专利名称：用于将颗粒材料喷入液态金属的喷枪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将颗粒材料喷入液态金属的冶金喷枪。
在冶金工艺中，将气体和固体喷入大量的液态金属中已经广为人知。例如，颗粒碳可以被喷入炉中，以便参加铁或钢或非铁金属的精炼。典型地，颗粒材料可以在载气中被喷入炉中。载气可以是在炉中不反应或者可以是反应气体，比如氧气。
为了得到颗粒材料在熔融金属中的合适的穿透度，需要以高速度将其喷入。然而，当气体高速度射流通过静止气氛时，其衰减率非常高。因此，希望有一种喷枪出口，通过它可以将颗粒材料喷入到距离熔融金属表面非常近的位置。作为选择，希望使用一种喷枪结构，它能确保载气喷射的衰减率相对低。为喷枪选择合适的结构在冶金环境中常常特别重要，其中如果喷枪的远端离熔融金属表面太近，就会有被侵蚀或其它损坏的危险，例如由于喷溅熔融金属。US 6 254 379 B涉及一种向反应区域提供反应物的方法。反应物可以是颗粒材料，且反应区域可以在炉内形成。该方法包括(A)向载气提供反应物并将含反应物的载气作为气体射流从喷射器通过间隔(d)喷入喷射空间；(B)从喷射器通过间隔(d)用外焰包围气体射流，从而保持气体射流连贯通过该间隔(d)；(C)进一步传递含反应物的载气进入喷射空间超过该间隔(d)进入反应区域越过外焰的最前缘作为非连贯气流；和(D)从非连贯气流向反应区域提供反应物。
在上述方法的步骤A中，喷射器是一个拉瓦尔喷嘴。拉瓦尔喷嘴使得能以超音速形成气体射流。拉瓦尔喷嘴在流动的方向具有收缩部分、喉部和扩张部分。反应物被引入喉部喷嘴上游。这样做的缺点是可能会引起喷嘴的损坏。
根据US 6 254 379 B，连贯气体射流是这样的气体流，即，它的直径沿气流的长度基本没有增加，且进入气流的周围气体的带入速度大大低于进入非反应紊流射流的速度。用来获得气体射流一定程度的连贯性的外焰是通过向喷射器顶端供应燃料和氧化剂，并使燃料和氧化剂在顶端下游的火焰区域混合而形成的。虽然，可以采用超音速气体射流来运送反应物，但是火焰是以亚音速形成的。由于气体射流速度和火焰速度之间的不一致，使得后者在降低射流速度衰减率的有效性降低了。
上述问题通过根据本发明的冶金喷枪解决。
根据本发明，提供了一种用于将颗粒材料喷入液体的冶金喷枪，该喷枪包括在其出口端终止于第一拉瓦尔喷嘴中的轴向主气体通道，在其出口端终止于第二拉瓦尔喷嘴的主气体通道周围的覆盖气体通道，以及具有在第一拉瓦尔喷嘴喉部下游终止于第一拉瓦尔喷嘴的轴向出口的颗粒材料传输通道，其中第一拉瓦尔喷嘴具有至少一个用于外部冷却剂流动的冷却通道。
通过将颗粒材料引入主气体射流，就可以以高速度将其引入液体，即使颗粒材料通常以亚音速速度在其传输通道中被传输。而且，由于颗粒材料被引入第一拉瓦尔喷嘴的扩张部分，高速度颗粒与第一拉瓦尔喷嘴壁的碰撞可以保持在最小，因此使喷嘴发生快速侵蚀的危险降到最小。
每一拉瓦尔喷嘴基本上都具有朝着喉部收缩的上游部分和从喉部扩张的下游部分。可选地，拉瓦尔喷嘴可以包括扩张部分下游的另一部分。该另一部分可以是正圆柱形或者可以再次在流动方向收缩。传输通道的轴向出口可以终止于扩张部分或者该另一部分。
由于覆盖气体可以以超音速离开喷枪，覆盖气体和主气体射流之间的速度差异可以降低，结果主气体射流速度下降的速度也降低。
根据本发明冶金喷枪的另一个优点是，为了限定其各种通道，可能会采用同心管布置。这种布置促进了喷枪的制造。
优选地，覆盖气体通道和颗粒材料传输通道与主气体通道同轴。
优选地，覆盖气体通道包括燃烧室。燃烧室优选在其远端具有用于氧化剂的入口和燃料的入口。燃料和氧化剂优选通过同轴氧化剂和燃料通道供应。
第二拉瓦尔喷嘴优选通过外部冷却剂冷却，而且也具有至少一个用于外部冷却剂流动的通道。用于两个拉瓦尔喷嘴的外部冷却剂通常为水。特别的，冷却第一拉瓦尔喷嘴，增加了冶金喷枪的使用寿命。
第一拉瓦尔喷嘴优选设在第二拉瓦尔喷嘴的后面，第一拉瓦尔喷嘴的出口端终止于第二拉瓦尔喷嘴的扩张部分。这种布置有助于保护第一拉瓦尔喷嘴不受喷溅熔融金属的损坏。
主气体射流优选以1.5马赫至4马赫范围内的速度喷出根据本发明的冶金喷枪。覆盖气体，优选为燃烧气体混合物，以主气体射流速度的100至110％范围内的速度离开喷枪。
通常，主气体射流是市售的纯氧或富氧空气。颗粒材料可以是，例如碳。
现在，将参考附图通过实施例对根据本发明冶金喷枪进行描述，其中，
图1是喷枪部分截面的侧视图，图2是图1所示喷枪从其近端的视图。
参考附图，冶金喷枪2包括一组6个同轴管或导管。顺次，从最里面的管到最外面的管是颗粒材料传输管4、主气体管6、用于水的内管8、用于燃料气体的管10，用于氧化剂的管12和用于水的外管14。每一个管4、6、8、10、12和14在喷枪2近端或者附近具有入口。另外，从内水管8和外水管14有出口。因此，在喷枪2的近端有用于载气，通常为空气，的轴向入口16，其用来传输颗粒材料至喷枪2的远端。入口16可以包括用于将颗粒材料引入载气的通道(未示出)。载气可以以相对低的压力供应，以便其沿颗粒材料传输管的速度不大于约100米/秒，而颗粒材料作为稀相在其中运送。作为选择，颗粒材料可以作为高压载气中的密相传输。后面一种传输方式优选用于研磨颗粒，前者优选用于稍软颗粒。
主气体管6具有入口18。通常，主气体是氧气或富氧空气，且入口18与这样的氧或富氧空气源(未示出)相连。内水管8具有用于水的入口20和出口22。管8设置有管状挡板24。操作时，冷却水当其从喷枪2的近端至远端流动时通过挡板24的外表面，且以相反的方向通过挡板24的内表面返回出口22。内部冷却水的供应保护喷枪2内部不受其操作的高温环境的影响。
燃料气体管10在其近端通过入口26与燃料气体(通常，天然气)源(未示出)相连。相似地，入口28使得氧化剂管12与氧化剂，通常氧气或富氧空气源(未示出)相连。外水管14在其远端与另一用于冷却水的入口30相连。外管14含有管状挡板32。这样布置使得该冷却水流经入口30，并当冷却水从喷枪2的近端流动到远端时，通过挡板32的外表面。冷却水以相反的方向返回，并通过在喷枪2近端的出口34流出。外水管14使得喷枪外部在其高温环境操作期间能够冷却。同其它管相比，燃料气体管10和氧化剂管12的终止处距离喷枪2的远端更远。管10和12终止于位于环形燃烧室36近端的喷嘴35中。操作时，氧化剂和燃料气体以高压供应，对于天然气通常以5bar的数量级，对于氧气以11Bar的数量级，通过喷嘴35，并在燃烧室36混合和燃烧。通常，氧化剂(氧气)和燃料气体以提供化学计量燃烧的比例供应，虽然，如果需要，燃料气体和氧化剂可以以在火焰中提供过量燃料气体或过量氧化剂的比例供应。
主气体管6为通过喷枪2的主气体流提供通道。主气体管6终止于第一或内部拉瓦尔喷嘴38。第一拉瓦尔喷嘴38具有在其中形成的环形冷却通道40。冷却通道40接近于在管8内表面和主气体管6外表面之间限定的内部水通道。挡板24延伸至通道40内以便引导水冷却剂的流动。燃烧室36在其远端终止于第二或外拉瓦尔喷嘴42。燃烧室36和拉瓦尔喷嘴42的布置引起在燃烧室形成的火焰在喷枪2的操作期间被加速至超音速。第二拉瓦尔喷嘴42形成为双壁部件。第二拉瓦尔喷嘴42的外壁接近于最外部管14的远端。因此，最外部管14能够在喷枪2的操作期间为第二拉瓦尔喷嘴提供冷却，挡板32延伸至由拉瓦尔喷嘴42内壁和外壁限定的环形空间内。第一或内部拉瓦尔喷嘴38设在相对于第二或外部拉瓦尔喷嘴42的后面。最里面的管4的出口也设在相对于第一拉瓦尔喷嘴38顶端的后面，并终止于拉瓦尔喷嘴38的扩张部分。
在操作期间，主气体通常以2至3马赫范围内的速度喷出拉瓦尔喷嘴38。含有颗粒材料的载气通过管4的远端进入在内部拉瓦尔喷嘴38的扩张部分或(正如所示)另一收缩部分区域的加速主气体射流。因此，颗粒材料以超音速被运送出拉瓦尔喷嘴38。管4远端的位置应该是虽然当主气体射流加速时颗粒材料被引入主气体射流，但是颗粒对内部拉瓦尔喷嘴38的壁摩擦最小。主气体射流被燃烧室36喷出的环形超音速燃烧碳氢化合物气流覆盖。从拉瓦尔喷嘴喷出的燃烧碳氢化合物气体火焰的出口速度通常是主气体射流喷出速度的100至110％。通过采用相似的喷出速度，主气体射流和其火焰覆盖的混合就降低了。
图中所示的冶金喷枪2制造简单，主要可以由不锈钢形成。拉瓦尔喷嘴38和42可以通过适当的焊接接附于喷枪2。位于燃烧室36入口的喷嘴35也可焊接定位。
使用时，冶金喷枪通常定位成使其轴线垂直于需要引入所选颗粒材料(例如碳)的冶金液体(例如熔融金属)表面上合适垂直距离的位置。垂直距离通常选择为能使颗粒材料以超音速运送到熔融金属中。采用此方法，可以深入地穿入液体，因此促进其与液体的化学或冶金反应。
权利要求
1.一种用于将颗粒材料喷入液体的冶金喷枪，该喷枪包括在其出口端终止于第一拉瓦尔喷嘴的轴向主气体通道，在其出口端终止于第二拉瓦尔喷嘴的主气体通道周围的覆盖气体通道，以及具有在第一拉瓦尔喷嘴喉部下游终止于第一拉瓦尔喷嘴的轴向出口的颗粒材料传输通道，其中第一拉瓦尔喷嘴具有至少一个用于外部冷却剂流动的冷却通道。
2.如权利要求1所述的冶金喷枪，其中覆盖气体通道和颗粒材料传输通道与主气体通道同轴。
3.如权利要求1或2所述的冶金喷枪，其中覆盖气体通道包括燃烧室。
4.如前述任一项权利要求所述的冶金喷枪，其中第一拉瓦尔喷嘴设在相对于第二拉瓦尔喷嘴的后面，第一拉瓦尔喷嘴出口端终止于第二拉瓦尔喷嘴的扩张部分。
5.如前述任一项权利要求所述的冶金喷枪，其中第二拉瓦尔喷嘴具有至少一个用于外部冷却剂流动的冷却通道。
6.如前述任一项权利要求所述的冶金喷枪，其中传输通道在其下游端终止于拉瓦尔喷嘴的扩张部分。
全文摘要
将颗粒材料喷入液体中的冶金喷枪包括主气体管(6)，其限定轴向主气体通道，且在其出口和第一拉瓦尔喷嘴(38)的喉部下游终止于所述喷嘴。覆盖气体通道以燃烧室(36)的形式围绕着主气体管，并终止于第二拉瓦尔喷嘴(42)。颗粒材料传输管(4)限定了将颗粒材料在第一拉瓦喷嘴的喉部的下游引入第一拉瓦尔喷嘴(38)的通道。第一拉瓦尔喷嘴(38)提供有用于冷却剂的流动的通道(40)。
文档编号C21C5/52GK1646709SQ03809018
公开日2005年7月27日 申请日期2003年4月15日 优先权日2002年4月24日
发明者A·M·卡梅伦, C·J·费尔德曼 申请人:英国氧气集团有限公司