CN114018058A - 一种复合材料氧煤喷枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合材料氧煤喷枪，属于直接还原和熔融还原炼铁领域。包括喷氧枪、喷煤枪、至少一套水冷结构、耐火复合材料、锥形密封面，所述喷煤枪直线插入喷氧枪中心，或平行布置于喷氧枪上部外侧，所述水冷结构由进水管、出水管、螺旋冷却水管组成，且为一体连接结构，水冷结构由铜水铸造成一个整体水冷通道形成厚壁无缝铜管;所述螺旋冷却水管缠绕于喷氧枪和喷煤枪，冷却水从进水管进入枪体前端，再沿螺旋冷却水管流至枪体后部的出水管流出。冷却系统使前端和整个枪体均处于高速低阻损水冷状态，即使在氧气燃烧着的铁水流股冲击下，也可避免出现过冷膜态沸腾状态，防止枪体损耗，适合熔融还原等超高温条件的插入式氧（和、或）煤喷吹。

Description

一种复合材料氧煤喷枪

技术领域

本发明属于直接还原和熔融还原炼铁领域，特别是涉及了Hismelt、FINEX 等熔融还原工艺的插入式氧煤喷枪的设计和改进，具体为一种复合材料氧煤喷枪。

背景技术

熔融还原喷氧和、或喷煤是一项全新技术，对于富氢、节能降碳、减少总污染物产生量具有革命性意义。目前对熔融还原喷煤中氧煤喷枪的研究主要有两个方面。一方面是氧煤喷枪中喷煤管的插入方式。这对于煤粉在炉内的燃烧率、氧气与煤粉混合情况和氧煤喷枪的磨损程度有很大的关系；另一方面是氧煤喷枪的安全性。由于喷射的是纯氧，炉内的温度可达到2200℃以上，并且会遇到氧气燃烧着的铁水流股的冲击，这对氧煤喷枪的冷却结构和材料的设计提出了更高的要求。

现阶段氧煤喷枪的设计形式多种多样，但所喷射的氧都为高炉鼓风中的富氧，枪口前温度相比喷射纯氧时要低很多，因此普通的高炉氧煤喷枪在安全性上达不到熔融还原工业生产的要求；另一方面，氧气与煤粉的混合程度对于煤粉喷射入炉内后的燃烧效率有直接的影响，高炉氧煤喷枪中富氧空气与煤粉的混合后状况和熔融还原中纯氧与煤粉的混合后状况是完全不同的。因此普通的氧煤喷枪在熔融还原中所需的煤粉与气体混合上也达不到要求。

北京科技大学吴铿等为COREX工艺研发的CN201362726Y，采用了焊接水箱式枪体和直管将冷却水送至氧煤喷枪前端，强化了前端的冷却，而枪身的水流速则较慢，枪身的冷却强度较弱；而CN201362725Y的外置喷煤枪的冷却强度更低，只能在COREX炉墙中使用，如果插入其它熔融还原炉内高温区则较容易烧损。

上海宝钢工程技术有限公司陈玉明研发的CN201497374U，也采用了水冷套，但对其水冷结构和材质没有更深入的研究。

上海开宝喷枪厂王智公布的铁水预处理及钢水炉外精炼所使用的渣线增厚锥形喷枪CN2404000Y，在无缝管外裹锥形耐火材料层，尽管延长了一些使用寿命，仍达不到熔融还原工艺的寿命要求。

广东梅雁吉祥水电股份有限公司何伟光等研发的带有组合式耐高温结构的喷煤枪CN104534499，其耐高温紧固件和定位螺柱仍不适合2000℃以上和铁水冲击的使用条件。

山东墨龙石油机械股份有限公司张云三，郭玉琳等公布了一种冶金行业用固体料注入装置CN206410513U，以及该公司张冠琪，袁兴伦等公布的一种熔融还原炉用闷炉喷枪CN212476807U，均采用了套管式水冷结构，内环水行至喷枪前端后，再折返沿外环道流回喷枪后部排出，其冷却强度和喷枪寿命仍不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料氧煤喷枪，解决在熔融还原炉中2200℃以上的高温下，并且会遇到氧气燃烧着的铁水流股的冲击的工作条件下，氧煤喷枪安全使用的问题。并使喷煤管能有效提高熔融还原喷煤中的煤粉燃烧效率。

本发明采用以下的技术方案：一种复合材料氧煤喷枪，包括喷氧枪、喷煤枪、至少一套水冷结构、耐火复合材料、锥形密封面，所述喷煤枪直线插入喷氧枪中心，或平行布置于喷氧枪上部外侧，其中，所述水冷结构由进水管、出水管、螺旋冷却水管组成，且为一体连接结构，水冷结构由铜水铸造成一个整体水冷通道形成厚壁无缝铜管; 所述螺旋冷却水管缠绕于喷氧枪和喷煤枪，冷却水从进水管进入枪体前端，再沿螺旋冷却水管流至枪体后部的出水管流出，且进水管轴线与喷氧枪和喷煤枪的轴线平行；喷氧枪枪体、喷煤枪枪体受热外表面上镶嵌有耐火复合材料，氧煤喷枪枪体后部设置锥形密封面。

进一步的，喷煤枪通过煤枪连接法兰直线插入喷氧枪中心，或喷煤枪平行布置于喷氧枪上部外侧，氧气通过侧面的氧枪连接法兰，接入喷氧枪。

进一步的，进水管布置在螺旋冷却水管外侧或内侧，冷却水先进入枪体前端，再沿螺旋冷却水管流至枪体后部的出水管流出。

进一步的，所述水冷结构中螺旋冷却水管缠绕于喷氧枪、喷煤枪的缠绕形式为单螺旋缠绕或双螺旋缠绕。

进一步的，在整个枪体受热外表面上，镶嵌有耐火复合材料，并嵌入内部5至10毫米，且耐火复合材料对表面的覆盖率大于80%。

进一步的，所述耐火复合材料其材质为莫来石、刚玉、石英、高镁、高铝、镁铝尖晶石、高密度粘土、碳氮化硅或其它耐高温耐渣侵蚀的合金或含铬、锆的非金属材质，其中的一种或几种复合材质。

进一步的，所述水冷结构制备是以其结构形式布置于铸造砂芯之中再以紫铜水铸造成一个整体水冷通道。

进一步的，所述水冷结构制备是先采用薄壁钢质焊管为模，铸铜后再溶解钢质焊管，例如用稀盐酸溶解。

进一步的，水冷通道或局部的形状设计成圆形、矩形或椭圆形。

进一步的，喷煤枪和喷氧枪为耐热不锈钢或合金钢无缝管。

本发明的有益效果：通过喷煤枪置于喷氧枪中心或上侧，使氧气射流充分吸入煤粉，改善了煤粉的燃烧条件；枪内冷却装置使前端和整个枪体均处于高速低阻损水冷状态，且有耐火复合材料保护层，正常工作状态下，整个枪体外表面粘结着一层较厚（20至150毫米）的凝固渣铁（含有小量焦粒），并与炉墙的凝固渣铁层形成了一个整体，液体渣铁在其表面流过，冷却水温差较少，喷枪寿命不受威胁；当出现氧气燃烧着的铁水流股冲击时（其热流强度、冲击面积和持续时间具有统计的正态分布规律），首先是该凝固渣铁层抵抗一个时段（几分钟到几十分钟），该时段内冷却水温差升高不大；此后是氧气燃烧着的铁水流股冲击到枪体铸铜表面，由于本发明的耐火复合材料对枪体紫铜表面的覆盖率大于80%，并嵌入紫铜内部5至10毫米，较难被冲掉，这就隔绝了大部分的热流，多数情况也可避免出现过冷膜态沸腾状态（一旦出现，18毫米的水冷紫铜壁熔穿时间低于2至5秒钟），防止了枪体的熔损，适用于熔融还原等超高温条件下的插入式氧（和、或）煤的喷吹。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为一种复合材料氧煤喷枪的结构剖视图；

图2为一种复合材料氧煤喷枪的第二种结构微调剖视图；

图3为一种复合材料氧煤喷枪的第三种结构微调剖视图；

图4为一种复合材料氧煤喷枪的第四种结构微调剖视图；

图中：喷氧枪1、喷煤枪2、煤枪连接法兰3、氧枪连接法兰4、进水管5、出水管6、螺旋冷却水管7、耐火复合材料8、锥形密封面9。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：一种复合材料氧煤喷枪。见图1，由喷氧枪1、喷煤枪2、煤枪连接法兰3、氧枪连接法兰4、水冷结构（进水管5、出水管6、螺旋冷却水管7）、耐火复合材料8、锥形密封面9组成。进水管5布置在螺旋冷却水管7的外侧，冷却水从进水管5进入枪体前端，再沿螺旋冷却水管7流至枪体后部的出水管6流出；所述螺旋冷却水管7缠绕于喷氧枪、喷煤枪的缠绕形式为单螺旋缠绕。喷煤枪2通过煤枪连接法兰3直线插入喷氧枪1中心，以防磨损，也改善了氧煤混合条件；氧气通过侧面的氧枪连接法兰4，接入喷氧枪1。

进一步的，所述的水冷结构的结构形式和材料为：进水管5、螺旋冷却水管7和出水管6均为厚壁无缝紫铜管；并以所述结构形式布置于铸造砂芯之中，再以紫铜水铸造成一个整体水冷通道，水冷通道或局部的形状设计成圆形、矩形或椭圆形。利用紫铜的高导热性，将氧气燃烧着的铁水流股冲击面上的超高热流强度，分散于较多的高流速水冷壁面面积，以防止出现过冷膜态沸腾状态，而烧坏枪体。喷煤枪2和喷氧枪1为耐热不锈钢或合金钢无缝管。

进一步的，所述的水冷结构的结构形式和材料为：制造时进水管5、螺旋冷却水管7和出水管6先采用薄壁钢质焊管为模，铸铜后再以盐酸等稀酸溶解钢质焊管；还可以用其它精密铸造工艺，形成同等铸铜水冷结构。

进一步的，在整个铸铜枪体受热外表面上，镶嵌有耐火复合材料8，并嵌入紫铜内部5至10毫米，且耐火复合材料8对紫铜表面的覆盖率大于80%，其材质为莫来石、刚玉、石英、高镁、高铝、镁铝尖晶石、高密度粘土、碳氮化硅或其它耐高温耐渣侵蚀的合金或含铬、锆的非金属材质，其中的一种或几种复合材质。

进一步的，枪体安装与密封结构为：锥形密封面9，即在枪体后部的紫铜表面车出锥形密封面9，就可以顶进安装于熔融还原炉墙上的公知高炉的风口大套和中套之中，而实现定位和密封，还利用了成熟的高炉风口、吊挂装置及其装拆机器人等相关技术。

枪内水冷结构使前端和整个枪体均处于高速低阻损水冷状态，正常工作状态下，整个枪体外表面粘结着一层较厚（20至80毫米）的凝固渣铁（含有小量焦粒），并与炉墙的凝固渣铁层形成了一个整体，液体渣铁在其表面流过，冷却水温差较少，喷枪寿命不受威胁；当出现氧气燃烧着的铁水流股冲击时（其热流强度、冲击面积和持续时间具有统计的正态分布规律），该凝固渣铁层是防止枪体烧损的第一道防线，在枪体外表受热面镶嵌进去的耐火复合材料8是第二道防线，被紫铜铸造为一体的进水管5、螺旋冷却水管7的紫铜管壁为第三道防线，由此保证了在氧气燃烧着的铁水流股冲击下，也可避免出现过冷膜态沸腾状态，防止了枪体的损耗，适用于熔融还原等超高温条件下的插入式氧（和、或）煤的喷吹。

实施例2：一种复合材料氧煤喷枪。见图2，由喷氧枪1、喷煤枪2、煤枪连接法兰3、氧枪连接法兰4、进水管5、出水管6、螺旋冷却水管7、耐火复合材料8、锥形密封面9组成。进水管5布置在螺旋冷却水管7的内侧，冷却水从进水管5进入枪体前端，再沿螺旋冷却水管7流至枪体后部的出水管6流出；喷煤枪2通过煤枪连接法兰3直线插入喷氧枪1中心，以防磨损，也改善了氧煤混合条件；氧气通过侧面的氧枪连接法兰4，接入喷氧枪1。其他描述同实施例1。

实施例3：一种复合材料氧煤喷枪。见图3，枪内冷却装置的结构形式为进水管5 布置在螺旋冷却水管7内侧，喷煤枪2也布置于喷氧枪1上部外侧，且进水管轴线与喷氧枪和喷煤枪的轴线平行；不仅可以防止喷煤枪磨损后的喷氧枪回火，还可减少整个枪体的外形尺寸和受热面积，煤氧混合条件也比较好。其他描述同实施例1。

实施例4：一种复合材料氧煤喷枪。见图4，对于单独的喷煤枪（或喷氧枪），所述的枪内水冷结构的结构形式为进水管5布置在螺旋冷却水管7内侧，且进水管5轴线与喷煤枪2（或喷氧枪1）的轴线平行；可大幅度减少整个枪体的外形尺寸和受热面积。其他描述同实施例1。

实施例5：更进一步的，一种复合材料氧煤喷枪。所述的枪内水冷结构的结构形式和材质为：对于温度不太高或铁水冲击较少的工作条件，允许取消铸铜工艺，进水管(5)、螺旋冷却水管(7)和出水管（6），可采用厚壁紫铜管（板）或其它耐热钢管焊接结构；其他描述同实施例1。

实施例6：更进一步的，一种复合材料氧煤喷枪。所述的枪内水冷结构的结构形式为：对于温度更高或铁水冲击更频繁的工作条件，被紫铜铸造为整体的进水管(5)、螺旋冷却水管(7)和出水管（6），其缠绕形式还可以是双螺旋缠绕，甚至是双套水冷结构的布置，即两套相互独立的进水管(5)、螺旋冷却水管(7)和出水管（6）缠绕在一起，分别供水和回水，其冷却效果和寿命更好。这些水冷通道的布置（缠绕）形式还可以有多种，由于数量较多，不劳逐个图示说明。其他描述同实施例1。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种复合材料氧煤喷枪，包括喷氧枪(1)、喷煤枪(2)、至少一套水冷结构、耐火复合材料(8)、锥形密封面(9)，所述喷煤枪(2)直线插入喷氧枪(1)中心，或平行布置于喷氧枪(1)上部外侧，其特征在于，所述水冷结构由进水管(5)、出水管(6)、螺旋冷却水管(7)组成，且为一体连接结构，水冷结构由铜水铸造成一个整体水冷通道形成厚壁无缝铜管; 所述螺旋冷却水管(7)缠绕于喷氧枪和喷煤枪，冷却水从进水管(5)进入枪体前端，再沿螺旋冷却水管(7)流至枪体后部的出水管(6)流出，且进水管轴线与喷氧枪和喷煤枪的轴线平行；喷氧枪枪体、喷煤枪枪体受热外表面上镶嵌有耐火复合材料(8)，氧煤喷枪枪体后部设置锥形密封面(9)。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料氧煤喷枪，其特征在于，喷煤枪(2)通过煤枪连接法兰(3)直线插入喷氧枪(1)中心，或喷煤枪平行布置于喷氧枪上部外侧，氧气通过侧面的氧枪连接法兰(4)，接入喷氧枪(1)。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料氧煤喷枪，其特征在于，进水管布置在螺旋冷却水管外侧或内侧，冷却水先进入枪体前端，再沿螺旋冷却水管流至枪体后部的出水管流出。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料氧煤喷枪，其特征在于，所述水冷结构中螺旋冷却水管(7)缠绕于喷氧枪、喷煤枪的缠绕形式为单螺旋缠绕或双螺旋缠绕。

5.根据权利要求1所述的一种复合材料氧煤喷枪，其特征在于，在整个枪体受热外表面上，镶嵌有耐火复合材料(8)，并嵌入内部5至10毫米，且耐火复合材料(8)对表面的覆盖率大于80%。

6.根据权利要求1或5所述的一种复合材料氧煤喷枪，其特征在于，所述耐火复合材料其材质为莫来石、刚玉、石英、高镁、高铝、镁铝尖晶石、高密度粘土、碳氮化硅或其它耐高温耐渣侵蚀的合金或含铬、锆的非金属材质，其中的一种或几种复合材质。

7.如权利要求1所述的一种复合材料氧煤喷枪，其特征在于，所述水冷结构制备是以其结构形式布置于铸造砂芯之中再以紫铜水铸造成一个整体水冷通道。

8.如权利要求1所述的一种复合材料氧煤喷枪，其特征在于，所述水冷结构制备是先采用薄壁钢质焊管为模，铸铜后再溶解钢质焊管。

9.根据权利要求1所述的一种复合材料氧煤喷枪，其特征在于，水冷通道或局部的形状设计成圆形、矩形或椭圆形。

10.根据权利要求1所述的一种复合材料氧煤喷枪，其特征在于，喷煤枪(2)和喷氧枪(1)为耐热不锈钢或合金钢无缝管。

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