CN102149454A - 用于雾化熔融材料的旋转式雾化器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于容纳熔融材料和从其中发射熔融材料液滴的旋转式雾化器；所述旋转式雾化器具有用于容纳熔融材料的转动槽。所述槽包括底座和从围绕着底座的周边延伸出的外周壁，所述外周壁的顶端包括内顶边缘和以水平面下0～60°的角度从内顶边缘延伸出来的凸缘区域。优选地，沿着内顶边缘延伸的外周壁的上部区域是基本垂直的。

Description

用于雾化熔融材料的旋转式雾化器
技术领域
本发明涉及一种雾化熔融材料的装置和方法，特别是，本发明涉及一种熔融材料的成粒。
背景技术
一些类型的熔融材料成粒机包括旋转式雾化器。在这种类型的成粒机中，设置熔融材料与旋转盘接触然后通过离心力径向地从旋转式雾化器的中央被发射出去。理想地，发射的熔融材料的液滴在从旋转式雾化器被发射以后并在被收集用于进一步的用途之前的时间内充分地固化并冷却。目前存在多种成粒机和旋转式雾化器设计。
这些现行设计的一些缺点是：(i)其大的尺寸，成粒机通常需要大至10m的半径来使从旋转式雾化器发射的熔融材料的液滴充分地固化，(ii)昂贵并且低效使用大量的气流来帮助冷却从旋转式雾化器发射的熔融材料液滴，(iii)在炉渣成粒机中产生的“炉渣棉”(slag wool)造成昂贵的清理费用并降低成粒机的运行效率；炉渣棉是由非理想的旋转式雾化器设计形成的纤维状固化的炉渣，以及(iv)在收集阶段中在发射的液滴中保留的残余热量使它们相互表面粘附、团聚和/或再熔。
发明内容
本发明人已经设计了包括对目前存在的旋转式雾化器改进的旋转式雾化器的熔融材料成粒机。
一方面，本发明提供了一种成粒机，其包括：
用于容纳熔融材料并从其中发射熔融材料液滴的旋转式雾化器；该旋转式雾化器包括：
用于容纳熔融材料的转动的槽(well)，该槽包括底座和从围绕着所述底座的周边(peripheral rim)延伸的外周壁(peripheral wall)，该外周壁的顶端具有内顶边缘(inner top edge)和以水平面下0～60°的角度从内顶边缘延伸出来的凸缘区域(lip region)。
在本发明优选的形式中，延伸至内顶边缘的外周壁的上部区域是基本垂直的。外周壁的凸缘区域优选与底座的周边间隔一段距离。当底座为平坦表面时，外周壁的高度并因此从所述周边到凸缘区域的距离为槽的深度，在该实施方式中，所述底座与外周壁基本以直角相交从而提供基本垂直的壁。所述底座可以为除平坦构型外的其它构型，例如圆锥形或多面体形使得槽的深度高于外周壁的高度。然而，甚至在这些实施方式中，从底座的周边到外周壁的凸缘区域也间隔一段距离。
所述外周壁优选包括上部区域和下部区域。在优选的实施方式中，上部区域和下部区域共线整齐地排列从而使得外壁为笔直的。然而，外周壁的下部区域可以以75°-105°向槽的底座倾斜。不管外周壁的上部区域与下部区域的排列如何，对于本发明运行重要的是延伸至内边缘(inner edge)的外周壁上部区域是基本垂直的。
另一方面，本发明提供了使熔融材料成粒的方法，该方法包括如下步骤：
在转动的旋转式雾化器的槽中形成熔融材料池，该槽包括底座和从围绕着槽的底座的周边延伸出的外周壁，该外周壁包括内顶边缘和以水平面下0～60°的角度从内顶边缘倾斜出来的槽凸缘区域；
以一定的速率转动该旋转式雾化器以从凸缘区域发射熔融材料的液滴；和
将所述熔融材料固化成粒。优选地，该方法进一步包括在飞行过程中使液滴的大部分固化的步骤；将固化的液滴导向收集器。
在该方面优选的形式中，加入到所述池中的熔融材料在由旋转的雾化器产生的离心力的作用下沿着外周壁上升。在被发射之前，在槽中滞留一段时间后，所述熔融材料到达外周壁的内边缘。
本申请人已经发现通过不时地扰乱熔融材料流并保持从熔融材料被加入的中部到雾化器的外边缘的槽的熔融材料，有利于熔融材料在槽中更加均匀地分散以在槽口被雾化以有规则地制备成最终的液滴之前在凸缘区域形成薄液膜。
这与现有技术的圆盘不同，在现有技术的圆盘中，熔融材料几乎立即被分散到圆盘的外边缘。
另一方面，本发明提供了一种旋转式雾化器，该雾化器包括：
用于容纳熔融材料的槽，该槽包括底座和从围绕着底座周边延伸出的外周壁，外周壁的顶端包括内顶边缘和以水平面下0～60°的角度从内顶边缘延伸出来的凸缘区域。
另一方面，本发明提供了雾化熔融材料的方法，该方法包括如下步骤：
在转动的旋转式雾化器的槽中形成熔融材料池，该槽包括底座和从围绕槽的底座的周边延伸的外周壁，外周壁包括内顶边缘和以水平面下0～60°的角度从内顶边缘倾斜出来的凸缘区域；
以一定的速率旋转该旋转式雾化器以从槽凸缘区域发射熔融材料的液滴，熔融材料在槽内滞留一段时间。
在上述方面的优选的形式中，所述熔融材料为炉渣。
外周壁的高度，定义为外周壁的顶端的内边缘到底座的垂直距离，可以为相对于底座直径的10～50％。侧壁的高度可以为大约4至大约50mm。在这些实施方式中，所述底座的直径可以为大约40至大约100mm。
在一些实施方式中，所述成粒机可以为封闭的或基本封闭的室。
附图说明
图1为显示从中心轴处剖面的本发明的成粒机和旋转式雾化器的剖面图，为了简洁起见，其省略了一些结构特征；
图2为显示从中心轴处剖面的本发明的一个实施方式的旋转式雾化器的剖面图；
图3为显示从中心轴处剖面的本发明的另一实施方式的旋转式雾化器的剖面图；
图4为显示从中心轴处剖面的用于本发明的成粒机的剖面图；以及
图5(a)和5(b)为根据本发明的实施方式的旋转式雾化器的剖视图。
具体实施方式
图1显示本发明的旋转式雾化器的特征和运行。在通常的运行中，熔融材料通过传输装置4被传输至旋转式雾化器8上。传输装置4将熔融材料2导入旋转式雾化器8的槽6中，该旋转式雾化器8以一定的旋转速率旋转，并且其收集并形成熔融材料池10。当旋转式雾化器8通过旋转装置16绕基本垂直的轴旋转时，离心力导致熔融材料池10沿着旋转式雾化器8的外周壁14上升。以某一旋转速率，熔融材料池将上升至外周壁14的顶端。超过该旋转速率，所述熔融材料将会被迫越过外周壁14的顶端的内边缘18。然后，所述熔融材料在从旋转式雾化器8中发射之前至少与部分的凸缘区域20接触。由此形成的熔融材料液滴22沿着轨迹24被发射至成粒机的内部，并最终向收集器32行进。
影响旋转式雾化器8和成粒机设计的重要的因素包括：熔融材料2通过传输装置4的流动速率、旋转式雾化器8的旋转速率、熔融材料液滴22的发射温度、包括熔融材料液滴22的飞行距离和时间的轨迹24、熔融材料液滴22的尺寸、构成熔融材料2的材料、额外的冷却因素(例如环形空气流和/或撞击面的冷却)的存在与否。也就是说，成粒机的任何部件的实际的设计和运行条件通常取决于成粒机的其它部件的设计和运行条件，以及取决于即将成粒的材料的物理和化学性能。例如，更高的流动速率可能需要更大体积的槽6；更高的传送温度可能需要更大体积的槽和/或更长的轨迹；具有较低热导率的熔融材料可能需要更长的轨迹，尽管这样，这里的描述也为指导典型的设计参数和操作条件提供了有价值的参考。
熔融材料2可以为希望被制备成粒子形式的任何熔融材料。例如，所述熔融材料可以为融化的金属、聚合物、锍(matte)或玻璃。在优选的实施方式中，所述熔融材料为熔化矿石以纯化金属的过程中的副产物(也称作炉渣)。粒状的炉渣可以用于任何用途，但对于制备水泥和混凝土特别有用。
传输装置4可以为本领域已知的任何合适的装置。例如，传输装置可以为管(tube)、连接管(pipe)、通道(channel)、沟槽(trough)或其它形式的导管。所述熔融材料2可以从传输装置4的末端通过本领域已知的任何装置排出。例如，熔融材料2可以通过喷嘴(nozzle)、喷口(spout)、排出孔(tap)或控制传输的其它装置排出。或者，熔融材料2可以从传输装置4的末端排出而不需要任何其它传输控制装置。在炉渣的情况下，所述传输装置4可以称作渣漏(slag drop)。
所述熔融材料2在高温下(在下文中称作“传输温度”)通过传输装置4传输。所述输送温度可以为在此温度下所述材料基本熔融的任何温度，并且其取决于材料本身。在典型的炼铁炉渣的环境中，熔融材料的输送温度为可以为大约1400℃至1600℃。显而易见的是，传输温度可能略高于由槽6接收熔融材料2时的温度，因为在传输装置4的末端与槽6之间存在热损失，但是对于本发明的目的，认为二者的温度相同。熔融材料通过传输装置4以及进入旋转式雾化器8的槽6的流动速率是可变的并且取决于成粒机的其它部件的设计和运行条件，以及取决于成粒材料。通常而言，流动速率可以为演示实验或中试生产时的1kg/min至产业化的工厂中的数吨/分钟。这种流动速率可以称作排出速率(tapping rate)。
以如下的方式安装旋转式雾化器8：使从传输装置4中排出的熔融材料2被槽6接收。旋转装置16用于使旋转式雾化器沿着基本垂直的轴转动或旋转。旋转装置16可以为本领域已知的任何旋转装置。例如，旋转装置16可以为电磁驱动或齿轮驱动。旋转速率是可变的且取决于成粒机的其它部件的设计和操作条件，以及取决于成粒的材料。通常而言，旋转速率可以为大约600rpm至大约3000rpm。设计所述旋转式雾化器8使得几乎所有熔融材料池10被发射为熔融材料液滴22，而不是像现有技术中的旋转式雾化器那样成为熔融材料片或熔融材料带。在炉渣的情况下，熔融材料液滴22的发射抑制了炉渣棉的形成。熔融材料液滴22的形状和尺寸是可变的，且取决于成粒机的其它部件的设计和操作条件，以及取决于成粒的材料。通常而言，熔融材料液滴22基本为直径为大约0.5mm至大约5mm(90％以上为直径小于2mm)的球形，并且在恒定的条件下可以形成均一尺寸范围的球形。从旋转式雾化器8中发射的熔融材料液滴22的速度是可变的并且取决于成粒机的其它部件的设计和操作条件，以及取决于成粒的材料。通常而言，由旋转式雾化器8发射的熔融材料液滴22的速度为大约1.5m/s至大约8m/s。
槽6详细地示于图2、3、5(a)和5(b)中。槽6的尺寸使得熔融材料池10能够形成在槽6中。特别是，槽6的尺寸为当通过旋转装置16转动旋转式雾化器8时使得熔融材料池10能够形成在槽6中。也就是说，熔融材料2形成在槽6中具有一定滞留时间的熔融材料池10，以及外周壁14和内边缘18起到溢流坝(weir)的作用，通过该溢流坝熔融材料被发射。
可以使用本领域内已知的任何材料构建旋转式雾化器8的槽6。对于雾化器的材料优选的要求是低成本、高热导率和可加工性。例如，所述旋转式雾化器8可以由耐火材料或铜制成。优选地，旋转式雾化器8由不锈钢或铸铁制成。
由于通过炉渣-金属界面的热损失的冷却使得熔融材料池10中的熔融材料2的层在槽6的表面固化。该固化层起到保护表面免受腐蚀性的熔融炉渣的侵蚀并降低来自熔融炉渣池的热传输(在金属旋转盘中超过一个数量级)以避免过热以及槽6的熔融。当需要时，与槽6下面的控制冷却装置结合使用，本发明允许旋转盘(由金属或非金属耐火材料制成)在良好保护的条件下连续运转。
在稳定状态的条件下，熔融材料池容纳熔融材料、在离心力作用下分散熔融材料并最终雾化熔融材料以从外周壁14的顶端的内边缘18制备精细的液滴。所述熔融材料池和凝固层为熔融材料在基本不损失热量的情况下平滑地流动和分散提供了有利的条件。溢流坝的设计(18和20)使得在内边缘18上平稳地雾化，将在下面解释。
现有技术的旋转式雾化器通常具有平的或凹形的圆盘设计，以及熔融材料在被旋转式雾化器接收之后基本立即从旋转式雾化器中发射。所述平坦表面可能导致熔融材料在被雾化前滑落或弹起，而没有理想地分散。此外，熔融材料可以在平的金属表面上固化。所述固化的层不能粘附在平面上，因此可从表面上脱离。在一些情况下，用耐火表面涂覆金属旋转盘以保护金属。然而，难以在金属表面上形成并结合耐火的涂层，以及耐火涂层本身也会被腐蚀性的熔融炉渣侵蚀。
槽6的设计使得熔融材料2形成具有一定滞留时间的熔融材料池10。槽6的尺寸是可变的，并且取决于成粒机的其它部件的设计和运行条件，以及取决于成粒的材料。槽6是由底座12和外周壁14所限定。外周壁14可以相对于底座12倾斜。所述倾斜应该使得底座12与外周壁14之间角度α大于大约60°。例如，所述底座12与外周壁14之间的角度α可以为大约60°至大约165°。优选地，底座12与外周壁14之间的角度α为大约80°至大约100°。
由从外周壁14的顶端的内边缘18到底座12的垂直距离限定的槽6的深度可以小于在其内边缘18的槽6的直径。槽6的深度与槽6的直径的比可以为大约1∶10至大约1∶2。优选地，槽6的深度与槽6的直径的比可以为大约1∶6至大约1∶3。更优选地，槽6的深度与槽6的直径的比可以为大约1∶5至大约1∶4。通常而言，槽6的深度为大约4mm至大约50mm。通常地，底座12的直径为大约40mm至大约100mm。这些尺寸的雾化器能够在通常的100-800kg/hr的排出速率(tapping rate)下运行的。
进一步限定槽的相对尺寸的途径为，如果，当观察沿着旋转式雾化器的中心垂直轴进行剖面的剖面垂直视图(如图2和3所示)，外周壁14被认为是限定直角三角形的斜边，以及槽6的深度被认为是限定长度1单位(unit)的直角三角形的一边，然后直角三角形的另一边的长度可以为大约0单位至大约1单位。
外周壁14的顶端的内边缘18也表示凸缘区域20的内边缘。然后，凸缘区域20以水平的角度或水平面以下的角度与内边缘倾斜使得凸缘区域20的外部与内边缘处于相同的高度或比内边缘的高度低。也就是说，凸缘区域或者以直线的方式向下倾斜或者以台阶或阶梯的方式向下倾斜。凸缘区域20从内边缘18向下倾斜的角度可以为大约0°至大约水平面以下60°。优选地，凸缘区域20从内边缘18向下倾斜的角度可以为5°至60°，以及最优选地，从水平面以下大约15°至大约45°。优选地，凸缘区域的长度为至少大约10mm。其与本领域现有的旋转式雾化器不同。
不限于任何理论，本发明人相信通过外周壁的基本垂直的上部区域15与水平或向下倾斜的凸缘区域20形成的内边缘用于更好地控制并高效地释放熔融材料液滴22。更具体而言，似乎来自熔融材料池10中的熔融材料2在被从旋转式雾化器8中发射之前与至少部分的凸缘区域20接触。在凸缘区域的接触以及从内边缘18上持续地发射熔融材料液滴导致固化的熔融材料的薄层在凸缘区域20沿着水平延伸形成几毫米。薄膜与倾斜的凸缘区域20之间的空隙(air gap)在雾化(形成液滴)之前阻止了形成在凸缘区域的熔融材料的薄层的不合意的快速冷却，这种快速冷却不利地影响在旋转盘上的顺利地雾化(例如，炉渣棉或块状粒子的形成)。由这种固化的薄膜持续地发射熔融材料提供了制备更圆的球形的熔融材料液滴22的有利条件。
也就是说，在持续稳定状态的下运行，熔融材料池10的平均温度应该保持恒定。然而，如果工艺变量变化时，例如熔融材料2的传输温度或流动速率，而且熔融材料池10的温度可能变化，因而潜在地扰乱下一步的后续运行。因此，在一些实施方式中，用于形成旋转式雾化器8的材料的厚度使得熔融材料池10能够具有更加稳定的温度。也就是说，所述旋转式雾化器的主体可用于吸收来自熔融材料池10的热形式的能量。本领域现有的旋转式雾化器不具有该优点，现有的旋转式雾化器通常包括由相对薄的金属片或耐火材料片制成的平的或凹面圆盘。
在使用图4所示的成粒机时，通常将旋转式雾化器8基本设置在成粒机的中心。更典型地，由于旋转式雾化器8是旋转的，并且在其圆周上潜在的任何点和所有点上径向地发射熔融材料液滴22，其优选具有基本为环形的成粒机。本领域已知的任何收集器32都可用于收集成粒材料34。例如，收集器32可以简单地为任何尺寸的开口，设置该收集器使得至少部分固化的熔融材料液滴22能够从成粒机中排出，或者可以为具有至少一个用于排出至少部分固化的熔融材料液滴22的孔的环形沟槽。本发明的旋转式雾化器8可以用于本领域已知的任何成粒机。
从旋转式雾化器8中发射的熔融材料液滴22被发射至室40中，其为封闭的或基本封闭的室。部分固化的液滴26与冲击表面28冲击以后形成破碎的液滴30，将成粒材料34导向至收集器，在图4中显示为设置在成粒机100的边缘的为收集器32。
室40可以具有上边界面42，其为基本截头圆锥形状(又称作平截头体)。截头圆锥形状的上边界面42向上汇集于传输装置4上并与竖直方向成锐截头圆锥角。上边界面42可以延伸至传输装置4或者仅部分延伸至传输装置4上。冲击表面28可以设置在上边界面42内。优选地，至少部分的上边界面42为冲击表面28。
室40可以具有下边界面44。下边界面44可以为任意的形状。下边界面44特别优选的形状为适合于将成粒的材料34导向收集器32的形状。例如，下边界面44也可以为朝向成粒机的中心轴向上或向下汇集的截头圆锥形状。图4显示下边界面44作为向上汇集的平截头体。然后，优选地将收集器设置在下边界表面44中或者与下边界表面44相邻。例如，在当将下边界面44作为向上汇集的平截头体的情况下，可以将收集器设置在周边位置上。在下边界面44作为向下汇集的平截头体的情况下，可以以更靠近中心的位置设置收集器。在后一种情况下，收集器的位置无需在最中间的位置，而可以在比成粒机的边缘更靠近中间的任何位置。
可以冷却上边界面42、冲击表面28和/或下边界面44。例如，通过与这些上边界面42、冲击表面28和/或下边界面44的外表面接触可以通过空气、水或其它制冷剂或者本领域已知的任何其它材料冷却上边界面42、冲击表面28和/或下边界面44。
同样示于图4的为可选的轨迹24。所述轨迹24为可变的并取决于成粒机100的其它部件的设计和运行条件，以及取决于成型的材料。最值得注意的是，旋转式雾化器8的设计和运行对于所得的轨迹24的性质是重要。在示于图4的轨迹24的两个实例中，存在上述的实施方式。也就是说，熔融材料液滴22从旋转式雾化器中朝冲击表面28发射，然后作为破碎的液滴30改变方向，以及然后成为朝向收集器32的成粒材料34。在两个实例中液滴的轨迹具有正切和径向分量(radial component)。在轨迹24的情况下，在下表面44上的粒子螺旋地向下朝向收集器32。
应该理解在本说明书中公开和限定的发明延伸至在申请文本或附图中提及的或者显而易见的单个特征的两个或多个的所有可选择的组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种可选择的方面。
还应该理解本说明书中使用的术语“包含”(或其语法上的变体)等同于术语“包括”并且不应被认为排除其他元件或特征的存在。

Claims (14)

1.一种成粒机，其包括：
旋转式雾化器，其用于容纳熔融材料并从其中发射熔融材料液滴；所述旋转式雾化器具有：
转动的槽，其用于容纳熔融材料，所述槽包括底座和从围绕着底座的周边延伸出的外周壁，该外周壁的顶端具有内顶边缘和以水平面下0～60°的角度从内顶边缘延伸出来的槽凸缘区域。
2.根据权利要求1所述的成粒机，其中，延伸至内顶边缘的外周壁的上部区域是基本垂直的。
3.根据权利要求1所述的成粒机，其中，所述外周壁的凸缘区域与底座的周边间隔一段距离。
4.根据权利要求1所述的成粒机，其中，所述底座为平坦表面并且所述底座与外周壁基本以直角相交从而提供基本垂直的壁。
5.根据权利要求1所述的成粒机，其中，所述外周壁包括上部区域和下部区域，所述外周壁的下部区域向槽的底座倾斜75°至105°。
6.根据权利要求5所述的成粒机，其中，所述向内边缘延伸的外周壁的上部区域是基本垂直的。
7.一种使熔融材料成粒的方法，该方法包括如下步骤：
在转动的旋转式雾化器的槽中形成熔融材料池，所述槽包括底座和从围绕着底座的周边延伸出的外周壁，该外周壁具有内顶边缘和以水平面下0～60°的角度从所述内顶边缘倾斜出来的凸缘区域；
以一定的速度转动所述旋转式雾化器以从凸缘区域发射熔融材料液滴，以及
将所述熔融材料固化成粒；优选所述方法进一步包括如下步骤：在飞行过程中使大部分液滴固化；以及将固化的液滴导向收集器。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述延伸至内顶边缘的外周壁的上部区域是基本垂直的，以及加入到池中的熔融材料沿着外周壁上升并在从雾化器中被发射前在槽中滞留一段时间后达到外周壁的内边缘。
9.一种旋转式雾化器，其包括：
用于容纳熔融材料的槽，所述槽包括底座和从围绕着底座的周边延伸出的外周壁，所述外周壁的顶端具有内顶边缘和以水平面下0～60°的角度从内顶边缘延伸出来的凸缘区域。
10.根据权利要求9所述的旋转式雾化器，其中，所述延伸至内顶边缘的外周壁的上部区域是基本垂直的。
11.根据权利要求9所述的旋转式雾化器，其中，所述外周壁的凸缘区域与底座的周边间隔一段距离。
12.根据权利要求9所述的旋转式雾化器，其中，所述外周壁包括上部区域和下部区域，所述外周壁的下部区域向槽的底座倾斜75°至105°。
13.根据权利要求12所述的旋转式雾化器，其中，延伸至内边缘的外周壁的上部区域是基本垂直的。
14.一种雾化熔融材料的方法，该方法包括如下步骤：
在转动的旋转式雾化器的槽中形成熔融材料池，所述槽包括底座和从围绕着底座的周边延伸出的外周壁，该外周壁具有内顶边缘和以水平面下0～60°的角度从内顶边缘延伸出来的凸缘区域；
以一定的速率转动所述旋转式雾化器以从凸缘区域发射熔融材料液滴，所述熔融材料在槽内滞留一段时间。
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