TW201412994A - 用於連續供應預熱金屬材料至熔爐供生產鋼之設備及相關程序 - Google Patents

用於連續供應預熱金屬材料至熔爐供生產鋼之設備及相關程序 Download PDF

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Cesare Giavani
Ernesto Bottone
Nicola Ambrogio Maria Monti
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Tenova Spa
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Abstract

一種用於連續供應預熱金屬材料(5)至熔爐(1)之設備(IM)及相關程序，根據其程序，於經由一輸送機(2)定義之至少一供料線(L)上面有操作模組(17'、17”)之一對(C)，該供料線為用於連續供應該預熱金屬材料(5)至該熔爐(1)，該等操作模組為經由一第一操作供應與加熱模組(17')與一第二操作供應與加熱模組(17”)定義，該第一操作模組(17')與該第二操作模組(17”)彼此沿著該供料線(L)連續置放，該第一操作模組(17')適於形成及直接加熱配置於該供料線(L)上面之該預熱金屬材料(5)之一第一層(5')，且該第二操作模組(17”)適於形成及直接加熱該預熱金屬材料(5)之一第二層(5”)，該第二層為重疊配置關於該第一層(5')上面。

Description

用於連續供應預熱金屬材料至熔爐供生產鋼之設備及相關程序
本發明有關一種用於連續供應預熱金屬材料至熔爐供生產鋼之設備及相關程序。
本發明在鋼鐵產業可有利使用於連續水平供應預熱金屬裝料，包括廢鋼，至電弧熔爐(EAF，Electric Arc Furnace)之設備，較佳為使用於採用註冊名稱「Consteel」之已知設備，下列說明將構成明確參考，同時維持其一般本質，該等設備為例如在專利文獻EP0190313、EP0592723、US6155333和WO2012007105中描述。
在利用金屬裝料之熔融處理以生產鋼中，連續供應裝料通常經由水平輸送機或裝載機達成，此為目前表示最合理、最簡單且最可靠之解決方案。
在進入熔爐以前，這些水平輸送機可有利地具有金屬裝料之加熱系統，以減少完成金屬裝料之熔融處理所需的能量與時間。
為了這個目的，被動式加熱系統與主動式加熱系統通常為已知：被動式加熱系統利用來自熔爐之排放氣體中所包含的熱與化學能(完成一氧化碳和氫之燃燒)，然而，主動式加熱系統採用適於加熱裝料之加熱裝置，諸如，例如，燃燒器，視需要，可採用接近化學計量比之比率之助燃 物與燃料之混合物，即採用比使用被動式系統更有彈性與可控制之供應化學能，因此在熔爐中不會受到來自熔爐之熔融處理之排放氣體流動所引起之波動。
在用於連續水平裝料之使用例如於文獻EP2112449(Falkenreck與Schlueter)之文中所述被動式加熱之設備特別顯著之問題，在於所要供應金屬裝料能有正確熱分佈。
事實上，金屬裝料通常是由可變形和尺寸之廢鋼所組成，廢鋼為沿著輸送機配置形成一層，其特徵為，該層存在腔洞，降低該層之密度與熱導率。
特別係，低導熱性阻礙及減緩熱從上層傳遞至下層，上層為從加熱系統(不管是主動或被動式)直接接收熱，建立起有些顯著熱分層現象，此取決於所處理之廢鋼類型。
在垂直段之此非均勻熱分佈可避免獲得高平均溫度，及增加裝料之表面層到達熔融條件的風險，可能破壞設備本身。
金屬裝料之熱分佈問題會隨著不斷增加生產率之需求進一步增加，通常此需求為需要材料層具有不斷增加之厚度與更短之加熱時間。
根據操作條件，金屬裝料之加熱只認為距離表面數十公分為有效，然而較低層保持冷卻。
隨著增加裝料之平均溫度，當廢鋼層之表面溫度增加時，加熱效率迅速降低，明顯減少廢鋼層表面與熱氣間之熱交換。
由於複雜性、安裝成本與必要維護，丟棄不適用之技術解決方案，諸如，例如，在文獻JP10002673中所指出之一些技術解決方案(其中，廢鋼在實際窯類型熔爐中預熱)或類似WO/2010/142104或JP7286785(其中，永久磁鐵載運與混合廢鋼)或最後CN2906510Y(其中，從下面之強制吸氣嘗 試使熱傳遞至下層)，國際上視為有效之唯一解決辦法為在此描述開頭所提及之「Consteel」專利中所示。
雖然追溯到多年以前，但此項技術仍為技術參考點，至少可從大部分最近專利與實用新型(這些引用中之一些文件)之引用(有時不適當)之次數加以判斷。
日本專利JP7027489 A揭露一種設備，其訴求是要將廢鋼之各層之鄰近位置並置於水平輸送機上面，以改善熔爐(排氣)之排放氣體與層本身間之熱交換效率。
然而，在上述設備中，熱源(即使複合物)在任何情況且始終直接連接廢鋼之裝料通道，產生明確動作(與熱流之方向)，以使這些層更接近熔爐，接觸最熱與最快速之氣體。
進一步遠離熱源，實際上，先前沉積之層為接觸冷氣體，因此保證低效率之熱交換。
除此之外，事實上，具體地說，最靠近熱源之層會阻塞裝料通道之開口，其中，氣體為平行於層之表面流向通道之隨後各段，且最終，熱氣輸送組或排氣管具最大動能。
如果，一方面以很小程度改善表面下方之熱交換，另一方面藉由散發熱以減少氣體之總能量含量，這會產生亂流。
通道之隨後各段(在熱氣之流動方向)變成甚至更少填滿廢鋼，因此漸增高段留給氣體，允許氣體膨脹，減緩與金屬裝料之熱交換且最終造成其逐漸劣化。
因此，上面日本專利JP7027489 A中描述設備之整體影響在於對輸送機上面沉積之第一層(在廢鋼朝向熔爐之前進方向)之不良加熱，因為第一層直接掩埋在冷廢鋼之其他層下面且具低熱導率，對裝料之平均溫 度提供非常有限之助益。
實際上，上述日本專利JP7027489 A提出解決方案所引用之設備工程之高複雜性未提供廢鋼所能達到平均溫度之任何有效結果及因此導致省電。
因此，此解決方案既不提供沿著供料線與廢鋼某種程度上之熱交換之必要直接控制，亦無法透過調節金屬層內部之熱氣體滲透模式使加熱最佳化。
此外，管理上述設備之供料線之人員沒有任何自由度最佳化(例如)有關廢鋼類型之處理。
因此本發明之目的係要解決上面所示先前技術相當大之問題。
特別係，本發明之目的係要提供一種連續供料設備，以連續供應預熱金屬材料至熔爐，藉此獲得加熱能量的最佳控制分佈，擁有對先前技術之設備的較高整體效益。
本發明之進一步目的係要提供一種設備，藉以獲得由水平輸送機供應之金屬裝料能有高平均溫度，沒有從已知設備發生之局部表面熔融現象之危險性。
本發明之另一目的係要提供一種有能力最佳化關於處置廢鋼類型之程序。
本發明之進一步目的係要提供一種連續供料處理，用於連續供應預熱金屬材料至於上述設備操作之熔爐，其在預熱金屬材料到達熔爐以前，允許高彈性選擇金屬裝料之加熱系統，且能夠保證明顯減少鋼鐵生產處理之電消耗。
IM‧‧‧連續供料設備
L‧‧‧供料線
1‧‧‧熔爐
2‧‧‧輸送機
3'‧‧‧裝料臺
3"‧‧‧裝料臺
4'‧‧‧第一加熱段
4"‧‧‧第二加熱臺
5‧‧‧裝料
5'‧‧‧第一層
5"‧‧‧第二層
6‧‧‧加熱系統
7‧‧‧加熱系統
8‧‧‧感測器
9‧‧‧熱氣
9'‧‧‧排放熱氣
10‧‧‧裝料區
11‧‧‧液槽
12‧‧‧排氣管
13‧‧‧分析構件
14‧‧‧分析構件
15‧‧‧填料感測器
16‧‧‧感測器
17',17"‧‧‧操作模組
19‧‧‧密封構件
20‧‧‧擷取系統
21‧‧‧入口部
22‧‧‧出口部
23‧‧‧後燃器
24‧‧‧導管
25‧‧‧導管
26,27‧‧‧回流構件
28‧‧‧控制系統
29‧‧‧偏向裝置
30‧‧‧增壓器
3i‧‧‧裝料元件
4i‧‧‧加熱元件
本發明之結構與功能特徵及其有關先前技術之優點可從文後之申請專利範圍，且特別從下面描述，參考附圖之說明變得更明白，附圖為顯示用於連續供應預熱金屬材料至熔爐之設備的兩示意較佳具體實施例，而不是限制具體實施例，其中；圖1說明用於供應預熱金屬材料至熔爐之設備之一第一較佳具體實施例之立面示意圖；圖2說明用於供應預熱金屬材料至熔爐之設備之一第二較佳具體實施例之立面示意圖；圖3a說明由各種不同供料線路與各種不同加熱段所定義之設備之平面圖，該設備為具有主動式與被動式構件；圖3b為類似圖3a所示之設備之平面圖，其中，層之沉積為完全交替：冷層於熱層之上。
請即參考圖1與圖2，整體上，IM代表一連續供料設備，用以連續供應廢鋼之金屬裝料5至一電弧熔爐(EAF，Electric Arc Furnace)1，其中，有一處於液體狀態之熔融金屬槽11。
該設備IM包括至少一水平輸送機2，適合用於連續移動裝料5轉送至電弧熔爐1，其定義裝料5至電弧熔爐1之裝料區10之一各別連續水平供料線L。
根據圖1與圖2之示意，該供料線L包括操作模組17'、17"之至少一對C。
該對C係由一第一操作模組17'定義，該第一操作模組包括：一第一成形與裝料臺3'，以於該輸送機2上面形成該裝料5之一第一層5'；及 一第一加熱段4'，對應該第一加熱段，適當加熱於輸送機2上面之該裝料5之該第一層5'。
該對C亦包括一第二操作模組17"，該第二操作模組位於該第一模組17'之後面，且包括一第二成形與裝料臺3"，其為重疊於該第一層5'上面形成該裝料5之一第二層5"；及一第二加熱段4"，對應該第二加熱段，適當加熱重疊於該第一層5'上面之該第二層5"。
如此，在供料線L所定義之方向中，第一操作模組17'在第二操作模組17"前面，該第一操作模組具有第一加熱段4'，該第一加熱段緊接位於裝料臺3'之下游，介於相同裝料臺3'與裝料臺3"之間，然而，該第二加熱段4"緊接位於該裝料臺3"之下游且位於該熔爐1之上游。
上述加熱段4'、4"都包括一入口部21與一出口部22。
根據圖1所示之具體實施例之示意說明，該第一模組17'之第一加熱段4'經由一系統6定義，該系統為包含燃燒器6之主動類型之加熱構件(圖1有4個)，適用於加熱由裝料臺3'於輸送機2上面形成之該第一層5'。
加熱段4'之緊接下游，亦有一擷取系統20，擷取從加熱段離開之熱氣9'，該系統20包括一導管24，該導管為連接來自熔爐1之熱氣9之排氣管12，且具有適當之流控構件(已知且無圖解)。
根據圖2所示另一具體實施例，該第一模組17'之第一加熱段4'包括一系統7，該系統具有被動類型加熱構件，該被動類型之加熱構件是由從該電弧熔爐1離開之熔融處理所產生之熱氣9或熱排放氣體(排氣與助燃物)定義。
在通越過高溫氣體流之偏向裝置29以後，熱氣9流向排氣管12，並到達一導管25，該導管具流控構件(已知且無圖解)且適用於使相同之熱氣9導向第一模組17'，且因此導向第一層5'，以經由該第一裝料臺3'影響 加熱於該輸送機2上面所形成之第一層5'本身。
一旦第一層5'經過加熱，從加熱產生之排放熱氣9'可透過一回流系統20流向排氣管12，該回流系統經由一導管26定義，具流控構件(已知且無圖解)與熱回流構件27，其中，一入口緊接於加熱段4'之入口部21之下游。
根據圖1與圖2所示二具體實施例之設想，第二模組17"之加熱段4"經由一系統7定義，該系統具有被動類型加熱構件，該被動類型加熱構件是由從電弧熔爐1離開之熔融處理所產生之熱氣9或熱排放氣體所定義，並在熱氣9之其餘部分送至排氣管12以前，導向上述可調節偏向器29之輸送機2，用於增加熱氣9本身與裝料5之間之對流熱交換。
上述排氣管12具有熱氣之流速分析構件13與相同熱氣之溫度與混合物之分析構件14，該分析構件14為經由感測器定義，用於混合與流速分析；及後燃器23，以完成從電弧熔爐1(EAF)離開之排放氣體之燃燒。
比較實例1
最後，下列設備為形成圖1所示具體實施例與圖2所示另一具體實施例二者之設備IM之供料線L之主要部件：熱氣流速分析構件13、與相同熱氣溫度與組合物分析構件14；填料感測器15、與輸送機2上面裝料5前進速度之感測器16；輸送機2上面裝料5之高度限制器18；加熱段4"內部排放氣體之密封與密封構件19；及一供料線L之控制系統28，根據位於對應該第一加熱段4'之感測器8(圖1有4個，圖2有3個)所取得之數據，可管理裝填程度和輸送機2中之裝料5添加、裝料5本身之推送、主動式加熱系統6和被動式加熱系統7之運作制度、且可能排放氣體之分佈。
在根據圖2所構成之設備IM中，亦有熱回流構件26、27；及一熱氣流速調節增壓器30。
使用時，沿著供料線L由上述設備IM實施之處理包括：對應第一模組17'之第一裝料臺3'，於輸送機2上面沉積及形成第一層5'，該第一層有一受控制之厚度，透過該第一加熱段4'傳送，且最好使用主動式系統6(圖1)、或使用被動式系統7(圖2之另一具體實施例)於其上加熱。
在第一加熱段4'之出口，該第一層5'，目前為熱，直接覆蓋一第二層5"，冷的，該第二層亦有一受控制之厚度，並從第二模組17"之第二裝料臺3"引入。如此獲得之整個裝料5、或熱「晶圓」接著引入第二模組17"本身之隨後加熱段4"。
如此，沿著供料線L，添加之最後冷層5"(連同熱下層)最後進入電弧熔爐1(EAF)之裝料區10，且在落入液槽11以前，暴露於直接從相同熔爐1離開之排放氣體9之加熱動作。
應指出，在每一加熱段4'、4"，介於排放氣體與金屬裝料之間之對流熱交換是有利的，其事實為，加熱氣體之流動為導向該裝料(當使用主動式加熱系統時，使用切割火焰，或在使用被動式系統情況下，使用一垂直注入口)，且亦使用偏向器29。
特別係，金屬材料之第二層5"連續快速沉積在第一層5'，該第一層為緊接位於相對加熱段4'之出口：該第一層5'之較熱表面因此緊接覆蓋冷材料(且具低熱導率)，並引入隨後之加熱段4"，使剛沉積之冷層的表面能夠加熱(經由燃燒器6之構件或經由從電弧熔爐1(EAF)離開之排放氣體9)且徹底地，消耗由熱底層5'先前所累積之熱含量。
此熱通道可消除任何可能局部過熱(第一層5'之較熱表面部分緊密接觸新之冷廢鋼5")，即使熱限制在裝料5本身。因此，實際上，藉由利用廢鋼之相同低導熱性可降低熱損，在已知之慣用設備中，熱損是獲得金屬裝料均勻加熱之主要障礙。
亦應指出，上述設備IM之創新特徵之一者在於高彈性選擇所用之加熱系統。
除了分佈於上述廢鋼之連續層上面之加熱之原理外，設備IM之構造取決於下列特徵：所要處理之金屬材料類型、要在電弧熔爐(EAF)實施之熔融處理、及當地能源成本。在這些參數中，最方便之選擇可採用一裝料加熱解決方案，包括使用燃燒器(圖1)、或使用製程熱氣(圖2)、或再者，使用其他已知加熱構件(例如基於電磁輻射)、或這些熱源之全部或一些熱源之組合。
可以工廠的計畫、或以預先配置明確地做出此項選擇，系統管理者可根據考慮鋼生產處理、裝填材料、與最方便能源之特徵做出最方便之選擇。
討論中設備與程序之進一步顯著特徵在於對應於兩上述操作模組使裝料分成兩或多層之優點可能性，該可能性受制於根據所使用材料特徵(尺寸、形式、組合物、與有機材料污染程度等)所選定不同形式加熱處理，以改善加熱處理本身之能源效率及減少對環境影響。受到油料、油脂或塑料污染之廢鋼裝料可(例如)集中在一第一層5'，該第一層為利用燃燒器6加熱，調節，使得充分利用存在廢鋼之可燃材料(就過量助燃物意義來說，例如使用燃燒器6之不平衡功能)，並在到達最終預熱段4"以前，藉由使該預熱段配置於熔爐1之隨後入口，確保獲得污染物質之完全熱破壞狀態。在此情況下，經由單獨製程熱氣9加熱更適合之材料所組成之第二層5"將會在裝料臺3"添加。
所述設備及相對創新程序之另一更具體特徵在於其模組化與多功能性。由於與加熱段和所要移動/預熱金屬材料之低導熱率相當無關，所以在最後裝料臺獲得最終重疊以前，實際上對於廢鋼之處理沒有理 論上之限制。
換句話說，在設備IM中，可為各種不同裝料元件3i與加熱元件4i(其中，i=1,...,n)、及/或連續配置之模組17'、17"之成對C之組合，如此，根據需要，形成連續分支(由一或多個串接模組組成)及/或並接分支(同時處理之相鄰模組及/或分支)，參考例如圖3a與圖3b所示意之設備IM。
限制為純粹受制於經濟因素及/或有關供料線L之負擔(佈局)。
從上面詳述，很顯然地，上述設備IM克服最新發展技術之重要問題，允許獲得以下效益：- 採用與進行中鋼生產處理明顯無關之方法，最佳化廢鋼預熱效能；- 更均勻加熱裝料層；- 達成充分保證明顯降低鋼生產處理電力消耗之預熱效率；- 最佳調整設備(佈局)之結構及程序，以符合當前鋼鐵工程需求。
IM‧‧‧連續供料設備
L‧‧‧供料線
1‧‧‧熔爐
2‧‧‧輸送機
3'‧‧‧裝料臺
3"‧‧‧裝料臺
4'‧‧‧第一加熱段
4"‧‧‧第二加熱臺
5‧‧‧裝料
5'‧‧‧第一層
5"‧‧‧第二層
6‧‧‧加熱系統
7‧‧‧加熱系統
8‧‧‧感測器
9‧‧‧熱氣
9'‧‧‧排放熱氣
10‧‧‧裝料區
11‧‧‧液槽
12‧‧‧排氣管
13‧‧‧分析構件
14‧‧‧分析構件
15‧‧‧填料感測器
16‧‧‧感測器
17',17"‧‧‧操作模組
19‧‧‧密封構件
20‧‧‧擷取系統
21‧‧‧入口部
22‧‧‧出口部
23‧‧‧後燃器
24‧‧‧導管
28‧‧‧控制系統
29‧‧‧偏向裝置

Claims (17)

  1. 一種用於連續供應預熱金屬材料(5)至熔爐(1)之設備(IM)，該設備包括至少一供料線(L)，該供料線經由一輸送機(2)定義，用於連續供應該預熱金屬材料(5)至該熔爐(1)；其特徵為，該輸送機包括操作模組(17'、17")之至少一對(C)，該對操作模組經由一第一操作供料與加熱模組(17')與一第二操作供料與加熱模組(17")定義，該等第一操作模組(17)與第二操作模組(17")彼此沿著該供料線(L)連續置放；該第一模組(17')適於形成及直接加熱於該供料線(L)所配置之該金屬材料(5)之一第一層(5')，且該第二模組(17")適於形成及直接加熱該金屬材料(5)之一第二層(5")，該第二層為重疊關於該第一層(5')上面。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之設備，其特徵為，該等第一、第二模組(17，、17")包括：該金屬材料(5)之一第一、第二供料與裝料臺(3'、3")，用於形成該等第一、第二層(5'、5")；及該等第一、第二層(5'、5")之一第一、第二加熱段(4'、4")，該等加熱段為直接置於該等第一、第二裝料臺(3'、3")之下游。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述之設備，其特徵為，該第二加熱段(4")為直接置於進入該熔爐(1)之該金屬材料(5)之裝料區(10)之上游。
  4. 根據申請專利範圍第2項或第3項所述之設備，其特徵為，該第一加熱段(4')包括主動式加熱構件(6)，其為朝向該第一層(5')，用以加熱該第一層(5')本身。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述之設備，其特徵為，該主動式構件(6)包括燃燒器(6)，該燃燒器為作用於該供料線(L)。
  6. 根據申請專利範圍第2項或第3項所述之設備，其特徵為，該第一加熱段(4)包括被動式加熱構件(7)，該被動式加熱構件為朝向該第一層(5')，用 以加熱該第一層(5')本身。
  7. 根據申請專利範圍第2項至第6項所述之一或多項之設備，其特徵為，該第二加熱段(4")包括被動式加熱構件(7)，其為朝向該第二層(5")，用以加熱該第二層(5")本身。
  8. 根據申請專利範圍第6項或第7項所述之設備，其特徵為，該被動式構件(7)包括從該熔爐(1)離開之熱氣(9)或氣體。
  9. 根據申請專利範圍第6項與第8項所述之設備，其特徵為，包括該熱氣(9)之偏向裝置(29)與導管構件(12、25)，適用於使該熱氣(9)本身從該熔爐(1)輸送至該第一加熱段(4')，該等構件為對應該第一加熱段(4')本身之出口部(22)。
  10. 根據申請專利範圍第7項與第8項所述之設備，其特徵為，包括該熱氣(9)之偏向裝置(29)，用於使該相同熱氣(9)導向該第二層(5")。
  11. 根據申請專利範圍第2項至第10項所述之一或多項之設備，其特徵為，該第一加熱段(4')亦包括導管構件(20、24、12；20、26、12)，適用於輸送及排出從該第一加熱段(4')本身離開之排放熱氣(9')。
  12. 一種用於連續供應預熱金屬材料(5)至熔爐(1)所述之程序，包括供應階段，用以沿著至少一供料線(L)，連續供應該預熱金屬材料(5)至該熔爐(1)；其特徵為，該程序包括下列階段：形成該金屬材料之至少一第一層(5')於該供料線(L)上面，且對其直接加熱；及連續快速形成該預熱金屬材料5之至少一第二層(5")，且直接加熱該第二層(5")，該第二層為重疊於有關該第一層(5')上面。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述之程序，其特徵為，在該預熱金屬材料(5)裝填入該熔爐(1)以前，該第二層(5")之加熱階段立即實施。
  14. 根據申請專利範圍第12項或第13項所述之程序，其特徵為，該第一層(5') 之該加熱階段為透過利用導向該第一層(5')本身之燃燒器構件(6)實施。
  15. 根據申請專利範圍第12項或第13項所述之程序，其特徵為，該第一層(5')之該加熱階段為利用從該熔爐(1)離開之熱氣(9)或氣體實施，並傳送至該第一層(5')本身。
  16. 根據申請專利範圍第12項至第15項所述之一或多項之程序，其特徵為，該第二層(5")之該加熱階段為利用從該熔爐(1)離開之熱氣(9)或氣體實施，並傳送至該第二層(5")本身。
  17. 根據申請專利範圍第12項至第16項所述之一或多項之程序，其特徵為，亦包括排出階段，排出由該等第一、第二層(5'、5")之該加熱階段所產生之該排放熱氣(9')。
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