用于电弧炉中冶金处理的多功能喷射器及相关燃烧方法技术

多功能喷射器（１０、１１、１２），包括拉瓦尔喷嘴（２０），该拉瓦尔喷嘴适合于作为亚音速或超音速的燃烧器，与多个分别用于燃料和助燃物的喷嘴（３１、３２）结合，该用于燃料和助燃物的多个喷嘴设置在两个环中，与所述拉瓦尔喷嘴（２０）是同心的和共轴的，并且外部由特殊形状的保护腔（４０）保护。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于在电弧炉中铁冶金处理的燃烧的多功能喷射器。本专利技术还涉及采用所述多功能喷射器在电弧炉中铁冶金处理的的燃烧方法。
技术介绍
电弧炉或EAF炉技术在炼钢领域迅速地推广。对该工艺的商业兴趣是由于以下而产生的：对废金属及其他废料再循环的需要日益增加，同时利用这样的工艺来回收废料的效果很好。利用电弧炉或EAF来获得铁、钢以及铸铁的循环过程一般是分批地进行的：在前一制造步骤向剩余熔池注入之后，在过程的初始步骤装填废料，时间间隔大约持续十分钟。因此，使浸没的废金属团块熔化所涉及的时间对于获得液态产品的循环的总持续时间有很大的影响。任何能加快初始熔化步骤的方法将明显地减少总的处理时间，以使钢厂的生产效率更高。在EAF炉中，提供给金属的能量主要是由于焦耳效应通过电传导从电极获得。通过在石墨电极尖端形成电弧而导致的金属和熔渣的混合促进向炉所有部分的热传递。在这种情况下，热能向废金属的传递是一个很慢的过程。在熔池中的材料通过直接传导被加热，但是废金属的低密度阻止了向上面部分的热传递。装料的其余部分通过辐射被加热。此外，炉料的最外面部分形成了遮盖内部材料的罩，这样就减缓了熔化过程。为了提高加热效率，从而减少炉料熔化时间，目前使用的工艺依靠燃烧器，它通过化学方式将热量直接供给到炉料的外面部分。适合该用途的燃烧器是燃料-氧类型或氧燃料的类型，其中燃料由气体组-->成，例如丙烷、天然气或两者的混合物。助燃物是纯氧，且燃烧器以相对较宽的火焰工作，以便于加热宽的区域，包括熔池顶部上的区域。在大型炉中，这些系统配合工作，以使熔池温度保持一致。已经进行了一些尝试，以制造能改变火焰特性的燃烧器，如US20030054301。一旦所有装载的材料已经完全地熔化，用于获得冶金产品的实际循环就开始了。这可以是铁、铸铁或钢水。为了在该步骤中获得需要的化学反应以及能量，必须将恰当平衡量的碳和/或氧引入到熔池中。为了实现这点，必须采用通过适当喷射器产生的高速超音速射流来穿透熔渣的外层。为了沿着要被喷入金属中的气体的轴线获得动态推力和集中，并且足够强以穿透外部熔渣层，同时保持足够的能量以穿过金属冒泡，已经采用了一些措施(喷嘴的形状和布置)，并且最后但并非最不重要的是，采用了一种称为蔽护(shrouding)的覆盖主射流的覆盖方法。在这样的工艺中(已知的例子是Praxair的专利US5823762)，以超音速(马赫＞2)喷入熔池中的气体被燃烧相的气体混合物包围。在射流行进方向的很长一段距离上，在外环中的燃烧形成了遮罩，它一方面限制要被喷射的工艺气体，另一方面产生热保护层，该热保护层减少了被主射流俘获(夹带)的气体，从而增加了高速区域的长度。上述的两个系统，燃烧器和喷射器，就它们所作用的特定领域是十分有效的，但是它们的功能局制在生产循环的有限时段，而在其他时段保持惰性。即使是被优化，例如转让给Airliquid的美国专利US6514310所教导的，以及在相应的欧洲专利EP1179602中，采用超音速喷射器在整个废料熔化阶段也不是十分有效，因为射流内聚仅能局部地贯穿或穿透废料团块，横过所述层却不能以高效的方式放出热量，这是一个问题。同样地，在脱碳步骤中，燃烧器产生内聚较差的射流，其不能得到液态金属，因此在熔渣上和环中产生的热量被消散。为了克服该问-->题，有时采用使喷嘴过分靠近液体熔池，这使得由于外来物质在喷嘴上沉积而导致功能无效的可能性增加了。因为现有技术装置中存在上述的问题，为了得到最高的效率，最新一代的EAF炉必须装备两种设备(燃烧器和超音速喷射器)的布置排列。然而，还必须考虑到炉环境特别苛刻：所有放入炉中的设备承受非常高的温度，各种性质的灰尘沉积在每一个暴露的表面上，当靠近熔池时被熔渣猛烈飞溅击中的危险也增大了，凝固会阻塞喷嘴，承载喷嘴并将喷嘴连接到供应和控制管线的移送支撑是安装在炉壁上耐火炉衬的适当开口中的复杂的液体冷却面板。因此，采用两种不同的设备导致在所有方面的成本显著增加，无论是初始投资(工厂复杂性更大)、输送(对控制的需要更高)、检查、维护保养和类似的工作、消耗(冲洗气体以防止喷嘴阻塞)还是更大可能性停机的操作风险。在过去，为了解决现有技术中遇到的上述问题已经进行了很多努力。其中之一在专利申请US2001/0043639中记载，它提出了一种在废料熔化阶段(燃烧器)和脱碳阶段(喷嘴)中以不同模式操作安装在炉壁上的喷射器的方法。但是，如何构造此设备的问题并没有在该专利中解决。
技术实现思路
本申请人提出的问题是减少在不同的炉工作条件下必需的大量燃烧器和喷射器，并且想到创造一种设备(多功能的喷射器)，其设置成能将由类似于氧燃料燃烧器的一种宽开口结构产生的火焰改变为由用于中心超音速射流的覆盖或蔽护结构产生的火焰。本申请人还设计了一种多功能喷射器，其中对于每个介于氧燃料型和蔽护型之间的中间构造，供应控制系统都可稳定火焰，以便优化在EAF炉所有冶金阶段中的热贡献。因此，本专利技术的总体目的是供应一种多功能喷射器，它设置成能-->改变火焰，当在类似于氧燃料燃烧器的宽开口结构中离开时，将其改变为用于中心超音速射流的覆盖或蔽护结构。本专利技术的另一个目的是实现一种多功能喷射器，它可被优化，不仅在废料熔化的极端条件下而且超音速喷射氧气到液态金属中，并且在中间状态下还适合根据炉料需要来改善热传递，包括通过局部加热，以便于增加热量和/或在金属中的喷射均一性，以改善化学反应。本专利技术的又一个目的是提供一种利用多功能喷射器在电弧炉中进行冶金处理的灵活的燃烧方法。依照本专利技术所述的多功能喷射器包括被控制用于亚音速或超音速操作的拉瓦尔喷嘴，其结合了多个分别用于喷射燃料和助燃物的喷嘴，该用于喷射燃料和助燃物的多个喷嘴设置在与所述拉瓦尔喷嘴同心且共轴的环上，且外部通过适当形状的腔保护。通过产生用于外部助燃物和燃料喷射的附加的周向和切向速度分量，实现了该燃烧过程的灵活性。这样，通过对来自内部喷嘴的氧和来自位于外环上的孔的氧之间的分配施加影响，就可在燃烧器阶段调整火焰的长度和开度，总之，可以在精炼阶段中获得具有非常大的超音速区域的射流。在相同的几何条件下，通过改变推进器的角度以使它适合于炉的特定需要：炉宽、废料尺寸和类似的方面，因此不仅在运行操作过程中而且在工程设计阶段都存在这种灵活性。本专利技术还涉及利用多功能喷射器在电弧炉中进行冶金处理的燃烧方法，它执行下列的步骤：-作为具有亚音速拉瓦尔喷嘴的燃烧器操作，燃烧气体快速混合，以获得宽的火焰，能对位于它前面的废料团块迅速地和有效地加热；-作为具有超音速拉瓦尔喷嘴的燃烧器操作，其具有集中火焰和高脉冲频率以切割废料，因此破碎在多功能喷射器前方的团块结构；-作为超音速的氧喷射器操作，其具有延伸达拉瓦尔喷嘴开口直径70倍的超音速区域，利用蔽护方法来限制横向扩张，并且在这些条件下能将氧直接喷入到液态金属熔池中。考虑到上述的目的，依照本-->专利技术，决定实现一种多功能喷射器和相关的在电弧炉中进行冶金处理的燃烧方法，其特征在随后的权利要求书中描述。附图说明本专利技术的功能和结构特征以及与现有技术相比得到的优点将会在下面参照示意性附图的描述中变得非常清楚和明显，其中：图1是装备有现有技术喷嘴的电弧炉的示意性透视图；图2是依照本专利技术的喷射器的示本文档来自技高网...

【技术保护点】
多功能喷射器（１０、１１、１２），包括拉瓦尔喷嘴（２０），其适合于作为亚音速或超音速的燃烧器，与分别用于燃料和助燃物的多个喷嘴（３１、３２）结合，所述多个用于燃料和助燃物的喷嘴设置成两个环，与所述拉瓦尔喷嘴（２０）是同心的和共轴的，并且外部由特殊形状的保护腔（４０）保护。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】IT 2005-2-18 MI2005A 0002411.多功能喷射器(10、11、12)，包括拉瓦尔喷嘴(20)，其适合于作为亚音速或超音速的燃烧器，与分别用于燃料和助燃物的多个喷嘴(31、32)结合，所述多个用于燃料和助燃物的喷嘴设置成两个环，与所述拉瓦尔喷嘴(20)是同心的和共轴的，并且外部由特殊形状的保护腔(40)保护。2.根据权利要求1所述的多功能喷射器(10、11、12)，其特征在于：所述拉瓦尔喷嘴(20)从嘴部开始依次包括以下部分：-圆锥形收敛入口区段(21)，具有长度(L1)，入口(25)具有入口直径(Din)和入射半角(β)；-圆筒形喉部(22)，具有长度(L2)和喉部直径(Dth)；-位于圆锥形入口区段(21)和随后的中心圆筒形喉部(22)之间的周向过渡部分，具有半径(R1)；-圆锥形扩张区段(23)，具有长度(L3)和入射半角(α)；-位于喉部(22)和圆锥形扩张出口区段(23)之间的周向过渡部分，具有半径(R2)；-最后的圆筒形氧喷射区段(24)，具有长度(L4)和出口直径(Dexit)；-位于圆锥形扩张区段(23)和最后的圆筒形氧喷射区段(24)之间的周向过渡部分，具有半径(R3)。3.根据权利要求2所述的多功能喷射器(10、11、12)，其特征在于：所述拉瓦尔喷嘴(20)是依照下列的尺寸关系构造的：-收敛的圆锥形入口区段(21)的半角[β]在7°和20°之间；-扩张的圆锥形出口区段(23)的半角[α]在2°和7°之间；-位于圆锥形入口区段(21)和圆筒形喉部(22)之间的过渡部分半径(R1)是喉部直径(Dth)的1至10倍；-圆筒形喉部(22)的长度(L2)是喉部本身直径(Dth)的0.5至5倍；-位于圆筒形喉部(22)和扩张的圆锥形出口区段(23)之间的过渡部分半径(R2)是喉部直径(Dth)的1至15倍；-位于扩张的圆锥形区段(23)和最后的圆筒形区段(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：F梅莫利，M比安基费里，M波兹，E马尔法，
申请(专利权)人：国际技术公司及国际技术公开有限公司，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]