JP6451224B2 - 電気炉の操業方法 - Google Patents

Description

この発明は電気炉の操業方法に関し、詳しくは炉体を電極に対して回転させる回転装置を備えた電気炉の操業方法に関する。

金属スクラップ等の金属材料を溶解する溶解炉として、従来、炉体内に挿入した３本の電極と炉体内の金属材料との間でアークを発生させ、アーク熱によって金属材料を溶解する三相交流式アーク炉が広く用いられている。
このような電気炉を用いた金属材料の溶解操業においては、従来、金属材料を炉体内に装入する手段としてスクラップバケットが広く用いられている。

図９はこのときの状況を模式的に示している。
２０１はスクラップバケットで、本体たる円筒状の胴部２０２を上部に有し、底部が中央で両側に二つ割りに開く開閉扉２０３とされた形態のものである。
電気炉２０５への金属材料の装入は、スクラップバケット２０１内に金属材料を入れて保持させ、これを電気炉２０５の上方に持ち来して、底部の開閉扉２０３を中央で二つ割りに両側に開くことで行う。
このとき内部の金属材料は底部の開閉扉２０３を開くことで生じる開口から落下し、下方の炉体内に装入される。

ところで金属材料の中には粉状のものが含まれている場合がある。
例えば金属材料として鉄スクラップ等のスクラップ材料を用いる場合、スクラップの中には大きな板状のものも入っていれば、細かい粉状のものも入っていたりする。
この粉状のものは、ダライ粉等の金属の切削屑であったり、更にこれを細かく破砕したものであったりする。
このような粉状のものが金属材料中に含まれていると、その粉状の金属材料がスクラップバケット内で下方に沈み込んで二つ割りの開閉扉２０３の先端の合せ目２０４及びその近くに移動し、集まりやすい。
この場合、電気炉２０５の炉体２０６内への金属材料の装入に際して、スクラップバケット２０１の底部の開閉扉２０３を二つ割りに開くと、開閉扉２０３の先端の合せ目２０４近傍に集まっていた粉状のものが、開閉扉２０３の開動作に伴って生じた割れ目、即ち隙間（つまり開き始めの幅の狭い開口である）から炉体２０６内に広がりを生じながら落下する。

このとき、炉体２０６の中心Ｏと出湯口２１０の中心とを結ぶ方向に対して、スクラップバケット２０１の二つ割りの開閉扉２０３の合せ目２０４、即ち扉の閉鎖側の先端の延びる方向が一致していると、つまり炉体２０６とスクラップバケット２０１とがそのような位置関係にあると（天井クレーンで運ばれるスクラップバケットと炉体とは建屋のレイアウト等の関係でそのような位置関係となり易い）、炉体２０６内に広がりをもって落下した粉状の金属材料が、炉体２０６の出湯口２１０辺りに溜まり易いといった問題を生じる。

特に電気炉２０５が偏芯炉底出湯方式の電気炉（ＥＢＴ炉）、詳しくは炉体２０６の炉底部が炉体２０６の円形の周壁部の外面よりも径方向外方にまで部分的に突出して傾斜度の小さな棚状の突出部２０８を形成し、そしてその突出部２０８を上下に貫通するように出湯口２１０（この出湯口は突出部下側の外部において蓋にて閉鎖されている）が形成されているＥＢＴ炉である場合に、そのようなことがより起こり易い。
棚状の突出部２０８が粉状の金属材料の受け部となり易いためである。
図中２２０はそこに溜まった粉状の金属材料を示している。

このように出湯口２１０周りに溜まった粉状の金属材料２２０は、細かいが故に一見溶け易そうに考えられるが、実際にはこの粉状の金属材料２２０は加熱により粒同士が表面融着して結合し、塊（焼結体）となってしまい、その内部に熱が加わり難くなる。しかもこの塊は電極から遠い位置にあって溶けにくい箇所にあるので、これが溶け残ってしまい易い問題を生じるのである。

また出湯口２１０とは径方向の反対位置に出滓口２１２が設けられている場合には、粉状の金属材料は出滓口２１２側にも溜まりやすい。
出滓口２１２周辺に溜まった粉状の金属材料２２２は、出滓時の炉内への侵入空気等により溶け難い材料（粉物材料）となる問題が生じやすい。

尚、本発明の先行技術として下記特許文献１，特許文献２には炉体を固定状態の電極に対して回転させるようにした電気炉が開示されている。
この回転装置を備えた電気炉では、溶解中に炉体を電極に対し回転させ、当初コールドスポットにあった金属材料をホットスポットに、またホットスポットに位置していた金属材料をコールドスポットに位置移動させることで、ホットスポットとコールドスポットとで溶解の不均一の生じていた問題を解決することを狙いとしたものである（ここでは炉体を電極に対して周方向に約６０度相対回転させることで、当初ホットスポットの周方向の中心部に位置していた電極を隣接するコールドスポットの周方向中心部に位置させるようにしている）。
但しこれらの特許文献には本発明の新規な課題についての開示はなく、またその解決手段についても開示するところはなく、本発明とは別異のものである。

特開昭６０−１２２８８６号公報 特開２０１４−４０９６５号公報

本発明は以上のような事情を背景とし、スクラップバケットにより金属材料を炉体に装入する際に、主として粉状の金属材料が出湯口周りに溜まって、これが溶け残ってしまう問題を効果的に解決可能な電気炉の操業方法を提供することを目的としてなされたものである。

而して請求項１のものは、（ａ）筒状の周壁部及び炉底部を備えた炉体と、（ｂ）炉蓋の側に下向きに設けられた複数の電極と、（ｃ）前記炉体を上下方向の軸線回りに前記電極に対し相対回転させる回転装置と、を備え、該炉体の上方に位置させたスクラップバケットの底部の開閉扉を開き、生じた開口部から、内部に保持した金属材料を該炉体内に落下させる装入工程を実施した後、金属材料を溶解する電気炉の操業方法であって、前記装入工程において、前記炉体の中心と該炉体に備えた出湯口の中心とを結ぶ方向が、前記スクラップバケットにおける前記開閉扉の閉鎖側の合せ目が延びる方向に対して３０°以上の角度で交差する位置関係となるまで、該炉体を前記回転装置により回転させ、該位置関係の下で前記スクラップバケットの開閉扉を開いて前記金属材料の装入を行うことを特徴とする。

請求項２のものは、請求項１において、前記電気炉は前記炉体の中心と前記出湯口の中心とを結ぶ線の延長線上に出滓口が設けられていることを特徴とする。

請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、前記装入工程の後の金属材料の溶解中に、前記炉体を回転させる回転工程を実行することを特徴とする。

以上のように本発明は、炉体の中心と出湯口の中心とを結ぶ方向が、スクラップバケットにおける開閉扉の閉鎖側の合せ目が延びる方向に対して交差する位置関係となるまで炉体を回転装置により回転させ、その位置関係の下でスクラップバケットの開閉扉を開いて金属材料の装入を行うもので、本発明によれば、スクラップバケットからの粉状の金属材料の落下位置が、炉体における出湯口の位置から炉体の周方向に離れ、ずれているため（平面視の位置）、スクラップバケットから落下した粉状の金属材料が、出湯口周辺に多量に溜まってしまうのを回避することができる。これにより、出湯口周りに粉状の金属材料が溜まってしまい、これが溶解の際に溶け残ってしまう問題を解決することが可能である。

本発明では炉体の中心と出湯口の中心とを結ぶ方向に対し、スクラップバケットにおける開閉扉の閉鎖側の合わせ目が延びる方向が１０°以上、望ましくは３０°以上、より望ましくは６０°以上の角度で交差するような位置関係として、金属材料の装入工程を実施することが望ましい。

本発明では、特に炉体の中心と出湯口の中心とを結ぶ線の延長線上に出滓口が設けられている場合（請求項２）、炉体を回転させることで、スクラップバケットからの粉状の金属材料の落下位置が、出湯口だけでなく出滓口の位置からもずれるため、スクラップバケットから落下した粉状の金属材料が、出湯口周辺だけでなく更に出滓口周辺に多量に溜まってしまうのを同時に回避することができる。

本発明では、上記装入工程の後の金属材料の溶解中に、炉体を回転させる回転工程を実行するようになすことが望ましい（請求項３）。
このようにすることで、当初コールドスポットにあった金属材料をホットスポットに、またホットスポットに位置していた金属材料をコールドスポットに位置移動させることにより、炉体内での金属材料の溶解を均一化し易い利点が得られる。

以上のような本発明によれば、スクラップバケットにより金属材料を炉体に装入する際に、主として粉状の金属材料が出湯口周りに溜まって、これが溶け残ってしまう問題を効果的に解決可能な電気炉の操業方法を提供することができる。

本発明の一実施形態の操業方法で用いる電気炉の構成を示した図である。 図１の電気炉を異なる断面で示した図である。 図１の回転装置の全体斜視図である。 同回転装置の全体平面図である。 図４のＶ−Ｖ断面図である。 図４のVI−VI断面図である。 操業方法の内容を示した説明図である。 図７に続く操業方法の内容を示した説明図である。 ＥＢＴ炉における金属材料の溶け残りを説明するための図である。

次に本発明を金属材料（ここでは鉄鋼材料）を溶解する電気炉に適用した場合の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１及び図２は本実施形態の操業方法で用いる電気炉の構成を示した図である。
図１において、１０は電気炉で、筒状（ここでは円筒状）の周壁部１２及び炉底部１４を備えた炉体１６と、炉体１６の上端の装入口１８を開閉可能に閉鎖する炉蓋２０と、炉蓋２０を挿通して炉体１６内に下向きに挿入される３本の電極２２とを備えている。

各電極２２は、平面視略円形をなした炉蓋２０の中心近くに、炉体１６の中心軸線周りに等間隔（１２０°間隔）で配置されており、図示しない昇降装置にて個別に高さ調節自在に支持され、電極２２の下端と炉体１６内に装入された金属材料との上下方向の離間距離を調節し得るように構成されている。

炉蓋２０は、図示しない昇降装置及び旋回装置によって、炉体１６に対して上下方向に移動自在に構成されるとともに、水平方向に旋回して、炉体１６の装入口１８を開放し炉体１６内への金属材料の装入を可能としている。

本実施形態の電気炉１０は、ＥＢＴ炉であり、 図２で示したように炉底部１４が炉体１６の周壁部１２よりも径方向外方に一部突出して傾斜度の小さな（ここではほぼ水平な）突出部２６を形成し、そしてそこにこれを上下に貫通した出湯口（出鋼口）２７が設けられている。
炉体１６内の金属材料の溶湯（溶鋼）は、炉体１６全体を傾動させることで、出湯口２７から取鍋２３（図１）に向けて出湯される。

また出湯口２７と径方向の反対位置（対称位置）には出滓口２９が設けられている。
詳しくは、図７（イ）で示すように炉体１６の中心Ｏと出湯口２７の中心とを結ぶ線の延長線上において、炉体１６の周壁部１２を内外方向に貫通して出滓口２９が設けられている。
本例では炉体１６全体を上記出湯時とは反対の方向に傾動させることで、溶解操業の際に生じるスラグを出滓口２９より外部に排出することができる。

本実施形態の電気炉１０は、炉体１６が傾動可能で且つ炉蓋２０及び電極２２が周方向に固定状態の下で、これらに対し回転可能となっている。
図１において、３４は炉体１６を支持したまま傾動し、炉体１６を傾動させる傾動体で、地面に設けられた炉台３６により傾動自在に支持されている。
傾動体３４を支持する炉台３６の上面、及びこれに接する傾動体３４の下向きに凸曲形状をなす脚部３７の下面にはそれぞれ係合歯が形成されており、傾動の際これら係合歯の係合により炉台３６に対する傾動体３４のずれが防止されている。
傾動体３４は炉体１６を支持するための傾動床３５を有し、炉体１６は後述する回転装置３２を介して、傾動体３４の傾動床３５で支持されている。

本発明では回転装置を次のように構成することができる。
即ち回転装置は、イ)炉体を回転可能に傾動体上に支持する支持手段と、ロ)炉体と傾動体との間に設けられ、炉体をその中心軸線周りに回転案内するガイドレールと、ハ)炉体の側に設けられた、回転駆動力を受ける被駆動部と、ニ)傾動体側に設けられ、被駆動部と係合して、回転駆動力を被駆動部に伝える駆動部材と、ホ)傾動体側に設けられ、駆動力を発生させる駆動源と、を備えて構成し、傾動体と一体に傾動する形態で設けておくことができる。

この実施形態において、回転装置は具体的には以下のように構成されている。
先ずは傾動機構について説明する。
図２に示すように、傾動体３４の図中右端には駆動シリンダ３８の一端側が回転可能に連結されている。駆動シリンダ３８の他端は地面側に回転可能に連結されており、この駆動シリンダ３８を伸長させることで傾動体３４は炉体１６とともに図中左側が下向き、右側が上向きになる様に傾動する。これにより炉体１６内の溶湯が出湯口２７から取鍋２３に向けて出湯される。

図３は本実施形態における回転装置３２の全体斜視図を、図４はその平面図を示している。
回転装置３２は多数の立壁を備えた円形リング状の支持フレーム４０を有しており、この支持フレーム４０の上面に炉体１６が載置固定されている。
リング状の支持フレーム４０の内周部下面にはリング状歯車体４２が設けられ、その内周の円周面に沿って歯形が形成されている。

一方、歯車体４２の外周中間部は、図５で示すように外方に角型断面をなして突出し、ベアリング部材４４の内輪部４６を構成している。
内輪部４６を包むようにコ字形断面の外輪部４８が配設されており、外輪部４８の凹面と内輪部４６の凸面即ち上下面及び外周端面との間には、コロ軸受４９が介設されている。

このような構造により、支持フレーム４０はベアリング部材４４等に支持されて、そのリング中心回りに傾動床３５に平行な面内で回転可能となっている。これにより回転装置３２に支持された炉体１６が炉体１６の中心軸線を回転中心として電極２２に対し回転可能となる。

支持フレーム４０のリング内方の径方向対称位置の傾動床３５上にはギアボックス５０が設けられ（図４）、その内部にギア体が配設されている。図５において傾動床３５側には駆動源としての油圧モータ５２が設けてあり、その出力軸に歯車体５３が装着されている。歯車体５３は傾動床３５側に立設された軸体５４に回転可能に支持された歯車体５５に噛合しており、この歯車体５５が上記リング状歯車体４２の歯形に噛合している。

これにより、油圧モータ５２を正逆回転させると、歯車体５３，５５，４２を介して支持フレーム４０が正逆回転させられる。
この実施形態では、支持フレーム４０,歯車体４２,ベアリング部材４４が支持手段を構成し、そのうちベアリング部材４４における内輪部４６,外輪部４８がガイドレールを兼ねて構成されている。
また歯車体４２の歯形が被駆動部を、歯車体５５，５３が駆動部を、更に油圧モータ５２が駆動源を構成している。

本実施形態では、油圧モータ５２によって、炉体１６の出湯口２７が出湯ヤードに正対した図４に示す原位置から反時計方向へ６０°の範囲で支持フレーム４０即ち炉体１６を回転させることができる。

両ギアボックス５０，５０の間の、支持フレーム４０の周方向中間位置にはストッパ機構５６が配設されている。ストッパ機構５６の詳細を図６に示す。図６において、支持フレーム４０には内方に向けて鞘部材５７が設けてある。鞘部材５７は円筒体で内方側の半部内周が内方に向けて漸次拡開するテーパ状に形成されている。
一方、傾動床３５側の架台５８上に駆動シリンダ５９によって内外方向へ直線進退させられる栓部材６０が設けられている。栓部材６０は外方側に位置する先端部が先端方向へ漸次縮径する円柱体となっており、栓部材６０の後端は駆動シリンダ５９のロッド６１に連結されている。

支持フレーム４０が原位置にある時には、図６に示すように、鞘部材５７が栓部材６０に正対しており、駆動シリンダ５９によって栓部材６０を進出させると、栓部材６０が鞘部材５７内に進入して、栓部材６０のテーパ状の先端部が鞘部材５７のテーパ状の半部内に嵌合する。これにより、支持フレーム４０、即ち炉体１６の回動が確実に規制され、この状態で炉体１６の出湯傾動ないし出滓傾動を行うことができる。

次に金属材料を溶解するための電気炉１０の操業方法について図７，図８を用いて説明する。
通常、スクラップ等の金属材料は複数回に分けて炉内に装入され、本例では金属材料を２回に分けて炉内に装入するものとする。

図７はこの装入工程の状態を示した図である。
７０はスクラップバケットで、本体たる円筒状の胴部７２を上部に有し、底部が中央で両側に二つ割りに開く開閉扉７３とされた形態のもので、７５は開閉扉７３の閉鎖側の先端の合せ目である。
開閉扉７３は、図示しない巻上機とワイヤで連結されており、巻上機でワイヤを巻上げ又は巻下げることにより、開閉扉７３が中央で二つ割り状態に開閉される。

装入工程では先ず、炉蓋２０を旋回回避させ炉体１６の装入口１８を開放状態とし、金属材料を保持するスクラップバケット７０をクレーンにて装入口１８の上方にまで移動させる。

一方、炉体１６が原位置に位置している場合、炉体１６の中心と出湯口２７の中心とを結ぶ方向と、スクラップバケット７０の二つ割りの開閉扉７３の合せ目７５が延びる方向とが一致する位置関係にあるため、スクラップバケット７０内の金属材料を炉体１６内に装入する前に、予め炉体１６を回転装置３２によって所定の位置まで回転させる。
本例では、炉体１６を原位置から反時計方向に回転させ、炉体１６の中心Ｏと出湯口２７の中心とを結ぶ方向と、スクラップバケット７０における開閉扉７３の合せ目７５が延びる方向とが、図７（ロ）で示す交差角度αが６０°となる位置で炉体１６を回転停止させる。

スクラップバケット７０は、炉体１６が回転停止した後に開閉扉７３を二つ割りに開き、生じた開口から内部の金属材料を下方へと落下させ、下方の炉体１６内に金属材料を装入する。
このとき、出湯口２７は、粉状の金属材料が集まって落下してくる開閉扉７３の合せ目７５から周方向に離れた所に位置しているため、スクラップバケット７０から落下した粉状の金属材料が出湯口２７周りに多量に溜まってしまうのを回避することができる。
また本実施形態では、出湯口２７と径方向の反対位置に位置する出滓口２９についても開閉扉７３の合せ目７５から周方向に離れた所に位置しているため、スクラップバケット７０から落下した粉状の金属材料が出滓口２９周りに多量に溜まってしまうのを回避することができる。

材料装入を終えたら炉蓋２０及び電極２２を炉体１６上部に載置し、電極２２先端より下向きのアークを発生させ、電極２２の先端部分に位置する材料を優先的に溶かし、電極２２は金属材料中を掘り進んで行く（この工程を以下ボーリング工程とする）。図８（Ａ）はこのボーリングを行っている状態を示している。
ボーリングが完了し電極２２が炉底部１４近くに到ったところで、電極２２周囲の材料を溶解させていく（図８（Ｂ））。
これにより電極２２の周りに未溶解金属が無くなると、炉体１６を電極２２に対して相対回転させることが可能となる。尚、図中炉内を網点で示した部分が未溶解金属材料、白地で示した部分が溶解金属材料である。この段階ではいまだ極端な溶解の不均一は生じていない。

溶解によって炉内の材料の嵩が減った後に残りの材料の追装を行う（図８（Ｃ））。
ここで炉体１６は原位置から図中反時計方向に６０°回転した位置にあるため、炉体１６はそのままの状態で炉蓋２０を旋回回避させた後、スクラップバケット７０から炉内に金属材料を落下させる。
この追装時においても、出湯口２７及び出滓口２９は粉状の金属材料が集まって落下してくる開閉扉７３の合せ目７５から離れた所に位置しているため、スクラップバケット７０から落下した粉状の金属材料が出湯口２７周り及び出滓口２９周りに多量に溜まってしまうのを回避することができる。

その後、炉蓋２０及び電極２２を炉体１６上部に載置し、再びボーリング工程を含むアーク放電による金属材料の溶解を行うと、炉体１６の周方向に三箇所ずつのホットスポットとコールドスポットが生じて金属材料が不均一に溶解される（図８（Ｄ））。
そこで炉蓋２０を上方に離間させた状態で炉体１６を図中時計方向に原位置まで回転させ、未溶解の金属材料をホットスポットに移動させる（（図８（Ｅ））。この状態で炉蓋２０を閉鎖して電極２２からの放電を開始することで未溶解の金属材料に対して電極２２からの加熱を効果的に行うことができる。そして図８（Ｆ）で示すように炉内に装入された金属材料の溶解を完了する。

以上のように本実施形態によれば、スクラップバケット７０からの粉状の金属材料の落下位置が、炉体１６における出湯口２７及び出滓口２９の位置から炉体１６の周方向に離れ、ずれているため（平面視の位置）、スクラップバケット７０から落下した粉状の金属材料が出湯口２７周り及び出滓口２９周りに溜まってしまうのを回避することができる。
これにより出湯口２７周辺で粉状の金属材料が溜まってしまって、これが溶解の際に、溶け残ってしまう問題、及び出滓口２９周りに溜まった粉状の金属材料が、出滓時の侵入空気等により溶け難い材料（粉物材料）となる問題、を解決することが可能である。

本実施形態では炉体１６の中心と出湯口２７の中心とを結ぶ方向が、スクラップバケット７０における開閉扉７３の閉鎖側の合せ目７５が延びる方向に対して６０°の角度で交差する位置関係で金属材料の装入工程を実施しているが、交差角度は他の角度であっても良い。但し少なくとも１０°以上、望ましくは３０°以上、より望ましくは６０°以上の角度で交差するような位置関係として金属材料の装入工程を実施するのが良い。

本実施形態では、装入工程の後の金属材料の溶解中に、炉体１６を回転させる回転工程を実行することで当初コールドスポットにあった金属材料をホットスポットに、またホットスポットに位置していた金属材料をコールドスポットに位置移動させることでき、炉体１６内での金属材料の溶解を均一化し易い利点が得られる。

以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示である。上記実施形態はＥＢＴ炉の場合であるが、場合によって形式の異なる電気炉に適用することも可能であるし、また電極の数が２本、４本又はそれ以上の電気炉に適用することも可能である。
更に鉄鋼以外の金属を溶解する電気炉の操業方法に適用することも可能である等、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。

１０ 電気炉
１２ 周壁部
１４ 炉底部
１６ 炉体
１８ 装入口
２０ 炉蓋
２２ 電極
２６，２０８ 突出部
２７，２１０ 出湯口
２９ 出滓口
３２ 回転装置
７０ スクラップバケット
７３ 開閉扉
７５ 合せ目

Claims (3)

1. （ａ）筒状の周壁部及び炉底部を備えた炉体と、
   （ｂ）炉蓋の側に下向きに設けられた複数の電極と、
   （ｃ）前記炉体を上下方向の軸線回りに前記電極に対し相対回転させる回転装置と、
   を備え、該炉体の上方に位置させたスクラップバケットの底部の開閉扉を開き、生じた開口部から、内部に保持した金属材料を該炉体内に落下させる装入工程を実施した後、金属材料を溶解する電気炉の操業方法であって、
   前記装入工程において、前記炉体の中心と該炉体に備えた出湯口の中心とを結ぶ方向が、前記スクラップバケットにおける前記開閉扉の閉鎖側の合せ目が延びる方向に対して３０°以上の角度で交差する位置関係となるまで、該炉体を前記回転装置により回転させ、該位置関係の下で前記スクラップバケットの開閉扉を開いて前記金属材料の装入を行うことを特徴とする電気炉の操業方法。
   
2. 請求項１において、前記電気炉は前記炉体の中心と前記出湯口の中心とを結ぶ線の延長線上に出滓口が設けられていることを特徴とする電気炉の操業方法。
3. 請求項１，２の何れかにおいて、前記装入工程の後の金属材料の溶解中に、前記炉体を回転させる回転工程を実行することを特徴とする電気炉の操業方法。

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