專利名稱：用于攪拌熔池的帶有焊制噴槍頭的風嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風嘴，該風嘴包括一朝向一冶金熔池或化學反應爐的噴槍頭，該噴槍頭分別包括一前表面和至少由兩個基本上是同中心線的管子構(gòu)成的組件，所述前表面由高導熱性材料(尤其是電解銅)組成。
技術(shù)狀況在形成風嘴前表面的已有噴槍頭中，用電解銅材料實現(xiàn)的前表面具有良好的散熱性，這是因為該種材料具有良好的導熱性質(zhì)。一般知道，所述前表面與所述鋼管的連接可通過焊接或釬焊實現(xiàn)。但是，這種用于鋼鐵、冶金或化學領(lǐng)域的傳統(tǒng)焊接由于冶金方面的原因就顯得不那么方便，難以實現(xiàn)，而且密封性較差。這樣在銅-鋼連接的焊縫區(qū)高度上會造成泄漏。再有，現(xiàn)有的噴槍頭會較快地變質(zhì)，使得在生產(chǎn)過程中必須頻繁地更換噴槍頭，造成不便。
發(fā)明概要本發(fā)明旨在對這些缺陷進行改進。為此目的，所述前表面與所述管子間的連接由高能量焊接來實現(xiàn)。前述的噴槍頭由多個噴槍頭元件組成，每個噴槍頭元件所用的材料的選擇根據(jù)所執(zhí)行的功能而定。所述諸噴槍頭元件由高能量焊接(尤其是激光焊接)來固定。
在本發(fā)明的一較佳實施例中，前述的焊接由電子束焊接實現(xiàn)。由于這種特定的焊接方法，人們可以方便地通過焊接實現(xiàn)銅-鐵的連接。
除了焊接容易實現(xiàn)外，銅-鐵連接部位的密封性在流動流體與溫度方面都表現(xiàn)得非常好。本發(fā)明的風嘴的壽命有顯著的增加。另外，每一焊接區(qū)域均具有非常好的抗疲勞應力的性能，這種疲勞應力是由于氧氣噴槍頭和其風嘴承受相繼的熱循環(huán)所致。
由于本發(fā)明的嘴槍頭的磨損相當弱，使得噴槍頭在其長時間壽命內(nèi)的工作參數(shù)特別穩(wěn)定，人們從中可以得到的一個顯著的好處是可以容易地實施鋼產(chǎn)品生產(chǎn)的自動化。事實上，由于穩(wěn)定性和可靠性的改善，就不需要更多的監(jiān)督。而經(jīng)常性地更換噴槍頭也變得明顯減少了，這就避免了因維護或更換噴槍頭所造成的生產(chǎn)過程的中斷。相反，已有技術(shù)的風嘴表現(xiàn)出明顯的快速磨損的趨勢。已有技術(shù)噴槍頭的壽命分布相當穩(wěn)定，而就本發(fā)明而言，它具有很好的可復制性，使得噴槍頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)相當穩(wěn)定。
這里要提到的另一個問題是噴槍頭的出口孔由于需要良好的導熱性也同樣是由電解銅組成，這樣在所述出口孔的高度上會較快地腐蝕，尤其是在吹氧的情況下。事實上，在有吹氧存在的情況下，噴槍頭的壽命問題被證實顯得尤為尖銳，因為此時有相當大的磨損。這種情況通過處理氧氣噴槍頭效率損失和前述腐蝕性有害物質(zhì)四處散射(人們稱謂雨傘效應)而得以解決，這種效應減少了熔池的攪拌效果。為了解決這一額外問題，風嘴用針對這種效應的材料制成，尤其是用一種耐磨青銅制成。
這樣，對起初為整體件的前表面，風嘴本身是用耐腐蝕的材料制成。這樣通過電子束焊接將前表面與管子連接起來可有另外的好處，即使得焊縫區(qū)無應力或應力很小，并沒有變形。這些對暴露在腐蝕現(xiàn)象下的風嘴而言，在采取了抗腐蝕效應的措施后也是有效的。
再有，根據(jù)本發(fā)明風嘴的又一實施例，風嘴具有至少一定數(shù)量的出口孔，較為有利的是至少三個，以確保其抗腐蝕能力有顯著提高的同時，熔池或反應池的工作變得更為均勻。這一措施也有助于改善前述熔池的攪拌。
本發(fā)明的其他長處和特點將在以后結(jié)合一實施例的描述及其附圖中顯現(xiàn)出來。
附圖簡述

圖1是本發(fā)明風嘴的吹氧噴槍頭的縱向剖視圖。
圖2是與圖1相類似的風嘴的局部圖。
圖3和圖4是與圖2相類似的風嘴的變形，其中，側(cè)面配備有附加的功能性元件。
圖5和圖6示出與圖3和圖4相同的元件，其中給出吹風和冷卻流體的流動示意圖。
描述一般來說，本發(fā)明涉及用于鋼鐵冶煉和化工領(lǐng)域的風嘴，該風嘴具有一噴槍頭分別指向一熔池或一化學反應爐，在池或爐中有大量攪混的液體需要處理。這就是上面所敘述的本發(fā)明。然而，下述著眼于冶金應用領(lǐng)域的有關(guān)描述，尤其人是有關(guān)具有噴槍頭的風嘴的描述將使問題變得更為明確。
圖1示出的縱向剖示圖，吹氧噴槍頭1包括一中心管10，通常是一具有中心軸1的圓柱形管，氧氣經(jīng)由該中心管通向未示出的熔池。在所述中心管的上游有一進氣口11，在其下游，出口被在成一定數(shù)量的出氣口12，這些出氣口形成對應的出氣管14的入口，每一出氣管通向出口孔16。中心管10的內(nèi)截面包括至少一個這樣的區(qū)域13，在該區(qū)域中，中心管變得狹窄，從而使在管內(nèi)的氧氣分別以箭頭F1和F2方向作加速度流動。這種加速現(xiàn)象從出氣管14的入口開始將進一步加劇，通過布置多個截面比中心管10小得多的出口孔，所述氧氣通路的有效截面得以急劇地縮減。出口孔16，例如較為有利的布置是圍繞縱向軸1的呈環(huán)狀的三個出口孔。各出氣管14的縱向軸m最好相對于中心管10的縱向軸1略微傾斜成α角度，以得到擴散狀的風嘴，這里過早磨損的問題仍然尖銳地存在著。事實上，出氣管14的快速腐蝕將同樣隨著擴散角α的開度過大而變大，這將不可避免地導致低劣的噴射功能。在已有技術(shù)中，前述風嘴加速腐蝕問題將使風嘴的效率顯著降低，導致其品質(zhì)下降。
相反，根據(jù)本發(fā)明的風嘴，出氣管14，尤其是在位于與各個出口孔16一樣高度的下游終端區(qū)域15，風嘴由非常耐腐蝕的材料組成，可有效地克服腐蝕現(xiàn)象，盡管沿箭頭F3方向流動的氧氣的速度非常之快，這種腐蝕現(xiàn)象通常會增加挾帶的高磨損性粉塵。
在傳送氧氣的中心管10的周圍，風嘴還配有至少一個，最好是由兩個管20、30構(gòu)成的組件，這些管與中心管10一樣具有基本為圓柱形的形狀，并與中心管是同軸的。在所述中心管或稱內(nèi)管10，中間管20和外管30之間形成有基本為環(huán)狀的空間21、23，用作冷卻流體的給水管路。圖5和圖6表示流體流動線路和軌跡的示意圖。
另外，前述管20、30還同時起到對前表面40的機械支承作用，前表面40由前面特別提到的噴槍頭構(gòu)成，該噴槍頭被用來指向熔池。該部分40由一種散熱性能非常好的材料組成，最好是銅，因為銅的導熱性很好。所述前部40在連接區(qū)51、52處與管或外管30相連，通過焊接將其固定。不過銅與普通的鋼之間的焊接由于冶金方面的原因而非常難以實現(xiàn)。更有甚者，這種連接還會出現(xiàn)密封上的缺陷，在所述連接區(qū)域52的高度上會出現(xiàn)泄漏。
為解決這一問題，根據(jù)本發(fā)明采用了一種特殊的焊接工藝，特別是用電子束焊接。這樣，由于本發(fā)明，在所述銅-鋼連接區(qū)域的焊接不僅變得非常之容易，它能直接焊接，又無需附加的焊接材料，而且該種焊接使密封性能達到最優(yōu)，還考慮了溫度的因素。這樣，冷卻回路81被完美地加以密封。
用電子束焊接的外加好處在于它可以進行無應力或應力很小，并沒有變形的焊接，這就使得通常處于嚴重腐蝕環(huán)境下的風嘴有可能具有與特殊超抗腐蝕性能的材料同樣的功效。這樣，風嘴本身由一種耐腐蝕材料組成，而前部件40在起始是呈整體形的。
其結(jié)果是，根據(jù)本發(fā)明的風嘴的壽命得到顯著的延長，風嘴下部允許氧氣以很快的速度流動，還可將由于靠近熔池而被冷卻流體所吸收的熱量加以轉(zhuǎn)移，冷卻回路的密封性得以保證，還能抵抗由于在高速氧氣流動通道內(nèi)所挾帶的磨損性顆粒而導致擴散出口管的磨損和損壞。試驗表明，本發(fā)明的噴管的使用壽命可提高到至少500爐次，相對已有技術(shù)噴管的壽命來說是一個飛躍，據(jù)知是已有壽命的2倍。從這一特別有利之點出發(fā)，人們可以節(jié)省替換吹爐頭的費用，加快生產(chǎn)節(jié)奏進而提高產(chǎn)出率。同樣，更好地穩(wěn)定性和由于在m方向擴時的耐腐蝕性使得設備的使用具有強得多的可靠性。
一個導致風嘴使用壽命得以顯著延長的重要的有利之處在于工作參數(shù)，由于噴槍頭在其使用時的磨損很小，這些參數(shù)具有特別穩(wěn)定的長時期壽命。可以預見，這種穩(wěn)定性將使鋼制品的生產(chǎn)過程的自動化因使用了本發(fā)明的噴槍頭而得以實現(xiàn)。
另外，在已有技術(shù)中，一方面由于外形采用單一材料，尤其是整體型的噴槍頭結(jié)構(gòu)，另一方面由于使用簡單的釬焊固定，使得前述的總的功能性作用難以確保。相反，在本發(fā)明的風嘴中，噴槍頭是由多個元件構(gòu)成的，尤其是在導管15的終端區(qū)域、外管30、中間外管31、蓋部32和“擴散”部33，這些元件的材料嚴格按照各元件應發(fā)揮的功能而選擇。這樣，噴槍頭1的模塊化設計具有可簡化修改幾何形狀的可能性，尤其是對于擴散角α，出口孔的孔徑等等。這種模塊替換性使人們希望用噴槍頭從一種攪拌方式轉(zhuǎn)向另一種攪拌方式時顯得尤為重要。再有，在存在缺陷時可以有選擇性地替換噴槍頭元件。還有，修改噴槍頭的費用也顯著降低了。
另外，噴槍頭模塊化的設計可匹配出氣管的數(shù)目。如圖4所示，甚至可以通過不間斷的環(huán)替換出氣管，以實現(xiàn)一連續(xù)的環(huán)形流。
元件51、52、53、54分別以同質(zhì)方式的高能量焊接加以固定，最好用電子束焊。
在吹風流量提高到例如500米3/小時時所遇到的另一個問題是由噴槍頭中心的空穴作用所造成的腐蝕。這種腐蝕可通過在噴槍頭中心布置一折流板60而得以控制，折流板最好用與出氣管14相同的材料制成。該折流板60具有適應于氧氣出口的速度的凹形，它最好用電子束焊接法或其他適當?shù)姆椒芊獾剡B接于噴嘴上。在折流板的內(nèi)部61也有如在圖5和圖6中能看見的冷卻流體。
然而仍有對熔池更強烈的攪動之憂慮，吹風流量可直到800米3/小時或1000米3/小時，甚至還有1200米3/小時的。這種更高的速度將引起空穴作用的運動，導致攪拌流的回行程運行，而致?lián)舸┲行脑?0。由于布置了適當?shù)耐獠空哿靼逶?0，而該元件較佳地拉于縱軸1的中心，可以避免形成這種擊穿的情況。
為使氧氣離開中心管10，布置一個使氧氣改道進入出氣管14的內(nèi)折流板70也被證明是有利的。內(nèi)折流板70還起到排出熱量的作用。由于在流動方向上游71處，內(nèi)折流板70具有明顯的凸形，它起到有效的分離作用，而在下游72處其形狀略為凸出，這就保證了攪拌流的良好導向性。
上游的凸出部61；71呈現(xiàn)為如圖1那樣的凸起或如圖2那樣的尖頂。
為確保外折流板60’的外形在攪拌流H回流時具有良好的適應性，下游的突出部分，在端部62的兩側(cè)，最好具有多個凸出部分63以保證完美的導流并防止在此區(qū)域形成紊流。
每一冷卻回路81的端部元件80具有特別適宜于冷卻流體流向冷卻回路下游端的外形，如圖1至圖3所示的鴨嘴形狀。
圖5示出了冷卻流體可相對于由氧氣流形成的攪拌流而流動的一種方式，在中心管10附近的冷卻管道21內(nèi)的冷卻流體的流動方向G最好與氧氣的流動方向F2相反，以增加冷卻效果，從而有助于將熱量從一處傳遞到另一處。
冷卻回路的另一變形示于圖4。其中布置有兩個冷卻回路，一側(cè)部冷卻回路81與圖2類似，另一中心冷卻回路82允許以冷卻噴槍的中心軸的方式與外側(cè)冷卻水82和內(nèi)側(cè)冷卻水81分離。這樣，中心的內(nèi)部冷卻回路82可以直接的方式在流動力的作用下冷卻外部折流板所對應的折流點60，如圖6所示。從圖5和圖6可以清楚地看到折流板的有有利于使流體和流動基本排除生產(chǎn)紊流區(qū)域的可能性。
如同將進一步指出的，應當理解本發(fā)明在其他領(lǐng)域中的應用(這些即將被術(shù)及)同樣屬于本發(fā)明的保護范圍，尤其是在化工領(lǐng)域內(nèi)的攪拌流體涉及的風嘴的應用中。事實上，因在池中攪拌而造成化學反應爐起活化作用的吹管磨損也是人們所熟知的現(xiàn)象。
本發(fā)明的噴槍的結(jié)構(gòu)設計同樣可用來解決這一問題，只要將材料選擇得適合于攪拌熔池的功能，這并沒有超出本發(fā)明的要求。
權(quán)利要求
1.用于攪拌熔池的風嘴，包括一指向一銅冶金熔池或一化學反應爐的噴槍頭(1)，該噴槍頭包括一前表面(40)和一至少由兩個基本共中心軸的管子(20、30)組成的組件，所述前表面由高導熱性材料構(gòu)成，其特征在于，前表面(40)與所述管子(20、30)的連接(52)由高能量焊接實現(xiàn)，前述噴槍頭由多個噴槍頭元件(15；30、31、32、33；60)組成，每一噴槍頭元件材料的選擇分別根據(jù)各元件所實現(xiàn)的功能而定，所述各噴槍頭元件之間的相互連接(52，53，54)由高能量焊接實現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的風嘴，其特征在于，所述高能量焊接包括激光焊接。
3.如權(quán)利要求1所述的風嘴，其特征在于，所述高能量焊接包括電子束焊接。
4.如權(quán)利要求1至3所述的風嘴，特別是吹氧風嘴，在噴槍頭(1)處，尤其在其氧氣噴槍頭處，包括一出氣管(14)，該出氣管通向各自的出口孔(16)，其特征在于，所述出氣管的端部段(15)由一種非常耐磨損和耐腐蝕的材料構(gòu)成。
5.如前述權(quán)利要求所述的風嘴，其特征在于，該風嘴也由同樣的材料組成。
6.如前述權(quán)利要求所述的風嘴，其特征在于，所述材料包括一種在高溫下抗磨損的材料。
7.如權(quán)利要求6所述的風嘴，其特征在于，所述材料由一種耐熱的管材組成。
8.如權(quán)利要求6或7之任一項所述的風嘴，其特征在于，所述材料由一種鎳基合金組成。
9.如權(quán)利要求6至8之任一項所述的風嘴，其特征在于，所述材料由一種耐磨損的青銅組成。
10.如權(quán)利要求4至9之任一項所述的風嘴，其特征在于，出口孔(16)的數(shù)量多達至少三個。
11.如前述權(quán)利要求所述的風嘴，其特征在于，所述出口管(16)被布置成相對于所述噴槍頭(1)的縱軸(1)而成為中心環(huán)狀。
12.如權(quán)利要求4至9之任一項所述的風嘴，其特征在于，所述出口孔呈環(huán)狀，基本上以風嘴的縱向軸線(1)為中心而延伸。
13.如權(quán)利要求4至8之任一項所述的風嘴，其特征在于，出氣管(14)的每一個相對于風嘴的縱軸(1)呈擴散狀(m)。
14.如前述諸權(quán)利要求之任一項所述的風嘴，其特征在于，在基本上處于噴槍頭(1)中心的位置設有一折流板(60)，以對形成旋渦的出口流體(H)進行調(diào)節(jié)。
15.如權(quán)利要求14所述的風嘴，其特征在于，所述折流板(60)有一位于噴槍頭的外部的外形為凸狀的區(qū)域(63)，以適應攪混流的出口速度。
16.如權(quán)利要求14和15之任一項所述的風嘴，其特征在于，所述折流板(60)在噴槍頭的內(nèi)部具有一凸出的區(qū)域(61)。
17.如權(quán)利要求14至16之任一項所述的風嘴，其特征在于，所述折流板(60)由與出氣管(14)相同的材料制成。
18.如前述權(quán)利要求之任一項所述的風嘴，其特征在于，所述前表面(40)由電解銅或銅基材料制成。
全文摘要
一種冶金或化工用的吹氧風嘴,包括一指向一冶金熔池噴槍頭(1)。風嘴包括一前表面(40)和一至少由兩個基本同中心軸的管子(20、30)組成的組件,所述前表面(40)由電解銅制成。所述前表面(40)與所述管子(20、30)的連接(52)由高能量焊接實施,所述噴槍頭由多個噴槍頭元件組成,且根據(jù)各噴槍頭元件選擇材料,所述諸噴槍頭元件之間的連接由高能量焊接實現(xiàn)。
文檔編號B23K26/20GK1188513SQ9619499
公開日1998年7月22日 申請日期1996年6月24日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月23日
發(fā)明者雅各·托馬斯 申請人:雅各·托馬斯