專利名稱：用于改善對廢料塊的能量供給的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到在加熱及熔化廢料塊時改善能量供給的方法。加入礦物燃料的預(yù)加熱的氧化氣體在廢料塊中熔化一條通道，并且進(jìn)一步通過該通道進(jìn)行能量供給。
背景技術(shù)：
目前，常見做法是在電弧爐內(nèi)熔化廢料，其中燃燒器提供盡可能多的礦物能量。然而，如此提供的最大的能量僅為所需總能量的10％。
在出版物“Stand der Verfahrenstechnik für das Einschmelzen vonSchrott mit fossiler Energie”(《利用礦物能熔化廢料的加工技術(shù)的狀態(tài)》)(Stahl und Eisen，1990年，第109-116頁)中概述了利用礦物能熔化廢料的重要性。該出版物特別提及為發(fā)展應(yīng)用礦物能熔化廢料的新方法所做出的眾多努力。在工業(yè)規(guī)模上，第113頁所描述的雙轉(zhuǎn)爐方法(Two-Converter-Process)目前由日本鋼鐵(Nippon Steel)應(yīng)用在其煉鋼車間內(nèi)。然而，很顯然這是在特定的鋼廠內(nèi)的特殊條件下才是有利的。對于第114頁所描述的EOF方法也是一樣。由于設(shè)備復(fù)雜的設(shè)計，特別是考慮到在豎爐內(nèi)廢料的預(yù)加熱，使其應(yīng)用受到限制。
德國專利DE19521518C1的說明書中描述了一種改善廢料塊的能量供給的方法，其中富含天然氣或煤的熱的含氧氣體射流在廢料塊中熔化通道并且該通道使進(jìn)一步能量供給成為可能。該專利說明書解釋說，根據(jù)該發(fā)明的方法不僅適用于向電弧爐提供額外的能量，還可以在膛式爐內(nèi)僅使用礦物能而無需電能便能夠完全熔化廢料塊。礦物能源須以適當(dāng)?shù)男问讲迦霃U料塊中。例如約100kg煤/噸廢料與廢料一起裝載。在液池形成的同時部分的煤也可以通過鼓風(fēng)口注入。熔化后，熱風(fēng)射流起到后燃燒射流的作用以提供進(jìn)一步的能量，以便將熔池加熱到要求的出爐溫度。
該專利的說明書中描述了這樣的應(yīng)用熱風(fēng)噴射器均勻地分布在熔爐的側(cè)壁中并以10°的角度吹進(jìn)熔爐。這樣不但保證了廢料塊的均勻熔化，還防止在通過廢料塊燃燒后熱風(fēng)射流撞擊到難熔物質(zhì)上。
該發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用導(dǎo)致某些問題?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)熱氣體射流使熔爐中心產(chǎn)生了向上氣流，其結(jié)果是廢料塊中形成煙道。熱的廢氣離開廢料塊并且?guī)缀醪幌驈U料提供任何能量。這導(dǎo)致形成未熔化的廢料的外環(huán)。如專利說明書中所述的，這一效應(yīng)顯然受以下事實(shí)的支持，即冷區(qū)形成在鼓風(fēng)口的正前方，在這里廢料的溫度過低而甚至不發(fā)生氧化。
這一問題已經(jīng)在10噸的中間工廠試驗(yàn)爐中出現(xiàn)?？梢灶A(yù)計在工業(yè)規(guī)模的熔爐中該問題將會增大。更進(jìn)一步的問題是側(cè)壁中的噴口在廢料熔化后須要以熱風(fēng)保持開放，其結(jié)果是水平排列的熱風(fēng)射流將液體熔渣吹到相對的壁上。另外，當(dāng)熱風(fēng)射流水平吹射的液體熔渣層存在時，通過熱風(fēng)射流從生產(chǎn)氣體的后燃燒傳遞到金屬熔池的能量受到影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明避免了德國專利DE19521518C1的說明書中所描述的原理在利用礦物能熔化廢料上的缺點(diǎn)。
令人驚奇的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加有礦物能的熱風(fēng)從頂部吹向廢料塊時，德國專利DE19521518C1的說明書中所記載方法的缺點(diǎn)消失了。當(dāng)熱風(fēng)從頂部中央位置吹向廢料塊時本發(fā)明的這種效果尤其有利。根據(jù)本發(fā)明的頂吹熱風(fēng)令人意外地在廢料塊內(nèi)產(chǎn)生氣體流，這種氣體流非常好地利用了氣體的能量并快速有效地熔化側(cè)壁的廢料。以下為可能在廢料塊中發(fā)生的過程。穿透廢料塊的熱風(fēng)射流通過在廢料塊內(nèi)部的氣體循環(huán)有效地加熱周邊廢料。然而，來自廢料這一部分的氣體被頂吹射流吸入。熱氣體因此通過外環(huán)離開廢料。結(jié)果是在這一區(qū)域具有密集的能量供給，這些能量也從底部加熱外側(cè)區(qū)域中的廢料并促進(jìn)了這一部分的熔化。
熱風(fēng)可通過一個或多個射流從頂部注入。已經(jīng)證實(shí)將熱風(fēng)分為一個占熱風(fēng)供給35-65％的中央射流和三至六個提供余下熱風(fēng)的外部射流是特別有利的。尤其有效地是，例如，一個提供50％熱風(fēng)的中央噴口，加上等距排列在它周圍的四個提供余下50％的熱風(fēng)的噴口。這一設(shè)計使得中央噴口特別快速地在廢料塊中熔化一個通道。
與中央射流相反，外側(cè)噴口應(yīng)以10°-20°的角度排列。已證明射流以較小角度相互影響并收縮至直的氣流。本發(fā)明的目的不僅是排列噴口以使其向外方向吹射，而且是具有傾斜的外周角以使其以某一角度吹進(jìn)爐內(nèi)。這使熔爐內(nèi)產(chǎn)生特定的旋流。
根據(jù)本發(fā)明，熱風(fēng)應(yīng)以這樣的方式供給噴口分別到廢料表面或熔體的距離是可以調(diào)節(jié)的。這可以通過從頂部插入用于供給熱風(fēng)的噴槍來實(shí)現(xiàn)。
在頂部內(nèi)用于熱風(fēng)供給的噴口或多個噴口的可調(diào)式設(shè)計與噴口安置在熔爐側(cè)壁的耐火爐襯內(nèi)的現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著優(yōu)勢在于，噴口的位置能夠進(jìn)行最佳調(diào)節(jié)以用于預(yù)加熱廢料以及在熔化階段中生產(chǎn)氣體的后燃燒。另外，當(dāng)加工的最后階段熱風(fēng)吹入不利時，噴口能夠從頂部移除。
根據(jù)本發(fā)明的熔化廢料的方法，廢料塊在第一階段(后文中稱為階段1)中通過加有燃料的熱風(fēng)射流預(yù)加熱并且其大部分熔化。在第二階段(后文中稱為階段2)中，鐵熔池通過經(jīng)由相同熱風(fēng)射流的生產(chǎn)氣體的后燃燒被提供用于熔化殘余廢料以及用于升高鋼溫度以達(dá)到出爐溫度的能量。
當(dāng)然，階段1和階段2不可能嚴(yán)格分開。從階段1到階段2的過渡持續(xù)幾分鐘。若整體熔化時間為30分鐘，則階段1持續(xù)時間約為15分鐘；過渡時間約為5分鐘，階段2持續(xù)10分鐘。
在第一階段中，如天然氣的礦物能添加到熱風(fēng)射流中。令人驚奇的是，通過分別進(jìn)料足以將天然氣吹近熱風(fēng)射流。因此熱風(fēng)噴槍不必作為燃燒器而安裝。熱風(fēng)射流的強(qiáng)吸引能力顯然足以將天然氣與熱風(fēng)混合。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過使熱風(fēng)噴口和廢料表面間保持0.2-0.5m的距離，消除了在熱風(fēng)噴口正前方的廢料的冷區(qū)。如果離開廢料的廢氣在離開熔爐前還要后燃燒的話，這段距離要稍大一些。當(dāng)廢料預(yù)加熱時可能出現(xiàn)的廢氣問題因此能夠明顯地減小。
然而，這樣做的缺點(diǎn)在于火焰溫度被降低。高的火焰溫度對于通道和廢料的快速熔化以及對于減少廢料的氧化是重要的。因此，當(dāng)熔化廢料時采用較短的約為30cm的到廢料表面的距離以及利用均勻安置在頂部的小型熱風(fēng)燃燒器來燃燒廢氣是優(yōu)選的。
對于根據(jù)本發(fā)明的方法，盡快將能量注入底部中心以使被熱風(fēng)射流熔化的廢料不發(fā)生凝固是重要的。為此幾種措施都被證實(shí)有效。通道必須盡快在廢料塊內(nèi)熔化，通過該通道進(jìn)一步的能量提供給廢料塊底部部分。盡可能高熱風(fēng)溫度、高富氧度和盡可能高熱風(fēng)射流速度是有利的。通過中央射流注入高比例，如50％，的熱風(fēng)也是有用的。在富氧40％下，加入天然氣的20000Nm3/h的氣體射流能夠在兩到三分鐘內(nèi)在廢料塊中熔化通道到底部。
當(dāng)熱風(fēng)火焰中仍存在游離氧時，已發(fā)現(xiàn)通道更快地?zé)霃U料塊內(nèi)。在能源完全燃燒后游離氧含量為3-10％時達(dá)到最佳值。
在裝爐期間，向底部中央堆積焦炭是更有利的。另一種方法是在熔爐內(nèi)余留約20％的熱殘余料。如果熔爐沒有熱殘余料開始變冷，那么焦炭應(yīng)該預(yù)加熱以便其能夠盡快與熱風(fēng)射流反應(yīng)。對于無熱殘余料的冷熔爐內(nèi)的頭熔(first melt)，對于每100噸熔體加入100-200kg的鋁或硅以在底部影響中央射流的點(diǎn)也是有利的。
以略微降低廢氣組成的方式來調(diào)節(jié)加入熱風(fēng)射流的天然氣的含量是更有利的。廢氣中CO或H2目標(biāo)含量為1-2％。這種方法降低了廢氣中二氧(雜)芑的含量并且不影響熱風(fēng)射流中期望的游離氧含量，因?yàn)殍F的氧化消耗掉部分的氧。
同樣在第二階段中熱風(fēng)射流提供的氧的數(shù)量高于生產(chǎn)氣體后燃燒所需的量也是重要的。為獲得最大的后燃燒度，關(guān)鍵的是，通過熱風(fēng)射流提供比后燃燒度的理想需求更多的氧以及通過底部鼓風(fēng)口提供較少的氧。例如，在氧氣底部鼓風(fēng)率為3000Nm3/h下，應(yīng)提供不富氧的熱風(fēng)20000Nm3/h。
業(yè)已證實(shí)在兩個鼓風(fēng)階段采用不同速率的熱風(fēng)射流和不同水平的噴槍對工藝最優(yōu)化是重要的。在廢料熔化階段，以接近音速的盡可能高的速率(在1200℃，約750m/sec)工作是有利的。然而在第二階段中，通常通過鐵熔池，選擇僅為音速40-60％的熱風(fēng)速率(在1200℃，約400m/sec)。在這一階段中，更高的噴槍位置也是可取的。
熔爐內(nèi)插入噴槍很大程度上削減了熱風(fēng)射流產(chǎn)生的大的噪音。已經(jīng)證實(shí)，如果可能熱風(fēng)噴槍插入熔爐內(nèi)超過50cm是尤其有益的。與電弧爐的常見做法相同，廢氣通過頂部單獨(dú)的排氣管排放。
噴槍應(yīng)該使用與用于在電弧爐中插入電極的相似裝置移動。根據(jù)本發(fā)明的注入對于與熱風(fēng)供給裝置的連接、靈活的工藝管理以及在接近精煉工藝結(jié)束時噴槍的去除都是有益的。
根據(jù)本發(fā)明，膛式爐配備有注入氧氣以及可能的煤和石灰的底部鼓風(fēng)口。這種由底部送風(fēng)轉(zhuǎn)爐而知的設(shè)計和配置正被使用。然而，在轉(zhuǎn)爐工藝僅使用一些具有24到28mm的大內(nèi)徑的鼓風(fēng)口，在留有熱殘余料的膛式爐內(nèi)應(yīng)用具有較小直徑的鼓風(fēng)口是有利的，盡管需要安裝較多的數(shù)量。鼓風(fēng)口的內(nèi)徑應(yīng)限制為最大15mm。這樣能夠避免出爐后殘鋼和爐渣的噴濺。另外，在鼓風(fēng)口沒有冷卻的情況下，小直徑的鼓風(fēng)口為免受鋼水穿透提供了更好的保護(hù)。
本發(fā)明還旨在安裝鼓風(fēng)口在底部凹入處從而達(dá)到出爐后的更高覆蓋范圍。這樣布置優(yōu)勢在于鼓風(fēng)口時刻保持由鋼水覆蓋并且不與爐渣接觸。如果鼓風(fēng)口吹進(jìn)爐渣，那么很容易形成影響鼓風(fēng)口功能的沉積物。
不必要使用底部鼓風(fēng)口噴射氧氣。氧氣也可以通過所謂的“相干射流”來噴射，排列在熔爐的側(cè)壁作為標(biāo)準(zhǔn)做法。
如果鋼要求極低的含氮量，那么在熔化過程結(jié)束前停止熱風(fēng)吹入是有利的。熔池中含碳量約0.5％是可取的。這時噴槍從爐頂抽出并且熔體利用純氧精煉。
當(dāng)根據(jù)本發(fā)明依靠含有過量氧氣的熱風(fēng)射流熔化廢料時，部分鐵成為熔渣。這使廢料能夠快速熔化。形成的FeO的一部分留在熔渣內(nèi)；然而更大的部分要被再次還原。因此處理過程中須加入碳。煤也可以通過熔爐的底部鼓風(fēng)口或側(cè)壁鼓風(fēng)口注入，這在電弧爐中是標(biāo)準(zhǔn)做法。對于本發(fā)明的方法，兩種注入方法都是特別有益的。主要部分以每噸鋼約20-30kg的量以焦炭，優(yōu)選為焦炭渣的形式與廢料一起裝載。其他有利的方法有煤與熱風(fēng)一起注入。為避免煤大量燃燒，應(yīng)使用優(yōu)選具有較大顆粒尺寸，至少為數(shù)毫米，的粗煤。
如上所述，在廢料熔化過程中如果調(diào)節(jié)熱風(fēng)噴槍使噴槍到廢料面的距離大致保持不變是有益的。因此在廢料熔化期間噴槍應(yīng)該降低。緩慢旋轉(zhuǎn)噴槍達(dá)到與兩個熱鼓風(fēng)口間距離對應(yīng)的角度更為有益。若四個鼓風(fēng)口則角度約為90°。當(dāng)噴槍緩慢下降時，熱風(fēng)射流在廢料塊中燃燒成環(huán)。
具體實(shí)施例方式
以下兩個例子將詳細(xì)解釋本發(fā)明的方法。在例子一中，約110噸廢料裝入100噸的熔爐內(nèi)。通過一個具有用于上下移動的裝置的熱風(fēng)噴槍提供富氧40％的1200℃，0.9巴的40000Nm3/h熱風(fēng)。噴槍由五個噴口組成，一個中央噴口和四個外圍噴口，外圍噴口與射流的垂直方向成15°傾角。中央噴口的直徑為20cm，外圍噴口的直徑為10cm。每個噴口安裝有注入天然氣的管子。天然氣鼓風(fēng)速率總計為5000Nm3/h。同時2000Nm3/h氧氣通過六個直徑為12mm的底部鼓風(fēng)口注入。
在例子二中完全不使用底部鼓風(fēng)口。氧氣通過熔爐側(cè)壁內(nèi)的固定注入系統(tǒng)供給，即所謂的“相干射流”。這一例子基于四個平均分布在熔爐側(cè)壁內(nèi)的注入單元。利用這些目前常見的注入單元，除氧氣之外，也能夠同時注入煤或天然氣。在該例中，每個噴射器提供1000Nm3/h的氧氣；在起始的10分鐘內(nèi)還伴有500Nm3/h的天然氣。10分鐘后，天然氣的注入停止，各噴射器以1000Nm3/h的氧氣的速率繼續(xù)。富氧40％的熱風(fēng)以40000Nm3/h的鼓風(fēng)速率注入。熱風(fēng)通過四個直徑均為140mm的噴口供給。噴口以射流在大致相干氧氣射流撞擊熔池的地方吹進(jìn)熔爐內(nèi)，在該情況下與垂直方向呈大約15°角。為避免與難熔物質(zhì)的反應(yīng)，將這一點(diǎn)稍向內(nèi)移是有利的。20分鐘后熱風(fēng)的鼓風(fēng)速率降到20000Nm3/h。與例子一中相同，在這一階段無氧的富集。30分鐘后取出熱風(fēng)噴槍，裝料通過熔爐側(cè)壁內(nèi)的噴射器精煉三分鐘。
本專利申請中的方法被描述為膛式爐的有利應(yīng)用。然而，其類似地可用于轉(zhuǎn)爐。


圖1表示具有熱風(fēng)噴槍2的膛式爐1的示意圖，根據(jù)本發(fā)明該熱風(fēng)噴槍2安裝在頂部。通過與電弧爐的電極座相似的裝置3熱風(fēng)噴槍進(jìn)行移動。熱風(fēng)噴槍垂直插入，直至位于廢料塊上方約30cm之處。用于熱風(fēng)射流的噴口由一個中央噴口和四個獨(dú)立的具有15°度傾角的噴口組成。天然氣通過獨(dú)立的管子4提供給熱風(fēng)射流。六個氧氣底部鼓風(fēng)口5安裝在底部。噴口位于中央熱風(fēng)射流接觸點(diǎn)之下的排列方式是有利的。廢氣通過管道6從熔爐中釋放。在圖1中，作為選擇，通過側(cè)壁7內(nèi)的“相干射流”也可以安裝噴口提供氧氣。通過四個噴射器，天然氣或煤可以與氧氣同時提供。在第一階段中，側(cè)噴口系統(tǒng)作為預(yù)加熱廢料的燃燒器工作。
圖2舉例說明熱風(fēng)噴槍的優(yōu)選設(shè)計。所述噴槍是指用于在100噸膛式爐內(nèi)熔化110噸廢料的噴槍。在階段1中，在1200℃，壓強(qiáng)0.95巴下40000Nm3/h熱風(fēng)通過內(nèi)徑為90cm的水冷熱風(fēng)噴槍8供應(yīng)。熱風(fēng)分配給一個直徑為20cm的中央噴口9和四個與射流垂直方向成15°度傾角的側(cè)噴口10。天然氣通過獨(dú)立的管子11注入噴口。因?yàn)樵撛O(shè)備以亞臨界流速工作，噴口不需要特殊設(shè)計。它們包括簡單的圓形開口。當(dāng)接近音速工作時，熱風(fēng)依橫截面被分成獨(dú)立的噴口。當(dāng)階段2期間壓強(qiáng)降到約0.4巴時，通過中央噴口9提供更大比例的熱風(fēng)。然而，因?yàn)檫@有助于該階段生產(chǎn)氣體的后燃燒，所以這是需要的。
權(quán)利要求
1.一種加熱和熔化廢料塊時改善能量供給的方法，其特征在于，加入礦物燃料的預(yù)加熱的氧化氣體在廢料塊中熔化一個通道，并進(jìn)一步通過該通道進(jìn)行能量供給，并且，熱風(fēng)是從頂部向廢料塊供給的。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，熱風(fēng)的供給自頂部在中央出現(xiàn)。
3.如權(quán)利要求1和2所述的方法，其特征在于，熱風(fēng)被分成數(shù)個獨(dú)立的射流。
4.如權(quán)利要求1-3所述的方法，其特征在于，熱風(fēng)分配為占總量35-65％的中央射流和數(shù)個在中央射流外側(cè)的占有其余量的射流。
5.如權(quán)利要求1-4所述的方法，其特征在于，熱風(fēng)通過可垂直調(diào)節(jié)的噴槍提供。
6.如權(quán)利要求1-5所述的方法，其特征在于，熱風(fēng)噴槍圍繞垂直軸轉(zhuǎn)動。
7.如權(quán)利要求1-6所述的方法，其特征在于，在熔爐內(nèi)留有熱殘余料。
8.如權(quán)利要求1-7所述的方法，其特征在于，熔爐內(nèi)的熱殘余料占熔體的10-30％。
9.如權(quán)利要求1-8所述的方法，其特征在于，氧氣通過底部鼓風(fēng)風(fēng)口注入。
10.如權(quán)利要求1-9所述的方法，其特征在于，底部鼓風(fēng)風(fēng)口安裝在爐底凹入處。
11.如權(quán)利要求1-10所述的方法，其特征在于，在第一階段采用高熱風(fēng)速率(500-900m/sec)，在第二階段采用降低的熱風(fēng)速率(約300-500m/sec)。
12.如權(quán)利要求1-11所述的方法，其特征在于，在階段1中熱風(fēng)射流氧富集達(dá)30-50％，而在階段2中沒有或幾乎沒有氧的富集。
13.如權(quán)利要求1-12所述的方法，其特征在于，在階段1中熱風(fēng)射流到廢料面的距離為0.2-0.5m，在階段2中該距離調(diào)節(jié)為到鐵熔池的距離至少為3米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在加熱和熔化廢料塊時改善能量供給的方法，其中加入礦物燃料的預(yù)加熱的氧化氣體在廢料塊中熔化一個通道，并且進(jìn)一步通過該通道進(jìn)行能量供給。本方法的重要改進(jìn)是通過從頂部向廢料塊提供熱風(fēng)實(shí)現(xiàn)的。
文檔編號F27B3/20GK1774516SQ200480010118
公開日2006年5月17日 申請日期2004年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月15日
發(fā)明者卡爾·布羅茨曼 申請人:卡爾布羅茨曼顧問股份有限公司