專利名稱：冶金槍及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冶金槍以及包括該冶金槍在內(nèi)的冶金裝置。根據(jù)本發(fā)明的冶金槍特別適用于將氧氣或者其他氣體從上部導(dǎo)入到熔融金屬池中。
在這些例子中冶金槍一般只是能夠?qū)⒀鯕鈧魉偷饺萘繛?00噸或更多一些的煉鋼容器中。這種容器有時被稱作“轉(zhuǎn)爐”。最初，冶金槍被放置于金屬面以上2到4米的地方，氧氣以相對較低的速度從冶金槍內(nèi)吹出垂直下降到熔融金屬，以便在熔體表面產(chǎn)生泡沫熔渣。生成的熔渣起到了從熔融金屬中去除磷的重要作用。然后，冶金槍下降到距離金屬面1米以內(nèi)，并且氧氣以高速噴出，這樣導(dǎo)致氧氣更多的滲透到熔融金屬中。
冶金槍被設(shè)計用于高強氧化和充滿顆粒的環(huán)境中，為滿足這些要求，一般槍頭用銅制成，具有一個以上的氧氣出孔并用水冷卻。通常槍頭具有3或4個出氣孔，或者更多，以用來將氧氣噴入到熔融金屬。氧氣一般以高達(dá)15巴的壓力供應(yīng)到冶金槍，如果每一個出氣孔都被制成一個文氏管，則可以獲得高于2馬赫的超音速噴出速度。
即使是用水來冷卻冶金槍，它們依然工作壽命較短，一般持續(xù)到約350到450爐次。
在冶金槍中氧氣需要高速噴出，以便獲得理想的氧氣滲透到熔融金屬池中的效果。當(dāng)氧氣以超音速離開冶金槍時會產(chǎn)生一種吸力，它將周圍空氣抽入到氧氣噴射器中，故而噴射器在噴射時速率也會損失。因此氧氣以明顯低于離開冶金槍的速率進入到熔融金屬中去。并且，氮雜質(zhì)會進入到熔融金屬對鋼的質(zhì)量造成有害影響。
歐洲專利EP-A-1041341中通過使用僅有一個火焰護罩的多個超音速氧氣噴射器的方式來解決氧氣速率損失的問題。護罩減少了氧氣進入熔融金屬前在氧氣噴射器處的發(fā)散，因此抑制了噴射器工作時氧氣從冶金槍到熔融金屬表面的速率損失。最終的氧氣噴射器不會明顯的分散，有時被描述為“粘在一起的”。
然而這樣的安排也有許多缺點。首先，需要給冶金槍提供燃料以用來形成火焰護罩。由于冶金槍可能需要安裝在象前面所述的地面高度30米上，許多工程困難增加了。第二，冶金槍頭部需要提供一個附加的燃料通道和用來支持燃料燃燒的氧化劑(一般是氧氣)。這增加了復(fù)雜性因此增加了頭部的成本。第三，為大量的氧氣噴射器提供一個普通的護罩，會導(dǎo)致不完善的覆蓋以及不完全的獲得良好結(jié)合性的方式。在其他使用至少一個氧氣或其他氣體噴射器的金屬冶煉過程中也會產(chǎn)生類似的問題。
另一些文獻(xiàn)披露了對從冶金槍中噴出的中心噴射氣體進行防護或覆蓋，但使用的是與周圍溫度一樣的保護氣體流。例如，英國專利GB-A-1446612披露了在每一個氧氣出口使用環(huán)形插入物的冶金槍。氧氣流被插入物分作中部的氣流和外部的環(huán)形氣流。這樣安排的結(jié)果使得環(huán)形氣流通過徑向向外的速率部件從冶金槍中流出。對冶金槍的修改目的是限制飛濺對容易更換的環(huán)形插入件的損壞。英國專利GB-A-1227876涉及一個在氣體出口通道裝配有聲音共鳴器的冶金槍。美國專利US-A-4730784涉及一個可以形成冶金槍一部分的氣體噴嘴。設(shè)計噴嘴以致獨立地依靠氣體流速能夠改變它的馬赫數(shù)。為了此目的，噴嘴裝配有可調(diào)的噴口。在一個實施例中，沒有可移動的部位并且噴口的有效尺寸根據(jù)所采用的次音速氣體環(huán)的主氣體噴射而不同。在這個實施例中，主噴射氣體從拉瓦爾噴嘴噴出。歐洲專利EP-A-0214902是關(guān)于一個復(fù)雜的冶金槍的，它采用了與普通腔室相連接的分離排出通道。然而，這些通道沒有按照空間安排，以至于氣體從一個通道流出遮蔽了氣體從另一個通道流出。在另一方面，專利WO-A-00/28097涉及一種噴槍，它采用保護氣體來減少中部超音速噴射氣體的速率衰減。
因此，在這些文獻(xiàn)中只有WO-A-00/28097是涉及一種使用保護氣體來減少中部超音速噴射氣體速率衰減的冶金槍。然而專利WO-A-00/28097沒有寫明怎樣以可控方式給中部噴射氣體提供氣體和保護氣體流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種冶金槍，用于將氣體上方導(dǎo)入容器中的大量熔融金屬中，冶金槍包括至少有一個氣體噴射器的頭部，在這里噴射器或者至少其中一個噴射器包含一個被保護氣體通道圍繞的拉瓦爾噴嘴，拉瓦爾噴嘴和保護氣體通道均在其近端與普通氣體供應(yīng)室相連通，在此處保護氣體通道通過一第一環(huán)形出口元件與氣體室相連通。
本發(fā)明也提供了包括本發(fā)明冶金槍的冶金裝置。
本發(fā)明中的冶金槍不需要分別供應(yīng)保護氣體，因此避開了與供應(yīng)相聯(lián)系的工程問題。每一個噴嘴裝配有單獨的護罩，并且，本發(fā)明中的冶金槍不會產(chǎn)生任何不適度的制造問題。出口元件能夠?qū)⑦M入的氣體按照預(yù)定的比例轉(zhuǎn)移到保護氣體通道中去?？梢赃x擇出口的尺寸形狀和數(shù)量，以來確定從氣體供應(yīng)室到保護氣體通道的供應(yīng)氣體比例。根據(jù)其尺寸，一般供應(yīng)到拉瓦爾噴嘴的氣體比例從5％到20％。對于小的噴嘴，比例可以更高，達(dá)到50％。
保護氣體通道可以通過一第一環(huán)形出口盤與氣體室相連通。
保護氣體通道可以用一個和拉瓦爾噴嘴共軸的套筒限定。本發(fā)明中這樣的布置便于冶金槍的制造更加便利。
出口盤最好可拆卸的連接到套筒上。這樣布置的一個好處就是如果想改變從拉瓦爾噴嘴和保護氣體通道通過的氣體流的相對比例時，可以通過替換具有不同環(huán)形開口區(qū)域比例的出口盤來實現(xiàn)。開口區(qū)域越大，從氣體供應(yīng)室到保護氣體通道的氣體比例越大?；蛘?，本發(fā)明中的冶金槍可以包括改變向普通氣體供應(yīng)室開通的出口盤的環(huán)形區(qū)域比例的裝置。例如，冶金槍可以包括一個第二出口盤，它的位置相對于第一出口盤是可以調(diào)節(jié)的，以致移動第二盤的出口進入和退出第一盤的出口，并與第一盤的出口對齊和不對齊。
做為另一選擇，出口元件和拉瓦爾噴嘴整合在一起。在這種布置中出口元件的出口最好與一個實心環(huán)形盤交疊，這個實心環(huán)形盤可拆卸安裝于拉瓦爾噴嘴的近端。交疊的程度決定了出口元件向普通氣體供應(yīng)室打開的有效區(qū)域，因此決定了氣體在拉瓦爾噴嘴和保護氣體通道之間的分割。因此這種分割可以通過選擇適當(dāng)尺寸的實心環(huán)形盤來決定，并且可以通過替換實心環(huán)形盤來改變，這些實心環(huán)形盤是有不同尺寸的。
做為另一選擇，拉瓦爾噴嘴最好至少有兩個掛耳，用來和限定拉瓦爾噴嘴保護氣體通道的圍墻結(jié)合。
拉瓦爾噴嘴的遠(yuǎn)端最好相對放于噴射器遠(yuǎn)端后面。這種安置有助于減少由于熔融金屬的飛濺對拉瓦爾噴嘴的傷害。
冶金槍最好有多個氣體噴射器雖然使用只有一個氣體噴射器的冶金槍也是可以的。
本發(fā)明的具體實施方式
中冶金槍有多個氣體噴射器，所有氣體噴射器每一個最好都是相同的。冶金槍有一個和頭部共軸的桿部。最好僅有一個通過體部的氣體通道和普通氣體供應(yīng)室相連通。然而在同一個冶金槍中可以使用不同種類的噴射器。因此除了一個或多個均有單獨的保護氣體通道的拉瓦爾噴嘴的布置外，還會有一個或者多個傳統(tǒng)的噴射器。
本發(fā)明的冶金槍頭部一般會有冷卻劑例如水的內(nèi)部通道。
圖2是

圖1所示的冶金槍頭部的側(cè)面剖視圖。
圖3是另一種可選方式的頭部的側(cè)面剖視圖。
圖4是圖2和3中使用不同形式噴射器的一種可選方式冶金槍的頭部的部分側(cè)面剖視圖。
圖5是從近端看圖4中噴射器的視圖。
這些圖沒有按照比例繪制。
冶金槍4有一個細(xì)長的桿部8，在桿部8上有一個偏右的圓柱形通道10。通道10在冶金槍4的頭部12處結(jié)束。冶金槍4也可以有供應(yīng)冷卻水的通道14。通道14也在冶金槍4的頭部12處結(jié)束。
冶金槍4頭部12詳細(xì)地在圖2中示出。頭部12僅有一個軸向的氣體噴射器20。噴射器20在其近端與位于頭部12的氣體供應(yīng)室22相連通。氣體供應(yīng)室22可以僅僅是冶金槍2的桿部8上氧氣通道10的延伸。
氣體噴射器20包括一個與冶金槍長軸同軸的拉瓦爾噴嘴24和包圍了拉瓦爾噴嘴24的套筒26，它們限定了一個保護氣體通道30。套筒26也和拉瓦爾噴嘴同軸，同時和頭部12的頂端32上相對應(yīng)的鉆孔氣密結(jié)合。
拉瓦爾噴嘴24在其近端和凸緣34結(jié)合，凸緣34是不平的但它在近端與套筒26的內(nèi)表面氣密結(jié)合。凸緣34內(nèi)部有與保護氣體通道28相連通的出口36。環(huán)形出口盤38可拆卸安裝于套筒28的近端。通過環(huán)形出口盤38有大量的出口40。出口40的數(shù)量，形狀和尺寸決定了使用時從氣體室22流出到保護氣體通道30的氣體比例相對于從拉瓦爾噴嘴24流過的氣體比例。
拉瓦爾噴嘴24的遠(yuǎn)端相對位于套筒30遠(yuǎn)端的后面。后者從頭部12的頂端32略微突出。
在操作過程中冶金槍4提供氧氣給熔融金屬池，提供的氧氣壓力可以在10到15巴范圍內(nèi)選擇以用來使得從拉瓦爾噴嘴24中氧氣噴出速率大于2馬赫。通過保護氣體通道30的氧氣速率不會超過聲速而且通常更少。一般，通過保護氣體通道30的氧氣流速為通過拉瓦爾噴嘴24的氧氣流速的5％～20％。從保護氣體通道30流出的氧氣形成了從拉瓦爾噴嘴24流出的氧氣的遮蔽保護。與省略氧氣保護氣體流時氧氣氣流周圍被空氣包圍的情況相比，這種保護限制了離開拉瓦爾噴嘴氧氣氣流周圍的氣體混合量?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)保護氣體流在達(dá)到最大值之前，來自于超音速氧氣流的保護氣體流增加5％，受到保護的氣流和周圍氣體的混合量就會下降。然而進一步地增加保護氣體比例卻會得到相反的效果。最佳的保護氣體比例可以依靠經(jīng)驗容易得到。
雖然在圖2中沒有顯示，頭部12最好設(shè)置有用于液體冷卻劑例如水流動的冷卻通道(未示出)。這些通道的提供在氧氣冶金槍中是傳統(tǒng)常見的，因此在這里沒有詳細(xì)描述。為了幫助冷卻頭部，最好頭部用高導(dǎo)熱率的金屬例如銅制成。
本發(fā)明中的冶金槍一個特別好處就是它可以將一個實際的傳統(tǒng)冶金槍經(jīng)過簡單改裝而成。一般，將頭部從傳統(tǒng)冶金槍去掉，再將本發(fā)明中所述的頭部相應(yīng)放置于原位置。頭部可以是定尺寸的以使得中部氧氣噴射器的流動速度是固定的。因此，考慮到保護氣體流，通過冶金槍的總氧氣流是增加的。因此需要增加氧氣供應(yīng)壓力以使得可以提供額外的氧氣流。作為另一選擇，總的氧氣流可以保持不變，但是由于一些氧氣會被分配形成保護氣體，這樣會減少中部氧氣流。
對圖2中的頭部12的修改顯示在圖3中。圖3中的頭部設(shè)有出口52的第二環(huán)形出口盤50。盤50可以旋轉(zhuǎn)，比方說順時針方向，以用來移動出口52保持與盤38上的出口40對齊或者不對齊。這樣的布置方便了流過拉瓦爾噴嘴24的主噴射器的氧氣和流過通道30的保護氣體之間的分割，使得冶金槍獲得最佳性能。
一種可選方式的冶金槍在圖4和5中示出。
參照圖4和5，冶金槍104具有一個頭部112。頭部104具有多個的噴射器120，在圖4中只顯示了它們當(dāng)中的一個。冶金槍104和頭部112形成了用于冷卻水流動的通道105。最好頭部用高導(dǎo)熱率的金屬例如銅制成。
噴射器120在其近端與冶金槍104的氣體供應(yīng)室122相連通。氣室122可以僅僅是一個普通的在冶金槍104上的氧氣通道。
氣體噴射器120包括一個和頭部鉆孔125同軸的拉瓦爾噴嘴124。拉瓦爾噴嘴124和鉆孔125限定了一個保護氣體通道130。拉瓦爾噴嘴的近端有一個整合一體的環(huán)形出口元件134。在圖5中更好的顯示出了出口元件134具有四個圓周安置的弓形槽136。環(huán)形出口元件134和鉆孔125的口部密封結(jié)合使得所有流進保護氣體通道130的氣體通過槽136。
拉瓦爾噴嘴124具有一個焊在或者其他方式連接于出口元件134上的臂部138。臂部138通過螺栓緊固連接在頭部112的近端。拉瓦爾噴嘴124具有一對耳部142，它可以確保當(dāng)裝配噴射器120時，拉瓦爾噴嘴124位于鉆孔125的中部。實心環(huán)形盤140和環(huán)形出口元件134具有相同的外部直徑，并且緊貼著栓接或以其他方式緊固在一起。盤140的環(huán)面與槽136部分重疊。重疊的程度決定了為流入保護氣體通道130的氣體流所打開部分的尺寸，因此決定了經(jīng)過拉瓦爾噴嘴124和保護氣體通道130的氣體流的比率。如果需要，實心環(huán)形盤140可以從拉瓦爾噴嘴124拆卸下來，取而代之的是以一個不同的尺寸固定在拉瓦爾噴嘴124上以用來改變比率。在一個典型的例子中，可以制造一套盤140，在使用時第一種尺寸可以使得氣體總量的10％通過保護氣體通道，第二種尺寸上使得氣體總量的20％通過保護氣體通道，在第三種尺寸上氣體總量的30％通過保護氣體通道。
拉瓦爾噴嘴124在鉆孔125處內(nèi)終止，因而在使用時保護了冶金槍104免受金屬飛濺的傷害。
在使用冶金槍104為熔融金屬池提供氧氣時，氧氣的供應(yīng)壓力可以在10到15巴范圍內(nèi)選擇，以使得從拉瓦爾噴嘴124出來的氧氣速率大于2馬赫。通過保護氣體通道130的氧氣速率不會超過音速并且通常會更低。通過保護氣體通道130的氧氣流速一般設(shè)置為通過拉瓦爾噴嘴124的5％～30％。從保護氣體通道130出來的氧氣流形成了對從拉瓦爾噴嘴124出來的氧氣流的遮蔽保護。與省略氧氣保護氣體流時氧氣氣流周圍被空氣包圍的情況相比，這種保護限制了離開拉瓦爾噴嘴氧氣氣流周圍的氣體混合量。因此與沒有保護氣流的情況相比，通過從冶金槍104頂端的較長距離輸送后，可以保持一種相對比較窄的氧氣氣流。因此就可以獲得較高的進入熔池或其他熔融金屬容器的氧氣速率，或者將冶金槍安置于距離熔融金屬表面更遠(yuǎn)的位置時，不會造成明顯的氣流滲透能量的損失?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)保護氣體流速度從5％增加直至達(dá)到其最大值之前，受到保護的氣流和周圍氣體的混合量就會下降。然而進一步地增加保護氣體比例卻會得到相反的效果。最佳的保護氣體比例可以依靠經(jīng)驗容易得到。
與圖2和3中所示的冶金槍相類似，在圖4和5所示的冶金槍也可以通過對一個實際的傳統(tǒng)冶金槍簡單改裝而成。傳統(tǒng)冶金槍的每一個噴射器的鉆孔重新改變形狀，將它在大部分長度上加寬，但是一般留下遠(yuǎn)端不改變?？梢允褂煤唵蔚你@孔工具。加工的鉆孔可以插入合適尺寸的拉瓦爾噴嘴124。鉆孔125形成有一個肩部144。肩部144有一個輕微的弧度。因此，在應(yīng)用中，保護氣體會由于柯恩達(dá)效應(yīng)沿著肩部144的表面流動。因此，在應(yīng)用中，拉瓦爾噴嘴124遠(yuǎn)端下流的保護氣體不會朝拉瓦爾噴嘴124噴出的氣流偏轉(zhuǎn)，而是一般平行于噴出氣流流動。在遠(yuǎn)端拉瓦爾噴嘴124的口部比在頭部112遠(yuǎn)端的鉆孔125的口部內(nèi)直徑稍小。
如果圖4和5所示的冶金槍通過改裝傳統(tǒng)的冶金槍制得，可以這樣操作制成每一個噴射器具有一個固定的主氧氣流流動速率。因此，考慮到保護氣體流，通過冶金槍的總氧氣流增加了。因此有必要增加氧氣的供應(yīng)壓力以用來提供額外的氧氣流。作為另一選擇，總的氧氣流可以保持不變，但是由于一些氧氣會被分配形成保護氣體，這樣會產(chǎn)生中部氧氣流減少的結(jié)果。
盡管圖中所示的冶金槍在這里被描述為輸送氧氣到熔融金屬中，當(dāng)然也可以選擇使用別的不同氣體。
權(quán)利要求
1.一種將氣體從上方輸送到容器中大量熔融金屬中去的冶金槍，它包括一個其中形成有至少一個氣體噴射器的頭部，其中噴射器或者至少一個噴射器包括一個被保護氣體通道包圍的拉瓦爾噴嘴，拉瓦爾噴嘴和保護氣體通道均在其近端與公共氣體供應(yīng)室相連通，其中保護氣體通道通過第一環(huán)形出口元件與氣體室相連通。
2.如權(quán)利要求1所述的冶金槍，其特征在于它的出口元件是一個出口盤。
3.如權(quán)利要求1所述的冶金槍，其特征在于出口元件和拉瓦爾噴嘴整合在一起。
4.如權(quán)利要求3所述的冶金槍，其特征在于出口元件的出口與一個可拆卸連接到拉瓦爾噴嘴近端的實心環(huán)形盤重疊。
5.如權(quán)利要求4所述的冶金槍，其特征在于出口是多個弧形槽的形式。
6.如權(quán)利要求2所述的冶金槍，其特征在于保護氣體通道由一個與拉瓦爾噴嘴同軸的套筒限定。
7.如權(quán)利要求6所述的冶金槍，其特征在于出口盤可拆卸地連接到套筒上。
8.如權(quán)利要求6或7所述的冶金槍，其特征在于還包括用于改變開向普通氣體室的出口盤環(huán)形區(qū)域比例的部件。
9.如權(quán)利要求8所述的冶金槍，其特征在于所述的改變部件是一第二環(huán)形出口盤，其位置可相對于第一環(huán)形出口盤調(diào)整，以使移動第二盤的出口與第一出口盤對齊或不對齊。
10.將氣體從頂部輸送到熔融金屬池中去的裝置，其特征在于它包括前述任一項權(quán)利要求所述的冶金槍。
全文摘要
一種將氣體從上部輸送到容器中大量熔融金屬中去的冶金槍，具有一個頭部12。頭部12至少具有一個噴射器20。噴射器20包括一個被保護氣體通道30包圍的拉瓦爾噴嘴24。拉瓦爾噴嘴24和保護氣體通道30均在其近端通過一個第一環(huán)形出口元件38與氣體室22相連通，第一環(huán)形出口元件38決定了通過氣體室后在拉瓦爾噴嘴24和保護氣體通道30之間的氣體流分割的比例。
文檔編號C21C5/46GK1430036SQ0212817
公開日2003年7月16日 申請日期2002年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月3日
發(fā)明者A·M·卡梅倫, C·J·費爾德曼 申請人:英國氧氣集團有限公司