CN1800416A - 将固体颗粒材料喷射进容器中的设备 - Google Patents

Abstract

熔炼设备包括容器(11)和穿过在容器燃烧室(16)的壁面上的开口伸到容器内部空间中的固体喷射喷枪(27a)。喷枪(27a)包括经由其中将固体颗粒材料传递到容器中的中央芯管(31)和在其长度的大部分上围绕中央芯管(31)的环形冷却套(32)。喷枪(27a)具有安装结构(61)，其包括围绕冷却套(32)延伸并且大约是冷却套直径的两倍的管状部分(60)。管状部分(60)固定在管状喷枪安装支架(62)内，所述支架焊接到容器燃烧室(16)的外壳(16a)，以便从容器向外伸出。喷枪被夹紧螺栓固定在安装支架(62)内部，所述夹紧螺栓作用于管状部分(60)和管状支架(62)上的法兰(63，65)之间。管状部分(60)是双层壁且其壁面之间的内部空间被划分成水流通道，冷却水通过所述水流通道从水入口(68)流到出口(69)。

Description

将固体颗粒材料喷射进容器中的设备

技术领域

本发明提供一种冶金喷枪，其伸入一容器内，以用于将固体颗粒材料喷射到该容器中。这种设备可以用于将冶金进给料喷射入熔炼容器的熔池中，以便通过例如直接熔炼工艺而生成熔融金属。

背景技术

已知的直接熔炼工艺依靠熔融金属层作为反应介质，通常被称为HIsmelt工艺，在本申请人拥有的国际申请PCT/AU/96/00197(WO96/31627)中有所描述。

在该国际申请中所描述的该HIsmelt工艺包括：

(a)在一个容器中形成熔融铁和炉渣的熔池；

(b)喷射入该熔池中；

(I)冶金进给料，通常是金属氧化物；和

(II)固体含碳材料，通常是煤，其作为金属氧化物的还原剂和能量的来源；以及

(c)在该金属层将冶金进给料熔炼成金属。

术语“熔炼”在此处被理解为热加工，其中发生还原金属氧化物的化学反应，以生成液体金属。

HIsmelt工艺还包括后燃烧反应气体，例如CO和H₂，其与含氧气体一起从熔池释放到熔池上方的空间中，并且将后燃烧所产生的热量传递给熔池，以提供熔炼冶金进给料所需的热能。

HIsmelt工艺还包括在熔池的标称静态表面上方形成过渡区域，在这一区域有上升的有利物质，然后成为下降的熔融金属的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传递给熔池的有效介质。

在HIsmelt工艺中，冶金进给料和固体含碳材料通过多个喷枪/风口喷射到金属层中，所述喷枪/风口倾斜于垂直方向，以便穿过熔炼容器的侧壁向下和向内延伸并伸入到容器的下部区域，从而将固体材料输送到容器底部的金属层内。喷枪必需经受住熔炼容器内大约1400℃的工作温度。因此，每个喷枪必须具有内部的强制冷却系统，以便在这种苛刻的环境中成功操作，并且必须能够承受相当大的局部温度变化。

美国专利6,398,842公开了喷枪的一种形式，其能够在这些条件下有效地操作。在该结构中，固体颗粒材料穿过紧紧地固定在外部环形冷却套内的中央芯管，芯管的前端穿过并超出冷却套的前端，伸到冶金容器中。

2004年10月18日提交的澳大利亚临时申请2004906033公开了一种熔炼设备，其中固体喷射喷枪以一种促进喷枪在熔炼操作之后的回撤的方式固定在熔炼容器中。本申请的目的在于一种喷枪结构，其在申请2004906033中所公开的一般类型的设备中具有特殊用途，但是不限于这样的用途。

发明内容

根据本发明，提供了一种伸入容器中的冶金喷枪，其用于将固体颗粒材料喷射到容纳在该容器内的熔融材料中，其包括：

中央芯管，通过它传递固体颗粒材料；

环形冷却套，其围绕中央芯管，贯穿其长度的大部分，并且具有用于使冷却水从其中流过的内部水流通道；以及

外环形部分，其围绕环形冷却套布置在喷枪的前端向后一定间隔的位置，并且设有用于使冷却水从其中流过的内部水流通道。

外环形部分可以是圆柱形，且其外径至少是冷却套外径的1.5倍。外环形部分的直径可以大约是冷却套的直径的两倍。

外环形部分可以设有双层壁，在双层壁之间形成水流通道。

在外环形部分的双层壁之间的环形空间可以被分隔以形成水流通道。

具体而言，在外环形部分的双层壁之间的环形空间可以被纵向延伸的分隔物隔开，以将该空间分隔成纵向延伸的、沿圆周间隔设置的若干互相连接的水流通道，以使水流连续地通过这些通道。

外环形部分可以被前和后端连接器从环形冷却套径向地向外间隔开，以便形成在外环形部分与夹套之间的环形空间。

外环形部分的前端可以以锐角倾斜于喷枪的中央纵轴线。

喷枪可以是细长的形式，并且自支撑于外环形部分内。它的长度一般超过5米，而冷却套的外半径则一般为大约100到150mm。

附图说明

为了能够更充分地解释本发明，将参照附图对若干特定实施例进行详细描述，其中：

图1是根据本发明所构造的具有固体喷射喷枪的冶金容器的垂直截面图；

图2是用于将煤喷射到容器中的固体喷射喷枪之一的纵向截面图；

图3是图2中所示的喷嘴的后部的截面图；

图4是图2中所示的喷枪的内部芯管组件的部分纵截面图；

图5是用于将热矿石材料喷射到容器中的喷枪的纵向截面图；

图6是图5中所示的喷枪的后部的截面图；

图7是喷枪的安装套筒元件的纵向截面图；

图8是安装套筒元件的端视图；

图9是沿图8中线9-9的截面图；

图10是安装套筒内壁的展开图，显示了在那些壁之间的环形空间的分隔；

图11是喷枪的一部分的透视图；

图12显示了修改的固体喷射喷枪。

具体实施方式

图1显示了一种通过国际专利申请PCT/AU96/00197中所描述HIsmelt工艺进行操作的直接熔炼容器。冶金容器整体以11表示，其具有一个由耐火砖形成的包括底部12和侧面13的炉膛；侧壁14，所述侧壁形成一个大致圆柱形的燃烧室，其从炉膛的侧面13向上伸出，并且包括上燃烧室部分15和下燃烧室部分16；炉顶17；用于废气的出口18；用于连续排出熔融金属的前炉膛19；以及用于排出熔融炉渣的出渣口(tap-hole)21。

在使用中，该容器容纳一个铁和炉渣的熔池，所述熔池包括熔融金属层22和在金属层22上的熔融炉渣层23。数字24所标记的箭头表示金属层22的标称静态表面的位置，数字25所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”被理解为没有气体和固体喷射进容器中时的表面。

容器安装有向下延伸的热空气喷射喷枪26以及穿过侧壁14向下和向内伸入炉渣层23中的一系列固体喷射喷枪27，所述热空气喷射喷枪26用于将热空气流传输到该容器的上部区域，所述固体喷射喷枪27用于将缺氧载气所携带的铁矿石、固体含碳材料以及助熔剂喷射到金属层22。选择喷枪27的位置以使它们的出口末端28在操作过程中位于金属层22的表面之上。喷枪的这个位置减少了与熔融金属接触时造成损伤的风险，并且还可以在没有水与熔融金属在容器中接触的显著风险的情况下，通过强制内部水冷却来冷却喷枪。

喷枪27可以有两种，第一种用于喷射热的矿石材料，另一种用于喷射例如煤的含碳材料。例如，可以有8个固体喷射喷枪27沿圆周间隔地围绕容器，且其由一连串的四个热矿石喷射喷枪和在热矿石喷射喷枪之间排列的四个煤喷射喷枪组成。所有的喷枪可以安装在通用结构的外壳体之内，但是由于要被喷射入的热矿石和煤的温度差别很大，因而这两种喷枪具有不同的内部结构。

在图2到图4和图7到图10中显示了用于含碳材料的喷射喷枪的结构，用27a加以识别。如这些图中所示，喷枪27a包括通过其传输固体材料的中央芯管31和在其长度的大部分上围绕中央芯管31的环形冷却套32。中央芯管31在其长度的大部分上由低碳钢管33制成，但是其前端安装有可更换的伸出部或喷嘴管34，所述伸出部或喷嘴管作为喷嘴从冷却套32的前端突出。

中央芯管31直到前端部分34都在内部衬有陶瓷衬套37，所述陶瓷衬套37由一系列铸造的陶瓷管形成。中央芯管31的后端通过连接器38连接到一个煤传输系统，颗粒煤通过该煤传输系统在加压的流化气载体，如氮气中输送。

环形冷却套32包括长的中空环形结构41，该中空环形结构41包括通过前端连接器部件44互相连接的外管42和内管43，还包括细长的管状结构45，该管状结构设置在中空环形结构41的内部，以便将结构41的内部分成内部细长环形水流通道46和外部细长环形水流通道47。细长的管状结构45是通过将长碳钢管48焊接到机加工的碳钢前端部件49上而形成的，该碳钢前端部件安装在中空管状结构41的前端连接器44中，以形成使内部和外部水流通道46、47的前端互相连接的环形末端流动通道51。环形冷却套32的后端设有水入口52和水出口53，冷却水可以通过水入口52被直接引入到内部环形水流通道46内，并且水从位于喷枪后端的外部环形通道47穿过水出口53流出。因此，在使用喷枪时，冷却水从喷枪向前流下，经过内部环形水流通道46，然后围绕前面的环形末端通道51向外向后进入到外部环形通道47，经过外部环形通道47沿着喷枪向后流动，并且从出口53流出。这保证了最冷的水与引入的固体材料处于热传递关系，并且能够确保通过喷枪的中央芯管喷射进的固体材料、喷枪的前端及外表面能有效冷却。

管42的外表面被机加工成规则形式的矩形凸台54，每个均具有下凹或燕尾横截面，以使得凸台成为向外分支的形式并且作为用于使炉渣在喷枪的外表面上凝固的楔形构造。炉渣在喷枪上的凝固有助于减小喷枪的金属元件中的温度。已经发现，在使用中，凝固在喷枪的前端或尖端上的炉渣作为固体材料延伸管的形成基体，该固体材料作为喷枪的延伸而进一步保护喷枪金属部分在容器中恶劣操作条件下的暴露。

喷枪通过安装结构61固定在容器11的壁面上，所述安装结构61包括围绕冷却套伸出的外部环形或管状部分60，并且具有双层壁结构，以封闭在这些壁之间的环形空间70。管状部分60安装在管状喷枪安装支架62内，所述管状喷枪安装支架62焊接于容器11的外壳，以便从容器向上和向外突出，并且在其上端设有端法兰63。喷枪安装结构61通过环形圈64连接到环形冷却套32的外管42的后端，并且它还包括环形安装法兰65，所述环形安装法兰65能通过夹紧螺栓66夹到在安装管62的末端的法兰63。当夹紧螺栓66被拧紧的时候，薄片间隔器圈67固定在法兰63、65之间以保持它们分开。如此布置以使结构61的外套筒60的前部伸到容器壁的内部。

如图2所示，在该位置的容器壁由钢圆筒壳16a和内部的耐火衬套16b组成，并且套管60的前端以一个角度倾斜于喷枪的中央纵轴线，以便与内部的耐火表面平齐。

安装结构61的管状部分60是水冷的，冷却水通过水入口68供给，并且通过在安装套筒的后端的水出口69返回。如图7到9中详细显示的，套筒60是具有内、外壁60A、60B的双层壁，并且在壁面之间的内部空间70被纵向分隔物80分隔，所述纵向分隔物80将内部空间分成一系列纵向延伸的沿圆周间隔的水流通道90，来自入口68的水通过水流通道90连续流至出口69。

从安装结构61的安装圈64向后伸出的管状外壳71容纳夹套32的中间管48的后端以及喷枪的芯管31的后端。外壳71支撑冷却水入口52和出口53，所述冷却水入口52和出口53用于提供冷却水通到喷枪冷却套32和从喷枪冷却套32流出的通路。弹性环形连接结构81将水套的中间管48的后端与管状外壳71相连，以将在外壳内部的向内和向外水流通道隔开，并且还允许由于在喷枪的元件中的不同的热膨胀和收缩所产生的水套的中间管和内和外管之间的纵向移动。

外壳71的后端为环形冷却套的内管43的后端提供了安装件。

芯管31被一系列间隔器卡圈83以间隔开的形式保持在环形冷却套32的内部，所述间隔器卡圈83沿着芯管在纵向隔开位置从中央芯管向外突出，以便与环形冷却套的内管的内围接合，从而形成在中央芯管与环形冷却套之间的环形气流通道84。在喷枪的后端设置有用于引入例如氮气的提纯气体的提纯气体入口85，所述提纯气体被引入到气流通道84内，从芯管与环形冷却套之间向前流过喷枪，并在冷却套的前端离开喷枪。

中央芯管安装有在冷却套的前端区域中的球状突起86，以提供在芯管与水套之间的受控喷嘴开口，从而控制提纯气体的流动速度。形成间隔器卡圈84以便在冷却套的外围与内围之间形成沿圆周间隔设置的间隙，以使提纯气体可以穿过环形提纯气流通道84自由流动。卡圈83的一端紧靠球形突起86设置，以便在外部冷却套的前端内对该突起进行精确定位，从而为提纯气出口喷嘴形成受控的环形间隙。维持提纯气的流动以保证炉渣不能经过在芯管与外部水套之间的喷嘴前端。如果炉渣在该区域经过喷枪，它将会由于外部水冷套和冷的提纯气体而立即冻结。

在喷枪的操作过程中，炉渣将聚积在喷枪的外表面和容器的内表面上。在停工时，炉渣凝固，往往导致喷枪粘结到容器。然而，在图示的安装布置下，可以容易地破坏这种粘结，从而使喷枪的回撤变得容易。这可以通过充分放松夹紧螺栓66以使薄片间隔器圈67能够回撤来实现。因此，这使得在安装管62内部的喷枪安装套筒可以有限地向内运动，所以安装套筒的前端从容器的壁面向内移动而破坏任意的炉渣增积。因此，这使得具有凝固在外管42上的炉渣的喷枪可以容易地通过为管状安装件60而设置的扩大开口撤回。

热矿石喷射喷枪可以与煤喷射喷枪具有大体相同的结构。然而，如图5和6所示，热矿石喷枪27b具有内部芯管，所述内部芯管成形为没有衬套的厚壁离心铸管。管31b必须制成通过薄片连接套筒91连接的若干部分。相邻的管子可以以叠焊方式通过连接套筒对准并连接在一起。芯管31b的前端设有突起86b以设定提纯气体出口喷嘴的尺寸。由于在热矿石喷射喷枪中的较厚的芯喷嘴管，该突起比煤传输喷枪的更呈球状的突起小得多。

在进一步的修改中，热矿石喷射喷枪设有水冷法兰92，以防止外壳管71b的过热。所述法兰夹在喷枪壳体的水冷端法兰和在矿石喷射系统的末端上的法兰之间，后一法兰也可能是水冷的。

热矿石喷射喷枪的内部芯管被一系列间隔器卡圈以间隔开的方式保持在冷却套内部，所述间隔器卡圈以与在煤喷枪结构中相同的方式从中央芯管向外突起。如同在煤喷枪中，在内部芯管与水套之间的空间为提纯气体的流动提供环形通道，所述提纯气体在冷却套的前端离开喷枪。

用于这两种喷射喷枪的外部安装件是相同的，因此这两种喷射喷枪都可以插入一个通用设计的壳体中。安装套筒的水冷却阻止热量从容器通过喷枪安装件损失，并且还保护喷枪以免其在安装件处过热。

如图10中详细显示的，在冷却套的外管42上的机加工凸台54塞住管状安装件60前端的空头，以使得安装件的前端可以在90处焊接到管42的光滑表面，以产生用于安装的固体连接。

图12显示了一种修改的固体喷射喷枪。其外环形部分60的前端安装有耐火材料的遮盖环形盘101，以便在容器内部的炉渣建立起来之前，在启动和喷枪更换过程中，使该前表面免于暴露在过高的温度中，环形部分60在容器壁内部延伸，以使得耐火盘101与水冷面板101的内表面平齐，并且它还用作穿过该面板在开口中的耐火销。外环形部分60的前端至少与水冷面板的外表面平齐。

图示的喷枪长度可以通常大于5米并且包括伸出部和喷嘴管34的总长度大于7米。冷却套32的外半径通常为大约100到150mm，并且环形部分60的外径可以至少是夹套32的外径的1.5倍，通常为大约450到550mm。喷枪自支撑在环形部分60内部，以使得它们各自通过在管状安装支架62之一的内部的各个环形部分60的安装件支撑在所需的方向。喷枪从容器的外壳向内伸出一段水平距离，所述水平距离在从外壳到炉膛中心的径向距离的1/4到3/4之间。

Claims (14)

1、一种冶金喷枪，该喷枪伸入一容器中以用于将固体颗粒材料喷射到容纳在该容器内部的熔融材料中，其包括：

中央芯管，固体颗粒材料经由该中央芯管传递；

环形冷却套，该环形冷却套在其长度的大部分上围绕中央芯管，并且具有用于使冷却水在其中流动的若干内部水流通道；以及

外环形部分，其围绕该环形冷却套布置在从喷枪的前端向后间隔开的位置，并且具有用于使动冷却水在其中流动的若干内部水流通道。

2、如权利要求1所述的冶金喷枪，其特征在于，外环形部分是圆柱形的。

3、如权利要求2所述的冶金喷枪，其特征在于，该圆柱形外环形部分的外径至少是该冷却套的外径的1.5倍。

4、如权利要求3所述的冶金喷枪，其特征在于，圆柱形外环形部分的外径大约是冷却套的外径的2倍。

5、如前述权利要求中任意一项所述的冶金喷枪，其特征在于，该外环形部分是双层壁，而水流通道则形成在该双层壁之间。

6、如权利要求5所述的冶金喷枪，其特征在于，在该环形部分的双层壁之间的环形空间被隔开以形成若干水流通道。

7、如权利要求6所述的冶金喷枪，其特征在于，在外环形部分的双层壁之间的空间被若干纵向延伸的分隔物隔开，从而将所述空间分成纵向延伸的、沿圆周方向间隔开的若干相互连接的水流通道，以便使水流连续地通过这些通道。

8、如前述权利要求中任意一项所述的冶金喷枪，其特征在于，外环形部分被前和后端连接器从环形冷却套径向地向外间隔开，以便在外环形部分与冷却套之间形成环形空间。

9、如前述权利要求中任意一项所述的冶金喷枪，其特征在于，外环形部分的前端以锐角倾斜于喷枪的中央纵轴线。

10、如前述权利要求中任意一项所述的冶金喷枪，其特征在于，环形部分的前端被耐火材料覆盖。

11、如前述权利要求中任意一项所述的冶金喷枪，其特征在于，耐火材料是在固定到该环形部分前端的预先形成的环形盘中。

12、如前述权利要求中任意一项所述的冶金喷枪，其特征在于，其具有细长的形式，并且自支撑于外环形部分的内部，从而可以通过将外环形部分沿希望的方向安装在一个安装支架上而将喷枪固定在希望的方向上。

13、如前述权利要求中任意一项所述的冶金喷枪，其特征在于，其长度大于5米。

14、如前述权利要求中任意一项所述的冶金喷枪，其特征在于，冷却套的外半径在100到150mm的范围内。

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