向容器内注入气体的装置的制作方法

专利名称：向容器内注入气体的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将气体注入到容器中的装置。本发明尤其应用于 (但不限于)用于在高温条件下将气流注入到冶金容器内的装置。这种 冶金容器可以例如是一种熔炼容器，在该熔炼容器中通过直接熔炼工 艺生产熔融金属。
背景技术：
美国专利6083296中描述了一种公知的直接熔炼工艺，该直接熔 炼工艺依靠熔融金属层作为反应介质，并通常称作HIsmelt工艺。该专 利中描述的HIsmelt工艺包括(a) 在容器中形成熔融铁和熔渣的熔池；(b) 向该熔池中注入(i) 含金属的供料， 一般为金属氧化物；和(ii) 固体含碳材料， 一般为煤，该固体含碳材料用作金属氧化物的 还原剂，并用作能量源；以及(c) 在金属层中将含金属的供料熔炼成金属。术语"熔炼"在此应理解为表示其中发生还原金属氧化物的化学 反应以产生液态金属的热处理。HIsmelt工艺还包括在熔池上方的空间中用含氧气体后燃烧反应气 体(诸如从熔池中释放的CO和H2)，并且将后燃烧所产生的热传递到 熔池，以提供熔炼含金属的供料所需的热能。HIsmelt工艺还包括在熔池的名义静止表面上方形成过渡区，在该 过渡区中存在大量的先上升后下降的熔融金属和/或熔渣的液滴、飞溅物或液流，它们成为将在熔池上方后燃烧反应气体所产生的热能传递 到熔池的有效介质。在HIsmelt工艺中，通过多个喷枪/风口将含金属的供料和固体含 碳材料注入到金属层中，所述喷枪/风口与垂直方向倾斜成向下并向内 延伸穿过熔炼容器的侧壁并进入容器的下部区域内，从而将所述固体 材料送入容器底部中的金属层中。为了促进容器上部中反应气体的后 燃烧，通过向下延伸的热空气注入喷枪将可能富氧的热空气流注入到 容器的上部区域内。为了促进容器上部中气体的有效后燃烧，期望引 入的热空气流以涡旋运动离开喷枪。为此，喷枪的出口端可以配有内 部流动引导件，以产生适当的涡旋运动。容器的上部区域可达到大约 200(TC的温度，并且热空气可以约1100'C-1400'C的温度送入喷枪中。 因此，该喷枪必须能够在内部和外壁上经受极高的温度，尤其是在其 伸入到容器的燃烧区域中的喷枪输送端处。美国专利6440356公开了一种气体注入喷枪构造，该构造设计成 满足在HIsmdt工艺中遇到的极端条件。在该构造中，流动引导件是安 装在气流导管的前端处的中心体上的螺旋叶片的形式。这些叶片连接 到气流导管壁并且在内部通过流经导管壁内的供给和回流通道的冷却 水进行水冷。美国专利6673305公开了一种替选的喷枪构造，在该构 造中，螺旋流动引导叶片安装在延伸气流导管的长度的中心管状结构 上。该中心结构设有水流通道，这些水流通道被设置用于冷却水到中 心结构的基本位于气流导管顶部内的前部的流动。在该构造中，流动 引导叶片不被冷却，并且从导管的具有耐熔衬里的壁部内的导管顶部 折回(set back)。在美国专利6673305公开的构造中，携有涡旋叶片的中心结构的 前端被向前供应通过中心水流通道到达该中心结构的圆顶鼻端的冷却 水在内部水冷。所述鼻端在内部设有单螺旋冷却水流通道，以接收来 自中心结构中的中心水流通道的水，并引导该水流绕鼻端一周并沿着水的单次连贯流动来冷却鼻端。所述冷却 水经由环形水返回通道穿过中心结构返回。发明内容本发明提供了一种能够更有效地对中心结构的前端进行冷却的改 进的构造。根据本发明，提供了一种将气体注入到用于冶金处理的冶金容器 中的装置，所述装置包括-从后端延伸到前端的气流导管，气体从所述前端排出所述导管；细长中心管状结构，其在气流导管内从其后端廷伸到其前端，并且该细长中心管状结构的前端与气流导管的前端相邻地设置；多个流动引导叶片，这些叶片邻近导管的前端围绕中心管状结构设置，以使穿过导管前端的气流产生涡旋，中心结构的前端与导管的前端一起作用形成了环形喷嘴，该环形喷嘴用于来自导管的在所述叶片作用下产生了涡旋的气流；以及中心管状结构内的冷却水通道，该冷却水用于冷却水向前穿过该中心结构从其后端到其前端的流动，从而对该前端进行内部冷却，然后穿过中心管状结构返回到其后端，所述冷却水管道包括用于水到中 心结构前端的流动的第一水流通道，以及与第一水流通道相邻地设置 的第二水流通道，该第二水流通道用于水从中心结构的前端朝中心结构的后端的回流；并且其中所述中心结构的前端具有鼻部，该鼻部由圆顶外壳和内部部 件组成，该内部部件设置在外壳内并形成有内部喷嘴，所述内部喷嘴 从第一水流通道接收水，并以中心对着外壳61的内表面的射流(jet) 引导该冷却水，以产生围绕外壳的内表面的向外并向后扩散(fanning) 的水流。第一水流通道可以是细长管状结构的中心通道，并且喷嘴引导中 心对着外壳的内表面的射流，第二水流通道可以是围绕中心通道设置的环形通道。圆顶形外壳的中心部分可以形成有与喷嘴对齐的指向内的突起， 以促进向外和向后的扇形水流。更具体地，圆顶外壳的中心部分可设 有向内突出的基本圆锥形的突起，该突起与喷嘴对齐，使得从喷嘴射 出的水以锐角冲击突起的锥形侧壁，从而沿着倾斜表面流到外壳的圆 顶内表面上。圆顶外壳与内部部件之间的空间可以被沿着鼻部向外并向后延伸 的肋细分，以形成一系列不连续的水流通道，用于冷却水围绕圆顶外 壳的内表面向外并向后扩散开。所述肋可以形成在圆顶外壳的内表面上。所述肋可包括从形成在外壳的中心部分中的突起向外并向后发散 的第一系列的肋，以及从外壳的中部向后间隔开并间隔在第一系列的 肋之间的第二系列的肋，以便将水流通道细分成数目更多的通道，这些通道沿着内壳向外并向后分岔(diverge)。内部部件的后部可设有沿圆周间隔开的纵向肋，用以将内部部件 的后部与外壳后部之间的空间细分成不连续的水流通道，这些水流通 道用于水回流到中心结构的外部环形通道中。这种肋的数目可以比外 壳内表面上的肋的数目多，从而进一步细分冷却水到环形通道的回流。本发明还涉及一种直接熔炼容器，其配合有上述用于将气体注入 到该容器中的装置。本发明还提供一种用于对喷枪中的预热气体流提供漩涡的装置， 以便对所述容器供应该气体，所述装置包括 细长的管状结构；多个流体引导叶片，这些叶片邻近中心管状结构的前端设置在中 心管状结构周围，；以及管状结构内的冷却水管道，该冷却水通道用于冷却水穿过管状结 构从后端到其前端的流动，以在内部冷却前端，冷却水然后穿过管状 结构回流入其后端，所述冷却水管道包括中心水流通道和环形水流通 道，该中心水流通道用于水到所述管状结构的前端内的流动，该环形 水流通道设置在所述中心通道的周围，用于水从所述管状结构的前端朝该结构的后端的回流；其中管状结构的前端具有包括圆顶外壳和内部部件的鼻部，该内 部部件设置在外壳内并形成有内部喷嘴，以接受来自中心水流通道52 的前部的水，并以中心对着外壳的内表面的射流引导该冷却水，以产 生围绕外壳的内表面的向外并向后扩散的水流。本发明还提供一种直接熔炼容器，该直接熔炼容器配有将气体注 入到容器中的喷枪以及上述用于对气流提供涡旋的装置。


为了更加全面地解释本发明，下面将参考以下附图详细描述一个特定的实施例，在附图中图1是直接熔炼容器的垂直剖视图，所述容器配有一对固体注入喷枪和根据本发明而构造的热空气流注入喷枪； 图2是所述热空气注入喷枪的纵向剖视图 图3是喷枪的中心结构的前部的放大纵向剖视图； 图4显示了中心结构的鼻部的圆顶外壳； 图5是沿图4的5-5线的剖视图； 图6是沿图4的6-6线的剖视图；图7是设置在中心结构的前端处的圆顶外壳内的内部部件的侧视图；图8是图7中所示的部件的端视图； 图9是沿图8的9-9线的剖视图。
具体实施方式
图1图示了适合于在美国专利6083296中描述的HIsmelt工艺下的 操作的直接熔炼容器。所述冶金容器大体上用ll来表示，并具有炉 床，该炉床包括由耐熔砖形成的基部12和侧部13;侧壁14，其形成 从炉床的侧部13向上延伸的大致为圆柱形的圆筒，且包括上圆筒部15和下圆筒部16;顶部17;用于废气的出口 18;用于连续地排出熔融金 属的前部炉床19;以及用于排出熔渣的出渣口 21。在使用中，所述容器包含铁和熔渣的熔池，所述熔池包括熔融金属层22和在熔融金属层22上的熔渣层23。由数字24标出的箭头表示 金属层22的名义静止表面的位置，由数字25标出的箭头表示熔渣层 23的名义静止表面的位置。术语"静止表面"应该理解为没有气体和 固体注入到容器内时的表面。所述容器配有热空气注入喷枪26和两个固体注入喷枪27，热空 气注入喷枪26向下延伸，用于将在大约120(TC温度下被加热的空气流， 即所谓的"热空气流"(或HAB)输送到容器的上部区域中，而固体注 入喷枪27向下并向内延伸穿过侧壁14并进入熔渣层23，用于将铁矿 石、固体含碳材料和夹带在贫氧载气中的助熔剂注入到金属层22中。 喷枪27的位置选择成使得在所述工艺操作过程中，它们的出口端28 位于金属层22的表面上方。喷枪的该位置降低了通过与熔融金属接触 而损坏的风险，并且能够通过强制内部水冷来冷却喷枪，而不存在水 与容器中的熔融金属发生接触的重大风险。图2-图9中描述了热空气注入喷枪26的构造。如这些图所示，喷 枪26包括细长导管31，该细长导管31通过气体入口结构32接受热空 气，并将其注入到容器的上部区域中。喷枪包括细长的中心管状结构 33，中心管状结构33在气流导管31内从其后端延伸至其前端。在导 管的前端附近，中心结构33携有一系列的四个涡旋产生叶片34，所述叶片用于在离开导管的气流中产生涡旋。中心结构33的前端具有圆顶 鼻部35,圆顶鼻部35向前突出越过导管31的顶部36，使得中心本体 的前端与导管的顶部联合作用以形成环形喷嘴，用于来自导管的、具 有叶片34所产生的涡旋的扩散气流。叶片34以四头螺旋构造设置并 滑动配合在导管的前端内。从气体入口 32向下游延伸的导管31的主要部分的壁在内部由水 进行冷却。导管的这个部分包括一系列的三个同心钢管37、 38、 39， 这三个同心钢管延伸至导管的前端部分，并在这里连接到导管顶部36。 导管顶部36是中空的环形构造，并由通过导管31的壁中的通道供给 和回流的冷却水在内部进行水冷。具体地，冷却水通过入口41和环形 入口集管42供给到限定在导管的管37、 38之间的内部环形水流通道 43中，并通过顶部中周向间隔开的幵口供给到导管顶部36的中空内部。 水从顶部通过周向间隔开的开口供给到限定在管38、 39之间的外部环 形水回流通道44中，并向后回流至位于导管31的水冷部分的后端处 的水出口 45。导管31的水冷部分在内部衬有内部耐熔衬里46，耐熔衬里46配 合在导管的最里面的金属管37内。导管顶部36的内周边与耐熔衬里 的限定用于气体通过导管的有效流动通道的内表面基本齐平。耐熔衬 里的前端具有直径稍微减小的部分47，该直径减小部分47以合适的滑 动配合容纳涡旋叶片34。从所述部分47往后，耐熔衬里的直径稍微变 大，使得在组装喷枪时，中心结构33能够向下插入穿过导管，直到涡 旋叶片34到达导管的前端，在该前端处，涡旋叶片34与耐熔部分47 通过锥形耐熔卡盘(land) 48形成滑动接合，所述锥形耐熔卡盘48将 叶片定位并引导到耐熔部分47中。携有涡旋叶片34的中心结构33的前端由从喷枪的后端向前经过 中心结构供应到前端的冷却水在内部进行水冷，然后沿着中心结构返 回到喷枪的后端。这能够实现直达中心结构的前端、尤其是直达圆顶鼻端35的非常强的冷却水流，在喷枪操作过程中，该鼻端受到非常高 的热通量。中心结构33包括内部和外部同心钢管50、 51，钢管50、 51由端 对端设置并焊接在一起的管段形成。内管50限定中心水流通道，水从 位于喷枪的后端处的水入口 53通过该中心水流通道向前流经中心结构 到达中心结构前鼻端35，并且环形水回流通道54被限定在两根钢管 50和51之间，冷却水通过该环形水回流通道流经中心结构回到位于喷 枪后端处的水出口 55。中心结构33的鼻端35包括圆顶外壳61和内部部件63，圆顶外 壳由在62处焊接在一起的两个铜片61A和61B形成，内部部件63也 由铜形成，并在64处用螺钉配合在中心结构33的内管间隔(blank) 的前端内。内部部件63形成有内部汇聚喷嘴65，以接受来自中心水流 通道间隔的水，并以中心对着外壳61的内表面的射流引导该冷却水， 以产生围绕外壳的内表面的向外并向后扩散的水流。圆顶外壳61的中心部分形成有与喷嘴65对准、指向内的锥形突 起66，以使来自喷嘴的水以锐角冲击该突起的逐渐变细的侧壁67，从 而沿着斜表面67向外流到外壳的圆顶内表面68上。圆顶外壳61与内部部件63之间的空间71被形成在圆顶外壳的内 表面上的肋72细分。肋72包括第一系列的肋72A和第二系列的肋72B， 第一系列的肋72A从形成在外壳的中间部分中的所述突起向外并向后 发散，第二系列的肋72B从外壳的中心部分向后间隔开并在第一系列 的肋72A之间间隔开，以将水流通道70细分成更多数目的不连续通道， 同时这些通道沿着内壳向外并向后分岔。内部部件63的后端部分63A设有周向间隔开的纵向肋73，以将 内部部件的后端部分与外壳的后部61B之间的空间74细分成用于水到中心结构33的外部环形通道54中的回流的不连续水流通道75。内部 部件的后端上的肋73的数目超过外壳的内表面上的肋72的数目，以 便当冷却水回流至环形通道54时进一步细分冷却水流。例如可以存在 54个肋72 (27个短，27个长)和72个肋73。外壳内表面周围的向外扩散的冷却水流以及该水流在鼻端周围紧 密间隔开的大量不连续水流通道内的细分，确保了有效的除热并避免 鼻端上产生"热点"。所示构造允许形成大量紧密间隔开的相同的水流通道，以确保在 中心结构的鼻端的整个周边周围水流量相等，而不会形成可能导致"热 点"的优先水流(preferential water flow)。内部结构33设有外部隔热罩79，以防止热量从导管31中进入的 热空气流传递到在中心结构33内流动的冷却水。如果经受大型熔炼设 备中所需的非常高的温度和高气流，则实心隔热罩仅可提供短期的维 护。在图示构造中，隔热罩79由UMCO牌陶瓷材料管状套筒形成。 这些套筒端对端地布置，以形成围绕隔热罩和中心结构的最外管51之 间的空气间隙80的连续的陶瓷隔罩。特别地，所述隔热罩可以由 UMCO50的管状分段制成，UMCO包括(wt%) : 0.05到0.12%的碳， 0.5歪ij 1%的硅，最高0.5%至1%的锰，0.02%的磷，0.02%的硫，27% 到29%的铬，48%到52%的钴，剩下的基本为铁。该材料提供优越的 隔热性能，但是在高温下热膨胀明显。为解决该问题，隔热罩的单独 管段可以如美国专利6673305所公开的那样形成和安装。
权利要求
1.一种用于将气体注入到用于冶金工艺的冶金容器中的装置，该装置包括气流导管，该气流导管从后端延伸到前端，从该前端将气体排出导管；细长中心管状结构，该细长中心管状结构在气流导管内从其后端延伸到其前端，该细长中心管状结构的前端与气流导管的前端相邻地设置；多个流动引导叶片，所述多个流动引导叶片与导管的前端相邻地设置在中心管状结构的周围，以在穿过导管前端的气流中产生涡旋，中心结构的前端和导管的前端联合作用，以形成用于来自导管的具有由所述叶片产生的涡旋的气流的环形喷嘴；以及中心管状结构内的冷却水通道，所述冷却水通道用于冷却水向前穿过该管状结构从后端到其前端的流动，以在内部冷却所述前端，然后经过中心结构回流到其后端，所述冷却水通道包括第一水流通道，用于水到所述中心结构的前端的流动；和第二水流通道，该第二水流通道设置在第一水流通道的周围，用于水从所述中心结构的前端朝该结构的后端的回流；并且其中所述中心结构的前端具有鼻部，该鼻部由圆顶外壳和内部部件组成，该内部部件设置在该外壳内并形成有内部喷嘴，所述内部喷嘴从第一水流通道接收水，并相对于外壳的内表面以射流引导该冷却水，以产生围绕外壳的内表面的向外并向后扩散的水流。
2. 根据权利要求l所述的装置，其中所述第一水流通道是所述细 长管状结构的中心通道，并且所述喷嘴引导中心对着所述外壳的内表 面的所述射流，并且所述第二水流通道是围绕所述中心通道设置的环 形通道。
3. 根据权利要求1或2所述的装置，其中所述圆顶外壳的中心部分形成有与所述喷嘴对准的指向内的突起，以促进向外并向后的扩散 流。
4. 根据权利要求1或2所述的装置，其中所述圆顶外壳的中心部分设有与所述喷嘴对准的向内突出的基本圆锥形突起，使得来自所述 喷嘴的水将以锐角冲击所述突起的锥形侧壁，从而沿着倾斜表面向外 流到所述外壳的圆顶内表面上。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述圆顶外壳与 所述内部部件之间的空间被沿着所述鼻部向外并向后延伸的肋细分， 以形成用于围绕所述圆顶外壳的内表面向外并向后扩散的冷却水的一 系列不连续水流通道。
6. 根据权利要求5所述的装置，其中所述肋形成在所述圆顶外壳 的内表面上。
7. 根据当从属于权利要求3或4时的权利要求5或6所述的装置， 其中所述肋包括第一系列的肋和第二系列的肋，所述第一系列的肋从 形成在所述外壳的中心部分中的所述突起向外并向后发散，所述第二 系列的肋从所述外壳的中心部分向后间隔开并在所述第一系列的肋之 间间隔开，从而将所述水流通道细分为数目更多的通道，这些通道沿 着内壳向外并向后分岔。
8. 根据权利要求5至7中任一项所述的装置，其中所述内部部件 的后端部设有周向间隔开的纵向肋，以将所述内部部件的该后端部与 所述外壳的后部之间的空间细分为用于水到所述中心结构的外部环形 通道内的回流的不连续水流通道。
9. 根据权利要求8所述的装置，其中存在比所述外壳的内表面上 的肋的数目更多的肋，以进一步细分冷却水回到所述环形通道的流动。
10. —种直接熔炼容器，该直接熔炼容器配有根据前述权利要求 中任一项所述的用于将气体注入到该容器中的装置。
11. 一种在用于使喷枪中的预热气体流产生涡旋的装置，该喷枪 用于将该气体供给到容器，所述装置包括细长管状结构；多个流动引导叶片，所述多个流动引导叶片与中心管状结构的前 端相邻地设置在所述结构的周围；以及管状结构内的冷却水通道，所述冷却水通道用于冷却水穿过该管 状结构从后端到其前端的流动，以在内部冷却所述前端，然后经过管 状结构回流到其后端，所述冷却水通道包括中心水流通道，用于水 到所述管状结构的前端内的流动；和环形水流通道，该环形水流通道 设置在所述中心通道的周围，用于水从所述管状结构的前端朝该结构 的后端的回流；并且其中所述中心结构的前端具有鼻部，该鼻部由圆顶外壳和内部部 件组成，该内部部件设置在外壳内并形成有内部喷嘴，所述内部喷嘴 从中心水流通道接收水，并以中心对着外壳的内表面的射流引导该冷 却水，以产生围绕外壳的内表面的向外并向后扩散的水流。
12. —种直接熔炼容器，该直接熔炼容器配有用于将气体供给到 容器中的喷枪以及如权利要求10所述的用于在气流中产生涡旋的装 置。
全文摘要
向容器内注入气体的装置。公开了一种向冶金容器内注入气体的装置。该装置包括气流导管、在气流导管中延伸的细长中心管状结构、围绕中心管状结构设置的多个流动引导涡旋叶片、以及在中心管状结构内的冷却水通道。中心结构的前端具有鼻部，该鼻部由圆顶外壳和内部部件组成，该内部部件设置在外壳内并形成有内部喷嘴，所述内部喷嘴从冷却水通道接收水，并以中心对着外壳的内表面的射流引导该冷却水，以产生围绕外壳的内表面的向外并向后扩散的水流。
文档编号C21C7/04GK101408379SQ200710303529
公开日2009年4月15日 申请日期2007年12月14日 优先权日2006年12月15日
发明者乔治·钦格尔三世, 埃里克·蒂迈, 托德·史密斯, 迈克尔·马迪科 申请人:技术资源有限公司