CN1774516A - 用于改善对废料块的能量供给的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在加热和熔化废料块时改善能量供给的方法，其中加入矿物燃料的预加热的氧化气体在废料块中熔化一个通道，并且进一步通过该通道进行能量供给。本方法的重要改进是通过从顶部向废料块提供热风实现的。
Description
技术领域
本发明涉及到在加热及熔化废料块时改善能量供给的方法。加入矿物燃料的预加热的氧化气体在废料块中熔化一条通道，并且进一步通过该通道进行能量供给。
背景技术
目前，常见做法是在电弧炉内熔化废料，其中燃烧器提供尽可能多的矿物能量。然而，如此提供的最大的能量仅为所需总能量的10％。
在出版物“Stand der Verfahrenstechnik für das Einschmelzen vonSchrott mit fossiler Energie”(《利用矿物能熔化废料的加工技术的状态》)(Stahl und Eisen，1990年，第109-116页)中概述了利用矿物能熔化废料的重要性。该出版物特别提及为发展应用矿物能熔化废料的新方法所做出的众多努力。在工业规模上，第113页所描述的双转炉方法(Two-Converter-Process)目前由日本钢铁(Nippon Steel)应用在其炼钢车间内。然而，很显然这是在特定的钢厂内的特殊条件下才是有利的。对于第114页所描述的EOF方法也是一样。由于设备复杂的设计，特别是考虑到在竖炉内废料的预加热，使其应用受到限制。
德国专利DE19521518C1的说明书中描述了一种改善废料块的能量供给的方法，其中富含天然气或煤的热的含氧气体射流在废料块中熔化通道并且该通道使进一步能量供给成为可能。该专利说明书解释说，根据该发明的方法不仅适用于向电弧炉提供额外的能量，还可以在膛式炉内仅使用矿物能而无需电能便能够完全熔化废料块。矿物能源须以适当的形式插入废料块中。例如：约100kg煤/吨废料与废料一起装载。在液池形成的同时部分的煤也可以通过鼓风口注入。熔化后，热风射流起到后燃烧射流的作用以提供进一步的能量，以便将熔池加热到要求的出炉温度。
该专利的说明书中描述了这样的应用：热风喷射器均匀地分布在熔炉的侧壁中并以10°的角度吹进熔炉。这样不但保证了废料块的均匀熔化，还防止在通过废料块燃烧后热风射流撞击到难熔物质上。
该发明的实际应用导致某些问题。现发现热气体射流使熔炉中心产生了向上气流，其结果是废料块中形成烟道。热的废气离开废料块并且几乎不向废料提供任何能量。这导致形成未熔化的废料的外环。如专利说明书中所述的，这一效应显然受以下事实的支持，即冷区形成在鼓风口的正前方，在这里废料的温度过低而甚至不发生氧化。
这一问题已经在10吨的中间工厂试验炉中出现。可以预计在工业规模的熔炉中该问题将会增大。更进一步的问题是侧壁中的喷口在废料熔化后须要以热风保持开放，其结果是水平排列的热风射流将液体熔渣吹到相对的壁上。另外，当热风射流水平吹射的液体熔渣层存在时，通过热风射流从生产气体的后燃烧传递到金属熔池的能量受到影响。
发明内容
本发明避免了德国专利DE19521518C1的说明书中所描述的原理在利用矿物能熔化废料上的缺点。
令人惊奇的发现，当添加有矿物能的热风从顶部吹向废料块时，德国专利DE19521518C1的说明书中所记载方法的缺点消失了。当热风从顶部中央位置吹向废料块时本发明的这种效果尤其有利。根据本发明的顶吹热风令人意外地在废料块内产生气体流，这种气体流非常好地利用了气体的能量并快速有效地熔化侧壁的废料。以下为可能在废料块中发生的过程。穿透废料块的热风射流通过在废料块内部的气体循环有效地加热周边废料。然而，来自废料这一部分的气体被顶吹射流吸入。热气体因此通过外环离开废料。结果是在这一区域具有密集的能量供给，这些能量也从底部加热外侧区域中的废料并促进了这一部分的熔化。
热风可通过一个或多个射流从顶部注入。已经证实将热风分为一个占热风供给35-65％的中央射流和三至六个提供余下热风的外部射流是特别有利的。尤其有效地是，例如，一个提供50％热风的中央喷口，加上等距排列在它周围的四个提供余下50％的热风的喷口。这一设计使得中央喷口特别快速地在废料块中熔化一个通道。
与中央射流相反，外侧喷口应以10°-20°的角度排列。已证明射流以较小角度相互影响并收缩至直的气流。本发明的目的不仅是排列喷口以使其向外方向吹射，而且是具有倾斜的外周角以使其以某一角度吹进炉内。这使熔炉内产生特定的旋流。
根据本发明，热风应以这样的方式供给：喷口分别到废料表面或熔体的距离是可以调节的。这可以通过从顶部插入用于供给热风的喷枪来实现。
在顶部内用于热风供给的喷口或多个喷口的可调式设计与喷口安置在熔炉侧壁的耐火炉衬内的现有技术相比其显著优势在于，喷口的位置能够进行最佳调节以用于预加热废料以及在熔化阶段中生产气体的后燃烧。另外，当加工的最后阶段热风吹入不利时，喷口能够从顶部移除。
根据本发明的熔化废料的方法，废料块在第一阶段(后文中称为阶段1)中通过加有燃料的热风射流预加热并且其大部分熔化。在第二阶段(后文中称为阶段2)中，铁熔池通过经由相同热风射流的生产气体的后燃烧被提供用于熔化残余废料以及用于升高钢温度以达到出炉温度的能量。
当然，阶段1和阶段2不可能严格分开。从阶段1到阶段2的过渡持续几分钟。若整体熔化时间为30分钟，则阶段1持续时间约为15分钟；过渡时间约为5分钟，阶段2持续10分钟。
在第一阶段中，如天然气的矿物能添加到热风射流中。令人惊奇的是，通过分别进料足以将天然气吹近热风射流。因此热风喷枪不必作为燃烧器而安装。热风射流的强吸引能力显然足以将天然气与热风混合。
如上所述，根据本发明，通过使热风喷口和废料表面间保持0.2-0.5m的距离，消除了在热风喷口正前方的废料的冷区。如果离开废料的废气在离开熔炉前还要后燃烧的话，这段距离要稍大一些。当废料预加热时可能出现的废气问题因此能够明显地减小。
然而，这样做的缺点在于火焰温度被降低。高的火焰温度对于通道和废料的快速熔化以及对于减少废料的氧化是重要的。因此，当熔化废料时采用较短的约为30cm的到废料表面的距离以及利用均匀安置在顶部的小型热风燃烧器来燃烧废气是优选的。
对于根据本发明的方法，尽快将能量注入底部中心以使被热风射流熔化的废料不发生凝固是重要的。为此几种措施都被证实有效。通道必须尽快在废料块内熔化，通过该通道进一步的能量提供给废料块底部部分。尽可能高热风温度、高富氧度和尽可能高热风射流速度是有利的。通过中央射流注入高比例，如50％，的热风也是有用的。在富氧40％下，加入天然气的20000Nm3/h的气体射流能够在两到三分钟内在废料块中熔化通道到底部。
当热风火焰中仍存在游离氧时，已发现通道更快地烧入废料块内。在能源完全燃烧后游离氧含量为3-10％时达到最佳值。
在装炉期间，向底部中央堆积焦炭是更有利的。另一种方法是在熔炉内余留约20％的热残余料。如果熔炉没有热残余料开始变冷，那么焦炭应该预加热以便其能够尽快与热风射流反应。对于无热残余料的冷熔炉内的头熔(first melt)，对于每100吨熔体加入100-200kg的铝或硅以在底部影响中央射流的点也是有利的。
以略微降低废气组成的方式来调节加入热风射流的天然气的含量是更有利的。废气中CO或H2目标含量为1-2％。这种方法降低了废气中二氧(杂)芑的含量并且不影响热风射流中期望的游离氧含量，因为铁的氧化消耗掉部分的氧。
同样在第二阶段中热风射流提供的氧的数量高于生产气体后燃烧所需的量也是重要的。为获得最大的后燃烧度，关键的是，通过热风射流提供比后燃烧度的理想需求更多的氧以及通过底部鼓风口提供较少的氧。例如，在氧气底部鼓风率为3000Nm3/h下，应提供不富氧的热风20000Nm3/h。
业已证实在两个鼓风阶段采用不同速率的热风射流和不同水平的喷枪对工艺最优化是重要的。在废料熔化阶段，以接近音速的尽可能高的速率(在1200℃，约750m/sec)工作是有利的。然而在第二阶段中，通常通过铁熔池，选择仅为音速40-60％的热风速率(在1200℃，约400m/sec)。在这一阶段中，更高的喷枪位置也是可取的。
熔炉内插入喷枪很大程度上削减了热风射流产生的大的噪音。已经证实，如果可能热风喷枪插入熔炉内超过50cm是尤其有益的。与电弧炉的常见做法相同，废气通过顶部单独的排气管排放。
喷枪应该使用与用于在电弧炉中插入电极的相似装置移动。根据本发明的注入对于与热风供给装置的连接、灵活的工艺管理以及在接近精炼工艺结束时喷枪的去除都是有益的。
根据本发明，膛式炉配备有注入氧气以及可能的煤和石灰的底部鼓风口。这种由底部送风转炉而知的设计和配置正被使用。然而，在转炉工艺仅使用一些具有24到28mm的大内径的鼓风口，在留有热残余料的膛式炉内应用具有较小直径的鼓风口是有利的，尽管需要安装较多的数量。鼓风口的内径应限制为最大15mm。这样能够避免出炉后残钢和炉渣的喷溅。另外，在鼓风口没有冷却的情况下，小直径的鼓风口为免受钢水穿透提供了更好的保护。
本发明还旨在安装鼓风口在底部凹入处从而达到出炉后的更高覆盖范围。这样布置优势在于鼓风口时刻保持由钢水覆盖并且不与炉渣接触。如果鼓风口吹进炉渣，那么很容易形成影响鼓风口功能的沉积物。
不必要使用底部鼓风口喷射氧气。氧气也可以通过所谓的“相干射流”来喷射，排列在熔炉的侧壁作为标准做法。
如果钢要求极低的含氮量，那么在熔化过程结束前停止热风吹入是有利的。熔池中含碳量约0.5％是可取的。这时喷枪从炉顶抽出并且熔体利用纯氧精炼。
当根据本发明依靠含有过量氧气的热风射流熔化废料时，部分铁成为熔渣。这使废料能够快速熔化。形成的FeO的一部分留在熔渣内；然而更大的部分要被再次还原。因此处理过程中须加入碳。煤也可以通过熔炉的底部鼓风口或侧壁鼓风口注入，这在电弧炉中是标准做法。对于本发明的方法，两种注入方法都是特别有益的。主要部分以每吨钢约20-30kg的量以焦炭，优选为焦炭渣的形式与废料一起装载。其他有利的方法有煤与热风一起注入。为避免煤大量燃烧，应使用优选具有较大颗粒尺寸，至少为数毫米，的粗煤。
如上所述，在废料熔化过程中如果调节热风喷枪使喷枪到废料面的距离大致保持不变是有益的。因此在废料熔化期间喷枪应该降低。缓慢旋转喷枪达到与两个热鼓风口间距离对应的角度更为有益。若四个鼓风口则角度约为90°。当喷枪缓慢下降时，热风射流在废料块中燃烧成环。
具体实施方式
以下两个例子将详细解释本发明的方法。在例子一中，约110吨废料装入100吨的熔炉内。通过一个具有用于上下移动的装置的热风喷枪提供富氧40％的1200℃，0.9巴的40000Nm3/h热风。喷枪由五个喷口组成，一个中央喷口和四个外围喷口，外围喷口与射流的垂直方向成15°倾角。中央喷口的直径为20cm，外围喷口的直径为10cm。每个喷口安装有注入天然气的管子。天然气鼓风速率总计为5000Nm3/h。同时2000Nm3/h氧气通过六个直径为12mm的底部鼓风口注入。
在例子二中完全不使用底部鼓风口。氧气通过熔炉侧壁内的固定注入系统供给，即所谓的“相干射流”。这一例子基于四个平均分布在熔炉侧壁内的注入单元。利用这些目前常见的注入单元，除氧气之外，也能够同时注入煤或天然气。在该例中，每个喷射器提供1000Nm3/h的氧气；在起始的10分钟内还伴有500Nm3/h的天然气。10分钟后，天然气的注入停止，各喷射器以1000Nm3/h的氧气的速率继续。富氧40％的热风以40000Nm3/h的鼓风速率注入。热风通过四个直径均为140mm的喷口供给。喷口以射流在大致相干氧气射流撞击熔池的地方吹进熔炉内，在该情况下与垂直方向呈大约15°角。为避免与难熔物质的反应，将这一点稍向内移是有利的。20分钟后热风的鼓风速率降到20000Nm3/h。与例子一中相同，在这一阶段无氧的富集。30分钟后取出热风喷枪，装料通过熔炉侧壁内的喷射器精炼三分钟。
本专利申请中的方法被描述为膛式炉的有利应用。然而，其类似地可用于转炉。
图1表示具有热风喷枪2的膛式炉1的示意图，根据本发明该热风喷枪2安装在顶部。通过与电弧炉的电极座相似的装置3热风喷枪进行移动。热风喷枪垂直插入，直至位于废料块上方约30cm之处。用于热风射流的喷口由一个中央喷口和四个独立的具有15°度倾角的喷口组成。天然气通过独立的管子4提供给热风射流。六个氧气底部鼓风口5安装在底部。喷口位于中央热风射流接触点之下的排列方式是有利的。废气通过管道6从熔炉中释放。在图1中，作为选择，通过侧壁7内的“相干射流”也可以安装喷口提供氧气。通过四个喷射器，天然气或煤可以与氧气同时提供。在第一阶段中，侧喷口系统作为预加热废料的燃烧器工作。
图2举例说明热风喷枪的优选设计。所述喷枪是指用于在100吨膛式炉内熔化110吨废料的喷枪。在阶段1中，在1200℃，压强0.95巴下40000Nm3/h热风通过内径为90cm的水冷热风喷枪8供应。热风分配给一个直径为20cm的中央喷口9和四个与射流垂直方向成15°度倾角的侧喷口10。天然气通过独立的管子11注入喷口。因为该设备以亚临界流速工作，喷口不需要特殊设计。它们包括简单的圆形开口。当接近音速工作时，热风依横截面被分成独立的喷口。当阶段2期间压强降到约0.4巴时，通过中央喷口9提供更大比例的热风。然而，因为这有助于该阶段生产气体的后燃烧，所以这是需要的。
Claims (13)
1、一种加热和熔化废料块时改善能量供给的方法，其特征在于，加入矿物燃料的预加热的氧化气体在废料块中熔化一个通道，并进一步通过该通道进行能量供给，并且，热风是从顶部向废料块供给的。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，热风的供给自顶部在中央出现。
3、如权利要求1和2所述的方法，其特征在于，热风被分成数个独立的射流。
4、如权利要求1-3所述的方法，其特征在于，热风分配为占总量35-65％的中央射流和数个在中央射流外侧的占有其余量的射流。
5、如权利要求1-4所述的方法，其特征在于，热风通过可垂直调节的喷枪提供。
6、如权利要求1-5所述的方法，其特征在于，热风喷枪围绕垂直轴转动。
7、如权利要求1-6所述的方法，其特征在于，在熔炉内留有热残余料。
8、如权利要求1-7所述的方法，其特征在于，熔炉内的热残余料占熔体的10-30％。
9、如权利要求1-8所述的方法，其特征在于，氧气通过底部鼓风风口注入。
10、如权利要求1-9所述的方法，其特征在于，底部鼓风风口安装在炉底凹入处。
11、如权利要求1-10所述的方法，其特征在于，在第一阶段采用高热风速率(500-900m/sec)，在第二阶段采用降低的热风速率(约300-500m/sec)。
12、如权利要求1-11所述的方法，其特征在于，在阶段1中热风射流氧富集达30-50％，而在阶段2中没有或几乎没有氧的富集。
13、如权利要求1-12所述的方法，其特征在于，在阶段1中热风射流到废料面的距离为0.2-0.5m，在阶段2中该距离调节为到铁熔池的距离至少为3米。
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