JP2020098088A - 溶融炉の出湯口部の冷却構造及びその冷却構造に用いられる金属板ブロックの製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融炉の出湯口部において、湯道の浸食を抑えて健全な湯道を維持することができるようにする。【解決手段】溶融炉１の出湯口部４に、板厚内に連続する通水流路を有する金属板ブロック５を、出湯口部４を取り囲むように設置し、金属板ブロック４の内面側に耐火物６で出湯口部の湯道４ａ−１を形成し、金属板ブロック５の通水流路に冷却水を通水することで当該金属板ブロックの内面から、湯道４ａ−１を含む耐火物６を冷却する。【選択図】図１

Description

本発明は、溶融炉の出湯口部を冷却するための冷却構造と、その冷却構造に用いられる金属板ブロックの製造方法に関する。

溶融炉の出湯口部を構成する耐火物（以下「出湯口耐火物」という。）は、溶融スラグ等による浸食を受けることから、この浸食作用を抑制するため出湯口耐火物の冷却方法が種々提案されている。
例えば特許文献１では、出湯口部の外表面に冷却金物を設置するとともに、出湯口耐火物内部に冷却管を埋設することにより出湯口耐火物の冷却を図っている。
しかしながら、冷却金物による冷却効果は出湯口部の出口である出湯口付近に限られ、また、冷却管による冷却効果は当該冷却管付近に限られることから、出湯口耐火物に形成されている湯道を冷却する効果はほとんど得られず、結果として、湯道は溶融スラグ等により浸食される。

この湯道の浸食形態は、図５に概念的に示しているように炉内側に向けてラッパ状に拡大する形態となるところ、このように湯道が拡大すると、出湯と閉塞を一定間隔で繰り返す間欠出湯方式の場合、拡大した湯道をマッド材で閉塞できず、マッド材が炉内圧で押し出される状態となり、溶融炉の運転に支障を来すことになる。
また、出湯口を開けたままの連続出湯方式の場合も、湯道が拡大すると出湯方向が乱れるなどの問題が生じ、やはり溶融炉の運転に支障を来すことになる。
したがって、溶融炉の安定的な運転のためには、湯道の浸食を抑えて健全な湯道を維持することが重要である。

特許第５３１４４３６号公報

本発明が解決しようとする課題は、溶融炉の出湯口部において、湯道の浸食を抑えて健全な湯道を維持することができるようにすることにある。

本発明の一観点によれば、次の冷却構造が提供される。
溶融炉の出湯口部に、板厚内に連続する通水流路を有する金属板ブロックを、前記出湯口部を取り囲むように設置し、前記金属板ブロックの内面側に耐火物で出湯口部の湯道を形成し、前記金属板ブロックの通水流路に冷却水を通水することで当該金属板ブロックの内面から、前記湯道を含む前記耐火物を冷却するようにしている、溶融炉の出湯口部の冷却構造。

また、本発明の他の観点によれば、この冷却構造に用いられる金属板ブロックの製造方法として、予め平板の状態で直線状のドリル穴加工を行って連続する通水流路を形成後、溶融炉の出湯口部を取り囲む形状に曲げ加工する、金属板ブロックの製造方法が提供される。

本発明によれば、溶融炉の出湯口部において、湯道の浸食を抑えて健全な湯道を維持することができる。

本発明の一実施形態である冷却構造を適用した溶融炉の出湯口部の概要を示す図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図、（ｃ）はマッド材での閉塞状態を概念的に示す要部の縦断面図。 図１に示す冷却構造の斜視図。 金属板ブロックを平板状に展開した状態を示す図で、（ａ）は透視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図。 本発明の冷却構造の他の実施形態を示す図で、（ａ）は要部の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 従来の溶融炉における湯道の浸食形態を概念的に示す図。

図１は、本発明の一実施形態である冷却構造を適用した溶融炉の出湯口部の概要を示す図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図、（ｃ）はマッド材での閉塞状態を概念的に示す要部の縦断面図である。図２は、図１に示す冷却構造の斜視図である。
図１に示す溶融炉１は、廃棄物をガス化溶融処理する廃棄物ガス化溶融炉であり、その側壁は側壁耐火物２からなり、炉底部は炉底耐火物３からなる。この溶融炉１において出湯口部４は側壁耐火物２の下端部に位置し、この出湯口部４を介して溶融物が間欠出湯方式で出湯される。すなわち、溶融物は、出湯口部４の湯道４ａを通って、出湯口部４の出口である出湯口４ｂから炉外に取り出され、樋７上に流出される。そして、出湯完了後、出湯口部４の湯道４ａは、図１（ｃ）に示すようにマッド充填機８を用いてマッド材９で閉塞される。

本実施形態では、出湯口部４の出口である出湯口４ｂ付近を取り囲むように金属板ブロック５が設置されている。そして、金属板ブロック５の内面側に耐火物６で円孔形状の湯道４ａ−１が形成されている。この湯道４ａ−１は、側壁耐火物２で形成された円孔形状の湯道４ａ−２と連続しており、これら湯道４ａ−１及び湯道４ａ−２が全体として出湯口部４の湯道４ａを形成している。

図３は、金属板ブロック５を平板状に展開した状態を示す図で、（ａ）は透視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図３に示すように、金属板ブロック５は板厚内に連続する通水流路５ａを有する。すなわち、通水流路５ａは給水口５ｂから排水口５ｃに至るまで連続しており、この通水流路５ａに冷却水を通水することで金属板ブロック５の内面から、前述の湯道４ａ−１を含む耐火物６を冷却するようにしている。これにより、湯道４ａ−１の全体（全長）が冷却されて、湯道４ａ−１の全体（全長）の浸食が抑えられる。

また、出湯口部の湯道は、接触及び通過する溶融スラグや炉内ガスとの反応により、特に上部が浸食されやすいことから（図５参照）、円孔形状の湯道の上半周部を効果的に冷却することが好ましい。そこで、本実施形態では、金属板ブロック５を逆Ｕ字形状として設置している。このように金属板ブロック５を逆Ｕ字形状として設置すると、湯道４ａ−１の上半周部の耐火物６は金属板ブロック５までの厚みｔ（図２参照）が均等となって、より均一な冷却ができる。すなわち本実施形態によれば、湯道４ａ−１の少なくとも上半周部が金属板ブロック５の内面から均等に冷却され、浸食されやすい湯道４ａ−１の上半周部の浸食が抑えられる。

また、本実施形態のように溶融炉１が間欠出湯方式である場合、出湯完了後、マッド材で湯道４ａを閉塞する必要があるが、湯道４ａが浸食されて拡大すると、拡大した湯道４ａをマッド材で閉塞できず、マッド材が炉内圧で押し出される状態となり、溶融炉１の運転に支障を来すことになる。したがって、間欠出湯方式の溶融炉１の安定的な運転のためには、マッド材で閉塞可能な所定長さの健全な湯道４ａを確保する、言い換えればマッド材が炉内圧で押し出される状態とならないように所定長さの健全な湯道４ａを確保することが重要である。そこで本実施形態では、金属板ブロック５を出湯口部４の出口である出湯口４ｂ付近に設置することで、図１（ａ）の破線の状態まで湯道４ａ−２が浸食されても金属板ブロック５で冷却されている湯道４ａ−１は維持されるようにしている。さらに本実施形態では、冷却する湯道長さＬ（図１（ａ）及び図２参照）を出湯口４ｂの直径Ｄ（図２参照）以上の長さとしている（一例として出湯口４ｂの直径Ｄは１００ｍｍ、冷却する湯道長さＬは２Ｄ（２００ｍｍ）である。）。すなわち本実施形態では、長さＬの金属板ブロック５の一端面（出湯口４ｂ側の端面）が炉外面側の出湯口４ｂの位置に一致するようにしている。これにより、出湯口４ｂからの長さが出湯口４ｂの直径Ｄ以上である、健全な湯道４ａ−１を確保することができ、マッド材が炉内圧で押し出される状態とならないようにすることができる。なお、冷却する湯道長さＬの上限は特に限定されず、マッド材での閉塞時に出湯口断面がマッド材で完全に充填される長さまで延長することもできる。この場合、マッド材で充填されない湯道が残ると、この部分には溶融スラグ、溶融メタル等が冷却固化され、出湯時の開孔作業が実施不可能になってしまう。なお、図１（ｃ）には、本実施形態におけるマッド材での閉塞状態を概念的に示している。

次に、金属板ブロック５の製造方法の一例について説明する。
図３（ａ）に示すように、平板の状態で直線状のドリル穴加工を行って連続する通水流路５ａを形成する。なお、この図３（ａ）に示す例では、直線状のドリル穴加工により複数の直線状の穴を形成したうえで、これら穴の端部のうち給水口５ｂ又は排水口５ｃとなる２つの端部を除いた端部を閉止栓５ｄ等によって閉止することで、１つの給水口５ｂから１つの排水口５ｃに至る通水流路５ａを形成している。
このようにして連続する通水流路５ａを形成した後、出湯口部４を取り囲む形状に曲げ加工する。

このように平板の状態で板厚内に通水流路５ａを形成後、曲げ加工することにより、ジャケット構造でない金属板ブロック５を容易に得ることができる。金属板ブロック５をジャケット構造とした場合、複雑な溶接構造となり、熱負荷の高い出湯口部４に設置すると、熱応力により溶接部が割れて水漏れのおそれがある。また一般的にジャケット構造では、流路形式が複雑となるため流路幅が広くなる。そうすると冷却水の流速が遅くなるため、スケールが流路内面に形成される。スケールが流路内面に形成されると、伝熱性が阻害され、金属板自体が冷却されずに、熱変形、割れにつながるおそれがある。
これに対して図３（ａ）に示す金属板ブロック５は、板厚内に連続する通水流路５ａをドリル穴加工で形成しており、ジャケット構造のような複雑な溶接構造ではないため、水漏れの発生を防止できる。また、この通水流路５ａは直線状の穴の組合せにより単一の流路を形成しているため、流路断面（流路幅）が小さく形成されている。このため、少ない流量で冷却水の流速を速くすることも簡単にできる。なお、冷却水の流速はスケール防止のためには例えば０．７ｍ／ｓ以上とする必要があるところ、本実施形態では冷却水の流速を０．７ｍ／ｓ以上とするために、通水流路５ａの流路径をφ２５ｍｍとし、冷却水の流量を１．２４ｍ^３／ｈ以上としている。
また、金属板ブロック５の材質は特に限定されないが、熱応力による割れ防止を考慮して、炭素含有率の低い一般構造用圧延鋼材、例えばＳＳ４００とすることが好ましい。

本実施形態では、金属板ブロック５を逆Ｕ字形状に曲げ加工後、この金属板ブロック５の内面側に耐火物６を流し込み、湯道４ａ−１を形成する。具体的には湯道４ａ−１となる部分に中子として例えば発泡スチロール製の円柱を配置し、耐火物６を流し込むことで湯道４ａ−１を形成する。すなわち、本実施形態では耐火物６は耐火キャスタブルとすることができる。

なお、本実施形態では、金属板ブロック５を逆Ｕ字形状として、特に湯道４ａ−１の上半周部の冷却を強化するようにしたが、湯道４ａ−１の下半周部の冷却も強化するために、逆Ｕ字形状の金属板ブロック５の開口部分を塞ぐように平板状の金属板ブロックを追加で設置することもできる。なお、追加で設置する平板状の金属板ブロックにも、図３（ａ）と同様に直線状のドリル穴加工を行って連続する通水流路を形成することができる。

また、本実施形態において湯道４ａ−１は、前述のとおり耐火キャスタブルを流し込むことで形成することができる。
この場合、耐火キャスタブルの材質としては、金属板ブロック５の内面からの湯道４ａ−１部分の冷却効果を上げるため、熱伝導率の高いものが好ましい。具体的には、金属板ブロック５の内面からの冷却により、湯道４ａ−１の表面温度が通過する溶融スラグの融点以下（１２００℃程度）とすることにより、耐火キャスタブルの溶融スラグとの反応による浸食を防ぐことができる。また、耐火キャスタブルの材質自体も溶融スラグとの反応性が低いものであることが好ましく、さらに間欠出湯の場合、出湯と閉塞の繰り返しによる耐火キャスタブルにかかる熱負荷変動が大きいため、熱的スポーリングに強いものであることが好ましい。以上の要件を全て満たす耐火キャスタブルの材質としては、炭化珪素を６０質量％以上含有する炭化珪素質キャスタブルが最適である。

一方、湯道４ａ−１を形成する耐火物（以下「湯道形成耐火物」という。）を耐火キャスタブルとする前述の耐火キャスタブル方式に対し、湯道形成耐火物の耐久性をさらに上げるため、湯道形成耐火物を高温焼成（例えば１４００℃以上で焼成）された耐火れんが又は１０００℃以上で事前焼成された耐火キャスタブルブロック（以下、総称して「焼成耐火物」という。）とする方式がある（図４参照）。
この場合、金属板ブロック５の内面からの冷却を効かせるため、焼成耐火物６ａと金属板ブロック５との間に空隙を設け、この空隙部分に炭化珪素を６０質量％以上含有する炭化珪素質キャスタブル６ｂを充填し、その高熱伝導率を利用して、金属板ブロック５の内面から焼成耐火物６ａ（湯道形成耐火物）を冷却できる構造とする。
焼成耐火物６ａは焼成によりその品質が大きく向上するため、直接溶融物と接触する湯道形成耐火物としては、前述の耐火キャスタブルの単一材で湯道を形成した場合よりも、大幅に耐久性の向上が発揮できる。この場合の焼成耐火物６ａとしては、炭化珪素を８０質量％以上含有するものが好ましい。これにより焼成耐火物６ａの熱伝導率も高くなり、金属板ブロック５の内面からの冷却が十分に作用する。
また、空隙部分に充填する充填キャスタブル（炭化珪素質キャスタブル６ｂ）の炭化珪素含有率は９０質量％以上であることが好ましい。そして、この空隙の幅δは施工性を考慮して２０〜３０ｍｍとすることが好ましい。

さらに、本実施形態において溶融炉１は間欠出湯方式としたが、本発明の冷却構造は連続出湯方式の溶融炉にも適用可能である。なお、溶融炉１が連続出湯方式の場合、マッド材による閉塞性を考慮する必要がないので、金属板ブロック５で冷却する湯道長さＬは出湯口４ｂの直径Ｄ未満としても問題はない。

１ 溶融炉
２ 側壁耐火物
３ 炉底耐火物
４ 出湯口部
４ａ，４ａ−１，４ａ−２ 湯道
４ｂ 出湯口
５ 金属板ブロック
５ａ 通水流路
５ｂ 給水口
５ｃ 排水口
５ｄ 閉止栓
６ 耐火物（湯道形成耐火物）
６ａ 焼成耐火物（湯道形成耐火物）
６ｂ 炭化珪素質キャスタブル（充填キャスタブル）
７ 樋
８ マッド材充填機
９ マッド材
δ 空隙の幅

Claims (7)

1. 溶融炉の出湯口部に、板厚内に連続する通水流路を有する金属板ブロックを、前記出湯口部を取り囲むように設置し、前記金属板ブロックの内面側に耐火物で出湯口部の湯道を形成し、前記金属板ブロックの通水流路に冷却水を通水することで当該金属板ブロックの内面から、前記湯道を含む前記耐火物を冷却するようにしている、溶融炉の出湯口部の冷却構造。
2. 前記出湯口部の湯道は円孔形状であり、前記金属板ブロックは、前記湯道の出口である出湯口付近に設置し、かつ冷却する湯道長さを出湯口の直径以上の長さとしている、請求項１に記載の溶融炉の出湯口部の冷却構造。
3. 前記湯道を形成する耐火物は耐火キャスタブルである、請求項１又は２に記載の溶融炉の出湯口部の冷却構造。
4. 前記耐火キャスタブルは、炭化珪素を６０質量％以上含有する炭化珪素質キャスタブルである、請求項３に記載の溶融炉の出湯口部の冷却構造。
5. 前記湯道を形成する耐火物は、焼成された耐火れんが又は１０００℃以上で事前焼成された耐火キャスタブルブロック（以下、総称して「焼成耐火物」という。）であり、当該焼成耐火物と前記金属板ブロックとの間に、炭化珪素を６０質量％以上含有する炭化珪素質キャスタブルが充填されている、請求項１又は２に記載の溶融炉の出湯口部の冷却構造。
6. 前記金属板ブロックは、平板の状態で直線状のドリル穴加工を行って連続する通水流路を形成後、曲げ加工したものである、請求項１から５のいずれか一項に記載の溶融炉の出湯口部の冷却構造。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の溶融炉の出湯口部の冷却構造に用いられる金属板ブロックの製造方法であって、予め平板の状態で直線状のドリル穴加工を行って連続する通水流路を形成後、溶融炉の出湯口部を取り囲む形状に曲げ加工する、金属板ブロックの製造方法。

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