专利名称：有气体/液体混合室的喷枪及其膨胀冷却的方法
技术领域：
本发明涉及按权利要求1和3前序部分所述的一种用于冷却用于将介质供入熔体和／或测量熔体性质的喷枪的方法以及一种适用于实施此方法的喷枪。
将介质(尤其固体和／或气体)喷入冶金容器如熔炉或转炉内腔以及作为测量熔体性质用的工具支架的喷枪是已知的。它们例如应用于富氧炼铁、钢处理时喷入介质(例如用于炉渣起泡沫的煤)和熔体的温度测量。
这种喷枪面朝熔体的端部区受高的热负荷。由公开的在先利用已知采用钢管喷枪，它们在熔体一侧的端部工作中被不断烧损，所以喷枪必须相应地再移动。此外已知具有封闭式水冷回路的冷却式喷枪。这种喷枪在工作时有危险性，因为在冷却回路发生泄漏的情况下熔体与水接触会引起爆炸式的反应。如果水被熔体包围，则由此发生的水的蒸发和膨胀可以使熔体爆炸式地互相裂开。与此同时不能排除水化学分解和接着氢氧爆炸气反应的可能性。
因此已经有人建议(DE 3543836 C2)采用两支喷枪，它们轮流送到工作位置。处于工作位置的喷枪用一种气体冷却。因为用这种方式不能获得充分的冷却效果，所以经一定的工作时间后将此喷枪从炉内移出并在此离熔体远距离的地方用水再冷却。在此期间第二支喷枪继续工作。这样一种用两支喷枪轮流工作的方案是昂贵的。
由WO-A-92／07965已知一种喷枪，它有一个供入双相混合物的闭式冷却回路。
本发明的目的是创造一种前言所述类型的方法和喷枪，这种方法和喷枪能有效和可靠地实施喷枪冷却。
按本发明的方法其特征在于，将气体／液体混合物或其一些组成部分在压力下直至引入在熔体一侧的喷枪端区域内并令其在那里膨胀。
熔体侧喷枪端指的是在工作时面朝熔体的或必要时插入熔体内的那一个喷枪端部。这是受高热负荷的喷枪端。此冷却回路朝熔体侧的喷枪端方向是封闭的。在此区域不发生任何冷却剂泄出，正相反，冷却剂回送到喷枪的一个离熔体有一定距离的区域内并在那里离开喷枪排出。冷却剂回路在总体上或可以完全封闭，但也可以采用一种开式的冷却回路，其中，在离熔体侧的端部一定距离处从喷枪排出的已被加热的冷却介质不再使用。
按本发明所采用的混合物的气体成分优选空气或一种惰性气体(例如氮或氩)，液体成分优选水。
按本发明，气体／液体混合物在压力下一直输送到熔体侧喷枪端的区域内。术语“熔体侧喷枪端区域”指的是一个处于相应的喷枪端附近的区域，这一区域在工作时已处于高的热负荷状态。一对术语“在压力下直至引入这一端的区域内以及接着令其膨胀”应理解为，在上述区域内发生气体／液体混合物突然的压力降。因此为了实现本发明重要的仅仅是适当的压差，而并不取决于有关压力的绝对水平。这种膨胀(优选地通过从适当的喷嘴排入一压力较低的腔内实现)可以促使混合物的液相粉碎成细的小滴和／或蒸发。这两种效果均显著提高了冷却功率，因为一方面蒸发需要大的热量，以及另一方面粉碎后的细滴由于其大的表面可以快速和高效地(在蒸发的条件下)带走其余的热量。因此按本发明规定的冷却剂混合物在熔体侧喷枪端区域内的膨胀与先有技术相比显著提高了冷却功率。此外，它保证显著提高可靠性，因为基于在此喷枪端区域内的膨胀过程所以很少或不存在液相。也就是说因发生工作故障而在此区域内渗入的熔体内不可能含有大量的水并因而不会引起高温爆炸。在本发明的范围内，由气体和液体组成的双相混合物可在离熔体侧喷枪端一定距离处形成并作为已完成混合的混合物在压力下供向此端部并令其在那里膨胀。同样可能的是气体和液体分别在压力下直至引入熔体侧喷枪端的区域内，它们或只是在膨胀过程之前不久才互相混合，或也可借助分设的喷嘴令其膨胀，这些喷嘴设置成使气体／液体混合物在膨胀过程中就地形成。例如，分设的喷嘴可按这样的方式设置，即，使排出的液体被膨胀中的气体吸走并粉碎成细的气溶胶体。
按本发明的方法与先有技术中已知的水冷相比冷却所需的液体量小得多。可按这样的方式调整气体／液体流量，即，使液体成分在温度特别高的熔体侧喷枪端区域内由于膨胀而大部分或完全蒸发。这样做有两个优点。首先，按这样的方式冷却不仅利用了液体(水)的热容量，而且还利用了从液体到蒸汽的相变过程需要非常大量的蒸发热并甚至在液体流量较小时获得高的冷却功率。如果由于工作故障在熔体侧端部区内导致向冷却剂管道内漏泄，则作为气溶胶体供入的气体／液体混合物大的表面促使在任何情况下非常迅速地蒸发液体成分，甚至还在熔体能包围液滴之前便已做到这一点。
通常按本发明采用的冷却剂的液体成分是水。若选择在熔体侧喷枪部分的区域内水分大部分或全部蒸发的工作条件，则冷却回路优选地供入经软水化处理的水，以避免在相应的冷却腔区域内钙沉积。若不能提供软化处理的水以及冷却回路必须供入普通的自来水或原水，则优选地按这样的方式调整气体／液体流量，即，使较小部分的水在熔体侧喷枪端区域内蒸发，其余的保持作为均匀分布的气溶胶体。这样便基本避免了不希望的钙沉积。
由于膨胀过程引起的双相混合物高的流速带走了未被蒸发的水，因此在喷枪端部区内不会聚集静止的水，否则在发生熔体渗入的情况下可能有导致爆炸的危险。
气体／液体混合物可在喷枪外部形成并已作为混合物供入喷枪。但在本发明的范围内优选地令喷枪有一个与冷却回路连接的混合室，它有用于供入气体和液体的接头并设计用于形成气体／液体混合物。此混合室设在离熔体侧喷枪端一定距离处。它优选地处于喷枪从熔炉或转炉伸出的部分内。
气体／液体混合物从混合室优选地用2至6 bar更优选地约3 bar的压力通过压力管朝熔体侧喷枪端的方向输送。在此端部区内设一双料喷嘴，混合物从此喷嘴喷入设在喷枪端部区中的冷却室内。术语“双料喷嘴”在本发明的范围内指的是各种允许通过一种气体／液体混合物并与此同时可按这样的方式保持供入与排出端之间压差的装置，即该压差能产生一种喷射作用，也就是将供入的混合物分散在处于喷嘴后的压力较低的区域内。混合物的液体成分从喷嘴排出后粉碎成细的小滴。经膨胀和被加热的混合物通过第二管道从熔体侧喷枪端引开并在一优选地设在转炉外部的接头处重新从喷枪排出。从一个或多个双料喷嘴排出后混合物的压力优选地略高于大气压力。若喷枪使用于浸没式工作方式，则此压力应大于喷枪端部周围液态熔体的反压。若由于工作故障导致喷枪端部熔化和熔体涌入冷却室，则在那里存在的过压阻止熔体或也许炉渣的进一步侵入。
混合室有利地有两个彼此同心地围绕着喷管的环形室，在它们沿径向的隔壁上制有连通孔或口。术语“喷管”指的是整个喷枪结构中规定用于将气体和／或固体引入熔体中的内管。在内部的环形室可例如从其端面处加入水，而在外部的环形室可从圆周侧加入压缩空气。压缩空气通过径向隔壁内的孔搀入水内。形成的混合物在混合室熔体一侧的端面取出和排出。
连接混合室和双料喷嘴的压力管优选地是同心地围绕此喷管的环形管。已膨胀的混合物从熔体侧喷枪端的回输，优选地同样通过一环形管实现，它可设计为同心地围绕着上述压力管的第二环形管。
按本发明的喷枪的第二种实施形式有用于朝熔体侧喷枪端方向供入气体和液体的分开的压力管。压力管可设计为同心地围绕着喷管的环形管。在熔体侧喷枪端区域内压力管终止在喷嘴装置内，一方面气体和另一方面液体从喷嘴装置喷出，并在这种情况下就地，亦即在膨胀过程中混合成均匀分布的气溶胶体。气体膨胀时的抽吸作用将排出的液体一起带走并将其粉碎成细的小滴。就地形成的气溶胶体的流动速度如此之高，以致绝对没有值得一提的水量留在熔体侧喷枪端区域内。因此在熔体渗入的情况下不存在或只存在微小的安全性危机。此喷枪的工作压力可明显地低于3 bar。在气体管(压缩空气管)内必要的过压例如为1至2 bar，优选地约1．5 bar。液体(水)只需要用较低的小于1 bar优选地约0．5 bar的过压供入，因为在形成气溶胶体时液体被正在膨胀的压缩空气带走和粉碎。
本发明优选的应用领域是处理或实施测量冶金熔体，例如生铁或钢水。但本发明不限于在金属熔体中使用，而是也可以应用于其他的高温熔融物质(例如玻璃熔体)。
下面借助于
本发明的实施例。其中图1通过按本发明的喷枪纵剖面；图2沿图1中平面A-A的横剖面；图3通过按本发明的喷枪第二种实施形式的纵剖面；图4沿图3中平面A-A的横剖面。
图1和2所示按本发明的喷枪有一根内部喷管1，固体和／或气体通过它供入熔体。这些介质在熔体侧喷枪端2处排入熔体内。喷管1被一个下面详细说明的冷却装置包围。
冷却水通过管接头3供入一围绕着喷管1的环形室4内。环形室4和沿轴向相邻的混合室的内室5的端面互相连接，所以此在内部的环形室5由环形室4供入水。内部的环形室5被一外部的环形室6围绕，后者通过管接头7供入压缩空气。这两个环形室5、6共同构成混合室。环形室5和6之间的径向隔壁8有一些用标号9表示的连通孔。压缩空气和水互相混合，此混合物通过沿轴向连接在内部环形室5内的环形管(压力管)10朝熔体侧喷枪端方向输送。混合物在压力管10内的压力约为3 bar。
压力管10在喷枪的熔体侧端部2区域内成形为六个沿喷枪圆周均匀分布的双料喷嘴11。水／空气混合物在从双料喷嘴排入环形冷却室12内时膨胀。水通过此膨胀过程被粉碎成非常细小的小滴。被供入的水的这种巨大的表面有助于迅速吸热因而具有大的冷却功率。令环形管10成形为六个双料喷嘴11便允许此喷枪用自来水或工业用水作为冷却剂的组成部分。双料喷嘴11的内部净宽度允许通过可能在工业用水中含有的杂质或颗粒。若此喷枪只应用经软水化处理后的水工作，则环形管10在冷却室12的范围内可收缩成具有内部净宽度约0．5mm的环形间隙，它旋转对称地围绕着喷管1。此环形间隙构成单一的双料喷嘴。在这种情况下没有必要成形出多个不连续的双料喷嘴11。
从双料喷嘴11排出的混合物在冷却室12处于相对位置(熔体侧)的端面处撞击在弯曲的冷却面13上，混合物因此偏转其运动方向并供入设计为第二环形管14的冷却剂排出管内。被供入的混合物的水分在此冷却室12内优选地全部蒸发。若在特殊的工作条件下在冷却室12内导致不寻常的高温，则冷却效果必要时可借助于水的一部分强烈吸热地分解为分子氢和氧而得到加强。
若在发生工作故障的情况下喷枪在熔体侧的端部2区域内被烧损以及冷却室12朝熔体的方向开了口，则由于采用细的气溶胶体作为冷却剂，所以实际上并不存在仍为液态的水被熔体包围和接着爆炸式蒸发的危险。在冷却室12内优选地调整为这样一个过压，它足以在喷枪浸没式工作时将可能渗入冷却室12内的金属熔体或炉渣排挤回去并阻止进一步的入侵。
经环形管14流回的冷却剂通过环形室15和管接头16从喷枪排出。排出的冷却剂可以或丢弃(开式冷却回路)，或重新引回冷却回路内。
环形室15有一个第二接头17，它与图中未画的过压安全阀连接。
此喷枪除了可将介质供入熔体中之外还可应用于测量熔体的性质。为此目的，在熔体侧端部2的区域内可设图中未表示的测量工具。例如，用辐射高温计可以测量熔体温度。在钢水中可例如借助激光感应的发射光谱实施多元素分析。以此方式可例如在测量技术上跟踪钢的精炼过程并在所期望的阶段结束。
为了实施这些测量，喷枪与设在其上的测量工具一起置入钢水熔池的表面区内。通过喷管1优选地喷入压缩空气或一种惰性气体如氮，它一方面保持喷枪口畅通，另一方面吹除钢水熔池表面的炉渣。
按本发明的喷枪通过壁内或盖内的孔插入转炉或熔炉内。供入和排出冷却剂的管接头以及混合室优选地处于转炉外部较冷的区域内。
图3和4表示按本发明的第二种实施形式，其中气体和液体分别地直至引到熔体侧喷枪端2，以及在膨胀过程中才就地形成气体／液体混合物。在这里同样的标号表示与按图1和2的实施形式相比在功能上一致的组成部分。
与按图1和2的实施形式相比重要的差别在于，围绕着内部的喷管1设三根互相同心的环形管。内部的环形管18将冷却水供往熔体侧喷枪端2，它为此目的与环形室4连接。中间的环形管19通过管接头7和制有连通孔9的环形室6供入压缩空气。外部的环形管14与在第一种实施形式中一样用于将已受热的冷却剂向环形室15和所属的接头16回输。
水和气态介质(压缩空气)通过环形管18、19分别流向熔体侧喷枪端2。当压缩空气排入环形室12并因而进行膨胀时带走了同样正在排出的冷却水以及将其粉碎成一种细的气溶胶体。按本发明使用的双相混合物就地形成。
此实施形式的工作压力与按图1和2的喷枪相比令人意外地可以显著减小。例如，为了获得一种以大的流速通过环形室12并接着排出的均匀分布的气溶胶体，将水以过压为0．5bar供入环形管18以及压缩空气以过压为1．5bar供入环形管19便足够了。
权利要求
1．冷却用于将介质供入熔体和／或测量熔体性质的喷枪的方法，其中，在朝熔体一侧的喷枪端(2)的方向封闭的冷却回路内引入一种气体／液体混合物作为冷却剂，其特征为此气体／液体混合物或其一些组成部分在压力下直至引入熔体一侧的喷枪端(2)的区域内并令其在那里膨胀。
2．按照权利要求1所述的方法，其特征为气体／液体混合物在一个设在与熔体侧喷枪端(2)有一定距离处的喷枪混合室(5、6)内形成。
3．按照权利要求1或2所述的方法，其特征为气体／液体混合物在2至6 bar优选3 bar的压力下引向熔体侧喷枪端(2)。
4．按照权利要求1所述的方法，其特征为气体和液体分别引向熔体侧喷枪端(2)并令其在那里膨胀，在膨胀过程中就地形成气体／液体混合物。
5．实施按照权利要求2或3所述方法用的喷枪，包括一个朝熔体侧喷枪端(2)的方向封闭的冷却回路，其特征在于一个设在熔体侧喷枪端(2)一定距离处与冷却回路连接的混合室(5、6)，此混合室有供入气体和液体的接头(3、7)并设计用于形成气体／液体混合物，其中，混合室(5、6)通过压力管(10)与至少一个设在喷枪在熔体一侧的端部(2)区域内的双料喷嘴(11)连接。
6．按照权利要求5所述的喷枪，其特征为混合室(5、6)有两个彼此同心地围绕着喷管的环形室(5、6)，在它们沿径向的隔壁(8)上制有连通孔(9)。
7．按照权利要求6或7所述的喷枪，其特征为压力管是同心地围绕此喷管(1)的环形管(10)。
8．按照权利要求7所述的喷枪，其特征为为了将膨胀后的气体／液体混合物从熔体侧的喷枪端(2)回输至混合物从喷枪的出口(16)，设一同心地围绕着压力管(10)的第二环形管(14)。
9．实施按照权利要求4所述方法的喷枪，包括一个朝熔体侧喷枪端(2)的方向封闭的冷却回路，其特征在于两根与供入气体和液体的接头(3、7)连接的压力管(18、19)，它们设计用于分别朝熔体侧喷枪端(2)的方向一方面供入气体和另一方面供入液体，以及它们在熔体侧喷枪端(2)的区域内终止为喷嘴装置，借助于此喷嘴装置就地形成气体／液体混合物。
10．按照权利要求9所述的喷枪，其特征为压力管是同心地围绕喷管(1)的环形管(18、19)。
全文摘要
本发明涉及一种冷却用于将介质供入熔体和/或测量熔体性质的喷枪的方法。在朝熔体侧喷枪端(2)方向封闭的冷却回路内引入一种气体/液体混合物作为冷却剂。按本发明规定,气体/液体混合物或其一些组成部分在压力下直至引入熔体侧的喷枪端(2)区域内并令其在那里膨胀。本发明还涉及一种喷枪,按本发明它有一个与冷却回路连接的混合室(5、6),混合室有供入气体和液体用的接头(3、7)并设计用于形成气体/液体混合物,其中,混合室(5、6)通过压力管(10)与至少一个设在喷枪在熔体一侧的端部(2)区域内的双料喷嘴(11)连接。
文档编号F27B3/22GK1292831SQ99803822
公开日2001年4月25日 申请日期1999年2月26日 优先权日1998年3月9日
发明者沃尔温·克斯特 申请人:国际技术公司及国际技术公开有限公司