JP6380990B2

JP6380990B2 - スラグ凝固層厚が調整された電気炉及びこれを用いた金属製錬方法

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Publication number: JP6380990B2
Application number: JP2015078199A
Authority: JP
Inventors: 一広森; 窪田　直樹; 直樹窪田; 万雄工藤
Original assignee: 株式会社日向製錬所
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2035-04-07
Also published as: JP2016199773A

Description

本発明は、焼鉱の熔融還元を行う電気炉及びこれを用いた金属製錬方法に関し、特に電気炉内に形成されるスラグ凝固層の厚みが適切に調整された電気炉及びこれを用いたフェロニッケル製錬方法に関する。

鉄鋼や非鉄金属の熔融製錬用の電気炉では、その側壁の保全の目的や、該側壁に付着している凝固したスラグのコーティング層（凝固層とも称する）の過度な成長を防ぐことを目的としてコーティング層の厚さ（以下、単にコーティング厚又は凝固層厚とも称する）を推定することが従来から行われている。例えば、電気炉の側壁を構成する煉瓦内部に温度計を設置し、開放点検時に実際に測定したコーティング厚とその直前まで該温度計が示していた温度とを予めグラフにプロットしておき、このグラフと温度計で測定した温度からコーティング厚を推定することが行われていた。

また、特許文献１には、耐火物の残存厚みを正確に把握することが可能な耐火物厚み測定方法及びそれに使用する測定装置について開示されている。具体的には、側壁外面の開口部から露出している耐火レンガの表面に超音波探触子の接触媒体を接触させると共に、該超音波探触子にパルサー及び信号増幅器を接続し、これにより検知した信号を信号増幅器で増幅した後、バンドパスフィルタ及びＡ／Ｄ変換器を介して平均化処理部及び厚み測定部を備えた信号処理器に送る。

耐火レンガの外側表面近傍には、更に熱流束計に接続された温度計が耐火レンガの厚み方向に所定間隔を隔てて埋設されており、該温度計で測定した値に基づいて熱流束計で熱流束を計算し、その計算結果を熱源位置の算出を行う熱伝導計算装置に送る。そして、これら熱伝導計算装置及び上記信号処理器での演算結果に基づいて耐火物の厚みを計算するようになっている。しかしながら、この特許文献１の方法は、側壁の煉瓦厚は測定できるものの煉瓦の内周面側に形成されているコーティングの厚みを測定することはできなかった。

特許文献２には、耐火物層を備えた側壁からなる熔融製錬用の三相交流電極式円形電気炉において、中央部に設けられた３本の交流電極によって熱負荷が局所的に大きくなる側壁部に、耐火物層の熔損を防止するのに十分な程度に冷却できる高効率熱伝導媒体を配置する技術が開示されている。これにより、局所的な側壁の熔損の進行を防止できる上、側壁内周部に形成されるコーティングの厚みや生成領域等の生成状態を適切に制御でき、さらには電気炉の電力負荷変動や原料鉱石の組成変動にも対応できると記載されている。

特開平１０−１２２８４７号公報特開２００７−３２７６６０号公報

鉄鋼や非鉄金属の熔融製錬用の電気炉には一般に単相電極式と三相電極式があり、単相電極式では通常は電極が電気炉の中心部に位置するため、偶発的に発生する局部的な側壁煉瓦の損傷を除くと、定常状態における熱負荷は側壁全周に亘って均一と考えられる。また、連続操業が行われている電気炉の側壁の内周面側近傍では、スラグの化学組成及び熱バランスが共にほぼ平衡状態にあるため、電気炉内の温度分布及び電気炉内の熔融相の組成を求めることが出来れば電気炉内の熔融相と凝固相との境界位置はある程度推定することが可能である。

しかし、三相電極式では電気炉の中央部に３本の電極が設けられているため、側壁上の各部位は周方向の位置が変わると各電極までの水平距離が変わるのでその熱流束も周方向に異なる。従って、電気炉内の温度分布を推定するのは容易ではない。特許文献２の技術は三相交流電極式の電気炉のコーティング厚を良好に制御することを企図して高効率熱伝導媒体を局所的に配置するものであるが、当該高効率熱伝導媒体を設置した部位と、その周辺の部位とでは熱流束が大きく異なるため、コーティング厚みを精度よく推定するのは困難であった。

本発明は上記した従来の問題に鑑みてなされたものであり、側壁の熱流束が周方向や高さ方向に均一ではない電気炉であっても、その内周面側に形成されるコーティングの厚みを精度よく推定してこれを所望の厚さに調整することが可能な電気炉及びこれを用いた金属製錬方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る金属製錬方法は、金属製外壁部の炉内側耐火物層に炉外側から複数の高熱伝導性部材が局所的に挿入された側壁を有する電気炉を用いて焼鉱の熔融還元を行う金属製錬方法であって、該電気炉の内部で生成されるスラグのコーティング層と熔融しているスラグ層との界面の温度を該スラグの固相線温度と液相線温度との算術平均から求めておき、該高熱伝導性部材が挿入されている側壁部の熱流束と、それ以外の側壁部の熱流束とを各々熱流束計又は少なくとも２個の温度計により求め、得られた熱流束の各々と該電気炉の内部で生成されるスラグの融点として採用した該界面の温度とから各側壁部の炉内側表面に付着している該コーティング層の厚みを求め、得られた厚みをその許容範囲と比較することで電気炉の運転条件を調整することを特徴としている。

また、本発明に係る電気炉は、金属製外壁部とその炉内側の耐火物層とからなる側壁を有し、焼鉱の熔融還元を行う電気炉であって、該耐火物層は炉外側から複数の高熱伝導性部材が局所的に挿入されており、該高熱伝導性部材が挿入されている側壁部の熱流束を測定する第１熱流束測定手段と、それ以外の側壁部の熱流束を測定する第２熱流束測定手段と、これら測定手段で測定された熱流束の各々と該電気炉の内部で生成されるスラグの融点とから各側壁部の内周面に付着しているスラグコーティング層の厚みを演算する演算手段と、該演算手段で得た厚みをその許容範囲と比較し、その結果に基づいて電気炉の運転条件を調整する調整手段とを有しており、該演算手段では該電気炉内におけるスラグコーティング層と熔融しているスラグ層との界面の温度を該スラグの固相線温度と液相線温度との算術平均から求めてこれを前記スラグの融点として採用することを特徴としている。

本発明によれば、局所的に設けた高熱伝導性部材や中央部に位置する三相交流電極等の影響で側壁の熱流束が均一ではない電気炉であっても、側壁の内周面側に形成されるコーティング層の厚みを精度よく推定してこれを所望の厚さに調整することが可能になる。これにより、電気炉の寿命を延ばすことができるので設備コストを抑えることが可能になる上、電気炉内の実質容量を大きく確保できるので効率のよい運転が可能になる。

本発明の一具体例の製錬方法が好適に適用される三相交流電極式円形電気炉を水平方向に切断した断面図である。図１の電気炉の側壁を鉛直方向に切断した部分断面図である。本発明の一具体例の電気炉の模式図である。

鉄鋼や非鉄金属の熔融製錬用の電気炉は、高温熔融相を炉内に保持するため、鉄皮とも称される金属製外壁と、その内張りとしての耐火物層とからなる側壁で構築されている。特に耐火物層に煉瓦を用いる場合は、熔損が進むと炉内の高温熔融相が煉瓦間の目地を通って炉外へ漏洩するリスクが高まることから、煉瓦の熔損は電気炉の炉体の寿命に大きく影響を及ぼす因子である。また、炉内の高温熔融相が側壁の耐火物層と反応する例えばフェロニッケル製錬の熔融還元処理の場合、当該熔融還元に伴って電気炉内に形成されるスラグによる煉瓦の浸食が発生すると、側壁の寿命は著しく短くなってしまう。

スラグによる煉瓦の浸食が発生する場合は、例えば側壁を構成する外壁の外表面に上方からシャワー水を散布して側壁を冷却することが行われている。これにより、煉瓦と接している部分の熔融スラグを凝固させることができるので、煉瓦の炉内側表面に積極的にコーティング層を積層して熔融スラグと煉瓦との接触を防止し、熔融スラグによる煉瓦の熔損を防止することが可能となる。しかし、コーティング層が過剰に成長した場合は炉内の有効容積が減少するため、目的とするメタル相とスラグ相との分離性能や原料処理能力などの冶金性能が著しく低下する。

連続操業が行われる電気炉では、炉内のコーティング厚を直接測定することができないため、従来は側壁の温度を測定し、その偏倚が予め定めておいた閾値を超えた時に原料の装入量や原料組成の調合比を変えたり、炉体の冷却能力を調整したりする等の対処法がとられていた。しかし、これらはいずれも炉内のコーティング厚に基づいた対処法ではないため、炉体の保護を優先して安全サイドで対処せざるを得ず、電気炉そのものの冶金性能をある程度下げた状態で運転しなければならなかった。

これに対して本発明の一具体例の金属製錬方法は、金属製外壁部の炉内側の耐火物層に炉外側から複数の高熱伝導性の銅ブロック材が局所的に挿入された側壁を有する電気炉を用いて焼鉱の熔融還元を行う金属製錬方法において、該銅ブロック材が挿入されている側壁部の熱流束と、それ以外の側壁部の熱流束とを各々熱流束計又は１対の温度計により求め、得られた熱流束の各々と該電気炉の内部で生成されるスラグの融点とから各側壁部の内周面に付着しているスラグコーティング層の厚みを求め、得られた厚みをその許容範囲と比較することで電気炉の運転条件を調整している。

具体的に説明すると、図１に示すように、この本発明の一具体例の金属製錬方法が好適に適用される電気炉は三相交流電極式であって、その円筒形状の側壁１の中央部に３本の電極２が周方向に等間隔に配されている。そのため、電気炉の側壁１の内、これら３本の電極２にそれぞれ対向する領域は、それ以外の領域に比べて熱負荷が高くなる。そこで、この図１に示す電気炉では、３本の電極２にそれぞれ対向する高熱負荷領域の側壁部１ａ、１ｂ、１ｃの各々に、炉外側から高熱伝導性の銅無垢材からなる複数の銅ブロック３が、炉外側に一端部を突出させた状態で挿入されている。これにより当該銅ブロック３を介して側壁の熱を効率よく抜熱することが可能になる。

側壁部１ａ、１ｂ、１ｃに挿入する銅ブロック３のサイズや個数には特に限定はないが、図２に示すように、スラグ層Ｓの上面Ｌ１からスラグ層Ｓとメタル層Ｍの界面Ｌ２までの範囲を少なくともカバーするように、例えば複数の直方体形状の銅ブロック３を上下方向に一列に並べて挿入するのが好ましい（図２では４個の銅ブロック３が等間隔をあけて挿入されている様子が例示されている）。更に、上記した上下方向に一列に並んだ銅ブロック３の列を、図１に示すように周方向に複数列並べるのが好ましい（図１では４列の銅ブロック３が周方向にほぼ当接して並べられている様子が例示されている）。なお、スラグ層Ｓの上部は原料ベッド層Ｇが形成されており、側壁１の炉内側表面のうちスラグ層Ｓに接する面に厚くコーティング層Ｃが積層されている様子が示されている。

次に、上記した構造を有する電気炉の側壁における熱流束を測定する方法について説明する。本発明の一具体例の製錬方法では、電気炉の側壁を周方向に区分した各領域（以降、単位エリアとも称する）毎に熱流束を求めている。この単位エリアは、上記した銅ブロック３が挿入される側壁部１ａ、１ｂ、１ｃ、及び銅ブロック３が挿入されないそれ以外の側壁部に一致させるのが好ましい。但し、電気炉の中心部を中心とする単位エリアの中心角は２０°以上６０°以下となるように区分するのがコーティング厚の調整を簡易にする上で好ましい。このため、図１では銅ブロック３が挿入される側壁部１ａ、１ｂ、１ｃを除いた３つの側壁部を各々２つずつ区分して側壁部１ｄ〜１ｉとしている。

そして、銅ブロック３が挿入される側壁部１ａ、１ｂ、１ｃにそれぞれ対応する３つの単位エリアの各々では、各銅ブロック３に１対の温度計４が設けられている。この１対の温度計４は、それぞれの測温端部が互に異なる差し込み深さで埋設されている。これにより、銅ブロック３の内部において、電気炉の中心部を中心とする放射方向に離間する２箇所の温度を測定することができる。上記した１対の温度計４では、一方の温度計で測定した高温側の温度と、他方の温度計で測定した低温側の温度との差が大きいほど高い精度で熱流束を測定することができるので、両測温端部は互いに１００ｍｍ以上離間させることがより好ましい。

上記のように設置した１対の温度計４のうち、炉内側温度計で測定した温度をＴ_{ｃｕ−ｉｎ}、炉外側温度計で測定した温度をＴ_{ｃｕ−ｏｕｔ}、両温度計の測温端部の離間距離をＤ_ｃｕ、銅ブロック３の熱伝導率をＫ_ｃｕ（Ｗ／ｍ・Ｋ）とすると、銅ブロック３の熱流束ｑ_ｃｃ（Ｗ/ｍ^２）を下記式１で求めることができる。
[式１]
ｑ_ｃｃ＝Ｋ_ｃｕ×（Ｔ_{ｃｕ−ｉｎ}−Ｔ_{ｃｕ−ｏｕｔ}）／Ｄ_ｃｕ

２つの銅ブロック３で上下から挟まれる鉄皮及び耐火材層のみからなる側壁部の熱流束や、銅ブロック３が挿入されない側壁部１ｄ〜１ｉの熱流束も基本的に上記した銅ブロック３の熱流束ｑ_ｃｃの場合と同様にして測定することができるが、図２に示すように、側壁を構成する煉瓦がいわゆる裏張煉瓦と内張煉瓦の２層構造又はそれ以上の多層構造で施工されている場合は、１対の温度計の一方の測温端部が裏張煉瓦（断熱煉瓦）の炉外側表面に位置し、もう一方の測温端部が裏張煉瓦と内張煉瓦（耐火煉瓦）との接合部に位置するように埋設することが好ましい。

これにより、低温側の温度計を設置が容易な炉体の最表面に位置する金属製外壁部（以下、シェル又は鉄皮とよぶこともある）に設けることができる上、高温側の温度計も比較的設置が容易な裏張煉瓦と内張煉瓦の接合面に設けることができる。更に、断熱煉瓦の厚み方向両端部の温度差を測定するので、高温側の温度と低温側の温度の差を大きく取ることができ、誤差の少ない高精度の熱流束を測定することが可能になる。

上記のように設置した１対の温度計４のうち、炉内側温度計で測定した温度をＴ_{ｂｒ−ｉｎ}、炉外側温度計で測定した温度をＴ_{ｂｒ−ｏｕｔ}、両温度計の測温端部の離間距離をＤ_ｂｒ、煉瓦の熱伝導率をＫ_ｂｒ（Ｗ／ｍ・Ｋ）とすると、２個の銅ブロック３で上下から挟まれる鉄皮及び耐火材層のみからなる側壁部や、銅ブロック３が挿入されない側壁部１ｄ〜１ｉにおける熱流束ｑ_ｂｒ（ｋＷ／ｍ^２）は下記式２で求めることができる。
[式２]
ｑ_ｂｒ＝Ｋ_ｂｒ×（Ｔ_{ｂｒ−ｉｎ}−Ｔ_{ｂｒ−ｏｕｔ}）／Ｄ_ｂｒ

本発明の製錬方法が対象とする電気炉の水平断面形状は円形であるので、上記した銅ブロック３に１対の温度計を設置する場合や、鉄皮及び耐火材層のみからなる側壁部に１対の温度計を設置する場合は、各対の温度計の２つの測温端部が電気炉の中心部を中心とする放射線上に位置していることが好ましい。電気炉の水平断面形状が円形の場合、熱流束の方向は電気炉の中心部を中心とする放射方向にほぼ一致するからであり、上記のように各対の温度計の２つの測温端部を設置することにより、精度良く熱流束を測定することができる。なお、各銅ブロック３の熱流束や鉄皮及び耐火材層のみからなる側壁部の熱流束は、それぞれに熱流束計を設置することで直接測定してもよい。また、本発明の製錬方法が対象とする電気炉の平面形状は上記した円形に限定されるものではなく、楕円形等でもよい。

銅ブロック３が挿入される側壁部１ａ、１ｂ、１ｃにそれぞれ対応する３つの単位エリアでは、上記した銅ブロック３の熱流束ｑ_ｃｃ（ｋＷ／ｍ^２）、及び２個の銅ブロック３で上下から挟まれる鉄皮及び耐火材層のみからなる側壁部の熱流束ｑ_ｂｒ（ｋＷ／ｍ^２）から別々にコーティング厚を算出してもよいが、これらを面積で平均した平均熱流束を用いてコーティング厚を算出するのが好ましい。

具体的には、各銅ブロック３を電気炉の法線方向から見た時の面積をＳ_ｃｃ（ｍ^２）、２個の銅ブロック３で上下から挟まれる鉄皮及び耐火材層のみからなる側壁部を電気炉の法線方向から見た時の面積であって、温度計が設けられている互いに隣接する側壁部の領域の中間位置を境界とする範囲の面積をＳ_ｂｒ（ｍ^２）とした時、銅ブロック３が挿入される側壁部１ａ、１ｂ、１ｃのそれぞれに対応する３つの単位エリアの各々の平均熱流束Ｑ_ｉｎ（ｋＷ／ｍ^２）は、下記式３で求めることができる。

［式３］
Ｑ_ｉｎ＝（ｑ_ｃｃＳ_ｃｃ＋ｑ_ｂｒＳ_ｂｒ）／（Ｓ_ｃｃ＋Ｓ_ｂｒ）

次に、上記した熱流束に基づいてコーティング厚を算出する方法について説明する。上記方法で求めた各単位エリア内における熱流束は、電気炉の中心部を中心とする放射方向にのみ熱移動するものと仮定する。すなわち、隣接する単位エリア同士間における炉体の円周方向の熱の移動はないものと仮定する。また、側壁は円形で構成されるので、各単位エリア内の例えば鉄皮の熱流束と耐火物層の熱流束とは厳密にいえば同等ではないが、簡単のため同等であると仮定する。

鉄皮は熱伝導率が極めて高いので、鉄皮の炉外側表面の温度は鉄皮に隣接する煉瓦の炉外側表面の温度とほぼ同等と仮定することができ、該煉瓦の厚み及び熱伝導率は既知であるので、上記平均熱流束の値からフーリエの法則により煉瓦の厚み方向の温度分布を算出することができる。煉瓦よりも炉内側の領域においては、スラグの融点に達するまでは、スラグは凝固層として存在すると考える。かかるスラグの凝固層における熱伝導率においては、各スラグの温度と固相率の関係（凝固パスと呼ぶこともある）を考慮し、当該温度における安定相の熱伝導率を使用する。煉瓦の炉内側表面から凝固層温度がスラグの融点に達する位置までの距離を、凝固層厚み、すなわちコーティング厚として決定する。

上記したスラグの融点は、スラグを構成する主要成分のうち、質量％濃度が高いものから順番に各成分の濃度を合計し、この合計が１００％に出来るだけ近づくように複数成分を構成要素に採用し、熱力学計算によってスラグの凝固が開始すると想定される温度、すなわちスラグの液相線温度を求める。上記で採用する各成分には、少なくともＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＦｅＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＣａＯが含まれるのが好ましい。その理由は、フェロニッケル製錬の場合は、これらＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＦｅＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＣａＯの組成からスラグの凝固が開始する温度を求めることにより、精度良くスラグの凝固が開始する温度を求めることができるからである。

なお、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＦｅＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＣａＯの割合の合計は９０％以上であることが好ましい。フェロニッケル製錬を行っている電気炉が、このようにＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＦｅＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＣａＯの割合の合計が９０％以上となるスラグ組成を処理していれば、上記した製錬方法を適用することにより、より一層高い精度でスラグの凝固が開始する温度を求めることができる。

電気炉内におけるスラグコーティング層と熔融しているスラグ層との界面の温度は、スラグの固相線温度と液相線温度との算術平均から求めるのが好ましい。スラグ層とスラグコーティング層との界面の温度、すなわち、スラグの凝固が開始する温度は、例えば、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＦｅＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯといった多元系の組成から求めるため、スラグの凝固が開始する温度として固相線と液相線が求まる。従って、コーティング厚を求める際に使用するスラグが凝固する温度としては、固相線と液相線の中間値を使うことが最も精度よくコーティング厚を求めることができるので好ましい。

コーティング厚の最適厚さは電気炉の処理能力や運転条件等により変わるものの、一般的には１０〜８００ｍｍである。この範囲内のコーティング厚となるように、電気炉の各種運転条件が調整される。各種運転条件としては、電気炉の電極に供給する電力を調整したり、銅ブロックが挿入されていない側壁部の鉄皮に設けたシャワーケーシングの散水量を調整したりすることを挙げることができる。

あるいは、銅ブロック内に通水可能な流路を設け、ここに流す冷却水の流量を調整してもよい。また、スラグの組成を適宜調整することでスラグの融点を制御出来るため、上記したコーティング厚の計算結果に基づいて、例えばコーティング厚を成長させたいときにはスラグの融点が上昇するよう組成調整を行い、逆にコーティング厚を薄くしたいときには、スラグの融点が低下するように成分調整をしてもよい。

図３には、コーティング厚の測定結果に基づいて電気炉の鉄皮に流すシャワー水の流量を調整する例が示されている。すなわち、上記した銅ブロック３に設けた１対の温度計４の測定結果に基づいて銅ブロック３の熱流束を測定する第１熱流束測定手段１１と、銅ブロック３が挿入されていない側壁部に設けた１対の温度計４の測定結果に基づいてその部位の熱流束を測定する第２熱流束測定手段１２と、これら測定手段で測定された熱流束の各々と該電気炉の内部で生成されるスラグの融点とから各側壁部の内周面に付着しているスラグコーティング層の厚みを演算する演算手段１３と、該演算手段１３で得た厚みをその許容範囲と比較し、その結果に基づいて冷却水供給配管の調節弁の開度を調整する調整手段１４とが示されている。なお、上記の演算手段１３及び調整手段１４は、例えばＣＰＵ１５で実現することができる。

以上説明したように、本発明の金属製錬方法により、熱流束が均一ではない側壁に複数の高熱伝導性部材が局所的に挿入された電気炉において、側壁の内周部側に形成されたコーティング層の厚みを間接的に測定して、この測定したコーティング厚に基づいて電気炉の運転条件を調整することでコーティング厚を所望の厚さにすることが可能になる。これにより、電気炉の寿命を延ばすことができるので設備コストを抑えることが可能になる上、電気炉内の実質容量を大きく確保できるので効率のよい運転が可能になる。更に、生成するスラグの組成が原料によって大きく変動するような場合であっても電気炉の炉体を保護するために原料組成に制限を設ける必要がなくなり、モニタリング結果を見ながら操業条件を調整することで対応可能となる。そのため、原料の選択肢が増えるので原料コストを下げることが可能になる。

（実施例１）
図１に示すような三相交流電極式の円形電気炉を用いてフェロニッケルの原料となる焼鉱を熔融還元処理した。電気炉の側壁を構成する煉瓦には、ＭｇＯを８０質量％以上含むＭｇＯ煉瓦を使用した。また、フェロニッケル製錬において生成するスラグはＭｇＯ−ＳｉＯ_２−ＦｅＯを主成分とし、その他にもＡｌ_２Ｏ_３、ＣａＯを１〜３％程度含み、上記５元素の合計は９０質量％を超えたスラグ組成であった。このスラグ組成を有するフェロニッケルスラグは、熔融状態でＭｇＯ煉瓦と接触すると煉瓦の浸食を促進するため、最適な厚さを有するコーティング層により熔融スラグからのＭｇＯ煉瓦の保護を図るべく、電気炉に供給する電力を調整した。

使用した電気炉の炉内は、ガス相、原料ベッド相、スラグ相、メタル相から形成されており、電気炉の炉上（以下、単に炉上とよぶ）には、ロータリーキルンから得られた原料（以降、焼鉱とよぶ）が貯められる原料ビンと、この原料ビンと炉内までを結んでいる原料装入管とが設けられており、炉内の焼鉱層（以下、原料ベッド層とよぶこともある）から原料ビンまでは常に原料が充填された状態となっている。

従って、電力により熔解した分の焼鉱は常に原料ビンから供給され、原料ベッド層は常に一定の形状と温度が保たれる。一方、焼鉱の熔解に伴い生成するスラグ及びメタルは、電気炉下部に設けられた２つの排出口からそれぞれが生成量に合わせて排出される。従って、炉内のスラグレベル及びメタルレベルはほぼ一定に保たれている。なお、炉内の特にスラグ層内における温度分布は常に一定の状態が保たれていた。

本実施例では、図１に示すように、３つの電極２にそれぞれ対向する角度範囲４０°の側壁部１ａ、１ｂ、１ｃに複数の直方体形状の銅ブロック３を炉外側から挿入した。これら側壁部１ａ、１ｂ、１ｃの各々には、銅ブロック３を上下方向に４個並べ、この列を周方向に４列並べた。そして、各銅ブロック３の熱流束や、銅ブロック３が挿入されない側壁部の熱流束を測定するため、図２に示すように各測定部位に１対の温度計４を挿入した。

側壁部１ａ、１ｂ、１ｃ以外の銅ブロック３が挿入されない側壁部は、図１に示すように角度範囲４０°刻みで６つの単位エリアに区分して側壁部１ｄ〜１ｉとした。これら側壁部１ｄ〜１ｉの単位エリアには、周方向の略中央部に熱流束測定のための温度計を１対ずつ設けた。このようにして設置した温度計の測定値を上記の式１又は式２に代入して、各温度計の取り付け部位における熱流束を求めた。

スラグの融点に関しては、スラグの組成のうち、ＭｇＯ：３３質量％、ＳｉＯ_２：５２質量％、ＦｅＯ：１１質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１１質量％、及びＣａＯ：０.４質量％の５元素による平衡計算を行い、均一液相を担保できる最低温度を融点１５７０℃として決定した。なお、実際のスラグ温度は１５８０℃であった。

上記の式１及び式２で得た熱流束とスラグの融点に基づいて、側壁を構成する煉瓦の厚み方向の温度分布を定常一次元計算により算出した。その際、煉瓦よりも炉内側のスラグの凝固層については、化学組成から想定される凝固相の熱伝導率を用いて温度分布を計算し、煉瓦の炉内側表面から凝固相温度がスラグ融点に達した位置までの距離を、凝固層厚みとして決定した。

その結果、銅ブロック３が挿入されていない側壁部１ｄ〜１ｉでは、側壁部に設けた１対の温度計４により低温側の温度４０℃、高温側の温度６００℃が得られ、これらを既知のデータである断熱煉瓦の厚さ０.２ｍ、及び断熱煉瓦の熱伝導率０.１７ｗ／（ｍ・Ｋ）と共に上記式２に代入することで断熱煉瓦の熱流束４７６Ｗ／ｍ^２が得られた。定常状態ではこの熱流束は側壁の厚み方向においてほぼ同等であり、断熱煉瓦の炉内側表面温度と耐火煉瓦の炉外側表面温度もほぼ同等であるので、これらを既知のデータである耐火煉瓦厚０.５ｍ、及び耐火煉瓦熱伝導率６Ｗ／（ｍ・Ｋ）と共にフーリエの式ｑ＝ｋδＴ／δＤに代入することにより、耐火煉瓦の炉内側表面温度を６４０℃と推定することができる。そして、この炉内側表面温度及びスラグの融点１５７０℃と、前述した方法で求めたスラグの熱伝導率０.１５Ｗ／ｍ^２を上記のフーリエの式に代入することでスラグコーティング厚を０.２９ｍと推定することができる。

同様に、銅ブロック３が挿入されている側壁部１ａ〜１ｃでは、銅ブロック３に設けた１対の温度計４により低温側の温度４０℃、高温側の温度５０℃が得られ、これらを既知のデータである銅ブロックの厚さ０.５ｍ、及び銅ブロックの熱伝導率３８６Ｗ／（ｍ・Ｋ）と共に上記式１に代入することで銅ブロック３の熱流束７７２０Ｗ／ｍ^２が得られた。これら銅ブロック３によって上下から挟まれている鉄皮及び耐火材層のみからなる側壁部の熱流束は上記した側壁部１ｄ〜１ｉの熱流束とほぼ同等と考えることができ、また、本実施例の電気炉では側壁部１ａ〜１ｃの各々において、該鉄皮及び耐火材層のみからなる側壁部を電気炉の法線方向から見た時の面積の合計と銅ブロックを電気炉の法線方向から見た時の面積の合計との面積比は約１：１であったので、前述した式３より、銅ブロックが挿入される側壁部１ａ、１ｂ、１ｃでは平均熱流束Ｑ_ｉｎ（ｋＷ／ｍ^２）は４０９８Ｗ／ｍ^２となる。

定常状態ではこの平均熱流束は側壁の厚み方向においてほぼ同等であるので、これらを既知のデータである耐火煉瓦厚０.３ｍ及び耐火煉瓦熱伝導率６Ｗ／（ｍ・Ｋ）と共に上記フーリエの式に代入することにより、耐火煉瓦の炉内側表面温度を２５５℃と推定することができる。そして、この炉内側表面温度及びスラグの融点１５７０℃と、上記したスラグの熱伝導率０.１５Ｗ／ｍ^２を上記のフーリエの式に代入することで、スラグコーティング厚を０.０４８ｍと推定することができる。

なお、銅ブロックのみからなる側壁部の場合は、上記と同様に考慮すると熱流束は７７２０Ｗ／ｍ^２となる。定常状態ではこの熱流束は側壁の厚み方向においてほぼ同等であるので、これらを既知のデータである耐火煉瓦厚０.３ｍ及び耐火煉瓦熱伝導率６Ｗ／（ｍ・Ｋ）と共に上記フーリエの式に代入することにより、耐火煉瓦の炉内側表面温度を４３６℃と推定することができる。そして、この炉内側表面温度及びスラグの融点１５７０℃と、上記したスラグの熱伝導率０.１５Ｗ／ｍ^２を上記のフーリエの式に代入することで、スラグコーティング厚を０.０２２ｍと推定することができる。

上記した推定方法により求めたスラグコーティング厚は、銅ブロック３が挿入されている側壁部１ａ〜１ｃ、及び銅ブロック３が挿入されていない側壁部１ｄ〜１ｉのいずれにおいても目標とするコーティング厚の範囲内にあったので、煉瓦部分外側の鉄皮に設けられたシャワーケーシングの散水量や電極に供給する電力量をそのまま維持したところ、スラグやメタルの組成が変化することなく安定的に運転を継続することができた。

（比較例１）
銅ブロック３が挿入されている側壁部、及び銅ブロック３が挿入されていない側壁部のいずれにおいても熱流束を測定せずに側壁の温度だけを測定し、過去の運転データに基づいてコーティング厚を推定したことを除き、実施例１と同様にしてフェロニッケルの製錬を行った。その際、側壁の保護を優先して電気炉に供給する電力を制御したため、メタル相とスラグ相の分離性能、具体的にはスラグ相に混入するメタルの割合、すなわち、スラグに含まれるニッケル含有率が１０％悪化した。これは、側壁部のコーティング厚が実施例１に比べて厚くなり、炉内の有効容積が減少したことによるものと考えられる。

１側壁
２電極
３銅ブロック
４温度計
１１第１熱流束測定手段
１２第２熱流束測定手段
１３演算手段
１４調整手段
１５ＣＰＵ

Claims

金属製外壁部の炉内側耐火物層に炉外側から複数の高熱伝導性部材が局所的に挿入された側壁を有する電気炉を用いて焼鉱の熔融還元を行う金属製錬方法であって、該電気炉の内部で生成されるスラグのコーティング層と熔融しているスラグ層との界面の温度を該スラグの固相線温度と液相線温度との算術平均から求めておき、該高熱伝導性部材が挿入されている側壁部の熱流束と、それ以外の側壁部の熱流束とを各々熱流束計又は少なくとも２個の温度計により求め、得られた熱流束の各々と該電気炉の内部で生成されるスラグの融点として採用した該界面の温度とから各側壁部の炉内側表面に付着している該コーティング層の厚みを求め、得られた厚みをその許容範囲と比較することで電気炉の運転条件を調整することを特徴とする金属製錬方法。
前記高熱伝導性部材が挿入されていない側壁部の熱流束を、該側壁部を構成する耐火物層のうち、前記電気炉の炉外側に設けられる裏張煉瓦の炉外側表面の温度と炉内側表面の温度との温度差から求めることを特徴とする、請求項１に記載の金属製錬方法。
前記高熱伝導率部材の熱流束を、該高熱伝導率部材の内部において前記電気炉の中心部を中心とする放射方向に離間する２箇所の温度の温度差から求めることを特徴とする、請求項１又は２に記載の金属製錬方法。
前記スラグの融点を、該スラグを構成する少なくともＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＦｅＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＣａＯの組成から求めることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属製錬方法。
前記スラグの組成のうち、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＦｅＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＣａＯの合計が９０質量％以上であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属製錬方法。
前記電気炉を水平方向に切断した断面形状が円形であって、前記少なくとも２個の温度計の両測温端部が、該電気炉の中心部を中心とする放射線上に設けられていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属製錬方法。
金属製外壁部とその炉内側の耐火物層とからなる側壁を有し、焼鉱の熔融還元を行う電気炉であって、該耐火物層は炉外側から複数の高熱伝導性部材が局所的に挿入されており、該高熱伝導性部材が挿入されている側壁部の熱流束を測定する第１熱流束測定手段と、それ以外の側壁部の熱流束を測定する第２熱流束測定手段と、これら測定手段で測定された熱流束の各々と該電気炉の内部で生成されるスラグの融点とから各側壁部の内周面に付着しているスラグコーティング層の厚みを演算する演算手段と、該演算手段で得た厚みをその許容範囲と比較し、その結果に基づいて電気炉の運転条件を調整する調整手段とを有しており、該演算手段では該電気炉内におけるスラグコーティング層と熔融しているスラグ層との界面の温度を該スラグの固相線温度と液相線温度との算術平均から求めてこれを前記スラグの融点として採用することを特徴とする電気炉。