CN1033397C - 将风嘴密封在周围的耐火衬中的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在转炉耐火衬套中设置的风口和输送管的密封方法和装置，本质上所了解的密封件尤其可施加予应力的填料设置在风口或输送管与周围耐火材料之间的间隙内，从而避免介质的回流。

Description

将风嘴密封在周围的耐火衬中的方法和装置

本发明涉及在冶金反应容器中密封风咀及介质输送管的方法和装置，其中诸输送***均安装在耐火材料之间的间隙内置有可弹性或塑性变形材料的密封件，以避免介质的倒流。

在许多生产金属和处理及后处理的冶金方法中，即二次冶金过程中，人们用固定安装在处理容器耐火衬中的输送***供给介质。为输送大量气体，如在冶金还原及精炼方法中那样，人们主要应用由两个或多个同心管构成的风咀。而就各种气体清洗方法而言人们就愿使用具有用作供气道的定向多孔结构或细小通道的不同尺寸和形状的多孔塞，及仅用简单的冲洗气体输送管。

在冶金反应转炉中的金属熔池表面上、下部的耐火衬中的风咀的一已知应用是在底吹氧转炉中钢精炼，在此人们更愿意采用由两同心管组成的风咀，由此脉动地载带石灰粉的氧气通过中心管吹入熔池表面下部的体中。为防止风咀过早烧坏，通常用气体或液体作为风咀保护介质。从中心管与外风咀管间的环缝中流过。在法国专利FR-145018号中首次提出用甲烷保护铁水中的供氧风咀，它描述了在120Kg实验转炉中用由两同心管组成的铜管风咀的精炼钢试验。甲烷的比例为氧量的21.25％。

一九六八年以来，随着艾森沃克-根色勒沙福特马科斯梅兰荪特有限公司(Eisenwerk-Gesellschaft Maximilianshutte mbH)的底吹氧气转炉炼钢(OBM)工艺的发展，并结合KMS吹炼工艺的结果，上述的炼钢方式已推广到全世界。例如专利GB2011477和EP0030360中描述了在熔池表面上、下部使用供氧风咀。

按专利EP0236802的已知的铁矿石熔融还原方法同样使用由两同心管组成的在熔池下的风咀来输入燃料、矿石及含氧气体。为了防止风咀过早烧坏，在环形间隙中使气态或液态烃主要是甲烷、天然气、丙烷或轻燃料油流过上述风咀。

一段时间内，本专业领域的普通技术人员已意识到用于直接防护风咀的部分风口保护介质被损失掉，并以一种不可控的方式分布在炉衬中。通过在炼钢转炉中的检测连同其他的检测证实最高超过3巴的气压存在于厚约1米的底部炉衬的背面，而转炉的风咀即是设置在此炉衬中的。而反向流动的气体就是风咀保护介质，在此情况下所用的是丙烷。此外，不定向气体的粗略测定值的范围约为所提供的风咀保护介质总量的25％至最大值为50％。相当高的比率将失去其对风咀的实际保护作用。

对在铁熔池中所含的杂质和有毒物质的处理工艺最近已被公知，其中通过在熔池以下风咀供入熔体中的那些有害介质的倒流可能是危险的。比如专利US4602574描述了这种处理工艺。

显然，这些倒流的或不定向的风咀介质的损失是不希望的。除了泄漏出未被利用的部分风咀介质而产生严重的经济损失之外，还会产生其他不利影响，如在转炉各开口处形成火焰，或在这些位置处导致不利的散热的泄漏。还可在炉衬中观察到烃裂化后而沉积的碳，这导致在砖砌体材料中发生还原反应，最终缩短耐火材料的使用寿命。当用轻燃料油保护风咀时，由于这种风咀保护介质部分反向流动而附带产生干扰气味，因而在处理有害物质的过程中避免风咀介质以不可控的状态逸出是十分重要的。

当然，为减少风咀保护介质的损失，已做出大量改进，如把气体输入***用金属板封装在耐火砖砌体内，在风咀管与耐火材料之间装入迷宫式密封***，各种封泥及密封膏，给外风咀管涂上釉及类似的措施。然而，直到目前，这些尝试均未产生令人满意的结果。

还可从专利US4509977和DE4025956A1中了解到在介质输入***的装配过程中，在风咀或输入管与周围耐火材料之间的间隙中置入密封件可避免介质倒流。这些密封件由可弹性或塑性变形材料制成。然而由于此密封材料的收缩，无法在长时间运行中保持密封效果。

最近的欧洲专利申请第0356943号涉及一种冶金容器衬中的耐磨风口，实际上，其特征是在风咀管的外表面上提供一层其导热性较耐火衬为低的材料。一中间层也可用于抵消风咀管金属与所用绝热层之间不同的热膨胀。该方法将使用寿命从54炉提高到60炉。

相比较而言，KMS炉底风咀的损耗率在出钢温度达1700℃时约为每炉1mm，这相当于约800炉的使用寿命。

本发明是基于上述问题而提出一种方法和装置，以便尽可能少的介质以不可控方式从设置在冶金反应容器的耐火衬中的风咀与输入管中逸出，从而降低介质的用量及产生的副作用。大量的损失是用于风咀保护的保护介质不定向的损失，这主要是在炉衬之后或分布在炉衬中。因而，本发明的方法和装置的目的是避免风咀介质的损失或使其减到最小，由此可同时提高风咀的使用寿命。本发明的进一步目的是避免或至少明显减少碳因不定向风咀保护介质在耐火衬中沉积，以便抑制在耐火材料中的还原反应，从而提高炉衬的使用寿命。

由权利要求1所述的特征是本发明方法的解决方案。本发明最佳实施例在权利要求2至8中予以描述。权利要求9的特征是本发明的装置的解决方案，该装置的最佳实施例在权利要求10至12中予以描述。

首先假定以不可控方式分布的来自风咀或其它输入管的介质主要经输入***周围的多孔耐火材料流过，从而到达耐火材料后面，在此处它们是可被检测出来的。专家们的意见是，如果对风咀采取已知的密封措施，如捣入耐火密封混合料或对外风咀管涂釉，或采用前述欧洲专利申请0356943号中所用的方法，由于其气体的渗透性，只有一定量的可经此耐火材料流动的气体以不可控的方式逸出。这一观点由US-4509977和DE4025956A1中所述密封件的设置予以驳倒，这种设置至少在短时间内改进了密封效果。

以一种难以想像的方式并与专家的观点相反，本发明方法展示了一种在冶金容器中避免不希望的不定向气体和/或流体及其影响的新方式。例如，若不用本发明方法，在KMS炼钢转炉中，在氧气风咀开始工作后(即一开始精炼)约2.5巴的压力就直接在底衬后面产生。如气体分析为证实，该压力是由反向流动的风咀保护介质积累起来的。而使用本发明方法后，在其他条件均相同的情况下，在所述炉衬的后面再也检测不出有任何压力了。

在由两个或多个同心管构成的风咀或简单的供气管的装配过程中，密封件被置入金属管与周围耐火材料间的间隙中。这些密封件由永久的弹性材料制成，即在风咀附近在给定温度条件下可保持其弹性不变。比如已经证明特种橡胶，主要是硅橡胶，永久硅油灰泥及类似材料是有用的。这些密封材料可在装配过程中或其后置入输入***与周围耐火材料间的间隙中。

可采用具有予应力的密封件及密封***，即它们处于一予压力下。该予置压力可由密封材料本身产生，如由于特殊的性能在置入后膨胀的材料是适用的。如人们可用混有各种基料的塑料，基料是由两种或多种组分构成的，它们在所述组分混合后会膨胀。人们还可用无机材料如耐火材料，它们是磨碎的或纤维状的，最好与具有膨胀特性的物质如膨胀粘土或蛭石组成混合物。

根据本发明，在由适当的气动、液压和/或机械装置施加的可调压力作用下，持续地保持所述密封。

因此，本发明方法的一有利方式是采用可施加予应力的密封件，特别是填料。人们在与介质输送***外管固接的支承环上设置单或多层填料带，然后在风咀或管至少外风咀管***后对该填料施加予应力。该填料可由如机械致动件施加予应力，比如直接用螺纹套管或螺旋装置，或用过渡件施压。本发明，施加的予应力可根据风口装配，由机械致动件一次调整好，或以每任意的时间间隔对填料再次加压。

最好用风咀管环绕的气动或液压的筒状活塞给密封件加压。也可能是机械、气动及液压装置的任意组合。

可用扁平螺旋弹簧对密封件更好地持续加压。根据本发明的另一特征，作用在密封件上的压力保持恒定或可随时间的变化控制其增加或减小。例如，已经证实随着密封件工作时间的增加而增加压力是有用的，从而可阻碍密封件出现老化，这种衰减也可能是由温度而产生的。然而，根据所用密封材料，在一定时间后也可用减小的压力。均匀地改变作用于密封件上的压力，或者一次或多次在最大与最小值之间交替改变该压力，或者按某一给定时间模式持续地改变该压力均为本发明的范围。

虽然本发明没有对施加在密封件或填料上的予应力规定上下限，但在实践中已证实，当用本发明方法时，密封***上有5Kg/cm²至50Kg/cm²，最好为10Kg/cm²至50Kg/cm²之间的压强是有效的。

密封物的填充位置大体可在风咀的整个长度上和单一气体输送管的全长上随意选择。由于这些介质输送装置，如在炉底的氧气风咀，在其工作过程中不断地磨损，本发明方法中的密封，更好是填料的填充位置靠近衬的外侧即衬的冷侧，最多达到穿入衬内的风咀长度之半。

密封件的安装取决于介质输入***的装配。这不仅单指新的装配，也指对修理后风咀的每次装配，例如，常规是在炼钢转炉或熔融还原反应容器运行期的停工时，用相应的新风咀全部地或部分地更换磨损的风咀管，所述的转炉和容器都具有多个位于熔池表面下的输料风咀的。在这种新风咀管或通常整个风咀的安装过程中，更换带有予应力***的全部或部分填料亦在本发明的范围之内。

上述对介质输送***如多管风咀及气体输送管的描述指的是圆形截面管。然而本发明方法不限于圆截面的介质输送***。还可用任何横截面形状，如矩形、椭圆或任意多边形。

本发明方法的意想不到的效果可能由于下述事实而实现：

当将陶土密封料和捣打混合料或密封物用于风咀管周围的环形间隙时，由于钢与耐火材料间有巨大的热膨胀差，所以在钢管与耐火材料间形成细小的间隙；由于钢与耐火材料间具有较大差别的热膨胀，通过输送***供给气态和/或液态介质的某些部分在该间隙中流回。随着工作时间的增加，可观测到KMS炼钢转炉底衬后面压力的随之增加也证明了上述想法。因此，根据本发明方法，密封的极限由周围耐火材料的气体渗透率来确定，即直接通过耐火材料所散逸气体的量正如所予料的那样，本发明方法不能使其减少。

具有较低气体渗透率和高机械强度的耐火材料适于紧靠着风口的环境中。例如，已证实镁碳砖，最好具有含碳量约为10-20％类型的砖为减少气体渗透率是有效的。其次也已证实，将所述类型的砖浸沥清也是有益的。当然，本发明方法并不依赖介质输送***周围的耐火材料的特性。冶金容器的衬可由高质铝土至刚玉的熟料及镁或镁铬砖及白云石来制造。

为了特殊用途，已证实高强度的和相当气密的熔铸砖如不同品位的刚玉和等压压制材料均可使用。已证明将熔铸或等压压制的耐火材料制成的特殊形状的砖或管仅用于风咀管的附近作为常规耐火衬的中间层亦在本发明范围之内。于是，本发明密封***作用于介质输送装置与高强度气密性强的耐火材料之间的间隙处。例如已证明因种种原因将熔铸或等压压制材料制成的管用于风咀的整个长度或仅用在填料的区域内是有益的。这些管在风咀的整个长度上没有，或几乎没有连接点，是相当气密的，有高机械强度，因而允许施加较高的压力，以使填料产生予应力。

除多管风咀或单输送管外，还采用另一管。该辅助管是根据上述在密封耐火衬套中风咀设置的方法设置的，并用于调整常用的介质输送***如风咀，该风咀是由市售装置从所述冶金容器外侧的该辅助管处密封的。

上述的优选用于密封在冶金容器中输送介质的风咀和输料管的本发明方法的密封件，特别是予应力填料的基本结构将以进一步的细节和与实际操作相关的实验数据作补充说明。

下文中提及的“风咀”包括两管或多管风咀的外风咀管及用于净化的耐火塞锥或多孔塞的单输送管，该管的数据同样可用于同功能的非圆截面类型。

风咀一般从外侧***到钻削加工出的或由耐火型砖构成的风咀槽中，即从容器的钢板外壳或耐火材料的冷侧***。密封件或填料被置入到风咀管与耐火材料之间构成的环形间隙中。密封件放在与风咀管固接的支承件的一侧，一般该支承件为一焊接到风咀管上的钢环。填料被放置在接近所述的冷侧的耐火材料中，深度为沿风咀的尾部方向离开钢板外壳约50-500mm，最好在100至300mm之间。

根据本发明，密封件和填料可用机械致动件施加予应力，机械致动件如具有与风咀管上的匹配螺纹相啮合的内螺纹套管。人们用特定的搬手转动该螺纹套管，直至填料具有所需的予应力。当然该螺纹套之与风咀的尾部即转炉的内侧、还是从外侧被旋紧是无关紧要的。因而仅须将填料设置在支架与螺纹套管之间。

本发明的一非常有益的改进是，在填料与螺纹套管之间设置一具有或没有中间环的扁平螺旋弹簧，并将其压缩或予加压1至10cm，最好为2至5cm。

与所述由机械致动件压缩的填料相适应的是，人们还可用随时间其形状扩大或加热时膨胀的密封材料。这种膨胀密封材料可在风咀装配时已经安置在两固定支承件之间，或在安装完风咀之后用如气动或电动驱动加压器将其置入。

本发明装置的一特别有益的设计是由气动和/或液压驱动致动件对密封***，特别是填料施加压力。为此，在风咀管上可滑动地设置一管状缸，缸的外端可移动地端接于一液压或气动压力腔，这样它根据该压力腔内的增压类似于冲压模那样作用的密封件。当然，一管状的可拆卸的过渡件可设置于该液压缸与实际密封件之间。

在许多实际应用情况中证明，采用适当加强的扁平螺旋弹簧是有效的，通过螺纹装置或其他机械的可调支座对该弹簧施加予应力，并达到所需的量值，从而它就能在整个的较大弹簧的移动范围内对密封件施加作用，并产生基本均匀的压力。

本发明方法的一非常有益的是处理有害废物，特别是盛有熔融金属及在熔池表面下方的输送风咀的反应容器中对有害物特别是杂质及有毒气体、液体和固体的处理。由本发明方法在周围耐火衬中的有效密封输送风咀可以避免这些有毒物质倒流。例如有毒的有机液体已在铁熔池反应炉中毫无问题地被处理掉。

符合本发明的方法还已经证明的多孔塞中设置气体输送管是有益的。在其他实施例中，所述塞被用作气体输送装置，这种塞如具有细小通道，还有许多细金属管的透气性耐火材料；它们用于冶金成套设备如炼钢转炉、钢水包及反应器中，主要是为了改善这些容器中熔体的熔池运动。

将气体输送管用泥料固结于所述塞的耐火材料中，或将其焊接在钢板制的气体分配室上，也可能焊在所述塞的金属壳体上是已知的。而在金属和耐火材料之间的局部连线处仍频繁地发生泄漏。

本发明方法可避免上述的泄漏，并简化气体输送管与塞的连接。将一金属环或环件焊接到气体输送管上，作为支承填料的支承件。随后将数层密封带以螺旋形缠绕所述填料，然后装上与该管上的螺纹相配合的螺纹套或螺母。一旦带有填料的管被***到所述塞背面的相应孔中，就拧紧螺母，于是填料的压紧可将气体输送管气密地保持在所述就像一填料箱一样的塞中。

下面结合附图及实施例更详细地说明本发明的方法和装置。

图1示出耐火材料风咀槽中的双管风咀的局部纵剖面，其中机械致动件正在工作，施以予应力；

图2类似示出从转炉外壁到耐火材料的某一深度处设置密封件并由弹簧施加予应力的双管风口的纵剖面。

根据图1在炼钢转炉底的耐火材料中设置钻削加工成直径56mm的风咀槽1，该风咀槽具有一外径分别为42mm和35mm的两同心管2和3组成的常用供氧风咀。钢环支承件4焊接到外风管上，作为支承填料5的支承件。

填料5具有六层市售的涂石墨的带，它们缠绕成螺旋形呈方形断面，该方形的边长约6mm。这种市售密封带由涂石墨塑料纤维织物制成，并适于高的最高可达500℃的温度下使用。

螺纹套管6也被焊接或牢固地气密地固定在风咀管上。在装配过程中，风咀首先与其支承件4及与螺纹管6固接在一起的填料5插到约7mm宽的内环形间隙9中。然后将机械驱动件即可旋转螺纹套管6，其上的螺纹与焊接在风咀管上的管啮合，***内环间隙9中。螺纹套管6具有端块8，它用管形转动手柄(未示出)啮合，该搬手即所述手柄用来转动螺纹套管6直至其对填料5充分地压紧并产生予应力。

在所描述及说明的情形中，套管6的旋紧及因此对填料5施加的予应力从底部的上侧即从风咀的末端进行。因此，在转炉底操作过程中不会对填料再次加压。而是在填料被施加予应力后将常规的陶土质风咀的密封复合料捣打入内环间隙9中。

当然，也可用一相应的套筒从冷侧对填料施加予应力。此时套管6的位置须与支承件4作相应的对换。在停机时，适当的器具可用来对炉底处的填料再次加压。

根据本发明，在填料5与套管6之间置入一扁平螺旋弹簧并对其施加至少产生2cm变形的予应力具有特殊的益处。这样该弹簧的填料上保持恒定的压力。

图2类似地示出，双管风咀，通过其内管11磨碎的煤随载气体在熔池下吹入熔化还原反应器中，载气主要是氮、氩、CO、CO、天然气或丙烷。为保护风咀，天然气经环形间隙12流动，它通过输入管13到达所述间隙。风咀用风咀法兰14与所述反应器固接，法兰14支承在该容器的外壁16上的相应法兰15上，并由螺栓17固定。

具有56mm直径的风咀通道穿入到双层砖砌体中，其包括绝热层18和消耗层19(见图2)。支承填料5的支承件4牢固地与风咀管焊在一起。予加在扁平螺旋弹簧21上的压力作用在可动环20上，由螺栓23的螺纹22通过传动件24对弹簧21施加予应力，由此，销25通过管状可拆卸的平移件26作用到弹簧21上。

当然，根据固定的深度和予期的温度荷载，平移件26的位置也可以与弹簧21互换，这时销25通过一类似于环20的中间环直接作用于弹簧上，于是载荷由平移件26传递到填料上。

在所述情形中，风咀通道1的直径为56mm，而风咀管的直径为42mm，这样得出环形间隙的宽约为7mm，而其截面积约为11cm²。当选择约200Kg的弹簧力时，填料上约有19Kg/cm²的压强。施加了予应力的弹簧约移动25mm，这样可予期在整个运行期间在填料上有这种予置压力。

当本发明的方法用于密封KMS转炉的底部氧气输送风咀时，其优点是明显的。底部砖砌体处的风咀大约如图2所示及说明的那样被密封。在KMS转炉中，配置多于八个供氧风咀，在精炼过程中12,000Nm³/h的氧通过底部流进精炼转炉中。这样可防止这些风咀过早烧坏，一般以850N.m³/h的天然气经中心氧气管和外风咀管之间的环形间隙流过。其相当大的部分也许大部分作为不定向气体通过风咀与周围砖砌之间的间隙损失掉。这已由底部漏泄处形成强列的火焰所证实。接着，紊乱的火焰导致在风咀输送管处产生不希望的热损失。这种过热经常导致停工。当应用本发明方法时，在底部不再产生任何火焰，且用于保护风咀所需的丙烷的用量从850N.m³/h减至300N.m³/h而不会对风咀的耐久性产生任何不利的影响。

本发明的方法同样成功地用于试验性熔化还原转炉中。由于在这种容器中按常规按装熔池下风咀，不定向的风咀保护气体，还有天然气在镁-铬砖上留下不正常的损坏痕遗迹，这是由于碳沉积在容器衬上造成的。这种效应是由于含在镁铬砖中氧化铁的还原。用本发明方法的可有效地减少用于风咀保护所需的天然气的量，特别是可消除在镁铬砖炉衬上的损坏痕迹。

对本申请方法的应用范围内的任何发展及改进，如填料的布置，均为本发明的保护范围之内。按本发明方法，不限于密封金属和耐火材料间的接缝，该法也可用于密封耐火材料中的陶瓷管。

Claims (12)

1.一种用于密封冶金反应转炉中输送介质的风咀和输送管的方法，其中诸输送***设置于容器耐火衬中，借此，在装配所述输送***过程中，将可弹性或塑性变形材料的密封物置入所述风咀或输送管与所述周围耐火材料之间的间隙中，以避免介质回流，其特征在于在由气动、液压和/或机械装置施加的可调压力的作用下来持续地保持所述密封。

2.如权利要求1的方法，其特征在于由围绕所述风咀管的气动或液压驱动的管状活塞对所述密封件施加予压力。

3.如权利要求1的方法，其特征在于由已被予压的扁平螺旋弹簧对所述密封件施加压力。

4.如权利要求1至3中之一所述方法，其特征在于所述的压力保持恒定地作用于该密封件上。

5.如权利要求1至3中之一所述方法，其特征在于所述的施加于该密封件上的压力随时间来调节其增大或减小。

6.如权利要求1至3中之一所述方法，其特征在于所述的施加于该密封件的压力可均匀地调节或在一最大与最小值之间交替地调节。

7.如权利要求1至3中之一所述方法，其特征在于所述的施加于该密封件的压力在5Kg/cm²与500Kg/cm²之间，最好在10Kg/cm²至50Kg/cm²之间调节。

8.如权利要求1至3中之一所述方法，其特征在于所述密封件设置于所述衬层的外侧即冷侧的区域中，至多到达所述风咀内管穿入该衬的深度之半。

9.一种用于密封在冶金反应容器中输送介质风嘴和输送管的装置，其中诸输送***安装在容器的耐火衬中，借此，在装配所述输送***的过程中，将可弹性或塑性变形材料的密封件置入所述风嘴或输送管与所述周围耐火材料之间的间隙中，以避免介质回流，其特征在于设有气动、液压和/或机械装置，以将所述诸密封件恒定地保持于一可调压力之下。

10.如权利要求9所述装置，其特征在于所述装置具有气动或液压驱动的围绕所述风嘴内管的管状活塞。

11.如权利要求9所述装置，其特征在于所述装置包括一扁平螺旋弹簧。

12.如权利要求9至11任一项所述装置，其特征在于所述密封件设置于所述衬层的外侧即冷侧的区域中，至多到达所述风嘴内管穿入衬层的深度之半。

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