本发明涉及一种操作顶部浸没式喷枪炉的方法，更具体地但并非排他性地涉及一种对顶部浸没式喷枪炉的喷枪的端部涂覆有炉渣层的方法以及围绕顶部浸没式喷枪炉的喷枪的外围保持均匀的热分布的方法。本发明还涉及适合用于实施该方法的顶部浸没式喷枪炉。
背景技术：
顶部浸没式喷枪炉是用于火法冶金的一种类型的炉，特别是用于矿物、金属和冶金矿石的熔融中的一种类型的炉。顶部浸没式喷枪炉包括用于接收和容纳液体的金属、黄渣、冰铜和/或炉渣浴的坩埚。坩埚典型地呈直立圆筒形容器的形式，该容器衬有容纳衬里，即耐火砖或铜冷却器。在炉坩埚上方设置有干舷(freeboard)延伸部分，并且炉容器的可操作的上部区域以及因此干舷的可操作的上部区域通常沿径向向外的方向朝向气体排出口扩展。
竖直定向的悬垂式钢喷枪通过炉的顶盖中的孔延伸穿过炉的顶盖进入坩埚中。在使用时，喷枪的端部被浸没在位于坩埚中的液体浴的表面下方。通过喷枪将工艺空气、富氧空气、富氮空气、氧气、燃料、熔剂、还原剂和进给材料中的任何一种或多种喷射到浴中。进给材料(例如，矿物质精矿或回收材料、还原剂、熔剂和固体燃料)还可以通过炉顶盖中的另一个孔滴入浴中。然而，喷枪总是至少将工艺空气/富氧空气/富氮空气引入熔融浴中，导致该浴的剧烈搅动。进给材料还伴随着浴中缺氧或浴中氧过量进行反应，该氧过量由喷射入的气体和/或进给材料输送，这导致小空间中的剧烈反应。
喷枪被构造成能够相对于坩埚上下移动，并因此能够相对于熔融浴上下移动，并且这通常通过由可移位的滑架支撑的喷枪来实现。可移位的滑架位于坩埚或炉容器的外侧，并且可以上下移动以控制喷枪伸入熔融浴的伸入深度。
us4,254,271公开了一种顶部浸没式喷枪炉，尤其是一种将气体喷射入顶部浸没式喷枪炉的液体火法冶金浴中的方法。根据该方法，气体通过具有内部管的喷枪进行喷射，气体流过该内部管。气体自排放端部从喷枪排放，此时气体排放到熔融浴中。该方法包括以下具体步骤：在喷枪浸没到熔融浴中之前将喷枪的排放端部提供给炉渣的熔体，并迫使气体穿过喷枪以通过飞溅的方式对喷枪的排放端部涂覆有熔融的炉渣。随后将被涂覆的喷枪顶端插入到熔融浴中。该涂覆层或固体炉渣保护喷枪顶端免受炉内的高温。浸没在浴中的喷枪顶端最终会损耗，而且损耗的喷枪在需要时容易用新的喷枪替代。随后切除损耗的顶端，并在将喷枪本体返回到炉之前将新的顶端焊接到喷枪本体上。
us4,254,271也公开了在喷枪内部的气体流涡旋器装置，其向流过喷枪的气体赋予涡旋作用。该流涡旋器装置的目的是使经喷射的气体在喷枪内旋转，迫使该气体触及喷枪壁，从而使喷枪壁冷却。冷却效果有助于涂覆层的固化，并且实际上产生在喷枪外部“冻结(freezing)”的炉渣层。
存在其他示例，在这些示例中，顶部浸没式喷枪炉的喷枪被插入到炉的液浴中，而没有在喷枪上形成涂覆层的特定步骤。
根据应用情况，顶部浸没式喷枪炉通常在800℃至1600℃的范围内工作。形成炉的内部衬里的容纳衬里(即，耐火砖和/或铜冷却器)保护钢壳或钢支撑结构免受坩埚或炉内的热量。产品在称为出渣的过程中通过一个或多个出渣孔、开口或堰从炉移除。这可以是连续移除或分批移除。
与现有的顶部浸没式喷枪炉相关的一个问题是，喷射喷枪由于沿着其长度和围绕其圆周的差温加热而易于弯曲。弯曲是由热应力引起的局部塑性变形的结果，该热应力是由差温加热引起的。差温加热又通过改变炉的不同部分的热条件以及沿着喷枪的长度或围绕喷枪的圆周在外表面上形成的保护性冻结的炉渣层或涂层的不一致的成形和/或不一致的厚度而引起的。应该记住，这种保护性涂层是通过无规则飞溅的过程形成的，而不是在受控的涂覆过程中形成的。
solnordal等人1确定，对于在由炉渣涂覆喷枪所在的区域内操作顶部浸没式喷枪而言，热传递是多相对流和传导的组合。他们建议，传递到内部喷枪管道的热的量与炉渣层厚度有关，其计算公式如下：
其中
dq-流过喷枪部段的热
ks-热导率
t-温度
r-半径
由于在顶部浸没式喷枪加工过程中存在的飞溅的混乱特性，在喷枪上实现均匀的炉渣层并因此在周向上围绕喷枪本体实现均匀的分布温度是不可能的。
例如gwynn-jones等人2公开的关于空气冷却管的热弯曲的工作表明，当存在不利的热梯度时，在高温工业过程中使用的圆筒形金属管可能永久弯曲变形。作者通过覆盖不同绝缘量的标准管道部段并通过用空气流拦腰(downthemiddle)冷却管道部段进行了实验测试。结果表明，管道将根据绝缘层的覆盖范围而沿不同的方向弯曲。绝缘层类似于炉渣层，因此该结构将适用于暴露于炉条件下的具有不规则炉渣层的顶部浸没式喷枪炉喷枪。
在工业操作中，一旦喷枪弯曲超过某一点，喷枪将被替换，因为它在对浴进行混合时具有降低的效率，而对浴进行混合对于顶部浸没式喷枪炉的正确操作是必不可少的。还可能变得难以通过炉的顶盖中的插入点将喷枪插入及移除。当喷枪被移除以进行修理时，停止炉操作。此外，如由seshadriseetharaman公开的“treatiseonprocessmetallurgy，第3卷：industrialprocesses”中所述，过度的喷枪弯曲可潜在地影响顶部浸没式喷枪反应器的侧壁耐火材料寿命。耐火材料损耗是工厂停工期的主要原因并且是最大的维护成本之一。
在上文列出的其他示例中，顶部浸没式喷枪炉的喷枪被插入炉的液浴中，而不存在在喷枪上形成涂覆层的特定步骤。这些结构还存在的共同缺点是喷枪的不均匀加热，这进而导致在喷枪操作期间喷枪的过度弯曲。
因此，本发明的目的是提供一种操作顶部浸没式喷枪炉的方法，该方法将至少部分地减轻上述缺点。
本发明的目的还在于提供一种操作顶部浸没式喷枪炉的方法，该方法将改进将工艺空气、富氧空气、富氮空气、氧气、燃料、熔剂、还原剂和进给材料中的任何一种或多种输送到浴中的输送效率。
本发明的另一个目的还在于提供一种操作顶部浸没式喷枪炉的方法，该方法将是现有方法的有用的替代例。
本发明的另一个目的还在于提供一种至少部分地减轻上述缺点的顶部浸没式喷枪炉。
本发明的另一个目的还在于提供一种将是现有顶部浸没式喷枪炉的有用的替代例的顶部浸没式喷枪炉。
技术实现要素：
根据本发明，提供了一种操作顶部浸没式喷枪炉的方法，该方法包括以下步骤:
-提供具有内部流通道的喷枪，该内部流通道被设置成穿过喷枪，其中，喷枪的端部位于顶部浸没式喷枪炉的坩埚内部，
-使喷枪旋转；
-使流体通过喷枪以便流体从喷枪的端部排放；以及
-将喷枪的端部浸没到坩埚内部的熔融材料浴中。
该方法可以包括以下步骤：
-将喷枪移位到如下预备位置，在该预备位置处，喷枪的端部位于熔融材料浴的上部表面上方以便流体从喷枪的端部排放以撞击熔融材料浴的上部表面，由此引起熔融材料的至少一些有效地向上飞溅；和
-将喷枪保持在预备位置，以便在旋转期间使熔融材料的飞溅物沉积到喷枪的外壁上。
提供的方法包括围绕喷枪的圆周形成保护涂层的步骤，该步骤的特征在于，由于喷枪被旋转，熔融材料围绕喷枪的圆周被均匀地沉积。
提供的方法包括对通过喷枪的流体赋予涡旋运动的步骤，以便促使流体与喷枪的侧壁的内表面发生接触，从而致使流体对喷枪的侧壁进行冷却。
该喷枪被设置成以在0.1rpm至120rpm之间、优选在0.5rpm至6rpm之间、最优选在1rpm至3rpm之间的速度发生旋转。
该喷枪被设置成沿一个方向进行连续地或间歇地旋转。
替代地，该喷枪被设置成沿第一方向进行连续地或间歇地旋转，然后随后该喷枪沿相反的第二方向进行连续地或间歇地旋转。
优选地，喷枪将沿一个方向进行连续地旋转。
流体被设置成至少包括氧气、工艺空气、含氧空气或含氮空气。
根据本发明的另一方面，提供了一种顶部浸没式喷枪炉，包括：
坩埚，该坩埚适于容纳熔融材料浴；
顶盖，该顶盖在使用时覆盖坩埚的开口端部；
喷枪，该喷枪适于将流体喷射到熔融材料浴中，该喷枪延伸穿过顶盖进入到坩埚中；
其特征在于，该喷枪能够相对于坩埚是可旋转的。
喷枪可通过驱动结构旋转。
驱动结构可包括使喷枪旋转的以下各项中的任一项：回转驱动器、具有单独的驱动器的回转轴承、机动旋转接头、具有单独的驱动器的旋转接头、具有单独的驱动器的套筒或衬套结构，或任何类似的或合适的驱动构造。
该喷枪被设置成包括流涡旋诱导装置，该流涡旋诱导装置被设置在流通道中以便使得通过喷枪的流体发生涡旋并被促使与喷枪的侧壁的内表面发生接触，从而致使流体对喷枪的侧壁进行冷却。
附图说明
通过非限制性示例的方式并参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1是如本领域已知的顶部浸没式喷枪炉的示意性透视图；
图2是根据本发明的顶部浸没式喷枪炉的喷枪结构的正视图；
图3是图2的喷枪结构的侧视图；
图4是根据本发明的顶部浸没式喷枪炉的喷枪结构的横截面正视图；
图5是图4的喷枪结构的横截面侧视图；
图6是图2的喷枪结构的俯视平面图；
图7是图4的喷枪结构的一部分的放大图；
图8是图5的喷枪结构的一部分的放大图；
图9是示出了喷枪旋转对喷枪温差的影响的曲线图。
具体实施方式
在对本发明的任何实施例进行详细说明之前，应该理解的是，本发明在其应用中并不限于以下描述中阐述的或以下附图中图示的部件的构造和结构的细节。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式被实践或实施。而且，应该理解的是，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用意味着涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。除非另外指明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变体被广泛地使用并且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和联接，并且因此旨在包括其间没有插置任何其他构件的两个构件之间的直接连接，以及其间插置有一个或多个其他构件的构件之间的间接连接。此外，“连接”和“联接”并不限于物理或机械连接或联接。另外，词语“下部”、“上部”、“向上”、“下”和“向下”表示所参考的图中的方向。术语包括上面特别提到的词语、其衍生词、以及词语或类似的含义。应当注意，如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一个/一种(a，an)”和“该/所述(the)”以及任何单词的任何单数使用都包括复数指代物，除非清楚地且明确地限于一个指代物。如本文所使用的，术语“包括”及其语法变体旨在是非限制性的，使得列表中的项目的列举不排除可以替换或添加到所列项目的其他类似项目。
参考附图，其中相同的附图标记表示相同的特征，根据本发明的顶部浸没式喷枪炉的非限制性示例一般由附图标记10表示。
典型的顶部浸没式喷枪炉在图1中示出，并且包含主炉容器11，该主炉容器典型地为直立的圆筒形结构的形式，该圆筒形结构的内壁衬有容纳衬里，例如耐火砖12。坩埚13被限定在容器11的底部，并且在使用时容纳金属、黄渣、冰铜、矿石或炉渣的熔融浴。熔化的产物可以通过出渣孔14移除。容器的可操作的上部端部终止于反向锥形地扩展的部段15。顶盖16覆盖容器11的开口端部，气体出口端口16允许废气经由扩展的部段15从容器11逸出。
喷枪结构20通过喷枪开口17延伸到容器11内。喷枪结构包括管状喷枪21，空气、氮气和氧气、有时还有燃料和进给材料通过管状喷枪被引入熔融的金属浴中。为了实现这一点，喷枪的可操作的下部端部22在使用时伸入熔融浴中，因此喷枪的出口顶端浸没在熔融浴的表面下方。如上文更详细描述的那样，在喷枪21的端部上形成固化的炉渣涂覆层23，以保护喷枪免受炉内的苛刻条件，特别是熔融浴的高温。该喷枪结构包括承载结构(未示出)，该承载结构可竖直移位并因此能够实现伴随的、喷枪21的竖直移位。
根据本发明的顶部浸没式喷枪炉与图1所示的炉相似，其中主要区别在于喷枪可旋转这一事实。该喷枪将仍然像图1的现有技术的喷枪那样进行竖直移位，但除此之外还可相对于炉并因此相对于熔融浴进行旋转。
可以利用许多不同的构造和设计来构造旋转喷枪结构，并且参照图2至图8描述了一个这种喷枪结构30的单个非限制性示例。
喷枪结构30包括细长的管状喷枪31，该管状喷枪在使用时延伸到炉的坩埚中。喷枪31具有可操作的底部端部32，该底部端部终止于顶端结构，由喷枪输送的流体通过该顶端结构排出，并排放到熔融浴中。喷枪的相对的可操作的上部端部33可旋转地连接到外部固定不动的喷枪部段35。喷枪31相对于固定不动的喷枪部段35是可旋转的，但喷枪31和固定不动的喷枪部段35也可通过滑架(未示出)作为一个整体进行竖直移位。喷枪结构30通过连接板34或其他装置固定到这种滑架上。
驱动结构被用于使喷枪31相对于固定不动的部段35旋转，并且在该实施例中包括电驱动器36，该电驱动器通过齿轮箱37驱动回转轴承38。回转轴承38进而使喷枪31的端板50旋转，这导致喷枪31相对于固定不动的部段35进行旋转。旋转密封件39在喷枪31和固定不动的部段35之间形成密封。工艺气体、氧气、含氧空气或含氮空气通过开口端部45被引入到喷枪中，并且穿过喷枪31直到其在喷枪的开口端部32处被排放。
喷枪31是中空的，并且在该实施例中，两个另外的导管被设置在中空喷枪31的孔内。外管41位于喷枪31内部，并且相对于喷枪31由环形间隔件48支撑。在外管41的外表面和管状喷枪31的内表面之间形成气体流环腔49。例如呈螺旋挡板或有角度的叶片形式的涡旋诱导装置46被设置成朝向喷枪31的端部，并且向流过通道49的气体赋予涡旋或旋转作用，从而迫使该气体与喷枪31的内表面接触，以便通过对流冷却来至少部分地冷却气体的内表面。
内管42位于外管41的内侧，并且在内管42的外表面与外管41的内表面之间限定有环形通道。该环形通道使喷枪31的底部区域与可操作的上部端口44发生流体连通，并且可用于测量喷枪31的排放顶端处的压力。此外，内管42形成用于向熔融浴供应燃料的导管，并终止于燃料喷嘴47。内管42的上部端部43与燃料源(未示出)流体连通。旋转式活接头(union)40被设置在外管41和内管42的上部端部处并使得管能够旋转同时仍然与燃料源(未示出)和压力检测装置(未示出)保持流体连通。应该注意的是，在一些实施例中，例如在喷枪不是沿一个方向连续旋转而是沿着相反的方向交替旋转的情况下，将不需要旋转式活接头，并且燃料和压力检测管道可以通过柔性软管连接。
上述构造描述了喷枪结构的一个实施例，该喷枪结构相对于其所位于的炉容器将是可旋转的，并且可预见许多其他构造。
在使用时，喷枪31将被插入到容器11中，并且气体将被引入到喷枪的上部端部中，以便从喷枪的下部端部32排放气体。首先，将喷枪31移位到预备位置或初始操作位置，在该初始操作位置，喷枪的端部32位于坩埚内部的熔融材料浴13的上部表面的上方，结果从喷枪31的端部排放的气体撞击熔融材料浴的上部表面，由此导致来自熔融浴13的熔融材料的至少一些有效地向上飞溅。喷枪31将保持在初始操作位置或从初始操作位置降低，同时熔融材料的飞溅物沉积在喷枪的外壁上。同时，使喷枪31进行旋转，以使熔融材料围绕喷枪的圆周被均匀地沉积，从而形成保护涂层并允许围绕喷枪的圆周对喷枪进行均匀的加热。一旦涂层已形成，喷枪31就被浸没到熔融浴中并且可以开始进行工艺操作。设置在流通道49中的涡旋诱导装置46将使通过喷枪31的气体发生涡旋并被促使与喷枪的侧壁的内表面发生接触，以致使流体对喷枪的侧壁进行冷却，从而有效地帮助“冻结”涂覆层。
应该理解的是，喷枪将不仅在被浸没之前被旋转，而且在喷枪被浸没时并且在随后的操作中被旋转。其原因在于，喷枪被旋转以便不仅确保在喷枪上形成均匀的炉渣层，而且还确保，在具有或者没有炉渣层的情况下，沿着喷枪的长度和围绕喷枪的圆周对称地发生喷枪的加热。均匀的炉渣层的形成是喷枪的均匀加热的结果，这进一步有助于在对炉进行操作时提供持续的益处。喷枪的中部部分和上部部分很可能是大部分喷枪发生弯曲的且根本不会被炉渣层覆盖的地方。然而，喷枪在这个区域中的均匀加热将防止发生喷枪弯曲，而不管该区域是否被炉渣层覆盖。
通过如上述示例那样在操作期间使喷枪旋转，沿着喷枪的长度和围绕喷枪的圆周均匀地发生喷枪的加热。这种均匀的加热将消除或至少减少喷枪弯曲，因为它将防止喷枪本体中的局部和不对称的热应力。此外，在形成炉渣层或涂层的情况下，在喷枪的外表面上形成的并附着在喷枪的外表面上的冻结的炉渣层沿着喷枪的长度和喷枪的圆周的厚度更可能是对称的并且是均匀的，这将进一步防止差温加热的发生。
在图9中示出了使喷枪旋转对喷枪的温差的影响。图形结果是基于如下的假设：在时间为零时，周围的炉空间处于平均800℃。它进一步假设，由于在喷枪的一侧上的混乱的炉条件或者由于喷枪一侧上的保护性冻结的炉渣层的损耗，周围的炉空间温度在喷枪的一侧增加到1300℃，同时在喷枪的另一侧保持在800℃。因此，预计在不到10分钟的时间内，固定不动的喷枪两侧的温差将增加到400℃以上。相比之下，对于以0.5rpm旋转的喷枪，温差将被限制到小于50℃，对于以1rpm旋转的喷枪，温差将被限制到小于30℃，对于以3rpm旋转的喷枪，温差将被限制到小于10℃。
在一个示例中，顶部浸没式喷枪炉被用于熔炼铜黄铜矿精矿。在典型的情况下，铜黄铜矿精矿的进给速率为150t/h，含铜约23.0％。硅石熔剂的进给速率为3.1t/h，石灰石熔剂的进给速率为4.8t/h。煤的进给速率为1.7t/h。熔融浴由铜冰铜和位于炉坩埚高度的下部的2米处的低铜铁硅酸盐炉渣组成。浴的温度在1160℃到1210℃之间。在初始操作期间以约2,000升/小时的速率引入柴油燃料，并且在正常的工艺操作期间以200升/小时的速率引入柴油燃料。氧气富集62％时，喷枪氧气流速为6.8nm3/s，空气流速为5.5nm3/s。喷枪以大约3rpm进行旋转，并且在工艺操作期间以该速度使喷枪旋转继续。在该示例中，与常规顶部浸没式喷枪炉中的非旋转式喷枪相比，该喷枪被更加均匀地加热，这导致减少喷枪的弯曲。
在喷枪被浸没到熔融浴之前，喷枪的端部将被保持在炉渣表面上方大约100mm处，同时使喷枪旋转。喷枪以大约3rpm的速度旋转，并且工艺空气通过喷枪喷射到熔融浴中，以便使炉渣沉积到喷枪的端部上。允许形成1mm至20mm之间的炉渣层，并且在约5分钟之后将喷枪顶端插入到熔融浴中以便使正常操作随之发生。喷枪伸入熔融浴中约300mm，然后，在操作喷枪的同时，还对喷枪的在使用时从熔融浴伸出的部分进行连续地涂覆并且均匀地加热。
应该理解，以上仅是本发明的一个实施例，并且在不脱离本发明的精神和/或范围的情况下可以有许多变体。
参考文献
1c.b.solnordal,f.r.a.jorgensen,和r.n.taylor,“modelingtheheatflowtoanoperatingsirosmeltlance”,metall.mater.trans.b,1998,vol.29b,pp.485-492
2s.gwynn-jones,k.hooman,b.daniel,“thermalbendingofaircooledtubes”internationalworkshoponthermalformingandweldingdistortion,bremen,april09-10,2014