專利名稱：熔煉金屬或非金屬的方法及其所用的至少由一種烴基聚合物組成的材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于熔煉金屬或非金屬的方法，該方法是通過供入燃料和氧氣在爐內(nèi)熔煉爐料，為了加速燃燒至少設(shè)置一個燃燒器。
本發(fā)明還涉及在熔煉金屬或非金屬的方法中所用的材料，該材料包括至少一種烴基聚合物作為產(chǎn)生能量的材料，該產(chǎn)生能量的材料能釋放化學(xué)還原未燃的物質(zhì)。
已知作為熔爐的各種熔煉裝置都設(shè)置有能量供給設(shè)備，該設(shè)備定性地由熔爐類型決定。
電弧爐借助于電氣設(shè)備相位之間的電位差熔煉爐料，它將焰弧形式的能量引入待熔煉的爐料。因此，電能是這種熔爐能量的“特征源(characteristic source)”。
在電弧爐內(nèi)煉鋼時，碳，通常是無煙煤以相對于爐料的各種百分率同金屬爐料混合，并占據(jù)在爐料的下部。該百分率一般在1-5％之間。例如，100公噸的電爐可將其金屬爐料同1-5公噸的無煙煤混合。如果以100％的效率燃燒， 這將要提供8,500-40,000kwh的補充能量(addional energy)，它相當(dāng)于熔煉該爐料所必需能量理論值的22％-大于100％。目前由于熔煉周期開始時碳的相當(dāng)緩慢的燃燒率，上述百分率傾于要縮減到1.5％左右，換句話說，因為在該周期內(nèi)設(shè)有足夠時間將它完全燃燒。
反射爐和轉(zhuǎn)爐的差別在于，后者需要開動它的水平軸，而前者只要傾斜就行，但這兩種爐子的情況下，供能設(shè)備都是燃燒器或者吹焰器(torch)。該燃燒器或吹焰器使用空氣、富氧空氣或純氧作助燃物燃燒礦物燃料將能量釋入待熔煉的爐料而進行工作。因此，這種情況下能量的特征源是起源于化學(xué)能。
為了尋求更高效率的熔煉爐，在近20多年內(nèi)于上述系統(tǒng)內(nèi)建立了“補充能量(addional energy)”供給。在總是昂貴的常規(guī)或“特征能源”中這促進了節(jié)約一時常是非常重要的節(jié)約。
供給補充能量的最重要的現(xiàn)代方法是所謂的“后燃燒(post-combustion)”，概括地說，它由向待熔煉的爐料補充碳(一般是無煙煤或黑煤)組成，在熔煉期過程中使用純氧進行燃燒，隨后釋放出補充能量。
該后燃燒法可能非常簡單，如在爐口處設(shè)置噴氧管；或者可能相當(dāng)復(fù)雜，如引入若干通過爐體的水冷管以調(diào)節(jié)作為分析熔爐出口處廢氣的函數(shù)的氧氣流。
在所有上述情況下，結(jié)果是限制了最佳后燃燒率。所有的礦物碳為了開始釋放所含的揮發(fā)性物質(zhì)和用氧氣點燃都要求一定的溫度，結(jié)果是“補充能源”在開始熔煉經(jīng)過一定時間后才起作用。
在熔煉鐵所用的回轉(zhuǎn)爐內(nèi)，通常以爐料的1.5-6％的百分率隨同金屬爐料一起添加無煙煤。
例如，容量為20公噸的回轉(zhuǎn)爐將要盛裝400-1200kg的無煙煤(隨同金屬爐料一起)，按100％的效率計算這將要供給3,400-10，200KWh的補充能量，這是熔煉爐料所需理論能量的50％-150％。
目前由于熔煉周期開始時碳的燃燒效率低，其百分率通常被縮減到1.5％左右，換句話說，因為沒有足夠時間將所有物質(zhì)燃燒或CO2，通過煙囪將要燒去大量的CO(高達(dá)煙氣總體積的30％)。
在一個周期開始的40％的時間內(nèi)，煙氣分析能夠探測煙氣中高達(dá)30％的氧氣(無煙煤未點燃，因此未同氧氣進行結(jié)合)；在剩下的60％時間內(nèi)，煙氣中的氧含量為0％。相反，CO卻達(dá)到最高為35％的數(shù)值(無煙煤已自燃，但沒有足夠的氧氣供其燃燒)。
爐料中的主要元素是鐵、碳、硅、錳、鉻，其中的介質(zhì)是O2、CO2和水。通過同該介質(zhì)結(jié)合而被氧化的元素的數(shù)量正比于各自的溫度、二者之間的接觸表面積、元素同介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)性、該介質(zhì)中氧化劑的局部壓力以及最重要的是二者之間的接觸時間。
在已知設(shè)置在后燃燒系統(tǒng)的各熔爐中，根據(jù)上述討論，該爐料在該周期的40％期間將承受游離氧的強大局部壓力，盡管開始時是冷的，但隨著其氧化動力學(xué)的相應(yīng)增加而逐漸被加熱。在這個時期內(nèi)，該爐料的最大表面被暴露于介質(zhì)中。無煙煤的弱反應(yīng)性不允許熔煉率增加，從而延長了爐料和氧化介質(zhì)之間的接觸時間(整個周期的40％)。所有這些導(dǎo)致產(chǎn)生過度的氧化。
根據(jù)本發(fā)明的方法能夠克服上述缺點并具有以下各種優(yōu)點。
用于熔煉金屬或非金屬的本發(fā)明方法包括通過供入燃料和氧氣在爐內(nèi)熔煉爐料，為了加速燃燒至少設(shè)置了一個燃燒器，其特征在于，該方法包括一個工序，在該工序中向待熔煉的爐料中添加包括至少一種烴基聚合物的材料。
本發(fā)明方法提高了熱效率并抑制了組成待熔煉爐料的元素的氧化。
由于該方法這一工序的結(jié)果，所添加的材料從熔煉一開始就釋放揮發(fā)性物質(zhì)并被氧氣點燃，以使補充能量開始釋放到爐料。由此產(chǎn)生的作用是熔煉周期的熱平衡(該作用非典型，因而在節(jié)約能量方面是意想不到的)、平均熔煉速率顯著增加以及組成待熔煉爐料的元素的氧化下降。
優(yōu)選在開始燃燒以前立即添加上述材料。
這種方式的作用是使所添加的材料的效率最大。
所添加的材料還優(yōu)選地包括礦物燃料，它也能包括金屬或非金屬合金。
在這種情況下，基本上提高了合金元素的效率。
在本發(fā)明的最佳實施方案中，以具有或不具有粘結(jié)劑的壓實固體或者未壓實固體的形態(tài)添加上述材料。
根據(jù)本發(fā)明的有利方面，上述烴基聚合物包括未發(fā)泡的聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或它們的組合物。
這種添加材料有利于生態(tài)環(huán)境，因為組成這種添加材料的可燃物質(zhì)隨著同純氧燃燒而被轉(zhuǎn)變成二氧化碳和水蒸汽。使用這種材料有助于處置殘剩的未發(fā)泡的聚苯乙烯、聚乙烯和聚丙烯廢料而不會污染環(huán)境，同時能從其中回收能量。
該發(fā)明還涉及在熔煉金屬或非金屬的方法中所使用的材料，該材料包括至少一種烴基聚合物作為產(chǎn)生能量的材料，該產(chǎn)生能量的材料能釋放化學(xué)還原的未燃燒過的物質(zhì)，從而能提高熱效率和/或抑制組成待熔煉爐料的元素的氧化。
這種應(yīng)用的定性作用(它是完全意想不到的)是提高平均熔煉速率、降低總能耗以及減少由于爐料中所含各元素氧化而帶來的損耗。
最佳實施方案和試驗結(jié)果說明如下。
在本發(fā)明的方法中，以已知的方式熔煉金屬或非金屬，同時供入燃料和氧氣，為了加速燃燒至少設(shè)置一個燃燒器。該方法的特征在于，它還包括添加一種非常規(guī)的產(chǎn)生能量的材料的工序，該材料包括至少一種烴基聚合物。
這種材料產(chǎn)生一種令人驚奇的意想不到的作用。因此為保證釋放CO和H2并使其自燃，將燃燒產(chǎn)生的能量十分迅速地供入熔爐內(nèi)；提供供給適宜助燃物的系統(tǒng)，這樣導(dǎo)致從周期一開始就會大量釋放“補充能量”。
例如，本發(fā)明方法結(jié)合后燃燒系統(tǒng)能夠成功地應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐或電爐(或者帶有供給適宜助燃物的系統(tǒng))內(nèi)。
優(yōu)選在將待熔煉的材料和燃料裝料后所必需的不同機械操作之后并在熔爐燃燒器啟動以前立即進行添加工序。這種操作方式能使該工序中添加材料產(chǎn)生的效率為最大。當(dāng)這種添加與向熔爐內(nèi)供入爐料或燃料是同時進行時，所添加的材料在排出蒸汽、一氧化碳、氫等等的熔爐內(nèi)存留一段不必要的時間，因此被消耗盡。
在這種新穎的供給工序中被添加的材料是一種載有化學(xué)還原元素(基本上是碳和氫)的產(chǎn)生能量的材料。在極低溫度(接近于80℃)以上，該材料釋放出高能化學(xué)還原元素并被氧氣點燃并從熔煉周期一開始就釋放出大量的能量。
添加材料還可以在其組成中摻合其它的成分，例如礦物燃料，或者合金元素如碳、硅、錳、鎂、鉻、鎳等等。
依賴這種特殊組成，該材料在該方法的這一工序中，用作低溫?zé)嵝实漠a(chǎn)生能量的增強劑，也就是，用作純能量產(chǎn)生劑，或者，用作低溫?zé)嵝实漠a(chǎn)生能量的增強劑和抑制爐料中摻合元素氧化的抑制劑，也就是，同時用作能量產(chǎn)生劑和氧化抑制劑。
在作為低溫的純能量產(chǎn)生劑的作用中，本發(fā)明方法添加的材料根據(jù)以下反應(yīng)式起作用
在極低溫度熔煉時，它立即變成同爐料緊密接觸的液體，同時向爐料釋入能量并點燃該材料組成中的碳(如果其組成包括碳)，供給碳用于后燃燒，從而在熔煉周期一開始就以極高的熱效率引起一系列的反應(yīng)。
通過傳導(dǎo)和對流而向較冷體釋放的熱量隨發(fā)射體與接受體之間溫度梯度、二者之間的接觸面積、各自的物理特性以及接觸時間而變化。由于輻射釋放的熱量主要取決于發(fā)射體的溫度和接受體的黑體特性。
從以上討論可得出結(jié)論，在熔煉周期開始時能量利用是最佳的。
在作為本發(fā)明方法特征的工序中，該材料起著爐料組成中元素氧化抑制劑的作用基本上是由于介質(zhì)的氧化劑的局部壓力下降而引起的，該作用實質(zhì)上減弱了各元素的氧化動力學(xué)。
同爐料緊密分布的該材料按照以下反應(yīng)式釋放CO和H2；
CO和H2按照以下反應(yīng)式同介質(zhì)的氧化劑進行反應(yīng)；；該氧化劑同CO和H2的化學(xué)化應(yīng)性比同爐料的各元素的化學(xué)反應(yīng)性更強。
本發(fā)明的方法已經(jīng)在容量為5.5公噸并配環(huán)氧丙烷吹焰器或燃燒器作為特征能源的回轉(zhuǎn)爐內(nèi)進行了試驗。這種熔爐具有用于后燃燒的純氧系統(tǒng)或助燃物供給設(shè)備，并已用于冶煉鐵。
為了獲得三種結(jié)果，在試驗期間使用了各種不同組成的材料。
1)在保持常規(guī)熔煉速度的同時使特征能(丙烷)流為最小。該典型的添加劑是無煙煤和由30％的聚乙烯和70％的無煙煤組成的被壓實成3kg的磚狀物(含有0.1kg波特蘭水泥)的材料。
2)普通的特征能(丙烷)流。該典型的添加劑是無煙煤和用于提高熔煉速率為目的的材料。在這種的情況下，在本發(fā)明方法的特征工序中添加的材料是未經(jīng)壓實的固體狀態(tài)的100％聚乙烯。
3)普通的特征能(丙烷)流。該典型的添加劑是無煙煤和由25％聚丙烯、25％聚苯乙烯和50％硅鐵(75％硅)以及0.1kg波特蘭水泥(用作粘結(jié)劑)組成的壓實固體狀態(tài)的材料。用這種組成進行試驗的目的是為了得到同試驗2相同的熔煉速率。同時防止添加硅。
以下各表用O形態(tài)來比較獲得的結(jié)果。它指的是無新穎材料添加工序的常規(guī)操作的熔爐。
表1
表2
表3
從表1內(nèi)可見，以形態(tài)1所示方式變化的下列各數(shù)值同無本發(fā)明工序(形態(tài)O)的常規(guī)參數(shù)進行比較-平均熔煉速率提高9.7％-熔煉時間減少7.7％-常規(guī)燃料(丙烷)的消耗減少45.3％-總氧增加4.6％。
形態(tài)2和3與同一表中的形態(tài)O相比較其變化如下-平均熔煉速率提高29.8％-熔煉時間減少23％-常規(guī)燃料(丙烷)的消耗減少31.25％-總氧增加7.96％。
在表2內(nèi)，形態(tài)2和3同形態(tài)O(無本發(fā)明工序)相比較，盡管二者的熔煉速率幾乎提高30％，它們的能量消耗率仍減少幾乎13％。這種意想不到的結(jié)果只能認(rèn)為是本發(fā)明的材料添加工序的作用造成的。
對表3進行分析，我們在表3內(nèi)可以看出形態(tài)3中，盡管是對與形態(tài)0、1和2相同的爐料進行試驗，但鐵中各元素的百分率碳情況提高了6.6％、硅的情況提高了36％。這一仍然意想不到的事實，也只能認(rèn)為是在本發(fā)明方法中添加材料對鐵中所含有各元素產(chǎn)生的氧化一抑制作用的影響而造成的。
權(quán)利要求
1.用于熔煉金屬或非金屬的方法，該方法通過供入燃料和氧氣在熔爐內(nèi)熔煉爐料，為了加速燃燒至少設(shè)置一個燃燒器，其特征在于，所述方法包括向待熔煉的爐料中添加含有至少一種烴基聚合材料的工序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在啟動燃燒器前立即進行添加上述材料的工序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，添加的材料還包括礦物燃料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的方法，其特征在于，添加的材料還包括金屬或非金屬合金。
5.根據(jù)上述各權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，以使用或不用粘結(jié)劑的壓實固體或非壓實固體形態(tài)添加該材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，上述烴基聚合物包括未發(fā)泡的聚苯乙烯、聚乙烯或聚丙烯，或它們的組合物。
7.在熔煉金屬或非金屬的方法中所用的材料包括至少一種烴基聚合物作為產(chǎn)生能量的材料，它能釋放化學(xué)還原的未燃物質(zhì)，從而提高熱效率和/或抑制組成待熔煉爐料的元素的氧化。
全文摘要
本發(fā)明方法的特征是包括一種工序，在該工序中向待熔煉的爐料中添加包括至少一種烴基聚合物的材料。在啟動燃燒器前立即完成這一工序是有利的。添加材料還可以包括礦物燃料和金屬或非金屬合金。該類聚合物優(yōu)選包括未發(fā)泡的聚苯乙烯、聚乙烯或聚丙烯，或它們的組合物。在熔煉金屬或非金屬的方法中所用的包括至少一種烴基聚合物的材料具有提高熱效率和/或增強抑制組成待熔煉爐料中各元素氧化的作用。
文檔編號F27B3/20GK1140471SQ95191554
公開日1997年1月15日 申請日期1995年11月20日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月21日
發(fā)明者J·馬里斯福蘭考, R·羅德里貴茈索拉 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司