CN103958994A - 用于顶部浸没喷射的流体冷却喷枪 - Google Patents

Abstract

TSL喷枪具有由三个基本同心的喷枪管构成的外壳，同心地位于外壳内的至少一个其他喷枪管；以及在喷枪的出口端处的环形端壁，环形端壁接合喷枪的出口端处的外壳的最外部喷枪管和最内部喷枪管的端部并且与外壳的中间喷枪管的出口端间隔开。通过流向出口端和离开出口端，冷却剂流体能循环经过外壳。端壁和中间管的出口端之间的间隔提供冷却剂流体的收缩部，以增加其间冷却剂流体的流速。所述其他喷枪管限定中心孔，并与外壳的最内部喷枪管间隔开，以限定环形通道，由此，经过孔和通道的材料在喷枪的出口端附近混合。端壁和外壳的长度的相邻的一小部分包括可更换的喷枪端部组件。

Description

用于顶部浸没喷射的流体冷却喷枪

技术领域

本发明涉及用于在熔池高温冶金操作中使用的顶部浸没喷射喷枪。

背景技术

需要熔池和含氧气体源之间相互作用的熔池熔炼或其它高温冶金操作采用若干不同的气体供应装置。通常，这些操作包括直接喷入熔融的冰铜/金属。这可通过Bessemer型熔炉中的底吹风口或Peirce-Smith型转炉中的侧吹风口进行。替代性地，能利用喷枪喷射气体，以提供顶吹或浸没式喷射。顶吹喷枪喷射的例子是KALDO和BOP炼钢设备，其中，从熔池上方吹纯氧以利用熔融的铁生产钢。顶吹喷枪喷射的另一个例子由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中，喷枪的下端部被浸没，使得喷射发生在熔池的炉渣层内而不是从熔池的炉渣层上方，从而提供顶部浸没喷枪(TSL)喷射，一个公知的例子是Outotec Ausmelt TSL技术，其能应用于许多金属加工。

在两种形式的从上方喷射(即，顶吹和TSL喷射)的情况中，喷枪经受遍布的高熔池温度。Mitsubishi铜工艺中的顶吹使用许多相对小的钢喷枪，该钢喷枪具有约50mm直径的内管和约100mm直径的外管。内管终止于远高于反应区域的大约熔炉顶板的高度。能旋转以防止它粘到熔炉顶板处的水冷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孔。尽管外管的下端部与熔池表面上方存在间隔，并通过经过喷枪的气体任意地冷却喷枪，但该外管每天烧损约400mm。因此，外管缓慢下降，并当需要时，新的段连接到外部的可消耗管的顶部。

用于TSL喷射的喷枪远远大于用于顶吹的那些喷枪，例如在上述Mitsubishi过程中。TSL喷枪通常具有至少内管和外管，如下面假定的，但可具有与内管和外管同心的至少一个其它管。典型的大型TSL喷枪具有直径为200至500mm或更大的外管。此外，喷枪长得多并且向下延伸穿过TSL反应器(该TSL反应器可为约10至15米高)的顶板，使得外管的下端部沉浸到熔池的熔融炉渣相中约300mm或更深的深度，但借助喷入其中的喷射气体流的冷却作用被外管的外表面上形成且保持的固化炉渣的层保护。内管可终止于约与外管相同的高度，或者处于外管的下部上方约1000mm的较高高度。因此，能是这样的情况，即，仅外管的下端部被浸没。在任何情况中，螺旋叶片或其它流动成形装置可安装在内管的外表面上以跨越内管和外管之间的环孔。该叶片沿环孔使空气或富氧气流具有强的旋流作用，并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内管的下端部下方由外管限定的混合腔中，其中，内管终止于外管的下端部上方足够的距离处。

TSL喷枪的外管在其下端部磨损且烧损，但与没有该层的情况相比，其速率由于保护性的冻结炉渣层而显著降低。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炉渣熔池的高反应和腐蚀性的环境中。TSL喷枪的内管可用于供应供给材料，例如，精矿、要被喷射到熔池的炉渣层中的助熔剂和还原剂，或者可用于燃料。通过管之间的环孔供应含氧气体(例如空气或富氧空气)。在熔池的炉渣层内的浸没喷射开始之前，喷枪布置成其下端部(即，外管的下端部)在炉渣表面上方间隔合适的距离。含氧气体和燃料(例如燃料油、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冲击到炉渣上的火焰喷射。这引起炉渣飞溅而在外喷枪管上形成炉渣层，该炉渣层被经过喷枪的气体流固化以提供上述固体炉渣层。然后，喷枪能降低以实现炉渣内的喷射，含氧气体持续经过喷枪以将喷枪的下部维持在一定温度，固化炉渣层被保持处于该温度并保护外管。

通过新的TSL喷枪，外管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)，是用于设计期间所确定的特别的高温冶金操作窗的最佳长度。对于TSL技术的不同用途，该最佳长度能是不同的。因此，在利用从炉渣到冰铜的氧传递将冰铜转变到粗铜的两阶段分批操作中，在用于将冰铜转变到粗铜的连续的单个阶段操作中，在用于还原含铅炉渣的过程中，或者在用于熔炼氧化铁供给材料以便生产生铁的过程中，都具有不同的相应最佳混合腔长度。然而，在每一种情况中，随着外管的下端部缓慢磨损和烧损，混合腔的长度逐渐降低到小于用于高温冶金操作的最佳值。类似地，如果在外管和内管的端部之间存在零偏移，则内管的下端部能变得暴露于炉渣，从而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，从而优化熔炼条件。

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高温冶金操作而变化。确定该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、喷枪流速等。在一些情况中，腐蚀磨损和烧损的速率相对高并且能使得在最差的情况中每天能损失数小时操作时间，这是由于需要中断处理以从操作中移除磨损的喷枪并使用另一喷枪取代该磨损的喷枪，而从使用中去除的磨损的喷枪被维修。这种停止可一天发生数次，每一次停止增加非处理时间。虽然TSL技术提供优于其它技术的显著益处(包括节省成本)，但用于更换喷枪的任何损失的操作时间带来显著的成本代价。

对于顶吹和TSL喷枪，已经建议利用流体冷却来保护喷枪不受在高温冶金过程中遇到的高温影响。在以下美国专利中公开了用于顶吹的流体冷却喷枪的例子：

Bertram等人的3223398，

Belkin的3269829，

De Saint Martin的3321139，

Zimmer的3338570，

Stephan等人的3411716，

Shepherd等人的3488044，

Ramacciotti等人的3730505，

Pfeifer等人的3802681，

McMinn等人的3828850，

Johnstone等人的3876190，

Jaquay等人的3889933，

Desaar等人的4097030，

Schaffar等人的4396182，

Okane等人的4541617，以及

Dunne的6565800。

除了Bertram等人的3223398和Belkin的3269829，所有这些参考资料都采用被布置为使得流体沿供应通道流到喷枪的出口端部并沿返回通道从端部返回的同心的最外部管，但Bertram等人使用将这种流限制于喷枪的喷嘴部分的改型。而Belkin提供冷却水，冷却水穿过出口沿内管的长度前行以与沿内管和外管之间的环形通道供应的氧气混合，从而作为具有氧气的蒸汽被喷射。水的加热和蒸发对Belkin的喷枪进行冷却，而产生和喷射的流将热量带回熔池。

Themelis的美国专利3521872、Bennett等人的4023676和Hayden,Jr.的4326701旨在公开用于浸没喷射的喷枪。Themelis的方案类似于Belkin的US3269829。每个均使用通过将水加入气体流并依赖于喷射流的蒸发来冷却喷枪，该配置不同于利用通过闭合系统中的热传递来冷却喷枪。然而，Themelis的布置不具有内管并且沿单个管供应气体和水，其中水被汽化。Bennett等人的方案，尽管被称作喷枪，但更类似于风口，其中，它在熔融的黑色金属的表面下方喷射经过容纳熔融金属的熔炉的外周壁。在Bennett等人的方案中，用于喷射的同心管在陶瓷套管内延伸，而冷却水循环经过包围在陶瓷中的管。对于Hayden,Jr.等人的情况中，仅在喷枪的上部提供冷却流体，而下部至可浸没的出口端包括被包围在耐火水泥中的单个管。

Themelis强调了现有技术方案的限制。此讨论涉及通过喷射氧气精炼铜。铜的熔点为约1085℃，Themelis指出在约1140℃至1195℃的过热温度下进行精炼。在这样的温度下，由最好的不锈钢或合金钢制成的喷枪具有很小的强度。因此，即使顶吹喷枪通常采用循环流体冷却，或者在Bennett和Hayden,Jr.等人的浸没喷枪的情况下，采用耐火或陶瓷层。Belkin的US3269829的进步，以及Themelis提供的对Belkin的改进，是采用能通过蒸发混合在喷射气体内的水来实现有效冷却。在每种情形中，蒸发在喷枪内实现并冷却喷枪。Themelis对Belkin的改进在于在冷却剂水供应到喷枪之前雾化冷却剂水，避免喷枪结构故障以及由将液态水喷射到熔融金属内导致爆炸的风险。

Dunne的美国专利6565800公开用于利用惰性载体将固体微粒材料喷射到熔融材料中的固体喷射喷枪。就是说，喷枪仅用于将微粒材料传送到熔化物中，而不是作为使材料混合并进行燃烧的装置。喷枪具有中央芯管，颗粒材料能被吹送通过中央芯管并且与芯管的外表面直接热接触，喷枪还具有双壁护罩，例如水的冷却剂能通过该护罩循环。护罩沿芯管的部分长度延伸，以在喷枪的出口端处留出芯管的突出长度。喷枪具有至少1.5米的长度并且根据实际图纸，显然，护罩的外径约为12cm，芯管的内直径约为4cm。护罩包括焊接在一起的连续长度，主要长度为钢，较靠近喷枪的出口端的端部段为铜或铜合金。内管的突出的出口端为不锈钢，以有助于更换，其通过螺纹接合连接到内管的主要长度。

Dunne的US6565800的喷枪被认为适用于生产熔融黑色金属的HIsmelt方法，喷枪能喷射氧化铁供给材料和碳质还原剂。在此背景下，喷枪暴露于不友好环境，包括约1400℃的操作温度。然而，如以上参照Themelis表明的，铜的熔点为约1085℃，并且即使在约1140℃至1195℃的温度下，不锈钢具有很小的强度。也许Dunne的方案适用于HIsmelt方法的环境中，给定冷却护罩截面与芯管截面之间约8:1的高比率，以及小的总相关截面。Dunne的喷枪不是TSL喷枪，也不适用于TSL技术。

用于基于TSL技术的高温冶金过程的喷枪的例子由Floyd的美国专利4251271和5251879以及Floyd等人的美国专利5308043提供。如以上详细描述的，通过利用用于顶吹的喷枪将炉渣初始地飞溅到熔融炉渣层上，以在喷枪上实现炉渣保护层，炉渣保护层通过产生飞溅的高速顶吹气体固化。固态炉渣层被保持，但之后降低喷枪以将下出口端浸没在炉渣层中，从而能在炉渣内进行所需的顶部浸没喷枪喷射。Floyd的美国专利4251271和5251879的喷枪以下述方式操作，即，仅借助在美国专利4251271情况下的被喷射的气体，和借助该气体加上在美国专利5251879情况下中经过护罩管被吹送的的气体，进行冷却以保持固态炉渣层。然而，对于Floyd等人的美国专利5308043的冷却，除了通过喷射气体和经过护罩管被吹送的气体进行提供之外，还通过循环经过喷枪的三个外管限定的环形通道的冷却流体来提供。这通过提供在喷枪的出口端处围绕喷枪的圆周接合三个管中的最外部管和最内部管的固态合金钢的环形端部称为可能。通过喷射气体并且也通过流过端部的上端面的冷却剂流体，环形端部被冷却。环形端部的实心的形式及其由合金钢制造导致端部具有良好的耐磨损和烧损水平。该配置使得在必须更换端部之前能达到实际操作寿命，以便防止发生喷枪不能使冷却流体排到熔池中的风险。

本发明涉及用于TSL操作中使用的改进的流体冷却的、顶部浸没喷射喷枪。本发明的喷枪提供对Floyd等人的美国专利5308043的喷枪替代性选择，并能至少以优选的形式提供优于该专利的喷枪的益处。

发明内容

在第一方面，本发明提供用于在熔池的炉渣层内进行顶部浸没喷枪喷射的喷枪，其中，喷枪具有由三个基本同心的喷枪管构成的外壳，和基本同心地被包含在且被布置在外壳内的至少一个其他喷枪管。在喷枪的出口端处具有环形端壁，环形端壁接合喷枪的出口端处的外壳的最外部喷枪管和最内部喷枪管的相应端部并且与外壳的中间喷枪管的出口端间隔开。该配置使得冷却剂流体能循环经过喷枪的外壳，例如，通过在外壳的最内部喷枪管和最外部喷枪管之间沿外壳流到出口端，然后通过在外壳的中间喷枪管和最外部喷枪管之间流动而离开出口端沿喷枪返回，或与此流动布置相反。端壁和外壳的三个管中的每个的长度的一小部分包括可更换的喷枪端部组件，由此能从三个喷枪管中每个管的长度的相邻的主要部分切掉烧损或磨损的喷枪端部组件，以将新的或经维修的喷枪端部组件焊接就位。外壳的端壁在喷枪的出口端处并限定喷枪的出口端。此外，至少一个其他喷枪管限定中心孔，并且至少一个其他喷枪管与外壳的最内部喷枪管间隔开，以在其间限定环形通道，由此经过孔和通道的材料能在炉渣层内进行喷射的喷枪的出口端附近混合。

必要地，本发明的TSL喷枪具有大尺寸。此外，在离开出口端的位置处，例如邻近上部或入口端，喷枪具有使其能悬挂的结构，从而在TSL反应器内竖直向下悬吊。喷枪具有约7.5米的最小长度，例如用于专用的小型TSL反应器。喷枪长度可达到约25米或更长，例如用于专用大型TSL反应器。更常见地，喷枪的长度的范围为约10至20米。这些尺寸涉及喷枪的直到由外壳的端壁限定的出口端的总长度。至少一个其他喷枪管可延伸到出口端，并因此具有类似的总长度。但是，至少一个其他喷枪管能在出口端向内终止于一短距离处，例如达到约1000mm。喷枪通常具有大的直径，例如外壳的内直径被设定为约100至650mm，优选约200至6500mm，并且总直径为150至700mm，优选约250至550mm。

端壁与外壳的中间喷枪管的出口端间隔开。但是，出口端与端壁之间的间隔例如用于提供冷却流体的流动的收缩部，收缩部导致横跨端壁和中间喷枪管的出口端及在其间的冷却剂流体的流速增加。该配置可使得横跨端壁的冷却剂流体的流动为相对薄的薄膜或流的形式，薄膜或流优选可操作成抑制冷却剂流体中的湍流。为了改进此流动，能合适地使外壳的中间喷枪管的端部成形。因此，在一个布置中，中间喷枪管的端部能限定外周圆缘部件，圆缘部件具有面朝端壁的径向弯曲的凸面。利用这种圆缘部件，端壁能具有互补的凹面形式。例如，在径向截面中，圆缘部件可为球状或外圆角形式，或可为泪滴或类似的圆形形式，而端壁能具有凹半环形式。利用这种相对的凸凹形式，中间喷枪管的出口端和端壁之间的收缩部能是喷枪的主要径向部分(即，在包含喷枪的纵向轴线的平面中)。这能相对于沿喷枪直到收缩部的冷却剂流体的流动增大冷却剂流体的每单位质量流量的冷却剂流体与圆缘部件和端壁中每个的表面与表面接触的比例，并由此增加从喷枪的出口端吸取的热能。

在一个布置中，中间喷枪管的出口端处的圆缘部件具有泪滴形状或截面(即，在包含喷枪的纵向轴线的平面中)基本是圆形的。在这些情形中，在那些平面中，凹半环形形式的端壁(端壁由此具有与圆缘部件互补的形式)的截面可是基本半圆形的。因此，圆缘部件和端壁能紧邻，以便在冷却剂流体流路中提供收缩部，该流路能延伸经过达到约180°的角度，例如从90°至180°，由此冷却剂流体流路从朝向喷枪的出口端流动改变为离开出口端流动。必然地，仅由于方向逆转流动改变经过约180°的角度。然而，与中间喷枪管不提供流动收缩部的配置不同，收缩部的提供迫使流变为相对薄的薄膜或流，相对薄的薄膜或流从外壳的最内部喷枪管的外表面弧形地扫过外壳的最外部喷枪管的内表面。

收缩部可从在中间喷枪管的外表面和最外部管的内表面之间从圆缘部件持续。收缩部可延伸经过可更换的喷枪端部组件的至少轴向长度，这是由于中间喷枪管在相对于最内部和最外部喷枪管的厚度的轴向长度上具有增大的厚度。在这种情形中，中间和最外部喷枪管之间的收缩部可在周向上连续，或者可是不连续的。在后者情形中，中间喷枪管的外表面可限定离开出口端延伸的肋。肋可靠着最外部喷枪管的内表面，在连续的肋之间能产生被收缩的流。替代性地，肋可与最外部喷枪管的内表面稍微间隔开，被收缩的流能发生在肋和最外部喷枪管之间，并且不被收缩或被较少地收缩的流能产生在连续的肋之间。肋可平行于喷枪的轴线延伸或围绕轴线螺旋地延伸。

为了在冷却剂流体的流中提供合适的收缩部而使中间喷枪管的出口端成形可能不如由提供圆缘部件产生的效果明显。在可更换喷枪端部组件的至少轴向长度上，中间喷枪管可相对于最内部和最外部喷枪管具有增大的厚度，如上所述。成形可包括在增厚部分的长度的外表面附近在出口端处从中间喷枪管的端部变圆。收缩部可延伸跨过中间喷枪管的边缘至被增厚部分的长度的外表面。外表面可是在周向上连续的或在周向上是不连续的，例如通过提供平行于喷枪轴线或围绕轴线螺旋地延伸的肋，如上所述。因此，收缩部能延伸经过至少90°的角度，端壁的弯曲能有助于超过90°的角度，例如达到约120°。

在第二方面，本发明的喷枪具有罩，喷枪延伸经过该罩。罩具有三个基本同心的罩管，其中，最内部罩管的内直径大于TSL喷枪的最外部喷枪管。在罩的出口端处具有环形端壁，环形端壁接合最外部罩管和最内部罩管的相应端部并且与中间罩管的出口端间隔开。该配置使得冷却剂流体能循环经过罩，例如，通过在最内部罩管和最外部罩管之间沿罩流到出口端，然后通过在中间罩管和最外部罩管之间流动而离开出口端沿罩返回，或与此流动布置相反。端壁和三个罩管中的每个罩管的长度的相邻的一小部分可包括可更换的罩。由此，能从三个罩管中每个罩管的长度的主要部分切掉烧损或磨损的罩端部组件，以将新的或经维修的罩端部组件焊接就位。

端壁与中间罩管的出口端间隔开。但是，出口端与端壁之间的间隔用于提供冷却流体的流动的收缩部，收缩部导致横跨端壁和中间罩管的出口端及在其间的冷却剂流体的流速增加。该配置可使得横跨端壁的冷却剂流体流为相对薄的薄膜或流的形式，薄膜或流优选可操作成抑制冷却剂流体中的湍流。为了改进此流，能合适地使中间罩管的端部成形。因此，在一个布置中，中间罩管的端部可限定圆缘部件，圆缘部件具有面朝端壁的径向弯曲的凸面。利用这种圆缘部件，端壁可具有互补的凹面形式。例如，圆缘部件可以为泪滴或类似形式，而端壁可具有凹半环形式。利用这种相对的凸凹形式，中间罩管的出口端和端壁之间的收缩部能是罩的主要径向部分(即，在包含罩的纵向轴线的平面中)。这能相对于沿罩直到收缩部的冷却剂流体增大冷却剂流体的每单位质量流量的冷却剂流体与圆缘部件和端壁中每个的表面与表面接触的比例，并由此增加从罩的出口端吸取的热能。在一个布置中，中间罩管的出口端处的圆缘部件具有泪滴形状或截面(即，在包含罩的纵向轴线的平面中)基本是圆形的。在这些情形中，在那些平面中，凹半环形形式的端壁(端壁由此具有与圆缘部件互补的形式)的截面可是基本半圆形的。因此，圆缘部件和端壁可紧邻，以便在冷却剂流体流路中提供收缩部，该流路能延伸经过达到约180°的角度，例如从90°至180°，由此冷却剂流体流路从流向罩的出口端改变为离开出口端流动。与中间罩管不提供流动收缩部的配置不同，提供收缩部迫使流变为相对薄的薄膜或流，相对薄的薄膜或流从最内部罩管的外表面弧形地扫过到达最外部罩管的内表面。

与本发明的喷枪类似，收缩部可在中间罩管的外表面和最外部罩管的内表面之间从圆缘部件持续。收缩部延伸经过可更换的罩端部组件的至少轴向长度，这是由于中间罩管在相对于最内部和最外部罩管的厚度的轴向长度上具有增大的厚度。在这种情形中，中间和最外部罩管之间的收缩部可在周向上连续，或者可是不连续的。在后者情形中，中间罩管的外表面可限定离开出口端延伸的肋。肋可靠着最外部罩管的内表面，被收缩的流能发生在连续的肋之间。替代性地，肋可与最外部罩管的内表面稍微间隔开，被收缩的流能发生在肋和最外侧的罩管之间，并且不被收缩或被较少地收缩的流能发生在连续的肋之间。肋可平行于罩的轴线延伸或围绕轴线螺旋地延伸。

为了在冷却剂流体的流中提供合适的收缩部而使中间罩管的出口端成形可能不如由提供圆缘部件产生的效果明显。在可更换罩端部组件的至少轴向长度上，中间罩管可相对于最内侧和最外部罩管具有增大的厚度，如上所述。成形可包括在增厚部分的长度的外表面附近在出口端处从中间罩管的端部变圆。收缩部可延伸跨过中间罩管的边缘到达增厚部分的长度的外表面。外表面可是在周向上连续的或在周向上是不连续的，例如通过提供平行于罩的轴线或围绕轴线螺旋地延伸的肋，如上所述。因此，收缩部能延伸经过至少90°的角度，端壁的弯曲能有助于超过90°的角度，例如达到约120°。

在第三方面，本发明提供与根据第二方面的罩组合的根据第一方面的喷枪，喷枪和罩组装在一起，其中喷枪延伸经过罩以在喷枪的外壳的三个喷枪管的最外部管和最内部罩管之间限定环形通道，罩的出口位于喷枪的端部的中间并朝喷枪的出口端开口。

根据本发明的端部组件具有同心的内和外套管构件，它们在端部组件的一端通过环形端壁接合在一起。端部组件还具有中间套管构件，其包括位于内和外套管构件之间邻近端壁的导流件。导流件具有其至少一个表面部分，该表面部分与端壁以及内和外套管构件中的至少一个的相对表面的至少一部分协作，以控制其间的冷却剂流体的流速，以便实现从组件吸取热能。

内和外套管构件及将它们接合的端壁可一体形成以包括单个部件的端部组件。为此，它们可由单件合适的金属(例如钢坯)形成。端部组件被要求有助于冷却，并且因此，内和外套管构件和端壁优选由合适的材料形成。在许多例子中，高热导率的材料是合适的，例如，铜或铜合金。

导流件也可由高热导率材料形成，例如铜或铜合金。但是，导流件的热导率不那么重要，因为在使用时导流件基本在其整个表面区域上与冷却剂流体接触。因此，导流件的温度不会上升到高于冷却剂流体的温度。因此，可以根据其它原因选择制成导流件的材料，例如，成本、强度和制造容易度。例如，导流件可由合适的钢，例如不锈钢，制成。导流件可由合适的材料件形成，或者，如果需要的话，可铸造导流件，并且至少在其协作以控制冷却剂流体流速的表面区域受到表面处理。

在端部组件中，相对于内和外套管构件和端壁，导流件通过与那些构件和壁连接而保持在所要求的位置。为此，导流件可被固定到端壁、内和外套管构件之一或被固定到套管构件之一的环形延伸部。作为实际问题，更方便的是固定到套管构件或套管构件的延伸部上。但是，在每种情形中，固定优选允许导流件和固定到其上的构件、延伸部或壁之间的流体流动。为此，在多个周向间隔开的位置处进行固定。最方便的是，通过在每个位置被附接(例如通过焊接)到导流件和导流件被固定于其上的构件、延伸部或壁上的各个翅状件、挡块或锁定装置进行固定。然而，在替代性布置中，在端部组件连接为喷枪的一部分的情况下，可纵向调节导流件以改变收缩部能减小冷却剂流体流速的水平。例如，可通过相对于喷枪的最内侧和最外部管纵向调节导流件所连接到的喷枪的中间管进行这种调节。

在一个合适的布置中，导流件被固定为使得其外部和端部周缘表面分别紧邻外套管构件的相对内周表面和端壁的内表面。此外，利用如此固定的导流件，邻近其端面的其内周表面的一部分可紧邻内套管构件的相对外周表面的一部分。各个相对表面可基本均匀地分开。分开的距离优选小于与端面间隔开的导流件的内表面的一部分与内套管构件的相对外周表面之间的分开距离。该配置使得流体能通过在导流件和内套管构件之间朝端壁行进，横跨端壁，然后在与端面间隔开的导流件和离开端壁的外套管构件之间离开端壁而流过端部组件。利用这种流动，导致在紧邻的相对表面之间经过的冷却剂流体相对于流过导流件和内套管构件之间的较宽间隔的流动流速增加。然而，应该注意，冷却剂流体的能沿与所示方向相反的方向流动，并且也相应地改变导流件与内和外套管构件之间的布置。

导流件的外周表面在其紧邻外套管构件的相对内表面处可具有基本一致的圆形截面。因此，那些紧邻的表面之间可具有被设计用于实现合适的流量和速度以便促进热传递(这确保端部材料的表面温度保持低于产生损坏的温度)的基本一致的环形截面的通道。例如，那些表面之间的分开距离可为约1至25mm，更优选为1至10mm，并且该距离将根据所使用的流体和需要的排热率而改变。然而，在替代性布置中，导流件的外表面可具有除基本圆形截面之外的截面。

在第一替代性布置中，导流件的外表面可是“腰状的”，使得相对表面之间的间隔沿离开导流件的端面的方向增大。在另外的替代方案中，导流件的外表面可具有用于使冷却剂流体产生螺旋流动的单头或多头螺旋肋或槽结构。在另一替代方案中，导流件的外表面可具有沿离开导流件的端面的方向延伸的交替的肋和槽。

可仅在喷枪的出口端处设置端部组件。替代性地，对于有罩的喷枪，端部组件可限定喷枪及其罩之一或两者的排放端。

喷枪和罩都具有细长形式，喷枪的外壳和罩具有类似的构造。当然，与喷枪的外壳相比，罩具有较大的直径，同时还具有较短的长度。然而，罩和喷枪的外壳都具有三个同心管，包括外管、内管和中间管。此外，罩和外壳都可具有设置在其排放端处的端部组件。为了便于进一步描述，罩和喷枪的外壳的同心管都被称作“外壳”。

在端部组件限定(罩或喷枪的)外壳的排放端的位置，外壳的内和外管分别以端对端关系与端部组件的内和外套管构件接合。此外，外壳的中间管联接到端部组件的导流件。

如上所示，端部组件的内和外套管构件和端壁可由高热导率的材料形成，例如铜或铜合金。然而，外壳的管不需要具有这样的高热导率。因此，它们能由所选的满足其它标准(例如，成本和/或强度)的材料制成。在一个方便的布置中，内管和中间管由不锈钢制成，例如316L，外管由碳钢制成。对于外管，暴露于高温和除冷却剂流体(例如水)之外的处理气体更可能是其有效工作寿命的决定性因素，而对于内管和中间管，耐冷却剂流体腐蚀是相关因素。

内和外管最优选通过焊接与端部组件的内和外套管构件接合。每个管可被直接焊接至各自的套管构件。然而，对于至少一个管和各自的套管构件，优选是对于每个管及其套管构件，管和套管构件都可被焊接到设置在其间的延伸管。例如，至少在铜或铜合金以及钢构件之间进行焊接的位置，优选利用可消耗的铝青铜形成焊接。外壳的中间管和端部组件的导流件协作的方式可是类似的。

对于本发明的喷枪和罩中的每一个，如果不是收缩部的话，冷却剂的质量流量可小于所需。因此，较低输出的泵能用于给定冷却剂流体。合适的质量流量将随所选的流体冷却剂而变。通过指定高温冶金方法所需的冷却量设定指定喷枪和冷却剂流体的冷却剂流体质量流量。因此，质量流量能发生显著变化。在本发明的优选形式中，冷却剂流体的流动与冷却剂流体的出口温度相关。因此，喷枪可设有用于监控温度的传感器。该配置优选基于当时的排热需求使用于循环冷却剂流体的能量最小化。

在利用水作为流体冷却剂的情况下，根据所使用的流体和应用，对于喷枪，质量流量的范围可是500至2000l/min，对于罩来说是类似的。此外，利用水作为冷却剂流体，收缩部优选导致经过收缩部的流体流速是该收缩部的上游的流速的6至20倍。此外，对于水作为冷却剂流体，罩的收缩部优选导致流速增加倍数与对于喷枪的情形相同。

附图说明书

为了使本发明能被更容易地理解，现在参照附图，在附图中：

图1是根据本发明的喷枪的一个形式的示意图；

图2是根据本发明的有罩的喷枪组件的下部的剖视图；以及

图3至7示出图2的有罩的喷枪组件的部件的替代形式的各立体图。

具体实施方式

图1示意性地图示根据本发明的一个实施例的TSL喷枪L。喷枪L具有四个同心管P1至P4，其中管P1至P3形成外壳S的主要部分，外壳S还包括环形端壁W。在所示布置中，对于所需的高温冶金过程，通过沿管P4的孔向下喷射燃料并通过管P3和P4之间的环形通道A向下喷射空气和/或氧气，喷枪L能在熔池的炉渣层内进行顶部浸没喷射。如所示的，管4终止于喷枪L的下部出口端E上方，以提供混合腔M，在混合腔M中能混合燃料与空气和/或氧气以用于燃烧燃料。控制燃料与氧气的比例，以便在炉渣内产生需要的氧化、还原或中性条件。将未燃烧的任何燃料喷射到炉渣内，以在需要还原条件时形成还原剂需求的一部分。

外壳S的端壁W在喷枪L的出口端E处围绕管P1和P3的整个圆周接合管P1和P3的端部。此外，管P2的下端与端壁W间隔开。如所示的，冷却剂流体能循环经过外壳S。在图1中，示出冷却剂流体在管P2和P3之间被向下供应以用于围绕管P2的下端流动并在管P1和P2之间向上返回。然而，如果从管P1吸取较少量的热能是特别合适的，则能使用该流动的逆向。

除了在喷枪L的下端E处之外，外壳S在所示的正常使用取向具有基本恒定的水平截面。然而，在端部E处，通过管P2的下端的形式及其与管P3和端壁W的协作提供收缩部C。如所示的，管P2的下端承载有增大的圆缘部件B，其大体具有圆环形式以便径向截面为泪珠形状，或者为大体圆形(即，在包含喷枪L的纵向轴线X的平面中)。此外，外壳S的环形端壁W的面对着圆缘部件B的表面为互补的凹半圆环形并且圆缘部件B被放置为使得其下部凸面紧邻但不接触端壁W的凹面。该配置使得冷却剂流体在管P2和P3之间向下流动时的流速基本恒定，直到冷却剂流体达到圆缘部件B的上部凸面，之后流速逐步增大。流速增大发生在围绕圆缘部件B的上部流过约90°的角度时，围绕圆缘部件的下半部在圆缘部件B和端壁W之间流动时该增大达到最大值。冷却剂流体围绕圆缘部件B的下半部流过约180°的角度时保持最大流速。之后，随着冷却剂流体经过圆缘部件B的上半部，流速减小，在管P1和管P2之间向上流动时达到最小值。收缩部C主要由圆缘部件B的下半部和端壁W之间的间隔限定，但是收缩部C开始于在管P3中围绕圆缘部件B的上表面流动90°。

在收缩部C内的冷却剂流体流速增大增加了冷却剂流体的每单位质量流量的冷却剂流体与圆缘部件B和端壁W中每个的表面与表面接触的比例。因此，增加了从喷枪L的出口端E吸取的热能。这是尤其有益的，因为在喷枪L的浸没下端处的烧损和磨损往往是最大的并设定了用于维修喷枪的停止之间的时间间隔。

图2的剖视图示出处于使用取向的有罩的喷枪组件10。如所示的，组件10包括多个同心的管状构件。这些构件包括环形罩12和延伸经过环形罩12以在其间限定环形通道16的喷枪14。图2仅示出组件10的下部。但是，如从图2可见的，喷枪14长于罩12并在组件10的下端突出超过罩12。由于在所示的使用取向省略了喷枪14在罩12下方的部分，因此从图2看不到喷枪14突出超过罩12的程度。

为管状构件的喷枪14包括最内部管18和围绕管18的外壳20，外壳20终止于外壳20下端处的环形端部组件22。管18短于喷枪14，以便延伸到环形端部组件22内并终止于环形端部组件22内。管18限定中心通道24。此外，环形通道26被限定在管18和外壳20之间。该配置使得含碳燃料和含氧气体能在压力下沿各自通道24和26通过，并在组件22内在管18端部处的混合腔27中混合，以用于燃烧燃料并产生从腔27延伸并超过组件22的燃烧区域。

喷枪14的外壳20由内管28、外管30和中间管32以及围绕端部组件22的整个圆周接合管28和30的端部的环形端壁40形成。环形通道42被限定在外壳20的内管28和中间管32之间。此外，环形通道44被限定在外壳20的中间管32和外管30之间。通道42和44因为端壁40和中间管32的相邻端之间的间隔而连通。因此，冷却剂流体能沿通道42经过外壳20及其组件22，然后沿通道44返回。

端部组件22的中间管32具有与外管30紧邻的圆柱形外表面。因此，通道44在其径向宽度方面(至少在组件22内，但优选也沿外壳20的整个长度)较窄。尽管随喷枪直径变化，但在组件22内(但优选也沿外壳20的整个长度)中间管32和外管30之间的间隔可是约5mm至10mm，例如约8mm，并且相对于中间管32的下端处在底壁上方的一小段距离稍大。相反，外壳20的内管28和中间管32之间的通道42较宽，例如在15至30mm之间。但是，端部组件22内的中间管32的内周表面呈截锥状地有锥度，以便在朝向端壁40延伸的方向上增加厚度并减小内径。因此，在组件22内通道42的径向宽度逐渐减小。该减小优选是实现通道42的径向宽度类似于通道44的径向宽度。此外，端壁40和管32的相邻端之间的间隔类似于通道44的径向宽度。因此，使得在压力下沿通道42供应的冷却剂流体在管28和32之间流动时速度逐渐增大，并且以高流速流过端壁40并沿通道44流动。因此，冷却剂流体能实现从喷枪14的外表面(在其外壳20和端部组件22处)吸取大量热能，因而保护喷枪免受在使用中受到高温影响。

限定端部组件22的喷枪14的端部是受到磨损和烧损最多的区域。该配置使得管28、30和32的下端能被切掉并例如通过焊接更换被安装的端部组件22。被切掉和更换的长度能例如根据喷枪14的出口被浸没的深度来改变。

喷枪14的中间管32能与管28和30并与端壁40保持固定关系。这能通过任何方便的配置实现。固定关系保持冷却剂流体沿通道42流动并沿通道44返回的流路，以便如果需要的话，能通过改变供应到通道42的冷却流体的速度来保持所需的冷却剂流体吸取热能的速度。能通过设置在壁40的上表面或管32的端面周围位置处的一些小凹陷或其它合适形式的间隔件确保固定关系的建立和保持。这类间隔件还有助于避免喷枪14中不应当发生的振动。

现在描述罩12，应注意到，除了形成罩12的管的较大相应直径以及罩12的长度之外，罩12的结构与外壳20及其端部组件22的结构相同。因此，罩12的部件具有与外壳20及其组件22相同的附图标记、加上100。因此，除了应注意其具有外壳120和端部组件122之外，不必进一步描述罩12。

利用喷枪组件10，直到罩12的喷枪14的外表面设有固化的炉渣层，如上所述的，这种层还可形成在罩12的外表面的下部上。之后，喷枪14的下端在形成层的炉渣熔池中浸没至所要求的深度，但是罩12的下部在熔池上方间隔开。在含有炉渣熔池的反应器中进行的高温冶金反应通常产生从炉渣散发到熔池上方的反应器空间的可燃气体，主要是一氧化碳和氢气。如果需要的话，这些气体能被二次燃烧，由此能通过炉渣回收热能。为此，通过被供应到通道16的下端并从通道16的下端流出，能将含氧气体供应到反应器空间。

罩12的主要冷却借助于沿通道142流动并沿通道144返回而循环的冷却剂流体，虽然一些进一步的冷却是借助通过通道16被喷射的、在炉渣熔池的表面上方的气体实现的。利用喷枪14，通过以低于音速的速度喷射经过通道26的高速气体能实现主要冷却，而通过沿通道42流动并沿通道44返回而循环的冷却剂流体实现进一步的主要冷却。通过改变被循环的冷却剂流体的质量流量能改变喷枪14的两种冷却作用之间的平衡。此外，相对于通道42中的流速，由通道44(至少在组件22内)的窄宽度提供的收缩部引起的冷却剂流体的增大的流速提高从组件22和外壳20的下部吸取的热能。因此，通过所导致的磨损和烧损(尤其是在组件22处)的减小而增加了喷枪的工作寿命。

图1的喷枪L和图2的喷枪10的布置成使得冷却剂流体能循环经过喷枪的外壳，例如，通过在外壳的最内部的喷枪管和中间喷枪管之间流动而沿外壳到达出口端，然后通过在外壳的中间喷枪管和最外部喷枪管之间流动而离开出口端沿喷枪返回，或与此流动布置相反。外壳S、20的相应端壁W、40和三个喷枪管中的每个喷枪管的长度的相邻的一小部分包括可更换的喷枪端部组件，由此能从三个喷枪管中的每个喷枪管的长度的一小部分切掉烧损或磨损的喷枪端部组件，以使新的或经维修的喷枪端部组件焊接就位。外壳S、20的端壁W、40在喷枪的出口端处并限定该出口端。此外，至少一个其他喷枪管P4、18限定中心孔24，并且至少一个其他喷枪管P4、18与外壳S、20的最内部的喷枪管间隔开，以在其间限定环形通道A、26，由此，经过孔和通道的材料能在被喷射到炉渣层内时在喷枪的出口端附近混合。

必要地，TSL喷枪L、10具有大尺寸。此外，在远离出口端的位置处，例如邻近上部或入口端，喷枪具有使其能悬挂从而在TSL反应器内竖直向下悬吊的结构(未示出)。喷枪L、10具有约7.5米的最小长度，但对于专用大型TSL反应器，长度可达到约20米或更长。更常见地，喷枪的长度的范围为约10至15米。这些尺寸涉及喷枪的直到由外壳的端壁限定的出口端的总长度。至少一个其他喷枪管P4、18可延伸到出口端，并因此具有类似的总长度，但是如所示的，可在出口端向内终止于一短距离处，例如达到约1000mm。喷枪通常具有大的直径，例如外壳的内径被设定为约100至650mm，优选约200至500mm，并且总直径为150至700mm，优选约250至550mm。

图3至7分别示意性地图示包括喷枪14的端部组件22的管38和/或罩12的管138的导流件(baffle)的各个替代形式，但在喷枪14中使用的导流件不需要与用于罩12中的导流件类型相同。图3的管60与图2的管38或管138不同。管38和138中的每个具有与相应的外管36、136基本均匀地间隔开的圆柱形外表面，从而使得在通道44中在其间保持基本恒定的冷却剂流体流速。相反，管60的外表面形状设置成使得：当在通道44中向上流动时，在由于管60下端处的较大外径导致的流速下降之后，流体流速逐渐降低。经过这种下降(其不会下降到低于提供从外管36和/或136去除所需热能的程度)，能实现从端部组件22和/或122的下端良好地去除能量。

图4和5的各个管62和64的外表面也与管38、138的配置不同。尽管管62和64示出各自的形式，但是它们获得类似的结果。在管62的情况下，突出的螺旋形缘、筋或脊63围绕圆柱形外表面以螺旋的形式延伸并且可是连续的或间断的，例如当采用叶片配置时。相反，管64的外表面具有形成在其中的螺旋槽65。在每种情形中，冷却剂流体被约束为在通道44和/或144中(至少在间断组件22和/或122内)螺旋地流动。围绕管62的筋或脊63被示出具有圆形截面，并且可由点焊到管62上的线提供。然而，筋或脊63能具有其它截面形式，而管64的槽65能具有除所示矩形形式之外的截面形式。

图6的管66的总体形式类似于管38和138。然而，其不同之处在于具有邻近其下端的贯穿其的周向孔67的阵列。除在管66的下端附近经过的流之外，冷却剂流体能穿过孔67。因此，能更有效地从设有管66的喷枪14和/或114的下端去除热能。

图7的管68在其外表面上设有纵向凹槽或槽69的阵列，从而形成纵向脊70。在此情况下，冷却剂流体流速的增加程度小于未形成槽69的情况。就是说，流速取决于管68的外表面的平均半径。

图2的配置的各个管38和138，以及图3至7的各个管60、62、64、66和68可由任何合适的方式来生产。例如，管可利用合适的金属坯料机加工或锻造，或通过将合适的金属铸造为基本最终形式。

冷却剂流体可是任何合适的液体或气体。冷却液是优选的，并且能使用的冷却液包括水、离子液和其它合适的聚合物材料，包括例如硅氧烷的有机硅化合物。能使用的特定的硅聚合物的例子包括能购买的属于Dow Corning Corporation的商标为SYLTHERM的热传递流体。

最后，应该理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，能对前述部件的结构和布置进行各种改变、修改和/或增补。

Claims (20)

1.一种在高温冶金方法中在熔池的炉渣层内的顶部浸没喷枪喷射中使用的喷枪，其中喷枪具有由三个基本同心的喷枪管构成的外壳，这三个喷枪管包括最外部管、最内部管和中间管，所述喷枪包括在外壳内基本同心地布置的至少一个其他喷枪管，并且所述外壳还包括在喷枪的出口端处的环形端壁，环形端壁接合喷枪的出口端处的外壳的最外部喷枪管和最内部喷枪管的相应端部并且与外壳的中间喷枪管的出口端间隔开，由此通过在最内部喷枪管和最外部喷枪管之间流到出口端，然后通过在中间喷枪管和最外部喷枪管之间流动而离开出口端沿喷枪返回，或与此流动相反，冷却剂流体能循环经过外壳，在端壁和中间管的出口端之间的间隔提供冷却剂流体的流动的收缩部，所述收缩部可操作成使端壁和中间管的出口端之间的冷却剂流体流速增加，所述至少一个其他喷枪管限定中心孔，并且所述至少一个其他喷枪管与外壳的最内部喷枪管间隔开，以在其间限定环形通道，从而经过孔和通道的材料能在炉渣层内进行喷射的喷枪的出口端附近混合，并且其中端壁和外壳的三个管中的每个管的长度的相邻的一小部分包括可更换的喷枪端部组件，所述喷枪端部组件能从外壳的三个管的长度的主要部分切掉，以进行更换。

2.根据权利要求1所述的喷枪，其中，所述收缩部可操作成相对于收缩部之前和之后的流动使冷却剂流体以薄膜或流的形式流过端壁。

3.根据权利要求1或2所述的喷枪，其中，中间喷枪管的端部限定具有径向弯曲的凸面的圆缘部件，所述凸面面向端壁，例如由此圆缘部件是泪滴形状或类似圆形形式，并且端部是互补的凹面形式，例如凹半环形形式，例如在包含喷枪轴线的平面内是基本半环形。

4.根据权利要求3所述的喷枪，其中，中间管的出口端和端壁之间的收缩部是在包含喷枪的轴线的平面中喷枪的基本径向部分，例如圆缘部件和端壁提供经过高达约180°的角度的收缩部，例如从90°至180°。

5.根据权利要求3或4所述的喷枪，其中，所述收缩部在中间喷枪管的外表面和最外部管的内表面之间从圆缘部件持续经过喷枪的至少部分长度，沿所述至少部分长度中间管的壁厚增加。

6.根据权利要求1或2所述的喷枪，其中，所述收缩部至少部分地由中间管的端部的圆形限定并被限定在中间管的外表面和最外部管的内表面之间、经过喷枪的至少部分长度，沿所述至少部分长度中间管具有增加的壁厚，例如收缩部延伸经过至少90°的角度，例如达到约120°。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的喷枪，其中，喷枪包括被布置成同心地围绕外壳的与出口端间隔开的上部的环形罩。

8.一种与顶部浸没喷枪一起使用的罩，其中罩具有由三个基本同心的罩管构成的外壳，所述外壳包括最外部管、最内部管和中间管，并且还包括在罩的出口端处的环形端壁，所述环形端壁接合外壳的最外部罩管和最内部罩管的相应出口端并且与外壳的中间罩管的出口端间隔开，由此冷却剂流体能循环经过外壳，例如，通过在最内部罩管和最外部罩管之间的流动沿外壳流到出口端，然后通过在中间罩管和最外部罩管之间的流动而离开出口端沿罩返回，或与此流动相反，并且其中端壁和中间管的出口端之间的间隔提供对冷却剂流体的流动的收缩部，所述收缩部可操作成使端壁和中间管的出口端之间的冷却剂流体流速增加。

9.根据权利要求8所述的罩，其中，罩的所述收缩部可操作成相对于收缩部之前和之后的流动使冷却剂流体以薄膜或流的形式流过罩的端壁。

10.根据权利要求8或9所述的罩，其中，中间罩管的端部限定具有径向弯曲的凸面的圆缘部件，所述凸面面向端壁，例如由此圆缘部件是泪滴形状或类似圆形形式，并且端部是互补的凹面形式，例如凹半环形形式，例如在包含罩的轴线的平面内是基本半环形。

11.根据权利要求10所述的罩，其中，中间罩管的出口端和端壁之间的收缩部是在包含罩的轴线的平面中罩的基本径向部分，例如圆缘部件和端壁接近以提供经过高达约180°的角度的收缩部，例如从90°至180°。

12.根据权利要求10或11所述的罩，其中，所述收缩部在中间罩管的外表面和最外部罩管的内表面之间从圆缘部件持续经过罩的至少部分长度，沿所述至少部分长度中间管的壁厚增加。

13.根据权利要求8或9所述的喷枪，其中，所述收缩部至少部分地由中间罩管的端部的圆形限定并被限定在中间罩管的外表面和最外部罩管的内表面之间、经过罩的至少部分长度，沿所述至少部分长度中间管具有增加的壁厚，例如收缩部延伸经过至少90°的角度，例如达到约120°。

14.根据权利要求1至7中任一项所述的喷枪，其中，所述收缩部导致经过其的冷却剂流体流速高于所述收缩部上游的流速的约6至20倍。

15.根据权利要求1至7和15中任一项所述的喷枪，其中，喷枪的长度为约7.5至约25米，例如从10至20。

16.根据权利要求1至7、14和15中任一项所述的喷枪，其中，喷枪的外壳的内直径为从约100mm至650mm，例如从约200mm至500mm，并且外直径为150mm至700mm，例如从250mm至550mm。

17.根据权利要求1至7和14至17中任一项所述的喷枪，其中，所述其他喷枪管延伸至喷枪的出口端。

18.根据权利要求1至7和14至17中任一项所述的喷枪，其中，所述其他喷枪管终止在外壳内、距离出口端达到1000mm。

19.根据权利要求1至11和14至18中任一项所述的喷枪，其中，喷枪包括布置成同心地围绕外壳的上部并与上端间隔开的环形罩，并且其中，罩是根据权利要求8至13中任一项所述的罩。

20.一种在高温冶金方法中在熔池的炉渣层内的顶部浸没喷枪喷射中使用的喷枪，其中，喷枪具有根据权利要求8至13中任一项所述的罩。