JP2001226708A - 固体微粒子材料を容器に注入するための装置 - Google Patents

固体微粒子材料を容器に注入するための装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体微粒子材料を製錬容器に注入するための
冶金用ランスの提供。 【解決手段】 固体材料を通す中心チューブ３１と、中
心チューブを包囲する環状冷却ジャケット３２とを有す
るランス２７。ジャケット３２は、前端部コネクタ４４
によって接続された外側および内側チューブ４２、４３
によって形成された長尺中空環状構造体４１を含む。長
尺管状構造体４５が、構造体４１の内部を内側環状水路
４６と外側環状水路４７とに分けるべく構造体４１内に
配される。管状構造体４５は、水路４６、４７の前端を
相互接続する環状端部通路５１を形成すべく構造体４１
のコネクタ４４内に嵌め込まれた前端部片４９を有す
る。冷却水は、水路４６を通って前方に流れ、更に通路
５１の周りを、外側通路４７に向かって外方へ流れ、水
出口５３側に流れる。通路５１を通る水流の有効断面積
は、冷却ジャケットの前端領域における高水量を得るべ
く水路４６、４７の流れ断面積よりも小さい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体微粒子材料を
容器に注入するために容器内に伸長する冶金用ランスを
提供するものである。この種の装置は、例えば、直接製
錬法によって溶融金属を製造するために製錬容器の溶湯
に冶金供給材料を注入するために用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】反応媒体として溶融金属層に依存し、一
般にＨＩ製錬法と称する公知の直接製錬法が、本出願人
名義の国際出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７（ＷＯ
９６／３１６２７）に記載されている。
【０００３】上記国際出願に記載されたＨＩ製錬法は、
（ａ）溶融鉄とスラグから成る湯を容器内に形成する段
階、（ｂ）（ｉ）金属を含む供給材料（典型的には、金
属酸化物）と、（ｉｉ）金属酸化物の還元剤およびエネ
ルギー源として働く固体炭素質材料（典型的には、石
炭）とを上記湯に注入する段階、および（ｃ）金属を含
む供給材料を金属層内で金属に製錬する段階を包含す
る。
【０００４】本明細書で、用語「製錬」は、金属酸化物
を還元する化学反応が起こって液状金属を製造する熱処
理過程を意味する。
【０００５】ＨＩ製錬法はまた、溶湯から溶湯上の空間
に酸素含有ガスと共に解放されて、金属を含む供給材料
を製錬するために必要な熱エネルギーに貢献すべく、後
燃焼によって生成された熱を溶湯に伝達する、ＣＯおよ
びＨ2等の後燃焼反応ガスを含む。
【０００６】ＨＩ製錬法はまた、溶湯上の後燃焼反応ガ
スによって生成された熱エネルギーを溶湯に伝達するの
に効果的な媒体を提供する溶融金属および／またはスラ
グの、上昇し、次いで下降する液滴または飛沫または流
れの好都合な質量がそこに存在する溶湯の公称静止表面
上の遷移帯域を形成することを含む。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ＨＩ製錬法では、金属
を含む供給材料および固体炭素質材料は、容器底部の金
属層内に固体材料を射出するように製錬容器の側壁を貫
通して容器の下部領域内にまで下方および内方に伸長す
るように鉛直線に対して傾斜した多数のランス／羽口を
通じて金属層内に注入される。ランスは、製錬容器内で
１４００℃程度の作業温度に耐えなければならない。し
たがって、ランスは、この苛酷な環境内で成功裡に動作
すべく内部強制冷却システムを持たねばならず、相当な
局所的温度変動に耐えなければならない。本発明は、こ
れらの条件下で効果的に動作することのできるランスの
構成を可能ならしめる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によって提供され
る冶金用ランスは、容器内に収容された溶融材料に固体
微粒子材料を注入するために容器内に伸長し、固体微粒
子材料が通過するための中心チューブと、その長さの相
当な部分に亘って中心チューブを包囲する環状冷却ジャ
ケットであって、中心チューブの周りに配置された内側
長尺環状水流通路（本明細書で、長尺とは、細長く伸長
することを意味している）、該内側長尺環状水流通路の
周りに配置された外側長尺環状水流通路、および冷却ジ
ャケットの前端で内側長尺環状水流通路と外側長尺環状
水流通路を互いに接続する環状端部通路を規定する冷却
ジャケットと、冷却ジャケットの後端領域で内側長尺環
状水流通路への水入口用の水入口手段と、冷却ジャケッ
トの後端領域で外側長尺環状水流通路からの水出口用の
水出口手段とを有し、それによって、冷却水流が、内側
長尺環状水流通路に沿って冷却ジャケットの前端へ向か
い、更に環状端部通路手段および外側長尺環状水流通路
を通って後方へ向かうようになっており、また、環状端
部通路が内側長尺環状水流通路から外側長尺環状水流通
路に向かって外側かつ後方側へ円滑に湾曲し、環状端部
通路を通る水流の有効断面積が、内側および外側長尺環
状水流通路の両者の流れ断面積よりも小さくなされてい
る。
【０００９】好ましくは、冷却ジャケットの内側および
外側長尺環状水流通路および環状端部通路が、環状端部
コネクタによって冷却ジャケットの前端で閉じる単一中
空環状構造体を形成すべく環状端部コネクタによって冷
却ジャケットの前端で互いに接続された内側および外側
チューブと、長尺管状構造体の前端部分と単一中空環状
構造体の環状端部コネクタとの間に環状端部通路を画成
するために、単一中空環状構造体内に配置され、その内
部を内側および外側長尺環状水流通路に分割すべく、中
空環状構造体の環状端部コネクタに隣接して配置された
前端部分まで延びる長尺管状構造体とによって画成され
る。
【００１０】さらに好ましくは、長尺管状構造体の前端
部分が中空環状構造体の環状端部コネクタに接続され
て、環状前端部通路の流れ断面積が定められる。さらに
好ましくは、熱膨張差または熱収縮差による前記内側お
よび外側チューブの間の長さ方向の相対的動きを許容す
るように単一中空環状構造体が配設され、また長尺管状
構造体が前記動きに順応するように配設される。
【００１１】さらに特定した好適態様では、単一中空環
状構造体の外側チューブが固定取り付け手段を有し、単
一中空環状構造体の内側チューブが、熱膨張差または熱
収縮差に順応して軸線方向に動くことができるように摺
動取り付け手段内に支持され、内側管状構造体が中空環
状構造体の内側チューブと共に動くことができるよう
に、内側管状構造体の後端が第２の摺動取り付け具内に
支持される。
【００１２】内側管状構造体を中空環状構造体の内側チ
ューブに直接接続し、軸線方向に共に動くようにするこ
とができる。その接続は、内側管状構造体の後端部にお
いて周方向で離隔した一群のコネクタによって行なうこ
とができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明を更によく説明するため
に、添付図面を参照しながら一具体例について述べる。
【００１４】図１は、国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／
００１９７に記載されるがごときＨＩ製錬法による作業
に好適な直接製錬容器を示す。冶金用容器が全体として
１１で示されており、耐火煉瓦で形成された基部１２と
側部１３を含む炉床と、炉床側部１３から上方に伸長す
る概ね円筒形の樽状体を形成する、上樽部１５と下樽部
１６を含む側壁１４と、屋根１７と、排気口１８と、溶
融金属を連続的に排出するための前炉床１９と、溶融ス
ラグ排出用栓孔２１とを有する。
【００１５】操業中の容器は、溶融金属層２２と、該金
属層２２上の溶融スラグ層２３とを含む鉄とスラグの溶
湯を収容する。符号２４で示された矢印は、金属層２２
の公称静止表面の位置を示し、符号２５で示された矢印
は、スラグ層２３の公称静止表面の位置を示す。用語
「静止表面」は、容器内へのガスおよび固体の注入が無
い時の表面を意味する。
【００１６】容器は、熱空気衝風を容器の上部領域に供
給するための下方に伸長する熱空気注入ランス２６と、
酸素欠乏キャリアガスに飛沫同伴される鉄鉱石、固体炭
素質材料およびフラックスを金属層２２に注入するため
に側壁１４を貫通してスラグ層２３内にまで内側下向き
に伸長する２つの固体注入ランス２７とを装備する。固
体注入ランス２７の位置は、それらの出口端２８が、操
業中に、金属層２２の表面よりも上にあるように選ばれ
れる。このランス位置によって、溶融金属との接触によ
る損傷の危険性を減らし、また容器内の溶融金属に水が
触れることになる重大な危険性のない状態でランスの強
制内部水冷を行なうことができる。
【００１７】固体注入ランスの構造を図２〜図５に示
す。図示のとおり、各固体注入ランス２７は、固体材料
を供給するための中心チューブ３１と、中心チューブ３
１をその長さの相当な部分に亘って包囲する環状冷却ジ
ャケット３２とを有する。中心チューブ３１は、その大
部分の長さ部分が炭素／合金鋼管３３で形成されている
が、その前端においてステンレス鋼部分３４が冷却ジャ
ケット３２の前端からノズルとして突出している。中心
チューブ３１の前端部分であるステンレス鋼部分３４
は、短い鋼製アダプター３５を介して中心チューブの炭
素／合金鋼部分３３に接続され、アダプター３５が、ス
テンレス鋼部分３４に溶接されるとともにねじ溝３６に
よって炭素／合金鋼部分に結合されている。
【００１８】中心チューブ３１は、一群の鋳造セラミッ
クチューブで形成された薄いセラミックライニング３７
によって前端ステンレス鋼部分３４まで内張りされてい
る。中心チューブ３１の後端は、結合部材３８を介して
Ｔ字状部材３９に接続され、該Ｔ字状部材３９を通じ
て、加圧された流動化搬送ガス（例えば、窒素）で固体
微粒子材料が供給される。
【００１９】環状冷却ジャケット３２は、前端接続片４
４によって互いに接続された外側および内側チューブ４
２、４３から成る長い中空環状構造体４１と、該構造体
４１の内部を内側長尺環状水流通路４６と外側長尺環状
水流通路４７とに分割するように中空環状構造体４１内
に配置された長尺管状構造体４５とを具備する。長尺管
状構造体４５は、内側および外側水流通路４６、４７の
前端を相互接続する環状端部通路５１を形成すべく中空
管状構造体４１の前端部コネクタ４４内に嵌め込まれ
た、機械加工による炭素鋼製前端片４９に溶接された長
尺炭素鋼チューブ４８によって形成されている。
【００２０】環状冷却ジャケット３２の後端は、冷却水
流を内側環状水流通路４６内に導入する水入口５２と、
ランス後端で外側環状水流通路４７から水が排出される
水出口５３とを備えている。従って、ランスの使用時、
冷却水は、内側環状水流通路４６を通じてランス前方に
流下し、次いで前環状端部通路５１を外方かつ後方に廻
って外側環状水流通路４７内に流れ、ランスに沿って後
方に流れて、水出口５３から排出される。このことによ
って、最も冷たい水が、入って来る固体材料と熱伝達関
係にあって、ランス前端から排出される前に固体材料が
溶融または燃焼せず、ランス前端および外表面の効果的
冷却、およびランスの中心チューブを通じて注入される
固体材料の効果的冷却が可能になる。
【００２１】中空環状構造４１のチューブ４２および前
端片４４の外表面は、ボス（突起）が外側に発散する形
状であり且つランスの外表面上のスラグの凝固のための
キーとなる形状として働くように下を切ったまたはばち
形横断面を有する矩形突出子５４の規則パターンをもっ
て機械加工されている。ランス上でのスラグの凝固は、
ランスの金属部品における温度を最低限にする。使用に
あたって、ランスの前部または尖端に凝着するスラグ
が、ランスの延長部分として働く、固体材料から成る延
長パイプの生成の基礎になり、しかも容器内での苛酷な
作業条件に晒されるランスの金属部品を保護することが
判っている。
【００２２】環状端部通路５１を廻る高い水流速度を維
持するために、ランス尖端の冷却が非常に重要であるこ
とが判っている。特に、最大熱伝達を得るために、毎秒
１０ｍ程度の水流速度をこの通路領域で維持することが
最も望ましい。この領域における水流量を最大限にする
ために、通路５１を通る水流の有効断面が、内側環状水
流通路４６、および外側長尺環状水流通路４７、両者の
有効断面よりもかなり小さくなされる。内側管状構造体
４５の前端片４９は、内側環状水流通路４６の前端から
流れる水が、内側に向かって小さくなるか又はテーパー
（傾斜）が付与されたノズル流路部分６１を通過して、
端部通路５１に入る前に渦および損失を極小化するよう
に形成され、かつ位置づけられる。また、端部通路５１
は、通路屈曲部を廻る増大した水流速度を維持し、かつ
外側環状水流通路４７に戻るように水流方向における有
効流れ面積が減少する。このようにして、過度の圧力低
下、およびランスの他の部分における閉塞の危険性もな
く冷却ジャケットの尖端領域における必要な高い水流量
を達成することができる。
【００２３】尖端通路５１を廻る適切な冷却水速度を維
持するとともに熱伝達変動を極小化するように、環状構
造体４５の前端片４９と中空環状構造体４１の端部コネ
クタ４４との間に制御された一定の間隔を維持すること
が決定的に重要である。このことは、ランスの構成要素
における熱膨張・収縮差による問題を呈示する。特に、
中空環状構造体４１の外側チューブ部分４２は、内側チ
ューブ部分４３よりもかなり高い温度に晒されて、中空
環状構造体の前端が、図４に点線６２で示す態様で前方
に動く傾向になる。このことによって、製錬容器内の作
業条件にランスが晒された時に、通路５１を画成する構
成要素４４、４９間の間隔が開く傾向が生じる。逆に、
作業中に温度低下があれと、通路は閉じようとする。こ
の問題を克服するために、中空環状構造体４１の内側チ
ューブ４３の後端が、外側チューブ４２に対して相対的
に軸線方向に動くことができるように摺動台６３内で支
持され、また、内側管状構造体４５の後端も摺動台６４
内に配置され、チューブ４３、４５が軸線方向で一体に
動くことができるように、周方向で離隔した一群の結合
部材（クリート：cleats）６５によって構造４１の内側
チューブ４３に結合されている。さらに、中空環状構造
体４１および管状構造体４５の端部コネクタ４４、前端
片４９は、ランスジャケットの熱膨張・収縮運動の下で
適当な間隔を維持すべく周方向で離隔した一群のだぼ
（dowels）７０によって互いに結合されている。
【００２４】管状構造体４５の内側端用の摺動台６４
は、水入口５２および水出口５３を規定するとともにオ
ーリングシール６９によって密封された水流マニホール
ド構造体６８に取り付けられたリング６６によって配設
されている。構造体４１の内側チューブ４３の後端用の
摺動台６３は、同様に、水マニホールド構造体６８に締
着された環状環状フランジ７１によって配設され、オー
リングシール７２によって密封される。環状ピストン７
３が、環状フランジ７１内に配置され、入口５２から入
って来る冷却流を収容する水入口マニホールド室７４を
閉じるためにねじ溝結合８０によって構造体４１の内側
チューブ４３の後端に結合されている。ピストン７３
は、環状フランジ７１上の硬化処理された表面内で摺動
し、オーリング８１、８２が嵌着されている。ピストン
７３によって提供される摺動シールは、構造体４１の熱
膨張差による内側チューブ４３の運動を許すのみなら
ず、それはまた、冷却ジャケット内の過大な水圧によっ
て生じる構造体４１の如何なる運動をも許容すべくチュ
ーブ４３の運動をも許す。いかなる理由で冷却水流の圧
力が過大になったとしても、構造体４１の外側チューブ
が外方に力を受け、ピストン７３は、形成された圧力を
解放するように内側チューブが動くことを可能にする。
ピストン７３と環状フランジ７１との間の内部空間７５
は、排気口７６を通じて排気され、ピストンの運動、お
よびピストンを越えて漏れる水を逃がすことを可能とす
る。
【００２５】環状冷却ジャケット３２の後部は、ランス
の下方側部分に、水入口８５および水出口８６を経由し
て別の冷却水が流る環状冷却水通路８４を画成する外側
補剛パイプ８３を具備する。
【００２６】典型的には、冷却水は、最大動作圧８００
ｋＰａ、流量１００ｍ3／時間で冷却ジャケットを通過
して、ジャケットの尖端領域において１０ｍ／分の水流
速度が生じるだろう。冷却ジャケットの内側および外側
部分は、２００℃程度の温度差を受ける可能性があり、
摺動台６３、６４内でのチューブ４２、４５の動きは、
ランスの使用中かなりおおきくなるであろうが、端部通
路５１の有効流れ断面積は、全作業条件を通じて実質的
に一定に維持される。
【００２７】図示されたランスは、直接還元製錬容器に
対する固体の注入用に設計されているが、同様のランス
が、固体微粒子材料を如何なる冶金容器に導入するため
に用いられてもよく、高温状態になる如何なる容器を誘
導してもよいことは明らかであろう。したがって、本発
明は、図示された構造体の細部に限定されず、また多く
の改変および変形が特許請求の範囲で定義される範囲内
にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成された一対の固体注入ラン
スを有する冶金容器の縦断面図。
【図２Ａ】図２Ｂに示したものとＡ−Ａ線で連なる固体
注入ランスの縦断面図。
【図２Ｂ】図２Ａに示したものとＡ−Ａ線で連なる固体
注入ランスの縦断面図。
【図３】ランス後端を拡大した縦断面図。
【図４】ランス前端を拡大した縦断面図。
【図５】図２Ｂの５−５線に沿う横断面図。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 固体微粒子材料が通過するための中心チ
    ューブ（３１）と、その長さの相当な部分に亘って中心
    チューブ（３１）を包囲する環状冷却ジャケット（３
    ２）と、該冷却ジャケットに入る水流のための水入口手
    段（５２）および前記冷却ジャケットから出る水流のた
    めの水出口手段（５３）とを具備し、容器内に収容され
    た溶融材料に固体微粒子材料を注入するために容器内に
    伸長する冶金用ランス（２７）において、 前記冷却ジャケット（３２）が、中心チューブ（３１）
    の周りに位置する内側長尺環状水流通路（４６）、前記
    内側長尺環状水流通路（４６）の周りに位置する外側長
    尺環状水流通路（４７）、および前記冷却ジャケットの
    前端で前記内側長尺環状水流通路（４６）と前記外側長
    尺環状水流通路（４７）を互いに接続する環状端部通路
    （５１）を規定し、 前記水入口手段（５２）が、前記冷却ジャケット（３
    ２）の後端領域で前記内側長尺環状水流通路（４６）に
    接続され、 水出口手段が、冷却ジャケット（３２）の後端領域で前
    記外側長尺環状水流通路（４７）に接続され、もって冷
    却水流が、前記内側長尺環状水流通路（４６）に沿って
    冷却ジャケットの前端へ向かい、更に前記環状端部通路
    （５１）手段および前記外側長尺環状水流通路（４７）
    を通って後方へ向かい、 前記環状端部通路（５１）は、前記内側長尺環状水流通
    路（４６）から前記外側長尺環状水流通路（４７）に向
    かって外側かつ後方側へ円滑に湾曲しており、前記環状
    端部通路（５１）を通る水流の有効断面積が、前記内側
    および外側長尺環状水流通路（４６、４７）の両者の流
    れ断面積よりも小さいことを特徴とする冶金用ランス。
  2. 【請求項２】 冷却ジャケット（３２）の内側および外
    側長尺環状水流通路（４６、４７）と前記環状端部通路
    （５１）が、 環状端部コネクタ（４４）によって前記冷却ジャケット
    （３２）の前端で閉じる単一中空環状構造体（４１）を
    形成すべく、前記環状端部コネクタ（４４）によって前
    記冷却ジャケット（３２）の前端で互いに接続された内
    側チューブ（４３）および外側チューブ（４２）と、 長尺管状構造体（４５）の前端部分（４９）と前記単一
    中空環状構造体（４１）の環状端部コネクタ（４４）と
    の間に前記環状端部通路（５１）を画成するために、前
    記単一中空環状構造体（４１）内に配置され、その内部
    を前記内側および外側長尺環状水流通路（４６、４７）
    に分割すべく、前記中空環状構造体（４１）の前記環状
    端部コネクタ（４４）に隣接して配置された前記前端部
    分（４９）まで延びる長尺管状構造体４５）とによって
    画成されることを特徴とする請求項１に記載された冶金
    用ランス。
  3. 【請求項３】 管状構造体の前端部分（４９）と前記中
    空環状構造体（４１）の環状端部コネクタ（４４）と
    が、前記環状前端部通路（５１）の流れ断面積を定める
    べく、それらの間で伸長する間隔保持手段（７０）によ
    って積極的に離隔せしめられていることを特徴とする請
    求項２に記載された冶金用ランス。
  4. 【請求項４】 熱膨張差または熱収縮差による前記内側
    および外側チューブ（４３、４２）の間の長さ方向の相
    対的動きを許容するように前記単一中空環状構造体（４
    １）が配設され、前記長尺管状構造体（４５）が前記動
    きに順応するように配設されていることを特徴とする請
    求項２または請求項３に記載された冶金用ランス。
  5. 【請求項５】 前記単一中空環状構造体（４１）の前記
    外側チューブ（４２）が固定取り付け手段を有し、前記
    単一中空環状構造体（４１）の前記内側チューブ（４
    ３）が、熱膨張差または熱収縮差に順応して軸線方向に
    動くことができるように摺動取り付け手段（６３）内に
    支持され、内側管状構造体（４５）が前記中空環状構造
    体（４１）の前記内側チューブ（４３）と共に動くこと
    ができるように、前記内側管状構造体（４５）の後端が
    第２の摺動取り付け具（６４）内に支持されていること
    を特徴とする請求項４に記載された冶金用ランス。
  6. 【請求項６】 前記内側管状構造体（４５）が前記中空
    環状構造体（４１）の前記内側チューブ（４３）に直接
    接続され、軸線方向に共に動くようになっていることを
    特徴とする請求項５に記載された冶金用ランス。
  7. 【請求項７】 前記内側管状構造体（４５）と前記中空
    環状構造体（４１）の前記内側チューブ（４３）との間
    の接続が、前記内側管状構造体（４５）の後端部におい
    て周方向で離隔した一群のコネクタ（６５）によってな
    されていることを特徴とする請求項６に記載された冶金
    用ランス。
  8. 【請求項８】 前記中空環状構造体（４１）の前記内側
    チューブ（４３）用の前記摺動取り付け手段（６３）
    が、前記水入口手段（５２）と前記水出口手段（５３）
    を規定する水流マニホールド構造体（６８）に取り付け
    られた取り付けリング（７１）を含むことを特徴とする
    請求項４から請求項７までのいずれか１項に記載された
    冶金用ランス。
  9. 【請求項９】 前記内側管状構造体（４５）の後端部を
    支持する第２の摺動取り付け具（６４）が、前記水流マ
    ニホールド構造体（６８）に取り付けられた第２のリン
    グ（６６）を具備することを特徴とする請求項８に記載
    された冶金用ランス。
  10. 【請求項１０】 水入口室（７４）が、前記マニホール
    ド構造体（６８）内で２つの摺動取り付けリング（６
    ６、７１）間に画成されていることを特徴とする請求項
    ９に記載された冶金用ランス。
  11. 【請求項１１】 環状ピストン（７３）が、前記水入口
    室（７４）内に配置され、前記内側チューブ（４３）の
    動きを許容するように前記中空環状構造体（４１）の内
    側チューブ（４３）の後端に固定されて、前記冷却ジャ
    ケット内の過大な水圧によって飽和状態にある前記中空
    環状構造体（４１）のどのような動きにも順応するよう
    になっていることを特徴とする請求項１０に記載された
    冶金用ランス。
  12. 【請求項１２】 前記環状冷却ジャケット（３２）の外
    表面に、ランスの外表面上のスラグ凝固用の鍵構成とし
    て働くように外開き構成の規則的パターンの突出子（５
    ４）が形成されていることを特徴とする請求項１から請
    求項１１までのいずれか１項に記載された冶金用ラン
    ス。
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