CN103797137A - 用于顶部浸没喷射的喷枪 - Google Patents

Abstract

一种喷枪（10），所述喷枪通过顶部浸没喷枪（TSL）喷射用来进行火法冶金操作，其中所述喷枪（10）具有基本上同心的至少内管（12）和外管（14）。内管（12）的下出口被设置在火法冶金操作所需的相对于外管（14）的下出口端部的一定水平。喷枪（10）还包括罩壳（22），外管（14）穿过该罩壳延伸并且该罩壳安装在外管（14）的上部上并且沿外管（14）的上部延伸，从而与外管（14）限定通道（28），气体能够沿该通道被供应以便流向外管（14）的出口端部以便在喷枪（10）外部排出。罩壳（22）可相对于外管（14）纵向调节以实现罩壳（22）的出口端部和外管（14）的出口端部之间的纵向间隔的基本上维持或变化。

Description

用于顶部浸没喷射的喷枪

技术领域

本发明涉及用于火法冶金操作的熔融的熔池的顶部浸没喷射喷枪。

背景技术

需要熔池和含氧气体的源之间的相互作用的熔融熔池熔炼或其它火法冶金操作使用多种不同布置来供应该气体。通常，这些操作涉及直接喷射到熔融的冰铜/金属中。这可以如Bessemer式熔炉中通过底部风口或如Peirce-Smith式转炉中通过侧部风口。替代地，气体的喷射可以通过喷枪以提供顶吹或浸没喷射。顶吹喷枪喷射的例子是KALDO和BOP钢铁制造设备，其中从熔池上方吹纯氧以用熔融的铁产生钢。顶吹喷枪喷射的另一例子由Mitsubishi铜工艺的熔炼和冰铜转换阶段提供，其中喷射喷枪引起诸如空气或富氧空气的含氧气体的射流撞击和穿透熔池的顶表面，分别用来产生和转换冰铜。在浸没喷枪喷射的情况下，喷枪的下端部被浸没使得喷射发生在熔池的矿渣层内而不是从熔池的矿渣层上方，从而提供顶部浸没喷枪（TSL）喷射，其熟知的例子是应用于各种各样金属处理的Outotec Ausmelt TSL技术。

在两种形式的从上方喷射（即，顶吹和TSL喷射）的情况中，喷枪受到强烈的盛行的熔池温度。Mitsubishi铜工艺中的顶吹使用许多相对小的钢喷枪，该钢喷枪具有大约50mm直径的内管和大约100mm直径的外管。内管终止于远远高于反应区域的大约熔炉顶板的水平。可旋转以防止它粘住熔炉顶板处的水冷却的套圈的外管向下延伸到熔炉的气体空间中，以将其下端部布置在熔融的熔池的上表面上方大约500-800mm处。

空气中夹带的微粒供给物被吹过内管，而富氧空气被吹过管之间的环形空间。尽管具有在熔池表面上方的外管的下端部的间隔，和通过穿过喷枪的气体的喷枪的任何冷却，但该外管每天烧损大约400mm。因此外管缓慢下降，并且当需要时，新的段连接到外部可消耗管的顶部。

用于TSL喷射的喷枪远远大于用于顶吹过程（诸如上述Mitsubishi过程）的那些喷枪。TSL喷枪通常具有至少内和外管，如下面呈现的，但可以具有与该内和外管同心的至少一个其它管。典型的大尺寸TSL喷枪具有200到500mm或更大的外管直径。而且，该喷枪长得多并且向下延伸通过可以是大约10到15米高的TSL反应器的顶板，使得外管的下端部浸没到熔池的熔融矿渣相中的大约300mm或更大的深度。包括浸没部分的TSL喷枪的下部区域被固化或冻结矿渣的覆盖层保护，该覆盖层通过喷射的气体流的冷却作用形成且维持在外管的外表面上。内管可以与外管终止于大约相同的水平，或者在外管的下端部上方达到大约1000mm的较高水平。因此，可以是以下情况：仅仅外管的下端部被浸没。在任何情况下，螺旋叶片或其它流动成形装置可以安装在内管的外表面上以跨越内和外管之间的环形空间。该叶片沿那个环形空间给予空气或富氧气流强的旋流作用并且用于增强冷却效果以及保证气体与通过内管供应的燃料和供给材料良好混合。该混合基本上发生在在内管的下端部下方由外管限定的混合室中，其中内管终止于外管的下端部上方充分的距离处。

TSL喷枪的外管在其下端部磨损且烧损，但与没有该覆盖层的情况相比，其速率通过保护性冻结矿渣覆盖层显著减小。然而，这在很大程度上由通过TSL技术的操作模式控制。该操作模式使得该技术可行，尽管喷枪的下端部浸没在熔融矿渣熔池的高度反应性且腐蚀性的环境中。TSL喷枪的内管可以用于供应供给材料，诸如精矿、要被喷射到熔池的矿渣层中的助熔剂和还原剂，或者它可以用于供应燃料，诸如燃料油、颗粒煤或粉碎的塑料。通过管之间的环形空间供应含氧气体（诸如空气或富氧空气）。在开始在熔池的矿渣层内的浸没喷射之前，喷枪布置成其下端部（即，外管的下端部）在矿渣表面上方间隔合适的距离。含氧气体和燃料（诸如燃料油、细煤或烃类气体）被供应到喷枪并且由此形成的氧气/燃料混合物被点燃以产生火焰射流，该火焰射流冲击到矿渣上。这引起矿渣飞溅而在外喷枪管上形成矿渣层，该矿渣层被穿过喷枪的气体流固化以提供上述固体矿渣覆盖层。然后，喷枪能够降低以实现在矿渣内的喷射，含氧气体持续穿过喷枪以将喷枪的下部维持在一定温度，在该温度下固化矿渣覆盖层被维持并且保护外管。

通过新的TSL喷枪，外和内管的下端部的相对位置，即，内管的下端部从外管的下端部缩进的距离（如果有的话），是用于设计期间确定的特别的火法冶金过程操作窗的最佳长度。对于TSL技术的不同用途，该最佳长度可以是不同的。因此，在通过氧气传递过矿渣到冰铜用来将冰铜转变到粗铜的两个阶段成批操作中，用来将冰铜转变到粗铜的连续的单个阶段操作、用来还原含铅矿渣的工艺、或用来熔炼氧化铁供给材料以便生产生铁的工艺，都具有不同的相应的最佳混合室长度。然而，在每一种情况中，随着外管的下端部缓慢磨损和烧损，混合室的长度逐渐地降低到小于用于火法冶金操作的最佳值。类似地，如果在外和内管的端部之间存在零偏移，则内管的下端部可以变得暴露到矿渣，内管下端也被磨损且遭受烧损。因此，不时地，至少外管的下端部需要被切割以提供整洁的边缘，适当直径的一定长度的管被焊接到该整洁的边缘以重新建立管下端部的最佳相对位置以优化熔炼条件。

外管的下端部磨损和烧损的速率随着正在进行的熔融熔池火法冶金操作而变化。确定那个速率的因素包括供给物处理速率、操作温度、熔池流动性和化学性质、喷枪流率，等等。在一些情况中，腐蚀磨损和烧损的速率相对高并且可以使得在最差的情况中每天可能损失数小时操作时间，这是由于需要中断处理以从操作移除磨损的喷枪并且用另一喷枪取代该磨损的喷枪，同时从使用中取出的磨损的喷枪被修理。这种停止可能一天发生数次，每一个停止加到非处理时间。虽然TSL技术提供优于其它技术的显著益处（包括成本节省），但用来更换喷枪的损失的操作时间带来显著的成本代价。

2012年6月27日提交的我们的共同待审的申请PCT/AU2012/000751公开一种新的顶部浸没喷枪，该顶部浸没喷枪通过需要喷枪更换以便修理减少损失时间。申请PCT/AU2012/000751的新的喷枪的特征可应用于各种各样的顶部浸没喷枪以实现内管或最近的（next）最内管的下端部相对于外管的下端部的调节。

顶部浸没喷枪的子群已经通过被指定为带罩壳喷枪而变得突出，为此，Outotec Ausmelt TSL技术是熟知的，例如见澳大利亚专利640955和授予Flloyd的美国专利5251879中的类似专利。这种子群的特征在于使用另外的管，该另外的管在典型的喷枪外管的外部。该另外的管包括相对短的套管或罩壳，主喷枪外管延伸通过该相对短的套管或罩壳并且该相对短的套管或罩壳围绕外管的上部区域固定。当喷枪排出端部被浸没时，该罩壳终止于熔融熔池上方的部位。气体通过罩壳和外管之间的通道向下排入到反应器空间中，增加穿过喷枪以便喷射到熔融熔池的矿渣中的气体的冷却效果。罩壳因此帮助维持喷枪的外管的下部区域上的固化矿渣覆盖层的充分厚度。通过带罩壳喷枪可获得的增加的冷却在长的喷枪长度的情况下是非常有利的，特别地如果使用喷枪的工艺需要喷枪喷射的气体的受限制的流率。当喷枪需要长期操作时，罩壳提供的冷却效果也是有利的。而且，在大约1100℃到大约1600℃的温度范围中操作的熔炉中，喷枪的外管上的固化矿渣覆盖层的厚度随着温度的增加而减小。虽然对于给定矿渣化学性质，过热的量通常不大，高温的使用可以由矿渣化学性质或最终产物需要指定。因此，由通过罩壳供应的气体实现的增加的冷却在高温下变得更加重要，以保证充分厚度的覆盖层。

带罩壳喷枪具有另外的重要效用。在许多情况中，需要供应气体到熔融矿渣上方的反应器空间。诸如在需要从熔池逐渐形成的气体的后燃烧或逐渐形成的金属烟的氧化的情况下，该气体可以是含氧气体，诸如空气或富氧空气。为了适合这个目的，罩壳出口必须相对于熔融熔池层正确布置。太靠近则任何喷射的含氧气体可能与主熔池材料相互作用。太远离则任何后燃烧或氧化反应可能不彻底。这种反应也可以提供热传递益处，其中从熔池喷溅的矿渣被这些放热反应加热并且因此当喷溅的材料返回到熔池的主体积时将这种能量的一些直接回收到熔池。这保证氧势在自由空间中被控制使得矿渣维持其状态，同时废气被充分氧化以保证废气的平稳且最佳的操作和调节。

本发明涉及提供一种用于顶部浸没喷射的改进的带罩壳喷枪。

发明内容

根据本发明，提供一种喷枪，该喷枪通过顶部浸没喷枪（TSL）喷射用来进行火法冶金操作，其中所述喷枪具有基本上同心的至少内管和外管，并且其中所述喷枪还包括罩壳，所述外管穿过所述罩壳延伸并且所述罩壳安装在所述外管的上部上并且沿所述外管的上部延伸以与所述外管限定通道，气体能够沿所述通道被供应以便流向所述外管的出口端部以便在所述喷枪外部排出，并且所述罩壳可以相对于所述外管纵向调节以实现所述罩壳的出口端部和所述外管的出口端部之间的纵向间隔的基本上维持或变化。所述喷枪任选地包括螺旋叶片或其它流动成形装置，所述螺旋叶片或其它流动成形装置在所述外管与所述内管之间的环形空间中纵向延伸，或者在所述喷枪具有至少三个基本上同心的管的情况下，在所述外管与所述外管和所述内管之间的最近的最内管之间的环形空间中纵向延伸。所述内管的下出口端部或从外管的至少最近的最内管的下出口端部被设置在所述火法冶金操作所需的相对于所述外管的下出口端部的一定水平。

该喷枪可以实现罩壳相对于外管的运动以便维持罩壳和外管的出口端部之间的基本上恒定的纵向间隔。该布置可以使得间隔的维持抵消在火法冶金操作中在喷枪的使用中外管的下端部的磨损和烧损。为了实现那种抵消，在所述操作的过程中所述罩壳和所述外管之间的相对运动可以是连续的或步进的。为了那个目的，所述罩壳可以相对于所述反应器保持不动，所述外管能够穿过所述罩壳下降以抵消其下端部的磨损和烧损。

替代地，该喷枪可以实现罩壳相对于外管的运动以提供相对于反应器的罩壳的高度的调节。在这种情况中，罩壳可以是可调节的，从而在熔池的体积增加（由于矿渣的形成和/或熔融或金属相的产生，或者由于在该操作的过程中从反应器分流一相）时提供罩壳的下端部和熔融熔池的顶表面之间的基本上恒定的间隔。

在另外的替代方案中，所述罩壳可以是相对于所述外管可调节的，以便在活动和不活动位置之间移动所述罩壳，或在用来调节从所述罩壳的下端部排出的气体的冷却效果的强度的位置之间移动所述罩壳，或在所述气体用于后燃烧的目的的情况下在用来调节到所述熔融熔池的热能传递的速率的位置之间移动所述罩壳。

根据那些目的的两个或更多个的组合，该罩壳可以是相对于外管可移动的或可调节的。因此，本发明的罩壳允许胜过常规固定罩壳顶部浸没喷枪的数个益处。这些包括：

完全控制罩壳的下端部的水平，并且因此完全控制气体从罩壳排出到熔池上方的反应器空间中的水平；

能够将熔池上方的反应器空间中的状态从强氧化调节到强还原；

控制对通过浸没喷射喷溅的矿渣之间的相互作用的程度，并且因此控制由熔池的喷溅矿渣相从自由空间（freeboard）吸收的来自后燃烧的热能的程度；和

控制废气品质，例如，通过减少NO_x、二恶英、不稳定的硫和其它物质的含量。

通过提供所述罩壳相对于所述管的每一个的纵向调节，本发明的喷枪可以使其管处于固定的关系。替代地，如上述申请PCT/AU2012/000751中公开的，该喷枪可以设置成使外管可以纵向调节，并且这在下面呈现。因此，在一种布置中，所述内管的下端部具有从所述外管的下端部的基本上零偏移。在替代布置中，所述内管的下端部从所述外管的下端部缩进使得混合室被限定在这些端部之间。

所述喷枪可以具有两个管，螺旋叶片在一个纵向边缘连接到所述内管的外表面，并且其另一纵向边缘邻近所述外管的内表面。然而，所述管可以具有至少三个管，叶片在一个边缘连接到外管的最近的最内管的外表面，其另一边缘邻近外管的叶片表面。在后者情况中，除了外管外的管可以是相对彼此固定的或纵向可移动的。

为了用于TSL火法冶金操作，所述喷枪能够从一种设施悬挂，所述设施可用于相对于TSL反应器整体地升高和降低所述喷枪。该设施能够将喷枪降低到TSL反应器中以将喷枪的下端部布置在矿渣相的表面上方、在反应器中的熔融熔池的顶部，从而实现如上面详细描述的喷枪上的矿渣覆盖层的形成。即，这种矿渣覆盖层形成在喷枪的外管的下部区域的外表面上，并且也可以形成在罩壳的下部区域的外表面上。然后，该设施能够降低喷枪以将喷枪的下端部布置在矿渣相中并且实现矿渣内的浸没喷射，并且将罩壳的下端部布置在矿渣的表面上方。该设施也能够从反应器升高喷枪。在这些运动中，喷枪整体地运动。然而，该设施也可用于提供罩壳和外管之间的相对纵向运动，并且优选地也可用于提供在喷枪的内和外管之间的相对纵向运动。相对纵向运动可以是：

（a）相对于喷枪的管升高或降低罩壳，以改变罩壳和外管的出口端部之间的间隔，从而改变通过罩壳的那个端部排出的气体的功能；

（b）在外管的下端部磨损和烧损时，相对于喷枪的管升高罩壳以维持罩壳和外管的出口端部之间的基本上恒定的间隔；或

（c）在外管相对于内管纵向运动时实现如（a）或（b）中的运动，以便维持外和内管的出口端部的相对位置基本上恒定或调节该相对位置。

在每一种情况中，该相对纵向运动可以使得维持罩壳、外管和内管的下端部之间的基本上固定的相对定位。因此，在相对定位以便提供混合室的情况下，相对纵向运动最优选地以便将混合室维持在基本上固定的、预定的或选定的长度，而将罩壳和外管的下端部维持在基本上固定的、预定的或选定的长度。维持预定的或选定的长度的精度仅需要是基本上恒定的。因此，相对于所述外管的下端部的所述内管的出口端部的水平能够通过所述内和外管之间的相对运动被维持在对于内管所需的水平的±25mm内。类似地，相对于外管的下端部的罩壳的出口端部的水平可以能够被维持到对于罩壳所需水平的±25mm内。

喷枪或包括喷枪的设施可以具有驱动系统，通过该驱动系统产生罩壳和外管之间、并且优选地也在内和外管之间的相对纵向运动。该驱动系统可以用于基于外管的下端部磨损和烧损的平均速率的评估以预定的速率产生该运动。因此，对于给定的火法冶金操作，如果已知磨损和烧损是大约100mm每四小时位移循环，则驱动系统可以产生25mm每小时的罩壳和外管之间、和在内和外管之间的相对运动，以维持罩壳的基本上恒定的相对水平和罩壳，和维持套管与管的下端部的基本上恒定的相对位置，诸如基本上恒定的混合室长度。

提供罩壳和外管之间，和内与外管之间的相对运动的这种恒定速率的驱动系统的使用可以基于以下假设：存在稳定的操作条件，导致外管的下端部磨损和烧损的基本上恒定的速率。然而，该驱动装置可以是可变的以适应操作条件的变化。操作条件可以在连续的操作循环之间，或者甚至在给定的循环内变化，诸如由于供给材料或燃料和/或还原剂的等级的变化，或者由于熔池的体积的增加，诸如由于矿渣和/或回收的金属或冰铜相的体积的增加。而且，变化可以发生在给定总操作的多个阶段之间，诸如在单个反应器中进行的两个阶段冰铜转变过程中的白金属吹炼阶段和粗铜吹炼阶段之间，或者在三个阶段铅回收过程的连续的阶段之间。该驱动系统可以是手动地或通过远程控制地可调节。替代地，该驱动系统可以是响应于能够监视该过程的至少一个参数的至少一个传感器的输出可调节的。例如，该传感器可以是适合于监视反应器废气的成分、合适部位处的反应器温度、熔池上方或气体排出导管中的气体压力、熔池的成分（诸如矿渣相）的电传导性、喷枪的外管的电传导性的传感器，或者它可以是用来在罩壳和外管之间或在内和外管之间进行沿喷枪的长度的外管的实际长度的光学测量的光学传感器，或者用来监视两个或更多个这种参数的传感器的组合。

附图说明

为了可以更容易地理解本发明，现在描述附图，其中：

图1以侧视图示意性地示出用于进行火法冶金顶部浸没喷枪操作的喷枪的第一形式；

图2对应于图1，但示出喷枪的第二形式；

图3是用于TSL火法冶金操作的喷枪的第三形式的剖视图的示意图；

图4对应于图3，但示出用于这种操作的喷枪的第四形式的示意图；并且

图5对应于图3，但示出用于这种操作的喷枪的第五形式的示意图。

具体实施方式

图1描绘顶部浸没喷枪11，该顶部浸没喷枪被示意性地示出为处于使用中。喷枪11包括：外管13，至少一内管（未示出）共轴地延伸穿过该外管；和罩壳15，该罩壳与管13的上部区域同心。喷枪11的下端部被示出为浸没在顶部浸没喷枪反应器（未示出）中包含的熔融熔池的一层矿渣17中。浸没的程度使得在外管13内传下的材料在矿渣17的表面下面被喷射时，罩壳15的下端部在矿渣17的上表面上方间隔开。

矿渣17内的喷射产生矿渣的湍流和喷溅。该喷溅由管13右边的线19示意性地示出，但实际上，喷溅将产生在管13的整个圆周周围。喷枪11从一设施（未示出）悬挂，通过该设施，喷枪11能够整体地升高或降低，如箭头A描绘的。在布置喷枪11以浸没其下端部之前，布置喷枪11使得该下端部正好在矿渣17的表面上方。然后，从喷枪11将空气向下吹到矿渣17上，以搅动矿渣并且产生喷溅19。这导致熔融矿渣微滴覆盖外管13的外表面的下部区域。被吹过喷枪的气体冷却管13并且固化矿渣喷溅19以形成固化的矿渣覆盖层21。喷枪11然后通过该设施降低以浸没喷枪11的下端部。尽管部分地浸没，覆盖层21能够通过喷射的气体的冷却效果被维持（尽管固化的矿渣与熔融的矿渣17接触）。

熔融矿渣17上方的罩壳15的下端部的高度可以使得罩壳15的外表面没有明显地被喷溅19覆盖（如示出的）。气体（典型地为空气或富氧空气）能够通过罩壳15和管13之间的环形空间被供应以便沿管13流下并且排出到矿渣17的表面上方的反应器空间中，如箭头23描绘的。与罩壳15的高度无关，气体流23帮助保持管13充分冷以便维持固体矿渣覆盖层21。即使在气体流23用于从熔融熔池逐渐形成的气体的后燃烧以引起来自后燃烧的热能被矿渣喷溅19吸收的情况下，也可能维持覆盖层21。后燃烧可以为金属蒸汽、游离硫、氢气和/或一氧化碳、NO_x和/或二恶英和其它有毒有机物的后燃烧。

在已知形式的带罩壳喷枪中，罩壳具有固定长度，并且仅通过从罩壳的下端部切割一部分或将另外的长度焊接到已有的罩壳才可以改变罩壳的出口端部与外管的出口端部间隔的距离。因此，罩壳是固定的并且罩壳的调节基本上需要手动操作（不适合于相对精细的调节），同时喷枪停止运行。

与已知形式的带罩壳喷枪不同，罩壳15在管13的上端部上是可调节的，从而实现罩壳15的下端部和管13的下出口端部之间的间隔X的变化。存在许多不同布置，通过这些布置可以改变间隔X。在第一布置中，罩壳15以可调节的方式安装在管13的上端部上以便可以作为整体沿该管可逆地移动。在第二布置中，罩壳15相对于管13固定，但罩壳15在长度上可变使得其下端部可以向着管13的下端部延伸或从管13的下端部缩回，从而分别减小或增加距离X。在一种形式的第二布置中，罩壳15可以包括至少两个纵向重叠伸缩部分，该至少两个纵向重叠伸缩部分的一个相对于管13固定，而另一个或每一个其它部分可以相对于固定的部分纵向滑动。

在另一形式的第二布置中，罩壳15也包括至少两个纵向重叠部分，该至少两个纵向重叠部分的一个相对于外管固定或紧固，这些部分通过螺纹接合可调节，通过该螺纹接合可以延伸或缩回至少一个部分。

通过如示出的图1的布置，用于管13的浸没深度的间隔X使得矿渣覆盖层没有形成在罩壳15上。对于更大的浸没深度、火法冶金操作的过程中的矿渣的上升的水平，这当然可以改变，或通过罩壳15在管13上的降低或罩壳15的长度的增加以减小间隔X而进行改变。而且，一些灰尘或其它沉积物可以聚集在罩壳15的外表面上。鉴于可能的矿渣或灰尘覆盖层形成在罩壳15上，对于每一种形式的第二布置优选的是，罩壳15的最内部分相对于管13固定，使得它不在长度X的变化范围上暴露，即使外部部分完全缩回。

图2示出喷枪11a的替代形式。根据图1的喷枪11的描述，将容易理解这个喷枪的布置。图2中示出的特征与图1中具有相同的附图标记，但由后缀“a”区分。

用于喷枪11a的布置主要不同在于，罩壳15a较长，导致其下端部和外管13a的下端部之间的距离Y显著小于用于图1的喷枪11的距离X。因此，除了管13a上的覆盖层21a外，矿渣覆盖层25a形成在罩壳15a上。如可以见到的，管13a上的覆盖层21a的厚度不致于当罩壳15a处于最低位置（即，距离Y处于通过相对于管13a调节罩壳15a可获得的范围的最小值）时堵塞罩壳15a和管13a之间的环形空间的下端部。

与间隔X相比较小的间隔Y导致罩壳15a为外管13a提供抵抗辐射热能的增加的保护。而且，通过罩壳15a和管13a之间的环形空间供应的气体能够在管13a的更大长度上提供冷却。这帮助维持管13a上的固体矿渣覆盖层21a，即使是在与熔融矿渣17a接触的浸没部分上。那个增加的冷却可以有利于实现固体矿渣覆盖层21a的维持，即使从罩壳15a的下端部排出的含氧气体用于靠近矿渣17的表面的后燃烧，使得后燃烧产生的热能被矿渣高度吸收。

图1和2的喷枪11和11a能够结合驱动系统被使用。这可以如在这里较早描述的，或者如参考图3和4描述的。

图3的喷枪10具有圆形横截面的两个同心钢管。两个同心钢管包括内管12和外管14。在管12和14之间限定环形通道16。沿着通道16，螺旋叶片或挡板20可以用于增强冷却。挡板的段或每一段由绕管12螺旋状地延伸的条材或带材提供，并且一个边缘被焊接到管12的外表面，而其另一边缘紧邻外管14的内表面。挡板的形状可以类似于授予Floyd的美国专利4251271的图2中示出的旋流器条材14的形状。

喷枪10也包括环形罩壳22，该环形罩壳与管12和14同心并且安装在外管14的上端部上。罩壳22具有两个同心套管，该两个同心套管包括：内部套管24，该内部套管相对于管12和14固定；和外部套管26，该外部套管可以在内部套管24上纵向调节。通过在内部套管24上降低或升高外部套管26，套管26的下端部和外管14的下出口端部之间的间隔N能够在最大值（如示出的）和最小值之间变化。

套管26可以在套管24上可伸缩地滑动。在那种情况中，该套管的一个可以具有脊或齿，该脊或齿与另一套管中限定的凹槽啮合，从而提供花键联接。脊或齿和凹槽可以平行于喷枪10的轴线延伸或者绕那个轴线螺旋状地延伸，使得套管26可以沿套管24直线移动，或者旋转以纵向地且周向地移动。在后者情况中，套管24,26可以分别具有螺旋状脊和凹槽，该螺旋状脊和凹槽限定套管之间的螺纹联接。

内管12的下端部在外管14的下端部上方间隔开距离L。这在管12下方的管14的范围中导致室18，该室起混合室的作用。

在示出的简单的布置中，空气、氧气或富氧空气在喷枪10的上端部被供应到通道16。合适的燃料通过任何所需传送介质被供应到管12的上端部中。通道16中的螺旋挡板给予被供应到通道16的气体强的旋流作用。因此，气体的冷却效果增强，并且气体和燃料在室18中紧密地混合在一起，其混合物能够被点燃以引起燃料的高效燃烧并产生从喷枪10的下端部发出的强燃烧火焰。取决于在喷枪的下端部处或下方要产生的还原或氧化条件的强度，氧气对燃料的比率可以变化。没有在燃烧火焰中被消耗的氧气或燃料被喷射在熔池的矿渣内，没有在燃烧火焰中被燃烧的燃料的任何成分在矿渣内可用作还原剂。由于这个原因，在TSL喷射中经常指出燃料/还原剂由喷枪喷射。

除了氧气或富氧空气被供应到通道16外，空气、氧气或富氧空气也被供应到由罩壳22和管14限定的通道28的上端部。被供应到通道28的气体可以与被供应到通道16的气体相同或不同。通道28的长度对应于套管24的上端部和套管26的下出口端部之间的间隔，并且随着套管26相对于套管24的延伸或缩回而改变。沿通道28被供应的气体用于冷却外管14并且在罩壳22的下端部排出时，实现诸如金属蒸汽、游离硫、氢气、一氧化碳、NO_x和/或诸如二恶英的有机物的后燃烧，在进行火法冶金过程或操作中从在其中使用喷枪10的熔融熔池逐渐形成这些物质。

根据图3的描述将理解图4中示出的喷枪30的布置。对应部分具有如图3的附图标记加上20。在这种情况中的差异是，喷枪30具有三个同心管，这是由于第三管33布置在内和外管32和34之间。因此，通道36和旋流器40在管33和34之间。而且，然后，管33的下端部从管34的下端部缩进距离（M-L），其中M是管33和34的下端部之间的距离，并且L是管32和33的下端部之间的距离。因此，混合室38具有绕管33的端部下方的管32的长度的环形延伸部。

同样，设置螺旋挡板（未示出）。然而，在这种情况中，挡板安装在管道33的外表面上并且跨越通道36延伸使得其外边缘靠近管34的内表面。同样，图4的喷枪30具有罩壳42，该罩壳具有：固定到管34的套管44；和套管46，该套管46可以在套管44上调节以改变距离P。

在喷枪30的这个实施例中，燃料在管32的上端部被供应，而不含氧气的气体沿管33和34之间的通道36并且沿罩壳42和管34之间的通道48通过管34被供应。而且，诸如精矿、粒状矿渣或粒状冰铜加上助熔剂的供给物可以沿管32和管33之间的环形通道37通过管33被供应。含氧气的气体和供给物的混合在管32的端部前面开始，并且气体/供给物混合物随后在管32的端部下方与燃料混合。同样，燃料在混合室36中燃烧，而供给物在被喷射在反应器的矿渣层（喷枪30延伸到该矿渣层中）内之前可以至少被预热，可能部分地熔化或反应。

图5示出图3的喷枪10的变体。类似变体可以基于图4的喷枪30。对应于喷枪10的那些部件的图5的喷枪的部件具有加上40的相同附图标记。

根据喷枪10的描述，将容易理解图5的喷枪50。一个差别是不设置螺旋挡板，然而，可以使用螺旋挡板。

而且，罩壳62仅包括单个套管25，该单个套管沿喷枪外管54作为整体可调节。该调节可以诸如对喷枪10的罩壳22的内部套管24上的外部套管26的调节描述的。

如本领域技术人员将理解的，图3到5中的指示的供给布置仅仅是中心构思的变型的例子。为各种气体和固体选择的喷射环形空间或通道可以改变而不影响本发明的性质，如可以在其中使用或不使用旋流器或挡板。

喷枪10、30和50的每一个能够用于多种火法冶金操作以便用一系列主和次供给物生产各种金属，和用于从一系列残渣和废物回收金属。喷枪10、30和50由同心管组成，并且在两个或三个管是常用的时，对于一些特殊应用，在喷枪中可能存在至少一个另外的管。喷枪可以用于喷射供给物、燃料和工艺气体到熔融的熔池中。

在所有情况中，喷枪的管在该喷枪要用在其中的TSL反应器的顶板下方具有固定操作长度。更具体地，喷枪位置与熔池有关，并且总喷枪长度典型地足够长以达到离开炉膛的固定距离。然而，喷枪10、30和50的每一个优选地是可调节的，以便为特别的火法冶金操作所需的相应的混合室16和36维持基本上恒定的长度。在喷枪10和50的情况中，该布置使长度L能够保持基本上恒定，而不管管14的下端部的磨损和烧损，该磨损和烧损否则将减小长度L。类似地，在喷枪30中，该布置使长度L和M的每一个能够保持基本上恒定，而不管管34的下端部的磨损和烧损，该磨损和烧损否则将减小长度L和M。因此，喷枪10和50中的长度L，和在喷枪30的情况中的长度L和M可以被维持在设定值，为所需火法冶金操作的顶部浸没喷枪喷射并且为所需操作条件提供最佳条件。

在喷枪30的情况中，通道36和37使不同的材料能够彼此隔离，直到这些材料排入室38中并且混合。该喷枪可以具有至少一个另外的管，导致另外的通道，又一另外材料可以通过该另外的通道。该至少一个另外的管可以具有对应于L或M的缩进距离，或不同于L和M的距离。而且，在喷枪30中，L和M的每一个和任何另外的管的缩进距离可以是可调节的以补偿所需的操作条件变化。

喷枪10和30被示出为具有驱动系统D，该驱动系统具有多种不同形式的任何形式。虽然每一个系统D被示出为与相应的喷枪10、30间隔开并且由线路或驱动连杆41操作性地连接，但取决于系统D的性质，驱动系统D可以安装在喷枪10、30上，在喷枪从其悬挂的设施上，或在一些相邻的结构上。因此，线路或连杆41可以是直接机械驱动装置，通过该直接机械驱动装置，相应罩壳22、42的外部套管能够相对于内部套管纵向地调节。该连杆也可以使一个管能够相对于另一管纵向移动，以便补偿外管的下端部的磨损或烧损。替代地，通过连接到喷枪10，30从其悬挂的设施，线路或连杆41可以表示系统D的动作。在每一种情况中，系统D可以在设定时间控制的基础上可操作，以给予喷枪套管之间并且优选地喷枪10、30的管之间的固定速率的相对运动。替代地，该驱动装置可以响应于控制单元C产生的信号进行操作。该布置可以使得该信号是响应于来自传感器S的输出可调节的，该输出由控制单元C监视。该传感器可以布置成并且可用于提供输出，该输出指示喷枪10和30的外套管的下端部的磨损和烧损引起的长度L和M的变化。

驱动系统D和传感器S可以是可操作的或者具有前面详细描述的性质。

本发明的喷枪能够提供优于具有固定罩壳的常规顶部浸没喷枪的许多益处。这些益处包括：

（a）在喷枪磨损和烧损是不可避免的情况下，罩壳的出口端部和外管之间所需的间隔能够基本上被维持。这使得最佳设置能够贯穿火法冶金操作被保持。

（b）在需要不同操作条件的一系列阶段中进行火法冶金操作的情况下，罩壳如果在给定阶段中不需要则能够缩回或者按每一个阶段的需要被布置。

（c）包括后燃烧、废气控制和喷溅矿渣与上部熔炉区域中发生的反应的相互作用的过程参数的控制。

最后，应当理解，各种改变、修改和/或添加可以被引入前面描述的部分的构造和布置而不偏离本发明的精神或范围。

Claims (23)

1.一种喷枪，所述喷枪通过顶部浸没喷枪（TSL）喷射用来进行火法冶金操作，其中所述喷枪具有基本上同心的至少内管和外管，所述内管或至少最近的最内管的下出口端部被设置在所述火法冶金操作所需的相对于所述外管的下出口端部的一定水平；并且其中所述喷枪还包括罩壳，所述外管延伸通过所述罩壳并且所述罩壳安装在所述外管的上部上并且沿所述外管的上部延伸，以与所述外管限定一通道，气体能够沿所述通道被供应以便流向所述外管的出口端部，以便在所述喷枪外部排出，并且所述罩壳可以相对于所述外管纵向调节，以实现所述罩壳的出口端部和所述外管的出口端部之间的纵向间隔的基本上维持或变化。

2.权利要求1所述的喷枪，其中实现所述罩壳相对于所述外管的运动，以便维持所述罩壳和所述外管的出口端部之间的基本上恒定的纵向间隔，从而抵消在火法冶金操作中在所述喷枪的使用中所述外管的下端部的磨损和烧损，以便维持/控制矿渣和废气中的化学势。

3.权利要求2所述的喷枪，其中在所述操作的过程中所述罩壳和所述外管之间的相对运动可以是连续的或步进的。

4.权利要求3所述的喷枪，其中所述罩壳相对于所述反应器保持不动，所述外管能够穿过所述罩壳降低以抵消其下端部的磨损和烧损。

5.权利要求3所述的喷枪，其中所述喷枪实现所述罩壳相对于所述外管的运动，以提供所述罩壳相对于所述反应器的高度的调节，通过所述罩壳是可调节的，从而在熔池的体积改变时提供所述罩壳的下端部和熔融熔池的顶表面之间的基本上恒定的间隔，所述熔池的体积改变是由于矿渣的形成和/或熔融相或金属相的产生，或由于在所述操作的过程中从所述反应器分流出一相。

6.权利要求3所述的喷枪，其中所述罩壳相对于所述外管可调节，以便在活动位置和不活动位置之间移动所述罩壳，或在用来调节从所述罩壳的下端部排出的气体的冷却效果的强度的多个位置之间移动所述罩壳，或在气体用于后燃烧的目的的情况下在用来调节到所述熔融熔池的热能传递的速率的多个位置之间移动所述罩壳。

7.权利要求1到6的任何一项所述的喷枪，其中通过提供所述罩壳相对于多个管的每一个的纵向调节，所述多个管处于固定的关系。

8.权利要求1到6的任何一项所述的喷枪，其中所述罩壳以可调节的方式安装在所述外管上以使所述罩壳能够作为整体沿所述外管移动。

9.权利要求1到6的任何一项所述的喷枪，其中所述罩壳包括至少两个同心的套管，所述套管中的一个相对于所述外管固定，并且至少一个其它套管相对于固定的套管和所述外管可调节。

10.权利要求1到9的任何一项所述的喷枪，其中所述内管和外管的相对位置是纵向可调节的，从而使所述外管的下端部和最近的管的下端部之间限定的混合室的长度在使用时期期间能够被维持在希望的设置，以补偿所述外管的下端部磨损和烧损。

11.权利要求10所述的喷枪，其中所述内管的下端部具有从所述外管的下端部的基本上零偏移。

12.权利要求10所述的喷枪，其中所述内管的下端部从所述外管的下端部缩进，使得混合室被限定在所述内管的下端部和所述外管的下端部之间。

13.权利要求10到12的任何一项所述的喷枪，其中所述喷枪具有至少三个管，叶片在一个纵向边缘连接到所述外管的最近的最内管的外表面，其另一边缘邻近所述外管的内表面。

14.权利要求13所述的喷枪，其中除了所述外管外的管相对彼此纵向固定。

15.权利要求10到14的任何一项所述的喷枪，其中所述喷枪能够从一设施悬挂，所述设施可操作以相对于TSL反应器整体地升高或降低所述喷枪，并且其中所述喷枪通过所述设施降低支架实现所述内管和外管之间的相对纵向运动，在所述内管相对于所述支架升高时，通过所述支架整体支撑所述喷枪，或者通过在所述内管保持不动时降低所述内管，所述喷枪实现所述内管和外管之间的相对纵向运动。

16.权利要求1到15的任何一项所述的喷枪，其中相对于所述外管的下端部的所述罩壳的出口端部的水平能够通过所述罩壳和外管之间的相对运动被维持在对于内管所需的水平的±25mm内。

17.权利要求1到16的任何一项所述的喷枪，还包括驱动系统，通过所述驱动系统产生所述罩壳和所述外管之间的相对纵向运动。

18.权利要求17所述的喷枪，其中所述驱动系统可操作从而以预定的基本上恒定的速率产生相对运动。

19.权利要求17所述的喷枪，其中所述驱动系统是可变的以适应喷枪在其中使用的操作条件的变化。

20.权利要求17到19的任何一项所述的喷枪，其中所述驱动系统是手动可调节的。

21.权利要求17到19的任何一项所述的喷枪，其中所述驱动系统是通过远程控制可调节的。

22.权利要求17到19的任何一项所述的喷枪，其中所述喷枪包括或具有关联的传感器，所述传感器能够监视火法冶金操作的至少一个参数并且提供输出，通过所述输出可调节所述驱动系统。

23.权利要求1到22的任何一项所述的喷枪，还包括螺旋叶片或其它流动成形装置，所述螺旋叶片或其它流动成形装置在所述外管与所述内管之间的环形空间中纵向延伸，或者在所述喷枪具有至少三个基本上同心的管的情况下，在所述外管与所述外管和所述内管之间的最近的最内管之间的环形空间中纵向延伸。

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