BRPI0601011B1

BRPI0601011B1 - BLOWING BOOM FOR METAL MANUFACTURING

Info

Publication number: BRPI0601011B1
Authority: BR
Inventors: Marcelo Silva Duarte; Wellington Morais De Andrade
Original assignee: Lumar Metalurgica
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2014-09-16
Also published as: BRPI0601011A

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "LANçA DE SOPRO PARA A FABRICAçãO DE METAIS". A presente invenção refere-se a uma lança de sopro utilizada em processos para fabricação de metais. Essa lança de sopro é principalmente aplicada no processo da metalurgia de panela para obtenção do aço.Report of the Invention Patent for "BLOW METAL MANUFACTURING BOOM". The present invention relates to a blowing lance used in metal fabrication processes. This blow lance is mainly applied in the pan metallurgy process to obtain steel.

Descrição do estado da técnica Lanças de sopro são amplamente utilizadas na indústria metalúr- gica para a injeção de gases -principalmente o oxigênio- no banho metálico, quando do processo de obtenção de metais. Note-se que além do oxigênio, essa lança também pode utilizar outros gases ou misturas de gases nos pro- cessos de fabricação dos metais. O processo de fabricação do aço utiliza fornos que estão a ele- vadas temperaturas, e que a injeção de gases aumenta o rendimento do for- no. A introdução do comburente é realizada por meio de uma lança de so- pro, que é introduzida através da boca do forno e que se aproxima da su- perfície do metal líquido, ficando submetida a elevadas temperaturas.Description of the state of the art Blow lances are widely used in the metallurgical industry for the injection of gases - principally oxygen - into the metal bath during the process of obtaining metals. Note that in addition to oxygen, this boom can also use other gases or gas mixtures in metal fabrication processes. The steelmaking process uses furnaces that are at high temperatures, and gas injection increases the furnace yield. The introduction of the oxidizer is carried out by means of a thrust lance, which is introduced through the mouth of the furnace and approaches the surface of the liquid metal, being subjected to high temperatures.

Para obtenção de uma lança de sopro com maior vida útil, é ne- cessário que essa seja refrigerada, e que neste caso, a refrigeração se dá pela circulação de água. Deve-se observar que as temperaturas em torno da lança são bastante elevadas. No caso do metal processado ser o aço, as temperaturas ultrapassam os 1.700°C, e em aíguns casos ela chega a imer- gir no banho metálico.In order to obtain a longer blow life, it is necessary that it be cooled, and in this case, the cooling takes place through the circulation of water. It should be noted that temperatures around the boom are quite high. In the case of the processed metal being steel, the temperatures exceed 1,700 ° C, and in some cases it even plunges into the metal bath.

Portanto, como mencionado, as lanças de oxigênio do estado da técnica possuem um sistema de arrefecimento interno para que não haja um aumento considerável de temperatura no corpo da lança, o que comprome- tería o seu funcionamento. Em outras palavras, em função da elevada carga térmica há a possibilidade de fusão da lança, o que obviamente a tornaria ineficaz. Assim, o sistema de arrefecimento realiza uma troca de calor entre o corpo da lança, que é normalmente de aço, e um líquido, usualmente á- gua, que circula em seu interior. Como afirmado anteriormente, o ponto de fusão do aço é relativamente alto, o que confere à lança uma boa resistência a altas temperaturas. A extremidade inferior da lança (bico) é fabricada em cobre, pois este metal possui um alto coeficiente de transmissão térmica, fazendo com que o calor que chega até a sua superfície, seja imediatamente transferido para o líquido refrigerante. O material fundido encontra-se dividido em dois volumes distin- tos, sendo um de escória (superior) e outro de aço (inferior). Durante o so- pro, ocorrem projeções (splashes) de escória e aço sobre o corpo da lança.Therefore, as mentioned, state-of-the-art oxygen lances have an internal cooling system so that there is no considerable increase in temperature in the boom body, which would compromise its operation. In other words, due to the high thermal load there is the possibility of fusing the boom, which would obviously make it ineffective. Thus, the cooling system performs a heat exchange between the boom body, which is normally steel, and a usually water-circulating liquid within it. As stated earlier, the melting point of the steel is relatively high, which gives the boom good resistance to high temperatures. The lower end of the boom (nozzle) is made of copper, as this metal has a high coefficient of thermal transmission, so that the heat that reaches its surface is immediately transferred to the coolant. The molten material is divided into two distinct volumes, one of slag (upper) and one of steel (lower). During the blow, splashes of slag and steel occur over the boom body.

Assim, ao chocar-se contra a lança, o material fica aderido à superfície ex- terna da mesma, que está a uma temperatura substancial mente menor do que a da própria escória, formando então um acúmulo de material. A razão pelo qual isto ocorre, é a fusão da camada superficial da lança. A cada ciclo de sopro, a espessura deste material aumenta, sendo necessária a remoção da lança para manutenção.Thus, upon striking the lance, the material is adhered to the outer surface of the lance, which is at a substantially lower temperature than that of the slag itself, thus forming an accumulation of material. The reason this occurs is the fusion of the spear surface layer. With each blow cycle, the thickness of this material increases, requiring removal of the boom for maintenance.

Com a interrupção da utilização da lança, todo o processo de obtenção do aço é interrompido, o que deve ser evitado, já que os custos de produção se elevam com a ociosidade do equipamento. Enquanto se realiza a manutenção é utilizada uma outra lança para continuação do processo, sendo necessária a existência de um estoque de lanças sobressalentes.With the interruption of the use of the boom, the whole process of obtaining the steel is interrupted, which should be avoided, since the production costs increase with the idleness of the equipment. While performing maintenance another boom is used to continue the process and a stock of spare booms is required.

Uma lança com um sistema de arrefecimento do estado da téc- nica pode ser observada a partir do documento norte-americano US 5,350,158. A referida lança consiste em diversos tubos concêntricos de diâ- metros distintos, que formam um sistema de arrefecimento interno à lança.A boom with a state-of-the-art cooling system can be observed from US 5,350,158. This boom consists of several concentric tubes of different diameters, which form a cooling system internal to the boom.

Um fluido refrigerante circula entre os referidos tubos de modo a absorver o calor. Para aumentar esta troca térmica, são providas aletas internas que estão em contato com a parede externa de um tubo interno e o fluido refrige- rante propriamente dito. No entanto, tal dispositivo apresenta ainda a ade- rência de escória em sua superfície externa quando da utilização da lança, pois a sua superfície não fica suficientemente arrefecida, a ponto de evitar a fusão da superfície.A refrigerant circulates between said tubes to absorb heat. To increase this heat exchange, internal fins are provided which are in contact with the outer wall of an inner tube and the coolant itself. However, such a device still exhibits the slag adherence on its external surface when using the boom, as its surface is not sufficiently cooled to the point of preventing surface melting.

Os documentos US 6,440,356, US 6,673,305 e US 6,773,659 apresentam um sistema de arrefecimento do estado da técnica semelhante, no qual existem tubos de aço concêntricos que permitem a troca de calor. Não é descrito nenhum tipo de aleta interna para auxiliar a transferência de calor entre o fluido refrigerante e o corpo da lança. No entanto, descreve-se uma espiral interna que auxilia a distribuição do ar/comburente fornecido ao processo de obtenção do metal. Também circula no interior dessa espiral o fluido refrigerante. Os documentos US 6,673,305 e US 6,773,659 têm sua extremidade inferior em cobre.US 6,440,356, US 6,673,305 and US 6,773,659 present a similar prior art cooling system in which there are concentric steel tubes that allow heat exchange. No internal fin is described to assist heat transfer between the coolant and the boom body. However, an internal spiral is described which assists in the air / oxidant distribution provided to the metal obtaining process. Also circulates inside this spiral the refrigerant. US 6,673,305 and US 6,773,659 have their lower end in copper.

Breve descrição da invenção A presente invenção refere-se a uma lança de sopro para a fa- bricação de metais. Essa lança é constituída por um conjunto de tubos circu- lares concêntricos, fabricados normalmente em aço, tendo em sua parte su- perior entrada de gases, e entrada e saída de líquido de arrefecimento, e na sua parte inferior uma saída para os gases que serão injetados no banho metálico. O formato da parte inferior da lança é cônico, o que facilita o desprendimento da escória. E ainda, no interior dessa parte inferior cônica existem aletas em forma de espiral, cuja principal função é aumentar a efici- ência da troca térmica entre as paredes do tubo e o líquido refrigerante.BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a metalworking blow boom. This lance consists of a set of concentric circular tubes, normally made of steel, with upper gas inlets and coolant inlets and outlets, and at its bottom an outlet for gases which will be injected into the metal bath. The shape of the underside of the boom is tapered, which facilitates detachment of slag. Also, inside this conical underside there are spiral-shaped fins, whose main function is to increase the efficiency of the heat exchange between the pipe walls and the coolant.

Descrição resumida dos desenhos A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descri- ta com base em um exemplo de execução representado nas figuras, con- forme listado abaixo: Figura 1 - é uma vista em corte de um forno com a aplicação de uma lança de sopro do estado da técnica;Brief Description of the Drawings The present invention will hereinafter be described in more detail based on an exemplary embodiment shown in the figures, as listed below: Figure 1 is a cross-sectional view of an oven with the application of a prior art blowing spear;

Figura 2 - é uma vista em corte de um forno com a aplicação de uma lança de sopro;Figure 2 is a sectional view of an oven with the application of a blow lance;

Figura 3 - é uma vista em corte ampliado do forno com a aplica- ção da lança de sopro;Figure 3 is an enlarged sectional view of the furnace with the blow boom application;

Figura 4 - é uma vista em perspectiva da lança de sopro;Figure 4 is a perspective view of the blow boom;

Figura 5 - é uma vista ampliada da lança de sopro;Figure 5 is an enlarged view of the blow boom;

Figura 6 - é uma vista explodida e ampliada da lança de sopro;Figure 6 is an exploded and enlarged view of the blow boom;

Figura 7 - é uma vista em corte ampliado da lança de sopro.Figure 7 is an enlarged sectional view of the blow boom.

Descrição detalhada das figuras A partir da figura 2, é visualizado um forno de metalurgia em cor- te, que possui uma parede externa (carcaça de aço) 1 formando um recipi- ente, que é aberto em sua parte superior 2. O forno de metalurgia é revesti- do internamente por uma parede refratária 3, que visa proteger a carcaça 1 de ataques químicos e físicos, que eventualmente possam ocorrer durante o processo de obtenção do metal desejado.Detailed description of the figures From Figure 2, a cut metallurgy furnace is shown having an outer wall (steel casing) 1 forming a container which is opened at its top 2. The metallurgy is internally lined with a refractory wall 3 to protect the carcass 1 from chemical and physical attacks that may occur during the process of obtaining the desired metal.

Durante o processo de fabricação do metal, o interior do forno fica constituído por três volumes distintos: metal líquido ou banho 4, camada de escória 5 e volume de gases 6.During the metal fabrication process, the furnace interior consists of three distinct volumes: liquid or bath metal 4, slag layer 5 and gas volume 6.

Na parte superior do forno 2 é instalado um duto de despoeira- mento 7 com uma abertura lateral 8 que permite a introdução e retirada da lança 9, além de servir como local de introdução de fundentes e elementos de liga. Durante o processo de fabricação do metal, a lança de sopro 9 é introduzida no forno através da abertura lateral 8, sendo que a extremidade da lança 10 penetra através da camada de escória 5 até bem próximo da camada de metal líquido 4.In the upper part of the furnace 2 a dusting duct 7 with a side opening 8 is installed which allows the introduction and removal of the lance 9, as well as the place of introduction of fluxes and alloying elements. During the metal fabrication process, the blow lance 9 is introduced into the furnace through the side opening 8, with the end of the lance 10 penetrating through the slag layer 5 to very close to the liquid metal layer 4.

Após o posicionamento da lança de sopro 9, como descrito ante- riormente, ocorre a injeção de gás pela extremidade da lança 10. A partir disso há um aumento do volume de gás 6, bem como de sua reatividade.After the positioning of the blow boom 9, as previously described, there is gas injection by the end of the boom 10. From this there is an increase in the volume of gas 6, as well as its reactivity.

Durante o processo de injeção de gás, as reações químicas au- mentam significativamente, bem como a temperatura na região dos gases 6 do forno 1. Ocorre também que, durante o sopro, a escória atinge a região inferior da lança, ficando ali aderida. A título comparativo, o resultado do acima exposto em uma lan- ça de sopro 9 do estado da técnica pode ser observado na figura 1, que de- monstra o acúmulo de escória aderido à sua extremidade e também à parte do corpo da lança. Por isso, ocorre descontinuidade da produção, pela ne- cessidade de troca periódica da lança para remoção do material aderido.During the gas injection process, the chemical reactions increase significantly as well as the temperature in the furnace 1 gas region. 6 It also occurs that during the blow the slag reaches the lower region of the boom and becomes adhered there. By way of comparison, the result of the above in a prior art blowing lance 9 can be seen in Figure 1, which shows the accumulation of slag adhered to its end and also to the body part of the boom. Therefore, production is discontinued due to the need to periodically change the boom to remove adhered material.

Deve-se notar ainda que esse material se torna tão espesso, que a lança adentra o forno, implicando a perda da mesma.It should also be noted that this material becomes so thick that the spear enters the oven, implying its loss.

No entanto, na figura 3, é descrito a quantidade de escória que é aderida à lança de sopro 9 da presente invenção, sendo que para o funcio- namento contínuo do processo de obtenção do metal requerido, essa pe- quena quantidade de escória aderida não requer nenhum tipo de interrupção do processo. Isso naturalmente diminui os custos de produção, uma vez que a lança 9 não será trocada por causa do acúmulo de escória solidificada, mas somente devido ao seu desgaste. A lança de sopro 9 pode ser integralmente visualizada na figura 4. Da mesma maneira que na lança do estado da técnica, essa lança 9 com- preende uma entrada 12 de líquido refrigerante, uma entrada de gás 13, bem como uma saída 14 de líquido refrigerante localizadas na sua parte su- perior. Por meio de uma circulação do líquido refrigerante, é retirado calor da lança de sopro 9, pois a retirada de calor aumenta a vida útil da lança de sopro 9.However, in figure 3, the amount of slag that is adhered to the blow lance 9 of the present invention is described, and for the continuous operation of the process of obtaining the required metal, that small amount of adhered slag does not requires no process interruption. This of course lowers production costs as boom 9 will not be changed because of solidified slag buildup, but only because of wear. Blow lance 9 can be fully viewed in Figure 4. Similar to the prior art lance, this lance 9 comprises a coolant inlet 12, a gas inlet 13, as well as a liquid outlet 14 refrigerant located at its top. By circulating the coolant, heat is removed from the blow lance 9, as heat removal extends the life of the blow lance 9.

Entre a extremidade 10 e um tubo de aço 15, é instalado um tu- bo cônico 16 de cobre, tendo seu menor diâmetro soldado à extremidade 10. O corpo cônico 16 é mostrado na figura 5. Na extremidade 10 é mostrado um orifício de saída de gás 17, sendo que o comprimento do tubo cônico 16, a forma e a quantidade de orifícios variam em função da aplicação da lança 9. A forma cônica que caracteriza o tubo 16 propicia um despren- dimento das escórias ali aderidas, uma vez que devido ao posicionamento vertical da lança de sopro 9, não há nenhuma oposição à força gravitacional sobre a escória aderida. Assim a escória se desprende pela ação do próprio peso. A diferença de velocidade de contração térmica impede a ade- rência da escória ao tubo cônico. As seções com maiores diâmetros tendem a ter uma maior variação dimensional que as seções de menor diâmetro, quando estas são submetidas a cargas térmicas. Na presente invenção, a escória não acompanha completamente as variações do tubo cônico devido às diferenças de propriedades físico-químicas. Com isso, a escória solidifi- cada se desprende do tubo cônico 16 com uma facilidade ainda maior. Não obstante, para se garantir um completo desprendimento da escória do tubo cônico 16, esse é fabricado com um material que possui um alto coeficiente de transmissão de calor. O material empregado no estado da técnica é o aço, já que possui um ponto de fusão relativamente alto e assim suporta temperaturas mais elevadas. A presente invenção propõe o empre- go do cobre, que é um material cuja condutividade térmica é 5 vezes maior que a do aço, e possui um ponto de fusão menor, o que para um técnico no assunto poderia parecer contraditório, pois este material fundiría muito antes que o aço. No entanto, o calor absorvido pelo tubo cônico 16 da presente invenção é rapidamente transmitido para o líquido refrigerante, não permitin- do que seja atingida a temperatura de fusão do cobre, impedindo assim a formação de uma fina camada de escória fundida e cobre na superfície ex- terna do tubo cônico 16, e conseqüentemente a não aderência de escória ao tubo cônico 16.Between the end 10 and a steel pipe 15, a copper tapered pipe 16 is installed, its smaller diameter welded to the end 10. The tapered body 16 is shown in figure 5. At the end 10 is shown an outlet hole 17, with the length of the conical tube 16, the shape and number of holes varying according to the application of the lance 9. The conical shape that characterizes the tube 16 provides a detachment of the slag adhered to it, since Due to the vertical positioning of the blow boom 9, there is no opposition to the gravitational force on the attached slag. Thus the slag is released by the action of its own weight. The difference in thermal contraction velocity prevents the slag from adhering to the conical tube. Larger diameter sections tend to have greater dimensional variation than smaller diameter sections when they are subjected to thermal loads. In the present invention, slag does not completely follow the variations of the conical tube due to differences in physicochemical properties. Thus, the solidified slag detaches from the conical tube 16 with even greater ease. However, to ensure complete detachment of the tapered tube 16, it is made of a material having a high heat transmission coefficient. The material used in the prior art is steel, as it has a relatively high melting point and thus withstands higher temperatures. The present invention proposes the use of copper, which is a material whose thermal conductivity is 5 times higher than steel, and has a lower melting point, which would seem contradictory to a person skilled in the art, as this material would melt. long before steel. However, the heat absorbed by the conical tube 16 of the present invention is rapidly transmitted to the coolant, not allowing the melting temperature of the copper to be reached, thus preventing the formation of a thin layer of molten slag and copper on the surface. conical tube 16, and consequently the non-adherence of slag to the conical tube 16.

Além disso, o cobre é quimicamente estável dentro da atmosfera do forno, o que minimiza reações indesejadas. A figura 6 mostra a montagem do tubo cônico 16. A porção ex- terna do tubo 16 é formada por um tubo de cobre cônico 16. No interior do tubo de cobre 16 é inserido um tubo intermediário 18 de menor diâmetro que o tubo 16, sendo que o tubo intermediário 18 não é necessariamente de co- bre, pois não está em contato direto com a atmosfera externa. Forma-se as- sim, entre o tubo 16 e o tubo intermediário 18, uma passagem de líquido re- frigerante que será posteriormente descrita.In addition, copper is chemically stable within the furnace atmosphere, which minimizes unwanted reactions. Figure 6 shows the assembly of the tapered pipe 16. The outer portion of the pipe 16 is formed by a tapered copper pipe 16. Inside the copper pipe 16 is inserted an intermediate pipe 18 of smaller diameter than pipe 16, intermediate tube 18 is not necessarily copper, as it is not in direct contact with the external atmosphere. Thus, between tube 16 and intermediate tube 18, a coolant passage is formed which will be described later.

Os tubos 16 e 18 são fixados respectivamente de maneira es- tanque a um encaixe 19 e à extremidade 10 formando próximo a essa ex- tremidade um retorno para o líquido refrigerante. Na passagem entre os tu- bos 16 e 18, são inseridas aletas helicoidais 20 que ficam presas sob pres- são entre a parede interna do tubo de cobre 16 e a parede externa do tubo intermediário 18. As aletas helicoidais 20 podem apresentar outras formas, como, por exemplo, uma forma retilínea, e ainda, serem fabricadas direta- mente sobre a parede interna do tubo de cobre 16 ou sobre a parede exter na do tubo intermediário 18. O líquido utilizado para a refrigeração da lança de sopro 9 possui normalmente um fluxo turbulento, pois o coeficiente de atrito entre o líquido refrigerante e as paredes dos tubos 16 e 18 é relativamente pequeno, e a velocidade aplicada ao líquido refrigerante deve ser alta para que este não se aqueça demasiadamente. Em fluxos turbulentos, há formação de uma camada de bolhas de ar que age como isolante térmico, sendo que para o presente caso isto não ocorre, pois devido à aplicação das aletas helicoidais 20, é gerada uma força tangencial ao movimento do líquido refrigerante, o que não permite a formação da referida camada, obtendo-se assim um mai- or rendimento térmico na presente invenção. Não obstante, o cobre pode ser considerado como um material termicamente permeável, uma vez que toda a energia térmica que incide sobre o tubo 16 é rapidamente transferida para o líquido refrigerante e para as aletas helicoidais 20, que por si só aumenta a transferência de calor, ten- do em vista a maior área de contato com o líquido refrigerante.The pipes 16 and 18 are respectively fixedly attached to a socket 19 and to the end 10 forming a return to the coolant near this end. In the passage between pipes 16 and 18, helical fins 20 are inserted which are trapped under pressure between the inner wall of the copper tube 16 and the outer wall of the intermediate tube 18. The helical fins 20 may have other shapes, such as a rectilinear shape, and still being manufactured directly on the inner wall of the copper pipe 16 or on the outer wall of the intermediate pipe 18. The liquid used for cooling the blow lance 9 normally has turbulent flow, since the coefficient of friction between the coolant and the walls of the pipes 16 and 18 is relatively small, and the speed applied to the coolant must be high so that it does not overheat. In turbulent flows, there is a layer of air bubbles that acts as a thermal insulator, and for the present case this does not occur, because due to the application of the helical fins 20, a tangential force is generated to the movement of the coolant. which does not allow the formation of said layer, thus obtaining a higher thermal yield in the present invention. Nevertheless, copper can be considered as a thermally permeable material, as all thermal energy falling on the pipe 16 is rapidly transferred to the coolant and to the helical fins 20, which in itself increases heat transfer. in view of the larger area of contact with the coolant.

Finalmente, a partir da figura 7 observa-se o corpo cônico cilín- drico 16 montado, sendo que apresenta um tubo interno 22, no qual o gás utilizado no processo passa através desse tubo e é injetado no forno 1 atra- vés dos orifícios 17 do bico 10. Entre o tubo interno 21 e o tubo intermediário 18 é formada uma passagem para o líquido refrigerante. Por meio dessa passagem, o líquido refrigerante entra na lança de sopro 9, flui até a extre- midade 10 e posteriormente passa através da passagem formada entre o tubo intermediário 18 e o tubo de cobre 16, com isso realizando a troca de calor desejada.Finally, from Figure 7, the assembled cylindrical conical body 16 is shown, having an inner tube 22, in which the gas used in the process passes through this tube and is injected into the furnace 1 through the holes 17 nozzle 10. Between the inner tube 21 and the intermediate tube 18 a passageway for the coolant is formed. Through this passage, the coolant enters the blow lance 9, flows to the end 10 and then passes through the passage formed between the intermediate pipe 18 and the copper pipe 16, thereby performing the desired heat exchange.

Note-se que quando é feita referência a líquido refrigerante, po- de-se utilizar também um gás para efetuar a refrigeração.Note that when reference is made to refrigerant, a gas may also be used for refrigeration.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, de- ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí- veis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a- pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.Having described an example preferred embodiment, it is to be understood that the scope of the present invention encompasses other possible variations and is limited only by the content of the appended claims, including the possible equivalents thereof.

Claims

1. Metal-making blowing lance (9), comprising: - a coolant inlet and outlet (12,14); - a gas inlet (13) next to the refrigerant inlet and outlet (12, 14); - an end (10) provided with a gas outlet hole (17) which is in communication with the gas inlet (13) by means of an inner tube (22); - the inner tube (22) being surrounded by an intermediate tube (18) which in turn is surrounded by a tube (16), the tubes (16, 18) forming a coolant passageway; - the tube (16) being conical and copper; characterized in that it has in the passage between the tubes (16) and (18) of fins (20) fixed to the tubes (16) and (18).

Metal blowing lance (9) according to Claim 1, characterized in that the fins (20) are helical.