APARATO PARA INYECTAR MATERIAL SOLIDO FORMADO DE PARTÍCULAS A UN RECIPIENTE
CAMPO DE LA INV?NCIÓN
La presente invención proporciona una lanza metalúrgica para inyectar a un recipiente material sólido formado de partículas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Una aplicación de la lanza es un medio para inyectar material metalúrgico de alimentación, en el baño fundido de un recipiente, en un proceso (tal como un proceso de fundición directa) para producir metal fundido. Un proceso de fundición directa conocido, que se basa en una capa de metal fundido, como un medio de reacción, y al cual se hace referencia generalmente como el proceso Hlsmelt, se describe en la Solicitud Internacional PCT/AU96/00197 (WO 96/31627) a nombre del Solicitante. El proceso Hlsmelt, tal como se describe en la
Solicitud Internacional, es un proceso de fundición directa basado en un baño fundido, que tiene aplicación particular para producir metal ferroso fundido, a partir de material ferroso de alimentación (tales como minerales, minerales REF.: 143166 parcialmente reducidos, y corrientes de desecho que contengan metales). El proceso Hlsmelt incluye: (a) formar un baño de hierro y escoria fundidos, en un recipiente; (b) inyectar al baño: (i) un material metalífero de alimentación, típicamente óxidos metálicos; y (ii) un material carbonaceo sólido, típicamente carbón, que actúa como un reductor de los óxidos metálicos y como una fuente de energía; y (c) fundir por fundición directa el material metalífero de alimentación, a metal, en la capa de metal. El término "fundición directa" significa en la presente un procesamiento térmico en donde se llevan a cabo reacciones químicas que reducen los óxidos metálicos para producir metal líquido. El proceso Hlsmelt incluye también gases de la reacción de poscombustión tales como CO y H2, liberados del baño en el espacio por arriba del baño con gas que contiene oxígeno y transfieren el calor generado por la poscombustión, al baño, para contribuir a la energía térmica requerida para fundir los materiales metalíferos de alimentación. El proceso Hlsmelt incluye también la formación de una zona de transición por arriba de la superficie en reposo nominal del baño, en la que existe una masa favorable de pequeñas gotas o salpicaduras o corrientes de metal y/o escoria, fundidos, ascendentes y posteriormente descendentes, que proporcionan un medio efectivo para transferir al baño la energía térmica generada por los gases de la reacción de poscombustión, que se encuentran por arriba del baño. En el proceso Hlsmelt, el material metalífero de alimentación y el material carbonaceo sólido, son inyectados a la capa de metal a través de cierto número de lanzas/toberas que están inclinadas con respecto a la vertical, a fin de extenderse hacia abajo y hacia dentro, a través de la pared lateral del recipiente de fundición directa y hacia la región inferior del recipiente, a fin de suministrar el material sólido, en la capa de metal que se encuentra en el fondo del recipiente. En un proceso de operación comercial, las lanzas deben soportar condiciones hostiles, incluyendo temperaturas de operación del orden de 1400 °C, dentro del recipiente de fundición directa, por periodos prolongados, típicamente de al menos varios meses. Las lanzas deben tener por consiguiente un sistema interno de enfriamiento forzado, para funcionar en forma exitosa en este ambiente severo, y deben ser capaces de soportar variaciones substanciales en la temperatura local. La presente invención permite la construcción de lanzas que sean capaces de funcionar efectivamente bajo estas condiciones. De conformidad con la invención se proporciona una lanza metalúrgica alargada, que se extienda dentro de un recipiente a fin de inyectar material sólido formado de partículas, al material fundido que se encuentre contenido en el recipiente, y la lanza incluye: (a) un tubo de núcleo central a través del cual pasa el material sólido formado de partículas; (b) una chaqueta anular de enfriamiento, que rodea el tubo de núcleo central a través de una parte substancial de su longitud, chaqueta que define un conducto anular alargado, interior, para el flujo de refrigerante, colocado alrededor del tubo de núcleo, un conducto anular alargado, exterior, para el flujo de refrigerante, colocado alrededor del conducto interior para el flujo de refrigerante, y un conducto extremo anular para el flujo, que interconecta los conductos anulares, interior y exterior, para el flujo de refrigerante, en un extremo delantero de la chaqueta; (c) medios de entrada de refrigerante, para la entrada de refrigerante al conducto anular interior para el flujo de refrigerante, de la chaqueta, en una región del extremo posterior de la chaqueta; y (d) medios de salida de refrigerante, para dar salida al refrigerante desde el conducto anular exterior para el flujo de refrigerante, en la región del extremo posterior de la chaqueta, y con ello proporcionar flujo de refrigerante hacia delante y a lo largo del conducto anular interior para el flujo de refrigerante, hacia el extremo delantero de la chaqueta y luego a través del conducto extremo anular para flujo y hacia atrás a través del conducto anular exterior para el flujo de refrigerante, y en donde: (i) una pared exterior de una sección del extremo delantero de la chaqueta, está formada de un primer material que tiene propiedades de alta transferencia de calor, y que puede soportar temperaturas externas por arriba de 1100 °C, por períodos prolongados, cuando la chaqueta es enfriada por flujo de refrigerante; (ii) una pared exterior de una sección de cuerpo de la chaqueta, está formada de un segundo material que mantiene sus propiedades estructurales cuando se expone a temperaturas externas por arriba de 1100 ° C, por períodos prolongados, cuando la chaqueta es enfriada por flujo de refrigerante, por lo cual la pared exterior actúa como un miembro estructural que contribuye a soportar la lanza a estas temperaturas; y (iii) la pared exterior de la sección del extremo delantero, y la pared exterior de la sección de cuerpo, están soldadas entre sí. La combinación, anteriormente descrita, de secciones estructurales y de alta transferencia de calor, de la lanza, hace posible fabricar la lanza relativamente larga, de manera tal que; (a) la posición de entrada de la lanza a un recipiente que contenga un baño de metal y escoria fundidos, pueda ser en una pared lateral del recipiente, por arriba de la capa de escoria en reposo, y necesariamente por arriba de la región del crisol, muy hostil, del recipiente; y (b) la lanza se extiende hacia abajo y hacia dentro, por una distancia suficiente para suministrar material de alimentación en una porción central de la región del crisol. Colocando el punto de entrada de la lanza en esta posición, es decir, por arriba de la capa de escoria en reposo, se hace posible también que la lanza sea cambiada si es necesario, mientras el recipiente contenga todavía metal y escoria fundidos. Este cambio de la lanza no necesita de un paro total del recipiente, que involucre drenar el recipiente . Preferentemente la chaqueta incluye una sección de transición colocada entre la pared exterior de la sección del extremo delantero, y la pared exterior de la sección de cuerpo, y la sección de transición está soldada a ambas paredes exteriores. Preferentemente el espesor de pared, de la pared exterior de la sección de cuerpo, es menor que el de la pared exterior de la sección del extremo delantero.
Preferentemente el espesor de pared en un extremo de la sección de transición es substancialmente el mismo que el de la pared exterior de la sección del extremo delantero, y el espesor de pared en el otro extremo de la sección de transición, es substancialmente el mismo que el de la sección de cuerpo. Preferentemente las temperaturas se encuentran por arriba de 1200 °C. Más preferentemente las temperaturas se encuentran por arriba de 1300 °C. Preferentemente el primer material es cobre o una aleación de cobre. Preferentemente el segundo material es acero. Preferentemente la sección de transmisión está formada de acero. Preferentemente la soldadura, entre la sección del extremo delantero y la sección de transición, se someten a la aplicación de un depósito superficial, preliminar, con níquel o con una aleación de níquel. Preferentemente la pared exterior de la chaqueta incluye formaciones de calados para la solidificación de escoria sobre la pared exterior. Preferentemente las formaciones de calados tienen una sección transversal de muesca o de cola de milano. Preferentemente la longitud de la lanza, que durante el uso se soporta por sí misma, es de al menos 1.5 metros . Preferentemente los conductos anulares, interior y exterior, para el flujo de refrigerante, y el conducto extremo anular para flujo, de la chaqueta, están definidos por: (a) un tubo interior y un tubo exterior interconectados en un extremo delantero de la chaqueta, por un conector anular de extremos redondeados, para formar una sola estructura anular hueca que esté cerrada en el extremo delantero de la chaqueta, por el conector anular de extremos redondeados; y (b) una estructura tubular alargada, colocada dentro de la estructura anular hueca y que tiene (i) una parte de tubo que se extiende dentro de la misma para dividir ei interior de la estructura anular hueca, en los conductos para flujo, anulares, alargados, interior y exterior, y (ii) una parte del extremo delantero colocada adyacente al conector anular de extremos redondeados, de la estructura anular hueca, de manera tal que el conducto extremo anular para flujo esté definido entre la parte del extremo delantero de la estructura tubular y del conector anular de extremos redondeados, de la estructura anular hueca. Preferentemente el tubo exterior incluye una parte delantera y un parte posterior soldadas entre sí.
Más preferentemente la parte delantera del tubo exterior define la pared exterior de la sección del extremo delantero de la chaqueta, que está formada del primer material. Más preferentemente también la parte posterior del tubo exterior, define la pared exterior de la sección de cuerpo de la chaqueta, que está formada del segundo material. Más preferentemente el tubo exterior incluye la sección de transición colocada entre las partes delantera y posterior, y soldada a las mismas. Más preferentemente el conector de extremos redondeados está formado del primer material. Preferentemente la parte del extremo delantero y la parte del tubo, de la estructura tubular alargada, están soldadas entre sí. Preferentemente el conector de extremos redondeados está soldado tanto al tubo interior como al tubo exterior. Preferentemente las conexiones de soldadura entre los siguientes componentes de la chaqueta están separadas axialmente para facilitar el ensamble de la chaqueta : (i) el conector de extremos redondeados y el tubo interior; (ii) el conector de extremos redondeados y el tubo exterior; y (iii) la parte del extremo delantero y la parte del tubo. Preferentemente el tubo de núcleo incluye una tobera que tiene una parte que está localizada parcialmente adentro y que está protegida por la chaqueta de enfriamiento, y otra parte que se extiende más allá de la chaqueta de enfriamiento, y la tobera tiene un extremo posterior roscado que se acopla a una sección roscada, complementaria, del tubo de núcleo, de manera tal que la tobera pueda unirse y desunirse fácilmente del tubo de núcleo. Preferentemente el conducto extremo anular para el flujo, se curva suavemente hacia fuera y hacia atrás, desde el conducto anular anterior para el flujo de refrigerante, hacia el conducto anular exterior para el flujo de refrigerante, y el área se sección transversal efectiva para el flujo de agua a través del conducto del extremo anular para flujo, es menor que las áreas de sección transversal para flujo, de los conductos anulares para flujo de refrigerante, tanto interior como exterior. Preferentemente, en forma adicional, la estructura anular hueca individual se encuentra montada a fin de permitir el movimiento longitudinal relativo entre los tubos interior y exterior de la misma, debido a la expansión o contracción térmica diferencial de los mismos, y la estructura tubular alargada se monta para ajustar ese movimiento. Preferentemente el refrigerante es agua. De conformidad con la presente invención se proporciona también un recipiente para operar un proceso en base a un baño fundido, para fundir, por fundición directa, material ferroso de alimentación, a fin de producir metal ferroso fundido, que incluye un crisol, una pared lateral que se extiende hacia arriba desde el crisol, y al menos una de las lanzas metalúrgicas anteriormente descritas, que se extiende a través de la pared lateral y hacia dentro del recipiente . Preferentemente las dimensiones de la lanza se seleccionan de manera tal que la lanza se extienda al menos 1.5 metros dentro del recipiente y se soporte por sí misma en esa longitud. Preferentemente la longitud de autosoporte de la lanza es de al menos 2.5 metros. Preferentemente la lanza se extiende hacia abajo y a través de la pared lateral del recipiente, hacia una región del crisol del recipiente, con un ángulo de 30 a 60 ° con respecto a la horizontal. Preferentemente la pared lateral incluye una sección formada de paneles enfriados con agua, y la lanza se extiende a través de esa sección.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
A fin de que la invención pueda explicarse en forma más completa, se describirá una modalidad particular con referencia a los dibujos adjuntos en los que: La figura 1 es una sección vertical a través de un recipiente metalúrgico, que incorpora un par de lanzas para inyección de sólidos, construidas de conformidad con la invención; Las figuras 2A y 2B se unen sobre la línea A-A para formar una sección transversal longitudinal a través de una de las lanzas para inyección de sólidos; La figura 3 es una sección transversal, longitudinal, agrandada, a través de un extremo posterior de la lanza; La figura 4 es una sección transversal, agrandada, a través del extremo delantero de la lanza; La figura 5 es una sección transversal, agrandada, de una parte del extremo delantero de la lanza, que ilustra la sección de transición de la chaqueta; y La figura 6 es una sección transversal, en corte, agrandada, sobre la línea 6-6 de la Figura 2b. La figura 1 ilustra un recipiente para fundición directa, apropiado para operar el proceso Hlsmelt, tal como se describe en la Solicitud de Patente Internacional PCT/AU96/00197 y la descripción que se encuentra en la Solicitud Internacional se incorpora en la presente como referencia cruzada. La siguiente descripción es en el contexto de fundición directa de mineral de hierro, para producir hierro fundido. Con referencia a las figuras, el recipiente metalúrgico se denota en general como 11 y tiene un crisol que incluye una base 12 y costados 13 formados de ladrillos refractarios; las paredes laterales 14 que forman un barril en general cilindrico, se extienden hacia arriba desde los costados 13 del crisol e incluye una sección 151 de barril superior, formada de paneles enfriados con agua, y una sección 153 de barril inferior formada de paneles enfriados con agua, y un revestimiento interior de ladrillos refractarios; un techo 17; una salida 18 para los gases de descarga; un antecrisol 19 para descargar metal fundido en forma continua; y un agujero de drenado 21 para descargar escoria fundida. En uso el recipiente contiene un baño fundido de hierro y escoria que, bajo condiciones de reposo, incluye una capa 22 de metal fundido y una capa 23 de escoria fundida sobre la capa de metal 22. El término "capa de metal" significa en la presente una región del baño que es predominantemente metal. El término "capa de escoria" significa en la presente una región del baño que es predominantemente escoria. La flecha marcada por el número 24 indica la posición de la superficie en reposo nominal, de la capa de metal 22 y la flecha marcada por el número 25 indica la posición de la superficie en reposo nominal, de la capa de escoria 23 (es decir del baño fundido) . El término "superficie en reposo" significa la superficie cuando no hay inyección de gas y sólidos al recipiente. El recipiente está equipado con una lanza 26 para la inyección de aire caliente, que se extiende hacia abajo, para suministrar una ráfaga de aire caliente en una región superior del recipiente. El recipiente está equipado también con lanzas 27 para la inyección de sólidos (se muestran dos) que se extienden hacia abajo y hacia adentro a través de las paredes laterales 14 y dentro de la capa de escoria 23 para inyectar mineral de hierro, material carbonaceo sólido, y fundentes arrastrados en un gas portador deficiente en oxígeno, hacia el baño fundido. La posición de las lanzas 27 se selecciona de manera tal que sus puntos de entrada estén por arriba de la superficie en reposo 25 de la capa de escoria 23 y sus extremos de salida 28 estén por arriba de la superficie de la capa de metal 22 durante la operación del proceso. Esta posición de las lanzas reduce el riesgo de daño por contacto con el metal fundido y también hace posible enfriar las lanzas mediante enfriamiento por agua interna forzada, sin un riesgo significativo de que el agua entre en contacto con el metal fundido que se encuentra en el recipiente. Las lanzas 27 se extienden al menos 1.5 metros dentro el recipiente, con un ángulo de 30° a 60° con respecto a la horizontal, y se soportan por sí mismas en esa longitud. La construcción de las lanzas para inyección de sólidos se ilustra con detalle en las figuras de la 2 a la 6. Durante el uso del recipiente para operar el proceso Hlsmelt, el mineral de hierro, el material carbonaceo sólido (típicamente carbón) , y los fundentes (típicamente cal viva y magnesia) arrastrados en un gas portador (típicamente N2) son inyectados al baño fundido a través de las lanzas 27. La cantidad de movimiento del material sólido/gas portador, causa que el material sólido y el gas penetren hacia una región inferior del baño fundido. La inyección del material sólido y del gas portador, causa levantamiento por flotación del metal fundido, carbón sólido y escoria, lo cual a su vez causa una agitación substancial en el baño fundido, con el resultado de que el volumen en el baño fundido se expande, y tiene una superficie indicada por la flecha 30. El grado de agitación es tal que existe una temperatura razonablemente uniforme a través del baño fundido, típicamente de 1450 °C a 1550 °C. Además, el movimiento ascendente de las salpicaduras, pequeñas gotas y corrientes del material fundido, causado por el levantamiento por flotación del metal fundido, del carbón sólido, y escoria, se extiende hacia el espacio superior 31 por arriba del baño fundido en el recipiente y: (a) formar una zona de transición 28; y (b) proyectar algo del material fundido
(predominantemente escoria) más allá de la zona de transición 28 y sobre la parte de la sección de barril superior 151 de las paredes laterales 14 que se encuentra por arriba de la zona de transición 28 y sobre el techo 17. El baño fundido, expandido, y la zona de transición 28 definen un baño elevado. Además de lo anterior, una ráfaga de aire caliente a una temperatura de 800 a 1400 °C, a través de la lanza 26, somete a poscombustión los gases de reacción CO y H2 en la zona de transición 28, y genera altas temperaturas del orden de 2000 °C o mayores, en el espacio de gas. El calor se transfiere a las salpicaduras, pequeñas gotas, y corrientes, ascendentes y descendentes, del material fundido, en la región de inyección de gas, y el calor se transfiere después parcialmente a través del baño fundido. Con referencia a las figuras de la 2 a la 6, cada lanza para inyección de sólidos 27 incluye un tubo de núcleo central 31 a través del cual se suministra el material sólido, y una chaqueta de enfriamiento anular 32 que rodea el tubo de núcleo central 31 por una parte substancial de su longitud. Con particular referencia a la figura 4, el tubo de núcleo central 31 está formado de tubo de acero 33 en la mayor parte de su longitud. El tubo de núcleo central 31 incluye también una sección de acero inoxidable 34 en su extremo delantero, que forma una tobera que se proyecta más allá del extremo delantero de la chaqueta de enfriamiento 32. La parte 34 del extremo delantero del tubo de núcleo 31 incluye una sección delantera 93 y una sección adaptadora 35 que están soldadas entre sí en la soldadura 101. La parte 34 del extremo delantero está conectada al tubo 33 a través de un hilo de rosca 36 formado tanto sobre la sección adaptadora 35 como en el tubo 33. Este arreglo hace posible reemplazar fácilmente la sección 34 del extremo delantero. ' El tubo de núcleo central 31 se encuentra revestido internamente hasta la parte 34 del extremo delantero, con un delgado revestimiento cerámico 37 formado por una serie de tubos cerámicos vaciados. Como puede verse en la mejor forma en la Figura 3, el extremo posterior del tubo de núcleo central 31 está conectado a través de un copie 38 a una pieza T 39 a través de la cual se suministra el material sólido formado de partículas, en un gas portador fluidizante, presurizado, por ejemplo nitrógeno. Con referencia inicialmente a la Figura 2A, la chaqueta de enfriamiento anular 32 incluye una estructura anular hueca, larga, 41, compuesta de tubos exterior e interior 42, 43 interconectados por una pieza conectora 44 de extremo frontal redondeado, y una estructura tubular alargada 45 colocada dentro de la estructura anular hueca 41 a fin de dividir el interior de la estructura 41 en un conducto anular alargado, interior, 46, para el flujo de agua, y un conducto anular, alargado, exterior, 47, para el flujo de agua. Con particular referencia a la figura 4, el conector del extremo frontal 44 de la chaqueta 32 se maquina a mano a partir de un lingote de cobre sólido forjado en caliente. La selección de los materiales para el conector 44 se basa en proporcionar alta transferencia de calor a temperaturas de operación por arriba de 1300 °C. Los tubos exterior e inferior 42, 43 tienen típicamente al menos 2 metros de largo. El tubo interior 43 está formado de acero y está soldado en un extremo delantero, al conector del extremo frontal 44, en la soldadura 83. El tubo exterior 42 se encuentra en dos partes principales, una parte delantera 50 y una parte posterior 48, e incluye una parte de transición 51 colocada entre las dos partes principales, y está soldada a las mismas, en las soldaduras 95, 97. La parte delantera 50 está formada de cobre, la parte posterior 48 y la parte de transición 51 están formadas de acero. La soldadura 95 entre la parte delantera 50 y la parte de transición 51 tiene aplicada un depósito superficial, preliminar, de níquel o una aleación de níquel. La etapa de aplicación de depósito superficial, preliminar, incluye el precalentamiento de las partes que se van a soldar, hasta 600 °C. La parte delantera 50 está soldada al conector del extremo frontal 44 en la soldadura 79. La sección de la lanza que se encuentra adelante de la parte de transición 51 es una sección extrema delantera de la lanza, y la sección de transición 51 y la sección de la lanza que se encuentra detrás de la pieza de transición 51 es una sección de cuerpo de la lanza. La selección de materiales para el tubo interior 43 y la parte posterior 48 del tubo exterior 42, se basa en mantener la integridad estructural de la lanza cuando se exponga a temperaturas por arriba de 1300 °C en el recipiente. Por consiguiente, la principal consideración para la selección de los materiales, para estos componentes, es el funcionamiento de los componentes como miembros estructurales. La selección de los materiales para la parte delantera 50 del tubo exterior 42 se basa en proporcionar alta transferencia de calor a temperaturas de operación por arriba de 1300 °C. A fin de satisfacer los requerimientos de funcionamiento, el espesor de pared de la parte delantera 50 es mayor que el de la parte posterior 48. La sección de transición 51 tiene formado un espesor de pared que disminuye desde el extremo que está soldado a la parte delantera 50, hasta el otro extremo que está soldado a la parte posterior 48. La estructura tubular alargada 45 está formada por un tubo de acero largo 60 soldado en la soldadura 85 a una pieza del extremo delantero, de acero, maquinado, 49, que se ajusta dentro del conector del extremo frontal 44 de la estructura tubular hueca 41 para formar un conducto de extremo anular 53 para el flujo, que interconecta los extremos delanteros de los conductos interior y exterior, 46, 47, para el flujo de agua. Como mejor puede verse en la figura 4, las soldaduras 79, 83 y 85 están descentradas axialmente para facilitar la construcción de la chaqueta 32. El arreglo es tal que los componentes de la chaqueta 32 son ensamblados unos con otros soldando primero, conjuntamente, el conector del • extremo frontal 44 y el tubo interior 43 y formando la soldadura 83. Las próximas etapas son conectar la pieza 49 del extremo delantero, al conector 44 del extremo frontal, a través de una serie de espigas separadas circunferencialmente 70 y luego soldar el tubo 60 a la pieza 49 del extremo delantero. La colocación de la soldadura resultante 85 axialmente hacia delante de la soldadura 83 minimiza los efectos térmicos sobre la soldadura ya formada 83 cuando se forma la soldadura 85. La etapa final es soldar el tubo exterior 42 (que previamente ha sido ensamblado por soldadura junto con la parte delantera 50, la parte de transición 51, y la parte posterior 48) al conector 44 del extremo frontal. Nuevamente, la colocación de la soldadura resultante 79 axialmente adelante de la soldadura 85 minimiza ios efectos térmicos sobre la soldadura ya formada 85 cuando se forma la soldadura 79. El extremo posterior de la chaqueta de enfriamiento anular 32 está provisto de una entrada 52 para agua, a través de la cual puede dirigirse el flujo de agua de enfriamiento hacia el conducto anular interior 46 para el flujo de agua, y una salida 53 para agua, de la cual se extrae el agua proveniente del conducto anular exterior 47 en el extremo posterior de la lanza. Por consiguiente, durante el uso de la lanza, el agua de enfriamiento fluye hacia abajo por la lanza, a través del conducto anular interior 46 para el flujo de agua, luego hacia afuera y nuevamente alrededor del conducto del extremo anular delantero 51 hacia el conducto anular exterior 47 a través del cual fluye hacia atrás y a lo largo de la lanza y hacia afuera por la salida 53. Esto asegura que el agua más fría se encuentre en relación de transferencia de calor con los materiales sólidos entrantes, para asegurar que este material no se funda o queme antes de que sea descargado por el extremo delantero de la lanza, y permite un enfriamiento efectivo, tanto de los materiales sólidos que son inyectados a través del núcleo central de la lanza, así como un enfriamiento efectivo del extremo delantero y superficies exteriores de la lanza. Las superficies exteriores del tubo 42 y la pieza 44 del extremo frontal, de la estructura anular hueca 41, son maquinadas con un patrón regular de salientes rectangulares 54 cada uno de los cuales tiene una sección transversal de muesca o cola de milano, de manera tal que los salientes sirvan como formaciones de calados para la solidificación de la escoria sobre las superficies exteriores de la lanza. La solidificación de escoria sobre la lanza ayuda a minimizar las temperaturas en los componentes metálicos de la lanza. Se ha encontrado, durante el uso, que la escoria que se enfría sobre el extremo delantero o de punta, de la lanza, sirve como una base para la formación de un tubo prolongado de material sólido que sirve como una extensión de la lanza, que protege adicionalmente la exposición de los componentes metálicos de la lanza, contra las severas condiciones de operación dentro del recipiente. Se ha encontrado que es importante el enfriamiento del extremo de punta de la lanza, para mantener una velocidad elevada del flujo de agua alrededor del conducto del extremo anular 51 para flujo. En particular lo más deseable es mantener una velocidad de flujo del agua, en esta región, del orden de 10 metros por segundo, para obtener una transferencia de calor máxima. A fin de maximizar la velocidad de flujo del agua en esta región, la sección transversal efectiva para el conducto 51 para el paso del flujo de agua, se reduce significativamente por debajo de la sección transversal efectiva tanto del conducto anular interior 46 para el flujo de agua, como del conducto exterior 47 para el flujo de agua. La pieza 49 del extremo delantero de la estructura tubular interior 45 tiene una forma tal, y se encuentra colocada de manera tal que, el agua que fluye desde el extremo delantero del conducto anular interior 46 pase a través de una sección 61 para el paso del flujo, constituida por una tobera ahusada o con reducción hacia dentro, para minimizar turbulencias y pérdidas antes de pasar hacia el conducto extremo 53 para flujo. El conducto extremo 53 para flujo reduce también el área para flujo efectiva, en la dirección del flujo de agua, a fin de mantener la velo-cidad incrementada del flujo de agua alrededor de la curvatura en el conducto y de regreso hacia el conducto anular exterior 47 para el flujo de agua. En esta manera, es posible conseguir las altas velocidades de flujo del agua, necesarias, en la región de punta de la chaqueta de enfriamiento, sin excesivas caídas de presión y el riesgo de bloqueos en otras partes de la lanza. A fin de mantener la velocidad apropiada del agua de enfriamiento, alrededor del conducto 51 del extremo de punta, y de minimizar las fluctuaciones de transferencia de calor, es importante mantener una separación controlada, constante, entre la pieza 49 del extremo frontal, la estructura tubular 45 y la pieza de extremo 44 de la estructura anular hueca 41. Esto presenta un problema debido a la expansión y contracción térmica diferencial en los componentes de la lanza. En particular, el tubo exterior de la estructura anular hueca 41 está expuesto a temperaturas mucho mayores que el tubo interior 43 de esa estructura, y el extremo delantero de esa estructura tiende entonces a rodar hacia delante en la manera indicada por la línea punteada 62 en la figura 4. Esto produce una tendencia a que el espacio libre entre los componentes 44, 49 que definen el conducto 53 se abra cuando la lanza esté expuesta a las condiciones de operación dentro del recipiente de fundición directa. A la inversa, el conducto puede tender a cerrarse si hay una caída en la temperatura durante la operación. A fin de superar ese problema, el extremo posterior del tubo interior 43 de la estructura anular hueca 41 se soporta en un montaje deslizante 63 de manera tal que pueda moverse axialmente con relación al tubo exterior 42 de esa estructura, el extremo posterior de la estructura tubular interior 45 se monta también en un montaje deslizante 64 y se conecta al tubo interior 43 de la estructura 41 a través de una serie de afianzadores conectores circunferencialmente separados 65 de manera tal que los tubos 43 y 45 puedan moverse axialmente en forma conjunta. Además, las piezas de extremo 44, 49 de la estructura anular hueca 41 y de la estructura tubular 45 están interconectadas positivamente mediante espigas circunferencialmente separadas 70 para mantener la separación apropiada bajo ambos movimientos de expansión y contracción térmica de la chaqueta de la lanza. El montaje deslizante 64 para el extremo interior de la estructura tubular 45 está provisto de un anillo 66 unido a un estructura distribuidora 68 del flujo de agua, que define la entrada de agua 52 y salida 53 y está sellada mediante una junta toroidal 69. El montaje deslizante 63 para el extremo posterior del tubo interior 43 de la estructura 41 está provisto similarmente de una brida anular 71 sujetada a la estructura distribuidora de agua 68 y está obturada por una junta toroidal 72. Un pitón anular 73 se encuentra localizado dentro de la brida anular 71 y está conectado por una conexión roscada 80, al extremo posterior del tubo interior 43 de la estructura 41, a fin de cerrar una cámara distribuidora 74 de entrada de agua, que recibe el flujo de enfriamiento entrante proveniente de la entrada 52. El pistón 73 se desliza dentro de superficies endurecidas, sobre la brida anular 71 y está ajustado con anillos toroidales 81, 82. La junta deslizante proporcionada por el pistón 73 no únicamente permite movimientos del tubo interior 43 debido a la expansión térmica diferencial de la estructura 41, sino que permite también el movimiento del tubo 43 para ajustar cualquier movimiento de la estructura 41 generado por excesiva presión del agua en la chaqueta de enfriamiento. Si por alguna razón la presión del flujo de agua de enfriamiento se vuelve excesiva, el tubo exterior de la estructura 41 será forzado hacia afuera y el pistón 73 permite que el tubo interior se mueva por consiguiente para aliviar la presión formada. Un espacio interior 75 entre el pistón 73 y la brida anular 71 se ventila a través de un agujero de ventilación 76 para permitir el movimiento del pistón y escape del agua de fuga por el pistón. La parte posterior de la chaqueta de enfriamiento anular 32 está provista de un tubo rigidizador 83 en parte hacia abajo de la lanza y define un conducto anular 84 para agua de enfriamiento, a través del cual un flujo separado de agua de enfriamiento se hace pasar a través de una entrada para agua 85 y una salida para agua 86. Típicamente el agua de enfriamiento pasará a través de la chaqueta de enfriamiento con un flujo de 100 irvVh, a una presión de operación máxima de 800 kPa, para producir velocidades de flujo del agua de 10 metros/minuto en la región de punta de la chaqueta. Las partes interior y exterior de la chaqueta de enfriamiento pueden ser sometidas a diferenciales de temperatura del orden de 200 °C y el movimiento de los tubos 42 y 45 dentro de los montajes deslizantes 63, 64 pueden ser considerables durante el funcionamiento de la lanza, pero el agua de flujo de sección transversal efectiva, del conducto extremo 51, se mantiene substancialmente constante en todas las condiciones de operación. Aunque la lanza ilustrada ha sido diseñada para la inyección de sólidos a un recipiente de fundición con reducción directa, se apreciará que pueden usarse lanzas similares para introducir material sólido formado de partículas, en cualquier recipiente metalúrgico para introducirlas en cualquier recipiente en el cual prevalezcan condiciones de temperatura altas. Por consiguiente se comprenderá que esta invención no se encuentra limitada en manera alguna a los detalles de la estructura ilustrada, y que muchas modificaciones y variaciones caerán dentro del espíritu y alcance de la invención. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el convencional para la manufactura de los objetos o productos a que la misma se refiere.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
En la presente invención se describe una lanza metalúrgica larga (27) para inyectar material sólido formado de partículas, en el material fundido contenido dentro de un recipiente (11). La lanza incluye un tubo de núcleo central (31) a través del cual pasa el material sólido formado de partículas, una chaqueta de enfriamiento anular (32) que rodea el tubo de núcleo central, en una parte substancial de su longitud, un medio de entrada de refrigerante (52), y un medio de salida de refrigerante (53) . Una pared exterior de una sección del extremo delantero, de la chaqueta, está formada de un primer material que tiene propiedades de alta transferencia de calor, y puede soportar temperaturas externas por arriba de 1100 °C, por periodos prolongados, cuando la chaqueta es enfriada por el flujo de refrigerante. Una pared exterior de una sección de cuerpo de la chaqueta está formada de un segundo material que mantiene sus propiedades estructurales cuando se expone a temperaturas externas por arriba de 1100 °C por períodos prolongados, cuando la chaqueta es enfriada por el flujo de refrigerante, por lo cual la pared exterior actúa como un miembro estructural que contribuye a soportar la lanza a estas temperaturas. La pared exterior de la sección del extremo delantero, y la pared exterior de la sección de cuerpo, están soldadas entre sí.