CN1239716C - 将预热含氧气体注入容器内的枪和生产含铁金属的装置 - Google Patents

Abstract

一种将预热含氧气体注入容器内的枪(26)以及生产含铁金属的装置。枪包括气流管道(31)，其包括：(i)内部和外部同轴碳素钢管(37，39)，对管道提供结构支承，(ii)冷却水供给和返回通道装置(43，44)，其从管道的后端延伸通过管道壁延伸至管道前端，使冷却水向管道的前端供给并返回，(iii)在管道外表面上呈接合台(136)形式的机械装置，将一层凝结炉渣保持在管道上。枪还包括用于将热气导入管道后端内的气体入口(32)；在管道的前端与同轴管相连的末端装置(36)；防护衬套，其保护管道不暴露于通过管道的温度为800-1400℃的气流下，以及设置在管道中的涡流装置(34)，用于对通过管道前端的气流施加涡流。

Description

将预热含氧气体注入容器内的枪和 生产含铁金属的装置

技术领域

本发明提供了一种用于将预热气体注入容器内的枪。

本发明尤其、但不仅仅适用于在高温条件下将预热气流注入容器内的枪。

冶金容器例如可采用直熔容器，在该容器中能够通过直熔工艺生产熔融金属。

本发明还提供了一种直熔装置，该装置包括用于将预热气体注入直熔容器内的枪。

背景技术

通常，在现有技术中描述的用于将含铁材料直接熔化为铁水并基于熔池(molten bath-based)的工艺需要使从熔池释放的反应产物，如CO以及H2进行后燃(post-combustion)，以便产生足够的热量来维持熔池的温度。

现有技术通常建议通过由伸入直熔容器顶部空间内的枪注入含氧气体来实现后燃。

由于经济的原因，希望直熔周期比较长，通常至少为一年，因此，重要的是气体喷射枪能够在长的时间周期内承受直熔容器顶部空间内通常约为2000℃的高温环境。

用于提供含氧气体的一个选择是使用被预加热至800℃以上的空气或富氧空气。

对于预先加热的空气或富氧空气而言，炉子或卵石加热器是目前仅有的可行选择。使用炉子或卵石加热器的一个结果是：空气或富氧空气在通过炉子和卵石加热器时会带走坚硬颗粒材料，并且这种材料会使枪的内表面产生相当大的磨损。

与使用氧气作为含氧气体所需的其它量相比，空气或富氧空气的使用也意味着需要更加大量的气体来达到给定的后燃水平。因此，利用空气或富氧空气工作的直熔容器的结构必然远大于利用氧气工作的直熔容器。

因此，用于将空气或富氧空气注入直熔容器内的枪必须采用较大型的结构，该结构能伸入直熔容器内较大的基本距离并且至少枪长度方向的大部分未被支承。通过上下文可知，由申请人提出的6米直径的HI熔炼容器包括外径为1.2米的枪，其重量约为60吨并且伸入容器内大约10米。

另外，这种枪必须能够输送较大体积流量的预热空气或富氧空气并且能够在长时间的熔炼周期内抵抗由于在空气或富氧空气中存在侵蚀性颗粒所造成的枪内部的磨损。

由于经济和结构的原因，碳素钢是构成注入预热空气或富氧空气的枪的理想材料。

但是，就抵抗枪的内部磨损而言，特别是考虑到钢在热注入条件下会产生迅速氧化的危险，碳素钢并不是一种理想的材料。

通过以上内容显然可以了解，对用于在长时间的熔炼周期内将空气或富氧空气注入直熔容器内的枪的结构而言，预热的空气或富氧空气的使用存在很大的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种水冷枪，该枪可利用碳素钢作为枪的主要结构部件而构成，并且能够在长时间的工作周期内将预热的空气或富氧空气注入直熔容器中。

根据本发明，提供了一种将预热含氧气体注入容器内的枪，所述容器具有熔融材料池的，所述枪包括：

(a)气流管道，该管道从管道的后端向排放管道中的气体的管道前端延伸，所述管道包括：(i)内部和外部同轴碳素钢管，这些碳素钢管为管道提供结构支承，(ii)冷却水供给和返回通道装置，这些通道装置从管道的后端通过管道壁延伸至管道的前端，以便使冷却水向管道的前端供给并返回，(iii)外表面，该表面包括适于将凝结炉渣保持在管道上的机械装置；

(b)用于将热气导入管道后端内的气体入口；

(c)在管道的前端与同轴管相连的末端装置；

(d)由耐火材料或其它材料形成的防护衬套，该衬套能够保护管道不暴露于通过管道的800-1400℃的气流下，与所述钢管相比，所述衬套采用的是具有绝热特性的非金属材料；

(e)设置在管道中、用于对通过管道前端的气流施加涡流的装置。

优选，所述管道包括三根或多根延伸至管道前端的同轴钢管。

优选，在管道外表面上的机械装置包括凸起，这些凸起的形状能够结合凝结的炉渣并将炉渣保持在管道上。

优选，所述凸起为接合台，每一个接合台均具有切槽或燕尾剖面，以便所述接合台呈向外扩张的结构并能作为炉渣固化的键接结构(keyingformation)。

优选，所述末端装置为空心环状结构且由含铜材料制成。

优选，所述管道的前端形成为空心环状末端结构并且管道包括管道末端冷却水供给和返回通道，以便沿管道向前将冷却水供送至所述末端装置，并沿管道向后使冷却水返回。

优选，所述枪包括主体，该主体设置在管道前端内的中心，以便流过管道前端的气体沿所述中央主体流过整个中央主体。

优选，所述主体的前端和所述末端装置一起作用并形成环状喷嘴，以便气体借助由涡流装置施加的涡流从管道流出。

优选，所述涡流装置包括多个导流叶片，这些叶片与主体相连，以对通过管道前端的气流施加涡流。

在本发明的一个实施例中，所述主体为在气流管道内延伸的中央管状构件，从气流管道的后端延伸至其前端，并且绕与管道前端相邻的中央管状构件设置叶片，以对流向管道前端的气流施加涡流。

优选，所述中央管状构件包括用于使冷却水向前流动至其前端的水冷通道。

更优选的是，所述中央管状构件包括冷却水通道，这些通道用于使冷却水从其后端向前通过该中央构件流向其前端，并且在内部使前端冷却，然后通过该中央构件返回至其后端。

优选，所述中央管状构件限定出用于使水向前经过所述构件直接流至所述中央构件的前端的中央水流通道，以及环状水流通道，该环状水流通道绕所述中央通道设置，以便使水从中央构件的前端向后返回到所述构件的后端。

所述中央环状构件可包括提供了中央水流通道的中央管以及另外的绕所述中央管设置的管，以便在所述管之间限定所述环状水流通道。

优选，中央管状构件包括隔热外层，用以阻止热量从气流管道中的气体传递至中央构件中的冷却水通道内。

所述隔热层包括多个由绝热材料制成的管状部分，这些部分首尾相连设置以使隔热层形成连续的管，该管绕直接设置在隔热层内的环状空气间隙、从中央构件的后端向前端延伸。

所述空隙可形成在环状隔热层和限定出环状回水流动通道的另一管之间。

优选，对隔热层的管状部分进行支承以适应每个管状部分独立于其他管状部分的纵向膨胀。

所述中央管状构件的前端可包括半球状凸头部分，在该凸头部分的内部设置有单个螺旋冷却水通道，以在凸头部分的末端、从中央管状构件中的中央水流通道接收水，并以单股流的形式、环绕凸头并且沿凸头向后引导所述水，以便利用单股连贯的冷却水流使凸头冷却。

所述气体入口最好包括耐火主体，该主体限定出与管道的后端对准并且直接延伸至所述管道后端的第一管状气体通道以及第二管状气体通道，该第二管状气体通道横切第一通道以接收热气并将热气导入所述第一通道内，以便热气和其中所含的任何颗粒均会碰撞到第一通道的耐火壁上，同时气流在从第二通道流向第一通道时会改变方向。

所述中央管状构件在中央延伸通过气体入口装置的第一气流通道并且向后延伸到气体入口以外。于是，可以将中央管状构件的后端设置在气体入口的后部，并且该后端设有用于使冷却水流至中央构件并从该构件流出的水接头。

在本发明的另一实施例中，该实施例不是本发明的唯一的另一实施例，导流叶片设置在中央主体和管道之间，以对流过管道前端的气流施加涡流。

在采用该实施例的情况下，所述枪优选包括：

(a)在末端装置内的内部冷却水通道装置，该装置与管道的冷却水供给和返回通道装置相连通，以便接收冷却水流并使冷却水流返回，从而在内部冷却管道的末端；以及

(b)在叶片和中央主体内的冷却水流通道，该通道与管道前端中的冷却水供给和返回通道装置连通，以便使水从供给通道装置向内通过叶片流入中央主体的冷却通道内，并且从这些通道向外通过叶片流至管道的回水通道装置。

优选，所述管道的冷却水供给和返回通道装置包括与末端装置中的内部冷却水通道连通的第一供给和返回通道以及与叶片和中央主体中的水流通道连通的第二供给和返回通道。

所述管道的末端形成为空心环状结构，所述空心环状结构带有限定出构成所述末端装置的内部冷却水通道装置的环状通道的中空结构。

中央体可大致采用具有半球状端部的圆柱形结构。

所述叶片的形状优选采用多头螺旋结构。所述叶片可以在沿圆周方向绕管道间隔的多个位置处与管道相连。特别地，可设置四个叶片，这些叶片以四头螺旋结构设置并且在叶片前端、绕管道在以90°间隔的四个位置处与管道相连。

于是，管道的冷却水供给和返回通道装置可包括多个分离的水流通道，每一个通道均能对叶片中的一个提供冷却水。这些分离的水流通道利用在环状通道内的分隔件形成，所述环状通道位于沿管道螺旋地延伸的管之间。

可以使同轴的碳素钢管的前端在它们的前端处与末端装置相连。可以将所述管的后端安装成允许它们之间产生相对纵向运动，以便适应所述管的不同程度的热膨胀和收缩。

可以使叶片仅在它们的前端与管道和中央主体相连，以便能够使叶片在热膨胀的作用下从这些连接处沿管道自由运动。

所述管道的同轴碳素钢管可限定一系列的环状空间，这些空间用于提供冷却水供给和返回通道装置。

本发明还提供了一种用于通过直熔工艺由含铁的加工原料生产含铁金属的装置，所述装置包括一个容器，该容器包含装有熔融金属和熔融炉渣的池以及在熔池上方的气体连续空间，所述容器包括：

(a)由耐火材料形成且具有底部和侧部的炉床；

(b)从炉床侧部向上延伸的侧壁，所述侧壁包括水冷壁板；

(c)将含铁加工原料和含碳材料供至容器内的装置；

(d)用于在熔池中产生气流的装置，在熔池名义静止表面上方向上运送熔融材料并且形成上升池；

(e)至少一个在前面任一段所述的气体喷射枪，该喷射枪向下伸入容器内，从而相对于水平轴线成20～90°的角度、以200～600m/s的速度将800～1400℃的含氧气体注入容器内，将所述枪设置成：

(i)所述枪伸入容器一个距离，该距离至少为枪前端的外径；及

(ii)枪的前端在熔池静止表面上方的距离至少为枪的前端外径的3倍；

(f)用于使熔融金属和炉渣从容器中排出的装置。

优选，含铁加工原料和含碳材料供给装置以及气流产生装置包括多个枪/喷口，这些枪/喷口用于利用载气将含铁加工原料和含碳材料注入熔池内和产生气流。

附图说明

参照以下附图，对本发明作更详细地说明：

图1为通过直熔容器的竖直剖面图，其中所述直熔容器包括一对固体注入枪以及一个根据本发明构成的热空气流喷射枪；

图2为通过热空气喷射枪的一个实施例的纵向剖面图；

图3为通过枪的中央结构的前部的放大纵向剖面图；

图4进一步说明了所述中央结构的前端；

图5和6说明了中央结构的前凸头端部的结构；

图7为通过中央结构的纵向剖面图；

图8为图7中区域8的详图；

图9为在图8中线9-9上的剖面；

图10为在图8中线10-10上的剖面；

图11为通过热空气喷射枪的另一实施例的纵向剖面图；

图12为通过图11所示枪的前端部分的放大纵向剖面图；

图13为在图12中线13-13上的剖面；

图14为在图12中线14-14上的剖面；

图15为在图14中线15-15上的剖面；

图16为在图15中线16-16上的剖面；

图17说明了在带有图11-16所示的枪前端的中央主体前部形成的水流通道；

图18为一种改进形式，示出了在图11-17所示的枪前部的中央主体部分和四个涡流叶片的进水和回水通道的布置结构；

图19为通过图11-18所示的枪后部的放大剖面图。

具体实施方式

以下的描述以熔炼铁矿石生产铁水为背景，并且应明白本发明不局限于这种用途，可适用于任何适合的含铁矿石和/或精矿-其中包括部分减少的含铁矿石和废弃的回炉物料。

图1所示的直熔装置包括大致由11所示的冶金容器。容器11具有炉床，该炉床包括由耐火砖形成的底部12以及侧部13；侧壁14，该侧壁形成了从炉床的侧部13向上延伸的一般为圆柱形桶，并且所述圆柱桶包括由水冷壁板形成的上部桶部分151以及由水冷壁板形成的下部桶部分153，该下部桶部分具有耐火砖的内衬；炉顶17；用于排气的出口18；用于连续排放熔融金属的前炉床19；以及用于排放熔融炉渣的出渣口21。

在使用中，所述容器含有铁和炉渣的熔池，该熔池在静止状态下包括熔融金属层22和在金属层22上的熔融炉渣层23。此处术语“金属层”理解为是指主要为金属的熔池区域。此处术语“炉渣层”理解为是指主要为炉渣的熔池区域。由附图标记24所标出的箭头表明了金属层22的名义静止表面的位置，而由附图标记25所标出的箭头表明了炉渣层23(即熔池)的名义静止表面的位置。术语“静止层”理解为是指在未将气体和固体注入容器内时的表面。

所述容器安装有向下延伸的热空气喷射枪26，用于将温度在800-1400℃范围内的热气流送入容器的上部区域以及从熔池释放的后燃反应的气体内。枪26在其下端具有外径D。应将枪26设置成：

(i)枪26的中心轴线相对于水平轴线呈20-90°角，以使热空气的注射角度在此范围内；

(ii)枪26伸入容器的距离至少为其下端的外径D；

(iii)枪26的下端在熔池的静止表面25上方的距离至少为其下端外径D的3倍。

容器还安装有固体喷射枪27(示出了两个)，这些喷射枪通过侧壁14向下向内延伸并伸入熔池内，以便将铁矿石、固体含碳材料和在缺氧载气中夹带的矿渣注入熔池内。选定喷射枪27的位置，以使喷射枪27的出口端82位于金属层22的静止表面的上方。枪的这一位置能够减小通过与熔融金属接触而造成损坏的危险，并且还能够通过强制式内部水冷却对枪进行冷却，同时在不会产生水与容器中的熔融金属接触的重大危险。

通过上下文可知，一种由申请人的相关公司制造的工业用容器具有直径6m的炉床以及热空气喷射枪26，该喷射枪的重量大约为60吨，外径为1.2m，并且伸入容器内大约10m。

在图2-10中说明了热空气喷射枪26的一个实施例的结构。

如附图所示，枪26包括长的管道31，该管道能够经进气构件32接收热气并将热气注入容器的上部区域内。所述枪包括长的中央管状构件33，该构件33从气流管道31的后端至气流管道31的前端在该气流管道31内延伸。与所述管道的前端相邻，中央构件33带有一系列的四个涡流施加叶片34，用于使排出管道的气流产生涡流。中央构件33的前端具有半球形凸头35，该凸头向前伸出管道31的末端36以外，以便中心体的前端和管道末端36共同作用以形成环形喷嘴，该喷嘴用于借助叶片34施加的涡流实现来自管道的气体的扩散。叶片34以四头螺旋结构设置并且在管道前端内为滑动配合。

从气体入口32向下游延伸的管道31的主要部分的壁在内部水冷。管道的这一部分由一系列三根同轴钢管37、38、39构成，这些钢管延伸至管道的前端部，在该处这些钢管与管道的末端36相连。管道的末端36为空心环状结构并且利用经管道31壁中的通道供给并返回的冷却水而被内部水冷。特别是，经入口41和环状输入歧管42将冷却水供至在管道的管38、39之间限定的内部环状水流通道43内，该冷却水通过在管道末端36中沿圆周方向留有间距的开口供至管道末端36的空心内部。回水从末端经沿圆周方向留有间距的开口进入在管37、38之间限定出的外部环状回水流动通道44，并且向后返回至在管道31的水冷部分的后端处的水流出口45。

利用以凸起136为形式的矩形凸起接合台(projecting lands)的常规式样加工管道31中最外面的金属管37的外表面，每一个凸起均具有切槽或燕尾剖面，以便凸起具有向外扩张的结构并能作为炉渣在枪26外表面上固化的键接结构(keying formation)。炉渣固化在枪上有助于使枪的金属部件的温度降至最低。

管31的水冷部分在内部衬有内部耐火衬套46，该衬套装配在管道的最内部管39内，并且延伸至管道的水冷末端36。管道末端36的内周边通常与耐火衬套的内周面齐平，所述耐火衬套限定出气体通过管道的有效流动通道。耐火衬套的前端具有直径略微减小的部分47，该部分能够以合适的滑动配合容纳涡流叶片34。从所述部分47向后，耐火衬套具有略微增大的直径，以使中央构件能够在对枪进行装配时向下插入通过管道，直至涡流叶片34到达管道的前端，在该处，借助于设置将叶片导入耐火部分47内的锥形耐火区48，引导涡流叶片与耐火部分47形成合适的接合。

利用冷却水对带有涡流叶片34的中央构件33的前端进行内部水冷，所述冷却水从枪的后端向枪的前端经中央构件向前供出，并随后沿中央构件返回枪的后端。这样便能使非常强的冷却水流直接流向中央构件的前端以及特别是在所述枪的工作中会受到非常强的热流影响的半球形凸头35。

中央构件33包括由管段形成的内部和外部同轴钢管50、51，这些钢管首尾相连并被焊接在一起。内管50限定出中央水流通道52，在所述两管之间限定出环状回水通道54，通过所述中央水流通道52，水从在枪后端处的进水口53经中央构件向前流至中央构件的前端凸头35，通过所述回水通道54，冷却水从凸头35向后经中央构件返回至在枪后端处的水出口55。

中央构件33的凸头端部35包括内部铜体61，该铜体装配在也由铜制成的外部半球形凸头壳体62内。内部铜件61形成有中央水流通道63，以接收来自构件33的中央通道52的水，并且将水引导至所述凸头的末端。凸头端部35形成有凸起肋64，这些肋合适地装配在凸头壳体62内，以在内部部分61和外部凸头壳体62之间限定单个连续的冷却水通道65。特别如在图5和6中所看到的那样，肋64的形状使单个连续的通道65作为环状通道部分66延伸，该环状通道部分66通过从一个环状部分向另一个环状部分倾斜的通道部分67互相连接。因此，通道65以螺旋状从凸头的末端伸出，虽然该螺旋不是标准的螺旋形状，但环绕凸头旋转并沿凸头向后，以在凸头后端进入形成于中央构件33的管51、52之间的环状返回通道内。

呈单股连贯液流的冷却水通过螺旋通道65的强制流动能够确保有效的排热，并且避免若允许冷却水在凸头处被分为多股独立液流所可能产生的“过热点”形成于凸头上，所述螺旋通道65环绕中央构件的凸头端部35并沿该端部向后延伸。在所说明的结构中，冷却水从其进入凸头端部35至排出凸头端部被限制在单股液流中。

内部构件33设置有外部隔热层69，以防止热量从管道31中的输入热气流传递到在中央构件33内流动的冷却水内。如果受到在大型熔炼设备中所需的非常高的温度和强气流，那么固体耐火防护层仅可提供短时间的作用。在所说明的结构中，防护层69由商品名为UMCO的陶瓷材料制成的管状套管形成。这些套管首尾相连以形成连续的陶瓷防护层，该陶瓷防护层环绕在防护层和中央构件的最外部管51之间的空气间隙70。特别是，所述防护层可由UMCO50制成的管段形成，UMCO50含有重量百分比为0.05～0.12％的碳，0.5～1％的硅，最大量为0.5％、最小量为0.02％的磷，最大量为0.02％的硫，27～29％的铬，48～52％的钴，剩余部分基本上为铁。这种材料能够提供优良的隔热能力，但在高温下会有显著的热膨胀。为了解决这一问题，隔热层的各个管段如图7-10所示形成和安装，以能够使这些管段彼此独立地沿纵向膨胀，同时始终保持大致连续的防护。如在这些图中所示的那样，将各个套管安装在装配于中央构件33的外部管51上的定位板条71和板支承件72上，每一防护管的后端在73处均呈台阶状，从而能够带有端部间隙74地装配在板支承件的上方，以便能够实现每一板条的独立纵向热膨胀。也可以将抗转动板条75装配至每一套管上，以绕管52上竖起的齿板条76装配，从而能够防止防护套管的转动。

热气通过气体入口部分32输送至管道31。热气可以是由加热炉提供的大约1200℃的富含氧气的空气。必须使所述空气通过衬有耐火材料的管道输送，并且如果以高速直接将所述空气送入管道31的主要水冷部分内，所述空气会带走耐火砂砾，从而产生严重的侵蚀问题。应将气体入口32设计成能够使管道接收带有耐火颗粒的大量热空气排气，同时使管道的水冷部分的损坏达到最小。入口32包括T形主体81，该主体由耐磨耐火材料模制为一个单元并被设置在薄壁外部金属壳体82内。主体81限定出与管道31的中央通道对准的第一管状通道83以及第二管状通道84，该第二管状通道84与通道83垂直以接收从炉子(未示出)输送的热气流。使通道83与管道31的气流通道对准并通过入口32的耐火连接件86中的中央通道85与管道31的所述气流通道相连。

输送至入口32的热空气通过主体81的管状通道84，并且对具有耐侵蚀性的较厚耐火主体81的耐磨耐火壁进行冲击。随后，气流改变方向，以直角向下流过T形主体81的通道83和过渡件86的中央通道85，并进入管道的主要部分内。可以使通道83的壁沿向前流动的方向逐渐变细，以便加速气流进入管道内。例如，可以使其成锥度的夹角大约为7°。使过渡耐火主体86的厚度逐渐变小，以能够配合在一端的耐火主体81的厚壁以及管道31的主要部分中大大变薄的耐火衬套46。因此，通过环状冷却水套87能够进行水冷，通过该冷却水套，使冷却水通过入口88和出口89循环。中央构件33的后端延伸通过气体入口32的管状通道83。使其设置在耐火衬套管塞91内，该管塞封闭了通道83的后端，中央构件33的后端从气体入口32向后延伸至水流入口53和出口55。

所说明的装置能够将大量热气在高温下注入熔炼容器11内。中央构件33能够迅速直接地输送大量至中央构件的凸头部分，并且在未分离的冷却流体中的冷却水绕凸头结构的强制性流动能够实现从中央构件前端非常有效的排热。流向管道末端的独立水流也能够实现从枪的其它高热通量部分进行非常有效地排热。输送热气流进入一入口使掺杂有耐火砂料的大量空气能够被处理，同时不会对枪的主要部分内的耐火衬套和隔热层产生严重的侵蚀，在该入口中所述热气流在向下流入管道内之前冲击耐火腔室或通道的厚壁。

在图11-19中示出了热空气喷射枪226的另一实施例的结构，该实施例不是唯一的另外的实施例。

如这些附图所示，枪226包括热气流能流过的长管231，其中所述热气流可富含氧气。管231包括一系列的四根同轴钢管232、233、234、235，这些钢管延伸至使它们与末端件237相连的管道的前端部分236。将长的主体部分238设置在管道前端部分236内的中心并且该主体部分238带有一系列四个涡流产生叶片239。中央主体部分238为长圆柱形形状，具有外圆角或球形前端和后端241、242。叶片239以四头螺旋结构设置，并且在叶片的前端通过径向向外延伸的叶片端部245连接至管道的前部。

管道231在内部在其大部分长度上衬有内部耐火衬套243，所述内部耐火衬套装配在管道的最内部金属管235内，并且延伸至叶片的前端部分242，叶片239整齐地安装在这些前端部分242之后的耐火衬套内。

管道的末端件237具有空心环状头部或端部结构244，该端部结构244从管道的剩余部分向前伸出，以便大致与耐火衬套243的内表面齐平，所述耐火衬套243限定出气体通过管道的有效流动通道。中央主体部分238的前端向前伸出该端部结构244以外，以便主体部分的前端和该端部结构能够共同作用而形成环形喷嘴，热气流借助由叶片239产生的强转动或涡流运动，以环状扩散流的方式从该喷嘴排出。

根据本发明，通过由附图标记251所指示的冷却水流通道装置供给的冷却水流在内部对管道端部结构244，中央主体部分238以及叶片239进行水冷，所述冷却水通道延伸通过管道壁。冷却水通道装置251包括供水通道252，该供水通道由在管道233、234之间的环状空间限定，以便在末端件237中经沿圆周方向间隔的开口254，将冷却水供给至管道端部结构244的空心内部253。水从末端件通过沿圆周方向间隔的开口255返回至在管道的管232和233之间限定的环状回水流动通道内，并且该环状回水流动通道还形成了部分的水流通道装置251。因此，能够连续对末端件237的空心内部253供给冷却水，以起到内部冷却通道的作用。用于枪端部的冷却水通过在枪后端的进水口257被输送至供给通道252内，并且回水通过也位于枪后端的出口258离开所述枪。

在管234和235之间的环状空间259由螺旋状环绕的分隔条分为八个独立的螺旋通道260，这些通道从管道的后端延伸至管道的前端部分236。通过四个沿圆周方向间隔的四个进水口262单独对这些通道中的四个通道供给水，从而为叶片239和主体部分238的冷却提供独立的水源。进水口262经环状供给歧管290与公共供水管280相连通。另外的四个通道260起到回流通道的作用，它们与公共环状回流歧管通道263和单个水出口264相连。

叶片239为空心结构并且其内部被分隔以形成入水通道和出水通道，水可通过这些通道流至中央主体部分238，并且从中央主体部分238流出，该中央主体部分也形成有水流通道，以便进实现内部水冷。叶片239的前端部分245与绕四个入水狭缝265的最内部管道管235的前端相连，通过所述狭缝，水从四个独立供给的水流入水通道流入在叶片前端、径向向内导向的入水通道266内。随后，冷却水流入中央主体部分的前端。

中央主体部分238包括前后内部主体部分268、269和半球状前后端部件241、242，前后内部主体部分268、269安装在由主圆柱部分271形成的壳体270内，半球状前后端部件241、242具有坚硬的表面，以抵抗由热气流携带的耐火砂砾或其它颗粒材料的磨损。借助于在内部主体部分268、269外周面上形成的分隔肋277、278，在内部部分268、269与中央主体部分的外壳之间的余隙空间274被再分为两组外围水流通道275、276。将前边的一组外围水流通道275设置成以图17所示的方式从中央主体前端以扇状扩张，并向后环绕主体。将流动导引插入件281设置在内部主体部分268的中心处，以延伸通过水流通道267并将该通道分为四个沿圆周方向隔开的水流通道，这些通道能够独立接收通过在叶片前端的入水通道266进入的水流，因此能够保持四股独立的进水水流流至中央主体部分的前端。这些独立的水流与四个前部外围水流通道275连通，通过这些水流通道275，水会绕中央主体部分的前端流回。

隔板282将叶片和中央主体部分前端的入水通道266、267与叶片以及中央主体部分后部中的水流通道隔离。通过向前的外围通道275流回的水穿过设置在入水通道266之间的所述隔板中的狭缝283，从而流回后部主体部分269中的中央通道284中。借助于中央流动导引件285也将所述中央通道分为四个独立的流动通道，以使四股独立的水流继续流至中央主体的后端。在中央主体的前端，也以与旁通管275相似的一组四个的方式设置后部外围流动通道276，以便在主体的后端接收四股独立的水流并且使这些水流绕主体周边返回至壳体中的四个沿圆周间隔开的出口狭缝286，通过这些狭缝，水流入叶片中的回水通道287内。

空心叶片在内部由纵向隔板289分隔，以便冷却水通道从叶片的内部前端向后延伸至叶片的后端，随后沿叶片的外部纵向端向外并向前延伸至叶片前端242中沿径向延伸的出水通道291，该通道经出口狭缝293与四个沿圆周方向留有间距的返回通道连通，所述返回通道通过管道壁向后延伸至在管道后端的公共出口264。隔板282分隔在叶片内部的进水和出水通道266、291，并且每一个叶片的进水和出水狭缝265、293均以与纵向成一定角度形成在内部管道管235的前端内，以便能够适合图3所示的叶片的螺旋角。

将四根同轴管道管232、233、234、235的前端焊接至末端件237的三个凸缘294、295、296上，以便在枪的前端将它们牢固地连接成一个坚固的构件。管道管的后端能够彼此相对沿纵向运动，以允许在枪的操作期间产生不同的热膨胀。如在图19中能最清楚地看到的那样，管道管232的后端设有伸出的凸缘2101，在该凸缘上焊接有带有不同进水口和水出口257、258、280、264的连续构件2102。构件2102包括装配有O形密封环2104的内部环状凸缘2103，所述密封环用作管道管233后端的滑动安装，以便允许管道管233独立于外部管道管232沿纵向膨胀和收缩。焊接至管道管234后端的构件2105包括装有O形密封环2108、2109的环状凸缘2106、2107，所述密封环2108、2109为固定至管道管232后端的外部构件2102内的管道管234的后端提供了滑动安装，以便管道管234也能独立于管道管232膨胀和收缩。最内部的管道管235的后端设置有装有O形密封环2112的伸出凸缘2111，所述密封环2112与装配至外部构件2102的环状环2113接合，以便也能为所述最内部的管道管提供允许产生独立的纵向膨胀和收缩的滑动安装。

还应保证导流叶片239和内部主体部分238的热膨胀。使叶片239仅在前端与管道和内部主体部分相连接，并且特别是在叶片前端的内外部分存在进出水流之处。叶片的主要部分简单地装配在管道的耐火衬套243和中央主体部分238的壳体之间，并且能够自由沿纵向膨胀。在内部主体部分后部内的水流分隔件285具有圆形的前端板，该板能够在隔板282上的管状套筒2122的机加工表面内滑动，以允许中央主体部分前部和后部在热膨胀作用下运动离开，同时能够保持独立的水流通道之间的密封。还设置了热膨胀接合处2133，以适应中央主体部分的向前端部和前端之间的热膨胀。

为了进一步允许热膨胀，叶片239可采用这样的形状，即在对叶片进行剖视时，叶片不在中央主体部分的壳体和管道的耐火衬套之间沿径向向外延伸，而是在枪的管和中央主体处于冷却状态下时，使叶片与完全径向方向呈一定角度略微偏离。在枪工作期间管道管的随后膨胀将允许朝完全径向的位置牵引叶片，同时维持与管道衬套和中央主体部分的合适的接触，同时避免由于热膨胀在叶片上产生径向应力。

在所说明的热空气喷射枪的工作中，将独立的冷却水流输送至四个涡流叶片239，以便不会因不同的流动效应造成冷却效率的损失。还向中央主体部分238的前后端提供了独立的冷却水，以便消除因缺水而造成的“热点(hot spots)”，所述缺水是由于可能的优选流动效应造成的。这对于暴露于熔炼容器内非常高温度条件下的中央主体部分的前端241的冷却是特别重要的。

管道管能够在热膨胀和收缩效应下沿纵向独立膨胀和收缩，并且叶片和中央主体部分也能够在不损坏枪的结构完整性或维持各种独立冷却水流的情况下膨胀和收缩。

所说明的枪能够在直熔容器内的极端温度条件下工作，在所述直熔容器内，通过高熔炼工艺生产铁水。通常，通过四个涡流叶片以及中央主体部分的冷却水流速大约为90m³/Hr，而通过外部壳体以及枪末端的流速大约为400m³/Hr。因此，在大约1500kPag的最大工作压力下，总流速大约为490m³/Hr。

虽然已为将热气流注入直熔容器内设计了所说明的枪，但是应理解，可使用类似的枪将气体注入经常为高温条件的任意容器内，例如用于将氧气、空气或燃料气体注入熔炼容器内。

因此，应理解，本发明不应局限于所说明的细节，并且可对所述的本发明作出多种改进和改变。

Claims (35)

1.一种将预热含氧气体注入容器内的枪，所述容器具有熔融材料池，所述枪包括：

(a)气流管道，该管道从管道的后端向排放管道中的气体的管道前端延伸，所述管道包括：(i)内部和外部同轴碳素钢管，这些碳素钢管为管道提供结构支承，(ii)冷却水供给和返回通道装置，这些通道装置从管道的后端通过管道壁延伸至管道的前端，以便使冷却水向管道的前端供给并返回，(iii)外表面，该表面包括适于将凝结炉渣保持在管道上的机械装置；

(b)用于将热气导入管道后端内的气体入口；

(c)在管道的前端与同轴管相连的末端装置；

(d)由耐火材料或其它材料形成的防护衬套，该衬套能够保护管道不暴露于通过管道的800-1400℃的气流下，与所述钢管相比，所述衬套采用的是具有绝热特性的非金属材料；

(e)设置在管道中、用于对通过管道前端的气流施加涡流的装置。

2.根据权利要求1所述的枪，其中，所述管道包括三根或多根延伸至管道前端的同轴钢管。

3.根据权利要求1所述的枪，其中，在管道外表面上的机械装置包括凸起，这些凸起的形状能够结合凝结的炉渣并将炉渣保持在管道上。

4.根据权利要求3所述的枪，其中，所述凸起为接合台(lands)，每一个接合台均具有切槽或燕尾剖面，以便所述接合台呈向外扩张的结构并作为炉渣固化的键接结构(keying formation)。

5.根据权利要求1所述的枪，其中，所述末端装置为空心环状结构，且由含铜材料制成。

6.根据权利要求5所述的枪，其中，所述管道的前端形成为空心环状末端结构，并且管道包括末端装置冷却水供给和返回通道，以便沿管道向前将冷却水供送至所述管道末端，并沿管道向后使冷却水返回。

7.根据权利要求1所述的枪，还包括主体，该主体设置在管道前端内的中心，以便流过管道前端的气体沿所述中央主体流过整个中央主体。

8.根据权利要求7所述的枪，其中，所述主体的前端和所述末端装置一起作用并形成环状喷嘴，以便气体具有由涡流装置施加的涡流从管道流出。

9.根据权利要求7所述的枪，其中，所述涡流装置包括多个导流叶片，这些叶片与主体相连，以对通过管道前端的气流施加涡流。

10.根据权利要求9所述的枪，其中，所述主体为在气流管道内延伸的中央管状构件，从气流管道的后端延伸至其前端，并且绕与管道前端相邻的中央管状构件设置叶片，以对流向管道前端的气流施加涡流。

11.根据权利要求10所述的枪，其中，所述中央管状构件包括用于使冷却水向前流动至其前端的水冷通道。

12.根据权利要求11所述的枪，其中，所述中央管状构件包括冷却水通道，这些通道用于使冷却水从其后端向前通过该中央构件流向其前端，并且在内部使前端冷却，然后通过该中央构件返回至其后端。

13.根据权利要求12所述的枪，其中，所述中央管状构件限定出用于使水向前经过所述构件直接流至所述中央构件的前端的中央水流通道，以及环状水流通道，该环状水流通道绕所述中央通道设置，以便使水流从中央构件的前端向后返回到所述构件的后端。

14.根据权利要求13所述的枪，其中，所述中央环状构件包括提供了中央水流通道的中央管以及另外的绕所述中央管设置的管，以便在所述管之间限定出所述环状水流通道。

15.根据权利要求14所述的枪，其中，中央管状构件包括隔热外层，用以阻止热量从气流管道中的气体传递至中央构件中的冷却水通道内。

16.根据权利要求15所述的枪，其中，所述隔热层包括多个由绝热材料制成的管状部分，这些部分首尾相连设置以使隔热层形成连续的管，该管绕直接设置在隔热层内的环状空气间隙、从中央管状构件的后端向前端延伸。

17.根据权利要求16所述的枪，其中，所述空气间隙形成在环状隔热层和限定出环状回水流动通道外壁的另一管之间。

18.根据权利要求13所述的枪，其中，中央管状构件的前端包括半球状凸头部分，在该凸头部分的内部设置有单个螺旋冷却水通道，以在凸头部分的末端、从中央管状构件中的中央水流通道接收水，并以单股流的形式、环绕凸头部分并且沿凸头部分向后引导所述水，从而利用单股连贯的冷却水流冷却凸头。

19.根据权利要求1-18中任一项所述的枪，其中，所述气体入口包括耐火主体，该主体限定出与管道的后端对准并且直接延伸至所述管道后端的第一管状气体通道以及第二管状气体通道，该第二管状气体通道横切第一通道以接收热气并将热气导入所述第一通道内，以便热气和其中所含的任何颗粒均会碰撞到第一通道的耐火壁上，同时气流在从第一通道流向第二通道时会改变方向。

20.根据权利要求19所述的枪，其中，所述中央管状构件在中央延伸通过气体入口的第一气流通道并向后延伸到气体入口以外。

21.根据权利要求20所述的枪，其中，中央管状构件的后端设置在气体入口的后部，并且所述枪包括用于使冷却水流至中央构件并从该构件流出的水接头。

22.根据权利要求10所述的枪，其中，导流叶片设置在中央主体和管道之间，以对流过管道前端的气流施加涡流。

23.根据权利要求22所述的枪，包括：

(a)在末端内的内部冷却水通道装置，该通道装置与管道的冷却水供给和返回通道装置相连通，以便接收冷却水流并使冷却水流返回，从而在内部冷却管道的末端；以及

(b)在叶片和中央主体内的冷却水流通道，该通道与管道前端中的冷却水供给和返回通道装置连通，以便使水从供给通道装置向内通过叶片流入中央主体的冷却通道内，并且从这些通道向外通过叶片流至管道的回水通道装置。

24.根据权利要求23所述的枪，其中，所述管道的冷却水供给和返回通道装置包括与末端装置中的内部冷却水通道连通的第一供给和返回通道以及与叶片和中央主体中的水流通道连通的第二供给和返回通道。

25.根据权利要求23所述的枪，其中，所述管道的末端形成为空心环状结构，所述空心环状结构限定出构成所述末端装置的内部冷却水通道装置的环状通道。

26.根据权利要求22-25中任一项所述的枪，其中，所述叶片的形状采用多头螺旋结构。

27.根据权利要求26所述的枪，其中，所述叶片在沿圆周方向绕管道间隔的多个位置处与管道相连。

28.根据权利要求27所述的枪，其中，设置了四个叶片，这些叶片以四头螺旋结构设置并且在叶片前端、在绕管道以90°间隔的四个位置处与管道相连。

29.根据权利要求28所述的枪，其中，管道的冷却水供给和返回通道装置包括多个分离的水流通道，每一个通道均能对叶片中的一个提供冷却水。

30.根据权利要求29所述的枪，其中，所述分离的水流通道利用在沿管道螺旋延伸的管道管之间的一环状通道内的分隔件形成。

31.根据前述权利要求中任一项所述的枪，其中，同轴的碳素钢管的前端在它们的前端处与末端装置相连。

32.根据权利要求31所述的枪，其中，将所述同轴碳素钢管的后端安装成允许它们之间产生相对纵向运动，以便适应所述管的不同程度的热膨胀和收缩。

33.根据权利要求1-18中任一项所述的枪，其中，所述管道的同轴碳素钢管限定出一系列的环状空间，这些空间用于提供冷却水供给和返回通道装置。

34.一种用于通过直熔工艺由含铁的加工原料生产含铁金属的装置，所述装置包括容器，该容器包含装有熔融金属和熔融炉渣的池以及在熔池上方的气体连续空间，所述容器包括：

(a)由耐火材料形成且具有底部和侧部的炉床；

(b)从炉床侧部向上延伸的侧壁，所述侧壁包括水冷壁板；

(c)将含铁加工原料和含碳材料供至容器内的装置；

(d)用于在熔池中产生气流的装置，在熔池名义静止表面上方向上运送熔融材料并且形成上升池；

(e)至少一个如前述任一权利要求所述的气体喷射枪，该喷射枪向下伸入容器内，从而相对于水平轴线成20～90°的角度、以200～600m/s的速度将800～1400℃的含氧气体注入容器内，将所述枪设置成：

(i)所述枪伸入容器一个距离，该距离至少为枪前端的外径；及

(ii)枪的前端在熔池静止表面上方的距离至少为枪的前端外径的3倍；

(f)用于使熔融金属和炉渣从容器中排出的装置。

35.根据权利要求34所述的装置，其中，含铁加工原料和含碳材料供给装置以及气流产生装置包括多个枪/喷口，这些枪/喷口用于利用载气将含铁加工原料和含碳材料注入熔池内和产生气流。

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