CN103757177B - 用于将气体注射到容器中的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于将气体喷射到容器中的设备。所述设备包括：气流管道，从所述气流管道从管道排放气体；伸长中央结构，所述伸长中央结构在所述气流管道内从所述气流管道的后端延伸到所述气流管道的前端；和多个流引导叶片，所述多个流引导叶片在所述管道的前端附近围绕所述中央结构设置。所述中央结构的前端和叶片通过分开的供应通道来进行水冷却。

Description

用于将气体注射到容器中的设备

本申请是申请号为200980156179.7、申请日为2009年12月11日的同名中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于将气体喷射到容器(vessel)中的设备。所述设备特别但是并非仅仅地应用于用于在高温条件下将气流喷射到冶金容器中的设备。这种冶金容器可以例如是在其中通过直接熔炼工艺生产熔融金属的熔炼容器。

背景技术

在美国专利6,440,356和6,673,305中描述了已知的直接熔炼工艺，该直接熔炼工艺依赖于作为反应媒介的熔融金属层，并且通常被称作HIsmelt工艺。

HIsmelt工艺包括：

(a)在容器中形成形式为铁的熔融金属和熔渣的熔池；

(b)向该熔池中注入：

(i)典型为金属氧化物的含金属供给材料；和

(ii)用作金属氧化物的还原剂和能量源的、典型为焦碳的固体含碳材料；和

(c)将含金属供给材料熔炼成金属层中的金属。

术语“熔炼”在这里被理解为表示其中发生还原金属氧化物的化学反应以生产液态金属的热处理。

HIsmelt工艺还包括后燃烧反应气体，例如CO和H₂，该后燃烧反应气体被从熔池释放在熔池上方的带有含氧气体的空间中，并且向熔池传递由后燃烧产生的热量，从而有助于熔炼含金属供给材料所要求的热能。

HIsmelt工艺还包括在熔池的标称静止表面上方形成过渡区，在过渡区中存在适量的上升的并且此后下降的熔融金属和/或熔渣的液滴或溅液或者液流，所述液滴或溅液或者液流提供用于将由熔池上方的后燃烧反应气体所产生的热能传递到熔池的有效媒介。

在HIsmelt工艺中，通过多个喷枪/鼓风口将含金属供给材料和固体含碳材料注入到金属层中，所述多个喷枪/鼓风口相对于竖直方向倾斜，从而向下并且向内延伸通过熔炼容器的侧壁并进入容器的下部区域中，以便将固体材料输送到位于容器的底部中的金属层中。为了促进在容器的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枪将可以是富氧的热空气的气浪喷射到容器的上部区域中。为了促进在容器的上部中的气体的、有效的后燃烧，理想的是，流入的热空气气浪利用涡旋运动离开喷枪。为了实现这点，喷枪的出口端可以装配有内部流引导件，用以产生适当的涡旋运动。容器的上部区域可以达到2000℃的温度水平并且热空气可以在1100-1400℃的温度水平被输送到喷枪中。喷枪因此必须在内部和在外壁上均能够经受极高的温度，特别地是在喷枪的突出到容器的燃烧区域中的输送端处。

本发明提供一种喷枪构造，该喷枪构造使得相关构件能够在内部进行水冷却并且在非常高的温度环境下操作。

发明内容

根据本发明，提供一种用于将气体喷射到容器中的设备，包括：

气流管道，所述气流管道从后端延伸到前端，从所述前端从所述管道排出气体；

伸长中央结构，所述伸长中央结构在所述气流管道内从所述气流管道的后端延伸到所述气流管道的前端；

多个流引导叶片，所述多个流引导叶片在所述管道的前端附近围绕所述中央结构设置，以使通过所述管道的前端的气流产生涡旋，所述中央结构的前端和所述管道的前端一起共同作用，形成用于来自所述管道的、具有由所述叶片产生的涡旋的气流的环形喷嘴；

第一冷却水流通道装置，所述第一冷却水流通道装置位于所述中央结构的前端内，用于冷却水水流，以在内部水冷却所述中央结构的前端的外表面；

第二冷却水流通道装置，所述第二冷却水流通道装置位于所述叶片内，用于冷却水水流，以在内部水冷却所述叶片；

第一冷却水供应通道，所述第一冷却水供应通道位于所述中央结构内，用于使第一冷却水流从所述中央结构的后端向前通过所述中央结构供应到位于所述中央结构的前端中的所述第一冷却水流通道装置中；

第二冷却水供应通道，所述第二冷却水供应通道位于所述中央结构内，用于使单独的第二冷却水流从所述中央结构的后端向前通过所述中央结构供应到位于所述叶片内的所述第二冷却水流通道装置中；和

水流返回通道装置，所述水流返回通道装置位于所述中央结构内，用于来自所述第一冷却水流通道装置和所述第二冷却水流通道装置的返回水流。

所述水流返回通道装置可以包括用于来自所述第一冷却水通道装置和所述第二冷却水通道装置两者的返回水流的单个流通道。

所述第一冷却水供应通道可以作为中央通道延伸通过所述中央结构，用于使水直接流至所述中央结构的前端。

所述第一冷却水供应通道可以延伸通过所述中央结构，用于使水流直接流至所述中央结构的前端的末端。

所述第二冷却水供应通道可以包括围绕所述第一供应通道形成在所述中央结构内的环形通道。

所述水流返回通道装置可以包括在环形的所述第二冷却水供应通道外侧形成在所述中央结构内的另外的环形通道。

所述中央结构的前端可以包括穹状鼻部，所述第一冷却水流通道装置可以包括从所述鼻部的末端延伸、用于使冷却水围绕所述鼻部并且沿着所述鼻部向后流动的冷却水流通道。

所述第一冷却水流通道装置的所述冷却水流通道可以以螺旋形式从所述鼻部向后延伸。更加具体地，所述第一冷却水流通道装置的所述冷却水流通道可以以从所述鼻部的末端延伸的单螺旋形式延伸，以围绕所述鼻部并且沿着所述鼻部向后以单个水流的形式引导水，以利用冷却水的单个连贯水流冷却所述鼻部。

所述第一冷却水流通道装置的所述冷却水流通道可以在所述中央结构的所述叶片所围绕设置的部分的外周内从所述鼻部向后延伸。

所述第一冷却水流通道装置的所述冷却水流通道可以绕过从所述第二冷却水供应通道到位于所述叶片内的所述第二冷却水流通道装置的水流路径。

所述第二冷却水供应通道的前部可以形成为弓形通道，所述弓形通道具有：由具有大于180度且小于360度的范围的弓形区域分离开来的第一端部和第二端部，和位于所述第一端部和所述第二端部之间的部分区域，并且其中所述第一冷却水流通道装置的所述冷却水流通道可以在所述部分区域内延伸，且由此绕过所述第二冷却水供应通道的前部。

所述第一冷却水流通道装置的所述冷却水流通道可以包括向内横向台阶，所述向内横向台阶绕过从所述第二冷却水供应通道到位于所述叶片内的所述第二冷却水流通道装置的水流路径。

所述第一冷却水流通道装置的所述冷却水流通道可以从导流部(diversion)向后延伸，并且可以连接到所述水流返回通道装置。

所述第二冷却水流通道装置可以包括位于所述叶片中的通道，所述位于所述叶片中的通道在位于所述叶片前端的进口和位于所述叶片后端的出口之间延伸。

所述第二冷却水供应通道可以与位于所述叶片的前端的所述叶片通道的进口连接。

位于所述叶片的后端的所述叶片通道的出口可以与所述冷却水返回通道装置连接。

每一个叶片均可以具有由限定出位于所述叶片内的叶片通道的挡板划分出来的中空内部。

所述挡板可以被这样布置，即：使得所述叶片通道沿着所述叶片前后延伸，以使从所述进口流动到所述出口的冷却水从所述叶片的前端到后端在多个流道中流动。

每一个叶片通道的第一流道均可以沿着所述叶片的外部纵向边缘从所述进口延伸。

本发明还扩展至用于定位在气流管道内的设备，通过所述设备将气体喷射到容器中，所述设备包括：

伸长结构，所述伸长结构在所述气流管道内延伸；

多个流引导叶片，所述多个流引导叶片在所述伸长结构的前端附近围绕所述伸长结构设置，以使通过所述管道的气流产生涡旋；

第一冷却水流通道装置，所述第一冷却水流通道装置位于所述伸长结构的前端内，用于冷却水水流，以在内部水冷却所述伸长结构的前端的外表面；

第二冷却水流通道装置，所述第二冷却水流通道装置位于所述叶片内，用于冷却水水流，以在内部水冷却所述叶片；

第一冷却水供应通道，所述第一冷却水供应通道位于所述伸长结构内，用于使第一冷却水流从所述伸长结构的后端向前通过所述伸长结构供应到位于所述中央结构的前端中的所述第一冷却水流通道装置中；

第二冷却水供应通道，所述第二冷却水供应通道位于所述伸长结构内，用于使分开的第二冷却水流从所述伸长结构的后端向前通过所述伸长结构供应到位于所述叶片内的所述第二冷却水流通道装置中；和

水流返回通道装置，所述水流返回通道装置位于所述伸长结构内，用于来自所述第一冷却水流通道装置和所述第二冷却水流通道装置的返回水流。

为了可以更加充分地解释本发明，将参考附图详细描述一个具体实施例。

附图说明

图1是通过根据本发明构造的、结合有热空气气浪喷枪和一对固体喷枪的直接熔炼容器的一个实施例的竖直截面图；

图2是通过热空气气浪喷枪的纵向截面图；

图3是通过喷枪的中央结构的纵向截面图；

图4是通过中央结构的前部的纵向截面图；

图5是在图4中的线5-5上的横向截面图；

图6和7是示出中央结构的前部的侧视图，其中为了清楚起见，移除了某些部分；

图8是安装在中央结构的前端上的涡旋叶片结构的透视图；

图9是涡旋叶片结构的侧视图；

图10是具有图8和9所示结构的涡旋叶片中的一个叶片的一种改进；以及

图11是通过涡旋叶片中的一个叶片的横向截面。

具体实施方式

图1图示了适合于通过如在美国专利6,440,356和6,673,305中所描述的HIsmelt工艺操作的直接熔炼容器。该冶金容器总体用11来表示并且具有：炉膛，该炉膛包括由耐火砖形成的底部12和侧部13；侧壁14，该侧壁14形成从炉膛的侧部13向上延伸的、基本柱形的筒，并且包括上筒段15和下筒段16；顶部17；用于废气的出口18；前炉19，所述前炉19用于连续排出熔融金属；和出渣口21，所述出渣口21用于排放熔渣。

在使用中，容器包含铁和熔渣的熔池，该熔池包括熔融金属层22和在金属层22上的熔渣层23。由数字24标记的箭头示意金属层22的标称静止表面的位置，并且由数字25标记的箭头示意熔渣层23的标称静止表面的位置。术语“静止表面”被理解为意味着当无任何气体和固体被注射到容器中时的表面。

该容器装配有：向下延伸的热空气喷枪26，所述热空气喷枪26用于将热空气吹进容器的上部区域中；和两个固体喷枪27，所述两个固体喷枪27向下并且向内延伸通过侧壁14并进入熔渣层23中，用于将铁矿石、固体含碳材料和在贫氧载气中夹带的助熔剂注入到金属层22中。喷枪27的位置被选择成使得在工艺操作期间喷枪27的出口端28位于金属层22的表面上方。喷枪的这个位置降低了通过与熔融金属接触而损坏的风险，并且还可以在不存在显著的、水与容器中的熔融金属形成接触的风险的情况下，通过强制的内部水冷却而冷却喷枪。

在图2-11中示意了热空气喷枪26的构造。如在这些图中所示，管26包括伸长的气流管道31，伸长的气流管道31通过气体进口结构32接收热气体并且将热气体喷射到容器的上部区域中。喷枪包括伸长中央管状结构33，伸长中央管状结构33在伸长的气流管道31内从伸长的气流管道31的后端延伸到伸长的气流管道31的前端。在管道的前端附近，中央结构33承载有一系列的四个涡旋产生叶片34，用于使得离开管道的气流产生涡旋。中央结构33的前端具有穹状鼻部35，鼻部35向前突出超过伸长的气流管道31的末端36，以使中央结构33的前端和管道的前端一起共同作用，形成用于来自管道的、具有由叶片34产生的涡旋的扩散气流的环形喷嘴。叶片34形成结构40的一部分，结构40包括管状毂40A，围绕管状毂40A，叶片34以四条螺旋形式(four-start helical formation)设置并且滑动配合在管道的前端内。

从气体进口32向下游延伸的伸长的气流管道31的主要部分的壁被内部水冷却。管道的该管段由一系列的三个同心钢管37、38、39构成，所述三个同心钢管37、38、39延伸到管道的前端部分，所述三个同心钢管37、38、39在管道的前端部分连接到管道末端36。管道末端36具有中空环形形式，并且利用通过在伸长的气流管道31的壁中的通道供应和返回的冷却水而被内部水冷却。具体地，冷却水通过进口41和环形进口歧管42而被供应到在管道的管38、39之间限定出的内部环形水流通道43中，通过在末端中沿周向隔开的开口直到管道末端36的中空内部。水从该末端通过沿周向隔开的开口而返回到管37、38之间限定出的外部环形水流返回通道44中，并且向后到达位于伸长的气流管道31的水冷却段的后端的水出口45。

伸长的气流管道31的水冷却段在内部衬有内部耐火衬里46，内部耐火衬里46装配在管道的最里面的金属管39内，一直延伸到管道的、被水冷却的末端36。管道末端36的内周基本上与耐火衬里的内表面齐平，这为通过管道的气体限定出有效的流动通道。该耐火衬里的前端具有以密切滑动配合接收涡旋叶片34的、直径稍微减小的段47。从该段47向后，耐火衬里具有稍微更大的直径，以使得在喷枪组装时能够将中央结构33向下插入通过该管道，直至涡旋叶片34到达该管道的前端，在该管道的前端，涡旋叶片34受到锥形的耐火区域48引导而与耐火段47形成密切接合，该耐火区域48定位叶片并且将叶片引导到耐火段47中。

管道末端36的中空内部可以在内部被划分，形成以在美国专利公开2006-0108722-A1中更加充分地公开的方式沿着周向围绕末端延伸的冷却水流通道(galleries)(未示出)。

如将参考图8到11所详细描述的，涡旋叶片34形成有内部冷却水流通道。叶片34和中央结构33的前端利用冷却水进行内部水冷却，所述冷却水通过中央结构从喷枪的后端到前端被向前供应，然后沿着中央结构返回喷枪的后端。单独的水供应通道延伸通过中央结构，用于将冷却水供应到叶片和穹状鼻部35，以使得强冷却水流能够直接流至叶片和特别是流至穹状鼻部35，鼻部在喷枪的操作中经受非常高的热通量。

中央结构33包括一系列的、三个同心钢管49、50、51，钢管49、50、51中的每一个均由以首尾相连方式设置并且被焊接到一起的管段形成。内管49限定出中央的第一水流通道52，通过该中央的第一水流通道52，水从处于喷枪的后端的水进口53通过中央结构向前流动，直到中央结构的前端鼻部35。第二水供应通道54由在内管49和中间管50之间的环形空间形成，通过该第二水供应通道54，水能够从处于喷枪的后端的水进口60通过中央结构流到在涡旋叶片34中的内部冷却水流通道。

在中间管50和外管51之间的环形空间提供水返回通道56，通过该水返回通道56，冷却水从中央结构33的鼻部35和叶片中的冷却水流通道两者通过中央结构而返回处于喷枪的后端的水出口55。

中间管50和外管51在51A、52A处朝向中央结构33的前端向外张开，以使第二水供应通道54的内端被扩大。中间管51A由延伸管80延长，延伸管80连接到装配在外部穹状鼻部壳体62内的铜制本体61的管状后部，鼻部壳体62也由形成中央结构33的鼻端的铜形成。

叶片结构的管状毂40A围绕本体61的后端和紧接在鼻部壳体62后面的延伸管80装配。叶片毂40A的前端装配到周向肋条82上，周向肋条82形成在铜本体61的管状部分上并且设置有环形凹槽83，所述环形凹槽83通过四个通过铜本体61的管状部分的、沿着周向隔开的狭槽84而接收水，以用作用于以将在下面描述的方式将冷却水从冷却水通道54的扩大的内端供应到在叶片中的冷却水通道的水进口通道。

在肋条82后面，在叶片结构的毂40A与铜本体61的管状部分及延伸管80之间存在环形间隙空间90，该环形间隙空间90以现在将描述的方式提供水流通道的通过中央结构的前端的延伸部。

中央结构的鼻端的内部铜制件61形成有中央水流通道63，所述中央水流通道63通过连接器管70而与中央水供应通道52的内端连接，以从管道52接收水并且将水引导到该鼻部的末端。鼻部件61形成有突出肋条64，该突出肋条64密切装配在鼻部壳体62内，以在内部段61和外部鼻部壳体62之间限定沉积单个连续冷却水流通道65。肋条64被这样成形，即：使得单个连续通道65以由从一个环形段到下一个环形段倾斜的通道段67相互连接起来的环形通道段66的形式延伸。因此通道65以螺旋形从该鼻部的末端延伸，虽然所述螺旋形不具有规则的螺旋形式，但是所述螺旋形的确围绕该鼻部并且沿着该鼻部向后盘旋。

铜制件61的后端形成有成一体的柱形凸部104，一短的纵向通道85在该柱形凸部104内延伸，该纵向通道85在其前端通过端口86与鼻部冷却水通道65的后端连接，并且该纵向通道85在其后端通过端口87与在叶片结构的毂40A内的环形空间90连接。结果，这个布置在流动通道中形成向内横向台阶。来自通道65的冷却水因此能够经由端口86、通道85和端口87而流到环形空间90中，从而经由肋条82中的凹槽83和沿着周向隔开的狭槽84而绕过向外流至叶片的冷却水流。更加具体地，柱形凸部104延伸通过将已经是第二冷却水供应通道54的环形前端部分的部分，结果该前端是如在图5中观察到的弓形段106。这个弓形段106具有由柱形凸部104分离开来的第一端部108和第二端部110。从图5能够理解，该布置并不限制水从第二冷却水供应通道54的前端流动到狭槽84中，该狭槽84以将在下面描述的方式与叶片中的环形凹槽83和冷却水通道连通。环形空间90由伸长挡板杆88划分，形成冷却水通道65的螺旋形延伸部，所述冷却水通道65的螺旋形延伸部围绕直接位于叶片结构40内的内部结构的前端延伸，并且返回与中央结构的水返回通道56连接的环形水出口通道89。水通道65和位于环形空间90内的螺旋形延伸部因此在中央结构的前端中形成了连续的冷却水流通道，该冷却水流通道在中央结构的安装了叶片的那部分的外周内从鼻部向后延伸，从而有助于叶片结构的冷却，同时通过通道85的导流部使得这个通道能够绕过向外流至叶片的冷却水流。

以单个连贯流形式通过围绕中央结构的鼻端35并且沿着中央结构的鼻端35向后延伸的螺旋形通道65的强制冷却水流确保了有效率的排热并且避免了“热点”在鼻部上的发展，如果允许冷却水在鼻部处分成分开的几股流则可能发生“热点”。在所示意的布置中，从冷却水进入鼻端35时起到冷却水离开鼻端时，冷却水均被约束为单股流。

在图8到11中示意了叶片结构40的构造。每一个叶片均由一对不锈钢侧板91和一对挡板杆93、94形成，所述一对不锈钢侧板91沿着前后方向沿着毂40A盘旋，并且由围绕叶片的外部边沿延伸的覆盖杆92分离开来，所述一对挡板杆93、94将叶片在侧板之间的内部分成伸长的内部冷却水流通道95。在叶片34中的冷却水通道95从进口96和出口97延伸，进口96在叶片的前端处由延伸通过毂40A的狭槽形成以与叶片冷却水进口通道83齐平，出口97在叶片的后端处由在毂40A中的狭槽形成以与水出口通道89齐平，通过水出口通道89，水能够从叶片通过水返回通道56而流回中央结构33的后端。挡板93、94被这样形成，即：使得水流通道95从进口96沿着叶片的外部向后延伸到叶片的后端，然后在沿着叶片的内部返回出口97之前向前返回叶片的前端。因此，流入的冷却水首先被引导到叶片的、最易于过度加热和退化的外部边缘。多次通过的流动通道95还确保了叶片的所有部分均被有效地冷却，并且不能形成停滞的水流通道。

被内部水冷却的不锈钢涡旋叶片是非常耐用的，并且能够承受极高的温度条件和由喷枪内的热气体气浪携带的沙砾或者其它材料引起的磨蚀。叶片可以进行表面硬化以实现最大寿命。

内部结构设置有封装在耐高温不锈钢外壳93内、由耐火材料92形成的外部隔热罩91，以屏蔽从在伸长的气流管道31中流入的热气体到在中央结构33内流动的冷却水的热传递。隔热罩减轻了到流至中央结构的内端和叶片的水中的热传递并且还使得返回的水与在喷枪内的热气体隔绝，且因此使用于冷却水的冷却回路上的负荷最小化。

Claims (12)

1.用于将1100-1400℃温度下的气体喷射到冶金容器中的设备，包括：

气流管道，所述气流管道从后端延伸到前端，以从所述前端从所述管道排出气体；

具有后端和前端的伸长中央结构，所述伸长中央结构在所述气流管道内从所述气流管道的后端延伸到所述气流管道的前端；

多个流引导叶片，所述多个流引导叶片在所述管道的前端附近围绕所述中央结构设置，以使通过所述管道的前端的气流产生涡旋，且所述中央结构的前端和所述管道的前端一起共同作用，形成用于来自所述管道的、具有由所述叶片产生的涡旋的气流的环形喷嘴；

冷却水流通道，所述冷却水流通道位于所述叶片中，用于使冷却水在所述冷却水流通道中流动，以冷却所述叶片；和

单独的冷却水供应通道装置和返回通道装置，所述单独的冷却水供应通道装置延伸通过中央结构，用于将冷却水从所述中央结构的后端供应到位于所述叶片中的水流通道和位于所述中央结构的前端中的水流通道，所述返回通道装置位于所述中央结构中，用于使冷却水从位于所述叶片中的所述水流通道和位于所述中央结构的前端中的所述水流通道返回到所述中央结构的后端；

其中所述叶片包括侧壁，所述侧壁为钢板；并且

其中位于所述叶片中的所述冷却水流通道具有：进口，所述进口在所述叶片的前端处与位于所述中央结构中的所述冷却水供应通道装置连通；和出口，所述出口在所述叶片的后端处与位于所述中央结构中的所述返回流通道装置连通。

2.根据权利要求1所述的设备，其中位于所述叶片中的所述冷却水流通道在其进口和出口之间以蛇形路径延伸，所述蛇形路径在所述叶片的前端和后端之间限定出多个流道。

3.根据权利要求1所述的设备，其中位于所述叶片中的所述冷却水流通道从其进口沿着所述叶片的外部向后延伸。

4.根据权利要求1所述的设备，其中位于所述叶片中的所述冷却水流通道从其进口沿着所述叶片的外部向后延伸到所述叶片的后端，然后向前延伸到所述叶片的前端，并且从所述叶片的前端沿着所述叶片的内部延伸到所述冷却水流通道的出口。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述叶片具有由内部挡板划分出来的中空内部，从而在所述中空内部中形成所述冷却水流通道。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述叶片具有间隔开的侧壁，并且所述挡板是伸长杆，所述伸长杆在所述叶片的前端和后端之间沿着所述叶片延伸，并且对所述叶片的在所述侧壁之间的内部进行划分，从而形成所述冷却水流通道。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述叶片的外边缘由连接在所述侧壁之间的覆盖杆形成。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述侧壁由钢制成，并且所述覆盖杆和挡板被焊接到所述侧壁。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述叶片具有多条螺旋形式。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述叶片形成如下叶片结构的一部分，所述叶片结构包括所述叶片和安装在所述中央结构上的管状毂。

11.根据权利要求10所述的设备，其中通到位于所述叶片中的所述水流通道的所述进口由位于所述管状毂中的狭槽提供。

12.根据权利要求10所述的设备，其中来自位于所述叶片中的所述水流通道的所述出口由位于所述管状毂中的狭槽提供。