技術資料＞電気製鋼におけるプラントエンジニアリングの発展

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技術資料
Technical Data

電気製鋼におけるプラントエンジニアリングの発展
亀島隆俊＊，堀 秀幸＊，松尾国雄＊Development of Plant Engineering for Electric Furnace
Steel Industry
Takatoshi Kamejima, Hideyuki Hori and Kunio Matsuo
SynopsisElectric furnace steel industry has progressed around one century in Japan. Japanese electric furnace steel industry began
as the government policy for enriching the nation and building up the defenses at the forepart, and has developed as quality
competitive material resources for Japanese leading industries like architecture, automobile, airplane, electronics and others
today. Daido Steel Co., Ltd. established with the newborn cry of Japanese electric furnace steel industry and started as amanufacturer of electric arc furnaces at the same time of steel making start. Since then, Daido has been supplying steel making
plants for worldwide users. In recent years, Daido is supplying total engineering for steel making plants based on electric arc
furnace plant technology integrated with arc furnaces, various refining furnaces and other necessary auxiliary equipment. And
moreover, Daido is expanding into other engineering fields of steel making. In this review, we introduce development of our plantengineering technologies.

1．はじめに我が国で初めて電気炉銑の溶製に成功してから，一世トータルエンジニアリングを供給しており，更に製鉄以外の分野へも鉄鋼設備で培った技術を応用したプラントエンジニアリングを供給している．

紀の歳月が経過しようとしている．富国強兵の国策とし

本稿では，電気炉の製造から始まった当社鉄鋼産業向て始まった我が国の電気製鋼は，幾度の歴史的な転換点

けプラントエンジニアリングの技術的な進歩に注目しなを経過して，現在は土木建築や自動車・航空機およびエがら，各種製鋼設備技術の開発経緯と特徴を紹介する．

レクトロニクスなどに代表される国内主要産業へ，良質で安価な素材を供給するという重責を担う産業へと発展した．
大同特殊鋼㈱（以下当社という）は，我が国電気製鋼

2．電気炉製鋼技術の進歩
我が国の電気炉製鋼の発展過程を Table 1 に示す 1）．の産声とともに誕生し，製鋼業を営んで来たが，電気製1960 年 代 前 半 に 米 国 W. E. Schwabe に よ り UHP

鋼の始まりと時を同じくして電気炉の製造にも着手して（Ultra-High-Power）操業が提唱されてから，国内においおり，国内外のユーザーへ電気炉を中心とした製鋼プラても多くの UHP 炉が実用化され，投入電力量の増大にントを供給して来た．近年では，電気炉設備技術を基盤より目覚ましい生産性向上を実現した．1970 年代にはとした各種精錬炉や製鋼付帯設備を統合して製鋼設備の酸素富化－ C インジェクション操業などの操業技術の2013 年 11 月 6 日受付＊大同特殊鋼㈱機械事業部（Machinery Division, Daido Steel, Co., Ltd.）

電気製鋼 第 84 巻 2 号 2013 年

130Table 1. Advance in electric arc furnace for steelmaking.
1950～

1960～

Topic
Furnacecapacity1970～
Oil crisis

50 t（18.75 MVA）

80 t（25 MVA）

UHP inDr.W.E.Schwabe
UHP proposal

70 t（0.6 MVA/t）

120 t（0.5 MVA/t）

120 t（0.35 MVA/t） 60 t（1 MVA/t）
70 t（0.8 MVA/t）

Furnace body

Roof swing

Top-charging

induction stirring

AC/DC switchingtype of arc furnace
Electrodecontrol
device2000～

Bubble economy

Lehman Shock

150 t DC furnace

160 t ACburst
130 t DC furnace

70 t（20 MVA）

1990～

200 t（40 MVA）

transformer

Structure of

1980～

Amplidynecontrol

Water cooling box
for furnace wall
Three phasebalancing of

Slant electrodewater cooledroof

Auxiliary

80 t（0.9 MVA/t） （1.2 MVA/t）
130 t DC furnace

High impedancefurnace（0.8 MVA/t）

EBTDC furnace

Al conductive arm
Con-steel typeTwin-shell type
Shaft furnacesecondary water-cooled cablePrimary voltage

VVVF vector typeeddy current

Liquid pressureof control

control by SCR

type of control

coupling control

equipment

85 t（0.8 MVA/t） 150 t DC furnace

Continuous

VOD, AOD, LF, etc.

Continuous

DH degassingof arc furnacesteelcasting

RH degassing

Refining outside

casting for special

VCR

Coherent burner

Oil burner
Operation

O2 refining

O2 enrich-C injection
operationLabor saving&Automation

Flux & alloy

feeling system

Optimum power

Automatic

Automatic flux &Automatic

control systemalloy feeding
systemanalyzer

Gas stirring by

Hot metal

Optimum

ARTS

E-adjustⓇ

SKYHOUSEⓇ

Dioxin prevent

INMETCO process（Active filter）

systembottom injection

powering methodcharging

electrodeconnection device
On-line computerfor steelmaking

Environmentalpreservation

Direct evacuation
systemRoof evacuation
systemflicker control

dust collecting
DSM process

技術資料＞電気製鋼におけるプラントエンジニアリングの発展

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進歩に加え，LF に代表される炉外精錬法が開発・普及

750 kWh/t のエネルギーが電気炉へ投入されている．電され，溶解と精錬の機能分離の推進など積極的な技術開気炉の主要熱源は「アーク」つまり電力であるが，酸化発により更なる生産性向上を実現したが，第一次オイル精錬に伴う金属酸化熱や炭素の酸化熱および助燃バーナショックを境に国内鉄鋼業は粗鋼量の拡大期から「質のの燃料燃焼熱など，電力以外のエネルギー投入量が全入追求」への変革期へ移行し，1980 年代には電気炉の超熱量の 5 割に達する例も報告されており，電力原単位の高電力化により顕在化したフリッカー問題対策技術であ

みでは電気炉の熱効率は評価できない．どのエネルギーる直流電気炉や，スラグフリー操業技術である偏心炉底を選択するかは使用する原料や電力事情などの条件を総出鋼式電気炉が実用化された．1990 年代以降は電気炉合的に判断して決定されており，またエネルギー単価な排ガス熱の回収技術である高温スクラップ予熱技術の実どの条件が変化すれば，選択するエネルギーも変更され用化や各種オートメーション化が推進されるのに並行しるのが通常である．電気炉熱収支例の出熱側に着目するて，ダイオキシン対策技術や製鋼副産物のリサイクル技と排ガス損失熱が全体の 33 % 以上を占めており，高温術などが開発・普及され , エネルギー原単位などの操業

スクラップ予熱技術は排ガス損失熱を回収して有効利用諸元の改善のみならず，環境保全を強く意識した製鋼プする点に着目した技術といえる．当社の経験から，入熱ラントが実現されている．にどのエネルギーを選択したかによって出熱の傾向にも次節から現在の電気製鋼技術の傾向として，「高生産影響が及ぶ．例えば炭素の酸化熱や燃料燃焼熱を入熱に性と高品質化」，「オートメーション」，「環境調和」の視多く利用すると，排ガスの発生量が増えるため，出熱に点から各々の特長技術について紹介する．

占める排ガス損失熱の割合が大きくなる．

3.

竪型（シャフト状）の容器にスクラップを充填し，容高生産性と高品質な製品の追求

器下方から高温ガスを導入すると，高温ガスがスクラッ

国内経済とともにめざましい発展を遂げた我が国電気

適なスクラップ充填率が得られれば，ガス顕熱の 30 %プ層内を通風しながら熱伝達され，十分な加熱時間や最炉製鋼の歴史は，高生産性と高品質な製品実現の飽くな以上がスクラップへ伝熱することが報告されている 4）．

き追求の歴史といっても過言では無い．

Fig. 2 にシャフト炉の実施例を示す．電気炉の直上に電気炉の生産性向上は，換言すれば炉容量の拡大と操シャフト状のスクラップ予熱装置が設置されており，電業時間（Tap-Tap 時間）短縮を両立することであり，前気炉からの高温排ガスを直接導入することができる．予述した技術の発展を経て現在に至っている．これまで実熱シャフトにはスクラップを保持するためのフィンガー用化された施策を Table 2 に示す．電気炉生産性向上にと呼ばれる開閉可能な水冷火格子が備えられている．予対する施策は，投入エネルギー増大，非通電時間短縮，熱シャフト内に保持されたスクラップを電極の真下まで炉容量大型化などに大別でき，投入エネルギー増大を実搬送して投入するバッチ装入方式のため，熱源の近くに現する具体的施策として，UHP 操業や酸素富化－ C イ

スクラップを投入でき溶解時のエネルギー効率が良い．

ンジェクション操業が積極的に採用されてきた．近年，Table 3 に本設備の特長を他の予熱装置と比較する．本更なる電気炉の投入エネルギー増大施策として，高温ス例以外にも，予熱シャフトから電気炉の湯溜まりへスククラップ予熱が注目されている．一方，製品の高品質化

ラップを連続切り出しする実施例が報告されており 5）,のために，複合精錬プロセスが実用化されており，これフラットバスの特長である低フリッカー操業が期待できについても解説する．

る.

3. 1 高温スクラップ予熱～シャフト炉～
電気炉は原料スクラップを溶解する過程で高温度の排ガスを発生させるため，排ガス熱の有効活用が模索されてきた．Fig. 1 に電気炉の熱収支例を示す．図中の数

値は溶鋼 1 トンあたりの熱量を示し，単位は kWh/t である．電気炉の熱収支については様々な報告がされているが 2）3），1600 ℃の溶鋼含熱量は 385 kWh/t であることが分かっており，この熱量を得るために，おおよそ倍のTable 2. Layout of productivity improvement measures.

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電気製鋼 第 84 巻 2 号 2013 年

Fig. 1. Heat balance of electric furnace.

技術資料＞電気製鋼におけるプラントエンジニアリングの発展

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電気製鋼 第 84 巻 2 号 2013 年

Fig. 2. Shaft Furnace.

Table 3. Comparison of scrap pre-heater.
Pre-heater system
High temperature(Shaft furnace)
Scrap
chargeBatch charge
Continuous feed

Conventional temperature1). High melting efficiency1). High melting efficiency2). High pre-heat efficiency

2). Conventional pre-heat efficiency1). High pre-heat efficiency1). Conventional pre-heat efficiency

2). Low flicker2). Low flicke

技術資料＞電気製鋼におけるプラントエンジニアリングの発展

3.

2135せることとなった．さらに，溶鋼の温度調節機能を有す複合精錬プロセス

ることから電気炉と連続鋳造機との工程マッチングにも当社はこれまで国内外の製鋼メーカへ様々な精錬プ大きな効果を発揮することとなり，現在では特殊鋼製造ロセスを供給して来た．高級鋼の大量製造プロセスプロセスのみならず，汎用量産鋼種の製造プロセスにもである RH 脱ガス設備，ステンレス大量製造プロセス広く普及した精錬法となった．

品種小ロット特殊鋼製造プロセスである VD（Vacuumスを組み合わせることにより，温度調整機能，スラグ精で あ る AOD（Argon Oxygen Decarburization） 設 備， 多

LF に従来から利用されて来た真空脱ガス精錬プロセDegasser）および VOD（Vacuum Oxygen Decarburization）

錬機能に真空脱ガス機能を加えた，複合精錬プロセスへ設備などである ．これら炉外精錬設備は，当社の操業発展させることが可能である．近年のさらなる品質の高経験に基づき様々な改良が行われており，国内外ユー級化ニーズの高まりにより造船や発電プラント製造業界ザーの製品高品質化の一役を担って来た．近年はこれらの需要家から，鉄鋼製品中の水素を代表とするガス成分精錬プロセスは複数プロセスが組合わされて，鉄鋼製品の低減が求められるようになり，複合精錬プロセスへのの高級化に対応することが多くなった．当社はこれらのニーズが高まっている．Fig. 4 に複合精錬プロセスの実

6）

様々な精錬プロセスを操業し製造する立場にあり，以下施例を示す．電気炉から出鋼された溶鋼は隣接する複合に当社が開発した精錬プロセスと従来プロセスとの複合精錬プロセスへ搬送される．この複合精錬プロセスは除プロセスの発展経緯を示す．

滓設備と LF および真空脱ガス設備が一つの溶鋼搬送ラ

電気炉製鋼における精錬プロセスは当社が開発したLF（Ladle Furnace） の 出 現 に よ り7）

大 き く 変 化 し た．

Fig. 3 に LF の機能概要を示す．炉外精錬プロセスであインで結ばれる構成となっており，LFV（Ladle Furnaceand Vacuum degasser）と呼ばれる．LF での精錬後に真空脱ガス処理が可能となり，必要に応じて真空脱ガス処理る LF は単に製品品質の高級化対応を可能にしたばかり後の溶鋼再加熱も簡便なシステムであるため，次工程ででなく，電気炉をスクラップ溶解と酸化精錬に機能特化ある鋳造工程とのマッチングも良く，国内外の多くの電することを可能とし，電気炉の生産性を飛躍的に向上さ気炉工場で実用化されている．Table 4 に本設備の主要スペックを示す．

Fig. 3. Construction and functions of LF.

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電気製鋼 第 84 巻 2 号 2013 年

Fig. 4. Combined refining system.
Table 4. Specification of LFV.
LF phase
Treatment capacity

60 tonTreatment time

25 min.

Tr. capacity

12 MVA

Secondary current

28 kA

Electrode diameter

14 inchRoof typeSpray cooled

VD phase
Treatment capacity

60 tonTreatment time

30 min.

Vacuum exhaust equipment

Steam ejector withmechanical pump

Ultimate pressure

Below 13.3 Pa

Extraction rate

250 kg/hr.

4．オートメーション

年代には電気炉の電力制御を炉期にあわせて最適に自動制御する操業支援コンピュータ設備 DAIDO･ARMS Ⓡ

近年の電気炉製鋼向けプラントエンジニアリングにお（Automatic Rapid Melting System）の供給を開始し，そのける自動制御技術の発展は目覚ましい．当社はこれまで後も様々な自動化設備を開発して来た．本章では電気製自社の操業経験に基づく操業支援システムを長年にわ

鋼向けオートメーションについて当社の特徴技術を解説たり国内外の電気炉製鋼メーカへ供給して来た．1970

する．

技術資料＞電気製鋼におけるプラントエンジニアリングの発展

4.

1スクラップ自動配合システム

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スクラップ搬送バケットのハンドリングなど，全てオペレーターによる操作に依存していた．また国内電気炉製

近年の電気炉製鋼は受注状況から立案された生産計画

鋼メーカは諸外国に比較して割高な電気料金のハンディに基づく工程設計がなされており，原料スクラップの供を最小化すべく，深夜料金を活用するために平日は夜間給から溶解精錬および鋳造圧延に至る各生産工程が効率操業が常態化しているので，電気炉へ原料を供給し続け的に進捗する様にコンピュータ管理されている場合が多る原料スクラップの配合作業も，夜間の交代勤務を強いい．

られる状況であった．

当社はこうした製鋼工程の管理コンピュータシステムも国内外へ供給しているが，原料スクラップの配合作業

当社は製鋼原料スクラップの自動配合システム ARTS

（Automatic Receiving and Transferring System of Scrap）を

は電気炉製鋼の工程では最も上流側に位置する工程で，開発し 8），スクラップ配合作業の完全無人化に成功した

これまでは生産計画に基づく原料配合レシピの作成，配ので概要を解説する．

合レシピに基づくスクラップ配合作業および配合後のFig. 5 にスクラップ配合フローを示す．

Fig. 5. Flow of automatic scrap mixture.

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電気製鋼 第 84 巻 2 号 2013 年

スクラップヤード内にはリフティングマグネットを装副産物が発生し，一部は再利用可能であるが，一部は再備した搬送クレーンと配合スクラップを集積する自動払利用できずに埋め立てなどにより廃棄されている．しか出機能をもった配合ホッパが設置されている．ARTS でしながら近年の環境保護意識の高まりから，副産物の廃はスクラップ受入時や積み替え時の実績値からヤード内棄は徐々に困難になってきており，副産物の有効利用のスクラップの在庫データを自動更新しており，ヤードニーズが高まっている．当社はこれまでも電気炉製鋼工内に保管されている原料スクラップの保管場所，在庫場向けダイオキシン対策集塵設備や電気炉ダストリサイ量，積載高さ，種類などのデータが常に最新の状態になクル設備，電気炉の技術を応用した都市ごみの焼却灰溶る様に保たれている．上位コンピュータから ARTS に配融設備 9） などを実用化してきており，環境調和型のプ合計画が送信されると，計画に従って搬送クレーンに指ラントエンジニアリングの実現に挑んできたが，ここで令を出力し自動配合を行う．ARTS から搬送クレーンへ

はステンレスの副産物リサイクルシステムについて述べは，配合対象原料の平面および高さの位置座標データ，る．

原料スクラップの吸着量，配合先である配合ホッパの位置座標データなどが自動算出されながら次々と出力され

5.

1

INMETCOプロセス

精度の高い配合作業を実行する．配合スクラップの搬送

INMETCO プロセスは，米国 INMETCO 社が保有するにはリフティングマグネットを利用しているが，配合回転床炉を利用した廃棄物リサイクル技術「INMETCO計画を精度よく実現するために ARTS は原料スクラップ法」を具現化したプロセスである．当社は 1996 年にの種類（Type）毎にリフティングマグネットの励磁電圧INMETCO 法を技術導入し，ステンレス製鋼プロセスかレベルによる吸着量をデータテーブルとして保持していら発生する副産物のリサイクルプロセスとして実用化にる．Table 5 にスクラップ種類毎の励磁電圧レベルとス成功した．Fig. 6 に INMETCO プロセスのフローを示す．

クラップ吸着量のデータテーブル例を示す．搬送クレー

INMETCO プロセスは，原料の受入，貯蔵および造粒とンで運ばれたスクラップ重量は配合ホッパで秤量され，いった前処理，回転床炉（RHF）を用いた直接還元，サ秤量実績値と配合計画値との差を算出して次のスクラッブマージアーク炉（SAF）を用いた溶融還元の 3 段階でプ吸着励磁電圧レベルを決定する．このきめ細かな制御構成される．プロセスの原料となる金属酸化物は，ステによりオペレータのクレーン操作による配合実績と遜色ンレス製鋼プロセスから発生する電気炉ダストや精錬炉ない精度を自動配合によって確保することができた．

ダスト，ミルスケール，酸洗スラッジなどの製鋼副産物

Table 5. Scrap absorption weight table depended on
scrap type and activation voltage level.

type

るカーボン粉とある定められた比率で混練された後に造粒されてペレットとなる．次にペレットは RHF の炉床

Activation voltage levelScrapである．これらは乾燥粉砕後に貯蔵されて，還元材とな上に 1 ～ 2 層の厚みで敷き詰められ，炉床が 1 回転する

54321A

200 kg

800 kg1400 kg1700 kg

2200 kg

まれる亜鉛や鉛などの重金属類は RHF 内で還元されてB

300 kg

500 kg1000 kg

1900 kg

2500 kg

ペレットから蒸発分離し，再酸化後排ガス処理系のバグ

C

300 kg

400 kg

800 kg1200 kg1700 kg

フィルタで酸化金属粉として収集される．これは亜鉛精D

200 kg

800 kg1400 kg1700 kg

2200 kg

製工程の原料として再利用される．RHF で還元されたE

300 kg

400 kg

500 kg1700 kg

2800 kg

F300 kg

600 kg1500 kg

2300 kg

2800 kg

G1500 kg

2300 kg

3600 kg

4300 kg

5100 kg

H300 kg

400 kg1100 kg

1500 kg

2400 kg

I200 kg

800 kg1700 kg

2200 kg

2600 kg

5.

環境調和

製鋼プロセスではダスト，スケール，スラッジなどの間に加熱還元されて還元鉄となる．同時にペレットに含ペレットは SAF 内に還元材となるコークス塊とあわせて投入され溶融還元される．ここではステンレス製鋼プロセスから発生する酸化 Cr を還元し，溶融状態のメタルとスラグを比重分離して炉外へ排出する．Table 6 に当社実施プラントの金属還元率を示す．鉄，ニッケル，クロームの各々が高い金属還元率を示している．また，SAF から排出されるスラグは米国環境保護庁（EPA）のTCLP（Toxicity Characteristic Leaching Procedure）法による重金属溶出規制値を満足しており路盤材などに再利用されている 10）．

技術資料＞電気製鋼におけるプラントエンジニアリングの発展

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Fig. 6. Flow and equipments layout of INMETCO process.
Table 6. Recovery rate of metals.
Recovery rate[mass%]6.

FeNiCr

95

95

86

おわりに

電気製鋼の始まりとともに歩み始めた当社のプラントエンジニアリングは，時代のニーズに常に応えるべくこれまで様々な新技術の開発と実用化に挑み続けて来た．
特に製鋼技術は操業技術と設備技術の高度な融合を求められる分野であり，操業と設備製造の両分野に立つ当社の責務は今後も大きくなるであろう．今回解説した「高生産性と高品質」「オートメーション」「環境調和」はプ
ラントエンジニアリングの視点から今後とも当社が力点を置くべきテーマであると考えており，当社が電気製鋼の更なる発展に少しでも貢献できる様に継続努力した
い．

（文献）

1）畠山卓三：電気製鋼，70（1999），17．

2）A. Fleischanderlら：METEC INSTEELCON，（2011），Session13．

3）福代和宏ら：空気調和・衛生工学会論文集，No.164（2010）．
4）本庄則夫ら：電気製鋼，68（1997），13．
5）JFE技報，No. 3，2004，67

6）小野清雄：電気製鋼，50（1979），145．

7）矢島忠正：日本金属学会会報 Vol.30，No.12，（1991），1010．

8）亀島隆俊ら：電気製鋼，71（2000），243．
9）後藤和之ら：電気製鋼，50（1979），280．

10）松井宏司ら：電気製鋼，80（2009），199．