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課題

乱流が低減化された渦巻きを誘起可能なガス渦巻き発生器の提供。

解決手段

容器内にガス注入する装置が開示されている。該装置は、ダクトからのガス排出のための環状ノズルを形成する、ガス流ダクト31とダクトの前方端部領域内の中心体33とを含み得る。複数の流れ指向91がノズルを通してガス流に渦巻きを付与するために中心体の周りに配置され、該流れ指向翼は、中心体から放射方向外方広がり、ダクトに沿って延びる、事実上直線状の前端部分91Aを有し、翼は同時にダクトの前端部に向かって中心体の周りを螺旋状に延びる事実上螺旋状の後端部分91Cと前端部分を後端部分に接続する移行部分91Bとを有し、移行部分は前端部分および後端部分の両者と円滑に合体し、両者間で円滑に次第に形状を変えるように形状付与される。

概要

背景

反応媒体として溶融金属層に依存し、一般にHI製錬法(Hlsmelt process)と称される、公知の直接製錬法が、本出願人名義国際出願PCT/AU96/00197(WO 96/31627)に記載されている。

前記国際出願に記載されたHI製錬法は、以下の作業を含む:
(a)溶融鉄スラグから成る溶湯(bath)を容器内に作り、
(b)その溶湯に以下の材料を注入し、
(i)含金属供給材料(典型的には金属酸化物)、および
(ii)金属酸化物の還元剤およびエネルギー源として働く固体含炭素材料(代表的には石炭)、
(c)金属層中で含金属供給材料を金属に製錬する。

本明細書において、用語「製錬」とは、金属酸化物を還元する化学反応生起して溶融金属を製造するという熱工程を意味する。

HI製錬法は、溶湯の上の空間で酸素含有ガスによって反応ガス(溶湯から放出されるCOやH2等)を後燃焼させ、後燃焼で生じる熱を溶湯に伝達させて、含金属供給材料の製錬に必要な熱エネルギーに寄与することも含む。

また、HI製錬法は、溶湯の公称静止表面の上方に遷移帯域を形成することを含み、該遷移帯域中には、溶融金属および/またはスラグから成る、好適量の、上昇し下降する液滴または飛沫または流れが存在し、これらが、溶湯上での反応ガスの後燃焼によって生じる熱エネルギーを溶湯に伝達するための有効な媒体になる。

HI製錬法では、製錬容器の側壁を貫通して下向き内方に且つ容器の下部領域内に延び、容器底部の金属層固体材料送出するように、鉛直軸線に対して傾斜する多数のランス羽口を通じて含金属供給材料および含炭素固体材料が金属層内に注入される。容器上部での反応ガスの後燃焼を促進させるために、酸素富む熱空気送風が下方に延びる熱空気注入ランスを通じて容器の上部領域に注入される。容器上部でのガスの効果的な後燃焼を促進するために、流入する熱空気の送風が渦巻き運動スワール運動)によってランスから出ることが望ましい。これを達成するために、ランスの出口端部は、適切な渦巻き運動を与えるために内部流ガイドを備えていてもよい。容器の上部領域は、2000℃程度の温度に達することができ、熱空気は、1100〜1400℃程度の温度でランス内に送出可能である。したがって、ランスは、内部でも外壁でも、特に容器の燃焼領域内に突出するランスの送出端部で、極端高温に耐えることができる必要がある。

HI製錬法を遂行するための冶金容器にガスを注入するのに適したランス構造が、本出願人名義の国際出願PCT/AU02/00458(WO 02/083958)(特許文献2)に開示されている。その装置では、ガスがガス流ダクトを通過し、その中に、細長い管状中心構造体、およびダクトを通過するガスに渦巻きを付与するための、ダクトの前方端部に向かって管状中心構造体の周りに配置された複数の流れ指向がある。渦巻きを付与する翼は、ガス流に実質的な渦巻きを付与するために、各翼がその全長螺旋形になり、180°の回転の間を延びる、4重の螺旋形態で配置される。この形の翼も、流れにかなりの乱れを付与し、それによって、実際に、誘起された渦巻きの量から損失生む可能性のあることがこれまでに認められている。本発明によって、渦巻き翼の形状は、乱流を減らした渦巻きを誘起可能なように変更できる。さらに、本発明による翼形状の変更により、その製造が容易になることも可能である。HI製錬法におけるような高温での適用に対して、複雑な形状にモールド成形することが困難な可能性のある高融点材料で翼を鋳造する必要がある。

概要

乱流が低減化された渦巻きを誘起可能なガス渦巻き発生器の提供。容器内にガスを注入する装置が開示されている。該装置は、ダクトからのガス排出のための環状ノズルを形成する、ガス流ダクト31とダクトの前方端部領域内の中心体33とを含み得る。複数の流れ指向翼91がノズルを通してガス流に渦巻きを付与するために中心体の周りに配置され、該流れ指向翼は、中心体から放射方向外方広がり、ダクトに沿って延びる、事実上直線状の前端部分91Aを有し、翼は同時にダクトの前端部に向かって中心体の周りを螺旋状に延びる事実上螺旋状の後端部分91Cと前端部分を後端部分に接続する移行部分91Bとを有し、移行部分は前端部分および後端部分の両者と円滑に合体し、両者間で円滑に次第に形状を変えるように形状付与される。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

容器内にガス注入する装置において、ガス流ダクトからガスを排出するための前方端部まで、後端部から伸長する前記ガス流ダクトと、前記ガス流ダクトの前方端部領域内にあり、前記ガス流ダクトからガスを排出するための環状ノズルを形成するために前記ガス流ダクトと協働する中心体と、前記ノズルを通るガス流渦巻きを与えるために前記中心体の周りに配設された、複数の流れ指向とを含み、前記流れ指向翼は、前記中心体から外側に向かって放射状に広がり、前記ガス流ダクトに沿って延在する実質的に直線状の前端部分と、前記中心体の周りを螺旋状に前記ガス流ダクトの前端部に向かって延在する実質的に螺旋状の後端部分と、前記前端部分を前記後端部分に接続し、前記前端部分および前記後端部分の両者と円滑に合体し、かつ、該両者間で円滑に次第に形状を変えるように形状付与された移行部分とを有する、容器内にガスを注入する装置。

請求項2

前記翼の前記前部が、前記翼の前記螺旋状の後端部分に向かって厚さが次第に増大するように、長手方向に厚さが先細りになる請求項1に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項3

前記翼が、前記移行部分の全体に亘って次第に厚さが増大する請求項2に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項4

前記翼の径方向断面が、前記螺旋状の後端部分の全体に亘って概ね一定である請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項5

前記翼が、前記翼の径方向外側に次第に厚さが減少する請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項6

前記翼が、概ね台形の断面を有し、その根元から先端に向かって先細りになり、前記先端が前記根元よりも薄くなっている請求項5に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項7

前記前端部分から前記移行部分を経て4始点渦巻き形成に進展するように、前記中心体の周りに円周方向に間隔を置いて配置された4つの翼がある請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項8

前記直線状の前端部分、および前記翼の前記移行部分が、共に前記翼の外径の0.4〜0.8の範囲の長さの間で延びる請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項9

各翼が、その前縁後縁の間で80°〜120°の範囲の角度の間を回転する請求項1から請求項8までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項10

各翼が、その前縁と後縁の間で前記中心体の周りを全周回転の約4分の1に亘って延在するように、各翼の回転の角度が約90°になっている請求項9に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項11

各翼が、その移行部分において10°〜20°の角度範囲に亘って回転し、その後端部分の区間追加角度60°〜80°に亘って回転している請求項9または請求項10に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項12

各翼が、その移行部分の区間で、約13°〜14°の角度の間を回転し、その後端部分の区間で追加角度76°〜77°を回転している請求項11に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項13

前記翼の前記直線状の前端部分が、前記ダクトの長手方向に測定した前記翼の全長の20%よりも小さい範囲で延在している請求項1から請求項12までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項14

前記翼の前記移行部分が、前記ダクトの長手に沿って測定して前記翼の全長の少なくとも20%に亘って延びる請求項13に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項15

前記ダクトの長手方向軸に対する前記翼の前記螺旋状部分の前記角度は、0.3〜0.7の範囲の渦巻きを前記ダクトから排出するガスに生じさせるようになっている請求項1から請求項14までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項16

前記中心体が、前記ガス流ダクト内でその後端部からその前方の端部に延びる細長い管状中心構造体の前方端部によって形成され、前記翼がその上に装着される請求項1から請求項15までのいずれか一項に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項17

前記翼が装着スリーブと一体に形成され、それにより、翼が前記中心体に装着される請求項16に記載された容器内にガスを注入する装置。

請求項18

ガス流ダクトを通って流れるガスに渦巻きを与えるべく、ガス流ダクト内に装着するためのガス渦巻き発生器において、中心伸長部分、および、該中心伸長部分の周りに配置され、該中心伸長部分に沿って延在する複数の渦巻き翼を含み、該渦巻き翼が、前記中心伸長部分から放射方向外方に広がり、前記中心伸長部分に沿って直線状に延在する、実質的に直線状の前端部分と、前記中心伸長部分の周りを螺旋状に延在する実質的に螺旋状の後端部分と、前端部分を後端部分に接続し、前記前端部分および前記後端部分の両者と円滑に合体し、該両者間で円滑に次第に形状を変えるように形状を与えられた移行部分とを有するガス渦巻き発生器。

請求項19

前記翼の前記前端部分が、前記翼の前記螺旋状の前記後端部分に向かって次第に厚さが増すように長手方向で厚さが先細りになっている請求項17に記載されたガス渦巻き発生器。

請求項20

前記翼が、前記移行部分の全体に亘って次第に厚さが増している請求項19に記載されたガス渦巻き発生器。

請求項21

前記翼の半径方向断面が、前記螺旋状の後端部分の全体に亘って概ね一定である請求項18から請求項20までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。

請求項22

前記翼が、前記翼の半径方向外方に向かって次第に厚さが減少している請求項18から請求項21までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。

請求項23

前記翼が、概ね台形の断面を有し、その根元から先端まで先細りになり、前記先端が前記根元よりも薄くなっている請求項22に記載されたガス渦巻き発生器。

請求項24

前記前端部分から前記移行部分を経て4始点渦巻き形成に進展するように前記中心伸長部分の周りに周囲方向で間隔を置いて配置された4つの翼がある請求項18から請求項23までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。

請求項25

前記直線状の前端部分および前記翼の前記移行部分が、共に、前記翼の前記外径の0.4〜0.8の範囲の長さに亘って延在している請求項18から請求項24までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。

請求項26

各翼が、その前縁と後縁の間で80°〜120°の角度範囲を回転する請求項18から請求項25までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。

請求項27

各翼がその前縁と後縁の間で前記中心体の周りを全周回転の約4分の1に亘って延在するように、各翼の回転の角度が約90°になっている請求項26に記載されたガス渦巻き発生器。

請求項28

各翼がその移行部分において10°〜20°の角度範囲に亘って回転し、その後端部分の区間で60°〜80°の追加の角度範囲に亘って回転する請求項27に記載されたガス渦巻き発生器。

請求項29

前記翼の前記直線状の前端部分が、前記中心伸長部分の長手方向で測定した前記翼の全長の20%より少ない範囲を延在することができる請求項18から請求項28までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。

請求項30

前記翼の前記移行部分が、前記中心伸長部分に沿って測定した前記翼の全長の少なくとも20%の範囲を延在する請求項23に記載されたガス渦巻き発生器。

請求項31

前記翼が、前記ガス渦巻き発生器の前記中心伸長部分と一体に形成される請求項18から請求項30までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。

請求項32

前記中心伸長部分が円筒形である請求項18から請求項31までのいずれか一項に記載されたガス渦巻き発生器。

技術分野

0001

本発明は、ガス流中渦巻きを誘起するための渦巻き発生器に係わり、限定的ではないが、とりわけ、高温条件下で冶金容器内に渦巻きを伴うガス流注入するための装置に関するものである。そのような冶金容器は、例えば、溶融金属が直接製錬法によって生産される製錬容器である。

背景技術

0002

反応媒体として溶融金属層に依存し、一般にHI製錬法(Hlsmelt process)と称される、公知の直接製錬法が、本出願人名義国際出願PCT/AU96/00197(WO 96/31627)に記載されている。

0003

前記国際出願に記載されたHI製錬法は、以下の作業を含む:
(a)溶融鉄スラグから成る溶湯(bath)を容器内に作り、
(b)その溶湯に以下の材料を注入し、
(i)含金属供給材料(典型的には金属酸化物)、および
(ii)金属酸化物の還元剤およびエネルギー源として働く固体含炭素材料(代表的には石炭)、
(c)金属層中で含金属供給材料を金属に製錬する。

0004

本明細書において、用語「製錬」とは、金属酸化物を還元する化学反応生起して溶融金属を製造するという熱工程を意味する。

0005

HI製錬法は、溶湯の上の空間で酸素含有ガスによって反応ガス(溶湯から放出されるCOやH2等)を後燃焼させ、後燃焼で生じる熱を溶湯に伝達させて、含金属供給材料の製錬に必要な熱エネルギーに寄与することも含む。

0006

また、HI製錬法は、溶湯の公称静止表面の上方に遷移帯域を形成することを含み、該遷移帯域中には、溶融金属および/またはスラグから成る、好適量の、上昇し下降する液滴または飛沫または流れが存在し、これらが、溶湯上での反応ガスの後燃焼によって生じる熱エネルギーを溶湯に伝達するための有効な媒体になる。

0007

HI製錬法では、製錬容器の側壁を貫通して下向き内方に且つ容器の下部領域内に延び、容器底部の金属層固体材料送出するように、鉛直軸線に対して傾斜する多数のランス羽口を通じて含金属供給材料および含炭素固体材料が金属層内に注入される。容器上部での反応ガスの後燃焼を促進させるために、酸素富む熱空気送風が下方に延びる熱空気注入ランスを通じて容器の上部領域に注入される。容器上部でのガスの効果的な後燃焼を促進するために、流入する熱空気の送風が渦巻き運動スワール運動)によってランスから出ることが望ましい。これを達成するために、ランスの出口端部は、適切な渦巻き運動を与えるために内部流ガイドを備えていてもよい。容器の上部領域は、2000℃程度の温度に達することができ、熱空気は、1100〜1400℃程度の温度でランス内に送出可能である。したがって、ランスは、内部でも外壁でも、特に容器の燃焼領域内に突出するランスの送出端部で、極端高温に耐えることができる必要がある。

0008

HI製錬法を遂行するための冶金容器にガスを注入するのに適したランス構造が、本出願人名義の国際出願PCT/AU02/00458(WO 02/083958)(特許文献2)に開示されている。その装置では、ガスがガス流ダクトを通過し、その中に、細長い管状中心構造体、およびダクトを通過するガスに渦巻きを付与するための、ダクトの前方端部に向かって管状中心構造体の周りに配置された複数の流れ指向がある。渦巻きを付与する翼は、ガス流に実質的な渦巻きを付与するために、各翼がその全長螺旋形になり、180°の回転の間を延びる、4重の螺旋形態で配置される。この形の翼も、流れにかなりの乱れを付与し、それによって、実際に、誘起された渦巻きの量から損失生む可能性のあることがこれまでに認められている。本発明によって、渦巻き翼の形状は、乱流を減らした渦巻きを誘起可能なように変更できる。さらに、本発明による翼形状の変更により、その製造が容易になることも可能である。HI製錬法におけるような高温での適用に対して、複雑な形状にモールド成形することが困難な可能性のある高融点材料で翼を鋳造する必要がある。

課題を解決するための手段

0009

本発明によれば、容器内にガスを注入する装置が、
ガス流ダクトからガスを排出するための前方端部まで、後端部から伸長する前記ガス流ダクトと、
前記ガス流ダクトの前方端部領域内にあり、前記ガス流ダクトからガスを排出するための環状ノズルを形成するために前記ガス流ダクトと協働する中心体と、
前記ノズルを通るガス流に渦巻きを与えるために前記中心体の周りに配設された、複数の流れ指向翼とを含むことができ、
前記流れ指向翼は、前記中心体から外側に向かって放射状に広がり、前記ガス流ダクトに沿って延在する実質的に直線状の前端部分と、前記中心体の周りを螺旋状に前記ガス流ダクトの前端部に向かって延在する実質的に螺旋状の後端部分と、前記前端部分を前記後端部分に接続し、前記前端部分および前記後端部分の両者と円滑に合体し、かつ、該両者間で円滑に次第に形状を変えるように形状付与された移行部分とを有する。

0010

翼の前端部分は、翼の前端部分から翼の移行部分に厚さが次第に増加するように長手方向に厚さが先細りになることができる。

0011

翼は、その径方向外方に向かって次第に厚さが減少してもよい。それらは、例えば、概ね台形の断面であり、その根元から先端に向かって先細で、先端が根元よりも薄い。

0012

翼の半径方向断面は、移行部分および後端部分の全体に亘って概ね一定であってよい。

0013

前端部分から移行部分を経て4始点渦巻き形成に進展するように、中心体の周りに円周方向に間隔を置いて配置された4つの翼があることができる。

0014

翼の直線状の前端部分が、ダクトの長手方向に測定して、翼の全長の20%よりも少ない範囲を延びることができる。前端部分の長さは、翼の全長の3〜4%程度であってよい僅か約20mmに亘って延在するように極小化してよい。

0015

翼の移行部分は、ダクトの長さ方向に沿って測定した翼の全長の少なくとも20%に亘って延在してもよい。

0016

直線状の前端部分、および、翼の移行部分は、共に翼の外径の0.4〜0.8の範囲の長さに亘って延在してよい。

0017

各翼は、その前縁後縁の間で80°〜120°の角度範囲に亘って回転してよい。

0018

各翼は、その前縁と後縁の間で中心体の周りを全周回転の約4分の1に亘って延びるように、回転の角度が約90°であることができる。各翼は、その移行部分において10°〜20°の角度範囲を回転でき、その後端部分の区間で60°〜80°の追加の角度範囲を回転できる。

0019

より具体的には、各翼は、その移行部分の区間で、角度約13°〜14°に亘って回転でき、その後端部分の区間で76°と77°の間のさらなる角度の間を回転することができる。

0020

ダクトの長手方向軸に対する翼の螺旋状部分の角度は、0.3〜0.7、好ましくは約0.5の範囲の渦巻きをダクトから排出するガス内で生成するようになっていることができる。

0021

中心体は、ガス流ダクト内でその後端部からその前方の端部に延びる細長い管状中心構造体の前端部分によって形成されることができ、翼がその上に装着されることができる。

0022

翼は、装着スリーブと一体に形成され、該装着スリーブによって、中心体に翼が装着される。

0023

また、本発明は、ガス流ダクトを通って流れるガスに渦巻きを与えるべく、ガス流ダクト内に装着するためのガス渦巻き発生器に関するものである。
このガス渦巻き発生器は、中心伸長部分、および、中心伸長部分の周りに配置され、中心伸長部分に沿って延在する複数の渦巻き翼を含み、該渦巻き翼が、中心伸長部分から放射方向外方に広がり、中心伸長部分に沿って直線状に延在する、実質的に直線状の前端部分と、中心伸長部分の周りを螺旋状に延在する実質的に螺旋状の後端部分と、前端部分を後端部分に接続し、前端部分および後端部分の両者と円滑に合体し、該両者間で円滑に次第に形状を変えるように形状を与えられた移行部分とを有する。

0024

本発明を十分に説明するために、添付図面を見ながら一具体例についての詳細を述べる。

0025

図1は、国際特許出願PCT/AU96/00197に記載されているHI製錬法による作業に適した直接製錬容器を示す。冶金容器が全体として11で示され、耐火煉瓦から形成された基底12および側部13を含む炉床と、炉床の側部13から上方に延びる概ね円筒形の樽状体を形成すると共に上樽部分15および下樽部分16を含む側壁14と、屋根17と、排ガス用出口18と、溶融金属を連続的に排出するための前炉床19と、溶融スラグを排出するための出湯孔21とを有する。

0026

使用中に、容器は、溶融金属の層22、および金属の層22上の溶融スラグの層23を含む鉄およびスラグの溶湯(molten bath)を含む。番号24によって記された矢印は、金属層22の公称静止表面の位置を示し、番号25によって記された矢印は、スラグ層23の公称静止表面の位置を示す。用語「静止表面」は、容器内への気体および固体の注入が全くない場合の表面を意味する。

0027

容器は、容器の上部領域内に熱空気の送風を送出するための下方に延びる熱空気注入ランス26と、鉄鉱、固体含炭素材料、酸素欠乏キャリア・ガスに同伴されるフラックス(flux)を金属層22に注入するために、下向き内方に側壁14を通ってスラグ層23内に延びる固体注入ランス27(2つのみを示す)とを備える。ランス27の位置は、プロセスの作業中にその出口端部28が金属層22の表面の上になるように選択される。ランスのこの位置は、溶融金属との接触による損傷の危険を低下させ、容器内で水が溶融金属と接触するようになる著しい危険を招くことなく強制的な内部の水冷によってランスを冷却することも可能にする。

0028

熱空気注入ランス26の構造を図2〜15に示す。これらの図に示すように、ランス26は、ガス入口構造32を通る熱ガスを受け、それを容器の上部領域に注入する細長いダクト31を備える。ランスは、ガス流ダクト31内でその後端部からその前方の端部に延びる細長い管状中心構造体33を備える。ダクトの前方端部に隣接して、中心構造体33は、ダクトを出るガス流に渦巻きを付与するための一連の4つの渦巻き付与翼91を備える渦巻き発生器90を担持する。中心構造体33の前方端部は、ドーム状にされたノーズ35を有し、そのノーズは、中心体の前方端部およびダクトの先端が協働して、翼91によって渦巻きを付与されて、ガスがダクトから拡散して流れるための管状のノズルを形成するように、ダクト31の先端36を超えて前方に突出する。

0029

渦巻き発生器90の構造を図10図15に示す。これらの図に示すように、渦巻き発生器は、装着スリーブとして働く中央の管状部分93と一体に形成される4つの翼91からなり、そのスリーブによって、渦巻き発生器が中心構造体33の前方端部に装着される。渦巻き発生器は、重量で0.05〜0.12%の炭素、0.5〜1%のケイ素、最大で0.5〜1%のマンガン、0.02%のリン、0.02%の硫黄、27〜29%のクロム、48〜52%のコバルト、および基本的に鉄からなるバランス(balance)を含むUMCO50などの高融点合金材料から成型することができる。そのような材料は、一般にUMCO50の名でいくつかの製造元から市販されている。

0030

渦巻き発生器90の渦巻き翼91は、管状中心体93から外側に放射状に広がり、その管状中心体に沿って直線状に延びる、実質的に直線の前端部分91Aと、管状中心体の周りを螺旋状に延びる螺旋状の後端部分91Cと、前端部分91Aを後端部分91Cに接続し、前端部分91Aおよび後端部分91Cの両者と円滑に合体し、それらの間で滑らかに次第に形状を変えるように形作られている移行部分91Bとを有する。移行部分91Bの全体にわたる長手方向の厚さのテーパー(taper)は、比較的狭い前縁から次第に厚さが増加し、螺旋状の後端部分91Cの始点で厚さが最大に達するようになっている。翼も同様に、厚さが径方向外側に減少し、図14でわかるように台形の断面を有するように厚さが先細りになる(taper)。各翼の前縁94のところで、側面は根元の12mmの厚さから先端の8mmの厚さに先細りになる。前端部分を通して根元の厚さは、28mmに増加し、先端の厚さは20mmに増加する。翼の径方向断面は、移行部分91Bおよび後端部分91Cの全体に亘って一定のままである。

0031

各翼90は、前縁94とその後縁95の間で90°の角度に亘って回転する。直線の前端部分91Aの長さは、翼の全長のわずか3〜4%であることができる約20mmに最小限に抑えられ、反対に移行部分91Bは、翼の全長のかなりの部分に亘って延びる。具体的には、移行部分は、管状中心体93の長手に沿って測定して、翼の全長の少なくとも20%の範囲で延びることができる。このような翼の成形は、乱流を最小限に抑えながら効率的に渦巻きを付与するためのガスの均一の流れを促進することがこれまでに認められている。翼の延長された直線状の前端部分91Aは、ガスが翼の移行部分に到達すると、ガス流の方向を変えることによって生じる低圧領域によって(延長された直線状および移行区域のない螺旋状の渦巻き翼にガスが入る場合に起こりうるように)ガスが流れの隣接部分から引き込まれることにならないように、ガスを中心体93の周りで四半分に分割する。

0032

HI製錬法の作業において使用される一般的な熱空気注入ランスでは、ガス流ダクトが782mm程度の直径を有することができ、それに伴って、ダクト内への滑りばめ部になるように、渦巻き翼91が同様の直径に生産される。渦巻き発生器90の管状中心体は、334mm程度の外径を有することができ、渦巻き発生器の全長は、745mmであることができる。翼91の直線状部分91Aが20mm程度の長さを占め、移行部分91Bが170mm程度の長さを占めて、翼は管状中心体93を軸線方向に測定して595mm程度の全長を有することができる。翼の移行部分91Bは、13.3°の角度の間を回転することができ、その前縁と後縁の間で翼の90°の回転をもたらすように螺旋部91Cが残りの76.7°の間を回転する。出願人によるコンピュータによる模型では、こうした寸法の場合、流量140000Nm3/h、温度1200℃で、300m/秒の軸線方向速度での0.3〜0.7の、好ましくは0.5程度の範囲内の渦巻きが達成可能なようであることが示された。

0033

この点に関しては、渦巻き発生器90を通るガス流の見込まれる渦巻きは、米国ニューハンプシャー州のFluent社から市販されている計算機流体力学(CFDソフトウェアパッケージであるFLUENT商標)を使用してモデル化された。以下の公式は、渦巻きをモデル化するのに使用された。

0034

ただし、変数Sは、ランスを通るガス流の渦巻き数であり、変数「u」は、ランスを通るガス流の接線速度を表し、変数「w」は、ランスを通るガス流の軸流速度を表し、変数「r」は、渦巻き翼の外径である。

0035

ガス入口32から下流側に延びるダクト31の主要部分の壁は、内部水冷を施されている。ダクトのこの区域は、ダクトの前方端部に延びる一連の3つの同心の鋼管37、38、39からなり、その端部でそれらはダクトの先端36に連結されている。ダクトの先端36は、中空環状形態のものであり、それはダクト31の壁の流路を通って供給され、戻される冷却水によって内部水冷を施される。具体的には、冷却水は、入口41および環状の入口マニホルド42を通って供給され、ダクトの管38と39の間に画成される内側の環状の水の流路43に入り、ダクトの先端36の中空の内部に向かって通り抜け、先端の円周方向に間隔を置いて配置される開口を通る。水は、先端から、円周方向に間隔を置いて配置された開口を通って、管37と38の間に画成される外側の環状の水の戻り流路44に入り、ダクト31の水冷を施された区域の後端部にある水の出口45に向かって元の方向に戻される。

0036

ダクト31の水冷を施された区域は、ダクトの最も内側の金属管39に嵌入する内部の耐熱性ライニング46を使用して内部にライニングを施され、ダクトの水冷を施された先端36に通じて延びる。ダクトの先端36の内周は、耐熱性ライニングの内面とほぼ同一平面上にあり、それによってダクトを通るガスのための効果的な流路が画成される。耐熱性ライニングの前方端部は、わずかに縮小した直径の区域47を有し、その区域は、滑りばめ(snug sliding fit)によって渦巻き翼34を受ける。区域47から後方に、耐熱性ライニングは、渦巻き翼34がダクトの前方端部に達するまで、中心構造体33がランスのアセンブリのダクトを通って下方に挿入できるように、わずかにより大きい直径のものであり、その端部でそれらは、翼を耐火区域47に配置し案内する先細りになった耐熱性ランド部48によって案内されて、耐火区域47と滑らかに係合する。

0037

渦巻き翼34を担持する中心構造体33の前端部は、ランスの後端部から前方の端部に中心構造体を通って前方に供給される冷却水によって内部水冷を施され、次いで中心構造体に沿ってランスの後方端部に元に戻される。これによって、特にランスの作業において非常に高い熱流束に曝される中心構造体の前方端部およびドーム状にされたノーズ35に、冷却水が直接、非常に強く流れることが可能になる。

0038

中心構造体33は、端と端をつけて配置され、共に溶接される管セグメントによって形成される内側および外側の同心の鋼管50、51を備える。内側の管50は、中央の水の流路52を画成し、そこを通って、水がランスの後端部にある水の入口53から中心構造体を通って前方に流れ、中心構造体の前端部ノーズ35に向かって通り抜け、また2つの管の間に画成される環状の水の戻り流路54に向かい、そこを通って、冷却水は、ノーズ35から中心構造体を逆方向に通って、ランスの後方端部にある水の出口55に戻る。

0039

中心構造体33のノーズ端部35は、外側のドーム状にされたノーズ殻62に嵌入される内側の銅製胴部材61を備え、ノーズ殻も銅から形成される。内側の銅片61は、中心構造体33の中央の流路52から水を受け取り、それをノーズの先端に向けるための中央の水の流路63と共に形成される。ノーズ端部35は、突出するリブ64と共に形成され、そのリブは、ノーズ殻62内に滑りばめされ、内側の区域61と外側のノーズ殻62の間に単一の連続する冷却水の流路65を形成する。特に図4および5でわかるように、リブ64は、単一の連続した流路65が、1つの環状のセグメントから次のセグメントに傾いた流路セグメント67によって相互連通された環状の流路セグメント66として延びるように成形される。したがって、流路65は、ノーズの先端から螺旋状に延び、それは規則的な螺旋形態のものではないが、ノーズの周りでノーズに沿って後方に螺旋を描き、ノーズの後端部のところで出て、中心構造体33の管51と52の間に形成される環状の戻り流路に入る。

0040

中心構造体のノーズ端部35に沿ってその周囲を後方に延びる螺旋流路65を通る単一のコヒーレントの流れの中の冷却水の強制流により、効率的な熱の除去が確かになり、冷却水がノーズにおいて別々の流れに分離できる場合に起こる可能性のあるノーズの「ホットスポット(hot spot)」の増大が回避される。図示された構成では、冷却水がノーズ端部35に入る時から、ノーズ端部を出る時まで単一の流れに制御される。

0041

内部構造体33は、流入するダクト31内の熱ガス流から、中心構造体33内を流れる冷却水に熱伝達しないように遮蔽するための外部熱シールド69を備える。大規模製錬施設において要求される、非常に高い温度および大量のガス流に曝される場合、固体の耐熱性シールドは短い間だけしか使用できない可能性がある。図示の構造では、シールド69は、高融点合金の管状のスリーブから形成される。これらのスリーブは、端と端をつけて配置され、シールドと中心構造体の最も外側の管51との間のエアギャップ70を囲む連続する熱シールドを形成する。特に、シールドは、前記のような材料UMCO50の管状のセグメントから作製することができる。この材料は、非常に優れた熱シールドをもたらすが、高温でかなりの熱膨張を受ける。この問題に対処するため、熱シールドの個々の管状のセグメントは、それらが常に実質的に連続したシールドを維持しながら、長手方向に互いに独立に延びることができるように、図6〜9に示すように形成され装着される。それらの図に示すように、個々のスリーブは、中心構造体33の外管51に装着された位置決帯材71およびプレート支持部72に装着され、各シールド管の後端部は、各位置決め帯材が独立に長手方向に熱膨張できるように端部ギャップ74を有して、プレート支持部の上に嵌合するように73で段を付けられている。回転防止帯材75も同様に、シールド・スリーブの回転を防止するように、管52の位置決め帯材71のうちの1つの周りに嵌まるように各スリーブに嵌合できる。

0042

熱ガスがガス入口区域32を通ってダクト31に送出される。熱ガスは、1200℃程度の温度で加熱ストーブによってもたらされる酸素に富む空気であることができる。この空気は、耐熱性ライニングを施されたダクトを通って送出される必要があり、その空気は、ダクト31の主要な水冷区域内に直接、高速で送出される場合、激しい侵食の問題を引き起こすおそれのある耐火物グリットを拾い上げる。ガス入口32は、ダクトが、ダクトの水冷区域の損傷を最低限に抑えながら、耐火物の粒子を伴う大容量の熱空気の送出を受取るのを可能にするように設計されている。入口32は、耐摩耗性耐火材料内のユニットとして成型され、薄い壁になった外側の金属殻82の中に配置されるT字形の胴部材81を備える。胴部材81は、ダクト31の中央流路整列する第1の環状の流路83、およびストーブ(図示せず)から送出される熱空気流を受取るために流路83に対して垂直な第2の管状の流路84を画成する。流路83は、ダクト31のガス流路と整列し、入口32の耐熱性の連結片86内の中央の流路85によってそのガス流路に連結される。

0043

熱空気は、入口32に送出され、胴部材81の環状の流路84を通過し、耐侵食性の厚い耐熱性の胴部材82の耐磨耗性耐火壁に当たる。次いで、ガス流は方向を変えて、直角に、T字形の胴部材81の流路83、および移行部片86の中央の流路85を下降し、ダクトの主要部分に入るように流れる。流路83の壁は、ダクト内への流れを加速するように前方への流れ方向に先細りにすることができる。それは、例えば7°程度の狭角で先細りにすることができる。移行部分の耐熱性の胴部材86は、一端で耐熱性の胴部材81の厚い壁、およびダクト31の主要区域のより薄い耐熱性ライニング48に適合するように厚さが先細りになっている。したがって、胴部材86も同様に、環状の冷却用水ジャケット87によって水冷され、その水ジャケットの中を、冷却水が入口88および出口89を通って循環される。中心構造体33の後端部は、ガス入口32の環状の流路83を通って延びる。それは、耐熱性の直線状プラグ91内に配置され、そのプラグは流路83の後端部を閉鎖し、中心構造体33の後方端部は、ガス入口32から後ろ水流の入口53および出口55に延びる。

0044

図示された装置は、大容量の熱ガスを高温で製錬容器26に注入することができる。中心構造体33は、大容量の冷却水を急速に直接、中心構造体のノーズ区域に送出することが可能であり、ノーズ構造の周りの分割されない冷却流でのその冷却水の強制流によって、中心構造体の前端部からの非常に効率的な熱の除去が可能になる。ダクトの先端への独立の水流によっても、ランスのその他の高熱流束成分からの効率的な熱の除去も可能になる。熱空気流がダクト内に下方に流れる前に、耐熱性のチャンバまたは流路の厚い壁に当たる入口にその流れを送出することにより、ランスの主要区域で耐火ライニングおよび熱シールドが激しく侵食することなく、耐熱性のグリットによって汚染された大容量の空気が処理されることが可能になる。

0045

直線状の前端部分91Aおよび移行部分91Bを有して形成され、翼が従来の装置のように180°の間でなく1回転の4分の1の間だけ回転するように螺旋部分終端した、渦巻き翼91を有する渦巻き発生器90によって、乱流が大幅に低減した渦巻きが付与できることが認められた。さらに、回転のより少ない翼は、鋳造するのに複雑さがより少ない形状であり、それらはUMCO50などの高融点材料からはるかに容易に製造できる。

図面の簡単な説明

0046

本発明による渦巻き発生器を組み込む一対の固体注入ランスおよび熱空気の送風の注入ランスを組み込む直接製錬容器を横切る垂直断面図。
熱空気注入ランスを横切る長手方向横断面図。
ランスの中心構造体の前方部を横切る、拡大尺度の長手方向断面図。
中心構造体の前方ノーズ端の構造を示す図。
中心構造体の前方ノーズ端の構造を示す図。
中心構造体を横切る長手方向断面図。
図6における領域8の詳細図。
図7における線8−8の断面図。
図7における線9−9の断面図。
熱空気注入ランスに組み込まれる渦巻き発生器の図。
図10に示す渦巻き発生器の端部図。
図10に示す渦巻き発生器の端部図。
渦巻き発生器の拡大詳細図。
渦巻き発生器の渦巻き翼を横切る横断面図。
図10の渦巻き発生器の構造図。

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