JP2003500626A - 金属反応炉の溶融ゾーン用複合冷却素子の製造方法、およびその方法によって製造される複合冷却素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、金属反応炉の溶融ゾーン用複合冷却素子の製造方法に関するものであり、特に、銅を鋳込むことによってセラミック・ライニング部同士を互いに接合し、同時にそのライニングの背面に冷却水路を有する銅板を形成する方法に関するものである。本発明はまた、かかる方法によって製造される複合冷却素子に関するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、金属反応炉の溶融ゾーン用複合冷却素子の製造方法に関するもので
あり、特に、銅を鋳込むことによってセラミック・ライニング部同士を互いに接
合し、同時にそのライニングの背面に冷却水路を有する銅板を形成する方法に関
するものである。本発明はまた、かかる方法によって製造される複合冷却素子に
関するものである。

【０００２】 乾式冶金プロセスで使用される反応炉の耐火材は、水冷式冷却素子によって保
護され、これによって耐火材表面からの熱が冷却素子を通じて水へ伝わり、冷却
を行わない反応炉と比べてライニングの摩耗が大幅に低減されるようになってい
る。摩耗の低減は、冷却によっていわゆる自生ライニングが生ずる効果によるも
のである。自生ライニングはスラグや溶融相の沈殿物から生成し、耐熱ライニン
グの表面に付着する。

【０００３】 従来の冷却素子の製造方法は、３通りある。第１の方法は、素子を砂型鋳造に
より製造する方法である。この方法では、銅のような熱伝導性に優れる材料から
なる冷却管を砂型にセットし、その冷却管を取り囲むように鋳込みを行う間、空
気または水を用いて冷却を行う。冷却管の周囲で鋳造される素子も熱伝導性に優
れる材料、好ましくは銅からなる。この種の製造方法は、例えば英国特許第1,38
6,645号に記載されている。しかしこの方法には、冷却路として機能する冷却管
をそれを取り囲む部材に取り付ける際の取付け方が一様にならないという問題が
ある。冷却管のなかには、それを取り囲むように鋳造される素子を全く持たず、
その一部が一旦完全に融解し、素子と一体的に融合したものもある。冷却管とそ
の周囲の素子との間に金属からなる接合部材が全くないと、熱伝導効率が低下す
るが、冷却管が完全に融解すると冷却水の流れが妨げられてしまう。したがって
、製造コストが比較的安いこと、および寸法を選ばないことがこの方法の利点と
言える。

【０００４】 上記と同様の冷却素子の製造方法としては、同じく砂型鋳造を行うが、冷却管
に銅以外の材料を用いる方法がある。先ず、砂床上の冷却管の周囲に銅を鋳込み
、続いて鋳銅を過熱することにより銅と冷却管との密着性を高める。しかし、一
般にこのような冷却管の熱伝導率は、純銅からなる冷却管の５〜10％程度に過ぎ
ない。したがって、特に動的状況下での素子の冷却能力が不足する。

【０００５】 米国特許第4,382,585号には、冷却素子の製造に広く用いられているさらに別
の方法が記載されている。この方法によると、素子は例えば延伸銅板または鍛造
銅板に必要な冷却水路を切削加工して製造される。このようにして製造された冷
却素子は、密度が高く、堅固な構造を有し、素子から水等の冷却媒体への熱伝導
に優れるといった利点を有する。ただし、寸法制限があり、コストが高いのが難
点である。

【０００６】 上記の各方法により製造される冷却素子の最大の弱点は、保護用のセラミック
製炉ライニング（耐火ライニング）と素子とを固定する段階で良好な接触状態を
達成することが難しい点である。即ち、セラミック・ライニングに対する冷却素
子の保護効果がこの固定作業の成否に大きく左右されることになり、素子の冷却
性能がフルに発揮できない場合も決して少なくない。

【０００７】 そこで今回、金属反応炉のセラミック・ライニングとその裏側に配された冷却
水配管付きの銅板とを金属材料により接触させてなる複合冷却素子を形成する方
法を提案した。本方法によれば、耐火焼成煉瓦等のセラミック・ライニングの個
々の煉瓦ブロック間に溶融した銅を鋳込んで互いに接合させると同時に、セラミ
ック・ユニット面の裏側に銅板を鋳込むことにより、最大の効果が得られる。銅
板の背面側には冷却水路、好ましくは二重管路を設ける。本発明はまた、複合冷
却素子そのものも提案する。この複合冷却素子は、表面がセラミック煉瓦よりな
り、個々の煉瓦ブロック間には熱伝導率に優れた銅が鋳込まれると共に、その表
面の裏側には冷却水路を備えた銅板が鋳込まれた構成を有する。本発明の必須要
件は特許請求の範囲より明らかである。

【０００８】 実際の冷却素子の製造においては、焼成セラミック煉瓦を取り囲むように銅を
鋳込むことにより、セラミック煉瓦構造物が概ね鋳造工程内で完成し、鋳銅とよ
く密着するように冷却素子が形成される。銅の熱伝導率が大きいため、煉瓦構造
物に対する銅接合材の保護効果は良好である。熱が不必要に伝導しないよう、煉
瓦ブロック間の銅接合物の厚さはできる限り薄いことが好ましく、技術上の理由
から0.5〜２cmとされることが好ましい。接合材がこれより厚くなると、炉から
冷却系統へ伝導される熱量が多くなり過ぎ、熱損失および稼動コストが不必要に
増大する。冷却素子の表層部（反応炉の内部へ向かう部分）の銅のセラミック・
ライニングに対する分量比は、最大でも表面積の30％以下とすることが好ましい
。つまり、本発明の目的は総熱損失を増大させることではなく、煉瓦構造物を保
護することにあるので、接合材の分量が多くなり過ぎてはならない。

【０００９】 鋳造に適する焼成煉瓦が、セラミック・ライニング材、即ち煉瓦材として用い
られる。これは、金属溶融物に対する特性が優れているために従来より用いられ
てきた材料である。銅の純度は導電率および熱伝導率に直接依存するため、ここ
では高導電率グレード品、好ましくは85％ IACS以上の標品を使用する。

【００１０】 煉瓦が互いに接合される一方で、冷却水路を造り込んだ銅板がセラミック・ラ
イニングの裏側に鋳込まれる。この冷却水路は、銅板からなる冷却素子の裏側に
おいてドリル加工等により二重管として形成される。この場合、熱伝導面積を増
大させるようなプロファイルを付けた壁面を有する外管を最初にドリル加工によ
って形成し、次にそれより直径の小さい内管を外管の内側に設ける。冷却水は内
管から冷却素子へと流れ、プロファイルの付いた外管へと送られる。外管の内壁
面に溝、襞、線条等のプロファイルが付けられていることで、平滑面に比べて壁
の熱伝導面積を２倍程度も増大させることができる。

【００１１】 熱伝導素子には複数の冷却水路を設ける。隣接する冷却水路間の距離は、冷却
水路の直径の最大0.5〜1.5倍とし、これが素子の固定部分となる。冷却水路同士
の距離がこれより近づくと、冷却水路の背面の熱伝導面が必要以上に利用される
ようになり、また構造体の強度が低下する等の不都合が生ずる。逆に冷却水路の
距離がこれより大きいと、熱伝導面積をいくら大きくしても有効に働かず、冷却
容量が低下する。

【００１２】 上述のように、内管は熱伝導素子の各外管の中に設置されていて、冷却水はこ
の中を通って素子内に導入される。内管を出た冷却水は、外管と内管との間に形
成されるリング状の冷却水路を流れ、そこから出て循環する。このような二重管
構成によれば、流れ断面積を容易に低減することができ、同じ水量に対し、単管
を使用する場合に比べて流速を増大させることができる。流速が増大することは
、冷却素子と冷却水との間の熱伝導にとって極めて好都合である。従来の平滑な
冷却管を使用して熱伝導面積を最適化しようとしても、水量が非常に多くなって
しまうため、このような熱交換面積の増大は望めない。

【００１３】 各熱伝導素子は、その側面同士でさねはぎ、あるいは端部同士を重ねるように
して互いに強固に接合する。したがって、隣接する素子の隙間は入り組んだ構造
となる。

【００１４】 本発明の熱伝導素子について、図面を参照しながらさらに説明する。

【００１５】 図１および図２に、熱伝導素子１の表面部分、即ち、反応炉の内壁面となるセ
ラミック・ライニング２を示す。このセラミック・ライニングもまた、例えば焼
成煉瓦３で構成され、煉瓦ブロック間は接合材４である鋳銅で互いに接合される
。このときの接合剤のセラミック表面に対する面積比は最大30/70である。煉瓦
が互いに接合されて一様なライニングを構成する一方、このライニングの背面に
は銅板５が鋳造され、その中に必要な冷却水路６が造作される。冷却素子を互い
に接合するために、素子の端部は常に薄くしておくことが望ましい。これにより
、隣接する素子の端を互いに重ね合わせて配することが可能となる。あるいは、
素子に突起と溝（さねはぎ）を設ければ、高い密着性を確保することができ、素
子同士の接合具合も極めて強固となる。

【００１６】 図２には、冷却水配管用の好適な二重管構成を示す。この場合、素子自体は例
えば外管として機能する穿７をドリル加工することにより加工され、この管の内
壁面には流れ断面積を大とするための所望のプロファイルが付与される。この外
管の内部にはこれより直径の小さい内管８が設けられ、冷却水はこの内管を通っ
て素子に供給される。内管は外管の底部に届かないよう短く設けられ、冷却水は
内管の周囲に確保されたリング状のスペースを通って最初に供給されたのと同じ
端部側に戻り、出口９から排水される。リング状スペースの断面積は、内管と同
じか若しくはそれより小さいことが好ましく、したがって外管内の流速は増大す
る。このことは、熱伝達領域で圧力損失が生じた場合に局所沸騰を防止する上で
有効である。

【００１７】 場合によっては、冷却素子による冷却を上述のような二重管以外の方式として
もよく、例えば、冷却管を通常どおりボア加工により造作し、二重管とせずに接
続してもよい。このような場合でも、銅とセラミックの面積比は30/70に維持す
ることが好ましい。

【００１８】 図３には、複合冷却素子のさらに他の構成例を示す。金属反応炉で粗銅を生産
する場合、冷却素子の接合に用いられている銅と生産すべき粗銅とが直接に接触
することは、両者の融点が本質的に同じであるため好ましくない。冷却を行って
いるにも拘わらず、冷却素子中の銅が僅かに融解するか、あるいは粗銅がセラミ
ック・ライニングの表面に固体層を形成し、状況が制御しにくくなるからである
。このような場合は、例えば耐火スチールからなるフレームに煉瓦ブロックを組
み込むとよい。フレームの高さは１〜３cm前後とし、これをセラミック（煉瓦）
およびその上に鋳込まれる銅の双方と接触するようにする。冷却素子の完成状態
においては、図３に示すように、このフレーム10は煉瓦間の接合材の表層部を構
成する。

【００１９】 ここで、銅と接触する冷却素子の完成状態において煉瓦間の接合材の表層部を
構成するフレームは、溶融した銅が上部から煉瓦間の隙間に入り込んで例えばフ
ィン状に形成されるように加工されることが好ましい。これによってスチールと
銅との間の熱伝達面積が増大し、また銅とスチールとの密着性も高まるからであ
る。

【００２０】 図４に、熱伝達素子における銅の面積比の変化によって反応炉壁を通じた熱損
失（摩耗したライニングの熱流量に対する熱流量のパーセンテージ）がどのよう
に変化するかを示す。無損傷ライニングにおける熱損失は、セラミック・ライニ
ングの面積比が増大するにつれてほぼ直線的に減少し、総熱損失は銅の面積比が
10％以下となる時点まで減少を続け、その後減少の勾配が急となる。

【００２１】 通常、反応炉壁のライニングは温度と溶融金属の浸透との複合作用により摩耗
し、その結果、断熱性が劣化して熱損失が増大する。背面（銅０％）からのみ冷
却されるライニングの温度は極めて高いので、溶融金属の浸透が増加し、最終的
に平らな銅素子の表面に薄い煉瓦層が安定に残存する様な状態にまで腐食が進ん
でしまう可能性がある。しかし、素子の内側にある程度の量の銅が存在すること
により、反応炉の温度が本質的に低下し、溶融金属の浸透が減少する。この場合
、熱損失はライニングに占める銅の面積比がある程度小さく（銅20〜30％）なる
まで減少し、その後さらに急激に減少するが、銅の面積比が臨界値（約５％）よ
り少なくなると、再び上昇に転じる。図４より、ライニング中には最大30％の銅
が存在し、最適範囲は５〜15％の間にあると考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 熱伝導素子の正面図である。

【図２】 熱伝導素子の側断面図である。

【図３】 本発明の他の熱伝導素子の側断面図である。

【図４】 熱損失をセラミック表面における銅の面積比率の関数として表したグラフであ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ， ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，Ｌ Ｔ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ， ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，Ｕ Ａ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 サアリネン、 リスト フィンランド共和国 エフアイエヌ− 02200 エスポー、 ニイッティクヤ ２ エー 25 (72)発明者 ヨキラアクソ、 アリ フィンランド共和国 エフアイエヌ− 02230 エスポー、 カラスタヤンクヤ ８ シー 18 Ｆターム(参考） 4K015 BA01 CA04 4K051 AA00 AB03 BB02 BF01 HA01 HA06

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属反応炉の溶融ゾーン用複合冷却素子の製造方法において
   、該素子のセラミック・ライニング部同士を銅を鋳込むことによって相互に接合
   すると同時に、冷却水路を備えた銅板を該ライニングの背面に形成することを特
   徴とする製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の製造方法において、前記セラミック・ライ
   ニング部は耐火煉瓦からなることを特徴とする製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の製造方法において、前記冷却水路はボア加
   工により造作することを特徴とする製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の製造方法において、前記冷却水路の内壁面
   にプロファイルを付与することを特徴とする製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の製造方法において、前記冷却水路に内管を
   設けることを特徴とする製造方法。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の製造方法において、前記冷却素子の冷却水
   路は、該冷却水路の直径の0.5〜1.5倍の間隔で設けることを特徴とする製造方法
   。
7. 【請求項７】 請求項１に記載の製造方法において、前記冷却素子の表面積
   に占める銅の割合を最大30％とすることを特徴とする製造方法。
8. 【請求項８】 請求項１に記載の製造方法において、前記冷却素子の表層部
   におけるセラミック煉瓦の間の銅接合材の厚さを0.5〜２cmとすることを特徴と
   する製造方法。
9. 【請求項９】 請求項１に記載の製造方法において、前記冷却素子に用いる
   銅は、少なくとも85％ IACSの電気伝導度を有する銅とすることを特徴とする製
   造方法。
10. 【請求項１０】 請求項１に記載の製造方法において、前記冷却素子のセラ
    ミック・ライニング部をスチール製のフレームに組み込み、該フレームとセラミ
    ック・ライニング部とを鋳銅を用いて互いに接合することにより、接合部の素子
    表層部をフレームで構成し、接合部の内部とライニング裏の銅板とを銅で構成す
    ることを特徴とする製造方法。
11. 【請求項１１】 請求項10に記載の製造方法において、耐火スチールからな
    る前記フレームの厚さを１〜３cmとすることを特徴とする製造方法。
12. 【請求項１２】 請求項10に記載の製造方法において、前記フレームに、鋳
    銅と平行なフィンを形成することを特徴とする製造方法。
13. 【請求項１３】 金属反応炉の溶融ゾーン用複合冷却素子において、該素子
    のセラミック・ライニング部同士が互いに接合されると共に、銅を鋳込むことに
    よって該ライニングの背面に形成され冷却水路を備えた銅板にも接合されている
    ことを特徴とする複合冷却素子。
14. 【請求項１４】 請求項13に記載の冷却素子において、前記セラミック・ラ
    イニング部は耐火煉瓦からなることを特徴とする冷却素子。
15. 【請求項１５】 請求項13に記載の冷却素子において、前記冷却素子の冷却
    水路は、該冷却水路の直径の0.5〜1.5倍の間隔で設けられていることを特徴とす
    る冷却素子。
16. 【請求項１６】 請求項13に記載の冷却素子において、前記冷却水路はボア
    加工により造作されていることを特徴とする冷却素子。
17. 【請求項１７】 請求項13に記載の冷却素子において、前記冷却水路の内壁
    面にはプロファイルが付与されていることを特徴とする冷却素子。
18. 【請求項１８】 請求項13に記載の冷却素子において、前記冷却水路には内
    管が設けられていることを特徴とする冷却素子。
19. 【請求項１９】 請求項13に記載の冷却素子において、前記冷却素子の表面
    積に占める銅の割合が最大30％であることを特徴とする冷却素子。
20. 【請求項２０】 請求項13に記載の冷却素子において、前記冷却素子の表層
    部におけるセラミック煉瓦の間の銅接合材の厚さが0.5〜２cmであることを特徴
    とする冷却素子。
21. 【請求項２１】 請求項13に記載の冷却素子において、前記冷却素子に用い
    られる銅は、少なくとも85％ IACSの電気伝導度を有する銅であることを特徴と
    する冷却素子。
22. 【請求項２２】 請求項13に記載の冷却素子において、前記冷却素子のセラ
    ミック・ライニング部を接合する接合材料は、該素子の表層部がスチールからな
    り、それより奥部が鋳銅からなり、鋳造中には該鋳銅がライニング背面の銅板も
    構成することを特徴とする冷却素子。
23. 【請求項２３】 請求項13に記載の冷却素子において、耐火スチールからな
    る接合材の表層部の厚さが１〜３cmであることを特徴とする冷却素子。
24. 【請求項２４】 請求項13に記載の冷却素子において、銅と接触する耐火ス
    チール製の表層部がフィン形状に加工されていることを特徴とする冷却素子。