專利名稱:向高溫液體中噴注物質(zhì)的制作方法
本發(fā)明涉及向高溫液體中噴注物質(zhì)。
更具體地說，本發(fā)明涉及向熔融物之類的液體中僅噴注氣體或噴注混有固體物質(zhì)或散粒物質(zhì)的氣體。
所處理的液體一般處于如此的高溫，以致它們可以被看作具有侵蝕性或危險性。我們在此所公開的方法和裝置已設(shè)計得操作安全，並在處理開始之前不受液體的影響。
處理用的典型液體包括熔渣和熔融金屬。對于金屬而言，黑色金屬和有色金屬都可以用本發(fā)明的裝置進行處理，以達到不同的目的。就黑色金屬而言，它們可為熔融的鐵或鋼。
下面詳細公開的方法和裝置可以在真空除氣過程中用作引入合金添加劑的簡便手段。一次精煉和二次精煉、脫氧以及脫硫均可借該裝置順利進行。鋼(及其他金屬)的成分可以在凝固之前的任何時候借引入氣體，固體物質(zhì)或粉末狀物質(zhì)加以控制或改變。例如，熔體可在爐中、鋼錠模中以及在諸如煉鋼容器、各種鋼水包、脫氣器和中間包之類的容器中進行處理。
在金屬澆鑄工序之前或過程中，必須或最好向罐或容器內(nèi)的熔融金屬中引入氣體。為了不同的目的，將氣體噴注到例如容器的底部表面。這些目的包括清洗;清理凝固產(chǎn)物的較冷底面，以有助于從容器底部可澆注金屬的出口附近除去凝固產(chǎn)物;調(diào)整整個熔體的溫度;以及攪拌，以有助于合金添加劑在熔體中均勻分散。通常使用氬氣之類的惰性氣體。有時根據(jù)熔體的組成和化學(xué)性質(zhì)以反應(yīng)性氣體，如氧、二氧化碳及烴類氣體取代。
以往的氣體噴注建議都注重于容器耐火襯中的多孔磚、滑動水口澆注閥中的固體多孔塞以及傳統(tǒng)的自耗噴槍。多孔磚具有簡便的優(yōu)點，但只能用來噴注氣體，而且一旦多孔磚上有金屬渣或者金屬氧化物凝結(jié)，例如在倒空和重新裝滿容器這段時間內(nèi)，就不能再用。而且重新裝滿容器的時候，由于熔融金屬在多孔磚上撞擊或者由于熱震而可能使多孔磚損壞，造成潛在的后患。
氣體噴注用的滑動閘板閥有可能更安全些，但是如果不搞得過于復(fù)雜化，就不可能在澆注的同時噴注氣體。
傳統(tǒng)的噴槍使用起來有些笨重，成本高，而且由于它們在使用時引起的飛濺而並非不無危險。
尤其本發(fā)明旨在提供一種也可隨同氣體一起引入粉末物質(zhì)的改進的氣體噴注裝置。本發(fā)明可以將這些物質(zhì)引入金屬熔體內(nèi)部並提供使用傳統(tǒng)的自耗噴槍所不易獲得的好處。
在黑色冶金中，熔體常須借引入鋁和鈣或鈣合金來脫氧、脫硫。成分控制或“微調(diào)”通常是將固體或粉末狀合金添加劑溶于熔體中來進行的。熔體中可以加入許多物質(zhì)來克服雜質(zhì)的有害影響或者調(diào)整熔體成分使之符合規(guī)定。我們並不打算提供可處理物質(zhì)的詳盡種類。物質(zhì)的選擇應(yīng)取決于熔體、熔體的原始成分和最終成分;選擇各種情況下所需的合適添加劑，這完全是化學(xué)工作者和冶金工作者的工作范圍。向鋼水-或者甚至任何其他的金屬熔體中引入添加劑有可能會遇到困難，尤其在合金添加劑易熔、易氧化或易汽化的情況下。因此，由于鋁的熔點低而可能使向鋼水中添加鋁成為困難較大的操作。如果僅僅將鋁傾倒在熔體表面上，則不會發(fā)生明顯的脫氧作用;它必須加到熔體內(nèi)部才有時間熔解並反應(yīng)，而不致無益地浮于熔體表面。鈣的一部分必須供入熔體內(nèi)部。以前的供料方法包括使用噴槍或復(fù)雜而昂貴設(shè)備將合金添加劑噴射到熔體內(nèi)部。噴槍噴注看起來簡單，但具有上述缺點。
本發(fā)明也提供了有關(guān)向熔體中引入合金添加劑固體細長物或絲的改進。
本發(fā)明包括將物質(zhì)通過容器壁上的某個位置引入液體內(nèi)部液壓較大的部位。由于壓力大而可能發(fā)生泄漏，而且用來向液體中輸送所選物質(zhì)的裝置會被噴離容器壁，除非采用周密的預(yù)防措施。本發(fā)明提出了解決這些安全問題的建議。本發(fā)明還尋求使被噴物質(zhì)與液體的接觸效果達最大程度的方法來噴注物質(zhì)。
按本發(fā)明所述，提供了一種經(jīng)由穿透盛有熔體的容器壁通道將氣體噴注到高溫熔體中的方法，該通道原先有一個可移去的塞子堵住其內(nèi)端，該方法包含下列步驟(a)從容器外部向通道中插入一根輸送管並使該管的內(nèi)端靠近塞子，該管橫截面比通道小某個預(yù)定值;
(b)沿輸送管通氣並將氣體排出容器外部，以此來冷卻輸送管及塞子附近的通道;
(c)緊接在將氣體噴注到熔體中之前，在管中形成足夠大的氣體壓力和流量，使噴注時的氣體離管速度大得足以使氣體以射流而不是以氣泡的形式進入熔體;
(d)將管子強力推向塞子，把塞子頂入熔體中並以此開始向熔體中噴注氣體;
(e)在隨后的噴注過程中基本上保持氣體壓力和流量不衰減;以及(f)當(dāng)斷定噴注完成時，減小氣體壓力/流量，使熔體進入管中並在其中凝固，從而管子被堵塞，管子比通道小的量在二者之間提供一個空間，它大得足以在塞子一被頂離而熔體凝固之前，使熔體可以流入其中一段有限距離。
氣體壓力和流量所形成的氣體離管速度大于0.5馬赫，例如0.5至0.7馬赫是有利的。
被噴注的氣體也用于冷卻步驟，這是適宜的，但不是非如此不可的。
可以單獨噴注氣體。也可以噴注氣體和非氣態(tài)物質(zhì)，非氣態(tài)物質(zhì)為顆?；蚬腆w細長物。固體細長物為絲狀、棒狀或者封裝有粒狀密實填充料的管殼。
為了以最方便的方式結(jié)束噴注，可以將一種關(guān)閉機構(gòu)裝在管子的外端上，該機構(gòu)可用來瞬時中斷氣體供給及/或也許已同氣體一起被噴注的非氣體物質(zhì)的供給。管子和關(guān)閉機構(gòu)可以構(gòu)成我們在英國書GB-A-2171186中所公開的裝置，本發(fā)明根據(jù)這篇說明書結(jié)合了它所公開的全部內(nèi)容。
如果噴注氣體加固體細長物，在輸送管的內(nèi)端或出口端裝上一個塞子也許是有益的。塞子的例子已公開于我們的英國書GB-A-2171117中，本發(fā)明根據(jù)這篇說明書結(jié)合了它公開的內(nèi)容。
本發(fā)明方法可使用具有一條或者選擇具有一條以上噴注通道的裝置來實施。從操作的靈活性來考慮，有幾條噴注通道存在可以認為是比較理想的。我們的專利公開說明書WO84/02147公開了幾種可以方便地用來實施本發(fā)明的裝置實施方案，而本發(fā)明根據(jù)這篇文獻結(jié)合了WO84/02147的公開內(nèi)容。
本發(fā)明包括的裝置的結(jié)構(gòu)和安置方式可使其運行時能實施上面所定義的方法，並包括使用上面所定義的方法來冶煉金屬或合金的各種方法，以及包括所煉制的金屬或合金本身。
下面僅按附圖更為詳細地舉例說明本發(fā)明，附圖中唯一的圖以縱剖面示出實施本發(fā)明方法所用的裝置，該裝置在諸如鋼水包之類的容器壁上。
在附圖中，10為鋼水包或者其他容納金屬熔體的容器。容器10有一個襯有耐火材料12的的金屬外殼11。外殼11有個孔，與該孔相一致，耐火襯12上有一個延伸于整個厚度上的錐形孔13。與孔13錐形配合的耐火噴嘴襯套14從容器外部裝入錐形孔中。用螺栓緊固在外殼11或接合板(未畫出)上的夾板16使噴嘴襯套14定位于孔13中。噴嘴襯套14可用膠結(jié)材料固定在孔中以防泄漏，膠結(jié)材料是易碎的，便于除去襯套進行更換。
噴注通道18從一端到另一端貫穿噴嘴襯套14，通道18有一部分襯有增強金屬套19。通道18內(nèi)端擴口並被可移除的耐火塞20所阻塞。塞子由易碎的膠結(jié)材料或膠粘水泥21定位。由于有了塞子20，熔體才不致于噴注進行之前進入通道18。
為將氣體或者氣體加粉狀物或氣體加固狀物輸送到熔體中，在通道18中放置一根輸送管24。開始噴注之前，管子24的內(nèi)端或出口端從塞子20的鄰接端退后一短距離，例如10mm左右。管子在通道18中可縱向移動。管子24有一個例如為10mm的內(nèi)徑並為復(fù)合結(jié)構(gòu)。它有同心的內(nèi)管和外管外管為金屬管，內(nèi)管為莫來石，而且在二者之間有一種絕熱填充料，例如水泥。管子24向外伸出噴嘴襯套14並借螺扣旋接在一個由兩部分構(gòu)成的噴槍或輸入裝置26的關(guān)閉機構(gòu)25上。
輸入裝置26可結(jié)合英國書GB-A-2171186中更為詳細公開的特征。這種特殊的輸入裝置26適于噴注氣體和絲狀物。裝置26包括通過樞軸螺栓機構(gòu)30和剪切緊固件(未示出)結(jié)合在一起的內(nèi)側(cè)和外側(cè)裝置構(gòu)件27、28。這兩個構(gòu)件一起確定了主輸送管31。輸送管31的一端與管子24連通而另一端與緊固在外側(cè)裝置構(gòu)件28上的絲狀物輸送管道32連通。噴注用的絲狀物33由管道32從供絲器34導(dǎo)向輸入裝置26。絲狀物經(jīng)由主輸送管31引入管子24;絲狀物必須小于管子24的內(nèi)徑。外側(cè)裝置構(gòu)件28與通向供氣源35的輸氣管相連接。為了簡便，這一連接是在36處鏜成孔的樞軸螺栓機構(gòu)30的一部分，以便把氣體輸向內(nèi)側(cè)裝置構(gòu)件27中的交叉通道37。交叉通道37與內(nèi)側(cè)裝置構(gòu)件中的主輸送管31相連通。絲狀物33所通過的密封件37A防止了從交叉通道37進入主輸送管31的氣體大量逸離。兩個裝置構(gòu)件27、28之間的樞軸連接可使外側(cè)裝置構(gòu)件28發(fā)生位移，從而使輸送管31在兩個構(gòu)件27、28中的兩部分不成一直線。為使此成為可能，必須在構(gòu)件27、28的界面上切斷絲狀物33，因此這兩個構(gòu)件包括界面上協(xié)同作用的剪切套38。
其上緊固了管子24的進料裝置位于附在板16的支座40上。支座40上有一個凹部41，內(nèi)側(cè)裝置構(gòu)件27可滑入其中。在噴注開始進行之前，構(gòu)件27的內(nèi)端與凹部底部42間隔一定距離並且如上所述，管子24退離塞子20。將一種執(zhí)行機構(gòu)44，例如液壓推桿相宜地與進料裝置26聯(lián)接，以便如附圖所示將進料裝置和管子向左推壓。在噴注開始進行時啟動執(zhí)行機構(gòu)44，迫使進料裝置構(gòu)件27頂?shù)桨疾?1的底部並迫使管子24將塞子20頂出通道18而進入熔體中。一種安全止動器(未示出)可以防止裝置26和管子24的無故移位。
當(dāng)噴注行將停止時，啟動另一個執(zhí)行機構(gòu)45，使外側(cè)裝置構(gòu)件28在樞軸螺栓機構(gòu)30附近相對于內(nèi)側(cè)裝置構(gòu)件27發(fā)生位移。執(zhí)行機構(gòu)45仍然可為一種液壓推桿。當(dāng)它被啟動時，絲狀物被剪斷並停止向熔體移動。按此設(shè)計，氣體將在執(zhí)行機構(gòu)45啟動之后不斷流入管子24，從而閥門(未示出)會被關(guān)閉，停止氣體噴注。
當(dāng)然，如果交叉通道37位于外側(cè)裝置構(gòu)件28中，由執(zhí)行機構(gòu)45所引起的后者位移就會同時停止氣體和絲狀物的供給。
如果只噴注氣體或者噴注氣體加粉狀物質(zhì)，就可以使用較為簡化型式的進料裝置26。例如，該裝置仍可包括以樞軸互連的內(nèi)側(cè)裝置構(gòu)件和外側(cè)裝置構(gòu)件。但它們只構(gòu)成一根從氣體/粉末導(dǎo)管通向管子24的輸送管。在此種情況下，執(zhí)行機構(gòu)44的啟動就會起到同前面所述一樣的作用(使噴注開始)，而且當(dāng)外側(cè)裝置構(gòu)件中的輸送管部分移動到與內(nèi)側(cè)裝置構(gòu)件中伴同的輸送管部分不成一直線時，執(zhí)行機構(gòu)45的啟動會停止氣體或者氣體加粉末的供給。
在噴注開始之前，管子如前所述那樣后退，並且管子及塞子附近的通道18借助氣體，例如稍后被噴注的氣體來冷卻。管子24的外徑比通道18的內(nèi)徑要小，並且在壓力作用下輸進管子下部的氣體可以沿管子回輸，排到容器10的外部。管子和通道之間的間隙或間距部分地取決于所需的冷卻效果以及部分地取決于希望熔體稍后進入間隙並在其中凝固。當(dāng)氣體沿管子的流動截面積小于氣體在管外往回排出的流動截面積時，由于所產(chǎn)生的減壓具有冷卻作用，就能選擇冷卻的最佳條件。在所示的裝置中，管子的內(nèi)徑為10mm(面積為78.5mm2)，間隙的截面積約為120mm2，也即后者的截面積約比內(nèi)徑截面積大50%。管子的外徑約為通道直徑的80-90%，而且間隙寬度(徑向測量)在0.5-2mm的范圍內(nèi)，如1.35mm。因此，管子24具有27mm的外徑，而通道18的內(nèi)徑為29.7mm。本發(fā)明并不局限于上述的尺寸特征，尺寸特征僅適用于圖示說明的特定設(shè)計。顯然，尺寸是可以根據(jù)獲得充分冷卻的需要和使熔體流入上述間隙中并在其中凝固的需要來改變的。有些熔體(例如鐵熔體)比別的熔體(例如鋼熔體)更易流動，而且熔體越易流動，它能良好地流入的間隙就越小。
在噴注絲狀物的情況下，預(yù)噴冷卻要保證絲狀物不會在管子24中熔化。
預(yù)噴冷卻所用的氣體流量和壓力可按實踐經(jīng)驗的需要來選擇。例如，它們可為能產(chǎn)生約為0.5馬赫或更大的離開管子24的流速。噴注絲狀物的時候，氣體最好是惰性的或非氧化性的，以保護絲狀物在噴注開始之前不被氧化。噴注行將開始之前可用另一種氣體來代替冷卻氣體。
緊接在執(zhí)行機構(gòu)44啟動以開始噴注之前，將氣體流量和壓力調(diào)節(jié)到使氣體噴入熔體而不是成氣泡狀進入熔體的數(shù)值，並在整個噴注過程中基本維持這些數(shù)值不衰減。噴注以保證氣體以及夾帶有如粉末的氣體與熔體充分混合為宜。由于氣泡能附著在容器壁上，從而不能與熔體充分混合，故而形成氣泡顯然是不利的。此外，當(dāng)氣泡破裂，也即脫離管子24時，利用產(chǎn)生瞬時的負壓效應(yīng)可將熔體吸入管子24中並將其堵塞。
我們已發(fā)現(xiàn)，流量和壓力應(yīng)達到產(chǎn)生0.5馬赫或更大，例如0.6-0.7或更大的氣體離管速度。舉例來說，氣體壓力可在35至150磅/吋2(2.4至10.3bar)的范圍內(nèi)變化，而在主壓力下流量可為10至65立方呎/分(17至111m3/h)。
當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)44將進料裝置26和管子24推向熔體，移除塞子，20時，噴注即開始。起先，熔體進入通道18與管子24之間的間隙中。由于預(yù)噴冷卻，使進入間隙中的熔體得以迅速凝固。熔體在間隙中的凝固從安全角度來看是至關(guān)重要的。因為它可以使管子24定位。因此，只要執(zhí)行機構(gòu)44中的壓力不論因什么緣故而下降，噴嘴襯套14處的金屬靜力學(xué)壓力就不能把已定位或已凝結(jié)住的管子24從通道18中擠出去。
從噴嘴襯套14的內(nèi)端到外端需要有遞降的溫度梯度。該溫度梯度，加上預(yù)噴冷卻效果，熔體粘度以及間隙大小都是決定熔體在凝固之前滲入間隙多遠的主要因素。實際上，熔體在凝固前只能在間隙中滲入一段有限的距離，例如約50mm。既然如此，顯然就不存在熔體經(jīng)由間隙漏出容器10的危險。
當(dāng)噴注行將停止時，啟動執(zhí)行機構(gòu)45，剪斷絲狀物，同時絲狀物供給器34停止供料。然后可以截斷從氣源35出來的氣體。
當(dāng)管子24中的氣壓充分下降到小于金屬靜力學(xué)壓力時，熔體就會進入管子24中。由于管子為流動氣體所冷卻，並由于上述溫度梯度，熔體就不能經(jīng)管子流出容器，熔體在管子中流過一段有限距離之后就會在管中凝固，從而確保熔體不致漏出來。
附圖中所示的裝置有一個為單一噴嘴通道18所貫穿的噴嘴襯套14。如有需要，該襯套可做得更大些，容納2個、3個、4個或更多個噴注通道，它們各自配有塞子和適宜的輸送管。在外殼11的外側(cè)上該裝置可有一些附加的機械部件和執(zhí)行機構(gòu)44、45，使噴注經(jīng)由連續(xù)的管子得以進行或加速完成。如有需要，可以使噴注同時用多根管子來進行。
本發(fā)明可應(yīng)用于侵蝕性或危險性高溫熔體，例如熔融金屬中氣體的安全噴注。舉例來說，為了達到各種目的，本發(fā)明可在黑色冶金中用來向熔融的鋼或鐵中引入氣體，而且可以將非氣態(tài)物質(zhì)同氣體一起同時引入，這樣的物質(zhì)例如為細長物或粉末狀物。因此，使用本發(fā)明可以引入合金元素，特別是易揮發(fā)元素如鋁和有潛在危害的揮發(fā)性元素如鉆。用來細化晶?；蚩刂铺蓟镄纬傻奈镔|(zhì)同樣也可以引入。同樣，本發(fā)明也能用于引入例如用來使熔體脫硫、脫硅或脫磷的物質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種經(jīng)由穿透容納熔體的容器壁，起初由一個可移除的塞子堵住其內(nèi)端的通道向高溫熔體中噴注氣體的方法，該方法包括下列步驟(a)從容器(10)的外部將一根輸送管(24)插入通道(18)中並使該管的內(nèi)端鄰近塞子(20)，該管的橫截面小于通道一個預(yù)定值；(b)沿該管通氣體並使氣體排出容器(10)的外部，以此來冷卻鄰近塞子(20)的管子(24)和通道(18)；(c)緊接在將氣體噴注到熔體中之前，管子(24)中形成足夠大的壓力和流量，使噴注時氣體離管速度大得足以保證氣體以射流形式而不是以氣泡形式進入熔體；(d)將管子(24)強制推向塞子(20)，將塞子移到熔體中並以此來開始向熔體中噴注氣體；(e)在接著進行的噴注過程中基本保持氣體壓力和流量不衰減；以及(f)當(dāng)斷定噴注完成時，減小氣體的壓力/流量，同時使熔體進入管子(24)並在其中凝固，以此來堵住管子，管子(24)小于通道(18)的量能在二者之間形成大得足以在塞子(20)一經(jīng)除去之后使熔體在凝固之前滲入有限距離的空間。
2.權(quán)利要求
1所述的方法，其中氣體的壓力和流量產(chǎn)生大于0.5馬赫，例如0.5-0.7馬赫的氣體離管速度。
3.權(quán)利要求
1或2所述的方法，其中管子和通道的截面是圓的，而且管子的直徑約為通道直徑的80-90%。
4.權(quán)利要求
1、2或3所述的方法，其中所述的空間為環(huán)狀且其寬度在0.5-2mm的范圍之內(nèi)。
5.權(quán)利要求
1、2、3或4所述的方法，其中管子的內(nèi)徑為10mm，而且所述空間的橫截面積約為120mm2。
6.權(quán)利要求
1至5任何一項所述的方法，其中管子和通道借氣體沿管子內(nèi)部流向塞子並隨后沿管子外部流向外邊來冷卻。
7.權(quán)利要求
1至6任何一項所述的方法，其中所噴注的氣體用來冷卻管子和通道，而且冷卻用的氣體壓力和流量與向熔體中噴注用的相同。
8.前述任何一項權(quán)利要求
所述的方法，其中將非氣態(tài)的熔體處理物質(zhì)同所述氣體一起噴注到熔體中。
9.權(quán)利要求
8所述的方法，其中所述物質(zhì)為散粒狀。
10.權(quán)利要求
8所述的方法，其中所述物質(zhì)以絲狀或棒狀溶于熔體中。
11.權(quán)利要求
1至10中任何一項所述的方法，其中關(guān)閉機構(gòu)(27、28)裝在管子(24)的外端並在噴注行將結(jié)束時予以啟動，以瞬時停止向管子供給氣體及/或適宜場合下的非氣態(tài)熔體處理物質(zhì)。
12.權(quán)利要求
1至11中任何一項所述的方法，其中熔體為金屬熔融液並向其中噴注氣體或者適宜情況下氣體加處理物質(zhì)，以控制，改變或調(diào)節(jié)金屬的冶金特性。
專利摘要
熔融金屬中必要時伴以粉末狀或固態(tài)處理物質(zhì)的氣體噴注是經(jīng)由噴嘴襯套(14)進行的，該噴嘴襯套插入容納熔體的容器(10)的壁(12)中。噴嘴孔(18)內(nèi)端起先有一個塞子(20)，輸送管(24)比孔(18)細并可在孔中移動。噴注前，用氣體冷卻管子(24)和鄰近塞(20)的孔(18)。使管子(24)頂撞塞子(20)，將塞子移除并使氣體以射流形式進入熔體，熔體進入管子(24)和孔(18)之間的間隙中，但由于預(yù)噴冷卻，熔體迅速凝固，安全地將管子定位于孔中。
文檔編號C22B9/05GK87102178SQ87102178
公開日1987年9月23日 申請日期1987年2月20日
發(fā)明者肯尼思·威廉·貝茨 申請人:英杰托爾有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan