进入口配置及其成形方法与流程

本发明涉及一种进入口配置，特别地但不仅限于一种能够对容器中的熔融金属进行搅拌的进入口配置。此外，本发明涉及一种此种进入口配置的成形方法。

背景技术：

参考图1，例如在钢的生产中，利用了bos（碱性氧炼钢（basicoxygensteelmaking））工艺。在此种工艺中，批量的来自鼓风炉的热金属2在被称为转炉或bof（碱性氧气转炉）的容器4中转化成钢。氧气通过多口喷枪6从上方吹入，目的是除去在加工中已经被引入到被加入至容器中的热金属和废钢中的杂质例如碳、硅和磷。随着氧气被引入，这会燃烧存在的碳，将混合物的碳含量从约4.5％降低到0.04-0.06％之间，并且提高容器温度。通过氧的引进和碳的燃烧来形成一氧化碳和二氧化碳，容器中的混合物被搅拌。然而，随着混合物的碳含量降低，一氧化碳和二氧化碳的量降低，因此减弱了混合效果。为此，采用风嘴8形式的进入口组件来将典型的惰性气体注入熔融金属中，以便搅拌熔融金属是已知的。这维持了混合效果。通常地，风嘴延伸穿过bof的耐火内衬10、钢包、脱气装置或中间包。采用更多的风嘴来确保适当量的气体注入熔融金属中以实现期望的脱碳、脱磷、混合物的均一和混合物温度的均一的过程。

典型地，风嘴由不锈钢形成并且具有穿过该风嘴的喷嘴，气体能够通过该喷嘴被注入到熔融金属中。气体通过喷嘴排出并且通入至金属熔池中并且气体通常形成线性路径而不是有角度的或循环的路径。

不同形式的风嘴或气体注入设备已被设计来将气体注入到熔融金属中。us3645520描述了一种螺旋型喷枪，该螺旋型喷枪在熔融钢的熔池的表面下方被引入来主要用于熔融金属的脱碳。气体在熔池中的熔融金属的表面下方被吹入而不通过容器的耐火侧壁。

另一已知的进入口配置是风嘴，其中钻有多个穿过耐火材料的洞以形成孔，并且不锈钢插入件被插入至所形成的孔中。导管的数量是可变的，并且通常可以在24和100之间，每个导管具有插入其中的不锈钢管。

目前使用的另一种进入口配置如图2所示。在这个附图中，示出了被插入穿过耐火砖12中的孔的不锈钢套管10的剖视图。芯14被插入到该套筒10中，具有形成在具有峰和谷的外围表面上的多个半圆形通道14，其中一旦芯被插入套筒10中，峰邻接套筒10的内表面从而形成用于将气体注入至容器中的多个独立的通道14。芯14本身的自不锈钢径向向内的部分可以具有不同的芯材料。

已知的进入口组件例如插入有已知的不锈钢插入件的风嘴存在重大问题。第一种现象是当通过通道14注入气体时由于熔融金属循环导致的反冲的影响。气泡形成在通道14的远端处，然后一旦达到平衡就会破裂。当它们这样时，熔融金属和残留的小的额外的部分范围的气体被迫返回到与耐火砖的围绕通道14的远端的区域接触。这发生的频率可以是约7hz（每秒形成7个气泡）。熔融金属撞击不锈钢插入件，可以进入插入开口，并且可以被迫进入插入件和周围耐火物质之间的界面中，导致对两者的损坏。被迫回流的气体可具有约400℃的温度，并且熔融金属可在1400-1700℃，因此在砖的围绕通道14的远端的区域处的温度持续变化。这以及金属冲击导致耐火砖材料的磨损。增加注入的气体的流速降低了频率，但是同时每个冲击更大，这意味着不利影响依然较大。

另一个问题来自注入气体的冷却效应。所注入的气体导致气泡周围的区域的持续冷却，这可导致熔融金属在容器中围绕该区域凝固。该固化的金属连接到不锈钢插入件。它可以是多孔的或可以是实心的，并且其效果是转移或降低气流的流速。当凝固的附着物在容器循环期间熔化或脱离时，围绕通道14的远端可能发生大量磨损，增加了由于每个气泡形成而反复冷却和加热所引起的磨损，从而增加了磨损率。

这些效应难以控制。其程度和严重性取决于在组件的远端处的耐火材料的特性以及不锈钢插入物的存在。由于气泡形成和容器过程循环，在风嘴的远端区域中的耐火材料的热循环引起热机械损伤。

在已知的风嘴中用作牺牲材料的不锈钢的另一个问题是不锈钢中的铬被引入到容器中的熔融金属中而影响所生产的钢的纯度。

bof中风嘴的磨损可以每批次处理的循环中多达0.3-1mm并且其相关联的温度升高。

为了克服这些缺陷，在设定次数的循环之后，风嘴被封，且另一个孔被钻通容器壁用于插入另一个不锈钢套筒。这耗时、危险、并且也难以确保该孔被笔直地钻穿单个砖而非自砖之间横跨（cross）。这种横跨引入了固有缺点和潜在的随着不锈钢磨损而增加磨损的点。

由于上述重大的不利影响，目前的风嘴使用寿命极短，这意味着通常风口可能在容器的800次加热和冷却循环之后已经被侵蚀到不可用状态。本发明改进了这种循环。

本发明寻求通过提供一种能够将气体引入熔池中使得熔池中的材料具有良好的分散的进入口配置来克服现有技术的问题。此外，进入口配置的形式避免了材料积聚或侵蚀与容器中的熔融金属连通的进入口配置的远端，以便改善使用寿命。

技术实现要素：

根据本发明的第一个方面，提供了一种用于将气体引入熔融金属中以引起熔融金属的搅拌的进入口配置，该进入口配置具有限定气体流动路径的纵向间隔的入口和出口，该进入口配置包括内部部件和外部部件，该内部部件形成具有外周缘的芯，该外部部件包括穿过其的孔，该孔具有围绕内部部件的外周缘布置的内周缘，且具有由内部部件的外周缘和外部部件的内周缘之间的间隙限定的路径，该装置还包括跨越内部部件的外周缘和外部部件的内周缘之间的间隙的一个或多个桥，其中第一部件和第二部件由耐火材料形成。

该进入口配置可以被称为搅拌装置，因为气体通过其被注入到容器中，通常包含熔融金属，用于搅拌熔融金属以助于熔融金属的均质，并且还用于确保，典型地对于熔融钢，使碳和磷的存在被最大化地减少。在生产其它金属时，可以除去其它杂质。这种进入口配置也可以被称为钢铁生产中的风嘴。

耐火材料是能够承受高温的一类技术陶瓷材料，高熔点结晶氧化物和非氧化物（例如碳化物）、碳和石墨、金属添加剂以及其它材料例如沥青和树脂构成的复杂复合材料。这种定义可以在fruehanr.j.(主编)的themaking,shapingandtreatingofsteel–steelmakingandrefiningvolume(钢铁的制造、成型和处理——炼钢和精炼卷)((11thed.)pittsburg(1998):theaisesteelfoundation)中的hubble,d.h.的steelplantrefractories（钢铁厂耐火材料）中找到。由于气泡形成和容器过程循环，在靠近风嘴出口的远端区域中的耐火材料的热循环导致在已知系统中的热机械损伤，然而这通过使用耐火材料用于内部部件和外部部件来缓解。

在出口处或邻近出口处的内部部件和外部部件之间即未被横向地提供有金属部件，即在进入口组件的工作端/远端处，也未优选地被纵向地提供为从进入口配置的大半纵向长度的出口延伸出。

外部部件有益地用耐火砌块的形式。因此在安装容器的工作衬的同时，该砖被安装在容器中，并且将持久至容器本身的寿命。孔的周缘因此有益地是与耐火砖的其余部分相同的材料。

该进入口组件可以由整块材料形成被成形为具有内部部件和外部部件的单个构件。

可替换地，内部部件和外部部件被成形为独立的构件并且被结合在一起来形成该进入口组件。

无论该进入口组件被成形为单个构件或被由独立的构件结合在一起，该进入口组件由耐火材料组成是有益的，并且有益地是芯和外面的耐火材料在制造过程中被压制以增加密度，从而减少孔隙率。

内部部件和外部部件优选地被同轴地间隔开来使得间隙在横向方向上基本是一致的。该间隙在横向方向上在0.1mm至2mm的范围内。此外，优选的间隔是0.8mm至1.2mm。该间隙优选地在进口和出口之间基本上保持恒定。该间隙优选地由一个环形限定，并且孔和芯优选为同轴的。该间隙优选地为芯和孔之间的径向间隔。

内部部件的外周缘和外部部件的内周缘优选地朝出口向内形成锥形。这意味着芯的邻近出口处断裂的情况下，芯的断掉的部分将不会进入到熔融材料中而在出口处留下易于增加故障的弧坑（crater）。锥度优选较小，并且可以在约1度和5度之间，优选地基本是3度。这小于已知系统中的锥度，意味着穿过该间隙的气体的流速在整个进入口组件的总寿命期间基本上恒定。

孔的最大横向宽度可以小于200mm，优选地小于100mm，优选地在60-80mm范围内，并且优选地在70-72mm范围内。应当理解，孔可以朝向出口形成锥形，并且因此孔的最大横向宽度可以朝向出口减小。

该一个或多个桥优选地与芯一体成形。该一个或多个桥在制造期间自芯上被加工成是有益的。

该一个或多个桥优选地在纵轴上是非线性的。优选地，该一个或多个桥是螺旋的。这是有利的，因为其提供了内部部件和外部部件之间的良好接触。该一个或多个桥优选地连续地延伸入口和出口之间的大半距离。这还确保了随着该装置随时间磨损时的良好接触。该大半距离意思是大于出口和邻近的入口之间距离的50%，优选地是该出口和邻近的入口之间的距离。

该一个或多个桥可以包括多个分离的桥。该桥可以是不同的形式例如圆形。该桥可以具有正方形的截面轮廓或矩形的截面轮廓。

耐火材料优选地是氧化镁-碳基耐火材料。这种耐火材料可以是基于用沥青或树脂粘合的烧结镁砂、熔融镁砂或白云石，并且还包括碳含量高达24%的石墨和/或碳黑的添加剂。为了提高强度和保护碳不被燃尽，可以加入抗氧化剂（al，mg，碳化物）。

进入口组件已经用bos工艺的示例进行了描述，然而其也可以被安装在转炉、钢包、其他钢处理容器如脱气器和中间包中以及被安装在电弧炉的底部和dc（直流）电弧炉的底部。

碳在耐火材料中的百分重量优选地是10至30％，更优选地是12至20％。

耐火材料可以用柔性粘合剂形成。由回击(back-attack)和冷却效应的组合产生的热机械应力导致耐火物质的剥落。因此，制成搅拌元件的材料必须具有良好的抗剥落性。这可以通过改变碳含量和/或提高对故障的应变来提高热导率来实现。这种性质，有时称为柔性，表示耐火物质承受热机械应力的能力，其可以例如通过使用树脂和沥青的组合来改性粘合系统而得以改善。耐火材料优选地具有相对高的热导率。

本发明允许更长的寿命并且允许在通过和离开装置时由于气体的流体动力学而提供更好的搅拌。当将气体引入至熔融金属的熔池中时，本发明减少了进入口组件的烧损或腐蚀。

并且根据本发明，存在一种制造用于将气体引入熔融金属中以引起熔融金属的搅拌的进入口配置的方法，其包括提供由耐火材料形成的的内部部件以形成位于由耐火材料形成的外部部件内的具有外周缘的芯，该外部部件包括穿过其的具有内周缘的孔，该内部部件被放置为使得外部部件的内周缘围绕内部部件的外周缘，内部部件的外周缘和外部部件的内周缘之间提供有间隙来限定气体流动的路径，并提供有跨越内部部件的外周缘和外部部件的内周缘之间的间隙的一个或多个桥。

该方法有益地包括将内部部件插入至外部部件中的步骤。应当理解，内部部件和外部部件可以被各自分别地形成，并且因此将内部部件被插入至外部部件中以提供进入口组件。有益的是，内部部件和外部部件形成干涉接合（interferenceengagement），其中所述桥确保内部部件的外周缘和外部部件的内周缘之间的间隙。这限定了穿过其的气流的路径。

该方法还优选地包括形成内部部件以包括内部部件的外周缘上的一个或多个桥的步骤。该方法优选地包括将所述一个或多个桥加工在内部部件中来有效地从成形材料中去除物质，以使该一个或多个桥突出于内部部件的外周缘。该加工可以通过例如cnc加工来完成。

该方法可以包括围绕成型器形成外部部件并移除该成型器来形成孔的步骤。如先前所描述的，有益的是，内部部件和外部部件由耐火材料形成。外部部件有益地通过在成型器周围压制耐火材料以及随后移除该成型器以形成孔来被成形。可以执行追加的加工以进一步定义孔的补充步骤。

可选地，该方法可以包括围绕插入件形成内部部件和外部部件的步骤，该插入件限定了间隙，其中该插入件具有孔隙使得耐火材料可以穿过该孔隙，并加热所成形的进入口组件以移除该插入件。

该插入件可以是通过热解、蒸发或溶解在制造期间被除去的易消失的聚合物材料或纤维素材料的穿孔片。穿孔的分布和轮廓将是适于应用和制造方法的选择问题。穿孔的形状由此定义了桥的形状。与这种形成进入口组件的方法相关的优点是，内部部件和外部部件能够通过在插入件周围使材料形成并随后移除该插入件来被整体地成形。在进入口组件由耐火材料制成的情况下，耐火材料可以在插入件周围被压制，接着插入件可以被移除。

根据一个可选的方面，提供了一种用于将气体引入熔融金属的风嘴，该风嘴由至少两个部分形成，该至少两个部分包括内部部件和外部部件，该内部部件形成具有外周缘的芯，该外部部件被提供为在具有与内部部件的外周缘相镜像对应的形状的管，在内部部件和外部部件之间存在间隙，该间隙提供穿过风嘴的气体的出口，其特征在于，具有跨越该内部部件和外部部件之间的间隙的一个或多个桥。优选地，外部部件被提供为环形管。然而，其他形状的管也能够使用。据设想，内部部分是实心芯，与外部部件内被同轴地间隔开，并且限定了内部部件和外部部件之间的基本均匀的环。据设想，外部部件具有约20cm至45cm的直径，并且在内部部件和外部部件之间的环小于0.010cm。优选地，第一部件和第二部件由耐火材料形成。据设想，耐火材料具有相对高的热导率。

附图说明

现在本发明的实施例将通过例如仅参考下列附图和示例以及如下列附图和实施例中所说明的进行描述，其中：

图1是一种本发明可以应用于其中的容器的示意性截面图，并且特别地示意性地被表示为bof工艺；

图2是一种包括本领域中已知的风嘴的进入口配置的示意性剖视图；

图3是根据本发明的示例性实施例的一种进入口配置的示意性侧视图、截面图和端视图；

图4是与根据示例性实施例要求保护的一种进入口配置一起使用的第一内部部件和第二内部部件的示例性侧视图；

图5是一种可以在进入口配置的制造过程中使用的插入件的示意性透视图。

现参考图3，示出了一种进入口配置20，在图3a中呈现为侧视图，在图3b中呈现为横截面图，并且在图3c中被呈现为从远端22处来观察的端视图。风嘴包括被同轴地间隔开的内部部件24和外部部件26，以限定内部部件24和外部部件26之间的基本上均匀的间隙28。内部部件24可以被称为芯，并且外部部件26采用将被插入容器中且构成容器的组成部分的砖的形式。远端22形成与容器的内容物接触的接触表面，并且相对的近端30自容器向外突出。近端30包括通向间隙28的入口32，间隙28限定用于使气体能够穿过远端22处的出口34的气体通路。一装置36被提供来用于通过管38维持风嘴的近端30与气体源的接合。

内部部件24可以包括形成芯的外表面的护套（sheath）并且可以用耐火材料填充满，或有益地，芯其本身是非常耐火的材料，由此芯的外周边由耐火材料形成。因此，在相对于风嘴的纵向长度的横向方向上，在横向平面中有益地不存在金属部件。用于保持风嘴的近端的保持部件有益地由不锈钢组成。

耐火材料通常地是用于熔融金属的衬里容器中的典型材料，并且耐火材料理想地具有相对高的热导率，这有助于延长风嘴的操作寿命。典型的耐火材料是具有添加剂例如抗氧化剂的用沥青和/或树脂粘合的镁砂-碳和镁砂-石墨。

内部部件24和外部部件26有益地被同轴地间隔开来使得间隙在横向方向上基本一致。在横向方向上的间隙有利地在0.1mm至2mm的范围内。用于bof炉的典型范围是0.8mm至1.2mm。这提供和确保了良好的流速能力。如果内部部件24和外部部件26由耐火材料构成，则表面粗糙度高于传统不锈钢风嘴并且因此流动面积有利地被增加至约160mm²。

外部部件26有益地是用于直接插入至容器的结构中的耐火砖的形式。孔被提供在外部部件26中，内部部件24被提供在该外部部件26中。因此外部部件26的外部尺寸可以根据风嘴在其中被使用的容器来改变。在示例性实施例中，该外部尺寸可以是约235mm×211mm。然而，应当理解，任何容器的基础可以是弯曲的并且因此风嘴的截面的轮廓典型地不是方形而是梯形。这确保了外部部件26大体位于容器的结构中。

在示例性实施例中，内部部件或芯24的直径是约70mm。这个近似直径被提供在出口34处并且朝入口32向内地形成锥形，并且这个位置处的大概直径是72mm。通过提供外部部件26的锥形的内周缘表面和内部部件24的相镜像对应的锥形的外周缘表面，内部部件24的邻近远端22的任何断裂将意味着内部部件24的断裂部分不会断裂和进入容器中而是被保持在外部部件26的孔内。这防止在容器的在风嘴位置处的内表面上形成深腔而导致的磨损增加。

有益地是，内部部件或芯24还是高度耐受钢水和熔渣侵蚀的材料，通常地是由耐火材料例如氧化镁（mxo）组成的实心芯，并且有益地与外部部件26相同。优选地，内部部件24和外部部件26两者的耐火材料可以具有超过约6w/mk的相对高的热导率。这种材料的示例是镁砂-碳耐火物质。

内部部件24和外部部件26之间的间隙或环28通常相较本领域中已知的尺寸减小或更小。通过间隙的减小，可实现每个风嘴中气体速度的增加。

参考图3c，风嘴的远端的平面图被呈现示出风嘴的截面轮廓。可以看出，该轮廓并不是方形而是梯形以便被适当地容纳在容器中。

本发明可以被合并在脱碳、脱磷和搅拌过程中作为经济地提供执行该工艺必须的总气体量的有效方式。此外，尽管涉及刚金属熔池，本发明同样地在其他金属的熔池中有用。本发明显著地提升了风嘴的寿命，大于炼钢过程的现行方法中的典型的800次加热循环。

参考图4，呈现了内部部件24而没有外部部件26并且示出了可以被采用的内部部件24的两个示例性实施例。图4a呈现了包括外周缘40和有益地与内部部件24被一体成形的多个基本上是圆形的桥42的第一实施例。在图4a中，桥42自内部部件40的周缘向外地突出，并且当在外部部件26里面时，接合外部部件的内周缘。它们可以与外部部件的内周缘和内部部件的外周缘两者一起被一体地形成。桥42提供了确保内部部件在外部部件内的稳定性以及在内部部件和外部部件之间的用于将气体从风嘴的入口转移至出口的流动路径的双重功能。

在图4b和图4c的透视图中，一个或多个桥可以被提供并且被示出为自内部部件的外周缘突出的基本连续的突出部。该桥有益地螺旋围绕内部部件的周缘表面并且提供与外部部件的内表面的强制接合（positiveengagement），并且在这个实施例中，气体流动路径也将是螺旋的。在这个实施例中，有利地，桥是基本上连续的意味着当内部部件经使用而磨损时，在任何磨损位置处在内部部件和外部部件之间总是存在强制接合。在一个实施例中，桥的宽度是约10mm并且在截面中基本上是矩形。

本发明的进入口配置可以根据特别要求而不同地制造。在一种制造方法中，芯有益地被提供为由周围压制有耐火材料的相对硬的材料例如金属制成，该材料周围压制有耐火材料。该金属芯随后被移除而留下穿过耐火材料的孔。该孔被加工成指定的直径并且有益地是锥形，其于是形成外部部件的内周表面。内部部件还通过压制耐火材料来制造以形成截顶圆锥体来匹配外部部件的内周表面的表面形态。在其中例如图4b中特别地示出了一个或多个桥42被加工。这个被加工的内部部件然后被插入至外部部件中使得桥42与外部部件的内周表面形成干涉接合（interferenceengagement）。

在可选的实施例中，如图5中所呈现的，插入件50被放置在模具中，耐火材料在该模具周围被压制。耐火材料填充在插入件周围的所有间隙。在成型期间，耐火材料穿过插入件52的孔隙并且在内部部件24和外部部件26之间形成桥42。桥42因此跨越环形间隙。风嘴然后可以被加热至使插入件50熔化，从而仅桥被留下来跨越内部部件24和外部部件26之间的间隙。所使用的温度典型地是450℃，在该温度中塑料被烧掉而留下内部部件24和外部部件26之间的通过多个桥42来桥接的流动路径。应当理解，根据流体穿过进入口配置所需的流动特性，桥42可以具有包括圆形、椭圆形或正方形的各种形式。

本发明的实施例仅通过示例的方式给出，并且应当理解，在不脱离由所附权利要求提供的保护范围的情况下，本领域技术人员可以进行修改和变化。