JP2006112779A - 容器にガスを注入するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温条件下で信頼性のある操業を可能にする態様で、ガイド翼の改良された支持をもたらす新規なランス構造体を提供する
【解決手段】容器にガスを注入するための装置が、ガス入口構造体３２を通る熱ガスを後端部で受けるガス流ダクト３１を有する。細長い中心構造体３３がダクト３１の全長に亘って伸張し、ダクト３１の前端部のガスに旋回流を与える一連の翼３４を保持する。環状ダクト先端部材３６がダクト３１の前端部に取り付けられ、冷却水がダクト３１壁中の流路４３，４４を通ってダクト先端部材３６内に流れる。翼３４の前端部がダクト先端部材３６内に配置され、前記ガス注入装置の操業中に、内部水冷のダクト先端部材３６によって前記前端部が係合して支持される寸法を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、容器にガスを注入するための装置を提供する。特に、高温条件下で冶金容器にガス流を注入するための装置に適用されるものであるが、これのみに適用されるものではない。かかる冶金容器は、例えば、溶融金属が直接製錬法によって製造される製錬容器であってもよい。

反応媒体としての溶融金属層に依存し、一般にＨＩ製錬法（HIsmelt process）と称される公知の直接製錬法が、本出願人名義の国際出願PCT／AU96／00197（WO96/31627）（特許文献１）に記載されている。

前記国際出願に記載されたＨＩ製錬法は、以下の作業を含む：
（ａ）溶融鉄とスラグから成る溶湯を容器内に作り、
（ｂ）その溶湯に以下の材料を注入し、
（ｉ）含金属供給材料（代表的には金属酸化物）、および
（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含炭素材料（代表的には石炭）、
（ｃ）金属層中で含金属供給材料を金属に製錬する。

本明細書において、用語「製錬」とは、金属酸化物を還元する化学反応が生起して溶融金属を製造するという熱工程を意味する。

ＨＩ製錬法は、また、溶湯の上の空間で酸素含有ガスによって反応ガス（溶湯から放出されるＣＯやＨ_２等）を後燃焼させ、後燃焼で生じる熱を溶湯に伝達させて、含金属供給材料の製錬に必要な熱エネルギーに寄与することを含む。

また、ＨＩ製錬法は、溶湯の公称静止表面の上方に遷移帯域を形成することから成り、該遷移帯域中には、溶融金属および／またはスラグから成る、好適量の、上昇し下降する液滴または飛沫または流れが存在し、これらが、溶湯上での反応ガスの後燃焼によって生じる熱エネルギーを溶湯に伝達するための有効な媒体になる。

ＨＩ製錬法では、製錬容器の側壁を貫通して下向き内方にかつ容器の下部領域内に延びて、容器底部の金属層に固体材料を供給するように、鉛直軸線に対して傾斜する多数のランス／羽口を通じて含金属供給材料および固体含炭素材料が金属層内に注入される。容器上部での反応ガスの後燃焼を促進させるために、酸素に富む熱空気の送風が下方に伸張する熱空気注入ランスを通じて容器の下部領域に注入される。容器上部でのガスの効果的な後燃焼を促進させるために、入ってくる熱空気の送風が旋回動作を伴ってランスから出て行くことが望ましい。これを達成するために、ランスの出口端部に内部流れガイドを取り付けて、適当な旋回動作を付与することができる。容器の上部領域は２０００℃程度の温度に達するものと見られ、１１００〜１４００℃程度の温度で熱空気をランス内に供給してもよい。したがって、内部および外壁共に、特に容器の燃焼域内に突出するランスの供給端部で、ランスは極めて高い温度に耐えなければならない。

米国特許第６４４０３５６号明細書（特許文献２）には、ＨＩ製錬法で直面する極端な条件に合致させるように設計されたガス注入ランス構造が開示されている。この構造では、流れガイドがガス流ダクトの前端部の中心本体に取り付けられた螺旋状の複数翼であり、これらの翼は、ガス流ダクトの壁に接続され、ダクト壁内の供給・帰還流路を流れる冷却水によって内部が水冷される。米国特許第６６７３３０５号明細書（特許文献３）には、ガス流ダクトの全長にわたって延びる中心管状構造体に螺旋状の流れガイドが取り付けられた別のランス構造体が開示されている。中心構造体には、一般にガス流ダクトのダクト先端部材内に位置する中心構造体の前方部に冷却水の流れを供給する流水路が設けられている。この構造体において、流れガイド翼は、冷却されず、ダクト先端部材から後方の耐火物でライニングされたダクト壁内に配設されている。本発明は、高温条件下で信頼性のある操業を可能にする態様で、ガイド翼の改良された支持をもたらす新規なランス構造体を提供する。
PCT／AU96／00197（WO96/31627） 米国特許第６４４０３５６号明細書 米国特許第６６７３３０５号明細書

本発明によれば、以下の容器にガスを注入するための装置が提供される。後端部から、ガスを放出するための前端部まで伸張するガス流ダクトと、
前記ガス流ダクトの後端部から前端部まで、該ガス流ダクト内で伸張する細長い中心構造体と、
前記ガス流ダクトの前端部に隣接して前記中心構造体の周囲に配置され、前記ガス流ダクトの前端部を通過するガス流に旋回を与える複数の流れ方向づけ翼と、
前記ガス流ダクトの壁を通って延在し、かつ、前記ガス流ダクトの後端部から前端部まで延在して、冷却水を前記ガス流ダクトの前端部に供給して戻すための、冷却水供給・帰還流路と、
前記ガス流ダクトの前端部に配置された環状ダクト先端部材であって、冷却水の流れを受け入れ且つ戻して前記環状ダクト先端部材を内部から冷却するために、前記冷却水供給・帰還流路に連通する内部冷却水路を有する前記環状ダクト先端部材とを含み、
前記流れ方向づけ翼が前記中心構造体に取り付けられて、前記環状ダクト先端部材内に配置された前端部まで延在し、また、前記装置の操業中に、前記流れ方向づけ翼の前記前端部が、内部を水冷された前記環状ダクト先端部材と係合して支えられるような寸法になされている容器にガスを注入するための装置。

前記流れ方向づけ翼は、前記中心構造体に沿って、前記ダクト先端部材から後方に設定された後端部から前記ダクト先端部材内に配置された該流れ方向づけ翼の前端部まで延在することができる。
前記流れ方向づけ翼の前記前端部は、前記ダクト先端部材の最後部内で終って、該最後部とのみ係合するようにできる。
前記ダクト先端部材の前記最後部に、該ダクト先端部材の内周壁および前記ガス流ダクトの壁から外方に延びる環状の後壁を形成することができる。前記ダクト先端部材の前記後壁は、前記流れ方向づけ翼の前端部と係合関係で、前記後壁に作用する半径方向の荷重を調節する変形可能な中央部で形成できる。

前記ダクト先端部材の前記後壁が環状であり、その中央部に前記環状部分に亘って延在する変形可能な波形部分を設けることができる。
前記波形部分を、概略Ｕ字形の横断面形状にすることができる。

前記ガス流ダクトの前記壁が、前記冷却水供給・帰還流路となる内外環状空間を画成する３つの同心管を有することができる。
前記ガス流ダクトの前記複数管の前端部を前記ダクト先端部材に結合することができる。
前記ダクト先端部材が、中空環状形状をなし、区画構造体により内部が分割されて、該ダクト先端部材に前記冷却水路を形成してもよい。前記ダクト先端部材を中空環状形状になし、区画構造体によって内部を分割して、該ダクト先端部材内に前記冷却水路を形成することできる。

本発明をより詳細に説明するために、添付図面を見ながら、一具体例について詳細な説明を行なう。

図１は、特許文献１に記載されたＨＩ製錬法による操業に好適な直接製錬容器を示す。冶金容器が全体として符号１１で示されている。容器１１は、耐火煉瓦で形成された基底１２および側部１３を含む炉床と、炉床の側部１３から上方に延びる概ね円筒形の樽状体を形成するとともに上樽部分１５および下樽部分１６を含む側壁１４と、屋根１７と、排ガス用出口１８と、溶融金属を連続的に排出するための前炉床１９と、溶融スラグを排出するための出湯孔２１とを有する。

使用時に、容器１１は鉄とスラグから成る溶湯を収容し、前記溶湯は、溶融金属層２２およびその上の溶融スラグ層２３を含む。矢印２４は、金属層２２の公称静止表面の位置を示し、矢印２５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、容器への気体および固体の注入がない時の表面を意味する。

下向きに伸張し、熱空気の送風を容器の上部領域に送る熱空気注入ランス２６と、側壁１４を貫通して内方下向きにスラグ層２３内に伸張し、鉄鉱石と、固体含炭素材料と、酸素欠乏キャリアガスに取り込まれたフラックスとを金属層２２内に注入する固体注入ランス２７とが、容器１１に取り付けられている。ランス２７の位置は、その出口端２８がプロセスの作業中に金属層２２の表面よりも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減少させ、さらに、容器内の溶融金属との接触を招来する水による重大な危険性をなくして、強制的な内部水冷（冷却水の循環）によってランスの冷却を可能にする。

熱空気注入ランス２６の構造が図２〜図９に示されている。これらの図面に示されるように、ランス２６は、ガス入口構造部材３２を通る熱ガスを受け入れ、これを容器の上部領域に注入する細長いダクト３１を含む。環状のダクト先端部材３６がガス流ダクト３１の前端部に配置されている。ランスは、ガス流ダクト３１内で後端部から前端部に伸張する細長い中心管状構造体３３を含む。ダクトの前端部に隣接して、中心構造体３３は、ダクトに存在するガスに旋回流を与える一連の旋回付与翼３４を保持している。旋回翼３４は、４枚の先端（start）螺旋形状に形成することができる。その入口端（後端部）には、乱流および圧力降下を極力抑えるために、最初の直線部分から十分に展開した螺旋部まで円滑な移行部分を設けてもよい。

中心構造体３３の前端部は、ダクト３１のダクト先端部材３６を越えて前方に突出する半球状のノーズ部３５を有するので、中心本体の前端部とダクト先端部材との協働作業によって、翼３４によって付与される旋回部を有するダクトから出る放射状ガス流用の環状ノズルを形成する。

ガス入口３２から下流に延びるダクト３１の主要部の壁は、内部が水冷される。ダクトのこの部分は、ダクトの前端部分まで延びる一連の３つの同心状鋼管３７，３８，３９から成り、これらの管はダクト先端部材３６に結合されている。ダクト先端部材３６は、中空環状形状をなし、ダクト先端部材の内部を４つの水流ギャラリー８１，８２，８３，８４に分割する区画構造体８０によって内部が分割されており、ギャラリー８１〜８４は、相互に連結されていて、全体として符号８５で示される単一の冷却水路を形成し、冷却水がダクト３１の壁内の流路を通って流路８５に供給されて戻される。具体的には、冷却水が、入口４１および環状の入口マニホールド４２を通って、ダクト先端部材３６に至るダクトの管３７，３８の間に画成された環状の内側水流路４３に供給される。水は、ダクト先端部材から管３８，３９の間に画成された環状の外側水帰還流路４４を経て、ダクト３１の水冷部分の後端部で水出口４５に逆向きに戻される。

ダクト先端部材３６は、互いに溶接されて外側皮殻を形成する４つの環状セグメント８６，８７，８８，８９で形成された外側皮殻４０を有する。セグメント８６は、ダクト先端部材３６の後壁を形成し、ダクトの壁を構成する複数の管のうち最も内側の管３７に溶接されている。区画構造体８０は、皮殻の内部を水流ギャラリー８１〜８４に分割し、かつ、皮殻の支持強化部材（buttress supports）として役立つように、ダクト先端部材皮殻４０内に配置されるとともに、リングの中央部８０Ｅから外方に突出する４つの周辺フランジ８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄが設けられた鋼製リングを含む。フランジ８０Ａはダクト壁の中間の管３８に溶接され、フランジ８０Ｂ，８０Ｄは、ダクト先端部材皮殻セグメント８６，８９に溶接されて、ダクト壁に対するダクト先端部材の相互連結を完全なものとし、かつ、ダクト先端部材の内部を冷却水流ギャラリー８１，８２，８３，８４に分割する。邪魔板９１が、区画構造体８０と皮殻の間に取り付けられて、水流ギャラリーの端部を画成する。ポート９２が、前記邪魔板に隣接する区画リングのフランジに配設されていて、最初にギャラリー８１、次いでギャラリー８２、次にギャラリー８３、最後にギャラリー８４を経由して、水をダクト先端部材の周辺に連続的に流通させる。水は、ダクトの管３７，３８の間に画成された水流路４３からギャラリー８１に流入し、ギャラリー８４から管３８，３９の間に画成された帰還流路４４を通って流出する。

ダクト先端部材の内側周辺部および外端部を作るダクト先端部材皮殻セグメント８７，８８は、銅製であり、ダクト先端部材の前記部分の冷却効果を高めるが、一方、セグメント８６，８９および区画構造体８０は、鋼製であって、非常に強力に補強されたダクト先端部材構造を生じており、以下で詳細に説明するように、ダクトの内側および中間の管３７，３８から外側の管３９に作用する荷重力の伝達を許容する。

外側のダクト管３９を介してランスの全重量がかけられた状態で、取付フランジから鉛直な配向でランスが架設されるように、外側のダクト管３９と容器の上部に接続する取付フランジ１０３とに接続された被水冷外側ハウジング１０２を含む取付組立体１０１が、ランスの後端部に設けられている。中間の管３８の後端がハウジング１０２内の摺動シール１０４によって支持され、内側の管３９の後端は、取付フランジ１０３に摺動装着されており、各種ランス構成要素の差異のある膨張に対して管の相対的な長手方向の動きを許容する。

ダクト３１の被水冷部分は、ダクトの最も内側の金属管３９内に嵌装されて、ダクトの被水冷ダクト先端部材３６にまで延びる内部耐火性ライニング４６で内部がライニングされている。ダクト先端部材３６の内側周辺部は、ダクトを通過するガスの有効な流路を画成する耐火性ライニングの内面で概ね平坦化されている。耐火性ライニングの前端部は、僅かに縮径された部分４７があり、ダクト先端部材３６の内側周辺部で概ね平坦化されている。耐火性ライニングは、内側のダクト管３７内に合うように施された部分に成形される。ランスが設置されると、鉛直の状態で、ライニングの底部はダクト先端部材の後壁８６に着座し、他のライニング部分は、管３９に溶接されるとともに煉瓦で囲われたリング９０に支持されている。したがって、耐火性ライニングの全重量がダクトの内側の管３７に下向きに加わる。ダクトは外側の管３９を介して上端部によって十分に支持されるので、この下向きの荷重は、ダクト先端部材壁８６、区画構造体８０およびダクト先端部材構造部材８９によってもたらされる相互連結を通じて内側の管から外側の管に伝達されなければならず、前記ダクト先端部材壁８６、区画構造体８０およびダクト先端部材構造部材８９の全ては、鋼製であって、これらの力を伝達することができる非常に堅く剛直で補強された相互連結を提供する。

部分４７から後方に向かって、耐火性ライニングは、直径がやや大きくなっており、耐火物を塞ぐことなくランスの組立に際して中心構造体３３を下向きに貫入させることができる。その際、中心構造体の前端部がダクト先端部材３６の最後部内に挿入されるまで、旋回翼３４が耐火物の縮径した部分内に移動される。最終の組立体では、翼は、中心構造体３３に沿って、ダクト先端部材３６から後方に離間した後端３４Ａからダクト先端部材内に配置された前端３４Ｂに延びている。翼とダクトの耐火性ライニングの間に半径方向の小さな隙間が存在するように、翼３４が寸法づけされている。これらは寸法化されているので、ランスが冷たい状態にある時、翼の前端部とダクト先端部材３６の内側周辺部の間に２ｍｍ程度の半径方向の小さな隙間が存在するが、操業状態下での熱膨張時には、翼と中心構造体３３の下端部との横方向の支持をもたらす、内部が水冷されたダクト先端部材が、翼の前端部に係合する。中心構造体は、長くかつ可撓性があり、支持されていない場合は、ガスの送風によって激しい振動を引き起こす。図示された構成では、冷却されたダクト先端部材の翼との係止により横方向の支持がもたらされる。翼は、UMCO 50 等のコバルト合金材料で形成してもよい。これらは、中心構造体の下端部に単純に嵌装して回り止めキーで固定したスリーブ上に形成してもよい。

ダクト先端部材３６の後壁８６は、変形可能な中央部を形成していて、翼３４の前端部との係合関係で壁に作用する半径方向荷重を調節する。より詳細には、ＨＩ製錬法により生じる過酷な操業条件下での加熱による移動によって生じる半径方向の荷重が作用する壁の応力を制限するべく、壁に働く過剰な荷重を調節するために閉じることのできる横断面Ｕ字状の変形可能な波形部分８６Ａが、前記壁を形成する環状ダクト先端部材皮殻セグメントに設けられている。

旋回翼３４を保持する中心構造体３３の前端部は、中心構造体を通ってランスの後端部から前端部に前方に供給され、その後中心構造体に沿ってランスの後端部に戻る冷却水によって、内部が水冷される。これは、中心構造体の前端部と、特にランスの稼働中に非常に高熱のフラックスに曝される半球状のノーズ部３５とに対して、直接冷却水を非常に強力な流れとすることができる。

中心構造体３３は、管のセグメントにより形成され、端から端まで配置され、互いに溶接された同心状の内外鋼管５０，５１を含む。内管５０は、ランスの後端部の水入口５３から中心構造体の前端ノーズ部３５に水が中心構造体を通って前方に流れる中心水流路５２と、ノーズ部３５から中心構造体を通ってランスの後端部の水出口５５に冷却水が後方に戻る２つの管の間に画成された環状の水帰還流路５４とを作っている。

中心構造体３３のノーズ端部３５は、やはり銅製である半球状の外側ノーズ皮殻６２内に収蔵された銅製の内部本体６１を有する。銅製の内部部材６１は、中心水流路６３が形成されていて、構造体３３の中心流路５２から水を受け、これをノーズ部のダクト先端部材に導く。銅製の本体６１は、ノーズ皮殻６２内にぴったり嵌合する突出リブ６４が形成されていて、銅製の本体６１と外部ノーズ皮殻６２との間に単一の連続した冷却水路６５を画成している。或る環状セグメントから次の環状セグメントにかけて傾斜する流路セグメント６７によって相互に連結される環状流路セグメント６６として、単一の連続した流路６５が延びるように、リブ６４が成形されている。このようにして、正規の螺旋形状をなしていないものの、ノーズ部の周辺およびその後方に沿って螺旋をなし、中心構造体３３の管５１，５２の間に形成された環状帰還流路内のノーズ後端部で終了する螺旋部に、流路６５がノーズ部のダクト先端部材から延びている。

中心構造体のノーズ端部３５の周辺およびその後方に沿って延びる螺旋状の流路６５を通る単一の整然とした水流中の冷却水の強制的な流れは、効率的な熱抽出を保証し、冷却水がノーズ部で複数流に分れることが許容される場合に生じるであろうノーズ部での「熱点」の発達を回避する。図示の構成では、冷却水が、ノーズ端部３５に入った時からノーズ端部を出る時まで単一流を強いられる。

内部構造体３３には、ダクト３１に進入する熱ガス流から中心構造体３３内を流れる冷却水への熱移動を遮断する外部熱遮蔽体６９が設けられている。大規模な製錬装置に要求される極めて高い温度と高速のガス流に晒された場合、固体の耐火性遮蔽体は、短期間しか使用できないかもしれない。図示の構成では、UMCOという商品名で市販されているセラミック材料から成る複数の管状スリーブで遮蔽体６９が形成されている。これらのスリーブは、端から端まで配設され、遮蔽体と、中心構造体の最も外側の管５１との間の空気間隙を包囲する連続セラミック遮蔽体を形成している。遮蔽体を形成することのできる更に詳細な方法は、特許文献３の開示に見出されるだろう。

本発明に従って構成された熱空気注入ランスを具備する直接製錬容器の縦断面図。 熱空気注入ランスの長手方向断面図。 熱空気注入ランスの取付構造を示す。 熱空気注入ランスの外部ダクト前端部におけるダクト先端部材の構造を示す拡大詳細図。 ダクト先端部材部の部分断面図。 熱空気注入ランスの中心構造体の前端部分の構造を示す。 熱空気注入ランスの中心構造体の前端部分の構造を示す。 熱空気注入ランスの中心構造体の前方ノーズ端部の構造を示す。 熱空気注入ランスの中心構造体の前方ノーズ端部の構造を示す。

Claims (11)

1. 容器にガスを注入するための装置であり、
   後端部から、ガスを放出するための前端部まで伸張するガス流ダクトと、
   前記ガス流ダクトの後端部から前端部まで、該ガス流ダクト内で伸張する細長い中心構造体と、
   前記ガス流ダクトの前端部に隣接して前記中心構造体の周囲に配置され、前記ガス流ダクトの前端部を通過するガス流に旋回を与える複数の流れ方向づけ翼と、
   前記ガス流ダクトの壁を通って延在し、かつ、前記ガス流ダクトの後端部から前端部まで延在して、冷却水を前記ガス流ダクトの前端部に供給して戻すための、冷却水供給・帰還流路と、
   前記ガス流ダクトの前端部に配置された環状ダクト先端部材であって、冷却水の流れを受け入れ且つ戻して前記環状ダクト先端部材を内部から冷却するために、前記冷却水供給・帰還流路に連通する内部冷却水路を有する前記環状ダクト先端部材とを含み、
   前記流れ方向づけ翼が前記中心構造体に取り付けられて、前記環状ダクト先端部材内に配置された前端部まで延在し、また、前記装置の操業中に、前記流れ方向づけ翼の前記前端部が、内部を水冷された前記環状ダクト先端部材と係合して支えられるような寸法になされている容器にガスを注入するための装置。
2. 前記流れ方向づけ翼が、前記中心構造体に沿って、前記ダクト先端部材から後方に設定された後端部から前記ダクト先端部材内に配置された該流れ方向づけ翼の前端部まで延在する請求項１に記載された容器にガスを注入するための装置。
3. 前記流れ方向づけ翼の前記前端部が、前記ダクト先端部材の最後部内で終って、該最後部とのみ係合している請求項１または請求項２に記載された容器にガスを注入するための装置。
4. 前記ダクト先端部材の前記最後部に、該ダクト先端部材の内周壁および前記ガス流ダクトの壁から外方に延びる環状の後壁が形成されている請求項３に記載された容器にガスを注入するための装置。
5. 前記ダクト先端部材の前記後壁が、前記流れ方向づけ翼の前端部と係合関係で、前記後壁に作用する半径方向の荷重を調節する変形可能な中央部で形成されている請求項４に記載された容器にガスを注入するための装置。
6. 前記ダクト先端部材の前記後壁が環状であり、その中央部に前記環状部分に亘って延在する変形可能な波形部分を設けている請求項５に記載された容器にガスを注入するための装置。
7. 前記波形部分が、概略Ｕ字形の横断面形状を有する請求項６に記載された容器にガスを注入するための装置。
8. 前記流れ方向づけ翼の後端部が、最初の直線部分から螺旋形状に至る円滑な移行部分を有する請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載された容器にガスを注入するための装置。
9. 前記ガス流ダクトの前記壁が、前記冷却水供給・帰還流路となる内外環状空間を画成する３つの同心管を含む請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載された容器にガスを注入するための装置。
10. 前記ガス流ダクトの前記複数管の前端部が前記ダクト先端部材に結合されている請求項９に記載された容器にガスを注入するための装置。
11. 前記ダクト先端部材は中空環状形状を有し、区画構造体によって内部が分割されて、該ダクト先端部材内に前記冷却水路が形成されている請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載された容器にガスを注入するための装置。
    

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