JP5747286B2

JP5747286B2 - 三相交流電極式円形電気炉の冷却方法及びその三相交流電極式円形電気炉

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Publication number: JP5747286B2
Application number: JP2012099826A
Authority: JP
Inventors: 雅幸山際; 優竹林; 寿春杉浦; 允裕山口; 一ノ宮　崇; 崇一ノ宮
Original assignee: 株式会社日向製錬所
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2032-04-25
Also published as: JP2013127352A

Description

本発明は、鉄鋼及び非鉄金属等の製錬において原料鉱石の熔融処理に用いられ、外周部に炉側壁を構成する耐火物層が敷設された三相交流電極式円形電気炉の冷却方法及びその三相交流電極式円形電気炉に関する。

従来から、鉄鋼及び非鉄金属等の熔融製錬に用いる三相交流電極式円形電気炉においては、原料鉱石等の熔融に伴ない炉内に形成される熔融物（以下、炉内熔融物と呼称する場合がある。）による炉側壁耐火物の熔損を防止することが、安全上、及び生産効率上の重要な課題であった。このため、電気炉を構成する炉側壁耐火物の熔損を防止するため、種々の炉側壁を冷却する方法が採用されている。

例えば、（イ）電気炉の炉側壁の外周部に設けられた鉄板（以下、炉殻と呼称する場合がある。）の外表面上の全面にシャワー冷却水を流し、炉殻の熱を冷却水に移動させることで炉全体の熱量を抜熱する方法（例えば、特許文献１参照。）や、（ロ）冷却水等の流動性媒体を通した銅製冷却部品（以下、銅ジャケットと呼称する場合がある。）等に代表される熱伝導媒体を炉側壁の局部又は全面に配置し、電気炉内の熱量を流動性媒体を介して間接的に抜熱する方法（例えば、特許文献２参照。）等が挙げられる。

しかしながら、従来の（イ）の方法では、炉全体を一様に抜熱する冷却方法であることから、例えば、フェロニッケル製錬用の三相交流電極式円形電気炉の炉側壁の保護方法においては、電気炉内の局所的な部分、具体的には、電気炉に設けられた各電極から最も距離が短い炉側壁部分への熱負荷が高くなる炉壁耐火物層の冷却が十分には行えない。通常、高熱負荷となる部分の炉側壁耐火物の熔損を防止するには、電気炉へ与える電力負荷を炉側壁の中で熱負荷が大きい部分の炉側壁耐火物層の温度に応じて調整する。しかしながら、このような調整を行っても、炉側壁の中で熱負荷が大きい部分においては炉側壁内周部に形成されたコーティングや耐火物の熔損が生じ、電気炉寿命が短縮される原因につながるという問題があった。

昨今、原料鉱石等の装入物の熔解量増加を目的として、電気炉の電気容量が大型化される傾向にある。そのため、冷却能力を強化することを目的として、炉側壁耐火物層に冷却水等の流動性媒体を通した銅ジャケット等の熱伝導媒体を設置し、流動性媒体に熔融に伴う熱を移動させて電気炉外へ排出する間接的な冷却である上記（ロ）の方法が多用されている。

しかしながら、この方法では、冷却能力は向上するものの、冷却水等の流動性媒体を間接的に使用するため、局所的又は時間的な熱負荷の変動や使用する冷却水温度の変動に応じて、冷却水量の調整を適宜行うことが必要となる。また、使用する流動性媒体の物理的特性、例えば比熱や沸点により、抜熱可能な熱量が制限されるという問題がある。さらに、炉内耐火物層の熔損に伴い、銅ジャケット等の熱伝導媒体の熔損も生じるため、炉内に組み込まれた銅ジャケット等の熱伝導媒体に冷却水等を通した場合、漏水による水蒸気爆発が生じるおそれがあるという問題点もある。

以上の状況から、三相交流電極により電気炉内に発生する高温条件下で、効率的かつ安全性の高く、炉壁温度を調整して炉側壁を構成する耐火物層の熔損を防止することができる方法が求められている。

特開２００４−６８０９９号公報特開２００７−３２７６６０号公報

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、鉄鋼及び非鉄金属等の熔融製錬に用いる三相交流電極式円形電気炉において、冷却水等の流動熱媒体を必要とせずに、効率的に且つ水蒸気爆発等を生じさせることなく、電気炉の炉側壁の熔損を防止することが可能な冷却方法及びその三相交流電極式円形電気炉を提供することを目的とする。

本件発明者らは、上述した目的を達成するために、炉側壁耐火物層から熱を奪う機構として、間接的に冷却水等の流動性媒体により冷却する方法ではなく、高い熱伝導率を有する高効率熱伝導媒体を利用した抜熱方法を用いることによって、効率的かつ効果的に電気炉内の熱を炉外に抜熱させることができ、炉側壁の熔損を防止するとともに、炉側壁内周部に形成されるコーティングの形成状態を制御することが可能となることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明に係る三相交流電極式円形電気炉の冷却方法は、原料鉱石の熔解処理に用いられ、外周部に炉側壁を構成する耐火物層が敷設された三相交流電極式円形電気炉の冷却方法であって、三相交流電極により上記電気炉内に発生する高温雰囲気下で、上記炉側壁耐火物層における熱負荷が大きくなる部分に、炉殻円周より外側にその一部が出るように、冷却水を通液する通路を有しない無垢材である高効率熱伝導媒体を局所的に埋設し、該電気炉の炉側壁外鉄板に沿って、該炉側壁外鉄板の上部からシャワー冷却水を流す冷却手段を併用し、該高効率熱伝導媒体が埋設されている部分周辺に設けられている水切りによって該電気炉内へのシャワー冷却水の侵入を防止しながら、該高効率熱伝導媒体より該炉側壁耐火物層の熱を抜熱させ、上記炉側壁耐火物層における熱負荷が大きくなる部分は、上記電気炉に垂直に設けられる各電極位置に対応し、該電気炉の水平断面においては電極からの距離が最短の円周上の周囲であり、垂直断面においては炉底から該電気炉内に収容される熔融物の上面に亘る範囲であることを特徴とする。

また、上記高効率熱伝導媒体は、銅ブロックであることが好ましい。

また、上記高効率熱伝導媒体が埋設されている部分の直下に、上記シャワー冷却水を散布する散布手段を追加することが好ましい。

また、上記冷却手段を、そのシャワー冷却水が高効率熱伝導媒体を埋設させた位置を除いた上記電気炉の炉側壁外鉄板に沿って流れるように設けることができる。

また、上記電気炉は、酸化ニッケル鉱石の還元熔解処理に用いるフェロニッケル製錬用であることが好ましい。

また、本発明に係る三相交流電極式円形電気炉は、原料鉱石の熔融処理に用いられ、外周部に炉側壁を構成する炉側壁耐火物層が敷設された三相交流電極式円形電気炉であって、上記炉側壁耐火物層における熱負荷が大きくなる部分に、炉殻円周より外側にその一部が出るように、冷却水を通液する通路を有しない無垢材である高効率熱伝導媒体が局所的に埋設され、当該電気炉の炉側壁外鉄板に沿って、該炉側壁外鉄板の上部からシャワー冷却水を流す冷却手段が併用され、該高効率熱伝導媒体が埋設されている部分周辺に設けられている水切りによって当該電気炉内へのシャワー冷却水の侵入が防止されながら、該高効率熱伝導媒体より該炉側壁耐火物層の熱が抜熱され、上記炉側壁耐火物層における熱負荷が大きくなる部分は、上記電気炉に垂直に設けられる各電極位置に対応し、該電気炉の水平断面においては電極からの距離が最短の円周上の周囲であり、垂直断面においては炉底から該電気炉内に収容される熔融物の上面に亘る範囲であることを特徴とする。

本発明によれば、鉄鋼及び非鉄金属等の熔融製錬に用いる三相交流電極式円形電気炉において、冷却水等の流動熱媒体を必要とせず、効率的に且つ水蒸気爆発等を生じさせることなく、電気炉の炉側壁の熔損を防止することができる。

また、本発明によれば、炉側壁内周部に形成されるコーティングの厚みや形成領域等のコーティング形成状態を適切に管理することができ、電気炉内の有効容積の縮小を効果的に抑制することが可能となり、その工業的価値は極めて大きい。

高効率熱伝導媒体の炉側壁耐火物層に対する埋設状態を示す断面模式図である。従来の冷却水等の流動性媒体を熱伝導媒体内に通液させて炉側壁耐火物層を冷却する方法を示す断面模式図である。高効率熱伝導媒体を埋設した場合における電気炉内の熱負荷変動による各箇所の温度変化を計算したグラフである。高効率熱伝導媒体を埋設しない場合における電気炉内の熱負荷変動による各箇所の温度変化を計算したグラフである。実施例１における熱流速実測値から炉側壁耐火物層内部のコーティング厚さを算定した電気炉断面図である。比較例１における熱流速実測値から炉側壁耐火物層内部のコーティング厚さを算定した電気炉断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態（以下、本実施の形態という。）について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明に係る三相交流電極式円形電気炉の冷却方法は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない限りにおいて適宜変更することができる。

本実施の形態に係る三相交流電極式円形電気炉の冷却方法は、鉄鋼及び非鉄金属等の製錬において原料鉱石の熔融処理に用いられ、外周部に炉側壁を構成する耐火物層が敷設された三相交流電極式円形電気炉において、炉側壁の熔損を防止するとともに、電気炉内の有効容積の縮小を効果的に抑制することを可能にするものである。

具体的に、本実施の形態に係る三相交流電極式円形電気炉の冷却方法は、三相交流電極により電気炉内に発生する高温雰囲気下で、炉側壁耐火物層に、炉殻円周より外側にその一部が出るように高効率熱伝導媒体を埋設し、その高効率熱伝導媒体より炉側壁耐火物層の熱を抜熱させることを特徴とする。

図１は、本実施の形態に係る冷却方法において、高効率熱伝導媒体を炉側壁耐火物層に対して埋設した状態、並びにそれによる熱の移動の様子を模式的に示す耐火物層の一部断面図である。図１に示すように、電気炉の炉側壁を構成する炉側壁耐火物層１１に対して、高効率熱伝導媒体１２をその一部が炉殻円周１３より外側に出るようにして埋設する。すると、図１中の複数の小さい矢印に示すように、電気炉内の熔融処理に伴って発生し炉側壁に負荷を与える熱が高効率熱伝導媒体１２によって媒介される。そして、その高効率熱伝導媒体１２によって媒介された熱は、図１中の大きな単一の矢印Ｘに示すように、炉殻円周より外側に突出した部位から炉側壁の外へ抜熱されるようになる。

ここで、原料鉱石の熔融処理においては、電気炉内の熱移動により炉内熔融物が凝固することによって、炉側壁内周部にコーティングが形成される。このようにして内周部にコーティングが形成されることによって、炉側壁の熱負荷を軽減させることができ、熔融処理に伴う炉側壁の熔損を防止することができる。しかしながら一方で、過剰にコーティングが形成されると、炉側壁の熔損は防止できるものの、電気炉内の有効容積を縮小させ、操業効率を著しく損なわせることになる。したがって、原料鉱石の熔融処理に用いる三相交流電極式円形電気炉においては、炉側壁の内周部に形成されるコーティングの厚みや形成領域等のコーティング形成状態を適切に制御することが重要となる。

従来では、冷却水等の流動性媒体を銅等の熱伝導媒体内に通過させて炉側壁を冷却する方法や、電気炉の炉殻外表面上の全面にシャワー冷却水を流すような間接的な冷却方法により、炉側壁の熔損を抑えるようにしていた。具体的に、冷却水等の流動性媒体を銅等の熱伝導媒体内に通過させて炉側壁を冷却する方法においては、図２の耐火物層断面図に示すように、炉側壁耐火物層５１に設置した熱伝導媒体５２内に冷却水等の流動性媒体５３を通液させる通路５４を設ける。そして、図２中の複数の矢印に示すように、炉側壁に滞留した熱量を流動性媒体５３に移動させて抜熱することによって炉側壁５１の外へ移動させ、電気炉内の熱量を一定に保つようにしていた。

しかしながら、これら方法では、冷却水量と冷却水の出入口温度差から抜熱量を算出するとともに、炉側壁耐火物層の各所に埋め込んだ耐火物層の温度を測定するという非常に手間を要する作業を必要とし、これによって炉側壁に形成されるコーティングの厚みや形成状態を把握していた。

また、図２に示した冷却水等の流動性媒体を熱伝導媒体内に通過させて冷却する方法では、多量の冷却水が必要になるとともに、熱伝導媒体に冷却水用の通路を形成しなければならず、さらに、冷却水の漏洩による水蒸気爆発を生じさせるおそれがあった。また、炉殻外表面上の全面にシャワー冷却水を流すことのみによる方法では、多くの場合、電気炉全体を一様に抜熱する方法であるため、熱負荷の高い部分、例えば電気炉に設けられた各電極から最も距離が短い炉側壁ではコーティングが形成され難くなり、熱負荷によって耐火物の熔損減耗を効果的に防止することができなかった。また、その他の熱負荷の低い炉側壁部分では、コーティングが厚くなり過ぎ、炉内容積が過度に縮小してしまうことがあった。

これらに対して、本実施の形態に係る冷却方法においては、上述のように、電気炉の炉側壁耐火物層に、炉殻円周より外側にその一部が出るように高効率熱伝導媒体を埋設するようにしている。そして、その高効率熱伝導媒体の高い熱伝導性を利用することによって、電気炉内部の熱量を電気炉の外に高効率熱伝導媒体を介して抜熱させる、いわゆる直接的な抜熱冷却を行うようにしている。この高効率熱伝導媒体は、従来のように冷却水等を通過させる通路を有するものではなく、例えば高い熱伝導性を有する金属等の一様の材料からなる無垢のものであり、炉側壁の熱量を高効率熱伝導媒体自体のみによって抜熱させる。

このような冷却方法によれば、従来の炉殻外表面上の全面にシャワー冷却水を流すような間接冷却と比較して、大量の熱量を電気炉外へ抜熱させることができる。また、その高効率熱伝導媒体を所定の箇所に局所的に埋設することによって、熱負荷が大きい部分の熱量を選択的に抜熱させることが可能となり、その他の部分の熱量の抜熱を低減させることで、炉側壁内周部に形成させるコーティングの形成状態を効果的に制御することができる。これにより、炉側壁の熔損を効果的に防止することができるとともに、一方で熔融処理を行うための有効容積を縮小させることなく、効率的な操業を行うことができる。

また、電気炉内において単位時間に一定面積を流れる熱量（以下、熱流束（ヒートフラックス）と呼称する場合がある）を監視することによって、電力負荷を調整することができ、コーティングの厚みを適切に調整することができる。

さらに、上述のように、高効率熱伝導媒体により電気炉内部の熱量を抜熱させるようにしているので、従来のように冷却水等の流動性媒体を熱伝導媒体内に通過させて冷却する方法のように、漏水による水蒸気爆発のリスクがない。また、電気炉内の熔融物が介在する高さ（熔体ゾーン）においては、従来のように冷却水等の流動性媒体を熱伝導媒体内に通過させて冷却する方法では、漏水による水蒸気爆発のリスクが高くなるため、その熱伝導媒体の設置方法を工夫しなければならなかった。しかしながら、本実施の形態に係る冷却方法によれば、上述のように冷却水等の通水が必要とならず漏水による水蒸気爆発が防止できるので、より効果的に電気炉内の熱の抜熱が可能となるように、熔体ゾーンにも高効率熱伝導媒体を設置することができる。

ここで、高効率熱伝導媒体を介した抜熱原理としては、以下のものと考えられる。

すなわち、物質にはそれぞれ特有の熱伝導率があり、熱量は高温域から低温域へ伝導するため、熱伝導率の低い物質よりも熱伝導率の高い物質の方が熱の伝導速度が速い。電気炉内に構築した炉側壁耐火物層においても熱の伝導は行われてある程度の抜熱は生じるが、一般に炉側壁耐火物層の熱伝導率は低いために炉側壁耐火物層内に熱量の滞留が生じ、徐々に温度が上昇する。

熱伝導率の高い高効率熱伝導媒体においては、抜熱速度が炉側壁耐火物層等の熱伝導率の低い物質と比べて非常に大きい。そのため、熱量が高温域から低温域へ伝導する速度が大きく、比較的多くの熱量を抜熱させることが可能となる。したがって、このことから、本実施の形態のように炉側壁耐火物層に高効率熱伝導媒体を埋設することによって、比較的多くの熱量を電気炉外に抜熱させることができると考えられる。

また、物質には特有の熔融温度があり、電気炉内で熔融した物質もその熔融温度以下では固化する。炉内耐火物表面の温度が熔融温度以下であれば、側壁内周部にコーティングが形成し、炉内耐火物表面の温度が熔融温度以上であればコーティングの再熔解や耐火物層を侵食して耐火物の熔損が生じる。したがって、上述のように本実施の形態に係る冷却方法によれば、比較的多くの熱量を電気炉外へ抜熱できることから、炉側壁耐火物層に埋設する高効率熱伝導媒体の大きさや埋設位置を適宜決めることにより、所望とする炉内コーティングの形成領域とコーティング厚さを得ることができる。

つまり、炉側壁耐火物層に対して電気炉中心から一定の熱負荷が与えられたとき、炉側壁を構成する炉側壁内部コーティング物質、耐火物層、及び高効率熱伝導媒体の各熱伝導率から熱流束を算出することによって、各所の温度を推測することが可能となる。そして、熱流束から推測した各所の温度によって高効率熱伝導媒体の断面積と長さ、及びその埋設位置を決めることにより、炉側壁内部のコーティングを、所望とする領域に、また所望とする厚さとなるように形成制御することができる。

また、上述のようにして高効率熱伝導媒体の埋設配置を決めることで、電気炉内から炉側壁に与える熱量が変動した際の熱流束により電気炉中心方向への温度変位を算出することができ、製錬にて熔融する物質の熔融温度に達する位置までは炉側壁内部にコーティング物質が形成されると推測することができる。

例えば、図３は、炉側壁耐火物層に銅製の無垢材からなる高効率熱伝導媒体（銅製ブロック）を埋設した場合における、電気炉内の熱負荷変動による各箇所の温度変化を計算したグラフである。一方で、図４は、高効率熱伝導媒体を埋設しない場合における、熱負荷変動による各箇所の温度変化を計算したグラフである。なお、図４中のＣＰとは、カーボンペーストを示す。

図３のグラフから分かるように、電気炉における熱負荷により各所の温度が変位し、製錬に供される物質が熔融温度に達する電気炉内の位置も変位しているが、高効率熱伝導媒体を埋設することにより、熱負荷の変動によっても、内張りレンガの末端は約５００℃以下に収束していることが分かる。そして、このようにして温度変位を算出することによって、コーティング物質の形成状態を推測でき、所望とする領域に所望とする厚さのコーティングを形成させることができる。

これに対し、図４から分かるように、高効率熱伝導媒体を埋設しない場合においては、熱負荷の変動によって、内張りレンガの末端だけでなく外張りレンガや鉄皮における温度まで大きな温度差があることが分かり、熱負荷が大きくなるほど炉側壁内部のコーティング厚さが薄くなっていき、炉側壁の熔損を効果的に防止できないことが分かる。また、熱負荷の変動によって各所の温度変位が大きくなってしまうことから、正確にコーティング物質の形成状態を推測できず、所望とするコーティングの形成を制御することができない。

このように、本実施の形態に係る冷却方法によれば、熱流束により電気炉中心方向への温度変位を算出することができ、炉側壁内部におけるコーティング物質の形成状態を推測することができる。

したがって、以上のことから、本実施の形態においては、高効率熱伝導媒体の熱流束を常時監視することがより好ましい。これにより、電気炉内の温度を推測することができ、またそれによって炉側壁内部におけるコーティング厚さを算出でき、所望とするコーティング厚さとなるように電気炉への熱負荷を調整することも可能になる。

高効率熱伝導媒体としては、特に限定されるものではなく、電気炉の炉側壁を構成する耐火物層に埋設することで、その耐火物層の熱を抜熱させることができ、それにより炉側壁の内周部に所望の状態のコーティング物質を形成できるものが用いられる。その中でも、耐火物中に容易に埋設することができ、熱伝導性の良い金属材料からなるブロックやモジュールを用いることが好ましく、例えば銅製のブロックが好ましい。

また、高効率熱伝導媒体は、一様な材料からなる無垢材である。具体的には、従来法において用いられていたような冷却水を通液する通路を有しない無垢材である。したがって、この高効率熱伝導媒体は、それ自体のみにより、炉側壁耐火物層の熱を抜熱させる。

また、高効率熱伝導媒体の大きさは、上述した所定の機能を発揮するための断面積と長さが必要となるが、形状については特に限定されるものではない。例えば、角柱状、円柱状等の形状のものを用いることができ、このような形状からなる複数個の高効率熱伝導媒体を炉側壁耐火物層の所定の範囲に埋設配置することができる。

高効率熱伝導媒体は、炉側壁耐火物層の埋設深さよりも長く、電気炉の炉殻円周の外側にその一部が出るように炉側壁耐火物層に埋設される。また、目的の抜熱量を得るように当該突出部の大きさを決めて埋設することが好ましい。

また、高効率熱伝導媒体を炉側壁耐火物層に埋設するにあたっては、耐火物層と高効率熱伝導媒体を密着させる、すなわち断熱材となる空気層を介在させないことが好ましい。直接密着させることが困難な場合には、熱伝導性の良い充填材、例えば電極用カーボンペーストを高効率熱伝導媒体と炉側壁耐火物層の間に充填し隙間が生じないようにして、良好な熱伝導性を確保することが好ましい。

炉側壁耐火物層における高効率熱伝導媒体を埋設する箇所としては、特に限定されるものではなく、電気炉の炉側壁耐火物層の全周囲に亘って埋設してもよいが、炉側壁耐火物層における熱負荷が大きくなる部分に局所的に埋設することが好ましい。また、炉側壁耐火物層における埋設割合（埋設数）を、その熱負荷の大きさに応じて変えるようにしてもよい。

ここで、炉側壁耐火物層における熱負荷が大きくなる部分は、例えば、電気炉に設けられた各電極から最も距離が短い円周上の炉側壁部であり、その垂直断面においては電気炉の炉底から電気炉内に収容される熔融物の上面に亘る範囲である。この各電極から最も距離が短い円周上の炉側壁部は、炉側壁に与える熱負荷が最も大きくなる。そのため、当該部分に局所的に高効率熱伝導媒体を埋設することにより、当該部分に滞留した大量の熱を効果的に且つ効率的に抜熱させることができ、当該部分における熔損を効果的に防止することができるとともに、所望とする厚さのコーティングを適切に形成させることができる。

また、本実施の形態においては、上述した高効率熱伝導媒体による直接的な抜熱冷却と併せて、電気炉の炉側壁外鉄板に沿ってその炉側壁外鉄板の上部からシャワー冷却水を流す冷却手段を用いてもよい。これにより、より効果的に炉側壁耐火物層を冷却することができ、炉側壁の熔損を防止することができる。

シャワー冷却水を流す冷却手段を併用する場合においては、高効率熱伝導媒体が埋設されている部分周辺に、そのシャワー冷却水が電気炉内に侵入することを防ぐ水切り手段を設けることが好ましい。この水切り手段は、例えば、炉側壁耐火物層に埋設した高効率熱伝導媒体の上部に形成される傘のようなものとすることができ、これが水よけカバーとして作用し炉側壁上部から流れるシャワー冷却水が高効率熱伝導媒体の埋設箇所を介して電気炉内に侵入することを防止する。これにより、電気炉内への冷却水の漏洩による水蒸気爆発等を防止することができ、より高い安全性で以って操業することができる。

また、このように高効率熱伝導媒体が埋設されている部分周辺に水切り手段を設けた場合においては、その高効率熱伝導媒体を設けた下部付近にはシャワー冷却水が流れないことになる。そのため、このような場合には、高効率熱伝導媒体が埋設されている部分の直下に、別途、シャワー冷却水を散布する散布手段を追加して設けることが好ましい。これにより、高効率熱伝導媒体が埋設された部分の直下にもシャワー冷却水を効率的に散布することができ、冷却効率の制御幅を拡大でき、所望とする厚さのコーティングをより一層に精度良く制御することができる。

また、上述のように高効率熱伝導媒体を局所的に埋設する場合においては、シャワー冷却水を流す冷却手段を併用するにあたって、上記冷却手段によるシャワー冷却水が高効率熱伝導媒体を埋設させた部分以外に流れるように設けてもよい。これにより、高効率熱伝導媒体を電気炉の炉側壁全周に亘って埋設しなくても、各電極から最も距離が短い円周上の炉側壁部に比して炉側壁に与える熱負荷が小さい部分に対しては冷却手段により冷却することができ、また上述のように高効率熱伝導媒体を埋設した箇所を介して電気炉内に冷却水が侵入することを防止することができる。当該部分の熔損を防止できるとともに、所望とする厚さのコーティングを適切に形成させることが可能となる。

電気炉としては、特に限定されるものではなく、鉄鋼及び非鉄金属熔融製錬に用いるものが挙げられるが、その中でも、酸化ニッケル鉱石の還元熔解処理に用いるフェロニッケル製錬用のものが好ましい。ここで、フェロニッケル製錬では、原料鉱石として、ガーニエライト鉱等の酸化ニッケル鉱石が用いられる。最も一般的に用いられるガーニエライト鉱の代表的な組成としては、乾燥鉱換算でＮｉ品位が２．１〜２．５重量％、Ｆｅ品位が１１〜２３重量％、ＭｇＯ品位が２０〜２８重量％、ＳｉＯ_２品位が２９〜３９重量％、ＣａＯ品位が＜０．５重量％、灼熱減量が１０〜１５重量％であり、通常はロータリーキルンへ装入され焙焼された後、電気炉中で炭素質還元剤によって還元熔融され、熔融物としてフェロニッケルメタル層とスラグ層が形成される。

以上詳細に説明したように、本実施の形態に係る冷却方法は、原料鉱石の熔解処理に用いられ、外周部に炉側壁を構成する耐火物層が敷設された三相交流電極式円形電気炉の冷却方法において、三相交流電極により電気炉内に発生する高温雰囲気下で、炉側壁耐火物層に、炉殻円周より外側にその一部が出るように高効率熱伝導媒体を埋設し、その高効率熱伝導媒体より炉側壁耐火物層の熱を抜熱させる。

このように、本実施の形態に係る冷却方法では、従来のように冷却水等を通過させる通路を有するものではなく、例えば金属等の一様の材料からなる無垢の高効率熱伝導媒体を埋設し、炉側壁の熱量を高効率熱伝導媒体にのみによって抜熱させる。

このような冷却方法によれば、大量の熱量を電気炉外へ抜熱させることができ、電気炉の熔損を効果的に防止することができる。また、例えば、高効率熱伝導媒体を局所的に炉側壁耐火物層に埋設することによって、熱負荷が大きい部分の熱量を選択的に抜熱させることができ、その他の部分の熱量の抜熱を低減させることで、炉側壁内周部に形成されるコーティングの形成状態を効果的に制御することができる。これにより、炉側壁の熔損を効果的に防止することができるとともに、一方で熔融処理を行うための有効容積を縮小させることなく、効率的な操業を行うことができる。

本実施の形態に係る冷却方法においては、炉壁温度の測定や熱流束の測定等により、炉側壁耐火物層内に埋設させた高効率熱伝導媒体が熔損する不具合を容易に発見することが可能である。そして、このような不具合が発生した場合も、炉側壁耐火物層内に埋設した高効率熱伝導媒体には冷却水等の流動性熱伝導媒体を通していないため、炉側壁耐火物層に冷却水等が漏れ出すおそれがない。したがって、高効率熱伝導媒体に何らかの理由で破損や熔損が生じても、それに起因して引き起こされる水蒸気爆発や塩基性レンガのスレーキングによる熔体漏洩がなく、安全性が高く、効率的な操業を行うことができる。

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。なお、実施例及び比較例で用いたコーティング厚みの評価方法は、下記の３次元熱流体シミュレーションによるコーティング厚みの算出より求めた。

［３次元熱流体シミュレーションによるコーティング厚みの算出］
酸化ニッケル鉱石の還元熔解処理に用いるフェロニッケル製錬用の三相交流電極式円形電気炉において、電気炉の電力負荷及び炉側壁耐火物層に埋設した高効率熱伝導媒体による熱移動を設定して、３次元熱流体シミュレーションにより、炉側壁内周部に形成されるコーティングの状態を求め、これによりコーティング厚みを算出した。具体的には、炉側壁外表面から炉内熔融物に至る炉側壁内部の温度分布を求め、その後、炉内熔融物温度と炉側壁耐火物先端温度との温度差範囲を求めて、炉内熔融物の融点（凝固点）温度以下となっている範囲をコーティング厚みとして算出した。

＜実施例１＞
実施例１では、酸化ニッケル鉱石の還元熔融処理に用いるフェロニッケル製錬用の三相交流電極式円形電気炉において、一様の銅材からなり冷却水等の流路を有しない無垢の銅製ブロックである高効率熱伝導媒体を、電気炉の円周部の炉側壁を構成する耐火物層に埋設配置した。高効率熱伝導媒体の配置箇所は、電気炉に垂直に設けられる各電極位置に対応し、電気炉の水平断面においては各電極からの距離が最短の円周上の周囲であり、垂直断面においては炉底から電気炉内に収容される熔融物の上面に亘る範囲とした。

電気炉内においては、収容した熔融物をメタル温度で１４００℃及びスラグ温度で１６００℃まで加熱させた。このとき、炉内熔融物からの熱は炉側壁の内周部に形成されるコーティングと炉側壁耐火物層を通じて炉側壁外鉄板に伝わるが、炉側壁耐火物層に局所的に埋設配置した高効率熱伝導媒体により抜熱させるようにした。

図５は、各所にて測定した熱流束実測値により、炉側壁耐火物層内側２１に形成されるコーティング２２の厚さを算定した電気炉断面模式図である。一般的に電極２３との距離が近い部分の熱負荷は大きくなるため、電極２３との距離が短い炉側壁耐火物層内側２１のコーティング２２の厚さは薄くなる。しかしながら、図５に示されるように、高効率熱伝導媒体を埋設配置位置２４の配置したことにより熔融物質２５からの熱の抜熱効果を十分に奏し、電極２３との距離が短く熱負荷の大きい位置のコーティング２２の厚さを他の部分よりも厚くすることができ、炉側壁の耐火物層を保護する効果が得られたことが分かる。また、熱負荷の低い部分（図５中の高効率熱伝導媒体を配置していない側壁部）においては、過剰なコーティングを形成させず、炉内容積の縮小を防止していることが分かる。

＜比較例１＞
比較例１では、酸化ニッケル鉱石の還元熔融処理に用いるフェロニッケル製錬用の三相交流電極式円形電気炉において、炉殻にシャワー冷却水のみを行うことによって炉内熔融物からの熱の冷却を行った。

図６は、炉殻にシャワー冷却（イ）のみを行った場合において、各所にて測定した熱流束実測値により、炉側壁耐火物層内側３１のコーティング３２の厚さを算定した電気炉断面模式図である。図６に示されるように、電極３３との距離が近く、熔融物質３５からの熱負荷が大きくなる箇所はコーティングがほとんど形成されておらず、炉側壁耐火物層内側３１が熔損するおそれがあることが分かる。また、熱負荷の低い部分においては、過剰にコーティング３２が形成され、炉内容積が縮小していることが分かる。

１１炉側壁耐火物層、１２高効率熱伝導媒体、１３炉殻円周

Claims

原料鉱石の熔解処理に用いられ、外周部に炉側壁を構成する炉側壁耐火物層が敷設された三相交流電極式円形電気炉の冷却方法であって、
三相交流電極により上記電気炉内に発生する高温雰囲気下で、上記炉側壁耐火物層における熱負荷が大きくなる部分に、炉殻円周より外側にその一部が出るように、冷却水を通液する通路を有しない無垢材である高効率熱伝導媒体を局所的に埋設し、該電気炉の炉側壁外鉄板に沿って、該炉側壁外鉄板の上部からシャワー冷却水を流す冷却手段を併用し、該高効率熱伝導媒体が埋設されている部分周辺に設けられている水切りによって該電気炉内へのシャワー冷却水の侵入を防止しながら、該高効率熱伝導媒体より該炉側壁耐火物層の熱を抜熱させ、
上記炉側壁耐火物層における熱負荷が大きくなる部分は、上記電気炉に垂直に設けられる各電極位置に対応し、該電気炉の水平断面においては電極からの距離が最短の円周上の周囲であり、垂直断面においては炉底から該電気炉内に収容される熔融物の上面に亘る範囲であることを特徴とする三相交流電極式円形電気炉の冷却方法。
上記高効率熱伝導媒体は、銅ブロックであることを特徴とする請求項１に記載の三相交流電極式円形電気炉の冷却方法。
上記高効率熱伝導媒体が埋設されている部分の直下に、上記シャワー冷却水を散布する散布手段を追加することを特徴とする請求項１又は２に記載の三相交流電極式円形電気炉の冷却方法。
上記冷却手段を、そのシャワー冷却水が高効率熱伝導媒体を埋設させた位置を除いた上記電気炉の炉側壁外鉄板に沿って流れるように設けることを特徴とする請求項１に記載の三相交流電極式円形電気炉の冷却方法。
上記電気炉は、酸化ニッケル鉱石の還元熔解処理に用いるフェロニッケル製錬用であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の三相交流電極式円形電気炉の冷却方法。
原料鉱石の熔融処理に用いられ、外周部に炉側壁を構成する炉側壁耐火物層が敷設された三相交流電極式円形電気炉であって、
上記炉側壁耐火物層における熱負荷が大きくなる部分に、炉殻円周より外側にその一部が出るように、冷却水を通液する通路を有しない無垢材である高効率熱伝導媒体が局所的に埋設され、当該電気炉の炉側壁外鉄板に沿って、該炉側壁外鉄板の上部からシャワー冷却水を流す冷却手段が併用され、該高効率熱伝導媒体が埋設されている部分周辺に設けられている水切りによって当該電気炉内へのシャワー冷却水の侵入が防止されながら、該高効率熱伝導媒体より該炉側壁耐火物層の熱が抜熱され、
上記炉側壁耐火物層における熱負荷が大きくなる部分は、上記電気炉に垂直に設けられる各電極位置に対応し、該電気炉の水平断面においては電極からの距離が最短の円周上の周囲であり、垂直断面においては炉底から該電気炉内に収容される熔融物の上面に亘る範囲であることを特徴とする三相交流電極式円形電気炉。