CN1315649A - 将固体颗粒状物料喷射进容器中的设备 - Google Patents

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Abstract

一种将固体颗粒状物料喷射进熔炼容器中的冶金喷枪包括芯管和围绕在芯管周围的环形冷却夹套。夹套包括一长的中空的环形结构,该环形结构是由外管和内管形成,外管和内管通过前端连接器互相连接。伸长的管状结构位于中空环状结构中,将该结构的内部分成内部环形水流通道和外部环形水流通道。管状结构具有前端部件位于环状结构的前端连接器中,形成环形末端水流通道,将内外水流通道相互连接。

Description

将固体颗粒状物料喷射进容器中的设备
本发明提供一种冶金喷枪，其伸入容器将固体颗粒状物料喷射进容器中。这种设备可以用于将冶金炉料喷射进到例如经直接熔炼过程生产熔融金属的熔炼容器的熔池中，
已知的直接熔炼过程是依靠熔融金属层作为反应介质的，通常称之为HISMELT工艺，在国际申请PCT/AU96/00197(WO96/31627)中有所描述。
国际申请中所描述的该HISMELT工艺包括：
在容器中形成熔融铁和炉渣的熔池；
喷射进进熔池中：
(ⅰ)冶金炉料，以金属氧化物为代表；和
(ⅱ)固体含碳物料，以煤为代表，作为金属氧化物的还原剂和能量的来源；和
在金属层将冶金炉料熔炼成金属。
术语“熔炼”的含义在此处可被理解为热加工技术，其中的化学反应还原了金属氧化物，生产出液体金属。
该HISMELT工艺还包括后燃烧反应气体，如CO和H2，其从熔池中释放出来到具有含氧气体的熔池上部，并将后燃烧所产生的热量转移到熔池中，提供熔炼冶金炉料所需的热能。
该HISMELT工艺还包括在熔池标称的静态表面之上形成一过渡区域，在这一区域有起促进作用的上升的物质，然后成为向下的熔融金属液滴或飞溅的小滴或液流和/或炉渣，它们提供了将熔池上部由后燃烧反应气体所产生的热能转移到熔池中的有效的介质。
在HISMELT工艺中，将冶金炉料和固体含碳物料通过多个喷枪/风口喷射进到金属层中，该喷枪/风口倾斜于垂直方向，通过熔炼容器的侧壁向下向内伸进容器的较低区域，将固体物料输送到容器底部的金属层。所述喷枪必须承受得住熔炼容器内所规定的1400℃的操作温度。因此所述喷枪必须具有内部的加压冷却系统，以便在这种苛刻的环境下能够成功地操作，且必须能够承受得住较大的局部温度变化。本发明喷枪的构造能够在这些条件下有效地操作。
根据本发明，提供了一种伸进容器中的冶金喷枪，其用于将固体颗粒状物料喷射进容器中的熔融物料中，包括：
通过其传递固体颗粒状物料的中央芯管；
围绕在中央芯管周围的环形冷却夹套，贯穿中央芯管长度的大部分，该夹套有一位于芯管周围的内部的伸长环形水流通道，一位于内部水流通道周围的外部的伸长环形水流通道，和一位于冷却夹套前端的连接内部和外部水流通道的环形末端通道；
水的入口，指的是水进入位于夹套后端区域的夹套内部环形水流通道的进口；和
水的出口，指的是水从位于夹套后端区域的外部环形水流通道中流出的出口，藉此沿着内部伸长环形通道向前提供冷却水流，至夹套的前端，然后通过末端水流通道，并穿过外部伸长环形水流通道返回，其中环形末端通道从内部伸长环形通道向外向后平滑地弯曲至外部伸长环形通道，且穿过末端通道的水流的有效横截面积小于内部和外部的伸长环形水流通道的横截面积。
更好地，夹套的内部和外部伸长环形通道和末端通道被限定为：
通过环形末端连接器在夹套前端相互连接的内管和外管，形成单一的中空环形结构，这一结构通过环形末端连接器被封闭在夹套的前端，和
位于中空环形结构内的伸长管状结构，且其伸进中空环形结构中，将中空环形结构的内部分成所述的内部和外部伸长环形通道，直至位于临近所述中空环形结构的环形末端连接器的前端部分，使得该前端通道被限定在所述管状结构的前端部分和所述单一中空环形结构的环形末端连接器之间。
进一步优选的是，管状结构的前端部分与所述中空环形结构的环形末端连接器相连接，设定前端通道的横截面流动区域。
进一步优选的是，设置所述单一中空环形结构，使得允许在内部和外部管之间相对的纵向移动，这是由于其不同的热膨胀或收缩引起的，伸长管状结构装配得适于该移动。
更特殊的是，优选单一中空环形结构的外管带有固定的安装装置，该结构的内管是以滑动的装配装置支持，使内管能够轴向地移动以适应不同的热膨胀和收缩，且内部管状结构的末端部以第二滑动装配装置支持，以允许内部管状结构随所述中空环形结构的内管移动。
所述内部管状结构可以直接连接在中空结构的内管上以随它轴向移动。这样的连接可以通过一系列位于内部管状结构尾端的圆柱状间隔连接器而提供。
为了更加充分地解释本发明，现参考附图对一个详细的实施方式进行描述：
图1是根据本发明的具有一对固体喷枪的冶金容器的垂直断面图；
图2A和2B在A-A线处结合形成整个固体喷枪的纵向横截面图；
图3是整个喷枪尾端的放大的纵向横截面图；
图4是一整个喷枪前端的放大的横截面图；
图5是图4中5-5线上的横截面图。
图1举例说明了一适合用HISMELT工艺操作的直接熔炼容器，该HISMELT工艺在国际专利申请PCT/AU96/00197中描述。所述冶金容器通常用11表示，其具有一由耐火砖形成的包括底部12和侧面13的炉缸；侧壁14从炉缸的侧面13向上伸出形成一圆柱形的炉腰，且其包括一上部的炉腰部分15和下部的炉腰部分16；炉顶17；废气出口18；熔融金属连续排出的前炉缸19；和一卸出熔融炉渣的排出孔21。
在使用中，容器盛有铁和炉渣的熔池，其包括熔融金属层22和金属层22上的熔融炉渣层23。数字24标记的箭头表示金属层22的标称静态表面的位置，数字25标记的箭头表示炉渣层23的标称静态表面的位置。术语“静态表面”可以被理解为没有气体和固体喷射进容器中的表面。
所述安装的容器，具有向下伸出的，将热空气流鼓进容器的上部区域的热空气喷射喷枪26，和喷射在缺氧载气中的铁矿石，固体含碳物料和熔剂送进金属层22，而穿过侧壁14向下向内伸进炉渣层23的两个固体喷射喷枪27。喷枪27的位置选择得使它们的出口末端28在操作过程中位于金属层22的表面之上。喷枪的这一位置减少了与熔融金属接触时所造成损伤的危险性，且可以在没有水与熔融金属在容器中接触的危险的情况下，通过加压的内部冷却水来冷却喷枪。
固体喷射喷枪的构造在图2-5中举例说明。在这些图中，每一个喷枪27均包括一中央芯管31，穿过芯管以输送固体物料，还有一围绕在中央芯管31周围的环形冷却夹套32，该环形冷却夹套穿过芯管长度的大部分。中央芯管31长度大部分是由碳/合金钢管33形成的，而位于其前端的不锈钢部分34是冷却夹套32前端的喷嘴。所述芯管31的前端部分34穿过钢制短接合器部分35与芯管的碳/合金钢部分33相连接，该短接合器部分被焊接到不锈钢部分34上，并通过螺钉36与碳/合金钢部分相连接。
中央芯管31内部衬以薄陶瓷衬37直到前端部分34，该衬是由一系列铸造的陶瓷管形成的。中央芯管31的末端通过连接器38连接到T型部件39上，颗粒状固体物料通过它，在加压的流动载气，如氮气中输送。
环形冷却夹套32包括长的中空环形结构41，该中空环形结构包括外管42和内管43，外管和内管是通过前端连接器44而相互连接的，还包括伸长的管状结构45，其位于中空环形结构41的内部，将结构41的内部分成内部伸长环形水流通道46和外部伸长环形水流通道47。伸长的管状结构45是通过将长碳钢管48焊接到机加工的碳钢前端部件49形成的，该部件装配在中空环形结构41的前端连接器44中，并形成一环形末端流体通道51，该通道与内部和外部水流通道46，47的前端相互连接。
环形冷却夹套32的尾端具有水流进口52，穿过进口冷却水流可直接进入内部环形水流通道46，且水从位于喷枪末端的外部环形通道47穿过水出口53而流出。因此，使用喷枪时，冷却水自喷枪向前向下，穿过内部环形水流通道46，然后向外向后，围绕前面的环形末端通道51进入外部环形通道47，穿过该通道沿着喷枪向后流动，并穿过出口53出来。这确保在引入固体物料的热传递关系中有最冷的水，以确保在从喷枪前端排出固体物料时，此物料不会熔融或燃烧，并使穿过喷枪中央芯管而喷射进的固体物料，喷枪的前端及外表面能有效地冷却。
管42的外表面和中空环形结构41的前端部件44被加工成带有规则的矩形凸台54的模式，每个均具有下凹或鸠尾的横截面，这样凸台成为朝外分出的形式且作为喷枪外部表面上的炉渣凝固的楔形构造。炉渣凝固在喷枪上有利于减小喷枪上金属部件的稳定。已经发现在使用时，凝固在喷枪的前端或尖端的炉渣作为固体物料伸长管的形成基体，该固体物料作为喷枪的延伸而进一步保护喷枪金属部件在容器中恶劣操作条件下的暴露。
已经发现，冷却喷枪尖端以在环形末端水流通道51的周围保持一较高的水流速度是很重要的。特别是期望在这一区域保持所规定的10米/秒的水流速度，以获得最大的热传递。为了使水流速度在这一区域达到最大，穿过通道51的水流的有效横截面被显著减小到低于内部环形水流通道46和外部水流通道47的有效横截面。内部管状结构45的前端部件49被定型且装配，使得水流从内部环形通道46的前端流出，穿过向内逐渐减小或变细的水流通道喷嘴部分61，以便在进入末端水流通道51之前，使涡流和损失达到最小。末端水流通道51还减小在水流方向的有效流动区域，以在通道的弯曲处保持增加的水流速度，并返回到外部环形水流通道47。在这种方式下，在没有过大压力和没有在喷枪其它部分发生阻塞的危险下，可以在冷却夹套的尖端区域，获得必需的高水流速度。
为了在末端通道51的尖端周围保持适宜的冷却水流速，且使热传递的波动达到最小，在管状结构45的前端部件49和中空环形结构41的末端部件44之间保持恒定控制的间隔是非常重要的。这由于喷枪部件的不同的热膨胀和收缩而存在问题。特别是中空环形结构41的外管部分42被暴露在比该结构的内管部分43和该结构的前端部分高的温度下，因此，倾向于按照图4中的点线62标出的方式而向前隆起。这样在部件44，49之间趋于产生了缝隙，当喷枪在熔融容器中被置于操作条件下时，通道51打开。相反地，当在操作过程中温度下降时，所述通道则趋向于关闭。为了克服这一问题，中空环形结构41的内管43的尾端被支持在滑动装配装置63上，这样它可以相对于该结构的外管42轴向移动，内部管状结构45的尾端也被装配在滑动装配装置64上，且通过一系列周向间隔连接器夹板65与结构41的内管43相连接，这样管43和45可以一起轴向移动。此外中空环形结构41的末端部件44，49和管状结构45通过一系列周向间隔销钉70相互连接，以在喷枪夹套热膨胀和收缩的移动下，保持适宜的间隔。
管状结构45内部末端的滑动装置64是通过附在水流集合管结构68上的环66来提供的，该集合管结构具有水进口52和出口53，并通过一O型圈密封装置69密封。结构41的内管43的末端滑动装置63与由固定在水流集合结构68上的环状凸缘71所提供的相似，且通过O型圈密封装置72而密封。环形活塞73位于环状凸缘71中，并通过螺钉接头80连接到结构41的内管43的后端上，以关闭水流进口集合室74，该集合室接收从进口52引入的冷却水流。活塞73在环状凸缘71的坚硬表面上滑动，并带有O型环81,82。所述滑动密封装置通过活塞73提供，不仅可以根据结构41不同的热膨胀而使内管43移动，而且允许管43的移动，以调节冷却夹套中由于过大水压所产生的结构41的任意移动。如果因为任何原因，冷却水流的压力变得过大，那么结构41的外管被向外施加压力，且活塞73允许内管移动，由此减少增大的压力。活塞73和轮圈71之间的内部空间75通过排气孔76而排气，并允许活塞的移动和通过活塞流出的水的溢出。
环形冷却夹套32的尾端部分具有位于喷枪下的外部增强管83，并且限定了环形冷却水流通道84，穿过该水流通道，分离的冷却水流经由水进口85和水出口86而通过。
典型的冷却水在100m3/Hr的流速，800kPa的最大操作压力下，穿过冷却夹套而通过，并在夹套的尖端区域产生10米/秒的水流速度。冷却夹套的内部和外部部分被置于200℃左右的温度差，在滑动装置63,64中，管42和45的移动在喷枪的操作中是相当可观的，但是末端通道51的有效横截面水流区域在所有的操作条件基本上保持恒定。
虽然举例说明的喷枪已经被设计成将固体喷射进直接还原的熔融容器中，但还是期望相似的喷枪可以被使用，以便将固体颗粒状物料喷射进任意的冶金容器中或相关的任意容器中，该容器中有较高的温度条件。因此本发明可以理解为不仅仅局限于对举例说明的构造的描述，其多种改进和变化也落在从属权利要求的范围之内。

Claims (12)

1．一种伸进容器中的冶金喷枪(27)，用于将固体颗粒状物料喷射进容器中的熔融物料中，它包括：通过其传递固体颗粒状物料的中央芯管(31)，围绕在中央芯管(31)周围的环形冷却夹套(32)，贯穿该中央芯管长度的大部分，和用于水流从夹套进出的水进口(52)和水出口(53)，其特征在于，夹套(32)具有位于芯管(31)周围的内部伸长环形水流通道(46)，位于内部水流通道(46)周围的外部伸长环形水流通道(47)，和一位于冷却夹套前端，连接内部和外部水流通道(46,47)的环形末端通道(51)，水进口(52)在夹套(32)的尾端区域与内部环形水流通道(46)相连接，水出口在夹套(32)的尾端区域与外部环形水流通道(47)相连接，冷却水流沿着内部伸长环形通道(46)向前，至夹套的前端，然后穿过末端水流通道(51)，向后穿过外部伸长环形水流通道(47)，环形末端通道(51)从内部伸长环形通道(46)向外向下平滑地弯曲至外部伸长环形通道(47)，穿过通道(51)的水流有效横截面积小于内部和外部伸长环形水流通道(46,47)的横截面流域。
2．如权利要求1所述的冶金喷枪，其特征在于，内部和外部伸长环形通道(46,47)和夹套(32)的末端通道(51)被限定为
通过环形末端连接器(44)在夹套(32)的前端相互连接的内管(43)和外管(42)形成一单一的中空环形结构(41)，这一结构在夹套(32)的前端通过环形末端连接器(44)被封闭，和
位于中空环形结构(41)中的伸长管状结构(45)，且其伸进中空环形结构(41)中，将中空环形结构的内部分成所述的内部和外部伸长环形通道(46,47)，直至位于临近所述中空环形结构(41)的环形末端连接器(44)的前端部分(49)，使得该前端通道(51)被限定在所述管状结构(45)的前端部分(49)和所述单一中空环形结构(41)的环形末端连接器(44)之间。
3．如权利要求2所述的冶金喷枪，其特征在于，管状结构的前端部分(49)和所述中空环形结构(41)的环形末端连接器(44)通过伸入其中的分隔件(70)分隔开，以设定前端通道(51)的横截面流域。
4．如权利要求2或3所述的冶金喷枪，其特征在于，设置所述单一中空环形结构(41)，使得允许在内部和外部管(43,42)之间由于其不同的热膨胀或收缩的相对纵向移动，且为了适应该移动而装配伸长管状结构(45)。
5．如权利要求4所述的冶金喷枪，其特征在于，单一中空环形结构(41)的外管(42)带有固定的安装装置，所述结构的内管(43)是在滑动的装配装置(63)中被支持，使内管能够轴向移动以适应不同的热膨胀和收缩，且内部管状结构(45)的尾端以第二滑动装配装置(64)支持，以允许内部管状结构(45)随所述中空环形结构(41)的内管(43)移动。
6．如权利要求5所述的冶金喷枪，其特征在于，内部管状结构(45)直接与中空环形结构(41)的内管(43)连接，以随它轴向移动。
7．如权利要求6所述的冶金喷枪，其特征在于，内部管状结构(45)和中空环形结构(41)的内管(43)之间的连接是以一系列位于内部管状结构(45)尾端的周向间隔连接器(65)来提供的。
8．如权利要求4至7中任意一项所述的冶金喷枪，其特征在于，中空环形结构(41)的内管(43)的滑动装配装置(63)包括附于限定所述水进口和出口(52,53)的水流集合结构(68)的安装环(71)。
9．如权利要求8所述的冶金喷枪，其特征在于，支持内部管状结构(45)末端的第二滑动装配装置(64)包括附于水流集合结构(68)的第二个环(66)。
10．如权利要求9所述的冶金喷枪，其特征在于，水进口室(74)位于两个滑动装配环(66,71)之间的集合结构(68)中。
11．如权利要求10所述的冶金喷枪，其特征在于，环形活塞(73)位于水进口室(74)中，并被固定在结构(41)的内管(43)的尾端，以允许内管(43)移动，以适应因冷却夹套中的过大水压而饱和的结构(41)的移动。
12．如权利要求1至11中任意一项所述的冶金喷枪，其特征在于，环形冷却夹套(32)的外表面是由向外分出形式的矩形凸台(54)形成，以作为喷枪外表面上炉渣凝固的楔形构造。
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