CN1016968B - 为金属熔池提供热能的方法 - Google Patents

Abstract

将固态碳和用于熔炼的固态金属炉料(最好是废钢)装入容有金属熔池的坩埚，氧气则通过喷嘴或氧枪吹入熔融金属。碳装入金属板容器后加入坩埚，使其获得较好的利用，而金属板容器是在吹氧时被置于其上的固态金属炉料压入熔池的。

Description

本发明涉及到一种向铁水熔池中提供热能的方法。

这种类型的工艺是通过熔池下面的喷嘴将固体碳喷入金属熔池，这曾在1986年10月份的MBM（Metal    Bulletin    Monthly，金属通报月刊）杂志第47～51页上有过披露。

以该方式喷入的碳与相当量的氧反应燃烧，但对于铁水溶池内有用热的量并无显著的增加，这是因为发生燃烧时所生成的反应热不相当于将燃烧阶段的反应气体（基本是CO）加热到铁水熔池的温度所需的热量。因此在已知的工艺中，从铁水熔池内逸出的主要成分为CO的反应气体要进行二次燃烧，而后通过布置在坩埚上方的炉料预热装置，将所要熔炼的铁基材料在加入坩埚（即熔炼炉）之前加到850℃以上的温度。

这就有可能显著地改善热效率的整体水平。

德国公开的专利说明书（DE-AS）No.2838983中披露了一种如开始部分所述的工艺，其中要以自由射流的方式向熔池表面进行附加吹氧。以这种方式，一氧化碳在气体空间的二次燃烧所产生的热量能再次回到熔池，废钢装炉量可以提高。

德国公开的申请（DE-OS）No2737441中介绍了一种连续加热最好是于废钢形成的铁水熔池的工艺，它是使铁水熔池流入与坩埚分离但却与其直接联通的加热室，并在加热室内向熔融金属供给固体碳和氧气。在这种布置中，碳能以可更换的成型物体（例 如可插入熔池的电极）的形式进入金属液面之下的熔池，或者碳亦可通过一个终止于熔池表面之上或之下的竖管以最好是块状焦炭的形式加入熔池。在这种情况下，焦炭柱被来自加热室的热反应气体预热。

德国公开的申请（DE-OS）No29    33    133中披露了一种向金属熔池（特别是钢水熔池）中添加尤其是细碎添加料的工艺，其中添加料在不用粘接剂的条件下被真空密封在金属板容器内，并以此形态加入熔池。添加料可以是调节金属熔池化学成分的合金添加剂，也就是说，例如对于钢水熔池，可以是铁合金、硫、煤、矿石和用于镇静目的的铝。由于装入金属板容器的粒状添加料是真空密封的，所以当容器熔化时，熔融材料被吸入颗粒之间，结果是因此而使熔融材料和添加料之间有极好的接触。

本发明的目的是增加熔池热量的供给，并因此使熔炼更高比例的固体金属材料（特别是固体铁基材料）成为可能。

本发明是一种向金属熔池内提供热能的工艺，它是将固体碳和所要熔炼的固体金属材料装入容有金属熔池的熔炼坩埚，并且通过至少一个喷嘴和（或）至少一种喷枪向留在坩埚中的残余熔融金属或装入坩埚的金属熔池吹入氧气，其特点是碳是装在金属板容器内加入坩埚的，而金属板材质的选择是使其熔点处于金属材料被熔化成熔体的温度范围，并且在吹氧时金属板容器被其上的固体金属材料向下压入金属熔池，另一特点是碳是装在金属板容器内加入坩埚的，而金属板容器的熔化过程及装在金属板容器内的碳的开始溶解点可通过选择金属板容器的材质和可能的板厚进行控制，同时顾及金属熔池的预期成分。

本发明基于下述概念：

为了提供热能而加入坩埚的碳在熔池内尽可能完全地溶解，也就是说，它将转化为Fe₃C，随着氧气通过液下喷嘴或通过直接吹向熔池表面的喷枪或喷嘴吹入熔池，而使能量在熔池内直接转换，从而提高碳的利用率。碳在熔池中的溶解尤其取决于熔池的含碳量、熔池的温度、煤与熔融材料相接触时的温度、以及煤与熔融材料的接触时间。

如果使用载气将冷态煤通过液下喷嘴喷入钢水熔池中，那么既使是在高温、并且熔池内的碳含量也很低的情况下，也就是说，根据铁碳相图碳能很快溶解的条件下，喷入的碳也只有部分溶解，因为当碳随着载气加速上升时和在熔池中短暂停留的过程中，在碳流通过的区域，熔池局部急剧冷却，并且在该处熔池的碳含量增加，也就是说在碳流通过的区域，碳的溶解度下降。结果大部分碳未与铁发生反应即脱离了熔池。

根据本发明的工艺，装在添加到坩埚中的金属板容器内的碳并非立即与熔融金属接触，而只有当该金属板容器熔化后才接触。通过选择金属板容器的材质及其板厚，有可能控制在吹氧操作开始后碳与熔融金属相接触的时刻，从而有可能控制熔池条件，即碳含量足够低和温度足够高，使碳在熔池内有良好的溶解度。在金属板容器彻底熔化的同时，容器内的碳无论如何也被加热至与其金属板外壳熔化温度几乎相同的温度，因此在碳与已达到预期溶解条件的熔池接触时，它的温度几乎与熔池相同，在该处不会再产生任何冷却效应。这一点非常重要，因为例如当碳在上述温度下溶于钢水时，其比热约为钢水熔池的两倍。

最后，根据本发明的工艺，由于避免了喷吹气体所造成的上浮效 应，且压在片状或粒状碳之上的废钢有可能迫使其下降，而且碳和钢水的接触范围扩大到从坩埚底部至熔池表面，所以和喷煤法相比，容器熔化后碳与钢水的接触时间显著增加。

在煤与熔融金属接触时，必须确保其没有水。如果使用密封的金属板容器，它们必须不含水分。当使用透气型金属板容器时，添加物必须在浸入熔池前进行预热，至少是驱除水汽，而且还可以尽可能地去除增大上浮效应的挥发性成分。因为它们必须要预热到100℃以上。预热操作可以在坩埚中进行（在没有熔融金属中情况下），或在一个单独的容器中进行，例如一个炉料预热装置内。在坩埚内或坩埚外进行的预热至较高温度的操作中，熔融金属不仅可以得到固体碳反应的化学热，而且还可得到显热，考虑到与熔融金属相比煤的比热高，因此显热具有特殊的优越性。装有碳的金属板容器在加入到坩埚之前最好是在来自坩埚的、前期熔融过程产生的热废气通过的炉料预热装置中进行加热，使加热到金属板材料软化点的温度。

需要注意的是，在使用液下喷嘴的特定情况下，必须仔细确保容器在加料操作中不会直接落到氧气喷嘴的前端，否则这些容器将由于来自喷嘴的喷吹氧气而过早熔化。因此对于底吹转炉，氧气喷嘴或者只安装在一侧，或者操作时只使用一侧喷嘴，并且将装有碳的容器加到转炉中吹入的氧气不直接作用的区域。

由于金属板容器所用材料及其板厚的选择、使吹氧操作开始后碳与熔池接触的时刻有可能得到控制。因此，为了提供一种使煤在金属熔池中按照要求的方式溶解的工艺，在加料时采用由熔化温度不同的材料（例如使用不同含碳量、不同厚度和可能是不同规格的钢板）制成的金属板容器可能是有益的。

考虑到特定的条件，在LD（氧气顶吹）转炉、底吹转炉、西门子-马丁炉（平炉）、电弧炉或其它将氧气吹入金属熔池的熔炼坩埚或熔炼炉中，向熔池提供热能的工艺可以采用一次式或多次式。此工艺特别适合于与称之为EOF（能量最佳化炉）的工艺联合使用，EOF工艺的介绍刊登在1986年10月的金属通报月刊（MBM）第47～51页上。

现在将参照两个附图，通过一个实施例对本发明进行更详细的介绍。

图1是带有炉料预热装置的熔炼坩埚的纵剖面示意图;

图2示出了装碳的金属板容器。

图1所示的坩埚1容纳有一个铁水熔池3。熔池液面用4标示。在液面4之下，液下喷嘴5通向坩埚1用于吹氧;固体料喷嘴6与此相似地通向坩埚1，借助载气喷吹固体料，例如煤粉或其它粉状添加剂。此外喷嘴7也通向坩埚1并位于金属液面4的上方，用于提供经热交换器8加热、由环形导管9供给的空气，或用于吹氧，氧气由环形导管10供给。在金属液面4之上还布置有烧嘴11。在坩埚1的底部安装有滑块式出钢装置12。

炉料预热装置2的形式是个容器，其顶部可由水平移动的盖13关闭。预热容器又分为三个预热段17、18和19，这三个预热段的安排是相互叠置的，被格栅板14、15和16分隔开，通过一驱动装置，它们可在关闭位置和打开位置之间运动，在关闭位置，它们伸入预热容器内（如图所示）;在打开位置，它们从预热容器内收回。炉料布置在各预热段，来自坩埚1的热废气从其中通过（如箭头 21所示），从而对其进行加热。炉料20基本上是由固态铁基材料组成，例如准备进入熔池熔炼的废钢。在各预热段中固态铁基材料的下面是装有煤的钢板容器22。

图2是此类钢板容器22的放大比例的截面图。钢板容器的外壳用数字23标示，金属板材质和厚度的选择使金属板外壳只有当金属熔池的含碳量降到低于1%（重量百分比）和金属熔池的温度至少达到1500℃时才熔化，且在金属熔池内经过预定的滞留时间才熔化，滞留时间至少为5分钟，在本实施例中，其体积为0.5～50dm³厚度为1～2dm，板厚为0.5～5mm。其内容物基本上是粒状煤（以数字24标示），此类元件可以这样制造，例如用粒状煤充满钢管，煤中可混合有有机粘结剂，如焦油或废糖浆，经挤压后将钢管切断，以便按要求的长度制作充满碳的金属板容器。在这种情况下，容器两端的封闭要具有透气性，这样当加热上述封闭在内的煤饼时，气体（特别是水汽）可以从中逸出。在钢板外壳上很可能有专用气孔。封闭在内的煤饼中也可以含有合金化添加剂，例如硅铁。

下面通过实例所介绍的是使用图1所示设备的操作流程。

当出钢温度约为1670℃的钢水熔池从坩埚内出钢后，将温度为1250℃、碳含量为4%的铁水注入坩埚1。将格栅板14抽出预热装置，使最下层预热段17中的炉料加入坩埚，由于废钢预热装置2和坩埚1之间的缩颈部分，炉料在坩埚1的中间堆积成锥形堆。装有粒状煤的钢板容器22被加于其上的固态铁基材料压入铁水中，熔融金属被推向坩埚的边缘，从而使氧气喷嘴为金属熔池所覆盖。在前期的熔炼过程中，预热段17的炉料已被加热到850℃以上。

格栅板14进入预热装置后，格栅板15和16分别进行进入和 抽出预热装置的运动，使预热段18和19中的炉料分别落入其下一层预热段。然后移开盖子13，将在固态铁基材料下置有钢板容器22的一蓝料加到最高层预热段19中。当盖子13将预热装置关闭后，通过液下喷嘴5吹氧的操作也就开始了。这时因为溶解在铁水中的碳发生燃烧，熔池的温度升高，熔融材料的含碳量下降。与此同时，已经或刚刚接触熔融材料的钢板容器也得到相应的加热。温度约为1530℃时，容器22的钢板外壳熔化，固态碳溶解在熔池内。由于熔池的温度高且含碳量低，所以碳溶解得很快。由于和熔融材料相接触的煤在炉料预热装置中进行预热处理后不含气体，而且固态铁基材料在煤上施有载荷，将其压入熔池，再有碳的溶解速度较高且在熔池中所覆盖的路径相对较长，所以不会出现碳未经利用而直接上浮逸出的现象。

为了使本工艺中燃料的能量得到充分利用，可以通过喷嘴7提供经预热的富氧空气，使来自熔池的主要成分为CO的废气产生二次燃烧。热废气可将预热段中的炉料加热到850℃以上，废气离开热交换器8后的温度低于200℃。

在吹氧操作期间，其它固态材料（例如煤粉）可通过固态料喷嘴6喷入，以进行短期温度控制或成分调整。烧嘴11可用于提供外加热能。

Claims (23)

1、一种向金属熔池内提供热能的方法，它是将固体碳和所要熔炼的固体金属材料装入容有金属熔池的熔炼坩埚，并且通过至少一个喷嘴和(或)至少一杆喷枪向留在坩埚中的残余熔融金属或装入坩埚的金属溶池吹入氧气，其特征在于碳是装在金属板容器内加入坩埚的，而金属板材质的选择是使其熔点处于所说的金属材料被熔化成熔体的温度范围，并且在吹氧时金属板容器被其上的固体金属材料向下压入金属熔池。

2、依照权利要求1的方法，其特征是该金属板容器具有透气性。

3、依照权利要求2的方法，其特征是装碳金属板容器在浸入熔池前和在被熔融金属覆盖前要进行加热。

4、依照权利要求3的方法，其特征是装碳的金属板容器要加热到100℃以上。

5、依照权利要求3的方法，其特征是装碳的金属板容器要加热到接近金属板材料软化点的温度。

6、依照权利要求3的方法，其特征是装碳的金属板容器被熔融金属覆盖前于坩埚中进行加热。

7、依照权利要求3的方法，其特征是装碳的金属板容器在炉料预热装置中加热，来自坩埚的热废气从该装置中通过。

8、依照权利要求7的方法，其特征是装碳的金属板容器装在置于坩埚上方的炉料预热装置内，所熔炼的金属材料加在预热装置内金属板容器之上，而且来自金属熔池主要成分为CO的废气在通过炉料预热装置前要进行二次燃烧。

9、依照权利要求1的方法，其特征是所用金属材料为铁基材料，熔融金属为铁水或钢水。

10、依照权利要求1的方法，其特征是除固体碳外金属板容器还装有金属添加剂或其它附加剂。

11、依照权利要求1的方法，其特征是除固体碳外金属板容器还装有粘合剂。

12、依照权利要求1的方法，其特征是金属板容器的体积为0.5～50dm³。

13、依照权利要求1的方法，其特征是金属板容器的厚度为1-2dm。

14、依照权利要求1的方法，其特征是金属板容器的板厚为0.5～5mm。

15、依照权利要求1的方法，其特征是金属板容器由两端封合的管状元件制成。

16、依照权利要求1的方法，其特征是装碳的金属板容器加入坩埚的方式使其远离吹入金属熔池的氧气的直接作用区。

17、依照权利要求1至16之一的方法，其特征是碳是装在金属板容器内加入坩埚的，而金属板容器的熔化过程及装在金属板容器内碳的开始溶解点可通过选择金属板容器的材质和可能的板厚进行控制。

18、依照权利要求17的方法，其特征是金属板容器的材料是钢，金属板容器的熔化温度由钢的含碳量来控制。

19、依照权利要求17的方法，其特征是决定碳开始溶解点的材质和可能的金属板容器板厚的选择要顾及金属熔池的预期成分。

20、依照权利要求17的方法，其特征是加入的金属板容器由熔点不同的材料和（或）厚度不同的金属板制成。

21、依照权利要求20的方法，其特征是金属材质和金属板厚度的选择使金属板外壳只有当金属熔池的含碳量降到低于1%（重量百分比）和金属熔池的温度至少达到1500℃时才熔化。

22、依照权利要求17的方法，其特征是金属板材质和金属板厚度的选择使金属板外壳只有在金属熔池内经过预定的滞留时间后才熔化。

23、依照权利要求22的方法，其特征是该滞留时间至少为5分钟。

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