CN1109231C - 电弧炉中熔化炉料的方法 - Google Patents

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Abstract

使炉子、特别是炼钢用的废金属熔化电弧炉中的炉料熔化的方法，其中向炉料提供熔化能量并向炉料上方的炉子空间喷射含氧气体使烟气完全燃烧。用多个气流喷入含氧气体，每个气流的流量约在50至1200Nm3/h之间，喷射器(11、12)的出口速度约为10至150米/秒。

Description

电弧炉中熔化炉料的方法
本发明涉及一种通过给炉料提供能量，使炉中、特别是电弧炉中的炉料熔化的方法；在炉料熔化的过程中，炉中产生一些气体，并且至少有一种可燃性气体，特别是一氧化碳；在该方法中，在一定时间内注入氧的体积含量超过25％的助燃气体，以实现可燃气体的完全燃烧。
“氧的体积含量超过25％的助燃气体”指在标准温度和压力条件下至少含25％体积氧气的气体，尤其是含氧超过50％体积的富氧空气，但最好是工业纯度的氧气，也就是说含氧体积至少为88％，其中特别包括用VSA型(真空开关吸收)吸收装置或其它工业纯度氧发生器、包括使用膜的系统产生的氧气。
在电弧炉中，特别是炼钢用的熔化废金属的电弧炉中，主要通过炉子的石墨电极给炉料提供能量使废金属熔化，使强大的电流通过这些电极，产生足以使炉中的废金属熔化的能量。
现在，越来越多地用矿物能量来提高炉子的生产能力。因此，利用吊斗装煤，或通过喷嘴将煤喷入就可以使用矿物能量。这种能量由于煤的燃烧不完全，只能部分地利用。这样，通过碳的氧化释放出大量的一氧化碳CO。对电弧炉，这种一氧化碳按照称为完全燃烧的方法在炉中的氧气中燃烧，例如专利US5166950和EP-A-127492。
申请人的专利US5166950描述了一种熔化废金属和炼钢用的电弧炉中的炉料熔化的方法和装置，给炉料提供熔化能量，并向炉料上方的炉子空间注入含氧气体，使烟气完全燃烧。在所述的方法中，用氧气喷射器在炉料上方的炉子空间产生向相反方向旋转的气流。因此，用这种方法保证了含氧助燃气体与炉内的可燃气体以及从炉料产生的一氧化碳或氢气的有效混合，使炉中这些气体均匀地完全燃烧，完全燃烧与垂直分布在炉子的垂向轴周围和附近的电极合作，使炉料熔化。
专利US5373530(以及EP-A-127492)描述了一种穿过炉子外壳的含氧气体喷射器，这种喷射器穿过炉子外壳喷入相对炉轴非径向的含氧气体流。
从P.Mathur和G.Daughtridge的文章“用于电弧炉中的有效完全燃烧的注氧”中可以了解到一种以超音速(一般大于300米/秒)向炉池上方喷射氧气的电弧炉完全燃烧方法；在这种方法中氧气撞击熔化了的金属池表面(炉渣)，使铁氧化成氧化铁FeO，即铁与存在的二氧化碳氧化生成氧化铁和一氧化碳，以及碳与二氧化碳反应生成一氧化碳。因此，超音速注入氧通过上述反应产生带有一定量二氧化碳和一定量一氧化碳的气体混合物。因此，这种工艺的缺点在于没有充分利用炉中一氧化碳所产生的能量的可能性。
本发明方法的目的在于通过同时使完全燃烧释放的能量及向金属池传递的能量最大化来提高完全燃烧的效率，同时保证炉子的耐火材料衬里的寿命，又不使电极过度氧化。为此，本发明的方法最大限度地促进一氧化碳与氧的反应，以形成二氧化碳，破坏其它不需要的反应，尤其是铁与氧的氧化反应( )和二氧化碳与铁的反应( )。根据本发明，炉料在炉中熔化方法的特点是，在实现完全燃烧的时间内，将助燃气体低速喷到炉料下方，喷入形式为至少一个助燃气体流，每个气体流的流量约在50至1200Nm3/h之间，喷入炉中的速度为5米/秒至150米/秒之间，最好在50米/秒至125米/秒之间。
在本发明的一个优选实施例中，炉子为电弧炉，本发明方法的特点是每个可燃气体流的喷射方向与电弧火焰产生的主气流基本重合，最好是对流。
根据本发明的另一个实施例，在炉内不发生完全燃烧的一定时间内，向炉内喷射助燃气保持流量，喷射速度约为5米/秒至20米/秒，以避免或减少助燃气体喷射器堵塞。
根据本发明的另一实施例，该方法的特点是，至少喷入一个与炉壁相切的助燃气流，角度在250°至40°之间，最好在30°左右。
根据本发明的另一实施例，该方法的特点是，至少从炉子的侧壁自上至下注入一个助燃气流，角度为10°至20°，最好与水平方向成15°角。
同样，最好用三个、甚至至少四个喷射器喷入助燃气体，喷射器最好是均匀分布在炉子的侧表面。但是，如果炉子上有足够的地方，最好设置更多的喷射器，例如六个、甚至11个喷射器。
每个助燃气流的流量最好是80-850Nm3/h，喷射器的出口速度约为50-125米/秒，最好为100米/秒左右。
应连续分析炉子的烟气，并根据分析的结果调整助燃气的流量，存在的可燃气体越多，则应喷入更多的氧气，但是喷氧应分阶段进行，以使喷射器附近的温度限制在与炉子的侧板的热稳定性相适合的数值上(用水冷却的侧板分布在炉子的周围。因此，一般说来，在浇铸期间助燃气的流量是可变的。
烟气的分析在于测量烟气中一氧化碳的浓度(如4％体积的CO)。
另外，还可以使用多组喷射器，喷射器出口具有与炉子的垂向轴相切的分量，各组喷射器可以安排在同一水平，也可以安排在不同水平上。
根据本发明的另一种实施例，炉中的保持流量也可以用空气。
同样可以并且有时最好在将助燃气喷入炉中前使其预热。为此，可以使含氧体积25％以上的助燃气预热，例如用与炉子进行间接热交换的方式。还可以至少使炉中排出的部分烟气和助燃气混合，然后一起喷入炉中。在这种情况下，助燃气(烟+助燃气的混合物)可能含不到25％、甚至不到21％体积的氧。
关于喷射器的数量，最好至少用六个。因为在一般规律下，使用的喷射器数量越多，得到的结果越好。这些喷射器最好都位于炉子的上半部，并且最好是金属面以上的上半部。
借助于下述非限制性的实施例并结合下述附图可以更好地理解本发明：
-图1是实施本发明的电炉的垂直剖视示意图；
-图2是沿图1II-II线的横向剖视示意图；
-图3是炉子的氧喷射器的更详细的放大纵剖视图；
-图4是炉子下部的示意图；
-图5是现有技术与本发明的比较示意图；
-图6是考虑使用喷射器数量的单位耗电随单位耗氧的变化曲线图；
-图7是通过调节一氧化碳实施在两个水平之间的喷氧的实施例。
图1、2中所示的电弧炉用于熔化废金属以生产钢。该炉子包括一个炉底2、一个带排渣门4的炉壁3和一个熔化物的流出口5以及炉顶6，该炉顶还支撑着三个电极7、8、9，这些电极均匀分布在垂向轴X-X的周围。炉顶还包括一个烟气出管10。
炉子1至少配备两组分层的(至少为两层，典型的至少为三层)含氧气体喷射器，分别为11和12。第一组喷射器11位于N1处，大约是炉底2的最低点2′和炉顶6的最高点6′间的高度H的一半，而第二组喷射器12位于N2处，大约为此高度H的3/4。因而喷射器11和12位于两个水平面上，两个水平面的垂直高差大约为炉顶最大高度的1/4。每个喷射器的方向有一个主切线分量和一个向心的径向分量。从上向下看时，处在N1＝H/2处的下面一组喷射器11的出口为反时针方向，以形成反时针方向旋转的下部气流(图2)。N2＝3H/4处的上组喷射器12的出口，从上面看时，为顺时针方向，以形成顺时针方向旋转的上部气流。
分别通过管线14从气源13(图2)给喷射器提供纯度至少为90％的氧气，管线14上分别装有调节元件15。
炉子还包括一个分析管10排出的烟气中一氧化碳(CO)含量的分析器16，该分析器具有调节喷射器11、12供气的控制元件15的控制装置，根据测量结果连续进行实时控制。
现在参照图3，示出喷射器11、12中的某一个、例如11，包括一个头17，位于炉壁3的厚度中，并且有一个柱形轴向气体通道18，18与轴19间的倾角为α，轴19与图1中的垂直轴X-X成径向关系。
头17在一般为柱状的主体20的端部形成，当喷射器安装在炉上时，主体20的轴与轴19重合，该主体上有一个气体通道，通道延长了穿过头的轴18的通道，这样，主体从炉壁3的外表面21突出，炉壁3一般由图2中示意的支撑结构22支持。
喷射器的主体20绕轴19旋转安装在支承轴承23上，轴承也示意在图3中。当根据炉子的特征进行旋转调节时，通过在头17和安装喷射器的炉壁3的柱体25之间充填耐火材料24来固定喷射器的位置。不管如何调节，头17的前表面26与炉壁3的内表面27持平。
图3上还有一个冷却流体(如冷水)流动的管线28。在申请人的专利EP-A-127492中描述了这种喷射器的其它特征和优点。
隔板29上有一个经过标定的固定喷嘴30，装在主体20后端的埋头孔31中，供气管14与该装置连接。喷射器的出口直径也是固定的，并且大大大于喷嘴30的直径。喷射器的直径为3-6厘米，最好在5厘米左右。
另外，正如在上述欧洲专利中所说的，管子14的前端可以装一个止回保护阀(图中未示)。
在操作过程中，装料/浇铸和熔化阶段交替进行。在每一阶段，分析器16将烟气的二氧化碳浓度与一设定低值进行比较，并相应调节喷射器的供气。
在整个操作过程中，通过喷射器的氧气流量保持在50至1200Nm3/h左右(1Nm3/h为标准温度和压力条件下的1立方米)，并且考虑到喷射器的尺寸和出口压力(基本上为大气压)，氧气的出口速度大约在5至150米/秒之间。对于15-125米/秒的出口速度，每个喷射器的流量范围最好为100至900Nm3/h。
如果每个喷射器的流量超过1200Nm3/h，会有迅速破坏构成炉壁3的耐火材料炉板和/或使至少一个电极和/或金属池氧化的严重危险。
可以看出，用这样的参数组合，对给定的单位耗氧量，单位耗电量特别低。
对图1-3所示类型的85吨炉子进行的试验证实了这一点，该炉有六个出口直径为50毫米的喷射器，调节装置16上显示出每个喷射器的最大流量为700Nm3/h；在没有流动的时间内，有流量约为50-70Nm3/h的保护小流量。
已经证明，对于基本相同的单位耗氧量，该炉的耗电量大大低于给六个喷射器中的四个供气时的耗电量。这表明，当氧气流的喷射器出口速度降低时，完全燃烧有所改善。
图4为电弧炉下部的示意图并示意性地示出气体在炉中的流动。炉子40有三个电极41、42、43，电极穿过炉顶，气体可通过电极排出。空气主要通过开口44或渣门进入，通过“第四孔”51随烟气排出。熔化的金属通过浇铸孔56流出。六个氧气喷射器45、46、47、48、49、50均匀分布在炉子周围，并且基本都处在同一水平面上。气体和烟气在炉中的运动用箭头52、53、54、55表示。
工作时，电极的电弧把气体推向外围。箭头53所示的气流从中心(电极)向炉壁40运动，然后沿炉壁40向第四孔51运动。同样，箭头54所示的气流沿炉壁运动通过第四孔51排出。空气从渣门55进入，向“第四孔”51运动；气流52离开电极，沿炉壁向门44和孔51方向运动。
根据本发明，氧气喷射器的布置方法是向与烟气流相对的方向喷入氧气：喷射器50与气流52相对，喷射器49、48与气体流53相对，喷射器46、47与气流54相对，喷射器45与气体流55相对。
图5为现有技术(图的右部)与本发明(图的左部)的比较。根据现有技术，指向金属池60上部的渣面61的喷枪73穿过气体/烟气把氧气高速(超音速)喷入炉子62。
由于氧气的高速度，氧气与熔化的钢接触，产生如下反应：
                  
这个反应是不利的，因为它消耗铁和氧，形成渣。
铁还与一氧化碳和氧反应产生的二氧化碳反应。高速氧带动二氧化碳与金属池接触，因而根据下述反应产生更多的FeO渣和少量的一氧化碳：
                  
不幸的是，如果不喷入大量的氧气形成的CO不再与氧发生反应，因为氧在其它地方消耗了(见前面)，因而失去了一部分氧。
二氧化碳还与熔化了的钢中的碳反应，造成脱碳反应(因而是不利的)，产生CO，它同样也是不燃烧的。
看到上述不同的技术问题并且分析了各种不利的反应之后，申请人提出了本发明；在本发明中，喷射器63低速注入氧气，产生气体云64，该气体云停留在金属池60上方，在区域65与来自金属池的CO(并且只与CO)发生下述反应：
                  
因此，池中产生的所有一氧化碳都被氧所燃烧，因而实现了CO和能量优化的氧量的真正的完全燃烧(放热)。
图6为四个喷射器(白点)在单位耗氧下的单位耗电(KWh/t)和六个喷射器(黑点)的比较，其它条件相同。
  在对大量的浇铸作平均值后得到以下结果：
6个喷射器 4个喷射器
  每次浇铸(平均)耗氧(Nm3/吨)     45.6     44.2
  平均流量(Nm3/h)     280     425
  喷氧速度(米/秒)     40     60
  耗电(KWh/t)     347     369
图7为分段调节喷氧的一个例子。当烟气中的一氧化碳体积含量≥4％时，在炉料熔化的最初60％的时间内向炉中喷入最多的氧，800Nm3/h。如果一氧化碳含量小于4％，则喷入流量为100Nm3/h。在60％至75％的熔化时间内，用同样方法把流量调节在400Nm3/h至100Nm3/h之间，然后在75％至100％的时间内，将流量调节在200Nm3/h至100Nm3/h之间。后来的曲线100用实线表示。根据第一种变型，流量可以停留在800-100Nm3/h之间的一个台阶上(沿曲线102)。还可以在60-100％的时间内停留在400至100Nm3/h之间(曲线101)。
当然，可以在同一设定值(如4％体积CO)的基础上调节所有喷射器，也可以在不同设定值的基础上调节(一个喷射器一个值，或一组或几组喷射器一个值)。
比较实例：
下面的例子是一台根据现有技术(下面称作“BURNER PC”)运转的设备与同一设备按本发明的方法(下面称作“INVENTIONPC”)运转的比较。本例表明产出1吨金属节约了18KWh的能量，这就是说，在1小时多一点的时间内，浇铸100吨金属可节约1800KWh。根据现有技术的设备包括四个高速(250米/秒)喷氧器，而本发明则有四个根据本发明的低速(110米/秒)喷氧器。除下述的以外，两种情况基本相同。得到的结果综述如下：
    BURNER PC   INVENTION PC
    耗电(KWh/t)     377     359
    供电时间(分钟)     57.5     52.4
    整个浇铸时间的总喷O2量(Nm3/T)     33.6     37.1
    为完全燃烧喷入的O2量(Nm3/T)     11.4     13.0
    氧的最大总流量(Nm3/h)     1800     3200
    喷氧的最大速度(m/s)     252     113

Claims (17)

1.一种通过给炉料提供熔化能量使其熔化的方法，其中，炉料熔化过程中产生一些气体，其中至少有一种可燃性气体，尤其是一氧化碳；在该方法中，至少在一定时间内喷入氧的体积含量超过25％的助燃气体，以实现所述可燃气体、特别是一氧化碳的完全燃烧；其特征是，在实现完全燃烧的时间内，将助燃气体低速喷到炉料的下方，喷入形式为至少一个助燃气流，每个气流的流量为50-1200Nm3/h，喷入炉中的速度为5米/秒至150米/秒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，炉子为电弧炉，其特征是：炉中每个可燃气流的喷入方向与电弧火焰产生的主气流基本一致。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，至少在炉中不产生完全燃烧的一定时间内，向炉中喷入助燃气保持流量，速度为5-20米/秒，以避免或减少助燃气喷射器的堵塞。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征是，喷入至少一个助燃气流，与炉壁相切，角度在25°至40°之间。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征是，从炉子的侧壁自上而下地喷入至少一个助燃气流，气流与水平方向的角度在10°至20°之间。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征是，用至少三个喷射器喷入助燃气体，喷射器均匀分布在炉子的侧表面。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征是，每个助燃气流的流量在80至850Nm3/h之间，喷射器的出口速度为50至125米/秒。
8.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征是，连续分析炉中排出的烟气，并根据分析结果调节助燃气的流量。
9.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征是，在炼钢用的废金属熔化电弧炉中，烟气的分析在于测量烟气中一氧化碳的浓度。
10.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征是，使用多组喷射器，喷射器的出口具有与炉子(1)的垂直轴(XX)相切的分量，各组喷射器处在不同的水平上(n1，n2)，并指向交替的圆周方向。
11.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征是，使用一组都位于同一水平的喷射器，这些喷射器的一部分具有一个第一方向的圆周分量和一个与水平方向成第一个角度的向下的分量，其它喷射器具有一个相反方向的圆周分量和一个第二角度的向下分量，该角度最好与所述的第一个角度不同。
12.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征是，含氧气体为纯度至少为88％的氧气。
13.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征是，在铸造过程中，助燃气的流量随喷氧的阶段而变化。
14.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征是，至少在炉中不产生完全燃烧的一定时间内，向炉中注入助燃气体保持流量，这种气体为空气。
15.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征是，至少用六个助燃气体喷射器。
16.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征是，助燃气喷入所述炉中之前至少与炉中产生的部分烟气混合，使其预热。
17.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征是，将助燃气预热，然后再喷入炉中。
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