水冷式Ｈ型鋼
【課題】銅製錬を行う自熔炉等の加熱炉の壁体を構成するＨ型鋼を熱損傷から保護し、自熔炉の壁体の熱負荷に対する耐久性を向上することのできる水冷式Ｈ型鋼を提供すること。
【解決手段】加熱炉の壁体を構成するＨ型鋼を、Ｈ型鋼と、内部冷水路を有する銅製ジャケットと、を含んで構成され、銅製ジャケットが、Ｈ型鋼のウェブと両フランジ下部により形成されるコの字型の三面に当接して配置されている水冷式Ｈ型鋼とする。これにより、既存のＨ型鋼に対する簡易な加工により熱負荷に対して高い耐久性を付与することができる。
【解決手段】加熱炉の壁体を構成するＨ型鋼を、Ｈ型鋼と、内部冷水路を有する銅製ジャケットと、を含んで構成され、銅製ジャケットが、Ｈ型鋼のウェブと両フランジ下部により形成されるコの字型の三面に当接して配置されている水冷式Ｈ型鋼とする。これにより、既存のＨ型鋼に対する簡易な加工により熱負荷に対して高い耐久性を付与することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅精鉱を熔解する自熔炉等、熱負荷に対する高い耐久性を求められる加熱炉の壁体を構成する水冷式Ｈ型鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
銅製錬においては、自熔炉を用いた銅製錬方法が広く用いられている。この自熔炉を用いた製錬方法においては、前処理によって乾燥した銅精鉱を自熔炉に投入し、自熔炉内で溶融した銅精鉱を、比重差によって銅品位が高いマットと、主に鉄の酸化物からなるスラグとに分離する。マットは次工程の転炉、精製炉へ送られ、精製されたアノードとなり、更に銅電解工程で９９．９９％の電気銅となり、電線や銅製品の原料となる。
【０００３】
自熔炉の壁体の構造材としては、断面形状が、フランジと呼ばれる縦２本の部分と、ウェブと呼ばれる横１本の部分の「Ｈ」形であるＨ型鋼が広く用いられている。Ｈ形鋼は、他の形鋼に比べて、断面効率、即ち、重量当たりの曲げ剛性や曲げ強度が優れている。しかし、自熔炉の壁体においては、常に高熱に晒されるため、強度の低下が不可避であり、短期間で交換や補修が必要となる。そこで、従来より、熱負荷に対する耐久性を向上させるために、例えば、図７に示すように、Ｈ型鋼６１の冷却方法として、ウェブ６１１の下側に銅製のパイプからなる内部冷水路６２１を不定形耐火物を充填してなる耐火層６３内に埋め込んだ水冷式Ｈ型鋼６１が用いられてきた。この水冷式Ｈ型鋼６１においては、内部冷水路６２１を通した冷却水７を、更に、ウェブ６１１の上側にも流して冷却する等の方法がとられていた。
【０００４】
近年、自熔炉における精鉱熔解量の増加が進められており、その結果、例えば、従来の水冷式Ｈ型鋼６においては、自熔炉の熱負荷が増加し、Ｈ型鋼６１の下部の不定形耐火物が脱落し、銅パイプからなる内部冷水路６２１がむき出しとなり炉内に垂れ下がり、ついには内部冷水路６２１及びＨ型鋼６１の底面に穴が空き漏水するといった問題が顕在化してきた。自熔炉炉内に冷却水７が漏水すると、水蒸気爆発や煉瓦の強度低下といった状況を引き起こし、生産量の低下を招いてしまう。銅製錬における安全性の向上と操業の安定化のために、Ｈ型鋼の熱負荷に対する耐久性を更に高める手段が求められるようになった。
【０００５】
従来より、例えば、高熱に晒される熱炉の壁体を熱負荷から保護するために冷却する方法として、壁体内に水路を設けて壁体を冷却する方法（特許文献１）や、水冷ジャケットを壁体に接触させて設置することにより、冷却する方法（特許文献２及び特許文献３）等、様々な方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１４４９６２号公報
【特許文献２】特開２００６−７１２１２号公報
【特許文献３】特開２０１１−７５１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、それらの壁体の冷却方法はいずれも壁体を構成する煉瓦やキャスタブル等の耐火物の保護を目的としており、壁体を構成するＨ型鋼自体を効果的に冷却して、Ｈ型鋼自体の熱負荷による熔損を防止し、上記の問題を解決する手段としては、未だ効果的な解決手段が見出されていないのが現状であった。
【０００８】
本発明は、銅製錬を行う自熔炉等の加熱炉の壁体を構成するＨ型鋼であって、冷却効率及び耐久性に優れた冷却手段を備えることによって、熱負荷に対する耐久性を向上させたＨ型鋼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、自熔炉等の加熱炉の壁体を構成するＨ型鋼において、本来、その断面効率を高めるために限定されているＨ型鋼特有の断面形状が、冷却手段である銅製ジャケットを設置するための形状としても好都合であることに着目し、Ｈ型鋼のウェブと両フランジの下部に銅製の水冷ジャケットを当接して配置する構造とすることにより、冷却効率が高く熱耐久性も良好である水冷式Ｈ型鋼を、簡便な方法で製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
（１） 加熱炉の壁体を構成する水冷式Ｈ型鋼であって、Ｈ型鋼と、内部冷水路を有する銅製ジャケットと、を含んで構成され、前記銅製ジャケットは、前記Ｈ型鋼のウェブと両フランジ下部により形成されるコの字型の三面の形成する空間の内側に配置されており、前記コの字型の三面と直接又は熱伝導性充填材を介して当接している水冷式Ｈ型鋼。
【００１１】
（２） 不定形耐火物からなる耐火層が、前記銅製ジャケットの底面を覆って、前記Ｈ型鋼の両フランジ間に形成されている（１）に記載の水冷式Ｈ型鋼。
（３） 前記内部冷水路が、前記銅製ジャケット内の中心位置よりも前記Ｈ型鋼のウェブ寄りの位置に配置されていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の水冷式Ｈ型鋼。
【００１２】
（４） 前記銅製ジャケットの底面には凹状切り欠き部が形成されており、前記不定形耐火物が、前記切り欠き部の内部にまで隙間無く充填されることにより前記耐火層が形成されていることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【００１３】
（５） 前記銅製ジャケットには、少なくとも前記Ｈ型鋼のフランジ先端部寄りの底面に、耐熱耐磨耗合金による肉盛溶接が施された肉盛溶接部を備える（１）から（４）のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【００１４】
（６） 前記銅製ジャケットを構成する銅ブロックへの開孔処理によって、前記銅製ジャケット内に前記内部冷水路が形成されていることを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【００１５】
（７） 前記銅製ジャケットを構成する銅ブロックに金属製パイプが鋳込まれており、該金属性パイプによって前記銅製ジャケット内に前記内部冷水路が形成されていることを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【００１６】
（８） （１）から（７）のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼を含んで構成される壁体を有する加熱炉であって、前記加熱炉の壁体における所定の範囲には、（６）に記載の水冷式Ｈ型鋼のみが配置されており、前記加熱炉の壁体におけるその他の所定の範囲には、（７）に記載の水冷式Ｈ型鋼のみが配置されていることを特徴とする加熱炉。
【００１７】
（９） （１）から（７）いずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼の内部冷水路に注水することによって、加熱炉の壁体を冷却する加熱炉の冷却方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、自熔炉等の加熱炉の壁体を構成するＨ型鋼を効果的に冷却することができ、熱負荷に対する耐久性も充分に高い水冷式Ｈ型鋼を提供することができる。又、この水冷式Ｈ型鋼は、既存のＨ型鋼に対する簡易な加工により熱負荷に対して高い耐久性を付与することができる。具体例としては、自熔炉を構成する壁体の耐久性を顕著に高めて、安全性の向上と操業の安定化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】自熔炉の全体構造を示す断面模式図である。
【図２】本発明に係る水冷式Ｈ型鋼の斜視図である。
【図３】本発明に係る水冷式Ｈ型鋼の構造を示す断面模式図である。
【図４Ａ】本発明に係る水冷式Ｈ型鋼を構成する銅製ジャケットの一の形態における断面模式図である。
【図４Ｂ】本発明に係る水冷式Ｈ型鋼を構成する銅製ジャケットの他の実施形態における断面模式図である。
【図５】本発明に係る水冷式Ｈ型鋼の一実施例の全体構成を示す断面模式図である。
【図６】本発明に係る水冷式Ｈ型鋼の自熔炉における好ましい配置例を示す平面模式図である。
【図７】従来の水冷式Ｈ型鋼の構造を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、本発明を自熔炉へ適用した場合を例に挙げて詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではない。本発明は、圧延・鍛錬等の高温処理を伴う金属加工を行うための他のあらゆる加熱炉への適用が可能である。
【００２１】
＜自熔炉の全体構造と自熔炉を用いた銅製錬の全体プロセス＞
まず、図１を参照しながら、本発明の水冷式Ｈ型鋼の一実施形態である銅製錬を行う自熔炉の全体構造について説明する。図１に示す通り、自熔炉１は、リアクションシャフト２０、セトラー３０、アップテーク４０を備える熔鉱炉である。尚、リアクションシャフト２０の上部には、銅精鉱及び高温のガスを投入する搬入口２１が、セトラー３０には、スラグ３０１を排出するスラグホール３１、自溶炉の側面に形成されマット３０２を回収するためのマットホール３２が、アップテーク４０には高温の亜硫酸ガス３０３を排出するための排出口４１がそれぞれ形成されている。
【００２２】
自熔炉１を用いた銅製錬においては、原料である銅精鉱を自熔炉１で熔解する為に、前処理として精鉱乾燥設備（図示せず）において水分を１０％から１％以下にまで乾燥する。乾燥された銅精鉱は、スクリューコンベアー等の搬送設備（図示せず）によりリアクションシャフト２０上部の搬入口２１から自熔炉１に投入される。自熔炉１では、銅精鉱と同時にシリカ等の溶剤と高温の酸素富化空気を搬入口２１から自熔炉１内に吹き込む。リアクションシャフト２０内で銅精鉱は熔解し、鉄の酸化物と溶剤からなるスラグ３０１と、銅品位が６５％程度のマット３０２と、亜硫酸ガス３０３が生成される。生成されたスラグ３０１とマット３０２はセトラー３０で比重分離し、スラグ３０１はスラグホール３１から排出されて、コンクリート骨材やケーソン中詰め材として再利用される。マット３０２は自溶炉側面のマットホールから回収されて、次工程の転炉（図示せず）、精製炉（図示せず）へ送られ、精製されたアノードとなり、その次の銅電解工程で９９．９９％の電気銅となり、電線や銅製品の原料となる。亜硫酸ガス３０３はアップテーク４０を通過して、排出口４１から排出され、廃熱ボイラーで熱回収された後、硫酸製造工程へ送られて硫酸が製造される。
【００２３】
一般に自熔炉の構造材料として、広くＨ型鋼が用いられているが、自熔炉１においては、Ｈ型鋼として、以下に詳しく説明する本発明に係る水冷式Ｈ型鋼５を用いることにより、Ｈ型鋼の耐久性を顕著に向上させている。必ずしも自熔炉を構成する全てのＨ型鋼を水冷式Ｈ型鋼５とすることは必須ではないが、図１に示す通り、少なくとも、特に熱負荷の高い部分であるリアクションシャフト２０の天井部Ａ、リアクションシャフト２０の下部Ｂ、セトラー３０の天井部Ｃ、アップテーク４０の天井部Ｄ等には、水冷式Ｈ型鋼５を設置することが好ましい。
【００２４】
＜水冷式Ｈ型鋼＞
次に図２から図６を参照しながら、本発明に係る水冷式Ｈ型鋼５の一実施形態について説明する。図２及び図３に示す通り、水冷式Ｈ型鋼５は、Ｈ型鋼５１と、銅製ジャケット５２とによって構成されており、更に、耐火層５３を備える。
【００２５】
水冷式Ｈ型鋼５では、略直法体形状の銅製ジャケット５２の天面５２６及び両側面５２４が、Ｈ型鋼５１のウェブ５１１と両フランジ５１２の下部により形成されるコの字型の三面のうち、ウェブ５１１の下面とは隙間無く当接しており、両フランジ５１２の下部内面とは、熱伝導性に優れた熱伝導性充填材５４を介して当着している。尚、本発明の水冷式Ｈ型鋼５においては、天面５２６とウェブ５１１の下面との間にも熱伝導性充填材５４を充填してもよい。又、天面５２６に凸部を設け、一部生じる凹部分についてのみ熱伝導性充填材５４を充填することによって、天面５２６とウェブ５１１の下面が直接接触し、一部生じる凹部分は熱伝導性充填材５４を介して当着する構成としてもよい。上記いずれの構成によっても、銅製ジャケット５２とＨ型鋼５１との接触面積を最大化して、冷却効率を高めることができる。
【００２６】
Ｈ型鋼５１は、一般的に長手方向の長さが数ｍから数十ｍに及ぶ柱状の鋼材である。１本のＨ型鋼５１に配置される銅製ジャケット５２の数は特に限定されないが、通常は、Ｈ型鋼５１の長手方向に複数の銅製ジャケット５２が直列に配置される。
【００２７】
Ｈ型鋼５１は、従来公知の一般的な型鋼であるＨ型鋼を用いることができる。Ｈ形鋼の形状・寸法はＪＩＳ Ｇ ３１９２及びＪＩＳ Ａ ５５２６で規格が定められているが、本発明の水冷式Ｈ型鋼においては、銅製ジャケット５２の寸法を適切に対応させることも可能であり、Ｈ型鋼５１については、必要に応じて任意の寸法のものを適宜用いればよい。又、Ｈ型鋼は、必ずしも直線状のものである必要はなく、断面形状がＨ型であれば、アーチ状やリング状の鋼材であっても銅製ジャケットの形状をそれらのＨ型鋼の形状に適応させた形に鋳造することにより本発明を適用することが可能である。
【００２８】
銅製ジャケット５２は、Ｈ型鋼５１のウェブ５１１と両フランジ５１２の下部により形成されるコの字型の三面の形成する空間の内側に配置されている。銅製ジャケット５２が、このように配置されることにより、Ｈ型鋼下部にかかる高い熱負荷を低減させることができる。
【００２９】
上記位置に配置された銅製ジャケット５２は、ボルト５５でＨ型鋼５１に固定されている。ボルト５５は図のように銅製ジャケット５２を貫通するものでもよいし、銅製ジャケット５２の内部へのねじ込みによる埋め込み式であってもよい。又、銅製ジャケット５２をＨ型鋼５１に固定する手段は上記に限られない。銅製ジャケット５２を上記配置において堅固に固定できる手段であればよい。
【００３０】
銅製ジャケット５２は、冷却水を流すための内部冷水路５２１を備える銅製のブロック体である。Ｈ型鋼５１のウェブ５１１と両フランジ５１２の下部により形成されるコの字型の三面との接触面積を最大化することができるように、適切な形状及び寸法のものを用いる必要がある。例えば、図２に示したような略直方体形状の銅製ジャケットを好ましく用いることができる。尚、銅製ジャケット５２の底面５２３には、凹状の切り欠き部５２５が形成されていることが好ましい。又、銅製ジャケット５２の表面に形成される内部冷水路５２１の末端の開孔部には、冷却水を注入或いは排出するための外部冷水路５７が接続される。
【００３１】
切り欠き部５２５の形状は特に限定されないが、例えば図３及び図４に示すように、不
定形耐火物が切り欠き部５２５の内面に沿って隙間無く充填されて耐火層５３を形成している構成とすることにより、耐火層５３の安定性を高めることができる。又、耐火層５３の損耗時においても、切り欠き部５２５の内部に飛散熔融物によるセルフコーティングが形成され易く、このセルフコーティングによっても、貫通式のボルト５５の頭部、銅製ジャケット５２及び、Ｈ型鋼５１を炉内からの熱負荷や腐食性ガス（ＳＯ２ガス）から、保護することできる。又、切り欠き部５２５の変形例として、Ｈ型鋼５１の長手方向に対して垂直な面における断面形状を、底面側に向けて幅が広がるテーパー形状、或いは底面側に向けて幅が狭まる逆テーパー形状とすることもでき、いずれも作業性の向上や耐火層５３の安定性が高まる。
【００３２】
図３に示すように、銅製ジャケット５２の内部冷水路５２１は、銅製ジャケット５２内の中心位置Ｏ、即ち、天面５２６からの距離と底面５２３からの距離がいずれも同じｔとなる位置よりも天面５２６側寄りの位置に銅製ジャケット５２を貫通して形成されることが好ましい。
【００３３】
内部冷水路５２１を上記位置に形成することにより、仮に、耐火層５３及び銅製ジャケット５２の底面５２３付近の一部が熱負荷によって熔損したとしても、内部冷水路５２１は、尚、銅ブロックに被包された状態にあり、熱負荷による内部冷水路５２１の熔損を回避することができる。
【００３４】
銅製ジャケット５２の内部冷水路５２１については、一例として、図４Ａに示すように、銅製ジャケット５２ａを構成する銅ブロックに機械加工による開孔処理を行うことによって形成することができる。このようにして形成した内部冷水路５２１ａを備える銅製ジャケット５２ａは、冷却水による冷却効果のロスがなく冷却効率が高い。
【００３５】
銅製ジャケット５２の内部冷水路５２１については、或いは、図４Ｂに示すように、予め所定の形状に形成しておいた銅等からなる金属製パイプを銅製ジャケット５２ｂを形成する銅ブロックに鋳込むことによっても形成することができる。このようにして形成した内部冷水路５２１ｂを備える銅製ジャケット５２ｂは、銅製ジャケット５２ｂを構成する銅ブロックが熔損、磨耗しても尚、上記の金属製パイプによって漏水を防止できる構造であるため安全性が高い。
【００３６】
内部冷水路５２１（５２１ａ又は５２１ｂ）は、適切な銅製ジャケット５２の寸法に応じて１本又は複数本形成することができるが、内部冷水路５２１は、銅製ジャケット５２内に複数本設置されていることが好ましい。内部冷水路５２１が複数本あると、例えば一の内部冷水路５２１が漏水した場合に、他の内部冷水路５２１で銅製ジャケット５２内への通水を継続でき、水冷式Ｈ型鋼５を引き続き冷却可能な状態に保つことが出来るからである。本実施例の水冷式Ｈ型鋼５においては、図３及び図４に示す通り、銅製ジャケット５２内に横方向に２本並べて内部冷水路５２１が平行に形成されているが、３本以上形成されるものであってもよし、或いは、銅製ジャケット５２の幅が小さく、水平方向に２本並べて形成することが困難な場合は、内部冷水路５２１を鉛直方向に２本並べて形成してもよい。
【００３７】
銅製ジャケット５２の底面５２３と側面５２４の一部には、図３に示すように、耐熱耐摩耗合金を肉盛溶接した肉盛溶接部５２２が形成されていることが好ましい。又、肉盛溶接部５２２の範囲は、少なくとも、水冷式Ｈ型鋼５の自熔炉１への設置時における底面側、即ち自熔炉１の炉内側の面となる底面５２３の全面に行われていることが好ましく、側面５２４については、銅製ジャケット５２の中心位置Ｏよりも底面寄りの底面の近傍部にのみ行うことが好ましい。肉盛溶接部５２２を施す範囲をこのような特に高い熱負荷のかかる範囲にのみ施工することにより、銅製ジャケット５２とＨ型鋼５１が直接接触する面積の減少を最小限度に抑えることができるため、充分な冷却効率を維持したまま、水冷式Ｈ型鋼５の耐熱性を更に高めることができる。尚、耐熱耐摩耗合金としてはＮｉ−Ｃｒ合金を好ましく用いることができるが、これに限らず、その他Ｎｉ基の耐熱合金にモリブデン等の他の耐熱耐摩耗性成分を添加した耐熱耐摩耗合金等、従来公知の耐熱耐摩耗合金を用いることができる。
【００３８】
耐火層５３は、銅製ジャケット５２の底面５２３を覆って、Ｈ型鋼５１の両フランジ５１２間に不定形耐火物が充填されることにより形成されている。又、耐火層５３は、更に、Ｈ型鋼５１の両フランジ５１２の下部全体を被覆するように形成されていてもよい。
【００３９】
耐火層５３を構成する不定形耐火物としては、特に限定されず従来公知の不定形耐火物を用いることができる。一例として、Ａｌ２Ｏ３を主成分とするキャスタブル耐火物を好ましく用いることができる。耐火層５３を設けることにより、銅製ジャケット５２への熱負荷を軽減し、水冷式Ｈ型鋼５の耐久性を更に向上させることができる。
【００４０】
耐火層５３を形成するための不定形耐火物の充填は、従来公知の方法で行うことができるが、充填後の安定性を高めるために、上記したような切り欠き部５２５を銅製ジャケット１２の底面に設ける他、Ｈ型鋼５１のフランジの内面側に楔状のアンカー５６を設けることが好ましい。
【００４１】
耐火層５３の厚みについては、銅製ジャケットの底面５２３上で切り欠き部５２５が形成されておらず耐火層５３の厚さが最も薄い部分において５０ｍｍ以上であり、最も厚い部分において１５０ｍｍ以下であることが好ましい。耐火層５３の厚さが５０ｍｍ未満であると、銅製ジャケット５２の熱負荷が充分に軽減されず、又、耐火層５３の安定性にも劣るため好ましくない。耐火層５３の厚さが１５０ｍｍを超えると耐火層５３に対する冷却効果が低下し耐火層５３下端の損傷が進み易くなるため好ましくない。
【００４２】
熱伝導性充填材５４は、グラファイトを主体とした水性セメント等、熱伝導性に優れた従来公知の伝熱セメントを銅製ジャケット５２と前記のコの字型の三面との間の隙間の空間に充填することにより形成することができる。
【００４３】
図５は水冷式Ｈ型鋼の一実施例の全体構成を示す図であり、Ｈ型鋼５１の長手方向に対して垂直方向から見た場合の断面模式図である。この実施例においては、Ｈ型鋼５１に銅製ジャケット５２が２本設置され、冷却水７が水冷式Ｈ型鋼５の一方の外部冷水路５７から注入され、内部冷水路５２１、外部冷水路５７、内部冷水路５２１を順次流れて、他方の外部冷水路５７より排出されている。銅製ジャケット５２は、その炉内側面が耐火層５３で覆われており、Ｈ型鋼５１に固定されている。外部冷水路５７としては、例えば、公知の耐熱性樹脂からなるゴムホース、或いは金属製の水道管等を適宜用いることができる。
【００４４】
図５に示した実施状態において、水冷式Ｈ型鋼５の内部冷水路５２１に注水することによって、Ｈ型鋼５１を効果的に冷却することができる。この冷却方法によれば、Ｈ型鋼５１の温度上昇を抑制し、熱負荷による熔損を防いでその耐久性を向上させることができる。
【００４５】
又、相対的に高温となるＨ型鋼５１のウェブ５１１より下部の冷却効果が向上することにより、図７に示した従来の水冷式Ｈ型鋼６のように、Ｈ型鋼５１のウェブ５１１より上部への冷却水の環流が不要になり、水の飛沫やあふれによる水路外への流出を避けることが出来る。
【００４６】
＜自熔炉の壁体の冷却方法＞
自熔炉１の壁体の構成材料として、上記説明した水冷式Ｈ型鋼５を用いることによって、Ｈ型鋼５１の冷却により、自熔炉１を構成する壁体全体の温度上昇をも抑制し、又、自熔炉１全体の熱負荷に対する耐久性をも高めることができる。
【００４７】
自熔炉１の壁体の製造に際しては、壁体の構造材として壁体内への組入れる前に、予めＨ型鋼５１に銅製ジャケット５２等を接合して水冷式Ｈ型鋼５を形成しておくことが好ましい。予め形成された水冷式Ｈ型鋼５は、従来公知のＨ型鋼を用いた壁体の製造方法と同様の方法をもって、壁体の構造材として用いることができる。
【００４８】
この際、上記において説明した水冷式Ｈ型鋼５の複数のバリエーションのうちのいずれを用いてもよいが、銅製ジャケット５２ａを備える水冷式Ｈ型鋼５ａと銅製ジャケット５２ｂを備える水冷式Ｈ型鋼５ｂについては、自熔炉１内の各部分における、熱負荷の高さや磨耗の危険度の程度に応じて、所定の範囲毎に適宜使い分けることが好ましい。
【００４９】
銅製ジャケット５２ａを備える水冷式Ｈ型鋼５ａは、熱伝導率が高く冷却能力に優れている。銅製ジャケット５２ｂを備える水冷式Ｈ型鋼５ｂは、冷却効率は水冷式Ｈ型鋼５ａよりは若干劣るものの、安全性に極めて優れる。
【００５０】
自熔炉１においては、リアクションシャフト２０の下部Ｂやセトラー３０の天井部Ｃは、熱負荷が高くガス流れによる磨耗の影響が大きい。一方、リアクションシャフト２０の天井部Ａやアップテーク４０の天井部Ｄは、比較的熱負荷が低く、自熔炉炉内のガス流による磨耗を受けにくい。
【００５１】
そこで、図６に示す通り、相対的に熱負荷の低いリアクションシャフト２０の天井部Ａやアップテーク４０の天井部Ｄにおいては、銅製ジャケット５２ａを備える水冷式Ｈ型鋼５ａによって壁体を構成し、特に熱負荷の高いリアクションシャフト２０の下部Ｂやセトラー３０の天井部Ｃにおいては、銅製ジャケット５２ｂを備える水冷式Ｈ型鋼５ｂによって壁体を構成することが好ましい。自熔炉１の壁体をそのような構成とすることにより、安全性に優れ且つ冷却効率も高い自熔炉とすることができる。尚、リアクションシャフト天井部Ａは、図６に示す通り、Ｈ型鋼がリング形状となっているが、先に説明した通り、このような構造箇所においても本発明を好適に用いることは可能である。又、水冷式Ｈ型鋼５ａ及び５ｂの使い分けについては、上記した組み合わせに限定されるものではなく、それぞれの水冷式Ｈ型鋼の特性を考慮した上で、設置範囲を限定して使い分けているものであれば、他の組み合わせの配置であっても本発明の範囲内である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 自熔炉
２０ リアクションシャフト
２１ 搬入口
３０ セトラー
３１ スラグホール
３０１ スラグ
３０２ マット
３０３ 亜硫酸ガス
４０ アップテーク
４１ 排出口
５ 水冷式Ｈ型鋼
５１ Ｈ型鋼
５２ 銅製ジャケット
５２１ 内部冷水路
５２２ 肉盛溶接部
５３ 耐火層
５４ 熱伝導性充填材
５５ ボルト
５６ アンカー
５７ 外部冷水路
７ 冷却水
Ａ リアクションシャフト２０の天井部
Ｂ リアクションシャフト２０の下部
Ｃ セトラー３０の天井部
Ｄ アップテーク４０の天井部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅精鉱を熔解する自熔炉等、熱負荷に対する高い耐久性を求められる加熱炉の壁体を構成する水冷式Ｈ型鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
銅製錬においては、自熔炉を用いた銅製錬方法が広く用いられている。この自熔炉を用いた製錬方法においては、前処理によって乾燥した銅精鉱を自熔炉に投入し、自熔炉内で溶融した銅精鉱を、比重差によって銅品位が高いマットと、主に鉄の酸化物からなるスラグとに分離する。マットは次工程の転炉、精製炉へ送られ、精製されたアノードとなり、更に銅電解工程で９９．９９％の電気銅となり、電線や銅製品の原料となる。
【０００３】
自熔炉の壁体の構造材としては、断面形状が、フランジと呼ばれる縦２本の部分と、ウェブと呼ばれる横１本の部分の「Ｈ」形であるＨ型鋼が広く用いられている。Ｈ形鋼は、他の形鋼に比べて、断面効率、即ち、重量当たりの曲げ剛性や曲げ強度が優れている。しかし、自熔炉の壁体においては、常に高熱に晒されるため、強度の低下が不可避であり、短期間で交換や補修が必要となる。そこで、従来より、熱負荷に対する耐久性を向上させるために、例えば、図７に示すように、Ｈ型鋼６１の冷却方法として、ウェブ６１１の下側に銅製のパイプからなる内部冷水路６２１を不定形耐火物を充填してなる耐火層６３内に埋め込んだ水冷式Ｈ型鋼６１が用いられてきた。この水冷式Ｈ型鋼６１においては、内部冷水路６２１を通した冷却水７を、更に、ウェブ６１１の上側にも流して冷却する等の方法がとられていた。
【０００４】
近年、自熔炉における精鉱熔解量の増加が進められており、その結果、例えば、従来の水冷式Ｈ型鋼６においては、自熔炉の熱負荷が増加し、Ｈ型鋼６１の下部の不定形耐火物が脱落し、銅パイプからなる内部冷水路６２１がむき出しとなり炉内に垂れ下がり、ついには内部冷水路６２１及びＨ型鋼６１の底面に穴が空き漏水するといった問題が顕在化してきた。自熔炉炉内に冷却水７が漏水すると、水蒸気爆発や煉瓦の強度低下といった状況を引き起こし、生産量の低下を招いてしまう。銅製錬における安全性の向上と操業の安定化のために、Ｈ型鋼の熱負荷に対する耐久性を更に高める手段が求められるようになった。
【０００５】
従来より、例えば、高熱に晒される熱炉の壁体を熱負荷から保護するために冷却する方法として、壁体内に水路を設けて壁体を冷却する方法（特許文献１）や、水冷ジャケットを壁体に接触させて設置することにより、冷却する方法（特許文献２及び特許文献３）等、様々な方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１４４９６２号公報
【特許文献２】特開２００６−７１２１２号公報
【特許文献３】特開２０１１−７５１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、それらの壁体の冷却方法はいずれも壁体を構成する煉瓦やキャスタブル等の耐火物の保護を目的としており、壁体を構成するＨ型鋼自体を効果的に冷却して、Ｈ型鋼自体の熱負荷による熔損を防止し、上記の問題を解決する手段としては、未だ効果的な解決手段が見出されていないのが現状であった。
【０００８】
本発明は、銅製錬を行う自熔炉等の加熱炉の壁体を構成するＨ型鋼であって、冷却効率及び耐久性に優れた冷却手段を備えることによって、熱負荷に対する耐久性を向上させたＨ型鋼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、自熔炉等の加熱炉の壁体を構成するＨ型鋼において、本来、その断面効率を高めるために限定されているＨ型鋼特有の断面形状が、冷却手段である銅製ジャケットを設置するための形状としても好都合であることに着目し、Ｈ型鋼のウェブと両フランジの下部に銅製の水冷ジャケットを当接して配置する構造とすることにより、冷却効率が高く熱耐久性も良好である水冷式Ｈ型鋼を、簡便な方法で製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
（１） 加熱炉の壁体を構成する水冷式Ｈ型鋼であって、Ｈ型鋼と、内部冷水路を有する銅製ジャケットと、を含んで構成され、前記銅製ジャケットは、前記Ｈ型鋼のウェブと両フランジ下部により形成されるコの字型の三面の形成する空間の内側に配置されており、前記コの字型の三面と直接又は熱伝導性充填材を介して当接している水冷式Ｈ型鋼。
【００１１】
（２） 不定形耐火物からなる耐火層が、前記銅製ジャケットの底面を覆って、前記Ｈ型鋼の両フランジ間に形成されている（１）に記載の水冷式Ｈ型鋼。
（３） 前記内部冷水路が、前記銅製ジャケット内の中心位置よりも前記Ｈ型鋼のウェブ寄りの位置に配置されていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の水冷式Ｈ型鋼。
【００１２】
（４） 前記銅製ジャケットの底面には凹状切り欠き部が形成されており、前記不定形耐火物が、前記切り欠き部の内部にまで隙間無く充填されることにより前記耐火層が形成されていることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【００１３】
（５） 前記銅製ジャケットには、少なくとも前記Ｈ型鋼のフランジ先端部寄りの底面に、耐熱耐磨耗合金による肉盛溶接が施された肉盛溶接部を備える（１）から（４）のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【００１４】
（６） 前記銅製ジャケットを構成する銅ブロックへの開孔処理によって、前記銅製ジャケット内に前記内部冷水路が形成されていることを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【００１５】
（７） 前記銅製ジャケットを構成する銅ブロックに金属製パイプが鋳込まれており、該金属性パイプによって前記銅製ジャケット内に前記内部冷水路が形成されていることを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【００１６】
（８） （１）から（７）のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼を含んで構成される壁体を有する加熱炉であって、前記加熱炉の壁体における所定の範囲には、（６）に記載の水冷式Ｈ型鋼のみが配置されており、前記加熱炉の壁体におけるその他の所定の範囲には、（７）に記載の水冷式Ｈ型鋼のみが配置されていることを特徴とする加熱炉。
【００１７】
（９） （１）から（７）いずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼の内部冷水路に注水することによって、加熱炉の壁体を冷却する加熱炉の冷却方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、自熔炉等の加熱炉の壁体を構成するＨ型鋼を効果的に冷却することができ、熱負荷に対する耐久性も充分に高い水冷式Ｈ型鋼を提供することができる。又、この水冷式Ｈ型鋼は、既存のＨ型鋼に対する簡易な加工により熱負荷に対して高い耐久性を付与することができる。具体例としては、自熔炉を構成する壁体の耐久性を顕著に高めて、安全性の向上と操業の安定化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】自熔炉の全体構造を示す断面模式図である。
【図２】本発明に係る水冷式Ｈ型鋼の斜視図である。
【図３】本発明に係る水冷式Ｈ型鋼の構造を示す断面模式図である。
【図４Ａ】本発明に係る水冷式Ｈ型鋼を構成する銅製ジャケットの一の形態における断面模式図である。
【図４Ｂ】本発明に係る水冷式Ｈ型鋼を構成する銅製ジャケットの他の実施形態における断面模式図である。
【図５】本発明に係る水冷式Ｈ型鋼の一実施例の全体構成を示す断面模式図である。
【図６】本発明に係る水冷式Ｈ型鋼の自熔炉における好ましい配置例を示す平面模式図である。
【図７】従来の水冷式Ｈ型鋼の構造を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、本発明を自熔炉へ適用した場合を例に挙げて詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではない。本発明は、圧延・鍛錬等の高温処理を伴う金属加工を行うための他のあらゆる加熱炉への適用が可能である。
【００２１】
＜自熔炉の全体構造と自熔炉を用いた銅製錬の全体プロセス＞
まず、図１を参照しながら、本発明の水冷式Ｈ型鋼の一実施形態である銅製錬を行う自熔炉の全体構造について説明する。図１に示す通り、自熔炉１は、リアクションシャフト２０、セトラー３０、アップテーク４０を備える熔鉱炉である。尚、リアクションシャフト２０の上部には、銅精鉱及び高温のガスを投入する搬入口２１が、セトラー３０には、スラグ３０１を排出するスラグホール３１、自溶炉の側面に形成されマット３０２を回収するためのマットホール３２が、アップテーク４０には高温の亜硫酸ガス３０３を排出するための排出口４１がそれぞれ形成されている。
【００２２】
自熔炉１を用いた銅製錬においては、原料である銅精鉱を自熔炉１で熔解する為に、前処理として精鉱乾燥設備（図示せず）において水分を１０％から１％以下にまで乾燥する。乾燥された銅精鉱は、スクリューコンベアー等の搬送設備（図示せず）によりリアクションシャフト２０上部の搬入口２１から自熔炉１に投入される。自熔炉１では、銅精鉱と同時にシリカ等の溶剤と高温の酸素富化空気を搬入口２１から自熔炉１内に吹き込む。リアクションシャフト２０内で銅精鉱は熔解し、鉄の酸化物と溶剤からなるスラグ３０１と、銅品位が６５％程度のマット３０２と、亜硫酸ガス３０３が生成される。生成されたスラグ３０１とマット３０２はセトラー３０で比重分離し、スラグ３０１はスラグホール３１から排出されて、コンクリート骨材やケーソン中詰め材として再利用される。マット３０２は自溶炉側面のマットホールから回収されて、次工程の転炉（図示せず）、精製炉（図示せず）へ送られ、精製されたアノードとなり、その次の銅電解工程で９９．９９％の電気銅となり、電線や銅製品の原料となる。亜硫酸ガス３０３はアップテーク４０を通過して、排出口４１から排出され、廃熱ボイラーで熱回収された後、硫酸製造工程へ送られて硫酸が製造される。
【００２３】
一般に自熔炉の構造材料として、広くＨ型鋼が用いられているが、自熔炉１においては、Ｈ型鋼として、以下に詳しく説明する本発明に係る水冷式Ｈ型鋼５を用いることにより、Ｈ型鋼の耐久性を顕著に向上させている。必ずしも自熔炉を構成する全てのＨ型鋼を水冷式Ｈ型鋼５とすることは必須ではないが、図１に示す通り、少なくとも、特に熱負荷の高い部分であるリアクションシャフト２０の天井部Ａ、リアクションシャフト２０の下部Ｂ、セトラー３０の天井部Ｃ、アップテーク４０の天井部Ｄ等には、水冷式Ｈ型鋼５を設置することが好ましい。
【００２４】
＜水冷式Ｈ型鋼＞
次に図２から図６を参照しながら、本発明に係る水冷式Ｈ型鋼５の一実施形態について説明する。図２及び図３に示す通り、水冷式Ｈ型鋼５は、Ｈ型鋼５１と、銅製ジャケット５２とによって構成されており、更に、耐火層５３を備える。
【００２５】
水冷式Ｈ型鋼５では、略直法体形状の銅製ジャケット５２の天面５２６及び両側面５２４が、Ｈ型鋼５１のウェブ５１１と両フランジ５１２の下部により形成されるコの字型の三面のうち、ウェブ５１１の下面とは隙間無く当接しており、両フランジ５１２の下部内面とは、熱伝導性に優れた熱伝導性充填材５４を介して当着している。尚、本発明の水冷式Ｈ型鋼５においては、天面５２６とウェブ５１１の下面との間にも熱伝導性充填材５４を充填してもよい。又、天面５２６に凸部を設け、一部生じる凹部分についてのみ熱伝導性充填材５４を充填することによって、天面５２６とウェブ５１１の下面が直接接触し、一部生じる凹部分は熱伝導性充填材５４を介して当着する構成としてもよい。上記いずれの構成によっても、銅製ジャケット５２とＨ型鋼５１との接触面積を最大化して、冷却効率を高めることができる。
【００２６】
Ｈ型鋼５１は、一般的に長手方向の長さが数ｍから数十ｍに及ぶ柱状の鋼材である。１本のＨ型鋼５１に配置される銅製ジャケット５２の数は特に限定されないが、通常は、Ｈ型鋼５１の長手方向に複数の銅製ジャケット５２が直列に配置される。
【００２７】
Ｈ型鋼５１は、従来公知の一般的な型鋼であるＨ型鋼を用いることができる。Ｈ形鋼の形状・寸法はＪＩＳ Ｇ ３１９２及びＪＩＳ Ａ ５５２６で規格が定められているが、本発明の水冷式Ｈ型鋼においては、銅製ジャケット５２の寸法を適切に対応させることも可能であり、Ｈ型鋼５１については、必要に応じて任意の寸法のものを適宜用いればよい。又、Ｈ型鋼は、必ずしも直線状のものである必要はなく、断面形状がＨ型であれば、アーチ状やリング状の鋼材であっても銅製ジャケットの形状をそれらのＨ型鋼の形状に適応させた形に鋳造することにより本発明を適用することが可能である。
【００２８】
銅製ジャケット５２は、Ｈ型鋼５１のウェブ５１１と両フランジ５１２の下部により形成されるコの字型の三面の形成する空間の内側に配置されている。銅製ジャケット５２が、このように配置されることにより、Ｈ型鋼下部にかかる高い熱負荷を低減させることができる。
【００２９】
上記位置に配置された銅製ジャケット５２は、ボルト５５でＨ型鋼５１に固定されている。ボルト５５は図のように銅製ジャケット５２を貫通するものでもよいし、銅製ジャケット５２の内部へのねじ込みによる埋め込み式であってもよい。又、銅製ジャケット５２をＨ型鋼５１に固定する手段は上記に限られない。銅製ジャケット５２を上記配置において堅固に固定できる手段であればよい。
【００３０】
銅製ジャケット５２は、冷却水を流すための内部冷水路５２１を備える銅製のブロック体である。Ｈ型鋼５１のウェブ５１１と両フランジ５１２の下部により形成されるコの字型の三面との接触面積を最大化することができるように、適切な形状及び寸法のものを用いる必要がある。例えば、図２に示したような略直方体形状の銅製ジャケットを好ましく用いることができる。尚、銅製ジャケット５２の底面５２３には、凹状の切り欠き部５２５が形成されていることが好ましい。又、銅製ジャケット５２の表面に形成される内部冷水路５２１の末端の開孔部には、冷却水を注入或いは排出するための外部冷水路５７が接続される。
【００３１】
切り欠き部５２５の形状は特に限定されないが、例えば図３及び図４に示すように、不
定形耐火物が切り欠き部５２５の内面に沿って隙間無く充填されて耐火層５３を形成している構成とすることにより、耐火層５３の安定性を高めることができる。又、耐火層５３の損耗時においても、切り欠き部５２５の内部に飛散熔融物によるセルフコーティングが形成され易く、このセルフコーティングによっても、貫通式のボルト５５の頭部、銅製ジャケット５２及び、Ｈ型鋼５１を炉内からの熱負荷や腐食性ガス（ＳＯ２ガス）から、保護することできる。又、切り欠き部５２５の変形例として、Ｈ型鋼５１の長手方向に対して垂直な面における断面形状を、底面側に向けて幅が広がるテーパー形状、或いは底面側に向けて幅が狭まる逆テーパー形状とすることもでき、いずれも作業性の向上や耐火層５３の安定性が高まる。
【００３２】
図３に示すように、銅製ジャケット５２の内部冷水路５２１は、銅製ジャケット５２内の中心位置Ｏ、即ち、天面５２６からの距離と底面５２３からの距離がいずれも同じｔとなる位置よりも天面５２６側寄りの位置に銅製ジャケット５２を貫通して形成されることが好ましい。
【００３３】
内部冷水路５２１を上記位置に形成することにより、仮に、耐火層５３及び銅製ジャケット５２の底面５２３付近の一部が熱負荷によって熔損したとしても、内部冷水路５２１は、尚、銅ブロックに被包された状態にあり、熱負荷による内部冷水路５２１の熔損を回避することができる。
【００３４】
銅製ジャケット５２の内部冷水路５２１については、一例として、図４Ａに示すように、銅製ジャケット５２ａを構成する銅ブロックに機械加工による開孔処理を行うことによって形成することができる。このようにして形成した内部冷水路５２１ａを備える銅製ジャケット５２ａは、冷却水による冷却効果のロスがなく冷却効率が高い。
【００３５】
銅製ジャケット５２の内部冷水路５２１については、或いは、図４Ｂに示すように、予め所定の形状に形成しておいた銅等からなる金属製パイプを銅製ジャケット５２ｂを形成する銅ブロックに鋳込むことによっても形成することができる。このようにして形成した内部冷水路５２１ｂを備える銅製ジャケット５２ｂは、銅製ジャケット５２ｂを構成する銅ブロックが熔損、磨耗しても尚、上記の金属製パイプによって漏水を防止できる構造であるため安全性が高い。
【００３６】
内部冷水路５２１（５２１ａ又は５２１ｂ）は、適切な銅製ジャケット５２の寸法に応じて１本又は複数本形成することができるが、内部冷水路５２１は、銅製ジャケット５２内に複数本設置されていることが好ましい。内部冷水路５２１が複数本あると、例えば一の内部冷水路５２１が漏水した場合に、他の内部冷水路５２１で銅製ジャケット５２内への通水を継続でき、水冷式Ｈ型鋼５を引き続き冷却可能な状態に保つことが出来るからである。本実施例の水冷式Ｈ型鋼５においては、図３及び図４に示す通り、銅製ジャケット５２内に横方向に２本並べて内部冷水路５２１が平行に形成されているが、３本以上形成されるものであってもよし、或いは、銅製ジャケット５２の幅が小さく、水平方向に２本並べて形成することが困難な場合は、内部冷水路５２１を鉛直方向に２本並べて形成してもよい。
【００３７】
銅製ジャケット５２の底面５２３と側面５２４の一部には、図３に示すように、耐熱耐摩耗合金を肉盛溶接した肉盛溶接部５２２が形成されていることが好ましい。又、肉盛溶接部５２２の範囲は、少なくとも、水冷式Ｈ型鋼５の自熔炉１への設置時における底面側、即ち自熔炉１の炉内側の面となる底面５２３の全面に行われていることが好ましく、側面５２４については、銅製ジャケット５２の中心位置Ｏよりも底面寄りの底面の近傍部にのみ行うことが好ましい。肉盛溶接部５２２を施す範囲をこのような特に高い熱負荷のかかる範囲にのみ施工することにより、銅製ジャケット５２とＨ型鋼５１が直接接触する面積の減少を最小限度に抑えることができるため、充分な冷却効率を維持したまま、水冷式Ｈ型鋼５の耐熱性を更に高めることができる。尚、耐熱耐摩耗合金としてはＮｉ−Ｃｒ合金を好ましく用いることができるが、これに限らず、その他Ｎｉ基の耐熱合金にモリブデン等の他の耐熱耐摩耗性成分を添加した耐熱耐摩耗合金等、従来公知の耐熱耐摩耗合金を用いることができる。
【００３８】
耐火層５３は、銅製ジャケット５２の底面５２３を覆って、Ｈ型鋼５１の両フランジ５１２間に不定形耐火物が充填されることにより形成されている。又、耐火層５３は、更に、Ｈ型鋼５１の両フランジ５１２の下部全体を被覆するように形成されていてもよい。
【００３９】
耐火層５３を構成する不定形耐火物としては、特に限定されず従来公知の不定形耐火物を用いることができる。一例として、Ａｌ２Ｏ３を主成分とするキャスタブル耐火物を好ましく用いることができる。耐火層５３を設けることにより、銅製ジャケット５２への熱負荷を軽減し、水冷式Ｈ型鋼５の耐久性を更に向上させることができる。
【００４０】
耐火層５３を形成するための不定形耐火物の充填は、従来公知の方法で行うことができるが、充填後の安定性を高めるために、上記したような切り欠き部５２５を銅製ジャケット１２の底面に設ける他、Ｈ型鋼５１のフランジの内面側に楔状のアンカー５６を設けることが好ましい。
【００４１】
耐火層５３の厚みについては、銅製ジャケットの底面５２３上で切り欠き部５２５が形成されておらず耐火層５３の厚さが最も薄い部分において５０ｍｍ以上であり、最も厚い部分において１５０ｍｍ以下であることが好ましい。耐火層５３の厚さが５０ｍｍ未満であると、銅製ジャケット５２の熱負荷が充分に軽減されず、又、耐火層５３の安定性にも劣るため好ましくない。耐火層５３の厚さが１５０ｍｍを超えると耐火層５３に対する冷却効果が低下し耐火層５３下端の損傷が進み易くなるため好ましくない。
【００４２】
熱伝導性充填材５４は、グラファイトを主体とした水性セメント等、熱伝導性に優れた従来公知の伝熱セメントを銅製ジャケット５２と前記のコの字型の三面との間の隙間の空間に充填することにより形成することができる。
【００４３】
図５は水冷式Ｈ型鋼の一実施例の全体構成を示す図であり、Ｈ型鋼５１の長手方向に対して垂直方向から見た場合の断面模式図である。この実施例においては、Ｈ型鋼５１に銅製ジャケット５２が２本設置され、冷却水７が水冷式Ｈ型鋼５の一方の外部冷水路５７から注入され、内部冷水路５２１、外部冷水路５７、内部冷水路５２１を順次流れて、他方の外部冷水路５７より排出されている。銅製ジャケット５２は、その炉内側面が耐火層５３で覆われており、Ｈ型鋼５１に固定されている。外部冷水路５７としては、例えば、公知の耐熱性樹脂からなるゴムホース、或いは金属製の水道管等を適宜用いることができる。
【００４４】
図５に示した実施状態において、水冷式Ｈ型鋼５の内部冷水路５２１に注水することによって、Ｈ型鋼５１を効果的に冷却することができる。この冷却方法によれば、Ｈ型鋼５１の温度上昇を抑制し、熱負荷による熔損を防いでその耐久性を向上させることができる。
【００４５】
又、相対的に高温となるＨ型鋼５１のウェブ５１１より下部の冷却効果が向上することにより、図７に示した従来の水冷式Ｈ型鋼６のように、Ｈ型鋼５１のウェブ５１１より上部への冷却水の環流が不要になり、水の飛沫やあふれによる水路外への流出を避けることが出来る。
【００４６】
＜自熔炉の壁体の冷却方法＞
自熔炉１の壁体の構成材料として、上記説明した水冷式Ｈ型鋼５を用いることによって、Ｈ型鋼５１の冷却により、自熔炉１を構成する壁体全体の温度上昇をも抑制し、又、自熔炉１全体の熱負荷に対する耐久性をも高めることができる。
【００４７】
自熔炉１の壁体の製造に際しては、壁体の構造材として壁体内への組入れる前に、予めＨ型鋼５１に銅製ジャケット５２等を接合して水冷式Ｈ型鋼５を形成しておくことが好ましい。予め形成された水冷式Ｈ型鋼５は、従来公知のＨ型鋼を用いた壁体の製造方法と同様の方法をもって、壁体の構造材として用いることができる。
【００４８】
この際、上記において説明した水冷式Ｈ型鋼５の複数のバリエーションのうちのいずれを用いてもよいが、銅製ジャケット５２ａを備える水冷式Ｈ型鋼５ａと銅製ジャケット５２ｂを備える水冷式Ｈ型鋼５ｂについては、自熔炉１内の各部分における、熱負荷の高さや磨耗の危険度の程度に応じて、所定の範囲毎に適宜使い分けることが好ましい。
【００４９】
銅製ジャケット５２ａを備える水冷式Ｈ型鋼５ａは、熱伝導率が高く冷却能力に優れている。銅製ジャケット５２ｂを備える水冷式Ｈ型鋼５ｂは、冷却効率は水冷式Ｈ型鋼５ａよりは若干劣るものの、安全性に極めて優れる。
【００５０】
自熔炉１においては、リアクションシャフト２０の下部Ｂやセトラー３０の天井部Ｃは、熱負荷が高くガス流れによる磨耗の影響が大きい。一方、リアクションシャフト２０の天井部Ａやアップテーク４０の天井部Ｄは、比較的熱負荷が低く、自熔炉炉内のガス流による磨耗を受けにくい。
【００５１】
そこで、図６に示す通り、相対的に熱負荷の低いリアクションシャフト２０の天井部Ａやアップテーク４０の天井部Ｄにおいては、銅製ジャケット５２ａを備える水冷式Ｈ型鋼５ａによって壁体を構成し、特に熱負荷の高いリアクションシャフト２０の下部Ｂやセトラー３０の天井部Ｃにおいては、銅製ジャケット５２ｂを備える水冷式Ｈ型鋼５ｂによって壁体を構成することが好ましい。自熔炉１の壁体をそのような構成とすることにより、安全性に優れ且つ冷却効率も高い自熔炉とすることができる。尚、リアクションシャフト天井部Ａは、図６に示す通り、Ｈ型鋼がリング形状となっているが、先に説明した通り、このような構造箇所においても本発明を好適に用いることは可能である。又、水冷式Ｈ型鋼５ａ及び５ｂの使い分けについては、上記した組み合わせに限定されるものではなく、それぞれの水冷式Ｈ型鋼の特性を考慮した上で、設置範囲を限定して使い分けているものであれば、他の組み合わせの配置であっても本発明の範囲内である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 自熔炉
２０ リアクションシャフト
２１ 搬入口
３０ セトラー
３１ スラグホール
３０１ スラグ
３０２ マット
３０３ 亜硫酸ガス
４０ アップテーク
４１ 排出口
５ 水冷式Ｈ型鋼
５１ Ｈ型鋼
５２ 銅製ジャケット
５２１ 内部冷水路
５２２ 肉盛溶接部
５３ 耐火層
５４ 熱伝導性充填材
５５ ボルト
５６ アンカー
５７ 外部冷水路
７ 冷却水
Ａ リアクションシャフト２０の天井部
Ｂ リアクションシャフト２０の下部
Ｃ セトラー３０の天井部
Ｄ アップテーク４０の天井部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱炉の壁体を構成する水冷式Ｈ型鋼であって、
Ｈ型鋼と、内部冷水路を有する銅製ジャケットと、を含んで構成され、
前記銅製ジャケットは、前記Ｈ型鋼のウェブと両フランジ下部により形成されるコの字型の三面の形成する空間の内側に配置されており、前記コの字型の三面と当接しているか、又は熱伝導性充填材を介して当着している水冷式Ｈ型鋼。
【請求項２】
不定形耐火物からなる耐火層が、前記銅製ジャケットの底面を覆って、前記Ｈ型鋼の両フランジ間に形成されている請求項１に記載の水冷式Ｈ型鋼。
【請求項３】
前記内部冷水路が、前記銅製ジャケット内の中心位置よりも前記Ｈ型鋼のウェブ寄りの位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水冷式Ｈ型鋼。
【請求項４】
前記銅製ジャケットの底面には凹状切り欠き部が形成されており、前記不定形耐火物が、前記切り欠き部の内部にまで隙間無く充填されることにより前記耐火層が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【請求項５】
前記銅製ジャケットには、少なくとも前記Ｈ型鋼のフランジ先端部寄りの底面に、耐熱耐磨耗合金による肉盛溶接が施された肉盛溶接部を備える請求項１から４のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【請求項６】
前記銅製ジャケットを構成する銅ブロックへの開孔処理によって、前記銅製ジャケット内に前記内部冷水路が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【請求項７】
前記銅製ジャケットを構成する銅ブロックに金属製パイプが鋳込まれており、該金属性パイプによって前記銅製ジャケット内に前記内部冷水路が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼を含んで構成される壁体を有する加熱炉であって、
前記加熱炉の壁体における所定の範囲には、請求項６に記載の水冷式Ｈ型鋼のみが配置されており、
前記加熱炉の壁体におけるその他の所定の範囲には、請求項７に記載の水冷式Ｈ型鋼のみが配置されていることを特徴とする加熱炉。
【請求項９】
請求項１から７いずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼の内部冷水路に注水することによって、
加熱炉の壁体を冷却する加熱炉の冷却方法。
【請求項１】
加熱炉の壁体を構成する水冷式Ｈ型鋼であって、
Ｈ型鋼と、内部冷水路を有する銅製ジャケットと、を含んで構成され、
前記銅製ジャケットは、前記Ｈ型鋼のウェブと両フランジ下部により形成されるコの字型の三面の形成する空間の内側に配置されており、前記コの字型の三面と当接しているか、又は熱伝導性充填材を介して当着している水冷式Ｈ型鋼。
【請求項２】
不定形耐火物からなる耐火層が、前記銅製ジャケットの底面を覆って、前記Ｈ型鋼の両フランジ間に形成されている請求項１に記載の水冷式Ｈ型鋼。
【請求項３】
前記内部冷水路が、前記銅製ジャケット内の中心位置よりも前記Ｈ型鋼のウェブ寄りの位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水冷式Ｈ型鋼。
【請求項４】
前記銅製ジャケットの底面には凹状切り欠き部が形成されており、前記不定形耐火物が、前記切り欠き部の内部にまで隙間無く充填されることにより前記耐火層が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【請求項５】
前記銅製ジャケットには、少なくとも前記Ｈ型鋼のフランジ先端部寄りの底面に、耐熱耐磨耗合金による肉盛溶接が施された肉盛溶接部を備える請求項１から４のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【請求項６】
前記銅製ジャケットを構成する銅ブロックへの開孔処理によって、前記銅製ジャケット内に前記内部冷水路が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【請求項７】
前記銅製ジャケットを構成する銅ブロックに金属製パイプが鋳込まれており、該金属性パイプによって前記銅製ジャケット内に前記内部冷水路が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼を含んで構成される壁体を有する加熱炉であって、
前記加熱炉の壁体における所定の範囲には、請求項６に記載の水冷式Ｈ型鋼のみが配置されており、
前記加熱炉の壁体におけるその他の所定の範囲には、請求項７に記載の水冷式Ｈ型鋼のみが配置されていることを特徴とする加熱炉。
【請求項９】
請求項１から７いずれかに記載の水冷式Ｈ型鋼の内部冷水路に注水することによって、
加熱炉の壁体を冷却する加熱炉の冷却方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−２４５２６（Ｐ２０１３−２４５２６Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６２４７９（Ｐ２０１１−１６２４７９）
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（０００１８３３０３）住友金属鉱山株式会社 (2,015)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（０００１８３３０３）住友金属鉱山株式会社 (2,015)
【Ｆターム（参考）】
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