專利名稱：用覆蓋超音速氣體射流向液體中噴射固體的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種將顆粒固體噴入液體，特別是冶金液體的方法。根據本發(fā)明的方法可以用于冶金精煉工藝，例如鋼或其它鐵合金的制造。
眾所周知，顆粒反應物，特別是碳，在液體精煉期間可以被噴入熔爐的冶金液體容積(“熔池”)中。但在液體中實現固體顆粒反應物的適當分布中會出現問題，特別是如果顆粒是小尺寸時。
已有人提出用載氣超音速射流將顆粒反應物傳送到冶金熔池。利用其動量，超音速射流能夠穿過熔池表面以下很大的距離。然而，問題是從常規(guī)冶金噴槍的噴嘴噴射時，射流從靜止的周圍氣氛中帶走大量氣體，從而快速失去速度。結果，射流在熔池中適當地分散顆粒反應物的有效性就降低了。
EP-A-0 874 194披露了在含有顆粒反應物的(亞音速)載氣流周圍以超音速形成火焰?；鹧媾c載氣流的速度不同導致顆粒材料被帶進火焰。因此EP-A-0874 194披露的將顆粒固體反應物引入冶金熔池的方法的有效性就受限了。
US 6 254 379 B1披露了采用高速載氣射流將固體材料引入反應區(qū)域，并用低速火焰包圍氣體射流。反應區(qū)域可以在生產熔融金屬的熔爐中形成。這種布置的缺點之一是擴張的燃燒氣體容易被牽引進入射流而有降低其速度的效果。另外，US 6 254 379 B1刻意選擇氣體射流長距離噴到反應區(qū)域，從而確保氣體射流在沖擊反應區(qū)域前氣體射流速度就大大降低。
根據本發(fā)明的方法目的在于提供一種將固體顆粒材料引入冶金液體熔池的改進方法，它使得可以實現載氣在進入熔池的位置處的高噴射速度，以及最小化氣體射流與覆蓋氣體的混合。
根據本發(fā)明提供了一種將固體顆粒反應物引入冶金液體熔池的方法，其包括步驟將固體顆粒反應物引入主超音速氣體射流中，將主超音速氣體射流對準熔池表面，且用覆蓋氣體射流包圍主氣體射流，其特征在于覆蓋氣體射流也以超音速供給，且主超音速氣體射流的形成速度在覆蓋氣體射流形成速度的減10％至加10％的范圍內。
根據本發(fā)明的方法，當主氣體射流通過它進入熔池的位置時主氣體射流能保持高速和從而保持高動量。因此主氣體射流能很好地將固體顆粒反應物傳送到熔池中。根據本發(fā)明的方法由于能將固體顆粒反應物很好地引入熔池表面下，因而能得到許多不同的工藝優(yōu)勢。
覆蓋氣體射流優(yōu)選包括燃燒碳氫化合物流體燃料。產生的火焰優(yōu)選終止于熔池表面。
主超音速氣體射流優(yōu)選從第一收縮-擴張(或“拉瓦爾”)噴嘴流出。覆蓋氣體射流優(yōu)選從第二收縮-擴張或拉瓦爾噴嘴噴出。
兩種氣體射流優(yōu)選以1.5至4馬赫范圍的速度離開它們各自的噴嘴，更優(yōu)選在2至3馬赫范圍。
如果覆蓋氣體射流以比主射流高的速度噴射，則從后者而來的氣體趨于被帶入前者。如果情況相反，覆蓋氣體射流以比主氣體射流低的速度噴吹，覆蓋氣體趨于被帶入主氣體。因此需要主氣體射流和覆蓋氣體射流以基本相同的速度噴射。假設遵守該條件，主氣體的稀釋或夾帶就能降低。如果兩者速度不同，優(yōu)選覆蓋氣體以較高的速度噴射，因為其速度的衰減率大于覆蓋的主射流。
優(yōu)選地，碳氫化合物燃燒開始于第二噴嘴上游的燃燒室。優(yōu)選地，顆粒固體反應物通過軸向管引入第一噴嘴，該管終止于噴嘴的擴張部分。主氣體射流可以垂直或在與垂直方向成一角度引入冶金熔池。
在精煉操作中，通常在調節(jié)熔池的碳含量時，熔池包含熔渣表面層。有時，需要將固體顆粒材料穿過渣層并直接進入熔融金屬。而有時，將固體顆粒反應物直接引入渣層即可。如果需要穿進熔融金屬時，就比不必將顆粒材料運送到渣層下時所選的噴射速度高。
固體顆粒材料可以連續(xù)或間斷地被引入熔池。
根據本發(fā)明的方法將參考附圖通過實施例進行描述，其中

圖1為根據本發(fā)明的方法中采用的噴槍的部分截面的側視圖，圖2是圖1所示的噴槍從其近端的視圖；和參考圖1和2，冶金噴槍2包括一組6個同軸管或導管。順次，從最里面的管到最外面的管是顆粒材料傳輸管4、主氣體管6、用于水的內管8、用于燃料氣體的管10，用于氧化劑的管12和用于水的外管14。每一個管4、6、8、10、12和14在噴槍2近端或者附近具有入口。另外，從內水管8和外水管14有出口。因此，在噴槍2的近端有用于載氣，通常為空氣，的軸向入口16，其用來傳輸顆粒材料至噴槍2的遠端。入口16可以包含用于將顆粒材料引入載氣的通道(未示出)。載氣可以以相對低的壓力供給，以便使其沿著顆粒材料傳輸管4的速度不超過約每秒100米。因此固體顆粒材料作為所謂的“稀相”沿著管4傳輸。或者，固體顆粒材料可以以較低的速度作為“密相”傳輸。如果固體顆粒材料由硬的研磨材料制成，則此種密相傳輸通常是優(yōu)選的。在另一方面，稀相傳輸可能對于較軟材料更優(yōu)選。
主氣體管6具有入口18。通常，主氣體為氧氣或富氧空氣，入口18與此氧氣或富氧空氣源相連。內水管8具有用于輸送水的入口20和出口22。管8設置有管狀擋板24。操作時，冷卻水當其從噴槍2的近端至遠端流動時通過擋板24的外表面，且以相反的方向通過擋板24的內表面返回出口22。供應內部冷卻水會保護噴槍2的內部不受其操作時高溫環(huán)境的影響。
燃料氣體管10在其近端通過入口26與燃料氣體(通常，天然氣)源(未示出)相連。相似地，入口28使得氧化劑管12與氧化劑，通常，氧氣或富氧空氣源(未示出)相連。外水管14在其遠端與另一用于冷卻水的入口30相連。外管14含有管狀擋板32。這樣布置使得冷卻水通過入口30流動，并且當其從噴槍2的近端流動到遠端時，通過擋板32的外表面。冷卻水以相反的方向返回，并通過在噴槍2近端的出口34流出。外水管14使得噴槍2外部在其高溫環(huán)境操作期間能夠冷卻。燃料氣體管10和氧化劑管12的終止處比其它管離噴槍2遠端更遠。管10和12終止于位于燃燒室36近端的噴嘴35中。操作時，氧化劑和燃料氣體通過噴嘴35，并在燃燒室36混合和燃燒。
主氣體管6為通過噴槍2的主氣體流提供通道。主氣體管6終止于第一或內部拉瓦爾噴嘴38。如圖1所示，該拉瓦爾噴嘴38具有向喉部收縮的上游區(qū)域和從喉部擴張的下游區(qū)域。在拉瓦爾噴嘴38的遠端還有在流動方向收縮的另一區(qū)域。第一拉瓦爾噴嘴38具有形成其中的環(huán)形冷卻通道40。冷卻通道40接近于在管8內表面和主氣體管6外表面之間限定的內部水通道。擋板24延伸至通道40以便引導水冷卻劑的流動。燃燒室36在其遠端終止于第二或外拉瓦爾噴嘴42。第二拉瓦爾噴嘴42形成為雙壁部件。第二拉瓦爾噴嘴42的外壁接近于最外部管14的遠端。因此，最外部管14能夠在噴槍2的操作期間為第二拉瓦爾噴嘴提供冷卻，擋板32延伸至由拉瓦爾噴嘴42內壁和外壁限定的環(huán)形空間內。第一或內部拉瓦爾噴嘴38設在相對于第二或外部拉瓦爾噴嘴42的后面。最里面的管4的出口也設在相對于第一拉瓦爾噴嘴38頂端的后面，且終止于擴張區(qū)域或(如圖1所示)拉瓦爾噴嘴38的另一收縮區(qū)域。
操作時，通常選擇向燃燒室36供應的燃料氣體和氧化劑的相對比例以便提供化學計量燃燒。然而，如果需要，可對該比例進行選擇以便提供亞化學計量燃燒，結果是燃燒產物中的一氧化碳的摩爾分數大于化學計量燃燒。作為選擇，燃燒可以是超化學計量，結果是燃燒產物含有氧分子。選擇氧化劑和燃料氣體的供應壓力以便在拉瓦爾噴嘴42的出口提供所需的氣體或火焰速度。出口速度不僅僅依賴于供給壓力，而且依賴于燃燒室36內的燃燒范圍。通常，燃燒室36具有足夠空間以使大部分燃燒在其中而不是它的下游發(fā)生。通常，如果燃料為天然氣，它可以以至少為5bar的壓力供應。氧氣通常以至少為11bar的壓力供應。來自拉瓦爾管38的主氣體出口速度通常可選擇在2至3馬赫范圍內。含有顆粒材料的載氣通過管4的遠端在內拉瓦爾噴嘴38的擴張區(qū)域或(如圖1所示)另一收縮區(qū)域的區(qū)域進入加速的主氣體射流。因此顆粒材料以超音速被輸送出拉瓦爾噴嘴38。管4遠端的位置是即使當主氣體射流加速時顆粒材料被引入到該主氣體射流中，顆粒與內拉瓦爾噴嘴38管壁的摩擦最小。主氣體射流被從燃燒室36出來的燃燒碳氫化合物氣體的環(huán)狀超音流速覆蓋。從拉瓦爾噴嘴出來的燃燒碳氫化合物氣體火焰的出口速度為主氣體射流出口速度的90-110％，優(yōu)選100-110％。通過采用相同的出口速度，主氣體射流和其火焰覆蓋流的混合就降低了。
圖中所示的冶金噴槍制造簡單。拉瓦爾噴嘴38和42可通過適當的焊接與噴槍2接附。位于燃燒室36入口的噴嘴34也可焊接定位。
使用時，冶金噴槍通常定位成使其軸線垂直于需要引入所選顆粒材料(例如碳)的冶金液體(例如熔融金屬)表面上適當垂直距離的位置。通常選擇垂直距離以使顆粒材料以超音速運送到入熔融金屬中。采用此方法，可以深入地穿入液體，因此促進其與液體的化學或冶金反應。作為選擇，噴槍的軸線可以與垂直方向成一定角度。
權利要求
1.一種將固體顆粒反應物引入冶金液體熔池的方法，其包括步驟將固體顆粒反應物引入主超音速氣體射流中，將主超音速氣體射流對準熔池表面，且用覆蓋氣體包圍主氣體射流，其特征在于覆蓋氣體射流也以超音速供給，且主超音速氣體射流的形成速度在覆蓋氣體射流形成速度的減10％至加10％的范圍內。
2.根據權利要求1所述的方法，其中覆蓋氣體射流包括燃燒碳氫化合物流體燃料。
3.根據權利要求2所述的方法，其中由燃燒碳氫化合物流體燃料產生的火焰終止于熔池表面。
4.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中主超音速氣體射流從第一個收縮-擴張噴嘴流出。
5.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中覆蓋氣體射流從第二個收縮-擴張噴嘴噴射。
6.根據權利要求4和5所述的方法，其中兩氣體射流以1.5至4馬赫范圍內的速度離開它們各自的噴嘴。
7.根據權利要求6所述的方法，其中速度在2至3馬赫范圍內。
8.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中主氣體射流以第一速度噴射，覆蓋氣體射流以第二速度噴射，第二氣體速度等于或大于第一氣體速度。
9.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中主氣體射流由包括體積至少為70％的自由氧、或空氣、氬氣或氮氣的氣體形成。
全文摘要
一種將固體顆粒反應物引入冶金液體熔池的方法包括步驟將固體顆粒反應物引入主超音速氣體射流。主超音速氣體射流對準熔池表面并用覆蓋氣體射流包圍，優(yōu)選為燃燒碳氫化合物流體燃料，其以超音速供給。主超音速氣體射流的形成速度在覆蓋氣體射流形成速度的減10％至加10％的范圍內，優(yōu)選在2至3馬赫范圍。
文檔編號F27D99/00GK1646708SQ03809017
公開日2005年7月27日 申請日期2003年4月15日 優(yōu)先權日2002年4月24日
發(fā)明者A·M·科梅倫, C·J·費爾德曼 申請人:英國氧氣集團有限公司