自熔炉の水冷式三角天井構造
【課題】銅製錬を行う自熔炉の三角天井部を構成する煉瓦を熱損傷から保護し、三角天井部の熱負荷に対する耐久性を向上することのできる三角天井構造を提供すること。
【解決手段】自熔炉の三角天井部を構成する複数の煉瓦の間に、所定の間隔毎に、煉瓦側面に当着して挾持されるように、内部冷水路を有する水冷式の銅製ジャケットを配置する水冷式三角天井構造とする。これにより、最小限の銅製ジャケットで三角天井部を構成する全ての煉瓦を効率よく冷却することができるため、低コストで自溶炉の三角天井部の熱負荷に対する耐久性を向上することができる。
【解決手段】自熔炉の三角天井部を構成する複数の煉瓦の間に、所定の間隔毎に、煉瓦側面に当着して挾持されるように、内部冷水路を有する水冷式の銅製ジャケットを配置する水冷式三角天井構造とする。これにより、最小限の銅製ジャケットで三角天井部を構成する全ての煉瓦を効率よく冷却することができるため、低コストで自溶炉の三角天井部の熱負荷に対する耐久性を向上することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅製錬の原料となる銅精鉱を熔解する自熔炉の水冷式三角天井構造及びそれを用いた三角天井部の冷却方法に関する。
【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】
自熔炉を形成する煉瓦やキャスタブル等の耐火物は、常に高熱に晒されるため、熱損傷が不可避であり、短期間で交換や補修が必要となる。そこで、これらの耐火物の寿命を伸ばすために、例えば、高温ガスと銅精鉱の反応設備であるリアクションシャフトの側壁や、溶融物を貯留して分離させるセトラーの側壁部等、特に熱負荷の高い部分には耐火物を冷却する為の冷却機構として例えば銅製の水冷式ジャケットが取り付けられている。
【０００４】
ところで、自熔炉には、直立した円筒状のリアクションシャフトの下端部からセトラーの天井壁に接続される繋ぎ部分の四隅に三角天井部という部分が形成されている。円筒から方形に移行する複雑な構造を有するこの三角天井部には、従来、上記したような冷却機構が設けられていなかった。しかし、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、その結果三角天井部への熱負荷が増加し、三角天井部を構成する煉瓦の熱損傷の問題が顕在化してきた。そこで、銅製錬における安全性の向上と操業の安定化のために、三角天井部の熱負荷に対する耐久性を高める手段が求められるようになった。
【０００５】
三角天井部の熱損傷を軽減できる三角天井構造として、従来の煉瓦構造を廃止して、三角天井部を形成する不定形耐火物内にステンレスパイプを格子状に設置した三角天井部（特許文献１参照）や、或いは、銅製ジャケットを三角天井部全面に敷き詰めた三角天井部（特許文献２参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１８９８２９号公報
【特許文献２】特開２００８−２０２９２３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、特許文献１に記載されている三角天井部は、熱負荷によって不定形耐火物が脱落し、ステンレスパイプが炉内に剥き出しになる場合があり、パイプの腐食による漏水とそれに伴う炉内での水蒸気爆発の危険がある。又、この三角天井部は、既存の煉瓦構造を廃して新たに基本構造の全く異なる天井部を別途作り直すものであり、製造コストが高くなるという問題があった。
【０００８】
又、特許文献２に記載されている三角天井部は、三角天井部に重量の大きい多数の銅製ジャケットを敷き詰めることによって、既存の煉瓦構造を保守することを目的とするものであるが、この構造によって充分な冷却効果を得るためには、三角天井部の略全面に銅製ジャケットを敷き詰める必要がある。しかし、構造上比較的脆弱な部分である三角天井部の略全面に多数の重量物を敷き詰めると、一方で三角天井部の耐荷重力を強化するための別途の補強手段、或いは銅製ジャケットを支持する膨大な支持手段等が必要となり、又、冷却効果の保持のために膨大な数の銅製ジャケットを必須とするため、製造コストが嵩むという問題があった。
【０００９】
本発明は、銅製錬を行う自熔炉の三角天井部を熱損傷から保護し、三角天井部の熱負荷に対する耐久性を向上することのできる三角天井構造を、低コストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、自熔炉の三角天井部において、三角天井部を構成する複数の煉瓦の間に、所定の間隔毎に水冷式の銅製ジャケットを配置し、それらの銅製ジャケットが煉瓦の側面に当着して挾持される構造とすることにより、効率よく三角天井部全体を冷却することが可能であり、低コストで、三角天井部の熱負荷に対する耐久性を向上することができることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のものを提供する。
【００１１】
（１） 自熔炉の三角天井部を構成する水冷式三角天井構造であって、リアクションシャフト下端外側の隅部の略同一平面上に配置された複数の煉瓦と、内部冷水路を有する銅製ジャケットと、によって構成され、前記銅製ジャケットは、一の前記煉瓦と他の前記煉瓦の間に配置され、各前記煉瓦の側面に当着して挾持されている水冷式三角天井構造。
【００１２】
（２） 前記銅製ジャケットが、所定の距離毎に平行に配置されていて、前記所定の距離は、１０ｃｍ以上４０ｃｍ以下である（１）に記載の水冷式三角天井構造。
【００１３】
（３） 前記銅製ジャケットの内部冷水路が、前記銅製ジャケット内の中心位置よりも前記三角天井部の天面寄りの位置に配置されている（１）又は（２）に記載の水冷式三角天井構造。
【００１４】
（４） 前記銅製ジャケットが、前記銅製ジャケットの中心部よりも前記三角天井部の底面寄りの側面と前記三角天井部の底面寄りの底面において、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（３）のいずれかに記載の自熔炉の水冷式三角天井構造。
【００１５】
（５） 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内部冷水路が形成されていることを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の水冷式三角天井構造。
【００１６】
（６） 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（４）のいずれかに記載の水冷式三角天井構造。
【００１７】
（７） 自熔炉の三角天井部であって、前記三角天井部の所定の範囲は、（５）に記載の水冷式三角天井構造によって構成されており、前記所定の範囲以外のその他の範囲は、（６）に記載の水冷式三角天井構造によって構成されている三角天井部。
【００１８】
（８） （１）から（６）のいずれかに記載の自熔炉の水冷式三角天井構造の内部冷水路に注することによって、三角天井部を冷却する自熔炉の三角天井部の冷却方法。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、自熔炉の三角天井部を、一定間隔毎に、煉瓦と他の煉瓦の間に、水冷式銅製ジャケットが当着して挾持されている構造とすることにより、最小限の銅製ジャケットで三角天井部を構成する全ての煉瓦を効率よく冷却することができる。それにより、三角天井部の熱負荷に対する耐久性は顕著に向上し、自熔炉を用いた銅製錬の安全性の向上と操業の安定化を低コストで達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】自熔炉の全体構造を示す断面模式図である。
【図２】自熔炉の三角天井部の平面図である。
【図３】水冷式三角天井構造の構造を示す模式図である。
【図４】水冷式三角天井構造の他の実施例の構造を示す模式図である。
【図５Ａ】水冷式三角天井構造を構成する銅製ジャケットの一実施形態の斜視図である。
【図５Ｂ】水冷式三角天井構造を構成する銅製ジャケットの他の実施形態の斜視図である。
【図５Ｃ】水冷式三角天井構造を構成する銅製ジャケットの連接状態を示す模式図である。
【図６】自熔炉の三角天井部における水冷式三角天井構造の好ましい配置例を示す平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【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、図２を参照しながら、本発明の水冷式三角天井構造の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。又、図２に示す通り、円筒状のリアクションシャフト２０の下端部とセトラー３０の天井部の接続する部分の周囲の四隅には、略三角形状の三角天井部１０が形成されている。この三角天井部１０が、後に詳しく説明する水冷式三角天井構造１００によって構成されていることが本発明の特徴である。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はマットホール３２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】
＜水冷式三角天井構造＞
次に図２から図５を参照しながら、本発明に係る水冷式三角天井構造１００について説明する。図２に示す通り、水冷式三角天井構造１００は、三角天井部１０を構成する構造物である。図３に示す通り、水冷式三角天井構造１００は、略同一平面上に配置された複数の煉瓦１１と、一の煉瓦１１と他の煉瓦１１との間に当着して挾持されている銅製ジャケット１２とによって構成されている。銅製ジャケット１２は、三角天井部１０を構成する全ての煉瓦１１に必ず１個以上の銅製ジャケット１２が当着するために必要なだけの個数が、煉瓦の一の連接方向と平行な向きに併設して配置される。
【００２４】
図３に示す通り、銅製ジャケット１２は、略同一平面上において水冷式三角天井構造１００を構成する複数の煉瓦１１の間に、所定の距離Ｗ０毎に、平行に配置されている。距離Ｗ０は、２つの銅製ジャケット１２の間に配置される煉瓦１１の大きさと個数によって決まる距離であるが、この距離Ｗ０を１０ｃｍ以上４０ｃｍ以下とすることにより、効率よく煉瓦１１を冷却することができる。Ｗ０を１０ｃｍ以上とすることで、銅製ジャケット１２の数を減らしてコストを抑えることが可能であり、一方Ｗ０が４０ｃｍ以下であれば煉瓦１１を充分に冷却することができる。この距離Ｗ０が上記範囲にある限り、例えば、煉瓦１１と銅製ジャケット１２が交互に配置されていてもよいし、図３に示すように、二つの銅製ジャケット１２の間に２個の煉瓦１１が配置されていてもよい。
【００２５】
煉瓦１１は、従来公知の耐火煉瓦を適宜用いることができる。煉瓦１１の両側面には、耐火モルタル等からなる当着補助層１１１を設けることにより、他の煉瓦１１及び銅製ジャケット１２との当着を強固に保持することができる。本明細書において、煉瓦の側面に当着した、という場合には、当着補助層１１１を介して銅製ジャケット１２と当着している図３の態様が当然に含まれる。
【００２６】
銅製ジャケット１２は、その側面が煉瓦１１の側面に当着して挾持されている。そのような状態で配置されていることにより、銅製ジャケット１２の側面と煉瓦１１の側面において接触面積が最大化し、冷却効率が高まる。よって、上記説明した通りの距離Ｗ０毎の配置において、銅製ジャケット１２が煉瓦１１を充分に冷却することができる。
【００２７】
水冷式三角天井構造１００の製造方法は、従来公知の耐火煉瓦による耐火壁の製造工法を応用することができる。銅製ジャケット１２の脱落を防ぐためには、例えば、銅製ジャケット１２を外的な吊り構造によって望ましい位置に保持すればよい。尚、本発明の水冷式三角天井構造１００によれば、個々の耐火煉瓦の形状や吊り構造部分等、既存の煉瓦構造による三角天井部の基本構造の一部を生かして、耐熱耐久性に優れた三角天井部１０とすることができるため、コストの面においても従来の他の方法より好ましい。
【００２８】
銅製ジャケット１２は、冷却水を流すための内部冷水路１２１を備える銅製のブロック体である。形状は、必ずしも特定の形状に限定されないが、煉瓦１１に当着して挾持された場合に互いの側面における接触面積が充分に大きくなることが求められる。そのため、少なくとも対向する一組の側面が、平坦なものであることが好ましい。例えば、図５Ａ及び図５Ｂに示したような略直方体形状或いは四角柱状の銅製ジャケットを好ましく用いることができる。又、後に説明する他の実施形態（図４参照）においては、三角天井部の天面寄りとなる側の面が狭幅である逆テーパー形状である銅製ジャケットも好ましく用いることもできる。
【００２９】
銅製ジャケット１２の内部冷水路１２１は、銅製ジャケット１２内の中心位置Ｏ、即ち、天面からの距離と底面からの距離がいずれも同じｔとなる位置よりも天面寄りの位置に銅製ジャケット１２を貫通して形成される。これにより、内部冷水路１２１と水冷式１００の底面、即ち自熔炉１での使用状態における炉内側の面との距離を大きく保つことできる。内部冷水路１２１をこのような位置に形成することにより、仮に銅製ジャケット１２の底面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１２１の熔損は回避することができる。
【００３０】
銅製ジャケット１２の内部冷水路１２１については、一例として、図５Ａに示すように、銅製ジャケット１２Ａ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１２１ａを備える銅製ジャケット１２Ａは、冷却水による冷却効果のロスがなく冷却効率が高い。
【００３１】
銅製ジャケット１２の内部冷水路１２１については、或いは、図５Ｂに示すように、予め所定の形状に形成しておいた銅製のパイプ材を銅製ジャケット１２Ｂ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１２１ｂを備える銅製ジャケット１２Ｂは、銅製ジャケット１２Ｂを構成する銅ブロックが熔損、磨耗しても尚、漏水を防止できる構造であるため安全性が高い。
【００３２】
図３に示すように、銅製ジャケット１２の底面の全面と側面には、耐熱耐磨耗合金を肉盛溶接した肉盛溶接部１２２が形成されていることが好ましい。又、肉盛溶接部１２２の範囲は、水冷式三角天井構造１００が三角天井部１０を構成する際に自熔炉の炉内側の面となる底面と、側面部のうち少なくとも中心部Ｏよりも底面寄りの底面の近傍部等、特に高い熱負荷のかかる部位のみとすることが好ましい。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。
【００３３】
水冷式三角天井構造の他の実施形態として、図４に示す通り、前記三角天井部の天面寄りとなる側の面が狭幅であるテーパー形状の煉瓦１１Ｔ及び三角天井部の底面寄りとなる側の面が狭幅である逆テーパー形状の銅製ジャケット１２Ｔを組み合わせて水冷式三角天井構造１００Ｔとすることもできる。従来の三角天井構造においては、図４に示す煉瓦１１Ｔのようなテーパー形状の煉瓦を組み合わせて三角天井部を構成している場合があり、そのような三角天井部において、本発明の三角天井構造を適用する場合であっても、銅製ジャケットの形状を銅製ジャケット１２Ｔのような逆テーパー形状とすることにより、既存の煉瓦の形態を生かして、水冷式三角天井構造１００Ｔとすることができる。
【００３４】
尚、複数の銅製ジャケット１２を併設して配置するためには、図５Ｃに示すように、各銅製ジャケット１２の内部冷水路１２１の末端の開孔部に、冷却水を注入或いは排出するための外部冷水路１２３を接続することにより、一連の冷水路を形成すればよい。外部冷水路１２３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。
【００３５】
＜三角天井部及びその冷却方法＞
自熔炉１の三角天井部１０は、上記説明した水冷式三角天井構造１００によって構成することにより、熱負荷に対する耐久性が高く、操業上の安定性、安全性に優れるものとすることができる。三角天井部１０を形成するには、上記において説明した水冷式三角構造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１２Ａを備える水冷式三角天井構造１００Ａと銅製ジャケット１２Ｂを備える水冷式三角天井構造１００Ｂについては、三角天井部１０内での、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。
【００３６】
銅製ジャケット１２Ａを備える水冷式三角天井構造１００Ａ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１２Ｂを備える水冷式三角天井構造１００Ｂは安全性に極めて優れる。
【００３７】
一方、自熔炉１において三角天井部１０は４箇所に形成されているが、リアクションシャフト２０で発生した高温の亜硫酸ガス３０３はアップテーク４０に向かって流れる為、図６に示す通り、４箇所に形成されている三角天井部１０のうち、セトラー３０側に位置する三角天井部１０Ｂの方が、煉瓦１１の熔損が激しくなる。一方、セトラー３０と反対側に位置する三角天井部１０Ａは比較的煉瓦の熔損が少なく、漏水のリスクも低い。
【００３８】
そこで、図６に示す通り、相対的に熱負荷の低いセトラー３０と反対側の範囲においては、銅製ジャケット１２Ａを備える水冷式三角天井構造１００Ａによって三角天井部１０Ａを構成し、特に熱負荷の高いセトラー３０側に位置する範囲においては、銅製ジャケット１２Ｂを備える水冷式三角天井構造１００Ｂによって三角天井部１０Ｂを構成することが好ましい。三角天井部１０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三角天井部を構成することができる。尚、水冷式三角天井構造１００Ａ及び１００Ｂ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、それぞれの水冷式三角天井構造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。
【００３９】
本発明の水冷式三角天井構造１００は、自熔炉１において、三角天井部１０以外においても、例えばセトラー３０の天井部やアップテーク４０の天井部の構成にも適用することが可能である。
【００４０】
本発明の水冷式三角天井構造１００によって構成した三角天井部１０は、内部冷水路１２１に冷却水を流通させることにより、煉瓦１１を冷却することができる。煉瓦の熱負荷による熔損を防いで寿命を延ばすことができるため、自熔炉１の熱負荷に対する耐久性が高まり、自熔炉１において安全で安定的な銅製錬を操業することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１ 自熔炉
１０ 三角天井部
１００ 三角天井構造
１１ 煉瓦
１１１ 当着補助層
１２ 銅製ジャケット
１２１ 内部冷水路
１２２ 肉盛溶接部
１２３ 外部冷水路
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
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅製錬の原料となる銅精鉱を熔解する自熔炉の水冷式三角天井構造及びそれを用いた三角天井部の冷却方法に関する。
【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】
自熔炉を形成する煉瓦やキャスタブル等の耐火物は、常に高熱に晒されるため、熱損傷が不可避であり、短期間で交換や補修が必要となる。そこで、これらの耐火物の寿命を伸ばすために、例えば、高温ガスと銅精鉱の反応設備であるリアクションシャフトの側壁や、溶融物を貯留して分離させるセトラーの側壁部等、特に熱負荷の高い部分には耐火物を冷却する為の冷却機構として例えば銅製の水冷式ジャケットが取り付けられている。
【０００４】
ところで、自熔炉には、直立した円筒状のリアクションシャフトの下端部からセトラーの天井壁に接続される繋ぎ部分の四隅に三角天井部という部分が形成されている。円筒から方形に移行する複雑な構造を有するこの三角天井部には、従来、上記したような冷却機構が設けられていなかった。しかし、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、その結果三角天井部への熱負荷が増加し、三角天井部を構成する煉瓦の熱損傷の問題が顕在化してきた。そこで、銅製錬における安全性の向上と操業の安定化のために、三角天井部の熱負荷に対する耐久性を高める手段が求められるようになった。
【０００５】
三角天井部の熱損傷を軽減できる三角天井構造として、従来の煉瓦構造を廃止して、三角天井部を形成する不定形耐火物内にステンレスパイプを格子状に設置した三角天井部（特許文献１参照）や、或いは、銅製ジャケットを三角天井部全面に敷き詰めた三角天井部（特許文献２参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１８９８２９号公報
【特許文献２】特開２００８−２０２９２３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、特許文献１に記載されている三角天井部は、熱負荷によって不定形耐火物が脱落し、ステンレスパイプが炉内に剥き出しになる場合があり、パイプの腐食による漏水とそれに伴う炉内での水蒸気爆発の危険がある。又、この三角天井部は、既存の煉瓦構造を廃して新たに基本構造の全く異なる天井部を別途作り直すものであり、製造コストが高くなるという問題があった。
【０００８】
又、特許文献２に記載されている三角天井部は、三角天井部に重量の大きい多数の銅製ジャケットを敷き詰めることによって、既存の煉瓦構造を保守することを目的とするものであるが、この構造によって充分な冷却効果を得るためには、三角天井部の略全面に銅製ジャケットを敷き詰める必要がある。しかし、構造上比較的脆弱な部分である三角天井部の略全面に多数の重量物を敷き詰めると、一方で三角天井部の耐荷重力を強化するための別途の補強手段、或いは銅製ジャケットを支持する膨大な支持手段等が必要となり、又、冷却効果の保持のために膨大な数の銅製ジャケットを必須とするため、製造コストが嵩むという問題があった。
【０００９】
本発明は、銅製錬を行う自熔炉の三角天井部を熱損傷から保護し、三角天井部の熱負荷に対する耐久性を向上することのできる三角天井構造を、低コストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、自熔炉の三角天井部において、三角天井部を構成する複数の煉瓦の間に、所定の間隔毎に水冷式の銅製ジャケットを配置し、それらの銅製ジャケットが煉瓦の側面に当着して挾持される構造とすることにより、効率よく三角天井部全体を冷却することが可能であり、低コストで、三角天井部の熱負荷に対する耐久性を向上することができることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のものを提供する。
【００１１】
（１） 自熔炉の三角天井部を構成する水冷式三角天井構造であって、リアクションシャフト下端外側の隅部の略同一平面上に配置された複数の煉瓦と、内部冷水路を有する銅製ジャケットと、によって構成され、前記銅製ジャケットは、一の前記煉瓦と他の前記煉瓦の間に配置され、各前記煉瓦の側面に当着して挾持されている水冷式三角天井構造。
【００１２】
（２） 前記銅製ジャケットが、所定の距離毎に平行に配置されていて、前記所定の距離は、１０ｃｍ以上４０ｃｍ以下である（１）に記載の水冷式三角天井構造。
【００１３】
（３） 前記銅製ジャケットの内部冷水路が、前記銅製ジャケット内の中心位置よりも前記三角天井部の天面寄りの位置に配置されている（１）又は（２）に記載の水冷式三角天井構造。
【００１４】
（４） 前記銅製ジャケットが、前記銅製ジャケットの中心部よりも前記三角天井部の底面寄りの側面と前記三角天井部の底面寄りの底面において、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（３）のいずれかに記載の自熔炉の水冷式三角天井構造。
【００１５】
（５） 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内部冷水路が形成されていることを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の水冷式三角天井構造。
【００１６】
（６） 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（４）のいずれかに記載の水冷式三角天井構造。
【００１７】
（７） 自熔炉の三角天井部であって、前記三角天井部の所定の範囲は、（５）に記載の水冷式三角天井構造によって構成されており、前記所定の範囲以外のその他の範囲は、（６）に記載の水冷式三角天井構造によって構成されている三角天井部。
【００１８】
（８） （１）から（６）のいずれかに記載の自熔炉の水冷式三角天井構造の内部冷水路に注することによって、三角天井部を冷却する自熔炉の三角天井部の冷却方法。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、自熔炉の三角天井部を、一定間隔毎に、煉瓦と他の煉瓦の間に、水冷式銅製ジャケットが当着して挾持されている構造とすることにより、最小限の銅製ジャケットで三角天井部を構成する全ての煉瓦を効率よく冷却することができる。それにより、三角天井部の熱負荷に対する耐久性は顕著に向上し、自熔炉を用いた銅製錬の安全性の向上と操業の安定化を低コストで達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】自熔炉の全体構造を示す断面模式図である。
【図２】自熔炉の三角天井部の平面図である。
【図３】水冷式三角天井構造の構造を示す模式図である。
【図４】水冷式三角天井構造の他の実施例の構造を示す模式図である。
【図５Ａ】水冷式三角天井構造を構成する銅製ジャケットの一実施形態の斜視図である。
【図５Ｂ】水冷式三角天井構造を構成する銅製ジャケットの他の実施形態の斜視図である。
【図５Ｃ】水冷式三角天井構造を構成する銅製ジャケットの連接状態を示す模式図である。
【図６】自熔炉の三角天井部における水冷式三角天井構造の好ましい配置例を示す平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【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、図２を参照しながら、本発明の水冷式三角天井構造の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。又、図２に示す通り、円筒状のリアクションシャフト２０の下端部とセトラー３０の天井部の接続する部分の周囲の四隅には、略三角形状の三角天井部１０が形成されている。この三角天井部１０が、後に詳しく説明する水冷式三角天井構造１００によって構成されていることが本発明の特徴である。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はマットホール３２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】
＜水冷式三角天井構造＞
次に図２から図５を参照しながら、本発明に係る水冷式三角天井構造１００について説明する。図２に示す通り、水冷式三角天井構造１００は、三角天井部１０を構成する構造物である。図３に示す通り、水冷式三角天井構造１００は、略同一平面上に配置された複数の煉瓦１１と、一の煉瓦１１と他の煉瓦１１との間に当着して挾持されている銅製ジャケット１２とによって構成されている。銅製ジャケット１２は、三角天井部１０を構成する全ての煉瓦１１に必ず１個以上の銅製ジャケット１２が当着するために必要なだけの個数が、煉瓦の一の連接方向と平行な向きに併設して配置される。
【００２４】
図３に示す通り、銅製ジャケット１２は、略同一平面上において水冷式三角天井構造１００を構成する複数の煉瓦１１の間に、所定の距離Ｗ０毎に、平行に配置されている。距離Ｗ０は、２つの銅製ジャケット１２の間に配置される煉瓦１１の大きさと個数によって決まる距離であるが、この距離Ｗ０を１０ｃｍ以上４０ｃｍ以下とすることにより、効率よく煉瓦１１を冷却することができる。Ｗ０を１０ｃｍ以上とすることで、銅製ジャケット１２の数を減らしてコストを抑えることが可能であり、一方Ｗ０が４０ｃｍ以下であれば煉瓦１１を充分に冷却することができる。この距離Ｗ０が上記範囲にある限り、例えば、煉瓦１１と銅製ジャケット１２が交互に配置されていてもよいし、図３に示すように、二つの銅製ジャケット１２の間に２個の煉瓦１１が配置されていてもよい。
【００２５】
煉瓦１１は、従来公知の耐火煉瓦を適宜用いることができる。煉瓦１１の両側面には、耐火モルタル等からなる当着補助層１１１を設けることにより、他の煉瓦１１及び銅製ジャケット１２との当着を強固に保持することができる。本明細書において、煉瓦の側面に当着した、という場合には、当着補助層１１１を介して銅製ジャケット１２と当着している図３の態様が当然に含まれる。
【００２６】
銅製ジャケット１２は、その側面が煉瓦１１の側面に当着して挾持されている。そのような状態で配置されていることにより、銅製ジャケット１２の側面と煉瓦１１の側面において接触面積が最大化し、冷却効率が高まる。よって、上記説明した通りの距離Ｗ０毎の配置において、銅製ジャケット１２が煉瓦１１を充分に冷却することができる。
【００２７】
水冷式三角天井構造１００の製造方法は、従来公知の耐火煉瓦による耐火壁の製造工法を応用することができる。銅製ジャケット１２の脱落を防ぐためには、例えば、銅製ジャケット１２を外的な吊り構造によって望ましい位置に保持すればよい。尚、本発明の水冷式三角天井構造１００によれば、個々の耐火煉瓦の形状や吊り構造部分等、既存の煉瓦構造による三角天井部の基本構造の一部を生かして、耐熱耐久性に優れた三角天井部１０とすることができるため、コストの面においても従来の他の方法より好ましい。
【００２８】
銅製ジャケット１２は、冷却水を流すための内部冷水路１２１を備える銅製のブロック体である。形状は、必ずしも特定の形状に限定されないが、煉瓦１１に当着して挾持された場合に互いの側面における接触面積が充分に大きくなることが求められる。そのため、少なくとも対向する一組の側面が、平坦なものであることが好ましい。例えば、図５Ａ及び図５Ｂに示したような略直方体形状或いは四角柱状の銅製ジャケットを好ましく用いることができる。又、後に説明する他の実施形態（図４参照）においては、三角天井部の天面寄りとなる側の面が狭幅である逆テーパー形状である銅製ジャケットも好ましく用いることもできる。
【００２９】
銅製ジャケット１２の内部冷水路１２１は、銅製ジャケット１２内の中心位置Ｏ、即ち、天面からの距離と底面からの距離がいずれも同じｔとなる位置よりも天面寄りの位置に銅製ジャケット１２を貫通して形成される。これにより、内部冷水路１２１と水冷式１００の底面、即ち自熔炉１での使用状態における炉内側の面との距離を大きく保つことできる。内部冷水路１２１をこのような位置に形成することにより、仮に銅製ジャケット１２の底面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１２１の熔損は回避することができる。
【００３０】
銅製ジャケット１２の内部冷水路１２１については、一例として、図５Ａに示すように、銅製ジャケット１２Ａ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１２１ａを備える銅製ジャケット１２Ａは、冷却水による冷却効果のロスがなく冷却効率が高い。
【００３１】
銅製ジャケット１２の内部冷水路１２１については、或いは、図５Ｂに示すように、予め所定の形状に形成しておいた銅製のパイプ材を銅製ジャケット１２Ｂ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１２１ｂを備える銅製ジャケット１２Ｂは、銅製ジャケット１２Ｂを構成する銅ブロックが熔損、磨耗しても尚、漏水を防止できる構造であるため安全性が高い。
【００３２】
図３に示すように、銅製ジャケット１２の底面の全面と側面には、耐熱耐磨耗合金を肉盛溶接した肉盛溶接部１２２が形成されていることが好ましい。又、肉盛溶接部１２２の範囲は、水冷式三角天井構造１００が三角天井部１０を構成する際に自熔炉の炉内側の面となる底面と、側面部のうち少なくとも中心部Ｏよりも底面寄りの底面の近傍部等、特に高い熱負荷のかかる部位のみとすることが好ましい。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。
【００３３】
水冷式三角天井構造の他の実施形態として、図４に示す通り、前記三角天井部の天面寄りとなる側の面が狭幅であるテーパー形状の煉瓦１１Ｔ及び三角天井部の底面寄りとなる側の面が狭幅である逆テーパー形状の銅製ジャケット１２Ｔを組み合わせて水冷式三角天井構造１００Ｔとすることもできる。従来の三角天井構造においては、図４に示す煉瓦１１Ｔのようなテーパー形状の煉瓦を組み合わせて三角天井部を構成している場合があり、そのような三角天井部において、本発明の三角天井構造を適用する場合であっても、銅製ジャケットの形状を銅製ジャケット１２Ｔのような逆テーパー形状とすることにより、既存の煉瓦の形態を生かして、水冷式三角天井構造１００Ｔとすることができる。
【００３４】
尚、複数の銅製ジャケット１２を併設して配置するためには、図５Ｃに示すように、各銅製ジャケット１２の内部冷水路１２１の末端の開孔部に、冷却水を注入或いは排出するための外部冷水路１２３を接続することにより、一連の冷水路を形成すればよい。外部冷水路１２３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。
【００３５】
＜三角天井部及びその冷却方法＞
自熔炉１の三角天井部１０は、上記説明した水冷式三角天井構造１００によって構成することにより、熱負荷に対する耐久性が高く、操業上の安定性、安全性に優れるものとすることができる。三角天井部１０を形成するには、上記において説明した水冷式三角構造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１２Ａを備える水冷式三角天井構造１００Ａと銅製ジャケット１２Ｂを備える水冷式三角天井構造１００Ｂについては、三角天井部１０内での、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。
【００３６】
銅製ジャケット１２Ａを備える水冷式三角天井構造１００Ａ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１２Ｂを備える水冷式三角天井構造１００Ｂは安全性に極めて優れる。
【００３７】
一方、自熔炉１において三角天井部１０は４箇所に形成されているが、リアクションシャフト２０で発生した高温の亜硫酸ガス３０３はアップテーク４０に向かって流れる為、図６に示す通り、４箇所に形成されている三角天井部１０のうち、セトラー３０側に位置する三角天井部１０Ｂの方が、煉瓦１１の熔損が激しくなる。一方、セトラー３０と反対側に位置する三角天井部１０Ａは比較的煉瓦の熔損が少なく、漏水のリスクも低い。
【００３８】
そこで、図６に示す通り、相対的に熱負荷の低いセトラー３０と反対側の範囲においては、銅製ジャケット１２Ａを備える水冷式三角天井構造１００Ａによって三角天井部１０Ａを構成し、特に熱負荷の高いセトラー３０側に位置する範囲においては、銅製ジャケット１２Ｂを備える水冷式三角天井構造１００Ｂによって三角天井部１０Ｂを構成することが好ましい。三角天井部１０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三角天井部を構成することができる。尚、水冷式三角天井構造１００Ａ及び１００Ｂ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、それぞれの水冷式三角天井構造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。
【００３９】
本発明の水冷式三角天井構造１００は、自熔炉１において、三角天井部１０以外においても、例えばセトラー３０の天井部やアップテーク４０の天井部の構成にも適用することが可能である。
【００４０】
本発明の水冷式三角天井構造１００によって構成した三角天井部１０は、内部冷水路１２１に冷却水を流通させることにより、煉瓦１１を冷却することができる。煉瓦の熱負荷による熔損を防いで寿命を延ばすことができるため、自熔炉１の熱負荷に対する耐久性が高まり、自熔炉１において安全で安定的な銅製錬を操業することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１ 自熔炉
１０ 三角天井部
１００ 三角天井構造
１１ 煉瓦
１１１ 当着補助層
１２ 銅製ジャケット
１２１ 内部冷水路
１２２ 肉盛溶接部
１２３ 外部冷水路
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自熔炉の三角天井部を構成する水冷式三角天井構造であって、
リアクションシャフト下端外側の隅部の略同一平面上に配置された複数の煉瓦と、
内部冷水路を有する銅製ジャケットと、によって構成され、
前記銅製ジャケットは、一の前記煉瓦と他の前記煉瓦の間に配置され、各前記煉瓦の側面に当着して挾持されている水冷式三角天井構造。
【請求項２】
前記銅製ジャケットが、所定の距離毎に平行に配置されていて、前記所定の距離は、１０ｃｍ以上４０ｃｍ以下である請求項１に記載の水冷式三角天井構造。
【請求項３】
前記銅製ジャケットの内部冷水路が、前記銅製ジャケット内の中心位置よりも前記三角天井部の天面寄りの位置に配置されている請求項１又は２に記載の水冷式三角天井構造。
【請求項４】
前記銅製ジャケットが、前記銅製ジャケットの中心部よりも前記三角天井部の底面寄りの側面と前記三角天井部の底面寄りの底面において、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３のいずれかに記載の自熔炉の水冷式三角天井構造。
【請求項５】
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４のいずれかに記載の水冷式三角天井構造。
【請求項６】
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４のいずれかに記載の水冷式三角天井構造。
【請求項７】
自熔炉の三角天井部であって、前記三角天井部の所定の範囲は、請求項５に記載の水冷式三角天井構造によって構成されており、前記所定の範囲以外のその他の範囲は、請求項６に記載の水冷式三角天井構造によって構成されている自熔炉の三角天井部。
【請求項８】
請求項１から６のいずれかに記載の自熔炉の水冷式三角天井構造の内部冷水路に注水することによって、三角天井部を冷却する自熔炉の三角天井部の冷却方法。
【請求項１】
自熔炉の三角天井部を構成する水冷式三角天井構造であって、
リアクションシャフト下端外側の隅部の略同一平面上に配置された複数の煉瓦と、
内部冷水路を有する銅製ジャケットと、によって構成され、
前記銅製ジャケットは、一の前記煉瓦と他の前記煉瓦の間に配置され、各前記煉瓦の側面に当着して挾持されている水冷式三角天井構造。
【請求項２】
前記銅製ジャケットが、所定の距離毎に平行に配置されていて、前記所定の距離は、１０ｃｍ以上４０ｃｍ以下である請求項１に記載の水冷式三角天井構造。
【請求項３】
前記銅製ジャケットの内部冷水路が、前記銅製ジャケット内の中心位置よりも前記三角天井部の天面寄りの位置に配置されている請求項１又は２に記載の水冷式三角天井構造。
【請求項４】
前記銅製ジャケットが、前記銅製ジャケットの中心部よりも前記三角天井部の底面寄りの側面と前記三角天井部の底面寄りの底面において、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３のいずれかに記載の自熔炉の水冷式三角天井構造。
【請求項５】
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４のいずれかに記載の水冷式三角天井構造。
【請求項６】
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４のいずれかに記載の水冷式三角天井構造。
【請求項７】
自熔炉の三角天井部であって、前記三角天井部の所定の範囲は、請求項５に記載の水冷式三角天井構造によって構成されており、前記所定の範囲以外のその他の範囲は、請求項６に記載の水冷式三角天井構造によって構成されている自熔炉の三角天井部。
【請求項８】
請求項１から６のいずれかに記載の自熔炉の水冷式三角天井構造の内部冷水路に注水することによって、三角天井部を冷却する自熔炉の三角天井部の冷却方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−２３７５９（Ｐ２０１３−２３７５９Ａ）
【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２０１１−１６２４８９（Ｐ２０１１−１６２４８９）
【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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