KR100982828B1 - 야금용 랜스 - Google Patents

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Abstract

미립물질을 액체내로 취입하기 위한 야금용 랜스(metallurgical lance)는 제 1 라발 노즐(first Laval nozzle)(38)에서, 상기 노즐의 스로트부의 하류에서 그 출구가 종단되는 축방향 메인 가스 통로를 포함한다. 환형 연소 챔버(36)의 형태인 슈라우딩 가스 통로(shrouding gas passage)는 메인 가스 튜브를 둘러싸고 제 2 라발 노즐(42)에서 종단된다. 미립물질 반송 튜브(4)는 미립물질이 제 1 라발 노즐(38) 내로, 그 스로트부의 하류로 도입되게 하는 통로를 형성한다. 제 1 라발 노즐(38)은 냉각제의 흐름을 위한 환형 냉각 통로(40)를 구비한다.

Description

야금용 랜스{LANCE FOR INJECTING PARTICULATE MATERIAL INTO LIQUID METAL}
본 발명은 미립물질(particulate material)을 액체(liquid)내로 취입하기 위한 야금용 랜스(metallurgical lance)에 관한 것이다.
가스 및 고형물을 용융 금속의 용적내로 취입하기 위한 야금 공정이 공지되어 있다. 예를 들면 미립 카본이 노(furnace) 내로 취입되어 철 또는 스틸이나 비철금속의 정련에 관여될 수 있다. 전형적으로, 미립물질은 캐리어 가스(carrier gas)중에서 노내로 취입된다. 캐리어 가스는 노내에서 비반응성일 수 있으며, 또는 산소와 같은 반응 가스일 수 있다.
미립물질이 용융 금속내로 적절하게 침투하기 위해서, 고속으로 취입시킬 필요가 있다. 그러나 대기를 통해 이동할 때 가스의 고속 제트의 감쇄율은 매우 높다. 따라서, 미립물질이 취입되는 랜스의 출구를 용융 금속의 표면에 매우 근접한 상태로 하는 것이 바람직하다. 또는, 캐리어 가스 제트의 감쇄율이 상대적으로 낮도록 보장하는 랜스 구성을 이용하는 것이 바람직하다. 적당한 구성의 랜스를 선택하는 것은 야금 환경에서 종종 특히 중요한데, 그 이유는 랜스의 말단부가 용융 금속의 표면에 너무 근접해 위치된다면, 랜스의 말단부가 부식되거나, 또는, 예를 들면 용융 금속이 튀는 것(splashing)에 의해 손상될 위험이 있기 때문이다. 미국 특허 제6,254,379호에는 반응 영역에 반응제를 제공하는 방법이 개시되어 있다. 반응제는 미립물질일 수 있으며, 반응 영역은 노내에 형성될 수 있다. 해당 방법은,
(A) 캐리어 가스에 반응제를 제공하고, 반응제를 포함하는 캐리어 가스를 가스 제트로서 인젝터로부터 거리(d)를 거쳐 취입 공간내로 통과시키는 단계와,
(B) 인젝터로부터 거리(d)를 거치는 동안 화염 포락(flame envelope)으로 상기 가스 제트를 둘러싸서 거리(d)동안 가스 제트를 일정하게 유지하는 단계와,
(C) 상기 반응제를 포함하는 캐리어 가스를 거리(d)를 지나서 취입 공간내로 더 통과시켜, 일정하지 않은 가스 스트림으로서 화염 포락의 선단부를 지난 반응 영역내로 통과시키는 단계와,
(D) 상기 일정하지 않은 가스 스트림으로부터 반응제를 반응 영역에 제공하는 단계를 포함한다.
상술한 방법의 단계 (A)에서, 인젝터는 라발 노즐(Laval nozzle)이다. 라발 노즐은 가스 제트가 초음속으로 형성될 수 있게 한다. 라발 노즐은 흐름 방향으로 수렴부, 스로트부(throat) 및 발산부를 구비하고 있다. 반응제는 스로트부의 상류에서 노즐내로 도입된다. 이것은 노즐에 손상이 야기되는 단점이 있다.
미국 특허 제6,265,379호에 따르면, 일정한 가스 제트는 그 직경이 스트림의 길이를 따라 실질적으로 증가하지 않는 가스 스트림이며, 가스 스트림내로의 주위 가스의 유입율이 비반응성 난류 제트내로의 주위 가스의 유입율보다 실질적으로 적다. 가스 제트의 일정성(degree of coherency)을 획득하기 위해 이용되는 화염 포락은, 인젝터의 선단에 연료 및 산화제(oxident)를 공급하고 상기 선단의 하류의 화염 영역에서 연료 및 산화제가 혼합되도록 함으로써 형성된다. 비록 반응제를 운반하기 위하여 초음속 가스 제트가 이용되지만, 화염은 아음속으로 형성된다. 가스 제트 속도와 화염 속도 사이의 불일치의 결과로, 제트 속도의 감쇄율을 줄이는데 있어서 화염의 효율성이 저하된다.
상술한 문제점은 본 발명에 따른 야금용 랜스에 의해 해결된다.
발명의 요약
본 발명에 따르면, 미립물질을 액체내로 취입하기 위한 야금용 랜스(metallurgical lance)로서, 상기 랜스는 제 1 라발 노즐(first Laval nozzle)에서 그 출구 단부가 종단되는 축방향 메인 가스 통로와, 제 2 라발 노즐에서 그 출구 단부가 종단되는, 상기 메인 가스 통로 둘레의 슈라우딩 가스 통로(shrouding gas passage)와, 상기 제 1 라발 노즐에서 그 스로트부(throat)의 하류에서 종단되는 축방향 출구를 구비하는 미립물질 반송 통로를 포함하며, 상기 제 1 라발 노즐은 외부 냉각제의 흐름을 위한 적어도 하나의 냉각 통로를 구비하는, 야금용 랜스가 제공된다.
미립물질을 메인 가스 제트내로 도입함으로써, 미립물질이 통상 아음속으로 그 반송 통로에서 운반될지라도, 미립물질을 고속으로 액체 내로 도입할 수 있다. 또한, 미립물질이 제 1 라발 노즐의 발산부내로 도입되기 때문에, 제 1 라발 노즐의 벽과 입자의 고속 충돌이 최소로 유지될 수 있으며, 그에 따라 노즐의 급속한 부식의 위험이 최소로 된다.
각 라발 노즐은 기본적으로 스로트부쪽으로 수렴하는 상류부와, 스로트부로부터 발산하는 하류부를 구비한다. 선택적으로, 라발 노즐은 발산부의 하류에 다른 부분을 더 포함할 수 있다. 그 다른 부분은 곧은 원통형일 수 있거나, 흐름 방향으로 다시 수렴될 수 있다. 반송 통로의 축방향 출구는 발산부 또는 그 다른 부분에서 종단될 수 있다.
슈라우딩 가스가 초음속으로 랜스를 빠져나가기 때문에, 슈라우딩 가스와 메인 가스 사이의 속도의 차이는 억제될 수 있으며, 그 결과 메인 가스의 속도가 감소되는 비율이 또한 억제될 수 있다.
본 발명에 따른 야금용 랜스의 다른 이점은, 동심 튜브의 장치를 이용하여 다양한 통로를 형성할 수 있다는 것이다. 이러한 배열은 랜스의 제조를 용이하게 한다.
바람직하게, 슈라우딩 가스 통로 및 미립물질 반송 통로는 메인 가스 통로와 동축이다.
바람직하게, 슈라우딩 가스 통로는 연소 챔버를 포함한다. 바람직하게, 연소 챔버는 그 말단부에 산화제용 입구 및 연료용 입구를 구비하고 있다. 바람직하게, 연료 및 산화제는 동축의 산화제 및 연료 통로를 통해 공급된다.
바람직하게, 제 2 라발 노즐은 외부 냉각제에 의해 냉각되며, 또한 외부 냉각제의 흐름을 위한 적어도 하나의 통로를 구비한다. 양 라발 노즐용의 외부 냉각제는 전형적으로 물이다. 특히, 제 1 라발 노즐을 냉각시키면 야금용 랜스의 작동 수명을 증가시킨다.
바람직하게, 제 1 라발 노즐은 제 2 라발 노즐에 대해서 상대적으로 후방 배치되며, 제 1 라발 노즐의 출구 단부는 제 2 라발 노즐의 발산부에서 종단된다. 이러한 배열은 용융 금속이 튀는 것에 의해 제 1 노즐이 손상되는 것을 보호한다.
바람직하게, 메인 가스 제트는 마하(Mach) 1.5 내지 마하 4의 범위의 속도로 본 발명에 따른 야금용 랜스를 빠져나간다. 바람직하게 연소 가스 혼합물인 슈라우딩 가스는 메인 가스 제트의 속도의 100 내지 110%의 범위의 속도로 랜스를 빠져나간다.
전형적으로, 메인 가스 제트는 시판용의 순수 산소 또는 산소 부화 공기이다. 미립물질은 예를 들면 탄소일 수 있다.
도 1은 랜스를 부분 단면으로 나타낸 측면도,
도 2는 도 1에 도시된 랜스를 그 기단부로부터 도시한 랜스의 도면.
본 발명에 따른 야금용 랜스를 첨부 도면을 참조하여 예로서 설명한다.
도면을 참조하면, 야금용 랜스(2)는 6개의 동축 튜브 또는 파이프의 배열을 포함한다. 최내측 튜브로부터 최외측 튜브까지 차례 차례로, 미립물질 반송 튜브(4), 메인 가스 튜브(6), 내부 물 튜브(8), 연료 가스 튜브(10), 산화제 튜브(12) 및 외부 물 튜브(14)가 있다. 각 튜브(4, 6, 8, 10, 12, 14)는 야금용 랜스(2)의 기단부에 또는 그 근방에 입구를 갖고 있다. 또한, 내부 물 튜브(8) 및 외부 물 튜브(14)로부터의 출구가 있다. 따라서, 미립물질을 야금용 랜스(2)의 말단부로 반송하기 위해 이용되는 캐리어 가스(전형적으로는 공기)용의 축방향 입구(16)가 야금용 랜스(2)의 기단부에 있다. 입구(16)는 미립물질을 캐리어 가스 내로 도입하기 위한 통로(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 캐리어 가스는, 미립물질 반송 튜브를 따라서 그 속도가 약 100미터/초보다 크지 않고 그리고 미립물질이 희박 상(dilute phase)으로서 그 내에서 반송되도록 상대적으로 낮은 압력으로 공급될 수 있다. 또는, 미립물질은 고압 캐리어 가스 내에서 농축 상(dense phase)으로서 반송될 수도 있다. 후자의 반송 형태는 연마 입자에 적합하며, 전자는 보다 부드러운 입자에 적합하다.
메인 가스 튜브(6)는 입구(18)를 구비하고 있다. 전형적으로, 메인 가스는 산소 또는 산소 부화 공기(oxygen enriched air)이며, 입구(18)는 이러한 산소 또는 산소 부화 공기의 소스(도시하지 않음)와 연통된다. 내부 물 튜브(8)는 물을 위한 입구(20) 및 출구(22)를 구비하고 있다. 내부 물 튜브(8)는 관형 배플(24)을 구비하고 있다. 작동시에, 냉각수는 냉각수가 야금용 랜스(2)의 기단부로부터 말단부까지 유동할 때 관형 배플(24)의 외측 표면상을 통과하며, 관형 배플(24)의 내측 표면상에서 반대 방향으로 출구(22)로 리턴된다. 내부 냉각수를 제공함으로써 작동될 때의 고온 환경의 영향으로부터 야금용 랜스(2)의 내부 부품을 보호한다.
연료 가스 튜브(10)는 그 기단부에서 입구(26)를 통해 연료 가스(전형적으로, 천연 가스)의 소스(도시하지 않음)와 연통된다. 유사하게, 입구(28)는 산화제 튜브(12)가 산화제, 전형적으로 산소 또는 산소 부화 공기의 소스(도시하지 않음)와 연통되도록 한다. 외부 물 튜브(14)는 냉각수용의 다른 입구(30)와 그 말단부에서 연통된다. 외부 물 튜브(14)는 관형 배플(32)을 포함한다. 이러한 구성은, 냉각수가 야금용 랜스(2)의 기단부로부터 말단부까지 유동할 때, 냉각수가 입구(30)를 통해 유동하여 관형 배플(32)의 외부 표면상으로 통과되게 한다. 냉각수는 반대 방향으로 리턴되고, 야금용 랜스(2)의 기단부에서 출구(34)를 통해 유출된다. 외부 물 튜브(14)는 야금용 랜스(2)의 외부 부품이 고온 환경에서 작동하는 동안에 냉각될 수 있게 한다. 연료 가스 튜브(10) 및 산화제 튜브(12)는 야금용 랜스(2)의 말단부로부터 다른 튜브보다 더 떨어져 종단된다. 연료 가스 튜브 및 산화제 튜브(10, 12)는 환형 연소 챔버(36)의 기단부에서, 노즐(35)로 종단된다. 작동시, 산화제 및 연료 가스는 상승된 압력(전형적으로, 천연 가스에 대해서 5bar 그리고 산소에 대해 11bar 정도)으로 공급되며, 노즐(35)을 통해 통과되어 환형 연소 챔버(36)에서 혼합 및 연소된다. 전형적으로, 산화제(산소) 및 연료 가스는 화학량론적 연소(stoichiometric combustion)를 일으키는 비율로 공급되지만, 필요하다면, 연료 가스 및 산화제는 화염 내에서 연료 가스의 과잉 또는 산화제의 과잉을 일으키는 비율로 공급될 수도 있다.
메인 가스 튜브(6)는 야금용 랜스(2)를 통한 메인 가스 흐름용의 통로를 제공한다. 메인 가스 튜브(6)는 제 1 라발 노즐(또는 '내부 라발 노즐'이라 함)(38)에서 종단된다. 제 1 라발 노즐(38)은 환형 냉각 통로(40)가 그 내부에 형성되어 있다. 환형 냉각 통로(40)는 내부 물 튜브(8)의 내부 표면과 메인 가스 튜브(6)의 외부 표면 사이에서 규정되는 내부 물 통로로 이어진다. 관형 배플(24)은 냉각수의 흐름을 배향하도록 환형 냉각 통로(40) 내로 연장된다. 환형 연소 챔버(36)는 제 2 라발 노즐(또는 '외부 라발 노즐'이라 함)(42)에서 그 말단부가 종결된다. 환형 연소 챔버(36) 및 제 2 라발 노즐(42)의 배열은 연소 챔버 내에 형성된 화염이 야금용 랜스(2)의 작동시에 초음속으로 가속되게 한다. 제 2 라발 노즐(42)은 이중벽 부재로서 형성된다. 제 2 라발 노즐(42)의 외부 벽은 최외측의 외부 물 튜브(14)의 말단부와 이어진다. 따라서, 최외측의 외부 물 튜브(14)는 야금용 랜스(2)의 작동시에 제 2 라발 노즐(42)에 냉각을 제공할 수 있으며, 관형 배플(32)은 제 2 라발 노즐(42)의 내부 벽 및 외부 벽에 의해 형성된 환형 공간으로 연장되어 있다. 제 1 라발 노즐(38)은 제 2 라발 노즐(42)에 대해서 상대적으로 후방 배치되어 있다. 또한, 최내측의 미립물질 반송 튜브(4)의 출구는 제 1 라발 노즐(38)의 선단에 대해서 상대적으로 후방 배치되어 있으며, 제 1 라발 노즐(38)의 발산부에서 종단된다.
작동시에, 메인 가스는 전형적으로 마하(Mach) 2 내지 마하 3의 범위의 속도로 제 1 라발 노즐(38)을 빠져나간다. 미립물질을 포함하는 캐리어 가스는 미립물질 반송 튜브(4)의 말단부를 벗어나, 제 1 라발 노즐(38)의 발산부 또는 다른 수렴부(도시하지 않음)에서의 한 영역에서 가속 메인 가스 제트 내로 들어간다. 따라서, 미립물질은 초음속으로 제 1 라발 노즐(38)을 벗어나 운반된다. 미립물질 반송 튜브(4)의 말단부의 위치는, 메인 가스가 가속되는 동안에 미립물질이 메인 가스 제트 내로 도입될지라도, 제 1 라발 노즐(38)의 벽에 대한 미립자의 최소한의 마찰이 있게 한다. 메인 가스 제트는 환형 연소 챔버(36)를 빠져나가는 연소 탄화수소 가스의 환형 초음속 흐름에 의해 덮인다. 라발 노즐로부터의 연소 탄화수소 가스 화염의 배출 속도는 전형적으로 메인 가스 제트의 배출 속도의 100 내지 110%이다. 유사한 배출 속도를 채택함으로써, 메인 가스 제트와 그 화염 막의 혼합이 억제된다.
도면에 도시된 야금용 랜스(2)는 제조가 간단하며, 주로 스테인리스 스틸로 형성될 수 있다. 라발 노즐(38, 42)은 적당한 용접에 의해서 야금용 랜스(2)에 부착될 수 있다. 환형 연소 챔버(36)로의 입구에 있는 노즐(35) 또한 용접되어 배치될 수 있다.
사용시에, 야금용 랜스는, 선택된 특정 물질(예를 들면 탄소)을 그 내로 도입하는데 적당한 야금용 액체(예를 들면 용융 금속)의 표면상의 적당한 수직방향 거리의 위치에서 그 축이 수직이 되도록 위치되는 것이 전형적이다. 수직방향 거리는 전형적으로 미립물질이 초음속으로 용융 금속내로 운반되도록 선택된다. 이러한 방법으로, 미립물질이 액체내로 깊게 침투될 수 있으며, 그에 따라 액체와의 화학적 또는 야금학적 반응을 촉진한다.

Claims (6)

  1. 미립물질을 액체내로 취입하기 위한 야금용 랜스(metallurgical lance)에 있어서,
    상기 야금용 랜스는 제 1 라발 노즐(first Laval nozzle)에서 그 출구 단부가 종단되는 축방향 메인 가스 통로와, 제 2 라발 노즐에서 그 출구 단부가 종단되는, 상기 메인 가스 통로 둘레의 슈라우딩 가스 통로(shrouding gas passage)와, 상기 제 1 라발 노즐에서, 그 스로트부(throat)의 하류에서 종단되는 축방향 출구를 구비하는 미립물질 반송 통로를 포함하며,
    상기 제 1 라발 노즐은 외부 냉각제의 흐름을 위한 적어도 하나의 냉각 통로를 구비하는
    야금용 랜스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 슈라우딩 가스 통로 및 상기 미립물질 반송 통로는 상기 메인 가스 통로와 동축인
    야금용 랜스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 슈라우딩 가스 통로가 연소 챔버를 포함하는
    야금용 랜스.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 라발 노즐이 상기 제 2 라발 노즐에 대해 상대적으로 후방 배치되어 있으며, 상기 제 1 라발 노즐의 출구 단부가 상기 제 2 라발 노즐의 발산부에서 종단되는
    야금용 랜스.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 라발 노즐이 외부 냉각제의 흐름을 위한 적어도 하나의 냉각 통로를 구비하는
    야금용 랜스.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 미립물질 반송 통로는 상기 제 1 라발 노즐의 발산부에서 그 하류 단부가 종단되는
    야금용 랜스.
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