本发明涉及一种通过给炉料提供能量，使炉中、特别是电弧炉中 的炉料熔化的方法；在炉料熔化的过程中，炉中产生一些气体，并且 至少有一种可燃性气体，特别是一氧化碳；在该方法中，在一定时间 内注入氧的体积含量超过25％的助燃气体，以实现可燃气体的完全 燃烧。

“氧的体积含量超过25％的助燃气体”指在标准温度和压力条 件下至少含25％体积氧气的气体，尤其是含氧超过50％体积的富氧 空气，但最好是工业纯度的氧气，也就是说含氧体积至少为88％，其 中特别包括用VSA型(真空开关吸收)吸收装置或其它工业纯度氧 发生器、包括使用膜的系统产生的氧气。

在电弧炉中，特别是炼钢用的熔化废金属的电弧炉中，主要通过 炉子的石墨电极给炉料提供能量使废金属熔化，使强大的电流通过 这些电极，产生足以使炉中的废金属熔化的能量。

现在，越来越多地用矿物能量来提高炉子的生产能力。因此，利 用吊斗装煤，或通过喷嘴将煤喷入就可以使用矿物能量。这种能量 由于煤的燃烧不完全，只能部分地利用。这样，通过碳的氧化释放出 大量的一氧化碳CO。对电弧炉，这种一氧化碳按照称为完全燃烧 的方法在炉中的氧气中燃烧，例如专利US5166950和EP-A- 127492。

申请人的专利US5166950描述了一种熔化废金属和炼钢用的 电弧炉中的炉料熔化的方法和装置，给炉料提供熔化能量，并向炉料 上方的炉子空间注入含氧气体，使烟气完全燃烧。在所述的方法中， 用氧气喷射器在炉料上方的炉子空间产生向相反方向旋转的气流。 因此，用这种方法保证了含氧助燃气体与炉内的可燃气体以及从炉 料产生的一氧化碳或氢气的有效混合，使炉中这些气体均匀地完全 燃烧，完全燃烧与垂直分布在炉子的垂向轴周围和附近的电极合作， 使炉料熔化。

专利US5373530(以及EP-A-127492)描述了一种穿过炉子 外壳的含氧气体喷射器，这种喷射器穿过炉子外壳喷入相对炉轴非 径向的含氧气体流。

从P.Mathur和G.Daughtridge的文章“用于电弧炉中的有效完 全燃烧的注氧”中可以了解到一种以超音速(一般大于300米/秒)向 炉池上方喷射氧气的电弧炉完全燃烧方法；在这种方法中氧气撞击 熔化了的金属池表面(炉渣)，使铁氧化成氧化铁FeO，即铁与存在的 二氧化碳氧化生成氧化铁和一氧化碳，以及碳与二氧化碳反应生成 一氧化碳。因此，超音速注入氧通过上述反应产生带有一定量二氧 化碳和一定量一氧化碳的气体混合物。因此，这种工艺的缺点在于 没有充分利用炉中一氧化碳所产生的能量的可能性。

本发明方法的目的在于通过同时使完全燃烧释放的能量及向金 属池传递的能量最大化来提高完全燃烧的效率，同时保证炉子的耐 火材料衬里的寿命，又不使电极过度氧化。为此，本发明的方法最大 限度地促进一氧化碳与氧的反应，以形成二氧化碳，破坏其它不需要 的反应，尤其是铁与氧的氧化反应( 2Fe+O2＝2FeO )和二氧化碳与 铁的反应( Fe+CO2＝FeO+CO )。根据本发明，炉料在炉中熔化方法的 特点是，在实现完全燃烧的时间内，将助燃气体低速喷到炉料下方， 喷入形式为至少一个助燃气体流，每个气体流的流量约在50至 1200Nm3/h之间，喷入炉中的速度为5米/秒至150米/秒之间，最 好在50米/秒至125米/秒之间。

在本发明的一个优选实施例中，炉子为电弧炉，本发明方法的特 点是每个可燃气体流的喷射方向与电弧火焰产生的主气流基本重 合，最好是对流。

根据本发明的另一个实施例，在炉内不发生完全燃烧的一定时 间内，向炉内喷射助燃气保持流量，喷射速度约为5米/秒至20米/ 秒，以避免或减少助燃气体喷射器堵塞。

根据本发明的另一实施例，该方法的特点是，至少喷入一个与炉 壁相切的助燃气流，角度在250°至40°之间，最好在30°左右。

根据本发明的另一实施例，该方法的特点是，至少从炉子的侧壁 自上至下注入一个助燃气流，角度为10°至20°，最好与水平方向成 15°角。

同样，最好用三个、甚至至少四个喷射器喷入助燃气体，喷射器 最好是均匀分布在炉子的侧表面。但是，如果炉子上有足够的地方， 最好设置更多的喷射器，例如六个、甚至11个喷射器。

每个助燃气流的流量最好是80-850Nm3/h，喷射器的出口速 度约为50-125米/秒，最好为100米/秒左右。

应连续分析炉子的烟气，并根据分析的结果调整助燃气的流量， 存在的可燃气体越多，则应喷入更多的氧气，但是喷氧应分阶段进 行，以使喷射器附近的温度限制在与炉子的侧板的热稳定性相适合 的数值上(用水冷却的侧板分布在炉子的周围。因此，一般说来，在 浇铸期间助燃气的流量是可变的。

烟气的分析在于测量烟气中一氧化碳的浓度(如4％体积的 CO)。

另外，还可以使用多组喷射器，喷射器出口具有与炉子的垂向轴 相切的分量，各组喷射器可以安排在同一水平，也可以安排在不同水 平上。

根据本发明的另一种实施例，炉中的保持流量也可以用空气。

同样可以并且有时最好在将助燃气喷入炉中前使其预热。为 此，可以使含氧体积25％以上的助燃气预热，例如用与炉子进行间 接热交换的方式。还可以至少使炉中排出的部分烟气和助燃气混 合，然后一起喷入炉中。在这种情况下，助燃气(烟+助燃气的混合 物)可能含不到25％、甚至不到21％体积的氧。

关于喷射器的数量，最好至少用六个。因为在一般规律下，使用 的喷射器数量越多，得到的结果越好。这些喷射器最好都位于炉子 的上半部，并且最好是金属面以上的上半部。

借助于下述非限制性的实施例并结合下述附图可以更好地理解 本发明：

-图1是实施本发明的电炉的垂直剖视示意图；

-图2是沿图1II-II线的横向剖视示意图；

-图3是炉子的氧喷射器的更详细的放大纵剖视图；

-图4是炉子下部的示意图；

-图5是现有技术与本发明的比较示意图；

-图6是考虑使用喷射器数量的单位耗电随单位耗氧的变化曲 线图；

-图7是通过调节一氧化碳实施在两个水平之间的喷氧的实施 例。

图1、2中所示的电弧炉用于熔化废金属以生产钢。该炉子包括 一个炉底2、一个带排渣门4的炉壁3和一个熔化物的流出口5以及 炉顶6，该炉顶还支撑着三个电极7、8、9，这些电极均匀分布在垂向 轴X-X的周围。炉顶还包括一个烟气出管10。

炉子1至少配备两组分层的(至少为两层，典型的至少为三层) 含氧气体喷射器，分别为11和12。第一组喷射器11位于N1处，大 约是炉底2的最低点2′和炉顶6的最高点6′间的高度H的一半，而 第二组喷射器12位于N2处，大约为此高度H的3/4。因而喷射器 11和12位于两个水平面上，两个水平面的垂直高差大约为炉顶最 大高度的1/4。每个喷射器的方向有一个主切线分量和一个向心的 径向分量。从上向下看时，处在N1＝H/2处的下面一组喷射器11 的出口为反时针方向，以形成反时针方向旋转的下部气流(图2)。 N2＝3H/4处的上组喷射器12的出口，从上面看时，为顺时针方向， 以形成顺时针方向旋转的上部气流。

分别通过管线14从气源13(图2)给喷射器提供纯度至少为 90％的氧气，管线14上分别装有调节元件15。

炉子还包括一个分析管10排出的烟气中一氧化碳(CO)含量的 分析器16，该分析器具有调节喷射器11、12供气的控制元件15的 控制装置，根据测量结果连续进行实时控制。

现在参照图3，示出喷射器11、12中的某一个、例如11，包括一 个头17，位于炉壁3的厚度中，并且有一个柱形轴向气体通道18，18 与轴19间的倾角为α，轴19与图1中的垂直轴X-X成径向关系。

头17在一般为柱状的主体20的端部形成，当喷射器安装在炉 上时，主体20的轴与轴19重合，该主体上有一个气体通道，通道延 长了穿过头的轴18的通道，这样，主体从炉壁3的外表面21突出， 炉壁3一般由图2中示意的支撑结构22支持。

喷射器的主体20绕轴19旋转安装在支承轴承23上，轴承也示 意在图3中。当根据炉子的特征进行旋转调节时，通过在头17和安 装喷射器的炉壁3的柱体25之间充填耐火材料24来固定喷射器的 位置。不管如何调节，头17的前表面26与炉壁3的内表面27持 平。

图3上还有一个冷却流体(如冷水)流动的管线28。在申请人 的专利EP-A-127492中描述了这种喷射器的其它特征和优点。

隔板29上有一个经过标定的固定喷嘴30，装在主体20后端的 埋头孔31中，供气管14与该装置连接。喷射器的出口直径也是固 定的，并且大大大于喷嘴30的直径。喷射器的直径为3-6厘米，最 好在5厘米左右。

另外，正如在上述欧洲专利中所说的，管子14的前端可以装一 个止回保护阀(图中未示)。

在操作过程中，装料/浇铸和熔化阶段交替进行。在每一阶段， 分析器16将烟气的二氧化碳浓度与一设定低值进行比较，并相应调 节喷射器的供气。

在整个操作过程中，通过喷射器的氧气流量保持在50至 1200Nm3/h左右(1Nm3/h为标准温度和压力条件下的1立方米)， 并且考虑到喷射器的尺寸和出口压力(基本上为大气压)，氧气的出 口速度大约在5至150米/秒之间。对于15-125米/秒的出口速 度，每个喷射器的流量范围最好为100至900Nm3/h。

如果每个喷射器的流量超过1200Nm3/h，会有迅速破坏构成炉 壁3的耐火材料炉板和/或使至少一个电极和/或金属池氧化的严重 危险。    

可以看出，用这样的参数组合，对给定的单位耗氧量，单位耗电 量特别低。

对图1-3所示类型的85吨炉子进行的试验证实了这一点，该 炉有六个出口直径为50毫米的喷射器，调节装置16上显示出每个 喷射器的最大流量为700Nm3/h；在没有流动的时间内，有流量约为 50-70Nm3/h的保护小流量。

已经证明，对于基本相同的单位耗氧量，该炉的耗电量大大低于 给六个喷射器中的四个供气时的耗电量。这表明，当氧气流的喷射 器出口速度降低时，完全燃烧有所改善。

图4为电弧炉下部的示意图并示意性地示出气体在炉中的流 动。炉子40有三个电极41、42、43，电极穿过炉顶，气体可通过电极 排出。空气主要通过开口44或渣门进入，通过“第四孔”51随烟气 排出。熔化的金属通过浇铸孔56流出。六个氧气喷射器45、46、 47、48、49、50均匀分布在炉子周围，并且基本都处在同一水平面上。 气体和烟气在炉中的运动用箭头52、53、54、55表示。

工作时，电极的电弧把气体推向外围。箭头53所示的气流从中 心(电极)向炉壁40运动，然后沿炉壁40向第四孔51运动。同样， 箭头54所示的气流沿炉壁运动通过第四孔51排出。空气从渣门 55进入，向“第四孔”51运动；气流52离开电极，沿炉壁向门44和孔 51方向运动。

根据本发明，氧气喷射器的布置方法是向与烟气流相对的方向 喷入氧气：喷射器50与气流52相对，喷射器49、48与气体流53相 对，喷射器46、47与气流54相对，喷射器45与气体流55相对。

图5为现有技术(图的右部)与本发明(图的左部)的比较。根据 现有技术，指向金属池60上部的渣面61的喷枪73穿过气体/烟气 把氧气高速(超音速)喷入炉子62。

由于氧气的高速度，氧气与熔化的钢接触，产生如下反应：

                   2Fe+O2＝2FeO

这个反应是不利的，因为它消耗铁和氧，形成渣。

铁还与一氧化碳和氧反应产生的二氧化碳反应。高速氧带动二 氧化碳与金属池接触，因而根据下述反应产生更多的FeO渣和少量 的一氧化碳：

                   Fe+CO2＝FeO+CO

不幸的是，如果不喷入大量的氧气形成的CO不再与氧发生反 应，因为氧在其它地方消耗了(见前面)，因而失去了一部分氧。

二氧化碳还与熔化了的钢中的碳反应，造成脱碳反应(因而是不 利的)，产生CO，它同样也是不燃烧的。

看到上述不同的技术问题并且分析了各种不利的反应之后，申 请人提出了本发明；在本发明中，喷射器63低速注入氧气，产生气体 云64，该气体云停留在金属池60上方，在区域65与来自金属池的 CO(并且只与CO)发生下述反应：

                   2CO+O2＝2CO2

因此，池中产生的所有一氧化碳都被氧所燃烧，因而实现了CO和能量优化的氧量的真正的完全燃烧(放热)。

图6为四个喷射器(白点)在单位耗氧下的单位耗电(KWh/t) 和六个喷射器(黑点)的比较，其它条件相同。

  在对大量的浇铸作平均值后得到以下结果： 6个喷射器 4个喷射器   每次浇铸(平均)耗氧(Nm3/吨)     45.6     44.2   平均流量(Nm3/h)     280     425   喷氧速度(米/秒)     40     60   耗电(KWh/t)     347     369

图7为分段调节喷氧的一个例子。当烟气中的一氧化碳体积含 量≥4％时，在炉料熔化的最初60％的时间内向炉中喷入最多的氧， 800Nm3/h。如果一氧化碳含量小于4％，则喷入流量为100Nm3/h。 在60％至75％的熔化时间内，用同样方法把流量调节在400Nm3/h 至100Nm3/h之间，然后在75％至100％的时间内，将流量调节在 200Nm3/h至100Nm3/h之间。后来的曲线100用实线表示。根据 第一种变型，流量可以停留在800-100Nm3/h之间的一个台阶上 (沿曲线102)。还可以在60-100％的时间内停留在400至 100Nm3/h之间(曲线101)。

当然，可以在同一设定值(如4％体积CO)的基础上调节所有喷 射器，也可以在不同设定值的基础上调节(一个喷射器一个值，或一 组或几组喷射器一个值)。

比较实例：

下面的例子是一台根据现有技术(下面称作“BURNER PC”)运 转的设备与同一设备按本发明的方法(下面称作“INVENTION PC”)运转的比较。本例表明产出1吨金属节约了18KWh的能量， 这就是说，在1小时多一点的时间内，浇铸100吨金属可节约 1800KWh。根据现有技术的设备包括四个高速(250米/秒)喷氧器， 而本发明则有四个根据本发明的低速(110米/秒)喷氧器。除下述 的以外，两种情况基本相同。得到的结果综述如下：     BURNER PC   INVENTION PC     耗电(KWh/t)     377     359     供电时间(分钟)     57.5     52.4     整个浇铸时间的总喷O2量(Nm3/T)     33.6     37.1     为完全燃烧喷入的O2量(Nm3/T)     11.4     13.0     氧的最大总流量(Nm3/h)     1800     3200     喷氧的最大速度(m/s)     252     113