CN101294771A - 在气流中产生涡旋 - Google Patents

Abstract

在气流中产生涡旋。在此公开了一种用于将气体注入到支持冶金工艺的冶金容器中的装置。该装置包括：气流导管；细长的中心结构，该中心结构在气流导管内延伸；和多个流动引导涡旋叶片，所述多个流动引导涡旋叶片与导管的前端相邻地设置在中心管状结构周围。流动引导叶片形成有用于冷却水在内部沿着每个叶片流动的内部水流通道，并且细长中心结构形成有冷却水供给通道和水回流通道，该冷却水供给通道用于冷却水到叶片中的内部水流通道的供给，该水回流通道用于已经流过叶片中的内部水流通道的冷却水的流出。

Description

在气流中产生涡旋

技术领域

本发明涉及用于在气流中产生涡旋的涡旋产生器。本发明尤其应用于(但不限于)用于在高温条件下将具有涡旋的气流注入到冶金容器内的装置。这种冶金容器可以例如是一种熔炼容器，在该熔炼容器中通过直接熔炼工艺生产熔融金属。

背景技术

美国专利6083296中描述了一种公知的直接熔炼工艺，该直接熔炼工艺依靠熔融金属层作为反应介质，并通常称作HIsmelt工艺。该专利中描述的HIsmelt工艺包括：

(a)在容器中形成熔融铁和熔渣的熔池；

(b)向该熔池中注入：

(i)含金属的供料，一般为金属氧化物；和

(ii)固体含碳材料，一般为煤，该固体含碳材料用作金属氧化物的还原剂，并用作能量源；以及

(c)在金属层中将含金属的供料熔炼成金属。

术语“熔炼”在此应理解为表示其中发生还原金属氧化物的化学反应以产生液态金属的热处理。

HIsmelt工艺还包括在熔池上方的空间中用含氧气体后燃烧反应气体(诸如从熔池中释放的CO和H₂)，并且将后燃烧所产生的热传递到熔池，以提供熔炼含金属的供料所需的热能。

HIsmelt工艺还包括在熔池的名义静止表面上方形成过渡区，在该过渡区中存在大量的先上升后下降的熔融金属和/或熔渣的液滴、飞溅物或液流，它们成为将在熔池上方后燃烧反应气体所产生的热能传递到熔池的有效介质。

在HIsmelt工艺中，通过多个喷枪/风口将含金属的供料和固体含碳材料注入到金属层中，所述喷枪/风口与垂直方向倾斜成向下并向内延伸穿过熔炼容器的侧壁并进入容器的下部区域内，从而将所述固体材料送入容器底部中的金属层中。为了促进容器上部中反应气体的后燃烧，通过向下延伸的热空气注入喷枪将可能富氧的热空气流注入到容器的上部区域内。为了促进容器上部中气体的有效后燃烧，期望引入的热空气流以涡旋运动离开喷枪。为此，喷枪的出口端可以配有内部流动引导件，以产生适当的涡旋运动。容器的上部区域可达到大约2000℃的温度，并且热空气可以约1100℃-1400℃的温度送入喷枪中。因此，该喷枪必须能够在内部和外壁上经受极高的温度，尤其是在其伸入到容器的燃烧区域中的喷枪输送端处。

美国专利6440356公开了一种气体注入喷枪构造，该构造设计成满足在HIsmelt工艺中遇到的极端条件。在该构造中，流动引导件是安装在气流导管的前端处的中心体上的螺旋叶片的形式。这些叶片连接到气流导管壁并且在内部通过流经导管壁内的供给和回流通道的冷却水进行水冷。美国专利6673305公开了一种替选的喷枪构造，在该构造中，螺旋流动引导叶片安装在延伸气流导管的长度的中心管状结构上。该中心结构设有水流通道，这些水流通道被设置用于冷却水到中心结构的基本位于气流导管顶部内的前部的流动。在该构造中，流动引导叶片不被冷却，并且从导管的具有耐熔衬里的壁部内的导管顶部折回(set back)。

发明内容

本发明提供一种改进的构造，该构造能够极有效地冷却涡旋叶片。

本发明还提供一种将用于将气体注入到支持冶金工艺的冶金容器中的装置，该装置包括：

气流导管，该气流导管从后端延伸到前端，气体从该前端排出气流导管；

细长中心结构，该细长中心结构在气流管道内从其后端延伸到前端；以及

多个流动引导叶片，这些流动引导叶片与导管的前端相邻地设置在中心管状结构周围，以在经过导管前端的气流中产生涡旋；并且

其中所述流动引导叶片形成有用于冷却水在内部沿着每个叶片的流动的内部水流通道，并且所述细长中心结构形成有冷却水供给通道和水回流通道，该冷却水供给通道用于冷却水到叶片中的内部水流通道的供给，该水回流通道用于已经流过叶片中的内部水流通道的冷却水的流出。

每个叶片都可以具有沿着叶片延伸并从叶片的根部朝顶部依次间隔开的一系列所述内部所述水流通道。

每个叶片的流动通道都可以具有连接到进水口和出水口的端部，所述进水口和出水口随叶片的端部而设置并沿叶片的纵向间隔开。

叶片的每个流动通道可在其整个长度上具有恒定的流动截面。

每个叶片的所有流动通道都可具有相同的流动截面。

出水口的尺寸可以单独设置，以使所有内部水流通道的流动阻力基本相等。

可以通过围绕提供叶片内的内部水流通道的单独形成的管在金属中铸造而形成叶片。

叶片可以由铜铸造而成，并且所述管也可以由铜制成。

铸造叶片在外部可以电镀有硬金属涂层，例如镍。

本发明还提供一种配有上述用于将气体注入容器中的装置的直接熔炼容器。

本发明还提供一种气体涡旋产生器，该气体涡旋产生器安装在气流导管中，用于在正流经该气体涡旋产生器的气体中产生涡旋，该气体涡旋产生器包括中心细长部分和多个涡旋叶片，所述多个涡旋叶片围绕该中心部分设置并沿着该中心部分延伸，其中所述涡旋叶片形成有用于冷却水在内部沿着每个叶片的流动的内部水流通道，每个叶片均具有一系列所述内部水流通道，所述内部水流通道从叶片的根部朝顶部以向外依次增大的间距沿着叶片延伸。

每个叶片的内部水流通道均可具有连接到进水口和出水口的径向端部，所述进水口和出水口设置在叶片的端部内并沿着叶片的纵向间隔开。

本发明还提供一种用于在供应预热气流到容器中的喷枪中的该预热气流中产生漩涡的装置，所述装置包括：

细长管状结构；

多个流动引导叶片，这些流动引导叶片与中心管状结构的前端相邻地设置在中心管状结构周围；以及

管状结构内的冷却水通道，用于冷却水穿过管状结构从其后端到前端的流动，以在内部冷却前端，然后经过管状结构流回到其后端，所述冷却水通道包括中心水流通道和环形水流通道，该中心水流通道用于水到管状结构的前端的流入，该环形水流通道设置在中心水流通道的周围，用于水从管状结构的前端向该结构的后端的回流；并且

其中流动引导叶片形成有内部水流通道，这些内部水流通道用于冷却水在内部沿每个叶片的流动并与管状结构中的冷却水通道相连通。

本发明还提供一种直接熔炼容器，该直接熔炼容器配有用于向容器内供应气体的喷枪以及上述用于在气流产生涡旋的装置。

附图说明

为了更全面地解释本发明，参照附图对一个特定的实施例进行了详细的阐述，在附图中：

图1是直接熔炼容器的垂直剖视图，所述容器配备有一对固体注入喷枪和根据本发明而构造的热空气流注入喷枪；

图2是热空气注入喷枪的纵向剖视图；

图3是喷枪的中心结构的前部的放大的纵向剖视图；

图4显示了中心结构的鼻端部分的圆顶外壳；

图5是沿图4的5-5线的剖视图；

图6是沿图4的6-6线的剖视图；

图7是设置在中心结构的前端处的圆顶外壳内的内部部件的侧视图；

图8是图7中所示部件的端视图；

图9是沿图8的9-9线的剖视图；

图10是包括在中心结构中的涡旋产生器的局部剖视正视图；

图11是图10所示的涡旋产生器的端视图；

图12是沿图10中12-12线的剖视图；

图13是沿图12中13-13线的剖视图；

图14是涡旋产生器中的一系列出水口的剖视详图。

具体实施方式

图1图示了适合于在美国专利6083296中描述的HIsmelt工艺下的操作的直接熔炼容器。所述冶金容器大体上用11来表示，并具有：炉床，该炉床包括由耐熔砖形成的基部12和侧部13；侧壁14，其形成从炉床的侧部13向上延伸的大致为圆柱形的圆筒，且包括上圆筒部15和下圆筒部16；顶部17；用于废气的出口18；用于连续地排出熔融金属的前部炉床19；以及用于排出熔渣的出渣口21。

在使用中，所述容器包含铁和熔渣的熔池，所述熔池包括熔融金属层22和在熔融金属层22上的熔渣层23。由数字24标出的箭头表示金属层22的名义静止表面的位置，由数字25标出的箭头表示熔渣层23的名义静止表面的位置。术语“静止表面”应该理解为没有气体和固体注入到容器内时的表面。

所述容器配有热空气注入喷枪26和两个固体注入喷枪27，热空气注入喷枪26向下延伸，用于将在大约1200℃温度下被加热的空气流，即所谓的“热空气流”(或HAB)输送到容器的上部区域中，而固体注入喷枪27向下并向内延伸穿过侧壁14并进入熔渣层23，用于将铁矿石、固体含碳材料和夹带在贫氧载气中的助熔剂注入到金属层22中。喷枪27的位置选择成使得在所述工艺操作过程中，它们的出口端28位于金属层22的表面上方。喷枪的该位置降低了通过与熔融金属接触而损坏的风险，并且能够通过强制内部水冷来冷却喷枪，而不存在水与容器中的熔融金属发生接触的重大风险。

图2-图14中描述了热空气注入喷枪26的构造。如这些图所示，喷枪26包括细长导管31，该细长导管31通过气体入口结构32接受热空气，并将其注入到容器的上部区域中。喷枪包括细长的中心管状结构33，中心管状结构33在气流导管31内从其后端延伸至其前端。在导管的前端附近，中心结构33携有一系列的四个涡旋产生叶片34，所述叶片用于在离开导管的气流中产生涡旋。中心结构33的前端具有圆顶鼻部35，圆顶鼻部35向前突出越过导管31的顶部36，使得中心本体的前端与导管的顶部联合作用以形成环形喷嘴，用于来自导管的、具有叶片34所产生的涡旋的扩散气流。叶片34以四头螺旋构造设置并滑动配合在导管的前端内。

从气体入口32向下游延伸的导管31的主要部分的壁在内部由水进行冷却。导管的这个部分包括一系列的三个同心钢管37、38、39，这三个同心钢管延伸至导管的前端部分，并在这里连接到导管顶部36。导管顶部36是中空的环形构造，并由通过导管31的壁中的通道供给和回流的冷却水在内部进行水冷。具体地，冷却水通过入口41和环形入口集管42供给到限定在导管的管37、38之间的内部环形水流通道43中，并通过顶部中周向间隔开的开口供给到导管顶部36的中空内部。水从顶部通过周向间隔开的开口供给到限定在管38、39之间的外部环形水回流通道44中，并向后回流至位于导管31的水冷部分的后端处的水出口45。

导管31的水冷部分在内部衬有内部耐熔衬里46，耐熔衬里46配合在导管的最里面的金属管37内。导管顶部36的内周边与耐熔衬里的限定用于气体通过导管的有效流动通道的内表面基本齐平。耐熔衬里的前端具有直径稍微减小的部分47，该直径减小部分47以合适的滑动配合容纳涡旋叶片34。从所述部分47往后，耐熔衬里的直径稍微变大，使得在组装喷枪时，中心结构33能够向下插入穿过导管，直到涡旋叶片34到达导管的前端，在该前端处，涡旋叶片34与耐熔部分47通过锥形耐熔卡盘(land)48形成滑动接合，所述锥形耐熔卡盘48将叶片定位并引导到耐熔部分47中。

携有涡旋叶片34的中心结构33的前端由从喷枪的后端向前经过中心结构供应到前端的冷却水在内部进行水冷，然后沿着中心结构返回到喷枪的后端。这能够实现直达中心结构的前端、尤其是直达圆顶鼻端35的非常强的冷却水流，在喷枪操作过程中，该鼻端受到非常高的热通量。一部分冷却水流还会流经涡旋叶片34中的内部水流通道，使得涡旋叶片也在内部被水冷。

中心结构33包括内部和外部同心钢管50、51，钢管50、51由端对端设置并焊接在一起的管段形成。如将参照图10-图14更详细地描述，形成钢管50和51的前端的管段50A和51A并入在包含涡旋叶片34的涡旋产生器结构60中。内管50限定中心水流通道，水从位于喷枪的后端处的水入口53通过该中心水流通道向前流经中心结构，并且环形水回流通道54被限定在两根钢管50和51之间，冷却水通过该环形水回流通道流经中心结构回到位于喷枪后端处的水出口55。

中心结构33的鼻端35包括圆顶外壳61和内部部件63，圆顶外壳由在62处焊接在一起的两个铜片61A和61B形成，内部部件63也由铜形成，并在64处用螺钉配合在中心结构33的内管50的管段50A的前端内。内部部件63形成有内部汇聚喷嘴65，以接受来自中心水流通道52的前部的水，并以中心对着外壳61的内表面的射流(jet)引导该冷却水，以产生围绕外壳的内表面的向外并向后扩散(fanning)的水流。

圆顶外壳61的中心部分形成有与喷嘴65对准、指向内的锥形突起66，以使来自喷嘴的水以锐角冲击该突起的逐渐变细的侧壁67，从而沿着斜表面67向外流到外壳的圆顶内表面68上。

圆顶外壳61与内部部件63之间的空间71被形成在圆顶外壳的内表面上的肋72细分。肋72包括第一系列的肋72A和第二系列的肋72B，第一系列的肋72A从形成在外壳的中间部分中的所述突起向外并向后发散，第二系列的肋72B从外壳的中心部分向后间隔开并在第一系列的肋72A之间间隔开，以将水流通道70细分成更多数目的不连续通道，同时这些通道沿着内壳向外并向后分岔(diverge)。

内部部件63的后端部分63A设有周向间隔开的纵向肋73，以将内部部件的后端部分与外壳的后部61B之间的空间74细分成用于水到中心结构33的外部环形通道54中的回流的不连续水流通道75。内部部件的后端上的肋73的数目超过外壳的内表面上的肋72的数目，以便当冷却水回流至环形回流通道54时进一步细分冷却水流。例如可以存在54个肋72(27个短，27个长)和72个肋73。

外壳内表面周围的向外扩散的冷却水流以及该水流在鼻端周围紧密间隔开的大量不连续水流通道内的细分，确保了有效的除热并避免鼻端上产生“热点”。所示构造允许形成大量紧密间隔开的相同的水流通道，以确保在中心结构的鼻端的整个周边周围水流量相等，而不会形成可能导致“热点”的优先水流(preferential water flow)。

涡旋产生器60的构造如图3以及图10-图14所示。如这些图所示，涡旋产生器60具有四个叶片34，所述叶片与配合在形成中心结构33的前端的同心内管和外管部分50A、51A的上方的中心管状部分81一体地形成。涡旋叶片34具有基本平直的前端部34A，前端部34A从中心管状体81向外发散，并沿着中心管状体81的纵向延伸。螺旋后端部34C围绕中心管状体81螺旋地延伸，将前端部34A连接到后端部34C的过渡部分34B的形状设置成与前端部34A和后端部34C平滑地融合，并在前端部34A和后端部34C之间平滑而逐渐地改变形状。叶片34的厚度逐渐变小，以减小在径向向外方向上的厚度并具有如图11和图12所示的梯形截面。每个叶片在其前边缘82和后边缘83之间旋转90度角。

涡旋叶片34形成有用于冷却水在内部沿着每个叶片的流动的内部水流通道84。每个叶片34都具有一系列的七个内部水流通道84，内部水流通道84沿着叶片从其根部朝顶部以向外依次增加的间距延伸。内部水流通道84具有连接到进水口87和出水口88的径向端部85和86，进水口87和出水口88设置在叶片的端部内并沿着叶片的纵向间隔开。更具体地，进水口沿着叶片笔直的前端部纵向间隔开，并因此沿着中心结构33纵向间隔开，而出水口88沿着叶片的后端纵向延伸，并因此沿着中心结构相对于纵向方向倾斜。内部水流通道84由一系列单独形成的铜管89形成，叶片34和中心管状凸起81围绕铜管89以实心铜结构铸造而成。

铜管89可以都具有同样的直径，以便具有相同的流动截面。那样的话，出水口可以具有如下描述的可变流动截面，以与所有具有不同长度的水流通道中的流动阻力和压降相匹配。或者，可以通过使用具有不同直径的管来根据管的长度改变通道的流动截面。

设置在叶片的前端内的内部水流通道84中的管89的端部91径向向内延伸穿过同心管51A和50A，以提供用于水从中心水流通道52径向向外进入内部水流通道84并沿着叶片的流动的水入口。位于叶片后端处的管的端部92向内伸出穿过最外的中心管51A并进入最内的铜管50A的外表面中的盲孔或凹进93。钻孔穿过内管的壁并进入管92的端部，以形成用于水从通道84回流到中心结构中的中心供水管道52中的出水口。这些孔以不同的尺寸钻成，以使穿过具有显著不同长度的通道84中的水流阻力相等。具体地说，出水孔被钻成使得出口具有用于向外逐渐间隔开的通道84的逐渐增大的尺寸，以与具有不同长度的所有水流通道中的流动阻力和压降相匹配。

涡旋产生器的内管50A在95处终止，并与盘96配合，盘96阻断了叶片入口87下游的中心通道52，以将流进来的水引导到叶片通道84中。被转移的水沿着通道84到达出口88，并通过出口88流入所述阻断下游的中心通道52的前部，从而到达中心结构的鼻部。

盘96可以完全阻塞中心通道52，使得所有流入的水被转往叶片通道84。或者它可以穿孔，以提供仅仅部分阻断，使得一些流入的水被转往叶片通道84，一些沿着中心通道52直达中心结构33的鼻部。

为了形成涡旋产生器60，预先形成的铜管91被配合到内管50A和外管51A，然后在铜管91周围铸造实心铜叶片34和凸起以及中心凸起81。管50A的前端在内部用螺钉螺纹接合在94处，以容纳中心结构33的鼻端35的螺纹接合后端，管50A和51A的后端被焊接到形成中心结构的同心钢管50和51的其它管段。

所示的涡旋产生器60允许水流从沿着中心供给通道52流动的水中转移并进入涡旋叶片34中的内部水流通道84。转移后的水在内部沿着涡旋叶片流动，通过出口88离开通道84，回到中心通道，从中心通道再以已经描述的方式流过鼻端部分35，经过环形水回流通道54返回到喷枪后端处的出水口55。通过根据水流通道84的长度调整出水口88，这样的调整确保了所有水通道两端的相等压降促进了非常平均和有效地冷却涡旋叶片。

所示的结构52确保了不仅保持经过叶片的有效水流，还保持了经过喷枪的鼻端35的有效水流。

Claims (14)

1.一种用于将气体注入到支持冶金工艺的冶金容器中的装置，该装置包括：

气流导管，该气流导管从后端延伸到前端，从该前端将气体排出导管；

细长的中心结构，该中心结构在该气流导管内从其后端廷伸到其前端；以及

多个流动引导叶片，所述多个流动引导叶片与导管的前端相邻地设置在中心管状结构的周围，以在穿过导管前端的气流中产生涡旋；并且

其中所述流动引导叶片形成有用于冷却水在内部沿着每个叶片流动的内部水流通道，并且所述细长中心结构形成有冷却水供给通道和水回流通道，所述冷却水供给通道用于冷却水到所述叶片中的所述内部水流通道的供给，所述水回流通道用于已经流过所述叶片中的所述内部水流通道的冷却水的流出。

2.如权利要求1所述的装置，其中每个叶片都具有一系列所述内部水流通道，所述内部水流通道沿着所述叶片延伸并从所述叶片的根部朝其顶部依次间隔开。

3.如权利要求2所述的装置，其中每个叶片的所述水流通道都具有连接到进水口和出水口的端部，所述进水口和出水口随所述叶片的端部而设置并沿着所述叶片的纵向间隔开。

4.如权利要求2或3所述的装置，其中所述叶片的每个所述水流通道在其整个长度上具有恒定的流动截面。

5.如权利要求2-4中任一项所述的装置，其中每个叶片的所有所述水流通道都具有相同的流动截面。

6.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述出水口的尺寸单独地设置，以使所有所述内部水流通道中的流动阻力基本相等。

7.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中通过围绕提供所述叶片内的所述内部水流通道的单独形成的管在金属中铸造来形成所述叶片。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述叶片由铜铸造，并且所述管也由铜制成。

9.如权利要求7或8所述的装置，其中所述铸造叶片可以在外部电镀有硬金属涂层，例如镍。

10.一种直接熔炼容器，该直接熔炼容器配有前述权利要求中任一项所述的用于将气体注入到容器中的装置。

11.一种气体涡旋产生器，该气体涡旋产生器安装在气流导管中，用于在流动经过气流导管的气体中产生涡旋，该气体涡旋产生器包括中心细长部分和多个涡旋叶片，所述多个涡旋叶片设置在所述中心部分周围并沿着该中心部分延伸，其中所述涡旋叶片形成有用于冷却水在内部沿着每个叶片流动的内部水流通道，每个叶片均具有一系列所述内部水流通道，所述内部水流通道从所述叶片的根部朝其顶部以向外依次增大的间距沿着所述叶片延伸。

12.如权利要求11所述的气流涡旋产生器，其中每个叶片的所述内部水流通道都具有连接到进水口和出水口的径向端部，所述进水口和出口设置在所述叶片的端部内并沿着所述叶片的纵向间隔开。

13.一种用于使喷枪中的预热气体流产生涡旋的装置，该喷枪用于将该气体供给到容器，所述装置包括：

细长管状结构；

多个流动引导叶片，所述多个流动引导叶片与中心管状结构的前端相邻地设置在所述结构的周围；以及

管状结构内的冷却水通道，所述冷却水通道用于冷却水穿过该管状结构从后端到其前端的流动，以在内部冷却所述前端，然后经过管状结构回流到其后端，所述冷却水通道包括：中心水流通道，用于水到所述管状结构的前端内的流动；和环形水流通道，该环形水流通道设置在所述中心通道的周围，用于水从所述管状结构的前端朝该结构的后端的回流；并且

其中所述流动引导叶片形成有内部水流通道，所述内部水流通道用于冷却水在内部沿着每个叶片的流动并与所述管状结构中的所述冷却水通道相连通。

14.一种直接熔炼容器，该直接熔炼容器配有用于将气体供给到容器中的喷枪以及如权利要求13所述的用于在气流中产生涡旋的装置。

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