JP4829403B2 - 高温融体排出管 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スポンジチタン製造工程で取り扱う高温融体用の高温融体移送管の構造に関するものであって、同移送管の寿命延長と同移送管内を流れる融体の温度制御技術に関するものである。高温融体の例は、金属マグネシウム、塩化マグネシウムまたは金属マグネシウムと塩化マグネシウムとの混合物である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スポンジチタンは、還元容器中で溶融マグネシウムと四塩化チタンを反応させることで生成される（ＴｉＣｌ₄＋２Ｍｇ→Ｔｉ＋２ＭｇＣｌ₂）。当該反応では、スポンジチタンの生成に加えて、溶融塩化マグネシウムが副生する。副生した溶融塩化マグネシウムは、生成したスポンジチタンと共に還元容器内に蓄積していくので、液面レベルを一定に保持するよう塩化マグネシウムは定期的に還元容器から抜き出される。
【０００３】
前記塩化マグネシウムの抜き出しは、還元容器に塩化マグネシウム抜き出し管を接続したのち、還元容器内をアルゴンのような不活性ガスを容器内に送入して内部を加圧することにより行われる。系外に抜き出された塩化マグネシウムは、排出管及び排出系統を経由して運搬容器内に排出された後、電解工程に搬入されて、金属マグネシウムと塩素ガスに電解される。電解された溶融塩化マグネシウムは、還元工程に戻され、四塩化チタンの還元に供される。
【０００４】
前記したように、塩化マグネシウムは、還元容器から溶融状態で抜き出されるので、塩化マグネシウム抜き出し・排出配管系統（高温融体移送管）の温度も、塩化マグネシウムの融点以上である７５０〜８５０℃も高温に曝される。このため、高温融体移送管の大気と接触する部分は酸化消耗を受ける。一方で、特に排出管を代表とする高温融体移送管の両端は、容器、配管、架台に固定接続されているので、熱膨張・収縮の繰り返し応力を受けるために永久変形が残ってしまい、短期間で寿命に至る。かくして、高温融体移送管は、酸化消耗問題と熱応力による変形問題と遭遇している。塩化マグネシウムはその強い腐食性の点でも問題がある。
【０００５】
このような塩化マグネシウムのような高温融体用移送管の変形や損耗は、工作費の上昇をもたらすのみならず、溶融塩化マグネシウムの円滑な抜き出しを阻害することもあるので、操業休止時間を短縮するために、前記移送管の損耗が少なく、また、変形しにくい移送管が望まれている。
【０００６】
この点を改善するために、前記の高温融体移送管の他端を自由端とすることで加熱時の膨張・収縮時の応力を緩和させる構造を試してみたが、依然として酸化消耗の問題が未解決である。一端におけるジャバラ構造の採用も有効な解決策とはならなかった。
このため、スポンジチタン製造工程で取り扱う高温融体用熱膨張・収縮による変形が小さく、しかも酸化消耗の少ない高温融体移送管が望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、特に還元容器から溶融塩化マグネシウムの排出管におけるような、スポンジチタン製造工程で取り扱う高温融体用の移送管において、熱変形が小さくまた酸化消耗の少なく、それにより修理コスト低減を可能する高温融体移送管構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術に残された課題について、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、排出管の内部に保護管を設けることにより排出管の熱変形および酸化消耗を抑えることができることを見い出し、本発明を完成させるに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、スポンジチタン製造工程にあるスポンジチタン還元容器から抜き出される金属マグネシウム、塩化マグネシウムまたは金属マグネシウムと塩化マグネシウムとの混合物を排出するための高温融体用の排出管において、該排出管の内部に同心円状の保護管を設け、保護管の先端部が非支持状態の自由端とし、かつ保護管が交換可能な炭素鋼で構成され、更に保護管の内径に対する排出管の内径の比を１．０（１．０は除く）より大きく３．０以下としたことを特徴とする高温融体排出管を提供する。この構成をとることで、所要の高温融体温度を維持しつつ高温融体移送管の過熱を防止できる。高温融体移送管の例は、スポンジチタン還元容器から抜き出し管により抜き出された塩化マグネシウムを排出するため抜き出し管に連結された排出管である。本発明に従えば、保護管の過熱に伴う熱変形による高温融体移送管への影響が軽減される。更に、本発明に従えば、保護管と排出管との間の空間部に不活性ガスを流通させることを特徴とする構成が採用される。このような構成をとることで排出管の異常加熱を防止することができるのに加えて、不活性ガスの流通量を制御して前記保護管及び排出管の温度を所定の温度範囲に維持することができる。また、内部保護管の場合、その外面と排出管の内面の酸化消耗も抑制することができる。高温融体の例は、金属マグネシウム、塩化マグネシウムまたは金属マグネシウムと塩化マグネシウムとの混合物である。
【００１０】
本明細書において、「高温融体移送管」とは、スポンジチタンの製造設備と関連して使用される、四塩化チタンのマグネシウム還元で副生する塩化マグネシウム抜き出しのため還元容器の下端部に接続される抜き出し管、該抜き出し管に接続される排出管、加熱容器から運搬容器まで運搬のための輸送配管、コンテナ台車等への排出導管等を包括するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本願発明の内容を、四塩化チタンのマグネシウム還元で副生する塩化マグネシウム排出管を例にとって以下詳細に説明する。図１は、スポンジチタン還元容器（例えばＳＵＳ３１６製）とその付帯設備の一部を示す。実際には多くの支持部材、架台、機枠等が設けられるが、簡略のために省略してある。還元容器の上部の詳細も、発明に関与しないので、簡略示してある。
スポンジチタンは、還元容器１中で溶融マグネシウムと四塩化チタンを反応させることで生成される。還元容器１中に収納された溶融マグネシウムに四塩化チタンが滴下される。生成するスポンジチタンは、沈降すると同時に容器内壁に付着し堆積していく。併せて、溶融塩化マグネシウムが副生する。副生した溶融塩化マグネシウムは、生成したスポンジチタンと共に還元容器内に蓄積していくので、当該塩化マグネシウムは定期的に還元容器から抜き出される。
【００１２】
前記塩化マグネシウムの抜き出しは、還元容器１の下端部における連結部（図示省略）に塩化マグネシウム抜き出し管２を接続したのち、還元容器内を不活性ガスで加圧することにより行われる。抜き出し管２は還元容器に付帯されて垂直上方に伸延している。還元容器と付帯する抜き出し管は、それらを所要の温度に維持するために、加熱炉３内に納められている。
【００１３】
抜き出し管２の上端部にはジョイントパイプ４を介して排出管５が排出系統６まで下方に傾斜して伸延している。排出系統６は、排出管５の先端に連結された垂直方向の導管、排ガス吸引装置等から構成され、排出管から流送される塩化マグネシウムをコンテナ台車のような運搬容器に送り出す。抜き出された塩化マグネシウムは、運搬容器内に排出された後、電解工程に搬入されて、金属マグネシウムと塩素ガスに電解され、再使用に供される。
【００１４】
本発明の一具体例に従えば、排出管５に内部保護管が設けられる。図２は、排出管５の主要部とそこに同心状に収納された内部保護管１０を示す。排出管５の両端には連結用のフランジ１１が取り付けられる。内部保護管に安価な材料また外部に耐熱材料を用いることで排出管の寿命を延ばすことができる。内部保護管は適宜交換すればよい。温度測定用のため熱電対挿入用の口部１２が設けられている。
【００１５】
図３に示すように、内部保護管にはその周囲に沿って適当数、例えば３つの押さえ１３が長さ方向に沿って適宜の間隔で取り付けられる。押さえは、排出管とは固定されず、適宜の遊隙を置いて排出管から分離されている。内部保護管の先端は非支持状態の自由端とする。こうして、内部保護管を排出管とは分離・独立した構造を有するようにすることで、熱膨張及び収縮に際しての内部保護管の自由な変位が許容される。熱応力による内部保護管のたわみを抑制でき、融体の円滑な排出に効果的である。
【００１６】
高温融体移送管（ここでは排出管）と保護管との間の空間内部にセラミック等の断熱材等を布設することを妨げるものではない。
【００１７】
本発明の別の具体例に従えば、高温融体移送管（ここでは排出管）と保護管との間の空間部に冷却用のガスが流通せしめられる。ガスの導入口が排出管の適宜の位置に設けられる。ガスは保護管の下流で高温融体と合流して排出系統で排気される。空間部に流通させるガスは、空気やアルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスが使用可能ではあるが、マグネシウムに窒素ガスが吸収され、汚染を生じる危険があるので、アルゴンガスの使用が好ましい。この構造は、融体排出時に８００〜１０００℃程度の高温に前記移送管が曝されても、融体移送管の酸化消耗防止に効果的である。また、同空間部に供給する不活性ガスの流量／流速を変えることで、内部保護管および排出管の温度上昇を抑えることができる。この場合には、内部保護管を流れる融体の温度を上述した熱電対によりモニターすることで必要な温度域に制御することができる。前記保護管を塩化マグネシウムが流れる場合には、塩化マグネシウムの融点以上に保持しておくことが好ましい。
尚、空間部を通過した不活性ガスは高温に加熱されており、熱交換機等に供給することで廃熱の再利用が可能である。
【００１８】
本発明の別の具体例に従えば、排出管５と保護管との間の空間部に不活性ガスを流すことが好ましい。このような構成を採ることで、排出管外表面と保護管内面の酸化消耗を防止できる。更に、同空間部に流すガス量を調節することで、排出管５の温度を塩化マグネシウムの融点以上に維持することができる。
【００１９】
本発明においては、高温融体用の排出管において、該排出管の内部に保護管を設けた二重管構造が採用される。内部に保護管を設ける場合、外側の排出管（直径（内径）：Ｄ）と内部の保護管（直径（内径）：ｄ）の関係は、幾つかの事項を考慮して決定される。（Ｄ／ｄ）が大きい程、排出管に与える熱影響は小さくなる。逆に、（Ｄ／ｄ）が小さくなるほど、排出管に与える熱影響は大きくなり好ましくない。保護管の直径（ｄ）が小さくなると、保護管内部を流れる高温融体の所要の流量が確保できず、また流れ抵抗が増加して好ましくない。排出管の直径（Ｄ）は設備の設計上の規制を受ける。これらを考慮して、例えば、（Ｄ／ｄ）は１．０〜３．０（１．０は除く）の範囲に設定される。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例および比較例を挙げ、本発明をさらに詳細に説明する。
（実施例１）
図１に示すスポンジチタン還元容器の抜き出し管の上端部にＳＵＳ３１６製の排出管(１０５．３φ)とＳＳ４００製の内部保護管(８０．７φ)から構成された融体移送管を装着して、抜き出された７５０〜８００℃の温度範囲の溶融塩化マグネシウムの排出に供された寿命が来るまでの使用回数を調査した。
【００２１】
（実施例２）
実施例１で使用した融体移送管を構成する空間部にアルゴンガスを流通せしめた状態で溶融塩化マグネシウムの排出に供し、寿命までの使用回数を調査した。
【００２２】
（比較例１）
従来から用いてきたＳＵＳ３１６製の単管を使用した場合についてもその使用回数を調べた。
【００２３】
表１に示すように、従来から使用してきた単管に比べて、二重管、アルゴンガス流通管のそれぞれの場合における寿命までの使用回数は大幅に改善された。
【００２４】
【表１】

【００２５】
【発明の効果】
以上、説明したように内部保護管を備える融体移送管を用いることで従来の移送管に比べて格段の寿命延長が図られる。融体移送管の熱変形が小さくまた酸化消耗の少なく、それにより修理コスト低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スポンジチタン還元容器とその抜き出し管及び排出管を含め付帯設備の一部を示す概略図である。
【図２】本発明の一具体例に従い、排出管の主要部とそこに同心状に収納された内部保護管を示す長手方向断面図である。
【図３】内部保護管の周囲に沿って設けられた押さえを示す端面方向からの断面図である。
【符号の説明】
１ 還元容器
２ 抜き出し管
３ 加熱炉
４ ジョイントパイプ
５ 排出管
６ 排出系統
１０ 保護管（内部の場合）
１１ フランジ
１２ 熱電対挿入口部
１３ 押さえ

Claims (5)

1. スポンジチタン製造工程にあるスポンジチタン還元容器から抜き出される金属マグネシウム、塩化マグネシウムまたは金属マグネシウムと塩化マグネシウムとの混合物を排出するための高温融体用の排出管において、該排出管の内部に同心円状に保護管を設け、前記保護管の先端部が非支持状態の自由端とし、更に前記保護管が交換可能な炭素鋼で、かつ、高温融体が当該保護管の内部を流れるように構成され、更に前記保護管の内径に対する前記排出管の内径の比を１．０（１．０は除く）より大きく３．０以下としたことを特徴とする高温融体排出管。
2. 前記排出管が四塩化チタンのマグネシウム還元で副生する塩化マグネシウム抜き出しのための還元容器の下端部に接続される抜き出し管に連結された排出管であることを特徴とする請求項１記載の高温融体排出管。
3. 前記保護管の前記自由端と反対側の端部が前記排出管と一体的に固定された構造を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の高温融体排出管。
4. 前記排出管と保護管との間の空間部に不活性ガスを流通させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高温融体排出管。
5. 不活性ガスの流通量を制御して前記排出管及び保護管の温度を所定の温度範囲に維持することを特徴とする請求項４記載の高温融体排出管。

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