CN1064998C - 用于搅拌熔池的带有焊制喷枪头的风嘴 - Google Patents

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Abstract

一种冶金或化工用的吹氧风嘴，包括一指向一冶金熔池喷枪头(1)。风嘴包括一前表面(40)和一至少由两个基本同中心轴的管子(20、30)组成的组件，所述前表面(40)由电解铜制成。所述前表面(40)与所述管子(20、30)的连接(52)由高能量焊接实施，所述喷枪头由多个喷枪头元件组成，且根据各喷枪头元件选择材料，所述诸喷枪头元件之间的连接由高能量焊接实现。

Description

用于搅拌熔池的带有焊制喷枪头的风嘴
发明领域
本发明涉及一种风嘴，该风嘴包括一朝向一冶金熔池或化学反应炉的喷枪头，该喷枪头分别包括一前表面和至少由两个基本上是同中心线的管子构成的组件，所述前表面由高导热性材料(尤其是电解铜)组成。
技术状况
在形成风嘴前表面的已有喷枪头中，用电解铜材料实现的前表面具有良好的散热性，这是因为该种材料具有良好的导热性质。一般知道，所述前表面与所述钢管的连接可通过焊接或钎焊实现。但是，这种用于钢铁、冶金或化学领域的传统焊接由于冶金方面的原因就显得不那么方便，难以实现，而且密封性较差。这样在铜-钢连接的焊缝区高度上会造成泄漏。再有，现有的喷枪头会较快地变质，使得在生产过程中必须频繁地更换喷枪头，造成不便。在Chernyatevich A．G．所著，发表于《苏联钢铁》(Steel in the USSR)(Vol 19 No．2 1989，pp38-40)的“250吨转炉用的喷枪吹炼”一文中简述了一种风嘴，它是用焊接的方法将喷枪头与所有管组件连接起来。
他的另一文AT-A-313945中描述了一种用于吹氧喷枪风嘴头和燃烧器喷枪，它有多个出口孔，尤其是用于氧气和／或燃料，在文件中风嘴头的出口表面和各出口孔的内表面都涂覆有一钼涂层。
发明概要
本发明旨在对这些缺陷进行改进，每一种改进都有一种特殊的实现方式。为此目的，所述前表面与所述管子间的连接由高能量焊接来实现。前述的喷枪头由多个喷枪头元件组成，每个喷枪头元件所用的材料的选择根据所执行的功能而定。所述诸喷枪头元件由高能量焊接(尤其是电子束焊接)来固定。
在本发明的一较佳实施例中，前述的焊接由激光焊接实现。由于这种特定的焊接方法，人们可以方便地通过焊接实现铜-铁的连接。
除了焊接容易实现外，铜-铁连接部位的密封性在流动流体与温度方面都表现得非常好。本发明的风嘴的寿命有显著的增加。另外，每一焊接区域均具有非常好的抗疲劳应力的性能，这种疲劳应力是由于氧气喷枪头和其风嘴承受相继的热循环所致。
由于本发明的嘴枪头的磨损相当弱，使得喷枪头在其长时间寿命内的工作参数特别稳定，人们从中可以得到的一个显著的好处是可以容易地实施钢产品生产的自动化。事实上，由于稳定性和可靠性的改善，就不需要更多的监督。而经常性地更换喷枪头也变得明显减少了，这就避免了因维护或更换喷枪头所造成的生产过程的中断。相反，已有技术的风嘴表现出明显的快速磨损的趋势。已有技术喷枪头的寿命分布相当稳定，而就本发明而言，它具有很好的可复制性，使得喷枪头的结构参数相当稳定。
这里要提到的另一个问题是喷枪头的出口孔由于需要良好的导热性也同样是由电解铜组成，这样在所述出口孔的高度上会较快地腐蚀，尤其是在吹氧的情况下。事实上，在有吹氧存在的情况下，喷枪头的寿命问题被证实显得尤为尖锐，因为此时有相当大的磨损。这种情况通过处理氧气喷枪头效率损失和前述腐蚀性有害物质四处散射(人们称谓雨伞效应)而得以解决，这种效应减少了熔池的搅拌效果。为了解决这一额外问题，风嘴用针对这种效应的材料制成，尤其是用一种耐磨青铜制成。
这样，对起初为整体件的前表面，风嘴本身是用耐腐蚀的材料制成。这样通过电子束焊接将前表面与管子连接起来可有另外的好处，即使得焊缝区无应力或应力很小，并没有变形。这些对暴露在腐蚀现象下的风嘴而言，在采取了抗腐蚀效应的措施后也是有效的。
再有，根据本发明风嘴的又一实施例，风嘴具有至少一定数量的出口孔，较为有利的是至少三个，以确保其抗腐蚀能力有显著提高的同时，熔池或反应池的工作变得更为均匀。这一措施也有助于改善前述熔池的搅拌。
本发明的其他长处和特点将在以后结合一实施例的描述及其附图中显现出来。
附图简述
图1是本发明风嘴的吹氧喷枪头的纵向剖视图。
图2是与图1相类似的风嘴的局部图。
图3和图4是与图2相类似的风嘴的变形，其中，侧面配备有附加的功能性元件。
图5和图6示出与图3和图4相同的元件，其中给出吹风和冷却流体的流动示意图。
描述
一般来说，本发明涉及用于钢铁冶炼和化工领域的风嘴，该风嘴具有一喷枪头分别指向一熔池或一化学反应炉，在池或炉中有大量搅混的液体需要处理。这就是上面所叙述的本发明。然而，下述着眼于冶金应用领域的有关描述，尤其人是有关具有喷枪头的风嘴的描述将使问题变得更为明确。
图1示出的纵向剖示图，吹氧喷枪头1包括一中心管10，通常是一具有中心轴1的圆柱形管，氧气经由该中心管通向未示出的熔池。在所述中心管的上游有一进气口11，在其下游，出口被在成一定数量的出气口12，这些出气口形成对应的出气管14的入口，每一出气管通向出口孔16。中心管10的内截面包括至少一个这样的区域13，在该区域中，中心管变得狭窄，从而使在管内的氧气分别以箭头F1和F2方向作加速度流动。这种加速现象从出气管14的入口开始将进一步加剧，通过布置多个截面比中心管10小得多的出口孔，所述氧气通路的有效截面得以急剧地缩减。出口孔16，例如较为有利的布置是围绕纵向轴1的呈环状的三个出口孔。各出气管14的纵向轴m最好相对于中心管10的纵向轴1略微倾斜成α角度，以得到扩散状的风嘴，这里过早磨损的问题仍然尖锐地存在着。事实上，出气管14的快速腐蚀将同样随着扩散角α的开度过大而变大，这将不可避免地导致低劣的喷射功能。在已有技术中，前述风嘴加速腐蚀问题将使风嘴的效率显著降低，导致其品质下降。
相反，根据本发明的风嘴，出气管14，尤其是在位于与各个出口孔16一样高度的下游终端区域15，风嘴由非常耐腐蚀的材料组成，可有效地克服腐蚀现象，尽管沿箭头F3方向流动的氧气的速度非常之快，这种腐蚀现象通常会增加挟带的高磨损性粉尘。
在传送氧气的中心管10的周围，风嘴还配有至少一个，最好是由两个管20、30构成的组件，这些管与中心管10一样具有基本为圆柱形的形状，并与中心管是同轴的。在所述中心管或称内管10，中间管20和外管30之间形成有基本为环状的空间21、23，用作冷却流体的给水管路。图5和图6表示流体流动线路和轨迹的示意图。
另外，前述管20、30还同时起到对前表面40的机械支承作用，前表面40由前面特别提到的喷枪头构成，该喷枪头被用来指向熔池。该部分40由一种散热性能非常好的材料组成，最好是铜，因为铜的导热性很好。所述前部40在连接区51、52处与管或外管30相连，通过焊接将其固定。不过铜与普通的钢之间的焊接由于冶金方面的原因而非常难以实现。更有甚者，这种连接还会出现密封上的缺陷，在所述连接区域52的高度上会出现泄漏。
为解决这一问题，根据本发明采用了一种特殊的焊接工艺，特别是用电子束焊接。这样，由于本发明，在所述铜-钢连接区域的焊接不仅变得非常之容易，它能直接焊接，又无需附加的焊接材料，而且该种焊接使密封性能达到最优，还考虑了温度的因素。这样，冷却回路81被完美地加以密封。
用电子束焊接的外加好处在于它可以进行无应力或应力很小，并没有变形的焊接，这就使得通常处于严重腐蚀环境下的风嘴有可能具有与特殊超抗腐蚀性能的材料同样的功效。这样，风嘴本身由一种耐腐蚀材料组成，而前部件40在起始是呈整体形的。
其结果是，根据本发明的风嘴的寿命得到显著的延长，风嘴下部允许氧气以很快的速度流动，还可将由于靠近熔池而被冷却流体所吸收的热量加以转移，冷却回路的密封性得以保证，还能抵抗由于在高速氧气流动通道内所挟带的磨损性颗粒而导致扩散出口管的磨损和损坏。试验表明，本发明的喷管的使用寿命可提高到至少500炉次，相对已有技术喷管的寿命来说是一个飞跃，据知是已有寿命的2倍。从这一特别有利之点出发，人们可以节省替换吹炉头的费用，加快生产节奏进而提高产出率。同样，更好地稳定性和由于在m方向扩时的耐腐蚀性使得设备的使用具有强得多的可靠性。
一个导致风嘴使用寿命得以显著延长的重要的有利之处在于工作参数，由于喷枪头在其使用时的磨损很小，这些参数具有特别稳定的长时期寿命。可以预见，这种稳定性将使钢制品的生产过程的自动化因使用了本发明的喷枪头而得以实现。
另外，在已有技术中，一方面由于外形采用单一材料，尤其是整体型的喷枪头结构，另一方面由于使用简单的钎焊固定，使得前述的总的功能性作用难以确保。相反，在本发明的风嘴中，喷枪头是由多个元件构成的，尤其是在导管15的终端区域、外管30、中间外管31、盖部32和“扩散”部33，这些元件的材料严格按照各元件应发挥的功能而选择。这样，喷枪头1的模块化设计具有可简化修改几何形状的可能性，尤其是对于扩散角α，出口孔的孔径等等。这种模块替换性使人们希望用喷枪头从一种搅拌方式转向另一种搅拌方式时显得尤为重要。再有，在存在缺陷时可以有选择性地替换喷枪头元件。还有，修改喷枪头的费用也显著降低了。
另外，喷枪头模块化的设计可匹配出气管的数目。如图4所示，甚至可以通过不间断的环替换出气管，以实现一连续的环形流。
元件51、52、53、54分别以同质方式的高能量焊接加以固定，最好用电子束焊。
在吹风流量提高到例如500米3／小时时所遇到的另一个问题是由喷枪头中心的空穴作用所造成的腐蚀。这种腐蚀可通过在喷枪头中心布置一折流板60而得以控制，折流板最好用与出气管14相同的材料制成。该折流板60具有适应于氧气出口的速度的凹形，它最好用电子束焊接法或其他适当的方法密封地连接于喷嘴上。在折流板的内部61也有如在图5和图6中能看见的冷却流体。
然而仍有对熔池更强烈的搅动之忧虑，吹风流量可直到800米3／小时或1000米3／小时，甚至还有1200米3／小时的。这种更高的速度将引起空穴作用的运动，导致搅拌流的回行程运行，而致击穿中心元件90。由于布置了适当的外部折流板元件60，而该元件较佳地拉于纵轴1的中心，可以避免形成这种击穿的情况。
为使氧气离开中心管10，布置一个使氧气改道进入出气管14的内折流板70也被证明是有利的。内折流板70还起到排出热量的作用。由于在流动方向上游71处，内折流板70具有明显的凸形，它起到有效的分离作用，而在下游72处其形状略为凸出，这就保证了搅拌流的良好导向性。
上游的凸出部61；71呈现为如图1那样的凸起或如图2那样的尖顶。
为确保外折流板60’的外形在搅拌流H回流时具有良好的适应性，下游的突出部分，在端部62的两侧，最好具有多个凸出部分63以保证完美的导流并防止在此区域形成紊流。
每一冷却回路81的端部元件80具有特别适宜于冷却流体流向冷却回路下游端的外形，如图1至图3所示的鸭嘴形状。
图5示出了冷却流体可相对于由氧气流形成的搅拌流而流动的一种方式，在中心管10附近的冷却管道21内的冷却流体的流动方向G最好与氧气的流动方向F2相反，以增加冷却效果，从而有助于将热量从一处传递到另一处。
冷却回路的另一变形示于图4。其中布置有两个冷却回路，一侧部冷却回路81与图2类似，另一中心冷却回路82允许以冷却喷枪的中心轴的方式与外侧冷却水82和内侧冷却水81分离。这样，中心的内部冷却回路82可以直接的方式在流动力的作用下冷却外部折流板所对应的折流点60，如图6所示。从图5和图6可以清楚地看到折流板的有有利于使流体和流动基本排除生产紊流区域的可能性。
如同将进一步指出的，应当理解本发明在其他领域中的应用(这些即将被术及)同样属于本发明的保护范围，尤其是在化工领域内的搅拌流体涉及的风嘴的应用中。事实上，因在池中搅拌而造成化学反应炉起活化作用的吹管磨损也是人们所熟知的现象。
本发明的喷枪的结构设计同样可用来解决这一问题，只要将材料选择得适合于搅拌熔池的功能，这并没有超出本发明的要求。

Claims (18)

1．用于搅拌熔池的风嘴，包括一指向冶金熔池或一化学反应炉的氧气喷枪头(1)，该喷枪头包括一前表面(40)和一至少由两个基本共中心轴的管子(20，30)组成的组件，所述前表面由高导热性材料构成，其特征在于，前表面(40)与所述管子(20，30)的连接(52)由表现为电子束焊接的高密度能量焊接实现，前述氧气喷枪头由多个喷枪头元件(15；30，31，32，33；60)组成，每一喷枪头元件根据各元件所执行的功能而分别在不同的金属材料之间选择，所述各喷枪头元件之间的相互连接(52，53，54)由高密度能量焊接实现。
2．用于搅拌熔池的风嘴，包括一指向冶金熔池或一化学反应炉的氧气喷枪头(1)，该喷枪头包括一前表面(40)和一至少由两个基本共中心轴的管子(20，30)组成的组件，所述前表面由高导热性材料构成，其特征在于，前表面(40)与所述管子(20，30)的连接(52)由表现为激光焊接的高密度能量焊接实现，前述氧气喷枪头由多个喷枪头元件(15；30，31，32，33；60)组成，每一喷枪头元件根据各元件所执行的功能而分别在不同的金属材料之间选择，所述各喷枪头元件之间的相互连接(52，53，54)由高密度能量焊接实现。
3．如权利要求1或2所述的风嘴，其特征在于，前述喷枪头(1)包括至少一个铜-钢连接。
4．如权利要求1或2所述的风嘴，特别是吹氧风嘴，在喷枪头(1)处，尤其在其氧气喷枪头处，包括一出气管(14)，该出气管通向各自的出口孔(16)，其特征在于，所述出气管的端部段(15)由一种非常耐磨损和耐腐蚀的材料构成。
5．如权利要求1或2所述的风嘴，其特征在于，该风嘴也由同样的材料组成。
6．如权利要求1或2所述的风嘴，其特征在于，所述材料包括一种在高温下抗磨损的材料。
7．如权利要求6所述的风嘴，其特征在于，所述材料由一种耐热的管材组成。
8．如权利要求6所述的风嘴，其特征在于，所述材料由一种镍基合金组成。
9．如权利要求6所述的风嘴，其特征在于，所述材料由一种耐磨损的青铜组成。
10．如权利要求4所述的风嘴，其特征在于，出口孔(16)的数量多达至少三个。
11．如权利要求4所述的风嘴，其特征在于，所述出口管(16)被布置成相对于所述喷枪头(1)的纵轴(1)而成为中心环状。
12．如权利要求4所述的风嘴，其特征在于，所述出口孔呈环状，基本上以风嘴的纵向轴线(1)为中心而延伸。
13．如权利要求4所述的风嘴，其特征在于，出气管(14)的每一个相对于风嘴的纵轴(1)呈扩散状(m)。
14．如权利要求1或2所述的风嘴，其特征在于，在基本上处于喷枪头(1)中心的位置设有一折流板(60)，以对形成旋涡的出口流体(H)进行调节。
15．如权利要求14所述的风嘴，其特征在于，所述折流板(60)有一位于喷枪头的外部的外形为凸状的区域(63)，以适应搅混流的出口速度。
16．如权利要求14所述的风嘴，其特征在于，所述折流板(60)在喷枪头的内部具有一凸出的区域(61)。
17．如权利要求14所述的风嘴，其特征在于，所述折流板(60)由与出气管(14)相同的材料制成。
18．如权利要求1或2所述的风嘴，其特征在于，所述前表面(40)由电解铜或铜基材料制成。
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