JP2005089801A - 金属製造装置およびその温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 溶融塩浴の温度を従来に比して安定的に制御することができるとともに、熱交換器の熱サイクル疲労による破損を抑制することによって熱交換器の寿命を向上させ、しかも電解槽を加熱するに際して全体として優れた熱効率を実現する。
【解決手段】 溶融塩浴に浸漬される熱交換器を備える複数の電解槽が並列配置され、熱交換器が、冷却流体供給装置と、冷却流体供給装置から連なる入気側ダクトと、入気側ダクトから連なる複数の導管と、複数の導管から連なり、冷却流体供給装置に連なる排気側ダクトとを備え、入気側ダクト内に加熱用バーナーユニットを設けるとともに、入気側ダクトの内壁と加熱用バーナーユニットとの間に冷却用空気導入部を形成し、冷却流体供給装置を構成する送風モーターをインバータ制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属製造装置およびその温度制御方法に係り、とくに、溶融塩浴の温度を安定的に制御することができるとともに、熱交換器の寿命を向上させ、しかも電解槽を加熱するに際して全体として熱効率に優れる金属製造装置の温度制御技術に関する。

クロール法により金属チタンを製造する工程においては、塩化マグネシウムが副生される。この塩化マグネシウムは、金属製造装置の溶融塩電解槽（以下、単に「電解槽」と称する場合がある。）において金属マグネシウムと塩素ガスとに分解され、金属マグネシウムは、四塩化チタンの還元に再利用され、また塩素ガスは、チタン鉱石の塩素化に再利用される。

上記電解槽では、外部から溶融塩浴である溶融塩化マグネシウムに通電された電流のすべてが当該溶融塩化マグネシウムの電気分解に利用されるわけではなく、その一部は溶融塩浴のジュール損として消費される。

この溶融塩浴のジュール損として消費された電気エネルギーは、溶融塩浴の温度上昇を招き、電解によって生成した金属マグネシウムと塩素ガスとの再結合を助長する。このため、上記ジュール損により、金属製造装置の電流効率が低下する。また、このジュール損によって溶融塩浴の温度が上昇するため、溶融塩浴からの金属マグネシウムや溶融塩浴自身の揮発ロスも増大し、歩留まりが低下する。

このような金属製造装置に用いられる電解槽中の溶融塩浴の温度制御技術としては、浸漬式の熱交換器による溶融塩浴の温度制御が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載された熱交換器には、外部から冷却用流体が導入され、電解槽内の熱を奪った後にこの流体を系外に排出することで、電解槽内の温度上昇を抑制している。また、従来技術においては、電解槽の温度上昇を検知し、その信号を受けて、冷却用流体の送風用ブロワーモーターの電源をオンオフし、電解槽の温度を制御していた。

特開平4−２１４８８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載した技術では、熱交換器に冷却用空気が断続的に導入されるため、熱交換器の温度が短時間に上昇、下降を繰り返していた。このため、溶融塩浴の温度を安定的に制御することができず、しかも熱サイクル疲労を受けることにより、短期間で熱交換器が破損するおそれがあった。

また、従来技術においては、電解槽の加熱または冷却に用いられる廃ガスの熱は回収されないまま大気に放出されていた。このため、環境保護および資源の有効利用はもとより、とくに金属製造装置全体の熱効率においても検討の余地が残されていた。よって、溶融塩浴の温度を安定的に制御することができるとともに、熱サイクル疲労の抑制によって熱交換器の寿命を向上させ、しかも熱の回収によって熱効率に優れる金属製造装置およびその温度制御方法の開発が望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、溶融塩浴の温度を従来に比して安定的に制御することができるとともに、熱交換器の熱サイクル疲労による破損を抑制することによって熱交換器の寿命を向上させ、しかも電解槽を加熱するに際して全体として優れた熱効率を実現した金属製造装置およびその温度制御方法を提供することを目的としている。

発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、冷却流体供給装置を構成する送風モーターをインバータ制御することで、熱交換器に冷却用空気が断続的に導入されることを防止することができ、熱交換器の温度が短時間に上昇、下降を繰り返すことがなく、このため、溶融塩浴の温度を安定的に制御することができるとの知見を得た。また、上記送風モーターのインバータ制御により、熱交換器の熱サイクル疲労が抑制でき、このため、短期間で熱交換器が破損することを防止できるとの知見を得た。さらに、電解槽の加熱または冷却に用いられる廃ガスの熱を回収して再利用することにより、金属製造装置全体の熱効率を向上させることができるとの知見を得た。本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明の金属製造装置は、溶融塩浴に浸漬される熱交換器を備える複数の電解槽が並列配置され、上記熱交換器が、冷却流体供給装置と、上記冷却流体供給装置から連なる入気側ダクトと、上記入気側ダクトから連なる複数の導管と、上記複数の導管から連なり、上記冷却流体供給装置に連なる排気側ダクトとを備え、上記入気側ダクト内に加熱用バーナーユニットを設けるとともに、上記入気側ダクトの内壁と上記加熱用バーナーユニットとの間に冷却用空気導入部を形成し、上記冷却流体供給装置を構成する送風モーターをインバータ制御したことを特徴としている。

このような金属製造装置においては、送風モーターのインバータ制御が、上記溶融塩浴の温度に基づいてなされることが望ましい。また、このような金属製造装置をシステム化する目的においては、上記複数の電解槽において冷却流体装置を共用するとともに、上記複数の電解槽中の加熱用バーナーユニット同士を連結し、各電解槽において上記加熱用バーナーユニットと熱交換器の主要部との間に切替弁を設け、上記切替弁により冷却流体装置からの流体の流量と加熱用バーナーユニットの稼働とをインバータ制御することが望ましい。ここで、熱交換器の主要部とは、上記入気側ダクト、複数の導管および排気側ダクトを含む、溶融塩浴に浸漬される部分をいう。

次に、本発明の金属製造装置の温度制御方法は、上記金属製造装置の温度制御を好適に実施するための方法であって、溶融塩浴に浸漬される熱交換器を備える複数の電解槽が並列配置された金属製造装置の温度を制御するにあたり、冷却流体供給装置から一の電解槽内の熱交換器に空気を装入して過熱状態の電解槽を冷却し、上記一の電解槽の熱交換器から排出された空気を熱不足状態の他の電解槽内の熱交換器に装入して加熱用燃焼バーナーユニットの助燃空気として用いることを特徴としている。

このような金属製造装置の温度制御方法においては、上記熱不足状態の電解槽内の熱交換器から排出された空気を、加熱用燃焼バーナーユニットの助燃空気の予熱に用いることや、上記溶融塩浴の温度を連続的に検知して、溶融塩浴の温度が一定になるように冷却流体供給装置の冷却流体供給用モーターの回転数を制御し、これにより熱交換器の主要部の温度を一定の範囲に連続的に制御することが望ましい。

本発明によれば、送風モーターのインバータ制御により、熱交換器への冷却用空気の断続的な導入が防止され、溶融塩浴の温度を安定的に制御することができる。また、上記送風モーターのインバータ制御により、熱交換器の熱サイクル疲労が抑制でき、短期間で熱交換器が破損することを防止できる。さらに、電解槽の加熱または冷却に用いられる廃ガスの熱を回収して再利用することで、金属製造装置全体の熱効率を向上させることができる。すなわち、一の電解槽の冷却に用いた空気を他の電解槽の加熱用バーナーユニットの助燃空気に用いることで、熱効率を高めることができ、また一の電解槽を加熱したバーナーユニットの廃熱を利用することにより、加熱用バーナーユニットのガス使用量を節約することもできる。よって、本発明は、例えば、金属チタンを製造する際に副生される塩化マグネシウムの後処理に好適であるため有望である。

以下、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
図１は、金属がマグネシウムである場合の本発明の好適な実施態様を示すものであるが、本発明はこれに制限されることはなく、別の態様においても適用することができる。すなわち、図１は、本発明の金属製造装置を構成する各金属製造用の電解槽を示す側面図であり、図中１は電解槽、２は電解槽１の上部に位置するマグネシウム収集室、３はマグネシウム収集室２の上部に位置し、電解槽１を塞ぐ天井蓋、４は電解槽１中の溶融塩浴、５は溶融塩浴４に浸漬され、入気側ダクト５ａ、３本の導管５ｂおよび排気側ダクト５ｃを備える熱交換器の主要部（以下、単に「主要部」と称する場合がある。）、６は主要部５の入気側ダクト５ａ内に配置された加熱用バーナーユニット、７は入気側ダクト５ａに連通する冷却用空気導入管、８は加熱用バーナーユニット６を包囲する燃焼円管、９は排気側ダクト５ｃに連通する排気筒、１０はマグネシウム収集室２に漏れ出た塩素ガス、塩化物等の外部からの進入を防止するセラミックライニング、そして１１は入気側ダクト５ａの内壁と加熱用バーナーユニット６との間に形成された冷却用空気導入部である。以上のような構成の下、熱交換器は、冷却流体供給装置（図示しない）と、冷却流体供給装置から連なる冷却用空気導入管７と、冷却用空気導入管７から連なる主要部５と、主要部５と冷却流体供給装置とに連なる排気筒９と、加熱用バーナーユニット６および燃焼円管８とを備えている。なお、本発明の金属製造装置は、図１に示したような電解槽１が複数個、並列に連結されたものである。

上記した電解槽１内には、通常、その稼働中に、溶融塩浴４が下方に、および電解生成した金属マグネシウムが上方に滞留している。一方、電解槽１の溶融塩浴４の温度を制御するための熱交換器の主要部５は、溶融塩浴４中に浸漬されている。主要部５は、冷却用空気導入部１１と排気筒９とに連通されているので、冷却用空気は、図示しない冷却流体供給装置から冷却用空気導入管７、冷却用空気導入部１１、入気側ダクト５ａ、３本の導管５ｂを順次通過して溶融塩浴４から熱を吸収し、排気用ダクト５ｃおよび排気筒９を通過して、この熱を外部へ放出する。

また、上述したように、電解槽１内に配置された主要部５の入気側ダクト５ａの内部には、加熱用バーナーユニット６が設置されており、その上部には冷却用空気導入部１１を介して冷却用空気導入管７が装着されている。このような構造の下、加熱用バーナーユニット６には、ガスバーナーユニット等の一般的なバーナーユニットを使用することができる。さらに、冷却用空気導入管７の上流側には図示していない空気供給用ブロワーが設置されている。この空気供給用ブロワーの回転状態は、溶融塩浴４の温度が設定温度範囲内で推移するようにインバータを介して制御される。このインバータは、特別な機能は必要とせず、市販のものを使用することができる。空気供給用ブロワーは、電解槽１の余剰熱を回収することができる程度の送風能力を有していれば、とくにそれ以外の制限は必要とされない。空気供給用ブロワーの送風量は、熱交換器の主要部５が浸漬されている溶融塩浴４の温度上昇速度に応じてコントローラを介してインバータ制御される。

この溶融塩浴４の温度は、溶融塩浴４に浸漬された保護管付きの熱電対（図示せず）からの温度情報をコントローラに取り入れて、その温度の上昇または下降と設定温度とを考慮し、設定温度に収束するように空気供給用ブロワーをインバータ制御して好適な範囲とする。冷却用媒体としては、空気を熱交換器の主要部５に直接送り込むことができる。しかしながら、空気は水分または塩素分等の不純物を含んでいるおそれがあるため、主要部５に送り込む前に空気に乾燥処理または脱塩処理を施しておくことが好ましい。また、乾燥空気を主要部５に直接送り込むこともできる。これら水分や塩素分の低い空気を主要部５に供給することで、主要部５の寿命を向上させることができる。

次に、電解槽１の運転は、電力を多量に使用するため、一般に、昼間と夜間とにおいては金属マグネシウムの生産量に差を設けている。すなわち、電力料金の安価な夜間には増産し、また電力料金の高価な昼間には減産している。このように、電力の安価な夜間は増産されるため、電解槽１への通電量が増加し、結果として溶融塩浴４の温度も上昇する傾向となる。このような場合には、本発明の熱交換器の主要部５に外部から空気を装入することで、電解槽１で発生する熱を外部に効果的に除去することができる。逆に、電力の高価な昼間は電解槽１への通電量が減るため、発熱量も低下する。このような場合には、主要部５内に設置したガスバーナーユニット６に点火することで、金属製造装置の温度低下を補償することができる。

このように、熱交換器の主要部５は、一日のうちでも、冷却用に供される場合と加熱用に供される場合とが少なくとも１回ずつ発生する。また、通電量の低い昼間であっても、複数の電解槽１の中には過熱状態となっているものもあり、このような電解槽１に対しては、冷却が必要となる。この場合には、一の電解槽１の冷却に用いた空気を他の電解槽１の加熱用バーナーユニット６の助燃空気として使用することができる。このように廃熱を利用することで、加熱用バーナーユニット６の燃料を節約することができる。また、従来に比べて作業環境の改善にもつながる。

一方、夜間は生産量を上げているため通電量が増大し、その結果電解槽１の温度も上昇する。このため、熱交換器の主要部５には冷却用の空気を送り込み、電解槽１からの抜熱に努めている。しかしながら、稼動している複数の電解槽１の中には、熱不足状態のものもあるので、加熱状態の電解槽１の冷却に用いた空気を熱不足状態の電解槽１の加熱用バーナーユニット６の助燃空気として再利用することができる。また、加熱用バーナーユニット６の廃ガスを助燃空気の予熱に利用することもできる。このように、廃熱および廃ガスを再利用することで、加熱用バーナーユニット６の燃料節減に効果がある。

なお、熱交換器の主要部５を構成する材質はステンレス鋼や耐熱鋼が好ましいが、耐熱強度の高いステンレス鋼を用いることもできる。具体的には、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、またはＳＵＳ３１０Ｓ等の材料を用いることができる。

上述した電解槽１の温度制御は、複数の電解槽１を群として管理制御するため、人手により廃ガスのバルブを切り替えて実施することができるが、自動制御装置を設置して電解槽群全体を制御することもできる。

次に、以上に示した構造の電解槽を複数個並列に配置して、金属製造装置のシステム化を図る場合について説明する。図２は、５個の電解槽を並列に連結した一例を示すシステム化した概略図である。同図においては、５個の電解槽において冷却流体装置１２を共用するともに、複数の電解槽中の加熱用バーナーユニット６同士を連結し、各電解槽において加熱用バーナーユニット６と熱交換器の主要部５との間に切替弁１３を設け、切替弁１３により冷却流体装置１２からの流体の流量と加熱用バーナーユニット６の稼働とをインバータ制御する。このようにして、金属製造装置のシステム化を図ることができ、各電解槽における加熱および抜熱を、冷却流体供給装置１２および他の電解槽の排ガス等を用いて効率的に行うことができる。

〈本発明例１〉
本発明の金属製造装置を構成する、図１に示す電解槽１を１０槽並列に接続し、過熱状態にある一の電解槽１の加熱に使用した廃気を、熱不足状態にある他の電解槽１の助燃空気として利用した。また、熱不足状態にある一の電解槽１の廃ガスを助燃空気の予熱に再利用して、熱不足状態にある電解槽１を加熱制御した。その結果、１ヶ月当たりの加熱用燃焼ガスの使用量は、従来に比して、１０槽の電解槽１について、ばらつきはあるものの１０〜３０％の範囲で削減された。

〈本発明例２〉
本発明の金属製造装置を構成する、図１に示す電解槽１を用いて、ＭｇＣｌ_２（２０％）、ＮａＣｌ（５０％）およびＣａＣｌ_２（３０％）により構成した溶融塩浴４を電解槽１内に滞留させた。その後、電解槽１の上部に設置される蓋３を通して、熱交換器の主要部５を溶融塩浴４中に浸漬した。次いで、通電量１１０ｋＡで通電を開始して電解した。電解開始後、溶融塩浴４の温度が上昇し始めた。そこで空気供給用ブロワーの運転を開始した。空気供給用ブロワーの運転開始と同時に、電解槽１内の温度低下が確認されたが、空気供給用ブロワーの回転数が自動的に減少し、電解槽１内の温度上昇が確認された。このような運転を行ったところ、溶融塩浴４の温度は、６６０℃±５℃に制御することができた。また、熱交換器の主要部５内の温度も６６０℃±１０℃に制御することができた。さらに、熱交換器５の寿命は１２ヶ月に延びた。

〈比較例１〉
上記の本発明例２の装置において、冷却用空気ブロワーの運転を従来のＯｎ−ＯＦＦ制御方式に変更した。この場合には、溶融塩浴４の温度は、６６０±６℃に制御できたが、熱交換器の主要部５内の温度は、６６０±５０℃の範囲で変動した。また、主要部５の寿命は、７ヶ月であった。

本発明の金属製造装置を構成する電解槽を示す側面図である。 本発明の金属製造装置をシステム化した概略図である。

符号の説明

１ …電解槽
２ …マグネシウム収集室
３ …天井蓋
４ …溶融塩浴
５ …熱交換器の主要部
５ａ…入気側ダクト
５ｂ…導管
５ｃ…排気側ダクト
６ …加熱用ガスバーナーユニット
７ …冷却用空気導入管
８ …燃焼円管
９ …排気筒
１０ …セラミックライニング
１１ …冷却用空気導入部

Claims (6)

1. 溶融塩浴に浸漬される熱交換器を備える複数の電解槽が並列配置された金属製造装置において、前記熱交換器が、冷却流体供給装置と、前記冷却流体供給装置から連なる入気側ダクトと、前記入気側ダクトから連なる複数の導管と、前記複数の導管から連なり前記冷却流体供給装置に連なる排気側ダクトとを備え、前記入気側ダクト内に加熱用バーナーユニットを設けるとともに、前記入気側ダクトの内壁と前記加熱用バーナーユニットとの間に冷却用空気導入部を形成し、前記冷却流体供給装置を構成する送風モーターをインバータ制御したことを特徴とする金属製造装置。
2. 前記送風モーターのインバータ制御が、前記溶融塩浴の温度に基づいてなされることを特徴とする請求項１に記載の金属製造装置。
3. 前記複数の電解槽において冷却流体装置を共用するとともに、前記複数の電解槽中の加熱用バーナーユニット同士を連結し、各電解槽において前記加熱用バーナーユニットと熱交換器の主要部との間に切替弁を設け、前記切替弁により冷却流体装置からの流体の流量と加熱用バーナーユニットの稼働とをインバータ制御することを特徴とする請求項１または２に記載の金属製造装置。
4. 溶融塩浴に浸漬される熱交換器を備える複数の電解槽が並列配置された金属製造装置の温度制御方法であって、冷却流体供給装置から一の電解槽内の熱交換器に空気を装入して過熱状態の電解槽を冷却し、前記一の電解槽の熱交換器から排出された空気を熱不足状態の他の電解槽内の熱交換器に装入して加熱用燃焼バーナーユニットの助燃空気として用いることを特徴とする金属製造装置の温度制御方法。
5. 前記熱不足状態の電解槽内の熱交換器から排出された空気を、加熱用燃焼バーナーユニットの助燃空気の予熱に用いることを特徴とする請求項４に記載の金属製造装置の温度制御方法。
6. 前記溶融塩浴の温度を連続的に検知して、溶融塩浴の温度が一定になるように冷却流体供給装置の冷却流体供給用モーターの回転数を制御し、これにより熱交換器の主要部の温度を一定の範囲に連続的に制御することを特徴とする請求項４または５に記載の金属製造装置の温度制御方法。

Images