CN101294231B - 用于将气体注入到容器中的装置 - Google Patents

Abstract

用于将气体注入到容器中的装置。公开了一种用于将气体注入到冶金容器中的装置。该装置包括气流导管、在气流导管内延伸的细长中心管状结构、多个流动引导涡旋叶片、中心结构内的流入和流出冷却水通道，和设有一个或多个水冷却通道的鼻部。该流动引导叶片设有内部水冷叶片通道。在使用中，水流通过叶片通道从中心结构中的水流入通道连通到中心结构的鼻部中的水流通道，使得至少一部分流入水将依次通过叶片通道和鼻部通道，并然后流到流出通道。

Description

用于将气体注入到容器中的装置

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具有涡旋的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2000℃的温度，并且热空气可以约1100℃-1400℃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HIsmelt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)。

发明内容

本发明提供了一种改进的构造，该构造能够有效地冷却涡旋叶片和中心结构的前鼻部。

根据本发明，提供了一种用于将气体注入到支持冶金处理的冶金容器内的装置，该装置包括：

气流导管，该气流导管从后端延伸到前端，来自该气流导管的气体从前端排出；

细长的中心管状结构，该中心管状结构在气流导管内从其后端延伸到其前端，该中心管状结构的前端邻近气流导管的前端设置；

多个流动引导叶片，这些流动引导叶片围绕中心管状结构的前端设置，以通过导管的前端使气流产生涡旋；

中心结构内的流入和流出冷却水通道，该流入和流出冷却水通道用于冷却水向前经过中心管状结构到其前端的流入和冷却水从前端回到其后端的流出；和

中心结构的前端处的前鼻部，该前鼻部设有用于该前鼻部的内部水冷的一个或多个水通道；并且

其中流动引导叶片设有用于这些叶片的内部水冷的内部叶片通道，并且其中在使用中，水流通过叶片通道从中心结构中的水流入通道连通到中心结构的鼻部中的水流通道，使得至少一部分流入水将依次经过叶片通道和鼻部通道，并然后流到流出通道。

中心管状结构的流入通道可以由在中心管状结构内的中心通道形成。

中心通道可以在该通道与叶片通道的入水口之间的连通处的下游被堵塞，以将流入水从中心通道转移到叶片通道内。

叶片通道可以沿叶片延伸到用于水回流到堵塞部下游的中心通道内的出水口，以用于到中心结构的鼻部的传输。

堵塞部可完全堵塞中心通道，使得所有的流入水被转移经过叶片通道。

或者，堵塞部可仅仅部分地堵塞中心通道，使得一部分的流入水被转移经过叶片通道，剩余的流入水绕过叶片通道直接流到中心结构的鼻部。

本发明还涉及一种直接熔炼容器，该直接熔炼容器配有上述用于将气体注入到该容器内的装置。

本发明还涉及一种设备，该设备用于使喷枪中的预热气体流产生涡旋，从而将该气体提供给用于冶金处理的冶金容器，所述设备包括：

细长的管状结构；

多个流动引导叶片，这些流动引导叶片邻近管状结构的前端围绕管状结构设置；

管状结构的前鼻部，该前鼻部设有用于鼻部的内部水冷的一个或多个水通道；和

管状结构内的冷却水通道，该冷却水通道用于冷却水向前经过管状结构到其前端的流入和冷却水从前端回到其后端的流出；

其中，流动引导叶片设有用于这些叶片的内部水冷的内部叶片通道，这些叶片通道与中心结构中的水流入通道和中心结构的鼻部中的水流通道相连通，使得至少一部分流入水依次经过叶片通道和鼻部通道，并然后流到流出通道。本发明还涉及一种配有将气体注入到容器内的喷枪和上述使气流产生涡旋的设备的直接熔炼容器。

附图说明

为了更充分地说明本发明，下面将参考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，所述容器包含一对固体注入喷枪和根据本发明构建的热空气流注入喷枪；

图2为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的纵向剖视图；

图4图示了中心结构的鼻部的圆顶外壳；

图5为沿图4的线5-5的剖视图；

图6为沿图4的线6-6的剖视图；

图7为设置在中心结构的前端的圆顶外壳内的内部部件的侧视图。

图8为图7中所示部件的端视图；

图9为沿图8的线9-9的剖视图；

图10为包含在中心结构中的涡旋导轮的局部剖视正视图；

图11为图10中所示涡旋导轮的端视图；

图12为沿图10的线12-12的剖视图；

图13为沿图12的线13-13的剖视图；

图14为涡旋导轮中的一系列出水口的剖视详图。

具体实施方式

图1图示了适于美国专利6083296中所描述的HIsmelt工艺下的操作的直接熔炼容器。所述冶金容器总的用11来表示，该冶金容器具有：炉床，该炉床包括由耐熔砖形成的基座12和侧部13；侧壁14，侧壁14形成从所述炉床的侧部13向上延伸的大致为圆柱形的圆筒，且包括上圆筒部分15和下圆筒部分16；顶部17；用于废气的出口18；前部炉床19，前部炉床19用于连续地排出熔融金属；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和所述熔融金属层22上的熔渣层23。由数字24标出的箭头指示了金属层22的名义静止表面的位置，由数字25标出的箭头指示了熔渣层23的名义静止表面的位置。术语“静止表面”应当理解为没有气体和固体注入到容器内时的表面。

所述容器配有向下延伸的热空气注入喷枪26和两个固体注入喷枪27，所述热空气注入喷枪26用于将在大约1200℃的温度下加热的空气流，即所谓的“热空气流”(或HAB)输送到所述容器的上部区域内，而固体注入喷枪27向下并向内延伸穿过侧壁14并进入所述熔渣层23，其用于将铁矿石、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内。所述喷枪27的位置这样选择，使得它们的出口端28在所述工艺操作期间位于金属层22的表面上方。所述喷枪的这个位置降低了通过与熔融金属接触而被损坏的危险，还使得可以通过强制内部水冷却来冷却喷枪，而不存在水与容器中的熔融金属相接触的重大危险。

图2至图14中示出了热空气注入喷枪26的构造。如图所示，喷枪26包括细长导管31，导管31容纳通过气体入口结构32的热空气，并将热空气注入容器的上部区域内。该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内从其后端延伸到其前端。在所述导管的前端附近，中心结构33携有用于使离开所述导管的气流产生涡旋的一系列的四个涡旋产生叶片34。中心结构33的前端具有圆顶鼻部35，圆顶鼻部35向前突出到导管31的端头36外，使得所述中心体的前端和所述导管端头联合作用，形成环形喷嘴，该喷嘴用于来自导管的具有叶片34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的主要部分的壁是内部水冷的。导管的这个部分包括一系列的三个同心钢管37、38、39，这些钢管延伸到导管的前端部份，并在这里连接到导管端头36。导管端头36是中空环形构造，并由通过导管31的壁中的通道供应和返回的冷却水在内部水冷。具体地说，冷却水通过入口41和环形入口歧管42供应到内部环形水流通道43，通过端头中沿圆周间隔开的开口到达导管端头36的中空内部，所述内部环形水流通道43限定在所述导管的钢管37、38之间。水从所述端头通过沿圆周间隔开的开口进入外部环形水返回流动通道44，向后返回到导管31的水冷却部分的后端处的出水口45，所述外部环形返回水流通道44限定在钢管38、39之间。

导管31的水冷却部分在内部衬有耐熔衬里46，耐熔衬里46配在导管的最内侧金属管37内。导管端头36的内周边基本上与所述耐熔衬里的内表面齐平，所述耐熔衬里的内表面限定了用于通过所述导管的气体的有效流通通道。该耐熔衬里的前端具有直径稍微减少的部分47，该直径稍微减少的部分47以合适的滑动配容纳涡旋叶片34。从部分47向后，耐熔衬里具有稍大的直径，使得中心结构33能够在装配喷枪后向下插入穿过导管，直到涡旋叶片34抵达导管的前端，涡旋叶片在这里通过锥形耐熔平台48的导引而与耐熔部分47滑动接合，该锥形耐熔平台48将叶片定位并引导到耐熔部分47内。

携有涡旋叶片34的中心结构33的前端由冷却水在内部水冷，冷却水从喷枪的后端到前端向前供应经过中心结构，然后沿着中心结构返回至喷管的后端。这使得冷却水以非常猛烈的水流直接流到中心结构的前端，特别是圆顶鼻部35，在喷管工作时，该鼻部经受非常高的热通量。一部分冷却水流也会流经涡旋叶片34中的内部水流通道，以便对涡旋叶片也进行内部水冷。

中心结构33包括由管段形成的内部和外部同心钢管50、51，所述管段端对端地设置并且焊接在一起。如将参考图10至图14更详细描述的，形成管50和51的前端的管段50A和51A包含到包括涡旋叶片34的涡旋导轮结构60内。内部管50限定中心水流通道，水通过该通道从喷管后端处的入水口53向前流动经过中心结构，环形的水返回通道54限定在两管50、51之间，冷却水通过该环形的水返回通道54返回经过中心结构，流到喷管后端处的出水口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，内部构件63也由铜形成，并在64处用螺纹配到中心结构33的内部管50的管段50A的前端内。内部部件63形成有内部汇聚喷嘴65，以容纳来自中心水流通道52的前部的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。

圆顶外壳61的中心部分形成有与喷嘴65对准的指向内的锥形突起66，使得从喷嘴引导过来的水将以锐角撞击该突起的锥形侧壁67，从而水沿着倾斜表面67向外流到外壳的圆顶内表面68上。

圆顶外壳61与内部构件63之间的空间71由形成在圆顶外壳的内部表面上的肋72细分。肋72包括第一肋系列72A和第二肋系列72B，其中第一肋系列从形成在外壳的中心部位中的突起向外并向后发散，第二肋系列从外壳的中心部位向后间隔开，并间隔在第一肋系列72A之间，从而将水流通道70细分成数量更多的不连续通道，这些通道沿着内壳向外并向后扩散。

内部部件63的后端部分63A设有沿圆周间隔开的纵向肋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细分成不连续的水流通道75，用于水到中心结构33的外部环形通道54内的回流。内部部件的后端上的肋73的数量超过外壳的内表面上的肋72的数量，从而在冷却水回流到环形回流通道54时进一步细分水流。可以例如有54个肋72(27个短的和27个长的)和72个肋73。

围绕外壳的内表面的向外扩散的冷却水流以及该水流进入围绕鼻部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且避免了鼻部上产生“热点”。所示的构造允许大量紧密间隔开的相同水流通道的形成，从而确保水沿中心结构的鼻端的整个周边的相同的流动，而不会产生会引起“热点”的优先水流。

图3以及图10至图14中示出了涡旋导轮60的构造。如图所示，涡旋导轮60具有与中心管状部分81一体形成的四个叶片34，所述中心管状部分81配在同心的内部和外部管部件50A、51A的上方，内部和外部管部件50A、51A形成中心结构33的前端。涡旋叶片34具有基本平直的前端部分34A，前端部分34A从中心管状体81向外发散并纵向延伸。围绕中心管状体81螺旋延伸的螺旋尾端部分34C和将前端部分34A结合到尾端部分34C的过渡部分34B被定形成与前端部分34A和尾端部分34C平滑地融合，并平滑而循序渐进地改变它们之间的形状。叶片34在厚度上逐渐变细，从而在径向往外的方向上厚度减小，并具有如图11和图12所示的梯形截面。每个叶片在其前边缘82和后边缘83之间转过90度角。

涡旋叶片34形成有内部水流通道84，水流通道84用于冷却水在内部沿每个叶片的流动。每个叶片34都具有一系列的7个内部水流通道84，这些内部水流通道84从叶片的通道朝其尖端以向外连续增加的间距沿叶片延伸。内部水流通道84具有径向端部85、86，径向端部85、86连接到设置在叶片的端部内并沿叶片纵向间隔开的入水口87和出水口88。更具体地说，入水口沿着叶片直的前端纵向间隔开，并因此沿着中心结构33纵向地间隔开，而出水口88沿着叶片的尾端纵向延伸，并因此沿着中心结构向纵向方向倾斜。内部水流通道84由一系列形成单独的铜管89形成，叶片34和中心管状凸起81围绕着铜管89被铸成实心的铜结构。

为了使水流具有相同的截面，管89可以全部具有相同的直径。在这种情况下，出水口可以具有如下所述的可变水流截面，从而与通过所有不同长度的水流通道的水流阻力和压降相匹配。或者，可以使用具有不同直径的管来根据通道的长度改变通道的水流截面。

提供叶片的前端内的内部水流通道84的管89的端部91径向向内延伸穿过同心管51A和50A，从而为水从中心水流通道52径向向外进入内部水流通道84并沿着叶片的流动提供入水口。叶片的尾端处的管的端部92向内突出穿过最外面的中心管51A，进入最里面的管50A的外表面中的盲孔或凹部93。孔钻通内管的壁进入管92的端部，从而形成用于水从通道84回到中心结构中的中心供水通道52内的流动的出水口。这些孔钻成不同的尺寸，以平衡穿过具有明显不同长度的通道84的水流阻力。具体来说，钻出这些出口孔使得这些出口具有用于逐渐向外间隔开的通道84的逐渐增加的尺寸，以与通过所有具有不同长度的水流通道的水流阻力以及压降相匹配。

涡旋导轮的内部管50A在95处中止并配有盘96，盘96在叶片入口87的下游堵塞中心通道52，从而将流入水引导到叶片通道84内。被转移的水沿着通道84流到出口88，然后经过出口88流进堵塞部下游的中心通道52的前部，以传输到中心结构的鼻部。

盘96可以完全堵塞中心通道52，使得所有的流入水被转移通过叶片通道84。或者，盘96可以被穿孔，以提供仅仅部分堵塞，使得一部分流入水被转移通过叶片通道84，一部分直接沿着中心通道52流到中心结构33的鼻部。

为了形成涡旋导轮60，预成型的铜管91被配到内管50A和外管51A，然后在其周围铸造实心的铜叶片34和突起以及中心突起81。管50A的前端在内部用螺纹接合在94处，以容纳中心结构33的鼻端35的螺纹后端，然后将管50A和51A的后端焊接到其它形成中心结构的同心钢管50、51的管段。

图示的涡旋导轮60允许将水流从沿着中心供水通道52并进入涡旋叶片34中的内部水流通道84内的水中转移。被转移的水在内部沿着涡旋叶片流动，以通过出口88离开通道84，返回到中心通道，该水流通过已描述的方式从中心通道经过鼻端部分35，流回通过环形水回流通道54，到达喷管后端的出水口55。出水口88的出口根据水流通道84的长度的调整确保通过所有的水通道的相等压降促进涡旋叶片非常均匀的和有效的冷却。

图示的构造52确保了不但穿过叶片保持了有效的水流，而且穿过喷枪的鼻端35也保持了有效的水流。

Claims (9)

1.一种用于将气体注入到支持冶金处理的冶金容器内的装置，该装置包括：

气流导管，该气流导管从后端延伸到前端，从该前端将气体从该导管排出；

细长中心管状结构，该细长中心管状结构在所述气流导管内从其后端延伸到其前端，该中心管状结构的前端与所述气流导管的前端相邻地设置；

多个流动引导叶片，这些流动引导叶片设置在所述中心管状结构的前端周围，以使通过所述气流导管的前端的气流产生涡旋；

中心结构内的流入和流出冷却水通道，所述流入和流出冷却水通道用于冷却水向前经过所述中心管状结构到其前端的流入和冷却水从该前端回到其后端的流出；和

鼻部，该鼻部在所述中心结构的前端处并设有用于鼻部的内部水冷的一个或多个水通道；并且

其中所述流动引导叶片设有用于所述叶片的内部水冷的内部叶片通道，其中在使用中，水流从所述中心结构中的水流入通道通过所述叶片通道连通回到所述水流入通道并且然后到达所述中心结构的鼻部中的水流通道，使得至少一部分流入水将依次通过所述叶片通道和鼻部通道，并然后流到所述流出通道。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述中心管状结构的流入通道由所述中心管状结构内的中心通道形成。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述中心通道在该通道与所述叶片通道的入水口之间的连通处的下游被堵塞而形成堵塞部，以将流入水从所述中心通道转移到所述叶片通道内。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述叶片通道沿所述叶片延伸到出水口，用于水回到所述堵塞部的下游的中心通道内的流动，从而使水传输到所述中心结构的鼻部。

5.如权利要求3或4所述的装置，其中所述堵塞部完全堵塞所述中心通道，使得所有的流入水被转移通过所述叶片通道。

6.如权利要求3或4所述的装置，其中所述堵塞部仅仅部分地阻塞所述中心通道，使得一部分流入水被转移通过所述叶片通道，其余的流入水绕过所述叶片通道直接流到所述中心结构的鼻部。

7.一种直接熔炼容器，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内的装置。

8.一种用于使喷枪中的预热气体流产生涡旋的设备，该喷枪用于将该气体供应到用于冶金处理的冶金容器，所述设备包括：

细长的管状结构；

多个流动引导叶片，这些流动引导叶片邻近所述管状结构的前端围绕该管状结构设置；

管状结构的前鼻部，该前鼻部设有用于该鼻部的内部水冷的一个或多个水通道；和

管状结构内的冷却水通道，这些冷却水通道用于冷却水向前经过该结构到其前端的流入和冷却水从该前端回到其后端的流出；

其中所述流动引导叶片设有用于所述叶片的内部水冷的内部叶片通道，所述叶片通道与中心结构中的水流入通道相连通，使得至少一部分流入水将依次从所述水流入通道通过所述叶片通道，返回所述水流入通道然后到达鼻部通道，并然后流到所述流出通道。

9.一种直接熔炼容器，该直接熔炼容器配有用于将气体供应到该容器内的喷枪和根据权利要求8所述的用于使气体流产生涡旋的设备。

Images