JP2022189065A - 直流電気炉および固体原料の溶解方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】安価な設備コストで、フレキシブルなアーク制御が可能な直流電気炉およびそれを用いた固体原料の溶解方法を提供する。【解決手段】炉内に装入される溶解または未溶解の原料よりも高い位置で、上部電極からのアークに対して磁場を発生させる少なくとも１対の直流磁場発生装置を有しており、２対の直流磁場発生装置を有していれば、アークの照射位置を二次元の任意の位置に制御可能とする。また、炉内の状況を監視できる装置を有している場合には、炉内観察によって未溶解部分を狙ってアークを照射することにより、より効率よく原料を溶解できるようにする。【選択図】図１
Description
本発明は、直流アークによる加熱機能を有し、加熱時の未溶解部位の加熱効率向上、酸化物の還元効率向上や耐火物のダメージ軽減を実現し、効率的な操業が可能な直流電気炉およびそれを用いた固体原料の溶解方法に関する。
直流電気炉は、単数の電極本数で操業でき、アークの発生により生じる高温スポットと炉壁との距離が長いことなどの特長を有することから、各種金属の溶解や還元プロセスに広く利用されている。
この装置の操業上の課題としては、主に炉底に配置される電極と、加熱対象である溶解材の上部に配置された電極との間で発生するアークが、溶解材の未溶解部位の中で特に電極に近い部位に集中して照射され、常に安定的にアークの形成を維持することが困難であることが挙げられる。そこで、このような課題を解決する方法として、移動テーブル上に磁場発生コイルを設置して、アークを安定的に炉内の中心位置に制御する手段が特許文献１に開示されており、同様の目的で、炉底電極を特殊な構造とした直流電気炉が特許文献２に開示されている。
K.Trivediら、Applied Spectroscopy Vol.42(1998),1025-1032
しかしながら、特許文献１及び２に記載の方法では、電磁場の印加される方向が一方向に限られ、また、炉の周囲も含む広い範囲に電磁場を形成させるための大規模な電源発生装置が必要である。さらに、炉体周囲にも強い磁場空間が形成されるために、周辺機器で誤作動が生じる可能性があったり、操業オペレータの安全管理装置などが必要であったりするなどの種々な課題がある。
本発明は上述の問題点を鑑み、安価な設備コストで、フレキシブルなアーク制御が可能な直流電気炉およびそれを用いた固体原料の溶解方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、まず、磁場を発生させることによってアークの位置を簡単に制御する方法について鋭意検討を行った。ここで、アーク放電は電荷を帯びたプラズマで形成されるため、実験室的には電磁誘導の原理によってその方向を変更させることが可能であることが知られており、非特許文献１において、プラズマへの磁場印加による制御が可能であることも報告されている。そこで本発明者らはこれらの知見に基づき、直流電気炉の操業に自由度を持たせる手段としてのアークプラズマに対する磁場の応用として、以下の発明に至った。
本発明は以下の通りである。
（１）
炉内に装入される溶解または未溶解の原料よりも高い位置で、上部電極からのアークに対して磁場を発生させる少なくとも１対の直流磁場発生装置を有することを特徴とする直流電気炉。
（２）
前記直流電気炉内の状況を監視できる装置をさらに有することを特徴とする上記（１）に記載の直流電気炉。
（３）
前記直流電気炉の側面に水冷パネルが設置されており、前記直流磁場発生装置が前記水冷パネル内に配置されていることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の直流電気炉。
（４）
上記（１）～（３）のいずれかに記載の直流電気炉を用いた固体原料の溶解方法であって、
前記上部電極と下部電極との間でアークを形成し、前記少なくとも１対の直流磁場発生装置から磁場を発生させることによって、前記溶解または未溶解の原料に前記アークが照射する位置を変えながら前記原料の溶解を行うことを特徴とする固体原料の溶解方法。
（５）
前記原料は、スクラップ、還元鉄（ＤＲＩ）、鉄鉱石、マンガン鉱石、またはクロム鉱石であることを特徴とする上記（４）に記載の固体原料の溶解方法。
（１）
炉内に装入される溶解または未溶解の原料よりも高い位置で、上部電極からのアークに対して磁場を発生させる少なくとも１対の直流磁場発生装置を有することを特徴とする直流電気炉。
（２）
前記直流電気炉内の状況を監視できる装置をさらに有することを特徴とする上記（１）に記載の直流電気炉。
（３）
前記直流電気炉の側面に水冷パネルが設置されており、前記直流磁場発生装置が前記水冷パネル内に配置されていることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の直流電気炉。
（４）
上記（１）～（３）のいずれかに記載の直流電気炉を用いた固体原料の溶解方法であって、
前記上部電極と下部電極との間でアークを形成し、前記少なくとも１対の直流磁場発生装置から磁場を発生させることによって、前記溶解または未溶解の原料に前記アークが照射する位置を変えながら前記原料の溶解を行うことを特徴とする固体原料の溶解方法。
（５）
前記原料は、スクラップ、還元鉄（ＤＲＩ）、鉄鉱石、マンガン鉱石、またはクロム鉱石であることを特徴とする上記（４）に記載の固体原料の溶解方法。
本発明によれば、安価な設備コストで、フレキシブルなアーク制御が可能な直流電気炉およびそれを用いた固体原料の溶解方法を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る直流電気炉の概要を示す図であり、図２は、直流電気炉の上部から見た概要であり、直流磁場発生装置を設けた直流電気炉におけるアーク制御のメカニズムを説明するための図である。
図１は、本実施形態に係る直流電気炉の概要を示す図であり、図２は、直流電気炉の上部から見た概要であり、直流磁場発生装置を設けた直流電気炉におけるアーク制御のメカニズムを説明するための図である。
図１に示すように、本実施形態に係る直流電気炉は、耐火物１とその上部の側面位置に水冷パネル２とを配置した構造である。そして、炉底に設けられた下部電極５を正極とし、水冷パネル２の高さ位置に設置した黒鉛性の上部電極６を負極としており、下部電極５と上部電極６との間に直流電源７によって電流を通電させ、プラズマアーク８を発生させることができる。炉内にスクラップを装入してプラズマアーク８を発生させることによって、スクラップが溶解して溶鋼が生成される。なお、図１はスクラップの溶解途中での様子を示しており、炉内には溶鋼３と未溶解スクラップ４とが混在した状態で、プラズマアーク８にて炉内の溶鋼３と未溶解スクラップ４とが加熱されている。
また、水冷パネル２内には、最大磁場が０．５Ｔの直流磁場発生装置９が設けられ、図２に示すように、直流磁場発生装置９ａから反対側の直流磁場発生装置９ｂに向けて（ｙ軸方向へ）図２に示されるような磁場１１を発生させている。また、ｘ軸方向にも同様に、直流磁場発生装置９ｃから反対側の直流磁場発生装置９ｄに向けて同様に磁場１１を発生させることができる。図２の例では、直流磁場発生装置９ａ、９ｂと直流磁場発生装置９ｃ、９ｄとの２対の直流磁場発生装置が設けられている。また、磁場は逆方向へ発生させることができ、さらに２対の直流磁場発生装置を同時に稼働させることもできる。このように本実施形態では、溶鋼３と未溶解スクラップ４よりも高い位置で、磁場１１を形成させている。
ここで、プラズマアーク８は直流電磁流体であるため、右ねじの法則（アンペールの法則）により、プラズマアーク８による磁場１０も発生している。そこで、図２に示すように直流磁場発生装置９により発生する磁場１１が磁場１０によって加減され、電磁力１４がプラズマアーク８に作用する。ここで電磁力１４の大きさ及び向きは、フレミングの法則に従い、電流と磁束密度とのベクトル積で求められる。また、下部電極５を負極とし、上部電極６を正極とした場合は、電磁力１４の向きは逆向きになるが、同様な制御は可能である。
直流電気炉でのスクラップの溶解中は、未溶解のスクラップなどに起因してプラズマ通過位置の不安定性が問題となるが、本実施形態では、プラズマアークへの電磁力作用の効果によって未溶解部位にプラズマ照射位置を制御することができ、一ヶ所への長時間にわたる強加熱条件によって炉体が損傷するのを回避しつつ、効率的にスクラップを溶解させて溶解時間を短縮させることができる。例えば１対の直流磁場発生装置９ａ，９ｂを用いて磁場を発生させることによってプラズマアーク８をｘ軸方向へ制御することができ、電極に近い部位に集中してアークが照射されることを防止することができる。また、直流磁場発生装置を少なくとも１対設置するだけで済むため、安価な設備コストで効率的にスクラップを溶解させることができる。
なお、１対の直流磁場発生装置９ａ，９ｂを用いて磁場を発生させて、未溶解スクラップを効率的に溶解させるとともに、炉体の損傷を防止できるが、より効率良くスクラップを溶解させるために、図２に示すように２対の直流磁場発生装置を設け、２つの独立した電磁力を制御することによってプラズマアークの照射位置を二次元の任意の位置に制御できるようにしてもよい。この場合、電磁力の大きさは、直流磁場発生装置からの磁束密度（Ｂ）の大きさを制御することによって制御が可能であり、電磁力の向きは、２対の直流磁場発生装置で、それぞれｘ方向、ｙ方向の電磁力の大きさの比を制御することによってプラズマアークでの電磁力の向きを制御できる。これにより、例えばアークの照射位置を円形に周期的に変化させたり、直線状に周期的に変化させたりすることによって、広範囲にプラズマアークを溶鋼または未溶解スクラップに照射させ、より効率よくスクラップを溶解させることができる。なお、３対以上の直流磁場発生装置を設けてもよいが、その分のコストの割には効果が限定的である。
また、直流電気炉に複数の光ファイバーを用いた炉内観察装置（図示しない）を設け、炉内観察によってサイズの大きな未溶解スクラップにプラズマアークを直接照射するよう電磁力の向き及び大きさを制御してもよい。これにより、炉内観察で未溶解スクラップを狙うことによって未溶解スクラップを中心にプラズマアークが照射されるため、より効率よくスクラップを溶解させることができる。また、炉内観察によって炉壁の耐火物が損傷しない範囲で、未溶解スクラップにプラズマアークを直接照射するよう電磁力の向き及び大きさを制御してもよい。
さらに、図１に示した例では、水冷パネル２内に直流磁場発生装置が設けられており、連続鋳造で用いられる直流電磁ブレーキと同様にメンテナンスが簡易な方式を採用しているが、水冷パネルを用いない直流電気炉の場合には、操業に支障の無いように直流磁場発生装置を耐火物へ埋め込むなどすることで、本実施形態と同様な作用を享受することが可能である。
また、本実施形態では、スクラップを溶解する例について説明したが、その他の固体金属の溶解や、鉄鉱石や還元率９０％以上の還元鉄（ＤＲＩ）、マンガン鉱石、クロム鉱石などの金属酸化物の還元プロセスでの固体原料の溶解方法にも同様に適用でき、スラグからの燐酸還元など各種操業に対しても同様の効果が得られる。
次に、本発明を実施例に基づいて更に説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
本発明の効果を検証するために、図１に示すような直流電気炉であって、内径６００ｍｍ、溶解量８００ｋｇの直流電気炉（トランス容量：５００ｋＶＡ）を用い、サイズ５０～２００ｍｍのスクラップを装入し、上方の黒鉛電極（上部電極６：負極）に電圧を印加して、炉内の未溶解スクラップおよび溶解中または溶解後の溶鉄を介し、炉底に設けた電極（下部電極５：正極）までのルートに電流を通過させる方式にて溶鋼の試験製造を実施した。なお、以下のいずれの実験においても溶解処理の終了後の温度は１６１０～１６３０℃とし、溶解時間が５０分以内であれば、本発明の効果が得られたと評価した。
発明例１では、炉内観察を実施せず、また、直流電気炉に設置された２対の直流磁場発生装置の中の１対（直流磁場発生装置９ｃ，９ｄ）の電源をオフにして実験を行った。なお、１対での直流磁場発生装置を用いた操業を行う前に、事前に電磁力とアーク電流との特性を調査しており、この調査結果に基づいて、アーク照射位置が炉内中心から往復１５０ｍｍの領域を５秒の周期で周期的に移動させて通常よりも長い移動部位にアーク照射させながらスクラップの溶解を行った。その結果、本実験の目標溶解時間である５０分以内での溶解処理を実施することができた。
発明例２は、２対の直流磁場発生装置を用いるが炉内観察を実施しなかった例である。予め調査した電磁力とアーク電流との特性に基づいて、アーク照射位置が炉内中心から半径１５０ｍｍの円内を５秒の周期で周期的に移動させて通常よりも広い面積にアーク照射させながらスクラップの溶解を行った。その結果、発明例１よりも短時間の溶解処理を実施することができた。
発明例３は、２対の直流磁場発生装置を用い、さらに炉内観察を実施しながら、溶鋼表面に到達するプラズマアークを、大きな未溶解スクラップに照射制御してスクラップの溶解を行った。その結果、溶解時間は３２分と極めて短時間での溶解を実施することができた。
発明例４は、２対の直流磁場発生装置を用い、さらに炉内観察を実施した例であるが、炉壁のダメージ回避を目的に、炉内観察状況に従って炉壁にアークが衝突しない範囲で発明例３と同様に大きな未溶解スクラップに照射制御してスクラップの溶解を行った。その結果、発明例３よりはやや長時間の溶解時間を必要としたが、溶解終了後の耐火物ダメージが極めて軽微で、チャージ間に実施する補修作業を大幅に軽減できた。
一方、比較例では、すべての直流磁場発生装置の電源をオフにして電磁力を印加しない条件でスクラップの溶解を行った。この例では、主に中心部のみプラズマアークが照射されたことより、周辺の未溶解スクラップにはプラズマアークが到達しなかったことから伝熱効率が低く、また、ときおりスパーク状のアーク放電が炉壁付近の未溶解部分に到達して耐火物へのアタックも発生した。その結果、長時間のアーク照射操業となり、溶解時間は目標値よりも大幅に長い７１分で、かつ、耐火物ダメージも大きな操業となった。
以上のように小型の直流電気炉によって本発明の効果を確認することができたが、例えば、炉径が７～１０ｍで、トランス容量が１００～４００ＭＶＡ、１５０～３５０ｔ規模の大型直流電気炉の場合には、直流磁場発生装置からは０．１Ｔを超える磁場を発生できれば、充分に本発明の効果を享受できるものと算定され、大規模製鉄プロセスにも本発明が有効に活用できるものと評価できる。
本発明により、スクラップの溶解などによる溶鋼の製造や、鉄、マンガン、クロムなどの金属酸化物の還元プロセスなどの操業において、溶解時間を短縮するとともに、耐火物のダメージをも軽減し、また、酸化物の還元処理などにおいても同様に、従来の直流電気炉よりも効率よく実施でき、工業的価値が大きい。
１ 耐火物
２ 水冷パネル
３ 溶鋼
４ 未溶解スクラップ
５ 下部電極
６ 上部電極
７ 直流電源
８ プラズマアーク
９ 直流磁場発生装置
１０、１１ 磁場
１２ 電磁力
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Claims (5)
- 炉内に装入される溶解または未溶解の原料よりも高い位置で、上部電極からのアークに対して磁場を発生させる少なくとも１対の直流磁場発生装置を有することを特徴とする直流電気炉。
- 前記直流電気炉内の状況を監視できる装置をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の直流電気炉。
- 前記直流電気炉の側面に水冷パネルが設置されており、前記直流磁場発生装置が前記水冷パネル内に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の直流電気炉。
- 請求項１～３のいずれか１項に記載の直流電気炉を用いた固体原料の溶解方法であって、
前記上部電極と下部電極との間でアークを形成し、前記少なくとも１対の直流磁場発生装置から磁場を発生させることによって、前記溶解または未溶解の原料に前記アークが照射する位置を変えながら前記原料の溶解を行うことを特徴とする固体原料の溶解方法。 - 前記原料は、スクラップ、還元鉄（ＤＲＩ）、鉄鉱石、マンガン鉱石、またはクロム鉱石であることを特徴とする請求項４に記載の固体原料の溶解方法。
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