JPH03156283A

JPH03156283A - 電気炉用炉底電極と直流電気炉

Info

Publication number: JPH03156283A
Application number: JP1293996A
Authority: JP
Inventors: Otojiro Kida; 音次郎木田; Hiroshi Takeji; 武次　浩
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1989-11-14
Filing date: 1989-11-14
Publication date: 1991-07-04

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は金属、特に鋼鉄の溶融精錬に用いる炉底電極及
び直流電気炉に関するものである。

［従来の技術］製鋼に使用される直流電気炉には、炉底部に陽極である
炉底電極が、炉上部に陰極である一本の黒鉛電極が設け
られている。操業に際しては、電気炉内にスクラップお
よび副原料を装入し、炉底電極と上部黒鉛電極との間に
直流アークを生じさせることにより電気エネルギーを熱
エネルギーに変えてスクラップに与え、これを溶融する
。直流アーク炉は、三相（交流）アーク炉と比較して、
以下■〜■に記す長所を有しているので、今後その操業
基数が増加すると期待されている。

■陰極が一本のため、消耗する表面積が少なく、また陰
極特性により電極先端部への負荷が小さいので黒鉛電極
の消耗が少な（、電極原単位が小さい（約５０％）。

■溶融時の騒音が９０ｄｂ以下と小さい（通常の同じ容
量の交流炉では１１０ｄｂ　）。

■電極が一本でアークが下方へ凡そ垂直に飛ぶため、温
度分布が比較的均一であり、ホットスポットが生じない
。

■誘導ロスがな（、エネルギー効率がよいため、溶融時
間および精錬時間が短くなり、電力原単位が小さい。

一般に、直流電気炉では、溶融金属に接する陽極（炉底
電極）および陰極周囲の炉材は操業の経過に伴って損耗
してい（。この損耗は、溶融金属による侵食が主因であ
るが、特に炉底電極として用いられているコンタクトピ
ンにおいて著しい。通常、コンタクトピンの長さが使用
限界に達すると、炉底電極の交換が必要になる。従来の
炉底電極は、金属棒などの導電性材料からなる上下方向
に長いコンタクトピンな有し、これらのコンタクトピン
な保護するため鉄皮ケース内にマグネシア質のスタンプ
材が充填されている。また、従来の炉底電極においては
、出鋼時に炉内残留溶鋼が少なくなると、溶鋼湯面上に
浮遊するスラグがマグネシア質スタンプ材と接触して低
融点の化合物を生成し、スタンプ材の損耗が著しく進行
する。このような場合に、マグネシア質のスタンプ材の
損耗速度は毎時０．５〜１．　０ｍｍと速（、特に炉底
電極の中央部が周辺部に先行して損耗し、約７００ヒー
ト（１ヒートは約１時間の操業に相当する）で約−か月
の使用で電極の交換が必要になる。このため炉底電極の
寿命が直流電気炉の補修時期を規定し、しばしば炉の補
修が行われている。

炉底電極の交換には、下記■〜■に記すような問題が存
在する。

■炉底電極を交換する際、炉内温度が低下し、作業可能
な状態になるのを待って作業員が炉内に入り、相当な高
熱の環境下において、消耗した電極の撤去と新電極の取
付および不定形耐火物の施工作業を行う。この交換作業
には炉の冷却に必要な時間のほかに、約８時間必要で、
この０炉の生産性が低下する。

■コンタクトピン周囲に、スタンプ材を現場施工するた
め、炉を一旦冷却しなければならないので、この際の冷
却により、修理箇所周辺の炉材の損耗が促進され、炉材
の現単位がさらに増える。

［発明が解決しようとする問題点］通常、炉底電極以外の炉床部の炉材寿命は約１年であり
、炉底電極の寿命をバランスさせるように、約１年にし
たいという要望がある。

本発明はこの要望を実現するため、コンタクトピンさら
には不定形耐火物の損耗速度を小さ（し、長寿命の炉底
電極を有する直流電気炉を提供することを目的とする。

［発明の構成］本発明は前述の問題点を解決すべくなされたものであり
、本発明の電気炉用炉底電極では、露出上端部を被加熱
物に接触させて通電加熱する導電性硼化ジルコニウム質
焼結体からなる上下方向に長いコンタクトピンと、少な
くとも前記コンタクトピンの前記露出上端部に続く下の
部分を取り囲むように充填された不定形耐火物を有し、
前記のコンタクトピンの下端に電源との接続部が設けら
れていることを特徴とする。

本発明の電気炉用炉底電極の好ましい態様では、前記コ
ンタクトピンが複数個設けられている。本発明の電気炉
用炉底電極の他の好ましい態様では、前記硼化ジルコニ
ウム質焼結体が２８メツシュより粗い骨材を１５ｗｔ％
以上５０ｗｔ％以下含み、さらに好ましくは、カーボン
を３ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下含むものである。本発明
の電気炉用炉底電極の他の好ましい態様では、前記不定
形耐火物がマグネシア質スタンプ材である。

本発明の電気炉用炉底電極の他の好ましい態様では、前
記不定形耐火物が硼化ジルコニウム質不定形耐火物であ
る。本発明の電気炉用炉底電極の他の好ましい態様では
、前記不定形耐火物の上方部分が硼化ジルコニウム質不
定形耐火物であり、下方部分がマグネシア質スタンプ材
である。本発明の電気炉用炉底電極の他の好ましい態様
では、前記電源との接続部に冷却手段が設けられている
。

本発明の直流電気炉は、陽極である炉底電極と、陰極で
ある上部電極とを具備する直流電気炉であって、前記炉
底電極が炉内に露出された上端部を被加熱物に接触させ
て通電加熱する、上下方向に長い導電性硼化ジルコニウ
ム質焼結体からなる複数のコンタクトピンの、下に続く
部分を取り囲むように充填された不定形耐火物を有し、
前記複数のコンタクトピンの下端に電源との接続部が設
けられていることを特徴とする。本発明の直流電気炉の
好ましい態様では、前記硼化ジルコニウム質焼結体が２
８メツシュより粗い骨材を１５ｗｔ％以上５０ｗｔ％以
下含み、かつカーボンを３　ｗｔ％以上以上４０亢ｔる
。本発明の直流電気炉の他の好ましい態様では、不定形
耐火物の少なくとも一部が硼化ジルコニウム質不定形耐
火物である。本発明の直流電気炉の他の好ましい態様で
は、前記電源との接続部に冷却手段が設けられている。

本発明の電気炉用炉底電極において硼化ジルコニウム質
焼結体を用いているのは、この材料の融点が３０００℃
以上と高く、スラグや溶融金属、特に溶鋼にたいして優
れた耐腐食性を示す材料であり、かつ鉄鋼と同じレベル
、即ち電極に要求されるレベルの電気電導性を有する焼
結体の製作が可能であることによる。この硼化ジルコニ
ウム質焼結体はまた、細長いコンタクトピンの形状とす
ることにより、焼結が容易となり、かつ使用に際して加
熱されたとき焼結体内部に発生する熱応力が低減できる
。また、大型の炉で大容量の電流を流すことは、コンタ
クトピンを複数個設けることで可能となる。しかし、硼
化ジルコニウム質焼結体は高価でもあるので、必要以上
に多（使用することな（、コンタクトピンの周囲には不
定形耐火物を充填する。コンタクトピンと電源との接続
部は本発明の構成になる電気炉用炉底電極では必然的に
温度の低い下端に来る。

本発明の電気炉用炉底電極に使用されるコンタクトピン
には緻密な硼化ジルコニウム質焼結体を用いる方が導電
性が良い点で好ましいが、緻密な焼結体は耐熱衝撃性の
点で弱く、加熱と冷却に特別な注意を払わないと使用で
きない。

このため焼結体は粗粒子を含むものとし、さらにはカー
ボンを含むものとして耐熱衝撃性を改善したものを使用
するのが好ましい。カーボンの添加は、焼結体の導電性
を殆ど犠牲にすることなく耐熱衝撃性の改善を可能とす
る。これらの含有量は少なすぎると耐熱衝撃性の改善効
果がな（、多すぎると導電性や焼結体の強度が小さ（な
って好ましくない。

不定形耐火物としてはマグネシア質のスタンプ材を用い
るのが好ましいが、さらに耐食性に優れた硼化ジルコニ
ウム質不定型耐火物を用いればこの部分の耐久性をさら
に伸ばすことができる。また、硼化ジルコニウム質不定
型耐火物としては、キャスタブルよりスタンプ材を用い
たほうが水分が少なく、施工後の乾燥時間を短縮できて
さらに好ましい。しかし、通常侵食が底の部分に至るま
で使用することはないので、不定形耐火物を二層構造と
し、下層をマグネシア質スタンプ材とする方が全体のコ
ストも安くなり、マグネシア質スタンプ材の方が熱伝導
性が小さく電源との接続部の温度を低くできて好ましい
。また、電源との接続部分の温度を低（するには、電気
炉用炉底電極の厚さを太き（すればよいが、この場合に
は長尺のコンタクトピンが必要になるので不経済である
。この対策として、この部分を強制的に冷却してやれば
、電気炉用炉底電極の厚みを低減でき好ましい。

以下に図面を参照して本発明を具体的に説明する。

第１図は本発明の一例である直流電気炉の炉底部分を示
す縦断面図である。直流電気炉の炉底中央部に炉底電極
１１が嵌込まれている。炉底電極１１はユニット化され
、炉の内張耐火物２１の内側に設けられたブロック煉瓦
２０に取り囲まれている。炉底電極１１を取り囲む鋼製
のケース１９とブロック煉瓦２０との間にはマグネシア
質キャスタブルからなる目地材２２が充填されている。

また、ブロック煉瓦２０には通常マグネシアカーボン煉
瓦が用いられる。炉底電極１１の水冷ケーブル１７は直
流電源（図示せず）と接続されている。一方直流電源の
陰極側は黒鉛電極（図示せず）に接続されている。黒鉛
電極は直流電気炉の蓋（図示せず）を貫通し、その先端
が炉内の被加熱物（図示せず）に対面している。使用す
る電源は通常１２万アンペア以上の容量のものである。

炉底電極１１のケーブル１７は電極端子１６に接続され
、さらに端子１６は金属製の冷却空気導入管１５を介し
て概ね水平に設けられた集電板１４に接続されている。

集電板１４のすぐ上にはこれと平行に基板１３が設けら
れている。基板１３は絶縁材であるブランケットを介し
て炉本体の鉄皮に支持されている。複数の概ね垂直で互
いに平行な導電性硼化ジルコニウム質焼結体からなるコ
ンタクトピン１２が基板１３を貫通して集電板１４に接
続支持され、鋼製のケース１９に取り囲まれている。鋼
製のケース１９の内側には不定形耐火物１８が充填され
、コンタクトピン１２の大部分がこの不定形耐火物１６
に埋め込まれている。不定形耐火物１８は上下二層にな
っており、不定形耐火物１８の上層には硼化ジルコニウ
ム質のキャスタブル、下層にはマグネア質のスタンプ材
が施工され、その厚さは合せて例えば７０〜１（１（Ｊ
ｃｍである。炉底電極１１の使用前にはコンタクトピン
１２はその先端部分が上層の不定形耐火物１８から少し
突き出している。

炉底電極１１を直流電気炉の炉底に取り付ける場合には
、先ず使用済みの炉底電極１１を撤去し、ブロック煉瓦
２０を新しいものと取り替える。次に、予め鋼製のケー
ス２０と基板１３の内側にコンタクトピン１２を配置し
、不定形耐火物１８を施工し、別途準備した炉底電極１
１を炉の上方から吊り降ろし、これをブロック煉瓦２０
で取り囲まれた炉底開口部に嵌込む。この時、絶縁材で
あるブランケットを所定位置に予め敷き込んでおき、炉
底電極１１と炉本体とを絶縁する。その後炉底電極１１
の鋼製のケース２０とブロック煉瓦２０との隙間にマグ
ネシア質キャスタブルの目地材２２を施工し、電極端子
１６にケーブル１７を接続するとともに、導入管１５の
冷却空気取り入れ口に空気供給管（図示せず）を接続す
る。

この直流電気炉で鋼鉄を溶製する場合には、炉内に所定
量のスクラップおよび副原料を投入し、炉底電極１１と
黒鉛電極との間に通電すると、黒鉛電極とスクラップと
の間にアークが発生し、スクラップが溶融する。この時
、直流電流はケーブル１７から冷却空気導入管１５を通
って集電板１５から複数のコンタクトピン１２に別れ、
炉内のスクラップに入り、アークを介して黒鉛電極に流
れる。炉底電極１１の底部を冷却する空気は導入管１５
から入って上方へ流れ、基板１３と集電板Ｉ４との間を
ほぼ放射状に側方へ流出する。

本発明の炉底電極１１に使用するコンタクトピンの材料
としては例えば第１表のような硼化ジルコニウム質の焼
結体が使用できる。

第１表第２表には第１表の硼化ジルコニウム質焼結体の物性を
示した。

第２表また、コンタクトピンを埋め込んでいる不定耐火物に使
用される硼化ジルコニウム質の工形耐火物としては例え
ば次のようなものが使できる。

第３表使用する硼化ジルコニウム質不定形耐火物のＺｒＢ１含
有量は耐スラグ侵食性を確保するため９０ｗｔ％以上と
するのが好ましい。この硼化ジルコニウム質不定形耐火
物は約１５００℃以上で焼結が進み導電性を有するよう
になるので、炉底電極の一部分として機能するようにな
る。硼化ジルコニウム質の焼結体は表面が酸化されると
酸化ジルコニウムとなり、導電性を失い溶鋼に濡れにく
（なるので、使用上注意が必要である。

実際の操業では最初にコンタクトピンな使用するとき、
例えば先端に金属性のキャップを取り付けることにより
操業開始時の酸化を防止でき、出鋼時には湯を少し残し
て電気炉を傾けないようにし、表面が常に溶鋼に覆われ
ているようにして酸化を防ぐことができる。

［実施例］第２図に示す誘導加熱電気炉を用いて、製鋼用の電気炉
を模擬した試験を行なった結果を以下に説明する。

図において、１は誘導コイルであり、２は容器、３は不
定形耐火物、４は試験用の電極、５は黒鉛電極、６は銅
製の端子、７は溶鋼、８はケーブル、９は絶縁体、ＩＯ
は止め金具である。

先ず、試験に供した電極の寸法は１００φ×４００　ｍ
ｍのもので、２８メツシュ以上のＺｒＢｚ粗粒を約４０
ｗｔ％含む硼化ジルコニウム質焼結体（嵩比重５．３ｇ
／ｃｍ”、曲げ強度５１０Ｋｇ／ｃｍ２．比抵抗２　Ｘ
　１０−’Ωｃｍ、耐熱衝撃性ΔＴ；１０００℃）およ
びカーボンを約５ｗｔ％と２８メツシュ以上のＺｒＢ。

粗粒を約３５ｗｔ％含む硼化ジルコニウム質焼結体く嵩
比重４．２ｇ／ｃｍ″７曲げ強度４５０Ｋｇ／ｃｍ”、
比抵抗２．４Ｘ　ｔｏ−’Ωｃｍ、耐熱衝撃性ΔＴ；１
１００℃）の他、比較用として従来使用されている極低
炭素鋼および２８メツシュ以上のＺｒＢ　２粗粒を約１
０ｗｔ％と少なくした硼化ジルコニウム質焼結体く嵩比
重４．５ｇ／ｃｍ”、曲げ強度　３２０Ｋｇ／ｃｍ”、
比抵抗１．６　Ｘｌ０−’Ωｃｍ、耐熱衝撃性ΔＴ、８
００℃）のものをそれぞれ試験に供した。また、使用し
た黒鉛電極の比抵抗は約１０−３Ωａｍでその寸法は１
００φＸ　５００ｍｍである。尚、硼化ジルコニウム質
焼結体は、配合するＺｒＢ１粗粒を全て４メツシュより
細かいものとし、結合材としては液状のレゾールタイプ
のフェノール樹脂を使い、２０００Ｋｇ／ａｍ”でラバ
ープレス成形後、２０００℃で３時間アルゴンガス雰囲
気中で焼成したものである。

溶融に供した鋼材はＳＳ４１を約２０ｍｍのサイズに切
断したものであり、炉（内側の寸法３５０φＸ９００　
！ｉｍ、容量約８（Ｂ２）の中にそれぞれ合計的２３０
Ｋｇを投入した。

また、不定形耐火物は主としてマグネシア質スタンプ材
を用いたが、一部の実験では底部に硼化ジルコニウム質
のキャスタブルを施工して試験に供した。

鋼材の溶融は先ず誘導加熱により徐々に電力を上げて行
き、約１６００℃に昇温後約１時間その温度に保持した
。この加熱中１、溶鋼はかなり激しく流動していた。こ
の保持時の電力は約９０ＫＷであった。尚、この加熱中
、炉底は送風により強制冷却を行なった。誘導電力を止
めた後、上下の電極間の電気抵抗を測定した。その後、
炉を傾けて溶鋼を注出し、冷却後傾の内部を点検した。

この点検で湯面の部分のマグネシア質スタンプ材は何れ
の場合も約１０ｍｍ侵食されていた。以上の試験の結果
をまとめて第４表に示す。

以上の試験の結果、硼化ジルコニウム質焼結体は従来使
用されていた極低炭素鋼と比べて電気伝導性に問題はな
く、炉底電極のコンタクトピンとして十分使用でき、格
段に耐久性の良いことが確認された。また、硼化ジルコ
ニウム質焼結体をＺｒＢｔ粗粒を１５ｗｔ％以上含む焼
結体とすることにより、さらにはカーボンを３ｗｔ％以
上含む焼結体とすることにより、この電極の耐熱衝撃性
を効果的に改善でき、特別丁寧な予備加熱を省略しても
、電極の破損の心配なく操業できることが確認された。

また、硼化ジルコニウム質の不定形耐火物を炉底に用い
ることにより、炉底部分の消耗がさらに低減できること
が分かった。

［発明の効果］本発明の炉底電極を電気炉に用いることにより、従来よ
りはるかに長寿命の電気炉が実現でき、この構成が直流
電気炉に適したものであることから、非常に長寿命の直
流電気炉が実現できろ。また、耐熱衝撃性の良い硼化ジ
ルコニウム質填結体を用いることにより、特別丁寧な予
備加熱などを行なわなくても、電極の破損の心配な（操
業可能となる。従って、本発明の直流電気炉を利用する
ことにより、頻繁な電気炉の補修作業が殆ど不必要にな
り、省力化は勿論、高熱環境下における作業が大幅に削
減でき、電気炉の稼動率の向上、耐火物原単位の低減な
ど２本発明の炉底電極を使用して得られる製鋼コストの
低下は格段に太き（、その工業上の利用価値は多大であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例である炉底電極を直流電気炉の炉
底に取り付けた縦断面であり、図においてそれぞれ、１
１は炉底電極、１２はコンタクトピン、１３は基板、１
４は集電板、１５は冷却空気導入管、１６は銅製端子、
１７はケーブル、１８は不定形耐火物、１９は鋼製のケ
ース、２０はブロック煉瓦、２１は炉の内張り耐火物、
２２は目地材である。第２図は実施例において、試験に用いた電気炉の縦断面
図であり、図において、それぞれ１は誘導コイル、２は
ケース、３は内張り耐火物、４は炉底電極、５は上部電
極、７は溶鋼、８はケーブル、９は絶縁体、ＩＯは止め
金具である。拓　？　図手続補正書平成２年　９月ユＯ日

Claims

【特許請求の範囲】

（１）露出上端部を被加熱物に接触させて通電加熱する
導電性の硼化ジルコニウム質焼結体からなる上下方向に
長いコンタクトピンと、少なくとも前記コンタクトピン
の前記露出上端部に続く下の部分を取り囲むように充填
された不定形耐火物を有し、前記のコンタクトピンの下
端に電源との接続部が設けられていることを特徴とする
電気炉用炉底電極。
（２）請求項１において、前記コンタクトピンが複数個
設けられている電気炉用炉底電極。
（３）請求項１または２において、前記硼化ジルコニウ
ム質燒結体が２８メッシュより粗い骨材を１５ｗｔ％以
上５０ｗｔ％以下含むものである電気炉用炉底電極。
（４）請求項３において、前記硼化ジルコニウム質燒結
体が、更にカーボンを３ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下含む
ものである電気炉用炉底電極。
（５）請求項１〜４のいずれか一つにおいて、不定形耐
火物がマグネシア質スタンプ材である電気炉用炉底電極
。
（６）請求項１〜４のいずれか一つにおいて、不定形耐
火物が硼化ジルコニウム質不定形耐火物である電気炉用
炉底電極。
（７）請求項１〜４のいずれか一つにおいて、不定形耐
火物の上方部分が硼化ジルコニウム質不定形耐火物であ
り、下方部分がマグネシア質スタンプ材である電気炉用
炉底電極。
（８）請求項１〜７のいずれか１つにおいて、前記電源
との接続部に冷却手段が設けられている電気炉用炉底電
極。
（９）陽極である炉底電極と、陰極である上部電極とを
具備する直流電気炉であって、前記炉底電極が炉内に露
出された上端部を被加熱物に接触させて通電加熱する上
下方向に長い導電性の硼化ジルコニウム質燒結体からな
る複数のコンタクトピンの下に続く部分を取り囲むよう
に充填された不定形耐火物を有し、前記複数のコンタク
トピンの下端に電源との接続部が設けられていることを
特徴とする直流電気炉。
（１０）請求項９において、前記硼化ジルコニウム質墳
結体が２８メッシュより粗い骨材を１５ｗｔ％以上５０
ｗｔ％以下含み、かつカーボンを３ｗｔ％以上４０ｗｔ
％以下含むものである直流電気炉。
（１１）請求項９または１０において、前記不定形耐火
物の少なくとも一部分が硼化ジルコニウム質不定形耐火
物である直流電気炉。
（１２）請求項９〜１１のいずれか一つにおいて、前記
電源との接続部に冷却手段が設けられている直流電気炉
。