技術文献

【機関誌「エレクトロヒート」記事】

EH＿No251【特集】工業炉（熱処理）の電化について考える

渡邉　規寛（わたなべのりひろ）一般社団法人日本エレクトロヒートセンター企画部部長

要約　カーボンニュートラルの切り札とされている電化。しなしながら産業分野の電化に向けたプロセスは、長く険しい山登りとなっているのが実情。そこで改めて産業電化とカーボンニュートラルとの関係性・役割、産業電化における課題整理（昨年度の調査結果）、更なる取り組みなどについて紹介し、工業炉（熱処理含む）における、電化普及の一助として活用頂けるよう、本特集を企画しました。

②カーボンニュートラルに向けた工業炉の電化状況など調査結果

清水　耕平（しみずこうへい）　株式会社富士経済エネルギーシステム事業部課長

八浪　佑亮（やつなみゆうすけ）株式会社富士経済エネルギーシステム事業部 AD

要約　カーボンニュートラルに向けた工業炉の電化について、電化事例および、関係者ヒアリングによる工業炉種別の現状と電化の方向性を整理した。電化事例調査では、鋳造向けの誘導溶解炉やアルミ溶解炉の保持炉や溶解保持炉、表面熱処理炉の真空浸炭炉や光輝焼鈍誘導加熱の電化事例が主に公表されていた。関係者ヒアリングを元にした電化の方向性では、鉄鋼溶解炉、アルミ溶解炉、鉄鋼加熱炉、一般熱処理炉、表面熱処理炉を対象に調査し、アルミ溶解炉、アルミ熱処理炉、浸炭炉にて電化の進展が有望視されるとの結論を得た。また水素転換の可能性について、コストおよび品質の課題が明確となった。

③カーボンニュートラルに向けた工業炉の電化について

加納　利行　（かのうとしゆき）　富士電機株式会社

高橋　良治　（たかはしりょうじ）一般社団法人日本工業炉協会

加藤　健次　（かとうけんじ）　　一般社団法人日本工業炉協会

要約　工業炉は、鉄鋼、自動車、電気、電子、窯業、化学工業等の多くの産業分野において、各種の原材料を加熱、熱処理するために必須な設備である 1）。わが国の工業炉の消費エネルギーは、国内全体の約 15％を占めており、2050 年のカーボンニュートラル社会構築を目指す上で、工業炉の取り組みは極めて重要である。本報では、工業炉のカーボンニュートラルに向けた電化のポテンシャル及び今後の課題について述べる。

➃カーボンニュートラルに向けた工業炉の電化事例

山口　剛　（やまぐちたけし）三建産業株式会社営業本部本社営業部部長

要約　工業炉が消費するエネルギーは、日本全体のエネルギー消費量の 15％に相当し、その温室効果ガス排出量は、日本全体の 12％を占めていると見積られている。三建産業株式会社は、2022 年度中期経営計画に「競争力ある脱炭素工業炉メーカーになる」という柱を掲げ、2030 年までに当社の工業炉から排出される二酸化炭素を 50％削減するという目標とし、工業炉のエネルギー削減・電化推進・燃料転換・老朽化更新に積極的に取り組んでいる。当社が設計、製造した抵抗加熱式工業炉には、台車移動式、炉体移動式、回転炉床式などがあり、主に素形材の加熱および熱処理に使用されている。本稿では、当社が現在まで納入してきた抵抗加熱式工業炉の概要、採用実績など紹介する。

⑤工業炉・熱処理分野の電化実現に向けた赤外線加熱による試験結果

倉田　征治　（くらたせいじ）メトロ電気工業株式会社技術開発課課長

要約　経済産業省では工業炉のカーボンニュートラル化推進のため、アンモニアや水素による燃焼や、電磁誘導などを活用した電化を推進している。しかしながら赤外線加熱活用は検討されていない。クリーンで、取り扱いも容易、高効率、低温温度帯では活用されている赤外線加熱技術が検討されていない理由は、現行電化できていない工業炉はより高エネルギーが必要であり、従来の赤外線加熱技術では出力が不足していたためである。また電気を使って発熱し、そこからの熱放射を利用する赤外線加熱技術は、たとえ実現できても効率が悪いとも考えられていたことも理由にあげられる。しかしながら、昨今の赤外線技術はより高出力となっており、また放射加熱を工夫することによって高効率化させ、省エネ性も実現させることが出来る。本研究では、あらたな赤外線技術によって従来加熱できなかった温度領域について試験し、そこから得られた知見を概説する。

EH＿No244【特集】クリーンエネルギー開発・活用

【特別寄稿】①長距離ケーブル連系における高調波共振

浅野　雅彦　（あさのまさひこ）

日新電機株式会社静止機器事業部産業・海外技術部主幹

要約　これからは、再生可能エネルギーの大量導入が進み、大規模な太陽光、風力、洋上風力発電所等が今後増えてくるものと予想される。これらの発電所は連系する既存の電力供給設備（電力会社の変電所等）から離れた場所に設置されることが多く、保守が容易で景観上の問題も少ない長距離地中ケーブル送電を採用するケースがある。一方、電力系統内に高調波が存在している場合や発電システム内のインバータから高調波が発生していると、長距離地中ケーブルの対地静電容量と系統リアクタンスの共振特性によってはこれらの高調波が拡大する可能性がある。本稿では長距離地中ケーブル送電系統モデルにより、電力系統内に存在する高調波を対象にした共振拡大現象と共振を抑制する対策装置（高調波フィルタ）について解説する。

EH＿No.239　【特集】電気加熱・エネルギーにおけるシミュレーション技術の最先端

①SimcenterSTAR-CCM+を用いた電気加熱シミュレーション

佐藤　誠（さとう　まこと）

シーメンス PLM ソフトウェア CD 株式会社カスタマーサポート本部　グループリーダー

要約　電気加熱は産業界で広く利用されている加熱方式である。電機加熱の適切な運用や制御には実験的確認よりも、数値シミュレーションを利用した検討が事前に行われることが望ましい。さらに電気と熱という観点から、シミュレーションでは熱流体と電磁場を一つのソフトウェアで連成解析できることが好ましく、本稿では連成解析に対応できる Simcenter STAR-CCM+ を用いた誘導加熱、プラズマアーク加熱など電気加熱ソリューション事例を紹介する。

②超高温プラズマに関する 3次元電磁熱流体シミュレーション技術

岩尾　徹（いわおとおる）、任　振威（Ren Zhenwei）、根本　雄介（ねもとゆうすけ）、

鈴木　祐揮（すずきゆうき）、髙木　真宏（たかぎまさひろ）、森下　穂香（もりしたほのか）

東京都市大学理工学部電気電子通信工学科大電流エネルギー DX 研究室

要約　超高温プラズマの一種であるアークプラズマは、溶接や表面処理など産業分野で広く利用されている。一方で、遮断器や電気鉄道では電力の安定供給や安定輸送の実現のため、速やかなアークプラズマの消弧手法や電極の溶融現象の解明が求められている。近年ではコンピュータの計算能力の向上や計算手法の発展により、溶融池や非平衡、放射によるアブレーション、真空陰極点の移動、電極開離に伴う放電現象などの数値解析が可能になった。本稿では、上記のテーマに関する超高温プラズマの 3 次元電磁熱流体シミュレーション技術のトレンドや現状を紹介する。

EH＿No.236　【特集】第15回エレクトロヒートシンポジウム

①産業界で実用化が進む半導体レーザによる熱処理技術

江嶋　　亮　

丸文株式会社　システム営業第 2 本部　営業第 2 部　レーザー加工課

要約　レーザは、1960 年に最初のレーザ発振器が発明されて以降、様々な産業界・分野で数多く利用されている。加工用のレーザとしては、主に金属切断や金属溶接の分野では広く活用されているが、近年では熱処理分野でのレーザの活用が注目され、既に生産でも使われ始めてきている。レーザによる熱処理は、従来の熱処理工法と比べて低電力での加工を実現し、またレーザ特有の局所加熱により低歪みの熱処理も可能にする。レーザと言ってもいくつか種類があるが、熱処理にはレーザポインターでも使われる半導体レーザが用いられ、レーザの中では最大クラスとなる 50% を超える高効率を実現している。ここでは、産業界でも活用が進んでいる半導体レーザを使った熱処理技術について紹介する。

EH＿No.233　高エネルギー加熱・加工技術～アークプラズマからレーザーまで最新動向を解説～

①「高エネルギー加熱・加工技術」特集号に寄せて

天川　正士　

一般社団法人日本エレクトロヒートセンター特別会員

　私が（一社）日本エレクトロヒートセンター（以下、センター）の前身である日本電熱協会（以下、協会）の技術調査委員会に初めて参加したのは、1990 年代半ばと記憶しています。この 20 数年間を振り返ると、法人格を取得したことで、社会的な信用も増し、今のセンターの活発な活動を支える礎になったと思います。この間、私が主に関わったアーク・プラズマ加熱技術部会では、次のことが印象に残っています。

②高エネルギー加熱・加工技術の現状と将来展望

田中　和士

中部電力株式会社　先端技術応用研究所　副所長

要約　プラズマ、レーザ、電子ビーム、イオンビームなど高エネルギーを用いた加熱や加工は電気加熱しかできない技術であり歴史的にも様々技術開発が進められてきた。これまでは高エネルギーを用いた加熱が必要とされる分野は溶接・切断、金属溶解等の一部に限られ、適用の可能性は触れられていたものの広く一般には普及していなかった。しかしファイバレーザのように取り扱いのし易い高速加熱技術や、3D プリンター（積層造形）のように様々な用途への応用が実用化されるに至り、生産時間の短縮に向けた高速加熱・加工ニーズや製品の高機能化・高付加価値ニーズの高まりと相まって再び注目を浴び始めている。また、イオンビーム等は材料の表面だけを改質するためにも活用が進められている。本稿では高エネルギー加熱・加工技術として開発が進んでいる加熱システムやその他興味深い取り組みなどの概要を記述する。

③アーク炉の技術変遷と最新技術紹介

小川　正人

大同特殊鋼株式会社　機械事業部　設計部　溶融設備設計室　主任部員

要約　アーク炉を用いた製鋼業が誕生し 100 年以上の時が経過した。これほど長く使われている技術であるにもかかわらず、基本原理、構造は黎明期から大きく変わらない。しかし、性能は操業方法や様々な設備技術革新によって日々向上している。アーク炉は現在、世界の粗鋼生産量の約 3 割を占める設備である。また、鉄スクラップを資源としてリサイクルする製造方法から循環型環境社会形成に向けた SDGs の切り札としてその存在感は増していくと思われる。このアーク炉の進化の歩みを振り返りながら、現在の最新技術として大同特殊鋼（以下、当社という）が開発し 2013 年当初知多工場で生産を開始した世界初の技術である炉体旋回式のアーク炉（製品名：STARQ®）を紹介する。

④環境対応型高効率アーク炉 ECOARC について

黒川　博光

スチールプランテック株式会社　制御技術本部制御技術一部　部長

要約　地球温暖化防止や温室効果ガスの削減など環境規制のさらなる強化が予測される中、当社においても製鋼設備に関する省エネルギー化や環境保全のための技術開発を推進している。特に多くの電力を消費する電気炉設備においては省エネルギーが非常に大きな課題となっている。当社ではこれらの問題に対応すべく環境対応型高効率アーク炉 ECOARC（ECOlogically Friendly and ECOnomical ARC Furnace）を開発し、国内外の顧客に納入しており、省エネルギー効果、環境改善などに関して顧客から大きな評価を得ている。

⑤イオン注入装置の概要

浅野　雅彦

日新電機株式会社

静止機器事業部　産業・海外技術部　主幹

要約　イオン注入装置およびイオンドーピング装置は、現在、日新イオン機器株式会社にて製造販売を行っており、半導体デバイス製造用の中電流イオン注入装置（EXCEED（注）シリーズ）、LTPS-TFT（低温ポリシリコン薄膜トランジスタ）用のイオンドーピング装置を主に提供してきた。しかしながら、日々急速に進化する顧客ニーズに対応するため、システム性能の向上およびそれを支える要素技術の開発を行い、新機種を提供しつづけている。本稿では、イオン注入装置の概要について紹介する。

⑥レーザーによる金属加熱・溶融技術－その現状と将来動向－

坪井　昭彦

学校法人　光産業創成大学院大学　副学長

要約　1960 年に初めてレーザーの発振に成功して、今年 2020 年は 60 年の節目の年、人間に例えるならば還暦である。この 60 年間、レーザーそのものも小型化、高出力化、高輝度化、高発振効率化など進化を遂げると共に、レーザーの応用研究やその周辺技術開発も同時平行して進められた。今や人類の生活の至る所にレーザー応用製品が溢れている。製造現場においても、レーザーは重要な加工ツールとしての地位を確立している。本報では、高出力レーザーによる金属加工の原点とも言うべき加熱・溶融プロセスについて概説する。

⑦高出力半導体レーザを用いたレーザ焼入れ技術の産業応用

後藤　光宏

富士高周波工業株式会社　代表取締役社長

要約　富士高周波工業株式会社は部品の表面改質技術に特化した会社である。長年の経験に裏打ちされた高周波焼入れ技術のエッセンスを取り入れて、レーザ焼入れ事業を 2008 年にスタートさせた。本技術は、高周波焼入れよりもより精密な部分焼入れが可能で、熱処理における最大の課題である熱処理歪に対しても効果の大きい技術である。しかし、熱処理業界において、本技術は熱処理工法の一つの選択肢として広く知れ渡っていないのも現状である。本稿では、レーザ焼入れについて、事例を交えながらその背景やレーザ焼入れの基礎現象、市場の広がりや産業応用事例について紹介する。

⑧省エネ・低歪みのレーザ焼入れ技術

江嶋　亮

丸文株式会社システム営業第 2 本部営業第 2 部レーザー加工課

要約　加工用レーザは、主に金属切断や金属溶接の分野で広く活用されているが、近年では熱処理分野でのレーザの活用が注目され、既に生産でも使われ始めている。レーザによる熱処理は、従来の熱処理工法と比べて低電力での加工を実現し、またレーザ特有の局所加熱により低歪みの熱処理も可能にする。レーザと言ってもいくつか種類があるが、熱処理にはレーザポインターにも使われている半導体レーザが用いられ、レーザの中では最大クラスとなる 50% を超える高効率を実現している。ここでは、半導体レーザを使った省エネ・低歪みのレーザ焼入れ技術について紹介する。

⑨電気加熱に関する IEC 規格と高エネルギー加熱・加工技術について

小山　修

東芝三菱電機産業システム株式会社（TMEIC）産業第二システム事業部システム技術第二部技術主幹

要約　電気加熱分野の規格については、現在、IEC TC27 で制定された幾つかの規格があるが、これらは、国内では JIS 化されていない。これらの規格の中には、各加熱分野やそれを応用した装置に対する機能安全要求や試験方法などがあり、高エネルギー加熱・加工技術に関しては、アーク炉、プラズマ、マイクロ波加熱などについての規格があるので、IEC TC27 で規格化された規格の全体の概要、および、これらの規格の一部を簡単に紹介する。

EH_No.206　アーク加熱技術の歴史　製鋼用アーク炉の進化から（ｴﾚｸﾄﾛﾋｰﾄの歴史を振り返る）

①アーク炉加熱技術の歴史　製鋼用アーク炉の進化から

青　　範夫

スチールプランテック株式会社

執行役員　銑鋼セクター長

要約　アーク放電は、電気回路の短絡事故（ショート）時に発生するスパークでも知られているように一瞬にし
て金属を溶融させるエネルギーを持っている。アークを制御して持続的に発生させ、その超高温を利用して
鉄源を溶解精錬する炉として製鋼用アーク炉がある。本稿では、アーク加熱技術の歴史として製鋼用アーク
炉の技術変遷をご紹介する。

EH_No.202（特集：最新電気利用技術）

①環境対応方高効率アーク炉ECOARC

松尾　貴人

スチールプランテック株式会社

技術本部　制御技術部　主任技師

要約　製鋼用アーク炉は数十～百MWと非常に大きな電力需要設備であるが、電力系統から見ると負荷変動が大きくフリッカ障害や高調波を発生する負荷である。このため、電力ネットワークが弱い我国では、フリッカ補償装置や高調波フィルター兼力率改善コンデンサを設置して対策している。当社では省エネルギーや環境負荷軽減のニーズに対応し、環境対応型高効率アーク炉「ECOARC」を開発し、実績を重ねてきた。今回は電力系統への効果を中心にECOARCの技術をご紹介する。

EH_NO.200（特集：エレクトロヒートの未来を展望する）

①アーク・プラズマ加熱技術の発展と将来展望

天川　正士

一般財団法人　電力中央研究所　副所長

連載講座：プラズマ技術とその適用分野(EH_No.201 ～No.206)

①プラズマ技術の総論　（EH_No.201）

田代　真一

大阪大学　接合科学研究所　助教
田中　　学

大阪大学　接合科学研究所　教授

　プラズマとは、中性粒子（原子や分子）とその一部が分かれる事で生じるイオンおよび電子が自由に飛び交う状態を指す。超高温が発生する、エネルギー密度が高い、加熱雰囲気に影響されにくい、排ガスが少ない、運転管理がしやすい、クリーンな加熱であるなどの特徴を持つので、様々な分野や製品に活用されている。本連載では、プラズマ技術の総論からプラズマ技術を活用した各種製品まで、全６回の講座でプラズマ技術に関する包括的な解説を行う。

②鋳造工場におけるアーク式取鍋加熱装置の導入事例（EH_No.202）

永田　雄大

特殊電極株式会社　環境技術室

　プラズマとは、中性粒子（原子や分子）とその一部が分かれる事で生じるイオンおよび電子が自由に飛び交う状態を指す。超高温が発生する、エネルギー密度が高い、加熱雰囲気に影響されにくい、排ガスが少ない、運転管理がしやすい、クリーンな加熱であるなどの特徴を持つので、様々な分野や製品に活用されている。本連載では、プラズマ技術の総論からプラズマ技術を活用した各種製品まで、全6回の講座でプラズマ技術に関する包括的な解説を行う。

③プラズマ溶接機　（EH_No.203）

上園　敏郎

ダイヘン溶接メカトロシステム株式会社　　技術営業部　部長

　プラズマとは、中性粒子（原子や分子）とその一部が分かれる事で生じるイオンおよび電子が自由に飛び交う状態を指す。超高温が発生する、エネルギー密度が高い、加熱雰囲気に影響されにくい、排ガスが少ない、運転管理がしやすい、クリーンな加熱であるなどの特徴を持つので、様々な分野や製品に活用されている。本連載では、プラズマ技術の総論からプラズマ技術を活用した各種製品まで、全6回の講座でプラズマ技術に関する包括的な解説を行う。

④プラズマ切断機　（EH_No.204）

石井　幸二

日酸TANAKA 株式会社　生産･技術本部　開発部　部長

伊原　大輔

日酸TANAKA 株式会社　生産･技術本部　開発部　プラズマ加工技術開発グループ　チーフ

　プラズマとは、中性粒子（原子や分子）とその一部が分かれる事で生じるイオンおよび電子が自由に飛び交う状態を指す。超高温が発生する、エネルギー密度が高い、加熱雰囲気に影響されにくい、排ガスが少ない、運転管理がしやすい、クリーンな加熱であるなどの特徴を持つので、様々な分野や製品に活用されている。本連載では、プラズマ技術の総論からプラズマ技術を活用した各種製品まで、全6回の講座でプラズマ技術に関する包括的な解説を行う。

⑤超高密度大気圧プラズマユニット「Tough　Plasma」の適用事例と新型ヘッドの紹介（EH_No.205）

濱根　　剛

富士機械製造株式会社　　ハイテック事業本部FA 開発部第2 設計課　課長

　プラズマとは、中性粒子（原子や分子）とその一部が分かれる事で生じるイオンおよび電子が自由に飛び交う状態を指す。超高温が発生する、エネルギー密度が高い、加熱雰囲気に影響されにくい、排ガスが少ない、運転管理がしやすい、クリーンな加熱であるなどの特徴を持つので、様々な分野や製品に活用されている。本連載では、プラズマ技術の総論からプラズマ技術を活用した各種製品まで、全6回の講座でプラズマ技術に関する包括的な解説を行う。

⑥プラズマ式ワンショット溶解システム　（EH_No.206）

成瀬　雅輝

株式会社豊電子工業

プラズマとは、中性粒子（原子や分子）とその一部が分かれる事で生じるイオンおよび電子が自由に飛び交う状態を指す。超高温が発生する、エネルギー密度が高い、加熱雰囲気に影響されにくい、排ガスが少ない、運転管理がしやすい、クリーンな加熱であるなどの特徴を持つので、様々な分野や製品に活用されている。本連載では、プラズマ技術の総論からプラズマ技術を活用した各種製品まで、全6回の講座でプラズマ技術に関する包括的な解説を行う。