JP2005517148A - 誘導炉 - Google Patents

Abstract

本発明は、コアタイプの誘導炉に関するものであって、側壁を構成する複数のセグメント（２０）が、すべてのセグメントに対して共通とされた１つのフランジ（３４）のネジ山付き孔内にネジ（３６）を螺着することによって、調節可能にかつ固定的に位置決めして組み立てられている。これにより、正確な組立が可能とされ、内部変形や応力発生が防止されている。セグメントは、セラミック層によってコーティングされており、保護されているとともに、電気アークの発生が防止されている。面どうしを連接しているエッジ（２８，２９）は、同様の効果のために、丸められている。炉床を冷却するための水冷ボックスも、同様の構成とされている。本発明は、溶融技術に応用することができる。

Description

本発明の主題は、有機物の焼却および溶融固化や、放射性廃棄物や非放射性廃棄物の溶融固化や、有害廃棄物の溶融固化や、耐火材の溶融、を行うための、誘導炉の炉壁および炉床に関するものである。

上記誘導炉の構造は、本質的に、冷却水回路を有した耐火コンクリート製の炉床と、この炉床上に設けられて炉壁と称される側壁と、この側壁を囲む誘導コイルと、を備えている。誘導コイルには、１００ｋＨｚ以上の周波数でもって電流が、流される。この電流は、炉内の物質を溶融させるための炉壁内における電源をなす。このような誘導炉は、主に、有機物の焼却および溶融固化や、放射性廃棄物や非放射性廃棄物の溶融固化や、耐火材の溶融、を行うために使用される。償還が必要とされていると思われる産業は、核廃棄物の処理や有害廃棄物の処理といったような廃棄物処理産業や、ガラス産業である。

誘導炉の側壁は、通常、透磁性を有した金属材料から形成される。側壁には、冷却回路が設けられている。これにより、第１に、側壁は、例えばガラスといったような耐火材料をも溶融させ得るようなかなりの高温に耐えることができる。第２に、構造内において、ジュール効果によって消費された電力を補償することができる。このような誘導炉は、『冷たい誘導炉』と称される。加えて、誘導炉は、通常、複数の鉛直方向セグメントに分割される。これらセグメントは、電気絶縁材料を介装させた状態で、側面どうしが連結される。電気絶縁材料の使用は、側壁内に誘導される電流を制限するためである。これにより、熱損失の発生が抑制され、誘導炉と炉内容物との間の電磁結合の生成が抑制される。複数の鉛直方向セグメントは、樽を構成する複数の側板と同様にして配置される。冷却回路は、通常は、各セグメント内に穿孔形成された複数の鉛直方向チャネルから構成される。

誘導炉の側壁をなす複数のセグメントは、互いに一緒に保持されなければならない。１つの手段は、誘導炉を、セメントまたはガラス繊維からなるとともにエラストマーまたはエポキシ樹脂を含浸させた円形バンドを使用して、囲むことである。より強い結束性をもたらし得る他の手段は、磁界強度が弱い誘導炉の上部のところの円形フランジ上において、セグメントどうしを互いに溶接することである。本発明にとって好ましいような最後のタイプのアセンブリは、複数の鉛直方向セグメントを組み立てて、誘導炉の上部のところの円形フランジ上において、ネジを使用してフェルールを形成することである。この組立を容易とするため、各セグメントには、フェルールの外側に取り付けられた部材上に、組立ラグが設けられる。

フェルールを支持する炉床は、冷却回路が貫通設置されている金属製ボックスから構成される。ボックスは、耐火コンクリート内に配置される。あるいは、炉床は、様々な断面形状（円形、正方形、長方形、等）の金属製チューブから構成されて、互いに平行なまたは互いに山形をなして取り付けられ、耐火コンクリート内に配置される。ボックスまたはチューブは、耐火コンクリートの幅の分だけ、互いに隔離される。一方の面は、炉内において溶融状態とされた内容物に対して完全に対向し得るようにして、配置される。チューブの場合と同様に、ボックスは、矩形や三角形等といったような発散形状とすることができる。

公知の炉壁および炉床は、詳細に後述するように、欠点を有している。溶融ガラスバス上における有機物の燃焼−溶融固化に対する応用の場合、あるいは、誘導炉内における耐火材の溶融の場合、必要とされる周波数および熱量が、他の応用の場合と比較して、ずっと大きなものである。電気的短絡というリスクが、冷たい炉壁をなす各金属部材（セグメント、フランジ）や炉壁を支持する炉床をなす各金属部材（冷却された金属製ボックス）の間において、および、炉壁および炉床の各部材どうしの間において、発生しかねない。このような回路の短絡は、炉壁セグメントと炉床冷却ボックスとの間に配置された電気絶縁体の幅を大きくした場合でさえも、発生する。

消耗的なものではなく、炉壁セグメントと炉床ボックスとの間の電気的短絡回路は、有機物の燃焼時に内壁上に成膜するカーボンの存在によって、あるいは、様々なセグメントやセグメント間絶縁体と接触することとなるガラスバスの表面上に硫酸塩溜まりが形成されることによって、あるいは、例えば、耐火酸化物の溶融時に大量の水が放出されることによって、可能となる。このような短絡回路は、炉壁を形成している各部材どうしの間に配置された電気絶縁体に対して、また、炉床冷却ボックスどうしの間に配置された耐火コンクリートに対して、取り返しのつかない損傷を引き起こす。あるいは、そのような短絡回路は、炉床および炉壁をなす各金属部材に穴を開けることさえ可能である。そのような短絡回路は、また、誘導エネルギーの効率的な使用という観点からも、有害なものである。

上記応用においては、高温において腐食性雰囲気が形成される。この腐食性雰囲気は、炉壁および炉床を構成している各金属部材を損傷させる。このため、各金属部材を、電気抵抗の大きな材料から形成することとなり、結果的に、電力損失をかなり増大させる。

炉壁セグメントの形状（平行六面体、Ｔ字形状、三角形、等）および炉床の形状にかかわらず、これら隣接金属部材の各尖鋭エッジは、実質的な電気アークの発生源となる（電気的スパーク効果）。動作スケジュールは、電気アークのこの兆候に関しての主要因子である。動作スケジュールは、ガラス用途において、および、溶融ガラスバス上における廃棄物処理という用途において、１００ｋＨｚ以上の周波数を要求する。電気アークは、エネルギーが大きく、炉壁および炉床コンクリートの電気絶縁体に対して有害である。炉壁セグメントが円形または卵形である場合には、スパイク効果が除去されるものの、セグメントどうしの間の電気絶縁体の厚さを極度に低減することにより、炉フェルールの不浸透性に対して損害となり、このため、絶縁体がわずかに劣化しただけでも、内容物の漏洩やガスの漏洩が発生するという問題点が生じることを指摘しておく。なお、本出願人の知る限りにおいては、本出願に関連性を有する先行技術文献は存在しない。

上記欠点は、本発明による誘導炉のための新規なタイプの炉壁および炉床によって、克服される。

電気アークの発生を防止するため、選択された手段は、炉壁を形成する金属製セグメントを、および、炉床の金属製ボックスを、所定の面上においてあるいはすべての面上において、セグメント製電気絶縁層によってコーティングすることである。セグメントに関して、少なくとも、内面上と、互いに対向している側面上と、において、電気アークを回避するために、セラミックコーティングが施される。あるいは、化学的攻撃や電気的攻撃を受ける場合には、上面や底面や外面を含むすべての面上において、セラミックコーティングが施される。このようなセラミックコーティングは、炉壁セグメントの間に配置されたまた炉床ボックスの間に配置された電気絶縁体と協働して、誘導炉を構成しているすべての金属部材の間において、また、金属部材と溶融時のコーティングとの間においてさえも、完全な電気的保護をもたらす。加えて、炉壁をなすセグメントと、炉床のボックスとは、コーティングされていることにより、炉床によって支持されている炉内へと投入されるガラスやガスや他の様々な廃棄物からの化学的攻撃に関して、保護されている。完全な電気絶縁体をなす耐火セラミックコーティング材は、例えばアセチレントーチやプラズマトーチによって、形成される。最も多くの場合に噴霧される材料は、アルミナやムライトやコージライトやジルコンやジルコニアやシリコンジルコネートやカーバイドを含有しており、電気的応力に適合した様々なドーパントを有している。

所定の面上にあるいはすべての面上にコーティングが施された後に、複数の金属製ボックスは、例えば耐火コンクリートといったような電気絶縁体を介装しつつ、炉床内に配置される。炉壁セグメントに関しては、所定の面上にあるいはすべての面上にコーティングが施した後に、複数のセグメントを、冷却フランジ上に配置してネジ止めすることができる。冷却フランジも、また、電気絶縁体によってコーティングすることができる。本発明における説明においては、機械的組立応力（局所的圧縮）と熱的応力（溶接される場合）とを制限し得るような、炉壁のネジ止めについて、詳細に説明する。しかしながら、本発明は、従来技術において採用されているような他のタイプの組立方法であっても、完全に適合することができる。

文献レベルにおいては、セグメントコーティング材の脆弱化および破砕を避けるために、尖鋭エッジを面取りすることが好ましいことが、見出されている。セグメントの尖鋭エッジを面取りすることは、セグメントの面上へのセラミック製電気絶縁体の満足のいく成膜を補助し得るものではあるけれども、１００ｋＨｚを超える周波数においては、例えば溶融ガラスバスの上方の有機物の燃焼に起因するカーボンダストに曝されていたりあるいは溶融固化対象をなす内容物に曝されていたりするような炉床ボックスと炉壁の内部に位置したセグメント内面との間における電気アークの発生に対する対抗性という点に関し、全く満足できるものではない。

誘導炉の内面を向いた尖鋭エッジは、曲率半径にまで丸められる。曲率半径までの機械加工による尖鋭エッジの除去は、誘導炉の内部を向いたすべての尖鋭エッジに関するものである。炉壁の外向きエッジについては、面取りするだけで十分である。曲率半径のサイズは、以下の動作特性をもたらす。
−ガラスバスの高さが変化する場合には、セグメントどうしの間のフリーエアギャップ内に物質が拘束されてしまうことを回避し得るよう、曲率半径は、小さいもの（例えば、１ｍｍ未満）であってはいけない。
−従来技術におけるいくつかの構成の場合と同様に、例えばマイカといったような電気絶縁体を、セグメント間スペース内に維持することができる（マイカの厚さは、０．１〜４ｍｍ）。あるいは、セグメントコーティング材の他には一切電気絶縁体を使用せずに、連結部材を取り付けることができる。スペース内に配置された電気絶縁体に対して溶融ガラスが接触してしまってこの絶縁体の劣化を引き起こしてしまい誘導炉からの内容物の漏れを引き起こしてしまうことを防止し得るよう、金属製冷却セグメントどうしが十分に近接していることを確保するためには、曲率半径は、小さいものでなければならない（例えば、５ｍｍ未満）。

本発明は、有機物の焼却および溶融固化や、廃棄物の溶融固化や、耐火材の溶融、といった、溶融固化対象をなす内容物と炉壁との間の熱交換熱流速が遅いような特定のケースにおいて、特に好適なものである。例示するならば、このような熱流速は、炉壁に対して固体でありかつ耐火性であるガラスシェルが自己生成されるような金属溶融に関する冷たいルツボと比較して、１桁小さいものである。このような状況下においては、電気的保護のためのセラミック材料は、完全に冷却され、劣化したり破砕されたりすることがない。特に、溶融した内容物の汚染を防止することができる。

以下、本発明につき、添付図面と関連させつつ様々な見地に関して詳細に説明する。

図１に示すように、誘導炉は、耐火コンクリート製の炉床（１）と、側壁（２）と、この側壁を形成するステンレススチール製の複数のセグメント（３）と、電気絶縁体からなる中間介在層（４）と、複数の誘導コイル（５）と、を具備している。これら部材の構成および配置の詳細は、従来技術における説明と同じである。側壁（２）は、一部だけしか図示されていないものの、側壁（２）が、本発明による誘導炉も含めた他の任意の誘導炉の場合と同様に、全円周にわたって延在していることは自明である。冷却回路（６）が、各セグメント（３）を穴ぐりすることによって、形成されている。冷却回路（６）は、セグメントの実質的に高さ全体にわたって延在しており、この場合には、互いに平行とされた一対をなす２つのダクトから構成されている。これらダクトは、セグメント（３）の底部のところにおいて連接されている（これらダクトの一方のみが、断面図によって図示されている）。冷却流体のための穿孔導入口（７）と穿孔導出口（８）とを介することにより、これらダクトは、セグメント（３）の外部と連通しており、積層型のコレクタ（９，１０）に対して連通している。積層型のコレクタ（９，１０）は、セグメント（３）の上端外側エッジのところにおいて円形ビード（１２）を介してセグメント（３）が溶接されているのと同じフランジ（１１）に属するものである。この溶接を行った場合であってさえも、構造に対して、フランジ（１１）の下方に外周バンド（１３）を追加することができる。これにより、結束性を改良し得るとともに、ガスに対してのシール性を確保することができる。側壁（２）に関しての２つの組立モードに関連する上記欠点は、そのような２つの組立モードが組み合わされているにしても、除去されている。炉床（１）は、この図には図示されていない金属製ボックス内に水を循環させることによって、冷却されている。

次に、本発明の実施形態について、図２および図３を参照して説明する。

側壁をなす各セグメントは、符号（２０）によって示されている。各セグメント（２０）は、互いに同じ外形形状を有しているとともに、上記の場合と同様に、冷却回路（２１）として、内部を通る一対のダクトを備えている。ダクトの端部は、チューブ（２３ａ，２３ｂ）を介して外部に連通している（図３）。しかしながら、従来技術の場合とは異なり、本発明におけるセグメント（２０）は、裸ではなく、セラミックコーティング材（２２）によってコーティングされている。セラミックコーティング材（２２）は、アルミナやムライトやコージライトやジルコンやジルコニアやジルコネートのいずれかを含む組成のものの中から選択することができ、また、付加的に、誘導炉が受ける熱的応力や化学的影響や電気的影響に関連した様々な添加剤を、添加することができる。図２においては、ただ１つのセグメント（２０）がコーティング材（２２）を有しているものとして図示されているけれども、すべてのセグメントに対して、コーティングが施されている。同様に、セグメント（２０）上のコーティング材（２２）は、実際には存在しているものの、図示の簡単化の理由のために、図示が省略されている。少なくとも、セグメント（２０）の内面（２４）と、腐食を受けたりまた電気アークの兆候を受けたりする側面（２５，２６）と、をコーティングすることが推奨される。しかしながら、ここで図示しているように、外面（２７）もコーティングすることが好都合であり、また、上面および底面さえもコーティングすることが好都合である。コーティング材（２２）の使用を必要とする原因をなす化学的攻撃や電気的短絡リスクが、溶融した内容物自体に由来するのではなく、溶融した内容物の上方に滞留するガスに由来したり、また、そのようなガスに付帯して放出される粒子に由来したりすることのために、側壁上における内容物の固体厚さを維持することが冷たい誘導炉の機能の１つであることを考慮すれば、コーティング材（２２）は、セグメント（２０）の頂部にまで延在している。コーティング材の厚さは、用途に応じて、５０μｍ〜５００μｍとされる。コーティング材（２２）を良好に付着させつつ、電気アークの可能性を低減させるための１つの付加的な構成は、セグメント（２０）の面（２４〜２７）から、尖鋭なエッジを除去することである。ここでは、誘導炉の内面上における
尖鋭なエッジ（２８，２９）（内面（２４）と側面（２５，２６）との間のエッジ）が、可能であれば１〜５ｍｍという曲率半径にまで、丸められている。また、例えば符号（３０，３１）によって示されているような他の尖鋭なエッジ（外面（２７）と他の側面（２５，２６）との間のエッジ）は、単に、面取りされているだけである。後者の構成は、２つのコーティング面どうしの接合部分におけるコーティング材（２２）の付着を容易とするために、必要とされているのみである。セグメント（２０）のうちの、上面および底面のところにおける水平方向尖鋭エッジは、隣接部材との間において電気アークというリスクが存在する場合には、同様に丸めることができるあるいは面取りすることができる。

特に図３を参照すれば、フランジ（１１）が省略されていること、および、冷却回路（２１）には、例えばコレクタ（９，１０）といったような、誘導炉に隣接したコレクタが付設されておらず、完全に独立なものとされていて、チューブ（２３ａ，２３ｂ）が外部にまで延出されていること、を理解することができる。セグメント（２０）は、誘導炉の一部において、外面（２７）の上方へと張り出された上部ラグ（３２）を備えている。上部ラグ（３２）には、外面へと開口する切欠（３３）が形成されている。円形形状をなすフラットなフランジ（３４）が、すべてのラグ（３２）上にわたって位置している。フランジ（３４）は、ネジ山付き孔（３５）を有している。ネジ（３６）が、切欠（３３）を挿通しつつ、ネジ山付き孔（３５）に対して螺着されている。ネジ（３６）は、ラグ（３２）の底面によって係止されており、よって、すべてのラグ（３２）を、フラットなフランジ（３４）に対して押圧保持している。したがって、セグメント（２０）は、所定位置に保持されており、単一のアセンブリを形成している。外周バンド（３７）を付加することによって、誘導炉に関するエアシールを確保し得るとともに、アセンブリの剛性を高めることができる。しかしながら、外周バンド（３７）は、必須ではない。外周バンド（３７）は、エラストマーまたはエポキシ樹脂を含浸させた固体ガラス織物から形成することができる。最後に、例えばマイカ製のものといったような電気絶縁体層（３８）を、隣接セグメント（２０）の側面（２５，２６）間に挿入することができる。

セラミックコーティング材（５７）は、また、フランジ（３４）にも付設することができる。特に、セグメント（２０）のラグ（３２）に対して当接することとなる底面（５８）上に設けることができる。この場合にも、セラミック材でコーティングされる２つの面に関しての接合部分をなす尖鋭エッジを面取りすることが好都合である。

フラットなフランジ（３４）を使用することによって可能となった他の構成は、フランジ上に配置されるカバー（３９）を追加することである。カバー（３９）は、フラットなフランジ（３４）のネジ山付き孔内へと螺着されるネジ（４１）を有した２つのクランプ（４０）によって保持される。これにより、誘導炉の内容物を閉じ込めて、完全なシールを確保することができる。

ネジとフラットなフランジ（３４）とを使用したアセンブリを利用することによって、セグメント（２０）を正確にかつ固定的に調整することが可能となったことにより、セグメント（２０）を、セラミック材に関するすべてのリスクを受けることなく、セラミック材によってコーティングすることができることについては、既に説明した通りである。次に、この構成を採用した場合であってさえもセラミックが損傷を受け得ないような、側壁の組立方法について、説明する。この説明は、図４および図５を参照して行う。必要な箇所において（特に、炉床（１）上に位置する底面と、ラグ（３２）の上面と、側面（２５，２６）と、において）十分な精度での機械加工が既に施されているとともにプラズマ成膜法によってセラミックが既にコーティングされておりさらに摩耗研磨が既に施された複数のセグメント（２０）を、その後の工程においては上下がひっくり返されることとなるけれども、フラットなフランジ上において大まかに配置し、それらセグメント上に、円錐台形状の中心合わせ楔（４２）を配置し、複数のカラー（４３）を、セグメントの周囲に挿入し、そして、セグメントどうしを締め付けて、セグメントが楔（４２）の円錐台形状側面の全体に対して当接するようにする。電気絶縁体層（３８）は、既に挿入されている。楔（４２）の高さ位置に応じて、また、カラー（４３）の締付度合いに応じて、側壁の直径と、側壁に対しての予備的負荷（プレロード）と、を調節することができる。その後、ネジ（３６）を締め付けて、ラグ（３２）を、直下に位置したフラットなフランジ（３４）に対して当接させる。これにより、組立が完了する。バンド（３７）は、まず最初に、クランプ用カラー（４３）どうしの間にラップ（３７１）を配置し、その次に、クランプ用カラー（４３）を取り外した時点で追加のラップを配置することにより、形成することができる。このように２ステップでもってバンドを配置することにより、カラー（４３）を取り外した時点で事前負荷が失われてしまうことを、防止することができる。

図６および図７は、本発明の一実施形態における炉床（４６）を示している。この炉床（４６）は、メインプレート（４７）を備えている。メインプレート（４７）には、複数の冷却ボックス（４８）を配置するための中央凹所が形成されている。各ボックス（４８）は、水導入ダクト（４９）と水導出ダクト（５０）とを有している。

誘導炉のセグメント（２０）の場合と同様にして、ボックス（４８）を、化学的攻撃や熱的攻撃から保護すること、および、ボックスどうしの間における電気アークの発生に対しての対抗性を付与すること、が想定される。ボックスは、少なくとも上面（溶融バスに対向した面）（５１）のところにおいて、セラミックによってコーティングされる。セラミックコーティング材は、符号（５２）によって示されている。上面（５１）を規定する尖鋭エッジ（５３）は、先の場合と同様に、１〜５ｍｍという曲率半径にまで、丸められている。また、他の尖鋭なエッジ（５６）（鉛直方向面と底面（５５）との間のエッジ）も、丸めることができる。あるいは、少なくとも面取りすることができる。これは、特に、側面（５４）と底面（５５）とが、セラミック材によってコーティングされている場合である。

従来技術による、溶接された誘導炉を示す図である。 本発明による誘導炉の実施形態を示す図である。 本発明による誘導炉の実施形態を示す図である。 誘導炉の製造モードを示す図である。 誘導炉の製造モードを示す図である。 本発明による炉床を示す図である。 本発明による炉床を示す図である。

符号の説明

２ 側壁
２０ セグメント
２２ セラミックコーティング材（セラミック）
２４ 内面
２５ 側面
２６ 側面
２７ 外面
２８ 尖鋭エッジ
２９ 尖鋭エッジ
３０ エッジ
３１ エッジ
３２ ラグ
４６ 炉床
４８ 冷却ボックス
５１ 上面
５２ セラミック
５３ 尖鋭エッジ
５４ 底面
５５ 側面

Claims (7)

1. 誘導炉であって、
   側壁（２）を具備しているとともに、この側壁（２）が、実質的に、互いに並置された複数の鉛直方向セグメント（２０）を備えて構成されている場合に、
   前記セグメントが、少なくとも内面（２４）上と側面（２５，２６）上とにおいて、セラミック（２２）によってコーティングされ、
   少なくとも、前記内面と前記側面とを連接している尖鋭エッジ（２８，２９）が、丸められていることを特徴とする誘導炉。
2. 請求項１記載の誘導炉において、
   上面上に前記側壁が配置される炉床を具備している場合に、
   前記炉床には、複数の冷却ボックス（４８）が設けられ、
   これら冷却ボックスが、少なくとも上面（５１）上において、セラミック（５２）によってコーティングされ、
   少なくとも、前記上面（５１）を規定している尖鋭エッジ（５３）が、丸められていることを特徴とする誘導炉。
3. 請求項１または２記載の誘導炉において、
   前記セグメントが、外面（２７）上においても、セラミックによってコーティングされていることを特徴とする誘導炉。
4. 請求項２記載の誘導炉において、
   前記冷却ボックスが、底面（５４）上と側面（５５）上とにおいても、セラミックによってコーティングされていることを特徴とする誘導炉。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の誘導炉において、
   前記セグメントには、上フランジに対しての取付のためのラグ（３２）が設けられ、
   前記フランジが、少なくとも、前記セグメントに当接する面上において、セラミックによってコーティングされていることを特徴とする誘導炉。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の誘導炉において、
   前記セグメントのうちの、セラミックによってコーティングされた面どうしが、および、前記冷却ボックスのうちの、セラミックによってコーティングされた面どうしが、丸められたエッジまたは面取りされたエッジ（２８，２９，３０，３１）を介して、互いに連接されていることを特徴とする誘導炉。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の誘導炉において、
   前記セラミックをなすベース材料が、ムライトとアルミナとコージライトとジルコンとジルコニアとジルコネートとからなるグループの中から選択されたものとされていることを特徴とする誘導炉。

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