JPH0760071B2

JPH0760071B2 - バツチ材料を溶融および均質化するための装置および方法

Info

Publication number: JPH0760071B2
Application number: JP1227266A
Authority: JP
Inventors: エルモオールズレオナルド; デイーンピーターソンマイケル; ピエールマルチンジーン
Original assignee: ザモーガンクルーシブルカンパニーピーエルシー
Priority date: 1988-09-01
Filing date: 1989-09-01
Publication date: 1995-06-28
Anticipated expiration: 2010-06-28
Also published as: DE68912461T2; EP0357053B1; JPH02118396A; CA1328902C; US4862477A; EP0357053A3; EP0357053A2; DE68912461D1

Description

【発明の詳細な説明】発明の分野本発明は、電気炉内におけるバッチ材料の溶融および均
質化に関する。さらに詳しく述べれば本発明は、溶融材
料とコロナ放電を起こす関係に位置した電極チップの相
対的な運動により、溶融材料を攪拌し、均質化する改良
された方法に関する。

発明の背景電気炉は、長年にわたって、鉱石、スラグ、ガラス、酸
化物、岩石および酸化性廃棄物などの、熱的に溶融し得
る物質を溶融するのに使用されており、バッチの溶融条
件を最適化するために、数多くの異なった設計の炉が開
発されている。鉱石や金属を含む材料の場合は、グラフ
ァイトまたは炭素電極が、イン−ライン配置または中央
デルタ型配置の変形における電極による、単相および多
相運転を含めて、各種の組み合せおよび配置で使用され
ている。ガラスまたは酸化物溶融の場合は、モリブデ
ン、タングステンまたは酸化スズ製の深く浸漬した電極
を、やはり各種の幾何学的および電気的相配置で、使用
している。

グラファイトまたは炭素電極を使用する場合には、溶融
面よりも十分上に置き、電極アークから生じる熱を周囲
のバッチまたは仕込み材料に吸収させている。電極チッ
プを取り巻くバッチ材料の深さが約15.2cm（６インチ）
を越える炉は、電極チップから溶融面までのアーク柱が
バッチ材料に潜っているという事実を明確にするため
に、「浸漬アーク」炉という。浸漬アーク炉の特徴の一
つは、電極チップが溶融面より上方に1.3cm（1/2イン
チ）以上、通常10.2〜25.4cm（４〜10インチ）程度離れ
たところに位置していることである。このような炉で
は、アーク柱からの熱が、先ず溶融面に伝わりそれから
仕込み材料へと間接的に伝わるのではなく、直接仕込み
材料に確実に伝わる。この構造では熱が効率的に使用さ
れるが、浸漬アーク炉に使用する仕込み材料は、大きさ
と粘稠度を注意深く調整し、材料が徐々に溶融し、炉の
中に沈み込んでいく時に、反応ガスが安全に脱出できる
ようにする必要がある。

浸漬アーク炉と対照的に、グラファイトまたは炭素電極
を溶融したスラグ層の中に浸漬して炉を運転できること
も知られている。しかし、炭素を含む電極を冷却せず
に、溶融物中に約5.1cm（２インチ）以上浸漬するの
は、炭素を含む電極と溶融物が急速に反応し、電極の消
耗がひどくなるので、好ましくない。ルバッティ（Luba
tti）所有の米国特許第2,591,709号で提案されているよ
うな、炭素を含む電極の冷却は、溶融物による過剰の電
極スカル形成および電極冷却液への過剰の熱損失のため
に、深く浸漬する場合には満足できる方法ではない。

電極を過度に消耗させずに、溶融物と密着させる利点を
生かすために、ウディ（Udy）所有の米国特許第2,805,9
29号および第2,805,930号では、電極チップは、溶融面
上1.3cm（1/2インチ）から溶融面の下5.1cm（２イン
チ）を越えない範囲に位置するように指定している。さ
らにオールズ（Olds）ら所有の米国特許第3,522,356号
ではウディの配置による電極チップの正確な位置決めに
関する公式を展開している。

オールズらの特許は、さらにこの方法で位置決めした電
極からの放電はアーク放電ではなく、コロナ型の放電で
あることを示している。

ストリプリン（Striplin）,Jr.ら所有の米国特許第2,74
4,944号で指摘されているように、浸漬アーク炉の運転
は、屋根と電極柱を固定し、炉の外壁をゆっくり回転さ
せることによって、改善できることが分かっている。浸
漬アーク炉の多くが、原理的に微細なバッチ材料を大量
に仕込むことができるように回転する外壁を採用し始め
ている。回転を非常に遅くすることにより、微細な材料
の焼成が早くなり過ぎるのを防ぎ、回転しない鉄合金炉
でよく見られるような、破滅的な爆発を起こさずに、仕
込み材料を制御しながら溶融できると考えられている。
そのような炉に使う回転外壁の開発は、電極と溶融浴と
の間ではなく、電極と周囲のバッチ材料との間の相互作
用にのみ注意が向けられている。その結果、外壁の回転
時間は非常に長く、通常、一回転するのに一日から二日
かかる。これは毎分0.1から0.2度の角速度に相当する。

ガラスや酸化物溶融の場合、炭素を含む電極ではなく、
完全に浸漬する金属や酸化スズの電極が一般に使用され
る。そのような溶融用途向けの電極には、長方形や丸型
を含めて、多くの異なった形状があり、それぞれ様々な
配置で使用されている。これらの電極は、溶融条件を変
える手段として、水平または垂直方向に調節できるよう
に作られており、炉の上部から、側壁を通して、あるい
は底部から挿入できるように設計されている。これらの
特徴の幾つかが、コーネリウス（Cornelius）所有の米
国特許第2,089,690号、マクムラン（McMullen）所有の
第2,686,821号、ルセック（Lucek）所有の第3,539,691
号およびフォークナー（Faulkner）ら所有の第3,983,30
9号に見られる。

さらに、オールズ所有の米国特許第4,351,054号は、そ
のような浸漬電極相互の、水平および垂直方向の最適な
間隔について記載している。上部が開いた炉容器の上に
伸ばした支持アーム上に電極を取り付け、そのアーム自
体は水平および垂直方向に調節できるように取り付けて
あり、電極を正確な位置にあわせることができる。炉容
器の大きさ、使用する電力の強度、および炉の望ましい
運転温度などの変数を考慮に入れて、電極を理想的な位
置に合わせることにより、溶融速度を改善し、溶融装置
の寿命を長くすることができる。

溶融装置の性能を改良するための他の手段として、電極
を機械的な攪拌機として使用する方法があるが、その例
としては、ノバック（Novak）ら所有の米国特許第4,05
5,408号、ペレット（Pellet）ら所有の第3,819,350号、
およびルセック（Lucek）所有の第3,539,691号がある。
溶融物を攪拌し、混合するためのそのような機械的手段
には、電気的エネルギーを回転する電極柱に伝えるため
の電動回転機を必要とするという明かに不利な点があ
る。そのような回転機は、特に高温で過酷な、溶融装置
を取り巻く環境下で維持するのが困難である。

さらに、粘性の溶融物は、機械的に動かすのが困難で、
溶融装置全域にわたって十分均質化するのに、膨大な量
のエネルギーが必要である。

溶融装置の外壁または周辺機器またはその両方を回転さ
せるための他の多くの考え方が、例えばラデッキ（Rade
cki）所有の米国特許第4,676,819号の様に、その時々に
提案されている。しかし、これらの提案はすべて、溶融
装置自体の中の溶融物を十分に均質化させることができ
ない。必要とされるのは、先行技術の提案に伴う欠点無
しに、混合を改善し、溶融物をより十分に均質化するた
めの、簡単で経済的な手段である。

スラグまたは酸化性溶融物の層に接触している電極から
発する電気的コロナ型放電に通常伴う熱的対流の力の他
に、攪拌する力があることが発見された。これらの他の
攪拌力の驚くべき点は、その性質が熱的な対流の力だけ
によるものであったならば、溶融物をその表面に直ちに
押しあげるであろうが、それをしないことにある。むし
ろ、その力は溶融物を水平方向に、外側の炉壁に向かっ
て押し除け、そこで溶融物は冷却されてから、炉の中央
に循環される。これらの他の力はその性質上、電磁力に
よるものと考えられるので、ここでは、電磁攪拌力と呼
ぶことにする。そのような電磁攪拌は、電極加熱に伴う
唯一の混合力と考えられていた通常の熱的対流攪拌より
も、溶融物の混合および均質化において、著しく効果が
高いことが分かった。

さらに、これらの電磁流は、溶融物中に熱的反応区域を
形成し、その面積は、溶融装置に課する電力、電極配置
および溶融物の融点、粘度、等の物理的なパラメータに
より左右されることが分かった。電極を溶融物表面に向
かって著しく下げると、これらの反応区域は、カーボン
およびグラファイトニュース、1958年、4/5月号の「浸
漬アーク炉の設計と構造」と題する、W.H.ケリー（Kell
y）の記事中で考察されているように、電極と同心円状
の輪として生じる。しかし、電極が溶融物表面に接触
し、さらに溶融物中に下降すると、反応区域はその性質
上驚く程変化し、ケリーが説明している円形から水平方
向に歪んだ長円形に変化し、円形のデルタ形になること
が分かった。この変化は進行性で、溶融物表面における
円形区域で始まり、電極チップの高さでは長円形に変形
する。

電極チップが溶融物表面から下方に7.6cm（３インチ）
以上浸漬した電極では、実際に三次元的な電磁攪拌効果
が見られ、二つの型の反応区域の組み合わせになり、溶
融物の上層は、溶融物表面を通過する電極脚により影響
される円形区域を形成し、下層は上記の円形デルタ形を
形成する。

適切な設計と運転上の配慮により、電磁攪拌力は、溶融
と均質化の効率を著しく高めることが分かった。溶融物
と電極との相対運動を適切に制御することによって、反
応区域を移動させ、溶融装置全域を有効に使い、材料を
迅速に、均一に溶融することができる。

望ましい相対運転に関しては、多くの設計上の考え方が
ある。円形炉に関しては、電極または外壁のどちらかを
一方向に連続回転させるのが最も望ましいであろう。明
かに、電極に対する電気的および冷却水の接続が必要な
ので、電極を一方向に連続回転させるのは困難である。
他方、低電力密度の円形炉では、側壁および底部を空気
冷却することができる。そのような外壁は、ここに記載
する回転時間を使用する限り、効果的に一方向に連続回
転させることができる。回転方向は、電極または外壁が
相互に同心円状に一方向に回転し、次いで反対側に回転
するように逆転させることができる。望ましい場合に
は、外壁と電極の両方を同時に反対方向に回転させるこ
ともできる。

回転方向を逆転する場合、最適の結果を得るには、移動
する角距離は、使用する電極の数で360°を割った値に
等しくすることが重要である。これによって、電磁攪拌
パターンが円形溶融装置の全溶融区域を最も効果的に使
用することができる。

側壁を通して連続的に出湯する必要がある場合には、外
壁の回転は適当ではない。また、底部オリフィスを通し
て連続出湯するのが望ましい場合にも、出湯口を水で冷
却するために、外壁を回転させることはできない。

電極と外壁の望ましい相対運動を行うための各種の設計
が可能である。例えば、電極を、炉と同心円状の絶縁し
た懸垂リングに固定することができる。リングが回転す
るにつれて、電極が回転するだけでなく、リングが材料
を溶融物の表面上にまき散らすのにも役立つ。

しかし、電極が容器の中心を回転する、または容器自体
が運動するような炉の配置を開発し、実行するための過
剰な費用をかけずに、相対的な電極移動の利点を得るに
は、複数の電極を炉の中に配置し、炉の運転中に移動さ
せ、電極チップの作用する溶融区域を増し、容器中の溶
融物質に攪拌効果をもたらす。好ましい実施形態では、
電極は、炉の上部に伸ばした支持アームに取り付ける。
アームは、炉の容器から離れた地点に軸受けしているの
で、電極チップは、容器の中央部と支持アームが上部に
延びている側壁との間で、円弧を描きながら移動する。
この運動により、固定した電極では通常ほとんど攪拌さ
れない溶融装置の区域を通して、溶融物表面から下側に
7.6cm（３インチ）未満浸漬した電極チップが作り出す
溶融円が移動する。

水平断面が円形ではなく、多角形の容器を使用すること
によって、溶融装置の有効区域をさらに増すことができ
る。従って、例えば、上記の配置におけるように、３本
の電極を浅い位置に置く場合、一般に六角形の断面を持
つ容器では、溶融区域が溶融装置内をより大きく移動で
きることになる。

本発明のもう一つの実施形態では、溶融面から7.6cm
（３インチ）以上、下方に位置する電極チップが複合運
動をする。容器の中心部へ向かう、および中心部から離
れる電極の動きが、支持アームの旋回運動、つまり角度
的な動きと一緒になることにより、電極チップが、本質
的に、容器中心部と同心円になった円弧状の経路を通る
ようになる。この配置により、容器の中心部の回りに電
極を回転させることによって達成される運動と同等の電
極の運動を、通常そのような運動をさせるのに必要な、
高価な装置を使用せずに、効果的に行わせることができ
る。さらに、電極を、支持アームの旋回運動と調整しな
がら、垂直方向に移動させ、攪拌を強化することができ
る。

本発明のもう一つの特徴は、電極チップが移動する時
に、お互い同士の正確な、幾何学的なバランスを保ち、
あるいは多相電流の相間の等しい層抵抗のバランスを保
つ様に、電極に調整した、同期運動を行わせることであ
る。

本発明の他の特徴および性格、ならびにその各種の利点
を以下により詳しく説明する。

好ましい実施形態の説明第１図に関して、本発明の一実施形態では、炉（10）
は、容器（12）から成り、底部の中央に出口構造（14）
を持つ。この出口（14）と中心を合わせた針機構（16）
が設けてあり、この技術ではよく知られているように、
出口の開閉を制御する。電極チップ（22）を持つ電極
（20）が、適当なクランプ（24）または他の取り付け装
置により支持アーム（26）の自由端に取り付けてある。
電極チップは望ましい様式で機能するいかなる形状でも
良いが、丸型または角型、すなわち断面が円形または長
方形になっているのが好ましい。電極（20）は、支持ア
ーム（26）に取り付けた導線（28）を通して、図に示し
てはいないが、この技術では良く知られた電源装置に接
続している。支持アーム（26）は、（30）で支持板（3
2）に接続している。分かり易くするために第１図で
は、ただ一つの支持アームと電極機構だけを示してある
が、そのような機構が複数個装備されているものと理解
すべきである。

支持板（32）には、支持柱（36）に沿って、安定して垂
直に往復運動できるようにガイドローラー（34）が付い
ている。支持板は、後でさらに詳しく説明する駆動歯車
列を動かすモーター（38）により移動する。支持柱（3
6）には、ネジ山を切ってあるブッシュ（40）が付いて
おり、ネジ（42）と噛み合っている。モーター（44）が
ネジ（42）を回転させると、支持柱（36）は容器（12）
の方へ向かって、または容器から離れるように移動し、
支持アーム（26）の端にある電極（20）を同じように移
動させる。

第２図および第３図に示すように、容器（12）は水平断
面が円形で、３本の支持アーム（26）があり、それぞれ
電極（20）を備えている。支持アーム（26）は、容器の
中心から、およびお互いから等距離にあり、角度的には
120°の間隔を置いて、配置されている。容器は上部が
開放されており、電極が容器内に伸び、以下にさらに説
明するように、容器内を移動できるようになっている。
通常運転されるように、溶融すべきバッチ材料は、この
技術において良く知られた適当な材料供給手段により連
続的に供給し、未溶融材料の層（46）を形成する。この
層の底面が融解し、ガラスや耐火性成分などの溶融した
材料の一部になると、この層の上に追加の材料が供給さ
れ、炉の運転中は、予め決められた量に層の厚さを保
つ。この層は、溶融材料から逃げ出す熱を吸収し、溶融
工程をより効率的にしている。

容器（12）の外面は、側壁（50）および底壁（52）を備
えた標準型の金属外壁（48）から成る。外壁は必要なら
通常の手段で冷却できる。外壁を絶縁しているのは、容
器内の溶融材料と相容性のある適当な耐火性材料（54）
の層である。この技術で良く知られているように、耐火
材料は、溶融材料から形成されるスカルを含んでいても
良い。

ここで第１図と第４図に関して、支持板（32）は、内側
にネジ山を切ったブッシュ（56）を持ち、これがネジ軸
（58）と噛み合い、モーター（38）への適当な連結手段
を介して、どちらの方向にも回転できる。ブッシュ（5
6）は、適当な手段により支持板（32）に固く接続して
ある。ネジ（58）が回転すると、板が上下に移動し、支
持アームと電極の組み合わせを一緒に移動させる。この
ようにして電極チップ（22）は、炉の最適運転のために
正確に位置合わせできるが、このことは別の理由から以
下に詳しく説明する。

第１図、第５図および第６図に示すように、支持アーム
（26）は、支持板（32）上にピン（30）で回動可能に取
り付けてある。アームを回動するには、どのような適当
な手段でも採用できるが、そのような一手段では、支持
アーム（26）の一端に接する支持板（32）上にモーター
（60）を備えている。モーター（60）に接続したネジ
（62）は、ピン（30）のネジ山を切った上端（64）と噛
み合っている。ピン（30）の他端は、支持板（32）中の
適当なブッシュ（66）に回動可能に軸受してあり、ピン
の中央部には、適当なくさび機構（68）により支持アー
ム（26）に固定してある。ネジ（62）が回転すると、ピ
ン（30）が回転し、接続した支持アーム（26）が旋回す
る。モーターを反対方向に回転させると、支持アーム
は、第５図の実線で示すその通常位置から第５図の破線
で示す位置に旋回する。

ここで第７図に関して、円（70A、70Bおよび70C）は電
極チップ（22A、22Bおよび22C）によって、溶融面の下
7.6cm（３インチ）未満の深さで作られる溶融円、つま
り電極チップが作用する溶融区域を示す。電極チップの
位置は、第２図に示す３本の電極配置に対応し、その電
極は、水平断面が円形の容器の中心の回りに等間隔で配
置してあるのが分かる。電極を静置する場合は、溶融区
域は図に示したままに留まり、その他の区域はすべて、
本質的に、溶融材料が適切に攪拌されていない、死空間
である。しかし、上記のように支持アームを旋回させる
ことにより、電極チップ（22A）はその本来の位置から
破線で示す位置（22A′、22A″）に移動する。電極チッ
プの位置（22A′、22A″）に対応する円（70A′、70
A″）から、そのような運動は、容器の側壁を過度に加
熱しないように溶融円を小さく保つが、静止電極よりも
本質的に大きな溶融区域を覆うことが分かる。電極チッ
プ（22B）および（22C）の旋回運動に対応する位置は、
第７図を乱雑にして判読しにくくしないように、図には
示していないが、溶融円（70B）および（70C）のそれぞ
れが溶融円（70A）と同様に動くことが分かる。この電
極移動全体の効果により、側壁への熱損失を増大させず
に、溶融装置の熱的に活性の部分が大幅に増加する。モ
ーター（60）が駆動軸（62）を交互に反対方向に回転さ
せることにより、全電極が、支持アームの旋回により決
定される円弧に沿って、同期運動する。

第８図には、第７図の浅い旋回電極配置の改良型を示し
ている。この配置では、断面が円形の容器の代わりに、
水平断面が六角形の容器（72）を使用している。この配
置では、電極が作り出す溶融円によって覆われない、ま
たは攪拌されない溶融装置の区域はさらに少なくなって
いる。見易くするために電極チップはその本来の始動位
置には示しておらず、その電極チップの本来の始動位置
に対応する溶融円も示していない。従って、円（70
A′）および（70A″）は、図面で（22A′）および（22
A″）で示される、最も大きく移動した位置にある電極
チップによって作られる溶融円に対応している。同様
に、円（70B′、70B″、70C′および70C″）も、図面で
（22B′、22B″、22C′、および22C″）で示される電極
チップ（22Bおよび22C）により作られる溶融円に対応し
ている。

六角形容器に関連して３電極配置を図示してあるが、他
の多角形容器も使用できることは明らかである。しか
し、一般に、多角形の辺の数は、電極数の倍数になるで
あろう。

従って、例えば、二つの単相電流を流す４本の電極は、
八角形の容器に使用される。

第９図に関して、円形容器（12）および３個の電極チッ
プＡ、ＢおよびＣの始動位置を図示してある。円（74）
は、容器の中心の回りを回転する電極の経路に対応し、
必要な装置の開発と実施に費用がかかりすぎないなら
ば、電極チップにとって理想的な経路であろう。電極Ａ
の動きに当てはまる経路（74）の拡大図を第10図に示
す。また、第10図には、電極チップＡを有する電極を取
り付けた支持アームを、前に説明したようにして旋回さ
せた場合に、電極チップが取るであろう経路（76）を示
す。他の実施形態に関して説明した、電極の有利な旋回
または角度的な運動にもかかわらず、そのようにして形
成された経路（76）は、より好ましい同心円上の経路
（74）を辿らないことは明らかである。

しかし、本発明の一実施形態によれば、上記の装置を使
って、理想的な経路（74）に密接に近似させることは可
能である。第９図および第10図、および第１図、第４
図、第５図および第６図に関して、先ず電極チップＡを
溶融装置中で、理想経路（74）上の点に相当する点に位
置合わせする。これはモーター（44）により支持柱（3
6）の適当な移動およびモーター（60）による支持アー
ム（26）の旋回運動により容易に達成できる。次いで、
支持アームが経路（76）に沿って、第10図でA1として示
す点まで旋回し、支持柱（36）がモーター（44）により
移動し、支持アーム（26）が距離（D1）に相当する距離
だけ経路（74）の方へ移動する。これらの運動により、
電極チップは、理想経路（74）上の点（A2）に来る。同
様にして、支持アームは経路（76）上の点（A3およびA
5）まで旋回し、次いで理想経路（74）の方に向かって
適当な距離（D3およびD5）だけ移動し、電極チップを理
想経路上の点（A4およびA6）に合わせる。この一連の運
動を、電極チップ（Ａ）が電極（Ｃ）の方へ移動して到
達できる、理想経路（74）上の最も離れた地点である、
第９図の点（Ａ′）に達するまで続ける。この点は、次
の電極（Ｃ）が電極（Ａ）の方へ旋回して到達できる、
理想経路上の最も離れた地点である、第９図の点
（Ｃ″）と一致している。上記のように移動する３本の
電極（Ａ、ＢおよびＣ）は全体で、その本来の旋回運動
が容器の中心から離れて行く円弧を描くにも関わらず、
全経路（74）を移動できることが分かる。この配置は、
第７図および第８図で説明した電極の単純な旋回運動で
は長円形の熱流パターンを効果的に配分できないよう
な、深く浸漬した電極を使用するときに最も効果的であ
ることが分かる。

ここに説明した支持アームの動きは、アームを経路（7
6）に沿って、予め設定した円弧分だけ旋回させ、次い
でモーター（44）を作動させて電極チップを理想経路
（74）の方へ移動させても良いし、あるいは支持アーム
がその円弧に沿ってゆっくりと旋回している間にモータ
ー（44）を作動させ、電極チップが事実上常に経路（7
4）の上にあるようにしても良い。どちらの場合も、モ
ーター（44）および（60）の作動は、この技術に精通し
た者にはよく知られている、プログラム化できる論理制
御装置により、容易に自動制御できる。電極間の正確な
幾何学的バランスを保つ、または多相電流の個々の相間
で等しい相抵抗を保つように、電極を移動させることが
できるようなプログラムやセンサーを設計することがで
きる。

電極の複合運動の、期待される結果を確認するために、
多くの熱的研究を行ない、各種の炉や電極配置の溶融プ
ロファイルを求めた。最初の試験では、30.5cm（12イン
チ）の耐火レンガで内張した直径3.66m（12フィート）
の炉で、各30.5cm（12インチ）直径のグラファイト電極
を３本、それぞれ120°の間隔を置いて周囲に配置し
た。電極の中央部は、溶融装置の中心から64.8cm（25^１
／_２インチ）離し、電極チップは溶融面から3.8cm（１
^１／_２インチ）下まで浸漬した。この炉では、鉄鉱石を
溶融した。溶融面から5.1cm（２インチ）下に置いた熱
センサーにより、十分な数の読みを取り、水平方向の温
度プロファイルを作成した。このプロファイルは、レン
ガの内張から内側に延びた、混合と溶融が不十分な、大
きな淀んだ区域を示した。この溶融と混合が不十分な区
域は、内張と電極との間では薄く、電極と電極の中間で
は厚くなっていた。本発明により、炉の中心の回りで、
適当な速度で電極を回転させると、電磁流が生じ、電極
の後ろの高温区域を電極間の溶融が不十分な区域に移動
させ、溶融率を向上させることが期待される。

第２の熱センサー測定を、22.9cm（９インチ）の耐火レ
ンガで内張した、直径3.05m（10フィート）のガラス溶
融炉で行なった。炉の中心から55.9cm（22インチ）の間
隔をおいて設置した３本のモリブデン電極を使用して、
代表的なソーダー−ホウ素繊維ガラスバッチを溶融し
た。電極チップは、直径が15.2cm（６インチ）で、溶融
面から30.5cm（12インチ）下に浸漬した。負荷電力は96
0KWであった。熱センサーは、溶融面から5.1cm、10.2cm
および24.1cm（２、４および９^１／_２インチ）下に設置
し、各位置での水平温度プロファイルを求めた。それぞ
れの場合で、個々のプロファイルは、深くなるにつれて
円形から歪んだ長円形に変化したが、やはり側壁から内
側に延びた、淀んだ、溶融と混合が不十分な、広い区域
があることが分かった。ここでも、本発明により、炉の
中心の回りに電極を回転させることにより、各層で溶融
物の均一性を高め、溶融率および溶融均質性を向上させ
ることが期待される。

水平プロファイルに加えて、完全な断面を形成できる十
分な数の温度センサーを使用して、垂直方向の温度プロ
ファイルを作成した。この試験においては、直径1.52m
（５フィート）の炉中に３本の電極を、中央の底部出湯
オリフィスを含む三角形の中央ブロックから8.9cm（３
^１／_２インチ）離して、120°の間隔をあけて設置し、
耐火性組成物を溶融した。各電極のチップは15.2cm（６
インチ）浸漬し、炉は負荷電力350KWで運転した。その
結果、溶融物と炉壁および炉床の間に、溶融物の表面ま
で延びた、基本的に長円形の、溶融と混合が不十分な、
大きな区域が有るのが分かった。やはり、本発明によ
り、炉の中心の回りに電極を回転させることによって、
垂直断面における溶融物の均質性が向上すると期待され
る。

熱的プロファイルから得た結論を確認するために、上記
の直径1.52m（５フィート）の炉で、59％のSiO₂、37％
のMgO、３％のCaOおよび１％のAl₂O₃から成る溶融組成
物を使って試験を行なった。電極の中央は、溶融装置の
中央から25.4cm（10インチ）離し、電極チップを溶融面
から15.2cm（６インチ）下に浸漬した。直径5.1cm（２
インチ）のモリブデン電極脚に直径10.2cm（４インチ）
で長さ7.6cm（３インチ）のモリブデン電極チップを取
り付けた電極をこの炉に設置した。溶融物は、底部中央
のオリフィスから連続的に排出させた。炉の外壁を固定
し、電極アームの小さな旋回と小さな半径方向の運動を
組み合せ、電極を溶融装置の中心の回りに回転させ、３
個の電極チップが同時に溶融装置の中心の回りに円運動
するようにした。

電極チップは、その始点から一方向に60°の角距離だけ
移動し、次いで方向を逆転して始点に戻り、その始点を
越えてさらに反対方向に60°の点まで移動し、再び60°
元の始点に戻る。この組み合わせ運動は、３本の電極す
べてが同じ角速度で移動し、おたがい同士で常に同じ相
対位置を保つように同期化している。

各種の角回転速度で、５回試験を行ない、次のような結
果を得た。

表の数字から、回転速度が毎分約1.5度以上で溶融速度
が著しく向上しているのが分かる。無論、最適な回転速
度は、電磁攪拌の強度により異なるが、負荷電力や溶融
物の粘度によっても異なる。

上記複合電極運動は、溶融装置の中心の回りに円運動さ
せる上で、経済的な面から好ましい方法であるが、簡単
な回転運動により溶融装置の中心の回りに電極を移動さ
せ、同じ様に性能を向上させることも期待できる。第11
図に示すように、これは、炉80の上に位置する支持リン
グ78を備えることにより達成できる。適当な歯車装置な
どの、支持リングに回転運動を与える適当な手段を使用
することができる。例えば、リング78の周囲に歯79を装
備し、モーター83で駆動する歯車81を使って支持リング
を回転させる。電極支持アーム82は、図には示していな
いが、適当なクランプでリング上で支え、各電極支持ア
ームには電極84が取り付けてある。支持リング78を望ま
しい角速度で回転させることにより、電極は溶融装置の
中心の回りに円弧状に移動し、溶融をより効率的にし、
溶融速度を高める。

さきに提案したように、電極を固定した支持物に取り付
け、炉の外壁を回転させることによっても同じ結果が得
られる。この配置を第12図に示すが、ここでは炉の外壁
（86）の周囲に歯列（88）を備えている。これと噛み合
う、モーター（92）により駆動される歯車（90）が、外
壁を旋回軸（94）を中心に回転させる。これにより、固
定した電極支持アーム（96）に取り付けた電極は、回転
する炉の外壁に対して相対的な回転運動をすることにな
り、第11図の配置におけるのと同じ効果をもたらす。

上記の方法で、電極が移動している最中に電極チップの
垂直位置を変え、容器中の電磁的および熱的な流れを変
えることにより、混合をさらに改善することができる。

最適な条件は、設備の大きさ、溶融する材料、電極の
数、電力量、その他の変数により変化するので、本発明
の方法および装置に対する完全なパラメータを与えるこ
とは不可能である。しかし、最初の電極間隔は、米国特
許第4,351,054号でオールズらが指示している間隔が好
ましい。本発明では、異なった物理現象を利用している
ので、回転速度は、浸漬アーク炉の技術で使用される毎
分0.12〜0.25度よりも著しく速い。例えば、本発明によ
れば、溶融物の流れのパターンにおける妨害のため、溶
融工程を遅らせるために、毎分約１度未満の回転速度が
実際的であることが分かっている。毎分20度を越える回
転速度は、溶融速度にはほとんど影響しない。このよう
な高速度は、波を形成し、溶融面のスカル形成や固化の
原因となる場合には、溶融に悪影響を及ぼす。最適な回
転速度を採用している場合でも、電極の動きにより過剰
な熱放出を避けるために、溶融物が常にバッチ材料の層
により十分覆われているように注意する必要がある。

本発明の機能を実行できる装置の図として、特定の炉の
設計を記載したが、電極や外壁の様々な運動を実行する
ための別な方法も採用できることを理解すべきである。
従って、一般に、本発明の好ましい実施形態を説明した
が、本発明の精神と特許請求の範囲から逸脱することな
く、実施形態の特定の細部を変えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、見易くするために構造要素の幾つかを省略し
た、本発明に係わる電気炉および付属装置の側面図、第２図は、電気炉の容器の平面図、第３図は、第２図の線３−３から見た容器の横断面図、第４図は、支持アームを上下に移動させるための構造
の、部分的に断面で示した、拡大部分側面図、第５図は、第１図の線５−５から見た、支持アームの平
面、および支持アームを上下運動させる装置の特定の要
素を断面で示す図、第６図は、第１図の線６−６に沿ってアームの軸心を通
して見た、支持アームの横断面図、第７図は、本発明の一実施形態における３電極配置によ
り、溶融材料中に形成される溶融円の平面図、第８図は、改良型容器の配置を示す、第７図と同様の平
面図、第９図は、本発明のもう一つの実施形態による、溶融装
置内における電極チップの運動を示す図、第10図は、第９図の実施形態における電極チップの運動
をより詳しく示す、第９図の部分拡大図、第11図は、電極と溶融装置の外壁との間の相対的な運動
を与えるための、他の実施形態における溶融装置と電極
の配置を示す、簡略化した平面図、および第12図は、電極と溶融装置の外壁との間の相対的な運動
を与えるための、他の実施形態における、溶融装置と電
極の配置を示す、簡略化した側面図である。〔主要部分の符号の説明〕 10……炉 12……容器 14……出口 20……電極 22……電極チップ 26……支持アーム 50……側壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジーンピエールマルチンフランス国，プロヴインス 78，ヴイレーヌス／セイヌ，リユドヴエルヌイレツト 84 (56)参考文献実開昭52−44209（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融すべきバッチ材料を含み、溶融した材
料を排出するための出口を持つ容器、電極チップを持つ、複数の電極、電極チップが溶融材料とコロナ放電を起こす関係に位置
させられるようにして各電極を支える手段、および電極チップが容器に関連して円弧を描き、電極の作用す
る溶融区域を増加し、熱的な対流による撹拌に加えて、
溶融材料中に攪拌効果をもたらすように電極と容器との
間に相対運動を起こす手段、から成る、熱的に融解し得るバッチ材料を溶融し、その
溶融した材料を混合するための電気炉において、電極と容器との間の相対運動を起こすための手段が、外
壁を特定の場所に固定するための手段、容器の上に位置
し、電極を支持するための手段およびその支持手段を回
転させるための手段、から成ることを特徴とする電気
炉。
【請求項２】各電極を支持するための手段が、容器の上
に伸びた支持アームから成ること、および電極と容器と
の間の相対運動を起こすための手段が、支持アームをお
互い同士で同期関係で定期的に移動させ、電極チップを
容器内で、お互い同士で同期関係で移動させるための手
段から成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の電気炉。
【請求項３】各支持アームが容器から離れた点を中心に
旋回すること、および支持アームを定期的に移動させる
ための手段が、その転心を中心にアームを旋回させるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の電気炉。
【請求項４】容器が側壁と中央部を持ち、各電極チップ
は、その容器の中央部と、付随する支持アームが上方に
伸びた側壁との間に位置することを特徴とする特許請求
の範囲第３項記載の電気炉。
【請求項５】容器の水平断面が、一般的に円形であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の電気炉。
【請求項６】容器の水平断面が、一般的に多角形である
ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の電気炉。
【請求項７】３本の電極があることを特徴とする特許請
求の範囲第５項記載の電気炉。
【請求項８】３本の電極があること、および容器が一般
的に六角形であることを特徴とする特許請求の範囲第６
項記載の電気炉。
【請求項９】支持アームの旋回運動による電極チップの
移動に加えて、電極チップを、容器の中央部に近付くよ
うに、および容器の中央部から離れるように移動させる
ための手段を含むことを特徴とする特許請求の範囲第４
項記載の電気炉。
【請求項１０】電極チップを、容器の中央部に近付くよ
うに、および容器の中央部から離れるように移動させる
ための手段が、支持アームの旋回運動と同調して、電極
をあらかじめ設定した距離だけ移動させ、その際、各電
極チップは、容器の中央部と同心円になった、円弧状の
経路に本質的に沿って移動できることを特徴とする特許
請求の範囲第９項記載の電気炉。
【請求項１１】電極チップの一つが通過する円弧状の経
路の始点が、一般的に次の電極チップが通過する円弧状
の経路の終点と一致し、その際、電極チップが通過する
円弧状の経路を組み合せたものは一般的に一つの円に相
当することを特徴とする特許請求の範囲第10項記載の電
気炉。
【請求項１２】電極チップを、容器の中央部に近付くよ
うに、および容器の中央部から離れるように移動させる
ための手段が、支持アームを、容器の中央部に近付くよ
うに、および容器の中央部から離れるように移動させる
ための手段から成ることを特徴とする特許請求の範囲第
９項記載の電気炉。
【請求項１３】支持アームの旋回運動による電極チップ
の移動に加えて、電極チップを、容器の底部に近付くよ
うに、および容器の底部から離れるように移動させるた
めの手段を含むことを特徴とする特許請求の範囲第４項
記載の電気炉。
【請求項１４】溶融した材料を排出するための出口を持
つ容器にバッチ材料を導入する工程と、それぞれ溶融した材料とコロナ放電を起こす関係に位置
した電極チップを持つ、複数の電極によりそのバッチ材
料を溶融する工程と、容器から離れた所に半径の中心を持ち、その半径は、そ
の半径の中心から容器の側壁を越えて延び、容器の中央
部の近くで終っているような円弧に沿って、電極チップ
をお互い同士で同期した関係で、容器中で移動させる工
程とから成る、熱的に融解し得るバッチ材料を溶融し、
その溶融した材料を混合する方法。
【請求項１５】容器の水平断面が一般的に円形であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第14項記載の方法。
【請求項１６】容器の水平断面が一般的に多角形である
ことを特徴とする特許請求の範囲第14項記載の方法。
【請求項１７】電極を、その円弧に沿った運動に加え
て、容器の中央部に近付くように、および容器の中央部
から離れるように移動させる工程を含むことを特徴とす
る特許請求の範囲第14項記載の方法。
【請求項１８】容器の中央部に近付く、および容器の中
央部から離れる電極の移動が、その円弧に沿った電極チ
ップの運動と同調し、容器の中央部と同心円になった円
弧状の経路に本質的に沿って、その電極チップを移動さ
せることを特徴とする特許請求の範囲第17項記載の方
法。
【請求項１９】電極チップの一つが通過する円弧状の経
路の始点が、一般的に次の電極チップが通過する円弧状
の経路の終点と一致し、その際、電極チップが通過する
円弧状の経路を組み合せたものは一般的に一つの円に相
当することを特徴とする特許請求の範囲第18項記載の方
法。
【請求項２０】電極チップが円弧に沿って、毎分1/4度
よりは大きいが、毎分20度未満の回転角速度で移動する
ことを特徴とする特許請求の範囲第14項記載の方法。
【請求項２１】電極チップの回転の最小角速度が毎分１
度より大きいことを特徴とする特許請求の範囲第20項記
載の方法。
【請求項２２】電極チップ間で正確な幾何学的バランス
が維持されるように、電極が同期的な関係で移動するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第14項記載の方法。
【請求項２３】多相電流の相間で等しい相抵抗が維持さ
れるように、電極が同期的な関係で移動することを特徴
とする特許請求の範囲第14項記載の方法。