技术领域
[0001] 本实用新型基本涉及一种用于熔炉的喷枪以及具有该喷枪的熔炉。
背景技术
[0002] 基本上，在以诸如
高炉或鼓
风炉或
冲天炉的
竖炉炼
铁的过程中，作为原材料的铁
矿石和/或废铁和作为
燃料的
焦炭被投入到熔炉顶部，同时，向位于该熔炉的下部的风口吹入(热)风。焦炭提供了三个主要功能：燃料、还原剂和气流通道。当用作燃料时，焦炭与热风反应从而提供了在该过程中所需的大部分
热能。焦炭中所含的固定
碳(C)以及焦炭燃烧产生的
一氧化碳(CO)都是铁矿石及其它氧化物进行还原的还原剂。由于其多孔性，焦炭还用作气流通道，允许
熔化过程中的气体向上流经竖炉。当焦炭燃烧并还原铁矿石时，产生了熔化的铁和炉渣。熔化的铁和炉渣从靠近竖炉的底部的
位置排出。
[0003] 基于经济原因，诸如油、
天然气和
煤等矿物燃料被喷入到竖炉内以减少在熔炼过程中所需焦炭的用量。通常来说，矿物燃料被喷入到竖炉的鼓风口和/或风口回旋区中。鼓风管和风口小套构成了鼓风口。目前，在一些竖炉中，尤其是高炉，世界各国普遍采用从风口喷入部分价格相对便宜的矿物燃料以代替价格较贵的焦炭来降低熔炼过程的
能源成本。至于选择何种矿物燃料为宜，一般根据各国不同的资源条件而定，中国主要是喷吹
煤粉。经济的因素迫使煤粉的使用增加，因此减少了焦炭的使用。然而，技术问题却限制了煤粉的利用。
[0004] 如上所述，焦炭的主要功能之一在于用作气流通道，这是由其多孔性而提供的。当
炉料由炉顶下降时，炉气向上流经焦炭的孔而通过竖炉。优选地，该炉料的透气性是均匀分布的，使还原气体在炉料中充分穿过。一致的渗透性对于竖炉的稳定运行是很重要的。渗透性不足和/或渗透性不一致导致流经熔炉横截面的气流不均匀，这导致炉料还原不均匀及炉料下降速度不一致而影响炉子的稳定运行。
[0005] 当风口喷吹的煤粉增加时，由于煤粉的喷吹速度很高并且在典型的鼓风炉中风口回旋区的长度仅仅约为1-2米，煤粉颗粒几乎没有时间和热空气之间充分混合而导致煤粉的不完全燃烧，结果形成碳黑。这种喷吹的矿物燃料不能完全燃烧的问题对于诸如重油的其他矿物燃料同样存在。碳黑可堵住焦炭的孔而使炉子的透气性(即气体在炉内的流动性)降低，因此限制了能够被喷入的、用来替代焦炭的矿物燃料的量。
[0006] 随着喷入熔炉内矿物燃料的不断增加，工业氧气已经被加入到熔炉熔炼工艺中来达到增加产量的目的以及来平衡额外喷吹矿物燃料所带来的燃烧
温度降低。由于矿物燃料的吸
热分解，消耗热量，致使燃烧温度下降。喷入工业氧气有助于保持风口回旋区内的火焰温度。同时喷入矿物燃料和工业氧气允许操作者在不超过可接受的风口区的温度下使熔炉产量增加。氧气可以随同矿物燃料经由喷枪的单独通道喷入，和/或与鼓风混合。氧气可以与
热风炉上游和/或下游的鼓风混合以提供一个整体的富氧环境的鼓风。相关的
专利文献包括美国专利U.S.3,758,090、U.S.3,832,121、U.S.4,921,532、U.S.5,333,840、U.S.5,544,868、U.S.5,698,010、U.S.5,746,804和U.S.6,319,458。实用新型内容
[0007] 针对如何改善矿物燃料在熔炉中的燃烧，该实用新型提供了一种新型的喷枪，在降低燃料成本的同时达到最大程度的以矿物燃料替换焦炭。具体地，本实用新型公开的喷枪包括：外管和内管，所述内管布置在所述外管内，所述内管限定了用于输送燃料的第一通道，所述外管和所述内管在所述外管和所述内管之间限定了用于输送助燃气体的第二通道；以及旋流装置，其被配置为与所述第二通道
流体连通，用于使所述第二通道的所述助燃气体从所述喷枪的出口旋转地喷射出来从而与从所述喷枪的出口喷射出的燃料充分混合。
[0008] 根据本实用新型的一个方面，所述旋流装置为向所述第二通道供应所述助燃气体的进气管，所述进气管连接到所述外管上并且被配置为使所述进气管的助燃气体以与所述外管的内表面基本相切的方向流入到所述第二通道中，并且所述进气管的入口和所述喷枪的出口间隔有预定长度。具体地，所述外管的出口端的内表面呈向内渐缩状。更具体地，所述外管的出口端的内表面的渐缩
角度为5°-45°。优选地，所述外管的出口端的内表面的渐缩角度为10°-30°。优选地，所述进气管与所述外管的夹角为90°-135°。
[0009] 根据本实用新型的另一个方面，所述旋流装置为端头安装部件，所述外管和所述内管在位于下游的端部共同限定了安装部分，所述端头安装部件安装在所述安装部分上，所述端头安装部件具有纵向通孔和至少一个在纵向上绕所述纵向通孔延伸的螺旋通道，所述纵向通孔对准所述第一通道以允许所述燃料经由所述纵向通孔流出，所述至少一个螺旋通道被配置为与所述第二通道流体连通。具体地，所述螺旋通道具有入口端和出口端，所述螺旋通道在入口端的开口的横截面积大于在出口端的开口的横截面积。具体地，所述螺旋通道的旋流角为25°-65°。优选地，所述螺旋通道的旋流角为35°-45°。
[0010] 可选择地，所述至少一个螺旋通道设置在所述端头安装部件的外表面上，所述端头安装部件布置在所述外管和内管之间以使其外表面与所述外管的内表面相适配并使所述内管通过所述纵向通孔。具体地，所述外管的出口端的内表面呈向内渐缩状。更具体地，所述外管的出口端的内表面的渐缩角度为5°-45°。优选地，所述外管的出口端的内表面的渐缩角度为10°-30°。可选择地，在所述喷枪的出口侧，所述外管延伸过所述内管以使得所述外管的出口端面和所述内管的出口端面间隔开。
[0011] 可选择地，所述端头安装部件包括主体和套筒，所述至少一个螺旋通道设置在所述主体的外表面上，所述纵向通孔贯通所述主体，所述套筒套在所述主体上且所述套筒与所述外管流体密封。优选地，所述套筒的出口端的内表面呈向内渐缩状。具体地，所述套筒的出口端的内表面的渐缩角度为5°-45°。优选地，所述套筒的出口端的内表面的渐缩角度为10°-30°。
[0012] 具体地，所述助燃气体为浓度大于21％的氧气。优选地，所述氧气的浓度为80％-100％。
[0013] 可选择地，所述熔炉为高炉、鼓风炉或冲天炉的竖炉。
[0014] 本实用新型还公开了一种熔炉，所述熔炉包括如上所述的喷枪。
[0015] 具体地，所述助燃气体来自于与所述喷枪流体连通的氧气源，其中，所述氧气源包括液氧储罐、空气分离装置、变压
吸附或
真空吸附装置。
附图说明
[0016] 为了解释本实用新型，将在下文中参考附图描述其示例性实施方式，附图中：
[0017] 图1示出了根据本实用新型的第一种实施方式的喷枪的示意图；
[0018] 图2示出了图1中的旋流装置的示意图；
[0019] 图3示出了图1中的内管的示意图；
[0020] 图4示出了根据本实用新型的第二种实施方式的喷枪的示意图；
[0021] 图5示出了根据本实用新型的第三种实施方式的喷枪的正视示意图；
[0022] 图6示出了根据本实用新型的第三种实施方式的喷枪的侧视示意图；
[0023] 图7示出了根据本实用新型的第三种实施方式的喷枪的俯视示意图；
[0024] 图8示出了具有根据本实用新型的各种实施方式的
喷嘴的熔炉的示意图。
[0025] 不同图中的相似特征由相似的附图标记指示。
具体实施方式
[0026] 如图所示，本实用新型的具体实施方式的下述更详细的说明并不旨在限制本实用新型的保护范围。如所声称的，为了阐明本实用新型的最佳实施方式并为了使本领域的普通技术人员足以能够实现本实用新型，下面的描述的目的仅仅在于说明并用来描述本实用新型的特征和特性。因此，本实用新型的保护范围完全由所附的
权利要求书来限定。
[0027] 参考附图，理解本实用新型的下述详细的说明和示例性的实施方式，其中本实用新型的元件和特征在
说明书全文中由附图标记来指代。
[0028] 如图1-图3所示，公开了本实用新型的第一种实施方式的喷枪100，该喷枪100可以由
现有技术中已知的任何合适的材料制成，例如，不锈
钢和其他与氧气兼容的并能经受热风温度的材料。该喷枪100具有内管102、外管104和旋流装置106。该外管104的出口端的内表面呈向内渐缩状，其渐缩角度α1为5°-45°，较优地，其渐缩角度为10°-30°。内管102同轴地布置在外管104内，该内管102限定了用于输送燃料的第一通道107，该外管104和内管102在外管104和内管102之间限定了用于输送助燃气体的第二通道108。
其中，燃料可以为矿物燃料，该矿物燃料可以包括固态矿物燃料，例如，煤粉，和/或液态矿物燃料，例如油。助燃气体可以包括空气、工业氧气或空气和工业氧气的混合气体。此处，工业氧气可以为含80％-100％氧气的气体。旋流装置106被配置为与第二通道108流体连通，用于使第二通道108的助燃气体从喷枪100的出口旋转地喷射出来从而与从喷枪100的出口喷射出的燃料充分混合。
[0029] 具体地，该旋流装置106为端头安装部件，外管104和内管102在位于下游的端部共同限定了用于安装旋流装置106的安装部分。更具体地，该安装部分由内管102上具有外
螺纹的连接部分102a和外管104的部分内表面限定。该旋流装置106包括圆筒状的主体部分109和内径略小于主体部分109的连接部分110，连接部分110的内表面具有螺纹。纵向通孔112贯通主体部分109和连接部分110。在主体部分109上，其可以向外管104的内缩部分延伸并且其外表面与外管104的内表面彼此适配，其上还限定有在纵向上绕纵向通孔112延伸的多个螺旋通道114。其中，该螺旋通道114基本呈矩形，具有入口端和出口端，该螺旋通道114在入口端的开口的横截面积大于在出口端的开口的横截面积，该螺旋通道114的旋流角β1在25°-65°之间，较优地在35°-45°之间。如图1所示，该旋流角β1被限定为在喷枪100的纵截面上螺旋通道114的切线和燃料通道的纵向轴线之间的夹角。该旋流角β1可以从螺旋通道114的入口端到出口端在旋流装置106的长度上保持大致相同。大致相同的旋流角在此意味着旋流角可以在5°之内变化。在连接部分110上，其内表面布置有可与内管102的连接部分102a
螺纹连接的
内螺纹。藉此，旋流装置106被配置成，当旋流装置106被安装在安装部分上时，其外表面与外管104的内表面相适配的同时内管102通过纵向通孔112。因此，纵向通孔112对准第一通道107以允许燃料经由纵向通孔112流出，螺旋通道114被配置为与第二通道108流体连通。
[0030] 可以理解，该旋流装置106也可以被现有的旋流
叶片或其他旋流装置来替代。也可以理解，内管102的出口端的外表面和外管104的出口端的内缩内表面形成了内缩的环形通道，这允许来自螺旋通道114的离散的助燃气体扩张并汇合为一体从而在
接触离开第一通道107的燃料之前提供更连续的助燃气体旋转
涡流。这样，通过允许高速的助燃气体扩张并汇合为旋转涡流，局部的
湍流和可能有损害的位于喷枪100端部的火焰附着均得以抑制。
[0031] 在本实施方式中，助燃气体可以为浓度大于21％的氧气，较优地，该氧气的浓度可以为80％-100％。氧气可以来源于液氧储罐、空气分离装置、变压吸附或真空吸附装置，但并不限于这些装置。
[0032] 如图4所示，公开了本实用新型的第二种实施方式的喷枪200，这种喷枪200的旋流装置206与前述的喷枪100的旋流装置106的结构基本类似，也为端头安装部件。该喷枪200具有内管202、外管204和旋流装置206。内管202布置在外管204内，该内管202限定了用于输送燃料的第一通道207，该外管204和内管202在外管204和内管202之间限定了用于输送助燃气体的第二通道208。旋流装置206被配置为与第二通道208流体连通，用于使第二通道208的助燃气体从喷枪200的出口旋转地喷射出来从而与从喷枪200的出口喷射出的燃料充分混合。
[0033] 具体地，该旋流装置206为端头安装部件，外管204和内管202在位于下游的端部共同限定了用于安装旋流装置206的安装部分。具体地，该安装部分由外管204的端部的螺纹连接部分和内管202的端部限定。该旋流装置206包括主体209和套筒210，套筒210通过任何熟知的方法被固定在主体209上。在主体209上，其具有纵向通孔212，主体
209的外表面与套筒210的内表面彼此适配，其上还限定有在纵向上绕该纵向通孔212延伸的多个螺旋通道214。其中，该螺旋通道214具有入口端和出口端，该螺旋通道214在入口端的开口的横截面积大于在出口端的开口的横截面积，该螺旋通道214的旋流角β2在
25°-65°之间，较优地在35°-45°之间。在套筒210上，其内表面可布置有可与外管204端部的螺纹连接部分连接的内螺纹。该旋流装置206被配置成，当旋流装置206被安装在安装部分上，套筒210连接到外管204，恰好使主体209的纵向通孔212流体连通到内管202。
因此，纵向通孔212对准第一通道207以允许燃料经由纵向通孔212流出，螺旋通道214被配置为与第二通道208流体连通。
[0034] 可选择地，旋流装置206的套筒210可以设置有
外螺纹，外管204的端部可以相应地设置有内螺纹。这样，该旋流装置206被配置成，该旋流装置206的套筒210螺纹连接到外管204上，恰好使旋流装置206的主体209的纵向通孔212流体连通到内管202。较优地，外管204和旋流装置206的套筒210之间还可以设置有
垫圈以提高气密封程度。
[0035] 可选择地，该旋流装置206的主体209上的纵向通孔212的端部可以设置有内螺纹，相应地，内管202的端部可以设置有外螺纹以连接旋流装置206的主体209。进一步地，旋流装置206的套筒210可以设置有外螺纹或内螺纹，相应地，外管204的端部可以设置有与内螺纹或外螺纹以连接套筒210。
[0036] 由附图可知，该旋流装置206的套筒210的出口端的内表面呈向内渐缩状，且其渐缩角度α2可以约为5°-45°，较优地约为10°-30°。
[0037] 在本实施方式中，助燃气体可以为浓度大于21％的氧气，较优地，该氧气的浓度可以为80％-100％。氧气可以来源于液氧储罐、空气分离装置、变压吸附或真空吸附装置，但并不限于这些装置。
[0038] 如图5-图7所示，公开了本实用新型的第三种实施方式的喷枪300，这种喷枪300的旋流装置306与前述喷枪的旋流装置的结构均不同。该喷枪300具有内管302、外管304和旋流装置306。内管302布置在外管304内，该内管302限定了用于输送燃料的第一通道307，该外管304和内管302在外管304和内管302之间限定了用于输送助燃气体的第二通道308。旋流装置306被配置为与第二通道308流体连通，用于使第二通道308的助燃气体从喷枪300的出口旋转地喷射出来从而与从喷枪300的出口喷射出的燃料充分混合。
[0039] 具体地，该旋流装置306为向第二通道308供应助燃气体的进气管，该进气管连接到外管304上并且被配置为使进气管的助燃气体以与外管304的内表面基本相切的方向流入到第二通道308中，并且进气管的入口和喷枪300的出口间隔有预定长度。
[0040] 更具体地，该进气管可以被
焊接到外管304上。此外，也可以以具有两个分支的多支管用作外管304和进气管。无论如何，进气管和外管304各自的径向靠外的管壁应当是相切的从而可以使进气管的助燃气体以与外管304的内表面基本相切的方向流入到第二通道308中。通常，该进气管与外管304气流流入方向之间的夹角β3可以在90°-135°之间。
[0041] 更具体地，该外管304的出口端的内表面呈向内渐缩状，其渐缩角度α3大约为5°-45°，较优地为10°-30°。
[0042] 在本实施方式中，助燃气体可以为浓度大于21％的氧气，较优地，该氧气的浓度可以为80％-100％。氧气可以来源于液氧储罐、空气分离装置、变压吸附或真空吸附装置，但并不限于这些装置。
[0043] 如图8所示，本实用新型还公开了一种熔炉400，该熔炉400可以为高炉、鼓风炉或冲天炉的竖炉。
[0044] 具体地，该熔炉400具有炉壁402以及用于穿过炉壁402供给热鼓风的风口小套404。风口通道406穿过风口小套404。风管408构造和布置将风或热风供给至风口通道
406并吹入熔炉400的炉腔内。此外，还具有如前述各个实施方式所描述的喷枪410，其用于将燃料(通常是煤粉)和助燃气体(通常为一定浓度的氧气)供给到熔炉400中。
[0045] 上述详细的说明参考具体的示例性实施方式描述了本实用新型。然而，可以理解，在不脱离本实用新型的权利要求的保护范围前提下可以作出各种各样的
修改和变化。具体的说明和附图被看做仅仅为示例性的，而不是限制性的，并且所有的可能的这种修改和变化，均被认为落入如前所述并在此限定的本实用新型的保护范围。
