JP4430230B2 - 媒体を融成物に導入するため及び／又は融成物の特性を測定するためのランスを冷却する方法、及びこの方法を実施するためのランス - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、媒体を融成物に導入するため及び／又は融成物の特性を測定するためのランスを冷却する方法、及びこの方法を実施するためのランスに係る。
【０００２】
媒体（特に固体及び／又はガス）を炉又はコンバーターの如き冶金学的容器の内部にブラストするための及び融成物の特性を測定するための器具のキャリヤーとしてのランスは公知である。例えば、これらは、鉄融成物の酸素精製、鋼処理の間の媒体内でのブラスチング（例えばスラグをフォーム化するための石炭）及び融成物の温度測定に使用される。
【０００３】
融成物と面するこのようなランスの端領域は高い熱ストレスを受ける。管状のスチールランスを使用することは従来から知られており、該ランスの融成物側の端は、操作中、絶えず燃焼され、従ってランスは上方に移動されなければならない。さらに、閉鎖された水冷却回路を有する冷却ランスが知られている。これらのランスの操作は、冷却回路における漏れの発生時には、融成物と冷却水との接触が爆発的な反応を引き起こすため危険である。水が融成物によって取り込まれると、続いて起こる水の蒸発及び膨張が融成物を爆発的に破壊する。水の化学的解離又は続く酸水素ガスの反応のどちらも排除されてはならない。
【０００４】
従って、交互に操作位置に移動される２つのランスを使用することが既に提案されている（ＤＥ ３５４３８３６ Ｃ２）。操作位置に置かれたランスはガスで冷却される。この方法では充分な冷却作用が達成されないため、ランスを一定の操作期間後に取り出し、融成物から遠く離れた位置で水によって再冷却する。この間、第２のランスが操作を続ける。このような２つのランスを使用する交互操作は高価である。
【０００５】
ＷＯ−Ａ−９２／０７９６５からは、２相混合物が供給される閉鎖冷却回路を有するランスが知られている。
【０００６】
本発明の目的は、効果的かつ信頼性のあるランスの冷却を可能にする方法及び上述のタイプのランスを創成することである。
【０００７】
本発明による方法は、ガス／液体混合物又はその成分を、加圧下、融成物側ランス端の領域まで及びこの領域に案内し、ここで膨張させることを特徴とする。
【０００８】
融成物側ランス端とは、操作中、融成物と面する又は任意にその中に侵入するランスの端を意味する。これは、熱的に高度のストレスを受けるランス端である。冷却回路は融成物側ランス端に向かって閉鎖されている。この領域では冷却剤の排出は行われず、代わりに、冷却剤は融成物から離れたランスの領域に戻され、その場所でランスから排出される。全体としての冷却剤回路は完全に閉じられていてもよいが、開放冷却回路も使用され、ここでランスから排出され、しかも融成物側の端から離れている加熱冷却媒体は再使用されない。
【０００９】
本発明に従って使用される混合物のガス成分は好ましくは空気又は不活性ガス（例えば、窒素又はアルゴン）であり、液体成分は好ましくは水である。
【００１０】
本発明によれば、ガス／液体混合物を、加圧下、融成物側ランス端の領域まで及びこの領域に案内する。用語「融成物側ランス端の領域」とは、適当なランスの端の近辺にある領域を意味し、この領域は操作中に既に熱的に高度のストレスを受けている。用語「加圧下で融成物側ランス端の領域まで及びこの領域に案内し、ここで膨張させる」は、該領域においてガス／液体混合物の突然の圧力低下が生ずることを意味するものと理解されなければならない。従って、本発明の実現は、好適な圧力差にのみ左右され、各圧力の絶対レベルには左右されない。膨張させる（好ましくは、好適なノズルから低圧のエリアに排出することによる）ことは、混合物の液相が細かな液滴に破壊される／又は蒸発される効果を有する。その結果、両効果は、一方では蒸発がかなりの熱量を要求し、他方では細かに破壊された液滴が、その大きな表面の結果として更なる熱を迅速かつ効果的に除去できる（蒸発による）ため、冷却力を増大させる。それ故、本発明に従って提供される融成物側ランス端の領域における冷却剤混合物の膨張は、従来技術と比べて、冷却力の明らかな増大を生ずる。他方、このランス端の領域における膨張の結果として液体相が少ない又は存在しないため、安全性の明らかな増大を確実にする。操作に障害が生じた場合、この領域へ侵入する融成物はより多い量の水を取り込むことはできず、これによって熱爆発の原因となる。本発明の範囲内において、ガス及び液体の２相混合物は融成物側ランス端から離れた位置で生成され、加圧下、既製混合物としてこの領域に供給され、そこで膨張される。同様に、ガス及び液体を加圧下で別々に融成物側ランス端の領域に案内し、膨張直前に相互に混合するか、又は膨張の間にガス／液体混合物がその場で生成されるように配置された別個のノズルによって膨張させることができる。例えば、別個のノズルは、排出される液体が膨張ガスによって取り出され、破壊されて細かなエーロゾルを形成するように配置される。
【００１１】
本発明による方法は、従来技術において知られている水冷却よりもかなり少ない量の冷却用液体を要求する。ガス／液体流を、特に熱的にストレスを受ける融成物側ランス端の領域における液体成分が、膨張の結果として、大部分が又は完全に蒸発するように調整する。これは２つの利点を有する。第１に、このような冷却法では、液体の（水の）熱容量を使用するだけではなく、相転移液体−蒸気についての実質的に大きい蒸発熱も使用し、比較的少ない液体流の場合でも大きい冷却力が得られる。操作に障害が生じた場合、融成物側ランス端の領域で冷却剤ラインにおいて漏れが生じたとしても、エーロゾルとして供給されるガス／液体混合物の大きな表面は、いずれにしても、融成物が液滴を取り込む前であっても、非常に迅速な液体成分の蒸発を生じさせる効果を有する。
【００１２】
本発明に従って使用される冷却媒体の液体部は通常水である。融成物側ランス端の領域における水成分が大部分又は完全に蒸発するような操作条件が選択されたとしても、冷却エリアの対応する領域における炭酸カルシウムの析出を回避するために、好ましくは冷却回路に脱イオン水を供給する。仮に脱イオン水が使用できず、冷媒回路に通常の水道水又は未処理の水が供給されるとしても、好ましくは、ガス／液体流は、融成物側ランス端の領域においてより少量の水が蒸発し、残りは細かに分散したエーロゾルとして保持される調整される。このようにして、望ましくない炭酸カルシウムの析出は大いに回避される。
【００１３】
膨張の結果として高い２相混合物の流速は蒸発した水を同伴することはなく、その結果、静止水がランスの先端で集まることはない（このような水は融成物の侵入があった際には爆発の危険を導く）。
【００１４】
ガス／液体混合物はランスの外部で生成され、既に形成された混合物としてランスに供給される。しかしながら、本発明の精神の範囲内では、ランスが冷却回路に接続された混合チャンバーを有することが好ましく、この混合チャンバーはガス及び液体供給物のコネクションを有し、ガス／液体混合物を生成するように構成される。混合チャンバーは、融成物側ランス端から離れて配置される。好ましく、炉又はコンバーターから突出するランスの部分に置かれる。
【００１５】
ガス／液体混合物は、混合チャンバーから、好ましくは２−６バール、さらに好ましく約３バールの圧力で、圧力パイプを通って融成物側ランス端に向かって案内される。この端の領域にはガス／液体混合物ノズルが配置されており、ここから混合物がランス先端の領域に設置された冷却エリアに向かって膨張される。本発明の精神の範囲内では、用語「ガス／液体混合物ノズル」とは、液体／ガス混合物の通過を許容し、プロセスにおいて供給側と出口側との間の圧力差を、ノズル作用が生じるように、すなわち、より低い圧力の領域において供給された混合物の一部がノズルの後ろにあるように維持されるような各種の装置を意味する。ノズルから出ると、混合物の液体成分は細かい滴に破壊される。膨張し、かつ加熱された混合物を第２のパイプによって融成物側ランス端から案内し、好ましくコンバーターの外側に設置されたコネクションで再びランスから排出する。ガス／液体混合物ノズルから排出した後の混合物の圧力は、好ましく大気圧よりも多少高い。浸漬操作においてランスが使用される場合には、圧力はランスの先端を包囲する液体融成物のカウンター圧力よりも高い。操作の障害の結果として、ランスの先端の溶解及び融成物の冷却エリアへの侵入が生じた場合には、過剰な圧力の伝播が融成物及び可及的なスラグの更なる侵入を阻止する。
【００１６】
有利には、混合チャンバーは相互に同心でかつランスチューブを包囲する２つの環状チャンバーを有し、これらの２つの環状チャンバー間に配置されている環状分割壁にはコネクション孔が設けられている。用語「ランスチューブ」とは、ガス及び／又は固体を融成物に導入するために設けられた全ランス配置の内側チューブを意味する。内側環状チャンバーは、例えばその端面から水を受け取り、外側環状チャンバーは周辺から圧縮空気を受け取る。環状分割壁のコネクション孔により、圧縮空気は水と混合される。生成した混合物を混合チャンバーの融成物側端面において取り出し、運ぶ。
【００１７】
混合チャンバーとガス／液体混合物ノズルとを接続するための圧力パイプは、好ましく、ランスチューブを同心的に包囲する閉鎖環状パイプラインである。融成物側ライン端からの膨張混合物の戻しは、同様に、圧力パイプを同心的に包囲する第２の閉鎖環状パイプラインとして構成される閉鎖環状パイプラインによって行われる。
【００１８】
本発明によるランスの第２の具体例は、一方ではガス、他方では液体を別々に融成物側ランス端に向って供給するための２つの別個の圧力パイプを有する。これらの圧力パイプは、ランスチューブを同心的に包囲する閉鎖環状パイプラインとして構成される。これらの２つの圧力パイプは、ノズルが配置されている融成物側ランス端の領域で終止し、ここから、一方ではガスが、他方では液体が排出され、プロセスでは、その場で、すなわち、膨張の間に混合されて微細粒子のエーロゾルが形成される。膨張ガスの吸引作用は、排出される液体の同伴を生じさせ、これを細かい液滴に分割する。その場で生成されたエーロゾルの流速は非常に速く、融成物側ランス端の領域にほとんど水を残留させることはない。従って、融成物の侵入があったとしても、安全に対する危険は全くないか、極めて少ない。このランスの操作圧力は、明らかに３バール以下である。ガスライン（圧縮空気ライン）における必要な過剰圧力は、例えば１−２バール、好ましく約１.５バールである。エーロゾル形成の間に膨張圧縮空気によって同伴され、分割されるため、液体（水）のみが１バール、好ましく約０.５バールの低い過剰圧力で供給される必要がある。
【００１９】
本発明の用途の好適な分野は、冶金学的融成物、例えば鉄又は鋼の融成物の処理、又はそれに関する測定の実施である。しかしながら、本発明は金属融成物に関する用途に限定されるものではなく、高温の他の融成物流（例えばガラス融成物）についても使用される。
【００２０】
本発明の具体例について図面を参照して以下に説明する。
【００２１】
図１及び２に示す本発明によるランスは内側ランスチューブ１を有し、このランスチューブ１を通って融成物の固体及び／又はガスが供給される。これらの媒体の融成物への排出は融成物側ランス端２で行われる。ランスチューブ１は、以下に詳細に説明する冷却装置によって包囲されている。
【００２２】
コネクション３によって、冷却水が、ランスチューブ１を包囲する環状チャンバー４に供給される。環状チャンバー４及び軸方向で接続する混合チャンバーの内側チャンバー５の端面は相互に接続し、その結果、この内側環状チャンバー５に環状チャンバー４から水が供給される。内側チャンバー５は外側環状チャンバー６によって包囲されており、このチャンバー６にはコネクション７によって圧縮空気が供給される。２つの環状チャンバー５,６は一緒になって混合チャンバーを形成する。環状チャンバー５と６との間に配置されている環状分割壁８は符号９により示すコネクション孔を有する。圧縮空気及び水は相互に混合し、得られた混合物は、軸方向で内側環状チャンバー５に接続する閉鎖環状パイプライン（圧力パイプ）１０を通って融成物側ランス端２に向かって案内される。圧力パイプ１０における混合物の圧力は約３バールである。
【００２３】
閉鎖環状パイプライン１０は、ランスの融成物側ランス端２の領域において、ランスの周辺に均等に分布する６個のガス／液体混合物ノズル１１に分画される。水／空気混合物は、ガス／液体混合物ノズルから排出される際に環状冷却エリア又はチャンバー１２に向かって膨張する。この膨張によって水は非常に細かい滴に破壊される。供給された水の大きい表面は迅速な熱吸収、従って高い冷却力には有利である。閉鎖環状パイプライン１０の６個のガス／液体混合物ノズル１１への分画により、冷却媒体の構成成分として水道水又はプロセス水を使用してのランスの操作が可能になる。ガス／液体混合物ノズル１１の内径は不純物及び粒子（プロセス水に含有される）の通過を可能にする。ランスが専ら脱イオン水で操作される場合には、閉鎖環状パイプライン１０は、約０.５mmの内径を有する環状の隙間（この環状の隙間は回転方向にシンメトリーの態様でランスチューブ１を包囲する）を形成するように、冷却チャンバー１２の領域において狭められる。この環状の隙間は１つのガス／液体混合物ノズルを形成する。この場合には、いくつかの分離したノズル１１を形成する必要はない。
【００２４】
冷却チャンバー１２の反対の（融成物側）端面において、ガス／液体混合物ノズル１１から排出された混合物は湾曲した冷却表面１３と遭遇し、この冷却表面によって移動の方向が曲げられ、第２の閉鎖環状パイプライン１４として形成された冷却剤除去ラインに供給される。供給された混合物の水成分は、冷却チャンバー１２において好ましくは完全に蒸発する。特殊な操作条件では、冷却チャンバー１２が異常に高い温度となる場合には、冷却作用は、水の一部の水素及び酸素分子への大いなる吸熱分解によって可及的に援助される。
【００２５】
操作に障害が生じた場合、ランスが融成物側ランス端２で燃焼し、冷却チャンバー１２が融成物に向かって開放し、その結果、冷却媒体として微細なエーロゾルが使用されるとすれば、なお液状である水が融成物によって取り込まれ、続いて爆発的に蒸発する危険は実質的にないであろう。冷却チャンバー１２において、ランスの浸漬操作の間、溶融金属又は冷却チャンバー１２に可及的に侵入しつつあるスラグを戻すために及び更なる侵入を防止するために充分な過剰圧力が設定される。
【００２６】
閉鎖環状パイプライン１４を通って戻る冷却媒体は、環状チャンバー１５及びコネクション１６によってランスから除去される。これは処分される（開放冷却回路）か、又は新たに冷却回路に戻される。
【００２７】
環状チャンバー１５は、安全圧力制御弁（図示していない）に接続する第２のコネクション１７を有する。
【００２８】
融成物に媒体を導入するために使用される以外にも、ランスは融成物の特性を測定するためにも使用される。この目的のため、融成物側ランス端２の領域に測定装置（この測定装置は図には示されていない）が設置される。例えば、融成物の温度は放射高温計によって測定される。鋼の融成物については、例えばレーザー誘導発光分光分析によって、多元素分析が行われる。このようにして、例えば、鋼の精製が冶金学的に行われ、所望の状態となる。
【００２９】
このような測定を行う際には、ランスを、そこに設置された測定装置と共に鋼浴に案内する。好ましくは、ランスチューブ１を通って、圧縮空気又は窒素の如き不活性ガスを導入し、一方ではランスの開口を清浄に維持し、他方では鋼浴の表面からスラグを排除する。
【００３０】
本発明によるランスは、壁又は蓋の開口を通ってコンバーター又は炉に導入される。冷却媒体の供給及び除去のためのコネクション及び混合チャンバーは、好ましくはコンバーターの外部の好適な冷却器領域に置かれる。
【００３１】
図３及び４は本発明の第２の具体例を示し、該具体例では、ガス及び液体が別々に融成物側ランス端２まで案内され、ガス／液体混合物が膨張の間にその場でのみ生成される。ここで、図１及び２に示した具体例と対比して、同じ参照符号は機能的に同一の部品を示す。
【００３２】
図１及び２の具体例と比べての実質的な差異は、相互に同心である３つの閉鎖環状パイプラインが内側ランスチューブ１の周りに配置されていることにある。内側閉鎖環状パイプライン１８は冷却水を融成物側ランス端２に案内し、この目的のため環状チャンバー４に接続されている。第１の具体例と同じく、外側閉鎖環状パイプライン１４は、加熱された冷却媒体を環状チャンバー１５及び組み合わされたコネクション１６に戻すために使用される。
【００３３】
水及びガス状媒体（圧縮空気）は閉鎖環状パイプライン１８,１９を通って別々に融成物側ランス端２に流れる。圧縮空気が環状チャンバー１２に排出され、膨張する際、同様に排出される冷却水を同伴し、これを分割して細かいエーロゾルを形成する。本発明に従って使用される２相混合物はその場で生成される。
【００３４】
驚くべきことには、この具体例の操作圧力は、図１及び２のランスと比べて明らかに低下する。従って、微細粒子エーロゾル（高い流速で環状チャンバー１２を通過し、続いて除去される）を形成するためには、閉鎖環状パイプライン１８において０.５バールの過剰圧力で水を供給し、閉鎖環状パイプライン１９において１.５バールの過剰圧力で圧縮空気を供給すれば充分である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるランスの長手方向断面図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ面に沿った２倍拡大断面図である。
【図３】 本発明によるランスの第２の具体例の長手方向断面図である。
【図４】 図３のＡ−Ａ面に沿った２倍拡大断面図である。

Claims (10)

1. 媒体を融成物に導入するため及び／又は融成物の特性を測定するためのランスを冷却する方法であって、融成物側ランス端（２）に向かって閉じられた冷却回路において冷却媒体としてガス／液体混合物を案内するようにした方法において、前記ガス／液体混合物又はその成分を、加圧下、前記融成物側ランス端（２）の領域まで及びこの領域に案内し、ここで膨張させることを特徴とする、ランスの冷却方法。
2. 前記ガス／液体混合物が、前記融成物側ランス端（２）から離して配置されたランスの混合チャンバー（５,６）で生成されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記ガス／液体混合物を、２−６バールの圧力下で前記融成物側ランス端（２）に案内することを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. ガス及び液体を別々に前記融成物側ランス端（２）に案内し、ここで膨張させ、この膨張工程の間に、ガス／液体混合物をその場で生成することを特徴とする、請求項１記載の方法。
5. 請求項２又は３記載の方法を実施するためのランスであって、融成物側ランス端（２）に向かって閉じられた冷却回路を有するランスにおいて、前記融成物側ランス端（２）から離して配置され、しかも前記冷却回路に接続された混合チャンバー（５,６）を有し、該混合チャンバーは、ガス及び液体供給物のためのコネクション（３,７）を有すると共に、ガス／液体混合物を生成するよう構成されており、該混合チャンバー（５,６）は、圧力パイプ（１０）によって、前記融成物側ランス端（２）の領域に配置された少なくとも１つのガス／液体混合物ノズル（１１）に接続されていることを特徴とする、ランス。
6. 前記混合チャンバー（５,６）が、相互に同中心でありかつランスチューブ（１）を包囲する２つの環状チャンバー（５,６）を有し、これらの２つの環状チャンバー間に配置されている環状分割壁（８）にコネクション孔（９）が設けられていることを特徴とする、請求項５記載のランス。
7. 前記圧力パイプが、前記ランスチューブ（１）を同心的に包囲する閉鎖環状パイプライン（１０）であることを特徴とする、請求項５又は６記載のランス。
8. 膨張したガス／液体混合物を前記融成物側ランス端（２）からランスの混合物排出口（１６）まで戻すために、前記圧力パイプ（１０）を同心的に包囲する第２の閉鎖環状パイプライン（１４）が設けられていることを特徴とする、請求項７記載のランス。
9. 請求項４記載の方法を実施するためのランスであって、融成物側ランス端（２）に向かって閉じられた冷却回路を有するランスにおいて、ガス及び液体供給物のためのコネクション（３,７）に接続された２つの圧力パイプ（１８,１９）を有し、これらの２つの圧力パイプは、一方でガスを及び他方で液体を別々に前記融成物側ランス端（２）に向かって供給するように構成されると共に、ノズルが配置されている前記融成物側ランス端（２）の領域で終止しており、これにより、ガス／液体混合物をその場で生成することを特徴とする、ランス。
10. 前記２つの圧力パイプが、ランスチューブ（１）を同心的に包囲する２つの閉鎖環状パイプライン（１８,１９）であることを特徴とする、請求項９記載のランス。

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