JPH0629659B2

JPH0629659B2 - 高温酸素ランス

Info

Publication number: JPH0629659B2
Application number: JP60256351A
Authority: JP
Inventors: 俊雄諏訪; 伸明小林; 堯平野
Original assignee: Japan Oxygen Co Ltd
Current assignee: Japan Oxygen Co Ltd
Priority date: 1985-11-15
Filing date: 1985-11-15
Publication date: 1994-04-20
Anticipated expiration: 2009-04-20
Also published as: JPS62116816A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は鉄，非鉄等の精錬、特に直接還元炉の還元反応
ゾーンに高温酸素を供給するランスに関するものであ
る。

〔従来の技術〕

鉄やアルミニウムの精錬においては酸素，酸素富化空気
または空気を加熱して高温とした上でランスによりある
いは羽口より炉内に供給している。この場合の加熱装置
の一例として特開昭５９−５０１２７８号公報に開示さ
れているバーナ兼ランスがある。これは金属などの溶解
炉において製品の高温加熱に使用するもので、ノズルの
中央より酸素を、そのまわりに燃料を供給し酸素中に燃
料を噴出して燃焼させ燃焼排ガスを含んだ高温酸素を生
成させるもので、使用目的によって酸素と燃料の比率を
任意に選択してバーナとして、また燃焼非ガスを含んだ
高温酸素ランスとして使い分けている。

しかし、中央導管で酸素を供給し、その周囲の同心円の
導管により供給された燃料が燃焼器の部分で酸素流中へ
噴出，混合，燃焼し、燃焼排ガスを含んだ高温酸素とす
る機構のため、燃焼器周辺部の温度が高温になる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記燃焼器の外周には水冷用のジャケットが設
けられているため、燃焼器周辺部の高温燃焼生成ガスは
冷却水により冷却されることになり熱損失が大きく必要
以上に燃料を使うことになる。その結果、燃焼生成排ガ
スが多くなり酸素純度が低下する不都合があった。

しかして、鉄や非鉄の精錬、特にアルミニウムの溶融還
元においては、純度の高い高温酸素が要求される。本発
明はランス内での火災による燃焼生成ガスと常温酸素の
混合による高温酸素形成においては熱損失、特に燃焼ガ
ス形成部での熱損失を小さくして燃焼量を少なくして高
純度の高温酸素にし、かつ構造がコンパクトな高温酸素
発生器付ランスを提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するために、燃料と酸素を混合
・燃焼させる燃焼室と、これを囲繞して酸素ガスカーテ
ンを形成する酸素ノズルとで構成される高温酸素発生器
を外筒内に備え、前記燃焼室は、下流側が火炎噴出口と
して開口し、該火炎噴出口に向けて断面が拡開する空洞
からなり、該空洞の上流側には燃料供給導管が連設され
ると共に空洞内壁には該空洞の軸線を中心として対称に
配置され、かつ前記火炎噴出口に向けて前記軸線に漸次
近ずく方向の燃焼酸素用ノズルが開口していることを特
徴とする高温酸素ランスであり（第１発明）、該外筒の
周囲の一部または全部に断熱層および／または冷却ジャ
ケットを設けたこと（第２発明）、更に前記高温酸素発
生器を外筒内に配置された中心管の周囲に複数備えたこ
とを特徴とする高温酸素ランスであり（第３発明）、前
記高温酸素発生器を中心管の周囲に複数備えた外筒の周
囲の一部または全部に断熱層および／または冷却ジャケ
ットを設けたことを特徴とする高温酸素ランス（第４発
明）に関するものである。

そして各発明において、上記酸素ガスカーテンが多層で
ある様に酸素ノズルを構成した場合を含むものであり、
多層である場合は内側の酸素ガス層の流速を外側の酸素
ガス層の流速より速くする様に酸素ノズルを構成したこ
とを特徴とするものである。

更に上記各発明において、燃料が気体または液体である
ことを特徴とするものである。

更にまた上記第１発明および第２発明において、前記外
筒が主外筒および分岐外筒よりなり、高温酸素発生器が
分岐外筒内に備えられていることを特徴とするものであ
る。

また各発明において、酸素ガスカーテンを形成する酸素
ノズルは複数個の小孔でも良いスリットでも良い。

なお本発明において、酸素とは通常の工業用酸素即ち純
度９９．８％の酸素であるが、ＰＳＡ装置により得られ
る純度９０％程度の酸素も適用可態であることは当然で
ある。

〔作用〕

上記の如く本発明による高温酸素発生器を備えたランス
によれば、燃焼室にガス燃料あるいは液体燃料と共に燃
焼に必要な酸素を分岐流として燃焼室の軸線に向けて供
給し、燃焼室で形成された火炎を前記軸線上に収斂する
よう安定させて燃焼室先端より噴出させ、一方分岐しな
かった酸素の大部分即ち予熱されるべき酸素は酸素カー
テン形成用の前記複数の小孔あるいはスリットより外周
内側にそって噴出させ酸素カーテンを形成させることに
より、外筒の局部的過熱を防ぎ、かつ外筒からの放熱を
少なくしたものである。即ち、燃焼室先端より噴出する
火炎を前記軸線上に収斂するよう安定させると共に火炎
と外筒との間に常温の酸素を流すことにより外筒を保護
し、放熱を小さくすることにより燃焼量を少なくし、従
って高純度の高温酸素を得ることが出来る。またこの酸
素は燃焼室を構成する高温酸素発生器（バーナノズル）
そのものを冷却する。更に上記のランス中心部に精錬用
粉体供給用または観察用等の中心管が設けられ、その周
囲に複数個の燃焼室を設けた場合は各燃焼室を囲繞して
酸素カーテンを形成することにより外筒および中心管の
双方の過熱および該管からの放熱を小さくし、燃焼量を
少なくして高純度の高温酸素を得る。

燃焼室で形成された火炎とカーテン酸素とは下流におい
て混合し、外筒先端開口部より噴出するので、外筒に接
するガスの最高温度は燃焼生成ガスと常温酸素との完全
混合ガス温度である。ランス先端部より噴出する予熱酸
素の温度が７００〜１０００℃程度であれば上記酸素カ
ーテンの冷却作用によりランス外筒保護用の冷却機構で
ある水冷用ジャケットは必要ない。生成予熱酸素の温度
が１２００℃以上になると外筒材質が金属の場合は水冷
用ジャケット等の冷却機構が必要である。

酸素ガスカーテンは多層にすることにより、層流が安定
して外筒の保護がより効果的に行なわれる。またその際
燃焼室側の流速を速くすることにより、外筒に接する側
の酸素ガスカーテンが保持されやすくなり外筒の保護お
よびこれらの放熱防止が完全となる。中心管を設けたラ
ンスの場合も同様に外筒および中心管の保護およびこれ
からの放熱防止が完全となる。

〔実施例〕

実施例１第１図は本発明の高温酸素ランスの一実施例を示す縦断
面図、第２図は第１図の高温酸素ランスの高温酸素発生
器の変形例を示す要部拡大縦断面図である。

本実施例のランスは、高温酸素のみを噴射するものであ
って、図において、ランス外筒１内には高温酸素発生器
２が配設されている。

該高温酸素発生器２は、その中心に燃焼室３を有し、該
燃焼室３は、下流側が火炎噴出口として開口し、該火炎
噴出口に向けて断面が拡開する空洞からなり、該空洞の
上流側には空洞の軸線上に燃料供給導管４が連設される
と共に空洞内壁には前記軸線を中心として配置され、か
つ前記火炎噴出口に向けて前記軸線に漸次近ずく方向の
燃焼酸素用ノズル６が開口している。

また、前記高温酸素発生器２には、燃焼室３を囲繞して
酸素ガスカーテンを形成するガスカーテン用酸素ノズル
７が設けられている。このガスカーテン用酸素ノズル７
は、複数個の小孔でも良いしスリットでも良い。

更に、このガスカーテン用酸素ノズル７を、第２図に示
す如く多層に設けてもよい。

即ち、ガスカーテン用酸素ノズル７を、例えば、外側ガ
スカーテン用酸素ノズル７ａと内側ガスカーテン用酸素
ノズル７ｂとで形成する。これにより、層流が安定して
外筒の保護がより効果的に行なわれる。またこの際、例
えば、外側ガスカーテン用酸素ノズル７ａ入口の断面積
を、該酸素ノズル７ａ出口の断面積より大きく形成し
て、燃焼室３側のガスカーテン用酸素の流速を速くする
ことにより、ランス外筒１内面に接する側の酸素ガスカ
ーテンが保持されやすくなり外筒の保保護およびこれか
らの放熱防止が完全となる。

ランス外筒１の先端開口部１４には、高温酸素噴出ノズ
ル８が形成され、ランス外筒１の外周には断熱層９が、
高温酸素噴出ノズル８およびランス外筒１の先端部付近
の外周には水冷用ジャケット１０が設けられている。

前記断熱層９は、ランス外筒１の先端部付近から、前記
高温酸素発生器２の外周付近にかけて設けるが、火炎１
２の生成する位置から燃焼生成ガスとガスカーテン用酸
素の混合部１３にかけての部分のみでも良い。

また、水冷用ジャケット１０は、高温酸素噴出ノズル８
の外周およびランス外筒１の炉壁１５および炉内に挿入
される部分付近のみに設け、ランス先端部が炉内高温雰
囲気にさらされて破損されるのを防ぐが、ランス全長に
亘って設けても良い。この様に水冷用ジャケット１０は
先に説明したランス外筒１の火炎１２よりの保護のため
のものではなく、生成予熱酸素の温度が１２００℃以上
になる場合に、ランス外筒１保護用として断熱層９の位
置に設けることが必要になる。

尚、第１図、第２図において、矢印ａは燃料、ｂは酸
素、ｃは燃焼用酸素、ｄはガスカーテン用酸素、ｅは高
温酸素、ｆは冷却水の給水、ｇは冷却水の排水を示して
いる。

酸素の供給系統はランス外筒１への導入は一系統で行な
い、燃焼用酸素とカーテン用酸素との分配は燃焼酸素用
ノズル６の抵抗により行なう。ランス外筒１への導入前
から二系統に分けて供給しても良いことは勿論である
が、供給経路が増えるためランスの構造が複雑になり好
ましくない。

この高温酸素ランスにおいて燃料供給導管４に気体また
は液体の燃料ａが、酸素供給流路５に酸素ガスｂが供給
され、該酸素ガスｂは高温酸素発生器２において、その
一部（矢印ｃ）が燃焼酸素用ノズル６を経て燃焼室へ供
給され、前記燃料ａと混合し燃焼して燃焼室３の軸線上
に収斂する安定した火炎１２を生成する。この火炎１２
の最高温度は燃料ａが例えばプロパンの場合で２７００
℃程度である。一方酸素ガスの残部は複数個のあるいは
外側ガスカーテン用酸素ノズル７ａと内側ガスカーテン
用酸素ノズル７ｂを経て矢印ｄに示す如く、前棋外筒１
と火炎１２との間にカーテン状に噴出し両者を隔絶し、
外筒１への伝熱を最小にする。火炎１２にて生じた高温
の燃焼生成ガスとカーテン酸素は次いで混合部１３で混
合して高温酸素となり、前記高温酸素噴出ノズル８の開
口部１４より矢印ｅの如く炉内へ噴出される。

本実施例の高温酸素ランスを用いて、燃料にプロパン
０．３０Nm³/h，燃焼用酸素を１．５Nm³/h，予熱用酸素
を２５Nm³/h供給した時の得られた高温酸素の温度およ
び純度は第１表に示す通りであった。

実施例２第３図は本発明の他の実施例の縦断面を示すものであ
る。本実施例の高純度ランスは高温酸素を供給すると共
にランス中心部に外筒に同心円状に設けた中心管より精
錬用粉体、例えばコークス，微粉炭鋼石などを供給し炉
内に噴出する場合に用いるランスである。上記中心管は
精錬用粉体供給管としてではなく炉内観察用として設け
ることもある。この場合は外筒中心部に中心管があるた
め、分岐外筒を設け該分岐外筒に前記高温酸素発生器２
を設ける。分岐外筒の主外筒に対する取付角度は本実施
例では第３図に示す通り垂直であるが、垂直に限らず任
意の角度で良いことは勿論である。

図中実施例１と同じ構成要素は同番号を付して説明を省
略する。１ａは主外筒、１６は中心管、１７は分岐外
筒、９ａは主外筒断熱層、９ｂは分岐外筒断熱層であ
り、ｈは前記の精錬用粉体の流れを示す。

分岐外筒１７およびこれに設けられた高温酸素発生器２
の機能は、実施例１におけるそれと同様である。中心管
１６には前記の様に精錬用粉体が搬送用気体、例えば一
酸化炭素，アルゴン等により供給され、高温酸素噴出ノ
ズル８より高温酸素と共に炉内に噴出する。

実施例３第４図乃至第６図は本発明の更に他の実施例を示すもの
で、第４図はその縦断面図、第５図はその高温酸素発生
器部分の拡大縦断面図、第６図は第５図VI-VI線横断面
図である。図中前記実施例１および２と同一構成要素は
同符号を付して説明を省略する。

本実施例の場合も高温酸素の供給を行なうと共に、ラン
ス中心部に中心管１６を設けて該中心管１６より精錬用
粉体の供給を行なうか、該中心管１６を炉内観察用とし
て用いる場合の高温酸素ランスである。同目的の上記実
施例２の場合は分岐外筒１７を設けたが、この様にする
とランス全体の構成が複雑となり製作が困難，操作が困
難等の不都合もあった。

本実施例は第４図乃至第６図に示す如く、外筒１の中心
部に中心管１６を有し、該中心管１６の周囲に複数個の
高温酸素発生器２ａ_１……２ａ_ｎを備えた高温酸素ラン
スである。

この高温酸素発生器２ａ_１……２ａ_ｎは、実施例１ある
いは実施例２の高温酸素発生器２と同様に構成されてお
り、符号３ａ_１……３ａ_ｎは各高温酸素発生器２ａ_１…
…２ａ_ｎの燃焼室、４ａ_１……４ａ_ｎは各燃焼室３ａ_１
……３ａ_ｎに燃料を供給する燃料供給導管、６ａ_１……
６ａ_ｎは各燃焼室３ａ_１……３ａ_ｎに燃焼用酸素を導入
する燃焼酸素用ノズル、７ａ_１……７ａ_ｎはガスカーテ
ン用酸素ノズルであり、各燃焼室３ａ_１……３ａ_ｎを囲
繞して酸素ガスカーテンを形成する様に複数個の小孔あ
るいはスリットよりなり、該ガスカーテン用酸素ノズル
７ａ_１……７ａ_ｎは実施例１と同様多層に構成しても良
いことは勿論である。１２ａ_１……１２ａ_ｎは各燃焼室
３ａ_１……３ａ_ｎにて燃焼生成した火炎である。ｊはガ
スカーテン用ノズル７ａ_１……７ａ_ｎより噴出した酸素
ガスにより外筒１と各燃焼室３ａ_１……３ａ_ｎとの間に
形成された酸素ガスカーテン、ｋは同様に各燃焼室３ａ
_１……３ａ_ｎと中心管１６との間に形成された酸素ガス
カーテンである。

燃料供給導管４ａ_１……４ａ_ｎに連結する燃料供給系統
はランス外筒１への導入部迄は一系統で行ない、ランス
外筒１への導入部で各導管４ａ_１……４ａ_ｎに分配する
か高温酸素発生器２ａ_１……２ａ_ｎ近傍迄一系統で供給
し、該発生器２ａ_１……２ａ_ｎ近傍で分配する。前者の
方がランス全体の構造が複雑になる。

酸素供給系統はランス外筒１への導入は一系統で行な
い、各燃焼室３ａ_１……３ａ_ｎの燃焼用酸素とカーテン
用酸素の分配は各燃焼用酸素ノズル６ａ_１……６ａ_ｎお
よびガスカーテン用ノズル７ａ_１……７ａ_ｎの抵抗によ
り行なう。各燃焼室毎に別個の供給系統を設ける等複数
の供給導管を設けても良いが、構造が複雑になり好まし
くない。

本実施例における高温酸素発生器付ランスとしての機能
は前記実施例１において述べたと同様であるが、本実施
例の場合は各燃焼室３ａ_１……３ａ_ｎと外筒１との間に
ガスカーテンｊを形成すると同時に中心管１６との間に
もガスカーテンｋを形成することにより、中心管１６の
過熱の防止および該中心管１６からの放熱を防止する様
になっている。

また実施例２の高温酸素ランスに比して製作容易，取り
扱いが容易等の長所を有する。

本実施例において、前記燃焼室３ａを８ケ設け、燃料に
プロパン０．３５Nm³/h，燃焼用酸素１．７５Nm³/h，予
熱用酸素２５Nm³/h供給した時の得られた高温酸素の温
度および純度は第２表に示す通りであった。

〔発明の効果〕本発明は以上の如く構成されるがこれによる特徴，効果
は次の通りである。即ち燃焼室に流体燃料と燃焼用酸素
を供給して火炎を形成し、燃焼生成ガスと酸素を混合し
て高温酸素を得る高温酸素ランスにおいて、前記燃焼室
を、下流側が火炎噴出口として開口し、該火炎噴出口に
向けて断面が拡開する空洞にて形成し、該空洞の上流側
に燃料供給導管を連設すると共に空洞内壁には該空洞の
軸線を中心として対称に配置される燃焼酸素用ノズル
を、前記火炎噴出口に向けて前記軸線に漸次近ずく方向
に開口したことにより、空洞の軸線上に収斂する安定し
た火炎が得られ、かつ燃焼室を囲繞する酸素ガスカーテ
ンを形成する酸素ガスノズルを備えた高温酸素発生器を
設けたことにより、ランス外筒からの放熱による熱損失
を最小限にすると共に、ランス外筒を保護する。

また、ランス中心に精錬用粉体用導管ああるいは観察用
導管を設けた場合は、該中心管の周囲に複数個の燃焼室
を設け該各燃焼室を囲繞して酸素ガスカーテンを形成さ
せることにより、外筒および中心管を保護しかつ熱損失
を最小限にした。これにより少量の燃料で酸素を昇温で
き、純度の高い高温酸素が得られる様になった。またラ
ンス噴出口より得られる生成高温酸素の温度が７００〜
１０００℃程度の場合は水冷用ジャケット等の冷却機構
を必要としなくなった。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の高温酸素ランスを示すもので、第１図は実
施例１の縦断面図、第２図は第１図の高温酸素ランスの
高温酸素発生器の変形例を示す要部拡大縦断面図、第３
図は実施例２の縦断面図、第４図は実施例３の縦断面
図、第５図はその要部の拡大断面図、第６図は第５図の
VI-VI線の断面図である。１……ランス外筒、２，２ａ_１，２ａ_ｎ……高温酸素発
生器、３，３ａ_１，３ａ_ｎ……燃焼室、４，４ａ_１，４
ａ_ｎ……燃料供給導管、５……酸素供給流路、６，６ａ
_１，６ａ_ｎ……燃焼酸素用ノズル、７，７ａ_１，７ａ_ｎ
……ガスカーテン用酸素ノズル、８……高温酸素噴出ノ
ズル、９……断熱層、１０……水冷用ジャケット、１６
……中心管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料と酸素を混合・燃焼させる燃焼室と、
これを囲繞して酸素ガスカーテンを形成する酸素ノズル
とで構成される高温酸素発生器を外筒内に備え、前記燃
焼室は、下流側が火炎噴出口として開口し、該火炎噴出
口に向けて断面が拡開する空洞からなり、該空洞の上流
側には燃料供給導管が連設されると共に空洞内壁には該
空洞の軸線を中心として対称に配置され、かつ前記火炎
噴出口に向けて前記軸線に漸次近ずく方向の燃焼酸素用
ノズルが開口していることを特徴とする高温酸素ラン
ス。
【請求項２】前記酸素ガスカーテンが多層である様に酸
素ノズルを構成したことを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の高温酸素ランス。
【請求項３】前記多層でなる酸素ガスカーテンの内側の
酸素ガス層の流速を外側の酸素ガス層の流速より速くす
る様に酸素ノズルを構成したことを特徴とする特許請求
の範囲第２項記載の高温酸素ランス。
【請求項４】前記燃料が気体または液体であることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の高温酸素ランス。
【請求項５】前記外筒が、主外筒および分岐外筒よりな
り、前記高温酸素発生器が分岐外筒内に備えらているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高温酸素ラ
ンス。
【請求項６】燃料と酸素を混合・燃焼させる燃焼室と、
これを囲繞して酸素ガスカーテンを形成する酸素ノズル
とで構成される高温酸素発生器を外筒内に備え、前記燃
焼室は、下流側が火炎噴出口として開口し、該火炎噴出
口に向けて断面が開口する空洞からなり、該空洞の上流
側には燃料供給導管が連設されると共に空洞内壁には該
空洞の軸線を中心として対称に配置され、かつ前記火炎
噴出口に向けて前記軸線に漸次近ずく方向の燃焼酸素用
ノズルが開口し、さらに外筒の周囲の一部または全部に
断熱層および／または冷却ジャケットを設けたことを特
徴とする高温酸素ランス。
【請求項７】前記酸素ガスカーテンが多層である様に酸
素ノズルを構成したことを特徴とする特許請求の範囲第
６項記載の高温酸素ランス。
【請求項８】前記多層でなる酸素ガスカーテンの内側の
酸素ガス層の流速を外側の酸素ガス層の流速より速くす
る様に酸素ノズルを構成したことを特徴とする特許請求
の範囲第７項記載の高温酸素ランス。
【請求項９】前記燃料が気体または液体であることを特
徴とする特許請求の範囲第６項記載の高温酸素ランス。
【請求項１０】前記外筒が主外筒および分岐外筒よりな
り前記高温酸素発生器が分岐外筒内に備えられているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の高温酸素ラ
ンス。
【請求項１１】燃料と酸素を混合・燃焼させる燃焼室
と、これを囲繞して酸素ガスカーテンを形成する酸素ノ
ズルとで構成される複数の高温酸素発生器を、外筒内に
配置された中心管の周囲に備え、前記燃焼室は、下流側
が火炎噴出口として開口し、該火炎噴出口に向けて断面
が拡開する空洞からなり、該空洞の上流側には燃料供給
導管が連設されると共に空洞内壁には該空洞の軸線を中
心として対称に配置され、かつ前記火炎噴出口に向けて
前記軸線に漸次近ずく方向の燃焼酸素用ノズルが開口し
ていることを特徴とする高温酸素ランス。
【請求項１２】前記酸素ガスカーテンが多層である様に
酸素ノズルを構成したことを特徴とする特許請求の範囲
第１１項記載の高温酸素ランス。
【請求項１３】前記多層でなる酸素ガスカーテンの内側
の酸素ガス層の流速を外側の酸素ガス層の流速より速く
する様に酸素ノズルを構成したことを特徴とする特許請
求の範囲第１２項記載の高温酸素ランス。
【請求項１４】前記燃料が気体または液体であることを
特徴とする特許請求の範囲第１１項記載の高温酸素ラン
ス。
【請求項１５】燃料と酸素を混合・燃焼させる燃焼室
と、これを囲繞して酸素ガスカーテンを形成する酸素ノ
ズルとで構成される複数の高温酸素発生器を、外筒内に
配置された中心管の周囲に備え、前記燃焼室は、下流側
が火炎噴出口として開口し、該火炎噴出口に向けて断面
が拡開する空洞からなり、該空洞の上流側には燃料供給
導管が連設されると共に空洞内壁には該空洞の軸線を中
心として対称に配置され、かつ前記火炎噴出口に向けて
前記軸線に漸次近ずく方向の燃焼酸素用ノズルが開口
し、かつ外筒の周囲の一部または全部に断熱層および／
または冷却ジャケットを設けたことを特徴とする高温酸
素ランス。
【請求項１６】前記酸素ガスカーテンが多層である様に
酸素ノズルを構成したことを特徴とする特許請求の範囲
第１５項記載の高温酸素ランス。
【請求項１７】前記多層でなる酸素ガスカーテンの内側
の酸素ガス層の流速を外側の酸素ガス層の流速より速く
する様に酸素ノズルを構成したことを特徴とする特許請
求の範囲第１６項記載の高温酸素ランス。
【請求項１８】前記燃料が気体または液体であることを
特徴とする特許請求の範囲第１５項記載の高温酸素ラン
ス。