JPH0598334A

JPH0598334A - 溶融金属反応炉の炉壁構造

Info

Publication number: JPH0598334A
Application number: JP25924291A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Sakamoto; 克彦阪本; Tetsuji Ibaraki; 哲治茨城; Michitaka Kanemoto; 通隆金本; Hikofumi Taniishi; 彦文谷石; Hikari Motomiya; 光本宮
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-10-07
Filing date: 1991-10-07
Publication date: 1993-04-20

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、冷却構造体を構築した溶融金属反
応炉の炉壁構造に関して、前記冷却構造体と耐火れんが
壁の接触部における前記耐火れんがの割損を防止し、炉
寿命の延長を図るとともに、炉稼働率を大幅に向上させ
る技術を提供するものである。【構成】強制冷却構造体を構築した溶融金属反応炉の
炉壁構造において、前記冷却構造体を水冷構造体とし、
耐火れんがとの境界部の炉壁に炉内側に噴出孔を有する
冷却体を配し、上記水冷構造体周縁に熱緩衝帯を設け
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶融金属反応炉におけ
る炉壁損耗を抑制するに効果的な炉壁構造に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】昨今、転炉や溶融還元炉などの溶融金属
反応炉では、前者の場合、冷鉄源の多量溶解を目的に、
また後者の場合、還元反応に対する熱補償を目的に、精
錬反応で発生したＣＯガスを上吹酸素によって二次燃焼
させる操業方法が採られることが多い。該二次燃焼は、
溶融金属反応炉の熱裕度を高める一方で、炉内温度の大
幅な上昇を伴うことが多く、炉壁耐火物の損耗を著しく
増大させる要因となる。このため、炉壁耐火物の損耗を
抑制する方法として、たとえば、特開昭６１−１２３６
９７号公報では、炉上部炉壁の易損耗部に、蛇行状冷却
管を密に接触させてなるチューブパネルや冷却管を金属
で鋳ぐるんだ冷却タイルなどからなる強制冷却炉壁を設
ける方法が開示されている。また、特開昭５９−５９８
２０号公報では、スラグレベルあるいはその近傍より上
部の炉壁部分の壁面から、パイプあるいは多孔質耐火物
を通して冷却媒体を噴出させ、炉壁面を冷却する方法が
開示されている。いずれの方法においても、炉壁耐火物
を冷却するかもしくは炉壁を耐火物でなく強制冷却体で
構築することにより、損耗の抑制を図ることを目的とし
たものであり、前記易損耗部の損耗軽減に貢献しようと
するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】特開昭６１−１２３６
９７号公報に開示された方法では、強制冷却炉壁と通常
の耐火れんが壁の接触面において、急激な温度変化があ
ることから耐火れんがに割損等のトラブルが生じる問題
があった。即ち、前記強制冷却壁の冷却効果によって前
記耐火れんが内部に急激な温度勾配が生じて熱的衝撃を
受け、スポーリング等により割損する現象が多々発生し
ていた。この結果、炉寿命の低下や耐火物コストのアッ
プおよび炉稼働率の低下等の要因となっていた。

【０００４】特に、高度の二次燃焼操業を実施し、炉内
ガス温度が１８００〜２０００℃に達するような場合に
は、前記耐火れんが内には１５００℃以上の急激な温度
差が発生し、通常工業的に製造されている耐火れんがで
は、この温度差による熱衝撃を起因とする割損現象を回
避することは事実上不可能であった。

【０００５】また、特開昭５９−５９８２０号公報に開
示された方法では、冷却媒体の供給設備費やれんが価格
が高く、また保守整備が煩雑であることから、前記易損
耗部が広範囲にわたる場合には、設備費や運転コストが
増大し、また保守整備に長時間を要し炉稼働率が低下す
るという欠点を有していた。

【０００６】本発明はかかる問題点を解決するため、強
制冷却壁を有する溶融金属反応炉の炉壁において、前記
強制冷却炉壁と耐火れんが壁の構築手段を改良して炉寿
命を飛躍的に向上させ、耐火物コストの低減を図るとと
もに、炉の稼働率を大幅に高める炉壁構造を提供するも
のである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の炉壁構造は、溶
湯および溶滓の非浸漬部炉壁任意部分に冷却構造体を構
築した溶融金属反応炉の炉壁構造において、前記冷却構
造体が水冷ジャケットを内蔵する水冷構造体であり、該
水冷構造体と耐火れんが壁との境界部に、炉内側に冷却
気体噴出口を有する冷却気体貫通型冷却構造体を配設
し、前記水冷構造体周縁に熱緩衝帯を設けたことを特徴
とするものである。

【０００８】ここで、溶湯およびスラグの非浸漬部と
は、溶湯およびスラグと接触しない部分を言い、具体的
には、炉体が傾動する転炉の場合、通常操業時における
炉体が直立している状態で、溶湯および溶融スラグの最
高レベルより上部で、しかも炉体を傾動して出湯および
出滓を行う際においても溶湯およびスラグと接触しない
炉壁部分を言う。

【０００９】また溶融還元炉においては、前述した転炉
と同様であるがスラグについては、鎮静化したスラグ
（鉱石、炭素質原料および酸素の供給を停止して還元ガ
スの発生が停止し、スラグのフォーミング状態が鎮静し
た状態のスラグ）に接触しない炉壁部分を言い、フォー
ミング状態のスラグとの接触は浸漬と見做さない。

【００１０】以下に、本発明の具体的な構成について実
施例を示す図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発
明の一実施例を示す部分展開図であり、図２は、図１の
Ａ−Ａ部の断面図を示すものである。溶融金属反応炉
（以下単に反応炉と言う）の炉壁１０は主として周知の
耐火れんがを構築することによって構成されている。１
はこの耐火れんがを示し、前記炉壁１０の内、溶湯およ
び溶滓の浸漬を受けない非浸漬部における易損耗部に
は、水冷構造体２が構築されいる。

【００１１】この水冷構造体２は後述する水冷ジャケッ
トを内蔵している。またこの水冷構造体２と、前記耐火
れんが１との境界部には炉内側に冷却気体噴出口３５を
有する冷却気体貫通型冷却構造体（以下、貫通型冷却体
と言う）３が配設されている。前記耐火れんが１は、通
常鉄皮４の内側からパーマれんが１１、ウェアれんが１
２の順に構築するが、状況に応じてはウェアれんが１２
だけで構築する手段も採用される。

【００１２】水冷構造体２は、該水冷構造体本体２１の
背面に取り付けられた固定治具２２の先端部を、鉄皮４
の開孔部４ａから突出させ、固定金物２３によって炉外
から鉄皮４に固定する。通常は、固定治具２２の先端部
にネジ加工をし、固定金物２３としてナットを用いるこ
とが多い。また、給排水管２４も、鉄皮４の開孔部４ｂ
から突出させ、炉外の給排水管あるいは給排水設備に連
接させる。該水冷構造体本体２１の背面と鉄皮４の間隙
には、泥漿状の耐火コンクリート５を充填した。

【００１３】貫通型冷却体３は、後述するように冷却気
体を炉内に噴出させるための流通路および噴出口３５を
有し、前記耐火れんが１と水冷構造体２の境界部に、通
常の耐火れんがと同様に構築される。この際、鉄皮４の
開孔部４ｃから、前記流通路に連通する接続パイプ３１
を炉外に突出させ、冷却気体供給管あるいは冷却気体供
給設備に連接させる。該貫通型冷却体３の背面と鉄皮４
の間隙には、泥漿状の耐火コンクリート６を充填した。

【００１４】鉄皮４の開孔部４ａ，４ｂおよび４ｃは、
それぞれ水冷構造体固定治具２２、水冷構造体の給排水
管２４、および貫通型冷却体３の接続パイプ３１の外径
よりも若干大きい内径とし、炉内側の炉壁の熱膨脹等に
よる変位に追随できるようにした。

【００１５】図３は、本発明に基づく他の実施例を示す
部分展開図であり、図４は図３のＢ−Ｂ部の断面図を示
すものである。本実施例は、前述した非浸漬部のほぼ全
面の炉壁を水冷構造体２で構成したもので、水冷構造体
２と耐火れんが１の境界部には貫通型冷却体３が配設さ
れている。つまり耐火れんが１の上部に貫通型冷却体３
を配設し、その上部に水冷構造体２を構築することによ
って、熱緩衝帯が構成されている。炉壁１０の構築方法
は、前記図１および図２とほぼ同じであるが、前記水冷
構造体２の継ぎ目部には、モルタルや粘土などの可塑性
材料７を充填した。

【００１６】本発明において、耐火れんが１は、前述し
たようにパーマれんが１１およびウェアれんが１２の２
層で構成されるが、前記パーマれんが１１を省略し、ウ
ェアれんが１２のみで構成することも可能である。ウェ
アれんが１２は、炉内の温度やスラグ組成・性状などを
勘案してＡｌ₂Ｏ₃などの中性、ＭｇＯなどの塩基性骨
材とグラファイトを原料とするカーボン含有耐火組成物
や、マグネシア、ドロマイトあるいはマグネシア・クロ
ム質れんがなどの塩基性および、もしくは中性耐火原料
を１種以上混合した酸化物系れんがなどの中から任意に
選択すればよく、またれんが厚みは目標とする炉寿命に
応じて適宜設定すればよい。

【００１７】水冷構造体２は、その内部に冷却媒体とし
ての水が流通する空間部、即ち水冷ジャケットを有する
ものであればその構造を特に限定するものではない。例
えば圧延銅板で構成された構造体にきり孔加工等で水冷
ジャケットを形成するもの、中子等を配し、鋳造構造で
水冷ジャケットを設けたもの、あるいは水冷ジャケット
を炭素鋼鋼管を鋳造時に鋳ぐるむことで形成した鋳鉄製
のもの、さらにまた炭素鋼鋼管を密に接触させて組み合
わせて構成したものなど、種々の水冷構造体の中から、
炉内の熱負荷や要求特性に応じて選択すればよい。

【００１８】図５は前記圧延銅板を用いた水冷構造体２
の一実施例を示す斜視図である。本体２１は高純度の圧
延銅板であり、圧延後の本体２１に水冷ジャケット２５
をきり穴加工して形成したものである。該水冷ジャケッ
ト２５の両端には、それぞれ給排水管２４が設けられ、
給排水管２４、水冷ジャケット２５の組み合わせでひと
つの水路が形成される。前記給排水管２４は、通常炭素
鋼鋼管、合金鋼管、ステンレス鋼管などを用い、螺子止
めと溶接の組み合わせにて、前記水冷ジャケット２５に
連通する。また、本体２１の炉内側表面には、スラグ付
着などを促進する目的で多数の溝２６を切削加工にて設
けた。なお、前述した鋳鉄製パネルでは、本体２１は鋳
鉄製の鋳造品であり、水冷ジャケット２５は本体２１の
鋳造時に炭素鋼鋼管を鋳ぐるむことで形成される。

【００１９】次に、貫通型冷却体３の詳細について述べ
る。図６は、前記貫通型冷却体３の一実施例の概略構造
を示す斜視図である。該貫通型冷却体３は、前述した接
続パイプ３１と、背面側に設けられたガスプール部３２
と、一端が炉内側への噴出口３５となり他端が前記ガス
プール部３２に連通した小径の金属製パイプ３３と、前
記金属製パイプ３３を内部に埋設した耐火れんが３４と
から構成される。また、該貫通型冷却体３は、幅ｂが通
常の耐火れんがの０．５倍以上、高さｈが通常の耐火れ
んがの整数倍の大きさに製造され、通常の耐火れんがで
構築された炉壁の一部に組み込むことができる。

【００２０】接続パイプ３１は、前記ガスプール部３２
の背面側にガスプール部３２に連通するように溶接等の
接合手段で取りつけられる。該接続パイプ３１は、耐熱
性、加工性等を考慮し炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼そ
の他の金属管の中から任意に選択して使用できるが、使
用部位が比較的温度の低い鉄皮付近であるため、炭素鋼
鋼管を用いても問題はない。

【００２１】ガスプール３２は耐熱性、加工性等を考慮
しステンレス鋼板の溶接組合せ構造を採ることが多い
が、温度条件によっては普通炭素鋼板やその他の合金鋼
鋼板などの溶接構造を用いることも可能である。金属製
パイプ３３は、耐熱性および加工性を考慮し、ステンレ
スパイプを用いる場合が多いが、温度条件によっては普
通炭素鋼やその他の合金鋼パイプを用いることも可能で
ある。また、該金属製パイプ３３は、直管、曲管いずれ
も使用でき、目的に応じて適宜選択すればよい。

【００２２】さらに、該金属性パイプ３３の代わりに、
耐火れんが成形時に棒状、板状その他の形状の易燃焼性
素材の形成物を埋設し、該耐火れんが成形後、乾燥、焼
成工程で前記易燃焼性形成物を燃焼除去するか、鋼管や
鋼板を組み合わせてチューブ状にした形成物を該耐火れ
んが成形時に埋設し、そのまま残留させて炉内側に噴出
孔を形成させる方法もある。

【００２３】耐火れんが３４の材質は、Ａｌ₂Ｏ₃など
の中性、ＭｇＯなどの塩基性骨材とグラファイトを原料
とするカーボン含有耐火組成物の中から、加工性、耐熱
性、伝熱特性の各特性に応じて任意に選択できる。

【００２４】該貫通型冷却体３に導通する冷却気体とし
ては、窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などのプロセスガ
ス、プロパンなどの炭化水素系ガス、水のミストあるい
は水蒸気の１種以上を単独もしくは混合して使用できる
が、コスト、扱い易さの観点から通常窒素ガスを用いる
ことが多い。

【００２５】

【作用】かかる炉壁構造を有する溶融金属精錬炉では、
前記水冷構造体２の適用によって易損耗部の炉壁の損耗
が大幅に抑制される。また、該水冷構造体２と耐火れん
が１の境界部の炉壁には貫通型冷却体３を配設して熱的
な緩衝帯を設けているため、従来技術で問題となってい
た耐火れんが１の熱的衝撃による割損が防止できる。

【００２６】本発明はかかる作用によって、溶融金属反
応炉の炉壁の全面にわたって損耗が抑制され、炉寿命の
延長と耐火物コストの低減が図れるとともに、保守整備
を簡便にして炉稼働率を大幅に向上させることができ
る。

【００２７】

【実施例】本発明を１００ｔ鉄浴式溶融還元炉に適用し
た。図７は、本発明を実施した鉄浴式溶融還元炉の操業
中の全体を示す縦断面図である。溶融還元炉は、通常炉
下部の溶銑（種湯）を熱源としながら、底吹ガスで鉄浴
およびスラグ浴を攪拌するとともに、酸化鉄と還元剤で
ある炭素質原料を装入して溶銑および／またはスラグ中
で溶融還元反応を行う炉であり、また、還元反応によっ
て発生するＣＯガスを上吹ランス８から吹き込まれるＯ
₂によってＣＯ₂に二次燃焼させ、還元吸熱分を補償す
る。

【００２８】該二次燃焼によって、炉上部は極めて高温
となるため、鉄浴部の炉壁には耐火れんが１を、スラグ
浴の炉壁のほぼ全面とガス帯の炉壁の全面に水冷構造体
２を構築し、また、前記耐火れんが１と前記水冷構造体
２の境界部に貫通型冷却体３を配置し、水冷構造体２の
下部周縁に熱緩衝帯を設けた。

【００２９】本実施例に示す溶融還元炉では、前記二次
燃焼率が４０〜５０％となるよう、上吹送酸量および底
吹攪拌ガス量を調整しながら、溶融還元操業を実施し
た。原料である酸化鉄と炭素質原料は、鉄鉱石と揮発分
の比較的多い石炭を用いた。前記溶融還元炉の浴面積は
約１２ｍ²であり、溶銑量６０〜１００ｔ、スラグ量２
０〜４０ｔであった。また、ガス帯の炉内ガス温度は約
１７００〜１９００℃であった。

【００３０】溶融還元操業中の鉄浴最大面からのスラグ
高さＨは３ｍであり、水冷構造体２は鉄浴最大面から１
ｍの高さを最下段として炉口部まで全周にわたり施工し
た。また、貫通型冷却体３は、水冷構造体２より下方、
高さ６００mmの範囲で施工し、貫通型冷却体３より下方
は耐火れんがを構築した。なお、本実施例では、溶湯お
よび溶滓の排出は炉下部に設けられた出銑口および出滓
口から排出する方法とした。

【００３１】水冷構造体２は、圧延銅板に冷却水管をき
り孔加工したもので、厚み８０mm×高さ２５０mm×長さ
１２００mmの大きさに製作されたブロックを組合せて構
築し、各ブロックのつなぎ目は３０〜５０mmとし、それ
ぞれ耐火モルタル充填するとともに、該水冷構造体２背
面と鉄皮との間に生じる間隙には、耐火キャスタブルを
流し込みにて充填した。溶融還元操業中の冷却水量は２
０ｔ／ｍ²（水路内流速５ｍ／sec)とした。

【００３２】貫通型冷却体３は、Ａｌ₂Ｏ₃９０重量
部、カーボン１０重量部からなるＡｌ₂Ｏ₃・Ｃれんが
に、内径４mm、外径７mmのステンレス鋼製パイプを、パ
イプ内径Ｄｐとパイプ中心間距離Ｄｂの比Ｄｐ／Ｄｂが
０．２になるよう埋設した。該貫通型冷却体３のブロッ
クの大きさは、長さ７００mm、幅３００mmおよび高さ６
００mmとした。該１ブロックにつき、ガスプールおよび
接続パイプ１個をとりつけ、ガスプール背面と鉄皮との
間隙には、耐火キャスタブルを充填した。操業中は、ガ
ス冷却体施工面積１平方メートル当たり４００（Ｎｍ³
／ｈ）の窒素ガスを流した。

【００３３】耐火れんが１は、溶銑だけに接触する鉄浴
部では、Ａｌ₂Ｏ₃８５重量部、カーボン５重量部およ
び炭化珪素１０重量部からなるＡｌ₂Ｏ₃・ＳｉＣ・Ｃ
れんがをウェアれんがとし、ＭｇＯれんがをパーマれん
がとした。れんが厚みは、それぞれ９００〜１５００mm
および１１４〜３００mmとした。また、スラグ浴部の貫
通型冷却体構築部以外の炉壁については、Ａｌ₂Ｏ₃９
０重量部、カーボン１０重量部からなるＡｌ₂Ｏ₃・Ｃ
れんがをウェアれんがとし、ＭｇＯれんがをパーマれん
がとした。れんが厚みは、それぞれ７００〜９００mmお
よび１１４mmとした。

【００３４】かかる炉壁構造を有する溶融還元炉におい
て、送酸時間約５０時間の操業を実施した。表１は、各
炉壁構造体の最高温度部位と温度を、本発明の炉壁構造
と従来の炉壁構造で区分して示したものである。従来の
炉壁構造では、耐火れんが内の最高温度差が１５００℃
にも達していたが、本発明の炉壁構造によると９００℃
程度まで低減した。この結果、従来技術に見られた耐火
れんが部の割損はまったく観察されなかった。

【００３５】操業終了後、水冷パネルの前面には５〜３
０mmのスラグが付着した状態であり、本体の損傷はまっ
たくなく、問題のないことが確認できた。また、操業中
の水冷パネルによる抜熱量は概ね２０万kcal／（ｍ²・
ｈ）であり、着熱効率、石炭原単位および反応速度など
炉内反応効率への影響は殆どなかった。

【００３６】貫通型冷却体の前面には、２０〜３０mmの
スラグが付着した状態であり、損耗量は極めて軽微であ
った。また、金属製パイプへの溶銑やスラグの浸透もま
ったく見られなかった。さらに、貫通型冷却体の下部に
接する耐火れんがは、通常の耐火れんがによく観察され
る稼働面に平行な微亀裂が観察された他は、熱的衝撃に
よる割損などの損傷はまったく認められなかった。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【発明の効果】水冷構造体と耐火れんがの境界部、つま
り水冷構造体の周縁に貫通型冷却体による熱緩衝帯を設
けることによって、水冷構造体と接触する部分の耐火れ
んが壁の割損を激減させることが可能となり、本発明に
よって溶融金属反応炉の炉寿命が飛躍的に向上できるこ
とが確認された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく炉壁構造の一実施例を示す部分
展開図。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】本発明に基づく炉壁構造の他の実施例を示す部
分展開図。

【図４】図３のＢ−Ｂ断面図。

【図５】水冷構造体の一実施例を示す斜視図。

【図６】貫通型冷却体の一実施例を示す斜視図。

【図７】本発明を実施した鉄浴式溶融還元炉の操業中の
状況を示す縦断面図。

【符号の説明】

１耐火れんが２水冷構造体３貫通型冷却体４鉄皮５耐火コンクリート６耐火コンクリート７可塑性材料８上吹ランス１０炉壁１１パーマれんが１２ウェアれんが２１水冷パネル本体２２固定治具２３固定金物２４給排水管２５水冷ジャケット２６溝３１接続パイプ３２ガスプール３３金属パイプ３４耐火れんが４ａ，４ｂ，４ｃ鉄皮開孔部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷石彦文北九州市戸畑区大字中原46−59 新日本製鐵株式会社機械・プラント事業部内 (72)発明者本宮光富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部設備技術センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶湯および溶滓の非浸漬部炉壁任意部分
に冷却構造体を構築した溶融金属反応炉の炉壁構造にお
いて、前記冷却構造体が水冷ジャケットを内蔵する水冷
構造体であり、該水冷構造体と耐火れんが壁との境界部
に、炉内側に冷却気体噴出口を有する冷却気体貫通型冷
却構造体を配設し、前記水冷構造体周縁に熱緩衝帯を設
けたことを特徴とする溶融金属反応炉の炉壁構造。