JP2021038446A - 温度測定器具 - Google Patents

Abstract

【課題】バーナーコーンの内部空間の温度を測定できる温度測定器具を提供する。【解決手段】温度測定器具ＡＡは自熔製錬炉のバーナーコーン２２の内部空間の温度を測定するのに用いられる。温度測定器具ＡＡはバーナーコーン２２に設けられた点検口２３に挿入される支持棒３１と、支持棒３１に固定された一または複数の温度センサ３２とを備える。温度測定器具ＡＡを点検口２３に挿入することで、バーナーコーン２２の内部空間の温度を測定できる。【選択図】図５

Description

本発明は、温度測定器具に関する。さらに詳しくは、本発明は、自熔製錬炉のバーナーコーンの内部空間の温度を測定するのに用いられる温度測定器具に関する。

銅硫化物、ニッケル硫化物などの非鉄金属硫化物を原料とする熔融製錬には自熔製錬炉が用いられる。自熔製錬炉には製錬原料と反応用ガスとを炉内に供給する精鉱バーナーが備えられている。

自熔製錬炉の操業においては、炉内の熔融製錬反応を制御し、安定した操業を行なうことが求められる。熔融製錬反応は製錬原料に含まれる金属硫化物の酸化反応である。この酸化反応は製錬原料と反応用ガスとの接触によって生じる。そのため、製錬原料と反応用ガスとがしっかりと混合しているほど、酸化反応が進行しやすい。このことから、精鉱バーナー内では製錬原料と反応用ガスとを混合しておく予混合が行なわれる。一方で、予混合の開始時期が早すぎる（開始位置が高すぎる）と、精鉱バーナー内で反応が進みすぎ、精鉱バーナーの損耗が激しくなる。

特許文献１には、精鉱バーナーに備えられた精鉱シュートの位置を調整することで、製錬原料と反応用ガスとの予混合の開始時期（開始位置）を調整することが開示されている。予混合の開始時期（開始位置）を調整することで、自熔製錬炉の安定操業が可能となる。

特開２００７−４６１２０号公報

自溶製錬炉における酸化反応を支配する要素として精鉱密度が考えられる。精鉱密度とは精鉱の密集度合いを意味し、単位体積当たりの精鉱重量で表される。精鉱密度が不均一であると、精鉱密度が高い場所では酸素が不足し、精鉱密度が低い場所では精鉱同士の衝突頻度が低下する。その結果、良好な酸化反応が得られない。

精鉱と反応用ガスとの予混合は、精鉱バーナー下部のバーナーコーンの内部で行なわれる。バーナーコーンから排出された位置で精鉱密度を十分に均一な状態とするには、バーナーコーン内の精鉱密度を均一にするよう操作することが好ましい。このような操作を行なうには、まず、バーナーコーン内の精鉱分布を知る必要がある。しかし、従来、バーナーコーン内の精鉱分布を知る方法はなかった。

この問題に関して、本願発明者は、バーナーコーンの内部空間の温度分布から精鉱分布を推定できるとの知見を得た。そこで、バーナーコーンの内部空間の温度を測定することが求められる。しかし、バーナーコーンの内部は、製錬原料および反応用ガスの流れがあるとともに、高温であるので、温度測定は容易でない。

本発明は上記事情に鑑み、バーナーコーンの内部空間の温度を測定できる温度測定器具を提供することを目的とする。

第１発明の温度測定器具は、自熔製錬炉のバーナーコーンの内部空間の温度を測定するのに用いられる温度測定器具であって、前記バーナーコーンに設けられた点検口に挿入される支持棒と、前記支持棒に固定された一または複数の温度センサと、を備えることを特徴とする。
第２発明の温度測定器具は、第１発明において、前記複数の温度センサは、前記支持棒の軸方向に、所定間隔で固定されていることを特徴とする。
第３発明の温度測定器具は、第１または第２発明において、前記支持棒に固定され、前記点検口の外側開口部を塞ぐ外蓋を備えることを特徴とする。
第４発明の温度測定器具は、第１〜第３発明のいずれかにおいて、前記支持棒に固定され、前記点検口の内側開口部を塞ぐ内蓋を備えることを特徴とする。
第５発明の温度測定器具は、第１〜第４発明のいずれかにおいて、前記支持棒の先端に設けられ、前記バーナーコーンの中心に設けられた補助バーナーの外面に接触する当接体を備えることを特徴とする。
第６発明の温度測定器具は、第５発明において、前記当接体は、前記支持棒の先端部に軸支されていることを特徴とする。

第１発明によれば、温度測定器具を点検口に挿入することで、バーナーコーンの内部空間の温度を測定できる。
第２発明によれば、複数の温度センサが所定間隔で固定されているので、同時に複数位置の温度を測定できる。
第３発明によれば、外蓋により点検口の外側開口部が塞がれるので、温度測定中においても、製錬原料が点検口から外部に漏れ出ることを抑制できる。
第４発明によれば、内蓋により点検口の内側開口部が塞がれるので、点検口の内部に製錬原料が侵入することを抑制できる。
第５発明によれば、当接体を補助バーナーの外面に押し当てることで、温度測定器具の位置ズレを抑制でき、温度測定が容易になる。
第６発明によれば、支持棒に対する当接体の角度が自在であるので、当接体をしっかりと補助バーナーの外面に押し当てることができる。

自熔製錬炉の縦断面図である。 精鉱バーナーの縦断面図である。 一実施形態に係る温度測定器具の側面図である。 図３の温度測定器具の平面図である。 バーナーコーンの部分拡大縦断面図である。 バーナーコーンの横断面図である。 温度分布の一例を示すグラフである。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
（自熔製錬炉）
まず、自熔製錬炉ＦＦの全体構成を説明する。
図１に示すように、自熔製錬炉ＦＦはセトラー１１を備えている。セトラー１１の一端の上面には反応塔１２が立設している。セトラー１１の他端の上面には排煙道１３が立設している。反応塔１２の上端には精鉱バーナー２０が設けられている。セトラー１１の側壁には、カラミの高さにカラミ抜き口１４が、カワの高さにカワ抜き口１５が、離れて設けられている。

自熔製錬炉ＦＦを用いた銅製錬操業は以下のように行なわれる。
精鉱バーナー２０から粉状の製錬原料と、反応用ガス（例えば酸素富化空気）とが反応塔１２内に吹き込まれる。製錬原料には少なくとも硫化銅精鉱（以下、単に「銅精鉱」と称する。）とフラックスとが含まれている。フラックスは良質のカラミを製造するために添加されるものであり、例えば珪砂である。また、製錬原料には必要に応じて冷材などが含まれている。

反応塔１２内に吹きこまれた製錬原料は、補助バーナーの熱、反応塔１２の炉壁内の輻射熱などにより昇温され、銅精鉱中の硫黄分および鉄分が燃焼することで熔融する。製錬原料が熔融した熔体はセトラー１１内に溜められる。セトラー１１内において熔体はカラミとカワとに比重分離する。

熔体上部のカラミはカラミ抜き口１４から排出され、電気錬かん炉で処理される。熔体下部のカワは、次工程の転炉の要求に応じて適量がカワ抜き口１５から抜き出される。反応塔１２およびセトラー１１内で発生した製錬ガスは、排煙道１３を通って自熔製錬炉ＦＦから排出され、排熱ボイラーで熱が回収される。

（精鉱バーナー）
つぎに、精鉱バーナー２０の構成を説明する。
図２に示すように、精鉱バーナー２０は反応用ガスが導入されるウインドボックス２１を備えている。ウインドボックス２１の下部は下方に絞られたコーン状に形成されており、その下端に円筒状のバーナーコーン２２が接続されている。バーナーコーン２２は反応塔１２の上端に立設している。

バーナーコーン２２には複数の点検口２３が設けられている。複数の点検口２３はバーナーコーン２２の周方向に異なる位置に配置されている。例えば、第１の点検口２３と第２の点検口２３とが、バーナーコーン２２を挟んで対称な位置に配置されている。

精鉱バーナー２０は補助バーナー２４を備えている。補助バーナー２４はウインドボックス２１およびバーナーコーン２２の内部を貫き、鉛直に配置されている。補助バーナー２４はバーナーコーン２２の中心に配置されている。補助バーナー２４の炎が噴射される下端はバーナーコーン２２の下端付近に位置している。

補助バーナー２４の外周を囲むように精鉱シュート２５が設けられている。精鉱シュート２５は補助バーナー２４と同軸の筒部材である。精鉱シュート２５はウインドボックス２１内に配置されており、ウインドボックス２１内で昇降可能となっている。

製錬原料は精鉱シュート２５を通して自熔製錬炉ＦＦ内に供給される。精鉱シュート２５の上端には複数の供給口２５ａが設けられている。複数の供給口２５ａは精鉱シュート２５の周方向に異なる位置に配置されている。例えば、第１の供給口２５ａと第２の供給口２５ａとが、精鉱シュート２５を挟んで対称な位置に配置されている。製錬原料は複数の供給口２５ａから精鉱シュート２５の内部に供給され、精鉱シュート２５の下端から排出される。

精鉱シュート２５の外周を囲むように風速調整器２６が設けられている。風速調整器２６はウインドボックス２１内に配置されており、精鉱シュート２５とは独立してウインドボックス２１内で昇降可能となっている。風速調整器２６を昇降させることで、ウインドボックス２１からバーナーコーン２２に供給される反応用ガスの流路幅を調整できる。これにより、反応用ガスの流速を調整できる。

バーナーコーン２２の内部空間では、製錬原料と反応用ガスとが混合される。この際、製錬原料に含まれる精鉱が均一に分布していることが好ましい。より詳細には、バーナーコーン２２の周方向に精鉱密度が均一であることが好ましい。なお、バーナーコーン２２の半径方向には、精鉱密度が均一である必要がない。一般に、バーナーコーン２２中心は精鉱密度が高く、外側は精鉱密度が低い。

そこで、バーナーコーン２２内の精鉱分布を推定することが求められる。この点について、本願発明者は、バーナーコーン２２の内部空間の温度分布から精鉱分布を推定できるとの知見を得た。そこで、バーナーコーン２２の内部空間の温度を測定することが求められる。この温度測定には、以下に説明する温度測定器具ＡＡが用いられる。

（温度測定器具）
つぎに、本発明の一実施形態に係る温度測定器具ＡＡを説明する。
図３および図４に示すように、温度測定器具ＡＡは支持棒３１を有する。支持棒３１は、点検口２３からバーナーコーン２２の内部に挿入した場合に、先端がバーナーコーン２２の中心付近まで届く長さを有する棒材であればよい（図５参照）。以下、支持棒３１の両端のうち、バーナーコーン２２の内部に挿入される方を「先端」、その反対側を「基端」と称する。

支持棒３１の形状は特に限定されず、角棒、丸棒などの棒材でよい。ただし、支持棒３１は鋼板などの板材で形成したものが好ましい。板材の場合、板材の主面が側方を向くように配置することが好ましい。そうすれば、支持棒３１をバーナーコーン２２の内部に挿入した場合に、支持棒３１が製錬原料の流れに沿って配置される。すなわち、製錬原料の流れに対する支持棒３１の断面積を最小化できる。そのため、製錬原料の流れを大きく乱すことがない。

支持棒３１の先端側の所定領域（温度測定領域）には複数の温度センサ３２が固定されている。複数の温度センサ３２は支持棒３１の軸方向に所定間隔で配置されている。温度センサ３１の間隔は、等間隔でもよいし、等間隔でなくてもよい。例えば、温度勾配の高い領域に配置される温度センサ３１の間隔を小さくしてもよい。そうすれば、温度分布を精度良く測定できる。温度センサ３２の数は特に限定されないが、図３に示す例では６本である。また、温度センサ３２の数を１つとしてもよい。

温度センサ３２としては、特に限定されないが、熱電対を用いることができる。熱電対は比較的小型であるので、バーナーコーン２２の内部に配置したとしても、製錬原料の流れを大きく乱すことがない。また、バーナーコーン２２の内部空間のような高温でも温度測定が可能であり、温度変化も速やかに検知できる。なお、熱電対からの信号を読取る配線は、支持棒３１に沿って基端側まで導かれている。

支持棒３１の基端には把持部３３が固定されている。測定者が把持部３３を持って、支持棒３１を点検口２３に挿入する。

支持棒３１の中間部のやや基端寄りには外蓋３４が固定されている。図５に示すように、支持棒３１を点検口２３に挿入すると、外蓋３４は点検口２３の外側開口部を塞ぐ。換言すれば、外蓋３４は点検口２３の外側開口部を塞ぐことができる形状、大きさを有している。外蓋３４により点検口２３の外側開口部が塞がれるので、温度測定中においても、製錬原料が点検口２３から外部に漏れ出ることを抑制できる。

また、支持棒３１の中央部には内蓋３５が固定されている。支持棒３１を点検口２３に挿入すると、内蓋３５は点検口２３の内側開口部を塞ぐ。換言すれば、内蓋３５は点検口２３の内側開口部を塞ぐことができる形状、大きさを有している。点検口２３の内側開口部が開口したままの状態であると、製錬原料および反応用ガスが点検口２３の内部に流入し、乱流が生じる。これにより、バーナーコーン２２の内面のライナーが摩耗しやすくなる。内蓋３５により点検口２３の内側開口部が塞がれるので、点検口２３の内部に製錬原料が侵入することを抑制できる。その結果、乱流の発生を防止し、ライナーの摩耗を抑制できる。

支持棒３１の先端には当接体３６が設けられている。図５に示すように、支持棒３１をバーナーコーン２２の内部に挿入し、先端の当接体３６を補助バーナー２４の外面に接触させる。これにより、温度測定器具ＡＡの位置ズレを抑制でき、温度測定が容易になる。

当接体３６の当接面は、補助バーナー２４の外面と面接触するように、補助バーナー２４の外面に沿った形状とすればよい。補助バーナー２４が円筒形であれば、当接体３６の当接面を凹面形にすればよい。また、支持棒３１を補助バーナー２４の脇に通し、当接体３６をバーナーコーン２２の内面に押し当ててもよい。この場合、当接体３６の当接面を、バーナーコーン２２の内面と面接触するように、バーナーコーン２２の内面に沿った形状、例えば、凸面形としてもよい。

支持棒３１に対する当接体３６の角度は可変にすることが好ましい。例えば、当接体３６を支持棒３１の先端に軸支すればよい。支持棒３１に対する当接体３６の角度が自在であるので、支持棒３１の挿し込み方を工夫しなくても、当接体３６が補助バーナー２４の外面に面で接触する。そのため、当接体３６をしっかりと補助バーナー２４の外面に押し当てることができ、温度測定器具ＡＡを固定できる。

なお、図５に示すように支持棒３１を水平面に対して斜めに挿入してもよいし、支持棒３１を水平に挿入してもよい。支持棒３１の挿入角度に合わせて、支持棒３１に対する外蓋３４および内蓋３５の角度、位置を調整すればよい。また、支持棒３１を内蓋３５より先端側の位置で屈曲し、温度センサ３２が固定された領域が水平になるようにしてもよい。複数の温度センサ３２を水平に配置すれば、同じ高さの複数位置の温度を測定できる。

温度測定器具ＡＡの各構成部材の素材は、特に限定されないが、精鉱による腐食を防止するため、ステンレス鋼が好ましい。また、温度測定器具ＡＡは支持棒３１と温度センサ３２とを備えていればよい。その余の部材（把持部３３、外蓋３４、内蓋３５、当接体３６）は設けなくてもよい。

（精鉱分布推定方法）
つぎに、バーナーコーン２２内の精鉱分布の推定方法を説明する。
まず、温度測定器具ＡＡを用いてバーナーコーン２２の内部空間の温度を測定する。図５に示すように、バーナーコーン２２の点検口２３から温度測定器具ＡＡを挿入し、温度センサ３２をバーナーコーン２２の内部空間に配置する。この状態で、温度測定器具ＡＡ（温度センサ３２）により温度測定する。ここで、支持棒３１に複数の温度センサ３２を、間隔を空けて固定しておけば、同時に複数位置の温度を測定できる。

図６に示すように、バーナーコーン２２の周囲に設けられた複数の点検口２３のそれぞれから温度測定器具ＡＡを挿入し、温度測定をすることが好ましい。また、点検口２３の幅の範囲で温度測定器具ＡＡの位置をずらして温度測定をすることが好ましい。この際、１つの温度測定器具ＡＡの位置を変更しつつ温度測定を繰り返し行ってもよいし、複数の温度測定器具ＡＡをバーナーコーン２２内に挿入して、同時に温度測定してもよい。このようにすれば、多数の位置における温度を測定できる。

図６に示す例では、温度測定器具ＡＡは６つの温度センサ３２を有する。また、温度測定器具ＡＡは第１点検口２３の中心、右にずらした位置、および第２点検口２３の中心、右にずらした位置の４位置で測定している。したがって、温度測定位置は合計２４点である。また、各温度センサ３２の支持棒３１上の位置は既知であるから、各温度測定位置のバーナーコーン２２中心からの距離は幾何学的に求められる。

以上のように測定した複数位置の温度情報から、バーナーコーン２２の内部空間の温度分布を得る。図６に示す条件で測定された温度分布の一例を図７のグラフに示す。図７のグラフの横軸は、バーナーコーン２２中心からの距離（半径方向の位置）である。横軸の左側がバーナーコーン２２の中心側であり、右側がバーナーコーン２２の外側である。縦軸は温度である。縦軸の下側が低温であり、上側が高温である。温度測定器具ＡＡの位置ごとに温度分布が得られる。

このような温度分布に基づいて精鉱分布を推定する。具体的には、温度測定位置における温度が高いほど、その温度測定位置における精鉱密度が低いと仮定して、温度分布に基づいて精鉱分布を推定する。例えば、図７のグラフの縦軸を精鉱密度として捉え、縦軸の下側が高密度であり、上側が低密度であると考えればよい。これにより、精鉱密度の相対的な高低を把握できる。

温度分布から精鉱分布を推定する原理はつぎのとおりである。バーナーコーン２２の内部空間に配置された温度計は、基本的にはバーナーコーン２２下方の反応塔１２からの輻射熱を測定する。精鉱は輻射熱をよく吸収することから、反応塔１２と温度測定位置との間の精鉱の量が多いほど、その温度測定位置における温度が低くなる。逆にいえば、温度測定位置における温度から、その温度測定位置と反応塔１２との間の精鉱の量を推定できる。すなわち、バーナーコーン２２内の同じ高さで見た場合に、温度が高いほど精鉱密度が低いという関係がある。これを利用して、温度分布から精鉱分布を推定できる。

図７のグラフに示されるように、バーナーコーン２２中心は精鉱密度が高く、外側は精鉱密度が低い。バーナーコーン２２の半径方向には、このような精鉱分布が好ましい。しかしながら、バーナーコーン２２の周方向には、精鉱密度が均一であることが好ましい。そこで、バーナーコーン２２内の周方向の温度のばらつきから、精鉱分布の均一性を判断する。

図７に示される例では、半径方向の特定位置でみた場合、特にバーナーコーン２２の外側において、第１点検口２３側の精鉱密度が第２点検口２３側の精鉱密度よりも高くなっている。すなわち、周方向の精鉱密度が不均一となっている。図７に示されるグラフでは、４位置の精鉱分布が一致するほど、周方向の精鉱密度が均一であるといえる。このように、半径方向の特定位置の温度のばらつきに基づいて、精鉱分布の均一性を判断する。

ＡＡ 温度測定器具
３１ 支持棒
３２ 温度センサ
３３ 把持部
３４ 外蓋
３５ 内蓋
３６ 当接体

Claims (6)

1. 自熔製錬炉のバーナーコーンの内部空間の温度を測定するのに用いられる温度測定器具であって、
   前記バーナーコーンに設けられた点検口に挿入される支持棒と、
   前記支持棒に固定された一または複数の温度センサと、を備える
   ことを特徴とする温度測定器具。
2. 前記複数の温度センサは、前記支持棒の軸方向に、所定間隔で固定されている
   ことを特徴とする請求項１記載の温度測定器具。
3. 前記支持棒に固定され、前記点検口の外側開口部を塞ぐ外蓋を備える
   ことを特徴とする請求項１または２記載の温度測定器具。
4. 前記支持棒に固定され、前記点検口の内側開口部を塞ぐ内蓋を備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の温度測定器具。
5. 前記支持棒の先端に設けられ、前記バーナーコーンの中心に設けられた補助バーナーの外面に接触する当接体を備える
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の温度測定器具。
6. 前記当接体は、前記支持棒の先端部に軸支されている
   ことを特徴とする請求項５記載の温度測定器具。