(57)【要約】　　　（修正有）【課題】高温ガス及び処理される材料のバーデン間の熱伝達を良好にすることによって高い熱効率が得られ、しかも焼成炉の処理能力に悪影響を及ぼすことのない、セメント、石灰及び他の鉱物を高温加熱処理するための回転焼成炉を提供する。【解決手段】内壁１２０と、該壁内に隣接して配設されており、３辺から１２辺の多角形横断面形状を有し、本体が回転する際に高温ガスに焼成炉内に供給されたバーデン１１５の大部分が反復的に露出される様に構成された耐火ライニング１０５とを有する本体を備える、回転焼成炉１００。耐火ライニングは、複数のレンガを配設することにより、また複数の係留部材を備えた内壁内にキャスタブルセラミック材料をキャストすることにより形成されている。また内壁ライニングとの間には断熱材料の層を備えることもできる。【選択図】図２
2004003803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内壁と、該内壁内に且つ該壁の少なくとも一部に隣接して配設されており、概して多角形横断面形状を有するライニングと、を有する本体を備える材料を処理するための焼成炉。
【請求項２】
さらに、以下を備える請求項１の焼成炉：
支持構造物；及び
該支持構造物の上に前記焼成炉を回転可能に支持するための手段。
【請求項３】
下記を備える高温ガスを有する材料を処理するための焼成炉：
内壁と、第１及び第２の端部と、を備える本体；
該本体の第１の端部に操作可能に結合されており、焼成炉内に処理可能な材料のバーデンを供給するための供給手段；
該本体を回転させるための手段；
該内壁内に且つ該壁の少なくとも一部に隣接して配設されており、Ｎ辺からなる概して多角形横断面形状を有するライニングであって、前記本体が回転する際に高温ガスに前記バーデンの大部分を反復的に露出させるためのライニング；及び
該本体の第２の端部に操作可能に結合されており、前記バーデンを焼成炉から排出させるための出口開口。
【請求項４】
前記Ｎが３及び１２の間であり、よって多角形横断面の隣接する辺の間の角度が約１５０°以下である請求項３の焼成炉。
【請求項５】
前記耐火ライニングが、多角形横断面を形成するために、壁上に配列されている複数のレンガを備える請求項３の焼成炉。
【請求項６】
前記ライニングが多角形横断面形状にキャストされる請求項３の焼成炉。
【請求項７】
さらに、所定のパターンにて内壁に取り付けられており、前記キャストされたライニングを壁に取り付けるための複数の係留部材を備える請求項６の焼成炉。
【請求項８】
前記ライニングが、前記壁に隣接する第１の層と、該第１の層の上に重ねられる第２の層と、を含む請求項６の焼成炉。
【請求項９】
前記第１の層が、前記第２の層に比較して、相対的に断熱特性を有する請求項８の焼成炉。
【請求項１０】
前記第２の層が、前記第１の層に比較して、比較的高い熱抵抗及び耐摩耗性を有する請求項８の焼成炉。
【請求項１１】
さらに、前記壁と前記レンガライニングとの間に位置された断熱材料の層を備える請求項４の焼成炉。
【請求項１２】
さらに、前記壁と前記キャストされたライニングとの間に位置された断熱材料の層を備える請求項６の焼成炉。
【請求項１３】
前記本体の第１の端部が前記第２の端部に関して、前記本体が回転する際に、前記バーデンを第２の端部に向かって移動させるように位置されている請求項１の焼成炉。
【請求項１４】
多角形ライニングの辺が、不適合な直線または曲率を有する転移領域により連結されている請求項１の焼成炉。
【請求項１５】
下記を備える高温ガスを有する材料を処理するための焼成炉：
内壁と、第１及び第２の端部と、を有する円筒状の本体；
該第１の端部に操作可能に結合されており、本体内に処理可能な材料のバーデンを供給するための供給手段；
該本体を回転させるための手段；
該内壁内に且つ隣接して配設されており、且つＮ辺からなる概して多角形横断面形状を有し、前記本体が前記回転手段により回転される際に反復的に該バーデンの大部分を高温ガスに露出するたものオープン処置ゾーンを規定するための複数のレンガを備えるライニング；及び
該バーデンが該処理ゾーンを通過した後、該バーデンを除去するための該本体の第２の端部の出口開口。
【請求項１６】
下記を備える高温ガスを有する材料を処理するための焼成炉：
内壁と、第１及び第２の端部を有する円筒状本体；
該第１の端部と操作可能に結合されており、該本体内に処理可能な材料のバーデンを供給するための供給手段；
該本体を回転させるための手段；
該内壁内に且つ該壁に隣接して配設されており、その上にキャストされるセラミックもしくは耐火材を備えるライニングであって、該本体が回転する際に、高温ガスに前記バーデンの大部分を反復的に露出させるためのＮ辺からなる概して多角形横断面形状を有するオープン処理ゾーンを規定するライニング；
所定のパターンにて該内壁に取り付けられており、該キャストされたライニングを係留するための複数の係留部材；及び
該バーデンが該処理ゾーンを通過した後、該バーデンを除去するための該本体の第２の端部の出口開口。
【請求項１７】
前記耐火ライニングが、前記内壁に隣接する第１の層と、前記処理ゾーンに面する第２の層と、を含む請求項１６の焼成炉。
【請求項１８】
前記第１の層が、前記第２の層に比較して相対的に断熱特性を有し；また前記第２の層が前記第１の層に比較して比較的高い熱抵抗及び耐摩擦性を有する請求項１７の焼成炉。
【請求項１９】
下記工程を備える材料を処理する方法：
請求項３の焼成炉の本体内に且つ該本体内のライニング上に、処理されるべき材料のバーデンを供給する工程；及び
該バーデンが通過する際に処理されるように、該本体をその軸線長さに対して回転させる工程。
【請求項２０】
下記工程を備える材料を処理する方法：
請求項１５の焼成炉の本体内に且つ該本体内のライニング上に、処理されるべき材料のバーデンを供給する工程；及び
該バーデンが通過する際に処理されるように、該本体をその軸線長さに対して回転させる工程。
【請求項２１】
下記工程を備える材料を処理する方法：
請求項１６の焼成炉の本体内に且つ該本体内のライニング上に、処理されるべき材料のバーデンを供給する工程；及び
該バーデンが通過する際に処理されるように、該本体をその軸線長さに対して回転させる工程。
【請求項２２】
下記工程を備える材料を処理する方法：
処理されるべき材料のバーデンを処理ゾーン内に供給する工程；
該処理ゾーン内の環境にバーデンの大部分を反復的に露出させるために、該処理ゾーンを回転させる工程；及び
該バーデンの処理後、該バーデンを処理ゾーンから離すように指向させる工程。
【請求項２３】
さらに、多角形横断面形状を有するように前記処理ゾーンを形成する工程、及び処理されるべき材料を該処理ゾーン内の環境に反復的に露出させるために該処理ゾーンを回転させる工程を備える請求項２２の方法。
【請求項２４】
さらに、前記処理ゾーンの環境の一部として高温ガスを含み、該ガス及び処理されるべき材料のバーデンに耐性を有する材料からなる処理ゾーンの多角形境界層を形成する工程を備える請求項２３の方法。
【請求項２５】
前記処理ゾーンが３辺から１２辺の間で形成され、よって多角形横断面の隣接する辺の間の角度が１５０°以下であり、さらに隣接する辺の間に不適合な直線もしくは曲率を有する転移領域を設ける工程を備える請求項２４の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、一般に焼成炉に関し、特に、セメント、石灰及び他の鉱物をピロ処理するための多角形の耐火ライニング（内張り）を有する回転焼成炉に関する。セメント、石灰及び他の鉱物をピロ処理するために利用される慣用の回転焼成炉は、通常、回転焼成炉の本体を熱及び摩耗から保護する耐火物あるいはレンガで内張りされている。一般に、焼成炉のスチール本体の円周に沿って、リング状に勾配付レンガが置かれている。スチール本体を保護することに加えて、耐火レンガは、スチール本体を介する熱損失を減少させる。
残念ながら、現実の耐火ライニング設計による慣用の回転焼成炉は、まだ熱効率が悪く、結果的に燃料コストを非常に高くしている。例えば、タイプ１セメントクリンカーの理論的な生成熱は４２０ｋｃａｌ／ｋｇであるけれども、典型的な乾式処理焼成炉及び湿式処理焼成炉はさらに多くのエネルギを消費し、それぞれ１１００ｋｃａｌ／ｋｇ（３８％熱効率）及び１３００ｋｃａｌ／ｋｇ（３２％熱効率）である。同様に、石灰焼成炉にとって、典型的な熱効率は約４０％の範囲内である。かような低い熱効率は、余剰の熱が排煙内に消散されることによる熱損失に加えて、処理生成物自身、放射損失が高いことに起因している。
発明の概要
改良された熱効率を有し、従来技術の欠陥を解消する焼成炉を発明した。特に、本発明の焼成炉は高い熱効率を与え、さらに焼成炉の処理能力に対し、害的に影響しないものである。
本発明は、内壁と、該内壁の少なくとも一部に隣接して配設されたライニングと、を有する本体を備える焼成炉に関する。該ライニングは、概して多角形の横断面形状を有する。これらの焼成炉は、例えばセメント、石灰または他の鉱物、並びに木材パルプ等の他の材料等の材料を処理するために用いられる。多角形のライニングを利用することで、少なくとも、熱効率すなわち高温ガス及び焼成炉内で処理されるべき材料のバーデン（載荷物）の間の熱変換を改良する。かようなガス熱の効果的な利用は、高温ガス及びライニングの両方に非常に速やかに露出されるべき多量のバーデンを生じる種々のファクターに因るものである。これらの種々のファクターは、増加したタンブリング、増長した滞留時間、減少した充填度及び増加した表面露出を含む。
好ましい実施態様において、予備成形されたレンガを組み入れることにより、あるいは本体の内壁上に適当な耐火及び耐摩耗材料すなわちセラミック材料をキャスティングする（鋳込む）ことにより、多角形のライニングが形成される。該ライニングは、長手方向軸線に沿って見たとき、多角形横断面を有する。Ｎが典型的には３から１２の間にあるＮ多角形の各辺を構成するために、典型的には、２から４の異なる形状のレンガが必要となる。なお、多角形の各辺を本体の内壁上に連続的にキャストする（鋳込む）こともできる。
【図面の簡単な説明】
添付図面に関する以下の記載を参照することで、本発明の詳細が明かとなるであろう。
図１は、多角形横断面のライニングを有する本発明の回転焼成炉の側面図である。
図２は、本発明の回転焼成炉の横断面図であり、熱変換要素を示す。
図３から図５は、図２の焼成炉の別のライニング構造の部分分解図である。
図６は、六角形横断面の焼成炉の横断面図であり、ライニング及びガスに対するバーデンの表面露出度を示す。
図７は、従来技術による円筒状横断面の焼成炉の横断面図であり、ライニング及びガスに対するバーデンの表面露出度を示す。
図８は、実施例１の焼成炉のための１０辺の多角形横断面のライニングの半分を示す横断面図である。
図９及び図１０は、それぞれ、図８に示したライニングの構築に用いるレンガＡ及びＢを示す。
発明の詳細な説明
図１及び図２を参照すれば、本発明の原理に従う回転焼成炉１００が示されている。回転焼成炉１００は、ライニング１０５を有する。該ライニング１０５は、長手方向軸線に沿って見ると、図２に示されるような概して多角形横断面を有するオープン処理ゾーンを規定する。ライニング１０５は、図２に示されるような処理表面１１０を有し、該処理表面上にて、処理されるべきバーデン１１５が焼成炉１００が回転する際に、落下し移動する。
この配置とするために、ライニング１０５は焼成炉の内壁１２０の内側に形成される。ライニングは、ライニングが露出されるであろう環境に対し十分に耐性を有する材料から作られる。セメントキルンに対しては、ライニング材料は、耐摩耗性及び耐火性のキャスタブルセラミック材料あるいはレンガ材料が好ましい。図１に示すように、焼成炉本体１２０は、スチールローラー１３０から１３２にそれぞれ係合するライディングリングまたはタイヤ１２５から１２７により、支持されている。スチールローラー１３０から１３２は、スチールフレーム上に支持されている。回転焼成炉１００は、壁１２０の排出端部１３５が供給端部１４０よりも十分に低い高さになるように配置され、処理されるべき材料を排出端部に向かって移動させる。
所望により、好ましくは可撓性シール１４５を供給端部１４０に取り付け、少なくとも供給端部の一部をカバーする。適当な材料の煙突１５０を延長管１５５により該可撓性シール１４５に連結させてもよい。シール１４５の中央の小さな孔により、焼成炉のピロ処理ゾーン内で処理されるべきセメントまたは石灰等の材刺を供給するために、焼成炉１００の供給端部１４０内に、管１５５の先端をわずかに延ばすことができる。バーデンすなわち材料は処理された後、焼成炉を貫通して排出端部１３５まで通過する。
操作において、回転焼成炉１００は、図１に示されるピニオン１６０及び主ギヤ１６５に連結するモーターリダクターセット（図示せず）により駆動される。回転焼成炉の操作及び焼成方法は、当該技術分野で公知であるので、ここでは議論しない。しかしながら、回転焼成炉の操作及び焼成方法の詳細な説明については、例えば、本願の特徴を理解するために必要な範囲で本願に参照として明確に取り込まれている米国特許第４，２００，４６９号明細書及び同第４，３４４，５９６号明細書を参照すればよい。
一実施態様において、ライニングは、所望の多角形パターンを再現するように設計された態様にて、本体の内壁上に重ねられたレンガの列で形成されてもよい。レンガは、モルタルまたはグラウトを用いることなしに所望のパターンに維持されるように、傾斜されており重ねられることが好ましい。任意的に、壁とレンガとの間のスペースまたは不適合を充填しあるいは水平化するために、モルタル及び／またはグラウトを用いることもできる。さらに、例えば摩耗性ピロ処理材料の高供給、高速度処理等のある一定の適用に必要となるであろう構造的な一体性をより良好にするために、または機構的な問題を有する焼成炉のために、レンガをモルタルと一緒に固めてもよい。
任意的に、高温に適用する場合に、図３に示すように、レンガ１７０をセラミックファイバブランケット１７５の最初の層の上に配置してもよい。該セラミックファイバブランケットは、壁１２０を介する熱損失の程度を減少させる断熱材として作用する。
別の実施態様において、ライニング１０５は、水と混合してコンクリート状の材料を形成する顆粒状の耐火材で形成されてもよい。該コンクリート状の材料は、本体１２０の内壁上でキャストすなわちガナイトされる（ｇｕｎｉｔｅｄ）。耐火材で充填されすなわちキャストされるべき容積を規定する型枠及び適当なスペーサの使用により、特定の形状を達成してもよい。これらの本発明の特徴は、図４及び図５に示されている。
キャスタブル耐火材を使用する際には、該耐火材はＶ字型アンカー（係留部材）１８０により壁に固着される。該Ｖ字型アンカーは、一般に、耐火材を組み込む前に、本体壁にスポット溶接される。これらのアンカーは、所定のパターンで壁に取り付けられ、適用されるべき耐火材の総厚の約１／２から３／４の高さを有する。かようなアンカー並びにいかなる特定の組み込みにも適する材料、形状及び設計の幅広い多様性及び選択性は、当業技術分野で公知である。
高温に適用するために、耐火材１８５をセラミックファイバブランケット１９０の上にキャストしてもよく、該セラミックファイバブランケット１９０は、図４に示されるように、アンカーの間及び周りに配置され、本体１２０を断熱する。代わりに、図５に示すような２タイプの耐火材を用いても同様の結果が得られる。軽量キャスタブル材料の最初の耐火材層１９５が、本体１２０の内壁上に塗布される。固まった後で、層１９５は、高温高摩耗耐性の耐火材２００によりカバーされる。この異なる摩耗材料の組合せは、例えば溶融金属処理に用いる等、当該技術分野で公知である。
さらに、多角形ライニング１０５は、本体の円筒状の壁に合致するように型どられたベースを有する型枠内に、適当な耐火材をプレキャストすることにより、形成されてもよい。該型枠は、スチール製でもよく、スチール本体への取付を確実にする。該型枠内で耐火型枠材料がプレキャストされた後、該型枠は、焼成炉本体１２０上に挿入され、ボルトまたは溶接により固着される。さらに、ライニング１０５の所望の多角形形状を達成するために、キャスト形状、型どられたレンガ及び／またはモルタルあるいはグラントの組合せを用いることもできる。
ライニングの多角形横断面を得るために、モルタル有りまたはモルタル無しのＲ．Ｋ．Ｂアーチまたはウェッジ方法等の慣用の方法により、レンガ１７０は多角形パターンにて本体内部に取り付けられる。好ましくは２種から６種であるが、いくつかの型どられたレンガを用いて、多角形横断面のＮ辺のそれぞれを規定する。各レンガは、２つの対面を有する。一方の実質的に平坦な平面２０５は焼成炉１００内のピロ処理ゾーンに向かって半径方向内方に向けられ、他方のわずかに曲率を有する面が本体１２０の壁に向けられ、該壁に合致するように形作られる。これらの耐火レンガは、本体の周縁に沿って互いに締め付けられ、且つ内方に向かって延び所望の多角形断面及びピロ処理ゾーンのアウトラインを規定する。本発明のライニングは、少なくとも、か焼ゾーン及び排出ゾーン内に取り入れられるべきであるが、焼成炉全体が本発明のライニングを含む必要がないことは、理解されるであろう。
レンガまたはキャストライニングの数及び形状は、焼成炉の大きさ、ライニングの厚さ及び多角形の辺の数に依存して変更可能である。高い熱効率を与えるためには、焼成炉の直径に依存して、３辺から１２辺、好ましくは６辺から１２辺が必要であろう。さらに、１２辺以下の場合には、隣接する辺の角度は１５０°以下となる。こうして以下に記載する効果を得ることができる。
さらに、多角形の辺の縁部近くに位置するレンガの不適合により、多角形横断面開口の各辺が接する場所には、わずかに不連続な、すなわち平坦部分もしくは曲率を有する部分が交流する転移域が現出することが予想される。この不適合な接合部は、所望によりモルタルで充填され、所望の形状とすることができる。さらに、ピンチ剥落及び変位を減少させまたは最少化するために、耐火レンガ１７０を内部弦にて面取りしてもよく、すなわち図１０の形状Ｂに示すように「加熱面（ｈｏｔ　ｆａｃｅ）」としてもよい。
従来の焼成炉の予備加熱、か焼及び焼結ゾーンにおいて、材料に供給される熱のおよそ９０％がガスからの放射熱及び対流熱の伝達により、また残りの１０％がタンブリングの結果として材料へのライニングからの熱伝達による。
残念ながら、セメント、石灰、ドロマイト等の典型的な装入材料は、断熱材である。よって、装入材料の薄い表面層は適当な処理温度まで加熱することができるが、該層が素早く再加熱されない場合には、本来吸収される熱の一部が、ガスに反射して且つ再伝達されて戻る。
本発明の焼成炉は、高温ガス及びバーデンすなわち処理されるべき材料の間の熱効率または熱伝達を改良するために、多角形ライニングを利用する。かような改良された効率的なガス熱の利用は、結果的に排出温度を低下させ、並びにガス熱損失を低下させる。さらに、多角形ライニング設計を用いることで、増加したタンブリング、増長した滞留時間、減少した充填度、増加した露出表面等の種々のファクターの総合的な効果により、熱伝達を促進するために、高温ガスに対し、より大きなバーデン表面積を非常に迅速に露出させることができる。
有利なことに、多角形ライニングを利用することで、円筒状ライニング設計を用いるよりも、優れた熱伝達状態を提供する。本発明の回転焼成炉１００のこの利点は、本発明の回転焼成炉を備える熱伝達機構を試験することで、例証される。
回転焼成炉内でクリンカーを燃焼するために要求される熱は、例えば燃焼工程により生成される高温ガスにより供給される。これらのガスは、二酸化炭素、水蒸気及び塩化カリウム蒸気を含有する。しかしながら、クリンカーへの正味の熱伝達があるためには、２つの材料間に温度勾配がなければならない。例えば、本発明の場合には、ガス及びクリンカーである。時間ｔ内にガスにより伝達される熱量Ｑは、熱伝達の一般式により与えられる：
Ｑ＝ａ（Ｔｇ−Ｔｍ）Ｆｔ
ここで、ａは熱伝達係数；Ｔｇはガス温度；Ｔｍは材料の温度；及びＦは材料がガスに露出される表面積である。
温度勾配Ｔｇ−Ｔｍを深慮して選択することにより、材料に伝達されるべき熱量Ｑを制御することができる。望ましくない条件下で、高い熱伝達を実現するために従来技術の慣行では、温度勾配を増加させていた。しかしながら、より高い熱伝達を実現するためにガス温度を増加させるならば、排出するガスからの放射性の熱損失に加えて、より高い排出ガス温度を生じることになる。
本発明の回転焼成炉１００内の熱伝達は、一般に上述の熱伝達式により制御され、且つ図２に示すような少なくとも４つの異なる成分を備えるが、しかしこれに限定されるわけではない。
−ガスから材料への放射熱伝達（Ｔｒｇ）；
−ガス及び材料の間の対流熱伝達（Ｔｃｇ）；
−ライニング及び材料の間の放射熱伝達（Ｔｒｌ）；及び
−ライニングから材料への対流熱伝達（Ｔｃｌ）
多角形ライニングを用いることで、処理されるべきバーデンに対して、上記４つの異なる熱伝達成分を意外にも有利に改良することが、発見されている。特に、ガスからの熱を吸収後、バーデンの特定の粒子が表面に残る時間を減少させる、すなわち、タンブリングを増加させ、熱伝達を有利に改良する。これは、一般に少量の熱がライニング及びガスに再度伝達されるからである。追加的に、バーデンの焼成炉内での滞留時間を増長させ；バーデンの表面露出を増加させ；及び焼成炉内の充填度を減少させる。以下に議論するように、これらの特徴は、総合的な効果として、処理能力を減少させずに、焼成炉内での熱伝達を改良する。
改良された熱効率の１つのファクターは、増長された滞留時間である。滞留時間は、定常状態条件下で、装入材料のある粒子が焼成炉の低い部分あるいは端部に到達するために要求される時間である。一般に、滞留時間Ｔは、焼成炉の長さｌ、回転速度Ｎ、焼成炉の直径Ｄ及び傾きＳに依存する：
2004003803.tif 000003
さらに、ｋは焼成炉の横断面積に依存する定数であり、バーデンの固有特性である。
滞留時間は、特定量の砂を焼成炉内に供給する技術を用いることにより、ラボ（研究室）内で測定することができる。特定時間後、排出端部に到達したバーデンの量を測定する。
等しい直径を有し且つ他の全てのパラメータが等しい円筒状横断面焼成炉及び多角形横断面焼成炉を比較すれば、多角形横断面焼成炉に対し、多角形ライニングがバーデンの滞留時間を約４−５％増長できることを示す。このより長い滞留時間により、焼成炉内で、ある軸線方向の長さに対し、高温ガスがより多くの熱を伝達することを可能とする。
熱効率を改良する更なるファクターは、減少した充填度である。ここで用いる焼成炉の充填度とは、定常状態条件下でのバーデンの横断面積及び焼成炉の横断面積の間の比率である。ピロ処理の間、バーデンは焼成炉を横断しながら、ゾーンからゾーンへと充填度を変動させ、重量及び容積を失う。例えば、充填度は供給端部では高いが、次いで、二酸化炭素及び水蒸気が除去されるので、か焼ゾーンにて減少される。形成された被覆層により、燃焼ゾーン近くで充填度が増加する。
多角形ライニングを用いる明確な利点は、低い充填度の多角形横断面を備える点である。該低い充填度の多角形横断面は、焼成炉の横断面積に対するバーデンの表面積の大部分がガスに露出されるので、バーデンへの良好な熱伝達を与えることになる
実験に基づいて、例えば、６角形横断面焼成炉のスケールモデルでは、同じ直径の円筒状横断面焼成炉の６．９％に比較して、充填度が約４％であることが示されている。６角形横断面焼成炉に対し、測定は異なる回転位置で行われ、平均充填度が計算されたことに注意せよ。
本発明の回転焼成炉は、高温ガスに対し、より多量のバーデンをより素早く露出させる総合的な効果により、焼成炉の熱効率を改良するように構成されている。熱伝達を増加するために、ガス及びライニングに露出される表面積は、多角形横断面焼成炉の方が、円筒状横断面焼成炉よりも、実効的に大きい。この大きな露出表面積は、ライニングからバーデンへの高い放射熱及び対流熱の伝達、及びガスからバーデンへの高い放射熱伝達を生じる。
図６を参照すれば、直径１５．４ｃｍのスケールモデル６角形横断面焼成炉内にて、バーデンの７．５ｃｍ（Ｌ）が高温ガスに露出され、９ｃｍ（２ｌ）がライニングからの放射熱に露出される。
図７に示すように、等しい直径のスケールモデル円筒状横断面焼成炉において、約８ｃｍ（Ｌ）がガスに露出され、約８．３２ｃｍ（ｌ）が直接ライニングに露出されるに過ぎず、すなわち、６角形横断面焼成炉と比較すれば、表面積が総計２２％少ない。こうして、放射もしくは対流のいずれにせよ、６角形横断面焼成炉及び一般に多角形横断面焼成炉の方が、円筒状横断面焼成炉よりも、ガス及びライニングに露出されるバーデンの表面積が大きいので、熱伝達状態がより望ましいことが、容易に明かとなる。
より高い熱効率を達成するために重要な更なるファクターは、焼成炉を貫通して前方に横断するにつれ、材料をより粗に拡散または混合することである。慣用の技術は、材料を混合するために耐火カム及びリフタの使用を教示する。耐火カム及びリフタはその上で材料をタンブルし；こうして新しい材料表面をガス及び熱いライニングに露出させるからである。しかしながら、セラミックすなわち耐火カム及びリフタではピンチ剥落し、よって金属性の耐火物は酸化され且つ疲労し、したがって、その有効性が失われる。
本発明の多角形ライニング設計は、回転焼成炉のタンブリング効果を改良し、材料がライニングと接触する時間を短縮することを可能とし、他の粒子をより迅速に再加熱可能とする。この設計は、実質的に持ち上げることなく、材料すなわちバーデンをかき乱すことにより、材料の滑りを特に抑制する。
１つの実験において、それぞれ図６及び図７に示すように、多角形横断面焼成炉及び円筒状横断面焼成炉を通して、クロマイトサンド（黒）及びガラスサンド（白）の５０％混合物の５００グラムを移動させた。これらのバーデンは、焼成炉内での分離の視覚的な検査を助長するために、色のコントラスト及びバルク密度の差により、特に用いられた。
円筒状横断面焼成炉では、タンブリングなしに、１分間でおよそ７０回、バーデンすなわち材料はジグザグに進み、すなわちライニングに沿って上昇及び下降する。しかしながら、多角形焼成炉では、材料が１分間で約１６回タンブルされた。さらに、円筒状横断面焼成炉内の材料の分離があったが、一方、多角形横殿面焼成炉では分離は現れなかった。かようなタンブリングすなわち混合の増加は、材料の大部分への均等な熱分配を可能とする。
市販の大きさの焼成炉に対して、多角形ライニングは、か焼ゾーンにて最小３０フィート及び焼成炉の排出端部にて少なくとも２０フィートを一般にカバーすることが理解されるべきである。さらに、これらの大きさの焼成炉に対して、熱効率を改良するために、６辺から１２辺が要求されるであろうことが予想される。
実施例
本発明は、好ましいライニング構造の以下の実施例により説明されるが、これらに限定されるものではない。
実施例１
直径１０フィートの焼成炉の内壁に、１／４インチのＬｙｔｈｅｒｍ１５３５ＧＣ（Ｌｙｄａｌｌ　Ｃｏ．）、断熱材としてセラミックファイバペーパーが、設けられる。高アルミナ耐火レンガが押圧され且つ焼成されたＺｅｄ　Ｍｕｌｌｉｔｅ（Ｚｅｄｍａｒｋ　Ｉｎｄ．）の単層をブランケットの上に重ね、１０辺の多角形を準備する。図８に示すように、レンガは、本体に合致するように形づくられ且つ設計され、本体上に置くことで多角形ライニングを形成する。１０辺の多角形を得るために、各辺は４ブロックから作ることができる（図示されるように、２種の異なる傾斜のブロックＡＢを２セットでＡＢＢＡ列とする）。図９及び図１０に示されるように、Ａブロック及びＢブロックは、それぞれ約４インチの厚さを有する。レンガは、傾斜した縁部により所望の位置に機械的に保持され、且つ回転する際に本体から離れて移動しないようにされている。組み入れられるべき最後のブロックは、開口に滑り込ませることができ、多角形全体をくくる。必要であれば、レンガの間またはレンガと本体との間の不整合を充填するために、気硬性乾性モルタル（ａｉｒ　ｓｅｔ　ｄｒｙ　ｍｏｒｔａｒ）を用いることもできる。本体の周囲のレンガの第１の段の完成後、ライニングが完成するまで、追加の段が組み入れられる。
実施例２
直径１２フィートの焼成炉の内壁に、タイプ３１０ステンレススチールの標準「Ｖ」アンカーが複数個、所定の千鳥パターンに設けられる。アンカーは、ライニングの総厚のおよそ２／３の距離、本体から延びるように形作られ配列されている。実施例１の多角形と基本的に同じ大きさの１０辺の多角形形状にキャストされるべきライニングのアウトラインを与えるために、木製型枠を用いる。該型枠は、組み入れ中の焼成炉の不均衡を避けるために、約１６．４フィート（５メーター）以下の所望の長さに沿って、多角形の１辺に等しい領域のアウトラインを決める。Ｈｙａｌ−Ｌｉｔｅ　３０（Ｚｅｄｍａｒｋ，Ｉｎｃ．）の断熱耐火材の最初の層が、ライニングの総厚の約半分でエンケーシング（ｅｎｃａｓｉｎｇ）に塗布される。セラミックスラリーを正確にキャストするために、ロッドバイブレータを用いる。この材料が固まった後、ライニングの残りが、ＺｅｄａｌＣａｓｔ　６０　ＬＣ（Ｚｅｄｍａｒｋ，Ｉｎｃ．）を用いる型枠内に置かれる。再度、ロッドバイブレータを用いて、セラミックスラリーをエアポケットなしに正確に且つ完全に定置させる。ついで、第２の層が固められる。最後のキャストセラミックライニングは、実施例１のＡＢＢＡレンガと基本的に同じ横断面形状を有する切片状に完成される。第１の辺の長さに沿って、次いで全体のライニングが組み入れられるまで、多角形の追加の辺に対して、この処理が繰り返される。
本発明の範囲及び精神から逸脱しない限りにおいて、当業者により種々の変形が容易になされることが理解される。例えば、ライニングを耐火物にかえて、型枠無しにラミングプラスチックから作ることもできる。したがって、添付の請求の範囲は前述の説明に限定されるものではなく、むしろ、本発明に属する特許性のある新規な特徴、当業者により等価であるとして扱われるであろう特徴を含む、をすべて含むように構成されている請求項により、限定されるものである。
【図１】
2004003803.tif 000004
【図２】
2004003803.tif 000005
【図３】
2004003803.tif 000006
【図４】
2004003803.tif 000007
【図５】
2004003803.tif 000008
【図６】
2004003803.tif 000009
【図７】
2004003803.tif 000010
【図８】
2004003803.tif 000011
【図９】
2004003803.tif 000012
【図１０】
2004003803.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成15年1月24日(2003.1.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【特許請求の範囲】
【請求項１】高温ガスで材料を処理するための焼成炉であって、
内壁、第１及び第２の端部、及び長手軸を有する円筒状シェル、
第１の端部と操作可能に結合されており、該シェル内に処理可能な材料のバーデンを供給するための供給手段、
該シェルを回転させるための手段、
該内壁内にかつ該内壁に隣接して配設されており、その上にキャストされたセラミックス又は耐火材を備えるライニングであって、該シェルの長手軸に沿って配置されたほぼ多角形の断面形状を有するオープン処理ゾーンを規定し、かつ該シェルが回転される際に該バーデンの実質部分を高温ガスに反復的に暴露させるためのＮ個の平らな辺を有するライニング（ここで、該ライニング材の各々の選択された幅は単一の構成要素からキャストされている）、
所定のパターンで該内壁に取り付けられており、該キャストされたライニングを係留するための複数の係留部材、及び
該バーデンが処理ゾーンを通過した後、該バーデンを除去するためのシェルの第２の端部における出口開口
を含むところの焼成炉。
【請求項２】該耐火ライニングが、内壁に隣接する第１の層とオープン処理ゾーンに面する第２の層とを含むところの請求項１記載の焼成炉。
【請求項３】第１の層が第２の層に比較して相対的に高い断熱性を有し、かつ第２の層が第１の層と比較して相対的により高い耐熱性及び耐磨耗性を有するところの請求項２記載の焼成炉。
【請求項４】該ライニングが型枠の使用なしにシェルに直接キャストされているところの請求項１記載の焼成炉。
【請求項５】高温ガスで材料を処理するための焼成炉であって、内壁、第１及び第２の端部、及び長手軸を有する円筒状シェル；第１の端部と操作可能に結合されており、該シェル内に処理可能な材料のバーデンを供給するための供給手段；該シェルを回転させるための手段；該内壁内にかつ該内壁に隣接して配設されており、その上にキャストされたセラミックス又は耐火材を備えるライニングであって、該シェルの長手軸に沿って配置されたほぼ多角形の断面形状を有するオープン処理ゾーンを規定し、該シェルが回転される際に該バーデンの実質部分を高温ガスに反復的に暴露させるためのオープン処理ゾーンを規定するためのＮ個の平らな辺を有するライニング（ここで、該ライニング材の各々の辺の選択された幅は単一の構成要素からキャストされている）；所定のパターンで該内壁に取り付けられており、該キャストされたライニングを係留するための複数の係留部材；及び該バーデンが処理ゾーンを通過した後、該バーデンを除去するためのシェルの第２の端部における出口開口を含む焼成炉を形成すること、
焼成炉のシェル内かつそのライニング上に、処理されるべき材料のバーデンを供給すること、及び
該バーデンが通過する際にそれが処理されるように、該シェルをその軸長の回りに回転させること
を含むところの材料を処理するための方法。
【請求項６】単一の構成要素の形態の耐火ライニングとして処理ゾーンの夫々の辺の選ばれた幅をキャストすること及び処理ゾーンの長手軸に沿ってほぼ多角形の断面形状を有するように該構成要素を配備することにより、Ｎ個の平らな辺及び長手軸を有する処理ゾーンを形成すること、
処理されるべき材料のバーデンを処理ゾーン内かつライニング上に供給すること、
該バーデンの実質部分を処理ゾーン内の環境に反復的に暴露するために処理ゾーンを回転させること、並びに
該バーデンの処理後に該バーデンを処理ゾーンから離れる方向に向けること
を含むところの材料を処理するための方法。
【請求項７】処理ゾーンの環境の一部として高温ガスを含むこと、並びに該ガス及び処理されるべき材料のバーデンに耐性を有する物質から処理ゾーンの多角形の境界を形成することを更に含むところの請求項６記載の方法。
【請求項８】該処理ゾーンが、多角形断面の隣接する辺の間の角度が約１５０度以下であるように約３〜１２辺で形成され、かつ隣接する辺の間に不適合な、真直ぐな又は曲った遷移領域を備えることを更に含むところの請求項７記載の方法。
【請求項９】該ライニングが型枠の使用なしにキャストされるところの請求項６記載の方法。
【請求項１０】回転焼成炉の一部として処理ゾーンを組み込むことを更に含むところの請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
本発明は、一般に焼成炉に関し、特に、セメント、石灰及び他の鉱物をピロ処理するための多角形の耐火ライニング（内張り）を有する回転焼成炉に関する。セメント、石灰及び他の鉱物をピロ処理するために利用される慣用の回転焼成炉は、通常、回転焼成炉のシェルを熱及び磨耗から保護する耐火物あるいはレンガで内張りされている。一般に、焼成炉のスチールシェルの円周に沿って、リング状に勾配付レンガが置かれている。スチールシェルを保護することに加えて、耐火レンガは、スチールシェルを介する熱損失を減少させる。
残念ながら、現実の耐火ライニング設計による慣用の回転焼成炉は、まだ熱効率が悪く、結果的に燃料コストを非常に高くしている。例えば、タイプ１セメントクリンカーの理論的な生成熱は４２０ｋｃａｌ／ｋｇであるけれども、典型的な乾式処理焼成炉及び湿式処理焼成炉はさらに多くのエネルギを消費し、それぞれ１１００ｋｃａｌ／ｋｇ（３８％熱効率）及び１３００ｋｃａｌ／ｋｇ（３２％熱効率）である。同様に、石灰焼成炉にとって、典型的な熱効率は約４０％の範囲内である。かような低い熱効率は、余剰の熱が排煙内に消散されることによる熱損失に加えて、処理生成物自身、放射損失が高いことに起因している。
【０００２】
発明の概要
改良された熱効率を有し、従来技術の欠陥を解消する焼成炉を発明した。特に、本発明の焼成炉は高い熱効率を与え、さらに焼成炉の処理能力に対し、害的に影響しないものである。
本発明は、内壁と、該内壁の少なくとも一部に隣接して配設されたライニングと、を有するシェルを備える焼成炉に関する。該ライニングは、概して多角形の横断面形状を有する。これらの焼成炉は、例えばセメント、石灰または他の鉱物、並びに木材パルプ等の他の材料等の材料を処理するために用いられる。多角形のライニングを利用することで、少なくとも、熱効率すなわち高温ガス及び焼成炉内で処理されるべき材料のバーデン（載荷物）の間の熱変換を改良する。かようなガス熱の効果的な利用は、高温ガス及びライニングの両方に非常に速やかに露出されるべき多量のバーデンを生じる種々のファクターに因るものである。これらの種々のファクターは、増加したタンブリング、増長した滞留時間、減少した充填度及び増加した表面露出を含む。
好ましい実施態様において、予備形成されたレンガを組み入れることにより、あるいはシェルの内壁上に適当な耐火及び耐磨耗材料すなわちセラミック材料をキャスティングする（鋳込む）ことにより、多角形のライニングが形成される。該ライニングは、長手方向軸線に沿って見たとき、多角形横断面を有する。Ｎが典型的には３から１２の間にあるＮ多角形の各辺を構成するために、典型的には、２から４の異なる形状のレンガが必要となる。なお、多角形の各辺をシェルの内壁上に連続的にキャストする（鋳込む）こともできる。
【０００３】
発明の詳細な説明
添付図面に関する以下の記載を参照することで、本発明の詳細が明かとなるであろう。
図１及び図２を参照すれば、本発明の原理に従う回転焼成炉１００が示されている。回転焼成炉１００は、ライニング１０５を有する。該ライニング１０５は、長手方向軸線に沿って見ると、図２に示されるような概して多角形横断面を有するオープン処理ゾーンを規定する。ライニング１０５は、図２に示されるような処理表面１１０を有し、該処理表面上にて、処理されるべきバーデン１１５が焼成炉１００が回転する際に、落下し移動する。
【０００４】
この配置とするために、ライニング１０５は焼成炉の内壁１２０の内側に形成される。ライニングは、ライニングが露出されるであろう環境に対し十分に耐性を有する材料から作られる。セメントキルンに対しては、ライニング材料は、耐摩耗性及び耐火性のキャスタブルセラミック材料あるいはレンガ材料が好ましい。図１に示すように、焼成炉シェル１２０は、スチールローラー１３０から１３２にそれぞれ係合するライディングリングまたはタイヤ１２５から１２７により、支持されている。スチールローラー１３０から１３２は、スチールフレーム上に支持されている。回転焼成炉１００は、壁１２０の排出端部１３５が供給端部１４０よりも十分に低い高さになるように配置され、処理されるべき材料を排出端部に向かって移動させる。
【０００５】
所望により、好ましくは可撓性シール１４５を供給端部１４０に取り付け、少なくとも供給端部の一部をカバーする。適当な材料の煙突１５０を延長管１５５により該可撓性シール１４５に連結させてもよい。シール１４５の中央の小さな孔により、焼成炉のピロ処理ゾーン内で処理されるべきセメントまたは石灰等の材料を供給するために、焼成炉１００の供給端部１４０内に、管１５５の先端をわずかに延ばすことができる。バーデンすなわち材料は処理された後、焼成炉を貫通して排出端部１３５まで通過する。
【０００６】
操作において、回転焼成炉１００は、図１に示されるピニオン１６０及び主ギヤ１６５に連結するモータリダクターセット（図示せず）により駆動される。回転焼成炉の操作及び焼成方法は、当該技術分野で公知であるので、ここでは議論しない。しかしながら、回転焼成炉の操作及び焼成方法の詳細な説明については、例えば、本願の特徴を理解するために必要な範囲で本願に参照として明確に取り込まれている米国特許第４，２００，４６９号明細書及び同第４，３４４，５９６号明細書を参照すればよい。
【０００７】
一実施態様において、ライニングは、所望の多角形パターンを再現するように設計された態様にて、シェルの内壁上に重ねられたレンガの列で形成されてもよい。レンガは、モルタルまたはグラウトを用いることなしに所望のパターンに維持されるように、傾斜されており重ねられることが好ましい。任意的に、壁とレンガとの間のスペースまたは不適合を充填しあるいは水平化するために、モルタル及び／またはグラウトを用いることもできる。さらに、例えば摩耗性ピロ処理材料の高供給、高速度処理等のある一定の適用に必要となるであろう構造的な一体性をより良好にするために、または機構的な問題を有する焼成炉のために、レンガをモルタルと一緒に固めてもよい。
【０００８】
任意的に、高温に適用する場合に、図３に示すように、レンガ１７０をセラミックファイバブランケット１７５の最初の層の上に配置してもよい。該セラミックファイバブランケットは、壁１２０を介する熱損失の程度を減少させる断熱材として作用する。
【０００９】
別の実施態様において、ライニング１０５は、水と混合してコンクリート状の材料を形成する顆粒上の耐火材で形成されてもよい。該コンクリート状の材料は、シェル１２０の内壁上でキャストすなわちガナイトされる（ｇｕｎｉｔｅｄ）。耐火材で充填されすなわちキャストされるべき容積を規定する型枠及び適当なスペーサの使用により、特定の形状を達成してもよい。これらの本発明の特徴は、図４及び図５に示されている。
【００１０】
キャスタブル耐火材を使用する際には、該耐火材はＶ字型アンカー（係留部材）１８０により壁に固着される。該Ｖ字型アンカーは、一般に、耐火材を組み込む前に、シェル壁にスポット溶接される。これらのアンカーは、所定のパターンで壁に取り付けられ、適用されるべき耐火材の総厚の約１／２から３／４の高さを有する。かようなアンカー並びにいかなる特定の組み込みにも適する材料、形状及び設計の幅広い多様性及び選択性は、当業技術分野で公知である。
【００１１】
高温に適用するために、耐火材１８５をセラミックファイアッブランケット１９０の上にキャストしてもよく、該セラミックファイバブランケット１９０は、図４に示されるように、アンカーの間及び周りに配置され、シェル１２０を断熱する。代わりに、図５に示すような２タイプの耐火材を用いても同様の結果が得られる。軽量キャスタブル材料の最初の耐火材層１９５が、シェル１２０の内壁上に塗布される。固まった後で、層１９５は、高温高摩耗耐性の耐火材２００によりカバーされる。この異なる摩耗材料の組合せは、例えば溶融金属処理に用いる等、当該技術分野で公知である。
【００１２】
さらに、多角形ライニング１０５は、シェルの円筒状の壁に合致するように型どられたスペースを有する型枠内に、適当な耐火材をプレキャストすることにより、形成されてもよい。該型枠は、スチール製でもよく、スチールシェルへの取付を確実にする。該型枠内で耐火型枠材料がプレキャストされた後、該型枠は、焼成炉シェル１２０上に挿入され、ボルト又は溶接により固着される。さらに、ライニング１０５の所望の多角形形状を達成するために、キャスト形状、型どられたレンガ及び／またはモルタルあるいはグラントの組合せを用いることもできる。
【００１３】
ライニングの多角形横断面を得るために、モルタル有りまたはモルタル無しのＲ．Ｋ．Ｂアーチまたはウェッジ方法等の慣用の方法により、レンガ１７０は多角形パターンにてシェル内部に取り付けられる。好ましくは２種から６種であるが、いくつかの型どられたレンガを用いて、多角形横断面のＮ辺のそれぞれを規定する。各レンガは、２つの対面を有する。一方の実質的に平坦な平面２０５は焼成炉１００内のピロ処理ゾーンに向かって半径方向内方に向けられ、他方のわずかに曲率を有する面がシェル１２０の壁に向けられ、該壁に合致するように形作られる。これらの耐火レンガは、シェルの周縁に沿って互いに締め付けられ、かつ内方に向かって延び所望の多角形断面及びピロ処理ゾーンのアウトラインを規定する。本発明のライニングは、少なくとも、か焼ゾーン及び排出ゾーン内に取り入れられるべきであるが、焼成炉全体が本発明のライニングを含む必要がないことは、理解されるであろう。
【００１４】
レンガまたはキャストライニングの数及び形状は、焼成炉の大きさ、ライニングの厚さ及び多角形の辺の数に依存して変更可能である。高い熱効率を与えるためには、焼成炉の直径に依存して、３辺から１２辺、好ましくは６辺から１２辺が必要であろう。さらに、１２辺以下の場合には、隣接する辺の角度は１５０°以下となる。こうして以下に記載する効果を得ることができる。
【００１５】
さらに、多角形の辺の縁部近くに位置するレンガの不適合により、多角形横断面開口の各辺が接する場所には、わずかに不連続な、すなわち平坦部分もしくは曲率を有する部分が交流する転移域が現出することが予想される。この不適合な接合部は、所望によりモルタルで充填され、所望の形状とすることができる。さらに、ピンチ剥落及び変位を減少させまたは最少化するために、耐火レンガ１７０を内部弦にて面取りしてもよく、すなわち図１０の形状Ｂに示すように「加熱面（ｈｏｔ　ｆａｃｅ）」としてもよい。
【００１６】
従来の焼成炉の予備加熱、か焼及び焼結ゾーンにおいて、材料に供給される熱のおよそ９０％がガスからの放射熱及び対流熱の伝達により、また残りの１０％がタンブリングの結果として材料へのライニングからの熱伝達による。
【００１７】
残念ながら、セメント、石灰、ドロマイト等の典型的な装入材料は、断熱材である。よって、装入材料の薄い表面層は適当な処理温度まで加熱することができるが、該層が素早く再加熱されない場合には、本来吸収される熱の一部が、ガスに反射して且つ再伝達されて戻る。
【００１８】
本発明の焼成炉は、高温ガス及びバーデンすなわち処理されるべき材料の間の熱効率または熱伝達を改良するために、多角形ライニングを利用する。かような改良された効率的なガス熱の利用は、結果的に排出温度を低下させ、並びにガス熱損失を低下させる。さらに、多角形ライニング設計を用いることで、増加したタンブリング、増長した滞留時間、減少した充填度、増加した露出表面等の種々のファクターの総合的な効果により、熱伝達を促進するために、高温ガスに対し、より大きなバーデン表面積を非常に迅速に露出させることができる。
【００１９】
有利なことに、多角形ライニングを利用することで、円筒状ライニング設計を用いるよりも、優れた熱伝達状態を提供する。本発明の回転焼成炉１００のこの利点は、本発明の回転焼成炉を備える熱伝達機構を試験することで、例証される。
【００２０】
回転焼成炉内でクリンカーを燃焼するために要求される熱は、例えば燃焼工程により生成される高温ガスにより供給される。これらのガスは、二酸化炭素、水蒸気及び塩化カリウム蒸気を含有する。しかしながら、クリンカーへの正味の熱伝達があるためには、２つの材料間に温度勾配がなければならない。例えば、本発明の場合には、ガス及びクリンカーである。時間ｔ内にガスにより伝達される熱量Ｑは、熱伝達の一般式により与えられる：
Ｑ＝ａ（Ｔｇ−Ｔｍ）Ｆｔ
ここで、ａは熱伝達係数；Ｔｇはガス温度；Ｔｍは材料の温度；及びＦは材料がガスに露出される表面積である。
【００２１】
温度勾配Ｔｇ−Ｔｍを深慮して選択することにより、材料に伝達されるべき熱量Ｑを制御することができる。望ましくない条件下で、高い熱伝達を実現するために従来技術の慣行では、温度勾配を増加させていた。しかしながら、より高い熱伝達を実現するためにガス温度を増加させるならば、排出するガスからの放射性の熱損失に加えて、より高い排出ガス温度を生じることになる。
【００２２】
本発明の回転焼成炉１００内の熱伝達は、一般に上述の熱伝達式により制御され、且つ図２に示すような少なくと４つの異なる成分を備えるが、しかしこれに限定されるわけではない。
−ガスから材料への放射熱伝達（Ｔｒｇ）；
−ガス及び材料の間の対流熱伝達（Ｔｃｇ）；
−ライニング及び材料の間の放射熱伝達（Ｔｒｌ）；及び
−ライニングから材料への対流熱伝達（Ｔｃｌ）
多角形ライニングを用いることで、処理されるべきバーデンに対して、上記４つの異なる熱伝達成分を意外にも有利に改良することが、発見されている。特に、ガスからの熱を吸収後、バーデンの特定の粒子が表面に残る時間を減少させる、すなわち、タンブリングを増加させ、熱伝達を有利に改良する。これは、一般に少量の熱がライニング及びガスに再度伝達されるからである。追加的に、バーデンの焼成炉内での滞留時間を増長させ；バーデンの表面露出を増加させ；及び焼成炉内の充填度を減少させる。以下に議論するように、これらの特徴は、総合的な効果として、処理能力を減少させずに、焼成炉内での熱伝達を改良する。
【００２３】
改良された熱効率の１つのファクターは、増長された滞留時間である。滞留時間は、定常状態条件下で、装入材料のある粒子が焼成炉の低い部分あるいは端部に到達するために要求される時間である。一般に、滞留時間Ｔは、焼成炉の長さｌ、回転速度Ｎ、焼成炉の直径Ｄ及び傾きＳに依存する：
2004003803.tif 000014
さらに、ｋは焼成炉の横断面積に依存する定数であり、バーデンの固有特性である。
【００２４】
滞留時間は、特定量の砂を焼成炉内に供給する技術を用いることにより、ラボ（研究室）内で測定することができる。特定時間後、排出端部に到達したバーデンの量を測定する。
【００２５】
等しい直径を有し且つ他の全てのパラメータが等しい円筒状横断面焼成炉及び多角形横断面焼成炉を比較すれば、多角形横断面焼成炉に対し、多角形ライニングがバーデンの滞留時間を約４−５％増長できることを示す。このより長い滞留時間により、焼成炉内で、ある軸線方向の長さに対し、高温ガスがより多くの熱を伝達することを可能とする。
【００２６】
熱効率を改良する更なるファクターは、減少した充填度である。ここで用いる焼成炉の充填度とは、定常状態条件下でのバーデンの横断面積及び焼成炉の横断面積の間の比率である。ピロ処理の間、バーデンは焼成炉を横断しながら、ゾーンからゾーンへと充填度を変動させ、重量及び容積を失う。例えば、充填度は供給端部では高いが、次いで、二酸化炭素及び水蒸気が除去されるので、か焼ゾーンにて減少される。形成された被膜層により、燃焼ゾーン近くで充填度が増加する。
【００２７】
多角形ライニングを用いる明確な利点は、低い充填度の多角形横断面を備える点である。該低い充填度の多角形横断面は、焼成炉の横断面積に対するバーデンの表面積の大部分がガスに露出されるので、バーデンへの良好な熱伝達を与えることになる。
【００２８】
実験に基づいて、例えば、６角形横断面焼成炉のスケールモデルでは、同じ直径の円筒状横断面焼成炉の６．９％に比較して、充填度が約４％であることが示されている。６角形横断面焼成炉に対し、測定は異なる回転位置で行われ、平均充填度が計算されたことに注意せよ。
【００２９】
本発明の回転焼成炉は、高温ガスに対し、より多量のバーデンをより素早く露出させる総合的な効果により、焼成炉の熱効率を改良するように構成されている。熱伝達を増加するために、ガス及びライニングに露出される表面積は、多角形横断面焼成炉の方が、円筒状横断面焼成炉よりも、実効的に大きい。この大きな露出表面積は、ライニングからバーデンへの高い放射熱及び対流熱の伝達、及びガスからバーデンへの高い放射熱伝達を生じる。
【００３０】
図６を参照すれば、直径１５．４ｃｍのスケールモデル６角形横断面焼成炉内にて、バーデンの７．５ｃｍ（Ｌ）が高温ガスに露出され、９ｃｍ（２１）がライニングからの放射熱に露出される。
【００３１】
図７に示すように、等しい直径のスケールモデル円筒状横断面焼成炉において、約８ｃｍ（Ｌ）がガスに露出され、約８．３２ｃｍ（１）が直接ライニングに露出されるに過ぎず、すなわち、６角形横断面焼成炉と比較すれば、表面積が総計２２％少ない。こうして、放射もしくは対流のいずれにせよ、６角形横断面焼成炉及び一般に多角形横断面焼成炉の方が、円筒状横断面焼成炉よりも、ガス及びライニングに露出されるバーデンの表面積が大きいので、熱伝達状態がより望ましいことが、容易に明かとなる。
【００３２】
より高い熱効率を達成するために重要な更なるファクターは、焼成炉を貫通して前方に横断するにつれ、材料をより粗に拡散または混合することである。慣用の技術は、材料を混合するために耐火カム及びリフタの使用を教示する。耐火カム及びリフタはその上で材料をタンブルし；こうして新しい材料表面をガス及び熱いライニングに露出させるからである。しかしながら、セラミックすなわち耐火カム及びリフタではピンチ剥落し、よって金属性の耐火物は酸化され且つ疲労し、したがって、その有効性が失われる。
【００３３】
本発明の多角形ライニング設計は、回転焼成炉のタンブリング効果を改良し、材料がライニングと接触する時間を短縮することを可能とし、他の粒子をより迅速に再加熱可能とする。この設計は、実質的に持ち上げることなく、材料すなわちバーデンをかき乱すことにより、材料の滑りを特に抑制する。
【００３４】
１つの実験において、それぞれ図６及び図７に示すように、多角形横断面焼成炉及び円筒状横断面焼成炉を通して、クロマイトサンド（黒）及びガラスサンド（白）の５０％混合物の５００グラムを移動させた。これらのバーデンは、焼成炉内での分離の視覚的な検査を助長するために、色のコントラスト及びバルク密度の差により、特に用いられた。
【００３５】
円筒状横断面焼成炉では、タンブリングなしに、１分間でおよそ７０回、バーデンすなわち材料はジグザグに進み、すなわちライニングに沿って上昇及び下降する。しかしながら、多角形焼成炉では、材料が１分間で約１６回タンブルされた。さらに、円筒状横断面焼成炉内の材料の分離があったが、一方、多角形横断面焼成炉では分離は現れなかった。かようなタンブリングすなわち混合の増加は、材料の大部分への均等な熱分配を可能とする。
【００３６】
市販の大きさの焼成炉に対して、多角形ライニングは、か焼ゾーンにて最小３０フィート及び焼成炉の排出端部にて少なくとも２０フィートを一般にカバーすることが理解されるべきである。さらに、これらの大きさの焼成炉に対して、熱効率を改良するために、６辺から１２辺が要求されるであろうことが予想される。
【００３７】
【実施例】
本発明は、好ましいライニング構造の以下の実施例により説明されるが、これらに限定されるものではない。
【００３８】
【参考例】
直径１０フィートの焼成炉の内壁に、１／４インチのＬｙｔｈｅｒｍ１５３５ＧＣ（Ｌｙｄａｌｌ　Ｃｏ．）、断熱材としてセラミックファイバペーパーが、設けられる。高アルミナ耐火レンガが押圧され且つ焼成されたＺｅｄ　Ｍｕｌｌｉｔｅ　（Ｚｅｄｍａｒｋ　Ｉｎｄ．）の単層をブランケットの上に重ね、１０辺の多角形を準備する。図８に示すように、レンガは、シェルに合致するように形づくられ且つ設計され、シェル上に置くことで多角形ライニングを形成する。１０辺の多角形を得るために、各辺は４ブロックから作ることができる（図示されるように、２種の異なる傾斜のブロックＡＢを２セットでＡＢＢＡ列とする）。図９及び図１０に示されるように、Ａブロック及びＢブロックは、それぞれ約４インチの厚さを有する。レンガは、傾斜した縁部により所望の位置に機械的に保持され、且つ回転する際にシェルから離れて移動しないようにされている。組み入れられるべき最後のブロックは、開口に滑りこませることができ、多角形全体をくくる。必要であれば、レンガの間またはレンガとシェルとの間の不整合を充填するために、気硬性乾性モルタル（ａｉｒ　ｓｅｔ　ｄｒｙ　ｍｏｒｔａｒ）を用いることもできる。シェルの周囲のレンガの第１の段の完成後、ライニングが完成するまで、追加の段が組み入れられる。
【００３９】
【実施例】
直径１２フィートの焼成炉の内壁に、タイプ３１０ステンレススチールの標準「Ｖ」アンカーが複数個、所定の千鳥パターンに設けられる。アンカーは、ライニングの総厚のおよそ２／３の距離、シェルから延びるように形作られ配列されている。参考例の多角形と基本的に同じ大きさの１０辺の多角形形状にキャストされるべきライニングのアウトラインを与えるために、木製型枠を用いる。該型枠は、組み入れ中の焼成炉の不均衡を避けるために、約１６．４フィート（５メーター）以下の所望の長さに沿って、多角形の１辺に等しい領域のアウトラインを決める。Ｈｙａｌ−Ｌｉｔｅ　３０　（Ｚｅｄｍａｒｋ，　Ｉｎｃ．）の断熱耐火材の最初の層が、ライニングの総厚の約半分でエンケーシング（ｅｎｃａｓｉｎｇ）に塗布される。セラミックスラリーを正確にキャストするために、ロッドバイブレータを用いる。この材料が固まった後、ライニングの残りが、Ｚｅｄａｌ　Ｃａｓｔ　６０　ＬＣ（Ｚｅｄｍａｒｋ，　Ｉｎｃ．）を用いる型枠内に置かれる。再度、ロッドバイブレータを用いて、セラミックスラリーをエアポケットなしに正確に且つ完全に定置させる。ついで、第２の層が固められる。最後のキャストセラミックライニングは、参考例のＡＢＢＡレンガと基本的に同じ横断面形状を有する切片状に完成される。第１の辺の長さに沿って、次いで全体のライニングが組み入れられるまで、多角形の追加の辺に対して、この処理が繰り返される。
【００４０】
本発明の範囲及び精神から逸脱しない限りにおいて、当業者により種々の変形が容易になされることが理解される。例えば、ライニングを耐火物にかえて、型枠無しにラミングプラスチックから作ることもできる。したがって、添付の請求の範囲は前述の説明に限定されるものではなく、むしろ、本発明に属する特許性のある新規な特徴、当業者により等価であるとして扱われるであろう特徴を含む、をすべて含むように構成されている請求項により、限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、多角形横断面のライニングを有する本発明の回転焼成炉の側面図である。
図２は、本発明の回転焼成炉の横断面図であり、熱変換要素を示す。
図３から図５は、図２の焼成炉の別のライニング構造の部分分解図である。
図６は、六角形横断面の焼成炉の横断面図であり、ライニング及びガスに対するバーデンの表面露出度を示す。
図７は、従来技術による円筒状横断面の焼成炉の横断面図であり、ライニング及びガスに対するバーデンの表面露出度を示す。
図８は、実施例１の焼成炉のための１０辺の多角形横断面のライニングの半分を示す横断面図である。
図９及び図１０は、それぞれ、図８に示したライニングの構築に用いるレンガＡ及びＢを示す。
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月26日(2003.3.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【特許請求の範囲】
【請求項１】高温ガスで材料を処理するための焼成炉であって、
内壁、第１及び第２の端部、及び長手軸を有する円筒状シェル、
第１の端部と操作可能に結合されており、該シェル内に処理可能な材料のバーデンを供給するための供給手段、
該シェルを回転させるための手段、
該内壁内にかつ該内壁に隣接して配設されており、その上にキャストされたセラミックス又は耐火材を備えるライニングであって、該シェルの長手軸に沿って配置されたほぼ多角形の断面形状を有するオープン処理ゾーンを規定し、かつ該シェルが回転される際に該バーデンの実質部分を高温ガスに反復的に暴露させるためのＮ個の平らな辺を有するライニング（ここで、該ライニング材の各々の選択された幅は単一の構成要素からキャストされている）、
所定のパターンで該内壁に取り付けられており、該キャストされたライニングを係留するための複数の係留部材、及び
該バーデンが処理ゾーンを通過した後、該バーデンを除去するためのシェルの第２の端部における出口開口
を含むところの焼成炉。
【請求項２】該耐火ライニングが、内壁に隣接する第１の層とオープン処理ゾーンに面する第２の層とを含むところの請求項１記載の焼成炉。
【請求項３】第１の層が第２の層に比較して相対的に高い断熱性を有し、かつ第２の層が第１の層と比較して相対的により高い耐熱性及び耐磨耗性を有するところの請求項２記載の焼成炉。
【請求項４】該ライニングが型枠の使用なしにシェルに直接キャストされているところの請求項１記載の焼成炉。
【請求項５】高温ガスで材料を処理するための焼成炉であって、内壁、第１及び第２の端部、及び長手軸を有する円筒状シェル；第１の端部と操作可能に結合されており、該シェル内に処理可能な材料のバーデンを供給するための供給手段；該シェルを回転させるための手段；該内壁内にかつ該内壁に隣接して配設されており、その上にキャストされたセラミックス又は耐火材を備えるライニングであって、該シェルの長手軸に沿って配置されたほぼ多角形の断面形状を有するオープン処理ゾーンを規定し、該シェルが回転される際に該バーデンの実質部分を高温ガスに反復的に暴露させるためのオープン処理ゾーンを規定するためのＮ個の平らな辺を有するライニング（ここで、該ライニング材の各々の辺の選択された幅は単一の構成要素からキャストされている）；所定のパターンで該内壁に取り付けられており、該キャストされたライニングを係留するための複数の係留部材；及び該バーデンが処理ゾーンを通過した後、該バーデンを除去するためのシェルの第２の端部における出口開口を含む焼成炉を形成すること、
焼成炉のシェル内かつそのライニング上に、処理されるべき材料のバーデンを供給すること、及び
該バーデンが通過する際にそれが処理されるように、該シェルをその軸長の回りに回転させること
を含むところの材料を処理するための方法。
【請求項６】単一の構成要素の形態の耐火ライニングとして処理ゾーンの夫々の辺の選ばれた幅をキャストすること及び処理ゾーンの長手軸に沿ってほぼ多角形の断面形状を有するように該構成要素を配備することにより、Ｎ個の平らな辺及び長手軸を有する処理ゾーンを形成すること、
処理されるべき材料のバーデンを処理ゾーン内かつライニング上に供給すること、
該バーデンの実質部分を処理ゾーン内の環境に反復的に暴露するために処理ゾーンを回転させること、並びに
該バーデンの処理後に該バーデンを処理ゾーンから離れる方向に向けること
を含むところの材料を処理するための方法。
【請求項７】処理ゾーンの環境の一部として高温ガスを含むこと、並びに該ガス及び処理されるべき材料のバーデンに耐性を有する物質から処理ゾーンの多角形の境界を形成することを更に含むところの請求項６記載の方法。
【請求項８】該処理ゾーンが、多角形断面の隣接する辺の間の角度が約１５０度以下であるように約３〜１２辺で形成され、かつ隣接する辺の間に不適合な、真直ぐな又は曲った遷移領域を備えることを更に含むところの請求項７記載の方法。
【請求項９】該ライニングが型枠の使用なしにキャストされるところの請求項６記載の方法。
【請求項１０】回転焼成炉の一部として処理ゾーンを組み込むことを更に含むところの請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
本発明は、一般に焼成炉に関し、特に、セメント、石灰及び他の鉱物をピロ処理するための多角形の耐火ライニング（内張り）を有する回転焼成炉に関する。
セメント、石灰及び他の鉱物をピロ処理するために利用される慣用の回転焼成炉は、通常、回転焼成炉のシェルを熱及び磨耗から保護する耐火物あるいはレンガで内張りされている。一般に、焼成炉のスチールシェルの円周に沿って、リング状に勾配付レンガが置かれている。スチールシェルを保護することに加えて、耐火レンガは、スチールシェルを介する熱損失を減少させる。
残念ながら、現実の耐火ライニング設計による慣用の回転焼成炉は、まだ熱効率が悪く、結果的に燃料コストを非常に高くしている。例えば、タイプ１セメントクリンカーの理論的な生成熱は４２０ｋｃａｌ／ｋｇであるけれども、典型的な乾式処理焼成炉及び湿式処理焼成炉はさらに多くのエネルギを消費し、それぞれ１１００ｋｃａｌ／ｋｇ（３８％熱効率）及び１３００ｋｃａｌ／ｋｇ（３２％熱効率）である。同様に、石灰焼成炉にとって、典型的な熱効率は約４０％の範囲内である。かような低い熱効率は、余剰の熱が排煙内に消散されることによる熱損失に加えて、処理生成物自身、放射損失が高いことに起因している。
【０００２】
発明の概要
改良された熱効率を有し、従来技術の欠陥を解消する焼成炉を発明した。特に、本発明の焼成炉は高い熱効率を与え、さらに焼成炉の処理能力に対し、害的に影響しないものである。
本発明は、内壁と、該内壁の少なくとも一部に隣接して配設されたライニングと、を有するシェルを備える焼成炉に関する。該ライニングは、概して多角形の横断面形状を有する。これらの焼成炉は、例えばセメント、石灰または他の鉱物、並びに木材パルプ等の他の材料等の材料を処理するために用いられる。多角形のライニングを利用することで、少なくとも、熱効率すなわち高温ガス及び焼成炉内で処理されるべき材料のバーデン（載荷物）の間の熱変換を改良する。かようなガス熱の効果的な利用は、高温ガス及びライニングの両方に非常に速やかに露出されるべき多量のバーデンを生じる種々のファクターに因るものである。これらの種々のファクターは、増加したタンブリング、増長した滞留時間、減少した充填度及び増加した表面露出を含む。
好ましい実施態様において、予備形成されたレンガを組み入れることにより、あるいはシェルの内壁上に適当な耐火及び耐磨耗材料すなわちセラミック材料をキャスティングする（鋳込む）ことにより、多角形のライニングが形成される。該ライニングは、長手方向軸線に沿って見たとき、多角形横断面を有する。Ｎが典型的には３から１２の間にあるＮ多角形の各辺を構成するために、典型的には、２から４の異なる形状のレンガが必要となる。なお、多角形の各辺をシェルの内壁上に連続的にキャストする（鋳込む）こともできる。
【０００３】
発明の詳細な説明
添付図面に関する以下の記載を参照することで、本発明の詳細が明かとなるであろう。
図１及び図２を参照すれば、本発明の原理に従う回転焼成炉１００が示されている。回転焼成炉１００は、ライニング１０５を有する。該ライニング１０５は、長手方向軸線に沿って見ると、図２に示されるような概して多角形横断面を有するオープン処理ゾーンを規定する。ライニング１０５は、図２に示されるような処理表面１１０を有し、該処理表面上にて、処理されるべきバーデン１１５が焼成炉１００が回転する際に、落下し移動する。
【０００４】
この配置とするために、ライニング１０５は焼成炉の内壁１２０の内側に形成される。ライニングは、ライニングが露出されるであろう環境に対し十分に耐性を有する材料から作られる。セメントキルンに対しては、ライニング材料は、耐摩耗性及び耐火性のキャスタブルセラミック材料あるいはレンガ材料が好ましい。図１に示すように、焼成炉シェル１２０は、スチールローラー１３０から１３２にそれぞれ係合するライディングリングまたはタイヤ１２５から１２７により、支持されている。スチールローラー１３０から１３２は、スチールフレーム上に支持されている。回転焼成炉１００は、壁１２０の排出端部１３５が供給端部１４０よりも十分に低い高さになるように配置され、処理されるべき材料を排出端部に向かって移動させる。
【０００５】
所望により、好ましくは可撓性シール１４５を供給端部１４０に取り付け、少なくとも供給端部の一部をカバーする。適当な材料の煙突１５０を延長管１５５により該可撓性シール１４５に連結させてもよい。シール１４５の中央の小さな孔により、焼成炉のピロ処理ゾーン内で処理されるべきセメントまたは石灰等の材料を供給するために、焼成炉１００の供給端部１４０内に、管１５５の先端をわずかに延ばすことができる。バーデンすなわち材料は処理された後、焼成炉を貫通して排出端部１３５まで通過する。
【０００６】
操作において、回転焼成炉１００は、図１に示されるピニオン１６０及び主ギヤ１６５に連結するモータリダクターセット（図示せず）により駆動される。回転焼成炉の操作及び焼成方法は、当該技術分野で公知であるので、ここでは議論しない。しかしながら、回転焼成炉の操作及び焼成方法の詳細な説明については、例えば、本願の特徴を理解するために必要な範囲で本願に参照として明確に取り込まれている米国特許第４，２００，４６９号明細書及び同第４，３４４，５９６号明細書を参照すればよい。
【０００７】
一実施態様において、ライニングは、所望の多角形パターンを再現するように設計された態様にて、シェルの内壁上に重ねられたレンガの列で形成されてもよい。レンガは、モルタルまたはグラウトを用いることなしに所望のパターンに維持されるように、傾斜されており重ねられることが好ましい。任意的に、壁とレンガとの間のスペースまたは不適合を充填しあるいは水平化するために、モルタル及び／またはグラウトを用いることもできる。さらに、例えば摩耗性ピロ処理材料の高供給、高速度処理等のある一定の適用に必要となるであろう構造的な一体性をより良好にするために、または機構的な問題を有する焼成炉のために、レンガをモルタルと一緒に固めてもよい。
【０００８】
任意的に、高温に適用する場合に、図３に示すように、レンガ１７０をセラミックファイバブランケット１７５の最初の層の上に配置してもよい。該セラミックファイバブランケットは、壁１２０を介する熱損失の程度を減少させる断熱材として作用する。
【０００９】
別の実施態様において、ライニング１０５は、水と混合してコンクリート状の材料を形成する顆粒上の耐火材で形成されてもよい。該コンクリート状の材料は、シェル１２０の内壁上でキャストすなわちガナイトされる（ｇｕｎｉｔｅｄ）。耐火材で充填されすなわちキャストされるべき容積を規定する型枠及び適当なスペーサの使用により、特定の形状を達成してもよい。これらの本発明の特徴は、図４及び図５に示されている。
【００１０】
キャスタブル耐火材を使用する際には、該耐火材はＶ字型アンカー（係留部材）１８０により壁に固着される。該Ｖ字型アンカーは、一般に、耐火材を組み込む前に、シェル壁にスポット溶接される。これらのアンカーは、所定のパターンで壁に取り付けられ、適用されるべき耐火材の総厚の約１／２から３／４の高さを有する。かようなアンカー並びにいかなる特定の組み込みにも適する材料、形状及び設計の幅広い多様性及び選択性は、当業技術分野で公知である。
【００１１】
高温に適用するために、耐火材１８５をセラミックファイアッブランケット１９０の上にキャストしてもよく、該セラミックファイバブランケット１９０は、図４に示されるように、アンカーの間及び周りに配置され、シェル１２０を断熱する。代わりに、図５に示すような２タイプの耐火材を用いても同様の結果が得られる。軽量キャスタブル材料の最初の耐火材層１９５が、シェル１２０の内壁上に塗布される。固まった後で、層１９５は、高温高摩耗耐性の耐火材２００によりカバーされる。この異なる摩耗材料の組合せは、例えば溶融金属処理に用いる等、当該技術分野で公知である。
【００１２】
さらに、多角形ライニング１０５は、シェルの円筒状の壁に合致するように型どられたスペースを有する型枠内に、適当な耐火材をプレキャストすることにより、形成されてもよい。該型枠は、スチール製でもよく、スチールシェルへの取付を確実にする。該型枠内で耐火型枠材料がプレキャストされた後、該型枠は、焼成炉シェル１２０上に挿入され、ボルト又は溶接により固着される。さらに、ライニング１０５の所望の多角形形状を達成するために、キャスト形状、型どられたレンガ及び／またはモルタルあるいはグラントの組合せを用いることもできる。
【００１３】
ライニングの多角形横断面を得るために、モルタル有りまたはモルタル無しのＲ．Ｋ．Ｂアーチまたはウェッジ方法等の慣用の方法により、レンガ１７０は多角形パターンにてシェル内部に取り付けられる。好ましくは２種から６種であるが、いくつかの型どられたレンガを用いて、多角形横断面のＮ辺のそれぞれを規定する。各レンガは、２つの対面を有する。一方の実質的に平坦な平面２０５は焼成炉１００内のピロ処理ゾーンに向かって半径方向内方に向けられ、他方のわずかに曲率を有する面がシェル１２０の壁に向けられ、該壁に合致するように形作られる。これらの耐火レンガは、シェルの周縁に沿って互いに締め付けられ、かつ内方に向かって延び所望の多角形断面及びピロ処理ゾーンのアウトラインを規定する。本発明のライニングは、少なくとも、か焼ゾーン及び排出ゾーン内に取り入れられるべきであるが、焼成炉全体が本発明のライニングを含む必要がないことは、理解されるであろう。
【００１４】
レンガまたはキャストライニングの数及び形状は、焼成炉の大きさ、ライニングの厚さ及び多角形の辺の数に依存して変更可能である。高い熱効率を与えるためには、焼成炉の直径に依存して、３辺から１２辺、好ましくは６辺から１２辺が必要であろう。さらに、１２辺以下の場合には、隣接する辺の角度は１５０°以下となる。こうして以下に記載する効果を得ることができる。
【００１５】
さらに、多角形の辺の縁部近くに位置するレンガの不適合により、多角形横断面開口の各辺が接する場所には、わずかに不連続な、すなわち平坦部分もしくは曲率を有する部分が交流する転移域が現出することが予想される。この不適合な接合部は、所望によりモルタルで充填され、所望の形状とすることができる。さらに、ピンチ剥落及び変位を減少させまたは最少化するために、耐火レンガ１７０を内部弦にて面取りしてもよく、すなわち図１０の形状Ｂに示すように「加熱面（ｈｏｔ　ｆａｃｅ）」としてもよい。
【００１６】
従来の焼成炉の予備加熱、か焼及び焼結ゾーンにおいて、材料に供給される熱のおよそ９０％がガスからの放射熱及び対流熱の伝達により、また残りの１０％がタンブリングの結果として材料へのライニングからの熱伝達による。
【００１７】
残念ながら、セメント、石灰、ドロマイト等の典型的な装入材料は、断熱材である。よって、装入材料の薄い表面層は適当な処理温度まで加熱することができるが、該層が素早く再加熱されない場合には、本来吸収される熱の一部が、ガスに反射して且つ再伝達されて戻る。
【００１８】
本発明の焼成炉は、高温ガス及びバーデンすなわち処理されるべき材料の間の熱効率または熱伝達を改良するために、多角形ライニングを利用する。かような改良された効率的なガス熱の利用は、結果的に排出温度を低下させ、並びにガス熱損失を低下させる。さらに、多角形ライニング設計を用いることで、増加したタンブリング、増長した滞留時間、減少した充填度、増加した露出表面等の種々のファクターの総合的な効果により、熱伝達を促進するために、高温ガスに対し、より大きなバーデン表面積を非常に迅速に露出させることができる。
【００１９】
有利なことに、多角形ライニングを利用することで、円筒状ライニング設計を用いるよりも、優れた熱伝達状態を提供する。本発明の回転焼成炉１００のこの利点は、本発明の回転焼成炉を備える熱伝達機構を試験することで、例証される。
【００２０】
回転焼成炉内でクリンカーを燃焼するために要求される熱は、例えば燃焼工程により生成される高温ガスにより供給される。これらのガスは、二酸化炭素、水蒸気及び塩化カリウム蒸気を含有する。しかしながら、クリンカーへの正味の熱伝達があるためには、２つの材料間に温度勾配がなければならない。例えば、本発明の場合には、ガス及びクリンカーである。時間ｔ内にガスにより伝達される熱量Ｑは、熱伝達の一般式により与えられる：
Ｑ＝ａ（Ｔｇ−Ｔｍ）Ｆｔ
ここで、ａは熱伝達係数；Ｔｇはガス温度；Ｔｍは材料の温度；及びＦは材料がガスに露出される表面積である。
【００２１】
温度勾配Ｔｇ−Ｔｍを深慮して選択することにより、材料に伝達されるべき熱量Ｑを制御することができる。望ましくない条件下で、高い熱伝達を実現するために従来技術の慣行では、温度勾配を増加させていた。しかしながら、より高い熱伝達を実現するためにガス温度を増加させるならば、排出するガスからの放射性の熱損失に加えて、より高い排出ガス温度を生じることになる。
【００２２】
本発明の回転焼成炉１００内の熱伝達は、一般に上述の熱伝達式により制御され、且つ図２に示すような少なくと４つの異なる成分を備えるが、しかしこれに限定されるわけではない。
−ガスから材料への放射熱伝達（Ｔｒｇ）；
−ガス及び材料の間の対流熱伝達（Ｔｃｇ）；
−ライニング及び材料の間の放射熱伝達（Ｔｒｌ）；及び
−ライニングから材料への対流熱伝達（Ｔｃｌ）
多角形ライニングを用いることで、処理されるべきバーデンに対して、上記４つの異なる熱伝達成分を意外にも有利に改良することが、発見されている。特に、ガスからの熱を吸収後、バーデンの特定の粒子が表面に残る時間を減少させる、すなわち、タンブリングを増加させ、熱伝達を有利に改良する。これは、一般に少量の熱がライニング及びガスに再度伝達されるからである。追加的に、バーデンの焼成炉内での滞留時間を増長させ；バーデンの表面露出を増加させ；及び焼成炉内の充填度を減少させる。以下に議論するように、これらの特徴は、総合的な効果として、処理能力を減少させずに、焼成炉内での熱伝達を改良する。
【００２３】
改良された熱効率の１つのファクターは、増長された滞留時間である。滞留時間は、定常状態条件下で、装入材料のある粒子が焼成炉の低い部分あるいは端部に到達するために要求される時間である。一般に、滞留時間Ｔは、焼成炉の長さｌ、回転速度Ｎ、焼成炉の直径Ｄ及び傾きＳに依存する：
2004003803.tif 000015
さらに、ｋは焼成炉の横断面積に依存する定数であり、バーデンの固有特性である。
【００２４】
滞留時間は、特定量の砂を焼成炉内に供給する技術を用いることにより、ラボ（研究室）内で測定することができる。特定時間後、排出端部に到達したバーデンの量を測定する。
【００２５】
等しい直径を有し且つ他の全てのパラメータが等しい円筒状横断面焼成炉及び多角形横断面焼成炉を比較すれば、多角形横断面焼成炉に対し、多角形ライニングがバーデンの滞留時間を約４−５％増長できることを示す。このより長い滞留時間により、焼成炉内で、ある軸線方向の長さに対し、高温ガスがより多くの熱を伝達することを可能とする。
【００２６】
熱効率を改良する更なるファクターは、減少した充填度である。ここで用いる焼成炉の充填度とは、定常状態条件下でのバーデンの横断面積及び焼成炉の横断面積の間の比率である。ピロ処理の間、バーデンは焼成炉を横断しながら、ゾーンからゾーンへと充填度を変動させ、重量及び容積を失う。例えば、充填度は供給端部では高いが、次いで、二酸化炭素及び水蒸気が除去されるので、か焼ゾーンにて減少される。形成された被膜層により、燃焼ゾーン近くで充填度が増加する。
【００２７】
多角形ライニングを用いる明確な利点は、低い充填度の多角形横断面を備える点である。該低い充填度の多角形横断面は、焼成炉の横断面積に対するバーデンの表面積の大部分がガスに露出されるので、バーデンへの良好な熱伝達を与えることになる。
【００２８】
実験に基づいて、例えば、６角形横断面焼成炉のスケールモデルでは、同じ直径の円筒状横断面焼成炉の６．９％に比較して、充填度が約４％であることが示されている。６角形横断面焼成炉に対し、測定は異なる回転位置で行われ、平均充填度が計算されたことに注意せよ。
【００２９】
本発明の回転焼成炉は、高温ガスに対し、より多量のバーデンをより素早く露出させる総合的な効果により、焼成炉の熱効率を改良するように構成されている。熱伝達を増加するために、ガス及びライニングに露出される表面積は、多角形横断面焼成炉の方が、円筒状横断面焼成炉よりも、実効的に大きい。この大きな露出表面積は、ライニングからバーデンへの高い放射熱及び対流熱の伝達、及びガスからバーデンへの高い放射熱伝達を生じる。
【００３０】
図６を参照すれば、直径１５．４ｃｍのスケールモデル６角形横断面焼成炉内にて、バーデンの７．５ｃｍ（Ｌ）が高温ガスに露出され、９ｃｍ（２１）がライニングからの放射熱に露出される。
【００３１】
図７に示すように、等しい直径のスケールモデル円筒状横断面焼成炉において、約８ｃｍ（Ｌ）がガスに露出され、約８．３２ｃｍ（１）が直接ライニングに露出されるに過ぎず、すなわち、６角形横断面焼成炉と比較すれば、表面積が総計２２％少ない。こうして、放射もしくは対流のいずれにせよ、６角形横断面焼成炉及び一般に多角形横断面焼成炉の方が、円筒状横断面焼成炉よりも、ガス及びライニングに露出されるバーデンの表面積が大きいので、熱伝達状態がより望ましいことが、容易に明かとなる。
【００３２】
より高い熱効率を達成するために重要な更なるファクターは、焼成炉を貫通して前方に横断するにつれ、材料をより粗に拡散または混合することである。慣用の技術は、材料を混合するために耐火カム及びリフタの使用を教示する。耐火カム及びリフタはその上で材料をタンブルし；こうして新しい材料表面をガス及び熱いライニングに露出させるからである。しかしながら、セラミックすなわち耐火カム及びリフタではピンチ剥落し、よって金属性の耐火物は酸化され且つ疲労し、したがって、その有効性が失われる。
【００３３】
本発明の多角形ライニング設計は、回転焼成炉のタンブリング効果を改良し、材料がライニングと接触する時間を短縮することを可能とし、他の粒子をより迅速に再加熱可能とする。この設計は、実質的に持ち上げることなく、材料すなわちバーデンをかき乱すことにより、材料の滑りを特に抑制する。
【００３４】
１つの実験において、それぞれ図６及び図７に示すように、多角形横断面焼成炉及び円筒状横断面焼成炉を通して、クロマイトサンド（黒）及びガラスサンド（白）の５０％混合物の５００グラムを移動させた。これらのバーデンは、焼成炉内での分離の視覚的な検査を助長するために、色のコントラスト及びバルク密度の差により、特に用いられた。
【００３５】
円筒状横断面焼成炉では、タンブリングなしに、１分間でおよそ７０回、バーデンすなわち材料はジグザグに進み、すなわちライニングに沿って上昇及び下降する。しかしながら、多角形焼成炉では、材料が１分間で約１６回タンブルされた。さらに、円筒状横断面焼成炉内の材料の分離があったが、一方、多角形横断面焼成炉では分離は現れなかった。かようなタンブリングすなわち混合の増加は、材料の大部分への均等な熱分配を可能とする。
【００３６】
市販の大きさの焼成炉に対して、多角形ライニングは、か焼ゾーンにて最小３０フィート及び焼成炉の排出端部にて少なくとも２０フィートを一般にカバーすることが理解されるべきである。さらに、これらの大きさの焼成炉に対して、熱効率を改良するために、６辺から１２辺が要求されるであろうことが予想される。
【００３７】
【実施例】
本発明は、好ましいライニング構造の以下の実施例により説明されるが、これらに限定されるものではない。
【００３８】
【参考例】
直径１０フィートの焼成炉の内壁に、１／４インチのＬｙｔｈｅｒｍ１５３５ＧＣ（Ｌｙｄａｌｌ　Ｃｏ．）、断熱材としてセラミックファイバペーパーが、設けられる。高アルミナ耐火レンガが押圧され且つ焼成されたＺｅｄ　Ｍｕｌｌｉｔｅ　（Ｚｅｄｍａｒｋ　Ｉｎｄ．）の単層をブランケットの上に重ね、１０辺の多角形を準備する。図８に示すように、レンガは、シェルに合致するように形づくられ且つ設計され、シェル上に置くことで多角形ライニングを形成する。１０辺の多角形を得るために、各辺は４ブロックから作ることができる（図示されるように、２種の異なる傾斜のブロックＡＢを２セットでＡＢＢＡ列とする）。図９及び図１０に示されるように、Ａブロック及びＢブロックは、それぞれ約４インチの厚さを有する。レンガは、傾斜した縁部により所望の位置に機械的に保持され、且つ回転する際にシェルから離れて移動しないようにされている。組み入れられるべき最後のブロックは、開口に滑りこませることができ、多角形全体をくくる。必要であれば、レンガの間またはレンガとシェルとの間の不整合を充填するために、気硬性乾性モルタル（ａｉｒ　ｓｅｔ　ｄｒｙ　ｍｏｒｔａｒ）を用いることもできる。シェルの周囲のレンガの第１の段の完成後、ライニングが完成するまで、追加の段が組み入れられる。
【００３９】
【実施例】
直径１２フィートの焼成炉の内壁に、タイプ３１０ステンレススチールの標準「Ｖ」アンカーが複数個、所定の千鳥パターンに設けられる。アンカーは、ライニングの総厚のおよそ２／３の距離、シェルから延びるように形作られ配列されている。参考例の多角形と基本的に同じ大きさの１０辺の多角形形状にキャストされるべきライニングのアウトラインを与えるために、木製型枠を用いる。該型枠は、組み入れ中の焼成炉の不均衡を避けるために、約１６．４フィート（５メーター）以下の所望の長さに沿って、多角形の１辺に等しい領域のアウトラインを決める。Ｈｙａｌ−Ｌｉｔｅ　３０　（Ｚｅｄｍａｒｋ，　Ｉｎｃ．）の断熱耐火材の最初の層が、ライニングの総厚の約半分でエンケーシング（ｅｎｃａｓｉｎｇ）に塗布される。セラミックスラリーを正確にキャストするために、ロッドバイブレータを用いる。この材料が固まった後、ライニングの残りが、Ｚｅｄａｌ　Ｃａｓｔ　６０　ＬＣ（Ｚｅｄｍａｒｋ，　Ｉｎｃ．）を用いる型枠内に置かれる。再度、ロッドバイブレータを用いて、セラミックスラリーをエアポケットなしに正確に且つ完全に定置させる。ついで、第２の層が固められる。最後のキャストセラミックライニングは、参考例のＡＢＢＡレンガと基本的に同じ横断面形状を有する切片状に完成される。第１の辺の長さに沿って、次いで全体のライニングが組み入れられるまで、多角形の追加の辺に対して、この処理が繰り返される。
【００４０】
本発明の範囲及び精神から逸脱しない限りにおいて、当業者により種々の変形が容易になされることが理解される。例えば、ライニングを耐火物にかえて、型枠無しにラミングプラスチックから作ることもできる。したがって、添付の請求の範囲は前述の説明に限定されるものではなく、むしろ、本発明に属する特許性のある新規な特徴、当業者により等価であるとして扱われるであろう特徴を含む、をすべて含むように構成されている請求項により、限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、多角形横断面のライニングを有する本発明の回転焼成炉の側面図である。
【図２】図２は、本発明の回転焼成炉の横断面図であり、熱変換要素を示す。
【図３】図３は、図２の焼成炉の別のライニング構造の部分分解図である。
【図４】図４は、図２の焼成炉の別のライニング構造の部分分解図である。
【図５】図５は、図２の焼成炉の別のライニング構造の部分分解図である。
【図６】図６は、六角形横断面の焼成炉の横断面図であり、ライニング及びガスに対するバーデンの表面露出度を示す。
【図７】図７は、従来技術による円筒状横断面の焼成炉の横断面図であり、ライニング及びガスに対するバーデンの表面露出度を示す。
【図８】図８は、実施例１の焼成炉のための１０辺の多角形横断面のライニングの半分を示す横断面図である。
【図９】図９は、それぞれ、図８に示したライニングの構築に用いるレンガＡ及びＢを示す。
【図１０】図１０は、それぞれ、図８に示したライニングの構築に用いるレンガＡ及びＢを示す。
【符号の説明】
１００：回転焼成炉
１０５：ライニング
１１０：処理表面
１１５：バーデン
１２０：焼成炉シェル
１３５：排出端部
１４０：供給端部
１８０：Ｖ字型アンカー（係留部材）
１８５：耐火材
１９０：セラミックファイバブランケット
１９５：耐火材層
２００：耐火材