CN1243836C - 将气体喷射入容器中的装置及采用该装置的冶金容器 - Google Patents

Abstract

用于将热气体喷入容器的喷枪(26)，包括接收自进气结构(32)的热气体的伸长气流管道(31)，和气流管道内从后端至前端延伸的伸长中间管状结构(33)。在邻接管道(31)前端处，中间结构有一系列气流引导翼片(34)，使从管道排出的气流产生涡旋。从进气结构(32)向下游延伸的管道(31)壁由穿过管状通道(43，44)的水从内部冷却。冷却水还流过管道(31)前端的管道端部(36)内部。带涡旋翼片(34)的中间结构前端由冷却水内部冷却，自喷枪后部的进水口(53)的冷却水向前穿过中间水流通道(52)，流至中间结构的前端部(35)。冷却水经过环状水回流通道(54)通过中间结构返回喷枪后端的出水口(55)。

Description

将气体喷射入容器中的装置及采用该装置的冶金容器

技术领域

本发明提供了一种将气体喷射入容器中的装置。本发明特别是但不是专门应用于在高温条件下将气流喷射入一种冶金容器中的装置。这种冶金容器可以是例如一种冶炼容器，在该冶炼容器中通过直接冶炼操作工艺来产生熔化金属。

背景技术

在国际申请PCT/AU96/00197(WO 96/31627)中描述了以申请人的名字命名的一种已知的直接冶炼操作工艺，该操作工艺通常被称为Hismelt操作工艺，在上述工艺中利用一种熔化金属层来作为反应介质。

在该国际申请中所描述的HIsmelt工艺包括：

(a)在容器中形成熔化的铁和矿渣的熔浆(bath)；

(b)将下述材料喷入熔浆中：

(i)一种含金属的供给材料，典型的是金属氧化物；

(ii)一种固态的含碳材料，典型的是煤，该含碳材料用作为

金属氧化物的还原剂和能量源；

(c)将含金属的供给材料熔炼为金属层中的金属。

此处的术语“冶炼”应被理解为热处理，其中，在热处理过程中进行减少金属氧化物的化学反应，以产生液态金属。

HIsmelt处理工艺还包括补充燃烧反应气体如CO和H2，并将经补充燃烧产生的热量传输到熔浆中而成为用于冶炼含金属的供给材料所需的热能，上述的反应气体是在具有含氧气体的熔浆上的空间中由熔浆释放出来的。

HIsemlt处理工艺还包括在熔浆的标称表面上形成一个传输区，在该传输区中存在适量的上升及随后下降的熔化金属和/或矿渣的浆滴或喷溅物或浆流，所述熔化金属和/或矿渣的浆滴或喷溅物或浆流提供一种有效的介质，将由熔浆上的反应气体进行补充燃烧所产生的热能传输到熔浆中。

在HIsmelt处理工艺中，含金属的供给材料和固态含碳材料通过多个喷枪/风口而被喷射到金属层中，所述喷枪/风口向竖直方向倾斜，以便向下且向内延伸过冶炼容器的侧壁并进入容器的下部区域，从而将固体材料输送到容器底部的金属层中。为促进容器上部中的反应气体进行补充燃烧，通过向下延伸的热空气喷枪将一股热空气喷入容器的上部区域中，所述的热空气可富含氧气。为使气体在容器的上部中有效地进行补充燃烧，人们希望进入的热空气流以涡旋运动的形式离开喷枪。为达到该目的，喷枪的出口端安装有内部流体引导件以产生适当的涡旋运动。容器的上部区域可达到2000℃的温度，且可将热空气以1100-1400℃的温度输送入喷枪中。因此，喷枪的内壁和外壁应能够承受特别高的温度，特别是在喷枪的输送端处，该输送端凸伸入容器的燃烧区内。本发明提供了一种喷枪结构，该结构可使相关的部件进行内部水冷却并可在非常高的温度环境下运行。

发明内容

本发明提供了一种用于将气体喷射入容器中的装置，该装置包括：

从后端向前端延伸的一个气流管道，气体从气流管道的前端排放出来；

一个伸长的中间管状结构，该中间管状结构在气流管道中从其后端延伸至前端；

围绕中间管状结构布置的多个气流引导翼片，所述翼片与气流管道的前端相邻，使流至管道前端的气流产生涡旋。中间管状结构的前端和管道的前端共同作用而形成一个环形喷嘴，以使来自所述管道的气流在所述翼片的作用下产生涡旋；

布置在中间管状结构中的冷却水通道，该冷却水通道用于使穿过中间管状结构的冷却水流从通道的后端向前流至其前端，并对所述的前端进行内部冷却，然后经过中间管状结构返回其后端。

管道的前端可形成为中空的管状端部形式，气流管道可包括管道端部冷却水供应和返回通道，所述的冷却水供应和返回通道可将冷却水沿着管道向前供应至管道末端，且使冷却水沿着管道返回。

管道的内周表面可用难熔的材料加衬里形成。

优选的情况为：中间管状结构限定了一个可使水流向前流过的中间水流通道，和一个围绕中间水流通道布置的环状水流通道。水流直接向前穿过中间水流通道而进入中间管状结构的前端。而环状水流通道使水流从中间管状结构的前端返回至该结构的后端。

中间管状结构可包括：用以提供中间水流通道的一中间管；以及围绕该中间管布置的另一管，以在所述的管之间限定了所述环状水流通道。

优选的情况为：中间管状结构包括一个外绝热层，以阻止热量从气流管道内的气体中传输至中间管状结构内的冷却水通道中。

绝热层可由多个由绝热材料制成的管段组成，所述管段的端部相连以形成绝热层，就像一个基本连续的管从中间管状结构的后端延伸至其前端，围绕直接设置在绝热层内的环状空气间隙。

所述空气间隙可形成于管状绝热层和用于形成环状水回流通道的另一管之间。

优选的情况为：对绝热层的所述管段进行支撑，以容纳每个管段与其他管段相独立的纵向膨胀。

中间管状结构的前端可包括一个隆起的前端部，该前端部的内部布置有一个单独的螺旋冷却水通道，以将来自中间水流通道的水接收入前端部顶端处的中间管状结构中，并使所述的水以单股水流的形式围绕前端部流动且沿着前端部向后流动，从而以单股连贯的冷却水流形式来冷却所述前端部。

本发明的装置可包括一个进气结构以将热气体引入管道的后端中，进气结构包括一个难熔的基体，该难熔的基体限定了一个第一管状气体通道和一个第二管状气体通道。第一管状气体通道与管道的后端相对准且直接延伸至管道的后端。第二管状气体通道相对于第一管状气体通道成横向布置，以接收热气体并将热气体引入第一管状气体通道中，这样，热气体及热气体中携带的任何微粒均冲击第一管状气体通道的难熔壁，气流在从第一管状气体通道流向第二管状气体通道的过程中就改变了方向。

第一和第二管状气体通道基本上是相互垂直的。

中间管状结构可向中间延伸过进气结构的第一管状气流通道，并向后延伸而超过进气结构。中间管状结构的后端位于进气结构的后面，且布置有水耦合件，以使冷却水流向中间管状结构及从其中流出。

附图说明

为对本发明进行更完整的解释，下面将参考附图对本发明的一个具体实施例进行详细描述，其中：

图1为根据本发明构造的一个直接冶炼容器的垂直剖视图，该冶炼容器结合有一对固体喷枪和一个热空气流喷枪；

图2为热空气喷枪的一个纵向剖视图；

图3为对喷枪中间结构的前部所作的一个纵向放大剖视图；

图4和图5显示了中间结构的前端的构造；

图6为中间结构的纵向剖视图；

图7为图6中的区域7内的详细情况；

图8为沿图7中的线8-8所作的截面视图；

图9为沿图7中的线9-9所作的截面视图。

具体实施方式

图1显示了一个直接冶炼容器，该冶炼容器适于按照国际专利申请PCT/AU96/00197中所述的HIsmelt处理工艺运行。该冶金容器通常以参考数字11来指示且具有一个炉膛，该炉膛包括：基座12和由耐热砖制作的侧壁13；侧壁14，侧壁14通常形成为从炉膛的侧壁13向上延伸的一个圆筒并包括上筒部分15和下筒部分16；筒顶17；气体出口18；用于连续排放熔化金属的前膛19；用于排放熔化矿渣的出渣孔21。

在使用中，该容器容纳铁和矿渣的熔浆，该熔浆包括一个熔化金属层22及位于熔化金属层22上的一个熔化矿渣层23。由参考数字24所标识的箭头指示了金属层22的标称静止表面的位置，而由参考数字25所标识的箭头指示了矿渣层23的标称静止表面的位置。应将术语“静止表面”理解为：在没有将气体和固态物质喷射入容器时的表面。

该容器安装有一个向下延伸的热空气喷枪26，以将热空气输送入容器的上部区域中。该容器还安装有两个向下且向内延伸过侧壁14而进入矿渣层23的固体喷枪27，以将铁芯、固态含碳材料及在缺氧载运气体中所携带的渣粒喷入到金属层22中。喷枪27的位置是这样选择出的，即在处理操作过程中，喷枪27的出口端28位于金属层22的表面之上。喷枪的这种位置减少了与熔化金属相接触而损坏的危险，并在不产生使水与容器中的熔化金属相接触的严重危险的情况下，还可通过强行压入的内部冷却水来冷却喷枪。

图2-9中显示了热空气喷枪26的结构。喷枪26包括一个伸长的管道31，该管道31接收通过一个进气结构32的热空气并将热空气喷入容器的上部区域中。喷枪包括一个伸长的中间管状结构33，中间管状结构33在整个气流管道31内延伸且从其后端延伸至前端。在与管道的前端相邻的位置处，中间管状结构33具有4个成系列的涡旋产生翼片34，以使从管道排出的气流产生涡旋。中间管状结构33的前端具有一个隆起的前端部35，该前端部35向前突伸超过管道31的端部36，这样，中间管状结构体的前端与管道的顶端一起相协作而形成一个环状喷嘴，用以将来自管道的气流扩散出去，所述气流具有由翼片34产生的涡旋。翼片34布置成4端头的螺旋形式且滑动配合在管道的前端中。

从进气结构32开始而向下游延伸的管道31的主要部分的壁是用水从内部冷却的。这部分管道是由成系列的三个同心钢管37、38和39组成的，这三个同心钢管向管道的前端延伸，并在管道的前端处与管道端部36相连接。管道端部36是中空的环形结构，该环形结构由冷却水从内部进行冷却，所述的冷却水通过管道31的壁中的通道来供应和回流。具体地说，通过一个入口41和环形入口支管42将冷却水供应至在管道的管38、39之间限定的一个内环形水流通道43中，并通过管道端部36中的周向间隔开口而流到管道端部的中空的内部。所述的水通过周向间隔的开口进入在管37、38之间限定的外环形水回流通道44而从端部返回，并回流至管道31的水冷部分后端处的水出口45。

管道31的水冷部分用内部难熔衬里46衬面，难熔衬里46安装在管道的最内金属管39内且延伸至管道的水冷端部36。管道端部36的内圆周通常与难熔衬里的内表面相齐平，该难熔衬里限定了流过管道的气体的有效流动通道。难熔衬里的前端具有直径稍微减小的部分47，该部分47用于接收进行紧贴滑动配合的涡旋翼片34。从所述部分47向后的难熔衬里的直径稍微增大，以在组装喷枪时将中间管状结构33向下插入所述管道直至涡旋翼片34到达管道的前端。在管道的前端处，通过一个锥形的难熔支撑台48来引导涡旋翼片34使其与难熔部分47进行紧贴配合，支撑台48的布置将翼片引导入难熔部分47中。

带有涡旋翼片34的中间管状结构33的前端是由冷却水从内部冷却的，被供应的冷却水穿过中间管状结构从喷枪的后端流至其前端，然后，沿着中间管状结构回流至喷枪的后端。这样就使一个非常强的冷水流直接流向中间管状结构的前端，具体是流至隆起的前端部35，该前端部35在喷枪工作过程中要承受非常高的热流量。

中间管状结构33包括由管段形成的内外同心钢管50、51，各个管段的端部相连而焊接在一起。内钢管50限定了一个中间水流通道52，来自喷枪后端处的进水口53的水通过该中间水流通道向前流动至中间管状结构的前端35，所述冷却水再从前端35回返穿过在两个钢管之间限定的一个水回流通道54，并流过中间管状结构到达喷枪后端处的出水口55。

中间管状结构33的前端35包括一个内铜制基体61，该铜制基体61安装在也是由铜制成的一个外隆起前端壳体62中。内铜制基体61形成有一个中间水流通道63，以接收来自管状结构33的中间通道52的水，并将其引导至前端的顶端。前端35形成有凸伸肋64，凸伸肋64紧贴配合在前端壳体62中，以在内铜制基体61和外前端壳体62之间限定了一个单股连续冷水流通道65。就如在图4和图5中特别显示的那样。将凸伸肋64的形状这样确定，即由通道段67从一环形段向下一段倾斜而将环形通道段66相互连接在一起时，单个的连续通道65就连续延伸。这样，通道65就从前端的顶端以螺旋形式(虽然不是规则的螺旋形式)延伸，该螺旋沿着前端向后延伸而在前端的后端退入在中间管状结构33的两个钢管51、52之间形成的环状回流通道内。

单股连贯流中的被强制冷却水流穿过围绕沿中间管状结构的前端35向后延伸的螺旋通道65，可确保带走足够多的热量从而避免在前端上形成“热点”。如果将冷却水分为相互分开的流体支流，则可能在前端产生所述的“热点”。在图示的结构中，从冷却水进入前端35开始至它从前端35流出，该冷却水均被限制成单股水流的形式。

内部结构33布置有一个外部绝热层69，以阻止热量从管道31内的进入热空气传输至中间管状结构33内的冷却水流中。如果在一个大尺寸的冶炼装置中需要承受非常高的温度和高速的气流，固态的难熔绝热层可能只具有很短的使用寿命。在图示的结构中，绝热层69是由以UMCO的名称销售的陶瓷材料制成的管状套形成的。这些管状套的端部和端部相连，围绕绝热层和中间管状结构的最外管51之间的空气间隙形成一个连续的的陶瓷绝热层。具体地说，绝热层可由UMCO50的管段制成，UMCO50的管段含有重量比为0.05-0.12％的碳、0.5-1％的硅、最大量为0.5-1％的锰、0.02％的磷、0.02％的硫、27-29％的铬、48-52％的钴及作为必需的平衡重量的铁。这种材料提供了良好的绝热性能，但在高温下，这种材料要产生明显的热膨胀。为解决这个问题，将绝热层的管段单独形成，且按照图6-9的形式安装，以使它们相互独立地纵向膨胀，而在任何时间均保持为一个基本连续的绝热层。如图所示，单个的管套安装在定位条71和板支撑件72上，板支撑件72安装在中间管状结构33的外管51上，每个绝热管的后端在部位73处形成台阶状，以配合在板支撑件上，且带一个端部间隙74，可使每个定位条进行独立的纵向热膨胀。在每个管套上也可布置有防止转动条75，其围绕管51上的一个定位条71安装，以阻止绝热套进行转动。

热空气是通过进气结构32输送至管道31的。该热空气可以是在1200℃的温度下穿过加热炉的富氧空气。所述的空气必需穿过难熔衬里而收集难熔砂砾，所述的难熔砂砾如果以较高的速度被直接引导入管道31的主要水冷部分，则会引起严重的侵蚀问题。设计的进气结构32可使管道接收带有难熔微粒的大体积热空气，同时使对管道的水冷部分的损坏降至最低。管道31包括一个T形的基体81，该基体81在难磨损的难熔材料中模制为一个单元件，且被布置在一个薄壁外金属壳82中。基体81限定了与管道31的中间通道相齐平的一个第一管状通道83，和与通道83相垂直的一个第二管状通道84，以接收从加热炉(未显示)输送的热空气流。通道83与管道31的气流通道相对准，通过进气结构32的一个难熔连接件86中的一个中间通道与管道31的气流通道相连通。

被输送至进气结构32的热空气穿过基体81的管状通道84，并冲击到较厚难熔体82的难磨损的难熔壁上，较厚难熔体82的壁可防止侵蚀。然后，气流改变方向以直角的形式向下穿过T形基体81的通道83及过渡件86的中间通道，而进入管道的主要部分。通道83的壁在气流向前流动的方向中为锥形，以使气流加速进入管道。例如，通道83的壁可以7°的角度倾斜。难熔的过渡件86在厚度上是锥形的，以在一端处与难熔基体81的后壁相配合，且与管道31的主要部分的较薄难熔管线48相配合。因此，穿过环形冷却水套87的冷却水通过入口88和出口89进行循环。中间管状结构33的后端延伸过进气结构32的管状通道83。该后端布置在难熔管线插件91中，该难熔管线插件91封闭管道83的后端。中间管状通道33的后端从进气结构32向后延伸至入水口53和出水口55。

图中所示的装置可将大容量的热空气在较高的温度下喷入冶炼容器26中。中间管状结构33可将大容量的冷却水迅速且直接输送至中间管状结构的前端部，并使强制的冷却水以不分支的冷却水流形式围绕前端结构流动，以从中间管状结构的前端高效地带走热量。流至管道顶端的独立水流也可从喷枪的其他高热流量部件高效地带走热量。热空气流被输送至进气结构，在该进气结构中，热空气在向下流入管道之前冲击难熔腔或通道的厚壁，这样就可处理被难熔砂砾污染的大体积空气，从而不会对喷枪的主要部分中的难熔衬里和绝热层造成严重的侵蚀。

Claims (15)

1、用于将气体喷射入容器内的装置，该装置包括：

一个从后端向前端延伸的气流管道，气体从气流管道的前端排放出来；

一个伸长的中间管状结构，该中间管状结构在气流管道中从其后端延伸至前端；

多个围绕中间管状结构布置的气流引导翼片，所述翼片与气流管道的前端相邻，使流至管道前端的气流产生涡旋，中间管状结构的前端和管道的前端共同作用而形成一个环形喷嘴，以使从所述管道排出的气流通过所述翼片产生涡旋；

设置在中间管状结构中的冷却水通道，该冷却水通道用于使穿过中间管状结构的冷却水流从通道的后端向前流至其前端，并对所述的前端进行内部冷却，然后经过中间管状结构返回其后端。

2、根据权利要求1所述的装置，其中管道的前端可形成为中空的管状端部形式，气流管道包括管道端部冷却水供应和返回通道，用于将冷却水沿着管道向前供应至管道端部且使冷却水沿着管道返回。

3、根据权利要求1或2所述的装置，其中管道的内周表面由难熔的材料加衬里。

4、根据权利要求1所述的装置，其中中间管状结构限定了一个使水流向前流过的中间水流通道，和一个围绕中间水流通道布置的环状水流通道，水流直接向前穿过中间水流通道而进入中间管状结构的前端，环状水流通道使水流从中间管状结构的前端返回至该结构的后端。

5、根据权利要求4所述的装置，其中中间管状结构包括：用以提供中间水流通道的一中间管；以及围绕该中间管布置的另一管，从而在所述的管之间限定了所述的环状水流通道。

6、根据权利要求1所述的装置，其中中间管状结构包括一个外绝热层，以阻止热量从气流管道内的气体传输至中间管状结构内的冷却水通道中。

7、根据权利要求6所述的装置，其中绝热层由绝热材料制成的多个管段组成，所述管段的端部相连以形成绝热层，从而形成一个连续的管，从中间管状结构的后端延伸至其前端，围绕直接设置在与绝热层内的环状空气间隙。

8、根据权利要求7所述的装置，其中所述空气间隙形成于管状绝热层和用于形成环状水回流通道的另一管之间。

9、根据权利要求7所述的装置，其中对绝热层的所述管段进行支撑，以容纳与其他管段相互独立的每个管段所产生的纵向膨胀。

10、根据权利要求4-9中任一项所述的装置，其中中间管状结构的前端包括一个隆起的前端部，该前端部的内部布置有一个单独的螺旋冷却水通道，以将来自中间水流通道的水接收入前端部顶端处的中间管状结构中，并使所述的水以单股水流的形式围绕前端部流动且沿着前端部向后流动，从而以单股连贯的冷却水流来冷却所述前端部。

11、根据权利要求4-9中任一项所述的装置，其中该装置布置有一个进气结构，以将热气体引入管道的后端中，该进气结构包括一个难熔的基体，该难熔的基体限定了一个第一管状气体通道和一个第二管状气体通道，第一管状气体通道与管道的后端相对准且直接延伸至管道的后端，第二管状气体通道相对于第一管状气体通道成横向设置，以接收热气体并将热气体引入第一管状气体通道中，这样，热气体及热气体中携带的任何微粒均冲击第一管状气体通道的难熔壁，从而使气流在从第一管状气体通道流向第二管状气体通道的过程中改变了方向。

12、根据权利要求11所述的装置，其中第一和第二管状气体通道是相互垂直的。

13、根据权利要求11所述的装置，其中中间管状结构向中间延伸过进气结构的第一管状气体通道，向后延伸超过进气结构。

14、根据权利要求13所述的装置，其中中间管状结构的后端位于进气结构的后面，并设置有水耦合件，以使冷却水流向中间管状结构及从其中流出。

15、一种冶金容器，该冶金容器安装有在高温条件下将气流喷射入容器上部的装置，所述装置是按照权利要求1-14中任一构造的、且安装在容器的顶部以向下延伸过容器的顶部，气流管道的后端设置在容器顶部之上，而管道的前端位于容器的上部中。

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