(57)【要約】  金属製の外殻と、外殻上に形成される又は接合される１以上の冷却水路と、炉ライニングとを含む、酸化条件下、高温プロセスを実施するための炉。炉ライニングは、外殻の内壁に隣接して位置する相対的に高い熱伝導度層を含む支持ライニングと、当該相対的に高い熱伝導度層の内方に位置する作用ライニングとを含む。支持ライニングは、グラファイトライニング又はグラファイトを含有するライニングを含んでいてもよい。作用ライニングが摩滅した場合には、支持ライニングを通る熱伝達速度は、支持ライニング上に保護凝固層を形成するために十分に高い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉の中で酸化条件下、高温プロセスを実施する炉であって、
前記炉は、金属製の外殻と、前記外殻上に形成される又は接合される１以上の冷却水路と、炉ライニングとを含み、
前記炉ライニングは、外殻の内壁に隣接して位置する相対的に高い熱伝導度層を含む支持ライニングと、前記相対的に高い熱伝導度層の内方に位置する作用ライニングとを含む、
炉。
【請求項２】
前記作用ライニングは、支持ライニングに接して位置することを特徴とする、請求項１に記載の炉。
【請求項３】
前記支持ライニングは、作用ライニングの熱伝導度よりも有意に高い熱伝導度を有する、又は、前記支持ライニングは、外殻の熱伝導度と同等であるかそれよりも高いことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の炉。
【請求項４】
前記支持ライニングは、グラファイト層又はグラファイトを含む物質で作られた層又は炭素系の物質の層を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の炉。
【請求項５】
前記支持ライニングは、グラファイト層を含むことを特徴とする、請求項４に記載の炉。
【請求項６】
前記１以上の冷却水路は、外殻の外部表面に溶接されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の炉。
【請求項７】
炉は、トップ・サブマージド・ランス炉を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の炉。
【請求項８】
相対的に高い熱伝導度を有する支持ライニングが、炉のすべてのライニング中いたるところに位置することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の炉。
【請求項９】
相対的に高い熱伝導度を有する支持ライニングが、炉の一部分のみ又はいくつかの部分に位置することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の炉。
【請求項１０】
グラファイト層又はグラファイトを含む物質で作られた層又はグラファイト製の物質の層又は炭素系の物質の層は、炉の外殻の内部表面に接着される又はセメントで結合される又は別な方法で張り付けられた、複数のグラファイトタイル若しくはグラファイト煉瓦又はグラファイトを含む物質若しくはグラファイト製の物質若しくは炭素系の物質の層で作られた複数のタイル若しくは煉瓦を含むことを特徴とする、請求項４に記載の炉。
【請求項１１】
前記グラファイト層又はグラファイトを含む物質で作られた層又は炭素系の物質の層は、３０〜２５０mmの間の厚さ、より好ましくは５０〜１００mmの間の厚さ、さらにより好ましくは約７０mmの厚さを有することを特徴とする、請求項４又は請求項１０に記載の炉。
【請求項１２】
前記作用ライニングは、前記支持ライニングの厚さよりも大きい厚さを有することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の炉。
【請求項１３】
炉の中で酸化条件下、高温プロセスを実施する炉の冷却方法であって、
金属製の外殻と、前記外殻上に形成される又は接合される１以上の冷却水路と、炉ライニングとを含み、前記炉ライニングは、外殻の内壁に隣接して位置する相対的に高い熱伝導度を有する支持ライニングと、前記支持ライニングの内方に位置する作用ライニングとを含む炉を備えること、
前記炉において前記プロセスを運転すること、及び、
前記冷却水路に冷却水を流して炉を冷却することを含む、
炉の冷却方法。
【請求項１４】
前記プロセスは、炉内雰囲気中の酸素の分圧が１０−９atmよりも大きい条件で運転されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記支持ライニングは、耐火性の作用ライニングの熱伝導度よりも有意に高い熱伝導度を有することを特徴とする、請求項１３又は請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記支持ライニングは、外殻の熱伝導度と同等であるかそれよりも高い熱伝導度を有することを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記支持ライニングは、グラファイト層又はグラファイトを含む物質で作られた層又はグラファイト製の物質若しくはグラファイトを含む物質で作られた層又は炭素系の物質の層を含むことを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記グラファイト層又はグラファイト製の物質若しくはグラファイトを含む物質の層又は炭素系の物質の層中で到達する最大温度は、５００℃を超えない、好ましくは４００℃を超えない、より好ましくは２５０℃を超えないことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
通常の運転条件下で新しい作用ライニングでは５kW/m2、摩耗した作用ライニングでは２５kW/m2以下の速度で、極限の運転条件下で作用ライニングが局部的に破損している状況では局部的な熱流束が１２０kW/m2を超えずに、熱が炉から除去されることを特徴とする、請求項１３〜１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
冷却水が、炉の殻面積１m2当たり１〜２m3/hの平均速度で、かつ、冷却水路における最小速度が１m/s、好ましくは２m/s超で冷却水路を流れることを特徴とする、請求項１３〜１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
炉の鋼外殻の外表面の温度が４０℃〜８０℃の範囲内にあることを特徴とする、請求項１３〜２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記支持ライニングは、グラファイト層又はグラファイト製の物質若しくはグラファイトを含む物質で作られた層又は炭素系の物質の層を含み、作用ライニングが炉の一部分で完全に摩滅した場合には、安定な保護凝固層が支持層の上に形成され、支持層が酸化されるのを保護するように、支持層の冷却速度が十分に高いことを特徴とする、請求項１３〜２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
炉が酸化条件下で一定の期間運転され、還元条件下で短時間運転されることを特徴とする、請求項１３〜２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
炉が酸化条件下で一定の期間運転され、還元条件下で一定の期間運転されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉に関し、炉を冷却する方法に関する。より詳しくは、本発明の炉は、その中で酸化条件下、高温プロセスを実施する炉である。
【背景技術】
【０００２】
トップ・サブマージド・ランス（top submerged lance）型の炉は公知である。トップ・サブマージド・ランス型の炉の一例は、商標ISASMELTTMでエクストラータ  テクノロジー  プロプライアタリー  リミテッド（Xstrata Technology Pty Limited）から入手可能な炉である。図１は、そのような炉の概略図を示す。図１に示す炉１０は、筒体部（barrel section）１２とオフ・ガス部（offgas section）１４を含む。溶融物質浴１５は、炉の内部に保持され、ランス（lance）１６は、ランス１６の先端が浴１５に浸漬するように、物資浴１５へと降ろされる。空気又は酸素、及び、燃料（燃料油、石炭、コークス等）は、ランスを通して注入される。この燃料を燃焼して、炉を加熱する。こうした炉は、銅転換（copper converting）や鉛製錬等のプロセスに用いられる。そのようなプロセスは、ランスを通して炉内へ空気又は酸素を注入するため、高温かつ酸化条件下で運転される。
【０００３】
トップ・サブマージド・ランス型の炉は、通常、内部のライニングが耐火性の材料である鋼外殻（outer steel shell）を有するように建設される。その耐火性の材料により、炉の内部で発生する非常に高い温度から鋼外殻が保護される。耐火性の材料製の内部ライニングは、内側の層と外側の層に分けられることもある。内側の層は、作用ライニング（working lining）と称されることがあり、外側の層は、支持ライニング（backing lining）と称されることがある。支持ライニングは、作用ライニングと比較して、かなり断熱性で耐火性の組成物を含む。本明細書を通じて、「作用ライニング」なる用語は、炉の高温内容物に隣接するライニング部分を指すのに用いられ、「支持ライニング」なる用語は、炉の外殻（outer shell）に隣接するライニング部分を指すのに用いられる。
【０００４】
多くの炉において、鋼外殻を冷却する（そして、それにより炉からの熱除去速度を増大させる）ために努力がなされてきた。外殻を冷却するにために用いられてきたシステムは、噴霧冷却システム又は膜冷却システムを含む。これらのシステムでは、水が鋼外殻の外面に吹き付けられるか、外面を流れ落ちる。その水が鋼外殻から熱を除去し、それにより鋼外殻が冷却される。しかしながら、そうしたシステムは大気中に露出しており、それとともに殻及び水の温度が相対的に高いため、鋼外殻の広範囲にわたる腐食が起こりうる。鋼外殻の表面の定期的な洗浄及びメンテナンスを行わなければ鋼外殻上に形成されるであろう断熱腐食層が殻から冷却水への熱伝達を阻止するのを防ぐために、外殻の表面の定期的な洗浄及びメンテナンスが要求される。清浄な外殻表面であっても、殻と冷却水間の熱伝達係数は、速度及び圧力が低い水を使用するため、相対的に低い。
【０００５】
外部の殻に取り付けられた強制冷却水システムは、様々な型の炉に用いられてきた。外部の殻に取り付けられた強制冷却水システムは、典型的には、鋼外殻（又は炉の鋼殻）の外部表面に溶接又は形成される鋼の水路を含み、それにより、相対的に高い圧力及び速度で炉の鋼殻に対して水を流すことができるようになり、水と殻の間の高い熱伝達係数が確保される。この結果、炉の殻から熱が効率的に除去される一方、水、冷却面及び大気の間の接触が阻止される。また、炉の鋼殻の腐食を阻止又は最小化するために、冷却水路を通る水の質を制御することができる。さらに安全性の利点として、冷却水路が鋼外殻の外部に取り付けられるか、形成されるため、冷却水路において起こりうるあらゆる漏れが、外殻の外部面を流れ落ちる結果となる。この点において、当然のことながら、重要なのは、あらゆる水の漏れは、水が炉の内部へ漏れることを引き起こすことがないことである。このことが、潜在的に、そのような水の漏れから蒸気が急速に発生することにより炉の爆発を引き起こすかもしれないからである。
【０００６】
本明細書を通じて、「含む（comprising）」なる用語及びその文法的に対応する用語は、用いられる文脈に特に明記のない限り、包含的な（inclusive）意味を有するものとする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明の簡単な説明
本発明の目的は、炉、及び、炉内で酸化条件を行う炉に使用するのに適切な炉を冷却する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第一の態様において、本発明は、炉の中で酸化条件下、高温プロセスを実施する炉であって、当該炉は、金属製の外殻と、当該外殻上に形成される又は接合される１以上の冷却水路と、炉ライニングとを含み、当該炉ライニングは、外殻の内壁に隣接して位置する相対的に高い熱伝導度層を含む支持ライニングと、当該相対的に高い熱伝導度層の内方に位置する作用ライニングとを含む炉を提供する。
【０００９】
本明細書を通じて、炉は、炉内雰囲気中の酸素の分圧が１０−９atmよりも大きい場合、酸化条件下で運転されているものとする。
【００１０】
作用ライニングは、支持ライニングに接して位置していてもよい。
【００１１】
本発明の態様において、支持ライニングは、作用ライニングの熱伝導度よりも有意に高い熱伝導度を有する。いくつかの態様においては、支持ライニングは、外殻の熱伝導度と同等であるかそれよりもいっそう高い熱伝導度を有する。
【００１２】
いくつかの態様において、支持ライニングは、グラファイト層又はグラファイトを含む物質で作られた層又は炭素系の物質の層を含む。いくつかの態様において、支持ライニングは、グラファイト層を含む。
【００１３】
ある態様において、炉の外殻は、鋼の殻を含む。
【００１４】
本発明のいくつかの態様において、１以上の冷却水路は、外殻の外部表面に溶接されていてもよい。
【００１５】
１以上の冷却水路は、冷却水を受け入れるための冷却水路を含んでいてもよい。冷却水路は、冷却水路を移動する高圧及び高速の冷却水を受け入れてもよい。
【００１６】
１以上の水路は、蛇行した形状に配置してもよい。１以上の水路は、互いに距離をあけて配置した複数の水路を含んでいてもよい。
【００１７】
炉は、トップ・サブマージド・ランス炉を含んでいてもよい。
【００１８】
グラファイト層又はグラファイトを含む物質で作られた層又はグラファイト製の物質の層又は炭素系の物質の層等の相対的に高い熱伝導度の支持ライニングは、炉のすべてのライニング中いたるところに位置していてもよい。あるいは、その層は、炉のある一部分のみ、又は、複数の部分に位置してもよい。
【００１９】
グラファイト層又はグラファイトを含む物質で作られた層又はグラファイト製の物質の層又は炭素系の物質の層は、炉の外殻の内部表面に接着される又はセメントで結合される又は別な方法で張り付けられた、複数のグラファイトタイル若しくはグラファイト煉瓦又はグラファイトを含む物質若しくはグラファイト製の物質若しくは炭素系の物質の層で作られた複数のタイル若しくは煉瓦を含んでいてもよい。ここで、セメント又は接着剤がこの目的で用いられる場合、そのセメント又は接着剤は、高い熱伝導度を有するグラファイト又は炭素系であってもよい。
【００２０】
グラファイト層又はグラファイトを含む物質で作られた層又はグラファイト製の物質の層又は炭素系の物質の層は、３０〜２５０mmの間の厚さを有していてもよく、より好ましくは５０〜１００mmの間の厚さを有していてもよい。約７０mmの厚さが適切であってもよい。
【００２１】
作用ライニングは、当業者に公知である、あらゆる適した耐火性の材料を含んでいてもよい。作用ライニングは、支持ライニングの厚さよりも大きい厚さを有していてもよい。
【００２２】
第二の態様において、本発明は、炉の中で酸化条件下、高温プロセスを実施する炉の冷却方法であって、金属製の外殻と、当該外殻上に形成される又は接合される１以上の冷却水路と、炉ライニングとを含み、当該炉ライニングは、外殻の内壁に隣接する相対的に高い熱伝導度を有する支持ライニングと、当該支持ライニングの内方に位置する作用ライニングとを含む炉を備えること、当該炉において前記プロセスを運転すること、及び、当該冷却水路に冷却水を流して炉を冷却することを含む、炉の冷却方法を提供する。
【００２３】
作用ライニングは、支持ライニングに接して位置していてもよい。作用ライニングは、耐火性のライニングであってもよい。
【００２４】
本発明の態様において、支持ライニングは、耐火性の作用ライニングの熱伝導度よりも有意に高い熱伝導度を有する。いくつかの態様において、支持ライニングは、外殻の熱伝導度と同等であるかそれよりもいっそう高い熱伝導度を有する。
【００２５】
いくつかの態様において、支持ライニングは、グラファイト層又はグラファイトを含む物質で作られた層又はグラファイト製の物質若しくはグラファイトを含む物質の層又は炭素系の物質の層を含む。いくつかの態様において、支持ライニングは、グラファイト層を含む。
【００２６】
ある態様において、本発明の方法は、グラファイト層中で到達する最大温度が５００℃を超えない、好ましくは４００℃を超えない、より好ましくは２５０℃を超えないように運転される。
【００２７】
別の態様において、本発明の方法は、通常の運転条件下で新しい作用ライニングでは５kW/m2、摩耗した作用ライニングでは２５kW/m2以下の速度で、極限の運転条件下で作用ライニングが局部的に破損している状況では１２０kW/m2の局部的な熱流束を超えずに、熱が炉から除去されるように運転される。
【００２８】
本発明のいくつかの態様において、冷却水は、炉の殻面積１m2当たり１〜２m3/hの平均速度で、かつ、冷却水路における最小速度が１m/s、好ましくは２m/s超で冷却水路を流れる。
【００２９】
本発明のいくつかの態様において、グラファイト層等は、支持ライニングとして適切に用いられる。そして、便宜上、説明を簡潔にするために、本発明は、以下、グラファイト層として説明される。しかしながら、当然のことながら、本発明は、グラファイトを含む物質で作られた層又はグラファイト製の物質の層等の他の材料から作られた層をも包含する。
【００３０】
本発明の炉及び方法において、グラファイトのライニングの熱伝導度は、鋼外殻の熱伝導度よりも３〜４倍高い。その結果、熱が殻から強制冷却水システムへと出ていく前に、グラファイトのライニング層は、熱を殻に沿って横方向に伝導し、広げる。したがって、グラファイト層は、作用ライニングから十分に熱を除去する助けとなって、運転温度が低くなるために、作用ライニング、特に摩耗した作用ライニングの摩耗速度を減少させる。さらに、この設計により、外殻に取り付けられた強制冷却水路間の局所的な過熱点（hot spot）の生成が防止又は最小化される。
【００３１】
これは、酸化プロセスが行われる炉、例えばトップ・サブマージド・ランス炉、に用いられた先行技術のライニングと対照的である。そのような炉では、作用ライニングは、より断熱性のある支持ライニングに接して位置し、その支持ライニングが鋼外殻の内壁に接して位置する。断熱性の支持ライニングの熱伝導度は、鋼殻の熱伝導度よりも約１５０倍低い。断熱性の支持ライニングを外殻冷却システムと組み合わせることは、側壁ライニングの性能発揮寿命（campaign life）にとって有利ではない。断熱性の支持ライニングは、作用ライニングを殻冷却システムから熱遮断し、その結果、運転温度がより高くなるために作用ライニングの摩耗速度が、摩耗した作用ライニングであっても、より速くなるからである。また、側壁上の局所的に熱負荷が高くなる結果、外殻に取り付けられた強制冷却水路間の殻上に過熱点が発生することもありうる。運転上の経験からも、そのような炉の鋼外殻の温度が２００℃と同等又はそれを超えるまで到達しうることが示された。炉の外殻上のこのような高い温度は、炉の運転員にとって作業環境における労働衛生・安全問題である。
【００３２】
それに対し、本発明による炉を使用する結果、鋼外殻の外表面温度を４０〜８０℃の範囲内とすることができる。当然のことながら、このことにより、炉の運転員にとって、より安全でより快適な作業環境が提供される。
【００３３】
本発明の全ての態様において、炉は、酸化条件下で連続的に運転してもよい。他の態様において、炉は、一定の期間、酸化条件下で運転し、それから還元条件下で運転してもよい。炉の運転は、酸化条件下での運転と還元条件下での運転を順次行ってもよい。
【００３４】
本発明から生じる他の恩恵及び利点は、以下の本発明の好ましい形態で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】トップ・サブマージド・ランス炉の概略図を示す。
【図２】本発明の態様によるトップ・サブマージド・ランス型の炉に用いられる側壁ライニング／冷却システムの配置の概略断面図を示す。
【図３】作用ライニングが完全に摩滅した場合における、図２に示した炉の側壁の温度分布を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図面の詳細な説明
当然のことながら、図面は、本発明の好ましい実施形態の特徴を説明するのに用いられた。したがって、当然のことながら、本発明は、図面に示すような特徴にのみに限定して考慮されるべきではない。
【００３７】
図１は、先行技術のトップ・サブマージド・ランス炉の概略図である。この図は、本明細書の背景技術の箇所で説明されており、さらに説明する必要はない。
【００３８】
図２は、本発明による炉の実施形態に用いるための側壁ライニング／冷却システムの配置を示す。炉は、トップ・サブマージド・ランス型の炉であってもよい。側壁ライニング／冷却システムは、鋼外殻３０を含んでいてもよい。冷却水路３２、３４は、鋼外殻３０の外側に溶接されている。冷却水路は、当業者にとって公知である形式で、高圧冷却水源と流体連通するように位置している。
【００３９】
炉のライニングは、グラファイト層３６の形で支持ライニングを含む。グラファイト層は、約７０mmの厚さの複数のグラファイトタイルから形成されてよく、そのグラファイトタイルは、鋼殻３０の内部表面に接着されるか、セメントで結合される。あるいは、グラファイト層は、２５０mm以下又はそれ以上の厚さのグラファイト煉瓦から作られてもよい。あるいは、支持ライニングは、グラファイトを含む物質又はグラファイトの物質又は炭素系の物質の層から作られてもよい。この目的のために使用されるセメントは、適当にグラファイト又は炭素系であり、非常に高い熱伝導度を有する。当業者によって認識されるように、グラファイト層３６は、高い熱伝導度を有する層を提供する。実際に、グラファイト層３６の熱伝導度は、鋼外殻３０の熱伝導度よりも３〜４倍高くてもよい。
【００４０】
炉のライニングは、作用ライニングをも含む。この場合、耐火性のライニング３８の形式である。層３８は、炉の作用ライニングを構成する。炉の高温環境は参照番号４０で示される。図２から分かるように、作用ライニング３８は、高温環境４０とグラファイト層３６の間に位置する。
【００４１】
上記したように、グラファイト層３６の熱伝導度は、炉の鋼殻３０の熱伝導度よりも３〜４倍高い。その結果、グラファイト層３６は、熱が殻から強制冷却水路３２、３４へと出ていく前に、熱を炉の鋼殻３０に沿って横方向に伝導し、広げる。したがって、グラファイトの支持ライニング層３６は、作用ライニング３８から十分に熱を除去する助けとなって、作用ライニングにおける運転温度がより低くなるために、作用ライニングの摩耗速度を減少させる。このことは、特に摩耗した作用ライニングに当てはまる。さらに、グラファイト支持層３６により、外殻に取り付けられた強制冷却水路３２、３４間の鋼外殻３０上の過熱点の生成が防止又は最小化される。
【００４２】
炉の運転温度は、極限の条件下で９００℃〜１６００℃の間で変わりうる。炉の側壁への熱伝達は、炉の液浴に隣接する対流によるものであり、並びに、炉の液浴の上の複合対流及び輻射によるものである。結果として、炉の側壁を通る熱流束は、作用ライニングの状態及び運転条件によって、５〜２５kW/m2の間で変わりうる。極限の運転条件下で作用ライニングが損傷するか完全に摩滅した領域では、１２０kW/m2以下の局所的な熱流束が経験されうる。グラファイト層の運転温度は、作用ライニング及び運転条件によって、５５〜１１０℃の間で変わる。極限の運転条件下で作用ライニングが完全に摩滅した状況では、グラファイトの温度は最大４００℃まで上昇しうる。鋼殻及び冷却水路の外部表面の平均温度は、作用ライニング及び運転条件によって、４０〜８０℃の間で変わる。冷却水路を通した冷却水温度の上昇は、５〜１５℃の間で変わりうる。冷却水の出口温度は、入口水温及び熱負荷によって、最大６５℃に達しうる。
【００４３】
外殻に取り付けられた強制冷却水システムが高い熱伝導度のグラファイトの支持ライニングと組み合わされている同様な炉のライニング／冷却システムは、高温プロセスが還元条件下で実施される他のタイプの炉（電気炉等）において用いられてきたことを本発明者は認識している。しかしながら、そのような冷却システム／炉のライニングは、酸化プロセスが実施される炉では使用されてこなかった。従来、そのような炉のライニングは高温プロセスが酸化条件下で実施される炉の使用に適していると当業者が考慮しなかった理由は、グラファイト層自体が炉の高温環境に曝されるとただちに酸化しやすいことである。したがって、グラファイト層が炉の高温環境に曝されるような炉の一部分において作用ライニングが実質的に摩滅する程度にまで、炉の作用ライニングの摩耗が起こる場合、従来の考えは、グラファイト層は曝されている酸化状態により急速に酸化されるだろうというものであった。実際上、グラファイト層が炉内の高温の酸化状態に曝された場合、グラファイト層は実質的に急速に燃え尽きるだろうと考えられた。もちろん、このジレンマは還元条件下で運転される炉内では懸念事項ではなかった。
【００４４】
驚くべきことに、炉の一部分において作用ライニング３８が完全に摩滅した場合、グラファイト層３６が急速に酸化される代わりに、保護的で安定な凝固層（freeze layer）がグラファイトライニング３６の高温面上に形成され、それにより、側壁を通した熱損失が限定され、グラファイト層３６を他の摩耗メカニズム（腐食、酸化等）から保護するように、グラファイト層３６を通した冷却速度は十分に高いことを本発明者は見いだした。グラファイトライニングの高温面温度は十分に５００℃以下に維持され、それにより、長期的に媒体中でグラファイトが著しく酸化されることが防止される。上記したように、この知見は従来の考えとは正反対である。
【００４５】
図３は、作用ライニング３８が摩滅することによりグラファイト層が曝された場合に、グラファイト層の高温面上に安定な保護凝固層が形成することを示す。図３に、鋼殻３０及びグラファイト層３６を示す。グラファイト層３６上に生成する安定な凝固層４２も示す。安定な凝固層は、例えば、約１５mmの厚さを有していてもよい。図３に示すように、炉は、約１１００℃の温度で運転されている。しかしながら、グラファイト層を通る熱伝達速度が極めて大きいため、凝固層４２は曝されたグラファイト層３６の上に形成される。典型的には、凝固層は、グラファイト層が曝されて３０分程度以内に形成される。このことは、曝されたグラファイト層の酸化が起こる量を最小化する。また、グラファイト層の最大温度は５００℃を十分に下回り、通常は、２５０℃を下回って維持される。これにより、グラファイト層がさらに酸化することが避けられる。図３は、保護凝固層中の温度勾配が急勾配であることも示す。
【００４６】
本発明による炉及び炉の冷却方法は、さらに多くの利点を有する。
【００４７】
・作用ライニングが新しいとき、本発明の炉及び炉の冷却方法は、（トップ・サブマージド・ランス炉で用いられる先行技術のライニングと比較して）ライニング温度に大きい変化をもたらす結果とはならない。しかしながら、炉の鋼殻の外部温度に大きな変化をもたらす。通常、冷却水路を有さないトップ・サブマージド・ランス炉においては、鋼外殻の温度は約２００〜３００℃である。しかしながら、本発明に従って運転される炉においては、鋼外殻の温度は４０〜８０℃程度である。
【００４８】
・作用ライニングが摩滅するため、より冷却された温度が作用ライニング内に確立され、作用ライニングの摩耗速度を減少させる。
【００４９】
・作用ライニングが完全に摩滅した場合、グラファイト層が、炉の側壁内に生成したあらゆる過熱点から熱を除去し、炉の鋼殻上の過熱点の生成を防止する。さらに、凝固したスラグ層がグラファイト表面に生成し、それがグラファイト層を保護し、グラファイト層を通した熱損失を減少させる。
【００５０】
・炉の外殻の外部表面の大部分が曝されるように、外部に取り付けられる冷却水路を互いに距離をあけて配置することができる。これにより、外殻の目視検査が可能となる。外殻の温度を監視するために、外殻の外部表面に熱電対を取り付けることも可能である。これは、パネル冷却（水が炉の外殻全体を覆う）を用いる場合は、可能ではない。
【００５１】
本発明は、詳細に説明した事項以外にも変形（variation）及び変更（modification）しやすくてもよいことは、当業者は理解するだろう。当然のことながら、本発明は、その精神及びその範囲内にある全てのそのような変形及び変更を包含する。
【図１】
2012509454.tif 000003
【図２】
2012509454.tif 000004
【図３】
2012509454.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月27日(2010.8.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉の中で酸化条件下、高温プロセスを実施する炉の冷却方法であって、
金属製の外殻と、前記外殻の外部表面に形成される又は接合される１以上の冷却水路と、炉ライニングとを含み、前記炉ライニングは、外殻の内壁に隣接して位置する相対的に高い熱伝導度を有する支持ライニングと、前記支持ライニングの内方に位置する耐火性の作用ライニングとを含み、前記支持ライニングは、グラファイトタイル若しくはグラファイト煉瓦又はグラファイトを含む物質で作られたタイル若しくは煉瓦又は炭素系の物質で作られたタイル若しくは煉瓦を含み、前記支持ライニングは、耐火性の作用ライニングの熱伝導度よりも有意に高い熱伝導度を有し、前記支持ライニングは、外殻の熱伝導度と同等であるかそれよりも高い熱伝導度を有する炉を備えること、
前記炉において前記プロセスを運転すること、及び、
前記支持ライニング中で到達する最大温度が５００℃を超えないように、前記冷却水路に冷却水を流して炉を冷却することを含む、
炉の冷却方法。
【請求項２】
前記プロセスは、炉内雰囲気中の酸素の分圧が１０−９atmよりも大きい条件で運転されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記支持ライニングは、鋼外殻の熱伝導度よりも約３〜４倍高い熱伝導度を有することを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
グラファイト層又はグラファイト製の物質若しくはグラファイトを含む物質の層又は炭素系の物質の層中で到達する最大温度は、４００℃を超えない、より好ましくは２５０℃を超えないことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
通常の運転条件下で新しい作用ライニングでは５kW/m2、摩耗した作用ライニングでは２５kW/m2以下の速度で、極限の運転条件下で作用ライニングが局部的に破損している状況では局部的な熱流束が１２０kW/m2を超えずに、熱が炉から除去されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
冷却水が、炉の殻面積１m2当たり１〜２m3/hの平均速度で、かつ、冷却水路における最小速度が１m/s、好ましくは２m/s超で冷却水路を流れることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
炉の鋼外殻の外表面の温度が４０℃〜８０℃の範囲内にあることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
作用ライニングが炉の一部分で完全に摩滅した場合には、安定な保護凝固層が支持ライニングの上に形成され、支持ライニングが酸化されるのを保護するように、支持ライニングの冷却速度が十分に高いことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
炉が酸化条件下で一定の期間運転され、還元条件下で短時間運転されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
グラファイト煉瓦若しくはグラファイトタイル又はグラファイトを含む物質で作られた煉瓦若しくはタイル又は炭素系の物質で作られたタイル若しくは煉瓦は、３０〜２５０mmの間の厚さ、より好ましくは５０〜１００mmの間の厚さ、さらにより好ましくは約７０mmの厚さを有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【国際調査報告】
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