JP6221477B2

JP6221477B2 - 銅製錬用ｐｓ型転炉の炉口

Info

Publication number: JP6221477B2
Application number: JP2013161087A
Authority: JP
Inventors: 秋宏田邊; 陽介星野; 明久谷; 恵介山本
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2033-08-02
Also published as: JP2015030875A

Description

本発明は、銅製錬で使用されるＰＳ（Ｐｅｉｒｃｅ−Ｓｍｉｔｈ）型転炉の炉口に関する。

金属の乾式精錬では、転炉内の熔融金属に空気や酸素を吹き込んで不純物を除去する処理が行われている。転炉には熔融金属の供給用及び排出用の炉口と称される開口部が設けられており、不純物の除去後は転炉を傾けて炉口から高温の熔融金属が排出される。このように、排出時は高温の熔融金属が炉口に接触するので炉口の壁面は侵食されやすく、頻繁に補修や部材の取り替えを行うことが必要であった。

このような苛酷な条件で使用される炉口に対して、耐久性をもたせるための様々な技術が提案されている。例えば特許文献１には、鉄鋼製錬において使用される縦型の転炉において、その上端部に設けられた炉口の煉瓦を押さえる金物の内部に非融着表面処理を施した二重管を埋設し、この二重管の内管に冷却水を流す技術が開示されている。これにより該金物の効率的な冷却が可能になり、炉口の寿命を延ばすことができると記載されている。

特開平５−１３１５号公報

金属精錬に使用する転炉には様々な形式のものが提案されているが、銅製錬工程では主にＰＳ型転炉が使用されている。ＰＳ型転炉は茶筒状の炉を横にしてその中心軸方向の略中央部に炉口を備えた形状をしており、上記した鉄鋼製錬において使用される縦型の転炉とは大きく異なっている。このため、銅製錬工程のＰＳ型転炉は、取り扱われる金属の種類が異なっていることも関係して鉄鋼精錬の縦型転炉にはない特有の問題を抱えている。具体的には、銅製錬におけるＰＳ型転炉では、炉口から排出される熔融金属が炉口下方の外壁鉄板を伝って垂れやすく、これにより該外壁鉄板が少しずつ浸食されて亀裂や外側へのめくれが生じ、最終的には炉口周辺の部材の割れに至ることが多かった。

本発明は銅製錬用のＰＳ型転炉の炉口において生じる上記した問題点に鑑みてなされたものであり、排出時の熔融金属の垂れを防止して炉口周りの外壁鉄板の寿命を長くできる銅製錬用のＰＳ型転炉の炉口を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明に係るＰＳ型転炉の炉口は、ＰＳ型転炉の中心軸方向の略中央部において両端を切り落とした楕円形状で開口し、その周縁を囲むように設けられた４面の外壁鉄板とそれらの内張りとなる耐火物とからなる通路部を備えた炉口であって、これら４面の外壁鉄板は先端部において内側に屈曲する屈曲部をそれぞれ有しており、これら４面の外壁鉄板のうち、排出時に最も下側に位置する外壁鉄板の屈曲部は拡散浸透処理が施されており且つその略中央部分が前記屈曲する角度θは、屈曲していない場合を０°と定義したときに４５〜８５°であって両端に向かうに従って徐々に大きく屈曲していることを特徴としている。

本発明によれば、ＰＳ型転炉を傾けて熔融金属の排出を行う際、熔融金属が炉口下方の外壁鉄板を伝って垂れにくくなり、よって外壁鉄板の浸食を抑えることが可能になる。

本発明に係るＰＳ型転炉の一具体例の斜視図である。図１のＰＳ型転炉をその中心軸に垂直な面で切断した時の断面図である。本発明に係るＰＳ型転炉の炉口の一具体例を示す斜視図である。ＰＳ型転炉の炉口の流口鉄板の先端部を耐火物と共に示した断面図である。図３に示す炉口の正面図である。

乾式銅製錬では、銅精鉱などの製錬原料は自熔炉などの熔錬炉に装入されて熔解された後、比重によりマットとスラグに分離されて別々に排出される。排出されたスラグは水砕されて水砕スラグとなり、コンクリート向け細骨材などに使われる。一方、マットは熔錬炉からレードルに注ぎ込まれた後、クレーンで次の工程であるＰＳ型転炉に運ばれる。

レードルで運ばれたマットは、ＰＳ型転炉の炉口から装入される。炉口からは更に硅石などのフラックスが加えられた後、羽口から空気及び／又は酸素が吹き込まれる。これによりマット中のＦｅＳが酸化されて転炉スラグを生成すると共に、マット中の硫化銅（Ｃｕ_２Ｓ）が白カワとして沈降して転炉スラグから分離する。この転炉スラグは、羽口からの空気や酸素の吹き込みを一旦止めた上で、転炉を傾けて炉口から抜き出される。この転炉スラグを得る工程を造カン期とよぶ。

次に、転炉内に残った白カワとよばれる硫化銅（Ｃｕ_２Ｓ）に、羽口から再び空気や酸素を吹き込むことにより硫化銅を酸化して粗銅を得る。得られた粗銅は、羽口からの空気や酸素の吹き込みを止めた上で、転炉を傾けて炉口からレードルに注ぎ込まれた後、クレーンで次の精製工程に運ばれる。この硫化銅を粗銅にする工程を造銅期とよぶ。このように、銅製錬の造カン期及び造銅期の操業はバッチ操業の形態をとっている。

図１に示すように、ＰＳ型転炉１０は茶筒を横にしたような形状を有しており、その中心軸を中心にして回動自在に据え付けられている。このＰＳ型転炉１０の外周面上において中心軸方向の略中央部に、前述したマットやフラックス等の供給口であり且つ炉内で生成したスラグや粗銅（以降、これらを熔体とも称する）の排出口である炉口１１が設けられている。

炉口１１は、ＰＳ型転炉１０の中心軸方向に長軸が延在する楕円形の当該長軸方向の両端を切り落としたような形状、換言すれば、転炉の周方向に対向する１対の曲線部と転炉の中心軸方向に対向する１対の直線部とで画定される形状で開口しており、これら曲線部及び直線部で構成される開口部の周縁を囲むように４面の側壁鉄板とそれらの内張りの耐火物とが設けられている。

これら４面の側壁鉄板及びそれらの内張りの耐火物はＰＳ型転炉１０の外周面から突出するように設けられており、これにより熔体の通路部を形成している。４面の側壁鉄板は先端部において内側（通路部側）に屈曲する屈曲部をそれぞれ有しており、これら屈曲部の先端は耐火物の内面にまで至っている。このようにして、屈曲部は耐火物が側壁鉄板の先端からはみ出さないように耐火物を保持している。

前述したように、炉口１１からは高温の熔体が繰り返し抜き出されるので、上記した側壁鉄板及びその内張りの耐火物は苛酷な浸食条件にさらされている。特に、図２に示すように、４面の側壁鉄板のうち、ＰＳ型転炉１０を傾けてスラグや粗銅を排出する際に最も下側に位置する側壁鉄板（以下、流口鉄板１２と称する）は、流れ出る高温の熔体に接触するため最も侵食が激しくなる。また、この流口鉄板１２では、炉口１１から抜き出される熔体が流口鉄板１２の屈曲部１２ａを伝って垂れやすく、これによる流口鉄板１２の浸食も進行する。

上記した浸食が進行すると、流口鉄板１２の屈曲部１２ａは上端の略中央部でＶ字型に浸食され、このＶ字型浸食がさらに進行すると亀裂や外側へのめくれが生じ、最終的には流口鉄板１２が左右２つに割れてしまう。また、流口鉄板１２の侵食が進行すると、熔体をレードルに注ぎ込む際にレードルの外側に熔体が飛散する量が増加したり、流口鉄板１２に垂れて長さ１ｍ前後のツララ状の固形物を形成したりする。この飛散した熔体の回収や流口鉄板１２に付着した該固形物の除去に多くの手間と時間がかかるため転炉の休止時間が長くなり、１日当たりの転炉の粗銅生産量が低下することになる。

そこで、本発明の実施形態のＰＳ型転炉では、流口鉄板１２の屈曲部１２ａに拡散浸透処理を施している。このように流口鉄板１２の屈曲部１２ａに拡散浸透処理することで、比較的安価に鋼材表面の耐浸食性を高めることができる。さらに、この拡散浸透処理を施した材料の表面には酸化物層が形成されるため、熔体との濡れ性が悪くなって、熔体の炉口１１から「きれ」よく溶体を排出できるという効果も得られる。なお、拡散浸透処理は流口鉄板１２全体に施してもよいし、上記した４面の外壁鉄板の全て又はそれらの屈曲部に拡散浸透処理を施してもよい。

具体的な拡散浸透処理としては、アルミナイジング処理（カロライジング処理とも称される）、クロマイジング処理、シェラダイジング処理、シリコナイジング処理、ボロナイジング処理を挙げることができる。これら処理は、それぞれアルミニウム、クロム、亜鉛、珪素、及びホウ素を１種以上多量に含んだ滲透剤とともに拡散浸透処理させる部材をレトルト内に入れ、高温で加熱処理することにより行われる。これにより例えばアルミナイジング処理では、部材にアルミニウムを拡散滲透させて表面部にアルミニウと母材主成分との合金層を形成させることができる。

本発明の実施形態のＰＳ型転炉１０は、炉口１１からの熔体の「きれ」を更によくするため、図３に示すように、流口鉄板１２の屈曲部１２ａをその略中央部分において流口鉄板１２から４５〜８５°屈曲させると共に、両端に向かうに従って徐々に大きく屈曲させている。このように、流口鉄板１２の略中央部を船の先端部のように張り出す構造にすることにより、熔体を炉口から「きれよく」排出させることができ、炉口の下方に位置する流口鉄板１２に熔体が垂れる問題を抑制することができる。

図４（ａ）に示すように、屈曲部１２ａをその略中央部分において流口鉄板１２から屈曲させる角度θが８５°を超える場合、熔体を炉口から排出するときに、熔体が流口鉄板１２の屈曲部１２ａに垂れやすくなり、熔体を炉口から「きれよく」排出させることが難しくなる。一方、図４（ｂ）に示すように、上記屈曲させる角度θが４５°より小さい場合、銅の比重は８.９３と大きいため、銅を炉口から排出する際に屈曲部１２ａの厚み方向に大きな荷重がかかり、操業回数を重ねるに従って流口鉄板１２の屈曲部１２ａが外側（図４（ｂ）では下側）に少しずつ湾曲してしまう。その結果、耐火物１３との間に隙間ができ、この隙間に熔体が入り込んで急激に浸食が進む。

ところで、ＰＳ型転炉では、オペレーターの操作によって転炉を傾けながら熔体の排出が行われる。具体的には、最初は少しずつ傾けながら排出していき、熔体の流れがある程度大きくなったところでその傾斜角を保持して一定の流量で排出する。しばらくして流れが小さくなったところで、再度転炉を傾ける操作を開始して流れを大きくする。この操作を繰り返して、熔体の排出を終える。従って、炉口から排出される熔体の流れの大小、即ち、時間当たりの排出量（ｔ／ｓ）は１バッチ処理内においてバラツキが大きく、熔体の排出量が少なくなったときに熔体は流口鉄板から垂れ易くなる。

上記した熔体の流れが少なくなった時に流口鉄板を伝って垂れることを防ぐためには、この流れの断面が円形に近いほど好ましい。これは、断面が円形の方が炉口から「きれよく」排出させることができるからである。この流れの断面を出来るだけ円形に近づけるために、図５に示すように、炉口１１において、熔体が接触しながら流れる流口鉄板１２の内張りの耐火物の内面１２ｂの流れ方向に垂直な面での曲率半径Ｒを５〜２５ｍの曲面とすることが好ましい。

この曲率半径Ｒが５ｍ未満の場合、炉口の大きさが小さくなるため、熔体の排出に時間を要してしまう。とくに、ＰＳ型転炉１０内に施工されている耐火物の内側空間の内径２〜８ｍ、中心軸方向の長さ５〜２０ｍの転炉を使用する場合は、炉内にある数十トン〜数百トンの熔体を排出しなければならないので、熔体の排出に時間がかかると１バッチの操業時間が延びてしまい、１日あたりの生産量が低下してしまう。一方、曲率半径Ｒが２５ｍを超える場合、熔体を排出するときに、この熔体の流れの断面を円形にする作用が弱くなり、流口鉄板から垂れることを防ぐ効果が少なくなる。

また、前述したように、ＰＳ型転炉１０内に施工されている耐火物の内側空間の内径が２〜８ｍ、中心軸方向の長さが５〜２０ｍの場合は、炉口１１の通路部の奥側端部から屈曲部側の中央部までの距離が１０００〜３０００ｍｍであることが好ましい。この距離が１０００ｍｍ未満の場合、ＰＳ型転炉１０の長手方向の末端部から炉口１１に向かって流れてきた熔体を、流口鉄板１２の内張りの耐火物の内面１２ｂ上において前述したように断面略円形にするのが困難になる。すなわち、炉口１１の通路部は熔体の流れを整流させる役割を有しているが、この距離が１０００ｍｍ未満では短すぎて、整流の効果が得られにくく、従って流口鉄板１２から垂れる問題を防ぐ効果が得られにくくなる。

一方、上記通路部の距離が３０００ｍｍを超える場合、前述したＰＳ型転炉１０の長手方向末端から炉口１１に向かって流れてきた熔体を、流口鉄板１２の内張りの耐火物の内面１２ｂ上において断面略円形になるように整流することができ、従って熔体が流口鉄板１２から垂れる問題を防ぐ効果も得られる。しかしながら、この距離が３０００ｍｍを超えても、得られる効果はほぼ同じであり、築炉費用が嵩むだけである。

（実施例１）
自熔炉で銅鉱石を処理して得たマットを耐火物の内側空間の内径４ｍ、中心軸方向の長さ１０ｍのＰＳ型転炉を使用して製錬した。炉口は、図１に示すように、中心軸方向の略中央部において両端を切り落とした楕円形状で開口し、その周縁を囲むように設けられた４面の外壁鉄板とそれらの内張りとなる耐火物とからなる通路部を備えたものを使用した。

これら４面の外壁鉄板の最下部に位置する流口鉄板にはカロライジング処理を施した鋼材を用い、図３に示すように、流口鉄板１２の先端部の中央を船の先端部のように内側に８５°屈曲させると共に、両端に向かうに従って直角になるまで徐々に大きく屈曲させた。残りの３面の外壁鉄板の先端部はそれぞれ内側に直角に屈曲させた。

図５に示すように、流口鉄板１２の内張りの耐火物の内面１２ｂの曲率半径Ｒが５ｍになるようにし、炉口１１の通路部の奥側端部から屈曲部側の中央部までの距離を１０００ｍｍにした。この転炉を使用して操業した結果、従来の転炉に比べて流口鉄板の浸食量（最初の耐火物内面、または流口鉄板の上端から、流口鉄板が耐火物と一緒に浸食された後の耐火物内面、または流口鉄板の上端までの、侵食された体積、以下も同様）を３０％減少させることが出来た。

なお、本実施例において比較の対象としている従来の転炉とは、耐火物の内側空間の内径４ｍ、中心軸方向の長さ１０ｍのＰＳ型転炉であって、カロライジング処理などの拡散浸透処理を施したり先端の屈曲部を船の先端部のように張り出させたりした流口鉄板を使用しておらず、流口鉄板の内張りの耐火物の内面の曲率半径Ｒが３０ｍであり、炉口の通路部の奥側端部から屈曲部側の中央部までの距離が８００ｍｍのものである。

（実施例２）
流口鉄板１２の先端部中央を流口鉄板１２から屈曲させる角度を４５°とし、流口鉄板１２の内張りの耐火物の内面１２ｂの曲率半径Ｒを２５ｍにし、炉口１１の通路部の奥側端部から屈曲部側の中央部までの距離を３０００ｍｍにした以外は上記実施例１と同様にして転炉を操業した。その結果、従来の転炉に比べて流口鉄板の浸食量を３４％減少させることが出来た。

（実施例３）
流口鉄板１２の内張りの耐火物の内面１２ｂの曲率半径Ｒを３０ｍにし、炉口１１の通路部の奥側端部から屈曲部側の中央部までの距離を８００ｍｍにした以外は上記実施例１と同様にして転炉を操業した。その結果、従来の転炉に比べて流口鉄板の浸食量を２３％減少させることが出来た。

（比較例１）
炉口の流口鉄板には拡散浸透処理が施されていない一般的な鋼材を使用し、その先端部を流口鉄板から８８°内側に屈曲させると共に、両端に向かうに従って直角になるまで徐々に大きく屈曲させた。曲率半径Ｒ及び通路部の距離については上記実施例３と同様の炉口を用いて上記実施例１と同様に転炉を操業した。その結果、流口鉄板の浸食量は従来の転炉と同様であった。

１０ＰＳ型転炉
１１炉口
１２流口鉄板
１２ａ屈曲部
１２ｂ耐火物の内面
１３耐火物

Claims

ＰＳ型転炉の中心軸方向の略中央部において両端を切り落とした楕円形状で開口し、その周縁を囲むように設けられた４面の外壁鉄板とそれらの内張りとなる耐火物とからなる通路部を備えた炉口であって、これら４面の外壁鉄板は先端部において内側に屈曲する屈曲部をそれぞれ有しており、これら４面の外壁鉄板のうち、排出時に最も下側に位置する外壁鉄板の屈曲部は拡散浸透処理が施されており且つその略中央部分が前記屈曲する角度θは、屈曲していない場合を０°と定義したときに４５〜８５°であって両端に向かうに従って徐々に大きく屈曲していることを特徴とするＰＳ型転炉の炉口。
前記ＰＳ型転炉内に施工されている耐火物の内側空間の内径が２〜８ｍ、中心軸方向の長さが５〜２０ｍであり、前記最も下側に位置する外壁鉄板の内張りの耐火物の内面の曲率半径が５〜２５ｍであることを特徴とする、請求項１に記載の銅製錬用ＰＳ型転炉の炉口。
前記ＰＳ型転炉内に施工されている耐火物の内側空間の内径が２〜８ｍ、中心軸方向の長さが５〜２０ｍであり、前記通路部の奥側端部から前記屈曲部側の中央部までの距離が１０００〜３０００ｍｍであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の銅製錬用ＰＳ型転炉の炉口。