專利名稱：直接熔煉方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在盛有熔池的冶金容器中，用含金屬的原料，如礦石、部分還原礦石及含金屬的廢物生產(chǎn)熔融金屬(該術語包括金屬合金)的方法，該熔融金屬絕不僅僅是鐵。
本發(fā)明尤其是涉及以金屬熔池為基礎的，用含金屬原料生產(chǎn)金屬液的直接熔煉方法。
應用最廣泛的生產(chǎn)金屬液的方法建立在應用高爐的基礎上。將固體料加在該爐的頂部，再從爐缸放出鐵水。固體料包括鐵礦石(燒結狀、塊狀或球團狀)、焦炭和熔劑，它們形成可透氣的向下移動的料柱。將預熱過的空氣(它可以是富氧的)噴入該爐底部，然后穿過透氣的料床向上移動，并因焦炭燃燒而產(chǎn)生一氧化碳和熱。這些反應的結果是生成了鐵水和渣。
在低于所生成的鐵的熔點時使鐵還原而產(chǎn)生鐵的方法一般歸類為“直接還原法”，而其產(chǎn)品則被稱為DRJ。
FIOR(流態(tài)化鐵礦石還原)法是直接還原法的例子。該法在一系列流化床反應器中的各個反應器通過自動供應礦粉將鐵礦石粉還原。該礦粉被加壓的還原氣體還原，該氣體經(jīng)一系列還原器的最下面的一個的底部進入，然后逆著向下移動的精礦流動。
其它的直接還原法包括以移動豎爐為基礎的方法、以靜置豎爐為基礎的方法，以回轉爐為基礎的方法，以回轉窯為基礎的方法及以蒸餾爐為基礎的方法。
COREX法不用高爐所需的焦炭、直接用煤生產(chǎn)鐵水。該法包括如下的2-階段的作業(yè)。
a)在豎爐中用鐵礦石(塊狀或球團狀)、煤及熔劑的透氣的床生產(chǎn)DRI；b)不經(jīng)冷卻將此DRI加入相連的熔融氣化器中。
煤在熔融氣化器的流化床中的部分燃燒產(chǎn)生了用于此豎爐的還原氣體。
其它一些生產(chǎn)鐵水的方法建立在氣旋轉換器上，在其中鐵礦石因氧和還原氣體在上熔融旋風器中的燃燒而熔化，然后在盛有鐵熔池的下熔煉器中被熔煉。下熔煉器產(chǎn)生了用于上熔化旋風器的還原氣體。
用礦石直接產(chǎn)生金屬液的方法通常被稱為“直接熔煉法”。
一些已知的直接熔煉法建立在采用電爐的基礎上，電是熔煉反應的主要能源。
另一種已知的直接熔煉法通常被稱為Romelt法，該法建立在采用作為介質的大體積、高攪動渣池的基礎上，該渣池是將自頂部加入的金屬氧化物熔煉成金屬及使氣態(tài)的反應產(chǎn)物后燃燒，并在需要時將此熱傳遞，以使金屬氧化物的熔煉持續(xù)進行。Romelt法包括通過一排下噴嘴將富氧空氣或氧噴入渣中以使渣攪動，以及經(jīng)一排上噴嘴將氧噴入渣中以促進后燃燒。在Romelt法中金屬層不是重要的反應介質。
另外一些以渣為基礎的直接熔煉法通常被稱為“深渣”法。這些方法，如DIOS和AISI法基于形成帶有三個區(qū)域的深渣層，該三個區(qū)域即是使反應氣體與噴入的氧后燃燒的上部區(qū)；將金屬氧化物熔煉成金屬的下部區(qū)；以及將上、下區(qū)分隔開的中間區(qū)。就Romelt法而言，渣層下的金屬層不是重要的反應介質。
另一種依賴熔融金屬層作反應介質，并通常被稱為Hlsmelt法的已知直接熔煉法被述于以申請人的名字申請的國際申請PCT/AU 96/00197(WO96/31627)中。
述于該國際申請中的Hlsmelt法包括(a)在容器中形成金屬液和渣的熔池；(b)將下述物料噴入該熔池中(i)含金屬的原料，一般為金屬氧化物；(ii)固體含碳物料，一般為煤，它起著金屬氧化物還原劑及能源的作用；(c)在金屬層中將此含金屬的原料還原成金屬。
Hlsmelt法還包括使自熔池釋放出來的反應氣體在熔池上方的空間中與含氧氣體后燃燒，并將后燃燒所產(chǎn)生的熱傳給熔池，以便為含金屬的原料的熔煉提供所需的熱能。
Hlsmelt法還包括在熔池的名義上的靜止表面的上方形成過渡區(qū)，其中有大量的有用的，上升然后下降的金屬液和/或熔渣的液滴或飛濺物或液流，它們?yōu)閷⑷鄢厣戏胶笕紵傻臒崮軅鹘o熔池提供了有效的傳熱介質。
述于該國際申請中的Hlsmelt法的特征在于通過在該容器的與熔池接觸和/或在其上方的區(qū)的側部將載氣和含金屬的原料和/或固體含碳物料和/或其它固體原料噴入熔池，從而使載氣和固體物料侵入熔池中，并將金屬液和/或熔渣拋入熔池表面上方的空間中，結果形成與熔池接觸和/或在其上方的過渡區(qū)。
該國際申請中所述的Hlsmelt法是對早期類型的Hlsmelt法的一種改進，它通過將氣體和/或含碳物料底吹到熔池中形成了過渡區(qū)，底吹使得熔融金屬和渣的液滴、飛濺物及液流從熔池中被拋射出來。
該申請人對Hlsmelt進行了大量工業(yè)實驗，并取得了一系列與該法相關的發(fā)現(xiàn)。
一般來說，本發(fā)明是一種用含金屬的原料生產(chǎn)金屬的方法，它包括如下步驟(a)在冶金容器中形成具有金屬層及其上的渣層的熔池；(b)經(jīng)由多個噴槍/噴嘴將含金屬的原料及固體含碳物料噴入金屬層中；(c)在金屬層中將含金屬的原料熔煉成金屬；(d)使熔融物料作為飛濺物、熔滴和液流狀被拋射到熔池的名義上靜止表面上方的空間中，從而形成過渡區(qū)；(e)經(jīng)由一或多個噴槍/噴嘴將含氧氣體噴入該容器中，以使自熔池中釋放出來的反應氣體后燃燒，從而使在過渡區(qū)中上升然后下落的熔融材料的飛濺物、液滴和液流將熱有利地傳給熔池，借此使自該容器經(jīng)由其與過渡區(qū)相接觸的側壁損失的熱減至最少；該法還包括通過保持高的渣存有量來控制工藝過程的步驟。
本文中的術語“熔煉”應理解為指的是熱加工過程，其中發(fā)生使含金屬的原料還原，從而產(chǎn)生金屬液的化學反應。
就熔池而言的術語“靜止表面”應理解為指的是在沒有氣體/固體噴入，因而沒有熔池攪動的工藝條件下的熔池表面。
熔池名義上的靜止表面上方的空間在下文中被稱為“頂部空間”。
該工業(yè)實驗的主要結論是為控制自容器損失的熱及向金屬層傳熱，在該容器中，尤其是在過渡區(qū)中維持大量的渣是重要的。渣對Hlsmelt法的重要性與對Hlsmelt法作的先期實驗工作明顯不同。按早先的工作，不認為渣量對于該方法是重要的。
“高的渣存有量”的概念可理解為在容器中的渣的深度。
該法包括通過在穩(wěn)定的操作條件下將渣層控制在0.5-4米的深度來維持高的渣存有量是可取的。
該法包括通過在穩(wěn)定的操作條件下將渣層控制在1.5-2.5米的深度來維持高的渣存有量是可取的。
該法包括在靜止的操作條件下將渣層控制在至少1.5米深來維持高的渣存有量則更好。
“高的渣存有量”的概念還可理解為與在該容器中的金屬量相當?shù)脑俊?br> 當該方法在穩(wěn)定狀態(tài)下運行時，該法包括通過將金屬渣的重量比控制在4∶1-1∶2之間來維持高的渣存有量則是可取的。
該法包括通過將金屬渣的重量比控制在3∶1-1∶1之間來維持高的渣存有量則更好。
而特別好的是，該法包括通過將金屬渣的重量比控制在3∶1-2∶1之間來維持高的渣存有量。
容器中的渣量，即渣的存有量對過渡區(qū)中的渣量有直接的影響。
渣較之金屬的相當?shù)偷膫鳠崽匦詫τ趯倪^渡區(qū)到側壁，及從容器經(jīng)由其側壁損失的熱變?yōu)樽钌偈侵匾摹?br> 通過適當?shù)墓に嚳刂?，過渡區(qū)中的渣可在側壁上形成渣層，它對自側壁的熱損失增加了阻力。
因此，通過改變渣的存有量，就可增加或減少過渡區(qū)中的渣量及側壁上的渣量，從而控制經(jīng)由容器側壁損失的熱。
渣可在側壁上形成“濕”渣層和“干”渣層?！皾瘛睂影ㄕ掣皆趥缺谏系哪虒?、半固化(糊狀)層和外液體膜?！案伞睂邮瞧渲械脑鼛缀跞寄痰膶?。
容器中的渣量還為后燃燒程度提供了控制措施。
尤其是，若渣的存有量過低，則將加大過渡區(qū)中金屬的暴露，從而增加了金屬及金屬中的溶解碳的氧化，加大了后燃燒降低的可能，并因之減少了后燃燒，結果使過渡區(qū)中的金屬起不到將熱傳向金屬層的積極作用。
此外，若渣的存有量過高，則過渡區(qū)中的一或多支含氧氣體噴槍/噴嘴將被淹沒，這使得頂部空間的反應氣體向一支或每支噴槍/噴嘴的運動減至最小，結果減小了后燃燒的潛勢。
容器中的渣量，即渣存有量(在渣層深度或金屬渣的重量比方面測得的)可用金屬和渣的排放速率控制。
容器中渣的產(chǎn)生可通過含金屬材料、含碳材料、熔劑的添加速度來控制，及例如含氧氣體噴入速度等參數(shù)的調(diào)整來控制。
本發(fā)明方法的特征在于，控制經(jīng)由過渡區(qū)向金屬層傳熱及控制容器經(jīng)由過渡區(qū)損失的熱。
如上所述，本發(fā)明的特征尤其在于通過維持高渣存有量來控制工藝過程。
此外，本發(fā)明的特征還在于，借助于以下的工藝特性，分別地或組合地控制工藝過程(a)設置一或多支含氧氣體噴槍，并以一定的流量噴射含氧氣體，以使(i)含氧氣體被朝向渣層噴出并穿透過渡區(qū)；(ii)含氧氣流使熔融材料的飛濺物、液滴和液流繞該或每支噴槍/噴嘴的下部偏轉，從而在該或每支噴槍/噴嘴的周圍形成被稱為“自由空間”的氣體連續(xù)空間；(b)通過調(diào)節(jié)下述一或多個參數(shù)，使渣主要濺射在與過渡區(qū)相接觸的容器側壁上來控制容器的熱損失(i)溶池中的渣量；(ii)通過一或多支含氧氣體噴槍/噴嘴噴射含氧氣體的流量；(iii)通過該噴槍/噴嘴的含金屬原料及含碳物料的流量。
在該含金屬原料為含鐵原料的情況下，本發(fā)明的特點還在于通過將鐵水中的溶解碳含量控制為至少3％(重量)，并將渣保持在強還原狀態(tài)，從而使渣層及過渡區(qū)中的FeO含量小于6％(重量)，更好是小于5％(重量)來控制工藝過程。
該冶金容器最好包括(a)上述的用于噴射含氧氣體的一或多支噴槍/噴嘴及用于將固體材料，如含金屬的原料、含碳物料(一般為煤)及熔劑噴入該容器中的噴槍/噴嘴；(b)將金屬液和渣從該容器中排出的出口；(c)一或多個氣體出口。
為操縱此方法，該容器盛有具金屬層及其上的渣層的熔池是至關重要的。
術語“金屬層”在本文中應理解為指的是金屬占主要地位的熔池區(qū)。
術語“渣層”在本文中應理解為指的是熔池中渣占主要地位的區(qū)域。
本發(fā)明方法的一個重要特點在于含金屬的原料至少主要在熔池的金屬層中被熔煉成金屬。
在實踐中，在該容器的其它區(qū)域，如渣層中將有一定比例的含金屬的原料被熔煉成金屬。但本發(fā)明方法的目的及該法與現(xiàn)有技術方法工藝間的區(qū)別在于在金屬層中熔煉最多的含金屬的原料。
因此，該方法包括將含金屬的原料及起著還原劑來源及能源作用的含碳物料噴入金屬層。
一種選擇方案是經(jīng)由位于金屬層上方，并向下朝其延伸的噴槍/噴嘴噴射含金屬的原料和含碳物料。該噴槍/噴嘴一般穿過容器側壁并向內(nèi)成一角度而且向下朝向金屬層的表面延伸。
另一種選擇方案，雖然決不僅有的一個其它的方案，是經(jīng)由容器底部中的，或與金屬層接觸的容器側壁中的噴嘴噴射含金屬的原料及含碳物料。
可通過同一或另外的噴槍/噴嘴噴射含金屬的原料及含碳物料。
本發(fā)明方法的另一重要特點在于它使熔融材料，一般呈飛濺、液滴和液流形狀的材料從熔池被向上拋射到位于熔池靜止表面上方的至少部分頂部空間中，結果形成過渡區(qū)。
過渡區(qū)與渣層大不一樣。在本方法穩(wěn)定的作業(yè)條件下，渣層含有位于連續(xù)的液相體積中的氣泡，而過渡區(qū)則包含位于連續(xù)的氣相體積中的飛濺物，液滴和液流。
該方法最好包括使熔融材料以飛濺物、液滴和液流狀態(tài)被拋射到過渡區(qū)上方的頂部空間中。
本發(fā)明的另一重要性能是，它使產(chǎn)生于熔池中的反應氣體，如CO和氫在熔池名義上靜止的表面上方的頂部空間(包括過渡區(qū))中后燃燒，然后將后燃燒所產(chǎn)生的熱傳給金屬層以維持熔池溫度，就該層中的吸熱反應而言，這是必不可少的。
含氧氣體最好是空氣。
該空氣更好是經(jīng)過預熱的。
通常將此空氣預熱到1200℃。
空氣可以是富氧的。后燃燒程度最好為至少40％，后燃燒的定義是[CO2]+[H2O][CO2]+[H2O]+[CO]+[H2]]]>其中[CO2]＝廢氣中CO2所占的體積％；[H2O]＝廢氣中的H2O所占的體積％；[CO]＝廢氣中CO所占的體積％；[H2]＝廢氣中H2所占的體積％。
出于2種原因，過渡區(qū)是重要的。
首先，熔融材料的上升然后回落的飛濺物，液滴和液流是將于熔池靜止表面上方的頂部空間中由反應氣體后燃燒所產(chǎn)生的熱傳給熔池的有效手段。
其次，過渡區(qū)中的熔融材料，尤其是渣是將容器經(jīng)由側壁損失的熱減至最少的有效手段。
本發(fā)明方法和現(xiàn)有技術方法間的主要區(qū)別在于按本發(fā)明方法，主熔煉區(qū)是金屬層，而主氧化(即生成熱)區(qū)在上方并在過渡區(qū)中，而且這些區(qū)域在空間是被明顯區(qū)分的，傳熱則是借助金屬液和渣在此2區(qū)間的物理運動進行的。
過渡區(qū)最好經(jīng)由向下朝著金屬層的噴槍/噴嘴用載氣噴射含金屬的原料及含碳物料而產(chǎn)生的。
如上所述，噴槍/噴嘴更好是穿過容器側壁，并成一向內(nèi)的角度及向下朝向金屬層延伸。
朝向金屬層，然后進入其中的固體材料噴射有如下后果(a)固體材料/載氣的沖量使此固體材料及氣體穿入金屬層中；(b)含碳物料，通常是煤，脫去揮發(fā)份，因而在金屬層中產(chǎn)生氣體；(c)大部分碳熔于金屬中，其余保持固態(tài)；(d)如(c)條所述的被噴入的碳將含金屬的原料熔煉成金屬，而且該熔煉反應還生成CO氣體；(e)被送入金屬層中的、因脫去揮發(fā)份及熔煉而產(chǎn)生的氣體使來自金屬層中的金屬液、固體碳及渣(由于噴射固體/氣體而被吸入金屬層的渣)產(chǎn)生很大的向上浮力，該浮力導致了熔融金屬和渣的飛濺、熔滴和液流向上運動，而當這些飛濺、液滴和液流穿過渣層時，它們就夾帶了渣。
本發(fā)明另一重要特性是，選擇噴射含氧氣的一或多支噴槍/噴嘴的位置及作業(yè)參數(shù)及控制過渡區(qū)的作業(yè)參數(shù)，從而使(a)含氧氣體向著渣層噴射并穿透過渡區(qū)；(b)含氧氣體的流股使熔融材料的飛濺、液滴和液流偏轉，從而實際上使(i)過渡區(qū)圍繞一或多支噴槍/噴嘴的下部向上延伸；(ii)在一或多支噴槍/噴嘴端部周圍形成被稱為“自由空間”的氣體連續(xù)空間。
形成自由空間是一重要特點，因為它能將容器頂部空間中的反應氣體被吸入一或多支含氧氣體噴槍/噴嘴端部區(qū)域中，并使之在該區(qū)中后燃燒。
在此，“自由空間”理解為幾乎不含金屬和渣的空間。
此外，上述的熔融材料的偏離在一定程度上使容器側壁與生成于該，或每支噴槍/噴嘴端部的燃燒區(qū)屏蔽開來。它還能使更多的能量從頂部空間內(nèi)的后燃燒氣體中返回到熔池中。
該方法最好包括以渦流運動的模式將含氧氣體噴入容器中。
參照附圖，通過舉例進一步描述本發(fā)明，其中

圖1是穿過冶金容器截取的垂直剖面圖，它示意地圖示了本發(fā)明方法的較佳實施方案。
下面敘述熔煉鐵礦石生產(chǎn)鐵水，而應理解的是，本發(fā)明并不限于這種用途，它可用于任何的適用的金屬礦石和/或精礦-這包括部分還原的礦石和返回的廢爐料。
圖中所示的容器有一爐膛，它包括用耐火磚砌成的基底3和側幫55；一般為自爐膛的側幫55向上延伸的圓桶狀的側壁5，它還包括上桶狀段51和下桶狀段53；爐頂7；廢氣出口9；用于連續(xù)排放金屬液的前爐膛57；及用于排放熔渣的出渣口61。
在使用時，該容器盛有鐵和渣的熔池，它包括金屬液層15和其上的熔渣層16。標號17所示的箭頭指出金屬層15的名義上靜止表面的位置，而標號19所示的箭頭指示渣層16的名義上靜止表面的位置。術語“靜止”表面應理解為指的是，沒有將氣體和固體噴射到容器中時的表面。
該容器還包括2支向下延伸并與垂直方向成30°-60°角并穿過側壁5進入渣層16的噴槍/噴嘴11。選擇噴槍/噴嘴11的位置，以使其下端位于金屬層15靜止表面的上方。
在使用時，將夾帶在載氣(一般為N2)中的鐵礦石、固體含碳物料(一般是煤)及熔劑(一般是石灰和鎂砂)經(jīng)由噴槍/噴嘴11噴入金屬層15中。固體物料/載氣的沖量使該物料和氣體穿入金屬層15。在金屬層15中煤被脫去揮發(fā)份，從而產(chǎn)生氣體。碳部分地溶于金屬中，部分仍為固體碳。鐵礦石被熔煉成金屬，而熔煉反應產(chǎn)生CO氣體。傳輸?shù)浇饘賹?5中的、因脫去揮發(fā)份和熔煉而生成的氣體使金屬層15中的金屬液、固體碳和渣(因噴射固體/氣體而被吸入金屬層15中的渣)產(chǎn)生很大的向上浮力。該浮力使熔融的金屬和渣的飛濺物、液滴及液流產(chǎn)生向上的運動，而當這些飛濺物、液滴和液流穿過渣層16運動時，它們夾帶了渣。
金屬液、固體碳和渣的向上浮動在金屬層15和渣層16中產(chǎn)生巨大的攪動，結果渣層16體積膨脹，于是就有了箭頭30所示的表面。攪動的程度是這樣的它使金屬和渣的區(qū)域中有了合理的均勻的溫度-一般為1450-1550℃，在每區(qū)中的溫度變化的量級為30℃。
此外，金屬液、固體碳和渣的向上浮動所引發(fā)的熔融材料的飛濺物、液滴和液流的向上運動延續(xù)到該容器中的熔池上方的頂部空間中，因而(a)形成了過渡區(qū)23；(b)將一些熔融材料拋射到過渡區(qū)以上并落在位于過渡區(qū)23上方的側壁5的部分上桶狀段51及爐頂7上。
一般說來，渣層16是其中帶有氣泡的連續(xù)的液體體積，而過渡區(qū)23是帶有熔融金屬和渣的飛濺物、液滴及液流的連續(xù)的氣體體積。
容器還包括噴射含氧氣體(一般是經(jīng)預熱的富氧空氣)的噴槍13，它位于中心并垂直地伸入該容器中。要選擇噴槍13的位置，以使含氧氣體穿過過渡區(qū)23的中心區(qū)域，并在槍13端部的周圍基本上保持一個金屬/渣的自由空間25。槍13包括使含氧氣體以渦流模式被噴入該容器中的組件。
經(jīng)由槍13噴射含氧氣體使反應氣體CO和H2在過渡區(qū)23和槍13端部周圍的自由空間25中后燃燒，于是在該氣體空間中產(chǎn)生量級為2000℃或更高的高溫。此熱傳給了在氣體噴射區(qū)中上升和回落的熔融材料的飛濺物、液滴和液流，然后在此金屬/渣返回金屬層15時，此熱被部分地傳給了金屬層15。
自由空間25的作用是獲得高的后燃燒程度，因為它能使得過渡區(qū)23上空間中的氣體卷入槍13的端部區(qū)，增加氣體的暴露，以方便后燃燒。
噴槍13的位置，槍13中氣體的流速，經(jīng)過該槍的氣體流量及熔融材料的飛濺物、液滴及液流的向上運動的綜合效果是在槍13的下端區(qū)27的周圍形成了過渡區(qū)23。所形成的這一區(qū)域對于側壁5提供了局部的防輻射熱傳遞的屏障。
此外，熔料的飛濺物、液滴及液流的上升和回落是從過渡區(qū)23向熔池傳熱的有效措施，結果使側壁5的該區(qū)域內(nèi)的過渡區(qū)23的溫度為量級1450-1550℃的溫度。
參照該方法運行時的金屬層15、渣層16及過渡區(qū)23的水平面并參照該方法運行時被拋射到過渡區(qū)23的上方的頂部空間中的熔融金屬和渣的飛濺物、液滴及液流來構成容器，從而使(a)與金屬/渣層15/16接觸的爐床和側壁5的下桶狀段53用耐火磚構成(在該圖中用虛線表示)；(b)至少部分側壁5的下桶狀段襯有水冷板8；(c)用水冷板57，59構成與過渡區(qū)23和頂部空間31接觸的側壁5的上桶狀段51和爐頂7。
側壁5的上段10中的每塊水冷板8、57、59都有平行的上、下沿和平行的側沿，而且是彎的，從而限定了一個圓桶狀段。每塊板包括一內(nèi)水冷管和一外水冷管。將這些管作成蛇狀的構形，帶有用彎管段相互連通的一些水平段。每個管還包括入水口和出水口。每個管被垂直間隔地放置，從而使外套的水平段不是正在內(nèi)管水平段的后方(從板的暴露面，即暴露于容器內(nèi)部的面看)。每塊板還包括搗實的耐火材料，它們填充在每塊板的相鄰水平段的間隙中和管之間的間隙中。
將管的出水口和入水口相連成供水回路(未示)，它使水以高流量在管中循環(huán)。
在使用時，要控制作業(yè)條件，以便有足夠的渣與水冷板57、59接觸及有足夠的熱從板上被帶走，從而在板上堆積和保持一層渣。該渣層對于經(jīng)由過渡區(qū)及過渡區(qū)上方的頂部空間的其余部分損失的熱構成了有效的熱屏蔽。
如上所述，本申請人已在工業(yè)實驗中找出了如下的工藝特點，它們單獨地或綜合地對工藝過程提供了有效的控制。
(a)控制渣的存有量，即渣層深度和/或渣/金屬之比，以便使過渡區(qū)23中的金屬對傳熱的正面效果與過渡區(qū)23中的金屬因在過渡區(qū)23中的逆反應對后燃燒所產(chǎn)生的負面效果達到平衡。若渣的存有量過低，則金屬暴露于氧過多，從而降低了后燃燒的潛勢。另一方面，若渣的存有量過大，則槍13將埋在過渡區(qū)23中，從而使帶入頂部空間25中的氣體量減少，結果降低了后燃燒潛勢。
(b)將金屬中的熔解碳含量控制為至少3％(重量)，并以強還原態(tài)保持渣存有量，以使渣層16和過渡區(qū)23中的FeO含量小于6％(重量)。
(c)選擇槍13的位置及控制經(jīng)由槍13和噴槍/噴嘴11噴入的含氧氣體及固體的流量，以將金屬/渣自由區(qū)基本上保持在槍13端的周圍及在槍13下段周圍形成過渡區(qū)23。
(d)通過調(diào)整如下的一或多個參數(shù)，以控制因渣的飛濺物從容器中損失的熱及從與過渡區(qū)23或與過渡區(qū)23上方接觸的容器側壁損失的熱(i)渣的存有量；(ii)經(jīng)由槍13和噴槍/噴嘴11噴射的流量。
本申請人在其于Kwinana，Western Australia的實驗工廠進行了一系列長爐后期的上述工業(yè)實驗。
該工業(yè)實驗是用該圖所示的及上文所述的容器，并按上述的工藝條件進行的。
該工業(yè)實驗在下述不同的范圍內(nèi)對容器作了詳估，并對該方法進行的實驗(a)原料；(b)固體和氣體的噴射流量；(c)渣的存有量-按渣層深度和渣金屬比測得；(d)運行溫度；(e)設備組成。
表1列出實驗工廠的起動和穩(wěn)定運行狀態(tài)下的相關數(shù)據(jù)。
鐵礦石來源于Hamarsley，該礦石是正常的細的直接船運來的礦石，它含64.6％Fe、4.21％SiO2及2.78Al2O3(以干礦為基準計)。
用無煙煤作還原劑及碳和氫的來源，以便燃燒和為該工藝過程供應能量。此煤的發(fā)熱值為30.7MJ/kg，灰份為10％，揮發(fā)份為9.5％。其它的特征包括79.82％的總碳量、1.8％的H2O、1.59％的N2、3.09％的O2及3.09％H2。
使該工藝運行，用石灰和鎂砂的組合熔劑將渣堿度保持為1.3(CaO/SiO2之比)。鎂砂提供MgO，以便通過在渣中保持適度的MgO含量來減少渣對耐火材料的浸蝕性。
在起動條件下，實驗工廠這樣運行1200℃的熱風流量為26000m3/小時；后燃燒率60％((CO2+H2O)/(CO+H2+CO2+H2O))；鐵礦石粉的供料速率5.9t/小時；煤的供料速率5.4t/小時；熔劑的供料速率1.0t/小時，它們均用N2作載氣以固態(tài)噴入。在容器中幾乎沒有或完全沒有渣，因而沒有機會在側板上形成凝渣。結果，冷卻水的熱損失高達12MW。此實驗廠以3.7t/小時的金屬液(4.5％(重量)的碳)的生產(chǎn)率及1450kg煤/t所產(chǎn)生的金屬液的耗煤率進行。
在穩(wěn)定的作業(yè)條件下，由于控制了渣存有量及構成側壁的水冷板上的渣層，達到了相當?shù)偷模?MW的熱損失。降低了損失于水冷系統(tǒng)中的熱，使生產(chǎn)率提高到6.1t/小時金屬液。以同于起動時的熱風流量及后燃燒率得到了這種提高了的生產(chǎn)率。固體噴射速率為9.7t/小時的礦粉；6.1t/小時的煤及與其一同噴入的1.4t/4時的熔劑。這種提高了的生產(chǎn)率還將耗煤率降到1000kg煤/t所得的金屬液。
不違背本發(fā)明的精神和范圍還可對上述本發(fā)明的較佳實施方案作出許多改進。
權利要求
1.一種用含金屬原料生產(chǎn)金屬的直接熔煉方法，該方法包括如下步驟(a)在一冶金容器中形成具有金屬及其上的渣層的熔池；(b)經(jīng)由多支噴槍/噴嘴將含金屬原料及固體含碳物料噴入金屬層中；(c)在金屬層中將含金屬原料熔煉成金屬；(d)使熔融材料以飛濺物、液滴和流股狀被拋射到熔池名義靜止表面上方的頂部空間中以形成過渡區(qū)；(e)將含氧氣體經(jīng)一或多支噴槍/噴嘴噴入該容器中，以使自熔池中釋放出來的反應氣體后燃燒，從而借助在過渡區(qū)中上升然后回落的熔融材料的飛濺物、液滴和液流促進向熔池傳熱，并借助該過渡區(qū)將該容器經(jīng)由與該過渡區(qū)相接觸的側壁損失的熱減至最少；該方法包括通過保持高渣存有量來控工藝過程的步驟。
2.如權利要求1的方法，其特征在于，它包括通過將渣層控制為0.5-4m來保持高的渣存有量。
3.如權利要求2的方法，其特征在于，它包括通過將渣層控制為1.5-2.5m的深度來保持高的渣存有量。
4.如權利要求1的方法，其特征在于，它包括通過將渣層控制為至少1.5m的深度來保持高的渣存有量。
5.如權利要求1的方法，其特征在于，它包括將金屬渣的重量比控制在4∶1和1∶2之間。
6.如上述任一項權利要求的方法，其特征在于，它包括在穩(wěn)定的工藝運行條件下，將金屬渣的重量比控制為3∶1-1∶1之間。
7.如權利要求6的方法，其特征在于，它包括通過在穩(wěn)定的工藝條件下，將金屬渣的重量比控制在3∶1-2∶1之間以保持高的渣存有量。
8.如上述任一項權利要求的方法，其特征在于，步驟(c)包括至少主要在金屬層中將金屬原料熔煉成金屬。
9.如上述任一項權利要求的方法，其特征在于，它包括設置一或多支含氧氣體噴槍/噴嘴，并以如下流量噴射含氧氣體(a)使含氧氣體向渣層噴射，并穿透過渡區(qū)；(b)含氧氣體的流股使熔融材料的飛濺物、液滴及液流繞一或多支噴槍/噴嘴的下部偏轉，并在該一或多支噴槍/噴嘴的端部形成氣體連續(xù)空間。
10.如上述任一項權利要求的方法，其特征在于，它包括通過使渣飛濺到容器的與過渡區(qū)接觸的側壁上和容器的爐頂上來控制容器的熱損失，所述使渣飛濺是通過調(diào)整如下的一或多個參數(shù)完成的(i)熔池中的渣量；(ii)經(jīng)由一或多支含氧氣體噴槍/噴嘴的含氧氣體的噴射流量；(iii)經(jīng)由噴槍/噴嘴的含金屬原料及含碳物料的流量。
11.上述任一項權利要求的方法，其特征在于，權利要求1的步驟(b)包括在金屬層上方設置多支槍/噴嘴，并使之向下朝金屬層延伸。
12.上述權利要求1-10中任一項的方法，其特征在于，權利要求1的步驟(b)包括經(jīng)由多支槍/噴嘴將含金屬的原料及含碳物料噴入金屬層中，從而引起熔融材料的飛濺物、液滴和液流向上運動，該運動又形成了按權利要求1的步驟(d)定義的過渡區(qū)。
13.如權利要求12的方法，其特征在于，它包括噴射載氣中的含金屬原料及含碳物料。
14.如權利要求13的方法，其特征在于，它包括設置多支位于金屬層上方并向下朝其延伸的槍/噴嘴。
全文摘要
一直接熔煉工藝,在冶金容器中形成金屬層及渣層的熔池;經(jīng)多支噴槍/噴嘴將含金屬原料及固體含碳物料噴入金屬層中,在該層中將含金屬原料熔煉成金屬。使熔融材料拋射到熔池上方的頂部空間中形成過渡區(qū)。經(jīng)1或幾支槍/噴嘴將含氧氣體噴入容器以使自熔池放出的反應氣體后燃燒,借助在過渡區(qū)中上升后回落的飛濺物、液滴及液流促進向熔池傳熱,借助過渡區(qū)將容器與過渡區(qū)接觸的側壁損失的熱減至最少。通過保持渣存有量來控制工藝。
文檔編號C22B5/10GK1307645SQ99807946
公開日2001年8月8日 申請日期1999年7月1日 優(yōu)先權日1998年7月1日
發(fā)明者卡羅琳·麥卡錫, 羅德尼·J·德賴, 彼得·D·伯克 申請人:技術資源有限公司