CN87102178A - 向高温液体中喷注物质 - Google Patents

Abstract

熔融金属中必要时伴以粉末状或固态处理物质的气体喷注是经由喷嘴衬套(14)进行的，该喷嘴衬套插入容纳熔体的容器(10)的壁(12)中。喷嘴孔(18)内端起先有一个塞子(20)，输送管(24)比孔(18)细并可在孔中移动。喷注前，用气体冷却管子(24)和邻近塞(20)的孔(18)。使管子(24)顶撞塞子(20)，将塞子移除并使气体以射流形式进入熔体，熔体进入管子(24)和孔(18)之间的间隙中，但由于预喷冷却，熔体迅速凝固，安全地将管子定位于孔中。

Description

本发明涉及向高温液体中喷注物质。

更具体地说，本发明涉及向熔融物之类的液体中仅喷注气体或喷注混有固体物质或散粒物质的气体。

所处理的液体一般处于如此的高温，以致它们可以被看作具有侵蚀性或危险性。我们在此所公开的方法和装置已设计得操作安全，並在处理开始之前不受液体的影响。

处理用的典型液体包括熔渣和熔融金属。对于金属而言，黑色金属和有色金属都可以用本发明的装置进行处理，以达到不同的目的。就黑色金属而言，它们可为熔融的铁或钢。

下面详细公开的方法和装置可以在真空除气过程中用作引入合金添加剂的简便手段。一次精炼和二次精炼、脱氧以及脱硫均可借该装置顺利进行。钢（及其他金属）的成分可以在凝固之前的任何时候借引入气体，固体物质或粉末状物质加以控制或改变。例如，熔体可在炉中、钢锭模中以及在诸如炼钢容器、各种钢水包、脱气器和中间包之类的容器中进行处理。

在金属浇铸工序之前或过程中，必须或最好向罐或容器内的熔融金属中引入气体。为了不同的目的，将气体喷注到例如容器的底部表面。这些目的包括清洗;清理凝固产物的较冷底面，以有助于从容器底部可浇注金属的出口附近除去凝固产物;调整整个熔体的温度;以及搅拌，以有助于合金添加剂在熔体中均匀分散。通常使用氩气之类的惰性气体。有时根据熔体的组成和化学性质以反应性气体，如氧、二氧化碳及烃类气体取代。

以往的气体喷注建议都注重于容器耐火衬中的多孔砖、滑动水口浇注阀中的固体多孔塞以及传统的自耗喷枪。多孔砖具有简便的优点，但只能用来喷注气体，而且一旦多孔砖上有金属渣或者金属氧化物凝结，例如在倒空和重新装满容器这段时间内，就不能再用。而且重新装满容器的时候，由于熔融金属在多孔砖上撞击或者由于热震而可能使多孔砖损坏，造成潜在的后患。

气体喷注用的滑动闸板阀有可能更安全些，但是如果不搞得过于复杂化，就不可能在浇注的同时喷注气体。

传统的喷枪使用起来有些笨重，成本高，而且由于它们在使用时引起的飞溅而並非不无危险。

尤其本发明旨在提供一种也可随同气体一起引入粉末物质的改进的气体喷注装置。本发明可以将这些物质引入金属熔体内部並提供使用传统的自耗喷枪所不易获得的好处。

在黑色冶金中，熔体常须借引入铝和钙或钙合金来脱氧、脱硫。成分控制或“微调”通常是将固体或粉末状合金添加剂溶于熔体中来进行的。熔体中可以加入许多物质来克服杂质的有害影响或者调整熔体成分使之符合规定。我们並不打算提供可处理物质的详尽种类。物质的选择应取决于熔体、熔体的原始成分和最终成分;选择各种情况下所需的合适添加剂，这完全是化学工作者和冶金工作者的工作范围。向钢水-或者甚至任何其他的金属熔体中引入添加剂有可能会遇到困难，尤其在合金添加剂易熔、易氧化或易汽化的情况下。因此，由于铝的熔点低而可能使向钢水中添加铝成为困难较大的操作。如果仅仅将铝倾倒在熔体表面上，则不会发生明显的脱氧作用;它必须加到熔体内部才有时间熔解並反应，而不致无益地浮于熔体表面。钙的一部分必须供入熔体内部。以前的供料方法包括使用喷枪或复杂而昂贵设备将合金添加剂喷射到熔体内部。喷枪喷注看起来简单，但具有上述缺点。

本发明也提供了有关向熔体中引入合金添加剂固体细长物或丝的改进。

本发明包括将物质通过容器壁上的某个位置引入液体内部液压较大的部位。由于压力大而可能发生泄漏，而且用来向液体中输送所选物质的装置会被喷离容器壁，除非采用周密的预防措施。本发明提出了解决这些安全问题的建议。本发明还寻求使被喷物质与液体的接触效果达最大程度的方法来喷注物质。

按本发明所述，提供了一种经由穿透盛有熔体的容器壁通道将气体喷注到高温熔体中的方法，该通道原先有一个可移去的塞子堵住其内端，该方法包含下列步骤：

（a）从容器外部向通道中插入一根输送管並使该管的内端靠近塞子，该管横截面比通道小某个预定值;

（b）沿输送管通气並将气体排出容器外部，以此来冷却输送管及塞子附近的通道;

（c）紧接在将气体喷注到熔体中之前，在管中形成足够大的气体压力和流量，使喷注时的气体离管速度大得足以使气体以射流而不是以气泡的形式进入熔体;

（d）将管子强力推向塞子，把塞子顶入熔体中並以此开始向熔体中喷注气体;

（e）在随后的喷注过程中基本上保持气体压力和流量不衰减;以及

（f）当断定喷注完成时，减小气体压力/流量，使熔体进入管中並在其中凝固，从而管子被堵塞，

管子比通道小的量在二者之间提供一个空间，它大得足以在塞子一被顶离而熔体凝固之前，使熔体可以流入其中一段有限距离。

气体压力和流量所形成的气体离管速度大于0.5马赫，例如0.5至0.7马赫是有利的。

被喷注的气体也用于冷却步骤，这是适宜的，但不是非如此不可的。

可以单独喷注气体。也可以喷注气体和非气态物质，非气态物质为颗粒或固体细长物。固体细长物为丝状、棒状或者封装有粒状密实填充料的管壳。

为了以最方便的方式结束喷注，可以将一种关闭机构装在管子的外端上，该机构可用来瞬时中断气体供给及/或也许已同气体一起被喷注的非气体物质的供给。管子和关闭机构可以构成我们在英国专利说明书GB-A-2171186中所公开的装置，本发明根据这篇说明书结合了它所公开的全部内容。

如果喷注气体加固体细长物，在输送管的内端或出口端装上一个塞子也许是有益的。塞子的例子已公开于我们的英国专利说明书GB-A-2171117中，本发明根据这篇说明书结合了它公开的内容。

本发明方法可使用具有一条或者选择具有一条以上喷注通道的装置来实施。从操作的灵活性来考虑，有几条喷注通道存在可以认为是比较理想的。我们的专利公开说明书WO84/02147公开了几种可以方便地用来实施本发明的装置实施方案，而本发明根据这篇文献结合了WO84/02147的公开内容。

本发明包括的装置的结构和安置方式可使其运行时能实施上面所定义的方法，並包括使用上面所定义的方法来冶炼金属或合金的各种方法，以及包括所炼制的金属或合金本身。

下面仅按附图更为详细地举例说明本发明，附图中唯一的图以纵剖面示出实施本发明方法所用的装置，该装置在诸如钢水包之类的容器壁上。

在附图中，10为钢水包或者其他容纳金属熔体的容器。容器10有一个衬有耐火材料12的的金属外壳11。外壳11有个孔，与该孔相一致，耐火衬12上有一个延伸于整个厚度上的锥形孔13。与孔13锥形配合的耐火喷嘴衬套14从容器外部装入锥形孔中。用螺栓紧固在外壳11或接合板（未画出）上的夹板16使喷嘴衬套14定位于孔13中。喷嘴衬套14可用胶结材料固定在孔中以防泄漏，胶结材料是易碎的，便于除去衬套进行更换。

喷注通道18从一端到另一端贯穿喷嘴衬套14，通道18有一部分衬有增强金属套19。通道18内端扩口並被可移除的耐火塞20所阻塞。塞子由易碎的胶结材料或胶粘水泥21定位。由于有了塞子20，熔体才不致于喷注进行之前进入通道18。

为将气体或者气体加粉状物或气体加固状物输送到熔体中，在通道18中放置一根输送管24。开始喷注之前，管子24的内端或出口端从塞子20的邻接端退后一短距离，例如10mm左右。管子在通道18中可纵向移动。管子24有一个例如为10mm的内径並为复合结构。它有同心的内管和外管：外管为金属管，内管为莫来石，而且在二者之间有一种绝热填充料，例如水泥。管子24向外伸出喷嘴衬套14並借螺扣旋接在一个由两部分构成的喷枪或输入装置26的关闭机构25上。

输入装置26可结合英国专利说明书GB-A-2171186中更为详细公开的特征。这种特殊的输入装置26适于喷注气体和丝状物。装置26包括通过枢轴螺栓机构30和剪切紧固件（未示出）结合在一起的内侧和外侧装置构件27、28。这两个构件一起确定了主输送管31。输送管31的一端与管子24连通而另一端与紧固在外侧装置构件28上的丝状物输送管道32连通。喷注用的丝状物33由管道32从供丝器34导向输入装置26。丝状物经由主输送管31引入管子24;丝状物必须小于管子24的内径。外侧装置构件28与通向供气源35的输气管相连接。为了简便，这一连接是在36处镗成孔的枢轴螺栓机构30的一部分，以便把气体输向内侧装置构件27中的交叉通道37。交叉通道37与内侧装置构件中的主输送管31相连通。丝状物33所通过的密封件37A防止了从交叉通道37进入主输送管31的气体大量逸离。两个装置构件27、28之间的枢轴连接可使外侧装置构件28发生位移，从而使输送管31在两个构件27、28中的两部分不成一直线。为使此成为可能，必须在构件27、28的界面上切断丝状物33，因此这两个构件包括界面上协同作用的剪切套38。

其上紧固了管子24的进料装置位于附在板16的支座40上。支座40上有一个凹部41，内侧装置构件27可滑入其中。在喷注开始进行之前，构件27的内端与凹部底部42间隔一定距离並且如上所述，管子24退离塞子20。将一种执行机构44，例如液压推杆相宜地与进料装置26联接，以便如附图所示将进料装置和管子向左推压。在喷注开始进行时启动执行机构44，迫使进料装置构件27顶到凹部41的底部並迫使管子24将塞子20顶出通道18而进入熔体中。一种安全止动器（未示出）可以防止装置26和管子24的无故移位。

当喷注行将停止时，启动另一个执行机构45，使外侧装置构件28在枢轴螺栓机构30附近相对于内侧装置构件27发生位移。执行机构45仍然可为一种液压推杆。当它被启动时，丝状物被剪断並停止向熔体移动。按此设计，气体将在执行机构45启动之后不断流入管子24，从而阀门（未示出）会被关闭，停止气体喷注。

当然，如果交叉通道37位于外侧装置构件28中，由执行机构45所引起的后者位移就会同时停止气体和丝状物的供给。

如果只喷注气体或者喷注气体加粉状物质，就可以使用较为简化型式的进料装置26。例如，该装置仍可包括以枢轴互连的内侧装置构件和外侧装置构件。但它们只构成一根从气体/粉末导管通向管子24的输送管。在此种情况下，执行机构44的启动就会起到同前面所述一样的作用（使喷注开始），而且当外侧装置构件中的输送管部分移动到与内侧装置构件中伴同的输送管部分不成一直线时，执行机构45的启动会停止气体或者气体加粉末的供给。

在喷注开始之前，管子如前所述那样后退，並且管子及塞子附近的通道18借助气体，例如稍后被喷注的气体来冷却。管子24的外径比通道18的内径要小，並且在压力作用下输进管子下部的气体可以沿管子回输，排到容器10的外部。管子和通道之间的间隙或间距部分地取决于所需的冷却效果以及部分地取决于希望熔体稍后进入间隙並在其中凝固。当气体沿管子的流动截面积小于气体在管外往回排出的流动截面积时，由于所产生的减压具有冷却作用，就能选择冷却的最佳条件。在所示的装置中，管子的内径为10mm（面积为78.5mm²），间隙的截面积约为120mm²，也即后者的截面积约比内径截面积大50%。管子的外径约为通道直径的80-90%，而且间隙宽度（径向测量）在0.5-2mm的范围内，如1.35mm。因此，管子24具有27mm的外径，而通道18的内径为29.7mm。本发明并不局限于上述的尺寸特征，尺寸特征仅适用于图示说明的特定设计。显然，尺寸是可以根据获得充分冷却的需要和使熔体流入上述间隙中并在其中凝固的需要来改变的。有些熔体（例如铁熔体）比别的熔体（例如钢熔体）更易流动，而且熔体越易流动，它能良好地流入的间隙就越小。

在喷注丝状物的情况下，预喷冷却要保证丝状物不会在管子24中熔化。

预喷冷却所用的气体流量和压力可按实践经验的需要来选择。例如，它们可为能产生约为0.5马赫或更大的离开管子24的流速。喷注丝状物的时候，气体最好是惰性的或非氧化性的，以保护丝状物在喷注开始之前不被氧化。喷注行将开始之前可用另一种气体来代替冷却气体。

紧接在执行机构44启动以开始喷注之前，将气体流量和压力调节到使气体喷入熔体而不是成气泡状进入熔体的数值，並在整个喷注过程中基本维持这些数值不衰减。喷注以保证气体以及夹带有如粉末的气体与熔体充分混合为宜。由于气泡能附着在容器壁上，从而不能与熔体充分混合，故而形成气泡显然是不利的。此外，当气泡破裂，也即脱离管子24时，利用产生瞬时的负压效应可将熔体吸入管子24中並将其堵塞。

我们已发现，流量和压力应达到产生0.5马赫或更大，例如0.6-0.7或更大的气体离管速度。举例来说，气体压力可在35至150磅/吋²（2.4至10.3bar）的范围内变化，而在主压力下流量可为10至65立方呎/分（17至111m³/h）。

当执行机构44将进料装置26和管子24推向熔体，移除塞子，20时，喷注即开始。起先，熔体进入通道18与管子24之间的间隙中。由于预喷冷却，使进入间隙中的熔体得以迅速凝固。熔体在间隙中的凝固从安全角度来看是至关重要的。因为它可以使管子24定位。因此，只要执行机构44中的压力不论因什么缘故而下降，喷嘴衬套14处的金属静力学压力就不能把已定位或已凝结住的管子24从通道18中挤出去。

从喷嘴衬套14的内端到外端需要有递降的温度梯度。该温度梯度，加上预喷冷却效果，熔体粘度以及间隙大小都是决定熔体在凝固之前渗入间隙多远的主要因素。实际上，熔体在凝固前只能在间隙中渗入一段有限的距离，例如约50mm。既然如此，显然就不存在熔体经由间隙漏出容器10的危险。

当喷注行将停止时，启动执行机构45，剪断丝状物，同时丝状物供给器34停止供料。然后可以截断从气源35出来的气体。

当管子24中的气压充分下降到小于金属静力学压力时，熔体就会进入管子24中。由于管子为流动气体所冷却，並由于上述温度梯度，熔体就不能经管子流出容器，熔体在管子中流过一段有限距离之后就会在管中凝固，从而确保熔体不致漏出来。

附图中所示的装置有一个为单一喷嘴通道18所贯穿的喷嘴衬套14。如有需要，该衬套可做得更大些，容纳2个、3个、4个或更多个喷注通道，它们各自配有塞子和适宜的输送管。在外壳11的外侧上该装置可有一些附加的机械部件和执行机构44、45，使喷注经由连续的管子得以进行或加速完成。如有需要，可以使喷注同时用多根管子来进行。

本发明可应用于侵蚀性或危险性高温熔体，例如熔融金属中气体的安全喷注。举例来说，为了达到各种目的，本发明可在黑色冶金中用来向熔融的钢或铁中引入气体，而且可以将非气态物质同气体一起同时引入，这样的物质例如为细长物或粉末状物。因此，使用本发明可以引入合金元素，特别是易挥发元素如铝和有潜在危害的挥发性元素如钻。用来细化晶粒或控制碳化物形成的物质同样也可以引入。同样，本发明也能用于引入例如用来使熔体脱硫、脱硅或脱磷的物质。

Claims (12)

1、一种经由穿透容纳熔体的容器壁，起初由一个可移除的塞子堵住其内端的通道向高温熔体中喷注气体的方法，该方法包括下列步骤：

(a)从容器(10)的外部将一根输送管(24)插入通道(18)中並使该管的内端邻近塞子(20)，该管的横截面小于通道一个预定值；

(b)沿该管通气体並使气体排出容器(10)的外部，以此来冷却邻近塞子(20)的管子(24)和通道(18)；

(c)紧接在将气体喷注到熔体中之前，管子(24)中形成足够大的压力和流量，使喷注时气体离管速度大得足以保证气体以射流形式而不是以气泡形式进入熔体；

(d)将管子(24)强制推向塞子(20)，将塞子移到熔体中並以此来开始向熔体中喷注气体；

(e)在接着进行的喷注过程中基本保持气体压力和流量不衰减；以及

(f)当断定喷注完成时，减小气体的压力/流量，同时使熔体进入管子(24)並在其中凝固，以此来堵住管子，管子(24)小于通道(18)的量能在二者之间形成大得足以在塞子(20)一经除去之后使熔体在凝固之前渗入有限距离的空间。

2、权利要求1所述的方法，其中气体的压力和流量产生大于0.5马赫，例如0.5-0.7马赫的气体离管速度。

3、权利要求1或2所述的方法，其中管子和通道的截面是圆的，而且管子的直径约为通道直径的80-90%。

4、权利要求1、2或3所述的方法，其中所述的空间为环状且其宽度在0.5-2mm的范围之内。

5、权利要求1、2、3或4所述的方法，其中管子的内径为10mm，而且所述空间的横截面积约为120mm²。

6、权利要求1至5任何一项所述的方法，其中管子和通道借气体沿管子内部流向塞子並随后沿管子外部流向外边来冷却。

7、权利要求1至6任何一项所述的方法，其中所喷注的气体用来冷却管子和通道，而且冷却用的气体压力和流量与向熔体中喷注用的相同。

8、前述任何一项权利要求所述的方法，其中将非气态的熔体处理物质同所述气体一起喷注到熔体中。

9、权利要求8所述的方法，其中所述物质为散粒状。

10、权利要求8所述的方法，其中所述物质以丝状或棒状溶于熔体中。

11、权利要求1至10中任何一项所述的方法，其中关闭机构（27、28）装在管子（24）的外端並在喷注行将结束时予以启动，以瞬时停止向管子供给气体及/或适宜场合下的非气态熔体处理物质。

12、权利要求1至11中任何一项所述的方法，其中熔体为金属熔融液並向其中喷注气体或者适宜情况下气体加处理物质，以控制，改变或调节金属的冶金特性。

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