(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
天井を通して炉内に挿入した電極から電流を流すことにより炉内に装入されている原料を抵抗熱で溶解させるアーク式電気炉の天井を冷却する方法において、
前記電極を通している天井部分を耐火物からなる小天井部に構成し、前記原料が溶解を開始した時から原料が溶け落ちる時までは、小天井部の電極近傍にエアーを吹き付けて堆積ダストの除去と冷却を行い、前記原料が溶け落ちた以後は、小天井部の熱によって完全に蒸発する量の冷却水を小天井部の電極近傍に供給して冷却することを特徴とする方法。
【請求項２】
天井を通して炉内に挿入した電極から電流を流すことにより炉内に装入されている原料を抵抗熱で溶解させるアーク式電気炉の天井を冷却する方法において、
前記電極を通している天井部分を耐火物からなる小天井部に構成し、前記原料が溶解を開始した時から原料が溶け落ちる時までは、小天井部の電極近傍にエアーを吹き付けて堆積ダストの除去と冷却を行い、前記原料が溶け落ちた時から前記天井を開放するまでは、小天井部の熱により完全に蒸発する量の冷却水を小天井部の電極近傍に供給して冷却し、前記天井を開放した以後は、冷却水の量を増加させることを特徴とする方法。
【請求項３】
前記小天井部において前記電極を同心円上に複数配置し、該同心円上で複数の電極の間において小天井部にエアーの吹き付けおよび冷却水の供給を行う請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記小天井部の熱によって完全に蒸発する冷却水の量Ｗが、次式（１）の範囲内である請求項１〜３の何れかに記載の方法。
Ｗ  ≦  Ａ×（ｔ0−ｔ）×η／Ｑ    ・・・    （１）
但し、η：耐火物の熱伝達係数
ｔ0：冷却開始前の耐火物表面温度
ｔ：冷却後の耐火物表面温度
Ａ：冷却表面積
Ｑ：単位量当たりの冷却水の蒸発に必要な熱量
である。
【請求項５】
前記小天井を構成する耐火物が、ＭｇＯ−Ｃなどの比較的熱伝導度の高い材質である請求項１〜４の何れかに記載の方法。
【請求項６】
前記小天井部以外の天井部分を水冷する請求項１〜５の何れかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炉内に装入されている原料に電流を流すことにより抵抗熱で原料を溶解させるアーク式電気炉の天井を冷却する方法に関する。本発明方法は、特にアーク式電気炉の天井の耐用性向上に有効である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気炉による粗鋼の生産量の増加が図られており、主原料であるスクラップの増加に伴い、溶解能力を向上するために炉容の大形化ならびに大電力化が進められている。一方で、このような大形化や大電力化すると、炉体の耐火物の損耗が大きくなるので、炉体の冷却が不可欠となる。そして、炉体を冷却することにより、耐火物の使用量を大幅に減少させることができて耐用性が増すので、例えば天井の交換作業などのような補修時間を大幅に低減でき、生産性の向上を図ることができる。
【０００３】
ところが、電極に近接する天井部分などに配管を行って電極周辺の天井部分を水冷するような構造とすると、変圧器から電極に印荷した二次電圧が、炉体内に装入されている原料のスクラップに負荷されずに、近くに存在している水冷パイプに短絡してスパークを発生してしまう。かようなスパークは、水冷パイプからの水漏れを引き起こし、また、炉内に水が侵入すると水蒸気爆発等発生の問題が生じる。更に、電極の近傍はアークによる熱負荷が大きく、水冷パイプが耐用できないなどの理由から、現実には電極近傍の天井部分は水冷を行わず、電極が通されている天井部分を耐火物からなる小天井部に構成することによって耐用性の向上をはかっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、小天井部の中でも取り分け電極近傍の耐火物は、電極から発生するアークの熱負荷の影響を直接受けるため、消耗量が非常に大きい。このため、小天井部の寿命は、電極近傍の耐火物の損耗量が律速となり、電極近傍以外の部分の耐火物はほとんど消耗していない状態でも、電極近傍の耐火物の消耗量が激しい場合は小天井部を交換せざるを得ない。この小天井部の交換は、コストアップにつながるだけでなく、交換に非常に長時間の時間を要するため、生産能力の低下につながるなどの問題もある。
【０００５】
一方、電極原単位を低減する目的で電極に冷却水を供給して冷却する方法が行われている。この方法を実施した場合、その副次効果として、電極に吹きかけた冷却水が跳ね返って小天井部にもかかることにより小天井部を冷却し、その結果として小天井部の耐用性が向上することが知られている。しかしこの場合、電極に吹きかけた冷却水が炉内に侵入する心配があり、鉱石等の粒状原料を使用するステンレス製造の電気炉では水蒸気爆発等の発生が問題となるのでこの方法は使用できない。また、炉内に侵入した冷却水は炉内雰囲気や溶解原料を冷却し、電力原単位の悪化につながる。
【０００６】
本発明の目的は、冷却水を炉内に侵入させることなくアーク式電気炉の小天井部を冷却でき、小天井部の寿命延長を図ることによりその耐用性を向上させることが可能な方法を提供することにある。
【０００９】
請求項１の発明は、天井を通して炉内に挿入した電極から電流を流すことにより炉内に装入されている原料を抵抗熱で溶解させるアーク式電気炉の天井を冷却する方法において、前記電極を通している天井部分を耐火物からなる小天井部に構成し、前記原料が溶解を開始した時から原料が溶け落ちる時までは、小天井部の電極近傍にエアーを吹き付けて堆積ダストの除去と冷却を行い、前記原料が溶け落ちた以後は、小天井部の熱によって完全に蒸発する量の冷却水を小天井部の電極近傍に供給して冷却することを特徴としている。
【００１０】
請求項２の発明は、天井を通して炉内に挿入した電極から電流を流すことにより炉内に装入されている原料を抵抗熱で溶解させるアーク式電気炉の天井を冷却する方法において、前記電極を通している天井部分を耐火物からなる小天井部に構成し、前記原料が溶解を開始した時から原料が溶け落ちる時までは、小天井部の電極近傍にエアーを吹き付けて堆積ダストの除去と冷却を行い、前記原料が溶け落ちた時から前記天井を開放するまでは、小天井部の熱によって完全に蒸発する量の冷却水を小天井部の電極近傍に供給して冷却し、前記天井を開放した以後は、冷却水の量を増加させることを特徴としている。
【００１１】
これら請求項１または２に記載の方法において、請求項３に記載したように、前記小天井部において前記電極を同心円上に複数配置し、該同心円上で複数の電極の間において小天井部にエアーの吹き付けおよび冷却水の供給を行うように構成することができる。また、前記小天井部の熱によって完全に蒸発する冷却水の量Ｗは、請求項４に記載したように、例えば次式（１）の範囲内とすることができる。
Ｗ  ≦  Ａ×（ｔ0−ｔ）×η／Ｑ    ・・・    （１）
但し、η：耐火物の熱伝達係数
ｔ0：冷却開始前の耐火物表面温度
ｔ：冷却後の耐火物表面温度
Ａ：冷却表面積
Ｑ：単位量当たりの冷却水の蒸発に必要な熱量
である。
【００１２】
また、前記小天井を構成する耐火物は、請求項５に記載したように、例えばＭｇＯ−Ｃなどの比較的熱伝導度の高い材質とすることが好ましい。また、請求項６に記載したように、前記小天井部以外の天井部分を水冷するようにしても良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明方法を実施するための電気炉１の縦断面図であり、図２は、同じ電気炉１の天井２の平面図である。
【００１４】
この電気炉１は、外側がそれぞれ鉄皮３、４で囲まれた炉壁５および炉床６より構成される炉体７の上方を天井２で開放自在に塞ぐことにより構成されている。略円筒形状に形成される炉壁５の内部には水冷パイプ１０が埋設されており、この水冷パイプ１０に冷却水を流通させることによって炉壁５の温度上昇を防ぐようになっている。
【００１５】
図示の電気炉１の天井２は図２に示されるように中心がＯの円形状をなしている。天井２のほぼ中央には、天井２と同心で半径Ｒの円形をなす小天井部１１が形成されており、この小天井部１１の周りにドーナツ形状の大天井部１２を配置した構成になっている。小天井部１１は、ＭｇＯ−Ｃなどの比較的熱伝導度の高い耐火物からなっている。図示の例では、小天井部１１には全部で三本の電極１３が通っており、これら電極１３の下端が電気炉１の内部に挿入されている。また、これら三本の電極１３は何れも天井２の中心Ｏ（小天井部１１の中心でもある）の周りに形成される半径ｒ（ｒ＜Ｒ）の円上に配置されている。
【００１６】
大天井部１２は、鉄皮１５の内側（下側）に内壁１６を取り付けた構成になっている。内壁１６の内部には水冷パイプ１７が埋設されており、この水冷パイプ１７に冷却水を流通させることによって大天井部１２全体の温度上昇を防ぐようになっている。
【００１７】
以上のように構成された電気炉１の内部に、スクラップ屑などの金属を含む主原料、および脈石などのスラグ分などを装入し、その状態で、電極１３に図示しない変圧器からの二次電圧を引加する。こうして、電気炉１内に装入した主原料と電極１３との間にアークを発生させて、原料を溶解および溶融することができる。この時、アークの抵抗熱によって電気炉１の内部雰囲気は、たとえば約１０００℃程度の高温となる。そして、特に小天井部１１において電極１３近傍の耐火物は、アークの輻射熱による熱負荷と、前記アークの抵抗熱によって加熱された電気炉１内の雰囲気にて熱せられて、１５００〜２０００℃の高温となるため、消耗が非常に激しい。
【００１８】
このようなアークの発生に伴う従来の小天井部１１の消耗速度比をグラフで示すと、図３のようになる。図３において、横軸は天井２の中心Ｏ（小天井部１１の中心と同じ）からの距離を示しており、先に説明した電極１３は距離ｒの位置に同心円上に配置されている。図３において、縦軸は小天井部１１の各位置における耐火物の消耗速度比を示している。図示の如く、従来の小天井部１１は、距離ｒ付近に位置する電極１３近傍の耐火物は、電極１３から発生するアークの熱負荷を直接受けるため消耗速度が非常に大きい。一方、小天井部１１の中央や周縁は熱負荷が比較的少なく、耐火物の消耗速度は相対的に小さい。特に小天井部１１の周縁は、水冷パイプ１７によって水冷されている大天井部１２の影響を受けるため、耐火物の消耗速度が電極１３近傍に比べてほぼ十分の一程度である。このため、従来の小天井部１１の寿命は電極１３近傍の耐火物の損耗量が律速となり、電極１３近傍以外の部分はほとんど消耗していない状態でも、電極１３近傍の耐火物の消耗量が激しい場合は、小天井部１１全部を交換せざるを得ないこととなっていた。
【００１９】
そこで本発明では、以上のような電気炉１において電極１３に電流を流すことによりアークを発生させるに際し、小天井部１１の電極１３近傍に冷却水やエアーを供給することによって冷却し、小天井部１１全体の延命化をはからんとするものである。図１は、本発明方法を実施するための一例として天井２の上方にエアーと冷却水の両方を供給可能な配管２０を設けた例を示している。この配管２０の基端２０’からは、図示しない適当な供給源からのエアーや冷却水が選択的に供給されるようになっている。配管２０の先端２０”には、図２に示すように、分岐管２１が取り付けられており、これら配管２０の先端２０”と分岐管２１に合計で三箇所にノズル２２が装着されている。これら各ノズル２２も、電極１３と同様に、天井２の中心Ｏ（小天井部１１の中心でもある）の周りに形成される半径ｒ（ｒ＜Ｒ）の円上に配置されている。そして、これら各ノズル２２は三本の電極１３の間にそれぞれ配置されていて、半径ｒの円上で電極１３の間において小天井部１１に冷却水やエアーをそれぞれ供給することができるようになっている。
【００２０】
次に、以上のような構成を備える電気炉１（９０Ｔ電気炉）について、小天井部１１を冷却しながら原料を溶解させる本発明方法の実施例と、小天井部１１を冷却しないで原料を溶解させる比較例を実際に行った。以下、その実施例に基づいて本発明方法を説明する。なお、溶解させた原料は、表１に示す如き配合を有するＳＵＳ３０４系ステンレス鋼である。
【００２１】
【表１】
0003596639.tif 000002
【００２２】
また、原料の溶解は、図４に示すタイミングチャートに従って行った。図４中、上段は、電極１３に通電した電力量の経時的変化を示すタイミングチャートである。中段は、本発明方法の実施例１、２と、比較例における小天井部１１の冷却切換の経時的変化を示すタイミングチャートである。下段は、電気炉１内部の状況変化である炉況シーケンスを経時的に示すタイミングチャートである。本発明方法の実施例１では、小天井部１１の電極１３近傍にノズル２２を介して、小天井部１１の熱によって完全に蒸発する量の冷却水を供給し、水冷のみを行った。また、本発明方法の実施例２では、原料が溶解を開始した時から原料が溶け落ちる時までは、ノズル２２を介して小天井部１１の電極１３近傍にエアーを吹き付けて冷却し、原料が溶け落ちた以後は、ノズル２２を介して小天井部１１の電極１３近傍に小天井部１１の熱によって完全に蒸発する量の冷却水を供給して冷却し、更に、天井を開放して出銑を行った以後は、冷却水の量を増加させて更に小天井部１１の電極１３近傍を冷却した。一方、比較例では、小天井部１１を冷却していない。
【００２３】
小天井部１１の電極１３近傍に冷却水を供給する場合、供給した水が完全に蒸発しきらないと、残った水が炉内に侵入して炉内雰囲気や溶解原料を冷却すると共に、炉内に侵入した水分は水蒸気爆発を起こす心配を生る。そこで、本発明方法の実施例１、２における冷却水の量は、小天井部１１の熱によって完全に蒸発できる量となるように制御した。即ち、小天井部１１に供給する冷却水の量Ｗは、次式（１）の範囲内となるように制御した。
Ｗ  ≦  Ａ×（ｔＯ−ｔ）×η／Ｑ    ・・・    （１）
但し、η：耐火物の熱伝達係数
ｔＯ：冷却開始前の耐火物表面温度
ｔ：冷却後の耐火物表面温度
Ａ：冷却表面積
Ｑ：単位量当たりの冷却水の蒸発に必要な熱量
である。
【００２４】
以上の実施例１、２及び比較例の結果を表２に示す。
【００２５】
【表２】
0003596639.tif 000003
【００２６】
本発明方法にかかる実施例１では、電極１３近傍の耐火物の消耗量が減少し、小天井部１１の耐用時間が延び、寿命が比較例に比べて５０ＣＨも延長した。そして、実施例１において電極１３近傍の耐火物の消耗が進行した使用限界においては、電極１３近傍以外の小天井部１１の中央や周縁においても耐火物が電極１３近傍と同程度消耗していた。また、本発明方法にかかる実施例２では、比較例に対して小天井部１１の寿命が８０ＣＨも延長した。
【００２７】
図５に、実施例１、２において行った各冷却方法と、冷却温度の関係を示す。図中、横軸は各冷却方法を示し、Ａは、本発明方法の実施例２において原料の溶解開始から原料の溶け落ち時の間に行ったエアーの吹き付けによる冷却方法、Ｂは、本発明方法の実施例２において出銑後に行った冷却水量の増加後における冷却方法である。Ｃは、本発明方法の実施例１と、実施例２において原料の溶け落ち時から出銑までの間に行った小天井部１１の熱で完全に蒸発する量の冷却水を供給して冷却する方法である。Ｄは、冷却をしていない比較例を示す。また、縦軸は各冷却方法によって小天井部１１が冷却された温度を比較例（冷却なし）の場合に比較して示している。
【００２８】
図５に示すように、エアーの吹き付けによる冷却を行った場合（Ａ）と冷却水による冷却を行った場合（Ｂ、Ｃ）は、何れも冷却無しの比較例（Ｄ）に比べて−２００〜−４００℃程度小天井部１１を冷却できる。また、実施例２において行ったエアーの吹き付けによる冷却方法（Ａ）は、冷却水の供給による冷却方法（Ｂ、Ｃ）に比べて冷却効果は若干低いものの、電気炉１の天井２に堆積するダストを除去できるといった副次的な効果が得られた。通常、天井２表面にダストが堆積すると、ダストが天井２の断熱作用をもたらし冷却作用が低下する。エアーを吹き付ることによってダストが除去され、冷却効果が向上し、水冷に近い冷却結果が得られた。これは、ステンレス鋼を製造する電気炉のように安全性を重視する操業においては、冷却水による冷却を行うよりもむしろエアー冷却を行った方が安定した操業を行うことができるといった可能性を示唆している。但し、原料の溶け落ち以降は冷却水が炉内に侵入しても、溶鋼表面に落下するので、原料内部に介在した水の体積膨張によってメタルが飛散して生ずる水蒸気爆発等の発生が回避される。従って、原料の溶け落ち以降は、実施例１、２のような、冷却効果の高い冷却水による冷却を行う方が好ましい。更に、天井を開放して出銑を行った以後は、小天井部１１に対する冷却は炉内へ全く影響を与える心配がなくなるので、出銑後は冷却水量を増加させて冷却効果をより一層高めることが好ましい。
【００２９】
図６に、この実施例１、２に使用した電気炉１についての、原料の溶け落ち後における小天井部１１への冷却水の供給流量と蒸発率の関係を示し、図７に、同電気炉１についての原料の溶け落ち後における小天井部１１への冷却水の供給流量と小天井部１１表面の冷却温度の関係を示した。小天井部１１表面の単位面積当たり（１ｃｍ２当たり）約２リットル／ｍｉｎ以下程度であれば、小天井部１１表面に供給した冷却水は完全に蒸発する。しかし、冷却水の供給流量があまり少ないと冷却効果はほとんど得られないことが分かる。
【００３０】
なお、実施例２のように炉況シーケンスに対応させて途中で冷却方法を切り替える場合は、例えば炉体溶解制御装置とエアーや冷却水の供給バルブなどとを連携させ、シーケンス制御を行えば、人手を要せずに冷却操作を行うことができるようになる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、電気炉の小天井部における電極近傍の耐火物の消耗を減少でき、電極近傍以外の耐火物と消耗が同等量となるため、小天井部全体の寿命を延長することができる。これにより、生産能力の向上および製造コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施するための電気炉の縦断面図である。
【図２】電気炉の天井の平面図である。
【図３】アークの発生に伴う従来の小天井部の消耗速度比を示すグラフである。
【図４】本発明方法の実施例のタイミングチャートである。
【図５】各冷却方法と冷却温度の関係を示すグラフである。
【図６】小天井部への冷却水の供給流量と蒸発率の関係を示すグラフである。
【図７】冷却水の供給流量と小天井部表面の冷却温度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１    電気炉
２    天井
１１  小天井部
１３  電極
２０  配管
２２  ノズル
【図１】
0003596639.tif 000004
【図２】
0003596639.tif 000005
【図３】
0003596639.tif 000006
【図４】
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【図５】
0003596639.tif 000008
【図６】
0003596639.tif 000009
【図７】
0003596639.tif 000010