在豎爐中熔鍊金屬爐料的方法
2023-06-13 16:19:01
專利名稱：在豎爐中熔鍊金屬爐料的方法
用預熱的空氣和相當純的氧氣燃燒，並且煙氣逆流加熱金屬料，而且其中熔化物在焦炭床層中過熱並滲碳。
本發明涉及在豎爐中熔鍊金屬爐料的方法，其中焦炭，儘管開發出電加熱和火焰加熱熔煉的方法，但仍在焦炭加熱的豎式爐中熔鍊金屬和非金屬原料，如鐵金屬和有色金屬、玄武巖和輝綠巖，因此，當今全部鐵材料的約60％仍是在化鐵爐中生產的。
化鐵爐的這種高市場佔有率的原因在於其不斷的進一步發展，其中在許多已知方法的改進中，熱風化鐵爐的開發和氧氣的使用具有重要意義。
因此，例如通過開發熱風化鐵爐大大彌補了冷鼓風化鐵爐的工藝過程缺陷和冶金缺陷，如——鐵溫度低——矽的燃耗高——滲碳性低——焦炭消耗高——硫吸收作用大——耐火材料磨耗高。
通過使用氧氣也取得了相似的改進，其中氧氣或者通過使化鐵爐鼓風中增濃最高達25％，或者通過以亞聲速直接注入而鼓入化鐵爐中。然而，由於操作費用高，氧氣只能是間斷地使用，例如，以使冷化鐵爐迅速啟動或在有限的時間內使鐵的溫度升高。只有在特殊情況才有可能提高熔煉能力，即連續使用氧氣。
儘管引入了這些方法的改進措施，但——熔煉產量——鐵的溫度——焦炭加料在最佳操作點時，仍有可能僅在非常窄的範圍內變化。
熔煉能力和鼓風量以及氧氣加入量之間的關係用已知的Jungbluth方程描述。該方程得自質量和能量的產生，其中焦炭加料和燃燒比必須經驗似地對每一個化鐵爐進行確定。
將各種參數，即鼓風量、焦炭加料和燃燒比與目標參數相聯繫，即得出相同焦炭加料和相同鼓風量曲線的熔煉產量1。
所謂的Jungbluth圖，即這種熔煉產量圖必須對每一個化鐵爐經驗地確定。套用於另一個化鐵爐是不可能的，這是因為當邊界條件，如焦炭粒度、焦炭的反應活性、進料組成、鼓風速率、爐壓力、溫度等改變時，操作性能立即變化。
當溫度最高時，熱量損失最小。當鼓風量過高，即流動速度很高時，化鐵爐被過吹。當空氣量過小，即流動速度過低時，化鐵爐欠吹(underblown)。在這兩種情況中，燃燒溫度均降低，這是由於，一方面必須同時加熱帶入的N2，另一方面熱量被額外生成的CO帶走。而且在過吹時，鐵的伴生元素被強烈氧化。
通過使用氧氣例如最高達到鼓風量的24％(體積)，工作曲線朝正上方變化，即朝向更高的溫度和更高的鐵生產量。溫度極大值變平坦，化鐵爐也變得不受欠吹或過吹的影響。
在鐵生產量恆定，鼓風量降低時，焦炭加料的減少在連續加入氧氣時也是不可能的，這是由於鐵的溫度下降，而且出現了其它的冶金和工藝過程問題，如——滲碳性更低——矽的燃耗增加——爐渣中FeO含量增加——由於鼓風速度的減少，氣流沿爐壁流動。化鐵爐生產出不能鑄造的鐵。
從燃燒技術的觀點來看，由於焦炭以大過量存在，故而在熔煉能力不變時，減少焦炭的量在經濟上具有重大意義，這是由於熔融鐵的生產成本基本上受再熔化成本和原材料成本的影響。
此外，長期以來已知的是，特別是在具有很大爐缸直徑的化鐵爐的情況中，儘管鼓風中富含氧氣或以亞聲速直接注入氧氣，但是在化鐵爐中心仍然存在所謂「死鐵」。吹入的氧氣與碳之間的反應只在鼓風噴嘴附近有限的區域內發生，化鐵爐在存在氣流沿爐壁流動的情況下運行。
存在於爐中心的焦炭對反應沒有貢獻，這是因為，由於動量低，燃燒空氣不能滲透至位於其前方的床層。反應區域位於最靠近鼓風噴嘴的附近(圖2a)。利用已知的用氧氣增濃爐鼓風或以亞聲速吹入氧氣的做法，滲透深度基本上並不增加。通過提供更多的氧氣，反應區域將因壓力條件逐漸向上變寬(圖2b)。
作為希望減少燃燒焦炭量的先決條件，希望化鐵爐截面上燃燒均勻，即可提供的氧氣均勻分布。為此，必須使動量，即空氣或氧氣流的速度增加，超過迄今為止的先有技術所能達到的目標值。
專利申請GB 2,018,295描述了一種體系，該體系中，氧氣通過中心地(centrally)裝入鼓風噴嘴的拉瓦爾噴嘴，即以超聲速吹入，以減少耐火襯裡的磨耗。但不可能減少焦炭加料。
相比之下，用中心地裝入鼓風噴嘴的超聲速噴嘴進行的試驗令人驚奇地表明，如果同時爐鼓風量由500～600m3(i.D.)/噸Fe降至400～480m3(i.N.)/噸Fe並且隨爐直徑的變化而另吹入氧氣(圖3)，那麼燃燒焦炭可減少20～30kg/噸Fe，而對爐運轉和鐵冶煉沒有不利影響。必須按照圖3改變氧的具體需要量。在熱風化鐵爐(熱風溫度500～600℃)及爐直徑為1m的情況下，每噸鐵需氧氣約15～22m3(i.N.)，當爐直徑為4m時，每噸鐵需氧氣40～61m3(i.N.)。按爐直徑的變化必須將氧氣流在噴嘴出口處的馬赫數調為1.1＜M＜3。與迄今為止已知的化鐵爐理論相反，出爐溫度同時升高最高達30℃。結果矽的燃耗降低10％、滲碳量提高0.2％。如果將一部分固定量的氧氣量以超聲速注入到化鐵爐中，則得到節省焦炭的最好結果，這是由於在化鐵爐截面上存在更均勻的氧氣分布。剩餘量的氧氣以被控制的方式在鼓風環(blastring)中與鼓風混合(圖4)。這種措施使恆定的分析控制成為可能。使鼓風中富含氧氣是通過爐氣中的組分CO、CO2和O2進行控制和調節的。由於以超聲速注入，反應區以舌型推進到化鐵爐中心(圖2c)，向上變寬並變得更加均勻，這是因為由於超聲速射流的吸力，富含O2的燃燒空氣被進一步送入爐中心(圖2d)。
由於減少爐鼓風，爐壓力降低並且爐氣量降低20％。由於爐中流動速度更低，粉塵量也隨爐氣量成比例地減少。因為由於降低鼓風量，能量回收器只需在更低的程度運行，所以熱鼓風溫度升高最高達30℃以下原理適用於各種情況下氧氣在鼓風環和噴嘴中的分配。
基本數量可選自OCI1.XLS圖。通過所需鐵的溫度確定加入氧氣的絕對量。當焦炭床層的溫度升高時，鐵的溫度也升高。當不在伴隨氧的氮氣的冷卻作用時，焦炭床層的溫度升高。
將要以超聲速通過噴槍加入的氧量隨爐的尺寸而增加。啟動後，通過測量鐵的溫度尋找通過噴槍加入的氧氣量＝01與作為使鼓風富氧而加入的氧量＝02之間的最佳比例，然後預置在控制器上。
由得出的生產成本的總額確定爐氣中CO和CO2體積分數的最佳比例。CO含量更高的具更強還原性的氣氛可節省矽、提高焦炭的成本。因此，最佳設置還取決於原材料的具體市場價格。在某些時期和在某些國家，氧化性更強的操作方法是更經濟的。因此，必須不時地檢查最有利的CO/CO2比例，而且必須設定適當的氧氣量。
預想的CO/CO2最佳設定是波動的，這是因為加入的碳/鐵的數量變化而造成的。通過適當地加入氧氣可彌補這種短期的波動。因為加入氧氣時，焦炭床層的溫度非常迅速地升高，所以Boudouard反應立即發生。因此加入01和02的氧氣總速率控制成使CO/CO2的比例保持在最經濟的水平上。用這種操作方法，還在分析中獲得最小的變動。
權利要求
1.在豎爐中熔鍊金屬爐料的方法，其中焦炭用預熱的空氣和相當純的氧氣燃燒，並且煙氣逆流加熱金屬料，而且其中熔化物在焦炭床層中過熱並滲碳，其特徵在於，為了改善焦炭床層中的透氣性(gaspenetration)，將一部分固定量的氧氣以儘可能高的速度噴入焦炭床層並將第二股可變的氧氣量注入鼓風環(blast ring)。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於所述一部分固定量選擇成達到儘可能高的鐵溫度。
3.根據權利要求1的方法，其特徵在於對於爐損失而言，可調整爐氣中CO/CO2最佳含量。
4.根據權利要求1和2的方法，其特徵在於利用控制迴路使最佳的鐵溫度保持恆定。
5根據權利要求1和3的方法，其特徵在於利用控制迴路使最佳的爐氣氛保持恆定。
全文摘要
本發明涉及在豎爐中熔鍊金屬爐料的方法,其中焦炭用預熱的空氣和相當純的氧氣燃燒,並且煙氣逆流加熱金屬料,而且其中熔化物在焦炭床層中過熱並滲碳,其中為了改善焦炭床層中的透氣性(gaspenetration),將一部分固定量的氧氣以儘可能高的速度噴入焦炭床層並將第二股可變的氧氣量注入鼓風環(blastring)。
文檔編號F27B1/00GK1189890SQ97190423
公開日1998年8月5日 申請日期1997年3月3日 優先權日1997年3月3日
發明者J·拉姆蘇, A·科佩雷克 申請人:喬治費希爾迪薩工程公司