高炉出铁口钻孔器、出铁口钻孔器用钻头及其钻孔方法

摘要

本发明公开了一种出铁口钻孔器(1)。所用钻头和钻孔方法。提供了一个供给作为运载气体的高压氮气的氮气供给管道和一个冷却水供给管道,用来形成用于冷却钻头(5)、钻杆(7)、钻孔器的机身(10)和出铁口(104)的水雾。这样,出铁口钻开时间周期明显缩短,铁水排放周期明显增加,耐火材料净耗量明显减少。因此,通过恰当调节高炉(100)下部存在的铁水量,可稳定高炉的炉况,并提高生产率。即使在高温高压环境下,也能提供有利的操作条件。

说明书

发明背景

1．发明领域

本发明涉及用于在高炉炼铁工艺中生产铁水的出铁口钻孔器。本发明还涉及出铁口钻孔器所用的钻头，以及出铁口钻孔方法。尤其是，本发明涉及出铁口钻孔器和所用的钻头以及出铁口钻孔方法；其中用高压氮气作为出铁口钻开的运载气体，喷送混合着冷却水的水雾来冷却钻头，这样出铁口的耐火材料可以被快速地钻开，从而有效地进行出铁口钻开操作。

2．现有技术描述

通常在高炉工艺中，如图1所示，布置在高炉100底部的许多出铁口104或者用出铁口钻孔器110周期性地钻开，或者用一个圆杆并用一锤子(图中未表示出)捶击而钻开。然后炉渣101和铁水120经过出铁口104排出来。

出铁口104依赖于高炉100而不同，但通常从高炉外壳100a到高炉内部区域的深度约3m。

通常在内部容量3000m3或更大的高炉100中，有3到4个出铁口104。其中，一个周期性地被修复，而其余2到3个轮流使用。通常放铁水的时间为120～150分钟。

现在详细描述高炉运行。即铁水120和炉渣101经过位于图1中出铁口外壁105上的出铁口104放出。铁水120和炉渣101放出操作完成后，出铁口104用耐火材料103封闭。在此条件下，耐火材料103借助高炉100内部区域的高温和高压被煅烧，从而增加了耐火材料的强度。通过一个出铁口104的操作完成时，使用另一出铁口，并按此方式，最终使所有出铁口104都得到使用。

这样，经过一个出铁口104的操作完成时，相应的该出铁口104被封闭。随时间推移，封闭出铁口104的耐火材料104被煅烧得更彻底。这样，当出铁口104钻开重新使用时，钻孔过程很困难。

同时在现有钻孔操作中，外壁105上的出铁口104是使用安装在出铁口钻孔器的机身118上的钻杆106和钻头107来钻开。或者出铁口104是使用一圆杆并借助锤击来打开。

在此条件下，耐火材料103在高炉100中被煅烧和硬化，这样由于钻孔和锤击的冲击作用，容易形成裂纹。结果，耐火材料103在高炉100中会脱离并形成缝隙。这样，熔体会经缝隙泄漏，这些泄漏的铁水形成固态铁P(称为“内裂”)，结果使钻孔操作变得更加困难。从而，在固态铁P区域，钻孔效率明显降低。

因此，在钻孔或锤击很困难的情况下，使用的最后一个方法是经过一管道(图中未示出)喷送氧气将固态铁P溶解掉，从而打开出铁口104。

可是，在喷射氧气时，氧火焰会扩大出铁口104或损坏出铁口104。并且延长了出铁口104的打开时间，缩短了铁水流出时间，结果每天的铁水产量降低。

这种氧气打开出铁口作业通常耗费20分钟或更多，这样耽误了铁水的生产。同时对工人而言，铁水120和炉渣101意想不到的流出会造成事故。并且高炉100中铁水量的管理和高炉炉况的控制变得更困难。而且为控制高炉炉况，不得不连续放出铁水，这样高炉操作环境恶化。

在现有的出铁口钻孔方法中，钻杆106和钻头107用螺纹连接在一起，将此组件安装在出铁口钻孔器110上。并且为在出铁口钻孔操作过程中排出碎屑如来自出铁口104的耐火材料碎屑，压力为6kg/cm2的压缩空气从出铁口钻孔器110的机身118指向钻杆106的气体通道106a喷射出来。这样压缩空气通过钻头107的小喷气孔124喷送到出铁口104中。

并且，在现有打开出铁口作业中所用的钻头具有4个通过钻头体107a的喷气孔124。压缩空气从空气供给管道119经过机身118和钻杆106的气体通道106a喷射到出铁口104中。喷气孔124包括一个直孔和三个具有30°角的倾斜孔。

然而，在现有打开出铁口方法中所用的钻头107中，钻头体107a外部圆周几乎没有斜度(锥度)。而且在钻头体107a上的钻头刃107b之间形成的槽口107c很窄。这样打开出铁口过程中的碎屑如耐火材料碎屑不能有效地排出。经小喷气孔124排出的用于冷却的压缩空气由于压力损失表现出较低的喷射压力。还由于使用压缩空气冷却，在1300℃的高温环境下，钻头107容易损耗，从而劣化其钻孔性能。

并且压缩空气的喷射压力在钻孔操作过程降低，压缩空气的气体通道被开孔中产生的碎屑阻塞，结果钻头107在出铁孔104中变形。发生上述变形时，开孔产生的碎屑的排出更困难。这样钻头107在出铁(渣)孔104内被进一步加热，钻头107进一步受到损耗。这种恶性循环重复进行。

而且，钻头107可拆卸地螺纹式联接到钻杆106上，钻杆106在钻孔过程中必须承受冲击和旋转载荷。钻杆106还要用昂贵的高强度钢制造，因而要非常小心地使用，这是很麻烦的事情。

图2表示使用现有的出铁口钻孔器和现有的钻头107打开出铁口104时的工艺步骤。

在图2的这种现有工艺中，第一个步骤152是铁水120和炉渣101从高炉100放出，然后出铁口用耐火材料103封闭起来，随后在耐火材料完全煅烧之前，用钻头107在耐火材料103上钻取大约2m深的孔。

下一步骤154是从出铁口钻孔器110上卸下钻杆106和钻头107。

下一步骤156是在出铁口钻孔器110上安装上圆杆122，用来穿透耐火材料103的剩余部分。

下一步骤158是如果步骤156的圆杆122穿透过程失败，则改用氧气喷射穿透。

下一步骤160是在用圆杆122穿透出铁口的状态时保持圆杆122插入在出铁口104中直到下次铁水放出为止。

下一步骤162是如果即将开始放出铁水，圆杆122借助出铁口钻孔器110从出铁口104中退出来。

下一步骤164是经过打开的出铁口104进行铁水排放操作。

在这种现有的出铁口钻孔方法中，钻头和钻杆要用圆杆替换，并且要保持在圆杆插入出铁口的状态等待一定时间。因此出铁口钻孔操作复杂化，并耗费许多时间，结果不可能有效地将出铁口钻开。

本发明倾向克服现有技术的上述缺点。

因此，本发明的一个目的是提供一种用于钻开高炉出铁口的出铁口钻孔器，其中封闭出铁口的耐火材料被快速钻透，从而使得进行有效地出铁口钻孔操作成为可能。

本发明的另一目的是提供一种用于钻开高炉出铁口的钻头，其中即使在出铁口的热的环境下，出铁口钻开能力得到提高以实现快速钻孔操作，其寿命得到明显提高，并且冷却能力得到加强。

本发明的又一目的是提供一种钻开高炉出铁口的出铁口钻开方法，其中在出铁口钻开操作过程中，工作方法得到改善以穿透耐火材料并有效地进行铁水排放操作。

为实现上述目的，按照本发明的用于钻开高炉出铁口的出铁口钻孔器包括：一个支架；一个安装在支架下部的钻头；一个前端与钻头后端相连的钻杆；一个钻杆后端可拆卸地连接到其上面的出铁口钻孔器的机身，用于沿支架前后移动并可通过钻杆旋转钻头；以及一个冷却流体供给装置，用来经过出铁口钻孔器的机身和钻杆的中心流体通道供给冷却流体，并从钻头的前端喷射冷却流体。

此冷却流体供给装置的特征在于和一个氮气供给管道以及一个冷却水供给管道相连，并且由冷却水和氮气构成的用于冷却钻头的水雾供应到出铁口钻孔器的机身，再到钻杆和钻头，以便在打开出铁口操作过程中冷却钻头。

按照本发明的另一方面，在用于出铁口钻孔器的钻头中，该出铁口钻孔器包括：一个支架；一个用于可在支架上前后移动和可通过钻杆旋转钻头的出铁口钻孔器的机身；还有一个冷却流体供给装置，用于通过出铁口钻孔器的机身和钻杆的中心流体通道供给冷却流体，并从钻头的前端喷射冷却流体，从而在出铁口打开操作过程中将冷却流体喷送到高炉的出铁口中，该钻头包括：一个其后端与钻杆前端相连的钻头体；许多固定到钻头前端的钻头刃；位于钻头刃之间的三角形凹槽；一个所述钻头体直径从前端向后端减小的锥度部分；还有一个冷却流体通道，包括一穿过钻头体中心线的直通道和三个相对直通道轴线有一定角度的倾斜通道。

在本发明的又一方面，按照本发明的钻开出铁口时向高炉出铁口喷射冷却流体的方法，其步骤包括：

在出铁口钻孔器的机身上安装钻头和钻杆；

出铁口钻孔器的机身前进，使钻头可进入出铁口；

驱动出铁口钻孔器的机身来旋转钻杆和钻头，以便用钻头钻开出铁口；

钻取一定程度后让钻杆在出铁口内沿长度方向固定取向，并经由出铁口钻孔器机身、钻杆和钻头向出铁口中供给氮气；

在钻头在出铁口内时供给冷却水与氮气混合并形成水雾，并在供给水雾的同时继续进行钻孔操作；

确认钻透出铁口后，停止供应冷却水但继续供给氮气；

继续喷射氮气直到钻头完全从出铁口退出来为止。

附图简述

通过参照附图详细描述本发明优选实施例，本发明的上述目的和其它优点会变得更明显。这些附图包括：

图1表示用于钻开高炉出铁口的现有的出铁口钻孔器的结构；

图2表示现有的钻开出铁口的方法的流程图；

图3是按照本发明的用于钻开高炉出铁口的出铁口钻孔器的结构；

图4是按照本发明的钻头的立体图；

图5是按照本发明的表示钻头连接到钻杆上的截面图；

图6是图5中钻头的正视图；

图7是按照本发明的出铁口钻孔器的操作步骤，其中：

图7A表示打开出铁口操作的预备状态；

图7B表示钻头钻出铁口的状态；

图7C表示钻头一旦完成位置调整供给氮气的状态；

图7D表示供应氮气和冷却水形成水雾，并随后进行钻孔操作的状态；

图7E表示一旦确认出铁口钻透后冷却水供应停止，但氮气继续供应的状态；

图7F表示钻头退回到初始位置的状态；

图8表示按照本发明的出铁口钻孔方法的工艺步骤的流程图。

优选实施例的详细描述

图3表示按照本发明的出铁口钻孔器l的整体结构。

出铁口钻孔器1包括一个支架3，并在支架3下方安装了一个钻头5用于钻开高炉100的出铁口104。也安装着其前端与钻头5联接的钻杆7。钻杆7的后端以可拆卸方式连接到出铁口钻孔器的机身10上，并且机身10可以沿着支架3前后移动。而且，机身l0可旋转钻杆7和钻头5。

冷却流体供给装置20有一气体供给管道22，并通过机身10和钻杆7的中心流通通道供给冷却流体。气体供给管道22通过机身10与钻杆7相连，以便通过钻头前端喷送空气。

冷却流体供给装置20，出铁口钻孔器1的机身10和钻杆7都是已有的零部件。

一个例子是日本Mazda电机公司的立式出铁口钻孔器。其规格如下：钻孔行程为5,530mm，给刀速度为30m/min，并且为空气冷却类型。此钻孔器包括用来打开出铁口104的钻杆7和钻头5。并且该钻孔器可以安装上圆形钢杆进行锤击打孔。

另一个例子是德国的Dango & Dienenthal Siegen式出铁口打开装置。该装置的规格为：出铁口长度是2.5～3m，最大给刀长度为5,500mm，钻孔速度为1.2m/min，退刀速度为1m/sec，并且本装置也是空气冷却类型的。该装置在打孔过程中通过钻头供给空气(冷却)。

同时，按照本发明的出铁口钻孔器包括一冷却流体供给装置20，该冷却流体供给装置20由氮气供给管道25和冷却水供给管道30构成，这在现有出铁口打开装置中没有发现。氮气供给管道25和冷却水供给管道30与冷却流体供给管道20的气体供给管22相连接。这样，或者氮气和冷却水被供应到气体供给管22，或者供应的是由氮气和冷却水组成的水雾，因此，冷却水或氮气或冷却水与高压氮气混合形成的水雾代替空气被选择性地供应到与气体供应管道22相连的钻杆7的中心流通管道。

氮气供给管道25包括多个减压阀27，一个压力表28和一个操纵阀29。这样供给的氮气可调节到最佳流速和最佳压力。

同时，冷却水供给管道30包括多个压力表32，一个流速调节阀34和一个单向阀36。并且在冷却水供给管道30与气体供给管道22相连接处，在气体供给管道22中安装了一个喷嘴38，这样通过喷嘴38的高速氮气可以和冷却水一起形成水雾。

即高压氮气通过气体供应管道22的内部气体流通管道流动，再将冷却水引导到运载氮气流中。这样借助氮气和冷却水之间的碰撞压，冷却水转化为水雾并经由钻杆7供到钻头5。

因此，出铁口104进行打开操作时，气体供给管道22的操纵阀22a关闭，同为气供给管道25和冷却水供给管道30打开。然后供给水雾，在机身10、钻杆7和钻头5中产生的热被冷却掉，同时给旋转的钻头5提供了润滑作用。并且在出铁口打开操作过程中产生的耐火材料屑片和其它碎屑可以很容易地排出。这样可以有效地进行出铁口104打开操作。

不用氮气，可用空气作为运载气体，这可以简单地通过阀的开关来实现。在这种情况下，水雾由空气和冷却水组成。

同时，在按照本发明的出铁口钻孔器1中，钻头5具有如图4到6所示的新型结构。即在打开出铁口104操作过程中，在出铁口104中钻头5与耐火材料间的摩擦最小化，并防止了钻头5的变形。

按照本发明的钻头5具有后端与钻杆7的前端相连的钻头体52。钻头5还包括一些安装在钻头体52的前端上倾斜地间隔开的钻头刃54。在钻头刃54之间，形成三角形的凹槽56。在图中，提供了三个钻头刃54，在每个钻头刃54两侧形成倾斜面54a，在两个倾斜面54a之间形成三角形凹槽56。

钻头体52的外周表面，构成锥度部分60。即钻头体52的外径从钻头体的前端到其后端减小。这样钻头5在安装钻头刃54的前端具有最大的外径。

在钻头体52中，形成冷却流体通道65。冷却流体通道65包括：沿钻杆中心轴形成的直通道67；三个相对于直通道67具有一定角度θ(15-23°)的倾斜通道69；还有一个其内径相当于直通道67内径两倍大小的喷嘴70。

通道67和69与钻杆7的中心流通通道7a相连通，这样由冷却水和氮气构成的水雾可以从氮气供给管道25和冷却水供给管道30供应到通道67和69。

钻头刃54由耐热合金11制成，而钻头体52由普通钢制成。钻头体52的后端焊接到钻杆7的前端上。

如上所述，本发明的钻头5具有锥度部分，这样钻头体52的外径从其前端朝向后端减小。当钻出铁口104时，若钻头5插入出铁口104，在出铁口104内径和钻头5外径之间形成一个圆筒状间隙。

这样在耐火材料103和钻头5之间的摩擦最小化，也减少旋转阻力，结果防止了钻头5在出铁口104中的变形。

并且，出铁口打开过程中的碎屑如耐火材料屑片以及由氮气和冷却水构成的水雾可以很容易地通过在钻头5外径和出铁口104内径之间形成的圆筒状间隙排出。这样，碎屑不会妨碍钻头5的旋转。

供给由氮气和冷却水构成的水雾时，具有比直通道67的内径更大的直径的喷嘴70在出铁口104中形成气阱以提供润滑作用。从而钻头5得到有效地冷却，其旋转不会受到阻碍。

因此，即使在出铁口104的热环境下，出铁口打开操作工艺得到改善，冷却效率得到加强，并且钻头5的寿命得到延长。

图7和图8表示按照本发明的钻开出铁口的方法。

在本方法中，防止了在出铁口104中水雾与铁水接触时的爆炸，同时阻止了铁水从高炉100到冷却流体管道中的回流。

按照本发明的出铁口钻开方法，其步骤如下：

作为第一步，对出铁口钻孔器1的状态，以及冷却水供给管道25和氮气供给管道30的压力进行检查。然后将钻头5和钻杆7安装在出铁口钻孔器1的机身10上(步骤50)(参照图7A)。

然后检查冷却水喷射状态。具体说，氮气供给管道25打开并喷射氮气进入气体供给管道22。经过5-10秒后，冷却水供给管道30打开并供给冷却水进入氮气气流中。再确认是否从钻头5的前端喷射出水雾。在确认喷射出水雾之后，关闭冷却水供给管道30的阀门34，并经过5-10秒钟后，关闭氮气供给管道25的阀门29。

根据出铁口钻孔器1的操作程序，钻孔器1的机身10前进，使钻头5与出铁口104匹配。然后操纵前进杆(图中未示出)使钻头5正对放入出铁口104中(步骤52)(参照图7B)。

然后驱动机身10来旋转钻头5，并使钻头5钻入到出铁口104中约50毫米(步骤54)。

然后进行调整，使钻头5与出铁口104同轴地对准。再钻入到出铁口中约50～100mm。随后打开氮气供给管道25以喷送氮气(步骤56)。

当钻头5前进到出铁口104中达到200～300mm处时，冷却水供给管道30打开产生水雾并供给到钻头5。按这种方式，钻孔操作继续进行(步骤58)(参见图7D)。

在步骤58中，冷却水压力保持在11-13kg/cm²，冷却水流速保持在10-12升/分钟，氮气压力保持在10-12kg/cm²。

在此条件下，若钻头5前进速度过快，钻头5会损坏或者被固定地粘着在出铁口104中，导致钻头5的旋转停止。因此，在钻头5前进时要很小心。随后一旦穿透出铁口104，立即关闭冷却水供给管道的阀门34停止供给水雾，但氮气继续喷送(步骤60)(参照图7E)。

继续供给氮气，直到钻头5完全退到出铁口104外面为止(步骤62)(参照图7F)。

在步骤60和62中，供给氮气使得进行稳定的铁水放出操作成为可能，这是因为铁水120和炉渣101放出过程中，出铁口104充满氮气。并能防止铁水120和炉渣101阻塞钻头5的冷却流体通道。

在上述的本发明中，用圆形钢杆替换钻头5和钻杆7并使圆形钢杆准备进入出铁口104的步骤省略掉了，从而简化了出铁口打开过程。出铁口钻孔过程在短时间内完成，提高了出铁口打开操作的效率。此外，使用由氮气和冷却水构成的水雾，提高了冷却效率。

现在基于一个实例描述本发明。

<例子>

为证明本发明的效果，通过混合冷却水到高压氮气运载气体之中，形成水雾。在使用本发明的钻头和出铁口钻孔器实施本发明的出铁口钻孔方法时，将上述水雾喷射到出铁口中。

首先，为形成水雾，使冷却水的压力和流速分别在5～15kg/cm²和6～15升/分钟的范围内变化，与此同时氮气压力在6～13kg/cm²范围内变化。其结果表示下述的表1中。

同时为调整水雾的喷射角度，钻头5具有一个直喷射通道67和三个倾斜的喷射通道69。为有效地排出出铁口打开过程中产生的碎屑，倾斜通道69作成具有相对于直通道67成15-23°的角度θ。这些结果综述在表1中。

                        表1

  变   量              结     果   冷却水    流速  (L/min)   小于10由于冷却能力低，出铁口打开速度低，并且出铁口钻开操作失败   10～12优秀   大于12由于供水太多，在出铁口存在残余水，因而担心爆炸。   冷却水    压力  (kg/cm²)   小于11由于冷却能力低，出铁口打开速度慢，并且出铁口钻开操作失败   11～13优秀   大于13在机械传动中出现问题  氮气压力  (kg/cm²)   小于10由于不能有效地排出打开出铁口过程中产生的碎屑，出铁口钻开失败。   10～12优秀   大于12氮气压力高于水压时，由于水雾喷射能力降低使冷却能力下降，使钻孔速度变慢。

如上述表1所示，在出铁口104钻开过程中，当冷却水压力为11-13kg/cm²，冷却水流速为10-12升/分钟时，钻头5具有优秀的冷却能力。在氮气压力为10-12kg/cm²时，冷却水喷射是优秀的，并且有效地排出打开出铁口过程中产生的碎屑。

钻开出铁口表现出的其它效果如下。即出铁口钻开时间从现有技术的20分钟缩短到5分钟。并且不必使用圆形钢杆和锤击操作，从而完全消除了在现有技术中导致的耐火材料中裂纹的形成。而且，不用现有的氧气管，从而避免了出铁口内部扩大和出铁口长度缩短。这样，能缩短出铁口钻开时间，铁水排放时间延长，提高了生产效率。

并且出铁口具有均匀的圆柱形内部形状，这样封闭出铁口所需的耐火材料用量明显减少。这些结果表示在表2中。

                         表2

   现有技术    本发明    出铁口钻开时间(分钟)     20     5    用氧时间比例(％)     30     0    耐火材料用量(kg/吨·铁水)     450     250    耐火材料耗量(kg/吨·铁水)     0.45     0.30    内部裂纹(％)     10     0    铁水排出(次/天)     10.5     9    铁水排出周期(分钟)     120     150

按照上述的本发明，采用了水雾冷却方法和有效的钻孔方法。结果，出铁口快速钻开，钻孔时间周期明显降低，铁水排出时间周期明显增加，耐火材料消耗比率明显降低。并且铁水排放时间周期增加，铁水排放操作变容易。因此，通过适当调节高炉中下部的铁水量，可以稳定高炉炉况，提高生产率。而且即使在高温高压环境下，钻孔操作的不利条件可以改善为有利条件。