JP2613781B2 - 工業窯炉の炉壁耐火物の冷却方法 - Google Patents

工業窯炉の炉壁耐火物の冷却方法

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、非鉄金属製錬、鉄鋼製錬などの工業にお
いて使用される工業窯炉の炉壁耐火物の冷却方法に関す
るものである。
従来の技術 非鉄金属製錬、鉄鋼製錬などの工業において使用され
る熱負荷の大きい工業窯炉では、炉内が高温のため、ス
ラグ、ガスなどによる侵食、装入物による摩耗、スポー
リング等で炉壁耐火物の摩耗が激しい。これらの窯炉の
うち炉壁耐火物の張り替えが操業上容易に行なえないも
のについては、炉壁耐火物の寿命延長のために電融鋳造
煉瓦や炭素質煉瓦などの高級煉瓦を用いたり、外部より
炉壁耐火物を冷却したりしている。
炉壁耐火物の主な冷却方法には、鉄製外壁である鉄皮
の内面に冷却体を内蔵する冷却板(盤)冷却式とステー
ブ冷却式、鉄皮の外面から冷却する散水冷却式とジャケ
ット冷却式があり、単一または複数の方式を組み合わせ
て使用されている。冷却板(盤)冷却式は第1図(a)
に示すように鉄皮1の内面の炉壁煉瓦2の間に水平に冷
却水3の通っている冷却板(盤)4を差し込んで隣接す
る煉瓦を冷却する方法である。冷却板の材質は、純銅鋳
物が多く、一部には鋼板溶接製、鋳鉄製のものも使用さ
れる。
ステーブ冷却式は第1図(b)に示すようにステーブ
クーラ5と呼ぶ冷却体を鉄皮1の内壁面に沿って耐火物
2との間に設置し、給排水口を鉄皮の外側に取り出し
て、冷却水3を供給する方法である。
散水冷却式は第1図(c)に示すように鉄皮1の外表
面に直接散水3する方法である。
ジャケット冷却式は第1図(d)に示すように鉄皮1
自体を水冷ジャケット6として通水3する方法である。
発明が解決しようとする問題点 熱負荷の大きな工業窯炉では、その熱負荷と冷却能力
がバランスするまでは、炉壁耐火物は比較的短期間で損
耗し、以後残存耐火物の厚みは安定してくる。
冷却板冷却式では、冷却板と冷却板の中間部分では冷
却能力が劣るので炉壁の損耗が大きく、冷却板周辺で良
く残存するため、炉内面が波打ったような形となる。こ
のため、冷却板の先端部分の熱負荷が大きくなり、漏水
事故が発生することがある。炉壁の維持という点では、
冷却板自体が煉瓦の支えとなるので、煉瓦の崩落は少な
い。しかし、冷却板の挿入枚数には実用上限界があり、
高濃度酸素製錬などの熱負荷が特に高い場合、損耗が鉄
皮にまで達することがある。ステーブ冷却式、散水冷却
式、ジャケット冷却式では、炉壁耐火物がほぼ平滑に浸
食される。しかし、熱負荷の大きい部分では炉壁煉瓦の
残存厚みが薄くなり、煉瓦の抜け落ち、崩落等でステー
ブクーラあるいは鉄皮が直接高温雰囲気にさらされ、鉄
皮亀裂などの炉体の損傷が発生し易くなる。
以上の問題点は、通常の耐火煉瓦の熱伝導率が1〜4k
cal/m・h・℃程度と小さいことに起因し、高い熱負荷
とバランスした時には、どうしても残存厚みが薄くなっ
てしまう。これを解決する一手段として炭化けい素煉瓦
や炭素質煉瓦など熱伝導率のさらに大きい煉瓦を用いる
方法もある。しかし、これらは高価であるし、高温酸化
雰囲気など条件によっては使用できない。
本発明の冷却方法は、この耐火煉瓦の熱伝導率が小さ
いという欠点を補い熱的にバランスした時の残存煉瓦の
厚みを均一に増すことで炉壁を保護し、炉壁耐火物の寿
命を大幅に延長することを目的とする。
問題点を解決するための手段 本発明による工業窯炉の炉壁耐火物の冷却方法は鉄皮
やステーブクーラなどの窯炉外殻側の冷却面との接触面
積が広い放熱部と、熱を炉内や炉壁耐火物から放熱部へ
伝える熱伝導部とからなる多数の冷却体を、耐火物と一
体であるいは耐火煉瓦の間に配置して炉壁全体の熱伝導
率を均一に高めることを特徴とする。
この構成は冷却板(盤)冷却式と一見類似している
が、冷却板(盤)と違い冷却体の中には水などの冷媒は
通っておらず、炉内への洩れの心配がなく、又実用上の
数の制限もなく非常に多くの冷却体を配置することがで
きる。
実施例 第2図(a)に示すように、本発明による冷却方法を
実施する工業窯炉の炉壁は炉壁耐火物2と多数の冷却体
8とで構成され、冷却体8は窯炉外殻側の冷却壁9と面
接触する放熱部11と、耐火煉瓦2の間に配置され、放熱
部から延びる熱伝導部10とからなる。
単純に第2図(b)のように熱伝導部のみからなる冷
却体を耐火煉瓦の間にはさんだ場合、炉壁の平均伝導率
は、 となる。ここでλは冷却体の熱伝導率(kcal/m.h.
℃)、λは耐火物の熱伝導率(kcal/m・h.℃)、S1
冷却体の断面積(m2)、S2は耐火物の断面積(m2)であ
る。例えば、熱伝導率が10倍(λ=10λ)で断面積
が1/10(S1=1/10S2)の冷却体を耐火煉瓦にはさむと平
均熱伝導率は約1.8倍となる。しかし熱伝導部のみから
なる冷却体を溶接等で冷却面と一体化することは、施工
上の困難さに加え耐火煉瓦の熱膨張による移動で接合部
が破損しやすく、冷却体から冷却面への熱伝導はわずか
な面積での接触に依存せざるを得ない。この接合部分に
わずかな隙間があっても熱伝導は悪化するため、炉内か
ら冷却体への熱の伝わり方によっては逆に耐火煉瓦の損
耗を早める場合もある。又、このような方法では一般的
に耐火煉瓦より融点が低い金属質の冷却体は溶け落ちて
しまう可能性がある。
本発明の特徴である放熱部を持つ冷却体では、冷却体
と冷却面を一体化しなくても放熱部と冷却面の接触面積
が広いため、接触部で十分な熱伝導が確保できる。接触
面積を最大にすると、冷却体から冷却面への熱伝導は、
耐火煉瓦を冷却面へ押しつけて施工した場合と同程度と
なる。結果として、冷却体は隣接する耐火物よりも冷却
され、かつ熱伝導率が大きいため、熱伝導部で周囲の耐
火物を冷却するように働く。冷却体と冷却面を溶接や、
ろう付けなどで一体化しなくても済むという点から、耐
火煉瓦や耐火物の施工をあまり煩雑にすることがなく、
多数の冷却体を炉壁耐火物中に配置することができる。
本発明の冷却体の形状がいくつかの例を第3図に示
す。放熱部11の形状は窯炉外殻の冷却面に合わせて、接
触面を平面又は曲面とし、できるだけ広くとるようにす
る。熱伝導部10の形状は煉瓦積みの目地部を利用する場
合には、第3図(a)、(b)に示す平板状に限定され
るが、煉瓦を加工する場合や不定形耐火物を利用する場
合、その使用状況等に合わせ自由に選ぶことができる。
第3図(c)は熱伝導部10を棒状とした例を示してい
る。第2図(a)に示す例では冷却体が耐火物間に設置
されるが、あらかじめ耐火物と冷却体を一体化すること
ができる。
冷却体の材質は、併用する耐火物より熱伝導率の高い
もので、冷却体としての条件を満たす形状に加工できれ
ば、金属質、セラミック質、炭素質などのいづれでもよ
い。使用する窯炉の炉内温度、酸化・還元雰囲気、炉内
耐火物との反応等を考慮して最適な材質を選択すれば良
い。
冷却体の放熱部の放熱効率を増すために放熱面にあら
かじめろう材を施しておくと効果的である。接触部分の
密着が不充分である場合、熱伝導率が悪く冷却体の温度
が上昇し、ろう材が一旦溶け、接触部分の熱伝導率が良
好になった状態で固まることによる。
比較例 第4図(a)は銅製錬自溶炉反応塔の炉壁構造を示
し、この反応塔では、炉内温度は1300〜1400℃であり、
炉壁煉瓦の維持のため、銅製の水冷式冷却板4が多数使
用されている。冷却板4と冷却板4の間隔は約70cmで、
炉壁はその間の厚み約35cmの耐火煉瓦と不定形耐火物か
らなる。反応塔外殻である鉄皮13は水冷ジャケットとな
っている。本発明の冷却体を使用しない場合(第4図
(b)のA−A′線における平面断面図の第6図(a)
を参照)、炉壁耐火物とスラグコーティングの残存厚み
は、冷却板4と冷却板の中央部分の侵食の最も大きい部
分で約19cmとなり炉内面は第4図(b)のように波打っ
た形となる。自溶炉反応塔の炉壁耐火物の侵食は数ヶ月
で終了し、残存厚みはその後安定する。本発明の冷却方
法を適用した場合(第4図(c)のB−B′線における
平面断面図の第6図(b)を参照)には18ヶ月後でも第
4図(c)のようにほとんど侵食されていない。冷却板
と冷却板の中央部分での残存厚みは約38cmでスラグコー
ティングの厚みを考慮しても耐火煉瓦の侵食はわずかで
ある。
この実施例で用いた冷却体は第3図(b)に示すよう
なL型の形状に幅120mm・長さ365mm・厚み3mmの銅板を
曲げ加工したもので、熱伝導部の長さ275mm、放熱部の
長さ90mmとなっている。この冷却体8を第5図のように
平均幅180mm・長さ350mm・高さ130mmの各耐火煉瓦12を
両側からはさむように、即ち煉瓦と煉瓦の間(垂直方向
の目地部)に各2枚入れるように配置した。炉内温度が
高いので冷却体が直接炉内に入ると先端部分が溶け落ち
るため、熱伝導部の長さは炉壁の厚みより75mm短くし
た。
使用した耐火煉瓦の熱伝導率はおよそ3Kcal/m・h・
℃で、銅の熱伝導率は約300Kcal/m・h・℃であり、耐
火煉瓦に冷却体の入っている長さ275mmの部分の平均熱
伝導率は11.9Kcal/m・h・℃と計算される。
(計算式)1枚の耐火煉瓦あたり 耐火煉瓦の平均断面積=13cm×18cm=234cm2 2枚の銅板の合計断面積=12cm×0.3cm×2=7.2cm2 平均熱伝導率=(3×234+300×7.2)/(234+7.2) =11.9Kcal/m.h・℃ この平均熱伝導率は耐火煉瓦のみの場合の約4倍で、
耐火煉瓦のみで同じ伝熱量を確保するには厚みが約1/4
となる。すなわち275mmの冷却体の入っている部分と同
じ伝熱量を持つ耐火煉瓦の厚み約70mmとなる。これを第
4図(c)の冷却板と冷却板の中央部分(冷却板の冷却
効果の影響がもっとも少ないA−A′断面)の残存厚み
380mmに当てはめて、冷却体がなかったと仮定すると残
存厚みは175mmで安定したと考えられる。
(計算式)380mm−275mm+70mm=175mm これは実際には冷却体を用いていない場合(第4図
b)の実績残存厚み190mmとほぼ一致する。
発明の効果 本発明の冷却方法を用いると炉壁耐火物の平均熱伝導
率を大きくすることができ、炉内からの熱負荷とバラン
スした時の残存耐火物の厚みを増すことができる。
具体的には冷却板(盤)冷却式にこの方法を併用する
と、冷却板と冷却板の間の耐火物の損耗を減らすことが
でき、炉内面の凹凸が小さくなる。その結果、冷却板の
熱負荷や摩耗も減るので、冷却水の洩れなどの発生を減
少する。又、冷却板と冷却板の間隔をひろげることがで
き、高価な冷却板の使用枚数を減らすことができる。ス
テーブ式や鉄皮を冷却する方式に適用した場合、残存耐
火物の厚みが増すため煉瓦の抜け落ち、崩落、部分的な
溶損等が減少し、ステーブクーラやジャケットの異常加
熱や鉄皮亀裂の発生が少なくなる。
以上のようなことから、炉壁耐火物や鉄皮等の炉体寿
命の延長や操業維持の容易化などの効果が生まれる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)、(b)、(c)、(d)は従来の炉壁耐
火物の冷却方法を示す炉壁構造の概略断面図である。 第2図(a)は、熱伝導部と放熱部を持つ冷却体を設置
した本発明による炉壁構造の説明図である。 第2図(b)は熱伝導部だけをもつ冷却体を設置した炉
壁構造の説明図である。 第3図(a)、(b)、(c)は、本発明の冷却体の形
状の例を示す傾斜図である。 第4図(a)は、銅製錬の自溶炉反応塔炉壁の構造を示
す断面図、 第4図(b)は本発明による冷却方法を採用してない第
4図(a)に示す炉壁の侵食状態を示す断面図、 第4図(c)は本発明による冷却方法を採用した第4図
(a)に示す炉壁の状態を示す断面図である。 第5図(a)は本発明の冷却体と耐火煉瓦との関係を示
す平面図、 第5図(b)はその側面図、 第6図(a)は第4図(b)のA−A′線における平面
断面図、 第6図(b)は第4図(c)のB−B′線における平面
断面図である。 9……外殻冷却壁、8……冷却体、12……耐火物、10…
…熱伝導部、11……放熱部。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】外殻冷却壁の炉内側に、耐火物を配置した
    構造の工業窯炉において、外殻冷却壁の炉内側表面との
    接触面積を多く取れる形状をした放熱部と、高温の耐火
    物から放熱部に熱を伝える熱伝導部とからなる熱伝導率
    の高い冷却体を、炉壁を構成する耐火物中に多数配置す
    る事を特徴とする炉壁耐火物の冷却方法。
  2. 【請求項2】冷却体の材質が銅であることを特徴とする
    特許請求の範囲第(1)項記載の冷却方法。
  3. 【請求項3】冷却体が炉壁の煉瓦の目地に入るようなL
    形もしくはT形の板からなることを特徴とする特許請求
    の範囲第(1)項記載の冷却方法。
  4. 【請求項4】冷却壁との接触面に、ろう材を施した冷却
    体を特徴とする特許請求の範囲第(1)項記載の冷却方
    法。
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