专利名称：用于熔炼废金属的方法
技术领域：
本发明涉及通过废金属熔炼来回收金属。
背景技术：
废金属熔炼是冶金工业的一个主要方面。实际上，废金属由于经济、技术和环境方面的原因而作为原材料用于黑色和有色冶金工业中的金属熔炼。金属回收行业的发展在很大程度上取决于废金属的可得性。有色冶金领域中的一个典型实例是铝的回收。铝目前是世界上最普遍的回收消费后金属。例如，在欧洲，铝有着高回收率，其范围为对于饮料罐的41%至建筑和施工行业中的85%且在汽车行业中高达95%。此外，本行业不断投资和研究收集和分拣的改进以便实现最佳可能的回收水平。铝回收商熔炼通过当地市场和进口两种渠道取得的各种废铝。由于废料通常由不同组分的污染材料组成，因此诸如废铝行业的二次熔炼行业需要既强大又灵活的生产工具，特别是熔炼炉。商业废金属熔炼器的一个关键问题是工艺效率。工艺效率特别是涵盖以`下因素-时间效率即熔炼一定量的废金属的速率，-能量效率即熔炼一定量的废金属所需的能量，以及-金属回收效率即出炉的熔融金属与废金属的比率。本领域中已知借助于通过空气燃烧、即通过以空气为氧化剂燃烧燃料而产生的热量而在炉内熔炼废金属。此类熔炼工艺一般具有低的时间和能量效率，但金属回收效率相对闻。本领域中还已知借助于通过富氧燃烧、即通过以氧气或以氧气增浓空气作为氧化剂燃烧燃料而在炉内熔炼废金属以便提高工艺的时间和能量效率。但是，现有技术富氧燃烧工艺的一个问题在于，如以下将介绍的，金属回收效率由此降低，特别是归咎于金属在熔炼工艺期间的氧化增加。在 M. Potesser 等人的 “Burner Developments of the Messer Group for theNonferrous Metallurgical Industry” (BMH, 153, Jg. (2008), Heft3, ppl21-125) 一文中，提出为废金属在床式炉中使用稀释燃烧或部分稀释燃烧以使炉远侧的温度恒定并达到容许的低污染排放水平。其还提出了例如根据炉内温度或包围燃烧室的耐火材料而在熔炼工艺期间调节燃烧器功率以便在富氧燃烧的情况下尽可能保持金属氧化受控。本发明的一个目标是提供一种具有提高的总体工艺效率的废金属熔炼工艺。
发明内容
根据本发明的用于在炉内熔炼废金属的方法包括以下工序 向炉给送固体废金属的充料， 向炉供给燃料和氧化剂， 使用氧化剂燃烧燃料以在炉的内部产生热量， 借助于通过所述燃烧产生的热量而在炉内熔炼固体废金属的充料，由此获得熔融金属，以及 从炉抽取通过熔炼固体金属的充料而获得的熔融金属。在向炉给送固体废金属充料的工序后，以第一燃烧模式使用氧化剂燃烧燃料以便在炉内在充料上方产生一束或多束可见火焰。但是，在从炉抽取熔融金属的工序前，以第二燃烧模式使用氧化剂燃烧燃料以便在炉内在熔融金属上方产生无焰燃烧。
根据本发明，氧化剂具有至少60% (体积)的含氧量。无焰燃烧是一种燃烧模式，其中，通过适当几何形状的燃烧器和炉燃烧室，分开(以提供高度分级燃烧)并以至少一种反应剂(典型地，氧化剂)的高喷射速度执行氧化剂和燃料的给送，以便在等于或高于燃料的自燃温度的温度下在燃烧室内形成燃烧产物的大致内部再循环至燃烧器。火焰然后不再肉眼可见且燃烧遍及燃烧室的气氛的大容积或甚至整个容积分布。适合于产生无焰燃烧的燃烧器目前已经可以商购到。2010年7月12日提交的共同未决的第61/363,627号美国临时专利申请、2010年7月31日提交的共同未决的第12/848，131号美国非临时专利申请和2010年7月31日提交的共同未决的第12/848, 132号美国非临时专利申请中描述了适合于无焰燃烧的优选燃烧器。在本文中，术语“燃烧器” 一般而言用来描述用于将至少一种燃料与至少一种氧化剂结合以使用所述至少一种氧化剂燃烧所述至少一种燃料的装置或设备。根据本发明的工艺可以是分批工艺，其中所有固体废金属被一次性给送至炉。根据本发明的工艺也可以是半分批工艺，其中在若干个工序中将待熔炼的固体废金属给送至炉，每一个向炉给送固体废金属的充料的工序都后接以第一燃烧模式使用氧化剂燃烧燃料，以便在炉内在充料上方产生一束或多束可见火焰。
图1至3是用于熔炼废金属的三种已知类型炉的示意图，其中，图1表示固定熔炼炉，图2表示转筒式熔炼炉，并且图3表示倾斜炉。
具体实施例方式该炉例如可以是固定熔炼炉。根据本发明的一个特定实施例，该炉是转筒式回转炉，具有大致圆柱形耐火壁21、位于圆柱形耐火壁21的一端处的第一端壁22和位于圆柱形耐火壁21的相对端处的第二端壁23。根据又一个实施例，该炉可以是倾斜炉，有时也称为倾斜回转炉。这是一种可以绕其主轴X-X倾斜以有利于熔融充料的倾注的炉。此类炉常具有比固定炉大的容量，一些这样的炉被设计成承重达300吨。倾斜炉典型地包括倾斜容器(pocket) 31、燃烧器34，燃烧器或喷枪安装在所述容器的倾注和充料开口 33中。为了易于操作，在第 一燃烧模式中产生的可见火焰的数量将典型地被选择成尽可能小同时确保充料的充分火焰覆盖。例如，在转筒式回转炉内，单束可见火焰将典型地借助于安装在回转炉的第一或第二端壁的燃烧器在第一燃烧模式中产生，在倾斜炉中单束可见火焰将典型地借助于安装在倾斜容器的开口中的燃烧器在第一燃烧模式中产生。在第一燃烧模式中，一束或多束可见火焰可具有固定定向。可替换地，至少一束可见火焰的定向在第一燃烧模式中可变化。可见火焰的定向的这种变化可以逐步、逐渐或结合这两种方式形成。通过改变可见火焰的定向，可以通过所述火焰增加充料的覆盖，同时防止所述充料的局部过热。申请人较早的专利申请W0-A-2008/003908、W0-A-2009092949和W0-A-2009087227中描述了用于修改可见火焰的定向的优选方法和装置。在第一燃烧模式中，至少一束可见火焰有利地被引向充料。当在第一燃烧模式中产生多于一束可见火焰时，优选一束或多束可见火焰中的每一束都被引向充料。通过使一束或多束可见火焰更接近充料，改善了从火焰到固体废金属充料的热传递。一些情况下，被引向充料的可见火焰也可影响充料。但是，在其他情况下，优选被引向充料的可见火焰不影响充料，特别是为了防止诸如充料的固体粒子抵靠着炉壁被推进或金属的局部氧化等有害现象。当炉是转筒式回转炉时，不仅可以通过如上所述将至少一束火焰引向充料来改善从火焰到充料的热传递，而且可以通过将火焰引向回转圆柱形壁21以便在其在充料下方滑动前提高所述圆柱形壁的温度来改善从火焰到充料的热传递。因此，当炉是转筒式回转炉时，在第一燃烧模式中，至少一束可见火焰优选被引向充料和/或圆柱形耐火壁。可使用不同燃烧器在第一燃烧模式中产生所述至少一束可见火焰并在第二燃烧模式中产生无焰燃烧。但是，优选地，使用同一个燃烧器在第一燃烧模式中产生可见火焰并在第二燃烧模式中产生无焰燃烧。2010年7月12日提交的共同未决的第61/363，627号美国临时专利申请、2010年7月31日提交的共同未决的第12/848，131号美国非临时专利申请和2010年7月31日提交的共同未决的第12/848，132号美国非临时专利申请中描述了能够产生可见火焰和无焰燃烧两者的燃烧器。根据本发明的一个实施例，在抽取熔融金属的工序前以第二燃烧模式燃烧直接接替给送固体废金属的充料的工序后的以第一燃烧模式的燃烧。根据本发明的一不同实施例，该工艺在第一和第二燃烧模式之间包括过渡燃烧模式，其中在过渡模式期间，使用氧化剂燃烧燃料以便产生至少一束可见火焰并至少将炉气氛中要以随后的第二燃烧模式发生无焰燃烧的区域的温度提高到至少等于或高于燃料的自燃温度的温度。本发明的工艺对于熔炼有色废金属而言特别有用。但是，该工艺对于熔炼黑色废金属/合金也有用，特别是在要基 本避免废金属的氧化的那些熔炼工艺中。当该工艺用于熔炼有色金属时，废金属有利地从包括铝、铜、锌、铅、镍、钴、钛、铬和稀有金属以及这些金属的合金的群组选择，并且更有利地从铝、铜、锌、铅、钴、钛、铬和稀有金属以及这些金属的合金选择。该工艺对于熔炼废铝和废铝合金而言特别有益。燃料可以是诸如燃料油或轻燃料油的液态燃料。燃料优选是气态燃料。优选的气态燃料从包括天然气、丙烷和丁烷以及它们的混合物的群组选择。如上所述，氧化剂包含至少60% (体积)的氧气。优选地，氧化剂具有至少65% (体积)、优选至少80% (体积)且更优选至少90% (体积)的含氧量。在熔炼工艺期间燃料在给送固体废金属的充料的工序后以第一燃烧模式燃烧结束并且燃料视情况而定以第二燃烧模式或过渡燃烧模式燃料燃烧开始的时点可以采用几种方式确定，以便通过获得时间效率、能量效率和金属回收效率的最佳组合而优化工艺效率。例如，如上所述，本领域中已知将炉内的废料熔炼工艺作为半分批工艺操作，其中在若干个工序中将待熔炼的固体废金属给送至炉，每一个向炉给送固体废金属充料的工序都后接以第一燃烧模式使用氧化剂燃烧燃料以便在充料上方在炉内产生一束或多束可见火焰。向炉给送固体废金属的最终工序与从以第一燃烧模式的燃料燃烧到以过渡或第二燃烧模式的燃料燃烧的切换之间的时长可对应于两个接连的向炉给送固体废金属的工序之间的时长并且可基于相同的典型地反映所述废料的熔化的完成程度的标准，诸如温度、烟道气特性或光学探测。一般而言，可以根据炉内发生燃烧的区域内的耐火材料的温度来判断从以第一燃烧模式的燃料燃烧到以过渡或第二燃烧模式的燃料燃烧的切换。特别地，当耐火材料的温度超过预定极限时，燃料燃烧可从第一燃烧模式切换到过渡或第二燃烧模式。也可以根据炉内部的温度、根据炉内熔融金属的温度或根据离开炉的烟道气的温度来将燃料燃烧从第一燃烧模式切`换到过渡或第二燃烧模式。也可以根据这些来测量炉气氛中诸如氧气的特定成分的浓度并调节从以第一燃烧模式的燃料燃烧到以过渡或第二燃烧模式的燃料燃烧的切换。同样，可根据烟道气在其离开炉时的诸如温度、氧气浓度、烃浓度、CO浓度等不同测定特性来调节所述切换。例如，申请人名下的W0-A-03056044中描述了用于检测离开铝熔炼炉的烟道气的不同特性的合适方法。又一个可能性是通过诸如红外线或光学视频监控的光学装置来确定炉内的固体废金属充料熔化的程度。当然，当典型地由于多次观察而熟知炉和废金属的特性时，炉操作人员可了解对于特定的废金属充料而言以第一燃烧模式的燃料燃烧的大致最佳持续时间或要在所述以第一燃烧模式的燃烧期间提供的能量的大致最佳量(例如就所消耗的燃料或氧气进行测量)。这种情况下，在所述最佳持续时间过去后或一旦已供给所述最佳量的能量时，操作人员可自动从以第一燃烧模式的燃烧切换到以过渡模式或第二燃烧模式的燃烧。在转筒式回转炉的情况下存在又一个有趣的可能性。实际上，熔融金属的粘度根据其温度变化。因此，使转筒旋转所需的驱动转矩是熔融金属的温度的间接指示——考虑了炉内存在的熔融金属的量和金属或合金的性质(组分)。因此，当使转筒旋转所需的驱动转矩达到根据所存在的熔融金属的性质和量选择的预定下限或下降到所述预定下限以下时，可以从第一燃烧模式的燃烧切换到以过渡燃烧模式或第二燃烧模式的燃烧。
为了提高所述调节的可靠性，以上标准中的若干个可以结合。根据该工艺的一个实施例，当基本上所有固体废金属熔化时，发生从以第一燃烧模式的燃料燃烧向视情况而定以过渡燃烧模式或第二燃烧模式的燃料燃烧的切换。可替换地，为了提高金属回收效率，在到达所述阶段前不久，也就是在工艺中固体废金属的主要部分已熔化但炉内仍存在不可忽略不计的固体废金属的量的阶段，可以进行该切换。本发明因此提供了具有提高的工艺效率的废金属熔炼工艺。首先通过具有比空气高的含氧量的氧化剂的使用提高了能量效率。这样，减小了氧化剂中的惰性气体或致稳气体(ballast gas)的浓度,这进而引起燃烧工艺的能量效率提闻。在给送固体废金属的充料的工序后，该工艺受益于可通过使用一束或多束可见火焰加热和熔化固体废金属实现的能量和时间效率，可见火焰典型地为高温火焰。但是，当使用一束或多束可见火焰以高能量和时间效率熔炼固体废金属时，特别是当通过使用富氧氧化剂燃烧燃料来产生所述可见火焰时，金属损耗和因此降低的金属回收效率目前来看是不可避免的结果。在熔炼废铝的情况下，例如，在熔炼和铸造期间的损耗主要源于碎渣(氧化物与熔体的混合物)的形成。即使铝氧化物的一部分可以被回收并在用于渣还原的二次炼钢中使用，当今损失到碎渣的金属的成本也已经由于具有对应的环境负担而变成高到无法接受。此外，当铝熔体的温度接近750° C时，铝氧化物迅速形成在所述熔体的表面上。这一层铝氧化物构成非常有效的限制熔融铝的热屏障，使得碎渣的形成不仅降低了金属回收效率，而且降低了熔炼工 艺的能量效率和因此时间效率。已观察到碎渣形成的问题在使用富氧燃烧的熔炼工艺中比在使用空气燃烧的熔炼工艺中更明显。在转筒式回转熔炼炉的情况下，该问题的又一个方面是在炉的耐火圆柱形壁上形成一层碎渣。这一层碎渣同样构成通过燃料的燃烧产生的热量与耐火壁之间的热屏障并防止所述圆柱形壁达到足够高的温度，这同样影响熔炼工艺的能量和时间效率。还观察到，该问题在富氧氧化剂的情况下明显加重，由此至少部分地抵消借助于燃料的富氧燃烧来熔炼的优点。本领域中已知通过向充料或熔融金属增加盐来限制由于氧化而引起的金属损耗。但是，这种盐的使用本身使废金属熔炉承担了明显的成本，这部分或甚至完全抵消了金属回收效率的利润。此外，这种盐的使用本身可存在另外的环境问题。已出乎意料地发现，根据本发明，通过(a)通过使用被引向充料的辐射和对流富氧火焰以第一燃烧模式燃烧进行快速熔炼，和(b)当充料已变成部分或完全熔炼时，根据第二燃烧模式的无焰燃烧的结合，可以在高时间效率和高能量效率下限制金属的氧化。理论上，当以第二燃烧模式操作以保持炉温仅略高于金属的凝固点和/或控制向炉供给氧气以避免上方的大致氧化气氛与熔融金属接触时，金属回收效率将是最佳的。但是，在实践中，为了确保金属完全处于熔融状态并充分均质以及为了补偿在熔融金属从炉运输到成型机器或保温炉期间的热损，当以第二燃烧模式操作时，炉的温度被保持在稍高的水平。
调节从以第一燃烧模式的燃烧向以过渡或第二燃烧模式的燃烧的切换的炉或炉内熔融金属的温度可以使用位于若干个部位的热电偶来测量，诸如经其向炉给送固体废金属的炉门中、离开炉的烟道气的路径中和/或炉的耐火衬套中。来自这些位置的测量提供了可靠的关于炉内的充料的状态的信息。其他指标是可能的，诸如在回转炉的情况下为驱动转矩，以及借助于允许建立金属温度的光学“激光引导式”红外高温计在炉内进行热面耐火温度测量。金属从固体废金属熔化为熔融金属主要通过燃料以第一燃烧模式燃烧来实现，直至熔融金属达到根据待熔炼的金属或合金的类型预先确定的最高温度。当充料主要或完全呈熔融金属的形式时，充料通过燃料以第二燃烧模式燃烧而被加热，以确保熔炼充分完成并达到和维持熔融金属的充足均质水平直至从炉抽取熔融金属。在该时段中，充料在同样取决于金属或合金的类型的温度下被以液相保持。所述温度还可以被选择成补偿熔融金属从炉运输到成型机器或保温炉期间的金属热损。本发明的优点还在以下示例中变得显而易见。在三个接连的给料工序中将回收的饮料罐形式的固体废铝给送到转筒式回转炉。在每一个向炉给送固体废铝的装料(load)的工序后，借助于位于炉的端壁中的燃烧器使用氧化剂燃烧燃料以便在充料上方在炉内产生单束长的富氧天然气火焰，所述火焰的方向如W0-A-2009087227中所述那样变化。当熔融金属的温度达到约620° C时，如由使炉旋转所需的驱动转矩所决定的，将新的固体废铝的装料给送到炉，由此降低炉内部和熔融金属的温度，此后借助于位于炉的端壁中的燃烧器使用氧化剂再次燃烧燃料以便在充料上方在炉内产生不同方向的单束长富氧天然气火焰。当在给送固体废铝的第三装料后熔体的温度已再次达到约620° C时，燃料的燃烧切换到过渡模式，单束可见火焰现在大致沿转筒的轴线被直接引导，直至炉气氛的温度超过天然气的自燃温度。此后，燃料的燃烧从过渡模式切换到第二燃烧模式以便在炉气氛中铝熔体上方产生无焰燃烧而不会剩余大量氧气。这样，铝熔体被加热至并随后维持在约720° C的温度直至其从炉被抽取以用于铸造。未添加盐以减少碎渣形成。
发现根据本发明执行的工艺的能量和时间效率有时优于或至少相当于对应的已知富氧燃料燃烧工艺的能量和时间效率。同时，发现金属回收效率相当于且有时优于使用对应的无盐空气燃烧熔炼工艺而获得的金属回收效率。因此，本发明具有相对于已知的空气燃料燃烧工艺和已知的富氧燃料燃烧工艺两者能够提高总体工艺效率的主要优点。
权利要求
1.一种用于在炉内熔炼废金属的方法，所述方法包括以下工序 -向所述炉给送固体废金属的充料， -向所述炉供给燃料和具有至少60体积％的含氧量的氧化剂并使用所述氧化剂燃烧所述燃料以在所述炉的内部产生热量， -借助于通过这样产生的热量而在所述炉内熔炼所述固体废金属的充料，由此获得熔融金属， -从所述炉抽取所述熔融金属， 其中，在向炉给送所述固体废金属的充料的工序后，以第一燃烧模式使用所述氧化剂燃烧所述燃料以便在所述充料上方在所述炉内产生一束或多束可见火焰， 所述方法的特征在于在从所述炉抽取所述熔融金属的工序前，以第二燃烧模式使用所述氧化剂燃烧所述燃料以便在所述炉内在所述熔融金属上方产生无焰燃烧。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一束或多束可见火焰在所述第一燃烧模式中具有固定定向。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一束可见火焰的定向在所述第一燃烧模式中变化。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述第一燃烧模式中，将至少一束可见火焰引向所述充料。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述炉是回转炉，具有大致柱形耐火壁(21)、位于所述柱形耐火壁(21) —端的第一端壁(22)和位于所述柱形耐火壁的相对端的第二端壁(23)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述第一燃烧模式期间，将至少一束可见火焰引向所述充料和/或所述柱形耐火壁(21)。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述炉是倾斜炉，该倾斜炉具有带倾注和充料开口(33)的倾斜容器(31)以及安装在所述倾注和充料开口(33)中的燃烧器(34)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，同一个燃烧器在所述第一燃烧模式期间产生可见火焰并在所述第二燃烧模式期间产生无焰燃烧。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法在所述第一燃烧模式和所述第二燃烧模式之间包括过渡燃烧模式，其中，在所述过渡燃烧模式期间，使用所述氧化剂燃烧所述燃料以便产生至少一束可见火焰并且至少在所述炉气氛中要以随后的第二燃烧模式发生无焰燃烧的区域内将所述炉气氛的温度提高到所述燃料的较低可燃极限以上的温度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述废金属从包括铝、铜、锌、铅、钴、钛、铬和稀有金属以及这些金属的合金的群组选择。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述废金属是铝或铝合金。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述燃料是气态燃料。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述燃料从包括天然气、丁烷和丙烷以及它们的混合物的群组选择。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述氧化剂具有至少65体积％、优选至少80体积％且更优选至少90体积％的含氧量。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当基本上所有固体废金属都熔化时，所述第一燃烧阶段结束。
全文摘要
一种用于在炉内熔炼废金属的方法，包括以下工序向炉给送固体废金属的充料，向炉供给燃料和富氧氧化剂并使用氧化剂燃烧燃料以在炉的内部产生热量，借助于该热量在炉内熔炼固体废金属的充料，从炉抽取熔融金属。在向炉给送固体废金属的充料的工序后，使用氧化剂燃烧燃料以便在充料上方在炉内产生一束或多束可见火焰，并且在从炉抽取熔融金属的工序前，使用氧化剂燃烧燃料以在炉内在熔融金属上方产生无焰燃烧。
文档编号C22B7/00GK103052725SQ201180037773
公开日2013年4月17日 申请日期2011年7月28日 优先权日2010年8月4日
发明者L·雅里, R·齐阿瓦 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司