JPH05125416A - 鉄浴式溶融還元炉用冷却構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 溶融還元炉の炉壁に用いる冷却媒体噴出型冷
却構造体において、二次燃焼操業によって高温となる鉄
浴式溶融還元炉の炉壁の寿命を大幅に向上させる炉壁構
造体を提供するもの。 【構成】 小径金属管を埋設してなる冷却媒体噴出型冷
却構造体において、隣接する２つの該金属管の中心間距
離Ｄｂと該金属管の内径Ｄｐの比Ｄｐ／Ｄｂが０．０３
〜０．３０の範囲であって、かつＤｐを２〜６mmとする
と同時に、前記ＤｂがＤｐの４倍以上となるようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄浴式溶融還元炉の炉
壁の損耗を抑制するに効果的な冷却構造体に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】不活性ガスもしくは不活性ガスと酸素の
混合ガスによって攪拌される浴中に、粉状もしくは塊状
の鉱石および炭素質原料を供給し、酸素を上吹しながら
鉱石の還元、溶融を行う鉄浴式溶融還元炉では、還元反
応によって発生するＣＯガスを上吹酸素によってＣＯ₂
ガスまで二次燃焼させ、還元吸熱反応への補償熱とする
二次燃焼操業を標準的に実施している。

【０００３】二次燃焼による熱裕度の上昇は、鉱石投入
速度の上昇、すなわち生産速度の上昇を促す反面、炉内
の二次燃焼領域におけるガス温度、炉壁温度および炉内
の酸素分圧の上昇を招く。このため、耐火物の高温下で
のメルトダウンや耐火物中の易酸化成分の酸化を促進す
るとともに、炉壁面に飛散してくるスラグの浸食力を高
め、結果的に炉壁耐火物の損耗を著しく増大させること
になる。

【０００４】このような鉄浴式溶融還元炉の二次燃焼領
域など高温になりやすい炉壁の耐火物損耗を抑制する方
法としては、たとえば、特開昭６１−６７７０８号公報
や特開昭５９−５９８２０号公報に、多孔質れんがや金
属管を介して炉内に冷却媒体を吹込む方法が開示されて
いる。いずれの方法も炉内に冷却媒体を吹き込むことに
よって炉壁表面を冷却し、炉壁の損耗抑制に貢献しよう
とするものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記特開昭６１−６７
７０８号公報や特開昭５９−５９８２０号公報に開示さ
れた方法を、前記鉄浴式溶融還元炉の二次燃焼領域の炉
壁へ使用してみたところ、次のような問題のあることが
判明した。 多孔質れんがでは、れんが製造過程において孔の形状
や寸法を制御することが難しいこと、孔が大きくなると
れんがとしての形状保持に難点があることなどの理由に
より、形状寸法が不均一で、しかも孔の小さいものしか
製造ができなかった。 このため、冷却に必要な多量の冷却媒体を、前記多孔
質れんがの炉内側表面全面から均一に吹き込むことは困
難であり、また飛散スラグなどによる部分的な孔の閉塞
は、この問題を一層深刻なものにした。 金属管では、孔の形状、寸法を制御でき、多孔質れん
がの製造上の問題については解決できるものの、該金属
管の内径が大きすぎると冷却媒体の線流速を確保するた
めに、冷却に必要な量以上の冷却媒体を導通させる必要
があり、また反対に小さいと圧力損失が大きくなり、昇
圧コンプレッサーの設置等設備的な対応が必要になる。 前記特開昭６１−６７７０８号公報や特開昭５９−５
９８２０号公報に開示された方法では、炉内の温度条件
の変化などに対応した最適な冷却構造体の形状、製造方
法が明らかにされておらず、鉄浴式溶融還元炉の二次燃
焼領域のように極めて高温になる炉壁の冷却構造体とし
て適用するには、冷却効果その他の面で問題があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる従来技
術の問題を解決して、鉄浴式溶融還元炉用に適した冷却
構造体を提供し、該鉄浴式溶融還元炉の二次燃焼領域な
どの高温部の炉壁耐火物の損耗の抑制を図る手段とし
て、工業的に利用価値の高い技術を提供しようとするも
のである。

【０００７】本発明はかかる課題を解決するために、先
端面に開口を有する複数の小径金属管を埋設して構成さ
れた冷却媒体噴出型冷却構造体において、隣接する２つ
の金属管の軸中心間距離Ｄｂと金属管の内径Ｄｐの比Ｄ
ｐ／Ｄｂが、０．０３〜０．３の範囲として、炉壁面の
冷却効果を最大ならしめるとともに、前記金属管の内径
Ｄｐが２〜６mmであって、隣接する２つの金属管の軸中
心間距離Ｄｂが前記金属管の内径Ｄｐの４倍以上とする
ことを特徴とするものである。

【０００８】隣接する２つの金属管の軸中心間距離Ｄｂ
と金属管の内径Ｄｐの比Ｄｐ／Ｄｂを０．０３〜０．３
の範囲としたのは、０．０３以下ではれんがの冷却効果
（表面温度の低下）がほとんど認められず、また０．３
以上では冷却効果が鈍化（これ以上、Ｄｐ／Ｄｂを大き
くとっても、れんが表面温度はあまり低下しない）し、
かつれんが製造コストの増大を招くためである。

【０００９】前記金属管の内径Ｄｐについては、使用中
の閉塞の可能性が小さく、またれんがの製造上の観点か
ら設定する必要がある。発明者らは、高温下でスラグが
飛散してくる操業条件下では、前記Ｄｐが２mm以下にな
ると著しく閉塞しやすくなること、また、前記Ｄｐが６
mmを越えると、該金属管がれんがの成形時の圧力で押し
つぶされる現象が著しく増大することを、経験的に見出
している。前記金属管の内径Ｄｐを２〜６mmに限定した
のはかかる理由によるものである。

【００１０】さらに、前記金属管の内径Ｄｐが２〜６mm
の範囲で、該冷却構造体を製造したところ、前記Ｄｂが
Ｄｐの４倍以下では、金属管の埋設密度が高すぎること
によって、れんが成形後の形状保持が困難であることを
見出した。ＤｂをＤｐの４倍以上に限定したのは、かか
る理由によるものである。

【００１１】図３に、本発明における冷却構造体の一実
施例を示す単体斜視図を示す。該冷却構造体１は、炉外
の冷却媒体供給本管もしくは供給装置に連接される接続
管１１、供給された冷却媒体を均等な圧力で分配するた
めの均圧室１２、冷却媒体を導通させる金属管１３およ
び該金属管を埋設した耐火れんが１４によって構成され
る。

【００１２】接続管１１は、耐熱性、加工性、価格など
を考慮し、炭素鋼鋼管、ステンレス鋼鋼管およびその他
の合金鋼鋼管の中から任意に選択できるが、本実施例で
は炭素鋼鋼管を用いた。均圧室１２は、金属材料を溶接
などの接合手段で組み合わせた中空構造物であり、該金
属材料は、炭素鋼、ステンレス鋼およびその他の合金鋼
の中から任意に選択できるが、耐熱性、加工性、価格な
どを考慮し、本実施例ではステンレス鋼を用いた。

【００１３】金属管１３は、耐熱性、加工性、価格など
を考慮し、炭素鋼鋼管、ステンレス鋼鋼管およびその他
の合金鋼鋼管の中から任意に選択できるが、本実施例で
は特に耐熱性と加工性を重視し、ステンレス鋼鋼管を用
いた。

【００１４】耐火れんが１４は、通常商業生産されてい
る耐火物材質の中から任意に選択できるが、冷却という
目的を達成する上では、熱伝導率の高いカーボンを含有
した耐火物、たとえば、アルミナとカーボンおよびその
他の金属あるいは非金属添加物からなるアルミナ・カー
ボン質れんが、およびマグネシアとカーボンおよびその
他の金属あるいは非金属添加物からなるマグネシアカー
ボン質れんがなどから、任意に選択すればよいが、アル
ミナ原料を使用した場合には、炉壁の温度変化に対する
損耗速度の応答性がよい。すなわち冷却による損耗速度
抑制効果が発揮しやすいため、本実施例では前者のアル
ミナ・カーボン質れんがを用いた。

【００１５】図４は、図１に示した冷却構造体を鉄浴式
溶融還元炉の炉壁に組み込んだ状態の部分縦断面図であ
る。通常、炉壁は鉄皮２の内側に、ウェアれんが３とパ
ーマれんが４が構築されて構成される。前記冷却構造体
１は、炉壁の易損耗部に、前記ウェアれんが３とパーマ
れんが４に置換して構築される。該冷却構造体１と鉄皮
２との間には、不定形耐火物５を充填する。該冷却構造
体の接続管１１は、鉄皮の開孔部２ａを通して炉外に突
出させ、炉外で図示しない冷却媒体供給本管もしくは冷
却媒体供給装置に連接させる。このようにして、冷却媒
体供給本管もしくは冷却媒体供給装置〜接続管１１〜均
圧室１２〜金属管１３〜炉内への冷却媒体導通路が完成
される。

【００１６】該冷却構造体１は、このようにして通常の
炉壁中に組み込めるよう、製造寸法に若干の制約が必要
となる。すなわち、該冷却構造体の高さｈ１は、通常の
耐火れんがの高さｈ２の整数倍となるようにした。な
お、前記均圧室１２を省略した冷却構造体も本発明の実
施例に包含される。

【００１７】

【作用】図１に、前述した冷却構造体の冷却効果に関す
る結果の一例を示す。該冷却構造体の炉内側最高表面温
度と前記金属管の内径Ｄｐと隣接する２つの金属管の軸
中心間距離Ｄｂとの比Ｄｐ／Ｄｂの関係で示した。図１
において、実線で示したものは、後述する伝熱条件にて
計算した結果を示す。また、●で示したものは、後述す
る実施例に示した大型鉄浴式溶融還元炉の二次燃焼領域
の炉壁に適用した場合の側温結果から、該冷却構造体炉
内表面温度を推定した結果である。

【００１８】この場合の炉内側の熱的条件は、鉄浴式溶
融還元炉において４０〜５０％の二次燃焼率で操業する
場合の二次燃焼領域での炉壁の負荷条件を考慮し、炉内
雰囲気温度１８００℃、炉内から壁面への総括熱伝達率
１５０kcal／（ｈ・ｍ² ・℃）、鉄皮から炉外への伝熱
は自然放冷によるものとした。

【００１９】冷却媒体は窒素とし、供給速度は該冷却用
構造体の炉内側表面積１ｍ² 当たり４００Nm³ ／（ｈ・
ｍ² ）とした。各部の温度は、定常伝熱計算によって求
めた。前記冷却用構造体の金属管には、内径４mm、肉厚
１．５mmのステンレス鋼管を用い、れんが材質はアルミ
ナ９０重量部、カーボン１０重量部の主原料に若干の金
属添加物を加えたアルミナ・カーボン質れんがを用い
た。該アルミナ・カーボン質れんがの熱伝導率は、１０
００℃で１２kcal／（ｈ・ｍ² ・℃）であった。図１に
おいて、該冷却用構造体の最高表面温度は、Ｄｐ／Ｄｂ
が０．０３程度から急激に低下し始め、Ｄｐ／Ｄｂが
０．３を超えると温度低下度合いが鈍化する。計算によ
る推定結果と、大型鉄浴式溶融還元炉での測温結果から
推定した該冷却構造体炉内表面温度が概ね一致し、前記
Ｄｐ／Ｄｂによって該冷却構造体表面温度が制御できる
ことが明らかになった。

【００２０】また、該冷却構造体の炉内表面温度は、Ｄ
ｐ／Ｄｂが０．０３から急激に低下し始め、０．３を超
えるとあまり下がらなくなる。Ｄｐ／Ｄｂの過度の増大
は、れんが製作の難度を増し、価格アップを招くととも
に、場合によってはれんがとしての形状保持すら困難に
なることもある。Ｄｐ／Ｄｂを０．０３〜０．３の範囲
に限定したのは、かかる理由による。

【００２１】図２に前述した冷却構造体を用いた場合の
損耗抑制効果に関する結果の一例を示すものとして、れ
んが表面温度と損耗速度の関係を示した。図２におい
て、○で示したものは、通常の耐火れんがの稼働面温度
を所定の温度に保持しながら、溶融還元炉で発生するス
ラグに近い組成の浸食材の溶融物を吹き付けた場合のれ
んがの損耗速度を示す実験室での結果である。また●で
示したものは、Ｄｐ／Ｄｂ＝０．２０になるように金属
管を埋設したれんがで、れんが表面温度が１８００℃に
なる条件の熱供給を行ないながら、冷却媒体の供給速度
を制御することによってれんが表面温度を所定の温度に
制御した。

【００２２】かかる状態で前記浸食材の溶融物を吹き付
けた場合の、該冷却構造体の損耗速度を示す実験室での
結果である。いずれの場合も、れんがの素材としてＡｌ
₂ Ｏ₃ ９０重量部、Ｃ１０重量部のものを用いた結果で
ある。

【００２３】図２の結果に示すように、れんが表面温度
と損耗速度が一定の関係にあることは明白であり、すな
わち本発明に示した冷却構造体によってれんが表面温度
を制御することは、炉壁の損耗速度を抑制するうえで極
めて有効な手段である。

【００２４】

【実施例】本発明を、１００ｔ鉄浴式溶融還元炉の二次
燃焼領域の炉壁の最大損耗部に適用した。該鉄浴式溶融
還元炉では、底吹ガスによって攪拌された鉄浴とスラグ
浴中に、鉄鉱石と石炭を連続的に供給し、溶融還元を実
施した。この場合の二次燃焼率は４５〜５０％であり、
炉上部での雰囲気温度は１７００〜１９００℃程度であ
った。かかる鉄浴式溶融還元炉での二次燃焼領域におけ
る炉壁耐火物の損耗速度は、本発明を適用する以前に
は、吹酸時間１時間あたり５〜１０mmであった。

【００２５】該鉄浴式溶融還元炉に適用した、本発明に
よる冷却構造体の諸元は次の通りであった。

【００２６】金属管の材質：ステンレス鋼 金属管の内径：４mm 金属管の外径：７mm 耐火物：アルミナ・カーボン質れんが（アルミナ９０
重量部、カーボン１０重量部） 冷却媒体：窒素 冷却媒体供給速度：４００Nm³ ／（ｈ・ｍ² ） 接続管：内径２５mm、炭素鋼鋼管 均圧室：ステンレス鋼板の溶接組合せ構造 であり、かつＤｐ／Ｄｂが０．０２，０．０３，０．
１，０．２および０．４の５種類であった。

【００２７】かかる冷却構造体の大型鉄浴式溶融還元炉
の二次燃焼領域における損耗速度を、表１に、Ｄｐ／Ｄ
ｂと冷却媒体供給速度毎に示した。冷却Ｎ₂の供給速度
に係わらず、損耗速度はＤｐ／Ｄｂが０．０３〜０．３
の間で極小値を示し、しかも、冷却媒体供給速度をＮ₂
で４００（Nm³ ／ｈ・ｍ² ）とすると、通常の耐火れん
がの１／１０程度にまで損耗速度を抑制できることがわ
かった。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【発明の効果】本発明は、冷却構造体の金属管の形状、
寸法および冷却媒体の供給速度を適正化することによっ
て、二次燃焼操業によって極めて高温になる鉄浴式溶融
還元炉の二次燃焼領域の炉壁表面温度を制御して損耗速
度を抑制する手段を提供したものであり、工業的に極め
て利用価値の高い発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作用を示す炉壁表面温度計算の図表で
ある。

【図２】本発明の作用を示す炉壁表面と損耗速度の関係
の図表である。

【図３】本発明の実施例を示す冷却構造体の単体斜視図
である。

【図４】本発明の実施例を示す炉壁構造の部分縦断面図
である。

【符号の説明】

１ 冷却構造体 １１ 接続管 １２ 均圧室 １３ 金属管 １４ 耐火れんが ２ 鉄皮 ２ａ 開孔部 ３ ウェアれんが ４ パーマれんが ５ 不定形耐火物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中尾 淳 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端面に開口を有する複数の小径金属管
   を埋設して構成された冷却媒体噴出型冷却構造体におい
   て、隣接する２つの金属管の軸中心間距離Ｄｂと金属管
   の内径Ｄｐの比Ｄｐ／Ｄｂが、０．０３〜０．３の範囲
   であり、かつ前記金属管の内径Ｄｐが２〜６mmであっ
   て、隣接する２つの金属管の軸中心間距離Ｄｂが前記金
   属管の内径Ｄｐの４倍以上であることを特徴とする鉄浴
   式溶融還元炉用冷却構造体。