专利名称：用覆盖超音速气体射流向液体中喷射固体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将颗粒固体喷入液体，特别是冶金液体的方法。根据本发明的方法可以用于冶金精炼工艺，例如钢或其它铁合金的制造。
众所周知，颗粒反应物，特别是碳，在液体精炼期间可以被喷入熔炉的冶金液体容积(“熔池”)中。但在液体中实现固体颗粒反应物的适当分布中会出现问题，特别是如果颗粒是小尺寸时。
已有人提出用载气超音速射流将颗粒反应物传送到冶金熔池。利用其动量，超音速射流能够穿过熔池表面以下很大的距离。然而，问题是从常规冶金喷枪的喷嘴喷射时，射流从静止的周围气氛中带走大量气体，从而快速失去速度。结果，射流在熔池中适当地分散颗粒反应物的有效性就降低了。
EP-A-0 874 194披露了在含有颗粒反应物的(亚音速)载气流周围以超音速形成火焰。火焰与载气流的速度不同导致颗粒材料被带进火焰。因此EP-A-0874 194披露的将颗粒固体反应物引入冶金熔池的方法的有效性就受限了。
US 6 254 379 B1披露了采用高速载气射流将固体材料引入反应区域，并用低速火焰包围气体射流。反应区域可以在生产熔融金属的熔炉中形成。这种布置的缺点之一是扩张的燃烧气体容易被牵引进入射流而有降低其速度的效果。另外，US 6 254 379 B1刻意选择气体射流长距离喷到反应区域，从而确保气体射流在冲击反应区域前气体射流速度就大大降低。
根据本发明的方法目的在于提供一种将固体颗粒材料引入冶金液体熔池的改进方法，它使得可以实现载气在进入熔池的位置处的高喷射速度，以及最小化气体射流与覆盖气体的混合。
根据本发明提供了一种将固体颗粒反应物引入冶金液体熔池的方法，其包括步骤将固体颗粒反应物引入主超音速气体射流中，将主超音速气体射流对准熔池表面，且用覆盖气体射流包围主气体射流，其特征在于覆盖气体射流也以超音速供给，且主超音速气体射流的形成速度在覆盖气体射流形成速度的减10％至加10％的范围内。
根据本发明的方法，当主气体射流通过它进入熔池的位置时主气体射流能保持高速和从而保持高动量。因此主气体射流能很好地将固体颗粒反应物传送到熔池中。根据本发明的方法由于能将固体颗粒反应物很好地引入熔池表面下，因而能得到许多不同的工艺优势。
覆盖气体射流优选包括燃烧碳氢化合物流体燃料。产生的火焰优选终止于熔池表面。
主超音速气体射流优选从第一收缩-扩张(或“拉瓦尔”)喷嘴流出。覆盖气体射流优选从第二收缩-扩张或拉瓦尔喷嘴喷出。
两种气体射流优选以1.5至4马赫范围的速度离开它们各自的喷嘴，更优选在2至3马赫范围。
如果覆盖气体射流以比主射流高的速度喷射，则从后者而来的气体趋于被带入前者。如果情况相反，覆盖气体射流以比主气体射流低的速度喷吹，覆盖气体趋于被带入主气体。因此需要主气体射流和覆盖气体射流以基本相同的速度喷射。假设遵守该条件，主气体的稀释或夹带就能降低。如果两者速度不同，优选覆盖气体以较高的速度喷射，因为其速度的衰减率大于覆盖的主射流。
优选地，碳氢化合物燃烧开始于第二喷嘴上游的燃烧室。优选地，颗粒固体反应物通过轴向管引入第一喷嘴，该管终止于喷嘴的扩张部分。主气体射流可以垂直或在与垂直方向成一角度引入冶金熔池。
在精炼操作中，通常在调节熔池的碳含量时，熔池包含熔渣表面层。有时，需要将固体颗粒材料穿过渣层并直接进入熔融金属。而有时，将固体颗粒反应物直接引入渣层即可。如果需要穿进熔融金属时，就比不必将颗粒材料运送到渣层下时所选的喷射速度高。
固体颗粒材料可以连续或间断地被引入熔池。
根据本发明的方法将参考附图通过实施例进行描述，其中
图1为根据本发明的方法中采用的喷枪的部分截面的侧视图，图2是图1所示的喷枪从其近端的视图；和参考图1和2，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可以包含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给，以便使其沿着颗粒材料传输管4的速度不超过约每秒100米。因此固体颗粒材料作为所谓的“稀相”沿着管4传输。或者，固体颗粒材料可以以较低的速度作为“密相”传输。如果固体颗粒材料由硬的研磨材料制成，则此种密相传输通常是优选的。在另一方面，稀相传输可能对于较软材料更优选。
主气体管6具有入口18。通常，主气体为氧气或富氧空气，入口18与此氧气或富氧空气源相连。内水管8具有用于输送水的入口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。供应内部冷却水会保护喷枪2的内部不受其操作时高温环境的影响。
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。这样布置使得冷却水通过入口30流动，并且当其从喷枪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2外部在其高温环境操作期间能够冷却。燃料气体管10和氧化剂管12的终止处比其它管离喷枪2远端更远。管10和12终止于位于燃烧室36近端的喷嘴35中。操作时，氧化剂和燃料气体通过喷嘴35，并在燃烧室36混合和燃烧。
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。如图1所示，该拉瓦尔喷嘴38具有向喉部收缩的上游区域和从喉部扩张的下游区域。在拉瓦尔喷嘴38的远端还有在流动方向收缩的另一区域。第一拉瓦尔喷嘴38具有形成其中的环形冷却通道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。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，且终止于扩张区域或(如图1所示)拉瓦尔喷嘴38的另一收缩区域。
操作时，通常选择向燃烧室36供应的燃料气体和氧化剂的相对比例以便提供化学计量燃烧。然而，如果需要，可对该比例进行选择以便提供亚化学计量燃烧，结果是燃烧产物中的一氧化碳的摩尔分数大于化学计量燃烧。作为选择，燃烧可以是超化学计量，结果是燃烧产物含有氧分子。选择氧化剂和燃料气体的供应压力以便在拉瓦尔喷嘴42的出口提供所需的气体或火焰速度。出口速度不仅仅依赖于供给压力，而且依赖于燃烧室36内的燃烧范围。通常，燃烧室36具有足够空间以使大部分燃烧在其中而不是它的下游发生。通常，如果燃料为天然气，它可以以至少为5bar的压力供应。氧气通常以至少为11bar的压力供应。来自拉瓦尔管38的主气体出口速度通常可选择在2至3马赫范围内。含有颗粒材料的载气通过管4的远端在内拉瓦尔喷嘴38的扩张区域或(如图1所示)另一收缩区域的区域进入加速的主气体射流。因此颗粒材料以超音速被输送出拉瓦尔喷嘴38。管4远端的位置是即使当主气体射流加速时颗粒材料被引入到该主气体射流中，颗粒与内拉瓦尔喷嘴38管壁的摩擦最小。主气体射流被从燃烧室36出来的燃烧碳氢化合物气体的环状超音流速覆盖。从拉瓦尔喷嘴出来的燃烧碳氢化合物气体火焰的出口速度为主气体射流出口速度的90-110％，优选100-110％。通过采用相同的出口速度，主气体射流和其火焰覆盖流的混合就降低了。
图中所示的冶金喷枪制造简单。拉瓦尔喷嘴38和42可通过适当的焊接与喷枪2接附。位于燃烧室36入口的喷嘴34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)表面上适当垂直距离的位置。通常选择垂直距离以使颗粒材料以超音速运送到入熔融金属中。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。作为选择，喷枪的轴线可以与垂直方向成一定角度。
权利要求
1.一种将固体颗粒反应物引入冶金液体熔池的方法，其包括步骤将固体颗粒反应物引入主超音速气体射流中，将主超音速气体射流对准熔池表面，且用覆盖气体包围主气体射流，其特征在于覆盖气体射流也以超音速供给，且主超音速气体射流的形成速度在覆盖气体射流形成速度的减10％至加10％的范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中覆盖气体射流包括燃烧碳氢化合物流体燃料。
3.根据权利要求2所述的方法，其中由燃烧碳氢化合物流体燃料产生的火焰终止于熔池表面。
4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中主超音速气体射流从第一个收缩-扩张喷嘴流出。
5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中覆盖气体射流从第二个收缩-扩张喷嘴喷射。
6.根据权利要求4和5所述的方法，其中两气体射流以1.5至4马赫范围内的速度离开它们各自的喷嘴。
7.根据权利要求6所述的方法，其中速度在2至3马赫范围内。
8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中主气体射流以第一速度喷射，覆盖气体射流以第二速度喷射，第二气体速度等于或大于第一气体速度。
9.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中主气体射流由包括体积至少为70％的自由氧、或空气、氩气或氮气的气体形成。
全文摘要
一种将固体颗粒反应物引入冶金液体熔池的方法包括步骤将固体颗粒反应物引入主超音速气体射流。主超音速气体射流对准熔池表面并用覆盖气体射流包围，优选为燃烧碳氢化合物流体燃料，其以超音速供给。主超音速气体射流的形成速度在覆盖气体射流形成速度的减10％至加10％的范围内，优选在2至3马赫范围。
文档编号F27D99/00GK1646708SQ03809017
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·科梅伦, C·J·费尔德曼 申请人:英国氧气集团有限公司