JP5209189B2 - ガス流中の渦巻き誘起 - Google Patents

Description

本発明は、ガス流中に渦巻きを誘起するための渦巻き発生器に係わり、限定的ではないが、とりわけ、高温条件下で冶金容器内に渦巻きを伴うガス流を注入するための装置に関するものである。そのような冶金容器は、例えば、溶融金属が直接製錬法によって生産される製錬容器である。

反応媒体として溶融金属層に依存し、一般にＨＩ製錬法（Ｈｌｓｍｅｌｔ 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（ＷＯ ９６／３１６２７）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（ｂａｔｈ）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（典型的には金属酸化物）、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、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も含む。

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を含み、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且つ容器の下部領域内に延び、容器底部の金属層に固体材料を送出するように、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含炭素固体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延びる熱空気注入ランスを通じて容器の上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するために、流入する熱空気の送風が渦巻き運動（スワール運動）によってランスから出ることが望ましい。これを達成するために、ランスの出口端部は、適切な渦巻き運動を与えるために内部流ガイドを備えていてもよい。容器の上部領域は、２０００℃程度の温度に達することができ、熱空気は、１１００〜１４００℃程度の温度でランス内に送出可能である。したがって、ランスは、内部でも外壁でも、特に容器の燃焼領域内に突出するランスの送出端部で、極端な高温に耐えることができる必要がある。

ＨＩ製錬法を遂行するための冶金容器にガスを注入するのに適したランス構造が、本出願人名義の国際出願ＰＣＴ／ＡＵ０２／００４５８（ＷＯ ０２／０８３９５８）（特許文献２）に開示されている。その装置では、ガスがガス流ダクトを通過し、その中に、細長い管状中心構造体、およびダクトを通過するガスに渦巻きを付与するための、ダクトの前方端部に向かって管状中心構造体の周りに配置された複数の流れ指向翼がある。渦巻きを付与する翼は、ガス流に実質的な渦巻きを付与するために、各翼がその全長で螺旋形になり、１８０°の回転の間を延びる、４重の螺旋形態で配置される。この形の翼も、流れにかなりの乱れを付与し、それによって、実際に、誘起された渦巻きの量から損失を生む可能性のあることがこれまでに認められている。本発明によって、渦巻き翼の形状は、乱流を減らした渦巻きを誘起可能なように変更できる。さらに、本発明による翼形状の変更により、その製造が容易になることも可能である。ＨＩ製錬法におけるような高温での適用に対して、複雑な形状にモールド成形することが困難な可能性のある高融点材料で翼を鋳造する必要がある。

本発明によれば、容器内にガスを注入する装置が、
ガス流ダクトからガスを排出するための前方端部まで、後端部から伸長する前記ガス流ダクトと、
前記ガス流ダクトの前方端部領域内にあり、前記ガス流ダクトからガスを排出するための環状ノズルを形成するために前記ガス流ダクトと協働する中心体と、
前記ノズルを通るガス流に渦巻きを与えるために前記中心体の周りに配設された、複数の流れ指向翼とを含むことができ、
前記流れ指向翼は、前記中心体から外側に向かって放射状に広がり、前記ガス流ダクトに沿って延在する実質的に直線状の前端部分と、前記中心体の周りを螺旋状に前記ガス流ダクトの前端部に向かって延在する実質的に螺旋状の後端部分と、前記前端部分を前記後端部分に接続し、前記前端部分および前記後端部分の両者と円滑に合体し、かつ、該両者間で円滑に次第に形状を変えるように形状付与された移行部分とを有する。

翼の前端部分は、翼の前端部分から翼の移行部分に厚さが次第に増加するように長手方向に厚さが先細りになることができる。

翼は、その径方向外方に向かって次第に厚さが減少してもよい。それらは、例えば、概ね台形の断面であり、その根元から先端に向かって先細で、先端が根元よりも薄い。

翼の半径方向断面は、移行部分および後端部分の全体に亘って概ね一定であってよい。

前端部分から移行部分を経て４始点渦巻き形成に進展するように、中心体の周りに円周方向に間隔を置いて配置された４つの翼があることができる。

翼の直線状の前端部分が、ダクトの長手方向に測定して、翼の全長の２０％よりも少ない範囲を延びることができる。前端部分の長さは、翼の全長の３〜４％程度であってよい僅か約２０ｍｍに亘って延在するように極小化してよい。

翼の移行部分は、ダクトの長さ方向に沿って測定した翼の全長の少なくとも２０％に亘って延在してもよい。

直線状の前端部分、および、翼の移行部分は、共に翼の外径の０．４〜０．８の範囲の長さに亘って延在してよい。

各翼は、その前縁と後縁の間で８０°〜１２０°の角度範囲に亘って回転してよい。

各翼は、その前縁と後縁の間で中心体の周りを全周回転の約４分の１に亘って延びるように、回転の角度が約９０°であることができる。各翼は、その移行部分において１０°〜２０°の角度範囲を回転でき、その後端部分の区間で６０°〜８０°の追加の角度範囲を回転できる。

より具体的には、各翼は、その移行部分の区間で、角度約１３°〜１４°に亘って回転でき、その後端部分の区間で７６°と７７°の間のさらなる角度の間を回転することができる。

ダクトの長手方向軸に対する翼の螺旋状部分の角度は、０．３〜０．７、好ましくは約０．５の範囲の渦巻きをダクトから排出するガス内で生成するようになっていることができる。

中心体は、ガス流ダクト内でその後端部からその前方の端部に延びる細長い管状中心構造体の前端部分によって形成されることができ、翼がその上に装着されることができる。

翼は、装着スリーブと一体に形成され、該装着スリーブによって、中心体に翼が装着される。

また、本発明は、ガス流ダクトを通って流れるガスに渦巻きを与えるべく、ガス流ダクト内に装着するためのガス渦巻き発生器に関するものである。
このガス渦巻き発生器は、中心伸長部分、および、中心伸長部分の周りに配置され、中心伸長部分に沿って延在する複数の渦巻き翼を含み、該渦巻き翼が、中心伸長部分から放射方向外方に広がり、中心伸長部分に沿って直線状に延在する、実質的に直線状の前端部分と、中心伸長部分の周りを螺旋状に延在する実質的に螺旋状の後端部分と、前端部分を後端部分に接続し、前端部分および後端部分の両者と円滑に合体し、該両者間で円滑に次第に形状を変えるように形状を与えられた移行部分とを有する。

本発明を十分に説明するために、添付図面を見ながら一具体例についての詳細を述べる。

図１は、国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７に記載されているＨＩ製錬法による作業に適した直接製錬容器を示す。冶金容器が全体として１１で示され、耐火煉瓦から形成された基底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共に上樽部分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。

使用中に、容器は、溶融金属の層２２、および金属の層２２上の溶融スラグの層２３を含む鉄およびスラグの溶湯（ｍｏｌｔｅｎ ｂａｔｈ）を含む。番号２４によって記された矢印は、金属層２２の公称静止表面の位置を示し、番号２５によって記された矢印は、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、容器内への気体および固体の注入が全くない場合の表面を意味する。

容器は、容器の上部領域内に熱空気の送風を送出するための下方に延びる熱空気注入ランス２６と、鉄鉱、固体含炭素材料、酸素欠乏キャリア・ガスに同伴されるフラックス（ｆｌｕｘ）を金属層２２に注入するために、下向き内方に側壁１４を通ってスラグ層２３内に延びる固体注入ランス２７（２つのみを示す）とを備える。ランス２７の位置は、プロセスの作業中にその出口端部２８が金属層２２の表面の上にな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を低下させ、容器内で水が溶融金属と接触するようになる著しい危険を招くことなく強制的な内部の水冷によってランスを冷却することも可能にする。

熱空気注入ランス２６の構造を図２〜１５に示す。これらの図に示すように、ランス２６は、ガス入口構造３２を通る熱ガスを受け、それを容器の上部領域に注入する細長いダクト３１を備える。ランスは、ガス流ダクト３１内でその後端部からその前方の端部に延びる細長い管状中心構造体３３を備える。ダクトの前方端部に隣接して、中心構造体３３は、ダクトを出るガス流に渦巻きを付与するための一連の４つの渦巻き付与翼９１を備える渦巻き発生器９０を担持する。中心構造体３３の前方端部は、ドーム状にされたノーズ３５を有し、そのノーズは、中心体の前方端部およびダクトの先端が協働して、翼９１によって渦巻きを付与されて、ガスがダクトから拡散して流れるための管状のノズルを形成するように、ダクト３１の先端３６を超えて前方に突出する。

渦巻き発生器９０の構造を図１０〜図１５に示す。これらの図に示すように、渦巻き発生器は、装着スリーブとして働く中央の管状部分９３と一体に形成される４つの翼９１からなり、そのスリーブによって、渦巻き発生器が中心構造体３３の前方端部に装着される。渦巻き発生器は、重量で０．０５〜０．１２％の炭素、０．５〜１％のケイ素、最大で０．５〜１％のマンガン、０．０２％のリン、０．０２％の硫黄、２７〜２９％のクロム、４８〜５２％のコバルト、および基本的に鉄からなるバランス（ｂａｌａｎｃｅ）を含むＵＭＣＯ５０などの高融点の合金材料から成型することができる。そのような材料は、一般にＵＭＣＯ５０の名でいくつかの製造元から市販されている。

渦巻き発生器９０の渦巻き翼９１は、管状中心体９３から外側に放射状に広がり、その管状中心体に沿って直線状に延びる、実質的に直線の前端部分９１Ａと、管状中心体の周りを螺旋状に延びる螺旋状の後端部分９１Ｃと、前端部分９１Ａを後端部分９１Ｃに接続し、前端部分９１Ａおよび後端部分９１Ｃの両者と円滑に合体し、それらの間で滑らかに次第に形状を変えるように形作られている移行部分９１Ｂとを有する。移行部分９１Ｂの全体にわたる長手方向の厚さのテーパー（ｔａｐｅｒ）は、比較的狭い前縁から次第に厚さが増加し、螺旋状の後端部分９１Ｃの始点で厚さが最大に達するようになっている。翼も同様に、厚さが径方向外側に減少し、図１４でわかるように台形の断面を有するように厚さが先細りになる（ｔａｐｅｒ）。各翼の前縁９４のところで、側面は根元の１２ｍｍの厚さから先端の８ｍｍの厚さに先細りになる。前端部分を通して根元の厚さは、２８ｍｍに増加し、先端の厚さは２０ｍｍに増加する。翼の径方向断面は、移行部分９１Ｂおよび後端部分９１Ｃの全体に亘って一定のままである。

各翼９０は、前縁９４とその後縁９５の間で９０°の角度に亘って回転する。直線の前端部分９１Ａの長さは、翼の全長のわずか３〜４％であることができる約２０ｍｍに最小限に抑えられ、反対に移行部分９１Ｂは、翼の全長のかなりの部分に亘って延びる。具体的には、移行部分は、管状中心体９３の長手に沿って測定して、翼の全長の少なくとも２０％の範囲で延びることができる。このような翼の成形は、乱流を最小限に抑えながら効率的に渦巻きを付与するためのガスの均一の流れを促進することがこれまでに認められている。翼の延長された直線状の前端部分９１Ａは、ガスが翼の移行部分に到達すると、ガス流の方向を変えることによって生じる低圧領域によって（延長された直線状および移行区域のない螺旋状の渦巻き翼にガスが入る場合に起こりうるように）ガスが流れの隣接部分から引き込まれることにならないように、ガスを中心体９３の周りで四半分に分割する。

ＨＩ製錬法の作業において使用される一般的な熱空気注入ランスでは、ガス流ダクトが７８２ｍｍ程度の直径を有することができ、それに伴って、ダクト内への滑りばめ部になるように、渦巻き翼９１が同様の直径に生産される。渦巻き発生器９０の管状中心体は、３３４ｍｍ程度の外径を有することができ、渦巻き発生器の全長は、７４５ｍｍであることができる。翼９１の直線状部分９１Ａが２０ｍｍ程度の長さを占め、移行部分９１Ｂが１７０ｍｍ程度の長さを占めて、翼は管状中心体９３を軸線方向に測定して５９５ｍｍ程度の全長を有することができる。翼の移行部分９１Ｂは、１３．３°の角度の間を回転することができ、その前縁と後縁の間で翼の９０°の回転をもたらすように螺旋部９１Ｃが残りの７６．７°の間を回転する。出願人によるコンピュータによる模型では、こうした寸法の場合、流量１４００００Ｎｍ^３／ｈ、温度１２００℃で、３００ｍ／秒の軸線方向速度での０．３〜０．７の、好ましくは０．５程度の範囲内の渦巻きが達成可能なようであることが示された。

この点に関しては、渦巻き発生器９０を通るガス流の見込まれる渦巻きは、米国ニューハンプシャー州のＦｌｕｅｎｔ社から市販されている計算機流体力学（ＣＦＤ）ソフトウェア・パッケージであるＦＬＵＥＮＴ（商標）を使用してモデル化された。以下の公式は、渦巻きをモデル化するのに使用された。

ただし、変数Ｓは、ランスを通るガス流の渦巻き数であり、変数「ｕ」は、ランスを通るガス流の接線速度を表し、変数「ｗ」は、ランスを通るガス流の軸流速度を表し、変数「ｒ」は、渦巻き翼の外径である。

ガス入口３２から下流側に延びるダクト３１の主要部分の壁は、内部水冷を施されている。ダクトのこの区域は、ダクトの前方端部に延びる一連の３つの同心の鋼管３７、３８、３９からなり、その端部でそれらはダクトの先端３６に連結されている。ダクトの先端３６は、中空の環状形態のものであり、それはダクト３１の壁の流路を通って供給され、戻される冷却水によって内部水冷を施される。具体的には、冷却水は、入口４１および環状の入口マニホルド４２を通って供給され、ダクトの管３８と３９の間に画成される内側の環状の水の流路４３に入り、ダクトの先端３６の中空の内部に向かって通り抜け、先端の円周方向に間隔を置いて配置される開口を通る。水は、先端から、円周方向に間隔を置いて配置された開口を通って、管３７と３８の間に画成される外側の環状の水の戻り流路４４に入り、ダクト３１の水冷を施された区域の後端部にある水の出口４５に向かって元の方向に戻される。

ダクト３１の水冷を施された区域は、ダクトの最も内側の金属管３９に嵌入する内部の耐熱性ライニング４６を使用して内部にライニングを施され、ダクトの水冷を施された先端３６に通じて延びる。ダクトの先端３６の内周は、耐熱性ライニングの内面とほぼ同一平面上にあり、それによってダクトを通るガスのための効果的な流路が画成される。耐熱性ライニングの前方端部は、わずかに縮小した直径の区域４７を有し、その区域は、滑りばめ（ｓｎｕｇ ｓｌｉｄｉｎｇ ｆｉｔ）によって渦巻き翼３４を受ける。区域４７から後方に、耐熱性ライニングは、渦巻き翼３４がダクトの前方端部に達するまで、中心構造体３３がランスのアセンブリのダクトを通って下方に挿入できるように、わずかにより大きい直径のものであり、その端部でそれらは、翼を耐火区域４７に配置し案内する先細りになった耐熱性ランド部４８によって案内されて、耐火区域４７と滑らかに係合する。

渦巻き翼３４を担持する中心構造体３３の前端部は、ランスの後端部から前方の端部に中心構造体を通って前方に供給される冷却水によって内部水冷を施され、次いで中心構造体に沿ってランスの後方端部に元に戻される。これによって、特にランスの作業において非常に高い熱流束に曝される中心構造体の前方端部およびドーム状にされたノーズ３５に、冷却水が直接、非常に強く流れることが可能になる。

中心構造体３３は、端と端をつけて配置され、共に溶接される管セグメントによって形成される内側および外側の同心の鋼管５０、５１を備える。内側の管５０は、中央の水の流路５２を画成し、そこを通って、水がランスの後端部にある水の入口５３から中心構造体を通って前方に流れ、中心構造体の前端部ノーズ３５に向かって通り抜け、また２つの管の間に画成される環状の水の戻り流路５４に向かい、そこを通って、冷却水は、ノーズ３５から中心構造体を逆方向に通って、ランスの後方端部にある水の出口５５に戻る。

中心構造体３３のノーズ端部３５は、外側のドーム状にされたノーズ殻６２に嵌入される内側の銅製胴部材６１を備え、ノーズ殻も銅から形成される。内側の銅片６１は、中心構造体３３の中央の流路５２から水を受け取り、それをノーズの先端に向けるための中央の水の流路６３と共に形成される。ノーズ端部３５は、突出するリブ６４と共に形成され、そのリブは、ノーズ殻６２内に滑りばめされ、内側の区域６１と外側のノーズ殻６２の間に単一の連続する冷却水の流路６５を形成する。特に図４および５でわかるように、リブ６４は、単一の連続した流路６５が、１つの環状のセグメントから次のセグメントに傾いた流路セグメント６７によって相互連通された環状の流路セグメント６６として延びるように成形される。したがって、流路６５は、ノーズの先端から螺旋状に延び、それは規則的な螺旋形態のものではないが、ノーズの周りでノーズに沿って後方に螺旋を描き、ノーズの後端部のところで出て、中心構造体３３の管５１と５２の間に形成される環状の戻り流路に入る。

中心構造体のノーズ端部３５に沿ってその周囲を後方に延びる螺旋流路６５を通る単一のコヒーレントの流れの中の冷却水の強制流により、効率的な熱の除去が確かになり、冷却水がノーズにおいて別々の流れに分離できる場合に起こる可能性のあるノーズの「ホット・スポット（ｈｏｔ ｓｐｏｔ）」の増大が回避される。図示された構成では、冷却水がノーズ端部３５に入る時から、ノーズ端部を出る時まで単一の流れに制御される。

内部構造体３３は、流入するダクト３１内の熱ガス流から、中心構造体３３内を流れる冷却水に熱伝達しないように遮蔽するための外部熱シールド６９を備える。大規模製錬施設において要求される、非常に高い温度および大量のガス流に曝される場合、固体の耐熱性シールドは短い間だけしか使用できない可能性がある。図示の構造では、シールド６９は、高融点合金の管状のスリーブから形成される。これらのスリーブは、端と端をつけて配置され、シールドと中心構造体の最も外側の管５１との間のエアギャップ７０を囲む連続する熱シールドを形成する。特に、シールドは、前記のような材料ＵＭＣＯ５０の管状のセグメントから作製することができる。この材料は、非常に優れた熱シールドをもたらすが、高温でかなりの熱膨張を受ける。この問題に対処するため、熱シールドの個々の管状のセグメントは、それらが常に実質的に連続したシールドを維持しながら、長手方向に互いに独立に延びることができるように、図６〜９に示すように形成され装着される。それらの図に示すように、個々のスリーブは、中心構造体３３の外管５１に装着された位置決め帯材７１およびプレート支持部７２に装着され、各シールド管の後端部は、各位置決め帯材が独立に長手方向に熱膨張できるように端部ギャップ７４を有して、プレート支持部の上に嵌合するように７３で段を付けられている。回転防止帯材７５も同様に、シールド・スリーブの回転を防止するように、管５２の位置決め帯材７１のうちの１つの周りに嵌まるように各スリーブに嵌合できる。

熱ガスがガス入口区域３２を通ってダクト３１に送出される。熱ガスは、１２００℃程度の温度で加熱ストーブによってもたらされる酸素に富む空気であることができる。この空気は、耐熱性ライニングを施されたダクトを通って送出される必要があり、その空気は、ダクト３１の主要な水冷区域内に直接、高速で送出される場合、激しい侵食の問題を引き起こすおそれのある耐火物のグリットを拾い上げる。ガス入口３２は、ダクトが、ダクトの水冷区域の損傷を最低限に抑えながら、耐火物の粒子を伴う大容量の熱空気の送出を受取るのを可能にするように設計されている。入口３２は、耐摩耗性の耐火材料内のユニットとして成型され、薄い壁になった外側の金属殻８２の中に配置されるＴ字形の胴部材８１を備える。胴部材８１は、ダクト３１の中央流路と整列する第１の環状の流路８３、およびストーブ（図示せず）から送出される熱空気流を受取るために流路８３に対して垂直な第２の管状の流路８４を画成する。流路８３は、ダクト３１のガス流路と整列し、入口３２の耐熱性の連結片８６内の中央の流路８５によってそのガス流路に連結される。

熱空気は、入口３２に送出され、胴部材８１の環状の流路８４を通過し、耐侵食性の厚い耐熱性の胴部材８２の耐磨耗性の耐火壁に当たる。次いで、ガス流は方向を変えて、直角に、Ｔ字形の胴部材８１の流路８３、および移行部片８６の中央の流路８５を下降し、ダクトの主要部分に入るように流れる。流路８３の壁は、ダクト内への流れを加速するように前方への流れ方向に先細りにすることができる。それは、例えば７°程度の狭角で先細りにすることができる。移行部分の耐熱性の胴部材８６は、一端で耐熱性の胴部材８１の厚い壁、およびダクト３１の主要区域のより薄い耐熱性ライニング４８に適合するように厚さが先細りになっている。したがって、胴部材８６も同様に、環状の冷却用水ジャケット８７によって水冷され、その水ジャケットの中を、冷却水が入口８８および出口８９を通って循環される。中心構造体３３の後端部は、ガス入口３２の環状の流路８３を通って延びる。それは、耐熱性の直線状プラグ９１内に配置され、そのプラグは流路８３の後端部を閉鎖し、中心構造体３３の後方端部は、ガス入口３２から後ろへ水流の入口５３および出口５５に延びる。

図示された装置は、大容量の熱ガスを高温で製錬容器２６に注入することができる。中心構造体３３は、大容量の冷却水を急速に直接、中心構造体のノーズ区域に送出することが可能であり、ノーズ構造の周りの分割されない冷却流でのその冷却水の強制流によって、中心構造体の前端部からの非常に効率的な熱の除去が可能になる。ダクトの先端への独立の水流によっても、ランスのその他の高熱流束成分からの効率的な熱の除去も可能になる。熱空気流がダクト内に下方に流れる前に、耐熱性のチャンバまたは流路の厚い壁に当たる入口にその流れを送出することにより、ランスの主要区域で耐火ライニングおよび熱シールドが激しく侵食することなく、耐熱性のグリットによって汚染された大容量の空気が処理されることが可能になる。

直線状の前端部分９１Ａおよび移行部分９１Ｂを有して形成され、翼が従来の装置のように１８０°の間でなく１回転の４分の１の間だけ回転するように螺旋部分が終端した、渦巻き翼９１を有する渦巻き発生器９０によって、乱流が大幅に低減した渦巻きが付与できることが認められた。さらに、回転のより少ない翼は、鋳造するのに複雑さがより少ない形状であり、それらはＵＭＣＯ５０などの高融点材料からはるかに容易に製造できる。

本発明による渦巻き発生器を組み込む一対の固体注入ランスおよび熱空気の送風の注入ランスを組み込む直接製錬容器を横切る垂直断面図。 熱空気注入ランスを横切る長手方向横断面図。 ランスの中心構造体の前方部を横切る、拡大尺度の長手方向断面図。 中心構造体の前方ノーズ端の構造を示す図。 中心構造体の前方ノーズ端の構造を示す図。 中心構造体を横切る長手方向断面図。 図６における領域８の詳細図。 図７における線８−８の断面図。 図７における線９−９の断面図。 熱空気注入ランスに組み込まれる渦巻き発生器の図。 図１０に示す渦巻き発生器の端部図。 図１０に示す渦巻き発生器の端部図。 渦巻き発生器の拡大詳細図。 渦巻き発生器の渦巻き翼を横切る横断面図。 図１０の渦巻き発生器の構造図。

Claims (30)

1. 容器内に１１００°Ｃ〜１４００°Ｃの温度のガスを注入する装置において、
   ガス流ダクトからガスを排出するための前方端部まで、後端部から伸長する前記ガス流ダクトと、
   前記ガス流ダクトの前方端部領域内にあり、前記ガス流ダクトからガスを排出するための環状ノズルを形成するために前記ガス流ダクトと協働する中心体と、
   前記ノズルを通るガス流に渦巻きを与えるために前記中心体の周りに配設された、複数の流れ指向翼とを含み、
   前記流れ指向翼は、前記中心体から外側に向かって放射状に広がり、前記ガス流ダクトに沿って延在する直線状の前端部分と、前記中心体の周りを螺旋状に前記ガス流ダクトの前端部に向かって延在する螺旋状の後端部分と、前記前端部分を前記後端部分に接続し、前記前端部分および前記後端部分の両者と円滑に合体し、かつ、該両者間で円滑に次第に形状を変えるように形状付与された移行部分とを有し、
   各流れ指向翼が、前縁と後縁の間で角度８０°〜１２０°で捻り回転するように形成されている、容器内にガスを注入する装置。
2. 前記流れ指向翼の前記前端部分が、前記流れ指向翼の前記螺旋状の後端部分に向かって厚さが次第に増大するように、長手方向に厚さが次第に変化している請求項１に記載された容器内にガスを注入する装置。
3. 前記流れ指向翼が、前記移行部分の全体に亘って次第に厚さが増大している請求項２に記載された容器内にガスを注入する装置。
4. 前記流れ指向翼の径方向断面が、前記螺旋状の後端部分の全体に亘って概ね一定である請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。
5. 前記流れ指向翼が、前記流れ指向翼の径方向外側に向かって次第に厚さが減少している請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。
6. 前記流れ指向翼が、概ね台形の断面を有し、根元から先端に向かって次第に厚さが減少して、前記先端が前記根元よりも薄くなっている請求項５に記載された容器内にガスを注入する装置。
7. 前記前端部分から前記移行部分を経て４始点渦巻き形成に進展するように、前記中心体の周りに円周方向に間隔を置いて配置された４つの流れ指向翼がある請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。
8. 前記流れ指向翼の前記直線状の前端部分、および前記流れ指向翼の前記移行部分が、共に前記流れ指向翼及び前記中心体の外径の０．４〜０．８の範囲の長さの間で延びる請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。
9. 各流れ指向翼が、前縁と後縁の間で前記中心体の周りを全周回転の４分の１に亘って延在するように、各流れ指向翼の回転の角度が９０°になっている請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。
10. 各流れ指向翼が、移行部分において１０°〜２０°の角度範囲に亘って回転し、後端部分の区間で追加角度６０°〜８０°に亘って回転している請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。
11. 各流れ指向翼が、移行部分の区間で、約１３°〜１４°の角度の間を回転し、後端部分の区間で追加角度７６°〜７７°を回転している請求項１０に記載された容器内にガスを注入する装置。
12. 前記流れ指向翼の前記直線状の前端部分が、前記ダクトの長手方向に測定した前記流れ指向翼の全長の２０％よりも小さい範囲で延在している請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。
13. 前記流れ指向翼の前記移行部分が、前記ダクトの長手方向に沿って測定して前記流れ指向翼の全長の少なくとも２０％に亘って延びている請求項１２に記載された容器内にガスを注入する装置。
14. 前記ダクトの長手方向軸に対する前記流れ指向翼の前記螺旋状部分の前記角度は、下記の数式（数１）に従って、０．３〜０．７の範囲の渦巻き数（Ｓ）を前記ダクトから排出するガスに生じさせるようになっている請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置：
    

    

    
    ただし、変数「Ｓ」は、ランスを通るガス流の渦巻き数であり、変数「ｕ」は、ランスを通るガス流の接線速度を表し、変数「ｗ」は、ランスを通るガス流の軸流速度を表し、変数「ｒ」は、渦巻き翼の外径である。
15. 前記中心体が、前記ガス流ダクト内でその後端部からその前方の端部に延びる細長い管状中心構造体の前方端部によって形成され、前記流れ指向翼がその上に装着される請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。
16. 前記流れ指向翼が装着スリーブと一体に形成され、それにより、流れ指向翼が前記中心体に装着される請求項１５に記載された容器内にガスを注入する装置。
17. ガス流ダクトを通って流れる１１００°Ｃ〜１４００°Ｃの温度のガスに渦巻きを与えるべく、ガス流ダクト内に装着するためのガス渦巻き発生器において、
    中心伸長部分、および、該中心伸長部分の周りに配置され、該中心伸長部分に沿って延在する複数の渦巻き翼を含み、該渦巻き翼が、前記中心伸長部分から放射方向外方に広がり、前記中心伸長部分に沿って直線状に延在する、直線状の前端部分と、前記中心伸長部分の周りを螺旋状に延在する螺旋状の後端部分と、前端部分を後端部分に接続し、前記前端部分および前記後端部分の両者と円滑に合体し、該両者間で円滑に次第に形状を変えるように形状を与えられた移行部分とを有し、
    各流れ指向翼が、前縁と後縁の間で角度８０°〜１２０°で捻り回転するように形成されている、ガス渦巻き発生器。
18. 前記流れ指向翼の前記前端部分が、前記流れ指向翼の前記螺旋状の前記後端部分に向かって次第に厚さが増すように長手方向で厚さが次第に変化している請求項１７に記載されたガス渦巻き発生器。
19. 前記流れ指向翼が、前記移行部分の全体に亘って次第に厚さが増している請求項１８に記載されたガス渦巻き発生器。
20. 前記流れ指向翼の半径方向断面が、前記螺旋状の後端部分の全体に亘って概ね一定である請求項１７から請求項１９までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。
21. 前記流れ指向翼が、前記流れ指向翼の半径方向外方に向かって次第に厚さが減少している請求項１７から請求項２０までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。
22. 前記流れ指向翼が、概ね台形の断面を有し、その根元から先端まで先細りになり、前記先端が前記根元よりも薄くなっている請求項２１に記載されたガス渦巻き発生器。
23. 前記前端部分から前記移行部分を経て４始点渦巻き形成に進展するように前記中心伸長部分の周りに周囲方向で間隔を置いて配置された４つの流れ指向翼がある請求項１７から請求項２２までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。
24. 前記直線状の前端部分および前記流れ指向翼の前記移行部分が、共に、前記流れ指向翼及び前記中心体の前記外径の０．４〜０．８の範囲の長さに亘って延在している請求項１７から請求項２３までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。
25. 各流れ指向翼が前縁と後縁の間で前記中心体の周りを全周回転の約４分の１に亘って延在するように、各流れ指向翼の回転の角度が約９０°になっている請求項１７から請求項２４までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。
26. 各流れ指向翼がその移行部分において１０°〜２０°の角度範囲に亘って回転し、後端部分の区間で６０°〜８０°の追加の角度範囲に亘って回転する請求項２５に記載されたガス渦巻き発生器。
27. 前記流れ指向翼の前記直線状の前端部分が、前記中心伸長部分の長手方向で測定した前記流れ指向翼の全長の２０％より少ない範囲を延在することができる請求項１７から請求項２６までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。
28. 前記流れ指向翼の前記移行部分が、前記中心伸長部分に沿って測定した前記流れ指向翼の全長の少なくとも２０％の範囲を延在する請求項２７に記載されたガス渦巻き発生器。
29. 前記流れ指向翼が、前記ガス渦巻き発生器の前記中心伸長部分と一体に形成される請求項１７から請求項２８までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。
30. 前記中心伸長部分が円筒形である請求項１７から請求項２９までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。

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