專利名稱：熔化銅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制燃燒器作業(yè)的方法，具體地說，本發(fā)明涉及控制進入熔化銅用的燃燒器中的燃料/空氣比、以防止不需要的氧和/或氫混入銅內(nèi)的方法。
銅的熔化是一種十分重要的工業(yè)生產(chǎn)過程。正如現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的、以及本發(fā)明引為參考的美國專利3，199，977(A.J.Phillips等人，1965.8.10)中所討論的那樣，銅陰極是工業(yè)上生產(chǎn)的銅的主要形式，這種陰極一般是扁平矩形的，尺寸為1英寸(厚)×25英寸×40英寸左右，但也可生產(chǎn)出尺寸更大或更小的陰極。
盡管陰極沉積法制得的銅是工業(yè)純的，只有普通的雜質(zhì)和不可避免的微量電解質(zhì)(硫化物)實際上存在或吸附在陰極的表面上，但是由于陰極的形狀及物理性能，特別是沉積銅的晶粒結(jié)構(gòu)等原因，銅陰極的本身通常并不能使用。為了使它們變成更加有用的形式，必須將陰極熔化，然后鑄成一種或多種半成品的形式，例如，餅塊、錠子、型材(例如條錠)、方坯和棒材等，再從這些半成品制成最后的產(chǎn)品，例如板、絲、管及其它許許多多的工業(yè)純銅的產(chǎn)品。但是，這種銅在熔化過程中不能為工業(yè)上不能允許的氧量和硫量所污染，因為從工業(yè)觀點上看，熔融的銅的基本成分被破壞，就必須通過一系列的步驟，重新加工成新的銅陰極，這是既費錢又費時的工序。
因此，所用的燃燒器在熔化銅的過程中不能使銅為例如不需要的氧等所污染。通常，燃料/氧(空氣)混合物的比例保持在含有的氧量不足以使燃料完全燃燒，因此，所形成的熔化火焰就是還原性的火焰。對于大多數(shù)工業(yè)使用上，預(yù)定的還原條件應(yīng)該是使在熔化過程中混入銅內(nèi)的氧量應(yīng)少于銅重量的0.05%，較好是少于0.035%，最好是少于0.01%。
在授予Phillips等人的上述專利的以及授予Little和Thomas的美國專利No.4，536，152中闡述了幾種特別設(shè)計的燃燒器，這些燃燒器能使燃料和空氣高度混合而產(chǎn)生均勻的還原性火焰，以便使不燃燒的氧和對銅的污染減至最少。美國專利No.4，536，152所公開的內(nèi)容將納入本專利作為參考。
在現(xiàn)有技術(shù)中，燃燒器本身在銅的熔化中是重要的，而適當(dāng)控制燃料/空氣的混合同樣也是十分重要的，因為過量的燃料或空氣都可產(chǎn)生會污染銅的火焰。因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種通過控制熔化過程中進入燃燒器中的燃料/空氣比而有效地熔化銅及其金屬和材料的方法。
熔化銅的爐子多數(shù)是如上述授予Phillips等的專利中所述的帶有多個燃燒器的、垂直的豎爐，為了方便起見，下面將針對這種爐子進行說明。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，送入熔化例如陰極銅用的燃燒器中的燃料和空氣(氧)可以有效地控制、以提供符合所需工作范圍的燃料/空氣比而產(chǎn)生一種還原性火焰，這種火焰所燃燒的燃料中氫的含量約為所需氫量的體積±0.3%或更少。根據(jù)所用燃料的不同，氫量一般保持在約1%～3%(體積)。采用天然氣時，氫的含量約為1～2%，而采用丙烷時，氫的含量為0.3～0.9%，因為燃料中的碳/氫比不同，用丙烷時所形成的CO比H2多，而用甲烷(天然氣)時，所形成的H2和CO的量相同。
概括地說，控制某些燃燒器、例如環(huán)繞豎爐四周的燃燒器的程序包括下列步驟(a)預(yù)定每一燃燒器所需的特定物質(zhì)(例如氫)的調(diào)整值(含量);
(b)對一個燃燒器的燃料/空氣混合物取樣、分析，而其它燃燒器的燃料/空氣的混合氣體則從每個混合器抽入歧管中;
(c)測量樣品中物質(zhì)的含量;
(d)比較樣品中的含量與預(yù)定的需要量;
(e)如果需要，改變?nèi)剂虾?或空氣量;和(f)對其它燃燒器重復(fù)步驟(b)-(e)，并在熔化操作中連續(xù)重復(fù)步驟(b)-(e)。
下面結(jié)合


本發(fā)明，附圖中圖1是按照本發(fā)明的原理和方法的設(shè)備簡圖;
圖2是表示多燃燒器豎爐的燃料/空氣混合氣體取樣系統(tǒng)的設(shè)備簡圖。
豎爐可以是任何一種具有所需形狀或尺寸的、按普通方法垂直設(shè)置的爐子，這種爐子可裝入要熔化的任何所需尺寸和形狀的銅料柱，并且在銅料柱被熔融時允許它在重力的作用下在爐子中向下移動。因此，爐子通常是正方形、矩形或者最好是圓形的。
爐子可用任何所需的材料、用任何所需的方法制成。最好爐子的側(cè)壁和底部用例如焊接法做成完全氣密的鋼殼，并且殼體要帶有一種酸性的、中性的或堿性的耐火材料襯里，最好用高級氧化鋁耐火材料。
在本發(fā)明的實施例中，熔化用的氣流(火焰)是以單個或一組氣流噴入到爐子中的一個或多個點或區(qū)中的，并且，燃料和含氧氣體的混合是一級或多級完成的。而且混合氣體的點火可以在氣體混合后、混合氣流與要熔化的銅相接觸之前的任一時間進行。因此，例如，熔化用的氣流可以用單級混合，然后送入多個燃燒室，并在射入爐子之前在燃燒室中點火。雖然可以采用這樣的作業(yè)過程，但是這并不是一種最好的工藝過程，因為它有可能在熔化用的氣流中產(chǎn)生逆火。同樣，熔化用氣流可以用單級混合、然后燃燒，再將燃燒的熱產(chǎn)物送入到爐子上的多個入口中。這樣一種工藝過程也可以用，但也不是一種最好的規(guī)程，因為這將需要使用相當(dāng)長的能夠耐受極高溫度的耐火管通。最好是熔化用的氣流由一組單元的氣流組成，每一個單元的氣流從安裝在爐壁上的各自的燃燒器主體噴入爐子中，并且每一單元的氣流都在各自的燃燒器主體內(nèi)點火然后才噴入到爐子中的。在本發(fā)明的最佳實施例程序中，燃料流和含氧氣流是分開進入每一個燃燒器主體內(nèi)的，每一個燃燒器主體都帶有一個用于接收和混合分開送來的燃料流和含氧氣流的混合區(qū)，混合后的氣流送入與混合器直接相鄰的燃燒器主體中的燃燒器區(qū)，并在這里點火、然后噴入爐子中。
一個或多個燃燒器可以安裝到爐壁上，以便使從它們那里排出的氣體直接地，或者通常是切向的，射在銅料柱上;直接排氣最好因為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種方法的熔化效率最高。最好在爐壁上安裝多個燃燒器，其安裝方式是沿鄰近爐底的爐壁四周安有至少一排互相隔開的燃燒器，并且在每一排中最好至少有三個燃燒器。尤其是下列的方式更好;即在爐壁上安有多排燃燒器，每一排中的燃燒器以互相隔開的關(guān)系環(huán)繞在爐子的四周，每一排燃燒器垂直互相隔開，并且最低的一排燃燒器鄰近爐底。后一種燃燒器的設(shè)置方式(特別是加上爐子下部向內(nèi)傾斜的爐壁)更好，因為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，它有助于使熔融銅柱的底部變成普通的錐形，當(dāng)爐子是圓形時則銅柱底部一般是圓錐形，而這種形狀也已被發(fā)現(xiàn)比其它的形狀的熔化速率高。
此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在任何給定的條件下，銅所吸收的來自于氣體的對流熱取決于撞擊到銅料柱上的氣體溫度，并且撞擊到銅料柱上的氣體的溫度升高，銅吸收的對流熱量就增多。最好至少對含氧氣流預(yù)熱至實際上盡可能的高溫，如果對燃料流也預(yù)熱至實際上盡可能的高溫那就更好。如果這兩種氣體都進行預(yù)熱，則它們最好被預(yù)熱至150～540℃。在本發(fā)明的最佳工藝規(guī)程中，采用從爐子來的熱煙道氣以間接接觸的辦法至少對含氧氣流進行預(yù)熱。
通常，爐子工作時按需要從料柱的頂部加入銅，熔融的銅集中到爐子底部的一個熔池中，并從這里通過出銅口連續(xù)地或間斷地排出。最好不采用熔池，而是當(dāng)爐子中的銅一熔化，熔融的銅便能立刻自由地從打開的出銅口流出。從爐子中流出的熔融金屬可以用任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄋ偷饺魏涡枰牡胤揭怨┻M一步使用。最好使金屬從出銅口流入加熱的流槽中，再由流槽直接流到爐子附近的鑄造設(shè)備中或者流到儲存爐中，再由儲存爐中流到適當(dāng)?shù)蔫T造設(shè)備中。熱流槽和/或儲存爐可以由一些與用來控制熔化銅用的爐子燃燒器的同一個燃燒器控制系統(tǒng)相連接的燃燒器進行加熱。
任何燃料，特別是任何流態(tài)燃料或流態(tài)化燃料都可用來實現(xiàn)本發(fā)明。最好，燃料是一種含有氧和一氧化碳的燃料，例如水煤氣或發(fā)生爐煤氣;或者燃料是一種碳氫化合物的燃料(即含有碳和氫的燃料)。天然氣是一種最好的燃料。當(dāng)采用這些最好的燃料束實現(xiàn)本發(fā)明以便在適當(dāng)?shù)臓t氛下產(chǎn)生還原組分時，由于燃料的不完全燃燒，這些組分主要是氫和一氧化碳。通常，含氫量的控制是通過分析燃料和空氣的燃燒產(chǎn)物樣品、并調(diào)節(jié)燃料/空氣比以便達到所需的含氫量來控制。但是，不管所用的燃料是什么，本發(fā)明的方法都可將所需物質(zhì)(例如H2、CO、O2、N2、H2O等)的預(yù)定調(diào)整值控制在約±0.3%(體積)之內(nèi)，通常是小于±0.2%或±0.1%(體積)。
下面參見圖1，圖1中示出了一種典型的單個燃燒器系統(tǒng)的簡圖。從上述的討論中應(yīng)該了解，通常是采用多個燃燒器分排環(huán)繞在爐子的四周，每個燃燒器都采用如圖1所示的同種布局的設(shè)備。
燃料例如天然氣由燃料供給站10送到區(qū)域調(diào)節(jié)器11并保持大于大氣壓的正燃料壓力。區(qū)域調(diào)節(jié)器11帶有兩個分別與燃料管道和氣流歧管19相連通的管子11a和11b以便達到這一正壓狀態(tài)。燃料隨后流入燃料管道12并送到零調(diào)節(jié)器的通用隔膜控制閥13處。閥13也帶有管13a和從空氣管道延伸到閾13的隔膜上面空間以便使空氣的壓力引到隔膜處的管13b。管13b還帶有與其相連的放氣閥20和出口21以便根據(jù)控制系統(tǒng)26的信號調(diào)節(jié)燃料或空氣量，如下述。在本發(fā)明的一個最佳實施例中，采用一種機動放氣閥來精確控制過大的燃料/空氣比。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，這種機動的控制相對壓力的控制過程對于獲得本發(fā)明的最佳工作結(jié)果是十分重要的。
此后，燃料再通過也用來調(diào)節(jié)進入燃燒器中的燃料量的可調(diào)管口14。通常，可調(diào)管口14是對燃料流進行人工粗調(diào)，而為了達到精確的控制燃料/空氣比所需的最后細調(diào)則由放氣閥20執(zhí)行。而后燃料再進入混合器15(通常是燃燒器的一部分)與空氣混合。
空氣由供氣站17通過蝶形閥18進入氣流歧管19并通過歧管閥19a進入混合器15?；旌虾蟮娜剂?空氣流再進入燃燒器16中進行燃燒。
燃料與空氣的比例最好通過從混合后的燃料/空氣流中取樣、燃燒并分析燃燒產(chǎn)物的方法測定。也可用其它的取樣和分析方法?？刹捎靡环N三通電磁閥22進行取樣。由這種供取樣分析用的電磁閥22使所采得的燃料/空氣混合物通過真空泵23送到可在理想的狀態(tài)下燃燒混合物的爐子24內(nèi)。燃燒后的混合物送到分析室25中進行分析并將分析結(jié)果輸入到控制系統(tǒng)26中。根據(jù)分析結(jié)果對放氣閥20進行調(diào)節(jié)，如果需要更多的燃料，則減小閥20的張開度;如果需要更多的空氣，則增加閥20的張開度。其它輸入到控制系統(tǒng)26中的信號還有從各自的歧管來的空氣壓力和燃料壓力。
當(dāng)不對燃料/空氣混合物進行取樣分析時，電磁閥22直接將混合物送到與真空泵28和出口29相連接的真空歧管27中。
對于常有多個形成一排環(huán)繞爐子四周的燃燒器的典型燃燒器系統(tǒng)，每一個燃燒器都帶有從燃料歧管12和空氣歧管19到燃燒器本身相同的布局。每個燃燒器也都帶有一個與其相連接的三通電磁閥，并且從電磁閥之后的其余裝置都為所有的燃燒器所共用，不管燃燒器的數(shù)量多少。因此，例如，對于各排燃燒器通常只用一個爐子24。當(dāng)然也可采用多臺爐子，多個分析室等，但這樣做一般是不經(jīng)濟的。
下面參考圖2，圖2中示出了帶4個燃燒器的豎爐裝置，工作時，由閥22a從混合器15a中。從真空泵23出來的樣品在爐子24中燃燒、在分析室25中分析并且其分析結(jié)果輸入到控制系統(tǒng)26中。本發(fā)明很重要的一個特征是當(dāng)從混合器15a來的混合氣體正在取樣和分析時，閥22b、22c和22d則分別使來自混合器15b、15c和15d的混合氣體由真空泵28導(dǎo)入真空歧管27和出口29。當(dāng)來自混合器15a的樣品被分析并由控制系統(tǒng)26進行處理時，閥22a改變方向引導(dǎo)混合器15a中的氣體通過管道27a進入真空歧管27中，而閥22b則改變方向允許混合器15b中的混合氣體被取樣并使樣品通過管道23b進入真空和分析系統(tǒng)進行分析。此時，閥22c和22d保持上述狀態(tài)并且它們各自的混合氣體被導(dǎo)入真空歧管27中。在熔化爐作業(yè)過程中，上述的程序連續(xù)重復(fù)，對所有的燃燒器反復(fù)取樣。也可采用任何取樣順序。
上述的取樣和分析程序顯著地增加了單位時間內(nèi)的取樣和分析次數(shù)，因為設(shè)置了真空歧管27，故在爐子24和分析室25附近總是可以得到要分析的混合氣體樣品。這一點只要看一看氣體樣品從混合器15到樣品燃燒爐24所必須經(jīng)過的距離就能很快明自，因為混合器15至閥22間的距離被除掉了。在正常的工業(yè)操作中，取樣分析的總數(shù)約等于不采用真空歧管27的系統(tǒng)的兩倍。由于取樣分析的次數(shù)增加，故能夠精密地控制燃料/空氣比，從而增加熔化操作的效率。
在采用帶有三排多個燃燒器的豎爐熔化銅陰極的工業(yè)操作中，用本發(fā)明的方法(包括機動放氣閥20)控制燃料/空氣比可以顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量，因為本方法可以控制燃燒器火焰中氫的含量(與所需氫的給定值的偏差小于±0.2%(體積))。而不采用本發(fā)明的方法的熔化操作，氫含量與所需濃度給定值的偏差為±0.5%。
顯然，在不違背本發(fā)明的精神和范圍下，對于本文所述的幾個特征可以進行很多改動和修改。因此，通過本發(fā)明圖例進行的上述說明顯然并無限制本發(fā)明之意。
權(quán)利要求
1.一種控制多個燃燒器的燃料/空氣比的方法，包括(a)預(yù)定每一燃燒器所需的特定物質(zhì)的調(diào)整值；(b)對一個燃燒器的燃料/空氣混合物取樣、分析而其它燃燒器的燃料/空氣的混合氣體則從每個混合器抽入歧管中；(c)測量樣品中物質(zhì)的含量；(d)比較樣品中的含量和預(yù)定的需要量；(e)如果需要，改變?nèi)剂匣蚩諝饬?；?f)對其它燃燒器重復(fù)步驟(b)～(e)，并在燃燒器工作過程中連續(xù)重復(fù)步驟(b)～(e)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，上述燃燒器安裝在一個豎爐上，而環(huán)繞豎爐的四周有一排燃燒器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，上述爐子是用來熔化銅的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于，上述被測物質(zhì)是氫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，上述燃料或空氣量的變化由一個機動放氣閥進行控制，以便調(diào)節(jié)進入系統(tǒng)中的燃料或空氣量。
全文摘要
一種熔化銅而不會讓不需要的氧和/或氫混進銅里的方法，該方法采用一種特殊的、燃料/空氣混合物的取樣和控制系統(tǒng)有效地控制熔化銅用的燃燒器處在所需的燃料/空氣比的工作范圍內(nèi)。
文檔編號F27D19/00GK1080043SQ9210457
公開日1993年12月29日 申請日期1992年6月12日 優(yōu)先權(quán)日1991年4月25日
發(fā)明者吉姆·D·威廉姆, 達瑞爾·W·布雷特林 申請人:阿薩科公司