JPH08176639A

JPH08176639A - アーク炉製鋼法

Info

Publication number: JPH08176639A
Application number: JP6328031A
Authority: JP
Inventors: Keiji Wakahara; 啓司若原; Hirotsugu Kubo; 博嗣久保; Hideaki Mizukami; 秀昭水上
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1996-07-09

Abstract

(57)【要約】【目的】アーク炉内の浅いスラグ浴中で効率良く２次
燃焼させる。【構成】フォーミングしているスラグ浴中に酸素を吹
き込んでスラグ浴中でＣＯガスを２次燃焼させる際に、
電極及び２次燃焼用酸素ランスの高さを測定した後に通
電し、このランスの吐出孔の位置を溶湯面から所定の高
さに設定し、通電してからのランスの移動距離を溶湯面
の上昇に追従して制御して２次燃焼させるアーク炉製鋼
法である。更に、通電中に電極先端を溶湯面下に浸漬し
て短絡させて、溶湯面高さを計測し、このランスの吐出
孔の位置を計測した溶湯面高さに基づいて所定の高さに
修正することにより、更に２次燃焼させるアーク炉製鋼
法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアーク炉製鋼法の改良に
関し、特に、鉄スクラップ等の冷鉄源を効率良く溶解す
るためのアーク炉における２次燃焼技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄スクラップ、銑鉄、ＤＲＩ等の冷鉄源
を溶解して溶鋼を製造するアーク炉において、溶解時間
の短縮による生産能率の向上は大きな課題である。この
課題解決のため、単位時間当りの投入電力量を増大した
ＵＨＰ操業や酸素富化操業等が実施されてきた。

【０００３】更に、スクラップ溶解の促進を追求した技
術に、上記酸素富化操業等により生じたＣＯガスを炉内
で積極的に２次燃焼させる技術が提案されている。

【０００４】特開昭６３−９３８１５号公報および特開
平５−９８３６４号公報に記載される技術は、炉内の空
間部に酸素を供給し、溶湯中に炭素質材料を吹き込むこ
とによって発生するＣＯガスを、以下の（２）式の反応
によって、ＣＯ₂に効率良く２次燃焼させ、この反応に
よって生成する燃焼熱の一部をスクラップ溶解の促進に
活用するものである。

【０００５】ＣＯ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ₂ ・・・・・（２）また、特開昭５９−１０４４１９号公報に記載される技
術は、溶解期および（または）酸化期に溶湯中に酸素を
吹き込んで脱炭させ、炭素含有量０．２０％以下の溶湯
を得、これに引き続き、炭素質材料をキャリアガスと共
に溶湯中および（または）スラグ浴中に吹き込んでＣＯ
ガスを発生させ、炉内空間および（または）スラグ浴中
に２次燃焼用酸素を吹き込んでＣＯガス発生量の一部を
ＣＯ₂ガスに２次燃焼させる方法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開昭６３−
９３８１５号公報および特開平５−９８３６４号公報の
技術では、２次燃焼場所が炉内空間部であるため、前述
の（２）式の反応によって発生した燃焼熱が十分に溶湯
およびスラグ浴に伝熱（これを着熱という）されない。
これらの方法では、炉蓋や炉壁の水冷部分に伝熱された
り、排ガス中に顕熱として排出されてロスしてしまい、
２次燃焼による燃焼熱が有効に活用されない。また、炉
内空間部に導入した酸素の一部が黒鉛電極と反応して電
極を酸化消耗させてしまう。

【０００７】燃焼熱の溶湯への着熱効率が高い点では、
スラグ浴中で２次燃焼させる方法が好ましく、この技術
は特開昭５９−１０４４１９号公報の中でも開示されて
いるし、鉄の溶融還元プロセスでも数多く開示されてい
る。（例えば、加圧転炉型溶融還元炉内の２次燃焼技術
の開発；鉄と鋼76(1990)、ｐ.1887 ）

【０００８】しかし、３ｍ以上のスラグ浴を容易に確保
出来る転炉に比較して、電気炉ではその炉体構造からス
ラグ浴の深さはせいぜい５０〜１００ｃｍ程度しか確保
出来ない。このため、２次燃焼用酸素をこの浅いスラグ
浴上から吹き付けるか、またはスラグ浴内に浸漬させて
吹き込むことにより、スラグ浴中で効率良く２次燃焼さ
せるには、２次燃焼用酸素ランスの吐出口の位置を正確
に制御することが必要となる。

【０００９】特に溶解初期から製錬終了まで２次燃焼技
術を適用し、この適用時間比率を増大してスクラップの
溶解促進を図る場合、溶解に伴って溶湯面高さが大きく
変化する。このため、ランス高さを動かさずに固定した
ままにすると、ランスと溶湯面との間隔は小さくなり２
次燃焼用酸素はスラグ浴を越えて溶湯内に進入してしま
う。この結果、１次燃焼用酸素と同じ脱炭に作用してい
まい、２次燃焼によるスクラップ溶解促進効果を得られ
ない。

【００１０】また、ランス高さを制御する場合、炉内は
高温かつ密閉構造であるため、目的とする高さに精度良
く設定かつ制御出来ない。またその設備化には多額の費
用が必要となる。

【００１１】本発明は、かかる問題点を解決するために
提案されたものであって、簡便な手段により、２次燃焼
用酸素ランス高さを溶湯面から所定の高さに設定・保持
し、変化する溶湯面に対応して精度良く制御することに
より、アーク炉内の浅いスラグ浴中で効率良く２次燃焼
させて、スクラップ溶解促進効果を達成することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、フォーミング
しているスラグ浴中にランスより酸素を吹き込んでスラ
グ浴中でＣＯガスを２次燃焼させるアーク炉製鋼法にお
いて、設定アーク電圧とアークが生成された時の電極高
さによって定まる値を基に、溶湯面からのランスの酸素
吐出孔の位置を所定の高さに初期設定し、通電してから
のランスの移動距離を以下の（１）式に従って制御する
ことを特徴とするアーク炉製鋼法である。

【００１３】Ｌ（ｔ）＝Ｄ（ｔ）＋ Δｄ・ｔ（１）Ｌ（ｔ）：通電からｔ分後の２次燃焼用酸素ランスの移
動距離（ｍｍ）Ｄ（ｔ）：通電からｔ分後の電極の移動距離（ｍｍ） Δｄ：アーク溶解中の平均電極損耗速度（ｍｍ／分）ただし、ｔは通電を開始してからの経過時間（分）とす
る。

【００１４】更に、通電中に電極先端を溶湯面下に浸漬
して短絡させて、溶湯面高さを測定し、ランスの吐出孔
の位置を測定した溶湯面高さに基づいて修正することを
特徴とする請求項１に記載のアーク炉製鋼法である。

【００１５】

【作用】本発明は、フォーミングしているスラグ浴中に
ランスを使用して酸素を供給するので、スラグ浴中でＣ
Ｏガスは（２）式によって２次燃焼し、この反応によっ
て発生する燃焼熱は効率良くスラグ浴に着熱されるた
め、スクラップの溶解は促進される。

【００１６】一方、通電中の電極先端と溶湯面との間隔
はアーク長さと呼ばれ、一般に設定アーク電圧や電極先
端近傍のアーク雰囲気によって決まる。このアーク長さ
（単位ｍｍ）は発明者等の調査により、ほぼ設定アーク
電圧（単位ｖｏｌｔ）に一致することが確認されてい
る。

【００１７】本発明では、アーク電圧を設定して電極を
下降させると、溶湯面からアーク長さに相当する高さに
達する位置でアークが飛ぶ。予め設定アーク電圧とアー
ク長さとの関係が判明しているので、このアークが飛ん
だ時点の電極の高さを測定することにより溶湯面の高さ
が測定できる。この測定に基き、２次燃焼用酸素ランス
の吐出孔の位置を溶湯面から所定の高さに初期設定出来
る。

【００１８】その後、通電してからの電極高さは設定ア
ーク電圧が一定であれば、アーク制御特性からアーク電
圧は一定に保持され、またアーク長さも一定に制御され
るので、スクラップの溶解に伴い溶湯面が上昇すると電
極は溶湯面に同期して上昇する。このため、通電を開始
してからの２次燃焼用酸素ランスの移動距離を、電極の
移動距離に追従して制御すればランスは溶湯面の上昇に
追従して上昇するので、ランス吐出孔の位置を常に溶湯
面から所定の高さに保持・制御出来る。ただし、アーク
が飛ぶと電極先端は、電極の移動距離は溶湯面の上昇量
から電極損耗量を差し引いた値だけ小さくなるので、ラ
ンス高さを補正する必要が生じる。

【００１９】本発明では、２次燃焼用酸素ランスの移動
距離を（１）式のように電極の移動距離Ｄ（ｔ）と電極
損耗量Δｄ・ｔを加算して制御することにより、ランス
高さを補正する。ここで、Ｌ（ｔ）およびＤ（ｔ）は、
通電を開始してからｔ分間に移動したランスの移動距離
（ｍｍ）および電極の移動距離（ｍｍ）である。一方、
発明者らの調査により電極先端はほぼ一定速度で損耗す
ることが確認されており、Δｄを単位時間当たりの平均
電極損耗速度（ｍｍ／分）とすると、Δｄ・ｔは同じく
ｔ分間に損耗した電極損耗量（ｍｍ）となる。なお、Δ
ｄは経験的に求められた定数である。

【００２０】この結果、ランスは溶湯面の上昇に追従し
て昇降・制御されるので、通電中常にランス吐出孔の位
置は溶湯面から所定の高さが確保され、スラグ浴中で効
率良く着熱されて２次燃焼効率は劣化することがない。

【００２１】通電中にスラグ浴の性質が変化して設定ア
ーク電圧に対するアーク長さが変化したり、電極先端が
欠落するとランス高さは溶湯面から所定の高さが確保さ
れなくなる。特に欠落長さは３００ｍｍに及ぶことがあ
り、効率の良い２次燃焼が達成されない。

【００２２】この対策として、本発明では通電中に、例
えば運転モードを一時停止して、設定アーク電圧のまま
電極を下降させ電極先端を溶湯面下に浸漬させる。電極
先端を浸漬すると短絡して電圧は急激に低下（一般には
５０Ｖ以下）するので、この時の電極の移動距離から溶
湯面高さを演算できる。（これを短絡法と呼ぶ。）

【００２３】本発明では、（１）式による制御に加え、
通電中、例えば一定時間毎、短絡法を実施して予め設定
したアーク長さや平均電極損耗速度からの誤差量を求
め、これに基きランス高さを溶湯面から所定の高さに修
正する。これにより、ランス吐出孔の位置をより精度良
く制御できるので、更に効率の良い２次燃焼が達成され
る。

【００２４】

【実施例】図１は、本発明の効果を確認するため、連続
式スクラップ供給設備を備えた容量１６０トンの直流ア
ーク電気炉設備を使用して、２次燃焼試験を実施してい
る状況を示す。

【００２５】ここで、１はアーク炉炉体、２は側壁、３
は炉蓋、４は黒鉛電極、５は炉底電極、６は１次燃焼用
酸素ランス、７は炭素質材料吹き込み用ランス、８は２
次燃焼用酸素ランス、９は炉内空間、１１は溶湯、１２
はスラグ浴、１３は連続式スクラップ供給設備、１４は
搬送コンベア、１５はスクラップである。

【００２６】本実施例では、１次燃焼用酸素ランス６、
および炭素質材料吹き込み用ランス７を、図１に示す炉
体１の側壁に設けた作業口から炉内に装入され、溶湯１
１上に各１本づつ配置した。２次燃焼用酸素ランス８
は、炉蓋３の上部に設けたランス装入口から垂直方向に
炉内に装入し、フォーミングしているスラグ浴１２内に
浸漬して２本配置した。このランス８は、内部が水冷さ
れた２重構造を持つ金属製のパイプで構成され、スラグ
浴１２に長時間浸漬しても損耗しない設計とした。ま
た、パイプ先端近傍の側面に口径が２０ｍｍで、下向き
角度が２５°の吐出口を１８０°対向させて１本当たり
２個設けた。

【００２７】図２は、本実施例に用いた黒鉛電極４およ
び２次燃焼用酸素ランス８の昇降駆動機構および高さ位
置測定手段を示す。

【００２８】ここで、１６は電極４およびランス８を保
持する把持器、１７は昇降マスト、１８は油圧式等の昇
降駆動装置、１９は電極４およびランス８の昇降量から
これらの高さを測定する高さ位置測定手段であり、２０
は電気炉制御装置である。電極４およびランス８が昇降
すると、計測手段１９によって各の移動量が逐次計測さ
れ、この移動量は電気炉制御装置２０に伝送され、ここ
で高さ位置情報に変換されてこの制御装置２０に設けら
れた演算・記憶手段により逐次演算・記憶される。

【００２９】図３は、本実施例におけるランス８の高さ
位置制御方法の一実施例をフロー図に示したものであ
る。以下に、このフロー図に従って制御方法を説明す
る。

【００３０】（１）基準高さ位置の測定前チャージの溶解・精錬が終了すると、５０トンの溶鋼
および厚さ８０ｍｍのスラグを炉内に残して出鋼する。

【００３１】出鋼終了後、オペレーターは測定モードの
プッシュボタン（以下、ＰＢと略す）を押すと、電極４
およびランス８は各の昇降駆動装置１８が駆動して上昇
限まで上昇して停止する。その後、電極４およびランス
８を下降させ、炉上で電極４の先端とランス８の吐出口
位置（ランス先端）を目視で一致させ、この時の両者の
高さを測定し、この情報を制御装置２０に伝送し基準高
さ位置として記憶する。なお、本実施例ではこの基準高
さ位置を基点（０ｍｍ）とし、電極４およびランス８が
下向き方向に移動した距離をミリメートル単位でプラス
表示する。

【００３２】（２）２次燃焼用酸素ランス高さの制御次に、オペレーターは溶解のためアーク電圧を５００Ｖ
に設定し、測定モードから運転モードに切替え電極４を
下降させた。電極４の先端が溶湯面からアーク長さだけ
高い位置に達した時点で、電極先端から溶湯面（正確に
はプラス極である炉底電極５）に向かってアークが飛
び、アーク電流１２０ＫＡで溶解が開始された。

【００３３】通電開始と同時に、連続式スクラップ供給
設備１３を起動して、毎分２．５トンの供給速度で鉄ス
クラップを供給した後、２次燃焼用酸素ランス８を下降
して吐出口位置を溶湯面から２次燃焼基準高さ６００ｍ
ｍに設定した。その後、１次燃焼用酸素ランス６から供
給速度６０Ｎｍ³／ｍｉｎで酸素を、ランス７からはキ
ャリアーガスと共に供給速度５０ｋｇ／ｍｉｎで炭素質
材料（以下、炭材と略す）を、溶解途中の溶湯１１に向
けて吹き付けた。

【００３４】この結果、炭材または溶鋼中の炭素と１次
燃焼用酸素とは反応を起こし、ＣＯガスを発生させこの
ＣＯガスにより、スラグ浴１２は短時間におよそ厚さ８
００ｍｍ（１０倍に体積膨張）にフォーミングした。

【００３５】厚さ８００ｍｍのスラグ浴１２が形成され
た後、ランス８から２次燃焼用酸素を供給速度３０Ｎｍ
³／ｍｉｎ（１孔当り、７．５Ｎｍ³／ｍｉｎ）の条件
で通電終了直前まで吹き込んだ。なお、この吐出孔より
吐出される酸素流速は、計算上３９８ｍ／ｓｅｃであり
音速をやや越える速度である。この後、製錬終了まで
に、４４分間、合計１１０トンのスクラップが供給され
たが、２次燃焼用酸素吹き込み中のスラグ浴１２の厚み
を８００ｍｍに保持した。

【００３６】その後、スクラップ供給の停止と同時に炭
材吹き込みを停止し、しばらくして、溶湯成分、溶湯温
度を確認して通電および１次、２次燃焼用酸素吹き込み
を停止し、出鋼した。

【００３７】本実施例では、通電中の電極損耗量を毎分
平均５ｍｍとし、２次燃焼用ランス８を前述の高さに設
定した後、電極４の昇降による移動距離を１分毎測定
し、これに電極４の損耗量を補正して（１）式に従いラ
ンス８を溶湯面の上昇に追従して制御した。この結果、
溶解初期から製錬終了までのほぼ全通電期間中、吐出孔
位置は溶湯面より６００ｍｍに制御された。

【００３８】表１に、上記実施例における試験条件およ
び得られたスクラップ溶解速度を比較例、従来例と比較
して示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】従来例は、１次燃焼用酸素および炭材を吹
き込む操業（酸素富化操業）のみを実施し、２次燃焼用
酸素吹き込みを適用しなかった場合であり、スクラップ
溶解速度は２．０１ｔｏｎ／ｍｉｎの低い値を得た。

【００４１】実施例１では、溶解初期から製錬終了まで
のほぼ全通電期間中、吐出孔位置は溶湯面より６００ｍ
ｍに制御されたため、フォーミングしたスラグ浴１２内
で高い着熱効率が得られ、スクラップ溶解速度は２．３
１ｔｏｎ／ｍｉｎに促進されて増大し、約１５％改善さ
れた。

【００４２】一方、比較例は、溶解開始時のみ吐出孔位
置を溶湯面より６００ｍｍに設定し、その後２次燃焼用
ランス８を固定したまま溶湯面の上昇に追従して制御し
なかった場合である。この場合のスクラップ溶解速度は
２．０９ｔｏｎ／ｍｉｎで、従来例に比較して約４％改
善されたものの、大幅なスクラップ溶解促進降下は得ら
れなかった。

【００４３】更に、実施例２では、オペレーターは溶解
開始から１５分間毎に、それまでの運転モードから測定
モードに切り換え、設定アーク電圧のまま電極を降下さ
せ電極先端を溶湯面下に浸漬させた。浸漬すると短絡し
て電圧は急激に３０〜４０Ｖに降下した後、電極を１ｍ
急上昇させ、元の運転モードに戻した。

【００４４】短絡した時点の電極高さを溶湯面高さと
し、この高さ位置を基にランス８を溶湯面から基準高さ
６００ｍｍに修正した後、（１）式に従いランス８を溶
湯面の上昇に追従して制御し、これを１５分毎繰り返し
た。この結果、スクラップ溶解速度は３．４２ｔｏｎ／
ｍｉｎが得られ、実施例１に比較して更に約５％程度改
善された。

【００４５】本実施例では前チャージの出鋼時、炉内に
一律、５０トンの溶鋼１１と８０ｍｍのスラグ１２を残
した。発明者らは経験的に、１次燃焼用酸素と炭材を前
述した供給速度で残溶鋼に吹き付けるかまたは吹き込む
と、瞬時にフォーミングが可能となり、また８０ｍｍの
残スラグ浴は８００ｍｍ厚み（およそ１０倍）に膨張す
る知見を得ているからである。

【００４６】本実施例のように２次燃焼用ランス８を１
次燃焼用ランス６と別に設け、また滓化し易いスラグ組
成を適宜選択することにより、従来のバケット式スクラ
ップ供給方式において炉内に溶解中のスクラップが多少
残っていても、スラグのフォーミングは可能となり本発
明を適用できる。

【００４７】本実施例では、製錬途中に短絡法により溶
湯面高さを計測して、ランス８を修正する。この短絡法
は直接溶湯面高さを計測できる点で、間接的なアーク長
さによる方法に比べ精度が高い。従って、通電開始時、
溶湯面高さをこの短絡法により直接計測して、ランス８
高さを設定すれば更に良い。

【００４８】また、本発明では通電中に電極先端を溶湯
面下に浸漬して短絡させて、溶湯面高さを測定した。こ
れとは反対に、通電中に電極先端を一旦浸漬させて短絡
させた後、上昇させてアーク電圧を設定電圧まで戻す方
法によって溶湯面高さを測定しても良い。この方法よれ
ば溶湯面高さが精度良く測定出来るので、更にランス吐
出孔の位置を修正出来る。

【００４９】本実施例では、製錬中アーク電圧を５００
Ｖ一定の条件で溶解したため、アーク電圧の設定変更に
よるランス８の高さ調整をしなかった。しかし、バケッ
ト式供給方式ではスクラップの溶解状況に応じて電圧を
変更するので、（１）式に電圧変更による補正項を加え
れば上記スクラップ供給方式にも対応できる。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、電極昇降駆動機構やア
ーク制御特性を活用して新たな設備投資をせず、簡便な
手段により２次燃焼用酸素ランス高さを目的とする高さ
に設定でき、また変化する溶湯面に追従して精度良く制
御することができる。この結果、アーク炉内の浅いスラ
グ浴中でも高い着熱効率が得られ、２次燃焼効率が向上
しスクラップ溶解速度を大幅に促進できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である直流アーク電気炉設備
を使用して２次燃焼試験を実施している状況を示す図で
ある。

【図２】本実施例に用いた電極および２次燃焼用酸素ラ
ンスの昇降駆動装置および高さ位置測定手段を示す図で
ある。

【図３】本実施例におけるランス８の高さ位置制御方法
を示すフロー図である。

【符号の説明】

１アーク炉炉体４黒鉛電極６１次燃焼用酸素ランス７炭材吹き込み用ランス８２次燃焼用酸素ランス１１溶湯１２スラグ浴１８昇降駆動装置１９高さ位置測定手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フォーミングしているスラグ浴中にラン
スより酸素を吹き込んでスラグ浴中でＣＯガスを２次燃
焼させるアーク炉製鋼法において、設定アーク電圧とアークが生成された時の電極高さによ
って定まる値を基に、溶湯面からのランスの酸素吐出孔
の位置を所定の高さに初期設定し、通電してからのラン
スの移動距離を以下の（１）式に従って制御することを
特徴とするアーク炉製鋼法。Ｌ（ｔ）＝Ｄ（ｔ）＋ Δｄ・ｔ（１）Ｌ（ｔ）：通電からｔ分後の２次燃焼用酸素ランスの移
動距離（ｍｍ）Ｄ（ｔ）：通電からｔ分後の電極の移動距離（ｍｍ） Δｄ：アーク溶解中の平均電極損耗速度（ｍｍ／分）ただし、ｔは通電を開始してからの経過時間（分）とす
る。
【請求項２】通電中に電極先端を溶湯面下に浸漬して
短絡させて、溶湯面高さを測定し、ランスの吐出孔の位
置を測定した溶湯面高さに基づいて修正することを特徴
とする請求項１に記載のアーク炉製鋼法。