JP5726941B2 - 水冷ジャケット - Google Patents
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Description
本発明は水冷ジャケットに関する。
銅製錬工程では、銅精鉱を酸素富化空気などと自溶炉に投入し、マットとスラグとに分離する。銅精鉱を酸化する際に熱の発生が避けられないため、自溶炉の耐火材の劣化進行を抑制する技術が望まれている。例えば、特許文献１，２は、精鉱バーナに水冷ジャケットを装着する技術を開示している。
しかしながら、精鉱バーナの外筒ジャケット部においては熱負荷の変動が大きく、熱負荷が小さくなった場合に硫酸雰囲気などに起因する外筒ジャケットの外面腐食によって水冷ジャケットに水漏れが発生するおそれがある。水漏れが発生すると、自溶炉の操業を止めて補修を行う必要が生じる。
本発明は上記の課題に鑑み、寿命を延長することができる水冷ジャケットを提供すること目的とする。
本発明に係る水冷ジャケットは、自溶炉の反応シャフトの頂部において、銅精鉱の通路を備えるノズルの外側に設けられることによって前記ノズルとの間に反応ガスの通路を構成する外筒として機能する筒状の水冷ジャケットであって、冷却水供給源に対して互いに独立して接続された複数の水路を備え、前記複数の水路は、前記ノズルが延びる方向において互いに異なる位置に配置され、前記複数の水路のそれぞれは、前記ノズルが延びる方向に延びた部分と、当該水冷ジャケットの周方向に延びた部分とを有し、前記複数の水路のそれぞれの前記周方向に延びた部分は、前記周方向の一方側へ延びた上流側部分と、前記上流側部分から折り返して前記周方向の他方側へ延びた下流側部分とを有し、前記上流側部分と前記下流側部分とは前記ノズルが延びる方向に並んでいることを特徴とする。また、本発明に係る水冷ジャケットは、自溶炉の反応シャフトの頂部において、銅精鉱の通路を備えるノズルの外側に設けられることによって前記ノズルとの間に反応ガスの通路を構成する外筒として機能する筒状の水冷ジャケットであって、冷却水供給源に対して互いに独立して接続された複数の水路を備え、前記複数の水路は、前記ノズルが延びる方向において互いに異なる位置に配置され、前記複数の水路は、金属で鋳込まれた複数本の銅パイプであり、前記複数本の銅パイプは、それぞれ、前記ノズルが延びる方向に延びた部分と、当該水冷ジャケットの周方向に延びた部分とを有していることを特徴とする。本発明に係る水冷ジャケットによれば、寿命を延長することができる。
前記銅パイプは、銅で鋳込まれていてもよい。前記複数の水路に供給される冷却水の流量を調整するための調整手段を備えていてもよい。
本発明によれば、寿命を延長することができる水冷ジャケットを提供することができる。
以下、本発明を実施するための実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、銅製錬用の自溶炉１００の概略図である。図１に示すように、自溶炉１００は、反応シャフト１０、セットラ２０、およびアップテイク３０が順に配置された構造を有する。反応シャフト１０の頂部には、原料供給装置４０が設けられている。原料供給装置４０には、精鉱バーナ５０が設けられている。
図１は、銅製錬用の自溶炉１００の概略図である。図１に示すように、自溶炉１００は、反応シャフト１０、セットラ２０、およびアップテイク３０が順に配置された構造を有する。反応シャフト１０の頂部には、原料供給装置４０が設けられている。原料供給装置４０には、精鉱バーナ５０が設けられている。
精鉱バーナ５０を介して、銅精鉱（ＣｕＦｅＳ２など）、溶剤、補助燃料、および反応用ガスが吹き込まれる。銅精鉱、溶剤、および補助燃料を固体原料と称する。第１実施形態においては、一例として、溶剤に珪酸鉱を用い、補助燃料にコークスを用いる。また、反応用ガスとして、酸素富化空気を用いる。下記反応式（１）に従って、銅精鉱が反応用ガスを利用して酸化反応を起こし、反応シャフト１０の底部でマット６０およびスラグ７０に分離する。下記反応式（１）で、Ｃｕ２Ｓ・ＦｅＳがマット６０の主成分に相当し、ＦｅＯ・ＳｉＯ２がスラグ７０の主成分に相当する。
４ＣｕＦｅＳ２＋２ＳｉＯ２＋５Ｏ２→２Ｃｕ２Ｓ・ＦｅＳ＋２ＦｅＯ・ＳｉＯ２＋４ＳＯ２ ＋ 反応熱 （１）
４ＣｕＦｅＳ２＋２ＳｉＯ２＋５Ｏ２→２Ｃｕ２Ｓ・ＦｅＳ＋２ＦｅＯ・ＳｉＯ２＋４ＳＯ２ ＋ 反応熱 （１）
図２は、精鉱バーナ５０の詳細を説明するための概略図である。精鉱バーナ５０は、反応シャフト１０の外部から内部に延びるノズル５１を備える。ノズル５１は、ランス５２と、ランス５２と離間しつつランス５２を覆う円筒５３とを備える。ランス５２と円筒５３との間の空間は、固体原料通路５４として機能する。ノズル５１の外側には、ノズル５１と離間してノズル５１を覆う内筒５５が設けられている。ノズル５１と内筒５５との間の空間は、反応用ガスが通るガス通路５６として機能する。内筒５５の外側には、内筒５５と離間して内筒５５を覆う水冷ジャケット８０が設けられている。内筒５５と水冷ジャケット８０との間の空間は、反応用ガスが通るガス通路５７として機能する。水冷ジャケット８０の内径は、６０〜７０ｍ程度である。また、内筒５５は必ずしも設けられていなくてもよい。
第１実施形態においては、水冷ジャケット８０の下端よりもさらに下方までノズル５１が延びている。それにより、ノズル５１から固体原料が放出される出口は水冷ジャケット８０よりも下方に位置する。この場合、固体原料は、水冷ジャケット８０よりも下方において上記反応式（１）に従って反応する。
ここで、比較例に係る水冷ジャケット８０ｂについて説明する。図３（ａ）は、水冷ジャケット８０ｂの平面図である。図３（ｂ）は、水冷ジャケット８０ｂの断面図である。図３（ｂ）では、図３（ａ）の一点鎖線Ａに沿った断面が描かれている。水冷ジャケット８０ｂは、鋳造によって成型された銅ジャケットであり、内部の水路は砂型（中子）を用いて成型されている。図３（ａ）および図３（ｂ）の例では、内筒５５の外側を２周しているが、１系統（１本）の水路から構成されている。一例として、水路を流動する冷却水量は、２〜４ｔ／ｈである。
水冷ジャケット８０ｂにおいては、水路のいずれかの箇所から水漏れが発生した場合には、直ちに自溶炉１００の操業を停止し、水漏れ箇所の補修を行う必要がある。また、水路が１系統である場合、給水口の冷却水温度と排水口の冷却水温度との差が大きくなる。この場合、場所によって冷却度合が不均一となるおそれがある。ところで、水冷ジャケット８０ｂの外側表面の温度が低いと、亜硫酸ガスが空気中の水蒸気と反応することによって硫酸が結露し、低温腐食が発生するおそれがある。水路が１系統である場合、給水口の冷却水温度が過度に低くなることによって、硫酸結露によって低温腐食が発生するおそれがある。
そこで、第１実施形態においては、寿命を延長することができる水冷ジャケットについて説明する。
図４（ａ）は、第１実施形態に係る水冷ジャケット８０の平面図である。図４（ｂ）および図４（ｃ）は、水冷ジャケット８０の断面図である。図４（ｂ）では、図４（ａ）の一点鎖線Ａに沿った断面が描かれている。図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように、水冷ジャケット８０は、鋳造によって成型された銅ジャケットであり、内部の水路は砂型（中子）を用いて成型されている。水冷ジャケット８０は、上段において内筒５５の外周を略２周する水路８１と、下段において内筒５５の外周を略２周する水路８２とを備える。
図５（ａ）および図５（ｂ）は、水路８１，８２と冷却水供給源との接続について説明するための模式図である。図５（ａ）に示すように、水路８１は、冷却水流量を調整可能な冷却水供給源８３ａに接続され、水路８２は、冷却水流量を調整可能な冷却水供給源８３ｂに接続されていてもよい。すなわち、水路８１，８２は、互いに独立して異なる冷却水供給源に接続されていてもよい。
また、図５（ｂ）に示すように、水路８１は流量調整弁８４ａを介して冷却水供給源８３に接続され、水路８２は流量調整弁８４ｂを介して冷却水供給源８３に接続されていてもよい。すなわち、水路８１，８２は、それぞれ流量調整弁を介して独立して同じ冷却水供給源に接続されていてもよい。
第１実施形態においては、水路が複数系統設けられていることから、一方の水路から水漏れが発生しても、当該水路への冷却水供給を止め、他方の水路への冷却水供給を継続することができる。すなわち、水冷ジャケット８０の寿命が延長される。それにより、自溶炉操業を継続することができる。なお、当該他方の水路から当該一方の水路への熱伝導により冷却を継続することができる。
特に、第１実施形態においては、固体原料の反応箇所が水冷ジャケット８０よりも下方となる。この場合、水冷ジャケット８０への熱負荷が比較的小さくなるため、複数系統のいずれかの水路への冷却水供給が停止しても、水冷ジャケット８０の使用を継続することができる。
また、複数系統の水路を設けることによって、各水路に要求される冷却能力を低くすることができる。それにより、冷却水の温度を必要以上に下げる必要がなくなる。また、各水路の給水口の冷却水温度と排水口の冷却水温度との差を小さくすることができる。この場合、水路の冷却度合を均一化することができる。それにより、局部的に冷却水温度が過度に低くなることを抑制することができる。以上のことから、硫酸結露による低温腐食を抑制することができる。
また、各水路に要求される冷却水能力を低くできることによって、各水路において冷却水を大量に流す必要がなくなる。それにより、大容量ポンプを用いる必要がなくなる。また、水圧を抑制できることから、水路の肉厚が薄くなっても破損しにくくなる。
なお、精鉱バーナが延びる方向において温度分布が生じることから、水冷ジャケット８０において、高さ方向に異なる位置に水路８１，８２が配置されていることが好ましい。
また、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、水路８１，８２と冷却水供給源との間に、冷却水の温度を検出するための温度センサ８５を設けてもよい。この場合、検出される各水路の冷却水温度に応じて、各水路への冷却水供給量を調整することができる。なお、水冷ジャケット８０の外表面の温度が３００℃以上であれば硫酸結露を抑制できる。そこで、水冷ジャケット８０の外表面の温度が３００℃未満とならないように、各水路への冷却水供給量を調整してもよい。
（第２実施形態）
図６（ａ）は、第２実施形態に係る水冷ジャケット８０ａの平面図である。図６（ｂ）および図６（ｃ）は、水冷ジャケット８０ａの断面図である。図６（ｂ）では、図６（ａ）の一点鎖線Ａに沿った断面が描かれている。図６（ｂ）に示すように、水冷ジャケット８０ａは、銅パイプ８６，８７が金属（例えば銅）で鋳込まれた構造を有する。銅パイプ８６，８７は、別系統の水路として機能する。鋳込みの前に銅パイプ８６，８７の欠陥の有無を容易に確認することができることから、水冷ジャケット８０ａの作製前に欠陥の有無を確認することができる。また、水路として機能する銅パイプ８６，８７が鋳込まれていることから、水冷ジャケット８０ａの肉厚を大きくすることができる。それにより、水冷ジャケット８０ａの外面に腐食が発生しても、当該腐食が銅パイプ８６，８７まで届きにくい。その結果、水冷ジャケット８０ａからの水漏れを抑制することができる。
図６（ａ）は、第２実施形態に係る水冷ジャケット８０ａの平面図である。図６（ｂ）および図６（ｃ）は、水冷ジャケット８０ａの断面図である。図６（ｂ）では、図６（ａ）の一点鎖線Ａに沿った断面が描かれている。図６（ｂ）に示すように、水冷ジャケット８０ａは、銅パイプ８６，８７が金属（例えば銅）で鋳込まれた構造を有する。銅パイプ８６，８７は、別系統の水路として機能する。鋳込みの前に銅パイプ８６，８７の欠陥の有無を容易に確認することができることから、水冷ジャケット８０ａの作製前に欠陥の有無を確認することができる。また、水路として機能する銅パイプ８６，８７が鋳込まれていることから、水冷ジャケット８０ａの肉厚を大きくすることができる。それにより、水冷ジャケット８０ａの外面に腐食が発生しても、当該腐食が銅パイプ８６，８７まで届きにくい。その結果、水冷ジャケット８０ａからの水漏れを抑制することができる。
図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、複数本の銅パイプ８６または複数本の銅パイプ８７で内筒５５の外周を１周している。このように銅パイプを内筒５５の外周に対して複数に分割して構成することによって、銅パイプ単体の長さを抑えることができる。ここで、銅パイプを金属で鋳込む際には、銅パイプの融解を防止するために銅パイプに水を流しながら冷却することになる。銅パイプが長い場合、冷却水設備の能力が足りないと、銅パイプが割れるおそれがある。これに対して、銅パイプを内筒５５の外周方向において分割して長さを抑えることによって、鋳込みの際に冷却水によって銅パイプを十分に冷却することができる。
銅パイプを金属で鋳込んだジャケット（以下銅パイプ鋳込みジャケットと称す）を分割して設置した場合、図６（ａ）に示すように、銅パイプ鋳込みジャケットの接続箇所において、ジャケットの鋳込み部が段違いに互いにかみ合っていてもよい。この場合、熱膨張等に起因する銅パイプ８６，８７の位置ズレを抑制することができる。 また、図６（ｃ）に示すように、水冷ジャケット８０ａの外周に耐食性の金属板８８を設けることによって、銅パイプ８６，８７のズレをさらに抑制することができる。例えば、金属板８８としてＳＵＳなどのステンレスを用いることができる。
また、図６（ｂ）に示すように、銅パイプ８６，８７の高さを異ならせることによって、銅パイプ８６，８７をそれぞれ内筒５５の外周方向に設けることができる。銅パイプ８６，８７を互いに独立して冷却水供給手段に接続することによって、複数系統の水路を構成することができる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 反応シャフト
２０ セットラ
３０ アップテイク
４０ 原料供給装置
５０ 精鉱バーナ
５１ ノズル
５２ ランス
５３ 円筒
５４ 固体原料通路
５５ 内筒
５６，５７ ガス通路
６０ マット
７０ スラグ
８０ 水冷ジャケット
８１，８２ 水路
８３ 冷却水供給源
８４ 流量調整弁
８５ 温度センサ
８６，８７ 銅パイプ
８８ 金属板
１００ 自溶炉
２０ セットラ
３０ アップテイク
４０ 原料供給装置
５０ 精鉱バーナ
５１ ノズル
５２ ランス
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８１，８２ 水路
８３ 冷却水供給源
８４ 流量調整弁
８５ 温度センサ
８６，８７ 銅パイプ
８８ 金属板
１００ 自溶炉
Claims (4)
- 自溶炉の反応シャフトの頂部において、銅精鉱の通路を備えるノズルの外側に設けられることによって前記ノズルとの間に反応ガスの通路を構成する外筒として機能する筒状の水冷ジャケットであって、
冷却水供給源に対して互いに独立して接続された複数の水路を備え、
前記複数の水路は、前記ノズルが延びる方向において互いに異なる位置に配置され、
前記複数の水路のそれぞれは、前記ノズルが延びる方向に延びた部分と、当該水冷ジャケットの周方向に延びた部分とを有し、
前記複数の水路のそれぞれの前記周方向に延びた部分は、前記周方向の一方側へ延びた上流側部分と、前記上流側部分から折り返して前記周方向の他方側へ延びた下流側部分とを有し、
前記上流側部分と前記下流側部分とは前記ノズルが延びる方向に並んでいることを特徴とする水冷ジャケット。 - 自溶炉の反応シャフトの頂部において、銅精鉱の通路を備えるノズルの外側に設けられることによって前記ノズルとの間に反応ガスの通路を構成する外筒として機能する筒状の水冷ジャケットであって、
冷却水供給源に対して互いに独立して接続された複数の水路を備え、
前記複数の水路は、前記ノズルが延びる方向において互いに異なる位置に配置され、
前記複数の水路は、金属で鋳込まれた複数本の銅パイプであり、
前記複数本の銅パイプは、それぞれ、前記ノズルが延びる方向に延びた部分と、当該水冷ジャケットの周方向に延びた部分とを有していることを特徴とする水冷ジャケット。 - 前記銅パイプは、銅で鋳込まれていることを特徴とする請求項２記載の水冷ジャケット。
- 前記複数の水路に供給される冷却水の流量を調整するための調整手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の水冷ジャケット。
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