CN1615372A - 金属、金属熔液和/或渣的火法冶金处理方法以及喷射装置 - Google Patents

Abstract

在冶金设备或熔炉且尤其是电弧炉中冶金处理金属、金属熔液和/或渣时，为了喷入/吹入富氧气体(6)和或含碳物质而采用了喷射装置(1)，它可以使尽量长的并有高动量能的气流 (6′)冲击渣表面或金属表面。在这里公开了，将所产生的气流(6′)包套起来并且由此使其聚而不散。本发明提议，这种包套借助热气(5，5′)来完成，热气预先被加速，因而，尽可能没有动量损失地包裹住中央气流(6′)。

Description

金属、金属熔液和/或渣的火法冶金处理方法以及喷射装置

本发明涉及在冶金设备或熔炉中火法冶金处理金属、金属熔液和/或渣的且尤其是用于借助喷射装置在电弧炉(EAF)中喷入/吹入富氧气体和/或含碳物质的方法，所述喷射装置将富氧气体加速到超音速并且在喷射装置中按具体情况将含碳物质且最好是颗粒混入富氧气体中并且高速射流从喷射装置中出来在得到一个包围气套保护的情况下被用于火法冶金处理。

喷射装置已知被用于将流态物质和颗粒状物质加入工业设备中，最好是被用于火法冶金处理金属和金属熔液，尤其是在电弧炉里被用于把富氧气体和/或含碳颗粒喷入/吹入电弧炉的渣层/泡沫渣层之中或之上以便使渣起泡和/或用于将富氧气体喷入/吹入在渣层或泡沫渣层之下的金属熔液中以使其脱碳。在此，喷射装置造成富氧气体借助喷嘴被加速到超音速并且根据具体情况将含碳颗粒混入富氧气体里。

固态添加物如废钢铁或海绵铁在电弧炉中的熔炼需要很高的电能(约550-750kWh/吨原钢)。为了降低电能需求以及为了缩短熔炼时间，附加地加入化学能(如天然气或碳)。为了保证反应高温，其燃烧至少以工业纯氧来完成。这样一来，待处理的比废气量与采用空气时相比同时明显减小了。在熔炼过程的某些阶段中，氧气和/或原生能量载体(如天然气)被吹入以便支持或加速废钢铁加热和废钢铁熔炼。这种反应在熔点之上完成，最好是在直接接触待熔炼固体的情况下。天然气和氧气的添加此时是通过在炉壁上的专用烧嘴或借助水冷喷枪来完成的。

火法冶金处理的另一个阶段就是泡沫渣阶段。泡沫渣应该在浅槽阶段中屏蔽炉壁而不受电弧光的影响，以避免壁部过热并使电弧的电功率降低变得均匀并且通过减小电弧损失而总体上获得高的电能效率。为了形成泡沫渣，同时最好将细微的碳载体和氧气吹入在渣和金属之间的界层之中。

添加碳载体最好在该金属熔液与渣的界层的区域里(也有部分被加入到金属熔液表面之下)进行。作为载体气体，优选压缩空气、氮气，也可以选择气态的碳化氢。

氧气的吹入最好在金属熔液和渣之间的界层区域里进行，以便部分氧化被喷入的碳以及使金属熔液脱碳。当碳载体所含的碳被部分氧化时，形成了气态的一氧化碳CO。CO气泡从渣中逸出。这造成渣起泡。泡沫渣改善了能量利用情况并减小了电弧炉的耐火炉衬的负荷。CO可以通过单独添加其它的氧化剂而在内部或在外部二次燃烧。

添加碳载体、氧气和其它氧化剂是组合地或单独地通过以下方式进行：

a)在炉壁上的专用喷口/喷嘴装置；

b)穿过炉门/炉壁/炉盖的被冷却的喷枪；

c)穿过炉门/炉壁/炉盖的未被冷却的喷枪；

d)底槽喷嘴系统；

被用于上述任务的装置和方法尤其具有以下缺点：

在借助一个共同的喷射装置喷入气体/固体时，上述功能性必须被整合在一个单元中。要在各工序里喷入的成分对所属的喷射系统提出了不同的且甚至部分自相矛盾的要求(流速、喷入位置、混合/燃烧作业、加入熔液中等)。因此，这些单元的构造或是很大，或是必须折中实现。

EP0964065A1公开了一种由两个部件构成的喷射装置，其中一个部件起到超音速氧气喷枪的作用，另一个部件起到碳喷枪的作用。这两个部件的轴线是这样取向的，即两股产生的射流在液面上方相交。为了保证各中心的氧气流或碳射流尽可能会聚，用天然气流包裹住它们，该天然气流来自一个围绕中心喷口设置的喷嘴环。

US5904895公开了一种水冷型喷射装置，它具有一个燃烧室用于产生用于熔炼在燃烧室前的固体的高速火焰。随着熔炼过程的推进，弥散的固体如碳以及附加氧气被高速输入电弧炉里，在这里，固体从侧面被混入已被加速的氧气流里。在这种情况下，固体流和高速氧气流得到一个包围它们的火焰套的保护。

EP0866138A1描述了一种把气体(如氧气和天然气)喷入到熔液中的方法。在这里，从喷管中心出来的氧气通过拉伐尔喷嘴被加速到超音速。为了使射流尽可能长时间地保持其射出动量，它通过一个(完整)包围它的火焰套被保护起来。当从一个同心环绕拉伐尔喷嘴的环缝或喷嘴环中射出的天然气与氧气燃烧时产生了该火焰套。氧气通过一个同心布置在天然气环之外的第二环缝或喷嘴环来输入。

EP1092785A1描述了一种喷射装置，它基于EP0866138A1的原理逼供内切还允许喷入颗粒状固体。固体的添加此时也与添加氧一样是在火焰套里完成的。

EP0848795描述了一种使燃料燃烧的方法及所属的烧嘴。作为燃料，采用天然气和颗粒状固体。在这里，在一个圆柱形或呈扁锥形在喷射方向上扩展的氧气主射流中吹入多个相对中心纵轴线倾斜的天然气射流。主射流通过一拉伐尔喷嘴被加速到超音速。燃料射流包围主射流并且只在下游方向进入主射流中。在主射流里，通过一个中心管形成一个第二燃料射流，利用第二燃烧射流将天然气或固体喷入已加速的主射流里。

为了在喷射装置中尽量在一段较长的路段上抑制射流扩展，所产生的射流多次用一个火眼套包围住，该火焰套通常是通过是天然气燃烧产生的。火焰套造成不希望有的中心气流动量损失的缺点，因为外层射流的流速明显低于中心气流的流速。此外，这个措施需要加入附加物质并因而造成更高的能量消耗。从工程技术角度出发，尽量不希望这样做并且部分也是无效率的。

基于上述现有技术，本发明的任务是改进一种喷射装置并提出一种工作方法，由此能够尽量延长自由流出到冶金设备的内室中的气体的长度及其穿透现有渣层的深度。在这里，尤其应该尽量避免用于在不同工况下共同输入氧气和固体的已知装置的缺点，即

*高的比能量用量，

*所需的机械手或者在冶金设备里的多个开口，

*复杂的构造。

在方法方面，利用具有权利要求1特征部分特征的上述类型的喷射装置如此完成所提出的任务，即气套是热气，它被这样输送给中心的高速射流，即在中心的高速射流和热气套流之间的相对速度和动量交换被最大程度地减小(近似等动能输送)。

一种执行本发明方法的喷射装置的特征在于如权利要求17所述的装置。本发明的有利实施形式和改进方案在对应的从属权利要求中给出了。

通过动量损失尽量小地用热气包裹住富氧的中心气流的本发明方法，有利地获得了气流长度和穿透位于金属液上的渣层的穿透深度的最大化，以便产生强烈的混合和运动并且改善颗粒固体如碳载体、粉尘或碎料的喷入。

为此，中心气流通过一氧气喷管(带有拉伐尔喷嘴的长管)来输送并且被加速到300-850米/秒，而且与现有的解决方案不同，中心气流用一个由热气构成的外层流包裹住。此时，热气通过在热气发生器中的外界燃烧如天然气与空气在商业上通用的高速烧嘴中燃烧、通过借助一个单独的高温压缩机来再循环灼热的废炉气或通过联合实施这两个措施来制备。

只要热气的产生通过燃料与氧化剂的外界燃烧来完成，则为此最好采用氧含量为10-100体积％且最好是21体积％的氧化剂。在任何情况下，氧化过程按照超化学计量的方式进行。在热气发生器中的空气指数被调到10.5-2.0(最好是1.3-1.5)。氧化剂可以被预热到50-600℃(最好是200-400℃)。预热可以在喷射装置之外或之内完成。氧化剂的预热最好被整合到喷射装置冷却系统中或者是其主要组成部分。

热气的温度在其进入喷射烧嘴中时为300-1800℃。在这样的温度范围里，热气的超音速由于所基于的热动态关系而明显高于冷却的中心射流。因此，热气的出口速度已经通过一个简单的喷嘴被提高到中心射流的流出速度区。

为了控制温度，根据本发明，可以在加速前给热气喷水。这样一来，保证了快速精确的温度控制。此外，更高的水蒸汽含量对炉室内的反应气氛产生有利的影响。

本发明的喷射装置的模块构造包括一个有拉伐尔喷嘴的长管、用于加速富氧气体的氧气喷管，氧气喷管的出口区被一个环缝喷嘴或具有用于使热气流出的类似作用的且构造相似的解决方式。为了聚集并且为了改善在出口平面中的流动状况，通过一个热气套管来加长这两种气体的出口区。

为了喷入颗粒物，在氧气喷管的中心设有一个呈附加的带有一个出口的同心管形式的添加物喷管。添加物喷管可以轴向移动。添加物喷管的出口平面在这里不仅能定位于氧气喷管的拉伐尔喷嘴的收缩部入口横截面的前面，也能定位于其中或其后面(分别就流向来说)。添加物喷管的出口定位在氧气喷管里可以通过移动添加无喷管或氧气喷管或通过同时移动两者来完成。添加物喷管的出口可以被构造成简单的通口或喷口的形式。添加物喷管的出口最好定位在氧气喷管的拉伐尔喷嘴之前，因而，颗粒物与富氧气体一起通过该拉伐尔喷嘴被加速。

由于颗粒物产生很高的磨损负荷，所以，添加物喷管的出口适当地由耐磨材料制成。为了保护氧气喷管的外周面，可以给它涂上一个陶瓷保护层，或者用一个陶瓷护管包住。

不过，也可以通过该添加物喷管将其它的非颗粒物质喷入富氧气流里，如气态燃料如天然气或者液态燃料如油。因此，为了适应于各燃料类型的特殊要求，需要不同的添加物喷管的实施例。因此，添加物喷管可以被构造成能够通过适当地构造快速并且不太费事地适应于各自的作业过程要求并且例如配备有可更换的出口喷嘴并且可以通过适当的辅助机构手动地或自动地轴向移动。

根据本发明的用于气体和固体喷入的喷射装置具有模块结构。这些标准部件被安装在一个共同的支架单元上，该支架单元牢固地安置在冶金设备的壁中。这样一来，可靠地防止了周围空气不希望地进入炉子里以及反应气体有害地跑到环境中。

通过构造出耐用的结构简单的部件，该喷射装置可以被通用于按照各自所需的量和质量添加所有在冶金处理的一些阶段中分别需要的物质(氧气、氧载体、添加物等)。这保证了低的维修成本和安装成本并且能够根据需要来快速更换一些构件，即使此时炉子在连续工作。

为了保证喷射系统高效工作，可以在熔炼设备上安装多于一个的喷射装置(最好是2-4个)。所安装的喷射装置的工作则通过一个上级系统来协调和监测。

以下，结合一个示意图所示的实施例来详细说明本发明的其它优点、细节和特征，其中：

图1表示本发明的喷射装置的截面(基本方案)；

图2表示具有添加物喷管的图1所示喷射装置的截面；

图3表示喷射装置的方法流程图；

图4是喷射装置的MSR图(方法流程图)。

图1以截面示意图表示本发明的喷射装置1，它在所示实施例里主要包括一个弯折的热气管接头2，在该热气管接头里侧伸入一个氧气喷管10。在这里，氧气喷管10最好这样伸入，即喷射装置10的水平部的纵轴线与氧气喷管10的纵轴线重合。在其前端上(图中靠右)，热气管接头2的内口径通过一个斜向内延伸的加厚部7(收缩部)缩窄了这样的程度，即热气管接头2与氧气喷管10在这个区域里构成一个同心的环缝喷嘴4或一个有类似作用的且结构类似的解决方式(以下简称为环缝喷嘴)。

伸入热气管接头2中的氧气喷管10包括一个长管或者喷管内壁，它被一个陶瓷保护层12包围住并且有一个形成于前侧区域里的拉伐尔喷嘴13。通过拉伐尔喷嘴13，富氧气体6在箭头方向输送并同时被加速并作为中心气流6′从出口14中沿箭头方向喷出。在这个出口区里，富氧气体6′从在相同方向上流动的并在环缝喷嘴4中加速的热气5′包裹着。为了使气流5′、6′聚而不散，出口区通过一个热气套管3被加长，热气套管的内径等于环缝喷嘴4的最小外径。

氧气喷管10被构造成能轴向移动，在这里，其出口平面5能定位在任何一个在热气管接头2的平面E3和E4之间的位置上。

图2表示一个喷射装置1，它相对图1喷射装置1补充有一个附加的添加物喷管15和一个喷水机构18。为了一目了然起见，相同的构件用相同标记表示。喷水机构18在该热气管接头2中位于喷射装置1的入口区里并且被布置成水19与热气5流向相反地能被在该区域里被喷入。现在，氧气喷管10不再象在图1的实施例中那样用一陶瓷保护层围起来，而是在此通过一个陶瓷护管17被固定。添加物喷管15主要包括一个较长的并带有一靠前的燃烧喷嘴16的管并且该添加物喷管移入氧气喷管10中达到了喷嘴16的口还在氧气喷管10的拉伐尔喷嘴13之前的程度。这样一来，含碳物质8、8′和富氧气体6共同作为中心射流9从出口14中喷出。

图3表示使喷射装置1工作所需的物质的输送原理以及喷射装置1的典型连接结构。热气5在外面在一个独立的热气发生器20中由燃料流8和氧化剂流6产生。热气发生器20有利地直接与喷射装置连接或者是其主要组成部分。在所示例子里，空气23做为氧化剂。空气23通过一个单独的鼓风机21而做好使用准备或从压缩空气供应网22中被输出。空气23在输入到热气发生器20之前先被用于冷却喷射装置1的外壁。这样一来，空气被预热到50-600℃。这种预热对在热气发生器20中的燃料使用产生积极影响。热气发生器20连续工作。这同样适用于冷却系统。通过操作截止阀25、26、27，各物质流的供应被起动或中断。体积流量的调节借助控制阀28、29、30来完成。如果氧气喷射正在进行中，则这样接通多通阀31，即中断给氧气喷管输送空气。如果出于工艺技术考虑而不需要喷射氧气，则多通阀31这样被接通，即中断给氧气喷管10输送氧气。在这种情况下，氧气喷管10接受空气23。

图4表示喷射装置1的MSR图(工作流程图)。对于喷射装置1的按规定的安全工作来说，必须监测并可控制地调整截止阀25、26、27的位置。出现不允许或危险的工作状况通过相应的锁闭/截止来加以避免。中心自动化单元R与冶金设备的上级PLS(过程控制系统)连接并且根据工作情况向下级单元以及R1、R2传输所需的指令。自动化单元R1主要负责控制热气温度、热气发生器的功率以及空气数量。为此所需的过程参数通过相应的传感器来连续测量并且传输给计算机。自动化单元R2用于控制氧气体积流量。

添加物喷管15的工作的控制通过另一个自动化单元(如用于物质流量、预压力)来完成。在图4中示意示出了例如用R3表示的自动化单元。

根据本发明，多个且最好是两个到四个喷射装置1能被安置在一个冶金设备上。于是，为了共同控制这些喷射装置1，在自动化单元R和上级PLS之间进行数据交换。

                       附图标记一览表

1-喷射装置；2-热气管接头；3-热气套管；4-环缝喷嘴；5、5′-热气；6，6′-富氧气体；7-增厚部；8-燃料；9-中心射流；10-氧气喷管；11-喷管内壁；12-陶瓷保护层；13-拉伐尔喷嘴；14-出口；15-添加物喷管；16-出口；17-陶瓷护管；18-喷水机构；19-水；20-热气发生器；21-鼓风机；22-压缩空气供应网；23-空气；25、26、27-截止阀；28、29、30-控制阀；31-多通阀；I-其它喷射装置1；PLS-过程控制系统；R-中心自动化单元；R1-自动化单元；R2-自动化单元；R3-自动化单元；

Claims (24)

1、一种在冶金设备或熔炉中火法冶金处理金属、金属熔液和/或渣的并且尤其是在电弧炉里借助一个喷射装置(1)喷入/吹入富氧气体的方法，该喷射装置将富氧气体(6)加速到超音速，高速射流(6′)从该喷射装置中出来在一个完整包围它的气套(5′)的保护下被用于火法冶金处理，其特征在于，该气套是热气(5)，它被这样输送给中心的高速射流(6′)，即在中心的高速射流(6′)和热气套射流(5′)之间的相对速度和动量交换被最大程度地减小(近似等动能输送)。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，富氧气体(6)在一个喷嘴系统(最好呈拉伐尔喷嘴形式)中被加速到300-850米/秒的速度并且热气(5)借助一个环缝喷嘴(4)被加速到几乎一样高的速度。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该富氧气体(6)的含氧量为10-100体积％，最好是大于95体积％。

4、如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，根据具体情况，给中心的氧气流(6)输送颗粒状固体和/或流态物质(8)，在这里，这些物质的输送借助一个同轴线地设置在氧气喷管(10)里的添加物喷管(15)在中心、同方向并且在氧气流(6)的加速过程结束前进行。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，颗粒状固体(8)高浓度地(大于30重量％)含有碳(如碳灰或焦炭粉)、碱金属和/或碱土金属(如石灰石、生石灰石或白云石)，并且流态物质(8′)高浓度地(大于30重量％)含有碳(天然气、焦炭煤气、转炉气体、燃料油)。

6、如权利要求1-5之一或多项所述的方法，其特征在于，热气(5)在输入到喷射装置(1)中时具有300-1800℃的温度。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，热气(5)通过燃料(8，8′)与氧化剂的外界反应和/或通过来自冶金设备的热气的再循环来提供。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，为了产生热气，采用被预热的并含有10-100体积％并且最好是21体积％的氧的氧化剂。

9、如权利要求6或8所述的方法，其特征在于，氧化剂的预热被整合到该喷射装置(1)的冷却系统中和/或是它的主要组成部分。

10、如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在输入到喷射装置(1)时的热气温度调节通过一个热气发生器(20)的一个功率调节装置和/或通过在加速前将定量的液态水(19)配给热气来实现。

11、如权利要求1-10之一或多项所述的方法，其特征在于，氧气喷管(10)可交替地以工业氧气和空气来工作，其中，从氧气输入切换到空气输入和切换回来通过一个多通阀(31)来完成，为了输入空气，使用氧化剂供应源或另一个供应源如压缩空气供应网(22)或鼓风机(21)。

12、如权利要求1-11之一或多项所述的方法，其特征在于，热气发生器(20)的工作的控制例如燃烧的λ控制、热气温度控制、冷却空气输出温度控制等通过自动化单元(R1)来完成。

13、如权利要求1-12之一或多项所述的方法，其特征在于，氧气喷管(10)的工作的控制例如体积流量、预压力等通过自动化单元(R2)来完成。

14、如权利要求1-13之一或多项所述的方法，其特征在于，添加物喷管(15)的工作的控制如物质流量、预压力等通过另一个自动化单元(R3)来完成。

15、如权利要求1-14之一或多项所述的方法，其特征在于，在冶金设备上，安装多于一个的该喷射装置(1)，最好是两个到四个。

16、如权利要求1-15之一或多项所述的方法，其特征在于，这些自动化单元(R1、R2、R3，I)的工作的协调通过一个上级的中心自动化单元(R)来完成，该上级的中心自动化单元(R)与冶金设备的过程路控制系统(PLS)交换数据活质是自给自足的，在此进行与其它喷射装置(1)的相应的自动化单元的数据交换。

17、一种用于在冶金设备或熔炉中火法冶金处理金属、金属熔液和/或渣的并且尤其是用于在电弧炉中吹入/喷入富氧气体(6)和/或含碳物质(8)的喷射装置(1)，该喷射装置尤其用于执行如以上权利要求之一或多项所述的方法，其中，该喷射装置(1)将富氧气体(6)加速到超音速并且在该喷射装置中根据具体情况将含碳物质(8)且最好是颗粒混入富氧气体(6)中，并且高速射流从该喷射装置中出来在一个包围它的气套的保护下被用于火法冶金处理，其特征在于，该喷射装置具有一些标准部件的模块构造，该构造包括一个带有喷管内壁(11)和用于加速富氧气体(6)的拉伐尔喷嘴(13)的氧气喷管(10)，该氧气喷管被一个热气管接头(2)包围着，在其出口区里设有一个环缝喷嘴(4)或一个有类似结构的并能产生用于热气(5)流出和加速的相应作用的解决方式。

18、如权利要求17所述的喷射装置(1)，其特征在于，该氧气喷管(10)可以轴向移动，其中，氧气喷管(10)的出口平面(S)为此能够定位在在平面(E3)和平面(E4)之间的任何位置上。

19、如权利要求17或18所述的喷射装置(1)，其特征在于，该气体出口区通过一个共同的热气套管(3)被加长。

20、如权利要求17-19之一所述的喷射装置(1)，其特征在于，在该热气管接头(2)的入口区里设有一个喷水机构(18)。

21、如权利要求17-20之一或多项所述的喷射装置(1)，其特征在于，在该中心的氧气喷管(10)内设有一个呈带有一出口(16)的附加的同心管形式的添加物喷管(15)，该出口被构造成通口或喷口的形式。

22、如权利要求21所述的喷射装置(1)，其特征在于，该添加物喷管(15)的出口(16)由耐磨材料构成并且可更换。

23、如权利要求21或22所述的喷射装置(1)，其特征在于，该添加物喷管(15)被构造成可轴向移动并且能够以其出口平面(B)定位在平面(E1)和平面(E2)之间。

24、如权利要求17-23之一或多项所述的喷射装置(1)，其特征在于，该喷射装置(1)的这些标准部件被安装在一个牢固设置在冶金设备的壁中的共同的部件支架上。

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