JPH10189236A

JPH10189236A - 交流直流併用アーク炉及びその操業方法

Info

Publication number: JPH10189236A
Application number: JP8347108A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Suzuki; 健史鈴木; Osamu Kirihara; 理桐原; San Nakato; 參中戸; Kenichi Tanmachi; 健一反町
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1996-12-26
Filing date: 1996-12-26
Publication date: 1998-07-21

Abstract

(57)【要約】【課題】交流アーク炉及び直流アーク炉の利点を最大
限に活用するとともに、不具合を有利に解決して、効率
の良い操業を行う。【解決手段】複数本の上部電極３及び炉底電極１をそ
なえるアーク炉であって、これらの電極と電気設備の二
次側変圧器５との間にスイッチ６を介して整流装置７を
並列に設け、このスイッチ６の切り換えで交流電力及び
直流電力のいずれか一方を供給可能にした交流直流併用
アーク炉。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、アーク炉に関
し、特に交流、直流を操業中に切り換えることを可能に
して、両者のもつ利点を最大限に引き出し、ひいては効
率のよい操業を可能とするアーク炉に関するものであ
り、例えば製鋼用アーク炉として用いて有利である。

【０００２】

【従来の技術】製鋼用アーク炉は、電源に交流を用いる
交流アーク炉と、直流を用いる直流アーク炉とに大別さ
れる。このうち、交流アーク炉は、従来より多く用いら
れている炉であり、大容量化やＵＨＰ操業などの技術導
入がなされてきた。しかしながら、i)フリッカが大であ
る、ii) 各相のリアクタンスの差異、電力の不平衡及び
各相アーク電流相互間に働く電磁力等により、電極近接
部の炉壁が溶損する、いわゆるホットスポットが生じる
一方、スクラップの溶解が進行し難いコールドスポット
が生じる、iii)装入原料の崩落等によりアーク切れを生
じたときには、作業員が再点弧を手動で行わなければな
らない等という問題がある。

【０００３】一方、直流アーク炉は、炉上の可動電極を
負極とし、炉底に正の電極を持つ炉体構造を持ち、サイ
リスタ整流器を用いた直流変換装置によって電力を供給
する形式の炉であり、可動電極の自動昇降によるアーク
電圧制御に加えて、サイリスタ整流器によるアーク電流
の高速制御によってアークの制御特性が向上し、大きな
フリッカ低減効果が得られるとともに、ノートリップ操
業が可能である。しかし、この直流アーク炉は、炉底に
電極を有することから、炉底電極およびその周辺の耐火
物の溶損が大きい。さらに、点弧時の導通性を確保する
ためにホットヒール（前チャージの溶鋼）を残す必要が
あることから、ホットヒール量，組成が次チャージの精
錬特性のばらつきの原因となるという問題もある。一
方、直流アーク炉は、交流アーク炉よりもアーク長が長
いために溶解期の伝熱効率は高いが精錬期の伝熱効率が
少なく、また、精錬期にアークの偏向による炉壁アタッ
クにより耐火物が損耗するおそれがあるという問題もあ
る。

【０００４】このように、交流アーク炉、直流アーク炉
は、互いに相反する利点及び不具合を有しているため、
交流アーク炉、直流アーク炉のいずれも、残されたこれ
らの問題を解決するための技術開発が盛んに行われてい
るが、全ての面で満足できるアーク炉は得られていない
のが現状である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明の第
１の目的は、かかる交流アーク炉及び直流アーク炉の利
点を最大限に活用するとともに、不具合を有利に解決し
て、効率の良い操業を行うことのできるアーク炉を提案
することにある。

【０００６】また、アーク炉の操業に当たり、トランプ
エレメントの希釈のため、必要に応じて還元鉄を主原料
の一部として用いる。従来、還元鉄は他のスクラップと
一緒にスクラップバスケットに装入され、このスクラッ
プバスケットから炉内へ、他のスクラップと共に一括装
入されていた。ところが、この還元鉄は他のスクラップ
に比べて形状が均一なため、炉内に一括装入した際、か
さ密度が高くなり、融着、大塊化し易い。このため、還
元鉄の溶け残りを生じることがあった。また、還元鉄は
Ｃ含有量が１〜２％と高いために溶解進行時には突沸を
生じやすかった。

【０００７】加えて、生石灰、ドロマイト等の副原料
は、スクラップ装入直前又は直後に炉上より一括投入す
るか、スクラップバスケットからスクラップと共に装入
していた。しかし、これらの方法では、投入した副原料
がスクラップ内に堆積し、精錬期以降から融解するとい
う問題や、スクラップの存在により、副原料が落下する
ペースが限られるため、副原料が大塊化し、滓化遅れが
生じる等の問題があった。

【０００８】そこで、この発明の第２の目的は、還元鉄
や副原料を、大塊化などの問題を生じることなしに炉内
に装入することを可能とするアーク炉を提案することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明のアーク炉は、
複数本の上部電極及び炉底電極をそなえるアーク炉であ
って、これらの電極と電気設備の二次側変圧器との間に
スイッチを介して整流装置を並列に設け、このスイッチ
の切り換えで交流電力及び直流電力のいずれか一方を供
給可能にしたことを特徴とする交流直流併用アーク炉及
び、複数本の上部電極及び炉底電極をそなえるアーク炉
であって、これらの電極と電気設備の二次側変圧器との
間にコンバータ及びインバータを設け、交流電力及び直
流電力のいずれか一方を供給可能にしたことを特徴とす
る交流直流併用アーク炉であり、ここに、炉蓋における
上部電極の間隙に、原料の投入孔を設けることが、有利
に適合する。また、この発明のアーク炉の操業方法は、
上記した交流直流併用アーク炉を用いる交流直流併用ア
ーク炉の操業方法であって、点弧時及び精錬期には交流
電力を、溶解期には直流電力を供給することを特徴とす
る直流交流併用アーク炉の操業方法、複数本の上部電極
及び炉底電極をそなえ、これらの電極と電気設備の二次
側変圧器との間にコンバータ及びインバータを設けた交
流直流併用アーク炉の操業方法であって、このインバー
タにより、供給する交流電力の周波数を操業中に変化さ
せることを特徴とする交流直流併用アーク炉の操業方
法、複数本の上部電極及び炉底電極をそなえ、これらの
電極と電気設備の二次側変圧器との間にコンバータ及び
インバータを設けた交流直流併用アーク炉の操業方法で
あって、このインバータにより、零交差縁部が急峻な波
形の交流電力を供給することを特徴とする交流直流併用
アーク炉の操業方法、及び複数本の上部電極及び炉底電
極をそなえ、これらの電極に交流電力及び直流電力のい
ずれか一方を供給可能な交流直流併用アーク炉の操業方
法であって、直流電力の供給時に、炉蓋に形成した原料
の投入孔から原料を投入することを特徴とする交流直流
併用アーク炉の操業方法である。

【００１０】

【発明の実施の形態】この発明のアーク炉は、供給する
電力について、交流電力と直流電力とを操業中に切り換
え可能にした構成になる。これにより、点弧時、溶解期
及び精錬期のそれぞれにて最適な形態の電力を供給する
ことが可能となる。

【００１１】また、交流電力と直流電力との切替えを、
コンバータとインバータとを組み合わせた装置により達
成する場合は、このインバータの作用により電力周波数
を、商用周波数に比べて低周波又は高周波にすることが
できる。また、このインバータにより、交流波形を、よ
り急峻な波形にすることができる。これらのインバータ
の作用により、上述のように交流電力を電極に供給する
点弧時には、商用周波数よりも高周波（例えば１MHz 以
上）にすることで容易に点弧することができる。また、
同じく交流電力を供給する精錬期には、商用周波数より
も低周波とすることにより、フリッカの低減のためにリ
アクトルを設けた場合にも、アークインピーダンスを低
く維持することができ、安定した操業が可能となる。更
に、精錬期に低周波とすることにより、表皮効果で電極
の側面が優先的に損耗する現象が緩和される。

【００１２】しかも、インバータにより交流電力の波形
を、零交差縁部が急峻な波形とすることにより、交流に
て操業する精錬期においても、アーク切れが生じ難くな
る。これは、周波数を低周波にするとアーク切れが生じ
やすくなるために、特に有効である。

【００１３】次に、この発明のアーク炉では、炉蓋にお
ける上部電極の間隙に、還元鉄や副原料の投入孔を設け
ることもできる。この投入孔を設ける構成により、還元
鉄や副原料（生石灰、ドロマイト等）を操業中に連続し
て又は間欠的に炉内に装入することができ、これによ
り、還元鉄や副原料の融着、大塊化が避けられるばかり
か、電極近傍という、換言すればアークスポット近傍に
確実に装入することになるために、迅速に溶解が進行す
る。特に、この発明のように上部電極を複数本有するア
ーク炉において、直流電力をこれらの電極に供給してい
るとき（溶解期）には、各電極のアークはローレンツ力
によりそれぞれ引き合っているため、投入孔から炉内に
投入された還元鉄や副原料は、このアークにより直ちに
高温となることから、より速やかに溶解する。

【００１４】

【実施例】以下、この発明を図面を用いてより具体的に
説明する。図１に、この発明のアーク炉の一例を要部で
示す。図中１は炉体、２は炉蓋、３はこの炉蓋２を貫通
して進退移動可能な上部電極であり、図示した例では３
本を一組としている。また、４は炉底電極である。この
電極３と二次側変圧器５との間にスイッチ６を設け、こ
のスイッチ６に整流装置７及び上部電極３を接続し、か
つ整流装置７の出力側を上部電極３及び炉底電極４に接
続して、このスイッチ６の切り換えで、二次側変圧器か
らの交流電力を直接に、又は整流して直流電力に変換し
た後に、電極に供給できるようにしてある。なお、電極
自動制御装置、フリッカ低減装置など、アーク炉に通常
配設する装置については図示を省略してある。

【００１５】かかる構成により図示したアーク炉では、
同一炉において、操業中に直流、交流を切り換えて使用
できるので、直流アーク炉及び交流アーク炉の双方の利
点を有効に引き出すことができ、しかも、各アーク炉の
弊害については効果的に改善できる。具体的には、まず
原料の装入後の点弧時には、スイッチ５を交流側に接続
し、交流を選択する。これにより、ホットヒールがなく
ても導通が可能となるので、ホットヒール量，組成に起
因した精錬特性のばらつきが軽減される。次に、点弧後
のスクラップ等の溶解期には、スイッチ５を直流側に切
り換え、整流装置６、例えばサイリスタにより交流を整
流してから炉上電極及び炉底電極に直流を供給する。こ
のことにより、電流及び電圧制御を容易に行うことが可
能となり、フリッカを低減しつつノートリップ操業を達
成することができる。しかも、この溶解期に直流を選択
することにより、ロングアーク操業となることから、ア
ークフレアが炉壁側のスクラップに着熱し易くなって、
均一溶解が可能となる。一方、溶解後のフラットバスの
精錬期には、スイッチ５を交流側に切り換え、再び交流
アーク炉として用いる。このことにより、直流アーク炉
のようなアーク偏向による炉壁アタックを回避でき、し
かもショートアーク操業となる。これにより炉壁への熱
ロスが減少し、溶鋼へのアークの伝熱効率が向上するの
である。

【００１６】図２にこの発明の他の実施例を示す。図２
の実施例では、上部電極３と二次変圧器５との間にコン
バータ８及びインバータ９を直列に設けるとともに、こ
のインバータ９の出力を、一方は、上部電極３に、他方
は炉底電極４にそれぞれ接続する。かかる構成により、
コンバータ８で変換した直流を、インバータ９では変換
せずにそのまま出力すると、炉上電極３及び炉底電極４
に直流を印加することができ、また一方、コンバータ８
で変換した直流をインバータ９で交流に変換すれば、電
極に交流を印加することが可能である。したがって、図
１に示した実施例と同様に、操業時に交流電力と直流電
力とを切り換えることが可能である。

【００１７】加えて、図２に示したアーク炉において
は、インバータ９により交流電力の周波数や波形の変更
が可能という作用を利用して、交流電力を印加するとき
に、任意の低周波や高周波、あるいは零交差縁部が急峻
な波形の交流電力を印加することができる。したがっ
て、点弧時には、１MHz 以上の高周波電力を供給するこ
とにより、上部電極と装入原料との間の大気が電離し、
絶縁破壊電圧が低下することから、点弧が容易になる。

【００１８】また、精錬期には、インバータ９により50
Hz未満、好ましくは５〜30Hzの低周波電力を印加するこ
とにより、フリッカ防止のためリアクトルを設けた場合
にも、アークインピーダンスを10 mΩ以下（例えば４〜
10 mΩに容易にすることができ、アークが安定する。こ
れは、次の理由による。リアクトルを設ける場合には、
電源回路のインピーダンスが、いきおい増加することか
ら、所定のアーク電流を確保するために高電圧にするこ
とが求められ、その結果、高アークインピーダンス操業
になり勝ちである。これに対して、インバータ９により
電力周波数を低下させるならば、回路電圧を高くしなく
ても所定のアーク電流を確保でき、そのため、リアクト
ルによるフリッカ低減の利益を享受しつつ、アークイン
ピーダンスも低いままで維持できるのである。また、精
錬期に低周波電力を供給することにより、上部電極３の
表皮効果も緩和するため、上部電極３の損耗が軽減され
る。

【００１９】さらに、インバータ９により、精錬期にお
いて零交差縁部が急峻な交流電力を電極に供給すること
により、アーク切れを抑制することができ、ひいてはオ
ペレータの監視負担、作業負担が軽減されて操業効率の
向上、電力節減が図られる。これは、零交差縁部が急峻
な交流電力であれば、電極と原料溶湯との極性が急激に
反転するためにアーク切れが効果的に抑制できるのであ
る。かかる零交差縁部が急峻な交流電力には、図３(a)
に示すような矩形波が代表例として挙げられるが、その
他、同図(b) に示す台形状波形でも、商用電力である正
弦波よりも零交差縁部が急峻なために有効である。

【００２０】しかも、この発明のようにインバータ９に
より精錬期に低周波交流電力を供給すると、アーク切れ
が生じ易くなるが、零交差縁部が急峻な交流電力にすれ
ば、かかる低周波交流電力でもアーク切れが生じ難くな
るため、上述したフリッカ防止、低アークインピーダン
スの維持、電極溶損の抑制及びアーク切れの防止という
各効果を得ることができる。

【００２１】図４に、この発明の他の実施例の要部を示
す。この図４(a) では、上部電極３の図示を略してい
る。同図(b) は平面図である。この図４に示した実施例
においては、図１や図２に示したアーク炉において、炉
蓋２の中央に原料の投入孔10を設けるとともに、この投
入孔10に連なるフィーダ11と、このフィーダと連結する
還元鉄用ホッパ12及び副原料用ホッパ13とを設け、この
投入孔10より還元鉄又は副原料を投入可能としたもので
ある。

【００２２】このように、投入孔10が、電極３に近接す
る位置に設けられていることから、この投入孔10から炉
内に導かれた還元鉄は、電極３先端で生じているアーク
により直ちに溶解するため、大塊化や溶け残りの問題が
なく、突沸も生じない。投入孔10から炉内に導入された
副原料（生石灰、ドロマイト等）もまた、大塊化や滓化
遅れがなく、速やかに滓化が進行する。なお、かかる副
原料は、直流電力を供給する溶解期に装入すれば効果は
大きいが、交流電力を供給する精錬期に供給しても、有
利な効果が得られることは、いうまでもない。

【００２３】ここに、図１に示すこの発明のアーク炉
（100 ｔ）を用いて、点弧時には交流電力を供給し、点
弧したら直ちにスイッチを切り換えて直流電力を供給し
て装入原料の溶解を行い、この溶解操業が完了したらス
イッチを切り換えて交流電力を供給したところ、電力原
単位は340 kWh/t であった。これは、従来の直流アーク
炉で操業を行った場合の電力原単位370 kWh/t 及び従来
の交流アーク炉で操業を行った場合の電力原単位380 kW
h/t に比べ、効果的に改善されている。また、従来の交
流アーク炉で操業を行った場合のフリッカ指数を１とし
た場合、直流アーク炉ではフリッカ指数が0.5 であった
が、この発明のアーク炉でもフリッカ指数が0.5 であ
り、直流アーク炉と同程度の優れたフリッカ抑制効果が
得られた。

【００２４】次に、図２に示すこの発明のアーク炉（10
0 ｔ）を用いて、点弧時には交流電力を供給し、点弧し
たら直ちにインバータをオフにして直流電力を供給して
装入原料の溶解を行い、この溶解操業が完了したらイン
バータをオンにして矩形波、30Hzの交流電力を供給した
ところ、電力原単位は325 kWh/t であった。これは、従
来の直流アーク炉で操業を行った場合の電力原単位370
kWh/t 及び従来の交流アーク炉で操業を行った場合の電
力原単位380 kWh/t に比べ、効果的に改善されている。
また、従来の交流アーク炉で操業を行った場合のフリッ
カ指数を１とした場合、直流アーク炉ではフリッカ指数
が0.5 であったが、この発明のアーク炉でもフリッカ指
数が0.5 であり、直流アーク炉と同程度の優れたフリッ
カ抑制効果が得られた。更に、電極原単位は、1.7 kg/t
であり、従来の直流アーク炉の1.3 kg/tと同程度までは
ならないまでも、従来の交流アーク炉の2.0 kg/tに比べ
て改善された。

【００２５】また、図１に示すこの発明のアーク炉（10
0 ｔ）の炉蓋に、図４に示す投入孔を設け、この投入孔
から還元鉄を、総主原料量に対する配合割合が30％にな
るように、溶解期にわたり連続して投入したところ、溶
け残りが皆無であり、また、突沸頻度は１％であった。
一方、比較のために従来の直流アーク炉（100 ｔ）に、
スクラップバスケットから還元鉄（配合割合30％）を、
他のスクラップと共に炉に装入してから、溶解操業を行
ったところ、溶け残り頻度は12％、突沸頻度は５％であ
った。

【００２６】また、図１に示すこの発明のアーク炉（10
0 ｔ）の炉蓋に、図４に示す投入孔を設け、この投入孔
から生石灰を溶解期にわたり連続して投入したところ、
生石灰の原単位は21kg/tであった。また、出鋼前の
（Ｐ）／〔Ｐ〕は、37であった。一方、比較のために従
来の直流アーク炉（100 ｔ）に、スクラップとともに予
め生石灰を炉内に装入してから、溶解−精錬操業を行っ
たところ、生石灰の原単位が23kg/tで、出鋼前の（Ｐ）
／〔Ｐ〕は、31であった。

【００２７】

【発明の効果】この発明のアーク炉は、電極に供給する
電力について、交流電力と直流電力とを操業中に切り換
え可能にしたことから、点弧時、溶解期及び精錬期のそ
れぞれにて最適の電力を供給することが可能となり、従
来の直流アーク炉、交流アーク炉の長所を兼ね備えた優
れたアーク炉操業が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のアーク炉の一例を要部で示す図であ
る。

【図２】この発明のアーク炉の他の例を要部で示す図で
ある。

【図３】この発明のアーク炉に印加する交流電力の波形
の例を示す図である。

【図４】この発明のアーク炉の他の例を要部で示す図で
ある。

【符号の説明】

１炉体２炉蓋３上部電極４炉底電極部分５二次側変圧器６スイッチ７整流装置８コンバータ９インバータ 10 投入孔 11 フィーダ 12 還元鉄用ホッパ 13 副原料用ホッパ

フロントページの続き (72)発明者中戸參岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地なし）川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者反町健一岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地なし）川崎製鉄株式会社水島製鉄所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数本の上部電極及び炉底電極をそなえ
るアーク炉であって、これらの電極と電気設備の二次側
変圧器との間にスイッチを介して整流装置を並列に設
け、このスイッチの切り換えで交流電力及び直流電力の
いずれか一方を供給可能にしたことを特徴とする交流直
流併用アーク炉。
【請求項２】複数本の上部電極及び炉底電極をそなえ
るアーク炉であって、これらの電極と電気設備の二次側
変圧器との間にコンバータ及びインバータを設け、交流
電力及び直流電力のいずれか一方を供給可能にしたこと
を特徴とする交流直流併用アーク炉。
【請求項３】炉蓋における上部電極の間隙に、原料の
投入孔を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の
交流直流併用アーク炉。
【請求項４】請求項１又は２記載の交流直流併用アー
ク炉を用いる交流直流併用アーク炉の操業方法であっ
て、点弧時及び精錬期には交流電力を、溶解期には直流
電力を供給することを特徴とする直流交流併用アーク炉
の操業方法。
【請求項５】複数本の上部電極及び炉底電極をそな
え、これらの電極と電気設備の二次側変圧器との間にコ
ンバータ及びインバータを設けた交流直流併用アーク炉
の操業方法であって、このインバータにより、供給する
交流電力の周波数を操業中に変化させることを特徴とす
る交流直流併用アーク炉の操業方法。
【請求項６】複数本の上部電極及び炉底電極をそな
え、これらの電極と電気設備の二次側変圧器との間にコ
ンバータ及びインバータを設けた交流直流併用アーク炉
の操業方法であって、このインバータにより、零交差縁
部が急峻な波形の交流電力を供給することを特徴とする
交流直流併用アーク炉の操業方法。
【請求項７】複数本の上部電極及び炉底電極をそな
え、これらの電極に交流電力及び直流電力のいずれか一
方を供給可能な交流直流併用アーク炉の操業方法であっ
て、直流電力の供給時に、炉蓋に形成した原料の投入孔
から原料を投入することを特徴とする交流直流併用アー
ク炉の操業方法。