アーク炉の炉体旋回機構の実装および普及による省エネルギー化

大同特殊鋼株式会社

概要

　鉄スクラップから鋼を製造する電気炉製鋼は、鉄の資源循環サイクルにおける静脈系の最終工程に位置づけられる。スクラップを溶解する電気炉（以下、アーク炉という）は、炉上部から吊り下げた電極とスクラップの間で発生させる大電流のアーク放電によって、スクラップへ溶解エネルギーを供給しているが、電極から距離の離れた位置（以下、コールドスポットという）のスクラップには十分な熱が届かず、炉内で不均一な溶融状態が発生する。コールドスポット付近に補助バーナーを設置するといった従来の対策に見られる、化石燃料の大量消費、低い着熱効率などの欠点を克服するために、炉体を旋回するという発想を導入、これにより補助バーナーを使うことなくコールドスポットを解消、電力原単位の4.9%低減が実現した。当社は、炉体旋回機構付きアーク炉（商品名：STARQ^®）の普及・拡販によって、電気炉製鋼業界全体のCO₂排出低減にチャレンジする。

説明

　工業的に広く普及している粗鋼製造方法に、転炉製鋼法と電気炉製鋼法の２つがある。このうち電気炉製鋼法は、鉄スクラップを原料に鋼材を製造する工法であり、具体的にはアーク炉上部の黒鉛電極と炉内の鉄スクラップとの間にアーク放電を起こして、高温のアーク熱によってスクラップを溶解する製鋼方法である。

　電気炉製鋼業は、国内で年間約4000万トン発生する鉄スクラップのうち、国内利用（消費）分（約70％）のほぼ全量を担うことで、国内の循環型社会に寄与するとともに、資源小国である我が国の資源セキュリティの一翼を担う一方、年間の電力使用量は約150億kWhに上る電力多消費産業でもあり、省エネあるいはCO2排出削減の継続的な努力および実行が求められている。

　代表的なアーク炉である三相交流式アーク炉は、電極が正三角形の頂点に相当する位置に配置されているため、コールドスポットに溶け残りが発生する。従来は、溶け残りを防止するために、コールドスポット周囲に補助バーナーを設置してきたが、①アーク放電対比、バーナー火炎による着熱効率が悪い、②燃料費によって溶解コストが増加する、③バーナー火炎の跳ね返りによる炉壁水冷パネルの水漏れや耐火物の溶損などメンテナンス費用・工数が大きいといった課題があり、さらに生産性向上を目的とする炉の大型化およびそれに伴う高電圧・高電力操業など近年の進化がこれらの課題を一層顕著にしている。

　物理的な配置によって生じるコールドスポットを、炉体の旋回によって解消（コールドスポットを移動）するという発想自体は古くからあったが、炉体周囲の構造物や配管・配線との干渉をかわして数百トンにおよぶ炉体を回転させる難易度の高さから、これまで国内外の実施例はなかった。今般当社が開発したSTARQ^®は、種々の検討を重ねた結果、炉体直下に設置したころ軸受を油圧モータで駆動するシンプルな構造を採用して、耐久性とメンテナンス性を確保、第1号機は2013年に当社知多工場（愛知県東海市）へ設置された。

　STARQ^®第1号機の導入効果を紹介する。

①コールドスポットを直接目視観察することは困難のため、炉体上部内面の円周上に配置した水冷パネルの水温上昇値をスクラップ溶落状態の代替指標として評価した結果、円周方向の数値のばらつきが大きく改善、すなわちコールドスポットが減少したことが確認された。

②コールドスポットの減少によって通電時間は約5.2%短縮、電力原単位は約4.9%低減という大きな省エネ効果が確認された。

③従来のホットスポットに対する過剰な入熱が低減したことにより、ホットスポット周囲の耐火物の損耗も抑制され、補修材原単位が約16%低減するというコスト削減効果も確認された。

④炉体の旋回角度、旋回パターンの最適化など、その後の小改善の積み重ねによって、現在は通電時間が約6.1%短縮、電力原単位は約6.3%低減と省エネ効果はさらに拡大している。

当社には今回設置したほかに、知多工場に3基のアーク炉を所有しており、これらの更新時期に合わせてSTARQ^®を導入することによって、一層のCO₂排出削減にチャレンジする。

また、当社はSTARQ^®を初めとする工業炉を製品として販売する事業も行っており、STARQ^®については既に2社から受注、2021年および2022年の操業開始に向けて設計・製造を開始した。今後は、既設のアーク炉をSTARQ^®へ改造するための設計検討を進めて、新設・改造を問わず、国内外の製鋼事業者へSTARQ^®を販売する体制を整えることで、本炉の省エネ効果を電気炉製鋼業界全体に拡大、ひいてはCO₂排出削減の社会的要請に応えるという壮大なチャレンジをここに宣言する。