CN201201953Y - 用于生产铁水的熔态还原炉 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于生产铁水的熔态还原炉。该炉包括：外壳；以及内耐火炉衬。该炉进一步包括以下至少一个装置：底部鼓泡装置；气动注入装置；或氧化剂气体注入装置。耐火炉衬的尺寸设计为所限定的容积为熔融金属池的最大体积的至少两倍。冷却装置设置在湍流熔渣层的区域中，至少冷却装置的主要部分位于熔融金属池的最大高度上方。该冷却装置包括：至少一行扁铜坯，安装在设置于外壳中的孔上以便与湍流熔渣层的区域中的内耐火炉衬热传导地接触；以及至少一行喷洒冷却装置，与扁铜坯行相关联以便穿过壳中的孔将液体冷却剂喷洒到扁铜坯上。本实用新型有效延长应用于各种类型的SR工序/炉中的耐火炉衬的使用寿命且在构造成本方面更廉价。

Description

用于生产铁水的熔态还原炉
技术领域
本实用新型一般涉及冶金熔态还原炉，且更具体地说，涉及冶金熔态还原炉的耐火炉衬的冷却。
背景技术
目前，炼钢工业正经历着从大型的一体化炼钢厂到各种类型的小型工厂的缓慢而稳定的转变，以作为对一体化炼钢厂的替代或作为对一体化炼钢厂的有益补充。本文中，通常被称为“熔态还原”的可替换炼铁方法正引起人们越来越多的注意。熔态还原工序的优点之一是，其适于使用低级原料(例如矿石微粒或诸如炼钢厂废料的其它废弃氧化铁)和低级碳质还原剂(诸如煤)来生产铁水(hotmetal)，换句话说，无需使用对高炉炼铁而言必不可少而日益稀有的高级材料，即，高级块状铁矿石和焦炭。
正如它的名称所让人联想到的那样，铁水(生铁)生产中的熔态还原(SR)包括氧化铁的还原和冶炼，即，伴随化学反应的熔炼。目前，多数的SR工序利用两个不同的反应来进行两个(或三个)连续的基本步骤：在第一阶段，对氧化铁(通常处于固体状态)进行部分地预还原；以及在第二(和第三)阶段，在液相的还原反应中去除残余氧。
主要说来，本实用新型涉及用于进行第二阶段和/或第三阶段(即，还原的完成和将氧化铁冶炼到铁水中)的炉(反应器)。SR工序的第二阶段通常包括：产生熔融金属池；以及在耐火炉衬炉中的熔池的顶部上产生熔渣层。还原反应首先发生在熔渣层的下部区中，而氧化反应，尤其是由熔池中的氧化铁的还原产生的CO的后期燃烧，首先发生在熔渣层的上部区中和熔渣区的上部区上方，以产生用于驱动本工序所需的热量。由于SR工序的固有特征，SR炉中的熔渣层通常包括：熔渣，具有很大比例的气相、相对高的碱度(实现金属的高效脱硫)以及在熔渣层的生热区(上部区)中的可达到>1700℃的极高温度(由于其作为(后期)燃烧生热的地点)。由于具有很高比例的气相，熔渣通常被称为是“发泡的”或“泡沫的”，且由此，当与熔池的体积相比较时它的体积是十分大的，充分的熔渣体积有益于(后期)燃烧，且由此有益于能效。而且，在工作期间，为了促进后期燃烧的传热以及由于强大的湍流而发生在熔渣层中的其它反应，熔池上方的熔渣层通常被积极地搅动。
从上述内容中，应该理解的是，在SR炉的特例中，耐火炉衬，即，用于容纳高温反应物所需的由耐热材料制成的内部砌砖会经受十分不利的情况，对于SR炉的湍流熔渣层区中的区域尤其如此。应该注意的是，十分严重的磨损来源于由于强湍流熔渣的磨损冲洗作用所带来的机械磨损，由于熔渣成分所带来的化学磨损以及由于暴露在相关区域中的极度高温下所带来的热磨损。
因此，如已在WO2007/134382中叙述的，熔态还原炉中(尤其是湍流熔渣层区中)的耐火炉衬的侵蚀程度通常大于耐火炉衬在鼓风炉中经历的侵蚀程度，在鼓风炉中，熔融金属池和熔渣层是相对静止的。当将熔态还原炉与用于通过废料熔化来炼钢的传统电弧炉相比较也是这样的。尽管有时在EAF中对熔池和熔渣进行某种程度的搅拌，即，为了使电弧能量遍布整个熔池，但这种搅拌通常远不及熔态还原炉中的搅拌剧烈，因为这种搅拌旨在仅搅动熔池本身以及熔渣层与熔融金属池之间的界面。在EAF中，熔渣层本身依次作为热覆盖层(避免过多的热损失)，且因此，与SR工序中的熔渣层相比，该熔渣层是相对静止的，并且由于其无需支持(后期)燃烧因而通常具有更小的体积。此外，与SR炉相比，在传统EAF熔炉中，每单位面积的热应力通常更小。
从材料和人工成本，以及由于反应器出现故障而导致的生产力的损失可以知道，对磨损的耐火炉衬进行替换是十分昂贵的。因此，在任何一种冶金炉中，都需要延长耐火炉衬的使用寿命，然而，在SR炉中这种需要尤其明显。已经知道用于对其它类型的冶金炉或熔炉中的耐火炉衬进行冷却的多种方法，尤其是对鼓风炉和传统的电弧炉中的耐火炉衬进行冷却的方法。然而到目前为止，极少有关于对SR炉的耐火炉衬进行冷却的可行提议。
欧洲专利EP 0735146公开了SR炉的具体实施例，即，旋风转炉(CCF)。参照该实用新型的图2，其公开了一种用于生产铁水的CCF熔态还原炉11。除了连接至预还原熔融旋流器(melting cyclone)12的顶部13以外，该炉还包括底部，该底部具有外壳和内耐火炉衬14、15，以容纳熔融金属池17和熔池上方的熔渣层18、19。该炉进一步包括：底部鼓泡装置24，用于使熔融金属池17和熔渣层18、19鼓泡；以及氧化剂气体注入装置，以氧气喷枪23的形式用于将氧气直接注入到熔渣层18、19中。底部鼓泡和(硬风)氧气注入使得产生大体积的湍流熔渣层19，该熔渣层改善了熔渣层18、19中后期燃烧热量的传递。利用重力进料槽22将碳质材料注入到熔渣中。在根据该实用新型的CCF炉中，为了容纳大体积的强湍流熔渣层19，耐火衬里14、15具有的容积为熔融金属池17的最大体积的至少两倍。为了实现延长耐火炉衬在SR炉中最易磨损点位置处的使用寿命的目的，该实用新型提出了设置在湍流熔渣层19的区域中的水冷却装置16，以及位于熔融金属池17的最大高度上方以用于对该区中的内耐火炉衬14、15进行冷却的装置的主要部分。所提出的冷却装置为壁冷却器型(stave-cooler type)(图2)或板式冷却器型(图3)，这两种冷却装置均为强制循环管道式水冷却系统的一部分，该强制循环管道式水冷却系统本身是众所周知的用于对鼓风炉耐火砖进行冷却。在欧洲专利申请EP 1477573中公开了一种用于SR炉的类似的板式冷却器型解决方案。虽然EP 0735146和EP1477573看来像是讲述了用于增长耐火炉衬的使用寿命的解决方案，但这些解决方案的构造成本是十分昂贵的。
美国专利US 5,708,785公开了另一类型的SR炉。对于耐火炉衬的冷却，该实用新型提出将冷却限制到最小区域，即，当场仅对位于熔渣的上表面与熔炉进料槽之间的熔渣表面上方(即，由EP0735146提出的冷却区上方)的耐火炉衬的部分进行冷却，在太广泛的范围内进行冷却会导致高得惊人的构造和运转成本。为了降低熔渣表面下的耐火炉衬的磨损率，US 5,708,785主要提出降低铁水和熔渣的温度，所提出的冷却装置旨在降低与热废气温度和熔渣表面上的熔渣飞溅相关的磨损。然而，降低工序的温度在SR工序中通常是不可行的，且由此US 5,708,785不能提供用于延长耐火炉衬(尤其在湍流熔渣区中)的使用寿命的通用解决放案。
实用新型内容
因此，本实用新型的目的在于，提供一种有效延长应用于各种类型的SR工序/炉中的耐火炉衬的使用寿命且在构造成本方面更廉价的冷却方案。
该目的分别通过如权利要求1中所要求保护的熔态还原炉以及生产铁水的方法来实现。
本实用新型提出了一种用于生产铁水的熔态还原炉，该熔态还原炉包括：外壳；以及内耐火炉衬，由砌砖制成，用于在工作期间容纳熔融金属池和该熔池上方的熔渣层。为了产生用于改善熔渣层中后期燃烧的传热的大体积湍流熔渣层，该炉包括以下装置中的至少一个：
- 底部鼓泡装置，用于使熔融金属池和熔渣层鼓泡；
- 气动注入装置，用于将碳质材料注入到熔渣层中；或者
- 氧化剂气体注入装置，用于将氧化剂气体注入到熔渣层中。
为了安全地容纳(除了不可避免的喷溅以外)大体积的强湍流熔渣层，耐火炉衬的尺寸被设计为所限定的容积为由该炉衬容纳的熔融金属池的最大体积的至少两倍。通常，从炉底测得的SR炉中耐火炉衬的高度为金属池的最大高度的至少两倍。根据本实用新型的炉进一步包括设置在湍流熔渣层的区域中的冷却装置，至少该装置的主要部分位于熔融金属池的最大高度上方，用于对该区中的内耐火炉衬进行冷却，其中在SR炉中炉衬的磨损最明显。为了实现上述目的，本实用新型提出了本冷却装置，本冷却装置包括：至少一行扁铜坯(copper slab)，被安装在设置于外壳中的孔上，以便与湍流熔渣层的区域中的内耐火炉衬热传导地接触；以及至少一行喷洒冷却装置，与该行扁铜坯相关联，以穿过孔将液体冷却剂喷洒到扁铜坯上。
如应该理解的，所提出的这种冷却装置(特别在其大比例视图中)使得构造成本显著节省。事实上，壁冷却器和板式冷却器每项均具有相对高的成本，而本实用新型以相对廉价的大量的扁铜坯来替代了它们的功能，使用相关的外喷洒冷却装置来替代内冷却通道。
为了不再需要蒸汽处理装置，本冷却装置包括：温度传感器，测量选定的扁铜坯的扁坯温度；以及工序控制系统，适于对喷洒到扁铜坯上的液体冷却剂进行控制，并且使平均扁坯温度或最大扁坯温度维持在液体冷却剂的蒸发温度下。如果将水用作冷却剂，在工作期间，扁坯温度优选地保持低于80℃下，更优选低于60℃。有利地，本装置进一步包括具有控制系统的喷洒喷嘴，该控制系统对喷洒到扁铜坯上的液体冷却剂进行控制，以通过在扁铜坯上产生多个冷却剂滴流的细流来避免在扁铜坯上产生连续的冷却剂薄膜。
为了增加热散逸，耐火炉衬可包括与扁铜坯热传导地接触的MgO基或MgO-C基耐火砖。通常，为了覆盖大范围的湍流临界区，扁铜坯行覆盖耐火炉衬的基本从熔池的最大高度，或可替换地，从熔池的最小高度，延伸到该最大高度上方至少1m(通常直到1.5m-2m或更远)的垂直区。为了能够使用更廉价的降低高度的扁坯和/或为了适于非圆筒状炉的形状，可一行位于另一行上地设置多行扁铜坯，以基本从炉的铁水出铁高度(即，熔池的最低高度)延伸到耐火炉衬的上边缘，优选地，每行扁铜坯完全包围耐火炉衬。为了能够使用具有有限喷雾锥角的喷雾冷却嘴(例如，液压回流喷嘴)，以一行位于另一行上的方式而设置的至少两行喷洒冷却装置可与给定的一行扁铜坯相关联。根据具体的熔渣体积，熔态还原炉可具有如下的耐火炉衬，该耐火炉衬的尺寸被设计为所限定的容积为熔融金属池的最大体积的至少三倍和/或其高度被设计为超出熔融金属池的最大深度至少1m，以容纳大体积的湍流熔渣层。
本实用新型还涉及操作如上所述的SR炉来生产铁水的方法。在不用电能生热的含氧煤熔炉或热风煤熔炉的情况下，将碳质材料(优选为非炼焦煤)以至少700kgC/(h*m2)的速度注入到熔渣层中，以利用碳质材料的燃烧作为工序的热源。碳质燃料和还原剂可气动注入或重力自流注入。由于熔渣层的上部区中的后期燃烧以及由于湍流的传热，湍流熔渣层相对于熔融金属池的熔点被过加热至少100℃，可能>200℃，且由此改善铁的熔炼和还原。
附图说明
从以下参照附图对多个非限定性实施例的详细描述中，本实用新型进一步的细节和优点将是显而易见的，其中：
图1是根据本实用新型的冶金熔态还原炉的第一实施例的示意性垂直横截面图；
图2是根据本实用新型的冶金熔态还原炉的第二实施例的示意性垂直横截面图；
图3是图2中的实施例的示意性水平横截面图；
图4是适于用在根据本实用新型的熔态还原炉中的冷却装置的垂直横截面图。
具体实施方式
图1中示出了含氧煤熔炉型的熔态还原(SR)炉10。SR炉10包括由钢制成的外壳12。壳12里衬着由耐火砖14形成的砌砖。砖14形成侧面的内耐火炉衬16。基于从下文中将变得显而易见的理由，优选地使用热传导砖，诸如MgO基或MgO-C基耐火砖14。尽管在图1中未示出，类似的耐火砖通常还装衬在SR炉10的底部。炉10的其它部分，诸如炉盖17以及位于耐火炉衬16上方的侧壁通过其它措施保护起来，例如，通过所知的喷涂的耐火材料或冷却板(且未示出)。
如图1中所示，内耐火炉衬16限定熔炉，即，容纳有熔融金属(通常是碳含量为3％-4％的生铁)池18以及工作期间位于该熔池上方的主要的液体熔渣层20的反应空间。SR炉10具有进料槽22，该进料槽被设置在炉盖17中，以将诸如铁矿微粒/液滴料或其它氧化铁料24的原料重力自流式地注入到由耐火炉衬16限定的反应空间中。通常，料24中的氧化铁之前已被预还原和预加热，例如，在用于固态直接还原的床式反射炉中或在由CCF工序而公知的熔炼旋流器中。多个氧气喷枪26(图1中仅示出了一个)穿过炉盖17或侧壳12分布在SR炉中，以提供用于熔渣层20中的后期燃烧的二次氧。氧气喷枪26被构造为将(柔和的)氧气风28直接注入到熔渣层20中。氧气风28通常是倾斜的，且更准确地说是直接向下倾斜的，并朝向位于炉衬16中的反应空间的中心。可替换地，喷枪26可被构造为将硬吹喷枪和软吹喷枪结合起来，以另外提供高速的首次氧气风(如图2中所示)来增强碳的燃烧。图1进一步示出了气动式碳注入喷枪组中的一个气动式碳注入喷枪30，以注入通常伴随有用于调节熔池18和熔渣20的化学成分的助熔添加剂的碳质材料，诸如作为氧化铁的还原剂的非炼焦煤以及诸如用于生热的燃料。注入喷枪30提供了高速且高压的粉状碳质材料32的硬风，即，直接进入并穿过熔渣层20以进入金属熔池18的表面的风。为了进一步促进位于熔池与熔渣层20之间的界面处的化学反应，则SR炉10配备有底部鼓泡装置34(例如配备有惰性气体供给器的可透气耐火砖)，该底部鼓泡装置具有用于使熔池18起泡的已知结构，以搅动熔池18与熔渣层20之间的界面且由此也搅动熔渣层20本身。作为图1中的中央重力自流进料24的替代方式，原料可由气动式注入喷枪或从侧面穿过炉壳的重力进料槽(均未示出)来注入。此外，应确保为熔渣层20提供了充分的湍流，氧气注入喷枪26可由热风或富氧热风注入系统替代。
对本领域技术人员而言，炉10中所发生的SR反应的化学和冶金学方面是众所周知的，并且因此，在此将不再详细描述。然而，应该注意的是，在本实用新型的上下文中仅示出了熔渣层20的某些特性。
为了确保由(后期)燃烧释放的热量的高效利用(尤其是在熔渣层20的上部区中)，则该热量必须被传递到下部区(即，当确保最低的热损失时还原反应的主区)，例如穿过废气。此外，必须避免对炉10且尤其是炉衬16有害的局部过热。要避免炉衬的局部过热要求(除了别的以外)具有很大的环流量，即，如在熔渣层20本身中以及还位于熔渣层20与熔融金属池18之间的边界处由箭头36示出的强湍流。这种位于边界处的湍流造成熔渣、熔融铁以及碳粒子的强烈混合区。该混合区是多数氧化铁被还原的地方。因此，由于SR工序的特性，则熔渣层20在工作期间通常是强湍流的。在如图1中所示的SR炉中，所要求的湍流通过措施的结合来保证，即，通过碳的硬风注入(根据喷枪30来适当选择风吹的方向和起点)，以及通过使用底部鼓泡装置34的底部起泡。
为了实现本实用新型的目的，如图1和图2中所示的熔池18的最大高度M从炉底38开始测量并被认为是处于静止的(即，非搅动的熔池)，并且该最大高度相当于在出铁炉(tapped vessel)中出铁之前熔池18所达到的高度或相当于配备有撇渣器(虹吸管型金属出料)的炉中基本不变的熔池高度。作为强湍流的一个结果，在与熔池18的最大熔融金属体积(位于高度M处)相比较时，SR工序中的熔渣层20占有很大的体积，并且由于气体夹杂物(导致“发泡”)而通常可获得很大的厚度，例如1m-2m级或更大。因此，炉10中的耐火炉衬16的尺寸被设计为所限定的容积为熔池18的最大体积的至少两倍或更多，例如为熔融金属体积的三倍。因此，在典型的SR炉中，从炉底38测得的侧面耐火炉衬16的高度H是2m-4m，这取决于有效面积和炉的尺寸。为了增大总容积，则壳12和耐火炉衬16可被构造为限定如图1和图2中所示的其横截面随着高度增加的反应空间。
熔渣层20的另一值得注意的特性起因于以下事实，即，SR反应所需的热量如果不是全部(例如在含氧煤熔炉或热风煤熔炉的情况下)则至少是一部分由燃烧(C+ 1/2 O2->CO)和(后期)燃烧(C+ 1/2 O2->CO2)提供。因此，分别使用喷枪26和30将碳和氧气注入到熔渣层20中。例如在含氧煤熔炉或热风煤熔炉中，碳以通常700-1300kgC/(h*m2)的速度注入。因此，熔渣层20具有非常高的温度，并且可能被过度加热(相对于熔池18中的生铁的熔点)至少100℃，而使得在层20的上部区中获得的温度>1700℃。关于化学成分还应该注意的是，形成层20的熔渣20通常具有相对高的碱度。
如应该理解的，在没有适当的防范措施的情况下，上述对于SR工序所固有的熔渣特性将导致耐火炉衬16的很大磨损，在熔渣层20的湍流区T中尤其如此。为了减低磨损最明显的区域T中的磨损且由此增加该区域中的耐火炉衬16的使用寿命，本实用新型提出了对区域T中的耐火炉衬16进行冷却的装置及方法，迄今为止，这在先前所提出的结构中都是未知的。
如图1中示意性地示出的，SR炉10配备有扁铜坯40。本冷却装置的主要部分，即，扁铜坯40的主要部分被设置在高度M上方，以便与最倾向于磨损的区域T中的耐火炉衬16热传导地接触。如果需要可使用热稳定且热传导的适当填料(诸如石墨)来改善区域T中的扁坯40与砌砖14之间的热传导。在图1的实施例中，将扁铜坯40的分开的两行41、42以堆叠的方式一行位于另一行上地设置，以垂直地覆盖整个区域T。尽管从图1中并不是显而易见的，但应该理解的是，无论SR炉10的水平突出部的形状如何(例如正方形、矩形或圆形)，通过适当地选取每个扁坯40的水平部，使每行扁铜坯41、42均以基本连续的方式(除了例如出渣槽位置处以外)包围耐火炉衬16的各自的部分区域。每行41、42中的扁铜坯40均被设置为与耐火炉衬16的外轮廓大致平行，且由此如图1中所示，可以是竖直的(行42)或略微倾斜的(行41)。如应该理解的，已经发现如果对高度M以下的耐火炉衬16还进行任何冷却(即，除了沿垂直方向的热传导以外)，则限于湍流区T的冷却将明显减少耐火炉衬16的磨损，尽管耐火炉衬的磨损减小得很少。
为了给扁铜坯40提供冷却，且因此依靠热传导对区域T中的耐火砖14进行冷却，则扁铜坯40的每行41、42均具有相关联的多行喷洒冷却装置44。喷洒冷却装置的实际设置取决于扁铜坯40的高度，在图1的实施例中，喷洒冷却装置44的两行45、46分别与扁铜坯40的每行41、42相关联。与一个特定的扁坯40相关联的指定行中的喷洒冷却装置44的数量取决于正被讨论的扁坯40的宽度，通常，在每行45、46中至少一个喷洒冷却装置44与每个扁坯40相关联。为了确保来自壳12外的喷雾冷却以及扁坯40的牢固安装，在壳12中至少分别对于每组竖直的扁坯40或对于每个单独的扁坯40设置分开且各自的孔48(例如切孔形式)。如图1中所示，在SR炉10的工作期间，使用喷洒冷却装置44穿过孔48将液体冷却剂50喷洒到扁铜坯40的外侧上，则由于热传导使耐热炉衬被有效地冷却。
为了确保基本在整个区域T内耐火炉衬16的彻底冷却，则扁铜坯行41、42覆盖通常与区域T对应的耐火炉衬的垂直区，即，基本从熔融金属池18的最低高度(该高度在出铁炉中可与刚一出铁后铁水的高度一致或者在撇渣炉中可与不变的熔池高度一致)通常延伸到高度M以上至少1m的区域，并且如图1中所示，通常直到耐火炉衬16的上边缘。为了给出具体实例，熔池18的最大高度M为1100mm，并且耐火高度H为2600mm(从炉底38开始测量)，扁铜坯行41、42跨越的垂直范围为大约1400mm-1500mm。通常，扁铜坯的设置将跨越的垂直范围为大约1m-2m，这取决于炉的尺寸。
图2示出了用于示出本实用新型的第二实施例的另一类型的SR炉110。与图1中实施例的特征对应的特征在图2中以相同的参考标号示出，并且以下将不再次详细描述。对于如此的炉结构而言，即，除了冷却装置以外，图2中的SR炉110与图1中的炉10的主要不同点在于，供热是双重模式供热，即，支持碳燃烧供热的电弧。因此，该SR炉配备有三个电极111，以传递与由碳燃烧产生的发热量近似相等的发热量，且由此使所需的碳质燃料量得到节约。在图2的实施例中，碳质材料与原材料24一起通过重力进料槽22注入到炉110中，例如，将额外的煤添加到发生于床式反射炉的DRI。作为另一不同点，炉110配备有结合首次氧和二次氧的注入喷枪126，该注入喷枪适于穿过熔渣层20将硬风129注入到熔池18中(通常以5bar-10bar级的压力)并且将软风128注入到熔渣层20中，以仅分别用于碳燃烧和后期燃烧的供热。无论这些区别如何，在炉110的工作期间，熔渣层20也呈现出上述SR的典型特性，即，强湍流(起因于从126注入的硬风氧和由装置34产生的底部吹风)、高温以及化学侵蚀性。因此，设置冷却装置以对熔渣层20的湍流区T中的耐火炉衬16进行冷却。在图2的实施例中，该冷却装置包括扁铜坯140的单一行141，这些扁铜坯具有相对大的高度以覆盖区域T。如图2中所示，扁铜坯140的行141主要被设置高度M上方，并且如图3中所示，以周向环绕的方式，图3示意性地示出了炉110的环形水平突出部。如图2中所示，三行冷却装置144与扁铜坯140的单一行141相关联，以穿过设置在壳12中的对应孔148将液体冷却剂50喷洒到扁铜坯140外面上。作为另一不同点，喷洒冷却装置144设置有用于排出液体冷却剂50的集水罩152。
图3示意性地示出了具有圆弧形截面的弯曲扁铜坯140，以适配于炉110的水平突出部且尤其适配于炉衬16。可替换地，仅是该扁铜坯的背面可机加工为与壳12的形状相符。扁铜坯140被设置为完全包围炉衬16。每行中的一个喷洒冷却装置144与一个扁铜坯140相关联，但也可以与多个扁铜坯相关联。图3中的箭头进一步示出了施加到熔渣层20的冲量，且由此有助于熔渣层的强湍流。图3还示意性地示出了仅覆盖扁铜坯140的外水平区域的一部分(例如60％-90％，优选地<80％)(在圆形炉的情况下：扁坯的外面弧度的一部分)的喷雾剖面就足以进行高效的冷却，铜的高效热传导确保在整个扁坯140上具有基本均匀的温度分布。因此，可减少喷洒冷却装置144的总数量。
图4示出了结合扁铜坯240和喷洒冷却装置244的具体实施例。扁铜坯240本身的材料成分和形状可与已在国际专利申请第PCT/EP2006/060337中描述的内容基本一致，一个可能的不同点在于，扁坯240具有增大的高度以减少用于覆盖整个区域T的所需的扁坯行的数量，例如该扁坯具有的高度为500mm-800mm级，优选地，为600mm-750mm。扁坯240的厚度可为20mm-80mm级，在该扁坯具有不均匀的厚度的情况下(例如，如图3所示，为了适配于圆形炉的截面而没有弯曲整个扁坯)，20mm为最小厚度。图4进一步示出了一个位于另一个上方地设置的两个喷洒喷嘴260。优选地，喷嘴260为能效液压喷洒喷嘴，该能效液压喷洒喷嘴利用冷却剂压力作为能源，以将冷却剂击碎成液滴且由此无需雾化喷洒喷嘴所需的加压气体供给。更优选地，喷嘴260为液压回流喷嘴，可以在不影响液滴的尺寸和冷却剂压力的情况下调节冷却剂的排放率。由于喷洒喷嘴260的锥角(例如80°-120°)以及喷嘴顶端与扁铜坯240之间受限的距离，则需要多个喷嘴260以用冷却剂覆盖扁坯240的基本垂直的范围。喷嘴260要被连接至加压水供给，并且便于安装到集水罩252的可移动的后面板，该集水罩配备有用于排出用过的冷却剂的排出管254。除了尺寸以外，罩252的其它特征(例如安装温度传感器以测量扁坯240的温度)与已在申请PCT/EP2006/060337中描述的内容一致，且因此在此被省去。
与前述描述相比，应该注意的是，关于所提出的冷却装置的优选运转模式的多个方面。为了温度测量的目的，对扁铜坯40、140、240进行选择，例如根据温度剖面的最热区进行选择。所选的扁坯40、140、240配备有专用的温度传感器(未示出)，以对扁坯的温度进行监控。可替换地，每个单独扁坯40、140、240可配备有温度传感器。该温度传感器连接至工序控制系统(未示出)，该工序控制系统也连接至诸如阀或泵的执行器，该执行器至少用于设定流速并且优选地还设定温度以及供应给喷洒冷却装置44、144、244的冷却剂的液压。取决于预期的控制选择性的程度，喷洒冷却装置44、144、244的运转可以针对与特定扁坯相关联的每组喷洒冷却装置而被单独控制，针对与多个扁坯相关联的多组喷洒冷却装置而被共同控制，或者最经济地，针对所有扁坯40、140、240的喷洒冷却装置组而被共用控制。
为了利用冷却剂蒸发出的热量来实现高的冷却效率(考虑每单位冷却剂质量流量的冷却力)，传统的喷雾冷却方法在蒸发模式中使用。与此相反，本实用新型提出通过在充分低于冷却剂的蒸发温度的温度下使用扁坯40、140、240来避免蒸发(除了不可避免的残余自然蒸发以外)。例如，如果将水用作冷却剂，则扁坯40、140、240应在低于80°的温度下使用，优选地，低于60°。工序控制系统对扁坯的温度进行监控，并通过执行器的适当控制将扁坯的温度(平均值)维持在设定的上限以下。扁坯40、140、240处的这种低温使得与高温的熔渣层20相接触的耐火炉衬16的热面处的温度进一步降低。因此，进一步降低了炉衬16的磨损。其中这种低温可通过足够高且连续的冷却剂流速(例如1m3/h-4m3/h)来实现，优选地，通过每个喷洒冷却装置44、144、244处的足够低的冷却剂入口温度(低于目标扁坯温度很多，例如<<60°)来实现。此外，优选地，控制冷却剂流速的喷雾限定参数和冷却剂的压力以达到如下的喷雾的液滴尺寸光谱，即，该液滴尺寸光谱大得足以当喷雾撞击到扁坯40、140、240上时避免喷雾发生(快速)蒸发(例如液滴光谱>200μm)，应该注意的是，太小的液滴尺寸太小易于导致蒸发，即使在扁坯温度低于液体冷却剂的蒸发点时也易于导致蒸发。通过避免蒸发，液体冷却剂在整个冷却循环期间都保持在液体聚集状态中。因此，除了进一步降低耐火炉衬16的热面温度以外，避免蒸发(在技术上可能的程度内)还可以不需要通常要求具有已知的蒸发模式喷雾冷却系统的昂贵的蒸汽收集和冷凝系统。
作为另一值得注意的方面，该工序控制被构造为避免在扁铜坯40、140、240上形成液体冷却剂的连续薄膜，至少在喷雾撞击区内。基本消除连续的冷却剂薄膜使得避免了由于过渡沸腾(冷却表面与连续薄膜之间的小但绝热的蒸汽层)所引起的冷却能力的降低。为了实现这个目的，喷洒冷却装置44、144、244的喷嘴被设置在距离扁铜坯40、140、240适当距离的地方，并且这些喷洒冷却装置的工作参数，即，流速且尤其是液滴尺寸光谱的数值被设定成使得在扁铜坯40、140、240的外冷却面上形成从喷雾撞击区向下滴流朝向排出管的多个小细流。
参考标号表
10 (含氧煤型)SR炉       41、42 扁铜坯行
12 外壳                 44     喷洒冷却装置
14 耐火砖               45、46 喷洒冷却装置行
16 内耐火炉衬           48     壳中孔
17 炉盖                 50     液体冷却剂(喷雾)
18 熔融金属池           110    SR炉(电弧辅助)
20 熔渣层               111    电极
22 进料槽                126    结合首次氧和二次氧的喷枪
24 铁矿石微粒/液滴料     128    柔和(二次)氧气风
26 氧气喷枪              129    硬(首次)氧气风
28 柔和氧气风            140    扁铜坯
30 气压式碳注入喷枪      141    单行扁铜坯
32 粉状碳质材料的硬风    144    喷洒冷却装置
34 底部起泡装置          148    壳中孔
36 示出湍流的箭头        152    集水罩
38 炉底                  240    扁铜坯
M  金属池的最大高度      244    喷洒冷却装置
H  耐火炉衬的高度        252    集水罩
T  熔渣层的湍流区        254    排出管
40 扁铜坯                260    喷洒喷嘴。

Claims (25)

1.一种用于生产铁水的熔态还原炉，包括:
外壳；以及内耐火炉衬，用于容纳熔融金属池和所述熔融金属池上方的熔渣层；
以下装置中的至少一个:
-底部鼓泡装置，用于使所述熔融金属池和所述熔渣层鼓泡；
-气动注入装置，用于将碳质材料注入到所述熔渣层中；或
-氧化剂气体注入装置，用于将氧化剂气体注入到所述熔渣层；
所述装置能够产生大体积的湍流熔渣层，以改善所述熔渣层内后期燃烧的传热；
为了容纳所述大体积的湍流熔渣层，所述耐火炉衬的尺寸被设计为所限定的容积为所述熔融金属池的最大体积的至少两倍；
冷却装置，设置在所述湍流熔渣层的区域中，并且至少所述冷却装置的主要部分位于所述熔融金属池的最大高度上方，以对所述区域中的所述内耐火炉衬进行冷却；
其特征在于，
所述冷却装置包括:至少一行扁铜坯，安装在设置于所述外壳中的孔上，以便与所述湍流熔渣层的区域中的所述内耐火炉衬热传导地接触；以及至少一行喷洒冷却装置，与所述扁铜坯行相关联，以穿过所述孔将液体冷却剂喷洒到所述扁铜坯上。
2.根据权利要求1所述的熔态还原炉，其特征在于，所述冷却装置包括:温度传感器，分别与选定的扁铜坯相关联，以测量扁坯温度；以及工序控制系统，适于对喷洒到所述扁铜坯上的液体冷却剂进行控制，以便将所述扁坯温度维持在所述液体冷却剂的蒸发温度之下。
3根据权利要求2所述的熔态还原炉，其特征在于，所述冷却装置包括:温度传感器，分别与选定的扁铜坯相关联，以测量扁坯温度；以及工序控制系统，适于对喷洒到所述扁铜坯上的液体冷却剂进行控制，以便将所述扁坯温度维持在低于80℃。
4根据权利要求3所述的熔态还原炉，其特征在于，所述冷却装置包括:温度传感器，分别与选定的扁铜坯相关联，以测量扁坯温度；以及工序控制系统，适于对喷洒到所述扁铜坯上的液体冷却剂进行控制，以便将所述扁坯温度维持在低于60℃。
5.根据权利要求1所述的熔态还原炉，其特征在于，所述冷却装置包括工序控制系统和喷洒喷嘴，适于对喷洒到所述扁铜坯上的液体冷却剂进行控制，以便通过在所述扁铜坯上产生所述冷却剂的滴流来避免在所述扁铜坯上产生连续的冷却剂薄膜。
6.根据权利要求1所述的熔态还原炉，其特征在于，所述耐火炉衬包括与所述扁铜坯热传导地接触的MgO基或MgO-C基耐火砖。
7.根据权利要求1所述的熔态还原炉，其特征在于，所述扁铜坯行覆盖所述耐火炉衬的从所述熔融金属池的最大高度延伸到所述最大高度上方至少1m处的垂直区。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的熔态还原炉，其特征在于，所述冷却装置包括多行扁铜坯，所述扁铜坯一行位于另一行上地设置，以便从所述炉的铁水出铁高度延伸到所述耐火炉衬的上边缘。
9.根据权利要求8所述的熔态还原炉，其特征在于，每行所述扁铜坯完全包围所述耐火炉衬。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的熔态还原炉，其特征在于，一行位于另一行上地设置的至少两行喷洒冷却装置与一行扁铜坯相关联。
11.根据权利要求8所述的熔态还原炉，其特征在于，一行位于另一行上地设置的至少两行喷洒冷却装置与一行扁铜坯相关联。
12.根据权利要求9所述的熔态还原炉，其特征在于，一行位于另一行上地设置的至少两行喷洒冷却装置与一行扁铜坯相关联。
13.根据权利要求1至7中任一项所述的熔态还原炉，其特征在于，为了容纳所述大体积的湍流熔渣层，所述耐火炉衬的尺寸被设计为所限定的容积为所述熔融金属池的最大体积的至少三倍和/或所述耐火炉衬具有超出所述熔融金属池的最大深度至少1m的高度。
14.根据权利要求11所述的熔态还原炉，其特征在于，为了容纳所述大体积的湍流熔渣层，所述耐火炉衬的尺寸被设计为所限定的容积为所述熔融金属池的最大体积的至少三倍和/或所述耐火炉衬具有超出所述熔融金属池的最大深度至少1m的高度。
15.根据权利要求12所述的熔态还原炉，其特征在于，为了容纳所述大体积的湍流熔渣层，所述耐火炉衬的尺寸被设计为所限定的容积为所述熔融金属池的最大体积的至少三倍和/或所述耐火炉衬具有超出所述熔融金属池的最大深度至少1m的高度。
16.根据权利要求1至7中任一项所述的熔态还原炉，其特征在于，所述熔态还原炉为适于利用碳质材料的燃烧作为唯一热源的含氧煤熔炉类型或热风煤熔炉类型。
17.根据权利要求16所述的熔态还原炉，其特征在于，所述熔态还原炉为适于利用非炼焦煤的燃烧作为唯一热源的含氧煤熔炉类型或热风煤熔炉类型。
18.根据权利要求14所述的熔态还原炉，其特征在于，所述熔态还原炉为适于利用碳质材料的燃烧作为唯一热源的含氧煤熔炉类型或热风煤熔炉类型。
19.根据权利要求15所述的熔态还原炉，其特征在于，所述熔态还原炉为适于利用碳质材料的燃烧作为唯一热源的含氧煤熔炉类型或热风煤熔炉类型。
20.根据权利要求18所述的熔态还原炉，其特征在于，所述熔态还原炉为适于利用非炼焦煤的燃烧作为唯一热源的含氧煤熔炉类型或热风煤熔炉类型。
21.根据权利要求19所述的熔态还原炉，其特征在于，所述熔态还原炉为适于利用非炼焦煤的燃烧作为唯一热源的含氧煤熔炉类型或热风煤熔炉类型。
22.根据权利要求1至7中任一项所述的熔态还原炉，其特征在于，所述熔态还原炉包括:至少一个硬风注入喷枪或至少一个结合硬风和软风的注入喷枪，作为氧化剂气体注入装置，以将氧化剂气体注入到所述熔渣层中并且注入到所述熔融金属池中。
23.根据权利要求19所述的熔态还原炉，其特征在于，所述熔态还原炉包括:至少一个硬风注入喷枪或至少一个结合硬风和软风的注入喷枪，作为氧化剂气体注入装置，以将氧化剂气体注入到所述熔渣层中并且注入到所述熔融金属池中。
24.根据权利要求20所述的熔态还原炉，其特征在于，所述熔态还原炉包括:至少一个硬风注入喷枪或至少一个结合硬风和软风的注入喷枪，作为氧化剂气体注入装置，以将氧化剂气体注入到所述熔渣层中并且注入到所述熔融金属池中。
25.根据权利要求21所述的熔态还原炉，其特征在于，所述熔态还原炉包括:至少一个硬风注入喷枪或至少一个结合硬风和软风的注入喷枪，作为氧化剂气体注入装置，以将氧化剂气体注入到所述熔渣层中并且注入到所述熔融金属池中。
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