技术领域本实用新型涉及冶金行业中用于电弧炉冶炼的喷射装置，特别涉及一种电弧炉超音速环燃集束碳氧枪及喷头结构。
背景技术：
电弧炉吹氧、喷碳、喷石灰粉等是近年来新发展起来的一种钢铁冶金技术，是现代电炉强化用氧、增加化学能输入的重要手段。由于炉壁碳氧枪集成了预热烧嘴、集束射流吹氧脱碳、喷吹碳粉造泡沫渣以及二次燃烧等多种功能，可以有效降低吨钢电耗，在业内得到广泛应用。为了延长主流氧气的喷射距离，增加气体对钢液的搅拌强度，众多的电炉氧枪采用了集束吹氧技术，如申请号201220742975.8、201120553225.1、201010123000.2、201020518313.3、201220333503.7、02100466.8、200920023587.2等所述，即在主氧流拉瓦尔超音速喷口的周围设置了一层伴流的氧气或一层燃气加一层氧气伴流燃烧，其伴流氧气与主流氧气由压力、流量不同的管道分别提供。现有技术的碳粉喷枪一般与电弧炉氧枪或分体，或平行布置在同一水冷体内形成子母枪，如申请号99223126.4、02214529.x、200320123669.7、201320149882.9等。由于电弧炉内除尘气流的扰动，阻碍了粉剂到达钢水液面，降低了碳粉的使用率。也有通多主氧气管喷吹粉剂的枪体结构，但是两者一般不能同时喷吹。现有技术所产生的超音速气流不能够包裹粉剂，使得粉剂喷吹距离相对较短且分散，被除尘气流抽走或落在渣面，没有到达被氧气射流吹开的钢液表面，制约了更高效的电弧炉冶炼工艺的发展，因此有必要研究一种支撑吹氧、喷粉、燃烧加热过程同时进行的超音速环燃集束碳氧枪及喷头结构。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种适合电弧炉使用的集吹氧、喷粉、燃烧加热功能一体的环燃集束碳氧枪及喷头结构，以达到提高氧气和粉剂射程，提高粉剂使用率，延长其使用寿命，提高喷吹效能的目的。为达到上述目的，本实用新型是通过以下技术方案来实现的：本实用新型提供一种电弧炉超音速环燃集束碳氧枪及喷头结构，包括集束喷头和枪杆，所述枪杆主要由同轴设置的粉剂管、氧气管、燃气管、水冷内管、水冷外管以及粉剂入口组件、密封组件组成，并分别对应设有粉剂入口、氧气入口、燃气入口、冷却水进口、冷却水出口，所述集束喷头设有中心孔、环氧小孔、环燃小孔和燃烧定向室，所述氧气管、燃气管、水冷外管分别与所述集束喷头焊接，所述粉剂管与所述集束喷头插接。进一步，所述枪杆的所述冷却水内管、冷却水外管焊接在一起并与所述密封组件法兰连接且端面密封，所述氧气管、燃气管与所述密封组件插接并由弹性密封环密封，所述粉剂管与粉剂入口组件螺纹连接并由橡胶密封圈密封，所述粉剂入口组件与所述密封组件法兰连接且端面密封。进一步，所述集束喷头中心孔内壁与粉剂管外壁形成加速主氧气流速至超音速的变截面环管通道，主氧气出口与环氧出口、环燃出口、粉剂出口并列在所述燃烧定向室底部，所述粉剂出口位于燃烧定向室中央，主氧气出口在粉剂出口外围且与之同心，环燃出口与环氧出口围绕主氧气出口交替布置，环氧进口位于氧气管内径范围内，环燃进口位于燃气管与氧气管之间。采用上述结构，主氧气在通过变截面环管通道时获得超音速加速，围绕主氧气的环燃氧气和环燃燃气在燃烧定向室混合燃烧，高温气体伴随并挤压超音速主氧气气流形成集束射流，使中心主氧气超音速射流扩散及衰减变缓慢，超音速射流延长，可以穿过渣面注入钢液。采用上述结构，碳粉或石灰粉或煤粉等各类冶金粉剂可以采用低压气体输入，降低粉剂对输送管道以及喷枪粉剂管的磨损，并在超音速集束主氧流的裹挟下注入电弧炉钢液，避免被除尘气流卷走或洒落在渣面，提高粉剂使用率。采用上述结构，可以及时更换被磨损的粉剂管，延长电炉集束环燃碳氧枪的使用寿命。采用上述结构，可以方便更换集束喷头，保留无损坏的枪杆。采用上述结构，水冷套同时保护氧气管、燃气管和粉剂管，延长环燃集束碳氧枪的使用寿命。采用上述结构，电弧炉碳氧枪可以实现多功能冶炼：仅需喷粉无需吹氧时，关闭燃气和氧气，并通入惰性保护气体，电弧炉碳氧枪成为喷粉枪；仅需吹氧无需喷粉时，粉剂管停止粉剂输入并通入惰性保护气体，电弧炉碳氧枪成为吹氧枪；仅需燃烧加热时，粉剂管停止粉剂输入并通入燃气，电弧炉碳氧枪成为烧嘴；粉剂管尾部安装摄像头或红外温度传感器或火焰监测传感器时，电弧炉碳氧枪可以成为监测装置。与现有技术相比，本实用新型的优点在于：1、采用本实用新型的一种电弧炉超音速环燃集束碳氧枪及喷头结构，粉剂和氧气能够同轴、同时输入电弧炉，粉剂能够在氧气的包裹下注入钢液，实现吹氧升温助熔，切割废钢、造泡沫渣以及喷粉脱硫。2、采用本实用新型的一种电弧炉超音速环燃集束碳氧枪及喷头结构，能够延长主氧气射流的有效流程，进而提高其离开钢液面的距离，以减少渣液和电弧对集束喷头的侵蚀，从而提高其喷射的效能，延长集束喷头的使用寿命。3、采用本实用新型的一种电弧炉超音速环燃集束碳氧枪及喷头结构，氧枪和碳粉枪被同一水冷套管保护，增加了电弧炉设备功能，减少了电弧炉设备数量。4、采用本实用新型的一种电弧炉超音速环燃集束碳氧枪及喷头结构，能够采用低压气体输送粉剂，降低粉剂对输送管道以及喷枪粉剂管的磨损，提高枪杆使用寿命。本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，其中：图1为本实用新型中集束喷头的结构示意图；图2为本实用新型中枪杆的结构示意图；图3为本实用新型中集束喷头的底部示意图；附图标记：1-粉剂管，2-氧气管，3-燃气管，4-水冷内管，5-水冷外管，6-集束喷头，7-密封组件，8-粉剂入口组件，9-粉剂入口，10-氧气入口，11-燃气入口，12-冷却水进口，13-冷却水出口，14-粉剂出口，15-主氧气出口；其中，60-中心孔，61-环氧小孔，62-环燃小孔，63-燃烧定向室，611-环氧入口，612-环氧出口，621-环燃入口，622-环燃出口。具体实施方式以下将对本实用新型的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。如图1-3所示，一种电弧炉超音速环燃集束碳氧枪及喷头结构，包括枪杆和集束喷头6，该枪杆包括有同轴设置的粉剂管1、氧气管2、燃气管3、水冷内管4和水冷外管5、以及密封组件7和粉剂入口组件8，并分别对应设有粉剂入口9、氧气入口10、燃气入口11、冷却水进口12和冷却水出口13，该集束喷头包括有中心孔60、环氧小孔61、环燃小孔62和燃烧定向室63，所述氧气管2、燃气管3、水冷外管5分别与所述集束喷头6焊接，所述粉剂管1与所述集束喷头6插接；具体的，在本实用新型的结构中，粉剂管1、氧气管2、燃气管3、水冷内管4和水冷外管5由内向外依次同轴设置，即粉剂管1外套设有氧气管2，氧气管2外套设有燃气管3，燃气管3外套设有水冷内管4，水冷内管4外套设有水冷外管5，并使它们具有同一个中心轴线；粉剂管1内为粉剂通道，氧气管2与粉剂管1之间为氧气通道，氧气管2与燃气管3之间为燃气通道，水冷内管4与燃气管3之间为冷却水进水通道，水冷外管5与水冷内管4之间为冷却水出水通道，其中，所述粉剂管1由粉剂入口组件8上的粉剂入口9向粉剂通道内流入粉剂，该粉剂为碳粉、石灰粉、煤粉或其它物质粉中的一种或多种混合粉剂；所述氧气管2通过氧气入口10向氧气通道通入主氧气，以在集束喷头6形成主氧气射流包裹住粉剂；所述燃气管3通过燃气入口11向燃气通道通入燃气，该燃气燃烧产生的高温火焰进一步压缩主氧气射流，形成更远的主氧气集束射流；水冷内管4通过冷却水进口12向冷却水进水通道流入低温冷却水，再经集束喷头6过渡流入冷却水出水通道后由水冷外管5的冷却水出口13流出。本实用新型的粉剂和氧气能够同轴、同时输入电弧炉，粉剂能够在氧气的包裹下注入钢液，实现吹氧升温助熔，切割废钢、造泡沫渣以及喷粉脱硫；并能够延长主氧气射流的有效流程，进而提高其离开钢液面的距离，以减少渣液和电弧对集束喷头的侵蚀，从而提高其喷射的效能，延长集束喷头的使用寿命；同时，氧枪和碳粉枪被同一水冷套管保护，增加了电弧炉设备功能，减少了电弧炉设备数量；此外，还能够采用低压气体输送粉剂，降低粉剂对输送管道以及喷枪粉剂管的磨损，提高枪杆使用寿命。本实施例中，所述枪杆的所述冷却水内管4、冷却水外管5焊接在一起并与所述密封组件7法兰连接且端面密封，所述氧气管2、燃气管3与所述密封组件7插接并由弹性密封环密封，所述粉剂管1与粉剂入口组件8螺纹连接并由橡胶密封圈密封，所述粉剂入口组件8与所述密封组件7法兰连接且端面密封；具体的，在本实用新型的结构中，粉剂管1一端与粉剂入口组件8螺纹连接由橡胶密封圈(未标记)密封，另一端与集束喷头6插接连接；氧气管2一端与密封组件7插接连接并由弹性密封环(未标记)密封，另一端与集束喷头6焊接连接；燃气管3一端与密封组件7插接连接并由弹性密封环(未标记)密封，另一端与集束喷头6焊接连接；水冷内管4在远离集束喷头6的一端与水冷外管5焊接连接在一起；水冷外管5一端通过密封组件7连接于粉剂入口组件8，另一端与集束喷头6焊接连接；密封组件7的两端均设有法兰并分别与粉剂入口组件8和水冷外管5上所设的配对法兰连接，并在各法兰连接端面由金属包覆式垫片(未标记)密封。这样，使得本碳氧枪及喷头结构的装配简单易行，且安全可靠，并使得集束喷头的更换也方便。本实施例中，所述集束喷头6的中心孔60内壁与粉剂管1外壁形成加速主氧气流速至超音速的变截面环管通道，主氧气出口15与环氧出口612、环燃出口622、粉剂出口14并列在所述燃烧定向室63底部，所述粉剂出口14位于燃烧定向室63中央，主氧气出口15在粉剂出口14外围且与之同心，环燃出口622与环氧出口612围绕主氧气出口15交替布置，环氧进口611位于氧气管2内径范围内，环燃进口621位于燃气管3与氧气管2之间；具体的，在本实用新型的结构中，集束喷头6包括有中心孔60、围绕中心孔60分布的环氧小孔61和环燃小孔62以及在远离水冷外管5的一端设有呈内凹状并与中心孔60、环氧小孔61和环燃小孔62连通的燃烧定向室63；粉剂管1插入中心孔60内，其外壁与中心孔60内壁形成有加速主氧气流速至超音速的变截面环管通道(未标记)，其粉剂出口14位于中心孔60的出口中央，即变截面环管通道与氧气管2的氧气通道连通并由其上的主氧气出口15输出主氧气；环氧小孔61上的环氧进口611位于粉剂管1与氧气管2之间，即环氧小孔61与氧气管2的氧气通道的连通并由其上的环氧出口612输出环燃氧气；环燃小孔62上的环燃进口621位于氧气管2与燃气管3之间，即环燃小孔62与燃气管3的燃气通道连通并由其环燃出口622输出环燃燃气；主氧气出口15、环氧出口611、环燃出口621和粉剂出口14均并列在燃烧定向室63底部；主氧气出口15在粉剂出口14外围且与粉剂出口14同心，环氧出口612和环燃出口622围绕所述主氧气出口15交替均匀布置。这样，变截面环管通道可以使氧气通道内的主氧气通过时获得超音速加速；环燃小孔流出的可燃气体(环燃燃气)与环氧小孔流出的助燃气体(环燃氧气)在燃烧定位室里混合，喷出燃烧定位室后燃烧并挤压中心孔流出的超音速主氧气射流，以形成集束射流；粉剂管流出的碳粉或石灰粉或煤粉等各种粉剂在集束射流的裹挟下注入钢液。综上，本实用新型在超音速射流的外层增加环绕伴随高温热气流，使中心超音速射流扩展及衰减更小，超音速射流更长。应用在电弧炉冶炼时，可以提高氧气射流和粉剂流对熔池的穿透深度及搅拌强度，同时由于射流速度衰减延缓，可提高氧枪的吹炼枪位，而不影响射流对钢液的冲击深度，延长了集束喷头的使用寿命。本实用新型应用于电弧炉冶炼的实施例取得了如下效果：1)本实施例的喷头结构与现有的喷头结构相比，制造难度得到明显降低；2)本实施例的枪体结构与现有的枪体结构相比，结构更合理，装配更简单，更换更方便。3)本实施例的环燃集束碳氧枪与现有碳氧枪相比，结构更紧凑，寿命更长；4)本实施例的环燃集束碳氧枪与现有碳氧枪相比，提供的功能更多，射流更长，性能更好，效能更高。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。