着熱効率を上げるための激しいＣＯ反応沸騰や、スラグ中への大量の炭材投入と酸素吹き込みによる発泡スラグを必要としない。ＣＯ２の排出は圧倒的に少なくなる。

本発明を効果的に実施するための設備仕様と予想溶解能率を示す。
定格容量；６０トン
耐火物容器内径；２．０ｍ
耐火物容器深さ；５．８ｍ
定格容量深さ；２．９ｍ
高周波電源出力；３００００ｋＶＡ
低周波電源出力；１５０００ｋＶＡ
出鋼サイクル；６０±１０分（予測値）
電力源単位；５１０±３０ｋＷｈ／ｔ（予測値）

本願発明の屑鉄の大量溶解に適用する誘導炉はＣＯ２削減に大きな効果を持つ。コスト面からも既存のアーク炉に対して競争力を持ち得る。

１；耐火物容器２；低周波コイル３；継鉄４；高周波コイル５；継鉄６；定格容量液面Ｈ１；定格容量深さＨ２；耐火物容器深さ２１；未溶解原料２２；溶鋼溜まり３１；保温カバー３２；酸素・ガスバーナー３３；未溶解原料３４；溶鋼溜まり１Ｌ；左炉１Ｒ；右炉２Ｌ；左低周波コイル２Ｒ；右低周波コイル４Ｌ；左高周波コイル４Ｒ；右高周波コイル４１；低周波電源４２；切替継電器４３；高周波電源４４；切替継電器

Claims

屑鉄を処理する誘導溶解炉であって、るつぼに相当する有底円筒状の耐火物容器の深さＨ１を熔落した時期の溶鋼の深さＨ２の１．５倍以上とし、該溶鋼の存在部分を溶解室として該耐火物容器の外周にソレノイド型高周波コイルを設け、該溶解室の上方のフリーボード部（深さＨ１－Ｈ２）を予熱室として該耐火物容器の外周にソレノイド型低周波コイルを設け、屑鉄を反復装入して満載状態を維持しつつ加熱溶解することを特徴とする屑鉄の誘導溶解炉。
耐火物容器と２段の誘導加熱コイルとから成る炉体部分を２基、高周波電源と低周波電源を各１基として、各電源を適宜どちらかの炉体へ切り替え可能としたことを特徴とする請求項１に記載した屑鉄の誘導溶解炉。