專利名稱：直接熔煉工藝和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是關于生產熔融金屬(也包括金屬合金)用的工藝和裝置，尤其是決不是僅僅從含鐵材料，像礦石、部分還原礦石和含金屬廢液，生產鐵。
本發(fā)明尤其關于從含鐵材料生產熔融金屬的基于熔融金屬槽的直接熔煉工藝和裝置。
一個眾所周知的生產熔融含鐵金屬的熔融槽基的直接熔煉工藝是DIOS工藝。DIOS工藝包括預還原步驟和熔煉還原步驟。在DIOS工藝中，利用熔煉還原容器中排出的廢氣，在流化床中使礦石(-8mm)預熱(750℃)和預還原(10～30％)，該容器含有金屬和熔渣的熔融浴，而熔渣在金屬上形成一厚層。在工藝的預還原步驟中，分離礦石的細組分(-3mm)和粗組分(-8mm)，將煤和預熱、預還原的礦石(通過2個供料線)從爐頂連續(xù)不斷地送入熔煉還原爐內。礦石熔融，并在熔渣的厚層中形成FeO，煤在渣層中分解成炭和揮發(fā)物質。通過專門設計的噴氧管吹入氧以改進泡沫渣中的二次燃燒。噴氧，以燃燒熔煉還原反應產生的一氧化碳，由此產生的熱量傳遞到熔融渣。在渣/金屬和渣/炭的內表面上還原FeO。從熔煉還原容器的底部，將攪拌氣送入熱金屬浴中，以改進熱傳遞效率并提高渣/金屬內表面的還原。定時排出渣和金屬。
另一個眾所周知的生產熔融含鐵金屬的直接熔煉工藝是AISI工藝。AISI工藝也包括預還原步驟和熔煉還原步驟。在AISI工藝中，預熱和部分預還原的鐵礦粒、煤或焦炭粉和助熔劑從頂部裝入壓力熔煉反應器內，該反應器含有金屬和熔渣的熔融浴。煤在渣層中脫去揮發(fā)成份，鐵礦石粒在渣中溶融，然后在渣中被碳(焦炭)還原。工藝條件導致渣起泡。工藝中產生的一氧化碳和氫以后在渣層中或剛好在其上進行燃燒，對吸熱的還原反應提供所需要的能量。頂部吹入氧通過中心水冷管，而氮通過反應器底部的風口，以確保有效攪拌而將后燃燒的熱能易于傳遞到熔融浴中。工藝廢氣在供入使礦粒預熱和預還原成FeO或方鐵體的豎型爐內之前，在熱旋風器內除塵。
再一個眾所周知的直接熔煉工藝是國際申請PCT/AU 96/00197(WO96/31627)中，以申請人的名字所命名的一般稱為HIsmelt工藝，作為反應介質，依賴于熔融金屬層。
如國際申請中描述的HIsmelt工藝包括(a)在容器中形成熔融金屬和渣的浴，(b)向浴中噴入(i)含金屬原料，通常是金屬氧化物；和(ii)固體含碳物料，通常是煤，用作金屬氧化物的還原劑和能源，和(c)在金屬層中熔煉含金屬原料成為金屬。
HIsmelt工藝還包括將含氧氣體噴射到浴上的空間，而后燃燒反應氣體，如由浴中釋放出的CO和H2，并將產生的熱傳遞到浴中，以提供熔煉金屬原料所需要的熱能。
HIsmelt工藝還包括在浴的規(guī)定靜態(tài)面上的空間內形成過渡區(qū)，其中有熔融物料的良好的上浮物和隨后降下的熔融物滴、或噴濺物、或液流，這對通過浴上后燃燒反應氣產生的熱能傳遞到浴中提供了一種有效介質。
如國際申請中描述的HIsmelt工藝，其特征是通過容器的側面部分向浴中噴入的載氣、金屬原料、和固體碳料而形成了一個過渡區(qū)，與浴接觸和/或從浴上，使載氣和固體料穿過浴，而引起熔融料被噴射到浴表面上的空間內。
HIsmelt工藝，如國際申請中所描述的是對HIsmelt工藝早期方案的改進，由底部向浴中噴入氣體和/或碳質料而形成過渡區(qū)，這引起由浴中被噴射熔融物的液滴、濺液和液流。
申請人對直接熔煉工藝進行了廣泛的研究和中間工廠的試驗工作，并對這種工藝取得了一系列的顯著發(fā)現。
概括地說，本發(fā)明提供了一種從鐵材料生產金屬(也包括金屬合金)的直接熔煉工藝，包括如下步驟(a)在冶金容器內形成熔融金屬和熔融渣的浴，(b)以至少40m/s的速度通過向下延伸的具有內徑為40～200mm的輸送管的固體噴管，向熔融浴中噴入固體原料和載氣。該噴管的安裝，要使噴管出口端的中心軸與水平軸形成20～90度的角，并且在熔融浴中以至少0.04Nm3/s/m2產生表面氣流(其中m2與通過熔融浴水平截面的面積有關)，至少部分通過在浴中噴入物的反應，引起熔融物以濺液、液滴、和液流向上噴射，并形成一個擴展的熔融浴區(qū)，氣流和向上噴射的溶融物引起熔融浴中物料的基本移動，并使熔融浴得到強烈混合，所選擇的原料，在總體上要使供料在熔融浴中的反應是吸熱的；和(c)通過至少一個氧氣噴管，將含氧氣體噴入到容器的上部區(qū)域，并隨后燃燒由熔融浴釋放出的可燃氣體，由此在擴展熔融浴區(qū)內熔融物上浮，之后又降下，很方便地將熱量傳遞到熔融浴中。
擴展的熔融浴區(qū)的特征是有高容積的氣體空隙部分，貫穿熔融物。
氣體空隙的容積部分至少是擴展熔融浴區(qū)容積的30％。
由以上描述的熔融浴中的氣體流動產生熔融物的濺液、液滴和液流。雖然申請人不希望被以下說明所限定，但申請人仍相信以低氣流速度的湍流攪拌方式和以高氣流速度的噴射方式，都能產生濺液、液滴和液流。
氣體流動和向上噴射的熔融物引起物料進入和離開熔融浴的主要移動。
固體料包括鐵質材料和/或碳質材料。
上述擴展熔融浴區(qū)是與上述AISI工藝中產生的泡沫渣層完全不同。
優(yōu)選的是，步驟(b)包括將供料噴入熔融浴中，以使供料穿透熔融浴的較低區(qū)域。
優(yōu)選的是，擴展的熔融浴區(qū)在熔融浴較低區(qū)域形成。
優(yōu)選的是，步驟(b)包括通過噴管，以80～100m/s的速度，將供料噴入到熔融浴中。
優(yōu)選的是，步驟(b)包括通過噴管，以質量流速高達2.0t/m2/s，將供料噴入到熔融浴中，其中m2與噴管輸送管的截面面積有關。
優(yōu)選的是，步驟(b)包括通過噴管，以固/氣比為10～25kg固/Nm3氣，將供料噴入到熔融浴中。
更優(yōu)選的是，固/氣比為10～18kg固/Nm3氣。
優(yōu)選的是，步驟(b)中產生的熔融浴中的氣流，在熔融浴的靜態(tài)面上至少為0.04Nm3/s/m3。
更優(yōu)選的是，在熔融浴中的氣流的流速率至少為0.2Nm3/s/m3。
更優(yōu)選的是，氣流速率是至少0.3Nm3/s/m3。
優(yōu)選的是，氣流速率小于2Nm3/s/m3。
熔融浴中的氣流，部分是用從底部和/或側壁使氣體噴入熔融浴中，優(yōu)選是從熔融浴的較低區(qū)域而產生的。
優(yōu)選的是，含氧氣體是空氣或富氧空氣。
優(yōu)選的是，該工藝包括通過一個氧氣噴管以800-1400℃和200-600m/s的速度將空氣或富氧空氣噴入容器中，迫使擴展熔融浴區(qū)在遠離噴管的噴管低端區(qū)域內，并圍繞著噴管低端形成一個“自由”空間，它具有的熔融料濃度低于擴展熔融浴區(qū)中的熔融料濃度，噴管的安裝要這樣(i)噴管的中心軸相對于水平軸形成20-90°的角。(ii)噴管伸入到容器中的距離至少等于噴管低端的外徑，和(iii)噴管的低端離熔融浴的靜態(tài)面上至少3倍于噴管低端外徑的距離處。
優(yōu)選的是，圍繞噴管低端的自由空間內，熔融料的濃度為空間容積的5％或更少。
優(yōu)選的是，圍繞噴管低端的自由空間是個半球形容積，其直徑至少2倍于噴管低端的外徑。
優(yōu)選的是，圍繞噴管低端的自由空間不大于4倍的噴管低端的外徑。
優(yōu)選的是，空氣中或富氧空氣中，至少50％，最好至少60％的體積氧，在圍繞噴管低端的自由空間中被燃燒。
優(yōu)選的是，工藝包括以旋轉運行方式將空氣或富氧空氣噴入容器中。
術語“熔煉”應理解為一種熱處理過程，其中發(fā)生還原鐵質供料的化學反應以生產液體金屬。
文中熔融浴的“靜態(tài)面”術語，應理解為在工藝條件下熔融浴的表面，其中，沒有氣/固噴入，因此也就沒有浴攪拌。
優(yōu)選的是，工藝包括相對于容器中的熔融鐵金屬，保持高的渣存量。
容器中的渣量，即渣存量直接影響擴展的熔融浴區(qū)中的渣量。
與金屬相比渣的相當低的熱傳遞特性，對減少從擴展熔融浴區(qū)到水冷卻側壁和通過容器側壁從容器的熱損失方面是很重要的。
通過適宜的工藝控制，擴展熔融浴區(qū)中的渣可在側壁上形成一個層或多個層，這對從側壁的熱損失增加了阻力。
因此，通過改變渣存量，可增加或減少擴展熔融浴區(qū)中和在側壁上的渣量，因此能通過容器側壁控制熱損失。
渣可在側壁上形成“濕”層或“干”層?！皾瘛睂影ㄕ掣皆趥缺谏系哪Y層，半固體(軟塊)層，和外層液膜?！案伞睂邮腔旧纤性寄Y的層。
容器中渣量也提供一種控制后燃燒程度的量度。
具體地，如果渣存量太低，將增加金屬在擴展熔融浴區(qū)中暴露，因此，增加了金屬氧化和碳在金屬中溶解，以及增加對減少后燃燒的潛能和引起降低后燃燒，盡管在擴展熔融浴區(qū)中金屬對熱量向金屬層傳遞具有正效應。
此外，如果渣存量太高，一個或多個含氧氣體噴管/風口將在擴展熔融浴區(qū)中被埋沒，這將減小頂部空間反應氣向噴管或各噴管/風口端部的移動，結果減少后燃燒的潛能。
容器中的渣量，即，渣存量可通過金屬和渣的排放速率進行控制。
通過改變金屬原料、碳質料和助熔劑向容器內的供料速率，以及諸如含氧氣體噴入速率等運行參數，可控制容器中渣的產量。
優(yōu)選的是，工藝包括控制熔融鐵中溶解碳的量，至少為3重量％，并在強的還原條件下保持該渣的量，以導致渣中的FeO量小于6重量％，最好小于5重量％。
優(yōu)選的是至少主要在熔融浴的較低區(qū)域內，熔煉鐵質材料成為金屬。容器的這個區(qū)域不變地總是高濃度金屬區(qū)。
實際上，在容器的其他區(qū)域內仍有一部分鐵質材料被熔煉成金屬。然而，本發(fā)明工藝的目的，和本工藝與現有工藝之間的主要不同點是在熔融浴較低區(qū)域內達到鐵材料的最大熔煉。
工藝步驟(b)可包括通過多個固體噴管噴入供料，并在熔融浴中產生至少0.04Nm3/s/m2的氣流。
鐵質材料和碳材料可通過同一個或不同的噴管噴入。
優(yōu)選的工藝包括引起熔融料噴射到擴展熔融浴區(qū)上。
后燃燒的量至少為40％，這里后燃燒定義如下 式中[CO2]＝廢氣中CO2的體積％[H2O]＝廢氣中H2O的體積％[CO]＝廢氣中CO的體積％[H2]＝廢氣中H2的體積％擴展的熔融浴區(qū)很重要，有2個原因。
其一，熔融料的上升，而后下降是使反應氣體后燃燒所產生熱轉送至熔融浴的一種有效方式。
其二，擴展熔融浴區(qū)中的熔融料，尤其是渣，是通過容器側壁減少熱損失的有效方式。
本發(fā)明工藝的優(yōu)選方案和現有工藝之間的主要不同是，在優(yōu)選方案中，主要熔煉區(qū)是熔融浴的較低區(qū)域，而主要氧化(即熱產生)區(qū)是在擴展熔融浴區(qū)之上和較上區(qū)域，這些區(qū)域在空間能很好地分開，在兩個區(qū)域之間，通過熔融金屬和渣的物理移動，進行熱傳送。
根據本發(fā)明還提供一種通過直接熔煉工藝從鐵材料生產金屬的裝置，該裝置包括一個固定的非傾斜的容器，該容器含有金屬和渣的熔融浴，還包括一個較低區(qū)域和在該較低區(qū)域上的擴展熔融浴區(qū)，該擴展熔融浴區(qū)由來自較低區(qū)域的氣流所形成，該氣流載帶著熔融料從較低區(qū)向上流動，該容器包括(a)由耐火材料形成的爐床，具有和熔融浴較低區(qū)域接觸的基體和側壁，(b)側壁從爐床側向上延伸，并與熔融浴的上區(qū)域和氣流連續(xù)空間接觸，其中，與氣流連續(xù)空間接觸的側壁包括水冷卻板和板上的渣層，(c)至少一個噴管向下延伸到容器內，向熔融浴上的容器中噴入含氧氣體，(d)至少一個噴管向熔融浴中以至少40m/s的速度噴入為鐵材料的原料和/或碳質材料和載氣，噴管的安裝，應使噴管出口端的中心軸與水平軸向下形成20～90°的角，噴管具有用于噴入原料的輸送管，該輸送管的內徑為40～200mm；和(e)用于從容器排放熔融金屬和渣的裝置。
優(yōu)選的是，原料噴管的安裝，要使噴管的出口端位于離熔融浴的金屬層的規(guī)定靜態(tài)表面上150-1500mm處。
優(yōu)選的是，原料噴管包括一個中心管，通過該中心管輸送固體顆粒物料；圍繞中心管的環(huán)形冷卻夾套，貫穿其長度的主要部分，該夾套限定一個位于中心管周圍的內部延伸的環(huán)形水流通道，一個位于內部水流通道周圍的外部延伸的環(huán)形水流通道，和在冷卻夾套的前端處，有連接內部和外部水流通道的環(huán)形端通道；在夾套的后端區(qū)域處，有用于使水注入夾套的內部環(huán)形水流通道中的水注入裝置；在夾套的后端區(qū)域處，有用于使水從外部環(huán)形水流通道排出的水排出裝置，由此提供了冷卻水，沿著內部延伸環(huán)形通道流向夾套的前端，然后，通過端部流動通道裝置，并反向通過外部延伸環(huán)形水流通道，其中環(huán)形端部通道向外平滑彎曲，并反向從內部延伸環(huán)形通道到外部延伸環(huán)形通道，并且水流通過端部通道的有效截面積小于內部和外部延伸環(huán)形水流通道的水流截面積。
通過實例并參考附圖進一步描述本發(fā)明。


圖1是示意說明本發(fā)明工藝和裝置優(yōu)選實施方案的垂直剖面圖。
圖2A，2B是在線A-A上連結以形成圖1所示固體噴管之一的縱向剖面圖。
圖3是通過噴管后端的放大縱向剖面圖。
圖4是通過噴管前端的放大剖面圖。
圖5是圖4中線5-5處的橫向剖面圖。
如下的描述是熔煉鐵礦石生產熔融鐵的內容，應當理解本發(fā)明并不限于這種應用，可適用于任何合適的鐵礦和/或精礦-包括部分還原的金屬礦和返爐廢料。
圖1所示的直接熔煉裝置包括冶煉容器，以11標出。容器11具有爐床，爐床包括底座12和由耐火磚形成的側壁13，側壁14從爐床側壁13向上延伸形成圓柱體，該圓柱體包括由水冷卻板(未示出)形成的上部柱體和由水冷卻板(未示出)形成的較低柱體，具有耐火襯里，爐頂17，廢氣排放口18，連續(xù)排放熔融金屬的前爐床19，和排放熔融渣的排放口21。
使用中，在靜態(tài)條件下，容器含有鐵和渣的熔融浴，它包括熔融金屬層22，和金屬層22上的熔渣層23。
術語“金屬層”，應理解為主要是金屬的浴區(qū)。
通常熔融浴的規(guī)定靜態(tài)面上方的空間，在下文中稱之為“頂部空間”。
由數字24標注的箭頭指出了金屬層22的規(guī)定靜態(tài)面的位置，由數字25標注的箭頭指出了渣層23(即熔融浴)的規(guī)定靜態(tài)面的位置。
術語“靜態(tài)面”，應理解為沒有氣體的固體噴入容器內時的表面。
容器裝有向下延伸的熱空氣噴管26，用于輸送熱空氣流進入容器的上區(qū)域和由熔融浴釋放的后燃燒反應氣。噴管26在噴管低端的外徑為D，噴管要這樣安裝
(i)噴管26的中心軸與水平軸形成20～90°(圖1中示出噴管26以90°安裝)，(ii)噴管26延伸到容器中的距離，至少等于噴管低端的外徑D，和(iii)噴管26的低端離熔融浴的靜態(tài)面上的距離，至少3倍于噴管低端外徑D。
容器還裝有固體噴管27(示出2個)，通過側壁14向下向內延伸并進入熔融浴中，其噴管27的出口端82對水平面形成20-70°角，用于噴入夾帶在貧氧載氣中的鐵礦、固體碳質料，助熔劑而送入熔融浴中。噴管27定位的選擇，要使它們的出口端82處于金屬層22的靜態(tài)面24上。噴管27的這一位置可減小因與熔融金屬接觸所造成的危害風險，也能通過強的內部冷卻水以冷卻噴管27，而沒有因水與容器中熔融金屬相接觸的風險。尤其是，噴管27的位置的選擇，要使出口端82處于金屬層22的靜態(tài)面24上的150-1500mm的范圍內。必須指出，在這樣的連接中，雖然圖1所示的噴管27伸入到容器中，但噴管27的出口端可以與側壁14齊平。參照圖2-5更詳細地描述噴管27。
使用中，鐵礦石、固體碳料(主要是煤)、和助溶劑(通常是石灰和氧化鎂)夾雜在載氣(主要是N2)中，至少以40m/s，最好80-100m/s的速度，通過噴管27噴入到熔融浴中。固體料/載氣的沖力足以使固體料和氣體穿透到熔融浴的低區(qū)內。脫除煤的揮發(fā)物，并由此，在較低浴區(qū)內產生氣體。部分碳溶入到金屬中，部分仍以固體碳保留下來。鐵礦石被熔煉成金屬，熔煉反應產生一氧化碳氣體。氣體被輸送到較低浴區(qū)的，并通過脫除揮發(fā)成分而產生而熔煉產生了使熔融金屬、固體碳、和渣(由于固/氣/噴射的結果排入低浴區(qū)內)從較低浴區(qū)產生顯著的上浮力，這就產生了熔融金屬和渣的濺液、液滴和液流向上運動，而這些濺液、液滴和液流在其通過熔融浴的上區(qū)域移動時夾帶著渣，由上述噴入的載氣和浴反應產生的氣流，至少是熔融浴靜態(tài)面的0.04Nm3/s/m2(即表面25)的氣流。
熔融金屬、固體碳和渣的上浮力在熔融浴中形成主要的攪拌，結果是熔融浴的容積擴展，并形成擴展的熔融浴區(qū)28，它具有以箭頭30指出的面。攪拌的范圍是這樣的，熔融料的主要運動存在于熔融浴中(包括熔融料進入和離開較低浴區(qū)的運動)，并使熔融浴強烈地混合到整個熔融浴中溫度比較均勻的范圍內，每個區(qū)域通常為1450-1550℃，具有30°量級的溫度變化。
此外，向上的氣流以超出擴展熔融浴區(qū)28噴射一些熔融料(主要是渣)，而到達側壁14的上部柱壁上，并到達擴展熔融區(qū)28上和爐頂17上。
總之，擴展的熔融浴區(qū)28是一個內部具有氣泡的液體連續(xù)容積。
除了上述外，在使用中，溫度為800-1400℃的熱空氣，以200-600m/s的速度，通過噴管26排出，并穿過擴展熔融浴區(qū)28的中心區(qū)，并圍繞著噴管26的端部周圍形成一個基本上無金屬/渣的空間29。
通過噴管26送入的熱空氣流，使擴展熔融浴區(qū)28內和圍繞噴管26端部的自由空間29內的后燃燒反應氣CO和H2，在氣體空間內產生2000℃或更高的高溫。在氣體噴射區(qū)內，熱量被傳遞到熔融料的上升和降下的濺液、液滴和液流中，然后熱部分傳遞到整個熔融浴內。
自由空間29對獲得高水平的后燃燒是很重要的，因為它能夠使擴展熔融浴區(qū)28上的空間中所夾帶氣體進入到噴管26的端部區(qū)域內，由此可提高反應氣體有效地與后燃燒的接觸。
噴管26的位置、通過噴管26的氣流速率、和熔融料的濺液、液滴和液流的向上運動的相結合的作用，圍繞噴管26的低區(qū)形成擴展熔融浴區(qū)28。這種成形的區(qū)域通過對側壁14產生輻射而對熱傳遞提供了一部分屏障。
而且，熔融料的上升和降下的液滴、濺液和液流，是使熱量從擴展的熔融浴區(qū)28向熔融浴傳遞的有效方式，結果是在側壁14的區(qū)域內的區(qū)域28的溫度為1450-1550℃的量級。
圖2～5說明了固體噴管的結構。
如這些圖所示，每個噴管27包括一個中心管31，通過該管輸送固體料，并以貫穿其長度的主要部分圍繞中心管31的環(huán)形冷卻夾套32。中心管31由碳/合金鋼形成，貫穿其長度的大部分形成套管33，在它的前端是不銹鋼部分34，從冷卻夾套32前端伸出作為噴咀。中心管31的前端部分34，通過焊接在不銹鋼部分34上的短鋼接合器部分35，與中心管的碳/合金鋼部分33連接，并通過螺紋36與碳/合金剛部分連接。
中心管31有內襯直通前端部分34，它通過一系列鑄造陶瓷管而形成有薄陶瓷襯37。中心管31的后端，通過管接頭38連接到T-構件39，通過該構件，粒狀固體料由增壓流動化載氣，如N2，輸送。
環(huán)形冷卻夾套32包括一個長的中空環(huán)形構件41，該構件由外管和內管42，43形成，并由前端連接器件44和延長的環(huán)形結構45進行內連接，環(huán)形結構45配置在中空環(huán)形結構41內，以致將結構41的內部分成內部延長環(huán)形水流通道46和外部延長環(huán)形水流通道47。延長管狀結構45由一個焊接到加工的碳鋼前端構件49上的長碳鋼管48所形成，構件49安裝在中空管狀結構41的前端連接器44內，以形成一個環(huán)形端流動通道51，該通道內連接到內部和外部水流通道46，47的前端上。
環(huán)形冷卻夾套32的后端配置有水入口52，通過入口冷卻水流可直接進入內部環(huán)形水流通道46中，而水出口53，通過該水出口，水從噴管后端處的外部環(huán)形通道47排出。因此，在噴管的使用中，冷卻水向噴管下方流動，通過內部環(huán)形水流通道46，然后向外轉向，圍繞著前環(huán)形端通道51進入外部環(huán)形通道47，通過該通道47，沿著噴管反向流動，通過出口53而流出。這就確保了最冷的水與進來的固體料，進行熱傳遞關系，以確保這種材料在其從噴管前端排出之前，不熔融或燃燒，并能夠有效冷卻通過噴管中心噴入的固體材料，以及有效冷卻噴管前端和外部表面。
管42的外部表面和中空環(huán)形結構41的前端部件44加工成矩形凸出件54的規(guī)則圖形，每一個都具有凹槽或楔形截面，以致使凸出部分是呈向外成形為枝狀，并對于在噴管外部表面上的渣固化形成起到鍵控作用。在噴管上渣的固化有助于減小噴管金屬組分的溫度?，F已發(fā)現，使用中，凝結在噴管前端或尖端的渣，起到了作為噴管延伸作用的固體料延伸管的形成基礎，這就進一步防止噴管的金屬組分暴露于容器內的嚴酷的運行條件下。
現已發(fā)現，保持圍繞環(huán)形端流動通道51中的高速水流，對冷卻噴管尖端是非常重要的。最理想的是將該區(qū)域的水流速度保持在10m/s的量級，以獲得最大的熱傳遞。為了加大該區(qū)域的水流速率，通過通道51的水流的有效截面，很明顯要降低到內部環(huán)形水流通道46和外部水流通道47的有效截面以下。內管形結構45的前端部件49的加工形狀和定位，要使來自內環(huán)形通道46前端的水流，通過向內縮小或錐形噴管的流動通道部件61，以在進入端部流動通道51之前，減小渦流和損失。端部流動通道51在水流方向上也能減小有效的流動面積，以致保持圍繞通道彎曲部分和返回到外部環(huán)形水流通道47中已增加的水流速度。以這種方式，可以在冷卻夾套的尖端區(qū)域獲得所需要的高的水流速率，而不會在噴管的其他部分內形成過分壓降和堵塞的危險。
為了在圍繞尖端通道51的適宜的冷卻水速度并使熱傳遞波動減至最小，絕對重要的是在管狀結構45的前端部件49和中空環(huán)形結構41的端部部件44之間保持恒定的控制間距。由于噴管組件的熱膨脹和收縮不同，這就產生了問題。尤其是，中空環(huán)形結構41的外管部件42比該結構的內管部件43暴露于更高的溫度內，因此該結構的前端，以圖4點線62所示的方式，向前滾動。當噴管暴露于熔煉容器的運行條件下時，對于組件44、49之間的間距產生一種趨勢，限制了通道51的打開。反之，當運行時，如溫度降低的話，通道趨于關閉。為了克服這一問題，中空環(huán)形結構41的內管43后端部用一個滑動件63支撐，以使它相對于該結構的外管42可軸向移動，內環(huán)管形結構45的后端也固定在滑動件64上，并通過一系列的環(huán)形間隔的連接器楔子65，連接到結構41的內管43上，以使管43和45能一起軸向移動。此外，中空環(huán)形結構41的端件44，49和管形結構45，通過一系列的環(huán)形間隔的銷子70，進行定位內連接，以在噴管夾套的熱膨脹和收縮下能保持適當的間距。
通過與水流導管結構68相連接的環(huán)66，對管形結構45的內端部提供了滑動構件64，該導管結構68限定了水的入口52和出口53，并由O-環(huán)密封件69密封。同樣通過固定到水流導管結構68上的環(huán)形法蘭盤71，對結構41的內管43的后端提供了滑動構件63，并由O-環(huán)密封件72密封。環(huán)形柱塞73定位在環(huán)形法蘭盤71內，并通過螺紋將80連接到結構41的內管43背端上，以封閉水入口導管腔室74，該腔室接收由入口52進來的冷卻水流。柱塞73在環(huán)形法蘭盤71上的硬表面內滑動，并配有O-環(huán)81，82。由柱塞73提供的滑動密封，不僅由于結構41不同的熱膨脹，可使內管43移動，而且也可使管43移動，以適應結構41因冷卻夾套中超壓水而產生的任何移動。如果不管什么原因，冷卻水流的壓力過高時，結構41的外管不得不向外，而柱塞73可使內部管移動，因而可緩解壓力的上升。柱塞73和環(huán)形法蘭盤71之間的內空間75，通過排放孔76而放空，以使柱塞移動和排出通過柱塞泄漏的水。
在環(huán)形冷卻夾套32的后部分配置有外加勁管83，更下面部分為噴管，并限定了環(huán)形冷卻水通道84，通過該通道，冷卻水的分流通過水入口85和水出口86而流過。
主要的冷卻水以流速100m3/hr，最大運行壓力800kpa，流經冷卻夾套，而在夾套的尖端區(qū)域產生的水流速度為10m/min。冷卻夾套的內部分和外部分可承受200℃量級的溫度差。噴管運行時，在滑動構件63，64內管42和45的移動是很大時，但是，在所有的運行條件下，端部通道51的有效流動截面面積基本上能保持恒定。
必須理解本發(fā)明并不對論述的結構的細節(jié)進行限定，而且許多改進和變更，都將落入本發(fā)明的精神和范疇之內。
另一方面，還應指出氧氣噴管可以與固體噴管形成一個整體，也可以是固體噴管上體的形成部分。
權利要求
1.一種由鐵材料生產金屬(也包括金屬合金)的直接熔煉工藝，包括步驟(a)在金屬熔煉容器內形成熔融金屬和熔融渣的浴，(b)以至少40m/s速度，通過具有內徑為40～200mm的輸送管的向下延伸的固體噴管，將呈固體材料的原料和載氣噴入到熔融浴中，其安裝要使噴管出口端的中心軸與水平軸形成20～90度的角，在熔融浴中產生至少為0.04Nm3/s/m2的表面氣流(其中m2與通過熔融浴的水平截面的面積有關)，至少部分通過在浴中噴入料的反應，引起熔融料以濺液、液滴、和液流向上噴射，并形成擴展的熔融浴區(qū)，氣流和向上噴射的熔融物引起熔融浴中物料的基本移動，并使熔融浴強烈混合，所選擇的原料，就總體來說，要使原料在熔融浴中的反應是吸熱的；和(c)通過至少一個氧氣噴管，將含氧氣體噴入到容器的上部區(qū)域，和后燃燒由熔融浴釋放的可燃氣體，由此，在擴展熔融浴區(qū)內熔融物上浮，之后又降下，很方便地將熱量傳遞到熔融浴中。
2.根據權利要求1的工藝，步驟(b)包括將原料噴入到熔融浴內，以使原料穿過熔融浴的較低區(qū)域內。
3.根據權利要求1或2的工藝，步驟(b)包括通過噴管，以80～100m/s的速度，將原料噴入到熔融浴中。
4.根據權利要求3的工藝，步驟(b)包括通過噴管，以質量流速至多達2.0t/m2/s，而將原料噴入到熔融浴中，其中m2與噴管輸送管的截面面積有關。
5.根據上述權利要求中任一項記載的工藝，步驟(b)包括通過噴管，以固/氣比為10-25kg固/Nm2氣，將原料噴入熔融浴中。
6.根據權利要求5的工藝，固/氣比為10-18kg固/Nm3氣。
7.根據上述權利要求中任一項記載的工藝，步驟(b)包括通過多個固體噴管，將原料噴入熔融浴中，并至少產生0.04Nm3/s/m2的氣流。
8.根據上述權利要求中任一項記載的工藝，步驟(b)中，熔融浴中產生的氣流，在熔融浴的規(guī)定靜態(tài)表面，至少為0.04Nm3/s/m2。
9.根據權利要求8的工藝，其中，在熔融浴中，氣流的流速率至少為0.2Nm3/s/m2。
10.根據權利要求9的工藝，其中，氣流速率至少為0.3Nm3/s/m2。
11.根據上述權利要求中任一項的工藝，其中，步驟(b)中，熔融浴中產生的氣流速率小于2Nm3/s/m2。
12.根據上述權利要求中任一項的工藝，其中，步驟(c)中，噴入到熔融浴中的含氧氣體是空氣或富氧空氣。
13.根據權利要求12的工藝，其中，步驟(c)包括將空氣或富氧空氣以800-1400℃的溫度，和200-600m/s的速度，至少通過一個氧氣噴管噴入到容器內，并迫使擴展熔融浴區(qū)在遠離噴管的低端區(qū)域內，圍繞著噴管低端形成一個“自由”空間，具有的熔融料濃度低于擴展熔融浴區(qū)中的熔融料濃度，噴管的安裝，要使(i)噴管的中心軸與水平軸形成20-90℃的角，(ii)噴管伸入容器中的距離至少等于噴管低端的外徑，和(iii)噴管的低端在熔融浴的靜態(tài)表面上3倍于噴管低端外徑的距離處。
14.根據上述權利要求中任一項記載的工藝，其中，步驟(c)包括以旋轉運行方式使含氧氣體噴入容器內。
15.根據上述權利要求中任一項記載的工藝，包括將熔融鐵中的溶解的碳量，控制在至少為3wt％，并在強烈還原條件下保持熔渣，以導致渣中的FeO量小于6wt％，更好小于5wt％。
16.根據上述權利要求中任一項記載的工藝，包括使熔融料被噴射到擴展熔融浴區(qū)上的頂部空間內。
17.根據上述權利要求中任一項記載的工藝，其中，步驟(c)包括后燃燒可燃燒的氣體，以使后燃燒的量至少為40％，其中后燃燒定義如下 其中[CO2]＝廢氣中CO2的體積％[H2O]＝廢氣中H2O的體積％[CO]＝廢氣中CO的體積％[H2]＝廢氣中H2的體積％
18.一種通過直接熔煉工藝，從鐵材料生產金屬的裝置，該裝置包括一個固定的非傾斜容器，該容器含有金屬和渣的熔融浴，并包括一個較低區(qū)域和該較低區(qū)域上的擴展熔融浴區(qū)，該擴展熔融浴區(qū)由來自較低區(qū)域的氣流所形成，該氣流載帶著熔融料從較低區(qū)向上流動，該容器包括(a)由耐火材料形成的爐床，它具有和熔融浴低區(qū)域接觸的基座和側壁，(b)側壁從爐床的側壁向上延伸，并與熔融浴的上部區(qū)域和氣流連續(xù)空間相接觸，其中，與氣流連續(xù)空間接觸的側壁包括水冷卻板和板上的渣層，(c)至少一個噴管向下延伸到容器內，向熔融浴上的容器內噴入含氧氣體，(d)至少一個噴管以至少40m/s的速度向熔融浴中噴入為鐵材料的原料和/或碳質材料和載氣，噴管的定位，要使噴管出口端的中心軸與水平軸向下形成20～90°的角，噴管具有內徑為40～200mm的用于注入原料的輸送管，和(e)從容器排放熔融金屬和渣的裝置。
19.根據權利要求18的裝置，其中供料噴管的定位要使噴管的出口端位于熔融浴的金屬層靜態(tài)表面上150-1500mm處。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種從鐵材料生產金屬的以熔融浴為基的直接熔煉工藝和裝置。該工藝包括將呈固體材料的原料和載氣以至少40m/s的速度，噴入熔融浴中，通過至少一個具有內徑為40～200mm的輸送管的向下延伸的固體噴管，安裝噴管要使噴管的出口端中心軸與水平軸成20－90度的角。原料噴入熔融浴中產生至少0.04Nm
文檔編號C21B11/02GK1429278SQ01809524
公開日2003年7月9日 申請日期2001年4月11日 優(yōu)先權日2000年4月17日
發(fā)明者羅德尼·J·德賴, 彼得·D·伯克 申請人:技術資源有限公司