CN106705680B - 一种炉膛底部供热的旋转射流氧枪及其应用方法 - Google Patents

一种炉膛底部供热的旋转射流氧枪及其应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种炉膛底部供热的旋转射流氧枪及其应用方法，属于冶金工业生产技术领域。该旋转射流氧枪包括栏栅网格层，栏栅网格层安装到氧枪枪体的氧枪枪口上，栏栅网格层包括中间位置与氧枪枪口相通的氧喷口、均匀设置在氧喷口周围的三角形气体出口、圆边上设有与氧枪枪体水冷通道相通的水冷通道出口以及空余位置处设有的倾斜网格形成的枪口栏栅。该炉膛底部供热的是在该氧枪枪口加装栏栅网格层，使得分割出的旋转射流流动迹线更为分散，流速达到充分搅动熔池的目的；本方法在充分利用氧气与矿料中的硫化物进行化学反应放出热量，同时气体射流形成气泡带动熔体向上运动的同时，提供一种横向的左右摇摆动力。

Description

一种炉膛底部供热的旋转射流氧枪及其应用方法
技术领域
本发明涉及一种炉膛底部供热的旋转射流氧枪及其应用方法，属于冶金工业生产技术领域。
背景技术
在冶金生产过程中，冶金炉窑是主要的冶金反应发生装置，而氧枪是关键的工艺设备之一，它完成向炉内吹送氧气的工作，在炉膛底部将氧气喷向液态金属，以实现金属熔池的冶炼反应。氧枪在炉内高温下工作，采用循环水进行冷却保护氧枪枪体过热。其中氧枪的最重要部分是枪口喷头，喷头的结构直接决定了氧气射流的气体动力学特性。因此，对喷头的基本要求是形成射流的动力学参数应符合工艺要求的规定，并且在长期使用时能保持射流的特性不变。
拉瓦尔型喷管可以有效地把氧气的压力能转变为动能。并且可以得到稳定的加速射流。在要求射流有相同的深入熔池深度时，外加动力需求较小，因而大大改善了熔池内的动力学条件，较小的气体喷吹速度对枪体冲击较小，因此提高了氧枪寿命。
冶金熔炼过程的热平衡主要靠氧枪喷射出的氧气与精矿发生化学反应所放出的热量来维持，而氧枪射流对熔池的冲击行为对炉内的自热反应有着重要的影响。通过对顶吹熔炼炉炉内氧气射流的速度分布规律的研究，掌握炉内氧气射流特性，据此开发出一种炉膛底部供热的旋转振荡射流氧枪。通过旋射流计算流体力学模型确定适宜的网格倾角，使得分割出的旋转射流搅拌能力提高，熔池内的搅拌直径增加，达到充分搅动熔池的目的。该成果是使得熔炼系统整体寿命提高了1.3倍，产能提高了约4倍，能耗降低了约60%。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种炉膛底部供热的旋转射流氧枪及其应用方法。该炉膛底部供热的是在该氧枪枪口加装栏栅网格层，使得分割出的旋转射流流动迹线更为分散，流速达到充分搅动熔池的目的；本方法在充分利用氧气与矿料中的硫化物进行化学反应放出热量，同时气体射流形成气泡带动熔体向上运动的同时，提供一种横向的左右摇摆动力。该喷吹方式在不增加射流原始动量的前提下，能够更为充分地搅动熔池，同时改变单一的熔体运动方式，降低熔体向上的动能，避免高温熔体溅射对炉壁及烟道口的冲刷腐蚀。通过破坏熔池溶液内部形成的流场能有效提高反应效率、降低烟尘发生率，有效防止烟道堵塞。满足现代生产高产能、低能耗、低污染、控制成本的冶炼要求，本发明通过以下技术方案实现。
冶金熔炼过程的热平衡主要靠氧枪喷射出的氧气与精矿发生化学反应所放出的热量来维持，而氧枪射流对熔池的冲击行为对炉内的自热反应有着重要的影响。通过对顶吹熔炼炉炉内氧气射流的速度分布规律的研究，掌握炉内氧气射流特性，据此开发出一种炉膛底部供热的旋转振荡射流氧枪。通过旋射流计算流体力学模型确定适宜的网格倾角，使得分割出的旋转射流搅拌能力提高，熔池内的搅拌直径增加，达到充分搅动熔池的目的。该成果是使得熔炼系统整体寿命提高了1.3倍，产能提高了约4倍，能耗降低了约60%。
一种炉膛底部供热的旋转射流氧枪，包括氧枪枪体1、气体通道3、水冷通道4和氧枪枪口5，所述氧枪枪体1内部中心为气体通道3，气体通道3采用拉瓦尔喷管，氧枪枪体1内部还设有围绕着气体通道3的若干水冷通道4，氧枪枪口5位于气体通道3顶部且与气体通道3相通，还包括栏栅网格层，栏栅网格层安装到氧枪枪体1的氧枪枪口5上，栏栅网格层包括中间位置与氧枪枪口5相通的氧喷口、均匀设置在氧喷口周围的三角形气体出口、圆边上设有与氧枪枪体1水冷通道4相通的水冷通道出口以及空余位置处设有的倾斜网格形成的枪口栏栅2。
所述枪口栏栅2倾斜角度为5~10°。
一种所述的炉膛底部供热的旋转射流氧枪的应用方法：
将旋转射流氧枪排列安置于炉膛底部搅拌区，氧枪中轴线与底吹炉6垂直线存在夹角a，a的变化范围为0~20°，并控制熔池液面低于炉体水平线的位置；将物料从加料口加入熔炼炉内，并将氧气经加压设备鼓入气体通道3，并在该通道获得加速后在枪口栏栅2打散，形成多股旋转射流，再鼓入熔池内部进行搅拌。氧气既起到搅拌作用，同时与矿料颗粒发生氧化反应放出大量的热量，维持冶炼所需。为了保证射流的搅拌强度不至于过大引起液面喷溅损害炉体，因此在喷吹的过程中将氧枪与炉体垂直线形成一定的角度a，延长射流在熔池的流动距离，减缓气泡上升的冲击力，有效抑制液面喷溅的发生。底吹气体射流搅拌熔池很容易形成稳定的流场，长时间的稳定搅拌对于冶炼来说效率变差。而利用多股射流相互影响产生摇摆振荡效果，不断破坏搅动射流中心两侧溶液形成稳定流场，促进粒子间的相互碰撞，使得氧气与矿料充分接触反应，同时释放大量热量供给熔池。通过良好的动力学条件将矿料中的化学能有效的转化为热能满足熔炼过程所需的热量。整个熔炼过程的热平衡主要靠氧枪喷射出的氧气与精矿发生化学反应所放出的热量以及旋转氧气射流与可燃气体燃烧放出的热量来维持，因此在冶炼的过程中不需要外加燃料，能够降低生产成本，增加炉体连续作业时间以及炉体关键部位的寿命。
上述氧气含氧量为95～99wt%。
本发明的有益效果是：
一、氧利用率高，烟尘发生率低，烟气含硫量高，烟气中残氧含量由6%降至3%以下，烟尘率由1.5%降至0.7%以下，烟气中SO2含量平均提高了5%以上，SO2的瞬时浓度可达7000~10000mg/Nm3；
二、气体射流搅动直径相较于氧枪直径为30~40倍，熔池整体搅拌更为均匀，化学反应进行的彻底，因此通过反应产生的热量高，无需外加燃料提供能量；
三、炉体损耗率降低，通过合理的喷吹机制，有效的降低气体射流及熔池对炉衬的冲击，保护氧枪、烟道口及炉壁等关键部位，使炉体寿命提升20%。
四、产品的全流程贵金属回收率由93.18%提升至97.50%。
附图说明
图1是本发明栏栅网格层结构示意图；
图2是本发明氧枪结构示意图；
图3是本发明氧枪安装结构示意图。
图中：1-氧枪枪体，2-枪口栏栅，3-气体通道， 4-水冷通道，5-氧枪枪口，6-底吹炉，7-氧枪倾角。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1和2所示，一种炉膛底部供热的旋转射流氧枪，包括氧枪枪体1、气体通道3、水冷通道4和氧枪枪口5，所述氧枪枪体1内部中心为气体通道3，气体通道3采用拉瓦尔喷管，氧枪枪体1内部还设有围绕着气体通道3的若干水冷通道4，氧枪枪口5位于气体通道3顶部且与气体通道3相通，还包括栏栅网格层，栏栅网格层安装到氧枪枪体1的氧枪枪口5上，栏栅网格层包括中间位置与氧枪枪口5相通的氧喷口、均匀设置在氧喷口周围的三角形气体出口、圆边上设有与氧枪枪体1水冷通道4相通的水冷通道出口以及空余位置处设有的倾斜网格形成的枪口栏栅2。
其中枪口栏栅2倾斜角度为5°。
如图3所示，该所述的炉膛底部供热的旋转射流氧枪的应用方法：
将旋转射流氧枪排列安置于炉膛底部搅拌区，氧枪中轴线与底吹炉6垂直线存在夹角a，a的变化范围为0°，并控制熔池液面低于炉体水平线的位置；将物料（矿料为铜精矿，包括以下质量百分比组分：Cu65%、Fe4.5%、S22%、Ni1%等）从加料口加入熔炼炉内，并将氧气经加压设备鼓入气体通道3，并在该通道获得加速后在枪口栏栅2打散，形成多股旋转射流，再鼓入熔池内部进行搅拌。氧气既起到搅拌作用，同时与矿料颗粒发生氧化反应放出大量的热量，维持冶炼所需。为了保证射流的搅拌强度不至于过大引起液面喷溅损害炉体，因此在喷吹的过程中将氧枪与炉体垂直线形成一定的角度a，延长射流在熔池的流动距离，减缓气泡上升的冲击力，有效抑制液面喷溅的发生。底吹气体射流搅拌熔池很容易形成稳定的流场，长时间的稳定搅拌对于冶炼来说效率变差。而利用多股射流相互影响产生摇摆振荡效果，不断破坏搅动射流中心两侧溶液形成稳定流场，促进粒子间的相互碰撞，使得氧气与矿料充分接触反应，同时释放大量热量供给熔池。通过良好的动力学条件将矿料中的化学能有效的转化为热能满足熔炼过程所需的热量。整个熔炼过程的热平衡主要靠氧枪喷射出的氧气与精矿发生化学反应所放出的热量以及旋转氧气射流与可燃气体燃烧放出的热量来维持，因此在冶炼的过程中不需要外加燃料，能够降低生产成本，增加炉体连续作业时间以及炉体关键部位的寿命。在高氧化区附近温度能够保持在2100～2300k左右，在整个熔炼过程中固体炉壁面处的温度能够恒定在1600～1700k。
本实施例中烟气中残氧含量由6%降至3%以下，烟尘率由1.5%降至0.7%以下，渣含铜由3.2%降至2.4%以下，含金由0.67g/t降至0.27g/t以下，含银114g/t降至62g/t以下，烟气中SO2含量平均提高了5%以上，SO2的瞬时浓度可达7000~10000mg/Nm3。渣含铜由0.767%降至0.572%以下，渣含银由7.5g/t降至2.7g/t以下。本发明制备得到的熔体经现有流程的方法制备得到后续产品金回收率由93.18%提升至97.30%，银回收率由94.04%提升至96.30%。
实施例2
如图1和2所示，一种炉膛底部供热的旋转射流氧枪，包括氧枪枪体1、气体通道3、水冷通道4和氧枪枪口5，所述氧枪枪体1内部中心为气体通道3，气体通道3采用拉瓦尔喷管，氧枪枪体1内部还设有围绕着气体通道3的若干水冷通道4，氧枪枪口5位于气体通道3顶部且与气体通道3相通，还包括栏栅网格层，栏栅网格层安装到氧枪枪体1的氧枪枪口5上，栏栅网格层包括中间位置与氧枪枪口5相通的氧喷口、均匀设置在氧喷口周围的三角形气体出口、圆边上设有与氧枪枪体1水冷通道4相通的水冷通道出口以及空余位置处设有的倾斜网格形成的枪口栏栅2。
其中枪口栏栅2倾斜角度为10°。
如图3所示，该所述的炉膛底部供热的旋转射流氧枪的应用方法：
将旋转射流氧枪排列安置于炉膛底部搅拌区，氧枪中轴线与底吹炉6垂直线存在夹角a，a的变化范围为10°，并控制熔池液面低于炉体水平线的位置；将物料（矿料为铜精矿，包括以下质量百分比组分：Cu65%、Fe4.5%、S22%、Ni1%等）从加料口加入熔炼炉内，并将氧气经加压设备鼓入气体通道3，并在该通道获得加速后在枪口栏栅2打散，形成多股旋转射流，再鼓入熔池内部进行搅拌。氧气既起到搅拌作用，同时与矿料颗粒发生氧化反应放出大量的热量，维持冶炼所需。为了保证射流的搅拌强度不至于过大引起液面喷溅损害炉体，因此在喷吹的过程中将氧枪与炉体垂直线形成一定的角度a，延长射流在熔池的流动距离，减缓气泡上升的冲击力，有效抑制液面喷溅的发生。底吹气体射流搅拌熔池很容易形成稳定的流场，长时间的稳定搅拌对于冶炼来说效率变差。而利用多股射流相互影响产生摇摆振荡效果，不断破坏搅动射流中心两侧溶液形成稳定流场，促进粒子间的相互碰撞，使得氧气与矿料充分接触反应，同时释放大量热量供给熔池。通过良好的动力学条件将矿料中的化学能有效的转化为热能满足熔炼过程所需的热量。整个熔炼过程的热平衡主要靠氧枪喷射出的氧气与精矿发生化学反应所放出的热量以及旋转氧气射流与可燃气体燃烧放出的热量来维持，因此在冶炼的过程中不需要外加燃料，能够降低生产成本，增加炉体连续作业时间以及炉体关键部位的寿命。
该种方式能够有效抑制喷溅的幅度，使得熔池液面波动幅度不大，因此对于底吹炉6的上方炉壁、烟道和氧枪起到保护的作用。利用该种方式可以使底吹炉连续作业时间提高20%，底吹炉6整体寿命时间增加10%。
实施例3
如图1和2所示，一种炉膛底部供热的旋转射流氧枪，包括氧枪枪体1、气体通道3、水冷通道4和氧枪枪口5，所述氧枪枪体1内部中心为气体通道3，气体通道3采用拉瓦尔喷管，氧枪枪体1内部还设有围绕着气体通道3的若干水冷通道4，氧枪枪口5位于气体通道3顶部且与气体通道3相通，还包括栏栅网格层，栏栅网格层安装到氧枪枪体1的氧枪枪口5上，栏栅网格层包括中间位置与氧枪枪口5相通的氧喷口、均匀设置在氧喷口周围的三角形气体出口、圆边上设有与氧枪枪体1水冷通道4相通的水冷通道出口以及空余位置处设有的倾斜网格形成的枪口栏栅2。
其中枪口栏栅2倾斜角度为8°。
如图3所示，该所述的炉膛底部供热的旋转射流氧枪的应用方法：
将旋转射流氧枪排列安置于炉膛底部搅拌区，氧枪中轴线与底吹炉6垂直线存在夹角a，a的变化范围为15°，并控制熔池液面低于炉体水平线的位置；将物料（矿料为铜精矿，包括以下质量百分比组分：Cu65%、Fe4.5%、S22%、Ni1%等）从加料口加入熔炼炉内，并将氧气经加压设备鼓入气体通道3，并在该通道获得加速后在枪口栏栅2打散，形成多股旋转射流，再鼓入熔池内部进行搅拌。氧气既起到搅拌作用，同时与矿料颗粒发生氧化反应放出大量的热量，维持冶炼所需。为了保证射流的搅拌强度不至于过大引起液面喷溅损害炉体，因此在喷吹的过程中将氧枪与炉体垂直线形成一定的角度a，延长射流在熔池的流动距离，减缓气泡上升的冲击力，有效抑制液面喷溅的发生。底吹气体射流搅拌熔池很容易形成稳定的流场，长时间的稳定搅拌对于冶炼来说效率变差。而利用多股射流相互影响产生摇摆振荡效果，不断破坏搅动射流中心两侧溶液形成稳定流场，促进粒子间的相互碰撞，使得氧气与矿料充分接触反应，同时释放大量热量供给熔池。通过良好的动力学条件将矿料中的化学能有效的转化为热能满足熔炼过程所需的热量。整个熔炼过程的热平衡主要靠氧枪喷射出的氧气与精矿发生化学反应所放出的热量以及旋转氧气射流与可燃气体燃烧放出的热量来维持，因此在冶炼的过程中不需要外加燃料，能够降低生产成本，增加炉体连续作业时间以及炉体关键部位的寿命。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种炉膛底部供热的旋转射流氧枪，包括氧枪枪体（1）、气体通道（3）、水冷通道（4）和氧枪枪口（5），所述氧枪枪体（1）内部中心为气体通道（3），气体通道（3）采用拉瓦尔喷管，氧枪枪体（1）内部还设有围绕着气体通道（3）的若干水冷通道（4），氧枪枪口（5）位于气体通道（3）顶部且与气体通道（3）相通，其特征在于：还包括栏栅网格层，栏栅网格层安装到氧枪枪体（1）的氧枪枪口（5）上，栏栅网格层包括中间位置与氧枪枪口（5）相通的氧喷口、均匀设置在氧喷口周围的三角形气体出口、圆边上设有与氧枪枪体（1）水冷通道（4）相通的水冷通道出口以及空余位置处设有的倾斜网格形成的枪口栏栅（2）；
所述枪口栏栅（2）倾斜角度为5~10°；
上述炉膛底部供热的旋转射流氧枪的应用方法：将旋转射流氧枪排列安置于炉膛底部搅拌区，氧枪中轴线与底吹炉（6）垂直线存在夹角a，a的变化范围为0~20°，并控制熔池液面低于炉体水平线的位置；将物料从加料口加入熔炼炉内，并将氧气经加压设备鼓入气体通道（3），并在该通道获得加速后在枪口栏栅（2）打散，形成多股旋转射流，再鼓入熔池内部进行搅拌。
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