用于金属制造和精炼的吹炼枪组件的制作方法

本发明涉及一种用于金属制造和精炼的吹炼枪组件，更具体地涉及一种用于钢铁制造和精炼的吹炼枪组件，其被开发以控制炉渣的形成和氧化、反应器的热容以及对装料和吹炼操作条件的保护。

背景技术：

bof炉(氧气顶吹转炉)是底部封闭的圆柱形容器，其具有在顶部带有用于装填液态生铁和废料的大开口的形状为锥台形的上端，被称作“口”，以及称为“浇注通道”的小侧开口，通过侧开口移除在初步精炼结束时产生的钢液。

为了保护熔炉金属外壳，使用具有耐火砖层的涂层以便在大约1700℃的高温下容纳熔池。

吹炼过程包括执行一系列步骤，从装料开始。槽罐从垂直方向倾斜45度角；废料借助于通道被装入到槽罐中，一个用来制备待放入到熔炉中的废料的容器；在将废料放入熔炉中之后，液态生铁被装入。然后将槽罐倾斜回到垂直位置以允许氧气通过垂直移动的氧枪吹入。

氧枪是水冷的，并在其末端装有氧气出口喷嘴。喷嘴组件及其几何形状决定了喷枪喷嘴的结构。氧枪在吹炼期间遵循与金属熔池相关的高度模式，称为“喷枪-熔池距离”。目的是使喷枪始终最靠近熔池表面以加快反应速度，不过，尽可能靠近经受高温的熔池表面。另一方面，越靠近熔池表面，氧气射流注入就越深，这样就加快了反应速度。

该过程引起液态金属和炉渣的搅动，这些液态金属和炉渣被甩到熔炉的上部并且可能在喷枪上和沿着炉壁凝固，并且也可能从熔炉中甩出。除了氧气之外，喷枪还可以在液态金属制造过程中使用其它气体或其与氧气的混合物。

为了获得具有较长使用寿命的吹炼枪，在这种情况下必须通过水循环进行冷却。喷枪外表面的温度高并且远高于水的沸点。如果要加工的金属是钢，温度超过1700℃，在所有加工的批料中将喷枪浸入到被称为“乳液”的熔池、熔渣和气体的混合物中。

吹炼过程由四个不同的步骤组成：点火、造渣、用于设定温度的脱碳和氧化。为了开始该过程，喷枪降低到可以使批料点火的高度，即通过吹氧使在熔池的任何元素中发生氧化。批料点火后立即开始造渣步骤。该第二步骤持续约3至5分钟，也被称为脱碳的第一阶段。其特征在于硅几乎完全氧化和锰剧烈氧化，而脱碳速度随着这两种元素含量的降低而增加。在造渣的该初始步骤中，加入所有的造渣剂，如生石灰、白云石石灰和生烧白云石。

造渣材料的添加通常使用位于转炉上方的储存筒仓来进行。这些筒仓的供应物流是复杂的，包括几个阶段，包括通过公路或铁路接收散装或大袋装(大包)运送的材料。散装运输时，材料在中转筒仓内卸下，其通常位于运输工具下方的开口处；来自收纳筒仓(waitsilo)的材料通过料斗计量并移向输送带，该输送带的功能是将材料引导到高度在25至50米之间的转炉承载结构顶部，储存筒仓位于此处；在上升期间，根据每家公司的布局，可以发生输送带换位来改变材料的方向。在顶部，材料到达称作倾卸装置的斗底车。然后将材料定向到储存筒仓，通常数量为4至15个。在储存筒仓下方有振动器或加料器，在接收到称重命令后，将材料移动到收纳筒仓中，所述收纳筒仓设有用于重量调整的秤。重物正在等待适当的时间加入转炉。如果采用大包装，可以在转运筒仓中打开或者用桥式吊车吊起，并直接在储存筒仓上卸载。在这两种情况下，在每种材料转置中，污染影响显著并且需要在除尘系统上大量的投资来遏制。

这些材料也可以通过喷枪加入，或者通过存在于熔炉的耐火底部或底座处的多孔或加压通道加入。添加时机取决于要生产的钢的类型而变化，但通常遵循相同的顺序。随着加速氧化发生，硅转化为二氧化硅，在这种情况下需要快速添加碱性试剂，尤其是在发现批料点火后立即加入的石灰。因为材料是颗粒状的，其加热、反应和溶解都需要时间，然后发生有效的二氧化硅中和作用。然后，添加富含氧化镁的材料，例如白云石，其主要目的是使炉渣达到饱和程度以避免对转炉的耐火砖的侵蚀。富含氧化镁的材料的作用与石灰相同，并且取决于生铁中的硅含量，石灰溶解的控制对于避免乳液溢出到转炉外部或其突出部位很关键，溢流将对批料性能、操作时间、附着在喷枪上的固体金属材料的形成以及除尘系统(其需要长时间停止以进行维护)产生有害后果。

脱碳的第二阶段主要涉及硅氧化后的碳的氧化。转炉中的条件是以高温、存在促进脱碳的气-渣-金属乳液为特征，反应速度仅由氧气可用性决定。熔炉作为自热反应器运行，其中该过程所需的能量由液态炉料、生铁和由与氧反应产生的精炼反应提供。

氧化反应形成两种产物：一氧化碳(co)和二氧化碳(co2)，其水平范围为40％至70％的co和10％至40％的co2。金属熔池中一氧化碳的剧烈产生导致炉渣“起泡”和形成气-渣-金属乳液。熔炉内气体的二次燃烧技术旨在将一氧化碳氧化成二氧化碳并产生大量的能量。将这种额外量的能量传递到炉料的效率也可能影响废料量的使用。炉料中废料的比例增加，因此每吨液态生铁生产的钢铁需要对热量平衡进行调整，从而利用必要的额外能源。废料预热和添加诸如铁-硅和冶金焦炭这样的辅助燃料是传统的。

脱碳反应是放热的并且增加了金属熔池的温度。当脱碳速度现在不是由氧气可用性控制，而且通过碳扩散到反应界面控制时，确定该步骤结束。在批料脱碳期间二次燃烧达到最大，与将气体引入到熔炉气氛中并其混入初级或次级氧气射流相关。混入的一氧化碳被氧化成二氧化碳。二氧化碳部分扩散到熔炉气氛中，剩下的部分到达熔池和乳液，再次被金属还原。特别设计用于二次燃烧的喷枪喷嘴的特征在于存在两个吹氧条件：由缩放喷嘴主吹，和通过直喷嘴的补充吹氧，其被称为二次射流。

最后的吹炼步骤旨在提高金属熔池的温度，特别是在热输入被放入熔炉中的大量废料破坏的过程中。该步骤的特征在于随着熔池中碳含量的降低，脱碳速度降低以及锰和铁的氧化逐渐增加。气体产生的减少导致乳液的逐渐破坏，伴随着金属颗粒的聚结并返回到熔池中。随着矿石中并因此在液态金属中磷含量的增加，最终的吹炼步骤已经成为确保在钢中的另一端要求的低含量的一个时期，提高了在转炉中仍然要满足的吹炼精度和质量要求。最终吹炼步骤具有除去磷的基本条件：高的熔池水平和炉渣氧化；然而，还有一个脱磷的限制因素：高的浇注温度。

在炉渣中保留磷的第三种成分包括碱度增加或者氧化钙和氧化镁含量增加。改善脱磷和反之为了提高温度的目前的做法，对于那些无法获得该资源的人，是在采取副喷枪措施或者最终吹炼步骤之后，添加石灰或石灰石，后者是不经煅烧的石灰。其目的是快速增加氧化炉渣的碱度并结合温度下降，以创造捕获和保留炉渣中磷的条件。磷反应是很容易可逆的，然后，这种技术的结果是快速浇注。

最终吹炼温度的确定考虑了初步精炼步骤之后批料的热损失加工和处理。用于化学组成分析和熔池温度测定的取样完成后，将熔炉倾斜以将钢液浇铸到钢盘中。然后，熔炉倾斜以允许在钢材铸造的相对侧进行炉渣铸造。所有上述操作集合的运行时间确定熔炉生产周期的时间。

在所描述的操作中通常可能会出现几个问题：a)在吹炼枪周围形成固化材料(“氧化皮”)，导致喷枪和标尺的直径增加，烟气捕获系统损坏；b)由含有金属的固化材料引起的过程中金属产量的降低；c)高的物流成本以及回收喷枪中固化材料的金属含量的加工成本；d)长时间清洗喷枪上形成的氧化皮；e)由氧化皮清除造成的喷枪外管损坏，产生喷枪维护费用；f)大量废料的热量平衡差；g)对炉渣形成时间和基本固体材料的高离解时间缺乏控制；和h)在吹炼结束时，对废料熔化和脱磷缺乏控制。

因此，本发明的目的是开发一种喷枪，其允许在吹炼过程中的灵活性以改善最终吹炼中的热控制、脱碳速率控制和磷控制，消除或显著减少在当前现有技术中工艺的运行过程中所遇到的问题的发生。

技术实现要素：

本发明的一个方面是在每个吹炼步骤中利用不同的物体向喷枪中引入由粉末状固体材料(特别是氧化钙(石灰))制成的导向套管到具有缩放式的氧气通道喷嘴中的主要氧气出口附近。用于金属熔池精炼的含氧的石灰喷吹允许连续添加，促进炉渣形成并保持对乳液，钢-渣-气混合物的控制。在本申请的另一个实施方案中，可以增加最终吹炼步骤中的喷吹速率，有助于减少熔池中的磷含量，进行脱磷。

本发明的另一方面是在主吹炼步骤中利用不同的物体向喷枪中引入氧气和可燃气体的二次出口，独立控制主氧气：a)在废料熔化和炉渣形成的初始阶段期间，提高反应器的发热量可以加快熔化过程；b)在脱碳期间，以超音速增加氧气供应以减少精炼时间；c)最后，最后的吹炼步骤促进二次燃烧来确保温度并提高批料的氧化水平确保低脱磷水平。

具体实施方式

在其下部，喷枪有两组确定两个吹炼条件的气体出口。第一组由具有缩放型的氧气通道喷嘴组成，主要负责在批料精炼期间氧化反应和输送基本固体材料，主要是氧化钙，用于初始形成炉渣和在最后阶段脱磷。第二组由在吹炼过程的每个阶段具有不同功能的二次超音速射流组成。在此过程的早期，第一个功能通过氧气与主射流产生的一氧化碳发生反应来作为二次燃烧剂。第二个功能，有助于通过提高氧气射流速度来加速与碳的反应，加速初始阶段的废料熔化，和最终增加金属熔池元素和铁的氧化，以便在批料精炼期间的最后阶段减少磷。

为了说明金属精炼过程，图1示出了氧气熔炉的侧面部分，熔炉包括外部容器、金属壳体(201)、顶部开口，在炉口(207)，其中氧气熔炉在内部涂覆耐火砖(202)，其功能是在氧气吹炼过程中保护金属外壳(201)不受极端精炼条件的影响。在金属生产过程中，熔炉包含四种不同的材料：液态金属(301)、废料(302)、由液态金属元素氧化和添加造渣剂而产生的炉渣(303)和来自精炼反应的气体(305)。在吹炼过程中，形成金属(301)、炉渣(303)和气体(305)的混合物，被称为乳液，其占据了熔炉大量的空间。在熔炉上方有一个用于捕获在精炼过程中产生的气体(305)和烟雾的除尘管道(208)，带有开口，或者在炉内为了开始液态金属精炼过程的喷枪(100)通过的“圆顶”(209)。为了开始精炼过程，喷枪(100)位于金属熔池上方一定距离处，所述距离相对于静态熔池(400)的高度称为“lbd-喷枪-熔池距离”(401)。精炼过程中，废料(302)逐渐熔化，熔入金属熔池(301)中。氧气(300)与金属熔池(301)反应，引发形成炉渣(303)并产生气体(305)，形成乳液区域(402)。喷枪(100)浸入到乳液(402)中，这使其附着到喷枪上或形成喷枪氧化皮(403)。在炉锥(furnacecone)(206)和炉口(207)的部位也发生同样的情况，导致由乳液(402)和由炉渣和金属(203)飞溅或散射突起物这两者造成的口部氧化皮(404)的形成。喷枪氧化皮(403)的另外的表层附着在喷枪(100)上，损害其穿过喷枪圆顶(209)的通道，这使得必须停止生产以进行清洁并且在许多情况下用干净的喷枪(100)替换。在炉锥(206)和炉口(207)的区域中也发生相同的现象，并且有必要停止生产活动以清洁该区域，便于装填废料(302)和金属熔池(301)。

图2示出了现有技术的喷枪(100)的截面图，包括在其末端处具有通过不同数量的孔的氧气出口并与垂直轴线成角度的铜喷嘴(101)、主氧气管(105)、中间管(106)、外管(107)(通常全部由钢制成)，其中该喷枪(100)还具有冷却剂入口(108)。通常为水的液体(304)流向铜喷嘴(101)，经由外管(107)返回到喷枪出口(109)。喷枪(100)的良好性能取决于从喷嘴(101)和外管(107)带走热量的水能力。

图3是嵌入铜喷嘴(101)的下部二次燃烧模块(114)的截面图，其包括环绕主氧气(115)的缩放出口的下部氧气(116)的二次出口。将粉末状固体材料喷吹管(119)插入主氧气管(105)的内部。与现有技术实践不同，通过连续喷吹实施通过该管(119)注入粉末状的固体材料，并在这种情况下，氧气是运载气体(300)。在分次添加的情况下，类似于现有技术的实践，在非喷吹间隔期间，使用通常为氩气或氮气的惰性气体(307)。为了防止在主氧气管(105)中形成悬浮物，粉末状固体材料喷吹管(119)靠近铜喷嘴(101)。在粉末状固体材料管(119)的出口处，可以有适于将粉碎的固体输送到主氧气(115)出口的流动驱动器，其适当大小以输送气体和固体。粉末状固体喷吹管(119)可以以50kg/min至1500kg/min的喷吹速率工作，并且可以延伸到铜喷嘴(101)的表面，以便卸载用于转炉环境的材料。

在所示的结构中，环形或点状的下部氧气二次出口(116)连接到主氧气管(105)，目的是实现二次燃烧，其便于废料(302)在吹炼初期熔化并且也可以与辅助供气室(117)连接。对于放置在熔炉中的大量废料，提供辅助供气室(117)的插入，该辅助供气室(117)可以通过氧化气体，例如氧气本身(300)，和可燃气体(305)交叉，通过二次气体出口(118)接触熔炉环境(200)。辅助供气室(117)旨在使得能够单独控制压力和流量条件。因此，在精炼过程的早期，如果该腔室(camera)用于氧气(300)通道时，中间压力和流量的条件有利于废料(302)熔化，并且二次燃烧导致形成富含氧化铁的初始炉渣(303)，有利于其他造渣剂的溶解。随后，在脱碳步骤中，条件变为高压和高流量，有助于金属熔池(301)精炼过程中的碳除去率的增加。最后，在加工结束时，产生低流量和低压力以及增加炉渣(303)氧化的条件，有助于磷的保留。在极高温度的情况下，可以使用具有冷却剂性质的惰性气体或甚至洗炉剂来阻止二次气体出口(118)的闭合。