【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐火性又は難融解性物（以下、「耐火物」という）及びある種の金属などの固体材料群を融解するための電気炉に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属又は耐火物を融解するための電気炉には、従来より種々の形式が存在する。 これらの電気炉は一般に鋳造工程、熱処理及びそれらに関連する工程において用いられる比較的小型、もしくは中型の装置サイズを有するものである。 一般に、比較的大型の装置は高純度合金鋼の生産や、ガラス状エナメル、ガラスアニールなどを受け入れる工程部分のバッチ処理のように、特定生産工程の一部として大量の金属又は耐火物を融解するために用いられる。

【０００３】このような各電気炉は、通常は特定産業及び特定用途のために設計される。 例えば、電気炉の形式には、アーク炉と覆光型抵抗炉（submerged resistance
furnace）の２種類がある。 アーク炉において、熱は炉内物そのもの又は炉内物の上方を通るアークによって発生する。 直接アーク炉はアークが炉内物自体に形成される形式であり、間接アーク炉はアークが炉内物の上方における電極間に形成される形式である。 どちらの形式においても、標準的な電力周波数が用いられるが、直流（ＤＣ）電力もまたエネルギー源として用いることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】覆光アーク型の抵抗炉内において、熱は電極から炉内物を通って別の電極へと流れる電流の通路によって発生する。 ガラス容器、鉱質綿、セラミックファイバ及びガラスファイバなどのような基礎製品の製造は、一般に覆光型抵抗炉によって実施される。 電力は、標準電力周波数における電流（ＡＣ）
において供給される。

【０００５】さらに、電気炉は目的に応じて下つぎ、横つぎ又はその両形式の湯口を備えることができ、Δ結線における低電圧大容量又はＹ結線における高電圧小電流方式とし、ＡＣ又はＤＣのいずれにおける電力調整を行うことも可能である。

【０００６】従来の特許文献において、その湯口の配置、電気的構成、湯口選択及び電力調整（以後、一括して「コンフィギュレーション」という）を変更し、特定物質又は特定処理のために最適の電気炉を設計する方法について記載したものは存在しない。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、多目的使用可能な電気炉に関するものである。 この電気炉装置は、炉構造、電気系統、位置決めシステム及び制御装置からなっている。 炉構造は、１組の可動電極と、少なくとも２
箇所に設けられた湯口を有し、固体材料を溶融状態に変換することができる。 電気系統は、電流、電圧、インピーダンス、電力、及び／又は不平衡電流の調整及び設定が可能な電極を備えている。 電極位置決めシステムは、
電極を移動させ、この移動中において電極が炉を開放アークシステムとするか、覆光型抵抗方式、すなわち覆光アーク方式（submerged arc system）とするために妥当な位置にあるかどうかを判断する。 上記システム等は、
制御装置により監視される。 炉構造の他に、電気系統及び位置決めシステムもすべて最大効率及び最小コストにおいて固体材料を溶融状態に変換できるように、その態様を変更されることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は、電気炉１０の実施例の構造を示すものである。 好ましい実施例において、電気炉１０はプラットホーム９及びハウジング１１を有する移動ユニットである。 ハウジング１１は炉入口ドア８、オペレータドア７、オペレータコンソールドア６、電気系統操作パネル５及び屋根を含む他の部分４に分割される。 持ち上げ装置３は電気炉１０、具体的にはプラットホーム９を車輪又はブロックなどのような手段により、
地上から必要な最少距離だけ持ち上げるものである。 好ましくは、電気炉１０は移送できるように設計されている。 このような電気炉１０のサイズはそれがトラクタ‐
トレーラベッド２上に設置されて、国道、ハイウェイなどを許可証なしに搬送可能なものに設計される。

【０００９】図２を参照して、電気炉１０はハウジング１１と、サブシステムとしての融解場／電極位置決め装置１２、調整電力源１４、制御装置１６、データ収集システム１７０、モータ制御システム１８、集塵システム２０、水冷システム２２、及び多目的炉２４を備えている。 制御装置１６は他のサブシステム１２、１４、１
８、２０、２２、２４からの演算データを表示する。 各システム１２、１４、１８、２０、２２、２４はデータ収集システム（ＤＡＳ）１７０に接続されている。 データ収集システム１７０はこの情報を収集及び監視し、さらに、オペレータコンソールユニット１６において演算結果を表示する。 図示しないが、オペレータはコンソールユニット１６及び種々の手動オーバーライドスイッチを介して各サブシステム１２、１４、１８、２０、２２
及び２４を操作し、電気炉１０のコンフィギュレーションを変更する。 コンフィギュレーションは９０種類以上存在し、それらは所定の時間枠内においてセットされる。 コンフィギュレーション変換に応じて時間枠は数秒から約４時間までの範囲内にある。 これらのコンフィギュレーションを変更することにより、使用者は炉２４の機能を変換して、特定材料のための最も好ましい炉構造を達成する。 ＤＡＳ１７０は同じく使用者の選択により、各サブシステム１２、１４、１８、２０、２２及び２４から先に得た入力を現在の読みと比較して各システムを最大効率における所望のコンフィギュレーションに変更する。

【００１０】電気炉１０の基本単位は炉２４である。 炉２４は材料、すなわち炉内物としての純金属、耐火物又は合金などの物質を受け入れる。 炉２４はそれを融解（これについては後述する）し、さらに、その融解物質を注ぎ出す。 図２に示す炉２４は円錐型頂部２６、円筒型中間部２８及び丸み付けされた底部３０を有する。 各部２６、２８、３０は図示しないが、常套的な断熱材料によって断熱され、それらの熱を維持する。 炉２４の外側面において、炉２４はオペレータドア３６、種々の位置決めを行う装置３８、排気口４０、及び２箇所の湯口３２、３４を備えている。 一実施例において、円錐型頂部はマニホルド９３０を有し、このマニホルド９３０は炉２４内に発生した熱の幾分かを炉２４に戻して、その熱の幾分かが排気口４０に抜け出るようにする。

【００１１】第１の湯口方式は、融解金属を中間部２８
の側面噴出口３２から抽出し、第２の湯口方式は図３に示すように、融解物質を丸み付け底部３０の最低点から約１２インチのところにある底部オリフィス３４から注出する。

【００１２】それらの噴出口及びオリフィス３２、３４
の何れかが開くと、融解金属の流速はロードセル２３により監視される。 各ロードセル２３は炉２４のまわりに配置され、これは炉とその内容物の重量に比例した信号２００を発生する。 図４に示すように、ＤＡＳ１７０は信号２００を受信し、コンソールユニット１６はその結果を表示する。 一定の時間が経過すると、それによって異なった重量が融解金属の流速を計算する手掛かりを提供する。

【００１３】図３に戻り、炉２４がその内部において融解したか、又は固体のままの物質を処理するとき、炉２
４からはガスが発生する。 図５に示す通り、それらのガスは集塵システム２０に放出される。 システム２０においてガス８２の温度及び速度は複数の熱電対５３ａ及び空気速度測定器５１によって測定される。 これらの熱電対及び測定器はそれぞれ集塵システム２０を通じて間隔配置されている。 集塵システム２０はガス８２を円錐型頂部２６の頂点又はその付近における開口４０に引き込んで、排ガスダクト４２に導き、そこからサイクロン４
４に送る。 サイクロン４４は所定のサイズ以上のあらゆる粒子を捕集する。 集塵システム２０はサイクロン４４
からさらにガスを引き出し、排ガスダクト４６を通じて排ガス／フィルタ／ダクトバッグホース４８に導く。

【００１４】バッグホース４８は好ましくは、所定サイズの粒子を捕集する高温フィルタ４９と、小型ファン５
０及び出口５２を備えている。 システム４８は出口５２
から地域環境に放出されたガスが如何なる環境基準をも満たすように設計される。

【００１５】ファン５０はガス８２を炉２４から出口５
２を介して環境中に放出する工場用排気ファンである。
好ましい実施例において、ファン５０はガスを少なくとも２５フィート引き出す。 このようにファン５０はこれらのガスを炉２４から引き出すための十分な容量を有しなければならない。 電力量は空気系統の漏れ率に応じたものとなる。 この漏れ率は一般式において空気系統が外部空気を受け入れる量が大きいほど炉内ガスに対する真空吸引を困難にするという枠組みにおいて規定される。

【００１６】図４に示す通り、ファン５０、熱電対５３
ａ及び空気速度測定器５１はコンソール１６とＤＡＳ１
７０に接続される。 測定器等５１、５３ａはそれらの測定値２１２、２１４ａをＤＡＳ１７０に送信し、信号はさらに、そこからコンソール１６に送られる。 コンソール１６はタッチスクリーンディスプレイ装置１００上に測定値を表示する。 ファンの処理流量を変更することにより、冷却条件を変え、これによって排出ガス温度を調整することができる。

【００１７】システム２０におけるガス８２の温度をさらに制御するため、本発明は、水冷システム２２を用いて、ガス８２及び他のシステムを冷却する。

【００１８】図６を参照すると、水冷システム２２は水又は他の何らかの冷媒液をバイプ５２を通じて循環させる開放システムである。 パイプ５２は液を遠心ポンプ５
５により冷却塔５４を通じて流通するものであり、この冷却塔はパイプ５２中の液を“冷却状態”まで冷却する。 この冷却状態において、液は集塵システム２０を横切り、その集塵システム、特に開口４０、排ガスパイプ４２及びサイクロン４４を冷却するとともに、炉２４をも冷却する。 オペレータは種々の間隔配置された流量計１９９を通る液通路をマニホルド配列において形成するように変更することができる。 種々のシステム１４、２
０、２４を冷却した後、液は“温熱状態”となる。 温熱液はパイプ５２を通じて冷却塔５４に戻り、そこで再び冷却状態に復帰することができる。

【００１９】冷却システム２２はさらに、複数のノズル５６を装備し、各ノズル５６は冷却された液を炉２４の外殻に導く。 ノズル５６は炉２４が過熱（オーバーヒート）しないで作動し、液が液だめ１７２に捕集されるようにする。 タンク１７４は液だめ１７２から液を捕集する。

【００２０】液だめ１７２はポンプアップ／ポンプダウンシステム１７６を有する。 システム１７６は温熱液を液だめ１７２内の水位に応じてポンプ５５に送る。 もし、水位が高ければ、システム１７６は液を供給する。
逆に、液だめ１７２内の水位が低ければ、システム１７
６は液を供給しない。

【００２１】選択的に冷却システム２２は、水ジャケットが炉殻を包囲する場合には、閉鎖システムとすることができる。

【００２２】さらに、パイプ５２内には熱電対５３ｂが間隔配置される。 これらの熱電対５３ｂは液温を測定して、液供給及び返送を行うものである。

【００２３】図４に戻ると、液の流速及び温度はコンソール１６を通じてオペレータに制御される。 ＤＡＳ１７
０はポンプ５５及び冷却塔５４からデータを収集する。
ポンプ５５は液の流速９０を処理するが、冷却塔５４はファンの回転速度８８を出力する。 流速９０及びファン速度８８は可変速ポンプ又は冷却システムなどにおけるような他のパラメータと結合されて、システム２２内の液温を制御する。 流速９０が速すぎると、ファン５４は何ほどかのファン速度８８において液の冷却が不可能になる。 同様にファン速度８８が遅すぎる場合、液は絶対的に冷却されない。 ファン速度８８及び流速９０の制御は、液を冷却するという点において臨界値を有することになる。 このようにオペレータは、制御装置１６又は手動スイッチを用いて信号２２２及び２２４をそれぞれ送信し、ファン速度８８及び流速９０を変換する。

【００２４】各熱電対５３ｂはその測定値２４４ｂをＤ
ＡＳ１７０を介してコンソールユニット１６に送信する。 コンソールユニット１６はディスプレイ装置１００
上にその測定値を表示する。 電気炉には、オペレータがファン速度８８及び流速９０をシステム２２中の液温に応じて変えるための装備も存在する。

【００２５】選択的に、各フローモニタ１９９がＤＡＳ
１７０に接続される。 このようにして各モニタ１９９は液通路、すなわちパイプ５２から選択的なパイプ５２ｂ
までの通路を識別する信号２２０を送信する。 選択的なパイプ５２ｂはオペレータが温度の変更を必要とするシステムを決定したならば、その何れかのシステム１４、
１８、２０、２４から液を転流させる。

【００２６】図４及び図６を参照して、各システム１
４、２０、２４は少なくとも１個の熱電対５３ｃ、５３
ｄ、５３ｅ、５３ｆ、５３ｇを有し、これらの熱電対は各システムの温度を測定する。 熱電対５３ｃ〜５３ｇの各々は、各信号２１４ｃ〜２１４ｇにより表された関連情報をＤＡＳ１７０に送信する。 一実施例において、この情報は熱電対５３ａ、５３ｂの場合と同様、コンソール１６において表示される。

【００２７】冷却システム２２中の液は、システム１
４、２０、そして特に炉２４内において発生した熱に基づいて温熱状態となる。 炉の熱は２方式、すなわち開放アーク型又は覆光抵抗型加熱の一方において発生する。
オペレータは何れの場合においても、コンソールユニット１６において電気モータ系統１８、融解場／電極位置決め装置１２、及び調整動力源１４を制御する。 これらの３システムは、炉２４においてどれだけの熱が発生したかを判定する。

【００２８】図７を参照すると、各融解場／電極位置決め装置１２は電極６０、横向きアクチュエータ６２、垂直アクチュエータ６４、各アクチュエータ６２、６４のための接続ライン６６ａ及び６６ｂ、動力源６８、及び電極ホルダ７０を備えている。 電極６０は炉２４内に設けられ、電極ホルダ７０を有する横向きアクチューエタの先端６２ｄに接続される。 横向きアクチュエータの他端６２ｐは炉２４の外側に配置された垂直アクチュエータ６４に接続される。 このような横向きアクチュエータ６２は開口３８を通じて炉内に入る。 横向きアクチュエータ６２は電極６０を横方向に移動させる。

【００２９】これによって垂直アクチュエータ６４は電極６０を垂直方向に移動させる。 炉２４内において達せられる電極の最低位置は、開口３８の最低点３８ｎである。 逆に、炉２４内で達せられる電極最高位置は、開口３８の最高点３８ａである。 このような各電極６０は開口３８に対する何れかの横方向位置又は垂直位置にもたらされるが、その位置は開放アーク型か、覆光抵抗型又は覆光アーク型のいずれが選択されたかに応じて決定される。 電極の位置決めはコンソールユニット１６において遠隔的に、又は炉２４において局部的にオペレータにより制御される。 これはアーク炉動作中において要求されたアークを最適化するために自動制御される。 電極位置決め装置１２は常套的な動力源により駆動される。 動力源は水力又は油圧、電気もしくは空気とすることができる。

【００３０】図４に戻ると、各動力源６８はＤＡＳ１７
０及びコンソールユニット１６に接続される。 動力源６
８は各垂直及び横向きアクチュエータ６２、６４の位置、したがって、各電極６０の位置を識別する位置信号２２６を送信する。 コンソールユニット１６はその信号を炉２４内の各電極６０の位置を識別する表示に変換する。 オペレータは各電極６０の位置を見て、その信号２
２６を各動力源６８に伝達し、それによって特定電極６
０を所望の位置に移動させる。 選択的に、各電極６０の位置はローカルオペレータスイッチ装置９２により手動的に制御することもできる。 スイッチ装置９２はオペレータがコンソールユニット１６を介して電極６０を移動できるようにする。

【００３１】各電極６０の位置制御は、それ自体においては炉２４内で発生した熱量を制御するものではない。
各電極６０は３つの方法、すなわち炉２４において、コンソール１６において、及びアーク炉動作中の自動制御において制御される。 電極６０の位置は、その電極６０
に伝達された電力形式と電力量とともに熱量を決定する要素となる。 電力量は電力調整システム１４により決定される。

【００３２】各システム１４、１８はデータシステム１
７０、コンソールユニット１６、及び各電極６０に接続される。 システム１４は、電極６０にライン２５０を介してＡＣ又はＤＣ電流を供給する。 電流はハウジング１
１内において発生し、もしくは選択的に、外部電源（図示せず）から受け入れることができる。 システム１４は電極６０が如何なるモードで電力を受け取っているかを識別するためのＡＣ又はＤＣ信号２２８を、ＤＡＳ１７
０に伝達する。 オペレータはコンソールユニット１６において電極への電流を終了し、又はシステム１４に復帰信号２２８を送信することにより、電極６０が支配される調整モードを変換する。 選択的に、電気炉にはオペレータが電極に流入する電流を手動で変更し、及び／又は電極の何らかの方式における電流受入れを終了し、アーク炉動作中においてシステムにリアクタンスを加えるための手動スイッチ１２２を設けることができる。

【００３３】電力調整システム１４は調整された電力を電極６０に供給し、オペレータコンソール１６は電極６
０への電圧、電流、電力（ワット）、インピーダンス、
及び不平衡電流、もしくは電極６０への不平衡電力のレベルを確立するための適当な調整を可能にするものである。 モータ制御システム１８はこれら種々のパラメータを制御及び監視する種々の電極システムからなり、各パラメータのための制御信号２３０をＤＡＳ１７０及びコンソールユニット１６に供給する。 オペレータはコンソールユニット１６において各パラメータを監視するとともに、それらをコンソール１６からこれに従って調整する。 選択的に、オペレータは手動オーバーライドスイッチ１８４により、各パラメータを手動調整することができ、各電極６０に送られているパラメータを遮断することも可能である。

【００３４】選択的に、ディスプレイ装置１００は読み出しシステムを有し、かつオペレータがそれを信号測定又はパラメータ、もしくは複数の測定値及び／又はバラメータを同時に制御及び調整することができる。 選択的に、ディスプレイユニット１００は制御（及び調整）に対する２つの実施例を組み合わせ、電気炉１０のパラメータ及び測定値を監視するものである。

【００３５】しかしながら、データ収集システム１７０
はＡＤ変換器及びパルス／デジタル変換器において備えたペンチウム型コンピュータシステムに制限されるものではない。 コンピュータ内に装備されるこの信号処理装置の配列は、ディスプレイ用の種々の行列センサ信号をＤＡＳ１７０及び遠隔のコンソール１６に装備されたディスプレイ装置１００に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の側面図である。

【図２】図１の分解斜視図である。

【図３】図１の側面図である。

【図４】電気系統の略図である。

【図５】排ガスシステムの略図である。

【図６】水冷システムの略図である。

【図７】１組のシステムの略図である。

【符号の説明】

２ トラクタ‐トレーラベッド ３ 持ち上げ装置 ４ 屋根を含む他の部分 ５ 電気系統操作パネル ６ オペレータコンソールドア ７ オペレータドア ８ 炉入口ドア ９ プラットホーム １０ 電気炉 １１ ハウジング １２ 位置決めシステム １４ 調整電力源 １６ 制御装置 １８ モータ制御システム ２０ 集塵システム ２２ 水冷システム ２４ 炉 ３１、３４ 湯口 １７０ データ収集システム