一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴及其應用的製作方法

2023-05-11 17:02:51 1

一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴及其應用的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴，是工業爐、窯的耐火內襯處於高溫狀態下，對其進行火焰噴補時，而使用的火焰噴補裝置的設備部件。由內套管、外套管、內噴管座、紫銅內噴嘴、螺母、調節擋板、剛玉袖磚、外卡套、螺栓、嵌入式內套、螺旋片、支撐座組成。氧氣和攜有被流化固體微顆粒狀噴補料的燃氣，由外部分別輸送至噴嘴。噴出之前，噴嘴使氧氣與燃氣在不燃燒的情況下，進行快速、充分的預混合，噴出時即刻呈高速旋轉式火焰，燃燒迅速、穩定性好、溫度高、能形成快速散開式短火焰。耐火噴補料在噴嘴出口處，同樣呈強旋轉式螺旋狀噴出，散開面積大，符合火焰噴補工藝的要求。
【專利說明】一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴及其應用

【技術領域】
[0001]本發明涉及工業爐、窯耐火內襯處於高溫狀態下，對其進行火焰噴補時，而使用的火焰噴補裝置的重要設備部件，以及應用過程中調試方法。

【背景技術】
[0002]工業爐、窯在生產過程中，其耐火內襯壁受到爐膛內的高溫侵蝕，厚度會逐漸減薄，或局部出現嚴重損壞無法繼續使用，當接近到不能維持安全生產的程度，此時必須停止一段時期生產，以拆除不能使用的舊耐火內襯，重新砌築新的耐火內襯，滿足下一階段安全生產要求。目前不論砌築的工業爐耐火內襯所使用的耐火材料品質優劣程度如何，在生產過程中，被有效消耗僅佔小部分，而其餘大部分被拆除後，作為再利用率極低的次生耐火材料清理掉，造成資源浪費。噴補是提高內襯耐火材料利用率重要途徑，實際上在常溫狀態下的耐火內襯壁廣泛採用的幹法、半乾法、溼法的噴補方式非常有效，但不能應用到處於高溫狀態下的耐火內襯壁的噴補，因為這些噴補方式都無法使噴補料粘附到高溫狀態下的耐火內襯壁上。在生產間隙期間，各種不同工業爐耐火內襯溫度有高、低差異，一般在800?1300°C之間，在此溫度範圍，絕大部分耐火材料處於固體狀態。噴補料接觸到此時的高溫耐火內襯壁是剛性碰撞，將會反彈墜落，粘附著率極低，同時無法使噴補料與耐火內襯壁燒結為一體，不能達到維護爐襯的效果。必須使需要噴補的耐火內襯壁局部繼續加熱升溫到1500?1900°C之間，處於高溫熔融狀態，此時對噴補到其表面上的噴補料有極強吸附能力，噴補料對耐火內襯粘附著率極高，並且很快形成陶瓷燒結而成為一體，維護或修補工業爐耐火內襯效果極佳。
[0003]工業爐耐火內襯火焰噴補裝置，能夠較好的滿足處於高溫狀態下的耐火內襯壁的噴補。火焰噴補裝置自身可以產生近3000°C高溫火焰，將需要噴補的內襯壁噴補處的局部，繼續加熱到高溫熔融狀態，同時向噴補處的內襯壁表面連續不斷噴補耐火噴補料。當噴補料接觸到高溫熔融狀態內襯壁時極容易被吸附，並鑲嵌到裡面，而燒結成為一體，使減薄的耐火內襯壁得到恢復加厚，也可以使局部有嚴重損壞的內襯壁得到修復。從而使耐火內襯能夠持續使用，延長其壽命，減少耐火材料使用量。降低工業爐、窯維護、維修成本，提高其生產作業率。火焰噴補裝置是通過其部件火焰噴補的噴嘴，將氧氣與燃氣混合噴出，在空中迅速燃燒產生的高溫火焰，同時被流化的固體粉狀噴補料隨燃氣高速噴出，噴補耐火內襯壁表面。通過操控火焰噴補裝置，可以使噴嘴在局部空間內自由移動或旋轉，在工業爐完全不動的情況下，改變噴補其耐火內襯壁的部位。


【發明內容】

[0004]本發明一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴是火焰噴補裝置的重要部件，其主要特徵:通過雙層鋼套管支撐著噴嘴，並將噴嘴與火焰噴補裝置系統連接成一體。由火焰噴補裝置系統提供的氧氣與攜有被流化固體粉狀噴補料的燃氣，同樣通過雙層鋼套管分別輸送至噴嘴內，氧氣在雙層鋼套管的外層，燃氣在內層。噴嘴使高壓、低速輸送到的氧氣在其內部轉變成常壓、高速、強旋轉形式。高速旋轉的氧氣與燃氣在噴嘴內部匯合成一股，從噴嘴噴出之前，在完全不燃燒情況下，能夠進行快速、充分的預混合。已經進行充分混合的氧氣與燃氣在噴嘴出口處噴出，同樣呈現強旋轉形式，由於所噴補處的耐火內襯壁近距離阻擋，能夠產生燃燒迅速、穩定性好、溫度高、出現反卷狀態、快速散開式短火焰。這種特高溫短火焰有效的減少向周圍空間散熱，同時使噴補處的耐火內襯壁加熱面積增大，而且升溫快，熱效率高。噴補料在噴嘴出口處同樣呈現強旋轉式螺旋狀噴出，得到迅速、均勻的散開，在接觸內襯壁表面不產生堆積，散開面積廣，與火焰噴補工藝要求相吻合。
[0005]噴嘴整體抗高溫能力特強，噴嘴工作時處在工業爐爐膛內的高溫環境中，出口處燃燒的高溫火焰緊鄰著噴嘴，同時火焰遇到所噴補的內襯壁阻止，造成的反卷火焰部分將包圍噴嘴。噴嘴的中、後部位利用其內部高速氣流進行自冷卻，前端採用抗高溫能力特強的剛玉材質製作的耐高溫袖磚，滿足工作要求。噴嘴與火焰噴補裝置的氣控系統配合，使輸送到噴嘴之前的氧氣保持穩定的高壓、低流速狀態，從而使得輸送氧氣的鋼管，滿足需要使用的氧氣流量、保證氧氣在鋼管內輸送處於安全流速前提下，減小其管徑和外形尺寸。在輸送氧氣壓力保持不變的狀態下，噴嘴可以微量改變噴出的氧氣流量，從而使氧氣流量能調整到有利於火焰噴補最佳範圍之內。氧氣與燃氣在噴嘴內部混合氣流的軸向流速，調整到其火焰燃燒速度8?10倍，一方面有效防止在噴嘴內部產生燃燒或回火的危險現象，這種燃燒或回火危害極為嚴重，可以使剛玉質的耐高溫袖磚零件內層，很快加熱到高溫熔融狀態，導致不斷經過此處的耐火噴補料極易粘附其內表面，並且形成堆積堵塞混合氣流噴出的通道。另一方面高速噴出的混合氣流，可以防止噴補料撞擊到需要噴補的耐火內襯壁表面，反彈墜落並粘附在噴嘴出口處，阻塞噴嘴。火焰噴補裝置的運行需要工作人員現場監管，當操作人員離開工作現場，必須停止火焰燃燒及噴補。工作時通過移動、旋轉噴嘴，改變噴補耐火內襯壁的部位，調節噴嘴出口到內襯壁之間的距離，並隨時關注和調整氧氣、燃氣的壓力、流量等，使火焰噴補始終處於最佳狀態。
[0006]火焰噴補噴嘴工作時，噴出的火焰強度高，最大的功率達到3MW左右，使得需要噴補的耐火內襯壁和噴出的噴補料加熱升溫效率高。噴嘴整體可以在< 1200°C工業爐高溫爐膛環境中長時間正常工作，噴嘴和雙層鋼套管主要依賴其內部高速流動的氣流進行冷卻，抵禦外部高溫對設備零部件損壞。在火焰噴補系統停止工作，內部沒有氣流通過時，必須將噴嘴儘快移出高溫爐膛，放置在常溫狀態下的空間中。在工作過程中，可能因設備故障或人為操作失誤，使得噴嘴出口到耐火內襯壁距離太近或靠在一起，導致氧氣與燃氣混合後噴出受阻，而產生回火時，噴嘴部件耐高溫剛玉袖磚由於內壓增高，中間薄弱部位瞬間出現脆性斷裂，其端部自動脫落，保證混合氣體噴出暢通，杜絕重大設備事故的產生，即噴嘴具有很強的自動安全保護功能。噴嘴工作環境惡劣，外部緊鄰特高溫火焰，內部有高速氧氣流和高速流動的顆粒狀耐火噴補料，對輸送管道內、外壁的強烈衝擊、磨損和侵蝕，會產生一些易損部件，如剛玉質的耐高溫袖磚、紫銅質的內噴嘴。為了使噴嘴整體與其它火焰噴補裝置的部件使用壽命同步，必須經常更換噴嘴的易損部件。本噴嘴拆、裝方便，滿足快速更換易損部件的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是本發明的工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴主視剖面示意圖；
[0008]圖2是本發明的工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴B向視圖；
[0009]圖3是本發明的氧氣流旋轉原理A-A剖視圖。
[0010]圖中:
[0011]1、內套管2、外套管3、內噴管座4、紫銅內噴嘴5、螺母
[0012]6、調節擋板7、剛玉袖磚8、外卡套9、螺栓10、嵌入式內套
[0013]11、螺旋片12、支撐座。

【具體實施方式】
[0014]結合附圖和實施例對本發明進一步說明:
[0015]如圖1、3所示，工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴通過內套管I和外套管2組成的雙層套管，與火焰噴補裝置主體相連，並支撐噴嘴。由火焰噴補裝置主體提供的氧氣和攜有被流化固體小顆粒狀耐火噴補料的燃氣，分別通過雙層套管的內、外層輸送至噴嘴，燃氣在內層，氧氣在外層。攜有被流化固體小顆粒狀耐火噴補料的燃氣由內套管I內層，通過內噴管座3再經過紫銅內噴嘴4噴出，進入剛玉袖磚7內孔通道的混合區。具有恆定壓力的氧氣由內套管I和內噴管座3連接的外層與外套管2內層組成的通道，進入由紫銅內噴嘴4、嵌入式內套10和螺旋片11組成的多個並列狹窄螺旋型風道。因多個並列狹窄螺旋型風道產生的背壓，在螺旋片11兩側的氧氣從高壓轉變為近於常壓的低壓狀態。即氧氣由高壓、軸向低速輸送，轉為低壓、高速旋轉螺旋狀噴出，同樣進入剛玉袖磚7內孔通道的混合區。在混合區內高速旋轉的氧氣流與燃氣進行充分的預混合，同時也使得混合氣流和固體小顆粒狀耐火噴補料，從剛玉袖磚7內呈高速旋轉螺旋狀噴出。通過改變調節擋板6內孔徑的大小，在保持輸送氧氣壓力基本恆定不變，從而改變噴出的氧氣流量多少。使得在剛玉袖磚7內通道的混合區的混合氣流軸向流速，控制在其火焰燃燒速度的8?10倍。剛玉袖磚7內孔通道的混合區軸向距離是其內孔徑的4?6倍，以保證氧氣與燃氣在不產生燃燒情況下，基本混合均勻。混合後的氣流以及耐火噴補料從剛玉袖磚7內噴出，即刻呈現螺旋式散開。由於所噴補處的耐火內襯壁近距離阻擋，能夠產生燃燒迅速、穩定性好、溫度高、出現反卷狀態、快速散開式短火焰，加熱噴補區耐火內襯壁熱效率高。耐火噴補料同樣呈現強螺旋散開式,從剛玉袖磚7內噴出，噴到耐火內襯壁表面的散開面積大，符合工業爐、窯耐火內襯火焰噴補工藝的要求。
[0016]如圖1、2、3所示，支撐座12與外套管2剛性連接，內噴管座3與內套管I剛性連接。噴嘴工作時產生的作用力消除、移動噴嘴以及旋轉噴嘴，都是通過內套管I和外套管2組成的雙層套管，由火焰噴補裝置的其它設備協作完成。嵌入式內套10以緊配合的形式鑲嵌在支撐座12的內孔裡。調節擋板6被支撐座12和剛玉袖磚7夾緊定位。剛玉袖磚7的外錐面被外卡套8的內錐孔卡住，而外卡套8通過螺栓9和螺母5與支撐座12連為一體。拆、裝螺栓9、螺母5使得噴嘴整體解體或組裝，方便更換其中的易損件和調整件，如紫銅內噴嘴4、螺旋片11、剛玉袖磚7、調節擋板6零、部件。螺旋片11的內側與紫銅內噴嘴4的外表面連接，螺旋片11的外側與嵌入式內套10的內孔，成可脫離式無間隙配合。由於火焰噴補式噴嘴工作時，螺旋片11的兩端氧氣壓力差較大，螺旋風道內的氧氣流速非常高。在接觸到高流速氧氣部件，如嵌入式內套10、紫銅內噴嘴4、螺旋片11、調節擋板6都採用抗氧性能最佳的金屬材質紫銅製作。紫銅內噴嘴4外表面有高速氧氣流衝擊和侵蝕，內部有高速流動的顆粒狀耐火噴補料，對內壁高強度磨損，使用周期比其它零、部件短，屬於易損件需要經常更換。紫銅內噴嘴4與鋼質的內噴管座3是螺紋聯接，方便其經常性拆、裝更換。由於噴嘴整體處在< 1200°C高溫環境空間中工作，其紫銅質零、部件抗高溫能力差，沒有直接與高溫環境接觸。高溫輻射紫銅質零、部件損壞能力有限，同時內部常溫狀態的高速氣流，對其進行有效的冷卻，抵禦高溫對零、部件的損壞。對於高速氣流冷卻惠及不到或效果不佳，直接與高溫環境空間接觸且受到高溫輻射的零、部件，採用抗高溫性能好的耐熱不鏽鋼材質製作，如外卡套8、螺栓9、螺母5、支撐座12。噴嘴整體可以在彡1200°C高溫環境空間中長期工作，火焰噴補系統停止工作，內部沒有氣流通過時，即對所有的零、部件沒有冷卻能力，必須將噴嘴儘快移出高溫爐膛，放置在常溫狀態下的空間中。剛玉袖磚7緊鄰燃燒的高溫火焰，也是遭耐火內襯壁阻擋而產生反卷火焰高溫侵蝕最嚴重部件，內孔有高速旋轉的氧氣流和被流化固體小顆粒狀耐火噴補料對其內壁衝擊、磨損，採用剛玉耐火材料材質製作，同時具有抗高溫、抗氧化、耐磨損性能較好的非金屬材料。利用剛玉材質強度低、脆性大的特點，在剛玉袖磚7中間處留有薄弱部位。當噴嘴出口到耐火內襯壁距離太近或靠在一起，導致氧氣與燃氣混合後噴出受阻，而產生回火時，由於剛玉袖磚7內部壓力增高，中間薄弱部位瞬間出現脆性斷裂，其端部自動脫落，保證混合氣體噴出暢通，有效保護火焰噴補裝置其它零、部件，杜絕重大設備事故的產生，即噴嘴具有很強的自動安全保護功能。
【權利要求】
1.一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴，其特徵在於它包括內套管(I)、外套管(2)、內噴管座(3)、紫銅內噴嘴(4)、螺母(5)、調節擋板￠)、剛玉袖磚(7)、外卡套(8)、螺栓(9)、嵌入式內套(10)、螺旋片(11)、支撐座(12)； 所述內套管(I)和外套管(2)組成的雙層套管，與火焰噴補裝置主體相連，並支撐噴嘴；攜有被流化固體小顆粒狀耐火噴補料的燃氣由內套管(I)內層，通過內噴管座(3)再經過紫銅內噴嘴(4)噴出，進入剛玉袖磚(7)內孔通道的混合區；氧氣由內套管(I)和內噴管座(3)連接的外層與外套管(2)內層組成的通道，進入由紫銅內噴嘴(4)、調節擋板(6)、嵌入式內套(10)和螺旋片(11)組成的多個並列狹窄螺旋型風道，高速旋轉螺旋狀噴出，同樣進入剛玉袖磚(7)內孔通道的混合區；高速旋轉的氧氣流與燃氣進行充分的預混合，從剛玉袖磚(7)內呈高速旋轉螺旋狀噴出；嵌入式內套(10)以緊配合的形式鑲嵌在支撐座(12)的內孔裡；調節擋板(6)被支撐座(12)和剛玉袖磚(7)夾緊定位；剛玉袖磚(7)的外錐面被外卡套(8)的內錐孔卡住，而外卡套(8)通過螺栓(9)和螺母(5)與支撐座(12)連為一體。
2.根據權利要求1所述的一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴，其特徵是:所述嵌入式內套(10)、紫銅內噴嘴(4)、螺旋片(11)、調節擋板(6)部件，組成的多個並列狹窄螺旋型風道，氧氣在風道內流速極高，都採用抗氧性能極佳的金屬材質紫銅製作。
3.根據權利要求1所述的一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴，其特徵是:所述剛玉袖磚(7)採用剛玉耐火材料材質製作，同時具有抗高溫、抗氧化、耐磨損性能較好的非金屬材料；利用剛玉材質強度低、脆性大的特點，在剛玉袖磚(7)中間處留有薄弱部位；當噴嘴出口到耐火內襯壁距離太近或靠在一起，導致氧氣與燃氣混合後噴出受阻，而產生回火時，剛玉袖磚(7)內部壓力增高，中間薄弱部位瞬間出現脆性斷裂，其端部自動脫落，保證混合氣體噴出暢通；即噴嘴具有很強的自動安全保護功能。
4.根據權利要求1所述的一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴,其特徵是:所述噴嘴整體在局部空間內自由移動或旋轉，在工業爐完全不動的情況下，改變噴補其耐火內襯壁的部位。
5.根據權利要求1、2所述的一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴，其特徵是:所述由紫銅內噴嘴(4)、調節擋板(6)、嵌入式內套(10)和螺旋片(11)，組成的多個並列狹窄螺旋型風道產生背壓，使輸送到噴嘴之前的氧氣保持穩定的高壓、低流速狀態，通過改變調節擋板(6)內孔徑的大小，在保持輸送氧氣壓力基本恆定不變，從而改變噴出的氧氣流量多少。
6.根據權利要求1、2、5所述的一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴，其特徵是:所述紫銅內噴嘴(4)與鋼質內噴管座(3)是螺紋聯接，方便紫銅內噴嘴(4)經常性拆、裝更換。
7.根據權利要求1、2、5所述的一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴，其特徵是:所述噴補料在噴嘴出口處呈現強旋轉式螺旋狀噴出，得到迅速、均勻的散開，在接觸工業爐耐火內襯壁表面不產生堆積，散開面積廣，與火焰噴補工藝要求相吻合。
8.根據權利要求1、4所述的一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴，其特徵是:所述在沒有設置專用冷卻系統情況下，噴嘴整體可以反覆多次在< 1200°C工業爐高溫爐膛環境中長時間正常工作，噴嘴和雙層鋼套管主要依賴其內部輸送高速流動的氣流進行冷卻，抵禦外部高溫對設備零部件損壞；在火焰噴補系統停止工作，內部沒有氣流通過時，噴嘴可以移出高溫爐膛，放置在常溫狀態下的空間中。
9.根據權利要求1、2、5所述的一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴，其特徵是:所述氧氣與燃氣混合後的氣流從剛玉袖磚(7)內噴出，即刻呈現螺旋式散開；由於所噴補處的耐火內襯壁近距離阻擋，能夠產生燃燒迅速、穩定性好、溫度高、出現反卷狀態、快速散開式短火焰，加熱噴補區耐火內襯壁熱效率高。
10.一種工業爐耐火內襯火焰噴補噴嘴調整氧氣與燃氣預混合時在混合通道軸向流速方法，其特徵是:氧氣與燃氣在噴嘴內部混合氣流的軸向流速，調整到其火焰燃燒速度8?10倍，一方面有效防止在噴嘴內部產生燃燒或回火的危險現象，另一方面高速噴出的混合氣流，可以防止噴補料撞擊到需要噴補的耐火內襯壁表面，反彈墜落並粘附在噴嘴出口處，阻塞噴嘴。
【文檔編號】F23D14/70GK104421937SQ201310394959
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月30日 優先權日:2013年8月30日
【發明者】王世松 申請人:王世松