JPH0989460A

JPH0989460A - シャフト炉

Info

Publication number: JPH0989460A
Application number: JP7247456A
Authority: JP
Inventors: Masahito Mishima; 雅人三島; Masao Hattori; 雅夫服部; Susumu Yamada; 進山田; Mitsuyasu Nakajima; 三泰中嶋; Isamu Kondo; 勇近藤
Original assignee: Okamoto Corp; Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Okamoto Corp; Toho Gas Co Ltd
Priority date: 1995-09-26
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】水冷構造の鋼管ロストルを用いない、熱エネ
ルギー損失が効果的に低減せしめられた、新規なロスト
ル構造を採用することにより、その熱効率を大幅に向上
せしめること及び冷却水を使用しないことによる装置の
簡略化や、維持管理の工数低減を図ること。【解決手段】炉内に配設したロストル１６上に、炉内
上方より溶解材料２２を装入せしめる一方、バーナ装置
２６にて発生せしめた高温の燃焼ガスを、該ロストル１
６の下方より炉内に供給し、該ロストル１６を通じて炉
内上方に導くことにより、かかる燃焼ガスにて前記溶解
材料２２を加熱溶解せしめるようにしたシャフト炉１０
において、前記ロストル１６を、中空パイプ状の耐熱性
セラミックス体２４にて構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、シャフト炉の改良に係り、特に
ＬＮＧ等の流体燃料をバーナで燃焼せしめ、その燃焼熱
にて鋳鉄用原材料等を溶解して、鋳鉄溶湯等を製造する
ようにしたシャフト炉において、その熱エネルギー損失
を効果的に回避して、熱エネルギー効率を飛躍的に向上
せしめる技術に関するものである。

【０００２】

【背景技術】従来から、所定の溶解材料を加熱溶解（溶
融）せしめる溶解装置として、各種の形式のものが提案
されてきており、その一つとして、炉内に配設したロス
トル上に、炉内上方より溶解材料を装入せしめる一方、
バーナ機構にて発生せしめた高温の燃焼ガスを該ロスト
ルの下方より炉内に供給し、該ロストルを通じて炉内上
方に導くことにより、かかる燃焼ガスにて前記溶解材料
を加熱溶解せしめるようにしたシャフト炉が知られてい
る。

【０００３】このようなシャフト炉は、特公昭５１−２
９４８１号公報にも示される如く、スクラップや鉄くず
等の鋳鉄用原材料を溶解して、目的とする鋳鉄溶湯を製
造するために、好適に用いられ得るものであり、特にコ
ークスではなく、ＬＮＧ等の気体燃料の如き、流体燃料
を熱源として用いるものであるところから、従来のコー
クスを使用するキュポラと比較して、その燃焼管理が容
易なこと、環境に与える影響も少なく、二酸化炭素、一
酸化炭素、酸化窒素、酸化硫黄等の有害なガスの発生や
粉塵の発生量がかなり低減されること、熱効率の面にお
いても、優れている等の特徴を有し、新しい溶解炉とし
て注目を受けている。なかでも、球状黒鉛鋳鉄用溶湯の
製造に際しては、ＬＮＧ等の硫黄分のない気体燃料を使
用することによって、燃焼ガスから溶湯への加硫が行な
われないために、脱硫処理が必要でない等の特徴も有し
ている。

【０００４】また、電気誘導炉との比較においては、溶
解効率に関して、電気誘導炉の場合には、二次エネルギ
ーである電気による溶解効率は高いものの、電気製造の
一次エネルギーから考慮すると、我が国の特徴として、
発電方法が火力発電を主体とするものであるところか
ら、トータル的に見た場合、電気誘導炉の溶解効率は低
くなるのであり、ＬＮＧ等の気体燃料を用いる上記シャ
フト炉が、鋳鉄用溶解炉として、優位に立っている。そ
の上、過去の高度成長期に見られた安価な鉄くずの発生
量の増加に伴う、著しい電気誘導炉の広まりは、ここに
きて、幾つかの理由で鈍化してきている。それは、電気
料金の値上がりによる溶解エネルギーコストの増加や、
鋳鉄材質の不安定化への危惧等の各種の弊害が出始めて
きているからである。特に、自動車鋼板等に見られる防
錆処理や薄肉化のための合金添加等の多種多様な処理に
よって、各加工工場から発生する鉄くずを分別して、鋳
造用鉄源として使用しなければ、例えば、防錆表面処理
剤が燃焼して発生する白煙公害や、その金属酸化物によ
る電気炉装置の短絡事故発生の可能性や、材質改善をす
るために含まれている鉄くず中の不純元素の溶湯中への
混入等による鋳鉄材質の不安定化等の問題が惹起される
恐れがあるのである。

【０００５】このようなことから、目まぐるしく変化し
ている現状において、従来の溶解炉と比較し、溶解効率
の点、制御の容易性、環境面等に優れた特徴を有する、
上記したシャフト炉たる溶解炉が着目されているのであ
る。

【０００６】しかしながら、従来のコークスを使用する
キュポラと比較し、かかるシャフト炉にあっては、その
構造上において避け得ないものとして存在しているロス
トルは、バーナにて発生せしめた高温の燃焼ガスが吹き
込まれる燃焼室を確保し、直上の蓄熱体であるセラミッ
クスボールや溶解原材料を支えながら、燃焼室からの燃
焼熱を上方に伝える役目をしているが、そのような燃焼
熱によるロストル自体の溶損を防ぐために、該ロストル
を、中空の鋼管にて構成すると共に、その内部に冷却水
を流すことによって、水冷しているのであるが、このロ
ストルの水冷によって、燃焼熱が奪われていることは否
めず、ここに、熱効率の低下の一つの原因が内在してい
るのである。

【０００７】このような水冷方式の、従来のロストル構
造にあっては、全体の冷却水量の約８０％がロストルの
溶損防止のための冷却水として使用されているのであ
り、そしてその廃熱は再利用されておらず、そのため
に、水冷ロストルの吸熱によって奪われた熱量は、廃棄
されることとなり、その分、溶解量や溶湯温度等にも、
少なくない影響をもたらしているのである。

【０００８】

【解決課題】ここにおいて、本発明は、かかる事情を背
景にして為されたものであって、その課題とするところ
は、上述の如きシャフト炉において、水冷構造の鋼管ロ
ストルを用いない、熱エネルギー損失が効果的に低減せ
しめられた、新規なロストル構造を採用することによっ
て、その熱効率を大幅に向上せしめることにあり、また
冷却水を使用しないことによる装置の簡略化や、維持管
理の工数低減を図ることにある。

【０００９】

【解決手段】そして、本発明は、かくの如き課題を解決
するために、炉内に配設したロストル上に、炉内上方よ
り溶解材料を装入せしめる一方、バーナ機構にて発生せ
しめた高温の燃焼ガスを該ロストルの下方より炉内に供
給し、該ロストルを通じて炉内上方に導くことにより、
かかる燃焼ガスにて前記溶解材料を加熱溶解せしめるよ
うにしたシャフト炉において、前記ロストルを、中空パ
イプ状の耐熱性セラミックス体にて構成したことを特徴
とするシャフト炉を、その要旨とするものである。

【００１０】このように、本発明に従うシャフト炉にあ
っては、従来の鋼管製の水冷ロストルに変えて、中空パ
イプ状の耐熱性セラミックス体からなるロストルを用い
るものであるところから、従来の水冷された鋼管ロスト
ルの冷却水に奪われていた熱エネルギー損失の問題が、
有利に解消され得ることとなったのであり、以てバーナ
機構にて発生せしめた高温の燃焼ガスにて与えられる熱
エネルギーの効率を飛躍的に向上せしめ得ることとなっ
たのであり、加えて、冷却水を使用しないことによっ
て、シャフト炉における装置の簡略化も実現され、それ
に基づき、その装置の維持管理の工数低減も、効果的に
図られ得るのである。

【００１１】なお、このような本発明に従うシャフト炉
にあっては、ロストルを構成するセラミックス体の中空
部内の空気は、有利には、強制的に若しくは自然対流に
て、外部の空気と交換せしめられるように構成され、特
に強制的に空気が交換せしめられる場合にあっては、か
かるセラミックス体の或る程度の冷却が為され得、それ
に基づいて、炉内の熱エネルギーを吸収して、その損失
を惹起することとなるが、そのような空気の強制対流に
よる熱損失は、従来の鋼管ロストルの冷却水に奪われて
いた熱エネルギー損失に比べて、比較にならない程低
く、それ故に、本発明における熱効率の向上が充分に実
現され得るのである。

【００１２】要するに、本発明は、バーナ機構にて発生
せしめられる高温の燃焼ガスの熱エネルギーを利用し
て、銑鉄等の溶解材料を溶解するシャフト炉において、
かかる溶解材料等を支えるロストルを、鋼管構造からセ
ラミックス構造に変更して、その熱効率の飛躍的な向上
を図ったものであって、そのようなシャフト炉には、実
稼働の面から種々の性能が要求されているが、本発明者
等の鋭意研究の結果、中空パイプ状のセラミックス体の
機械的強度、耐熱性、耐食性に関する性能が、かかるシ
ャフト炉におけるロストルに適合することが判明し、本
発明を完成するに至ったのである。

【００１３】因みに、シャフト炉においてロストル上部
に作用する静荷重については、銑鉄等の溶解材料及び一
般に採用されるセラミックス球状蓄熱体からなる蓄熱ベ
ッドの総重量から計算により求めると、我が国内で代表
的に使用されている直径１．０ｍのシャフト炉で、蓄熱
ベッドの総重量は３００ｋｇ、溶解材料の総重量は６ｔ
であるところから、ロストルに作用する総重量は６．３
ｔになるのである。従って、ロストルが分布荷重を受
け、長さ１．２ｍのロストル両端支持梁とみなした場合
の最大曲げ応力は、曲げモーメント及びロストルの断面
係数から計算した結果、１．６ｋｇ／ｍｍ²になる。而
して、セラミックス材料の曲げ強度は、一般的に２０ｋ
ｇ／ｍｍ²以上であるところから、そのような曲げ応力
には、充分に耐えられ得るものであって、問題を生じる
ようなことはないのである。

【００１４】また、衝撃荷重に関しては、材料投入、即
ち炉内への銑鉄、返り二番、鉄くず等の溶解材料を炉上
部の投入口から投入する状況を考えると、自由落下して
いく、それらの材料がロストルへ与える衝撃は、かなり
あると想像することが出来、事実、計算の上では、例え
ば、重量５ｋｇの鉄塊が６ｍ下のロストルを直撃した場
合に、ロストルが受ける衝撃力は、約１０４ｋｇ／ｍｍ
²となるのであるが、そのようなロストルに対する大き
な衝撃力は、弾性域の限界を越えているために、セラミ
ックス製のロストルは衝撃により破断される恐れが生じ
る。このため、本発明にあっては、従来からのシャフト
炉に採用されているセラミックス製球状蓄熱体の如き、
球状若しくは塊状の蓄熱体にて構成される蓄熱ベッド
が、ロストル上に設けられ、そして該蓄熱ベット上に溶
解材料が投入されるように構成され、以て溶解材料の投
入衝撃力を分散せしめ、以てセラミックス製ロストルへ
の衝撃荷重を緩和して、ロストルの破断を効果的に防止
しているのである。

【００１５】なお、本発明にあっては、セラミックス製
ロストルの衝撃強度を向上させる他の手段として、ロス
トルを構成する中空パイプ状のセラミックス体を複数段
において炉内に配設せしめる構成が、好適に採用され、
その場合において、上段側のセラミックス体を蓄熱体と
して機能せしめることが可能である。そして、本発明に
あっては、また、そのようなロストルを構成する複数段
のセラミックス体のうちの最下段のものの中空部内に
は、強制的に空気が流通せしめられる一方、その他の段
のセラミックス体の中空部内は、自然対流にて空気の交
換が行なわれるような構成が、有利に採用されるのであ
る。

【００１６】また、セラミックス材料の特性である耐熱
性に関しても、ロストルの温度分布を有限要素法で解析
し、その使用温度領域において、充分な耐熱性があるこ
とが認められている。その解析方法は、先ず、ロストル
パイプの表面及び内部の熱伝達係数又は熱流速を各温度
で計算し、次に、その計算された熱伝達係数、熱流速を
基に、汎用有限要素法プログラムＡＮＳＹＳにより、パ
イプの温度分布を解析した。そして、その計算に際して
は、１６００℃の火炎が７．１ｍ／ｓの風速でロストル
に当たっているものとして、計算した結果、アルミナパ
イプからなるロストルにあっては、そのパイプ内部を１
０ｍ／ｓにて強制空冷した場合のパイプ外壁面の温度
は、１０１７℃となり、それはアルミナ使用温度の範囲
内であることが確認され、ロストルとしての使用におい
て、充分な耐熱性を有することが明らかとなったのであ
る。

【００１７】さらに、耐食性についても、セラミックス
材料は優れており、例えばスラグを含有した鋳鉄溶湯に
対する腐食性能の比較試験において、アルミナ系セラミ
ックスや炭化珪素系セラミックス等は優れた耐食性を示
し、シャフト炉におけるロストル材料として、充分に使
用に耐え得ることが、明らかとなったのである。

【００１８】ところで、鋼管ロストルを水冷するように
した従来のシャフト炉において、ロストルの出入口の水
温差：５℃で、水量：６０ｍ³／ｈ時の水冷ロストルに
よる損失熱量は、約３０万ｋｃａｌ／ｈである。これに
対して、本発明に従うセラミックス製ロストルの内部を
風速：１０ｍ／ｓで強制空冷した場合の熱損失は、約３
万ｋｃａｌ／ｈになり、従来の水冷の場合に比べて、熱
損失は、１／１０に低減することが出来、従って、従来
の損失熱量の９０％に相当する２７万ｋｃａｌ／ｈの熱
量が、溶解熱効率の向上に大きく寄与して、溶解熱効率
は大幅に向上することとなる。

【００１９】そして、本発明に従うシャフト炉の熱効率
を更に高めるには、ロストルを構成するセラミックス体
を冷却すべく、その中空部内を強制的に若しくは自然対
流にて流通せしめられる空気がバーナ機構に導かれ、該
バーナ機構における燃焼用空気として用いられるように
することが望ましく、これによって、前記した空冷によ
る熱損失の問題も解消されることとなるのである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面に示される本発明の代
表的な具体例に基づいて、本発明を更に具体的に明らか
にすることとする。

【００２１】先ず、図１には、本発明に従うシャフト炉
の一具体例が示されている。そこにおいて、１０はシャ
フト炉であって、内面が耐火材にて覆われた炉壁１２に
よって、略鉛直方向に延びる炉室１４が内部に形成され
ている。なお、図中では省略してあるが、かかる炉壁１
２は、更に上方に延長せしめられて、煙道を形成してい
る一方、上端開口部からは、投入用バケット等の投入装
置にて、スクラップや銑鉄、返り材等の溶解材料が炉内
に投入せしめられ得るようになっている。

【００２２】また、シャフト炉１０の炉室１４内には、
炉底から所定高さの位置に、炉室１４内を上下に仕切る
ようにして、後で詳述するようなセラミックス製のロス
トル１６が配設されており、更に、該ロストル１６上に
は、従来と同様なセラミックス球状蓄熱体１８が所定高
さに多数個載置され、それによって、蓄熱ベッド２０が
形成されている。そして、炉壁１２の上端開口部から、
かかる蓄熱ベッド２０上に、スクラップや銑鉄、返り材
等の溶解材料２２が装入されて、炉内において支持せし
められるようになっているのである。

【００２３】ところで、かかるシャフト炉１０の炉内に
おいて、蓄熱ベッド２０や溶解材料２２を支持するロス
トル１６は、中空パイプ状の耐熱性セラミックス体２４
の複数本を、所定の間隔を隔てて、互いに平行に配列せ
しめて、構成されるものであって、そのような中空パイ
プ状のセラミックス体を与えるセラミックス材料として
は、耐熱性（耐火性）を有する公知のものの中から、適
宜に選定されることとなるが、一般に、アルミナ系セラ
ミックス材料、炭化珪素系セラミックス材料、ジルコニ
ア系セラミックス材料、ムライト系セラミックス材料、
炭化ホウ素材料等が用いられ、なかでも、アルミナ系セ
ラミックス材料及び炭化珪素系セラミックス材料が、好
適に用いられることとなる。このようなセラミックス材
料を用いて、常法に従って、所定の中空パイプ形状に成
形し、そして焼成することによって、目的とする中空パ
イプ形状のセラミックス体２４が形成されるのである。
なお、このセラミックス体２４の中空パイプ形状として
は、円形断面の丸型の他、矩形断面の角型等の形状が、
適宜に採用されることとなる。

【００２４】また、このようなロストル１６の下方に位
置する炉室１４内が燃焼室とされ、そこには、バーナ機
構たるバーナ装置２６の適数において発生せしめられた
高温の燃焼ガスが、ガス噴出用孔２８を通じて炉内に吹
き込まれ、そして炉室１４の下部からロストル１６を通
じて上方に導かれるようになっている。なお、各バーナ
装置２６には、エア供給ダクト３０から分岐せしめたエ
ア供給管３２にて、燃焼用空気が供給され、ＬＮＧや重
油等の所定の流体燃料を燃焼せしめて、高温の燃焼ガス
を発生せしめるようになっているが、ここでは、図示は
しないが、そのような各バーナ装置２６に供給される燃
焼用空気の少なくとも一部として、ロストル１６を構成
する各セラミックス体２４の中空部内を流通せしめられ
る空気が用いられるようになっている。そして、そのよ
うにして発生せしめられた高温の燃焼ガスが通過せしめ
られることによって、前記蓄熱ベッド２０及び溶解材料
２２が加熱せしめられることとなるのであり、以て溶解
材料２２が加熱、溶解せしめられ、そして蓄熱ベッド２
０を構成する球状蓄熱体１８の表面を伝って下方に導か
れると共に、かかる蓄熱体１８によって更に加熱され、
金属溶湯として、ロストル１６の下方に落下せしめられ
るのである。

【００２５】なお、炉室１４の底部には、溶湯溜部３４
が設けられており、上記の溶融落下せしめられた金属溶
湯が、この溶湯溜部３４に溜められた後、出湯口３６か
ら、樋３８を通じて、シャフト炉１０の外部に取り出さ
れるようになっている。

【００２６】従って、かくの如き構成とされたシャフト
炉１０を用いて溶解操業するに際しては、先ず、ロスト
ル１６上に蓄熱体１８を敷き詰めて蓄熱ベッド２０を形
成した後、バーナ装置２６にて炉の予熱を行ない、充分
に昇温せしめ、その後、炉の上部開口から溶解材料２２
を炉室１４内に装入せしめて、かかる溶解材料２２の加
熱溶解を開始する。それによって、溶解材料２２が、そ
の下部から順次、加熱溶解され、更に蓄熱ベッド２０に
より加熱せしめられて、金属溶湯とされるのであり、ま
た生じた金属溶湯は、溶湯溜部３４内に落下せしめられ
て、適宜、出湯口３６から、樋３８を通じて取り出され
ることとなるのである。また、この操業に際しては、溶
解材料２２を、金属溶湯となって下方に落下せしめられ
る量に相当する分だけ、適当な時間間隔にて、炉室１４
内に追加装入せしめ、以て連続的な溶解操作が進行せし
められ得るのである。

【００２７】ところで、このような溶解操作において
は、ロストル１６が中空パイプ状の耐熱性セラミックス
体２４にて構成され、そして該セラミックス体２４の中
空部内には、冷却用としての空気が、自然対流乃至は強
制的に通過せしめられるようにされているだけで、従来
の鋼管ロストルの如く、水冷とはされていないところか
ら、かかるロストル１６（セラミックス体２４）を通じ
ての高温の燃焼ガスからの吸熱による熱損失が回避され
ることとなり、以て炉内に吹き込まれた高温の燃焼ガス
の熱エネルギーを蓄熱ベッド２０に蓄え、更に溶解材料
２２の溶解に効果的に利用することが出来ることとな
り、以てその熱効率を飛躍的に向上せしめ得ることとな
ったのである。

【００２８】しかも、本具体例では、ロストル１６を構
成するセラミックス体２４の中空部内を流通することに
よって加熱せしめられた空気が、バーナ装置２６の燃焼
用空気として用いられるようになっているところから、
ロストル１６の空冷によって炉外に取り出される熱エネ
ルギーも、有効に再利用されることとなり、これによっ
て、熱効率は、更に向上せしめられ得ることとなるので
ある。

【００２９】なお、図１に例示のシャフト炉１０にあっ
ては、ロストル１６は、円筒形のセラミックス体２４の
一段にて構成されているが、そのようなセラミックス体
２４を、上下方向に、各種の形態において重ね合わせ、
２段、或いはそれ以上の複数段において構成することも
可能であり、それによって、ロストル１６全体の衝撃強
度が、効果的に高められ得ることとなる。

【００３０】図２には、そのような複数段のセラミック
ス体にて構成されるロストル１６の一例が示されてい
る。そこにおいて、ロストル１６は、矩形断面形状の角
型中空パイプ状のセラミックス体４０ａ、４０ｂ、４０
ｃの三段構造にて構成されており、炉の中心を通る１本
のセラミックス体４０ａの両側に所定間隔をおいて２本
のセラミックス体４０ａを並設してなる、最下段の３本
のセラミックス体４０ａに対して直交する方向に、多数
本の互いに平行なセラミックス体４０ｂ、４０ｃが、所
定間隔を隔てて配設されることによって、中段及び上段
のセラミックス体を構成して、装入される溶解材料２２
や蓄熱体１８を支持して、それらを下方に落下させない
ようになっている。そして、最下段のセラミックス体４
０ａの中空部内には、強制的に空気が流通せしめられ
て、強制空冷されるようになっている一方、中段及び上
段のセラミックス体４０ｂ、４０ｃの、それぞれの中空
部内の空気は、自然対流にて外部の空気との入替えが行
なわれる、自然空冷方式とされている。また、それぞれ
のセラミックス体４０ａ、４０ｂ、４０ｃの中空部内を
通った空気は、図示はしないが、図１の例と同様に、燃
焼用空気としてバーナ装置２６に供給されるようになっ
ている。

【００３１】このようなセラミックス体４０ａ、４０
ｂ、４０ｃの多段構造のロストル１６にあっては、一段
構造のものよりも、遙かに衝撃強度が高められ得ること
となることは勿論、その中段のセラミックス体４０ｂ、
更には上段のセラミックス体４０ｃを蓄熱体として機能
させることも可能であり、そして、その場合において、
それらセラミックス体４０ｂ、４０ｃの中空部内の空気
の交換は、自然対流方式で行なうのが、有効である。

【００３２】また、このような図２に示される三段構造
の如き多段構造のロストル１６を採用することにより、
各段のセラミックス体の交換サイクルを個別に決めるこ
とが出来ることとなるところから、ロストルを部分交
換、換言すれば上、中、下段のセラミックス体をそれぞ
れ個別に交換することによって、一段構造のものより
も、ロストル１６の寿命を長くすることが可能となる。
例えば、最下段セラミックス体４０ａの交換サイクル：
１２ヶ月、中段セラミックス体４０ｂの交換サイクル：
６ヵ月、上段セラミックス体４０ｃの交換サイクル：３
ヵ月とすることが出来、一段構造のものが３ヵ月の交換
サイクル、換言すれば３ヵ月の寿命であるのに対して、
上記の如く三段構造を採用することにより、約１．８倍
に寿命を延ばすことが可能となるのである。

【００３３】なお、図１に例示のシャフト炉１０にあっ
ては、ロストル１６上に球状のセラミックス蓄熱体１８
からなる蓄熱ベッド２０が形成され、これによって、炉
室１４内を下方より上方に導かれる高温の燃焼ガスから
の熱エネルギーが吸収されて、溶解材料２２に、有効
に、その熱エネルギーを与え得るようになっていると共
に、投入される溶解材料２２の衝撃荷重を分散せしめ
て、ロストル１６（セラミックス体２４）の破断を防止
しているが、そのような蓄熱ベッド２０は、必ずしも必
要なものではない。溶解材料２２の装入の際の衝撃荷重
が回避され、また、溶解材料２２に対して燃焼ガスの熱
エネルギーが有効に与えられ得ることとなるならば、ロ
ストル１６上に直接に溶解材料２２を装入して、溶解操
作を実施することも可能である。

【００３４】また、本発明に従うシャフト炉は、例示の
如く、鋳鉄溶湯の製造に好適に用いられ得るものである
が、それに限定されるものではなく、焼却灰等の溶融固
化の為の溶解炉としても採用することが可能である。

【００３５】このように、本発明は、その趣旨を逸脱し
ない限りにおいて、当業者の知識に基づき、種々なる変
更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るも
のであり、また、そのような実施の態様が、何れも、本
発明の範疇に属するものであることが、理解されるべき
である。

【００３６】

【実施例】以下に、本発明の実施例を示し、本発明の特
徴について、更に具体的に明らかにすることとする。

【００３７】先ず、ロストル１６を与える中空パイプ状
のセラミックス体２４；４０ａ〜４０ｃの耐熱性を調べ
るために、その温度分布を有限要素法にて解析した。な
お、セラミックス体としては、外径寸法：７６ｍｍ、軸
方向の長さ：１ｍ、肉厚：７ｍｍの丸型中空アルミナパ
イプを用い、そのような丸型パイプの外面に、１６００
℃の火炎が毎秒７．１ｍで当たる一方、パイプ内部が毎
秒１０ｍの流通空気で強制空冷されているとして、計算
した結果が、図３に示されているが、そのようなアルミ
ナパイプ外壁面の最高温度は、１０１７℃であり、これ
は、アルミナ使用温度の範囲内であることが、確認され
た。

【００３８】一方、従来のシャフト炉における鋼管ロス
トルについても、その熱分布を、有限要素法にて解析
し、その結果を図４に示した。なお、そこでは、１６０
０℃のガス火炎がパイプの外面に当たり、内部は０．８
ｍ／ｓの流速で水が循環せしめられて、強制水冷されて
いる状態として計算されている。その結果、従来のガス
シャフト炉に用いられている鋼管ロストルにおいて、そ
の鋼管外面は、６３℃となっていることが解析された。

【００３９】また、本発明に従うセラミックス製ロスト
ルの耐衝撃性を調べるために、シャフト炉の投入口から
冷材（溶解材料）の５ｋｇを６ｍ上方から落下させる一
方、セラミックス製ロストルを構成する中空パイプ状の
セラミックス体に取り付けた歪みゲージの値から、衝撃
応力を測定したが、球状のセラミックス蓄熱体（１８）
からなる蓄熱ベッド（２０）が形成されている場合にあ
っては、そのような衝撃応力による破壊が惹起されない
ことを認めた。

【００４０】さらに、耐食性について調べるために、各
種セラミックス材料からなる長さ：５５ｍｍの７．５ｍ
ｍ×７．５ｍｍ角のセラミックス試験片を取り付けた耐
火物を、直径：０．５ｍ、長さ：１．０ｍの円筒形坩堝
炉に入れ、図５に示されるヒートパターンにより、１５
００℃の鋳鉄溶湯と共に、１２０ｒｐｈにて回転せしめ
て処理した。そして、この坩堝炉を自然空冷した後、熔
銑に対する耐食状況を観察したが、アルミナ系セラミッ
クス材料や炭化珪素系セラミックス材料からなる試験片
には、著しい変化は、何等観察されなかった。

【００４１】そして、以上の結果を踏まえて、図１に示
される如き、実際のシャフト炉において、次のような実
操業を行なった。先ず、ロストル１６には、比較的生産
コストが安く、入手し易いことから、アルミナを主成分
とする材質を採用し、通常の流し込み法により製作した
角型中空パイプ状のセラミックス体（４０ａ）を用い
た。なお、材料の諸元は、密度：３．８ｇ／ｃｍ³、熱
伝導度：２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）とし、またセラミックス体
（４０ａ）の寸法は、外面寸法：８０ｍｍ角、肉厚：８
ｍｍとし、更に材料投入時の落下衝撃による破損とセラ
ミックス蓄熱体１８の損耗による落下のコントロールの
ために、水平方向と下方に向かって、外周の３箇所に軸
方向のリブを、それぞれ設けた。なお、このロストルの
セットされたシャフト炉１０は、内径：７００ｍｍで、
ロストル１６のセラミックス体（４０ａ）のピッチは、
従来の鋼管の場合と同じ寸法とした。

【００４２】また、バーナ燃焼に際しては、先ず、予熱
時、溶解時共に、空燃比率：１．０５とし、予熱を２０
０万ｋｃａｌで、６０分行ない、炉内を充分に乾燥、昇
温させた。ロストル冷却用のエアは、常温で供給し、ロ
ストルを構成するセラミックス体１本当たり１０ｍ／ｓ
の風速で供給した。予熱を行なった後に、蓄熱ベッド２
０の高さが２５０ｍｍとなるように、球状のセラミック
ス製蓄熱体１８を２００ｋｇ投入した。なお、そのよう
な蓄熱体１８の投入に関して、ロストル１６に対して
は、予熱前に投入する方が条件としては良いが、敢え
て、温度上昇を行なった時点での投入により、その強度
を確認することを目的として行なった。かかる投入時点
でのロストル表面の温度は、８５０℃であったが、セラ
ミックス製蓄熱体１８の落下衝撃に対しては、何等問題
は発生しなかった。その後、燃焼室内及び蓄熱ベッド２
０を構成するセラミックス製蓄熱体１８の温度上昇が充
分に行なわれたことを確認し、溶解材料２２の投入を開
始した。なお、この溶解材料２２には、銑鉄、二番、鋼
くず、造さい材にはドロマイト、シリカを、下表に示さ
れる配合率で用いた。

【００４３】

【表１】

【００４４】また、かかる溶解時におけるバーナ装置２
６の燃焼量は１８０万ｋｃａｌ、空燃比：１．０８と
し、燃焼用のエアは、常温での供給とした。溶解中は、
酸素富化を１％行なって、ロストル１６の損耗にどの程
度関与するかについても、観察した。材料投入直前に
は、ロストル１６表面は、８５０℃に達しており、冷却
エアの温度勾配は６０℃、流量は１４００ｍ³／ｈであ
った。また、冷却エアの持ち出した熱エネルギーは、従
来の鋼管ロストルの水冷の場合の冷却水が持ち出すエネ
ルギー：約３０万ｋｃａｌの大略１／１０であること
が、認められた。

【００４５】上記の溶解操作は、５回繰り返され、通
算、約４０ｔの溶湯を得た。なお、平均出湯量は、時間
当たり４．２ｔ、平均出湯温度は１３８０℃であった。
かかる溶解操作の終了の後に、シャフト炉１０からセラ
ミックス製ロストル１６（セラミックス体４０ａ）を取
り出して観察したところ、材料の衝撃による損傷は殆ど
なく、健全であった。また、スラグによる溶損が部分的
に観察されたものも少なく、従来の鋼管ロストルに近い
寿命を確保し得ることを認めた。

【００４６】このような実施例の結果から、角型中空パ
イプ状のセラミックス体（４０ａ）は、耐熱性、耐衝撃
性、耐食性において、シャフト炉１０におけるロストル
１６として使用し得ることを確認した。また、そのよう
なセラミックス製ロストル１６（４０ａ）は、水冷を必
要とせず、熱精算の結果から、従来の水冷鋼管ロストル
に比べて、９０％もの熱損失低減が図られ得、シャフト
炉の定常時における溶解熱効率は、大幅に向上せしめら
れ得ることを認めた。また、ロストルの冷却水が不要で
あることから、クーリングタワーの運転費も削減するこ
とが可能となるのである。

【００４７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に従うシャフト炉にあっては、そのロストルを、中空パ
イプ状の耐熱性セラミックス体にて構成したものである
ところから、従来の鋼管ロストルに比べて、水冷する必
要がなく、そのために、冷却水に奪われている熱エネル
ギー損失を解消せしめて、燃焼エネルギーの熱効率を飛
躍的に向上せしめ得ることとなったのであり、また、冷
却水を使用しないことによる装置の簡略化、更には、そ
のような装置の維持管理の工数低減も図り得る等の利点
も享受し得ることとなったのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従うシャフト炉の炉体構造の一例を示
す断面説明図である。

【図２】本発明に従うロストル構造の他の一例を示すも
のであって、（ａ）は、炉体の縦断面におけるロストル
配設形態の説明図であり、（ｂ）は、炉体の水平断面に
おけるロストル配設形態を示す説明図である。

【図３】実施例において求められたセラミックス製ロス
トルの熱分布解析結果を示す図である。

【図４】実施例において求められた鋼管ロストルの熱分
布解析結果を示す図である。

【図５】実施例において実施した鋳鉄溶湯に対する耐食
試験における坩堝炉の炉内ヒートパターンを示す図であ
る。

【符号の説明】

１０シャフト炉１２炉壁１４炉室１６ロストル１８セラミックス球状蓄熱体２０蓄熱ベッド２２溶解材料２４、４０ａ、４０ｂ、４０ｃセラミックス体２６バーナ装置２８ガス噴出用孔３０エア供給ダクト３２エア供給管３４溶湯溜部３６出湯口３８樋

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田進愛知県名古屋市熱田区桜田町19番18号東邦瓦斯株式会社内 (72)発明者中嶋三泰愛知県名古屋市熱田区桜田町19番18号東邦瓦斯株式会社内 (72)発明者近藤勇愛知県名古屋市熱田区外土居町９番14号株式会社エスアイテック内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炉内に配設したロストル上に、炉内上方
より溶解材料を装入せしめる一方、バーナ機構にて発生
せしめた高温の燃焼ガスを該ロストルの下方より炉内に
供給し、該ロストルを通じて炉内上方に導くことによ
り、かかる燃焼ガスにて前記溶解材料を加熱溶解せしめ
るようにしたシャフト炉において、前記ロストルを、中空パイプ状の耐熱性セラミックス体
にて構成したことを特徴とするシャフト炉。
【請求項２】前記セラミックス体の中空部内の空気
が、強制的に若しくは自然対流にて外部の空気と交換せ
しめられるように構成されている請求項１記載のシャフ
ト炉。
【請求項３】前記ロストル上に、球状若しくは塊状の
蓄熱体にて構成される蓄熱ベッドが設けられ、該蓄熱ベ
ッド上に前記溶解材料が投入される請求項１又は請求項
２記載のシャフト炉。
【請求項４】前記セラミックス体が複数段において炉
内に配置され、前記ロストルを構成している請求項１乃
至請求項３の何れかに記載のシャフト炉。
【請求項５】前記ロストルを構成する複数段のセラミ
ックス体のうちの最下段のものの中空部内には、強制的
に空気が流通せしめられる一方、その他の段のセラミッ
クス体の中空部内は、自然対流にて空気の交換が行なわ
れるようになっている請求項４記載のシャフト炉。
【請求項６】前記ロストルを構成するセラミックス体
の中空部内を通過した空気が前記バーナ機構に導かれ、
該バーナ機構における燃焼用空気として用いられる請求
項１乃至請求項５の何れかに記載のシャフト炉。