JPH10106743A - 交流アーク炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フリッカ対策のために給電回路にリアクトル
を設けた交流アーク炉において、安定操業を図り、ま
た、操業時にアーク切れが生じるのを極力防止し、これ
により効率の良い操業を可能にする。 【解決手段】 アーク炉１に接続する電源設備にリアク
トル８及びインバータ装置９を有する交流アーク炉を用
い、このリアクトル８によりフリッカを低下させ、かつ
上記インバータ装置９により電力波形を変換するととも
にアーク炉１に供給する交流電力の周波数を可変とし
て、このインバータ装置１を経た急峻な零交差縁部を有
する交流電力であって50Hz未満の低周波になる交流電力
を、上記アーク炉１に供給する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、交流アーク炉の
操業方法のなかでも、フリッカを低減しつつ効率良く操
業することのできる方法に関するものであり、例えば、
製鋼用アーク炉に適用して有利である。

【０００２】

【従来の技術】製鋼用アーク炉は、電源に交流を用いる
交流アーク炉と、直流を用いる直流アーク炉とに大別さ
れる。このうち、直流アーク炉は、炉上の可動電極を負
極とし、炉底に正の電極を持つ炉体構造を持ち、サイリ
スタ整流器を用いた直流変換装置によって電力を供給す
るものであり、可動電極の自動昇降によるアーク電圧制
御に加えて、サイリスタ整流器によるアーク電流の高速
制御によってアークの制御特性が向上し、大きなフリッ
カ低減効果が得られる点で交流アーク炉より有利とさ
れ、近年、技術開発が盛んに行われている。

【０００３】しかし、直流アーク炉は、炉底に電極を設
けることが必要なため、炉底電極を含めた炉底耐火物寿
命が短く、炉底の交換作業という煩雑な作業を強いられ
る頻度が高い。かつ炉底からの漏鋼事故が懸念されると
いう、操業の信頼性、保守管理上の問題がある。また、
直流アーク炉では、点弧時の導通性を確保するためにホ
ットヒール（前チャージの溶鋼）を残す必要があること
から、炉底耐火物の損耗量が大きいという問題もある。

【０００４】そこで、最近では大容量化やＵＨＰ操業な
どの技術導入によりある程度の技術的な成熟を遂げてい
ると考えられていた交流アーク炉について見直されつつ
あり、従来の交流アーク炉が残していたフリッカ抑制等
の諸問題を解決するための研究開発が進められていると
ころである。

【０００５】例えば、スクラップ溶解中の炉側負荷変動
に伴うアーク電流の不規則な変動により起因するフリッ
カ対策のために、従来から給電回路内にリアクトルを設
けることが行われてきた。また、特開平２−１０３９８
１号公報では、フリッカを抑制すべく、三相交流電源に
接続したサイリスタ整流器と、このサイリスタ整流器の
出力側に接続したインバータと、サイリスタ整流器の出
力側に接続した定電流制御装置を具備する交流アーク炉
が提案され、負荷電流検出値と負荷電流設定値との偏差
に応じて、この定電流制御装置により負荷電流を設定値
に維持することが開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】交流アーク炉におい
て、フリッカ対策のために給電回路にリアクトルを設け
た場合には、給電回路が高インピーダンスになるため、
いきおい高電圧、低電流操業になってしまう。この高電
圧、低電流操業は、溶解期には有利であるが、精錬期に
おける溶鋼への着熱効率の観点からは不利である。ま
た、電源の設備を高電圧対応としなければならないた
め、設備コストが嵩む。更に、アークインピーダンス
（アーク電圧／アーク電流）が大き過ぎると、アークが
不安定になって安定操業が達成できない。

【０００７】上記の問題の他に、従来の交流アーク炉に
おける電源設備は、三相の高圧電源を、炉体直近に配設
した炉用変圧器で所定の電圧にまで降圧して、炉上電極
等に給電しているが、ここに交流アーク炉では、周期ご
とに電極及び原料に印加する電力の極性が正負に反転す
るので、その反転時にアーク切れが生じやすいという問
題があった。すなわち、このアーク切れが生じた場合に
は、オペレータが手動で電極と原料とを近接させて、再
点弧を行う必要があり、作業が煩雑となるばかりでな
く、操業時間のロスを生じる問題があった。このアーク
切れの問題は、電極損耗量の低減等のために操業周波数
を低くした場合に特に生じやすくなるため、操業上の問
題となっていた。

【０００８】この発明は、上記の問題を有利に解決する
もので、フリッカ対策のために給電回路にリアクトルを
設けた交流アーク炉において、安定操業を図り、また、
操業時にアーク切れが生じるのを極力防止し、これによ
り効率の良い操業を可能にする交流アーク炉の操業方法
を提案することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、電極と炉内
に装入した原料との間に、交流電力によりアークを発生
させて、原料を溶解し、原料溶湯を昇温させる交流アー
ク炉の操業方法において、アーク炉に接続する電源設備
にリアクトル及びインバータ装置を有する交流アーク炉
を用い、このリアクトルによりフリッカを低下させ、か
つ上記インバータ装置により電力波形を変換するととも
にアーク炉に供給する交流電力の周波数を可変として、
このインバータ装置を経た急峻な零交差縁部を有する交
流電力であって50Hz未満の低周波になる交流電力を、上
記アーク炉に供給することを特徴とする交流アーク炉の
操業方法である。

【００１０】この急峻な零交差縁部を有する交流電力に
は、例えば、矩形の波形になる交流電力がある。この発
明において、インバータ装置とは、直流を交流にする、
いわゆるインバータ回路のみならず、このインバータ回
路の入力側に設けた整流回路を含めた装置をいう。

【００１１】

【発明の実施の形態】交流回路における電圧Ｖと電流Ｉ
との関係は、下式で表される。 Ｖ＝Ｚ・Ｉ＝２πｆｊ・Ｌ・Ｉ ここに、ｆ：周波数 Ｌ：回路のインピーダンス ここに、フリッカ防止のためにリアクトルを設ける場合
には、インピーダンスＬが増加することから、所定のア
ーク電流を確保するためには、従来技術では高電圧にし
なければならず、かかる高アークインピーダンス操業で
は、アークが不安定になっていたのである。ところで、
交流回路における電圧Ｖと電流Ｉに関する上記式をみれ
ば、回路のインピーダンスＬを増加させても周波数ｆを
低くすれば、回路電圧を高くしなくても所定のアーク電
流を確保することができることが分かる。そこで、この
発明では、電源設備にインバータ装置を設け、アーク炉
に供給する交流電力の周波数を可変として、このインバ
ータ装置を経た50Hz未満の低周波になる交流電力をアー
ク炉に供給することにより、リアクトルを設けてフリッ
カを低減する利益を享受しつつ、低電圧での操業が可能
となる。これにより、アークが安定する、アークインピ
ーダンス10 mΩ以下（通常は４〜10 mΩ）での操業が容
易に達成できるのである。また、２次トランス容量の低
減が可能となり、設備コストを安価にすることができ
る。更に、アーク長が短くなり、精錬期にはアークの溶
鋼への着熱効率が向上するのである。

【００１２】次に、発明者らは、交流アーク炉でのアー
ク切れを防止すべく、このアーク切れの発生原因を根本
から見直した。従来の交流アーク炉においては、炉用変
圧器からアーク炉に給電する電源は、商用電源から、と
りたてて波形を変換することなく降圧したものである。
つまり、アーク炉に給電される交流の波形は、正弦波で
ある。かかる正弦波では、負から正ヘの立ち上がり角
度、正から負への立ち下がり角度、いわゆる零交差縁部
の角度が緩やかであり、そのため電力は正負の変化につ
れて漸増し、漸減することになる。かかる緩やかな電力
変化こそがアーク切れの要因であることを発明者らは見
出した。このアーク切れ原因の究明を基に更に研究を進
めた結果、アーク切れを抑制するには、急峻な零交差縁
部を有する交流電力をアーク炉に供給することが有利に
適合することを究明したのである。

【００１３】かくしてこの発明では、電極に連なる電源
設備に、新たにインバータ装置を設け、このインバータ
装置により、急峻な零交差縁部を有する交流電力をアー
ク炉に供給する。このことにより、電極と装入原料、原
料溶湯との間の極性は、急激に逆転するため、正弦波電
力を用いた従来法に比べてアーク切れが効果的に抑制さ
れる。したがって、アーク切れの時間及び再点弧のため
の作業時間といった無駄な時間が極力低減され、また、
オペレータの監視負担、作業負担も軽減して操業効率が
向上し、かつ電力節減につながるのである。また、イン
バータ装置によりアーク炉に供給する交流電力の周波数
を可変としているため、溶解期、精錬期のそれぞれにお
いて最適な電源周波数を選択することができる。

【００１４】なお、従来技術のように、商用電源（正弦
波電力）をインバータにより単に低周波にしただけで
は、リアクトルを設けた電源回路において、フリッカを
低減する利益を享受しつつ、低電圧での操業が可能にな
る反面、アーク切れが生じやすくなるため、安定アーク
操業と操業効率の向上の両立が難しかった。これに対し
て、この発明では、アーク炉に供給する電力が、急峻な
零交差縁部を有し、かつ50Hz未満の低周波になることに
より、低周波とした場合であっても、アーク切れについ
ては、従来の商用周波数で操業した場合と比較しても発
生が抑制されるのである。

【００１５】図１にこの発明を適用する交流アーク炉の
電源設備の要部の一例を示す。図中１は交流アーク炉、
２は、交流アーク炉の上方に配置する電極であり、この
電極２と、交流アーク炉１内に装入された原料３との間
にアークを生じさせて原料３の溶解、昇温を図ってい
る。この電極２に接続する給電回路には、高圧電源４、
スイッチ５、遮断器６及びタップ切替えにより電圧の変
更可能な炉用変圧器７をそなえるとともに、この炉用変
圧器６と電極２との間に、リアクトル８及びインバータ
装置９を接続している。このリアクトル８は、炉用変圧
器７の入力側に設けても良い。なお、電極自動制御装置
等は図示を省略してある。

【００１６】フリッカ防止のためにリアクトルを用いる
従来技術では、この発明のようにアークを生じさせるた
めの交流電力の周波数制御及び波形制御を行わないため
に、図２の(a) のような商用かそれ以下の周波数になる
正弦波の電力を給電するのであり、かかる電力では、給
電回路が高インピーダンスになってアークが不安定にな
るか、インバータ装置により単に周波数を下げたとした
もアーク切れが生じやすくなる問題があることは既に述
べたとおりである。

【００１７】これに対して、図１のように給電回路内に
インバータ装置９を有する交流アーク炉を用い、このイ
ンバータ装置９により低周波操業を行って、アークイン
ピーダンス10 mオーム以下を容易に達成する。この低周
波は、商用周波数である50Hz未満であれば、通常の操業
に比べて効果があり、低周波であるほど効果が増大す
る。好適には５〜30Hzである。すなわち、少なくとも５
Hzは必要であり、この発明の目的を達成するには30Hz以
下が好ましい。

【００１８】また、このインバータ装置９により、急峻
な零交差縁部を有する交流電力、例えば図２(b) に示す
ような矩形波の電力を給電することによりアーク切れが
効果的に抑制されるのである。この急峻な零交差縁部を
有する交流電力の波形としては、商用電源である正弦波
に比べて、零交差縁部が急峻な波形であれば、効果は得
られるが、図２(b) のような矩形波にすれば、最も優れ
た効果が得られるといえる。

【００１９】図２の(b) に示すような矩形波ばかりでな
く、同図(c) のような台形状波形であっても、零交差縁
部が急峻であり、正負の切替えが急激に行われるため
に、この発明で所期した効果を得ることができる。これ
らの波形も、インバータ装置の回路設計により容易に得
ることができる。

【００２０】この発明で用いるインバータ装置は、整流
回路及びインバータ回路を有するものであり、インバー
タ回路では、例えばＧＴＯ素子、ＳＩサイリスタ等を用
いて構成することができる。整流回路では、サイリスタ
等、従来公知の整流素子を用いればよい。なお、矩形波
に近づくほど高調波が生じ易くなるので、高調波抑制の
ためのインバータの出力制御方式として主流となってい
る高周波キャリアＰＷＭを採用することが好ましい。

【００２１】

【実施例】100 ｔ、80ＭＶＡの交流アーク炉（上部電極
３本）を用い、普通鋼の製鋼操業を行った。このとき炉
用変圧器により66kV、60Hzを700 V に変圧した。従来
の、正弦波形、周波数60Hzになる電力を給電した操業方
法では、アーク電圧600 V 、アーク電流63kAであり、ま
た溶解、昇温操業中にアーク切れが生じたため、オペレ
ータの手動作業による再点弧処理が必要であった。その
こともあって、ＴＡＰ−ＴＯ−ＴＡＰ時間が58分であ
り、電力原単位は390 KWh/t であった。次に、インバー
タ装置を用いて、正弦波形のまま、周波数を30Hzに低下
させた操業方法では、アーク電圧450 V 、アーク電流84
kAであり、従来法に比べて低電圧、高電流操業となった
が、アーク切れが多発したため、ＴＡＰ−ＴＯ−ＴＡＰ
時間が57分であり、電力原単位は380 KWh/t であった。
これに対し、この発明に従い、炉用変圧器の出力側にイ
ンバータ装置を設け、このインバータ装置により正弦波
形の電力を矩形波に変換するとともに、周波数を30Hzに
してから電極及び装入原料に給電してアークを生じさ
せ、装入原料の溶解、昇温を行ったとところ、アーク切
れが生じなかった。そして、ＴＡＰ−ＴＯ−ＴＡＰ時間
が55分であり、電力原単位は365 KWh/t であって、操業
時間が短縮され、電力原単位が軽減された。

【００２２】

【発明の効果】かくしてこの発明によれば、交流アーク
炉の操業方法において、アーク炉に接続する電源設備に
リアクトル及びインバータ装置を有する交流アーク炉を
用い、このリアクトルによりフリッカを低下させ、かつ
上記インバータ装置により電力波形を変換するとともに
アーク炉に供給する交流電力の周波数を可変として、こ
のインバータ装置を経た急峻な零交差縁部を有する交流
電力であって50Hz未満の低周波になる交流電力を、上記
アーク炉に供給することを特徴とすることから、フリッ
カ防止のためにリアクトルを設けていても、インピーダ
ンスが極度に高くならず、安定したアーク溶解操業が可
能となる。また、、アーク切れが防止できるのでアーク
切れの時間及び再点弧のための作業時間といった無駄な
時間が極力低減され、また、オペレータの監視負担、作
業負担も軽減する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を適用する交流アーク炉の電源設備の
要部の一例を示す図である。

【図２】給電回路の波形の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ 交流アーク炉 ２ 電極 ３ 原料 ４ 高圧電源 ５ スイッチ ６ 遮断器 ７ 炉用変圧器 ８ リアクトル ９ インバータ装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中戸 參 岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地な し） 川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者 反町 健一 岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地な し） 川崎製鉄株式会社水島製鉄所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極と炉内に装入した原料との間に、交
   流電力によりアークを発生させて、原料を溶解し、原料
   溶湯を昇温させる交流アーク炉の操業方法において、 アーク炉に接続する電源設備にリアクトル及びインバー
   タ装置を有する交流アーク炉を用い、このリアクトルに
   よりフリッカを低下させ、かつ上記インバータ装置によ
   り電力波形を変換するとともにアーク炉に供給する交流
   電力の周波数を可変として、このインバータ装置を経た
   急峻な零交差縁部を有する交流電力であって50Hz未満の
   低周波になる交流電力を、上記アーク炉に供給すること
   を特徴とする交流アーク炉の操業方法。