JPH10501877A

JPH10501877A - 内部耐火性冷却器

Info

Publication number: JPH10501877A
Application number: JP7521466A
Authority: JP
Inventors: グレイ，ネイル，ブーン; ハリス，ジョナサン，アラン; レゲット，アンソニー，レグナー; エリオット，バリー，ジョン
Original assignee: ザユニヴァーシティオブメルボルン; ダブリューエムシーリソーセスリミテッド
Priority date: 1994-02-16
Filing date: 1995-02-16
Publication date: 1998-02-17
Also published as: ATE340981T1; FI963195A; EP0741853A4; EP0741853B1; CN1142262A; KR100353973B1; ES2273334T3; WO1995022732A1; EP0741853A1; AUPM393094A0; RU2134393C1; DE69535241T2; FI117026B; BR9506833A; FI963195A0; US5785517A; CN1101538C; DE69535241D1

Abstract

(57)【要約】炉（１０）に用いられるウォールライニングであって、炉の内面にさらされる加熱面（１６）を有する耐火物層（１４）を有するものである。例えば、銅線ないし銅ロッドといった、高熱伝導性物質の複数のエレメント（１８）が、炉の外殻（１２）から前記耐火性ライニング（１４）中へと至るまで延長されている。このエレメント（１８）群は、炉の外殻（１２）へと至る連続する熱伝導路を提供する。冷却ジャケット（２２）が前記外殻から熱を除去する。前記エレメント（１８）群は、当該エレメント周辺における炉の加熱面を横切って実質的に均一な温度を提供する。前記ウォールライニングは、前記エレメントの列を炉の外殻の内壁に固定し、そして前記内壁に耐火性材料を適用することによって、形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】内部耐火性冷却器本発明は、炉において使用する耐火性ウォールライニング(wall lining)に関するものである。特に、本発明は、耐火性ウォールライニング(wall lining)用の冷却部の配置に関するものである。高温で操作される炉は、金属の溶融等、多くの様々なプロセスにおいて使用される。ほとんどの炉は、金属材料（大抵、スチールである）から作られた外殻から構築されている。外殻は、耐火性のレンガの単層でライニングされ、炉の内部の極高温から外殻を隔離し、さらに炉内の非常に高温の材料が外殻と接触しないようにする。耐火性ライニングは、炉の再ライニングに伴うかなりの停止時間を最小限にするために、寿命が長くなければならない。耐火性ライニングは、通常、炉の内容物に全く反応性を有さない材料から作製される。しかしながら、耐火性ライニングの浸蝕及び破壊が起こり、ライニングの浸蝕及び破壊の割合はライニングの加熱面の温度（即ち、炉の内部にさらされたライニング面）が上昇するに従って増加することが知られている。したがって、耐火性ライニングの寿命を延ばすためにライニングの加熱面の温度を下げる試みが数多くなされてきた。加熱面温度を下げるのに使用される構成の一つとしては、耐火性ライニングに水冷回路を設備するものがある。水が冷却回路を流れると、水が耐火性ライニングから熱を奪い、ライニングの加熱面温度を下げるように作用する。このような構成は、ライニングの温度を十分下げるように作用するが、ライニング内に水冷回路を使用することを伴う。冷却回路からの水の漏洩は、炉中への浸出の可能性を秘め、耐火物が爆発したり水和したりする可能性がある。これは非常に危険な状況であり、現在、耐火性ライニングの内部を水で冷却することは避けるべきであると考えられている。工業的に適用されている他の方法は、炉壁を通ってライニング中へと至る熱伝導性の高い固体冷却部材を配置することを含むものである。この固体冷却部材の外側部分は耐火性ライニングの外側に残っている。炉の外側に位置する冷却部材の当該部分は水冷回路によって冷却される。したがって、水冷回路中で漏れが生じても、水は炉の高温内容物と接触できないため、水和反応は起こらず、爆発の危険性が減少する。固体冷却部材は、通常、相互に約０．５ｍ程度離間されて配置されている。このため、耐火性ライニング中で大きな温度勾配が生じる。ライニング中の高温領域は比較的より低い温度の領域に比べて非常により迅速に損耗し、ライニングの損耗具合が非常に不均一である。さらに、ライニング中の大きな温度勾配は耐火性ライニング中に大きな熱応力を引き起こす。英国特許番号１，５８５，１５５号には、炉の内部に面する耐火性材料の暴露内層を含む複合ライニングを備えたアーク炉(arc-furnace)が記載される。内層を裏打ちする耐火性材料の外層が備えられ、この耐火性材料の外層は内層と熱的に接触している。外層は、内層より熱伝導性の高い材料から作製される。外層は、炉のケーシングと接し、周辺に、またはより一般的には、強制循環される空気若しくは水である冷却媒体に、熱を逃がす。この耐火性ライニングの複合的な構造は、側壁を通じた熱の流れを増加させ、これにより耐火物の損耗程度を抑制するように作用する。この構造は炉中に収納されるべき複合耐火性壁構造を必要とするという欠点を有する。さらに、耐火性ライニングの外層は熱伝導性の高い耐火性材料から作製されていると記載されているが、このような耐火性材料の伝導性は比較的低いため、炉から除去できる熱量が制限されてしまう。複合ライニングはまた、高価であり、反応性を有する。ハッチアソシエーツリミテッド(Hatch Associates Limited)に譲渡された米国特許番号３，８４９，５８７号には、高温炉における耐火性ライニングの腐食及び貫通に対するさらなる解決法が記載される。この特許には、炉壁を通ってライニング中へと至る熱伝導性の高い固体冷却部材を配置することによる、高温で作動する炉の耐火性ライニングの保護が開示されている。この固体冷却部材の外側部分は耐火性ライニングの外側に残っている。ライニング中に埋封された冷却部材は、炉中に水が漏れることを防止するために、炉のライニング中に位置した部分には、水冷流路を実質的に持たない。炉の外側に位置する冷却部材部分は、通常、水冷流路によって冷却される。冷却部材の長さ、断面積、間隔及び材料は、冷却部材の溶融を防止し、ライニングの浸蝕を制限するのに十分な熱をライニングから伝導するように、選択されている。ライニング中へと挿入される冷却部材は銅から作製されることが好ましい。上記特許に記載される冷却部材は、直径が大きい、具体的には、約４インチ（１００ｍｍ）の直径であり、各部材は相互に比較的大きな距離をもって離間されている。このため、耐火性ライニングの加熱面を横切る温度勾配が形成され、このような温度勾配に関連する不均一な損耗の発生および熱応力の発生があった。本発明は、上記従来技術の１つまたはそれ以上の欠点を克服するまたは少なくとも改善する耐火性ライニングを提供するものである。第一の観点によると、本発明は、外殻およびこの外殻に連結された外部冷却液源を有する炉に適用されるライニングであって、上記ライニングは前記外殻に隣接する耐火性ライニングを有し、上記耐火性ライニングは炉の稼働中高温にさらされる加熱面を有し、上記耐火性ライニングは高熱伝導性材料の複数のエレメントを含み、前記エレメントは前記加熱面に向って耐火性ライニング中へと延長され、各エレメントは加熱面に近接して位置するエレメント末端から炉の外殻へと至る連続した熱伝導路をそれぞれ形成し、また前記エレメントは、当該エレメント付近の炉の加熱面を横切る実質的に均一な温度を提供できるように耐火性ライニング中に分散配置されていることを特徴とするライニングを提供する。この際、「実質的に均一な温度」とは、加熱面を横切る温度が１００℃を超えて変化することはないことを意味するものである。好ましくは、加熱面を横切る温度が５０℃を超えて変化しない。複数のエレメントは、目的とする加熱面を横切る均一な温度を得るために、ウォールライニング(wall lining)の実質的全体にわたり存在していてもよい。または、複数のエレメントが、炉中におけるホットスポット（hot spot）により密集するようにウォールライニング(wall lining)中に配置されてもよい。同様に、炉中の比較的冷たい部位は比較的より少ない数のエレメントを有していてもよく、この場合は、エレメントを炉の全ての部位には存在させないということが可能である。これは、このような複数のエレメントの不存在下において、炉の設計上および操作上から、炉内で顕著なホットスポット及びコールドスポットが発生しする場合に特にあてはまり、このような場合、炉の比較的冷たい領域では、上記のごとき複数のエレメントによる熱の更なる抽出は必要はないと考えられるためである。本発明の炉ライニングは、実質的に均一な温度が、エレメント群付近の炉の加熱面を横切って得られることを保証するように用いられ得る。あるいはまた、ライニングを、実質的に均一な温度が炉の全加熱面を横切って得られるように設計され得る。これは、望ましくない温度勾配が加熱面上に形成されないため、好ましい。いずれの場合でも、実質的に均一な温度は、耐火性ライニングの破壊および／または浸蝕速度が許容できないような高い割合で起こるような温度を下回る。このような複数のエレメントの不存在下においては、顕著なホット及びコールドスポットが生じるような炉では、当該エレメントは加熱スポット内またはその付近でのみ必要であると考えられる。好ましくは、前記高熱伝導性材料は金属または金属合金である。銅が特に好ましい。本発明の好ましい実施態様においては、高熱伝導性材料よりなる複数のエレメントは、加熱面に向って耐火性ライニング中へと延長されるが、加熱面まで延長されるほどには長くはない。これによって、エレメント末端が耐火性層で加熱面と分離され、これにより壁を通しての熱溶融(heat flux)を減少し、炉の稼働中におけて加熱面が被る非常に高い温度からエレメントを絶縁するように作用する。このようにして、エレメントを保護し、エレメントの劣化及びエレメントの熱による損傷の可能性を抑制する。炉の外殻の内壁から耐火性ライニング中へと伸長された複数の高熱伝導性材料エレメントは、加熱面に近接したエレメント末端から外殻まで連続した熱伝導路を形成する。熱は、エレメントに沿って外殻へと伝達される。炉壁から熱を除去するために、外部冷却回路が外殻に連結され得る。したがって、複数のエレメントは、炉から熱を除去するのを補助し、耐火性ライニングの加熱面を、耐火性ライニングの長い寿命を許容する温度に維持されることを可能とする。複数のエレメントは、加熱面がエレメントの付近で実質的に均一な温度を有するように耐火性ライニングにわたって分散配置される。これにより、炉内のホットスポットの形成が防止され、耐火性層における熱応力の形成が抑制され、さらに加熱面で安定した条件が得られる。この点に関して、ライニング全体にわたって大きく離間配置される比較的大きな冷却体を用いた、米国特許番号３，８４９，５８７号に記載された炉では、上記したような望ましい条件が得られないことに留意すべきである。高熱伝導性材料エレメントは、金属の線条またはロッドとして形成されればよく、銅が好ましい金属として選択される。ロッドまたは線条の直径は、数分の１ｍｍから２５ｍｍまでの範囲である。それを超える直径は、耐火性ライニングの加熱面を横切る実質的に均一な温度は維持されるが、炉から目的とする熱を除去することが難しくなるため、好ましくない。あるいはまた、エレメントは、溶融金属を耐火性レンガ中に注入し、溶融金属を固化させることによって形成してもよい。耐火性レンガに溶融金属に注入する際には、溶融金属を耐火性レンガの開孔部に沿ってレンガ中に移す。溶融金属を固化させると、レンガを一方の面からレンガ内部へと延長された金属の固形体が形成され、これらの金属固形体は、レンガが炉をライニングするために使用された際、複数の高熱伝導性材料エレメントとして作用する。注入する溶融金属に接したレンガ面は、炉の外殻の内壁に隣接配置されるレンガ面になると考えられる。また、溶融金属は、耐火性層が当該金属と炉の加熱面との間に残存するようにレンガの途中までに注入する必要がある。本発明のウォールライニングは、ライニングの内部冷却を必要とせずに耐火性ライニングの冷却を可能にする。複数のエレメントは炉の外殻に熱を伝導し、外部の冷却回路が外殻から熱を除くことができる。外部の冷却回路は強制または自然対流式の空冷装置であっても良いが、より好ましくは、水冷回路であり得る。例えば、外殻はウォータージャケットに囲繞され得るが、他の水冷装置を使用することも可能である。複数のエレメントは、外殻へと至る熱伝導用の連続した流路を提供する。また、これにより、耐火性ライニングからの熱伝達に対する接触抵抗を最小限にすることができる。本発明のウォールライニングがより高い全体的に有効な熱伝導性を発揮するため、幾つかの公知の文献に記載される複合ライニングよりも効果的な熱伝達が得られる。一実施態様によると、複数のエレメントは外殻に一体形成される。他の実施態様によると、複数のエレメントは外殻に接着されるまたは固定されてもよい。本発明のウォールライニングは、既存の炉に再取付け(retro-fit)することも、あるいはまた、新規な炉の一部として設計されてもよい。既存の炉に再取付けする場合には、炉の構造を弱くする可能性があるが、複数のエレメントを、炉を貫通して耐火性ライニング中へと至り穿孔された穴中に挿入してもよい。より好ましくは、耐火性ライニングの取換えが必要とされた際に同時に、当該ウォールライニングを取付けることが望ましい。炉をライニングするための金属を注入した耐火性レンガを用いることによって、またはロッドまたは線を予め装着した耐火性レンガを用いることによって、上記したような時期に、当該ライニングが取付けられ得る。本発明はまた、炉に耐火性レンガを全く用いずに耐火性ライニングを取り付けることを可能とするものである。別の観点によると、本発明は、以下よりなる、外殻を含む炉を耐火性ライニングでライニングする方法を提供するものである：複数の高熱伝導性材料エレメントよりなる列が、外殻と熱的に接触するように、当該エレメント列を外殻の内壁に固定し、さらに外殻の内壁に、耐火物含有材料を適用して内壁に被覆層を形成する。前記耐火物含有材料は、実質的に乾燥した状態でまたはスラリー若しくはペーストの形態で適用されることができる。前記耐火物含有材料は、耐火性材料及び複合耐火性ライニングが形成されるような１つ若しくはそれ以上の成分を含んでいても、あるいは耐火物含有材料は、耐火性材料のみを純粋に含んでいてもよい。耐火性ライニングは、独立した耐火物含有材料の層と、耐火物を含有しない若しくは耐火物を低含量で含む材料の層とを、所望の任意の順序で、順次適用することによって形成される、複合ライニングであってもよい。耐火物含有材料のスラリーまたはペーストを用いる際には、第一の薄膜を適用し硬化させた後、スラリーまたはペーストの１つまたはそれ以上の被膜をさらに適用する一連の段階で、耐火物ないしペーストを内壁に適用する必要がある。この耐火性ライニングの段階付着は厚い耐火性ライニングが必要である際に必要であり、厚いライニングを単回の塗布で形成しようとすると、ライニングが乾燥したり亀裂が発生したりする困難があると考えられるためである。最終的に完成される耐火性ライニングは、エレメント列を十分カバーするのに十分な厚みを有するものでなければならない。これにより、エレメント末端と炉の加熱面との間に、炉の使用中にエレメントの溶融を防止するように作用する、断熱性耐火性材料層を形成できる。耐火物含有材料は、当業者に既知の適当な方法によって内壁に適用することができる。例えば、耐火物含有材料は、噴霧、ガンまたはこて塗りによって適用される。本発明は、炉の内壁に多価物含有材料を適用するすべての方法を含むものであると解されるべきである。スラリーまたはペーストを使用する際には、スラリーまたはペーストは硬化するまでの間、内壁上における適用された位置にとどまることを十分可能とする濃さないし粘度を有するものでなければならない。この目的を達成するのに必要とされるスラリーまたはペーストの粘度は、基礎的試行によって容易に求めることができる。エレメント列は、好ましくは、金属エレメント列からなる。一実施態様によると、エレメント列は、銅金網であって、この網上の交点に取り付けられ網面に対して実質的に直角に伸びる別の銅線群を有する銅金網からなる。網を炉の外殻の内壁に固定する際には、網上に取り付けられた前記銅線群は、通常、炉内に内側に向かって伸びる。炉を使用する際には、これらの銅線は、線の末端から、外殻と接する外部冷却液源へと至る連続した熱伝導路を形成する冷却エレメントとして作用し、そしてこの冷却エレメントは炉から熱を除去することを補助する。他の実施態様によると、外殻の内壁へのエレメント列を固定する段階は、外殻の内壁とエレメント列とを一体形成することからなる。または、このエレメント列は外殻の内壁状に溶融金属をキャストすることによって形成されるものであってもよい。好ましくは、エレメント列は、実質的に均一な温度が炉の稼働中にエレメントの付近の炉の加熱面にわたって得られるように配置される。炉の耐火性ライニングの全加熱面を横切って実質的に均一な温度が望ままれるまたは必要である際には、ウォールライニング全体にわたる高熱伝導性材料エレメントの不均一な分布が必要となると思われる。例えば、稼働する炉の既知のホットスポットに位置するエレメントの数を増加させ、これに比例して、炉のより冷たい領域と比較して、１ｍ²当たりの熱をより多量に除去するようにするものである。以下、図面を参照して、本発明の好適な実施態様をより詳細に説明する。図１は本発明に係る炉のウォールライニングの断面図である。図２はウォールライニングを通る温度特性のプロットである。図３は本発明に従い設計された冷却エレメントの断面図である。図４は図３の冷却エレメント設計を組み入れた試験プラントの構成を示す概略図である。図５はプラント試験から得られた冷却エレメントを通しての温度特性のプロットある。図６はプラント試験の間における加熱面熱伝達係数の時間変化のプロットである。図１において、炉の壁１０は外殻１２を含んでいる。外殻は通常スチールで出来ている。炉は耐火性のライニング１４を含んでいる。加熱面１６は炉の内部で発生する激しい温度にさらされる。ウォールライニングは、外殻１２と熱的に接触し、かつ耐火性ライニング１４の中へと至るまで伸長された複数の銅ロッドまたは線１８を含んでいる。図１からわかるように、銅ロッド１８は耐火性ライニング１４を貫通しておらず加熱面１６からある距離だけ離れた所で終っている。これは銅ロッド１８の端部と加熱面１６との間に耐火性物質の層が位置するのを保証し、この耐火性物質の層によってロッドは炉内の高温から遮断され、これによってロッドの劣化やロッドに対する熱的損傷が防止される。炉の稼働中、熱は加熱面１６から耐火性ライニング１４を介して銅ロッド１８へ伝達される。ロッドは外殻１２と熱的に接触しており熱を迅速に外殻へ伝達する働きをする。続いて、冷却ジャケット２２を通過する冷却水２０が、外殻から熱を取り除く。加熱面を横切ってほぼ均一な熱勾配を提供するため銅ロッド１８は耐火性ライニングじゅうに分散配置されている。好ましくは、前記壁を通っての本質的に一次元的な熱移動がもたらされるように配置されている。これによって加熱面は非常に均一に冷却され、加熱面の不規則な損耗をもたらす従来技術設計にはっきり表われている壁のホットスポットが有効に除去される。一次元的な熱伝達がより効率的であること、つまり同じ熱束を取り除くのに必要な高伝導率物質がより低度のもので済むことが示されている。ウォールライニングの目的は、加熱面での耐火温度をある特定温度（腐蝕反応が止むかまたはプロセス材料の固結(freezing)が起こるかどちらか一方の温度）にまで下げることである。炉の熱損失（壁を通過する熱束）を最小にしつつこれを達成するように冷却器を設計しなければならない。図１の壁を通過する熱束Ｑ（Ｗ/ｍ²）は、次式によって計算できる。ここで、Ｔ_fは炉の温度（℃）、Ｔ_cは冷却液の温度（℃）、Ｒ_TOTは壁断面の全熱抵抗（ｍ²Ｋ／Ｗ）である。したがって、耐熱温度および熱束を制御するためには壁断面の熱抵抗を変えなければならない。全熱抵抗は、各物質層の伝導抵抗と加熱面および冷却面における対流抵抗との和である。しかしながら、対流抵抗は不変か取るに足らないかのどちらかであるため、熱の流れは実際のエレメントの伝導抵抗の値によって制御できるのみである。熱伝導抵抗Ｒ_COND（ｍ²Ｋ／Ｗ）は、次式として与えられる。ここで、Ｌは層の厚さ（ｍ）、λは物質の熱伝達率（Ｗ／ｍＫ）である。図１における物質層の伝達率および厚さを変えることによって、耐熱温度および熱束の制御が可能となる。壁断面の全体にわたる温度特性は式１を使って各熱抵抗を別々に求めることによって容易に計算することができる。上記したように均一な高伝導率の物質層を用いるとき一次元的な熱伝達が生成されるので、エレメントは最も効率的であり設計手順は最も正確である。しかしながら、本方法は不均一な壁の層群にもまずまずの精度でもって適用することができる。前記手順に基づく熱抵抗モデルは、図１に示す形態の耐火性冷却器における温度分布を予測する実験研究に用いられている。図２に、直径２０ｍｍの銅ロッドを６０ｍｍ間隔で配置した場合についての実験結果とモデル結果を示してある。モデルは温度特性および熱束のまずまず正確な予測を出しており（実験値２４．０ｋｗ／ｍ²、モデル２１．２ｋｗ／ｍ²）、このことはエレメント設計に対する本アプローチの有効性を示している。したがって、本発明は、従来技術設計では得られない比較的簡単だがしかし厳密な設計手順をも提供する。図３は本発明に係る冷却エレメント３０の断面図である。このエレメントは、銅ベースプレート３２を銅ロッド３４と一体鋳造してなるエレメント本体から構成されている。ベースプレート３２には外部ウォータージャケット３６が、例えばキャップねじ３８でボルト止めされている。ポリテトラフルオロエチレン製ガスケット４０は、ベースプレート３２とウォータージャケット３６との間の液密なシールを提供し、水流路４２からの水の漏洩を防止するのに用いられる。ロッド３４の回りには耐火物４４がキャストされ壁を形成している。図３からわかるように、耐火物４４はベースプレート３２から銅ロッド３４の端部の少し先に至るまで延長されている。この冷却エレメント設計の主な特徴は、外部ウォータージャケット、接近した間隔をもって離間配置された銅ロッド群、および壁を形成するための鋳造可能な耐火物の使用である。外部ウォータージャケットによって、炉内への有害な水漏れの可能性が有効に除去される。隣接する銅ロッド間の小さなピッチ（６０ｍｍ）は、従来の冷却エレメントにはっきり表われている加熱面に垂直な温度勾配を大いに低減するはずである。これによって壁の冷却はより一層均一に行われるはずであり、加熱面の損耗もより均一に生ずることになる。鋳造可能な耐火物の使用は、耐火煉瓦の間に一般に生じるエアギャップに帰因する熱抵抗を低減するはずである。これらすべての要因はより効率的な冷却システムに寄与するはずである。図３に示す冷却エレメントを用いて冷却エレメント設計のプラント試験を行った。プラント試験で用いた構成は図４に示されている。冷却エレメント３０は、炉の固定ルーフ５０に取り付けた。このルーフは炉の最も穏やかな状態（つまり、比較的低温であってスラグ浸蝕(slag washing)のない）にさらされており、この試験には最もふさわしいと考えた。冷却エレメント３０は支持ブラケット５２、５４によって支持ビーム（図示せず）から懸架し、当該冷却エレメントの表面を炉の加熱面５６と同一平面に位置させた。冷却エレメント３０には水の流量を計測するロタメータ６０と水の流量を制御するバルブ６２とを含む水入口５８を取り付けた。冷却水は冷却エレメントから冷却水出口ライン６４を介して流出する。入口と出口の水温を測定するためタイプＫの浸漬熱電対(Type K immersion thermocouple)６５、６６をそれぞれ水ジャケットに接続した。冷却エレメント内部の温度特性を測定するため２４個の熱電対を配置した。これら熱電対の出力（図では６８で概略的に示されている）は、５分毎に読取り値の記録を出すデータロッガー７０に接続されている。この新しい冷却エレメントはプラント試験において良好に働くことがわかった。図５は炉の安定稼働期間中に記録された加熱面から冷却面までのエレメント内の温度特性の一例を示している。図５には２つの異なる特性（銅と耐火物）が示されている。銅に関する特性は、冷却面から、耐火物中の銅ロッドの中心を通過して、ロッドの先端を越えて加熱面に至るまで取られている。耐火物に関する特性は、隣接するロッドの間の中間において耐火物を通過し、加熱面に至るまで測定された。固形状の銅プレート内（０〜８０ｍｍ）の温度勾配は０．２℃／ｍｍと非常に低い。温度勾配は銅ロッド内（８０〜３００ｍｍ）において０．７℃／ｍｍまで増加する。これはまだ比較的低い勾配であってロッドの先端は２１６℃に達するすぎない。ロッド先端が低温度であることは外部水ジャケットが内部の銅ロッドを効果的に冷却できたことを示している。ロッド内の温度勾配は直線的であって熱伝達がロッドに沿ってほぼ一次元的であることを示している。ロッドに隣接する耐火物における温度は、冷却面から約２５ｍｍの距離までは銅の温度と同じようである。しかしながら、銅ロッドの先端に向かって（冷却面から２２５〜３０５ｍｍ）、耐火物の温度は同じ深さにおいて銅の温度よりも顕著に高い。これは、銅と耐火物の間で、エレメントにおける多次元的な熱伝達と温度勾配が存在することを示している。これらの勾配は、銅と耐火物の間の伝達率の大きな差によってロッドの先端に生じる不均一な冷却（１次元的でない）に帰因する。上記したように、耐火物温度が高くなるほど損耗が増大するため、これら不均一な温度勾配は最小にすることが望ましい。しかしながら、エレメント断面の残りの部分全体を通しての温度、および最も重要である加熱面の温度は、両特性からしてかなり似ている。このことは、新しいエレメント設計がロッド先端の周辺部から離れた全ての領域において壁をかなり均一に冷却するのに効果的であることを示している。図７において銅ロッドの先端から加熱面に至るまでの耐火物を通る（３０５〜３３０ｍｍ）温度勾配は銅ロッドおよび耐火物を通る（８０〜３０５ｍｍ）それらよりもかなり高い。この勾配はほぼ直線的であって、銅ロッド間の中間位置の耐火物の場合の１１℃／ｍｍから銅ロッドの軸線に沿った位置の耐火物の場合の１７℃／ｍｍに及んでおり、加熱面で７５２℃に達している。加熱面近傍の高い温度勾配は、薄い厚さ（２５ｍｍ）の耐火物がその低い伝達率のため奏する大きな断熱効果を示している。加熱面上のこの耐火物層は、高い炉温度から銅ロッドを保護し、エレメントを通過する熱束を制限する。固結したプロセス材料の付着層が、プラント試験中に冷却エレメントの加熱面に形成された。付着層はさらに付加的な熱抵抗をもたらしこれによって冷却水により取り除かれる熱がかなり低減した。加熱面の熱伝達係数も同様の影響を受けた（図６に示すように）が、それは付着層の熱抵抗が計算による熱伝達係数に組み入れられたからである。図６に示す偏差のいくつかは不規則な炉の稼働や付着層の過渡的性質によるものであるが、しかし付着層堆積の効果は熱伝達係数のゆるやかな減少にはっきりと見ることができる。熱伝達係数は約５０〜６０Ｗ／ｍ² Ｋの初期値からほとんどゼロまで下がった。また、加熱面の温度（エレメントの端部における）も付着層の断熱効果のため７００℃から１００℃未満に下がった。付着層の厚さは、大きいタイプＫの熱電対をエレメントのそばで付着層の中に押し込むことによって、２５０ｍｍと椎定された。どんな付着層の大きさおよび安定性も冷却の程度だけでなく炉の内部状態やプロセス材料の特性にかかっている。付着層の堆積は耐火物の保護を提供する助けとなる。当業者であれば本発明に上記した具体的記載以外の変更や修正を加え得ることはわかるであろう。本発明が当該発明の精神と範囲内にあるそうしたすべての変更や修正を含むことは当然である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９６年２月２６日【補正内容】請求の範囲１．外殻とこの外殻に接続された外部冷却液源とを有する炉に用いられるウォールライニングであって、上記ライニングは前記外殻に隣接する耐火性ライニングを有し、上記耐火性ライニングは炉の稼働中高温にさらされる加熱面を有し、上記耐火性ライニングは高熱伝導性材料の複数のエレメントを含み、前記エレメントは前記加熱面に向って耐火性ライニング中へと延長され、各エレメントは加熱面に近接して位置するエレメント末端から炉の外殻へと至る連続した熱伝導路をそれぞれ形成し、また前記複数のエレメントは、炉の稼働の間、当該エレメント付近の炉の加熱面を横切る実質的に均一な温度を提供できるように耐火性ライニング中に分散し離間して配置されていることを特徴とするウォールライニング。２．前記した実質的に均一な温度が、炉の加熱面全体を横切って得られるものである請求の範囲第１項に記載の炉用ウォールライニング。３．前記エレメントが炉のホットスポット群において比較的集中し、炉のより冷たい部位においては比較的少ない数となるように、前記複数のエレメントを配置するものである請求の範囲第２項に記載の炉用ウォールライニング。４．高熱伝導性材料の前記複数のエレメントが、炉の加熱面に向って耐火性ライニング中へと延長されているが、該耐火性ライニングを貫通するまで延長されたものではないものである請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の炉用ウォールライニング。５．前記高熱伝導性材料が金属または金属合金である請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の炉用ウォールライニング。６．前記金属または金属合金が銅である請求の範囲第５項に記載の炉用ウォールライニング。７．高熱伝導性材料の前記エレメントが金属線条または金属ロッドからなるものである請求の範囲第５項に記載の炉用ウォールライニング。８．前記金属線条または金属ロッドが２５ｍｍ以下の直径を有するものである請求の範囲第７項に記載の炉用ウォールライニング。９．高熱伝導性材料の前記のエレメントが、耐火煉瓦に溶融金属を注入しそしてこの溶融金属を固化させることにより形成されるものである請求の範囲第１項〜第６項のいずれかに記載の炉用ウォールライニング。１０．前記溶融金属が耐火煉瓦中に途中深さまでのみ注入されるものである請求の範囲第９項に記載の炉用ウォールライニング。１１．前記複数のエレメントが前記外殻と一体形成されるものである請求の範囲第１項〜第８項のいずれかに記載の炉用ウォールライニング。１２．前記複数のエレメントが前記外殻に取付けないし固定されるものである請求の範囲第１項〜第８項のいずれかに記載の炉用ウォールライニング。１３．前記複数のエレメントが前記ウォールライニングの実質的に全体にわたって存在するものである請求の範囲第２項に記載の炉用ウォールライニング。１４．前記複数のエレメントが炉のホットスポットにあたる部分により密集するように設けられている範囲第１項〜第１２項のいずれかに記載の炉用ウォールライニング。１５．炉をウォールライニングでライニングする方法であって、前記ライニングは、高熱伝導性材料の複数のエレメントを有する耐火性ライニングよりなり、前記エレメントは前記ライニングの外殻から耐火性ライニングの内部に至り延長されたものであり、また前記方法は：（ａ）ウォールライニングのある加熱面で所望の温度を得るのに必要とされるウォールライニングを通過する熱束を算出し、（ｂ）前記（ａ）段階において算出された熱束を得るのに必要とされるウォールライニングの肉厚および熱伝導度を決定し、（ｃ）前記熱伝導度を得るのに必要とされる前記ウォールライニングにおける前記複数のエレメントの位置および離間間隔を決定し、そして（ｄ）前記エレメント群が前記外殻と熱的に接触し、かつ前記ウォールライニングが炉の稼働時において炉の加熱面を横切る実質的に均一な温度を提供できるものとして、前記ウォールライニングを前記炉に適用するものであることを特徴とする炉をウォールライニングでライニングする方法。１６．前記エレメントが炉のホットスポット群において比較的集中し、炉のより冷たい部位においては比較的少ない数とされるものである請求の範囲第１５項に記載の方法。１７．前記熱束が以下の式から算出されたものである請求の範囲第１５項または第１６項に記載の方法。（式中、Ｑは熱束、Ｔ_fは炉の温度、Ｔ_cは外殻を冷却するのに用いる冷却液の温度、Ｒ_TOTは壁断面の全熱抵抗であり、またこの壁断面の全熱抵抗Ｒ_TOTは、次式によって近似される。（式中、Ｌはウォールライニングの厚さ（ｍ）、λはウォールライニングの熱伝達率である。））１８．前記エレメントよりなる列を、当該エレメントが前記炉の外殻と熱的に接触するように、外殻の内壁に固定し、さらに外殻の内壁に耐火物含有材料を適用して、内壁上に被覆層を形成することをさらに有することを特徴とする請求の範囲第１５項〜第１７項のいずれかに記載の方法。１９．耐火性ライニングが前記エレメントの列を完全に覆うのに十分な厚さを有するものである請求の範囲第１８項に記載の方法。２０．前記エレメントの列を固定する段階が、外殻の内壁に銅金網を固定することでなり、かつ前記銅金網がこの網上の交点に取り付けられ網面に対して実質的に直角に伸びる別の銅線群を有することを特徴とする請求の範囲第１８項または第１９項に記載の方法。【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９６年３月２１日【補正内容】英国特許番号１，５８５，１５５号には、炉の内部に面する耐火性材料の暴露内層を含む複合ライニングを備えたアーク炉(arc-furnace)が記載される。内層を裏打ちする耐火性材料の外層が備えられ、この耐火性材料の外層は内層と熱的に接触している。外層は、内層より熱伝導性の高い材料から作製される。外層は、炉のケーシングと接し、周辺に、またはより一般的には、強制循環される空気若しくは水である冷却媒体に、熱を逃がす。この耐火性ライニングの複合的な構造は、側壁を通じた熱の流れを増加させ、これにより耐火物の損耗程度を抑制するように作用する。この構造は炉中に収納されるべき複合耐火性壁構造を必要とするという欠点を有する。さらに、耐火性ライニングの外層は熱伝導性の高い耐火性材料から作製されていると記載されているが、このようなこの特許には、炉壁を通ってライニング中へと至る熱伝導性の高い固体冷却部材を配置することによる、高温で作動する炉の耐火性ライニングの保護が開示されている。この固体冷却部材の外側部分は耐火性ライニングの外側に残っている。ライニング中に埋封された冷却部材は、炉中に水が漏れることを防止するために、炉のライニング中に位置した部分には、水冷流路を実質的に持たない。炉の外側に位置する冷却部材部分は、通常、水冷流路によって冷却される。冷却部材の長さ、断面積、間隔及び材料は、冷却部材の溶融を防止し、ライニングの浸蝕を制限するのに十分な熱をライニングから伝導するように、選択されている。ライニング中にへと挿入される冷却部材は銅から作製されることが好ましい。上記特許に記載される冷却部材は、直径が大きい、具体的には、約４インチ（１００ｍｍ）の直径であり、各部材は相互に比較的大きな距離をもって離間されている。このため、耐火性ライニングの加熱面を横切る温度勾配が形成され、このような温度勾配に関連する不均一な損耗の発生および熱応力の発生があった。本発明は、上記従来技術の１つまたはそれ以上の欠点を克服するまたは少なくとも改善する耐火性ライニングを提供するものである。第一の観点によると、本発明は、外殻およびこの外殻に連結された外部冷却液源を有する炉に適用されるライニングであって、上記ライニングは前記外殻に隣接する耐火性ライニングを有し、上記耐火性ライニングは炉の稼働中高温にさらされる加熱面を有し、上記耐火性ライニングは高熱伝導性材料の複数のエレメントを含み、前記エレメントは前記加熱面に向って耐火性ライニング中へと延長され、各エレメントは加熱面に近接して位置するエレメント末端から炉の外殻へと至る連続した熱伝導路をそれぞれ形成し、また前記複数のエレメントは、炉の稼働時において、当該エレメント付近の炉の加熱面を横切る実質的に均一な温度を提洪できるように耐火性ライニング中に分散しかつ離間して配置されていることを特徴とするライニングを提供する。この際、「実質的に均一な温度」とは、加熱面を横切る温度が１００℃を超えて変化することはないことを意味するものである。好ましくは、加熱面を横切る温度が５０℃を超えて変化しない。複数のエレメントは、目的とする加熱面を横切る均一な温度を得るために、ウォールライニング(wall lining)の実質的全体にわたり存在していてもよい。本発明のウォールライニングは、ライニングの内部冷却を必要とせずに耐火性ライニングの冷却を可能にする。複数のエレメントは炉の外殻に熱を伝導し、外部の冷却回路が外殻から熱を除くことができる。外部の冷却回路は強制または自然対流式の空冷装置であっても良いが、より好ましくは、水冷回路であり得る。例えば、外殻はウォータージャケットに囲繞され得るが、他の水冷装置を使用することも可能である。複数のエレメントは、外殻へと至る熱伝導用の連続した流路を提供する。また、これにより、耐火性ライニングからの熱伝達に対する接触抵抗を最小限にすることができる。本発明のウォールライニングがより高い全体的に有効な熱伝導性を発揮するため、幾つかの公知の文献に記載される複合ライニングよりも効果的な熱伝達が得られる。一実施態様によると、複数のエレメントは外殻に一体形成される。他の実施態様によると、複数のエレメントは外殻に接着されるまたは固定されてもよい。本発明のウォールライニングは、既存の炉に再取付け(retro-fit)することも、あるいはまた、新規な炉の一部として設計されてもよい。既存の炉に再取付けする場合には、炉の構造を弱くする可能性があるが、複数のエレメントを、炉を貫通して耐火性ライニング中へと至り穿孔された穴中に挿入してもよい。より好ましくは、耐火性ライニングの取換えが必要とされた際に同時に、当該ウォールライニングを取付けることが望ましい。炉をライニングするための金属を注入した耐火性レンガを用いることによって、またはロッドまたは線を予め装着した耐火性レンガを用いることによって、上記したような時期に、当該ライニングが取付けられ得る。別の観点によると、本発明は、炉をウォールライニングでライニングする方法であって、前記ライニングは、このライニングの外殻から耐火性ライニングの内部に至り延長された、高熱伝導性材料の複数のエレメントを有する耐火性ライニングよりなるものであって、また前記方法は：（ａ）ウォールライニングのある加熱面で所望の温度を得るのに必要とされるウォールライニングを通過する熱束を算出し、（ｂ）前記（ａ）段階において算出された熱束を得るのに必要とされるウォールライニングの肉厚および熱伝導度を決定し、（ｃ）前記熱伝導度を得るのに必要とされる前記ウォールライニングにおける前記複数のエレメントの位置および離間間隔を決定し、そして（ｄ）前記エレメント群が前記外殻と熱的に接触し、かつ前記ウォールライニングが炉の稼働時において炉の加熱面を横切る実質的に均一な温度を提供できるものとして、前記ウォールライニングを前記炉に適用するものであることを特徴とする方法を提洪するものである。本発明はまた、炉に耐火性レンガを全く用いずに耐火性ライニングを取り付けることを可能とするものである。別の観点によると、本発明は、以下よりなる、外殻を含む炉を耐火性ライニングでライニングする方法を提供するものである：複数の高熱伝導性材料エレメントよりなる列が、外殻と熱的に接触するように、当該エレメント列を外殻の内壁に固定し、さらに

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者グレイ，ネイル，ブーンオーストラリア国，3104 ビクトリア州, ノースバルウィン，デムプスターアヴェニュー 35 (72)発明者ハリス，ジョナサン，アランオーストラリア国，4811 クイーンズランド州，タウンズビル，メカニカルエンジニアリングデパートメント，ジェームズクックユニヴァーシティオブクイーンズランド（番地なし) (72)発明者レゲット，アンソニー，レグナーオーストラリア国，3057 ビクトリア州, イーストブルンスウィック，ウェストンストリート 139，ユニット４ (72)発明者エリオット，バリー，ジョンオーストラリア国，6430 ウェスタンオーストラリア州，カルグーリ，ラビッシュプレース３

Claims

【特許請求の範囲】１．外殻とこの外殻に接続された外部冷却液源とを有する炉に用いられるウォールライニングであって、上記ライニングは前記外殻に隣接する耐火性ライニングを有し、上記耐火性ライニングは炉の稼働中高温にさらされる加熱面を有し、上記耐火性ライニングは高熱伝導性材料の複数のエレメントを含み、前記エレメントは前記加熱面に向って耐火性ライニング中へと延長され、各エレメントは加熱面に近接して位置するエレメント末端から炉の外殻へと至る連続した熱伝導路をそれぞれ形成し、また前記エレメントは、当該エレメント付近の炉の加熱面を横切る実質的に均一な温度を提供できるように耐火性ライニング中に分散配置されていることを特徴とするウォールライニング。２．高熱伝導性材料の前記複数のエレメントが、炉の加熱面に向って耐火性ライニング中へと延長されているが、該耐火性ライニングを貫通するまで延長されたものではないものである請求の範囲第１項に記載の炉用ウォールライニング。３．前記高熱伝導性材料が金属または金属合金である請求の範囲第１項または第２項に記載の炉用ウォールライニング。４．前記金属または金属合金が銅である請求の範囲第３項に記載の炉用ウォールライニング。５．高熱伝導性材料の前記エレメントが金属線条または金属ロッドからなるものである請求の範囲第３項に記載の炉用ウォールライニング。６．前記金属線条または金属ロッドが２５ｍｍ以下の直径を有するものである請求の範囲第５項に記載の炉用ウォールライニング。７．高熱伝導性材料の前記のエレメントが、耐火煉瓦に溶融金属を注入しそしてこの溶融金属を固化させることにより形成されるものである請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の炉用ウォールライニング。８．前記溶融金属が耐火煉瓦中に途中深さまでのみ注入されるものである請求の範囲第７項に記載の炉用ウォールライニング。９．前記複数のエレメントが前記外殻と一体形成されるものである請求の範囲第１項〜第６項のいずれかに記載の炉用ウォールライニング。１０．前記複数のエレメントが前記外殻に取付けないし固定されるものである請求の範囲第１項〜第６項のいずれかに記載の炉用ウォールライニング。１１．前記複数のエレメントが前記ウォールライニングの実質的に全体にわたって存在するものである請求の範囲第１項〜第１０項のいずれかに記載の炉用ウォールライニング。１２．前記複数のエレメントが炉のホットスポットにあたる部分により密集するように設けられている範囲第１項〜第１０項のいずれかに記載の炉用ウォールライニング。１３．外殻を含む炉を耐火性ライニングを用いてライニングする方法であって、高熱伝導性材料の複数のエレメントよりなる列を、当該エレメントの列が外殻と熱的に接触するように、外殻の内壁に固定し、さらに外殻の内壁に耐火物含有材料を適用して、内壁上に被菌層を形成することを特徴とする炉のライニング方法。１４．耐火性ライニングが前記エレメントの列を完全に覆うのに十分な厚さを有するものである請求の範囲第１３項に記載の方法。１５．前記エレメントの列を固定する段階が、外殻の内壁に銅金網を固定することでなり、かつ前記銅金網がこの網上の交点に取り付けられ網面に対して実質的に直角に伸びる別の銅線群を有することを特徴とする請求の範囲第１３項または第１４項に記載の方法。１６．前記耐火物含有材料が、実質的に乾燥状態で適用されるものである請求の範囲第１３項〜第１５項のいずれかに記載の方法。１７．前記耐火物含有材料が、スラリーないしペーストとして適用されるものである請求の範囲第１３項〜第１５項のいずれかに記載の方法。１８．前記スラリーないしペーストは、薄い被膜を塗布しそして硬化させた後、１ないしそれ以上の次のスラリーまたはペーストの被膜を塗布することからなる一連の段階において、適用されるものである請求の範囲第１７項に記載の方法。１９．前記耐火物含有材料が、耐火性材料と１ないしそれ以上の他の成分を含有しており、耐火ライニングを複合ライニングとするものである請求の範囲第１３項〜第１８項のいずれかに記載の方法。２０．耐火物含有材料と、耐火物非含有ないし耐火物低含有材料との別個の塗布が、所望の任意の順序において、連続的に行なわれることにより複合耐火性ライニングが形成されるものである請求の範囲第１３項〜第１９項のいずれかに記載の方法。