【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及冶金设备，尤其涉及一种熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪及其设计和控制方法。
技术介绍
1、冶金是研究和应用金属和合金的物理和化学性质以及相关工艺的科学和
涉及到从矿石中提取金属、合金的制备、加工和应用等方面。通过喷枪向熔池中注入颗粒物料或气体的工艺在冶金中被广泛应用，其中常见的几种工艺包括：喷粉冶金：通过将金属粉末或合金粉末喷射到熔池中，利用高温熔融和凝固过程进行金属零件的制备。这种工艺可用于制造高强度、高精度的金属零件。喷射熔化：利用喷枪将金属或合金材料以熔融状态喷射到基底材料上，在冷却过程中形成涂层。这种工艺常用于涂层保护、表面改性和修复等应用，可以提供优良的耐磨、耐腐蚀和热阻隔性能。喷吹炼钢：通过喷枪向熔池中注入氧气或其他气体，利用气体的氧化作用来改变熔池内金属的成分和质量。这种工艺常用于冶炼过程中的脱氧、脱硫、合金化等操作。喷吹鼓泡：通过喷枪向熔池中注入气体，产生气泡搅拌熔池中的金属，以促进熔池的混合和反应。这种工艺常用于熔炼和精炼过程中的杂质移除和合金均化。通过喷枪向熔池中注入颗粒物料或气体是冶金中的常见工艺，例如浸没顶吹炼锡、侧吹炼铜等。当喷枪浸没在熔体中时，喷枪会受到熔体的机械冲刷、化学腐蚀和高温应力破坏。这导致喷枪使用寿命短、更换频繁，这不仅增加了冶炼成本，还降低了有效作业时间，不利于企业的降本增效。因此，如何有效保护喷枪，延长喷枪使用寿命，一直是冶炼行业面临的难题。此外，对于浸没顶吹熔炼，还存在轴向动量冲击过大，搅拌区域小和熔体飞溅严重的问题。因此，现有技术还有待改进。
2、现有
3、现有技术二，申请号：cn 202310199495.4公开了一种富氧熔池化料炉及热耗型物料熔炼方法，用于红土矿、赤泥、含铁废渣等热耗型物料的熔炼。富氧熔池化料炉包括炉体，炉体内具有炉膛，炉膛的底部为熔池区，炉体上安装设置有用于喷吹物料、燃料和富氧空气的喷枪，喷枪的喷吹口朝向熔池区，且喷枪能够升降移动；炉体外还设置有虹吸排渣装置，虹吸排渣装置与熔池区连通以利用虹吸作用将产生的熔渣排出。虽然富氧熔池化料炉的化料效率高，避免熔池冷热不均的问题；喷枪供风量大、布置方式灵活多变；在不堵、不粘结的情况下实现炉渣的溢流连续排放，维持炉内液面的稳定。但是浸没顶吹熔炼，存在轴向动量冲击过大，搅拌区域小的问题。
4、现有技术三，申请号：cn 202410277852.9公开了一种顶吹熔池精炼的冶金炉，包括炉体以及顶吹喷枪系统，顶吹喷枪系统包括顶吹氧化还原喷枪、顶吹燃烧枪以及喷枪控制装置，顶吹氧化还原喷枪位于炉体的上方，并在顶吹氧化还原喷枪的前侧设置顶吹燃烧枪。虽然利用辅料加入口可连续的加入造渣剂，使得冶金炉溶体中的杂质，能够不断的被氧化造渣；喷枪下方炉池底耐火材料砌筑呈反拱结构，可以使得氧化还原喷枪喷入的压缩气体使熔体形成搅动，加料口下部砌筑呈凸出结构，缓冲加入固态物料的冲击，减少液体的飞溅，出渣口下部砌筑呈凸起结构，炉渣随顶吹喷枪喷入气体形成的熔体涌动自动从出渣口排出。但是熔体飞溅严重，无法有效提升浸没顶吹熔炼的效率。
5、目前现有技术一、现有技术二及现有技术三存在喷枪寿命短、顶吹喷溅严重和搅拌半径小的问题。因而，本专利技术提供一种熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪及其设计和控制方法，设置冷却层，可以强化冷却能力，降低喷枪耐火材料外壁的温度，使得喷头处更容易挂渣；在喷枪旋流层和冷却层加入旋流片，有效将轴向动能转换为切向动能，增强切向动能有利于强化搅拌能力，增加搅拌半径。
技术实现思路
1、本专利技术的主要目的在于提供一种熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪及其设计和控制方法，以解决现有技术中喷枪寿命短、顶吹喷溅严重和搅拌半径小的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪，所述熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪包括：至少3层通道；中心通道进行纯气相或者气固混合喷吹；旋流喷吹层安装有旋流叶片，用于产生大部分的喷吹动能搅拌熔体以及为中心层燃料提供氧气；冷却风道用于产生冷却旋流，促进浸没于熔体的喷头产生冷却挂渣；
4、中心通道的外侧设置旋流喷吹层，旋流喷吹层安装有旋流叶片，旋流喷吹层的旋流喷吹通道和冷却风道中安装有旋流器，旋流喷吹层的外侧设置冷却风道。
5、作为本专利技术的进一步改进，喷头的外层布置有耐火材料层；旋流喷吹通道和冷却风道中安装有旋流器，旋流扩大搅拌半径。
6、作为本专利技术的进一步改进，冷却风道的底端的外侧设置耐火材料层，耐火材料层的外侧设置挂渣层；中心通道的最低端设置有混合区，混合区的下方设置冲击凹坑，冲击凹坑的右侧设置有自由表面层，左侧设置有熔体，熔池壁面的内部设置有自由表面层、冲击凹坑及熔。
7、作为本专利技术的进一步改进，最外层通道为套通风道，冷却风道的外侧设置套通风道；
8、保护冷却风道内的流体不被高温熔池加热，强化喷头处的冷却。
9、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
10、一种熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪设计方法，其应用于所述的熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪，所述熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪设计方法，包括：喷枪外壁温度计算、任意工况下输入参数的获取、任意工况的插值的获取及喷管优化。
11、作为本专利技术的进一步改进，喷枪外壁温度计算为通过圆管的传热计算，包括：通过各个环节的热流量φ不变，对于单位长度的管路，各个环节的温度差表示为：
12、
13、其中twi为管内壁温度，two为管耐火材料外壁温度；tfi为管内气流温度，tfo为管外气流温度；hi为管内对流换热系数，ho为耐火材料外对流换热系数；di为耐火材料内径，do为耐火材料外径，λ为管壁的导热系数；
14、任意工况下输入参数的评估采用数值模拟的方法，得到热流量φ为：
15、
16、获取管内壁的温度为：
17、
18、获取管外壁的温度为：
19、
20、任意工况下tfi，tfo，hi和ho的获取，采用共轭换热数值模拟的方法评估，同时求解喷吹流场和固体区域的传热，其控制方程如下：
21、连续性方程：
22、
23、其中为速度矢量；
24、动量守恒方程：
【技术保护点】
1.一种熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪，其特征在于，所述熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪包括：至少3层通道；中心通道进行纯气相或者气固混合喷吹；旋流喷吹层安装有旋流叶片，用于产生大部分的喷吹动能搅拌熔体以及为中心层燃料提供氧气；冷却风道用于产生冷却旋流，促进浸没于熔体的喷头产生冷却挂渣；
2.根据权利要求1所述的熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪，其特征在于，喷头的外层布置有耐火材料层；旋流喷吹通道和冷却风道中安装有旋流器，旋流扩大搅拌半径。
3.根据权利要求1所述的熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪，其特征在于，冷却风道的底端的外侧设置耐火材料层，耐火材料层的外侧设置挂渣层；中心通道的最低端设置有混合区，混合区的下方设置冲击凹坑，冲击凹坑的右侧设置有自由表面层，左侧设置有熔体，熔池壁面的内部设置有自由表面层、冲击凹坑及熔。
4.根据权利要求1所述的熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪，其特征在于，最外层通道为套通风道，冷却风道的外侧设置套通风道；
5.一种熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪设计方法，其应用于如权利要求1至4之一所述的熔池熔炼伴随流冷却
6.根据权利要求5所述的熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪设计方法，其特征在于，喷枪外壁温度计算为通过圆管的传热计算，包括：通过各个环节的热流量Φ不变，对于单位长度的管路，各个环节的温度差表示为：
7.根据权利要求6所述的熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪设计方法，其特征在于，具体的求解流程，包括：
8.一种熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪控制方法，其应用于如权利要求1至4之一所述的熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪，其特征在于，所述熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪控制方法，包括：
9.根据权利要求8所述的熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪控制方法，其特征在于，中心通道的气流量的控制过程，包括：
10.根据权利要求8所述的熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪控制方法，其特征在于，调整喷枪的喷射角度和位置的过程，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪，其特征在于，所述熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪包括：至少3层通道；中心通道进行纯气相或者气固混合喷吹；旋流喷吹层安装有旋流叶片，用于产生大部分的喷吹动能搅拌熔体以及为中心层燃料提供氧气；冷却风道用于产生冷却旋流，促进浸没于熔体的喷头产生冷却挂渣；
2.根据权利要求1所述的熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪，其特征在于，喷头的外层布置有耐火材料层；旋流喷吹通道和冷却风道中安装有旋流器，旋流扩大搅拌半径。
3.根据权利要求1所述的熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪，其特征在于，冷却风道的底端的外侧设置耐火材料层，耐火材料层的外侧设置挂渣层；中心通道的最低端设置有混合区，混合区的下方设置冲击凹坑，冲击凹坑的右侧设置有自由表面层，左侧设置有熔体，熔池壁面的内部设置有自由表面层、冲击凹坑及熔。
4.根据权利要求1所述的熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪，其特征在于，最外层通道为套通风道，冷却风道的外侧设置套通风道；
5.一种熔池熔炼伴随流冷却挂渣保护喷枪设计方法，其应用于如权...
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