CN105240850B - 回转化铁炉水冷外混式纯氧燃气烧嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纯氧燃气烧嘴，特别是回转化铁炉使用的纯氧燃气烧嘴，用于铸造领域。本发明烧嘴前端设置有多个当量直径小的燃气喷孔和氧气喷孔，同时使燃气喷孔中心线形成的线簇和氧气喷孔中心线形成的线簇在烧嘴前方空间呈交汇状态。通过缩短火焰长度，提高纯氧燃气回转化铁炉的功率密度，提高其熔化效率、缩短其熔化时间，节省燃料、降低生产成本。通过在进水腔设进水螺旋流道叶片在烧嘴冷却水流道中形成的螺旋流道，大幅度提高了冷却水流速、强化了冷却水与烧嘴之间的对流换热效率，加强了冷却水对烧嘴的冷却，预防了烧嘴火焰缩短后高温火焰对烧嘴的热损坏。

Description

回转化铁炉水冷外混式纯氧燃气烧嘴

技术领域

本发明涉及一种纯氧燃气烧嘴，特别是回转化铁炉使用的纯氧燃气烧嘴，用于铸造领域。

背景技术

回转化铁炉（英文简称RF）是一种铸铁熔化设备，在工业发达国家已有约70年的发展应用历史。目前一般所谓的回转化铁炉，指以燃气（天然气或石油液化气）为燃料，以纯氧为助燃剂熔化铸铁的化铁炉。该炉如果以天然气为燃料，熔化每吨铸铁排放约40～60m³二氧化碳，碳排放量不到燃焦冲天炉的30%、不到电炉所用电力燃煤碳排放量折算值的20%；尾气中不存在氮的氧化物（NO_x）；炉渣排放量量大大低于冲天炉，非常有利于环境保护。该炉的设备投资低于电炉，建造费用低，建造费用接近于普通燃焦冲天炉，是一种新型的铸铁熔化设备，特别适合于手工造型、产量不大、品种不少的中小铸铁厂。

但是，现有技术的纯氧燃气回转化铁炉相对于现有的冲天炉和电炉，熔化效率低、熔化铸铁的周期较长。现有的3～30吨纯氧燃气回转化铁炉，熔化时间在60～135min之间，炉子容量越大，熔化时间越长。

《铸造工业》杂志2015年第2期（P53～61），所刊登的“回转化铁炉的构造及其铸铁熔化工艺”一文，对该炉有详细的介绍。

现有技术的纯氧燃气回转化铁炉使用的纯氧烧嘴，采用水冷外混式结构，即烧嘴存在水冷套、燃气和氧气束流脱离烧嘴前端后，在炉膛内混合、燃烧。外混式结构出于安全的考虑，防止氧气与燃气在烧嘴内混合引起爆炸。

纯氧燃气回转化铁炉使用的现有纯氧烧嘴，由金属材料形成相互叠套的三层，其中心层为燃气流道、中层为氧气流道、外层为冷却水流道；相互叠套的三层，其横截面为圆形。虽然纯氧烧嘴相互叠套的三层，也可以为矩形或方形截面，但流道为圆形截面的烧嘴显然更具有结构和成本上经济性。

燃料与助燃剂的充分混合是燃料燃烧的前提条件，如果烧嘴的混合性能差、两种气流需要较长距离才能均匀混合，则燃烧产生的火焰长度较大。

回转化铁炉现有纯氧燃气烧嘴，燃气束流脱离烧嘴的瞬间为圆柱形，氧气束流为空心圆柱形，两股射流在脱离烧嘴的瞬间呈相互平行状态；两股射流通过相互之间及其与炉膛中的气体三者之间的相互作用，在炉膛中进行横向迁移、相互散射，实现混合目的。在现有纯氧燃气烧嘴出口处，两种气体的束流当量直径大、而且流向相互平行、混合性能差，需要较长距离才能混合均匀，因此现有纯氧燃气烧嘴的火焰长度长。

加热炉的功率密度是指加热炉单位容量（t）的加热功率（KW），单位一般为KW/t，该技术概念最先应用于感应加热电炉。在一定范围内提高加热炉的功率密度，可以缩短加热时间、提高生产效率，同时达到减少炉体散热量、节省能量或者燃料消耗的目的。毫无疑义，如果提高纯氧燃气回转化铁炉的功率密度，可以达到提高其生产效率、缩短其加热时间的目的。

纯氧燃气回转化铁炉的炉膛尺寸，需要遵从炉膛表面积尽可能小、减少炉壁散热的基本设计原则，炉膛的长度与炉膛的直径之间存在一定的数值关系。在化铁炉炉膛长度一定的条件下，欲提高化铁炉的功率密度、增加烧嘴的热功率，如果烧嘴的混合性能差、火焰长度大，烧嘴燃烧产生的火焰将脱离炉膛、脱离所要加热的炉料，导致无效加热和燃料浪费。所以说，烧嘴的火焰长度决定了纯氧燃气回转化铁炉的功率密度。

发明内容

本发明的目的是提供一种回转化铁炉水冷外混式纯氧燃气烧嘴，克服现有技术烧嘴当量中氧气和天然气出口的直径大、束流平行的局限性，通过缩短火焰长度，提高纯氧燃气回转化铁炉的功率密度，提高其熔化效率、缩短其熔化时间，节省燃料、降低生产成本。

技术解决方案

本发明包括：烧嘴，烧嘴上设有冷却水的进水流道及回水流道，其特征在于，烧嘴前端设置有多个当量直径小的燃气喷孔和氧气喷孔，同时使燃气喷孔中心线形成的线簇和氧气喷孔中心线相成的线簇在烧嘴前方空间呈交汇状态。

所述燃气喷孔和氧气喷孔按一定规律排列，并且燃气喷孔中心线形成的线簇与氧气喷孔中心线形成的线簇之间，存在着小于90°的交汇角，经过燃气喷孔和氧气喷孔的两种气流在烧嘴前方一定位置交汇。

所述燃气喷孔或多个氧气喷孔分布在几个直径不同的圆上或矩形线格上，燃气喷孔与氧气喷孔中心线形成的线簇在其视平面上投影呈交汇状态。

所述燃气喷孔或氧气喷孔中心线形成的线簇包括：圆锥面、双曲面、圆柱面、棱锥面、或者棱柱面。

燃气喷孔与氧气喷孔的横截面形状为圆形，分布在几个直径不同的圆上；位于外侧的两圈氧气喷孔中心线形成的线簇为两个圆锥面，两个圆锥的顶点均在烧嘴中线上；位于最内侧的燃气喷孔中心线形成的线簇为圆柱面，位于次内侧的燃气喷孔中心线形成的线簇为圆锥面，锥顶点在烧嘴中线上。

燃气喷孔与氧气喷孔分布在大小不同的矩形线格上，并且燃气喷孔与氧气喷孔的中心线形成的线簇在其视平面上的投影存在小于90°的交汇角。

所述外侧两圈的氧气喷孔的中心线与烧嘴中线存在一定角度，且外侧两圈的氧气喷孔的中心线顺时针方向倾斜，氧气喷孔中心线形成的线簇为双曲面；位于最内侧的燃气喷孔中心线形成的线簇为圆柱面，位于次内侧的燃气喷孔中心线形成的线簇也为双曲面，每个喷孔的中心线沿逆时针倾斜。

所述氧气喷孔与燃气喷孔分布在矩形格线上，外侧布置的两圈氧气喷孔的中心线形成的线簇均为四棱锥面；最内侧一圈的燃气喷孔中心线形成的线簇为四棱柱面，次内侧一圈的燃气喷孔中心线形成的线簇为四棱锥面。

所述烧嘴冷却水的进水流道或回水流道中设有冷却水螺旋流道叶片，进水流道中的进水腔或回水流道中的出水腔与冷却水螺旋流道叶片在烧嘴冷却水流道中形成的螺旋流道。

所述烧嘴冷却水的进水流道和回水流道中同时设冷却水螺旋流道叶片，进水流道中的进水腔和回水流道中的出水腔分别与冷却水螺旋流道叶片在烧嘴冷却水流道中形成的螺旋流道。

本发明优点：

本发明继承了现有烧嘴氧气和燃气外混的优点，在保证烧嘴工作安全性的前提下，通过在烧嘴前端设置多个按一定规律排列的当量直径较小的燃气喷孔和氧气喷孔，同时通过使燃气喷孔中心和氧气喷孔中心线所形成的线簇在空间呈交汇状态，克服了现有技术涉及的纯氧燃气烧嘴混合性差、火焰长度大的局限性；并且通过烧嘴冷却水流道的结构改进，运动轨迹为螺旋线。进水腔和进水螺旋流道叶片在烧嘴冷却水流道中形成的螺旋流道，与环形流道相比，其优越性在于缩小了流道的水力学半径、大幅度提高了冷却水的流速、强化了冷却水与烧嘴之间的对流换热效率，加强了冷却水对烧嘴的冷却，预防了烧嘴火焰缩短后高温火焰对烧嘴的热损坏，提高纯氧燃气回转化铁炉的功率密度，提高其熔化效率、缩短其熔化时间，节省燃料、降低生产成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1的A部放大图，表示氧气喷孔与燃气喷孔中心线簇的交汇状态；

图3、图4与图5均为图1的B向视图；

图6为图1中冷却水螺旋流道的视图。

图7为本发明烧嘴的一个实施例；

图8为图7的D部局部放大图；

图9为图7的E向视图。

图10为现有技术纯氧燃气烧嘴的结构示意图；

图11为图10的F向视图。

具体实施方式

下面结合附图及其实施例说明本发明所述烧嘴的结构和工作原理，并结合现有技术烧嘴说明本发明的优越性。

在图1到图11中，1.联结法兰，2.冷却水出口，3.出水腔，4.氧气接口，5.氧气流道，6.燃气流道，7.燃气接口，8.进水腔，9.冷却水进口，10.烧嘴中心线，11.进水腔螺旋流道叶片，12.燃气喷出孔，13.氧气喷出孔，14.联结螺栓，15.炉壳，16.炉衬，17. 回水腔螺旋流道叶片，18.隔离支筋，19. 燃气与氧气喷头，20.螺纹， 21.扳手缺口。其中；图2表示氧气喷孔与燃气喷孔中心线簇的交汇状态；

燃气由燃气接口7进入烧嘴、沿燃气流道6到达烧嘴前端，经过多个燃气喷孔12在烧嘴前方与多个氧气喷孔13流出的氧气束流交汇。氧气由氧气接口4进入烧嘴、沿氧气流道5到达烧嘴前端，经过多个氧气喷孔13在烧嘴前端与多个燃气喷孔12流出的燃气束流交汇。

图2表示，燃气喷孔12中心线形成的线簇和氧气喷孔13中心线形成的线簇之间，存在着小于90°的交汇角，经过燃气和氧气喷孔的两种气流在烧嘴前方一定位置交汇、达到两种气体相互混合的目的。燃气和氧气中心线形成的线簇不管是圆锥面、双曲面、圆柱面、棱锥面、或者棱柱面，只要两者的中心线在图2视平面上投影呈交汇状态，均属于本发明的保护范围。此处所谓的有关中心线形成的有关线簇在图2视平面上呈交汇状态，并不意味着每个燃气喷孔12的中心线与每个氧气喷孔13的中心线一定处于在同一平面上、即不意味着所有喷孔的中心线一定呈相交状态。

图3表示，燃气喷孔12与氧气喷孔13，各个喷孔的横截面形状为圆，分布在几个直径不同的圆上；位于外侧的两圈氧气喷孔13中心线形成的线簇为两个圆锥面，两个圆锥的顶点均在烧嘴中线10上；位于最内侧的燃气喷孔12中心线形成的线簇为圆柱面，位于次内侧的燃气喷孔12中心线形成的线簇为圆锥面，锥顶点在烧嘴中线10上。

如果喷孔横截面的形状为圆锥形或其他几何形状，如果燃气喷孔12与氧气喷孔13分布在大小不同的矩形线格上，但只要烧嘴前端的燃气出口、氧气出口为多个喷孔，并且燃气喷孔12与氧气喷孔13的中心线形成的线簇在有关的视平面上的投影存在小于90°的交汇角，则均属于本发明的保护范围。

图4也是图1的B向视图。该图表示，外侧两圈的氧气喷孔13的中心线不仅与烧嘴中线10存在一定角度，而且与图4的视平面存在一定角度。结合图2可以知道，外侧两圈的氧气喷孔13的中心线顺时针方向倾斜，氧气喷孔13中心线形成的线簇为双曲面。位于最内侧的燃气喷孔12中心线形成的线簇为圆柱面。位于次内侧的燃气喷孔12中心线形成的线簇也为双曲面，但是每个喷孔的中心线沿逆时针倾斜。如果喷孔中心线形成的线簇为双曲面，则由喷孔喷射出的气流在向前运动的同时进行旋转运动，其运动轨迹为螺旋形，气流的这种运动状态被称之为“旋流”。气体旋流产生的惯性离心力、切向速度，非常有利于气体之间的混合。

图5也是图1的B向视图，该图表示了本发明的另外一种结构形态，氧气喷孔13与燃气喷孔12分布在矩形格线上。外侧布置的两圈氧气喷孔13的中心线形成的线簇均为四棱锥面；最内侧一圈的燃气喷孔12中心线形成的线簇为四棱柱面，次内侧一圈的燃气喷孔12中心线形成的线簇为四棱锥面。烧嘴喷孔分布在矩形格线上的烧嘴，烧嘴横截面的轮廓往往为矩形（包括正方形）。虽然横截面外轮廓为矩形的烧嘴存在着制造成本方面的局限性，但也属于本发明的保护范围。

图6为图1中冷却水螺旋流道叶片11的视图。冷却水在流向烧嘴前端的过程中，在进水腔8和冷却水螺旋流道叶片11的作用下，运动轨迹为螺旋线。进水腔8和进水腔螺旋流道叶片11在烧嘴冷却水流道中形成的螺旋流道，与环形流道相比，其优越性在于缩小了流道的水力学半径、大幅度提高了冷却水的流速、强化了冷却水与烧嘴之间的对流换热效率。虽然图1和图6所表示的进水腔螺旋流道叶片11仅仅设置在进水腔8，但在出水腔3设置进水腔螺旋流道叶片，或者在进水腔8和出水腔3同时设置进水腔螺旋流道叶片11及回水腔螺旋流道叶片17，也属于本发明的保护范围。

本发明有多种实施方式，以下结合图7介绍本发明的一种实施例。

图7为本发明的一个实施例，炉壳15内有炉衬16，烧嘴通过联结螺栓14固定在炉壳15上；进水腔8中有进水腔螺旋流道叶片11，出水腔3中有回水腔螺旋流道叶片17；燃气与氧气喷头19通过螺纹20与烧嘴本体联结为一体。氧气流道5中的隔离支筋18，对相邻的流道，特别是燃气流道6起一定的固定和加强作用。

图8为图7的D部局部放大图，更清楚地表示了燃气与氧气喷头19的结构以及与烧嘴本体的螺纹联结关系。

图9为图7的E向视图，更清楚地表示了燃气与氧气喷头19的结构细节。燃气喷孔12与氧气喷孔13布置在几个直径不同的圆上；布置在外侧的两圈氧气喷孔13的形状由两圆弧与两直线组成；布置在内侧的两圈燃气喷孔12的形状为圆。另外，为了方便拆卸或安装，燃气与氧气喷头19的外缘，开设有数个扳手缺口21。

将图8与图9相结合，可以发现燃气与氧气喷头19上设置的两圈氧气喷孔13的中心线所形成的线簇均为双曲面，每个氧气喷孔13的中心线在图9的视平面上顺时针方向倾斜；而两圈燃气喷孔12的中心线所形成的线簇也为双曲面，每个燃气喷孔12的中心线在图9的视平面上逆时针方向倾斜。也就是说，本实施例所涉及的烧嘴，在燃气和天然气经过有关喷孔、进入炉膛后，其运动轨迹均为螺旋线，可以利用两种气体的旋流作用，促进气体间的均匀混合。

本实施例所涉及的烧嘴，在其前端的出水腔3和进水腔8流道中，分别设置了回水腔螺旋流道叶片17和进水腔螺旋流道叶片11，冷却水对烧嘴有较为强烈的冷却作用，有利于保护烧嘴、延长烧嘴的服役时间。另外，本实施例所涉及的烧嘴，燃气与氧气喷头19为可拆卸结构，利用螺纹20与烧嘴本体组合为一体。通过更换不同技术参数的燃气与氧气喷头19，可以方便地改变烧嘴的火焰长度，拓展了烧嘴的适用范围。

上述实施例仅仅是本发明多种实施例中的一种。

图10和图11展示了现有技术纯氧燃气烧嘴的结构和工作原理，通过相互对比，可以发现本发明多方面的优越性。

在图10和图11中，烧嘴通过联结法兰1与炉体相联结；由于该烧嘴火焰长度大，燃烧高温区距离烧嘴体较远，因此该烧嘴的冷却水流道结构相对简单，冷却水腔为单层，其中不存在冷却水流道螺旋叶片；在氧气脱离烧嘴前端的瞬间，氧气束流的横截面呈环形，在燃气脱离烧嘴前端的瞬间，燃气束流的横截面呈圆柱形；在氧气和燃气束流脱离烧嘴前端时，两者的中心线相互平行。正是由于结构的原因，现有的纯氧燃气烧嘴的混合性差、火焰长度大。同时由于结构一定的燃气烧嘴，其实际的燃烧功率与燃烧火焰的长度有直接的关系，燃烧功率越大、火焰的长度越大。因此，炉膛长度一定的回转化铁炉，如果使用现有技术的烧嘴，必然导致加热功率密度低、生产效率低的弊端。

本发明涉及的水冷外混式纯氧燃气烧嘴，可以较大幅度地提高回转化铁炉的加热功率密度，缩短其熔化时间，提高其生产效率，对铸造生产的节能环保、提高我国新能源工业炉窑的技术水平有一定积极意义。

Claims (6)

1.回转化铁炉外混式纯氧燃气烧嘴，包括：烧嘴，烧嘴上设有烧嘴冷却水的进水流道及回水流道，其特征在于，烧嘴前端设置有多个当量直径小的燃气喷孔（12）和氧气喷孔（13），所述燃气喷孔（12）或氧气喷孔（13）分布在几个直径不同的圆上，位于外侧两圈的氧气喷孔（13）的中心线顺时针方向倾斜，位于内侧的燃气喷孔（12）的中心线沿逆时针倾斜，并且燃气喷孔（12）中心线形成的线簇与氧气喷孔（13）中心线形成的线簇之间存在着小于90°的交汇角；所述烧嘴冷却水的进水流道和/或回水流道中设有螺旋流道叶片，进水流道中的进水腔（8）和/或回水流道中的出水腔与螺旋流道叶片在烧嘴冷却水的进水流道或回水流道中形成的螺旋流道。

2.根据权利要求1所述的回转化铁炉外混式纯氧燃气烧嘴，其特征在于，所述燃气喷孔（12）与氧气喷孔（13）的横截面形状为圆形，分布在几个直径不同的圆上；位于外侧的两圈氧气喷孔（13）中心线形成的线簇为两个圆锥面，两个圆锥的顶点均在烧嘴中线（10）上；位于最内侧的燃气喷孔（12）中心线形成的线簇为圆柱面，位于次内侧的燃气喷孔（12）中心线形成的线簇为圆锥面，锥顶点在烧嘴中线（10）上。

3.根据权利要求1所述的回转化铁炉外混式纯氧燃气烧嘴，其特征在于，所述外侧两圈的氧气喷孔（13）的中心线与烧嘴中线（10）存在一定角度，所述氧气喷孔（13）中心线形成的线簇为双曲面；位于最内侧的燃气喷孔（12）中心线形成的线簇为圆柱面，位于次内侧的燃气喷孔（12）中心线形成的线簇也为双曲面。

4.根据权利要求1、2或3所述的回转化铁炉外混式纯氧燃气烧嘴，其特征在于，所述燃气喷孔（12）与氧气喷孔（13）中心线形成的线簇在其视平面上投影呈交汇状态。

5.根据权利要求4所述的回转化铁炉外混式纯氧燃气烧嘴，其特征在于，燃气喷孔（12）或氧气喷孔（13）中心线形成的线簇还包括：棱锥面、或者棱柱面。

6.回转化铁炉外混式纯氧燃气烧嘴，包括：烧嘴，烧嘴上设有烧嘴冷却水的进水流道及回水流道，其特征在于，烧嘴前端设置有多个当量直径小的燃气喷孔（12）和氧气喷孔（13），所述燃气喷孔（12）与氧气喷孔（13）分布在大小不同的矩形线格上，位于外侧两圈的氧气喷孔（13）的中心线顺时针方向倾斜，位于内侧的燃气喷孔（12）的中心线沿逆时针倾斜，并且燃气喷孔（12）与氧气喷孔（13）的中心线形成的线簇在其视平面上的投影存在小于90°的交汇角；外侧布置的两圈氧气喷孔（13）的中心线形成的线簇均为四棱锥面；最内侧一圈的燃气喷孔（12）中心线形成的线簇为四棱柱面，次内侧一圈的燃气喷孔（12）中心线形成的线簇为四棱锥面；所述烧嘴冷却水的进水流道和/或回水流道中设有螺旋流道叶片，进水流道中的进水腔（8）和/或回水流道中的出水腔与螺旋流道叶片在烧嘴冷却水的进水流道或回水流道中形成的螺旋流道。