BRPI0516495B1 - Lança para injetar gás em um vaso - Google Patents

Description

LANÇA PARA INJETAR GÁS EM UM VASO Campo Técnico Refere-se a presente invenção a lanças para injetarem gás em um vaso. A invenção tem aplicação particular, porém não exclusiva, a uma lança para injetar um fluxo de gás preaquecido em um vaso metalúrgico sob condições de alta temperatura. 0 vaso metalúrgico pode ser, por exemplo, um vaso de redução direta (ou de fusão redutora direta), em que metal fundido é produzido por meio de um processo de fusão redutora direta (redução direta).

Um processo de redução direta conhecido, que se baseia em uma camada de metal fundido como um meio de reação, e é de uma maneira geral referido como o processo Hlsmelt, encontra-se descrito no pedido internacional PCT/AU96/00197 ( WC 96 /3 162 7) no nome da mesma requerente. O processo Hlsmelt, tal como descrito no pedido internacional, compreende: (a) formar um banho de ferro fundido e de escória em um vaso; (b) injetar dentro do banho: (i) um material de alimentação metalífero, tipicamente óxidos de metais; e (ii) um material carbonáceo sóli- do, tipicamente carvão, o qual funciona como um redutor dos óxidos de metais e como uma fonte de energia; e (c) reduzir o material de alimentação meta-lífero a metal na camada de metal.

Da maneira que é utilizado neste contexto, o termo "redução" é compreendido como significando um processamento térmico em que reações químicas que reduzem óxidos de metais ocorrem para produzirem metal líquido. Ά presente invenção também proporciona um aparelho de redução direta que inclui uma lança para injetar gás em um vaso de redução direta. A invenção proporciona ainda métodos de instalar uma lança de injeção de gás em um vaso metalúrgico e remoção da mesma.

De uma maneira geral, os processos baseados em banho fundido para redução direta de material ferroso em ferro fundido que são descritos na técnica anterior requerem a pós-combustão dos produtos de reação tais como CO e H2 desprendidos pelo banho fundido a fim de gerar calor suficiente para manter a temperatura do banho fundido. A técnica anterior de uma maneira geral propõe que a pós-combustão seja conseguida pela injeção de gás que contém oxigênio por meio de lanças que se estendem dentro do espaço de topo de um vaso de redução direta.

Por razões econômicas, é desejável que as campanhas de redução direta sejam relativamente longas, tipicamente pelo menos um ano e, conseqüentemente, é importante que as lanças de injeção de gás sejam capazes de suportar o ambiente de alta temperatura, tipicamente da ordem de 20Q0°C, dentro do espaço de topo de um vaso de redução direta para os períodos prolongados das campanhas.

Uma opção para proporcionar gás que contém oxigênio é usar ar ou ar enriquecido com oxigênio o qual é pré-aquecido acima de 800°C. Volumes consideravelmente grandes desse gás são necessários para se conseguir um determinado nível de pós-combustão que será requerido se oxigênio foi usado como o gás que contém oxigênio. Conseqüentemente, um vaso de redução direta que opera com ar ou com ar enriquecido com oxigênio deve ser uma estrutura consideravelmente maior do que um vaso de redução direta que opera com oxigênio. Conseqüentemente, uma lança para injetar ar ou ar enriquecido com oxigênio em um vaso de redução direta deve ser uma estrutura relativamente grande que deve estender-se uma distância substancial dentro de um vaso de redução direta e não ser suportada em pelo menos uma maior parte do comprimento da lança. A título de contexto, vasos Hlsmelt' de 6 metros de diâmetro propostos pela re-■querente incluem lanças dotadas de um diâmetro externo de l,2m que são da ordem de 60 toneladas e estendem-se aproximadamente lOm dentro do vaso.

Exposição da Invenção De acordo com um aspecto, a invenção proporciona uma lança para injetar gás dentro de um vaso, a qual inclui um conduto de fluxo de gás que se estende desde uma extremidade traseira até uma extremidade dianteira da qual é descarregado gás a partir do conduto; uma estrutura central alongada que se estende dentro do conduto de fluxo de gás desde a sua extremidade traseira até à sua extremidade dianteira; uma pluralidade de aletas de encaminhamento de fluxo dispostas em torno da estrutura central, adjacentes à extremidade dianteira do conduto, para transmitirem redemoinho a ura fluxo de gás através da extremidade dianteira do conduto; passagens de fornecimento e retorno de á~ gua de refrigeração que se estendem através da parede do conduto de fluxo de gás e que se estendem a partir da extremidade traseira para a extremidade dianteira do conduto de fluxo de gás para fornecer e retornar água de refrigeração para a extremidade dianteira do conduto; e um nariz de conduto anular disposto na extremidade dianteira do conduto e que é dotado de uma passagem de água de refrigeração interna conectada com as passagens de suprimento e retorno de água de refrigeração, de forma a receber e retornar um fluxo de água de refrigeração para refrigerar internamente a ponta do conduto; em que a lança é constituída de três módulos que são presos de uma maneira suscetível de ser solta entre eles por meio de prendedores soltáveis, os ditos módulos compreendendo: 1) um módulo de conduto principal que forma o conduto de fluxo de gás através de toda uma parte principal do comprimento desse conduto e incluindo as ditas passagens de suprimento e retorno de água e dito nariz de conduto anular; 2) um módulo de entrada de gás que inclui um corpo tubular preso de forma soltável por um primeiro conjunto dos ditos prendedores a uma extremidade traseira do módulo de conduto principal, de forma tal que seu interior é conectado com o interior do módulo de conduto e um tubo de derivação ramificando-se lateralmente a partir do corpo tubular para servir como uma entrada de gás para admissão de gás para o corpo tubular e, então, para o interior do módulo de gás principal; e 3) um módulo central que forma a referida estrutura central alongada e as ditas aletas de encaminhamento de fluxo e que é preso de maneira soltável por meio de um segundo conjunto de ditos prendedores a uma extremidade traseira do corpo tubular do módulo de entrada de gás. A extremidade traseira do módulo de condu- to principal e a extremidade dianteira do módulo de entrada de gás podem ser formadas com flanges circunfe-renciaís confinantes e o primeiro conjunto de prendedo-res prende de uma forma suscetível de ser solta estes flanges entre si. A extremidade traseira do corpo tubular do módulo de entrada de gás e a extremidade traseira do módulo central são formadas com flanges circunferenci-ais confinantes e o segundo conjunto de prendedores prende de forma soltável esses flanges entre si. 0 módulo de conduto principal inclui um flange circunferencial que se projeta para fora, espaçado para diante a partir da extremidade traseira do módulo, para montagem da lança em uma parede de um vaso metalúrgico. 0 último flange pode ficar disposto em torno de uma luva tubular que se estende circunferenci-almente em torno do conduto e provido de passagens de fluxo de água internas para a refrigeração interna da luva. A luva tubular pode estender-se para diante a partir do dito flange circunferencial que se projeta para fora, de maneira que no uso da lança se projeta em uma abertura em uma parede do vaso em que a lança se destina a ser montada. 0 módulo de conduto principal pode compreender conectores de entrada e saída de água que são ligadas com as passagens de água de refrigeração e retor- no de suprimento e dispostos entre a extremidade traseira do módulo de conduto principal e o flange de montagem circunferencial que se projeta para fora.

Preferentemente, o módulo de conduto principal, o módulo de entrada de gás e o módulo central compreendem, ainda, cada um deles, pelo menos um circuito de refrigeração para em uso receber um fluxo de água de refrigeração, sendo que os circuitos de refrigeração operam independentemente.

Preferentemente, as passagens de suprimento e retorno do módulo principal compreendem trajetos de fluxo anulares substancialmente paralelos proporcionados por três ou mais elementos substancialmente cilíndricos, concêntricos, retidos dentro do dito módulo para proporcionarem expansão diferencial de dois ou mais dos ditos elementos substancialmente cilíndricos o módulo de entrada de gás compreende dois elementos cilíndricos substancialmente concêntricos para proporcionarem um trajeto de fluxo de camada única para água de refrigeração entre os referidos elementos substancialmente cilíndricos.

Preferentemente, uma de mais divisórias proporcionam o dito trajeto de fluxo de camada única do dito módulo de entrada de gás com duas ou mais galerias de fluxo de água.

Preferentemente, o dito trajeto de fluxo de camada única compreende dois circuitos de fluxo de água independentes.

Preferentemente, o elemento de entrada de gás compreende um tubo de derivação que se estende lateralmente a partir de um eixo central do módulo de entrada e o tubo de derivação compreende um flange para conexão a um conduto de suprimento de gás e o dito trajeto de fluxo de camada única estende-se em torno do dito tubo de derivação.

De acordo com um segundo aspecto, a invenção proporciona uma lança para injetar gás em um vaso dotado de uma abertura para receber a lança, sendo que a lança compreende um corpo de lança tubular que define um conduto de fluxo de gás para escoamento de gás através da lança adaptado para estender-se através da abertura de vaso para dentro do vaso, um flange circunfe-rencial de montagem de lança que se projeta para fora a partir do corpo de lança, e uma luva tubular que se estende circunferencialmente em torno do corpo de lança, nas proximidades do flange de montagem.

Preferentemente, a luva é provida de passagens de fluxo de água internas para refrigeração interna da luva.

Preferentemente, o diâmetro externo da luva é selecionado de forma tal que, em uso, o corpo de lança e uma camada da escória endurecida que se forma no corpo de lança podem ser retirados do vaso por meio da abertura do vaso sem contactar a abertura do vaso.

Preferentemente, a luva estende-se ao longo do corpo de lança a partir do flange de montagem de forma que, no uso da lança, se projete dentro da aber-tura do vaso em que a lança se destina a ser montada.

De acordo com outro aspecto a presente invenção proporciona uma lança para injetar gás dentro de um vaso que compreende um corpo de lança tubular que define um conduto de fluxo de gás e que compreende passagens de suprimento e retorno de água de refrigeração alongadas para suprimento de água de refrigeração a um nariz do dito corpo de lança tubular, e sendo o dito corpo de lança tubular compreendido ainda de três ou mais elementos cilíndricos substancialmente concêntricos para proporcionarem as ditas passagens de suprimento e retorno alongadas e os ditos elementos substancialmente cilíndricos retidos dentro da dita lança de maneira a proporcionarem expansão diferencial de dois ou mais dos ditos elementos substancialmente cilíndricos, e a lança compreendendo ainda um elemento de entrada de gás adaptado para, em uso, conectar-se com e receber gás a partir de um conduto de suprimento de gás e o dito elemento de entrada de gás tendo uma passagem de fluxo de gás em comunicação de fluido com o dito conduto de fluxo de gás e o dito elemento de entrada de gás compreendendo dois elementos substancialmente cilíndricos, concêntricos, que proporcionam um trajeto de fluxo de camada única para escoamento da água de refrigeração entre os ditos elementos substancialmente cilíndricos.

Preferentemente, os trajetos de fluxo de suprimento e retorno do elemento tubular operam inde- pendentemente do trajeto de fluxo de camada única do elemento de entrada.

Preferentemente, uma ou mais divisórias proporcionam o dito trajeto de fluxo de camada única do dito elemento de entrada de gás com duas ou mais galerias de fluxo de água.

Preferentemente, o dito trajeto de fluxo de camada única compreende dois circuitos de fluxo de água independentes.

Preferentemente, o elemento de entrada de gás compreende um tubo de derivação que se estende lateralmente a partir de um eixo do elemento de entrada e o tubo de derivação compreende um flange para conexão a um conduto de suprimento de gás, o trajeto de fluxo de camada única estendendo-se em torno do dito tubo de derivação.

Em uso, uma lança da presente invenção pode ser montada em uma parede superior de um vaso metalúrgico de maneira tal a estender-se descendentemente dentro desse vaso. 0 vaso pode ser um vaso de redução direta em que metal fundido é produzido por meio de um processo de redução direta.

Conseqüentemente, a invenção proporciona um aparelho para produzir metal ferroso a partir de um material de alimentação ferroso por meio de um processo de redução direta; aparelho esse que inclui um vaso que pode conter um banho de metal fundido e escória fundida e um espaço de gás acima do banho fundido, e uma lança de injeção de gás de acordo cora o dito primeiro aspecto ου o dito segundo aspecto da invenção, que se estende descendentemente dentro do vaso para injetar gás dentro do vaso.

Com particularidade, a invenção pode proporcionar um aparelho para produzir metal ferroso a partir de um material de alimentação ferroso por meio de um processo de redução direta, aparelho esse que inclui um vaso que pode conter um banho de metal fundido e escória fundida e um espaço de gás acima do banho fundido, e uma lança de injeção de gás de acordo com o dito primeiro aspecto que se estende descendentemente dentro do vaso para injetar gás que contém oxigênio dentro do vaso; em que o módulo de conduto principal da lança é montado em uma parede superior do vaso de forma a estender-se descendentemente dentro do vaso a partir de uma extremidade superior (traseira) localizada fora do vaso, o módulo de entrada de gás assenta e é suportado pela extremidade superior do módulo de conduto principal e o módulo central fica suspenso da sua conexão com a extremidade superior (traseira) do módulo de entrada de gás, de maneira a pender verticalmente para baixo dentro do corpo tubular do módulo de entrada de gás e o interior do módulo de conduto principal.

As aletas no módulo central podem estender-se dentro do nariz de conduto e ser dimensionadas de uma forma tal que, durante a operação do aparelho, elas são engranzadas e suportadas lateralmente do con- duto pelo nariz de conduto refrigerado a água ínterna-mente. A invenção proporciona ainda um método para instalar em um vaso metalúrgico uma lança de injeção de gás de acordo com o dito primeiro aspecto, método esse que compreende as etapas de levantar o módulo de conduto principal em um guindaste a partir da sua extremidade traseira, de forma que ele fica suspenso verticalmente para baixo a partir da sua extremidade traseira; abaixar o módulo de conduto principal de forma que ele se estenda descendentemente no vaso, prender de forma soltável uma parte superior do módulo de conduto principal em uma parede superior do vaso; levantar o módulo de entrada de gás em um guindaste e abaixar o mesmo na extremidade superior do módulo de conduto principal; prender de forma soltável a extremidade inferior do módulo de entrada de gás à extremidade superior do módulo de conduto principal; levantar o módulo central em um guindaste pela sua extremidade traseira de forma que ele fica suspenso verticalmente para baixo; abaixar o módulo central no guindaste até ele estender-se descendentemente através do corpo tubular do módulo de entrada de gás e o interior do módulo de conduto principal e prender de forma soltável a extremidade superior do módulo central à extremidade superior do módulo de entrada de gás.

Descrição Breve dos Desenhos A invenção proporciona ainda um método pa- ra remover uma lança de injeção de gás assim instalada a partir de ura vaso metalúrgico, que compreende as etapas de: soltar a fixação da extremidade superior do módulo central, à extremidade superior do módulo de entrada de gás; levantar o módulo central verticalmente para fora dos módulos de entrada de gás e conduto principal por meio de um guindaste e remover o mesmo para fora do vaso; soltar a fixação da extremidade inferior do módulo de entrada de gás à extremidade superior do módulo de conduto principal; içar o módulo de entrada de gás para fora do módulo de conduto principal por meio de um guindaste e deslocá-lo para fora do vaso; soltar a fixação do módulo de conduto principal à parede superior do vaso; içar o módulo de conduto principal verticalmente por meio de um guindaste para retirá-lo do vaso e movimentá-lo para fora do vaso. A fim de que a invenção possa ser mais amplamente exposta, uma forma particular de lança e seu método de instalação em um vaso metalúrgico será descrita em seguida com certo detalhe com referência aos desenhos anexos, nos quais: A Figura 1 é uma seção vertical através de parte de um vaso de redução direta que incorpora uma lança de injeção de ar quente construída de acordo com a invenção. A Figura 2 é uma seção vertical através de uma parte superior do vaso de redução e da lança de injeção de ar quente. A Figura 3 é uma seção transversal em uma escala ampliada de alguns componentes ilustrados na Figura 2. A Figura 4 é uma seção longitudinal através da lança de injeção de ar quente. A Figura 5 é uma elevação lateral de um módulo de entrada de gás da lança de injeção de ar quente. A Figura 6 é uma vista em seção transversal do módulo de entrada de gás. A Figura 7 ilustra componentes na extremidade superior do módulo de conduto principal que faz parte da lança. A Figura 8 representa uma seção através de um flange de montagem de conduto e luva. A Figura 9 é uma vista extrema do flange de montagem de conduto e luva. A Figura 10 representa uma vista desenvolvida da luva ilustrada na Figura 9. A Figura 11 representa um detalhe em escala ampliada que mostra a construção de um nariz de conduto na extremidade dianteira ou inferior de um conduto externo da lança. A Figura 12 é uma seção parcial através de parte do nariz de conduto.

As Figuras 13 e 14 ilustram a construção de uma parte frontal de uma estrutura central da lança.

As Figuras 15 e 16 ilustram a construção de urna extremidade de nariz da estrutura central da lança; e As Figuras 17, 18 e 19 ilustram etapas sucessivas realizadas na instalação da lança dentro do vaso de redução.

Descrição Detalhada da Concretização Preferida Os desenhos ilustram um vaso de redução direta adequado para a operação pelo processo Hlsmelt tal como descrito no Pedido de Patente Internacional PCT/AU96/00197. 0 vaso metalúrgico encontra-se assina- lado de uma maneira geral como 11 e é dotado de uma soleira que inclui uma base 12 e lados 13 formados a partir de tijolos refratários; paredes laterais 14 que formam um corpo de uma maneira geral cilíndrico que se estende ascendentemente a partir dos lados 13 da soleira e que inclui uma seção de corpo superior 15 e uma seção de corpo inferior 16; uma abóbada 17; uma saída 18 para gases de saída; uma ante-soleira 19 para descarregar metal fundido continuamente; e um furo de corrida 21 para descarregar escória fundida.

Em uso, o vaso contém um banho fundido de ferro e escória que inclui uma camada 22 de metal fundido e uma camada 23 de escória fundida na camada de metal 22. A seta assinalada pelo número 24 indica a posição da superfície inerte nominal da camada de metal 22 e a seta assinalada pelo número 25 indica a posição da superfície inerte nominal da camada de escória 23. 0 termo "superfície inerte" é compreendido como signi- ficando a superfície quando não ocorre qualquer injeção de gás e sólidos no vaso. 0 vaso é equipado cora uma. lança de injeção de ar quente 26 que se estende descendentemente, para distribuir um jorro de ar quente em uma região superior do vaso; e lanças de injeção de sólidos 27 que se estendem descendentemente e para dentro através das paredes laterais 14 e dentro da camada de escória 23 para injeção de minério de ferro, material carbonáceo sólido, e fundentes arrastados em um gás carreador deficiente em oxigênio para dentro da camada de metal 22. A posição das lanças 27 é selecionada de forma tal que as suas extremidades de saída 28 ficam situadas acima da superfície da camada de metal 22 durante a operação do processo. Esta posição das lanças permite reduzir o risco de danificação através do contacto com metal fundido e também torna possível refrigerar as lanças por resfriamento de água interna forçada, sem risco significativo de que a água entre em contacto com o metal fundido no vaso. A construção da lança de injeção de ar quente 26 está ilustrada nas Figuras 4a/4B a 14. De acordo cora as presentes concretizações, a lança é feita a partir de três módulos separados, 26A, 26B e 26C que são fabricados separadamente e são reunidos em etapas sucessivas e conectados de forma soltável entre si durante a instalação da lança dentro do vaso da maneira a ser descrita adiante com referência particular às Figu- ras 15 a 17, 0 módulo de lança 26A é um módulo de conduto principal que proporciona um conduto alongado 31 através do qual é encaminhado gás quente para dentro da região superior do vaso. 0 módulo de lança 26B é um módulo de entrada de gás que proporciona uma estrutura de entrada de gás 32 através da qual é encaminhado gás quente para dentro do conduto alongado 31 do módulo de lança 26A. 0 módulo de lança 26C é um módulo central que inclui uma estrutura tubular central alongada 33 que se estende dentro do conduto de fluxo de gás 31 e carrega adjacente à sua extremidade dianteira ou inferior uma série de aletas transmissoras de redemoinho 34 para transmitirem redemoinho ao fluxo de gás que sai pelo conduto. As aletas de redemoinho 34 podem ser formadas em uma configuração helicoidal de quatro entradas. Suas extremidades de admissão (traseiras) podem ter uma transição suave desde as seções retas iniciais para um hélice plenamente desenvolvido a fim de reduzir ao mínimo a turbulência e queda de pressão. A lança é resfriada a água por meio de uma série de circuitos e/ou elementos de resfriamento a á-gua. Estes circuitos e/ou elementos são isolados uns dos outros e, portanto, operam independentemente uns dos outros, muito embora eles possam ser supridos com água de resfriamento a partir de um alimentador comum e possam retornar a água de resfriamento para um alimentador comum. Os circuitos e/ou elementos de resfria- mento a água de cada um dos módulos 26A, 26B e 26C são isolados dos circuitos e/ou elementos de resfriamento a água de cada um dos outros módulos 26A, 26B e 26C.

Os módulos de lança 26A e 26C situam-se, em uso, substancialmente no interior do vaso e são submetidos a um gradiente de temperatura e conseqüentemen-te, requisitos de resfriamento não-uniforme ao longo do seu comprimento, com as temperaturas mais altas observadas na extremidade dianteira da lança adjacente ao nariz ou ponta onde ocorre a combustão do gás de saída. As temperaturas nesta região podem ser da ordem de 2000°C - 2200°C. 0 jato de calor através do conduto de fluxo de gás tem uma temperatura de 1200°C e a temperatura externa da lança e fora do nariz estão tipicamente na faixa de 1400°C - 1500°C.

Tal como detalhado adiante, os módulos de lança 26A e 26C são de construção alongada com passagens de fluxo de água paralelas, ou pelo menos de camada dupla, construídas a partir de tubos concêntricos de construção substancialmente cilíndrica. Os tubos são retidos dentro de cada módulo de uma maneira a permitir que dois ou mais tubos ou outros elementos experimentem expansão diferencial. As passagens de fluxo de água de camada paralela, ou pelo menos dupla, permitem que as conexões de entrada e saída destas passagens fiquem situadas externamente ao vaso. 0 módulo de lança 26B situa-se, em uso, substancialmente externamente ao vaso e é submetido a um gradiente de temperatura substancialmente uniforme compreendido de 1200°C internamente devido ao fluxo de jato quente e condições de temperatura ambiente externamente. 0 módulo de lança 26B é construído de tubos concêntricos substancialmente paralelos que proporcionam um trajeto de fluxo de camada única para água de resfriamento que é dividido por uma ou mais divisórias em duas ou mais galerias de fluxo de água. Sendo o trajeto de fluxo de camada única suficiente para os requisitos de resfriamento do módulo 26B que tem uma necessidade reduzida para permitir expansão térmica diferencial dentro.dos circuitos de resfriamento. A extremidade dianteira da estrutura central 33 é dotada de um nariz hemisférico 35 que se projeta para diante além do nariz 36 do conduto 31, de uma forma tal que a extremidade dianteira do corpo central e o nariz do conduto cooperam entre si para formarem um bocal anular para o fluxo divergente de gás proveniente do conduto com um redemoinho que é transmitido pelas aletas 34. A parede da parte central do conduto 31 que se estende para jusante a partir da entrada de gás 32 é refrigerada internamente a água. Esta seção do conduto é compreendida de uma série de três tubos de aço concêntricos 37, 38, 39 que se estendem para a parte extrema dianteira do conduto onde eles são conectados ao nariz de conduto 36. 0 nariz de conduto 36 é de formação anular oca e é dividido internamente por uma estrutura divisória 80 que divide o interior do nariz em quatro galerias de fluxo de água 81, 82, 83, 84 que se interligam para formarem uma única passagem de água de refrigeração, assinalada de uma maneira geral por 85, à qual é alimentada água de refrigeração e retornada através de passagens na parede do conduto 31. Espe-cifícamente, água de refrigeração é fornecida através de uma entrada 41 e alimentador de entrada anular 42 em uma passagem de fluxo de água anular interna 43 definida entre os tubos 37, 38 do conduto através do nariz de conduto 36. Água é retornada do nariz através de uma passagem de fluxo de retorno de água anular externa 44 definida entre os tubos 38, 39 e para trás para uma saída de água 45 na extremidade traseira da seção refrigerada a água do conduto 31, 0 nariz de conduto 36 tem um corpo externo 40 formado por quatro segmentos anulares 86, 87, 88 e 89 que são soldados entre si para formarem o corpo externo. O segmento 86 forma uma parede traseira do nariz de conduto 36 e é soldado ao tubo recôndito 37 dos tubos que constituem a parede do conduto. A estrutura divisória 80 compreende um anel de aço disposto dentro do corpo de nariz 40 e é provida de quatro flanges cir-cunferenciais 80A, 80B, 80C e 80D que se projetam para fora a partir de uma parte central SOE do anel de maneira a dividir o interior do corpo em galerias de fluxo de água 81-84 e servir como suportes de escora para o corpo. O flange 80A é soldado ao tubo intermediário 38 da parede de conduto e flanges 80B e 80D são soldados aos segmentos de corpo de ponta 86 e 89 para completar a interligação do nariz à parede de conduto e dividir o interior do nariz em galerias de fluxo de á-gua de refrigeração 81, 82, 83 e 84. Os defletores 91 são fixados entre a estrutura divisória 80 e o corpo para definir extremidades das galerias de fluxo de á-gua. Os orifícios 92 ficam localizados nos flanges do anel divisório, adjacentes a estes defletores, para fazerem com que a água flua sucessivamente em torno do nariz, primeiramente através da galeria 81, depois a-través da galeria 82, então através da galeria 83 e finalmente para a galeria 84. A água entra na galeria 81 proveniente da passagem de fluxo de água 43 definida entre os tubos 37, 38 do conduto e sai da galeria 84 através da passagem de retorno 44 definida entre os tubos 38, 39, Os segmentos de corpo de nariz de conduto 87 e 88 que definem a periferia interna e extremidade externa do nariz são feitos de cobre para aumentar a refrigeração destas partes do nariz, enquanto que os segmentos 86 e 89 e a estrutura divisória 80 são formados de aço para produzir uma estrutura de nariz reforçada muito forte, a qual permite a transmissão de forças de carga provenientes dos tubos interno e intermediário 37, 38 para o tubo externo 39 do conduto tal como descrito adiante com maiores detalhes. O módulo de lança 26A é provido na sua ex- tremídade traseira de um conjunto de montagem 101 que compreende um alojamento externo refrigerado a água 102 conectado através de um flange 100 ao tubo de conduto externo 39 e a um flange de montagem 110 para conexão a uma parte superior do vaso, de forma tal que a lança ficará suspensa em uma orientação vertical a partir do flange de montagem 110 com todo o seu peso tomado através do tubo de conduto externo 39. A extremidade traseira do tubo intermediário 38 fica suportada por meio de uma vedação deslizante 104 dentro do alojamento 102 e a extremidade traseira do tubo interno 37 fica suportada dentro de uma vedação deslizante 105 situada em um flange extremo traseiro 103 do módulo 26A para permitir movimentos longitudinais relativos dos tubos em expansão diferencial dos vários componentes de lança. De maneira a não sobrecarregar estas vedações deslizantes 104 e 105, os pesos da água de refrigeração, do refra-tário, do tubo interno 37 e do tubo intermediário 38 são transferidos pela estrutura divisória 80 para o tubo externo 39. 0 flange extremo dianteiro 103 do módulo de lança 26A proporciona uma montagem para o módulo de lança de entrada de gás 26B. 0 módulo 26B compreende um corpo tubular 106 e um tubo de derivação 107 que se ramifica lateralmente a partir do corpo tubular para servir como uma entrada de gás para o corpo tubular e então para o interior do módulo de conduto principal 2βΑ. A extremidade dianteira ou inferior do corpo tu- bular 106 é provida de ura flange circunferencíal 111 para encosto com o flange traseiro 103 do módulo 26A e os flanges limítrofes 103, 111 são presos entre si de forma soltável por meio de pernos de fixação 112 durante o processo de instalação da lança tal como será descrito adiante. O tubo de derivação 107 do módulo 26B também é provido de um flange de conexão 113 por meio do qual pode ser conectado a um conduto de fornecimento de ar quente. A extremidade superior do módulo 26B é provida de um flange extremo 114 que serve como um encosto para um flange 115 na extremidade traseira ou de topo do módulo central 26C e os flanges limítrofes 114, 115 são conectados um com o outro de uma forma suscetível de serem soltos por meio de pernos de conexão 116 durante a montagem das lanças, tal como se encontra descrito mais adiante. 0 módulo de lança 26B é formado como um corpo de aço de parede dupla externo, formado com passagens internas de fluxo de água, através das quais se faz circular água através dos conectores de entrada e saída 120, 130. 0 espaço entre as paredes duplas proporciona um trajeto de fluxo de camada única e pode ser dividido por divisórias 175 de maneira a proporcionar uma série de galerias de fluxo de água 178 que podem ser dispostas em qualquer padrão conveniente. As galerias de fluxo de água 178 podem ser divididas pela divisória central 180 em trajetos de fluxo de refrigera- ção superior 190 e inferior 192. O interior do módulo 26B é revestido com material refratário 118. A seção refrigerada a água do conduto 31 é revestida internamente com um revestimento refratário interno 46 que se ajuste dentro do tubo de metal recôndito 39 do conduto e estende-se até ao nariz refrigerado a água 36 do conduto. A periferia interna do nariz de conduto 36 fica de uma maneira geral nivelada com a superfície interna do revestimento refratário que define a passagem de fluxo efetiva para gás através do conduto. A extremidade dianteira do revestimento refratário tem uma seção de diâmetro levemente reduzido 47 que fica de uma maneira geral nivelada com a periferia interna do nariz de conduto 36. O revestimento refratário é formado em seções ajustadas dentro do tubo de conduto interno 37. Quando a lança é instalada e em uma condição vertical, a seção de fundo do revestimento assenta na parede traseira 86 do nariz de conduto e as outras seções de revestimento são suportadas em anéis para tijolos 90 soldados ao tubo 39. Conseqüentemente, o peso pleno do revestimento refratário é transmitido descendentemente ao tubo interno 37 do conduto. Uma vez que o conduto fica plenamente suportado por sua extremidade superior através do tubo externo 39, esta carga descendente deve ser transferida do tubo interno para o tubo externo através da interligação proporcionada pela parede de ponta 86, pela estrutura divisória 80 e pela estrutura do nariz 89 que são todas feitas de aço e que proporcionam uma interligação rígida e reforçada muito sólida capaz de transmitir essas forças.

Para trás a partir da seção 47 o revestimento refratário é de diâmetro levemente maior para possibilitar que a estrutura central 33 seja inserida descendentemente através do conduto na montagem da lança sem contaminar o refratário. As aletas de redemoinho 34 são então movidas dentro da seção de diâmetro reduzido do refratário até suas extremidades dianteiras entrarem na parte mais recuada do nariz de conduto 36. No conjunto final as aletas estendem-se ao longo da estrutura central 33 a partir das extremidades traseiras 34A espaçadas para trás a partir do nariz de conduto 36 para as extremidades dianteiras 34B dispostas dentro do nariz de conduto. As aletas 34 são dimensionadas de forma tal que existe uma pequena folga radial entre as aletas e o revestimento refratário do conduto. Elas também são dimensionadas de forma que quando a lança está em uma condição fria existe uma pequena folga radial da ordem de 2 mm entre as extremidades dianteiras das aletas e a periferia interna do nariz de conduto 36, mas na expansão térmica sob condições de operação, as extremidades dianteiras das aletas são encaixadas pela ponta refrigerada a água internamente que então proporciona suporte lateral para as aletas e a extremidade inferior da estrutura central 33. A estrutura central é longa e flexível e, se não for suportada, o jato de gás poderá provocar séria vibração. Com a dís- posição ilustrada proporciona-se o suporte lateral a-través do enganche do nariz refrigerado cora as aletas. As aletas podem ser feitas de um material liga de cobalto, tal como UMCO 50. Elas poderão ser formadas em uma luva simplesmente ajustada sobre a extremidade inferior da estrutura central e chavetada de forma a impedir a rotação. A parede traseira 86 do nariz de conduto 36 é formada com uma seção mediana deformável para poder acomodar carga radial na parede quando do encaixe com as extremidades dianteiras das aletas 34. Mais especificamente, o segmento de corpo de ponta anular que forma a parede é provido de uma corrugaçâo deformável 86A de seção em forma de "U" que pode fechar-se para acomodar carga excessiva na parede de maneira a limitar esforços na parede sob cargas radiais geradas por movimentos térmicos sob condições de operação rigorosas geradas pelo processo HIsmelt. A extremidade dianteira da estrutura central 33 que suporta as aletas de redemoinho 34 é refrigerada internamente a água por meio de água de refrigeração fornecida para diante através da estrutura central da extremidade traseira para a extremidade dianteira da lança e, então, retornada ao longo da estrutura central para a extremidade traseira da lança. Esta disposição permite provocar um fluxo de água de refrigeração muito forte diretamente para a extremidade dianteira da estrutura central e para a ponta arredondada 35 em particular que é submetida a fluxo térmico muito alto na operação da lança. A estrutura central 33 compreende tubos de aço interno e externo concêntricos 50, 51 formados por segmentos de tubo, dispostos ponta com ponta e soldados entre sí. 0 tubo interno 50 define uma passagem de fluxo de água central 52 através da qual a água flui para diante através da estrutura central desde uma entrada de água 53 na extremidade traseira da lança através dela para a ponta extrema frontal 35 da estrutura central e uma passagem de retorno de água anular 54 definida entre os dois tubos através da qual a água de refrigeração retorna a partir do nariz 35 de volta a-través da estrutura central para uma saída de água 55 na extremidade traseira da lança. A extremidade de ponta 35 da estrutura central 33 compreende um corpo de cobre interno 61 montado dentro de um corpo de ponta arredondada externa 62, também feita de cobre. A peça interna de cobre 61 é formada com uma passagem de fluxo de água central 63 para receber água a partir da passagem central 52 da estrutura 33 e encaminhá-la para a ponta do cone. O corpo de cobre 61 é formado com nervuras salientes 64 que se ajustam estreitamente dentro do corpo de ponta 62 para definir uma única passagem de fluxo de água de refrigeração contínua 65 entre o corpo de cobre 61 e o corpo de ponta externo 62. As nervuras 64 são conformadas de maneira tal que a passagem contínua única 65 estende-se como segmentos de passagem anulares 66 interligados por segmentos de passagem 67 que se inclinam de um segmento anular para o seguinte. Assim, a passagem 65 estende-se a partir do nariz do bico em uma espiral que, muito embora não de formação helicoidal regular, é espiralada em torno e de volta ao longo do nariz para sair na extremidade traseira do nariz dentro da passagem de retorno anular formada entre os tubos 51, 52 da estrutura central 33. 0 fluxo forçado de água de refrigeração em uma única corrente coerente através da passagem em espiral 65 que se estende em torno da extremidade de nariz 35 da estrutura central assegura extração de calor eficiente e evita o desenvolvimento de "pontos quentes" no nariz que poderíam ocorrer se a água de refrigeração fosse deixada dividir-se em correntes separadas no nariz. Na disposição ilustrada a água de refrigeração é restringida em uma única corrente a partir da hora em que ela entra na extremidade de nariz 35 até à hora em que ela sai da extremidade de nariz. A estrutura interna 33 é provida de uma blindagem de calor externa 69 para proteção contra transferência de calor proveniente do fluxo de gás quente de entrada no conduto 31 para a água de refrigeração que flui dentro da estrutura central 33. Se for submetida às temperaturas muito altas e altos fluxos de gás requeridos em uma instalação de redução em grande escala, uma blindagem refratária sólida pode proporcio- nar apenas uma curta vida de serviço. Na construção ilustrada, a blindagem 69 é formada de luvas tubulares de material cerâmico comercializado sob o nome UMCO. Estas luvas ficam dispostas ponta com ponta para formarem uma blindagem de cerâmica contínua que circunda um intervalo de ar entre a blindagem e o tubo exterior 51 da estrutura central. Outros detalhes da maneira pela qual a blindagem pode ser formada serão encontrados na exposição do relatório de patente US 6.673.305.

Na instalação da lança dentro do vaso, a luva de montagem 110 é presa por meio de pernos de fixação 121 a um flange 122 na extremidade superior de uma abertura tubular 123 em uma parede superior do vaso. O flange de montagem 110 é formado com uma luva de extensão tubular oca 124 que se projeta dentro da abertura tubular 123 e é refrigerada a água internamente pelo fluxo de água de refrigeração através de uma entrada 125 e saída 126 que se estende através do flange de montagem 110. Água proveniente da entrada 125 é levada a passar através do canal interno 127 para a extremidade de fundo da luva tubular 124 e então flui de volta através dessa luva tubular sucessivamente através de uma série de galerias circunferenciais formadas pelas divisórias circunferenciais internas 128 dentro das paredes da luva. A refrigeração da luva 128 dentro da abertura tubular 123 do vaso faz com que a escória endureça dentro do fundo da abertura para fechar a abertura e reduzir o fluxo de calor através da abertura. A luva 124 tem uma ajustagem folgada dentro da abertura e também se estende em torno do corpo de lança com uma pequena folga, sendo os espaços de folga fechados pela escória endurecida. Esta disposição protege a abertura de vaso e flange 122 contra superaquecimento e evita a necessidade de proporcionar passagens de refrigeração nesta parte do vaso. A dimensão da luva 124, e mais particularmente o diâmetro externo da luva, são selecionados de forma que existe um intervalo entre a abertura tubular 123 e o módulo de lança 26A e uma camada de escória endurecida que inevitavelmente se forma na parede externa do módulo no uso da lança. Com esta disposição, o módulo de lança 26A e a escória endurecida podem ser retirados do vaso sem contactar a abertura tubular 123. Isto constitui um aspecto importante sob o ponto de vista de reduzir ao mínimo a possibilidade da escória endurecida no módulo de lança 26A danificar o vaso ou o módulo de lança durante a retirada. A maneira de se instalar a lança está i-lustrada nas Figuras 18 a 20. Os três módulos de lança 26A, 26B e 26C são fabricados separadamente e levados para o local do vaso para instalação sucessiva. Em uma primeira etapa de instalação, o módulo de conduto principal 26A é levantado em um guindaste através do iça-mento das orelhas 131 na extremidade superior final do módulo, de forma que o módulo fica suspenso verticalmente do guindaste e pode ser inserido descendentemente através da abertura tubular 123 na parede superior do vaso, tal como ilustrado na Figura 18. 0 módulo 26A é abaixado até o flange de montagem 110 encostar-se no flange 122 no vaso e os flanges 110 e 122 são então firmemente presos entre si por meio dos pernos de fixação 121.

Em uma segunda etapa da instalação, o módulo de entrada de gás 26B é içado em um guindaste a-través das orelhas de içamento 132 na extremidade superior do módulo, de forma que o corpo tubular do módulo fica suspenso verticalmente para baixo, como ilustrado na Figura 19. O módulo 26B é então arriado até o flange 111 na sua extremidade inferior encostar contra o flange 103 na extremidade superior do módulo 26A e o flange 111, 103 são conectados entre si por meio de pernos de conexão 112.

Em uma terceira etapa de instalação, o módulo de lança central 26C é içado em um guindaste através das orelhas de içamento 133 na extremidade superior desse módulo, de forma que o módulo fica pendurado verticalmente para baixo e pode ser estendido descendentemente através do módulo de entrada de gás 26B e dentro do módulo de conduto principal 26A conforme ilustrado na Figura 20. O módulo central é abaixado até o seu flange 115 ser encostado contra o flange 114 na extremidade superior do módulo de entrada de gás e os flanges 114 e 115 são fixados entre si por meio dos pernos de fixação 116 para completar a instalação da lança. Com a instalação concluída, o módulo central fica sus- penso a partir da sua conexão com a extremidade superior {traseira) do módulo de entrada de gás de maneira a pendurar-se verticalmente para baixo dentro do corpo tubular do módulo de entrada de gás e no interior do módulo de conduto principal.

Para se remover a lança, os três módulos são liberados sucessivamente e içados por meio de um guindaste na ordem inversa àquela da sua instalação, ou seja, o módulo central 26C é removido primeiro, seguido pelos módulos 26B e 26A. A construção modular e o método de instalação descritos anteriormente permitem a fabricação e a instalação de lanças muito grandes e pesadas em usinas de redução direta em grande escala.

Claims (21)

1. Lança para injetar gás em um vaso, incluindo: um conduto de fluxo de gás (31) se estendendo de uma extremidade traseira para uma extremidade dianteira para descarregar gás a partir do conduto (31); uma estrutura central alongada (33) se estendendo dentro do conduto de fluxo de gás (31) a partir da sua extremidade traseira para sua extremidade dianteira; uma pluralidade de aletas de encaminhamento de fluxo (34) dispostas em torno da estrutura central adjacente à extremidade dianteira do conduto (31) para transmitir redemoinho a um fluxo de gás através da extremidade dianteira do conduto (31); passagens de fornecimento (41, 42, 43) e retorno (44, 45) de água de refrigeração (85) se estendendo através da parede do conduto de fluxo de gás (31) e se estendendo a partir da extremidade traseira para a extremidade dianteira do conduto de fluxo de gás (31) para fornecer e retornar água de refrigeração para a extremidade dianteira do conduto (31); e uma ponta de conduto anular disposta na extremidade dianteira do conduto (31) e tendo uma passagem de água de refrigeração interna conectada com as passagens de suprimento e retorno de água (41, 42, 43; 44, 45) de refrigeração de forma a receber e retornar um fluxo de água de refrigeração para refrigerar internamente a ponta do conduto; caracterizada pelo fato de que a lança é constituída de três módulos presos de forma soltável entre si por prendedores soltáveis, os módulos compreendendo: 1) um módulo de conduto principal (26A) formando o conduto de fluxo de gás através de uma parte principal do comprimento desse conduto e incluindo as passagens de suprimento e retorno de água (41, 42, 43; 44, 45) e ponta de conduto anular; 2) um módulo de entrada de gás (26B) incluindo um corpo tubular preso de forma soltável por um primeiro conjunto dos prendedores a uma extremidade traseira do módulo de conduto principal (26A) de forma tal que seu interior é conectado com o interior do módulo de conduto e um tubo de derivação (107) ramificando-se lateralmente a partir do corpo tubular para servir como uma entrada de gás para admissão de gás para o corpo tubular e, então, para o interior do módulo de gás principal, e 3) um módulo central (26C) formando a estrutura central alongada (33) e as aletas de encaminhamento de fluxo (34) e preso de forma soltável por um segundo conjunto de prendedores a uma extremidade traseira do corpo tubular do módulo de entrada de gás (26B).

2. Lanca, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a extremidade traseira do módulo de conduto principal (26A) e a extremidade dianteira do módulo de entrada de gás (26B) são formadas com flanges circunferenciais confinantes (80A, 80B, 80C e 80D) e o primeiro conjunto de prendedores (121) prende de forma soltável estes flanges entre si.

3. Lanca, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a extremidade traseira do corpo tubular do módulo de entrada de gás (26B) e a extremidade traseira do módulo central (26C) são formadas com flanges circunferenciais confinantes (80A, 80B, 80C e 80D) e um segundo conjunto de prendedores (121) prende de forma soltável esses flanges entre si.

4. Lança, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o módulo de conduto principal (26A) inclui um flange de montagem (110) que se projeta para fora espaçado para diante a partir da extremidade traseira do módulo para a montagem da lança em uma parede de um vaso metalúrgico (11).

5. Lança, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o flange de montagem (110) que se projeta para fora é disposto em torno de uma luva tubular que se estende circunferencialmente em torno do conduto e provido de passagens de fluxo de água internas para refrigeração interna da luva.

6. Lança, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a luva tubular se estende para diante a partir do flange de montagem (110) que se projeta para fora de maneira que no uso da lança se projeta em uma abertura em uma parede do vaso (11) na qual a lança deve ser montada.

7. Lança, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, caracterizada pelo fato de que o módulo de conduto principal (26A) compreende conectores de entrada e saída de água conectando com as passagens de água de refrigeração e retorno de suprimento e dispostos entre a extremidade traseira do módulo de conduto principal (26A) e o flange de montagem (110) que se projeta para fora.

8. Lança, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que cada um do módulo de conduto principal (26A), módulo de entrada de gás (26B) e módulo central (26C) compreende adicionalmente pelo menos um circuito de refrigeração para em uso receber um fluxo de água de refrigeração, os circuitos de refrigeração operando independentemente.

9. Lança, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que as passagens de suprimento e retorno do módulo principal compreendem trajetos de fluxo anulares substancialmente paralelos providos de três ou mais elementos cilíndricos concêntricos retidos dentro do módulo para proporcionarem expansão diferencial de dois ou mais dos elementos cilíndricos.

10. Lança, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o módulo de entrada de gás (26B) compreende dois elementos cilíndricos concêntricos para proporcionarem um trajeto de fluxo de camada única para água de refrigeração entre os elementos cilíndricos.

11. Lança, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que uma de mais divisórias proporciona o trajeto de fluxo de camada única do módulo de entrada de gás (26B) com duas ou mais galerias de fluxo de água.

12. Lanca, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o trajeto de fluxo de camada única compreende dois circuitos de fluxo de água independentes.

13. Lança, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 12, caracterizada pelo fato de que um tubo de derivação (107) se estende lateralmente a partir de um eixo geométrico central do módulo de entrada e o tubo de derivação (107) compreende um flange para conexão a um conduto de suprimento de gás e o trajeto de fluxo de camada única se estendendo em torno do tubo de derivação (107).

14. Lança, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizada pelo fato de que a luva tubular se estende em torno do corpo de lança nas proximidades do flange de montagem (110) do módulo de conduto principal (26A) e tem um flange de montagem para conexão a uma parte superior do vaso (11) e ao flange de montagem (110) do módulo de conduto principal (26A).

15. Lanca, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que a luva é provida de passagens de fluxo de água internas para refrigeração interna da luva.

16. Lança, de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracterizada pelo fato de que a luva tem um diâmetro externo que, em uso, capacita o corpo de lança e uma camada da escória endurecida que se forma no corpo de lança a serem retirados do vaso (11) através da abertura do vaso sem contactar a abertura do vaso.

17. Lança, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o módulo de conduto principal (26A) compreende um corpo de lança tubular que define o conduto de fluxo de gás e adicionalmente compreende três ou mais elementos cilindricos concêntricos para proporcionarem as passagens de suprimento e retorno alongadas e os elementos cilindricos retidos dentro da lança de maneira a proporcionarem expansão diferencial de dois ou mais dos elementos cilíndricos, em que o módulo de entrada de gás (26B) inclui um elemento de entrada de gás que define o corpo tubular e o elemento de derivação, o elemento de entrada de gás compreendendo dois elementos cilíndricos concêntricos proporcionando um trajeto de fluxo de camada única para escoamento da água de refrigeração entre os elementos substancialmente cilíndricos.

18. Lança, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que os trajetos de fluxo de suprimento e retorno do corpo de lança tubular operam independentemente do trajeto de fluxo de camada única do elemento de entrada de gás.

19. Lanca, de acordo com a reivindicação 17 ou 18, caracterizada pelo fato de que uma ou mais divisórias proporcionam o trajeto de fluxo de camada única do elemento de entrada de gás com duas ou mais galerias de fluxo de água.

20. Lança, de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato de que o trajeto de fluxo de camada única compreende dois circuitos de fluxo de água independentes.

21. Lança, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 20, caracterizada pelo fato de que o tubo de derivação (107) se estende lateralmente a partir de um eixo geométrico do corpo tubular e o tubo de derivação (107) compreende um flange para conexão a um conduto de suprimento de gás, o trajeto de fluxo de camada única se estendendo em torno do tubo de derivação (107).