JP2006046902A - 固体粒子状材料をベッセルに注入するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体粒子状材料をベッセルに注入する装置の提供。
【解決手段】製練装置は、ベッセルと、ベッセル胴部壁の開口を通りベッセル内に延びる固体注入ランス２７ａとを含む。ランスは、固体粒子状材料を通過させる中央コア管３１と、その長さの実質的な部分にわたって中央コア管を囲む環状冷却ジャケット３２とを含む。ランスは、冷却ジャケット付近まで延びかつ冷却ジャケットの約２倍の直径の管状部分を含む取り付け構造体６１をもつ。管状部分は、ベッセル胴部の外板に溶接された管状ランス取り付けブラケット６２内に嵌合し、ベッセルから外側に延びる。ランスは、管状部分と管状ブラケットのフランジ間の締め付けボルト６６によって取り付けブラケットに保持される。管状部分は二重壁を有し、その間の空間は、冷却水が入水口から排水口に流れる水流通路に分割される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ベッセル（容器）内に延び、固体粒子状材料をベッセルに注入するための冶金用ランスを提供するものである。この種の装置を、例えば直接製錬プロセスによって、溶融金属を製造するための製錬用ベッセルの溶融浴に冶金用供給材料を注入するために使用することができる。

溶融金属層を反応媒体として利用する、一般にハイスメルト（ＨＩｓｍｅｌｔ）プロセスと呼ばれる公知の直接製錬プロセスが、本出願人名による国際出願ＰＣＴ／ＡＵ／９６／００１９７（ＷＯ９６／３１６２７）に記載されている。

ハイスメルト・プロセスは、国際出願に記載されているように、
（ａ）ベッセル内に溶融鉄及びスラグの浴を形成する段階と、
（ｂ）（ｉ）金属含有供給材料、通常は金属酸化物と、
（ｉｉ）金属酸化物の還元剤、及びエネルギー源として作用する固体炭素質材料、通常は石炭を前記浴へ注入する段階と、
（ｃ）金属含有供給材料を金属層内で金属に製錬する段階とを含んでいる。

「製錬」という用語は、ここでは、液体金属を製造するために、金属酸化物を還元する化学反応が行われる熱的処理を意味するものと理解される。

ハイスメルト・プロセスは、浴の上方の酸素含有ガスを含む空間へ浴から放出され、かつ、後燃焼によって生成された熱を浴へ伝達して、金属含有供給材料を製錬するのに必要となる熱エネルギーをもたらす、ＣＯ及びＨ_２などの後燃焼反応ガスも含む。

ハイスメルト・プロセスは、浴の公称静止表面の上に移行帯域を形成する段階も含み、そこでは、上昇しその後で下降する、溶融金属及び／又はスラグの小滴、飛沫又は流れの好適な質量体が存在して、それが、浴の上方の後燃焼反応ガスによって生成された熱エネルギーを浴に伝達するのに効果的な媒体を提供する。

ハイスメルト・プロセスでは、金属含有供給材料及び固体炭素質材料が、多数のランス／羽口を介して金属層に注入される。多数のランス／羽口は、鉛直方向に対して傾斜しており、下向きかつ内側向きに製錬用ベッセルの側壁を通りベッセルの下部領域内に延在して、ベッセルの底の金属層に固体材料を送出する。ランスは、製錬用ベッセル内の１４００℃のオーダーの動作温度に耐えることが必要である。したがって各ランスは、この厳しい環境で首尾よく動作するために内部強制冷却システムを有することが必要であり、実質的な局所的温度変動に耐えられることが必要である。

米国特許第６３９８８４２号は、これらの状況下で効果的に動作することのできるランスの１つの形態を開示している。この構成では、固体粒子状材料は、外部環状冷却ジャケットの内部に嵌合された中央コア管を介して通され、コア管の前端が冷却ジャケットの前端を通って、かつそれを越えて冶金用ベッセルの内部に延びる。

２００４年１０月１８日に出願された我々のオーストラリア仮特許出願第２００４９０６０３３号は、製錬動作の後のランスの取り出しを容易にするように、固体注入ランスが製錬用ベッセルに取り付けられた製錬装置を開示している。本出願は、出願第２００４９０６０３３号で開示された種類の一般的な装置において特定の使用をするランス構成を対象とするが、そのような使用に限定するものではない。

本発明によれば、固体粒子状材料をベッセル内に保持された溶融材料内に注入するためにベッセル内に延びる冶金用ランスにおいて、
固体粒子状材料の通過する中央コア管と、
中央コア管をその長さの実質的な部分にわたって囲み、かつ冷却水が流れるための内部水流通路を備える環状冷却ジャケットと、
ランスの前端から後方に間隔を置いた位置で、環状冷却ジャケットの周りに配置され、かつ冷却水が流れるための内部水流通路を備える外部環状部分とを含む冶金用ランスが提供される。

外部環状部分は、円筒形で、冷却ジャケットの外径の少なくとも１．５倍の外径を有するようにできる。それは、冷却ジャケットの直径の約２倍のオーダーでよい。

外部環状部分は、二重壁を有し、二重壁の間に水流通路が形成されていてもよい。

環状部分の二重壁の間の環状空間が仕切られて、水流通路が形成されるようにできる。

特に、外部環状部分の二重壁の間の空間が、長手方向に延びる隔壁によって仕切られ、空間が、互いに連結された長手方向に延び円周方向に間隔をおいて配置された水流通路に分割され、水流がこれらの通路を順次通るようにすることができる。

外部環状部分が、前端部連結器及び後端部連結器によって環状冷却ジャケットから径方向外向きに間隔をおいて配置され、それにより、外部環状部分とジャケットとの間に環状空隙が形成されることができる。

外部環状部分の前端を、ランスの中心長手方向軸線に対して鋭角に傾斜させることができる。

ランスは、伸張形状の形態で、外部環状部分の内部で自己支持形（ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ）であってもよい。それは、一般に長さが５ｍより長く、冷却ジャケットの外半径が一般に１００〜１５０ｍｍのオーダーでよい。

本発明をより詳しく説明するために、具体的な実施例が、添付の図面を参照して、ある程度詳細に記載される。

図１は、国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７に記載されたハイスメルト・プロセスによる動作に適した直接製錬用ベッセルを示す。冶金用ベッセルは、全体として１１で表され、耐火性煉瓦で形成される底部１２及び側部１３を含む炉床と、炉床の側部１３から上に延びかつ上部胴部１５および下部胴部１６を含むほぼ円筒形の胴部（バレル）を形成する側壁１４と、屋根１７と、ガス排出用出口１８と、溶融金属を連続的に放出するための前炉１９と、溶融スラグを放出するためのタップ・ホール（栓穴）２１とを有する。

使用中は、ベッセルは、溶融金属層２２と、溶融金属層２２上の溶融スラグ層２３とを含む、鉄及びスラグの溶融浴を含む。数字２４で印を付けられた矢印は、金属層２２の公称静止表面の位置を指し、数字２５で印を付けられた矢印は、スラグ層２３の公称静止表面の位置を指す。用語「静止表面」は、ガス及び固体物のベッセル中への注入がない場合の表面を意味するものと理解される。

ベッセルには、熱空気をベッセルの上部領域に送出するための下向きに延びる熱空気注入ランス２６と、鉄鉱石、固体炭素質材料及びフラックスを金属層２２へ酸素欠乏搬送ガスによって注入するための、下向き且つ内向きに側壁１４を通ってスラグ層２３に延びる一連の固体物注入ランス２７とが取り付けられる。ランス２７の位置は、それらの出口端２８が、プロセスの動作中、金属層２２の表面の上方にあるように選択される。ランスのこの位置は、溶融金属との接触による損傷の危険性を軽減し、水がベッセル内の溶融金属に接触する実質的な危険性なしに、強制内部水冷却によってランスを冷却することも可能にする。

ランス２７には２つの種類があってもよく、その一方のものは熱せられた鉱石（熱鉱石）材料を注入するために使用され、他方のものは石炭などの炭素質材料を注入するために使用される。例えば、一連の４つの熱鉱石注入ランスと、熱鉱石注入ランスの間に間隔を置いて配置された４つの石炭注入ランスとからなる８つの固体物注入ランス２７を、ベッセルの周辺の円周に沿って間隔を置いて配置してもよい。すべてのランスを、共通の構造の外部ハウジング内部に取り付けることができるが、２種類のランスは、注入される熱鉱石及び石炭の温度が大きく異なるため、内部構造が異なっている。

炭素質材料用の注入ランスの構造は、図２〜図４および図７〜図１０に示されており、符号２７ａにより識別されている。これらの図に示されるように、ランス２７ａは、固体材料がそれを通って送出される中央コア管３１と、その長さの実質的な部分にわたって中央コア管３１を囲む環状冷却ジャケット３２とを含む。中央コア管３１は、その長さの大部分にわたって低炭素鋼管３３から形成されるが、前端は、ノズルとして冷却ジャケット３２の前端から突出する交換可能な延長部又はノズル管３４が取り付けられる。

中央コア管３１は、前端部３４までずっと、一連の鋳造セラミック管によって形成されたセラミックのライニング３７で内面が裏打ちされる。中央コア管３１の後端は、結合器３８を介して石炭送出システムに連結されて、粒子状石炭が、その石炭送出システムを通って加圧流動化搬送ガス、例えば窒素中に送出される。

環状冷却ジャケット３２は、前端連結片４４によって連結された外部管４２及び内部管４３から構成された長い中空環状構造体４１と、構造体４１の内部を伸張形状の内部環状水流通路４６及び伸張形状の外部環状水流通路４７に分割するように中空環状構造体４１の内部に配置された伸張形状の管状構造体４５とを含む。伸張形状の管状構造体４５は、機械加工された炭素鋼前端片４９に溶接された長い炭素鋼管４８によって形成され、炭素鋼前端片４９は、中空管状構造体４１の前端連結片４４の内部に取り付けられて、内部及び外部水流通路４６、４７の前端を互いに連結する環状端部流通路５１を形成している。環状冷却ジャケット３２の後端には、それを通って冷却水の流れを内部環状水流通路４６に導くことのできる入水口５２と、ランスの後端で外部環状通路４７から水が排出される排水口５３とが備えられる。したがって、ランスの使用中は、冷却水は、内部環状水流通路４６を通ってランスの前方に下方向に流れ、それから外向きに前部環状端部通路５１を周って戻り外部環状通路４７へ流れ、外部環状通路４７を通って冷却水はランスに沿って後方に流れ、排水口５３を通って出る。これは、最も冷たい水が、入ってくる固体材料と熱伝達関係にあることを保証し、ランスの中央コアを通って注入される固体材料の効果的な冷却、並びにランスの前端及び外部表面の効果的な冷却の両方を可能にする。

管４２の外表面は、それぞれがアンダーカット又は鳩尾形断面（ダブテール）を有する長方形の突出したボス５４の規則的なパターンをもって機械加工され、それにより、ボスは、外向きに開いた形態であり、ランスの外側表面でスラグを凝固させるための固定要素としての役割を有する。ランス上のスラグの凝固は、ランスの金属構成要素の温度を最小限に抑えることを助ける。使用において、ランスの前端又は先端で凝固するスラグが、ランスの延長部分として作働する、固体材料用の延長パイプが形成されるための基礎として働き、延長パイプはさらに、ベッセル内部の厳しい動作条件に対して金属構成要素が露出されるのを防止することが見出された。

ランスは、取り付け構造体６１を介して、ベッセル１１の壁に取り付けられる。取り付け構造体６１は、冷却ジャケットの周りに延在する外部環状部分又は管状部分６０を含み、かつ二重壁の構造を有し、これらの二重壁の間に環状空間７０が設けられる。管状部分６０は、ベッセルから上向きかつ外向きに突出するように、管状ランス取り付けブラケット（金具）６２の内部に嵌合する。管状ランス取り付けブラケット６２は、ベッセル１１の外板に溶接され、上端に端部フランジ６３を備えている。ランス取り付け構造体６１は、環状リング６４を介して環状冷却ジャケット３２の外部管４２の後端に連結されており、締め付けボルト６６を介して取り付け管６２の端部でフランジ６３にクランプ締めすることのできる環状取り付けフランジ６５も含んでいる。分割スペーサ・リング６７が、フランジ６３、６５の間に取り付けられ、それにより締め付けボルト６６が締められたとき、それらを離隔して保持する。構造体６１の外部スリーブ６０の前部が、ベッセル壁の内部を通って延びるような配置となっている。

図２からわかるように、この位置のベッセル壁は、鋼製の胴部外板１６ａと内部耐火ライニング１６ｂとから形成され、スリーブ６０の前端が、内部耐火表面と同一平面になるように、ランスの中心長手方向軸線と角度をなして傾斜している。

取り付け構造体６１の管状部分６０は水冷され、冷却水が、入水口６８を介して供給され、取り付けスリーブの後端の排水口６９を介して戻される。図７〜図９に特に示すように、スリーブ６０は、内部壁および外部壁６０Ａ、６０Ｂを有する二重壁になっており、壁の間の内部空間７０は、長手方向隔壁８０によって仕切られ、水がその中を通って順次、入水口６８から排水口６９に流れる、一連の長手方向に延びる円周方向に間隔を置いて配置された水流通路９０に内部空間が分割される。

取り付け構造体６１の取り付けリング６４から後方に延びる管状ハウジング７１は、ジャケット３２の中間管４８の後端及びランスのコア管３１の後端を収納する。ハウジング７１は、ランスの冷却ジャケット３２への、及びそれからの冷却水通路用の冷却水の入水口５２及び排水口５３を有する。柔軟な環状連結構造体８１が、水ジャケットの中間管４８の後部とハウジング管７１とを連結し、それにより、ハウジング内で内部及び外部水流通路を分離し、かつ、ランスの構成要素の熱膨張及び収縮の差異に起因する、内部および外部管と水ジャケット中間管との間の相対的な長手方向の運動も可能にする。

管状ハウジング７１の後端には、環状冷却ジャケットの内部管４３の後端が取り付けられる。

コア管３１は、一連のスペーサ・カラー８３によって、環状冷却ジャケット３２の内部に離隔して保持される。スペーサ・カラー８３は、コア管に沿って長手方向に間隔をおいて配置された位置で中央コア管から外向きに突出して、環状冷却ジャケットの内部管の内部円周に係合し、それにより、中央コア管と環状冷却ジャケットとの間に環状ガス流通路８４を形成する。パージ・ガス入口８５が、ランスの後端に設けられ、窒素などのパージ・ガスが、ガス流通路８４に入り、コア管と環状冷却ジャケットとの間のランスを通って前方に流れて冷却ジャケットの前端でランスから出る。

中央コア管には、冷却ジャケットの前端の領域に球状突起８６が取り付けられて、コア管と水ジャケットとの間の制御されたノズル開口部を提供し、パージ・ガスの流量を制御する。スペーサ・カラー８４が、冷却ジャケットの外部円周と内部円周との間に、円周方向に距離を置いた間隙を残すように形成され、環状パージ・ガス流通路８４を通ってパージ・ガスが自由に流れること可能にする。端部カラー８３の１つが、球状突起８６の近くに隣接して配置されて、外部冷却ジャケット前端内のその突起を正確に位置付けして、パージ・ガスの出口ノズルのための制御された環状空隙を作っている。パージ・ガスの流れは、スラグが、コア管と外部の水ジャケットとの間のノズル前端に浸透できないことを保証するために維持される。もし、スラグがこの領域でランスに浸透すると、それは水冷式外部ジャケット及び冷たいパージ・ガスによって、すぐに凝固される。

ランスが動作している間、スラグが、ランスの外部表面及びベッセルの内部表面に蓄積することになる。運転を停止すると、スラグが凝固して、ランスをベッセルに結合させる傾向がある。しかし、図示した取り付け装置では、この結合を容易に壊して、ランスの取り出しを簡単に行うことができる。これは、締め付けボルト６６を十分に緩めて、分割スペーサ・リング６７の取り外しを可能にすることによって簡単に達成できる。そして、これにより、取り付け管６２の内部でランス取り付けスリーブの限定された内向き運動が可能となり、それにより、取り付けスリーブの前端を、ベッセルの壁から内向きに動かして、どのようなスラグ付着物も壊すことが可能になる。そして、このことにより、外部管４２上に凝固したスラグと共に、ランスを、環状取り付け部６０に備えられた拡大された開口を通って、簡単に取り外すことが可能になる。

熱鉱石注入ランスは、一般に石炭注入ランスに類似した構造でよい。しかし、図５及び図６に示すように、熱鉱石ランス２７ｂは、裏打ちされていない厚い壁をもった遠心鋳造（スパン・キャスト）管３１ｂとして形成される内部コア管を有する。管３１ｂは、分割して作製され、分割接合スリーブ９１によって接合されなければならない。隣接する管を、位置合わせし、接合スリーブを介してスティッチ溶接で連結することができる。コア管３１ｂの前端は、パージ・ガス出口ノズルの寸法を設定するための突起８６ｂを備えている。熱鉱石注入ランスでは、コア・ノズル管がより厚いので、この突起は石炭送出用のランスのより球形の突起と比べてより小さくなっている。

さらなる変形形態では、熱鉱石注入ランスは、ハウジング管７１ｂの過熱を止めるための水冷式フランジ９２を備えている。このフランジは、ランス・ハウジングの水冷式端部フランジと、これも水冷式でもよい鉱石注入システムの端部フランジとの間に挟まれている。

熱鉱石注入ランスの内部コア管は、石炭ランス構造と同じように、中央コア管から外向きに突出した一連の空間カラーによって離隔した配置で冷却ジャケット内に保持される。石炭ランスの場合と同様に、内部コア管と水ジャケットとの間の空間は、冷却ジャケット前端でランスから放出されるパージ・ガス流のための環状通路を提供する。

２種類の注入ランス用の外部取り付け部は同一であり、そのため、両方の種類の注入ランスを共通設計のハウジングに挿入できる。取り付けスリーブの水冷却により、ランス取り付け部を介したベッセルからの熱損失が抑制され、取り付け部での過熱に対してランスが保護される。

特に図１０からわかるように、冷却ジャケットの外部管４２の機械加工されたボス５４は、管状取り付け部６０の前端の少し前で止まり、そのため、取り付け部の前端を管４２の滑らかな表面に符号９０で示された位置で溶接して、取り付け部用の強固な連結をもたらすことができる。

図１２は、変形された固体注入ランスを示す。外部環状部分６０の前端には、耐火性材料でできた被覆環状ディスク１０１が取り付けられて、それにより、その前面が、起動時、及びベッセル内部にスラグの蓄積が起こる前のランスの交換時における過剰な温度に曝される。環状部分６０は、耐火性ディスク１０１が水冷式パネル１０１の内部面と同一平面となるようにベッセル壁内部に延び、そのパネルの開口の耐火性プラグとしての役割をする。外部環状部分６０の前端は、水冷パネルの少なくとも外部面と同一平面にある。

図示したランスは、一般に長さが５ｍより長く、延長部又はノズル管３４を含む全長が７ｍより長くてもよい。冷却ジャケット３２の外半径は、一般に１００〜１５０ｍｍのオーダーであり、環状部分６０の外径は、ジャケット３２の外径の少なくとも１．５倍であり、一般に４５０〜５５０ｍｍのオーダーであってもよい。ランスは、環状部分６０の内部で自己支持形であり、したがって、管状取り付けブラケット６２の１つの内部で、それぞれの環状部分６０の取り付け部によって必要な方向からそれぞれ支持される。ランスは、外板から炉床の中心までの径方向距離の４分の１と４分の３との間の水平距離だけ、ベッセルの外板から内向きに延びる。

本発明により構成された固体注入ランスを組み込んだ冶金用ベッセルの縦断面図。 石炭をベッセルに注入するための固体注入ランスの１つの長手方向断面図。 図２に示すランスの後部の断面図。 図２に示すランスの内部コア管組立体の部分の長手方向断面図。 熱鉱石材料をベッセルに注入するためのランスの長手方向断面図。 図５に示すランスの後部の断面図。 ランスの取り付けスリーブ構成要素の長手方向断面図。 取り付けスリーブ構成要素端面図。 図８の線９、９を通る断面図。 内部壁の間の環状空間の仕切りを示す取り付けスリーブの内部壁の展開図。 ランスの部分の透視図。 変形された固体注入ランスを示す図。

Claims (14)

1. ベッセル内に保持された溶融材料に固体粒子状材料を注入するために、ベッセル内に延在する冶金用ランスにおいて、
   前記固体粒子状材料の通過する中央コア管と、
   前記中央コア管をその長さの実質的な部分にわたって囲み、かつ冷却水が流れるための内部水流通路を備える環状冷却ジャケットと、
   前記ランスの前端から後方に間隔をおいた位置で、前記環状冷却ジャケットの周りに配置され、かつ冷却水が流れるための内部水流通路を備える外部環状部分とを含む冶金用ランス。
2. 前記外部環状部分が円筒形である請求項１に記載された冶金用ランス。
3. 前記円筒形外部環状部分が、前記冷却ジャケットの外径の少なくとも１．５倍の外径を有する請求項２に記載された冶金用ランス。
4. 前記円筒形外部環状部分の外径が、前記冷却ジャケットの外径の約２倍である請求項３に記載された冶金用ランス。
5. 前記外部環状部分が、二重壁を有し、該二重壁の間に前記水流通路が形成されている請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された冶金用ランス。
6. 前記環状部分の前記二重壁の間の環状空間が仕切られて、前記水流通路が形成されている請求項５に記載された冶金用ランス。
7. 前記外部環状部分の前記二重壁の間の前記空間が、長手方向に延びる隔壁によって仕切られて、水流通路を通って水が順次流れるように互いに連結された、長手方向に延び円周方向に間隔をおいて配置された水流通路に、前記空間が分割される請求項６に記載された冶金用ランス。
8. 前記外部環状部分が、前記外部環状部分と前記冷却ジャケットとの間に環状空隙を形成するように、前記環状冷却ジャケットから前端部連結器及び後端部連結器によって半径方向外向きに間隔をおいて配置される請求項１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. 前記外部環状部分の前端が、前記ランスの中心長手方向軸線に対して鋭角で傾斜している請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された冶金用ランス。
10. 前記環状部分の前端が、耐火材料で被覆されている請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載された冶金用ランス。
11. 前記耐火材料が、前記環状部分の前記前端に取り付けられた予備成形環状ディスクになっている請求項１０に記載された冶金用ランス。
12. ランスが、伸張形状、かつ前記外部環状部分の内部で自己支持形であり、それにより、前記外部環状部分を固定支持して所望の方向に取り付けることによって、前記ランスが所望の方向に支持されるようになっている請求項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。
13. 長さが５ｍより長い請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載された冶金用ランス。
14. 冷却ジャケットの外半径が１００〜１５０ｍｍの範囲にある請求項１から請求項１３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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