直接熔煉工藝的製作方法
2023-10-26 01:08:17 3
專利名稱：直接熔煉工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種工藝，該工藝在一個含有熔浴的冶金容器中，由含金屬餵入材料如礦石、部分還原過的礦石和含金屬的廢棄礦來生產熔化金屬(該術語包括金屬合金)，儘管決不特別指鐵，但主要用於煉鐵。
本發明特別涉及一個為由含金屬餵入材料生產熔化金屬而採用的以熔化金屬浴為基礎的直接熔煉工藝。
最廣泛地使用的生產熔化鐵的工藝是以採用高爐為基礎的。將固體材料加到爐子的頂部，使熔化的鐵從爐膛中流出。固體材料包括鐵礦石(呈氧化鐵皮、塊狀或團礦形式)、焦炭和助熔劑，它們形成了一種可透氣的向下移動的裝料。將可以是富氧的預熱空氣注入爐子底部，並且通過可透氣的床向上流動，通過焦炭燃燒產生一氧化碳和熱。這種反應的結果是產生熔化的鐵和礦渣。
通過在鐵的沸點以下對鐵礦石進行還原而生產鐵的工藝通常被分類為「直接還原工藝」，並且其產品特別稱為DRI。
FIOR(流體鐵礦石還原)工藝是直接還原工藝的一個實例。當鐵礦石小顆粒由重力餵入一連串流化床反應器中的各反應器中時，該工藝將鐵礦石小顆粒進行還原，該小顆粒在固態下由壓縮還原氣體還原，該還原氣體從這一串反應器的最下一個反應器的底部進入，並且與小顆粒的向下運動逆向地流動。
其它的直接還原工藝包括移動豎爐工藝、靜止豎爐工藝、轉爐工藝、轉窯工藝和甑爐工藝。
COREX工藝包括一個作為一個步驟的直接還原工藝。COREX工藝直接從煤產生熔化鐵，而不是象高爐那樣需要焦炭。COREX工藝包括2-步驟的操作，其中a在一個豎爐中由一種可透氣的鐵礦床(以團狀或塊狀的形式)和助熔劑生產DRI；以及b在不冷卻的條件下將DRI裝入相連的熔爐煤氣發生器，並且將其熔化。
在熔爐煤氣發生器的流化床中的煤所發生的部分燃燒產生了需要用於豎爐的還原氣體。
另一個已知的生產鐵的工藝組是以氣旋轉爐為基礎的，其中鐵礦通過氧氣和在一個上部熔爐旋風器中的還原氣體的燃燒而熔化，並且在一個含有熔化鐵浴的下部熔爐中進行熔煉。下部熔爐產生上部熔爐旋風器所需要的還原氣體。
直接從礦石(和部分還原的礦石)生產熔化金屬的工藝通常稱作「直接熔煉工藝」。
一組已知的直接熔煉工藝採用電爐作為熔煉反應的主要能源。
另一種已知的通常稱為Romelt工藝的直接熔煉工藝，採用大體積、高度攪拌的礦渣浴作為一種介質，用於將頂部裝填的金屬氧化物熔煉成金屬、使氣體反應產物進行後燃燒以及傳遞連續熔鍊金屬氧化物所需要的熱量。該Romelt工藝包括通過一排下部噴嘴將富氧空氣或氧氣注入礦渣中，以提供礦渣的攪拌，同時還包括通過一排上部噴嘴將氧氣注入礦渣中，以促進後燃燒。在Romelt工藝中金屬層不是一種重要的反應介質。
另一組以礦渣為基礎的直接熔煉工藝通常稱為「深礦渣」工藝。這些工藝如DIOS和AISI工藝，是基於形成深的礦渣層。正如Romelt工藝那樣，在礦渣層之下的金屬層不是一種重要的反應介質。
另一個已知的直接熔煉工藝依靠一個熔化金屬層作為反應介質，這種工藝通常稱為HIsmelt工藝，該工藝已以申請人的名義，描述於國際專利申請PCT/AU96/00197(WO96/31627)中。
在國際專利申請中所描述的HIsmelt工藝包括a在容器中形成一個具有一個金屬層和在該金屬層上的一個礦渣層的熔化浴；b在該浴中注入(i)一種含金屬的餵入材料，一般為金屬氧化物；和(ii)一種固體的含碳材料，一般為煤，該種材料作為一種金屬氧化物的還原劑和一種能源；和c將金屬層中的含金屬餵入材料熔煉成金屬。
HIsmelt工藝還包括後燃燒反應氣體，如CO和H2，這些氣體帶著含氧氣體從浴中散發到浴上部的空間中，並且將後燃燒所產生的熱量傳遞給浴，為熔煉含金屬餵入材料提供所需的熱能。
HIsmelt工藝還包括在浴的標稱靜止表面上形成一個過渡區域，在此過渡區域中有上升並隨後下降的熔化金屬和礦渣的熔滴或飛濺或湧流，從而為將在浴之上的後燃燒反應氣體所產生的熱能傳遞到浴中提供了一種有效的介質。
一種優選HIsmelt工藝形式的特徵是通過噴管將載體氣體、含金屬餵入材料、固體含碳材料和可任選的助熔劑注入到浴中而形成一個過渡區域，該噴管向下向內延伸，通過容器的側壁，這樣載體氣體和固體材料穿過金屬層，並且使得熔化的材料從浴中噴出。
這種形式的HIsmelt工藝比以前的工藝形式有所改進，它是通過將載體氣體和固體含碳材料由噴管從底部注入到浴中而形成過渡區域的，這使得熔化材料的熔滴、飛濺和湧流從浴中噴出。
本申請人已對上述的優選HIsmelt工藝形式進行了大量的中間工廠試驗，並且取得了一系列與該工藝相關的重要發現。
本申請人取得的發現之一，也是形成本發明基礎的是通過將固體材料/載體氣體注入到熔浴中而引起的從浴中向上流動氣體的流量，在金屬層和爐渣層的交界處(在靜止條件下)應該至少為0.3/Nm3/s/m2，以便建立過渡區域，以有效的速度傳遞熱量給熔浴。
傳熱效率是度量由後燃燒所產生並傳遞給熔浴的能量大小的尺度。它還是度量由後燃燒所產生並從容器中損失的能量(經排出高於浴溫度的廢氣和經容器的側壁和頂部傳出的熱量)大小的尺度。
從浴中流出氣體的最小流量在金屬層和爐渣層的交界處為0.3/Nm3/s/m2，確保了足夠的上浮力，從熔浴中進入到過渡區域的熔化材料的熔滴、飛濺和湧流使下列指標達到最佳a.經熔化材料的熔滴、飛濺和湧流隨後落下而導致的傳給熔浴的熱量，和b.熔化材料與容器側壁的接觸，這種接觸形成了一個爐渣保護層，減小了容器中的熱損失。
考慮到本發明的優選容器結構時上述的b條特別重要，這種優選結構包括水冷卻板和耐火磚，其中水冷卻板形成容器上部圓筒形部分的側壁，並且還可以選擇形成該圓筒形部分的頂部，水冷耐火磚形成容器下部的圓筒形部分的側壁。
一般說來，本發明是一種用於在一個固定的即非轉動的冶金容器中，由一種含金屬餵入材料生產金屬的直接熔煉工藝，該工藝包括的步驟為a.在容器中形成一個具有一個金屬層和在該金屬層上面的一個爐渣層的熔浴；b.由一個或多個向下延伸的噴嘴/噴管將含金屬餵材料和/或固體含碳材料與載體氣體一起注入熔浴中，並且熔煉熔浴中的含金屬材料，固體和氣體的注入從而引起熔浴中產生氣流，該氣流在在靜止條件下的金屬層和爐渣層交界處的流量至少為0.3/Nm3/s/m2，該氣流將熔化的材料帶入熔浴中，並且將熔化的材料以熔滴、飛濺和湧流的形式向上帶起，在容器中爐渣層上部的氣體連續空間中形成一個過渡區域，從而使熔化材料的飛濺、熔滴和湧流與容器的側壁接觸，形成一個爐渣保護層，和c.通過一個或多個噴嘴/噴管將含氧氣體注入容器中，並且將從熔浴中放出的反應氣體進行後燃燒，從而使升起並隨後落下的熔化材料的熔滴、飛濺和湧流促進了對熔浴的熱傳遞，這樣，過渡區域使得從容器中經過與過渡區域接觸的側壁所損失的輻射熱達到最小。
在在靜止條件下的金屬層與爐渣層的交接面處的上述氣體流量至少為0.3/Nm3/s/m2，這一從浴中流出的氣體流量遠高於上述的Romelt工藝和深爐渣工藝如DIOS和AISI工藝中的相應流量，這是本發明的工藝與已知直接熔煉工藝的一個很重要的不同之處。
以個案進行比較，Ibaraki等人的美國專利5,078,785(受讓於Nippon鋼鐵公司)揭示了一個採用轉動容器的特殊形式深爐渣工藝，並且揭示了為對金屬浴進行攪拌，從底部將氣體注入金屬層。出現在第14列第17行的段落揭示了由底部氣體注入所產生的「金屬浴攪拌力」不會大於6Kw/t。該美國專利揭示了在更高水平的攪拌條件下，將會產生大量不理想的鐵灰塵。以第14列21行所提供的段落為信息基礎，最大的金屬浴攪拌力6Kw/t對應著最大的從浴中流出的氣體流量在金屬層與爐渣層的交接面處為0.12/Nm3/s/m2。這一最大氣流大大低於本發明0.3/Nm3/s/m2的最小流量。
優選的工藝包括主要在金屬層中將含金屬材料熔煉成金屬。
最好步驟b中固體和氣體的注入引起來自熔浴中的氣流基本上穿過在靜止條件下的金屬層與爐渣層的交接面。
最好該氣流流量在在靜止條件下的金屬層與爐渣層的交接面處至少為0.35/Nm3/s/m2，更好為0.5/Nm3/s/m2。
最好該氣流流量在在靜止條件下的金屬層與爐渣層的交接面處小於0.90/Nm3/s/m2。
典型地，熔化材料的熔滴、飛濺和湧流向上運動時帶起了更多的熔化金屬(特別是爐渣)。
典型地，在熔化材料的熔滴、飛濺和湧流中，爐渣是熔化材料的主要部分，而熔化的金屬是熔化材料的剩餘部分。
術語「熔煉」在此理解為進行熱加工，其中發生使金屬氧化物還原的化學反應，以便生產液態的金屬。
術語「金屬層」在此理解為浴中的一個區域，其中金屬佔大多數。特別是，該術語涵蓋的區域和範圍包括帶有分散熔化爐渣的一個金屬連續的體積。
術語「爐渣層」在此理解為浴中的一個區域，其中爐渣佔大多數。特別是，該術語涵蓋的區域和範圍包括帶有分散熔化金屬的一個爐渣連續的體積。
最好過渡區在爐渣層之上延伸。
碳在金屬中的溶解水平最好大於4％重量比。
FeO在爐渣層的濃度最好小於5％重量比。
在該工藝中最好還包括讓注入熔浴中的固體含碳材料的數量大於熔煉含金屬餵入材料和產生熱量維持反應率所需要的數量，這樣在離開容器的廢氣中所攜帶的灰塵中至少還含有過量的碳。
當廢氣中灰塵產生的速率為10到50g/Nm3時，離開容器的廢氣中灰塵的固體碳的濃度最好在5到90％重量比(更好為20到50％重量比)的廢氣中灰塵重量的範圍內。
含金屬材料和含碳材料的注入可以通過同一個噴嘴/噴管或分離的噴嘴/噴管來進行。
過渡區域與爐渣層有相當的不同之處。示意性地進行說明就是，在穩定操作的工藝條件下，爐渣層包括在液體連續體積中的氣泡，而過渡區域包括在氣體連續體積中的熔化材料，主要為爐渣的熔滴、飛濺和湧流。
最好是讓本工藝的步驟c中的產生於熔浴中的後燃燒反應氣體，如一氧化碳和氫氣，處於熔浴表面之上的頂部空間中(包括過渡區域)，並且將後燃燒所產生的熱量傳遞給熔浴，以維持熔浴的溫度，而從熔浴內的內熱反應來看，這是最基本的。
最好設置一個或多個注入含氧氣體的噴嘴/噴管，以便將含氧氣體注入到容器的中間區域。
含氧氣體可以是氧氣、空氣或體積含氧量達到40％以上的富氧空氣。
含氧氣體最好是空氣。
該空氣最好是經預熱的。
典型地，將該空氣預加熱到1200℃。
該空氣可以是富氧的。
最好該工藝的步驟c在高水平的後燃燒下，即至少為40％的後燃燒下進行，其中後燃燒定義為[CO2]+[H2O][CO2]+[H2O]+[CO]+[H2]]]>其中[CO2]＝CO2在廢氣中的體積％；[H2O]＝H2O在廢氣中的體積％；[CO]＝CO在廢氣中的體積％；和[H2]＝H2在廢氣中的體積％。
在某些情況下，可以將補充的固體或氣體含碳材料(如煤或天燃氣)注入來自容器的廢氣中，以便以化學能的形式獲取熱能。
一個這種補充注入含碳材料的實例是注入天燃氣，天燃氣分解、改良並冷卻廢氣，同時天燃氣本身的燃料值增加。
補充的含碳材料可以加到容器的上部區域或在廢氣離開容器後加到廢氣中。
最好該工藝在後燃燒大於50％的條件下，更好是在後燃燒大於60％的條件下進行操作。
最好，一個或多個噴嘴/噴管通過容器的側壁傾斜向下向內地朝著金屬層延伸。
最好注入含氧氣體的一個或多個噴嘴/噴管的位置和操作參數和控制過渡區域的工作參數是這樣選擇
a.含氧氣體向著過渡區域注入，並且穿過過渡區域；b.過渡區域圍繞著噴嘴/噴管的下部向上延伸，這樣一定程度將容器的側壁屏蔽在各噴嘴/噴管端部所產生的燃燒區域之外；c.在各噴嘴/噴管的端部周圍，有一個不含金屬和爐渣的稱之為「自由空間」的氣體連續空間。
上述的c條是一個重要的特徵，因為它使得容器頂部的反應氣體可以被抽入到各噴嘴/噴管的端部並在此區域後燃燒。
最好本工藝保持一個相對高(但不是太高)的爐渣存量並且用爐渣的數量作為控制工藝過程的方法。
術語「相對高的爐渣存量」可以理解為容器中爐渣的數量是相對於金屬數量而言的。
最好，當該工藝在穩定條件下操作時，金屬與爐渣的重量比為4∶1到1∶2。
更好地，金屬∶爐渣在3∶1到1∶1之間。
金屬∶爐渣最好在2∶1到1∶1之間。
術語「相對高的爐渣存量」還可以理解為容器中爐渣的深度。
該工藝最好包括，在穩定條件下，通過將爐渣層控制在0.5到4米的深度來保持高的爐渣存量。
更好的是該工藝包括，在穩定條件下，通過將爐渣層控制在1.5到2.5米的深度來保持高的爐渣存量。
特別好的是該工藝包括，在穩定條件下，通過將爐渣層控制在至少1.5米的深度來保持高的爐渣存量。
熔浴中的爐渣層的爐渣量對富含爐渣的過渡區域的爐渣量有一個直接的影響。
在減少由從過渡區域到容器側壁的輻射熱損失方面，爐渣是重要的。
如果爐渣存量太低，將會使金屬更多地暴露在富含爐渣的過渡區域中，從而增加金屬的氧化和降低後燃燒的潛力。
如果爐渣存量太高，則一個或多個含氧氣體注入噴嘴/噴管就會被埋藏在過渡區域中，這就降低了頂部空間反應氣體向各噴嘴/噴管端部的移動，其結果就是降低了後燃燒的潛力。
根據本發明，提供了一種固定的即非轉動的容器，通過直接熔煉工藝該容器由含金屬餵入材料生產金屬，該容器裝有一個熔浴，該熔浴有一個金屬層和一個在該金屬層之上的爐渣層，並且在該爐渣層之上有一個氣體連續的空間，該容器包括a.一個殼體；b.一個由耐火材料形成的爐膛，該爐膛有一個基座和多個側面，此底座和側面與熔浴相接觸；c.從爐膛的側面向上延伸的側壁，該側壁與爐渣層和氣體連續空間相接觸，其中與氣體連續空間相接觸的側壁包括水冷卻板和一層在該板上的爐渣；d.一個或多個向下延伸到容器中並將含氧氣體注入到容器中的金屬層之上的噴嘴/噴管；e.一個或多個向下並向內延伸到容器中的噴嘴/噴管，這些噴嘴/噴管至少將一部分帶載體氣體的含金屬餵入材料和/或一種含碳材料注入到熔浴中，這樣來自浴中的氣體流量在在靜止條件下的金屬層與爐渣層的交接面處至少為0.3/Nm3/s/m2，而且使得來自金屬層和爐渣層的熔化材料向上浮起；f.由上升並隨後下降的熔化材料的熔滴、飛濺和湧流所形成的過渡區域存在於爐渣層上部的氣體連續空間中，其中一些熔滴、飛濺和湧流與容器的側壁相接觸，並在該側壁上形成一層熔化材料；和g.一種從容器中放出熔化金屬和爐渣的裝置。
最好通過噴嘴/噴管注入固體和氣體，使得從熔化浴產生的氣體基本上穿過在靜止的條件下的金屬層和爐渣層的分界。
最好該容器包括一個圓筒形的爐膛和側壁，從而形成一個從爐膛處延伸的圓柱形圓筒。
含金屬的餵入材料可以是任何適當形式的適當材料。優選的含金屬餵入材料是一種含鐵的材料。含鐵材料的形式可以是礦石、部分還原的礦石、DRI(直接還原的鐵)、碳化鐵、熱軋鋼錠表面的氧化皮、高爐灰塵、氧化鐵皮粉末、BOF灰塵或這些材料的混合物。
在部分還原礦石的情況下，預還原程度的範圍可以從相對較低(如FeO)的水平到相對較高的水平(如70到95％的金屬量)。
在這方面，該工藝還包括部分還原含金屬礦石並隨後將部分還原的礦石注入到熔浴中。
含金屬餵入材料可以預熱。
載體氣體可以是任何適當的載體氣體。
最好載體氣體是一個缺氧的氣體。
最好載體氣體由氮氣組成。
本發明將以實施例的方式並參考以下示圖進一步得以描述，其中
圖1是一個冶金容器的垂直剖面圖，它示意地顯示了本發明工藝的一個優選實施例；圖2是一個反應熱傳遞效率與來自浴中的氣體流量之間關係的坐標圖，對應於申請者所做的中間工廠試驗的系列試驗8.1；和圖3是一個反應熱傳遞效率與來自浴中的氣體流量之間關係的坐標圖，對應於申請者所做的中間工廠試驗的系列試驗8.2。
下面的描述是關於熔煉鐵礦石來生產熔化鐵的，應該理解本發明不僅限於本應用實例，而是適應於任何適當的金屬礦石和/或濃度-包括部分還原金屬礦石和廢的下腳料材料。
由圖1所示的容器是一個固定的即非轉動的容器，它具有一個圓柱形圓筒爐膛，該爐膛包括由耐火材料形成的一個基座3和側面55；側壁5形成一個大體為圓柱形的圓筒，該圓筒從爐膛的側面55處開始向上延伸，該圓筒包括一個上部圓筒部分51和一個下部圓筒部分53；一個頂部7；一個用來放出廢氣的出口9；一個前爐膛81，該前爐膛可以連續地排出熔化的金屬；一個前連接通道71，該通道將爐膛與前爐膛81連通；和一個排出孔61，用於排出熔化的爐渣。
在使用中，該容器裝有鐵和爐渣的熔浴，該熔浴包括一個熔化鐵層15和在該金屬層15之上的一個熔化爐渣層16。由數字17標示的箭頭指示了金屬層15的標稱靜態表面，而由數字19標示的箭頭指示了爐渣層16的標稱靜態表面。術語「靜態表面」理解為當沒有氣體和固體注入到容器中時的表面。
該容器還包括2個固體注入噴嘴/噴管11，它們以與垂直方向呈30-60°的角度通過側壁5向下並且向內延伸至爐渣層16處。噴嘴/噴管11的位置選擇使得其下端處於在穩定狀態的工藝條件下鐵層15的靜態表面17之上。
在使用中，通過噴嘴/噴管11，由載體氣體(典型為N2)所攜帶的鐵礦石、固體的含碳材料(典型為煤)和助熔劑(典型為石灰和氧化鎂)被注入金屬層15中。固體材料/載體氣體的動量引起固體材料和氣體穿過金屬層15。煤被脫去揮發成份並且在金屬層15中產生氣體。碳被部分地溶於金屬中，而部分仍保持為固體碳。鐵礦石被熔煉成金屬並且熔煉反應產生一氧化碳氣體。這些氣體被輸送到金屬層15中並且通過液化作用和熔煉使熔化金屬、固體碳和爐渣在金屬層15處產生意義重大的上浮(在固體/氣體注入之後落入金屬層15)，這樣就使熔化材料的熔滴、飛濺和湧流產生了向上運動，而這些熔滴、飛濺和湧流在通過爐渣層16時又帶動了爐渣運動。
本申請人在中間工廠試驗中發現，在金屬層15的靜止金屬層表面之處(即在靜態條件下在金屬層15和爐渣層16的交界面處)，從熔浴中所產生的氣體的流量至少為0.3/Nm3/s/m2，最好是大體穿過該區域，引起在金屬層15和爐渣層16中產生基本的攪拌，其結果是a.爐渣層16的體積膨脹，並且具有一個由箭頭30所示的表面；和b.金屬層15和爐渣層16都基本上是均質的，在各層中都具有相當均勻的溫度，典型地，該溫度為1450℃到1550℃，並且在各層中都具有相當均勻的成份。
另外，該申請人在中間工廠試驗中發現，上述的氣體流量和所產生的熔化材料和固體碳的上浮導致；a.形成一個過渡區域23；和b.將一些熔化材料(主要是爐渣)噴射越過過渡區域並且噴射到側壁5的上部圓筒形部分51，該圓筒形部分在過渡區域23之上並且達到頂部7上。
一般說來，爐渣層16是一個液體連續的體積，其中存在有氣泡，而過渡區域23是一個氣體連續的體積，其中帶有熔化金屬和爐渣的熔滴、飛濺和湧流。
該容器還包括一個用來注入含氧氣體(典型為預熱的富氧空氣)的噴管13，該噴管位於中心位置並且在容器中垂直向下延伸。選擇噴管13的位置和通過噴管13的氣體流量，使得在穩定狀態工藝條件下，含氧氣體穿過過渡區域23的中心區域，並且維持在噴管13端部周圍的基本無金屬/爐渣的自由空間。
在使用中，通過噴管13所注入的含氧氣體使得在過渡區域23中和在噴管13端部周圍的自由空間25中的反應氣體CO和H2發生後燃燒，並且在氣體空間中產生約為2000℃或更高的高溫。熱量傳給上升並隨後下降的氣體注入區域的熔化材料的熔滴、飛濺和湧流，並且當金屬/爐渣反回到鐵層15中時，部分熱量又被傳遞到鐵層15中。
自由空間25對達到高水平後燃燒即大於40％的後燃燒是很重要的，因為它能夠將在過渡區域23之上的空間中的氣體帶入到噴管13的端部，從而使可得到的反應氣體更多地暴露以便後燃燒。
噴管13的位置、通過噴管13的氣體流量以及熔化材料的熔滴、飛濺和湧流的向上運動的綜合效果，是為了在圍繞著噴管13的下部區域形成過渡區域23，而該在噴管13下部的區域總體由標數27表示。這種形成的區域提供了部分障礙以阻止熱量通過輻射被傳遞到側壁5上。
另外，上升和下降的熔化材料的熔滴、飛濺和湧流是一種有效的方法，將熱量從過渡區域23傳遞到熔浴中，其結果是使得在側壁5區域中的過渡區域23的溫度約為1450-1550℃。
該容器是參照當該工藝在穩定工藝條件下操作時容器中金屬層15、爐渣層16和過渡區域23的水平面，並且參照當該工藝在穩定操作條件下進行操作時，噴射到過渡區域之上的頂部空間31的熔化材料的熔滴、飛濺和湧流來構成的，這樣a.與金屬/爐渣層15/16相接觸的側壁5的爐膛和圓筒形部分下部53是由耐火磚形成的(在圖中用交叉陰影線表示)；b.至少側壁5的圓筒形部分下部53的一部分由水冷卻的板8支撐；和c.與過渡區域23和頂部空間31相接觸的側壁5的圓筒形上部51和頂部7是由水冷卻的板57、59形成的。
每一塊水冷卻板8、57、59有平行的上下邊緣和平行的側邊緣，並且是彎曲的，從而形成圓柱形圓筒的一部分。每一塊板包括一個內部水冷卻管和一個外部水冷卻管。該水管為蛇形結構，其水平部分由彎曲部分連通。各管還包括一個水進口和一個水出口。這些管子在垂直方向上放置，這樣當從板的暴露表面觀察時，即從暴露於容器內部的表面觀察時，外部管的水平部分不直接在內部管的水平部分之後。各板還包括一種夯實的耐火材料，這種耐火材料填充著各管相鄰的豎直截面之間的空間和各相鄰管之間的空間。
管子的水進口和水出口與供水迴路(沒有顯示)相連，該供水迴路使得以很大的流量流過管子的水進行循環。
涉及以上作為一個系列的擴展系列試驗的中間工廠試驗是由本申請人在位於Kwinana，Western Austrialia的試驗工廠進行的。
所進行的中間工廠試驗採用圖1所示和上述的容器，並且依照上述的工藝條件進行。特別地，該工藝通過前爐膛81連續地排出熔化的鐵，並且通過排出孔61周期地排出熔化的爐渣。根據本發明，要注意的是爐膛的直徑是2.74米。
中間工廠試驗對容器進行了評估並且在大範圍內研究了在以下不同條件下的工藝a.餵入材料；b.固體和氣體的注入速率；c.爐渣存量-根據爐渣層的厚度和爐渣∶金屬的比例來度量；d.操作溫度；和e.設備的裝配。
圖2和圖3的坐標圖表示的是在兩個試驗工廠的系列試驗中的熱傳遞率(THE-TS)與來自浴中的氣體的流量(表示為kNm3/h)的關係。
熱傳遞效率是由後燃燒所產生的、傳遞給熔浴的能量數量除以後燃燒所產生的總能量後以百分比表示的數。如果廢氣基本上處於浴的溫度，則完全可以說高的熱傳遞效率表示從容器中損失低的熱量(主要經側壁而發生)。
從圖2和圖3很明顯可以看出，當來自浴的氣體流量約為7.5kNm3/h時，熱傳遞效率有一個迅速的增加。該數值對應著在靜態條件下的金屬層15與爐渣層16交界處的流量為0.32/Nm3/s/m2。
可以對所描述的本發明的實施例進行多種改進，而不脫離本發明的理論實質和範圍。
由於通過噴嘴/噴管11而將固體材料/載體氣體注入，本發明的優選實施例從金屬層中產生來自浴中的氣體流，與此同時，本發明擴展到了這樣的配置，其中由底部/側面注入的氣體對來自浴中的氣體的影響是次要的。
權利要求
1.一種用於在一個固定的即非轉動的冶金容器中，由一種含金屬餵入材料生產金屬的直接熔煉工藝，該工藝包括的步驟為a.在容器中形成一個具有一個金屬層和在該金屬層上面的一個爐渣層的熔浴；b.由一個或多個向下延伸的噴嘴/噴管將含金屬餵入材料和/或固體含碳材料與載體氣體一起注入熔浴中，並且熔煉熔浴中的含金屬材料使其成為金屬，固體和氣體的注入從而引起熔浴中產生氣流，該氣流在在靜止條件下的金屬層和爐渣層交界處的流量至少為0.3/Nm3/s/m2，該氣流夾帶熔浴中的熔化的材料，並且將熔化的材料以熔滴、飛濺和湧流的形式向上帶起，在容器中爐渣層上部的氣體連續空間中形成一個過渡區域，從而使熔化材料的飛濺、熔滴和湧流與容器的側壁接觸，形成一個爐渣保護層，和c.通過一個或多個噴嘴/噴管將含氧氣體注入容器中，並且將從熔浴中放出的反應氣體進行後燃燒，從而使升起並隨後落下的熔化材料的熔滴、飛濺和湧流促進了對熔浴的熱傳遞，這樣，過渡區域使得從容器中經過與過渡區域接觸的側壁所損失的輻射熱達到最小。
2.根據權利要求1所述的工藝，其特徵在於，包括主要在金屬層中將含金屬材料熔煉成金屬。
3.根據權利要求1或2所述的工藝，其特徵在於，步驟b中固體和氣體的注入引起來自熔浴中的氣流基本上穿過在靜止條件下的金屬層與爐渣層的交接面。
4.根據前述任一權利要求所述的工藝，其特徵在於，氣流流量在在靜止條件下的金屬層與爐渣層的交接面處至少為0.35/Nm3/s/m2。
5.根據前述任一權利要求所述的工藝，其特徵在於，氣流流量在在靜止條件下的金屬層與爐渣層的交接面處小於0.5/Nm3/s/m2。
6.根據前述任一權利要求所述的工藝，其特徵在於，過渡區域在爐渣層之上。
7.根據前述任一權利要求所述的工藝，其特徵在於，碳在金屬中的溶解水平大於4％重量比。
8.根據前述任一權利要求所述的工藝，其特徵在於，FeO在爐渣層的濃度最好小於5％重量比。
9.根據前述任一權利要求所述的工藝，其特徵在於，還包括讓注入熔浴中的固體含碳材料的數量大於熔煉含金屬餵入材料和產生熱量維持反應率所需要的數量，這樣在離開容器的廢氣中所攜帶的灰塵中至少還含有過量的碳。
10.根據權利要求9所述的工藝，其特徵在於，當廢氣中灰塵產生的速率為10到50g/Nm3時，離開容器廢氣中的灰塵的固體碳的濃度在5到90％重量比，更好為20到50％重量比的廢氣中灰塵重量的範圍內。
11.根據前述任一權利要求所述的工藝，其特徵在於，在步驟b中含金屬材料和含碳材料的注入通過同一個噴嘴/噴管或分離的噴嘴/噴管來進行。
12.根據前述任一權利要求所述的工藝，其特徵在於，含氧氣體是氧氣、空氣或體積含氧量最大達40％的富氧空氣。
13.根據前述任一權利要求所述的工藝，其特徵在於，該工藝的步驟c在高水平的後燃燒下，即至少為40％的後燃燒下進行，其中後燃燒定義為[CO2]+[H2O][CO2]+[H2O]+[CO]+[H2]]]>其中[CO2]＝CO2在廢氣中的體積％；[H2O]＝H2O在廢氣中的體積％；[CO]＝CO在廢氣中的體積％；和[H2]＝H2在廢氣中的體積％。
14.根據前述任一權利要求所述的工藝，其特徵在於，步驟b包括通過一個或多個噴嘴/噴管將固體和氣體注入到熔浴中，這些噴嘴/噴管通過容器的側壁，並且傾斜地向下並向內朝著金屬層延伸。
15.根據前述任一權利要求所述的工藝，其特徵在於，步驟c包括通過一個或多個噴嘴/噴管，將含氧氣體注入到容器中，這樣a.含氧氣體向著過渡區域注入，並且穿過過渡區域；b.過渡區域圍繞著噴嘴/噴管的下部向上延伸，這樣一定程度將容器的側壁屏蔽在各噴嘴/噴管端部所產生的燃燒區域之外；c.在各噴嘴/噴管的端部周圍，有一個不含金屬和爐渣的稱之為「自由空間」的氣體連續空間。
16.一種固定的即非轉動的容器，通過直接熔煉工藝該容器由含金屬餵入材料生產金屬，該容器容納一個熔浴，該熔浴有一個金屬層和一個在該金屬層之上的爐渣層，並且在該爐渣層之上有一個氣體連續的空間，該容器包括a.一個殼體；b.一個由耐火材料形成的爐膛，該爐膛有一個基座和多個側面，此底座和側面與熔浴相接觸；c.從爐膛的側面向上延伸的側壁，該側壁與爐渣層和氣體連續空間相接觸，其中與氣體連續空間相接觸的側壁包括水冷卻板和一層在該板上的爐渣；d.一個或多個向下延伸到容器中並將含氧氣體注入到容器中的金屬層之上的噴嘴/噴管；e.一個或多個向下並向內延伸到容器中的噴嘴/噴管，這些噴嘴/噴管至少將一部分帶載體氣體的含金屬餵入材料和/或一種含碳材料注入到熔浴中，這樣來自浴中的氣體流量在在靜止條件下的金屬層與爐渣層的交接面處至少為0.3/Nm3/s/m2，而且使得來自金屬層和爐渣層的熔化材料向上浮起；f.由上升並隨後下降的熔化材料的熔滴、飛濺和湧流所形成的過渡區域，存在於爐渣層上部的氣體連續空間中，其中一些熔滴、飛濺和湧流與容器的側壁相接觸，並在該側壁上形成一層熔化材料；和g.一種從容器中放出熔化金屬和爐渣的裝置。
17.根據權利要求16所述的容器，其特徵在於，通過噴嘴/噴管注入固體和氣體，使得從熔化浴產生的氣體基本上穿過在靜止的條件下的金屬層和爐渣層的分界。
18.根據權利要求16或17所述的容器，其特徵在於，該容器包括一個圓筒形的爐膛和側壁，從而形成一個從爐膛處延伸的圓柱形圓筒。
全文摘要
本發明涉及用於從一種含金屬餵入材料製造金屬的一種直接熔煉工藝和一種固定的即非轉動的冶金容器。該工藝是以熔浴為基礎的,其中包括通過一個或多個噴嘴和噴管(11)將固體餵入材料連同載體氣體一起注入熔浴中,並且引起氣流流出熔浴,該氣流在熔浴中金屬層15與爐渣層16的交界處的流量至少為0.3Nm
文檔編號C21B13/00GK1308137SQ0013386
公開日2001年8月15日 申請日期2000年9月27日 優先權日1999年9月27日
發明者羅賓·J·巴特哈姆 申請人:技術資源有限公司