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公開番号2025052688
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-07
出願番号2023161525
出願日2023-09-25
発明の名称直流電気炉および直流電気炉の設計方法
出願人日本製鉄株式会社
代理人弁理士法人樹之下知的財産事務所
主分類F27B 3/10 20060101AFI20250328BHJP(炉,キルン,窯;レトルト)
要約【課題】溶鉄よりも比重が小さく、湯面に浮上しやすいDRIおよびHBI等の還元鉄材を、効率よく短時間で溶解させることが可能な直流電気炉および直流電気炉の設計方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る直流電気炉は、3本の上部電極と、炉体の底部に設けられた炉底電極と、上記炉底電極に接続され、第1の方向に延びる第1の平行部を含む第1の炉底ケーブルと、上記第1の方向とは反対の方向である第2方向に延びる第2の平行部を含む第2の炉底ケーブルと、上記炉体の側面または上面に設けられ、少なくともDRIまたはHBIを含む原料を炉内に投入する原料投入管と、を備える直流電気炉において、上記第1および第2の平行部の長さは、2.0m以上3.5m以下であり、上記原料投入管は、上記HBIまたは上記DRIが溶鉄の湯面において炉中心から3.2m以内の位置に投入されるように設けられている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
３本の上部電極と、
炉体の底部に設けられた炉底電極と、
前記炉底電極に接続され、前記炉底電極の半径方向である第１の方向に延びる第１の平行部を含む第１の炉底ケーブルと、
前記炉底電極に接続され、前記第１の方向とは反対の方向である第２方向に延びる第２の平行部を含む第２の炉底ケーブルと、
前記炉体の側面または上面に設けられ、少なくともＤＲＩまたはＨＢＩを含む原料を炉内に投入する原料投入管と、
を備える直流電気炉において、
前記３本の上部電極は、それぞれの電極の中心を結んだ形状が正三角形となるように設けられており、
前記第１および第２の平行部の長さは、２．０ｍ以上３．５ｍ以下であり、
前記原料投入管は、前記ＨＢＩまたは前記ＤＲＩが溶鉄の湯面において炉中心から３．２ｍ以内の位置に投入されるように設けられている、
直流電気炉。
続きを表示（約 840 文字）【請求項２】
３本の上部電極と、
炉体の底部に設けられた炉底電極と、
前記炉底電極に接続され、前記炉底電極の半径方向である第１の方向に延びる第１の平行部を含む第１の炉底ケーブルと、
前記炉底電極に接続され、前記第１の方向とは反対の方向である第２方向に延びる第２の平行部を含む第２の炉底ケーブルと、
前記炉体の側面または上面に設けられ、少なくともＤＲＩまたはＨＢＩを含む原料を炉内に投入する原料投入管と、
を備える直流電気炉において、
前記３本の上部電極は、それぞれの電極の中心を結んだ形状が正三角形となるように設けられており、
前記第１および第２の炉底ケーブルの少なくとも一方は、前記炉底電極の周方向に９０度以上１８０度以下周回する周回部を含み、
前記原料投入管は、前記ＨＢＩまたは前記ＤＲＩが溶鉄の湯面において炉中心から４．０ｍ以内の位置に投入されるように設けられている、
直流電気炉。
【請求項３】
前記第１および第２の平行部の長さＸ（ｍ）、前記第１および第２の炉底ケーブルと炉底との間の距離Ｌ（ｍ）が、以下の式（i）を満たす、請求項１または２に記載の直流電気炉。
Ｘ≧１．８５＋０．０７９Ｌ・・・（i）
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の直流電気炉を設計する直流電気炉の設計方法であって、
前記第１および第２の平行部の長さＸ、前記第１および第２の炉底ケーブルと炉底との間の距離Ｌの関係式（ii）における係数ａおよびｂを、前記第１および第２の平行部の長さを変動させたときの溶鉄の流動を評価するシミュレーションに基づいて算出するステップと、
関係式（ii）および前記算出された係数ａおよびｂを用いて、少なくとも前記第１および第２の平行部の長さＸを最適化するステップと、を含む直流電気炉の設計方法。
Ｘ≧ａ＋ｂＬ・・・（ii）

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電気炉および直流電気炉の設計方法に関する。
続きを表示（約 3,600 文字）【背景技術】
【０００２】
高炉法で製造される鉄源は、鉄鉱石をコークスで還元して製造するため、ＣＯ
２
発生量が多い。ＣＯ
２
発生量の削減を図る手段として、電気炉で鉄スクラップやＤＲＩ（Direct Reduced Iron）等を溶解して溶銑を製造し、既存の転炉を中心とする製鋼プロセスを利用して溶鋼を製造する方法がある。溶解は、電気炉内に設けられた上部電極から溶鉄の表面にかけて生じるアークによって行われる。
【０００３】
直流電気炉において、炉底電極からのケーブルに流れる電流に起因する磁場により、アークが偏向することが知られている。この対策として、直流アーク炉において、炉底の電極周囲に、巻き線が周回するように磁場発生コイルを設けて、アーク発生電極軸に回転対称な成分を有する直流磁場を発生させる。その結果、アークが炉心を軸として回転することから、どの方向への熱負荷も均一化でき、均等溶解を実現する技術が開示されている（特許文献１）。また、炉底の周囲にまかれたコイルにより、アーク発生領域において、磁束密度の鉛直成分を９０ガウス以上、水平成分を３０ガウス以下とすることによってアークの偏向を抑制する技術が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開平３－１４０７９１号公報
特開平６－３４２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
直接還元鉄は、鉄鉱石を水素などの還元性のガスにより、鉄鉱石または鉄鉱石ペレットを直接還元したものであり、ＤＲＩと呼ばれる。また、還元処理後のＤＲＩを熱間で圧縮成形したものは、ＨＢＩ（Hot Briquetted Iron）と呼ばれる。ＤＲＩの見掛け比重は３５００ｋｇ／ｍ
３
程度であり、ＨＢＩの見掛け比重は５０００から５５００ｋｇ／ｍ
３
程度である。溶鉄の比重は７０００ｋｇ／ｍ
３
程度であるため、ＤＲＩおよびＨＢＩのいずれも溶鉄より軽く、湯面に浮上する。
【０００６】
特許文献１および２において開示された技術では、溶鉄中に沈殿しているスクラップを効率的に加熱するため、スクラップ近傍の溶鉄を攪拌しやすくできる。しかしながら、還元鉄を用いる場合は、溶鉄よりも比重が小さく、湯面に浮上しているＤＲＩおよびＨＢＩを、より効率よく短時間で溶解させる必要がある。
【０００７】
そこで、本発明は、電極を３本用いる大型の電気炉の場合において、溶鉄よりも比重が小さく、湯面に浮上しやすいＤＲＩおよびＨＢＩ等の還元鉄材を、より効率よく短時間で溶解させることが可能な直流電気炉および直流電気炉の設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
［１］３本の上部電極と、炉体の底部に設けられた炉底電極と、上記炉底電極に接続され、上記炉底電極の半径方向である第１の方向に延びる第１の平行部を含む第１の炉底ケーブルと、上記炉底電極に接続され、上記第１の方向とは反対の方向である第２方向に延びる第２の平行部を含む第２の炉底ケーブルと、上記炉体の側面または上面に設けられ、少なくともＤＲＩまたはＨＢＩを含む原料を炉内に投入する原料投入管と、を備える直流電気炉において、上記３本の上部電極は、それぞれの電極の中心を結んだ形状が正三角形となるように設けられており、上記第１および第２の平行部の長さは、２．０ｍ以上３．５ｍ以下であり、上記原料投入管は、上記ＨＢＩまたは上記ＤＲＩが溶鉄の湯面において炉中心から３．２ｍ以内の位置に投入されるように設けられている、直流電気炉。
［２］３本の上部電極と、炉体の底部に設けられた炉底電極と、上記炉底電極に接続され、上記炉底電極の半径方向である第１の方向に延びる第１の平行部を含む第１の炉底ケーブルと、上記炉底電極に接続され、上記第１の方向とは反対の方向である第２方向に延びる第２の平行部を含む第２の炉底ケーブルと、上記炉体の側面または上面に設けられ、少なくともＤＲＩまたはＨＢＩを含む原料を炉内に投入する原料投入管と、を備える直流電気炉において、上記３本の上部電極は、それぞれの電極の中心を結んだ形状が正三角形となるように設けられており、上記第１および第２の炉底ケーブルの少なくとも一方は、上記炉底電極の周方向に９０度以上１８０度以下周回する周回部を含み、上記原料投入管は、上記ＨＢＩまたは上記ＤＲＩが溶鉄の湯面において炉中心から４．０ｍ以内の位置に投入されるように設けられている、直流電気炉。
［３］上記第１および第２の平行部の長さＸ（ｍ）、上記第１および第２の炉底ケーブルと炉底との間の距離Ｌ（ｍ）が、以下の式（i）を満たす、［１］または［２］に記載の直流電気炉。
Ｘ≧１．８５＋０．０７９Ｌ・・・（i）
［４］［１］または［２］に記載の直流電気炉を設計する直流電気炉の設計方法であって、上記第１および第２の平行部の長さＸ、上記第１および第２の炉底ケーブルと炉底との間の距離Ｌの関係式（ii）における係数ａおよびｂを、上記第１および第２の平行部の長さを変動させたときの溶鉄の流動を評価するシミュレーションに基づいて算出するステップと、関係式（ii）および上記算出された係数ａおよびｂを用いて、少なくとも上記第１および第２の平行部の長さＸを最適化するステップと、を含む直流電気炉の設計方法。
Ｘ≧ａ＋ｂＬ・・・（ii）
【発明の効果】
【０００９】
上記の構成によれば、溶鉄を回転攪拌させることにより、ＨＢＩおよびＤＲＩ等の還元鉄材が炉内の高温領域である炉中心付近に移動しやすくなる。そのため、溶鉄よりも比重が小さく、湯面に浮上しやすいＤＲＩおよびＨＢＩ等の還元鉄材を、より効率よく短時間で溶解させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明の一実施形態に係る直流電気炉の構造を示す図である。
図１に示す直流電気炉のII－II線断面図である。
図１に示す直流電気炉においてシミュレートされた、上部電極から放出されたアークの温度分布を示す図である。
本発明の一実施形態に係る直流電気炉において、上部電極から放出されたアークに作用する引力を説明するための図である。
本発明の一実施形態に係る直流電気炉において、電磁場解析によるローレンツ力密度の分布を示す図である。
図５に示すローレンツ力密度の分布に基づいて、溶鉄の流動を解析した結果を示す図である。
本発明の一実施形態に係る直流電気炉において、炉底電極に接続された炉底ケーブルに流れる電流によって溶鉄に発生する電磁力について説明するための図である。
比較例に係る直流電気炉の炉底の構造を示す図である。
比較例に係る直流電気炉において、炉底電極に炉底ケーブルが接続された場合の電磁場解析の結果を示す図である。
図８に示すローレンツ力密度分布に基づいて、溶鉄の流動を解析した結果を示す図である。
図１に示す直流電気炉において、溶鉄の流動を解析した結果を示す図である。
本発明の一実施形態の他の例に係る直流電気炉１の構造を示す図である。
図１２に示す直流電気炉において、溶鉄の流動を解析した結果を示す図である。
炉底電極に炉底ケーブルを接続しない直流電気炉における、ＨＢＩの軌跡の算出結果を示す図である。
図１２に示す直流電気炉において、平行部の長さを変化させたときの、ＨＢＩの軌跡の算出結果を示す図である。
図１２に示す直流電気炉において、ＨＢＩが投入後に上部電極の直下に到達する時間を評価した結果を示すグラフである。
図１２に示す直流電気炉において、平行部の長さを変化させたときの、ＨＢＩの軌跡の算出結果を示す図である。
図１２に示す直流電気炉において、周回部の長さを変化させたときのＨＢＩの軌跡の算出結果を示す図である。
本発明の一実施形態のさらに他の例に係る直流電気炉の構造を示す図である。
本発明の一実施形態に係る直流電気炉において、炉底ケーブルの平行部の長さおよび溶鉄の回転流速の関係を示すグラフである。
シミュレーションの結果から導出した平行部の長さおよび炉底ケーブルと炉底との間の距離の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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