專利名稱：將氣體噴射到容器中的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉 及一種用于將氣體噴射到容器(vessel)中的設備。所述設備特別但是并非僅僅地應用于用于在高溫條件下將氣流噴射到冶金容器中的設備。這種冶金容器身可以例如是在其中通過直接熔煉工藝生產熔融金屬的熔煉爐。
背景技術：
在美國專利6，440，356和6，673，305中描述了已知的直接熔煉工藝，該直接熔煉工藝依賴于作為反應媒介的熔融金屬層，并且通常被稱作HIsmelt工藝。HIsmelt 工藝包括(a)在容器中形成形式為鐵的熔融金屬和熔渣的熔池；(b)向熔池中注入(i)典型為金屬氧化物的含金屬供給材料；和(ii)用作金屬氧化物的還原劑和能量源的、典型為焦碳的固體含碳材料；和(c)將含金屬供給材料熔煉成金屬層中的金屬。術語“熔煉”在這里被理解為表示其中發(fā)生還原金屬氧化物的化學反應以生產液態(tài)金屬的熱處理。HIsmelt工藝還包括后燃燒反應氣體，例如CO和H2,該后燃燒反應氣體被從熔池釋放在熔池上方的帶有含氧氣體的空間中，并且向熔池傳遞由后燃燒產生的熱量，從而有助于熔煉含金屬供給材料所要求的熱能。HIsmelt工藝還包括在熔池的標稱靜止表面上方形成過渡區(qū)，在過渡區(qū)中存在適量的上升的并且此后下降的熔融金屬和/或熔渣的液滴或濺液或者液流，所述液滴或濺液或者液流提供了用于將由熔池上方的后燃燒反應氣體所產生的熱能傳遞到熔池的有效媒介。在HIsmelt工藝中，通過多個噴槍/鼓風口將含金屬供給材料和固體含碳材料注入到金屬層中，所述多個噴槍/鼓風口相對于豎直方向傾斜，從而向下并且向內延伸通過熔煉容器的側壁并進入容器的下部區(qū)域中，以便將固體材料輸送到位于容器的底部中的金屬層中。為了促進在容器的上部中的反應氣體的后燃燒，通過向下延伸的熱空氣噴射噴槍將可以是富氧的熱空氣的氣浪噴射到容器的上部區(qū)域中。為了促進在容器的上部中的氣體的、有效的后燃燒，理想的是，流入的熱空氣氣浪利用渦旋運動離開噴槍。為了實現(xiàn)這點，噴槍的出口端可以裝配有內部流引導件，用以產生適當?shù)臏u旋運動。容器的上部區(qū)域可以達到2000°C的溫度水平并且熱空氣可以在1100-1400°C的溫度水平被輸送到噴槍中。噴槍因此必須在內部和在外壁上均能夠經受極高的溫度，特別地是在噴槍的突出到容器的燃燒區(qū)域中的輸送端處。由于流引導件所暴露于下的高溫，并且由于與在來自氣體加熱爐的氣浪中攜帶的沙礫和其它顆粒污染物的沖擊，所以流引導件特別地傾向于失效。本發(fā)明有助于提供一種能夠經受這些惡劣的操作條件的、耐用的、在內部冷卻的流引導件。發(fā)明 內容根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于將氣體噴射到容器中的設備，包括氣流管道，所述氣流管道從后端延伸到前端，從所述前端從所述管道排出氣體；伸長中央結構，所述伸長中央結構在所述氣流管道內從所述氣流管道的后端延伸到所述氣流管道的前端；多個流引導葉片，所述多個流引導葉片在所述管道的前端附近圍繞所述中央結構設置，以使通過所述管道的前端的氣流產生渦旋，且所述中央結構的前端和所述管道的前端一起共同作用，形成用于來自所述管道的、具有由所述葉片產生的渦旋的氣流的環(huán)形噴嘴；冷卻水流通道，所述冷卻水流通道位于所述葉片中，用于使冷卻水在所述冷卻水流通道中流動，以冷卻所述葉片；和冷卻水供應通道裝置和返回通道裝置，所述冷卻水供應通道裝置和返回通道裝置位于所述中央結構中，用于將冷卻水從所述中央結構的后端供應到位于所述葉片中的所述水流通道，并且用于使冷卻水從位于所述葉片中的所述水流通道返回所述中央結構的后端；其中位于所述葉片中的所述水流通道具有進口，所述進口在所述葉片的前端處與位于所述中央結構中的所述冷卻水供應通道裝置連通；和出口，所述出口在所述葉片的后端處與位于所述中央結構中的所述返回流通道裝置連通。位于所述葉片中的所述冷卻水流通道可以在其進口和出口之間以蛇形路徑延伸， 所述蛇形路徑在所述葉片的前端和后端之間限定出多個流道。位于所述葉片中的所述冷卻水流通道可以從其進口沿著所述葉片的外部向后延伸。更加具體地，位于所述葉片中的所述冷卻水流通道可以從其進口沿著所述葉片的外部向后延伸到所述葉片的后端，然后向前延伸到所述葉片的前端，并且從所述葉片的前端沿著所述葉片的內部延伸到所述冷卻水流通道的出口。所述葉片可以具有由內部擋板劃分出來的中空內部，以在所述中空內部中形成所述冷卻水流通道。更加具體地，所述葉片可以具有間隔開的側壁，并且所述擋板可以是伸長桿，所述伸長桿在所述葉片的前端和后端之間沿著所述葉片延伸，并且對所述葉片的在所述側壁之間的內部進行劃分，從而形成所述冷卻水流通道。所述葉片的外邊緣可以由連接在所述側壁之間的覆蓋桿形成。葉片的側壁可以是鋼板。葉片可以具有多條螺旋形式。所述葉片形成葉片結構的一部分，所述葉片結構包括所述葉片和安裝在所述中央結構上的管狀轂。本發(fā)明還擴展到一種用于使氣流產生渦旋的葉片結構，包括管狀轂和以多條螺旋形式沿著所述轂延伸的多個葉片，其中所述葉片形成有在朝向所述轂的一端的進口和朝向所述轂的另一端的出口之間延伸的內部冷卻水流通道。
所述進口和出口可由沿著徑向延伸通過所述轂的狹槽提供。為了可以更加充分地解釋本發(fā)明，現(xiàn)在將參考附圖詳細描述一個具體實施例。


圖1是通過根據(jù)本發(fā)明構造的、結合有熱空氣氣浪噴槍和一對固體噴槍的直接熔煉容器的一個實施例的豎直截面圖；圖2是通過熱空氣氣浪噴槍的縱向截面圖；圖3是通過噴槍的中央結構的縱向截面圖；圖4是通過中央結構的前部的縱向截面圖；圖5是在圖4中的線5-5上的橫向截面圖；圖6和7是示出中央結構的前部的側視圖，其中為了清楚起見，移除了某些部分；圖8是安裝在中央結構的前端上的渦旋葉片結構的透視圖；圖9是渦旋葉片結構的側視圖；圖10是以圖8和9所示結構的渦旋葉片中的一個葉片的一種改進；以及圖11是通過渦旋葉片中的一個葉片的橫向截面。
具體實施例方式圖1圖示了適合于通過如在美國專利6，440，356和6，673，305中所描述的 HIsmelt工藝操作的直接熔煉容器。該冶金容器總體用11來表示并且具有爐膛，該爐膛包括由耐火磚形成的底部12和側部13 ；側壁14，該側壁14形成從爐膛的側部13向上延伸的、基本柱形的筒，并且包括上筒段15和下筒段16 ；頂部17 ；用于廢氣的出口 18 ；前爐19， 所述前爐19用于連續(xù)排出熔融金屬；和出渣口 21，所述出渣口 21用于排放熔渣。在使用中，容器包含鐵和熔渣的熔池，該熔池包括熔融金屬層22和在金屬層22上的熔渣層23。由數(shù)字24標記的箭頭示意金屬層22的標稱靜止表面的位置，并且由數(shù)字25 標記的箭頭示意熔渣層23的標稱靜止表面的位置。術語“靜止表面”被理解為意味著當無任何氣體和固體被注入到容器中時的表面。該容器裝配有向下延伸的熱空氣噴槍26，所述熱空氣噴槍26用于將熱空氣吹進容器的上部區(qū)域中；和兩個固體噴槍27，所述兩個固體噴槍27向下并且向內延伸通過側壁 14進入熔渣層23中，用于將鐵礦石、固體含碳材料和在貧氧載氣中夾帶的助熔劑注入到金屬層22中。噴槍27的位置被選擇成使得在工藝操作期間噴槍27的出口端28位于金屬層 22的表面上方。噴槍的這個位置降低了通過與熔融金屬接觸而損壞的風險，并且還可以在不存在顯著的、水與容器中的熔融金屬形成接觸的風險的情況下，通過強制的內部水冷卻而冷卻噴槍。在圖2-11中示意了熱空氣噴槍26的構造。如在這些圖中所示，噴槍26包括伸長管道31，伸長管道31通過氣體進口結構32接收熱氣體并且將熱氣體噴射到容器的上部區(qū)域中。噴槍包括伸長中央管狀結構33，伸長中央管狀結構33在氣流管道31內從氣流管道 31的后端延伸到氣流管道31的前端。在管道的前端附近，中央結構33承載有一系列的四個渦旋產生葉片34，用于使得離開管道的氣流產生渦旋。中央結構33的前端具有穹狀鼻部 35，鼻部35向前突出超過管道31的末端36，以使中央結構33的前端和管道的前端一起共同作用，形成用于來自管道的、具有由葉片34產生的渦旋的擴散氣流的環(huán)形噴嘴。葉片34 形成結構40的一部分，該結構40包括管狀轂40A，圍繞管狀轂40A，葉片34以四條螺旋形式(four-start helical formation)設置并且滑動配合在管道的前端內。從氣體進口 32向下游延伸的管道31的主要部分的壁被內部水冷卻。管道的該管段由一系列的三個同心鋼管37、38、39構成，所述三個同心鋼管37、38、39延伸到管道的前端部分，所述三個同心鋼管37、38、39在管道的前端部分連接到管道的末端36。管道末端 36具有中空環(huán)形形式，并且利用通過在管道31的壁中的通道供應和返回的冷卻水而被內部水冷卻。具體地，冷卻水通過進口 41和環(huán)形進口歧管42而被供應到在管道的管38、39之間限定出的內部環(huán)形水流通道43中，通過末端中沿周向間隔開的開口直到管道末端36的中空內部。水從該末端通過沿周向間隔開的開口而返回到在管37、38之間限定出的外部環(huán)形水流返回通道44中，并且向后到達 位于管道31的水冷卻段的后端的水出口 45。管道31的水冷卻段在內部襯有內部耐火襯里46，內部耐火襯里46裝配在管道的最里面的金屬管39內，并且一直延伸到管道的、被水冷卻的末端36。管道末端36的內周基本上與耐火襯里的內表面齊平，這為通過管道的氣體限定出有效的流動通道。該耐火襯里的前端具有直徑稍微減小的段47，該段以密切滑動配合接收渦旋葉片34。從該段47向后，耐火襯里具有稍微更大的直徑，以使得在噴槍組裝時能夠將中央結構33向下插入通過該管道，直至渦旋葉片34到達該管道的前端，在該管道的的前端，渦旋葉片34受到錐形的耐火區(qū)域48引導而與耐火段47形成密切接合，該耐火區(qū)域48使葉片定位并且將葉片引導到耐火段47中。管道末端36的中空內部可以在內部被劃分，形成以在美國專利公開 2006-0108722-A1中更加充分地公開的方式沿著周向圍繞末端延伸的冷卻水流通道 (galleries)(未示出)。如將參考圖8到11所詳細描述的，渦旋葉片34形成有內部冷卻水流通道。葉片 34和中央結構33的前端利用冷卻水進行內部水冷卻，所述冷卻水通過中央結構從噴槍的后端到前端被向前供應，然后沿著中央結構返回噴槍的后端。單獨的水供應通道延伸通過中央結構，用于將冷卻水供應到葉片和穹狀鼻部35，以使得強冷卻水流能夠直接流至葉片和特別是流至穹狀鼻部35，鼻部在噴槍的操作中經受非常高的熱通量。中央結構33包括一系列的、三個同心鋼管49、50、51，鋼管49、50、51由以首尾相連方式設置并且被焊接到一起的管段形成。內管49限定出中央的第一水流通道52，通過該中央的第一水流通道52，水從處于噴槍的后端的水進口 53通過中央結構向前流動，直到中央結構的前端鼻部35。第二水供應通道54由在內管49和中間管50之間的環(huán)形空間形成，通過該第二水供應通道54，水能夠從處于噴槍的后端的水進口 60通過中央結構流到在渦旋葉片34中的內部冷卻水流通道。在中間管50和外管51之間的環(huán)形空間提供水返回通道56，通過該水返回通道 56，冷卻水從中央結構33的鼻部35和葉片中的冷卻水流通道兩者通過中央結構而返回位于噴槍的后端的水出口 55。中間管50和外管51在51A、52A處朝向中央結構33的前端向外張開，以使第二水供應通道54的內端被擴大。中間管51A由延伸管80延長，延伸管80連接到裝配在外部穹狀鼻部殼體62內的銅制本體61的管狀后部，鼻部殼體62也由形成中央結構33的鼻端的銅形成。葉片結構的管狀轂40A圍繞本體61的后端和緊接在鼻部殼體62后面的延伸管80 裝配。葉片轂40A的前端裝配到周向肋條82上，周向肋條82形成在銅本體61的管狀部分上并且設置有環(huán)形凹槽83，所述環(huán)形凹槽83通過四個通過銅本體61的管狀部分的、沿著周向間隔開的狹槽84而接收水，以用作用于以將在下面描述的方式將冷卻水從冷卻水通道 54的擴大的內端供應到在葉片 中的冷卻水通道的水進口通道。在肋條82后面，在葉片結構的轂40A與銅本體61的管狀部分及延伸管80之間存在環(huán)形間隙空間90，該環(huán)形間隙空間90以現(xiàn)在將描述的方式提供水流通道的通過中央結構的前端的延伸部。中央結構的鼻端的內部銅制件61形成有中央水流通道63，所述中央水流通道63 通過連接器管70而與中央水供應通道52的內端連接，以從管道52接收水并且將水引導到鼻部的末端。鼻部件61形成有突出肋條64，該突出肋條64密切裝配在鼻部殼體62內，以在內部段61和外部鼻部殼體62之間限定出單個連續(xù)冷卻水流通道65。肋條64被這樣成形，即使得單個連續(xù)通道65以由從一個環(huán)形段到下一個環(huán)形段傾斜的通道段67相互連接起來的環(huán)形通道段66的形式延伸。因此通道65以螺旋形從該鼻部的末端延伸，雖然所述螺旋形不具有規(guī)則的螺旋形式，但是所述螺旋形的確圍繞該鼻部并且沿著該鼻部向后盤旋。銅制件61的后端形成有成一體的柱形凸部104，一短的縱向通道85在柱形凸部 104內延伸，該縱向通道85在其前端通過端口 86與鼻部冷卻水通道65的后端連接，并且該縱向通道85在其后端通過端口 87與在葉片結構的轂40A內的環(huán)形空間90連接。結果，這個布置在流動通道中形成向內橫向臺階。來自通道65的冷卻水因此能夠經由端口 86、通道 85和端口 87而流到環(huán)形空間90中，從而經由肋條82中的凹槽83和沿著周向間隔開的狹槽84而繞過向外流至葉片的冷卻水流。更加具體地，柱形凸部104延伸通過將已經是第二冷卻水供應通道54的環(huán)形前端部分的部分，結果該前端是如在圖5中觀察到的弓形段106。 這個弓形段106具有由柱形凸部104分離開來的第一端部108和第二端部110。從圖5能夠理解，該布置并不限制水從第二冷卻水供應通道54的前端流動到狹槽84中，該狹槽84 以將在下面描述的方式與葉片中的環(huán)形凹槽83和冷卻水通道連通。環(huán)形空間90由伸長擋板桿88劃分，形成冷卻水通道65的螺旋形延伸部，所述冷卻水通道65的螺旋形延伸部圍繞直接位于葉片結構40內的內部結構的前端延伸，并且返回與中央結構的水返回通道56 連接的環(huán)形水出口通道89。水通道65和位于環(huán)形空間90內的螺旋形延伸部因此在中央結構的前端中形成連續(xù)的冷卻水流通道，該冷卻水流通道在中央結構的安裝了葉片的那部分的外周內從鼻部向后延伸，從而有助于葉片結構的冷卻，通過通道85的導流部使得這個通道能夠繞過向外流至葉片的冷卻水流。以單個連貫流形式通過圍繞中央結構的鼻端35并且沿著中央結構的鼻端35向后延伸的螺旋形通道65的強制冷卻水流確保了有效率的排熱并且避免了“熱點”在鼻部上的發(fā)展，如果允許冷卻水在鼻部處分成分開的幾股流則可能發(fā)生“熱點”。在所示意的布置中， 從冷卻水進入鼻端35時起到冷卻水離開鼻端時，冷卻水均被約束為單股流。在圖8到11中示意了葉片結構40的構造。每一個葉片均由一對不銹鋼側板91 和一對擋板桿93、94形成，所述一對不銹鋼側板91沿著前后方向沿著轂40A盤旋，并且由圍繞葉片的外部邊沿延伸的覆蓋桿92分離開來，所述一對擋板桿93、94將葉片在側板之間的內部分成伸長的內部冷卻水流通道95。在葉片34中的冷卻水通道95從進口 96和出口 97延伸，進口 96在葉片的前端由延伸通過轂40A的狹槽形成以與葉片冷卻水進口通道83 齊平，出口 97在葉片的后端由在轂40A中的狹槽形成以與水出口通道89齊平，通過水出口通道89，水能夠從葉片通過水返回通道56而流回中央結構33的后端。擋板93、94被這樣形成，即使得水流通道95從進口 96沿著葉片的外部向后延伸到葉片的后端，然后在沿著葉片的內部返回出口 97之前向前返回葉片的前端。因此，流入的冷卻水首先被引導到葉片的、最易于過度加熱和退化的外部邊緣。多次通過的流動通道95還確保了葉片的所有部分均被有效地冷卻，并且不能形成停滯的水流通道。被內部水冷卻 的不銹鋼渦旋葉片是非常耐用的，并且能夠承受極高的溫度條件和由噴槍內的熱氣體氣浪攜帶的沙礫或者其它材料引起的磨蝕。葉片可以進行表面硬化以實現(xiàn)最大壽命。內部結構設置有封裝在耐高溫不銹鋼外殼93內、由耐火材料92形成的外部隔熱罩91，以屏蔽從在管道31中流入的熱氣體到在中央結構33內流動的冷卻水的熱傳遞。隔熱罩減輕了到流至中央結構的內端和葉片的水中的熱傳遞并且還使得返回的水與在噴槍內的熱氣體隔絕，且因此使用于冷卻水的冷卻回路上的負荷最小化。
權利要求
1.用于將氣體噴射到容器中的設備，包括氣流管道，所述氣流管道從后端延伸到前端，從所述前端從所述管道排出氣體；伸長中央結構，所述伸長中央結構在所述氣流管道內從所述氣流管道的后端延伸到所述氣流管道的前端；多個流引導葉片，所述多個流引導葉片在所述管道的前端附近圍繞所述中央結構設置，以使通過所述管道的前端的氣流產生渦旋，且所述中央結構的前端和所述管道的前端一起共同作用，形成用于來自所述管道的、具有由所述葉片產生的渦旋的氣流的環(huán)形噴嘴；冷卻水流通道，所述冷卻水流通道位于所述葉片中，用于使冷卻水在所述冷卻水流通道中流動，以冷卻所述葉片；和冷卻水供應通道裝置和返回通道裝置，所述冷卻水供應通道裝置和返回通道裝置位于所述中央結構中，用于將冷卻水從所述中央結構的后端供應到位于所述葉片中的所述水流通道，并且用于使冷卻水從位于所述葉片中的所述水流通道返回到所述中央結構的后端；其中位于所述葉片中的所述水流通道具有進口，所述進口在所述葉片的前端處與位于所述中央結構中的所述冷卻水供應通道裝置連通；和出口，所述出口在所述葉片的后端處與位于所述中央結構中的所述返回流通道裝置連通。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中位于所述葉片中的所述冷卻水流通道在其進口和出口之間以蛇形路徑延伸，所述蛇形路徑在所述葉片的前端和后端之間限定出多個流道。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的設備，其中位于所述葉片中的所述冷卻水流通道從其進口沿著所述葉片的外部向后延伸。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的設備，其中位于所述葉片中的所述冷卻水流通道從其進口沿著所述葉片的外部向后延伸到所述葉片的后端，然后向前延伸到所述葉片的前端，并且從所述葉片的前端沿著所述葉片的內部延伸到所述冷卻水流通道的出口。
5.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的設備，其中所述葉片具有由內部擋板劃分出來的中空內部，從而在所述中空內部中形成所述冷卻水流通道。
6.根據(jù)權利要求5所述的設備，其中所述葉片具有間隔開的側壁，并且所述擋板是伸長桿，所述伸長桿在所述葉片的前端和后端之間沿著所述葉片延伸，并且對所述葉片的在所述側壁之間的內部進行劃分，從而形成所述冷卻水流通道。
7.根據(jù)權利要求6所述的設備，其中所述葉片的外邊緣由連接在所述側壁之間的覆蓋桿形成。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的設備，其中所述葉片的所述側壁是鋼板。
9.根據(jù)權利要求7所述的設備，其中所述側壁由鋼制成，并且所述覆蓋桿和擋板被焊接到所述側壁。
10.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的設備，其中所述葉片具有多條螺旋形式。
11.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的設備，其中所述葉片形成如下葉片結構的一部分，所述葉片結構包括所述葉片和安裝在所述中央結構上的管狀轂。
12.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中通到位于所述葉片中的所述水流通道的所述進口由位于所述管狀轂中的狹槽提供。
13.根據(jù)權利要求11或12所述的設備，其中來自位于所述葉片中的所述水流通道的所述出口由位于所述管狀轂中的狹槽提供。
14.一種用于使氣流產生渦旋的葉片結構，包括管狀轂和以多條螺旋形式沿著所述轂延伸的多個葉片，其中所述葉片形成有內部冷卻水流通道，所述冷卻水流通道在朝向所述轂的一端的進口和朝向所述轂的另一端的出口之間延伸。
15.根據(jù)權利要求14所述的結構，其中所述進口和出口由通過所述轂沿著徑向延伸的狹槽提供。
全文摘要
公開了一種用于將氣體噴射到容器中的設備。所述設備包括氣流管道，從所述氣流管道從所述管道排出氣體；在氣體流動管道內延伸的伸長中央結構；和多個流引導葉片，所述多個流引導葉片在所述管道的前端附近圍繞所述中央結構設置，以使通過所述管道的前端的氣流產生渦旋。所述設備還包括冷卻水流通道，所述冷卻水流通道位于所述葉片中，所述冷卻水流通道具有位于葉片前端的進口和位于葉片后端的出口。
文檔編號C21C5/46GK102308007SQ200980156180
公開日2012年1月4日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權日2008年12月11日
發(fā)明者巴里·艾倫·卡迪 申請人:技術資源有限公司