专利名称：直接熔炼炉的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直接熔炼炉，用于从诸如矿石和部分还原矿石的金属原料中生产出熔融金属(包括金属合金)。
本发明特别涉及一种可以用于熔池式直接熔炼工艺中的熔炼炉。
术语“熔炼”在这里被理解为伴随有以还原氧化物的化学反应发生的加热工艺。
术语“直接熔炼工艺”在这里被理解为从诸如铁矿石和部分还原铁矿石的金属原料中直接生产出熔融金属的工艺。
本发明特别涉及直接熔炼炉的废气排泄管。
本发明的目的在于提供一种废气排泄管，其能使熔融材料和废气所携带固体的损失达到最小。
根据本发明，提供一种直接熔炼炉，其适于容纳金属和熔渣的熔池，并包括炉膛；从炉膛向上延伸的侧壁；顶部；和从熔炼炉上部伸出的废气排泄管，其用于从熔炼炉中排出废气，而这些废气是在直接熔炼过程中在熔炼炉中产生的，该废气排泄管包括(a)第一部分，从其入口端开始相对于水平方向略微向上倾斜；(b)第二部分，其从第一部分的上端开始相对于水平方向以较大的倾斜向上延伸。
在使用中，废气被迫经过方向上的急剧变化而进入第一部分。应认为，随后废气中所携带的熔融材料和固体接触并沉积在(i)入口端区域的熔炼炉的壁上；(ii)第一部分的入口端区域的壁(尤其是上壁)上；从而与废气分离。沉积在这些壁上的熔融材料和固体向下运动进入熔炼炉。
另外，在使用中，沿第一部分运动的废气流被迫在该第一部分的端部经过方向上的急剧变化而流入第二部分。因此，废气中携带的熔融材料和固体趋于接触和沉积在处于第一部分端部的向上延伸的壁上，从而与废气分离。应认为，在该区域的管道中，熔融材料或者保持熔融状态，或者凝固在壁上。保持熔融状态的熔融材料向下流入第一部分并沿第一部分进入熔炼炉。凝固的熔融材料积聚在壁上并与沉积的固体一起散裂并向下落入第一部分。考虑到在相对较高温度的情况下，在第一部分内，凝固的材料会熔化并流回到熔炼炉，或者被熔融材料带回入熔炼炉。
略微倾斜的第一部分可以避免潜在的严重问题，那就是在熔炼炉内进行直接熔炼的过程中或在停工之后，由于固体增大而落回到熔炼炉会损坏如喷管/吹风管等设备。对于在停工时进行维护工作的人员，这种落回也存在着潜在严重的安全问题。
形成第一部分时最好考虑到熔炼的工况，至少使与废气一起进入第一部分的熔融材料的主要部分在略微倾斜的第一部分的端部熔化。该特征保证了在第一部分内积聚的固体的增大达到最小。
在这一方面，最好将第一部分设置成沿着其长度方向的温度降低要小于100℃，且整个第一部分的温度被保持在熔融材料的熔点之上。
从第二部分排出的废气所携带的材料(熔融物和固体)的量优选的要小于15克/Nm3，更优选的要小于10克/Nm3。
第一部分相对于水平方向向上的略微倾斜量优选的要小于30°，更优选的要小于20°。
该倾斜角最好小于10°。
第二部分相对于水平的较大的倾斜角优选为80-90°。
熔炼炉最好具有连接第一部分和第二部分的堵头回弯。
堵头回弯在其堵头端最好具有进入孔。
熔炼炉最好包括从炉顶向上延伸的废气腔，废气排泄管的第一部分从废气腔延伸出。
废气排泄管的第一部分最好从废气腔的侧壁伸出。
第一部分的长度与其最小宽度尺寸的比率至少是2∶1，此时第一部分的长度是在第一和第二部分中心线的交点以及第一部分中心线和通过第一部分入口端的竖直线的交点之间测量的。在设有废气腔且第一部分是从该腔的侧壁伸出的情况下，第一部分的中心线和废气腔的竖直中心线之间的交点是第一部分入口端的测量点。
一般的，第一和第二部分呈圆柱形，上述段落中提到的第一部分的最小宽度尺寸是第一部分的直径。
最好这样形成第二部分，使沿其长度方向上的温度下降足以在废气到达第二部分端部之前使得通过第二部分的废气流所携带的所有熔融材料的至少主要部分被凝固。这就保证了尽可能少的熔融材料进入下游的废气处理装置，如热旋风收尘器和热洗涤器，使废气中熔融材料对这些装置的负面影响变小。
废气腔最好沿中心设置。
熔炼炉最好具有至少一个用于向炉内喷射含氧气体的喷管，其穿过废气腔向下延伸到熔炼炉内。
熔炼炉和废气腔侧壁的最小宽度尺寸的比率最好至少是1.5∶1。在含氧气体喷管向下穿过废气腔的情况下，该比率最好是1.5∶1到2∶1。在气体喷管处于没有穿过废气腔的情况下，该最小宽度尺寸的比率可以高至4∶1。
顶部从侧壁开始相对于水平轴线向上倾斜，倾斜角在30到50°(即在侧壁和顶部之间测量的内角为120到130°)的范围内。
该相对于水平轴线的倾斜角是40°。
侧壁最好是圆柱形，顶部是截头圆锥形，该顶部起始于侧壁顶端而结止于废气腔。熔炼炉侧壁的最小宽度尺寸最好是8米。
根据本发明，也提供了适用于上述熔炼炉的直接熔炼工艺。
下面，参照附图，以例示的方式进一步介绍本发明，其中
图1是冶金熔炼炉的竖直截面图，其以简图的形式描述了本发明的较佳实施例；图2是另一个冶金熔炼炉的上部的竖直截面图，其描述了本发明的另一个较佳实施例。
下面的描述在上下文范围内是涉及采用一种HIsmelt(注册商标)方式的工艺直接熔炼铁矿而生产熔融铁的过程。应理解本发明不限于直接熔炼铁矿，还适用于熔炼任何合适的金属矿、精矿和其他金属原料-包括部分还原金属矿。还应理解本发明不限于HIsmelt工艺。
图1所示熔炼炉设有炉膛，炉膛包括由耐水砖构成的基座3和侧缘55；从炉腔侧缘55向上伸出侧壁5，一般形成圆柱筒状，其包括上筒部51和下筒部53；顶部7；从熔炼炉上部伸出的废气排泄管9；用于连续排出熔融金属的前炉77；用于排出熔渣的出渣口61。
废气排泄管9包括略微向上倾斜的第一部分31和倾斜较大的第二部分33，其中第一部分31从入口端63开始与水平方向呈7°的a角，第二部分33从第一部分31的另一端开始竖直延伸。两部分31和32呈圆柱形。
形成第一部分31要考虑到熔炼炉内的工作环境和其他相关因素，使得进入第一部分的熔融材料沿第一部分的长度保持熔融状态。换句话说，设置第一部分，使得其内部的温度尤其使其壁区域的温度高于熔融材料的凝固点。
设置第二部分33使得沿其长度方向的温度降低足以在废气流所携带的熔融材料到达第二部分33的端部时将所有熔融材料的至少主要部分凝固。
在使用中，熔炼炉包括铁和熔渣的熔池，其中具有熔融金属层15和处于熔融金属层15之上的熔渣层16。标号为17的箭头代表金属层15的静止表面，而标号为19的箭头代表熔渣层16的静止表面。术语“静止表面”被理解为是没有气体和固体喷射入熔炼炉内时的表面。
熔炼炉还具有2个固体喷管/吹风管嘴11，其相对于竖直方向呈30°-60°角向下、向内穿过侧壁5进入熔渣层16。选择喷管/吹风管嘴11的位置，使其底端位于金属层15的静止表面之上。
在使用中，气体载体内所携带的铁矿(一般是精细的)、固体碳原料(一般是煤)和助溶剂(一般是生石灰和氧化镁)通过喷管/吹风管嘴11被喷射到金属层15。固体材料/气体载体的动量使得固体材料和气体载体穿透金属层15。煤在金属层内被液化而产生气体。碳部分溶入金属，部分保持固体碳状态。铁矿被熔炼成金属，而熔炼反应产生一氧化碳气体。供入金属层15、由液化而产生以及由熔炼所产生的气体(由于固体/气体/喷射而导入金属层的)对金属层产生浮力，托举熔融金属、固体碳和熔渣，该浮力产生熔融金属和熔渣的飞溅、飞沫和涌流的向上运动，这些飞溅、飞沫和涌流在运动通过熔渣层时携带着熔渣。
作用于熔融金属、固体碳和熔渣的上浮力在金属层15和熔渣层16产生连续的搅拌运动，导致熔渣层16体积扩张并具有如箭头30所示的表面。搅拌的程度要达到金属和熔渣区域的合适的均匀温度-一般在1450-1550℃之间，温度变化在30℃的范围内。
另外，由作用于熔融金属、固体碳和熔渣的上浮力而产生的熔融金属和熔渣的飞溅、飞沫和涌流的向上运动达到高于熔炼炉内熔融材料的空间71(“顶部空间”)而形成过渡区23。
在一般的术语中，熔渣层16是液体连续空间，其中夹杂着气泡，而过渡区23是气体连续空间，伴随着熔融金属和熔渣的飞溅、飞沫和涌流。
熔炼炉还包括用于喷射含氧气体(一般是富含氧的预加热空气)的喷管13，其沿中心设置并竖直向下伸入熔炼炉。选择喷管13的位置和流过喷管13的气流速度，使得含氧气体穿透过渡区23的中心区域，在喷管13端部的周围保持必要的金属/熔渣的自由空间。
利用喷管13喷射含氧气体，加速了一氧化碳气体和氢气在过渡区23和喷管周围的自由空间25内的燃烧反应，从而在气体所在空间产生2000℃或更高的高温。这些热量被传送到气体喷射区域内上升和下降的飞溅、飞沫和涌流的熔融材料，该热量在金属/熔渣返回金属层15时又部分地传递给金属层15。
上述过程产生了相当多的废气量，它们处于1550到1650℃的温度范围内并夹杂着熔融材料和固体。夹杂材料内的固体一般呈粉末形式。
从顶部空间71进入废气排泄管9的略微倾斜的第一部分31的废气流经过入口端63，沿着第一部分31的长度方向，经过其端部的小曲率半径拐角，然后向上通过第二部分33。废气在第一部分31的入口端63以及连接第一和第二部分的小曲率半径拐角处经过急剧的方向变化。如上面介绍的，这些方向的急剧变化导致夹杂于废气内的熔融材料和固体接触、沉积在管道上壁的划圈的区域A和管道端壁的划圈区域B。在区域A，应认为沉积的熔融材料保持熔融状态并向下流入熔炼炉内，而沉积的固体也被熔融材料带回到熔炼炉。在区域B，应认为部分熔融材料保持熔融状态，而剩余的熔融材料凝固了。保持熔融状态的熔融材料向下流到端壁进入第一部分31，然后沿着第一部分31进入熔炼炉。凝固的熔融材料进一步堆积在壁上，直至散裂向下落回入第一部分31。通过形成第一部分31，使得整个第一部分长度上的温度高于熔融材料的凝固点，保证凝固材料的至少主要部分熔化并沿略微倾斜方向流回到熔炼炉。保持固体状态的固体被熔融材料带回到熔炼炉。
上述废气排泄管9可以将被携带的熔融材料的主要部分与废气相分离，使得从第二部分33排出的被携带的材料(即熔融材料和固体)总量保持在低于15克/(Nm3废气)的水平。另外，略微倾斜的第一部分31避免了潜在的严重问题，那就是在熔炼炉内进行直接熔炼操作时或停工时，可以避免因固体的积聚增大落回入熔炼炉而破坏诸如喷管/吹风管嘴等设备。另外，略微倾斜的第一部分31可以为熔炼炉的顶部留出空间，从而可以让起重机构进入来取走或重新安装含氧气体喷射管13，即允许起重机构通过熔炼炉的顶部进入熔炼炉的内部，这在更换炉衬时是需要的。
图2所示的熔炼炉的基本部件，即炉膛、侧壁、顶部和废气排泄管、固体喷射管和含氧气体喷射管与图1所示的熔炼炉的相同。另外，在图2所示的熔炼炉中使用的基本的熔池式熔炼工艺与图1的相应叙述是相同的。因此，图2及其该图的下述说明集中在本发明两个实施例的不同之处。
参照图2，熔炼炉包括圆柱形废气腔79，其从顶部7向上伸出，而废气排泄管9从该废气腔79的侧壁93伸出。废气腔79的顶壁91上形成可移动的入口，允许进入熔炼炉。
废气腔79沿中心设置，因此顶部7呈截头圆锥状并与熔炼炉侧壁5的上筒部51形成130°的夹角。上筒部51与废气腔79的直径的比率是1.8∶1。
同时没有示出的，含氧气体喷射管13设置成穿过废气腔79的顶壁91向下延伸。
废气排泄管9的第一部分31与水平方向呈7°的a角，而其第二部分33从该第一部分31开始竖直设置。
选择废气排泄管9的第一部分31的尺寸，使其长度L(是从第一和第二部分31、33中心线的交点以及第一部分中心线和废气腔79的竖直中心线的交点之间进行测量的)和直径的比率是3.7∶1。
在使用中，为了从废气腔79进入第一部分31，然后再从第一部分31进入第二部分33，废气经过了较大的方向变化。如图1所示实施例中相应的叙述，这些较大的方向变化使得被携带的熔融材料和固体沉积于划圈的区域A和B的暴露表面上，从而易于将被携带的材料(熔融材料和固体)从废气中分离出。
废气排泄管9的第二部分33位于第一部分31的上壁内，使得第一部分31的端壁87形成一堵头回弯，在使用中，这里积聚有被携带的材料(熔融材料和固体)-如图中阴影部分所示-这保护了端壁。
另外，废气排泄管9的第一部分31的端壁87上形成有可移动入口，允许进入废气排泄管。
在不超出本发明的精神和范围的前提下可以对上述的本发明的较佳实施例作许多变化。
权利要求
1.一种直接熔炼炉，其适于容纳金属和熔渣的熔池，并包括炉膛；从炉膛向上延伸的侧壁；顶部；和从熔炼炉上部伸出的废气排泄管，其用于从熔炼炉中排出废气，而这些废气是在直接熔炼过程中在熔炼炉中产生的，该废气排泄管包括(a)第一部分，从其入口端相对于水平方向略微向上倾斜；(b)第二部分，其从第一部分的上端相对于水平方向以较大的倾斜向上延伸。
2.一种如权利要求1所述的熔炼炉，其特征在于，第一部分相对于水平向上的略微倾斜量要小于30°。
3.一种如权利要求2所述的熔炼炉，其特征在于，第一部分相对于水平向上的略微倾斜量要小于20°。
4.一种如权利要求3所述的熔炼炉，其特征在于，第一部分相对于水平方向的倾斜角小于10°。
5.一种如上述权利要求任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，第二部分相对于水平方向的较大的倾斜角为80-90°。
6.一种如上述权利要求任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，第一部分的长度与其最小宽度尺寸的比率至少是2∶1，此时第一部分的长度是在第一和第二部分中心线的交点以及第一部分中心线和通过第一部分入口端的竖直线的交点之间测量的。
7.一种如上述权利要求任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，其包括用于连接第一部分和第二部分的堵头回弯。
8.一种如权利要求6所述的熔炼炉，其特征在于，堵头回弯在其堵头端具有进入孔。
9.一种如上述权利要求任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，其包括从顶部向上伸出的废气腔，而废气排泄管的第一部分从废气腔伸出。
10.一种如权利要求9所述的熔炼炉，其特征在于，熔炼炉和废气腔侧壁的最小宽度尺寸的比率至少是1.5∶1。
11.一种如权利要求9或10所述的熔炼炉，其特征在于，废气排泄管的第一部分从废气腔的侧壁伸出。
12.一种如权利要求11所述的熔炼炉，其特征在于，第一部分的长度与其最小宽度尺寸的比率至少是2∶1，第一部分长度是在第一和第二部分中心线的交点以及第一部分中心线和废气腔的竖直中心线的交点之间测量的。
13.一种如权利要求9至12中任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，废气腔的上端形成有堵头回弯。
14.一种如权利要求9至13任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，废气腔沿中心设置。
15.一种如权利要求9至14任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，其至少包括一个用于向炉内喷射含氧气体的喷管，其穿过废气腔向下延伸到熔炼炉内。
16.一种如上述权利要求任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，顶部从侧壁开始相对于水平轴线向上倾斜，倾斜角在30到50°的范围内，即在侧壁和顶部之间测量的内角为120到130°的范围内。
17.一种如权利要求16所述的熔炼炉，其特征在于，该相对于水平轴线的倾斜角是40°。
18.一种如权利要求16或17所述的熔炼炉，其特征在于，侧壁是圆柱形，顶部是截头圆锥形，该顶部起始于侧壁顶端而结止于废气腔。
19.一种如上述权利要求任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，熔炼炉侧壁的最小宽度尺寸是8米。
20.一种直接熔炼炉，其容纳金属和熔渣的熔池，并包括炉膛；从炉膛向上延伸的侧壁；顶部；和从熔炼炉上部伸出的废气排泄管，其用于从熔炼炉中排出废气，而这些废气是在直接熔炼过程中的熔炼炉中产生的，该废气排泄管包括(a)第一部分，从其入口端相对于水平方向略微向上倾斜；(b)第二部分，其从第一部分的上端相对于水平方向以较大的倾斜向上延伸。
21.一种如权利要求20所述的熔炼炉，其特征在于，第一部分相对于水平向上的略微倾斜量要小于30°。
22.一种如权利要求21所述的熔炼炉，其特征在于，第一部分的相对于水平方向的倾斜角小于10°。
23.一种如权利要求20至22任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，第二部分相对于水平方向的较大的倾斜角为80-90°。
24.一种如权利要求20至23任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，随废气进入第一部分的熔融材料的至少主要部分在第一部分末端是熔融状态。
25.一种如权利要求20至24任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，沿着第一部分长度方向温度降低小于100℃，且整个第一部分上的温度被保持在熔融材料的熔点之上，使得随废气进入第一部分的熔融材料的至少主要部分在第一部分末端是熔融状态。
26.一种如权利要求20至25任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，从废气排泄管第二部分排出的废气每Nm3携带的材料少于15克/Nm3，其中被携带的材料包括固体和熔融材料。u
27.一种如权利要求20至26任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，第一部分的长度与其最小宽度尺寸的比率至少是2∶1，此时第一部分的长度是在第一和第二部分中心线的交点以及第一部分中心线和通过第一部分入口端的竖直线的交点之间测量的。
28.一种如权利要求20至27任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，其包括用于连接第一部分和第二部分的堵头回弯。
29.一种如权利要求27所述的熔炼炉，其特征在于，堵头回弯在其堵头端具有进入孔。
30.一种如权利要求20至29任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，其包括从顶部向上伸出的废气腔，而废气排泄管的第一部分从废气腔伸出。
31.一种如权利要求30所述的熔炼炉，其特征在于，熔炼炉和废气腔侧壁的最小宽度尺寸的比率处于1.5∶1至2∶1的范围内。
32.一种如权利要求30或31所述的熔炼炉，其特征在于，废气排泄管的第一部分从废气腔的侧壁伸出。
33.一种如权利要求32所述的熔炼炉，其特征在于，第一部分的长度与其最小宽度尺寸的比率至少是2∶1，第一部分长度是在第一和第二部分中心线的交点以及第一部分中心线和废气腔的竖直中心线的交点之间测量的。
34.一种如权利要求30至33中任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，废气腔的上端形成有堵头回弯。
35.一种如权利要求30至34任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，废气腔沿中心设置。
36.一种如权利要求30至35任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，其至少包括一个用于向炉内喷射含氧气体的喷管，其穿过废气腔向下延伸到熔炼炉内。
37.一种如权利要求20至35任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，顶部从侧壁开始相对于水平轴线向上倾斜，倾斜角在30到50°的范围内。
38.一种如权利要求37所述的熔炼炉，其特征在于，该相对于水平轴线的倾斜角是40°。
39.一种如权利要求37或38所述的熔炼炉，其特征在于，侧壁是圆柱形，顶部是截头圆锥形，该顶部起始于侧壁顶端而结止于废气腔。
40.一种如权利要求20至39任意之一所述的熔炼炉，其特征在于，熔炼炉侧壁的最小宽度尺寸是8米。
全文摘要
本发明公开一种直接熔炼炉,其适于容纳金属和熔渣的熔池。该熔炼炉包括废气排泄管,该废气排泄管具有:(a)第一部分,从其入口端相对于水平方向略微向上倾斜;(b)第二部分,其从第一部分的上端相对于水平方向以较大的倾斜向上延伸。
文档编号C21B13/00GK1278011SQ0012030
公开日2000年12月27日 申请日期2000年6月8日 优先权日1999年6月8日
发明者塞西尔·P·贝茨, 彼得·D·伯克, 罗德尼·J·德赖 申请人:技术资源有限公司