CN1067437C - 顶置喷管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于向冶金容器中喷注原料，尤其是固体原料的喷管(5)。喷管包括：把原料送进管内的进口(21)；喷管(5)前端的用于排出原料的出口(23)；形成进口(21)、出口(23)间原料通道(33)的中空延伸构件(25)，适于被第一种冷却流体冷却；位于构件(25)部分长度周围的套管(35)，适于被第二种冷却流体冷却。

Description

顶置喷管
本发明涉及一种喷管。
尽管不排他，本发明尤其涉及一种用在基于连续性投料或批量投料的冶金容器中的喷管。该喷管能够长期暴露于炉内能化学腐蚀喷管的金属熔液和熔渣中，并承受易促使喷管过早发生机械性故障的炉内温度的剧烈变化。
尽管绝非特指，本发明特别涉及一种用于一定操作位置范围内的喷管，将固体原料注入内装一定熔融炉料的冶金容器中，炉料中有一层金属熔液、一层熔渣、或许还有两者的混合物。上述的操作位置范围包括，但不限于下列位置：
ⅰ．喷管顶端高于熔池，处于能够被喷溅着的位置或脱离喷溅的位置；
ⅱ．喷管顶端插入熔渣中；
ⅲ．喷管顶端插入金属熔液中。
尽管绝非特指，本发明特别涉及一种基于采用本发明的喷管向冶金容器中喷注固体原料的方法。
尽管绝非特指，本发明特别涉及这样一种喷管，能够利用顶置喷注固体原料，如煤炭、铁矿石，和溶剂，透过冶金容器中金属熔液和熔渣表面完成高强度熔化过程，产生铁水。
还有许多已知的喷管和喷口装置能够向冶金容器中喷注固体原料来制造黑色金属和有色金属，以及合金。举例来说，已知的喷管和喷口装置包括：
ⅰ．萨维德-李型底端喷口装置，透过冶金容器的耐火材料衬层向炉内喷注氧气。喷口装置至少包括两个同轴管。典型地，使用时通过内管喷注氧气，通过两管之间环形通道向炉内喷注作为冷却剂的碳氢化合物。这种喷口装置也可用于不喷注氧气，而通过运载气体(如Z-Bop,KS,KMS)来喷注固体原料。Kortec AG曾有类似的专利，是由几个特殊的同轴管组成的喷口装置，使用时由碳氢化合物和水组成的混合物，以及运载气体进行冷却。这些装置有广泛的应用范围，然而，一般来说该喷口装置对其周围耐火炉衬烧损和腐蚀很敏感。典型地，炉衬烧损以及伴随产生的耐火材料层腐蚀的速度介于0.5mm/小时和1.5mm/小时之间，这种速度限制了喷口装置的寿命。
ⅱ．Kortec AG也有水平或竖直的可移动喷口装置专利，与ⅰ中所述的喷口装置特性相似。喷口装置的同轴管装在圆形耐火材料衬套中，管和衬套的总成逐渐浸入冶金容器中，用以补偿炉衬的烧损。这种方法，可使耐火材料层的腐蚀减少到最低限度。
ⅲ．倾斜顶置喷管，尤其用于向电弧炉装置中注入氧气、煤炭和其它固体。该喷管采用水冷方式，在熔炉操作中，喷管插入熔渣层中，但不应接触金属熔液层，以确保喷管和熔液有最少的接触。典型地，喷管的寿命限于500-2000个热循环(200-800个操作小时)，此后就需要维护和修补。
其它已知的喷管和喷口装置包括，但不限于西罗熔炼(Sirosemlt)喷管，奥熔炼(Ausmelt)喷管和用于钢铁工业中喷注气体和固体的钢管(以及耐火材料层钢管)。
然而，尽管有众多已知的喷管，但未发现能够长期暴露于铁水中并承受相当长时间和持续温变的喷管，而这些要求在高强度熔炼过程或类似过程中采用顶置喷注原料时都是需要的。
本发明的目的是提供一种能够在这些条件下使用的喷管。
本发明提供一种向冶金容器中喷注原料，尤其是固体原料的喷管，包括：
ⅰ．把原料送进喷管的进口；
ⅱ．喷管前端用于排出原料的出口；
ⅲ．组成进口、出口间原料通道的中空延伸构件，适于被第一种冷却流体冷却；
ⅳ．位于构件部分长度周围的套筒，适于被第二种冷却流体冷却。
使用时，套筒和流经套筒的第二种冷却流体作为被围构件部分的防护装置，防止因接触金属熔液和/或熔渣而导致的对该部分构件的直接损坏，并把高温和温变对整个构件的副作用减少到最低限度。另外，使用时流经构件的第一种冷却流体保护构件不受高温环境副作用的影响；即保护其：
(ⅰ)．构件外部，包括喷管前端超出套筒的构件部分；
(ⅱ)．构件内部，在原料被预热的位置上。
尽管绝非必须，构件最好采用环形结构。
在喷管前端，构件最好延伸到套筒之外。
构件最好有至少一条供第一种冷却流体流经的冷却流体通道。
构件最好有把第一种冷却流体引进冷却流体通道的进口，和从冷却流体通道中排出已被加热的冷却流体的出口。
液却液通道出口最好位于喷管前端。
冷却流体通道最好采用环形空腔结构。
第一种冷却流体最好是由水和气体(如氮气，一氧化碳，或氩气等)组成的混合物。
第一种冷却流体也可以包括一种或多种使用时对熔炼过程有益的其它气体。
喷管最好还包括雾化水/气混合物中水的装置。
尤其是把雾化装置布置在冷却流体通道入口处最佳。
构件最好有两个或多个供第一种冷却流体流经的冷却流体通道。
对于这种装置，冷却流体通道最好是同轴的环形空腔。
构件最好包括外壁、内壁、以及两者之间形成的环形冷却流体空腔。
对于这种装置，其它的环形冷却流体空腔最好由构件外壁和套筒内壁之间的环形间隙组成。
喷管最好还包括一个支撑构件的装置，使得构件在喷管纵向方向上可以相对于套筒移动。
喷管最好还包括相对于套筒移动构件的装置，用以补偿喷管前端处构件的腐蚀，并由此维持喷管顶端处构件和套筒之间的相对位置。
套筒最好布置在喷管前端处构件部分的周围。
套筒最好形成一个供第二种冷却流体流经的空腔。
该空腔最好在喷管前端处封闭。
尤其是空腔最好采用环形腔结构。
对于这种装置，套筒最好有把第二种冷却流体引进空腔的进口，和从空腔中排出已加热第二冷却流体的出口。
喷管最好包括控制第二种冷却流体进入空腔进口处流速的装置，尤其是使用时，流速最好控制在能够使套筒外表面形成并维持一层铁水/熔渣冻层的水平上。
第二种冷却流体最好是水。
本发明提供一种向装有金属熔液和熔渣炉料的冶金容器中喷注固体原料的方法，该方法包括：
ⅰ．在一定操作位置范围内有选择地在冶金容器中布置如上所述的喷管，操作位置范围包括：
a．高于熔池，处于能够被喷溅着的位置或脱离喷溅的位置；
b．插入熔渣中；
c．插入金属熔液中。
ⅱ．通过喷管构件中的通道向熔池内喷注原料；
ⅲ．向构件提供第一冷却流体；
ⅳ．向喷管套筒提供第二种冷却流体，这样套筒和第二种冷却流体就构成了位于构件封闭部分周围的护套。
本发明将结合附图进行更深入的描述，其中：
图1是一示意图，图示了带有顶置喷管的冶金容器，其中喷管从冶金容器侧壁穿过；
图2是采用本发明的顶置喷管的一个优选实施例的纵剖视图。
下面按照把铁矿石熔炼成铁水的情况进行描述，当然，不难理解本发明并不局限于该应用，一般来说，还适用于在冶金容器中炼制黑色和有色金属和合金。
图1是简化的原理图，图示了用顶置喷注固体原料方法采用高强度熔炼过程进行炼制铁矿石的装置的一个实施例。
该装置包括冶金容器3。冶金容器有金属外壳和耐火材料衬层，其中耐火材料衬层适于盛留由铁水层、熔渣层及两者混合物组成的熔融熔池9。冶金容器3包括一个炉底4，柱状侧面6，炉顶20和气体出口8。
该装置还包括用于向熔池9中喷注固体原料，如铁矿石(包括预还原的铁矿石)、煤炭，和熔剂的喷管5，炉料在热态或冷态下包含在运载气体中，如空气、氮气、或天然气等。喷管5穿过冶金容器3的侧壁6，可以在一定的操作位置范围内布置，包括图1所示的位置，其中喷管5的顶端13在熔池9表面的上方，并与熔池9表面有一段短的距离；其它的操作位置还包括把喷管顶端13浸入熔渣层或熔渣/金属层，这些都可以采用。
该装置还包括用于向冶金容器3内喷注含氧气体的顶置喷管10，喷管10穿过冶金容器3的炉顶20延伸。
典型地，使用过程中，冶金容器3的温度变化范围在1450℃到2000℃之间。尤其是为了在上述操作位置范围内正常使用，喷管5使用时必须能够承受熔池1500℃数量级的温度，以及熔池9上方气体空间高达2000℃的高温。
如图2所示，喷管5包括把固体原料送进管内的进口端21，和把固体原料中排出的出口端23。
喷管5也包括一个中空的延伸管构件，整体标号是25。该构件形成了一个在喷管5整个纵向方向上延伸的中央通道19，位于进口端21和出口端23之间，其中出口端23形成了喷管的前端。
使用时，由运载气体携带的固体原料从进口端21进入通道19，经出口端即前端23从喷管排出。
管构件25包括三个同轴管，其中内管27由陶瓷材料制成，中间管29和外管31由不锈钢制成。
管构件25的结构中，中间管29和外管31之间形成了一个环形间隙，该间隙形成了供冷却流体流经的环形通道33，冷却流体是雾化水和诸如氮气、一氧化碳和氩气之类的气体组成的混合物。
喷管5还包括一个水冷套筒35，位于管构件25部分长度的周围，水冷套筒位于喷管5的前端即出口端部位。
套筒35的结构中，管构件25与套筒35之间形成了一个环形间隙，该间隙形成了另一个雾化水/气混合物流经的环形通道。
喷管5还包括歧管空腔41和43，这些空腔形成了雾化水/气混合物进入冷却流体通道39,33的进口。使用时，通过歧管空腔41,43喷射的雾化水/气混合物经通道33,39流动，从喷管5的前端即出口端23排出。
套筒35由不锈钢制成，形成了前端封闭的环形空腔37。套筒35包括冷却水进口45和已加热冷却水出口47，两者位于套筒35一远端末梢部分直径上完全相反的位置，该端远离喷管5的出口端，即前端23。使用时，通过进口45喷射的冷却水经空腔37，从出口47把已加热的冷却液排出。
套筒35还包括空腔37中的环形管49，用以把空腔37隔成内、外两部分。管49的使用目的是优化冷却水的热传递。
喷管5的结构中，管构件25可以相对于套筒35移动。这个特征使得管构件25可以朝着喷管5出口端(即前端)的方向逐渐移动，以维持管构件25和套筒35之间的相对位置，如图2所示。这对于补偿喷管前端即出口端23位置管构件25的逐渐磨损是必要的，而这种磨损是在冶金容器3中使用喷管5的必然结果。
申请者在装有铁水和熔渣的冶金容器3内对上面所述的喷管5进行了试验，从中发现喷管5事实上能够承受冶金容器3的环境条件。
在不脱离本发明范围和精神实质的基础上，可对上述优选实施例做出许多变更。

Claims (19)

1．向冶金容器中喷注原料，尤其是固体原料的喷管，包括：
ⅰ．把原料送进喷管的进口；
ⅱ．喷管前端用于排出原料的出口；
ⅲ．延伸到喷管前端的外层冷却套筒；
ⅳ．组成进口、出口间原料通道的中空延伸构件，至少包括两条供第一种冷却流体流经的通道，其中每个通道都有用来引进冷却流体的进口和在喷管前端排出已受热冷却流体的出口，且最外面的冷却流体通道是由所述构件外壁和套筒内壁组成的环形空腔；
ⅴ．支撑构件的装置，使得构件可以在喷管纵向方向上相对于套筒移动。
2．根据权利要求1所述的喷管，其特征在于：在喷管前端，构件延伸到外套筒以外。
3．根据权利要求1或2所述的喷管，其特征在于：第一种冷却流体包括水和诸如氮气、一氧化碳或氩气之类的气体组成的混合物。
4．根据权利要求3所述的喷管，其特征在于，还包括：在每个冷却流体通道进口处把水/气混合物中水雾化的装置。
5．根据权利要求1所述的喷管，其特征在于：在构件内、外壁之间形成的环形间隙是另外一个冷却流体通道。
6．根据权利要求1所述的喷管，其特征在于，还包括相对于外套筒移动构件的装置，以补偿喷管前端部位构件的腐蚀，从而维持在喷管前端处外套筒和构件之间最初的相对位置。
7．根据权利要求1所述的喷管，其特征在于：外套筒形成了供第二种冷却流体流经的空腔。
8．根据权利要求7所述的喷管，其特征在于：上述空腔在喷管前端部位是封闭的。
9．根据权利要求8所述的喷管，其特征在于：上述空腔是环形的。
10．根据权利要求9所述的喷管，其特征在于：外套筒包括把第二种冷却流体引进空腔的进口，和从空腔中把已受热的第二种冷却流体排出的出口。
11．根据权利要求10所述的喷管，其特征在于，还包括一个控制第二种冷却流体进入空腔进口处流速的装置。
12．向装有金属熔液和熔渣的冶金容器中喷注固体原料的方法，包括：
ⅰ．在一定操作位置范围内有选择地在冶金容器中布置根据上述任一权利要求所述的喷管，操作位置范围包括：
a．高于熔池，处于能够被喷溅着的位置或脱离喷溅的位置；
b．喷管顶端插入液态熔渣中；
c．插入金属熔液中；
ⅱ．通过喷管构件中的通道向熔池内喷注原料；
ⅲ．向构件提供第一种冷却流体；
ⅳ．向喷管外套筒提供第二种冷却流体，使得外套筒和第二种冷却流体构成位于构件封闭部分周围的护套。
13．根据权利要求12所述的方法，其特征在于，包括对第二种冷却流体流速进行控制，以便在套筒外表面形成金属/熔渣冻层。
14．根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于：熔池的温度高达1500℃，熔池上方的气体空间的温度高达2000℃。
15．根据权利要求12所述的方法，其特征在于：熔池包括铁水和熔渣，固体原料包括熔剂和煤、铁矿石、部分还原的铁矿石中的任何一种或多种。
16．通过喷管向装有金属熔液和熔渣的冶金容器中喷注原料的方法，喷管包括：把原料送进喷管的进口；喷管前端用于排出原料的出口；延伸到喷管前端的外层冷却套筒；组成进口、出口间原料通道的中空延伸构件，至少包括一条供第一种冷却流体流经的通道，其中每个通道都有用来引入冷却流体的进口和在喷管前端排出已受热冷却流体的出口，且最外面的冷却流体通道是由构件外壁和外套筒内壁组成的环形空腔；该方法包括：
ⅰ．在一定操作位置范围内有选择地在台金容器中布置喷管，操作位置范围包括：
a．高于熔池，处于能够被喷溅着的位置或脱离喷溅的位置；
b．插入熔渣中；
c．插入金属熔液中；
ⅱ．通过喷管构件中的通道向熔池内喷注原料；
ⅲ．向构件冷却流体通道提供第一种冷却流体；
ⅳ．向喷管外套筒提供第二种冷却流体，使得外套筒和第二种冷却流体构成位于构件封闭部分长度周围的护套。
17．根据权利要求16所述的方法，其特征在于，包括对第二种冷却流体流速进行控制，以便在套筒外表面形成金属/熔渣冻层。
18．根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于：熔池的温度高达1500℃，熔池上方的气体空间的温度高达2000℃。
19．根据权利要求16所述的方法，其特征在于：熔池包括铁水和熔渣，固体原料包括熔剂和煤、铁矿石、部分还原的铁矿石中的任何一种或多种。
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