专利名称：冶金枪及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种冶金枪以及包括该冶金枪在内的冶金装置。根据本发明的冶金枪特别适用于将氧气或者其他气体从上部导入到熔融金属池中。
在这些例子中冶金枪一般只是能够将氧气传送到容量为300吨或更多一些的炼钢容器中。这种容器有时被称作“转炉”。最初，冶金枪被放置于金属面以上2到4米的地方，氧气以相对较低的速度从冶金枪内吹出垂直下降到熔融金属，以便在熔体表面产生泡沫熔渣。生成的熔渣起到了从熔融金属中去除磷的重要作用。然后，冶金枪下降到距离金属面1米以内，并且氧气以高速喷出，这样导致氧气更多的渗透到熔融金属中。
冶金枪被设计用于高强氧化和充满颗粒的环境中，为满足这些要求，一般枪头用铜制成，具有一个以上的氧气出孔并用水冷却。通常枪头具有3或4个出气孔，或者更多，以用来将氧气喷入到熔融金属。氧气一般以高达15巴的压力供应到冶金枪，如果每一个出气孔都被制成一个文氏管，则可以获得高于2马赫的超音速喷出速度。
即使是用水来冷却冶金枪，它们依然工作寿命较短，一般持续到约350到450炉次。
在冶金枪中氧气需要高速喷出，以便获得理想的氧气渗透到熔融金属池中的效果。当氧气以超音速离开冶金枪时会产生一种吸力，它将周围空气抽入到氧气喷射器中，故而喷射器在喷射时速率也会损失。因此氧气以明显低于离开冶金枪的速率进入到熔融金属中去。并且，氮杂质会进入到熔融金属对钢的质量造成有害影响。
欧洲专利EP-A-1041341中通过使用仅有一个火焰护罩的多个超音速氧气喷射器的方式来解决氧气速率损失的问题。护罩减少了氧气进入熔融金属前在氧气喷射器处的发散，因此抑制了喷射器工作时氧气从冶金枪到熔融金属表面的速率损失。最终的氧气喷射器不会明显的分散，有时被描述为“粘在一起的”。
然而这样的安排也有许多缺点。首先，需要给冶金枪提供燃料以用来形成火焰护罩。由于冶金枪可能需要安装在象前面所述的地面高度30米上，许多工程困难增加了。第二，冶金枪头部需要提供一个附加的燃料通道和用来支持燃料燃烧的氧化剂(一般是氧气)。这增加了复杂性因此增加了头部的成本。第三，为大量的氧气喷射器提供一个普通的护罩，会导致不完善的覆盖以及不完全的获得良好结合性的方式。在其他使用至少一个氧气或其他气体喷射器的金属冶炼过程中也会产生类似的问题。
另一些文献披露了对从冶金枪中喷出的中心喷射气体进行防护或覆盖，但使用的是与周围温度一样的保护气体流。例如，英国专利GB-A-1446612披露了在每一个氧气出口使用环形插入物的冶金枪。氧气流被插入物分作中部的气流和外部的环形气流。这样安排的结果使得环形气流通过径向向外的速率部件从冶金枪中流出。对冶金枪的修改目的是限制飞溅对容易更换的环形插入件的损坏。英国专利GB-A-1227876涉及一个在气体出口通道装配有声音共鸣器的冶金枪。美国专利US-A-4730784涉及一个可以形成冶金枪一部分的气体喷嘴。设计喷嘴以致独立地依靠气体流速能够改变它的马赫数。为了此目的，喷嘴装配有可调的喷口。在一个实施例中，没有可移动的部位并且喷口的有效尺寸根据所采用的次音速气体环的主气体喷射而不同。在这个实施例中，主喷射气体从拉瓦尔喷嘴喷出。欧洲专利EP-A-0214902是关于一个复杂的冶金枪的，它采用了与普通腔室相连接的分离排出通道。然而，这些通道没有按照空间安排，以至于气体从一个通道流出遮蔽了气体从另一个通道流出。在另一方面，专利WO-A-00/28097涉及一种喷枪，它采用保护气体来减少中部超音速喷射气体的速率衰减。
因此，在这些文献中只有WO-A-00/28097是涉及一种使用保护气体来减少中部超音速喷射气体速率衰减的冶金枪。然而专利WO-A-00/28097没有写明怎样以可控方式给中部喷射气体提供气体和保护气体流。
发明内容
本发明提供了一种冶金枪，用于将气体上方导入容器中的大量熔融金属中，冶金枪包括至少有一个气体喷射器的头部，在这里喷射器或者至少其中一个喷射器包含一个被保护气体通道围绕的拉瓦尔喷嘴，拉瓦尔喷嘴和保护气体通道均在其近端与普通气体供应室相连通，在此处保护气体通道通过一第一环形出口元件与气体室相连通。
本发明也提供了包括本发明冶金枪的冶金装置。
本发明中的冶金枪不需要分别供应保护气体，因此避开了与供应相联系的工程问题。每一个喷嘴装配有单独的护罩，并且，本发明中的冶金枪不会产生任何不适度的制造问题。出口元件能够将进入的气体按照预定的比例转移到保护气体通道中去。可以选择出口的尺寸形状和数量，以来确定从气体供应室到保护气体通道的供应气体比例。根据其尺寸，一般供应到拉瓦尔喷嘴的气体比例从5％到20％。对于小的喷嘴，比例可以更高，达到50％。
保护气体通道可以通过一第一环形出口盘与气体室相连通。
保护气体通道可以用一个和拉瓦尔喷嘴共轴的套筒限定。本发明中这样的布置便于冶金枪的制造更加便利。
出口盘最好可拆卸的连接到套筒上。这样布置的一个好处就是如果想改变从拉瓦尔喷嘴和保护气体通道通过的气体流的相对比例时，可以通过替换具有不同环形开口区域比例的出口盘来实现。开口区域越大，从气体供应室到保护气体通道的气体比例越大。或者，本发明中的冶金枪可以包括改变向普通气体供应室开通的出口盘的环形区域比例的装置。例如，冶金枪可以包括一个第二出口盘，它的位置相对于第一出口盘是可以调节的，以致移动第二盘的出口进入和退出第一盘的出口，并与第一盘的出口对齐和不对齐。
做为另一选择，出口元件和拉瓦尔喷嘴整合在一起。在这种布置中出口元件的出口最好与一个实心环形盘交叠，这个实心环形盘可拆卸安装于拉瓦尔喷嘴的近端。交叠的程度决定了出口元件向普通气体供应室打开的有效区域，因此决定了气体在拉瓦尔喷嘴和保护气体通道之间的分割。因此这种分割可以通过选择适当尺寸的实心环形盘来决定，并且可以通过替换实心环形盘来改变，这些实心环形盘是有不同尺寸的。
做为另一选择，拉瓦尔喷嘴最好至少有两个挂耳，用来和限定拉瓦尔喷嘴保护气体通道的围墙结合。
拉瓦尔喷嘴的远端最好相对放于喷射器远端后面。这种安置有助于减少由于熔融金属的飞溅对拉瓦尔喷嘴的伤害。
冶金枪最好有多个气体喷射器虽然使用只有一个气体喷射器的冶金枪也是可以的。
本发明的具体实施方式
中冶金枪有多个气体喷射器，所有气体喷射器每一个最好都是相同的。冶金枪有一个和头部共轴的杆部。最好仅有一个通过体部的气体通道和普通气体供应室相连通。然而在同一个冶金枪中可以使用不同种类的喷射器。因此除了一个或多个均有单独的保护气体通道的拉瓦尔喷嘴的布置外，还会有一个或者多个传统的喷射器。
本发明的冶金枪头部一般会有冷却剂例如水的内部通道。
图2是
图1所示的冶金枪头部的侧面剖视图。
图3是另一种可选方式的头部的侧面剖视图。
图4是图2和3中使用不同形式喷射器的一种可选方式冶金枪的头部的部分侧面剖视图。
图5是从近端看图4中喷射器的视图。
这些图没有按照比例绘制。
冶金枪4有一个细长的杆部8，在杆部8上有一个偏右的圆柱形通道10。通道10在冶金枪4的头部12处结束。冶金枪4也可以有供应冷却水的通道14。通道14也在冶金枪4的头部12处结束。
冶金枪4头部12详细地在图2中示出。头部12仅有一个轴向的气体喷射器20。喷射器20在其近端与位于头部12的气体供应室22相连通。气体供应室22可以仅仅是冶金枪2的杆部8上氧气通道10的延伸。
气体喷射器20包括一个与冶金枪长轴同轴的拉瓦尔喷嘴24和包围了拉瓦尔喷嘴24的套筒26，它们限定了一个保护气体通道30。套筒26也和拉瓦尔喷嘴同轴，同时和头部12的顶端32上相对应的钻孔气密结合。
拉瓦尔喷嘴24在其近端和凸缘34结合，凸缘34是不平的但它在近端与套筒26的内表面气密结合。凸缘34内部有与保护气体通道28相连通的出口36。环形出口盘38可拆卸安装于套筒28的近端。通过环形出口盘38有大量的出口40。出口40的数量，形状和尺寸决定了使用时从气体室22流出到保护气体通道30的气体比例相对于从拉瓦尔喷嘴24流过的气体比例。
拉瓦尔喷嘴24的远端相对位于套筒30远端的后面。后者从头部12的顶端32略微突出。
在操作过程中冶金枪4提供氧气给熔融金属池，提供的氧气压力可以在10到15巴范围内选择以用来使得从拉瓦尔喷嘴24中氧气喷出速率大于2马赫。通过保护气体通道30的氧气速率不会超过声速而且通常更少。一般，通过保护气体通道30的氧气流速为通过拉瓦尔喷嘴24的氧气流速的5％～20％。从保护气体通道30流出的氧气形成了从拉瓦尔喷嘴24流出的氧气的遮蔽保护。与省略氧气保护气体流时氧气气流周围被空气包围的情况相比，这种保护限制了离开拉瓦尔喷嘴氧气气流周围的气体混合量。可以发现当保护气体流在达到最大值之前，来自于超音速氧气流的保护气体流增加5％，受到保护的气流和周围气体的混合量就会下降。然而进一步地增加保护气体比例却会得到相反的效果。最佳的保护气体比例可以依靠经验容易得到。
虽然在图2中没有显示，头部12最好设置有用于液体冷却剂例如水流动的冷却通道(未示出)。这些通道的提供在氧气冶金枪中是传统常见的，因此在这里没有详细描述。为了帮助冷却头部，最好头部用高导热率的金属例如铜制成。
本发明中的冶金枪一个特别好处就是它可以将一个实际的传统冶金枪经过简单改装而成。一般，将头部从传统冶金枪去掉，再将本发明中所述的头部相应放置于原位置。头部可以是定尺寸的以使得中部氧气喷射器的流动速度是固定的。因此，考虑到保护气体流，通过冶金枪的总氧气流是增加的。因此需要增加氧气供应压力以使得可以提供额外的氧气流。作为另一选择，总的氧气流可以保持不变，但是由于一些氧气会被分配形成保护气体，这样会减少中部氧气流。
对图2中的头部12的修改显示在图3中。图3中的头部设有出口52的第二环形出口盘50。盘50可以旋转，比方说顺时针方向，以用来移动出口52保持与盘38上的出口40对齐或者不对齐。这样的布置方便了流过拉瓦尔喷嘴24的主喷射器的氧气和流过通道30的保护气体之间的分割，使得冶金枪获得最佳性能。
一种可选方式的冶金枪在图4和5中示出。
参照图4和5，冶金枪104具有一个头部112。头部104具有多个的喷射器120，在图4中只显示了它们当中的一个。冶金枪104和头部112形成了用于冷却水流动的通道105。最好头部用高导热率的金属例如铜制成。
喷射器120在其近端与冶金枪104的气体供应室122相连通。气室122可以仅仅是一个普通的在冶金枪104上的氧气通道。
气体喷射器120包括一个和头部钻孔125同轴的拉瓦尔喷嘴124。拉瓦尔喷嘴124和钻孔125限定了一个保护气体通道130。拉瓦尔喷嘴的近端有一个整合一体的环形出口元件134。在图5中更好的显示出了出口元件134具有四个圆周安置的弓形槽136。环形出口元件134和钻孔125的口部密封结合使得所有流进保护气体通道130的气体通过槽136。
拉瓦尔喷嘴124具有一个焊在或者其他方式连接于出口元件134上的臂部138。臂部138通过螺栓紧固连接在头部112的近端。拉瓦尔喷嘴124具有一对耳部142，它可以确保当装配喷射器120时，拉瓦尔喷嘴124位于钻孔125的中部。实心环形盘140和环形出口元件134具有相同的外部直径，并且紧贴着栓接或以其他方式紧固在一起。盘140的环面与槽136部分重叠。重叠的程度决定了为流入保护气体通道130的气体流所打开部分的尺寸，因此决定了经过拉瓦尔喷嘴124和保护气体通道130的气体流的比率。如果需要，实心环形盘140可以从拉瓦尔喷嘴124拆卸下来，取而代之的是以一个不同的尺寸固定在拉瓦尔喷嘴124上以用来改变比率。在一个典型的例子中，可以制造一套盘140，在使用时第一种尺寸可以使得气体总量的10％通过保护气体通道，第二种尺寸上使得气体总量的20％通过保护气体通道，在第三种尺寸上气体总量的30％通过保护气体通道。
拉瓦尔喷嘴124在钻孔125处内终止，因而在使用时保护了冶金枪104免受金属飞溅的伤害。
在使用冶金枪104为熔融金属池提供氧气时，氧气的供应压力可以在10到15巴范围内选择，以使得从拉瓦尔喷嘴124出来的氧气速率大于2马赫。通过保护气体通道130的氧气速率不会超过音速并且通常会更低。通过保护气体通道130的氧气流速一般设置为通过拉瓦尔喷嘴124的5％～30％。从保护气体通道130出来的氧气流形成了对从拉瓦尔喷嘴124出来的氧气流的遮蔽保护。与省略氧气保护气体流时氧气气流周围被空气包围的情况相比，这种保护限制了离开拉瓦尔喷嘴氧气气流周围的气体混合量。因此与没有保护气流的情况相比，通过从冶金枪104顶端的较长距离输送后，可以保持一种相对比较窄的氧气气流。因此就可以获得较高的进入熔池或其他熔融金属容器的氧气速率，或者将冶金枪安置于距离熔融金属表面更远的位置时，不会造成明显的气流渗透能量的损失。可以发现当保护气体流速度从5％增加直至达到其最大值之前，受到保护的气流和周围气体的混合量就会下降。然而进一步地增加保护气体比例却会得到相反的效果。最佳的保护气体比例可以依靠经验容易得到。
与图2和3中所示的冶金枪相类似，在图4和5所示的冶金枪也可以通过对一个实际的传统冶金枪简单改装而成。传统冶金枪的每一个喷射器的钻孔重新改变形状，将它在大部分长度上加宽，但是一般留下远端不改变。可以使用简单的钻孔工具。加工的钻孔可以插入合适尺寸的拉瓦尔喷嘴124。钻孔125形成有一个肩部144。肩部144有一个轻微的弧度。因此，在应用中，保护气体会由于柯恩达效应沿着肩部144的表面流动。因此，在应用中，拉瓦尔喷嘴124远端下流的保护气体不会朝拉瓦尔喷嘴124喷出的气流偏转，而是一般平行于喷出气流流动。在远端拉瓦尔喷嘴124的口部比在头部112远端的钻孔125的口部内直径稍小。
如果图4和5所示的冶金枪通过改装传统的冶金枪制得，可以这样操作制成每一个喷射器具有一个固定的主氧气流流动速率。因此，考虑到保护气体流，通过冶金枪的总氧气流增加了。因此有必要增加氧气的供应压力以用来提供额外的氧气流。作为另一选择，总的氧气流可以保持不变，但是由于一些氧气会被分配形成保护气体，这样会产生中部氧气流减少的结果。
尽管图中所示的冶金枪在这里被描述为输送氧气到熔融金属中，当然也可以选择使用别的不同气体。
权利要求
1.一种将气体从上方输送到容器中大量熔融金属中去的冶金枪，它包括一个其中形成有至少一个气体喷射器的头部，其中喷射器或者至少一个喷射器包括一个被保护气体通道包围的拉瓦尔喷嘴，拉瓦尔喷嘴和保护气体通道均在其近端与公共气体供应室相连通，其中保护气体通道通过第一环形出口元件与气体室相连通。
2.如权利要求1所述的冶金枪，其特征在于它的出口元件是一个出口盘。
3.如权利要求1所述的冶金枪，其特征在于出口元件和拉瓦尔喷嘴整合在一起。
4.如权利要求3所述的冶金枪，其特征在于出口元件的出口与一个可拆卸连接到拉瓦尔喷嘴近端的实心环形盘重叠。
5.如权利要求4所述的冶金枪，其特征在于出口是多个弧形槽的形式。
6.如权利要求2所述的冶金枪，其特征在于保护气体通道由一个与拉瓦尔喷嘴同轴的套筒限定。
7.如权利要求6所述的冶金枪，其特征在于出口盘可拆卸地连接到套筒上。
8.如权利要求6或7所述的冶金枪，其特征在于还包括用于改变开向普通气体室的出口盘环形区域比例的部件。
9.如权利要求8所述的冶金枪，其特征在于所述的改变部件是一第二环形出口盘，其位置可相对于第一环形出口盘调整，以使移动第二盘的出口与第一出口盘对齐或不对齐。
10.将气体从顶部输送到熔融金属池中去的装置，其特征在于它包括前述任一项权利要求所述的冶金枪。
全文摘要
一种将气体从上部输送到容器中大量熔融金属中去的冶金枪，具有一个头部12。头部12至少具有一个喷射器20。喷射器20包括一个被保护气体通道30包围的拉瓦尔喷嘴24。拉瓦尔喷嘴24和保护气体通道30均在其近端通过一个第一环形出口元件38与气体室22相连通，第一环形出口元件38决定了通过气体室后在拉瓦尔喷嘴24和保护气体通道30之间的气体流分割的比例。
文档编号C21C5/46GK1430036SQ0212817
公开日2003年7月16日 申请日期2002年12月3日 优先权日2001年12月3日
发明者A·M·卡梅伦, C·J·费尔德曼 申请人:英国氧气集团有限公司