BR112014013142B1 - lanças resfriadas com fluido para injeção submersa de topo - Google Patents

Abstract

LANÇAS RESFRIADAS COM FLUIDO PARA INJEÇÃO SUBMERSA DE TOPO. A invenção refere-se a uma lança TSL que apresenta uma carcaça externa de três tubos de lança substancialmente concêntricos, pelo menos um tubo da lança adicional dentro da carcaça de forma concêntrica, e uma parede de extremidade anelar em uma extremidade de saída da lança que une as extremidades do tubo de lança mais externo e do tubo de lança mais interno da carcaça em uma extremidade de saída da lança e é espaçada de uma extremidade de saída do tubo da lança intermediário da carcaça. O fluido refrigerante pode ser circulado através da carcaça, por fluxo para e em afastamento da extremidade de saída. O espaçamento entre a parede de extremidade e a extremidade de saída do tubo intermediário provê uma constrição do fluxo de fluido refrigerante de maneira a aumentar a velocidade do fluxo de fluido refrigerante. O tubo da lança adicional define um orifício central e é espaçado do tubo da lança mais interno da carcaça de maneira a definir uma passagem anelar, pelo que os materiais que passam ao longo do orifício e da passagem são misturados adjacentes à extremidade de saída da lança. A parede (...).

Description

Campo da Invenção

[0001] Esta invenção refere-se a lanças de injeção submersa de topo para uso em operações pirometalúrgicas de banho em fusão.

Antecedentes da Invenção

[0002] Operações de fundição em banho em fusão ou outras operações pirometalúrgicas que requerem interações entre o banho e uma fonte de gás contendo oxigênio utilizam várias disposições diferentes para o suprimento de gás. Em geral, estas operações envolvem injeção direta no metal/residuo metálico fundido. Isto pode ser feito por meio de ventaneiras de sopro de fundo como em um tipo de forno Bessemer ou por ventaneiras de sopro lateral como em um tipo de conversor Peirce-Smith. Alternativamente, a injeção de gás pode ser por meio e uma lança para prover ou injeção se sopro de topo ou injeção submersa. Exemplos de injeção por lança de sopro de topo são as plantas de obtenção de aço KALDO e BOP nas quais oxigênio puro é soprado de cima do banho para produzir aço a partir de ferro fundido. Um outro exemplo é o processo de cobre de topo Mitsubishi, no qual as lanças de injeção provocam jatos contendo oxigênio, a injeção da lança de sopro é provida pelos estágios de fundição e conversão de residue metálico do gás tal como ar ou ar enriquecido com oxigênio, para colidir sobre e penetrar na superfície superior do banho, respectivamente, para produzir e converter residue metálico de cobre. No caso de injeção por lança submersa, a injeção ocorre dentro em vez de acima de uma camada de escória do banho, de maneira a prover a injeção por punção submersa de topo (TSL), um exemplo bem conhecido disto é a tecnologia Outotec Ausmelt TSL que é aplicada a uma ampla variedade de processamentos de metais.

[0003] Com ambas as formas de injeção de cima, isto é, tanto com o sopro de topo quanto com a injeção TSL, a lança é submetida às temperaturas elevadas que prevalecem no banho. 0 sopro de topo no processo de cobre Mitsubishi utiliza um número de lanças de aço relativamente pequenas que apresentam um tubo interno de cerca de 50 mm de diâmetro e um tubo externo de cerca de 100 mm de diâmetro. 0 tubo interno termina próximo ao nivel do teto do forno, bem acima da zona reacional. O tubo externo, que é rotativo para prevenir que fique preso a um colar resfriado a água no teto do forno, se estende para baixo no espaço de gás do forno para posicionar sua extremidade inferior cerca de 500-800 mm acima da superficie superior do banho em fusão. A alimentação particulada contida no ar é soprada através do tubo interno, enquanto que ar enriquecido com oxigênio é soprado através do anel entre os tubos. Apesar do espaçamento da extremidade inferior do tubo externo acima da superficie do banho, e qualquer resfriamento da lança que passam através da mesma, o tubo externo queima em cerca de 400 mm por dia. Desta forma, o tubo externo é reduzido lentamente e, quando requerido, novas seções são fixadas em cima do tubo externo consumivel.

[0004] As lanças para injeção TSL são muito maiores que aquelas para sopro de topo, tal como no processo Mitsubishi descrito acima. Uma lança TSL normalmente apresenta pelo menos um tubo interno e um externo, como assumido a seguir, mas apresenta pelo menos um outro tubo concêntrico com os tubos interno e externo. As lanças TSL de grande escala tipicas apresentam o tubo externo com diâmetro de 200 a 500 mm, ou mais. Também, a lança é muito mais longa e se estende para baixo através do teto de um reator TSL, que pode ser de cerca de 10 a 15 m de altura, de tal forma que a extremidade inferior do tubo externo é imersa a uma profundidade de cerca de 300 mm ou mais em uma fase de escória fundida do banho, mas é protegida por um revestimento de escória solidificada formado e mantido na superficie externa do tubo externo pela ação do resfriamento do fluxo de gás injetado. O tubo interno pode terminar a cerca do mesmo nivel do tubo externo, ou a um nivel mais alto de até cerca de 1000 mm acima da extremidade inferior do tubo externo. Desta forma, pode ocorrer da extremidade inferior apenas do tubo externo ficar submersa. Em qualquer caso, uma lâmina helicoidal ou outro dispositivo de formatação de fluxo pode ser montado na superficie externa do tubo interno para cobrir o espaço anelar entre o tubo interno e o tubo externo. AS lâminas produzem uma ação de turbilhonamento forte a uma corrente de ar ou corrente enriquecida com oxigênio ao longo deste anel e serve para aumentar o efeito de resfriamento, bem como assegurar que o gás seja bem misturado com o combustível e o material de alimentação supridos através do tubo interno com a mistura ocorrendo substancialmente em uma câmara de mistura definida pelo tubo externo, abaixo da extremidade inferior do tubo interno onde o tubo interno termina a uma distância suficiente acima da extremidade inferior do tubo externo.

[0005] 0 tubo externo da lança TSL se desgasta e queima em sua extremidade inferior, mas a uma taxa que é consideravelmente reduzida pelo revestimento protetor de escória solidificada do que seria o caso sem o revestimento. Entretanto, isto é controlado em um grau substancial pelo modo de operação com a tecnologia TSL. 0 modo de operação torna a tecnologia viável apesar da extremidade inferior da lança ficar submersa em um ambiente altamente reativo e corrosivo do banho de escória fundida. 0 tubo interno de um lança TSL pode ser utilizado para suprir materiais de alimentação, tal como concentrado, fluxos e redutores a serem injetados em uma camada de escória do banho, ou pode ser utilizado para combustível. Um gás contendo oxigênio, tal como ar ou ar enriquecido com oxigênio, é suprido através do anel entre os tubos. Antes da injeção submersa dentro da camada de escória do banho ser iniciada, a lança é posicionada com sua extremidade inferior, isto é, a extremidade inferior do tubo externo, espaçada a uma distância adequada acima da superfície da escória. Gás contendo oxigênio e combustível, tal como óleo combustível, carvão fino ou gás hidrocarboneto, são supridos à lança e uma mistura oxigênio/combustivel resultante é queimada para gerar um jato de chama que colide sobre a escória. Isto faz com que a escória seja salpicada para formar, no tubo da lança externo, a camada de escória que é solidificada pela corrente de gás que passa através da lança para prover o revestimento de escória sólida mencionado acima. A lança então é capaz de ser abaixada para se obter a injeção dentro da escória, com a passagem em andamento do gás contendo oxigênio através da lança mantendo a extensão inferior da lança a uma temperatura na qual o revestimento de escória solidificada é mantido e protege o tubo externo.

[0006] Com uma nova lança TSL, as posições relativas das extremidades inferiores dos tubos externo e interno, isto é, a distância da extremidade inferior do tubo interno é estabelecida de volta, se for o caso, da extremidade inferior do tubo externo, para um comprimento ótimo para uma janela de operação pirometalúrgica particular determinada durante o projeto. 0 comprimento ótimo pode ser diferente para usos diferentes da tecnologia TSL. Desta forma, em uma operação de batelada em dois estágios para conversão de residue metálico de cobre com transferência de oxigênio através da escória para o residuo metálico, uma operação de estágio único continuo para a conversão de residuo metálico de cobre a cobre blister (cobre impuro), um processo para a redução de uma escória contendo chumbo, ou um processo para a fundição de um material de alimentação de óxido de ferro para a produção de ferro gusa, todos apresentam diferentes comprimentos de câmara de mistura ótimos. Entretanto, em cada caso, o comprimento da câmara de mistura progressivamente cai para abaixo do ótimo para a operação pirometalúrgica, conforme a extremidade inferior do tubo externo se desgaste e queima lentamente. Similarmente, se há um deslocamento zero entre as extremidades dos tubos externo e interno, a extremidade inferior do tubo interno pode ficar exposta à escória, também sendo desgastada e submetida à queima. Desta forma, a intervalos, a extremidade inferior pelo menos do tubo externo necessita ser cortada para prover uma borda limpa à qual é soldado um comprimento do tubo de diâmetro apropriado, de maneira a restabelecer as posições relativas ótimas das extremidades inferiores do tubo de maneira a otimizar as condições de fundição.

[0007] A taxa na qual a extremidade inferior do tubo externo é desgastada e queima varia com a operação pirometalúrgica em banho em fusão sendo conduzida. Os fatores que determinam esta taxa incluem a taxa de processamento de alimentação, temperatura de operação, fluidez e quimica do banho, taxas de fluxo na lança, etc. Em alguns casos a taxa de desgaste por corrosão e queima é relativamente alta e pode ser tal que na pior das hipóteses várias horas de operação podem ser perdidas em um dia devido à necessidade de interromper o processamento para remover uma lança gasta da operação e a substituir por uma outra, enquanto a lança gasta tirada de serviço é reparada. Tais interrupções ocorrem várias vezes em um dia com cada interrupção sendo adicionada ao tempo de não processamento. Embora a tecnologia TSL oferece benefícios significativos, incluindo economia de custo, em relação a outras tecnologias, qualquer tempo de operação perdido para a substituição de lanças porta uma penalidade em termos de custo significativa.

[0008] Tanto com o sopro de topo quanto lanças TSL, houve propostas para o resfriamento por fluido para proteger a lança das altas temperaturas encontradas em processos pirometalúrgicos. Exemplos de lanças resfriadas com fluido para sopro de topo são descritos nas patentes US: 3223398 de Bertram et al, 3269829 de Belkin, 3321139 de De Saint Martin, 3338570 de Zimmer, 3411716 de Stephan et al, 3488044 de Shepherd, 3730505 de Ramacciotti et al, 3802681 de Pfeifer, 3828850 de McMinn et al, 3876190 de Johnstone et al, 3889933 de Jaquay, 4097030 de Desaar, 4396182 de Schaffar et al, 4541617 de Okane et al;e 6565800 de Dunne.

[0009] Todas estas referências, com exceção da 3223398 de Bertram et ale 3269829 de Belkin, utilizam tubos mais externos concêntricos dispostos para permitir fluxo de fluido para a ponta de saida da lança ao longo de uma passagem de suprimento e de volta da ponta ao longo de uma passagem de retorno, embora Bertram et al utilizem uma variante na qual tal fluxo é limitado a uma parte em bocal da lança. Embora Belkin proveja água de resfriamento, esta passa através de saidas ao longo do comprimento de um tubo interno para misturar com oxigênio suprido ao longo de uma passagem anelar entre o tubo interno e o tubo externo, de maneira a ser injetada como vapor com o oxigênio. O aquecimento e evaporação da água provêm o resfriamento da lança de Belkin, enquanto que a corrente gerada e injetada é dita retornar calor para o banho.

[0010] As patentes US 3521872 de Themelis, 4023676 de Bennett et al e 4326701 de Hayden, Jr. et alpretendem descrever lanças para injeção submersa. A proposição de Themelis é similar à da patente US 3269829 de Belkin. Ambas utilizam uma lança resfriada pela adição de água ao fluxo de gás e se baseiam na evaporação na corrente injetada, uma disposição que não é a mesma que o resfriamento da lança com água pela transferência de calor em um sistema fechado. Entretanto, a disposição de Themelis não apresenta um tubo interno e o gás e a água são supridos ao longo de um tubo único no qual a água é vaporizada. A proposta de Bennett et al, embora se refira a uma lança, é mais voltada para uma ventaneira pelo fato de injetar, por baixo da superficie do metal ferroso fundido, através da parede periférica de um forno no qual o metal fundido está contido. Na proposta de Bennett et al, tubos concêntricos para injeção se estendem dentro de uma luva cerâmica enquanto água de resfriamento é circulada através dos tubos contida na cerâmica. No caso de Hayden, Jr. et al, é feita provisão de um fluido de resfriamento apenas na extensão superior da lança, enquanto que a extensão inferior da extremidade de saida submergivel compreende um único tubo incorporado em um cimento refratário.

[0011] As limitações das propostas do estado da técnica são destacadas por Themelis. A discussão é em relação ao refino de cobre por injeção de oxigênio. Embora o cobre apresente um ponto de fusão de cerca de 1085°C, é apontado por Themelis que o refino é conduzido a uma temperatura superaquecida de cerca de 1140°C a 1195°C. A tais temperaturas as lanças dos melhores aços inoxidáveis ou ligas de aço apresentam pouca resistência. Desta forma, mesmo lanças de sopro de topo tipicamente utilizam fluido de resfriamento circulado ou, no caso das lanças submersas de Bennett e Hayden, Jr, et al, um revestimento refratário ou cerâmico. 0 avanço da patente US 3269829 de Belkin, e o aperfeiçoamento em relação a Belkin provido por Themelis, é utilizar o resfriamento potente capaz de ser alcançado pela evaporação de água misturada dentro do gás injetado. Em cada caso, a evaporação deve ser obtida dentro, e para resfriar, a lança. 0 aperfeiçoamento de Themelis em relação a Belkin está na atomização da água refrigerante antes de seu suprimento à lança, evitando os riscos de falha estrutural da lança de uma explosão causada pela injeção de água liguida dentro do metal fundido.

[0012] A patente US 6565800 de Dunne descreve uma lança de injeção de sólidos para a injeção de material particulado sólido em material fundido, utilizando um veiculo não reativo. Isto é, a lança é simplesmente para uso no transporte de material particulado no fundido, em vez de como um dispositivo que possibilita a mistura de materiais e combustão. A lança apresenta um tubo núcleo central através do qual o material particulado é soprado e, em contato térmico direto com a superficie externa do tubo núcleo, uma jaqueta de parede dupla através da qual refrigerante tal como água é capaz de ser circulado. A jaqueta se estende ao longo de uma parte do comprimento do tubo núcleo para deixar um comprimento projetado do tubo núcleo na extremidade de salda da lança. A lança apresenta um comprimento de pelo menos 1,5 metros e dos desenhos realistas, é aparente que o diâmetro externo da jaqueta é da ordem de cerca de 12 cm, com o diâmetro interno do tubo núcleo da ordem de cerca de 4 cm. A jaqueta compreende comprimentos sucessivos soldados entre si, com os comprimentos principais de aço e a seção de extremidade mais próxima da extremidade de saida da lança sendo de cobre ou de liga de cobre. A extremidade de saida em projeção do tubo interno é de aço inoxidável que, de maneira a facilitar a substituição, é conectado ao comprimento principal do tubo interno por um acoplamento em rosca.

[0013] A lança da patente US 6565800 de Dunne é dita ser adequada para uso no processo HIsmelt para a produção de metal ferroso fundido, com a lança possibilitando a injeção de material de alimentação de óxido de ferro e redutor carbonáceo. Neste contexto, a lança é exposta a condições hostis, incluindo temperaturas de operação da ordem de 1400°C. Entretanto, como indicado acima com referência a Themelis, o cobre apresenta um ponto de fusão de cerca de 1085°C e mesmo a temperaturas de cerca de 1140°C a 1195°C, aços inoxidáveis apresentam resistência muito baxa. Talvez a proposta de Dunne seja adequada para uso no contexto do processo HIsmelt, tendo em vista a alta proporção de cerca de 8:1 na seção transversal da jaqueta de resfriamento para a seção transversal no tubo núcleo, a as seções transversais globais pequenas envolvidas. A lança de Dunne não é uma lança TSL, nem é adequada para uso na tecnologia TSL.

[0014] Exemplos de lanças para uso em processos pirometalúrgicos baseadas na tecnologia TSL são providas pelas patentes US 4251271 e 5251879, ambas de Floyd e na patente US 5308043 de Floyd et al. Tal como detalhado acima, a escória inicialmente é borrifada pela utilização da lança para sopro de topo sobre uma camada de escória fundida para se obter um revestimento protetor de escória sobre a lança a qual é solidificada por gás soprado de topo a alta velocidade que gera o borrifo. O revestimento de escória sólida é mantido apesar da lança então ser abaixada para submergir a extremidade da saida inferior na camada de escória de maneira a possibilitar a injeção por punção submersa de topo requerida dentro da escória. As lanças das patentes US 4251271 e 5251879, ambas de Floyd, operam desta maneira com o resfriamento para manter a camada de escória sólida apenas por gás injetado no caso da patente US 4251271 e por este gás mais gás soprado através de um tubo de proteção ("shroud tube") no caso da patente US 5251879. Entretanto, com o resfriamento da patente US 5308043 de Floyd et al, adicional ao provido pelo gás injetado e gás soprado através de um tubo de proteção, provido por fluido de resfriamento circulado através de passagens anelares definidas pelos três tubos externos da lança. Isto é tornado possivel pelo provimento de uma ponta anelar de liga de aço sólido que, na extremidade de saída da lança, une o mais externo e o mais interno dos três tubos em torno da circunferência da lança. A ponta anelar é resfriada por gás injetado e também por fluido refrigerante que flui através de uma face de extremidade superior da ponta. A forma sólida de ponta anelar, e sua manufatura a partir de liga de aço, resultam no fato da ponta apresentar um bom nível de resistência ao desgaste e à queima. A disposição é tal que um tempo ode vida operacional prático é possivel de ser alcançado com a lança antes de ser necessário substituir a ponta de maneira a salvaguardar contra um risco de falha da lança possibilitando que fluido refrigerante seja descarregado dentro do banho em fusão.

[0015] A presente invenção refere-se a uma lança de injeção submersa de topo resfriada com fluido aperfeiçoada para uso em operações TSL. A lança da presente invenção provê uma escolha alternativa para a lança da patente US 5308043 de Floyd et al, no entanto, pelo menos nas formas preferidas, pode prover benefícios em relação à lança desta patente.

Sumário da Invenção

[0016] A presente invenção provê lança de injeção submergível de topo operável para uso em um uma injeção por punção submersa de topo, dentro de uma camada de escória de um banho de fusão, em um processo pirometalúrgico, onde a lança apresenta uma carcaça externa de três tubos de lança substancialmente concêntricos compreendendo um tubo mais externo, um tubo mais interno e um tubo intermediário, a lança incluindo pelo menos um tubo da lança adicional disposto substancialmente concêntrico dentro da carcaça, a carcaça incluindo adicionalmente uma parede anelar de extremidade em uma extremidade de saída da lança que une uma respectiva extremidade dos tubos de lança mais externo e mais interno da carcaça, em uma extremidade de saída da lança e é espaçada de uma extremidade de saída do tubo de lança intermediário da carcaça; onde, no local remoto da extremidade de saída, tal como adjacente a uma extremidade superior ou de saida, a lança apresenta uma estrutura pela qual pode ser suspensa de forma a se manter para baixo verticalmente, e a carcaça é adaptada de tal forma que fluido refrigerante é capaz de ser circulado através da carcaça, pelo fluxo entre o tubo da lança intermediário e um dos tubos de lança mais interno e mais externo para a extremidade de saida e então de volta ao longo da lança, em afastamento da extremidade de saida, pelo fluxo entre o tubo da lança intermediário e o outro dos tubos de lança mais interno e mais externo, o espaçamento entre a parede de extremidade e a extremidade de saida do tubo intermediário provê uma construção para o fluxo de fluido refrigerante operável no sentido a causar um aumento na velocidade do fluxo de fluido refrigerante entre a parede de extremidade e a extremidade de saida do tubo intermediário; onde o pelo menos um tubo da lança adicional de3fine um orificio central e apresenta uma extremidade de saida espaçada da extremidade de saida da carcaça externa, pelo que uma câmara de mistura é definida pela carcaça externa entre as extremidades externas da carcaça externa a o pelo menos um tubo adicional, e o pelo menos um tubo da lança adicional é espaçado do tubo de lança mais interno da carcaça, de maneira a definir entre eles uma passagem anelar, pelo que material combustivel que passa ao longo do orificio e o gás contendo oxigênio que passa ao longo da passagem anelar são capazes de formar uma mistura combustivel na câmara de mistura e é adjacente à extremidade de saida da lança para a combustão da mistura ao ser injetada na camada de escória.

[0017] The lança TSL da invenção necessariamente apresenta grandes dimensões. Também, em um local remoto da extremidade de saida, tal como adjacente a uma extremidade superior ou de saida, a lança apresenta uma estrutura pela qual é capaz de ser suspensa de forma a se manter verticalmente para baixo dentro de um reator TSL. A lança apresenta um comprimento minimo de cerca de 7,5 metros, tal como um reator TSL de propósito especial pequeno. A lança pode apresentar até cerca de 25 metros de comprimento, ou mesmo ser maior, para um reator TSL de propósito especial grande. Mais usualmente, a lança varia de cerca de 10 a 20 metros de comprimento. Estas dimensões referem-se ao comprimento total da lança até a extremidade de saida definida pela parede de extremidade da carcaça. O pelo menos um tubo da lança adicional pode se estender para a extremidade de saida e, desta forma, ser de comprimento total similar ao da lança até a extremidade de saida definida pela parede de extremidade da carcaça. O pelo menos um tubo da lança adicional pode se estender para a extremidade de saida e, desta forma, ser de comprimento total similar. Entretanto, o pelo menos um tubo da lança adicional pode finalizar a uma distância curta, dentro da extremidade de saida, por exemplo, até cerca de 1000 mm. A lança tipicamente apresenta um diâmetro grande, tal como estabelecido por um diâmetro interno da carcaça de cerca de 100 a 650 mm, preferivelmente cerca de 200 a 6500 mm, e um diâmetro global de 150 a 700 mm, preferivelmente cerca de 250 a 550 mm.

[0018] A parede de extremidade é espaçada da extremidade de saida do tubo da lança intermediário da carcaça. Entretanto, o espaçamento entre esta extremidade de saida e a parede de extremidade é tal que provê uma constrição do fluxo do fluido refrigerante o que provoca um aumento da velocidade do fluxo de fluido refrigerante através e entre a parede de extremidade e a extremidade de saida do tubo da lança intermediário. A disposição pode ser tal que o fluxo de fluido refrigerante através da parede de extremidade é na forma de um filme ou corrente relativamente delgada, com o filme ou corrente preferivelmente operável para suprimir turbulência no fluido refrigerante. De maneira a aumentar tal fluxo, a extremidade do tubo da lança intermediário da carcaça pode ser adequadamente formatado. Desta forma, em uma disposição, a extremidade do tubo da lança intermediário pode definir uma conta periférica que apresenta uma superficie radialmente curva convexa que é voltada na direção da parede de extremidade. Com tal conta, a parede de extremidade pode ser de forma côncava complementar. Por exemplo, em seções transversais basilares, a conta pode ser de forma bulbosa ou de focinho de touro, ou pode ser na forma de lágrima, ou forma arredondada similar, enquanto que a parede de extremidade pode apresentar uma forma côncava hemi-toroidal. Com tais formas convexas e côncavas opostas, a constrição entre a extremidade de saida do tubo da lança intermediário e a parede de extremidade é capaz de ser uma extensão substancial radial da lança (isto é, em planos contendo o eixo longitudinal da lança). Isto possibilita uma proporção aumentada da superficie para o contato de superficie entre o fluido refrigerante e cada uma entre a conta e a parede de extremidade, por unidade de fluxo de massa do fluido refrigerante, em relação ao fluxo de fluido refrigerante ao longo da lança até a constrição, e, desta forma, provê uma extração de energia térmica aumentada a partir da extremidade de saida da lança.

[0019] Em uma disposição, a conta na extremidade de saida do tubo da lança intermediário é no formato de lágrima, ou substancialmente circular, nas seções transversais (isto é, em planos contendo o eixo longitudinal da lança). Em tais casos, a forma côncava hemi-toroidal da parede de extremidade, pela qual a parede de extremidade é de forma complementar à da conta, pode ser substancialmente semicircular nas seções transversais nestes planos. Como consequência, a conta e a parede de extremidade podem ser proximamente adjacentes de maneira a prover uma constrição na rota do fluxo de fluido refrigerante que é capaz de se estender por um ângulo de cerca de 180°, tal como de 90° a 180°, através do qual a rota do fluxo de fluido refrigerante é alterada de fluxo na direção da extremidade de saida da lança para fluxo em afastamento da extremidade de saida. Inevitavelmente o fluxo é alterado por um ângulo de cerca de 180° simplesmente devido a uma reversão na direção. Entretanto, diferentemente de uma disposição na qual o tubo da lança intermediário não provê uma constrição de fluxo, o provimento da constrição restringe o fluxo para um filme ou corrente relativamente delgada que varre de forma arqueada da superfície externa do tubo da lança mais interno da carcaça para a superfície interna do tubo da lança mais externo da carcaça.

[0020] A constrição pode continuar a partir da conta, entre a superfície externa do tubo da lança intermediário e a superficie interna do tubo da lança mais externo. A constrição pode se estender por pelo menos o comprimento axial da montagem substituível da ponta da lança, e resulta no fato do tubo da lança intermediário ser de espessura aumentada por tal comprimento axial em relação à espessura dos tubos de lança mais interno e mais externo. Em tal caso, constrição entre os tubos de lança intermediário e mais externo pode ser circunferencialmente continua, ou pode ser descontinua. No último caso, a superficie externa do tubo da lança intermediário pode definir nervuras que se estendem da extremidade de saida. As nervuras podem se apoiar contra a superficie interna do tubo da lança mais externo, com a possibilidade de ocorrer fluxo restringido entre nervuras sucessivas. Alternativamente, as nervuras podem ser ligeiramente espaçadas da superficie interna do tubo da lança mais externo, com a possibilidade de ocorrer fluxo restringido entre as nervuras e o tubo da lança mais externo, e possibilidade de ocorrer fluxo não restringido ou menos restringido entre nervuras sucessivas. As nervuras podem se estender paralelas ao eixo da lança ou de forma helicoidal em torno deste eixo.

[0021] A formatação da extremidade de saida do tubo da lança intermediário, de maneira a prover uma constrição adequada no fluxo de fluido refrigerante, pode ser menos pronunciada de tal forma que resulte do provimento de uma conta. Por pelo menos o comprimento axial da montagem substituível da ponta da lança, o tubo da lança intermediário pode ser de espessura aumentada em relação aos tubos de lança mais interno e mais externo, tal como arredondamento da extremidade do tubo da lança intermediário na extremidade de saida, em torno da superficie externa do comprimento espessado. A constrição pode se estender através da borda do tubo da lança intermediário para a superficie externa do comprimento espessado. Esta superficie externa pode ser circunferencialmente continua ou circunferencialmente descontinua tal como pelo provimento de nervuras paralelas ao eixo da lança ou se estendendo de forma helicoidal em torno deste eixo, como detalhado acima. Desta forma, a constrição é capaz de se estender por um ângulo de pelo menos 90°, com a curvatura da parede de extremidade capaz de auxiliar pelo fato deste ângulo ser maios que 90°, tal como de até cerca de 120°.

[0022] Em um segundo aspecto, a lança da presente invenção apresenta uma proteção através da qual se estende a lança. A proteção apresenta três substancialmente concêntricos tubos de proteção dos quais um tubo de proteção mais interno apresenta um diâmetro interno que é maior que um tubo da lança mais externo da lança TSL. Em uma extremidade de saida da proteção, encontra-se uma parede de extremidade anelar que une a respectiva extremidade de saida dos tubos de proteção mais externo e mais interno e é espaçada da extremidade de saida dos tubos intermediários de proteção. A disposição é tal que fluido refrigerante é capaz de ser circulado através da proteção, tal como ao longo da proteção para a extremidade de saida por fluxo entre os tubos de proteção mais internos e os tubos intermediários de proteção e então de volta ao longo da proteção, em afastamento da extremidade de saida, por fluxo entre os tubos de proteção intermediário e mais externo, ou a reversão desta disposição de fluxo. A parede de extremidade, e uma menor parte adjacente do comprimento de cada um destes três tubos de proteção, pode compreender uma proteção substituível. Desta forma, uma montagem de proteção de ponta contra queima ou desgaste pode ser cortada da parte maior do comprimento de cada um dos três tubos de proteção de maneira a possibilitar uma nova ou reparada montagem de proteção de ponta a ser soldada no local.

[0023] A parede de extremidade é espaçada da extremidade de saida do tubo intermediário de proteção. Entretanto, o espaçamento entre esta extremidade de saida e a parede de extremidade é tal que provê uma constrição ao fluxo do fluido refrigerante que causa um aumento na velocidade do fluxo de fluido refrigerante através e entre a parede de extremidade e a extremidade de saida do tubo intermediário de proteção. A disposição pode ser tal que o fluxo de fluido refrigerante através da parede de extremidade é na forma de um filme ou corrente relativamente delgada, co o filme ou corrente preferivelmente operável para suprimir turbulência no fluido refrigerante. De maneira a aumentar tal fluxo, a extremidade do tubo intermediário de proteção pode ser adequadamente formatada. Desta forma, em uma disposição, a extremidade do tubo intermediário de proteção pode definir uma conta que apresenta uma superfície radialmente curva convexa que é voltada na direção da parede de extremidade. Com tal conta, a parede de extremidade pode ser de uma forma côncava complementar. Por exemplo, a conta pode ser na forma de lágrima, enquanto que a parede de extremidade pode apresentar uma forma côncava hemi-toroidal. Com tais formas convexa e côncava opostas, a constrição entre a extremidade de saida do tubo intermediário de proteção e a parede de extremidade é capaz de ser uma extensão substancial radial da proteção (isto é, em planos contendo o eixo longitudinal da proteção). Isto possibilita uma proporção aumentada da superficie para a o contato de superficie entre o fluido refrigerante e cada uma entre a conta e a parede de extremidade, por unidade de fluxo de massa do fluido refrigerante, em relação ao fluido refrigerante ao longo da proteção até a constrição, e, desta forma, provê uma extração de energia térmica aumentada a partir da extremidade de saida da proteção.

[0024] Em uma disposição, a conta na extremidade de saida do tubo intermediário de proteção é na forma de lágrima, ou substancialmente circular, em seções transversais (isto é, em planos contendo o eixo longitudinal da proteção). Em tais casos, a forma côncava hemi-toroidal da parede de extremidade, pela qual a parede de extremidade é de forma complementar à da conta, pode ser substancialmente semicircular em seções transversais nestes planos. Como consequência, a conta e a parede de extremidade podem ser proximamente adjacentes de maneira a prover uma constrição na rota do fluxo de fluido refrigerante que pode se estender por um ângulo de até cerca de 180°, tal como de 90° a 180', através do qual a rota do fluxo de fluido refrigerante é alterada de fluxo na direção da extremidade de saida da proteção para fluxo em afastamento da extremidade de saida. Diferentemente de uma disposição na qual o tubo intermediário de proteção não provê uma constrição de fluxo, o provimento da constrição restringe o fluxo a um filme ou corrente relativamente delgada que varre de forma arqueada da superficie externa do tubo de proteção mais interno para a superficie interna do tubo de proteção mais externo.

[0025] Em paralelo com a lança da presente invenção, a constrição pode continuar a partir da conta, entre a superficie externa do tubo intermediário de proteção e a superficie interna do tubo de proteção mais externo. A constrição pode se estender por pelo menos o comprimento axial da montagem de proteção substituível da ponta, e resultar no fato do tubo intermediário de proteção ser de espessura aumentada por tal comprimento axial em relação à espessura dos tubos de proteção mais interno e mais externo. Em tal caso a constrição entre os tubos de proteção intermediário e mais externo pode ser circunferencialmente continua, ou pode ser descontinua. No último caso, a superficie externa do tubo intermediário de proteção pode definir nervuras que se estendem em afastamento da extremidade de saida. As nervuras podem se apoiar contra a superficie interna do tubo de proteção mais externo, com a possibilidade de ocorrer fluxo restringido entre nervuras sucessivas. Alternativamente, as nervuras podem ser ligeiramente espaçadas da superficie interna do tubo de proteção mais externo, com a possibilidade de ocorrer fluxo restringido entre as nervuras e o tubo de proteção mais externo, e a possibilidade de ocorrer fluxo não restringido ou menos restringido entre nervuras sucessivas. As nervuras podem se estender em paralelo ao eixo da proteção ou de forma helicoidal em torno deste eixo.

[0026] A formatação da extremidade de saida do tubo intermediário de proteção, para prover uma constrição adequada no fluxo de fluido refrigerante, pode ser menos pronunciada que resulta do provimento de uma conta. Por pelo menos o comprimento axial da montagem substituível do tubo de proteção da ponta mais externo, o tubo intermediário de proteção pode ser de espessura aumentada em relação aos tubos de proteção mais interno e mais externo, tal como detalhado acima. A formatação pode compreender um arredondamento da extremidade do tubo intermediário de proteção na extremidade de saida, em torno da superfície externa do comprimento espessado. A constrição pode se estender através da borda do tubo intermediário de proteção para a superfície externa do comprimento espessado. Esta superfície externa pode ser circunferencialmente continua ou circunferencialmente descontinua tal como pelo provimento de nervuras paralelas ao eixo de proteção ou se estendendo de forma helicoidal em torno deste eixo, como detalhado acima. Desta forma, a constrição pode se estender por um ângulo de pelo menos 90°, com a curvatura da parede de extremidade sendo capaz de auxiliar no fato deste ângulo ser maior que 90°, tal como até cerca de 120°.

[0027] Em um terceiro aspecto, a presente invenção provê uma lança de acordo com o primeiro aspecto, em combinação com uma proteção de acordo com o segundo aspecto, com a lança e proteção estando em uma montagem na qual a lança se estende através da proteção de maneira a definir uma passagem anelar entre o mais externo dos três tubos de lança da carcaça da lança e o tubo de proteção mais interno, com a saida da proteção disposta intermediária às extremidades da lança e abertura na direção da extremidade de saida da lança.

[0028] Uma montagem de ponta de acordo com a presente invenção apresenta membros em luva interno e externo concêntricos que, em uma extremidade da montagem de ponta, são unidos pela parede de extremidade anelar. A montagem de ponta apresenta também um membro de luva intermediário compreendendo um defletor que é localizado entre os membros de luva interno e externo, adjacente à parede de extremidade. 0 defletor apresenta pelo menos uma parte de superficie que coopera com pelo menos parte de uma superficie oposta, da pelo menos uma parede de extremidade e os membros de luva interno e externo, para controlar a velocidade do fluxo do fluido refrigerante entre eles para se obter extração de energia térmica da montagem.

[0029] Os membros de luva interno e externo e a parede de extremidade pela qual são unidos podem ser formados integralmente para compreenderem um componente único da montagem de ponta. Para este propósito, podem ser formados a partir de uma peça única de um metal adequado, tal como um boleto. A montagem de ponta é requerida para facilitar o resfriamento, e os membros de luva interno e externo e a parede de extremidade destes preferivelmente são de um material adequado. Em muitos casos, materiais de alta condutividade térmica são apropriados, por exemplo, cobre ou uma liga de cobre.

[0030] O defletor pode ser também de um material de alta condutividade térmica, tal como cobre ou uma liga de cobre. Entretanto a condutividade térmica do defletor é menos importante, uma vez que, em uso, é contatado pelo refrigerante fluido substancialmente por toda sua área superficial. A temperatura do defletor, desta forma, não irá se elevar acima da do refrigerante fluido. Desta forma, o material do qual é feito o defletor pode ser escolhido por outras razões, tais como custo, resistência e facilidade de fabricação. 0 defletor pode, por exemplo, ser feito de um aço adequado, tal como um aço inoxidável. 0 defletor pode ser formado a partir de uma peça adequada do material, ou pode ser moldado e, se necessário, submetido a acabamento de superficie pelo menos nas áreas nas quais sua superficie deve cooperar para controlar a velocidade do fluxo de fluido refrigerante.

[0031] Na montagem de ponta, o defletor é mantido na posição requerida, em relação aos membros de luva interno e externo e à parede de extremidade, pelo fato de ser conectado em relação a estes membros e a parede. Para este propósito, o defletor pode ser fixado na parede de extremidade, um dos membros de luva interno e externo, ou em uma extensão anelar dos membros de luva. No que diz respeito à prática, é mais conveniente se prover a fixação em um membro de luva, ou em uma extensão de um membro de luva. Entretanto, em cada caso, a fixação preferivelmente é tal que permite que o fluxo de fluido entre o defletor e o membro, extensão ou parede na qual está fixada. Para este propósito, a fixação é provida em uma pluralidade de convenientemente a fixação é através de barbatana, bloco ou dispositivo de travamento em cada local em que é fixado, tal como por soldagem, ao defletor e ao membro, extensão ou parede ao qual o defletor é fixado. Entretanto, em uma disposição alternativa, com a montagem de ponta conectada como parte de uma lança, o defletor pode ser ajustável longitudinalmente de maneira a possibilitar variação no nivel no qual a constrição é capaz de reduzir a velocidade do fluxo de fluido refrigerante. Tal ajuste pode, por exemplo, ser possibilitado pelo fato do tubo intermediário da lança, ao qual o defletor é conectado, ser ajustável longitudinalmente em relação aos tubos mais internos e mais externos da lança.

[0032] Em uma disposição adequada, o defletor é fixado de tal forma que suas superficies periféricas externa e de extremidade são adjacentes à superfície periférica interna oposta do membro de luva externo e à superfície interna da parede de extremidade, respectivamente. Adicionalmente, com o defletor assim fixado, parte de sua superfície periférica interna adjacente à parte da superfície periférica externa oposta do membro de luva interno. As superficies opostas respectiva podem ser uniformemente separadas. A separação preferivelmente é menor que a separação entre parte da superfície periférica interna do defletor que é espaçada da superfície de extremidade e da superficie periférica externa do membro de luva interno. A disposição é tal que o fluido refrigerante é capaz de fluir através da montagem de ponta, passando entre o defletor e o membro de luva interno na direção da parede de extremidade, através da parede de extremidade e então entre o defletor espaçado da superficie de extremidade e do membro de luva externo em afastamento da parede de extremidade. Com tal fluxo, a velocidade do fluxo do fluido refrigerante que passa entre as superficies opostas adjacentes aumenta em relação ao fluxo através de um espaçamento mais amplo entre o defletor e o membro de luva interno. Entretanto, deve ser observado que o fluxo do fluido refrigerante pode ser na direção inversa à indicada, com a disposição entre o defletor e os membros de luva interno e externo também alterada correspondentemente.

[0033] A superficie periférica externa do defletor pode ser de seção transversal substancialmente uniforme circular onde é adjacente à superficie interna oposta do membro de luva externo. Da mesma forma pode haver uma passagem substancialmente uniforme de seção transversal anelar entre estas superficies adjacentes, desenhadas para se obter fluxo e velocidade adequados de maneira a se promover uma transferência de calor que garanta que a temperatura da superficie do material da ponta permaneça abaixo da temperatura na qual ocorre danos. Por exemplo, a separação entre estas superficies pode ser de cerca de 1 a 25 mm e mais precisamente de 1 a 10 mm, e isto irá variar de acordo com o fluido utilizado e da taxa de remoção de calor necessitada. Entretanto, em disposições alternativas, a superficie externa do defletor pode ser outra que não de seção transversal substancialmente circular.

[0034] Em uma primeira disposição alternativa, a superficie externa do defletor pode ser "cinturada", de tal forma que o espaçamento entre as superficies opostas aumenta em uma direção em afastamento da superficie de extremidade do defletor. Em alternativas adicionais, a superficie externa do defletor pode apresentar uma formação em nervura ou ranhura helicoidal de inicio único ou múltiplo que atua para gerar um fluxo helicoidal do fluido refrigerante. Em uma outra alternativa, a superficie externa do defletor pode apresentar nervuras e ranhuras alternadas que se estendem em uma direção em afastamento da superficie de extremidade do defletor.

[0035] A montagem de ponta pode ser provida apenas na extremidade de saida de uma lança. Alternativamente, com uma lança protegida, uma montagem de ponta pode definir a extremidade de descarga ou da lança ou de sua proteção ou de ambas.

[0036] Tanto a lança quanto a proteção são de forma alongada, com a carcaça da lança e a proteção sendo de construção similar. A proteção, de fato, apresenta um diâmetro maior, embora apresente também um comprimento menor, que o da carcaça da lança. Entretanto, tanto a proteção quanto a carcaça da lança apresentam três tubos concêntricos, compreendendo tubos externo e interno e um tubo intermediário. Também, tanto a proteção quanto a carcaça podem apresentar uma montagem de ponta provida em sua extremidade de descarga. Para facilidade da descrição adicional, os tubos concêntricos tanto da proteção quanto da carcaça da lança são referidos pelo termo "carcaça".

[0037] Onde uma montagem de ponta define a extremidade de descarga de uma carcaça (de uma proteção ou lança) , os tubos interno e externo da carcaça são unidos em relação extremidade-extremidade com os membros de luva interno e externo, respectivamente, da montagem de ponta. Também, o tubo intermediário da carcaça é acoplado ao defletor da montagem de ponta.

[0038] Como indicado acima, os membros de luva interno e externo e a parede de extremidade da montagem de ponta podem ser de um material de alta condutividade térmica, tal como cobre ou uma liga de cobre. Entretanto os tubos de uma carcaça não precisam apresentar tal condutividade térmica alta. Desta forma podem ser feitos de um material escolhido para atender outros critérios, tais como custo e/ou resistência. Em uma disposição conveniente, os tubos interno e intermediário são de aço inoxidável, tal como 316L, com o tubo externo de aço carbono. Com o tubo externo, a exposição a altas temperaturas e gases de processo em vez de ao fluido refrigerante, tal como água, é mais provável de ser determinante de sua vida útil efetiva, enquanto que a resistência à corrosão pelo fluido refrigerante é o fator relevante para os tubos interno e intermediário.

[0039] Os tubos interno e externo mais preferivelmente são unidos com os membros de luva interno e externo da montagem de ponta por soldagem. Cada tubo pode ser soldado diretamente no respectivo membro de luva. Entretanto, para pelo menos um tubo e o respectivo membro de luva, mas preferivelmente para cada tubo e seu membro de luva, cada tubo e membro de luva podem ser soldados a um tubo de extensão provido entre eles. Pelo menos, por exemplo, onde é provida uma solda entre um membro de cobre ou liga de cobre e um membro de aço, um material de aluminio bronze consumivel é utilizado preferivelmente na solda. A maneira na qual o tubo intermediário da carcaça e o defletor da montagem de ponta cooperam pode ser similar.

[0040] Tanto com a lança quanto com a proteção da presente invenção, a taxa de fluxo de massa do refrigerante pode ser menor que seria requerida sem a constrição. Desta forma, bombas de saida mais baixa são capazes de serem utilizadas para um dado fluido refrigerante. Uma taxa de fluxo de massa adequada irá variar com o liquido refrigerante escolhido. A taxa de fluxo de massa de fluido refrigerante para uma dada lança e dado fluido refrigerante é ajustada pela capacidade refrigerante requerida para um dado processo pirometalúrgico. Desta forma, a taxa de fluxo de massa pode variar substancialmente. Em uma forma preferida da invenção, o fluxo de fluido refrigerante é ligado à temperatura de saida do fluido refrigerante. A lança, por esta razão, pode ser provida com um sensor para monitorar esta temperatura. A disposição preferivelmente é tal que a energia utilizada para circular o fluido refrigerante é minimizada, com base na demanda de remoção de calor em determinado momento.

[0041] Com o uso de água como fluido refrigerante, a taxa de fluxo de massa pode ser na faixa de 500 a 2000 1/min para a lança e um fluxo similar para a proteção, dependendo tanto do fluido utilizado quanto da aplicação. Novamente, com água como fluido refrigerante, a constrição preferivelmente é tal que resulta em uma taxa de fluxo de fluido através da constrição que é mais alta que a taxa de fluxo a montante da constrição em um fator de cerca de 6 a Novamente, para água como fluido refrigerante, constrição para a proteção preferivelmente resulta em um aumento da taxa de fluxo da mesma ordem do para a lança.

Descrição Detalhada da Invenção

[0042] De maneira a que a invenção possa ser mais facilmente entendida, é feita agora referência aos desenhos anexos, nos quais:

[0043] Figura 1 - é uma representação esquemática de uma forma de uma lança de acordo com a presente invenção;

[0044] Figura 2 - é uma vista em seção da parte inferior de uma montagem protegida de lança de acordo com a presente invenção; e

[0045] Figuras 3 a 7 - mostram vistas em perpectiva de formas alternativas respectivas de formas alternativas para um componente da montagem protegida de lança da Figura 2.

[0046] A Figura 1 ilustra esquematicamente uma lança TSL (L) de acordo com uma realização da presente invenção. A lança (L) apresenta quatro tubos concêntricos (Pl) a (P4) dos quais os tubos (Pl) a (P3) formam uma parte principal de uma carcaça (S) que inclui também uma parede de extremidade anelar (W) . Na disposição ilustrada, a lança (L) possibilita a injeção submersa de topo dentro da camada de escória de um banho em fusão, para um processo pirometalúrgico requerido, pela injeção de combustível pelo orificio do tubo (P4) e injeção de ar e/ou oxigênio através da passagem anelar (A) entre os tubos (P3) e (P4). Como mostrado, o tubo (P4) termina acima da extremidade de saida inferior (E) da lança (L) , de maneira a prover uma câmara de mistura (M) na qual o combustível e air e/ou oxigênio são capazes de se misturar para a combustão do combustível. A proporção de combustível para oxigênio é controlada de maneira a se gerar as condições oxidantes, redutoras ou neutras requeridas na escória. Qualquer combustivel que não não foi consumido é injetado na escória para fazer parte das exigências redutoras quando forem necessárias condições redutoras.

[0047] A parede de extremidade (W) da carcaça (S) une as extremidades dos tubos (Pl) e (P3) em torno de toda a circunferência dos tubos (Pl) e (P3) na extremidade de saida (E) da lança (L) . Também, a extremidade inferior do tubo (P2) é espaçada da parede de extremidade (W) . Como mostrado, o fluido refrigerante é capaz de ser circulado através da carcaça (S). Na Figura 1, o fluido refrigerante é mostrado como sendo suprido pra baixo entre tubos (P2) e (P3) para fluir em torno da extremidade inferior do tubo (P2) e retornar para cima entre os tubos (Pl) e (P2) . Entretanto, o reverso deste fluxo pode ser utilizado se um nivel mais baixo de extração de energia térmica do (Pl), em particular, for apropriado.

[0048] Exceto na extremidade inferior (E) da lança (L) , a carcaça (S) apresenta seções transversais horizontais substancialmente constantes na normal em uso na orientação mostrada. Entretanto, na extremidade (E), a constrição (C) é provida pela forma da extremidade inferior do tubo (P2) e sua cooperação com o tubo (P3) e a parede de extremidade (W) . Como mostrado, a extremidade inferior do tubo (P2) apresenta uma conta aumentada (B) apresentando substancialmente a forma de um toro de forma a apresentar o formato de ua lágrima, ou substancialmente circular, nas seções transversais radiais (isto é, em planos contendo o eixo longitudinal X da lança (L)). Também, a superfície da parede de extremidade anelar (W) da carcaça (S) contada para a conta (B) é de forma côncava hemi-toroidal complementar e a conta (B) é posicionada de tal forma que sua superficie convexa inferior é adjacente, mas não em contato, com a superficie côncava da parede de extremidade (W) . A disposição é tal que a velocidade do fluxo do fluido refrigerante é substancialmente constante em fluxo descendente entre os tubos (P2) e (P3) até alcançar a superficie convexa superior da conta (B) , após o quê a velocidade do fluxo progressivamente aumenta. 0 aumento ocorre no fluxo em um ângulo de cerca de 90°, em torno da parte superior da conta (B) , até um máximo em torno da metade inferior da conta no fluxo entre a conta (B) e a parede de extremidade (W) . A velocidade de fluxo máxima é mantida no fluxo de fluido refrigerante em um ângulo de cerca de 180°, em torno da metade inferior da conta (B) . Posteriormente a velocidade do fluxo é reduzida conforme o fluido refrigerante passa sobre a metade superior da conta (B) até cair para um minimo no fluxo ascendente entre os tubos (Pl) e (P2) . A constrição (C) é definida principalmente pelo espaçamento entre a metade inferior da conta (B) e a parede de extremidade (W) , no entanto a constrição (C) se inicia com 90° de fluxo no tubo (P3) em torno da superficie superior da conta (B).

[0049] O aumento da velocidade do fluxo de fluido refrigerante na constrição (C) aumenta a proporção do contato superficie-superficie, entre o fluido refrigerante e a conta (B) e a parede de extremidade (W), por unidade de taxa de fluxo de massa do fluido refrigerante. Como consequência, a extração de energia térmica da extremidade de saida (E) da lança (L) é aumentada. Isto é particularmente benéfico na medida em que a queima e desgaste da extremidade inferior submersa da lança (L) tendem a ser mais altas e determinam o intervalo de tempo entre interrupções para o reparo da lança.

[0050] A vista em seção da Figura 2 mostra uma montagem protegida de lança (10) em uma orientação em uso. Como mostrado, a montagem (10) inclui uma pluralidade de membros tubulares concêntricos. Estes consistem em membros de uma proteção anelar (12), e membros de uma lança (14) que se estende através da proteção (12) de maneira a definir uma passagem anelar (16) entre si. A Figura 2 mostra apenas a parte inferior da montagem (10). Entretanto, como fica evidente na Figura 2, a lança (14) é mais longa que a proteção (12) e se projeta para além da proteção (12) na extremidade inferior da montagem (10). A extensão na qual a lança (14) se projeta para além da proteção (12) não fica evidente na Figura 2, devido ao fato de uma seção da lança (14) abaixo da proteção (12) ser omitida na orientação em uso mostrada.

[0051] Os membros tubulares da lança (14) incluem um tubo mais interno (18), e uma carcaça externa (20) em torno do tubo (18) que termina em uma montagem de ponta anelar (22) na extremidade inferior da carcaça (20) . O tubo (18) é mais curto que a lança (14) de forma a se estender e terminar na montagem de ponta anelar (22). 0 tubo (18) define uma passagem central (24). Também uma passagem anelar (26) é definida entre o tubo (18) e a carcaça (20). A disposição é tal que combustível carbonáceo e gás contendo oxigênio podem ser passados sob pressão ao longo das respectivas passagens (24) e (26), e misturados em uma câmara de mistura (27) na extremidade do tubo (18), dentro da montagem (22), para combustão do combustivel e geração de uma região de combustão se estendendo da câmara (27) e para além da montagem (22).

[0052] A carcaça (20) da lança (14) é formada por um tubo interno (28), um tubo externo (30) e um tubo intermediário (32), e uma parede de extremidade anelar (40) que une as extremidades dos tubos (28) e (30) em torno de toda a circunferência da montagem de ponta (22). Uma passagem anelar (42) é definida entre o tubo interno (28) e o tubo intermediário (32) da carcaça (20). Também, uma passagem anelar (44) é definida entre o tubo intermediário (32) e o tubo externo (30) da carcaça (20). As passagens (42) e (44) ficam em comunicação fluida devido ao espaçamento entre a parede de extremidade (40) e a extremidade adjacente do tubo intermediário (32). Desta forma, o fluido refrigerante pode ser passado ao longo da passagem (42), através da carcaça (20) e de sua montagem (22) e então de volta ao longo da passagem (44).

[0053] 0 tubo intermediário (32) da montagem de ponta (22) apresenta uma superficie externa cilindrica que é adjacente ao tubo externo (30). Assim, a passagem (44) é relativamente estreita em sua extensão radial, pelo menos dentro da montagem (22), mas preferivelmente também ao longo de toda a extensão da carcaça (20). Embora varie qom o diâmetro da lança, o espaçamento entre os tubos intermediário e externo (32) e (30) dentro da montagem (22), mas preferivelmente também ao longo de toda a extensão da carcaça (20) , pode ser de cerca de 5 mm a 10 mm, tal como cerca de 8 mm, e ligeiramente maior que uma distância curta acima da parede de fundo até a extremidade inferior do tubo intermediário (32). Em contraste, a passagem (42) é relativamente ampla, tal como entre 15 e 30 mm entre o tubo interno e o intermediário (28) e (32) da carcaça (20). Entretanto, a superficie periférica interna do tubo intermediário (32) dentro da montagem de ponta (22) é afunilada de forma frustro-cônica de forma a aumentar em espessura e reduzir no diâmetro interno em uma direção que se estende para a parede de extremidade (40). Como consequência, a extensão radial da passagem (42) progressivamente é reduzida dentro da montagem (22). A redução preferivelmente é em uma extensão radial da passagem (42) que é similar à da passagem (44). Também, o espaçamento entre a parede de extremidade (40) e a extremidade adjacente do tubo (38) é similar à extensão radial da passagem (44) . Desta forma, o fluido refrigerante suprido sob pressão ao longo da passagem (42) aumenta progressivamente sua velocidade em seu fluxo entre os tubos (28) e (32), e para fluir em uma velocidade alta através da parede de extremidade (40) e ao longo da passagem (44). Da mesma forma, o fluido refrigerante é capaz de alcançar um alto nivel de extração de energia térmica das superficies externas da lança (14), em sua carcaça (20) e montagem de ponta (22) e, assim, proteger contra o efeito as altas temperaturas às quais a lança é exposta em uso.

[0054] A extremidade da lança (14) que define a montagem de ponta (22) fica na região mais exposta ao desgaste e queima. A disposição é tal que as extremidades inferiores dos tubos (28, 30, 32) podem ser cortadas e uma montagem de ponta (22) de substituição pode ser instalada, tal como por soldagem. O comprimento do corte e substituição pode variar, tal como em relação à profundidade na qual a saida da lança (14) fica submersa.

[0055] 0 tubo intermediário (32) da lança (14) pode ser mantido em uma relação fixa com os tubos (28) e (30), e com a parede de extremidade (40) . Isto pode ser obtido por qualquer disposição conveniente. Uma relação fixa retém a rota do fluxo para o fluido de resfriamento ao longo da passagem (42) e então de volta ao longo da passagem (44) de tal forma que uma taxa requerida de extração de energia térmica pelo fluido refrigerante é possivel de ser mantida, se necessário variando-se a taxa de fornecimento de fluido refrigerante para a passagem (42). O estabelecimento e manutenção da relação fixa podem ser garantidos por umas poucas pequenas ondulações ou outra forma adequada espaçadas providas em locais em torno da superficie superior da parede (40) ou da face de extremidade do tubo (32). Tais espaçadores podem também auxiliar na prevenção do desenvolvimento injustificado de vibrações na lança (14) .

[0056] Com referência agora à proteção (12), deve ser observado que aparte dos respectivos diâmetros maiores dos tubos dos quais é formada e do comprimento da proteção (12), sua construção é a mesma da carcaça (20) e sua montagem de ponta (22). Portanto, os componentes da proteção (12) têm a mesma referência numérica utilizada para a carcaça (20) e sua montagem (22), acrescida de 100. Desta forma, não é necessária uma descrição adicional da proteção (12), além de se observar que apresenta uma carcaça (120) e uma montagem de ponta (122).

[0057] Com o uso da montagem de lança (10), a superfície externa da lança (14) até a proteção (12) é provida com um revestimento de escória solidificada, tal como descrito acima, embora tal revestimento possa ser também formado na extensão externa da superfície externa da proteção (12). Após o quê, a extremidade inferior da lança (14) é submergida a uma profundidade requerida em um banho de escória a partir do qual o revestimento é formado, mas com a extensão inferior da proteção (12) espaçada acima do banho.

[0058] As reações pirometalúrgicas conduzidas em um reator contendo o banho de escória usualmente resultam em gases combustíveis, principalmente monóxido de carbono e hidrogênio, liberados da escória para o espaço do reator acima do banho. Se requerido, estes gases podem ser submetidos a pós-combustão a partir da qual é possível recuperar a energia térmica pela escória. Para isto, gás contendo oxigênio pode ser suprido ao espaço do reator a partir da extremidade inferior da passagem (16).

[0059] O resfriamento principal da proteção (12) é por fluido refrigerante circulado ao longo da passagem (142) e de volta ao longo da passagem (144), embora algum resfriamento seja obtido por gás injetado através da passagem (16), acima da superfície do banho de escória. Com a lança (14), é possível se obter um resfriamento substancial pelo gás a alta velocidade, subsônica, injetado através da passagem (26), embora um resfriamento substancial adicional seja obtido pelo fluido refrigerante circulado ao longo da passagem (42) e de volta ao longo da passagem (44). 0 equilíbrio entre as duas ações de resfriamento para a lança (14) pode variar alterando-se a taxa de fluxo de massa na qual o fluido refrigerante é circulado. Novamente, uma taxa de fluxo aumentada do fluido refrigerante, em relação à taxa de fluxo na passagem (42), provocada por uma constrição provida pelo estreitamento da passagem (44) (pelo menos dentro da montagem (22)), aumenta a extração de energia térmica da montagem (22) e da extensão inferior da carcaça (20). Como consequência, o tempo de vida operacional da lança é aumentado por uma redução resultante do desgaste e queima, particularmente na montagem (22).

[0060] A disposição com lança (L) da Figura 1 e lança (10) da Figura 2 é tal que o fluido refrigerante é capaz de ser circulado através da carcaça da lança, tal como ao longo da carcaça para a extremidade de saída por fluxo entre o tubo mais interno e o tubo intermediário da lança da carcaça e então de volta ao longo da lança, em afastamento da extremidade de saída, por fluxo entre o tubo mais externo e o tubo intermediário da lança da carcaça, ou no inverso desta disposição de fluxo. A parede de extremidade (W, 40) respectiva e uma parte menor adjacente do comprimento de cada um dos três tubos de lança da carcaça (S, 20), compreende uma montagem substituível da ponta da lança, pelo que um lança montagem de ponta queimada ou desgastada pode ser cortada de uma maior parte do comprimento de cada um dos três tubos de lança de maneira a possibilitar que uma montagem de ponta de lança nova ou reparada seja soldada no lugar. A parede de extremidade (W, 40) da carcaça (S, 20) fica na e define a extremidade de saida da lança. Também, o pelo menos um tubo da lança (P4, 18) adicional define um orificio central (24), e o pelo menos um tubo da lança (P4, 18) adicional é espaçado do tubo da lança mais interno da carcaça (S, 20) de maneira a definir entre si uma passagem anelar (A, 42), pelo que os materiais que passam ao longo fo orificio e da passagem podem ser misturados adjacentes à extremidade de saida da lança sendo injetada na camada de escória.

[0061] A lança TSL (L, 10) necessariamente é de grandes dimensões. Também, em um local afastado da extremidade de saida, tal como adjacente a uma extremidade superior ou de entrada, a lança apresenta uma estrutura (não mostrada) pela qual pode ser suspendida de maneira a ficas pendurada verticalmente para baixo dentro do reator TSL. A lança (L, 10) apresenta um comprimento minimo de cerca de 7,5 metros, mas pode apresentar até cerca de 20 metros de comprimento, ou ainda mais, para um reator TSL grande de propósito especial. Mais usualmente, a lança varia de cerca de 10 a 15 metros de comprimento. Estas dimensões referem-se ao comprimento total da lança através da extremidade de saida definida pela parede de extremidade da carcaça. O pelo menos um tubo da lança (P4, 18) adicional pode se estender para a extremidade de saida e, desta forma, ser de comprimento total similar, no entanto, como mostrado, pode finalizar a uma distância curta, de forma interna da extremidade de saida, tal como até cerca de 1000 mm. A lança tipicamente apresenta um diâmetro grande, tal como estabelecido por um diâmetro interno para a carcaça de cerca de 100 a 650 mm, preferivelmente cerca de 200 a 500 mm, e um diâmetro global de 150 a 700 mm, preferivelmente cerca de 250 a 550 mm.

[0062] Cada uma das Figuras 3 a 7 ilustra esquematicamente uma respectiva forma alternativa para o defletor compreendendo o tubo (38) da montagem de ponta (22) da lança (14) e/ou o tubo (138) da proteção (12), embora o defletor empregado na lança (14) não necessite ser do mesmo tipo do utilizado na proteção (12). O tubo (60) da Figura 3 difere do tubo (38) ou tubo (138) da Figura 2. Cada um dos tubos (38) e (138) apresenta uma superfície externa cilíndrica que fica em um espaçamento substancialmente constante do respectivo tubo externo (36, 136), tal que uma velocidade do fluxo de fluido refrigerante substancialmente constante é mantida na passagem (44) . Em contraste, a superfície externa do tubo (60) é perfilada de tal forma que, ao fluir para cima na passagem (44), é possibilitada uma redução progressiva do fluxo de fluido depois da redução da velocidade de fluxo resultante do diâmetro externo maior na extremidade inferior do tubo (60) . Desde que a redução não prossiga para abaixo de um nivel que provê a remoção de energia térmica requerida do tubo externo (36) e/ou (136), uma boa remoção de energia da extremidade inferior da montagem de ponta (22) e/ou (122) pode ser obtida.

[0063] Os respectivos tubos (62) e (64) das Figuras 4 e 5 diferem também na superfície externa da disposição dos tubos (38, 138). Embora os tubos (62) e (64) apresentem as formas respectivas, alcançam um resultado similar. No caso do tubo (62), uma espiral elevada, conta ou nervura (63) se estende em uma formação helicoidal em torno da superfície externa cilíndrica e pode ser contínua ou intermitente, tal como quando é empregada uma disposição em ventoinha. Em contraste, a superfície externa do tubo (64) apresenta uma ranhura helicoidal (65) ali formada. Em cada caso, o fluido refrigerante é obrigado a fluir de forma helicoidal na passagem (44) e/ou (144), pelo menos dentro da montagem de ponta (22) e/ou (122). A conta ou nervura (63) em torno do tubo (62) é mostrada como sendo de seção transversal redonda e pode ser provida por adesão por solda de um fio ao tubo (62). Entretanto, a conta ou nervura (63) pode apresentar outras formas de seção transversal, embora a ranhura (65) do tubo (64) possa apresentar uma forma de seção transversal outra que não a forma retangular mostrada.

[0064] 0 tubo (66) da Figura 6 é similar na forma global aos tubos (38) e (138). Entretanto, difere no fato de apresentar um conjunto circunferencial de orifícios (67) adjacentes à sua extremidade inferior. Fluido refrigerante é capaz de passar através dos orifícios (67), adicionalmente ao fluxo que passa em torno da extremidade inferior do tubo (66). Desta forma, a energia térmica pode ser mais efetivamente removida da extremidade inferior de uma lança (14) e/ou (114) provida com um tubo (66).

[0065] 0 tubo (68) da Figura 7 é provido em sua superfície externa com um conjunto de estrias ou ranhuras longitudinais (69), resultando em nervuras longitudinais (70). Neste caso, a extensão do aumenta da velocidade do fluxo de fluido refrigerante é menor que se as ranhuras (69) não forem formadas. Isto é, a velocidade do fluxo é dependente do raio médio da superficie externa do tubo (68) .

[0066] Os respectivos tubos (38) e (138) da disposição da Figura 2, e os respectivos tubos (60, 62, 64, 66, 68) das Figuras 3 a 7, podem ser produzidos de qualquer forma adequada. Por exemplo, os tubos podem ser usinados ou forjados a partir de uma peça de um metal adequado, ou por moldagem de um metal adequado na forma substancialmente final.

[0067] 0 fluido refrigerante pode ser qualquer liquido ou gás adequado. Um agente liquido de resfriamento é preferido, e refrigerantes liquidos que podem ser utilizados incluem água, liquidos iônicos e materiais poliméricos adequados, incluindo compostos organo-silicicos tais como siloxanos. Exemplos de polimeros de silicone específicos que podem ser utilizados incluem os fluidos de transferência de calor disponíveis sob a marca SYLTHERM, de propriedade da Dow Corning Corporation.

[0068] Finalmente, deve ser entendido que várias alterações, modificações e/ou adições podem ser introduzidas nas construções e disposições das partes previamente descritas sem se afastarem do espirito ou âmbito da invenção.

Claims (17)

1. Lança de injeção submergível (14) de topo para uso em injeção por lança (14) submersa dentro de uma camada de escória de um banho em fusão em um processo pirometalúrgico, a dita lança (14) apresentando uma carcaça externa (20) de três tubos concêntricos de lança compreendendo um tubo mais externo (30), um tubo mais interno (28) e um tubo intermediário (32), a lança (14) incluindo pelo menos um tubo da lança (14) adicional disposto de forma concêntrica dentro da carcaça (20), e incluindo ainda uma parede de extremidade anelar (40) em uma extremidade de saída da lança (14) que une uma extremidade respectiva do tubo de lança mais externo (30) e mais interno (28) da carcaça (20) em uma extremidade de saída (40) da lança (14) e é espaçado de uma extremidade de saída (40) do tubo da lança intermediário (32) da carcaça (20), onde, em um local afastado da extremidade de saída (40), adjacente a uma extremidade superior ou de saída, a lança (14) apresenta uma estrutura que faz possível ela ficar pendurada para baixo verticalmente, e a carcaça (20) sendo adaptada de maneira a que fluido refrigerante seja circulado através da carcaça (20), por fluxo entre o tubo da lança intermediário (32) e um dos tubos de lança mais interno (28) e mais externo (30) para a extremidade de saída (40) e então de volta ao longo da lança, em afastamento da extremidade de saída (40), por fluxo entre o tubo da lança (14) intermediário (32) e o outro dos tubos de lança (14) mais interno (28) e mais externo (30), o espaçamento entre a parede de extremidade e a extremidade de saída (40) do tubo intermediário (32) provê uma constrição (C) para o fluxo de fluido refrigerante operável para provocar um aumento da velocidade do fluxo de fluido refrigerante entre a parede de extremidade e a extremidade de saída (40) do tubo intermediário (32); onde o pelo menos um tubo da lança (14) adicional define um orifício central e apresenta uma extremidade de saída espaçada da extremidade de saída (40) da carcaça externa (20), caracterizada pelo fato de que é definida uma câmara de mistura (27) pela carcaça externa (20) entre as extremidades de saída da carcaça externa (20) e do pelo menos um tubo adicional, e o pelo menos um tubo da lança (14) adicional é espaçado do tubo da lança (14) mais interno (28) da carcaça (20) para definir entre si uma an passagem anelar, pelo que o material combustível que passa ao longo do orifício e gás contendo oxigênio que passa ao longo da passagem anelar são capazes de formar uma mistura combustível na câmara de mistura (27) e adjacente à extremidade de saída (40) da lança (14) para combustão da mistura dentro da camada de escória.

2. Lança de injeção submergível de topo de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato da constrição (C) ser operável para prover um fluxo de fluido refrigerante através da parede de extremidade na forma de um filme ou corrente delgado em relação ao fluxo antes e depois da constrição (C).

3. Lança de injeção submergível de topo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de na extremidade do tubo da lança (14) intermediário (32) ser definida uma conta (B) que apresenta uma superfície radialmente curva convexa voltada na direção da parede de extremidade, a conta (B) sendo na forma de lágrima ou de forma arredondada, com a extremidade da forma côncava complementar.

4. Lança de injeção submergível de topo de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato da constrição (C) entre a extremidade de saída do tubo intermediário (32) e a parede de extremidade ser de extensão radialmente da lança (14) em planos contendo um eixo da lança (14), tal como com a conta (B) e a parede de extremidade provendo a constrição (C) por um ângulo de até de 180o.

5. Lança de injeção submergível de topo de acordo com a reivindicação 3 ou reivindicação 4, caracterizada pelo fato da constrição (C) continuar a partir da conta (B), entre a superfície externa do tubo de lança (14) intermediário (32) e uma superfície interna do tubo mais externo (30), por pelo menos parte do comprimento da lança (14) ao longo do qual o tubo intermediário (32) apresenta espessura de parede aumentada.

6. Lança de injeção submergível de topo de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, caracterizada pelo fato da constrição (C) ser definida pelo menos em parte a partir de um arredondamento da extremidade do tubo intermediário (32) e entre a superfície externa do tubo intermediário (32) e a superfície interna do tubo mais externo (30), por pelo menos parte do comprimento da lança (14) ao longo do qual o tubo intermediário (32) apresenta espessura de parede aumentada com a constrição (C) se estendendo por um ângulo de pelo menos 90o.

7. Lança de injeção submergível de topo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de incluir uma proteção anelar (12) disposta de forma concêntrica em torno de uma extensão superior da carcaça (20) espaçada da extremidade de saída (40).

8. Lança de injeção submergível de topo de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato da proteção (12) apresentar uma carcaça externa (120) de três tubos de proteção concêntricos compreendendo um tubo mais externo (130), um tubo mais interno (128) e um tubo intermediário (132), e incluindo adicionalmente uma parede de extremidade anelar (140) em uma extremidade de saída da proteção (12) que une uma extremidade respectiva dos tubos de proteção mais externo e mais interno da carcaça (120) e é espaçada de uma extremidade de saída do tubo intermediário (132) de proteção da carcaça (120), pelo que fluido refrigerante seja circulado através da carcaça (120), ao longo da carcaça (120) para a extremidade de saída por fluxo entre o tubo de proteção mais interno e o tubo de proteção intermediário (132) e então de volta ao longo da proteção (12), em afastamento da extremidade de saída, por fluxo entre o tubo de proteção intermediário (132) e o mais externo (130), ou o reverso deste fluxo, e onde o espaçamento entre a parede de extremidade e a extremidade de saída do tubo intermediário (132) provê uma constrição (C) do fluxo de fluido refrigerante operável para causar um aumento da velocidade do fluxo de fluido refrigerante entre a parede de extremidade e a extremidade de saída do tubo intermediário (132).

9. Injeção submergível de topo de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato da constrição (C) da proteção (12) ser operável para prover um fluxo de fluido refrigerante através da parede de extremidade (140) da proteção (12) na forma de um filme ou corrente delgado em relação ao fluxo antes e depois da constrição (C).

10. Injeção submergível de topo de acordo com a reivindicação 8 ou reivindicação 9, caracterizada pelo fato de na extremidade do tubo da lança (14) intermediário (132) ser definida uma conta (B) que apresenta uma superfície radialmente curva convexa voltada na direção da parede de extremidade (140), tal como pelo fato da conta (B) ser na forma de lágrima ou de forma arredondada similar, com a extremidade da forma côncava complementar.

11. Injeção submergível de topo de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato da constrição entre a extremidade de saída do tubo intermediário (132) e a parede de extremidade (140) ser de extensão radialmente da lança (14) em planos contendo um eixo da lança (14), tal como com a conta e a parede de extremidade provendo a constrição por um ângulo de até de 180o.

12. Injeção submergível de topo de acordo com a reivindicação 10 ou reivindicação 11, caracterizada pelo fato da constrição continuar a partir da conta, entre a superfície externa do tubo de lança (14) intermediário (132) e uma superfície interna do tubo mais externo (130), por pelo menos parte do comprimento da lança (14) ao longo do qual o tubo intermediário (132) apresenta espessura de parede aumentada.

13. Injeção submergível de topo de acordo com a reivindicação 8 ou reivindicação 9, caracterizada pelo fato da constrição ser definida pelo menos em parte a partir de um arredondamento da extremidade do tubo intermediário (132) e entre a superfície externa do tubo intermediário (132) e a superfície interna do tubo mais externo (130), por pelo menos parte do comprimento da lança (14) ao longo do qual o tubo intermediário (132) apresenta espessura de parede aumentada, com a constrição se estendendo por um ângulo de pelo menos 90o.

14. Lança de injeção submergível de topo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato da constrição resultar em uma taxa de fluxo de fluido refrigerante que é maior que a taxa de fluxo a montante da constrição (C) em um fator de de 6 a 20.

15. Lança de injeção submergível de topo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7 e 15, caracterizada pelo fato da lança (14) ser de 7,5 a 25 metros de comprimento.

16. Lança de injeção submergível de topo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, 14 e 15, caracterizada pelo fato da carcaça (20) da lança (14) apresentar um diâmetro interno de de 100 mm a 650 mm, e um diâmetro externo de 150 mm a 700 mm.

17. Lança de injeção submergível de topo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7 e 14 a 16, caracterizada pelo fato do tubo da lança adicional terminar dentro da carcaça (20) em até 1000 mm da extremidade de saída (40).

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