JP2008196048A - 容器内に材料を吹き込むための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温で冶金容器内にガスを吹き込むランスの冷却能力を改良する。
【解決手段】この装置は、材料を吹き込むためのダクトの壁を通して延在する内側および外側の、それぞれダクト後端から前端へ冷却水が流れる流入用通路およびダクト前端から後端へ冷却水が流れる流出用通路と、ダクト前端に配置され、内側および外側の流水路の間を連結して水が流れるようにする環状ダクト先端部とを含む。内側および外側の冷却水用の流路は、環状ダクト先端部からダクト後端へ流れる流出水がダクト後端から環状ダクト先端部へ流れる流入水よりも長い流路を通して移動しなければならないように構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、容器内に材料を吹き込むための装置を提供するものである。吹き込まれる材料は、ガスまたは固体粒子材料であろう。

用途を限定するわけではないが、本発明は、特に、高温状態の冶金容器内にガス流を吹き込む装置に適用される。かかる冶金容器の例は、直接製錬法によって溶融金属が製造される製錬容器である。

反応媒体として溶融金属層を使用し、また、一般にＨＩ製錬法（ＨＩｓｍｅｌｔ法）と称されている既知の直接製錬法が、本件出願人名義の国際特許ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７（ＷＯ９６／３１６２７）に記載されている。

ＨＩ製錬法は、その特許に記載されているように、以下の内容を含む：
（ａ）容器内に溶融鉄とスラグから成る浴を形成すること、
（ｂ）前記浴中に、
（ｉ）含金属供給材料（代表的には金属酸化物）、および
（ｉｉ）金属酸化物の還元剤およびエネルギー源として働く固体炭素質材料（代表的には石炭）を吹き込むこと、および
（ｃ）溶融金属層中で含金属供給材料を製錬して金属にすること。

本明細書において、「製錬」という用語は、液体金属を製造するために金属酸化物を還元する化学反応が行われる熱プロセスを意味する。

また、ＨＩ製錬法は、浴から放出されるＣＯやＨ_２などの反応ガスを、浴の上方空間で、酸素含有ガスによって後燃焼させること、および、この後燃焼で発生する熱を浴に伝え、含金属供給材料を溶融するために必要な熱エネルギーとして用いることを包含する。

また、ＨＩ製錬法は、浴の基準静止面よりも上方に遷移ゾーンを形成することを包含する。遷移ゾーンには、上昇し、また、下降する好適量の溶融金属および／またはスラグの液滴または飛沫または流れが存在し、これらが浴上方での反応ガスの後燃焼によって発生した熱エネルギーを浴に伝える有効な媒体になる。

ＨＩ製錬法では、含金属供給材料および固体炭素質材料が、垂直に対して傾斜した多数のランス／羽口を通じて金属層中に噴射注入される。前記ランス／羽口は、製錬容器の側壁を通して、下向き内方に指向して製錬容器の下部領域内に延在し、前記固体材料を製錬容器の底部にある金属層中に吹き込まれる。製錬容器の上部での反応ガスの後燃焼を促進するために、下方に延在する高温空気噴射ランスを通して、製錬容器の上部領域内に酸素の豊富な高温空気の衝風が注入される。進入する高温空気衝風は、製錬容器の上部でのガスの有効な後燃焼を促進するために、旋回流としてランスから流出することが望ましい。これを達成するために、ランスの出口端部に、適当な旋回流を与えるための内部流れガイドを嵌装するとよい。製錬容器の上部領域は２０００℃程度の温度に達し、高温空気が温度約１１００〜１４００℃でランスに導入される。したがって、ランスは、内部および外壁の両方において（特に、製錬容器の燃焼ゾーン内に突出入するランスの導入端部で）、極めて高い温度に耐えなければならない。

流水路米国特許第６４４０３５６号は、ＨＩ製錬法において遭遇する極限状態に合致するように設計されたガス噴射ランス構造を開示している。その構造においては、螺旋羽根の形状をした流れガイドが、ガス流ダクトの前端で中央本体に取付けられている。これらの羽根は、ガス流ダクトの壁に連結され、冷却水で羽根内部を水冷されており、冷却水はダクト壁内に設けた供給通路および帰還通路を通して流される。米国特許第６６７３３０５号は、代替ランス構造を開示しており、それによると、ガス流ダクトの全長を通して延在する中央管構造体に螺旋流れ案内羽根が配設されている。この中央管構造体は水流路を備え、これらの通路は、一般にガス流ダクトの先端内部に配置される中央管構造体の前部へ向かう冷却水の流れを与える。この構造では、流れ案内羽根が冷却されず、また、ダクトの耐火ライナー付き壁部分内でダクトの先端から後退した位置にある。

米国特許第６４４０３５６号および同第６６７３３０５号に開示された構造では、冷却水が、ダクト壁中の内側環状流入路を通じてダクトの前端に向かって流れ、先端部から外側環状流出路を通じてダクトの後端へ向かって逆方向に流れる。この流入水および流出水は、ダクトに沿って長手方向へ流れ、環状通路は同等の長さになされている。
本発明は、ダクトの特に外面をより効果的に冷却することのできる改良された構造を提供する。
また、本発明は、固体粒状材料を容器内に吹き込むための固体噴射ランスにも適用できる。

本発明によれば、冶金プロセスを実行するために、粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための、以下の装置が提供される。
この装置は、
材料を吹き込むための前記ダクトと、
前記ダクトの壁中に延在し、それぞれ、前記ダクトの後端から前端に向かう流入冷却水用、および、前記ダクトの前端から後端に向かう流出冷却水用の、内側および外側流水路と、
前記ダクトの前端に配設され、前記内側および外側流水路の間の水流連結を行う環状ダクト先端部とを含み、
前記内側および外側の冷却水流路は、前記ダクト先端部から前記ダクトの後端に向かう流出水が前記ダクトの後端から前記ダクト先端部に向かう流入水よりも長い流路を通過しなければならないように構成されている。

材料を吹き込むための前記ダクトが、前記ダクトの前端からガス流を排出するためのガス流ダクトであってよい。

前記内側および外側流水路は、流出水用の全有効横断面積よりも大きな、流入冷却水用の全有効横断面積を有する構成にすることが好ましい。

先端部からダクト後端へ向かう流出冷却水のための外側冷却水路は、一連の通路とすることができる。

前記外側流水路は、前記ダクトに沿って螺旋状に延在するとよい。さらに詳しくは、外側流水路はダクトの周囲を連続して延在する多始点の螺旋配列で延在するとよい。

それらの通路はまた、ダクトの後端から先端部へ向かう流入冷却水のための内側冷却水用通路も一連の通路とすることができる。

内側の流水路は、螺旋状に延在する外側流路よりも大きいピッチの螺旋路として延在させ、これにより流出冷却水用通路よりも流入水用通路を短く形成することができる。

ダクトの周りに連続的に延在した多始点螺旋配列に構成された内側および外側の両流水路は同数とされることができる。例えば、４つの内側流水路と、先端部を経てそれらの内側流水路に連結される４つの外側流水路とすることができる。

材料を吹き込むための前記ダクトの壁は、内側および外側の流水路に再分割された内側および外側環状空間を形成する同心状に間隔を置いた内側管、中間管および外側管を含むことができる。

内側環状空間は、内側ダクト管の外周面に溶接されてその周囲を螺旋状に延在し、中間ダクト管内にぴったり嵌装された内側分割条によって、流入用の内側水流路に再分割することができる。

外側環状空間は、中間ダクト管の外周面に溶接されてその周囲を螺旋状に延在し、外側ダクト管内にぴったり嵌装された外側分割条によって、流出用の外側水流路に再分割することができる。

内側環状空間は、外側環状空間よりも半径方向で幅広になされ、また、内側分割条は、それに応じて外側分割条よりも半径方向で高さが大きくなされる。

材料を吹き込むための前記ダクトは、耐火材料の内張りをすることができる。

流れ方向を定める複数の羽根をダクト前端内部に配置して、ダクトから排出されるガスにら旋流を与えることができる。

このら旋流付与羽根はガス流用ダクト内を後端から前端に向かって延在する細長い中心構造体に取付けることができる。

本発明によれば、容器内に材料を吹き込む前記装置に適する直接精錬用容器も提供される。

本発明をさらに完全に説明するために、添付図面を参照して実施例が幾分詳細に記載される。

図１は、国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７に記載されているようなＨＩ製錬法による作動に適当な直接溶融用容器を示している。この冶金容器は全体を符号１１で示されており、耐火煉瓦で形成された基部１２および側部１３を含む炉床と、炉床の側部１３から上方へ延在する一般的に円筒形の胴体を形成した、また上胴部１５および下胴部１６を有する側壁１４と、ルーフ１７と、ガスを排出する出口１８と、溶融金属を連続的に排出するための前炉床１９と、溶融スラグを排出するタップ穴２１とを有する。

使用において、容器は、鉄とスラグから成る溶融浴を含み、この浴は溶融金属層２２と、その金属層２２上の溶融スラグ層２３とを含む。符号２４を付した矢印は金属層２２の基準静止面の位置を示し、符号２５を付した矢印はスラグ層２３の基準静止面の位置を示す。「静止面」という用語は、容器内にガスおよび固体を噴射していない時の表面を意味する。

容器は、温度１２００℃程度の空気流を容器の上部領域に供給する、いわゆる「高温空気吹込み」のための下方へ延在している高温空気噴射ランス２６と、鉄鉱石、固体炭素質材料および酸欠キャリヤ・ガスに含まれるフラックスを金属層２２の中へ投入するための側壁１４を通してスラグ層２３の中へ向かって下方かつ内方へ延在している固体投入ランス２７とを取付けられている。ランス２７の位置は、冶金プロセス作業時に、それらの出口２８が金属層２２の表面よりも上方に位置するように選ばれる。ランスのこの位置は、溶融金属との接触により損傷される危険を減少させ、また、強制される内部冷却により、水が容器内の溶融金属に接触する危険を生じることなくランスの冷却を可能にする。

高温空気噴射ランス２６の異なる実施例の構造が図２〜図１８に示されている。図２は第１の実施例を示し、図３〜図５は第２の実施例を示している。図２〜図５において、同様部材は同じ符号を付されている。図６〜図１８に示されたランス先端部は、図３〜図５に示したランスの第２の実施例の記述において説明される。図２に示されたランス先端部は同じ構造を有している。

図２を参照すれば、ランス２６は細長いダクト３１を含み、このダクトはガス入口構造３２を通して高温ガスを受取り、それを容器の上部領域へ吹き込む。環状ダクト先端部３６はガス流ダクト３１の前端に配置される。このランスは、細長い中央管構造体３３を含み、この中央管構造体はガス流ダクト３１内をその後端から前端へ向かって延在している。このダクトの前端に隣接して、中央管構造体３３はダクトを流出するガスに対して旋回流を与える一連の旋回流付与羽根３４を担持している。旋回流付与羽根３４は４つの始点を有する螺旋形状として形成できる。それらの入口（後）端は、最初の真直部から十分に旋回した螺旋部へ滑らかに連なり、乱れおよび圧力低下を最小限にしている。

中央管構造体３３の前端はドーム形ノーズ３５を有しており、このノーズはダクト３１の先端部３６を超えて前方へ突出し、これにより中央本体の前端および環状ダクト先端部が協働して、羽根３４で旋回流を与えられてダクトから出る末広ガス流用の環状ノズルを形成するようになされる。

ガス入口３２から下方へ延在するダクト３１の主部の壁は、内部から水冷される。ダクトのこの部分は一連の３つの鋼製管３７，３８，３９で構成されており、それらの管はダクトの前端部へ延在して、そこで環状ダクト先端部３６に連結される。

図３〜図５に示されるような第２の実施例において、外側管３９は、３９Ａ位置に段差が形成され、その管の後部３９Ｂは前部３９Ｃよりも大径となるようにされている。中間管３８の後部は、外側管３９の後部３９Ｂ内に配置される。一定した半径方向幅の内側環状空間４１が管３７，３８の間に形成され、また、それよりも小さい一定した半径方向幅の外側環状空間４２が管３８，３９の間に形成され、両空間４１，４２は環状ダクト先端部からダクト後部まで延在し、外側環状空間４２は外側管３９の拡大径の後部３９Ｂに沿って外方かつ戻る方向に延在する。環状空間４１，４２は螺旋状に延在する内側分割条４３および螺旋状に延在する外側分割条４４によってそれぞれ内側および外側の水流路に分割されて、一連の４つの螺旋状に延在する内側流路４５および一連の第２の４つの螺旋状に延在する外側流路４６を形成するようになされる。

冷却水はダクト後端の２つの水入口４７および環状入口マニホルド４８を通して内側流路４５へ供給される。水は螺旋状の流路４５に沿って前方へと先端部３６へ流れ、その先端部を通して、本明細書で後述するように、逆方向に向かって外側の螺旋状に延在する流路４６へ流入し、その流路４６に沿ってダクトの後端へ戻り、出口マニホルド４９および２つの水出口５１を通して流出する。

内側流路４５は４つの始点を有する螺旋配列で延在する。外側流路４６もまた４つの始点を有する螺旋配列で延在するが、螺旋状の内側流路４５よりも格段にピッチが小さい。さらに詳しくは、内側流路４５は、たったの約１／４旋回でダクトの後端から先端へ延在するのに対して、外側流路４６はさらに短いピッチで数旋回で先端部から出口マニホルド４９までの距離を延在する。このことは、水が外側流路４６内にある滞留時間を長くして、ダクトの外部の冷却を向上させる。内側流路４５の半径方向幅は外側流路４６の半径方向幅よりも大きく、また、水の流れは先端部を流れるときに加速されて、先端部を通る熱抽出は改善され、一定した体積流量が狭い外側流路４６を通して保持される。

内側分割条４３は内側ダクト管３７の外周面に溶接されてその周囲を螺旋状に延在し、中間管３８内に嵌装される。外側流路を形成する外側分割条４４は中間管３８（第２の実施例の厚肉化された後部３９Ｂを含む）の外周面に溶接されてその周囲を螺旋状に延在し、外側ダクト管３９（その管の拡径後部３９Ｂを含む）内に嵌装される。

ダクト管３９の後端は、内側管３７および中間管３８の後端を受入れ、水入口４７および水出口５１を担持する管状ハウジング５２に連結される。ハウジング５２はガス入口構造、例えば第１の実施例の入口構造３２に連結する後部フランジ５３を備えている。フランジ５３はまたランスを容器に取付けるための取付けフランジ５４に連結される。第１の実施例において、フランジ５４は容器内でランスを垂直に配向して懸架し、全ての重量は外側管３９を通して受取られる。第２の実施例は、垂直に対して或る角度で配置される。中間管３８の後端はスライド・シール５５によりハウジング５２内で支持され、さまざまなランス部材の膨張差による管の相対的な長手方向の動きを可能にする。

水冷ダクト３１は内面に内側耐火ライナー５６を張付けられており、このライナーはダクトの内側管３７内に嵌めこまれてダクトの水冷先端部３６へ延在されている。環状ダクト先端部３６の内周面は、ダクトを通る有効なガス流路を形成する耐火ライナーの内面と概ね一致する。

第２の実施例で段差３９Ａと先端部３６との間に位置する外側管３９の前部の外周面５６′は、表面上にスラグが付着することを促進する手段として働くように粗面とされるか突起を備えており、スラグはその表面の過熱に対する保護層として作用する。

環状ダクト先端部３６は環状形をしており、環状内端部材６１と、環状外端部材６２と、内端部材および外端部材の間に配置される環状中央部材６３とを含む。外端部材６２は複数の半径方向に延在するリブを備えて、外端部材６２と中央部材６３との間の空間を個々の半径方向通路６４に分割しており、螺旋状の流入流路４５から螺旋状の流出路４６へ水が流れるときに先端部をまわるようにさせる。外端部材６２は、外端部材の円周方向に間隔を隔てられた一連の第１のリブ６５と、外端部材の円周方向に間隔を隔てられて一連の第１のリブ６５の間に位置された一連の第２のリブ６６とを含む。一連の第１のリブ６５は一連の第２のリブ６６よりも外端部材から大きく突出している。中央部材６３は一連の第１のリブ６５を受入れるために、一連の半径方向溝６７を備えており、低い一連の第２のリブは溝６７内に嵌合された高いリブ６５の間で先端部の中央部材６３に単に当接しているだけである。高いリブ６５の外端部は位置６８において中央部材６３に溶接されて、外端部材６２および中央部材６３を、それらの間の空間を個々の水流路６４に再分割するリブ６５，６６によって互いにしっかりと固定するようになされる。先端部の内端部材６１と中央部材６３との間の空間６９は分割されず、したがって流入路４５から個々の先端部通路６４へ至る単一の内方へ向けられた環状流路を形成しており、通路６４は半径方向外方へ延在し、先端部の外端部材を回って流出流路４６へ向かって逆方向に延在している。リブ６５，６６で個々の水流路６４に分割された外端部材６２と中央部材６３との間の空間は、通路に沿って半径方向外方へ向かって狭くなり、これにより通路６４は半径方向外方へ向かって有効断面積が減少し、先端部を流れるときに冷却水を加速させるようになされている。

先端部の内端、外端および中央部材６１，６２，６３は互いに溶接されており、また、全てが高純度の銅で作られて、先端部を通しての有効かつ均等な伝熱を促進するとともに、先端部を通る個々の水流路の形状寸法に影響を及ぼしてしまう熱膨張差による部材間のどのような動きも防止するようになされている。

本発明の図示実施例はガス噴射ランスであるが、環状ダクト先端部は固体投入ランス、例えば国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ２００５／００１６０３に概略開示されたランスに使用することもできることは認識されるであろう。したがって、本発明は図示実施例の構造細部に限定されることはないこと、および、多くの変形例が範囲内で可能なことが理解されねばならない。

例として、ランスのこれらの実施例は高温空気噴射ランスとして記載されたが、本発明はそれに限定されず、何れか適当なガスの噴射および粒状材料の噴射にまで拡張される。例えば、噴射される粒状材料は鉄鉱石微粉末および／または炭素質材料を含むことができる。

本発明により構成された高温空気噴射ランスの一実施例を包含する直接冶金容器の垂直断面図。 高温空気噴射ランスの長手方向断面図。 ランスの他の実施例の前部の側面図。 図３に示されたランスの前部の端面図。 図３に示されたランスの前部の長手方向断面図。 図５のランスの前部の、ランス先端部の構造を示す拡大図であり、図２に示されたランスのランス先端部は同じ構造を有する。 図６の線７−７に沿う断面図。 ランスの環状先端部の内端部材を示す。 図８の線９−９に沿う断面図。 ランス先端部の外端部材を示す。 図１０に示された部材の内面の斜視図。 図１０に示された部材の概略図。 図１０の線１３−１３に沿う断面図。 図１０の線１４−１４に沿う断面図。 図１０の線１５−１５に沿う断面図。 環状ダクト先端部の中央部材を示す 図１６に示された先端部材の側面図。 図１６の線１８−１８に沿う断面図。

Claims (15)

1. 冶金プロセスを実行するために、粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置において、
   該装置が、
   前記材料を吹き込むためのダクトと、
   前記ダクトの壁中に延在し、それぞれ、前記ダクトの後端から前端に向かう流入冷却水用、および、前記ダクトの前端から後端に向かう流出冷却水用の、内側および外側流水路と、
   前記ダクトの前端に配設され、前記内側および外側流水路の間の水流連結を行う環状ダクト先端部とを含み、
   前記内側および外側の冷却水流路は、前記ダクト先端部から前記ダクトの後端に向かう流出水が前記ダクトの後端から前記ダクト先端部に向かう流入水よりも長い流路を通過しなければならないように構成されている、粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置。
2. 材料を吹き込むための前記ダクトが、前記ダクトの前端からガス流を排出するためのガス流ダクトである請求項１に記載された粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置。
3. 前記内側および外側流水路は、流出水用の全有効横断面積よりも大きな、流入冷却水用の全有効横断面積を有する構成になされている請求項１または請求項２に記載された粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置。
4. 前記外側流水路が、前記ダクトに沿って螺旋状に延在している請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置。
5. 前記外側流水路が、前記ダクトの周囲を連続して延在する多始点螺旋配列形態で延在している請求項４に記載された粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置。
6. 前記内側流水路が、螺旋状に延在する前記外側流水路よりも大きなピッチの螺旋路として延在し、もって、前記流出水用流水路よりも前記流入水用流水路の流路が短くなされている請求項４または請求項５に記載された粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置。
7. いずれも、ダクトの周囲を連続して延在する多始点螺旋配列として構成された同数の内側および外側流水路が存在する請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置。
8. ４つの内側流水路と、前記環状ダクト先端部を経て前記内側流水路に接続された４つの外側流水路とが存在する請求項７に記載された粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置。
9. 材料を吹き込むための前記ダクトの壁が、同心状に間隔を置いて配置された内側、中間および外側管を含み、これらの管が内側および外側環状空間を形成し、さらに、これらの環状空間が内側および外側の流水路に再分割されている請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載された粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置。
10. 前記内側環状空間が、前記内側ダクト管の外周面に溶接されてその周囲を螺旋状に延在し、前記中間ダクト管内にぴったり嵌装された内側分割条によって、流入水用の前記内側流水路に再分割されている請求項９に記載された粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置。
11. 前記外側環状空間が、前記中間ダクト管の外周面に溶接されてその周囲を螺旋状に延在し、前記外側ダクト管内にぴったり嵌装された外側分割条によって、流出水用の前記外側流水路に再分割されている請求項９または請求項１０に記載された粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置。
12. 前記内側環状空間が、前記外側環状空間よりも半径方向の幅が大きく、また、前記内側分割条が、それに応じて前記外側分割条よりも半径方向の高さが大きくなされている請求項９から請求項１１までのいずれか一項に記載された粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置。
13. 材料を吹き込むための前記ダクトが耐火材料で内張りされている請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載された粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置。
14. 前記ダクトから排出されるガスに旋回流を与えるために、流れ方向を定める複数の羽根が前記ダクトの前端内に配設されている請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載された粒状および／またはガス状の材料を冶金容器内に吹き込むための装置。
15. 請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載された前記冶金容器内に材料を吹き込むための装置を装備する直接精錬容器。

Images