防止气体从容器开口离开的方法和装置与流程

本发明涉及一种用于防止气体从容器的第一开口离开的方法和装置。

背景技术：

炉子用于各种冶金工艺中。许多炉子包括第一开口和第二开口以及用于最终产品和待回收副产物的其它开口，其中进料通过所述第一开口供给到炉子，废气或烟气通过所述第二开口从炉子移除。在冶金工艺中送入炉子中的典型材料包括精矿或矿石、助熔剂、燃料如煤或焦炭、以及空气或氧气。进料与炉内物质发生反应以生成所需的冶金产品。在该工艺期间产生废气，并且通过炉子的排气出口除去废气。在炉中下降的进料产生的灰尘也可以找到其与废气一起通过并通过排气出口移除的路线。

在冶金工艺中发现越来越广泛使用的一种类型的炉子是上部进入浸没式喷枪炉(top entry submerged lance furnace)。上部进入浸没式喷枪炉包括炉体或容器。在炉子的上部设置有进料口。在进料口的侧面设置有排气开口。炉子进料通过进料口进入炉子。喷枪通过单独的开口插入炉子中。气体和任选的燃料通过喷枪进入炉子中。喷枪的尖端延伸到炉内的熔融物中。通过喷枪注入气体搅拌炉内的熔融物并促进冶金反应。由冶金工艺产生的废气通过排气开口离开炉子。一种类型的上部进入浸没式喷枪炉是唯一的，由本申请人以ISASMELT^TM商标注册。

操作人员经常需要身体靠近炉子的进料口。因此，期望来自炉子的气体或灰尘不通过进料口离开炉子。然而，在实际中，可能难以防止炉子的气体或灰尘通过进料口离开。

可清楚理解的是，如果在此提及现有技术出版物，则该提及并不代表承认该出版物在澳大利亚或任何其他国家形成本领域的公知常识的一部分。

技术实现要素：

本发明涉及一种用于防止气体从容器中的开口离开的方法，以及一种用于防止气体从容器中的开口离开的装置，其可以至少部分克服上述缺点中的至少一个或为消费者提供有用的或商业的选择。

在一个方面，本发明提供了一种用于防止气体从容器的第一开口离开的方法，所述容器包括至少一个其它开口，气体可以通过所述其它开口离开容器，所述方法包括：向基本上围绕所述第一开口延伸的开放通道供给气体流，并使离开所述开放通道的气体流流向并流入所述容器，从而使来自所述容器外部的环境的气体被吸入所述容器中，其中，进入第一开口中的气体总流量基本上防止气体通过第一开口离开容器。

在第二方面，本发明提供了一种用于防止气体从容器的第一开口离开的装置，所述容器包括至少一个其它开口，气体可以通过所述其它开口离开容器，所述装置包括基本上围绕第一开口延伸的开放通道，所述开放通道接收气体流，使得气体流离开开放通道并流向并流入容器，以使来自容器外部环境的气体被吸入容器。

在一些实施方式中，开放通道围绕第一开口延伸。在本说明书中，术语“基本上围绕第一开口延伸的开放通道”应当被认为包括围绕第一开口延伸的单个通道，几乎完全围绕第一开口延伸的单个通道和具有端部的多个单独通道，该端部与相邻通道的一端小间距隔开，使得离开单独通道的气体引起气体内流，气体向内流过第一开口的圆周或周边范围。

在一个实施方式中，所述第一开口包括大致圆形的开口。所述开放通道可以包括围绕第一开口延伸的环形开放通道。然而，本发明可以被修改以适合任何形状的第一开口。

在一个实施方式中，所述开放通道围绕第一开口的内表面延伸。

在开放通道和容器之间的第一开口的表面可以成形，以促进离开开放通道的气体流流向并流入容器中。在一个实施方式中，开放通道和容器之间的第一开口的表面可以具有一个形状，当在朝向容器的方向上移动时，其朝向第一开口的中心向内延伸然后向外远离第一开口的中心而延伸。

在一个实施方式中，开放通道和容器之间的第一开口的表面可以形成文丘里管。

在一个实施方式中，在开放通道和容器之间的第一开口的表面包括康达表面(Coanda surface)。

在一些实施方式中，开放通道与集气室流体连通。集气室可围绕第一开口延伸。集气室接收加压气体。加压气体从集气室流过开放通道并进入容器。

集气室可以具有用于接收加压气体的至少一个、优选两个或更多个的入口。在集气室具有两个或更多个用于接收加压气体的入口的实施方式中，两个或更多个入口优选地等间隔围绕集气室。

容器可以包括具有第一开口和至少一个其它开口的任何容器，气体可以通过该其它开口离开容器。容器可以包括处理容器或储存容器。容器可以包括高温容器。容器可以包括炉子。容器可以包括上部进入浸没式喷枪炉。

所述装置还可以包括用于将材料供给到容器的进料槽。供给到容器的材料可以包括颗粒材料。进料槽还可允许喷枪通过其插入，以使得喷枪能够插入容器中。

供给到容器中的颗粒材料可选自精矿，砂，岩石，集料，煤，焦炭，工业矿物，石灰石，水泥，助熔剂，人造材料如过磷酸盐，肥料，药物，食品，化学品和/或其他天然材料如谷物，例如小麦，大麦，稻，燕麦，玉米等。

在一些实施方式中，本发明的装置包括插入容器的第一开口中的插入件。当插入件插入第一开口中时，插入件的内表面有效地限定炉子的第一开口。

在一个实施方式中，插入件包括延伸到容器的第一开口中的部分和限定围绕插入件的内周延伸的开放通道的另一部分。插入件还可以限定集气室和用于接收加压气体的至少一个入口。插入件可以包括凸缘，该凸缘与围绕容器的第一开口的外表面接触，从而相对于容器的第一开口定位插入件。

根据本发明的装置可以用于防止炉内物质从多个炉子开口排出。例如，如果炉子设置有两个开口(例如进料开口和单独的喷枪开口)，则根据本发明，每个开口可以设置有它们自己的装置。以这种方式，设置在每个开口中的该装置可以防止炉内物质从每个开口流出。本领域技术人员将理解，炉子还将包括排气系统，并且废气将通过排气系统从炉子中移除。排气系统通常将包括排气开口和适当的管道/管道工程。还可能的是，根据本发明的装置可以设置到炉子多个开口中的仅一个开口。炉子的其它开口可设置有常规的提取设备，以防止炉内物质与操作者接触。例如，进料口可以设置有根据本发明的装置，并且喷枪开口可以设置有常规的提取设备。

炉子可以具有甚至更多的开口。本领域技术人员可以选择仅仅一个到炉子的开口安装有根据本发明的装置，用于防止炉内物质从该个开口排出，炉子的其它开口装有常规提取设备。或者，本领域技术人员可以选择到炉子的两个或更多个，或甚至所有的开口安装有本发明的装置(除了排气口)，以防止炉内物质从那些开口排出。

本文所述的任何特征可以与本文所述的在本发明范围内的任何一个或多个其它特征以任何组合进行组合。

附图简要说明

将参照以下附图描述本发明的各种实施方式，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施方式的装置的俯视透视图；

图2示出了图1中所示装置的仰视透视图；

图3示出了图1中所示装置的侧视图；

图4示出了图1所示装置的平面图；

图5示出了沿图4中所示剖面线H-H截取的横截面图；

图6示出了图1所示装置的内部部分的透视图；

图7示出了图1所示装置的外部部分的透视图；

图8示出了图1中所示装置的部分地以横截面的平面图；

图9示出了图1所示装置安装到上部进入浸没式喷枪炉的进料口的示意图；

图10示出了图1所示的一种装置被安装到上部进入浸没式喷枪炉的进料口，并且图1所示的另一种装置被安装到炉子的喷枪开口的示意图；

图11示出了图1所示的一种装置被安装到上部进入浸没式喷枪炉的进料口，并且炉子的喷枪开口设置有常规的提取系统的示意图；

图12示出了在上部进入浸没式喷枪炉上进行建模的结果，其基本上类似于图10中所示的炉子，但是装配到进料口和喷枪开口的装置10不在运行中；和

图13示出了在图12所示的上部进入浸没式喷枪炉上进行建模的结果，但是装配到进料口和喷枪开口的装置10正在运行中。

具体实施方式

本领域技术人员将理解，提供附图是为了说明本发明的优选实施方式。因此，应当理解，本发明不应被认为仅限于如附图中所示的特征。

如附图所示的用于防止气体从容器中离开的装置被设计成用于上部进入浸没式喷枪炉的进料口中。上部进入浸没式喷枪炉的进料口在炉子的顶部表面中。在该实施方式中，加压气体通过围绕插入装置延伸的环形开放通道，当插入到进料口中时，插入装置有效地形成炉子的进料口。离开环形通道的气体向下移动到容器中，并使来自容器外部环境的气体也流入容器。离开环形通道的气体包括具有相对低(体积)流量但具有相对高速度的气流。注入气体和来自外部大气的夹带气体的组合产生进入炉子的进料口的气体总流量，其足以防止炉内的气体通过进料口离开炉子。

附图中所示的装置10被设计为插入到炉子进料口中的插入件。进料开口通常是大致圆形或椭圆形的入口或端口。插入件10包括下部圆柱形突出部12，其尺寸适于紧密地纳入到炉子的进料口中。凸缘14在下圆柱形突出部12上方围绕插入件10的外表面延伸。当插入件10的下圆柱形突出部12插入到进料口中时，凸缘14搁置在围绕进料口的炉子的顶表面上。这用于相对于进料口定位插入件10。可以使用其它装置来相对于进料口定位插入件。

大致圆柱形的主体部分16在凸缘14上方延伸。圆柱形主体部分具有两个管状开口18，20(如图3所示)。开口18，20可以连接到加压气体源。开口18，20可以连接到向插入件10提供加压气体的供应管或管线。加压气体源可以是任何方便的来源。加压气体可以由鼓风机或压缩机提供。

插入件10包括外部部分22(如图7所示)和内部部分24(如图6所示)。外部部件包括下部圆柱形突出部12、凸缘14、圆柱形主体部分16和管状开口18，20。从图7可以看出，插入件10的外部部件22的内表面26形成大致圆柱形表面。多个键槽28形成为从插入件10的外部部分22的下边缘向上延伸。键槽28形成为围绕外部部分22的下边缘的周边间隔开的三组。也可使用其它装置。

插入件10还包括内部部分24。内部部分24配合在外部部分22内以形成插入件10。内部部分24具有圆柱形下部区域30。间隔的突出部32形成在圆柱形下部区域30上。突出部32的尺寸和位置使得它们能够纳入到形成在插入件10的外部部分22的下边缘上的键槽28中。以这种方式，外部部分22和内部部分24可以键合在一起，使得其相对于彼此保持就位(参见图8)。也可以使用其它装置将内部部件24相对于外部部件22定位。实际上，内部部分24和外部部分22可以例如通过焊接永久地彼此固定。当内部部分24的圆柱形下部区域30与插入件10的外部部分22的圆柱形内表面26接触时，可以在内部部分24和外部部分22之间实现相对可靠的密封。如果需要，可以在插入件10的内部部分24和外部部分22之间设置诸如O形环或其它密封的附加密封。

内部部分24包括中央收缩区域(参见图6)。中央收缩区域包括从上边缘38向内延伸的上部36和沿着区域40向下和向外延伸的部分(参见图5)。从上部区域36到区域40的过渡经由平滑弯曲的表面42而发生。以这种方式，装置10的内部部分24形成由区域36，40和42的内表面限定的文丘里管或康达表面。

图5示出了装配的插入件10的横截面视图。集气室44限定在内部部分24的中央收缩区域34的外表面和外部部分22的圆柱形本体部分16的内表面之间。从图5可以看出，内部部分24的上边缘38(图6)与外部部分22的向内指向的表面46间隔开。限定在其间的空间形成开口环形通道48。开口环形通道48与集气室44流体连通，集气室44又通过管状开口18、20与压缩气体源流体连通。

在装置10的使用中，加压气体经由管状开口18、20提供到集气室44。压缩气体经由开口环形通道48离开集气室44。由于内部部分24的内表面的形状，从开口环形通道48流出的气体倾向于沿内部部分22的内表面流动，这使得从开口环形通道48流出的气体向下流动并进入炉中。这还用于从炉子外部环境夹带气体，这使得进入炉子的气体的总流量显著高于离开开口环形通道48的气体产生的气体流量。进入炉中的气体总流量足以防止来自炉的气体通过炉的进料口离开。在附图所示的实施方式中，从外部环境夹带的外部气体大部分或完全穿过存在于槽50的截头圆锥体52的外表面与从插入件的上边缘58向内和向下延伸的插入件的上部之间的间隙。

应当理解，通过进料口流入炉中的气体将最终通过炉子的排气出口离开炉子。

为了使进料能够供给到炉子中，同时使进料材料阻塞开口环形通道48的风险最小化，装置10还可以设置有进料槽50。进料槽50包括截头圆锥中空本体52，该本体52具有安装到其上的多个支撑脚54。支撑脚54包括凹部56，凹部56被成形为紧密地装配到插入件10的外部部分22的上边缘58上。在其它实施方式中，进料槽可以永久地接合到插入件。在另一个实施方式中，可以省略进料槽。

图9示出了上部进入浸没式喷枪炉60的示意性横截面图。炉60包括含有熔融材料浴的下部62。炉的顶部包括进料口64和排气出口66。废气通过排气出口66从炉中移除。排气出口66位于炉的排气区域68的一部分中。插入件10被插入到进料口64中。一旦插入，插入件10有效地形成到炉的进料口。

图10示出了另一上部进入浸没式喷枪炉的示意性横截面图。图10中所示的炉70具有许多与图9中所示的炉60相同的特征，为了方便起见，类似的特征用与图10中使用的相同的附图标记表示。其中，图10的炉70与图9的炉60的不同之处在于，图10的炉70包括喷枪开口72，喷枪开口72具有穿过其延伸到炉中的喷枪74。因此，远离炉的排气区域定位的炉70的顶部设置有两个单独的开口，即进料口64和喷枪开口72。

进料口64装配有根据本发明的装置10，以防止炉内物质从进料口64排出。类似地，喷枪开口74也装配有根据本发明的装置10，以防止炉内物质从喷枪开口72流出。在这方面，装置10有效防止炉内物质从喷枪开口72排出，即使当喷枪74延伸穿过喷枪开口72时也是如此。应当理解，废气通过排气出口66从炉中移除，这使废气流入排气管道/管道系统76，从而从炉中除去废气。排气管道/管道系统可设置有常规的排气净化系统，其性质将为本领域技术人员所充分理解。

图11示出了另一上部进入浸没式喷枪炉的示意性横截面图。图11所示的炉80与图10所示的炉70非常相似，其包括进料口64和喷枪开口72。在图11的炉80与图10的炉70之间共同的其它特征由相同的附图标记表示。其中图11的炉80与图10的炉不同之处在于，仅仅是炉80的进料口64装配有根据本发明的装置10。炉80的喷枪开口72简单地设置有常规的提取系统(未示出)，使得通过喷枪开口72离开炉的任何灰尘或炉内物质被提取系统捕获并从炉的当前位置移除。应当理解，通过根据本发明的装置10的操作，防止了灰尘或其它炉内物质通过进料口64流出。排气出口66连接到排气管道/管道系统76，从而从炉中去除废气。

图12示出了在基本上类似于图10中所示的炉70的上部进入浸没式喷枪炉上进行建模的结果。图12中所示的炉具有进料口64和喷枪开口72。还示出了排气管道系统76。进料口64和喷枪开口72都设置有根据本发明的装置10，用于防止或最小化炉内物质从其中的流出。图12中所示的建模示出了当没有空气流被提供到装置10时的气体流动，装置10被装配到到进料口64和喷枪开口72。从图12可以看出，显著的烟流(gas plumes)从进料口64和喷枪开口72离开炉子。

图13示出了图12所示的炉子的建模，但是设备10分别装配到进料口64和喷枪开口72，这两个装置都被打开，使得空气流出相应的通道并进入炉中，所述通道围绕进料口64和喷枪开口72延伸。从图13可以看出，气体显著地通过进料口64和喷枪开口72向内流动进入炉子。建模表明，当进料口64和喷枪开口72中的装置10运行时，炉内物质没有通过进料口64和喷枪出口72离开。离开炉子的唯一气体是通过排气管道系统76排出的。因此，根据本发明的装置10的操作防止炉内物质通过进料口64和喷枪开口72流出。

如图12和13所示，本发明人已经对上部进入浸没式喷枪炉进行CFD建模，该炉具有存在于其进料口中的插入件10。缺少插入件10，或者当插入件10不工作时，该建模显示炉内的一些气态物质通过炉的进料口排出。由于炉内的气态物质可能包括腐蚀性气体或有毒气体，因此不希望这些气体通过进料口排出，因为操作人员可能需要身体靠近进料口。由本发明人进行的计算机建模已经表明，将插入件10放置在进料口中并操作插入件10可以防止炉气体经由进料口离开炉子。

本领域技术人员将理解，通过进料口进入炉的总气体流量可以通过控制离开插入件中的环形通道的气体的流速来控制。可以通过控制提供给集气室的气体的压力来控制气体的流速。

通过进料口流入以防止炉气体经由进料口离开所需的气体量也可通过控制炉压力和/或控制通过排气出口离开的炉气体的流速来控制。

供应到集气室的气体可以包括空气。或者，供应到集气室的气体可包括循环炉气体、循环空气、加热空气或甚至促进炉内反应所需的一种或多种气体。可参与炉内反应的气体包括氧气、一氧化碳、天然气、其它燃料气体等。

可以控制供应到集气室的气体的温度，以确保炉内的温度条件不会过度地扰乱。

附图中所示的实施方式包括进入集气室的两个完全相反的管状入口。应当理解，可以使用到集气室的不同数量的入口来向集气室提供加压气体。例如，对于较大直径的插入件，可以提供进入集气室的多于两个的开口。理想地，通向集气室的多个开口将围绕集气室的边缘等间隔。

加压气体从集气室流出的开口48的尺寸应当足够大，使得其不太可能被供给到炉子的杂散颗粒材料阻塞，同时还足够小以确保在离开该通道的气体中获得高的气体速度。

本发明在具有第一开口和至少一个其它开口的任何容器方面具有工业实用性。应当理解，经由第一开口注入到容器中的气体必须经由另一个开口离开容器，以使本发明能够成功地操作。

不希望受理论束缚，本发明人相信本发明利用了康达效应。康达效应是诸如气体射流的流体射流被吸引到附近表面并沿着附近表面流动的趋势。通过使加压气体通过开口环形通道，离开环形通道的加压气体倾向于沿着插入件内部部分的收缩部分的表面流动。收缩部分形成康达表面(其具有文丘里管的几个特征)，并且离开开口环形通道的加压气体向内并且然后向下并沿着收缩的内表面流动。这建立了以相对低的流速(即，相对低的体积流速)具有相对高速度的向内指向的气流。这使得外部气体也被吸入插入件的收缩部分，然后进入炉中。通过插入件进入炉中的气体的总流量有效地形成气帘，其用于防止炉气体通过进料口流出。

附图中所示的装置可以改装到现有的炉中。装置包括外部部分22和内部部分24。在其它实施方式中，外部部分22和内部部分24可以例如通过焊接永久地连接在一起。然而，附图所示的装置的优点在于，外部部分22和内部部分24可以从炉中移除并且彼此分离以用于清洁或用于清除堵塞物。还应当理解，类似的装置可以被构造为炉的进料口的一部分，而不是被设置为改进的插入件。

虽然已经参考其与上部进入浸没式喷枪炉的进料口的结合使用描述了本发明的优选实施方式，但是应当理解，本发明可以用于任何应用，其中容器设置有两个或更多个开口，并且期望防止气体通过这些开口中的一个从容器流出。本发明可以用于其它类型的炉中，在高温容器中，在存储容器中，例如用于粒状材料或颗粒的存储料仓等。本发明可用于需要防止气体、粉尘或细颗粒材料从容器的开口流出的任何应用中。

本发明还适用于这样的容器，其中进料以连续方式通过第一开口供给到容器。在材料以间歇方式供给到容器的应用中，当没有进料供给到容器时，可以增加通过开放通道的气流，以便从外部环境夹带足够的气体，以防止气体通过第一开口流出。或者，当没有进料供给到容器时，可以使用封闭件简单地关闭第一开口。

在本说明书和权利要求书中(如果有的话)，词语“包括”及其派生词，包括每个所述整数，但不排除包括一个或多个另外的整数。

贯穿本说明书对“一个实施方式”或“实施方式”的引用意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，贯穿本说明书的各个地方中的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”的出现，不一定都指代相同的实施方式。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式在一个或多个组合中组合。

根据法规，已经以或多或少的针对结构或方法特征的语言对本发明进行了描述。应当理解，本发明不限于所示出或描述的特定特征，因为本文描述的装置包括使本发明生效的优选形式。因此，要求以任何本领域技术人员适当地解读的所附权利要求(如果有的话)的合适范围内它的任意形式或改进保护本发明。