電気炉機械設備の詳細解説：炉殻、炉屋根、傾斜装置、およびスラグ除去装置
電気アーク炉技術に関する議論の多くは、電気系統とプロセス制御に焦点を当てています。しかし、炉体、炉屋根、電極マスト、傾斜システム、スラグスキマー、出銑口といった機械的な側面も同様に重要であり、ここで行われる設計上の選択が、今後15年から20年間の炉の挙動を左右します。ここでは、3大陸にわたるMONTE INTELLIGENCE社の電気アーク炉設備で実績のある設計上の決定事項を含め、主要な機械要素を一つずつ解説していきます。
炉殻設計
炉殻は電気炉全体の構造的な骨格となる部分です。100トン級の電気炉の炉殻は、空の状態で180～250トンの重量があり、35～50トンの耐火ライニングを収容し、1600℃の100トンの鋼の溶融浴を保持します。炉殻は、50℃（空の状態で耐火ライニングを取り外した状態）から1600℃（運転中）までの熱サイクルに永久変形することなく耐えなければなりません。
現代の電気炉シェルは、溶接された炭素鋼（一般的にはASTM A36またはA516グレード70）で、上部コーン部の厚さは40mm、スラグライン部の厚さは60～80mmです。下部コーン部と炉床部は、厚いガセットで補強されています。シェルは傾斜可能なトラニオンリングの上に設置され、傾斜操作中にすべての垂直荷重と水平荷重が基礎に伝達されます。
MONTE INTELLIGENCE社の炉殻は、熱応力と構造的なたわみについて有限要素解析を用いて設計されています。たわみの許容範囲は、全運転負荷時におけるスラグラインで5mmです。これを超えるたわみが生じると、耐火ライニングに早期に亀裂が入ります。当社では、業界平均よりも厳しい公差で製造されているため、30年以上稼働している炉殻でもこの基準を満たしている例を見てきました。
屋根の設計と昇降機構
電気炉の屋根は、鋼製リングで支えられた耐火ドームです。現代の屋根は、アルミナ含有量70～75％の耐火レンガを使用し、電極ポート周辺には高アルミナの充填材が用いられています。全出力運転時、高温面の屋根温度は1500～1700℃に達します。
バケット装入サイクルごとに、屋根を持ち上げて横に振る必要があります。屋根昇降装置には主に3つの設計があります。片持ち式旋回型（小型炉で最も一般的）、平行昇降式スライド屋根型（中型および大型炉）、そしてガントリー式昇降型（超大型炉）です。それぞれの設計には、サイクル時間、機械的な複雑さ、メンテナンスの容易さといった点でトレードオフがあります。
MONTE INTELLIGENCE社は、通常、80トンまでの炉には片持ち式スイング設計を、80トンを超える炉には平行昇降式スライド屋根設計を採用しています。片持ち式設計はサイクルタイムが速く（昇降からロックまで15～20秒）、炉の上部に広い垂直クリアランスが必要です。一方、スライド屋根設計はよりコンパクトで、より重い屋根部材にも対応できますが、サイクルタイムが5～10秒長くなります。
電極マストおよびクランプシステム
電極マストは黒鉛電極と電極アームを保持し、垂直方向の動きによってアーク長を調整します。調整速度は非常に重要です。超高圧炉では、スクラップ崩落時の急激な溶融槽液面変化に対応するため、毎分5～10メートルの垂直移動速度が必要です。
マスト駆動装置は、油圧シリンダーからボールねじ付きサーボ制御ACモーターへと進化しました。サーボシステムは、応答速度の向上、位置決め精度の向上、モデルベースアークレギュレータとの容易な統合を実現します。電極クランプは通常、スプリング式安全クランプを備えた空気圧式で、緊急時に電極を素早く引き抜くことができます。
傾斜機構
傾斜機構は、定期メンテナンス時に最も注目される可動部品です。炉は出銑時には前方に12～15度、滓除去時には後方に5～8度傾斜します。この傾斜は、サイクルタイムの予算内で、スムーズかつ制御可能で、かつ可逆的でなければなりません。
傾斜駆動システムには、油圧シリンダー式（旧型）とACモーター駆動式ラックアンドピニオン式（新型）の2種類が一般的です。ラックアンドピニオン式は高温環境下での信頼性が高く、油圧システム特有の漏れリスクを回避できます。MONTE INTELLIGENCE社は、60トンを超えるすべての新規設置において、ラックアンドピニオン式傾斜駆動システムを採用しています。
傾斜機構は、炉台に取り付けられた重厚な鋼鉄製の鍛造部品であるトラニオンリングの上に載っています。大型炉では、炉殻からの放射熱による過熱を防ぐため、トラニオンベアリングは水冷式となっています。傾斜位置のフィードバックは、冗長構成のアブソリュートエンコーダによって行われ、出湯位置とスキム位置で傾斜を停止させるための安全インターロックが備えられています。
偏心底出汁穴（EBT）システム
現代の電気炉（EAF）はすべてEBTシステムを採用しています。これは、スラグの持ち込みを最小限に抑えながら、95%以上の鋼を注ぎ出すことができるためです。EBTの出湯口は、炉底の側壁下部、炉体中心線からわずかにずれた位置にあります。出湯口は、加熱の合間に砂詰め材で満たされ、出湯時に酸素ランスで開きます。
EBT砂の突き固めは、最新の電気炉のほとんどで自動化されています。砂突き固め機が、出湯口の位置を決め、4～6バールの圧力で砂を圧縮し、出湯口の形状を整えます。突き固めサイクルは60～90秒かかります。出湯口の寿命は、溶湯の化学組成と出湯温度によって異なりますが、一般的なEBT出湯口の寿命は、改修前に200～400回の加熱です。
スラグ除去システム
スラグ除去とは、出湯後に酸化したスラグ層を取り除き、次の加熱に備えて溶融浴を洗浄するとともに、鉄分を含むスラグを回収してリサイクルする工程です。スラグは出湯重量の12～18％を占めることがあり、適切なスラグ除去作業を行うことで、その80～90％を販売可能なスラグ、あるいは焼結原料として回収することができます。
スラグ除去システムには主に2種類あります。1つはスラグドア方式（炉の側壁に蝶番式の扉があり、開いてスラグを排出する方式）、もう1つはスラグポット方式（炉の外側に設置された可動式のポットで、炉が後方に傾いた際にスラグを受け止める方式）です。スラグポット方式の方が効率が良く、60トン以上の最新の電気炉のほとんどで標準的に採用されています。
水冷式パネルおよびバーナー／酸素ランス
最新の電気炉では、スラグラインの70～90パーセントが水冷パネルで覆われており、残りの部分は耐火物で覆われています。パネル冷却水の流量は非常に重要です。流量が不足するとパネルが焼けてしまい、過剰になるとエネルギーが無駄になります。
酸素ランスは通常、マッハ1.5～3.0の出口速度を持つ超音速水冷式設計です。ランスは、脱炭用の酸素、発泡スラグ用の炭素、スラグ調整用の石灰を注入します。最新の電気炉設計では、スラグ扉または側壁を通して2本または3本のランスを使用し、自動位置決めによって溶融金属への衝突点を最適化します。
組み立てる
電気炉の機械設計は、稼働率、生産性、および運転コストを左右します。適切に設計された100トン級電気炉は、大規模なオーバーホールなしで年間8000～9000回の加熱が可能です。一方、設計の悪い炉では5000回に達するのも困難です。その違いは、電気系統や制御システムにあるのではなく、炉体、傾斜、屋根、そして出湯口にあるのです。
モンテ・インテリジェンスは、これらの機械要素の改良に20年を費やしてきました。www.cnlymonte.com/products-electric-arc-furnace.html 設置写真や参考資料については、お問い合わせください。次回の電気炉プロジェクトに関するご相談は、件名を「電気炉機械設計」としてhelenxu@cnlymonte.comまでメールでお送りください。
