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電気アーク炉（EAF）とは、電気アークを用いて材料を加熱する炉のことである。
工業用アーク炉のサイズは、鋳鉄製品の製造に使用される鋳造工場で使用される約1トンの小型装置から、二次製鋼に使用される約400トンの装置まで多岐にわたります。研究室や歯科医院で使用されるアーク炉の容量は、わずか数十グラムの場合もあります。工業用電気アーク炉の温度は1,800 ℃（3,300 °F）に達することがありますが、実験室用装置では3,000 ℃（5,400 °F）を超えることもあります。
電気アーク炉では、炉内の材料（装入物と呼ばれる）が直接アーク放電にさらされ、電極端子からの電流が装入物を通過します。アーク炉は、渦電流を用いて装入物を加熱する誘導炉とは異なります。
19世紀には、多くの人々が電気アークを用いて鉄を溶かしていた。電気アークを用いて金属を溶かす可能性は、1803年にワシリー・ウラジミロヴィチ・ペトロフによって実証された。1810年にはハンフリー・デービー卿が実験を行い、 1815年にはウィリアム・ハセルディン・ペピスが溶接について研究し、1853年にはピンションが電気炉の製作を試み、1878年から1879年にかけてウィリアム・シーメンス卿がアーク式電気炉の特許を取得した。
最初の成功した実用的な炉は、 1888年にスコットランドのエジンバラでジェームズ・バージェス・リードマンによって発明され、1889年に特許を取得しました。これは特にリンの製造を目的としていました。[ 1 ] [ 2 ]
フランスのポール・エルーによってさらに電気アーク炉が開発され、1907年に米国に商業プラントが設立された。サンダーソン兄弟はニューヨーク州シラキュースにサンダーソン・ブラザーズ・スチール社を設立し、米国初の電気アーク炉を設置した。この炉は現在、ペンシルベニア州ピッツバーグのステーションスクエアに展示されている。[ 3 ]
当初、電気アーク炉で製造された「電気鋼」は、工作機械やばね鋼などの用途向けの特殊製品でした。アーク炉は、カーバイドランプに使用する炭化カルシウムの製造にも使用されていました。スタッサーノ電気炉は、通常回転して溶融浴を攪拌する アーク型炉です。ジロ炉は、エルー炉に似ています。
第二次世界大戦中は合金鋼の生産に電気炉が広く使われていましたが、電気製鋼が本格的に普及し始めたのはそれ以降のことです。ミニミルの設備投資コストは年間設備容量1トンあたり約140～200米ドルと低く（総合製鉄所の年間設備容量1トンあたり1,000米ドルと比較）、戦禍に苦しむヨーロッパでも迅速に製鉄所を設立することができました。また、米国市場では、ベスレヘム・スチールやUSスチールといった大手製鉄会社と、低価格の炭素鋼「長尺製品」（構造用鋼、棒鋼、線材、ファスナーなど）を巡って競争することも可能になりました。
2022年1月現在、Nucorは米国最大の鉄鋼メーカーの1つである。[ 4 ]同社は1969年に、製鋼炉として電気炉（EAF）を備えたミニミルを使用して長尺鋼材市場に参入し、すぐに他のメーカーもこれに続いた。Nucorが米国東部で急速に拡大する一方で、ミニミル操業に追随した企業は、EAFによって工場が地域の需要に応じて生産量を調整できる長尺製品の地域市場に集中した。このパターンは世界的に続き、EAF製鋼は主に長尺製品に使用され、高炉と転炉を使用する統合製鋼所は、鋼板や厚鋼板などの「平鋼製品」の市場を独占した。
1987年、Nucorは依然として電気炉生産方式を用いて、板材市場に進出した。[ 5 ]
製鋼に用いられる電気アーク炉は、耐火材で内張りされた容器（大型のものは水冷式）で構成され、開閉式の屋根で覆われ、そこから1本または複数の黒鉛電極が炉内に挿入される。[ 6 ] 炉は主に3つのセクションに分かれている。
炉床は半球形の場合もあれば、偏心底出湯炉（下記参照）では半分に切った卵のような形をしている場合もある。現代の製錬所では、取鍋やスラグポットを炉の両端の下に容易に移動できるように、炉はしばしば床面から持ち上げられている。電極支持部と電気系統、そして炉が載る傾斜台は、炉の構造とは別になっている。電極支持部と屋根が炉と共に傾斜する構成と、持ち上げられた台に固定される構成の2種類が考えられる。
一般的な交流炉は三相電源で駆動されるため、3本の電極を備えています。[ 7 ]電極は断面が円形で、通常はねじ込み式カップリングを備えたセグメントに分かれているため、電極が摩耗すると新しいセグメントを追加できます。アークは、装入物と電極の間に形成されます。装入物は、装入物を流れる電流とアークによって発生する放射エネルギーの両方によって加熱されます。電気アークの温度は約3,000 ℃（5,400 °F）に達するため、動作中は電極の下部が白熱します。[ 8 ]電極は、電動ウインチホイストまたは油圧シリンダーのいずれかを使用する位置決めシステムによって自動的に昇降されます。制御システムは、スクラップが溶融中に電極の下で移動する可能性があるにもかかわらず、装入物の溶融中にほぼ一定の電流と電力入力を維持します。電極を保持するマストアームは、重いバスバー（電極クランプに電流を供給する中空の水冷銅管である場合もある）を支えるか、「ホットアーム」にすることができます。ホットアームでは、アーム全体が電流を供給し、効率が向上します。ホットアームは、銅被覆鋼またはアルミニウムで作ることができます。大きな水冷ケーブルが、バスチューブまたはアームを炉の隣にある変圧器に接続します。変圧器は地下室に設置され、ポンプで循環する変圧器油によって冷却され、油は熱交換器を介して水によって冷却されます。[ 6 ]
炉は傾斜プラットフォーム上に構築されており、溶鋼を別の容器に注ぎ込んで輸送することができます。溶鋼を注ぐために炉を傾ける操作は「出鋼」と呼ばれます。元々、すべての製鋼炉には、炉を傾けると洗い流される耐火物で閉じられた出鋼口がありましたが、現代の炉では、溶鋼への窒素やスラグの混入を減らすために、偏心底出鋼口（EBT）が採用されていることがよくあります。これらの炉には、炉床とシェルを垂直に貫通し、卵形の炉床の狭い「ノーズ」の中央からずれた位置に出鋼口があります。閉じられた状態では、オリビンなどの耐火砂で満たされます。現代のプラントでは、2つのシェルに1組の電極を移設できる場合があり、一方のシェルでスクラップを予熱し、もう一方のシェルで溶解を行います。他の直流ベースの炉も同様の構成ですが、各シェルに電極があり、電子機器は1組です。
交流炉は通常、炉床の周囲に高温部と低温部が分布し、低温部は電極間に位置する。現代の炉は側壁に酸素燃料バーナーを取り付け、低温部に化学エネルギーを供給することで、鋼の加熱をより均一にする。さらに、酸素と炭素を炉内に注入することで化学エネルギーを供給する。従来は、スラグ扉のランス（中空の軟鋼管[ 9 ]）を通して行われていたが、現在では主に、酸素燃料バーナーと酸素または炭素注入システムを一体化した壁掛け式注入ユニットによって行われている。
中規模の現代的な製鋼炉には、定格約60,000,000ボルトアンペア（60 MVA）の変圧器 が備えられており、二次電圧は400～900ボルト、二次電流は44,000アンペアを超えます。現代の工場では、このような炉は冷間スクラップの装入から出鋼まで約50分で80トンの溶鋼を生産することが期待されます。これに対し、転炉は1バッチ（加熱）あたり150～300トンの生産能力を持ち、30～40分で1回の加熱を完了できます。最終製品や現地の状況、そして炉の効率向上に向けた継続的な研究によって、炉の設計詳細や運転方法には大きなばらつきがあります。 （出鋼重量と変圧器定格の点で）最大のスクラップ専用炉は、日本の東京製鉄が操業する直流炉で、出鋼重量は420トン、8台の32MVA 変圧器から電力が供給され 、総電力は256MVAである。
電気アーク炉で鋼鉄1トンを生産するには、1ショートトンあたり約400キロワット時（1.44ギガジュール） 、または1トンあたり約440キロワット時（1.6ギガジュール）のエネルギーが必要です。スクラップ鋼1トンを溶かすのに必要な理論上の最小エネルギー量は300キロワット時（1.09ギガジュール）です（融点1,520 ℃（2,768 °F））。したがって、300トン、300 MVAの電気アーク炉では、鋼鉄を溶かすのに約132 MWhのエネルギーが必要となり、「通電時間」（アークで鋼鉄を溶かす時間）は約37分になります。[ 10 ]
電気アーク製鋼は、電力網が十分に発達し、豊富で安定した電力が供給されている場合にのみ経済的です。多くの地域では、製鉄所は電力会社に余剰の発電能力があり、電気料金が安いオフピーク時間帯に操業しています。これは、あらゆる方法による世界の鉄鋼生産のエネルギー消費量（1トンあたり約5,555 kWh（20 GJ）と推定）[ 10 ]（1ギガジュールは約278 kWhに相当）と比べると非常に有利です。
スクラップ金属は、溶解工場の隣にあるスクラップ置き場に運ばれます。スクラップは一般的に、シュレッド（家電製品、自動車、その他同様の薄鋼板で作られたもの）とヘビーメルト（大型のスラブや梁）の2種類に分けられ、化学バランスを保つために直接還元鉄（DRI）または銑鉄が少量混入されます。一部の炉では、ほぼ100% DRIを溶解します。
スクラップは、底が「クラムシェル」型の扉になっているバスケットと呼ばれる大型のバケツに積み込まれます。炉の運転を円滑にするため、バスケット内のスクラップは層状に積み重ねられます。まず、重質の溶融スクラップを、次に保護用の薄片を敷き詰め、その上にさらに薄片を重ねます。これらの層は、装入後も炉内に存在している必要があります。積み込み後、バスケットはスクラップ予熱器に送られ、そこで炉から発生する高温の排ガスを利用してスクラップを加熱し、エネルギーを回収することで、プラントの効率を高めます。
スクラップかごは溶解工場に運ばれ、炉の屋根が外され、かごからスクラップが炉に投入される。スクラップの投入は、電気炉の作業員にとって最も危険な作業の一つである。何トンもの金属が落下することで膨大な位置エネルギーが放出され、炉内の溶融金属は固体のスクラップによって上方および外側に押し上げられることが多く、炉が高温になっている場合はスクラップに付着した油脂や粉塵が引火し、火の玉が発生する。
二層式炉の中には、第一層を溶解している間に第二層にスクラップを投入し、第一層からの排ガスで予熱するものがあります。その他の方法としては、コンベアベルト上でスクラップを予熱し、炉本体に排出する連続投入方式や、炉の上部に設置されたシャフトからスクラップを投入し、排ガスをシャフトを通して送る方式などがあります。また、他の炉では、他の工程で発生した高温（溶融）金属を投入することも可能です。
充電後、炉の屋根が再び炉の上に向けられ、溶解が開始されます。電極がスクラップの上に降ろされ、アークが発生し、電極は炉の上部のシュレッダー層に穴を開けるように設定されます。この最初の操作段階では、アークによる過度の熱や損傷から屋根と壁を保護するために、低い電圧が選択されます。電極が炉底の重い溶融物に到達し、アークがスクラップによって遮蔽されると、電圧を上げて電極をわずかに持ち上げ、アークを長くして溶融物への電力を増加させることができます。これにより、溶融プールがより迅速に形成され、タップ間の時間が短縮されます。スクラップに酸素が吹き込まれ、鋼が燃焼または切断され、壁に取り付けられた酸素燃料バーナーによって追加の化学熱が供給されます。これらのプロセスは両方ともスクラップの溶解を促進します。超音速ノズルにより、酸素ジェットが泡立つスラグを貫通して溶融浴に到達します。
製鋼において重要な工程の一つに、溶融鋼の表面に浮遊するスラグの形成があります。スラグは通常、金属酸化物から構成され、酸化不純物の吸着場所として、また熱ブランケット（過剰な熱損失を防ぐ）として、さらに耐火ライニングの浸食を軽減する役割を果たします。ほとんどの炭素鋼製造炉を含む塩基性耐火物を用いた炉では、一般的なスラグ形成物質は酸化カルシウム（CaO、生石灰の形態）と酸化マグネシウム（MgO、ドロマイトおよびマグネサイトの形態）です。
これらのスラグ形成剤は、スクラップとともに投入されるか、溶解中に炉内に吹き込まれます。電気炉スラグのもう一つの主要成分は、注入された酸素と燃焼した鋼鉄由来の酸化鉄です。加熱が進むにつれて、炭素（コークスまたは石炭の形で）がこのスラグ層に注入され、酸化鉄と反応して金属鉄と一酸化炭素ガスが生成されます。これによりスラグが発泡し、熱効率、アーク安定性、電気効率が向上します。また、スラグ層はアークを覆い、放射熱による炉の屋根や側壁の損傷を防ぎます。
最初のスクラップが溶解されたら、次のスクラップを炉に投入できますが、電気炉の開発は単一投入方式へと移行しつつあります。スクラップの投入と溶解のプロセスは、必要な熱量に達するまで何度でも繰り返すことができます。投入回数はスクラップの密度によって決まり、密度の低いスクラップほど多くの投入回数が必要になります。すべてのスクラップが完全に溶解した後、精錬工程が行われ、鋼の化学組成をチェックして調整し、溶湯を凝固点以上に過熱して出鋼の準備を行います。
溶融浴にさらに多くのスラグ形成剤が投入され、酸素が吹き込まれることで、ケイ素、硫黄、リン、アルミニウム、マンガン、カルシウムなどの不純物が燃焼し、それらの酸化物がスラグとして除去されます。炭素は酸素との親和性が高いため、これらの元素が最初に燃焼した後に除去されます。ニッケルや銅など、鉄よりも酸素との親和性が低い金属は、酸化によって除去できないため、前述の直接還元鉄や銑鉄の投入など、スクラップ化学のみによって制御する必要があります。
炉内全体を通して泡立ったスラグが維持され、しばしば炉から溢れ出してスラグ扉からスラグピットに流れ込む。温度サンプリングと化学分析は自動ランスによって行われる。酸素と炭素は鋼に浸漬する特殊なプローブによって自動的に測定できるが、その他の元素については、鋼の小さな凝固サンプルである「チル」サンプルをアーク発光分光計で分析する。
温度と化学組成が適切になったら、炉を傾けて鋼を予熱した取鍋に注ぎ出します。普通炭素鋼炉の場合、出鋼中にスラグが検出されるとすぐに炉を脱スラグ側に素早く傾け、取鍋へのスラグの持ち込みを最小限に抑えます。ステンレス鋼などの一部の特殊鋼種では、スラグも取鍋に注ぎ込み、取鍋炉で処理して貴重な合金元素を回収します。出鋼中には、合金添加物が金属流に導入され、取鍋の上には石灰などのフラックスがさらに加えられ、新しいスラグ層の形成が始まります。
多くの場合、数トンの溶鋼とスラグが炉内に残され、「ホットヒール」が形成されます。これは、次のスクラップ装入物の予熱と溶解の促進に役立ちます。出鋼中および出鋼後には、炉が「回転」されます。スラグ扉から固まったスラグが除去され、目に見える耐火物が検査され、水冷部品の漏れがチェックされ、電極に損傷がないか検査され、必要に応じて新しいセグメントを追加して延長されます。出鋼が完了すると、出鋼口は砂で満たされます。90トンの中出力炉の場合、通常、1回の溶鋼の出鋼から次の溶鋼の出鋼まで（出鋼間隔）全体で約60～70分かかります。
炉は定期的に鋼とスラグを完全に抜き取り、耐火物の点検と必要に応じた大規模な修理が行われます。耐火物は焼成炭酸塩から作られることが多いため、水による水和反応に非常に敏感です。そのため、水冷部品からの漏洩が疑われる場合は、蒸気爆発の可能性という差し迫った懸念事項を超えて、極めて深刻な問題として扱われます。耐火物の過度の摩耗は、溶融金属とスラグが耐火物と炉殻を貫通して周囲に漏れ出すブレイクアウトを引き起こす可能性があります。
電気炉（EAF）を用いることで、100％スクラップ金属を原料として鋼を製造することが可能になる。これは、鉱石から鋼を製造する場合と比較して、鋼の製造に必要なエネルギーを大幅に削減する。
もう一つの利点は柔軟性です。高炉は生産量を大きく変えることができず、何年も稼働し続けることができますが、電気炉は迅速に起動・停止できるため、製鉄所は需要に応じて生産量を調整できます。
製鋼用アーク炉は一般的にスクラップ鋼を主原料として使用するが、高炉からの溶銑や直接還元鉄が経済的に入手可能な場合は、これらも炉の原料として使用できる。
電気炉は大量の電力を必要とするため、多くの企業は電力料金が安い時間帯を利用できるよう操業スケジュールを調整している。
ミニミルは、棒鋼や帯鋼などの製品を製造するが、その原料となる鋼材は、一般的な製鋼用アーク炉から供給される。ミニミルは鉄鋼製品の市場に近い場所に立地できるため、輸送コストは、一般的に港湾近くに立地して輸送の利便性を高める総合製鉄所よりも少なくて済む。
電気炉製鋼では、鉄スクラップ、DRI、銑鉄の比率によっては、生産される鋼1トンあたり二酸化炭素排出量を0.6トンまで削減できる[ 11 ]。これは、高炉や転炉による従来の製鋼法（生産される鋼1トンあたり2.9トンの二酸化炭素を排出）よりも大幅に低い値である[ 12 ]。
現代の電気アーク炉は鉄スクラップの非常に効率的なリサイクル装置であるものの、アーク炉工場の操業は環境に悪影響を及ぼす可能性がある。新規設備の設備投資費用の大部分は、こうした悪影響を軽減するためのシステムに費やされる。そのシステムには以下のようなものがある。
電気炉製鋼では主に鉄くずや鋼くずなどのリサイクル材料を使用するため、それらの組成が変化すると、発生する電気炉スラグや電気炉ダストは有毒となる可能性があります。電気炉ダストは大気汚染防止装置で収集されます。これは収集ダストと呼ばれ、通常、亜鉛、鉛、ダイオキシンなどの重金属を含んでいます。これは有害産業廃棄物に分類され、処分が規制されています。[ 13 ]
アーク炉の負荷は非常に変動しやすい性質を持つため、電力系統は他の顧客への電力供給品質を維持するために技術的な対策を必要とする場合があります。ちらつきや高調波歪みは、アーク炉の運転に伴う電力系統の一般的な副作用です。
製鋼には直流（DC）アーク炉が用いられ、炉頂に単一の電極が設置され、電流は導電性の底部ライニングまたは底部の導電性ピンを通して戻されます。DCアーク炉の利点は、電極が1本しか使用されないため、鋼1トンあたりの電極消費量が少なく、高調波などの問題も少ないことです。DCアーク炉のサイズは、使用可能な電極の電流容量と最大許容電圧によって制限されます。DCアーク炉の長期運転においては、導電性炉床のメンテナンスがボトルネックとなります。
製鉄所では、取鍋炉（LF）は、電気炉（EAF）から出鋼した後の処理中に溶鋼の温度を維持したり、合金組成を変更したりするために使用されます。取鍋は、製鋼工程の後半で遅延が発生した場合に、最初の目的で使用されます。取鍋炉は、耐火性の屋根、加熱システム、および必要に応じて、溶融物の底部にアルゴンガスを注入して攪拌するための設備で構成されています。スクラップ溶解炉とは異なり、取鍋炉には傾斜機構やスクラップ装入機構はありません。
電気アーク炉は、炭化カルシウム、フェロアロイ、その他の非鉄合金の製造、およびリンの製造にも使用されます。これらの用途の炉は、製鋼炉とは物理的に異なり、バッチ式ではなく連続式で運転される場合があります。連続式炉では、電極交換による中断を防ぐために、ペースト状のSøderberg電極を使用することもあります。[ 14 ]
このような炉は、電極の先端がスラグ/装入物の中に埋め込まれており、マットと電極の間でスラグを通してアークが発生するため、浸漬アーク炉として知られています。電極のケーシングとケーシングフィンは、電極ケーシングを通過する電流と炉からの熱によって電極ペーストを溶融します。[ 14 ]一方、製鋼アーク炉は、開放された状態でアークが発生します。重要なのは、必要な熱を発生させる電気抵抗です。製鋼炉では、抵抗は雰囲気ですが、浸漬アーク炉では、スラグ（または装入物）が抵抗を提供します。どちらの炉でも生成される溶融金属は、効果的な発熱抵抗を形成するには導電率が高すぎます。
小型アーク炉は、炉体と屋根の構造部材に空気を循環させることで十分に冷却できますが、大型設備では、構造物を安全な運転限界内に維持するために、強力な強制冷却が必要です。炉体と屋根は、パネルを形成するパイプを通して水を循環させるか、パネル部材に水を噴霧することで冷却できます。管状パネルは、ひび割れが生じたり、熱応力寿命に達したりした場合に交換できます。
スプレー冷却は最も経済的で、最も効率の良い冷却方法です。スプレー冷却装置はほぼ無限に再ライニングできます。20年持つ装置が一般的です。稼働中の炉では、パネルの圧力損失アラームにより管状漏れがすぐに検出されますが、現時点では、非常に小さな量のスプレー冷却漏れをすぐに検出する方法はありません。これらは通常、スラグの被覆の後ろに隠れており、炉床の耐火物を水和させ、溶融金属の噴出、最悪の場合は蒸気爆発につながる可能性があります。[ 15 ]
プラズマアーク炉（PAF）は、グラファイト電極の代わりにプラズマトーチを使用します。これらのトーチはそれぞれ、プラズマ生成ガス（窒素またはアルゴン）を供給するためのノズルと軸方向のチューブを備えたケーシングと、チューブ内の燃焼可能な円筒形グラファイト電極を備えています。このような炉はプラズマアーク溶融（PAM）炉と呼ばれ、チタン溶解産業や同様の特殊金属産業で広く使用されています。[ 16 ]
真空アーク再溶解（VAR）は、真空精製および化学的・機械的均質性を向上させたインゴットの製造のための二次再溶解プロセスである。[ 17 ]
軍事および民間航空宇宙分野における重要な用途では、材料技術者は一般的にVIM-VAR鋼を指定します。VIMとは真空誘導溶解、VARとは真空アーク再溶解を意味します。VIM-VAR鋼は、ジェットエンジンのベアリング、軍用ヘリコプターのローターシャフト、戦闘機のフラップアクチュエータ、ジェット機やヘリコプターのトランスミッションのギア、ジェットエンジンのマウントやファスナー、ジェット機のテールフックなど、要求の厳しい用途に使用されます。
ほとんどの鋼種は一度溶解され、その後鋳造または鋳造されて固められ、その後、冶金学的に健全な形状に鍛造または圧延されます。これに対し、VIM-VAR鋼は真空下でさらに2回の高純度溶解処理を受けます。電気アーク炉で溶解され、アルゴン酸素脱炭容器で合金化された後、真空再溶解用の鋼はインゴット型に鋳造されます。固化したインゴットは真空誘導溶解炉に送られます。この真空再溶解プロセスにより、鋼から介在物や不要なガスが除去され、化学組成が最適化されます。
VIM（真空注入）工程では、これらの固体インゴットを真空という汚染のない空間で溶融状態に戻します。この厳密に制御された溶融には、しばしば最大24時間かかります。真空に包まれたまま、高温の金属はVIM炉のるつぼから巨大な電極型へと流れ込みます。一般的な電極は高さ約15フィート（5メートル）で、直径は様々です。電極は真空下で凝固します。
VIM-VAR鋼の場合、次の真空再溶解の前に、冷却された電極の表面を研磨して表面の凹凸や不純物を取り除く必要があります。その後、研磨された電極をVAR炉に入れます。VAR炉では、真空密閉されたチャンバー内で鋼が滴下しながら徐々に溶解します。真空アーク再溶解により、残留する介在物がさらに除去され、鋼の清浄度が向上し、酸素、窒素、水素などのガスも除去されます。これらの液滴の形成と凝固の速度を制御することで、VIM-VARインゴット全体にわたって化学組成と微細構造の一貫性が確保され、鋼の耐破壊性や耐疲労性が向上します。この精製プロセスは、ヘリコプターのローターシャフト、軍用ジェット機のフラップアクチュエータ、ジェットエンジンのベアリングなどの部品の性能特性を満たすために不可欠です。
商業用途や軍事用途によっては、鋼合金は真空再溶解（VAR）を1回だけ行う場合があります。例えば、固体ロケットのケース、着陸装置、戦闘車両のトーションバーなどに使用される鋼材は、通常、真空再溶解を1回だけ行います。
真空アーク再溶解法は、チタンや、反応性の高い金属、あるいは高純度が要求されるその他の金属の製造にも用いられる。
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