JP2006519930A - ガス・パージング要素（ｇａｓｂｕｂｂｌｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔ）及び対応するガス・パージングシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、金属溶融物用耐火セラミック製ガス・パージング要素、及び、こうしたガス・パージング要素を備える、対応するガス・パージングシステムに関する。

Description

本発明は、金属溶融物容器(metallurgical melting vessel)用耐火セラミック製ガス・パージング要素、及び、こうしたガス・パージング要素を具備する、関連するガス・パージング装置に関する。

引用されたタイプのガス・パージング要素は長年知られている。これらは、アルゴン又は窒素のようなガスを金属溶融物内に吹き付けるために使用される。ガスは異なる目的を有する：金属溶融物はガスを使用して均質化し得る。さらに、酸化工程は加速化し得る。ガス処理の１つの目的は、金属溶融物内又は、例えば、鋼製溶融物内の脱硫物及び／又は脱燐物内の非金属含有物の除去でもあり得る。

内部でこのタイプのガス・パージング要素が使用される金属溶融物容器は、例えば、トリベ(ladles)又はトリベ炉(ladle furnaces)である。引用されたタイプのガス・パージング要素も鋼の脱気処理に使用される。

この場合、ガスは、ガスが供給される第１端部と、ガスが溶融物内に解放される第２端部と、の間のガス・パージング要素に沿って案内される。通常、ガスは適切なチャネルに沿って該チャネルによって導かれる。

これらのチャネルは、例えば、焼き尽くし得る材料によってセラミック材料に直に形成し得る。しかしながら、チャネルはセラミック材料内に伸びる管（チューブ）によっても構成し得る。これらのチャネルは異なる横断面形状を有する。流れ横断面は、例えば、円形形状又はスロット形状である。チャネルは、直に、すなわち、軸線方向に伸び得るか、あるいは一端から他端まで迷路態様でさえ伸び得る。

さらに、ガス・パージング要素の第１端部又はガス・パージング要素それ自体内に突破ガード(breakthrough guard)を位置づけることは知られている。こうした突破ガードは金属溶融物のガス・パージング要素内への浸透を停止する目的のために使用される。

既知のガス・パージング要素は、例えば、連続した円周状横断面を有する。さらに、変更可能な排出要素として使用される、切頭円錐状ガス・パージング要素も知られている。ガス・パージング要素は耐火構造ブロック内に挿入し得る。この耐火構造ブロックは、例えば、電弧炉又はシーメンス−マーチン炉(Siemens-Martin furnace)のような、金属溶融物容器の構成要素である。これらの排出要素は金属溶融物容器の底部又は壁内に特に設置される。底部の排出要素は、ガスが底部の表面に対して多かれ少なかれ直角である溶融物内に案内されるように位置づけ得る。しかしながら、溶融物内の特定点に対してガスを案内するために排出要素を対角線上に位置づけることも知られている。これは排出要素の壁設置にも当てはまる。この設置は多かれ少なかれ水平に行い得る、すなわち、金属製容器の内壁に対して直角、あるいは水平（溶融物浴表面）に対して傾斜するようにも行い得る。

排出ガス供給路は連続的又は非連続的とし得る。いずれにせよ、ガス・パージング装置は、必要時には、常に使用可能であることが保証されるべきである。これは、例えば、金属溶融物又はスラグによるガス導入チャネルの妨害を阻止するために、対応する安全手段を要する。

さらに、既知の金属溶融物が阻止されることを特に保証すべきである。

従って、本発明は、ガス・パージング要素と、高安全基準を有する関連するガス・パージング装置と、を設け、金属溶融物内への安全且つ規則的なガス供給を可能にし、及び所望の金属の機能を非限定的に満足させ得るという目的に基く。

この目的を達成するために、本発明は、ガスが供給される第１端部と、前記ガスが解放される第２端部と、の間に位置し、以下の部分を具備する、金属溶融物用耐火セラミック製ガス・パージング要素を提供する：前記第１端部内に排出する少なくとも１つのガス供給管と、
第１ガス分配器チャンバ内に排出するガス供給管と、第１ガス分配器チャンバから第２ガス分配器チャンバまで伸びる多数の毛細管タイプチャネルと、第２ガス分配器チャンバからガス・パージング要素の第２端部まで延在する毛細管チャネルより大きな流れ横断面を有する少なくとも１つのチャネルと、を備える。

こうしたガス・パージング要素は以下の特性及び長所を有する。

ガス・パージング要素は、軸線方向に隣接する、異なる部分に分割され、第１（冷却）端部から第２（加熱）端部までの連続したガス搬送が保証される。ガスはガス供給管によってガス・パージング要素内に導き得る。そこから、ガスは第１ガス分配器チャンバに到達し、そこから、ガスは第２ガス分配器チャンバに到達する以前に第２端部に向かう方向に多数の毛細管タイプチャネルを貫流する。そこから、ガスは引用されたより大きなチャネルによってガス・パージング要素の第２端部まで案内され、この端部から外部に出る。

こうしたガス・パージング要素は多重安全装置を具備する。

金属溶融物が第１端部に向かう方向に第２端部から伸びるガス・チャネル内に浸透すると、第２ガス分配器チャンバは金属溶融物の更なる浸透を防ぐための”障壁（バリア”として使用される。何故なら、ガス分配器チャンバはガス・チャネルの総和より大きな横断面を有するから、浸透する金属溶融物は外に拡がり、冷却し、そして固化し得る。ガス・パージング装置の冷却（第１）端部に向かう方向における更なる浸透もまた阻止される。何故なら、毛細管チャネルは第２分配器チャンバの他端に隣接するからである。これらの毛細管チャネルは第２端部領域のガス・チャネルより極めて小さな流れ横断面を有して形成される。その結果、金属溶融物の毛細管チャネル内への浸透はかくしてより難しくされる。

例えば、第２端部領域にあるガス・チャネルは２ｍｍより大きいか又は３ｍｍより大きい内径を有する一方で、毛細管チャネルの内径は１．０ｍｍ未満として選択される。

しかしながら、金属溶融物が毛細管チャネル内に流入し、かつ貫流してさえ、本発明によるガス・パージング要素は第１ガス分配器チャンバによる更なる安全装置を提供する。この安全装置内部では、第２ガス分配器チャンバに基づいて既に述べたような類似の効果が達成される。

最後に、本発明の一実施形態では４つの安全手段を提供する。この安全手段は、第１ガス分配器チャンバ内に排出するガス供給管が、ガス・パージング要素の第１端部と、第１ガス分配器チャンバと、の間の軸線方向距離より大きな長さを有して形成される。換言すれば：ガス供給管は直線状に伸びないが、流れ経路を長くするために、少なくとも１つ、好ましくは多数の湾曲した（角度が付された）部分をぬしろ有する。この実施形態では、ガス供給管は螺旋（ヘリカル）又は渦巻き（スパイラル）及び／又は蛇行状に湾曲し得る。ガスの流れ経路は、原理上は干渉しないが、何れかの浸透する金属溶融物に対する経路を長くし、かくして、強制的に冷却且つ固化される。

この実施形態では、ガス供給管は処理すべき金属溶融物の温度より下の温度で溶融する材料製とし得る。したがって、金属溶融物がこの領域内に浸透すると、ガス供給管は溶融する。更なる実施形態により設けられるように、ガス供給管がバルク材料内に配置されると、金属溶融物はガス・パージング要素のこの領域内に拡散し得る、すなわち、枝分かれし、これによって、固化挙動は再び加速される。バルク材料は対応する外部受容器内に配置しなければならないことは明らかである。その結果、溶融物は制御しえない仕方で半径方向に拡散しない。受容器は今度は耐火材料によって包囲される。

長手方向軸線に沿った部分に関する限り、これらの部分は物理的に分離される必要はない。この概念はむしろ機能的に理解すべきである。こうして、別々の部分は等価な横断面形状を有し得るか、例えば、円形状横断面を有して形成し得る。その結果、外部円筒状形状はガス・パージング要素に対する結果に帰着する。別々の部分は互いに対して取り付け得る。

しかしながら、全ての部分は共通の耐火マトリックス内に組み込み得る。この実施形態では、ガス・パージング要素はその全長に亘って、円形横断面のような一定の横断面を有し得る。第１端部から第２端部まで、例えば、横断面を減じるように、横断面を変更し得る。その結果、切頭円錐形状のタイプが生じる。このように、ガス・パージング要素は特に変更可能な要素として使用し得る。

均一横断面、特に円形横断面、の結果として、軸線方向でガス・パージング要素を動かすか及び／又は回転させる、関連するガス・パージング装置に対する可能性をそれ自体が提案する。この目的のために、ガス・パージング装置は対応する駆動装置を有して形成される。この駆動装置はガス・パージング要素の軸線方向及び／又は回転運動を交互にするために設け得る。例えば、ガス・パージング要素は数ミリメートル（例えば、＋／−３ｍｍ）だけ軸線方向前後に交互に移動し得るか、あるいは一及び／又は他方向に数度だけ回転し得る。駆動装置は、ガス・パージング要素を軸線方向に押圧する、すなわち、ガス・パージング要素を、例えば、第２端部領域に向かう方向に前進させる目的でも使用し得る。

既に述べたように、第１及び第２ガス分配器チャンバの横断面は、何れかの浸透溶融物に対する拡散チャンバを作り、かつ毛細管内及び／又は毛細管から出るガス供給を保証するために、隣接する毛細管チャネルの横断面の総和より大きい。

一実施形態によれば、毛細管チャネルの流れ横断面（すなわち、流れ作用横断面）は第１端部におけるガス供給管の流れ横断面及び／又は第２端部におけるガス・チャネルの流れ横断面より少なくとも５０％小さい。この実施形態では、毛細管チャネルの流れ横断面はガス供給管及び／又はガス・チャネルに関して引用されたものの５０％より極めて小さく、例えば、７０％、８０％、９０％である。

一実施形態によれば、ガス・チャネルは第２端部がスロット状に形成される、すなわち、これらのガス・チャネルは、例えば、矩形横断面を有する。ガス・チャネルは三角形状又は液滴形状流れ横断面を有するようにも形状構成し得る。液滴形状横断面の幾何形状を有することによって、チャネル（管）は、より狭い端部がガス・パージング要素の中央長手方向軸線に向けて面するように位置づけることが、以下の図面の説明にも表したように、この場合は好ましいことを示してきた。

ガス分配器チャンバはガス・パージング要素のセラミックマトリックス材料で現場で導入し得る。しかしながら、ガス分配器チャンバは、関連するガス・チャネル及び／又は毛細管チャネルが排出する金属製空洞によっても構成し得る。

毛細管チャネルは実質的に軸線方向、すなわち、平行且つ互いに所定距離をおいて位置づけ得るが、ガス・パージング要素の第２端部領域のガス・チャネルは別様にも位置づけ得る。

例えば、引用された液滴形状の幾何形状を有するガス・チャネルによって、これらのチャネルが横断面に関して”対称”に配分して位置づけられる一実施形態を提供する。例えば、３つのチャネルに関しては、個々のチャネルは時計に対して、６時、１０時及び２時に位置づけ得る。

別の実施形態では、特に円筒状横断面又はスロット・タイプ・チャネルが選択される場合、これらのチャネルは、仮想線に沿い、かつ互いに所定距離をおいて伸張し得る。この仮想線は、例えば、容器の壁内に設置されるパージャー内で水平に伸張する。

チャネル及びチャンバは耐火セラミック製材料（マトリクス材料）で常に包囲される。この材料は鋳造又はプレスし得る。外部エンベロープは必ずしも必要ではない。セラミック排出要素はこのように設置し得る。

本発明の更なる特徴は、従属請求項及び本願の他の文献に開示されている。

本発明を更に良く説明するためにのみ概略的に示した以下の異なる図面を参照して本発明を説明する。

等価又は等価に作用する構成要素は図面中で同一の参照符号を有するものとして示す。

本発明によるガス・パージング要素を図１に示す。ガス・パージング要素（右から左まで）の構成は以下のとおりである；

ガス供給管５は、鋼製板３０によってその正面、かつ鋼製管１４によってその円周周りで画定される、第１部分３内にＥ１において排出する。ガス供給管５は、螺旋部が参照符号１３によって示される鋼板３０背後で螺旋態様で続く。螺旋部１３は、例えば、エキスパンデッド・パーライトに基づくバルク材料１５で充填され、かつ、螺旋部１３が貫通して案内される更なる鋼製板３１によって鋼製板３０に対して所定距離で画定される空間内に伸張する。

延長鋼製管１４によって円周周りで画定される第１ガス分配器（分配）チャンバ３２は鋼板３１に隣接する。

その横断面を図４に示す部分２はガスの流動方向に続く。多数の毛細管チャネル１０がガス・パージング要素の軸線方向に伸張する耐火セラミック製材料は、（管１４の伸張部において）鋼製の円筒状フレーム１２内に位置する。毛細管チャネル（鋼管で構成された）は、０．５ｍｍの内径を有する円筒状横断面を有する。

ガス供給管５から螺旋部１３を経て第１ガス分配器チャンバ３２を経て案内されるガスは毛細管１０を貫流して、外被１７内に載置される管状体３３によって内部で画定される隣接する第１ガス分配器チャンバ１６（図６）内に入る。管体１３及び外皮１７は鋼又は耐火セラミックで作り得る。

第２ガス分配器チャンバ１６全体を通じて案内されたガスは続いてガス・チャネル６に到達し、これらのガス・チャネルはガス・パージング要素の第２端部Ｅ２の正面まで軸線方向且つ互いに対して所定距離で伸張する。

図２に示すように、円筒状横断面を有する３つのガス・チャネル６は仮想水平線に沿って位置づけられる。ガス・チャネル６の各々は２ｍｍの横断面内径を有する。図３は別の実施形態を示し、この別の実施形態では、３つのガス・チャネルの各々は液滴形状を有し、時計と比べたガス・チャネル６は６時、１０時、及び２時に位置づけられる。ガス・チャネル６の整合は、幅がより狭い、実質的に三角形状の端部が常に内部にあるということである。

ガス・パージング要素の部分１は今度は金属製管９によってその円周周りで画定される。

各々がセラミック又は金属部品製の別々の部分の外部フレーム（管状セグメント）は互いに機械的に連結され、端部部分は段状かつ対応するネジが付されて構成される。図１に示すガス・パージング要素は耐火性材料によって完全に覆われる。ガス・パージング要素全体を連続管状エンベロープ内に組み込むか、あるいはエンベロープを完全を避けるようにすることも可能である。この実施形態では、ガス分配器チャンバ１６、３２及び異なるチャネルはセラミック製マトリックス材料内に導入される。

ガス供給管５、毛細チャネル１０、及びガス・チャネル６は金属製管で構成されるが、例えば、対応する横断面を有する、後に、電弧を発する材料をそれぞれの場所に配置することによって、製造中、現場に導入もし得る。これは、セラミック製基体内に空洞（ガス分配器チャンバ）を導入するのに同様に当てはまる。

第１端部Ｅ１から図１のＥ２によって識別されるガス出口端部までガスが流れる。

ガス・パージング要素の機能は本発明の説明で既に述べた。螺旋部１３が本願明細書では銅製、すなわち、比較的低融点を有する金属製であることにも留意すべきである。

図７に示すように、ガス・パージング要素は多数の軸受１８、１９によって軸線方向に案内される。これらは回転軸受である。管状排出要素はモータＭ及びギア２０によって交互に左右に回転し得る。駆動装置は溶融容器の外部に位置づけられる。

図８の例示的実施形態では、例えば、軸線方向に一時に数ミリメートルだけ前後に動かすために、連続振動運動（例えば、正弦波運動）をガス・パージング要素に伝達し得ることによってギア２２を説明する。

ガス・パージング要素を関連する冶金容器の底又は壁の対応する耐火性フレーム内に位置づけなければならず、及び、図７及び図８に示す例示的実施形態では、ガス・パージング要素の回転運動及び／又は軸線方向運動を保証し得るように位置付けることは自明である。冶金容器の壁及び／又は底部の耐火材料は図７及び図８において参照符号３５で表される。

本発明によるガス・パージング要素の側面図である。 図１に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図２に示す例示的実施形態の別の実施形態を示す図である。 図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 第１ガス分配チャンバを装着したガス・パージング要素の第１端部領域の長手方向C-C断面図である。 第２ガス分配チャンバ全体に亘る長手方向Ｄ−Ｄ断面図である。 軸受上にガイドされる排出要素を具備するガス・パージング装置の側面図である。 駆動装置によって軸線方向に移動可能なガス・パージング要素を具備するガス・パージング装置の図である

符号の説明

１、２、３、４ 連続する部分
５ ガス供給管
６ ガス・チャネル
９、１２、１４、１７ 金属製管（耐火セラミック材料製管）
１０ 毛細管チャネル
１３ 螺旋部
１５ バルク材料
１６ 第２ガス分配器チャンバ
１８、１９ 軸受
２０、２２ ギア
３１ 鋼製板
３２ 第１ガス分配器チャンバ
３３ 管状体
３５ 冶金容器の壁及び／又は底部の耐火材料
Ｅ１ 第１端部
Ｅ２ 第２端部
Ｍ 駆動装置

Claims (16)

1. ガスが供給される第１端部と前記ガスが解放される第２端部と、の間に連続する部分（３、２、４、１）を具備する金属溶融物用耐火セラミック製ガス・パージング要素であって、
   ａ）前記第１端部（Ｅ１）内に排出する少なくとも１つのガス供給管（５）と、
   ｂ）第１ガス分配器チャンバ（３２）内に排出する前記ガス供給管（５）と、
   ｃ）前記第１ガス分配器チャンバ（３２）から第２ガス分配器チャンバ（１６）まで伸びる多数の毛細管タイプチャネル（１０）と、
   ｄ））前記第２ガス分配器チャンバ（１６）から前記ガス・パージング要素の第２端部（Ｅ２）まで延在する毛細管チャネル（１０）より大きな流れ横断面を有する少なくとも１つのチャネル（６）と、を備える金属溶融物用耐火セラミック製ガス・パージング要素。
2. 第１及び第２ガス分配器チャンバ（３２、１６）の各々は前記毛細管チャネル（１０）の横断面積の合計より大きな横断面を有する、請求項１に記載のガス・パージング要素。
3. 前記第１ガス分配器チャンバ（３２）内に排出する前記ガス供給管（５）は、前記第１端部（Ｅ１）と前記第１ガス分配器チャンバ（３２）との間の軸線方向距離より大きな長さを有する、請求項１に記載のガス・パージング要素。
4. 前記ガス供給管（５）は螺旋又は渦巻き線及び／又蛇行のように湾曲している、請求項３に記載のガス・パージング要素。
5. 前記ガス供給管（５）は処理されるべき前記金属溶融物の温度より下の温度で溶融する材料製である、請求項３に記載のガス・パージング要素。
6. 前記ガス・パージング要素はバルク材料（１５）内に配置される、請求項３に記載のガス・パージング要素。
7. 前記毛細管チャネル（１０）の各々は前記第１端部（Ｅ１）における前記ガス供給管（５）の流れ横断面及び／又は前記第２端部（Ｅ２）における前記ガス・チャネル（６）より少なくとも５０％小さな流れ横断面を有する、請求項１に記載のガス・パージング装置。
8. 前記毛細管チャネル（１０）の各々は前記第１端部（Ｅ１）における前記ガス供給管（５）の流れ横断面及び／又は前記第２端部（Ｅ２）における前記ガス・チャネル（６）より少なくとも５９０％小さな流れ横断面を有する、請求項１に記載のガス・パージング装置。
9. 互いに対して連結される別々の部分（３、２、４、１）の各々は鋼製又は耐火セラミック材料製管（１４、１２、１７、９）内に配置される、請求項１に記載のガス・パージング要素。
10. 前記部分（３、２、４、１）は鋼製又は耐火セラミック材料製の共通管内に配置される、請求項１に記載のガス・パージング要素。
11. 前記第２端部（Ｅ２）における単数又は複数の前記ガス・チャネル（６）はスロット状タイプ、三角形又は液滴形状流れ横断面を有する、請求項１に記載のガス・パージング要素。
12. 前記第２ガス分配器チャンバ（１６）と前記第２端部（Ｅ２）との間にある仮想線に沿って互いに対して所定距離だけ延在する、前記第２端部（Ｅ２）における多数のガス・チャネル（６）を具備する、請求項１に記載のガス・パージング装置。
13. 全長に亘る円形状横断面を有する、請求項１に記載のガス・パージング装置。
14. 横断面が前記第１端部（Ｅ１）から第２端部（Ｅ２）に向けて減少する、請求項１３に記載のガス・パージング装置。
15. 請求項１によるガス・パージング要素と、前記ガス・パージング要素の軸線及び／又は回転運動のための駆動装置（Ｍ）と、を具備するガス・パージング装置。
16. 前記駆動装置（Ｍ）は前記ガス・パージング要素を交互に運動させるように構成される、請求項１５に記載のガス・パージング装置。

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