KR20030011884A - 야금용 용기에 가스를 주입하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신장된 가스 유동용 덕트(31)를 포함하는, 고온의 가스를 용기에 주입하기 위한 주입장치(26), 즉 주입 랜스(lance)에 관한 것으로서, 상기 가스 유동용 덕트는 그 내부에서 그의 후방 단부로부터 전방 단부로 연장되는 신장된 중심부 관 구조물(33) 및 가스 입구 구조물(32)로부터 고온의 가스를 받도록 구성된다. 상기 덕트(31)의 전방 단부의 근처에서 상기 중심부 구조물(33)은 상기 덕트로부터 배출된 고온의 가스 유동에 소용돌이를 제공하기 위한 일련의 유동 안내용 날개들(34)을 갖는다. 가스 입구 구조물(32)로부터 하류 쪽으로의 덕트(31)의 벽은 환상의 통로들(43, 44)을 통한 물의 흐름에 의해 내부적으로 수냉식으로 냉각된다. 냉각수는 또한 덕트(31)의 전방 단부에서 덕트 선단부(36)의 내부를 통해 흐르게 구성된다. 상기한 소용돌이용 날개들(34)을 수반하는 중심부 구조물(33)의 전방 단부는 랜스의 후방에서의 물 유입구(53)로부터 중심부 구조물의 노우즈 부분(35)까지 통하는 중심부 물 유동 통로(52)를 통해 전방으로 공급되는 냉각수에 의해 내부적으로 냉각된다. 상기 냉각수는 환상의 물 복귀 통로(54)를 경유하여 상기 중심부 구조물을 통하여 랜스의 후방 단부에 있는 물 배출구(55)로 복귀하게 된다.

Description

야금용 용기에 가스를 주입하기 위한 장치{APPARATUS FOR INJECTING GAS INTO A VESSEL}

공지의 직접제련 공정은 반응 매개체로서 용해된 금속 층(molten metal layer)에 기초하는데, 이것은 일반적으로 "HIsmelt" 공정으로 언급되는 바, 본원 출원인에 의한 국제출원 제PCT/AU96/00197호(국제공개 WO 96/31627)에 잘 기술되어 있다.

상기 국제출원에 기재된 HIsmelt 공정은 대개 다음과 같은 과정을 포함하여 이루어진다:

(a) 용기에 용해된 철(molten iron)과 슬래그(slag)의 용융 욕(molten bath)을 형성하는 단계;

(b) 상기 용융 욕에,

(i) 철함유 원료물질, 전형적으로는 금속산화물, 및

(ii) 상기 금속산화물의 환원제 및 에너지원으로서 작용하는 고체 탄소질 물질(solid carbonaceous material), 전형적으로는 석탄을 투입하는 단계; 및

(c) 상기 철함유 원료물질을 금속 층에서의 금속으로 용융하는 단계.

여기서 상기 용어 "제련(smelting)"은 금속 산화물을 환원하는 화학적 반응들이 발생되어 액체 금속을 생산하는 열적 처리공정을 의미하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

상기 HIsmelt 공정은 또한 산소함유 가스를 상기 욕 상부의 공간으로 주입시켜 상기 용융 욕으로부터 방출된 CO 및 H₂와 같은 반응가스를 후연소(post-combustion)하고, 후연소에 의해 발생된 열을 상기 욕에 전달하여 금속을 함유하는 원료물질을 용해하기 위해 필요한 열에너지에 기여하도록 하는 과정을 포함하여 이루어진다.

상기한 HIsmelt 공정은 또한 상기 욕의 공칭 정지표면(nominal quiescent surface) 상에서 전이영역(transition zone)을 형성하는 과정을 포함하는데, 상기 욕에는 그 위에서 반응 가스들을 후연소 함으로써 발생된 열에너지를 상기 욕에 효과적으로 전달하기 위한 효과적인 매개체를 제공하는 용융 물질 및/또는 슬래그의 상승하고 그 후 하강하는 액체방울들(droplet), 비산파편(splash) 또는 흐름(stream)들이 상당히 많이 존재한다.

상기 HIsmelt 공정에서 철함유 공급물질 및 고체 탄소질 물질이 다수의랜스(lance)/송풍구(tuyere)들을 통해서 상기 금속 층에 주입되며, 상기 랜스/송풍구는 제련 용기의 측벽을 통해서 아래쪽으로 그리고 안쪽으로 연장됨과 아울러 상기 용기의 하부영역 내부로 연장되도록 수직면에 대해 기울어지게 형성됨으로써, 상기 용기의 저부의 금속 층 안에 상기한 고체 물질을 전달한다. 상기한 용기의 상부영역에서 반응가스의 후-연소를 촉진하기 위하여 산소가 풍부한 고온의 공기의 폭풍을 아래쪽으로 연장된 고온 공기 주입 랜스를 통해 용기의 상부영역에 주입한다. 또한 상기한 용기의 상부에서의 가스의 효과적인 후-연소를 촉진하기 위하여 입력하는 고온 공기의 송풍은 소용돌이형 동작(swirling motion)으로 상기 랜스로부터 토출되도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 것을 달성하기 위해서는 랜스의 배출구 단부에는 적절한 소용돌이 동작을 제공하는 내부의 유동 가이드가 장착되어도 좋다. 상기한 용기의 상부영역은 2000℃ 정도의 온도에 도달할 수도 있고 고온의 공기는 1100-1400℃ 정도의 온도로 랜스에 제공될 수도 있다. 따라서 상기 랜스는 내부에서뿐만 아니라 바깥벽에서, 특히 용기의 연소영역으로 돌출된 랜스의 공급구 단부에서는 매우 높은 온도에 견딜 수 있어야만 한다. 본 발명은 관련된 구성요소들이 내부적으로 수랭식(water cooled)으로 냉각되고 극도의 고온하의 환경에서도 동작 가능하도록 해주는 랜스의 구성을 제공하기 위함이다.

본 발명은 야금을 위한 용기(노)에 가스를 주입하기 위한 장치에 관한 것으로서, 특히 이러한 것에 한정되는 것은 아니지만, 고온의 조건 하에서 야금(제련)용 용기(metallurgical vessel)에 유동하는 가스를 주입하기 위한 장치에 관한 것이다. 일반적으로 이러한 야금용 용기는 예를 들면 직접제련(direct smelting) 공정에 의해 용융 철이 생산되는 데에 사용되는 제련용기일 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 한 쌍의 고체 주입용 랜스들 및 고온의 열풍 주입용 랜스(lance)를 구현하는 직접 제련 용기를 개략적으로 나타낸 수직 단면도이다;

도 2는 상기한 고온의 공기 주입용 랜스의 길이방향의 단면도이다;

도 3은 랜스의 중심부 구조물의 정면부 일부에 대한 일부 확대된 길이방향의 단면도이다;

도 4 및 도 5는 상기한 중심부 구조물의 전방 노우즈 부분의 구성을 나타내는 도면이다;

도 6은 상기 중심부 구조물의 길이방향의 단면도이다;

도 7은 도 6의 부위 8에 대한 상세 구성을 나타낸 도면이다;

도 8은 도 7의 절개선 8-8을 따라 취하여진 단면도이다; 그리고

도 9는 도 7의 절개선 9-9를 따라 취하여진 단면도이다.

따라서 본 발명의 목적은 야금용 용기에 가스를 주입하기 위한 장치를 제공하는 것이며, 상기 장치는:

후방 단부(rear end)로부터 전방 단부(forward end)로 연장되어 상기 전방단부로부터 가스를 방출하기 위한 가스 유동 덕트(gas flow duct)와;

상기 가스 유동 덕트 내에서 그의 후방 단부로부터 전방 단부로 연장되도록 구성된 관 모양의 신장된 중심부 구조물(elongate central tubular structure)과;

상기 덕트의 전방 단부에 인접한 상기 관 모양의 중심부 구조물 주위에 배치되어 덕트의 전방 단부에 대한 가스의 유동에 소용돌이를 제공하도록 구성된 다수의 유동 안내 날개(flow directing vane)들을 포함하며, 상기 중심부 구조물의 전방 단부와 상기 덕트의 전방 단부는 서로 협동하여 상기 날개들에 의해 형성되는 소용돌이가 포함된 상기 덕트로부터의 가스유동을 제공하기 위해 환 형상의 노즐(annular nozzle)을 형성하도록 구성되고;

상기 중심부 구조물을 통해서 그의 후방 단부로부터 그의 전방 단부로 냉각수의 유동을 제공하기 위한 것으로서, 상기한 관 모양의 중심부 구조물 내에 배치되어, 냉각수가 상기 전방 단부를 내부적으로 냉각시키고 그 다음에는 그의 후방 단부로 상기 중심부 구조물을 통해 복귀하도록 구성된 냉각수 통로를 포함하여 이루어진다.

상기 덕트의 전방 단부는 속이 빈 환상의 선단(tip) 구조를 갖도록 형성될 수 있고, 상기 가스 유동 덕트는 덕트 선단부에 상기 덕트를 따라 전방으로 냉각수를 공급하고 덕트를 따라서 냉각수를 복귀시키기 위한 덕트 선단부의 냉각수 공급 및 복귀 통로들을 포함할 수도 있다.

상기 덕트의 내부 주위표면은 내화성 물질(refractory material)로 라이닝(lining)이 형성될 수도 있다.

바람직하게는, 관 모양의 중심부 구조물은 그것의 전방 단부에 대해 직접적으로 그 구조물을 통한 전방으로의 냉각수의 흐름을 제공하기 위한 하나의 중심부 냉각수 유동 통로(central water flow passage)와, 상기 중심부 구조물의 전방 단부로부터 후방 단부로 다시 냉각수의 유동을 복귀시키기 위하여 상기한 중심부 유동 통로의 주변에 배치된 하나의 환상의 냉각수 유동 통로(annular water flow passage)를 구성하도록 형성된다.

상기 관 모양의 중심부 구조물은 중심부 냉각수 유동 통로를 제공하는 중심 관(central tube)과 이 중심 관 주위에 배치된 추가적인 관을 포함하여 이 관들 사이에서 상기한 환상의 냉각수 유동 통로를 정의하도록 구성된다.

바람직하게는, 상기 중심부 구조물은 가스 유동 덕트에서의 가스로부터 중심부 구조물의 냉각수 유동 통로로의 열 전달을 지연시키기 위해 열 절연용 외부 차폐물(shied)을 포함한다.

상기한 열 절연용 차폐물은 그 열 차폐물 내에 바로 인접하여 배치된 환상의 에어 갭(air gap) 주위에서 중심부 구조물의 후방 단부로부터 전방 단부 쪽으로 연장된 실질적으로 연속적인 관으로서 상기한 열 차폐물을 형성하도록 끝단에서 끝단으로 배치된 다수의 관 모양의 부분(tubular segment)들로 이루어진 단열 물질로 이루어질 수 있다.

상기한 에어 갭은 환상의 냉각수 복귀 유동 통로의 외벽을 정의하는 상기 추가적인 관과 상기 관 모양의 열 차폐물 사이에 형성될 수도 있다.

바람직하게는, 상기 열 차폐물의 상기 관 모양의 부분들은 다른 관 모양의부분들과는 독립적으로 각 부분의 세로축의 팽창을 수용하도록 지지된다.

상기 중심부 구조물의 전방 단부는 하나의 나선형 냉각수 통로가 내부적으로 제공된 돔 형상의 노우즈(domed nose) 부분을 포함할 수 있는데, 상기 냉각수 통로는 노우즈 부분의 선단부(팁)에서 상기 중심부 구조물의 중심부 냉각수 유동 통로로부터 냉각수를 받아들이는 한편으로 상기 노우즈를 따라서 후방으로 그리고 그 주위에서 단일한 흐름으로 그 냉각수를 안내하도록 함으로써 냉각수의 단일한 일관성 있는 흐름을 이용하여 상기한 노우즈 부분을 냉각시키게 된다.

상기 장치는 덕트의 후방 단부에 대해 고온의 가스를 주입하기 위한 가스 입구를 포함할 수 있으며, 상기 가스 입구는 덕트의 후방 단부와 정렬되어 있고 그에 직접적으로 연장되는 관 모양의 제1 가스 통로와, 고온의 가스를 수용하고 상기 제1 가스 통로에 그것을 안내하기 위한 상기 제1 가스 통로에 횡단으로 배열된 관 모양의 제2 가스 통로를 형성하는 내화성 몸체를 포함하여 이루어지며, 이로써 고온의 가스 및 그에 실려 있는 입자들은 상기 제1 통로의 내화성 벽에 접촉하게 되고, 상기한 가스의 흐름은 제1 통로로부터 제2 통로로 통과함에 있어서 방향의 변화를 겪게 된다.

상기 제1 및 제2 가스 유동 통로들은 서로 수직으로 되게끔 구성함이 필수적일 것이다.

상기한 관 모양의 중심부 구조물은 가스 입구 수단의 제1 가스 유동 통로를 통해 중심부 상에서 그리고 가스 입구를 넘어서 후방으로 연장되도록 구성함이 좋다. 상기 중심부 구조물의 후방 단부는 가스 입구의 뒤쪽으로 배치되어 중심부 구조물에 대해 또한 그로부터의 냉각수의 흐름을 제공하기 위한 냉각수 연결장치(water coupling)가 제공될 수도 있다.

이하 본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 그의 특정한 실시예에 대하여 예시적인 방법으로 더 상세하게 기술될 것이다.

도 1은 국제특허출원 제PCT/AU96/00197호에서 기술된 HIsmelt 공정에 의한 적용에 적합한 직접제련 용기를 예시하고 있다. 도시된 직접제련장치는 11로서 일반적으로 표시되는 야금용 용기(metallurgical vessel)를 포함한다. 상기 용기 11은, 내화성 벽돌로 형성된 기저부(base) 12 및 측면 13을 포함하는 노(hearth); 상기 노의 측면들 13으로부터 상부방향으로 신장된 대체적으로 원통형의 배럴(barrel)을 형성하고, 또한 상부 배럴 부위 15 및 하부 배럴 부위 16을 포함하는 측벽(side wall)들 14; 지붕 17; 이탈 가스(off-gas)를 위한 배출구 18; 용융된 금속을 연속적으로 방출하기 위한 전로(forehearth) 19; 그리고 용해된 슬래그를 방출하기 위한 취출구(tap-hole) 21을 포함하여 구성된다.

가동 시, 상기 용기는 용융 금속 층 22 및 상기 금속 층 22 상의 용융 슬래그 층 23을 포함하는 철과 슬래그의 용융 욕(molten bath)을 구비한다. 참조번호 24로 표시된 화살표는 상기 금속 층 22의 공칭 정지표면(nominal quiescent surface)의 위치를 지시하고 참조번호 25로 표시된 화살표는 슬래그 층 23의 공칭 정지표면의 위치를 지시한다. 상기한 용어 "정지표면(quiescent surface)"은 상기 야금 용기에 대한 기체 및 고체의 어떠한 주입도 없는 경우의 표면을 의미하는 것으로 이해될 것이다.

상기 용기에는 그의 상부영역으로 고온의 열풍(hot air blast)을 송풍하기 위한 아래로 연장된 고온의 공기주입 랜스 26이 장착되고, 또한 상기한 금속 층 22에 철 원광, 고체 탄소질 물질, 및 산소가 결핍된 운반체(carrier) 가스에 실려진 용제(flux)를 주입하기 위하여 상기 측벽들 14를 통해서 슬래그 층 23으로 안쪽으로 그리고 하향으로 연장된 두 개의 고체 주입용 랜스들 27이 장착된다. 상기 랜스들 27의 위치는 상기 공정의 동작 시 그의 출구 단부(outlet end)들 28이 금속층 22의 표면 위에 배치되도록 선택된다. 이러한 랜스의 위치로 인해 용융 금속과의접촉을 통한 손상의 위험이 감소됨과 아울러 상기 야금용 용기에서 용융 금속과 접촉하게 되는 물에 의한 심각한 위험을 야기하지 않고 강제적인 내부 수냉 기능에 의해 랜스들을 냉각하는 것이 가능해 진다.

상기한 고온의 공기 주입용 랜스 26의 구성은 이하에서 도2 내지 도9를 참조하여 상세히 기술될 것이다. 이들 도면에서 도시된 바와 같이, 랜스 26은 가스 입구 구조물(gas inlet structure) 32를 통해 고온의 가스를 수용하여 그것을 용기의 상부 영역에 주입하는 신장된 덕트 31을 포함한다. 상기 랜스는 가스 유동 덕트 31 내에서 그의 후방 단부로부터 전방 단부로 연장되는 관 모양의 신장된 중심부 구조물 33을 포함하고 있다. 상기 덕트의 전방 단부에 인접하여 상기 중심부 구조물 33은 덕트에서 배출되는 가스의 유동에 소용돌이를 제공하기 위한 일련의 (네 개의) 소용돌이 제공용 날개(vane)들 34를 갖는다. 상기 중심부 구조물 33의 전방 단부는 덕트 31의 선단(tip)부 36의 상부로 전방으로 돌출하는 돔형의 노우즈 부분 35를 구비함으로써, 상기 중심부 몸체부분의 전방 단부와 덕트의 선단부가 서로 상호 작용하여 상기한 날개들 34에 의해 제공된 소용돌이와 함께 덕트로부터의 가스의 확산하는 흐름(유동)을 제공하기 위한 하나의 환상의 노즐을 형성하게 된다. 날개들 34는 4-분지형(four-start)의 나선형 구조로 배치되고 덕트의 전방 단부 내에서 미끄러짐 동작에 의해 장착된다.

가스 입구 32로부터 하류 쪽으로 연장된 덕트 31의 본체 부분의 벽은 내부적으로 수냉식으로 냉각된다. 덕트의 이 부분은 상기 덕트의 전방 단부로 연장된 일련의 세 개의 동심형(concentric) 철관들 37, 38 및 39를 포함하는데, 이들은 덕트의 선단부 36에 연결된다. 상기 덕트 선단부 36은 속이 빈 환상의 형상으로 되어 있고 덕트 31의 벽에 있는 통로를 통과하여 공급되고 복귀되는 냉각수에 의해 내부적으로 수냉식으로 냉각된다. 특히, 냉각수는 상기한 덕트의 관들 38 및 39 사이에 형성된 내부의 환상의 냉각수 유동 통로 43으로 입구 41과 환상의 입구 매니폴드(annular inlet manifold) 42를 통해서 그리고 상기한 선단부 36에 있는 외주 상으로 이격된 개구(opening)들을 통해서 덕트 선단부 36의 속이 빈 내부에까지 공급된다. 상기 냉각수는 외주 상으로 이격된 상기 개구들을 통해서 선단부로부터 상기한 관들 37 및 38 사이에 형성된 외부의 환상의 냉각수 유동 통로 44를 통해 그리고 덕트 31의 수냉 부위의 후방 말단부에서 냉각수 출구 45로 복귀하게 된다.

덕트 31의 수냉작용 부위는 그의 가장 안쪽의 금속 관 39 내에서 꼭 맞게 장착되어 그의 수냉을 위한 선단부 36에까지 연장되는 내부 내화성 라이닝(internal refractory lining) 46과 내부적으로 정렬되게 구성된다. 덕트 선단부 36의 내부 원주는 덕트를 통해서 가스를 제공하기 위한 효과적인 유동 통로를 형성하는 내화성 라이닝의 내부 표면과 대체적으로 같은 평면상에 배치된다. 상기 내화성 라이닝의 전방 단부는 넉넉하게 슬라이딩하도록 장착된 구성을 갖는 소용돌이 날개들을 수용하는 다소 감소된 직경의 부분 47을 구비한다. 상기 부분 47로부터 후방으로 상기한 내화성 라이닝은 다소 더 큰 직경을 갖도록 되어 있어 소용돌이 날개들 34가 덕트의 전방 단부에 도달할 때까지 랜스의 조립체 상의 덕트를 통해 아래쪽으로 중심부 구조물 33이 삽입되도록 해주는데, 여기서 이들은 내화성 부분 47로 상기날개들의 위치를 잡아 안내해주는 끝이 점점 가늘어지는 형태의 내화성 랜드(tapered refractory land) 48 에 의해 상기한 내화성 부분 47과 넉넉한 교합(snug engagement) 상태로 안내된다.

소용돌이 날개(swirl vane)들 34를 구비한 중심부 구조물 33의 전방 단부는 랜스의 후방 단부로부터 전방 단부로 중심부 구조물을 통해 앞쪽으로 공급되어 상기 중심부 구조물을 따라서 랜스의 후방 단부를 향해 복귀되는 냉각수에 의해 내부적으로 수냉식으로 냉각된다. 이것은 상기한 중심부 구조물의 전방 단부와, 특히 랜스의 동작 시 매우 높은 온도의 용제(flux)에 놓이게 되는 돔형의 노우즈 부분 35에 직접적으로 매우 강력한 냉각수의 흐름이 제공되게 한다.

상기 중심부 구조물 33은 내부 및 외부 강철관(steel tube) 50 및 51을 구비하는데, 이들은 관 절편들로 형성되고 서로 끝단이 마주보도록 배치되며 서로 접합된다. 상기 내부 관 50은, 냉각수가 랜스의 후방 단부의 냉각수 입구 53으로부터 중심부 구조물의 전방 단부의 노우즈 35에까지 중심부 구조물을 통해 앞쪽으로 흐르게끔 구성된 중심부 냉각수 유동 통로 52와, 냉각수가 노우즈 35에서부터 중심부 구조물을 통해 랜스의 후방 단부의 냉각수 배출구 55로 복귀하도록 구성되어 상기한 두 개의 관들 사이에 형성된 환상의 냉각수 복귀 통로 54로 이루어진다.

중심부 구조물 33의 노우즈 단부 35는 구리로 형성된 외부의 돔형 노우즈 외피(outer domed nose shell) 62 내에 장착된 내부의 구리로 된 몸체(inner copper body) 61을 포함한다. 상기한 내부 구리부위 61은 구조물 33의 중심부 통로 52로부터 냉각수를 받아서 그것을 노우즈의 선단부에 안내하기 위한 중심부 냉각수 유동통로 63으로 이루어진다. 노우즈 단부 35는 상기 내부 부분 61과 외부 노우즈 외피 62 사이에 단일의 연속적인 냉각수 유동 통로 65를 형성하도록 노우즈 외피 62 내에서 넉넉하게 장착된 돌출형 리브(rib)들 64로써 형성된다. 도 4 및 도 5에서 도시된 바와 같이, 상기한 리브들 64는 상기 단일의 연속적 통로 65가 통로 부위들 67에 의해 서로 연결된 환상의 통로 부위들 66으로서 연장되도록 구성되는데, 이 통로 부위들은 하나의 환상 통로 부분으로부터 다음 환상의 통로 부분으로 경사지도록 형성된다. 따라서 통로 65는 나선형으로 상기 노우즈의 선단부로부터 연장되는데, 이것은 비록 일정한 나선형태는 아니지만 상기 노우즈를 따라서 그 주위를 휘감아 돌아가는 나선형의 형태로 이루어짐으로써 중심부 구조물 33의 관 51과 52 사이에 형성된 환상의 복귀통로 안으로 노우즈의 후방 단부에서 출구가 형성되도록 되어 있다.

상기한 중심부 구조물의 노우즈 단부 35 주변에 그것을 따라서 연장된 나선형 통로 65를 통한 하나의 일관된 흐름으로 이루어진 냉각수의 강제적인 유동으로 인하여 효율적인 열 추출이 가능하게 될 뿐만 아니라 만일 냉각수가 상기한 노우즈 부분에서 분리되어 흐르도록 분할이 허용된다면 초래될 수 있는 노우즈 상에서의 "고온 지점(hot spot)"의 생성을 회피할 수가 있게 된다. 예시된 구성에서는 냉각수는 그것이 노우즈 단부 35에 들어가는 순간부터 노우즈 단부를 떠나는 순간까지 하나의 흐름으로 제한된다.

내부 구조물 33에는 덕트 31의 입력하는 고온의 가스 흐름으로부터 중심부 구조물 33 내의 냉각수의 유동으로의 열전달에 대한 차폐를 위한 외부 열차폐물(external heat shied) 69가 제공된다. 만일 대규모의 제련 설비에서 요구되는 매우 높은 온도와 높은 가스의 유동에 사용된다면, 고체의 내화성 차폐물의 경우에는 그리 오래 가지 않는 수명을 제공할지도 모른다. 예시된 구성에서는 "UMCO"라는 상품명으로 판매되고 있는 세라믹 물질로 된 관 모양의 슬리브(sleeve)로 상기 차폐물 69가 형성된다. 이 슬리브들은 그들의 끝단이 서로 마주보도록 배열되어 상기한 중심부 구조물의 제일 바깥쪽 관 51과 상기 차폐물 사이의 에어 갭 70을 둘러싸는 연속적인 세라믹 차폐물을 형성하게 된다. 특히 상기한 차폐물은 0.05 내지 0.12%(이하 중량%)의 탄소, 0.5 내지 1%의 실리콘, 최대 0.5 내지 1%의 망간, 0.02%의 인, 0.02%의 황, 27 내지 29%의 크롬, 48 내지 52%의 코발트 및 나머지는 철을 함유하는 "UMCO 50"으로 이루어진 관 모양의 부분들로 이루어질 수 있다. 이 물질은 탁월한 열 차폐성을 제공하지만 고온에서는 심각한 열 팽창성을 갖는다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 개별적인 관 모양의 열 차폐물 절편(segment)들이 도6 내지 도9에 도시된 바와 같이 형성되어 장착되는데, 이로 인해 상기 차폐물이 실질적으로 연속적인 상태를 한결같이 유지하면서도 서로 독립적으로 길이 방향으로 팽창하는 것을 가능케 해준다. 이들 도면에 예시된 것과 같이, 슬리브들 각각은 중심부 구조물 33의 외부 관 51에 장착된 플레이트 지지부(support)들 72 및 위치고정용 스트립(location strip)들 71 상에 장착되고, 각 차폐물 관의 후방 단부는 단부 갭 74로써 플레이트 지지부 상에서 적합하게 맞도록 부위 73에서 단이 이루어지게 함으로써 각 스트립의 독립적인 길이방향의 열팽창이 가능하게 하여준다. 상기한 차폐물 슬리브들의 회전을 방지하기 위해 관 52 상에 위치고정용 스트립들 71중의 하나에 대하여 적합하게 맞도록 각각의 슬리브에 반-회전(anti-rotation)용 스트립들 75가 또한 장착되어도 좋다.

고온의 가스는 가스 입구부위 32를 통해 덕트 31에 전달된다. 이 고온 가스는 대략 1200℃ 정도의 온도에서 가열장치를 통해 공급되는 산소가 풍부한 공기일 것이다. 이 공기는 내화성 라이닝이 부착된 덕트 구성을 통해 전달되어야만 하고, 덕트 31의 주요 수냉작용 부위에 직접 고속도로 전달된다면 심각한 부식의 문제를 야기할 수 있는 내화성 모래 알갱이들을 수집하게 될 것이다. 가스 입구 32는 덕트의 수냉작용 부위의 손상을 최소화하는 반면에 상기 덕트가 내화성 입자들과 함께 많은 양의 고온 공기의 전달을 수용할 수 있도록 설계된다. 입구 31은 얇은 벽으로 된 외부 금속 외피(shell) 82 내에 배치되고 경질의 소모성 내화물질의 유니트(unit)로서 성형된 T-형의 몸체 81을 포함한다. 상기 몸체 81은 덕트 31의 중앙 통로와 정렬된 관 모양의 제1통로와, 가열장치(미도시)로부터 전달된 고온의 공기 흐름을 받아들이기 위한 상기 통로 83에 수직인 관 모양의 제2통로 84로 이루어진다. 상기 통로 83은 덕트 31의 가스 유동 통로와 정렬되도록 구성되어 입구 32의 내화물질 연결부 86의 중앙 통로 85를 통해 그에 연결된다.

입구 32에 제공된 고온의 공기는 몸체 81의 관 모양의 통로 84를 통해 지나가고 부식에 견디는 두꺼운 내화성 몸체 82의 단단한 소모성 내화벽에 부딪힌다. 다음에 가스의 유동은 상기한 T-형의 몸체 81의 통로 83과 전이부 86의 중앙 통로 85를 통해서 그리고 덕트의 본체 부분으로 적합한 각도를 따라서 흐르도록 방향을 변경한다. 통로 83의 벽은 덕트로의 유동을 가속하도록 앞쪽 유동방향으로 그 끝이점점 가늘게 구성되어도 좋다. 이 구성은 예를 들면 7도 정도의 둘러싸인(included) 각도로 이루어질 수도 있다. 전이부 내화성 몸체 86은 일단에서 내화성 몸체 81의 두꺼운 벽에 그리고 덕트 31의 몸체 부위의 훨씬 더 얇은 내화성 라이닝 48과 조화하도록 두께에 있어서 끝이 가늘게 구성된다. 따라서 그것은 입구 88 및 출구 89를 통해 냉각수가 순환되는 환상의 냉각수 재킷(annular cooling water jacket) 87을 통해 또한 수냉식으로 냉각된다. 중심부 구조물 33의 후방 단부는 가스 입구 32의 관 모양의 통로 83을 통해 연장된다. 이것은 통로 83의 후방 단부를 폐쇄하는 내화성 라이너(liner) 플러그 91 내에 배치되는데, 상기 중심부 구조물 33의 후방 단부는 가스 입구 32로부터 냉각수 유동 입구 53 및 출구 55로 연장된다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 고온에서 제련용 용기 26에 대량의 고온 가스를 주입할 수가 있다. 상기 중심부 구조물 33은 그의 노우즈 부위에 직접적으로 그리고 신속하게 다량의 냉각수를 제공할 수가 있고 노우즈 구성부위 주변의 연속된 냉각작용의 흐름에 따른 냉각수의 강제적인 유동으로 인해 중심부 구조물의 전방 단부로부터의 내우 효과적인 열의 추출을 달성할 수가 있게 된다. 또한 덕트의 선단부에 대한 독립적인 냉각수의 흐름은 랜스의 다른 높은 열 용제 요소들로부터의 효과적인 열의 추출을 가능하게 한다. 한편 덕트에 대하여 하향으로 유동하기 전에 내화성 공간 또는 통로의 두꺼운 벽과 충돌하게 되는 입구에 대해 고온의 공기의 유동을 제공함으로써 내화성의 작은 입자(grit)들로써 오염된 다량의 공기가 랜스의 주요 부위에서 내화성 라이닝 및 열 차폐물의 심각한 부식이없이 처리될 수 있게 해준다.

전술한 실시예는 발명의 더 양호한 이해를 위하여 단지 예를 들어 설명한 것이며, 당해 기술분야의 전문가라면 본 발명의 정신을 이탈함이 없이 어떠한 변경도 가능할 것임을 이해하여야 할 것이다. 따라서 그러한 모든 변경 및 변화들은 본 발명의 영역 내에서 해석되어야 할 것이며, 그것의 성질은 전술한 설명으로부터 결정되어져야 할 것이다.

본 발명은 야금용 용기(노)에 가스를 주입하기 위한 장치에 관한 것으로서, 제련분야에서 이용 가능하다.

Claims (15)

1. 야금용 용기에 가스를 주입하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는:

   후방의 단부로부터 전방의 단부로 연장되도록 구성되어 그로부터 가스를 방출하기 위한 가스 유동 덕트와;

   상기 가스 유동 덕트 내에서 그의 후방 단부로부터 전방 단부로 연장되도록 구성된 관 모양의 신장된 중심부 구조물과;

   상기 덕트의 전방 단부에 인접한 상기 관 모양의 중심부 구조물 주위에 배치되어 덕트의 전방 단부에 대한 가스의 유동에 소용돌이를 제공하도록 구성된 다수의 유동 안내용 날개들을 포함하며, 상기 중심부 구조물의 전방 단부와 상기 덕트의 전방 단부는 서로 협동하여 상기 날개들에 의해 이루어지는 소용돌이와 함께 상기 덕트로부터의 가스유동을 제공하기 위해 하나의 환상의 노즐을 형성하도록 구성되며;

   상기 중심부 구조물을 통해서 그의 후방 단부로부터 그의 전방 단부로 앞쪽으로 냉각수의 유동을 제공하기 위한 것으로서, 상기한 관 모양의 중심부 구조물 내에 배치되어, 냉각수가 상기 전방 단부를 내부적으로 냉각시키고 그 다음에는 상기 중심부 구조물을 통해 그의 후방 단부로 복귀하도록 구성된 냉각수 통로를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 덕트의 전방 단부는 속이 빈 환상의 선단부(tip) 구조로 형성되고, 상기 가스 유동 덕트는 덕트 선단부에 상기 덕트를 따라 전방으로 냉각수를 공급하고 상기 덕트를 따라서 냉각수를 복귀시키기 위한 덕트 선단부의 냉각수 공급 및 복귀 통로들을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 덕트의 내부 주위표면은 내화성 물질로 이루어진 라이닝이 형성됨을 특징으로 하는 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기한 관 모양의 중심부 구조물은 그것의 전방 단부에 대해 직접적으로 그 구조물을 통한 전방으로의 냉각수의 흐름을 제공하기 위한 하나의 중심부 냉각수 유동 통로와, 상기 중심부 구조물의 전방 단부로부터 후방 단부로 다시 냉각수의 유동을 복귀시키기 위하여 상기한 중심부 유동 통로의 주변에 배치된 하나의 환상의 냉각수 유동 통로를 정의하도록 구성됨을 특징으로 하는 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 관 모양의 중심부 구조물은 중심부 냉각수 유동 통로를 제공하는 중심 관과 이 중심 관 주위에 배치된 추가적인 관을 포함하여 이 관들 사이에서 상기한 환상의 냉각수 유동 통로를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심부 구조물은 가스 유동덕트에서의 가스로부터 중심부 구조물의 냉각수 유동 통로로의 열 전달을 지연시키기 위해 열 절연용 외부 차폐물을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기한 열 절연용 차폐물은 그 열 차폐물 내에 바로 인접하여 배치된 환상의 에어 갭(air gap) 주위에서 중심부 구조물의 후방 단부로부터 전방 단부 쪽으로 연장된 실질적으로 연속적인 관으로서 상기한 열 차폐물을 형성하기 위해서 끝단이 대향하여 배치된 다수의 관 모양의 부분들로 이루어진 단열 물질들을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기한 에어 갭은 환상의 냉각수 복귀 유동 통로의 외벽을 정의하는 상기 추가적인 관과 상기 관 모양의 열 차폐물 사이에 형성되도록 구성됨을 특징으로 하는 장치.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 열 차폐물의 상기 관 모양의 부분들은 다른 관 모양의 부분들과는 독립적으로 각 부분의 세로축의 팽창을 수용하도록 지지됨을 특징으로 하는 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심부 구조물의 전방 단부는 하나의 나선형 냉각수 통로가 내부적으로 제공된 돔 형상의 노우즈 부분을 포함하며, 상기 냉각수 통로는 노우즈 부분의 선단부(팁)에서 상기 중심부 구조물의 중심부 냉각수 유동 통로로부터 냉각수를 받아들이는 한편으로 상기 노우즈를 따라서 후방으로 그리고 그 주위에서 하나의 흐름으로 그 냉각수를 안내하도록 함으로써 냉각수의 단일한 일관성 있는 흐름을 이용하여 상기한 노우즈 부분을 냉각시키도록 구성됨을 특징으로 하는 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 덕트의 후방 단부에 대해 고온의 가스를 주입하기 위한 가스 입구가 제공되며, 상기 가스 입구는 덕트의 후방 단부와 정렬되어 있고 그에 직접적으로 연장되는 관 모양의 제1 가스 통로와, 고온의 가스를 수용하고 상기 제1 가스 통로에 그것을 안내하기 위한 상기 제1 가스 통로에 횡단으로 배열된 관 모양의 제2 가스 통로를 형성하는 내화성 몸체를 포함하여 이루어지며, 이로써 고온의 가스 및 그에 실려 있는 입자들은 상기 제1 통로의 내화성 벽에 접촉하게 되고, 상기한 가스의 흐름은 제1 통로로부터 제2 통로로 통과함에 있어서 방향의 변화를 야기하도록 구성됨을 특징으로 하는 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가스 유동 통로들은 서로 수직으로 구성됨을 특징으로 하는 장치.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기한 관 모양의 중심부 구조물은 가스 입구 수단의 제1 가스 유동 통로를 통해 중심부 상에서 그리고 가스 입구를 넘어서 후방으로 연장되도록 구성됨을 특징으로 하는 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 중심부 구조물의 후방 단부는 상기 가스 입구의 뒤쪽으로 배치되며, 상기 중심부 구조물의 후방 단부에는 중심부 구조물에 대해 그리고 그로부터의 냉각수의 흐름을 제공하기 위한 냉각수 연결장치들이 구비되는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 용기의 상부에 고온의 조건 하에서 유동 가스를 주입하기 위한 장치가 장착된 제련용 용기에 있어서,

    상기 장치는 제1항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 따라서 구성되며, 상기 장치는 또한 상기 용기의 지붕에 장착되어 상기 용기의 상단부에 위치한 상기 덕트의 전방 단부 및 지붕 위에 배치된 가스 유동 덕트의 후방 단부와 함께 상기 지붕을 통해 아래쪽으로 연장되도록 구성됨을 특징으로 하는 제련용 용기.