用于冶金装置的底吹式喷枪的喷嘴装置及其应用

本发明属于有色金属冶炼领域，涉及一种底吹式喷枪的喷嘴装置及其应用。

背景技术：

氧气底吹熔炼工艺是有色金属冶炼行业中能耗较低的一种新兴工艺。以铜冶炼为例，混合矿料不需要干燥和磨细，由皮带传输连续从炉顶的加料口加入到炉内的高温熔池中。富氧空气通过底部氧枪连续送入炉内的铜锍层，氧气以大量的小气泡动态地悬浮于熔体中，连续加入的矿料不断地被迅速氧化及造渣。该工艺过程简单，原料适应性强，投资低，能源消耗低，噪音低。同时，由于氧浓度高，因此排出的烟气量少，热损失少，炉体散热少，保证了氧气的充分有效利用，直接排放的尾气大大减少。

公告号为cn101165196b的中国发明专利披露了这种采用氧气底吹炉连续炼铜的工艺，硫化铜精矿与熔剂、返回的包括烟尘、渣铜精矿和吹炼炉渣的中间铜物料，经圆盘制粒机混合制粒后，由给料机送至底吹熔炼炉上部的炉子加料口加入炉内，氧气通过设在炉底与垂线成0至16°角的氧气喷枪送入炉内进行熔炼反应，混合好的入炉粒料经熔炼生成铜硫和熔炼渣，熔炼温度为1080至1250℃。底吹熔炼炉中，从吹炼炉底部连续送入富氧空气，粗铜的氧势高，有利于as、sb、bi等v族元素的脱除，同时降低fe3o4的生成量。底吹炉连续吹炼，炉温稳定，克服了转炉周期作业温度波动过大的缺点，有利于提高吹炼炉的寿命，降低耐火材料消耗和维修工程量，降低炼铜成本。底吹炼铜法的投资少，工艺流程短，原料适应性强。

底吹技术中，常用的氧枪装置可以是例如公告号为cn200974858y的中国专利所公开的，这种氧枪由内层套管和外层套管套合而成，内层套管的数量为2至5个，其上设有若干通气槽，且各个内层套管上设置的通气孔的数量和面积不同，合理地组织了各层通道的通气量，保持了适当的气流速度，同时使得气流比较分散，增加了气体与熔体的反应面积，使得供氧压力明显降低。但是这类传统的多层套管氧枪需要控制较大的供气压力，才能保证足量的气体进入熔池，使喷出的气体与熔体充分接触，否则熔体极易倒吸入氧枪中，造成氧枪堵塞。

熔池的熔炼过程中，熔体成分非常复杂，熔体的流动状态并不明确，上述传统的套管式氧枪的喷嘴的设计，一些入炉矿料难以被迅速卷吸进熔体中，熔池中容易发生喷溅导致加料口堵塞。有鉴于此，如何设计一种新的底吹式喷枪的喷嘴装置，有效提升氧气在炉内熔池的搅拌强度和卷吸率，以消除现有技术中的上述缺陷和不足，从而使熔炼底吹炉达到最佳的冶金效果，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于冶金操作中的底吹式喷枪的喷嘴装置，喷枪从熔池底部插入，在熔炼过程中不断鼓入含氧气体，被熔体破碎成小气泡或者小气流，以提供熔炼所需的氧化气氛。同时，喷嘴装置射出的含氧气体能够有效地加强熔池内部的物质流动和卷吸率，通过形成涡旋增大气液相接触面积和接触历程，加强了传质作用，具有剧烈的搅拌特性和良好的反应动力学条件。本发明提供的喷嘴装置可以具有多种应用，典型地可以应用在底吹炉的有色金属冶炼工艺中。

为了解决熔体卷吸率低和容易飞溅的问题，本发明第一方面提供了一种用于冶金装置的底吹式喷枪的喷嘴装置，所述喷嘴装置包括：

喷嘴体，所述喷嘴体的一端作为输入端，连接一含氧气体源，另一相对端为喷嘴体的输出端；

至少一条第一通道，所述第一通道设计用于引导所述含氧气体流向喷嘴体的输出端，至少一条第一通道是以至少逐段弯曲的或螺旋的方式轴向延伸地贯穿喷嘴体，该第一通道延伸至喷嘴体的输出端形成喷射孔，含氧气体通过所述喷射孔离开喷嘴装置进入冶金装置中。

进一步地，所述第一通道具有在中心轴线方向上的小于360°的盘绕，较佳地为小于90°的盘绕。

进一步地，至少一条第一通道的旋转半径始终保持不变。当然，围绕喷嘴体的中心轴线上，至少一条的第一通道的旋转半径也可以逐渐递减。此时的变径喷嘴体可以为类似锥形管的结构，如拉法尔喷嘴那样，由两个锥形管组成，整体上经历了收缩段、喉部和扩张段，这一结构可使含氧气体的流速因径向截面积的变化而变化，使气流由亚音速到音速，甚至加速到超音速。另外，本文中，至少一条第一通道的内径始终保持不变。

进一步地，喷嘴体内相邻的两条第一通道之间的空隙距离始终相等。

进一步地，喷嘴体内相邻的两条第一通道之间具有递减或递增的空隙距离。

进一步地，至少一条第一通道构造成与喷嘴体的中心轴线同轴的圆柱体形状。

进一步地，各第一通道的喷射孔限定了所述含氧气体的各射出方向，从而增强含氧气体与冶金装置中炉料的混合。

进一步地，所述含氧气体从各第一通道的喷射孔的射出方向与喷嘴体的输出端所在的平面所成的锐角θ的范围为大于等于30°小于90°，较佳地为大于等于45°小于90°，更佳地为大于等于45°小于60°。从喷嘴体的输出端喷出的含氧气体以不同方向离开喷嘴，产生离开喷嘴体的输出端表面的各个方向的流动分量，使得每个喷射孔自成旋流反应区，加大了反应面积，增强含氧气体与炉料的混合，提高了含氧气体的利用率。

进一步地，所述第一通道的数量为1至10条，较佳地为2至7条。

进一步地，所述喷嘴装置还包括输送冷却流体和/或保护流体的第二通道，该第二通道布置在喷嘴体内部且沿着中心轴线方向延伸，该第二通道到达喷嘴体输出端的开口位于所述喷射孔和所述喷嘴体的边缘之间。第一通道基本轴向延伸地贯穿了喷嘴装置，约束含氧气体成螺旋形地流动。所述喷嘴装置还包括输送冷却流体和/或保护流体的第二通道，该第二通道布置在喷嘴体内部且沿着中心轴线方向延伸。因为底吹炉内的熔体是超过1000摄氏度的高温液体，可以用常温气体作为冷却气体，冷却气体有利于形成蘑菇头，避免氧枪与高温熔体接触，降低高温熔体对氧枪的磨损和消耗。示例性地可以制成双层喷枪，里层为空气或氧气通道，外层可为氮气等保护性气体的通道，氮气可以冷却喷枪的喷头，起到保护氧枪和延长寿命的作用。另外，高速流动的含氧气体一定程度上可实现自冷却的效果，同样提高了冷却效率。

进一步地，所述第二通道沿喷嘴体的内壁所限制的面在喷嘴体的轴向方向上延伸。

进一步地，所述第二通道在喷嘴体的轴向方向上呈狭缝状或圆柱状，并且，到达喷嘴的输出端的开口呈四边形、圆形或椭圆形。

进一步地，所述喷嘴体与所述第一通道通过3d打印一体形成。

进一步地，所述各喷射孔的截面积与输出端的截面积之比为1:25至1:100。

本发明第二方面，提供了一种配备有如本发明第一方面所述的喷嘴装置和含氧气体源的喷射装置，其中，所述含氧气体源设定成用于向喷嘴装置输送含氧气体。

本发明第三方面，提供了一种在冶金装置中生产有色金属熔液的方法，包括步骤：

(1)提供含有有色金属和/或有色金属氧化物的炉料至冶金装置中；

(2)通过至少一个带有本发明第一方面所述的喷嘴装置将含氧气体输送到冶金装置中；

(3)炉料与含氧气体在冶金装置中产生熔炼反应，生成熔炼产物。

与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

1)从喷嘴装置喷射的含氧气体以不同方向离开喷嘴，产生离开各个方向的流动分量，使得每个喷射孔自成旋流反应区，提高熔池搅拌效果，加大了反应面积，提高了含氧气体的利用率。

2)溅渣时，由于旋转角度和喷射角的存在，可以减少气体射流对炉底的直接冲刷，使炉渣更多地往熔池部位聚集，同时炉渣飞溅高度降低，炉帽部位粘渣过多现象有所缓解。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

图1是本发明一实施例所提供的喷嘴装置的喷嘴体输入端的截面示意图；

图2是本发明一实施例所提供的喷嘴装置的立体示意图；

图3是本发明图1中沿a-a线的剖视图；

图4是本发明一实施例所提供的喷嘴装置的局部剖视图；

图5a是本发明一对比例所提供的喷枪装置进行水模型实验时，示踪粒子的轨迹图像；

图5b是本发明一实施例所提供的喷枪装置进行水模型实验时，示踪粒子的轨迹图像。

其中，101为中心喷射孔，102为环绕的喷射孔，103为第二通道，104为喷嘴体，105为喷嘴体的输出端，106为第一通道。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“轴向”、“径向”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

在以下具体实施例的说明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的规定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

除非清楚地指出相反的，这里限定的每个方面或实施方案可以与任何其他一个或多个方面或一个或多个实施方案组合。特别地，任何指出的作为优选的或有利的特征可以与任何其他指出的作为优选的或有利的特征组合。

同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。

术语说明

“底吹”可做广义理解，氧枪从炉体的底部或邻近底部的侧部将含氧气体吹到炉腔内，都可理解为底吹。

“含氧气体”典型地可理解成富氧空气或者氧气。含氧气体中的氧摩尔浓度为至少20％、至少30％、至少50％、优选至少80％、更优选至少90％且最优选至少95％，可以包括含有至少50％体积百分比氧的富氧空气、诸如通过低温空气分离装置生产的99.5％纯氧、或者通过真空变压吸附工艺产生的非纯氧(88％体积百分比或更多)、或者任何其它源生产的氧。

“保护流体”可以理解成化学性质稳定且不易与喷嘴体发生化学反应的气体，典型地可以为惰性气体气流，再例如为氮气气流。

“中心轴线”、“轴线”和“喷嘴体的中心轴(线)”在此处具有相同含义，是指喷嘴体的旋转轴线、对称轴线或中心线。相应地，“喷嘴体的轴向”、“喷嘴体的轴向方向”是指大体平行于喷嘴体的旋转轴线、对称轴线或中心线的方向，或者，在相对端部之间平行于中心线延伸的方向。如这里使用的术语“径向”可以指相对于该轴线垂直地向外延伸的线的方向或关系。

“旋转半径”指的是如果将第一通道沿径向方向上做任一截面，该截面的中心点到喷嘴体的中心轴线的最短距离。例如对于喷嘴体的输出端来说，第一通道在该输出端的截面即为喷射孔。若喷射孔为圆形，则该圆形的圆心到喷嘴体中心轴线的最短距离即为这条第一通道在输出端的旋转半径。如果喷射孔为非圆形的形状，则该形状的对称中心到喷嘴体中心轴线的最短距离为旋转半径。

相邻的两条第一通道之间的“空隙距离”可以理解为在任一径向截面上，相邻的两条第一通道的中心之间的距离。

术语“螺旋形地”、“螺旋状”、“弯曲地”以其一般性几何定义而被使用。本文中，第一通道可以是展开至少90°(优选为180°的)的例如圆形的或螺旋形的弯曲的弓形区段即可，至少半圈或者一圈的延伸也是可行的。

术语“旋转角度”、“螺旋角度”可以理解为螺旋结构相对于径向圆周面的角度。可以理解为，在喷嘴体的任一径向截面上，将第一通道的起始点和结束点均投影到该径向截面，这两个投影点以及该径向截面上喷嘴体的中心点之间形成的夹角即为旋转角度。该夹角可能大于180°，也可能小于180°。优选的旋转角度的范围大致在45°至90°之间，以60°为最佳，此时第一通道具有在中心轴线方向上小于90°的盘绕。

术语“喷射角”理解为含氧气体离开喷嘴体形成的角度，可以用如图4显示的第一通道的喷射孔的射出方向与喷嘴体的输出端所在的平面所成的角度θ来表示。

术语“3d打印”，也可以理解为“增材制造”，应被理解为包括用于生产三维物体的任何方法、过程或系统，其中，在利用数字模型数据的计算机控制下沉积连续的材料层以创建物体。因此，3d打印包括但不限于各种三维物体生产方法，例如，任何类型的挤压沉积、熔融沉积建模、熔丝制造或其他挤压工艺、立体光刻、对光聚合物的数字光处理、层压物体制造、定向能量沉积、电子束制造、粉末床打印、喷墨头3d打印、直接金属激光烧结、选择性激光烧结、选择性热烧结、电子束熔化或选择性激光熔化。此外，这些增材制造方法可以用于利用各种各样的材料生产物体，这些材料包括但不限于几乎任何金属合金、金属箔、金属粉末、陶瓷粉末、塑料薄膜、粉末状聚合物、光敏聚合物、各种陶瓷材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、金属粘土、热塑性塑料、共晶材料、橡胶，甚至是食用材料。此外，术语“3d”打印可以涵盖通过任何已知的物体建模技术(包括但不限于cad(计算机辅助设计)建模、3d扫描仪，甚至常规的数码相机以及伴随的摄影测量设备)生产的物体。

下面结合附图1-5详细说明本发明的具体实施例。

实施例1

以下实施例显示了本发明一种典型的喷嘴装置的结构示意图。

喷嘴装置具有喷嘴体104，基本上是柱形的。喷嘴体的一端作为输入端，连接含氧气体源，另一相对端即作为喷嘴体的输出端105。如图1、图2和图4所示，输出端布置了七个喷射孔，其中六个环绕的喷射孔102围绕一个中心喷射孔101均匀分布。六个环绕的喷射孔的喷射角θ均为60°。相应地，喷嘴装置布置有七条第一通道106，分别对应于布置在输出端105上的七个喷射孔。其中，位于中心的第一通道可以是呈圆柱形的，其中心轴线与喷嘴体的中心轴线平行。或者，七条第一通道均可布置为螺旋形式的延伸。

第一通道106的壁整体也成弯曲的螺旋形，含氧气体通过第一通道的壁的限制获得螺旋形的流线，从而使得含氧气体从喷射孔中以不同的方向喷出。

如图3所示，各第一通道绕喷嘴体的中心轴线盘旋呈螺旋形。第一通道的旋转圈数可以为1/2，喷嘴装置的位于中心的喷射孔的直径为2.4mm，其它六条环绕的喷射孔的直径为2.2mm，每一条第一通道的内径和形状在整个喷嘴体中不变。喷嘴体的输入端至输出端在轴向上的距离是11.7mm，六条环绕的第一通道的旋转半径都为2.15mm，且该旋转半径沿着中心轴线方向始终保持一致。

如图4所示，从喷嘴体的纵截面图可以看出，在喷嘴体之内，第一通道联接到喷嘴体的输出端处，第一通道在径向方向上的截面基本是圆形的，并且被喷嘴体的柱形的壁所限制。当然，第一通道在径向方向上的截面也可以为椭圆形、四边形、三角形或其它不规则形状。

作为本实施例中的一种实施方式，如图1所示，喷嘴体内还可以布置相应的第二通道103作为保护流体的通道，也被喷嘴体的柱形的壁所限制，优选地可以布置在各第一通道的外侧。第一通道的外表面可以与喷嘴体的内表面充分地间隔开，以在两者之间限定出窄的间隙作为第二通道。这些间隙形成的第二通道足以使保护流体通过，从而起到保护喷嘴体的作用。第二通道在喷嘴体输出端的开口可以呈四边形、圆形或椭圆形。

本文中描述的设置有喷嘴体、第一通道和第二通道的喷嘴装置可以是一件式的、整体式的，例如可以通过逐渐添加的加工方法(例如3d打印)等制成。优选地，喷嘴体可以选用没有接缝的材料，例如金属，更优选地为不锈钢。

本实施例中采用如实施例1所述的喷嘴装置，利用底吹炉的水模型来观察熔炼底吹炉的熔体的混匀时间，可以再现熔炼底吹炉的生产过程，得到仿真结果，了解熔池液面高度、含氧气体流量、喷枪角度等熔炼效果的参数。公告号为cn109801549a的中国发明专利所披露的底吹炉水模型实验装置及底吹炉水模型实验方法通过引用的方式全部纳入本文。

本实施例中的底吹炉水模型包括透明底吹炉和含氧气体源。底吹炉包括炉体，炉体的顶部设置有出烟口和加料口，炉体的底部安装有喷枪安装孔，含氧气体源与喷枪管相连，喷枪管与实施例1中的喷嘴装置组装后装配到喷枪安装孔中，用于向熔池中输入含氧气体以及氮气保护气。炉体限定了熔池的空间，喷枪穿过炉底并且在靠近炉底的轴线位置向上延伸进入熔池中，借助于喷枪可以将含氧气体喷入熔池中。

本实施例的底吹炉水模型中，熔池半径设置为342mm，熔池宽度设置为300mm，液面高度设置为342mm，熔池中的液相密度为1000kg.m^-3，喷气量为9.7nm³/h，喷枪安装角为7°。具体地可按照以下步骤进行底吹炉的水模型实验：

(1)向透明底吹炉中加入水和机油，其中，水用来模拟液态铜硫或粗铜，机油用来模拟炉渣；

(2)开启供气系统，调节气体的压力和流量，使透明底吹炉内达到稳定的供气状态，其中，供气系统中的气体采用压缩空气，用来模拟底吹炉中喷射的含氧气体；

(3)向透明底吹炉中加入适量的示踪粒子，并混匀一段时间；这些示踪粒子可以是聚苯乙烯粉末，粒径约为10微米，密度约为1.03至1.05g/cm；

(4)用piv(particleimagevelocimetry)粒子图像测速仪拍摄底吹炉内不同截面示踪粒子的运动速率和方向；

(5)改变实验条件，重复上述步骤，获取系列实验结果，如图5b所示。

对比例1

按照大致如实施例1所述的步骤，不同之处在于，喷嘴采用传统的如cn200974858y的中国专利所公开的直线套管型喷嘴。

用piv(particleimagevelocimetry，粒子图像测速)设备拍摄水模型底吹炉的纵向截面的不同位置的示踪粒子的二维速度分布，从而模拟炉内纵向截面上的瞬时速度分布，显示出气泡运动形态和气体对熔体的搅拌情况，如图5a所示。

结果如图5a所示，传统的直线套管型喷嘴的夹带效果较差，大多数物料漂浮在熔池表面上。而图5b所示，本发明提供的喷嘴装置的喷射效果极好，示踪剂颗粒均匀地分散在熔池内，熔池内的物料颗粒在远离喷嘴侧的方向上分布浓度逐渐增加，并明显大于喷嘴附近即熔池表面的颗粒分布浓度。其形成的流股可以对熔池多个部位形成冲击作用，射流在熔池作用的面积增大，能够显著改善熔池内的化学反应的动力学条件。

本实施例提供的喷嘴装置产生的喷射在熔池中产生了相当大的涡旋，不仅产生了轴向力和径向力，还可以形成切向分量，提高了对物料的卷吸率，改善含氧气体射流对熔池的搅动，实现了含氧气体与熔融物的高混合率，同时也减少了熔池内飞溅现象的发生。另外，该喷嘴装置还延长了熔池内液相的冲程和气液作用的时间，气泡的浮力更大，在熔池中停留的固态物料增多。在实际工艺过程中，保护流体和/或冷却流体可以经由喷嘴装置的第二通道流出到熔池中，也有利于延长喷嘴装置在强氧化高温的环境下的寿命。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。