本發明涉及一種爐膛底部供熱的旋轉射流氧槍及其應用方法，屬于冶金工業生產技術領域。

背景技術：

在冶金生產過程中，冶金爐窯是主要的冶金反應發生裝置，而氧槍是關鍵的工藝設備之一，它完成向爐內吹送氧氣的工作，在爐膛底部將氧氣噴向液態金屬，以實現金屬熔池的冶煉反應。氧槍在爐內高溫下工作，采用循環水進行冷卻保護氧槍槍體過熱。其中氧槍的最重要部分是槍口噴頭，噴頭的結構直接決定了氧氣射流的氣體動力學特性。因此，對噴頭的基本要求是形成射流的動力學參數應符合工藝要求的規定，并且在長期使用時能保持射流的特性不變。

拉瓦爾型噴管可以有效地把氧氣的壓力能轉變為動能。并且可以得到穩定的加速射流。在要求射流有相同的深入熔池深度時，外加動力需求較小，因而大大改善了熔池內的動力學條件，較小的氣體噴吹速度對槍體沖擊較小，因此提高了氧槍壽命。

冶金熔煉過程的熱平衡主要靠氧槍噴射出的氧氣與精礦發生化學反應所放出的熱量來維持，而氧槍射流對熔池的沖擊行為對爐內的自熱反應有著重要的影響。通過對頂吹熔煉爐爐內氧氣射流的速度分布規律的研究，掌握爐內氧氣射流特性，據此開發出一種爐膛底部供熱的旋轉振蕩射流氧槍。通過旋射流計算流體力學模型確定適宜的網格傾角，使得分割出的旋轉射流攪拌能力提高，熔池內的攪拌直徑增加，達到充分攪動熔池的目的。該成果是使得熔煉系統整體壽命提高了1.3倍，產能提高了約4倍，能耗降低了約60%。

技術實現要素：

針對上述現有技術存在的問題及不足，本發明提供一種爐膛底部供熱的旋轉射流氧槍及其應用方法。該爐膛底部供熱的是在該氧槍槍口加裝欄柵網格層，使得分割出的旋轉射流流動跡線更為分散，流速達到充分攪動熔池的目的；本方法在充分利用氧氣與礦料中的硫化物進行化學反應放出熱量，同時氣體射流形成氣泡帶動熔體向上運動的同時，提供一種橫向的左右搖擺動力。該噴吹方式在不增加射流原始動量的前提下，能夠更為充分地攪動熔池，同時改變單一的熔體運動方式，降低熔體向上的動能，避免高溫熔體濺射對爐壁及煙道口的沖刷腐蝕。通過破壞熔池溶液內部形成的流場能有效提高反應效率、降低煙塵發生率，有效防止煙道堵塞。滿足現代生產高產能、低能耗、低污染、控制成本的冶煉要求，本發明通過以下技術方案實現。

冶金熔煉過程的熱平衡主要靠氧槍噴射出的氧氣與精礦發生化學反應所放出的熱量來維持，而氧槍射流對熔池的沖擊行為對爐內的自熱反應有著重要的影響。通過對頂吹熔煉爐爐內氧氣射流的速度分布規律的研究，掌握爐內氧氣射流特性，據此開發出一種爐膛底部供熱的旋轉振蕩射流氧槍。通過旋射流計算流體力學模型確定適宜的網格傾角，使得分割出的旋轉射流攪拌能力提高，熔池內的攪拌直徑增加，達到充分攪動熔池的目的。該成果是使得熔煉系統整體壽命提高了1.3倍，產能提高了約4倍，能耗降低了約60%。

一種爐膛底部供熱的旋轉射流氧槍，包括氧槍槍體1、氣體通道3、水冷通道4和氧槍槍口5，所述氧槍槍體1內部中心為氣體通道3，氣體通道3采用拉瓦爾噴管，氧槍槍體1內部還設有圍繞著氣體通道3的若干水冷通道4，氧槍槍口5位于氣體通道3頂部且與氣體通道3相通，還包括欄柵網格層，欄柵網格層安裝到氧槍槍體1的氧槍槍口5上，欄柵網格層包括中間位置與氧槍槍口5相通的氧噴口、均勻設置在氧噴口周圍的三角形氣體出口、圓邊上設有與氧槍槍體1水冷通道4相通的水冷通道出口以及空余位置處設有的傾斜網格形成的槍口欄柵2。

所述槍口欄柵2傾斜角度為5~10°。

一種所述的爐膛底部供熱的旋轉射流氧槍的應用方法：

將旋轉射流氧槍排列安置于爐膛底部攪拌區，氧槍中軸線與底吹爐6垂直線存在夾角a，a的變化范圍為0~20°，并控制熔池液面低于爐體水平線的位置；將物料從加料口加入熔煉爐內，并將氧氣經加壓設備鼓入氣體通道3，并在該通道獲得加速后在槍口欄柵2打散，形成多股旋轉射流，再鼓入熔池內部進行攪拌。氧氣既起到攪拌作用，同時與礦料顆粒發生氧化反應放出大量的熱量，維持冶煉所需。為了保證射流的攪拌強度不至于過大引起液面噴濺損害爐體，因此在噴吹的過程中將氧槍與爐體垂直線形成一定的角度a，延長射流在熔池的流動距離，減緩氣泡上升的沖擊力，有效抑制液面噴濺的發生。底吹氣體射流攪拌熔池很容易形成穩定的流場，長時間的穩定攪拌對于冶煉來說效率變差。而利用多股射流相互影響產生搖擺振蕩效果，不斷破壞攪動射流中心兩側溶液形成穩定流場，促進粒子間的相互碰撞，使得氧氣與礦料充分接觸反應，同時釋放大量熱量供給熔池。通過良好的動力學條件將礦料中的化學能有效的轉化為熱能滿足熔煉過程所需的熱量。整個熔煉過程的熱平衡主要靠氧槍噴射出的氧氣與精礦發生化學反應所放出的熱量以及旋轉氧氣射流與可燃氣體燃燒放出的熱量來維持，因此在冶煉的過程中不需要外加燃料，能夠降低生產成本，增加爐體連續作業時間以及爐體關鍵部位的壽命。

上述氧氣含氧量為95～99wt%。

本發明的有益效果是：

一、氧利用率高，煙塵發生率低，煙氣含硫量高，煙氣中殘氧含量由6%降至3%以下，煙塵率由1.5%降至0.7%以下，煙氣中SO₂含量平均提高了5%以上，SO₂的瞬時濃度可達7000~10000mg/Nm³；

二、氣體射流攪動直徑相較于氧槍直徑為30~40倍，熔池整體攪拌更為均勻，化學反應進行的徹底，因此通過反應產生的熱量高，無需外加燃料提供能量；

三、爐體損耗率降低，通過合理的噴吹機制，有效的降低氣體射流及熔池對爐襯的沖擊，保護氧槍、煙道口及爐壁等關鍵部位，使爐體壽命提升20%。

四、產品的全流程貴金屬回收率由93.18%提升至97.50%。

附圖說明

圖1是本發明欄柵網格層結構示意圖；

圖2是本發明氧槍結構示意圖；

圖3是本發明氧槍安裝結構示意圖。

圖中：1-氧槍槍體，2-槍口欄柵，3-氣體通道， 4-水冷通道，5-氧槍槍口，6-底吹爐，7-氧槍傾角。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，對本發明作進一步說明。

實施例1

如圖1和2所示，一種爐膛底部供熱的旋轉射流氧槍，包括氧槍槍體1、氣體通道3、水冷通道4和氧槍槍口5，所述氧槍槍體1內部中心為氣體通道3，氣體通道3采用拉瓦爾噴管，氧槍槍體1內部還設有圍繞著氣體通道3的若干水冷通道4，氧槍槍口5位于氣體通道3頂部且與氣體通道3相通，還包括欄柵網格層，欄柵網格層安裝到氧槍槍體1的氧槍槍口5上，欄柵網格層包括中間位置與氧槍槍口5相通的氧噴口、均勻設置在氧噴口周圍的三角形氣體出口、圓邊上設有與氧槍槍體1水冷通道4相通的水冷通道出口以及空余位置處設有的傾斜網格形成的槍口欄柵2。

其中槍口欄柵2傾斜角度為5°。

如圖3所示，該所述的爐膛底部供熱的旋轉射流氧槍的應用方法：

將旋轉射流氧槍排列安置于爐膛底部攪拌區，氧槍中軸線與底吹爐6垂直線存在夾角a，a的變化范圍為0°，并控制熔池液面低于爐體水平線的位置；將物料（礦料為銅精礦，包括以下質量百分比組分：Cu65%、Fe4.5%、S22%、Ni1%等）從加料口加入熔煉爐內，并將氧氣經加壓設備鼓入氣體通道3，并在該通道獲得加速后在槍口欄柵2打散，形成多股旋轉射流，再鼓入熔池內部進行攪拌。氧氣既起到攪拌作用，同時與礦料顆粒發生氧化反應放出大量的熱量，維持冶煉所需。為了保證射流的攪拌強度不至于過大引起液面噴濺損害爐體，因此在噴吹的過程中將氧槍與爐體垂直線形成一定的角度a，延長射流在熔池的流動距離，減緩氣泡上升的沖擊力，有效抑制液面噴濺的發生。底吹氣體射流攪拌熔池很容易形成穩定的流場，長時間的穩定攪拌對于冶煉來說效率變差。而利用多股射流相互影響產生搖擺振蕩效果，不斷破壞攪動射流中心兩側溶液形成穩定流場，促進粒子間的相互碰撞，使得氧氣與礦料充分接觸反應，同時釋放大量熱量供給熔池。通過良好的動力學條件將礦料中的化學能有效的轉化為熱能滿足熔煉過程所需的熱量。整個熔煉過程的熱平衡主要靠氧槍噴射出的氧氣與精礦發生化學反應所放出的熱量以及旋轉氧氣射流與可燃氣體燃燒放出的熱量來維持，因此在冶煉的過程中不需要外加燃料，能夠降低生產成本，增加爐體連續作業時間以及爐體關鍵部位的壽命。在高氧化區附近溫度能夠保持在2100～2300k左右，在整個熔煉過程中固體爐壁面處的溫度能夠恒定在1600～1700k。

本實施例中煙氣中殘氧含量由6%降至3%以下，煙塵率由1.5%降至0.7%以下，渣含銅由3.2%降至2.4%以下，含金由0.67g/t降至0.27g/t以下，含銀114g/t降至62g/t以下，煙氣中SO₂含量平均提高了5%以上，SO₂的瞬時濃度可達7000~10000mg/Nm³。渣含銅由0.767%降至0.572%以下，渣含銀由7.5g/t降至2.7g/t以下。本發明制備得到的熔體經現有流程的方法制備得到后續產品金回收率由93.18%提升至97.30%，銀回收率由94.04%提升至96.30%。

實施例2

如圖1和2所示，一種爐膛底部供熱的旋轉射流氧槍，包括氧槍槍體1、氣體通道3、水冷通道4和氧槍槍口5，所述氧槍槍體1內部中心為氣體通道3，氣體通道3采用拉瓦爾噴管，氧槍槍體1內部還設有圍繞著氣體通道3的若干水冷通道4，氧槍槍口5位于氣體通道3頂部且與氣體通道3相通，還包括欄柵網格層，欄柵網格層安裝到氧槍槍體1的氧槍槍口5上，欄柵網格層包括中間位置與氧槍槍口5相通的氧噴口、均勻設置在氧噴口周圍的三角形氣體出口、圓邊上設有與氧槍槍體1水冷通道4相通的水冷通道出口以及空余位置處設有的傾斜網格形成的槍口欄柵2。

其中槍口欄柵2傾斜角度為10°。

如圖3所示，該所述的爐膛底部供熱的旋轉射流氧槍的應用方法：

將旋轉射流氧槍排列安置于爐膛底部攪拌區，氧槍中軸線與底吹爐6垂直線存在夾角a，a的變化范圍為10°，并控制熔池液面低于爐體水平線的位置；將物料（礦料為銅精礦，包括以下質量百分比組分：Cu65%、Fe4.5%、S22%、Ni1%等）從加料口加入熔煉爐內，并將氧氣經加壓設備鼓入氣體通道3，并在該通道獲得加速后在槍口欄柵2打散，形成多股旋轉射流，再鼓入熔池內部進行攪拌。氧氣既起到攪拌作用，同時與礦料顆粒發生氧化反應放出大量的熱量，維持冶煉所需。為了保證射流的攪拌強度不至于過大引起液面噴濺損害爐體，因此在噴吹的過程中將氧槍與爐體垂直線形成一定的角度a，延長射流在熔池的流動距離，減緩氣泡上升的沖擊力，有效抑制液面噴濺的發生。底吹氣體射流攪拌熔池很容易形成穩定的流場，長時間的穩定攪拌對于冶煉來說效率變差。而利用多股射流相互影響產生搖擺振蕩效果，不斷破壞攪動射流中心兩側溶液形成穩定流場，促進粒子間的相互碰撞，使得氧氣與礦料充分接觸反應，同時釋放大量熱量供給熔池。通過良好的動力學條件將礦料中的化學能有效的轉化為熱能滿足熔煉過程所需的熱量。整個熔煉過程的熱平衡主要靠氧槍噴射出的氧氣與精礦發生化學反應所放出的熱量以及旋轉氧氣射流與可燃氣體燃燒放出的熱量來維持，因此在冶煉的過程中不需要外加燃料，能夠降低生產成本，增加爐體連續作業時間以及爐體關鍵部位的壽命。

該種方式能夠有效抑制噴濺的幅度，使得熔池液面波動幅度不大，因此對于底吹爐6的上方爐壁、煙道和氧槍起到保護的作用。利用該種方式可以使底吹爐連續作業時間提高20%，底吹爐6整體壽命時間增加10%。

實施例3

如圖1和2所示，一種爐膛底部供熱的旋轉射流氧槍，包括氧槍槍體1、氣體通道3、水冷通道4和氧槍槍口5，所述氧槍槍體1內部中心為氣體通道3，氣體通道3采用拉瓦爾噴管，氧槍槍體1內部還設有圍繞著氣體通道3的若干水冷通道4，氧槍槍口5位于氣體通道3頂部且與氣體通道3相通，還包括欄柵網格層，欄柵網格層安裝到氧槍槍體1的氧槍槍口5上，欄柵網格層包括中間位置與氧槍槍口5相通的氧噴口、均勻設置在氧噴口周圍的三角形氣體出口、圓邊上設有與氧槍槍體1水冷通道4相通的水冷通道出口以及空余位置處設有的傾斜網格形成的槍口欄柵2。

其中槍口欄柵2傾斜角度為8°。

如圖3所示，該所述的爐膛底部供熱的旋轉射流氧槍的應用方法：

將旋轉射流氧槍排列安置于爐膛底部攪拌區，氧槍中軸線與底吹爐6垂直線存在夾角a，a的變化范圍為15°，并控制熔池液面低于爐體水平線的位置；將物料（礦料為銅精礦，包括以下質量百分比組分：Cu65%、Fe4.5%、S22%、Ni1%等）從加料口加入熔煉爐內，并將氧氣經加壓設備鼓入氣體通道3，并在該通道獲得加速后在槍口欄柵2打散，形成多股旋轉射流，再鼓入熔池內部進行攪拌。氧氣既起到攪拌作用，同時與礦料顆粒發生氧化反應放出大量的熱量，維持冶煉所需。為了保證射流的攪拌強度不至于過大引起液面噴濺損害爐體，因此在噴吹的過程中將氧槍與爐體垂直線形成一定的角度a，延長射流在熔池的流動距離，減緩氣泡上升的沖擊力，有效抑制液面噴濺的發生。底吹氣體射流攪拌熔池很容易形成穩定的流場，長時間的穩定攪拌對于冶煉來說效率變差。而利用多股射流相互影響產生搖擺振蕩效果，不斷破壞攪動射流中心兩側溶液形成穩定流場，促進粒子間的相互碰撞，使得氧氣與礦料充分接觸反應，同時釋放大量熱量供給熔池。通過良好的動力學條件將礦料中的化學能有效的轉化為熱能滿足熔煉過程所需的熱量。整個熔煉過程的熱平衡主要靠氧槍噴射出的氧氣與精礦發生化學反應所放出的熱量以及旋轉氧氣射流與可燃氣體燃燒放出的熱量來維持，因此在冶煉的過程中不需要外加燃料，能夠降低生產成本，增加爐體連續作業時間以及爐體關鍵部位的壽命。

以上結合附圖對本發明的具體實施方式作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。