本發(fā)明涉及一種用于金屬制造和精煉的吹煉槍組件，更具體地涉及一種用于鋼鐵制造和精煉的吹煉槍組件，其被開發(fā)以控制爐渣的形成和氧化、反應器的熱容以及對裝料和吹煉操作條件的保護。

背景技術：

bof爐(氧氣頂吹轉爐)是底部封閉的圓柱形容器，其具有在頂部帶有用于裝填液態(tài)生鐵和廢料的大開口的形狀為錐臺形的上端，被稱作“口”，以及稱為“澆注通道”的小側開口，通過側開口移除在初步精煉結束時產生的鋼液。

為了保護熔爐金屬外殼，使用具有耐火磚層的涂層以便在大約1700℃的高溫下容納熔池。

吹煉過程包括執(zhí)行一系列步驟，從裝料開始。槽罐從垂直方向傾斜45度角；廢料借助于通道被裝入到槽罐中，一個用來制備待放入到熔爐中的廢料的容器；在將廢料放入熔爐中之后，液態(tài)生鐵被裝入。然后將槽罐傾斜回到垂直位置以允許氧氣通過垂直移動的氧槍吹入。

氧槍是水冷的，并在其末端裝有氧氣出口噴嘴。噴嘴組件及其幾何形狀決定了噴槍噴嘴的結構。氧槍在吹煉期間遵循與金屬熔池相關的高度模式，稱為“噴槍-熔池距離”。目的是使噴槍始終最靠近熔池表面以加快反應速度，不過，盡可能靠近經受高溫的熔池表面。另一方面，越靠近熔池表面，氧氣射流注入就越深，這樣就加快了反應速度。

該過程引起液態(tài)金屬和爐渣的攪動，這些液態(tài)金屬和爐渣被甩到熔爐的上部并且可能在噴槍上和沿著爐壁凝固，并且也可能從熔爐中甩出。除了氧氣之外，噴槍還可以在液態(tài)金屬制造過程中使用其它氣體或其與氧氣的混合物。

為了獲得具有較長使用壽命的吹煉槍，在這種情況下必須通過水循環(huán)進行冷卻。噴槍外表面的溫度高并且遠高于水的沸點。如果要加工的金屬是鋼，溫度超過1700℃，在所有加工的批料中將噴槍浸入到被稱為“乳液”的熔池、熔渣和氣體的混合物中。

吹煉過程由四個不同的步驟組成：點火、造渣、用于設定溫度的脫碳和氧化。為了開始該過程，噴槍降低到可以使批料點火的高度，即通過吹氧使在熔池的任何元素中發(fā)生氧化。批料點火后立即開始造渣步驟。該第二步驟持續(xù)約3至5分鐘，也被稱為脫碳的第一階段。其特征在于硅幾乎完全氧化和錳劇烈氧化，而脫碳速度隨著這兩種元素含量的降低而增加。在造渣的該初始步驟中，加入所有的造渣劑，如生石灰、白云石石灰和生燒白云石。

造渣材料的添加通常使用位于轉爐上方的儲存筒倉來進行。這些筒倉的供應物流是復雜的，包括幾個階段，包括通過公路或鐵路接收散裝或大袋裝(大包)運送的材料。散裝運輸時，材料在中轉筒倉內卸下，其通常位于運輸工具下方的開口處；來自收納筒倉(waitsilo)的材料通過料斗計量并移向輸送帶，該輸送帶的功能是將材料引導到高度在25至50米之間的轉爐承載結構頂部，儲存筒倉位于此處；在上升期間，根據每家公司的布局，可以發(fā)生輸送帶換位來改變材料的方向。在頂部，材料到達稱作傾卸裝置的斗底車。然后將材料定向到儲存筒倉，通常數(shù)量為4至15個。在儲存筒倉下方有振動器或加料器，在接收到稱重命令后，將材料移動到收納筒倉中，所述收納筒倉設有用于重量調整的秤。重物正在等待適當?shù)臅r間加入轉爐。如果采用大包裝，可以在轉運筒倉中打開或者用橋式吊車吊起，并直接在儲存筒倉上卸載。在這兩種情況下，在每種材料轉置中，污染影響顯著并且需要在除塵系統(tǒng)上大量的投資來遏制。

這些材料也可以通過噴槍加入，或者通過存在于熔爐的耐火底部或底座處的多孔或加壓通道加入。添加時機取決于要生產的鋼的類型而變化，但通常遵循相同的順序。隨著加速氧化發(fā)生，硅轉化為二氧化硅，在這種情況下需要快速添加堿性試劑，尤其是在發(fā)現(xiàn)批料點火后立即加入的石灰。因為材料是顆粒狀的，其加熱、反應和溶解都需要時間，然后發(fā)生有效的二氧化硅中和作用。然后，添加富含氧化鎂的材料，例如白云石，其主要目的是使爐渣達到飽和程度以避免對轉爐的耐火磚的侵蝕。富含氧化鎂的材料的作用與石灰相同，并且取決于生鐵中的硅含量，石灰溶解的控制對于避免乳液溢出到轉爐外部或其突出部位很關鍵，溢流將對批料性能、操作時間、附著在噴槍上的固體金屬材料的形成以及除塵系統(tǒng)(其需要長時間停止以進行維護)產生有害后果。

脫碳的第二階段主要涉及硅氧化后的碳的氧化。轉爐中的條件是以高溫、存在促進脫碳的氣-渣-金屬乳液為特征，反應速度僅由氧氣可用性決定。熔爐作為自熱反應器運行，其中該過程所需的能量由液態(tài)爐料、生鐵和由與氧反應產生的精煉反應提供。

氧化反應形成兩種產物：一氧化碳(co)和二氧化碳(co2)，其水平范圍為40％至70％的co和10％至40％的co2。金屬熔池中一氧化碳的劇烈產生導致爐渣“起泡”和形成氣-渣-金屬乳液。熔爐內氣體的二次燃燒技術旨在將一氧化碳氧化成二氧化碳并產生大量的能量。將這種額外量的能量傳遞到爐料的效率也可能影響廢料量的使用。爐料中廢料的比例增加，因此每噸液態(tài)生鐵生產的鋼鐵需要對熱量平衡進行調整，從而利用必要的額外能源。廢料預熱和添加諸如鐵-硅和冶金焦炭這樣的輔助燃料是傳統(tǒng)的。

脫碳反應是放熱的并且增加了金屬熔池的溫度。當脫碳速度現(xiàn)在不是由氧氣可用性控制，而且通過碳擴散到反應界面控制時，確定該步驟結束。在批料脫碳期間二次燃燒達到最大，與將氣體引入到熔爐氣氛中并其混入初級或次級氧氣射流相關?；烊氲囊谎趸急谎趸啥趸肌６趸疾糠謹U散到熔爐氣氛中，剩下的部分到達熔池和乳液，再次被金屬還原。特別設計用于二次燃燒的噴槍噴嘴的特征在于存在兩個吹氧條件：由縮放噴嘴主吹，和通過直噴嘴的補充吹氧，其被稱為二次射流。

最后的吹煉步驟旨在提高金屬熔池的溫度，特別是在熱輸入被放入熔爐中的大量廢料破壞的過程中。該步驟的特征在于隨著熔池中碳含量的降低，脫碳速度降低以及錳和鐵的氧化逐漸增加。氣體產生的減少導致乳液的逐漸破壞，伴隨著金屬顆粒的聚結并返回到熔池中。隨著礦石中并因此在液態(tài)金屬中磷含量的增加，最終的吹煉步驟已經成為確保在鋼中的另一端要求的低含量的一個時期，提高了在轉爐中仍然要滿足的吹煉精度和質量要求。最終吹煉步驟具有除去磷的基本條件：高的熔池水平和爐渣氧化；然而，還有一個脫磷的限制因素：高的澆注溫度。

在爐渣中保留磷的第三種成分包括堿度增加或者氧化鈣和氧化鎂含量增加。改善脫磷和反之為了提高溫度的目前的做法，對于那些無法獲得該資源的人，是在采取副噴槍措施或者最終吹煉步驟之后，添加石灰或石灰石，后者是不經煅燒的石灰。其目的是快速增加氧化爐渣的堿度并結合溫度下降，以創(chuàng)造捕獲和保留爐渣中磷的條件。磷反應是很容易可逆的，然后，這種技術的結果是快速澆注。

最終吹煉溫度的確定考慮了初步精煉步驟之后批料的熱損失加工和處理。用于化學組成分析和熔池溫度測定的取樣完成后，將熔爐傾斜以將鋼液澆鑄到鋼盤中。然后，熔爐傾斜以允許在鋼材鑄造的相對側進行爐渣鑄造。所有上述操作集合的運行時間確定熔爐生產周期的時間。

在所描述的操作中通?？赡軙霈F(xiàn)幾個問題：a)在吹煉槍周圍形成固化材料(“氧化皮”)，導致噴槍和標尺的直徑增加，煙氣捕獲系統(tǒng)損壞；b)由含有金屬的固化材料引起的過程中金屬產量的降低；c)高的物流成本以及回收噴槍中固化材料的金屬含量的加工成本；d)長時間清洗噴槍上形成的氧化皮；e)由氧化皮清除造成的噴槍外管損壞，產生噴槍維護費用；f)大量廢料的熱量平衡差；g)對爐渣形成時間和基本固體材料的高離解時間缺乏控制；和h)在吹煉結束時，對廢料熔化和脫磷缺乏控制。

因此，本發(fā)明的目的是開發(fā)一種噴槍，其允許在吹煉過程中的靈活性以改善最終吹煉中的熱控制、脫碳速率控制和磷控制，消除或顯著減少在當前現(xiàn)有技術中工藝的運行過程中所遇到的問題的發(fā)生。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個方面是在每個吹煉步驟中利用不同的物體向噴槍中引入由粉末狀固體材料(特別是氧化鈣(石灰))制成的導向套管到具有縮放式的氧氣通道噴嘴中的主要氧氣出口附近。用于金屬熔池精煉的含氧的石灰噴吹允許連續(xù)添加，促進爐渣形成并保持對乳液，鋼-渣-氣混合物的控制。在本申請的另一個實施方案中，可以增加最終吹煉步驟中的噴吹速率，有助于減少熔池中的磷含量，進行脫磷。

本發(fā)明的另一方面是在主吹煉步驟中利用不同的物體向噴槍中引入氧氣和可燃氣體的二次出口，獨立控制主氧氣：a)在廢料熔化和爐渣形成的初始階段期間，提高反應器的發(fā)熱量可以加快熔化過程；b)在脫碳期間，以超音速增加氧氣供應以減少精煉時間；c)最后，最后的吹煉步驟促進二次燃燒來確保溫度并提高批料的氧化水平確保低脫磷水平。

具體實施方式

在其下部，噴槍有兩組確定兩個吹煉條件的氣體出口。第一組由具有縮放型的氧氣通道噴嘴組成，主要負責在批料精煉期間氧化反應和輸送基本固體材料，主要是氧化鈣，用于初始形成爐渣和在最后階段脫磷。第二組由在吹煉過程的每個階段具有不同功能的二次超音速射流組成。在此過程的早期，第一個功能通過氧氣與主射流產生的一氧化碳發(fā)生反應來作為二次燃燒劑。第二個功能，有助于通過提高氧氣射流速度來加速與碳的反應，加速初始階段的廢料熔化，和最終增加金屬熔池元素和鐵的氧化，以便在批料精煉期間的最后階段減少磷。

為了說明金屬精煉過程，圖1示出了氧氣熔爐的側面部分，熔爐包括外部容器、金屬殼體(201)、頂部開口，在爐口(207)，其中氧氣熔爐在內部涂覆耐火磚(202)，其功能是在氧氣吹煉過程中保護金屬外殼(201)不受極端精煉條件的影響。在金屬生產過程中，熔爐包含四種不同的材料：液態(tài)金屬(301)、廢料(302)、由液態(tài)金屬元素氧化和添加造渣劑而產生的爐渣(303)和來自精煉反應的氣體(305)。在吹煉過程中，形成金屬(301)、爐渣(303)和氣體(305)的混合物，被稱為乳液，其占據了熔爐大量的空間。在熔爐上方有一個用于捕獲在精煉過程中產生的氣體(305)和煙霧的除塵管道(208)，帶有開口，或者在爐內為了開始液態(tài)金屬精煉過程的噴槍(100)通過的“圓頂”(209)。為了開始精煉過程，噴槍(100)位于金屬熔池上方一定距離處，所述距離相對于靜態(tài)熔池(400)的高度稱為“l(fā)bd-噴槍-熔池距離”(401)。精煉過程中，廢料(302)逐漸熔化，熔入金屬熔池(301)中。氧氣(300)與金屬熔池(301)反應，引發(fā)形成爐渣(303)并產生氣體(305)，形成乳液區(qū)域(402)。噴槍(100)浸入到乳液(402)中，這使其附著到噴槍上或形成噴槍氧化皮(403)。在爐錐(furnacecone)(206)和爐口(207)的部位也發(fā)生同樣的情況，導致由乳液(402)和由爐渣和金屬(203)飛濺或散射突起物這兩者造成的口部氧化皮(404)的形成。噴槍氧化皮(403)的另外的表層附著在噴槍(100)上，損害其穿過噴槍圓頂(209)的通道，這使得必須停止生產以進行清潔并且在許多情況下用干凈的噴槍(100)替換。在爐錐(206)和爐口(207)的區(qū)域中也發(fā)生相同的現(xiàn)象，并且有必要停止生產活動以清潔該區(qū)域，便于裝填廢料(302)和金屬熔池(301)。

圖2示出了現(xiàn)有技術的噴槍(100)的截面圖，包括在其末端處具有通過不同數(shù)量的孔的氧氣出口并與垂直軸線成角度的銅噴嘴(101)、主氧氣管(105)、中間管(106)、外管(107)(通常全部由鋼制成)，其中該噴槍(100)還具有冷卻劑入口(108)。通常為水的液體(304)流向銅噴嘴(101)，經由外管(107)返回到噴槍出口(109)。噴槍(100)的良好性能取決于從噴嘴(101)和外管(107)帶走熱量的水能力。

圖3是嵌入銅噴嘴(101)的下部二次燃燒模塊(114)的截面圖，其包括環(huán)繞主氧氣(115)的縮放出口的下部氧氣(116)的二次出口。將粉末狀固體材料噴吹管(119)插入主氧氣管(105)的內部。與現(xiàn)有技術實踐不同，通過連續(xù)噴吹實施通過該管(119)注入粉末狀的固體材料，并在這種情況下，氧氣是運載氣體(300)。在分次添加的情況下，類似于現(xiàn)有技術的實踐，在非噴吹間隔期間，使用通常為氬氣或氮氣的惰性氣體(307)。為了防止在主氧氣管(105)中形成懸浮物，粉末狀固體材料噴吹管(119)靠近銅噴嘴(101)。在粉末狀固體材料管(119)的出口處，可以有適于將粉碎的固體輸送到主氧氣(115)出口的流動驅動器，其適當大小以輸送氣體和固體。粉末狀固體噴吹管(119)可以以50kg/min至1500kg/min的噴吹速率工作，并且可以延伸到銅噴嘴(101)的表面，以便卸載用于轉爐環(huán)境的材料。

在所示的結構中，環(huán)形或點狀的下部氧氣二次出口(116)連接到主氧氣管(105)，目的是實現(xiàn)二次燃燒，其便于廢料(302)在吹煉初期熔化并且也可以與輔助供氣室(117)連接。對于放置在熔爐中的大量廢料，提供輔助供氣室(117)的插入，該輔助供氣室(117)可以通過氧化氣體，例如氧氣本身(300)，和可燃氣體(305)交叉，通過二次氣體出口(118)接觸熔爐環(huán)境(200)。輔助供氣室(117)旨在使得能夠單獨控制壓力和流量條件。因此，在精煉過程的早期，如果該腔室(camera)用于氧氣(300)通道時，中間壓力和流量的條件有利于廢料(302)熔化，并且二次燃燒導致形成富含氧化鐵的初始爐渣(303)，有利于其他造渣劑的溶解。隨后，在脫碳步驟中，條件變?yōu)楦邏汉透吡髁?，有助于金屬熔?301)精煉過程中的碳除去率的增加。最后，在加工結束時，產生低流量和低壓力以及增加爐渣(303)氧化的條件，有助于磷的保留。在極高溫度的情況下，可以使用具有冷卻劑性質的惰性氣體或甚至洗爐劑來阻止二次氣體出口(118)的閉合。