JP2014105348A

JP2014105348A - フェロニッケル製錬用電気炉の操業方法

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Publication number: JP2014105348A
Application number: JP2012257859A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Maeba; 和也前場; Kazuaki Kawanaka; 一哲川中
Original assignee: Hyuga Smelting Co Ltd
Current assignee: Hyuga Smelting Co Ltd
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2014-06-09

Abstract

【課題】フェロニッケル製錬用電気炉の操業において、側壁部からの放散熱量を低減し電力使用量を削減する。
【解決手段】フェロニッケル製錬用電気炉の操業において、炉体外周部に供給する冷却水量を変動させることにより、スラグコーティング層の形成を抑制することで、炉況を悪化させることなく、炉抵抗を２０〜２５ｍΩ程度に高めた操業を行ない、アーク加熱によって熱を供給して原料を電極近傍で熔解する。
【選択図】図４

Description

本発明は、フェロニッケル製錬用電気炉の操業方法に関し、より詳しくは、炉体内壁面を構成する耐火物表面に付着するコーティング量を良好な状況に維持して該耐火物を保護することができる操業方法に関する。

フェロニッケル製錬では、一般的に、原料鉱石としては、ガーニエライト鉱等の酸化ニッケル鉱石が用いられる。最も一般的に用いられるガーニエライト鉱の代表的な組成としては、乾燥鉱換算でＮｉ品位が２．１〜２．５質量％、Ｆｅ品位が１１〜２３質量％、ＭｇＯ品位が２０〜２８質量％、ＳｉＯ_２品位が２９〜３９質量％、ＣａＯ品位が＜０．５質量％、灼熱減量が１０〜１５質量％である。こうした酸化ニッケル鉱石を、通常は炭素質還元剤と共にロータリーキルンへ装入し、焙焼して、付着水分と結晶水とを除去し、一部還元された鉱石と炭素質還元剤とを含む焼鉱とする。そして、焼鉱を例えば三相交流電極式円形電気炉のような電気炉中に供給して還元熔融し、熔融物としてフェロニッケルメタルとスラグとを生成させ、比重分離する。

例えば図９に示すように、フェロニッケル製錬用の三相交流電極式円形電気炉１００は、有底円筒状の炉体１０１と炉蓋１０２と３本の電極１０３で構成され、次のように操業される。すなわち、操業中の炉内には、溶融状態のメタル１２１層、溶融状態のスラグ１２２層が存在し、スラグ１２２層の上部はキルンで仮焼された固体の鉱石（焼鉱）１２３が覆っている。鉱石１２３は、鉱石シュートから炉内のスラグ１２２層上部に装入される。また、炉蓋１０１に設けられた開口部から炉内に挿入垂下された３本の電極１０３（例えば炭素電極）に３相交流電力を供給し、３本の電極１０３からアークを発生させてアークの熱により直接的に鉱石を熔解させる方法（低電流高電圧操業法）、または、３本の電極１０３をスラグ１２２層まで浸漬させ、電極１０３からメタル１２１及びスラグ１２２に直接通電させて抵抗発熱によりスラグ１２２を介して間接的に鉱石を熔解させる方法（高電流底低電圧操業法）により、スラグ温度及びメタル温度をそれぞれ所定の温度にし、これにより鉱石１２３を還元溶融することによってメタル１２１とスラグ１２２とを生成する。生成したメタル１２１とスラグ１２２は、比重差によってメタル１２１層とスラグ１２２層とに分離される。なお、生成されたメタル１２１はメタル抜出し口１０７を介して抜き出され、またスラグ１０２はスラグ抜出し口１０８を介して抜き出され、次工程に供される。

上記炉体１０１を構成している耐火物がメタル１２１層とスラグ１２２層と接触する面には、電気炉内の熱移動により炉内熔融物が凝固することによって、炉側壁の内周部にコーティングが生成される。このようにして内周部にコーティングが生成されることによって、炉側壁の熱負荷を軽減させることができ、熔融処理に伴う炉側壁の熔損を防止することができる。炉内熔融物からの伝導伝熱は、コーティング及び炉側壁耐火物層を通じて、炉側壁外鉄皮に伝わる。しかしながら一方で、過剰なコーティングの生成は、炉側壁の熔損は防止できるものの、電気炉内の有効容積を縮小させ、操業効率を著しく損なわせることになる。したがって、原料鉱石の熔融処理に用いる三相交流電極式円形電気炉１００においては、炉側壁の内周部に生成するコーティングの厚みや生成領域等のコーティング生成状態を適切に制御することが重要となる。

しかしながら、上記低電流高電圧操業法では、アークの熱で直接鉱石を熔解させるため、炉壁付近のスラグ温度は上昇し難いものの、電気炉側壁のコーティングが厚くなることがあり、出滓や出銑に支障を来たすという問題がある。また、上記高電流底低電圧操業法では、熱を与えられたスラグの熱対流で炉壁付近のスラグの温度も上昇し、その結果、スラグホール付近におけるスラグの流動性が過剰となってしまう。また、炉壁煉瓦を熔損させるという問題がある。

ここで、電極１０３をスラグ１２２層に浸漬して操業する場合、スラグ１２２層内に浸漬するように層状の焼鉱１２３を貫通して挿入された炭素電極１０３に交流電力が供給されることにより、電流がスラグ１２２層とメタル１２１層を介して電極１０３間を流れる。

すなわち、焼鉱１２３層の電気伝導率はスラグ１２２層やメタル１２１層に比較して無視できる程度に小さく、（１）式で示される溶融・還元反応に必要な電力の大半はスラグ１２２層とメタル１２１層を介して電極１０３間を流れる。
電力（ＭＷ）＝電圧（Ｖ）×電流（ｋＡ）×√３
＝電流(ｋＡ）^２×炉抵抗（ｍΩ）×３/１０００・・・・（１）

電力一定の条件下では炉抵抗を小さく設定した場合には電流値を大きく制御することとなり、電極１０３はスラグ１２２層内に深く浸漬してスラグ１２２層内全体を加熱することができるが、炉体１０１への熱負荷が増大して内部に形成されたコーティング層が消失して最終的には耐火物の熔損を招く危険性がある。側壁耐火物の熔損を抑制するため、炉体１０１の炉側壁鉄皮全周に水を流すシャワー冷却方式で炉体外側より側壁耐火物を冷却しているが、その冷却水量を常時ほぼ一定で管理している為に、内部の熱負荷及びスラグ組成の変化によりコーティング層の厚みが増減し、その結果側壁温度も大きく変動する状態となっていた。

逆に、炉抵抗を大きく設定した場合には電流値を小さく制御することとなり、電極１０３が浅く浸漬して電極１０３近傍のスラグ２を局部加熱することで、側壁耐火物への熱負荷は減少するものの、炉側壁のスラグコーティングが過度に成長しやすくなり、スラグ出滓中にメタル１２１が混入する等の炉況悪化を引き起こしやすくなっていた。

従来、上記理由により、フェロニッケル製錬用電気炉では、スラグに電極を介して通電する電気炉の操業方法を採用する場合、炉況を悪化させずに安定操業を継続させるために、炉側壁に設置した温度計の指示値を元に炉体の冷却水量を大きく変動させ過度のスラグコーティング形成を抑制しつつ、電極先端をスラグ湯面直上に位置させ電圧を高め、炉抵抗を６〜１５ｍΩで管理していた。

特開２００４−６８０４８号公報特開２０１１−１７０３２号公報

上述の如く、従来、フェロニッケル製錬用電気炉では、スラグに電極を介して通電する電気炉の操業方法を採用する場合、炉況を悪化させずに安定操業を継続させるために、炉抵抗を６〜１５ｍΩの低い値で管理を行なうようにしていたので、電極をある程度スラグ層内に浸漬してスラグ層内全体を加熱する操業形態をとることにより、側壁耐火物からの放散熱量が大きい状況となっていた。

そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、側壁部からの放散熱量を低減し電力使用量を削減できるフェロニッケル製錬用電気炉の操業方法を提供することにある。

本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本件発明者らは、上述した目的を達成するために、フェロニッケル製錬用電気炉において、炉体外周部に供給する冷却水量を変動させることにより、スラグコーティング層の形成を抑制することで、炉況を悪化させることなく、炉抵抗を２０〜２５ｍΩ程度に高めた操業を行ない、アーク加熱によって熱を供給して原料を電極近傍で熔解することにより、側壁耐火物からの放散熱量を減少できることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、スラグに電極を介して通電するフェロニッケル製錬用電気炉の操業方法あって、炉壁温度を測定し、測定した炉壁温度に基づいて炉体の冷却水量を変動させることにより過度のスラグコーティング形成を抑制しつつ、電極先端をスラグ湯面直上に位置させ電圧を高め、炉抵抗を２０〜２５ｍΩで制御し、アーク加熱によって熱を供給して原料を電極近傍で熔解することを特徴とする。

本発明によれば、炉壁温度の測定結果に基づいて、炉体外周に供給する冷却水量を変動させることによりスラグコーティング層の形成を抑制しつつ、炉抵抗を２０〜２５ｍΩ程度に高めた操業を安定に行ない、炉況を悪化させることなく、アーク加熱によって熱を供給して原料を電極近傍で熔解することにより、側壁耐火物からの放散熱量を減少でき、原料（焼鉱）を熔解する電力使用量を削減できる。

本発明が適用される三相交流電極式円形電気炉の構造例を模式的に示す縦断面図である。上記三相交流電極式円形電気炉の横断面図である。上記三相交流電極式円形電気炉の炉側壁部分の構造を示す縦断面図である。上記三相交流電極式円形電気炉における冷却水量と抜熱量の関係を実測した結果を示す図である。上記三相交流電極式円形電気炉における炉側壁温度と炉体冷却水量の推移を示す図である。上記三相交流電極式円形電気炉における側壁温度の変動の抑制状況を示す図である。上記三相交流電極式円形電気炉の操業管理領域を示す図である。上記三相交流電極式円形電気炉における炉抵抗と電力原単位の関係を示す図である。フェロニッケル製錬用電気炉の操業方法の従来例を説明するための図である

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明は、例えば図１及び図２に示すような構造の三相交流電極式円形電気炉１０において実施される。

この三相交流電極式円形電気炉１０は、原料鉱石の熔解処理に用いられる電気炉であって、有底円筒状の炉体１と炉蓋２と３本の電極３で構成されている。

上記炉体１は、外周部に炉側壁耐火物層１４が敷設された有底円筒状の炉側壁１１からなる。上記炉側壁１１は、図３に示すように、内張り煉瓦１２と外張り煉瓦１３からなる炉側壁耐火物層１４を有し、この炉側壁耐火物層１４の外側にクッション材１５を介して炉側壁外鉄板１６が設けられている。また、上記炉側壁１１には、炉壁温度を測定するために熱電対５０が埋め込まれている。

さらに、上記炉体１には、原料鉱石を熔解して得られるメタル２１とスラグ２２を分離して抜き出すためのメタル抜出し口１７とスラグ抜出し口１８が設けられている。

また、炉蓋２は、不定形耐火物で内張りされ、電極３等を挿入する開口部が設けられている。

そして、この三相交流電極式円形電気炉１０では、その内部に溶融状態のメタル２１層、溶融状態のスラグ２２層が存在し、スラグ２２層の表面を鉱石（焼鉱）２３が覆っている。鉱石２３は、図示しない鉱石シュートから炉内のスラグ２２層上部に装入される。また、上記炉蓋２に設けられた開口部から炉内に挿入垂下された３本の電極３（例えば炭素電極）に３相交流電力を供給し、この３相交流電極３からアークを発生させてアークの熱により直接的に鉱石を熔解させる方法、または、３相交流電極３をスラグ２２層まで浸漬させ、３相交流電極３からメタル及びスラグに直接通電させて抵抗発熱する方法により、スラグ温度及びメタル温度をそれぞれ所定の温度にし、これにより鉱石２３を還元溶融することによってメタル２１とスラグ２２とを生成する。生成したメタル２１とスラグ２２は、比重差によってメタル２１層とスラグ２２層とに分離される。なお、生成されたメタル２１はメタル抜出し口１７を介して抜き出され、またスラグ２２はスラグ抜出し口１８を介して抜き出され、次工程に供される。

ここで、三相交流電極式円形電気炉１０による原料鉱石の熔融処理においては、電気炉内の熱移動により炉内熔融物２０が凝固することによって、炉側壁１１の内周部にコーティング１９が生成される。このようにして内周部にコーティング１９が生成されることによって、炉側壁１１の熱負荷を軽減させることができ、熔融処理に伴う炉側壁１１の熔損を防止することができる。炉内熔融物２０からの伝導伝熱は、コーティング１９及び炉側壁耐火物層１４を通じて、炉側壁外鉄板１６に伝わる。しかしながら一方で、過剰なコーティング１９の生成は、炉側壁１１の熔損は防止できるものの、電気炉内の有効容積を縮小させ、操業効率を著しく損なわせることになる。したがって、原料鉱石の熔融処理に用いる三相交流電極式円形電気炉１０においては、炉側壁１１の内周部に生成するコーティング１９の厚みや生成領域等のコーティング生成状態を適切に制御することが重要となる。

また、この三相交流電極式円形電気炉１０では、図２に示すように、上記炉側壁１１の外周部上方側にシャワー冷却水配管３０が施されており、上記炉側壁１１の外周部に設けられた炉側壁外鉄板１６の外表面上の全面に、上記シャワー冷却水配管３０からシャワー冷却水３１を流し、炉側壁１１を冷却して保護するようにしている。

このような構造の三相交流電極式円形電気炉１０では、図４に示すように、冷却水量を少なくすることで抜熱量を減少でき、炉体冷却水の流量調整により側壁耐火物の冷却をコントロールでき、過度のスラグコーティング形成を抑制することができる。

また、上記三相交流電極式円形電気炉１０では、ある期間の側壁温度と炉体冷却水量の推移を図５に示すように、冷却水量を減少し側壁耐火物の冷却を弱めることにより、側壁温度が上昇していくので、水量調整を行なうことによって側壁のスラグコーティングの厚みをコントロールすることができる。図５において、横軸は冷却水量指数、縦軸は抜熱量指数であり、Ｆ１は炉体冷却水量の推移を示し、Ｆ２は炉側壁温度の推移を示している。

そこで、本発明では、このような構造の三相交流電極式円形電気炉１０において、上記炉側壁１１に埋め込まれている熱電対５０により炉壁温度を測定し、測定した炉壁温度に基づいて炉体１の冷却水量を大きく変動させる（例えば、図２に示すシャワー冷却水３１の流量を半減する、あるいは、一時的に停止する）ことにより過度のスラグコーティング形成を抑制しつつ、電極６の先端をスラグ湯面直上に位置させ電圧を高め、炉抵抗を２０〜２５ｍΩで制御し、炉抵抗を高めた操業を行ない、アーク加熱によって熱を供給して原料を３相交流電極６近傍で熔解する操業方法とした。

ここで、上記三相交流電極式円形電気炉１０において、従来方法による操業管理状態から炉抵抗を上昇させた操業管理状態に切り替えた場合の側壁温度と炉抵抗の推移を実測した結果を図６に示す。図６において、横軸は時間、縦軸は側壁温度と炉抵抗であり、Ｆ３は炉抵抗の推移を示し、Ｆ４は側壁温度の推移を示している。

上記三相交流電極式円形電気炉１０において、従来方法による操業管理状態では過剰な側壁温度の変動が生じていたが、炉体冷却水量調整による側壁温度制御を導入することで、以前のような過剰な側壁温度の変動を抑制でき、炉抵抗を２０ｍΩ以上に高めた高電圧操業を安定して実施することができ、図７に示すように従来の一般的な操業管理領域から大きく外れた低電流・高電圧領域で操業することができる。図７において、横軸は総電気炉電力、縦軸は電極電流であり、三相交流電極３に印加する三相交流電圧をパラメータとして、各三相交流電圧における総電気炉電力と三相交流電極３に流れる電極電流の関係を示している。

また、上記三相交流電極式円形電気炉１０では、炉抵抗を高めた操業を行なうことにより、側壁耐火物からの放散熱量を減少できるので、図８に炉抵抗と電力原単位の関係を示すように、電力原単位を低減することが可能となり、電気炉での電力使用量が削減できる。

上述の如く、本発明によれば、側壁煉瓦に設置した温度計の指示値を元に電気炉炉体の冷却水量を変動させ、スラグコーティング厚みを制御しながら、炉抵抗を２０ｍΩ程度に高めた操業を行なうことにより、炉況を悪化させずに電気炉の電力使用量を削減することができ、経済的効果は大きい。

１炉体、２炉蓋、３電極、１０三相交流電極式円形電気炉、１１炉側壁、１２内張り煉瓦、１３外張り煉瓦、１４炉側壁耐火物層、１５クッション材、１６炉側壁外鉄板、１７メタル抜出し口、１８スラグ抜出し口、１９コーティング、２０炉内熔融物、２１メタル層、２２スラグ層、２３鉱石、３０シャワー冷却水配管、３１シャワー冷却水、５０熱電対

Claims

スラグに電極を介して通電するフェロニッケル製錬用電気炉の操業方法あって、
炉壁温度を測定し、測定した炉壁温度に基づいて炉体の冷却水量を変動させることにより過度のスラグコーティング形成を抑制しつつ、電極先端をスラグ湯面直上に位置させ電圧を高め、炉抵抗を２０〜２５ｍΩで制御し、アーク加熱によって熱を供給して原料を電極近傍で熔解することを特徴とするフェロニッケル製錬用電気炉の操業方法。