JPS62238985A - 金属を溶解するための溶解炉及び方法 - Google Patents

金属を溶解するための溶解炉及び方法

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JPS62238985A
JPS62238985A JP62083957A JP8395787A JPS62238985A JP S62238985 A JPS62238985 A JP S62238985A JP 62083957 A JP62083957 A JP 62083957A JP 8395787 A JP8395787 A JP 8395787A JP S62238985 A JPS62238985 A JP S62238985A
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hearth
gas injection
melting
injection means
metal
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JP62083957A
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ウエイン・ジヨン・マツデバー
マイケル・フランシス・ライリ
ロナルド・ジヨゼフ・セリネス
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Union Carbide Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、電気アーク炉及び金属溶解方法の分野に関す
るものであり、特には金属を従来より低いエネルギー消
費でもってまた均質性を改善した状態で溶解する改善技
術に関する。
発明の背景 電気アーク炉は、鋼のような金属を内部で溶解する比較
的巾広の且つ浅い炉床を具備する、比較的短い、巾広の
筒状包囲体として構成される。一般K、炉底には、数年
のような長期間の存続寿命を有することを意図する下方
耐火層と、溶融金属と接触状態にもちきたされそして取
替又は補修までに少数回の溶解バッチにだけ耐えれはよ
いものとされている上方耐火層から成る2層の耐火材で
内張すされている。電気アーク炉はまた、少くとも1本
の電極、一般には3本の電極を装備し、これらは電極同
志間でモして/或いは電極と炉床内の溶解さるべき金属
の局所帯域との間で電気アークが点弧する。これらアー
クは金属を加熱しそして溶解する。金属溶解後、溶湯は
、溶解炉がら取鍋内へと注出され、次いで取鍋から型内
に注入されて鋳物を生成する。或いは、溶湯は精錬容器
に注入されて更に一層の精製を受ける。
従来技術と問題点 炉床内でのアーク加熱は局所的であるから、電極から離
れた炉床区画は電極に近い帯域より遅い速度でしか熱を
受取らず従ってそうした遠隔区域の金属はゆっくり溶解
し、その結果一層長い溶解時間を費し、高いエネルギー
消費を伴う。更K。
アーク加熱及び溶解の局所性は溶融金属の深さを通して
化学的及び熱的成層化をもたらし、これはその不均質性
に由り溶融浴の特性判断に当っての誤りを生じやす(、
操業上の問題をもたらしゃすい0 電気アーク炉において金属を溶解する分野の当業者はこ
の非効率的溶解問題に多数の方法で対処し【きた。
こうした方法の一つは、炉床内の低温領域に向けられる
追加熱を発生せしめる為プラズマ或いは酸素−燃料バー
ナ或いは酸素ランスを使用することであった。こうした
補助バーナは有効でありえたが、それらは構成を複雑に
しそして操業コストの多大の負担を招きそしてそれらの
有効性は溶解さるべき金属片の寸法が大きくなる程減少
した。
更に、バーナやランスは炉床内の金属を酸化する恐れが
あり、これは溶解プロセスの収率を減じそしてプロセス
効率を更に減少する。
電気アーク炉における溶解効率を増大するべく製鋼業者
により使用されたまた別の方法は、溶融金属がまだ溶け
ていない金属の上方及び周辺を流れるよう溶融金属を撹
拌し、以って熱分配速度を増大しその結果として溶解速
度を増大することである。
電気アーク炉の炉床内容物を撹拌する方法の一つは、磁
場を炉床内に誘起しそして金属を磁気的に移動或いは撹
拌する誘導撹拌によるものである。
この方法の欠点として次の事項が挙げられる:t 盛会
とされる誘導撹拌コイル及び制(財)装置が高価である
2 炉に非磁性(ステンレス鋼のような)底部を装備す
る必要がある。
五 溶融金属の不慮の漏出や溢れにより誘導撹拌装置が
損傷を受けやすい。
4、 誘導撹拌は所望される撹拌の程度より小さな撹拌
しか与えない。
電気アーク炉の炉床内容物を撹拌するまた別の知られた
方法は耐火部片のような透気性或いは多孔性要素を通し
て溶融金属中に不活性気体を吹込むことによる。この方
法の欠点として次の点が挙げられる: t 透気性或いは多孔性要素が信頼性がなく閉塞しやす
いこと、 2、複雑にして高価な据付は要件、 五 突然の破損の可能性があり、そうなると炉底から金
属の漏出が起ること、 4、 二酸化炭素は多孔質耐火要素を酸化しまた侵食す
る傾向があるため、撹拌ガスとしての二酸化炭素の使用
に適さないこと。
発明の目的 本発明の目的は、これまで使用された溶解方法に較べて
改善された効率でもって電気アーク炉において金属を溶
解する為の方法を提供することである。
本発明のまた別の目的は、改善された効率でもって電気
アーク炉での金属の溶解を可能ならしめる改善された溶
屑炉を提供することである。
発明の概要 本発明は、比較的巾広で浅い炉床を具備しそして少くと
も1本の溶解用電極を装備し、電極の近傍の金属が炉壁
の近傍の金属より先に溶解するような溶解炉内で金属を
溶解する方法において、炉底を貫く気体噴射手段を通し
て溶融金属中に不活性気体を集中ブルームの形で噴入し
て、不活性気体噴射地点のみの実質上方で溶融金属表面
に局所的撹拌状態を創出し、その場合単数乃至複数の啜
入点が、局所的撹拌がfil電極上へ実質上金属の撥ね
かしを生ぜずそして(2)溶融金属から固体金属へ熱の
迅速な伝達により炉壁近傍の固体金属の溶解を促進する
よう炉床の中央から実買上外されていることを特徴とす
る金属溶解方法。
本発明は更に、 (a)  少(とも1つの耐火j−を備える底を具備す
る比較的巾広で浅い炉床と、 (b)  炉内部に設けられる少くとも1本の電極と、
(cl  炉床耐火層を通して炉床底を貫通しそして炉
床内部と連通ずる少くとも1つの気体噴射手段と、 (d)  炉床耐火ノーを貫通する気体噴射手段の上方
部分の少くとも一部を取巻(高品質耐火材と を包含する溶解炉を提供する。
溶解炉或いは気体噴射装置と関連して「上(方)」或い
は「下(方)」という時、それはその通常の操業姿勢に
おいてのものを云う。
「電極」という用語は、電気アークを放電する目的の為
の高い電位を付与され5る電導体、一般にグラファイト
或いはアモルファス炭素を意味する。
「不活性気体」と(・う用語は、所定の溶融金属に対し
て有害な反応を生起せずそして噴射地点において気体噴
射手段に冷却作用を与える気体を意味する。
「高品質耐火材」という用語は、溶融金属浴と接触する
ことを意図する炉床底部分を構成する炉床耐火材層の損
耗速度に比較して遅い損耗速度を有する任意の耐火材を
云う。
「羽口」という用語は、冶金容器の壁或いは炉床を通し
て気体を通人するのに使用されるステンレス鋼のような
金属製の導管を意味する。
発明の詳細な説明 本発明方法は、所定の位置において不活性気体を溶融金
属中に集中ブルーム(concentratedplu
me )として吹込むことは散開的な不活性気体吹込み
を使用して達成されるより一層効率的な溶解を電気アー
ク炉中で生成するとの知見に基いている。電気アーク炉
の炉床が比較的浅いことにより、集中ブルームとしての
不活性気体の吹込みはこれまで、高程度の所望されざる
撥ねかじと過度の乱流の発生が予想されるが故IC実施
不可と考えられていた。更に、溶融金属と接触状態に持
ちきたされる炉床耐火層の所要の補修並びに金属の溶解
外を放出した後逸る可能性のある凝固スラグ及び金属(
鋼)の形成は、きわめて容易に噴射装置の閉塞と撹拌効
率の損失を生みやすい。
好ましくは、不活性気体は、電気アーク炉の炉床の底を
貫通しそして一端において不活性気体源とセして他端に
おいて炉床内部と連通する、環状羽口のような少くとも
1つの羽口を通して溶融金属中に吹込まれる。
本発明方法の実施において有用な不活性気体としては、
アルゴン、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、−酸化炭素、
水素、スチーム、炭化水素及びその混合物が挙げられる
本発明方法は、非常に多(の金属を溶解するのに使用で
き、例えば鋼、鉄、鋼、アルミニウム、ニッケル及びニ
ッケル合金並びにフェロアロイを挙げることが出来る。
本発明方法は、任意の電気アーク炉を使用して実施され
うる。金属を溶解する為の電気アーク炉は当業者によ(
知られており、詳細は不要であろう。代表的電気アーク
炉の例は、例えば米国特許第4,485,709及び4
.504.307号に例示されている。
一般にそして好ましくは、本発明の実施のための電気ア
ーク炉は三角形成いはデルタ形配列をなして配置される
3本の電極を有している。第1図は、この好ましい電極
配列を有する電気アーク炉の平面図である。第1図を参
照すると、電気アーク炉20は炉床壁22により囲まれ
る炉床内部21を備えている。炉床内部には、三角形配
列をなす3本あ電極23.24及び25が存在する。
第1図はまた好ましい羽口配列を例示し、ここでは羽口
26.27及び28が各々電極配列の三角形周辺の外側
で且つ七〇角隅点の間に位置づけられている。こうして
、不活性混合気体が羽口を通して炉床の低温帯域である
と予想される溶融金属内に通人され、以って混合による
熱分布の改善の最大限化を図っている。もつとも好まし
くは、羽口は、炉床中心から炉床半径の少くとも50 
X N’ilして位置づけられる。
不活性気体は、一般に25〜2 s o psigの範
凹円、好ましくは50〜125 psigの範囲内の圧
力においてそして1つの羽口或いは他の気体噴射手段当
り一般に1〜408CFM(標準ft3/分)の範囲内
、好ましくは2〜208CFMの範囲内の流量において
溶融金属中に吹込まれる。斯くして、不活性気体は、所
望されざる撥ねかし及び過剰の撹拌を生じることな(所
要程度の浴撹拌を与えるに充分の葉においてそして集中
ブルームの形で溶融金属を通l−て上方に噴上る。本発
明者等は、不活性気体が集中ブルームとして溶融金属中
に吸込まれる時、殊に第1図に例示されるような好まし
い羽口及び電極配列が使用される時、エネルギー消費の
予想外の減少その結果としてのプロセス動車の改善が得
られることを見出した。
電気アーク炉溶解プロセスにおいて、はぼ中央に位置づ
けられる電極に近い金属は炉壁に近い金属より先に融け
そして未溶解金属は完全溶解までに長い時間を要し、長
い溶解時間と高いエネルギー消費をもたらす。本発明方
法は不活性気体を溶融金属中に集中ブルームの形で吹込
みそして溶融金属表面上に局所化された表面撹拌状態を
%lJり出す。この撹拌は、金属が電極上に撥ねかじと
して付着しないよう炉床中央部から充分に外側でもたら
される。何となれば、そうした撥ねかしは電極の所望さ
れざる損耗をもたらし、その正常な作動を妨げるからで
ある。好ましくは、気体吹込み点従ってその結果として
の表面撹拌部は炉床中心から壁への距離の少くとも50
Xのところとされる。
、局所的撹拌は溶融金属から固体金属へと熱を急速に伝
達する作用を為す乱流を創りだす。これは炉周辺部にあ
る固体金属の溶解を促進し、以って溶解時間及びエネル
ギー消費を減する。
第2図は電気アーク炉の下方部分30の断面図であり、
取替までに数年の寿命を持ち5るよう設計されている耐
火材下方層31と下方層を守るため犠牲となって溶損さ
れることを意図しそして所望の炉床寸法形態を維持する
よう套装に応じ補(IN或いは部分取替される耐火材上
方層32とを備える代表的電気アーク炉底を示す。本発
明方法の実施において、不活性気体は羽口33を通して
等して炉底を通して集中ブルームの形で溶融金属中に吹
込まれる。羽口は、例えば、炉底を貫いて充分の遊隙を
持つ穴を穿孔し、その穴を適当な粘性の耐火スラリで充
填し、炉の外側から羽口を挿入しそして羽口組立体を炉
外皮にボルト式7ランジ或いは他の適当な付設手段によ
り固定することにより据付けられる。
金属が溶解された後、溶融金属は、鋳物製造の為に電気
アーク炉から堰鍋へとそして後型内へと注がれるか或い
は追加精製のためAOD(アルゴン−酸素脱炭)容器の
ような精錬容器に注がれる。
溶融金属が炉から注出された後、僅かの溶融金属とスラ
グが炉内に残り、そしてそれが凝固するにつれ気体噴射
手段の閉塞を生じる恐れがある。この問題を克服する為
に、本発明方法は、次の方策の一つ以上と共に実施され
うる。溶融金属が炉から出湯された後、羽口を通しての
気体流量及び圧力が残留スラグ及び金属が炉底まで下っ
て排出されそして凝固しつつある期間中増大される。ま
た別のやり方は、多孔質耐火材を使用して炉底な羽口の
ところで羽口上に耐火層を形成するよう当て張りするこ
とである。これにより、羽口は、放出気体が炉床内部に
到達する為の好ましい低圧力降下通路を提供する。また
別の方策は、羽口を炉壁に近づけてそして深さの大きな
炉床中央部から離して配置することである。
電気アーク炉において羽口がこれまで使用されなかった
一つの理由は、羽口の大部分が犠牲耐火材(即ち上層)
を貫通する為あまりにもすぐ消耗するためであった。
本発明者等は、羽口ブロックによりこの局所的損耗問題
を解決した。その2つの具体例が第3及び4図に例示さ
れる。第3図を参照すると、炉外皮40は、付火材下方
層41(この場合は耐火れんが)と、ランマー打ち(突
固め)耐火材のような耐火材上方R142とで被覆され
る。羽口43は外皮40並びに層41及び42を頁通し
そして炉床内部44と通じている。鳩42を通る羽口4
3の少くとも一部(この場合は全S)が第3図に示され
る高品質耐火部片45のような高品質耐火材により取囲
まれている。高品質耐火材の例としては、MgO、Mg
O−CaO、MgO−Cr2O3、A120x及び/或
いはSiO2を基とする高密度れんが或いは成形物が挙
げられ、市販品としてはCorhartRFG及びCo
rhart 1sopress RF GがあるO耐火
片の各々は羽口装通穴を有しそして好ましくは層42の
底部におけるより上部において小さいものとされる。こ
うすることにより、層42が比較的急速に損耗しても、
羽口自体は、著しく遅〜1速度でしか損耗せず、炉底輪
郭上に柱状スポットを保持しそしてスラグ或いは金属凝
固による閉塞に対して固有に高い耐性を示す。損耗耐火
層42は、数溶解バッチの後補修又は取替えられそして
羽口4Sは羽口ブロック45により多数の溶解バッチに
対して作用しうる。この羽口れんがは、任意の気体噴射
手段と共に好適に使用できそして多孔要素気体ディフュ
ーザと共に使用することさえ出来る。
第4図は、羽口ブロックのまた別の具体例を示す。84
図における番号は、共通要素に対して第3図の番号+1
0として付しである。第4図に示されるように、羽口ブ
ロック56は、高品質耐火材の一体品であり、羽口挿通
路53を有しそして層52の上端から所要の保護を与え
るに充分の地点まで延在するに充分の寸法を有している
。好ましくは、羽口ブロック56は層52の上から下方
へと半径方向断面を次第に増大している。
実施例1及び比較例 第1図に示される型式の3つの羽口が6本の電極を装備
する20トン電気アーク炉に据付けうれた。電極及び羽
口の配列は第1図に示したのと同様であった。タイプ5
00ステンレス鋼スクラツプが炉内に導入されそして溶
解が開始された。窒素ガスが各羽口当り12scFMの
流量でモして60 psigの圧力で羽口を通して流さ
れモして各羽口から集中ブルームとして溶融金属中に吹
込まれて、吹込み点上方の溶融金J!A表面に局所的撹
拌を創りだした。電極上への溶融金属の撥ねかしは存在
しなかった。電極の近辺の金属は炉壁近辺の金属より先
に#解した。この過程がすべての鋼か溶解されるまで継
続されそして鋼装入物を溶解するのに必要とされた総エ
ネルギーが計算された。
この過程が13回以上繰返されそして本発明方法により
溶解された14の溶解バッチに対する平均溶解エネルギ
ーは金属トン当り4844 KW−hrであった。
比較目的のため、羽口な通して不活性気体を吹込まない
、即ち撹拌が存在しないことを除いて、上記過程が繰返
された。16のそうした比較用溶解バッチが実施されそ
してこれらに対する平均溶解エネルギーは51 t 1
 kwh/ tであった。
比較目的のため、羽口から溶融金属中に流される不活性
気体が集中ブルームとしてではなく吹込み点上方に表面
撹拌を生じない拡散様式で流されるよう羽口の一つ以上
を閉塞したことを除いて上記過程が繰返された。気体流
電は先きと同じく羽口当り2.2SCFMとした。12
のこうした比較用溶解バッチが実施されそしてこれらに
対する平均溶解エネルギーは501.3 kwh/ t
であった。
実施例及び比較例かられかるように、然るべき位置にお
いて集中ブルームとしての気体吹込みによる本発明方法
は、撹拌を使用しない場合に必要とされるエネルギーに
対して溶解エネルギーの5.4%減少を可能としそして
拡散形撹拌が使用される時に較べて同じり3.9%の減
少を可能ならしめた。
参考例 撹拌のための不活性気体として窒素を使用し5ることは
、電気アーク炉作業者が溶融金属の窒素含有量を変更す
ることを可能ならしめ、そしてこれは金属の窒素含有量
を制御する能力を増大する。
ここでは、この制御能を例示する。
例1で述べたようにして本発明方法を使用し【多数の溶
解バッチ作業が実施されそして溶湯な出湯する時溶湯の
窒素含有量が測定された。1つの溶解バッチはアルゴン
だけを使用して撹拌され、5つの溶解バッチは40Xの
時間を窒素で続いて残りの時間をアルゴンで、9つの溶
解バッチは75%の時間を窒素で続いて残りの時間をア
ルゴンでセして11の溶解バッチは窒素だけで撹拌され
た。その後、各溶解バッチグループの溶湯窒素含有量が
グループ毎に平均化された。結果を表Iに示す。比較目
的のため、4つの溶解バッチは撹拌なしで実施され、そ
の平均溶湯窒素含有撞をも併せて示す。
表I 撹拌時間%     出湯溶融金属 0     0               0.0
400   100               0
.02940    60             
  0.05675    25          
     0.045100     0      
         0.048これら結果かられかるよ
うに、本発明の溶解方法の使用によりそして撹拌気体と
して窒素の使用程度を変更することにより電気アーク炉
における溶解中鋼の窒素含有量の増減を効果的に行うこ
とができる。
発明の効果 本発明の溶解方法及び溶解炉の使用により、電気アーク
炉において金属を従来より効率的に#解できるようにな
り、更に従来の溶解炉を使用した場合に予想された高程
度の閉塞や損耗を生じることな(羽口のような気体吹込
み手段を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は特に好ましい電極及び羽口配列模様を示す電気
アーク炉の炉床平面図、第2図は本発明方法を実施する
のに使用されうる電気アーク炉の炉床の断面図、第3図
は本発明の溶解炉に有用な羽口ブロックの一具体例を示
す断面図、そして第4図は別の具体例の断面図である。 20:¥It気アーク炉 21:炉床内部 22:炉床壁 23〜25:電極 26〜28二羽口 31.41.51:耐火材下方層 32.42.52:耐火材上方層 33.43.53:羽口 45.56:高品質耐火材 FIG、3 FIG、4 手続補正書 昭和62年7月 8日 特許庁長官 小 川 邦 夫 殿 事件の表示 昭和62年 特願第83957   号発
明の名称  金属を溶解するための溶解炉及び方法補正
をする者

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)比較的巾広で浅い炉床を具備しそして少くとも1本
    の溶解用電極を装備し、電極の近傍の金属が炉壁の近傍
    の金属より先に溶解するような溶解炉内で金属を溶解す
    る方法において、炉底を貫く気体噴射手段を通して溶融
    金属中に不活性気体を集中ブルームの形で噴入して、不
    活性気体噴射地点のみの実質上方で溶融金属表面に局所
    的撹拌状態を創出し、その場合単数乃至複数の噴入点が
    、局所的撹拌が(1)電極上へ実質上金属の撥ねかしを
    生ぜずそして(2)溶融金属から固体金属へ熱の迅速な
    伝達により炉壁近傍の固体金属の溶解を促進するよう炉
    床の中央から実質上外されていることを特徴とする金属
    溶解方法。 2)気体噴射手段が少くとも1つの羽口から成る特許請
    求の範囲第1項記載の方法。 3)不活性気体が少くとも3つの噴入点を通して溶融金
    属中に吹込まれる特許請求の範囲第1項記載の方法。 4)各噴入点が炉床中心から電極のいずれよりも遠くに
    配置される特許請求の範囲第1項記載の方法。 5)各不活性気体噴入点が炉床中心から炉床半径の少く
    とも50%離されている特許請求の範囲第1項記載の方
    法。 6)金属が鋼である特許請求の範囲第1項記載の方法。 7)不活性気体が窒素である特許請求の範囲第1項記載
    の方法。 8)不活性気体がアルゴンである特許請求の範囲第1項
    記載の方法。 9)不活性気体が二酸化炭素である特許請求の範囲第1
    項記載の方法。 10)3本の電極が使用され、そして不活性気体が電極
    により形成される輪郭周辺の外側で、電極間においてそ
    して炉床中心から炉床半径の少くとも50%離して配置
    される特許請求の範囲第1項記載の方法。 11)不活性気体が気体噴射手段当り1〜40SCFM
    の範囲内の流量でそして25〜250psigの範囲内
    の圧力において噴入される特許請求の範囲第1項記載の
    方法。 12)気体噴射手段の周辺にその上方長さの少くとも一
    部に対して高品質耐火材が設けられる特許請求の範囲第
    1項記載の方法。 13)炉から溶融金属を排出しそして炉内に残留する残
    留溶融金属が凝固しつつある期間中気体噴射手段を通し
    て流れる不活性気体の流量及び圧力を増加する特許請求
    の範囲第1項記載の方法。 14)溶融金属の最終窒素含有量が総噴入気体量の0〜
    100%の範囲の窒素の吹込みにより増減される特許請
    求の範囲第1項記載の方法。 15)(a)少くとも1つの耐火層を備える底を具備す
    る比較的巾広で浅い炉床と、 (b)炉内部に設けられる少くとも1本の電極と、 (c)炉床耐火層を通して炉床底を貫通しそして炉床内
    部と連通する少くとも1つの気体 噴射手段と、 (d)炉床耐火層を貫通する気体噴射手段の上方部分の
    少くとも一部を取巻く高品質耐火 材と を包含する溶解炉。 16)気体噴射手段が羽口である特許請求の範囲第15
    項記載の溶解炉。 17)羽口が環状羽口である特許請求の範囲第16項記
    載の溶解炉。 18)気体噴射手段が多孔質或いは透気性要素である特
    許請求の範囲第15項記載の溶解炉。 19)気体噴射手段が不活性気体源に接続される特許請
    求の範囲第15項記載の溶解炉。 20)高品質耐火材がMgO、、MgO−CaO、Mg
    O−Cr_2O_3、Al_2O_3及び/或いはSi
    O_2を基とする高密度れんが或いは成形体から選択さ
    れる特許請求の範囲第15項記載の溶解炉。 21)気体噴射手段を取巻く高品質耐火材が別々の耐火
    材片を集合して構成される特許請求の範囲第15項記載
    の溶解炉。 22)気体噴射手段を取巻く高品質耐火材が一体品であ
    る耐火材部片から構成される特許請求の範囲第15項記
    載の溶解炉。 23)各気体噴射手段が電極のいずれよりも炉床中心か
    ら遠くに位置づけられる特許請求の範囲第15項記載の
    溶解炉。 24)各気体噴射手段が炉床中心から炉床半径の少くと
    も50%離れている特許請求の範囲第15項記載の溶解
    炉。 25)3本の電極が使用されそして各気体噴射手段が電
    極により形成される輪郭の外側で、電極間でそして炉床
    中心から炉床半径の少くとも50%離れて位置づけられ
    る特許請求の範囲第14項記載の溶解炉。
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