專利名稱：熔化銅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制燃燒器作業(yè)的方法，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及控制進(jìn)入熔化銅用的燃燒器中的燃料/空氣比、以防止不需要的氧和/或氫混入銅內(nèi)的方法。
銅的熔化是一種十分重要的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。正如現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的、以及本發(fā)明引為參考的美國(guó)專利3，199，977(A.J.Phillips等人，1965.8.10)中所討論的那樣，銅陰極是工業(yè)上生產(chǎn)的銅的主要形式，這種陰極一般是扁平矩形的，尺寸為1英寸(厚)×25英寸×40英寸左右，但也可生產(chǎn)出尺寸更大或更小的陰極。
盡管陰極沉積法制得的銅是工業(yè)純的，只有普通的雜質(zhì)和不可避免的微量電解質(zhì)(硫化物)實(shí)際上存在或吸附在陰極的表面上，但是由于陰極的形狀及物理性能，特別是沉積銅的晶粒結(jié)構(gòu)等原因，銅陰極的本身通常并不能使用。為了使它們變成更加有用的形式，必須將陰極熔化，然后鑄成一種或多種半成品的形式，例如，餅塊、錠子、型材(例如條錠)、方坯和棒材等，再?gòu)倪@些半成品制成最后的產(chǎn)品，例如板、絲、管及其它許許多多的工業(yè)純銅的產(chǎn)品。但是，這種銅在熔化過(guò)程中不能為工業(yè)上不能允許的氧量和硫量所污染，因?yàn)閺墓I(yè)觀點(diǎn)上看，熔融的銅的基本成分被破壞，就必須通過(guò)一系列的步驟，重新加工成新的銅陰極，這是既費(fèi)錢又費(fèi)時(shí)的工序。
因此，所用的燃燒器在熔化銅的過(guò)程中不能使銅為例如不需要的氧等所污染。通常，燃料/氧(空氣)混合物的比例保持在含有的氧量不足以使燃料完全燃燒，因此，所形成的熔化火焰就是還原性的火焰。對(duì)于大多數(shù)工業(yè)使用上，預(yù)定的還原條件應(yīng)該是使在熔化過(guò)程中混入銅內(nèi)的氧量應(yīng)少于銅重量的0.05%，較好是少于0.035%，最好是少于0.01%。
在授予Phillips等人的上述專利的以及授予Little和Thomas的美國(guó)專利No.4，536，152中闡述了幾種特別設(shè)計(jì)的燃燒器，這些燃燒器能使燃料和空氣高度混合而產(chǎn)生均勻的還原性火焰，以便使不燃燒的氧和對(duì)銅的污染減至最少。美國(guó)專利No.4，536，152所公開(kāi)的內(nèi)容將納入本專利作為參考。
在現(xiàn)有技術(shù)中，燃燒器本身在銅的熔化中是重要的，而適當(dāng)控制燃料/空氣的混合同樣也是十分重要的，因?yàn)檫^(guò)量的燃料或空氣都可產(chǎn)生會(huì)污染銅的火焰。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種通過(guò)控制熔化過(guò)程中進(jìn)入燃燒器中的燃料/空氣比而有效地熔化銅及其金屬和材料的方法。
熔化銅的爐子多數(shù)是如上述授予Phillips等的專利中所述的帶有多個(gè)燃燒器的、垂直的豎爐，為了方便起見(jiàn)，下面將針對(duì)這種爐子進(jìn)行說(shuō)明。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，送入熔化例如陰極銅用的燃燒器中的燃料和空氣(氧)可以有效地控制、以提供符合所需工作范圍的燃料/空氣比而產(chǎn)生一種還原性火焰，這種火焰所燃燒的燃料中氫的含量約為所需氫量的體積±0.3%或更少。根據(jù)所用燃料的不同，氫量一般保持在約1%～3%(體積)。采用天然氣時(shí)，氫的含量約為1～2%，而采用丙烷時(shí)，氫的含量為0.3～0.9%，因?yàn)槿剂现械奶?氫比不同，用丙烷時(shí)所形成的CO比H2多，而用甲烷(天然氣)時(shí)，所形成的H2和CO的量相同。
概括地說(shuō)，控制某些燃燒器、例如環(huán)繞豎爐四周的燃燒器的程序包括下列步驟(a)預(yù)定每一燃燒器所需的特定物質(zhì)(例如氫)的調(diào)整值(含量);
(b)對(duì)一個(gè)燃燒器的燃料/空氣混合物取樣、分析，而其它燃燒器的燃料/空氣的混合氣體則從每個(gè)混合器抽入歧管中;
(c)測(cè)量樣品中物質(zhì)的含量;
(d)比較樣品中的含量與預(yù)定的需要量;
(e)如果需要，改變?nèi)剂虾?或空氣量;和(f)對(duì)其它燃燒器重復(fù)步驟(b)-(e)，并在熔化操作中連續(xù)重復(fù)步驟(b)-(e)。
下面結(jié)合


本發(fā)明，附圖中圖1是按照本發(fā)明的原理和方法的設(shè)備簡(jiǎn)圖;
圖2是表示多燃燒器豎爐的燃料/空氣混合氣體取樣系統(tǒng)的設(shè)備簡(jiǎn)圖。
豎爐可以是任何一種具有所需形狀或尺寸的、按普通方法垂直設(shè)置的爐子，這種爐子可裝入要熔化的任何所需尺寸和形狀的銅料柱，并且在銅料柱被熔融時(shí)允許它在重力的作用下在爐子中向下移動(dòng)。因此，爐子通常是正方形、矩形或者最好是圓形的。
爐子可用任何所需的材料、用任何所需的方法制成。最好爐子的側(cè)壁和底部用例如焊接法做成完全氣密的鋼殼，并且殼體要帶有一種酸性的、中性的或堿性的耐火材料襯里，最好用高級(jí)氧化鋁耐火材料。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，熔化用的氣流(火焰)是以單個(gè)或一組氣流噴入到爐子中的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)或區(qū)中的，并且，燃料和含氧氣體的混合是一級(jí)或多級(jí)完成的。而且混合氣體的點(diǎn)火可以在氣體混合后、混合氣流與要熔化的銅相接觸之前的任一時(shí)間進(jìn)行。因此，例如，熔化用的氣流可以用單級(jí)混合，然后送入多個(gè)燃燒室，并在射入爐子之前在燃燒室中點(diǎn)火。雖然可以采用這樣的作業(yè)過(guò)程，但是這并不是一種最好的工藝過(guò)程，因?yàn)樗锌赡茉谌刍玫臍饬髦挟a(chǎn)生逆火。同樣，熔化用氣流可以用單級(jí)混合、然后燃燒，再將燃燒的熱產(chǎn)物送入到爐子上的多個(gè)入口中。這樣一種工藝過(guò)程也可以用，但也不是一種最好的規(guī)程，因?yàn)檫@將需要使用相當(dāng)長(zhǎng)的能夠耐受極高溫度的耐火管通。最好是熔化用的氣流由一組單元的氣流組成，每一個(gè)單元的氣流從安裝在爐壁上的各自的燃燒器主體噴入爐子中，并且每一單元的氣流都在各自的燃燒器主體內(nèi)點(diǎn)火然后才噴入到爐子中的。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例程序中，燃料流和含氧氣流是分開(kāi)進(jìn)入每一個(gè)燃燒器主體內(nèi)的，每一個(gè)燃燒器主體都帶有一個(gè)用于接收和混合分開(kāi)送來(lái)的燃料流和含氧氣流的混合區(qū)，混合后的氣流送入與混合器直接相鄰的燃燒器主體中的燃燒器區(qū)，并在這里點(diǎn)火、然后噴入爐子中。
一個(gè)或多個(gè)燃燒器可以安裝到爐壁上，以便使從它們那里排出的氣體直接地，或者通常是切向的，射在銅料柱上;直接排氣最好因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)這種方法的熔化效率最高。最好在爐壁上安裝多個(gè)燃燒器，其安裝方式是沿鄰近爐底的爐壁四周安有至少一排互相隔開(kāi)的燃燒器，并且在每一排中最好至少有三個(gè)燃燒器。尤其是下列的方式更好;即在爐壁上安有多排燃燒器，每一排中的燃燒器以互相隔開(kāi)的關(guān)系環(huán)繞在爐子的四周，每一排燃燒器垂直互相隔開(kāi)，并且最低的一排燃燒器鄰近爐底。后一種燃燒器的設(shè)置方式(特別是加上爐子下部向內(nèi)傾斜的爐壁)更好，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)，它有助于使熔融銅柱的底部變成普通的錐形，當(dāng)爐子是圓形時(shí)則銅柱底部一般是圓錐形，而這種形狀也已被發(fā)現(xiàn)比其它的形狀的熔化速率高。
此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在任何給定的條件下，銅所吸收的來(lái)自于氣體的對(duì)流熱取決于撞擊到銅料柱上的氣體溫度，并且撞擊到銅料柱上的氣體的溫度升高，銅吸收的對(duì)流熱量就增多。最好至少對(duì)含氧氣流預(yù)熱至實(shí)際上盡可能的高溫，如果對(duì)燃料流也預(yù)熱至實(shí)際上盡可能的高溫那就更好。如果這兩種氣體都進(jìn)行預(yù)熱，則它們最好被預(yù)熱至150～540℃。在本發(fā)明的最佳工藝規(guī)程中，采用從爐子來(lái)的熱煙道氣以間接接觸的辦法至少對(duì)含氧氣流進(jìn)行預(yù)熱。
通常，爐子工作時(shí)按需要從料柱的頂部加入銅，熔融的銅集中到爐子底部的一個(gè)熔池中，并從這里通過(guò)出銅口連續(xù)地或間斷地排出。最好不采用熔池，而是當(dāng)爐子中的銅一熔化，熔融的銅便能立刻自由地從打開(kāi)的出銅口流出。從爐子中流出的熔融金屬可以用任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄋ偷饺魏涡枰牡胤揭怨┻M(jìn)一步使用。最好使金屬?gòu)某鲢~口流入加熱的流槽中，再由流槽直接流到爐子附近的鑄造設(shè)備中或者流到儲(chǔ)存爐中，再由儲(chǔ)存爐中流到適當(dāng)?shù)蔫T造設(shè)備中。熱流槽和/或儲(chǔ)存爐可以由一些與用來(lái)控制熔化銅用的爐子燃燒器的同一個(gè)燃燒器控制系統(tǒng)相連接的燃燒器進(jìn)行加熱。
任何燃料，特別是任何流態(tài)燃料或流態(tài)化燃料都可用來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。最好，燃料是一種含有氧和一氧化碳的燃料，例如水煤氣或發(fā)生爐煤氣;或者燃料是一種碳?xì)浠衔锏娜剂?即含有碳和氫的燃料)。天然氣是一種最好的燃料。當(dāng)采用這些最好的燃料束實(shí)現(xiàn)本發(fā)明以便在適當(dāng)?shù)臓t氛下產(chǎn)生還原組分時(shí)，由于燃料的不完全燃燒，這些組分主要是氫和一氧化碳。通常，含氫量的控制是通過(guò)分析燃料和空氣的燃燒產(chǎn)物樣品、并調(diào)節(jié)燃料/空氣比以便達(dá)到所需的含氫量來(lái)控制。但是，不管所用的燃料是什么，本發(fā)明的方法都可將所需物質(zhì)(例如H2、CO、O2、N2、H2O等)的預(yù)定調(diào)整值控制在約±0.3%(體積)之內(nèi)，通常是小于±0.2%或±0.1%(體積)。
下面參見(jiàn)圖1，圖1中示出了一種典型的單個(gè)燃燒器系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。從上述的討論中應(yīng)該了解，通常是采用多個(gè)燃燒器分排環(huán)繞在爐子的四周，每個(gè)燃燒器都采用如圖1所示的同種布局的設(shè)備。
燃料例如天然氣由燃料供給站10送到區(qū)域調(diào)節(jié)器11并保持大于大氣壓的正燃料壓力。區(qū)域調(diào)節(jié)器11帶有兩個(gè)分別與燃料管道和氣流歧管19相連通的管子11a和11b以便達(dá)到這一正壓狀態(tài)。燃料隨后流入燃料管道12并送到零調(diào)節(jié)器的通用隔膜控制閥13處。閥13也帶有管13a和從空氣管道延伸到閾13的隔膜上面空間以便使空氣的壓力引到隔膜處的管13b。管13b還帶有與其相連的放氣閥20和出口21以便根據(jù)控制系統(tǒng)26的信號(hào)調(diào)節(jié)燃料或空氣量，如下述。在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，采用一種機(jī)動(dòng)放氣閥來(lái)精確控制過(guò)大的燃料/空氣比。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，這種機(jī)動(dòng)的控制相對(duì)壓力的控制過(guò)程對(duì)于獲得本發(fā)明的最佳工作結(jié)果是十分重要的。
此后，燃料再通過(guò)也用來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒器中的燃料量的可調(diào)管口14。通常，可調(diào)管口14是對(duì)燃料流進(jìn)行人工粗調(diào)，而為了達(dá)到精確的控制燃料/空氣比所需的最后細(xì)調(diào)則由放氣閥20執(zhí)行。而后燃料再進(jìn)入混合器15(通常是燃燒器的一部分)與空氣混合。
空氣由供氣站17通過(guò)蝶形閥18進(jìn)入氣流歧管19并通過(guò)歧管閥19a進(jìn)入混合器15?；旌虾蟮娜剂?空氣流再進(jìn)入燃燒器16中進(jìn)行燃燒。
燃料與空氣的比例最好通過(guò)從混合后的燃料/空氣流中取樣、燃燒并分析燃燒產(chǎn)物的方法測(cè)定。也可用其它的取樣和分析方法?？刹捎靡环N三通電磁閥22進(jìn)行取樣。由這種供取樣分析用的電磁閥22使所采得的燃料/空氣混合物通過(guò)真空泵23送到可在理想的狀態(tài)下燃燒混合物的爐子24內(nèi)。燃燒后的混合物送到分析室25中進(jìn)行分析并將分析結(jié)果輸入到控制系統(tǒng)26中。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)放氣閥20進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果需要更多的燃料，則減小閥20的張開(kāi)度;如果需要更多的空氣，則增加閥20的張開(kāi)度。其它輸入到控制系統(tǒng)26中的信號(hào)還有從各自的歧管來(lái)的空氣壓力和燃料壓力。
當(dāng)不對(duì)燃料/空氣混合物進(jìn)行取樣分析時(shí)，電磁閥22直接將混合物送到與真空泵28和出口29相連接的真空歧管27中。
對(duì)于常有多個(gè)形成一排環(huán)繞爐子四周的燃燒器的典型燃燒器系統(tǒng)，每一個(gè)燃燒器都帶有從燃料歧管12和空氣歧管19到燃燒器本身相同的布局。每個(gè)燃燒器也都帶有一個(gè)與其相連接的三通電磁閥，并且從電磁閥之后的其余裝置都為所有的燃燒器所共用，不管燃燒器的數(shù)量多少。因此，例如，對(duì)于各排燃燒器通常只用一個(gè)爐子24。當(dāng)然也可采用多臺(tái)爐子，多個(gè)分析室等，但這樣做一般是不經(jīng)濟(jì)的。
下面參考圖2，圖2中示出了帶4個(gè)燃燒器的豎爐裝置，工作時(shí)，由閥22a從混合器15a中。從真空泵23出來(lái)的樣品在爐子24中燃燒、在分析室25中分析并且其分析結(jié)果輸入到控制系統(tǒng)26中。本發(fā)明很重要的一個(gè)特征是當(dāng)從混合器15a來(lái)的混合氣體正在取樣和分析時(shí)，閥22b、22c和22d則分別使來(lái)自混合器15b、15c和15d的混合氣體由真空泵28導(dǎo)入真空歧管27和出口29。當(dāng)來(lái)自混合器15a的樣品被分析并由控制系統(tǒng)26進(jìn)行處理時(shí)，閥22a改變方向引導(dǎo)混合器15a中的氣體通過(guò)管道27a進(jìn)入真空歧管27中，而閥22b則改變方向允許混合器15b中的混合氣體被取樣并使樣品通過(guò)管道23b進(jìn)入真空和分析系統(tǒng)進(jìn)行分析。此時(shí)，閥22c和22d保持上述狀態(tài)并且它們各自的混合氣體被導(dǎo)入真空歧管27中。在熔化爐作業(yè)過(guò)程中，上述的程序連續(xù)重復(fù)，對(duì)所有的燃燒器反復(fù)取樣。也可采用任何取樣順序。
上述的取樣和分析程序顯著地增加了單位時(shí)間內(nèi)的取樣和分析次數(shù)，因?yàn)樵O(shè)置了真空歧管27，故在爐子24和分析室25附近總是可以得到要分析的混合氣體樣品。這一點(diǎn)只要看一看氣體樣品從混合器15到樣品燃燒爐24所必須經(jīng)過(guò)的距離就能很快明自，因?yàn)榛旌掀?5至閥22間的距離被除掉了。在正常的工業(yè)操作中，取樣分析的總數(shù)約等于不采用真空歧管27的系統(tǒng)的兩倍。由于取樣分析的次數(shù)增加，故能夠精密地控制燃料/空氣比，從而增加熔化操作的效率。
在采用帶有三排多個(gè)燃燒器的豎爐熔化銅陰極的工業(yè)操作中，用本發(fā)明的方法(包括機(jī)動(dòng)放氣閥20)控制燃料/空氣比可以顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量，因?yàn)楸痉椒梢钥刂迫紵骰鹧嬷袣涞暮?與所需氫的給定值的偏差小于±0.2%(體積))。而不采用本發(fā)明的方法的熔化操作，氫含量與所需濃度給定值的偏差為±0.5%。
顯然，在不違背本發(fā)明的精神和范圍下，對(duì)于本文所述的幾個(gè)特征可以進(jìn)行很多改動(dòng)和修改。因此，通過(guò)本發(fā)明圖例進(jìn)行的上述說(shuō)明顯然并無(wú)限制本發(fā)明之意。
權(quán)利要求
1.一種控制多個(gè)燃燒器的燃料/空氣比的方法，包括(a)預(yù)定每一燃燒器所需的特定物質(zhì)的調(diào)整值；(b)對(duì)一個(gè)燃燒器的燃料/空氣混合物取樣、分析而其它燃燒器的燃料/空氣的混合氣體則從每個(gè)混合器抽入歧管中；(c)測(cè)量樣品中物質(zhì)的含量；(d)比較樣品中的含量和預(yù)定的需要量；(e)如果需要，改變?nèi)剂匣蚩諝饬?；?f)對(duì)其它燃燒器重復(fù)步驟(b)～(e)，并在燃燒器工作過(guò)程中連續(xù)重復(fù)步驟(b)～(e)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，上述燃燒器安裝在一個(gè)豎爐上，而環(huán)繞豎爐的四周有一排燃燒器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，上述爐子是用來(lái)熔化銅的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于，上述被測(cè)物質(zhì)是氫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，上述燃料或空氣量的變化由一個(gè)機(jī)動(dòng)放氣閥進(jìn)行控制，以便調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)中的燃料或空氣量。
全文摘要
一種熔化銅而不會(huì)讓不需要的氧和/或氫混進(jìn)銅里的方法，該方法采用一種特殊的、燃料/空氣混合物的取樣和控制系統(tǒng)有效地控制熔化銅用的燃燒器處在所需的燃料/空氣比的工作范圍內(nèi)。
文檔編號(hào)F27D19/00GK1080043SQ9210457
公開(kāi)日1993年12月29日 申請(qǐng)日期1992年6月12日 優(yōu)先權(quán)日1991年4月25日
發(fā)明者吉姆·D·威廉姆, 達(dá)瑞爾·W·布雷特林 申請(qǐng)人:阿薩科公司