TWI390042B - 用以注入固態顆粒材料至一容器的裝置 - Google Patents

用以注入固態顆粒材料至一容器的裝置 Download PDF

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Description

用以注入固態顆粒材料至一容器的裝置 技術領域
本發明提供一種延伸進一容器內把固體顆粒材料注入至一容器內之冶金注入槍。該種裝置可被用作將冶金進料注入一熔煉容器的熔融浴內以生產熔融金屬，例如透過一直接熔煉製程。
一已知直接熔煉製程，其依賴作為反應介質的一熔融金屬層且一般被稱為HIsmelt製程，被描述於國際專利公開申請案第PCT/AU/96/00197(WO 96/31627)號。上述國際專利申請案中所述之HIsmelt製程包含：(a)在一容器內形成一熔融礦石和爐渣浴；(b)注入進該浴：(i)一金屬進料物，典型的為金屬氧化物；以及(ii)一固體含碳物，典型的為煤，其作為金屬氧化物的還原劑和一能源；以及(c)在該金屬層把金屬進料物熔煉成金屬。
本說明書中的用語“熔煉”應該理解為表示熱學製程，其中發生了還原金屬氧化物的化學反應從而生產液體金屬。
HIsmelt製程也包含在該浴上方空間用含氧氣體補充燃燒(post－combusting)反應氣體，比如從該浴中釋放的CO和H2 ，以及把補充燃燒所產生的熱傳遞給該浴以補充熔煉金屬進料物所需要的熱能。
HIsmelt製程也包含在該浴的名義靜止表面上形成一過渡區，在其內存在大量上升及隨後下降的熔融金屬及/或爐渣之液滴或濺點或液流，其等提供一有效介質從而把該浴上的補充燃燒反應氣體所產生之熱能傳遞給該浴。
在HIsmelt製程裏，金屬進料物和固體含碳物透過許多注入槍/吹風口被注入進金屬層，該等注入槍/吹風口均傾斜於垂直態從而可穿透該熔煉容器側壁向下並向裏延伸，並進入容器較低區域從而把固體材料傳遞進容器底部裏的金屬層。該等注入槍必須承受熔煉容器裏1400℃級別的作業溫度。因此各個注入槍必須具有一內部壓力冷卻系統以在該苛刻條件下成功作業且必須能夠承受实体局部溫度變化。
美國專利第6,398,842號揭示一種能夠在類似條件下有效作業之注入槍的形式。在該結構裏，固體顆粒材料透過被緊密裝配在一外部環狀冷卻套管內之一中央核心管而被傳輸，該核心管之前端延伸貫穿並超出冷卻套管之前端進入冶金容器內。
在2004年10月18日提出申請成為我們澳大利亞臨時申請案第2004906033號揭示一種熔煉裝置，其中一固體注入槍以一熔煉作業後易於撤出注入槍之一方式被安裝在一熔煉容器內。本申請案是關於一種注入槍結構其特別使用於專利申請案第2004906033號中所揭示之一般類裝置裏，但是並不受限此類使用。
 發明揭露
本發明提供一種延伸進入一容器的冶金注入槍，用於把固體顆粒材料注入該容器內所容納的一熔融材料處，其包含：一中央核心管，透過其傳輸該固體顆粒材料；一環狀冷卻套管，在整個其長度的一實體部分該環狀冷卻套管圍繞該中央核心管且被提供內部水流通道以供冷卻水流通過其處；以及一外部環狀部分，其環繞該環狀冷卻套管被佈置於從該注入槍前端處向後間隔一位置處且被提供內部水流通道以供冷卻水流通過其處。
該外部環狀部分可為圓筒狀且具有1.5倍的該冷卻套管外直徑之一外直徑。其可為該冷卻套管的該直徑2倍之級別量。
該外部環狀部分可成雙層壁，於該等雙層壁之間形成該水流通道。
該外部環狀部分的該等雙層壁之間的一環狀空間可被隔開以形成水流通道。
具體地，該外部環狀部分的該等雙層壁之間的該空間可被縱向延伸隔板所隔開，從而把該空間劃分成縱向延伸、沿圓周間隔的互連水流通道，以供水流順序通過該等通道。
藉由前端和末端連接器該外部環狀部分從該環狀冷卻套管向外徑向間隔，從而在該外部環狀部分和該冷卻套管之間形成一環狀空腔。
該外部環狀部分之該前端可相對於該注入槍之一中心縱軸被傾斜至一銳角處。
該注入槍可為加長成形且在該外部環狀部分內可自支撐。其長度上可典型地大於5米且該冷卻套管之該外半徑可典型地為100到150mm之級別。
圖式簡單說明
為了對本發明可進行更充分解釋，將參看隨附附圖對具體實施例加以詳細描述，其中：第1圖是依據本發明，貫穿結合著所構造的固體注入槍之一冶金容器的一垂直剖面圖；第2圖是貫穿把煤注入進該容器的該等固體注入槍之一者的一縱向剖面圖；第3圖貫穿第2圖所示注入槍的一後部之一剖面圖；第4圖是貫穿第2圖所示注入槍的一內部核心管裝配之局部的一縱向剖面圖；第5圖是貫穿把熱礦石材料注入進該容器的一注入槍之一縱向剖面圖；第6圖是貫穿第5圖所示注入槍的一後部之一剖面圖；第7圖是貫穿該注入槍一安裝套管元件的一縱向剖面圖；第8圖是該安裝套管元件的一後視圖；第9圖是第8圖中線9，9上的一剖面圖；第10圖為該安裝套管的一內壁之一展開圖，顯示該等壁間環狀空間之分隔法；第11圖是該注入槍之局部的一透視圖；以及第12圖揭示一修正固體注入槍。
 較佳實施例之詳細說明
第1圖揭示一種適於藉由國際專利申請案第PCT/AU96/00197號中所述HIsmelt製程進行操作之直接熔煉容器。該冶金容器一般性地以11指示且具有包括由耐火磚所形成的一基座12和側壁13在內之一爐膛；爐牆14形成一一般性的圓筒，其從爐膛的側壁13處向上延伸且其包括一上部筒狀部分15和一下部筒狀部分16；一爐頂17；一用於廢氣的排氣口18；一用於連續流出熔融金屬的前爐19；以及一用於流出熔融爐渣的出渣口21。
在使用中，該容器包含一鐵和爐渣的熔融浴，其包括一熔融金屬層22和該熔融金屬層22上的一熔融爐渣層23。數碼24所標示箭頭指示金屬層22的名義靜止表面位置而數碼25所標示箭頭指示爐渣層23的名義靜止表面位置。用語“靜止表面”可被理解成當沒有注入氣體和固體進入容器時的表面。
該容器被裝配用於把一熱氣流傳輸入該容器一上部區域處之一向下延伸的熱氣流注入槍26，以及把在缺氧載氣中被夾帶進的鐵礦石，固體含碳材料和熔劑注入進金屬層22之向下且向內延伸穿過爐牆14並進入爐渣層23的一系列固體注入槍27。注入槍27的該位置被選定使得在操作製程中其等出口端28位於金屬層22表面之上。注入槍的該位置減少透過接觸熔融金屬所導致的危害風險，並且也使得藉由壓力內部水冷冷卻注入槍卻沒有水接觸容器裏的熔融金屬之重大風險成為可能。
注入槍27可為兩種，其等第一種被用於注入熱礦石材料而其等另一種被用於注入含碳材料比如煤。舉例而言可存在八個固體注入槍27沿圓周間隔分佈于該容器周圍，且由一系列的四個熱礦石注入槍和間隔佈置於該等熱礦石注入槍之間的四個煤礦石注入槍組成。所有的注入槍可以裝配在一通用結構的外罩之內，但是因為被注入進的熱礦石和煤之巨大差異溫度，該等兩種注入槍具有不同的內部結構。
供含碳材料用的一注入槍之結構，如27a所指示，被揭示於第2到4圖和第7到10圖。如該等圖中所示，注入槍27a包含透過其傳輸固體材料之一中央核心管31，以及包圍中央核心管31整個長度的一實體部分之一環狀冷卻套管32。中央核心管31整個絕大部分長度上是由低碳鋼管33形成，除了其前端被裝配一可替換的延伸或噴嘴管34，該噴嘴管34作為一噴嘴從環狀冷卻套管32的前端處突出。
中央核心管31用一系列鑄石管(cast ceramic tubes)所形成的一陶瓷內襯37進行內部加襯直到前端部分34處。中央核心管31的末端透過一連接器38而被連接向一煤傳輸系統，透過該傳輸系統煤粉被夾帶在一加壓流態化氣體載氣(pressurised fluidising gas carrier)裏，例如氮氣，進行傳輸。
環狀冷卻套管32包含一長中空環狀結構41，該長中空環狀結構41包含由一前端連接件44所互連的外管42和內管43，以及一加長管狀結構45，該加長管狀結構45被置於長中空環狀結構41內使得結構41的內部劃分成一內部加長環狀水流通道46和一外部加長環狀水流通道47。加長管狀結構45是由被焊接到一機加工碳鋼前端件49處的一長碳鋼管48形成，該前端件49被裝配在長中空環狀結構41的前端連接件44內以形成把內外水流通道46、47的前端連接起來之一環狀端流通道51。環狀冷卻套管32的末端被提供透過其一冷卻水流可被直接導入內部加長環狀水流通道46之一入水口52，以及水自該處被從外部水流通道(外環狀通道)47抽出之注入槍末端處的一出水口53。因此在注入槍使用中，冷卻水沿注入槍向前流動穿過內部加長環狀水流通道(內部環狀水流通道)46，然後向外回流到環狀端流通道(前環狀端通道)51周圍進入外部加長環狀水流通道(外部環狀通道)47，透過其冷卻水沿注入槍向後流動且流出出水口53。這就確保最冷的水和進入的固體材料為熱交換關係，且能夠有效冷卻透過注入槍的中央核心管而被注入進的固體材料以及有效冷卻注入槍的前部和外部表面上。
外管(管)42的外部表面經過機加工具有各自具有一底切或燕尾剖面之一規則圖案的矩形突出浮凸物54，使得該等浮凸物向外發散成形且作為鍵成形使用以供注入槍外部表面上的爐渣固化之用。爐渣固化到注入槍上有助於把注入槍金屬元件內的溫度降到最小。在使用中已發現注入槍前部或尖端上凝固的爐渣是作為充作注入槍的一延伸部分之固體材料的一延長管成形之一基礎而使用，該延伸進一步保護注入槍的金屬元件對容器內嚴格作業條件之暴露。
注入槍藉由一安裝機構61被安裝到容器11的壁內，該安裝機構61包含環繞冷卻套管延伸且具有一雙層壁結構從而在該等壁之間密封成一環狀空間70之一外部環狀或管狀部分60。管狀部分60在管狀注入槍內裝配安裝支架62，該安裝支架62被焊接到容器11的殼壁處使得可從容器處向上及向外凸起且於其上端處被提供一端法蘭(end flange)63。注入槍安裝結構61藉由一環狀結構64而被連接至環狀冷卻套管32的外管42之末端處，且它也包括藉由夾緊螺栓66可被夾緊至安裝支架(安裝管)62端部之法蘭63處的一環狀安裝法蘭65。一開口襯圈67被裝配于法蘭63、65之間，從而在夾緊螺栓66被緊固時保持它們分離。這種配置所以如此是為了安裝機構(結構)61的管狀部分(外部套管)60之前部延伸貫穿到容器壁內部處。
如第2圖所示，此位置處的容器壁是由鋼筒狀殼體16a和一內部耐火襯16b形成，且管狀部分(套管)60的前端被傾斜與注入槍中心縱向軸成一角度從而與內部耐火表面齊平。
安裝機構61的管狀部分60被水冷，在安裝套管的末端處冷卻水透過一入水口68而被供應且透過一出水口69而被返回。特別如第7到9圖之所示，管狀部分(套管)60被製成具有外壁和內壁60A、60B之雙層壁且該等壁之間的環狀空間(內部空間)70被將內部空間分隔成一系列縱向延伸沿圓周間隔佈置的水流通道90之縱向隔板80隔開，透過水流通道90水從入水口68順序流到出水口69處。
從安裝結構61的安裝圈64向後延伸之一管狀罩71罩住環狀冷卻套管(套管)32的中間管48之末端處和注入槍中央核心管(核心管)31之末端處。管狀罩(罩)71支撐用作冷卻水往來於注入槍環狀冷卻套管(冷卻套管)32之通道的冷卻水入口52和出水口53。一軟性環狀連接結構81將環狀冷卻套管(水套管)的中間管48之末端和管狀罩(罩管)71相連接，從而分離罩內的內部和外部水流通道且也允許肇因於注入槍元件內的差異熱膨脹和收縮之內管和外管與環狀冷卻套管(水套管)的中間管之間的相對縱向運動。
管狀罩71的末端為環狀冷卻套管的內管43之末端提供一安裝裝置。
中央核心管31在環狀冷卻套管32內被一系列隔圈83保持著間隔分開關係，隔圈83沿中央核心管縱向間隔位置從中央核心管向外凸起以嚙合環狀冷卻套管的內管之內周緣，從而在中央核心管和環狀冷卻套管之間形成一環狀氣流通道84。一淨氣入口85被提供於注入槍末端處，用作允許一淨氣，比如氮氣，被接納進入環狀氣流通道84，從而向前流動穿過中央核心管和環狀冷卻套管之間的注入槍於環狀冷卻套管之前端處退出注入槍。
中央核心管在環狀冷卻套管之前端區域處被裝配一球莖狀凸起86，以提供中央核心管和環狀冷卻套管之間的一被控制噴嘴開口從而控制淨氣流速。隔圈83被形成使得環狀冷卻套管的外周緣和內周緣之間留有沿圓周間隔之間隙，從而容許淨氣之自由氣流通過環狀氣流通道(環狀淨氣流通道)84。隔圈83之一者被置於緊鄰球莖狀凸起86處以提供外部冷卻套管前端內之凸起的精確定位，從而為淨氣退出噴嘴產生被控制環狀間隙。該淨氣流被維持以確保爐渣不可進入中央核心管和外部冷卻套管(外部水套管)之間的噴嘴前端處。如果爐渣進入該區域裏的注入槍，則因為外部冷卻套管(水冷卻外部套管)和冷淨氣它會立即凝固。
在注入槍作業期間，爐渣將會積聚在注入槍外表面上和容器內表面處。在停工時爐渣會固化傾向於把注入槍粘結到容器處。但是因所揭示的安裝配置，這種粘結可被易於破除以便撤回注入槍。這可透過充分鬆開夾緊螺栓66以能夠撤出開口襯圈67來加以實現。然後這允許安裝支架(安裝管)62裏的注入槍安裝套管之有限向內運動，使得安裝套管的前端被從容器壁處向內運動以破壞任何爐渣增長。然後這容許注入槍以及固化在外管42上的爐渣可透過提供給管狀部分(管狀安裝)60之擴大開口而被易於撤出。
熱礦石注入槍可為煤注入槍之一般性相似結構。但是，如第5和6圖所示，熱礦石注入槍27b具有作為一無襯厚壁離心鑄造管31b而被形成之一內部核心管。該厚壁離心鑄造管31b必須被分段形成，其由開口連接套管91所連接。鄰近管可藉由焊接透過該開口連接套管(連接套管)而被對準和連接。厚壁離心鑄造管(核心管)31b之前端被提供一凸起86b以設定淨氣出口噴嘴之尺寸。因為熱礦石注入槍裏的較厚核心噴嘴管，該凸起要比煤注入槍(煤傳輸槍)之更似球莖狀的凸起小得多。
在一進一步修正中，熱礦石注入槍被提供一水冷法蘭92以阻止管狀罩(罩管)71b之過熱。該法蘭被夾在注入槍罩之水冷端法蘭和也可被水冷過之礦石注入系統的端部上之法蘭之間。
熱礦石注入槍的內部核心管在冷卻套管內被一系列隔圈保持著間隔分開關係，該等隔圈以如煤注入槍結構裏之相同方式從內部核心管(中央核心管)向外凸起。如同煤注入槍裏的，內部核心管和冷卻套管(水套管)之間的間隔為于冷卻套管前端處退出注入槍之淨氣流提供一環狀通道。
兩種注入槍的外部安裝裝置是相同的，以便於兩種注入槍可被插進一通用設計罩內。安裝套管的水冷阻止透過注入槍安裝裝置來自於容器的熱損失且也保護注入槍在安裝裝置處不過熱。
特別如第11圖所示，冷卻套管之外管42上的機加工浮凸物54阻止管狀部分(管狀安裝裝置)60之前端的缺失，使得安裝裝置之前端可在90位置處被焊接成管42的一平滑表面從而為該安裝裝置產生一固體連接。
第12圖揭示一修正固體注入槍。其外部管狀部分(環狀部分)60之前端裝配有一耐火性材料的覆蓋環狀盤101，以提供該前端在容器內產生爐渣之前啟動和注入槍替換期間不暴露於過高溫度下。管狀部分60在容器壁內延伸使得耐火性覆蓋環狀盤(耐火性盤)101和水冷卻板之內表面齊平，且其作為開口內穿過該板之一耐火塞子而使用。管狀部分(外部環狀部分)60之前端和水冷卻板之至少外表面處相齊平。
所揭示之注入槍可典型地在長度上大於5米且可具有包括延伸或噴嘴管34在內大於7米之總長度。冷卻套管32之外半徑可典型地為100到150mm級別而管狀部分(環狀部分)60之外直徑可為冷卻套管32的外直徑的至少1.5倍且典型地為450到550mm級別的。該等注入槍在管狀部分(環狀部分)60內為自支撐使得其等在所需方向上各自均被管狀安裝支架62之一內的各個管狀部分(環狀部分)60之安裝裝置所支撐。該等注入槍從容器殼體處向內延伸從殼體到爐膛中心之四分之一到四分之三半徑間的一水準距離。
11．．．冶金容器
12．．．基座
13．．．側壁
14．．．爐牆
15．．．上部筒狀部分
16．．．下部筒狀部分
16a．．．鋼筒狀殼體
16b．．．內部耐火襯
17．．．爐頂
18．．．出口
19．．．前爐
21．．．出渣口
22．．．熔融金屬層
23．．．熔融爐渣層
24．．．名義靜止表面
25．．．名義靜止表面
26．．．熱空氣注入槍
27．．．固體注入槍
27a．．．注入槍
27b．．．熱礦石注入槍
27．．．出口端
31．．．中央核心管
31b．．．厚壁離心鑄造管
32．．．環狀冷卻套管
33．．．低碳鋼管
34．．．噴嘴管
37．．．陶瓷內襯
38．．．連接器
41．．．長中空環狀結構
42．．．外管
43．．．內管
44．．．前端連接件
45．．．加長管狀結構
46．．．內部加長環狀水流通道
47．．．外部加長環狀水流通道
48．．．長碳鋼管
49．．．前端件
52．．．入水口
53．．．出水口
54．．．浮凸物
60．．．管狀部分
60A．．．外壁
60B．．．內壁
61．．．安裝結構
62．．．安裝支架
63．．．端法蘭
64．．．環狀結構
65．．．環狀安裝法蘭
66．．．夾緊螺栓
67．．．開口襯圈
68．．．入水口
69．．．出水口
70．．．環狀空間
71．．．管狀罩
71b．．．管狀罩
80．．．縱向隔板
81．．．軟性環狀連接結構
83．．．隔圈
84．．．環狀氣流通道
85．．．淨氣入口
86．．．球莖狀凸起
86b．．．凸起
90．．．水流通道
91．．．開口連接套管
92．．．水冷法蘭
101．．．覆蓋環狀盤
第1圖是依據本發明，貫穿結合著所構造的固體注入槍之一冶金容器的一垂直剖面圖；第2圖是貫穿把煤注入進該容器的該等固體注入槍之一者的一縱向剖面圖；第3圖貫穿第2圖所示注入槍的一後部之一剖面圖；第4圖是貫穿第2圖所示注入槍的一內部核心管裝配之局部的一縱向剖面圖；第5圖是貫穿把熱礦石材料注入進該容器的一注入槍之一縱向剖面圖；第6圖是貫穿第5圖所示注入槍的一後部之一剖面圖；第7圖是貫穿該注入槍一安裝套管元件的一縱向剖面圖；第8圖是該安裝套管元件的一後視圖；第9圖是第8圖中線9，9上的一剖面圖；第10圖為該安裝套管的一內壁之一展開圖，顯示該等壁間環狀空間之分隔法；第11圖是該注入槍之局部的一透視圖；以及第12圖揭示一修正固體注入槍。
11．．．冶金容器
12．．．基座
13．．．側壁
14．．．爐牆
15．．．上部筒狀部分
16．．．下部筒狀部分
17．．．爐頂
18．．．出口
19．．．前爐
21．．．出渣口
22．．．熔融金屬層
23．．．熔融爐渣層
24．．．名義靜止表面
25．．．名義靜止表面
26．．．熱空氣注入槍
27．．．固體注入槍
28．．．出口端

Claims (15)

  1. 一種延伸進入一容器的冶金注入槍，用於把固體顆粒材料注入該容器內所容納的一熔融材料處，其包含：一中央核心管，適於透過其傳輸該固體顆粒材料；一環狀冷卻套管，在其整個長度的一實體部分該環狀冷卻套管圍繞該中央核心管且被提供複數個內部水流通道以供冷卻水流通過其處，該環狀冷卻套管具有一外部表面；以及一外部環狀部分，其可成雙層壁，於該等雙層壁之間形成複數個內部水流通道以供其間之冷卻水流通過，該外部環狀部分係環繞該環狀冷卻套管佈置，使得該環狀冷卻套管之一實體部分自該外部環狀部分向前延伸，且其中前端及末端連接器自該環狀冷卻套管之該外部表面向外間隔該外部環狀部分以界定一環狀區域。
  2. 如申請專利範圍第1項之冶金注入槍，其中該外部環狀部分為圓筒狀。
  3. 如申請專利範圍第2項之冶金注入槍，其中圓筒狀之該外部環狀部分具有至少1.5倍的該冷卻套管外直徑之一外直徑。
  4. 如申請專利範圍第3項之冶金注入槍，其中圓筒狀之該外部環狀部分之該外直徑大約是該冷卻套管之該外直徑的2倍。
  5. 如申請專利範圍第1項之冶金注入槍，其中該外部環狀部分的該等雙層壁之間的一環狀空間可被隔開以形成 該等複數個水流通道。
  6. 如申請專利範圍第5項之冶金注入槍，其中該外部環狀部分的該等雙層壁之間的該空間被縱向延伸隔板所隔開，從而把該空間劃分成縱向延伸、沿圓周間隔的互連複數個水流通道，以供水流順序通過該等通道。
  7. 如申請專利範圍第1項之冶金注入槍，其中在該外部環狀部分及該環狀冷卻套管間之該環狀區域係一空腔。
  8. 如申請專利範圍第1項之冶金注入槍，其中該外部環狀部分具有一前端，其具有一相對於該注入槍之一中心縱軸被傾斜至一銳角處之前面。
  9. 如申請專利範圍第8項之冶金注入槍，其中該環狀部分之該前端係被耐火性材料所覆蓋。
  10. 如申請專利範圍第9項之冶金注入槍，其中該耐火性材料係在一預先形成的環狀盤裏被裝配到該環狀部分之該前端處。
  11. 如申請專利範圍第1項之冶金注入槍，其被加長成形且在該外部環狀部分內可自支撐，因此藉由將該外部環狀部分在一需要方向上安裝進一固定支撐裏，該注入槍可在該需要方向上被支撐。
  12. 如申請專利範圍第1至11項中之任一項之冶金注入槍，其中該注入槍在長度上大於5米。
  13. 如申請專利範圍第1至11項中之任一項之冶金注入槍，其中該冷卻套管之外半徑係在100到150mm之範圍內。
  14. 如申請專利範圍第1項之冶金注入槍，其中該外部環狀 部分具有一形成該前端連接器之前端。
  15. 如申請專利範圍第1項之冶金注入槍，其中該環狀冷卻套管具有一形成該末端連接器之一環狀法蘭。
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