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公開番号2025097489
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-01
出願番号2023213708
出願日2023-12-19
発明の名称直流電気炉
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 3/18 20060101AFI20250624BHJP(炉,キルン,窯;レトルト)
要約【課題】溶鉄よりも密度が小さいDRIおよびHBI等の溶解原料を、効率よく短時間で溶解可能な直流電気炉を提供する。
【解決手段】直流電気炉は、上部電極の中心を通る溶鉄の垂線と湯面の交点を(±x₀、y₀)、上部電極の半径をr、上部電極1本あたりの電流値をI(kA)としたとき、原料投入管は、式(i)および式(ii)で表される高温領域(x₁、y₁)の直上以外の炉体の側面または上面に設けられ、溶解原料が溶鉄の湯面に到達する点(x、y)は、式(iii)～(v)で表される。
(x₁±x₀)²+(y₁-y₀)²<r²・・・(i)
-r<y₁<r、-x₀<x₁<x₀・・・(ii)
(x±x₀)²/a²+(y-y₀)²/b²=1・・・(iii)
a=0.0045I+1.475・・・(iv)
b=0.019I-0.257・・・(v)
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
２本の上部電極と、
炉体の側面または上面に設けられ、溶鉄よりも密度が小さい溶解原料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、
前記溶鉄の湯面を含む面をｘｙ平面とし、
前記上部電極の下端面における中心を通り溶鉄の湯面に対して垂直である垂直線と、前記溶鉄の湯面と、の交点のｘｙ座標上の位置をそれぞれ（ｘ
０
、ｙ
０
）および（－ｘ
０
、ｙ
０
）とし、
前記上部電極の半径をｒとし、
前記上部電極１本あたりの電流値をＩ（ｋＡ）としたとき、
前記原料投入管は、ｘｙ座標上の位置（ｘ
１
、ｙ
１
）が以下の式（i）および式(ii)で表される高温領域の直上以外の前記炉体の側面または上面に設けられ、
投入された前記溶解原料が前記溶鉄の湯面に到達する点のｘｙ座標上の位置（ｘ、ｙ）は、以下の式（iii）～（v）で表される、直流電気炉。
（ｘ
１
±ｘ
０
）
２
＋（ｙ
１
－ｙ
０
）
２
＜ｒ
２
・・・（i）
－ｒ＜ｙ
１
＜ｒ、－ｘ
０
＜ｘ
１
＜ｘ
０
・・・（ii）
（ｘ±ｘ
０
）
２
／ａ
２
＋（ｙ－ｙ
０
）
２
／ｂ
２
＝１・・・（iii）
ａ＝０．００４５Ｉ＋１．４７５・・・（iv）
ｂ＝０．０１９Ｉ－０．２５７・・・（v）
続きを表示（約 120 文字）【請求項２】
前記原料投入管は、前記溶鉄の湯面に対して傾斜して設けられる、
請求項１に記載の直流電気炉。
【請求項３】
前記原料投入管は、前記溶鉄の湯面に対して垂直に設けられる、
請求項１に記載の直流電気炉。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電気炉に関する。
続きを表示（約 3,100 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、炉底電極の周囲に、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）。さらに、２本の上部電極間にスクラップ原料を連続装
入するようにし、両電極のアークを炉本体中心のスクラップ原料に向かわせることにより、スクラップ原料の溶解効率を向上させる技術が開示されている（特許文献３）。
【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
特開平６－３００４４９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の見かけ密度は３５００ｋｇ／ｍ
３
程度であり、ＨＢＩの見かけ密度は５０００から５５００ｋｇ／ｍ
３
程度である。溶鉄の密度は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、溶鉄よりも密度が小さく、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。また、特許文献３において開示された技術では、２本の上部電極間に垂直に設けられた原料投入口から炉内の熱が逃げやすいことから、炉内の保温性を確保し難く、還元鉄の溶解効率が低下する虞があるとともに、輻射の熱ダメージにより原料投入管が破損しやすくなるという問題もある。
【０００７】
そこで、本発明は、溶鉄よりも密度が小さく湯面に浮上しやすいＤＲＩおよびＨＢＩ等の溶解原料を、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］２本の上部電極と、炉体の側面または上面に設けられ、溶鉄よりも密度が小さい溶解原料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、上記溶鉄の湯面を含む面をｘｙ平面とし、上記上部電極の下端面における中心を通り溶鉄の湯面に対して垂直である垂直線と、上記溶鉄の湯面と、の交点のｘｙ座標上の位置をそれぞれ（ｘ
０
、ｙ
０
）および（－ｘ
０
、ｙ
０
）とし、上記上部電極の半径をｒとし、上部電極１本あたりの電流値をＩ（ｋＡ）としたとき、上記原料投入管は、ｘｙ座標上の位置（ｘ
１
、ｙ
１
）が以下の式（i）および式（ii）で表される高温領域の直上以外の上記炉体の側面または上面に設けられ、投入された上記溶解原料が上記溶鉄の湯面に到達する点のｘｙ座標上の位置（ｘ、ｙ）は、以下の式（ii）～（iv）で表される、直流電気炉。
（ｘ
１
±ｘ
０
）
２
＋（ｙ
１
－ｙ
０
）
２
＜ｒ
２
・・・（i）
－ｒ＜ｙ
１
＜ｒ、－ｘ
０
＜ｘ
１
＜ｘ
０
・・・（ii）
（ｘ±ｘ
０
）
２
／ａ
２
＋（ｙ－ｙ
０
）
２
／ｂ
２
＝１・・・（iii）
ａ＝０．００４５Ｉ＋１．４７５・・・（iv）
ｂ＝０．０１９Ｉ－０．２５７・・・（v）
［２］上記原料投入管は、上記溶鉄の湯面に対して傾斜して設けられる、［１］に記載の直流電気炉。
［３］上記原料投入管は、上記溶鉄の湯面に対して垂直に設けられる、［１］に記載の直流電気炉。
【発明の効果】
【０００９】
上記の構成によれば、溶鉄よりも密度が小さく、湯面に浮上しているＨＢＩ等の溶解原料が素早く高温領域に到達する。また、原料投入管の設置位置は高温領域の直上以外の部分であることから、炉内の保温性を確保するとともに、原料投入管が輻射の熱ダメージによる破損を抑制することができる。そのため、溶鉄よりも密度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できる。
【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断面図である。
図１に示した直流電気炉のII－II線断面図である。
図１に示した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および流速分布を示す図である。
本発明の一実施形態の変形例に係る直流電気炉の構造を示す断面図である。
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した図である。
図５に示した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、上部電極の電流値が５０ｋＡの場合におけるＨＢＩの投入位置を、高温領域に到達する時間および高温領域に滞留する時間との関係で評価した図である。
本発明の一実施形態に係る直流電気炉において、上部電極の電流値が１５０ｋＡの場合におけるＨＢＩの投入位置を、高温領域に到達する時間および高温領域に滞留する時間との関係で評価した図である。
上部電極１本あたりの電流値と、式（１２）のａおよびｂとの関係を算出した結果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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