CN1258606C - 用于金属还原和熔化过程的装置和使用了该装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于金属还原和熔化过程的装置，其中在具有加热容器(11)的感应炉(10)中加热含有金属和碳的炉料(15)，在加热容器里炉料能以至少一堆的形式在液体金属浴(18)上漂浮，其特征在于所述感应炉包括至少一个沿着容器(11)的底部中心线设置(11.1)的感应加热器或感应器(12)，并且感应器的纵向垂直于容器的方向。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于金属还原和熔化过程(如炼钢过程)的装置，其中，为还原和熔化含有金属的部分炉料，在槽型感应炉中对含有金属和碳的炉料加热。
背景技术
传统的槽型感应炉通常具有截面大致为圆形的细长的管形加热容器，通过周围隔开、纵向排列的两行感应加热器或感应器，对加热容器加热，每行感应器沿着加热容器的底部在加热容器纵向延伸的中心线的相对边侧延伸。
例如USP 5,411,570中公开了这样一个用于还原和熔化含有金属和碳的炉料的炉子。
在所述的USA方法中，通过位于容器上壁的周围隔开、纵向排列的两行孔口，将炉料引入加热容器中，使得炉料以两楔形堆的形式漂浮在加热容器中熔化的金属浴上，每堆各沿着容器壁的对边延伸，楔的较宽端即堆的‘顶’部朝着容器壁，楔的较窄端即堆的‘足’部朝着容器的中间。这样，漂浮在金属浴上的堆的顶部在感应器的喉部(开口处)上方几乎是竖直的。
感应器以I2R的损耗对金属加热，在感应器喉部的上方直接产生了相对热的金属的向上对流流动，所以，与其它区域相比，更多的热能够到达几乎直接在顶部下面区域的堆的下侧。(在堆列的最高点的下面形成了过热点)因此炉料粒子主要“消耗”在所述的直接在堆顶部之下的区域，从而产生朝着这些区域的粒子的净流动。
用矢量可表示堆中炉料粒子的流动。这些流动矢量涉及到垂直于堆表面的流动和平行于堆表面的流动。垂直于堆表面的流动是不理想的，因为从容器顶到表面的辐射所吸收的热只能有效地传导到在25mm之内的深度。这意味着，一旦一个粒子垂直于表面经过大约25mm时，它就不受这种辐射的影响。将这种运动所需的时间称作“暴露”时间。
粒子的降低的暴露时间使这些热粒子的辐射能吸收降低。这反过来意味着，到达堆底部的其它粒子比其它部位的粒子暴露在更长时间的辐射下，在堆足部感应器的加热速率和熔化速率是较低的。延长的暴露时间反过来暗含着更高的表面温度和对堆底部材料的减低的辐射传热速率。因为没有还原气体的保护，堆底部的相对高温和高度的材料还原也导致重新氧化。(还原反应是完全的，因此为使炉料不被二氧化碳重新氧化，在此区域不产生一氧化碳气体)。
因为所产生的较高的电功率和还原剂消耗，炉料粒子对辐射的暴露过度和暴露不足是不理想的。
发现的所述已知设置的进一步的缺点是到达堆足部炉料材料的过程与不到达堆足部炉料材料的过程差别很大，这使由熔化粒子的时间所得到的碳与氧的比率大大不同。当应用高功率输入速率时，到达液体浴的这些不同组成的材料的相对数量是更大的。当这样产生的不均一性到达一个阶段(在这个阶段过量的碳溶解在一个区域，过量的氧溶解在另一个区域，当混合时，超出了各自的溶解度)时，就释放出一氧化碳气体。这样的气体逸出破坏了过程并产生具有潜在危险性的条件。因此必须将电功率输入的最大速率控制在相对低的水平，当然，这减少了所得到的生产率。
在所述的已知设置中，即使当炉子倾斜到离浇铸侧最远时，也必须使离浇铸嘴最远的感应器行低于金属面，这限制了正常操作的最低液体金属面。这种限制和必须形成完全覆盖金属浴的堆的要求减少了形成堆和燃烧由炉料放出的气体、或引入炉子的燃料的空间。与堆的静止角度有关，通过限制最低液体金属面，也限制了对堆的传热投影表面面积。
这个已知设置的进一步的特征是单环或双环感应器总是平行于水平转鼓炉的纵轴装配到通道上。这意味着一般的卵圆形喉部开孔具有平行于炉子纵向中心线的纵轴。因为支撑炉子耐火衬静止的巨大的耐火材料墙通常将感应器喉部隔离开，这限制了炉子每单位长度的一行中感应器的数目，因此一般间隔4-5米，形成过热点。这种特征进一步增加了堆中材料运动的不均一性。
发明内容
本发明的目的是提供一种达到所述目的的装置，使用这种装置可克服所述问题或至少将所述问题最小化。
根据本发明，提供了一种用于金属还原和熔化过程的装置，其中含有金属和碳的炉料是在具有加热容器的感应炉中加热，在加热容器中炉料能以至少一堆的形式漂浮在液体金属浴上，其特征在于所述感应炉包括至少一个沿着容器的底部中心线设置的感应加热器或感应器。
优选地，炉子是槽型感应炉。
进一步根据本发明，这样的至少一个感应加热器用作容器的唯一外部加热源。
进一步根据本发明，容器是细长的管状构型并且包括排列成沿着容器的底部中心线纵向延伸的一行的多个这样的感应器。
仍然进一步根据本发明，容器包括朝着其上端的，多个孔口，通过孔口炉料卸入容器中，将孔口安置成相互隔开的、纵向延伸的两行，以使得通过它们卸下的炉料会延伸为漂浮在液体金属浴上的两毗邻的两堆，每堆的截面是楔形，较宽端或堆的顶部朝着容器壁，较窄端或‘足’部朝着容器中间。
应该理解，使用这样一种设置，在堆底部可直接对堆加热，并且垂直于堆表面的炉料粒子运动的平均速度，在别处会因此最小化，所以在或接近堆足部(即两堆列之间形成的波谷)，和直接在感应器上方，会消耗大多数炉料材料。
因此，采用这个设置，能避免炉中的炉料粒子在辐射下暴露不足或暴露过度。
而且，因为感应器的中心位置，与所述的已知设置相比，可使容器中金属浴的液面和液体金属自身的体积小得多，这样阻止前面所述的不均一性，并因此减少所需要的电功率。
进一步根据本发明安装感应器，使得它们的纵轴以与容器的纵轴基本成直角的方向延伸。
应该理解，实施这样的一个设置，每单位长度的容器可安装更多的感应器，因为过热点间的距离减少，在堆列间的波谷下形成的过热点的数目增加。
进一步根据本发明，装置的构型和所控制的容器内的反应条件，使得炉料在整个液体金属浴上以桥的方式延伸。
这样的设置会保证炉料内，即在固相中，金属基本完全还原。
例如，所述装置的构型所述的构型涉及孔口的数目和/或位置，通过该孔口炉料装入至容器中。
通过控制如下因素的任一个或多个，可再次影响所述的反应条件的控制：
1、炉料传送到容器中的速率；
2、炉料粒子的尺寸；
3、炉料的金属和含碳组分的混合程度；
4、感应加热器对容器的加热速率；
5、在容器中堆上面的空间里，气体和/或其它燃料燃烧的产热速率。
上述5(如上所示)中所指的热例如可以通过：用位于所述容器中的所述炉料的上方区域的氧气或氧气/空气混合物燃烧器燃烧从容器中炉料逸出的一氧化碳而得到。
这样燃烧产生的热和从容器顶反射的辐射热一样，也可用于对容器内和/或容器外炉料的至少的预热。
进一步根据本发明，用于所述燃烧器的空气和/或空气/氧气混合物可含有在一氧化碳和/或燃料在堆上面的燃烧所产生的温度下能够“发辉光”的微粒状材料。
这种“发辉光”提高了火焰的辐射率，从而增加了对炉料的加热效果。
这种微粒状材料可含有，例如烟黑。
这种微粒状材料也可包括或含有石灰。
这种石灰可以帮助炉中的气体脱去硫。
进一步根据本发明，容器包括至少一个用作熔化的金属的出口和至少一个用作反应过程中形成的炉渣的出口。
仍然进一步根据本发明，制金属过程包含炼钢过程，其中以微粒状的炭或焦炭形式的碳和适当的微粒状的含氧化铁矿石的混合物在容器中受热，引起氧化铁的还原和所得到钢的熔化，然后可作为含有少于0.1％碳的钢浇铸。
附图说明
参照附图，通过实施例，下面描述本发明的一个实施方案，其中
图1是根据本发明的炉子的截面示意图。
图2是当从图1中箭头A所示的方向看时，图1所示炉子的底部平面图。
具体实施方式
在本发明的实施方案中，使用槽型感应炉10，它含有一截面为圆形的细长的管状容器11，容器11含有许多个沿着其的底部中心线11.1(图2)的电动操作感应器12，每个感应器的负载量为2.2Mw.
以使感应器12的纵轴12.1(图2)与中心线11.1成直角的方式安装感应器12。
容器11包括两平行的输入孔口延伸行，图1中显示了每行中的一个，13和14，它沿容器11的相对的纵侧边延伸。这些孔口将炉料15引入容器11中，形成漂浮在液体金属浴18上的纵向延伸的两堆16和17，每个堆的截面都是楔形的，每个楔的较宽端，即堆的顶部朝着容器11的壁，楔的较窄端即堆的足部朝着容器11的中心线11.1.
如果需要，为形成初始的金属浴，在过程开始时，可将少量的液体金属通过输入孔(图未显示)引入容器11中。
例如炉料15含有特别形式的如焦炭的含碳化合物和氧化铁的均匀混合物，含碳混合物的浓度稍微低于还原矿石所必要的碳的化学计量数量，并且，炉料15的微粒尺度是能通过3mm的筛子。
沿着其上壁，容器11也装配有多个氧燃烧器，图1中只显示了两个，20和21，通过燃烧器，反应中形成的一氧化碳和弥漫在炉料15上层的一氧化碳能够燃烧。
正如在本说明书中前述的，以这样的方式和速率将炉料15引入容器11中，这样控制反应条件，使得堆16和17的底部互相溶合，以致于炉料材料15形成延伸在整个液体浴18上面的“桥”，这个桥在如19所示的区域内是最窄的。
例如，通过从上面插入容器11的“水位指示器”(图未显示)或在容器11壁上的适当的观察窗，可确认形成这样的、实际上存在的桥的事实。也可利用适当的处于容器11内部的影像记录装置(图未显示)确认以上事实。
在操作中，堆16和17的炉料15中产生了实际上从堆的底部延伸至堆上部的反应区域。同时在堆16和17的底部和液体浴18的上表面间延伸的熔融区22，在反应过程中，被还原的炉料15在重力作用下从反应区域移向熔融区域22。
在熔融区域22下面沿着中心线11.1延伸的隧道23中，在这种熔化过程中形成的炉渣漂浮在浴18的顶部。隧道23通向容器11中的炉渣出口(图未显示)。将炉料输入口13和14设置成与炉渣出口相关，以致于隧道23中的炉渣直接通向这个炉渣出口。通过一出口(图未显示)从容器中可将熔化的钢(含碳±0.1％)浇铸。
在过程的操作中，所述的桥用于阻止炉料材料15从堆16和17直接落入通道23的炉渣中或落入浴18的液体金属中，从而阻止任何“短路”。
通过感应器12供给浴18的热扩散入堆16和17的炉料15中，这些热和通过燃烧器20和21燃烧放出的热，以及从容器11顶部反射的辐射热，使氧化铁和炉料15的碳反应，从而还原氧化铁。由此固相发生的、几乎所有的这种还原发生在堆16和17的最上面20mm层处，主要是由于从通过燃烧器20和21，一氧化碳燃烧放出的热和从容器11的顶部反射的辐射热，这些额外的热量供给了这一层。同时在区域22处，固态被还原的铁熔化，在那里被还原的铁在重力作用下进入浴18。
应该理解，因为感应器12的中心位置，堆16和17足部从感应器12得到的部分热量，使得炉料粒子15主要消耗在区域19。
这意味着炉料粒子沿着堆16和17的上表面的流动主要平行于这些表面，这样消除了以上提到的“暴露不足”和“暴露过度”的问题。
而且，感应器12的这种中心位置也便于形成比所述已知设置的金属浴18的液面(图1中虚线24所示)低得多的液面，这产生了以上所指的优点。
而且，因为感应器12相对于中心线11.1的横向位置，与所述的已知设置相比，每单位长度的容器11能应用更多的感应器12，这使得在堆16和17行之间的波谷下面的过热点的数目与已知设置相比增加了。
应该进一步理解，本发明也包括在其范围内使用根据本发明的装置的金属还原和熔化方法。
Claims (20)
1、用于金属还原和熔化过程的装置，其中含有金属和碳的炉料(15)是在具有加热容器(11)的感应炉(10)中加热，在加热容器中炉料能以至少一堆(16，17)的形式漂浮在液体金属浴(18)上，其特征在于所述感应炉(10)包括至少一个沿着容器的底部中心线(11.1)设置的感应加热器或感应器(12)。
2、如权利要求1所述的装置，其特征在于炉子是槽型感应炉。
3、如权利要求1或2所述的装置，其特征在于至少一个感应加热器用作加热容器的唯一的外部加热源。
4、如权利要求1所述的装置，其特征在于加热容器是细长的管状构型并且包括排列成沿着容器的底部中心线纵向延伸的一行的多个这样的感应器。
5、如权利要求1所述的装置，其特征在于容器包括朝着其上端的多个孔口，通过孔口炉料卸入容器中，将孔口安置成相互隔开的、纵向延伸的两行，以使得通过它们卸入的炉料能以漂浮在液体金属浴上的相毗邻的两堆延伸，每堆的截面是楔形的，其较宽端或堆的‘顶’部朝着容器壁，较窄端或堆的‘足’部朝着容器的中部。
6、如权利要求1所述的装置，其特征在于安装感应器或每个感应器使得其纵轴以与容器的纵轴基本成直角的方向延伸。
7、如权利要求5所述的装置，其特征在于所述相毗邻的两堆能够在整个液体金属浴上以桥的方式延伸。
8、如权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述容器在所述炉料的上方区域包括至少一种氧气或氧气/空气混合物燃烧器，该燃烧器用于燃烧从所述容器中的所述炉料逸出的一氧化碳。
9、如权利要求8所述的装置，其特征在于微粒状材料包括或含有石灰。
10、如权利要求1所述的装置，其特征在于加热容器包括至少一个用作熔化的金属的出口和用作反应过程中形成的炉渣的出口。
11、使用前述权利要求的任一所述的装置进行金属还原和熔化的方法。
12、如权利要求11所述的方法，其特征在于，其包含炼钢过程，在该炼钢过程中以微粒状的炭或焦炭形式的碳和适当的微粒状的含氧化铁矿石的混合物在容器中受热，引起氧化铁的还原和所得到钢的熔化，然后能够作为含有少于0.1％碳的钢浇铸。
13、如权利要求11或12所述的方法，其特征在于对在所述容器内的下列反应条件的一个或多个进行控制，以使得所述炉料在整个液体金属浴上以桥的方式延伸：
1、炉料传送到容器中的速率；
2、炉料粒子的尺寸；
3、炉料的金属和含碳组分的混合程度；
4、通过感应加热器施加至容器的加热速率；
5、在容器中堆上面的空间里，气体和/或其它燃料燃烧的产热速率。
14、如权利要求13所述的方法，其特征在于第5点所指的热是用位于所述容器中的所述炉料的上方区域的氧气或氧气/空气混合物燃烧器燃烧从容器中炉料逸出的一氧化碳而得到。
15、如权利要求14所述的方法，其特征在于这样燃烧产生的热和从容器顶反射的辐射热至少用于对容器内和/或容器外炉料的预热。
16、如权利要求14或15所述的方法，其特征在于用于所述燃烧器的空气和/或空气/氧气混合物含有微粒状材料，该微粒状材料在一氧化碳和/或燃料在所述堆的上面燃烧所产生的温度下能够“发辉光”。
17、如权利要求16所述的方法，其特征在于微粒状材料含有烟黑。
18、如权利要求16所述的方法，其特征在于微粒状材料包括或含有石灰。
19、如权利要求11或12所述的方法，其特征在于加热容器包括至少一个用作熔化的金属的出口和至少一个用作反应过程中形成的炉渣的出口。
20、如权利要求11或12所述的方法，其特征在于制金属过程包含炼钢过程，在该炼钢过程中以微粒状的炭或焦炭形式的碳和适当的微粒状的含氧化铁矿石的混合物在容器中受热，引起氧化铁的还原和所得到钢的熔化，然后能够作为含有少于0.1％碳的钢浇铸。
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