用于冶金容器的气体及微粒输送的系统和方法与流程

用于冶金容器的气体及微粒输送的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求提交于2011年4月29日，申请序列号为No.61/480,982，且题为“用于冶金炉的气体及微粒输送系统和方法（GASANDPARTICULATEDELIVERYSYSTEMANDMETHODFORMETALLURGICALVESSEL）”的美国临时专利申请的权益和优先权，为了各种目的，其所公开的全部内容在此通过参考合并与此。技术领域本发明涉及用于将微粒物质和气体注入冶金精炼炉中的注入器。例如，微粒材料可以为氧化钙，气体可以为氧气，而冶金精炼炉可以为碱性氧气转炉（BOF）、电弧炉（EAF）或者氩氧脱碳炉（AOD）。

背景技术：
公开号为No.US2009/0013827且发明名称为“用于注入炼钢炉熔池中的受控生石灰（"CONDITIONEDQUICKLIMEFORINJECTIONTOAMOLTENBATHOFASTEELMAKINGVESSEL）”的美国专利申请公开了一种使用炼钢炉生产钢的方法，在炼钢炉中作为熔剂材料使用的生石灰与氧气流一同从上方吹入炼钢熔池中，其提供了一种包含有氧化钙（粒径小于250网格（mesh））的熔剂材料，该熔剂材料中包含有一种为硅氧烷聚合物的助流材料，其总量小于0.5%重量的氧化钙，并且其中与氧气一起的熔剂材料组分经过喷枪喷射到包括在炼钢炉中的炼钢熔池内。专利号为No.7,641,849的美国专利公开了一种用于将微粒材料注入到冶金炉中的注入器，该注入器具有注入微粒的腔室，并且第一气体同样地以超音速注入到该腔室中。该腔室具有作为喷枪的出口，该出口包括具有多孔特性的陶瓷管状筒和外固外同轴筒。第二气体进入到所述筒的间隔处，该第二气体穿过内筒并和第一气体及微粒混合，该混合物注入到冶金炉中。专利号为No.7,396,503的美国专利公开了一种用于将微粒物注入冶金炉中的喷枪。该喷枪具有用于导入微粒的内筒，该内筒终止于用于同心筒中的覆盖气体的第一拉伐尔喷嘴，并且该第一拉伐尔喷嘴终止于用于外筒中的第二覆盖气体的第二拉法尔喷嘴。专利号为No.6,261,338的美国专利公开了一种在喷枪顶面上具有多个开口的喷枪端头，第一开口为气体射流（例如氧气）通道的喷嘴，同时第二开口用于喷射粉末和载体气体的混合物，以及呈环状排列的开口用于喷射气体燃料环以围绕两个第一开口产生外焰。喷枪中的粉末混合物通道和粉末源及载体气体连通，并和喷枪端面的开口连通。粉末和少量的载体气体供给给内筒，并移动粉末到外筒的开口，其中可以供给额外的载体气体以加速粉末混合物。外筒和第二开口连通。在此描述的本发明及其各种优选实施方式克服现有技术中的缺点。

技术实现要素：
本发明用于将诸如生石灰的微粒材料注入冶金容器中。图1中所示出的装置表现为冶金喷枪，其具有内筒、中间同心筒和外筒的冶金喷枪，内筒用于提供微粒在载体气体中被输送到喷枪端头的路径，中间同轴筒用于容纳并携带相同的气体和/或第二气体到达喷枪端头，外筒则容纳并携带用于喷枪的冷却剂。微粒入口管携带例如生石灰的微粒进入到具有外管的开口，此处提供有载体气体以加速微粒混合物。该装置具有位于微粒入口的阀门以隔离微粒源。图中显出了在通道内的转向位置使用耐磨壳以减少摩擦是必须的。图2显示了一种用于载体气体的双重压力调节供给源。生石灰或其它微粒进入微粒入口管，经过阀门，并且在穿过耐磨壳后该微粒得以混合并由载体气体加速；微粒经过喷枪的内部耐磨筒并进入冶金炉中。该双重压力调节器能够实现在清洗过程中的高压和在微粒注入过程中的低压。本发明的第一方面包括用于通过喷枪系统将微粒注入冶金炉中的方法，包括：通过所述喷枪系统注入低压载体气体，以使得该载体气体进入冶金炉；向所述低压载体气体中供给微粒，以使得所述载体气体携带所述微粒进入所述冶金炉；停止所述微粒的供给；以及使用高压载体气体清洗所述喷枪系统。在某些实施方式中，所述方法还包括监测并调节所述载体气体的流量和所述微粒的流量的步骤。在优选实施方式中，所述微粒为生石灰，而所述载体气体为氧气。在其他优选的实施方式中，所述方法还包括有以下步骤：所述低压载体气体通过第一、第二调节阀调节；而所述高压载体气体则通过所述第一调节阀和旁通阀调节。在另外的其他优选实施方式中，所述低压载体气体和所述高压载体气体由单个压力调节阀调节。并且在其他优选实施方式中，所述低压载体气体和所述高压载体气体有单独的压力调节阀调制。本发明的第二方面是提供一种用于通过喷枪系统将微粒充入到冶金炉中的装置，包括：冶金喷枪，该冶金喷枪具有内筒，该内筒与所述喷枪的端头以及所述喷枪的头部（header）相连通；外管，该外管具有第一端和第二端，该第一端在所述头部处与所述内筒开放连通，所述第二端则在微粒入口管的外侧密封；微粒入口管，该微粒入口管具有从所述外管的第二端同轴地在所述外管内部延伸的第一部，以及在所述外管的外侧延伸的第二部，所述微粒入口管的所述第二部具有截止阀；辅助气体管，该辅助气体管具有与所述外管开放连通的第一端，其中，所述开放连通发生在所述外管的第二密封端和邻近所述微粒入口管的第一部的位置之间，并且所述辅助气体管的所述第二端与至少一个压力调节阀连通。优选实施方式还包括至少一个位于所述微粒入口管中的耐磨壳。其他实施方式包括至少一个位于所述外管中的耐磨壳。在某些实施方式中，所述至少一个压力调节阀仅包括一个压力调节阀。而在另外的其他实施方式中，所述至少一个压力调节阀还包括高压调节阀、位于所述高压调节阀下游的低压调节阀以及旁通所述低压调节阀的旁通阀。在某些实施方式中，所述装置还包括位于所述微粒入口管中的微粒流量计。在其他实施方式中，还包括位于所述辅助气体管中的气体流量计。在另外的其他实施方式中，所述至少一个压力控制阀位于远离所述冶金喷枪的远程位置。附图说明图1示出了微粒注入喷枪和头部，该头部具有微粒输入管、微粒阀、载体气体输入管、耐磨壳，而所述喷枪具有内部耐磨管、氧气入口和冷却剂通道。图2示出了双压力调节气体供给源，该供给源具有旁通阀以允许对载体气体管线实现截流、低流动性和高流动性的控制。图3示出了本发明所述系统的优选实施方式的示意图。图4示出了本发明所述的微粒注入喷枪。图5示出了本发明所述的微粒转动供给单元的特写以及比例参考图。图6示出了熔剂系统的典型BOP炉的实施例。图7示出了本发明所述的喷枪系统中典型BOP炉的实施例。图8示出了本发明所述的中心孔氧气喷枪。图9示出了具有本发明所述的生石灰注入设备的碱性氧气转炉法以及比例参考图。图10示出了本发明所述的转动供给供给器。具体实施方式应该理解的是，本发明的附图和说明书已经简要地描述了用于清楚地理解本发明的元件，同时为了清楚的目的，排除了已经公知的步骤/元件。本领域普通技术人员能够知晓这些为了实现本发明而采用的合适的和/或需要的其他步骤/元件。尽管如此，由于这些步骤/元件在本领域内已经是公知的了，并且由于它们不能实现更好地理解本发明，在此不再提供对这些步骤/元件的讨论。本发明的详细描述和其优选实施方式将参考说明书附图在下文中得以详细地阐述。现在参照说明书附图，图1至图3显示了根据本发明的优选实施方式的用于将例如氧气/氧化钙混合物的气体/微粒混合物注入到冶金炉中的系统。图1显示了冶金喷枪装置10的优选实施方式，该装置具有用于将微粒14（诸如,粒径小于250目的氧化钙，其中包含助流材料有机硅氧烷，该助流材料的总量小于0.5%重量的氧化钙）引入到系统中的微粒入口管12。该微粒入口管具有截止阀16以将所述第一管12与喷枪装置10的其他部件相隔离。该截止阀16避免了对微粒输入供给器14（图2）或供给单元80（图3）的回压，供给器14或供给单元80可以为转动供给生石灰分配器。例如氧气的载体气体18经过辅助气管20进入喷枪装置10中。该辅助气体管20与和微粒管12共轴的外管22相连通。来自于微粒入口管12的微粒14与来自于外管22的载体气体18在腔体24内混合，载体气体18携带微粒作为结合气体/微粒混合物26在所述腔体24内流动。所述结合混合物26进入内耐磨筒28并从孔口30中排出。优选地，所述微粒入口管12和外管22以共轴方式布置，以减少微粒14和载体气体18的混合物在气体/微粒混合物路径26上的磨损。当微粒14和结合混合物26的路径穿过管12和24以及转弯处时，优选地，设置有耐磨壳32以减少磨损。氧气34经由氧气入口36进入喷枪装置10。该氧气34流过喷枪10并容纳在中间筒38和内部耐磨筒28之间且经由喷嘴40排出。冷却剂42（例如水）在冷却剂入口44进入喷枪装置10，并容纳在和穿过由外部筒46和48所限定的通道。冷却剂42通过冷却剂出口50排出喷枪系统10。在一些实施方式中，辅助气体管20具有安装好的载体气体流量计52。而在其他的实施方式中，微粒入口管12具有安装好的微粒流量计54。在优选的实施方式中，载体气体流量计52和微粒流量计54用于在微粒注入和清洗过程中监测和调制理想的压力和流量。图2示出了用于调节载体气体18的流量的载体气体气撬56（carriergasskid56）。来自载体气体供给源的载体气体18由孔58进入载体气体气撬56（典型地，以约250psi的压力）。该载体气体供给源可以来自独立的辅助供给源（未显示）或来自氧气入口36。载体气体18穿过第一压力调节阀60，该压力调节阀60能够将压力从250psi降低到150psi。随后，所述载体气体18在由气撬排出孔64排出气撬56前经过旁通阀62或第二压力调节阀66（优选地，进一步将压力降低到约30psi）。在一些实施方式中，载体气体18为来自于外部源的氧气34。而在其它实施方式中，载体气体18为与主氧气供给源34、36连通的氧气34。在优选实施方式中，载体气体压力通过第一和第二压力调节阀60、66以及旁通阀62进行调节。而在更优选的实施方式中，单独调节的压力调节阀60用以在不使用压力调节阀66和旁通阀62的情况下调节载体气体的压力。所有的实施方式在辅助气体管20上具有双重压力调节载体气体供给源18。该双重压力通过载气18以高压流动地经过旁通阀或以低压流动地经过第二压力控制阀66而建立。这允许在微粒注入过程中使用较低的压力，而在微粒注入过程停止运行时，将较高的压力用于清洗从腔体24到微粒出口30的微粒14通道。在整体吹动过程中，至少一个阀62或阀66保持打开状态，以维持正压并减少由于炉渣被吸入开口30而造成的堵塞问题。在一些实施方式中，气撬56直接连接于辅助气体管20。在其他较佳实施方式中，气撬56放置在如图3所示的远距离的位置。图3示出了一个实施方式，其中生石灰供给单元80位于建筑物的低层90。该生石灰供给单元80通过硬管82和/或柔性软管86连接到位于上方两层92的喷枪装置10。在本实施方式中，气撬56位于中间层94，气体通过硬管或柔性软管88连接到喷枪装置10。在使用中，冶金喷枪系统10安装在冶金炉上。截止阀16关闭。微粒入口管12与微粒14（例如生石灰微粒和氧气混合物）的供给源连接。如图3所示，载体气体气撬56连接到/自气撬排出孔64连接到辅助气体管20。在根据本发明所述的用于将气体/微粒混合物输送到冶金炉的方法的第一实施方式中，包括如下步骤：通过喷枪系统10注入低压载体气体18，以将载体气体18注入到冶金炉中；将微粒供给到所述低压载体气体中，以使得气体携带微粒14注入到冶金炉中；停止向载体气体中供给微粒；以及增加载体气体18的压力以清洗喷枪系统10。在本发明的其他实施方式中，用于将气体/微粒混合物输送到冶金炉中的方法包括以下步骤：通过喷枪系统10注入低压载体气体18，以将载体气体18注入到冶金炉中，将微粒供给到所述低压载体气体中，以使得载体气体携带微粒14注入到冶金炉中；监控并调节载体气体和微粒的流量；停止供给微粒14；增加载体气体18的压力以清洗喷枪系统10；监控并调节载体气体的流量；降低载体气体10的压力；监控和调节载体气体的流量；并且向箱喷枪系统10中注入低压载体气体18。在本发明所述方法的另外一个优选实施方式中，使用氧气作为载体气体将生石灰微粒载体气体充入到冶金炉中，该步骤包括：将生石灰微粒14经由微粒入口管12充入到冶金喷枪系统10中直至截止阀16;充入作为载体气体18的氧气通过第一压力调节阀60和第二压力调节阀66，形成经由喷枪系统10直达微粒出口30的持续的载体气体18的低压供给；之后，打开截止阀16，以线性方式混合微粒14和载体气体18；关闭截止阀16，打开旁通阀62以清洗系统，随后关闭旁通阀62。在本发明的另一个实施方式中，使用氧气作为载体气体将生石灰微粒充入到冶金炉中，其包括如下步骤：将生石灰粉末14经由微粒入口管12充入到冶金喷枪系统10中直至截止阀16；充入作为载体气体18的氧气通过第一压力调节阀60和第二压力调节阀66,产生持续的载体气体18的低压供给以通过喷枪系统10直达微粒出口30；使用载体气体流量计52监测载体气体18，同时使用第二压力调节阀66调节载体气体流量；然后，打开截止阀16；以线性方式混合微粒14和载体气体18；使用载体气体流量计52监测载体气体18并同时使用第二压力调节阀调节载体气体流量，并使用微粒流量计54监测和调节流量，关闭截止阀16，打开旁通阀62以清洗系统，随后关闭旁通阀62。图4显示了本发明所述的微粒注入喷枪。中间的附图为新的喷枪端头设计的剖视图，其是具有两或三英寸内径的孔30的优选实施方式。图4还展示两个其它的优选实施方式，其中喷嘴40的数量为4个102或5个104。图5显示了微粒转动供给单元106。生石灰由上方108进入该转动供给单元。图5插图式地显示了微粒转动供给单元106的定位位置。生石灰通过管110从转动供给单元中排出。图6显示了具有本领域技术人员能够理解的熔剂系统的典型BOP容器的实施例。在优选实施方式中，生石灰的尺寸大约为2英寸乘1/4英寸。在该实施方式中，生石灰处理系统能够实现卵石状的产品。生石灰为一种易碎材料并且会在处理时被损坏。生石灰可以通过重力从称量斗114中供给到大斗112中的工艺中。图7显示了具有本领域技术人员能够理解的喷枪系统的典型BOP容器的实施例。在吹氧开始后，将生石灰添加到工艺中以启动氧化反应（点火）。延迟添加生石灰、大量注入以及卵石大小能够全面抑止碱性炉渣的快速形成。炉渣形成率的控制对于优化BOP工艺是重要的。图8显示了中心孔（孔30）氧气喷枪的实施例。典型的喷枪直径为10或12英寸。对称中心孔（孔30）为2或3英寸。特写图显示了具有四个喷嘴40的优选的实施方式。插图显示了就位后的优选的氧气喷枪装置10。图9显示了具有本领域技术人员能够理解的生石灰注入设备的碱性氧化工艺的实施例。在本实施方式中，图5中的生石灰注入设备有所显示。图10为转动供给供料器单元106的原理图。在优选实施方式中，材料通过分配容器116进入。通过齿轮箱122和电机124与电机120相连接的搅拌器118搅动所述材料。材料流经壳126并伴有来自于气体输送入口128的气体。材料和气体通过管110排出壳126。在使用时，该系统具有连接到生石灰管路（微粒注入喷枪的内耐磨筒28）的双重压力调节氧气供给源，以允许低压（30PSI）被用于生石灰注入过程，以及在生石灰注入过程停止时，使用高压（150PSI）来清洗所述内耐磨筒28。流向耐磨筒28的氧气优选地能够持续地经过整体吹动过程，以维持正压并减轻由于吸入炉渣所导致的堵塞问题。氧气可以通过独立的辅助气体管20或从包括在喷枪装置10上的氧气入口36的端口得以供给。氧气压力调节阀60和66可以安装于喷枪10的生石灰注入顶部适配器或定位于车间内的远距离气撬56上的任何方便的位置上。氧气压力可通过两个压力调节器/压力调节阀60和66（一个低压和一个高压）来进行调节并由旁通阀62来决定使用哪种压力，或者通过单独调节压力调节阀（singlemodulatingpressureregulatingvalve）控制来进行调节。生石灰（或微粒）注入顶部适配器被设计为用于以线性方式混合生石灰和氧气流，减少在生石灰流动路径上由于磨损所造成的潜在摩擦点，同时有助于引导生石灰穿过喷枪。当在石灰流动过程中需进行90°转向时，特殊耐磨壳32能够减少由于磨蚀所带来的磨损问题。氧气和生石灰流的压力可以在喷枪中得以监测，这允许使用者在生石灰注入和清洗过程中调节氧气压力阀以保证理想的压力和流量。该生石灰注入顶部适配器包括生石灰截止阀16，以允许喷枪与生石灰供给单元分隔，从而避免对该供给单元（优选为由不锈钢制成）产生回压。可替换的耐磨管28可以用以穿过喷枪的中心以吹动微粒/生石灰，当管子损坏时能够方便更换，并且对喷枪提供直接地保护以使其免于磨损。优选地，生石灰注入顶部适配器容易拆卸，并且能够针对大多数喷枪设计而进行改造。除了生石灰，本系统还能够用于注入其他材料，例如矿石或碳。载体气体也可以使用氩气、空气、氮气或氧气。有机硅减小了表面电荷，特别对于具有约250目大小的高镁石灰。当生石灰产品加入时，粉末状生石灰产品在流动时的典型密度为约42lbs/ft3（磅/立方英尺），而当其被放置和处理时，其密度为约60lbs/ft3。在添加时，生石灰产品具有类似于面粉或滑石粉的尺寸-但会呈现为流体状。生石灰产品易于流动并且不会像其他呈粉末状的生石灰那样和水结合，因此不会发生堵塞。该生石灰能够在位于喷枪中的3''管中以约2,000lbs/min的流量流动。优选地，喷枪设计为以注入为目的的，直径为12英寸的，具有2''或3''直径的中心孔的4孔氧气喷枪，其能够提供围绕粉末状生石灰的氧气罩。其他优选的喷枪包括具有中心孔的4孔或5孔喷枪，用以向工艺中输送氧气。氮气和氧气可以用于清洗容器。氧气为生石灰的载体气体。优选地，不锈钢弯曲软管用于从容器中将生石灰和载体气体输送到喷枪中。本工艺在下文中的一些或全部方面做出了超越当前技术的改进。氧气喷嘴将作为粉末状生石灰直接进入炉渣/钢接触面的载体。这使得与生石灰添加物的溶解速率最优化相关的工艺加热时间发生了所希望的缩短。该工艺是灵活的，当有需要时，其可以添加高钙或高镁石灰。随着改进，石灰的损耗量会如期望的那样具有约5%至10%的降低。而由于生石灰能够防护喷枪端头免受浴辐射（bathradiation），该喷枪端头会如期望的那样具有较长的寿命。进一步地，所述粉末状生石灰材料的分布密度将产生较小的热耗。此外，本发明还具有下文中的一些或全部的冶金方面的益处。氧化反应中反应的生石灰能够改善酸性炉渣的中和反应。由于所添加的材料具有较大的表面积，还能够使得溶解速率最优化。而对于炉渣碱性的控制能够有益于耐火性能的改善。进一步地，工艺的改善可以从在氧化反应场所引入生石灰中获得，从而改善早期的除磷工艺，并且能够改善炉渣的碱性并为晚期的除磷工艺进行冷却。并且，本发明还能够带来人们所期望的环境方面的益处。BOP操作层中的生石灰粉末以及排出气体将会减少，其使得安全性和环境问题得到了改善。伴随而来的与排放物管理相关的成本将得以降低。可控的供给方式提供了一个稳定的、能够将材料供给给工艺的供给，并且注入速率可调并能够被控制以满足工艺的需求。与容积式给料器不同的是，注入速率能够被更精确地控制。此外，材料能够克服压力以注入加压的环境中。所描述的注入系统能够整个到一个较大的治炼厂中，并且在其中能够覆盖较宽范围的材料。本发明公开的内容以其优选实施方式的形式得以说明，本领域技术人员能够理解的是，多种修改和变形是可能的。本发明的公开内容仅受限于随附的权利要求书，而不受限于上文中陈述优选实施方式的说明书。应该理解的是，本发明公开的说明书已经简要地描述了用于清楚地理解本发明的部件，同时为了清楚的目的，排除了已经公知的其他部件。本领域技术技术人员能够知晓为了实现本发明而采用其他步骤/元件是合适的和/或必须的。尽管如此，由于这些步骤/元件已经在本领域内公知了，并且由于它们不能实现对本发明更好的理解，在此并不提供对于这些元件的讨论。此外，应该理解的是，本发明的公开内容并不受限于上述的实施方式，其还包括了任意和所有在本发明保护范围内的实施方式。