專(zhuān)利名稱：用于將顆粒材料注射到一個(gè)容器中的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將顆粒材料注射到一個(gè)容器中的冶金噴管。
背景技術(shù)：
該噴管的一種應(yīng)用是作為一種在生產(chǎn)熔融金屬的方法(諸如一個(gè)直接熔煉方法)中用于將冶金供給材料注射到一個(gè)容器的熔池中的裝置。
在以本申請(qǐng)人的名義申請(qǐng)的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)PCT/AU96/00197(WO96/31627)中描述了一種已知的直接熔煉方法，該直接熔煉方法依賴于一種作為反應(yīng)介質(zhì)的熔融金屬層，通常被稱為Hismelt方法。
在該國(guó)際申請(qǐng)中所描述的Hismelt方法是一種基于熔池的直接熔煉方法，該方法特別適于利用含鐵供給材料(諸如礦石、部分還原的礦石以及含有廢流(waste streams)的金屬)生產(chǎn)熔融黑色金屬。該Hismelt方法包括(a)在一個(gè)容器中形成鐵水和渣的熔池；(b)將(i)一種含金屬的供給材料，通常為金屬氧化物；(ii)一種固體含碳材料，通常為煤，該固體含碳材料用作金屬氧化物的還原劑以及能量源注射到熔池中；以及(c)在金屬層中將含金屬的供給材料熔煉成金屬。
術(shù)語(yǔ)“熔煉”的含義這里被理解為其中發(fā)生使金屬氧化物還原的化學(xué)反應(yīng)以生產(chǎn)液體金屬的熱處理。
該Hismelt方法還包括使從熔池中釋放的反應(yīng)氣體(諸如一氧化碳和氫氣)在熔池上方的空間中與含氧氣體二次燃燒(post-combusting)并且將由二次燃燒所產(chǎn)生的熱量傳遞到熔池以提供熔煉含金屬的供給材料所需的熱能。
該Hismelt方法還包括在熔池的標(biāo)稱靜態(tài)表面上方形成一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，其中具有適量的熔融金屬和/或渣的上升的接著下降的液滴或者飛濺物質(zhì)或者物質(zhì)流，從而為將在熔池上方的反應(yīng)氣體的二次燃燒所產(chǎn)生的熱能傳遞到熔池提供一種有效的介質(zhì)。
在該Hismelt方法中，含金屬的供給材料和固體含碳材料通過(guò)多個(gè)噴管/風(fēng)口被注射到金屬層中，所述多個(gè)噴管/風(fēng)口相對(duì)于垂直方向傾斜以向下并向內(nèi)穿過(guò)熔煉容器的側(cè)壁并且延伸到容器的下部區(qū)域中，從而能夠?qū)⒐腆w材料輸送到在容器底部的金屬層中。在一個(gè)商業(yè)上操作的過(guò)程中，噴管必須能夠承受惡劣的條件，包括長(zhǎng)時(shí)間(通常為幾個(gè)月)承受在熔煉容器內(nèi)的大約為1400℃的操作溫度。因此，噴管必須具有內(nèi)設(shè)的強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)以在該苛刻的環(huán)境中進(jìn)行成功地操作并且必須能夠承受很高的局部溫度變化。本發(fā)明提供能夠在這些條件下有效操作的噴管。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種能夠延伸到一個(gè)容器中以將固體顆粒材料注射到盛裝在該容器內(nèi)的熔融材料中的細(xì)長(zhǎng)冶金噴管，所述噴管包括(a)一個(gè)能夠使固體顆粒材料通過(guò)的中心芯管；(b)在中心芯管的長(zhǎng)度的大部分上包圍該中心芯管的環(huán)形冷卻套，該冷卻套限定了一個(gè)包圍所述芯管的細(xì)長(zhǎng)的環(huán)形冷卻劑內(nèi)流動(dòng)通道、一個(gè)包圍所述冷卻劑內(nèi)流動(dòng)通道的細(xì)長(zhǎng)的環(huán)形冷卻劑外流動(dòng)通道以及一個(gè)在所述套的前端處用于使環(huán)形冷卻劑內(nèi)流動(dòng)通道與環(huán)形冷卻劑外流動(dòng)通道互聯(lián)的環(huán)形端部流動(dòng)通道；(c)一個(gè)在所述套的后端區(qū)域處用于將冷卻劑輸入到所述套的環(huán)形冷卻劑內(nèi)流動(dòng)通道中的冷卻劑輸入裝置；以及(d)一個(gè)在所述套的后端區(qū)域處用于將冷卻劑從所述環(huán)形冷卻劑外流動(dòng)通道中輸出冷卻劑的冷卻劑輸出裝置，從而可使冷卻劑沿著環(huán)形冷卻劑內(nèi)流動(dòng)通道向前流動(dòng)到所述套的前端，接著通過(guò)所述環(huán)形端部流動(dòng)通道并且向后通過(guò)所述環(huán)形冷卻劑外流動(dòng)通道，其中，(i)所述套的前端部分的外壁是由具有高熱傳導(dǎo)性能并且當(dāng)所述套被冷卻劑流冷卻時(shí)能夠長(zhǎng)時(shí)間承受在1100℃以上的外部溫度的第一材料制成的；(ii)所述套的主體部分的外壁是由當(dāng)所述套被冷卻劑流冷卻時(shí)被長(zhǎng)時(shí)間暴露在1100℃以上的外部溫度下時(shí)能夠保持其結(jié)構(gòu)性能的第二材料制成的，因此，該外壁用作一個(gè)有助于在這些溫度下支撐所述噴管的結(jié)構(gòu)部件；以及(iii)所述前端部分的外壁與所述主體部分的外壁被焊接在一起。
所述噴管的高熱傳導(dǎo)性能的結(jié)構(gòu)部分的上述組合能夠使噴管被制作得較長(zhǎng)，從而(a)使所述噴管進(jìn)入到一個(gè)盛裝金屬和渣的熔池的容器中的進(jìn)入位置可在所述容器中位于靜態(tài)渣層上方以及需要在所述容器的非常惡劣的爐膛區(qū)域上方的側(cè)壁中；以及(b)使所述噴管向下和向內(nèi)延伸足夠長(zhǎng)的距離以將供給材料輸送到爐膛區(qū)域的中央部分中。
使所述噴管的進(jìn)入點(diǎn)處于該位置(即，在靜態(tài)渣層的上方)能夠在所述容器仍然盛裝熔融金屬和渣的同時(shí)在需要的情況下使所述噴管被更換。這樣更換噴管無(wú)需使所述容器重大停工，包括排空所述容器。
最好，所述套包括位于所述前端部分的外壁和所述主體部分的外壁之間的過(guò)渡部分，所述過(guò)渡部分被焊接到所述兩個(gè)外壁上。
最好，所述主體部分的外壁的壁厚小于所述前端部分的外壁的壁厚。
最好，在所述過(guò)渡部分的一端處的壁厚與所述前端部分的外壁壁厚相同，而在所述過(guò)渡部分的另一端處的壁厚與所述主體部分的外壁壁厚相同。
優(yōu)選的是，所述溫度在1200℃以上。
最好，所述溫度在1300℃以上。
最好，所述第一材料是銅或者銅合金。
最好，所述第二材料是鋼。
最好，所述過(guò)渡部分是由鋼制成的。
最好，利用鎳或者鎳合金將所述前端部分和所述過(guò)渡部分焊接在一起。
最好，所述套的外壁包括用于使渣凝固在外壁上的鍵式構(gòu)造。
最好，所述鍵式構(gòu)造具有底切槽或者燕尾槽的橫截面。
最好，所述在使用時(shí)為自支撐的噴管的長(zhǎng)度至少為1.5米.
最好，所述環(huán)形冷卻劑內(nèi)流動(dòng)通道、環(huán)形冷卻劑外流動(dòng)通道和環(huán)形端部流動(dòng)通道是這樣被限定的，即(a)利用一個(gè)環(huán)形的外圓角端連接器在所述套的前端處使一個(gè)內(nèi)管和一個(gè)外管互聯(lián)以形成一個(gè)單獨(dú)的空心環(huán)形結(jié)構(gòu)，該空心環(huán)形結(jié)構(gòu)在所述套的前端處被所述環(huán)形的外圓角端連接器封閉；以及(b)在所述空心環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的管形結(jié)構(gòu)，所述管形結(jié)構(gòu)具有(i)一個(gè)管部，該管部在管形結(jié)構(gòu)內(nèi)延伸以將所述空心環(huán)形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部分成所述細(xì)長(zhǎng)的環(huán)形內(nèi)流動(dòng)通道和細(xì)長(zhǎng)的環(huán)形外流動(dòng)通道以及(ii)一個(gè)前端部分，所述前端部分與所述空心環(huán)形結(jié)構(gòu)的環(huán)形的外圓角端連接器相鄰設(shè)置以使所述環(huán)形端部流動(dòng)通道被限定在所述管狀結(jié)構(gòu)的所述前端部分和所述空心環(huán)形結(jié)構(gòu)的環(huán)形的外圓角端連接器之間。
最好，所述外管包括被焊接在一起的一個(gè)前部和一個(gè)后部。
最好，所述外管的前部限定由第一材料制成的套的前端部分的外壁。
最好，所述外管的后部限定由第二材料制成的套的主體部分的外壁。
最好，所述外管包括位于前部和后部之間并且與它們焊接在一起的過(guò)渡部分。
最好，所述外圓角端連接器由第一材料制成。
最好，所述細(xì)長(zhǎng)的管狀結(jié)構(gòu)的前端部分和管部被焊接在一起。
最好，所述外圓角端連接器被焊接到所述內(nèi)管和外管上。
最好，在所述套的下列部件之間的焊接部分在軸向上隔開(kāi)以便于所述套的組裝(i)外圓角端連接器和內(nèi)管；(ii)外圓角端連接器和外管；以及(iii)前端部分和管部。
最好，芯管包括一個(gè)噴嘴，所述噴嘴具有一個(gè)部分地位于冷卻套內(nèi)并且被冷卻套遮蔽的部分以及另一個(gè)從冷卻套伸出的部分，并且所述噴嘴具有一個(gè)帶有螺紋的后端，該帶有螺紋的后端能夠與所述芯管的一個(gè)具有互補(bǔ)螺紋的部分接合以使所述噴嘴可容易地連接到芯管上以及從芯管上拆下。
最好，所述環(huán)形端部流動(dòng)通道從所述環(huán)形冷卻劑內(nèi)流動(dòng)通道到環(huán)形冷卻劑外流動(dòng)通道是平滑地向外和向后彎曲的并且用于使水流過(guò)所述環(huán)形端部流動(dòng)通道的有效橫截面積小于所述環(huán)形冷卻劑內(nèi)流動(dòng)通道和環(huán)形冷卻劑外流動(dòng)通道的流動(dòng)橫截面積。
最好，安裝另一個(gè)單獨(dú)的空心環(huán)狀結(jié)構(gòu)以使所述內(nèi)管和外管由于熱膨脹或者熱收縮量的不同而能夠進(jìn)行相對(duì)縱向移動(dòng)，并且安裝所述細(xì)長(zhǎng)的管狀結(jié)構(gòu)以適應(yīng)該移動(dòng)。
最好，所述冷卻劑是水。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種用于實(shí)施一種熔煉含鐵供給材料以生產(chǎn)熔融黑色金屬的基于熔池的方法的容器，所述容器包括爐膛、從爐膛向上延伸的側(cè)壁以及至少一個(gè)穿過(guò)所述側(cè)壁并且伸入到所述容器中的上述冶金噴管。
最好，選擇所述噴管的尺寸以使所述噴管伸入到所述容器中的長(zhǎng)度至少為1.5米并且使所述噴管在該長(zhǎng)度上是自支撐的。
最好，所述噴管的自支撐長(zhǎng)度至少為2.5米。
最好，所述噴管以與水平呈30至60度的一個(gè)角度向下穿過(guò)所述容器的側(cè)壁并且伸入到所述容器的爐膛區(qū)域中。
最好，側(cè)壁包括一個(gè)由水冷鑲板制成的部分并且所述噴管穿過(guò)該部分。


為了能夠更充分地描述本發(fā)明，下面將參照附圖對(duì)一個(gè)特定實(shí)施例進(jìn)行描述，在附圖中圖1是一個(gè)通過(guò)包含本發(fā)明所涉及的一對(duì)固體注射噴管的冶金容器的一個(gè)垂直截面圖；圖2A和圖2B通過(guò)A-A線結(jié)合在一起以形成一個(gè)通過(guò)一個(gè)固體注射噴管的縱向截面圖；圖3是通過(guò)所述噴管的一個(gè)后端的放大的縱向截面圖；圖4是通過(guò)所述噴管的一個(gè)前端的放大的縱向截面圖；圖5是通過(guò)所述噴管的一個(gè)前端的一個(gè)部分的放大的縱向截面圖，其中示出了所述套的過(guò)渡部分；以及圖6是圖2B中的線6-6上的一個(gè)放大的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了適于實(shí)施如在國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)PCT/AU96/00197中所描述的Hismelt方法的直接熔煉容器，在該國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)中所披露的內(nèi)容在這里作為參考。下面描述的內(nèi)容關(guān)于鐵礦石的熔煉以生產(chǎn)鐵水。
參照附圖，冶金容器用附圖標(biāo)記11表示并且具有一個(gè)爐膛，所述爐膛包括由耐火材料磚制成的底部12和側(cè)部13；側(cè)壁14，側(cè)壁14從爐膛的側(cè)部13向上延伸的基本上為圓柱形筒體并且包括由水冷鑲板制成的上筒體部分151和由水冷鑲板以及耐火材料磚的內(nèi)襯制成的下筒體部分153；爐頂17；用于廢氣出口18；用于連續(xù)排出熔融金屬的前爐19；以及用于排出熔渣的出渣口21。
在使用中，所述容器盛裝鐵水和渣的熔池，鐵水和渣的熔池在靜態(tài)下包括熔融金屬層22和在金屬層22上的熔渣層23。術(shù)語(yǔ)“金屬層”的含義在這里應(yīng)該被理解為熔池中主要為金屬的區(qū)域。術(shù)語(yǔ)“熔渣層”的含義在這里應(yīng)該被理解為熔池中主要為熔渣的區(qū)域。由附圖標(biāo)記24標(biāo)注的箭頭表示金屬層22的標(biāo)稱靜表面，由附圖標(biāo)記25標(biāo)注的箭頭表示熔渣層23(即，熔池的)的標(biāo)稱靜表面。術(shù)語(yǔ)“靜表面”的含義在這里應(yīng)該被理解為當(dāng)沒(méi)有將氣體和固體物質(zhì)注射到容器中時(shí)的表面。
該容器裝有向下延伸的熱空氣噴管26以將熱空氣流輸送到容器的上部區(qū)域中。
該容器還裝有固體注射噴管27(圖中示出了兩個(gè))，所述固體注射噴管27向下和向內(nèi)穿過(guò)側(cè)壁14并且伸入到渣層23中以將鐵礦石、含碳的固體材料以及夾雜在缺氧載體氣體中的助熔劑注射到熔池中。選擇噴管27的位置以便在操作過(guò)程中使它們的進(jìn)入點(diǎn)位于熔渣層23的靜表面25的上方并且使它們的輸出端28位于金屬層22的表面上方。噴管的該位置能夠降低由于與熔融金屬接觸而受到損壞的危險(xiǎn)并且還能夠利內(nèi)部強(qiáng)制水冷對(duì)噴管進(jìn)行冷卻，而且不會(huì)出現(xiàn)水接觸到容器中的熔融金屬的重大危險(xiǎn)。噴管27以與水平呈30至60度的一個(gè)角度伸入到容器中，并且伸入到容器中長(zhǎng)度至少為1.5米，所述噴管在該長(zhǎng)度上是自支撐的。在圖2至圖6中詳細(xì)地示出了該固體注射噴管的結(jié)構(gòu)。
在使用該容器以實(shí)施Htsmelt方法時(shí)，鐵礦石、含碳的固體材料(通常為煤)以及夾雜在一種載體氣體(通常為氮?dú)?中的助熔劑(通常為氧化鈣和氧化鎂)通過(guò)噴管27被注射到熔池中。固體材料/載體氣體的動(dòng)量使固體材料和氣體透入熔池的下部區(qū)域。固體材料和載體氣體的注射使熔融金屬、固體碳和熔渣上浮，從而在熔池中產(chǎn)生劇烈的攪動(dòng)，使熔池體積膨脹并且具有一個(gè)由箭頭30表示的表面。這樣的攪動(dòng)使整個(gè)熔池的溫度非常均勻，熔池的溫度通常為1450-1550℃。另外，由于熔融金屬、固體碳和熔渣上浮而產(chǎn)生的熔融材料的飛濺物質(zhì)、液滴和物質(zhì)流的向上移動(dòng)延伸到在容器中的熔池上方的頂部空間31中并且(a)形成一個(gè)過(guò)渡區(qū)域28；以及(b)將一些熔融材料(主要為熔渣)拋射到過(guò)渡區(qū)域28外并且達(dá)到側(cè)壁14的上部筒體部分151中位于過(guò)渡區(qū)域28上方的部分以及爐頂17上。
膨脹的熔池和過(guò)渡區(qū)域28限定了一個(gè)升高的熔池。
除了上述內(nèi)容以外，通過(guò)噴管26噴射的溫度在800至1400℃的熱空氣流在過(guò)渡區(qū)域28中與反應(yīng)氣體一氧化碳和氫氣二次燃燒并且在該氣體空間中產(chǎn)生大約為2000℃或者更高的高溫。該熱量被傳遞到在氣體噴射的區(qū)域中熔融材料的的上升和下降的液滴、飛濺物質(zhì)和物質(zhì)流上，接著該熱量被部分傳遞到整個(gè)熔池中。
參見(jiàn)圖2至圖6，每一個(gè)固體注射噴管27包括一個(gè)能夠使固體材料通過(guò)以輸送固體材料的中心芯管31以及在中心芯管31的長(zhǎng)度的大部分上包圍該中心芯管31的環(huán)形冷卻套32。
特別參見(jiàn)圖4，中心芯管31在其長(zhǎng)度的大部分上是由鋼管33制成的。中心芯管31的前端還包括一個(gè)不銹鋼部分34，不銹鋼部分34形成了一個(gè)從冷卻套32前端伸出的噴嘴。中心芯管31的前端部分34包括一個(gè)前部93和一個(gè)適配器部分35，前部93和適配器部分35在焊縫101處被焊接在一起。前端部分34通過(guò)形成在適配器部分35和管33上的螺紋36與管33相連。這種布置能夠容易地更換前端部分34。
利用由一系列模制陶瓷管形成的薄涂層襯37襯在中心芯管31內(nèi)部直至前端部分34。從圖3中可以清楚地看出，利用連接器38使中心芯管31的后端與T形部件39相連，顆粒固體材料在一種加壓流動(dòng)的氣體載體(例如氮?dú)?中被輸送通過(guò)T形部件39。
首先參見(jiàn)圖2A，環(huán)形冷卻套32包括一個(gè)長(zhǎng)的空心環(huán)形結(jié)構(gòu)41和細(xì)長(zhǎng)管狀結(jié)構(gòu)45，長(zhǎng)的空心環(huán)形結(jié)構(gòu)41包括由外圓角端連接器44互連的外管42和內(nèi)管43，細(xì)長(zhǎng)管狀結(jié)構(gòu)45設(shè)置在空心環(huán)形結(jié)構(gòu)41內(nèi)以將結(jié)構(gòu)41的內(nèi)部分成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的環(huán)形內(nèi)水流動(dòng)通道46和一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的環(huán)形外水流動(dòng)通道47。
特別參見(jiàn)圖4，套32的前端連接器44是由實(shí)心熱椴銅坯手工制成的。連接器44的材料選擇基于在高于1300℃的操作溫度下提供高的熱傳導(dǎo)性能。
外管42和內(nèi)管43通常至少為2米長(zhǎng)。內(nèi)管43是由鋼制成的并且其前端在焊縫83處與前端連接器44焊接在一起。外管43分為兩個(gè)主要部分，一個(gè)前部50和一個(gè)后部48，并且包括一個(gè)位于它們之間并在焊縫95、97處與這兩個(gè)主要部分焊接在一起的過(guò)渡部分51。前部50是由銅制成的，后部48和過(guò)渡部分51是由鋼51制成的。在前部50和過(guò)渡部分51之間的焊縫95是利用鎳或者鎳合金焊接形成的。焊接步驟包括將需要焊接的部分預(yù)熱到600℃。前部50在焊縫79處被焊接到前端連接器44上。噴管中在過(guò)渡部分51前面的部分是噴管的前端部分和過(guò)渡部分51，噴管中在過(guò)渡部分51后面的部分是噴管的主體部分。內(nèi)管43和外管42的后部48的材料選擇基于當(dāng)暴露在容器中高于1300℃的溫度下時(shí)能夠保持噴管的結(jié)構(gòu)整體性。因此，在對(duì)這些部件進(jìn)行材料選擇時(shí)，主要考慮的是這些部件作為結(jié)構(gòu)件的性能。外管42的前部50的材料選擇基于在高于1300℃的操作溫度下提供高的熱傳導(dǎo)性能。為了滿足性能要求，前部50的壁厚大于后部48的壁厚。過(guò)渡部分51形成有從焊接到前部50的一端到焊接到后部48的另一端逐漸減小的壁厚。
利用在焊縫85處與一個(gè)機(jī)加工鋼制前端部件49焊接在一起的長(zhǎng)鋼管60形成細(xì)長(zhǎng)的管狀結(jié)構(gòu)45，所述機(jī)加工鋼制前端部件49安裝在空心管狀結(jié)構(gòu)41的前端連接器44內(nèi)以形成一個(gè)環(huán)形的端部流動(dòng)通道53，環(huán)形的端部流動(dòng)通道53將內(nèi)水流動(dòng)通道46和外水流動(dòng)通道47的前端互連在一起。
從圖4中可以清楚地看出，焊縫79、83和85在軸向上是偏置的以便于套32的構(gòu)成。該布置是這樣的，即，首先利用前端連接器44和內(nèi)管43焊接在一起并形成焊縫83來(lái)組裝套32的部件。下一步是利用一系列軸向間隔的銷(xiāo)釘70將前端部件49連接到前端連接器44上，接著將管60焊接到前端部件49上。在軸向上將合成的焊縫85設(shè)置在焊縫83前面能夠在形成焊縫85時(shí)使對(duì)已經(jīng)形成的焊縫83產(chǎn)生的熱作用達(dá)到最小。最后的步驟是將外管42(先前已經(jīng)通過(guò)將前部50、過(guò)渡部分51和后部48焊接在一起而被組裝的外管42)焊接到前端連接器44上。同樣，在軸向上將合成的焊縫75設(shè)置在焊縫85前面能夠在形成焊縫79時(shí)使對(duì)已經(jīng)形成的焊縫85產(chǎn)生的熱作用達(dá)到最小。
環(huán)形冷卻套32的后端設(shè)有進(jìn)水口52和出水口54，冷卻水流可通過(guò)進(jìn)水口52被引入到環(huán)形內(nèi)水流動(dòng)通道46中，通過(guò)出水口54從在噴管的后端處的外環(huán)形通道47能夠?qū)⑺槌觥Ｒ虼?，在噴管的使用過(guò)程中，冷卻水通過(guò)環(huán)形內(nèi)水流動(dòng)通道46向前且向下流過(guò)所述噴管，接著向外和向后圍繞環(huán)形前端通道51進(jìn)入環(huán)形外通道47，水通過(guò)環(huán)形外通道47沿著噴管回流并且通過(guò)出水口53排出。這確保最冷的水與輸入的固體材料進(jìn)行熱傳導(dǎo)，從而能夠確保固體材料在從噴管的前端排出之前沒(méi)有熔化或者燃燒并且能夠?qū)νㄟ^(guò)所述噴管的中心芯管注射的固體材料進(jìn)行有效的冷卻以及對(duì)噴管的前端和外表面進(jìn)行有效的冷卻。
管42的外表面和空心環(huán)形結(jié)構(gòu)41的前端部件44加工有由矩形凸臺(tái)54形成的規(guī)則圖案，每一個(gè)矩形凸臺(tái)54具有一個(gè)底切或者燕尾槽截面以使凸臺(tái)用作鍵式構(gòu)造以使熔渣凝固在噴管的外表面上。在噴管上的凝固熔渣有助于使噴管的金屬部件中的溫度最小化。在使用中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，凝固在噴管的前端或者尖端上的熔渣用作形成一個(gè)固體材料延伸管的基底，固體材料延伸管作為噴管的一個(gè)延伸部分能夠進(jìn)一步保護(hù)暴露在容器內(nèi)的惡劣操作環(huán)境下的噴管的金屬部件。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)噴管的前端進(jìn)行冷卻是重要的，以便保持圍繞環(huán)形端部流動(dòng)通道51的高水流速度。特別是，最希望在該區(qū)域中保持大約為每秒10米的水流速度以獲得最大的熱傳導(dǎo)。為了在該區(qū)域中保持最大的水流速度，水流過(guò)通道51的有效截面遠(yuǎn)小于環(huán)形內(nèi)水流動(dòng)通道46和環(huán)形外水流動(dòng)通道47的有效截面。內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)45的前端部件49的形狀和位置被這樣設(shè)定，即，使來(lái)自于環(huán)形內(nèi)通道46的前端的水流過(guò)一個(gè)向內(nèi)減小的或者逐漸變細(xì)的噴嘴流動(dòng)通道部分61以便在水進(jìn)入端部流動(dòng)通道53之前使渦流和損失達(dá)到最小。端部流動(dòng)通道53還在水流方向上減小有效流動(dòng)面積以使圍繞該通道中的彎曲部分和返回環(huán)形外水流動(dòng)通道47的較高的水流速度。這樣，能夠在冷卻套的前部區(qū)域中達(dá)到所需的高水流速度，并且沒(méi)有過(guò)大的壓力降和在噴管的氣體部分中堵塞的危險(xiǎn)。
為了保持圍繞前端通道51的適當(dāng)?shù)睦鋮s水速度以及使熱傳導(dǎo)波動(dòng)達(dá)到最小，在前端部件49、管狀結(jié)構(gòu)45和空心環(huán)形41的端部部件44之間保持一個(gè)恒定的可控制的間隔是重要的。由于在噴管的部件中存在不同的熱膨脹和收縮，因此這帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題。特別是，空心環(huán)形41的外管42所經(jīng)受的溫度遠(yuǎn)高于該結(jié)構(gòu)的內(nèi)管所經(jīng)受的溫度，因此該結(jié)構(gòu)的前端易于以如圖4中的虛線62所示的方式向前卷曲。當(dāng)噴管暴露在熔煉容器內(nèi)的操作環(huán)境下時(shí)可能會(huì)使限定通道53的部件44、49之間的間隙打開(kāi)。相反，如果在操作過(guò)程中存在溫度降，那么該通道可能會(huì)關(guān)閉。為了克服這個(gè)問(wèn)題，使空心環(huán)形41的內(nèi)管43的后端被支撐在一個(gè)滑動(dòng)裝置63中以使其能夠相對(duì)于該結(jié)構(gòu)的外管42進(jìn)行軸向移動(dòng)，內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)45的后端也被安裝在一個(gè)滑動(dòng)裝置64中并且利用一系列周向間隔的連接器夾板65使內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)45的后端與結(jié)構(gòu)41的內(nèi)管43相連以使管43和45能夠一起進(jìn)行軸向移動(dòng)。另外，利用周向間隔的銷(xiāo)釘70使空心環(huán)形41和內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)45的端部部件44、49得到有效的互聯(lián)以便在噴管套的熱膨脹和收縮移動(dòng)下保持適當(dāng)?shù)拈g隔。
利用與一個(gè)水流歧管結(jié)構(gòu)68相連的環(huán)66提供用于管狀結(jié)構(gòu)45的內(nèi)端的滑動(dòng)裝置64，水流歧管結(jié)構(gòu)68限定了進(jìn)水口52和出水口53并且環(huán)66被O形密封圈69密封。類(lèi)似地，利用緊固在一個(gè)水流歧管結(jié)構(gòu)68上的環(huán)法蘭71提供用于結(jié)構(gòu)41的內(nèi)管43后端的滑動(dòng)裝置63并且環(huán)法蘭71被O形密封圈72密封。一個(gè)環(huán)形活塞73被設(shè)置在環(huán)法蘭71內(nèi)并且利用螺紋連接80與結(jié)構(gòu)41的內(nèi)管43后端相連以關(guān)閉能夠接收從進(jìn)水口52輸入的冷卻流的進(jìn)水歧管腔74?；钊?3在環(huán)法蘭71上的堅(jiān)硬表面內(nèi)滑動(dòng)并且裝有0形密封圈81、82。由活塞73提供的滑動(dòng)密封不僅能夠使內(nèi)管43由于結(jié)構(gòu)41的不同熱膨脹而移動(dòng)，而且還能夠使管43為了適應(yīng)由于冷卻套中過(guò)大的水壓所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)41的任何移動(dòng)而進(jìn)行移動(dòng)。如果由于一些原因，使冷卻水流的壓力過(guò)大，那么結(jié)構(gòu)41的外管將被向外壓迫并且活塞73使內(nèi)管移動(dòng)，從而能夠緩解升高的壓力。在活塞73和環(huán)法蘭71之間的內(nèi)部間隙75通過(guò)排出孔76排放以使活塞73移動(dòng)并且將漏過(guò)活塞的水排出。
環(huán)形冷卻套32的后部設(shè)有在噴管向下的部分路徑中的一個(gè)外加固管83并且限定了一個(gè)環(huán)形冷卻水通道84，經(jīng)進(jìn)水口85和出水口86的一個(gè)單獨(dú)的冷卻水流通過(guò)環(huán)形冷卻水通道84。
通常，通過(guò)冷卻套的冷卻水在最大操作壓力為800kPa的情況下的流量為100m3/Hr以在所述套的前端區(qū)域中產(chǎn)生10米/秒的水流速度。冷卻套的內(nèi)部和外部可承受大約200℃的溫度差并且在噴管的操作過(guò)程中管42和45在滑動(dòng)裝置63、64內(nèi)的移動(dòng)是可接受的，但是端部通道51的有效流動(dòng)橫截面積在整個(gè)操作環(huán)境下基本上保持恒定。
盡管所設(shè)計(jì)的噴管適于將固體注射到直接還原熔煉容器中，但是應(yīng)該理解的是，可使用類(lèi)似的噴管將固體顆粒材料引入到任何具有高溫環(huán)境的冶金容器或者感應(yīng)容器中。因此，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不限于上述具體結(jié)構(gòu)，許多變型和改進(jìn)將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種能夠延伸到一個(gè)容器中以將固體顆粒材料注射到盛裝在該容器內(nèi)的熔融材料中的細(xì)長(zhǎng)臺(tái)金噴管，所述噴管包括(a)一個(gè)使固體顆粒材料通過(guò)的中心芯管；(b)在中心芯管的長(zhǎng)度的大部分上包圍該中心芯管的環(huán)形冷卻套，該冷卻套限定了一個(gè)包圍所述芯管的細(xì)長(zhǎng)的環(huán)形冷卻劑內(nèi)流動(dòng)通道、一個(gè)包圍所述冷卻劑內(nèi)流動(dòng)通道的細(xì)長(zhǎng)的環(huán)形冷卻劑外流動(dòng)通道以及一個(gè)在所述套的前端處用于使環(huán)形冷卻劑內(nèi)流動(dòng)通道與環(huán)形冷卻劑外流動(dòng)通道互聯(lián)的環(huán)形端部流動(dòng)通道；(c)一個(gè)在所述套的后端區(qū)域處用于將冷卻劑輸入到所述套的環(huán)形冷卻劑內(nèi)流動(dòng)通道中的冷卻劑輸入裝置；以及(d)一個(gè)在所述套的后端區(qū)域處用于將冷卻劑從所述環(huán)形冷卻劑外流動(dòng)通道中輸出冷卻劑的冷卻劑輸出裝置，從而可使冷卻劑沿著環(huán)形冷卻劑內(nèi)流動(dòng)通道向前流動(dòng)到所述套的前端，接著通過(guò)所述環(huán)形端部流動(dòng)通道并且向后通過(guò)所述環(huán)形冷卻劑外流動(dòng)通道，其中，(i)所述套的前端部分的外壁是由具有高熱傳導(dǎo)性能并且當(dāng)所述套被冷卻劑流冷卻時(shí)能夠長(zhǎng)時(shí)間承受在1100℃以上的外部溫度的第一材料制成的；(ii)所述套的主體部分的外壁是由當(dāng)所述套被冷卻劑流冷卻時(shí)被長(zhǎng)時(shí)間暴露在1100℃以上的外部溫度下時(shí)能夠保持其結(jié)構(gòu)性能的第二材料制成的，因此，該外壁用作一個(gè)有助于在這些溫度下支撐所述噴管的結(jié)構(gòu)部件；以及(iii)所述前端部分的外壁與所述主體部分的外壁被焊接在一起。
2.如權(quán)利要求1所述的噴管，其特征在于，所述套包括位于所述前端部分的外壁和所述主體部分的外壁之間的過(guò)渡部分，所述過(guò)渡部分被焊接到所述兩個(gè)外壁上。
3.如權(quán)利要求2所述的噴管，其特征在于，所述主體部分的外壁的壁厚小于所述前端部分的外壁的壁厚。
4.如權(quán)利要求3所述的噴管，其特征在于，在所述過(guò)渡部分的一端處的壁厚與所述前端部分的外壁壁厚相同，而在所述過(guò)渡部分的另一端處的壁厚與所述主體部分的外壁壁厚相同。
5.如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的噴管，其特征在于，所述第一材料是銅或者銅合金。
6.如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的噴管，其特征在于，所述第二材料是鋼。
7.如權(quán)利要求2至4以及從屬于權(quán)利要求2時(shí)的權(quán)利要求5和6中任何一項(xiàng)所述的噴管，其特征在于，所述過(guò)渡部分是由鋼制成的。
8.如權(quán)利要求2至4以及從屬于權(quán)利要求2時(shí)的權(quán)利要求5至7中任何一項(xiàng)所述的噴管，其特征在于，利用鎳或者鎳合金將所述前端部分和所述過(guò)渡部分焊接在一起。
9.如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的噴管，其特征在于，所述在使用時(shí)為自支撐的噴管的長(zhǎng)度至少為1.5米.
10.如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的噴管，其特征在于，，所述環(huán)形冷卻劑內(nèi)流動(dòng)通道、環(huán)形冷卻劑外流動(dòng)通道和環(huán)形端部流動(dòng)通道是這樣被限定的，即(a)利用一個(gè)環(huán)形的外圓角端連接器在所述套的前端處使一個(gè)內(nèi)管和一個(gè)外管互聯(lián)以形成一個(gè)單獨(dú)的空心環(huán)形結(jié)構(gòu)，該空心環(huán)形結(jié)構(gòu)在所述套的前端處被所述環(huán)形的外圓角端連接器封閉；以及(b)在所述空心環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的管形結(jié)構(gòu)，所述管形結(jié)構(gòu)具有(i)一個(gè)管部，該管部在管形結(jié)構(gòu)內(nèi)延伸以將所述空心環(huán)形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部分成所述細(xì)長(zhǎng)的環(huán)形內(nèi)流動(dòng)通道和細(xì)長(zhǎng)的環(huán)形外流動(dòng)通道，以及(ii)一個(gè)前端部分，所述前端部分與所述空心環(huán)形結(jié)構(gòu)的環(huán)形的外圓角端連接器相鄰設(shè)置，以便所述環(huán)形端部流動(dòng)通道被限定在所述管狀結(jié)構(gòu)的所述前端部分和所述空心環(huán)形結(jié)構(gòu)的環(huán)形的外圓角端連接器之間。
11.如權(quán)利要求10所述的噴管，其特征在于，所述外管包括被焊接在一起的一個(gè)前部和一個(gè)后部。
12.如權(quán)利要求11所述的噴管，其特征在于，所述外管的前部限定由第一材料制成的套的前端部分的外壁。
13.如權(quán)利要求12所述的噴管，其特征在于，所述外管的后部限定由第二材料制成的套的主體部分的外壁。
14.如權(quán)利要求11至13中任何一項(xiàng)所述的噴管，其特征在于，所述外管包括位于前部和后部之間并且與它們焊接在一起的過(guò)渡部分。
15.如權(quán)利要求10至14中任何一項(xiàng)所述的噴管，其特征在于，所述外圓角端連接器由第一材料制成。
16.如權(quán)利要求10至15中任何一項(xiàng)所述的噴管，其特征在于，所述細(xì)長(zhǎng)的管狀結(jié)構(gòu)的前端部分和管部被焊接在一起。
17.如權(quán)利要求10至16中任何一項(xiàng)所述的噴管，其特征在于，所述外圓角端連接器被焊接到所述內(nèi)管和外管上。
18.如權(quán)利要求10至17中任何一項(xiàng)所述的噴管，其特征在于，在所述套的下列部件之間的焊接部分在軸向上隔開(kāi)以便于所述套的組裝(i)外圓角端連接器和內(nèi)管；(ii)外圓角端連接器和外管；以及(iii)前端部分和管部。
19.一種用于實(shí)施一種熔煉含鐵供給材料以生產(chǎn)熔融黑色金屬的基于熔池的方法的容器，所述容器包括爐膛、從爐膛向上延伸的側(cè)壁以及至少一個(gè)穿過(guò)所述側(cè)壁并且伸入到所述容器中的如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所限定的任何一種冶金噴管。
20.如權(quán)利要求19所述的容器，其特征在于，所述噴管伸入到所述容器中的長(zhǎng)度至少為1.5米并且使所述噴管在該長(zhǎng)度上是自支撐的。
21.如權(quán)利要求20所述的容器，其特征在于，所述噴管的自支撐長(zhǎng)度至少為2.5米。
22.如權(quán)利要求19至21中任何一項(xiàng)所述的容器，其特征在于，所述噴管以與水平呈30至60度的一個(gè)角度向下穿過(guò)所述容器的側(cè)壁并且伸入到所述容器的爐膛區(qū)域中。
全文摘要
本發(fā)明披露一種能夠?qū)⒐腆w顆粒材料注射到盛裝在一個(gè)容器(1)內(nèi)的熔融材料中的細(xì)長(zhǎng)冶金噴管(27)，包括一個(gè)能夠使固體顆粒材料通過(guò)的中心芯管(31)；在中心芯管的長(zhǎng)度的大部分上包圍該中心芯管的環(huán)形冷卻套(32)；冷卻劑輸入裝置(52)；以及冷卻劑輸出裝置(53)。套的前端部分的外壁是由具有高熱傳導(dǎo)性能并且當(dāng)所述套被冷卻劑流冷卻時(shí)能夠長(zhǎng)時(shí)間承受在1100℃以上的外部溫度的第一材料制成的。套的主體部分的外壁是由當(dāng)套被冷卻劑流冷卻時(shí)被長(zhǎng)時(shí)間暴露在1100℃以上的外部溫度下時(shí)能保持其結(jié)構(gòu)性能的第二材料制成的，該外壁用作一有助于在這些溫度下支撐噴管的結(jié)構(gòu)部件。前端部分的外壁與主體部分的外壁被焊接在一起。
文檔編號(hào)C21C7/04GK1430679SQ01810194
公開(kāi)日2003年7月16日 申請(qǐng)日期2001年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月30日
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