CN86107592A - 在熔化物质中的浸入燃烧 - Google Patents

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Abstract

一种将氧气和燃料喷入装有物质的熔池以加热此熔融物质的方法。该熔池的温度高于燃料自燃温度，至少有一部分燃料形成环绕氧气的环幕，并燃烧燃料以向熔融物质提供热量。当熔融物质是不纯净的铜时，可以控制喷入氧气和燃料的量，以交替地氧化和还原铜的杂质并把它们从熔池中除去。在任何加热或精炼阶段，可以在熔池中熔化固体物质。在一个最佳实施例中，喷射期间一部分燃料形成一个环绕氧气的环幕，而氧气形成一个环绕其余燃料的环幕。

Description

本发明是关于一种加热和精炼熔融物质的方法，特别是涉及在熔融物质表面下喷入氧气和流体燃料对其加热和精炼的方法。
已有技术是利用在熔化的金属表面下喷入纯氧和流体的碳氢化合物燃料来精炼金属熔融液。在一些金属精炼过程中。通过一种“管套”式的风嘴喷入氧气和碳氢化合物。在此情况下，通过一个中心管喷入氧气，同时通过围绕中心管的环状管子喷入碳氢化合物，从而就形成了环绕氧气的环幕。这种环幕具有一种防止风嘴及其周围的耐火材料被氧气过度浸蚀的保护作用，美国专利US3930843描述的这种原理，已被广泛地使用在Q-BOP炼钢工业生产中。这种原理在炼铜方面的申请已经公开，例如，在美国专利US3990889和3990890中。
而在上述方法中，碳氢化合物起了作用，这些方法实质上是一些氧化精炼操作。喷入的碳氢化合物的数量相对于喷入氧气的数量是小的（在Q-BOP炼钢中仅仅在8%以内），以致不妨碍对熔融金属的杂质的氧化。用少量的碳氢化合物来保护风嘴和耐火材料则势必会生成凝固的结瘤。在此应用的“凝固的结瘤”一词是指由于喷入流体的冷却效应，引起在金属熔池内的吹风管嘴近旁形成的固态的金属和/或炉渣。
在工艺中已知有许多种类的凝固炉结，如瘤状、小柱状、蘑菇帽状的。随着流体燃料喷入的进行，结瘤的尺寸不断增大，直到达到热平衡为止。结瘤尺寸的不断增大可以堵塞了风嘴出口。由于这个原因，人们一直认为以环绕在氧气外围的方式喷入数量相当高的碳氢化合物而不能不遇到结瘤问题。
精炼铜也已经应用了氧气和碳氢化合物。特别是阳极铜的精炼。阳极铜在其准备被铸成阳极或其它产品之前是按自矿石起的一系列工艺步骤被精炼的。起初的步骤是选矿、熔化和吹炼，以富集和提纯铜矿而生产粗铜或“泡铜”。最后的精炼步骤（如在“火法精炼”工艺中已知的）是达到降低泡铜中氧和硫的杂质的目的，典型地是分别从0.70%和0.05%降低到0.20%和0.005%以下。从废铜中重熔的铜也可用火法精炼，也可以和原始材料一起精炼或用其本身精炼。
火法精炼通常在大约从2000°F（1090℃）到2200°F（1200℃）的温度范围内按照两个步骤进行。第一步，在熔融泡铜的熔池内的液面下喷入含氧气体，致使硫被氧化成二氧化硫並向上漂浮逸出熔池外。第二步，在已有工艺上称为“插树”（还原），通过碳氢化合物在熔融的铜中还原被溶解的氧，並从中排出。术语“插树”来自传流做法即在熔池中浸入新鲜的木杆提供燃料。对火法精炼的最近的改进包括直接向熔池内喷入含氧气体和碳氢化合物燃料的混合物。上述混合物的直接喷入通常是借助于放置在熔融铜的液面下的风咀进行的，此方法有可能将火法精炼控制在一个较高的程度进行。但这附加的控制也存在某种程度的危险性，因为在喷入混合物的管系中存在着易爆的流体混合物。
喷入熔融的铜中的碳氢化合物燃料经裂化而产生碳和氢，然后它们与氧进行反应，则产生一氧化碳，二氧化碳和水。它们作为废气从铜熔池中逸出。在进行插树步骤期间，未反应的碳氢化合物可以从熔池内逸出，以及还排出由于碳氢化合物的不完全燃烧而形成的碳黑。
降低排出物的不透明度已成为工业铜的冶炼者的一个重要的目标。在这里“不透明度”是指废气阻碍透光的能力，並用百分比表示，如不阻碍则用0%表示，全部阻碍用100%表示。引起精炼铜装置中的排出物不透明度较高的重要原因是由于在火法精炼时从熔融铜池内排出挥发性碳氢化合物，碳黑及其它颗粒。已有的火法精炼铜的方法是依靠对来自熔融铜的废气进行后处理，以达到不透明度的限制，在一些情况下现在限制在20%或更低一些，在有固体颗粒成分的情况下常规是用布袋除尘室捕集逸出颗粒。另一方面还利用复杂的和昂贵的后燃烧器，冷却搭及其它系统将挥发物质从废气中除去。
提高脱氧效率也成工业铜的冶炼者的一个重要目标。在这里“脱氧效率”是指一个用百分比表示的比例，即喷入每单位燃料从熔融金属池中排除的氧的实际数量（杂质加上喷入的氧）比上使每单位燃料进行完全反应的理论上所需氧的数量。在相应的小型试验中，获得了高的脱氧效率，而工业规模的反应器（1～150吨或更高）的脱氧效率，仍然是低的效率，对该领域的改进会带来明显的益处，即在精炼每单位铜时消耗较少的燃料。
常规的加热和精炼过程的低效率是因为热利用率很低，在这里“热利用率”是指一个用百分比表示的比率，即熔炉向它的外围所散发的热量加上提高熔池温度过程所吸收的热量之和与理论上从喷入的燃料燃烧中所获得的热量之比。这个方程式如下：
%热回收＝ (（A+B）+C)/(D×E) ×100
其中：A＝熔池的温度增长比率（°F/分）（℃/分）
B＝熔池的热容（Btu/°F）（卡/℃）
C＝熔炉的热损失（Btu/分）（卡/分）
D＝燃料的流量（英尺3/分）（米3/分）
E＝燃料的燃烧热（Btu/英尺3）（卡/米3）
（注：1Btu＝252卡）
这种低效率在炼铜工业中特别明显，在那里通常在精炼步骤之前，必须从外部输入补充热量以熔化固体铜。当熔池内的温度超过通常火法精炼的2000°F（1090℃）到2200°F（1200℃）的温度范围时，还要以加入固体铜的手段来冷却熔池。在火法精炼过程前期。由不纯熔融铜与喷入材料反应而自行产生的热有效利用不足以克服在常规的火法精炼温度下加入到熔池中的固体铜的冷却作用。
以下专利公开了利用喷入碳氢化合物燃料和含氧气体以火法精炼不纯净熔融铜的技术。
美国专利US3，258，330公开了一种火法精炼泡铜的工艺，其中在精炼的加热、氧化和还原阶段对熔融铜池喷入以不同密度的含氧空气和固体或液体碳氢化合物燃料相混合的混合物，氧气与碳氢化合物的最佳比率，按燃烧所需的理论计算量依次为：在加热阶段是80%至130%，在氧化阶段是100%至200%，在还原阶段是20%至100%。按此专利公开的技术计算出的脱氧效率的范围大约是30至40%。
美国专利US3，619，177公开了一种降低熔融铜内氧含量的工艺，此工艺是在火法精炼时，通过在熔池的液面下插入一个单层的风咀，引入气态碳氢化合物与空气，富氧空气或纯氧中的任何一种的混合物，其数量应适以在熔体内形成一种还原气体的混合物。在小型试验中所计算出来的脱氧效率是  6～93%（不超过939磅铜水），而在工厂规模试验中（215～325吨铜水），所计算得到的脱氧效率就下降到31～35%的范围内，该项专利进一步公开了在熔池上面喷入空气和产生一种还原气体混合物，以此把熔融铜池内的排出的污染物减少到最低限度的方法。
考虑到现有技术中的这些及另外一些缺点因而本发明的一个目的是提出供一种有效地加热熔化材料的方法。
本发明的另一个目的是提供一种减少对空气污染的精炼不纯净铜的方法。
本发明又一个目的是提供一种带有提高了脱氧效率的精炼不纯的铜的方法。
本发明进一步的目的是在火法精炼过程中提高热利用率。
本发明还有一个目的是在火法精炼过程中，使用固体铜，而不输入外部的补充热量。
本发明还有另一个目的是提供一种加热和精炼的方法，这种方法相对比不容易生成阻塞风咀的结瘤。
本技术领域的专业人员将能明白，上述的和其它的一些目的可通过本发明而达到。本发明一方面包括一个用燃料加热一种熔融物质的方法，其中通过形成一个熔化盛放熔融材料，熔池的温度达到或超过燃料的自燃温度，所说的熔融物质至少具有能在熔池的温度下象镍一样的抗二氧化碳和水氧化的能力，通过一个在熔池的液面下的风咀向熔池内喷入氧气和流体燃料。至少有一部分流体燃料形成一个包围喷入的氧气的环幕;控制氧气与流体燃料成比例的喷入量，使其小于使燃料完全燃烧的需要量的150%，而燃料燃烧也给熔融物质提供了热量。
在另一方面，本发明包括一种精炼不纯的，包括熔解氧在内的，含有含氧杂质的熔融的铜的工艺。通过形成一个不纯铜的熔池;在熔池的液面下的一个风咀向池内喷入氧气和流体燃料，至少有一部分燃料形成一个包围着喷入氧气的环幕;控制与流体燃烧成比例的氧气喷入量，使其少于使燃料完全燃烧的需要量;同时使喷入的氧气、燃料和含氧杂质在熔池内进行反应，以减少和排除这些杂质。
在另一方面，本发明包括一种精炼包括硫在内的含有可氧化的杂质，和其中包括溶解氧的含氧杂质的不纯铜的精炼工艺，通过形成一个不纯的熔融的铜的熔池;在熔池的液面下，通过一个风咀向熔池内喷入氧气和燃料，而至少有一部分燃料形成一个包围着喷入氧气的环幕;控制与燃料成比例的氧气喷入量，使其不少于使燃料完全燃烧的需要量;使喷入的氧气、燃料和可氧化杂质在熔池内进行反应，以清除可氧化的杂质;再调节与燃料成比例的氧气喷入量，使其小于使燃料完全燃烧所需要;喷入的氧气、燃料和含氧杂质在池内进行反应，结果减少和排除了含氧杂质。
在加热和精炼的任意时刻，可以向熔液池中加入补充的固体物质，並主要是被喷入燃料的燃烧而产生的热量所熔化，而没有输入任何附加外部热量。
在本发明的一个实施例中，全部的燃料形成一个包围喷入氧气的环幕。在一个较好的实施例中，仅使一部分燃料形成一个包围着喷入氧气和燃料其余部分的环幕，在一个最佳实施例中，使一部分燃料形成了一个包围着喷入氧气的环幕，同时喷入氧气又形成一个包围着其余部分燃料的环幕。
图1是可用于实施本发明的阳极精炼炉的具体图示。
图2是可用于本发明的一个实施例的单层套管风咀的具体图示。
图3是可用于本发明的一个较好的实施例的双层套管风咀的具体图示。
尽管是用常规的铜阳极精炼炉来作说明，但本发明能在任何适用的盛放和处理熔融物质的容器中实施，附图1所示的是一种阳极炉的局部剖视图，该转炉具有一般的卧式的园柱形的形状，並且它可以沿其纵轴转动。这种阳极炉有一个装料口10，和一个用来排出处理过物质的排出孔12。一个或多个风咀14设置在炉壁上，是用来在加热和/或精炼时间熔池15内的液面下喷入流体燃料。常规阳极炉还有一个燃烧器16，通常装在端墙18上，用来在熔池的液面上喷入燃烧物质以增加辅助热量。如在此将会看到的，应用这样一种输入辅助的外部热量的燃烧器对本发明是不必要的。阳极炉衬有常规的耐火材料20。本发明特别适用于大型的工业设备，因此炉容量可以是从1至150吨或更大。
用于实施本发明的风咀是“环套”型的，这种原理在炼钢工艺中，例如，在上面提到的Q-BOP炼钢方法中是广为人知的。这种风咀有两个或更多个大体上同轴的，分别独立地向容器内喷入流体燃料的管子。一种保护性的流体通过最外层的环状的管路被喷入，因此就形成了一个包围一种或多种剩余流体的环幕，这些流体通过在最外层环形通道内的一条或多条通道被喷入。如图1所示的两种吹风咀，根据工业规模的熔融物质的装料量的大小和为进行的适当反应所需要喷入流体的数量，可以考虑使用较少的或较多的风咀。
实施本发明时所喷入的流体是氧气和一种燃料，这里所说的“燃料”就是指与氧进行放热反应的含氢物质。例如氢或碳氢化合物。氧气最好是工业用氧，即纯度至少为70%，更可取的含量是至少90%或更高。流体燃料是一种气体，液体或在一种不起反应的气体或液体载体中的一种固体粉末，当使用固体粉末时，其颗粒尺寸必须极其细小，以避免阻塞传输管路和风咀。可以使用的气态碳氢化合物燃料的例子是气体烷烃类碳氢化合物，天然气（主要是甲烷附加其它低烷类烃碳氢化合物）和甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，它们或是其一种的或是它们的混合物。可以使用的液体燃料的例子是燃油和煤油。可以使用的粉末燃料是煤、木炭和木屑。用于本发明的最佳燃料，在不存在未燃尽的碳氢化合物或含碳的反应产物污染问题的情况下是天然气，如果存在以上情况则氢气是最佳燃料。
熔池的温度是这样的：该温度能导致在熔池液面下喷入的氧气和流体燃料产生自燃反应。这里所说的“燃烧”是指氧气和一种含氢化合物燃料的化学的结合，即产生了水（H2O）和/或二氧化碳（CO2），同时发出了热量。在实践中按化学计算配比的氧气和含氢化合物的反应结果也往往产生其它的一些反应产物，例如一氧化碳（CO）和氢气。
本发明对熔融物质的基本要求是其在等于或高于喷入的颗粒燃料的自燃温度下处于液态。这里所说的“自燃温度”是指在没有其它外部能源的情况下，燃料在氧气中能够燃烧的最低温度。例如天然气自燃温度大约是1400°F（760℃）。这种物质必须能在熔池的温度下至少象镍一样地抗二氧化碳和水的氧化。适用的金属包括铜、镍、铅、钯、锇、金和银。适用的非金属材料包括矾土，硅石和含有硅酸盐，金属氧化物和石灰的炉渣。由于其化学活动性而不适用的材料的例子包括黑色金属，锡以及氯化物类等。
通过在熔池液面下的风咀把氧气和燃料喷入上述熔融材料中。经过风咀最外层的环状通道喷入的燃料，至少其中的一部分形成一种包围氧气和燃料的其余部分的环幕。本技术领域的专业人员将能理解，由于氧气与燃料在熔融材料中的相互混合、扩散和反应、这种“环幕”仅存在紧靠着风咀的附近，这种燃料环幕在金属精炼的已有的技术中都执行着多种同样的功能。例如，在Q-BOP炼钢工艺中，防止着风咀在氧气流动区域内被过量腐蚀。然而申请人出人意料地发现，燃料环幕可以比氧气流速更高的流速下保持住，而没有阻塞风口的结瘤形成。更进一步的是申请人通过本发明发现了意想不到的脱氧效率和热利用率方面的效果。
在一个实施例中，通过风咀喷入的全部燃料，形成了一种包围氧气的环幕，一种由两个同轴的管子组成的单层套管风咀，用于该实施例。图2所示的是一种适用的单层套管风咀，图2中，在外管32里有中心管30，从而形成一个通过氧气的中心通道34以及通过燃料的环状通道36。
在一个较佳实施例中，通过一个风咀喷入的部分燃料形成了一种包围氧气和其余燃料的环幕，而它可能与氧气和剩余燃料混合并通过风咀一个中心通道喷入该混合物，这种预混合是不希望的。因为预混合有可能引起管路系统内着火和爆炸。最希望是通过在最外层环状通道内的分隔开的通道分别喷入氧气和剩余燃料。最好是氧气本身形成一个包围剩余燃料的环幕。图3所示的一种由三个同轴的管子组成的双层套管风咀可以用于该实施例。在图3中所示的中心管40以及中心管的第一外管42，接着下第二外管44。通过中心管道46和外层环状通道50喷入燃料，而通过内部的环状通道48喷入氧气。
在此较佳实施例中，期望在最外层环状通道内所通过的燃料大约占总燃料的10-50%，在使用双层套管风咀时，通过中心通道的剩余燃料大约占总燃料的50-90%。
本发明所述的方法可用于对前面提到的熔融物质的加热的目的。通过在超过燃料自燃温度的熔池内进行氧气和燃料的浸入燃烧提供一种高的热传导率。在希望最有效的应用喷入物的场合下、与喷入的燃料的量成比例的喷入氧气量，应该是达到或近似于使燃料完全燃烧时的准确氧气需要量。通过应用宽范围的氧/燃料的比可以获得令人满意的结果。然而喷入氧气的相对量，较好的上限值是使燃料完全燃烧时的所需要的氧气量的150%，最好是130%。喷入氧气的相对量，较好的下限大约下使燃料完全燃烧时需要的氧气量的75%，最好是85%。
本发明所述的方法还可用在氧化和排除可氧化的杂质（主要是指硫，但也包括锌、锡和铁）以及从熔化铜特别是粗铜或泡铜中减少和排除含氧的杂质（主要是指溶解氧）。这种熔融铜熔池可以含有作为合金剂的其它的金属。而当按正常顺序进行氧化和还原反应时，它们就可以按本发明分别地独立地完成。需要更进一步指出的是实施本方法时，同时有热量放出，可使得在大约2000°F（1090℃）至2200°F（1200℃）的正常熔池温度范围内向熔融铜中加入固体铜，并使之熔化，而不需向熔融铜输送补充的外部热量。铜中的杂质的氧化是通过以按比例数量喷入氧气和燃料而进行的，因此喷入的氧气量要不小于理论计算的使燃料完全燃烧时氧气的需要量，而喷入氧气的量最好不大于使燃料完全燃烧时氧气的需要量的450%左右，如果此量不大于300%左右则更好。利用喷入比使燃料完全燃烧时的氧气的需要量更多的氧气来排除可氧化的杂质是最容易见效的方法。其次杂质的排除主要是通过喷入过量的氧气进行氧化，並使池内的杂质向上浮而逸出池外。甚至在喷入的氧气的量只近似于使燃料完全燃烧时的氧气需要量，即只多一点或没有多余的喷入的氧气的场合下，不反应的燃烧物，例如二氧化碳，水蒸汽也可以清除池内的杂质。这些气体的气泡被认为是提供了使包括硫在内的杂质被溶解氧氧化呈核的场所，氧气和燃料的成比例的流量保持在上述水平，直到希望数量的硫和其它可氧化杂质从熔融铜中除去。利用本发明的方法可以使硫的含量低到0.005%或更低。
通过按比例地喷入的氧气和燃料来还原含氧杂质则喷入的氧气量要少于使燃料完全燃烧时按理论计算的氧气需要量。喷入氧气的量最好是不小于使燃料完全燃烧时需要氧气量的25%左右，更好的是不小于33%左右。喷入的氧气和燃料起反应，部分地氧化燃料组分。当使用碳氢化合物燃料时，这个反应的最初的生成物是氢和一氧化碳气体，当使用碳氢化合物燃料时，另外的生成物是少量的水蒸汽和二氧化碳气体。其次最初的反应产物可以是以溶解氧和其它含氧杂质反应而得到的。氧气和燃料相对流量保持在上述水平、直到希望数量的溶解氧和其它含氧杂质从熔融铜中除去。应用本发明可使氧含量低于0.05%或更少。
以一个铜的氧化还原反应一起进行的实施例为例，喷入氧气的量的总的范围是使燃料完全燃烧时所需氧气量的25%-450%左右。当使用甲烷作为燃料，而反应温度是2100°F（1150℃）时，使甲烷完全燃烧而喷入的氧气与甲烷之比，按化学计算得出的比值是2∶1。换算成氧气的总的体积流量大约是甲烷体积流量的50%至900%。另一种表达方式是甲烷的全部体积流量为氧气的体积流量的大约11%至200%。
在这种还原反应期间，在喷入燃料的全部或绝大部分形成一个包围着氧气的环幕的场合内，这种燃料的体积流量可以是氧气体积流量的200%或更多。这种或环幕的燃料的相对量高于其它的金属精炼过程所用的燃料量。尽管由于流体的流动产生大的燃料的冷却效应（也有在碳氢化合物燃料分解情况下的吸热反应的原因），而本发明的惊人的发现是在精炼工业规模装炉量时的熔融铜，不存在凝固结瘤的问题。当一些铜在风口附近凝结时，阻塞程度是不重要的，因为与将燃料喷入空的精炼容器相比较，将燃料在熔池表面以下喷入需要将流体压力增加了大约30%。
因为燃料燃烧产生了热量，所以在向池内喷入氧气和燃料的期间内的任何时间里都可以向熔池中加入並且熔化固体物质，当铜是熔融物质时，在加热或除去硫或氧的同时可以加入和熔化固体铜，並且固体铜的加入和熔化可以在铜的火法精炼的常温范围2000°F至2200°F（1090℃至1200℃）下进行。本发明可使加入的固体铜的数量至少为被精炼过的熔融铜总和的5-10%，至50%或更多。在本发明的试验中加入固体铜的数量被限制在50%左右，这仅仅是因为受到所用的炉子的几何尺寸的限制的缘故。
在实施本发明时，在铜还原期间达到了高脱氧效率，该效率至少是60%，最多达到71%。这些数值是基于使用甲烷作为燃料时而确定的。在这种大约2100°F（1150℃）名义上的反应温度下，还原过程的方程式如下：
在理论上计算结果：每（英尺）3的甲烷（0.002公斤/米3）消耗0.165磅的氧气。可以预料用其它燃料也可得到类似的脱氧效率。这些脱氧效率的值是从至少为160吨的工业规模的装炉量中得出的。
使用本发明，热利用率也很高，热利用率的值是以在一个直径为13英尺（3.96米）、长度为30英尺（7.6米）的阳极炉内精炼泡铜为基础而得出的。这种阳极炉如图1所示。在大约2100°F（1150℃）的精炼温度下，计算得出向周围的稳态的热量损失大约为70000Btu/分左右（17640千卡/分）。在以全部的燃料形成了包围着氧气的环幕的场合下，在实际工业生产中可注意到其热利用率达到70%以上;在以一部分燃料形成一个包围着氧气和剩余的燃料的环幕的场合下，在实际工业生产中可再次注意到其热利用率达到90%以上。在这最佳的实例中，热利用率这样高的准确原因还不知道，但是可以假设较高的热利用率是由于氧气和燃料的更充分的混合和更完全地燃烧的结果。
由于实施本发明的结果，对在铜还原的过程中所排出废气的不透明度作出了重大的改进。在熔融铜的还原过程中，当喷入的氧气量占使燃料完全燃烧所需要氧气量的25%至33%左右时，可以稳定地得到不透明度小于20%的废气。在这些条件下，对于从熔池内排出的废气是不必再进一步处理。当喷入的氧气量大于上述这个范围，而仍少于使燃料完全燃烧的氧气需要量时，就需要使用布袋除尘室或其它类似物使不透明度低于20%，这种低的不透明度更进一步地表明了本发明的高效率以及对超过已有技术的未预料到的重大改进。
以下的不受限制的例子是用来显示在下的说明的。该例子足以表达在一座13英尺×30英尺（3.96米×7.6米）的圆柱形的、公称容量为250短吨（227公吨）的泡铜的，类似于图1的阳极炉中精炼50炉多炉铜所具有的特点。两个套管式风嘴安装在距端墙大约2.5英尺（0.76米）並且低于熔池表面2.5英尺至3英尺（0.76～0.91米）的位置上，用来喷入工艺气体。这种熔炉上有一个燃烧器被安置在一面端墙上，用来在浇铸和停炉期间保持温度;用于说明本方法的结果是来自当端墙的喷嘴不工作时所得到的数据。气体的流量是以每分钟标准立方英尺为单位，以在70°F的温度和14.7磅/英寸的压力下（每分钟标准立方米，21℃和1大气压）确定的体积流量给出的。使用的氧气纯度为99%。
在例1到例4中说明实施本发明的方法。该方法利用与图3所示相类似的双层套管风嘴，而流体燃料从中心和最外层环形通道喷入，氧气从内环形通道喷入。在每个例子中，操作过程中中心通道和最外层环形通道间给定的燃料分布维持恒定。
例1
将225短吨（204公吨）熔融泡铜炉料加入到一个阳极炉中。炉料中硫和氧的初始含量分别为0.022%和0.1933%。
把氧气和天然气喷入熔池，其体积流量比为2∶1。氧气的流量为400英尺3/分（11.3米3/分），天然气的流量为200英尺3/分（5.7米3/分）。使用一个双层套管风嘴，使45%的天然气通过最外层环形通道喷入，其余的天然气从中心通道喷入。氧气通过内环形通道喷入。吹炼持续37分钟。在此期间，将9.6短吨（8.7公吨）的废铜料陆续加进熔池，并在熔池中熔化;熔池温度从2042°F（1116℃）增加到2055°F至2100°F（1124℃至1150℃）之间。在此最初喷吹期间，有效的热利用率为95%。喷吹之后，硫和氧含量分别为0.003%和0.270%。
然后将氧气和天然气流量分别调节到167英尺3/分（4.7米3/分）和250英尺3/分（7.1米3/分），使其体积流量比为2/3。这第二次吹炼持续52分钟。在此期间，加入5.4短吨（4.9公吨）的废铜，并熔化。熔池的温度范围为2057°F至2148°F（1125℃至1176℃）。在此期间有效热利用率为93%，脱氧效率为60%。氧含量降至0.093%。
在此时将72短吨（66公吨）的铜从炉中放出，浇铸成阳极。铸成的阳极中的硫和氧的含量分别为0.003%和0.11%。
将剩余的熔融炉料进行第三次吹炼，氧气与天然气的体积流量比为2/1。氧气的流量为400英尺3/分（11.3米3/分），天然气的流量为200英尺3/分（5.7米3/分），第三次吹炼持续71分钟，在此期间熔化了17短吨（15.5公吨）的废铜、熔池的温度范围为2064°F至2145°F（1129℃至1174℃）。在此期间有效热利用率为96%。炉料氧含量增至0.13%。
第四次喷吹进行66分钟（氧气与天然气的体积流量比为3/2），其中氧气的流量为300英尺3/分（8.5米3/分），天然气的流量为200英尺3/分（5.7米3/分）。在此吹炼期间，总数为13短吨（11.8公吨）的废铜被熔化。氧的含量减至0.068%，有效的热利用率为94%。
最后第五次吹炼进行48分钟（氧气与天然气的体积流量比为2/3），其中氧气的流量为167英尺3/分（4.7米3/分），天然气的流量250英尺3/分（7.1米3/分）。在此吹炼期间，加入了12短吨（10.9公吨）的废铜。最终氧含量为0.032%。有效的热利用率为94%。
例2
将含0.265%氧和0.0096%硫的161短吨（147公吨）熔融泡铜加入阳极炉中。把体积流量比为2/1的氧气和天然气喷入熔池，氧气的流量为400英尺3/分（11.3米3/分），天然气的流量为200英尺3/分（5.7米3/分）。使用双层套管风嘴进行喷吹，其中35%的天然气通过风嘴的最外层环形通道喷入，其余的65%天然气通过中心通道喷入。
在以上述比率经96分钟的吹炼的期间内，加入16短吨（14.6公吨）的废铜并在熔池中熔化。在此期间，熔池温度从1980°F（1082℃）增至2090°F（1143℃）。本期间计算出的热利用率为97%。熔池的氧含量减少至0.233%，硫含量减少至0.0004%。
然后以2/3的体积流量比将氧气和天然气喷入熔池，其中氧气的流量为167英尺3/分（4.7米3/分）天然气的流量为250英尺3/分（7.1米3/分）。以此比率进行40分钟的吹炼后，氧含量减至0.071%，熔池温度从2060°F（1127℃）增至2106°F（1152℃）。在此期间计算出的热利用率为98%，脱氧效率为68%。并且在此期间内废气中未发现有炭黑，废气的不透明度平均为15%。
例3
将239短吨（217公吨），含0.342%氧和0.276%硫的熔融泡铜加入阳极炉。用双层套管风嘴将空气以500英尺3/分（14.2米3/分）的流量喷入熔池。以上述流量喷吹空气70分钟后，硫含量减至0.0050%，氧含量从0.342%增至0.354%。
然后将氧气和天然气以2/3的体积流量比喷入熔池，其中氧的流量为167英尺3/分（4.7米3/分），天然气的流量为250英尺3/分（7.1米3/分）。还是使用双层套管风嘴，41%的天然气经最外层环形通道喷入。以这样的比率经81分钟的吹炼，其间加入并熔化8短吨（7.3公吨）的废铜。在此期间熔池的氧含量从0.354%减至0.080%，熔池的温度从2127°F（1164℃）增至2142°F（1172℃）。在此期间，计算出的热利用率为97%，脱氧效率为71%，废气不透明度平均为15%。
例4
将197短吨（179公吨）含0.298%氧和0.0010%硫的熔融泡铜加入阳极炉。以2/1的体积流量比将氧气和天然气喷入熔池，其中氧气的流量为400英尺3/分（11.3米3/分），天然气的流量为200英尺3/分（5.7米3/分）。通过双层套管风咀，将45%的天然气经最外层环形通道喷入。
以上述比率经42分钟的吹炼，其间在熔池中共加入并熔化12吨的废铜。在此期间，熔池温度从2073°F（1134℃）增至2142°F（1172℃），计算的热利用率为93%。
然后以1/1的体积流量比将氧气和天然气喷入熔池，其中氧的流量为300英尺3/分（8.5米3/分），天然气的流量为300英尺3/分（8.5米3/分）。以此比率吹炼43分钟后，共加入并熔化6短吨（5.5公吨）的废铜，熔池温度由2062°F（1128℃）增至2128°F（1164℃）。这时计算的热利用率为88%。熔池氧含量减至0.185%。
再以2/3的体积流量比将氧气和天然气喷入熔池，其中氧气的流量为167英尺3/分（4.7米3/分），天然气的流量为250英尺3/分（7.1米3/分）。以上述比率经39分钟的吹炼后，熔池的温度从2070°F（1132℃）增至2106°F（1152℃），熔池氧含量从0.185%减至0.064%。在此期间，计算出的热利用率为92%，脱氧效率为64%，废气不透明度平均为15%。
例5和例6说明用与图2中所示的相类似的单层套管风咀实施本发明的方法，流体燃料通过外环形通道喷入，氧气经中心通道喷入。
例5
将189短吨（172公吨）含氧0.360%，含硫0.0207%的熔融泡铜加入阳极炉中。把氧气和天然气以4/3的体积流量比喷入熔池，其中氧气的流量为400英尺3/分（11.3米3/分），天然气的流量为300英尺3/分（8.5米3/分）。
在以这样的比率吹炼74分钟的期间内，在熔池中加入5.3短吨（4.8公吨）的废铜并熔化。熔池的温度从2079°F（1137℃）增加到2138°F（1170℃）。在此期间计算出的热利用率为69%。铜的含氧量减至0.316%，硫含量减至0.0075%。
然后将氧气和天然气以2/3的体积流量比喷入熔池，其中氧的流量为200英尺3/分（5.7米3/分），天然气流量为300英尺3/分（8.5米3/分）。以这种比率吹炼61分钟后，熔池温度从2094°F（1146℃）增至2137°F（1170℃）。在此期间，计算出的热利用率为71%。此期间熔池的氧含量进一步降至0.031%，脱氧效率为62%。
例6
将222短吨（202公吨）含0.319%氧和0.046%硫的熔融泡铜加入一阳极炉中。用单层套管风咀将氧气和天然气喷入熔池。氧气和天然气的流量分别为400英尺3/分（11.3米3/分）和300英尺3/分（8.5米3/分）。以这样比率吹炼98分钟，其间加入并熔化6短吨（5.5公吨）的废铜。熔池的温度从2067°F（1131℃）增至2135°F（1168℃），氧含量降至0.274%。这期间计算的热利用率为73%。
将体积流量比为2/3的氧气和天然气喷入熔池53分钟，其中氧气的流量为200英尺3/分（5.7米3/分），天然气的流量为300英尺3/分（8.5米3/分）。经过这一周期，熔池的温度从2120°F（1160℃）增至2150°F（1177℃），计算的热利用率为71%，在此期间氧含量进一步降至0.064%，脱氧效率为70%。
尽管通过参考特定的实施例来描述本发明，本技术领域的人员将认识到，在不背离本发明精神与范围的情况下可能有许多变化，并且将认识到它旨在包括为了说明的目的而在此公开的本发明的不构成对本发明的精神和范围的背离的全部变更和改型。
如此地描述如上的本发明后，所提出的权利要求是：

Claims (52)

1、一种用氧气和流体燃料加热熔融物质的方法包括如下步骤：
(a)提供一个盛有熔融物质的熔池，熔池的温度等于或高于所述燃料的自燃温度，所述熔融物质至少具有象镍一样的抗二氧化碳和水的氧化能力，
(b)通过位于所述熔池表面下的风嘴将氧气和所述燃料喷入所述熔池，至少有一部分所述燃料形成一个环绕被喷吹氧气的环幕；
(c)控制所述喷入的与所述燃料的量成比例的氧气量，不大于使所述燃料完全燃烧所需氧气量的大约150%；并且
(d)燃烧所述燃料以对所述熔融物质供热。
2、如权利要求1所述的方法，其中全部所述流体燃料形成一个环绕喷入氧气的环幕。
3、如权利要求1所述的方法，其中一部分所述流体燃料形成一个环绕喷入氧气和所述燃料剩余部分的环幕。
4、如权利要求3所述的方法，其中形成环幕的流体燃料是通过所述风口喷入的全部燃料的大约10%至50%。
5、如权利要求3所述的方法，其中喷入氧气形成一个环绕所述燃料剩余部分的环幕。
6、如权利要求1所述的方法，其中所述的物质是以铜、镍、铅、钯、锇、金和银构成的组中选择出的一种金属。
7、如权利要求1所述的方法，其中所述的物质是从二氧化硅，氧化铝和含硅酸盐、金属氧化物及石灰的融渣构成的组中选择出的一种非金属物质。
8、如权利要求6所述的方法，其中所述的金属是铜。
9、如权利要求8所述的方法，在步骤（b）到（d）任何一个步骤中间包括如下附加步骤：
（Ⅰ）添加固体铜于所述熔融铜中;
（Ⅱ）基本上用步骤（d）中产生的热在所述熔池中熔化所述固体铜;
（Ⅲ）不增加外部辅助热保持所述熔池温度不低于大约2000°F（1090℃）;
10、如权利要求9所述的方法，其中所述的废铜熔化后组成至少含所述熔融铜的5%。
11、如权利要求1所述的方法，其中在步骤（c）期间喷入氧气的量大约为使所述燃料完全燃烧所需氧气的75%到150%。
12、如权利要求1所述的方法，其中喷入的氧气纯度至少为70%。
13、如权利要求1所述的方法，其中所述的流体燃料从氢气、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及它们的组合所构成的组中选出。
14、一种精炼铜的方法包括如下步骤：
（a）提供一个包括溶解氧在内的含氧杂质的不纯净熔融铜的熔池;
（b）通过位于所述熔池表面之下的风嘴将氧气和一种流体燃料喷入所述熔池，至少一部分所述流体燃料形成一个环绕喷入氧气的环幕;
（c）控制所述喷入的，与所述流体燃料成比例的氧气量，少于使所述燃料完全燃烧所需的氧气量;并且
（d）使所述喷入的氧气、燃料和含氧杂质在所述的熔池中反应，以除去所述含氧杂质。
15、如权利要求14所述的方法，其中全部的所述流体燃料形成一个环绕喷入氧气的环幕。
16、如权利要求14所述的方法，其中一部分所述的流体燃料形成一个环绕喷入氧气和所述燃料剩余部分的环幕。
17、如权利要求16所述的方法，其中形成环幕的流体燃料是通过所述风嘴喷入的全部燃料的大约10%至50%。
18、如权利要求16所述的方法，其中喷入氧气形成一个环绕所述燃料剩余部分的环幕。
19、如权利要求14所述的方法，在（b）到（d）任何一个步骤中包括下列附加步骤：
（Ⅰ）将固体铜加入所述熔融铜中;
（Ⅱ）基本上用步骤（d）中产生的热在所述熔池中熔化所述固体铜;并且
（Ⅲ）不增加外部辅助热量保持所述熔池温度不低于大约2000°F（1090℃）。
20、如权利要求19所述的方法，其中所述固体铜在熔化后组成至少为所述熔融铜的5%。
21、如权利要求14所述的方法，其中所述喷入氧气的量为使所述流体燃料完全燃烧所需氧气量的大约25%至不到100%。
22、如权利要求14所述的方法，其中所述喷入氧气的量为使所述流体燃料完全燃烧所需氧气量的大约33%至不到100%。
23、如权利要求14所述的方法，其中喷入的氧气纯度至少为70%。
24、如权利要求14所述的方法，其中所述的流体燃料从以下物质组中选择，氢气、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和它们的组合。
25、如权利要求14所述的方法，其中在步骤（c）期间，喷入所述氧气的量为使所述燃料完全燃烧所需氧气量的大约25%至33%，在步骤（d）期间，反应产物以废气形式从所述熔池中逸出，所述废气的不透明度不大于20%。
26、如权利要求14所述的方法，其中所述的不纯净熔融铜是经脱硫的粗铜或泡铜。
27、一种精炼铜的方法，包括以下步骤：
（a）提供一个含包括硫在内的可氧化杂质和包括溶解氧在内的含氧杂质的不纯净熔融铜的熔池;
（b）通过一个位于所述熔池表面之下的风嘴把氧气和一种流体燃料喷入所述熔池，至少一部分所述流体燃料形成一个环绕喷入氧气的环幕;
（c）控制所述喷入氧气相对于所述的流体燃料量不少于使所述燃料完全燃烧所需的氧量;
（d）在所述熔池中使所述喷入氧气、燃料和可氧化杂质反应，以除去所述可氧化杂质;
（e）调整所述喷入氧气相对于所述流体燃料的量，使其少于使所述燃料完全燃烧所需的氧量;
（f）在所述熔池中使所述喷入氧气、燃料和含氧杂质反应，以除去所述含氧杂质。
28、如权利要求27所述的方法，其中全部所述的流体燃料形成一个环绕喷入氧气的环幕。
29、如权利要求27所述的方法，其中一部分所述的流体燃料形成一种环绕喷入的氧气和所述燃料剩余部分二者的环幕。
30、如权利要求29所述的方法，其中环幕的流体燃料的量大约是通过所述风口喷入的全部燃料的10%至50%。
31、如权利要求29所述的方法，其中喷入的氧气形成一个环绕所述流体燃料剩余部份的环幕。
32、如权利要求27所述的方法，在步骤（b）至（f）任何步骤中间包括如下附加步骤：
（Ⅰ）把固体铜加入到所述熔融铜中;
（Ⅱ）在所述熔池中基本上用步骤（d）或（f）中产生的热熔化所述固体铜;并且
（Ⅲ）不增加外部辅助热量保持所述熔池温度不低于大约2000°F（1090℃）。
33、如权利要求32所述的方法，其中所述固体铜熔化后构成至少5%的所述熔融铜。
34、如权利要求27所述的方法，其中步骤（c）中喷入所述氧气的量为使所述流体燃料完全燃烧所需氧气量的100%至大约450%。
35、如权利要求27所述的方法，其中步骤（c）中喷入所述氧气的量为使所述流体燃料完全燃烧所需氧气量的100%至大约300%。
36、如权利要求27所述的方法，其中在步骤（e）中喷入所述氧气的量是使所述流体燃料完全燃烧所需氧气量的25%至不到100%。
37、如权利要求27所述的方法，其中在步骤（e）中喷入所述氧气的量是使所述流体燃料完全燃烧所需氧气量的33%至不到100%。
38、如权利要求27所述的方法，其中喷入氧气的纯度至少为70%。
39、如权利要求27所述的方法，其中所述的流体燃料选自由氢气、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和它们的组合所构成的组。
40、如权利要求27所述的方法，其中在步骤（e）中喷入所述氧气的量大约是使所述燃料完全燃烧所需氧气量的25%至33%，在步骤（f）期间，反应产物以废气的形式从所述熔池中逸出，所述废气的不透明度不大于20%。
41、如权利要求27所述的方法，其中所述的不纯净熔融铜是粗铜或泡铜。
42、一种精炼铜的方法，包括如下步骤：
（a）提供一个含包括硫在内的可氧化杂质和包括溶解氧在内的含氧杂质的不纯净熔融粗铜或泡铜的熔池;
（b）通过一个位于所述熔池表面之下的风嘴把氧气和一种流体燃料喷入所述熔池，至少一部分所述流体燃料形成一个环绕喷入氧气的环幕;
（c）控制所述喷入氧气相对于所述流体燃料的量不少于使所述燃料完全燃烧所需氧气的量;
（d）使所述喷入氧气、燃料和可氧化杂质在所述熔池中反应，以除去所述可氧化杂质;
（e）调节所述喷入氧气相对于所述流体燃料的量，使其少于使所述燃料完全燃烧所需的氧气量;
（f）使所述喷入氧气、燃料和含氧杂质在所述熔池中反应，以除去所述含氧杂质;并且
（g）在步骤（b）至（f）中任一个或更多的步骤，该步骤是：
（Ⅰ）把固体铜加入到所述熔融铜中;
（Ⅱ）在所述熔池中基本上用步骤（d）或（f）中产生的热熔化所述固体铜;
（Ⅲ）不输入外部补充热量保持熔池的温度不低于大约2000°F（1090℃）。
43、如权利要求42所述的方法，其中形成环幕的流体燃料大约是通过所述风嘴喷入的全部燃料的10%至50%。
44、如权利要求42所述的方法，其中喷入的氧气形成一个环绕所述燃料剩余部分的环幕。
45、如权利要求42所述的方法，其中所述固体铜在熔化后至少构成所述熔融铜的5%。
46、如权利要求42所述的方法，其中在步骤（c）喷入所述氧气的量为使所述流体燃料完全燃烧所需氧气量的100%至大约450%。
47、如权利要求42所述的方法，其中在步骤（c）喷入所述氧气的量为使所述流体燃料完全燃烧所需氧气量的100%至大约300%。
48、如权利要求42所述的方法，其中在步骤（e）喷入所述氧气的量为使所述流体燃料完全燃烧所需氧气量的25%至不到100%。
49、如权利要求42所述的方法，其中在步骤（e）喷入所述氧气的量为使所述流体燃料完全燃烧所需氧气量的33%至不到100%。
50、如权利要求42所述的方法，其中喷入氧气的纯度至少为90%。
51、如权利要求42所述的方法，其中所述的流体燃料选自由氢气、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和它们的组合所构成的组。
52、如权利要求42所述的方法，其中在步骤（e）期间喷入所述氧气的量大约为使所述燃料完全燃烧所需的氧气量的25%至33%，在步骤（f）期间反应产物以废气的形式从所述熔池中逸出，所述废气的不透明度不大于20%。
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