ES2240761T3 - Lanza de inyeccion de gas. - Google Patents
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Abstract
Lanza para inyectar un gas oxigenado precalentado en un recipiente que contiene un baño de material fundido, comprendiendo dicha lanza: (a) un conducto alargado para la circulación de gas que se extiende desde una parte posterior a un extremo frontal de dicho conducto desde el cual se descargará el gas del conducto, comprendiendo dicho conducto; (i) unos tubos de acero al carbono concéntricos interior y exterior que proporcionan un soporte estructural principal para el conducto, (ii) unos medios de paso de alimentación y retorno de agua de enfriamiento que se extiende por la pared del conducto desde el extremo posterior hasta el extremo frontal del conducto para el suministro del agua de enfriamiento al extremo frontal del conducto y su retorno del mismo, (iii) una superficie exterior que incluye unos medios mecánicos adaptados para mantener una capa de escoria solidificada en el conducto; (b) una boca de entrada de gas para introducir gas caliente en el extremo posterior del conducto; (c)unos medios de punta unidos a los tubos concéntricos en el extremo frontal del conducto, (d) un forro protector formado a partir de un material refractario u otro material que pueda proteger el conducto de la exposición a una circulación de gas a 800-1400 ºC por el conducto, siendo dicho forro un material no metálico con propiedades de aislamiento térmico en comparación con los tubos de acero; y (e) unos medios dispuestos en el conducto para impartir un movimiento de torbellino a la circulación de gas por el extremo frontal del conducto.
Description
Lanza de inyección de gas.
La presente invención proporciona una lanza para
la inyección de gas precalentado en un recipiente.
La invención tiene aplicación, particularmente,
pero no exclusivamente, en una lanza para inyectar una circulación
de gas precalentado en un recipiente metalúrgico bajo condiciones
de alta temperatura.
El recipiente metalúrgico puede ser, por ejemplo,
un recipiente de fusión directa en el cual se produce metal fundido
mediante un proceso de fundición directa.
La presente invención proporciona asimismo un
aparato de fusión directa que incluye una lanza para inyectar gas
en un recipiente de fusión directa.
En general, los procesos basados en un baño
fundido para fundir directamente un material férrico en hierro
fundido, que se describen en la técnica anterior, requieren una
poscombustión de unos productos de reacción tales como CO y H_{2}
liberados de un baño fundido con el fin de generar suficiente calor
para mantener la temperatura del baño fundido.
La técnica anterior propone generalmente que se
alcance la poscombustión inyectando un gas oxigenado por medio de
unas lanzas que se extienden en un espacio superior de un
recipiente de fusión directa.
Por razones económicas, es conveniente que las
campañas de fusión directa sean relativamente largas, generalmente
de por lo menos un año y, por lo tanto, es importante que las
lanzas de inyección de gas puedan soportar el ambiente de alta
temperatura, típicamente del orden de 2000ºC, dentro del espacio
superior de un recipiente de fusión directa para los periodos
prolongados de las campañas.
Una opción para proporcionar un gas oxigenado
consiste en utilizar aire o aire oxigenado que esté precalentado a
una temperatura superior a 800ºC.
Los hornos o calentadores de guijarros son las
únicas opciones actualmente viables para precalentar aire o aire
oxigenado. Una consecuencia de la utilización de hornos y
calentadores de guijarros es que el aire o el aire oxigenado
recogerá material particulado duro a medida que pasa por el horno y
los calentadores de guijarros y este material puede provocar un
considerable desgaste en la superficie interior de una lanza.
La utilización de aire o aire oxigenado implica
asimismo que se requieran volúmenes de gas considerablemente
mayores para obtener un nivel determinado de poscombustión que los
que se requerirían si se utilizase oxígeno como el gas oxigenado.
Por lo tanto, un recipiente de fusión directa que funcione con aire
o aire oxigenado debe ser una estructura considerablemente mayor
que un recipiente de fusión directa que funcione con oxígeno.
Por lo tanto, una lanza para inyectar aire o aire
oxigenado en un recipiente de fusión directa debe ser una
estructura relativamente grande que pueda extenderse una distancia
relativamente sustancial en un recipiente de fusión directa y sin
apoyo en por lo menos una parte importante de la longitud de la
lanza. A título de ejemplo, los recipientes de fusión HI de 6
metros de diámetro, propuestos por el solicitante, incluyen unas
lanzas que presentan un diámetro exterior de 1,2 m que pesan del
orden de 60 toneladas y se extienden aproximadamente 10 metros en el
recipiente.
Además, dicha lanza debe poder suministrar unas
medidas de circulación, de volumen relativamente grandes de aire o
aire oxigenado precalentado y soportar el desgaste del interior de
la lanza debido al material particulado erosivo del aire o del aire
oxigenado durante campañas de fundición prolongadas.
Por razones económicas y estructurales, el acero
al carbono es el material preferido para construir una lanza para
la inyección de aire o aire oxigenado precalentado.
Sin embargo, el acero al carbono no es un
material preferido en términos de resistencia al desgaste del
interior de la lanza y particularmente a la luz del riesgo de
rápida oxidación (es decir ignición) del acero bajo las condiciones
de inyección en caliente.
Resulta evidente a partir de la exposición
anterior que la utilización de aire o aire oxigenado precalentado
presenta cuestiones importantes por lo que se refiere a la
construcción de lanzas para inyectar aire o aire oxigenado en
recipientes de fusión directa durante campañas de fundición
prolongadas.
Un objetivo de la presente invención consiste en
proporcionar una lanza enfriada por agua que pueda construirse
utilizando acero al carbono como un componente estructural
principal de la lanza y pueda inyectar aire o aire oxigenado
precalentado en un recipiente de fusión directa durante una campaña
de funcionamiento prolongada.
Según la presente invención, en la misma se
proporciona una lanza para inyectar gas oxigenado precalentado en
un recipiente que contenga un baño de material fundido,
comprendiendo dicha lanza:
- (a)
- un conducto alargado para la circulación de gas que se extiende desde una parte posterior hasta un extremo frontal del conducto desde el cual ha de descargarse el gas del conducto, comprendiendo dicho conducto; (i) unos tubos de acero al carbono concéntricos interior y exterior que proporcionan un soporte estructural principal para el conducto, (ii) unos medios de paso de alimentación y retorno de agua de enfriamiento que se extiende por la pared del conducto desde el extremo posterior hasta el extremo frontal del conducto para el suministro del agua de enfriamiento al extremo frontal del conducto y su retorno del mismo, (iii) una superficie exterior que incluye unos medios mecánicos adaptados para mantener una capa de escoria solidificada en el conducto;
- (b)
- una boca de entrada de gas para introducir gas caliente en el extremo posterior del conducto;
- (c)
- unos medios de punta unidos a los tubos concéntricos en el extremo frontal del conducto,
- (d)
- un forro protector formado a partir de un material refractario u otro material que pueda proteger el conducto de la exposición a una circulación de gas a 800-1400ºC por el conducto, siendo dicho forro un material no metálico con propiedades de aislamiento térmico en comparación con los tubos de acero; y
- (e)
- unos medios dispuestos en el conducto para impartir un movimiento de torbellino o ciclónico a la circulación de gas por el extremo del conducto.
Preferentemente, el conducto comprende tres o más
tubos de acero concéntricos que se extienden hacia el extremo
frontal del conducto.
Preferentemente, la boca de entrada de gas
comprende un cuerpo refractario que define un primer paso de gas
tubular alineado con el extremo posterior del conducto y que se
extiende directamente hacia el mismo y un segundo paso de gas
tubular transversal con respecto al primer paso para recibir gas
caliente y dirigirlo hacia el primer paso, de manera que el gas
caliente y cualesquiera partículas arrastrados en el mismo incidan
en la pared refractaria del primer paso, experimentado la
circulación de gas un cambio de dirección al pasar del segundo paso
al primer paso.
Preferentemente, los medios mecánicos en la
superficie exterior del conducto comprenden unos resaltes que están
formados para enclavarse con la escoria solidificada en el conducto
y mantenerla en el mismo.
Preferentemente, los resaltes son partes planas,
presentando cada parte plana una sección transversal de espesor
más pequeño en la base que en la parte superior o de cola de
milano, de manera que dichas partes planas son de configuración
divergente hacia fuera y sirven como configuraciones de agarre para
la solidificación de la escoria.
Preferentemente, los medios de punta son una
construcción anular hueca que está formada a partir de un material
cuproso.
Preferentemente, el extremo frontal del conducto
está formado como una configuración de punta anular hueca y el
conducto incluye unos pasos de alimentación y retorno de agua de
enfriamiento del conducto, para el suministro de agua de
enfriamiento hacia adelante a lo largo de dicho conducto hacia los
medios de punta y el retorno de dicha agua de enfriamiento a lo
largo del mismo.
Preferentemente, la lanza comprende un cuerpo
alargado dispuesto centralmente dentro del extremo frontal del
conducto de tal forma que el gas que circula por el extremo frontal
del conducto circula sobre el cuerpo central alargado y a lo largo
del mismo.
Preferentemente, un extremo frontal del cuerpo
alargado y los medios de punta actúan conjuntamente y forman una
boquilla anular para la circulación de gas del conducto con un
movimiento de torbellino impartido mediante unos medios
ciclónicos.
Preferentemente, los medios ciclónicos comprenden
una pluralidad de álabes que dirigen la circulación, acoplados al
cuerpo alargado para impartir un movimiento de torbellino a la
circulación de gas por el extremo frontal del conducto.
En una forma de realización de la presente
invención, el cuerpo alargado es una estructura tubular central
alargada que se extiende en el interior del conducto de circulación
de gas desde su extremo posterior hasta su extremo frontal y los
álabes están dispuestos alrededor de la estructura tubular central
adyacentes al extremo frontal del conducto para impartir un
movimiento de torbellino o ciclónico a la circulación de gas en el
extremo frontal del conducto.
Preferentemente, la estructura tubular central
comprende un paso enfriador del agua para la circulación de agua de
enfriamiento hacia su extremo frontal.
Más preferentemente, la estructura tubular
central comprende unos pasos de agua de enfriamiento para la
circulación de agua de enfriamiento hacia adelante por la
estructura central desde su extremo posterior hasta su extremo
frontal y para enfriar internamente el extremo frontal y desde allí
volver de nuevo por la estructura central a su extremo
posterior.
Preferentemente, la estructura tubular central
define un paso de circulación de agua central para la circulación
de agua hacia adelante por dicha estructura directamente hacia el
extremo frontal de la estructura central y un paso anular para
circulación de agua dispuesto alrededor del paso central para
devolver la circulación de agua del extremo frontal de la
estructura central al extremo posterior de dicha estructura.
La estructura tubular central puede comprender un
tubo central que proporciona el paso de circulación de agua central
y un tubo adicional dispuesto alrededor del tubo central para
definir dicho paso anular de circulación de agua entre los
tubos.
Preferentemente, la estructura tubular central
comprende una protección térmica exterior para retardar la
transferencia de calor del gas en el conducto de circulación de gas
a los pasos de agua de enfriamiento en la estructura central.
La protección térmica puede comprender una
pluralidad de segmentos tubulares de material aislante del calor
dispuestos extremo con extremo para formar la protección térmica
como un tubo sustancialmente continuo que se extiende desde el
extremo posterior hasta el extremo frontal de la estructura central
alrededor de un espacio de aire anular dispuesto inmediatamente en
el interior de dicha protección térmica.
El espacio de aire puede estar formado entre la
protección térmica tubular y el tubo adicional que define la pared
exterior del paso anular de reflujo de agua.
Preferentemente, los segmentos tubulares de la
protección térmica están soportados para adaptarse a la dilatación
longitudinal de cada segmento independientemente de los demás
segmentos.
El extremo frontal de la estructura tubular
central puede comprender una parte de tope abovedada provista
interiormente de un paso de agua de enfriamiento en espiral único
para recibir agua del paso de agua de circulación central de la
estructura tubular central en la punta de la parte de tope y
dirigir dicha agua en una circulación única alrededor y hacia atrás
a lo largo de la parte de tope para enfriar dicha parte de tope con
una única corriente coherente de agua de enfriamiento.
La estructura tubular central puede extenderse
centralmente por el primer paso de circulación de gas de los medios
de entrada de gas y hacia atrás más allá de la boca de entrada de
gas. El extremo posterior de la estructura central puede situarse
por tanto hacia atrás con respecto a la boca de entrada de gas y
disponerse con unos acoplamientos para agua para la circulación de
agua de enfriamiento hacia la estructura tubular central y desde la
misma.
En otra forma de realización, aunque no la única
distinta, de la presente invención los álabes que dirigen la
circulación están dispuestos entre el cuerpo central alargado y el
conducto para impartir un movimiento de torbellino o ciclónico a la
circulación de gas por el extremo frontal del conducto.
Con esta forma de realización, la lanza comprende
preferentemente:
- (a)
- unos medios de paso de agua de enfriamiento interiores dentro de los medios de punta que comunican con los medios de paso de alimentación y retorno de agua de enfriamiento del conducto para recibir y devolver una circulación de agua de enfriamiento para enfriar interiormente la punta del conducto; y
- (b)
- unos pasos para la circulación de agua de enfriamiento en el interior de los álabes y del cuerpo central alargado que comunican con los medios de paso de alimentación y retorno de agua de enfriamiento en el extremo frontal del conducto para la circulación de agua desde los medios de paso de alimentación hacia el interior por los álabes hacia los pasos de enfriamiento del cuerpo central alargado y desde dichos pasos hacia fuera por los álabes hacia los medios de paso de retorno de agua del conducto.
Preferentemente, los medios de paso de
alimentación y retorno de agua de enfriamiento del conducto
comprenden unos primeros pasos de alimentación y retorno que
comunican con los medios de paso de agua de enfriamiento interiores
en los medios de punta y unos segundos pasos de alimentación y
retorno que comunican con los pasos de circulación de agua en los
álabes y en el cuerpo central.
La punta del conducto puede estar formada como
una configuración anular hueca, definiendo dicha configuración
hueca un paso anular que constituye los medios de paso de agua de
enfriamiento interior de los medios de punta.
Los tubos concéntricos de acero al carbono del
conducto pueden definir una serie de espacios anulares que
proporcionan los medios de paso de alimentación y retorno de
circulación de agua.
El cuerpo central alargado puede ser generalmente
de configuración cilíndrica con extremos abovedados.
Preferentemente, los álabes se forman según una
configuración helicoidal de entrada múltiple. Dichos álabes pueden
acoplarse por tanto al conducto en múltiples posiciones espaciadas
circunferencialmente alrededor del conducto. Particularmente, pueden
preverse cuatro álabes dispuestos en una configuración helicoidal
de cuatro entradas y acoplados al conducto en cuatro posiciones
separadas en intervalos de 90 grados alrededor del conducto en los
extremos frontales de los álabes.
Los medios de paso de alimentación y retorno de
agua de enfriamiento del conducto pueden comprender por tanto un
número apropiado de pasos de circulación de agua separados, cada uno
de ellos para alimentar agua de enfriamiento a uno de los álabes.
Dichos pasos de circulación de agua separados pueden estar formados
por divisores, dentro de un paso anular apropiado entre los tubos
del conducto, que se extienden helicoidalmente a lo largo del
conducto.
Los extremos frontales de los tubos de acero al
carbono concéntricos pueden acoplarse en sus extremos frontales a
los medios de punta. Los extremos posteriores de los tubos pueden
montarse de manera que permitan un desplazamiento longitudinal
relativo entre ellos para adaptarse a su dilatación y contracción
térmicas diferenciales.
Los álabes pueden acoplarse al conducto y al
cuerpo central en sus extremos frontales únicamente con el fin de
quedar libres a lo largo del conducto de dichos acoplamientos bajo
la dilatación térmica.
La presente invención proporciona asimismo un
aparato para producir metal férrico a partir de un material de
alimentación férrico mediante un proceso de fundición directa,
comprendiendo dicho aparato un recipiente que puede contener un baño
de metal fundido y escoria fundida y un espacio de gas continuo
sobre el baño fundido, comprendiendo dicho recipiente:
- (a)
- un crisol formado a partir de un material refractario que presenta una base y unas partes laterales;
- (b)
- unas paredes laterales que se extienden hacia arriba desde las partes laterales del crisol, comprendiendo dichas paredes laterales unos paneles enfriados por agua;
- (c)
- unos medios para suministrar material de alimentación férrico y material carbonoso al recipiente;
- (d)
- unos medios para generar una circulación de gas en el baño fundido que transporta un material fundido hacia arriba sobre una superficie en reposo nominal del baño fundido y forma un baño recrecido;
- (e)
- por lo menos una lanza de inyección de gas tal como se ha descrito en los párrafos anteriores que se extiende hacia abajo hacia el recipiente para inyectar gas oxigenado en el recipiente en un ángulo comprendido entre 20º y 90º en relación con un eje horizontal a una velocidad comprendida entre 200-600 m/s y a una temperatura comprendida entre 800ºC y 1400ºC, estando dispuesta la lanza de manera que:
- (i)
- dicha lanza se extiende en el recipiente una distancia que es por lo menos igual al diámetro exterior del extremo frontal de la lanza; y
- (ii)
- el extremo frontal de la lanza es por lo menos igual a 3 veces el diámetro exterior del extremo frontal de la lanza sobre una superficie en reposo del baño fundido; y
- (f)
- unos medios para la colada del metal y la escoria fundidos del recipiente.
Preferentemente, los medios de suministro de
material de alimentación férrico y de material carbonoso y los
medios de generación de circulación de gas comprenden una
pluralidad de lanzas/toberas para inyectar material de alimentación
férrico y material carbonoso con un gas portador en el baño fundido
y generar la circulación de gas.
La invención se describe más detenidamente
haciendo referencia a los dibujos adjuntos de los que:
La figura 1 es una vista en sección vertical a
través de un recipiente para fusión directa que incorpora un par de
lanzas de inyección de productos sólidos y una lanza de inyección
de chorro de aire construida según la invención;
la figura 2 es una vista en sección transversal
longitudinal de una forma de realización de la lanza de inyección
de aire caliente;
la figura 3 es una vista en sección transversal a
una escala ampliada por la parte frontal de una estructura central
de la lanza;
la figura 4 representa además el extremo frontal
de la estructura central;
las figuras 5 y 6 representan la construcción de
un extremo de parte de tope frontal de la estructura central;
la figura 7 es una vista en sección transversal
longitudinal por la estructura central;
la figura 8 muestra un detalle en la zona 8 de la
figura 7;
la figura 9 es una vista en sección transversal
por la línea 9 -9 de la figura 8;
la figura 10 es una vista en sección transversal
por la línea 10 -10 de la figura 8;
la figura 11 es una vista en sección transversal
longitudinal de otra forma de realización de la lanza de inyección
de aire caliente;
la figura 12 es una vista en sección transversal
longitudinal a una escala ampliada por una parte frontal de la
lanza representada en la figura 11;
la figura 13 es una vista en sección transversal
por la línea 13 -13 de la figura 12;
la figura 14 es una vista en sección transversal
por la línea 14 -14 de la figura 12;
la figura 15 es una vista en sección transversal
por la línea 15 -15 de la figura 14;
la figura 16 es una vista en sección transversal
por la línea 16 -16 de la figura 15;
la figura 17 representa unos pasos de circulación
de agua formados en una parte frontal de un cuerpo central
dispuesto con el extremo frontal de la lanza representado en las
figuras 11 a 16;
la figura 18 es un desarrollo que muestra la
disposición de unas galerías para el agua de entrada y retorno para
la parte de cuerpo central y cuatro álabes ciclónicos en la parte
frontal de la lanza representada en las figuras 11 a 17; y
la figura 19 es una vista en sección transversal
ampliada a través de una parte posterior de la lanza representada
en las figuras 11 a 18.
La siguiente descripción se desarrolla en el
contexto del mineral de hierro de fusión para producir hierro
fundido y debe comprenderse que la presente invención no está
limitada a esta utilización y es aplicable a cualesquiera minerales
y/o productos de concentración férricos, incluyendo los minerales
férricos parcialmente reducidos y los materiales de transformación
de residuos.
El aparato de fusión directa representado en la
figura 1 comprende un recipiente metalúrgico designado en general
mediante el número de referencia 11. El recipiente 11 presenta un
crisol que comprende una base 12 y unas partes laterales 13 formadas
a partir de ladrillos refractarios; unas paredes laterales 14 que
forman un cuerpo generalmente cilíndrico que se extiende hacia
arriba desde las partes laterales 13 del crisol y que incluye una
sección de cuerpo cilíndrico superior 151 formada a partir de
paneles enfriados por agua y una sección de cuerpo cilíndrico
inferior 153 formada a partir de paneles enfriados por agua que
presenta un forro interior de ladrillos refractarios; un techo 17;
una boca de salida 18 para gases malolientes; un crisol de afino 19
para descargar metal fundido de manera continua; y un orificio para
colada 21 para la descarga de la escoria fundida.
En su utilización, el recipiente contiene un baño
fundido de hierro y escoria que, bajo condiciones de reposo,
comprende una capa 22 de metal fundido y una capa 23 de escoria
fundida sobre la capa metálica 22. El término "capa metálica"
se comprende en la presente memoria que implica una zona del baño
que está constituida predominantemente por metal. El término
"capa de escoria" se comprende en la presente memoria que
implica una zona del baño que está constituida predominantemente
por escoria. La flecha designada mediante el número de referencia
24 indica la posición de la superficie en reposo nominal de la capa
metálica 22 y la flecha designada mediante el número de referencia
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" se comprende que implica la superficie
cuando no tiene lugar ninguna inyección de gas ni de productos
sólidos en el recipiente.
El recipiente se monta con una lanza de inyección
de aire caliente 26 que se extiende hacia abajo para suministrar un
chorro de aire caliente a una temperatura comprendida en el
intervalo entre 800ºC y 1400ºC a una zona superior del recipiente y
los gases de reacción de la poscombustión liberados del baño
fundido. La lanza 26 presenta un diámetro exterior D en un extremo
inferior de la misma. Dicha lanza 26 está dispuesta de manera
que:
- (i)
- un eje central de la lanza 26 está en un ángulo comprendido entre 20º y 90º en relación con un eje horizontal de manera que el ángulo de inyección de aire caliente se encuentra dentro de dicho intervalo;
- (ii)
- la lanza 26 se extiende en el recipiente una distancia que es igual por lo menos al diámetro exterior D del extremo inferior de dicha lanza; y
- (iii)
- el extremo inferior de la lanza 26 es por lo menos igual a 3 veces el diámetro exterior D del extremo inferior de la misma sobre la superficie en reposo 25 del baño fundido.
El recipiente también se monta con unas lanzas de
inyección de productos sólidos 27 (están representadas dos) que se
extienden hacia abajo y hacia el interior por las paredes laterales
14 y hacia el baño fundido para la inyección de mineral de hierro,
material carbonoso sólido, y flujos introducidos en un gas portador
deficiente en oxigeno en el baño fundido. La posición de las lanzas
27 se selecciona de manera que sus extremos de salida 82 estén por
encima de la superficie en reposo de la capa metálica 22. Esta
posición de las lanzas reduce el riesgo de deterioro por el
contacto con el metal fundido y también hace posible enfriar las
lanzas mediante el enfriamiento por agua interior forzada sin un
riesgo importante de que el agua entre en contacto con el metal
fundido en el recipiente.
A título de ejemplo, un recipiente comercial que
está construyendo la compañía relacionada con el solicitante
presenta un diámetro de crisol de 6 m y una lanza para aire
caliente 26 que pesa aproximadamente 60 toneladas con un diámetro
exterior de 1,2 m y que se extenderá aproximadamente 10 m en el
recipiente.
En las figuras 2 a 10 se ilustra la construcción
de una forma de realización de lanza de inyección de aire caliente
26.
Tal como se muestra en estas figuras la lanza 26
comprende un conducto alargado 31 que recibe gas caliente por una
estructura de entrada de gas 32 y lo inyecta en la zona superior
del recipiente. La lanza comprende una estructura tubular central
alargada 33 que se extiende en el interior del conducto de
circulación de gas 31 desde su extremo posterior hasta su extremo
frontal. Adyacente al extremo frontal del conducto, la estructura
central 33 soporta una serie de cuatro álabes que imparten un
movimiento de torbellino 34 para transmitir una turbulencia a la
circulación de gas que sale del conducto. El extremo frontal de la
estructura central 33 presenta una parte de tope abovedada 35 que
sobresale hacia adelante fuera de la punta 36 del conducto 31 de
manera que el extremo frontal del cuerpo central y la punta del
conducto 36 cooperan entre sí para formar una boquilla anular para
la circulación divergente del gas del conducto con un movimiento de
torbellino impartido mediante los álabes 34. Dichos álabes 34 están
dispuestos en una configuración helicoidal de cuatro entradas y son
de ajuste suave dentro del extremo frontal del conducto.
La pared de la parte principal del conducto 31
que se extiende corriente abajo desde la boca de entrada de gas 32
está enfriada por agua interiormente. Esta sección del conducto
está compuesta por una serie de tres tubos de acero concéntricos 37,
38, 39 que se extienden hasta la parte del extremo frontal del
conducto en la que se acoplan a la punta del conducto 36. La punta
del conducto 36 es de formación anular hueca y está enfriada
interiormente mediante agua de enfriamiento suministrada y devuelta
por medio de unos pasos en la pared del conducto 31.
Particularmente, el agua de enfriamiento se suministra por una boca
de entrada 41 y un colector de entrada anular 42 hacia un paso de
circulación de agua anular interior 43 definido entre los tubos 38,
39 del conducto directamente hacia la parte interior hueca de la
punta de conducto 36 por unas aberturas separadas
circunferencialmente en dicha punta. El agua se devuelve desde la
punta por unas aberturas separadas circunferencialmente hacia un
paso de reflujo de agua, anular, exterior 44 definido entre los
tubos 37, 38 y hacia atrás hasta una boca de salida de agua 45 en el
extremo posterior de la sección enfriada por agua del conducto
31.
La superficie exterior del tubo metálico más
exterior 37 del conducto 31 está mecanizada con un dibujo regular
de partes planas en resalte rectangulares en forma de rebordes 136,
presentando cada una de ellas una sección transversal más estrecha
en la base que en la parte superior, o de cola de milano, de manera
que los rebordes son de configuración divergente hacia fuera y
sirvan como configuraciones de agarre para la solidificación de la
escoria en las superficies exteriores de la lanza 26. La
solidificación de la escoria en la lanza ayuda a minimizar las
temperaturas de los componentes metálicos de la lanza.
La sección enfriada por agua del conducto 31 está
forrada interiormente con un forro refractario interior 46 que se
monta dentro del tubo metálico más interior 39 del conducto y se
extiende por la punta enfriada por agua 36 del conducto. La
periferia interior de la punta de conducto 36 está generalmente
enrasada con la superficie interior del forro refractario que
define el paso de circulación eficaz para gas por el conducto. El
extremo frontal del forro refractario presenta una sección
ligeramente reducida 47 que recibe los álabes ciclónicos 34 con un
ajuste deslizante forzado. Desde la sección 47 hacia atrás, el forro
refractario presenta un diámetro ligeramente mayor para permitir
que la estructura central 33 se introduzca hacia abajo por el
conducto en el montaje de la lanza hasta que los álabes ciclónicos
34 alcancen el extremo frontal del conducto en el que se guían en un
acoplamiento forzado con la sección refractaria 47 mediante una
parte plana refractaria cónica 48 que dispone y guía los álabes en
la sección refractaria 47.
El extremo frontal de la estructura central 33
que soporta los álabes ciclónicos 34 se enfría por agua
interiormente mediante el agua de enfriamiento que se alimenta
hacia adelante por la estructura central del extremo posterior hasta
el extremo frontal de la lanza y se devuelve a continuación a lo
largo de la estructura central al extremo posterior de la lanza.
Esto permite una circulación muy fuerte de agua de enfriamiento
directamente hacia el extremo frontal de la estructura central y a
la parte de tope abovedada 35 en particular que está sometida a un
flujo de calor muy alto en el funcionamiento de la lanza.
La estructura central 33 comprende unos tubos de
acero concéntricos interior y exterior 50, 51 formados por
segmentos de tubo, dispuestos extremo con extremo y soldados entre
sí. El tubo interior 50 define un paso de circulación de agua
central 52 por el cual circula el agua hacia adelante por la
estructura central desde una boca de entrada de agua 53 en el
extremo posterior de la lanza directamente hasta la parte de tope
del extremo frontal 35 de la estructura central y un paso de
retorno de agua anular 54 definido entre los dos tubos por los que
el agua de enfriamiento vuelve desde la parte de tope 35 por la
estructura central hasta una boca de salida de agua 55 en el extremo
posterior de la lanza.
El extremo de la parte de tope 35 de la
estructura central 33 comprende un cuerpo de cobre interior 61
montado dentro de una envoltura de parte de tope exterior abovedada
62 formada asimismo a partir de cobre. La pieza de cobre interior 61
presenta un paso de circulación de agua central 63 para recibir
agua desde el paso central 52 de la estructura 33 y dirigirla hacia
la punta de la parte de tope. El extremo de tope 35 está formado
con unas nervaduras en resalte 64 que se ajustan perfectamente
dentro de la envoltura de parte de tope 62 para definir un paso de
circulación de agua de enfriamiento único 65 entre la sección
interior 61 y la envoltura de parte de tope exterior 62. Tal como se
aprecia particularmente en las figuras 5 y 6 las nervaduras 64
están configuradas de manera que el paso continuo único 65 se
extiende como unos segmentos de paso anulares 66 unidos entre sí por
segmentos de paso 67 que se inclinan desde un segmento anular al
siguiente. De este modo, el paso 65 se extiende desde la punta de
la parte de tope en una espiral que, aunque no presenta una
configuración helicoidal regular, gira en espiral alrededor y hacia
atrás a lo largo de la parte de tope hacia la salida en el extremo
posterior de la parte de tope en el paso de retorno anular formado
entre los tubos 51, 52 de la estructura central 33.
La circulación forzada de agua de enfriamiento en
una corriente coherente única por el paso en espiral 65 se extiende
alrededor y hacia atrás a lo largo del extremo de la parte de tope
35 de la estructura central asegura una extracción de calor eficaz y
evita el desarrollo de "puntos calientes" en la parte de tope
que podría tener lugar si se permitiera que el agua de enfriamiento
se dividiese en corrientes separadas en la parte de tope. En la
disposición ilustrada el agua de enfriamiento se fuerza en una única
corriente desde el momento en que entra en el extremo de la parte
de tope 35 hasta el momento en que sale del mismo.
La estructura interior 33 está provista de una
protección térmica exterior 69 para protegerla contra la
transferencia de calor de la circulación de gas caliente de entrada
del conducto 31 hacia el agua de enfriamiento que circula dentro de
la estructura central 33. Si se somete a las altas temperaturas y a
la gran circulación de gas que se requieren en una instalación de
fundición a gran escala, una protección refractaria de una pieza
puede proporcionar únicamente un servicio corto. En la construcción
ilustrada la protección 69 está formada por unos manguitos
tubulares de material cerámico comercializado bajo la denominación
UMCO. Dichos manguitos se disponen extremo con extremo para formar
una protección cerámica continua que rodea un espacio de aire 70
entre la protección y el tubo más exterior 51 de la estructura
central. Particularmente, dicha protección puede realizarse a
partir de segmentos tubulares de UMCO 50 que contienen en peso del
0,05 al 0,12% de carbono, del 0,5 al 1% de silicio, un máximo de
0,5% un máximo de 0,02% de fósforo, un máximo de 0,02% de azufre,
del 27 al 29% de cromo, del 48 al 52% de cobalto y el peso de
equilibrio esencialmente de hierro. Este material proporciona una
excelente protección contra el calor pero experimenta una
importante dilatación térmica a altas temperaturas. Para tratar
este problema los segmentos tubulares individuales de la protección
térmica se conforman y se montan tal como se muestra en las figuras
7 a 10 para permitir que se dilaten longitudinalmente de manera
independiente entre sí aunque manteniendo una protección
sustancialmente continua en todo momento. Tal como se ilustra en
dichas figuras, los manguitos individuales se montan en bandas de
posición 71 y soportes de placa 72 ajustados al tubo exterior 51 de
la estructura central 33, estando el extremo posterior de cada tubo
protector escalonado en el punto 73 para adaptarse sobre el soporte
de placa con un huelgo 74 en el extremo para permitir la dilatación
térmica longitudinal independiente de cada banda. También pueden
montarse unas bandas contra la rotación 75 en cada manguito para
que se ajusten alrededor de unas bandas de ranura 76 en el tubo 52
para evitar la rotación de los manguitos de protección.
El gas caliente se suministra al conducto 31 por
la sección de entrada de gas 32. El gas caliente puede ser aire
oxigenado proporcionado por medio de unos hornos de calentamiento a
una temperatura del orden de 1200ºC. Este aire debe suministrarse
por medio de un conducto provisto de un forro refractario y por
tanto captará partículas refractarias que pueden provocar problemas
de erosión graves si se suministra a alta velocidad directamente en
la sección principal enfriada por agua del conducto 31. La boca de
entrada de gas 32 está diseñada para permitir que el conducto reciba
gran volumen de aire caliente suministrado con partículas
refractarias, al tiempo que se minimiza el deterioro de la sección
enfriada por agua del conducto. La boca de entrada 31 comprende un
cuerpo en forma de T 81 moldeado como una unidad en un material
refractario resistente al desgaste y dispuesto dentro de una
envoltura metálica exterior de pared delgada 82. El cuerpo 81
define un primer paso tubular 83 alineado con el paso central del
conducto 31 y un segundo paso tubular 84 perpendicular al paso 83
para recibir la circulación de aire caliente alimentada desde los
hornos (no representados). El paso 83 está alineado con el paso de
circulación de gas del conducto 31 y está unido al mismo por un paso
central 85 en una pieza de unión refractaria 86 de la boca de
entrada 32.
El aire caliente suministrado a la boca de
entrada 32 pasa por un paso tubular 84 del cuerpo 81 e incide en la
pared refractaria resistente al desgaste del cuerpo refractario
grueso 82 que es resistente a la erosión. La circulación de gas
varía a continuación su dirección para circular en ángulo recto
hacia abajo por el paso 83 del cuerpo en forma de T 81 y el paso
central 85 de la pieza de transición 86 y hacia la parte principal
del conducto. La pared del paso 83 puede estar inclinada en la
dirección de la circulación hacia adelante para acelerar la
circulación en el conducto. Puede estar inclinada, por ejemplo, en
un ángulo comprendido del orden de 7º. El cuerpo refractario de
transición 86 está graduado en espesor para su adaptación a la
pared gruesa del cuerpo refractario 81 en un extremo y al forro
refractario mucho más delgado 46 de la sección principal del
conducto 31. Por lo tanto, dicho cuerpo refractario se enfría
también por agua mediante un manguito anular para agua de
enfriamiento 87 por el cual se hace circular agua de enfriamiento
por una boca de entrada 88 y una boca de salida 89. El extremo
posterior de la estructura central 33 se extiende por el paso
tubular 83 de la boca de entrada de gas 32. Este está dispuesto
dentro de un tapón de forro refractario 91 que cierra el extremo
posterior del paso 83, extendiéndose el extremo posterior de la
estructura central 33 hacia atrás desde la boca de entrada 32 hacia
la boca de entrada de circulación de agua 53 y la boca de salida
55.
El aparato ilustrado puede inyectar grandes
volúmenes de gas caliente en el recipiente de fusión 11 a alta
temperatura. La estructura central 33 puede suministrar grandes
volúmenes de agua de enfriamiento de forma rápida y directamente en
la sección de punta de tope de la estructura central y la
circulación forzada de dicha agua de enfriamiento en una
circulación de enfriamiento única, sin dividirse, alrededor de la
estructura de punta de tope permite una extracción de calor muy
eficaz del extremo frontal de la estructura central. La circulación
de agua independiente a la punta del conducto permite asimismo una
extracción eficaz de los otros componentes fundentes de gran calor
de la lanza. El suministro de la circulación de aire caliente a
una boca de entrada en la que ésta choca con una pared gruesa de
una cámara o paso refractario antes de circular hacia abajo hacia el
conducto permite manipular grandes volúmenes de aire contaminado
con partículas refractarias sin una erosión importante del forro
refractario y de la protección térmica en la sección principal de
la lanza.
En las figuras 11 a 19 se ilustra la construcción
de otra forma de realización, aunque no la única distinta, de la
lanza de inyección de aire caliente 26.
Tal como se muestra en dichas figuras, la lanza
26 comprende un conducto alargado 31 por el cual pasa la
circulación de aire caliente, que puede ser oxigenado. El conducto
31 está compuesto por una serie de cuatro tubos de acero
concéntricos 32, 33, 34, 35 que se extienden hacia la parte extrema
frontal 36 del conducto en la que están unidos a una pieza extrema
de punta 37. En el interior de la parte extrema frontal 36 del
conducto está dispuesto centralmente una parte de cuerpo alargado
38 que soporta una serie de cuatro álabes 39 que imparten un
movimiento de torbellino. La parte de cuerpo central 38 presenta una
configuración cilíndrica alargada con unos extremos frontal y
posterior redondeados o abovedados 41 y 42. Los álabes 39 están
dispuestos en una configuración helicoidal de cuatro entradas y
están unidos en sus extremos frontales mediante unos extremos de
álabe que se extienden hacia fuera radialmente 45 hacia la parte
frontal del conducto.
El conducto 31 está forrado interiormente en la
mayor parte de su longitud por un forro refractario interior 43 que
se monta dentro del tubo metálico más interior 35 del conducto y se
extiende por las partes extremas frontales 42 de los álabes,
ajustándose bien dichos álabes 39 dentro del forro refractario
detrás de dichas partes extremas frontales 42.
La pieza extrema de punta 37 del conducto
presenta una disposición de cabeza o punta anular hueca 44 que
sobresale hacia adelante del resto del conducto para estar
generalmente enrasada con la superficie interior del forro
refractario 43 que define el paso de circulación eficaz para gas
por el conducto. El extremo frontal del cuerpo central 38 sobresale
hacia adelante fuera de esta configuración de punta 44 de manera que
el extremo frontal de la parte de cuerpo y la configuración de
punta cooperan entre sí para formar una boquilla anular desde la
cual surge el chorro de aire caliente en una circulación divergente
anular con un fuerte movimiento rotacional o de torbellino impartido
por los álabes 39.
Según la presente invención, la disposición de
punta de conducto 44, la parte de cuerpo central 38 y los álabes 39
están todos enfriados por agua interiormente con circulaciones de
agua de enfriamiento proporcionadas mediante los medios de paso de
circulación de agua de enfriamiento, designados en general por el
número de referencia 51, que se extienden por la pared del
conducto. Los medios de paso de circulación de agua 51 comprenden
un paso de alimentación de agua 52 definido por el espacio anular
entre los tubos de conducto 33, 34 para alimentar agua de
enfriamiento a la parte interior hueca 53 de la disposición de
punta de conducto 44 por medio de unas aberturas espaciadas
circunferencialmente 54 en la pieza extrema de punta 37. El agua es
devuelta desde la pieza extrema de punta por las aberturas
espaciadas circunferencialmente 55 hacia un paso anular de reflujo
de agua 56 definido entre los tubos de conducto 32 y 33 y que forman
también parte de los medios de paso de circulación de agua 51. La
parte interior hueca 53 de la pieza extrema de punta 37 está
alimentada por tanto de manera continua con agua de enfriamiento
para que actúe como un paso de enfriamiento interior. El agua de
enfriamiento para la punta de la lanza se suministra al paso de
alimentación 52 por una boca de entrada de agua 57 en el extremo
posterior de la lanza y el agua de retorno abandona la lanza por una
boca de salida 58 también en la parte posterior de la lanza.
El espacio anular 59 entre los tubos de conducto
34 y 35 está dividido por barras divisoras enrolladas
helicoidalmente en ocho pasos helicoidales separados 60 que se
extienden desde el extremo posterior del conducto por la parte
extrema frontal 36 del conducto. Cuatro de estos pasos se alimentan
independientemente con agua por cuatro bocas de entrada de agua
espaciadas circunferencialmente 62 para proporcionar suministros de
agua independientes para los álabes de enfriamiento 39 y la parte de
cuerpo 38. Las bocas de entrada de agua 62 se comunican con un tubo
de alimentación de agua común 80 por medio de un colector de
alimentación anular 90. Los otros cuatro pasos 60 sirven como pasos
de circulación de retorno que están unidos al paso de colector de
retorno anular común 63 y a una boca de salida de agua única
64.
Los álabes 39 son de configuración hueca y las
partes interiores están divididas para formar unos pasos de
circulación de entrada y salida de agua por los cuales circula el
agua de un lado a otro de la parte de cuerpo central 38 que está
configurada asimismo con unos pasos de circulación de agua para el
enfriamiento por agua interior. Las partes extremas frontales 45 de
los álabes 39 están unidas al extremo frontal del tubo de conducto
más interior 35, alrededor de cuatro ranuras de entrada de agua 65
por las cuales circula agua desde los cuatro pasos de circulación
de entrada de agua alimentados por separado hacia unos pasos de
entrada radialmente dirigidos hacia dentro 66 en los extremos
frontales de los álabes. El agua de enfriamiento circula por tanto
al extremo frontal de la parte de cuerpo central 38.
La parte de cuerpo central 38 está compuesta por
las partes de cuerpo interior frontal y posterior 68, 69 alojados
dentro de una carcasa 70 formada por una sección cilíndrica
principal 71 y unas piezas extremas frontal y posterior abovedadas
41, 42 que están cementadas para resistir la abrasión por
partículas refractarias u otro material particulado transportado
por la circulación de gas caliente. Un espacio libre 74 entre las
partes interiores 68, 69 y la carcasa exterior del cuerpo central se
subdivide en dos series de pasos de circulación de agua periféricos
75, 76 por medio de unas nervaduras divisoras 77, 78 formadas en
las superficies periféricas exteriores de las partes de cuerpo
interior 68, 69. La serie frontal de canales de circulación de agua
periféricos 75 están dispuestos para su despliegue en abanico,
desde el extremo frontal de la parte de cuerpo central, de la
manera representada en la figura 17 y hacia atrás alrededor del
cuerpo. Dentro de la parte de cuerpo interior 68 está dispuesta
centralmente una pieza de inserción de guía de circulación 81 para
su extensión por el paso de circulación de agua 67 y para dividir
dicho paso en cuatro pasos de circulación de agua espaciados
circunferencialmente que reciben de manera independiente las
circulaciones de entrada de agua por los pasos de entrada de agua
66 en los extremos frontales de los álabes, manteniendo así cuatro
circulaciones de agua independientes por el extremo frontal de la
parte de cuerpo central. Estas circulaciones de agua separadas
comunican con los cuatro canales de circulación de agua periféricos
frontales 75 por los que refluye el agua alrededor del extremo
frontal de la parte de cuerpo central.
Una placa difusora 82 divide los pasos de entrada
de agua 66, 67 en los extremos frontales de los álabes y la parte
de cuerpo central de los pasos de circulación de agua en las partes
posteriores de los álabes y la parte de cuerpo central. El agua que
refluye por los canales periféricos frontales 75 se extiende por las
ranuras 83 en este difusor dispuesto entre los pasos de entrada 66
para refluir hacia un paso central 84 en la parte de cuerpo
posterior 69. Este paso también se divide en cuatro canales de
circulación separados por medio de una guía de circulación central
85 para continuar las cuatro circulaciones de agua separadas por el
extremo posterior del cuerpo central. Los canales de circulación
periféricos posteriores 76 están dispuestos asimismo en una serie
de cuatro de manera similar a los pasos de desviación 75 en el
extremo frontal del cuerpo central para recibir las cuatro
circulaciones de agua separadas en el extremo posterior del cuerpo y
devolverlas alrededor de la periferia del cuerpo de nuevo a las
cuatro ranuras de salida espaciadas circunferencialmente 86 en la
carcasa por las cuales circula el agua hacia el paso de retorno 87
en los álabes.
Los álabes huecos están divididos interiormente
mediante unos difusores longitudinales 89 de manera que los pasos de
agua de enfriamiento se extienden desde los extremos frontales
interiores de los álabes hacia atrás a los extremos posteriores de
los álabes, a continuación hacia fuera y hacia adelante a lo largo
de los extremos longitudinales exteriores de los álabes hasta los
pasos de salida de agua que se extienden radialmente 91 en los
extremos frontales 42 de los álabes que comunican por las ranuras de
salida 93 con los cuatro pasos de retorno espaciados
circunferencialmente que se extienden hacia atrás por la pared del
conducto hasta la boca de salida común 64 en el extremo posterior
del conducto. El difusor 82 divide los pasos de entrada y de salida
66, 91 dentro de los álabes y las ranuras de circulación de entrada
y salida de agua 65, 93 para cada álabe están formadas en el
extremo frontal del tubo de conducto interior 35 en ángulo con
respecto a la dirección longitudinal para adaptarse al ángulo
helicoidal de los álabes tal como se aprecia en la figura 3.
Los extremos frontales de los cuatro tubos de
conducto concéntricos 32, 33, 34, 35 están soldados a tres bridas
94, 95, 96 de la pieza extrema de punta 37 de manera que están
firmemente unidos a una estructura robusta en el extremo frontal de
la lanza. Los extremos posteriores de los tubos de conducto pueden
desplazarse longitudinalmente uno con respecto al otro para
permitir una dilatación térmica diferencial durante el
funcionamiento de la lanza. Tal como se aprecia con mayor claridad
en la figura 19, el extremo posterior del tubo de conducto 32 está
provisto de una brida en resalte 101 a la que está soldada una
estructura continua 102 que presenta las diversas bocas de entrada y
de salida 57, 58, 80, 64. Dicha estructura 102 comprende una brida
anular interior 103 montada con una junta en "O" 104 que sirve
como un montaje deslizante para el extremo posterior del tubo de
conducto 33, permitiendo así que el tubo de conducto 33 se dilate y
contraiga longitudinalmente con independencia del tubo de conducto
exterior 32. Una estructura 105 soldada al extremo posterior del
tubo de conducto 34 comprende unas bridas anulares 106, 107
montadas con las juntas en "O" 108, 109 que proporcionan un
montaje deslizante para el extremo posterior del tubo de conducto
34 dentro de la estructura exterior 102 fijada al extremo posterior
del tubo de conducto 32 de manera que el tubo de conducto 34 pueda
dilatarse y contraerse asimismo independientemente del tubo de
conducto 32. El extremo posterior del tubo de conducto más interior
35 está provisto de una brida en resalte 111 montada con una junta
en "O" 112 que se acopla con un anillo 113 montado en la
estructura exterior 102 para proporcionar un montaje deslizante
para dicho tubo de conducto más interior, permitiendo la dilatación
y la contracción longitudinales.
Está prevista asimismo la dilatación térmica de
los álabes de guía de circulación 39 y de la parte de cuerpo
interior 38. Los álabes 39 están unidos al conducto y a la parte de
cuerpo interior únicamente en sus extremos frontales y,
particularmente, en las posiciones en las que existen circulaciones
de entrada y salida de agua en las partes interior y exterior de
los extremos frontales de los álabes. Las partes principales de los
álabes se montan de forma sencilla entre el forro refractario 43
del conducto y la carcasa de la parte de cuerpo central 38 y quedan
libres para dilatarse longitudinalmente. El divisor de circulación
de agua 85 dentro de la sección posterior de la parte de cuerpo
interior presenta una placa extrema frontal circular que se desliza
dentro de la superficie mecanizada de una espiga tubular 122 en el
difusor 82 para permitir que las partes frontal y posterior de la
parte de cuerpo central se separen bajo la dilatación térmica
mientras que mantienen la obturación entre los pasos de circulación
de agua separados. Está prevista una junta de dilatación térmica
133 para adaptarse a la dilatación térmica entre los extremos
anterior y frontal de la parte de cuerpo central.
Con el fin de permitir más la dilatación térmica,
los álabes 39 pueden estar configurados de manera que no se
extiendan radialmente hacia fuera entre la carcasa de la parte de
cuerpo central y el forro refractario del conducto, vistos en
sección transversal, pero de manera que se descentren ligeramente
en ángulo con respecto a la dirección realmente radial cuando los
tubos y el cuerpo central de la lanza estén en un estado frío. La
dilatación posterior de los tubos de conducto durante el
funcionamiento de la lanza permitirá que los álabes se desplacen a
posiciones realmente radiales, mientras que mantienen un contacto
apropiado con el forro del conducto y la parte de cuerpo central del
conducto aunque evitando las tensiones radiales en los álabes
debidas a la dilatación térmica.
En el funcionamiento de la lanza de inyección de
aire caliente ilustrada, se proporcionan unas circulaciones de agua
de enfriamiento independientes a los cuatro álabes ciclónicos 39 de
manera que no pueda producirse ninguna pérdida de eficacia de
enfriamiento debida a los efectos de circulación diferencial. Están
previstas asimismo unas circulaciones de agua de enfriamiento
independientes en los extremos frontal y posterior de la parte de
cuerpo central 38 para eliminar los puntos calientes debidos a falta
de circulación de agua debido a unos posibles efectos de
circulación preferencial. Esto es particularmente crítico para el
enfriamiento del extremo frontal 41 de la parte de cuerpo central
que se expone a condiciones de temperatura sumamente alta dentro
del recipiente de fusión.
Los tubos de conducto pueden dilatarse y
contraerse independientemente en la dirección longitudinal bajo los
efectos de la dilatación y la contracción térmicas y los álabes y
las partes de cuerpo central también pueden dilatarse y contraerse
sin afectar a la integridad estructural de la lanza o al
mantenimiento de las diversas circulaciones independientes del agua
de enfriamiento.
La lanza ilustrada puede funcionar bajo
condiciones de temperatura extremas dentro de un recipiente de
fusión directa en el cual se produce hierro fundido mediante el
proceso de alta fusión. Generalmente, la velocidad de circulación
del agua de enfriamiento por los cuatro álabes ciclónicos y la
parte de cuerpo central será del orden de 90 m^{3}/hr y la
velocidad de circulación por la carcasa exterior y la punta de la
lanza será del orden de 400 m^{3}/hr. La velocidad de circulación
total puede ser por lo tanto del orden de 490 m^{3}/hr a una
presión de funcionamiento máxima del orden de 1500 kPa.
Aunque las lanzas representadas se han diseñado
para la inyección de un chorro de aire caliente en un recipiente de
fusión directa, se apreciará que pueden utilizarse lanzas similares
para inyectar gases en cualquier recipiente en el que predominen las
condiciones de temperatura, por ejemplo para la inyección de
oxígeno, aire o gases de combustible en recipientes de horno.
Por lo tanto, deberá entenderse que la invención
no está limitada de ninguna manera a los detalles de la
construcción ilustrada y que pueden realizarse muchas
modificaciones y variaciones en la invención tal como se
describe.
Claims (35)
1. Lanza para inyectar un gas oxigenado
precalentado en un recipiente que contiene un baño de material
fundido, comprendiendo dicha lanza:
- (a)
- un conducto alargado para la circulación de gas que se extiende desde una parte posterior a un extremo frontal de dicho conducto desde el cual se descargará el gas del conducto, comprendiendo dicho conducto; (i) unos tubos de acero al carbono concéntricos interior y exterior que proporcionan un soporte estructural principal para el conducto, (ii) unos medios de paso de alimentación y retorno de agua de enfriamiento que se extiende por la pared del conducto desde el extremo posterior hasta el extremo frontal del conducto para el suministro del agua de enfriamiento al extremo frontal del conducto y su retorno del mismo, (iii) una superficie exterior que incluye unos medios mecánicos adaptados para mantener una capa de escoria solidificada en el conducto;
- (b)
- una boca de entrada de gas para introducir gas caliente en el extremo posterior del conducto;
- (c)
- unos medios de punta unidos a los tubos concéntricos en el extremo frontal del conducto,
- (d)
- un forro protector formado a partir de un material refractario u otro material que pueda proteger el conducto de la exposición a una circulación de gas a 800-1400ºC por el conducto, siendo dicho forro un material no metálico con propiedades de aislamiento térmico en comparación con los tubos de acero; y
- (e)
- unos medios dispuestos en el conducto para impartir un movimiento de torbellino a la circulación de gas por el extremo frontal del conducto.
2. Lanza según la reivindicación 1, en la que el
conducto comprende tres o más tubos de acero concéntricos que se
extienden hasta el extremo frontal del conducto.
3. Lanza según la reivindicación 1 ó 2, en la que
la boca de entrada de gas comprende un cuerpo refractario que
define un primer paso de gas tubular alineado con el extremo
posterior del conducto y que se extiende directamente hacia el mismo
y un segundo paso de gas tubular transversal con respecto al primer
paso para recibir gas caliente y dirigirlo hacia el primer paso de
manera que el gas caliente y cualesquiera partículas arrastradas en
el mismo incidan en la pared refractaria del primer paso,
experimentado la circulación de gas un cambio de dirección al pasar
del primer paso al segundo paso.
4. Lanza según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, en la que los medios mecánicos en la superficie
exterior del conducto comprenden unos resaltes que están formados
para enclavarse con la escoria solidificada en el conducto y
mantenerla en el mismo.
5. Lanza según la reivindicación 4, en la que los
resaltes son partes planas presentando cada parte plana una sección
transversal de espesor más pequeño en la base que en la parte
superior o de cola de milano, de manera que dichas partes planas
presentan una disposición divergente hacia fuera y sirven como
disposiciones de agarre para la solidificación de la escoria.
6. Lanza según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, en la que los medios de punta son una construcción
anular hueca y están formados a partir de un material cuproso.
7. Lanza según la reivindicación 6, en la que el
extremo frontal del conducto está formado como una disposición de
punta anular hueca y el conducto incluye unos pasos de alimentación
y retorno de agua de enfriamiento de los medios de punta para el
suministro de agua de enfriamiento hacia adelante a lo largo del
conducto hacia la punta del conducto y el retorno de dicha agua de
enfriamiento a lo largo del conducto.
8. Lanza según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, en la que la lanza comprende además un cuerpo alargado
dispuesto centralmente dentro del extremo frontal del conducto de
tal forma que el gas que circula por el extremo frontal del
conducto circula sobre el cuerpo central alargado y a lo largo del
mismo.
9. Lanza según la reivindicación 8, en la que un
extremo frontal del cuerpo alargado y los medios de punta actúan
conjuntamente y forman una boquilla anular para la circulación de
gas del conducto con un movimiento de torbellino impartido mediante
los medios ciclónicos.
10. Lanza según la reivindicación 8 ó 9, en la
que los medios ciclónicos comprenden una pluralidad de álabes que
dirigen la circulación acoplados al cuerpo alargado para impartir
un movimiento de torbellino a la circulación de gas por el extremo
frontal del conducto.
11. Lanza según la reivindicación 10, en la que
el cuerpo alargado es una estructura tubular central alargada que
se extiende en el interior del conducto de circulación de gas desde
su extremo posterior hasta su extremo frontal y los álabes están
dispuestos alrededor de la estructura tubular central adyacentes al
extremo frontal del conducto para impartir un movimiento de
torbellino a la circulación de gas en el extremo frontal del
conducto.
12. Lanza según la reivindicación 11, en la que
la estructura tubular central comprende un paso enfriador del agua
para la circulación de agua de enfriamiento hacia su extremo
frontal.
13. Lanza según la reivindicación 12, en la que
la estructura tubular central comprende unos pasos de agua de
enfriamiento para la circulación de agua de enfriamiento hacia
adelante por la estructura central desde su extremo posterior hasta
su extremo frontal y para enfriar internamente el extremo frontal y
desde allí volver de nuevo por la estructura central a su extremo
posterior.
14. Lanza según la reivindicación 13, en la que
la estructura tubular central define un paso de circulación de agua
central para la circulación de agua hacia adelante por dicha
estructura directamente hacia el extremo frontal de la estructura
central y un paso anular de circulación de agua dispuesto alrededor
del paso central para devolver la circulación de agua del extremo
frontal de la estructura central de nuevo al extremo posterior de
dicha estructura.
15. Lanza según la reivindicación 14, en la que
la estructura tubular central comprende un tubo central que
proporciona el paso central de circulación de agua y un tubo
adicional dispuesto alrededor del tubo central para definir dicho
paso anular de circulación de agua entre los tubos.
16. Lanza según cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 15, en la que la estructura tubular central
comprende una protección térmica exterior para retardar la
transferencia de calor del gas en el conducto de circulación de gas
a los pasos de agua de enfriamiento en la estructura central.
17. Lanza según la reivindicación 16, en la que
la protección térmica comprende una pluralidad de segmentos
tubulares de material aislante del calor dispuesto extremo con
extremo para formar la protección térmica como un tubo
sustancialmente continuo que se extiende desde el extremo posterior
hasta el extremo frontal de la estructura tubular central alrededor
de un espacio de aire anular dispuestos inmediatamente en el
interior de dicha protección térmica.
18. Lanza según la reivindicación 17, en la que
el espacio de aire está formado entre la protección térmica tubular
y el tubo adicional que define la pared exterior del paso anular de
circulación de retorno de agua.
19. Lanza según la reivindicación 14, en la que
el extremo frontal de la estructura tubular central comprende una
parte de tope abovedada provista interiormente de un paso para agua
de enfriamiento en espiral único para recibir agua del paso central
de circulación de agua en la estructura tubular central en la punta
de la parte de tope y dirigir dicha agua en una circulación única
alrededor y hacia atrás a lo largo de la parte de tope para enfriar
dicha parte de tope con una única corriente coherente de agua de
enfriamiento.
20. Lanza según cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 19, en la medida en que esté subordinada a
la reivindicación 2, en la que la estructura tubular central se
extiende centralmente por el primer paso de circulación de gas de la
boca de entrada de gas y hacia atrás más allá de la boca de entrada
de gas.
21. Lanza según la reivindicación 20, en la que
el extremo posterior de la estructura tubular central está
dispuesto hacia atrás con respecto a la boca de entrada y dicha
lanza comprende unos acoplamientos de agua para la circulación de
agua de enfriamiento de un lado a otro de la estructura
central.
22. Lanza según la reivindicación 10, en la que
los álabes que dirigen la circulación están dispuestos entre el
cuerpo central alargado y el conducto para impartir un movimiento
de torbellino a la circulación de gas por el extremo frontal del
conducto.
23. Lanza según la reivindicación 22, que
comprende:
- (a)
- unos medios de paso de agua de enfriamiento interior dentro de los medios de punta que comunican con los medios de paso de alimentación y retorno de agua de enfriamiento del conducto para recibir y devolver una circulación de agua de enfriamiento para enfriar interiormente la punta del conducto; y
- (b)
- unos pasos de circulación de agua de enfriamiento en el interior de los álabes y del cuerpo central alargado que comunican con los medios de paso de alimentación y retorno de agua de enfriamiento en el extremo frontal del conducto para la circulación de agua desde los medios de paso de alimentación hacia el interior por los álabes hacia los pasos de enfriamiento del cuerpo central alargado y desde dichos pasos hacia fuera por los álabes hacia los medios de paso de retorno de agua del conducto.
24. Lanza según la reivindicación 23, en la que
los medios de paso de alimentación y retorno de agua de
enfriamiento del conducto comprenden unos primeros pasos de
alimentación y retorno que comunican con los medios de paso interior
de agua de enfriamiento en los medios de punta y unos segundos pasos
de alimentación y retorno que comunican con los pasos de
circulación de agua en los álabes y en el cuerpo central.
25. Lanza según la reivindicación 23, en la que
los medios de punta presentan una configuración anular hueca,
definiendo dicha configuración un paso anular que constituye dichos
medios de paso interior de agua de enfriamiento de los medios de
punta.
26. Lanza según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que los tubos concéntricos de
acero al carbono del conducto definen una serie de espacios
anulares que proporcionan los medios de paso de alimentación y
retorno de circulación de agua.
27. Lanza según cualquiera de las
reivindicaciones 22 a 25, en la que los álabes están formados según
una configuración helicoidal de entrada múltiple.
28. Lanza según la reivindicación 26, en la que
los álabes están unidos al conducto en múltiples posiciones
espaciadas circunferencialmente alrededor del conducto.
29. Lanza según la reivindicación 27, en la que
están previstos cuatro álabes dispuestos en una configuración
helicoidal de cuatro entradas y unidos al conducto en cuatro
posiciones espaciadas en intervalos de 90 grados alrededor del
conducto en los extremos frontales de dichos álabes.
30. Lanza según la reivindicación 28, en la que
los medios de paso de alimentación y retorno de agua del conducto
comprenden un número apropiado de pasos de circulación de agua
separados, cada uno de ellos para alimentar agua de enfriamiento a
uno de los álabes.
31. Lanza según la reivindicación 29, en la que
los pasos de circulación de agua separados están formados por unos
divisores dentro de un paso anular apropiado, entre los tubos del
conducto, que se extiende helicoidalmente a lo largo del
conducto.
32. Lanza según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que los extremos frontales de
los tubos de acero al carbono concéntricos están unidos en sus
extremos frontales a los medios de punta.
33. Lanza según la reivindicación 31, en la que
los extremos posteriores de los tubos de acero al carbono
concéntricos están montados para permitir un desplazamiento
longitudinal relativo entre los mismos para facilitar la dilatación
y la concentración térmicas diferenciales de los tubos.
34. Aparato para producir metal férrico a partir
de un material de alimentación férrico mediante un procedimiento de
fundición directa, comprendiendo dicho aparato un recipiente que
puede contener un baño de metal fundido y escoria fundida y un
espacio de gas continuo por encima del baño fundido, comprendiendo
dicho recipiente:
- (a)
- un crisol formado a partir de un material refractario que presenta una base y unas partes laterales;
- (b)
- unas paredes laterales que se extienden hacia arriba desde las partes laterales del crisol, comprendiendo dichas paredes laterales unos paneles enfriados por agua;
- (c)
- unos medios para suministrar material de alimentación férrico y material carbonoso al recipiente;
- (d)
- unos medios para generar una circulación de gas en el baño fundido que transporta un material fundido hacia arriba sobre una superficie en reposo del baño fundido en forma un baño recrecido;
- (e)
- por lo menos una lanza de inyección de gas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que se extiende hacia abajo hacia el recipiente para inyectar gas oxigenado en dicho recipiente en un ángulo comprendido entre 20º y 90º en relación con un eje horizontal a una velocidad comprendida entre 200-600 m/s y a una temperatura comprendida entre 800ºC y 1400ºC, estando dispuesta la lanza de manera que:
- (i)
- la lanza se extienda en el recipiente una distancia que es por lo menos igual al diámetro exterior del extremo frontal de dicha lanza; y
- (ii)
- el extremo frontal de la lanza es por lo menos igual a 3 veces el diámetro exterior del extremo frontal de la lanza por encima de una superficie en reposo del baño fundido; y
- (f)
- unos medios para la colada del metal y la escoria fundidos del recipiente.
35. Aparato según la reivindicación 34, en el que
los medios de suministro de material de alimentación férrico y
material carbonoso y los medios de generación de circulación de gas
comprenden una pluralidad de lanzas/toberas para inyectar material
de alimentación férrico y material carbonoso con un gas portador en
el baño fundido y generar la circulación de gas.
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