CN101023188B - 用于将固体颗粒材料注入炉的装置 - Google Patents

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Abstract

一种熔炼装置，包括炉(11)和穿过炉缸(16)的壁延伸到该炉内部的固体注入喷管(27a)。喷管(27a)包括传送固体颗粒材料进入炉的中心芯管(31)和环绕中心芯管(31)大部分长度的环形冷却套(32)。喷管(27a)具有包括在冷却套(32)周围延伸且大约是冷却套直径的两倍的管状部件(60)的安装构件(61)。管状部件(60)装配在被焊接至炉缸(16)的壳(16a)的管状安装托架(62)内并从该炉向外伸出。通过管状部件(60)和管状托架(62)上的法兰(63、65)之间的夹紧螺栓(66)，喷管保持在管状托架(62)内，从而部件(60)的前端与炉缸(16)的耐火炉衬(16b)的内表面齐平。释放法兰(63、65)之间的夹紧螺栓和移去间隔环(67)后，喷管(27a)通过在管状托架(62)内的滑动被驱动移动，从而破坏矿渣累积以允许取出喷管。

Description

用于将固体颗粒材料注入炉的装置
技术领域
本发明提供一种伸入炉中的冶金喷管，用于将固体颗粒材料注入炉。这种装置可被用于将冶金给送材料注入熔炼炉的熔池，用于例如通过直接熔炼工艺生产熔融金属。
背景技术
在本申请人的国际申请PCT/AU/96/00197(WO 96/31627)描述了一种已知直接熔炼工艺，该工艺依赖于熔化金属层作为反应介质，并且通常被称为Hismelt工艺。
在该国际申请中描述的Hismelt工艺包括：
(a)在炉中形成铁及矿渣熔池；
(b)将下述物质注入该池中：
(i)含有金属的给送材料，典型地为金属氧化物；和
(ii)起到金属氧化物的还原剂和能量源作用的固体含碳材料，典型地为煤；和
(c)将含金属的给送材料熔炼为金属层形式的金属。
术语“熔炼”在这里被理解表示热处理，其中发生还原金属氧化物的化学反应，以产生液体金属。
Hismelt工艺还包括使用含氧气体在池上方的空间中补充燃烧从该池中释放的反应气体(例如CO和H2)，以及将由补充燃烧产生的热量传递到该池，以用作熔炼含金属给送材料所需的热量。
Hismelt工艺还包括在该池的名义静止表面(nominal quiescent surface)上方形成过渡带，在此处存在数量可观的熔化金属和/或矿渣的上升以及下降的液滴或飞溅物或液流，它们用作将由该池上方的补充燃烧反应气体产生的热能传递给该池的高效媒介。
在Hismelt工艺中，含金属的给送材料和固体含碳材料通过大量喷管/吹风口被注入金属层，该喷管/鼓风口垂直向下和向内倾斜从而延伸穿过熔炼炉的侧壁并进入炉的下部区域，以将固体材料传递到炉底部的金属层中。该喷管必须承受熔炼炉内1400℃量级的工作温度。因此，各个喷管必须具有内部强制冷却系统以在这种恶劣环境有效工作，并且必须能够承受相当大的局部温度变化。
美国专利6398842公开了一种类型的喷管，该喷管能够高效地在这样的条件下工作。在该构造中，固体颗粒材料通过中心芯管被传送，该芯管被紧紧地装配在外部环形冷却套管内，该芯管的前端延伸且超过冷却套管的前端进入冶金炉。
在操作中发现，在熔融操作后停止装置时，矿渣在炉内喷管上和在炉壁的相邻区域上的累积可能使喷管的取出变得非常困难。具体地，矿渣造成喷管和炉壁之间接合，以及在喷管上矿渣累积得可大于喷管被取出所需要的开口，因而必须等待炉足够冷却，以使矿渣破碎装置能够进入该炉。本发明提供一种改进的装置和便于喷管取出的方法。
发明内容
本发明提供一种熔炼装置，包括具有壳体的熔炼炉和固体注入喷管，该壳体包围着炉的内部空间，该固体注入喷管延伸穿过炉壳体中的开口而进入炉的内部空间，所述固体注入喷管包括中心芯管和环形冷却套，通过中心芯管将固体颗粒材料传送到炉中，环形冷却套在中心芯管的大部分长度上围绕中心芯管且设置有供冷却水流动用的内部水流通道，其中，固体注入喷管进一步包括环形喷管安装部件，该环形喷管安装部件围绕环形冷却套在与喷管的前端向后隔开的位置处延伸，以在该位置处形成相比于由此向前延伸的喷管部分具有增大的截面尺寸的喷管节段，该炉的壳体设置有从该炉围绕所述开口向外延伸的喷管安装管，并且喷管安装部件被容纳在安装管内且延伸进入或穿过壳体中的开口。
可以使用可释放的紧固装置将喷管紧固至喷管安装管，并且喷管安装部件的前端延伸穿过壳体中的所述开口。
可以使用耐火材料对炉壳的内部加炉衬以形成炉的内表面，并且喷管安装部件的前端可延伸通过壳体开口成为与所述内表面的耐火材料大致齐平的前端。
所述内表面可以是装配到炉壁的水冷耐火板的表面。
喷管安装管可以从炉壁的竖立部分向外且向上延伸，并且安装部分的前端相对于喷管的中心纵向轴线倾斜一角度，以与炉的竖立内表面齐平。
环形安装部件可具有至少是喷管的环形冷却套的外径的1.5倍的外径。环形安装部件的外径可以是冷却套的直径的大约两倍。
可释放的紧固装置可以是这样的：当被释放时，喷管通过其安装部件在安装管内的滑动而可被驱动在炉的内部移动一段距离。
本发明还提供一种操作直接熔炼装置的方法，该装置包括熔炼炉和一个或多个用于将固体材料注入炉内的固体注入喷管，所述方法包括：定位各个喷管，使其通过喷管安装部件延伸通过尺寸大于炉内喷管部分的横截面尺寸的开口伸入炉内，该喷管安装部件的尺寸对应于该开口；在炉内实施熔炼操作，以使矿渣粘附至喷管和炉的内壁；以及在熔炼操作结束时，通过这样的步骤移去喷管，所述步骤包括使用其安装部件在炉内驱动喷管，以破坏矿渣在开口附近的累积并且通过开口取出喷管，其中在熔炼操作期间，喷管安装构件被装配在绕所述开口在炉外延伸的喷管安装管内，通过可释放紧固装置将喷管安装构件紧固保持至喷管，并且可释放紧固装置在熔炼操作结束时被释放，以允许通过在喷管安装管内喷管安装构件的滑动运动而在炉内驱动喷管。
喷管安装部件可以被装配在在炉外延伸的喷管安装管内，并且可以通过在喷管的安装部件和安装管之间应用便携式液压动力装置，在内部驱动喷管。
附图说明
为了将更详细地解释本发明，参考附图细节描述具体实施例，附图中：
图1是穿过熔炼炉的垂直横截面，该熔炼炉接合有依据本发明构造的固体注入喷管；
图2是穿过固体注入喷管中之一的纵向横截面，该固体注入喷管用于将煤注入炉内；
图3是穿过图2中所示喷管的后部的横截面；
图4是穿过图2中所示喷管的内部芯管组件的纵向横截面；
图5是穿过喷管的纵向横截面，该喷管将热矿石材料注入炉内；
图6是穿过图5中所示喷管的后部的横截面；以及
图7图示出延伸穿过水冷面板的改进注入喷管，该水冷面板被装配到炉壁的内表面。
具体实施方式
图1示出直接熔炼炉，适用于如国际专利申请PCT/AU96/00197中所述的Hismelt工艺的操作。熔炼炉通常表示为11并且具有炉膛，该炉膛包括：由耐火砖构成的炉座12和侧壁13；形成大体柱形炉缸的侧壁14，该炉膛从炉缸的侧壁13向上延伸并且包括上部炉缸部分15和下部炉缸部分16；顶部17；废气出口18；用于连续排出熔融金属的前炉膛19；和用于排出熔融矿渣的排出孔21。
使用中，炉中包括铁和矿渣的熔池(molten bath)，其包括熔融金属层22和在金属层22上的熔融矿渣层23。由数字24标记的箭头指示金属层22的名义静止表面的位置，由数字25标记的箭头指示矿渣层23的名义静止表面的位置。术语“静止表面”被理解为表示没有气体和固体注入炉时的表面。
炉装配有向下延伸的热空气注入喷管26和一组固体注入喷管27，该热空气注入喷管26用于将热空气流传输进炉的上部区域，该固体注入喷管27向下和向内延伸通过侧壁14且进入矿渣层23，以将铁矿石、固体含碳材料和混在缺氧载气中的助熔剂注入金属层22。选择喷管27的位置，以使它们的出口端28在工艺进行中处于金属层22表面的上方。这样的喷管位置减少了与熔融金属接触而受损的问题，还可使用强制内部水冷来冷却喷管同时避免水接触炉中的熔融金属这样的严重问题。
喷管27可以为两种，一种用于注入热矿石材料，另一种用于注入含碳材料，例如煤。例如可沿炉周向间隔布置八个注入喷管27，并且包括四个热矿石注入喷管和间隔布置在热矿石注入喷管之间的四个煤注入喷管。所有的喷管均可装配在通用构件的壳体内，而因为被注入的热矿石和煤的巨大温差，两种喷管可具有不同内部构造。
被标示为27a、用于含碳材料的注入喷管的构件被示出在图2至4中。如这些图中所示的，喷管27a包括中心芯管31和在中心芯管31的大部分长度上围绕中心芯管31的环形冷却套32，通过中心芯管31传送固体材料。中心芯管31的整体长度的大部分由低碳钢管33制造，而其前端装配有可替换的延伸或喷嘴管34，该喷嘴管34从冷却套32的前端伸出作为喷嘴。
使用由一组铸造陶瓷管形成的陶瓷炉衬37，对中心芯管31内部加炉衬直至前端部分34。中心芯管31的后端通过接头38被连接至煤输运系统，通过该煤输运系统在加压流动载气(例如氮)中输运颗粒煤。
环形冷却套32包括由外管及内管42、43组成的长中空环形构件41，该外管及内管42、43通过前端连接件44和细长管构件45相互连接，该细长管构件45被设置在中空环形构件41内部，从而将构件41内部分为内细长环形水流通道46和外细长环形水流通道47。细长管构件45由被焊接至加工碳钢前端件49的长碳钢管48制造，该碳钢前端件49被装配在中空管构件41的前端连接器44的内部，以形成互连内水流通道46和外水流通道47的环形端流动通道51。环形冷却套32的后端设置有进水口52和出水口53，冷却水流通过进水口52可被引导进入内环形水流通道46，而在喷管的后端来自外环形通道47的水被从出水口53抽出。因此，在喷管的使用中，冷却水流通过内环形水流通道46向下向前进入喷管，然后向外及向后环绕向前环形端通道51进入外环形通道47，并且通过该外环形通道47沿喷管向后流动且通过出口53流出。这确保最冷的水与引入的固体材料处于热传递关系，从而能够有效地冷却通过喷管的中心芯被注入的固体材料，同时有效冷却喷管的前端和外表面。
管42的外表面被加工成由矩形凸出部54组成的规则图案，各个矩形凸出部具有下切或燕尾槽形式的横截面，以使轴套成为向外分叉的构造且用作便于在喷管的外表面上矿渣固化的关键构造。矿渣在喷管上固化有助于使喷管的金属部件的温度最小。在使用中已经发现，凝结在喷管的前或尖端的矿渣用作固体材料延伸管的形成基础，这样的延伸管的构造作为作喷管的延伸部，进一步避免了喷管的金属部件暴露于在炉内的恶劣操作状况。
喷管经由安装构件61被安装在炉11的壁中，该安装构件61包括绕冷却套延伸且具有双壁构造以在这些壁之间包围出环形空间70的管状部件60。管状部件60装配在管状喷管安装托架62内，该管状喷管安装托架62被焊接至炉11的壳体以向上和向外从炉伸出且其上端部设置有端法兰63。喷管安装构件61经由环形环64连接至环形冷却套32的外管42的后端，并且它还包括环形安装法兰65，在安装管62的末端使用夹紧螺栓66可以将环形安装法兰65夹紧至法兰63。裂口间隔环67被装配在法兰63、65之间以便在紧固夹紧螺栓66时分隔两法兰。该结构使构件61的外套管60的前向部分延伸通至炉壁的内侧。如在图中所看到的，在这个位置的炉壁由钢炉缸壳16a和内部耐火炉衬16b而形成，并且套管60的前端相对于喷管的中心纵向轴线倾斜，以与内部耐火表面齐平。
安装构件61的管状部件60被水冷，冷却水通过进水口68被供给至内部空间70，并通过在安装套管的后端处出水口69返回。内部空间70可以被分隔以在其内部提供延伸的冷却水流通道。
从安装构件61的安装环64向后延伸的管状壳体71容纳套32的中间管48的后端和喷管的芯管31的后端。壳体71具有冷却进水口52和出水口53，以便冷却水流动到喷管冷却套32或从中流出。挠性环形连接构件81连接水套的中间管48的后端与管状壳体71，以便在壳体内分离向内或向外的水流通道，并且还允许由于喷管各部件热膨胀和收缩的不同造成的水套的内管、外管和中间管之间的相对纵向移动。
管状壳体71的后端用于环形冷却套的内管43的后端的安装。
使用位于纵向间隔位置并且沿芯管从中心芯管向外伸出以接合环形冷却套的内管的内周边的一组间隔轴环83，保持芯管31在环形冷却套32内处于间隔开的关系，从而在中心芯管和环形冷却套之间形成环形气流通道84。净化气体进口85被设置在喷管的后端，允许例如氮等净化气体进入气流通道84，以在芯管和环形冷却套之间向前流动穿过喷管并且在冷却套的前端处离开喷管。
中心芯管在冷却套的前端区域中装配有球状凸起86，以在芯管和水冷套之间提供可控的喷嘴开口，以控制净化气体的流速。形成间隔轴环83，以在冷却套的外周边和内周边之间形成周向间隔开的间隙，以允许净化气体穿过环形净化气体流通通道84自由流动。端轴环之一定位成与球状凸起86彼此紧邻，以便该凸起在外冷却套的前端内精确定位，以为净化气体排出喷嘴提供可控环形间隙。保持净化气体的流动，以确保矿渣不能在芯管和外水套之间穿透喷嘴的前端。如果矿渣将在这个区域中穿透喷管，它将因水冷套和冷却的净化气体而立即凝结。
在操作喷管期间，矿渣将累积在喷管的外表面上和炉的内表面上。停止工作时，矿渣将固化，并趋于将喷管接合至炉。然而，使用图示的安装构件，这种接合可轻易地被破坏以便取出喷管。这可以通过充分地放松夹紧螺栓66而使裂口间隔环67取出来实现。然后，可使喷管安装套管(sleeve)在安装管62内有限地向内运动，从而使安装套管的前端从炉壁向内运动，以破坏矿渣累积。然后，可使喷管连同固化在外管42上的矿渣一起被轻易地穿过用于管状部件60的细长开口取出。
热矿石注入喷管通常是与煤注入喷管类似的构件。然而，如图5及6所示，热矿石喷管27b具有内芯管，该内芯管被构造为没有衬套的厚壁热压离心铸造管31b。管31b必须被构造为由开口连接套管91连接的各部分。使用点焊，可将相邻管对齐并且通过连接套管连接。芯管31b的前端设置有凸起86b，以设定净化气体出口喷嘴的大小。因为热矿石注入喷管中的加厚芯喷嘴管，所以这个凸起远小于煤输运喷管的多个球状凸起。
在另一变型中，热矿石注入喷管设置有水冷法兰92，以阻止管状壳体71b的过热。这个法兰被夹持在喷管壳体的水冷端法兰和也可是水冷的矿石注入系统的末端的法兰之间。
以与在煤喷管构造中同样的方式，通过从中心芯管向外凸出的一组间隔轴环，热矿石注入喷管的内芯管在冷却套内被保持处于间隔开的关系。与在煤喷管中一样，内芯管和水冷套之间的间隙提供了净化气体流的环形通道，该净化气体流在冷却套的前端处排出喷管。
两种注入喷管的外安装部件是一致的，以使两种注入喷管可以被插入通用构件的壳体内。
图7提供了固体注入喷管27c的示意性图示，该固体注入喷管27c被装配到炉11的管状喷管安装托架62之一上。固体注入喷管27c可以是与上面参照图2至6所述的大致相同构件。使用水冷耐火板100对炉壁16内部加炉衬，以及喷管27c通过面板100中的孔延伸进入炉。喷管27c被改型，以使其外环形部件60的前端装配有耐火材料的覆盖环形板101，以在矿渣在炉内累积之前喷管更换时以及在启动期间保护前表面，避免暴露于过高的温度。环形部件60在炉壁内延伸以使耐火板101与水冷板101的内表面齐平，并且它作为穿过板的开口的耐火塞。

Claims (16)

1.一种熔炼装置，包括具有壳体的熔炼炉和固体注入喷管，该壳体包围着炉的内部空间，该固体注入喷管延伸穿过炉壳体中的开口而进入炉的内部空间，所述固体注入喷管包括中心芯管和环形冷却套，通过中心芯管将固体颗粒材料传送到炉中，环形冷却套在中心芯管的大部分长度上围绕中心芯管且设置有供冷却水流动用的内部水流通道，其中，固体注入喷管进一步包括环形喷管安装部件，该环形喷管安装部件围绕环形冷却套在与喷管的前端向后隔开的位置处延伸，从而在该位置处形成相比于由此向前延伸的喷管部分具有增大的截面尺寸的喷管节段，该炉的壳体设置有从该炉围绕所述开口向外延伸的喷管安装管，并且喷管安装部件被容纳在安装管内且延伸进入或穿过壳体中的开口，其中，所述熔炼装置进一步包括可释放的紧固装置，用于将喷管紧固至喷管安装部件，可释放的紧固装置是这样的：当被释放时，喷管通过其安装部件在安装管内的滑动而可被驱动在炉内部移动一段距离。
2.如权利要求1所述的熔炼装置，其中，使用耐火材料对炉壳的内部加炉衬以形成炉的内表面，并且喷管安装部件的前端延伸通过壳体开口成为与所述内表面的耐火材料大致齐平的前端。
3.如权利要求2所述的熔炼装置，其中，所述内表面是装配到炉壁的水冷耐火板的表面。
4.如权利要求2或3所述的熔炼装置，其中喷管安装管从炉壁的竖立部分向外且向上延伸，并且安装部分的前端相对于喷管的中心纵向轴线倾斜一角度，以竖立起来且与炉的所述内表面齐平。
5.如权利要求2所述的熔炼装置，其中，喷管安装部件的前端由耐火材料覆盖。
6.如权利要求5所述的熔炼装置，其中，耐火材料为装配至喷管安装部件前端的预制板。
7.如权利要求1所述的熔炼装置，其中，可释放的紧固装置有效地将喷管紧固至喷管安装管，并且喷管安装部件的前端延伸穿过壳体中的所述开口。
8.如权利要求1所述的熔炼装置，其中，喷管安装管的外端具有径向向外凸出的安装法兰，环形喷管安装部件具有径向向外凸出的法兰，并且可释放的紧固装置包括在喷管安装管和喷管安装部件上的这些法兰之间提供有效夹持作用的夹紧螺栓。
9.如权利要求8所述的熔炼装置，其中，可释放的紧固装置进一步包括可定位在法兰之间以在夹紧螺栓被紧固时保持这些法兰分离的间隔部件，当松开夹紧螺栓时，这些间隔部件可移去，使得喷管通过其安装部件在安装管内的滑动而被驱动在炉的内部移动法兰之间的初始距离。
10.如权利要求1所述的熔炼装置，其中，环形喷管安装部件具有至少是喷管的环形冷却套的直径的1.5倍的外径。
11.如权利要求10所述的熔炼装置，其中，环形喷管安装部件的外径是冷却套的直径的两倍。
12.一种操作直接熔炼装置的方法，该装置包括熔炼炉和一个或多个用于将固体材料注入炉内的固体注入喷管，所述方法包括：定位各个喷管，使其通过喷管安装构件延伸通过尺寸大于炉内喷管部分的横截面尺寸的开口伸入炉内，该喷管安装构件的尺寸对应于该开口；在炉内实施熔炼操作，以使矿渣粘附至喷管和炉的内壁；以及在熔炼操作结束时，通过这样的步骤移去喷管，所述步骤包括使用其安装构件在炉内驱动喷管，以破坏矿渣在开口附近的累积并且通过开口取出喷管，其中在熔炼操作期间，喷管安装构件被装配在绕所述开口在炉外延伸的喷管安装管内，通过可释放紧固装置将喷管安装构件紧固保持至喷管，并且可释放紧固装置在熔炼操作结束时被释放，以允许通过在喷管安装管内喷管安装构件的滑动运动而在炉内驱动喷管。
13.如权利要求12中的方法，其中，炉具有带有内表面的炉壁，并且开口延伸穿过炉壁且具有对应于喷管安装构件的尺寸，至少一个喷管包括具有比喷管安装构件更小的横截面尺寸的前端部分，并且在炉内定位喷管的步骤包括：使喷管的前端部分通过开口，以使至少一部分该前端部分延伸进入炉内并超出炉的内表面；在开口内定位和对齐该安装构件。
14.如权利要求13中的方法，其中，安装构件包括相对喷管的中心纵向轴线倾斜预定角度的安装构件前端部分，其中在炉内安装喷管的步骤进一步包括：使喷管通过所述开口，以使喷管的纵向轴线向内和向下延伸进入炉内，并且在开口内对齐喷管，以使安装构件前端部分平行于或大致上齐平于炉壁内表面。
15.如权利要求12所述的方法，其中，释放可释放紧固装置的步骤包括：移去定位在所述安装构件的端部和所述安装管的端部之间的间隔部件，以及在安装管内驱动喷管在炉内移动大致上对应于间隔部件的距离。
16.如权利要求12所述的方法，其中，通过在喷管的安装构件和安装管之间应用便携式液压动力装置，在内部驱动喷管。
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