CN101772582A - 用于将固体材料注入容器中的喷管 - Google Patents

Abstract

公开了一种喷管，其用于将固体材料注入诸如用于生产铁水的直接熔炼容器的容器中。喷管具有包括用于固体材料的通路的芯管组件。芯管组件具有在后端处用于接收固体材料的入口和在前端处用于排出材料的出口。芯管组件包括结合到一起的结构材料的外管和耐磨材料的内管。还公开了芯管组件本身和制造该组件的方法。

Description

用于将固体材料注入容器中的喷管

技术领域

本发明涉及一种喷管，其用于将固体材料注入诸如用于生产铁水的直接熔炼容器的容器中。

背景技术

在以本申请人的名义的国际申请PCT/AU96/00197(WO 96/31627)中描述了一种已知的直接熔炼过程，其主要依赖于作为反应介质的熔池，并通常被称为HIsmelt过程。

在生产铁水的背景下如在该国际申请中所描述的HIsmelt过程包括：

(a)在容器中形成铁水和炉渣的池；

(b)将如下材料注入所述池中：

(i)通常为氧化铁的含金属的材料；以及

(ii)通常为煤的固体含碳材料，其用作氧化铁的还原剂和能源；以及

(c)在熔池中将含金属的材料熔炼成铁。

术语“熔炼”在此被理解为指的是热处理，其中发生还原金属氧化物的化学反应，以产生熔融金属。

HIsmelt过程还包括在池的上方的空间中利用含氧气体后燃烧从池释放的诸如CO和H₂的反应气体，并向池传递由后燃烧产生的热，以产生熔炼含金属的材料所需的热能。

HIsmelt过程还包括在池的额定静态表面上方形成过渡区，在该过渡区中存在合适质量的熔融金属和/或炉渣的上升和其后下降的液滴或飞溅或流，这提供有效的介质以便向池传递由在池上方后燃烧反应气体产生的热能。

在HIsmelt过程中，通过许多喷管/风口将含金属材料和固体含碳材料注入熔池中，该喷管/风口相对于垂线倾斜，以便向下并向内延伸穿过熔炼容器的侧壁并延伸到容器的下部区域中，使得将固体材料的至少一部分输送到容器底部中的金属层中。为了促进容器上部中的反应气体的后燃烧，通过向下延伸的热空气喷射喷管将可能富氧的热空气射流注入容器的上部区域。通过废气管道从容器的上部取走由容器中的反应气体的后燃烧所产生的废气。容器包括在容器的侧壁与顶部中的耐热内衬的水冷面板，并且使水连续地循环通过连续回路中的面板。

Hismelt过程使得能够通过含金属材料的直接熔炼生产大量铁水。为了能够实现这样的生产水平，必须向容器供应大量的含金属材料和含碳材料。

在美国专利6,398,842(受让给本申请人)中可发现在直接熔炼容器中使用的固体喷射喷管的构造的一个示例。该形式的喷管可用于将诸如含金属材料或含碳材料的固体颗粒材料注入直接熔炼容器。在该构造中，使固体颗粒材料穿过紧密地安装在外环形冷却套管内的中心芯管。在外环形冷却套管内设置有强制的内部冷却水系统，以便当喷管暴露于在直接熔炼容器内遇到的可能超过1400℃的高温时允许喷管顺利地运行。

含金属材料和含碳材料可以是特别研磨的。当将直接熔炼容器用于生产铁水时，通常的含金属材料包括铁矿石细料。希望的是，直接熔炼设备的部件能经受住在可能为12个月或更长的熔炼周期期间暴露于这些研磨材料。

本发明提供了一种有效且可靠的固体喷射喷管，用于将含金属材料和/或含碳材料注入直接熔炼容器中。

发明内容

本发明提供一种喷管，其用于将固体材料注入诸如用于生产铁水的直接熔炼容器的容器中，该喷管具有包括用于固体材料的通路的芯管组件，该芯管组件具有在后端处用于接收固体材料的入口和在前端处用于排出材料的出口，该芯管组件包括结合到一起的结构材料的外管和耐磨材料的内管。

用结构材料的外管和耐磨材料的内管构成喷管的芯管组件优化了对于芯管组件的完全独立的要求，尤其地在喷管相对长(例如至少4m)并用于注入热(例如超过600℃)的研磨材料的情形下。另外，将内管和外管结合到一起其中在芯管组件包括必须固定到一起的许多轴向对齐的部分的情形下尤其有利。作为解释，常有的情形是难于可靠地焊接诸如铬铁白铸铁的耐磨材料，并因此存在使耐磨材料的相邻部分连接到一起的焊接可能过早地失效，并最终导致喷管失效的实际危险。将内管与外管结合到一起提供避免该问题的可能。此外，在芯管组件包括多个部分的情形下，因为通常能以高度的焊接完整性将适于用于外管的结构材料焊接到一起，所以，即使在内管为分段的而非连续管道的情形下，外管也提供使喷管失效的任何危险最小化的可能。另外，外管与内管之间的结合能延伸至少大致横跨两根管道之间的界面的整个表面积，从而提供对剪切力的抗力，其中该剪切力为由于将材料通过芯管组件的通路气动输送进入容器中所产生的由所述管道经受的剪切力。

优选地，外管由钢形成，更优选地由不锈钢形成。

优选地，外管至少为3mm厚。

优选地，外管的厚度在3mm至15mm的范围内，更优选地在3mm至10mm的范围内。

优选地，内管由白铸铁形成，更优选地由铬铁白铸铁形成。

优选地，白铸铁或铬铁白铸铁至少为3mm厚，并且更优选地至少为5mm厚。

优选地，白铸铁或铬铁白铸铁具有在3mm至40mm范围内的、更优选地在3mm至25mm范围内的厚度。

优选地，外管与内管之间的结合延伸至少大致横跨两根管道之间的界面的整个表面积。

优选地，外管与内管之间的结合为冶金结合。

优选地，通过将内管铸造在外管的内表面上来形成冶金结合。

芯管组件可包括单个外管和单个内管。

替代性地，芯管组件可包括两个或两个以上的轴向对齐的部分，在所述部分相邻的端部处将所述部分焊接到一起。

优选地，芯管组件至少为4m长。

更优选地，芯管组件至少为4m长。

优选地，芯管组件具有80mm的最小内径。

优选地，芯管组件具有120mm的最小外径。

优选地，喷管为固体喷射喷管。

优选地，喷管为用于研磨材料的固体喷射喷管。

优选地，喷管还包括在芯管组件的一主要部分上延伸的环形水冷却套管。

优选地，冷却套管具有的内径大于芯管组件的外径，使得在芯管组件与冷却套管之间存在有大致环形的间隙。

本发明还提供一种直接熔炼设备，其包括具有如上所述的至少一根喷管的直接熔炼容器。

本发明还提供一种用于由含金属的进给材料生产熔融金属的直接熔炼方法，该方法包括经由如上所述的至少一根喷管将诸如含金属的进给材料的固体进给材料注入直接熔炼容器中。

含金属进给材料的一个实例是铁矿石、特别是铁矿石细料。

在铁矿石注入的情况下，优选地该方法包括以至少600℃的温度注入铁矿石。

本发明还提供一种用于将固体材料注入容器的用于喷管的芯管组件，该芯管组件包括用于固体材料的通路，该芯管组件具有入口和出口，该芯管组件包括结合到一起的结构材料的外管和耐磨材料的内管。

本发明还提供一种制造上述芯管组件的方法，该方法包括步骤：

(a)旋转铸造结构材料的外管；以及

(b)将耐磨材料的内管旋转铸造在外管的内表面上，以及

(c)将管冶金结合到一起。

附图说明

进一步仅参考附图，通过示例来描述本发明，其中：

图1是通过包括多个固体喷射喷管的直接熔炼容器的垂直剖视图；

图2是用于将矿石注入图1所示的容器中的现有技术的固体喷射喷管的纵向局部剖视图；

图3是根据本发明的固体喷射喷管的一个实施例的芯管组件的截面图；以及

图4是图3的芯管组件的前端的放大图。

具体实施方式

图1示出了一种直接熔炼容器11，其尤其适于实现如在国际专利申请PCT/AU96/00197中所描述的HIsmelt过程。以下的说明是在根据HIsmelt过程熔炼铁矿石细料以生产铁水的背景下。应意识到的是，本发明可应用于任何含金属材料，包括矿石、部分还原的矿石、和含金属的废水。还应意识到的是，矿石可呈铁矿石细料的形式。还应意识到的是，本发明不限于生产铁，并且扩展至熔炼其它金属(包括合金)。

容器11具有：包括由耐火砖形成的基部12和侧部13的炉床；形成从炉床的侧部13向上延伸的大体上圆柱形的筒的侧壁14；和顶部17。设置有水冷的面板(未示出)，用于从侧壁14并且还从顶部17传递热。容器11还设置有：前炉床19，在熔炼期间通过该前炉床19连续地排出熔融金属；和放出口21，在熔炼期间通过该放出口21周期地排出熔融炉渣。顶部17设置有出口18，通过该出口18排出生产废气。

在根据HIsmelt过程使用容器11熔炼铁矿石细料以生产铁水时，容器11包含铁和炉渣的熔池，该熔池包括熔融金属层22和在该金属层22上的熔融炉渣层23。金属层22的额定静态表面的位置由箭头24指示。炉渣层23的额定静态表面的位置由箭头25指示。术语“静态表面”被理解成是指当没有气体和固体注入容器11时的表面。

容器11设置有固体喷射喷管27，该固体喷射喷管27通过容器的侧壁14中的开口(未示出)向下并向内延伸并延伸到炉渣层23中。在使用中，在合适的载运气体(诸如缺氧的载运气体、通常为氮)中输送铁矿石细料和/或固体含碳材料(诸如煤或焦碳屑等)与熔剂，并通过喷管27的出口端28将该铁矿石细料和/或固体含碳材料(诸如煤或焦碳屑等)与熔剂注入金属层22中。

在过程操作期间，喷管27的出口端28位于金属层27的表面上方。喷管27的该位置减小通过与熔融金属接触而损坏的危险，并且还在没有明显的水与容器11中的熔融金属接触的情况下通过强制的内部水冷却使得能够冷却该喷管。

容器11还具有用于将热空气射流输送到容器11的上部区域中的气体喷射喷管26。喷管26穿过容器11的顶部17向下延伸到容器11的上部区域中。在使用中，喷管26接收流过热空气输送管道(未示出)的富氧热空气，该热空气输送管道从热空气供应站(同样未示出)延伸。

图2示出了在上述美国专利6,398,842(受让给本申请人)中公开的已知现有技术的固体喷射喷管27的总体构造。

如图2所示，喷管27包括呈管道形式的芯管组件31，其限定用于呈铁矿石细料形式的固体材料和/或在合适的载运气体中输送的含碳材料的通路，以从喷管27的入口端通到前端62。

喷管27还包括环形冷却套管32，环形冷却套管32围绕芯管组件31，并在芯管组件31的长度的一主要部分上延伸。

已知喷管27的环形冷却套管32呈长中空环形结构件41的形式，其具有由前端连接器片44互连的外管和内管42、43。在中空环形结构件41内设置有细长的管状结构件45，以便将结构件41的内部分成细长的内环形水流通路46和细长的外环形水流通路47。

已知喷管27的环形冷却套管32的后端(未示出)设置有进水口(同样未示出)和出水口(同样未示出)，其中能通过该进水口将冷却水的流动引导到内环形水流通路46中，并且在喷管27的后端处通过该出水口从外环形通路47提取水。因此，在喷管27的使用中，冷却水通过内环形水流通路46向前沿喷管流动，通过连接器片44径向向外流动，然后通过外环形通路47沿喷管27向后流动。因此，当喷管27在使用中暴露于在熔炼容器11内产生的热时，冷却水提供对喷管27有效的冷却。

图3和4示出根据本发明实施例的固体喷射喷管27的主要部分。在图3和4所示的固体喷射喷管27包括芯管组件50。虽然在图形中仅部分地示出，但固体喷射喷管27同样包括环形冷却套管。图3仅图示了环形冷却套管的前端连接器片44的一部分，以便指示芯管组件50的出口端。

图3和4所示的芯管组件50具有设置在芯管组件50的后端(由箭头R指示)处的法兰52。法兰52便于芯管组件50与固体喷射喷管27的其它部件(未示出)的连接。

芯管组件50包括以终端对终端的关系轴向布置并焊接到一起的三个芯管部分54a、54b、54c。芯管部分54a位于芯管组件50的后端处并接收固体材料。芯管部分54c位于芯管组件50的前端处并将固体材料输送到容器中。芯管部分54b位于芯管部分54a与54c之间。

各芯管部分54a、54b、54c包括诸如不锈钢的结构材料的外管部分56和诸如铬铁白铸铁的耐磨材料的内管部分72。内管部分和外管部分56、72冶金地结合到一起。通常，冶金结合横跨管道部分之间的界面的整个表面积。芯管部分54a、54b、54c的外管部分56的相邻端部焊接到一起。

外管部分56提供芯管组件50的结构要求。内管部分72提供芯管组件50的耐磨要求。形成各管部分56、72以优化结构要求和耐磨要求。冶金结合便于将芯管部分54a、54b、54c连接到一起并形成芯管组件50。

可通过以下的步骤通过旋转铸造管来方便地制造各芯管部分54a、54b、54c：

(a)旋转铸造不锈钢外管；以及

(b)将铬铁白铸铁内管旋转铸造在所述外管的内表面上，以及

(c)将所述管冶金结合到一起。

如上所述，图3和4部分地示出的固体喷射喷管27同样包括环形冷却套管，其围绕芯管组件50并在芯管组件50的长度的一主要部分上延伸。除连接器片44以外，在图3和4中未示出环形冷却套管。

环形冷却套管32具有与图2所示的已知喷管的环形冷却套管32相同的基本结构。

应相应指出的是，在环形冷却套管的内壁与芯管组件50的外壁之间存在有通常为2-4mm的小环形间隙(未示出)，以允许这些部件与将被沿这些部件的长度输送的净化气体之间的相对运动。

优选的是，芯管部分54a、54b、54c布置成使得多个中空芯55对齐。芯管54a、54b、54c的任何偏移可导致在相邻的芯管部分54a、54b、54c之间的界面处出现的增加的磨损，这将实质地缩短芯管组件50的使用寿命。

另外，优选的是，芯管部分54应是直的，使得中空芯55也是直的。在芯管组件50的内部材料流道中的任何弯曲可导致芯管部分54a、54b、54c中的一个或多个芯管部分的一部分上增加的局部磨损。此外，这样的磨损实质地缩短芯管组件50的使用寿命。

在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可对上述实施例作出许多变型。

在随后的权利要求中以及在本发明的前述说明书中，除由于明确的语言或必要的暗示所以上下文要求另外的情况以外，文字“包括”或诸如“包括”或“包含”的变体用于包括的含义，即指定声明特征的存在而不是排除在本发明的各种实施例中的其它特征的存在或增加。

应理解的是，在澳大利亚或任何其它国家中，这里所引用的任何现有技术的公开不构成本公开形成本领域中的公共常识的一部分的许可。

Claims (39)

1.一种喷管，所述喷管用于将固体材料注入容器中，该容器例如是用于生产铁水的直接熔炼容器，所述喷管具有芯管组件，该芯管组件包括用于固体材料的通路，所述芯管组件具有在后端处用于接收固体材料的入口和在前端处用于排出材料的出口，所述芯管组件包括被结合到一起的结构材料的外管和耐磨材料的内管。

2.根据权利要求1所述的喷管，其中所述外管由钢形成。

3.根据权利要求2所述的喷管，其中所述外管由不锈钢形成。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的喷管，其中所述外管至少为3mm厚。

5.根据权利要求4所述的喷管，其中所述外管的厚度在3mm至15mm的范围内。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的喷管，其中所述内管由白铸铁形成。

7.根据权利要求6所述的喷管，其中所述内管由铬铁白铸铁形成。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的喷管，其中所述白铸铁或铬铁白铸铁至少为3mm厚。

9.根据权利要求8所述的喷管，其中所述白铸铁或铬铁白铸铁的厚度在3mm至40mm的范围内。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的喷管，其中所述外管与所述内管之间的结合是冶金结合。

11.根据权利要求10所述的喷管，其中通过将所述内管铸造在所述外管的内表面上来形成所述冶金结合。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的喷管，其中所述芯管组件包括单个外管和单个内管。

13.根据权利要求1至11中的任一项所述的喷管，其中所述芯管组件包括两个或多于两个的轴向对齐的部分，在所述部分的相邻端部处将所述两个或多于两个的轴向对齐的部分焊接到一起。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的喷管，其中所述芯管组件至少为4m长。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的喷管，其中所述芯管组件具有80mm的最小内径。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的喷管，其中所述芯管组件具有120mm的最小外径。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的喷管，还包括环形的水冷却套管，所述冷却套管在所述芯管组件的一主要部分上延伸。

18.根据权利要求17所述的喷管，其中所述冷却套管具有的内径大于所述芯管组件的外径，使得芯管与所述冷却套管之间设置有大致环形的间隙。

19.一种直接熔炼设备，所述直接熔炼设备包括直接熔炼容器，所述直接熔炼容器具有至少一根根据前述权利要求中的任一项所述的喷管。

20.一种用于从含金属的进给材料生产熔融金属的直接熔炼方法，所述直接熔炼方法包括：经由至少一根根据权利要求1至18中的任一项所述的喷管，将诸如含金属的进给材料的固体进给材料注入直接熔炼容器中。

21.一种用于喷管的芯管组件，该喷管用于将固体材料注入容器中，所述芯管组件包括用于固体材料的通路，所述芯管组件具有入口和出口，所述芯管组件包括被结合到一起的结构材料的外管和耐磨材料的内管。

22.根据权利要求21所述的芯管组件，其中所述外管由钢形成。

23.根据权利要求22所述的芯管组件，其中所述外管由不锈钢形成。

24.根据权利要求21至24中的任一项所述的芯管组件，其中所述外管至少为3mm厚。

25.根据权利要求24所述的芯管组件，其中所述外管的厚度在3mm至15mm的范围内。

26.根据权利要求21至25中的任一项所述的芯管组件，其中所述内管由白铸铁形成。

27.根据权利要求26所述的芯管组件，其中所述内管由铬铁白铸铁形成。

28.根据权利要求26或权利要求27所述的芯管组件，其中所述白铸铁或铬铁白铸铁至少为3mm厚。

29.根据权利要求28所述的芯管组件，其中所述白铸铁或铬铁白铸铁的厚度在3mm至40mm的范围内。

30.根据权利要求21至29中的任一项所述的芯管组件，其中所述外管与所述内管之间的结合为冶金结合。

31.根据权利要求30所述的芯管组件，其中通过将所述内管铸造在所述外管的内表面上来形成所述冶金结合。

32.根据前述权利要求中的任一项所述的芯管组件，其中所述芯管组件包括单个外管和单个内管。

33.根据权利要求21至32中的任一项所述的芯管组件，其中所述芯管组件包括两个或多于两个的轴向对齐的部分，在所述部分的相邻端部处将所述两个或多于两个的轴向对齐的部分焊接到一起。

34.根据权利要求21至33中的任一项所述的芯管组件，其中所述芯管组件至少为4m长。

35.根据权利要求21至34中的任一项所述的芯管组件，其中所述芯管组件具有80mm的最小内径。

36.根据权利要求21至35中的任一项所述的芯管组件，其中所述芯管组件具有120mm的最小外径。

37.根据权利要求21至36中的任一项所述的芯管组件，还包括环形的水冷却套管，所述冷却套管在所述芯管组件的一主要部分上延伸。

38.根据权利要求37所述的芯管组件，其中所述冷却套管具有的内径大于所述芯管组件的外径，使得所述芯管组件与所述冷却套管之间设置有大致环形的间隙。

39.一种制造根据权利要求21至38中的任一项所述的芯管组件的方法，所述方法包括如下步骤：

(a)旋转铸造结构材料的外管；以及

(b)将耐磨材料的内管旋转铸造在所述外管的内表面上，以及

(c)将所述管冶金结合到一起。

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