[RU]

1. Верхняя погружная фурма, пригодная для использования при введении материала в слой шлака плавильной ванны в пирометаллургическом процессе, где фурма имеет внешнюю оболочку из трех, по существу, концентрических труб фурмы, включающих внешнюю, внутреннюю и промежуточную трубы; при этом фурма включает по меньшей мере одну дополнительную трубу фурмы, расположенную, по существу, концентрически внутри оболочки, а оболочка дополнительно включает кольцеобразную торцевую стенку на выпускном конце фурмы, которая соединяет соответствующие концы внешней и внутренней труб оболочки фурмы на выпускном конце фурмы и отстоит от выпускного конца промежуточной трубы оболочки фурмы; причем в месте, удаленном от выпускного конца, вблизи верхнего или входного конца фурма имеет структуру, с помощью которой ее можно подвесить так, чтобы она свисала вертикально вниз; причем оболочка выполнена таким образом, что охлаждающая текучая среда может циркулировать внутри оболочки, протекая между промежуточной трубой фурмы и одной из внешней и внутренней труб фурмы к выпускному концу, а затем обратно вдоль фурмы от выпускного конца, протекая между промежуточной трубой фурмы и другой из внутренней и внешней труб фурмы; при этом расстояние между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы задано таким образом, чтобы обеспечивалось сужение потока охлаждающей текучей среды, чтобы вызвать увеличение скорости потока охлаждающей текучей среды между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы; причем по меньшей мере одна дополнительная труба фурмы определяет центральный канал и имеет выпускной конец, отстоящий от выпускного конца внешней оболочки, в результате чего смесительная камера определена внешней оболочкой между выпускным концом внешней оболочки и выпускным концом по меньшей мере одной дополнительной трубы, и эта по меньшей мере одна дополнительная труба фурмы отстоит от внутренней трубы оболочки фурмы, определяя между ними кольцеобразный проход, в результате чего горючий материал, проходящий вдоль канала, и кислородсодержащий газ, проходящий вдоль кольцеобразного прохода, могут образовывать горючую смесь в смесительной камере и вблизи выпускного конца фурмы для сжигания смеси при введении в слой шлака.

2. Верхняя погружная фурма по п.1, в которой сужение выполнено с возможностью обеспечения течения охлаждающей текучей среды по торцевой стенке в виде тонкой пленки или струи относительно потока перед сужением и после него.

3. Верхняя погружная фурма по п.1 или 2, в которой конец промежуточной трубы фурмы включает валик, который имеет радиально искривленную, выпуклую поверхность, обращенную к торцевой стенке, так что в результате валик имеет форму капли или подобную закругленную форму, а торцевая стенка имеет дополнительную вогнутую форму.

4. Верхняя погружная фурма по п.3, в которой сужение между выпускным концом промежуточной трубы и торцевой стенкой является в существенной степени радиальным относительно фурмы в плоскостях, включающих ось фурмы, причем валик и торцевая стенка обеспечивают сужение, проходящее через угол, составляющий до приблизительно 180°.

5. Верхняя погружная фурма по п.3 или 4, в которой сужение продолжается от валика между внешней поверхностью промежуточной трубы фурмы и внутренней поверхностью внешней трубы, по меньшей мере, на протяжении участка длины фурмы, на котором промежуточная труба имеет увеличенную толщину стенок.

6. Верхняя погружная фурма по п.1 или 2, в которой сужение определено, по меньшей мере частично, от закругления конца промежуточной трубы и между внешней поверхностью промежуточной трубы и внутренней поверхностью внешней трубы, по меньшей мере, на протяжении участка длины фурмы, на котором промежуточная труба имеет увеличенную толщину стенки, например, при сужении, проходящем через угол, составляющий по меньшей мере 90°.

7. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-6, где фурма включает кольцеобразный кожух, расположенный концентрически вокруг верхнего участка оболочки, отстоящего от выпускного конца фурмы.

8. Верхняя погружная фурма по п.7, где кожух имеет внешнюю оболочку из трех, по существу, концентрических труб кожуха, включающую внешнюю, внутреннюю и промежуточную трубы и дополнительно включающую кольцеобразную торцевую стенку на выпускном конце кожуха, которая соединяет соответствующий выпускной конец внешней и внутренней труб оболочки кожуха и отстоит от выпускного конца промежуточной трубы оболочки кожуха, в результате чего охлаждающая текучая среда может циркулировать внутри оболочки, например, вдоль оболочки к выпускному концу, протекая между внутренней и промежуточной трубами кожуха, а затем обратно вдоль кожуха от выпускного конца, протекая между промежуточной и внешней трубами кожуха, или в направлении, противоположном этому; причем зазор между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы задан таким образом, чтобы обеспечивалось сужение потока охлаждающей текучей среды, чтобы вызвать увеличение скорости течения охлаждающей текучей среды между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы.

9. Верхняя погружная фурма по п.8, в которой сужение кожуха выполнено с возможностью обеспечения потока охлаждающей текучей среды по торцевой стенке кожуха в виде тонкой пленки или струи относительно потока перед сужением и после него.

10. Верхняя погружная фурма по п.8 или 9, в которой конец промежуточной трубы кожуха включает валик, который имеет радиально искривленную, выпуклую поверхность, обращенную к торцевой стенке так, что в результате валик имеет форму капли или подобную закругленную форму.

11. Верхняя погружная фурма по п.10, в которой сужение между выпускным концом промежуточной трубы кожуха и торцевой стенкой является в существенной степени радиальным относительно кожуха в плоскостях, включающих ось кожуха, например в случае близко расположенных валика и торцевой стенки, чтобы обеспечить сужение, проходящее через угол, составляющий до приблизительно 180°.

12. Верхняя погружная фурма по п.10 или 11, в которой сужение продолжается от валика между внешней поверхностью промежуточной трубы кожуха и внутренней поверхностью внешней трубы кожуха, по меньшей мере, на участке длины кожуха, на протяжении которого промежуточная труба имеет увеличенную толщину стенки.

13. Верхняя погружная фурма по п.8 или 9, в которой сужение определено, по меньшей мере частично, от закругления конца промежуточной трубы кожуха и между внешней поверхностью промежуточной трубы кожуха и внутренней поверхностью внешней трубы кожуха, по меньшей мере, на участке длины кожуха, на протяжении которого промежуточная труба имеет увеличенную толщину стенки, причем сужение проходит через угол, составляющий по меньшей мере 90°.

14. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-7, в которой сужение приводит к скорости течения охлаждающей текучей среды в этом сужении, превышающей скорость течения выше по потоку от сужения приблизительно в 6-20 раз.

15. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-7 и 14, где фурма имеет длину от приблизительно 7,5 до приблизительно 25 м.

16. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-7, 14 и 15, в которой оболочка фурмы имеет внутренний диаметр приблизительно от 100 до 650 мм и внешний диаметр от 150 до 700 мм.

17. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-7 и 14-16, в которой дополнительная труба фурмы заканчивается внутри оболочки на расстоянии до 1000 мм от выпускного конца фурмы.

(57) Реферат / Формула:

1. Верхняя погружная фурма, пригодная для использования при введении материала в слой шлака плавильной ванны в пирометаллургическом процессе, где фурма имеет внешнюю оболочку из трех, по существу, концентрических труб фурмы, включающих внешнюю, внутреннюю и промежуточную трубы; при этом фурма включает по меньшей мере одну дополнительную трубу фурмы, расположенную, по существу, концентрически внутри оболочки, а оболочка дополнительно включает кольцеобразную торцевую стенку на выпускном конце фурмы, которая соединяет соответствующие концы внешней и внутренней труб оболочки фурмы на выпускном конце фурмы и отстоит от выпускного конца промежуточной трубы оболочки фурмы; причем в месте, удаленном от выпускного конца, вблизи верхнего или входного конца фурма имеет структуру, с помощью которой ее можно подвесить так, чтобы она свисала вертикально вниз; причем оболочка выполнена таким образом, что охлаждающая текучая среда может циркулировать внутри оболочки, протекая между промежуточной трубой фурмы и одной из внешней и внутренней труб фурмы к выпускному концу, а затем обратно вдоль фурмы от выпускного конца, протекая между промежуточной трубой фурмы и другой из внутренней и внешней труб фурмы; при этом расстояние между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы задано таким образом, чтобы обеспечивалось сужение потока охлаждающей текучей среды, чтобы вызвать увеличение скорости потока охлаждающей текучей среды между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы; причем по меньшей мере одна дополнительная труба фурмы определяет центральный канал и имеет выпускной конец, отстоящий от выпускного конца внешней оболочки, в результате чего смесительная камера определена внешней оболочкой между выпускным концом внешней оболочки и выпускным концом по меньшей мере одной дополнительной трубы, и эта по меньшей мере одна дополнительная труба фурмы отстоит от внутренней трубы оболочки фурмы, определяя между ними кольцеобразный проход, в результате чего горючий материал, проходящий вдоль канала, и кислородсодержащий газ, проходящий вдоль кольцеобразного прохода, могут образовывать горючую смесь в смесительной камере и вблизи выпускного конца фурмы для сжигания смеси при введении в слой шлака.

2. Верхняя погружная фурма по п.1, в которой сужение выполнено с возможностью обеспечения течения охлаждающей текучей среды по торцевой стенке в виде тонкой пленки или струи относительно потока перед сужением и после него.

3. Верхняя погружная фурма по п.1 или 2, в которой конец промежуточной трубы фурмы включает валик, который имеет радиально искривленную, выпуклую поверхность, обращенную к торцевой стенке, так что в результате валик имеет форму капли или подобную закругленную форму, а торцевая стенка имеет дополнительную вогнутую форму.

4. Верхняя погружная фурма по п.3, в которой сужение между выпускным концом промежуточной трубы и торцевой стенкой является в существенной степени радиальным относительно фурмы в плоскостях, включающих ось фурмы, причем валик и торцевая стенка обеспечивают сужение, проходящее через угол, составляющий до приблизительно 180°.

5. Верхняя погружная фурма по п.3 или 4, в которой сужение продолжается от валика между внешней поверхностью промежуточной трубы фурмы и внутренней поверхностью внешней трубы, по меньшей мере, на протяжении участка длины фурмы, на котором промежуточная труба имеет увеличенную толщину стенок.

6. Верхняя погружная фурма по п.1 или 2, в которой сужение определено, по меньшей мере частично, от закругления конца промежуточной трубы и между внешней поверхностью промежуточной трубы и внутренней поверхностью внешней трубы, по меньшей мере, на протяжении участка длины фурмы, на котором промежуточная труба имеет увеличенную толщину стенки, например, при сужении, проходящем через угол, составляющий по меньшей мере 90°.

7. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-6, где фурма включает кольцеобразный кожух, расположенный концентрически вокруг верхнего участка оболочки, отстоящего от выпускного конца фурмы.

8. Верхняя погружная фурма по п.7, где кожух имеет внешнюю оболочку из трех, по существу, концентрических труб кожуха, включающую внешнюю, внутреннюю и промежуточную трубы и дополнительно включающую кольцеобразную торцевую стенку на выпускном конце кожуха, которая соединяет соответствующий выпускной конец внешней и внутренней труб оболочки кожуха и отстоит от выпускного конца промежуточной трубы оболочки кожуха, в результате чего охлаждающая текучая среда может циркулировать внутри оболочки, например, вдоль оболочки к выпускному концу, протекая между внутренней и промежуточной трубами кожуха, а затем обратно вдоль кожуха от выпускного конца, протекая между промежуточной и внешней трубами кожуха, или в направлении, противоположном этому; причем зазор между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы задан таким образом, чтобы обеспечивалось сужение потока охлаждающей текучей среды, чтобы вызвать увеличение скорости течения охлаждающей текучей среды между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы.

9. Верхняя погружная фурма по п.8, в которой сужение кожуха выполнено с возможностью обеспечения потока охлаждающей текучей среды по торцевой стенке кожуха в виде тонкой пленки или струи относительно потока перед сужением и после него.

10. Верхняя погружная фурма по п.8 или 9, в которой конец промежуточной трубы кожуха включает валик, который имеет радиально искривленную, выпуклую поверхность, обращенную к торцевой стенке так, что в результате валик имеет форму капли или подобную закругленную форму.

11. Верхняя погружная фурма по п.10, в которой сужение между выпускным концом промежуточной трубы кожуха и торцевой стенкой является в существенной степени радиальным относительно кожуха в плоскостях, включающих ось кожуха, например в случае близко расположенных валика и торцевой стенки, чтобы обеспечить сужение, проходящее через угол, составляющий до приблизительно 180°.

12. Верхняя погружная фурма по п.10 или 11, в которой сужение продолжается от валика между внешней поверхностью промежуточной трубы кожуха и внутренней поверхностью внешней трубы кожуха, по меньшей мере, на участке длины кожуха, на протяжении которого промежуточная труба имеет увеличенную толщину стенки.

13. Верхняя погружная фурма по п.8 или 9, в которой сужение определено, по меньшей мере частично, от закругления конца промежуточной трубы кожуха и между внешней поверхностью промежуточной трубы кожуха и внутренней поверхностью внешней трубы кожуха, по меньшей мере, на участке длины кожуха, на протяжении которого промежуточная труба имеет увеличенную толщину стенки, причем сужение проходит через угол, составляющий по меньшей мере 90°.

14. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-7, в которой сужение приводит к скорости течения охлаждающей текучей среды в этом сужении, превышающей скорость течения выше по потоку от сужения приблизительно в 6-20 раз.

15. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-7 и 14, где фурма имеет длину от приблизительно 7,5 до приблизительно 25 м.

16. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-7, 14 и 15, в которой оболочка фурмы имеет внутренний диаметр приблизительно от 100 до 650 мм и внешний диаметр от 150 до 700 мм.

17. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-7 и 14-16, в которой дополнительная труба фурмы заканчивается внутри оболочки на расстоянии до 1000 мм от выпускного конца фурмы.

---

Евразийское ои 025696 (13) В1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.01.30
(21) Номер заявки 201490789
(22) Дата подачи заявки 2012.11.26
(51) Int. Cl. F27D 3/16 (2006.01) F27D 3/18 (2006.01) C21C 5/46 (2006.01)
(54) ОХЛАЖДАЕМАЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДОЙ ВЕРХНЯЯ ПОГРУЖНАЯ ФУРМА
(31) 2011904988
(32) 2011.11.30
(33) AU
(43) 2014.11.28
(86) PCT/IB2012/056714
(87) WO 2013/080110 2013.06.06
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
ОТОТЕК ОЮЙ (FI)
(72) Изобретатель:
Матусевич Роберт (AU), Реутер Маркус (FI)
(74) Представитель:
Поликарпов А.В. (RU)
(56) WO-A1-2006042363 WO-A1-0181637 GB-A-876687 WO-A1-9802588 WO-A1-03091460
(57) В изобретении верхняя погружная фурма имеет внешнюю оболочку из трех, по существу, концентрических труб фурмы, по меньшей мере одну дополнительную трубу фурмы, расположенную концентрически внутри оболочки, и кольцеобразную торцевую стенку на выпускном конце фурмы, которая соединяет концы самой внешней и самой внутренней труб оболочки фурмы на выпускном конце фурмы и отстоит от выпускного конца промежуточной трубы оболочки фурмы. Охлаждающая текучая среда может циркулировать внутри оболочки, протекая к выпускному концу и от него. Зазор между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы обеспечивает сужение потока охлаждающей текучей среды для увеличения скорости течения охлаждающей текучей среды в этом зазоре. Дополнительная труба фурмы определяет центральный канал и отстоит от самой внутренней трубы оболочки фурмы, определяя кольцеобразный проход, в результате чего материалы, проходящие по каналу и по проходу, смешиваются вблизи выпускного конца фурмы. Торцевая стенка и прилегающая к ней малая часть длины оболочки включают сменную сборку наконечника фурмы.
Область техники
Данное изобретение относится к верхним погружным фурмам для введения материалов, используемых в пирометаллургических процессах с плавильной ванной.
Уровень техники
При выплавке в плавильной ванне или других пирометаллургических процессах, которые требуют взаимодействия между ванной и источником кислородсодержащего газа, применяют несколько различных устройств для подачи газа. В общем, эти операции включают прямое введение в расплавленный штейн/металл. Это могут быть донные фурмы для продувки, как в печи типа конвертера Бессемера, или боковые фурмы для продувки, как в конвертере Пирса-Смита. В альтернативном случае введение газа можно осуществлять посредством фурмы, обеспечивающей или продувку сверху, или погружное введение. Примерами введения с помощью фурмы для продувки сверху являются установки KALDO и ВОР для получения стали, в которых чистый кислород продувают в ванну сверху, чтобы получить сталь из расплавленного чугуна. Другим примером является процесс получения меди Mitsubishi с подачей сверху, в котором на стадиях расплавления и конверсии штейна инжекционные фурмы вызывают введение струй кислородсодержащего газа, например воздуха или обогащенного кислородом воздуха, для соударения с верхней поверхностью ванны и проникновения в нее соответственно, чтобы получить и конвертировать медный штейн. В случае введения через погружную фурму нижний конец фурмы погружен таким образом, чтобы введение происходило внутри слоя шлака в ванне, а не над его поверхностью, чтобы обеспечить введение через верхнюю погружную фурму (top submerged lancing (TSL) injection), хорошо известным примером которого является технология Outotec Ausmelt TSL, применяемая в широком диапазоне технологий переработки металлов.
В случае обоих видов введения сверху, то есть продувки сверху и введения через верхнюю погружную фурму, фурма подвергается воздействию высоких температур, преобладающих в ванне. При продувке сверху в процессе получения меди Mitsubishi применяют несколько относительно небольших стальных фурм, которые имеют внутреннюю трубу диаметром примерно 50 мм и внешнюю трубу диаметром примерно 100 мм. Внутренняя труба заканчивается примерно на уровне свода печи, значительно выше реакционной зоны. Внешняя труба, которая выполнена с возможностью вращения, чтобы предотвратить ее прилипание к охлаждаемому водой кольцу в своде печи, проходит вниз, в газовое пространство печи, чтобы ее нижний конец располагался примерно на 500-800 мм выше верней поверхности плавильной ванны. Увлекаемое потоком воздуха порошкообразное сырье вдувают через внутреннюю трубу, в то время как обогащенный кислородом воздух вдувают через кольцевой зазор между трубами. Несмотря на то что нижний конец внешней трубы находится на определенном расстоянии выше верней поверхности ванны, и на то, что фурма в некоторой степени охлаждается газами, проходящими через нее, внешняя труба выгорает примерно на 400 мм в сутки. Поэтому внешнюю трубу медленно опускают, и, когда это необходимо, к верхней части внешней, расходуемой трубы присоединяют новые секции.
Погружные фурмы для введения сверху имеют значительно большие размеры, чем фурмы для процессов с верхней продувкой, такие как в описанном выше процессе Mitsubishi. Верхняя погружная фурма обычно включает, по меньшей мере, внутреннюю и внешнюю трубу, как предполагают далее, но она может включать еще по меньшей мере одну другую трубу, концентрическую с внутренней и внешней трубами. Типичные крупномасштабные верхние погружные фурмы имеют диаметр внешней трубы от 200 до 500 мм или больше. Кроме того, фурма значительно длиннее и проходит вниз через свод реактора с верхней погружной фурмой (TSL-реактора), который может иметь высоту примерно от 10 до 15 м так, чтобы нижний конец внешней трубы был погружен в фазу расплавленного шлака ванны на глубину примерно 300 мм или более, но защищен покрытием из затвердевшего шлака, образованным на внешней поверхности внешней трубы и поддерживаемым за счет охлаждающего действия потока нагнетаемого газа, проходящего внутри трубы. Внутренняя труба может заканчиваться примерно на том же уровне, что и внешняя труба, или на более высоком уровне, примерно до 1000 мм выше нижнего конца внешней трубы. Таким образом, может случиться, что погружен нижний конец только внешней трубы. В любом случае, на внешней поверхности внутренней трубы может быть смонтирована спиральная лопасть или другое формирующее поток устройство, охватывающее кольцевое пространство между внутренней и внешней трубами. Лопасти оказывают сильное завихряющее действие на поток воздуха или обогащенного кислородом воздуха, протекающий по этому кольцевому пространству, и служат для повышения охлаждающего действия, а также обеспечивают хорошее смешивание газа с топливом и материалом сырья, подаваемыми по внутренней трубе; при этом смешивание происходит, по существу, в смесительной камере, ограниченной внешней трубой, ниже нижнего конца внутренней трубы, когда внутренняя труба заканчивается на достаточном расстоянии выше нижнего конца внешней трубы.
Внешняя труба верхней погружной фурмы изнашивается и выгорает на ее нижнем конце, но со скоростью, которая значительно снижена за счет защитного покрытия из застывшего шлака, по сравнению со случаем без покрытия. Однако это в существенной степени определяется режимом работы при использовании технологии с верхней погружной фурмой. Режим работы делает эту технологию осуществимой, несмотря на то, что нижний конец фурмы погружен в высокоактивную и коррозионную среду ванны расплавленного шлака. Внутреннюю трубу верхней погружной фурмы можно использовать для
подачи исходных материалов, например концентрата, флюсов и восстановителя, которые следует ввести в находящийся в ванне слой шлака, или ее можно использовать для подачи топлива. Кислородсодержащий газ, например воздух или обогащенный кислородом воздух, подают через кольцевое пространство между трубами. Перед тем, как начать введение в слой шлака ванны через погружную фурму, фурму располагают таким образом, чтобы ее нижний конец, то есть нижний конец внешней трубы, находился на соответствующем расстоянии над поверхностью шлака. Кислородсодержащий газ и топливо, например топливную нефть, мелкий уголь или газообразный углеводород, подают в фурму, и полученную смесь кислород/топливо поджигают, чтобы создать струю пламени, которая ударяется о поверхность шлака. Это вызывает разбрызгивание шлака, с образованием на внешней трубе фурмы слоя шлака, который затвердевает под действием газового потока, проходящего через фурму, обеспечивая вышеупомянутое покрытие из твердого шлака. Затем фурму можно опустить, чтобы осуществлять введение внутри шлака, при продолжающемся прохождении кислородсодержащего газа через фурму, поддерживая нижний участок фурмы при температуре, при которой покрытие из затвердевшего шлака сохраняется и защищает внешнюю трубу.
В случае новой верхней погружной фурмы относительные положения нижних концов внешней и внутренней труб, то есть расстояние, на которое нижний конец внутренней трубы отстоит, если он вообще отстоит, от нижнего конца внешней трубы, представляет собой оптимальное расстояние для рабочего диапазона конкретного пирометаллургического процесса, определенное при проектировании. Это оптимальное расстояние может различаться для различных применений технологии с использованием верхней погружной фурмы. Так, в двухстадийном периодическом процессе конвертирования купферштейна в черновую медь с переносом кислорода через шлак к штейну, в непрерывном одностадийном процессе конвертирования купферштейна в черновую медь, в процессе восстановления шлака, содержащего свинец, или в процессе плавки сырья на основе оксида железа для получения передельного чугуна -во всех этих процессах соответствующая им оптимальная длина смесительной камеры будет различной. Однако в каждом случае длина смесительной камеры постепенно уменьшается ниже оптимального значения для данной пирометаллургической операции по мере того, как нижний конец внешней трубы медленно изнашивается и выгорает. Подобным образом, если отступ между концами внешней и внутренней труб отсутствует, нижний конец внутренней трубы может соприкасаться со шлаком, при этом он также изнашивается и подвергается выгоранию. Таким образом, через определенные интервалы времени, нижний конец, по меньшей мере, внешней трубы необходимо обрезать для обеспечения чистой кромки, к которой приваривают кусок трубы соответствующего диаметра, чтобы восстановить оптимальные относительные положения нижних концов труб с целью оптимизации условий плавки.
Скорость, с которой изнашивается и выгорает нижний конец внешней трубы, изменяется в зависимости от проводимого в плавильной ванне пирометаллургического процесса. Факторы, которые определяют эту скорость, включают скорость переработки сырья, рабочую температуру, текучие свойства и химический состав ванны, расходы в фурме и т.д. В некоторых случаях скорость коррозионного износа и выгорания является относительно высокой и может быть такой, что в худшем случае можно потерять несколько часов рабочего времени в сутки из-за необходимости прерывать переработку для удаления изношенной фурмы и замены ее другой, в то время как изъятую из процесса изношенную фурму восстанавливают. Такие перерывы могут происходить несколько раз в сутки, при этом каждый перерыв добавляется к непроизводительному времени. В то время как технология с использованием верхней погружной фурмы (TSL-технология) предоставляет значительные преимущества по сравнению с другими технологиями, включая экономию по затратам, любое рабочее время, потерянное на замену фурм, приносит значительные убытки.
Как в случае фурм для верхней продувки, так и в случае верхних погружных фурм были сделаны предложения охлаждать их текучей средой, чтобы защитить фурму от высоких температур, существующих в пирометаллургических процессах. Примеры охлаждаемых текучими средами фурм для верхней продувки описаны в следующих патентах США:
3223398 (Bertram et al.),
3269829 (Belkin),
3321139 (De Saint Martin),
3338570 (Zimmer),
3411716 (Stephan et al.),
3488044 (Shepherd),
3730505 (Ramacciotti et al.), 3802681 (Pfeifer), 3828850 (McMinn et al.), 3876190 (Johnstone et al.), 3889933 (Jaquay),
4097030 (Desaar),
4396182 (Schaffar et al.), 4541617 (Okane et al.) и
6565800 (Dunne).
Во всех этих ссылках, за исключением 3223398 (Bertram et al.) и 3269829 (Belkin), используют концентрические внешние трубы, расположенные таким образом, чтобы текучая среда могла течь к выпускному концу фурмы вдоль прохода для подачи и обратно, от конца, по возвратному проходу; хотя Bertram et al. используют вариант, в котором такой поток ограничен сопловой частью фурмы. Хотя Belkin обеспечивает охлаждающую воду, она проходит через выпускные отверстия, расположенные по длине внутренней трубы, чтобы смешиваться с кислородом, подаваемым вдоль кольцеобразного прохода между внутренней трубой и внешней трубой, чтобы подавать ее в виде пара в смеси с кислородом. Нагревание и испарение воды обеспечивает охлаждение фурмы Belkin'a, в то время как сообщают, что образованный и введенный поток возвращает тепло в ванну.
В патентах США 3521872 (Themelis), 4023676 (Bennett et al.) и 4326701 (Hayden, Jr. et al.) раскрыты погружные фурмы для введения материалов. Предложение Themelis аналогично патенту США 3269829 (Belkin). Каждый из них использует фурму, охлаждаемую добавлением воды к потоку газа, и основан на испарении в инжектируемый поток; эта схема отличается от охлаждения фурмы водой посредством теп-лопереноса в замкнутой системе. Однако устройство, предложенное Themelis, не имеет внутренней трубы, а газ и воду подают по единой трубе, в которой вода испаряется. Предложение Bennett et al. в том, что касается фурмы, является более похожим на фурму для введения, расположенную под поверхностью расплавленного черного металла, проходящую через боковую стенку печи, в которой содержится расплавленный металл. В предложении Bennett et al. концентрические трубы для введения проходят внутри керамического рукава, в то время как охлаждающая вода циркулирует по трубам, заключенным в керамику. В случае Hayden, Jr. et al., обеспечение охлаждающей текучей среды производят только в верхней части фурмы, в то время как нижний участок, обращенный к выпускному отверстию, которое может быть погружено, содержит единственную трубу, заключенную в огнеупорный цемент.
Ограничения предложений существующего уровня техники освещены Themelis. Обсуждение проводят в связи с рафинированием меди при введении кислорода. В то время как медь имеет температуру плавления около 1085°С, Themelis указывает, что рафинирование проводят при температуре перегрева, примерно от 1140 до 1195°С. При таких температурах фурмы из лучших нержавеющих или легированных сталей обладают очень малой прочностью. Таким образом, даже фурмы для верхней продувки обычно используют охлаждение циркулирующей текучей средой или, в случае погружных фурм, описанных Bennett и Hayden, Jr., et al., огнеупорное или керамическое покрытие. Преимущество патента США 3269829 (Belkin) и усовершенствования по сравнению с Belkin, предложенного Themelis, заключается в использовании мощного охлаждения, которого можно достичь путем испарения воды, смешанной с инжектируемым газом. В каждом случае испарение должно быть достигнуто внутри фурмы, чтобы охлаждать ее. Усовершенствование по сравнению с Belkin, предложенное Themelis, заключается в распылении охлаждающей воды перед подачей ее в фурму, чтобы избежать рисков разрушения конструкции фурмы и взрыва, вызванного введением жидкой воды внутрь расплавленного металла.
В патенте США 6565800 (Dunne) описана фурма для введения твердых веществ, для введения твердого порошкообразного материала в расплавленный материал с использованием нереакционноспособно-го носителя. То есть фурма предназначена просто для использования при перенесении порошкообразного материала в расплав, а не в качестве устройства, позволяющего смешивать материалы и осуществлять горение. Фурма имеет центральную внутреннюю трубу, через которую вдувают порошкообразный материал, и находящуюся в прямом термическом контакте с внешней поверхностью внутренней трубы рубашку с двойными стенками, по которой может циркулировать охладитель, например вода. Рубашка проходит вдоль части длины внутренней трубы, оставляя выступающий участок внутренней трубы на выпускном конце фурмы. Фурма имеет длину по меньшей мере 1,5 м и из реалистических чертежей видно, что внешний диаметр рубашки составляет приблизительно 12 см, а внутренний диаметр внутренней трубы составляет приблизительно 4 см. Рубашка включает последовательные участки, сваренные друг с другом; причем основные участки изготовлены из стали, а конечная секция, расположенная ближе к выпускному концу фурмы, изготовлена из меди или медного сплава. Выступающий выпускной конец внутренней трубы изготовлен из нержавеющей стали, и для облегчения замены он соединен с основным участком внутренней трубы резьбовым соединением.
Фурма, описанная в патенте США 6565800 (Dunne), как утверждают, пригодна для использования в процессе Hlsmelt для получения расплавленного черного металла, при этом фурма позволяет проводить введение материала сырья - оксида железа и углеродсодержащего восстановителя. В этом контексте фурма подвергается воздействию агрессивных условий, включая рабочие температуры порядка 1400°С. Однако, как указано выше со ссылкой на Themelis, медь имеет температуру плавления около 1085°С и даже при температурах от 1140 до 1195°С нержавеющая сталь имеет очень низкую прочность. Возможно, предложение Dunne является пригодным для использования в контексте процесса Hlsmelt, если обеспечено высокое отношение (примерно 8:1) сечения охлаждающей рубашки к сечению внутренней трубы, а также малое общее поперечное сечение. Фурма, предложенная Dunne, не является верхней погружной фурмой, и она непригодна для применения в TSL-технологии.
Примеры фурм для использования в пирометаллургических процессах, основанных на технологии с
использованием верхних погружных фурм (TSL-технологии), обеспечены патентами США 4251271 и 5251879 (оба выданы на имя Floyd) и патентом США 5308043 (Floyd et al.). Как подробно разъяснено выше, шлак сначала разбрызгивают, используя фурму для верхней продувки на слой расплавленного шлака, для получения защитного покрытия из шлака на фурме, которое затвердевает под действием продуваемого с высокой скоростью газа, вызывающего разбрызгивание. Покрытие из твердого шлака сохраняется, несмотря на то, что фурму затем опускают, чтобы погрузить нижний выпускной конец в слой шлака, чтобы дать возможность провести необходимое введение внутрь шлака через верхнюю погружную фурму. Фурмы, описанные в патентах США 4251271 и 5251879 (оба выданы на имя Floyd), работают таким образом; при этом в случае патента США 4251271 охлаждение для поддержания твердого слоя шлака осуществляют исключительно за счет инжектируемого газа, а в случае патента США 5251879 - за счет этого газа, а также газа, продуваемого через трубу кожуха. Однако в случае патента США 5308043 (Floyd et al.) дополнительно к охлаждению, обеспеченному инжектируемым газом и газом, продуваемым через трубу кожуха, обеспечивают охлаждение за счет охлаждающей текучей среды, циркулирующей по кольцеобразным проходам, которые определены тремя внешними трубами фурмы. Это возможно благодаря обеспечению кольцеобразного наконечника из твердой легированной стали, который, на выпускном конце фурмы, соединяет по окружности фурмы самую внешнюю и самую внутреннюю из трех труб. Кольцеобразный наконечник охлаждают инжектируемым газом, а также охлаждающей текучей средой, которая протекает через верхний торец наконечника. Сплошная форма кольцеобразного наконечника и его изготовление из легированной стали приводят к тому, что наконечник имеет хороший уровень стойкости к износу и выгоранию. В таком устройстве срок службы фурмы истекает раньше, чем возникает необходимость замены наконечника, в качестве меры предосторожности против риска разрушения фурмы, которое позволяет охлаждающей текучей среде вытекать в плавильную ванну.
Настоящее изобретение относится к усовершенствованной, охлаждаемой текучей средой верхней погружной фурме для использования в операциях введения материала через данную погружную фурму. Фурма по настоящему изобретению обеспечивает альтернативный выбор по сравнению с фурмой, описанной в патенте США 5308043 (Floyd et al.), но, по меньшей мере, в предпочтительных формах может обеспечить преимущества по сравнению с фурмой, описанной в указанном патенте.
Краткое описание изобретения
В первом аспекте настоящее изобретение обеспечивает верхнюю погружную фурму для введения материалов в слой шлака плавильной ванны, где фурма включает внешнюю оболочку из трех, по существу, концентрических труб фурмы и по меньшей мере одну дополнительную трубу фурмы, вставленную и расположенную, по существу, концентрически внутри оболочки. На выпускном конце фурмы имеется кольцеобразная торцевая стенка, которая соединяет соответствующие концы самой внешней и самой внутренней труб оболочки фурмы на выпускном конце фурмы и отстоит от выпускного конца промежуточной трубы оболочки фурмы. При такой схеме охлаждающая текучая среда может циркулировать внутри оболочки фурмы, например, вдоль оболочки к выпускному концу, протекая между самой внутренней и промежуточной трубами оболочки фурмы, а затем обратно, вдоль фурмы, от выпускного конца, протекая между промежуточной и самой внешней трубами оболочки фурмы, или в противоположном направлении. Торцевая стенка и прилегающая к ней малая часть длины каждой из трех труб оболочки фурмы включают сменную сборку наконечника фурмы, посредством которой выгоревшую или износившуюся сборку наконечника фурмы можно отрезать от основной части длины каждой из трех труб фурмы, чтобы дать возможность приварить на место новую или отремонтированную сборку наконечника фурмы. Торцевая стенка оболочки находится на выпускном конце фурмы и определяет этот выпускной конец. Кроме того, по меньшей мере одна дополнительная труба фурмы определяет центральный канал, и эта по меньшей мере одна дополнительная труба фурмы отстоит от самой внутренней трубы оболочки фурмы, определяя между ними кольцеобразный проход, в результате чего материалы, проходящие по каналу и проходу, могут смешиваться вблизи выпускного конца фурмы при введении в слой шлака.
Верхняя погружная фурма по данному изобретению обязательно имеет большие размеры. Кроме того, в месте, удаленном от выпускного конца, например вблизи верхнего или входного конца, фурма имеет структуру, с помощью которой ее можно подвесить, так, чтобы она свисала вертикально вниз внутри TSL-реактора. Фурма имеет минимальную длину приблизительно 7,5 м, например, для небольшого TSL-реактора специального назначения. Фурма может иметь длину до приблизительно 25 м или даже больше для большого TSL-реактора специального назначения. В обычных случаях длина фурмы составляет приблизительно от 10 до 20 м. Эти размеры относятся к общей длине фурмы, до выпускного конца, определяемого торцевой стенкой оболочки. По меньшей мере одна дополнительная труба фурмы может проходить до выпускного конца и, таким образом, иметь такую же общую длину. Однако эта по меньшей мере одна дополнительная труба фурмы может заканчиваться на небольшом расстоянии, например до приблизительно 1000 мм, внутри выпускного конца. Обычно фурма имеет большой диаметр, например, внутренний диаметр для оболочки составляет приблизительно от 100 до 650 мм, предпочтительно приблизительно от 200 до 650 мм, а общий диаметр составляет от 150 до 700 мм, предпочтительно приблизительно от 250 до 550 мм.
Торцевая стенка оболочки отстоит от выпускного конца промежуточной трубы оболочки фурмы.
Однако расстояние между выпускным концом и торцевой стенкой является таким, чтобы обеспечить сужение потока охлаждающей текучей среды, которое вызывает увеличение скорости течения охлаждающей текучей среды в зазоре между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы фурмы. Схема может быть такой, чтобы поток охлаждающей текучей среды по торцевой стенке имел форму относительно тонкой пленки или струи, при этом эта пленка или струя предпочтительно организована с возможностью подавления турбулентности в охлаждающей текучей среде. Для того чтобы стимулировать такое течение, концу промежуточной трубы оболочки фурмы можно придать соответствующую форму. Так, в одной из схем конец промежуточной трубы фурмы может иметь форму находящегося на ее краю валика, который имеет радиально искривленную, выпуклую поверхность, обращенную к торцевой стенке. При наличии такого валика торцевая стенка может иметь дополнительную к нему вогнутую форму. Например, в радиальных сечениях валик может иметь луковицеобразную форму или форму с закругленным концом, или может иметь форму капли или подобную закругленную форму, в то время как торцевая стенка может иметь вогнутую, полутороидальную форму. При наличии таких противолежащих выпуклой и вогнутой форм сужение между выпускным концом промежуточной трубы фурмы и торцевой стенкой может быть в существенной степени радиальным относительно фурмы (то есть в плоскостях, включающих продольную ось фурмы). Это позволяет увеличить отношение контакта поверхностей между охлаждающей текучей средой и как валиком, так и торцевой стенкой, на единицу массового потока охлаждающей текучей среды, по отношению к потоку охлаждающей текучей среды вдоль фурмы вплоть до сужения, и тем самым обеспечивает повышенный отвод тепловой энергии от выпускного конца фурмы.
В одной из схем валик на выпускном конце промежуточной трубы фурмы в поперечных сечениях (то есть в плоскостях, включающих продольную ось фурмы) имеет форму капли или, по существу, круглую форму. В таких случаях вогнутая полутороидальная форма торцевой стенки, которая является дополнительной формой по отношению к валику, может быть, по существу, полукруглой в сечениях по этим плоскостям. Вследствие этого валик и торцевая стенка способны близко прилегать друг к другу, чтобы обеспечить сужение пути протекания охлаждающей текучей среды, которое может проходить через угол, составляющий до приблизительно 180°, например от 90 до 180°, на протяжении которого путь прохождения потока охлаждающей текучей среды меняется от потока в направлении к выпускному концу фурмы до потока от выпускного конца. Неизбежно поток меняет направление на угол, составляющий приблизительно 180°, просто из-за изменения направления на противоположное. Однако в отличие от схемы, в которой промежуточная труба фурмы не обеспечивает сужения потока, обеспечение сужения сжимает поток до относительно тонкой пленки или струи, которая проходит по дуге от внешней поверхности самой внутренней трубы оболочки фурмы к внутренней поверхности самой внешней трубы оболочки фурмы.
Сужение может проходить от валика, между внешней поверхностью промежуточной трубы фурмы и внутренней поверхностью самой внешней трубы фурмы. Сужение может проходить, по меньшей мере, на протяжении длины по оси сменной сборки наконечника фурмы и быть результатом того, что промежуточная труба фурмы имеет увеличенную толщину на этом участке по сравнению с толщиной самой внутренней и самой внешней труб фурмы. В этом случае сужение между промежуточной и самой внешней трубами фурмы может быть непрерывным по окружности или оно может быть прерывистым. В последнем случае внешняя поверхность промежуточной трубы фурмы может иметь ребра, которые проходят от выпускного конца. Эти ребра могут упираться во внутреннюю поверхность самой внешней трубы фурмы, при этом суженный поток может проходить между последовательно расположенными ребрами. В альтернативном случае ребра могут слегка отстоять от внутренней поверхности самой внешней трубы фурмы, а суженный поток может проходить между ребрами и самой внешней трубой фурмы, а несужен-ный или менее суженный поток может проходить между последовательно расположенными ребрами. Ребра могут проходить параллельно оси фурмы или по спирали вокруг этой оси.
Форма выпускного конца промежуточной трубы фурмы для обеспечения подходящего сужения в потоке охлаждающей текучей среды может быть менее выраженной, чем получается в результате обеспечения валика. По меньшей мере, по длине оси сменной сборки наконечника фурмы промежуточная труба фурмы может иметь повышенную толщину по сравнению с самой внутренней и самой внешней трубами фурмы, как подробно описано выше. Форма может включать закругление на выпускном конце, от конца промежуточной трубы фурмы, вокруг внешней поверхности утолщенного участка. Сужение может проходить через кромку промежуточной трубы фурмы к внешней поверхности утолщенного участка. Эта внешняя поверхность может быть непрерывной по окружности или прерывистой по окружности, например, в результате обеспечения ребер, параллельных оси фурмы или проходящих по спирали вокруг этой оси, как подробно описано выше. Таким образом, сужение может проходить через угол, составляющий по меньшей мере 90°, причем кривизна торцевой стенки может способствовать тому, что этот угол будет превышать 90°, например будет составлять до приблизительно 120°.
Во втором аспекте фурма по настоящему изобретению имеет кожух, через который проходит фурма. Кожух включает три, по существу, концентрических трубы кожуха, самая внутренняя из которых имеет внутренний диаметр, который больше, чем диаметр самой внешней трубы верхней погружной
фурмы. На выпускном конце кожуха имеется кольцеобразная торцевая стенка, которая соединяет соответствующие выпускные концы самой внешней и самой внутренней труб кожуха и отстоит от выпускного конца промежуточной трубы кожуха. При такой схеме охлаждающая текучая среда может циркулировать внутри кожуха, например, вдоль кожуха к выпускному концу, протекая между самой внутренней и промежуточной трубами кожуха, а затем обратно, вдоль кожуха, от выпускного конца, протекая между промежуточной и самой внешней трубами кожуха, или в направлении, обратном такой схеме потоков. Торцевая стенка и прилегающая к ней малая часть длины каждой из трех труб кожуха могут включать сменный кожух. Таким образом, выгоревшую или изношенную сборку наконечника кожуха можно отрезать от основной части длины каждой из трех труб кожуха, чтобы дать возможность приварить на место новую или отремонтированную сборку наконечника кожуха.
Торцевая стенка отстоит от выпускного конца промежуточной трубы кожуха. Однако расстояние между этим выпускным концом и торцевой стенкой является таким, чтобы обеспечить сужение для потока охлаждающей текучей среды, которое вызывает увеличение скорости течения охлаждающей текучей среды по зазору между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы кожуха. Схема может быть такой, чтобы поток охлаждающей текучей среды по торцевой стенке существовал в форме относительно тонкой пленки или струи, при этом пленка или струя предпочтительно организована с возможностью подавления турбулентности в охлаждающей текучей среде. Для организации такого потока концу промежуточной трубы кожуха может быть придана соответствующая форма. Так, в одной из схем конец промежуточной трубы кожуха может иметь форму валика, который имеет радиально искривленную, выпуклую поверхность, обращенную к торцевой стенке. В случае такого валика торцевая стенка может иметь дополнительную к ней вогнутую форму. Например, валик может иметь форму капли или подобную форму, в то время как торцевая стенка может иметь вогнутую, полутороидальную форму. При таких противолежащих выпуклой и вогнутой формах сужение между выпускным концом промежуточной трубы кожуха и торцевой стенкой может быть в существенной степени радиальным относительно кожуха (то есть в плоскостях, включающих продольную ось кожуха). Это позволяет получить повышенное отношение контакта поверхностей между охлаждающей текучей средой и как валиком, так и торцевой стенкой, на единицу массового расхода охлаждающей текучей среды, по сравнению с охлаждающей текучей средой, протекающей по кожуху до сужения, и, таким образом, обеспечивает повышенный отвод тепловой энергии от выпускного конца кожуха. В одной из схем валик на выпускном конце промежуточной трубы кожуха имеет форму капли или, по существу, круглую форму в поперечном сечении (то есть в плоскостях, включающих продольную ось кожуха). В таких случаях вогнутая полутороидальная форма торцевой стенки, которая является дополнительной формой по отношению к валику, может быть, по существу, полукруглой в сечениях по этим плоскостям. Вследствие этого валик и торцевая стенка способны близко прилегать друг к другу, чтобы обеспечить сужение пути потока охлаждающей текучей среды, которое может проходить через угол, составляющий до приблизительно 180°, например от 90 до 180°, по ходу которого путь прохождения потока охлаждающей текучей среды меняется от течения в направлении к выпускному концу кожуха до течения от выпускного конца. В отличие от схемы, в которой промежуточная труба кожуха не обеспечивает сужение потока, обеспечение сужения сжимает поток до относительно тонкой пленки или струи, которая проходит по дуге от внешней поверхности самой внутренней трубы кожуха до внутренней поверхности самой внешней трубы кожуха.
Как и в случае фурмы по настоящему изобретению, сужение может продолжаться от валика, между внешней поверхностью промежуточной трубы кожуха и внутренней поверхностью самой внешней трубы кожуха. Сужение может проходить, по меньшей мере, по длине оси сменной сборки наконечника кожуха и может быть результатом того, что промежуточная труба кожуха имеет на этом участке увеличенную толщину по сравнению с толщиной самой внутренней и самой внешней труб кожуха. В этом случае сужение между промежуточной и самой внешней трубами кожуха может быть непрерывным по окружности или же оно может быть прерывистым. В последнем случае внешняя поверхность промежуточной трубы кожуха может иметь ребра, которые проходят от выпускного конца. Эти ребра могут упираться во внутреннюю поверхность самой внешней трубы кожуха, причем суженный поток может проходить между последовательно расположенными ребрами. В альтернативном случае ребра могут слегка отстоять от внутренней поверхности самой внешней трубы кожуха, и суженный поток может проходить между ребрами и самой внешней трубой кожуха, а несуженный или менее суженный поток может проходить между последовательно расположенными ребрами. Ребра могут проходить параллельно оси кожуха или по спирали вокруг этой оси.
Форма выпускного конца промежуточной трубы кожуха для обеспечения соответствующего сужения потока охлаждающей текучей среды может быть менее выраженной, чем получается в результате обеспечения валика. По меньшей мере, по длине оси сменной сборки наконечника кожуха промежуточная труба кожуха может иметь повышенную толщину по сравнению с самой внутренней и самой внешней трубами кожуха, как подробно описано выше. Форма может включать закругление от конца промежуточной трубы кожуха на выпускном конце, вокруг внешней поверхности утолщенного участка. Сужение может проходить через кромку промежуточной трубы кожуха к внешней поверхности утолщенного участка трубы. Эта внешняя поверхность может быть непрерывной по окружности или прерывистой по
окружности, например, в результате обеспечения ребер, параллельных оси кожуха или проходящих по спирали вокруг этой оси, как подробно описано выше. Таким образом, сужение может проходить через угол, составляющий по меньшей мере 90°, причем кривизна торцевой стенки может способствовать тому, что этот угол будет превышать 90°, например будет составлять до приблизительно 120°.
В третьем аспекте настоящее изобретение обеспечивает фурму согласно первому аспекту в сочетании с кожухом согласно второму аспекту, при этом фурма и кожух входят в состав сборки, в которой фурма проходит через кожух и определяет кольцеобразный проход между самой внешней из трех труб оболочки фурмы и самой внутренней трубой кожуха, причем выпускное отверстие кожуха расположено между концами фурмы и направлено к выпускному концу фурмы.
Сборка наконечника по настоящему изобретению имеет концентрические внутренний и внешний рукавные элементы (sleeve members), которые на одном конце сборки наконечника соединены друг с другом кольцеобразной торцевой стенкой. Сборка наконечника также имеет промежуточный рукавный элемент, включающий перегородку, которая расположена между внутренним и внешним рукавными элементами, в непосредственной близости к торцевой стенке. Перегородка имеет по меньшей мере одну часть ее поверхности, которая взаимодействует по меньшей мере с частью противолежащей поверхности по меньшей мере одного из торцевой стенки и внутреннего и внешнего рукавных элементов, чтобы регулировать скорость течения охлаждающей текучей среды между ними для достижения отвода тепловой энергии от сборки.
Внутренний и внешний рукавные элементы и торцевая стенка, которая их соединяет, могут быть сформированы как единое целое, составляя единый компонент сборки наконечника. С этой целью они могут быть сформированы из единого куска подходящего металла, например из заготовки. Сборка наконечника необходима для облегчения охлаждения, и поэтому предпочтительно, чтобы внутренний и внешний рукавные элементы и торцевая стенка были изготовлены из подходящего материала. Во многих случаях подходят материалы с высокой теплопроводностью, например, медь или медный сплав.
Перегородка также может быть изготовлена из материала с высокой теплопроводностью, например из меди или медного сплава. Однако теплопроводность перегородки является менее важной, так как при использовании она контактирует с охлаждающей текучей средой, по существу, по всей площади ее поверхности. Следовательно, температура перегородки не будет превышать температуру охлаждающей текучей среды. Таким образом, материал, из которого изготовлена перегородка, можно выбирать, исходя из других соображений, например, цены, прочности или легкости изготовления. Например, перегородку можно изготовить из подходящей стали, такой как нержавеющая сталь. Перегородку можно изготовить из подходящего куска материала или ее можно отлить и, если это необходимо, подвергнуть поверхностной обработке, по меньшей мере, на участках, где ее поверхность участвует в регулировании скорости течения охлаждающей текучей среды.
В сборке наконечника перегородку поддерживают в необходимом положении относительно внутреннего и внешнего рукавных элементов и торцевой стенки путем ее соединения с этими элементами и стенкой. С этой целью перегородку можно прикрепить к торцевой стенке, одному из внутреннего и внешнего рукавных элементов или к кольцеобразному продолжению одного из рукавных элементов. С практической точки зрения более удобно обеспечить прикрепление к рукавному элементу или к продолжению рукавного элемента. Однако в каждом случае прикрепление предпочтительно является таким, чтобы позволить текучей среде протекать между перегородкой и элементом, продолжением или стенкой, к которым она прикреплена. С этой целью прикрепление обеспечивают в нескольких отстоящих друг от друга по окружности местах. Наиболее удобно прикрепление в каждом положении осуществляют с помощью соответствующей пластины, блока или защелки, которые присоединены, например, сваркой, к перегородке и к тому элементу, продолжению или стенке, к которым прикрепляют перегородку. Однако, в альтернативной схеме, когда сборку наконечника присоединяют как часть фурмы, перегородку можно регулировать в продольном направлении, чтобы дать возможность изменять уровень, до которого сужение может снижать скорость течения охлаждающей текучей среды. Такую регулировку можно, например, осуществлять с помощью промежуточной трубы фурмы, к которой присоединена перегородка, которую можно регулировать в продольном направлении относительно самой внутренней и самой внешней труб фурмы.
В одной из подходящих схем перегородку прикрепляют так, чтобы ее внешняя и торцевая периферийная поверхности находились в непосредственной близости к противолежащей внутренней периферийной поверхности внешнего рукавного элемента и к внутренней поверхности торцевой стенки соответственно. Кроме того, при прикреплении перегородки таким образом, часть ее внутренней периферийной поверхности, прилегающей к ее торцевой поверхности, может близко прилегать к части противолежащей внешней периферийной поверхности внутреннего рукавного элемента. Соответствующие противолежащие поверхности могут быть разделены, по существу, одинаковым расстоянием. Предпочтительно, чтобы это расстояние было меньше, чем расстояние между частью внутренней периферийной поверхности перегородки, которая отделена от торцевой поверхности, и противолежащей внешней периферийной поверхностью внутреннего рукавного элемента. При такой схеме охлаждающая текучая среда может течь через сборку наконечника, проходя между перегородкой и внутренним рукавным элементом
по направлению к торцевой стенке, по торцевой стенке, а затем между перегородкой, отстоящей от торцевой поверхности, и внешним рукавным элементом, от торцевой стенки. При таком течении охлаждающую текучую среду, проходящую между близко прилегающими друг к другу противолежащими поверхностями, вынуждают увеличивать скорость течения, по сравнению со скоростью течения в более широком зазоре между перегородкой и внутренним рукавным элементом. Однако следует отметить, что поток охлаждающей текучей среды может проходить в направлении, противоположном указанному; при этом расположение перегородки и внутренних и внешних рукавных элементов также соответствующим образом меняют.
Внешняя периферийная поверхность перегородки может иметь, по существу, одинаковое круглое поперечное сечение в том месте, где она близко прилегает к противолежащей внутренней поверхности внешнего рукавного элемента. Соответственно может быть, по существу, одинаковый проход с кольцеобразным поперечным сечением между этими близко прилегающими друг к другу поверхностями, сконструированный для достижения адекватного течения и скорости, чтобы ускорить теплоперенос, чтобы обеспечить поддержание температуры поверхности материала наконечника на уровне ниже температуры, при которой происходит его повреждение. Например, расстояние между этими поверхностями может составлять приблизительно от 1 до 25 мм, а более предпочтительно от 1 до 10 мм, и оно может изменяться в зависимости от применяемой текучей среды и необходимой интенсивности отведения тепла. Однако в альтернативных схемах внешняя поверхность перегородки может иметь поперечное сечение, отличающееся от, по существу, круглого.
В первой альтернативной схеме внешняя поверхность перегородки может быть "утоненной" так, чтобы зазор между противолежащими поверхностями увеличивался в направлении от торцевой поверхности перегородки. В других альтернативных вариантах внешняя поверхность перегородки может иметь образование в виде однозаходного или многозаходного спирального ребра или канавки, которое действует для создания спирального потока охлаждающей текучей среды. В другом альтернативном варианте внешняя поверхность перегородки может иметь чередующиеся ребра и канавки, которые проходят в направлении от торцевой поверхности перегородки.
Сборка наконечника может быть обеспечена только на выпускном конце фурмы. В качестве альтернативы, в случае фурмы с кожухом, сборка наконечника может определять выпускной конец или фурмы, или ее кожуха, или их обоих.
И фурма, и кожух имеют продолговатую форму, при этом оболочки фурмы и кожуха имеют сходную конструкцию. Конечно, кожух имеет больший диаметр, и в то же время он имеет меньшую длину, чем оболочка фурмы. Однако и кожух, и оболочка фурмы имеют три концентрические трубы, включающие внешнюю и внутреннюю трубы и промежуточную трубы. Кроме того, и кожух, и оболочка могут иметь сборку наконечника, расположенную на их выпускном конце. Для удобства дальнейшего описания концентрические трубы как кожуха, так и оболочки фурмы обозначают термином "оболочка".
Когда сборка наконечника определяет выпускной конец оболочки (кожуха или фурмы), внутренняя и внешняя трубы оболочки соединены встык с внутренним и внешним рукавными элементами сборки наконечника соответственно. Кроме того, промежуточная труба оболочки соединена с перегородкой сборки наконечника.
Как указано выше, внутренний и внешний рукавные элементы и торцевая стенка сборки наконечника могут быть изготовлены из материала с высокой теплопроводностью, например, из меди или медного сплава. Однако трубы оболочки не обязательно должны иметь такую высокую теплопроводность. Следовательно, они могут быть изготовлены из материала, выбранного таким образом, чтобы он удовлетворял другим критериям, например, по стоимости и/или прочности. В одном из пригодных вариантов внутренняя и промежуточная трубы изготовлены из нержавеющей стали, например, из стали 316L, а внешняя труба изготовлена из углеродистой стали. Что касается внешней трубы, то более вероятно, что фактором, определяющим эффективный срок ее службы, является скорее воздействие высоких температур и технологических газов, а не воздействие охлаждающей текучей среды, например, воды, в то время как стойкость к коррозии в результате воздействия охлаждающей текучей среды является значимым фактором для внутренней и промежуточной труб.
Наиболее предпочтительно внутренняя и внешняя трубы соединены с внутренним и внешним рукавными элементами сборки наконечника посредством сварки. Каждую трубу можно непосредственно приварить к соответствующему рукавному элементу. Однако по меньшей мере для одной трубы и соответствующего рукавного элемента, но предпочтительно для каждой трубы и относящегося к ней рукавного элемента, и трубу и рукавный элемент можно приварить к удлинительной трубе, обеспеченной между ними. По меньшей мере, например, если обеспечивают сварку между медью или медным сплавом и стальным элементом, при формировании сварного шва предпочтительно используют расходный материал из алюминиевой бронзы. Способ объединения промежуточной трубы оболочки и перегородки сборки наконечника может быть сходным.
Как в случае фурмы, так и в случае кожуха по данному изобретению массовый расход охладителя может быть меньше, чем это было бы необходимо, если бы в них отсутствовало сужение. Таким образом, для заданной охлаждающей текучей среды можно использовать насосы с более низкой производительно
стью. Соответствующий массовый расход может изменяться в зависимости от выбранной охлаждающей текучей среды. Массовый расход охлаждающей текучей среды для заданной фурмы и заданной охлаждающей текучей среды определяется охлаждающей способностью, необходимой для заданного пироме-таллургического процесса. Таким образом, массовый расход может достаточно существенно изменяться. В предпочтительном варианте данного изобретения расход охлаждающей текучей среды связан с температурой охлаждающей текучей среды на выходе. Таким образом, фурму можно снабдить датчиком для отслеживания этой температуры. Устройство предпочтительно является таким, чтобы минимизировать энергию, используемую для циркуляции охлаждающей текучей среды, исходя из потребности отведения тепла в данный момент времени.
При использовании воды в качестве охлаждающей текучей среды массовый расход может составлять от 500 до 2000 л/мин для фурмы и примерно столько же для кожуха в зависимости от используемой текучей среды, а также от применения. Кроме того, при использовании воды в качестве охлаждающей текучей среды сужение предпочтительно должно быть таким, чтобы скорость течения текучей среды через сужение превышала скорость течения выше по потоку от сужения примерно в 6-20 раз. Кроме того, в случае использования воды в качестве охлаждающей текучей среды, сужение для кожуха предпочтительно должно приводить к примерно такому же увеличению скорости течения, как для фурмы.
Подробное описание изобретения
Для лучшего понимания настоящего изобретения теперь будет дана ссылка на прилагаемые чертежи, где:
фиг. 1 представляет собой схематическое представление одного из вариантов фурмы по настоящему изобретению;
фиг. 2 представляет собой сечение нижней части сборки фурмы с кожухом согласно настоящему изобретению и
фиг. 3-7 представляют собой соответствующие аксонометрические виды альтернативных вариантов компонента сборки фурмы с кожухом, изображенной на фиг. 2.
На фиг. 1 схематически изображена верхняя погружная фурма L согласно одному из воплощений настоящего изобретения. Фурма L имеет четыре концентрических трубы Р1-Р4, из которых трубы Р1-Р3 образуют основную часть оболочки S, которая также включает кольцеобразную торцевую стенку W. В проиллюстрированном воплощении фурма L позволяет осуществлять введение при погружении сверху внутрь слоя шлака в плавильной ванне, для требуемого пирометаллургического процесса, посредством введения топлива вниз по каналу трубы Р4 и введения воздуха и/или кислорода вниз через кольцеобразный проход А между трубами Р3 и Р4. Как показано, труба Р4 заканчивается выше нижнего, выпускного конца Е фурмы L, чтобы обеспечить смесительную камеру М, в которой топливо и воздух и/или кислород могут быть смешаны для сжигания топлива. Отношение топлива к кислороду регулируют для того, чтобы создать необходимые окислительные, восстановительные или нейтральные условия внутри шлака. Любое количество топлива, которое не сгорело, вводят внутрь шлака, чтобы удовлетворить часть требований по восстановителю, если необходимы восстановительные условия.
Торцевая стенка W оболочки S соединяет концы труб Р1 и Р3 по всей окружности труб Р1 и Р3, на выпускном конце Е фурмы L. Кроме того, нижний конец трубы Р2 отстоит от торцевой стенки W. Как показано, охлаждающая текучая среда может циркулировать внутри оболочки S. На фиг. 1 показано, что охлаждающую текучую среду подают сверху вниз между трубами Р2 и Р3, чтобы она протекала вокруг нижнего конца трубы Р2 и возвращалась наверх между трубами Р1 и Р2. Однако можно использовать и обратное направление потока, если, в частности, приемлемым является более низкий уровень извлечения тепловой энергии из трубы Р1.
За исключением той части, которая находится на нижнем конце Е фурмы L, оболочка S имеет, по существу, постоянное горизонтальное поперечное сечение в изображенной нормальной рабочей ориентации. Однако на конце Е обеспечено сужение С, за счет формы нижнего конца трубы Р2 и ее взаимодействия с трубой Р3 и торцевой стенкой W. Как показано, нижний конец трубы Р2 несет на себе увеличенный валик В, имеющий, по существу, форму тора так, что он имеет форму капли или является, по существу, круглым в радиальных поперечных сечениях (то есть в плоскостях, включающих продольную ось X фурмы L). Кроме того, поверхность кольцеобразной торцевой стенки W оболочки S, которая обращена к валику В, имеет дополнительную по отношению к нему вогнутую полутороидальную форму, а валик В расположен таким образом, что его нижняя выпуклая поверхность находится в непосредственной близости от вогнутой поверхности торцевой стенки W, но не в контакте с ней. При такой схеме скорость течения охлаждающей текучей среды является, по существу, постоянной при течении вниз между трубами Р2 и Р3 до тех пор, пока она не достигает верхней выпуклой поверхности валика В, после чего скорость течения постепенно возрастает. Это увеличение происходит в потоке с поворотом на угол, составляющий приблизительно 90°, вокруг верхней части валика В, до максимальной скорости вокруг нижней половины валика, при течении между валиком В и торцевой стенкой W. Максимальную скорость течения поддерживают в потоке охлаждающей текучей среды с поворотом на угол, составляющий приблизительно 180°, вокруг нижней половины валика В. После этого скорость потока уменьшается, по мере того как охлаждающая текучая среда проходит над верхней половиной валика В до тех пор, пока она
не уменьшится до минимума при течении вверх между трубами Р1 и Р2. Сужение С определено главным образом зазором между нижней половиной валика В и торцевой стенкой W, но сужение С начинается с поворота потока на 90° в трубе Р3 вокруг верхней поверхности валика В.
Увеличение скорости течения охлаждающей текучей среды внутри сужения С увеличивает отношение контакта поверхностей между охлаждающей текучей средой и как валиком В, так и торцевой стенкой W, на единицу массового расхода охлаждающей текучей среды. Вследствие этого повышается извлечение тепловой энергии из выпускного конца Е фурмы L. Это особенно выгодно, когда выгорание и износ на погруженном нижнем конце фурмы L являются весьма значительными и задают временной интервал между остановками для ремонта фурмы.
На фиг. 2 показано сечение сборки 10 фурмы с кожухом в рабочей ориентации. Как показано, сборка 10 включает несколько концентрических трубчатых элементов. Они состоят из элементов трубчатого кожуха 12 и элементов фурмы 14, которая проходит через кожух 12, определяя между ними кольцеобразный проход 16. На фиг. 2 изображена только нижняя часть сборки 10. Однако, как видно из фиг. 2, фурма 14 длиннее, чем кожух 12, и выступает за пределы кожуха 12 на нижнем конце сборки 10. Степень, до которой фурма 14 выступает за пределы кожуха 12, не является очевидной из фиг. 2, поскольку часть фурмы 14 ниже кожуха 12 в изображенной рабочей ориентации опущена.
Трубчатые элементы фурмы 14 включают самую внутреннюю трубу 18 и внешнюю оболочку 20 вокруг трубы 18, которая заканчивается сборкой 22 кольцеобразного наконечника на нижнем конце оболочки 20. Труба 18 короче, чем фурма 14, так что она входит в сборку 22 кольцеобразного наконечника и заканчивается внутри нее. Труба 18 определяет центральный проход 24. Также определен кольцеобразный проход 26 между трубой 18 и оболочкой 20. При такой схеме углеродсодержащее топливо и кислородсодержащий газ можно пропускать под давлением по соответствующим проходам 24 и 26 и смешивать в смесительной камере 27 на конце трубы 18, внутри сборки 22, для сжигания топлива и образования области горения, которая выходит из камеры 27 и простирается за пределы сборки 22.
Оболочка 20 фурмы 14 образована внутренней трубой 28, внешней трубой 30 и промежуточной трубой 32, а также кольцеобразной торцевой стенкой 40, которая соединяет концы труб 28 и 30 по всей окружности сборки 22 наконечника. Кольцеобразный проход 42 определен между внутренней трубой 28 и промежуточной трубой 32 оболочки 20. Также кольцеобразный проход 44 определен между промежуточной трубой 32 и внешней трубой 30 оболочки 20. Проходы 42 и 44 сообщаются друг с другом благодаря зазору между торцевой стенкой 40 и прилегающим к ней концом промежуточной трубы 32. Таким образом, охлаждающую текучую среду можно пропускать по проходу 42, внутри оболочки 20 и ее сборки 22, а затем обратно по проходу 44.
Промежуточная труба 32 сборки 22 наконечника имеет цилиндрическую внешнюю поверхность, которая близко прилегает к внешней трубе 30. Таким образом, проход 44 является относительно узким в его радиальном протяжении, по меньшей мере, в пределах сборки 22, но предпочтительно также по всему протяжению оболочки 20. При изменении диаметра фурмы зазор между промежуточной и внешней трубами 32 и 30 в пределах сборки 22, но предпочтительно также по всему протяжению оболочки 20, может составлять приблизительно от 5 мм до 10 мм, например, приблизительно 8 мм, и несколько больше небольшого расстояния над нижней стенкой до нижнего конца промежуточной трубы 32. В противоположность этому проход 42 является относительно широким, например от 15 до 30 мм между внутренней и промежуточной трубами 28 и 32 оболочки 20. Однако внутренняя периферийная поверхность промежуточной трубы 32 в пределах сборки 22 наконечника постепенно сужается в виде усеченного конуса, так, чтобы увеличить толщину и уменьшить внутренний диаметр в направлении торцевой стенки 40. Вследствие этого радиальный размер прохода 42 постепенно уменьшается внутри сборки 22. Это уменьшение предпочтительно доходит до радиального размера прохода 42, который близок к радиальному размеру прохода 44. Также зазор между торцевой стенкой 40 и прилегающим к ней концом трубы 38 близок к радиальному размеру прохода 44. Таким образом, охлаждающую текучую среду, подаваемую под давлением по проходу 42, вынуждают постепенно увеличивать скорость ее течения между трубами 28 и 32, и протекать с высокой скоростью течения по торцевой стенке 40 и вдоль прохода 44. Соответственно охлаждающая текучая среда может достигать высокого уровня отведения тепловой энергии от внешних поверхностей фурмы 14, на ее оболочке 20 и сборке 22 наконечника и, следовательно, предохранять от воздействия высоких температур, которым фурма подвергается при работе.
Конец фурмы 14, определяющий сборку 22 наконечника, представляет собой область, наиболее подверженную износу и выгоранию. При такой схеме можно отрезать нижние концы труб 28, 30 и 32 и можно установить сменную сборку 22 наконечника, например, с помощью сварки. Длина отрезаемой и заменяемой части может изменяться, например, в зависимости от глубины, на которую погружают выпускной конец фурмы 14.
Промежуточную трубу 32 фурмы 14 можно поддерживать в фиксированном взаимном расположении по отношению к трубам 28 и 30 и к торцевой стенке 40. Этого можно достичь с помощью любого подходящего устройства. Фиксированное взаимное расположение сохраняет траекторию потока охлаждающей текучей среды вдоль прохода 42, а затем обратно по проходу 44, таким образом, чтобы можно было поддерживать требуемую скорость отвода тепловой энергии охлаждающей текучей средой, если
это необходимо, путем изменения скорости подачи охлаждающей текучей среды в проход 42. Установление и поддержание фиксированного взаимного расположения можно обеспечить с помощью нескольких небольших углублений или других разделителей подходящей формы, обеспеченных в положениях вокруг верхней поверхности стенки 40 или торцевой поверхности трубы 32. Такие разделители могут также помочь избежать произвольного развития вибраций в фурме 14.
Обращаясь теперь к кожуху 12, следует отметить, что за исключением больших соответствующих диаметров труб, из которых он образован, и длины кожуха 12, его конструкция является такой же, как конструкция оболочки 20 и ее сборки 22 наконечника. Соответственно компоненты кожуха 12 имеют те же численные обозначения, которые использовали для оболочки 20 и ее сборки 22, плюс 100. Таким образом, дополнительное описание кожуха 12 не является необходимым, за исключением замечания, что он имеет оболочку 120 и сборку 122 наконечника.
При использовании сборки 10 фурмы внешняя поверхность фурмы 14 до кожуха 12 снабжена покрытием из затвердевшего шлака, как описано выше; в то же время такое покрытие можно также сформировать на нижнем участке внешней поверхности кожуха 12. После этого нижний конец фурмы 14 погружают на необходимую глубину в ванну шлака, из которого образуется покрытие, но нижний участок кожуха 12 расположен над поверхностью ванны. Пирометаллургические реакции, проходящие в реакторе, включающем ванну со шлаком, обычно приводят к образованию способных к воспламенению газов, в основном монооксида углерода и водорода, выделяющихся из шлака в пространство реактора над ванной. Если необходимо, эти газы можно подвергнуть дожиганию, тепловую энергию которого можно снова возвратить в шлак. Для этого кислородсодержащий газ можно подавать в пространство реактора, подавая его в проход 16 и выпуская его из нижнего конца прохода 16.
Основное охлаждение кожуха 12 производят с помощью охлаждающей текучей среды, циркулирующей по проходу 142 и обратно по проходу 144, хотя некоторое дополнительное охлаждение получают за счет газа, вводимого через проход 16 в пространство над поверхностью ванны со шлаком. В случае фурмы 14 существенного охлаждения можно достичь с помощью высокой скорости газа, вводимого с дозвуковой скоростью через проход 26, в то время как дополнительного существенного охлаждения достигают с помощью охлаждающей текучей среды, циркулирующей вдоль прохода 42 и обратно вдоль прохода 44. Равновесие между двумя охлаждающими действиями для фурмы 14 можно изменять путем изменения массового расхода, с которым циркулирует охлаждающая текучая среда. Кроме того, повышенная скорость течения охлаждающей текучей среды по отношению к скорости течения в проходе 42, вызванная сужением, обеспеченным узким участком прохода 44 (по меньшей мере, в пределах сборки 22), повышает отвод тепловой энергии от сборки 22 и нижнего участка оболочки 20. Вследствие этого срок службы фурмы повышается за счет полученного снижения износа и выгорания, особенно в сборке
22.
При такой схеме фурмы L, изображенной на фиг. 1, и фурмы 10, изображенной на фиг. 2, охлаждающая текучая среда способна циркулировать внутри оболочки фурмы, например, вдоль оболочки к выпускному концу, протекая между самой внутренней и промежуточной трубами оболочки фурмы, а затем обратно, вдоль фурмы, от выпускного конца, протекая между промежуточной и самой внешней трубами оболочки фурмы, или в противоположном направлении. Соответствующая торцевая стенка W, 40 и прилегающая к ней малая часть длины каждой из трех труб оболочки S, 20 фурмы содержат сменную сборку наконечника фурмы, в результате чего выгоревшую или изношенную сборку наконечника фурмы можно отрезать от основной части длины каждой из трех труб фурмы, чтобы дать возможность приварить на место новую или отремонтированную сборку наконечника фурмы. Торцевая стенка W, 40 оболочки S, 20 находится на выпускном конце фурмы и определяет этот конец. Также, по меньшей мере одна дополнительная труба Р4, 18 фурмы определяет центральный канал 24, и эта по меньшей мере одна дополнительная труба Р4, 18 фурмы отстоит от самой внутренней трубы оболочки S, 20 фурмы, определяя между ними кольцеобразный проход А, 42, в котором материалы, проходящие вдоль канала и прохода, могут смешиваться вблизи выпускного конца фурмы при введении их в слой шлака.
Верхняя погружная фурма L, 10 обязательно имеет большие размеры. Кроме того, в положении, удаленном от выпускного конца, например вблизи верхнего или входного конца, фурма имеет структуру (не показана), посредством которой ее можно подвесить, так, чтобы она свисала вертикально вниз внутри TSL-реактора. Фурма L, 10 имеет минимальную длину приблизительно 7,5 м, но ее длина может составлять до приблизительно 20 м, или даже больше, для большого TSL-реактора специального назначения. Обычно фурма имеет длину в диапазоне приблизительно от 10 до 15 м. Эти размеры связаны с общей длиной фурмы до выпускного конца, определяемого торцевой стенкой оболочки. По меньшей мере одна дополнительная труба Р4, 18 фурмы может проходить до выпускного конца и, таким образом, иметь длину, близкую к общей длине, но, как показано, может заканчиваться на небольшом расстоянии внутри выпускного конца, например приблизительно 1000 мм. Фурма обычно имеет большой диаметр, например внутренний диаметр оболочки составляет приблизительно от 100 до 650 мм, предпочтительно приблизительно от 200 до 500 мм, а общий диаметр составляет приблизительно от 150 до 700 мм, предпочтительно приблизительно от 250 до 550 мм.
Каждая из фиг. 3-7 схематично иллюстрирует соответствующую альтернативную форму для пере
городки, включающую трубу 38 сборки 22 наконечника фурмы 14 и/или трубу 138 кожуха 12, хотя перегородка, применяемая в фурме 14, не обязательно должна быть такого же типа, как перегородка, используемая в кожухе 12. Труба 60, изображенная на фиг. 3, отличается от трубы 38 или трубы 138, изображенной на фиг. 2. Каждая из труб 38 и 138 имеет цилиндрическую внешнюю поверхность, которая находится, по существу, на одинаковом расстоянии от соответствующей внешней трубы 36, 136, так что между ними, в проходе 44, поддерживают, по существу, постоянную скорость течения охлаждающей текучей среды. В противоположность этому, внешняя поверхность трубы 60 имеет такой профиль, что при протекании вверх в проходе 44 возможно постепенное снижение скорости течения текучей среды, после снижения скорости течения текучей среды из-за большего внешнего диаметра на нижнем конце трубы 60. При условии, что снижение не происходит ниже некоторого уровня, обеспечивающего необходимый отвод тепловой энергии от внешней трубы 36 и/или 136, можно получить хороший отвод энергии от нижнего конца сборки 22 и/или 122 наконечника.
Соответствующие трубы 62 и 64, изображенные на фиг. 4 и 5, также отличаются на внешней поверхности от схемы труб 38, 138. В то время как трубы 62 и 64 имеют соответствующие формы, они достигают сходных результатов. В случае трубы 62 приподнятая спираль, валик или кромка 63 проходит по спирали вокруг цилиндрической внешней поверхности и может быть непрерывной или прерывистой, например, если применяют устройство в виде лопасти. В противоположность этому, внешняя поверхность трубы 64 имеет сформированную в ней спиральную канавку 65. В каждом случае охлаждающую текучую среду вынуждают течь по спирали в проходе 44 и/или 144, по меньшей мере, в пределах сборки 22 и/или 122 наконечника. Валик или кромка 63 вокруг трубы 62 показаны, как имеющие закругленное поперечное сечение, которое можно обеспечить, присоединяя проволоку к трубе 62 прихваточным сварным швом. Однако валик или кромка 63 могут иметь другие формы поперечного сечения, в то время как канавка 65 трубы 64 может иметь в поперечном сечении форму, которая отличается от изображенной прямоугольной формы.
Труба 66, изображенная на фиг. 6, в общем виде подобна трубам 38 и 138. Однако она отличается тем, что имеет совокупность сквозных отверстий 67 по окружности, в непосредственной близости к ее нижнему концу. Охлаждающая текучая среда может проходить через отверстия 67, в дополнение к потоку, проходящему вокруг нижнего конца трубы 66. Таким образом, при обеспечении трубы 66 можно более эффективно отводить тепловую энергию от нижнего конца фурмы 14 и/или 114.
Труба 68, изображенная на фиг. 7, снабжена на ее внешней поверхности совокупностью продольных желобков или канавок 69, что приводит к образованию продольных гребней 70. В данном случае степень увеличения скорости течения охлаждающей текучей среды меньше, чем в случае, если бы канавки 69 не были сформированы. То есть скорость течения зависит от среднего радиуса внешней поверхности трубы 68.
Соответствующие трубы 38 и 138, изображенные на фиг. 2, и соответствующие трубы 60, 62, 64, 66 и 68, изображенные на фиг. 3-7, могут быть получены любым подходящим способом. Например, трубы можно получить механической обработкой или ковкой заготовки подходящего металла или литьем подходящего металла, по существу, в конечную форму.
Охлаждающая текучая среда может представлять собой любую подходящую жидкость или газ. Предпочтительным является жидкий охлаждающий агент; и жидкие охладители, пригодные для использования, включают воду, ионные жидкости и подходящие полимерные материалы, включая кремнийор-ганические соединения, такие как силоксаны. Примеры конкретных кремниевых полимеров, которые можно использовать, включают теплоносители, имеющиеся в продаже под торговой маркой SYLTHERM компании Dow Corning Corporation.
Наконец, следует понимать, что в конструкции и схемы ранее описанных деталей можно внести различные изменения, модификации и/или дополнения, не отходя от идеи и объема данного изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Верхняя погружная фурма, пригодная для использования при введении материала в слой шлака плавильной ванны в пирометаллургическом процессе, где фурма имеет внешнюю оболочку из трех, по существу, концентрических труб фурмы, включающих внешнюю, внутреннюю и промежуточную трубы; при этом фурма включает по меньшей мере одну дополнительную трубу фурмы, расположенную, по существу, концентрически внутри оболочки, а оболочка дополнительно включает кольцеобразную торцевую стенку на выпускном конце фурмы, которая соединяет соответствующие концы внешней и внутренней труб оболочки фурмы на выпускном конце фурмы и отстоит от выпускного конца промежуточной трубы оболочки фурмы; причем в месте, удаленном от выпускного конца, вблизи верхнего или входного конца фурма имеет структуру, с помощью которой ее можно подвесить так, чтобы она свисала вертикально вниз; причем оболочка выполнена таким образом, что охлаждающая текучая среда может циркулировать внутри оболочки, протекая между промежуточной трубой фурмы и одной из внешней и внутренней труб фурмы к выпускному концу, а затем обратно вдоль фурмы от выпускного конца, протекая между промежуточной трубой фурмы и другой из внутренней и внешней труб фурмы; при этом расстоя
ние между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы задано таким образом, чтобы обеспечивалось сужение потока охлаждающей текучей среды, чтобы вызвать увеличение скорости потока охлаждающей текучей среды между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы; причем по меньшей мере одна дополнительная труба фурмы определяет центральный канал и имеет выпускной конец, отстоящий от выпускного конца внешней оболочки, в результате чего смесительная камера определена внешней оболочкой между выпускным концом внешней оболочки и выпускным концом по меньшей мере одной дополнительной трубы, и эта по меньшей мере одна дополнительная труба фурмы отстоит от внутренней трубы оболочки фурмы, определяя между ними кольцеобразный проход, в результате чего горючий материал, проходящий вдоль канала, и кислородсодержащий газ, проходящий вдоль кольцеобразного прохода, могут образовывать горючую смесь в смесительной камере и вблизи выпускного конца фурмы для сжигания смеси при введении в слой шлака.
2. Верхняя погружная фурма по п.1, в которой сужение выполнено с возможностью обеспечения течения охлаждающей текучей среды по торцевой стенке в виде тонкой пленки или струи относительно потока перед сужением и после него.
3. Верхняя погружная фурма по п.1 или 2, в которой конец промежуточной трубы фурмы включает валик, который имеет радиально искривленную, выпуклую поверхность, обращенную к торцевой стенке, так что в результате валик имеет форму капли или подобную закругленную форму, а торцевая стенка имеет дополнительную вогнутую форму.
4. Верхняя погружная фурма по п.3, в которой сужение между выпускным концом промежуточной трубы и торцевой стенкой является в существенной степени радиальным относительно фурмы в плоскостях, включающих ось фурмы, причем валик и торцевая стенка обеспечивают сужение, проходящее через угол, составляющий до приблизительно 180°.
5. Верхняя погружная фурма по п.3 или 4, в которой сужение продолжается от валика между внешней поверхностью промежуточной трубы фурмы и внутренней поверхностью внешней трубы, по меньшей мере, на протяжении участка длины фурмы, на котором промежуточная труба имеет увеличенную толщину стенок.
6. Верхняя погружная фурма по п.1 или 2, в которой сужение определено, по меньшей мере частично, от закругления конца промежуточной трубы и между внешней поверхностью промежуточной трубы и внутренней поверхностью внешней трубы, по меньшей мере, на протяжении участка длины фурмы, на котором промежуточная труба имеет увеличенную толщину стенки, например, при сужении, проходящем через угол, составляющий по меньшей мере 90°.
7. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-6, где фурма включает кольцеобразный кожух, расположенный концентрически вокруг верхнего участка оболочки, отстоящего от выпускного конца фурмы.
8. Верхняя погружная фурма по п.7, где кожух имеет внешнюю оболочку из трех, по существу, концентрических труб кожуха, включающую внешнюю, внутреннюю и промежуточную трубы и дополнительно включающую кольцеобразную торцевую стенку на выпускном конце кожуха, которая соединяет соответствующий выпускной конец внешней и внутренней труб оболочки кожуха и отстоит от выпускного конца промежуточной трубы оболочки кожуха, в результате чего охлаждающая текучая среда может циркулировать внутри оболочки, например, вдоль оболочки к выпускному концу, протекая между внутренней и промежуточной трубами кожуха, а затем обратно вдоль кожуха от выпускного конца, протекая между промежуточной и внешней трубами кожуха, или в направлении, противоположном этому; причем зазор между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы задан таким образом, чтобы обеспечивалось сужение потока охлаждающей текучей среды, чтобы вызвать увеличение скорости течения охлаждающей текучей среды между торцевой стенкой и выпускным концом промежуточной трубы.
9. Верхняя погружная фурма по п.8, в которой сужение кожуха выполнено с возможностью обеспечения потока охлаждающей текучей среды по торцевой стенке кожуха в виде тонкой пленки или струи относительно потока перед сужением и после него.
10. Верхняя погружная фурма по п.8 или 9, в которой конец промежуточной трубы кожуха включает валик, который имеет радиально искривленную, выпуклую поверхность, обращенную к торцевой стенке так, что в результате валик имеет форму капли или подобную закругленную форму.
11. Верхняя погружная фурма по п.10, в которой сужение между выпускным концом промежуточной трубы кожуха и торцевой стенкой является в существенной степени радиальным относительно кожуха в плоскостях, включающих ось кожуха, например в случае близко расположенных валика и торцевой стенки, чтобы обеспечить сужение, проходящее через угол, составляющий до приблизительно 180°.
12. Верхняя погружная фурма по п.10 или 11, в которой сужение продолжается от валика между внешней поверхностью промежуточной трубы кожуха и внутренней поверхностью внешней трубы кожуха, по меньшей мере, на участке длины кожуха, на протяжении которого промежуточная труба имеет увеличенную толщину стенки.
13. Верхняя погружная фурма по п.8 или 9, в которой сужение определено, по меньшей мере частично, от закругления конца промежуточной трубы кожуха и между внешней поверхностью промежу
10.
точной трубы кожуха и внутренней поверхностью внешней трубы кожуха, по меньшей мере, на участке длины кожуха, на протяжении которого промежуточная труба имеет увеличенную толщину стенки, причем сужение проходит через угол, составляющий по меньшей мере 90°.
14. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-7, в которой сужение приводит к скорости течения охлаждающей текучей среды в этом сужении, превышающей скорость течения выше по потоку от сужения приблизительно в 6-20 раз.
15. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-7 и 14, где фурма имеет длину от приблизительно 7,5 до приблизительно 25 м.
16. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-7, 14 и 15, в которой оболочка фурмы имеет внутренний диаметр приблизительно от 100 до 650 мм и внешний диаметр от 150 до 700 мм.
17. Верхняя погружная фурма по любому из пп.1-7 и 14-16, в которой дополнительная труба фурмы заканчивается внутри оболочки на расстоянии до 1000 мм от выпускного конца фурмы.
14.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
025696
- 1 -
025696
- 1 -
025696
- 1 -
025696
- 1 -
025696
- 4 -
025696
- 15 -