KR101690393B1

KR101690393B1 - 상부 침지 주입을 위한 유체 냉각 랜스들

Info

Publication number: KR101690393B1
Application number: KR1020147017969A
Authority: KR
Inventors: 로버트 마투세비츠; 마르쿠스 로이터
Original assignee: 오토텍 오와이제이
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2016-12-27
Also published as: CN103958994A; BR112014013142A2; PH12014501115A1; BR112014013142B8; AU2012323996B2; EP2786083B1; PL2786083T3; WO2013080110A1; JP2015503076A; EP2786083A1; AU2012323996A1; CL2014001413A1; EA025696B1; CA2854063A1; MX2014006334A; CN103958994B; KR20140098225A; US20140327194A1; NZ624378A; BR112014013142B1

Abstract

본 발명의 TSL 랜스는, 3개의 실질적으로 동심인 랜스 파이프의 외부 셸, 상기 외부 셸 내에 실질적으로 동심으로 배치된 적어도 하나의 추가 랜스 파이프, 및 상기 랜스의 출구 단부에 있는 환형 단부 벽을 포함하며, 상기 환형 단부 벽은 상기 랜스의 상기 출구 단부에서 상기 셸의 상기 최외부 랜스 파이프와 상기 최내부 랜스 파이프의 각각의 단부를 결합하고 있고, 상기 셸의 상기 중간 랜스 파이프의 출구 단부로부터 이격되어 있다. 냉각 유체는 상기 출구 단부를 향해 흐르고, 또한 상기 출구 단부로부터 멀어지는 방향으로 흐름으로써, 상기 셸을 통해 순환될 수 있다. 상기 단부 벽과 상기 중간 랜스 파이프의 상기 출구 단부 사이의 간격은, 상기 단부 벽과 상기 중간 랜스 파이프의 상기 출구 단부 사이의 냉각 유체 유속을 증가시키도록 냉각 유체의 흐름에 대한 수축부를 제공하고 있다. 상기 추가 랜스 파이프는 중앙 보어를 규정하고 있으며, 상기 셸의 상기 최내부 랜스 파이프와의 사이에 환형 통로를 규정하기 위해 상기 최내부 랜스 파이프로부터 이격되어 있어, 상기 보어와 상기 통로를 따라 통과하는 물질은 상기 랜스의 상기 출구 단부 근처에서 혼합된다. 상기 단부 벽, 및 상기 셸의 길이의 인접한 작은 부분은, 교체 가능 랜스 팁 조립체를 포함한다.

Description

상부 침지 주입을 위한 유체 냉각 랜스들 {FLUID COOLED LANCES FOR TOP SUBMERGED INJECTION}

본 발명은, 건식 야금 작업들 (pyrometallurgical operations) 에서 용융조 (molten bath) 에 사용하기 위한 상부 침지 주입 랜스들 (top submerged injecting lances) 에 관한 것이다.

용융조와 산소 함유 가스의 소스 사이의 상호작용을 필요로 하는 용융조 제련 (molten bath smelting) 또는 다른 건식 야금 작업들은, 가스의 공급을 위한 여러 가지 다른 배치를 사용한다. 일반적으로, 이들 작업은 용융 마트 (matte)/금속 내로의 직접 주입을 포함한다. 이것은, 베세머 형태의 노에서와 같이 저취 풍구 (bottom blowing tuyeres) 또는 피에스 (Peirce-Smith) 형태의 전로에서와 같이 횡취 풍구 (side blowing tuyeres) 에 의해 이루어질 수 있다. 또는, 가스의 주입은 상취 (top blowing) 또는 침지 주입을 제공하기 위해 랜스에 의해 이루어질 수 있다. 상취 랜스 주입의 예는, 용융 철로부터 강철을 생산하기 위해 용융조 위로부터 순수 산소가 불어지는 KALDO 및 BOP 강철 제조 플랜트이다. 주입 랜스가 산소 함유 취입 랜스 주입의 제트를 발생시키는 톱 (top) 미쓰비시 구리 프로세서의 다른 예는, 각각 구리 마트를 제조 및 변환하기 위해, 용융조의 상면에 충돌하고 관통하기 위해, 공기 또는 산소 풍부 공기와 같은 가스의 제련 및 마트 변환 스테이지들에 의해 제공된다. 침지 랜스 주입의 경우에, 랜스의 하단부는 잠기어, 상부 침지 랜싱 (TSL) 주입을 제공하기 위해 주입이 용융조의 슬래그 층 위로부터가 아니라 슬래그 층 내에서 일어나며, 상부 침지 랜싱 (TSL) 주입의 잘 알려진 예는, 넓은 범위의 금속 프로세싱에 적용되는 Outotec Ausmelt TSL 기술이다.

두 가지 형태의 위로부터의 주입에서, 즉, 상취 및 TSL 주입에서, 랜스는 강한 지배적인 욕 (bath) 온도 하에 놓인다. 미쓰비시 구리 프로세스에서의 상취는, 약 50mm 직경의 내부 파이프, 및 약 100mm 직경의 외부 파이프를 가지는 복수의 비교적 작은 강철 랜스들을 사용한다. 내부 파이프는 반응 존보다 훨씬 위인 대략 노 지붕의 레벨에서 종료된다. 노 지붕에서 수냉 칼라에 달라붙는 것을 방지하기 위해 회전될 수 있는 외부 파이프는, 그 하단부를 용융조의 상면 위로 약 500 내지 800mm에 위치시키기 위해 노의 가스 공간 내로 하향 연장된다. 공기로 비말동반되는 입자 공급물은 내부 파이프를 통해 불어지고, 산소 풍부 공기는 파이프들 사이의 원환 (annulus) 을 통해 불어진다. 용융조 표면 위로 외부 파이프의 하단부의 간격, 및 외부 파이프를 통하는 가스에 의한 랜스의 어떠한 냉각에도 불구하고, 외부 파이프는 매일 약 400mm만큼 재연소된다. 외부 파이프는 따라서 서서히 낮춰지고, 필요시에는 새로운 섹션이 외부 소모성 파이프의 상부에 부착된다.

TSL 주입을 위한 랜스는, 상술한 미쓰비시 프로세스에서와 같은 상취를 위한 랜스보다 훨씬 크다. TSL 랜스는 통상적으로 다음에서 가정하듯이 적어도 내부 파이프 및 외부 파이프를 가지지만, 내부 파이프 및 외부 파이프와 동심인 적어도 하나의 다른 파이프를 가질 수 있다. 대표적인 대형 TSL 랜스는 200 내지 500mm 또는 더 큰 외부 파이프 직경을 가진다. 또한, 랜스는 훨씬 길고, 약 10 내지 15 미터 높이일 수 있는 TSL 반응기의 지붕을 통해 하향 연장되어, 외부 파이프의 하단부는 용융조의 용융 슬래그 상에서 약 300mm 이상의 깊이로 잠기지만, 내부로 주입되는 가스 흐름의 냉각 작용에 의해 외부 파이프의 외면에 형성되고 유지되는 고화 슬래그의 코팅에 의해 보호된다. 내부 파이프는 외부 파이프와 동일한 레벨에서 종료되거나, 외부 파이프의 내부 단부 위로 약 1000mm에 달하는 높은 레벨에서 종료될 수 있다. 따라서, 외부 파이프의 하단부만 잠기는 경우가 있을 수 있다. 어떤 경우에도, 나선형 베인 또는 다른 흐름 성형 디바이스는 내부 파이프와 외부 파이프 사이의 환형 공간에 걸치도록 내부 파이프의 외면에 장착될 수 있다. 베인은 상기 원환을 따라 공기 또는 산소 풍부 블라스트에 강한 소용돌이 작용을 부여하여, 냉각 효과를 강화하고, 가스가 연료 및 내부 파이프를 통해 공급되는 공급 물질과 양호하게 혼합되는 것을 확실하게 하는 작용을 하며, 혼합은, 내부 파이프가 외부 파이프의 하단부 위의 충분한 거리에서 종료하는 내부 파이프의 하단부 아래에서, 실질적으로 외부 파이프에 의해 형성되는 혼합 챔버 내에서 일어난다.

TSL 랜스의 외부 파이프는 그 하단부에서 마모 및 재연소되지만, 코팅이 없는 경우보다 보호 결빙 슬래그 코팅에 의해 상당히 감소되는 속도로 마모 및 재연소된다. 그러나, 이것은 TSL 기술에 의한 작업 모드에 의해 상당한 정도로 제어된다. 상기 작업 모드는, 랜스의 하단부가 슬래그 용융조의 높은 반응 및 부식 환경에 랜스의 하단부가 잠김에도 불구하고, 상기 기술을 실용적인 것이 되게 한다. TSL 랜스의 내부 파이프는, 용융조의 슬래그 층 내로 주입될 정광 (concentrate), 플럭스, 및 환원제와 같은 공급 물질을 공급하기 위해 사용될 수 있거나, 연료를 위해 사용될 수 있다. 공기 또는 산소 풍부 공기와 같은 산소 함유 가스는 파이프들 사이의 원환을 통해 공급된다. 용융조의 슬래그 층 내로의 침지 주입이 시작되기 전에, 랜스는 그 하단부 즉 외부 파이프의 하단부가 슬래그 표면 위로 적절한 거리로 이격되는 상태로 위치된다. 연료 오일, 미분탄 또는 탄화수소 가스와 같은 산소 함유 가스 및 연료는 랜스에 공급되고, 결과적인 산소/연료 혼합물은 슬래그에 충돌하는 불꽃 제트를 생성하기 위해 점화된다. 이것은, 외부 랜스 파이프에, 상술한 고체 슬래그 코팅을 제공하기 위해 랜스를 통과하는 가스 스트림에 의해 고화되는 슬래그 층을 형성하기 위해 슬래그가 튀게 된다. 랜스는 그러면, 산소 함유 가스가 랜스를 지속적으로 통과하여, 고화 슬래그 코팅이 유지되고 외부 파이프를 보호하는 온도에 랜스의 하부 부분을 유지하는 상태에서, 슬래그 내로의 주입을 달성하기 위해 낮춰질 수 있다.

새로운 TSL 랜스에 의해, 외부 파이프 및 내부 파이프의 하단부들의 상대 위치, 즉 외부 파이프의 하단부로부터 내부 파이프의 하단부가 후퇴한다면 그 후퇴하는 거리는, 디자인 동안에 판정되는 특정 건식 야금 작업 윈도우를 위한 최적 길이이다. 최적 길이는 TSL 기술의 다른 용도를 위해서 다를 수 있다. 따라서, 슬래그를 통해 마트로의 산소 이송에 의해 구리 마트를 블리스터 구리로 변환하기 위한 2-스테이지 배치 작업, 구리 마트를 블리스터 구리로 변환하기 위한 연속 단일 스테이지 작업, 납 함유 슬래그의 환원을 위한 프로세스, 또는 선철의 생산을 위해 산화철 공급 물질을 제련하기 위한 프로세스에서, 모두 다른 각각의 최적 혼합 챔버 길이를 가진다. 그러나, 각각의 경우에, 혼합 챔버의 길이는, 외부 파이프의 하단부가 서서히 마모 및 재연소될 때, 건식 야금 작업을 위한 최적치 아래로 점짐적으로 떨어진다. 유사하게, 외부 파이프와 내부 파이프의 단부들 사이의 옵셋이 0이면, 내부 파이프의 하단부는 슬래그에 노출될 수 있어 마모 및 재연소될 수 있다. 따라서, 제련 조건을 최적화하기 위해 파이프 하단부들의 최적 상대 위치들을 재설정하기 위해, 적절한 직경의 소정 길이의 파이프가 용접되는 깨끗한 에지를 제공하기 위해, 적어도 외부 파이프의 하단부는, 간격을 가지고, 절단되는 것이 필요하다.

외부 파이프의 하단부가 마모 및 재연소되는 속도는, 수행되는 용융조 건식 야금 작업에 따라 변한다. 그러한 속도를 판정하는 인자에, 공급 프로세싱 속도, 작업 온도, 욕 유동성 및 화학적 성질, 및 랜스 흐름 속도 등이 포함된다. 몇몇 경우에, 부식 마모 및 재연소의 속도는 비교적 높고, 최악의 경우에는, 마모된 랜스를 작업으로부터 제거하고 다른 것으로 교체하며, 작업으로부터 제거된 마모된 랜스를 수리하는 동안에, 프로세싱을 중단할 필요성으로 인해, 하루에 여러 시간의 작업 시간이 손실될 수 있도록 될 수 있다. 그러한 정지는 하루에 여러 번 발생할 수 있고, 각각의 정지마다 비처리 시간을 증가시킨다. TSL 기술이 다른 기술에 비하여 비용 절약을 포함하여 상당한 이점을 제공하지만, 랜스의 교체를 위한 어떠한 작업 손실 시간도 심각한 비용 손실을 발생시킨다.

상취 랜스 및 TSL 랜스 모두에서, 건식 야금 프로세스에서 발생하는 고온으로부터 랜스를 보호하기 위해 유체 냉각을 위한 제안이 있었다. 상취를 위한 유체 냉각 랜스들의 예는 하기에 기술되어 있다:

버트람 등에게 허여된 미국 특허 3223398,

벌킨에게 허여된 미국 특허 3269829,

드 세인트 마틴에게 허여된 미국 특허 3321139,

짐머에게 허여된 미국 특허 3338570,

스테판 등에게 허여된 미국 특허 3411716,

세퍼드에게 허여된 미국 특허 3488044,

라마치오티 등에게 허여된 미국 특허 3730505,

파이퍼에게 허여된 미국 특허 3802681,

맥민 등에게 허여된 미국 특허 3828850,

존스톤 등에게 허여된 미국 특허 3876190,

자퀘이에게 허여된 미국 특허 3889933,

데사르에게 허여된 미국 특허 4097030,

샤파르 등에게 허여된 미국 특허 4396182,

오카네 등에게 허여된 미국 특허 4541617, 및

두네에게 허여된 미국 특허 6565800.

버트람 등이 그러한 흐름이 랜스의 노즐 부분에 제한되는 변경예를 사용하지만, 버트람 등에게 허여된 미국 특허 3223398 및 벌킨에게 허여된 미국 특허 3269829를 제외하고는, 이들 참조물들은 모두, 유체가 공급 통로를 따라 랜스의 출구 팁으로 흐르고 복귀 통로를 따라 팁으로부터 되돌려 흐를 수 있게 하기 위해 배치되는 동심 최외부 파이프를 사용한다. 벌킨은 냉각수를 제공하지만, 이것은, 산소를 가진 증기로서 주입되기 위해, 내부 파이프와 외부 파이프 사이의 환형 통로를 따라 공급되는 산소와 혼합하기 위해 내부 파이프의 길이를 따라 출구를 통과한다. 물의 가열 및 증발은 벌킨의 랜스의 냉각을 제공하며, 생성되고 주입되는 스트림은 열을 용융조로 반환하는 것으로 생각된다.

테멜리스에게 허여된 미국 특허 3521872, 베넷 등에게 허여된 미국 특허 4023676, 및 하이든 2세 등에게 허여된 미국 특허 4326701은 침지 주입을 위한 랜스를 기술하고자 하였다. 테멜리스의 제안은 벌킨에게 허여된 미국 특허 3269829의 제안과 유사하다. 각각은, 가스 흐름에 물을 첨가하고, 주입된 스트림으로의 증발에 의존함으로써 냉각되는 랜스를 사용하며, 그 배치는 폐쇄 시스템에서의 열전달을 통해 물로 랜스를 냉각하는 것과 동일하지 않다. 그러나, 테멜리스의 배치는 내부 파이프가 없고, 가스 및 물은 물이 증발되는 단일 파이프를 따라 공급된다. 베넷 등의 제안은, 랜스라고 지칭되지만, 용융 페러스 메탈의 표면 아래에서, 용융 금속이 포함되는 노의 주변 벽을 통해 주입한다는 점에서 풍구와 더 가깝다. 베넷 등의 제안에서, 주입을 위한 동심 파이프는 세라믹 슬리브 내에서 연장되며, 냉각수는 세라믹 내에 수용되는 파이프를 통해 순환된다. 하이든 주니어 등의 경우에, 냉각 유체의 제공은 랜스의 상부 부분에서만 이루어지고, 침지 출구 단부 쪽으로의 하부 부분은, 내화 세멘트 내에 수용되는 단일 파이프를 포함한다.

종래기술의 제안의 한계는 테멜리스에 의해 강조된다. 그 논의는 산소 주입에 의한 구리의 정련에 관한 것이다. 구리는 약 1085℃의 융점을 가지지만, 테멜리스는 정련이 약 1140℃ 내지 1195℃의 과열 온도에서 수행된다고 지적하였다. 그러한 온도에서는, 가장 양호한 스테인레스스틸 또는 합금 스틸의 랜스도 강도를 거의 가지지 못한다. 따라서, 상취 랜스도 순환된 유체 냉각을 통상적으로 사용하거나, 베넷 및 하이든 2세 등의 침지 랜스의 경우에는 내화 또는 세라믹 코팅을 사용한다. 벌킨에게 허여된 미국 특허 3269829의 발전, 및 테멜리스에 의해 제공된 벌킨에 대한 향상은, 주입된 가스 내에서 혼합되는 물의 증발에 의해 달성될 수 있는 강력한 냉각을 사용하는 것이다. 각각의 경우에, 증발은 랜스 내에서 달성되어 랜스를 냉각시킨다. 벌킨에 대한 테멜리스의 향상은, 랜스에 대한 냉각수의 공급 전에 냉각수를 분무화하여, 랜스의 구조적 고장 및 용융 금속 내의 액체 물의 주입에 의해 발생하는 팽창의 위험성을 피하는 것이다.

두네에게 허여된 미국 특허 6565800은, 비반응 캐리어를 사용하여, 고체 입자 물질을 용융 물질 내로 주입하기 위한 고체 주입 랜스를 기술하고 있다. 즉, 랜스는, 물질의 혼합 및 연소를 가능하게 하는 디바이스로서가 아니라, 단순히 입자 물질을 용탕 내로 이송하는 데에 사용하기 위한 것이다. 랜스는, 입자 물질이 불어지는 중앙 코어 튜브, 및 코어 튜브의 외면과의 직접 열 접촉하며 물과 같은 냉각제가 순환될 수 있는 이중 벽 재킷을 가진다. 재킷은, 랜스의 출구 단부에 코어 튜브의 길이의 일부가 돌출하는 상태로, 코어 튜브의 길이의 일부를 따라 연장된다. 랜스는 1.5 미터 이상의 길이를 가지며, 실제적 도면으로부터, 재킷의 외경은 약 12cm의 크기이고, 코어 튜브의 내경은 약 4cm의 크기이라는 것이 명백하다. 재킷은 함께 용접되는 연속적인 길이를 포함하며, 강철의 주요 길이 및 랜스의 출구 단부에 가까운 단부 섹션은 구리 또는 구리 합금이다. 내부 파이프의 돌출 출구 단부는, 교체를 용이하게 하기 위해, 스크루 나사 결합에 의해 내부 파이프의 주요 길이에 연결되는 스테인레스 스틸로 이루어진다.

두네에게 허여된 미국 특허 6565800의 랜스는, 용융 페러스 메탈의 생산을 위한 흘스멜트 프로세스에 사용하기에 적합하다고 생각되며, 랜스는 산화철 공급 물질 및 탄산질 환원제의 주입을 가능하게 한다. 이와 관련하여, 랜스는 1400℃ 크기의 작업 온도를 포함하여 불량한 상태에 노출된다. 그러나, 테멜리스와 관련하여 상술한 바와 같이, 구리는 약 1085℃의 융점을 가지며, 약 1140℃ 내지 1195℃의 온도에서는 스테이레스 스틸도 강도를 거의 갖지 못한다. 아마도, 두네의 제안은, 코어 튜브의 단면에 대한 냉각 재킷 단면의 비가 약 8:1로 높고, 작은 전체 단면이 포함되므로, 흘스멜트 프로세스와 관련하여 사용하기에 적합하다. 두네의 랜스는 TSL 랜스도 아니고, TSL 기술에 사용하기에 적합하지도 않다.

TSL 기술에 기초하여 건식 야금 프로세스에 사용하기 위한 랜스의 예는, 플로이드에게 허여된 미국 특허 4251271 및 미국 특허 5251879, 및 플로이드 등에게 허여된 미국 특허 5308043에 의해 제공되었다. 위에서 상세히 설명하였듯이, 슬래그는 초기에 튀김을 발생시키는 고속 상취 가스에 의해 고화되는 랜스에 슬래그의 보호 코팅을 얻기 위해 용융 슬래그 층에 상취를 위한 랜스를 사용함으로써 튀겨진다. 고체 슬래그 코팅은, 슬래그 내의 필요한 상부 침지 랜싱 주입을 가능하게 하기 위해 하부 출구 단부를 슬래그 층 내에 잠기게 하기 위해 랜스가 낮춰짐에도 불구하고, 유지된다. 플로이드에게 허여된 미국 특허 4251271 및 미국 특허 5251879의 랜스는, 미국 특허 4251271의 경우에는 주입된 가스에만 의해, 미국 특허 5251879의 경우에는 상기 가스에 시라우드 파이프 (shroud pipe) 를 통해 불어진 가스를 더한 것에 의해, 고체 슬래그 층을 유지하기 위해 냉각하면서 이러한 방식으로 작업한다. 그러나, 플로이드 등에게 허여된 미국 특허 5308043에서, 주입된 가스 및 시라우드 파이프를 통해 불어진 가스에 의해 제공되는 냉각에 더하여, 냉각은, 랜스의 3개의 외부 파이프에 의해 규정되는 환형 통로를 통해 순환되는 냉각 유체에 의해 제공된다. 이것은, 랜스의 출구 단부에서, 랜스의 원주 주위의 상기 3개의 파이프의 최외부 파이프와 최내부 파이프를 결합하는 고체 합금 강철의 환형 팁을 제공함으로써 가능하게 된다. 환형 팁은 주입된 가스에 의해 냉각되고, 또한 팁의 상부 단부면을 가로질러 흐르는 냉각 유체에 의해서도 냉각된다. 환형 팁의 고체 형상, 및 합금 강철로부터 그것의 제조로 인해, 팁이 마모 및 재연소에 대한 양호한 레벨의 저항을 갖는다. 그 배치는, 냉각 유체가 용융조 내로 배출될 수 있게 하는 랜스의 고장 위험성에 대해 안전하게 하기 위해 팁을 교체하는 것이 필요하게 되기 전에 랜스의 실제적 작업 수명이 달성될 수 있도록, 하는 배치이다.

본 발명은, TSL 작업들에서 사용하기 위한 향상된 유체 냉각, 상부 침지 주입 랜스에 관한 것이다. 본 발명의 랜스는, 플로이드 등에게 허여된 미국 특허 5308043의 랜스에 대한 대안으로서의 선택을 제공하지만, 적어도 바람직한 형태에서, 상기 특허의 랜스에 비하여 이점을 제공할 수 있다.

본 발명은 건식 야금 프로세스 (pyrometallurgical process) 에서 용융조의 슬래그 층 내의 상부 침지 랜싱 주입 (top submerged lancing injection) 에 사용하기 위하여 작동가능한 상부 침지가능 주입 랜스로서, 상기 상부 침지가능 주입 랜스는 최외부 랜스 파이프, 최내부 랜스 파이프, 및 중간 랜스 파이프를 포함하는 3개의 실질적으로 동심인 랜스 파이프들의 외부 셸을 갖고, 상기 상부 침지가능 주입 랜스는 상기 외부 셸 내에 실질적으로 동심으로 배치된 적어도 하나의 추가 랜스 파이프를 포함하고, 상기 외부 셸은 상기 상부 침지가능 주입 랜스의 출구 단부에 있는 환형 단부 벽을 더 포함하고, 상기 환형 단부 벽은 상기 상부 침지가능 주입 랜스의 상기 출구 단부에서 상기 외부 셸의 상기 최외부 랜스 파이프와 상기 최내부 랜스 파이프의 각각의 단부를 결합하고 있고, 상기 외부 셸의 상기 중간 랜스 파이프의 출구 단부로부터 이격되어 있으며; 상부 또는 입구 단부에 인접하는 것과 같이, 상기 출구 단부로부터 멀리 떨어진 위치에서, 상기 상부 침지가능 주입 랜스는 상기 상부 침지가능 주입 랜스가 수직으로 하향으로 매달리도록 현수될 수 있게 하는 구조이고, 그리고 상기 외부 셸은 상기 최내부 랜스 파이프와 상기 최외부 랜스 파이프 중 하나와, 상기 중간 랜스 파이프 사이에서 상기 출구 단부로의 흐름과, 그 다음에는 최내부 랜스 파이프와 상기 최외부 랜스 파이프 중 다른 하나와, 상기 중간 랜스 파이프 사이의 흐름에 의해 상기 출구 단부로부터 멀어지는 방향으로 상기 상부 침지가능 주입 랜스를 따라 되돌아가는 흐름에 의해서, 냉각 유체가 상기 외부 셸을 통해 순환될 수 있도록 되어 있고, 상기 단부 벽과 상기 중간 랜스 파이프의 상기 출구 단부 사이의 간격은 상기 단부 벽과 상기 중간 랜스 파이프의 상기 출구 단부 사이의 냉각 유체 유속을 증가시키도록 작동될 수 있는 냉각 유체의 흐름에 대한 수축부를 제공하고; 상기 적어도 하나의 추가 랜스 파이프는 중앙 보어를 규정하고 있고, 그리고 상기 외부 셸의 상기 출구 단부로부터 이격된 출구 단부를 가져, 혼합 챔버는 상기 외부 셸의 상기 출구 단부와 상기 적어도 하나의 추가의 랜스 파이프의 상기 출구 단부 사이에서 상기 외부 셸에 의해서 규정되고, 그리고 상기 적어도 하나의 추가의 랜스 파이프는 상기 외부 셸의 상기 최내부 랜스 파이프와의 사이에 환형 통로를 규정하기 위해 상기 최내부 랜스 파이프로부터 이격되어 있어, 상기 보어를 따라 통과하는 가연성 물질과 상기 환형 통로를 따라 통과하는 산소 함유 가스는 상기 슬래그 층 내로 주입될 때 가연성 혼합물의 연소를 위하여 상기 혼합 챔버에서 그리고 상기 상부 침지가능 주입 랜스의 상기 출구 단부 근처에서 가연성 혼합물을 형성할 수 있는, 상부 침지가능 주입 랜스를 제공한다.

본 발명의 TSL 랜스는 필연적으로 큰 치수를 가진다. 또한, 상부 단부 또는 하단부에 인접한 곳에서와 같이, 출구 단부로부터 이격된 위치에서, 랜스는, TSL 반응기 내로 수직으로 하향으로 매달리도록 현수될 수 있게 하는 구조를 가진다. 랜스는 특수 목적의 소형 TSL 반응기를 위해서와 같이 약 7.5 미터의 최소 길이를 가진다. 랜스는 특수 목적의 대형 TSL 반응기를 위해서는 길이가 약 25 미터에 달하거나 더 클 수도 있다. 더 통상적으로, 랜스는 길이가 약 10 내지 20 미터의 범위에 있다. 이들 치수는, 셸의 단부 벽에 의해 규정되는 출구 단부까지의 랜스의 전체 길이와 관련된다. 상기 적어도 하나의 추가 랜스 파이프는 출구 단부까지 연장될 수 있어, 전체 길이가 유사할 수 있다. 그러나, 상기 적어도 하나의 추가 랜스 파이프는 출구 단부의 안쪽으로 예를 들면 최대 약 1000mm의 짧은 거리에서 종료될 수 있다. 랜스는 통상적으로, 셸을 위한 내경이 약 100 내지 650mm, 바람직하게 약 200 내지 500mm이고, 전체 직경은 150 내지 700mm, 바람직하게 약 250 내지 550mm로 설정되는 등, 큰 직경을 가진다.

단부 벽은 상기 셸의 중간 랜스 파이프의 출구 단부로부터 이격된다. 그러나, 상기 출구 단부와 상기 단부 벽 사이의 간격은, 상기 단부 벽과 상기 중간 랜스 파이프의 상기 출구 단부를 가로질러 그들 사이의 냉각 유체 유속을 증가시키는 냉각 유체의 흐름에 대한 수축부를 제공하도록 하는 것이다. 그 배치는, 상기 단부 벽을 가로지르는 냉각 유체의 흐름이 비교적 얇은 필름 또는 스트림의 형태이며, 필름 또는 스트림은 바람직하게 냉각 유체 내의 난류를 억제하도록 작동할 수 있다. 그러한 흐름을 강화하기 위해, 셸의 중간 랜스 파이프의 단부는 적절하게 형성될 수 있다. 따라서, 일 배치에서, 상기 중간 랜스 파이프의 단부는, 상기 단부 벽을 향하는 반경 방향으로 구부러진 볼록 표면을 가지고 있는 주변 비드를 규정할 수 있다. 그러한 비드에 대해, 단부 벽은 상보적 오목 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 반경 방향 단면에서, 상기 비드는 구형 또는 주먹코 형상일 수 있거나, 눈물 방울 또는 유사한 둥근 형상일 수 있고, 단부 벽은 오목 반-토로이드 형상을 가질 수 있다. 그러한 반대되는 볼록 및 오목 형상에 의해, 상기 중간 랜스 파이프의 상기 출구 단부와 상기 단부 벽 사이의 상기 수축부는, 상기 랜스의 반경 방향으로 상당한 크기를 가질 수 있다 (즉, 상기 랜스의 길이 방향 축을 포함하는 평면에서). 이것은, 수축부까지 랜스를 따라 냉각 유체 흐름에 대해, 냉각 유체의 단위 질량 흐름 당, 냉각 유체와 각각의 비드 및 단부 벽 사이의 표면 대 표면 접촉의 비가 증가할 수 있게 하여, 랜스의 출구 단부로부터 열 에너지 추출을 강화한다.

일 배치에서, 중간 랜스 파이프의 출구 단부에서의 비드는 단면이 눈물 방울 형상 또는 실질적으로 원형이다 (즉, 상기 랜스의 길이 방향 축을 포함하는 평면에서). 그러한 경우에, 단부 벽이 비드에 대해 상보적이 되게 하는 단부 벽의 오목 반 토로이드 형상은 그들 평면에서 단면이 실질적으로 반원일 수 있다. 그 결과, 비드 및 단부 벽은, 냉각 유체 흐름 통로가 랜스의 출구 단부를 향한 흐름으로부터 출구 단부로부터 멀어지는 방향으로의 흐름으로 변하는 90°내지 180°와 같은, 최대 약 180°의 각도를 통해 연장될 수 있는 냉각 유체 흐름 통로 내에 수축부를 제공하기 위해 가까이 인접할 수 있다. 불가피하게, 흐름은 단순히 방향의 역으로 인해 약 180°의 각도를 통해 변한다. 그러나, 중간 랜스 파이프가 흐름 수축부를 제공하지 않는 배치와는 다르게, 수축부의 구비는 흐름을, 셸의 최내부 랜스 파이프의 외면으로부터 셸의 최외부 랜스 파이프의 내면으로 정확하게 스위핑하는 비교적 얇은 필름 또는 스트림으로 흐름을 구속한다.

상기 수축부는, 상기 비드로부터, 상기 중간 랜스 파이프의 외면과 상기 최외부 랜스 파이프의 내면 사이에서 계속될 수 있다. 수축부는, 교체 가능 랜스 팁 조립체의 적어도 축 방향 길이에 걸쳐 연장될 수 있고, 최내부 랜스 파이프와 최외부 랜스 파이프의 두께에 대해 그러한 축 방향 길이에 걸쳐 중간 랜스 파이프의 두께가 증가되는 것으로부터 발생할 수 있다. 그러한 경우에, 중간 랜스 파이프와 최외부 랜스 파이프 사이의 수축부는 원주 방향으로 연속일 수 있거나, 불연속일 수 있다. 불연속의 경우에, 중간 랜스 파이프의 외면은 출구 단부로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 리브들을 규정할 수 있다. 리브들은 최외부 랜스 파이프의 내면에 기댈 수 있고, 수축된 흐름은 연속하는 리브들 사이에서 발생할 수 있다. 대안으로서, 리브들은, 최외부 랜스 파이프의 내면으로부터 약간 이격될 수 있고, 수축된 흐름은 리브들과 최외부 랜스 파이프 사이에서 발생할 수 있으며, 수축되지 않거나 덜 수축된 흐름은 연속하는 리브들 사이에서 발생할 수 있다. 리브들은 랜스의 축에 대해 평행하거나 상기 축 주위로 나선형으로 연장될 수 있다.

중간 랜스 파이프의 출구 단부의 형상은, 냉각 유체의 흐름 내에 적절한 수축부를 제공하기 위해, 비드를 구비하는 것으로부터 발생하는 것보다 덜 과장될 수 있다. 교체 가능 팁 조립체의 적어도 축 방향 길이에 걸쳐, 중간 랜스 파이프는, 위에서 상세히 설명한 바와 같이, 최내부 랜스 파이프 및 최외부 랜스 파이프에 대해 두께가 증가될 수 있다. 형상은, 출구 단부에서의 중간 랜스 파이프의 단부로부터 두꺼운 길이의 외면으로의 라운딩을 포함할 수 있다. 수축부는, 중간 랜스 파이프의 상기 에지를 가로질러 두꺼운 길이의 외면으로 연장될 수 있다. 상기 외면은, 위에서 상세히 설명한 바와 같이, 랜스 축에 대해 평행하거나 상기 축 주위로 나선형으로 연장되는 리브들을 구비하는 등에 의해 원주 방향으로 연속이거나 원주 방향으로 불연속일 수 있다. 따라서, 수축부는 적어도 90°의 각도를 통해 연장될 수 있으며, 단부 벽의 곡률은, 상기 각도가 최대 약 120°와 같이, 90°를 초과하는 것을 보조할 수 있다.

제 2 특징에서, 본 발명의 랜스는, 랜스가 연장되는 시라우드를 가진다. 시라우드는, 3개의 실질적으로 동심인 시라우드 파이프들을 가지며, 3개의 실질적으로 동심인 시라우드 파이프들 중 최내부 시라우드 파이프는, TSL 랜스의 최외부 랜스 파이프보다 큰 내경을 가진다. 시라우드의 출구 단부에 환형 단부 벽이 있고, 상기 환형 단부 벽은 최외부 시라우드 파이프와 최내부 시라우드 파이프의 각각의 출구 단부를 결합하고 있고, 중간 시라우드 파이프들의 출구 단부로부터 이격되어 있다. 그 배치는, 냉각 유체가 상기 최내부 시라우드 파이프와 상기 중간 시라우드 파이프 사이의 흐름으로 상기 출구 단부로 순환하고, 그 다음에는 상기 셸의 상기 중간 시라우드 파이프와 상기 최외부 시라우드 파이프 사이의 흐름으로 상기 출구 단부로부터 멀어지는 방향으로 상기 시라우드를 따라 되돌아 순환하고, 또는 이러한 흐름을 역으로 하는 배치이다. 상기 단부 벽, 및 상기 셸의 3개의 상기 시라우드 파이프들 각각의 길이의 인접한 부수적인 부분은 교체 가능 시라우드를 포함할 수 있다. 따라서, 재연소되거나 마모된 시라우드 팁 조립체는 새로운 또는 수리된 시라우드 팁 조립체가 정위치에 용접될 수 있게 하기 위해 3개의 상기 시라우드 파이프들의 각각의 길이의 주요 부분으로부터 절단될 수 있다.

단부 벽은 중간 시라우드 파이프의 출구 단부로부터 이격된다. 그러나, 상기 출구 단부와 상기 단부 벽 사이의 간격은, 상기 단부 벽과 상기 중간 시라우드 파이프의 상기 출구 단부를 가로질러 그들 사이의 냉각 유체 유속을 증가시키는 냉각 유체의 흐름에 대한 수축부를 제공하도록 하는 것이다. 그 배치는, 상기 단부 벽을 가로지르는 냉각 유체의 흐름이 비교적 얇은 필름 또는 스트림의 형태이며, 필름 또는 스트림은 바람직하게 냉각 유체 내의 난류를 억제하도록 작동할 수 있다. 그러한 흐름을 강화하기 위해, 중간 시라우드 파이프의 단부는 적절하게 형성될 수 있다. 따라서, 일 배치에서, 상기 중간 시라우드 파이프의 단부는, 상기 단부 벽을 향하는 반경 방향으로 구부러진 볼록 표면을 가지고 있는 비드를 규정할 수 있다. 그러한 비드에 대해, 단부 벽은 상보적 오목 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 비드는 눈물 방울 또는 유사한 형상일 수 있고, 단부 벽은 오목 반-토로이드 형상을 가질 수 있다. 그러한 반대되는 볼록 및 오목 형상에 의해, 상기 중간 시라우드 파이프의 상기 출구 단부와 상기 단부 벽 사이의 상기 수축부는, 상기 시라우드의 반경 방향으로 상당한 크기를 가질 수 있다 (즉, 상기 시라우드의 길이 방향 축을 포함하는 평면에서). 이것은, 수축부까지 시라우드를 따라 냉각 유체 흐름에 대해, 냉각 유체의 단위 질량 흐름 당, 냉각 유체와 각각의 비드 및 단부 벽 사이의 표면 대 표면 접촉의 비가 증가할 수 있게 하여, 시라우드의 출구 단부로부터 열 에너지 추출을 강화한다. 일 배치에서, 중간 시라우드 파이프들의 출구 단부에서의 비드는 단면이 눈물 방울 형상 또는 실질적으로 원형이다 (즉, 상기 시라우드의 길이 방향 축을 포함하는 평면에서). 그러한 경우에, 단부 벽이 비드에 대해 상보적이 되게 하는 단부 벽의 오목 반 토로이드 형상은 그들 평면에서 단면이 실질적으로 반원일 수 있다. 그 결과, 비드 및 단부 벽은, 냉각 유체 흐름 통로가 시라우드의 출구 단부를 향한 흐름으로부터 출구 단부로부터 멀어지는 방향으로의 흐름으로 변하는 90°내지 180°와 같은, 최대 약 180°의 각도를 통해 연장될 수 있는 냉각 유체 흐름 통로 내에 수축부를 제공하기 위해 가까이 인접할 수 있다. 중간 시라우드 파이프가 흐름 수축부를 제공하지 않는 배치와는 다르게, 수축부의 구비는 흐름을, 최내부 시라우드 파이프의 외면으로부터 최외부 시라우드 파이프의 내면으로 정확하게 스위핑하는 비교적 얇은 필름 또는 스트림으로 흐름을 구속한다.

본 발명의 랜스와 반대로, 상기 수축부는, 상기 중간 시라우드 파이프의 외면과 상기 최외부 시라우드 파이프의 내면 사이에서 상기 비드로부터 계속될 수 있다. 수축부는, 교체 가능 시라우드 팁 조립체의 적어도 축 방향 길이에 걸쳐 연장될 수 있고, 최내부 시라우드 파이프와 최외부 시라우드 파이프의 두께에 대해 그러한 축 방향 길이에 걸쳐 중간 시라우드 파이프의 두께가 증가되는 것으로부터 발생할 수 있다. 그러한 경우에, 중간 시라우드 파이프와 최외부 시라우드 파이프 사이의 수축부는 원주 방향으로 연속일 수 있거나, 불연속일 수 있다. 불연속의 경우에, 중간 시라우드 파이프의 외면은 출구 단부로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 리브들을 규정할 수 있다. 리브들은 최외부 시라우드 파이프의 내면에 기댈 수 있고, 수축된 흐름은 연속하는 리브들 사이에서 발생할 수 있다. 대안으로서, 리브들은, 최외부 시라우드 파이프의 내면으로부터 약간 이격될 수 있고, 수축된 흐름은 리브들과 최외부 시라우드 파이프 사이에서 발생할 수 있으며, 수축되지 않거나 덜 수축된 흐름은 연속하는 리브들 사이에서 발생할 수 있다. 리브들은 시라우드의 축에 대해 평행하거나 상기 축 주위로 나선형으로 연장될 수 있다.

중간 시라우드 파이프의 출구 단부의 형상은, 냉각 유체의 흐름 내에 적절한 수축부를 제공하기 위해, 비드를 구비하는 것으로부터 발생하는 것보다 덜 과장될 수 있다. 교체 가능 팁 조립체의 적어도 축 방향 길이에 걸쳐, 중간 시라우드 파이프는, 위에서 상세히 설명한 바와 같이, 최내부 시라우드 파이프 및 최외부 시라우드 파이프에 대해 두께가 증가될 수 있다. 형상은, 출구 단부에서의 중간 시라우드 파이프의 단부로부터 두꺼운 길이의 외면으로의 라운딩을 포함할 수 있다. 수축부는, 중간 시라우드 파이프의 상기 에지를 가로질러 두꺼운 길이의 외면으로 연장될 수 있다. 상기 외면은, 위에서 상세히 설명한 바와 같이, 시라우드 축에 대해 평행하거나 상기 축 주위로 나선형으로 연장되는 리브들을 구비하는 등에 의해 원주 방향으로 연속이거나 원주 방향으로 불연속일 수 있다. 따라서, 수축부는 적어도 90°의 각도를 통해 연장될 수 있으며, 단부 벽의 곡률은, 상기 각도가 최대 약 120°와 같이, 90°를 초과하는 것을 보조할 수 있다.

제 3 특징에서, 본 발명은, 제 2 특징에 따른 시라우드와 조합된 제 1 특징에 따른 랜스를 제공하며, 랜스와 시라우드는, 랜스의 셸의 3개의 랜스 파이프 중 최외부 랜스 파이프와 최내부 시라우드 파이프 사이에 환형 통로를 규정하기 위해 랜스가 시라우드를 통해 연장되는 조립체이고, 시라우드의 출구는 랜스의 단부들의 중간에 배치되고 랜스의 출구 단부를 향해 개방된다.

본 발명에 따른 팁 조립체는, 팁 조립체의 일 단부에서 환형 단부 벽에 의해 함께 결합되는 동심 내부 및 외부 슬리브 부재들을 가진다. 팁 조립체는 또한, 단부 벽 근처에서 내부와 외부 슬리브 부재들 사이에 위치되는 배플을 포함하는 중간 슬리브 부재를 가진다. 배플은, 조립체로부터 열에너지 추출을 달성하기 위해 내부 슬리브 부재와 외부 슬리브 부재 사이에서 냉각 유체의 유속을 제어하기 위해, 단부 벽 및 내부 및 외부 슬리브 부재들 중 적어도 하나의 부재의 반대되는 표면의 적어도 일부와 협동하는 배플의 적어도 하나의 표면 부분을 가진다.

내부 및 외부 슬리브 부재들 및 그들을 결합시키는 단부 벽은 팁 조립체의 단일 구성요소를 형성하기 위해 일체로 형성될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 상기 부재들은 빌릿 (billet) 과 같은 적절한 금속의 단일 피스로부터 형성될 수 있다. 팁 조립체는 냉각을 용이하게 할 것이 요구되며, 내부 및 외부 슬리브 부재들 및 단부 벽은 따라서 바람직하게 적절한 재료로 된다. 많은 경우에, 높은 열 전도율의 재료, 예를 들면 구리 또는 구리 합금이 적합하다.

배플 역시 구리 또는 구리 합금과 같은 높은 열전도율의 재료로 될 수 있다. 그러나, 배플의 열전도율은, 사용시에 배플이 실질적으로 그 전체 표면 영역에 걸쳐 냉각 유체에 의해 접촉되기 때문에, 덜 중요하다. 배플의 온도는 따라서 냉각 유체의 온도 위로 상승되지 않을 것이다. 따라서, 배플이 제조되는 재료는 비용, 강도, 및 제조의 용이성과 같은 다른 이유로 선택될 수 있다. 배플은 예를 들면 스테인레스 스틸과 같은 적절한 강철로부터 제조될 수 있다. 배플은 적절한 피스의 재료로부터 형성될 수 있거나, 주조될 수 있고, 필요시에는, 적어도 냉각 유체 유속을 제어하기 위해 배플의 표면이 협동하는 영역에서 표면 마감처리될 수 있다.

팁 조립체에서, 배플은, 상기 부재들 및 벽에 대해 연결됨으로써, 내부 및 외부 슬리브 부재들 및 단부 벽에 대해 필요한 위치에 유지된다. 이러한 목적을 위해, 배플은 단부 벽, 내부 및 외부 슬리브 부재들 중 하나, 또는 슬리브 부재들 중 하나의 환형 연장부에 고정될 수 있다. 실제적인 문제로서, 슬리브 부재 또는 슬리브 부재의 연장부에 고정시키는 것이 더 편리하다. 그러나, 각각의 경우에, 고정은 바람직하게 배플과, 부재, 연장부, 또는 배플이 고정되는 벽 사이에 유체 흐름이 가능하게 하는 것이다. 이러한 목적을 위해, 고정은 복수의 원주 방향으로 이격되는 위치에 제공된다. 더 편리하게, 고정은, 각각의 위치에서, 배플, 부재, 연장부, 또는 배플이 고정되는 벽에 용접 등에 의해 부착되는 각각의 핀, 블럭, 또는 록킹 디바이스에 의해 이루어진다. 그러나, 다른 배치에서, 랜스의 일부로서 연결되는 팁 조립체에서, 배플은, 수축부가 냉각 유체 유속을 감소시킬 수 있는 레벨의 변화를 가능하게 하기 위해, 축 방향으로 조절될 수 있다. 랜스의 최내부 및 최외부 파이프에 대해 축 방향으로 조절될 수 있는 그러한 조절은, 예를 들면 배플이 연결되는 랜스의 중간 파이프에 의해 가능하게 될 수 있다.

한 가지 적합한 배치에서, 배플은 그 외부 및 단부 주변 표면들이 외부 슬리브 부재의 반대되는 내부 주변 표면 및 단부 벽의 내면 각각에 가까이 인접하도록 고정된다. 또한, 배플이 그렇게 고정되면, 배플의 단부 표면에 인접하는 배플의 내부 주변 표면의 일부가 내부 슬리브 부재의 반대되는 외부 주변 표면의 일부에 가까이 인접할 수 있다. 각각의 반대되는 표면들은 실질적으로 균일하게 분리될 수 있다. 분리는 바람직하게, 단부 표면으로부터 이격되는 배플의 내부 주변 표면의 일부와, 내부 슬리브 부재의 반대되는 외부 주변 표면 사이의 분리이다. 배치는, 냉각 유체가, 배플과 내부 슬리브 부재 사이에서 단부 벽을 향해, 다음에는 단부 벽을 가로질러, 다음에는 단부 표면으로부터 이격되는 배플과 외부 슬리브 부재 사이에서 단부 벽으로부터 멀어지는 방향으로 통과함으로써, 팁 조립체를 통해 흐를 수 있도록 하는, 배치이다. 그러한 흐름에 의해, 가까이 인접하는 반대되는 표면들 사이를 통과하는 냉각 유체는, 배플과 내부 슬리브 부재 사이의 더 넓은 간격을 통한 흐름에 비해 유속이 증가하게 된다. 그러나, 냉각 유체의 흐름은 지적된 방향에 대해 역방향일 수 있고, 배플과 내부 및 외부 슬리브 부재들 사이의 배치 역시 그에 대응하여 변경되어야 한다는 것을 유의하여야 한다.

배플의 외부 주변 표면은 그것이 외부 슬리브 부재의 반대되는 내면에 가까이 인접하는 실질적으로 균일한 원형 단면일 수 있다. 따라서, 손상이 발생하는 온도 아래로 팁 재료의 표면 온도가 유지되는 것을 확실하게 하는 열전달을 촉진시키기 위해 적절한 흐름 및 속도를 달성하도록 디자인되는 환형 단면의 실질적으로 균일한 통로가 그들 가까이 인접하는 표면들 사이에 있을 수 있다. 예를 들면, 그들 표면들 사이의 분리는 약 1 내지 25mm이고, 더 바람직하게 1 내지 10mm이며, 이것은 사용되는 유체, 및 필요한 열 제거율에 따라 변할 것이다. 그러나, 다른 배치에서, 배플의 외면은 실질적으로 원형 단면이 아닐 수도 있다.

제 1 다른 배치에서, 배플의 외면은, 반대되는 표면들 사이의 간격이 배플의 단부면으로부터 멀어지는 방향에서 증가하도록, "웨이스트 (waisted) "될 수 있다. 다른 대안에서, 배플의 외면은, 냉각 유체의 나선형 흐름을 발생시키는 작용을 하는 단일-시작 또는 다중-시작 나선형 리브 또는 그루브 형상을 가질 수 있다. 또 다른 대안에서, 배플의 외면은, 배플의 단부면으로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 교대하는 리브 및 그루브를 가질 수 있다.

팁 조립체는 랜스의 출구 단부에만 구비될 수 있다. 또는, 시라우드 랜스 (shrouded lance) 에서, 팁 조립체는 랜스 및 랜스의 시라우드 중 어느 하나 또는 모두의 배출 단부를 규정할 수 있다.

랜스와 시라우드 각각은 기다란 형상이며, 랜스의 셸과 시라우드는 유사한 구조를 가진다. 시라우드는 물론 직경이 크지만, 길이는 랜스의 셸보다 짧다. 그러나, 시라우드와 랜스의 셸 각각은 외부 파이프, 내부 파이프, 및 중간 파이프를 포함하는 3개의 동심 파이프들을 가진다. 또한, 시라우드와 셸 각각은 배출 단부에 팁 조립체를 가질 수 있다. 이하의 설명을 용이하게 하기 위해, 시라우드와 랜스의 셸 모두의 동심 파이프들은 용어 "셸"로 지칭된다.

팁 조립체가 셸 (시라우드 또는 랜스의) 의 배출 단부를 규정하는 경우에, 셸의 내부 및 외부 파이프들은 팁 조립체의 내부 및 외부 슬리브 부재 각각과 단부 대 단부 관계로 결합된다. 또한, 셸의 중간 파이프는 팁 조립체의 배플에 결합된다.

상술한 바와 같이, 팁 조립체의 내부 및 외부 슬리브 부재들, 및 단부 벽은 구리 또는 구리 합금과 같이 높은 열전도율의 재료로 될 수 있다. 그러나, 셸의 파이프들은 그러한 높은 열전도율을 가질 필요는 없다. 그것들은 따라서 비용 및/또는 강도와 같은 다른 기준을 충족시키기 위해 선택되는 재료로 이루어질 수 있다. 한가지 편리한 배치에서, 내부 및 중간 파이프들은 316L과 같은 스테인레스 스틸이고, 외부 파이프는 탄소강이다. 외부 파이프에서, 고온 및 물과 같은 냉각 유체가 아닌 프로세스 가스에의 노출은 그 유효 작동 수명에 결정적일 가능성이 더 크며, 냉각 유체에 의한 부식에 대한 저항은 내부 및 중간 파이프들을 위한 관련 인자이다.

내부 및 외부 파이프들은 가장 바람직하게 용접에 의해 팁 조립체의 내부 및 외부 슬리브 부재들과 결합된다. 각각의 파이프는 각각의 슬리브 부재에 직접 용접될 수 있다. 그러나, 적어도 하나의 파이프 및 이것의 슬리브 부재를 위해, 그러나 바람직하게 각각의 파이프 및 그 슬리브 부재를 위해, 파이프 및 슬리브 부재 각각은 그들 사이에 구비되는 연장 튜브에 용접될 수 있다. 적어도, 예를 들면, 구리 또는 구리 합금과 강철 부재 사이에 용접이 제공되면, 알루미늄 청동 소모품이 바람직하게 용접을 형성하는 데에 사용된다. 셸의 중간 파이프와 팁 조립체의 배플이 협동하는 방식은 유사하다.

본 발명의 랜스 및 시라우드 각각에 의해, 냉각제의 질량 유량은 수축부가 없는 경우에 필요할 것보다 작을 수 있다. 따라서, 낮은 출력의 펌프는 주어진 냉각 유체를 위해 사용될 수 있다. 적합한 질량 유량은 선택되는 냉각 유체에 따라 변할 것이다. 주어진 랜스 및 냉각 유체를 위한 냉각 유체 질량 유량은 주어진 건식 야금 프로세스를 위해 필요한 냉각 용량에 의해 설정된다. 따라서, 질량 유량은 매우 상당히 변할 수 있다. 본 발명의 바람직한 형태에서, 냉각 유체의 흐름은 냉각 유체의 출구 온도에 관련된다. 랜스에 따라서 그 온도를 모니터링하기 위한 센서가 구비될 수 있다. 배치는 바람직하게, 냉각 유체를 순환시키기 위해 사용되는 에너지가 당시의 열 제거 요구사항에 기초하여 최소화되도록 하는 배치이다.

냉각 유체로서 물을 사용함에 의해, 질량 유량은 랜스를 위해 500 내지 2,000 리터/분의 범위에 있을 수 있고, 시라우드를 위해서는 사용되는 유체 및 응용에 따라 유사한 유량이 될 것이다. 역시 물을 냉각 유체로 하여, 수축부는 바람직하게, 수축부를 통해, 수축부의 상류에서의 유량보다 약 6 내지 20배 높은 유체 유량을 발생시키도록 한다. 역시, 물을 냉각 유체로 하여, 시라우드를 위한 수축부는 바람직하게 랜스의 경우와 동일한 크기의 유량의 증가를 발생시킨다.

본 발명을 더 용이하게 이해할 수 있기 위해, 이제 첨부 도면을 참조한다.

도 1 은 본 발명에 따른 랜스의 한 가지 형태의 개략도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 시라우드 랜스 조립체의 하부 부분의 단면도이다.
도 3 내지 도 7 은 도 2 의 시라우드 랜스 조립체의 구성요소를 위한 다른 형태의 각각의 사시도이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 TSL 랜스 (L) 를 개략적으로 도시하고 있다. 랜스 (L) 는 4개의 동심 파이프들 (P1 내지 P4) 을 가지며, 그 중 파이프들 (P1 내지 P3) 은 셸 (S) 의 주요 부분을 형성하고, 셸은 또한 환형 단부 벽 (W) 을 포함한다. 도시된 배치에서, 랜스 (L) 는, 연료를 파이프 (P4) 의 보어를 통해 하향으로 주입하고, 공기 및/또는 산소를 파이프들 (P3, P4) 사이의 환형 통로 (A) 를 통해 하향으로 주입함으로써, 필요한 건식 야금 프로세스를 위해, 용융조의 슬래그 층 내의 상부 침지 주입을 가능하게 한다. 도시된 바와 같이, 파이프 (P4) 는, 연료, 공기 및/또는 산소가 연료의 연소를 위해 혼합될 수 있는 혼합 챔버 (M) 를 제공하기 위해, 랜스 (L) 의 하부 출구 단부 (E) 위에서 종료된다. 산소에 대한 연료의 비는 슬래그 내의 필요한 산화, 환원 또는 중성 조건을 발생시키기 위해 제어된다. 연소되지 않은 어떠한 연료도, 환원 조건이 필요할 때 환원 요구사항을의 일부를 형성하기 위해 슬래그 내에 주입된다.

셸 (S) 의 단부 벽 (W) 은 랜스 (L) 의 출구 단부 (E) 에서 파이프들 (P1, P3) 의 전체 원주 둘레에서 파이프들 (P1, P3) 의 단부들을 결합시킨다. 또한, 파이프 (P2) 의 하단부는 단부 벽 (W) 으로부터 이격된다. 도시된 바와 같이, 냉각 유체는 셸 (S) 을 통해 순환될 수 있다. 도 1 에서, 냉각 유체는, 파이프 (P2) 의 하단부 둘레의 흐름 및 파이프들 (P1, P2) 사이에서의 상향 복귀를 위해 파이프들 (P2, P3) 사이에서 하향 공급되고 있는 상태로 도시되어 있다. 그러나, 이러한 흐름의 역은, 특히 파이프 (P1) 로부터의 적은 레벨의 열에너지 추출이 적절하면, 사용될 수 있다.

랜스 (L) 의 하단부 (E) 를 제외하고, 셸 (S) 은 도시된 통상적 사용 방향에서 실질적으로 일정한 수평 단면을 가진다. 그러나, 단부 (E) 에서, 수축부 (C) 가, 파이프 (P2) 의 하단부의 형상, 및 파이프 (P3) 및 단부 벽 (W) 과의 파이프 (P2) 의 하단부의 협동에 의해 제공된다. 도시된 바와 같이, 파이프 (P2) 의 하단부는, 반경 방향 단면 (즉, 랜스 (L) 의 길이 방향 축 (X) 을 포함하는 평면) 에서 눈물 방울 형상 또는 실질적으로 원형이 되도록 실질적으로 토러스 (torus) 의 형상을 가지는 확대된 비드 (B) 를 가진다. 또한, 비드 (B) 를 향하는 셸 (S) 의 환형 단부 벽 (W) 의 표면은 상보적 오목 반-토로이드 형상을 가지며, 비드 (B) 는 그 하부 볼록 표면이 단부 벽 (W) 의 오목 표면에 가까이 인접하지만 단부 벽 (W) 의 오목 표면과 접촉하지는 않도록 위치된다. 그 배치는, 냉각 유체가 비드 (B) 의 상부 볼록 표면에 도달하고 그 후에 유속이 점점 증가할 때까지, 냉각 유체의 유속이 파이프들 (P2, P3) 사이에서 하향 흐름에서 실질적으로 일정하도록 된다. 증가는, 비드 (B) 의 상부 부분 주위에서, 약 90°의 각도를 통한 흐름에서, 비드 (B) 와 단부 벽 (W) 사이의 흐름에서 비드의 하반부 주위에서 최대로 되도록 발생한다. 최대 유속은 비드 (B) 의 하반부 주위에서 약 180°의 각도를 통한 냉각 유체의 흐름에서 유지된다. 그 후에, 유속은, 유속이 파이프들 (P1, P2) 사이에서 상향 흐름에서 최소치로 감소할 때까지, 냉각 유체가 비드 (B) 의 상반부를 통과할 때, 감소된다. 수축부 (C) 는 주로 비드 (B) 의 하반부와 단부 벽 (W) 사이의 간격에 의해 정의되지만, 수축부 (C) 는 비드 (B) 의 상면 주위의 파이프 (P3) 에서의 흐름의 90°에서 시작한다.

수축부 (C) 내에서의 냉각 유체의 유속의 증가는, 냉각 유체와 비드 (B) 사이 및 냉각 유체와 단부 벽 (W) 사이에서, 냉각 유체의 단위 질량 유량당, 표면 대 표면 접촉의 비를 증가시킨다. 그 결과, 랜스 (L) 의 출구 단부 (E) 로부터의 열에너지 추출은 강화된다. 이것은, 랜스 (L) 의 침지 하단부에서의 재연소 및 마모가 최대로 되는 경향이 있을 때 특히 이점을 가지며, 랜스 수리를 위한 정지 기간들 사이의 시간 간격을 설정한다.

도 2 의 단면도는 사용시의 방향에서의 시라우드 랜스 조립체 (10) 를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 조립체 (10) 는 복수의 동심 관형 부재들을 포함한다. 이것들은 환형 시라우드 (12) 의 부재 및 랜스 (14) 의 부재들로 구성되며, 랜스 (14) 의 부재들은 사이에 환형 통로 (16) 를 규정하기 위해 시라우드 (12) 를 통해 연장된다. 도 2 는 조립체 (10) 의 하부 부분만 도시하고 있다. 그러나, 도 2 로부터 명백하듯이, 랜스 (14) 는 시라우드 (12) 보다 길며, 조립체 (10) 의 하단부에서 시라우드 (12) 를 넘어 돌출한다. 랜스 (14) 가 시라우드 (12) 를 넘어 돌출하는 정도는 도 2 로부터 명백하지 않은데, 그것은 시라우드 (12) 아래의 랜스 (14) 의 단면이 도시된 사용시의 방향에서 생략되었기 때문이다.

랜스 (14) 의 관형 부재들은 최내부 파이프 (18), 및 셸 (20) 의 하단부에서 환형 팁 조립체 (22) 에서 종료되는 파이프 (18) 둘레의 외부 셸 (20) 을 포함한다. 파이프 (18) 는, 환형 팁 조립체 (22) 내로 연장되고 그 안에서 종료하도록, 랜스 (14) 보다 짧다. 파이프 (18) 는 중앙 통로 (24) 를 규정한다. 또한 환형 통로 (26) 는 파이프 (18) 와 셸 (20) 사이에 규정된다. 그 배치는, 탄산질 연료와 산소 함유 가스가 압력 하에 각각의 통로들 (24, 26) 을 따라 통과하고, 연료의 연소 및 챔버 (27) 로부터 조립체 (22) 를 넘어 연장되는 연소 영역의 발생을 위해 조립체 (22) 내에서 파이프 (18) 의 단부에 있는 혼합 챔버 (27) 에서의 혼합을 위한 배치이다.

랜스 (14) 의 셸 (20) 은 내부 파이프 (28), 외부 파이프 (30), 및 중간 파이프 (32), 및 팁 조립체 (22) 의 전체 원주 주위에서 파이프들 (18, 30) 의 단부들을 결합시키는 환형 단부 벽 (40) 에 의해 형성된다. 환형 통로 (42) 는 셸 (20) 의 내부 파이프 (28) 와 중간 파이프 (32) 사이에 규정된다. 또한 환형 통로 (44) 는 셸 (20) 의 중간 파이프 (32) 와 외부 파이프 (30) 사이에 규정된다. 통로 (42, 44) 는 단부 벽 (40) 과 중간 파이프 (32) 의 인접 단부 사이의 간격으로 인해 연통한다. 따라서, 냉각 유체는 셸 (20) 및 그 조립체 (22) 를 통해 통로 (42) 를 따라 통과될 수 있고, 다음에는 통로 (44) 를 따라 되돌려 통과될 수 있다.

팁 조립체 (22) 의 중간 파이프 (32) 는, 외부 파이프 (30) 에 가까이 인접하는 원통형 외부 표면을 가진다. 따라서, 통로 (44) 는 그 반경 방향에서 적어도 조립체 (22) 내에서, 바람직하게 셸 (20) 전체를 따라 비교적 좁다. 랜스 직경에 따라 변하지만, 조립체 (22) 내에서, 바람직하게 셸 (20) 전체를 따라 중간 파이프 (32) 와 외부 파이프 (30) 사이의 간격은 약 8mm와 같이 약 5mm 내지 10 mm일 수 있고, 하부 벽에서 짧은 거리 위의 지점으로부터 중간 파이프 (32) 의 하단부까지 약간 클 수 있다. 대조적으로, 통로 (42) 는 셸 (20) 의 내부 파이프 (28) 와 중간 파이프 (32) 사이에서 15 내지 30mm와 같이 비교적 넓다. 그러나, 팁 조립체 (22) 내의 중간 파이프 (32) 의 내부 원주면은 단부 벽 (40) 을 향하는 방향에서 두께는 증가하고 내경은 감소하도록 절두원추형으로 테이퍼진다. 그 결과, 통로 (42) 의 반경 방향 크기는 조립체 (22) 내에서 점진적으로 감소된다. 바람직하게는, 통로 (42) 의 반경 방향 크기의 감소는 통로 (44) 에 대한 반경 방향 크기의 감소와 유사하다. 또한, 단부 벽 (40) 과 파이프 (28) 의 인접 단부 사이의 간격은 통로 (44) 의 반경 방향 크기와 유사하다. 따라서, 압력 하에 통로 (42) 를 따라서 공급되는 냉각 유체는 파이프 (28, 32) 사이에서 그 유속이 점차 증가하고, 단부 벽 (40) 을 가로질러서 또한 통로 (44) 를 따라서 높은 속도로 흐른다. 따라서, 냉각 유체는 셸 (20) 및 팁 조립체 (22) 에서 랜스 (14) 의 외면으로부터 높은 수준의 열에너지 추출을 달성할 수 있어, 사용시에 랜스가 노출되는 고온의 효과에 대해 안전 장치를 얻을 수 있다.

팁 조립체 (22) 를 규정하는 랜스 (14) 의 단부는 마모 및 재연소에 대해 가장 노출되는 영역이다. 그 배치는, 파이프들 (28, 30, 32) 의 하단부들이 절단되고, 교체 팁 조립체 (22) 는 용접 등에 의해 설치되도록 하는 것이다. 절단 및 교체되는 길이는, 랜스 (14) 의 출구가 잠기는 깊이에 대한 관계와 같이 변할 수 있다.

랜스 (14) 의 중간 파이프 (32) 는 파이프들 (28, 30) 및 단부 벽 (40) 과의 고정된 관계로 유지될 수 있다. 이것은 임의의 종래의 배치에 의해 달성될 수 있다. 고정된 관계는, 필요시에는 통로 (42) 에 대한 냉각 유체의 공급 속도를 변경함으로써 냉각 유체에 의한 열에너지 추출의 필요한 속도가 유지될 수 있도록, 통로 (42) 를 따른 또한 통로 (44) 를 따라 역으로의 냉각 유체를 위한 흐름 통로를 유지한다. 고정된 관계를 확립하고 유지하는 것은 단부 벽 (40) 의 상부면 또는 파이프 (32) 의 단부면 둘레의 위치에 이격된 다른 적당한 형상부 또는 몇 개의 작은 딤플들 (dimples) 에 의해 확실하게 된다. 그러한 스페이서는 또한 랜스 (14) 에서의 진동의 원하지 않는 전개를 피하는 것을 보조할 수 있다.

이제 시라우드 (12) 로 돌아와, 시라우드를 형성하는 파이프들의 더 큰 각각의 직경들 및 시라우드 (12) 의 길이를 제외하고, 시라우드의 구조는 셸 (20) 및 그 팁 조립체 (22) 의 구조와 동일하다. 따라서, 시라우드 (12) 의 구성요소는 셸 (20) 및 그 팁 조립체 (22) 에 사용된 도면 부호에 100을 더한 도면 부호를 가진다. 따라서, 시라우드 (12) 가 셸 (120) 및 팁 조립체 (122) 를 가진다는 것을 지적하는 것 외에, 시라우드 (12) 에 대한 추가적 설명은 필요하지 않다.

랜스 조립체 (10) 의 사용에서, 시라우드 (12) 까지의 랜스 (14) 의 외면에, 상술한 바와 같이 고체화된 슬래그의 코팅이 구비되며, 그러한 코팅은 또한 시라우드 (12) 의 외면의 하부 부분에도 형성될 수 있다. 그 후에, 랜스 (14) 의 하단부는 코팅이 형성되게 하는 슬래그 용융조 내에 필요한 깊이로 잠기지만, 시라우드 (12) 의 하부 부분은 용융조 위로 이격된다. 슬래그 용융조를 포함하는 반응기 내에서 수행되는 건식 야금 반응은 통상적으로, 슬래그로부터 용융조 위의 반응기 공간으로 방출되는 주로 일산화탄소와 수소인 가연성 가스를 발생시킨다. 필요시에는, 이들 가스는, 슬래그에 의해 열에너지가 회수될 수 있게 하는 사후 연소 과정을 거칠 수 있다. 이를 위해, 산소 함유 가스는 통로 (16) 의 하단부로 공급되고 그로부터 방출됨으로써 반응기 공간으로 공급될 수 있다.

시라우드 (12) 의 주요 냉각은, 추가적 냉각이 슬래그 용융조의 표면 위에서 통로 (16) 를 통해 주입되는 가스에 의해 달성될 수 있지만, 통로 (142) 를 따라 또한 통로 (144) 를 따라 되돌려 순환되는 냉각 유체에 의한 것이다. 랜스 (14) 에서, 실질적 냉각은 통로 (26) 를 통해 아음속 주입된 고속 가스에 의해 달성될 수 있으며, 추가적 실질적 냉각은 통로 (42) 를 따라 및 통로 (44) 를 따라 되돌려 순환되는 냉각 유체에 의해 달성된다. 랜스 (14) 를 위한 2개의 냉각 작용들 사이의 균형은, 냉각 유체가 순환되는 질량 유량을 변경함으로써 변할 수 있다. 거기에다가, 통로 (44) (적어도 조립체 (22) 내에서) 의 좁은 크기에 의해 제공되는 수축부에 의해 발생되는, 통로 (42) 내에서의 유량에 대한 냉각 유체의 증가된 유량은, 조립체 (22) 및 셸 (20) 의 하부 부분으로부터의 열에너지 추출을 강화한다. 그 결과, 랜스의 작동 수명은, 특히 조립체 (22) 에서의 마모 및 재연소의 결과적 감소에 의해 증가된다.

도 1 의 랜스 (L) 및 도 2 의 랜스 (10) 를 가진 배치는, 냉각 유체가 셸의 최내부 랜스 파이프와 중간 랜스 파이프 사이에서 흐름에 의해서 출구 단부로의 셸을 따라, 다음에는 셸의 중간 랜스 파이프와 최외부 랜스 파이프 사이의 흐름에 의해 출구 단부로부터 멀어지는 방향으로 랜스를 따라 되돌아가는 흐름에 의해서, 또는 이러한 흐름의 역으로, 랜스의 셸을 통해 순환될 수 있게 하는 배치이다. 각각의 단부 벽 (W, 40) 및 셸 (S, 20) 의 3개의 랜스 파이프들 각각의 길이의 인접한 작은 부분은 교체 가능 랜스 팁 조립체를 구성하여, 재연소되었거나 마모된 랜스 팁 조립체는, 새로운 또는 수리된 랜스 팁 조립체가 정위치에 용접될 수 있게 하도록, 3개의 랜스 파이프들의 각각의 길이의 주요 부분으로부터 절단될 수 있다. 셸 (20) 의 단부 벽 (W, 40) 은 랜스의 출구 단부에 있으며 랜스의 출구 단부를 규정한다. 또한, 적어도 하나의 추가 랜스 파이프 (P4, 18) 는 중앙 보어 (24) 를 규정하며, 상기 적어도 하나의 추가 랜스 파이프 (P4, 18) 는 셸 (S, 20) 의 최내부 랜스 파이프로부터 이격되어, 최내부 랜스 파이프와의 사이에 환형 통로 (A, 42) 를 형성하여, 보어 및 통로를 따라 통과하는 물질은 슬래그 층 내로 주입되는 중에 랜스의 출구 단부에 인접하여 혼합될 수 있다.

TSL 랜스 (L, 10) 는 필연적으로 큰 치수를 가진다. 또한, 상부 단부 또는 입구 단부에 인접한 곳에서와 같이, 출구 단부로부터 이격된 위치에서, 랜스는, TSL 반응기 내로 수직으로 하향으로 매달리도록 현수될 수 있게 하는 구조 (도시되지 않음) 를 가진다. 랜스 (L, 10) 는 약 7.5 미터의 최소 길이를 가지지만, 특수 목적의 대형 TSL 반응기를 위해서는 길이가 약 20 미터에 달하거나 더 클 수도 있다. 더 통상적으로, 랜스는 길이가 약 10 내지 15 미터의 범위에 있다. 이들 치수는, 셸의 단부 벽에 의해 형성되는 출구 단부까지의 랜스의 전체 길이와 관련된다. 상기 적어도 하나의 추가 랜스 파이프 (P4, 18) 는 출구 단부까지 연장될 수 있어, 전체 길이가 유사할 수 있지만, 도시된 바와 같이, 출구 단부의 안쪽으로 약 1000mm까지의 짧은 거리에서 종료될 수 있다. 랜스는 통상적으로, 셸을 위한 내경이 약 100 내지 650mm, 바람직하게 약 200 내지 500mm이고, 전체 직경은 150 내지 700mm, 바람직하게 약 250 내지 550mm로 설정되는 등, 큰 직경을 가진다.

도 3 내지 도 7 은 각각, 랜스 (14) 의 팁 조립체 (22) 의 파이프 (38) 및/또는 시라우드 (12) 의 파이프 (138) 를 포함하는 배플을 위한 각각의 다른 형상을 개략적으로 도시하고 있으며, 랜스 (14) 에 사용되는 배플은 시라우드 (12) 에 사용되는 배플과 동일한 형태일 필요는 없다. 도 3 의 파이프 (60) 는 도 2 의 파이프 (38) 또는 파이프 (138) 와 다르다. 파이프들 (38, 138) 은 각각, 실질적으로 일정한 냉각 유체 유속이 통로 (44) 에서 파이프 (38, 138) 와 외부 파이프 (36, 136) 사이에 유지되도록, 각각의 외부 파이프 (36, 136) 로부터 실질적으로 일정하게 이격되는 원통형 외면을 가진다. 대조적으로, 파이프 (60) 의 외면은, 통로 (44) 에서 상향으로 흐름에 있어서, 파이프 (60) 의 하단부에서의 더 큰 외경으로부터 발생하는 유속의 감소 후에 점진적으로 감소하는 유체 유속이 가능하게 되도록, 프로파일링 된다. 외부 파이프 (36, 및/또는 136) 로부터의 필요한 열에너지 제거를 가능하게 하는 수준 아래로 되도록 감소하지는 않음으로써, 팁 조립체 (22 및/또는 122) 의 하단부로부터의 양호한 에너지 제거가 달성될 수 있다.

도 4 및 도 5 의 각각의 파이프들 (62, 64) 은 파이프들 (38, 138) 의 배치와 외면이 다르다. 파이프들 (62, 64) 은 각각의 형상을 도시하고 있지만, 유사한 결과를 얻는다. 파이프 (62) 의 경우에, 상승된 나선형 비드 또는 리지 (63) 는, 베인 (vain) 배치가 사용될 때와 같이, 원통형 외면 주위에 나선형 형상으로 연장되고, 연속 또는 간헐적일 수 있다. 대조적으로, 파이프 (64) 의 외면은 그 내부에 형성된 나선형 홈 (65) 을 가진다. 각각의 경우에, 냉각 유체는 통로들 (44 및/또는 144) , 적어도 팁 조립체 (22 및/또는 122) 내에서 나선형으로 흐르도록 구속된다. 파이프 (62) 주위의 비드 또는 리지 (63) 는 둥근 단면을 가진 것으로 도시되어 있으며, 파이프 (62) 에 와이어 태그 용접됨으로써 제공될 수 있다. 그러나, 비드 또는 리지 (63) 는 다른 단면 형상을 가질 수 있고, 튜브 (64) 의 홈 (65) 은 도시된 사각형 형상이 아닌 단면 형상을 가질 수 있다.

도 6 의 파이프 (66) 는 전체적인 형상이 파이프들 (38 및 138) 과 유사하다. 그러나, 파이프들 (66) 은 그 하단부 근처에서 파이프 (66) 를 관통하여 원주 방향 어레이의 구멍 (67) 을 가진다는 점에서 다르다. 냉각 유체는 파이프 (66) 의 하단부 주위를 통과하는 흐름에 더하여 구멍들 (67) 을 통과할 수 있다. 따라서, 열에너지는 파이프 (66) 가 구비되는 랜스 (14 및/또는 114) 의 하단부로부터 더 효율적으로 제거될 수 있다.

도 7 의 파이프 (68) 는 그 외면에 길이 방향 플루트들 또는 홈들 (69) 의 어레이가 구비되어, 축 방향 리지들 (70) 을 발생시킨다. 이러한 경우에, 냉각 유체 유속의 증가의 정도는 홈 (69) 이 형성되지 않는 경우보다 작다. 즉, 유속은 파이프 (68) 의 외면의 평균 반경에 의존한다.

도 2 의 배치의 각각의 파이프들 (38, 138), 및 도 3 내지 도 7 의 각각의 파이프들 (60, 62, 64, 66, 68) 은 임의의 적절한 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들면, 파이프들은 적절한 금속의 빌릿으로부터 기계가공 또는 단조될 수 있거나, 적절한 금속을 실질적으로 최종 형상으로 주조함으로써 형성될 수 있다.

냉각 유체는 임의의 적절한 액체 또는 가스일 수 있다. 액체 냉각제가 바람직하며, 사용될 수 있는 액체 냉각제에 물, 이온 액체, 및 실록산과 같은 유기실리콘 화합물들을 포함하여 적절한 중합체 물질들이 포함된다. 사용될 수 있는 특정 실리콘 중합체들의 예에, 다우 코닝 코포레이션이 소유한 상표 SYLTHERM 으로 시판중인 열전달 유체들이 포함된다.

마지막으로, 여러 가지 변경, 수정 및/또는 추가가, 본 발명의 정신 또는 범위를 이탈함이 없이, 상술한 부품의 구성 및 배치에 도입될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

Claims

건식 야금 프로세스 (pyrometallurgical process) 에서 용융조의 슬래그 층 내의 상부 침지 랜싱 주입 (top submerged lancing injection) 에 사용하기 위하여 작동가능한 상부 침지가능 주입 랜스로서,
상기 상부 침지가능 주입 랜스는 최외부 랜스 파이프, 최내부 랜스 파이프, 및 중간 랜스 파이프를 포함하는 3개의 실질적으로 동심인 랜스 파이프들의 외부 셸을 갖고,
상기 상부 침지가능 주입 랜스는 상기 외부 셸 내에 실질적으로 동심으로 배치된 적어도 하나의 추가 랜스 파이프를 포함하고,
상기 외부 셸은 상기 상부 침지가능 주입 랜스의 출구 단부에 있는 환형 단부 벽을 더 포함하고,
상기 환형 단부 벽은 상기 상부 침지가능 주입 랜스의 출구 단부에서 상기 외부 셸의 상기 최외부 랜스 파이프와 상기 최내부 랜스 파이프의 각각의 단부를 결합하고 있고, 상기 외부 셸의 상기 중간 랜스 파이프의 출구 단부로부터 이격되어 있으며;
상부 또는 입구 단부에 인접하게, 상기 출구 단부로부터 멀리 떨어진 위치에서, 상기 상부 침지가능 주입 랜스는 상기 상부 침지가능 주입 랜스가 수직으로 하향으로 매달리도록 현수될 수 있게 하는 구조이고, 그리고
상기 외부 셸은 상기 최내부 랜스 파이프와 상기 최외부 랜스 파이프 중 하나와, 상기 중간 랜스 파이프 사이에서 상기 출구 단부로의 흐름과, 그 다음에는 최내부 랜스 파이프와 상기 최외부 랜스 파이프 중 다른 하나와, 상기 중간 랜스 파이프 사이의 흐름에 의해 상기 출구 단부로부터 멀어지는 방향으로 상기 상부 침지가능 주입 랜스를 따라 되돌아가는 흐름에 의해서, 상기 외부 셸을 통해 냉각 유체를 순환시키도록 되어 있고,
상기 환형 단부 벽과 상기 중간 랜스 파이프의 상기 출구 단부 사이의 간격은 상기 환형 단부 벽과 상기 중간 랜스 파이프의 상기 출구 단부 사이의 냉각 유체 유속을 증가시키도록 작동될 수 있는 냉각 유체의 흐름에 대한 수축부를 제공하고;
상기 적어도 하나의 추가 랜스 파이프는 중앙 보어를 규정하고 있고, 그리고 상기 외부 셸의 상기 출구 단부로부터 이격된 출구 단부를 가져, 혼합 챔버는 상기 외부 셸의 상기 출구 단부와 상기 적어도 하나의 추가의 랜스 파이프의 상기 출구 단부 사이에서 상기 외부 셸에 의해서 규정되고, 그리고
상기 적어도 하나의 추가의 랜스 파이프는 상기 외부 셸의 상기 최내부 랜스 파이프와의 사이에 환형 통로를 규정하기 위해 상기 최내부 랜스 파이프로부터 이격되어 있어, 상기 보어를 따라 통과하는 가연성 물질과 상기 환형 통로를 따라 통과하는 산소 함유 가스는 상기 슬래그 층 내로 주입될 때 가연성 혼합물의 연소를 위하여 상기 혼합 챔버에서 그리고 상기 상부 침지가능 주입 랜스의 상기 출구 단부 근처에서 가연성 혼합물을 형성할 수 있는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 1 항에 있어서,
상기 수축부는 상기 수축부 전후의 흐름에 비해 얇은 필름 또는 스트림의 형태로 상기 환형 단부 벽을 가로지르는 냉각 유체의 흐름을 제공하도록 작동될 수 있는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 중간 랜스 파이프의 단부에 비드가 규정되어 있으며,
상기 비드는 눈물 방울 또는 유사한 둥근 형상이기 때문에, 상기 환형 단부 벽을 향하는 반경 방향으로 구부러진 볼록 표면을 갖고,
상기 환형 단부 벽은 상보적 오목 형상의 단부를 갖는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 3 항에 있어서,
상기 중간 랜스 파이프의 상기 출구 단부와 상기 환형 단부 벽 사이의 상기 수축부는 상기 비드와 상기 환형 단부 벽이 최대 180°의 각도를 통해 상기 수축부를 제공하는 것과 같은 상기 상부 침지가능 주입 랜스에 대한 축을 포함하는 평면들에서 상기 상부 침지가능 주입 랜스의 반경 방향으로 상당한 크기를 갖는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 3 항에 있어서,
상기 수축부는 상기 비드로부터, 상기 중간 랜스 파이프의 외면과 상기 최외부 랜스 파이프의 내면 사이에서, 상기 중간 랜스 파이프의 벽 두께가 증가되는 상기 상부 침지가능 주입 랜스의 길이의 적어도 일부에 걸쳐 계속되는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 중간 랜스 파이프의 단부는 둥근 부분을 가지고, 상기 수축부는 적어도 부분적으로 상기 중간 랜스 파이프의 단부의 상기 둥근 부분으로부터, 상기 중간 랜스 파이프의 외면과 상기 최외부 랜스 파이프의 내면 사이에, 상기 중간 랜스 파이프의 벽 두께가 증가되는 상기 상부 침지가능 주입 랜스의 길이의 적어도 일부에 걸쳐 규정되고, 상기 수축부는 상기 랜스의 길이 방향에 대해 적어도 90°의 각도를 통해 연장되는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 상부 침지가능 주입 랜스는 상기 출구 단부로부터 이격된 상기 외부 셸의 상부 부분 (upper extent) 주위에 동심으로 배치된 환형 시라우드를 포함하는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 7 항에 있어서,
상기 시라우드는 최외부 시라우드 파이프, 최내부 시라우드 파이프, 및 중간 시라우드 파이프를 포함하는 3개의 실질적으로 동심인 시라우드 파이프들의 외부 셸을 갖고, 그리고 상기 시라우드의 출구 단부에 있는 환형 단부 벽을 더 포함하고,
상기 환형 단부 벽은 상기 외부 셸의 상기 최외부 시라우드 파이프와 상기 최내부 시라우드 파이프의 각각의 출구 단부를 결합하고 있고, 상기 외부 셸의 상기 중간 시라우드 파이프의 출구 단부로부터 이격되어 있어, 냉각 유체는 상기 최내부 시라우드 파이프와 상기 중간 시라우드 파이프 사이의 흐름으로 상기 출구 단부로 순환하고, 그 다음에는 상기 중간 시라우드 파이프와 상기 최외부 시라우드 파이프 사이의 흐름으로 상기 출구 단부로부터 멀어지는 방향으로 상기 시라우드를 따라 되돌아 순환하고, 또는 이러한 흐름을 역으로, 상기 출구 단부로 상기 외부 셸을 따라서 상기 외부 셸을 통해 순환될 수 있으며,
상기 환형 단부 벽과 상기 중간 시라우드 파이프의 상기 출구 단부 사이의 간격은 상기 환형 단부 벽과 상기 중간 시라우드 파이프의 상기 출구 단부 사이의 냉각 유체 유속을 증가시키도록 작동될 수 있는 냉각 유체의 흐름에 대한 수축부를 제공하는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 8 항에 있어서,
상기 시라우드의 상기 수축부는 상기 수축부 전후의 흐름에 비해 얇은 필름 또는 스트림의 형태로 상기 시라우드의 상기 환형 단부 벽을 가로지르는 냉각 유체의 흐름을 제공하도록 작동될 수 있는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 8 항에 있어서,
상기 중간 시라우드 파이프의 단부에 비드가 규정되어 있으며,
상기 비드는 눈물 방울 또는 유사한 둥근 형상이기 때문에, 상기 환형 단부 벽을 향하는 반경 방향으로 구부러진 볼록 표면을 갖고,
상기 환형 단부 벽은 상보적 오목 형상의 단부를 갖는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 10 항에 있어서,
상기 중간 시라우드 파이프의 상기 출구 단부와 상기 환형 단부 벽 사이의 상기 수축부는 상기 비드와 상기 환형 단부 벽이 최대 180°의 각도를 통해 상기 수축부를 제공하도록 상기 시라우드에 대한 축을 포함하는 평면들에서 상기 시라우드의 반경 방향으로 상당한 크기를 갖는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 10 항에 있어서,
상기 수축부는 상기 비드로부터, 상기 중간 시라우드 파이프의 외면과 상기 최외부 시라우드 파이프의 내면 사이에서, 상기 중간 시라우드 파이프의 벽 두께가 증가되는 상기 시라우드의 길이의 적어도 일부에 걸쳐 계속되는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 8 항에 있어서,
상기 중간 시라우드 파이프의 단부는 둥근 부분을 가지고, 상기 수축부는 적어도 부분적으로 상기 중간 시라우드 파이프의 단부의 상기 둥근 부분으로부터, 상기 중간 시라우드 파이프의 외면과 상기 최외부 시라우드 파이프의 내면 사이에, 상기 중간 시라우드 파이프의 벽 두께가 증가되는 상기 시라우드의 길이의 적어도 일부에 걸쳐 규정되고, 상기 수축부는 상기 랜스의 길이 방향에 대해 적어도 90°의 각도를 통해 연장되는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 수축부는 상기 수축부의 상류에서의 유량보다 6 내지 20배 높은, 상기 수축부를 통한 냉각 유체 유량을 발생시키는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 상부 침지가능 주입 랜스는 길이가 7.5 내지 25 미터인, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 상부 침지가능 주입 랜스의 상기 외부 셸은 100mm 내지 650mm의 내경, 및 150mm 내지 700mm의 외경을 갖는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 추가 랜스 파이프는 상기 상부 침지가능 주입 랜스의 상기 출구 단부까지 연장되는, 상부 침지가능 주입 랜스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 추가 랜스 파이프는 상기 출구 단부로부터 1000mm 까지 상기 외부 셸 내에서 종료되는, 상부 침지가능 주입 랜스.
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