JP4187752B2 - 自溶炉の炉体水冷構造 - Google Patents

Description

本発明は，自溶炉の炉体水冷構造に関し、さらに詳しくは、銅製錬等に用いられる自溶炉のシャフトとセットラとの連結部及びアップテイクとセットラとの連結部を効率的に冷却するための自溶炉の炉体水冷構造に関する。

自溶炉の炉体を冷却するための構造としては、冷却水を流す鋼管を鋳込んだ鋳鉄体の炉内に面する側に凹凸を形成したステーブジャケットが知られている（特許文献１（特公昭６３―１９７９３号公報））が、銅製錬の自溶炉におけるシャフトとセットラとの連結部の冷却構造としては、シャフト下部に数本の水冷銅チューブで円周を形成し、それを数段積み重ねることで上方から下方側に行くにつれて次第に湾曲しながら拡開させてフレア状に形成し、それをセットラ部と連結する方法が主流である。同様に、セットラとアップテイクとの連結部の冷却構造は、水冷銅チューブ数本により、蒲鉾形状を形成して冷却するのが主流である。そして、このような炉壁を冷却する水冷ジャケットとしては主として銅が使用されている（特許文献２（特公平３−５７１６９号公報））

一方、特許文献１においては、炉内に突出させた冷却フィンにダストなどを成長させることにより形成したセルフコーティングによりマット及びスラグの浴液面より上方の耐熱煉瓦を冷却する方法が提案されている。また、炉内に面する側に凹凸を形成した炉体水冷ジャケットとしては、特許文献３（実開昭６２−２５７９８号公報）や特許文献４（実開昭６１−１５９７９０号公報）がある。

ここで、シャフト下部及びシャフトとセットラとの連結部の熱負荷増大対策として最近の実施例としては、特開平８−１２７８２５号公報（特許文献５）に示された冷却構造がある。この冷却構造は、セットラ天井部と連結するシャフトの下端部にシャフトと同心状に環状に配置された水冷ジャケットを設け、この水冷ジャケットの炉内側側壁全面とセットラ天井部の内壁がキャスタブル耐火物により該炉内側側壁をほぼ垂直となるようにして覆ってセットラ天井部と一体に接合して形成するというものである。

特公昭６３−１９７９３号公報 特公平３−５７１６９号公報 実開昭６２−２５７９８号公報 実開昭６１−１５９７９０号公報 特開平８−１２７８２５号公報

自溶炉における銅精錬は、１炉あたり年間約３０万トンの銅精錬を行ってきたものをその約１．５倍の年間約４５万トンに増大させ、将来的にはこれまでの約２倍の量を処理するべく次第に高負荷操業へ移行してきている。高負荷操業においては吹き込む酸素富化空気の量や炉内温度もこれまでより過酷となり、特にシャフト下部やシャフト部とセットラ部の連結部に対する熱負荷が増大している。しかし、上述したような従来のような冷却構造では、高負荷操業を行うに際して冷却能力の不足によりチューブの破損による水漏れトラブル等が発生するおそれがあった。同様に、セットラとアップテイクとの連結部においても高負荷操業に伴う熱負荷増大による冷却能力不足からチューブ破損等のトラブルが発生するおそれがあった。

また、特許文献５に示されたシャフトとセットラとの連結部の構造は、従来のようなフレア形状ではなく、直角構造となっている。このようにシャフト下部を直角構造とした場合、従来のフレア形状の場合と比べて、シャフト下部におけるシャフト反応ガスの良好な流れを確保することができずシャフト反応自体を悪化させる可能性が懸念される。すなわち、反応ガスがシャフトからセットラへ移動する際に直角の角部にぶつかって乱流が発生し、セットラへの反応ガスの良好な流れが阻害されるおそれがある。また、直角の角部に高温の反応ガスがぶつかるのでその部分に配置された耐熱煉瓦へ加わる熱の負荷が懸念されると共に角部を的確に冷却することは易ではない。もちろん、アップテイクとセットラとの連結部についても同様の問題点が発生する。

そこで、本発明は、シャフトとセットラとの連結部及びアップテイクとセットラとの連結部における自溶炉の炉体水冷構造において、高負荷操業においても十分な冷却性能を発揮することができ、しかもシャフト反応ガスの流れを阻害することがないような自溶炉の炉体水冷構造を提供することを目的とする。具体的には、従来通りフレア形状を保った水冷ジャケットを採用しつつも、水冷ジャケットの熱収縮、熱膨張による負荷を制御して良好なシャフト反応を維持することが可能な自溶炉の炉体水冷構造を提供することを目的とする。
また、上記炉体水冷構造における水冷ジャケットが熱収縮、熱膨張するに際し、その移動を容易に行わせることを可能とする自溶炉の炉体水冷構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の本発明は、自溶炉のシャフトとセットラとの連結部又はアップテイクとセットラとの連結部を冷却するための自溶炉の炉体水冷構造において、シャフトとセットラとの連結部又はアップテイクとセットラとの連結部であって上方側から下方側に行くにつれて次第に湾曲しながら拡開するフレア状の連結部に、断面円弧状の水冷ジャケットを覆うように配置して構成され、水冷ジャケットは、複数に分割されると共に、上下方向に可動可能に吊下げ支持され、熱による水冷ジャケットの膨張収縮に伴ってその位置を変えることにより水冷ジャケットに対する熱による負荷を制御するようにしたことを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の自溶炉の炉体水冷構造において、水冷ジャケットは少なくとも上下方向に２分割されると共に、下側に配置される水冷ジャケットの下部側端縁部とセットラの壁面部との間にはテーパー状の補助部材が配置されていることを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の自溶炉の炉体水冷構造において、水冷ジャケットの炉内に面する側に凹凸を形成すると共に、凹部には予め耐火物を充填してなり、耐火物が侵食又は除去された後には凹部にスラグが入り込んでセルフコーティングが行われるようになっていることを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の本発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の自溶炉の炉体水冷構造において、シャフトとセットラとの連結部に配置される水冷ジャケットは、上下方向には２分割、そして、円周方向には３２分割されていることを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項５に記載の本発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の自溶炉の炉体水冷構造において、アップテイクとセットラとの連結部に配置される水冷ジャケットは、上下方向には２分割、そして、水平方向には１２分割されていることを特徴とする。

本発明に係る自溶炉の炉体水冷構造によれば、フレア状とされた自溶炉のシャフトとセットラとの連結部又はアップテイクとセットラとの連結部に当該連結部の形状に即した形状の水冷ジャケットを配置することとしたのでシャフト反応ガスの良好な流れ及び良好なシャフト反応を維持しつつ高負荷操業においても的確に冷却を行うことを可能としたことに加え、水冷ジャケットを複数に分割すると共に可動可能に吊下げ支持することとしたので水冷ジャケットの熱膨張及び熱収縮に追従して可動させることができ、それによって水冷ジャケットの熱に対する負荷を軽減する等の制御を行うことができるという効果がある。

以下、本発明に係る自溶炉の炉体水冷構造について好ましい一実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る炉体水冷構造を備えた自溶炉の好ましい一実施形態の断面図、図２はその平面図である。

図１及び図２に示された自溶炉１は、概略として、その頂部に１〜３本の精鉱バーナ５が設置された略円筒形状のシャフト２と、セットラ３及びアップテイク４を備えて構成されている。精鉱バーナ５によって乾燥した微粉精鉱を酸素富化空気あるいは高温熱風と同時に取り込み、瞬時に酸化反応を起こさせると精鉱は自溶状態でシャフト２内を落下してシャフト２直下においてスラグ６とマット７に層状に分離される。このような自溶炉１の炉壁からスラグ６やマット７の抜き出しが行われるとそれに伴って湯深変動が発生するので炉内温度の変化が大きくなり、キャスタブルや耐火煉瓦等の炉壁耐火物に激しい熱的負荷が加えられる。また、シャフト２直下は、精鉱の酸化反応により高温となった反応ガスが一番先に通過する場所でもあり、一方、精鉱の投入が無くなると又温度低下した反応ガスが一番先に通過する位置であるため雰囲気温度においても熱的負荷が加わる場所である。

本発明に係る自溶炉の炉体水冷構造における水冷ジャケット１０は、シャフト２とセットラ３との連結部Ａ（図１参照）及びアップテイク４とセットラ３との連結部Ｂ（図１参照）に配置されている。シャフト２は上述のように略円筒形状とされているのでセットラ３との連結部Ａは略円形状をなし、シャフト２の下部をぐるりと円形状に取り囲むようにして位置している。一方、アップテイク４とセットラ３との連結部Ｂは、図２に示すように、セットラ３の幅方向に沿って直線状に位置している。

シャフト２とセットラ３との連結部Ａに配置される水冷ジャケット１０は、図３に示すように、概略として、銅製の湾曲した円弧状の板状体で、炉内に面する側に凸部１１と凹部１３とが交互に配列されて形成されている。凸部１１は、自溶炉１の内部に配設されたキャスタブル等の炉壁耐火物と直接接触することによって炉体の冷却を行う。一方、凹部１３は、その内部に充填された耐火物を介して炉壁耐火物を間接的に冷却する。

自溶炉１の操業に伴って炉壁体耐火物の侵食が進むと、水冷ジャケット１０の凹部１３に充填された耐火物が脱落し、凹部１３にスラグが入り込んでセルフコーティングが行われるようになっている。尚、凹部１３に充填する耐火物は粉状耐火物に適量の水を加えて突き固めて充填したものが好ましいが、凹部１３と同じ形状の・寸法に焼成した耐火ブロックを嵌め込むことによってもかまわない。ここで、凹部１３へ充填する耐火物としては、スラグより融点が高く、熱膨張係数が小さい物質が好ましく、主成分がＭｇＯのもの（例えば：株式会社ヨータイ製：ヨータイスタンプ（Ｒ−ＭＰ））がある。凹部１３断面の形状は、三角形、四角形、矩形、台形、Ｕ字形、皿型など種々の形状が可能であるが、上記した耐火物脱落の観点から、炉内側に開いた台形形状が好ましい。また、凹部１３の表面は、平坦面、細かい凹凸面などの態様が可能であり、さらに充填される耐火物と凹部１３が堅く係合するように、ピン状突起１８を設けることも可能であるが、充填される耐火物の脱落をタイミングよく行うためには鋳造や切削などで得られる平坦面とするのが好ましい。

水冷ジャケット１０は、図４に示すように、シャフト２とセットラ３との連結部Ａには、円周方向に３２等分、上下方向に２等分に分割された状態で合計６４枚配置されている。ここで、図４はシャフト２とセットラ３との連結部Ａへ水冷ジャケット１０を配置した状体を示す平面図、図５は連結部Ａに配置された水冷ジャケットを上方側から見た拡大平面図であり、図６は連結部Ａに配置された水冷ジャケット１０を水平方向から見た拡大正面図である。また、図７はシャフトとセットラとの連結部に配置される水冷ジャケット１０を炉内に面する側から見た背面図である。図示されているように、凸部１１と凹部１３は水平方向に交互に配設されており、これにより凹部１３にスラグを効率的に捕捉することができる。

一方、図５及び図６に示されているように、水冷ジャケット１０にはその内部を往復するようにして冷却水流路１７が内設されている。これにより炉壁を効率的に冷却することが可能となる。冷却水流路１７の端部には、それぞれ冷却水を供給排出するための供給口１５及び排出口１６が設けられており、供給口１５から供給された冷却水は水冷ジャケット１０内を循環して排出口１６から排出されるようになっている。尚、隣り合う水冷ジャケット１０の排出口１６と供給口１５を連結して冷却水を循環させるようにすることもできる。

そして、上述の水冷ジャケット１０が、上方側から下方側に行くにつれて次第に湾曲しながら拡開するフレア状とされたシャフト２とセットラ３との連結部Ａに、その形状に沿うようにして円周方向に３２分割、高さ方向に２分割、合計６４分割された状態で配置されている。これにより連結部Ａのフレア形状を確保しつつシャフト反応ガスの良好な流れ及び良好なシャフト反応が確保されると共に高負荷操業における的確な冷却を維持することが可能となる。

一方、アップテイク４とセットラ３との連結部Ｂにも連結部Ａに配置される水冷ジャケット１０とほぼ同様な構成を備えた水冷ジャケット１０が配置されている。但し、アップテイク４とセットラ３との連結部Ｂに配置される水冷ジャケット１０は、図８に示すように、連結部Ａに配置される水冷ジャケット１０とは異なり、セットラ３の幅方向に沿って直線状に配置されるような形状とされている。尚、アップテイク４とセットラ３との連結部Ｂにも下部側が拡開したフレア形状を保持するために、連結部Ｂに配置される水冷ジャケット１０もその断面が円弧状に湾曲した板状体とされている。この水冷ジャケット１０は水平方向に１２等分、上下方向に２等分に分割された状態で合計２４枚配置されている。

上述した水冷ジャケット１０は、それぞれシャフト２とセットラ３との連結部Ａ及びアップテイク４とセットラ３との連結部Ｂに配置されるが、炉体から水冷ジャケット１０に加わる熱によって熱膨張及び熱収縮が発生する。そのため水冷ジャケット１０を連結部Ａ及び連結部Ｂに完全に固定した状態で配置してしまうと熱膨張によって水冷ジャケット１０全体が押し広げられる方向に働く力により水冷ジャケット１０はそれと接触するキャスタブル等の炉壁耐火物を破壊したり、水冷ジャケット１０自身が破壊されてしまうおそれがある。

そのため、本発明構造においては熱膨張や熱収縮に伴う水冷ジャケット１０の伸縮を吸収すべく上下方向に２分割した水冷ジャケット１０をそれぞれ可動可能に吊下げ支持することとした。その構造を図１０に示す。図示されているように、上下２段に配置された水冷ジャケット１０のうち下段側に配置された水冷ジャケット１０は、シャフト２を支持するＨ鋼４５に取り付けられた支持部材４３に掛止された吊下部材３１によって吊下げ支持されている。同様に、上下２段に配置された水冷ジャケット１０のうち上段側に配置された水冷ジャケット１０は、シャフト２に取り付けられた支持部材４１に掛止された吊下部材３１によって吊下げ支持されている。吊下部材３１は、上部側ロッド３１ａと端部にフックを備えた下部側ロッド３１ｂとを緩衝部材３１ｃを介して連結することによって構成されており、この吊下部材３１は上下方向に伸縮可能とされている。

そして、下部側ロッド３１ｂの端部に設けられたフックを水冷ジャケット１０の表面に形成されたリング１９に掛止することによりシャフト２とセットラ３との連結部Ａを円周方向にぐるりと取り囲むようにして水冷ジャケット１０が上下２段に配置されている。これにより、水冷ジャケット１０が炉内の温度の変化により熱膨張又は熱収縮した際には水冷ジャケット１０はその姿勢位置を適宜変えることができるようになっており、自溶炉１の炉壁耐火物の破壊や水冷ジャケット１０自身の破壊を有効に防止する。尚、上下及び左右の水冷ジャケット１０同士が隣接する水冷ジャケット１０の側面は水冷ジャケット１０同士の相対的なスライドを阻害しないような滑らかな平面としたり、テーパー状にしてもよい。

さらに、水冷ジャケット１０とセットラ３の壁面部との間にはテーパー状の補助部材２０が配置されている。補助部材２０は、下方側の幅が狭く上方へ行くに従って幅が広くなるように形成されており、水冷ジャケット１０が勝手に上方側へ移動しないようになっている。また、補助部材２０は、熱膨張及び熱収縮による水冷ジャケット１０の形状変化に伴う移動を補助するようにスライド可能とされている。これにより、水冷ジャケット１０が熱収縮することによって隣接するセットラ３の壁面部との間に隙間が発生するのを防止する。さらに、水冷ジャケット１０は、補助部材２０との隣接部を支点として角度が傾斜角度を変化させることが可能とされており、連結部Ａを冷却するための適性位置へ水冷ジャケット１０を配置させることができるようになっている。一方、熱収縮により水冷ジャケット１０が縮んだ際には、図１１に示すように、水冷ジャケット１０は下方側に移動して水冷ジャケット１０の下側端縁部とセットラ３との間に隙間が発生するのを防止する。補助部材２０は、例えば、耐熱煉瓦等の耐熱性を備えた部材により形成することが好ましい。尚、アップテイク４とセットラ３との連結部Ｂに配置された水冷ジャケット１０も上述したような吊下げ構造とされており、同様の作用・効果を奏するようになっている。

上記した炉体水冷構造を備えた自溶炉を用いて操業を行ったところ、自溶炉の高負荷操業によるシャフト２とセットラ３との連結部Ａ及びアップテイク４とセットラ３との連結部Ｂへの熱負荷増大に対し、十分な冷却能力を発揮し、安定操業を行うことができることが実証された。
また、従来どおりフレア形状を採用したので、シャフトでのスムーズな反応ガスの流れが確保され、良好な反応を維持することができた。

自溶炉の断面図である。 図１に示す自溶炉の平面図である。 水冷ジャケットの斜視図である。 シャフトとセットラとの連結部へ水冷ジャケットを配置した状体を示す平面図である。 シャフトとセットラとの連結部に配置された水冷ジャケットを上方側から見た拡大平面図である。 シャフトとセットラとの連結部に配置された水冷ジャケットを水平方向から見た拡大正面図である。 シャフトとセットラとの連結部に配置される水冷ジャケットを炉内に面する側から見た背面図である。 アップテイクとセットラとの連結部に配置された水冷ジャケットを上方側から見た拡大平面図である。 アップテイクとセットラとの連結部に配置される水冷ジャケットを炉内に面する側から見た背面図である。 熱膨張時における水冷ジャケットの吊り下げ構造を示す側面断面図である。 熱収縮時における水冷ジャケットの吊り下げ構造を示す側面断面図である。

符号の説明

１ 自溶炉
２ シャフト
３ セットラ
４ アップテイク
５ 精鉱バーナ
６ スラグ
７ マット
１０ 水冷ジャケット
１１ 凸部
１３ 凹部
１５ 供給口
１６ 排出口
１７ 冷却水流路
１９ リング
２０ 補助部材
３１ 吊下部材
３１ａ 上部側ロッド
３１ｂ 下部側ロッド
３１ｃ 緩衝部材
４１ 支持部材
４３ 支持部材
４５ Ｈ鋼

Claims (5)

1. 自溶炉のシャフトとセットラとの連結部又はアップテイクとセットラとの連結部を冷却するための自溶炉の炉体水冷構造において、
   前記シャフトと前記セットラとの連結部又は前記アップテイクと前記セットラとの連結部であって上方側から下方側に行くにつれて次第に湾曲しながら拡開するフレア状の当該連結部に、断面円弧状の水冷ジャケットを覆うように配置して構成され、
   前記水冷ジャケットは、複数に分割されると共に、上下方向に可動可能に吊下げ支持され、熱による当該水冷ジャケットの膨張収縮に伴ってその位置を変えることにより前記水冷ジャケットに対する熱による負荷を制御するようにしたことを特徴とする自溶炉の炉体水冷構造。
2. 請求項１に記載の自溶炉の炉体水冷構造において、
   前記水冷ジャケットは少なくとも上下方向に２分割されると共に、下側に配置される前記水冷ジャケットの下部側端縁部と前記セットラの壁面部との間にはテーパー状の補助部材が配置されていることを特徴とする自溶炉の炉体水冷構造。
3. 請求項１又は２に記載の自溶炉の炉体水冷構造において、
   前記水冷ジャケットの炉内に面する側に凹凸を形成すると共に、当該凹部には予め耐火物を充填してなり、当該耐火物が侵食又は除去された後には前記凹部にスラグが入り込んでセルフコーティングが行われるようになっていることを特徴とする自溶炉の炉体水冷構造。ことを特徴とする自溶炉の炉体水冷構造。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の自溶炉の炉体水冷構造において、
   前記シャフトと前記セットラとの連結部に配置される前記水冷ジャケットは、上下方向には２分割、そして、円周方向には３２分割されていることを特徴とする自溶炉の炉体水冷構造。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の自溶炉の炉体水冷構造において、
   前記アップテイクと前記セットラとの連結部に配置される前記水冷ジャケットは、上下方向には２分割、そして、水平方向には１２分割されていることを特徴とする自溶炉の炉体水冷構造。

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