CN1071958A - 喷枪 - Google Patents

Abstract

一种喷枪，尤其是一种通过喷吹气体到金属溶液 池表面来精炼金属的喷枪。它包括一个用来产生超 音速精炼气流的可调风嘴和带一组固定风嘴(29A， 29B)的喷吹头，风嘴通到所述喷吹头的圆拱前部，并 将超音速气流分入各个畅通喷嘴中。一个周期调节 器用来调节通过一组风嘴(29A，29B)的流量，这样第 一风嘴(29A)的第一分组的嘴口中的流量不与在风 嘴(29B)的第二分组的嘴口中的流量同步变化，即两 个风嘴的分组嘴口中的流量不会同时增加或同时减 少，也不会同时达到最小值或最大值。

Description

本发明涉及一种喷枪，尤其是关于一种通过喷吹气体到金属溶液池的表面来精炼金属的喷枪。

在精炼过程中，例如在铸铁或铁化合物的精炼期间，将一种精炼气体（一般是氧气）从上面喷吹到金属溶液池上。

通常用于这样的精炼过程的喷枪，其所带的喷嘴枪头有4或6个超音速的精炼气体喷口，射到溶池表面的预定喷射部位上。这种喷枪通常下述的以气体的流率和超音速气体的流速为特征，即前者取决于供气压力，后者是该供气压力的一个函数。在下述中，这类喷枪被称为“惯用喷枪”。

已经研究出各种技术，用来加强金属池的搅拌，不断地使新金属溶液与氧化气体接触，避免溶池中氧化性气体产生过饱和，以免喷口喷射处的局部过热。

从卢森堡专利号87855已知有一种形成偶数气体喷口的喷枪，其金属溶液池表面上的喷射部位在精炼操作时沿着环形路线以连续方式移动的。如果和上述的惯用喷枪相比较，这种喷枪是以一种改进了的氧化气体扩散和一种较好的分配喷口喷射部位附近的反应热，及较好搅拌金属熔池为其特色的。根据卢森堡专利号87855。其喷枪头部有一个旋转件或转动体，它直接受到金属溶液池的热量影响和溅射，但出于技术原因，仍不能结合进喷枪的冷却环路。结果，该喷枪头在实际上的寿命要比普通喷枪头要短得多，后者容易做到用固定其上的风嘴来对固定的拱顶部分进行冷却。

另一种技术，和熟悉的LD-CL工艺（CL＝环行喷枪，LD＝氧气顶吹转炉）结合，利用一种能绕着垂直轴环行的倾斜喷枪体，用一个喷口或一组喷口来吹扫金属熔液池的表面。这种LD-CL喷枪具有类似提到的那些带旋转喷口喷枪的优点。但环行喷枪的实现，需要许多重要的机械装置以及要对喷枪悬吊设备进行彻底的改造。

卢森堡专利No.87353揭示一种可调节的Laval风嘴，它允许在喷枪内产生一种超音速气流，其速度和流量可以单独调节，所以可以得到不同流量的各种喷嘴硬度（或浸透度）。卢森堡专利87353号的这种装置可有利地并入构成本发明目的的新喷枪总的概念中。

传统的装有这样一种可调的Laval风嘴的喷枪当然提供了这样的可能性，即在精炼操作期间增加氧化气体的流量，并加强金属溶液池的搅拌。这种方式会产生出不利情况，它会导致熔池中氧化气体的过分集中和/或喷嘴在熔池喷射点处的局部过热。

本发明的目的是提供一种喷枪，尤其是通过喷吹一种气体到金属池表面的用于精炼金属的喷枪，这种喷枪包括：一种可产生超音速精炼气流的可调风嘴，其流量及流速可单独调节;和一个吹射头，它带有一组通到所说喷头前圆拱的并把超音速气体分配流入各个畅通的喷嘴中的固定风嘴，所说的喷枪可加强金属池的搅拌而避免增加金属池过热的危险，或避免喷咀喷射到金属池部位处氧化气体过分集中的风险。

一种能达到本发明目的的喷枪其特征在于：包括一台用于通过所述的一组风嘴的流量周期调节器，在一个调节周期的第一部分期间，该周期调节器适合渐进地闭塞作气体通道用的风嘴的第一个分组的嘴口，并且同时渐进地打开气体通道的风咀的第二个分组的嘴口，而在该调节周期的第二部分期间则倒过来。

所提出的喷枪包括用于各个喷咀的流量在最小和最大值之间作周期性调节的装置，从而确保特定的喷嘴流量不会同步地与另外的喷嘴的流量一起变化，也就是说，流量不会同时增加或减少，也不会在同一时刻到达它们最小值或最大值。

所提出的喷枪改进了熔池中的特定的流体运动，它借助于一组在金属池表面上有固定喷射点的气体喷嘴。这种液体运动特别地增大朝着所述的喷嘴固定喷射点处的金属溶液的流入，改进熔池的搅拌，不会在熔池中增加氧化气体的过分集中，和/或不会在喷咀搅拌熔池处增加局部过热。

喷枪有2n（即n×2）个风嘴，所述的风嘴布置成与喷枪的纵向轴线成同样角度的2n个畅通的喷嘴，两个依次排列的风嘴之间用180/n的角度来隔开。周期调节器设计成在所述的依次排列的风嘴的第二个畅通时，该依次排列的风嘴的第一个被堵量为最大。

旋转闭塞器通过其转动轴线的n/2个平面再分成n个角形扇形体，其扇形角为360/n度，各扇形体有相等或近似的几何形状。在其中做出风嘴的入口的入口件也分成n个相等的角形扇形件，每个个扇形件具有两个风嘴的入口。旋转闭塞器的各扇形体在对着入口件的端部的终端横断面是这样的，即入口件一个相应的扇形件的两个风嘴中的一个的入口被所述的终端部分或多或少地关小精炼气体流，而同一扇形件的另一个风嘴的入口则具有完整截面或近似完整断面，即精炼气体流动畅通。

这一喷枪的工作原理可说明如下：

气体喷射到液体表面，一定量的液体从其喷射处移位，这样，在液体表面就形成一个凹陷。由喷嘴移动的液体容量是一个主要随喷嘴流量的参数。如果气体的流量增加，凹陷处的容积就变大，而喷嘴的喷射区变成一个能产生由喷射区冲出的液体流的源点。

从另一方面来说，如果气体喷嘴的流量减少，使液体表面所形成的凹陷在重力影响下被充填满，喷嘴的喷射区变成一个收点，即产生向该喷射区移动的液体流。

如果喷嘴的流量在最小和最大值之间调节，则所产生的液体搅拌要比喷嘴以等于被调节流量的平均值的稳定流量的搅拌大得多。

把“源点”和“收点”邻近布置，也就是说使增加流量的喷咀和减少流量的喷嘴邻近布置，会对池中液体作强制运动，即形成一种“液体马达”，它由一对周期地可逆的“源点”和“收点”组成，它们在被调节的喷嘴的喷射区之间形成交替物流。

结果，熔池的搅拌与不调节的固定喷嘴的喷枪在分配相同的精炼气体的流量情况下相比较产生的搅动是明显地增加了。

工业实践业已表明，根据上述原理工作的喷枪，其所取得的结果至少相当于带旋转喷嘴的喷枪所取得的结果。

作为频率和调节函数（即流量随时间渐进和各个喷嘴间的周期变换）适当选择的结果，已成功地在池中生成液体运动的叠加现象，形成一种带谐振特性的液体运动。这些现象进一步增强熔炼池中液体的运动，并且对冶金反应的“cinetics”以及可能会加到池中的废料熔化有着积极的影响。

各喷嘴中流量改变是用来取得每个喷嘴流量的周期调节的装置的特征（如几何结构）的一个函数。

例如应予以理解，所有喷嘴的总的瞬时流量可能近似是个常数。

对形成一对喷嘴有利的例子是当一个喷嘴有最小的流一时另一个喷咀有最大流量，反过来也一样。

也可这样选择喷嘴的几何分布和流量的周期分配，即作用到喷枪上的冲击力的水平分力，由于喷嘴有一倾斜角，在该周期的任何时刻都表明其合力为零。

本发明的其它特性和优点将从最佳的实施例的详细说明中显得更清楚。该实施例结合附图来说明，在附图中，

图1表示属于根据本发明的喷枪的喷吹头的一个纵向断面图;

图2表示属于根据本发明的喷枪的可调Laval风咀一个纵向断面图;

图3a及3b每个表示在第一和第二半个周期中在熔池表面上喷射点的示意图;

图4a及4b表示在半周期和半周期后通过调节装置的截面AA的状况。

如图1和图2中所示，所提出的喷枪（1）包括一个焊在喷吹头（3）上的喷枪（2）。喷枪体（2）包括一个由四个同轴套管（4，5，6，7）（例如用四根焊接钢管）所组成的套筒。所说的套管用隔垫隔开。并连接到喷枪的头（3），以便限定套筒的套管（4，5，6，7）和喷吹头的壁之间水的冷却环路（9）。

喷枪的吊架装配及供应源供给的流体，即氧气、氮气以及冷却水，都没有在图1及图2中示出，实际上它们对叙述本发明来说关系不大。

枪体（2）中的导管（16）内壁，确定一个环形室（10）并确定纵向轴线α-α′。一根支撑杆（11）与α-α′轴线同轴，并支承着构成Laval风嘴（12）一部分的整个组件。支撑杆（11）最好是一根管子，可以放入电缆（未在图中示出）以供电至将在后面予以叙述的各种操纵机构。根据另一实施例，支撑杆（11）和导管内壁本身可以作为导电体，供电给所述的操纵机构。

Laval风嘴（12）还包括一个传送体（13），该传送体通过包括一台线性步进马达（14）和一个柱形套（15）的操纵机构的中间体而连接到支撑杆（11）上。传送体（13）能在柱形套（15）内沿着喷枪（1）的轴线α-α′作上下移动。如图2可见，传送体（13）的端部有一种针状的东西，其轮廓采用连续的气动过渡曲线，以便使精炼气体的气流中所产生的涡流减少到最小。

在枪体（2）的套筒（7）内，安排着一根精炼气体（即原氧）的同轴导管（16）。在传送体（13）的端部，同轴导管（16）包含一个由收缩部分和一个伸入柱形导管中的颈部组成的部件（17）。收缩部分和固定颈部及与传送体（13）的针状体一起构成一个可调节的Laval风嘴（12）。这种Laval风嘴（12）的特性或参数可通过在轴线α-α′方向上变动传送体（13）来予以修改。该Laval风嘴为此可单独控制该精炼气体的流量而不取决于在Laval风嘴（12）的出口处喷嘴精炼气体的超音速速度。

可调节的Laval风嘴（12）的操作，已经在卢森堡专利No.87353中给予详细的说明，记录在此以供参考。

根据本发明，喷枪（1）在输送精炼气体用的导管（16）部件（17）下游，包括一个调节装置（18）（见图1），它位于超音速精炼气体流的正中央。

调节装置（18）位于入口件（28）的上面，该入口件装有四个入口（29）。入口（29）的功能在于将主超音速精炼气体流以恰当的气动方式分入四个超音速喷嘴中，而其流量几乎是和没有调节装置（18）的一样。

四个风嘴（30）都有一不变的断面，它们从入口件（28）开始，向下伸到喷枪头的圆拱顶（32），在圆拱顶上做有四个出口（31）。

前面提到的四个出口（31），以喷枪（1）的轴线α-α′为中心的圆周上间隔90°角布置。因而风嘴（30）的中心线与所说的喷枪轴线α-α′成α角倾斜。这一角度的选择，连同其它因素一道，是熔池的几何形状及喷枪头在金属液池上面的距离的函数。通常，该角度α在10-15°之间。

调节装置（18）有一转动体。该转动体有一上圆筒件（19），它接到支承装置（20）上，支承装置有一个上轴承（21）和下轴承（22）。在所示的实施例中，转动体装置（18）的上轴承（21）和下轴承（22）都是带有轴承座的滚柱轴承，以紧密但可以拆卸的方式固定到喷枪体（2）的壁（7）上。固定装置可以和图1所示的不同，图1中的固定装置只构成一个最佳实施例而已。

一个或几个伺服马达（23），装在枪体（2）的壁（7）和导管（16）之间，给调节装置（18）一个旋转运动。所说的装置（18）的角速度也可以调节。

考虑到转动，伺服马达（23）轴装有一个小齿轮（24），它操作着安装在支承和移动装置（20）上的齿圈（25）。

供电和控制信号到伺服马达（14）及（23）的连接器是，装在壁（7）和导管（16）之间的，在图上没有表示出来。应予以说明的是在壁（7）和导管（16）间的空间最好充有氮气那样的中性气体。这种气体最好相对于流过喷枪（1）的中央通道的精炼气体（即氧气）的压力要稍微高一些。这种办法有效地避免了容易在伺服马达及其连接器中引起着火的氧气的任何穿透。为了避免在不同元件间，主要在转动体和固定部件间的静电释放，采用等电位措施，如用连接器（26），来预防这种静电。

调节装置（18）由所说的上圆筒件（19）和一个转动的闭塞器所组成，这些部件最好一个接一个相连接，以便容易拆卸。上圆筒件（19）有一圆柱状的内侧，在所述喷枪上延伸一个给定的距离。尽管要受到旋转运动，但该圆筒件形成一个对超音速精炼气体起稳定的距离。该旋塞闭塞器（35）直接装在入口件（28）中的四个入口（29）的上部。

根据旋转闭塞器（35）的一个最佳实施例，该闭塞器包括一根管子（36），在其径向相对的位置上装有两个对称件（37）。管子（36）的内径的选择最好使得在入口件（28）上面的管子（36）的内侧凸起部分完全围住所说的四个入口（29），且所述凸起部分的外形是与四个入口（29）相切，对称件（37）的形状可以说是在一个完全实心的、与管子（36）的内径和长度相同圆柱体上沿着斜面切得的。可以这样制造，其切割面是与圆柱体的一个基面相切，并从圆柱体的另一个基面上割去一个圆形扇体，它有一个近似90°的张开角度（见图4）。

本实施例是从制造上的便利考虑来选定旋转闭塞器（35）的。尽管相对于对喷嘴的相位不理想，它能很好地完成它的功能。

周期调节器的操作原理以及熔炼池中流体运动的发生，根据“源点”和“收点”可逆的原理，可以借助于图3a，3b及4a，4b予以分析。

由伺服马达（23）通过圆筒件（19）的中间件来转动闭塞器（35），在某一时刻，它部分地关上两个径向相对的出口（29A），而全部打开其它两个径向相对的出口（29B）的通路，出口（29B）相对于第一对出口（见图4a）以90°角隔开。结果，接到两个出口（29A）的两个风嘴中（30A）的流量为最小而两个风嘴（30B）则以最大的流量连接到两个出口（29B）（见图3a）。此后在第一个180°旋转期内，两个风嘴（30A）中的流量含增多，而两个风嘴（30B）中的流量会减少。如图3所示，风嘴（30A）连接的喷嘴（A₁、A₂）的喷射区就形成源点，而风嘴（30B）连接的喷嘴（B₁B₂）的喷射区即形成收点。因此，在溶池中的源点区及收点区之间促成了材料的流动。完成第一个180°旋转后，闭塞器（35）最大限度地关闭该对出口（29B），并全部打开另一对出口（29A）的通路（见图4b）。因此，此刻在风嘴（30A）中的流量为最大，而在风嘴（230B）中的流量为最小。

在第二个180°旋转期间，闭塞器恢复到原来位置，这时，两个风嘴（30B）中的流量将增加而在另两个风嘴（30A）中的流量会减小。由风嘴（30B）的出口喷嘴（B₁B₂）的喷射区形成源点，而风嘴（30A）的出口喷嘴（A₁A₂）的喷射区形成收点。熔池中的物流与第一个180°旋转情况相比正好相反（见图3b）。

喷枪的这种最佳实施例有这样的优点，即其径向诸力（垂直于喷枪的轴线），也就是说为在垂直方向偏离喷枪为α角的喷嘴给喷射头（3）的作用力合力，在任何周期都等于零。因此根据最佳实施例的喷枪在喷嘴工作期间不会受侧向应力作用。

另外，喷枪也可以有几个后燃烧风嘴（34），它们位于围绕分配主精炼气体的风嘴孔的圆周上。将这些后燃烧风嘴（34）连接到在喷枪（1）的套筒壁（6）和（7）环形空间之间的亚音速第二个气体流中。

对操作一种精炼工艺而言，本发明提供一种喷枪，它可以在熔池中产生液体运动，这种运动有利于原料推向气体喷嘴的喷射部位，增加熔池在精炼时的搅动，而不会在喷嘴的喷射点产生氧化气体的过分集中或局部过热的情况。

尽管机械上设计简单，本发明取得的冶金结果至少等于很复杂的机械设计的喷枪所取得的结果。

构成面对液体池的喷枪末端的圆拱顶（32）完全用水冷却，其特点是喷吹头使用寿命较长。

在整体水冷却的喷枪内部的所有移动部件都处于掩护物保护之下，这些移动部件因而不会被金属池表面上部极端恶劣的环境所损坏。

另一个优点在于下面这个事实，即调节装置（18）可容易地加到已经有的喷枪上。

虽然本发明已结合最佳实施例作了说明，但对于本领域的技术人员来说是完全有可能根据在此给出的资料，去实现其它的结构，即用若干喷嘴，多于或少于四个，或者对各喷嘴的流量选择不同的变换周期，或者用其它的调节函数（流量/时间）来操作。

Claims (11)

1、喷枪，特别是用一种气体喷吹到金属溶液池的表面来精炼金属的喷枪，这种喷枪有一个产生超音速精炼气流的可调风嘴(12)，可单独调节流量和流速；和一个喷吹头(3)，它有一组开口朝所述喷吹头的圆拱顶(32)前部的固定风嘴(30)，把超音速气流分配到各个喷嘴中，其特征为所述的喷枪(1)包括一个周期调节器，用来调节通过所述一组风嘴(30)的流量，所述的调节器在调节周期第一部分期间适于渐进地闭塞所说供气体流通的风嘴(30)的第一分组的风嘴口，同时渐进地打开所说供气体流通的风嘴(30)的第二分组的风嘴口，在调节周期的第二部分刚好倒过来。

2、按权利要求1所述的喷枪，其特征在于所述的周期调节器和所述的固定风嘴在所述周期的每个时刻配合，以限定在所述周期中给气体的一个基本不变的总阻力。

3、按权利要求1或2所述的喷枪，其特征在于，它有2n个（即n×2）风嘴，所述的风嘴布置成能得出2n个畅通的喷嘴，它们与喷枪的纵向轴线成同样的角度，并用180/n度的角来隔开两个依次排列的风嘴，所述的周期调节器设计成在所说的依次排列的风嘴的第二个畅通时，该排列的风嘴的第一个被堵量为最大。

4、按权利要求1，2或3中所述的喷枪，其特征是所述的周期调节器包括一个旋转闭塞器（35）和转动旋转闭塞器（35）的装置，该闭塞器（35）位于超音速气流上游，并直接邻近一个入口件（28），所述的入口件上做有与所说各固定风嘴（30）分别相通的入口。

5、按权利要求4所述的喷枪，其特征在于：用于转动所述的旋转闭塞器（35）的装置包括一个与喷枪轴线α-α′同轴的空心圆筒，而所述的圆筒有一个固定到所述旋转闭塞器（35）的第一端;一台位于所述旋转闭塞器（35）上游的伺服马达;以及在所述伺服马达与所说圆筒的第二个端部之间的联接装置，用于将所述的圆筒绕喷枪的轴线α-α′作旋转运动。

6、按权利要求4或5所述的喷枪，其特征在于旋转闭塞器（35）通过其转动轴的n/2个平面再分成几个角形扇形件，其扇形角有360/n度，各扇形件有相等的或近似相等的几何形状，在其上做出风嘴（30）的入口（29）的入口件（28）也分成n个相等的角形扇形件，每一个角形扇形件具有两个风嘴的入口，旋转闭塞器（35）的各扇形件在对着入口件（28）的端部的终端横断面是以这样的，即入口件（28）一个相应的扇形件的两个风嘴中的一个的入口，被所说的终端横断面或多或少地关小精炼气体流，而同一扇形件的另一个风嘴的入口则具有完整断面或近似完整断面，即精炼气体流动畅通。

7、按权利要求1-6中任一权利要求所述的喷枪，其特征在于可调风嘴（12）有一具有超音速精炼气流的Laval风嘴的形状，所述的Laval风嘴包括用于改变风嘴（12）的几何特性的控制装置。

8、按权利要求1-7所述的喷枪，其特征在于可调节的Laval风嘴（12）的控制装置包括伺服马达。

9、按权利要求5或8所述的喷枪，其特征在于伺服马达的电气部件是被保护在一种相对于精炼气体处于轻度超压下的中性气体的环境中。

10、按权利要求1-9中任一权利要求所说的喷枪，其特征在于：喷吹头（3）包括连到亚音速第二精炼气体的流的后燃烧风嘴（34）。

11、按权利要求1-10中任一项权利要求中所述的喷枪，其特征在于在喷枪（1）的套筒中以及在喷枪（1）的喷吹头（3）的圆拱顶的前部有水冷却环路（9）。

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