CN103608635A - 将固体物料注入到液体金属熔液中的装置及相应方法 - Google Patents

Abstract

一种用于注入不同粒度的颗粒、粉末或粒状的固体物料的装置和方法。该装置包括管状管道（16），可将其应用于熔炉（11）的侧壁上，以将其出口端（16a）设置在熔炉（11）的容积内且位于液体金属（12）的弯月面上方。该装置还包括：容纳固体物料的腔室或槽（18），以及包括阀装置（22）的喷射装置（21，22），可将阀装置选择性地打开十分之几秒范围内的打开时间，以引入预加压气体或空气的脉冲射流，其与设置于所述管道（16）的一端处的可选择性地打开的出口阀（17）的打开相配合，决定容纳于所述腔室或槽（18）中的固体物料的脉冲流（F）的喷射，该喷射具有高动能和高动量。

Description

将固体物料注入到液体金属熔液中的装置及相应方法

技术领域

本发明涉及将通常呈粒状形式、粉末和/或颗粒的固体物料注入熔液下方的一种装置以及相应方法，以使得物料从该装置到达熔液所需的时间减到最小，从而增加引入的物料的体积（重量），以增加效率，并在液体金属熔液（a bath of liquid metal）中产生适当的且所需的化学反应，或对液体金属增加添加剂，以改进其质量，或出于其他原因。

尽管不是排他地，但本发明主要用在用于在电弧炉（EAF）中熔化金属的处理中，以改进这种处理的效率，改进所获得的产品的质量，缩短熔化时间，增加受到磨损的部件的使用寿命，增加所引入的固体的能量效率（假设具有相同的体积和/或效率），减小所引入的体积并由此减小其消耗，通过降低购买成本，减小能量消耗，并获得如下所述的其他优点。

背景技术

熔化处理是已知的，所述熔化处理使用电弧炉来熔化各种类型和来源的金属物料，并获得将传送至工作流程下游（例如，铸造，轧制等）的液体金属。

在熔化处理过程中以及提供电能以对电极供电的过程中，已知通常使用辅助装置，所述辅助装置执行各种互补的但是对优化处理和获得高质量最终产品非常重要的功能。

例如，已知使用各种类型和功能的燃烧炉、氧气喷枪和固体物料注射器来改进处理条件，减小能量消耗，并限制零件上的磨损，所述零件特别是形成泡沫渣的电极的端部以及组成炉床和侧壁的部分的耐火材料。

例如，已知将粉末或颗粒的碳质物料注入或引入到液体金属的熔液中，以促进泡沫渣在熔液表面上的形成，从而增加电弧的覆盖系数，并由此减小电极上的磨损和能量消耗。

为了执行此功能，可将碳质物料与待熔化的金属物料一起引入熔液，例如，在用传送器连续装料的情况中，和在用吊篮断续装料的情况中，都使碳质物料与该金属物料混合。

或者，或组合地，可通过设置在液体金属熔液的上液面（弯月面）的上方或甚至下方的适当喷枪，将碳质物料注入到熔液中，以与熔液混合，并允许实现促使泡沫渣的快速产生的化学反应。

在US-B2-6,614,831和US-4,110,107中，可找到这种解决方案的实例。

在DE-C-927，113、US-A-3,199,924、US-A-3,239,278和GB-A-792,192中，示出了现有技术中已知的注射器的其他实例。

DE’113描述了一种将固体物料注入熔炉中的注射器，所述注射器水平地安装在壁上，并且，基本上在其末端附近且在熔炉外部，具有调节待注入的物料的量的磁铁。此解决方案无法实现熔液中的较深注入，注射器保持在熔液的外部和上方。此外，通过使用磁铁的调节方法，不可能获得将碳质物料深深地注入到液体金属熔液中所需的喷射速度和能量。

US’924描述了一种通过在炉壁上制造的细通道注入固体物料的注射器，该细通道通向金属熔液。将固体物料直接注入到熔液内无法获得深入分布，并决定了效率损耗和固体颗粒在熔液中的效果延迟。此外，为了防止熔液的物料在炉壁中的通道内上升并进入注射器，用于装载碳质物料的腔室中的压力必须比熔炉中的压力高，并且，这导致操作和管理复杂。

US’278也具有与US’924相似的解决方案，具有插入在炉壁中的注射器，所述注射器直接导出至液体金属熔液内，具有与上述相同的缺点。

GB’192没有示出适合于应用于用来熔化金属的电炉的壁的注射器，而是示出了固体物料的槽，从中可提取可调节量的物料。

还必须考虑到，上述文献中都没有教导到，使用以脉冲方式（即，具有非常有限的喷射时间、高速和高能量）传递的压力下的空气或其他气体流，来将固体物料从弯月面上方深深地注入到熔液中。

已经看到，上述已知的用于将碳质物料（以及通常其他的固体物料）注入到液体金属熔液内的方法，在增加引入的固体的能量效率和优化得到的结果方面，并不令人满意。

实际上，已经发现，在注射器位于熔液上方或熔液内部的情况下，处理的效率是有限的，因为碳质粉末或颗粒仅影响液体金属熔液的上层，或者无论如何仅影响其有限层，并且，仅在之后影响剩余的部分。

在这些情况中，碳质物料和液体金属熔液之间的化学反应的延迟且有限的开始，会导致泡沫渣较晚地形成，从而限制了覆盖弧形的效果，由此，无法有效地执行防止电极受到磨损的功能，也无法实现能量节省。

另一缺点是，此类型的引入会促使产物的损失，所述产品燃烧并变成烟雾，对于处理来说没有任何优点。

因此，本发明的一个目的是，增加在熔化过程中将固体物料（通常是粒状，粉末和/或颗粒形状）引入到液体金属熔液内的效率，以使得引到熔液中的物料的体积或重量以及进入到熔液中的深度最大，伴随着当物料位于熔液下方时与最大产量起反应的优点。

另一目的是，使化学反应的开始加速，涉及熔液的所有液体金属，以将所述反应的最终结果增到最大。

申请人已将本发明进行了设计、测试和实施，以克服现有技术的缺点，并获得这些和其他目的及优点。

发明内容

在独立权利要求中阐述了本发明并描述了其特征，而从属权利要求描述了本发明或对主要发明理念的变型的其他特征。

根据本发明，提供了一种具有高动能和高动量的注入装置，以注入不同粒度（颗粒尺寸）的（例如，包括在0.15和15-20mm之间，优选地，在5和8mm之间）个别量（discrete amount）的颗粒、粉末或粒状的固体物料。该注入装置包括管状管道，其可应用于熔炉的侧壁上，以将其出口端设置在熔炉的体积内，相对于竖直向具有所需定向，例如，包括在15和70度之间，位于容纳在熔炉中的液体金属的弯月面上方。

该注入装置适合于在液体金属熔液内注入预定量的固体物料，所述固体物料相对于将获得的结果来说基本上是任何类型的，例如，碳质物料，造渣剂（例如石灰），惰性物料，炉渣，来自爆破的物料，例如，来自粉碎机的尘块，来自烟雾套管式过滤器的粉末，不同类型的矿物，等等。

根据本发明，注入装置包括：用于容纳固体物料的腔室或槽，位于管状管道的上游并且与其相关联；以及能够选择性地与所述腔室或槽连接的喷射装置，所述喷射装置构造为适合于产生预压缩气态流体的脉冲射流，所述喷射装置与设置于管道的一端处的可选择性地打开的出口阀一起，决定容纳于腔室或槽中的物料的脉冲流的喷射，该喷射具有高动能和高动量，例如，以穿过整层炉渣和液体金属熔液基本上到达炉床的底部。

在一个优选的解决方案中，流体的脉冲射流由与阀的打开暂时配合而以扩展的方式引入到用于容纳固体物料的腔室或槽中的高压气体组成，所述高压气体位于出口阀上游的位置。

通过这样做，即，通过使得加压流体（例如，气体或空气）在装置内的引入与出口阀的打开基本上同步，并对于将加压气体引入到其所扩展的装置内的阀和使物料从装置离开的出口阀两者，使用非常有限的打开时间，来获得具有高动能和高动量的物料流，其穿透并穿过炉渣层和液体金属，并基本上到达炉床的底部。

在本发明的实施方式的一个优选形式中，使用大于4m/s，有利地大于8m/s，甚至更优选地，大于9-10m/s的引入物料的速度。

在本发明的实施方式的另一优选形式中，将加压气体或空气引入到装置的管状管道内的阀的打开时间小于0.4秒，有利地小于0.3秒，甚至更有利地小于0.2秒。

在实施方式的一个优选形式中，引入到装置的管状管道中以实现物料的脉冲流的喷射的气体的压力高于5巴，有利地高于7巴，甚至更有利地高于8-10巴。

在本发明的优选解决方案中，以每个脉冲喷射周期喷射的物料的流速有利地高于2kg/s，更有利地高于3kg/s，甚至更有利地高于4-5kg/s。

在另一优选解决方案中，与装置的管状管道的端部相关联的物料出口阀的打开时间包括在0.2和0.8秒之间，有利地在0.3和0.7秒之间，甚至更有利地，在0.4和0.6秒之间。

根据本发明，可根据工作条件和将获得的结果来改变上述值。

例如，可根据物料注入其中的熔浴（liquid bath）的高度来改变上述值，该高度可根据正在进行的熔化周期而改变。在出渣步骤的过程中及其结束时，例如，熔炉内的熔浴的液面非常低，在200-400mm的范围内，与始终保持在熔炉内的“留钢量（hot heel）”的高度相应。

此情况（即，在出渣结束时引入碳质物料）对于优化处理来说非常重要，因为，当新的熔化周期开始时，获得具有如下高度和体积的泡沫渣是必须的，所述高度和体积确保充足地覆盖电弧和熔炉的受到磨损的物料。

在此情况中，将适当地校准引入参数（主要是流速、给料速度和阀的打开时间），以确保到达炉床的底部，物料的部分射流不会导致其损坏，并确保后者分布为影响整个熔浴。

如果在熔化处理过程中和/或精炼过程中引入固体物料，那么，当液面可达到800-1000mm或更大时，与涉及后出渣步骤的之前情况（所述情况实现本发明允许获得的相同优点）相比，将增加引入参数。

在初始装配步骤的过程中和将物料引入熔液的过程中，也可改变装置的几何参数，例如，管状管道的长度和直径、出口端离上液面的距离、相对于竖直的角度等。

附图说明

从参考附图对作为一个非限制性实例的实施方式的优选形式的以下描述中，本发明的这些和其他特征将变得显而易见，其中：

图1示出了应用于电炉的壁上的根据本发明的装置；

图2是电炉的平面图，在该电炉上应用根据图1的注入装置；

图3示出了图1的变型中的根据本发明的装置。

具体实施方式

参考附图1和2，参考数字10整体表示注入粒状、粉末或颗粒的固体物料的装置，该装置能够应用于构成电炉11的侧壁的一部分的面板，在这里示出的情况中，所述电炉是电类型的（EAF）。

在使用过程中，电炉11容纳液体金属熔液12，其具有上表面12a，上表面12a可具有可变高度，该可变高度通常从大约200-400mm的最小值（通常相当于始终（甚至在出渣之后）留在熔炉内的“留钢量”）到大约800-1000mm的最大值（在完成熔化步骤和精炼的过程中）。

液体金属12可由一层炉渣13覆盖，当静止时，其通常具有大约200-500mm的高度。

熔炉11包括由耐火材料制成的炉床14，耐火材料限定炉床14的底部和侧壁的下部，冷却板15设置于其上。用炉顶（未示出）关闭整体，电极（也未示出）插入穿过炉顶；所有这些在现有技术中都基本上是已知的。

装置10与冷却板15配合地应用，并且，所述装置基本上包括管状管道16，所述管状管道具有可在60与150-200mm之间（有利地，在80和120mm之间）变化的直径，并且，具有可在800和1500mm之间变化的长度。

在示出为图2中的实例的情况中，具有应用于相应面板15上的单个装置10，但是，明显地，在一些形式的实施方式中，可能具有不止一个注入装置，以彼此间具有适当的技术距离地设置于圆周上。

管状管道16的下端16a位于电炉11内，面向液体金属12以用于注入固体物料，并且，在使用过程中设置于炉渣13的上层的高度上方，并且，管状管道16的上端16b与第一出口阀17相连，即，刚性地固定至第一出口阀，并且，与后者同轴。

第一出口阀17将管状管道16与能够容纳预定的且个别量的物料的腔室或槽18的下端选择性地连接。

槽18的形状是细长的，并与管状管道16基本上同轴地对准。

在图1和图2所示的实施方式的形式中，使第二阀19与槽18的上端相连。在上游，管道20与第二阀19相连，所述管道可用来将粒状、粉末或颗粒的固体物料供应至槽18中。

管道20可以是任何类型的，并与累积槽、自动进料管线或其他设备连接，以储存并供应所述类型的粉末或粒状的固体物料。

还可使管道20与偏转机构和/或用于与多个槽连接的多通阀相连，根据处理类型和/或过程中的处理步骤，每个槽容纳不同类型和粒度的物料。

管道21设置成与装置10相连，所述管道用于引入预压缩流体（在此情况中，是加压气体，例如，空气，或优选地，另一种基本上惰性的气体）：引导管21的连接或接合位置有利地与槽18的上部相对应地设置。

沿着管道21设置阀22（或第三阀），以开始/禁止将预加压气体引入到槽18的上游，从而，与第一阀（或出口阀）17的打开配合地，在朝着液体金属12扩展的预压缩气体射流的推力下，产生物料的脉冲流的喷射，在图2中用字母F表示。

以配合的方式，槽具有通过第三阀22选择性与管道21连通的区域18a，即，槽18的区域18a，与管道21的接合部相对应，在所述接合部处预加压气体扩展地进入槽18中：为了使装置10起作用，区域18a必须优选地保持没有物料。

填充槽18的过程用于关闭第一出口阀17（或出口阀），以打开第二阀19（或入口阀），并用于使机构开始通过管道20供应物料（未示出，通常是已知的）。一旦槽18已经填充有所需量的物料，便关闭第二阀19，并且，当连续打开阀17和22时，装置10准备好将物料引入到熔浴内。特别地，通过打开第一出口阀17，然后，快速地连续打开第三阀22，以允许预压缩气体的脉冲射流在槽18内扩展，而朝着液体金属12引入物料。使预压缩气体的脉冲射流与槽18中的固体物料基本上即时地混合，并通过管状管道16进行抽取，获得容纳于槽18中的物料的脉冲流F的喷射，其具有通过管状管道16朝着液体金属12的高动能和高动量。

根据物料的类型、处理条件、待获得的结果、熔炉11内的液体金属12的量、装置10的位置和结构，可调节并改变装置10的操作参数，以获得最佳的功能，即使在引入步骤本身的过程中也是这样。

针对引入碳质物料的过程，申请人测试了当前参数（所述参数是优选的但是并非是约束或限制性的），该碳质物料用来在从熔炉10CH抽取出一定量的液体金属之后的步骤中，开始形成泡沫渣。

为了获得物料的高于9-10m/s的引入速度，将第三阀22打开小于0.2秒的时间，该引入速度已经证明，其可有利地允许物料到达炉床14的底部并允许物料有效地传播至大量的金属。

为了实现物料的脉冲流F的喷射，从管道21引入到装置10的管状管道16内的预压缩气体的压力高于8巴。

在每个脉冲周期喷射的物料的流速高于4.5kg/s，同时，用于物料的第一出口阀17打开0.4至0.6秒。物料的脉冲流F的整个周期小于1秒。

注入熔浴中的物料的流速是大约5-6kg/s，而加压气体的流速是大约40-70l/s。

使用这些值，对于大约2-4mm的碳质物料的平均粒度，穿过熔浴的整个高度所需的时间是大约0.1秒，从而获得这样的结果：所有碳质物料穿过液体金属12上方的炉渣层13和液体金属的整个厚度，在穿过过程中不分散或不产生闪燃（flash）或其他损耗。

这样，所注入的非常高比例的碳质物料能够基本上立即与液体金属12起反应，快速产生形成大量体积的泡沫渣的条件，有利于得到重新开始新铸造循环的处理条件。

在不同物料和/或不同处理条件的情况中，可改变以上参数，但是，在任何情况中，都将落在本说明书中指出的范围内。

图3示出了注入装置110的实施方式的另一形式。在此图中，用相同的数字来表示与图1所示的那些相同或相应的部件。

图3所示的装置110不具有传输物料的第二进料阀19，并且，处于相对低的恒定压力（例如，在1-2巴的范围内）下的固体碳质物料直接通过与外部筒仓（未示出）连接的管道20累积在位于管道16上游的槽18中。当槽18是满的时，装置110准备好在高速和高能量下注入。

当打开用于空气或其他气体的阀22并开始加压气体（并且，配合地，打开出口阀17）的引入时，按照上述方式和时间，将槽18中的物料以非常高的速度通过管道16射入液体金属12，从而获得高穿透能量。如上所述，用于排出的压力大于5巴，有利地，大于7巴，甚至更有利地，大于8-10巴，因此，远远高于物料被引入槽18内时的压力；由于这两个压力之间的差异，在排出过程中，阻止物料引入槽18中。当完成气体的引入时，槽18被自动地重新填充，并且，该槽准备好新的循环以将物料引入熔液。

此变型允许获得比图1中的装置小的装置，从而具有更小的重量，以能够手动地移动，不需要起重机或其他装置来机械地移动。

明显地，在不背离本发明的领域和范围的前提下，可对如上所述的装置进行零件的修改和/或添加。

Claims (14)

1.一种用于注入例如包含在0.15和15-20mm之间的不同粒度的颗粒、粉末或粒状的个别量的固体物料的注入装置，所述注入装置包括管状管道（16），所述管状管道能够应用于熔炉（11）的侧壁上，从而将其出口端（16a）设置在所述熔炉（11）的容积内且位于容纳在所述熔炉（11）中的液体金属（12）的弯月面上方，在使用过程中所述管道相对于竖直方向具有包含在15°和70°之间的角度，以将所述固体物料注入到所述液体金属（12）内，所述装置还包括位于所述管状管道（16）的上游且与所述管状管道相连的用于容纳所述固体物料的腔室或槽（18），其特征在于，所述注入装置还包括喷射装置（21，22），所述喷射装置能够选择性地连接至所述腔室或槽（18）并包括阀装置（22），所述阀装置能够选择性地被打开十分之几秒范围内的打开时间，以便将预压缩气体或空气的脉冲射流至少引入到所述管道（16）的上游，所述喷射装置与设置于所述管道（16）的一端处的能够选择性地打开的第一出口阀（17）的打开相配合，决定容纳于所述腔室或槽（18）中的固体物料的脉冲流（F）的喷射，所述喷射具有高动能和高动量。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预压缩气体或空气的射流由高压气流组成，所述高压气流借助于引入管（21）以与所述第一出口阀（17）的打开暂时配合的方式而使所述高压气流扩展地被引入到腔室或槽（18）内，所述引入管与阀装置（22）配合且在所述第一出口阀（17）上游的位置与所述装置连接。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述喷射装置（21，22）和所述第一出口阀（17）构造为，产生物料的引入速度高于4m/s、有利地高于8m/s、甚至更优选地高于9-10m/s。

4.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述阀装置（22）构造为，确定所述阀装置（22）的用于将所述预压缩气体引入到所述腔室或槽（18）内的打开时间，所述打开时间小于0.4秒、有利地小于0.3秒、甚至更有利地小于0.2秒。

5.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述腔室或槽（18）设置为与所述管状管道（16）基本上轴向地对准，并且，所述腔室或槽在下端处具有所述第一出口阀（17），所述第一出口阀与所述管状管道（16）相连，并且，所述腔室或槽在相对端处具有第二阀或入口阀（19），所述第二阀或入口阀与用于供应固体物料的装置（20）相连。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，其特征在于，所述腔室或槽（18）与进料装置（20）直接连接，以通过在包含在1和2巴之间的压力下将所述固体物料直接引入到所述槽（18）中来供应所述固体物料。

7.一种通过装置（10）注入例如包含在0.15和15-20mm之间的不同粒度的颗粒、粉末或粒状的个别量的固体物料的方法，所述装置包括管状管道（16），所述管状管道能够相对于竖直方向以包含在15°和70°之间的角度应用于熔炉（11）的侧壁上，以将其出口端设置在所述熔炉（11）的容积内且位于容纳在所述熔炉（11）中的液体金属（12）的弯月面上方，以将所述固体物料注入到所述液体金属（12）内，其中，腔室或槽（18）用于容纳所述固体物料，所述腔室或槽位于所述管状管道（16）的上游且与所述管状管道相连，其特征在于，所述装置提供能够与所述腔室或槽（18）选择性地连接的喷射装置（21，22），所述喷射装置包括阀装置（22），所述阀装置能够选择性地被打开十分之几秒范围内的打开时间，以产生预压缩气体或空气的脉冲射流，所述喷射装置与设置于所述管道（16）的一端处的第一出口阀（17）的打开相配合，决定容纳于所述腔室或槽（18）中的物料的脉冲流（F）的喷射，所述喷射具有高动能和高动量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法提供的物料的引入速度高于4m/s、有利地高于8m/s、甚至更优选地高于9-10m/s。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法提供了所述阀装置（22）的用于将预压缩流体引入到所述装置（10）的所述管状管道（16）内的打开时间，所述打开时间小于0.4秒、有利地小于0.3秒、甚至更有利地小于0.2秒。

10.根据权利要求7至9中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法提供了为了实现物料的脉冲流（F）的喷射而引入到所述装置（10）的所述管状管道（16）内的预压缩流体的压力，所述压力高于5巴、有利地高于7巴、甚至更有利地高于8-10巴。

11.根据权利要求7至10中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法提供了在每个脉冲射流周期喷射的物料的流速，所述流速高于2kg/s、有利地高于3kg/s、甚至更有利地高于4-5kg/s。

12.根据权利要求7至11中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法提供了物料的与所述装置（10）的所述管状管道（16）的端部相连的第一出口阀（17）的打开时间，所述打开时间包含在0.2和0.8秒之间、有利地在0.3和0.7秒之间、甚至更有利地在0.4和0.6秒之间。

13.根据权利要求7至12中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法提供了填充所述腔室或槽（18）的填充步骤，所述腔室或槽（18）设置为与所述管状管道（16）基本上轴向地对准，并且，所述腔室或槽在下端处具有与所述管状管道（16）相连的所述第一出口阀（17），并且所述腔室或槽在相对端处具有与供应所述固体物料的装置（20）相连的第二阀或入口阀（19），所述腔室或槽（18）具有区域（18a），所述区域通过所述喷射装置（21，22）的第三阀（22）与所述喷射装置（21，22）选择性地连通，所述填充步骤提供了所述第一出口阀（17）的关闭、所述第二阀（19）的打开以及进料机构的启动，以便通过所述进料装置（20）供应物料，从而用所需量的物料填充用于容纳固体物料的腔室或槽（18）并使得与所述喷射装置（21，22）选择性地连通的区域（18a）保持为没有物料，并且在所述填充步骤之后，关闭所述第二阀（19），然后，通过所述喷射装置（21，22）决定朝着所述液体金属（12）引入所述物料，实现所述第一出口阀（17）的打开，然后，快速地连续打开所述第三阀（22），以允许预压缩流体的脉冲射流扩展至所述腔室或槽（18）中，实现所述物料的所述脉冲流（F）从所述腔室或槽（18）通过所述管状管道（16）朝着所述液体金属（12）的喷射，所述喷射具有高动能和高动量。

14.根据权利要求7至12中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法提供了直接通过与外部槽连接的进料装置（20）使所述固体物料积聚在所述腔室或槽（18）中，其中，在包含在1和2巴之间的压力下发生从外部槽到所述腔室（18）的引入。

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