(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクラップを充填貯留して予熱する予熱槽と、
前記スクラップを溶解する炉体と、
前記予熱槽と前記炉体とに接続され、前記予熱槽に貯留された前記スクラップを前記炉体に供給するとともに、前記炉体からの排ガスを前記予熱槽に導くスクラップ供給通路と、
を備えた溶解炉であって、
前記予熱槽に接続された排気系と、
前記排気系に介装され、前記排ガスの流量を可変させる排気流量調整手段と、
前記スクラップ供給通路に設けられた第１のガス分析手段と、
前記排気系に設けられた第２のガス分析手段と、
前記第１のガス分析手段により計測された前記予熱槽に流入するガスの酸素濃度と、前記第２のガス分析手段により計測された前記予熱槽から排出されるガスの酸素濃度とに基づいて算出された排気流量となるように前記排気流量調整手段を制御する制御手段と、
を備えたことを 特徴とする溶解炉。
【請求項２】
圧力計測手段により計測された圧力値とあらかじめ決められた値とを比較することにより、スクラップ供給通路にスクラップが詰まったことを検知し、警報又はスクラップの供給停止の動作を行うことを特徴とする請求項１記載の溶解炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予熱槽を備え、スクラップ等を溶解して製鋼する溶解炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車部品の廃材や空き缶等のスクラップ（原料）を高熱で溶解するのに製鋼用アーク炉が用いられている。このような製鋼用アーク炉においては、装入するスクラップを予熱槽で高温に予熱しておくことが電力消費量を少なくする上で有利である。
【０００３】
図４は、従来の密閉式製鋼用アーク炉の要部の断面図を示したものであり、符号２は予熱槽、３はスロート部（スクラップ供給通路）、４は炉体である。
予熱槽２には、投入前のスクラップ単独又は還元鉄であるＨＢＩ（hot briquet iron）とを適当比（１：８０〜５０：５０）で混合させたスクラップ混合物１が貯留される。なお、スクラップにあらかじめＨＢＩを混入させるのは、炉体４により製鋼される鉄の不純物の存在比を相対的に減少させるためである。予熱槽２の底部には、貯留されたスクラップ混合物１をスロート部３に押し出すための進退可能な押出装置１１が設けられている。
【０００４】
スロート部３は、その上端が予熱槽２の底部側面に接続されるとともに、その下端が炉体４の頂部に設けられたスクラップ投入口１４に接続されて、スクラップ混合物１の供給通路を形成する。スロート部３の内側上部には、予熱槽２から押し出されたスクラップとＨＢＩを一次的に滞留させる水平な受台部３ａが形成され、さらに受台部３ａの上のスクラップ混合物１を押し出して炉体４の内部へ装入させる押出装置１２が設けられている。
【０００５】
炉体４は、炉底に設けられた底部電極（陽極）１３と、スクラップ投入口１４を挟んで炉蓋４ａを貫通して取り付けられた１本又は２本の上部電極（陰極）１５，１５とを備えている。また、炉体４には、一次燃焼用の吹込ランス１６を炉蓋４ａを貫通させて配置し、Ｃ、Ｏ2を溶鋼１８中に吹き込めるように構成されている。さらに、炉体４の側壁部には二次燃焼用のエアー供給管１７が接続され、炉体４内にエアーを送り込んで二次燃焼を行わせるように構成されている。
【０００６】
このように構成された製鋼用アーク炉の運転方法について概説する。まず、押出装置１１により予熱槽２から予熱されたスクラップ混合物１を受台部３ａに押し出し、さらに、押出装置１２によりスクラップ混合物１をこの受台部３ａから押し出して炉体４内に供給する。炉体４内では底部電極１３と上部電極１５，１５の間に電圧を印加してアーク放電させることにより、スクラップ混合物１を加熱して溶解させる。これにより溶鋼１８が炉体４の底部の貯留される。
【０００７】
また、この溶鋼１８中に吹込ランス１６によりＣ、Ｏ2を吹き込んで一次燃焼させることによりＣ＋１／２Ｏ2→ＣＯの反応を行わせて発熱させる。さらに、炉体４内の雰囲気中にエアー供給管１７を通してエアーを送給して二次燃焼させるようにし、これによりＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2の反応を行わせてさらなる発熱を得るようにしている。このようにして得られた高温の顕熱を有した排ガスはスロート部３を通して予熱槽２に流れ込み、投入前のスクラップ混合物１を予熱する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の製鋼用アーク炉では、炉体４内の圧力が高まった場合は電極貫通部などからガスや粉塵が吹き出して作業環境を悪化させる。一方、炉体４内の圧力を下げるべく必要以上に排気ブースターファンの回転数を上昇させると、電力消費量が増大するという欠点があった。
【０００９】
また、予熱槽２の上部開口２ａは蓋９によって閉じられているが、排気ブースターファンを高速回転で運転した場合は、予熱槽２の上部開口２ａと蓋９との隙間からの空気の漏入量が増大する。
【００１０】
さらに、炉体４内で一次燃焼による発生するＣＯが急激に増大した場合、エアー供給管１７を通じて供給されるエアーが不足するため二次燃焼が十分に行われず、排気管から大量のＣＯが排出されるという欠点もあった。また、スクラップの形状によりスクラップ供給通路であるスロート部３にスクラップが詰まったのを知らずに運転を続けてしまうおそれがあるという欠点もあった。
【００１１】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、炉体内の圧力を適正に制御して、排ガスを適切に排出できる溶解炉を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、第１の発明においては、スクラップを充填貯留して予熱する予熱槽と、前記スクラップを溶解する炉体と、前記予熱槽と前記炉体とに接続され、前記予熱槽に貯留された前記スクラップを前記炉体に供給するとともに、前記炉体からの排ガスを前記予熱槽に導くスクラップ供給通路と、を備えた溶解炉であって、前記予熱槽に接続された排気系と、前記排気系に介装され、前記排ガスの流量を可変させる排気流量調整手段と、前記スクラップ供給通路又は前記炉体に設けられた圧力計測手段と、前記圧力計測手段により計測された前記炉体内の圧力値が所定値となるように排気流量を調整する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この発明においては、予熱槽から予熱されたスクラップ等がスクラップ供給通路を通じて炉体内に供給され、炉体内で高熱により溶解して製鋼される。同時に、炉体内の圧力が圧力計測手段によって検出され、この検出値は制御手段に入力される。
【００１４】
この圧力値が設定値を超えていたときときは、制御手段が排気流量を調整して炉体内の圧力を下げる。一方、計測された圧力値が設定値より低い場合には、制御手段が排気流量を調整して、炉体内の圧力を上昇させる。このようにして、炉体内の圧力が最適値に維持される。
【００１５】
第２の発明は、上記第１の発明において、前記炉体に接続され、二次燃焼用のエアーを供給するエアー供給系を備え、前記制御手段が前記圧力計測手段により計測された圧力値に基づいて前記エアー供給系からのエアー供給量を調整することを特徴とする。
【００１６】
運転中に炉体内でのＣＯの発生量が増加すると、炉体内の圧力が上昇することになる。したがって、炉体内の圧力が所定値を超えたとき、制御手段はエアー供給量を増大させる。これにより、排ガスを完全に燃焼させてＣＯの発生を抑えることができる。
【００１７】
第３の発明においては、スクラップを充填貯留して予熱する予熱槽と、前記スクラップを溶解する炉体と、前記予熱槽と前記炉体とに接続され、前記予熱槽に貯留された前記スクラップを前記炉体に供給するとともに、前記炉体からの排ガスを前記予熱槽に導くスクラップ供給通路と、を備えた溶解炉であって、前記予熱槽に接続された排気系と、前記排気系に介装され、前記排ガスの流量を可変させる排気流量調整手段と、前記スクラップ供給通路に設けられた第１のガス分析手段と、前記排気系に設けられた第２のガス分析手段と、前記第１のガス分析手段により計測された前記予熱槽に流入するガスの酸素濃度と、前記第２のガス分析手段により計測された前記予熱槽から排出されるガスの酸素濃度とに基づいて、前記炉体内の圧力が所定値となるように前記排気系の排気流量を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
この発明においては、予熱槽から予熱されたスクラップ等がスクラップ供給通路を通じて炉体内に供給され、炉体内で高熱により溶解して製鋼される。同時に、予熱槽に流入するガスの酸素濃度と予熱槽から排出されるガスの酸素濃度が第１及び第２のガス分析手段によって計測され、これら計測値は制御手段に入力される。制御手段は、これら計測値に基づいて炉体内の圧力を最適値に維持するために必要な排気風量を算出する。そして、算出された排気風量に基づいて排気流量調整手段を制御し、炉体内の圧力が最適値に維持される。
【００１９】
第４の発明は、上記第１〜第３のいずれかの発明において、圧力計測手段により計測された圧力値とあらかじめ決められた値とを比較することにより、スクラップ供給通路にスクラップが詰まったことを検知し、警報又はスクラップの供給停止の動作を行うことを特徴とする。この発明によれば、スクラップが詰まった場合の操業を速やかに停止して、操業効率を上げることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
続いて、本発明に係る溶解炉の第１の実施の形態について図１を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明中、従来の技術で示した図４と共通する部分については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す概略図である。本発明に係る溶解炉である製鋼用アーク炉では、図１に示すように、排ガスを排出する排気管（排気系）３１と、二次燃焼用のエアーを供給するエアー供給管（エアー供給系）４１とを備えている。
【００２２】
排気管３１は、その吸入側が予熱槽２の上部に接続され、吸入側から順に、排ガスの流量を調整する排気流量調整バルブ３４と、排ガスを強制的に排出する流量可変型の排気ブースターファン３３とが介装されている。排気流量調整バルブ３４と排気ブースターファン３３は排気流量調整手段を構成し、後述する制御手段５３によってその動作が制御される。
【００２３】
エアー供給管４１には、炉体４の側面に接続され、吸入側から順に、エアーを送給する流量可変型の二次燃焼空気ファン４３と、エアーの流量を調整する二次燃焼空気流量調整バルブ４４とが介装されている。この二次燃焼空気ファン４３と二次燃焼空気流量調整バルブ４４は、後述する制御手段５３によってその動作が制御される。
【００２４】
また、この製鋼用アーク炉は、スロート部３に設けられた圧力センサ（圧力計測手段）５１と、各動作の制御を行う手段５３を備えている。制御手段５３には、圧力センサ５１の検出値が入力されるとともに、上述した流量調整バルブ３４，４４、ブースターファン３３及び二次燃焼空気ファン４３に制御信号を出力するように接続されている。
【００２５】
以上のように構成された製鋼用アーク炉の運転方法について説明する。なお、運転開始前に制御手段５３に所望する炉体４内の圧力値を入力しておく。
まず、押出装置１１により予熱槽２から予熱されたスクラップとＨＢＩのスクラップ混合物１をスロート部３に押し出し、さらに、押出装置１２によりスクラップ混合物１を押し出して炉体４内に供給する。炉体４内では底部電極と上部電極１５，１５との間に電圧を印加してアーク放電させ、スクラップ混合物１を加熱し溶解させる。これにより溶鋼１８が炉体４の底部に貯留される。
【００２６】
また、この溶鋼１８中に吹込ランス１６によりＣ、Ｏ2を吹き込んで一次燃焼させることによりＣ＋１／２Ｏ2→ＣＯの反応を行わせて発熱させる。さらに、炉体４内の雰囲気中にエアー供給管４１を通してエアーを送給して二次燃焼させるようにし、これによりＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2の反応を行わせてさらなる発熱を得る。このようにして得られた高温の顕熱を有する排ガスはスロート部３を通して予熱槽２に流れ込み、投入前のスクラップ混合物１を予熱する。
【００２７】
この動作中において、圧力センサ５１により炉体４内の圧力を継続して又は一定時間毎に計測され、その圧力値は制御手段５３に入力される。制御手段５３は、この計測圧力値と設定圧力値とを比較し、その結果により以下のように動作を制御する。
【００２８】
炉体４内の圧力が設定値を超えていたときは、制御手段５３は排気ブースターファン３３のファン回転数と排気流量調整バルブ３４の開度を調整して、排気風量を増大させる。これにより、炉体４内の圧力が低下する。
【００２９】
一方、炉体４内の圧力が設定値以下であったときは、制御手段５３は排気ブースターファン３３のファン回転数と排気流量調整バルブ３４の開度を調整して、排気風量を低下させる。これにより、炉体４内の圧力が増大する。
【００３０】
このように、制御手段５３によって炉体４内の圧力が設定値に維持され、炉内圧の急上昇によるガスや粉塵等の吹き出しが防止される。また、排気ブースターファン３３の回転数を必要以上に上昇させないので、電力消費量が節約される。さらに、予熱槽２に漏入する空気量を最小限に抑えられるので、スクラップ混合物１が酸化されず、スロート部３で詰まってしまうような事態が防止される。また、圧力センサ５１で検出された圧力値と既定値とを比較して、スロート部３にスクラップが詰まったと判断された場合は、制御手段５３により警報又はスクラップの供給停止の動作を行ってもよい。
【００３１】
また、炉体４内でのＣＯの発生量が増加すると、炉体４内の圧力が上昇することになるが、圧力センサ５１によりこれを検出した制御手段５３は二次燃焼空気ファン４３のファン回転数と二次燃焼空気流量調整バルブ４４の開度を調整して、エアーの供給量を増大させる。これにより、炉体４内ではＣＯ＋１／２2→ＣＯ2の反応が促進され、排ガスが完全に燃焼させられてＣＯの発生が抑制される。
【００３２】
続いて、本発明に係る溶解炉の第２の実施の形態について図２を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明中、従来の技術で示した図４と共通する部分については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３３】
図２は、本発明の第２の実施の形態を示す概略図である。本発明に係る溶解炉である製鋼用アーク炉では、図２に示すように、排ガスを排出する排気管（排気系）６１を備えている。
【００３４】
排気管６１は、その吸入側が予熱槽２の上部に接続され、吸入側から順に、排ガスの酸素濃度を計測するガス分析計６２と、開閉バルブ６３と、排ガスの流速を計測するピトー管６４と、排気流量調整バルブ６５と、流量可変型の排気ブースターファン６６とが介装されている。排気流量調整バルブ６５と排気ブースターファン６６は排気流量調整手段を構成し、後述する制御手段７３によってその動作が制御される。
【００３５】
また、この製鋼用アーク炉は、スロート部３に設けられた圧力センサ（圧力計測手段）７１とガス分析計（ガス分析手段）７２と、各動作の制御を行う制御手段７３を備えている。制御手段７３には、ガス分析計６２，７２により計測されたガスの酸素濃度と圧力センサ７１により計測された圧力値が入力されるとともに、上述した排気流量調整バルブ６５とブースターファン６６に制御信号を出力するように接続されている。なお、炉体４には、二次燃焼用のエアーを供給するエアー供給管８１が接続されている。
【００３６】
以上のように構成された製鋼用アーク炉の運転方法について図２及び図３を参照して説明する。この製鋼用アーク炉における運転は、下式（１）〜（３）に基づいて制御される。
【００３７】
ＱO×ＧPO＝ＱF×ＧFO＋ＱL2×２１                  ・・・（１）
ＱO＝ＱF＋ＱL2                                    ・・・（２）
ＱL1＝Ｋ×（−ＰF）1/2                            ・・・（３）
ＱO  ：排気風量（Ｎｍ3／ｍｉｎ．）
ＧPO ：予熱槽排出側の酸素濃度（％）
ＧFO ：予熱槽流入側の酸素濃度（％）
ＱF  ：予熱槽流入ガス量（Ｎｍ3／ｍｉｎ．）
ＱL1 ：炉内供給エアー量（Ｎｍ3／ｍｉｎ．）
ＱL2 ：予熱槽漏入エアー量（Ｎｍ3／ｍｉｎ．）
ＰF  ：炉圧（ｍｍＡｇ）
Ｋ   ：係数（Ｎｍ3／ｍｉｎ．・（ｍｍＡｇ）1/2）
【００３８】
なお、（１）式と（２）式において、予熱槽漏入エアー量ＱL2は、予熱槽２の開口２ａと蓋９（図４）との隙間等から漏入するエアーの量を意味する。また、（１）では、予熱槽に漏入する外気の酸素濃度を０．２１％として示す。なお、（３）式に代入される炉圧ＰFは負圧である。
【００３９】
まず、運転開始前に制御手段７３に所望する炉体４内の圧力値ＰFを入力する（ステップ１０１）。続いて、製鋼用アーク炉の運転が開始され、圧力センサ７１により設定炉圧ＰFとなったことが検出されたときに、制御手段７３はガス分析計６２，７２から予熱槽排出側の酸素濃度ＧPOと予熱槽流入側の酸素濃度ＧFOをそれぞれ取得する。また、ピトー管６４から排気管６１の排気流量ＱOを取得する（ステップ１０２）。
【００４０】
そして、各計測値ＧPO，ＧFO，ＱOに基づいて（１）式と（２）式から予熱槽２にスロート部３を通じて流入する予熱槽流入ガス量ＱFと、予熱槽２にスロート部３以外の経路を通じて流入する予熱槽漏入エアー量ＱL2とを算出する（ステップ１０３）。また、炉圧ＰFに基づいて（３）式から炉内供給エアー量ＱL1を算出する（ステップ１０４）。制御手段７３は算出した値ＱL1，ＱL2をその炉圧ＰFにおける定数として確定する（ステップ１０５）。
【００４１】
続いて、ステップ１０６以降は炉圧ＰFを一定に維持するための動作となる。すなわち、制御手段７３は、ガス分析計６２，７２から予熱槽排出側の酸素濃度ＧPOと予熱槽流入側の酸素濃度ＧFOをそれぞれ取得する（ステップ１０６）。これら計測値に基づいて（１）式と（２）式により必要な排気流量ＱOを算出する（ステップ１０７）。そして、この排気流量ＱOとなるように、ブースターファン６６の回転数と排気流量調整バルブ６５の開度を調整する（ステップ１０８）。ステップ１０６〜１０８は制御手段７３に停止信号が入力されるまで継続される（ステップ１０９）。
【００４２】
このようにして、制御手段７３によって炉体４内の圧力が設定値に維持され、炉内圧の急上昇によるガス等の吹き出しが防止される。また、排気ブースターファン６６の回転数を必要以上に上昇させないので、電力消費量が節約される。さらに、予熱槽２に漏入する空気量を最小限に抑えられるので、スクラップ混合物１が酸化されず、スロート部３で詰まってしまうような事態が防止される。また、圧力センサ５１で検出された圧力値と既定値とを比較して、スロート部３にスクラップが詰まったと判断された場合は、制御手段５３により警報又はスクラップの供給停止の動作を行ってもよい。
【００４３】
なお、第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様に炉体４内でのＣＯの発生量の増加に対応して、エアーの供給量を増大させるように制御してもよい。また、上述した２つの実施の形態では、製鋼用アーク炉を対象として説明したが、高周波炉、電子ビーム炉等の電気炉やガス加熱による溶解炉にも適用してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の溶解炉によれば以下の効果を得ることができる。第１の発明によれば、炉体内の圧力が設定値に維持されるので、圧力の急上昇によるガスや粉塵等の吹き出しが防止される。また、ブースターファンの回転数を必要以上に上昇させないので、電力消費量が節約される。さらに、予熱槽に漏入する空気量を最小限に抑えられるので、スクラップ等が酸化されず、スクラップ供給通路で詰まってしまうような事態が防止される。
【００４５】
第２の発明によれば、炉体内でのＣＯの発生量が増加するとエアーの供給量を増大させるので、排ガスを完全に燃焼させることができる。
【００４６】
第３の発明によれば、炉体内の圧力が設定値に維持されるので、圧力の急上昇によるガスや粉塵等の吹き出しが防止される。また、ブースターファンの回転数を必要以上に上昇させないので、電力消費量が節約される。さらに、予熱槽に漏入する空気量を最小限に抑えられるので、スクラップ等が酸化されず、スクラップ供給通路で詰まってしまうような事態が防止される。
【００４７】
第４の発明によれば、事前にスクラップのつまりが検知でき、スクラップが完全に詰まってしまうことにより操業ができなくなる前に対処できるので、操業効率を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を製鋼用アーク炉に適用した場合の第１の実施の形態を示す概略図である。
【図２】  本発明を製鋼用アーク炉に適用した場合の第２の実施の形態を示す概略図である。
【図３】  第２の実施の形態における制御方法を示すフローチャートである。
【図４】  従来の製鋼用アーク炉を示す断面図である。
【符号の説明】
１  スクラップ混合物
２  予熱槽
３  スロート部
４  炉体
３１，６１  排気管
３３，６６  排気ブースターファン
３４，４４  排気流量調整バルブ
４３  二次燃焼空気ファン
４４  二次燃焼空気流量調整バルブ
５１，７１  圧力計
５３，７３  制御手段
６２，７２  ガス分析計
【図１】
0004122539.tif 000002
【図２】
0004122539.tif 000003
【図３】
0004122539.tif 000004
【図４】
0004122539.tif 000005