CN109073319B - 熔炼工艺和设备 - Google Patents

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Abstract

熔炼容器包括位于炉膛(9)的至少一部分的耐火衬里中的多于一个的热管(21)，以用于冷却耐火衬里的至少一部分。热管中的至少一个包括(a)在热管的下部区段中的液相的热传递流体，通常是水，和(b)在热管的上部区段中的气相的热传递流体，通常是蒸汽。热管还包括通风口以当热管中的蒸气压力或温度超过预定的阈值压力或阈值温度时允许气相从热管中逸出，以降低热管内的压力或温度。

Description

熔炼工艺和设备
技术领域
本发明涉及用于直接熔炼含金属材料例如含铁材料(例如铁矿石)或二氧化钛渣或含铜材料的方法和设备。
本发明特别地涉及在直接熔炼容器中熔炼含金属材料，所述直接熔炼容器包含具有熔融金属层和熔渣层的熔融浴(molten bath)，并且具有耐火材料加衬的炉膛(refractory material-lined hearth)，该炉膛需要冷却以最大化炉膛的工作寿命。本发明特别地涉及冷却直接熔炼容器的耐火材料加衬的炉膛，以最大化炉膛的工作寿命。
背景
存在许多已知的基于熔融浴的熔炼工艺。
在相当多的以申请人的名义的专利和专利申请中描述了一种基于熔融浴的熔炼工艺，其通常被称为“HIsmelt”工艺。
另一种基于熔融浴的熔炼工艺在下文中被称为“HIsarna”工艺。HIsarna工艺和设备在以申请人的名义的国际申请PCT/AU99/00884(WO 00/022176)中被描述。
其他已知的基于熔融浴的熔炼工艺包括仅作为实例的用于熔炼二氧化钛渣的工艺和用于熔炼含铜材料的工艺。
本发明的以下描述集中于HIsmelt工艺和HIsarna工艺。
HIsmelt工艺和HIsarna工艺特别地与从铁矿石或另一种含铁材料产生熔融铁有关。
在产生熔融铁的上下文中，HIsmelt工艺包括以下步骤：
(a)在熔炼容器的熔炼室中形成熔融铁和熔渣的浴；
(b)向浴中注入：(i)铁矿石，通常呈细粒形式；和(ii)固体含碳材料，通常为煤，其充当铁矿石进料材料的还原剂和能源；以及
(c)在浴中将铁矿石熔炼成铁。
术语“熔炼”在本文中理解为意指热加工，其中发生还原金属氧化物的化学反应以产生熔融金属。
HIsmelt工艺使得大量的熔融铁，通常至少0.5Mt/a，能够通过在单个紧凑的容器中熔炼来产生。
HIsarna工艺在熔炼设备中进行，该熔炼设备包括(a)熔炼容器，该熔炼容器包括熔炼室和用于将固体进料材料和含氧气体注入到熔炼室中的喷枪(lance)并且适于容纳熔融金属和熔渣的浴，以及(b)熔炼旋风分离器(smelt cyclone)，该熔炼旋风分离器用于预处理位于熔炼容器上方并与熔炼容器直接连通的含金属进料材料。
术语“熔炼旋风分离器”在本文中被理解为意指以下的容器：该容器通常界定垂直圆柱形室，并且被构建成使得供应到该室的进料材料在围绕该室的垂直中心轴线的路径中移动，并能够经受足以至少部分地熔化含金属进料材料的高操作温度。
HIsarna工艺是两步逆流工艺。含金属进料材料被从熔炼容器排出的反应气体加热并部分地还原(在加入含氧气体的情况下)，并且向下流入熔炼容器，并在熔炼容器的熔炼室中被熔炼成熔融铁。一般来说，这种逆流布置提高了生产率和能源效率。
术语“前炉”在本文中被理解为意指熔炼容器的室，该室开放于大气并且经由通道(在本文中被称为“前炉连接件(forehearth connection)”)连接到熔炼容器的熔炼室，并且在标准操作条件下，在室中包含熔融金属，其中所述前炉连接件完全填充有熔融金属。
以申请人的名义的国际公布WO 00/01854描述了直接熔炼容器，该直接熔炼容器是可用于HIsmelt工艺和HIsarna工艺中的容器的实例，并且包括由耐火材料形成的炉膛和从炉膛的侧面向上延伸的侧壁，其中该侧壁包括水冷板(water cooled panel)，以及经由前炉连接件连接到熔炼室的前炉，所述前炉连接件允许连续的金属产品从该容器流出。在该国际公布中的公开内容通过交叉引用并入本文。
HIsmelt工艺和HIsarna工艺被高度搅动，并且这导致炉膛的上部部分的耐火材料磨损，这是由于通过熔渣和熔融金属对炉膛的上部部分中的耐火材料的冲刷和喷溅的化学侵蚀(chemical attack)和物理磨损造成的。这种磨损比其中热的金属和渣是相对静止的高炉的炉膛通常所经历的磨损更大。
为了使前面段落中提到的耐火材料磨损最小化，以申请人的名义的国际公布WO2015/081376描述了位于熔炼容器的耐火材料加衬的炉膛中的热管的使用，例如仅作为实例，用于HIsmelt工艺和HIsarna工艺的直接熔炼容器，以显著减少炉膛的耐火材料由于与熔渣或熔融金属形式的熔融材料的接触而产生的耐火材料磨损。热管使得在炉膛中使用比以前的情况更宽范围的耐火材料成为可能，并且由于更宽的材料选择而获得操作益处。
术语“热管”在本文中被理解为意指密封的长形管道，其在管道内使用流体，例如水，传递热而不需直接传导作为主要机制，该管道具有液相，该液相在管道的热端所处的条件下在该热端处汽化并形成气相，该气相在管道的较冷端冷凝以形成液相并由此释放热，其中该液相从管道的较冷端流向热端。
以上描述不应被视为对澳大利亚或其他地方的公知常识的承认。
本公开内容的概述
本发明涉及改进国际公布WO 2015/081376中描述的类型的热管的性能，并且注意本发明不受限于这些热管。更具体地，本发明涉及最小化从直接熔炼容器中的热管不受控制地释放热传递流体的风险，该风险可以给熔炼容器带来操作问题和安全问题。例如，在热传递流体是水的情况下，本发明涉及最小化从热管中不受控制地释放水的风险，该释放可以导致在熔炼容器中产生大量的蒸汽，该风险可以给熔炼容器带来操作问题和安全问题。
本发明是在对国际公布WO 2015/081376中描述的具有热管的熔炼容器的开发工作过程中做出的。
在开发工作过程期间，申请人认识到，重要的是，设计热管以应对热管意外发生故障，例如当在内部压力和/或温度超过设计极限的情况下热管爆裂并且热管因此发生故障时。举例来说，申请人发现，当热管在太多的热负荷下持续太长时间时，热管故障是在热管的操作设计寿命即将结束时的潜在问题。
宽泛地说，本发明提供了用于产生熔融金属的熔炼容器，所述熔炼容器包括耐火材料加衬的炉膛，所述炉膛在使用中与所述容器中的熔渣或熔融金属接触，其中所述炉膛包括位于所述炉膛的至少一部分的耐火衬里中的多于一个的热管，以用于冷却所述耐火衬里的至少一部分，其中所述热管中的至少一个包括(a)在所述热管的下部区段中的液相的热传递流体，通常是水，和(b)在所述热管的上部区段中的气相的热传递流体，通常是蒸汽，以及(c)通风口，当所述热管中的蒸气压力或温度超过预定的阈值压力或阈值温度时，所述通风口允许气相从所述热管中逸出，以降低所述热管内的压力或温度。
基于是以下的指示来选择热管中超过预定的阈值压力或温度的蒸气压力或温度：热管不再有效地工作，并且存在热管的不受控制的故障以及水可能从热管中释放到熔炼容器中的熔融金属或熔渣中的风险。
选择阈值压力或温度，以在存在热管的不受控制的故障之前使通风口打开。预定的阈值压力或温度可以是在标准操作条件下热管的压力和温度的设计极限。预定的阈值压力或温度可以是热管的压力或温度的设计极限加上设计极限之上的余量(margin)。
通风口可以适于允许气相而不是液相从热管中逸出，并且将液相保留在热管中。这是有利的，因为如果液相与熔炼容器中的熔融金属和熔渣接触，则液相更易挥发，并且挥发性可以对熔炼容器的操作性能和安全性能具有影响。如上所述，在热传递流体是水的情况下，从热管中不受控制地释放水可以导致在熔炼容器中产生大量的蒸汽，这可以给熔炼容器带来操作问题和安全问题。通风口可以适于允许气相而不是液相从热管中逸出，并且例如由于通风口在热管中的位置而将液相保留在热管中。
通风口可以是热管中的任何合适的开口，该开口在热管适当地操作的正常操作条件下关闭，所述正常操作条件即低于预定的阈值压力或阈值温度的操作条件，并且当热管中的压力或温度超过预定的阈值压力或阈值温度时，该开口打开并允许气相从热管中逸出以降低热管内的压力或温度。
通风口可以允许气相从热管中逸出到容器的炉膛的耐火衬里中。通风口可以允许气相逸出到熔渣或熔融金属中。通风口可以允许气相逸出到容器外部。
通风口允许气相而不是液相从热管中逸出的优先选择对通风口在热管中的位置设置了限制以在容器设计中被考虑。
通风口可以包括通气管，所述通气管延伸到热管中并且具有在热管内部并且仅与气相(在标准操作条件下)连通的开口端和在热管外部的封闭端，其中所述封闭端被形成，使得在使用中，当热管中的蒸气压力或温度超过预定的阈值压力或阈值温度时，所述封闭端打开并允许气相而不是液相从热管中逸出，以降低热管内的压力或温度，并且从而最小化热管的不受控制的故障的风险。因此，在这种条件下，液相被保留在热管中，或逐渐地汽化并从热管中排出。
通气管的封闭端可以呈塞子或熔断器(fuse)的形式，当所述热管中的蒸气压力或温度超过预定的阈值压力或阈值温度时，所述塞子打开，或所述熔断器熔化。本发明不限于这些用于形成封闭端的选项，并且扩展到响应于热管内的温度或压力超过预定的阈值而打开的任何选项。举例来说，通气管的封闭端可以被形成为通气管的端部的冷焊的夹点(coldweld pinch)，当热管内的温度或压力超过预定的阈值时，所述冷焊的夹点打开。
热管可以呈长形的中空管道的形式，其在管道的下部区段中包含液相，并且在管道的上部区段中包含气相。
热管可以包括下部端壁。
热管可以包括上部端壁。
热管可以包括侧壁。
通风口可以在热管中液相的液面上方的侧壁中。
通风口可以在热管的顶壁中。
通气管可以延伸穿过下部端壁。通气管可以延伸穿过热管中液相的液面下方的侧壁。如上所述，对于这两种布置，通气管的开口端在热管内部并且仅与气相(在标准操作条件下)连通，并且封闭端在热管外部。
热管可以被定位成使得它们不延伸出熔炼容器。
耐火材料加衬的炉膛可以包括上部部分和下部部分，所述上部部分在使用中与容器中的渣区中的熔渣接触，所述下部部分在使用中与容器中的金属区中的熔融金属接触。
热管可以位于炉膛的上部部分的耐火衬里中，以用于冷却耐火衬里。
热管可以是任何合适的形状。
热管可以包括布置成在耐火衬里中垂直延伸的下部区段。
下部区段可以是直的区段。
考虑到炉膛的几何形状，下部区段可以被成形，例如被弯曲。
热管的下部区段可以彼此平行。
热管的下部区段可以彼此间隔开。
热管的下部区段的间距可以是相同的。
热管的下部区段的间距可以是不同的。
热管的下部区段的间距在炉膛的一个区段中可以是相同的，并且在炉膛的另一个区段中可以是不同的。
例如，在需要更多冷却的区域中可以存在相对更多的热管。举例来说，排渣孔区域(slag drain tap hole area)可以需要另外的冷却。
存在与热管的间距的选择相关的许多因素，所述因素包括例如热管的位置、将从耐火材料中提取的热量、耐火材料的导热性和其他相关特性以及热管的导热性。
热管可以完全围绕炉膛定位。
热管可以被定位在完全围绕炉膛的环中。
热管可以被定位在完全围绕炉膛的多于一个的径向间隔开的环中。
一个环的热管可以相对于径向向外或径向向内的环的热管周向地交错。
热管可以具有相同的长度。
热管可以具有不同的长度。
热管的长度可以随着热管距离热管所位于的炉膛的内表面的径向间距而增加。
热管所位于的炉膛的耐火衬里可以在容器中开始熔炼活动(smelting campaign)之前具有圆柱形内表面。
该容器可以包括位于所述炉膛的所述耐火衬里中的渣区冷却器，以用于冷却所述耐火衬里，其中所述热管位于所述渣区冷却器下方，其中所述热管的上部区段与所述渣区冷却器成热传递关系，以用于将热从所述热管传递到所述渣区冷却器。
渣区冷却器可以具有在以申请人的名义的国际公布WO 2007/134382中描述的类型。
渣区冷却器可以由多于一个的冷却器元件被形成为环。
每个冷却器元件可以被成形为环的一部分，其中侧壁沿环的径向延伸。
每个冷却器元件可以包括中空的开口背衬铸造壳体结构(hollow open backedcast shell structure)，该结构具有基底壁、一对侧壁、前壁、和顶壁，它们一体地形成在铸造壳体结构中并且并入冷却剂流动通道，用于冷却剂流过其中。
热管可以包括上部区段，该上部区段被布置成在渣区冷却器附近径向延伸，以最大化到渣区冷却器的热传递。
举例来说，热管可以是大致倒置的L形或曲棍球棒形，具有垂直延伸的下部区段和径向或大致径向延伸的上部区段。
该容器可以包括从炉膛向上延伸的侧壁和围绕侧壁定位的多于一个的冷却板，以便在这些侧壁上形成内部衬里。
该容器可以包括用于放出熔融金属的装置和用于从容器放出渣的装置、用于将包括固体含金属材料和/或含碳材料的固体进料材料供应到容器中的一个或多于一个喷枪、以及用于将含氧气体供应到容器中以便后燃烧(post-combust)直接熔炼工艺中产生的气态反应产物的一个或多于一个喷枪。
用于放出熔融金属的装置可以是前炉。
该容器可以包括熔炼旋风分离器，该熔炼旋风分离器用于部分地还原和部分地熔化位于容器上方的容器的固体含金属材料。
举例来说，该容器可以适于通过基于熔融浴的直接熔炼工艺产生含铁合金。
根据本发明，提供了组件，所述组件具有(a)渣区冷却器元件，所述渣区冷却器元件用于冷却熔炼容器的炉膛的耐火衬里的一部分；以及(b)热管，所述热管与所述渣区冷却器成热传递关系，用于将热从所述热管传递到所述渣区冷却器，其中所述热管中的至少一个包括(i)在所述热管的下部区段中的液相的热传递流体，通常是水，和(ii)在所述热管的上部区段中的气相的热传递流体，通常是蒸汽，以及(iii)通风口，当所述热管中的蒸气压力或温度超过预定的阈值压力或阈值温度时，所述通风口允许气相从所述热管中逸出，以降低所述热管内的压力或温度。
通风口可以是如上所述的。
在使用中，多于一个的组件可以被形成为在熔炼容器的炉膛内的环。
每个冷却器元件可以被成形为环的一部分，其中侧壁径向延伸。
每个冷却器元件可以包括中空的开口背衬铸造壳体结构，该结构具有基底壁、一对侧壁、前壁、和顶壁，它们一体地形成在铸造壳体结构中并且并入冷却剂流动通道，用于冷却剂流过其中。
根据本发明，提供了用于产生熔融金属的熔炼容器，所述熔炼容器包括耐火材料加衬的炉膛，所述炉膛具有在使用中与所述容器中的渣区中的渣接触的上部部分和在使用中与所述容器中的金属区中的熔融金属接触的下部部分，所述炉膛包括(a)位于所述炉膛的上部部分的耐火衬里中的用于冷却所述耐火衬里的渣区冷却器以及(b)位于所述炉膛的所述上部部分的所述耐火衬里中的在所述渣区冷却器下方的用于冷却所述耐火衬里的多于一个的热管，其中所述热管的上部区段与所述渣区冷却器成热传递关系，以用于将热从所述热管传递到所述渣区冷却器，并且下部区段在所述炉膛的所述上部部分内从所述渣区冷却器向下延伸，并且其中所述热管中的至少一个包括(i)在所述热管的下部区段中的液相的热传递流体，通常是水，和(ii)在所述热管的上部区段中的气相的热传递流体，通常是蒸汽，以及(iii)通风口，当所述热管中的蒸气压力或温度超过预定的阈值压力或阈值温度时，所述通风口允许气相从所述热管中逸出，以降低所述热管内的压力或温度。
通风口可以是如上所述的。
渣区冷却器和热管可以被形成为这两个部件的组件。
根据本发明，提供了用于熔炼含金属进料材料的工艺，该工艺包括在上述熔炼容器中的熔融浴中熔炼含金属进料材料。
该工艺可以包括(a)在熔炼旋风分离器中至少部分地还原和部分地熔化所述含金属进料材料，以及(b)在上述熔炼容器的熔融浴中完全地熔炼所述至少部分地还原/熔化的材料。
含金属进料材料可以是包含金属氧化物的任何材料。
含金属进料材料可以是矿石、部分地还原的矿石和含金属的废物流。
含金属进料材料可以是含铁的进料材料，例如铁矿石。在这种情况下，该工艺的特征可以为在熔炼旋风分离器中保持至少1100℃，通常至少1200℃的温度。
含金属进料材料可以是二氧化钛渣。
含金属进料材料可以是含铜的进料材料。
该工艺可以包括保持熔炼旋风分离器中的氧势(oxygen potential)，该氧势足以使得来自熔炼旋风分离器的废气具有至少80％的后燃烧度。
根据本发明，还提供了用于熔炼含金属进料材料的设备，该设备包括上述的熔炼容器。
附图简述
本发明进一步通过实例的方式参照附图进行描述，在附图中：
图1是在根据本发明的直接熔炼容器中的直接熔炼工艺开始之前该容器的实施方案的一部分的下部区段的放大图，其中该图包括在该工艺的稳态操作下容器中的熔融金属和熔渣所处于的水平，其中该水平在容器中的静止条件下，即非操作条件下示出；
图2是例证了图1中所示的容器的炉膛的上部部分的一部分的示意性透视图，其中移除了耐火材料以示出本实施方案的渣区冷却器和热管；
图3是图2中所示的布置的下侧视图；
图4是图2中所示的布置的端视图；并且
图5是穿过图1至图4中所示的热管之一的示意性横截面，其详细地例证了热管的通风口。
实施方案的描述
本发明涉及用于HIsarna装置和HIsmelt装置的直接熔炼容器。本发明不局限于这些装置中使用的直接熔炼容器，并且涉及任何合适的直接熔炼容器，该直接熔炼容器包含熔融浴，并且具有耐火材料加衬的炉膛，该熔融浴包括熔融金属层和熔渣层，该炉膛需要冷却以最大化炉膛的工作寿命，更具体地，以减少炉膛的耐火材料由于与呈熔渣或熔融金属形式的熔融材料的接触而产生的耐火材料磨损。
附图示出了根据本发明的实施方案的直接熔炼容器4的一部分。熔炼容器4适用于HIsarna装置和HIsmelt装置，并且具有在以申请人的名义的上述国际公布WO 2015/081376中公开的类型。熔炼容器4包括通常由图1中的数字9标识的炉膛和从炉膛的侧面向上延伸的侧壁11，所述炉膛由耐火材料形成，其中侧壁11包括水冷板。在该国际公布中的公开内容通过交叉引用并入本文。
图1是在熔炼容器4中的直接熔炼工艺开始之前该熔炼容器4的一部分的下部区段的放大图。
参照图1，炉膛9具有上部部分25和下部部分26，上部部分25在使用中与熔炼容器4中的渣区18中的熔渣接触，并且下部部分26在使用中与熔炼容器4中的金属区19中的熔融金属接触。渣区18和金属区19被示出为处于静止条件，即非操作条件。众所周知，在HIsarna工艺和HIsmelt工艺的稳态操作下，渣区和金属区将被高度搅动，并且在其他基于熔融浴的直接熔炼工艺的稳态操作下，渣区和金属区将在较小的程度被搅动。
进一步参照图1，炉膛9包括基底43和侧面44，侧面44包括呈耐火砖形式的耐火衬里、用于连续地排出熔融金属的前炉27和用于排出熔渣的排渣孔28。炉膛的上部环形表面31向上和向外逐渐变细至熔炼容器4的侧壁11。在使用容器时，炉膛的这一部分暴露于熔融金属和熔渣的喷溅。
进一步参照图1，炉膛9包括：
(a)渣区冷却器20，其位于炉膛9的上部部分的耐火衬里中，用于冷却炉膛的该部分中的耐火衬里；和
(b)多于一个的热管21，其位于炉膛的上部部分的耐火衬里中，在渣区冷却器20下方，用于冷却炉膛的该部分中的耐火衬里。
渣区冷却器20是如以申请人的名义的国际公布WO 2007/134382中所描述的并且该国际公布中的公开内容通过交叉引用并入本文。渣区冷却器20通过多于一个的冷却器元件35被形成为环，冷却器元件35中的一个在图2-图4中示出。每个冷却器元件35被成形为环的一部分，其中侧壁沿环的径向延伸。每个冷却器元件35包括中空的开口背衬铸造壳体结构41，该结构41具有底壁69、一对侧壁64、两部分的前壁65a、65b、底壁69和顶壁63，它们一体地形成在铸造壳体结构41中并且并入呈管道48的形式的冷却剂流动通道(仅图1)，用于冷却剂流过其中。铸造壳体结构41由高导热性的金属或金属合金制成，例如铜或铜合金。冷却剂管道由铜或镍形成。
每个渣区冷却器元件35和与渣区冷却器元件35成热传递关系的相关热管21可以被形成为组件，该组件可在现场安装为组件。可选择地，渣区冷却器元件35和热管21可以在现场单独安装。
炉膛的上部部分25的耐火衬里被渣区冷却器20有效地冷却和支撑。渣区冷却器20显著降低了在炉膛的这部分中的耐火材料的磨损速率。特别地，渣区冷却器20的操作将耐火衬里冷却到低于衬里区域中熔渣的固相线温度，并导致渣冻结至其表面上，并且冻结的渣为耐火材料的进一步磨损提供了屏障。
如国际公布WO 2015/081376中以及在下文更详细地描述的，在使用中，热管21显著减少了炉膛9的耐火材料由于与呈熔渣或熔融金属形式的熔融材料接触造成的耐火材料磨损，并且使得在炉膛9中使用比以前的情况更宽范围的耐火材料成为可能，并且由于更宽的材料选择而获得操作益处。热管21被定位成使得它们不延伸出熔炼容器4。每个热管21包括垂直延伸的区段。结果是在耐火衬里中布置平行的直的垂直延伸的管区段。
从图5中可以最好地看到的，每个热管21是长形的中空管道，其具有侧壁47、和上部端壁49以及下部端壁51。该管道包含(a)主要在管道的下部区段中的水53，和(b)主要在管道的上部区段中的蒸汽55。
热管21在炉膛9的上部部分内从渣区冷却器20垂直向下并彼此平行地延伸。在使用中，热管21冷却处于渣区冷却器20下方的炉膛的上部部分的耐火衬里。热管21的上部区段与渣区冷却器20成热传递关系，并将热从热管21传递到渣区冷却器20。在使用中，响应于从耐火衬里到热管21的热传递和从热管21到渣区冷却器20的热传递，存在水相的汽化和气相的冷凝。每个热管21传递热而不需直接传导作为主要机制，其中水在热的下端汽化，并且在较冷的上端冷凝并形成水。蒸气的冷凝释放热，该热被传递到渣区冷却器20。参照图5，冷凝的水向下流动并返回到热的下端以闭合内部冷却回路。例如，冷凝的水可以在侧壁47的内表面上形成膜，通常是薄膜，该膜向下流到热的下端。薄膜层在图5中由数字67标识。
通常，热管21完全地围绕炉膛定位。在图1至图4所示的实施方案中，热管21布置在四个径向间隔开的环中。在图2中可以最好地看到这种布置。每个环中的热管21相对于热管21的径向向内和径向向外的环中的热管21周向地交错。热管21的长度随着热管21距离热管所位于的炉膛的上部部分25的内表面的径向间距而增加。热管21可以呈任何其他合适的布置和取向。举例来说，本发明不限于热管21是垂直的布置。作为另外的实例，本发明不限于热管21是直的布置—热管21可以包括弯曲区段以适应炉膛的结构特征。作为另外的实例，本发明不限于以下的布置：其中热管21的长度随着热管21距离炉膛的上部部分25的内表面的径向间距而增加。
热管21可以是任何合适的构造。
通常，热管21包含水。可以使用在该工艺的操作温度下的任何其他合适的热传递流体，例如醇、丙酮或甚至金属例如钠。热管21从耐火衬里的耐火材料和在耐火衬里的内表面上形成的任何保护性固化材料(渣或金属)中移除热。热管21的目的是保持尽可能大的体积的耐火衬里的耐火材料，其中热管21处于低于耐火衬里区域中渣的固相线温度，以使渣(或金属)冻结到炉膛的表面上，并形成充当磨损屏障的冻结的渣(或金属)层。
参照图5，热管21中的至少一个包括通常由数字63标识的通风口，该通风口在热管21中的压力或温度超过预定的阈值时允许蒸汽而不是水从热管21中逸出—所述阈值是以下的指示：热管21不再有效地工作并且存在热管21的不受控制的故障以及水可能从热管21中释放到熔炼容器中的熔融金属或熔渣中的风险。
进一步参照图5，通风口包括呈长形管道形式的通气管57，通气管57通过下部端壁51延伸到热管21中并且具有在热管21内部且仅与热管21中的蒸汽55连通的开口端59以及在热管21外部且位于炉膛9的耐火衬里内的封闭端61。通气管57的封闭端61经由堵塞该端的合适材料的塞子(熔断器)75而形成。封闭端61形成为当热管21中的蒸气压力或温度超过预定的阈值压力或温度时打开。当通气管57打开时，蒸汽可以经由通气管57从热管21中逸出以降低热管21内的压力和温度，并从而最小化热管21的不受控制的故障的风险。因此，在这种情况下，液体水最初保留在热管21中，直到其通过连续进入的热流逐渐蒸发。蒸汽经由通气管57逸出到炉膛9的耐火衬里中。
进一步参照图5，可以看出通气管57包括热管21内的区段和热管21外部的区段。热管21内部和外部的通气管57的这些长度的选择和通气管57的内径的选择是许多因素的函数，所述因素包括热管21的尺寸和热管21中热传递流体的量以及热管21所处的操作条件。
通风口有利地导致了以下风险的降低：液体水从热管21中逸出并产生突然的蒸气体积。这在降低以下的风险方面是有利的：水与熔炼容器中的熔融金属和熔渣接触，从而在熔炼容器4中产生不受控制的事件，例如有问题的爆炸或不可控的压力偏移。当超过阈值压力和阈值温度时，通气管57允许蒸气而不是液体直接从热管21逸出。
阈值压力和阈值温度可以是考虑到热管21的构造和热管21上的操作条件(包括所需的热负荷)的任何合适的值。预定的阈值压力或阈值温度可以是在标准操作条件下热管的压力和温度的设计极限。预定的阈值压力或阈值温度可以是热管的压力或温度的设计极限加上设计极限之上的余量。举例来说，在HIsmelt工艺或HIsarna工艺熔炼呈铁矿石形式的含金属进料材料的情况下，热管21的构造通常使得热管21将在热管21内的～270℃的温度爆裂，即以不受控制的方式发生故障。在这种情况下，阈值温度将被选择为低于270℃，使得通气管57在热管达到故障温度之前打开并允许蒸汽从通气管中排出。
申请人已经对本发明进行了实验室测试。具体而言，如下制造了两个具有附图中描述的类型的通气管57的热管，并然后如下文所述进行测试。制造
·热管：3/4外径(OD)和24.5”长，由蒙乃尔合金(monel)形成，包含30g(～25％的内部体积)水作为热传递流体。
·通气管：管道尺寸分别为1/8”OD和1/16”OD，由铜形成并且真空钎焊到热管上，在热管内的通气管长度为～22”，并且在热管外的通气管长度为6”-7”。
·通气管的末端通过夹紧该末端并且冷焊所夹紧的末端来封闭。
测试设置描述
·向热管的底部3”供热。
·通过热管的暴露长度(～21.5”)上的自然对流和辐射将热从热管中去除。
·热电偶被点焊到热管表面。
·恒定热输入测试：对热管施加恒定的450W，并监测通气管释放蒸气时所处的温度。
·温度浸泡测试(Temperature Soak Test)：使用温度控制器以逐步的方式改变热管的操作温度。
·将每个温度设定点保持持续～30min，以确定通气管释放是否是时间/温度依赖性的。
结果
·在冷焊的夹点故障之前，两个热管都显示出适当的热管操作，其通过跨越每个管表面的等温温度(isothermal temperature)所指示。
·对于所有测试，水在从通气管排出时保持在蒸气(或蒸汽)状态。
·测试结果示出，通气管可以在仅有蒸汽释放的情况下安全地排出热管。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对上述本发明工艺的实施方案进行许多修改。
举例来说，虽然实施方案包括呈通气管57形式的通风口，所述通风口在热管中的压力或温度超过预定的阈值时允许蒸汽而不是水从热管21中逸出，但是本发明不限于通气管，并且扩展到任何合适的通风口构造。
举例来说，虽然实施方案包括具有封闭端的通气管57，该封闭端形成为堵塞该端的合适材料的塞子(熔断器)75，但是本发明不限于此，并且扩展到用于封闭通气管的端部的任何合适的选择。要求是提供响应于热管中选定的阈值压力或阈值温度的封闭物。选择阈值压力或阈值温度，以在存在热管的热管故障的不受控制的故障之前使通风口打开。
举例来说，虽然实施方案包括热管21的布置，在该布置中，热管21的长度随着热管21距离热管所位于的炉膛的上部部分的内表面的径向间距而增加，但是本发明不限于此，并且热管21可以具有任何合适的长度。
举例来说，虽然实施方案包括渣区冷却器20，但是本发明不限于此，并且扩展到没有渣区冷却器20的布置。注意，实施方案中所示的类型的渣区冷却器20是利于从热管21至容器4外部的热传递的方便选择。
举例来说，虽然实施方案集中于耐火衬里与熔渣的接触，但是本发明不限于此，并且还扩展到耐火衬里与熔融金属接触的情况。

Claims (39)

1.一种用于产生熔融金属的熔炼容器，所述熔炼容器包括耐火材料加衬的炉膛，所述炉膛在使用中与所述熔炼容器中的熔渣或熔融金属接触，其中所述炉膛包括位于所述炉膛的至少一部分的耐火衬里中的多于一个的热管，以用于冷却所述耐火衬里的至少一部分，其中所述热管中的至少一个包括：在所述热管的下部区段中的液相的热传递流体；
在所述热管的上部区段中的气相的热传递流体；以及
通风口，所述通风口包括延伸到所述热管中的通气管，所述通气管包括：
在所述热管内部的开口端以及在所述热管外部的封闭端，其中，当所述热管中的蒸气压力或温度超过预定的阈值压力或阈值温度时，所述通气管的所述封闭端打开，以允许所述气相从所述热管中逸出以降低所述热管内的所述压力或所述温度。
2.如权利要求1所述的熔炼容器，其中所述液相的热传递流体是水。
3.如权利要求1所述的熔炼容器，其中所述气相的热传递流体是蒸汽。
4.如权利要求2所述的熔炼容器，其中所述气相的热传递流体是蒸汽。
5.如权利要求1-4中任一项所述的熔炼容器，其中所述通风口适于允许气相而不是所述液相从所述热管中逸出，并且将所述液相保留在所述热管中。
6.如权利要求1-4中任一项所述的熔炼容器，其中所述通气管延伸到所述热管中并且具有仅与所述气相连通的所述开口端和按以下形成的所述封闭端：所述封闭端被形成，使得在使用中，当所述热管中的蒸气压力或温度超过预定的阈值压力或阈值温度时，所述封闭端打开并允许气相而不是液相从所述热管中逸出，以降低所述热管内的所述压力或所述温度。
7.如权利要求6所述的熔炼容器，其中所述通气管的所述封闭端呈塞子或熔断器或卷曲端的形式，当所述热管中的蒸气压力或温度超过预定的阈值压力或阈值温度时，所述塞子打开，或所述熔断器熔化，或所述卷曲端打开。
8.如权利要求1-4和7中任一项所述的熔炼容器，其中所述炉膛包括上部部分和下部部分，所述上部部分在使用中与所述熔炼容器中的渣区中的熔渣接触，所述下部部分在使用中与所述熔炼容器中的金属区中的熔融金属接触，其中所述热管位于所述炉膛的所述上部部分的所述耐火衬里中，以用于冷却所述耐火衬里。
9.如权利要求5所述的熔炼容器，其中所述炉膛包括上部部分和下部部分，所述上部部分在使用中与所述熔炼容器中的渣区中的熔渣接触，所述下部部分在使用中与所述熔炼容器中的金属区中的熔融金属接触，其中所述热管位于所述炉膛的所述上部部分的所述耐火衬里中，以用于冷却所述耐火衬里。
10.如权利要求6所述的熔炼容器，其中所述炉膛包括上部部分和下部部分，所述上部部分在使用中与所述熔炼容器中的渣区中的熔渣接触，所述下部部分在使用中与所述熔炼容器中的金属区中的熔融金属接触，其中所述热管位于所述炉膛的所述上部部分的所述耐火衬里中，以用于冷却所述耐火衬里。
11.如权利要求1-4、7和9-10中任一项所述的熔炼容器，其中所述热管包括在所述耐火衬里中垂直延伸的下部区段。
12.如权利要求5所述的熔炼容器，其中所述热管包括在所述耐火衬里中垂直延伸的下部区段。
13.如权利要求6所述的熔炼容器，其中所述热管包括在所述耐火衬里中垂直延伸的下部区段。
14.如权利要求8所述的熔炼容器，其中所述热管包括在所述耐火衬里中垂直延伸的下部区段。
15.如权利要求11所述的熔炼容器，其中所述热管的所述下部区段是直的区段。
16.如权利要求12-14中任一项所述的熔炼容器，其中所述热管的所述下部区段是直的区段。
17.如权利要求11所述的熔炼容器，其中考虑到所述炉膛的几何形状，所述热管的所述下部区段被成形。
18.如权利要求12-14中任一项所述的熔炼容器，其中考虑到所述炉膛的几何形状，所述热管的所述下部区段被成形。
19.如权利要求17所述的熔炼容器，其中考虑到所述炉膛的几何形状，所述热管的所述下部区段被弯曲。
20.如权利要求18所述的熔炼容器，其中考虑到所述炉膛的几何形状，所述热管的所述下部区段被弯曲。
21.如权利要求1-4、7、9-10、12-15、17和19-20中任一项所述的熔炼容器，包括位于所述炉膛的所述耐火衬里中的渣区冷却器，以用于冷却所述耐火衬里，其中所述热管位于所述渣区冷却器下方，其中所述热管的上部区段与所述渣区冷却器成热传递关系，以用于将热从所述热管传递到所述渣区冷却器。
22.如权利要求5所述的熔炼容器，包括位于所述炉膛的所述耐火衬里中的渣区冷却器，以用于冷却所述耐火衬里，其中所述热管位于所述渣区冷却器下方，其中所述热管的上部区段与所述渣区冷却器成热传递关系，以用于将热从所述热管传递到所述渣区冷却器。
23.如权利要求6所述的熔炼容器，包括位于所述炉膛的所述耐火衬里中的渣区冷却器，以用于冷却所述耐火衬里，其中所述热管位于所述渣区冷却器下方，其中所述热管的上部区段与所述渣区冷却器成热传递关系，以用于将热从所述热管传递到所述渣区冷却器。
24.如权利要求8所述的熔炼容器，包括位于所述炉膛的所述耐火衬里中的渣区冷却器，以用于冷却所述耐火衬里，其中所述热管位于所述渣区冷却器下方，其中所述热管的上部区段与所述渣区冷却器成热传递关系，以用于将热从所述热管传递到所述渣区冷却器。
25.如权利要求11所述的熔炼容器，包括位于所述炉膛的所述耐火衬里中的渣区冷却器，以用于冷却所述耐火衬里，其中所述热管位于所述渣区冷却器下方，其中所述热管的上部区段与所述渣区冷却器成热传递关系，以用于将热从所述热管传递到所述渣区冷却器。
26.如权利要求16所述的熔炼容器，包括位于所述炉膛的所述耐火衬里中的渣区冷却器，以用于冷却所述耐火衬里，其中所述热管位于所述渣区冷却器下方，其中所述热管的上部区段与所述渣区冷却器成热传递关系，以用于将热从所述热管传递到所述渣区冷却器。
27.如权利要求18所述的熔炼容器，包括位于所述炉膛的所述耐火衬里中的渣区冷却器，以用于冷却所述耐火衬里，其中所述热管位于所述渣区冷却器下方，其中所述热管的上部区段与所述渣区冷却器成热传递关系，以用于将热从所述热管传递到所述渣区冷却器。
28.一种组件，所述组件具有(a)渣区冷却器元件，所述渣区冷却器元件用于冷却熔炼容器的炉膛的耐火衬里的一部分；以及(b)热管，所述热管与所述渣区冷却器成热传递关系，用于将热从所述热管传递到所述渣区冷却器，其中所述热管中的至少一个包括(i)在所述热管的下部区段中的液相的热传递流体，和(ii)在所述热管的上部区段中的气相的热传递流体，以及(iii)通风口，所述通风口包括延伸到所述热管中的通气管，所述通气管包括：
在所述热管内部的开口端以及在所述热管外部的封闭端，其中，当所述热管中的蒸气压力或温度超过预定的阈值压力或阈值温度时，所述通气管的所述封闭端打开，以允许所述气相从所述热管中逸出以降低所述热管内的所述压力或所述温度。
29.如权利要求28所述的组件，其中所述液相的热传递流体是水。
30.如权利要求28或29所述的组件，其中所述气相的热传递流体是蒸汽。
31.一种用于产生熔融金属的熔炼容器，包括耐火材料加衬的炉膛，所述炉膛具有上部部分和下部部分，所述上部部分在使用中与所述熔炼容器中的渣区中的渣接触，所述下部部分在使用中与所述熔炼容器中的金属区中的熔融金属接触，所述炉膛包括(a)位于所述炉膛的所述上部部分的耐火衬里中的用于冷却所述耐火衬里的渣区冷却器以及(b)位于所述炉膛的所述上部部分的所述耐火衬里中的在所述渣区冷却器下方的用于冷却所述耐火衬里的多于一个的热管，其中所述热管的上部区段与所述渣区冷却器成热传递关系，以用于将热从所述热管传递到所述渣区冷却器，并且下部区段在所述炉膛的所述上部部分内从所述渣区冷却器向下延伸，并且其中所述热管中的至少一个包括(i)在所述热管的下部区段中的液相的热传递流体，和(ii)在所述热管的上部区段中的气相的热传递流体，以及(iii)通风口，所述通风口包括延伸到所述热管中的通气管，所述通气管包括：
在所述热管内部的开口端以及在所述热管外部的封闭端，其中，当所述热管中的蒸气压力或温度超过预定的阈值压力或阈值温度时，所述通气管的所述封闭端打开，以允许所述气相从所述热管中逸出以降低所述热管内的所述压力或所述温度。
32.如权利要求31所述的熔炼容器，其中所述液相的热传递流体是水。
33.如权利要求31所述的熔炼容器，其中所述气相的热传递流体是蒸汽。
34.如权利要求32所述的熔炼容器，其中所述气相的热传递流体是蒸汽。
35.如权利要求31-34中任一项所述的熔炼容器，其中所述通风口包括通气管，所述通气管延伸到所述热管中并且具有在所述热管内部并且与所述气相连通的开口端和在所述热管外部的封闭端，其中所述封闭端被形成，使得在使用中，当所述热管中的蒸气压力或温度超过预定的阈值压力或阈值温度时，所述封闭端打开并允许气相而不是液相从所述热管中逸出，以降低所述热管内的所述压力或所述温度。
36.如权利要求35所述的熔炼容器，其中所述通气管的所述封闭端呈塞子或熔断器或卷曲端的形式，当所述热管中的蒸气压力或温度超过预定的阈值压力或阈值温度时，所述塞子打开，或所述熔断器熔化，或所述卷曲端打开。
37.一种用于熔炼含金属进料材料的工艺，包括在权利要求1-27和31-36中任一项中所述的熔炼容器中在熔融浴中熔炼所述含金属进料材料。
38.如权利要求37所述的工艺，包括(a)在熔炼旋风分离器中至少部分地还原和部分地熔化所述含金属进料材料，以及(b)在上述熔炼容器的所述熔融浴中完全地熔炼所述至少部分地还原/熔化的材料。
39.一种用于熔炼含金属进料材料的设备，所述设备包括权利要求1-27和31-36中任一项所述的熔炼容器。
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