JP5666440B2 - 耐火物炉壁の冷却装置及び冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は耐火物炉壁の冷却装置及び冷却方法に係り、特に、ガラス溶融炉等のように高温溶融炉の炉壁を効果的に冷却するのに好適な耐火物炉壁の冷却装置及び冷却方法に関する。

ガラス溶融炉に使用される電鋳煉瓦等の耐火物炉壁は、溶融炉内の高温下で溶融されたガラスに直接接触するため、徐々に侵食されていき、その厚さは溶融ガラスとの接触時間が長くなるほど、また加熱温度が高くなるほど、薄くなっていく。

このような侵食を抑え、耐火物の耐久性を向上させるために、耐火物を外部から冷却して温度を下げることが効果的であることがわかっている。現在、耐火物の温度を下げるためには、耐火物稼働面（溶融炉内の溶融ガラスなどに接触する面）の反対側から、金属製水冷ジャケットを押しあてたり、水流を直接吹き付けたりする水冷方法や、ノズルにより空気噴流を吹き付ける空冷方法等により行われている（例えば、特許文献１乃至３参照。）。

特開平９−１０１０２３号公報 特開平１０−４７８６１号公報 特開２００２−１１５８３１号公報

しかしながら、水冷による方法として水冷ジャケットを使用した場合、一般的に液体と固体間の熱伝達率は高い特性を有することより、水とジャケット壁との間では高い熱伝達が期待されるものの、ジャケット壁と炉壁との間の接触抵抗が大きいため、ここで総合的な熱伝達率が阻害され、効果的な冷却方法とはなっていないのが実情である。

また、水噴射方式は、耐火物の炉壁に直接水を接触させるものであるため高い熱伝達率を有するものではあるが、水の噴射にはノズルが使用されるため、耐火物において冷却効率の良い面と冷却効率の悪い面とが顕著に存在し、全面に一様な冷却効果を得ることが困難であった。

そして、空冷による方法では、一般的に気体から固体への熱伝達率が低い上に、一定間隔に設置したノズルを使用するため、やはり炉壁全体を一様に冷却することが難しく効果が小さいという難点があった。

そこで、本発明は、これらの問題を解決すべくなされたものであり、耐火物炉壁を迅速かつ効果的に冷却し、炉内における溶融ガラスによる侵食を抑えて、耐火物の耐久性を向上させることで、耐火物炉壁の寿命を延ばすことを可能とした耐火物炉壁の冷却装置及びそれを用いた冷却方法を提供することを目的とするものである。

本発明の耐火物炉壁の冷却装置は、耐火物炉壁と、耐火物炉壁の片面に、１００〜５００℃の融点の低融点金属を介して接合された金属板と、該金属板を冷却する冷却手段と、を有することを特徴とするものである。

また、本発明の耐火物炉壁の冷却方法は、本発明の耐火物炉壁の冷却装置を用い、金属板に冷却媒体を供給する冷却工程を有することを特徴とするものである。

本発明の耐火物炉壁の冷却装置及び耐火物炉壁の冷却方法によれば、耐火物炉壁を形成する耐火物を炉外から効果的に冷却することができるため、溶融ガラス等による耐火物の侵食速度を低下させることができる。その結果、耐火物の耐久性向上、寿命延長を図ることができる。

本発明の冷却装置の一実施形態を示した図である。 本発明の冷却装置の他の実施形態を示した図である。 本発明の冷却装置のさらに他の実施形態を示した図である。 実施例及び比較例における熱伝達率の計算方法を説明する図である。 電鋳煉瓦の厚さの経時変化について熱伝達率による影響を示した図である。 本発明の冷却装置のさらに他の実施形態を示した図である。

本発明の耐火物炉壁の冷却装置は、耐火物炉壁と、耐火物炉壁の片面に、１００〜５００℃の融点を有する低融点金属を介して溶融接合された、熱伝導率が４０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の金属板と、該金属板を冷却する冷却手段と、を有する耐火物炉壁の冷却装置であって、前記低融点金属が、インジウム、スズ、ビスマス、亜鉛又はそれらの金属を含む合金であり、前記金属板が、鉄、銅、ステンレス、アルミニウム又はチタンで形成されていることを特徴とするものである。

本発明の耐火物炉壁に用いられる耐火物としては、公知の耐火物であれば特に限定されるものではないが、その中でも、耐火物が高温になったときに、ガラス溶融炉からの熱を円滑に外部に排出できる緻密な構造を有する電鋳煉瓦が特に効果的である。

電鋳煉瓦は、その緻密な構造から耐火物表面が滑らかであり、その表面に低融点金属の層を均一の厚みで形成することも容易にでき、炉外の耐火物表面において一様に冷却効果を得ることを可能とする点からも他の耐火物よりも有利である。

次に、本発明に用いる低融点金属としては、融点が１００〜５００℃の範囲のものが好ましく、１５０〜３００℃の範囲のものがより好ましい。このような金属を用いることにより、上記耐火物の表面に金属層を形成する際に、金属を溶融して形成することができ、表面に均一な厚みの層を簡便に形成することができる。

また、このような低融点金属としては、例えば、インジウム、スズ、ビスマス、亜鉛等の金属や、これらに３％前後の銀、０．５％前後の銅、０．２％前後のニッケルなどの元素を含む合金等が挙げられ、なかでも酸素親和力の強い元素からなるインジウム、スズ、又は、それらを含む合金であることが好ましい。このような酸素親和力の強い金属を用いることで、これらの金属が空気中等の酸素と結合してできる金属酸化物は、セラミックスを構成する金属酸化物と強い結合力を有するため、結果として従来困難であったセラミックスの接合を可能とするものである。

この低融点金属により、耐火物と冷却用の金属板とを確実に固定し、耐火物側の熱を冷却用の金属板側へと伝達して、耐火物炉壁の冷却を促進することができる。このとき低融点金属の厚さは、５０μｍ〜３ｍｍの範囲で適宜設定すればよく、５０μｍよりも薄いと耐火物と冷却用の金属板との固定が不安定になる可能性があり３ｍｍよりも厚いと耐火物から冷却用の金属板への熱伝導が阻害され、冷却効果を低下させてしまう。また、この低融点金属の厚さは、熱伝導を考慮すると５０〜５００μｍであることが好ましく、１００〜３００μｍであることがより好ましい。

次に、本発明で用いる金属板は、耐火物の熱が低融点金属を経由し、さらに該金属板を経由して冷媒に伝達されることで耐火物を冷却する冷却用金属板である。この金属板としては、熱伝導率が４０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の金属で形成されたものであることが好ましい。

また、この金属板は、その厚さが８〜３０ｍｍであることが好ましく、１０〜２５ｍｍであることがより好ましい。これは熱伝導を著しく低下させることなく、その外部に冷却手段を固定することができるように加工性に優れたものであることも求められる。以上の観点から、この金属板に用いられる金属としては、例えば、鉄、銅、ステンレス、アルミニウム、チタン等が好ましいものとして挙げられる。

このとき、耐火物との接合に際しては、低融点金属との相性もあるので、それぞれ低融点金属と金属板とで用いる金属は、接合を十分に行うことができるように適宜組み合わせて行えばよい。

本発明に用いる冷却手段は、空冷、水冷のいずれの方式を採用してもよく、上記冷却用の金属板を使用時には常に冷却し続けて、耐火物炉壁から伝達してくる熱を効率良く逃がすことができるようにするものである。

この冷却手段としては、公知の冷却手段を用いることができ、例えば、図１のように冷却用の金属板の外側にジャケットを構成して、その内部に冷却用の水を流して行う方法、図２のように冷却用の金属板に、ネジ、溶接等の手段でカバーを被せ固定して閉鎖空間を形成し、そのカバーにノズルを設置して、閉鎖空間内にノズルから水噴射を行う方法、図３のように冷却用の金属板に冷却効果を促進するためのフィンをロウ付け、溶接等により固定し、伝熱面積を増やして空冷する方法、等が挙げられる。

図１の水冷ジャケットを設けた耐火物炉壁の冷却装置１は、耐火物２と、耐火物の片面に低融点金属３を介して接合された金属板４と、金属板４を冷却するための水冷ジャケット５と、から構成されている。この水冷ジャケット５は、流入口５ａから冷却水が水冷ジャケット５の内部に導入されて金属板４と接触し、耐火物２から伝達してきた熱を冷却水に伝えるようになっており、その熱により温められた冷却水は排出口５ｂから排出される。このとき、排出口５ｂから排出された冷却水は、熱交換器等により冷却されて、再度流入口５ａから冷却水として循環供給されるようにしてもよい。
また、冷却効果を高めるために、図６に示すように、水冷ジャケット５の内部に冷却水路形成用ガイド６を設けて、冷却水路のパス７の数を増やすことが好ましい。前記ガイドは図６の形態に限られるものではなく、水路を形成するものであれば数、形などに特に制限はない。なお、図１と同一部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。

図２のノズルにより水噴射を行う耐火物炉壁の冷却装置１１は、耐火物２と、耐火物の片面に低融点金属３を介して接合された金属板４と、金属板４を冷却するために冷却水を噴射するノズル１２と、ノズル１２から噴射された冷却水を外部に漏出することなく排出口１３ａから排出することができるカバー１３と、から構成されている。この耐火物炉壁の冷却装置１１は、図１とは、冷却方法が異なるだけで、その他は同じ構成を有している。図２の冷却方法は、ノズル１２により冷却水を噴射して、金属板４を冷却し、冷却に用いられた水は、排出口１３ａから排出される。この排出された冷却水も、外部で熱交換器等により冷却されて、再度ノズル１２から冷却水として循環供給されるようにしてもよい。

図３のフィンを設けた空冷を行う耐火物炉壁の冷却装置２１は、耐火物２と、耐火物の片面に低融点金属３を介して接合された金属板４と、金属板４と接合し放冷する面積を大きくすることができるフィン２２と、金属板４及びフィン２２を冷却するために空気を噴射するノズル２３と、から構成されている。図３の冷却方法は図１，２とは気体である空気によるものである点で異なるが、周囲を汚染することなく取り扱いの容易な気体を用いるものであるため、装置構成を簡素なものとし、コストの低減を図ることができる。なお、このとき低融点金属はその融点を２００℃以上のものと水冷の場合よりも高めに設定することが好ましい。

上記したような冷却手段により、金属板４を冷却して耐火物２の温度を、効果的、かつ、偏りなく一様に下げることができる。そして、このとき用いる冷却媒体としては、水、空気で説明したが、例えば、水蒸気、ミスト含有空気等のその他の冷却媒体を用いることもできる。また、冷却媒体の温度は、１５０℃以下であることが好ましく、７５℃以下であることがより好ましい。

次に、本発明の耐火物炉壁の冷却装置を製造するには、まず、耐火物炉壁となる耐火物及び冷却用の金属板をそれぞれ用いる低融点金属の融点以上の温度に加熱しておき、それらの表面それぞれに低融点金属を溶融展延して低融点金属層を形成する。このとき、低融点金属の展延は、超音波を与えながら加熱して行うことにより、従来、耐火物表面に形成が困難であった低融点金属層を均一に形成することができる。

このように低融点金属層を表面に有した耐火物と冷却用の金属板とを、それぞれの低融点金属形成面を合わせ、冷却して耐火物と冷却用の金属板とを低融点金属を介して溶融接合、固定すればよい。この方法以外にも、低融点金属シートを挟み込んで溶融接合したり、低融点金属粒子を混合した樹脂ペーストを耐火物と金属板の表面に形成して接合したりしてもよい。

冷却用の金属板が耐火物に固定されれば、その外側（耐火物との接合面の反対側）に様々な加工を施すことができるので、金属板を冷却することができる冷却手段又は金属板の冷却を促進することができるフィン等を取り付けて本発明の耐火物炉壁の冷却装置を得ることができる。

なお、超音波を与えながら加熱して低融点金属を耐火物及び金属板の表面に展延する方法は、インジウム、スズ、ビスマス、亜鉛等の金属や、銀、銅、ニッケル等を含む合金を用い、はんだ付けを行う方法と同様の手法により行うことができる。この方法は、超音波振動子により１０〜１００ｋＨｚの振動を与えながら、さらに、２００〜６００℃に加熱されたコテにより、低融点金属を耐火物及び金属板の表面に展延するだけで、均一な低融点金属層を形成することができるものである。このような方法を行うことができる装置としては、例えば、サンボンダ ＵＳＭ−２８（黒田テクノ株式会社製、商品名）等が挙げられる。

以下に、本発明を実施例（例１〜３）及び比較例（例４〜６）によって具体的に説明するが、本発明はこれらの記載によってなんら限定されるものではない。

［例１（実施例）］
それぞれの表面にインジウムを１０ｃｍ四方あたり５０ｇ置いた幅４００ｍｍ×高さ２３０ｍｍ×厚さ９０ｍｍの電鋳煉瓦及び幅４００ｍｍ×高さ２３０ｍｍ×厚さ１２ｍｍの冷却用の鉄板を、ホットプレート上で２００℃に加熱し、サンボンダ ＵＳＭ−２８（黒田テクノ株式会社製、商品名）を用いて、各表面にインジウムが一様になるように広げて、電鋳煉瓦及び冷却用の鉄板のそれぞれ片面にインジウムを展延して低融点金属層を形成した。

インジウムの溶融金属層が一様に広がっていることを確認し、これら電鋳煉瓦と鉄板の溶融インジウム層同士を溶融状態で合わせ、室温まで放冷することで鉄板をインジウムを介して電鋳煉瓦に接合、固定した。

さらに、鉄板表面に図１に示した構成となるように内部に冷却水が流れる空間を構成する鉄製のカバーをボルトで固定して水冷用ジャケットを形成し、本発明の耐火物炉壁の冷却装置を製造した。

得られた耐火物炉壁の冷却装置について、耐火物の露出面側を加熱炉内に向けて配置し、この加熱炉を２７ｋＷの定格出力（炭化ケイ素発熱体９本のそれぞれが定格出力３ｋＷ）で加熱しながら、耐火物炉壁の水冷ジャケットには１３．１℃の冷却水を供給して冷却を行った。このときの耐火物炉壁の冷却装置を使用した際の熱伝達率を求めたところ、４９８Ｗ／ｍ^２／Ｋであった。

［例２（実施例）］
インジウムをスズに、鉄板を銅板に、それぞれ変更し、ホットプレート上での加熱温度を３００℃にした以外は例１と同様の方法で、電鋳煉瓦に水冷ジャケットを形成し、本発明の耐火物炉壁の冷却装置を製造した。得られた耐火物炉壁の冷却装置について、同様に熱伝達率を求めたところ、７４９．３Ｗ／ｍ^２／Ｋであった。

［例３（実施例）］
冷却水が流れる空間を構成する水冷ジャケットを銅製に変更し、また水冷ジャケット内部に冷却水路形成用ガイドを追加して冷却水路のパス数を増やした水冷ジャケットを例２と同様の方法で電鋳煉瓦に接合した本発明の耐火物炉壁の冷却装置を製造した。得られた耐火物炉壁の冷却装置について、同様に熱伝達率を求めたところ、３６３７．２Ｗ／ｍ^２／Ｋであった。

［例４〜６（比較例）］
比較のために、従来の冷却方法による熱伝達率を例１と同様の試験により求めたところ、図４（ｂ）水冷パネルを耐火物に押しあてる方法では１１６．０Ｗ／ｍ^２／Ｋ（例４）、図４（ｃ）耐火物の表面に水を直接噴射させる方法では２５１．２Ｗ／ｍ^２／Ｋ（例５）、図４（ｄ）耐火物の表面に空気を直接噴射させる方法では８６．５Ｗ／ｍ^２／Ｋ（例６）であった。このとき耐火物厚みは表１記載の通りである。

なお、この実施例及び比較例において、熱伝達率は図４（ａ）〜（ｄ）に示したように各箇所の温度を測定し、以下の式により算出した。その結果を表１にまとめて示した。

［熱伝達率］：図４に示したように、各方法においてＴ１、Ｔ２の温度を測定し、そのときに用いた冷却媒体Ｔｗ又はＴａの温度と、試験に用いた耐火物の厚さ、熱伝導率から、次の式（１）及び式（２）により各冷却装置の熱伝達率ｈを算出した。なお、ここで用いた耐火物の熱伝導率は、３Ｗ／ｍ／Ｋである。

なお、溶融炉を１６７０℃で稼働したときに、厚さ２００ｍｍの電鋳煉瓦が厚さ５０ｍｍとなるまでの経時変化について、熱伝達率の数値による影響を図５に示した。これは理論値であるが、耐火物外面を冷却したときの熱伝達率ｈを８０Ｗ／ｍ^２／Ｋ、２５０Ｗ／ｍ^２／Ｋ、１０００Ｗ／ｍ^２／Ｋとしたときに、電鋳煉瓦の厚さが５０ｍｍとなるまでの時間を算出したものである。

この結果によれば、熱伝達率ｈが８０Ｗ／ｍ^２／Ｋであるときは約１．５年、ｈが２５０Ｗ／ｍ^２／Ｋであるときは約２．３年、ｈが１０００Ｗ／ｍ^２／Ｋであるときは約２．８年と、熱伝達率が向上したときの耐火物の寿命が見積もられる。耐火物の水冷を効果的に行うためには、本発明の冷却装置の熱伝達率ｈは３００Ｗ／ｍ^２／Ｋ以上であることが好ましい。本発明の冷却装置の熱伝達率ｈが４００Ｗ／ｍ^２／Ｋ以上であるとさらに好ましく、４５０Ｗ／ｍ^２／Ｋ以上であると特に好ましい。

以上の結果から、本発明の耐火物炉壁の冷却装置は、従来の方法に比べて耐火物の冷却を効果的に行うことができ飛躍的に冷却効率を向上させたものであり、溶融ガラスによる耐火物の侵食を抑制し、耐火物寿命を延ばすのに有用であることがわかった。

本発明の耐火物炉壁の冷却装置は、ガラス溶融炉等のように高温溶融炉の炉壁を効果的に冷却するのに利用できる。
なお、２００９年６月２６日に出願された日本特許出願２００９−１５２１７４号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (9)

1. 耐火物炉壁と、
   前記耐火物炉壁の片面に、融点が１００〜５００℃の低融点金属を介して溶融接合された、熱伝導率が４０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の金属板と、
   該金属板を冷却する冷却手段と、
   を有する耐火物炉壁の冷却装置であって、
   前記低融点金属が、インジウム、スズ、ビスマス、亜鉛又はそれらの金属を含む合金であり、
   前記金属板が、鉄、銅、ステンレス、アルミニウム又はチタンで形成されていることを特徴とする耐火物炉壁の冷却装置。
2. 前記低融点金属の融点が、１５０〜３００℃である請求項１記載の耐火物炉壁の冷却装置。
3. 前記溶融接合が、前記低融点金属を、前記耐火物炉壁と前記金属板それぞれに超音波振動子により１０〜１００ｋＨｚの振動を付与しながら２００〜６００℃に加熱して溶融展延し、前記耐火物炉壁及び前記金属板に形成された低融点金属層を合わせた後、冷却・固化したものである請求項１又は２記載の耐火物炉壁の冷却装置。
4. 前記冷却手段が、前記金属板の接合面の反対側に形成された液体を冷却媒体とする冷却ジャケットである請求項１乃至３のいずれか１項記載の耐火物炉壁の冷却装置。
5. 冷却ジャケット内部に水路形成用ガイドを有する請求項４記載の耐火物炉壁の冷却装置。
6. 前記冷却手段が、前記金属板の接合面の反対側に形成され、前記金属板に冷却媒体として液体を噴射できる液体噴射ノズルと、前記冷却媒体を排出するための排出口とを有し、前記冷却媒体を外部に漏出しないように形成されたカバーで構成される請求項１乃至３のいずれか１項記載の耐火物炉壁の冷却装置。
7. 前記冷却手段が、前記金属板の接合面の反対側に形成された金属製のフィンである請求項１乃至３のいずれか１項記載の耐火物炉壁の冷却装置。
8. 前記金属製のフィンに、冷却媒体として気体を噴射できる気体噴射ノズルを有することを特徴とする請求項７記載の耐火物炉壁の冷却装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項記載の耐火物炉壁の冷却装置を用い、前記金属板と冷却媒体とを接触させる冷却工程を有することを特徴とする耐火物炉壁の冷却方法。

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