专利名称：直接熔炼方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于熔融熔池的直接熔炼方法和一种用于从诸如矿石、局部还原的矿石以及含金属的废液的含铁原材料生产熔融含铁金属(该术语包括含铁合金)的装置，尤其是该装置决不专用于铁，该装置将基于预热空气(该术语包括达到50％O2的富含氧气的空气)的系统用于后燃在熔融熔池中产生的反应气体(主要是CO和H2)。
背景技术：
在没有充分的反应气体后燃以及随后将热量基本上传导回熔融熔池的情况下，这种基于熔池的直接熔炼方法，尤其是那些没有预还原阶段的直接熔炼方法变得不经济，并在很多情况下由于含铁原材料还原的吸热特性而不能实行。虽然基于氧气的后燃系统(该术语包括纯O2到50％O2)相对于基于预热空气的系统具有诸如使废气体积最小的优点，但是在供给大量氧气方面存在显著高的成本。
进一步的需求在于良好的后燃不必以再次氧化显著大量的熔融熔池内的熔融含铁金属为代价，这是由于在需要过分大量的固态含碳材料来还原这种氧化的情况下，该方法变得效率低下。并且，在熔融熔池中过分大量的液态FeOx(主要为FeO)对熔融含铁金属的名义静止表面高度和作为整体的熔池的表面高度之间的区域内的耐火材料侵蚀尤其有害。
一种用于产生熔融含铁金属的公知的基于熔融熔池的直接熔炼方法为DIOS方法。DIOS方法包括预还原阶段和熔炼还原阶段。在DIOS方法中，矿石(-8mm)被预热(750℃)，并在流化床中利用来自熔炼还原容器的废气预还原(10到30％)，该熔炼还原容器包含金属和矿渣的熔融熔池，且矿渣在金属上形成深层(deep layer)。矿石的精细(-3mm)和粗糙(-8mm)成分在该方法的预还原阶段分离。煤炭和预热并预还原的矿石(经由两个供给线路)从熔炉的顶部连续供给到熔炼还原熔炉中。矿石熔解并在矿渣的深层中形成FeO，而煤炭在矿渣层中分解成炭和挥发性物质。氧气通过一个特殊设计的喷枪吹入，这改善了泡沫状矿渣中的二次燃烧。氧气射流燃烧与熔炼还原反应一同产生的一氧化碳，由此产生传递到熔融矿渣上的热量。FeO在矿渣/金属和矿渣/炭交界面处还原。从熔炼还原容器的底部引入热的金属熔池的搅动空气改善了热传导效率，并增加了用于还原的矿渣/金属交界面。矿渣和金属周期性排出。
另一种公知的用于产生熔融含铁金属的直接熔炼方法为AISI方法。AISI方法液包括预还原阶段和熔炼还原阶段。在AISI方法中，预热和局部预还原的铁矿石颗粒、煤炭或焦炭渣和造渣剂(flux)从顶部装填到加压的熔炼反应器中，该反应器包含金属和矿渣的熔炼熔池。煤炭在矿渣层液化，而铁矿石颗粒在矿渣内熔解并然后由矿渣内的碳(炭)还原。较高的气体发生率导致矿渣泡沫化。在该过程中产生的一氧化碳和氢气在矿渣层或正好在矿渣层之上后燃，以提供吸热还原反应所需的能量。氧气从顶部通过中央水冷喷枪吹入，而氮气通过反应器底部的鼓风口喷入，以保证充分搅动，从而利于后燃能量对熔池的热传导。处理的废气在送入竖井型熔炉以用于将颗粒预热并预还原成FeO或铁酸盐之前在热的漩流器中除尘。
另一种公知的用于产生熔融含铁金属的直接熔炼方法为HIsmelt方法。如以本申请人名义的国际申请PCT/AU96/00197(WO 96/31627)中所述的一种形式的HIsmelt方法包括(a)在容器中形成金属和矿渣的熔融熔池；(b)将以下物质喷射到熔池中(i)含铁原材料、一般为金属氧化物；以及(ii)固态含碳材料、一般为煤炭，其作用为金属氧化物的还原剂和能量来源；并且(c)将铁原材料熔炼成熔融熔池金属层内的金属。
这种HIsmelt方法也包括将含氧气体喷射到熔池之上的空间内，并后燃从熔池释放的反应气体，如CO和H2，并将所产生的热量传导到熔池中，以有助于熔炼含金属原材料所需的热能。
本申请人已经对HIsmelt方法进行了大量的中间工厂研究和计算的流体动力学建模研究，并已经作出一系列关于基于预热空气系统的重大发现。
发明内容
总的来说，本发明提供了一种用于从含铁原材料生产含铁金属的直接熔炼方法，其包括以下步骤(a)在冶金容器中形成熔融金属和熔融矿渣的熔池；(b)将含铁原材料喷入熔融熔池内，并将含铁原材料在熔融熔池内熔炼成金属；(c)将固态含碳材料喷射到熔融熔池中；(d)至少部分通过所喷射材料在熔池内的反应而在熔融熔池内产生气流，该气流将熔融材料向上携带到熔融熔池静止表面之上，从而形成升高的熔池；(e)将预热空气喷射到容器中，以便该预热空气撞击或刺穿升高的熔池，并后燃从升高熔池中释放或包含在升高熔池内的反应气体，由此利于热量传导到熔融熔池中；该方法特征在于将预热空气以相对于水平轴20到90°的角度、800～1400℃的温度以及200～600m/s的速度经由至少一个喷枪向下喷射到容器中，并迫使在喷枪下端区域中的升高熔池内的熔融材料远离喷枪，而形成围绕喷枪下端的“空白”空间，该空间的熔融材料浓度低于升高熔池中的熔融材料浓度，喷枪定位成使得(i)喷枪延伸到容器内为至少喷枪下端外径那么大距离；并且(ii)喷枪的下端在熔融熔池静止表面之上的距离至少三倍于喷枪下端的外径。
优选地是，在围绕喷枪下端的空白空间内的熔融材料的浓度为空间体积的5％或更小。
优选地是，围绕喷枪下端的空白空间为半球形体积，其直径至少为喷枪下端外径的二倍。
优选地是，围绕喷枪下端的空白空间的直径不大于喷枪下端外径的四倍。
优选地是，预热空气中至少体积上50％的氧气，更优选地是60％的氧气在围绕喷枪下端的空白空间内燃烧。
优选地是，该方法包括将预热空气以漩涡运动喷射到容器内。
术语“熔炼”在此应理解为意味着其中发生还原含铁原材料的化学反应以产生液态金属的热处理。
术语“静止表面”应理解为意味着在其中没有气体/固体喷射并因此熔池不搅动的工艺条件下熔融熔池的表面。
如上所述，术语“空气”应理解为意味着空气或包含体积上50％的O2的富氧空气。
优选地是，在熔融熔池内的表面气体流动至少为熔融熔池静止表面的0.04Nm3/s/m2。
优选地是，表面气体流速至少为熔融熔池静止表面的0.2Nm3/s/m2。
优选地是，表面气体流速小于熔融熔池静止表面的2Nm3/s/m2。
熔融熔池内的气流可以通过任何一个或多个因素造成。例如，气流可以由于含铁原材料和固态含碳材料喷射到熔融熔池内，优选地是喷射到熔融熔池的下部区域内而至少在局部产生。作为另一示例，气流可以作为与喷射的含铁原材料和/或固态含碳材料一起将载体气体喷射到熔融熔池内，优选地是喷射到熔融熔池的下部区域内的结果而至少在局部产生。作为另一示例，气流可以作为气体从底部和/或侧壁喷射到熔融熔池内，优选地是喷射到熔融熔池的下部区域内的结果而至少在局部产生。
优选地是，该方法包括将在熔融铁内溶解的碳的浓度控制为至少重量上3％，并且将矿渣维持在强还原状态下，以导致矿渣中的FeO含量少于重量上6％，优选地少于重量上5％。
优选地是，该方法包括相对于容器内的熔融含铁金属，将容器内矿渣总量保持为较高。
容器内的矿渣量，即，矿渣总量对在熔融熔池上部区域内的矿渣量具有直接影响。
与金属相比矿渣相对低的热传导特性在使热量向水冷的侧壁和经由容器侧壁从容器中损失最小方面是至关重要的。
通过适当的过程控制，矿渣可以在侧壁上形成层或多层，这就增强了对从侧壁的热损失的抵抗力。
因此，通过改变矿渣总量，有可能增大或减少侧壁上的矿渣量，因此控制了经由容器侧壁的热损失。
矿渣可以在侧壁上形成湿润的层或干燥的层。湿润的层包括粘附到侧壁上的凝固层、半固态(软泥)层、和外部液态膜。干燥的层为其中基本所有矿渣都被凝固的一种层。
容器内的矿渣量也提供了控制后燃程度的措施。
具体地说，如果矿渣总量过低，那么将增大金属的暴露，因此增强金属的氧化，且碳溶解在金属中，降低了后燃的可能性，于是减弱了后燃，可是，金属对向金属层热传导具有积极效果。
另外，如果矿渣总量过高，一个或多于一个的预热空气喷射喷枪将埋在熔融熔池中，这将使上部空间的反应气体向喷枪或每个喷枪的端部的运动最小，于是，降低了后燃的可能性。
容器中的矿渣量，即，矿渣总量可以通过金属和矿渣的排出率来控制。
矿渣在容器内的生产可以通过改变含铁原材料、含碳材料和造渣剂向容器的供给率和操纵诸如含氧气体喷射速率的参数来加以控制。
优选地是，该方法包括将含铁材料和作用为还原剂来源和能量来源的含碳材料喷射到熔融熔池的下部区域内。
一种选择是将含铁材料和含碳材料经由向下延伸到熔融熔池内的喷枪/鼓风口喷入。典型地是，喷枪/鼓风口穿过容器地侧壁并在容器内向内、向下倾斜。
虽然决不仅有一种其他选择，另一种选择是含铁材料和含碳材料经由喷枪喷射到容器的底部，或喷射到接触熔融熔池的容器的侧壁内。
含铁材料和含碳材料的喷射可以通过相同的或不同的喷枪/鼓风口进行。
优选地是，后燃的程度至少为40％，在此后燃定义为[CO2]+[H2O][CO2]+[H2O]+[CO]+[H2]]]>其中[CO2]为废气中CO2的体积百分比；[H2O]为废气中H2O的体积百分比；[CO]为废气中CO的体积百分比；[H2]为废气中H2的体积百分比。
根据本发明，也提供了一种用于从含铁原材料通过直接熔炼方法生产含铁金属的装置，该装置包括包含熔融金属和熔融矿渣的熔池和在熔池之上的气体连续空间，该容器包括(a)耐火材料形成的炉膛，该炉膛具有底部和与熔融熔池的下部区域接触的侧部；(b)从炉膛的侧部向上延伸的侧壁，该侧壁与熔融熔池的上部区域和气体连续空间接触，其中，接触气体连续空间的侧壁包括水冷的面板和面板上的一层矿渣；(c)将含铁原材料和含碳材料供给到容器中的装置；(d)在熔融熔池内产生气流的装置，该气流将熔融金属携带到熔融熔池名义静止表面之上，并形成升高的熔池；(e)至少一个向下延伸到容器内的喷枪，该喷枪将预热空气以相对于水平轴20到90°、200～600m/s的速度和800～1400℃的温度喷射到容器中，该喷枪定位成(i)喷枪延伸入容器中的距离至少为喷枪下端外径那么大；以及(ii)喷枪下端在熔融熔池静止表面之上的距离至少三倍于喷枪下端的外径；空气撞击或刺穿升高的熔池，并且后燃从升高熔池内释放或包含在升高熔池内的反应气体，而空气的喷射强迫喷枪下端区域内的升高熔池中的熔融材料远离下端，从而围绕喷枪的下端存在一个“空白”空间，该空间的熔融材料浓度低于升高熔池中的；以及(f)用于将熔融金属和矿渣从容器中排出的装置。
优选地是，供给装置/气体发生装置包括多个喷枪/鼓风口，其将含铁原材料和含碳材料与载体气体一同喷射到熔融熔池内，并产生气流；
将参照附图以示例形式进一步描述本发明，其中图1是以示意形式说明本发明的方法和装置的实施例的垂直剖面图；图2是通过图1所示的热空气喷射喷枪的纵向横截面图；图3是通过喷枪前端部分的放大比例的纵向横截面图；图4是图3中的线4-4的横截面图；图5是图3中的线5-5的横截面图；图6是图5中的线6-6的横截面图；图7是图6中的线7-7的横截面图；图8示出了与喷枪前端一同设置的中心体前部内形成的水流通道；图9是示出用于中心体部分的入口和回水坑道以及喷枪前部内的四个流动漩涡叶片的布置的展开图；
图10是通过喷枪后部的放大横截面图。
具体实施例方式
以下描述是处于熔炼铁矿石以生产熔融铁的范围内，并且应理解为本发明不限于这个应用，而能够应用于任何适当的含铁矿石和/或精矿-包括局部还原的含铁矿石和废品回收材料。
图1所示的直接熔炼装置包括总的标示为11的冶金容器。该容器11具有包括底部12和耐火砖形成的侧部13的炉膛；形成一个从炉膛侧部13向上延伸的大致圆柱形筒体的侧壁14，该侧壁包括由水冷面板形成的下筒体部分153，而水冷面板具有耐火砖内衬；顶部17；用于废气的出口18；用于连续排出熔融金属的前炉床19；以及用于排出矿渣的排出孔21。
在使用中，容器包含铁和矿渣的熔融熔池，该熔池在静止条件下包括熔融金属层22和金属层22上的熔融矿渣层23。术语金属层在此应理解为熔池的主要是金属的区域，术语矿渣层在此应理解为意味着熔池的主要是矿渣的区域。附图标记24所标示的箭头指金属层22名义静止表面的位置，而附图标记25所标示的箭头指矿渣层23(即，熔融熔池的)名义静止表面的位置，术语静止表面应理解为意味着没有气体和固体喷射到容器中时的表面。
容器配装有向下延伸的热空气喷射喷枪26，用于将热空气气浪传输到容器的上部区域内，并后燃从熔融熔池释放的反应气体。喷枪26在喷枪下端具有外径D，喷枪26定位成(i)喷枪的中心轴相对于水平轴成20到90°角，以便热空气的喷射角在此范围内；(ii)喷枪26延伸到容器中的距离至少为喷枪下端外径D那么长；以及(iii)喷枪26下端在熔融熔池静止表面25之上的距离至少三倍于喷枪下端的外径D。
参照图2～10更详细的描述喷枪26。
容器还配装有固体喷射喷枪27(示出了两个)，其通过侧壁14向下、向内延伸到熔融熔池内，用于将夹带在缺氧载体气体内的铁矿石、固态含碳材料、和造渣剂喷射到熔融熔池内。喷枪27的位置选定成他们的出口端82在金属层22的静止表面之上。喷枪的这个位置降低了由于与熔融金属接触而损坏的风险，并且也在没有水不与容器内熔融金属接触的重大危险情况下实现了通过强制内部水冷却来冷却喷枪。
在使用中，夹带在载体气体(一般为N2)中的铁矿石、固态含碳材料(一般为煤炭)、以及造渣剂(一般为石灰和氧化镁)经由喷枪27喷射到熔融熔池15中。固态材料/载体气体的动量导致固态材料和气体穿过熔融熔池的下部区域。碳部分溶解到金属中，并部分作为固态碳保留。铁矿石熔炼成金属，并且，熔炼反应产生一氧化碳气体。传输到下部熔池区域的气体和经由液化作用和熔炼而产生的气体产生从下部熔池区域提升熔融金属、固态碳、和(由于固体/气体/喷射而带到下部熔池区域的)矿渣的相当大的浮力，这导致熔融金属和矿渣的喷雾、液滴和流束向上运动，并且这些喷雾、液滴和流束随着他们通过熔融熔池的上部区域而夹带矿渣。由上述载体气体喷射和熔池的反应所产生的气流在熔融熔池静止表面(即，表面25)至少为0.4Nm3/s/m2。
提升熔融金属、固态碳、和矿渣的浮力导致熔融熔池内相当大的搅动，结果熔融熔池23在体积上膨胀，并具有箭头30所指出的表面。搅动程度为使得遍及熔融熔池存在相当均匀的温度，一般为1450～1550℃。
另外，提升熔融金属、固态碳和矿渣的浮力所造成的熔融材料的喷雾、液滴和流束的向上运动扩展到容器内熔融熔池之上的顶部空间31内，并且(a)形成了过渡区28；以及(b)将一些熔融材料(主要是矿渣)投射超过过渡区28，并投射到过渡区28之上的侧壁14的上部筒体部分151的一部分和顶部17上。
膨胀的熔融熔池和过渡区28限定了升高的熔池。
除了上面的以外，在使用中，温度为800～1400℃的热空气以200～600m/s的速度经由喷枪26排出，并穿透过渡区28的中央区域，且导致大致没有金属/矿渣的空间29围绕喷枪26的端部形成。
通过喷枪26的热空气后燃过渡区域28和围绕喷枪26端部的空白空间29内的反应气体CO和H2，并在气体空间内产生2000℃数量级或更高的高温。该热量传导到气体喷射区域内的上升并下降的熔融材料的喷雾、液滴和流束上，并且该热量然后遍及熔融熔池部分传导。
空白空间29对于获得较高的后燃程度是至关重要的，这是因为它能够将过渡区28之上空间内的气体传输到喷枪26的端部区域内，并由此增大可用反应气体对后燃的暴露。
喷枪26的位置、通过喷枪26的气体流速、和熔融材料的喷雾、液滴和流束的向上运动的组合效果将使围绕喷枪26下部区域的过渡区28成形。这个成形的区域提供了对通过向侧壁14辐射而热传导的部分屏蔽。
此外，材料的液滴、喷雾和流束的上升和下降是将热量从过渡区28传导到熔池的有效手段，由此在侧壁14区域内的过渡区28的温度为1450～1550℃的数量级。
热空气喷射喷枪的结构示于图2到9中。如这些图中所示，喷枪26包括细长的管道31，可能含有氧气的热空气流通过该管道31流过。管道31由一组四个同心不锈钢管32、33、34、35构成，他们延伸到管道的前端部36，并在此连接到尖端元件37上。细长主体部分38居中地设置在管道的前端部36内，并且承载一组四个漩涡形成叶片39。中心主体部分38为细长的圆柱形形式，带有外贺(bull-nose)圆角或半球形的前端和后端41、42。叶片39设置成四头螺旋形式，并在他们的前端通过径向向外延伸的叶片根部45连接到管道的前部上。
管道3 1在其大部分长度上通过内部的防火衬里43内衬，该防火衬里43配装在导管的最内部的金属管35内，并延伸过叶片的前端部42，叶片39整齐地配装在这些前端部42后面的防火衬里中。
管道的尖端元件37具有中空的环形头或尖端形式44，其从管道的剩余部分向前突出，从而大致与限定了气体通过管道的有效流动通道的防火衬里的内表面平齐。中心主体部分38的前端向前突出到这个尖端形式44之外，从而主体部分的前端和尖端形式共同作用而形成一个环形喷嘴，热空气气浪从这个喷嘴以带有叶片39所赋予的强有力的旋转或漩涡的环形辐射流出现。
根据本发明，管道尖端形式44、中心主体部分38和叶片39全都利用冷却水的流动而内部水冷却，该冷却水由总地标示为51的冷却水流动通道装置提供，该装置穿过管道的侧壁。水流动通道装置51包括由管道导管33、34之间的环形空间所限定的供水通道52，其将冷却水经由尖端元件37内的圆周方向上间隔开的开口54供给到管道尖端形式44的中空内部53。水从尖端元件通过圆周方向上见隔开的开口55返回到环形回水流动通道56中，回水流动通道56在管道导管32和33之间限定，并也形成水流动通道装置51的一部分。由此，尖端元件37的中空内部52被连续供给以冷却水，从而作用为内部冷却通道。用于喷枪尖端的冷却水通过喷枪后端的水入口57传输到供给通道52中，而回水通过也在喷枪后端的出口58离开喷枪。
管道导管34和35之间的环形空间59由螺旋形缠绕的分割杆分成八个从管道后端延伸到管道前端部36的单独的螺旋形通道。这些通道中的四个通过四个圆周方向上间隔开的入口62独立地被供水，以提供用于冷却叶片39和主体部分38的独立的水供给。其他四个通道作用为回水通道，他们连接到公共的环形回水分支通道63和单个的水出口64上。
叶片39为中空形式，并且内部被分开，以形成水入流和出流通道，通过这些通道，水流向中心主体部分38以及从中心主体部分38流回，中心主体部分38也形成有用于内部水冷却的水流动通道。叶片39的前端部45围绕四个水进入槽65连接到最内部的管道导管35的前端上，通过这四个水进入槽65，水从四个单独的供水入流通道径向向内导引地流到叶片前端内地入口通道66中。然后，冷却水流入中心主体部分38的前端内。
中心主体部分38由容纳在壳体70内的前内部主体部分68和后内部主体部分69和半球形的前端元件41和后端元件42构成，其中壳体70由主圆柱部分71构成，前端元件和后端元件41和42表面硬化，以抵抗热气流所夹带的耐火砂砾和其他颗粒材料的磨损。中心主体部分的内部部分68、69和外部壳体之间的余隙空间74借助于形成再内部主体部分68、69外周面上的分隔肋77、78被再分为两组周边水流通道75、76。前面一组周边水流通道75布置成从中心主体部分的前端以图8所示的方式围绕主体向后散开，导流插件81居中的位于内部主体部分68中，从而穿过水流通道67，并将该通道分成四个圆周方向上分隔开的水流通道，他们通过叶片前端内的水进入通道66独立的接收水的入流，从而维持四个独立的水入流流到中心主体部分的前端。这些单独的水流与四个前部周边水流通道75连通，水通过该前部周边水流通道75围绕中心主体部分的前端流回。
隔板82将叶片和中心主体部分前端内的水入流通道66、67与叶片和中心主体部分的后部内的水流通道分开，通过前部周边通道75流回的水经由位于入流通道66之间的这个隔板内的槽83流动，从而流回到后部主体部分69内的中央通道84内。这个通道也借助于中心流动导引装置85分成四个单独的流动通道，以使四个单独的水流延续到中心主体的后端。后部周边流动通道76也以与旁通通道75类似的方式在中心主体的前端布置成一组四个，以便接收主体后端的四个独立的水流，并将他们围绕主体的四周流回到壳体内圆周方向分隔开的出口槽86，水通过该出口槽86流入叶片内的回流通道87中。
中空叶片由纵向隔板89内部分隔，从而冷却水通道从叶片的内前端延伸回到叶片的后端，然后向外和向前沿着叶片的外部纵向端延伸到叶片前端42内的径向延伸的水出口通道91，该出口通道91通过出口槽93与四个圆周方向分隔开的回流通道连通，而回流通道通过管道壁延伸回到管道后端的公共出口64上。隔板82将叶片内的入口和出口通道66、91分隔开，而对于每个叶片的水入流槽65和出流槽93以相对纵向成角度的形式形成在内部管道导管35的前端内，以便适合叶片的螺旋角，如图3所示。
四个同心管道导管32、33、34、35的前端焊接到尖端元件55的三个凸缘94、95、96上，以便他们牢固地在喷枪地前端连接成坚固结构。管道导管的后端可以相对于彼此纵向移动，以适应喷枪工作过程中不同的热膨胀。如图10中清楚示出的，管道导管32的后端设置有突出的凸缘101，携带各个水入口和出口57、58、62、64的连续构件102焊接于其上。该构件102包括配装有O形密封圈104的内部环形凸缘103，其作用为用于管道导管33后部的滑动安装，因此使得管道导管33纵向与外部管道导管33独立地膨胀和收缩。焊接到管道导管34后端上的构件105包括配装有O形密封圈108、109的环形凸缘106、107，他们提供了用于管道导管34在固定到管道导管32后端上的外部构件102之内的滑动安装，从而管道导管34也可以与管道导管32相独立地膨胀和收缩。最内部管道导管35的后端设置有突出的凸缘111，其配装有O形密封圈112，该密封圈与配装到外部构件102上的环形圈113接合，以便也提供允许独立地纵向膨胀和收缩的最内部管道导管的滑动安装。
也针对导流叶片39和内部主体部分38的热膨胀采取了措施。叶片39仅在他们的前端、尤其在叶片前端内部和外部的存在水入流和出流的位置连接到管道和内部主体部分上。叶片的主要部分简单的配装在管道耐火衬里43和中心主体部分38的壳体之间，并可以自由地纵向膨胀。内部主体部分之内的水流分流器85具有圆形前端板，该前端板在隔板82上的管状插口122的机加工表面上滑动，从而允许中心主体部分的前部和后部在热膨胀作用下移开，同时保持单独的水流通道之间的密封。提供了热膨胀接头133，以适应中心主体部分前端和后端之间的热膨胀。
为了进一步允许热膨胀，叶片39可以成形为当在横截面上看时，他们在中心主体部分的壳体和管道的耐火衬里之间不径向向外延伸，但是当喷枪导管和中心主体处于冷却的条件下时他们相对于真正的径向成角度的稍微偏离。在喷枪工作过程中，随后发生的管道导管的膨胀将使得叶片向径向位置移动，同时保持管道衬里和中心主体部分之间的正确接触，并同时避免在由于热膨胀而作用在叶片上的径向应力。
在所说明的热空气喷射喷枪工作中，独立的冷却水流被传输到四个漩涡叶片39上，从而，他们可以由于不同的流动效应而不损失冷却效率。独立冷却水流也可以提供到中心主体部分38的前端和后端上，从而消除了由于有可能存在的优先流动效应而缺少水流造成的热点。这对于暴露于熔炼容器中极高温度条件下的中心主体部分的前端72的冷却尤为关键。
管道导管可以在热膨胀和收缩效应下独立地在纵向膨胀和收缩，并且叶片和中心主体部分也能够在不损坏喷枪的结构整体性和保持各个冷却水独立流动的前提下膨胀和收缩。
已经证实，所说明的喷枪26能够在其中通过HIsmelt方法生产熔融金属的直接熔炼容器中的极端温度条件下工作。典型地是，通过四个漩涡叶片和中心主体部分的冷却水流速将为90m3/Hr的数量级，并且通过外部壳体和喷枪尖端的流速将为400m3/Hr的数量级。因此，在1500kPag左右的最大工作压力下，总的流速可以为490m3/Hr的数量级。
应理解的是本发明决不局限于所描述的方法和所描述的结构的细节，并且多种修改和变动将落入本发明的精髓和范围内。
权利要求
1.一种用于从含铁原材料生产含铁金属的方法，包括以下步骤(a)在冶金容器中形成熔融金属和熔融矿渣的熔池；(b)将含铁原材料喷入熔融熔池内，并将含铁原材料在熔融熔池内熔炼成金属；(c)将固态含碳材料喷射到熔融熔池中；(d)至少部分通过所喷射材料在熔池内的反应而在熔融熔池内产生气流，该气流将熔融材料向上携带到熔融熔池静止表面之上，从而形成升高的熔池；(e)将预热空气喷射到容器中，以便该预热空气撞击或穿透升高的熔池，并后燃从升高熔池中释放或包含在升高熔池内的反应气体，由此利于热量传导到熔融熔池中，其特征在于，将预热空气以相对于水平轴20到90°的角度、800～1400℃的温度以及200～600m/s的速度经由至少一个喷枪向下喷射到容器中，并迫使在喷枪下端区域中的升高熔池内的熔融材料远离喷枪，而形成围绕喷枪下端的“空白”空间，该空间的熔融材料浓度低于升高熔池中的熔融材料浓度，喷枪定位成使得(i)喷枪延伸到容器内的距离至少为喷枪下端外径那么大；并且(ii)喷枪的下端在熔融熔池静止表面之上的距离至少三倍于喷枪下端的外径。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在围绕喷枪下端的空白空间内的熔融材料浓度为该空间体积的5％或更小。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，围绕喷枪下端的空白空间为半球形体积，其具有至少喷枪下端外径二倍的直径。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，围绕喷枪下端的空白空间的直径不大于喷枪下端的外径的四倍。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在预热空气中至少体积上50％的氧气在围绕喷枪下端的空白空间内燃烧。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括将预热空气以漩涡运动喷入容器中。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，熔融熔池内的表面气流至少为熔融熔池静止表面的0.04Nm3/s/m2。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，表面气体流速至少为熔融熔池静止表面的0.2Nm3/s/m2。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，表面气体流速小于熔融熔池静止表面的2Nm3/s/m2。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括通过将含铁材料和固态含碳材料喷入熔融熔池中而产生来自熔融熔池的气流。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括通过喷射含铁材料和固态含碳材料而穿透熔融熔池的下部区域而产生来自熔融熔池的气流。
12.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括将含铁材料和固态含碳材料通过向下延伸到熔融熔池中的喷枪/鼓风口喷射到熔融熔池内。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括将含铁材料和固态含碳材料经由喷枪/鼓风口喷射到熔融熔池内，该喷枪/鼓风口通过容器的侧壁延伸并在熔融熔池之内向内并向下倾斜。
14.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括将从升高的熔池中释放或升高熔池中所包含的反应气体后燃到至少40％的程度。
15.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括控制碳溶解到熔融熔池内的熔融铁中的程度为至少重量上3％，并且将矿渣维持在强还原状态下，导致矿渣中的FeO的含量小于重量上6％。
16.一种用于通过直接熔炼方法从含铁材料中生产含铁金属的装置，该装置包括含有熔融金属和熔融矿渣的熔融熔池的容器和熔融熔池之上的气体连续空间，该容器包括(a)耐火材料形成的炉膛，该炉膛具有底部和与熔融熔池的下部区域接触的侧部；(b)从炉膛的侧部向上延伸的侧壁，该侧壁与熔融熔池的上部区域和气体连续空间接触，其中，接触气体连续空间的侧壁包括水冷的面板和面板上的一层矿渣；(c)将含铁原材料和含碳材料供给到容器中的装置；(d)在熔融熔池内产生气流的装置，该气流将熔融金属携带到熔融熔池名义静止表面之上，并形成升高的熔池；(e)至少一个向下延伸到容器内的喷枪，该喷枪将预热空气以相对于水平轴20到90°、200～600m/s的速度和800～1400℃的温度喷射到容器中，该喷枪定位成(i)喷枪延伸入容器中的距离至少为喷枪下端外径那么大；以及(ii)喷枪下端在熔融熔池静止表面之上的距离至少三倍于喷枪下端的外径；空气撞击或刺穿升高的熔池，并且后燃从升高熔池内释放或包含在升高熔池内的反应气体，而空气的喷射强迫喷枪下端区域内的升高熔池中的熔融材料远离下端，从而围绕喷枪的下端存在一个“空白”空间，该空间的熔融材料浓度低于升高熔池中的浓度；以及(f)用于将熔融金属和矿渣从容器中排出的装置。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，供给装置/气体发生装置包括多个与载体气体一同将含铁原材料和含碳材料喷射到熔融熔池中并产生气流的喷枪/鼓风口。
全文摘要
本发明公开了一种用于从含铁原材料生产含铁金属的基于熔融熔池的直接熔炼方法。该方法中，将预热空气以相对于水平轴20到90°的角度、800～1400°C的温度以及200～600m/s的速度经由至少一个喷枪(27)向下喷射到容器中。这个步骤迫使喷枪下端区域内的熔融材料远离喷枪，并围绕喷枪下端形成空白空间，该空间的熔融材料浓度低于升高熔池内的熔融材料浓度。该方法中，喷枪定位成(i)喷枪延伸到容器内的距离至少为喷枪下端外径那么大；并且(ii)喷枪的下端在熔融熔池静止表面之上的距离至少三倍于喷枪下端的外径。
文档编号C21B13/00GK1406286SQ01805794
公开日2003年3月26日 申请日期2001年3月2日 优先权日2000年3月3日
发明者罗德尼·J·德赖, 彼得·J·伯克 申请人:技术资源有限公司