JPH08330068A - 製鋼用黒鉛電極の接続部 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 とくに直流アーク式電気製鋼炉に用いて折損
事項を効果的に抑制することができる黒鉛電極の接続部
を提供する。 【構成】 上下電極１、２のソケットをテーパーニップ
ル４を介して螺合する接続構造において、上下電極が当
接する端面部３を流通する電流（Ａ）が、接続部全体を
流通する電流総量（Ａ＋Ｂ）の７５％以上である黒鉛電
極の接続部。前記の電流分配比率の制御は、電極ソケッ
トとテーパーニップルのねじ山嵌合度合を低減する方
法、あるいは上部電極および／または下部電極の端面に
良伝導性金属の薄膜を被着する方法で行うことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気製鋼炉に用いる黒
鉛電極の接続部に係り、とくに直流アーク式電気製鋼炉
に使用した際に折損事項を効果的に抑制することができ
る黒鉛電極の接続部に関する。

【０００２】電気製鋼法は、電気炉にセットした黒鉛電
極の先端部と炉内にチャージしたスクラップ（屑鉄）と
の間にアークを発生させながら融解する製鋼技術で、黒
鉛電極の先端部が消耗するに従い、下部電極のソケット
接続部分にテーパーニップルを介して新たな上部電極を
補充しながら連続的に操業が継続される。この電気製鋼
法に用いられるアーク炉は、従来、３本の黒鉛電極を同
時に使用する交流アーク炉（３相交流式）が主流であっ
たが、近年、製鋼の生産性を高めるため１本の黒鉛電極
に直流電流を通電する直流アーク炉（単相直流式）に移
行しつつある。

【０００３】直流アーク炉においては、直径が２４イン
チを越える大型の黒鉛電極が適用され、負荷される電流
密度は電極断面積に対して３０A/cm² 以上となるうえ、
黒鉛電極内部を流れる電流やアークの挙動が交流アーク
炉とは相違するため、操業中に発生する黒鉛電極の事故
原因も異質なものとなる。例えば、炉形態の相違に基づ
く黒鉛電極の事故としては、交流アーク炉では炉内にチ
ャージしたスクラップが溶解段階で崩落して３本のうち
いずれかの電極先端部に衝突し、接続部分に大きな曲げ
モーメントが加わって折損するケースが多く発生する
が、１本の大型電極が使用される直流アーク炉ではこの
種の事故が発生する頻度は少ない。

【０００４】ところが、負荷電流の影響による電極事故
になると、交流アーク炉に比べて直流アーク炉において
発生要因が多くなる。すなわち、交流アークの場合には
黒鉛電極の直径が２０インチ以上になると負荷電流が電
極表面を支配的に流れる表皮効果(skin effect) が現れ
ることが知られているが、直流アークではこのような表
皮効果はなく、接続部を含めた電極断面の全体に電流が
流通する。このため、接続部を構成するニップルにも多
く電流が流れて温度が上昇し、この影響でテーパーニッ
プルの熱膨張が相対的に大きくなって電極ソケット部分
を押し割る力となって作用する。この押し割り力は、電
極が大型化し、負荷電流が大きくなるに従って増大し、
電極ソケットの上下部位やテーパーニップル等の折損事
故原因となる縦割れ亀裂が発生し易くなる。

【０００５】このようなテーパーニップルの熱膨張を抑
制する手段としては、例えばテーパーニップルを熱膨張
係数の小さな材質で製造する方法などが考えられるが、
ニップル材質が原料として用いるコークスの熱膨張係数
に支配される関係で材質改良には限界があり、十分な対
応はできない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の交流アーク式の
電気製鋼炉に用いる黒鉛電極については、電極接続部に
かかる応力緩和を目的として接続構造に物理的な加工改
善を加える試みは数多く提案されているが、直流アーク
式において負荷電流の流れを制御してテーパーニップル
の熱膨張を抑制しようとする試みはこれまでなされてい
ない。

【０００７】本発明者らは、直流アーク式電気製鋼炉に
用いる黒鉛電極の接続部における直流電流の流れとテー
パーニップルの熱膨張による押し割れ亀裂の発生との関
係につき、多くの検討を重ねた結果、上下電極端面の当
接部分を流通する電流が接続部全体を流通する電流総量
に対して特定の比率範囲にある場合に亀裂発生が効果的
に抑制され、電極事故防止に有効に機能する事実を解明
した。

【０００８】本発明は、かかる知見に基づいて完成され
たもので、その目的とするところは、とくに直流アーク
式電気製鋼炉に用いた際に電極折損事故を効果的に防止
し得る黒鉛電極の接続部を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による黒鉛電極の接続部は、上下電極のソケ
ットをテーパーニップルを介して螺合する接続構造にお
いて、上下電極が当接する端面部を流通する電流が接続
部全体を流通する電流総量の７５％以上であることを構
成上の特徴とする。

【００１０】図１は、直流アーク式電気製鋼炉を操業す
る場合に、直流電流が黒鉛電極の接続部を流れる状態を
模式的に示した断面図で、１は上部電極、２は下部電
極、３は上下電極が当接する端面部、そして４は上下電
極のソケット部にねじ螺合されたテーパーニップルであ
る。操業時に負荷された直流電流は接続部全体を矢印方
向に流れ、先端部でスクラップとの間に直流アーク放電
する。本発明は、図１において上部電極１と下部電極２
が当接する端面部３を流通する電流Ａが、接続部全体を
流れる電流総量Ａ＋Ｂに対する割合（以下「電流分配比
率」ということがある）として７５％以上に設定するこ
とを要件とするものである。この電流分配比率が、７５
％未満ではテーパーニップル４を流れる電流が相対的に
多くなって過度に抵抗発熱し、その電極軸と直角の横方
向の押し割り力が働いて電極ソケットの上下部位に大き
な縦割れが発生する。より好ましい電流Ａの電流配分比
率は、８０％以上である。前記の割れ亀裂は電極サイズ
により一定の長さ以上になると折損脱落事故に繋がるこ
とが経験的に判っており、例えば直径２８インチの黒鉛
電極においては前記の縦割れが７０cm以上の長さを越え
ると折損事故が発生し易い。しかし、電流Ａが７５％以
上の分配比率では電極サイズに係わりなく、折損事故に
繋がるような長大割れ亀裂の発生は効果的に抑制され
る。

【００１１】負荷電流を上記の電流分配比率範囲に制御
するには、電極ソケットとテーパーニップルのねじ山嵌
合度合を低減する方法（形状加工法）、もしくは上部電
極および／または下部電極の端面に良導電性金属の薄膜
を被着する方法（端面良導電化法）等の手段が適用され
る。

【００１２】このうち、電極ソケットとテーパーニップ
ルのねじ山嵌合度合を低減する形状加工法としては、例
えば電極ソケットおよび／またはテーパーニップルのね
じ山先端部を一律に削落する形状や電極ソケットの長さ
に比べて相対的に短い長さのテーパーニップルで接続す
る形状等も有効であるが、図２に示すように電極ソケッ
トとテーパーニップルのねじ山嵌合度合が、ニップル４
の最小径部では強く、これからニップル４の最大径部に
移行するに従って漸減する状態に電極ソケットねじのピ
ッチ線５とニップルねじのピッチ線６との間に一定のテ
ーパー度差θを設ける形状、あるいは図３に示すように
電極ソケットおよび／またはテーパーニップルのねじ山
高さを小径部側から最大径部７に移行するに従って一定
の範囲で連続的に削落する形状とすることが好ましい実
施態様となる。この際、図２の形状ではテーパー度差θ
を３分以上に、また図３の形状では削落するねじ山の起
点Ｐを最小径部から５〜１０山目に設定し、かつ最大径
部ねじ７の削落高さを１〜２．５mmとすることにより、
上下電極が当接する端面部を流通する電流が接続部全体
を流通する電流総量の７５％以上の比率に制御すること
が可能となる。

【００１３】上部電極および／または下部電極の端面に
良導電性金属の薄膜を被着する端面良導電化法として
は、上部電極および／または下部電極の接合端面に母体
黒鉛材よりも電気比抵抗の低い金属、例えば銅、銀など
を溶射あるいは粉末分散ペーストとして塗布する方法が
採られる。この際、金属の被着密度あるいは膜厚を調整
することにより、上下電極が当接する端面部を流通する
電流が接続部全体を流通する電流総量の７５％以上の比
率に制御する。

【００１４】このほか、電極ソケットおよび／またはテ
ーパーニップルのねじ山面に少なくとも１５００℃以上
の耐熱性を有する高電気抵抗性のセラミック系物質を塗
布すると、前記した端面良導電化法とは逆に電極ソケッ
ト部とテーパーニップルとの接触面が高抵抗となって、
相対的に電極端面部を流れる電流の分配比率を高めるこ
とができる。したがって、上記の形状加工法や端面良導
電化法と同様な折損防止効果を期待することができる。

【００１５】本発明に係る黒鉛電極の接続部は、直流ア
ーク式電気製鋼炉に用いた場合に交流アーク式電気製鋼
炉に比べて特に効果の発現が大きいが、交流アーク式電
気製鋼炉に対する使用を妨げるものではなく、交流アー
ク式電気製鋼炉に適用した際にも電極折損防止に有効で
ある。

【００１６】

【作用】交流アーク式と直流アーク式の電気製鋼炉では
黒鉛電極に通電した負荷電流の流れ方に著しい相違があ
り、前者が表皮効果により電流が電極の外周部を支配的
に流れるのに対し、後者では電極中心部と外周部とで電
流密度に差がなく、接続部を含めた全体を均等に電流が
流れる。したがって、電極内部の温度分布も交流アーク
の場合には内外差が少ないが、直流アークでは外周部に
比べて中心部の温度が極めて高くなる。この影響で、直
流アーク式電気製鋼炉にあっては、電極接続部のテーパ
ーニップルが高温度となって熱膨張し、電極ソケットを
押し割る力が働いて大きな亀裂の発生をもたらす傾向が
大きくなる。

【００１７】本発明に係る黒鉛電極の接続部によれば、
上下電極端面の当接部分を流通する電流を、接続部全体
を流通する電流総量に対して７５％以上、好ましくは８
０％％以上の分配比率に設定することにより、直流アー
ク式電気製鋼炉に用いた場合に生じ易いテーパーニップ
ルのの熱膨張に基づく押し割り現象を効果的に抑制する
ことが可能となる。そのうえ、この電流分配比率の制御
は、電極ソケットとテーパーニップルのねじ山嵌合度合
を低減する形状加工法、あるいは上部電極および／また
は下部電極の端面に良導電性金属の薄膜を被着する端面
良導電化法など、比較的簡易な手段で行うことができる
から、工業的にも有利である。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比しなが
ら詳細に説明するが、本発明の範囲はこれら実施例に限
定されるものではない。

【００１９】実施例１〜３、比較例１〜２ ２８インチの黒鉛電極とこれに適合するテーパーニップ
ルにつき、図２に示したように電極ソケットとテーパー
ニップルのねじ山嵌合度合が、ニップル最小径部におい
て強く、これからニップル最大径部に移行するに従って
漸減する状態に電極ソケットねじのピッチ線５とニップ
ルねじのピッチ線６の間に０〜７分の異なるテーパー度
差θを設けるように加工した。このように加工した黒鉛
電極およびテーパーニップルを用い、上下電極をテーパ
ーニップルを介して６３０kg・mの締付けトルクで接続
し、直流アーク式電気製鋼炉（120t炉) にセットして３
０A/cm² の直流電流を負荷して実用試験を行った。

【００２０】先端電極が規定長さ(2700mm)の１／４消耗
した時点で、先端接続部において電極ソケット部位の上
下方向に発生した縦割れ亀裂のうち長い方の亀裂長さを
測定した。その結果を、相対テーパー度差および接続部
全体を流通する電流総量に対する上下電極端面の当接部
分を流通する電流の比率（電流分配比率）に対比させて
表１に示した。なお、電流分配比率の測定は次のように
して行った。６３０kg・m の締付けトルクにより螺合し
た電極接続部を図４に示すように軸方向に切り欠き加工
し、電極側面に形成した複数の接点部位に矢印方法の直
流電流を流してＣ点を基準点とした各部の電位分布を測
定し、電極ソケットとテーパーニップルの電気抵抗値
（異方性を含む）から電流総量（Ａ＋Ｂ）と端面部３を
流れる電流量（Ａ）を求めた。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１の結果から、テーパー度差θが３分以
上で電流分配比率が本発明で特定した７５％以上となり
（実施例１〜３）、この場合の縦割れ亀裂の長さは４０
〜６０cmである。直径２８インチの黒鉛電極においては
縦割れ亀裂が７０cm以上を越えると折損事故が発生する
ことが経験的に判っているから、実施例１〜３の電極接
続部では折損事項は発生しない。これに対し、テーパー
度差θが０〜１分の比較例１、２では縦割れ亀裂の長さ
は７０cmを越えており、いずれも折損事故に繋がる要素
が強いことが認められた。

【００２３】実施例４〜６、比較例３〜４ ２８インチの黒鉛電極とこれに適合するテーパーニップ
ルにつき、図３に示したようにテーパーニップルのねじ
山高さが小径部側から最大径部に移行するに従い連続的
に漸減するように、テーパーニップルの最小径部から１
０山目を起点として最大径部のねじ山頭部を０〜２．５
mmの範囲で削落加工した。このように加工した黒鉛電極
およびテーパーニップルを用い、実施例１と同一条件に
より直流アークによる実用試験を行った。その結果を、
最大径部のねじ山削落量および電流分配比率と対比させ
て表２に示した。なお、電流分配比率の測定は、実施例
１と同様に行った。

【００２４】

【表２】

【００２５】表２の結果から、最大径部のねじ山削落量
が１．０〜２．５mmで電流分配比率が本発明で特定した
７５％以上となり（実施例４〜６）、この場合の縦割れ
亀裂の長さは４５〜６５cmである。これに対し、最大径
部のねじ山削落量が０〜０．５mmの比較例３、４では縦
割れ亀裂の長さは９０cmを越えた。

【００２６】実施例７ ２８インチの黒鉛電極を用い、上部電極の下端面と下部
電極の上端面に電解銅粉を膜厚０．２mmになるように溶
射し、その両端面を合わせてテーパーニップルにより、
６３０kg・m の締付けトルクで接続した。このようにし
て接続した黒鉛電極を実施例１と同一条件で直流アーク
放電による実用試験を行ったところ、電流分配比率は７
８％で、縦割れ亀裂の長さは５５cmであり、接続部の折
損事故が生じない亀裂長さに収まった。

【００２７】

【発明の効果】以上のとおり、本発明に従えば上下電極
が当接する端面部分を流通する電流が接続部全体を流通
する電極総量に対して７５％以上の比率範囲にある黒鉛
電極の接続部を用いることにより、とくに直流アーク式
電気製鋼炉の操業時における折損事項を効果的に軽減す
ることができる。また、前記電流分配比率の制御も比較
的簡単な手段で行うことができるから、電気製鋼生産性
向上に貢献するところ極めて大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】直流アーク式電気製鋼において黒鉛電極の接続
部を流通する電流の流れを模式的に示した略断面説明図
である。

【図２】本発明の電流比率を制御するために適用される
電極接続部の加工構造を示した一部切欠断面図である。

【図３】本発明の電流比率を制御するために適用される
別の電極接続部の加工構造を示した部分断面図である。

【図４】本発明における電流分配比率を測定する方法を
示した説明図である。

【符号の説明】

１ 上部電極 ２ 下部電極 ３ 端面部 ４ ニップル ５ 電極ソケットねじのピッチ線 ６ ニップルねじのピッチ線 ７ 最大径部ねじ

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【手続補正書】

【提出日】平成７年７月６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上下電極のソケットをテーパーニップル
   を介して螺合する接続構造において、上下電極が当接す
   る端面部を流通する電流が接続部全体を流通する電流総
   量の７５％以上であることを特徴とする製鋼用黒鉛電極
   の接続部。
2. 【請求項２】 電極ソケットとテーパーニップルのねじ
   山嵌合度合を低減することにより、上下電極端面の当接
   部分を流通する電流が接続部全体を流通する電流総量の
   ７５％以上になるように制御する請求項１記載の製鋼用
   黒鉛電極の接続部。
3. 【請求項３】 上部電極および／または下部電極の端面
   に良導電性金属の薄膜を被着することにより、上下電極
   端面の当接部分を流通する電流が接続部全体を流通する
   電流総量の７５％以上になるように制御する請求項１記
   載の製鋼用黒鉛電極の接続部。