JP4350119B2 - タップホール冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は，タップホール冷却構造に関し、さらに詳しくは、銅製錬等に用いられる自溶炉又は錬かん炉からマットやスラグなどの溶体を抜き出すタップホール及びその周辺部を効率的に冷却するためのタップホール冷却構造に関する。

初めに銅製錬の概略の流れについて説明する。鉱山から採掘されたままの鉱石は「粗鉱」と呼ばれ、有用鉱物以外に多量の無価値物（脈石）を含んでいることから、「選鉱」と呼ばれる工程により粗鉱から脈石を尾鉱として取り除き高品位の精鉱を製錬に供する。選鉱は鉱物の物理的又は物理化学的性質、例えば密度、硬度、磁性、導電率、湿潤性等の差異を利用して行われる。

選鉱によって得られた精鉱は製錬工程で使用される熱エネルギを節減し、鉱石の炉への供給、運搬などの取り扱いを容易にすると共に、水分による反応性の低下を防止することなどを目的として熱を用いる乾燥が行われる。乾燥は、例えば、僅かに傾斜した長い円筒形の形をした炉を有するロータリキルンのような回転乾燥機等を用いて行われる。

得られた精鉱を自溶炉に酸素富化空気あるいは高温熱風と同時に吹き込んで瞬間的に化学反応を起こさせ、比重差によってマットとスラグに分離する。ここで、自溶炉１は、図７に示すように、反応シャフト３、セットラ５、アップテイク７から構成され、反応シャフト３には１〜３本の精鉱バーナ９、９が備えられている。精鉱はこの精鉱バーナ９、９から炉内に吹き込まれる。自溶炉１は精鉱の酸化反応熱を利用するため他の方法より燃料消費率が低いという特徴がある。尚、酸化反応熱だけでは熱量の不足をきたすおそれもあるので、精鉱バーナ９、９から重油等で助燃することもある。

溶融状態となったマットは、自溶炉１の底部近傍に複数連設して設けられたマットタップホール２ａ、２ａから抜き出される。ここで得られたマットには通常銅が６０〜７０％含まれる。一方、スラグには１％前後の銅が含まれるのでアップテイク７の下部側に設けられたスラグタップホール２ｂから抜き出し、錬かん炉１ａへ送って錬かんし、銅をマットとして回収し自溶炉１からのマットとあわせて転炉で処理する。そして、電解精製によってさらに品位の高い電気銅が製造される。

近年の自溶炉における銅製錬にあっては、これまで１炉あたり年間約３０万トン程度の操業であったものを従来の約２倍の量の処理を行う高負荷操業へ移行してきている。高負荷操業では吹き込む酸素富化空気の量や炉内温度もこれまでよりさらに過酷になることから、炉内の耐熱レンガ等の耐火材の侵食劣化もこれまで以上に急速に進行する。特に、シャフト下部やシャフトとセットラの連結部に対する熱負荷の増大が著しい。そのため、炉内の耐火材の交換作業を頻繁に行う必要が生じたことから耐火材の劣化の進行を抑制すべく炉体を冷却するための冷却構造が提案されている（例えば、特開２００６−７１２１２）。

特開２００６−７１２１２号公報

自溶炉における銅製錬において従来の約２倍の量の処理を行う高負荷操業においては、炉体のタップホールから抜き出されるマット及びスラグの量も当然これまでの２倍となる。しかし、従来の自溶炉におけるタップホールは、鉄皮で形成された枠に収められた耐火レンガ（タップホールセットレンガ）に形成されており、その枠は冷却されていないのが通常であった。また、錬かん炉タップホールについても同様であった。
そのため、高銅カワ品位操業・高負荷操業へ移行するにつれ、タップホールセットレンガ自体とその周辺の耐火材への負荷が次第に高まり、従来のような構造では、枠の変形やタップホールセットレンガの損耗及び変形が顕著に進行し、最悪の場合変形したレンガとレンガの隙間から溶体が漏れ出すというトラブルが発生するおそれがあった。

そこで、高銅カワ品位操業・高負荷操業において、溶体を炉内から炉外へ抜き出すためのタップホール周辺レンガの損耗及び変形を防止し、自溶炉及び錬かん炉の安定操業を維持することを可能とするためタップホールセットレンガ及びその周辺部を効率的に冷却するタップホール冷却構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の本発明は、炉体からマット又はスラグなどの溶体を抜き出すためのタップホールを冷却するタップホール冷却構造であって、炉壁に穿設された開口部に挿入配置される中空状のジャケット本体を備え、ジャケット本体は、炉内側に位置するように配置され、炉壁と溶接接合するために炉壁と同質の材料によって形成されたフランジ部を備えた内側枠体と、炉外側に位置するように配置され、内側枠体と一体に連結接合された外側枠体によって形成され、中空状とされたジャケット本体の空間部には溶体を炉外へ抜き出すためのタップホールが形成された耐火材が充填されてなり、そして、外側枠体に形成された空間部を取り囲むようにして外側枠体の内部に冷却水を流す水路を内設したことを特徴とするタップホール冷却構造を提供する。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のタップホール冷却構造において、内側枠体は鉄製であり、外側枠体は銅製であることを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載のタップホール冷却構造において、炉は自溶炉又は錬かん炉であることを特徴とする。

本発明に係るタップホール冷却構造によれば、中空状のジャケット本体の内部に冷却水を流す水路を設けたのでタップホールセットレンガ自体とその周辺の耐火材に対する負荷を抑制し、タップホールセットレンガの損耗及び変形を有効防止することができるという効果がある。その結果、自溶炉の安定操業が可能となり溶体の漏出の危険を回避することができるという効果がある。

また、本発明に係るタップホール冷却構造によれば、ジャケット構造としたのでこれまでタップホール周辺に冷却構造の無い炉体に対しても大掛かりな改造を行うことなく後付で容易に効率的な冷却構造を付与することができるという効果がある。

さらに、本発明に係るタップホール冷却構造によれば、ジャケット本体を鉄と銅を一体に接合することとしたので熱伝導率の高い銅によって効率的に冷却を可能とするとともに、既設の炉体鉄皮部分と鉄製のフランジ部とを現地で容易に溶接接合することができるという効果がある。

以下、本発明に係るタップホール冷却構造について好ましい一実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るタップホール冷却構造におけるジャケット本体の好ましい一実施形態の斜視図、図２はその正面、図３はその底面図、図４はその側面図である。

図１〜４に示されているように、ジャケット本体１０は、概略として、内部が空洞状の角筒形状をなし、ジャケット本体１０の外周面には外側方向に突出するようにして鍔状のフランジ部１３が形成されている。尚、フランジ部１３は、図６に示すように、炉壁５ａに形成された開口部５ｂの傾斜角に応じた角度を有して形成されている。また、ジャケット本体１０の空間部１０ａには耐火レンガ等の耐火材３０が充填されるようになっている。そして、空間部１０ａに充填された耐火材３０のほぼ中央部にはマットやスラグなどの溶体を抜き出すためのタップホール２ａが穿設される。ここで空間部１０ａに充填される耐火材３０としては、例えば、マグネシア・クロム質レンガ、ジルコン質レンガなどがある。

ジャケット本体１０は、図４に示すように、炉内側に位置するように配置されるフランジ部１３を備えた鉄製の内側枠体１１（斜線部）と、炉外側に位置するように配置される銅製の外側枠体１５とを一体に連結接合することにより形成されている。具体的には、内部に空洞を有する角筒状の内側枠体１１及び外側枠体１５とを溶接することによって一体に形成されている。尚、外側枠体１５には凹部１７ａを備えた厚肉の外枠１７が一体に形成されており、これによりさらに冷却効果を高めることができる。

ここで、銅は７００℃での熱伝導率が３５４Ｗ／ｍ・Ｋで鉄の３４Ｗ／ｍ・Ｋに比べて約１０倍もあることから、溶接時における熱が急速に拡散してしまうために溶接部のなじみが悪く、接合不良を起こしやすい。そのため、鉄製の内側枠体１１と銅製の外側枠体１５との溶接に際しては銅材を十分に加熱し、銅が主体の専用の溶接棒を用いて行う必要がある。この点、ジャケット本体１０を全て銅によって形成することも考えられるが、ジャケット本体１０の取り付けに際しては銅製のジャケット本体１０を炉が設置されている現場で炉体鉄皮に直接溶接しなければならない。しかしながら、銅と鉄とを溶接する場合には銅材の十分な加熱が必要なこと、下向き溶接でないと品質上の欠陥が出る等の問題から炉の設置された現場での溶接は困難であり、また作業負担も大きい。そこで、炉体鉄皮と溶接されるフランジ部１３を有する部分（内側枠体１１部分）を炉壁５ａと同質の素材である鉄によって形成することで炉体鉄皮との現場溶接を容易にし、炉体へのジャケット本体１０の取り付けの容易化を図った。これにより、ジャケット本体１０を極めて容易かつ短時間で炉体鉄皮に取り付けることができ、新規取り付けや交換等のメンテナンスにおいても大幅に作業負担を軽減することが可能となる。

一方、銅製の外側枠体１５の内部には、図２に示すように、空間部１０ａを取り囲むようにして冷却水を流すための水路２３が形成されている。水路２３は、銅製の外側枠体１５の側面下部側に設けられた注入管２０と排水管２１と連通されており、注入管２０から注入された冷却水は水路２３を通って外側枠体１５の周囲をぐるりと回り、排水管２１から排水されるようになっている（図５）。このように、冷却は熱伝導率の高い銅製の外側枠体１５部分で行うこととしたので空間部１０ａに配置された耐熱材３０及びその周囲の炉壁５ａを効率的に冷却することが可能となる。尚、ジャケット本体１０を構成する材質の組合せは必ずしもこれに限定されるものではないが、冷却効率やコスト等から見れば鉄と銅の組合せが好ましい。また、ジャケット本体１０にこのような水冷構造を設けることで従来よりも高い冷却効果を享受することができる。

次に、上述したジャケット本体１０の炉壁５ａの開口部５ｂへの取り付け及びタップホール２ａの形成について説明する。
まず、ジャケット本体１０を炉壁５ａの開口部５ｂへ内側枠体１１側から挿入し、フランジ部１３を開口部５ｂの炉壁５ａに密着させる。そして、フランジ部１３の周縁部１３ａと開口部５ｂの炉壁５ａとを溶接してジャケット本体１０を炉体鉄皮に固定する。このときの溶接は、同質の材料同士の溶接となるので作業が行いやすく、しかも十分な強度も確保することができる。そして、ジャケット本体１０の空間部１０ａ内に耐火材３０を充填し、耐火材３０のほぼ中央部にタップホール２ａを穿設する。

次に、注入管２０と排水管２１にそれぞれホースを繋ぎ、図示しない、例えば、冷却水タンクと連結する。この作業を、炉に設けられた開口部５ｂの数だけ行う。図７の自溶炉の場合には片側に５箇所のタップホール２ａ（マットタップホール）と、アップテイク７の下部のタップホール２ｂ（スラグタップホール）を備えており、それぞれについてこの取り付け作業を行う。また、錬かん炉のタップホール２ｂ（スラグタップホール）にも同様の取り付け作業を行う。

鉄及び銅の厚みが約１０ｍｍの内側枠体１１と外側枠体１５からなり、空間部１０ａが約４００×４００ｍｍの大きさで、その内部に充填されたマグネシア・クロム質レンガに直径約１２０ｍｍのタップホール２ａが形成され、そして、内径が約３０ｍｍの水路２３を備えたジャケット本体１０を自溶炉の開口部５ｂに取り付け稼動を行なった。
従来は約５ヶ月程度でタップホールセットレンガの交換が必要であったが、本実施例によればタップホールセットレンガを約１年間交換しなくともレンガの損耗や変形は見られなかった。
そのため、タップホールからの溶体の漏れのおそれもなく安全性が高くなった。また、タップホールセットレンガの交換等のメンテナンス作業の回数が減ったので交換コストが削減されると共に、その分炉の稼動期間が増え、高負荷操業に寄与することができた。

本発明に係るタップホール冷却構造におけるジャケット本体の好ましい一実施形態の斜視図である。 図１のジャケット本体の正面である。 図１のジャケット本体の底面図である。 図１のジャケット本体の側面図である。 注入管と排水管を示す部分断面図である。 ジャケット本体の開口部への取り付けを示す斜視図である。 自溶炉及び錬かん炉の概要図である。

符号の説明

１ 自溶炉
１ａ 錬かん炉
２ａ マットタップホール
２ｂ スラグタップホール
３ 反応シャフト
５ セットラ
５ａ 炉壁
５ｂ 開口部
７ アップテイク
９ 精鉱バーナ
１０ ジャケット本体
１０ａ 空間部
１１ 内側枠体
１３ フランジ部
１５ 外側枠体
１７ 外枠
２０ 注入管
２１ 排水管
２３ 水路
３０ 耐火材

Claims (3)

1. 炉体からマット又はスラグなどの溶体を抜き出すためのタップホールを冷却するタップホール冷却構造であって、
   炉壁に穿設された開口部に挿入配置される中空状のジャケット本体を備え、
   前記ジャケット本体は、
   炉内側に位置するように配置され、前記炉壁と溶接接合するために該炉壁と同質の材料によって形成されたフランジ部を備えた内側枠体と、炉外側に位置するように配置され、前記内側枠体と一体に連結接合された外側枠体によって形成され、
   中空状とされた前記ジャケット本体の空間部には溶体を炉外へ抜き出すためのタップホールが形成された耐火材が充填されてなり、
   そして、前記外側枠体に形成された前記空間部を取り囲むようにして前記外側枠体の内部に冷却水を流す水路を内設したことを特徴とするタップホール冷却構造。
2. 請求項１に記載のタップホール冷却構造において、
   前記内側枠体は鉄製であり、前記外側枠体は銅製であることを特徴とするタップホール冷却構造。
3. 請求項１又は２に記載のタップホール冷却構造において、
   前記炉は自溶炉又は錬かん炉であることを特徴とするタップホール冷却構造。

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