專利名稱：采用不同精煉氧順序的金屬精煉方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及金屬精煉，其中從熔融金屬表面的上方向熔融金屬供氧。本發(fā)明尤其可用于鋼的精煉方法，例如堿性氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法。
氧可以從熔池表面的上方提供給熔池，例如在BOP操作中，或者可以從熔池表面的下方提供給熔池，例如在快速堿性氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼(Q-BOP)操作或氬-氧脫碳(AOD)操作中。
從熔池表面的上方向熔池提供氧比從熔池表面的下方向熔池提供氧更簡單和便宜，這是因為埋入式氧氣噴射產(chǎn)生了苛刻的環(huán)境，并且需要使用惰性或烴類遮蔽氣體(shroud gas)來保護風(fēng)口，因此，后者的生產(chǎn)方法增加了耐火材料損蝕，需要頻繁地更換埋入式噴射裝置，如風(fēng)口。由于耐火材料的消耗大，遮蔽氣體和更換風(fēng)口的成本高，以及由必須更換風(fēng)口而引起的停工，使得生產(chǎn)成本很高。
然而，由于在頂部噴射操作中金屬熔池的混合不夠，因此在金屬精煉中氧氣的頂部噴射沒有底部噴射有效。這通常會導(dǎo)致頂吹金屬精煉法的產(chǎn)量低于類似的底吹法。例如，與底部吹氧轉(zhuǎn)爐煉鋼法如Q-BOP相比，頂部吹氧轉(zhuǎn)爐煉鋼法如BOP由于用來使金屬和爐渣充分混合的氣體攪拌能量不足，因此鐵和錳的產(chǎn)量較低。另外，與Q-BOP相比，BOP由于在精煉工藝后期所溶解的氧含量較高，因此用于鋼脫氧的鋁的消耗量較高。
一種針對這個問題的方法是從熔融金屬表面的上方和下方同時噴射氧。這稍微減少了一些與從熔融金屬表面下方噴射氧和頻繁更換風(fēng)口有關(guān)的成本，但這又要以需操作兩套單獨的供氧系統(tǒng)為代價。另一種針對這個問題的方法是只從距熔融金屬表面上方很短距離處將氧噴射入爐子的頂部空間，以提供金屬和爐渣另外的混合，至少對于一部分氧噴射時期是如此。然而，由于增加了氧氣噴管的磨損，這種方法仍不能令人滿意。
由于世界上約60％的鋼都是由BOP生產(chǎn)的，因此對頂部噴氧方法如BOP的任何改進都是十分需要的。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于精煉金屬的改進的方法，其采用了從熔融金屬表面上方向熔融金屬供氧，可以向金屬熔池提供有效的氣體攪拌能量，而不會損害氧氣噴管的整體性。
本文中所用的術(shù)語“頂部空間”是指位于靜止熔池表面之上且由金屬精煉爐的頂部開口所形成的平面之下的空間。
本文中所用的術(shù)語“連貫射流”是指沿其長度具有基本恒定的直徑的氣流。
本文中所用的術(shù)語“脫碳”是指通過使碳和氧發(fā)生反應(yīng)形成一氧化碳或二氧化碳而從熔融金屬中除去碳。
本文中所用的術(shù)語“超音速噴射長度”是指從噴嘴中噴出的射流長度，其中，在環(huán)境大氣條件下測量時其軸向速度為超音速。
本文中所用的術(shù)語“軸向速度”是指氣流在其軸向中心線上的速度。
本文中所用的術(shù)語“噴射力”是指射流的計算滲透力，其與氣體密度和氣體速度的平方的乘積成比例，所述氣體速度是在由原始噴嘴面積限定的氣流面積內(nèi)積分得到的，原始噴嘴面積等于πd2/4。
本文中所用的術(shù)語“環(huán)境大氣條件”是指溫度在0到100華氏度范圍內(nèi)的環(huán)境空氣。對于本發(fā)明的目的來說，在這里有用的氣體射流23和30是這樣的氣體射流當(dāng)在環(huán)境大氣條件、典型測試條件下測量時，其滿足在這里設(shè)定的在射流長度為30d處的軸向速度和噴射力保持性的標(biāo)準(zhǔn)。在這里，在射流長度為30d處的軸向速度小于1馬赫、噴射力小于初始噴射力的20％的氣體射流被稱為具有“較大的與熔融金屬的接觸面積”，在射流長度為30d處的軸向速度大于1馬赫、噴射力大于初始噴射力的50％的氣體射流被稱為具有“較小的與熔融金屬的接觸面積”。
本文中所用的術(shù)語“典型測試條件”如下所述。在露天測試裝置中描述氣流的特征。形成射流并將其噴射到環(huán)境大氣中，射流的結(jié)構(gòu)(structure)由皮托管來探查。皮托管測量流動氣體的動態(tài)壓力，從中可以確定各種射流性能。這種探針能夠在三維中移動，允許描述所有的空間特性。通常只探查一個射流。假定未探查的射流與所探查的射流相同。所進行的測量是1)軸向動態(tài)壓力分布(沿中心線)和2)徑向動態(tài)壓力分布(取不同的軸向位置)。通過眾所周知的氣體動態(tài)關(guān)系從皮托管的測量中計算馬赫數(shù)、速度和力分布。
圖中相同元件采用相同的標(biāo)號。


圖1表示堿性氧氣轉(zhuǎn)爐20，在爐中精煉爐料21以生產(chǎn)鋼。爐料通常包括熔融鐵，如來自高爐的熱金屬，鋼屑，和造渣劑如石灰、白云石石灰或氟石。爐料通常具有的硅濃度為約0.05到2.0％重量，碳濃度為約4到4.5％重量。
在整個吹氧時期的第一階段或輕吹時期，精煉氧從氧氣噴管22以一股或多股氣流23被噴射入爐20的頂部空間24中。在圖1所示實施方案中，采用了多股氣流23。在整個吹氧時期的第一階段中，含至少約80％氧，優(yōu)選含純氧的含氧氣流以氧氣射流23的形式噴出，提供較大的與金屬熔池表面的接觸面積。如下面將詳細(xì)介紹的，在氧氣精煉方法的第一階段中，希望氣流與金屬熔池表面和任何未熔鋼屑的接觸面積較大，以便促進FeO和SiO2的形成，這會降低爐渣的熔點，并釋放出與這些反應(yīng)有關(guān)的熱量，促進熔池的熔渣部分的快速熔化和形成。在爐的頂部空間內(nèi)一些噴射入的氧氣和CO發(fā)生反應(yīng)，還產(chǎn)生了另外的熱量，用于快速形成熔渣和熔化另外的鋼屑。氣體射流23通過拉瓦爾噴嘴噴出，拉瓦爾噴嘴具有縮口部分、喉頸部分和出口直徑為d的擴口出口部分，其噴出速度超過1馬赫，通常在1.5馬赫到2.5馬赫之間。為了增加氧氣射流23中周圍空氣的帶走量從而拓寬這些射流的接觸面積，氣體射流23由氣體罩25所圍繞，氣體罩包括第二含氧氣體和至少一種惰性氣體。優(yōu)選惰性氣體是氮氣。其它可以用在本發(fā)明操作中的惰性氣體包括氬、二氧化碳和氦。第二含氧氣體和惰性氣體的流量通常都在所有氣體射流23的總流量的2到10％的范圍內(nèi)。氧氣射流23與周圍空氣相互作用，形成了一個紊流混合區(qū)域，在此區(qū)域中周圍空氣被帶走，并使氧氣射流23的噴射速度和噴射力損耗，使得在環(huán)境大氣條件下、在距噴嘴出口30d處，氣體射流23的軸向速度小于1馬赫，噴射力小于噴嘴出口處的初始噴射力的20％，優(yōu)選小于10％。噴射力的損耗是對如下程度的一種衡量，即氣體射流23擴展，從而滲透性變小，以及提供更大的表面接觸面積，與周圍大氣、未熔鋼屑和熔池表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的程度。
氧氣射流23在從噴管22噴射到頂部空間24時具有超音速，但由于在將精煉氧氣流與爐子頂部空間的空氣隔開的氣體罩中存在惰性氣體，氣流23的速度下降地很快，在氣流23到達金屬爐料21的表面之前速度就降到比音速低很多。各氣流23的超音速噴射長度小于30d。由于氣流23的速度降到音速以下，各氣流23以約為10度的半角向外擴展，其直徑增加，形成了柔軟，即滲透性小的氣流，其與周圍空氣和熔池表面的表面接觸面積較大。由于頂部空間含有可氧化的物質(zhì)如一氧化碳，如果惰性氣體流不是緊靠著精煉氧氣流，精煉氧氣流就容易發(fā)生限制性燃燒反應(yīng)(confining combustionreaction)，這將抑制擴展。
在吹氧時期的該第一階段或輕吹時期中或之前，熔劑如石灰和白云石被添加到爐料中以達到所需的爐渣化學(xué)成分，并中和形成的二氧化硅。輕吹氧氣流與爐料表面的更多部分接觸，更快和更均勻地與爐料內(nèi)的碳、硅和其它金屬成分反應(yīng)，熔化熔劑，在熔融金屬表面上方的頂部空間內(nèi)形成熔渣26。熔渣具有所需的化學(xué)成分，可保護爐襯和促進雜質(zhì)，例如磷和硫的去除。另外，輕吹氧氣流比較不可能被未熔鋼屑反彈(reflect)，未熔鋼屑可以在吹氧時期的初期出現(xiàn)，能夠引起噴管或爐襯的損壞。另外，輕吹氧氣流的擴展特性使其可以帶走氣流23中的大量頂部空間內(nèi)空氣。頂部空間內(nèi)的空氣含有較高百分比的一氧化碳，一部分被帶走的一氧化碳和氣流23中的氧氣一起燃燒，形成二氧化碳。由該燃燒釋放的熱量增加了可被熔化的鋼屑的量，這就降低了成本并提高了生產(chǎn)率。在該初始階段或輕吹時期，包含在氣體罩25中的另外的氧氣也可以和一氧化碳反應(yīng)，進一步增加產(chǎn)生的熱量。第一階段或輕吹時期繼續(xù)進行，直到熔融金屬中至少50％、優(yōu)選至少75％的硅被氧化并轉(zhuǎn)化為二氧化硅為止。
吹氧時期的第一階段或輕吹時期之后是第二階段或強吹時期。通常來說輕吹時期占開始的輕吹時期和其后的強吹時期的總時間的前10到90％，優(yōu)選前20到80％。從輕吹到強吹的過渡時期取決于氣體控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間，通常在5到90秒的范圍內(nèi)。
圖2表示本發(fā)明的方法在第二階段或強吹時期中的操作。本發(fā)明的一個重要優(yōu)點是，在強吹時期噴管22不需要象在傳統(tǒng)的BOF操作中一樣接近熔池表面，同時仍能得到很高的混合能量。
現(xiàn)在參考圖2，在第二階段或強吹時期，精煉氧從噴管22以一股或多股氣流30被噴射入頂部空間24。在圖2所示實施方案中，采用了多股氣體射流30。氣體射流30通過拉瓦爾噴嘴噴出，拉瓦爾噴嘴具有縮口部分、喉頸部分和擴口出口部分，其噴出速度超過1馬赫，通常在1.5馬赫到2.5馬赫之間。和第一階段中在圍繞氣體射流的罩中提供氧氣和惰性氣體不同，在第二階段，圍繞氣體射流30提供氧氣和可燃流體。該氧氣和可燃流體燃燒，形成了圍繞氣體射流30的火焰罩-31。選擇氧氣和可燃?xì)怏w的流速以產(chǎn)生火焰罩，使氣體射流30中周圍空氣的帶走量最小，并使這些射流的軸向速度、動量和混合能量的保持性最大。通常來說，各氣流將占所有氣體射流30的總流量的2到10％的范圍內(nèi)?；鹧嬲?1在氣體射流30和頂部空間24中的空氣之間形成屏障，因而使得頂部空間24內(nèi)的空氣不被帶入氣體射流30中。因此，在優(yōu)選的實施方案中，當(dāng)在環(huán)境大氣條件下進行測試時，氣體射流30在距噴嘴出口30d處的軸向速度的特征為軸向速度大于1馬赫，基本等于氣體射流30的設(shè)計噴出速度，噴射力大于噴嘴出口處初始噴射力的50％，優(yōu)選大于70％。在第二階段中這個較大的射流軸向速度和噴射力的保持性是對如下程度的一種衡量，即射流30保持它們的能力，以非常大的動量沖擊熔池表面的較小面積，從而向熔池傳送較大的混合能量的程度。氣體射流30的較大混合能量提高了金屬熔池的脫碳，從而提高了精煉過程的效率。
各氣體射流30從噴嘴中噴入頂部空間，噴嘴通常是出口直徑為d的縮口/擴口噴嘴。各氣體射流30將具有至少為30d，最大到50d或更大的超音速噴射長度。而且，各氣體射流30將是連貫的，并且至少在從噴管22到爐料21表面的噴射頂部空間的一段距離上保持連貫。通常來說，各氣體射流30將是連貫的，并且由噴管22上的噴嘴噴射到頂部空間的至少30d，最大到50d或更大的距離上保持連貫。氣體射流30可具有超音速噴射長度，并在從噴管到熔池表面的頂部空間的整段距離上基本保持連貫。
在強吹時期，氧氣射流的超音速軸向速度和連貫特性使得氧氣射流能以非常大的動量沖擊金屬熔池表面的較小面積，此面積小于第一階段中的接觸面積，因此使通過氣體射流傳給熔融金屬的可利用的混合能量最大并集中。這在圖2中通過氧氣射流進入熔融金屬的較深滲透32表示。這就使得提高了爐渣金屬的混合，降低了爐渣中的氧化鐵和/或在精煉的金屬中所溶解的氧，提高了產(chǎn)量，減少了飛濺和噴濺，提高了生產(chǎn)率，降低了精煉的金屬中的碳含量。整個精煉或氧接觸時期的第二階段繼續(xù)進行，直到金屬熔池被脫碳，從而基本達到目標(biāo)碳含量為止，目標(biāo)碳含量通常約為0.03到0.15％重量。
在第二階段或強吹時期的最后，噴管從爐內(nèi)抽出，精煉氧射流、氧化劑和用于火焰罩的可燃流體均關(guān)閉。然后將爐傾斜，以便將精煉鋼倒入盛鋼桶中。加入合金和脫氧劑，如鋁和硅，得到所需的成品鋼化學(xué)成分，并去除不希望有的溶解在鋼中的氧。
圖3表示可用于進行本發(fā)明方法的噴管頭的一個優(yōu)選設(shè)置?，F(xiàn)參考圖3，圖中顯示了位于噴管22的表面7上的四個氧氣噴嘴5。在本發(fā)明的操作中優(yōu)選使用1到6個，最優(yōu)選3到5個氧氣噴嘴，各氧氣噴嘴提供一股輕吹氣流，之后再提供一股強吹的超音速連貫氣流。優(yōu)選以相對于噴管的中心線向外的角度對氧氣噴嘴5進行定位，該角度可在約6到20度的范圍內(nèi)。如圖3所示，優(yōu)選氧氣噴嘴5被設(shè)置在噴管22的表面7的一個圓上。在本發(fā)明方法中的開始的輕吹和其后的強吹時期，氧氣流均從噴嘴5中噴出。
在噴管22的表面7上還設(shè)有內(nèi)環(huán)孔8和外環(huán)孔9。如圖3所示，優(yōu)選在噴管表面的各個半徑上將外孔9與內(nèi)孔對準(zhǔn)。各內(nèi)環(huán)孔和外環(huán)孔繞氧氣噴嘴成圓形排列。在開始的輕吹時期，氧氣從外環(huán)孔9中吹出，而惰性氣體如氮氣從內(nèi)環(huán)孔8中吹出，形成了包圍輕吹氣流的氣體罩，并使輕吹氣流擴展。穿過外環(huán)孔9的氧氣是包括了至少80％摩爾氧的流體。在輕吹時期的最后，流經(jīng)內(nèi)環(huán)孔8的惰性氣體被停止，而代之以可燃流體，如燃料。優(yōu)選的燃料是甲烷或天然氣。其它可以在本發(fā)明的操作中使用的燃料包括丙烷、丁烷、丁烯、氫、焦?fàn)t氣和油。燃料和由外環(huán)孔9提供的氧氣混合且燃燒，形成了火焰罩，其包圍了強吹氧氣射流，并當(dāng)氧氣射流從噴管噴到金屬熔池表面時，使其至少在一部分距離上保持連貫和處于超音速狀態(tài)。
雖然在上文中通過參考一些優(yōu)選實施方案并結(jié)合BOP操作對本發(fā)明進行了詳細(xì)的介紹，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，本發(fā)明還具有其它實施方案。例如，本發(fā)明可以用于表面下噴射方法，如Q-BOP和AOD方法。而且，可以使用由圍繞精煉氧噴嘴的單環(huán)孔構(gòu)成的供氣裝置，其中惰性氣體或可燃流體和氧氣交替地通過該供氣裝置的孔。而且，可以采用其它的供氣裝置，如用圍繞精煉氧噴嘴的環(huán)形或環(huán)狀開口代替圖3所示的孔8和9的環(huán)。
權(quán)利要求
1.一種精煉金屬的方法，它包括使含有硅和碳的金屬熔池與含氧氣流接觸，接觸時間足以精煉所述熔融金屬和對其進行脫碳，從而達到目標(biāo)金屬純度，其中所述氣流包含至少約80％摩爾的氧，所述氣流由出口直徑為d的噴嘴提供，其中所述接觸發(fā)生在第一和第二階段，所述第一階段構(gòu)成了約占總接觸時期的10到90％的初始時期，其特征在于，所述氣流的超音速噴射長度小于30d，其與所述熔融金屬的接觸面積較寬，所述氣流被氣體罩圍繞，所述氣體罩包括第二含氧氣體和惰性氣體，所述第一階段進行到所述金屬熔池中至少50％的硅被氧化為止；所述第二階段基本構(gòu)成了所述總接觸時期的剩余時間，其特征在于，所述氣流的超音速噴射長度大于約30d，其與所述熔融金屬的接觸面積較小，所述氣流被火焰罩圍繞，所述第二階段進行到所述熔融金屬被脫碳從而基本達到目標(biāo)殘余碳含量為止。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬包含鐵。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述惰性氣體包含氮氣。
4.權(quán)利要求1的方法，其中在所述第一階段中，在距所述噴嘴30d處所述氣流的噴射力小于其從所述噴嘴噴出時的初始噴射力的20％，在所述第二階段中，在距所述噴嘴30d處所述氣流的噴射力大于其從所述噴嘴噴出時的初始噴射力的50％。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述氣體罩是通過提供環(huán)繞所述氣流的惰性氣體流和環(huán)繞所述惰性氣體流的第二含氧氣流形成的。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述火焰罩是通過提供環(huán)繞所述噴射氣流的可燃流體流和環(huán)繞所述可燃流體流的第二含氧氣流形成的。
7.權(quán)利要求1的方法，其中在所述第一階段中，所述氣流是由所述噴管的至少一個噴嘴提供的，用于形成所述氣體罩的所述惰性氣體流是由所述噴管的多個孔環(huán)繞所述氣流提供的，在所述第二階段中，用于形成所述火焰罩的所述可燃流體流是由所述多個孔提供的。
8.權(quán)利要求7的方法，其中用于形成所述氣體罩的所述第二含氧氣流是由所述噴管的第二組孔環(huán)繞所述惰性氣體流提供的。
9.權(quán)利要求1的方法，其中在所述第一階段中，所述氣流是由所述噴管的至少一個噴嘴提供的，用于形成所述氣體罩的所述惰性氣體流和第二含氧氣流是由所述噴管的多個孔以交替的順序環(huán)繞所述氣流提供的，在所述第二階段中，用于形成所述火焰罩的所述可燃流體流是由在所述第一階段中用于提供所述惰性氣體的多個孔提供的。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述方法采用了在所述第一階段中被所述氣體罩圍繞、在所述第二階段中被所述火焰罩圍繞的多股含氧氣流。
全文摘要
一種在堿性氧氣煉鋼法中特別有用的金屬精煉方法，其中在初始時期，精煉氧氣被供給到被含有氧氣和惰性氣體的罩所包圍的爐子頂部空間，在其后的時期，精煉氧氣被供給到被火焰罩所包圍的爐子頂部空間。
文檔編號C21C7/04GK1393569SQ02108538
公開日2003年1月29日 申請日期2002年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月22日
發(fā)明者B·薩馬, R·J·塞林斯, J·E·安德森, W·J·馬霍尼 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司