KR100868545B1 - 가스 주입 랜스 - Google Patents

Abstract

용융 물질의 욕을 함유하는 용기에 예열된 산소함유 가스를 주입하기 위한 랜스가 개시되어 있다. 상기 랜스(26)는 긴 가스 유동 덕트(31)를 포함하며, 상기 덕트로부터 가스를 방출한다. 상기 덕트는 (i) 상기 덕트에 주요한 구조적 지지를 제공하는 내부 및 외부 동심탄소강관들(37, 39), (ii) 상기 덕트의 후단부로부터 상기 덕트의 전단부까지 냉각수를 공급하고 귀환시키기 위해 상기 덕트 벽을 통해 연장되는 냉각수 공급 및 귀환 수단(43, 44), (iii) 상기 덕트 상에 동결 슬래그 층을 유지하기에 적합한 상기 덕트의 외면상의 랜드들(136)의 형태로 된 기계적 수단을 포함한다. 상기 랜스는 또한 상기 덕트의 후단부에 고온 가스를 주입하기 위한 가스 입구(32)를 포함한다. 상기 랜스는 또한 상기 덕트의 전단부에서 상기 동심관들에 연결된 팁 수단(36)을 포함한다. 상기 랜스는 또한 상기 덕트를 통과하는 800-1400℃의 가스 유동에 대한 노출로부터 상기 덕트를 보호할 수 있는 내화 또는 다른 물질로 형성된 보호 라이닝을 포함한다. 상기 라이닝은 상기 강관들에 비해 열절연 특성을 갖는 비금속 물질이다. 상기 랜스는 또한 상기 덕트의 전단부를 통해서 가스 유동에 소용돌이 부여하도록 상기 덕트 안에 위치한 소용돌이 수단(34)을 포함한다.

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Description

가스 주입 랜스{A GAS INJECTION LANCE}

본 발명은 용기에 예열된 가스를 주입하기 위한 랜스(lance)에 관한 것이다. 그러나 본 발명은 고온 조건 하에서 야금 용기(metallurgical vessel)에 예열된 가스 유동을 주입하기 위한 랜스에만 적용되는 것은 아니다.

상기 야금 용기로는 예를 들면 직접제련 공정(direct smelting process)에 의해 용융 금속(molten metal)을 생산하는 직접제련 용기가 있다.

본 발명은 또한 직접제련 용기에 가스를 주입하기 위한 랜스를 포함하는 직접제련 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 종래 기술에 개시되어 있는 용선(molten iron)에 철함유 물질을 직접 용해하기 위한 용융 욕을 기반으로 하는 공정들은 상기 용융 욕의 온도를 유지하기에 충분한 열을 발생시키기 위해서 용융 욕으로부터 방출된 CO와 H₂ 같은 반응 생성물들의 후연소(post-combustion)를 필요로 한다.

종래 기술에서는 일반적으로 직접제련 용기의 상부 공간(top space) 안으로 연장되는 랜스들을 통해서 산소함유 가스를 주입함으로써 후연소가 이루어졌다.

경제적인 이유로, 직접제련 수명이 상대적으로 긴, 통상적으로 일년 이상인 것이 바람직하므로, 가스 주입 랜스들은 장기간의 수명을 위해서는 집적제련 용기의 상부 공간 안에서 통상적으로 약 2000℃의 고온 환경을 견딜 수 있는 것이 중요하다.

산소함유 가스(oxygen-containing gas)를 제공하기 위한 한가지 선택은 800℃가 넘는 온도까지 예열된 공기 또는 산소농축 공기(oxygen-enriched air)를 사용하는 것이다.

건조로(stove)들 또는 페블 가열기(pebble heater)들만이 현재 공기 또는 산소농축 공기의 예열에 이용될 수 있다. 건조로들과 페블 가열기들을 이용하는 경우, 공기 또는 산소농축 공기는 상기 건조로들과 페블 가열기들을 통과할 때 경입자(hard particulate)를 끌어올리며, 이러한 물질은 랜스의 내부 표면을 상당히 마모시킬 수 있다.

공기 또는 산소농축 공기를 사용하는 경우, 소정 레벨의 후연소를 달성하기 위해서는 산소가 산소함유 가스로 사용될 때 보다 상당히 큰 가스 체적들이 요구된다. 따라서, 공기 또는 산소농축 공기로 작동하는 직접제련 용기는 산소로 작동하는 직접제련 공정보다 상당히 큰 구조이어야 한다.

따라서, 직접제련 용기에 공기 또는 산소농축 공기를 주입하기 위한 랜스는 직접제련 용기 안으로 상대적으로 많은 거리로 연장될 수 있으며 상기 랜스의 길이의 적어도 주된 부분에 걸쳐서 지지 받지 않을 수 있는 상대적으로 큰 구조이어야 한다. 이런 경우, 본 발명의 출원인에 의해 제안된 6m 직경의 HIsmelt 용기들은 약 60톤이고 상기 용기 안으로 약 10m 연장되는 외경(outer diameter)이 1.2m인 랜스 들을 포함한다.

추가적으로, 상기 랜스는 예열된 공기 또는 산소농축 공기의 상대적으로 큰 체적 유속들을 송출할 수 있으며 연장된 제련 수명에 걸쳐 상기 공기 또는 산소농축 공기의 부식성 입자 물질로 인한 상기 랜스의 내부 마모를 견딜 수 있어야 한다.

경제적, 구조적인 이유들로 인해서, 탄소강(carbon steel)이 예열된 공기 또는 산소농축 공기를 주입하기 위한 랜스를 구성하는데 바람직한 물질이다.

그러나, 탄소강은 상기 랜스의 내부 내마모성 및 특히 고온의 주입 조건 하에서 강철의 급속한 산화 (즉 연소) 위험성이라는 점에서 바람직하지 않다.

상기한 바와 같이, 예열된 공기 또는 산소농축 공기의 사용은 연장된 제련 수명에 동안에 직접제련 용기 안으로 상기 공기 또는 산소농축 공기를 주입하기 위한 랜스들의 구성에 있어서 상당한 문제점들을 나타낸다.

따라서 본 발명의 목적은 상기 랜스의 주된 구조 성분으로 탄소강을 이용할 수 있으며 긴 작동 수명 동안에 예열된 공기 또는 산소농축 공기를 직접제련 용기에 주입할 수 있는 수랭식 랜스(water cooled lance)를 제공함에 있다.

본 발명에 따르면 용융 물질의 욕을 함유하는 용기에 예열된 산소함유 가스를 주입하기 위한 랜스가 제공되며, 상기 랜스는:

(a) 덕트(duct)로부터 가스를 방출하기 위해 후부로부터 상기 덕트의 전단부(forward end)까지 연장되는 긴 가스 유동 덕트(elongate gas flow duct)를 포함하며, 상기 덕트는; (i) 상기 덕트에 주된 구조 지지를 제공하는 내부 및 외부 동심 탄소강관(concentric carbon steel tube)들과, (ii) 냉각수의 공급과 귀환을 위해 상기 후단부(rear end)로부터 상기 덕트의 전단부(forward end)까지 상기 덕트 벽을 통해 연장되는 냉각수 공급 및 귀환 통로 수단(cooling water supply and return passage means)과, (iii) 상기 덕트 상에 동결 슬래그(frozen slag) 층을 유지하기에 적합한 기계적 수단(mechanical means)을 포함하는 외면(outer surface)을 포함하며;

(b) 상기 덕트의 후단부(rear end) 안으로 고온 가스를 도입하기 위한 가스 입구(gas inlet)를 포함하며;

(c) 상기 덕트의 전단부에서 상기 동심관들에 연결된 팁 수단(tip means)을 포함하며;

(d) 상기 덕트를 통한 800-1400℃의 가스 유동에 대한 노출로부터 상기 덕트를 보호할 수 있는 내화물 또는 다른 물질로 형성된 보호 라이닝(protective lining)을 포함하며, 상기 라이닝은 상기 강관들에 비해 열절연성을 갖는 비금속 물질로 이루어지며; 그리고

(e) 상기 덕트의 전단부를 통하여 가스 유동에 소용돌이(swirl)를 부여하도록 상기 덕트에 배치된 수단을 포함한다.

바람직하게는 상기 덕트는 상기 덕트의 전단부까지 연장되는 3개 이상의 동심강관들을 포함한다.

바람직하게는 상기 가스 입구는 내화체(refractory body)를 포함하며, 상기 내화체는 상기 덕트의 후단부까지 일직선으로 연장되고 정렬된 제1 관상 가스 통로(first tubular gas passage) 및 고온 가스와 그에 동반된 다른 입자들이 상기 제1 통로의 내화벽에 충돌하도록 고온 가스를 수용하고 상기 고온 가스를 상기 제1 통로로 안내하며 상기 제1 통로와 직각을 이루는 제2 관상 가스 통로(second tubular gas passage)를 한정하며, 상기 가스 유동은 상기 제1 통로부터 상기 제2 통로까지 통과 방향의 변화가 있게 된다.

바람직하게는 상기 덕트의 외면상의 상기 기계적 수단은 상기 덕트 상의 동결 슬래그를 유지하고 교합(interlock)하도록 형성된 돌출부(projection)들을 포함한다.

바람직하게는 상기 돌출부들은 언더컷(undercut) 또는 도브테일(dovetail) 단면을 갖는 각각의 랜드(land)를 구비한 랜드들로 이루어짐으로써 상기 랜드들이 바깥으로 분기하는 형태(formation)를 이루고 슬래그의 응고에 중요한 형태들로 작용하게 된다.

바람직하게는 상기 팁 수단은 중공 환상 구조(hollow annular construction)이고 구리함유 물질로 형성된다.

바람직하게는 상기 덕트의 전단부는 중공 환상 팁 형태(hollow annular tip formation)로 형성되며, 상기 덕트는 상기 덕트를 따라 전방으로 흐르는 냉각수를 상기 덕트에 공급하고 상기 덕트를 따라 뒤로 상기 냉각수를 귀환시키기 위한 덕트 팁의 냉각수 공급 및 귀환 통로들을 포함한다.

바람직하게는 상기 랜스는 상기 덕트의 전단부 안에서 중심에 배치된 긴 본 체(elongate body)를 더 포함함으로써 상기 덕트의 전단부를 통과하는 가스가 상기 긴 중심 본체를 따라 위로 흐르게 된다.

바람직하게는 상기 긴 본체의 전단부와 상기 팁 수단은 함께 상호 작용하며 상기 소용돌이 수단(swirl means)에 의해 부여된 소용돌이를 갖는 상기 덕트로부터의 가스 유동을 위한 환상 노즐(annular nozzle)을 형성한다.

바람직하게는 상기 소용돌이 수단은 복수의 유동 안내 베인(flow directing vane)들을 포함하며, 상기 베인들은 상기 덕트의 전단부를 통하여 가스 유동에 소용돌이를 부여하도록 상기 긴 본체에 연결된다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 긴 본체는 후단부로터 전단부까지 상기 가스 유동 덕트 안으로 연장되는 긴 중심 관상 구조물(elongate central tubular structure)이며, 상기 베인들은 상기 덕트의 전단부까지 상기 가스 유동에 소용돌이를 부여하도록 상기 덕트의 전단부에 인접한 상기 중심 관상 구조물 주위에 배치된다.

바람직하게는 상기 중심 관상 구조물은 상기 중심 구조물의 전단부까지 냉각수의 전방 유동을 위한 냉각수 통로를 포함한다.

더욱 바람직하게는 상기 중심 관상 구조물은 냉각수가 후단부에서 전단부까지 상기 중심 구조물을 통해서 전방으로 유동하여 내부적으로 상기 전단부를 냉각한 후 상기 중심 구조물을 통해서 후단부까지 되돌아가기 위한 냉각수 통로들을 포함한다.

바람직하게는 상기 중심 관상 구조물은 냉각수가 상기 구조물을 통해서 상기 중심 구조물의 전단부까지 곧장 전방으로 유동하기 위한 중심 수류 통로(central water flow passage), 및 냉각수가 상기 중심 구조물의 전단부로부터 상기 구조물의 후단부까지 뒤로 돌아 유동하도록 상기 중심 통로 주위에 배치된 환상 수류 통로(annular water flow passage)를 한정한다.

상기 중심 관상 구조물은 상기 중심 수류 통로를 제공하는 중심 관(central tube) 및 관들 사이에 상기 환상 수류 통로가 한정되도록 상기 중심 관 주위에 배치된 다른 관을 포함한다.

바람직하게는 상기 중심 관상 구조물은 상기 가스 유동 덕트 내 가스로부터 상기 중심 구조물 내 상기 냉각수 통로들로의 열전달을 차단하는 열절연 외부 차폐물(heat insulating outer shield)을 포함한다.

상기 열절연 차폐물은 열절연재로 이루어진 복수의 관상 단편(tubular segment)들을 포함할 수 있으며, 상기 관상 단편들은 상기 열 차폐물 안에 근접하게 배치된 환상 공기 갭(annular air gap) 주위에서 상기 후단부로부터 상기 중심 관상 구조물의 전단부까지 연장되는 실질적으로 연속적인 관으로 상기 열차폐물을 형성하도록 단부 대 단부(end to end)로 배치된다.

상기 공기 갭은 상기 관상 열 차폐물 및 상기 환상의 냉각수 귀환 유동 통로의 외벽을 한정하는 다른 관 사이에 형성될 수 있다.

바람직하게는 상기 열차폐물의 관상 단편들은 다른 상기 단편들과 독립적으로 각 단편의 길이방향 팽창을 수용하도록 지지된다.

상기 중심 관상 구조물의 전단부는 반구형의 노즈 부분(domed nose portion) 을 포함할 수 있으며, 상기 반구형의 노즈 부분은 내부에 단일 나선형 냉각수 통로(single spiral cooling water passage)를 구비하여 상기 노즈 부분의 팁에서 상기 중심 구조물 내 상기 중심 수류 통로로부터 물을 수용하고 상기 노즈 부분 주위 및 상기 노즈 부분을 따라서 후방의 단일 유동에 상기 물을 안내하여 냉각수의 단일 응집 흐름(coherent stream)으로 상기 노즈 부분을 냉각한다.

상기 중심 관상 구조물은 상기 가스 입구 수단의 상기 제1 가스 유동 통로를 통해서 중심으로 연장될 수 있고 상기 가스 입구 너머 후방으로 연장될 수 있다. 그 때 상기 중심 구조물의 후단부는 상기 가스 입구의 후방에 위치할 수 있으며, 상기 중심 구조물까지 그리고 상기 중심 구조물로부터의 냉각수 유동을 위한 물 커플링(water coupling)들이 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 유일한 다른 실시예는 아니지만, 상기 유동 안내 베인들은 상기 덕트의 전단부를 통해서 가스 유동에 소용돌이를 부여하도록 상기 긴 중심 본체와 상기 덕트 사이에 배치된다.

상기 실시예에서 바람직하게는 상기 랜스는:

(a) 냉각수의 유동을 수용하고 귀환시켜 상기 덕트 팁이 내부적으로 냉각되도록 상기 덕트의 냉각수 공급 및 귀환 통로 수단에 연통하는 상기 팁 수단 안에 내부 냉각수 통로 수단을 포함하며; 그리고

(b) 상기 베인들과 상기 긴 중심 본체 안에 냉각수 유동 통로들을 포함하며, 상기 냉각수 유동 통로들은 상기 베인들을 통해서 안쪽으로 상기 공급 통로 수단으로부터 상기 긴 중심 본체의 냉각 통로들 안으로 물의 유동 및 상기 베인들을 통해 서 상기 냉각 통로들로부터 상기 덕트의 물 귀환 통로 수단까지 물의 유동을 위해 상기 덕트의 단부 내 상기 냉각수 공급 및 귀환 통로 수단과 연통한다.

바람직하게는 상기 덕트의 냉각수 공급 및 귀환 통로 수단은 상기 팁 수단의 상기 내부 냉각수 통로 수단과 연통하는 제1 공급 및 귀환 통로와, 상기 베인들 및 상기 긴 중심 본체의 상기 수류 통로들과 연통하는 제2 공급 및 귀환 통로들을 포함한다.

상기 덕트의 팁은 중공 환상 형태(hollow annular formation)로 형성될 수 있으며, 상기 중공 형태는 상기 팁 수단의 상기 내부 냉각수 통로 수단을 구성하는 환상 통로를 한정한다.

상기 덕트의 상기 탄소강 동심관들은 상기 수류 공급 및 귀환 통로 수단을 제공하는 일련의 환상 공간들을 한정할 수 있다.

상기 긴 중심 본체는 일반적으로 돔형 단부들을 갖는 원통 형태로 이루어질 수 있다.

바람직하게는 상기 베인들은 다줄 나선 형태(multi-start helical formation)로 형성된다. 그 때 상기 베인들은 상기 덕트 주위에서 원주방향으로 이격된 다수의 위치들에서 상기 덕트에 연결될 수 있다. 특히, 4줄 나선 형태로 배치된 4개의 베인들로 이루어질 수 있으며, 상기 베인들은 상기 베인들의 전단부들에서 상기 덕트 주위로 90°간격으로 이격된 4개의 위치들에서 상기 덕트에 연결될 수 있다.

이 경우 상기 덕트의 상기 냉각수 공급 및 귀환 통로 수단은 상기 베인들 중 하나에 냉각수가 각각 공급되도록 적당한 수의 분리된 수류 통로들을 포함할 수 있다. 상기 분리된 수류 통로들은 상기 덕트를 따라 나선형으로 연장되는 상기 덕트의 관들 간의 적당한 환상 통로 안에서 분할기(divider)들에 의해 형성될 수 있다.

상기 동심 탄소강관들의 전단부들은 상기 동심 탄소강관들의 전단부들에서 상기 팁 수단에 연결될 수 있다. 상기 관들의 후단부들은 상기 관들의 다른 열 팽창 및 수축을 조절하기 위해 상기 후단부들간의 상대적인 길이 방향 이동을 허용하도록 설치될 수 있다.

상기 베인들은 상기 베인들의 전단부들에서 상기 덕트 및 상기 중심 본체에 연결될 수 있으며, 이로 인해 열 팽창 하에서 상기 연결들로부터 상기 덕트를 따라서 이동이 자유롭게 된다.

본 발명은 또한 직접제련 방법에 의해 철함유 공급 물질로부터 철함유 금속을 생산하기 위한 장치를 제공하며, 상기 장치는 용융 금속과 용융 슬래그의 욕 및 상기 용융 욕 위로 가스 연속 공간(gas continuous space)을 함유할 수 있는 용기(vessel)를 포함하며, 상기 용기는:

(a) 기부(base)와 측면(side)들을 구비하는 내화 물질로 형성된 노저(hearth)를 포함하며;

(b) 상기 노저의 측면들로부터 상향 연장되는 측벽(side wall)들을 포함하고, 상기 측벽들은 수랭식 패널(water cooled panel)들을 포함하며;

(c) 상기 용기에 철함유 공급 물질과 탄소질 물질을 공급하기 위한 수단을 포함하며;

(d) 상기 용용 욕에서 가스 유동을 발생시키기 위한 수단을 포함하며, 상기 가스 유동은 공칭 정지 표면(nominal quiescent surface) 위에서 상향으로 용융 물질을 운반하고 상승된 욕(raised bath)을 형성하며;

(e) 800-1400℃의 온도 및 200-600 m/s의 속도로 수평축에 대해 20 내지 90°의 각도에서 상기 용기에 산소함유 가스를 주입하기 위해서 상기 용기 안으로 하향 연장되는 선행하는 단락들에 기재된 가스 주입 랜스를 적어도 하나 포함하며, 상기 랜스는:

(i) 상기 랜스가 적어도 상기 랜스의 전단부의 외경만큼의 거리로 상기 용기 안으로 연장되도록; 그리고

(ii) 상기 랜스의 전단부가 상기 용융 욕의 정지 표면 위에서 상기 랜스의 전단부 외경의 3배 이상 되는 지점에 위치하도록 배치되며; 그리고

(f) 상기 용기로부터 용융 금속과 슬래그를 출탕(tapping)하기 위한 수단을 포함한다.

바람직하게는 상기 철함유 공급 물질과 탄소질 물질의 공급 수단 및 상기 가스 유동 발생 수단은 운반 가스와 함께 공급 물질과 탄소질 물질을 상기 용융 욕에 주입하고 상기 가스 유동을 발생시키기 위한 복수의 랜스들/송풍구(tuyere)들을 포함한다.

도 1은 한 쌍의 고체 주입 랜스들 및 본 발명에 따라 구성된 고온 열풍 주입 랜스를 포함하는 직접제련 용기의 수직 단면도.

도 2는 상기 고온 공기 주입 랜스의 일 실시예의 종단면도.

도 3은 상기 랜스의 중심 구조물의 전방부(front part)의 확대 종단면도.

도 4는 상기 중심 구조물의 전단부를 나타낸 도면.

도 5 및 도 6은 상기 중심 구조물의 전방 노즈 단부의 구성도.

도 7은 상기 중심 구조물의 종단면도.

도 8은 도 7의 영역 8을 상세히 나타낸 도면.

도 9는 도 8의 선 9-9를 취한 단면도.

도 10은 도 8의 선 10-10을 취한 단면도.

도 11은 상기 고온의 공기 주입 랜스의 다른 실시예의 종단면도.

도 12는 도 11에 나타낸 상기 랜스의 전단부의 확대 종단면도.

도 13은 도 12의 선 13-13을 취한 단면도.

도 14는 도 12의 선 14-14를 취한 단면도.

도 15는 도 14의 선 15-15를 취한 단면도.

도 16은 도 15의 선 16-16을 취한 단면도.

도 17은 도 11 내지 도 16에 나타낸 상기 랜스의 전단부와 함께 배치된 중심 본체의 전방부에 형성된 수류 통로들을 나타낸 도면.

도 18은 도 11 내지 도 17에 나타낸 상기 랜스의 전방부 내 4 개의 유동 소용돌이 베인들 및 상기 중심 본체부용 유입 및 귀환 물 통로들의 배치도.

도 19는 도 11 내지 도 18에 나타낸 상기 랜스의 후방부의 확대 단면도.

이하 본 발명의 실시예들은 첨부한 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

이하 기재되는 내용은 용선(molten iron)을 생산하기 위한 철광석 제련에 관한 것이나, 본 발명은 이러한 적용에 한정되지 않으며 특히 부분적으로 환원된 철광석들 및 폐기 복귀물(waste revert material)들을 포함하여 어떤 적당한 철함유 광석들 및/또는 정광(concentrate)들에 응용될 수 있다.

도 1에 나타낸 상기 직접제련 장치는 일반적으로 참조번호 11로 표시한 야금 용기(metallurgical vessel)를 포함한다. 상기 용기(11)에는 노저(hearth), 측벽(side wall)들(14), 지붕(17), 배출가스용 출구(18), 용선을 연속적으로 방출하기 위한 전로(forehearth)(19), 용융 슬래그를 방출하기 위한 출탕구(tap-hole) (21)가 구비된다. 상기 노저는 기부(base)(12)와 내화 벽돌들로 형성된 측면(side)들(13)을 포함한다. 상기 측벽들(14)은 상기 노저의 측면들(13)로부터 상향 연장되는 일반적인 원통형 배럴(cylindrical barrel)을 형성하며, 수랭식 패널들로 형성된 상부 배럴 부분(upper barrel section)(151) 및 내화 벽돌들로 이루어진 내부 라이닝(inner lining)을 갖는 수랭식 패널들로 형성된 하부 배럴 부분(lower barrel section)(153)을 포함한다.

사용 시에, 상기 용기는 철과 슬래그의 용융 욕을 함유하며, 상기 철과 슬래그의 용융 욕은 정지 조건 하에서 용융 금속의 층(22) 및 상기 금속 층(22) 상의 용융 슬래그의 층(23)을 포함한다. 상기 용어 "금속 층(metal layer)"은 주로 금속으로 이루어진 상기 욕 영역을 의미하는 것으로 이해된다. 상기 용어 "슬래그 층(slag layer)"은 주로 슬래그로 이루어진 상기 욕 영역을 의미하는 것으로 이해된다. 참조번호 24로 표시된 화살표는 상기 슬래그 층(23) (즉 상기 용융 욕)의 공칭 정지 표면의 위치를 나타낸다. 상기 용어 "정지 표면(quiescent surface)"은 상기 용기에 가스와 고체들의 주입이 없을 때 상기 용융 욕의 표면을 의미하는 것으로 이해된다.

상기 용기에는 상기 용기의 상부 영역(upper region)으로 800-1400℃의 온도에서 고온 열풍(hot air blast)을 방출하고 상기 용융 욕으로부터 송출된 반응 가스(reaction gas)들을 후연소하기 위한 하향 연장되는 고온 공기 주입 랜스(26)가 구비된다. 상기 랜스(26)는 상기 랜스의 하부 단부(lower end)에서 외경 D를 갖는다. 상기 랜스(26)는:

(i) 상기 랜스(26)의 중심 축이 수평축에 대해 20 내지 90°의 각도에 위치함으로써 고온 공기의 주입 각이 상기 각도 범위 내에 있도록;

(ii) 상기 랜스(26)이 적어도 상기 랜스의 하부 단부의 외경 D만큼의 거리로 상기 용기 안으로 연장되도록; 그리고

(iii) 상기 랜스(26)의 하부 단부가 상기 용융 욕의 정지 표면(25) 위에서 상기 랜스의 하부 단부의 외경 D보다 적어도 3배되는 거리에 있도록 배치된다.

상기 용기에는 또한 고체 주입 랜스들(27) (두 개 도시됨)이 구비되며, 상기 랜스들(27)은 상기 용융 욕에 철광석, 고체 탄소질 물질, 및 산소결핍 운반 가스에 동반된 용제(flux)들을 주입하기 위해서 상기 측벽들(14)을 통해서 하향 안쪽으로 그리고 상기 용융 욕 안으로 연장된다. 상기 랜스들(27)의 위치는 상기 랜스들의 출구 단부(outlet ind)들(82)이 상기 금속 층(22)의 정지 표면 위에 있도록 선택된다. 상기 랜스들의 이러한 위치는 용융 금속과의 접촉으로 인한 손상 위험을 감소시키며, 또한 상기 용기에서 상기 용융 금속과의 접촉으로 발생되는 상당한 물의 위험 없이도 강제 내부 수냉(forced internal water cooling)에 의해서 상기 랜스들을 냉각시킬 수 있다.

본 발명의 출원인의 관련 회사에 의해 구성되는 상업적 용기는 직경이 6m인 노저 및 외경이 1.2m이고 약 60톤의 무게가 나가며 상기 용기 안으로 약 10m 연장되는 고온 공기 랜스(26)를 갖는다.

상기 고온 공기 주입 랜스(26)의 일 실시예의 구성이 도 2 내지 도 10에 나타나 있다.

상기 도면들에 나타낸 바와 같이 랜스(26)는 긴 덕트(elongate duct)(31)를 포함하는데, 상기 긴 덕트는 가스 입구 구조물(gas inlet structure)(32)을 통해서 고온 가스를 수용하며 상기 가스를 용기의 상기 상부 영역으로 주입한다. 상기 랜스는 후단부로부터 전단부까지 상기 가스 유동 덕트(31) 안으로 연장되는 긴 중심 관상 구조물(elongate central tubular structure)(33)을 포함한다. 상기 덕트의 상기 전단부 부근에서, 중심 구조물(33)은 상기 덕트를 빠져나가는 가스 유동에 소용돌이(swirl)를 주기 위한 일련의 4개의 소용돌이 부여 베인(vane)들(34)을 구비하고 있다. 중심 구조물(33)의 상기 전단부는 돔형 노즈(domed nose)(35)를 갖는데, 상기 돔형 노즈(35)는 덕트(31)의 상기 팁(36) 너머 전방으로 돌출하며, 이로써 상기 중심 본체의 전단부와 상기 덕트 팁(duct tip)(36)이 함께 상호 작용하여 상기 베인들(34)에 의해 부여된 소용돌이를 갖는 상기 덕트로부터의 가스 분기 유동을 위한 환상 노즐(annular nozzle)을 형성한다. 베인들(34)는 4줄 나선 형태(four-start helical formation)로 배치되며 상기 덕트의 전단부 안에 미끄럼 끼워 맞춰진다.

상기 가스 입구(32)로부터 하류로 연장되는 덕트(31)의 주된 부분의 벽은 내부적으로 수냉된다. 상기 덕트의 상기 부분은 일련의 3개의 동심강관(concentric steel tube)들(37, 38, 39)로 구성되며, 상기 동심강관들은 상기 덕트 팁(36)에 연결되는 경우 상기 덕트의 전단부까지 연장된다. 상기 덕트 팁(36)은 중공 환상 형태이고, 덕트(31)의 상기 벽 내 통로들을 통해서 공급되고 귀환하는 냉각수에 의해서 내부적으로 냉각된다. 특히, 냉각수는 입구(41) 및 환상 입구 매니폴드(annular inlet manifold)(42)를 통해서 내부 환상 수류 통로(inner annular water flow passage)(43)에 공급되며, 상기 내부 환상 수류 통로(43)은 상기 팁에서 원주방향으로 이격된 개구(opening)들을 통해서 상기 덕트 팁(36)의 중공 내부까지 통하는 상기 덕트의 상기 관들(38, 39) 간에 한정된다. 물은 원주방향으로 이격된 개구들을 통해서 상기 팁으로부터 상기 관들(37, 38) 간에 한정된 외부 환상 물 귀환 유동 통로(outer annular water return flow passage)(44)로 귀환하며, 덕트(31)의 수냉 부분의 후단부에 있는 물 출구(water outlet)(45)까지 되돌아간다.

덕트(31)의 최외각 금속관(37)의 상기 외면(outer surface)은 각각 언더컷(undercut) 또는 도브테일(dove tail) 단면을 갖는 보스(boss)들(136)의 형태의 장방형 돌출 랜드(rectangular projecting land)들의 규칙적인 패턴으로 마무리되어, 상기 보스들은 바깥쪽으로 분기하는 형태로 이루어지며 상기 랜스(26)의 외면들 상에 슬래그의 응고를 위한 중요한 형태들로 작용한다. 상기 랜스 상의 슬래그의 응고는 상기 랜스의 금속 성분들의 온도를 최소화하는데 도움이 된다.

덕트(31)의 수냉 부분은 내부 내화 라이닝(internal refractory lining)으로 내부가 라이닝되며, 상기 내부 내화 라이닝(46)은 상기 덕트의 최내각 금속관(39) 안에 구비되고 상기 덕트의 수냉 팁(36)까지 연장된다. 덕트 팁(36)의 내부 주위는 일반적으로 상기 덕트를 통과하는 가스의 효과적인 유동 통로를 한정하는 내화 라이닝의 내면과 동일 평면이다. 상기 내화 라이닝의 전단부는 꼭 맞는 미끄럼 끼워 맞춤으로 상기 소용돌이 베인들을 수용하는 약간 감소된 직경 부분(47)을 갖는다. 상기 부분(47)으로부터 후방으로 상기 내화 라이닝은 약간 큰 직경을 가짐으로써, 상기 내화 부분(47) 안으로 상기 베인들을 위치시키고 안내하는 경사식 내화 랜드(tapered refractory land)(48)에 의해 상기 베인들이 내화 부분(47)과 미끄럼 계합(snug engagement)으로 안내되는 위치인 상기 덕트의 전단부에 상기 소용돌이 베인들이 도달할 때까지 상기 중심 구조물(33)은 상기 랜스의 조립 시에 상기 덕트를 통하여 하향 삽입될 수 있다.

상기 소용돌이 베인들(34)을 구비한 중심 구조물(33)의 전단부는 냉각수에 의해 내부적으로 냉각되는데, 상기 냉각수는 상기 중심 구조물을 통해서 상기 랜스의 후단부로부터 전단부까지 전방으로 공급된 후 상기 랜스의 후단부까지 상기 중심 구조물을 따라서 되돌아간다. 이로써 상기 중심 구조물의 전단부 및 특히 상기 랜스의 작동 시에 매우 높은 열 유동을 받는 상기 돔형 노즈(35)까지 냉각수의 매우 강한 유동이 가능하게 된다.

중심 구조물(33)은 내부 및 외부 동심강관들(50, 51)을 포함하며, 상기 동심강관들은 관 단편(tube segment)들에 의해 형성되며, 단부 대 단부로 배치되고 함께 접합된다. 내부 관(50)은 중심 수류 통로(central water flow passage)(52) 및 환상 물 귀환 통로(annular water return passage)(54)를 한정하는데, 상기 중심 수류 통로(52)를 통해서 물은 상기 랜스의 후단부에 있는 물 입구(53)로부터 상기 중심 구조물의 전단 노즈(35)까지 상기 중심 구조물을 관통해 전방으로 흐르며, 상기 환상 물 귀환 통로(54)를 통해서 상기 냉각수는 노즈(35)로부터 상기 랜스의 후단부에 있는 물 출구(55)까지 상기 중심 구조물을 관통해 되돌아간다.

중심 구조물(33)의 상기 노즈 단부(35)는 내부 구리체(inner copper body) (61)을 포함하며, 상기 내부 구리체(61)는 외부 돔형 노즈 외피(outer domed nose shell)(62) 안에 구비되고 구리로 형성된다. 상기 내부 구리편(61)은 구조물(33)의 상기 중심 통로(52)로부터 물을 받아 상기 노즈의 단부로 상기 물을 안내하기 위해 중심 수류 통로(63)과 함께 형성된다. 노즈 단부(35)는 돌출 리브(projecting rib)들(64)와 함께 형성되며, 상기 리브들은 상기 노즈 외피(62) 안에 꼭 맞게 설치되어 상기 내부 부분(61)과 상기 외부 노즈 외피(62) 간에 단일 연속 냉각수 유동 통로(65)를 한정하게 된다. 특히 도 5 및 도 6에 잘 나타나 있듯이, 상기 리브들(64)는 상기 단일 연속 통로(65)가 하나의 환상 단편으로부터 다음 환상 단편까지 경사진 통로 단편들(67)에 의해 교합된 환상 통로 단편들(66)로 연장되도록 형성된다. 따라서 통로(65)는 비록 규칙적인 나선 형태는 아니지만 상기 노즈의 후단부에서 빠져나갈 때까지 상기 노즈를 따라서 주위 및 뒤로 나선형을 그리는 나선형태로 상기 노즈의 상기 팁으로부터 중심 구조물(33)의 상기 관들(51, 52) 간에 형성된 상기 환상 귀환 통로 안으로 연장된다.

중심 구조물의 상기 노즈 단부(35)를 따라서 주위 및 뒤로 연장되는 나선형 통로(65)를 통한 단일 응집 흐름의 냉각수의 강제된 유동은 효과적인 열 추출을 보장하며, 상기 냉각수가 상기 노즈에서 분리된 흐름들로 분할되는 경우 발생할 수 있는 상기 노즈 상의 "열점(hot spot)들"의 성장을 방지한다. 상기된 배치에서 상기 냉각수는 상기 노즈 단부(35)에 들어간 때부터 상기 노즈 단부를 빠져나갈 때까지 단일 흐름으로 강제된다.

내부 구조물(33)에는 상기 덕트(31)로 진입하는 고온 가스 유동으로부터 상기 중심 구조물(33) 안으로 흐르는 냉각수로의 열 전달을 차폐하기 위해서 외부 열차폐물(external heat shield)(69)가 구비된다. 대규모의 제련 설비에서 요구되는 매우 고온 및 고 가스 유동에 영향받는 경우, 고체 내화 차폐물의 수명은 단축될 수 있다. 상기된 구조에서 상기 차폐물(69)는 상표명이 UMCO인 세라믹 물질로 만든 관상 슬리브(tubular sleeve)들로 형성된다. 상기 슬리브들은 단부 대 단부로 배치되어 상기 차폐물과 상기 중심 구조물의 상기 최외각 관(51) 간의 공기 갭(air gap)(70)을 둘러싸는 연속 세라믹 차폐물을 형성한다. 특히, 상기 차폐물은 UMCO 50의 관상 단편들로 만들어질 수 있으며, 상기 UMCO 50은 탄소 0.05 내지 0.12 중량%, 규소 0.5 내지 1 중량%, 인 최대 0.5 내지 최소 0.02 중량%, 황 최대 0.02 중량%, 코발트 48 내지 52 중량% 및 나머지는 필수적으로 철을 함유한다. 이러한 물질은 바람직한 열 차폐를 제공하나 고온에서 상당한 열 팽창을 일으킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 상기 열차폐물의 개개의 관상 단편들은 도 7 내지 도 10에 나타낸 바와 같이 형성되고 장착되므로 항상 실질적으로 연속적인 차폐를 유지하는 한편 서로 독립적으로 길이방향으로 팽창할 수 있게 된다. 상기 도면들에 도시한 바와 같이 개개의 슬리브들은 중심 구조물(33)의 상기 외부 관(51)에 부착된 위치 스트립(location strip)들(71) 및 플레이트 지지구(plate support)(72) 상에 장착되며, 각 차폐 관의 후단부는 각 스트립의 독립된 길이방향 열 팽창을 가능하게 하는 단부 갭(end gap)(74)을 갖는 상기 플레이트 지지구 너머로 설치하기 위해서(73)에서 계단 모양이 된다. 반회전 스트립(anti-rotation strip)들(75)이 또한 관(52) 상의 상승된 스플라인 스트립(raised spline strip)들(76) 주위에 설치하기 위해서 각 슬리브에 부착될 수 있다.

고온 가스는 상기 가스 입구 부분(32)을 통하여 덕트(31)에 송출된다. 상기 고온 가스는 약 1200℃의 온도에서 가열 건조로(heating stove)들을 통해 제공된 산소농축 공기(oxygen enriched air)일 수 있다. 이러한 공기는 내화 라이닝된 덕트를 통하여 송출되어야 하며, 덕트(31)의 주된 수냉 부분 안으로 고속으로 송출되는 경우 심각한 부식 문제들을 유발할 수 있는 내화 그릿(refractory grit)을 끌어올리게 된다. 가스 입구(32)는 상기 덕트의 수냉 부분의 손상을 최소화하는 한편 상기 덕트가 내화 입자들을 갖는 고 체적의 고온 공기 송출(delivery)을 수용할 수 있도록 설계된다. 입구(32)는 T형 본체(81)를 포함하는데, 상기 T형 본체는 내구성 내화 재료(hard wearing refractory material)의 유닛(unit)으로 성형되며 얇은 벽이 있는 외부 금속 외피(82) 안에 위치한다. 본체(81)는 덕트(31)의 상기 중심 통로와 일직선으로 배치된 제1 관상 통로(83) 및 건조로들 (미도시)로부터 송출된 고온 기류를 수용하도록 통로(83)에 수직인 제2 관상 통로(84)를 한정한다. 통로(83)은 덕트(31)의 상기 가스 유동 통로와 일직선으로 배치되며 입구(32)의 내화 연결편(refractory connecting piece)(86) 내 중심 통로(85)를 통해서 상기 가스 유동 통로에 연결된다.

입구(32)에 송출된 고온 공기는 본체(81)의 관상 통로(84)를 통과하여 내부식성의 상기 두꺼운 내화 본체(82)의 내구성 내화벽 상에 충돌한다. 그리고 나서 상기 가스 유동은 방향을 전환하여 상기 T형 본체(81) 및 전이편(transition piece)(86)의 상기 중심 통로(85)를 통해 직각으로 아래로 흘러가서 상기 덕트의 주된 부분 안으로 흘러간다. 통로(83)의 벽은 상기 덕트 안으로 상기 유동을 촉진하도록 전방 유동 방향으로 경사지게 구성될 수 있다. 예를 들면 약 7°의 경사각으로 경사지게 구성될 수 있다. 상기 전이 내화 본체(86)는 일단에서 내화 본체(81)의 두꺼운 벽 및 덕트(31)의 상기 주된 부분의 매우 얇은 내화 라이닝(46)과 조화되도록 두께가 경사지게 구성될 수 있다. 따라서 환상 냉각수 재킷(annular cooling water jacket)(87)을 통해서 물이 냉각되며, 상기 재킷을 관통하는 냉각수는 입구(88) 및 출구(89)를 통해서 순환된다. 중심 구조물(33)의 후단부는 가스 입구(32)의 상기 관상 통로(83)을 통해서 연장된다. 통로(83)의 후단부를 밀폐하는 내화 라이너 플러그(refractory liner plug)(91) 안에 위치되며, 중심 구조물(33)의 후단부는 가스 입구(32)로부터 냉각수 유동 입구(53)과 출구(55)까지 뒤로 연장된다.

전술한 장치는 고 체적의 고온 가스를 고온에서 상기 제련 용기(11)에 주입할 수 있다. 상기 중심 구조물(33)은 다량의 냉각수를 상기 중심 구조물의 상기 노즈 부분에 신속하고 직접적으로 송출할 수 있으며, 상기 노즈 구조물 주위에서 분할되지 않은 냉각 유동으로 상기 냉각수의 강제 유동은 상기 중심 구조물의 전단부로부터 효과적인 열 추출을 가능하게 한다. 상기 덕트의 팁에 대한 독립된 냉각수 유동은 상기 랜스의 다른 고열 유동 성분들로부터 효과적인 열 추출을 가능하게 한다. 상기 덕트 안으로 하향 유동하기 전에 입구에서 내화 챔버 또는 통로의 두꺼운 벽과 충돌하는 고온 기류를 입구로 방출함으로써 내화 라이닝의 심각한 부식 및 상기 랜스의 주된 부분에서의 열차폐 없이도 내화 그릿으로 오염된 고 체적의 공기를 처리할 수 있게 된다.

비록 유일하게 다른 것은 아니지만 상기 고온 공기 주입 랜스(26)의 다른 실시예 구성이 도 11 내지 도 19에 나타나 있다.

상기 도면들에 나타낸 바와 같이, 랜스(26)는 긴 덕트(31)를 포함하며, 상기 덕트를 통해서 고온 공기가 유동할 수 있으며, 상기 공기는 농축된 산소일 수 있다. 덕트(31)는 일련의 4개의 동심강관들(32, 33, 34, 35)로 구성되며, 상기 강관들은 상기 강관들이 팁 단부편(37)에 연결되는 상기 덕트의 전단부(36)까지 연장된다. 긴 본체부(elongate body part)(38)은 상기 덕트의 상기 전단부(36) 안 중심에 배치되며 일련의 4개의 소용돌이 부여 베인들(39)를 구비한다. 중심 본체부(38)는 불노즈(bull-nosed)형 또는 돔형 전단부 및 후단부(41, 42)를 갖는 긴 원통 형태로 이루어진다. 베인들(39)은 4줄 나선 형태로 배치되고 전단부들에서 방사상으로 바깥으로 연장되는 베인 단부들(45)에 의해서 상기 덕트의 전단부들에 연결된다.

덕트(31)는 그 길이 전체에 걸쳐 내부적으로 내부 내화 라이닝(43)에 의해 라이닝되며, 상기 내부 내화 라이닝(43)은 상기 덕트의 최내각 금속관(35) 안에 설치되고 상기 베인들의 상기 전단부들(42)까지 연장되며, 상기 베인들(39)은 상기 전단부들(42) 뒤에서 상기 내화 라이닝 안에 깔끔하게 설치된다.

상기 덕트의 상기 팁 단부편(37)은 중공 환상 헤드(hollow annular head) 또는 팁 구성물(tip formation)(44)을 가지며, 상기 중공 환상 헤드 또는 팁 구성물 (44)은 상기 덕트를 통한 가스의 효과적인 유동 통로를 한정하는 상기 내화 라이닝 (43)의 내벽과 일반적으로 동일 평면에 있도록 상기 덕트의 잔부(remainder)로부터 전방으로 돌출된다. 중심 본체부(38)의 상기 전단부는 상기 팁 구성물(44) 너머 전방으로 돌출되므로 상기 본체부의 상기 전단부와 상기 팁 구성물은 함께 상호 작용하여 환상 노즐을 형성하며, 상기 고온 열풍은 상기 베인들(39)에 의해 부여된 강한 회전 또는 소용돌이 운동을 갖는 환상 분기 유동으로 상기 환상 노즐로부터 빠져 나온다.

본 발명에 따라서, 덕트 팁 구성물(44), 중심 본체부(38) 및 베인들(39)은 냉각수 유동들에 의해 내부적으로 수냉되며, 상기 냉각수 유동들은 상기 덕트 벽을 통하여 연장되는 일반적으로 51로 표시된 냉각수 유동 통로에 의해 제공된다. 수류 통로 수단(water passage means)(51)은 상기 덕트 관들(33, 34) 간의 상기 환상 공간에 의해 한정된 물 공급 통로(52)를 포함하며, 이로써 팁 단부편(37)에서 원주방향으로 이격된 개구들(54)을 통해 덕트 팁 구성물(44)의 상기 중공 내부(53)에 냉각수가 공급된다. 물은 원주방향으로 이격된 개구들(55)을 통하여 상기 팁 단부편으로부터 상기 덕트 관들(32, 33) 간에 한정되고 또한 상기 수류 통로 수단(51)의 부분을 형성하는 환상 물 귀환 유동 통로(56)으로 되돌아간다. 따라서 팁 단부편 (37)의 상기 중공 내부(53)은 연속적으로 냉각수가 공급되어 내부 냉각 통로로 작용하게 된다. 상기 랜스 팁용 냉각수는 상기 랜스의 후단부에 있는 물 입구(57)을 통해서 공급 통로(52) 안에 송출되며, 되돌아가는 물은 또한 상기 랜스의 후단부에 있는 출구(58)를 통하여 상기 랜스를 빠져나간다.

덕트 관들(34, 35) 간의 상기 환상 공간(59)은 나선형으로 감겨진 분할기 막대들에 의해 8개의 분리된 나선형 통로들(60)로 분할되며, 상기 나선형 통로들(60)은 상기 덕트의 상기 후단부로부터 상기 덕트의 상기 전단부(36)까지 연장된다. 이러한 통로들 중 4개에는 베인들(39)과 본체부(38)의 냉각을 위해 독립적으로 물을 공급하는 4개의 원주방향으로 이격된 물 입구들 62를 통해서 물이 개별적으로 공급된다. 물 입구들 62는 환상 공급 매니폴드 90을 통해서 공통의 물 공급 관 80과 연통한다. 다른 4개의 통로들(60)은 공통의 환상 귀환 매니폴드 통로(63) 및 단일 물 출구(64)에 연결된 귀환 유동 통로들로 작용한다.

베인들(39)은 중공 형태로 이루어지며 상기 내부들은 물 출구 및 입구 유동 통로들을 형성하도록 나누어지며, 상기 통로들을 통하여 물은 내부 냉각수용 수류 통로들과 함께 형성되는 중심 본체부(38)까지 그리고 상기 중심 본체부로부터 흐른다. 베인들(39)의 상기 전단부들(45)은 4개의 물 입구 슬롯(water inlet slot)들 (65) 주위에서 최내각 덕트 관(35)의 전단부에 연결되며, 상기 물 입구 슬롯들을 통해서 물은 상기 4개의 분리되어 공급된 물 입구 유동 통로들로부터 상기 베인들의 상기 전단부들에서 방사상으로 안쪽으로 배치된 입구 통로들(66) 안으로 흐른다. 그리고 나서 상기 냉각수는 중심 본체부(38)의 상기 전단부로 흘러간다.

중심 본체부(38)는 주된 원통형 부분(71) 및 돔형 전단편 및 후단편(41, 42)으로 형성된 케이싱(casing)(70) 안에 설치된 전방 및 후방 내부 본체부들(68, 69)로 구성되며, 상기 원통형 부분과 전단편과 후단편은 내화 그릿 또는 고온 가스 유동에 의해 운반되는 다른 입자 물질에 대한 내마모성을 갖는다. 상기 내부 부분들 (68, 69) 및 상기 본체부의 상기 외부 케이싱간의 틈새 공간(clearance space)(74)는 상기 내부 본체부들(68, 69)의 상기 외부 주위 표면들 상에 형성된 분할기 리브들(77, 78)에 의해서 두 세트(set)의 주위 수류 통로들(75, 76)로 세분된다. 주변 수류 채널(peripheral water flow channel)들(75)의 상기 전방 세트는 도 17에 나타낸 방식으로 상기 중심 본체부의 상기 전단부로부터 그리고 상기 본체 주위에서 후방으로 부채꼴로 펼쳐진다. 유동 안내 삽입물(flow guide insert)(81)은 상기 내부 본체부(68) 안 중심에 위치하여 수류 통로(67)를 통해 연장되며 상기 통로들을 4개의 원주방향으로 이격된 수류 통로들로 분할하며, 상기 4개의 원주방향으로 이격된 수류 통로들은 상기 베인들의 상기 전단부의 상기 물 입구 통로(66)를 통해서 유입되는 물의 유동들을 독립적으로 수용하며, 이로써 상기 중심 본체부의 상기 전단부까지 4개의 독립된 물 입구 유동들이 유지된다. 이러한 분리된 수류들은 상기 4개의 전방부 주변 수류 채널들(75)과 연통하며, 상기 채널들을 통해서 물은 상기 중심 본체부의 상기 전단부 주위에서 뒤로 흐르게 된다.

배플 플레이트(baffle plate)(82)는 상기 베인들의 상기 전단부들의 상기 물 입구 통로들(66, 67)을 분할하며, 상기 중심 본체부 및 상기 베인들의 후방 부분들의 수류 통로들로부터 상기 중심 본체부를 분할한다. 상기 전방 주변 채널들(75)을 통해 뒤로 흐르는 물은 상기 후방 본체부(69)의 중심 통로(84) 안으로 되돌아 흘러가기 위해 상기 입구 통로들(66) 간에 배치된 상기 배플의 슬롯(slot)들(83)을 통하여 연장된다. 상기 통로는 또한 상기 중심 본체의 후단부까지 상기 4개의 분리된 수류들이 계속되도록 조절 유동 가이드(control flow guide)(85)에 의해 4개의 분리된 유동 채널들로 분할된다. 상기 후방 주변 유동 채널들(76)은 상기 중심 본체의 상기 전단부에서 부차통로들(75)에 유사한 형태로 4개가 한 세트로 배치되므로, 상기 본체의 상기 후단부에서 상기 4개의 분리된 수류들을 수용하며 상기 케이싱 내 4개의 원주방향으로 이격된 출구 슬롯들(86)과 등이 맞대 있는 상기 본체의 주위에서 상기 수류들을 되돌리며, 상기 케이싱을 통해서 물은 상기 베인들의 귀환 통로들(87) 안으로 흐르게 된다.

상기 중공 베인들은 길이방향 배플들(89)에 의해 내부적으로 분할되므로, 상기 냉각수 통로들은 상기 베인들의 상기 외부 길이방향 단부들을 따라 바깥쪽 및 전방으로 상기 베인들의 후단부들과 등이 맞대 있는 상기 베인들의 상기 내부 전단부들로부터 상기 베인들의 상기 후단부들(42)의 방사상으로 연장되는 물 출구 통로들(91)까지 연장되며, 상기 출구 통로들(91)은 상기 덕트의 후단부에서 상기 공통 출구(64)까지 상기 덕트 벽을 통해서 뒤로 연장되는 상기 4개의 원주방향으로 이격된 귀환 통로들과 출구 슬롯들(93)을 통하여 연통한다.

배플(82)은 상기 베인들 안에서 상기 입구 및 출구 통로들(66, 91)을 분할하며, 각 베인용 상기 물 입구 및 출구 유동 슬롯들(65, 93)은 도 3에 나타낸 바와 같이 상기 베인들의 나선 각에 적합한 길이방향 각도로 상기 내부 덕트 관(35)의 상기 전단부에 형성된다.

상기 4개의 동심 덕트 관들(32, 33, 34, 35)의 상기 전단부들은 상기 팁 단부편(37)의 3개의 플랜지(flange)들(94, 95, 96)에 접합함으로써 상기 랜스의 전단부에서 강한 구조물로 단단하게 연결된다. 상기 덕트 관들의 후단부들은 서로에 대해 길이방향으로 이동할 수 있기에 상기 랜스의 작동 중에 다른 열 팽창이 허용된다. 도 19에 잘 나타나 있듯이, 덕트 관(32)의 후단부에는 돌출된 플랜지(outstanding flange)(101)가 구비되며, 상기 플랜지(101)에 대해 접합된 연속 구조물(102)이 있으며, 상기 연속 구조물(102)은 여러 물 입구들 및 출구들(57, 58, 80, 64)을 지탱한다. 구조물(102)은 덕트 관(33)의 상기 후단부용의 미끄럼 마운팅(sliding mounting)으로 작용하는 O-링 밀봉(O-ring seal)(104)을 구비한 내부 환상 플랜지(internal annular flange)(103)를 포함하므로, 상기 덕트 관(33)은 상기 외부 덕트 관(32)과는 독립적으로 길이방향 팽창 및 수축을 할 수 있다. 덕트 관(34)의 후단부에 접합된 구조물(105)은 O-링 밀봉들(108, 109)을 구비한 환상 플랜지들(106, 107)을 포함하며, 상기 O-링 밀봉들(108, 109)은 덕트 관(32)의 후단부에 고정된 상기 외부 구조물(102) 안에서 상기 덕트의 후단부용 미끄럼 마운팅을 제공하여 덕트 관(34)도 또한 덕트 관(32)과 독립적으로 팽창 및 수축할 수 있게 된다. 상기 최내각 덕트 관(35)의 후단부에는 상기 외부 구조물(102)에 부착된 환상 링(113)과 계합하는 O-링 밀봉(112)을 갖춘 돌출된 플랜지(111)가 구비되어, 최내각 덕트 관에 독립된 길이방향 팽창 및 수축을 허용하는 미끄럼 마운팅이 제공된다.

상기 유동 안내 베인들(39) 및 상기 내부 본체부(38)의 열 팽창을 위한 설비가 또한 만들어진다. 상기 베인들(39)은 상기 덕트에 연결되며, 상기 베인들의 전단부들에서 특히 상기 베인들의 전단부들의 내부 및 외부 부분들에서 물 입구 및 출구 유동들이 있는 위치들에서만 상기 내부 본체부에 연결된다. 상기 베인들의 주된 부분들은 상기 덕트의 상기 내화 라이닝(43)과 중심 본체부(38)의 상기 케이싱 사이에 간단히 부착되며 길이방향으로 자유롭게 팽창할 수 있다. 상기 내부 본체부의 상기 후방 부분 안의 상기 수류 분할기(85)는 베플(82) 상의 관상 스피고트(tubular spigot)(122)의 가공 표면 안으로 미끄러지는 원형 단부 플레이트(circular front end plate)를 구비함으로써 상기 분리된 수류 통로들 간의 밀봉을 유지하는 한편 열 팽창 하에서 상기 중심 본체부의 전단부 및 후단부가 서로 떨어져 이동하는 것이 허용된다. 상기 중심 본체부의 전단부와 후단부 간의 상기 열 팽창을 수용하도록 열 팽창 이음(thermal expansion joint)(133)이 제공된다.

다른 열 팽창이 가능하도록, 상기 베인들(39)은 그들이 단면에서 상기 중심 본체부의 상기 케이싱과 상기 덕트의 상기 내화 라이닝 사이에서 방사상으로 바깥쪽으로 신장하는 것이 아니라 상기 랜스 관들 및 중심 본체가 냉각될 때 정확히 방사상 방향으로 일정 각도에서 약간 엇갈리도록 형성될 수 있다. 상기 랜스의 작동 중에 상기 덕트 관들의 잇따른 팽창은 상기 베인들이 정확히 방사상 위치들을 향해 끌어당겨지게 되는 것을 허용하는 한편 상기 덕트 라이닝 및 중심 본체부와의 적당한 접촉은 유지하면서 열 팽창으로 인한 상기 베인들 상의 방사상 응력(radial stress)을 방지한다.

전술한 고온의 공기 주입 랜스의 작동 중에, 독립된 냉각수 유동들이 상기 4개의 소용돌이 베인들(39)에 송출되어 다른 유동 효과들로 인한 냉각율의 손실이 없게 된다. 상기 독립된 냉각수 유동들이 또한 상기 중심 본체부(38)의 전단부 및 후단부에 제공되어 가능한 차별적인 유동 효과들 때문에 발생되는 수류 부족으로 인한 열점들이 제거된다. 이는 상기 제련 용기 안의 극단적인 고온 조건에 노출되는 상기 중심 본체부의 상기 전단부(41)의 냉각에 있어 특히 중요하다.

상기 덕트 관들은 열 팽창 및 수축 효과 하에서 길이방향으로 독립적으로 팽창 및 수축할 수 있으며, 베인들 및 중심 본체부들도 또한 상기 랜스의 구조적 완결성 또는 냉각수의 다른 독립된 유동들의 지속을 손상시키지 않으면서 팽창 및 수축할 수 있게 된다.

상기한 랜스는 고온 제련 공정에 의해 철을 생산하는 직접제련 용기의 극단적인 온도 조건 하에서 작동할 수 있다. 일반적으로 상기 4개의 소용돌이 베인들 및 상기 중심 본체부를 통과하는 냉각수 유속은 약 90m³/Hr이 되며, 상기 외부 하우징 및 상기 랜스 팁을 통과하는 유속은 약 400m³/Hr이 된다. 따라서 전체 유속은 약 1500kPag의 최대 작동 압력에서 약 490m³/Hr이 될 수 있다.

상기한 랜스는 직접제련 용기 안에 고온 열풍을 주입하도록 구성되어 있으나, 유사한 랜스들이 고온 조건들이 지배적인 어떤 용기 안에 가스들을 주입하기 위해, 예를 들면 가열로(furnace vessel) 안에 산소, 공기 또는 연료 가스들을 주 입하는데 사용될 수 있다.

따라서 본 발명은 전술한 구조의 세부사항들에 한정되지 않으며, 많은 변경과 변형이 본 발명의 범위 내에서 가능하다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (35)

1. 용융 물질의 욕을 함유하는 용기 안에 예열된 산소함유 가스를 주입하기 위한 랜스에 있어서, 상기 랜스는:

   (a) 덕트로부터 가스를 방출하기 위해 후부로부터 상기 덕트의 전단부까지 연장되는 긴 가스 유동 덕트를 포함하며, 상기 덕트는; (i) 상기 덕트에 주된 구조 지지를 제공하는 내부 및 외부 동심 탄소강관들과, (ii) 냉각수의 공급과 귀환을 위해 상기 후단부로부터 상기 덕트의 전단부까지 상기 덕트 벽을 통해 연장되는 냉각수 공급 및 귀환 통로 수단과, (iii) 상기 덕트 상에 동결 슬래그 층을 유지하기에 적합한 기계적 수단을 포함하는 외면을 포함하며;

   (b) 상기 덕트의 후단부 안으로 고온 가스를 도입하기 위한 가스 입구를 포함하며;

   (c) 상기 덕트의 전단부에서 상기 동심관들에 연결된 팁 수단을 포함하며;

   (d) 상기 덕트를 통한 800-1400℃의 가스 유동에 대한 노출로부터 상기 덕트를 보호할 수 있는 내화 물질 또는 다른 물질로 형성된 보호 라이닝을 포함하며, 상기 라이닝은 상기 강관들에 비해 열절연성을 갖는 비금속 물질로 이루어지며; 그리고

   (e) 상기 덕트의 전단부를 통하여 가스 유동에 소용돌이를 부여하도록 상기 덕트에 배치된 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 랜스.
2. 제1항에 있어서, 상기 덕트는 상기 덕트의 전단부까지 연장되는 3개 이상의 동심강관들을 포함하는 것을 특징으로 하는 랜스.
3. 제1항에 있어서, 상기 가스 입구는 내화체를 포함하며, 상기 내화체는 상기 덕트의 후단부까지 일직선으로 연장되고 정렬된 제1 관상 가스 통로 및 고온 가스와 그에 동반된 다른 입자들이 상기 제1 통로의 내화벽에 충돌하도록 고온 가스를 수용하고 상기 고온 가스를 상기 제1 통로로 안내하며 상기 제1 통로와 직각을 이루는 제2 관상 가스 통로를 한정하여, 상기 가스 유동은 상기 제1 통로부터 상기 제2 통로까지 통과 방향의 변화가 있게 되는 것을 특징으로 하는 랜스.
4. 제1항에 있어서, 상기 덕트의 외면상의 상기 기계적 수단은 상기 덕트 상의 동결 슬래그를 유지하고 교합하도록 형성된 돌출부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 랜스.
5. 제4항에 있어서, 상기 돌출부들은 언더컷 또는 도브테일 단면을 갖는 각 랜드를 구비한 랜드들로 이루어짐으로써 상기 랜드들이 바깥으로 분기하는 형태를 이루고 슬래그의 응고에 중요한 형태들로 작용하게 되는 것을 특징으로 하는 랜스.
6. 제1항에 있어서, 상기 팁 수단은 중공 환상 구조이고 구리함유 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 랜스.
7. 제6항에 있어서, 상기 덕트의 전단부는 중공 환상 팁 형태로 형성되며, 상기 덕트는 상기 덕트를 따라 전방으로 흐르는 냉각수를 상기 덕트에 공급하고 상기 덕트를 따라 뒤로 상기 냉각수를 귀환시키기 위한 팁 수단의 냉각수 공급 및 귀환 통로들을 포함하는 것을 특징으로 하는 랜스.
8. 제1항에 있어서, 상기 랜스는 상기 덕트의 전단부 안에서 중심에 배치된 긴 본체를 더 포함함으로써 상기 덕트의 전단부를 통과하는 가스가 상기 긴 중심 본체를 따라 위로 흐르게 되는 것을 특징으로 하는 랜스.
9. 제8항에 있어서, 상기 긴 본체의 전단부와 상기 팁 수단은 함께 상호 작용하며 상기 소용돌이 수단에 의해 부여된 소용돌이를 갖는 상기 덕트로부터의 가스 유동을 위한 환상 노즐을 형성하는 것을 특징으로 하는 랜스.
10. 제9항에 있어서, 상기 소용돌이 수단은 복수의 유동 안내 베인들을 포함하며, 상기 베인들은 상기 덕트의 전단부를 통하여 가스 유동에 소용돌이를 부여하도록 상기 긴 본체에 연결되는 것을 특징으로 하는 랜스.
11. 제10항에 있어서, 상기 긴 본체는 후단부로터 전단부까지 상기 가스 유동 덕 트 안으로 연장되는 긴 중심 관상 구조물이며, 상기 베인들은 상기 덕트의 전단부까지 상기 가스 유동에 소용돌이를 부여하도록 상기 덕트의 전단부에 인접한 상기 중심 관상 구조물 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 랜스.
12. 제11항에 있어서, 상기 중심 관상 구조물은 전단부까지 냉각수의 전방 유동을 위한 냉각수 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 랜스.
13. 제12항에 있어서, 상기 중심 관상 구조물은 냉각수가 후단부에서 전단부까지 상기 중심 구조물을 통해서 전방으로 유동하여 내부적으로 상기 전단부를 냉각한 후 상기 중심 구조물을 통해서 후단부까지 되돌아가기 위한 냉각수 통로들을 포함하는 것을 특징으로 하는 랜스.
14. 제13항에 있어서, 상기 중심 관상 구조물은 냉각수가 상기 구조물을 통해서 상기 중심 구조물의 전단부까지 전방으로 유동하기 위한 중심 수류 통로, 및 냉각수가 상기 중심 구조물의 전단부로부터 상기 구조물의 후단부까지 뒤로 돌아 유동하도록 상기 중심 통로 주위에 배치된 환상 수류 통로를 한정하는 것을 특징으로 하는 랜스.
15. 제14항에 있어서, 상기 중심 관상 구조물은 상기 중심 수류 통로를 제공하는 중심 관 및 관들 사이에 상기 환상 수류 통로가 한정되도록 상기 중심 관 주위에 배치된 다른 관을 포함하는 것을 특징으로 하는 랜스.
16. 제13항에 있어서, 상기 중심 관상 구조물은 상기 가스 유동 덕트의 가스로부터 상기 중심 구조물의 상기 냉각수 통로들로의 열전달을 차단하는 열절연 외부 차폐물을 포함하는 것을 특징으로 하는 랜스.
17. 제16항에 있어서, 상기 열절연 차폐물은 열절연재로 이루어진 복수의 관상 단편들을 포함하며, 상기 관상 단편들은 상기 열 차폐물 안에 근접하게 배치된 환상 공기 갭 주위에서 상기 후단부로부터 상기 중심 관상 구조물의 전단부까지 연장되는 실질적으로 연속적인 관으로 상기 열차폐물을 형성하도록 단부 대 단부로 배치되는 것을 특징으로 하는 랜스.
18. 제17항에 있어서, 상기 공기 갭은 상기 관상 열 차폐물 및 상기 환상의 냉각수 귀환 유동 통로의 외벽을 한정하는 다른 관 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 랜스.
19. 제14항에 있어서, 상기 중심 관상 구조물의 전단부는 반구형의 노즈 부분을 포함하며, 상기 반구형의 노즈 부분은 내부에 단일 나선형 냉각수 통로를 구비하여 상기 노즈 부분의 팁에서 상기 중심 구조물 내 상기 중심 수류 통로로부터 물을 수용하고 상기 노즈 부분 주위 및 상기 노즈 부분을 따라서 후방의 단일 유동에 상기 물을 안내하여 냉각수의 단일 응집 흐름으로 상기 노즈 부분을 냉각하는 것을 특징으로 하는 랜스.
20. 제11항에 있어서, 상기 덕트가 상기 덕트의 전단부까지 연장되는 3개 이상의 동심강관들을 포함하는 경우, 상기 중심 관상 구조물은 상기 가스 입구의 상기 제1 가스 유동 통로를 통해서 중심으로 연장되고 상기 가스 입구 너머 후방으로 연장되는 것을 특징으로 하는 랜스.
21. 제20항에 있어서, 상기 중심 관상 구조물의 후단부는 상기 가스 입구의 후방에 위치하며, 상기 랜스는 상기 중심 구조물까지 그리고 상기 중심 구조물로부터의 냉각수 유동을 위한 물 커플링들을 포함하는 것을 특징으로 하는 랜스.
22. 제10항에 있어서, 상기 유동 안내 베인들은 상기 덕트의 전단부를 통해서 가스 유동에 소용돌이를 부여하도록 상기 긴 중심 본체와 상기 덕트 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 랜스.
23. 제22항에 있어서, 상기 랜스는:

    (a) 냉각수의 유동을 수용하고 귀환시켜 상기 덕트 팁이 내부적으로 냉각되도록 상기 덕트의 냉각수 공급 및 귀환 통로 수단에 연통하는 상기 팁 수단 안에 내부 냉각수 통로 수단을 포함하며; 그리고

    (b) 상기 베인들과 상기 긴 중심 본체 안에 냉각수 유동 통로들을 포함하며, 상기 냉각수 유동 통로들은 상기 베인들을 통해서 안쪽으로 상기 공급 통로 수단으로부터 상기 긴 중심 본체의 냉각 통로들 안으로 물의 유동 및 상기 베인들을 통해서 상기 냉각 통로들로부터 상기 덕트의 물 귀환 통로 수단까지 물의 유동을 위해 상기 덕트의 단부에서 상기 냉각수 공급 및 귀환 통로 수단과 연통하는 것을 특징으로 하는 랜스.
24. 제23항에 있어서, 상기 덕트의 냉각수 공급 및 귀환 통로 수단은 상기 팁 수단 내 상기 내부 냉각수 통로 수단과 연통하는 제1 공급 및 귀환 통로와, 상기 베인들 및 상기 긴 중심 본체 내 상기 수류 통로들과 연통하는 제2 공급 및 귀환 통로들을 포함하는 것을 특징으로 하는 랜스.
25. 제23항에 있어서, 상기 팁 수단은 중공 환상 형태로 형성되며, 상기 중공 형태는 상기 팁 수단의 상기 내부 냉각수 통로 수단을 구성하는 환상 통로를 한정하는 것을 특징으로 하는 랜스.
26. 제1항에 있어서, 상기 덕트의 상기 동심 탄소강관들은 상기 냉각수 공급 및 귀환 통로 수단을 제공하는 일련의 환상 공간들을 한정하는 것을 특징으로 하는 랜스.
27. 제22항에 있어서, 상기 베인들은 다줄 나선 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 랜스.
28. 제26항에 있어서, 상기 베인들은 상기 덕트 주위에서 원주방향으로 이격된 다수의 위치들에서 상기 덕트에 연결되는 것을 특징으로 하는 랜스.
29. 제27항에 있어서, 4줄 나선 형태로 배치된 4개의 베인들로 이루어지며, 상기 베인들은 상기 베인들의 전단부들에서 상기 덕트 주위로 90°간격으로 이격된 4개의 위치들에서 상기 덕트에 연결되는 것을 특징으로 하는 랜스.
30. 제28항에 있어서, 상기 덕트의 상기 냉각수 공급 및 귀환 통로 수단은 상기 베인들 중 하나에 냉각수가 각각 공급되도록 적당한 수의 분리된 수류 통로들을 포함하는 것을 특징으로 하는 랜스.
31. 제29항에 있어서, 상기 분리된 수류 통로들은 상기 덕트를 따라 나선형으로 연장되는 상기 덕트의 관들 간의 적당한 환상 통로 안에서 분할기들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 랜스.
32. 제1항에 있어서, 상기 동심 탄소강관들의 전단부들은 상기 동심 탄소강관들의 전단부들에서 상기 팁 수단에 연결되는 것을 특징으로 하는 랜스.
33. 제31항에 있어서, 상기 동심 탄소강관들의 후단부들은 상기 관들의 다른 열 팽창 및 수축을 조절하기 위해 상기 후단부들간의 상대적인 길이 방향 이동을 허용하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 랜스.
34. 직접제련 방법에 의해 철함유 공급 물질로부터 철함유 금속을 생산하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는 용융 금속과 용융 슬래그의 욕 및 상기 용융 욕 위로 가스 연속 공간을 함유할 수 있는 용기를 포함하며, 상기 용기는:

    (a) 기부와 측면들을 구비하는 내화 물질로 형성된 노저를 포함하며;

    (b) 상기 노저의 측면들로부터 상향 연장되는 측벽들을 포함하고, 상기 측벽들은 수랭식 패널들을 포함하며;

    (c) 상기 용기에 철함유 공급 물질과 탄소질 물질을 공급하기 위한 수단을 포함하며;

    (d) 상기 용용 욕에서 가스 유동을 발생시키기 위한 수단을 포함하며, 상기 가스 유동은 공칭 정지 표면 위에서 상향으로 용융 물질을 운반하고 상승된 욕을 형성하며;

    (e) 800-1400℃의 온도 및 200-600 m/s의 속도로 수평축에 대해 20 내지 90°의 각도에서 상기 용기에 산소함유 가스를 주입하기 위해서 상기 용기 안으로 하향 연장되는 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 따른 가스 주입 랜스를 적어도 하 나 포함하며, 상기 랜스는:

    (i) 상기 랜스가 적어도 상기 랜스의 전단부의 외경만큼의 거리로 상기 용기 안으로 연장되도록; 그리고

    (ii) 상기 랜스의 전단부가 상기 용융 욕의 정지 표면 위에서 상기 랜스의 전단부 외경의 3배 이상 되는 지점에 위치하도록 배치되며; 그리고

    (f) 상기 용기로부터 용융 금속과 슬래그를 출탕하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
35. 제34항에 있어서, 상기 철함유 공급 물질과 탄소질 물질의 공급 수단 및 상기 가스 유동 발생 수단은 운반 가스와 함께 공급 물질과 탄소질 물질을 상기 용융 욕에 주입하고 상기 가스 유동을 발생시키기 위한 복수의 랜스들/송풍구들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.

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