(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製錬炉内で発生したガスをダスト回収装置へ導くダクトの内部空間、該ダクト内壁面温度及び外気温度をそれぞれ測定する温度計と、ダクト内ガスとダクト内壁面間の熱伝達係数、ダクト外壁と外気間の熱伝達係数、ダクト内張り耐火物の熱伝導係数及びダクト内壁に付着したダストの熱伝導係数をそれぞれ記憶し、これら係数と前記各温度計により計測された温度測定値とで、ダクト内壁に付着したダストの厚みを演算し出力する演算器とを備えたことを特徴とする金属精錬炉の付着ダスト厚み検出装置。
【請求項２】
金属製錬炉内で発生したガスをダスト回収装置へ導くダクトの内壁面に付着したダストを除去するに際し、
ダクトの内部空間温度、該ダクト内壁面温度及び外気温度を測定し、ダクト内ガスとダクト内壁面間の熱伝達係数、ダクト外壁と外気間の熱伝達係数、ダクト内張り耐火物の熱伝導係数及びダクト内壁に付着したダストの熱伝導係数と、各温度の測定値を用いて、前記付着したダストの厚みを演算し、該演算値が所定の設定値を超えた時に付着したダストの除去を行なうことを特徴とする金属製錬炉の付着ダスト除去方法。
【請求項３】
前記金属製錬炉が、炉内に固体炭素系還元剤が充填され、該固体炭素系還元剤中へ高温の酸素含有ガスと酸化金属が吹き込まれ、該酸化金属が炉内生成ガスにより還元、製錬される竪型炉であることを特徴とする請求項２に記載の金属製錬炉の付着ダスト除去方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属製錬炉の付着ダスト厚み検出装置及び付着ダスト除去方法に関し、特に、固体炭素系還元剤の充填層内に低融点の酸化金属粉を吹き込み、炉内で発生したガスで該酸化金属粉を還元して、金属分を気化し、得られた金属蒸気を冷却して回収する金属製錬炉において、該金属蒸気が通過するダクトの内壁に付着したダストの厚みを検知し、その値に基づきダクト内を清掃する技術である。
【０００２】
【従来の技術】
電気炉で溶鋼を製造するには、主原料として鉄スクラップ（以下、スクラップ）が使用される。このスクラップは、鉄以外の有価金属元素を含んでいることが多いので、その溶解時に発生するガスには、比較的低融点で、且つ揮発し易い亜鉛、鉛等のダストが混入する。このダストは、電気炉ダストと呼ばれており、その発生量は、スクラップ資源の再利用と共に増加している。そのため、資源の有効利用の観点から、該電気炉ダストをできるだけ効率良く多量に処理する技術の開発が望まれている。
【０００３】
例えば、特開平８−３２５６４６号公報は、炭素系固体還元剤を充填し、２段羽口を有する竪型の金属製錬炉に、前記電気炉ダストを吹き込み、亜鉛を回収する方法を開示している。この方法は、亜鉛、鉛等の金属元素の蒸気圧が高いことを利用し、これらを還元、気化させて蒸気として発生ガス（以下、ガス）中へ移行させ、該ガスに水をかけて冷却し、凝固した亜鉛、鉛をスラリーとして回収するものである。従って、回収装置としては、ベンチュリー・スクラバーに沈殿槽や濃縮槽を組み合わせたものが使用される。
【０００４】
ところで、このような金属の回収方法では、前記ガスを高温のままダクトを経て回収装置へ送る方法を採るので、ダクト内からの熱損失を少なくするために、ダクトの内壁は耐火物でライニングしており、これによりガス温度の低下を防いでいる。しかし、ガスの温度、組成の変動に起因して、ダクトの内壁に、亜鉛、鉛を始めとする他の金属元素やそれらの酸化物のダストが凝縮、付着してしまう場合がある。特に、ダクトと回収装置との接続部近傍では、回収装置内の低温雰囲気が影響して、ガスの温度が低下し易いので、ダストの凝縮、付着が生じ易い。
【０００５】
かかる付着ダストが成長していくと、ガスの流路が狭まくなり、ダクト内の圧損が上昇し、金属製錬炉内の圧力も上昇する。この状態を放置しておくと、金属製錬炉への送風圧力が高くなり過ぎ、炉体の耐圧限界を超える等の設備上の制約で、操業が不調あるいは不能となる。そのため、かかる金属製錬炉の操業に際しては、前記ダクト内壁の付着ダストが成長しないように、その厚みを管理する必要がある。
【０００６】
この管理に関して、上記特開平８−３２５６４６号公報は、ダクトの圧力損失あるいはダクト壁の温度を常時測定して、それら測定値の推移から内壁付着ダストの有無及び量を推定し、必要に応じてガスを２次燃焼させて昇温し、付着ダストを除去する技術を開示している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記操業では、通常のダクト内の圧力変動と付着ダストによる圧力損失の上昇とを見分ける必要がある。不要な処置は、かえって安定な操業を乱すからである。
上記特開平８−３２５６４６号公報記載のダクトの圧力損失を測定する方法では、実際に付着ダストがかなり成長して、ダクトの断面積の半分、あるいは２／３程度が閉塞するような状況に至るまで、該付着ダストによる圧力損失の上昇を判別できない。
また、ダクト壁の温度推移を見ても、通常のガス温度の変動と付着ダストの成長による変動とが必ずしも判別ができない。そのため、上記公報記載の管理方法では、ダクト内にかなりの量の付着ダストがついた状態に至って、始めてアクションをとり、該付着ダストを除去するという操業を行わざるを得ない。ダクト内の、特にダクトと回収装置との接続部近傍内壁に付着ダストがついている場合、回収装置内へ流入するガスの流れが偏向することになり、回収装置でのガス冷却に影響を与える可能性がある。従って、このようなダクト内壁の付着ダストは、できるだけ少ないことが望ましい。
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑み、ダクト内壁への付着ダストの量を正確に把握できる金属製錬炉の付着ダスト厚み検知装置及びその検知値に基づき、金属製錬を安定させるための付着ダスト除去方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従来のダクト温度測定による付着ダスト量の推定方法は、簡便な方法ではあったが、上記したようにガス温度の変化などの外乱による影響を受け易く、精度の高い付着ダスト量の把握ができなかった。そこで、この従来技術を改良して、付着ダストの検知精度を向上させることに鋭意努力し、本発明を完成させた。
【００１０】
すなわち、本発明は、金属製錬炉内で発生したガスをダスト回収装置へ導くダクトの内部空間、該ダクト内壁面温度及び外気温度をそれぞれ測定する温度計と、ダクト内ガスとダクト内壁面間の熱伝達係数、ダクト外壁と外気間の熱伝達係数、ダクト内張り耐火物の熱伝導係数及びダクト内壁に付着したダストの熱伝導係数をそれぞれ記憶し、これら係数と前記各温度計により計測された温度測定値とで、ダクト内壁に付着したダストの厚みを演算し出力する演算器とを備えたことを特徴とする金属精錬炉の付着ダスト厚み検出装置である。
【００１１】
また、本発明は、金属製錬炉内で発生したガスをダスト回収装置へ導くダクトの内壁面に付着したダストを除去するに際し、ダクトの内部空間温度、該ダクト内壁面温度及び外気温度を測定し、ダクト内ガスとダクト内壁面間の熱伝達係数、ダクト外壁と外気間の熱伝達係数、ダクト内張り耐火物の熱伝導係数及びダクト内壁に付着したダストの熱伝導係数と、各温度の測定値を用いて、前記付着したダストの厚みを演算し、該演算値が所定の設定値を超えた時に付着したダストの除去を行なうことを特徴とする金属製錬炉の付着ダスト除去方法である。
【００１２】
この場合、付着ダストを除去するに当たっては、前記金属製錬炉内で発生したガスに別のガスを混入し、その温度及び組成を調整して前記付着ダストの温度を高め、該付着ダストを溶融、あるいは蒸発、気化することで除去することもできる。あるいは前記付着したダストを、機械的手段で除去することもできる。
【００１３】
さらに、本発明は、前記金属製錬炉が、固体炭素系還元剤を充填し、そこに酸化金属粉を吹き込み、該酸化金属粉を炉内生成ガスで還元、製錬する縦型炉であることを特徴とする金属製錬炉の付着ダスト除去方法である。
【００１４】
本発明によれば、ダクト内壁に付着したダストの厚みが従来より精度良く把握できるようになり、その値に基づいて実施する付着ダスト除去作業の信頼性が高まる。その結果、金属製錬炉での電気炉ダスト処理の操業が、従来より安定した状態で行えるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る付着ダストの厚み検出装置を、図２及び３に基づき説明する。
【００１６】
図２及び３は、ダクト７内を炉内で発生した高温のガス２０が通過している時のダクト７周辺の温度変化を模式的に示したものである。なお、図２は，ダストが付着していない状態、図３は、付着した状態に対応する。
【００１７】
図２において、ダクト７内のガス２０から内壁面への熱の移動量Ｑは、(１)式で表される。
【００１８】
【数１】
0004352489.tif 000002
【００１９】
ここで、Ｔ1はガスの温度、Ｔ2はダクトの内壁温度、ｒｉはダクトの内壁半径、ｈはガスとダクト内壁表面間の熱伝達係数である。
【００２０】
また、ダクト７に内張した耐火物１９の熱伝導係数をｋ’及び外径（半径）をｒｏとして、また、ダクト外壁と外気間の熱伝達係数をｈ’、外気温をＴRとすると、ダクト外壁から外気への放熱量（Ｑ）は、以下のように表される。
【００２１】
【数２】
0004352489.tif 000003
【００２２】
この（２）式において、熱伝達係数ｈは、ダクト７内のガス流速及び温度や組成で決まる物性値である。また、耐火物１９の熱伝導係数ｋ’や厚みＸも、耐火物１９の組成や施工条件で決まる物性値である。なお、通常ダクト７に内張した耐火物１９の周囲には鉄皮等が存在するが、熱伝導係数は、内張り耐火物に比べて１桁以上と大きく、また厚みも比較的薄いため、熱抵抗とならないため省略した。ダクト７を取り巻く外気状態（外気の温度ＴRや通風条件）が一定であれば、ダクト外壁と外気との間の熱伝達係数ｈ’もほぼ一定であるので、金属製錬炉６の操業条件を一定にしていれば、ダスト付着のない時は、ガスの量及び組成がほぼ一定に保たれ、（２）式よりダクト外壁からの放散熱Ｑは、ほぼ一定となる。つまり、（１）式のＴ1−Ｔ2の値もほとんど変化がない。
【００２３】
これに対して、図３のように、ダクト内壁に金属もしくは金属酸化物、カーボン等からなるダストが付着すると、これらダスト１１がダクト７からの熱放散に対して抵抗となるため、金属製錬炉の操業条件が一定で、またダクト外壁の外気との間の通風条件が一定であっても、ダクト７からの放散熱やダクト内壁の温度が変化する。この時のダクト内壁温度をＴ2’、ダクト７からの放散熱をＱ’とすると、下記（３）式、（４）式が導かれる。
【００２４】
【数３】
0004352489.tif 000004
【００２５】
【数４】
0004352489.tif 000005
【００２６】
これら（３）及び（４）式のΔｒは、ダクト内壁の付着ダスト１１の厚みであり、ｋは、付着ダスト１１の熱伝導係数である。
【００２７】
（１）〜（４）式を（Ｔ2−Ｔ2’）で整理すると、（５）式になる。
【００２８】
【数５】
0004352489.tif 000006
【００２９】
ここで、（６）、（７）及び（８）式を下記のようにおき、（５）式を簡略化すると、（９）式になる。
【００３０】
【数６】
0004352489.tif 000007
【００３１】
【数７】
0004352489.tif 000008
【００３２】
【数８】
0004352489.tif 000009
【００３３】
【数９】
0004352489.tif 000010
【００３４】
付着ダスト厚みであるΔｒは、ダクト内径ｒｉより小さいため、（ｒｉ−Δｒ）＞０であり、Ａ＞０，Ｂ＞０，Ｃ＞０，また（Ｔ2−ＴR）＞０であるから、（９）式において右辺は、正の数であり、従って、Ｔ2’はＴ2と比べて小さくなる。また、付着ダスト１１の厚みΔｒが大きいほど、（９）式の右辺の数値は大きくなるので、付着ダスト量が多いほど、ダクト内壁面温度Ｔは低下する。
【００３５】
さらに、（９）式は、Ｔ1，Ｔ2，Ｔ2’を測定すれば、残りの係数は予め定められる値なので、付着ダストの厚みΔｒが求められることをも示している。
【００３６】
そこで、発明者は、前記したように温度計８，１２と演算器とを組み合わせて付着ダスト１１の厚みΔｒを検出する装置を考案したのである。
【００３７】
次に、本発明に係る付着ダストの除去方法であるが、それは、上記厚み検出装置を用いることを前提としている。すなわち、金属製錬炉６の操業中にほぼ常時付着ダストの厚みを検出しておく。そして、その検出値が管理目標値を超えたら、操業に悪影響を与えないように、付着ダスト１１の除去を開始して、短時間のうちに除去するのである。
【００３８】
なお、本発明では、上記管理目標値を５０ｍｍ以上にするのが好ましい。また、ダクト７の内径が５００ｍｍ以下の場合はｒｉ／１０以上が好ましい。付着ダストの厚みが上記管理目標値未満では、ダクト７内でのガス２０の流通にさほど影響がない。圧力損失が大きくならないからである。さらに、付着ダスト１１の除去方法は、後述の実施例で具体的に説明するが、本発明では、揮発除去及び機械的除去の２つの異なった手段を用いることができる。
【００３９】
金属製錬炉の排気ダクト内壁に付着するダストは、亜鉛、鉛などの金属、もしくはその金属酸化物と炉内から飛散する炭材、スラグなどの混合物である。亜鉛、鉛などの金属は、ガス温度を上げることで溶融あるいは蒸発気化するので、これにより付着ダストを除去することが可能である。また、亜鉛、鉛などの酸化物は、発生ガス中のＣＯ／ＣＯ2 濃度比率を増加させ還元雰囲気とすることで、還元反応を起こし金属亜鉛、金属鉛などを生成する。これにより、付着ダスト中の金属酸化物も金属亜鉛、金属鉛と同様に、溶融あるいは蒸発気化により除去することができる。従って、前記付着ダストの厚みが管理値を超えた場合に、発生ガスの温度やガス組成を操作することで、付着ダストを除去することができる。
【００４０】
加えて、付着ダストは、上記のような混合物が積層した構造であるため、その積層構造を剥離するような方向へ機械的な力を加えることで、除去することもできる。この場合も前記したダクト内壁温度の計測により付着ダストの厚みを検出し、これが所定の管理値を超えた場合に、ダクトの付着ダストへ機械的な力を加えて付着ダストを除去することでダクトの圧力損失の上昇を防ぐことができ、金属製錬炉の安定的な操業を継続できる。
【００４１】
【実施例】
まず、本発明の実施に用いた金属製錬炉６及びその操業を説明する。金属製錬炉６は、図１に示すように、２段羽口４，５を有し、コークス充填層２を内蔵した竪型炉である。そして、炉内で発生したガス２０は、ダクト７を介してダストの回収装置１４を経て燃料ガスとして回収される。該回収装置１４には、ベンチュリ・スクラバーを採用し、湿式で有価金属である亜鉛、鉛等のダストの回収を図っている。この金属製錬炉６の操業は、上下に配置した二段羽口４，５へ温度が８００℃で、酸素濃度３５ｖｏｌ％の熱風を１５００Ｎｍ3／ｈｒで送風すると共に、製錬原料として亜鉛濃度３０ｗｔ％の電気炉ダストを５００ｋｇ／ｈｒで上段羽口４から吹き込むことで行われる。
【００４２】
すなわち、吹き込まれた電気炉ダスト中の亜鉛分は、上段羽口４の前で溶融還元した後、亜鉛蒸気となって、炉内ガスの上昇で炉頂へ運ばれ、前記ダクト７に設けたべチュリ・スクラバー１４で該ガス２０を水冷し、主に亜鉛を含有するダストを回収するのである。なお、ここでは、４０ｔ／ｈｒで冷却水２５を循環させている。また、操業時の炉頂ガス温度は、通常、８００℃で、ガス組成は、ＣＯ：約５０ｖｏｌ％、ＣＯ2：約２ｖｏｌ％、Ｎ2：残量である。炉頂−回収装置間のダクトは，外径１．２ｍ−内径０．６ｍで、ダクト外管は，厚み３０ｍｍのステンレス鋼板で、内面に断熱性の良い耐火物１９がコーティングされている。なお、耐火物の熱伝導率は、０．５ｗ／ｍ・ｋ、付着物は１．０ｗ／ｍ・ｋであった。
【００４３】
この金属製錬炉６の操業に際して、前記ダクト７の内壁にダストが付着し、層状に成長して、ダクト７の圧損を高め、操業を不調にしたり、不能にする。そこで、付着ダスト１１の厚みを常時監視し、必要に応じて除去するため、前記した本発明に係る付着ダスト厚み検出装置と該付着ダスト除去方法が提案されたのである。
【００４４】
図１には、付着ダスト厚み検出装置として、ベンチュリ・スクラバー１４の直上部に繋がるダクト７に、ダクト内空間部の温度及び内壁面の温度を測定する温度計８，１２のみを示している。これら温度計８，１２は、熱電対であり、特に、空間部の温度を測定する温度計８は、機械式の付着ダスト除去手段９を使用する際に邪魔にならないよう、抜き差し自在としてある。なお、演算器は、所謂オペレータ室に配置するので、図示を省略してある。
【００４５】
また、図１には、前記した付着ダスト１１の除去に使用され、ダクト７内ガスの組成を変更する別ガスの導入装置１６が示してある。この装置１６は、ＣＯ−ＣＯ2−Ｎ2−Ｏ2の混合ガスを必要な組成、かつ温度で吹き込むことができる。さらに、ベンチュリ・スクラバー１４には、差圧計１７を備えている。加えて、ダクトのベンド部には、図７に詳細を示す機械式付着ダスト除去手段９が設置されている。これは、水冷の耐熱鋳鋼を先端部のクリーナ２１として有し、このクリーナ２１を上下方向に駆動することで、ダクト内壁に付着したダストを掻き落とすことができる。その際、前記したように、ダクト内空間部温度測定用の温度計８は、予めダクト７の耐火物１９内へ退避させ、損傷を避けるようにしてある。
【００４６】
以下、上記した金属精錬炉６の操業に、従来の付着ダスト除去方法及び本発明に係る除去方法を適用した際の状況や成績を説明する。
（従来例）
操業前に、金属製錬炉への送風及び原料の吹き込みを一時停止して、所謂休風を行い、ダクト内壁の付着物を完全に除去した。そして、付着ダストのない状態で操業を再開した。図４に、この操業での原料（電気炉ダスト）吹き込み量、ベンチュリー差圧、及びダクト内のガス組成の経時変化を示す。
【００４７】
図４から明らかなように、操業再開して約８０時間後にベンチュリーの差圧が急上昇し、送風ができなくなった。そのため、送風及び原料の吹き込みを一時停止し、作業者が人力でダクト内壁の付着ダストを除去することにした。付着ダストの厚みは９０ｍｍであった。しかし、ダストは強固に付着しており、その除去作業に約７０時間かかった。その結果、操業再開後約２００時間のうち、実際に操業できた時間は、１３０時間であった。
（本発明１）
上記従来例と同様に、操業前に休風を行い、ダクト内壁の付着ダストを完全に除去した後、操業を再開した。その際、本発明に係る付着ダスト厚み検出装置を用いた。操業状況を図５に示す。
【００４８】
従来例の場合と同様に、操業再開後約７０時間で、前記厚み装置の測定値Δｒが管理目標値５０ｍｍを超えた。そのため、前記ガス導入装置を作動し、酸素及び窒素からなる混合ガスをダクト内に吹き込み、炉頂でガスを２次燃焼させた。これにより、ＣＯ2濃度が上昇したが、炉頂のガス温度を約１０００℃まで上昇させた。その状態で１８時間操業したところ、前記Δｒが目標値以下になったので、前記混合ガスの導入が自動的に停止した。その後、約１６０時間後に再度Δｒ値が目標値を超えたので、炉頂ガスの温度と同温のＣＯガスをダクト内に吹き込んで、ガスのＣＯ2／ＣＯを低下させた。約２時間後に、Δｒ値が低下し、ＣＯガスの吹き込みが停止した。この結果、操業再開後２００時間にわたり連続操業が可能であった。なお、上記した混合ガスの導入に代え、本発明では、炉内充填させたコークス量と原料吹込み量を変更し、所謂コークス比を増加することで炉頂のガス温度を上げ、付着ダストを除去しても良い。
(本発明２)
従来例と同様に、操業前に送風及び原料の吹き込みを停止して休風を行い、ダクト内壁の付着ダストを完全に除去した後、製錬炉の操業を再開した。その状況を図６に示す。
【００４９】
本発明１の場合と同様に、操業開始後約７０時間でΔｒ値が目標値を超えた。そこで、約８０時間後に図７に示す機械的な付着ダスト除去手段を稼働させ、付着ダストを掻き落としたところ、Δｒ値が平常レベルまで低下した。約１６０時間後にも、Δｒ値が上昇する現象が見られたが、同様に機械的除去作業を行った。その結果、本発明２でも、本発明法１と同様に、操業再開後２００時間の連続操業ができた。
【００５０】
なお、上記の実施例は、電気炉ダストを処理するのに便利な金属製錬炉の操業に適用したものであるが、本発明はそれに限らず、あらゆる金属製錬炉の排気ダクトに適用できることは、言うまでもない。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、ダクト内壁に付着したダストの厚みを精度良く検出できるようになり、該付着ダストの除去タイミングが正確に知れるようになった。その結果、電気炉ダストを主原料とした金属製錬炉の操業が安定した。また、製品として回収したダスト中の亜鉛、鉛濃度のばらつきが低下し、製品の品位が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に用いた金属製錬炉を示す縦断面図である。
【図２】本発明に係る付着ダスト厚み検出装置を説明する図であり、ダクト内壁にダストが付着していない時の図である。
【図３】本発明に係る付着ダスト厚み検出装置を説明する図であり、ダクト内壁にダストが付着している時の図である。
【図４】従来法で金属製錬炉を操業した時の状況を示す図である。
【図５】本発明で金属製錬炉を操業した時の状況を示す図である。
【図６】別態様の本発明で金属製錬炉を操業した時の状況を示す図である。
【図７】機械式付着ダスト除去手段の一例を示す図である。
【符号の説明】
１    コークスホッパ
２    コークス充填層
３    原料吹き込み管
４    上段羽口
５    下段羽口
６    金属製錬炉
７    ダクト
８    ダクト内空間の温度計
９    付着ダスト除去手段
１０  冷却水噴射用スプレー
１１  付着ダスト
１２  ダクト内壁の温度計
１３  冷却水送水用ポンプ
１４  ダストの回収装置（ベンチュリータイプ）
１５  冷却水用排水ポンプ
１６  ガス導入装置
１７  ベンチュリー差圧計
１８  圧力導管
１９  耐火物
２０  ガス
２１  クリーナ
２２  クリーナの昇降手段
２３  クリーナの動作方向
２４  シール部
２５  冷却水
【図１】
0004352489.tif 000011
【図２】
0004352489.tif 000012
【図３】
0004352489.tif 000013
【図４】
0004352489.tif 000014
【図５】
0004352489.tif 000015
【図６】
0004352489.tif 000016
【図７】
0004352489.tif 000017