(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体微粒子材料が通過するための中心チューブ（３１）と、該中心チューブ（３１）の長さの少なくとも一部に亘って該中心チューブ（３１）を包囲する環状冷却ジャケット（３２）と、該冷却ジャケットに入る水流のための水入口手段（５２）および前記冷却ジャケットから出る水流のための水出口手段（５３）とを具備する冶金用ランス（２７）であって、前記環状冷却ジャケット（３２）で包囲される前記中心チューブの長さの少なくとも一部は高温に曝されており、容器内に収容された溶融材料に固体微粒子材料を注入するために容器内に伸長する前記冶金用ランス（２７）において、
前記冷却ジャケット（３２）が、中心チューブ（３１）の周りに位置するとともに前端部に次第に細くなるノズル流路部分を有する内側長尺環状水流通路（４６）、前記内側長尺環状水流通路（４６）の周りに位置する外側長尺環状水流通路（４７）、および前記冷却ジャケットの前端で前記ノズル流路部分と前記外側長尺環状水流通路（４７）を互いに接続する環状端部通路（５１）を規定し、
前記水入口手段（５２）が、前記冷却ジャケット（３２）の後端領域で前記内側長尺環状水流通路（４６）に接続され、
水出口手段が、冷却ジャケット（３２）の後端領域で前記外側長尺環状水流通路（４７）に接続され、もって冷却水流が、前記内側長尺環状水流通路（４６）に沿って冷却ジャケットの前端へ向かい、更に前記環状端部通路（５１）手段および前記外側長尺環状水流通路（４７）を通って後方へ向かい、
前記環状端部通路（５１）は、前記内側長尺環状水流通路（４６）から前記外側長尺環状水流通路（４７）に向かって外側かつ後方側へ湾曲しており、前記環状端部通路（５１）を通る流路断面積が、前記内側および外側長尺環状水流通路（４６、４７）の両者の流路断面積よりも小さいことを特徴とする冶金用ランス。
【請求項２】
前記冷却ジャケット（３２）の前記内側および外側長尺環状水流通路（４６、４７）と前記環状端部通路（５１）が、
環状端部コネクタ（４４）によって前記冷却ジャケット（３２）の前端で閉じる単一中空環状構造体（４１）を形成すべく、前記環状端部コネクタ（４４）によって前記冷却ジャケット（３２）の前端で互いに接続された内側チューブ（４３）および外側チューブ（４２）と、
内側長尺管状構造体（４５）の前端部分（４９）と前記単一中空環状構造体（４１）の環状端部コネクタ（４４）との間に前記環状端部通路（５１）を画成するために、前記単一中空環状構造体（４１）内に配置され、その内部を前記内側および外側長尺環状水流通路（４６、４７）に分割すべく、前記中空環状構造体（４１）の前記環状端部コネクタ（４４）に隣接して配置された前記前端部分（４９）まで延びる前記内側長尺管状構造体（４５）とによって画成されることを特徴とする請求項１に記載された冶金用ランス。
【請求項３】
前記内側長尺管状構造体の前記前端部分（４９）と前記中空環状構造体（４１）の前記環状端部コネクタ（４４）とが、前記環状前端部通路（５１）の流路断面積を定めるべく、それらの間で伸長する間隔保持手段（７０）によって離隔されていることを特徴とする請求項２に記載された冶金用ランス。
【請求項４】
熱膨張差または熱収縮差による前記内側および外側チューブ（４３、４２）の間の長さ方向の相対的動きを許容するように前記単一中空環状構造体（４１）が配設され、前記内側長尺管状構造体（４５）が前記動きに順応するように配設されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載された冶金用ランス。
【請求項５】
前記単一中空環状構造体（４１）の前記外側チューブ（４２）が固定取り付け手段を有し、前記単一中空環状構造体（４１）の前記内側チューブ（４３）が、熱膨張差または熱収縮差に順応して軸線方向に動くことができるように第１の摺動取り付け手段（６３）内に支持され、前記内側長尺管状構造体（４５）が前記中空環状構造体（４１）の前記内側チューブ（４３）と共に動くことができるように、前記内側長尺管状構造体（４５）の後端が第２の摺動取り付け手段（６４）内に支持されていることを特徴とする請求項４に記載された冶金用ランス。
【請求項６】
前記内側長尺管状構造体（４５）が前記中空環状構造体（４１）の前記内側チューブ（４３）に直接接続され、軸線方向に共に動くようになっていることを特徴とする請求項５に記載された冶金用ランス。
【請求項７】
前記内側長尺管状構造体（４５）と前記中空環状構造体（４１）の前記内側チューブ（４３）との間の接続が、前記内側長尺管状構造体（４５）の後端部において周方向で離隔した一群のコネクタ（６５）によってなされていることを特徴とする請求項６に記載された冶金用ランス。
【請求項８】
前記中空環状構造体（４１）の前記内側チューブ（４３）用の前記摺動取り付け手段（６３）が、前記水入口手段（５２）と前記水出口手段（５３）を規定する水流マニホールド構造体（６８）に取り付けられた取り付けリング（７１）を含むことを特徴とする請求項４から請求項７までのいずれか１項に記載された冶金用ランス。
【請求項９】
前記内側長尺管状構造体（４５）の後端部を支持する第２の摺動取り付け具（６４）が、前記水流マニホールド構造体（６８）に取り付けられた第２のリング（６６）を具備することを特徴とする請求項８に記載された冶金用ランス。
【請求項１０】
水入口室（７４）が、前記マニホールド構造体（６８）内で２つの摺動取り付けリング（６６、７１）間に画成されていることを特徴とする請求項９に記載された冶金用ランス。
【請求項１１】
環状ピストン（７３）が、前記水入口室（７４）内に配置され、前記内側チューブ（４３）の動きを許容するように前記中空環状構造体（４１）の内側チューブ（４３）の後端に固定されていることを特徴とする請求項１０に記載された冶金用ランス。
【請求項１２】
前記環状冷却ジャケット（３２）の外表面に、ランスの外表面上でスラグを凝固させるために規則的パターンの突出子（５４）が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載された冶金用ランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体微粒子材料を容器に注入するために容器内に伸長する冶金用ランスを提供するものである。この種の装置は、例えば、直接製錬法によって溶融金属を製造するために製錬容器の溶湯に冶金供給材料を注入するために用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
反応媒体として溶融金属層に依存し、一般にＨＩ製錬法と称する公知の直接製錬法が、本出願人名義の国際出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７（ＷＯ  ９６／３１６２７）に記載されている。
【０００３】
上記国際出願に記載されたＨＩ製錬法は、
（ａ）溶融鉄とスラグから成る湯を容器内に形成する段階、
（ｂ）（ｉ）金属を含む供給材料（典型的には、金属酸化物）と、
（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炭素質材料（典型的には、石炭）とを上記湯に注入する段階、および
（ｃ）金属を含む供給材料を金属層内で金属に製錬する段階を包含する。
【０００４】
本明細書で、用語「製錬」は、金属酸化物を還元する化学反応が起こって液状金属を製造する熱処理過程を意味する。
【０００５】
ＨＩ製錬法はまた、溶湯から溶湯上の空間に酸素含有ガスと共に解放されて、金属を含む供給材料を製錬するために必要な熱エネルギーに貢献すべく、後燃焼によって生成された熱を溶湯に伝達する、ＣＯおよびＨ2等の後燃焼反応ガスを含む。
【０００６】
ＨＩ製錬法はまた、溶湯上の後燃焼反応ガスによって生成された熱エネルギーを溶湯に伝達するのに効果的な媒体を提供する溶融金属および／またはスラグの、上昇し、次いで下降する液滴または飛沫または流れの好都合な質量がそこに存在する溶湯の公称静止表面上の遷移帯域を形成することを含む。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＨＩ製錬法では、金属を含む供給材料および固体炭素質材料は、容器底部の金属層内に固体材料を射出するように製錬容器の側壁を貫通して容器の下部領域内にまで下方および内方に伸長するように鉛直線に対して傾斜した多数のランス／羽口を通じて金属層内に注入される。ランスは、製錬容器内で１４００℃程度の作業温度に耐えなければならない。したがって、ランスは、この苛酷な環境内で成功裡に動作すべく内部強制冷却システムを持たねばならず、相当な局所的温度変動に耐えなければならない。本発明は、これらの条件下で効果的に動作することのできるランスの構成を可能ならしめる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によって提供される冶金用ランスは、容器内に収容された溶融材料に固体微粒子材料を注入するために容器内に伸長し、
固体微粒子材料が通過するための中心チューブと、
該中心チューブの長さの少なくとも一部に亘って中心チューブを包囲する環状冷却ジャケットであって、中心チューブの周りに配置された内側長尺環状水流通路（本明細書で、長尺とは、細長く伸長することを意味している）、該内側長尺環状水流通路の周りに配置された外側長尺環状水流通路、および冷却ジャケットの前端で内側長尺環状水流通路と外側長尺環状水流通路を互いに接続する環状端部通路を規定する冷却ジャケットと、
冷却ジャケットの後端領域で内側長尺環状水流通路への水入口用の水入口手段と、
冷却ジャケットの後端領域で外側長尺環状水流通路からの水出口用の水出口手段とを有し、
それによって、冷却水流が、内側長尺環状水流通路に沿って冷却ジャケットの前端へ向かい、更に環状端部通路手段および外側長尺環状水流通路を通って後方へ向かうようになっており、
また、環状端部通路が内側長尺環状水流通路から外側長尺環状水流通路に向かって外側かつ後方側へ円滑に湾曲し、環状端部通路を通る水流用の横断面積が、内側および外側長尺環状水流通路の両者の水流用横断面積よりも小さくなされている。
前記環状冷却ジャケットで包囲される「中心チューブの長さの少なくとも一部」は、高温に曝される長さ部分に対応する。
【０００９】
好ましくは、冷却ジャケットの内側および外側長尺環状水流通路および環状端部通路が、
環状端部コネクタによって冷却ジャケットの前端で閉じる単一中空環状構造体を形成すべく環状端部コネクタによって冷却ジャケットの前端で互いに接続された内側および外側チューブと、
長尺管状構造体の前端部分と単一中空環状構造体の環状端部コネクタとの間に環状端部通路を画成するために、単一中空環状構造体内に配置され、その内部を内側および外側長尺環状水流通路に分割すべく、中空環状構造体の環状端部コネクタに隣接して配置された前端部分まで延びる長尺管状構造体とによって画成される。
【００１０】
さらに好ましくは、長尺管状構造体の前端部分が中空環状構造体の環状端部コネクタに接続されて、環状前端部通路の水流用横断面積が定められる。
さらに好ましくは、熱膨張差または熱収縮差による前記内側および外側チューブの間の長さ方向の相対的動きを許容するように単一中空環状構造体が配設され、また長尺管状構造体が前記動きに順応するように配設される。
【００１１】
さらに特定した好適態様では、単一中空環状構造体の外側チューブが固定取り付け手段を有し、単一中空環状構造体の内側チューブが、熱膨張差または熱収縮差に順応して軸線方向に動くことができるように摺動取り付け手段内に支持され、内側管状構造体が中空環状構造体の内側チューブと共に動くことができるように、内側管状構造体の後端が第２の摺動取り付け具内に支持される。
【００１２】
内側管状構造体を中空環状構造体の内側チューブに直接接続し、軸線方向に共に動くようにすることができる。その接続は、内側管状構造体の後端部において周方向で離隔した一群のコネクタによって行なうことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明を更によく説明するために、添付図面を参照しながら一具体例について述べる。
【００１４】
図１は、国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７に記載されるがごときＨＩ製錬法による作業に好適な直接製錬容器を示す。冶金用容器が全体として１１で示されており、耐火煉瓦で形成された基部１２と側部１３を含む炉床と、炉床側部１３から上方に伸長する概ね円筒形の樽状体を形成する、上樽部１５と下樽部１６を含む側壁１４と、屋根１７と、排気口１８と、溶融金属を連続的に排出するための前炉床１９と、溶融スラグ排出用栓孔２１とを有する。
【００１５】
操業中の容器は、溶融金属層２２と、該金属層２２上の溶融スラグ層２３とを含む鉄とスラグの溶湯を収容する。符号２４で示された矢印は、金属層２２の公称静止表面の位置を示し、符号２５で示された矢印は、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、容器内へのガスおよび固体の注入が無い時の表面を意味する。
【００１６】
容器は、熱空気衝風を容器の上部領域に供給するための下方に伸長する熱空気注入ランス２６と、酸素欠乏キャリアガスに飛沫同伴される鉄鉱石、固体炭素質材料およびフラックスを金属層２２に注入するために側壁１４を貫通してスラグ層２３内にまで内側下向きに伸長する２つの固体注入ランス２７とを装備する。固体注入ランス２７の位置は、それらの出口端２８が、操業中に、金属層２２の表面よりも上にあるように選ばれれる。このランス位置によって、溶融金属との接触による損傷の危険性を減らし、また容器内の溶融金属に水が触れることになる重大な危険性のない状態でランスの強制内部水冷を行なうことができる。
【００１７】
固体注入ランスの構造を図２〜図５に示す。図示のとおり、各固体注入ランス２７は、固体材料を供給するための中心チューブ３１と、中心チューブ３１をその長さの相当な部分に亘って包囲する環状冷却ジャケット３２とを有する。中心チューブ３１は、その大部分の長さ部分が炭素／合金鋼管３３で形成されているが、その前端においてステンレス鋼部分３４が冷却ジャケット３２の前端からノズルとして突出している。中心チューブ３１の前端部分であるステンレス鋼部分３４は、短い鋼製アダプター３５を介して中心チューブの炭素／合金鋼部分３３に接続され、アダプター３５が、ステンレス鋼部分３４に溶接されるとともにねじ溝３６によって炭素／合金鋼部分に結合されている。
【００１８】
中心チューブ３１は、一群の鋳造セラミックチューブで形成された薄いセラミックライニング３７によって前端ステンレス鋼部分３４まで内張りされている。中心チューブ３１の後端は、結合部材３８を介してＴ字状部材３９に接続され、該Ｔ字状部材３９を通じて、加圧された流動化搬送ガス（例えば、窒素）で固体微粒子材料が供給される。
【００１９】
環状冷却ジャケット３２は、前端接続片４４によって互いに接続された外側および内側チューブ４２、４３から成る長い中空環状構造体４１と、該構造体４１の内部を内側長尺環状水流通路４６と外側長尺環状水流通路４７とに分割するように中空環状構造体４１内に配置された長尺管状構造体４５とを具備する。長尺管状構造体４５は、内側および外側水流通路４６、４７の前端を相互接続する環状端部通路５１を形成すべく中空管状構造体４１の前端部コネクタ４４内に嵌め込まれた、機械加工による炭素鋼製前端片４９に溶接された長尺炭素鋼チューブ４８によって形成されている。
【００２０】
環状冷却ジャケット３２の後端は、冷却水流を内側環状水流通路４６内に導入する水入口５２と、ランス後端で外側環状水流通路４７から水が排出される水出口５３とを備えている。従って、ランスの使用時、冷却水は、内側環状水流通路４６を通じてランス前方に流下し、次いで前環状端部通路５１を外方かつ後方に廻って外側環状水流通路４７内に流れ、ランスに沿って後方に流れて、水出口５３から排出される。このことによって、最も冷たい水が、入って来る固体材料と熱伝達関係にあって、ランス前端から排出される前に固体材料が溶融または燃焼せず、ランス前端および外表面の効果的冷却、およびランスの中心チューブを通じて注入される固体材料の効果的冷却が可能になる。
【００２１】
中空環状構造４１の外側チューブ４２および前端片４４の外表面は、ボス（突起）が外側に発散する形状であり且つランスの外表面上のスラグの凝固のためのキーとなる形状として働くように下を切ったまたはばち形横断面を有する矩形突出子５４の規則パターンをもって機械加工されている。ランス上でのスラグの凝固は、ランスの金属部品における温度を最低限にする。使用にあたって、ランスの前部または尖端に凝着するスラグが、ランスの延長部分として働く、固体材料から成る延長パイプの生成の基礎になり、しかも容器内での苛酷な作業条件に晒されるランスの金属部品を保護することが判っている。
【００２２】
環状端部通路５１を廻る高い水流速度を維持するために、ランス尖端の冷却が非常に重要であることが判っている。特に、最大熱伝達を得るために、毎秒１０ｍ程度の水流速度をこの通路領域で維持することが最も望ましい。この領域における水流量を最大限にするために、通路５１を通る水流の有効断面が、内側環状水流通路４６、および外側長尺環状水流通路４７、両者の有効断面よりもかなり小さくなされる。内側管状構造体４５の前端片４９は、内側環状水流通路４６の前端から流れる水が、内側に向かって小さくなるか又はテーパー（傾斜）が付与されたノズル流路部分６１を通過して、端部通路５１に入る前に渦および損失を極小化するように形成され、かつ位置づけられる。また、端部通路５１は、通路屈曲部を廻る増大した水流速度を維持し、かつ外側環状水流通路４７に戻るように水流方向における有効流れ面積が減少する。このようにして、過度の圧力低下、およびランスの他の部分における閉塞の危険性もなく冷却ジャケットの尖端領域における必要な高い水流量を達成することができる。
【００２３】
尖端通路５１を廻る適切な冷却水速度を維持するとともに熱伝達変動を極小化するように、内側管状構造体４５の前端片４９と中空環状構造体４１の端部コネクタ４４との間に制御された一定の間隔を維持することが決定的に重要である。このことは、ランスの構成要素における熱膨張・収縮差による問題を呈示する。特に、中空環状構造体４１の外側チューブ部分４２は、内側チューブ部分４３よりもかなり高い温度に晒されて、中空環状構造体の前端が、図４に点線６２で示す態様で前方に動く傾向になる。このことによって、製錬容器内の作業条件にランスが晒された時に、通路５１を画成する構成要素４４、４９間の間隔が開く傾向が生じる。逆に、作業中に温度低下があれと、通路は閉じようとする。この問題を克服するために、中空環状構造体４１の内側チューブ４３の後端が、外側チューブ４２に対して相対的に軸線方向に動くことができるように摺動台６３内で支持され、また、内側管状構造体４５の後端も摺動台６４内に配置され、チューブ４３、４５が軸線方向で一体に動くことができるように、周方向で離隔した一群の結合部材（クリート：cleats）６５によって構造４１の内側チューブ４３に結合されている。さらに、中空環状構造体４１および管状構造体４５の端部コネクタ４４、前端片４９は、ランスジャケットの熱膨張・収縮運動の下で適当な間隔を維持すべく周方向で離隔した一群のだぼ（dowels）７０によって互いに結合されている。
【００２４】
管状構造体４５の内側端用の摺動台６４は、水入口５２および水出口５３を規定するとともにオーリングシール６９によって密封された水流マニホールド構造体６８に取り付けられたリング６６によって配設されている。構造体４１の内側チューブ４３の後端用の摺動台６３は、同様に、水マニホールド構造体６８に締着された環状フランジ７１によって配設され、オーリングシール７２によって密封される。環状ピストン７３が、環状フランジ７１内に配置され、入口５２から入って来る冷却流を収容する水入口マニホールド室７４を閉じるためにねじ溝結合８０によって構造体４１の内側チューブ４３の後端に結合されている。ピストン７３は、環状フランジ７１上の硬化処理された表面内で摺動し、オーリング８１、８２が嵌着されている。ピストン７３によって提供される摺動シールは、構造体４１の熱膨張差による内側チューブ４３の運動を許すのみならず、それはまた、冷却ジャケット内の過大な水圧によって生じる構造体４１の如何なる運動をも許容すべくチューブ４３の運動をも許す。いかなる理由で冷却水流の圧力が過大になったとしても、構造体４１の外側チューブが外方に力を受け、ピストン７３は、形成された圧力を解放するように内側チューブが動くことを可能にする。ピストン７３と環状フランジ７１との間の内部空間７５は、排気口７６を通じて排気され、ピストンの運動、およびピストンを越えて漏れる水を逃がすことを可能とする。
【００２５】
環状冷却ジャケット３２の後部は、ランスの下方側部分に、水入口８５および水出口８６を経由して別の冷却水が流る環状冷却水通路８４を画成する外側補剛パイプ８３を具備する。
【００２６】
典型的には、冷却水は、最大動作圧８００ｋＰａ、流量１００ｍ3／時間で冷却ジャケットを通過して、ジャケットの尖端領域において１０ｍ／分の水流速度が生じるだろう。冷却ジャケットの内側および外側部分は、２００℃程度の温度差を受ける可能性があり、摺動台６３、６４内でのチューブ４２、４５の動きは、ランスの使用中かなり大きくなるであろうが、端部通路５１の水流用有効横断面積は、全作業条件を通じて実質的に一定に維持される。
【００２７】
図示されたランスは、直接還元製錬容器に対する固体の注入用に設計されているが、同様のランスが、固体微粒子材料を如何なる冶金容器に導入するために用いられてもよく、高温状態になる如何なる容器を誘導してもよいことは明らかであろう。したがって、本発明は、図示された構造体の細部に限定されず、また多くの改変および変形が特許請求の範囲で定義される範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成された一対の固体注入ランスを有する冶金容器の縦断面図。
【図２Ａ】図２Ｂに示したものとＡ−Ａ線で連なる固体注入ランスの縦断面図。
【図２Ｂ】図２Ａに示したものとＡ−Ａ線で連なる固体注入ランスの縦断面図。
【図３】ランス後端を拡大した縦断面図。
【図４】ランス前端を拡大した縦断面図。
【図５】図２Ｂの５−５線に沿う横断面図。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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