JP5113075B2 - 金属製造ランス用の炉内物質検出システム - Google Patents

Description

本発明は、一般的に金属製造装置に関し、詳細には金属製造ランスに関する。

例えば製鋼プロセスなどの多くの金属製造プロセスにおいて、水冷ランスが炉容器中に挿入される。製鋼環境において、ランスは、塩基性酸素炉（ＢＯＦ）、電気アーク炉（ＥＡＦ）などに挿入されて、溶融、脱炭、精錬および容器内の鉄含有装入材料を鋼に転化するのに有用な他のプロセスを促進する。典型的なランスは、酸素、炭化水素ガスおよび／または不活性ガスなどの気体物質を高速で種々の回数噴射し、金属スクラップの処理および／または容器の内側の維持を所望の状態で達成することができる。ランスによっては、微粒炭素および／または石灰（または類似の物質）も噴射して、最終的に製造される金属に望ましい性質を得ることもできる。

水冷ランスは、一般的に、アダプター部分、第１端部がアダプター部分と結合している長形円筒部分および円筒部分の第２端部が結合しているランス先端部分を有する。

アダプター部分は、炉容器中に噴射すべき気体状および／または粒子状の物質を受け入れるための少なくとも１つの入口を有する。上記の物質を以下で一般的に「活性物質」と称する。アダプター部分は、加圧された冷却水をランス内に循環させるための水の入口および水の出口も含む。

円筒部分は、冷却水および／または活性物質（複数可）をアダプター部分とランス先端部分に通じさせるための、少なくとも３つの実質的に同心円状に配置された金属、典型的には鋼のパイプを含んでなる。最外部および第１の最内部のパイプは通常、ランス先端部分からアダプター部分へ冷却水を運ぶための環状の水戻り通路を規定している。第１および第２の最内部パイプは通常、アダプター部分からランス先端部分へ冷却水を運ぶための環状の水送出通路を規定している。そして、第２の最内部のパイプ（および更に内側に同心円状に配置されている追加のパイプ）の内部は、炉容器中に噴射するためのアダプター部分からランス先端へ活性物質を運ぶための少なくとも１つの通路を規定している。

ランス先端部分は通常、円筒部分の各同心円パイプに溶接、蝋付けなどにより固定されている１つまたは複数の部分を有するアセンブリを含んでなる。ランス先端アセンブリは、炉容器中へ活性物質を噴射または排出するための円筒部分の少なくとも１つの活性物質通路と連通している少なくとも１つのノズルを含んでなる。先端アセンブリは、円筒部分の水の送出および戻り通路を互いに接続する通路手段をさらに含んでなる。そのように構成されていると、水または他の冷却流体がランスを通って連続的に循環し、ランス、特にランス操作中に最も高い温度に曝されるランス先端アセンブリを冷却できる。実際、冷却水が効果的にランス先端部分を通って運ばれないと、アセンブリは不均一に加熱されるようになることがある。これにより、次には、いわゆる「ホットスポット」または「バーンスルー」部位が生じ、しばしばランス先端の早期破損につながる。バーンスルーの発生前にランス先端の潜在的バーンスルーを検出し、または万一の破損の場合に自動的に対応するためのシステムおよび方法を含むランスの例は、米国特許第6,599,464号および第4,533,124号ならびにドイツ特許出願公開DE3543836号に見いだされる。これらのうちで、米国特許第6,599,464号は、作用面より後方且つランス先端の内面より前方に、密閉されたチャンバー中に配置された杭の中に温度センサーが収納されているアセンブリを記載している。

他の種類のランス破損は、スラグ、金属（例えば、鉄、鋼など）またはそれらの組み合わせ（一括して「炉内物質」）がランスにより「摂取される」場合に起こることがある。炉内物質は、「ブローバック」および流れの妨害の２つの方法のいずれかによりランスノズルを通って摂取される。ブローバックは、スクラップからバーナーハウジングへ、そして更には金属製造ランスがバーナーモードで機能している場合（特定のランスがバーナーとして機能するように装備されている場合）に不活性なバーナー孔の中に、飛び込むバーナー炎の反応である。ブローバックは炉内物質をランス先端の不活性な孔またはノズルに運ぶことがある。炉内物質の摂取は、ランス／バーナーを取り巻く炉内物質／鋼エマルションの溶湯圧の差により炉内物質がランスノズルに押し込まれる場合、ガスの流れの妨害の結果として起こることもある。

いずれの場合でも、摂取された炉内物質は、素早く検出されないと壊滅的なランスの破損に通じることがある。ランスを通じて高速の酸素ガス流が再開する時、ランス先端の内壁で潜在的に可燃性の反応が起こりうる。ランスアセンブリ内で危険な燃焼が起こるには、熱、酸素および燃料の源が同時に存在しなければならない。炉内物質がランスにより摂取され、ランスが炉容器内で金属を精錬している場合などのように酸素の流れが炉内物質と接触する場合に、このような状況が集まる。摂取された炉内物質（典型的には、経過した加熱時間により約２３００°Ｆから３０００°Ｆの温度範囲にある）は熱を与える。酸素は酸化雰囲気を与え、ランス先端内の摂取された炉内物質中の鉄または炭素は可燃性燃料の源を与える。高度に酸化された環境で鉄または炭素が燃焼し始める場合、ランス先端の鋼製内壁および銅製入口領域が消耗する。このプロセスが素早く検出されず酸素ガス流が停止すると、バーンスルーが起こり、それにより、ランスだけでなく周辺の炉容器および装置にも深刻な損傷を起こすことのある強烈な冷却水の停止が起こる。

したがって、金属製造ランス先端内の炉内物質の摂取を迅速かつ確実に検出するシステムおよび方法に利点が存在する。

ランス先端内の炉内物質の摂取を検出すると直ちに、自動的に金属製造ランスを通る酸素含有ガス流を停止するシステムおよび方法は更に利点が存在する。

本発明は、金属製造ランスの先端内の炉内物質の摂取を迅速かつ確実に検出するシステムおよび方法を提供する。前記システムは完全自動化されており、金属製造ランス先端の内壁の内部表面に隣接して配置された温度センサーを利用する。センサーは、コントロールステーションと熱的にまたは電子的に連絡している。コントロールステーションは、ランスへのガス流を遮断するバルブ、任意に少なくとも１つの警報装置、冷却流体遮断バルブ、炉の駆動装置、望まれるまたは必要な他の炉の操作機構と動作連動するのが好ましい。ランス先端の内壁は、摂取された炉内物質を回収しそれを温度センサーに向ける貯蔵器とともに形成されていることが好ましい。このようにして、摂取された炉内物質は、炉内物質の存在が迅速かつ確実に検出されるようセンサーの近くに、好ましくはセンサーと接触して置かれる。炉内物質の検出に応答して、酸素含有ガス流の制御装置は直ちにガス流を停止し、任意の冷却水および警報制御装置が同様に作動する。

本発明の他の詳細、目的および利点は、本発明を実施するための現在好ましい実施形態および現在好ましい方法の以下の説明が進行するにつれて明らかになるであろう。

本発明は、以下の添付図面に、例示のためのみに示される好ましい実施形態の以下の説明からより明らかになるであろう。

図１は、一般的に参照番号１０により特定される、従来技術により構成された金属製造ランス先端アセンブリを示す。公知のとおり、先端アセンブリ１０の各同心円壁の上端は、それぞれ１２ａ、１４ａおよび１６ａにより示されているとおり、長尺ランスの円筒部分の同心円スチールパイプ１２、１４および１６の下端に、溶接、はんだ付け、蝋付け、接着などにより好適な結合材料を利用して固定されている。

中心のパイプ１２は、加圧された活性物質を先端アセンブリ１０の内壁２０に送達するための中心通路１８を規定している。内壁２０に達した活性物質はノズル２２を通って金属製造容器に入る。パイプ１２とパイプ１４により形成される環状空間は、図示されていない冷却水の供給源に接続し水をランス先端アセンブリに送る冷却流体入口通路２４を規定する。先端アセンブリ１０は、先端アセンブリの中心縦軸３０に沿って作用面２８の内部表面および内壁２０に、溶接などにより固定されている銅または鋼でできた支持柱２６を含んでよい。支持柱２６はランス操作の際に作用面２８の中心に構造的支持を加える。複数のスペーサ３２を内部スリーブ１４および外部スリーブ１６にしっかりと溶接し、操作中のスリーブの相対運動を防ぐことができる。先端アセンブリ１０は、典型的には数および配置がノズル２２に対応しているバイパス通路３４を含んでよく、その半径方向最外部領域の冷却を可能にできる。ランス操作の間、冷却水は、冷却流体送達通路２４を通ってランス先端アセンブリ中に備えられた通路手段中に、次いで環状の冷却流体戻り通路３６へ絶え間なく流れる。より詳細には、冷却水は、ノズル２０の外部表面の周りを、通路２４およびバイパス通路（複数可）３４（存在する場合）を下向きに流れて、第１冷却流体流動空間３８へ、次いで作用面２８の内部表面の後ろに設置された第２の冷却流体流動空間４０へと流れる。空間４０にある間は、図１に示す水の流れの矢印により一般的に示すとおり、冷却水はノズル２２の下部領域の外部表面の周りを流れる。空間４０から出ると、冷却水は、バイパス通路が存在する場合バイパス通路３４（複数可）を出た冷却水と合わさり、パイプ１４と１６の間に形成された冷却流体戻り通路３６へ入り、その後水はランス先端から冷却水供給源に戻り、再びランス内を再循環する。

上述のとおり、炉内物質は、「ブローバック」現象によりランスにより摂取されることがある。それは、ガス流の妨害により起こることもあり、ガス流が妨害される場合、ランスの内部と外部の間の溶湯圧差によってノズル２２中に上向きに炉内物質を押し上げられ、参照番号４２により示すとおり内壁２０の内面２０ａの上およびその周りに堆積する。そのような炉内物質が存在すると、ランスを通る高速酸素含有ガス流の再開と同時に燃焼が起こることがあり、上記で議論のとおり、壊滅的なランスの破損につながることがある。

図２は、本発明による金属製造ランスの炉内物質検出システムの略図である。このシステムは、アダプター部分１０２と、第１端部がアダプター部分に結合している長形円筒部分１０４と、および円筒部分の第２端部が結合しているランス先端部分１０６とを含む金属製造ランス１００を含む。公知のとおり、アダプター部分１０２は、冷却流体入口１０８と、冷却流体出口１１０と、少なくとも１の活性物質入口１１２とを含む。アダプター部分は、好適なランス上昇下降装置のフック１１６（図３）により係合できる吊り輪部材１１４も携えている。

本発明によるシステムは、炉内物質センサー（以下で説明）により発生したシグナルをコントロールステーション１２０に運ぶ、熱的または電子的な連絡ワイヤ、ケーブルなどの形態の炉内物質センサーシグナル連絡手段１１８も含む。コントロールステーションは、パーソナルコンピュータ、コンピュータワークステーション、機能限定コントロールボックスなどでよく、炉容器から安全な距離のオペレータの制御室（図示せず）に位置することが好ましい。コントロールシステム１２０は、炉内物質が炉内物質センサーにより検出された場合、酸素含有ガス流を遮断するための酸素含有ガス制御バルブ１２２に動作連動している手段を含むことが望ましい。コントロールステーションは、任意に、そして好ましくは、炉内物質が炉内物質センサーにより検出された場合に、冷却流体流を遮断するための冷却流体制御バルブ１２４に動作連動している手段と、１つまたは複数の可聴および／または可視の警報装置を作動させるための警報制御装置（複数可）に動作連動している手段と、炉容器の傾斜を防ぐための炉の駆動装置１２７に動作連動している手段も含む。コントロールステーション１２０を使用して、ランス中の炉内物質の検出に応答して望ましいまたは必要な他のランス操作機構を制御できることも企図される。

図３は、現在の好ましい方法を表しており、炉内物質センサーシグナル連絡手段１１８がランス１００に入って、中央の酸素含有ガス流配管を通って炉内物質センサーまで延びており、連絡手段１１８およびセンサーの詳細は図４−６に示されている。

図４で分かるとおり、炉内物質センサーシグナル連絡手段は、コントロールステーション１２０と接続している第１の熱的または電気的な連絡ワイヤ１２８を含む。第１ワイヤ１２８は、好適なコネクター１３０により、第２の熱的または電気的な連絡ワイヤ１３２の一端に接続している。第２ワイヤは、酸素入口１１２に固定され酸素入口内に突き出ているパイプ１３６の一端に位置するゴムキャップ等の密閉手段１３４を通る。第２ワイヤ１３２は、実質的にランスの長さ全体に延びている。図６に関連して詳細に記載するとおり、第２ワイヤ１３２が熱的連絡ワイヤまたは熱電対である場合、その遠位末端または露出された先端は炉内物質センサーとして機能する。第２ワイヤ１３２が電気的連絡ワイヤである場合、その遠位末端は、測温抵抗体（ＲＴＤ）などの好適な電気的温度センサーに接続している。

図５に関して、酸素入口１１２とランスの接合点の近くで、第２ワイヤ１３２が、１つまたは複数のＯリング１４３または類似の密閉手段により、パイプ１３６内に密閉して収容されているワイヤシュラウドパイプ１４０の上端に螺合している圧縮継手１４２を通って延びていることが分かるであろう。ワイヤシュラウドパイプ１４０は、基本的に第２ワイヤの残りを取り巻いている。

図６は、本発明による炉内物質センサーの例を示している。この実施形態において、炉内物質センサーは、熱電対タイプの第２ワイヤ１３２の露出した端部１４４である。図６は、本発明の他の重要な特徴も明らかにしている。詳細には、ランス先端の内壁１４６は好ましくは、内壁中に凹型窪みとして形成される炉内物質貯蔵器１４８を含む。図７に示す現在の好ましい実施形態によると、ランス先端アセンブリ１０６の炉内物質貯蔵器１４８は、内壁１４６の厚さ「ｔ」よりも大きい深さ「ｄ」を有する。炉内物質貯蔵器１４８の急勾配の付いた壁は、１つまたは複数のノズル１５２により摂取された炉内物質を貯蔵器に向ける働きがあり、それにより回収し炉内物質センサーにより素早く検出可能である。そのために、圧縮タイプまたは類似の継手１５０（図６）を設けて、炉内物質貯蔵器１４８に対する炉内物質センサーの相対運動を防止する。炉内物質センサーは、ＲＴＤであろうと熱電対の端部１４４であろうと、センサーが貯蔵器内の炉内物質の存在に迅速に反応するよう、炉内物質貯蔵器１４８に隣接して設置されるのが好ましく、さらに好ましくは炉内物質貯蔵器内に設置される。実際に、炉内物質センサーの操作温度範囲は、センサーが炉内物質との直接接触に耐えるように選択すべきである。

本発明を説明のために詳細に記載してきたが、そのような詳細は単にその目的のためだけであり、本願に特許請求された本発明の精神および範囲を逸脱することなく当業者には変形が可能であることを理解されたい。

図１は、摂取された炉内物質がある従来のランス先端アセンブリの断面立面図である。 図２は、本発明による金属製造ランスの炉内物質検出システムの略図である。 図３は、本発明による内部炉内物質検出手段を含む金属製造ランスの断面立面図である。 図４は、本発明による炉内物質センサーシグナル連絡手段の一部の部分断面の拡大図である。 図５は、本発明による炉内物質センサーシグナル連絡手段の他の一部を示す、図４の円で囲った領域Ｖの拡大図である。 図６は、本発明によるランス先端アセンブリの炉内物質センサーおよびランス先端内壁を示す、図４の円で囲った領域ＶＩの拡大図である。 図７は、本発明によるランス先端アセンブリのさらなる拡大図である。

Claims (22)

1. 内面、
   作用面、
   前記内面と前記作用面の間に延び、金属製造炉容器に活性物質を放出するための少なくとも１つのノズル、および
   炉内物質の摂取の検出に用いられる炉内物質貯蔵器であって、前記の少なくとも１つのノズルにより摂取された炉内物質を回収するための前記内面中の炉内物質貯蔵器を含んでなる、金属製造ランス先端アセンブリ。
2. 前記炉内物質貯蔵器が前記内壁中の凹型窪みとして形成されている、請求項１に記載のランス先端アセンブリ。
3. 前記炉内物質貯蔵器が前記内壁の厚さよりも大きい深さを有する、請求項１に記載のランス先端アセンブリ。
4. ランスボディおよび前記ランスボディに結合したランス先端アセンブリを含んでなる金属製造ランスであって、前記ランス先端アセンブリが
   内面、
   作用面、
   前記内面と前記作用面の間に延び、金属製造炉容器に活性物質を放出するための少なくとも１つのノズル、および
   炉内物質の摂取の検出に用いられる炉内物質貯蔵器であって、前記の少なくとも１つのノズルにより摂取された炉内物質を回収するための前記内面中の炉内物質貯蔵器を含んでなる、金属製造ランス。
5. 前記炉内物質貯蔵器が前記内壁中の凹型窪みとして形成されている、請求項４に記載の金属製造ランス。
6. 前記炉内物質貯蔵器が前記内壁の厚さよりも大きい深さを有する、請求項４に記載の金属製造ランス。
7. ランスボディおよび前記ランスボディに結合したランス先端アセンブリを含んでなる金属製造ランスにより摂取された炉内物質を検出するシステムであって、
   前記ランス先端アセンブリが
   内面、
   作用面、
   前記内面と前記作用面の間に延び、金属製造炉容器に活性物質を放出するための少なくとも１つのノズル、
   前記内面の内部表面上の炉内物質の摂取を検出するための炉内物質センサー、
   前記炉内物質センサーからのシグナルを受け取るためのコントロールステーション、および
   前記炉内物質センサーにより発生したシグナルを前記コントロールステーションに運ぶための炉内物質センサーシグナル連絡手段を含んでなるシステム。
8. 前記の少なくとも１つのノズルにより摂取された炉内物質を回収するための前記内面の中の炉内物質貯蔵器をさらに含んでなる、請求項７に記載のシステム。
9. 前記炉内物質貯蔵器が前記内壁中の凹型窪みとして形成されている、請求項８に記載のシステム。
10. 前記炉内物質貯蔵器が前記内壁の厚さよりも大きい深さを有する、請求項８に記載のシステム。
11. 前記炉内物質センサーが前記炉内物質貯蔵器に隣接して配置されている、請求項８に記載のシステム。
12. 前記炉内物質センサーが炉内物質貯蔵器内に配置されている、請求項８に記載のシステム。
13. 前記コントロールステーションが、前記炉内物質センサーによる炉内物質の検出に応答して前記炉の少なくとも１つの操作システムを制御する手段を含む、請求項７に記載のシステム。
14. 前記の制御手段が、酸素含有ガス流を遮断するための酸素含有ガス制御バルブに動作連動している手段を含んでなる、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記の制御手段が、冷却流体流を遮断するための冷却流体制御バルブに動作連動している手段を含んでなる、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記の制御手段が、可聴および可視警報装置の少なくとも一方を作動させる少なくとも１つの制御装置に動作連動している手段を含んでなる、請求項１３に記載のシステム。
17. 前記の制御手段が、炉容器の傾斜を防止する炉の駆動装置に動作連動している手段を含んでなる、請求項１３に記載のシステム。
18. 炉内物質センサーによりランス先端アセンブリの内面で炉内物質の摂取を検知する工程、および
    前記炉内物質センサーによる炉内物質の検出に応答してランスの破損を防止する少なくとも１つの操作システムを制御する工程を含んでなる、金属製造ランスを制御する方法。
19. 前記の制御工程が、ランスを通る酸素含有ガス流の遮断を含んでなる、請求項１８に記載の方法。
20. 前記の制御工程が、ランスを通る冷却流体流の遮断を含んでなる、請求項１８に記載の方法。
21. 前記の制御工程が、可聴および可視警報装置の少なくとも一方の作動を含んでなる、請求項１８に記載の方法。
22. 前記の制御工程が、炉容器の傾斜の防止を含んでなる、請求項１８に記載の方法。

Images