JP4175896B2 - 容器内にガスを吹き込む装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は容器内にガスを吹き込む装置を提供するものである。限定されるものではないが、特に、本発明は、ガス流を高温状態で冶金用容器内に吹き込むための装置に関する。このような冶金用容器は、例えば直接製錬プロセスによって溶融金属を生成する製錬容器でよい。
【０００２】
既知の直接製錬プロセスは、反応媒体として溶融金属層を使用し、通常、ＨＩ製錬プロセスと呼ばれ、出願人の名前で国際ＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７（国際特許第９６／３１６２７号）に記載されている。
【０００３】
この国際特許出願に記載されているＨＩ製錬プロセスは、
（ａ）容器内に溶融鉄とスラグの溶湯を形成する段階と、
（ｂ）溶湯に、
（ｉ）含金属供給材料、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源として作用する固体炭素質材料、典型的には石炭とを、吹き込む段階と、
（ｃ）金属層において、含金属供給材料を金属に製錬する段階とを含む。
【０００４】
「製錬」という用語は、本明細書では、金属酸化物を還元する化学反応が生じて液体金属を生成する熱処理を意味する。
【０００５】
また、ＨＩ製錬プロセスは、溶湯の上の空間で溶湯から放出された一酸化炭素および水素などの反応ガスを含酸素ガスで後燃焼させる段階と、後燃焼によって生成された熱を溶湯に伝達して、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段階とを含む。
【０００６】
ＨＩ製錬プロセスは、溶湯の上で反応ガスを後燃焼することによって生成した熱エネルギーを溶湯に伝達するため、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、その後に下降する液滴または飛沫または流れの好適な質量がある遷移帯域を、溶湯の公称静止表面の上に形成することも含む。
【０００７】
ＨＩ製錬プロセスでは、固体材料を容器の底部にある金属層に送出するよう、製錬容器の側壁を通して容器の下部領域へと下および内側に延在するよう垂直に対して傾斜した幾つかのランス／羽口を通じて、含金属供給材料および固体炭素質材料を金属層に吹き込む。容器の上部分における反応ガスの後燃焼を促進するため、酸素で富化させてもよい熱空気の送風を、下側に延在する熱空気吹き込みランスを通じて容器内の上部領域に吹き込む。容器の上部分におけるガスの効果的な後燃焼を促進するため、入った熱空気の送風が渦巻動作でランスを出ることが望ましい。それを達成するため、ランスの出口端に内部流ガイドを取り付けて、適切な渦巻動作を与えることができる。容器内の上部領域は、２０００℃のオーダーの温度に到達し、熱空気は、１１００〜１４００℃のオーダーの温度でランスに送出することができる。したがって、ランスは、内部も外壁上も、特に容器の燃焼帯域へと突出するランスの送出端で極めて高温に耐えることができねばならない。本発明は、関連の構成要素を内部水冷し、非常に高温の環境で動作させることができるランス構造を提供する。
【０００８】
（発明の開示）
本発明によると、容器内にガスを吹き込む以下の装置が提供される。
後端から前端へと延在するガス流ダクトを含み、その前端でダクトからガスが放出され、さらに、
前記ガス流ダクト内で、その後端から前端へと延在する細長い中心管状構造体と、
前記ガス流ダクトの前端に隣接して、前記中心管状構造体の周囲に配置され、前記ガス流ダクトの前端へのガス流に渦巻を与える複数の流れ配向羽根とを含み、
前記中心管状構造体の前端と前記ガス流ダクトの前端とが協働して、前記羽根によって与えられた渦巻を伴って前記ガス流ダクトから出るガス流に対して環状ノズルを形成し、さらに、
前記中心管状構造体を通してその後端から前端へ冷却水が流れ、その前端を内部で冷却し、その後、前記中心管状構造体を通じて冷却水が後端に戻る、前記中心管状構造体内の冷却水路とを含む、容器内にガスを吹き込む装置。
【０００９】
前記ガス流ダクトの前端は、中空の環状先端構成として形成することができ、前記ガス流ダクトは、該ガス流ダクトに沿って冷却水を前記ガス流ダクトの先端へと前方向に供給し、前記ガス流ダクトを通してその冷却水を戻すための前記ガス流ダクト先端の冷却水供給および復帰路を含むことができる。
【００１０】
前記ガス流ダクトの内周面は、耐火性材料で裏打ちしてよい。
【００１１】
前記中心管状構造体は、水が該中心管状構造体を通じて前記中心管状構造体の前端へと直接流れるための中心水流路、および前記中心管状構造体の前端からその前記中心管状構造体の後端へと戻る水の復帰流のため、前記中心水流路の周囲に配置された環状水流路を規定することが好ましい。
【００１２】
前記中心管状構造体は、前記中心水流路を提供する中心管、および該中心管の周囲に配置され、管間の前記環状水流路を規定する別の管を含むことができる。
【００１３】
前記中心管状構造体が、前記ガス流ダクトから前記中心管状構造体の冷却水路への熱伝達を抑制するため、外側断熱シールドを含むことが好ましい。
【００１４】
前記外側断熱シールドは、長手方向に並べて配置された断熱材料から成る複数の管状区画で構成され、前記外側断熱シールドのすぐ内側に配置された環状空気ギャップの周囲で前記中心管状構造体の後端から前端まで延在するほぼ連続的な管として前記外側断熱シールドを形成することができる。
【００１５】
前記空気ギャップは、連続的な管として形成された前記外側断熱シールドと、環状水復帰流路の外壁を規定する別の管との間に形成することができる。
【００１６】
前記外側断熱シールドの前記複数の管状区画は、互いの長手方向膨張を許容するように支持されることが好ましい。
【００１７】
前記中心管状構造体の前端は、単一の螺旋形冷却水路を内部に設けたドーム状ノーズ部分を含み、前記ノーズ部分の先端で前記中心管状構造体の中心水流路からの水を受け、その水を、前記ノーズ部分の周囲に沿って且つ後方に向かって単一流として配向し、もって単一の一貫した冷却水流として前記ノーズ部分の冷却が行なわれるようにすることができる。
【００１８】
前記容器内にガスを吹き込む装置は、高温ガスを前記ガス流ダクトの後端に導入するガス入口を含むことができ、該ガス入口は、前記ガス流ダクトの後端と整列し、該ガス流ダクトに直接延在する第１管状ガス路と、該第１管状ガス路を横断して高温ガスを受け、それを前記第１管状ガス路へと配向する第２管状ガス路とを画定する耐火性本体を備え、したがって高温ガスおよび該高温ガスに付随する粒子が前記第１管状ガス路の耐火性壁に衝突し、ガス流が第１管状ガス路から第２管状ガス路へと通過する際に方向転換する。
【００１９】
前記第１および第２管状ガス路は、実質的に、互いに直角をなす関係であってよい。
【００２０】
前記中心管状構造体は、前記ガス入口の前記第１管状ガス路の中心方向で前記ガス入口を越えて後方に延在してもよい。前記中心管状構造体の後端を、前記ガス入口の後方側に配置し、前記中心管状構造体に対して冷却水が出入りするように水継手を設けることができる。
【００２１】
本発明についてさらに詳細に説明するため、添付図面に関して１つの特定の実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１は、国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７に記載されたように、ＨＩ製錬プロセスで操作するのに適切な直接製錬容器を示す。冶金用容器は全体として１１で指示され、耐火性煉瓦から形成されたベース１２および側部１３を含む炉床、炉床の側部１３から上方向に延在するほぼ円筒形の樽を形成し、上樽部分１５および下樽部分１６を含む側壁１４、屋根１７、排ガスの出口８、溶融金属を連続的に排出する前炉１９、および溶融スラグを排出するタップ孔２１を有する。
【００２３】
使用時には、容器は鉄およびスラグの溶融溶湯を含み、これは溶融金属の層２２および該金属層２２の上にある溶融スラグの層２３を含む。符号２４で指示される矢印は、金属層２２の公称静止面の位置を示し、符号２５で指示される矢印は、スラグ層２３の公称静止面の位置を示す。「静止面」という用語は、容器へのガスおよび固体の吹き込みがない場合の表面を意味する。
【００２４】
容器には、熱空気の送風を容器内の上部領域に送出するため、下方向に延在する熱空気吹き込みランス２６、および、酸欠搬送ガスに付随する鉄鉱石、固体炭素質材料、およびフラックスを金属層に吹き込むため、側壁１４を通してスラグ層２３内へと下方向および内側に延在する２本の固体吹き込みランス２７を取り付ける。ランス２７の位置は、その出口端２８がプロセスの操作中に金属層２２の表面よりも上にあるように選択される。このランスの位置により、溶融金属との接触による損傷の危険が低下し、水が容器中の溶融金属と接触するという重大な危険を冒すことなく、内部強制水冷によりランスを冷却することも可能になる。
【００２５】
熱空気吹き込みランス２６の構造を図２〜図９に示す。これらの図で示されるように、ランス２６は細長いダクト３１を備え、これはガス入口構造体３２を通る高温ガスを受け、これを容器の上部領域へと吹き込む。ランスは、ガス流ダクト３１内でその後端から前端へと延在する細長い中心管状構造体３３を含む。ダクトの前端に隣接する中心管状構造体３３は、ダクトを出るガス流に渦巻を与えるため、一連の４つの渦巻付与羽根３４を担持する。中心管状構造体３３の前端はドーム状ノーズ３５を有し、これはダクト３１の先端３６を越えて前方に突出し、したがって中心管状構造体の前端とダクトの先端とが協働し、羽根３４によって付与された渦巻を伴うダクトからのガスを発散流にする環状ノズルを形成する。羽根３４は、スタート４枚の螺旋形で配置され、ダクトの前端内に滑合する。
【００２６】
ガス入口３２から下流に延在するダクト３１の主要部分の壁は、内部を水冷する。ダクトのこの区間は、ダクトの前端部分へと延在し、そこでダクト先端３６と接続する一連の３本の同心状鋼管３７、３８、３９で構成される。ダクト先端３６は中空の環状構成であり、ダクト３１の壁にある路を通して供給され、復帰する冷却水によって内部が水冷される。特に、冷却水は入口４１および環状入口マニホルド４２を通して、ダクトの管３８、３９間に画定された内部環状水流路４３に入り、先端の周方向に隔置された開口を通してダクト先端３６の中空内部に供給される。水は、周方向に隔置された開口を通して先端から、管３７、３８間に画定された外部環状水復帰流路４４に入り、ダクト３１の水冷区間の後端にある水出口４５に復帰する。
【００２７】
ダクト３１の水冷区間は、耐火性内部裏打ち４６で内部を裏打ちされ、これはダクトの最内金属管３９の内面を覆っており、ダクトの水冷先端３６へと延在する。ダクト先端３６の内周は、ダクトを通るガスの効果的流路を画定する耐火性裏打ちの内面とほぼ面一である。耐火性裏打ちの前端は、わずかに直径が減少した区間４７を有し、これは滑合で旋回羽根３４を受ける。区間４７の後方では、耐火性裏打ちの内径が僅かに大きくなっており、それによって、旋回羽根３４がダクトの前端に到達するまで、中心管状構造体３３を、ランスのアセンブリ上にダクトを通して下方向に挿入することができ、ここで羽根を耐火性区間４７へと配置し、案内する先細の耐火性ランド４８によって、耐火性区間４７と滑り係合する。
【００２８】
旋回羽根３４を担持する中心管状構造体３３の前端は、該中心管状構造体を通してランスの後端から前端へと前方へ供給され、次に中心管状構造体に沿ってランスの後端へと復帰する冷却水によって内部が水冷される。これは、中心管状構造体の前端へ、および特にランスの動作時に非常に高い熱流束を受けるドーム状ノーズ３５への冷却水の非常に強力な直接の流れを可能にする。
【００２９】
中心管状構造体３３は、長手方向に並べて配置され、相互に溶接された管区画によって形成された内部および外部同心鋼管５０、５１を備える。内管５０は中心水流路５２を画定し、これを通して水は中心管状構造体を通ってランスの後端にある水入口５３から中心管状構造体の前端ノーズ３５へと前方へ流れ、さらに２本の管の間に画定された環状水復帰路５４を通して冷却水がノーズ３５から中心管状構造体を通り、ランスの後端にある水出口５５へと戻る。
【００３０】
中心管状構造体３３のノーズ端３５は、内部銅本体６１を備え、その中には、これも銅で形成された外部ドーム状ノーズ外殻６２が取り付けられる。内部銅部片６１には、中心水流路６３が形成されて、中心管状構造体３３の中心路５２から水を受け、これをノーズの先端に配向する。ノーズ端３５には突出リブ６４が形成され、これはノーズ外殻６２内に滑合して、内部区間６１と外部ノーズ外殻６２との間の単一の連続的な冷却水流路６５を画定する。これは、特に図４および図５で見られる。リブ６４は、単一の連続路６５が、１つの環状区画から次へと傾斜する路区画６７によって相互接続された環状路区画６６として延在するように形成される。したがって、連続する冷却水流路６５は、ノーズの先端から螺旋形で延在し、螺旋形は、正螺旋形ではないが、ノーズの周囲に、それに沿って螺旋状に戻り、ノーズの後端から出て、中心管状構造体３３の管５１、５２間に形成された環状復帰路に入る。
【００３１】
中心管状構造体のノーズ端３５の周囲に、それに沿って元へと延在する螺旋路６５を通して、１本の一貫した流れで冷却水を強制的に流すことにより、効率的な冷却が保証され、冷却水がノーズで別個の流れに分離できると発生するようなノーズの「ホットスポット」の生成が回避される。図示の構成では、冷却水は、ノーズ端３５に入る時間からノーズ端を出る時間まで１本の流れに制約される。
【００３２】
中心管状構造体３３には、外側断熱シールド６９を設けて、ダクト３１内に入る高温ガス流から中心管状構造体３３内に流れる冷却水への熱伝達を防止する。中実の耐火性シールドは、大規模製錬設備に必要な非常な高温および高いガス流に暴露すると、短い寿命しか提供しないことがある。図示の構成では、外側断熱シールド６９はＵＭＣＯの名前で販売されるセラミック材料の管状スリーブで形成される。これらのスリーブは、長手方向に並べて配置され、外側断熱シールド６９と中心管状構造体の最外管５１との間にある空隙７０を囲む連続的セラミック・シールドを形成する。特に、外側断熱シールド６９は、ＵＭＣＯ５０の管状区画で作成することができ、これは重量で０．０５〜０．１２％の炭素、０．５〜１％のシリコン、最大０．５〜１％のマンガン、０．０２％の燐、０．０２％の硫黄、２７〜２９％のクロム、４８〜５２％のコバルトを含み、残りは実質的に鉄である。この材料は、優れた断熱シールドを提供するが、高温で甚だしく熱膨張する。この問題に対処するため、断熱シールドの個々の管状区間を、図６〜図９に示すように形成して、装着し、常にほぼ連続したシールドを維持しながら、互いの長手方向膨張を許容するようにする。これらの図で示すように、個々のスリーブを位置設定細片７１に装着し、プレート支持体７２を中心管状構造体３３の外管５１に取り付けて、各断熱シールド管の後端は、７３で階段状になり、端ギャップ７４がある状態でプレート支持体上に取り付けられ、もって、各細片の個別の長手方向熱膨張を可能にする。回転防止細片７５も各スリーブに取り付けて、管５２上の位置設定細片７１の１つの周囲に対合させ、シールド・スリーブの回転を防止してもよい。
【００３３】
高温ガスは、ガス入口構造体３２を通じてダクト３１に送出される。高温ガスは、１２００℃のオーダーの温度で加熱ストーブを通して提供される酸素富化空気でよい。この空気は、耐火材で裏打ちしたダクトを通して送出しなければならず、これは、ダクト３１の主要水冷区間に高速で直接送出されると深刻なエロージョン問題を引き起こす可能性がある耐火性グリットを拾う。ガス入口３２は、ダクトが、ダクトの水冷区間の損傷を最低限に抑えながら、耐火性粒子とともに送出される大量の熱空気を受けることができるよう設計する。ダクト３１は、耐摩耗性の耐火性材料内に一体として装着され、薄肉の外部金属外殻内に配置されたＴ字形本体８１を備える。本体８１は、ダクト３１の中心路と整列する第１管状路８３、および該第１管状路８３と直角で、ストーブ（図示せず）から送出される熱空気流を受ける第２管状路８４を画定する。第１管状路８３は、ダクト３１のガス流路と整列し、ガス入口構造体３２の耐火性接続部片８６内の中心路８５を通してこれと接続される。
【００３４】
ガス入口３２に送出される熱空気は、本体８１の第２管状路８４を通過して、エロージョンに耐える厚い耐火性本体８２の耐摩耗性耐火壁に衝突する。次に、ガス流は流れる方向を直角に変え、Ｔ字形本体８１の第１管状路８３および遷移部片８６の中心路８５を下って、ダクトの主要部分に入る。第１管状路８３の壁は、ダクトへの流れを加速するよう、流れの前方向へとテーパを施してもよい。例えば、７°のオーダーのきょう角になるようテーパを施してもよい。耐火性遷移本体８６は、一方端で耐火性本体８１の厚肉、およびダクト３１の主要区間の非常に薄くなった耐火性裏打ち４８と一致するよう、テーパを施してもよい。したがって、これも、入口８８および出口８９を通って循環する冷却水が通る環状冷却水ジャケット８７を通して水冷される。中心管状構造体３３は、ガス入口３２の第１管状路８３を通って、ガス入口３２から後方側に水流入口５３および出口５５まで延在し、第１管状路８３の後端を閉鎖する耐火性裏打ち栓９１内にその後端が位置づけられる。
【００３５】
図示の装置は、大量の熱ガスを高温で製錬容器２６に吹き込むことができる。中心構造３３は、大量の冷却水を迅速かつ直接的に中心構造のノーズ区間に送出し、ノーズ構造の周囲で冷却水を非分割冷却流で強制的に流すと、中心管状構造体の前端を非常に効率的に冷却することができる。ダクトの先端への独立した水流は、ランスの他の高い熱流束構成要素の効率的な冷却も可能にする。熱空気流を入口に送出し、ここでダクト内へと下側に流れる前に耐火性室または路の厚い壁に衝突すると、耐火性裏打ちおよびランスの主要区間の熱シールドを甚だしく損傷させることなく、耐火性グリットで汚染された大量の空気を扱うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明により、１対の固体吹き込みランス、および熱空気送風吹き込みランスを組み込んだ直接製錬容器の垂直断面図である。
【図２】 熱空気吹き込みランスの長手方向断面図である。
【図３】 ランスの中心管状構造体の前部分の拡大長手方向断面図である。
【図４】 中心管状構造体のノーズ前端の構造を示す。
【図５】 中心管状構造体のノーズ前端の構造を示す。
【図６】 中心管状構造体の長手方向断面図である。
【図７】 図６における領域７の詳細を示す。
【図８】 図７における線８−８に沿う断面図である。
【図９】 図７における線９−９に沿う断面図である。

Claims (15)

1. 容器内にガスを吹き込む装置であり、
   後端から前端へと延在するガス流ダクトを含み、その前端でダクトからガスが放出され、さらに、
   前記ガス流ダクト内で、その後端から前端へと延在する細長い中心管状構造体と、
   前記ガス流ダクトの前端に隣接して、前記中心管状構造体の周囲に配置され、前記ガス流ダクトの前端へのガス流に渦巻を与える複数の流れ配向羽根とを含み、
   前記中心管状構造体の前端と前記ガス流ダクトの前端とが協働して、前記羽根によって与えられた渦巻を伴って前記ガス流ダクトから出るガス流に対して環状ノズルを形成し、さらに、
   前記中心管状構造体を通してその後端から前端へ冷却水が流れ、その前端を内部で冷却し、その後、前記中心管状構造体を通じて冷却水が後端に戻る、前記中心管状構造体内の冷却水路とを含む、容器内にガスを吹き込む装置。
2. 前記ガス流ダクトの前端が、中空の環状先端構成として形成され、前記ガス流ダクトが、該ガス流ダクトに沿って冷却水を前記ガス流ダクトの先端へと前方向に供給し、前記ガス流ダクトを通してその冷却水を戻すための前記ガス流ダクト先端の冷却水供給および復帰路を含む請求項１に記載された容器内にガスを吹き込む装置。
3. 前記ガス流ダクトの内周面を耐火性材料で裏打ちした請求項１または請求項２に記載された容器内にガスを吹き込む装置。
4. 前記中心管状構造体は、水が該中心管状構造体を通じて前記中心管状構造体の前端へと直接流れるための中心水流路、および、前記中心管状構造体の前端から前記中心管状構造体の後端へと戻る水の復帰流のため、前記中心水流路の周囲に配置された環状水流路を規定している請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された容器内にガスを吹き込む装置。
5. 前記中心管状構造体が、前記中心水流路を提供する中心管、および、該中心管の周囲に配置され、管間の前記環状水流路を規定する別の管を含む請求項４に記載された容器内にガスを吹き込む装置。
6. 前記中心管状構造体が、前記ガス流ダクトから前記中心管状構造体の冷却水路への熱伝達を抑制するため、外側断熱シールドを含む請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された容器内にガスを吹き込む装置。
7. 前記外側断熱シールドが、長手方向に並べて配置された断熱材料から成る複数の管状区画で構成され、前記外側断熱シールドのすぐ内側に配置された環状空気ギャップの周囲で前記中心管状構造体の後端から前端まで延在する連続的な管として前記外側断熱シールドが形成されている請求項６に記載された容器内にガスを吹き込む装置。
8. 前記空気ギャップが、連続的な管として形成された前記外側断熱シールドと、環状水復帰流路の外壁を規定する別の管との間に形成されている請求項７に記載された容器内にガスを吹き込む装置。
9. 前記外側断熱シールドの前記複数の管状区画が、互いの長手方向膨張を許容するように支持されている請求項７または請求項８に記載された容器内にガスを吹き込む装置。
10. 前記中心管状構造体の前端が、単一の螺旋形冷却水路を内部に設けたドーム状ノーズ部分を含み、前記ノーズ部分の先端で前記中心管状構造体の中心水流路からの水を受け、その水を、前記ノーズ部分の周囲に沿って且つ後方に向かって単一流として配向し、もって単一の一貫した冷却水流として前記ノーズ部分の冷却が行なわれるように構成された請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載された容器内にガスを吹き込む装置。
11. 高温ガスを前記ガス流ダクトの後端に導入するガス入口が設けられ、該ガス入口は、前記ガス流ダクトの後端と整列し、該ガス流ダクトに直接延在する第１管状ガス路と、該第１管状ガス路を横断して高温ガスを受け、それを前記第１管状ガス路へと配向する第２管状ガス路とを規定する耐火性本体を備え、したがって高温ガスおよび該高温ガスに付随する粒子が前記第１管状ガス路の耐火性壁に衝突し、ガス流が第１管状ガス路から第２管状ガス路へと通過する際に方向転換するように構成された請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載された容器内にガスを吹き込む装置。
12. 前記第１および第２管状ガス路が、互いに直角をなす関係にある請求項１１に記載された容器内にガスを吹き込む装置。
13. 前記中心管状構造体が、前記ガス入口の前記第１管状ガス路の中心方向で前記ガス入口を越えて後方に延在している請求項１１または請求項１２に記載された容器内にガスを吹き込む装置。
14. 前記中心管状構造体の後端を、前記ガス入口の後方側に配置し、前記中心管状構造体に対して冷却水が出入りするように水継手を設けて成る請求項１３に記載された容器内にガスを吹き込む装置。
15. ガスの流れを高温状態で容器の上部分に吹き込む装置を取り付けた冶金用容器であって、前記装置が、請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載された通りに構成され、容器の屋根に装着されて、ガス流ダクトの後端が屋根の上に配置され、ダクトの前端が容器の上部分に配置された状態で、屋根を通して下方向に延在する容器。

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