CN1140760C - 用一喷枪/燃烧器将气体喷射入熔融金属的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于将主气有效地供入熔融金属池中的方法，该方法对于在电弧熔炉中采用是特别有用的。该方法采用次氧与燃料燃烧形成围绕主气流的火焰包围物，该火焰包围物可以防止当主气流通过熔炉的上部空间时周围气体被携带进入其中，这可以使气体在喷入上部空间时在相当程度上保持其原来的力度，因此可以在距熔融金属表面的一个安全距离处喷入熔炉而仍然能够基本上完全穿入熔融金属中。

Description

用一喷枪/燃烧器将气体喷射入熔融金属的方法

技术领域

本发明一般来说涉及将诸如氧气的气体喷入含有熔融金属池的熔炉中的设备和方法，而且对于在电弧熔炉中应用是特别有利的。

背景技术

在处理熔炉中的熔融金属的过程中，常常希望将诸如氧气的气体供给熔融金属。一种用于在电弧熔炉中进行熔融金属处理的最近发生的重大改进是在授予马瑟等人的美国专利No.5572544中作了公开和说明的后燃法，其中，主氧从熔融金属池的表面之上供入熔融金属中，并且后燃氧从熔融金属池的表面的上方但是靠近该表面供入熔炉中。在这样的系统中，因为主氧必须穿透渗入熔融金属池中，因此它必须采用一个或者多个水冷喷枪非常靠近熔融金属表面来喷入熔炉中，或者采用一个或者多个管子在熔融金属池表面之下的某个位置来喷入熔融金属中。然而，这种便利方法仍然不能令人满意，因为喷气装置的端部靠近液体表面会造成水冷喷枪式氧气喷嘴过分的但是又不可避免的磨损。管子必须不断前进，以便补偿浸入钢熔槽中的端部的熔融和氧化，其不仅要求提供管子的操纵设备，而且由于管子不断损失而费用昂贵。另外，由于熔融金属表面不是静止的，氧气喷嘴必须不断予以移动，以便确保氧气喷射是在适当的位置和在喷嘴至熔融金属池表面的距离适当的情况下进行的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于将诸如氧气的气体供入含有熔融金属池的熔炉中的系统，其中，气体通入熔融金属池中，但是可以避免气体喷射系统的过分磨损。

有时希望将热量供入金属熔炉中，以便，除了将气体供入熔融金属池以外，例如还可以熔融切屑。因此本发明的另外一个目的是提供一种将气体供入熔炉中，以便气体可以有效地通入在熔炉中的熔融金属中同时还能够将热量供入熔炉中。

在电弧熔炉运行中，希望在熔融金属池之上产生泡沫熔渣层。因此，本发明的另外一个目的是提供一种用于将气体供入电弧熔炉中以便气体可以有效地通入在熔炉中的熔融金属中同时还能够在熔融金属之上产生泡沫熔渣的系统。

在电弧熔炉运行中，希望减少产生的烟雾的数量。因此，本发明的另外一个目的是提供一种用于将气体供入其可以将产生的飞溅减至最少并且还可以在确实产生的飞溅产物的附近提供还原气层以便降低烟雾形成数量的电弧熔炉中的系统。

在电弧熔炉运行中，希望将诸如碳，石灰，合金等的试剂以粉末形式喷入熔槽中，因此，本发明的另外一个目的是提供一种用于将气体供入电弧熔炉中以便气体可以有效地通入在熔炉中的熔融金属中同时还可以将粉末试剂引入熔融金属中的系统。

在本领域的普通技术人员阅读了本发明的公开内容时，他们将一目了然地获悉的上述的和其它目的将可以由本发明达到，本发明是：

一种从一位于熔融金属池表面以上一显著距离的喷射点向一炉中熔融金属池喷射气体并穿过其表面的方法，其中所述熔融金属池在其表面有一熔渣层，所述方法包括：

(A)在炉中形成一连续喷射超音速气体流，通过

(1)通过一指向熔融金属池表面的喷嘴向炉内熔融金属池上喷射(a)其初始轴向速度为超音速的一主气流，和(b)一燃料和一次氧，二者为同轴且平行于所述超音速主气流，以及

(2)用一火焰包围物包围住所述超音速主气流，所述火焰包围物通过所述燃料和所述次氧的燃烧而形成并基本上延伸炉中所述超音速主气流的全长，即从喷嘴的出口至熔融金属池，其中所述喷嘴的主气体出口直径为d，而从喷嘴出口至熔融金属池上表面的喷射流长度为20d；以及

(B)用主气流穿过熔融金属池表面，所述主气流的喷射轴向速度在该点仍为超音速。

这里所用的术语“氧气”是指具有超过空气的氧气浓度的，最好是具有至少30克分子百分数氧气浓度的，而更好是具有至少80克分子百分数氧气浓度的流体。氧气可以是具有99.5克分子百分数氧气浓度或者更高浓度的工业上的纯氧。

这里所用的术语“火焰包围物”是指基本上与主气流同轴线并且相对于其成环形的燃烧气流。

这里所用的术语“熔渣”是指通常包括氧化钙，二氧化硅，氧化镁，二氧化铝和氧化铁中的一种或多种的熔融的或固体的氧化物层。

这里所用的术语“泡沫熔渣”是指其也含有诸如一氧化碳的大体积百分率气泡的熔渣，该气泡可以大大地减小熔渣层的密度并且给予熔渣层以泡沫形状的外观和性能。

附图说明

图1是在电弧熔炉中运行的本发明的喷枪/燃烧器的一个实施例的局部剖视立面图。

图2和3是一个实施例的细节图，其中图2是用在本发明的实践中的喷枪/燃烧器的喷射端部的一个剖视图，而图3是其一个顶视图。

图4显示从喷枪/燃烧器发射出的气流的最佳实施例和在本发明的实践中围绕主气流形成的火焰包围物的图样。

附图中标号对于共同的元件是一样的。

具体实施方式

概括地说，本发明包括由火焰包围物保持凝聚在高速气流周围的诸如氧气的高速主气流的产生和利用。气流的该凝聚性能够使喷射入熔炉中的气流喷射点位于熔融金属池表面上方的相当的距离处，同时仍然能够使气流穿过熔融金属池的表面，以便高速主气流能够通入熔融金属池中。火焰包围物最好是由以每股流体流成环形地与高速气流同轴线的两股流体流射入熔炉中的燃烧流体形成的。流体流之一是燃油流，而另外一个是次氧流。由两股环形液流的燃烧产生的较为慢速移动的火焰包围物形成一个围绕高速气流的流体屏障，大大地减少了气体从高速气流的外部被携带进入高速气流的可能性。通常，当高速液流通过空气或者某种其它气体时，气体会被携带进入高速液流中，使它膨胀成特有的锥形。借助火焰包围物屏障的作用，在距气体喷入熔炉的位置的相当大的距离上，气体的这种被携带进入的情况大大地减少了，并且高速气流基本上保持其原来的通过该距离的直径，即在通过该距离时被凝聚着。该凝聚性能够使气流保持其穿过熔融金属池的能力，因此气流喷入位置可以与熔融金属表面隔开然而仍然能够达到足够的熔融金属穿透力。此外，如果需要，气流可以含有与主要气体一起喷入熔融金属中的粉末或者其它添加剂。

本发明的一种特别有利的用途是其在电弧熔炉中的应用。在这种实践中，主气流包括氧气，氧气与熔融金属中的碳发生反应，形成一氧化碳，一氧化碳成气泡状从熔融金属中逸出。后燃氧与该一氧化碳在熔融金属池表面之上发生反应，因而可以将附加热量供入熔炉中，提高能量的利用效率，提高生产率，降低从熔炉排入大气的有害的一氧化碳的数量。

现在参照附图以及用于本发明的电弧熔炉的应用情况详细描述本发明。

现在请首先参阅图2和3，其中，示出了具有一个中央管道2，一个第一环形通道3和一个第二环形通道4的喷枪1，每个环形通道与中央管道2同轴线。中央管道2终止于喷枪1的喷射端5而形成主喷孔6。第一和第二环形通道也终止于该喷射端，最好是如图所示，基本上终止于与主喷孔6相同的平面上。第一和第二环形通道的每一个可以形成围绕主喷孔6的环形喷孔。最好是如图所示，第一环形通道3以一组围绕主喷孔6布置成一个圆圈的第一喷孔7而终止于喷射端5，而第二环形通道4以一组围绕主喷孔6和第一喷孔7布置成一个圆圈的第二喷孔8终止于喷射端5。每个中央管道2和第二环形通道4与一个氧源(未示出)相连通。在中央管道2和第二环形通道4中所用的氧气可以是相同的氧气液体，或者在第二环形通道4中与中央管道2中所使用的是不同的氧气液体。第一环形通道3与一个燃料源(未示出)相连通。该燃料可以是任何燃料，较为可取的是气体燃料，而最好是天然气或者氢气。在另一个实施例中，燃料可以通过喷枪的最外部的环形通道，而次氧可以通过喷枪的内部环形通道。在另外一个可替换的实施例中，燃料和次氧可以作为混合物通过喷枪的一个环形通道。

现在请参阅图1，其中示出了一个电弧熔炉20，该电弧熔炉20具有侧壁21和底壁22并且含有一个包括熔融金属23的池的槽。通常，该金属会包括铁或者钢。在附图1中还示出了一个在熔融金属池之上的可以是熔融的或者固体的熔渣层24和在熔渣层24之上的切屑金属25层。熔渣层通常包括氧化钙，二氧化硅，氧化镁，二氧化铝和氧化铁中的一种或者多种。切屑层，如果存在的话，可以由电极26提供的热量来熔化而形成熔融金属池23。熔融金属池除了含有金属以外还包括诸如碳和/或碳氢化合物的可氧化物。

喷枪/燃烧器1这样布置，使得它可以通过侧壁21，同时其喷射端5在槽的上表面之上并且沿着喷射轴线与其隔开至少20d的距离，并且可以沿着喷射轴线与槽隔开长达100d或者更长的距离，其中，d是主气体从喷枪/燃烧器喷出所通过的喷嘴的出口直径。喷射轴线是通过沿着其长度的喷射中心延伸的想象线。通常，沿着喷射轴线的该间隔在30d-60d的范围内。出于说明的目的，图1示出了一个用于熔炉的喷枪。在工业实践中，采用一个以上的喷枪可能是比较好的。最好是，采用三个或者四个喷枪，并且它们的位置选择得可以向诸如电极之间和在侧壁或者熔炉顶的开孔附近的通常较冷的炉区供应热量。主氧通过喷枪1的喷嘴孔6向着包括熔融金属池23的槽以沿着喷射轴线的初始速度射入熔炉20中，该初始速度通常为至少1000英尺/每秒，最好是至少1500英尺/每秒，以便形成如图4所示的高速主氧流30。该轴线喷射速度是气流在其喷射轴线上的速度。主氧将以主氧流的初始轴线喷射速度的至少50％的速度，最好是其75％的速度与该槽相接触。最好是，主氧当从喷枪喷射时具有超音速度，并且当其与该槽相接触时也具有超音速度。

与主氧喷射的同时，燃料通过第一喷射孔7喷入熔炉20中，而次氧通过第二喷射孔8喷入熔炉20中，以便形成一个燃料流和一个次氧流，这些流束中的每一个都与流束30同心和同轴线。次氧与燃料燃烧，形成火焰包围物33，该火焰包围物33所具有的速度小于主氧流30的速度，并且通常在50-500英尺/每秒的范围内。火焰包围物在喷枪端部或者在距其非常靠近的，例如1英寸的范围内形成，然后基本上也就是在熔炉内至该槽的主气流的整个长度的至少75/％的长度上延伸。最好是火焰包围物在熔炉内至该槽的主气流的整个长度上延伸。

火焰包围物33形成一个围绕主氧流30的屏障，因此大大地减少了主氧流30外部的气体被携带进入主氧流30的数量。因此，主氧流30从其通过喷枪1被喷入熔炉中的位置至其撞击包括熔融金属池23的槽的位置不会有显著的膨胀。通常，主氧流30当其撞击包括熔融金属池23的槽时的直径与其通过喷枪1被射入熔炉20中时的直径基本上是一样的。因为主氧流30当其从喷枪的喷射端至熔槽表面通过时基本上保持凝聚，所以喷枪的喷射端距熔融金属表面可以有很大的距离然而仍然能够使高速主氧流30以足够的力量撞击熔融金属池表面，使得高速主氧流可以穿过熔槽表面并通入熔融金属池中。

在熔融金属池内，在高速主氧流30中的主氧在熔融金属池中与可氧化物发生反应。例如，主氧可以与熔融金属池中的碳发生反应而在放热反应中产生一氧化碳，该放热反应可将附加热量供给熔炉开激励熔融金属而改善热传递。在熔融金属池中由主氧与氧化物发生反应而产生的气体将以气泡从熔融金属池中冒出来。在许多情况下，这样的一种或多种气体将以诸如上述的一氧化碳的不完全燃烧物质的形式存在。这样的不完全燃烧物质对环境是有害的，并且如果容许其不经过反应就通到熔炉之外也表示为一种能量损失。供入熔炉中熔融金属之上的后燃氧将如上所述与这些不完全燃烧物质发生反应。

在喷枪模式的本发明的一个实施例中，所用的燃料和次氧化剂的数量并不显著地大于形成火焰包围物所需要的数量。然而在某些情况下，可能希望将大量的热量供入熔炉中，例如来熔化熔炉中的切屑。在这种情况下，可以向熔炉提供大流量的氧化剂，并且燃料和其可以是次和/或主氧化剂的氧化剂可以用来燃烧燃料，以便为熔炉产生热量。也就是说，在本发明的实践中所用的喷枪，如果需要的话，即也可以以喷枪/燃烧器的模式起着一个燃烧器的作用。这样，便可以提供一种非常强烈的火焰，该火焰可以用来穿透和熔化切屑金属，以便提供一个氧气射流可以通过其达到熔槽表面的不受阻挡的通道。同时，该火焰可以熔化任何由于切屑熔化和陷入过程而落在燃烧器前方的切屑，借此来保持气体投入熔槽的该通道。高的天然气流量也可以在凝聚射流穿过金属熔槽时使燃料气体层围绕在凝聚射流周围。当凝聚射流穿过金属熔槽时，将形成一个小的局部空腔，因而几乎没有气流的偏斜并且几乎没有熔槽的飞溅。然而，在熔槽上方可能出现一些喷雾。该喷雾将被含在燃料气体层中。这可防止将导致烟雾形成的金属碎屑的氧化。在气体投入熔槽过程中烟雾的形成因此可以以两种方式受到抑制：(a)喷雾的量可以通过以一种凝聚射流投入而大大地减少；(b)该燃料气体层将防止金属碎屑在熔槽表面之上的氧化。

此外，在某种情况下，可能希望采用多余的燃料并且将燃料与高速气体一起供入熔槽。一种这样的情况可能有助于在电弧熔炉实践中产生泡沫熔渣。泡沫熔渣在降低电弧的能量损失和降低熔炉壁的耐火材料的磨损方面是非常希望要的。在该情况下，多余的诸如天然气的燃料可以被引入在其中其经受分解和反应而产生诸如一氧化碳，氢气，和二氧化碳等气体的熔渣层中，其随后将产生所希望要的泡沫熔渣。另外，在某些情况下，可能希望将粉末形式的试剂引入气流中，以便它们可以被有效地喷入熔融金属槽中。在这样的试剂中，我们可以说出有碳，各种石灰化合物，合金添加剂，氧化铁，由电弧熔炉产生的灰尘等等。当本发明的喷枪/燃烧器放置就位时，当不希望将高速气体引入熔融金属中时，它也可以仅仅起着一个燃烧器的作用。

下面的指导性说明涉及如图2和3所示的本发明的设计和运行：

1)重要的是要使一些氧流在外环孔中，对于所有运行模式，使围绕中央射流的火焰稳定。当按照喷枪和喷枪/燃烧器模式运行时，通过外环孔的氧流应当至少为总氧流的1％，最好是在大约5％-10％的范围内。

2)当按照喷枪和喷枪/燃烧器模式运行时，通过内环孔的燃气流量应当大于按照理想配比用外环孔中的氧气燃烧所要求的数量。

3)当按照喷枪和喷枪/燃烧器模式运行时，中央射流的速度应当大于500英尺/每秒，最好是大于1200英尺/每秒。

4)当作为燃烧器运行以便预热和熔化冷的金属切屑时，至外环孔的氧气流量部分应当在总的氧气流量的25％-75％之间，最好是在其40％-60％之间，而总的氧气量应当处在将燃气完全燃烧所要求的理想配比氧气量的100％-200％之间。

5)当按照喷枪/燃烧器的模式运行以便穿透局部熔融的切屑时，至中央射流的氧气流量的部分应当大于总的氧气流量的50％最好是在其75％-99％之间，而总的氧气量应当大于将燃气完全燃烧所要求的100％的理想配比氧气量，最好是大于150％。

本发明的下列实施例提出来只是为说明目的而不是想限制什么。

采用与示于图1相似的系统，氧气被喷入熔融金属槽中。氧气通过一个具有0.807英寸的出口直径的喷嘴从喷枪端部射入。喷枪端部布置在熔槽表面之上28英寸的位置处并且与水平面成40度角，使得氧气射流通过一个43英寸的距离或者从喷枪端部至熔槽表面有53个喷嘴直径的距离。主氧气被包围在从喷枪端部至熔槽表面的火焰包围物中，并且具有1600英尺/每秒的射流轴线初始速度，并且当其撞击熔槽表面时保持该速度。从喷枪喷射的大约85％的氧气进入熔融金属池并且可以用来与熔融金属成分发生反应。每吨熔融金属需要大约367标准立方英尺的氧气，以便烧掉每吨熔融金属大约20磅重量的碳，而与此相比对于相同的冶金作业但是采用惯用的气体提供方法的，每吨熔融金属则需要大约558标准立方英尺的氧气。

现在，通过利用本发明，人们可以更加有效地将气体供入诸如电弧熔炉的金属熔炉中。虽然参照某些最佳实施例详细地描述了本发明，但是本领域的普通技术人员会知道，本发明还有在权利要求范围内的其它体现本发明的实施例。

Claims (9)

1.一种从一位于熔融金属池表面以上一显著距离的喷射点向一炉中熔融金属池喷射气体并穿过其表面的方法，其中所述熔融金属池在其表面有一熔渣层，所述方法包括：

(A)在炉中形成一连续喷射超音速气体流，通过

(1)通过一指向熔融金属池表面的喷嘴向炉内熔融金属池上喷射(a)其初始轴向速度为超音速的一主气流，和(b)一燃料和一次氧，二者为同轴且平行于所述超音速主气流，以及

(2)用一火焰包围物包围住所述超音速主气流，所述火焰包围物通过所述燃料和所述次氧的燃烧而形成并基本上延伸炉中所述超音速主气流的全长，即从喷嘴的出口至熔融金属池，其中所述喷嘴的主气体出口直径为d，而从喷嘴出口至熔融金属池上表面的喷射流长度为20d；以及

(B)用主气流穿过熔融金属池表面，所述主气流的喷射轴向速度在该点仍为超音速。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该主气流包括氧气。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该熔融金属池含有碳，并且还包括使主氧与熔融金属池中的碳发生反应而形成一氧化碳，使一氧化碳以气泡状态从熔融金属池中冒出来，向熔炉的熔融金属池的上方喷入附加氧以便氧化从熔融金属池中冒出来的一氧化碳气泡。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，燃料和次氧以两股射流喷入熔炉中，该两股射流的每一个都与高速主气流同心。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该主气流包括一种惰性气体。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，一些燃料不燃烧并被通入熔渣层中，在该熔渣层中其反应形成用作产生泡沫熔渣层的气体。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通入熔融金属池的主气流包含粉末。

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，次氧以一定的流量喷入熔炉中，而该流量在喷入熔炉中的次氧和主氧的总的氧气流量的25％-75％的范围内，并且所述的总的氧气流量在按照理想配比与喷入熔炉中的燃料燃烧所需要的流量的100％-150％的范围内。

9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，主氧以一定的流量喷入熔炉中，该流量在喷入熔炉中的次氧和主氧的总的氧气流量的75％-99％的范围内，并且所述的总的氧气流量大于按照理想配比与喷入熔炉中的燃料燃烧所需要的流量的100％。

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