JP2009270815A - 珪質溶融物の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 淡黄色のミネラルウール繊維の生産を可能とする珪質溶融物をキューポラ炉を使用して製造する方法と装置を提供すること。
【解決手段】 本発明は、ａ）装入物が２種類以上の異なるタイプのブリケット(8, 9, 10)を含み、化学成分が予め想定された鉄の比率に合わせて調整されていること、ｂ）ブリケット中のAl_２O_３成分が溶融プロセスのための支持構造として働くこと、ｃ）複数の高温ガスバーナ(6)が加熱に使用され、その際に各バーナの炎が相互に補強し合うようにバーナが配置されていること、及びｄ）捕集パン(2)が炉シャフト部(11)の外被(15)から炉床(1)へ向かって下向きに円錐状に広がっていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

現在、ミネラルウールから製造される断熱材の需要が増えている。ミネラルウールの製造原料となる繊維を作り出すために鉱物質の溶融物が使用されており、これらの溶融物は現在もなお、コークスを燃料とするキューポラ炉によって製造されている。

キューポラ炉は、元をたどれば金属鋳造工場で使用するために設計されたシャフト炉である。キューポラ炉は、鉄の鋳物を製造するために使用されるのが普通である。キューポラ炉の設計と機能は溶鉱炉のそれと似通っているが、高さがせいぜい約１０ｍとかなり小型であり、鉄の精錬に必要な温度には達しない。

炉を火入れするためには、炉の底部で木に点火し、次いでコークスで覆う。新型の炉では石炭を用い、ガスバーナで石炭を白熱させて火入れする。次いで複数層の金属とコークスを充填し、それに空気を吹き込む。この方法によって炉の底部の温度は最高１６００℃に達し、金属を溶融させる。充填層に吹き込まれる空気は環状管から供給され、この空気に純酸素を加えると燃焼状態を改善し、溶融された鉄の炭素含有量を若干低下させることができる。空気が炉内に供給される前に予熱されるか否かによって、熱風キューポラと冷風キューポラの区別がある。

キューポラ炉には、銑鉄、スクラップ鋼、再生材料、工業用くず鉄等が装入される。溶融された鉄の炭素含有量は、スクラップ鋼（低炭素）と工業用くず鉄の量比を調節することによって調整される。コークス量を増やしても炭素含有量は増加する。さらにスラグの酸性を中和し、スラグの流動性をより高く維持するために石灰が加えられる。

溶融金属を取り出すために、炉底の少し上に取り出し口を設けなければならない。２個の排出口を備えたサイホンを、この取り出し口に接続する。スラグは上の排出口から流出し、受器に移される。鉄は第２の排出口から上層のスラグの圧力によって押し出され、例えば予備の炉に移すことができる。サイホンは、僅かな過剰圧力がなければ機能することができない。

キューポラ炉は、次第に誘導炉にその座を奪われつつある。誘導炉はスラグや廃棄物の発生量が少なく万能であり、しかも溶融物の組成をより精密に調節することができるからである。しかしながら、誘導炉には前処理されたスクラップしか装入することができず、大型のキューポラ炉よりも経済性が悪い。

キューポラ炉が進化した結果、天然ガスを熱源とするコークレス・キューポラ炉として知られている炉が登場している。この種の炉は熱収支が良く、公害物質の排出値がかなり低い。

従来技術で珪質溶融物の製造にキューポラ炉を使用する場合には、玄武岩又は類似の物質が原料として使用される。筒状の炉シャフト部の底部に、溶融物を捕集するパンが設置されている。炉シャフト部を少し上がったレベルに複数個のノズルが配置されていて、炉内に空気又は酸素を吹き込む。玄武岩の石塊とコークス及びブリケットの塊から成る柱状の装入物（バラスト）が、パンの上に立ち上がっている。この場合、上記ブリケットは戻り原料、玄武岩の細粒、添加剤、残渣、廃棄物もしくは沈積物などから作られるもので良い。

パンの最下部に鉄の溶融物、その上にはノズルより下方のある高さまで、鉱物質溶融物が溜まる。これらの溶融物はサイホンを通じて柱状カラム内の原料に汚染されることなく取り出すことができる。石炭の燃焼で１４５０℃の溶融物を製造することができる。

このプロセスに必要な品質のコークスは全く入手不可能であるか、限られた量しか入手できないことが多く、しかもプロセスからは環境保全上の理由から望ましくない排ガスが生ずる。

燃料としてガスを使用する試みがこれまでに数多くなされている。このためには、炉室の側面、以前には羽口があったとほぼ同じ場所に、複数個のガスバーナが配置される。それらよりも上方に格子が設置されている。格子の上にあるバラストはコークスを含んでいないので、耐火材、例えばコランダム(Al_２O_３)の塊が導入される。耐火材の塊は磨耗し易く、そのため定期的に補充しなければならない。溶融物は格子を通過して滴下する。

ミネラルウールの生産に使用される溶融物を製造する炉は特許文献１により知られている。

この特許文献１に記載されている炉では、珪素と金属の酸化物又は炭酸塩の鉱物及び／又は鉱滓がミネラルウールを生産する原料として使用される。この原料（多くは玄武岩又は輝緑岩タイプの加工されていない岩石材料）は通常は水冷された炉内で溶融され、溶融物は紡糸設備に移送され、この紡糸設備で溶融物が繊維に変えられる。この場合、結合剤が紡糸工程中で添加され、熱処理工程の間に繊維を相互に結合させて、寸法が安定した製品を作り出す。

原料鉱物にコークスが混合されるため、約１４５０℃の温度で炉から流出する溶融物は還元性雰囲気中で生成される。そして逸出する排ガスは、典型的には８〜１０％の未燃焼一酸化炭素(CO)と少量の硫化水素(H_２S)ならびに二酸化硫黄(SO_２)を含有している。このため、ガス浄化設備が必要になることと、還元性雰囲気が原料中の酸化鉄を金属鉄に還元し、それを除去しなければならない事実との両方がこのプロセスの短所である。

その他の種類の溶融設備、例えばるつぼ型の電気炉やガス又は石油を熱源とするるつぼを備えた炉などについては、既にそれぞれの長所と短所が種々論じられている。

特許文献１に記載されている発明の目的は、ミネラルウール製造用の溶融生産物を環境に無害な構造で最終作業温度に適合する溶融温度で製造でき、設備コストも満足するに足る低廉さで断続的な稼働にも対応可能な溶融炉を提案することにある。

この課題を解決するために、特許文献１に記載の発明では、その請求項１に記載されているように、溶融されるべき原料を保持し、貯蔵し、溶融するための竪型の炉シャフト部と、炉シャフト部の基底部に配置され、セラミック質の充填材料と原料とを保持する水冷格子と、炉シャフト部より下方に位置して炉シャフト部から流れ落ちる溶融物を捕集するためのベース部材を有する炉室と、溶融物を排出するための流出口と、炉室内に配置されたメインバーナとを備えた溶融炉を提案している。

この溶融炉は格子より上の炉シャフト部下部領域に複数の２次バーナを有し、該２次バーナは溶融されるべき原料層中のチャンネル形成を防止するためのセラミック質充填材料に隣接して配置されているだけでなく、炉室基底部の面積が炉シャフト部の断面積よりも大きいので、何らかの防護策が必須である。

特許文献１に開示されている２次バーナを使用しても充分な高温は得られず、従って得られる溶融物の温度はかなり低く抑えられる。しかるに、ミネラルウール原料繊維を製造するためには、より高温が必要とされる。これは、炉のパンにコレクタを連結するか、溶融物を更に電気アーク炉に通すかしないと果たすことができない。ガスバーナを使用する場合には酸化性雰囲気が形成され、かなりの量の鉄溶融物が酸化される。その結果、以前の方法では淡黄色の繊維が得られていたのに、ガスバーナを使用して製造される溶融物から得られる繊維は褐色となる。

しかしながら、褐色の繊維は市場に歓迎されず、従ってせいぜい積層材として使用するくらいしかない。

独国特許出願公開第３８７５６１６号明細書

従って、本発明による装置で課題とするところは、ガスバーナを備えたミネラルウール繊維製造用のキューポラ炉であって、淡黄色の繊維を製造することが可能であり、かつガラスウールの製造にも使用することができるキューポラ炉を提供することである。また、同様の様式で旧式のキューポラ炉を改造して本発明の装置を構成できるようにすることも意図する範疇である。

この課題は、請求項１に記載の装置発明、及び請求項７に記載の方法発明によって解決される。

本発明は、キューポラ炉に関し、また珪質溶融物をブリケットだけが装入されたキューポラ炉内で製造する方法に関する。「ブリケット」なる用語は、例えば粉砕された原料を加圧成形することによってあらかじめ製造される合成ブロックを意味すると解される。このようなブリケットは、例えば純酸化アルミニウム(Al_２O_３)ブリケット、酸化アルミニウム鉱物ブリケット、もしくは鉱物ブリケットであって良い。ブリケット中の原料粒子は、例えば３mm未満、もしくは５mm未満である。ブリケットは球形又は立方形であることが好ましいが、本発明に従って他の形状も可能である。

従来から広く使用されている方法では、溶融されるべき原料、例えば玄武岩、苦灰石及び／又はその他の岩石は、比較的大きなブロック又は塊としてキューポラ炉内に装入されたが、本発明では従来法と異なり、原料はまず粉砕され、ブリケットとして成形されなければならない。この余分なプロセスは一見不利であるように見えるが、それによって後続するキューポラ炉内での溶融の間に著しい利点がもたらされる。

特に、溶融されるべき原料の個々の成分が、それらを粉砕混合していない個々の岩石の固まりとしてキューポラ内に導入する場合に比べて、ブリケット中にはるかに均一に分散分布することになり、反応面積が格段に増大する。従って、本発明に従ってブリケットの形態で装入することにより、キューポラ炉を使用した場合でさえ、極めて均一な溶融物が得られる。そのため、本発明の方法を使用すれば、最終製品の品質を損うことなく、キューポラ炉に低品質の岩石から得られる原料を装入することができる。

溶融されるべき原料の他に、キューポラ炉に装入される材料には、酸化アルミニウムから成る成分も含まれる。キューポラ炉内で卓越する条件の下では、酸化アルミニウムは極めて徐々に溶融するに過ぎない。それ故、酸化アルミニウムのブリケット、及び／又は酸化アルミニウムを含有するブリケットが、キューポラ炉内で溶融されるべき鉱物成分の支持体として働く。とは言うものの、Al_２O_３も溶融プロセス中に徐々に消耗するので、新しいAl_２O_３を装入物の一部として定期的にキューポラ炉に加えてやらねばならない。

「酸化アルミニウム」という用語には、結晶質のAl_２O_３、特にα-Al_２O_３、コランダム、及び耐火性の酸化アルミニウム組成物、特にシャモット（耐火粘土を焼いて破砕したもの）又はアルミン酸カルシウムのようなものが含まれる。一方、「酸化アルミニウム」という用語には、溶融されるべくキューポラ炉内に仕込まれる鉱物質原料中のAl_２O_３成分は含まれない。例えば、玄武岩、苦灰石、石灰岩あるいは粘土鉱物中のAl_２O_３成分は、明らかにこれら耐火性支持体としての目的には考慮されない。その種の組成物又は混合物は耐火性の酸化アルミニウム組成物ではなく、当業者が知悉しているように、それらを耐火性の材料として使用することはできない。結晶質の、あるいはコランダムとしての酸化アルミニウムは、特に好ましく使用される。

本発明を添付図面と共に詳述すれば以下の通りである。

本発明によるシャフト炉の縦断面図である。 本発明によるバーナの配置図である。 格子領域の断面図である。

図１に断面図で示されているキューポラ炉は、主に炉シャフト部(１１)とその円筒形外被(１５)を備え、炉シャフト部は捕集パン(２)の頂部から立ち上がっており、炉内ではこのパンの下部は下向きに円錐状に広がっていて、キューポラ炉全体は炉床(１)上に立っている。傾斜した捕集格子(７)が図１における炉シャフト部(１１)と捕集パン(２)の間の結合領域に示されており、ここから溶融物が捕集パン(２)中に滴り落ちる。溶融物は、捕集パン(２)の床領域にあるサイホン(３)を経由し、排出口(４)を通じて取り出すことができる。

複数のガス・酸素バーナ(６)も、捕集パン(２)の傾斜した壁に固定されて炉シャフト部(１１)の縦軸に対してある角度をもって配置されている。これらバーナのもっと正確な位置は図２に示すＡ−Ａ断面図から明かである。捕集格子(７)を俯瞰した形状も図３に示すＢ−Ｂ断面図から明かである。

酸化アルミニウム・ペレット(８)、酸化アルミニウム・鉱物ブリケット(９)、及び鉱物ブリケット(１０)が、炉内装入物のある形態の一例として図１の炉シャフト部(１１)内に示されている。

排ガス流路(１４)が、図１における炉シャフト部(１１)の入口領域に示されている装入口(１２)内に開口している。排ガス流路(１４)を経て取り出されるプロセス熱は、熱交換器(１３)を介して更なる使用に供される。複数の安定器と固定装置(１７)によって、炉シャフト部(１１)上における外被(１５)を機械的に支え、安定せしめるように意図されている。

本発明における複数のガス・酸素バーナ(６)の配置は、図２に示すＡ−Ａ断面図から判る通りである。この場合、バーナ・ホルダー(１６)が捕集パン(２)の直径に対してその軸がある角度を持ち、そのためバーナの炎が互いに衝突することなく、実際には相互に補強し合うような態様で設置されていることを例示する目的で、３つのバーナ(６)が示されている。排出口(４)を有するサイホン(３)は、複数個のバーナの炎に関して有利な位置に設置されている。

使用されるガスバーナは、最も進歩した設計の高温ガスバーナである。約１８００℃の火炎温度が得られるので、１４５０℃で溶融物を製造するのは容易である。これらのバーナを使用する場合、プロセスの溶融物産出量はバーナ出力で制御することができ、溶融物の温度はバーナにおける酸素の量比によって制御することができる。

図３に捕集格子(７)の複数本の管を外被(１５)の直径と比較して示してあり、これらの管を通じて冷媒が流れている。これらの管を通じて流れる冷媒の温度と流量は、制御可能である。

本発明のキューポラにおける本質的な特徴は、炉シャフト部(１１)に種々の組成を有するブリケットが装入され、淡色のウールが製造されるという事実である。珪酸塩の溶融物から還元によって鉄が分離されることは皆無であり、原料の化学組成は、低い鉄含有量を考慮に入れて適応せしめられる。本発明に従って、キューポラ炉の装入原料は、もはや玄武岩の不規則な塊、コークス及びブリケットで構成されることはなく、今後はブリケットのみで構成される。この方式により、ブリケット製造の工程により、鉄の還元は前工程に移される。

この点に関して、ペレット状の純酸化アルミニウム・ブリケット（実質的にAl_２O_３から成る）、すなわち「酸化アルミニウム・ペレット」(８)と酸化アルミニウム鉱物ブリケット(９)と、鉱物ブリケット(１０)との区別が設けられる。酸化アルミニウム鉱物ブリケット(９)は、例えば５０％の玄武岩と５０％のAl_２O_３から成るもので良く、５０％の玄武岩と５０％の珪質材料（他の岩石、工場からの戻り原料、他の残滓原料等）に、玄武岩に比べて酸化アルカリを富化したものから成るもので良い。

酸化アルミニウム・ペレット(８)（主成分はAl_２O_３であり、この場合最も重要な副原料はCr_２O_３である）、又はブリケット中のAl_２O_３成分の実質的な機能は、Al_２O_３が全溶融プロセスを通じて支持材の役割を受け持つことにある。Al_２O_３は溶融プロセスの間に徐々に消耗するが、Al_２O_３の溶融は温度が約２０５０℃に達するまで始まらないので、全体としては溶融されるべき鉱物成分が完全に溶融されない内に捕集格子(７)を通過することがAl_２O_３によって防止される。

溶融プロセスに使用されるブリケット(９，１０)の組成は、それぞれの場合に使用される玄武岩の組成によって変えられる。

組成が異なるブリケットの溶融特性（液体・固体曲線のプロット）には大差はなくて良いが、溶融温度のレベルは異なるべきである。また、溶融プロセスはそれぞれの温度と酸化に最適化されている１種だけのブリケットを使用して実行することも可能である。

ここで言う「玄武岩」とは、玄武岩の岩石組成物のみではなく、中部欧州産の輝緑岩類も包含する。後者は炭酸塩岩及び回収鉱物を加えて改質することにより、理想化されたミネラルウール溶融組成物用として容易に最適化することが可能である。

結局、その種の玄武岩及び輝緑岩は世界の他の地域には発見されず、その結果、世界の多くの地域では、二酸化珪素成分量がそれらよりも多い他の岩石が使用されている。

本発明の開示においては、上に述べた種類の岩石であれ改質の容易な玄武岩であれ、あらゆる組成物に対して実施せねばならない改質について論ずることはしない。但し、当業者には、状況に応じてそのような改質が必要であることは知悉されているであろう。

本発明の別の一実施形態では、各ガスバーナ(６)は、それぞれのバーナ支持架内で動かすことができるように、往復動方式で位置を変えることができるように配置される。

各バーナ(６)の位置は、個別に制御及び監視ができるだけでなく、各バーナ同士の相対的な動きについても制御及び監視可能である。位置センサ及び光学的火炎監視センサは当業者には周知である。

本発明において、可動バーナ(６)の可動支持機構としてはジンバル式架台を使用することができる。

このようにして、溶融プロセスが制御可能であるのみならず、捕集パン(２)内における溶融物の状態を監視し制御することも可能になる。

本発明においてブリケット組成に求められる必要条件は、玄武岩材料の新たなバッチごとに化学組成を分析決定しなければならないこと、またブリケットの成分と、ブリケット中におけるそれら相互の量的関係を、上記分析の結果に基づいて選定しなければならないことである。

本発明の更に別の実施形態では、原料又は各種ブリケット(８，９，１０)がモニタに基づく監視・制御システムによって自動的もしくは半自動的に供給される。この全溶融プロセスの自動制御は、全溶融プロセス監視用の、当業者には周知のような複数個のセンサから出力される信号を根拠として行われる。この目的のために、使用されるブリケットの種々バッチにおける化学成分のパラメータも、排ガスのパラメータ、ならびに溶融物繊維の温度及び色と同様の方式で制御プロセスに含めることができる。

勿論、余剰のプロセス熱は経済的に妥当とされる範囲内で実際の繊維製造プロセスにリサイクルされる。従って、例えばバーナに供給される空気を余剰のプロセス熱を利用して予熱することが可能である。

本発明の方法により、高価なコークスに関しては原価の節減ができ、旧式設備全体を完全閉鎖することも随意であるし、また既存の設備をさほどの困難なく部品交換によって本発明の方法に適応させることも可能である。

本発明の方法は、ガラスウールを製造するためのガラス溶融物製造用にも適している。但し、この場合は当業者には周知であるように装置を耐火性ライニングで保護する必要があり、ブリケットの組成を適切に調整しなければならず、また溶融温度を変更しなければならない。

また、使用する原料バッチの組成分析と得られるミネラルウールの品質評価、ならびに使用するセンサからの信号監視と同時に、実行中のプロセスの各種パラメータを双方向的に制御することができるようにするためには特別な制御ソフトウェアが必要とされる。

(１)：炉床
(２)：捕集パン
(３)：サイホン
(４)：取り出し口
(５)：取り付け用開口
(６)：ガス・酸素バーナ
(７)：捕集格子
(８)：酸化アルミニウム・ペレット
(９)：酸化アルミニウム・鉱物ブリケット
(10)：鉱物ブリケット
(11)：炉シャフト部
(12)：装入装置
(13)：熱交換器
(14)：排ガス流路
(15)：外被
(16)：バーナ支持架
(17)：安定器及びブラケット

Claims (14)

1. 淡色ミネラルウール繊維生産用の珪質溶融物を製造するためのキューポラ炉であって、
   ａ）装入物が２種類以上の異なるタイプのブリケット(８，９，１０)を含み、化学成分が予め想定された鉄の比率に合わせて調整されていることと、
   ｂ）ブリケット中のAl_２O_３成分が溶融プロセスのための支持構造として働くこと、
   ｃ）複数の高温ガスバーナ(６)が加熱に使用され、その際に各バーナの炎が相互に補強し合うようにバーナが配置されていること、及び
   ｄ）捕集パン(２)が炉シャフト部(１１)の外被(１５)から炉床(１)へ向かって下向きに円錐状に広がっていること、
   を特徴とするキューポラ炉。
2. 前記ガスバーナ(６)が、それらの支持架(１６)内で動かせるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のキューポラ炉。
3. 前記ガスバーナ(６)が、円形断面の捕集パン(２)の円錐状に広がっている壁の正三角形頂点位置に配置されており、かつ該ガスバーナの中心軸が、該捕集パン(２)の径方向に対して８〜１２°の角度をなすように傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載のキューポラ炉。
4. 前記バーナ(６)の中心軸の傾斜角が調整又は逆転可能であることを特徴とする請求項３に記載のキューポラ炉。
5. 炉の装入原料が、実質的にAl_２O_３である酸化アルミニウム・ペレット(８)、及び成分が約５０％の玄武岩と約５０％の岩石もしくは戻り原料であって、玄武岩に比べて酸化アルカリ分が富化されている珪質原料から成るか、５０％の玄武岩と５０％のAl_２O_３から成るブリケット(９、１０)で構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のキューポラ炉。
6. 装入原料が玄武岩含有量１００％のブリケット、及び含有成分が５０％の玄武岩と５０％の岩石もしくは戻り原料であって、玄武岩に比べて酸化アルカリが富化されている珪質原料から成るブリケットで構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のキューポラ炉。
7. キューポラ炉内で淡黄色ミネラルウール繊維生産用の珪質溶融物を製造する方法であって、
   ａ）キューポラ炉内に２種以上の異なるタイプのブリケット(８，９，１０)を装入し、その際の該ブリケットの化学成分は予め予測された鉄の比率に合わせて調整され、且つブリケット中のAl_２O_３成分が溶融プロセスのための支持構造として働くこと、
   ｂ）キューポラ炉を複数基の高温ガスバーナを用いて加熱し、これらガスバーナは各バーナの炎が相互に補強し合うように配置されていること、及び
   ｃ）捕集パン(２)を炉シャフト部(１１)の外被(１５)から炉床(１)へ向かって下向きに円錐状に広がる形状としておくこと、
   を特徴とする方法。
8. 前記ガスバーナ(６)を円形断面の捕集パン(２)の円錐状に広がっている壁の正三角形頂点位置に配置しておき、該ガスバーナの中心軸を該捕集パン(２)の径方向に対して８〜１２°の角度で傾斜させておくことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記バーナ(６)の中心軸の傾斜角を調整又は逆転可能とすることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 炉内に、ペレット状の酸化アルミニウム・ブリケット(８)と、成分が約５０％の玄武岩と約５０％の岩石もしくは戻り原料であって、玄武岩に比べて酸化アルカリ分が富化されている珪質原料から成るか、５０％の玄武岩と５０％のAl_２O_３から成るブリケット(９，１０)とを装入することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. キューポラ炉内に玄武岩含有量１００％のブリケット、及び５０％の玄武岩と５０％の岩石もしくは戻り原料であって、玄武岩に比べて酸化アルカリが富化されている他の珪質原料から成るブリケットを装入することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法。
12. 装入原料の種類と成分及び量に応じて、バーナの位置、バーナの出力、又はバーナに供給される空気の酸素含有量の一つ以上を調節することを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. コンピュータ上で請求項７〜１２のいずれか１項に記載の方法ステップを実行するプログラム・コードを有するコンピュータ・プログラム。
14. 機械による読み出しが可能な情報担体であって、コンピュータ上で請求項７〜１２のいずれか１項に記載の方法ステップを実行するコンピュータ・プログラムのプログラム・コードが記憶されている情報担体。

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