CN1383454A - 观察铁水精炼炉内部的方法及观察炉内用的风口 - Google Patents

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Abstract

一种观察熔融金属精炼炉内部的方法,该方法包括:采用一根单管风口或双管风口,借助于穿过铁水精炼炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子,通过在非接触条件下检测风口前端处由熔融金属辐射的电磁波,来观察精炼炉中熔融金属的温度和/或组成;根据单管风口或双管风口前端的开口状况,单独使用惰性气体或氧化气体,或者使用惰性气体或氧化气体的混合气体。本方法允许观察用风口对于精炼状况保持常开,从而可以对精炼炉内部熔融金属的温度和/或成份作经常的观察。

Description

观察铁水精炼炉内部的方法及观察炉内用的风口
发明背景
发明领域
本发明涉及一种方法，该方法借助于穿过如转炉，氩氧脱碳法(AOD)和真空脱气法(RH法)等的铁水精炼炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子，在非接触状态下，于单管端部，通过检测由熔融金属辐射的电磁波，稳定地观察精炼炉中铁水(其中包括钢水)的温变和/或组成。
现有技术说明
现有技术中已有提供一种借助于穿过炉壁和/或炉底耐火材料的管子，观察以转炉为代表的精炼炉中铁水温度和组成的方法。
例如，关于精炼炉中铁水的温度，日本未经审定的专利公告NO.11-142246中提供了一种采用图象传输光纤(image fiber)的方法，关于精炼炉中铁水的组成，提供了一种采用激光束的方法，如日本未经审定的专利公告NO.60-42644中所公开的。
在上述技术中，用于观察的风口必需始终打开。一般是在气体从风口供给到铁水的情况下，在风口的端部通过凝结而形成一块固态铁，该固态铁称作蘑菇形物(mushroom)。由于这种蘑菇形物的形成，变得不能观察铁水的温度和组成。在风口的端部因为供给氧气产生放热反应而打开的情况下，风口的前侧被氧化作用过程中产生的热量加热到很高的温度。因此，变得不能测定温度。此外，变得不能测定轻元素的含量，因为轻元素被氧气吸收。蘑菇形物的形成不仅受从管子供给的气体组成和流速很大影响，而且还受钢水的温度和成分很大影响。对此，现有技术没有适当控制的方法。如上所述，根据现有技术，目前还没有使观察风口保持始终打开的方案。因此，不能在精炼过程中稳定地对炉内进行观察。
发明概述
本发明的目的是提供一种方法，该方法根据精炼状态，通过保持用于观察的风口始终打开，稳定地观察精炼炉中铁水(包括钢水)的温度和/或组成。本发明的另一个目的是提供一种用于在该方法中观察的风口。对本发明的叙述如下。
(1)一种观察熔融金属精炼炉内部的方法，包括以下步骤：借助于穿过铁水精炼炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子，通过在非接触状态下检测管子前端处由熔融金属辐射的电磁波，用一根单管风口观察精炼炉中铁水的温度和/或组成；根据管子前端处的开口状况，单独使用惰性气体或氧化气体，或者使用惰性气体与氧化气体相互混合的混合气体。在这种情况下，惰性气体是Ar，氮气或CO，而氧化气体是氧气，空气或CO2。
(2)根据第(1)项所述观察熔融金属精炼炉内部的方法，其中在管子的开口率(％)不高于α情况下，供给惰性气体与氧化气体的混合气体或只供给氧化气体(开口期间)，所述α是根据方程式(1)用风口的内径r(mm)计算出的。而在开口率高于α的情况下，只供给惰性气体(稳定期间)。
                  α＝765/r2…(1)
在这种情况下，当在管子前端处待测的铁水温度不低于1800℃时，可以判定风口为开口期，并且开口期已完成。尽管开口率的上限没有特别规定，但优选的是开口率的上限不大于95％，以便防止风口熔化。
(3)一种观察熔融金属精炼炉内部的方法，包括以下步骤：借助于穿过铁水精炼炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子，在非接触状态下，于管子前端处，通过检测由熔融金属所辐射的电磁波，用一根单管风口来观察精炼炉中铁水的温度和/或组成；根据管子前端的开口状况，控制惰性气体的流速。在这种情况下，惰性气体是Ar，氮气或CO。
(4)按照第(3)项所述的观察熔融金属精炼炉内部的方法，其中根据铁水的温度和成份控制惰性气体的流速，以便使单管的开口率(％)不小于α(所述α是根据方程式(1)由管子内径r(mm)计算出来的)，和不大于95％。
(5)用于观察熔融金属精炼炉内部的风口，具有一根单管，该单管借助于穿过铁水精炼炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子，在非接触状态下，于管子前端处，通过检测由熔融金属所辐射的电磁波，来观察精炼炉中铁水的温度和组成，用于观察熔融金属精炼炉内部的风口，包括一种控制功能，通过该控制功能可以根据管子前端的开口状态，单独使用惰性气体或氧化气体，或者使用惰性气体与氧化气体相互混合的混合气体，风口的内径为2-6mm。
(6)  一种观察熔融金属精炼炉内部的方法，在该方法中借助于穿过熔融金属精炼炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子，在非接触状态下，通过检测管子前端处由铁水辐射的电磁波；观察铁水精炼炉中铁水的温度和/或组成，观察熔融金属精炼炉内部的方法包括以下步骤：用一根双管风口；检测内管风口前端的开口率；根据开口率的变化，通过改变穿过内管和外管供给的气体流速和/或气体组成，控制风口前端处蘑菇形物尺寸，以便保持用于观察所必需的开口率。
(7)按照第(6)项所述的观察熔融金属精炼炉内部的方法，还包括以下步骤：根据铁水的温度和组成，估计风口前端处蘑菇形物的尺寸；根据估计结果，通过改变经由外管供给的LPG惰性气体，惰性气体和氧化气体的气体流速和/或气体组成，控制风口前端处蘑菇形物尺寸以便使内管的开口率(％)保持在不小于α和不大于95％的范围内，该α用方程(5)计算出来，
           α＝850/r2…(5)
式中r是内管的内径(mm)。
(8)按照第(6)项所述的观察熔融金属精炼炉内部的方法，还包括以下步骤：在内管的开口率低于方程式(5)中α(％)的情况，从内管供给惰性气体与氧化气体相互混合的混合气体(％)，或者只供给氧化气体，以便增加管子开口期间的开口率；在除管子开口期间之外的期间从内管只供给惰性气体。
(9)根据(6)-(8)项其中之一所述的观察熔融金属精炼炉内部的方法，还包括以下步骤：始终从内管供给惰性气体；在内管的开口率低于方程式(5)中α(％)的情况下，从外管供给惰性气体与氧化气体相互混合的混合气体，或者只供给氧化气体，以便增加在管子开口期间内管的开口率；在除管子开口间期之外的期间，经由外管单独供给风口冷却气体，或惰性气体，或者从外管供给风口冷却气体与惰性气体的混合气体。
(10)一种用于观察熔融金属精炼炉内部的风口，该风口是一种双管风口，该双管风口借助于穿过铁水精炼炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子，通过在非接触状态下，检测管子前端处由熔融金属辐射的电磁波，来观察精炼炉中铁水的温度和/或组成，用于观察熔融金属炼炉内部的风口包括：管道系统；和控制系统，该控制系统能独立地控制气体流速和/或气体组成，该气体流速和/或气体组成通过每一内管和外管实施供给。
(11)按照第10项所述的用于观察熔融金属精炼炉内部的风口，其中内管的内径r为5-20mm。
附图简要说明
图1为观察用的风口开口部分的直径(K)，在风口前端处所形成的蘑菇形物的直径(M)，及内管的内径(r)之间关系图。
图2示出表明参数α，管子内径(r)和通过辐射测定温度的精度之间关系的实验结果图。
图3示出在采用其内径为10mm的管子情况下开口率和通过辐射测定温度的精度之间关系图。
图4示出本发明观察用单管模式的视图。
图5示出本发明观察炉内部用的双管模式的视图。
最佳实施例的说明
本发明已按照一种新的认识完成，即用于观察的风口开口面积与管子前端处所形成的蘑菇形物尺寸相互有关，并且当控制蘑菇形物尺寸时可以控制开口面积。图1示出由本发明人所作的详细实验结果图，其中使用一种生产能力为1吨的熔化炉。如图1所示，M/r和K/r相互有很大关系，其中r是风口内管的内径，K是用于观察的风口开口部分直径，而M是在管子前端处所形成的蘑菇形物直径。也就是说，为了将管子的开口率控制到是一个观察所必需的数值，必需通过改变气体流速和气体组成来控制蘑菇形物的尺寸。
在这种情况下，电磁波是一种用于发射能的通用名称，如用于辐射测定的光，及用于激光束发射分析的光。电磁波的波长是每个成分所特有的。在本发明中采用单管的原因是气体从单个气体发生系统供给到单管里，因此设备投资小。在本发明中又可以采用双管的原因是成份和气体流速可以用双管风口独立控制。用于内管和外管的气体是一种风口冷却气体，如LPG惰性气体，惰性气体和氧化气体，它们单独使用或混合使用。关于外管的风口冷却气体，当气体分解时，利用风口冷却气体可以提供积极的冷却作用。并于外管的惰性气体，采用氩气(Ar)，氮气或一氧化碳气体。关于外管的氧化气体，采用氧气，空气或二氧化碳。关于用于内管的惰性气体，采用Ar，氮气或一氧化碳气体。关于用于内管的氧化气体，采用氧气，空气或二氧化碳。
本发明的第一方面是一种观察熔融金属精炼炉(以转炉，电炉或氢氧脱碳法(AOD)为代表)内部的方法，该方法包括以下步骤：借助于一根穿过铁水精炼炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子，通过在非接触状态下检测管子前端处由熔融金属所辐射的电磁波，用单管来观察精炼炉中铁水的温度和/或组成；和按照管子前端的开口状况，单独或混合使用惰性气体或氧化气体。
在单管中，根据管子前端处开口的状态，单独或混合使用惰性气体和氧化气体。也就是说，观察是通过检测从一个界面所辐射的电磁波进行，上述界面在管子前端处铁水表面和从风口鼓入的气泡之间形成。管子前端开口率根据气体的组成进行控制，以便可以把电磁波的强度控制到一个根据观察方法规定的足够高的数值。在这种情况下，惰性气体是Ar，氮气或CO。氧化气体是氧气，空气或CO2。在管子前端处开口率太低的情况下，观察精度变差。因此，将氧化气体与惰性气体混合，以便在管子前端处形成的蘑菇形物熔化。反之，在管子前端处的开口率太高的情况下，风口的熔化量大，因此单独采用惰性气体，就可形成蘑菇形物，并且要一直保持观察精度不变差。
本发明的第二方面规定了在第一方面发明中的特殊控制方法。在这种情况下，用于观察温度所必需的开口面积(其中电磁波的强度高)与用于在激光发射的光供组成分析情况下观察所必需的开口面积(其中光的强度低)不同。此外，用于观察所必须的开口面积根据风口的内径和长度而不同。一般情况下，当考虑规定大型转炉耐火材料的厚度时，风管的长度约为1m至2m。在这种情况下，需要6mm2的观察面积，这是通过实验知道的。这种认识在方程式(1)得以反映在。因此，本发明的第二方面提供一种观察熔融金属精炼炉内部的方法，其中在管子的开口率(％)不高于α的情况下，在开口期间，供给一种惰性气体与氧化气体的混合气体，或者只供给氧化气体，上述α是按照公式(1)通过管子的内径r计算出的，而在开口率高于α的情况下，在稳定期间，只供给惰性气体。
               α＝765/r2…(1)
在这种情况下，开口率被定义为当在管子的前端未被蘑菇形物覆盖住的开口面积除以管子的横截面积时所得到的值，其中这个开口率用百分数表示。在开口率和反压之间的关系在先测定的情况下，能够通过气体反压的改变检测开口率。此外，能通过用一种图象传输光纤进行观察直接检测开口率，该图象传输纤维安装在壳体侧上风口的前端处。
图2示出一个例子的关系图，其中本发明应用到采用图象传输光纤的辐射测定上。垂直轴线的精度相当于测得温度的2σ(σ是标准偏差)。由于上述原因，当α×r2不低于765时，温度可以精确地观察到。然而，当α×r2低于765时，由于开口闭塞而减少了视野。因此，观察精度变差。
准确地说，控制按下述方法进行。在管子的开口率低于观察所必需的临界值情况下，其α×r2的值为765，根据管子的内径、铁水的温度和铁水中碳的浓度，调节氧气，空气和CO2的氧化气体流速及Ar、氮气和CO的惰性气体流速其中的一种或两种及两种以上，以便可以控制开口率。
在管子前端处所形成的蘑菇形物直径(该直径是一个控制指数)，可以根据下述每一项的热平衡计算。当通过实验求得蘑菇形物直径与开口率之间的关系时，就能够对它们进行控制。
(1)由于气体显热的冷却指数(V1)：气体比热的函数；
(2)由于气体潜热的冷却指数(V2)：气体反应热的函数；
(3)铁水中蘑菇形物的受热指数(K)。
当假定蘑菇形物是半球形时，下列的热平衡成立。
K＝M2×(T-Ts)×Qn＝a+b×(V1+V2)…(2)
在上面的方程(2)中，a，b和n是常数，Q是全部气体的流速(Nm3/h/t)，T是铁水的温度(℃)，和Ts是固相线(Solid line)温度(℃)。在这种情况下，当根据所用气体的物理性质和反应热通过实验确定形成蘑菇形物的贡献率时，可以计算出V1和V2。Ts可以通过相图求出。当这些代入方程式(2)，并且各常数如此确定，以使它们可以与通过实验得到的蘑菇形物直径一致时，能够得到实际装置使用时估计蘑菇形物直径的公式。在这方面，关于反应热的贡献率，本发明人通过实验之后发现如下结果。在氧气(包括空气中的氧成分)的情况下，贡献率是通过反应 计算得到的FeO生成反应潜热的70-80％。然而，在CO2情况下，贡献率仅为通过反应 计算得到的潜热的2-5％。此外，根据本发明人所做的实验，蘑菇形物直径M(mm)，管子的内径r(mm)和相当于一个圆的开口部分直径K(mm)具有下列方程式(3)所表示的关系。
             (K/r)＝β-0.165×(M/r)…(3)
在上面的方程式中，β是在1.0-1.3范围内。
本发明的第三方面是观察熔融金属精炼炉内部的方法，该方法包括以下步骤：借助于一根穿过铁水精炼炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子，通过在非接触状态下检测管子前端处熔融金属所辐射的电磁波，采用单管来观察铁水的温度和/或组成；并根据管子前端的开口状况控制惰性气体的流速。根据该方法，当惰性气体的流速受到控制时，蘑菇形物尺寸也受到控制。当管子前端处开口率太低时，观察精度变差。因此，当降低惰性气体的流速，以便降低由气体显热所给定的冷却能力时，在管子前端处的蘑菇形物熔化。反之，当管子前端处的开口率太高时，管子显著地熔化。因此，当增加惰性气体流速，以便增加由气体显热所给定的冷却能力时，在要观察精度不变差期间，就形成蘑菇形物。
当管子的内部必须始终保持在惰性气体的氛围中时，这是必要的，以便在观察短波长光的情况下，所发射的光能够透射而不引起衰减。上述短波长光用激光束从碳或磷中发射。本发明人发现，即使管子的内部始终保持在惰性气体的氛围中，也可以控制开口率。
本发明的第四方面和第五方面描述了第三方面发明的一种特别的控制方法。本发明的第四方面提供一种观察熔融金属精炼炉内部的方法，在该方法中根据铁水的温度和组成来控制惰性气体的流速，以便单管的开口率(％)可以不少于α和不多于95％。上述α是按照方程式(1)由管子的内径r(mm)计算得到的。当开口率高于95％时，在管子前端处所形成的蘑菇形物的尺寸太小。因此，不能保护管子，并且管子的寿命短。
在本发明的第五方面中，碳的浓度可以用一种方法估计。在该方法中，碳的浓度是在装入的熔融铁水的碳浓度的基础上，由供给的氧量和脱碳效率计算出来的。上述供给的氧量和脱碳效率是通过实验已知的。此外，碳的浓度还可以用一种方法估计。在这种方法里，碳的浓度从废气分析和铁水的直接取样结果估计。或者，碳的浓度可以通过把上述方法结合起来估计。温度可以通过直接连续测量法或半连续测量法估计。此外，温度可以用一种方法估计，在该方法中，温度是从通过实验已知的升温效率计算出来的。或者，温度可以通过将上述方法结合起来估计。根据铁水的温度和组成来控制惰性气体流速的原因是蘑菇形物的尺寸受铁水温度和铁水固相线温度之间的温差影响很大。另外，根据铁水的温度和组成来控制惰性气体流速的原因是：需要检测铁水/温度和固相线温度之间的温差，上述固相线温度由铁水的组成(碳的浓度)决定；和另外必需根据温差值来增加和降低流速。
另外，在这种情况下，在管子前端处的蘑菇形物直径(这是一个控制指标(index))可以用每一条的热平衡计算。当求得蘑菇形物的直径和开口率之间的实验关系时，蘑菇形物的直径就能进行控制。
(1)利用气体显热的冷却指数(V1)：气体比热的函数
(2)蘑菇形物从铁水中的受热指数(K)
假定蘑菇形物是半球形时，下列的热平衡成立：
           K＝M2×(T-Ts)×Qn＝a+b×V1…(4)
在上面的方程式(4)中，a，b和n是常数，Q是全部气体的流速(Nm3/h/t)，T是铁水的温度(℃)，和Ts是固相线(Solid line)温度(℃)。在这种情况下，V1可以根据所用气体的物理性质计算。Ts可以通过相图求得。当将这些代入方程式(4)时，各常数如此确定，以使它们适合于通过实验得到的蘑菇形物直径。这样，就能得到实际装置使用时估计蘑菇形物直径的公式。蘑菇形物的直径M与开口部分一个等效圆直径K之间的关系可以用方程式(3)计算。
关于风口，如图4中实施例所示，本发明提供一种用于观察熔融金属精炼炉内部的风口，该风口是一根单管，它借助于穿过铁水精炼炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子，通过在非接触状态下检测管子前端处熔融金属所辐射的电磁波，来观察精炉炉中铁水的温度和/或组成，用于观察熔融金属内部的风口包括一种控制功能，利用该控制功能可以根据管子前端开口的状况单独使用惰性气体或氧化气体，或将它们混合使用。
在这种情况下，关于观察用管子的内径，管道的内径为2-6mm。在管子内径小于2mm的情况下，当保证用于观察所必需的开口面积时，不能形成蘑菇形物。因此风口的寿命很短。在管子内径大于6mm的情况下，气体的流速增加，而费用提高，这是不经济的。
下面，将对其中采用本发明的双管风口的情况进行说明。
按照本发明的第六方面，对电磁波进行检测，电磁波由在管子前端处的铁水表面和吹入风口的气泡之间形成的界面发出。在这种情况下，必须通过内管和外管中气体的组成和流速，来控制内管前端处的开口率，以便由界面所发射的电磁波强度可以高到足够用于观察方法所要求的强度。因此，开口率通过气体反压的变化和用图象传输纤维进行观察的结果来检测。根据这种检测到的开口率，改变内管和外管中气体的流速和/或组成，以便改变蘑菇形物的尺寸。这样，就保持了用于观察所必需的开口率。
本发明的第七方面是本发明上述第六方面的一种特别的控制方法。根据本发明的第七方面，当根据铁水的温度和组成控制外管的冷却能力时，使风口的开口率始终保持在一个数值，该数值高于观察期内所必需的临界值。当根据蘑菇形物的尺寸改变外管的惰性气体和氧化气体的气体流速和/或气体组成时，管子的开口率保持在不少于α(％)和不大于95％的范围内，上述气体流速和/或气体组成通过每个风口供给，而蘑菇形物的尺寸则根据铁水的温度和组成估计。
                 α＝850/r2…(5)
式中r是内管的内径(mm)。因为优选r不小于3mm，所以α设定在低于95％的数值处。此外，还优选始终将惰性气体供给到内管中。在这种情况下，开口率定义为管子前端处的开口区面积除以风口横截面积时所得到的数值(％)。其中管子前端处的开口区面积不为蘑菇形物所覆盖。
在电磁波的强度高情况(如观察温度情况)下，开口率的临界值与在电磁波的强度低情况(例如由用于成分分析的激光所发射的光情况)下的开口率的临界值不同。此外，根据管子的内径和长度不同，开口率的临界值也是不同的。一般情况下，当给定大型转炉的耐火材料厚度时，管子的长度约为1m至2m。在这种情况下，要求用于观察的面积不少于6mm2，该面积是通过实验得知的。这种认识构成方程式(5)。在内径是r(mm)的管子中，为了在管子的前端处提供R mm2的观察面积，开口率必须是一个不少于α的数值，该α值用方程式(6)计算得到。
α＝R/(π×(r/2)2)×100＝127×R/r2(％)…(6)
在这种情况下，当将一个不小于6mm2的数值代入R时，就可以得到方程式(5)。在开口率低于α的情况下，由于在管子前端处开口的面积小，所以观察精度变差。在开口率高于95％的情况下，因为在管子前端处所形成的蘑菇形物尺寸太小，所以不能保护风口。因此，风口的寿命很短。图3示出利用辐射测定温度的精度一个例子的结果，其中使用了内径为10mm的图象传输光纤。垂直轴线的精度相当于测得温度的2σ(σ是标准偏差)。由于上述原因，可以理解，当开口率不少于8.5％(相当于方程式(5)中的α)时，温度可以精确地观察。然而，当开口率低于8.5％时，由于被风口堵塞而减少了视野。因此，观察精度变差。反之，当开口率高于95％时，开口率如此之高；以致蘑菇形物不能充分形成，并且风口因熔化而损坏。
本发明已经根据新的认识达到：在管子前端处所形成的蘑菇形物尺寸，与用于观察的风口的开口面积密切相关，该蘑菇形物尺寸受外管气体的影响比受内管气体的影响更多。因而，为了控制管子的开口率，需控制外管气体的流速和/或组成。外管风口冷却气体的一个例子是LPG气体。内部气体的一些例子是Ar，氮气和一氧化碳气体。氧化气体的一些例子是氧气，空气和二氧化碳气体。更具体地说，为了使开口率高于α，采取下列措施(1)-(4)的其中之一来升高风口外管前端的温度，以便使蘑菇形物熔化。在这种情况下，内管始终充满惰性气体。因此，在测定电磁波时，不会造成任何问题。
(1)降低惰性气体的流速。
(2)将氧化气体与惰性气体混合。
(3)在惰性气体与氧化气体相互混合的混合气体中，当全部流速保持恒定不变时，增加氧化气体的混合比，或者当惰性气体的流速保持恒定不变时，增加氧化气体的流速。
(4)只将氧化气体吹入风口。
反之，当使开口率不大于95％时，采取下列措施(1)-(3)的至少其中之一来降低风口外管前端的温度，以便形成蘑菇形物并保护风口。在这种情况下，内管始终充满惰性气体。因此，在测定电磁波时不会造成任何问题。
(1)增加惰性气体的流速。
(2)将风口冷却气体与惰性气体混合。
(3)在惰性气体与风口冷却气体相互混合的混合气体中，当全部流速保持恒定不变时，增加风口冷却气体的混合比，或者当惰性气体的流速保持恒定不变时，增加风口冷却气体的流速。
因为形成蘑菇形物的情况受铁水的组成和温度的影响很大，所以必需根据铁水的组成和温度对其控制。最合理的是利用铁水组成和温度的测定结果，该结果是通过观察用风口得到的电磁波测得。然而，可以用这样的方法来估计碳浓度，在该方法中，碳浓度由供给的氧量和脱碳氧化效率计算出来，以装入铁水的碳浓度为依据，脱碳氧化效率是通过实验得知的。另外，还可以用另一种方法来估计碳浓度，在该方法中，碳浓度是从废气分析或铁水直接取样的结果估计的。可以用上述方法的其中之一或者将上述方法结合起来估计碳浓度。此外，可以用这样的方法来估计温度，在该方法中，温度是根据装入铁水的温度，从升温效率计算出来的，该升温效率是通过实验得知的。
具体地说，根据图1中所示的关系，把管子前端处所形成的蘑菇形物的直径M控制为M/r。蘑菇形物的直径M可以用这种方式估计，以便蘑菇形物的直径M由下面(1)-(4)中每一条的热平衡的计算。
(1)根据外管气体显热的冷却指数(V1)：外管气体比热的函数。
(2)根据外管气体显热的冷却指数(V2)：外管气体反应热的函数。
(3)根据内管气体显热的冷却指数(V3)：内管气体比热的函数。
(4)蘑菇形物从铁水中的受热指数(K)。
当假定蘑菇形物是半球形时，下面的热平衡成立。
K＝M2×(T-Ts)×Qn＝a+b×(V1+V2+V3)  …(7)
在上面的方程式(7)中，a，b和n是常数，Q是整个气体的流速(Nm3/h/t)，T是铁水的温度(℃)，Ts是固相线(Solid line)温度(℃)。在这种情况下，当形成蘑菇形物的贡献率根据所用气体的物理性质和反应热由实验决定时，V1，V2和V3可以计算出来。Ts可以根据相图求出。把这些代入方程式(7)，并且各常数如此确定，以便它们可以适合于由实验得到的蘑菇形物的直径。这样，能够得到使用实际装置时用于估计蘑菇形物直径的公式。
本发明的第八方面提供一种当风口堵塞时通过从内管供给氧化气体打开风口的方法。也就是说，本发明提供一种观察熔融金属精炼炉内部的方法，该方法还包括以下步骤：从内管供给一种其中惰性气体与氧化气体混合的混合气体，或者只含氧化气体，以便在管子的开口率低于方程式(5)中α(％)情况下，增加风口开口期的开口率；在除了用于风口开口期之外的期间，只从内管供给惰性气体。在这种情况下，风管开口期定义为在开口率变成低于α以便实施打开开口动作时到开口率变成不小于95％的数值时的时间间隔。根据发明人的认识，在开口率由于管子前端的温度高而不能测定的情况下，可以判断，当管子前端的温度已经升到不低于1800℃的温度时，风口已经打开，并且风口开口期可以结束。关于打开开口的措施，可以实施下面措施(1)和(2)的其中之一或者下面措施(1)和(2)二者，以便管子前端的温度升高，而使蘑菇形物熔化。
(1)内管装惰性气体和氧化气体相互混合的混合气体。当全部流速保持不变时，增加氧化气体的混合比。或者，当惰性气体的流速保持不变时，增加氧化气体的流速。
(2)从内管中只吹入氧化气体。
在这种情况下，在内管中进行打开开口措施的原因是它能增加气体流速，以使开口可以在一短时间内进行。具体地说，正如在图1中可以看到的，当M/r不大于2时，K/r变得不小于1。K/r为1意味着开口直径和风口直径彼此相同。也就是说，风口完全打开。因而，在风口堵塞情况下，由于使K/r变成不小于1，采取措施使M/r不大于2，以便可以打开风口。蘑菇形物直径M的估计可以用下列每一条中所述的热平衡计算：
(1)根据外管气体显热的冷却指数(V1’)：外管气体比热的函数
(2)根据外管气体潜热的冷却指数(V2’)：外管气体反应热的函数
(3)根据内管气体显热的冷却指数(V3’)：内管气体比热的函数
(4)根据内管气体潜热的冷却指数(V4’)：内管气体反应热的函数
(5)蘑菇形物从铁水中的受热指数(K’)
当假定蘑菇形物是半球形时，下面的热平衡成立：
K’＝M2×(T-Ts)×Qn＝a’+b’×(V1’+V2’+V3’+V4’)  …(8)
在上面的方程(8)中，a’，b’和n是常数，Q是全部气体流速(Nm3/h/t)，T是铁水的温度(℃)，Ts是固相线(Solid line)温度(℃)。Ts是由铁水成份决定的。在这种情况下，当形成蘑菇形物的贡献率根据所用气体的物理性质和反应热用实验确定时，可以计算出V1’，V2’，V3’和V4’。Ts可以根据相图求得。这时将这些数值代入方程式(8)，并如此确定常数，以便它们可以适合于由实验得到的蘑菇形物的直径。当实际装置使用时，也可以获得估计蘑菇形物直径的方程。根据本发明人的研究，发现下述问题。由内管氧气产生的加热值对蘑菇形物直径的贡献率仅为3％，而内管气体显热对蘑菇形物直径的贡献率仅为30％。
本发明的第九方面是在风口堵塞时所用的另一种开口方法。观察熔融金属精炼炉内部的方法包括以下步骤：始终从内管供给惰性气体；从外管供给惰性气体与氧化气体混合的混合气体，或者只供给氧化气体，以便在风口的开口率低于方程式(5)中α(％)的情况下，增加风口开口期中的开口率；从外管单独供给风口冷却气体或惰性气体，或在除了风口开口期之外的期间中从外管供给风口冷却气与惰性气体相互混合的混合气体。关于打开风口的行动，实施下列措施(1)-(3)的其中之一，以便使风口前端处的温度升高并使蘑菇表物熔化。
(1)在外管中将氧气与惰性气体混合。
(2)将外管中的风口冷却气体转换为氧化气体。
(3)只把氧化气体供给到外管。
始终将惰性气体供给内管并且开口由外管气体形成的原因说明如下。例如，当观察短波长的光时，所发射的光大部分被管子中的氧吸收，上述短波长光通过激光器的作用由碳或磷发射。因此，为了透过所发出的光而不衰减，必需始终用惰性气体充满内管。根据本发明人所作的研究，发现即使在始终从内管供给惰性气体时，控制从外管供给的气体组成时，也能打开风口。
具体地说，在与上述第(8)方面所述的发明方法同样的方法中，根据图1所示的关系，把在风口前端处所形成的蘑菇形物的直径M控制为M/r不大于2。蘑菇形物的直径M可以用这种方法估计，以便通过下列各条(1)-(4)其中每一条的热平衡来计算蘑菇形物的直径M。
(1)根据外管气体显热所产生的冷却指数(V1”)：外管气体比热的函数
(2)根据外管气体潜热所产生的冷却指数(V2”)：外管气体反应热的函数
(3)根据内管气体显热所产生的冷却指数(V3”)：内管气体比热的函数
(4)蘑菇形物从铁水中的受热指数(K”)
当假定蘑菇形物是半球形时，下面的热平衡成立。
K”＝M2×(T-Ts)×Qn＝a”+b”×(V1”+V2”+V3”)  …(9)
在上面的方程(9)中，a”，b”和n是常数，Q是全部气体的流速(Nm3/h/t)，T是铁水的温度(℃)，Ts是固相线(Solid line)温度(℃)。在这种情况下，当根据所用气体的物理性质和反应热用实验确定形成蘑菇形物的贡献率时，可以计算出V1”，V2”和V3”。Ts可以根据相图求得。当把这些这些代入方程式(9)，并如此确定各常数，以便它们可以适合于由实验得到的蘑菇形物的直径时，能够得到当使用实际装置时估计蘑菇形物直径的公式。根据本发明人所进行的研究，由外管氧气的加热值对蘑菇形物直径的贡献率为75％，而外管气体显热对蘑菇形物直径的贡献率是100％。
本发明的第十方面提供一种风口，用于实施观察本发明的熔融金属精炼炉内部的方法。采用双管风口来观察温度的原因是单独控制内管和外管中气体的组成和流速。在这种双管风口中，检测内管风口前端处的开口率，并根据检测所得到的信息来控制内管和外管中气体的流速和/或组成。为了实施上述操作，风口如图5所示构成。风口由一同心双管结构组成，该双管结构包括穿过精炼炉耐火材料的内管1和外管2。在这种结构中，内管1和外管2相互独立。通过内管供气管道9和外管供气管道10可以单独控制气体的流速和/或组成，内管供气管道9和外管供气管道10单独连接到控制装置，以便控制气体的组成和流速。在这种情况下，用于观察的风口内径规定为5-20mm。在用于观察的风口内径小于5mm情况下，在保证观察所必需的开口面积时，不能形成蘑菇形物，并且风口的寿命缩短。在用于观察的风口内径大于20mm情况下，气体的流速增加，并且成本升高，这是不经济的。
实例
在本实例中，采用氧气顶吹转炉，其生产能力为3吨。采用一根单管风口作为观察用的风口，该单管风口的直径为4mm，安装在炉底处。(在这种情况下，公式(1)中的α是47.8。)从风口只供给氮气。或者，供给一种其中Ar和氧气互相混合的混合气体。将含有[C]：4.2％，[Mn]：0.16％，[Si]：0.21％和[P]：0.085％的铁水装入炉中，并将氧气供给到炉中用于脱碳。当开始供氧气时，铁水的温度是1315℃。在本实例中，％意思是指质量百分数，在下面的说明中同样是指质量百分数。在吹风时的组成是[C]：0.04％，[Mn]：0.07％，[Si]：0.01％和[P]：0.017％，和温度是1637℃。用一图象传输光纤穿过观察用的风口进行辐射温度的测定。同时，通过相关的风口照射激光束，并观察由碳发射的光，以便测定碳浓度。通过图象传输光纤观察中所得到的图象测定开口率。根据开口率的变化，控制气体的组成和流速。
实例1
在表1所列条件下，控制Ar流速用于每个碳浓度和温度。结果，在整个精炼期间自始至终都能进行准确的温度测定和碳浓度分析。
表1
    碳(％)     温度(℃)        内管Nm3/h/t   开口率％   测温时期2σ
    Ar   氧
    4-2.5  1350-1425  0.0035-0.0050     0     68-76     2.5-3.1
    2.5-1.0  1425-1525  0.0036-0.0050     0     75-88     2.2-3.3
    1.0-0.5  1525-1600  0.0027-0.0036     0     79-90     1.9-2.9
    0.5-0.05  1600-1650  0.0024-0.0027     0     60-72     2.1-3.1
实例2
在开始时升温速率低。因此，在碳[C]为0.05％和温度＝1600℃(如表2中的(1)所列)时风口被堵塞。因此，在表2中的(2)所列条件下控制气体的组成和流速。结果，风口再次打开。在那之后，整个精炼期间中自始至终都能进行准确的温度测定和碳浓度分析。
表2
  碳(％)   温度(℃)       内管Nm3/h/t   开口率％ 测温时期2σ
    Ar     氧
(1)对照例     0.05     1600   0.0024     0    42-0   不能测定
(2)本发明     0.05     1600   0.0024     0.00012    84-93   2.2-3.5
对照例1
在对照例1中，是在表3所列条件下完成操作，同时保持Ar的流速恒定不变而不考虑碳浓度和温度。结果，在精炼结束时开口率降低，并且不能进行观察。
表3
    碳(％)     温度(℃)     内管Nm3/h/t   开口率％   测温时期2σ
    Ar   氧
    4-2.5  1350-1425     0.0050     0     78-98     2.4-3.3
    2.5-1.0  1425-1525     0.0050     0     68-82     2.9-3.6
    1.0-0.5  1525-1600     0.0050     0     43-61     4.8-8.5
    0.5-0.05  1600-1650     0.0050     0     39-0     不能测定
实例3
在例3中，采用一种氧气顶吹转炉，它的生产能力是3吨。利用一根双管风口作为观察用的风口，该双管风口的内管风口内径为10-15mm，并且它的内管和外管之间的间隔为1mm，双管风口安装在炉底处。从内管供给氮气和/或氧气，而从外管供给氮气，氧气和LPG的其中一种或者供给它们之中的不少于两种。将含有[C]：4.2％，[Mn]：0.16％，[Si]：0.21％和[P]：0.085％的铁水装入炉中，并向炉中供氧用于脱碳。当开始供氧时，铁水的温度是1315℃。在本实例中，％意思是指质量百分数，在吹气时的组成是[C]：0.04％，[Mn]：0.07％，[Si]：0.01％和[P]：0.017％，温度是1637℃。利用一个图象传输光纤穿过观察用的风口实施辐射温度的测定。同时，激光束通过内管照射，并观察由碳发射的光，以便测定碳的浓度。利用在内管里图象传输光纤观察中所得到的图象测定开口率。根据开口率的变化，改变内管和外管中气体的组成和流速，以便控制在内管风口前端蘑菇形物的尺寸。
采用一种双管风口，该双管风口的内管风口内径为15mm。在表4所列条件下，根据测得的开口率变化，同时对每个碳浓度和温度都估计蘑菇形物尺寸，适当地控制外管中氮气的流速。结果，在整个精炼期间都能进行准确的温度测定(在表4上示出2×σ)和碳浓度分析。在这方面，内管的流速保持在高达临界流速1.5倍的数值下恒定不变。在这方面，由于内径是15mm，所以公式(5)中的α是3.8％。
表4
  碳(％)   温度(℃)     内管Nm3/h/t     外管Nm3/h/t 开口率％ 测温时期2σ
    氮     氧     氮   氧
  4-2.5  1350-1425   0.098     0  0.08-0.02     0  32-68   2.6-3.0
  2.5-1.0  1425-1525   0.098     0  0.02-0.001     0  39-71   2.6-2.7
  1.0-0.5  1525-1600   0.098     0  0.001-0.02     0   25-56   2.7-3.5
  0.5-0.05  1600-1650   0.098     0  0.02-0.03     0   18-38   3.1-3.5
在这种情况下，用下面的公式计算出临界流速(F：Nm3/h/t)F＝5.5×(ρg/ρ1)-5/8×(1+H/1.48)3/8×(r/1000)5/2…(10)
在上面公式中，ρg是气体密度(kg/m3)，ρ1是铁水密度(kg/m3)，和H是熔池(bath)深度(m)。
实例4
在实例4中，前提条件(precondition)设到与实例3的前提条件相同，并采用一根双管风口，该双管风口的内管风口内径为10mm。在表5所列的条件下，根据测得的开口率的变化，适当控制外管气体的组成和流速，同时对每次碳浓度和温度估计蘑菇形物尺寸。结果，在整个精炼期间自始至终都能进行准确的温度测定和碳浓度分析。在这方面，将内管流速设定在一不变的数值处，该数值高达临界流速的1.5倍。在公式(5)中，由于内径是10mm，所以α是8.5％。
表5
  碳(％)   温度(℃)     内管Nm3/h/t                 外管Nm3/h/t 开口率％ 测温时期2σ
    氮     氧     氮     氧     LPG
  4-2.5   1350-1425   0.036     0   0.01     0-0.0011     0   34-65   2.9-3.5
  2.5-1.0   1425-1525   0.036     0   0.01     0.0011-0   0-0.0075   38-71   3.3-3.6
  1.0-0.5   1525-1600   0.036     0   0.01     0   0.0075-0.015   35-68   2.8-3.6
  0.5-0.05   1600-1650   0.036     0   0.01     0   0.015-0.02   28-51   3.3-3.9
实例5在实例5中，把前提条件设到与实例3的前提条件相同，并采用一根双管风口，该双管风口的内管风口内径为10mm。然而，在开始时升温速率低，并且在碳[C]约为2.4％和温度约为1400℃(由表6中的(1)列出)时风口堵塞。因此，在表6中的(1)或(2)条件下改变外管气体的组成和流速。并控制内管风口前端处蘑菇形物的尺寸。结果，在整个精炼期间都能进行准确的温度测定和碳浓度分析。表6
  碳(％)   温度(℃)      内管Nm3/h/t     外管Nm3/h/t 开口率 测温时期2σ
    氮     氧   氮   氧   ％
(1)对照例     2.4     1400     0   0.01     0    0   不能测定
(2)本发明     2.4     1400   0.036     0   0.01   0.0018   82-93   2.6-3.4
(3)本发明     2.4     1400   0.036     0.6   0.01     0   84-91   2.8-3.3
对照例2在对照例2中，采用一根双管风口，该双管风口的内管风口内径为15mm，并且在表7所列的条件下进行操作，其中使外管中的氮气流速保持不变，而不考虑碳浓度和温度。结果，在精炼中，开口率减小，因此变得不能进行观察。此外，在精炼结束时，蘑菇形物熔化，并且观察用的风口因熔融而损坏。表7
  碳(％)     温度(℃)     内管Nm3/h/t     外管Nm3/h/t 开口率％   测温时期2σ
  氮   氧   氮   氧
  4-2.5  1350-1425     0     0.02     0   22-0   5.2→不能测定
  2.5-1.0  1425-1525   0.098     0     0.02     0   0-33   不能测定→7.2
  1.0-0.5  1525-1600   0.098     0     0.02     0   48-81     3.8-6.9
  0.5-0.05  1600-1650   0.098     0     0.02     0   88-98     风口熔化
工业应用
按照本发明，不论什么时间，都能根据精炼的状态，通过打开观察用的风口，稳定地观察精炼炉中铁水的温度和/或组成。

Claims (11)

1.一种观察熔融金属精炼炉内部的方法，该方法包括以下步骤：用一单管风口，借助于穿过铁水精练炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子，在非接触状态下，通过检测在管子前端处由熔融金属辐射的电磁波，来观察精练炉中铁水的温度和/或组成；根据管子前端的开口状况单独使用惰性气体或氧化气体，或者使用惰性气体和氧化气体相互混合的混合气体。
2.按照权利要求1所述的观察熔融金属精练炉内部的方法，其特在于：在管子的开口率(％)不高于α的情况下供给惰性气体与氧化气体的混合气体或只供给氧化气体，上述α是根据方程式(1)用管子的内径r(mm)计算出来的，而在开口率高于α的情况下，只供给惰性气体，
                    α＝765/r2…(1)
3.一种观察熔融金属精炼炉内部的方法，包括以下步骤：用一根单管风口，借助于穿过铁水精炼炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子，在非接触状态下，通过检测在管子前端处由熔融金属辐射电磁波，来观察精炼炉中铁水的温度和/或组成；根据管子前端的开口状况控制惰性气体的流速。
4.按照权利要求3所述的观察熔融金属精练炉内部的方法，其特征在于：根据铁水的温度和组成控制惰性气体的流速，以便单管的开口率(％)可以不小于α，并且不大于95％，上述α是根据方程式(1)由管子的内径r(mm)计算出来的。
5.用于观察熔融金属精炼内部的风口，该风口具有一根单管，借助于穿过铁水精炼炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子，在非接触状态下，通过检测在管子前端处由熔融金属辐射的电磁波，来观察精炼炉中铁水的温度和/或组成，观察熔融金属精炼炉的风口包括一种控制功能，它可以根据风口管子前端的开口状态，单独使用惰性气体或氧化气体，或者使用惰性气体与氧化气体相互混合的混合气体，单管风口的内径为2-6mm。
6.一种观察熔融金属精炼炉内部的方法，在该方法中，借助于穿过熔融金属精炼炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子，在非接触状态下，通过检测管子前端处由铁水辐射的电磁波，观察铁水精炼炉中铁水的温度和/或组成，观察熔融金属精炼炉内部的所述方法包括以下步骤：用一根双管风口；检测内管风口前端处的开口率；根据开口率的变化，通过改变穿过内管和外管供给风口的气体流速和/或气体组成，控制风口前端处蘑菇形物的尺寸，以便保持观察所必需的开口率。
7.按照权利要求6所述的观察熔融金属精炼炉内部的方法，其特征在于，还包括以下步骤：根据铁水的温度和组成，估计风口前端处蘑菇形物的尺寸；根据估计结果，通过改变穿过外管供给的LPG惰性气体，惰性气体和氧化气体的气体流速和/或气体组成，控制风口前端处蘑菇形物的尺寸，以便保持内管的开口率(％)在不小于α和不大于95％的范围，该α用方程式(5)计算出来。
            α＝850/r2…(5)
式中r是内管的内径(mm)
8.按照权利要求6所述的观察熔融金属精炼炉内部的方法，其特征在于，还包括以下步骤：在内管的开口率低于方程式(5)中α(％)的情况下，从内管供给惰性气体与氧化气体的混合气体，或者只供给氧化气体，以便增加管子开口期间的开口率；在除管子开口期间之外的期间，从内管只供给惰性气体。
9.按照权利要求6至8其中之一所述的观察熔融金属精炼炉内部的方法，其特征在于，还包括以下步骤：始终从内管供给惰性气体；在内管的开口率低于方程式(5)中α(％)的情况下，从外管供给惰性气体和氧化气体相互混合的混合气体，或者只供给氧化气体，以便在管子开口期间增加内管的开口率；在除管子开口期间之外的期间，通过外管只供给风口冷却气体或惰性气体，或者从外管供给风口冷却气体与惰性气体的混合气体。
10.一种用于观察熔融金属精炼炉内部的风口，其特征为，该风口是双管风口，该风口借助于穿过铁水精炼炉炉壁和/或炉底耐火材料的管子，通过在非接触状态下检测管子前端处由熔融金属辐射的电磁波，来观察精炼炉中铁水的温度和/或组成，观察熔融金属精炼炉内部的所述风口包括：管道系统和控制系统，该控制系统能独立控制气体流速和/或气体组成，该气体流速和/或气体组成通过每一内管和外管实施供给。
11.按照权要求10所述的观察熔融金属精炼炉内部用的风口，其特征在于：内管的内径r为5-20mm。
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