JP2012527595A - 金属学的熔融及び処理ユニット - Google Patents

Abstract

本発明は、金属学的熔融及び処理ユニットに関し、特に非鉄金属溶融浴を保持するとともに処理するための実質的に筒状の容器に関する。

Description

本発明は、金属学的熔融及び処理ユニットに関し、特に非鉄金属を収容するとともに処理する本質的に筒状の容器に関する。

これら金属学的ユニット／容器は特に、ピアス‐スミス転炉（Ｐｅｉｒｃｅ−Ｓｍｉｔｈ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）、テニエンテ転炉（Ｔｅｎｉｅｎｔｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）、ノランダ反応炉（Ｎｏｒａｎｄａ ｒｅａｃｔｏｒｓ）、銅精錬炉を含む。

金属を熔融し、金属溶融物の最終処理に適するこのようなユニットの基本的な設計は、以下の如くである。
‐容器／炉は本質的に筒状形状であり、この筒状体の長手軸は、容器が作動位置にある場合には本質的に水平に延在する。このことは図１に、ピアス‐スミス転炉の場合について図示されている。
‐容器は外側金属ケーシングと、内側耐火ライニングとを有している。
‐容器にはいくつかのノズルが備えられ、これらノズルは外側から、炉の金属ケーシングを通じるとともに内側耐火ライニングを通じて、実際の炉空間に延びて、空気のような処理ガスを金属溶融物中に噴出するのを可能にする。
‐これに関して、複数のノズルはそれぞれノズル開口部を有し、これら開口部は、容器の長手軸の長手方向において所定の距離を離間して互いに隣り合って配置されている。言い換えると、複数のノズルは、筒状ケーシングのラインに沿って配置されており、このラインは筒の軸に平行に延在している。これらノズルの軸は、筒状体の軸に垂直な平面内に延びている。
‐数百までのこのような処理ノズルをユニットの１つに配置することができる。

熔融物の有利ではない流れプロファイルが、ノズルの領域に規定されるか、又は例えば変動するガスの圧力によって規定されている場合には、熔融物がノズルに浸入する場合がある。ノズル口／ノズル開口部の領域においては、化学反応が固体の堆積、例えばマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）の堆積をもたらす場合がある。これは続いて生じる、固体が堆積していないノズル断面が小さくなることによる処理ノズルの「詰まり」をもたらす場合がある。一般的なガスの圧力においては、これは時間当たりのガス処理能力を減少させる場合がある。生産性は低下する。

圧縮機を使用することによってガスの圧力を上げることは常に可能なわけではない。

これに関して、既知の解決法は、手動でノズルを洗浄するか、又はラム装置によって機械的に洗浄することである。ガス循環のための最初の断面は、結果として回復される。しかし、これはノズル開口部の周りの耐火ライニングに損傷を生じさせ、これによってこの領域に早すぎる消耗をもたらす。

本発明の目的は、金属を熔錬し、金属溶融物、特に非鉄金属熔融物を収容し処理するための容器であって、その中でノズルを組み込んだノズル領域が長期間完全に機能し続ける容器を提案することである。これに関して、既存のユニットに後付けすることもまた可能である。

この課題を達成するために、本発明は以下の知識に基づいている。

作動位置にあるピアス‐スミス転炉の図である。 図１のピアス‐スミス転炉のノズル領域の壁部の一部を通じた断面図である。 本発明による転炉のノズル領域の壁部の一部を通じた断面図である。 本発明の設計に基づいた、図１に図示したタイプの転炉の実施形態の図である。

図２は（図１に示す）ピアス‐スミス転炉のノズル領域の壁部の一部を通じた断面を示し、ノズル１０が外側から金属ケーシング１２と耐火ライニング１４とを通じて、金属溶融物５０が処理される転炉の領域内に延在していることを見ることができる。

図１及び２は作動位置と称される所定の位置にある転炉を示す。したがって、ノズル１０は、この位置において本質的に水平に、かつ、同様に本質的に水平に方向付けられた転炉の長手軸Ｌ−Ｌに垂直な平面内に延在する。開口部領域１０ｍは、（ここで例示の方法によって示された新しい設備の場合には）耐火ライニング１４をわずかに超えて延在している。

複数のこのようなノズル１０は、図１に図示されているように、仮想の直線１に沿って互いから所定の距離を隔てて転炉の長手面上に配置されている。

例えば５ｃｍの内径を有するノズル１０を介して、処理ガス（この実施形態においては空気）が熔融物５０の中に導入され、この熔融物中において空気は比較的大きな泡５２の形態でノズル１０を出て上昇する。泡はノズルの開口部の頂部領域においてノズルから解放される。処理プロセスの間に、図２において矢印によって示されるように、熔融物５０の流れが形成される。ノズル開口部近傍における熔融物の流れの不利な形状、及びノズル開口部に作用する熔融物の圧力は、図２に図示されているように、ノズル中への熔融物の浸入とノズル開口部の底部領域における固体堆積物１０ａの形成をもたらす。比較的大きなガスの泡の故に、ガスと液相との境界は比較的小さい。さらに、この大きな泡の滞留時間は短い。これら両方の要因は、導入される空気の効率のレベルの低下をもたらす。したがって、実際にはノズルを通じて熔融物中に大量の空気を導入する必要があり、このことは長いプロセス時間と、それによる高い経費とを意味する。高濃度の酸素を有する空気の使用がプロセス時間を短縮するとしても、ノズル開口部の領域には極端な温度がもたらされ、それによって耐火ライニング１４の大幅な消耗の増加がもたらされる。これは同時に、耐火ライニング１４中への浸入の危険及び／又はノズル１０の開口部領域１０ｍにおける堆積物１０ａの危険を増大させる。

これら問題は、図３に図示されているタイプの設計によって回避することができる。ノズル１０の形状、位置、及び数は本質的に変化させず維持することができるが、本発明によって提案される金属熔融ユニットは、追加的なガス噴出装置２０を備えており、これらガス噴出装置２０は、ユニットの作動／動作位置においてはノズル１０の下に配置されている。ガス噴出装置２０は、金属熔錬物５０の中にガスを、ガスが耐火ライニングに近接して上昇するように、かつ、そのガスが続いて１つ以上のノズル開口部１０ｍの周りに噴出するように、導入するために使用される。「〜の周りに噴出する」は、ガス噴出装置２０を出るガス（例えば、アルゴンのような不活性ガス）が、ノズル開口部１０ｍに向かって流れ、できる限り漏れることなくノズル開口部１０ｍの前方において又はノズル開口部１０ｍに沿って、ノズル開口部１０ｍを通過するということを意味している。

ノズル開口部の領域におけるノズル中の堆積物の発生が、これによって防止されるか、又は大幅に軽減されることが見出された。ノズル開口部の周りにおける継続的な噴出（パージ）は、均一な速度プロファイルがノズル開口部の近傍に生成されることを確実にする。熔融物の流れは、熔融物が全くノズル開口部の中に入っていかないように、又は入ったとしてもほんの僅かであるように、また、ノズル開口部において、もはや堆積物を形成することがないように影響を受ける。さらに、ガス噴出装置２０を介して導入される比較的小さいガスの泡は、溶融物‐ガス混合物をもたらし、この混合物の密度は溶融物そのものの密度より小さい。したがって、プロセスガス（空気、又は空気‐酸素混合ガス）は、同じ取入れ圧力において溶融物の中により深く浸入し、プロセスガスのより良好な分散（分配）をもたらす。また、空気の泡が溶融物中に維持される時間が結果として増加し、これによって全体的に大幅に改善された反応挙動が泡５２と溶融物との間に確立され、よって結果的により効率的なプロセスガスの使用が可能となる。

その最も一般的な実施形態において、本発明は以下の特徴を有する金属学的熔融及び処理ユニットに関する。
‐ユニットが作動位置にあるときに、本質的に水平に延在する長手軸を有する筒状形状体
‐外側金属ケース
‐内側耐火ライニング
‐プロセスガスを、対応するノズル開口部を介して金属溶融物の中に導入するための、金属ケーシングと耐火ライニングとを通じて外側から延びるいくつかのノズル
‐これら複数のノズルが互いに隣接して、ユニットの長手面に沿って（ユニットの長手軸の方向に）互いに所定の距離を隔てて配置される
‐ユニットの作動位置においては、１つ以上のガス噴出装置がノズルの下に配置され、これらガス噴出装置を通じてガスを金属溶融物中に、このガスが耐火ライニングに近接して上昇し、１つ以上のノズル開口部に沿って流れるように、導入することができる

ノズル及びガス噴出装置の配置及び設計は様々な方法で実現することができる。上述したように、記載したタイプの既知の炉におけるノズル開口部は通常、仮想の直線に沿って互いに対して隣接している。このようなノズル配置の場合においては、本発明は、協働する（対応する）ガス噴出装置がすべてのノズルの下に配置されることを提案している。言い換えると、全てのノズルは別々のガス噴出装置を割り当てられ、よって微細なガスの泡を、ガス噴出装置から協働するノズルの開口部領域に向かって選択的に導くことができる。

また代替的に、ガス噴出装置は複数のノズルのグループと協働することもできる。

これは、選択されたガス噴出装置がガスの出口端において端面を有し、この出口端が大きな断面積に亘って延在し、例えば２つ又は３つの隣接して配置されたノズルに及ぶ長さを有している場合の特別な選択肢である。

図４は、図１に図示したタイプの転炉の（内側から耐火ライニングに向かう視点での）このような実施形態を示すが、ノズル１０の下にガス噴出装置２０を有する、本発明によって提案された設計に基づいている。

１０個のノズル１０が水平な列状に配置され、隣接するノズル１０間にはそれぞれ空隙があることが見て取れる。

ほぼノズルの直径だけ離間してノズルの列の下に配置されているのは７つのガス噴出装置２０であり、ガス噴出装置２０それぞれは、ガス出口端に矩形の端面２０ｍを有している。ガス噴出装置２０のサイズは、ガス噴出装置２０から排出されたガス、例えば窒素を、上に配置された２つのノズル１０に選択的に導くことができるようにされている。

言うまでもなく、ガス噴出装置２０は、特にガス出口端における端面の領域において様々な形状を有することができ、例えば円形状の端面を有することができる。しかし、この実施形態においても、１つのガス噴出装置２０を１つのノズル１０のために設けることができ、又は代替的に例えば１つの（より大きな）ガス噴出ユニットをいくつかのノズル１０のために設けることもできる。

ガス噴出装置２０のレイアウトは、図１におけるノズルの列と同じであり、これによってガス噴出装置２０のガス出口面は、転炉の軸に平行に走る仮想の直線に沿って取り付けられており、同様に、ガス噴出装置２０を、耐火ライニング１４中の様々な高さにおいて互いからずらして位置付けることも可能である。

図３に図示するように、ガス噴出装置２０は、ノズル１０と同じように金属ケース１２及び耐火ライニング１４を通じて延在するように設置されている。

以上に説明したように、ガス噴出装置２０の目的及び機能は、できるだけ微細なガスの泡をノズル１０の開口部領域の前部に導いて、そこで溶融物の流れに影響を与え、よって溶融物がノズルに進入し堆積物がノズルの中に形成されるのを防止し、プロセスガスをより良好に使用することである。

この点に関し、ノズル及びガス噴出装置は構造及び機能の点で互いに大幅に異なっている。ノズルは大きな自由内部断面（例えば＞５００ｍｍ^２）を有し、この内部断面を通じてガスが流れ、ガス噴出装置の場合には、ガスは、均一に延在するそれぞれが非常に小さい内部断面（特に＜５０ｍｍ^２）を有する個々の通路に沿って搬送されるか、又は細孔構造を通じて搬送される。

細孔は指向性であっても非指向性であってもよい。

非指向性を有する細孔は海綿状構造と同様であり、この場合にはガスは、ガス噴出レンガからなるセラミックベースの材料を通じて、細孔構造に応じて不規則な経路を探す。非指向性の細孔を有するこのようなガス噴出装置は既知であり、したがってここにさらに記載することはしない。

指向性の細孔を有するガス噴出装置２０の場合には、ガスは、選択的な流れ方向で別々のガスの通路を介して噴出要素を通じて導かれる。

また、ガス噴出装置２０の内側、又は複数のガス噴出装置２０の列内における指向性及び非指向性の細孔の組み合わせを選択することもできる。

また、この場合には、プロセスガスの熔錬物５０中への進入深さは選択的に調整することもできる。プロセスガスは、ノズル１０を通じて供給されるガスである。

本発明によって提案されている構造は、温度ピークの低減とノズル開口部の周りの領域の溶融物の非常に均一な温度プロファイルをもたらす。

耐火物の消耗は大幅に軽減される。溶融物によるノズル開口部の浸入及びノズル開口部における堆積物は大幅に軽減される。ノズル断面全体は長期間、何らの影響も受けずに維持され、洗浄は必要とされず、プロセスガスは、従来技術の場合よりもより一定に導入される。ユニットの停止時間は最小化される。

同時に、経費を削減することができる。追加的なガス噴出装置２０がかなり長い耐用年数を有するとともにノズル１０の耐用年数もまた従来技術と比べて大幅に長くされるので、経費の節減は追加的なガス噴出装置２０が設けられたときにも当てはまる。

ユニットが、ノズルが上述のように水平に配置された状態の作動位置にある、動作位置にある場合には、ガス噴出装置２０を、ノズル１０とガス噴出装置２０との長手軸の投影が、図３に図示するように、ユニットの長手軸Ｌ−Ｌに垂直な平面において鋭角を形成するように配置することが可能であり、ここで対応する角度はａで示されるとともに約３０°である。

ノズル１０は、作動位置にあるときには、図１〜３の記載からわかるように、ガス噴出装置２０と同様に通常はユニットの底部に配置されている。

図３及び４に図示されたガス噴出装置２０はガス噴出レンガであり、このガス噴出レンガはその端から端まで非指向性を有する細孔を有し、ガス（この例では窒素）は、ガス取り入れライン２２及び、このガス取り入れライン２２と有孔の耐火部分２４との間に配置されたガス分散チャンバ２６を介して導かれる。

図３の記載においては、ガス噴出装置２０のガス出口における端面２０ｍは、耐火ライニング１４の内面と同一平面にあるが、耐火ライニング１４を僅かに超えて金属溶融物５０中に突出していてもよい。いずれの場合においても、ガス出口端部における端面２０ｍは、噴出動作中には溶融物５０に直接接触している。

本発明の内容中の大きな又は小さなガスの泡に言及すると、これは定量的には以下を具体的に意味する

ガス噴出装置２０を介して金属溶融物５０中に導入されるガスの泡は通常、＜１０ｍｍの直径の泡を有する。

指向性の細孔を有するガス噴出装置２０はこの目的のためのガス通路を有し、ガス搬送のための、何ら影響を受けていないガス通路の内部断面は、それぞれ＜１５ｍｍ^２、＜２５ｍｍ^２、又は＜５０ｍｍ^２である。

有孔の耐火材料から作られた非指向性の細孔を有するガス噴出装置２０は、ガスの浸透性がＥＮ９９３−４（１９９５）に合致する以下の値を有するように設計することができる：＞２×１０^１２ｍ^２、＞１５×１０^１２ｍ^２、＞５０×１０^１２ｍ^２、＜２００×１０^１２ｍ^２。

ノズル１０を通じて供給される泡の平均直径と、ガス噴出装置２０を通じて供給される泡の平均直径との間の比率は通常、１０：１〜２００：１である。

ガス噴出装置２０及びノズル１０を介して熔錬物中に導入されるガスの量は同様の関係に基づいている。例えば、０．０２〜０．５Ｎｍ^３／ｍｉｎの量のガスが全てのガス噴出要素を通じて導入され、１０及び２０Ｎｍ^３／ｍｉｎが全てのノズル１０を通じて導入される。

（図３に図示されているような）新しく設置されるユニットの場合には、ノズル１０と、溶融物に面する耐火ライニングの側における協働するガス噴出装置２０との間の最短距離は、２〜１００ｃｍ、例えば５〜５０ｃｍとすることができる。

ユニットの長手軸Ｌ−Ｌに垂直な平面への、ノズル軸の投影と、協働するガス噴出装置の軸の投影との間の角度は、１０°〜８０°、好ましくは１０°〜４０°とすることができる。

１０・・・ノズル
１０ｍ・・・ノズル口
１２・・・外側金属シェル
１４・・・内側耐火ライニング
２０・・・ガス噴出装置（ガス噴出設備）
５０・・・金属溶融物
５２・・・泡
５４・・・比較的小さいガスの泡

Claims (11)

1. 以下の特徴：
   １．１ 作動位置において、本質的に水平に延在する長手軸（Ｌ−Ｌ）を有する筒状形状、
   １．２ 外側金属シェル（１２）、
   １．３ 内側耐火ライニング（１４）、
   １．４ 前記金属シェル（１２）及び前記耐火ライニング（１４）を通じて外部から延在する、処理ガスを対応するノズル口（１０ｍ）を介して金属溶融物（５０）中に導入するための様々なノズル（１０）、
   １．５ 前記ノズル（１０）は、前記容器の長手側に互いに所定の距離をおいて配置されている、
   １．６ 前記容器の作動位置においては、１つ以上のガス噴出設備（２０）が前記ノズル（１０）の下に配置され、該ノズル（１０）を通じてガスが前記金属溶融物中に、該ガスが前記耐火ライニングに隣接して上昇するように導入され、よって１つ以上の前記ノズル口（１０ｍ）に向かって吹きつけられる、
   を有する金属学的溶融及び処理容器。
2. 前記ノズル口（１０ｍ）は、仮想の直線に沿って互いに隣り合って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の容器。
3. 対応するガス噴出設備（２０）がノズル（１０）それぞれの下に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の容器。
4. １つのガス噴出設備（２０）が、一群のノズル（１０）の下に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の容器。
5. 少なくとも１つのガス噴出設備（２０）が、少なくともそのガス出口端部において、不規則な孔を設けられていることを特徴とする請求項１に記載の容器。
6. 少なくとも１つのガス噴出設備（２０）が、少なくとも前記ガス出口端部の前面（２０ｍ）において、長方形断面を有していることを特徴とする請求項１に記載の容器。
7. 前記ガス噴出設備（２０）は、仮想の直線に沿って互いに隣り合って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の容器。
8. 前記ガス噴出設備（２０）は、外部から前記金属シェル（１２）及び前記耐火ライニング（１４）を通じて延在し、前記ガス出口端部における前記ガス噴出設備（２０）の前面（２０ｍ）は、作動位置において前記溶融金属に接していることを特徴とする請求項１に記載の容器。
9. 前記ノズル（１０）及び前記ガス噴出設備（２０）は、前記ノズル（１０）及び前記ガス噴出設備（２０）の軸が鋭角αを形成するように、互いに対して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の容器。
10. 作動位置にある前記ノズル（１０）は、本質的に水平に延在していることを特徴とする請求項１に記載の容器。
11. 作動位置にある前記ノズル（１０）は、前記収容及び処理容器の下部に沿って延在していることを特徴とする請求項１に記載の容器。

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