根据一个方面，本发明提供一种向炉内喷射气体的枪，包括：
气流导管，其从后端延伸到从该导管排放气体的前端；
长形的中心结构，其在所述气流动导管中从其后端延伸到前端；
多个流动引导叶片，其设置在临近导管的前端的中心结构周围，以通过导管前端向气流施加旋流；
冷却水供给和返回通道，其穿过所述气流导管的壁延伸，并从气流导管的后端延伸到前端，用于向导管的前端供给和返回冷却水；以及
环形导管尖部，其设置在导管前端，并具有于所述冷却水供给和返回通道连接的内冷却水通道，以便接收和返回冷却水流，以对所述导管尖部进行内冷却；
其中所述枪由可拆卸的紧固件可拆卸地紧固在一起的三个模件构成，所述模件包括：
1)主导管模件，其形成贯串该导管长度的主要部分的气流导管并包括所述水供给和返回通道和所述环形导管尖部。
2)气体入口模件，其包括管状体，和支管，其中所述管状体由第一组紧固件可拆卸地紧固到所述主导管模件的后端，使得其内部与所述导管模件的内部连接，所述支管从所述管状体横向分支，以用作气体进入向所述管状体和所述主导管模件的内部的气体入口，和
3)中心模件，其形成所述长形中心结构和所述流动导向叶片，通过第二组所述紧固件紧固到所述气体入口模件的所述管状体的后端。
主导管模件的后端和气体入口模件的前端可形成对接圆形法兰，所述第一组紧固件可拆卸地将这些法兰紧固到一起。
所述气体入口模件的管状体的后端和中心模件的后端也可形成对接圆形法兰，并且第二组紧固件可可拆卸地将这些法兰紧固到一起。
主导管模件可包括向外突起的圆形法兰，其从所述模件的后端向前分开，用于在冶金炉的壁上安装枪。
后者法兰可以围绕在导管周围圆形延伸的管状套筒设置，并且设有用于对所述套筒进行内冷的内部水流通道。
套筒可从所述向外突出的圆形法兰向前延伸，以便在使用所述枪时，突出到待安装该枪的炉壁中的开口中。
主导管模件可包括与冷却水供给和返回通道连接的水入口和出口连接器，它们设置在主导管模件的后端和向外突出的圆形安装法兰之间。
优选地，各所述主导管模件，气体入口模件和中心模件还包括至少一个冷却回路，用于在使用中接收冷却水流，所述冷却回路独立地操作。
优选地，所述主模件的供给和返回通道包括基本并行的环形流道，其由在所述模件内保持的三个或多个基本同心圆筒形件构成，以保障两个或多个所述基本圆筒形件的差分膨胀，并且气体入口模件包括两个基本同心圆筒形件，以提供在所述基本圆筒形件之间的冷却水的单层流道。
优选地，一个或多个分隔为所述气体入口模件的单层流道提供两个或多个水流过道。
优选地，所述单层流道包括两个独立的水流回路。
优选地，所述气体入口件包括分支管，其从所述入口模件的中心轴横向延伸，所述分支管包括法兰，用于连接到气体供给导管，所述单层流道在所述分支管周围延伸。
根据本发明第二方面，本发明提供一种向炉子喷射气体的枪，所述炉子具有接收枪的开口，所述枪包括：管状枪体，其限定通过该枪的气流的气流导管，该导管适于穿过所述炉子开口到炉内，枪安装圆形法兰，其从所述枪体向外突出，和管状套筒，其在安装法兰附近围绕枪体圆周延伸。
优选地，所述套筒设有用于内部冷却套筒的内水流通道。
优选地，所述套筒的外径如此选择，使得在使用中，所述枪体和形成在枪体上的冷凝炉渣层在不接触炉子开口的情况下，能够经由所述炉开口从炉抽出。
所述套筒可从所述安装法兰沿枪体延伸，以便在枪的使用中，突出到待安装枪的炉子开口中。
根据本发明另一方面，本发明提供一种将气体喷射到炉内的枪，包括管状枪体，其限定气流导管并包括长形冷却水供给和返回通道，其用于向所述管状枪体的尖部供给冷却水，并且所述管状枪体还由三个或多个基本同心的圆筒形件构成，以提供所述长形的供给和返回通道，并且所述基本圆筒形行件保持在所述枪内，以提供两个或多个所述基本圆筒形行件的差分膨胀，所述枪还包括气体入口件，其适于在使用中与气体供给导管连接并接收来自该气体供给导管的该气体，所述气体入口件具有与所述气流导管流体连通的气流通道，包括两个基本同心圆筒形件，其为所述基本圆筒形件之间的冷却水流提供单层流道。
优选地，所述管状件的供给和返回流道独立于所述入口件的所述单层流道操作。
优选地，一个或多个分隔向所述气体入口件的单层流道提供两个或多个水流过道。
优选地，所述单层流道包括两个独立的水流回路。
优选地，所述气体入口件包括分支管，其从所述入口件的轴线横向延伸，所述分支管包括连接到气体供给导管的法兰，所述单层流道围绕所述分支管延伸。
在使用中，本发明的枪可安装在冶金炉的上壁中，以便向下延伸进入该炉。所述炉可以是通过直接熔炼法生产金属液的直接熔炼炉。
因此，本发明还提供通过直接熔炼法从含铁原料生产金属铁的装置，包括：炉，其能够容纳熔融金属和炉渣的熔池；在熔融熔池上的气体空间；以及根据本发明所述第一或第二方面的气体喷射枪，其向下伸进到炉中，向炉中喷射气体。
具体地，本发明可提供通过直接熔炼法从含铁原料生产金属铁的装置，所述装置包括：炉，其能够容纳熔融金属和炉渣的熔池；在熔融熔池上的气体空间；以及根据第一方面的气体喷射枪，其向下伸进炉中，向炉喷射含氧气体，其中所述枪的主导管模件安装在所述炉的上壁中，以便从在炉外的上端(后端)向下延伸到炉内，所述气体入口模件位于所述主导管模件上端并由其支撑，所述中心模件从其与所述气体入口模件的上端(后端)的连接处悬挂，使得在气体入口模件的管状体和所述主导管模件的内部内向下竖直悬挂。
所述中心模件上的叶片可在导管尖部内延伸，并且其尺寸使得在所述装置操作时，它们在导管的横向由内部水冷的导管尖部接合和支撑。
本发明还提供在冶金炉中安装根据所述第一方面的气体喷射枪的方法，所述方法包括步骤：在吊车上从主导管模件的后端提升主导管模件，使得它从其后端竖直向下悬挂，下降所述主导管模件，使得它向下伸进到炉中，可拆卸地将所述主导管模件的上部紧固在炉的上壁上，并在吊车上提升所述气体入口模件，并将其下降到所述主导管模件的上端上，可拆卸地将所述气体入口模件的下端紧固到所述主导管模件的上端上，在吊车上从中心模件的后端提升中心模件，使得它竖直向下悬挂，在吊车上将中心模件下降，直至它向下穿过所述气体入口模件的管状体和所述主导管模件内部，并将所述中心模件的上端紧固到所述气体入口模件的上端上。
本发明还提供从冶金炉取下如此安装的气体喷射枪的方法，包括步骤：拆卸所述中心模件的上端到所述气体入口模件的上端的紧固，利用吊车从所述气体入口和主导管模件竖直提升所述中心模件，并从炉中将其取下，拆卸所述气体入口模件的下端到所述主导管模件的上端的紧固，利用吊车提升气体入口模件离开主导管模件，并将其移动离开炉，拆卸所述主导管模件对炉的上壁的紧固，利用吊车竖直提升所述主导管模件，以将其从炉抽出，和将其移动离开炉。
附图说明
为了更完全地说明本发明，下面参照附图详细说明一种枪的具体形式和在冶金炉中安装的方法：
图1是通过直接熔炼炉的部分的竖直剖视图，所述炉安装了根据本发明构成的热气体喷射枪；
图2是通过熔炼炉的上部和热空气喷射枪的竖直剖视图；
图3是图2示出的一些部件的放大剖视图；
图4是通过热空气喷射枪的纵向剖视图；
图5是热空气喷射枪的气体入口模件的侧视图；
图6是气体入口模件的剖视图；
图7示出形成枪的部分的主导管模件的上端的部件；
图8是通过导管安装法兰和套筒的剖视图；
图9是导管安装法兰和套筒的端视图；
图10是图9所示的套筒的展开图；
图11是放大比例的详图，示出枪的外导管的前或下端的导管尖部的结构；
图12是通过导管尖部的部分的部分剖视图；
图13和14示出枪的中心结构的前部的结构；
图15和16示出枪的中心结构的前缘的结构；以及
图17，18和19示出将枪安装到冶金炉中进行的顺序步骤。

附图示出适于国际专利申请PCT/AU96/00197中说明的HIsmelt法操作的直接熔炼炉。该炉在此以标记11表示，并具有炉床，其包括用耐火砖构成的底部12和侧部13；侧壁14，其形成从炉床的侧部13向上延伸的基本圆筒形筒，它包括上筒部15和下筒部16；顶17；和用于废气的出口18；用于连续排放熔融金属的前炉19；和用于排放熔融炉渣的放渣孔21。
在使用中，该炉装有包括熔融金属层22和在金属层22上的熔融炉渣层23的铁和炉渣的熔融熔池。标记24示出的箭头指出金属层22的名义平静表面位置，箭头25表示渣层23的名义平静表面位置。“平静(quiescent)表面”应理解为当没有向炉中喷射气体和固体时的表面。
炉设有向下延伸的热空气喷射枪26，用于向炉的上部区域输送热空气鼓风；和向下延伸并向内通过侧壁14进入渣层23的固体喷枪27，用于向金属层22喷射铁矿、固体含碳材料和缺氧载气中夹带的熔剂。枪27的位置这样选择，从而在操作过程中，它们的出口端28位于金属层22的表面上方。枪的这个位置减少通过与熔融金属的接触而造成的损失，也使得能够通过强制进行内部水冷对枪进行冷却，而没有水接触炉中的熔融金属的重大危险。
在图4A/4B-14中示出热空气喷射枪26的结构。根据本实施例，枪由三个分开的模件26A，26B和26C构成，它们分开制造，并且在将枪安装到炉中时，根据下面参照图15-17说明的方式，在顺序步骤中组织并可拆卸地连接到一起。
枪模件26A是主导管模件，其提供将热气体引向炉的上部区域的长形导管31。枪模件26B是气体入口模件，其提供将热气体引向枪模件26A的长形导管31的气体入口结构32。枪模件26C是中心模件，其包括在气流导管31内延伸的长形中心管状结构33，并临近其前或下端带有一系列涡旋产生叶片34，用于对从导管出去的气流赋予涡旋。涡旋叶片34可以形成四头(start)螺旋线结构。它们的入口(后端)可以具有从开始直的部分到完全展开的螺旋线的平滑过渡，以使得紊流和压降最小。
枪由一序列水冷回路和/或元件进行水冷。这些回路和/或元件彼此分隔，因此，彼此独立地操作，但是它们可以从共用的冷却水头供给冷水，并且将冷却水返回到共用的水头。每个模件26A，26B和26C的水冷回路和/或元件与其他的模件26A，26B和26C的每个水冷回路和/或元件分隔。
在使用中，枪模件26A和26C基本保留在枪内，并且经受温度剃度，因此沿它们长度具有非均匀冷却要求，在相邻发生逸出气体燃烧处的尖部的枪的前端具有最高的温度。在这个区域中的温度可约为2000-2200℃。通过气流导管的热鼓风具有1200℃的温度，在枪外和离开尖部的温度一般在1400-1500℃的范围内。
如下面详细说明的，枪模件26A和26C具有长形结构，并带有由基本圆筒形结构的同心管构成的平行的(或至少双层的)水流通道。所述管保持在每个模件内，以允许两个或多个管或其他部件经受有差别的膨胀。该平行的(或至少双层的)水流通道允许这些通道的入口和出口的连接存在于炉外。
在使用中，枪模件26A基本位于炉外，并且由于热鼓风流和外部的环境温度条件，其在内经受1200℃的基本均匀的温度梯度。枪模件26B由基本平行的同心管构成，其提供用于冷却水的单层流道，该冷却水由一个或多个分隔分成两个或多个水流过道。单层流道对模件26B的冷却要求已是足够，所述模件26B对于允许冷却回路内的差分热膨胀需要较小。
中心结构33的前端具有拱形前缘35，其向前突出到导管31的尖部36外，使得中心体的前端和导管尖部一起共同形成环形喷嘴，其用于从导管出来的、带有叶片34赋予的涡旋的气体扩张流。
从气体入口32向下延伸的导管31的主部的壁内部受到水冷。该导管这部分由延伸到连接导管尖部36的导管的前端部的一系列三个同心钢管37，38和39构成。导管尖部36为中空圆环形，并且由分隔结构80内部分开，其将尖部的内部分成四个水流过道81，82，83和84，这四个过道互连形成标记为85的单个冷却水通道，通过在导管31的壁中的通道向冷却水通道85供给冷却水并返回。具体地，通过入口41和环形入口歧管42，冷却水供给到限定在导管的管37，38之间的内环形水流通道43中，并供至导管尖部36。通过限定在管38，39之间的外环形水返回流通道44，水从尖部返回，并反向到位于导管31的水冷部分后端处的水出口。
导管尖部36具有由焊接在一起形成外壳的四个环形段86，87，88和89形成的外壳40。段86形成导管尖部36的后壁，并且焊接到构成导管壁的管的最内管37。分隔结构80包括设置在尖部壳40内的钢环，并且设有从该环的中心部80E向外突出的四个圆形法兰80A，80B，80C和80D，以便将壳的内部分成水流过道81-84，并且起到对壳的加固支撑作用。法兰80A焊接到导管壁的中间管38，法兰80B和80D焊接到尖部壳段86和89，以完成尖部相对于导管壁的互连，并且将尖部内部分成冷却水流过道81，82，83和84。隔板91装配在分隔结构80和壳之间，以限定水流过道端。口92位于在临近这些隔板的分隔环的法兰中，使得水连续围绕尖部流动，首先通过过道81，然后通过过道82和83，最后到过道84。从限定在导管的管37，38之间的水流通道43，水进入过道81，通过限定在管38，39之间的返回通道44从过道84流出。
限定尖部内周和外端的导管尖部壳段87和88由铜制造，以强化尖部的这些部分的冷却，但是段86和89和分隔结构80由钢制造，产生高强度的加固尖部结构，如下详细说明的，其允许负荷力从内和中间管37，38向导管的外管39传递。
在枪模件26A的后端设有安装组件101，其包括水冷却外壳102，其通过法兰100连接到外导管39和到安装法兰110，用于连接到炉的上部，使得枪从安装法兰110沿竖直方向悬挂，并且其所有重量由外导管39承担。中间管38的后端由在外壳102内的滑动密封104支撑，内管37的后端支撑在模件26A的后端法兰103中的滑动密封105内，以允许在各枪部件的相差膨胀时管的相对纵向移动。为了不使得这些滑动密封104和105过负荷，冷却水、耐火材料、内管37和中间管38的重量由分隔结构80转移传递到外管39。
枪模件26A的后端法兰103提供气体入口枪模件26B的安装。模件26B包括管状体106和从所述管状体横向分支的分支管107，该分支管的作用是用于气体进入到管状体、进而到主导管模件26A的内部的气体入口。管状体106的前或下端设有圆形法兰111，用于对接模件26A的后法兰103，在下面说明的枪安装过程中，对接法兰103，111由紧固螺栓112可拆卸的紧固到一起。模件26B的分支管107也设有连接法兰113，通过法兰113，分支管107能够连接到热空气供给导管。
模件26B的上端设有端法兰114，其作用是与在中心模件26C的后或顶端处的法兰115对接，在下述的枪安装中，通过连接螺栓116将对接法兰114，115可拆卸地连接一起。
枪模件26B形成为外双壁钢壳，其形成有内部水流通道，通过该水流通道，水穿过入口和出口连接器120和130进行循环。在双壁之间的空间提供单层流道，并且可由分隔175分开，使得提供一系列水流过道178，它们可以任何方便的方式排列。水流过道178可由中心分隔180分成上冷却流道190和下冷却流道192。模件26B的内部衬有耐火材料118。
导管31的水冷部分内衬有内耐火衬里46，其装在导管的最内金属管39内，并延伸穿过到导管的水冷却尖部36。导管尖部36的内周一般与耐火衬里的内表面齐平，耐火衬里限定通过导管的气体的有效流动通道。耐火衬里的前端具有稍减小的直径部分47，其基本与导管尖部36的内周齐平。在内导管管37内安装的各部分中形成耐火衬里。当安装枪并在竖直状态时，该衬里的底部分位于导管尖部的后壁86上，其他衬里部分支撑在焊接到管39的砖衬环90上。因此，耐火衬里的全部重量向下施加在导管的内管37上。由于导管完全通过外管39由它的上端支撑，这个向下的负荷必然通过尖部壁86、分隔结构80和尖部结构89提供的互连从内管向外管传递，尖部壁86、分隔结构80和尖部结构89都是由钢制造的，并且提供能够传递这些力的很坚固的刚性和撑牢的互连。
从部分47向后，耐火衬里的直径稍大，使得在枪组装时，中心结构33能够向下插入通过导管，而不碰撞耐火材料。然后，在耐火材料的减小直径部分内移动涡旋叶片34，直到它们的前端进入到导管尖部36的最后部分内。在最终组装中，叶片沿中心结构33从导管尖部36向后分开的后端34A延伸到内导管尖部内设置的前端34B。确定叶片的尺寸，使得在导管的叶片和耐火衬里之间的径向间隙很小。它们的大小也使得当枪在冷状态时，在叶片的前端和导管尖部36的内周之间约有2mm小的径向间隙，但是在操作条件下的热膨胀时，叶片的前端与水冷尖部接合，然后该尖部对叶片和中心结构33的下端提供横向支撑。中心结构是长的和柔性的，并且如果它不被支撑，气体鼓风能够引起猛烈振动。根据图示的设置，横向支撑通过冷却尖部与叶片的接合而得以提供。叶片可由钴合金材料制造，如UMCO50。它们可以形成在套筒上，而所述套筒直接装配在中心结构的下端，并利用键固定以防止旋转。
导管尖部36的后壁形成有可变形的中间部分，以在与叶片34的前端接合时接收在壁上的径向负荷。更具体地，形成该壁的环形尖部壳段带有U形截面的可变形波纹86A，其能够靠拢，以接收在壁上的超负荷，以便在HIsmelt法产生的严酷操作条件下，在热移动产生的径向负荷下，限制壁中的应力。
带有涡旋叶片34的中心结构33的前端用冷却水进行内部水冷，所述冷却水从枪的后端到前端通过中心结构供给，然后沿中心结构返回到枪的后端。这实现了直接到中心结构的前端和拱形前缘35的强冷却水流，在枪的操作中拱形的前缘35特别经受到很高的热通量。
中心结构33包括由端对端设置并焊接到一起的管段形成的内外同心钢管50和51。内管50限定中心水流通道52，通过该通道，水从枪的后端处的水入口53通过中心结构到中心结构的前端前缘35，和限定在两个管之间的环形水返回通道54，通过通道54，冷却水穿过中心结构从前缘35返回到枪的后端处的水出口55。
中心结构33的前缘端35包括内铜体61，其装配在也是铜制造的外拱形的前缘壳62内。内铜体61形成中心水流通道63，用于从结构33的中心通道52接收水，并且将水引向前缘的尖部。铜体61形成有突出的棱条64，其紧密地装配在前缘壳62内，用于在铜体61和外前缘壳62之间限定单一连续的冷却水流通道65。棱条64这样成形，使得单一连续的通道65延伸成环形通道段66，其由从一个环形段向下一个倾斜的通道段67互连。因此，通道65以螺旋形从前缘的尖部伸出，所述螺旋虽然不是规则的螺旋形，但是确实螺旋围绕并沿前缘返回，以在前缘的后端处出口进入形成在中心结构33的管51和52之间的圆环形返回通道。
单一聚集流中的冷却水强制流通过沿中心结构的前缘端35围绕并返回的螺旋通道65，这确保有效的热吸收，并且避免在前缘上“热点”的发展，如果前缘处的冷却水允许在前端处分成分流，这种热点的发展就会发生。在图示的设置中，从进入前缘端35的时间到从前缘端出口的时间内，冷却水限制在单流中。
内部结构33设有外部热屏蔽69，以对导管31中进入的热气流到中心结构33内冷却水流的的热传导进行屏蔽。如果受到大规模熔炼设备中要求的高温和高气流，固体耐火材料屏蔽仅提供短的寿命，在图示的结构中，屏蔽69由商标名为UMCO的陶瓷材料管状套筒形成。这些套筒端对端排列，形成包围在屏蔽和中心结构的最外管51之间的空气隙的连续陶瓷屏蔽。形成该屏蔽的方式的进一步详情见美国专利说明书6673305的公开。
在炉内安装枪时，利用紧固螺栓121将安装套筒110紧固到炉的上壁中的管状开口123的上端处的法兰122。安装法兰110形成有中空的管状延伸套筒124，其在管状开口123内突出，并且由通过延伸穿过安装法兰110的入口125和出口126的冷却水流进行内部水冷。从入口125来的水通过内通道127到管状套筒124的底端，然后连续通过一系列圆形过道通过该管状套筒回流，所述过道由套筒壁内的内圆形分隔128形成。炉的管状开口123内的套筒124的冷却引起炉渣在开口的底部内发生凝固，以封闭该开口，并减少通过开口的热流。套筒124间隙配合在开口内，并且也以小间隙围绕枪体延伸，该间隙由凝固的炉渣封闭。这样的设置保护炉开口和法兰122不受过热，并且不需要在炉的这个部分提供冷却通道。这样选择套筒124的尺寸(更具体地为套筒的外径)，使得在管状开口123和枪模件26A和凝固的炉渣层之间存在间隙，在枪的使用中，所述凝固的炉渣层不可避免地形成在模件的外壁上。以这样的设置，枪模件26A和凝固的炉渣能够在不接触管状开口123的情况下从炉中抽出。在抽出过程中，使得在枪模件26A上的凝固炉渣损坏炉或枪模件的可能性最小，由此来看，这一点是重要的特征。
在图18-20中示出安装枪的方式。三个枪模件26A，26B和26C分开制造，并放到炉的位置以便连续安装。在第一安装步骤，通过在模件的最上端处的提升耳钩131，在吊车上提升主导管模件25A，使得模件从吊车上竖直悬挂，并能够通过在图18示出的炉的上壁中的管状开口123向下插入。将模件26A下降，直至安装法兰110对接炉上的法兰122，然后通过紧固螺栓121将法兰110和122牢固紧固。
如图19所示，在第二安装步骤，通过在该模件的上端处的提升耳钩132，在吊车上提升气体入口模件26B，使得该模件的管状体竖直向下悬挂。将模件26B下降，直到在其下端的法兰111与在模件26A上端的法兰103对接，用连接螺栓112将法兰111和103连接到一起。
在第三安装步骤，通过在该模件上端的提升耳钩133，在吊车上提升中心枪模件26C，使得模件竖直向下悬挂，并且能够通过气体入口模件26B向下延伸，并进入主导管模件26A，如图20所示。将中心模件下降，直至它的法兰115与在气体入口模件的上端的法兰114对接，通过紧固螺栓116将法兰114和115紧固到一起，以便完成枪的安装。在完成安装中，中心模件从其与气体入口模件的上端(后端)连接处悬挂，使得在气体入口模件的管状体和主导管模件内部内竖直向下悬挂。
为了取下枪，以与它们安装的相反顺序，将所述的三个枪模件连续拆卸，并利用吊车提升，即中心模件26C首先被取下，接着是模件26B和26A。
上述的模件式的构成和安装方法实现了在大型直接熔炼装置中的很大的和很重的枪建造和安装。