采用不同精炼氧顺序的金属精炼方法 【技术领域】
本发明大体上涉及金属精炼，其中从熔融金属表面的上方向熔融金属供氧。本发明尤其可用于钢的精炼方法，例如碱性氧气转炉炼钢法。背景技术
在金属精炼，如采用碱性氧气转炉炼钢法(BOP)生产钢的过程中，氧被供给到金属熔池中以与熔融金属的组分发生反应，一些熔融金属被结合到熔渣中，熔渣和熔融金属一起构成了熔池。这些反应向熔融金属提供热量，以帮助金属保持在熔融状态，也除去不希望有的组分，以得到最终产物所需的熔体化学成分。
氧可以从熔池表面的上方提供给熔池，例如在BOP操作中，或者可以从熔池表面的下方提供给熔池，例如在快速碱性氧气转炉炼钢(Q-BOP)操作或氩-氧脱碳(AOD)操作中。
从熔池表面的上方向熔池提供氧比从熔池表面的下方向熔池提供氧更简单和便宜，这是因为埋入式氧气喷射产生了苛刻的环境，并且需要使用惰性或烃类遮蔽气体(shroud gas)来保护风口，因此，后者的生产方法增加了耐火材料损蚀，需要频繁地更换埋入式喷射装置，如风口。由于耐火材料的消耗大，遮蔽气体和更换风口的成本高，以及由必须更换风口而引起的停工，使得生产成本很高。
然而，由于在顶部喷射操作中金属熔池的混合不够，因此在金属精炼中氧气的顶部喷射没有底部喷射有效。这通常会导致顶吹金属精炼法地产量低于类似的底吹法。例如，与底部吹氧转炉炼钢法如Q-BOP相比，顶部吹氧转炉炼钢法如BOP由于用来使金属和炉渣充分混合的气体搅拌能量不足，因此铁和锰的产量较低。另外，与Q-BOP相比，BOP由于在精炼工艺后期所溶解的氧含量较高，因此用于钢脱氧的铝的消耗量较高。
一种针对这个问题的方法是从熔融金属表面的上方和下方同时喷射氧。这稍微减少了一些与从熔融金属表面下方喷射氧和频繁更换风口有关的成本，但这又要以需操作两套单独的供氧系统为代价。另一种针对这个问题的方法是只从距熔融金属表面上方很短距离处将氧喷射入炉子的顶部空间，以提供金属和炉渣另外的混合，至少对于一部分氧喷射时期是如此。然而，由于增加了氧气喷管的磨损，这种方法仍不能令人满意。
由于世界上约60％的钢都是由BOP生产的，因此对顶部喷氧方法如BOP的任何改进都是十分需要的。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于精炼金属的改进的方法，其采用了从熔融金属表面上方向熔融金属供氧，可以向金属熔池提供有效的气体搅拌能量，而不会损害氧气喷管的整体性。发明内容
在阅读了本发明后，本领域技术人员将清楚上述目的和其它目的，这些目的由本发明来实现。本发明为：
一种精炼金属的方法，它包括：使含有硅和碳的金属熔池与含氧气流接触，接触时间足以精炼所述熔融金属和对其进行脱碳，从而达到目标金属纯度，其中所述气流包含至少约80％摩尔的氧，所述气流由出口直径为d的喷嘴提供，其中所述接触发生在第一和第二阶段，所述第一阶段构成了约占整个接触时期的10到90％的初始时期，其特征在于，所述气流的超音速喷射长度小于30d，其与所述熔融金属的接触面积较宽，所述气流被气体罩围绕，所述气体罩包括第二含氧气体和惰性气体，所述第一阶段进行到所述金属熔池中至少50％的硅被氧化为止；所述第二阶段基本构成了所述整个接触时期的剩余时间，其特征在于，所述气流的超音速喷射长度大于约30d，其与所述熔融金属的接触面积较小，所述气流被火焰罩围绕，所述第二阶段进行到所述熔融金属被脱碳从而基本达到目标残余碳含量为止。
本文中所用的术语“顶部空间”是指位于静止熔池表面之上且由金属精炼炉的顶部开口所形成的平面之下的空间。
本文中所用的术语“连贯射流”是指沿其长度具有基本恒定的直径的气流。
本文中所用的术语“脱碳”是指通过使碳和氧发生反应形成一氧化碳或二氧化碳而从熔融金属中除去碳。
本文中所用的术语“超音速喷射长度”是指从喷嘴中喷出的射流长度，其中，在环境大气条件下测量时其轴向速度为超音速。
本文中所用的术语“轴向速度”是指气流在其轴向中心线上的速度。
本文中所用的术语“喷射力”是指射流的计算渗透力，其与气体密度和气体速度的平方的乘积成比例，所述气体速度是在由原始喷嘴面积限定的气流面积内积分得到的，原始喷嘴面积等于πd2/4。
本文中所用的术语“环境大气条件”是指温度在0到100华氏度范围内的环境空气。对于本发明的目的来说，在这里有用的气体射流23和30是这样的气体射流：当在环境大气条件、典型测试条件下测量时，其满足在这里设定的在射流长度为30d处的轴向速度和喷射力保持性的标准。在这里，在射流长度为30d处的轴向速度小于1马赫、喷射力小于初始喷射力的20％的气体射流被称为具有“较大的与熔融金属的接触面积”，在射流长度为30d处的轴向速度大于1马赫、喷射力大于初始喷射力的50％的气体射流被称为具有“较小的与熔融金属的接触面积”。
本文中所用的术语“典型测试条件”如下所述。在露天测试装置中描述气流的特征。形成射流并将其喷射到环境大气中，射流的结构(structure)由皮托管来探查。皮托管测量流动气体的动态压力，从中可以确定各种射流性能。这种探针能够在三维中移动，允许描述所有的空间特性。通常只探查一个射流。假定未探查的射流与所探查的射流相同。所进行的测量是：1)轴向动态压力分布(沿中心线)和2)径向动态压力分布(取不同的轴向位置)。通过众所周知的气体动态关系从皮托管的测量中计算马赫数、速度和力分布。附图说明
图1是表示本发明金属精炼方法的第一阶段或轻吹(soft blow)时期的代表性图；
图2地表示本发明金属精炼方法的第二阶段或强吹(hard blow)时期的代表性图；
图3是本发明操作中采用的喷管的一个优选实施方案的顶视图。
图中相同元件采用相同的标号。具体实施方式
下面将参考附图和在BOP中的使用来详细介绍本发明。
图1表示碱性氧气转炉20，在炉中精炼炉料21以生产钢。炉料通常包括熔融铁，如来自高炉的热金属，钢屑，和造渣剂如石灰、白云石石灰或氟石。炉料通常具有的硅浓度为约0.05到2.0％重量，碳浓度为约4到4.5％重量。
在整个吹氧时期的第一阶段或轻吹时期，精炼氧从氧气喷管22以一股或多股气流23被喷射入炉20的顶部空间24中。在图1所示实施方案中，采用了多股气流23。在整个吹氧时期的第一阶段中，含至少约80％氧，优选含纯氧的含氧气流以氧气射流23的形式喷出，提供较大的与金属熔池表面的接触面积。如下面将详细介绍的，在氧气精炼方法的第一阶段中，希望气流与金属熔池表面和任何未熔钢屑的接触面积较大，以便促进FeO和SiO2的形成，这会降低炉渣的熔点，并释放出与这些反应有关的热量，促进熔池的熔渣部分的快速熔化和形成。在炉的顶部空间内一些喷射入的氧气和CO发生反应，还产生了另外的热量，用于快速形成熔渣和熔化另外的钢屑。气体射流23通过拉瓦尔喷嘴喷出，拉瓦尔喷嘴具有缩口部分、喉颈部分和出口直径为d的扩口出口部分，其喷出速度超过1马赫，通常在1.5马赫到2.5马赫之间。为了增加氧气射流23中周围空气的带走量从而拓宽这些射流的接触面积，气体射流23由气体罩25所围绕，气体罩包括第二含氧气体和至少一种惰性气体。优选惰性气体是氮气。其它可以用在本发明操作中的惰性气体包括氩、二氧化碳和氦。第二含氧气体和惰性气体的流量通常都在所有气体射流23的总流量的2到10％的范围内。氧气射流23与周围空气相互作用，形成了一个紊流混合区域，在此区域中周围空气被带走，并使氧气射流23的喷射速度和喷射力损耗，使得在环境大气条件下、在距喷嘴出口30d处，气体射流23的轴向速度小于1马赫，喷射力小于喷嘴出口处的初始喷射力的20％，优选小于10％。喷射力的损耗是对如下程度的一种衡量，即气体射流23扩展，从而渗透性变小，以及提供更大的表面接触面积，与周围大气、未熔钢屑和熔池表面发生化学反应的程度。
氧气射流23在从喷管22喷射到顶部空间24时具有超音速，但由于在将精炼氧气流与炉子顶部空间的空气隔开的气体罩中存在惰性气体，气流23的速度下降地很快，在气流23到达金属炉料21的表面之前速度就降到比音速低很多。各气流23的超音速喷射长度小于30d。由于气流23的速度降到音速以下，各气流23以约为10度的半角向外扩展，其直径增加，形成了柔软，即渗透性小的气流，其与周围空气和熔池表面的表面接触面积较大。由于顶部空间含有可氧化的物质如一氧化碳，如果惰性气体流不是紧靠着精炼氧气流，精炼氧气流就容易发生限制性燃烧反应(confining combustionreaction)，这将抑制扩展。
在吹氧时期的该第一阶段或轻吹时期中或之前，熔剂如石灰和白云石被添加到炉料中以达到所需的炉渣化学成分，并中和形成的二氧化硅。轻吹氧气流与炉料表面的更多部分接触，更快和更均匀地与炉料内的碳、硅和其它金属成分反应，熔化熔剂，在熔融金属表面上方的顶部空间内形成熔渣26。熔渣具有所需的化学成分，可保护炉衬和促进杂质，例如磷和硫的去除。另外，轻吹氧气流比较不可能被未熔钢屑反弹(reflect)，未熔钢屑可以在吹氧时期的初期出现，能够引起喷管或炉衬的损坏。另外，轻吹氧气流的扩展特性使其可以带走气流23中的大量顶部空间内空气。顶部空间内的空气含有较高百分比的一氧化碳，一部分被带走的一氧化碳和气流23中的氧气一起燃烧，形成二氧化碳。由该燃烧释放的热量增加了可被熔化的钢屑的量，这就降低了成本并提高了生产率。在该初始阶段或轻吹时期，包含在气体罩25中的另外的氧气也可以和一氧化碳反应，进一步增加产生的热量。第一阶段或轻吹时期继续进行，直到熔融金属中至少50％、优选至少75％的硅被氧化并转化为二氧化硅为止。
吹氧时期的第一阶段或轻吹时期之后是第二阶段或强吹时期。通常来说轻吹时期占开始的轻吹时期和其后的强吹时期的总时间的前10到90％，优选前20到80％。从轻吹到强吹的过渡时期取决于气体控制系统的响应时间，通常在5到90秒的范围内。
图2表示本发明的方法在第二阶段或强吹时期中的操作。本发明的一个重要优点是，在强吹时期喷管22不需要象在传统的BOF操作中一样接近熔池表面，同时仍能得到很高的混合能量。
现在参考图2，在第二阶段或强吹时期，精炼氧从喷管22以一股或多股气流30被喷射入顶部空间24。在图2所示实施方案中，采用了多股气体射流30。气体射流30通过拉瓦尔喷嘴喷出，拉瓦尔喷嘴具有缩口部分、喉颈部分和扩口出口部分，其喷出速度超过1马赫，通常在1.5马赫到2.5马赫之间。和第一阶段中在围绕气体射流的罩中提供氧气和惰性气体不同，在第二阶段，围绕气体射流30提供氧气和可燃流体。该氧气和可燃流体燃烧，形成了围绕气体射流30的火焰罩-31。选择氧气和可燃气体的流速以产生火焰罩，使气体射流30中周围空气的带走量最小，并使这些射流的轴向速度、动量和混合能量的保持性最大。通常来说，各气流将占所有气体射流30的总流量的2到10％的范围内。火焰罩31在气体射流30和顶部空间24中的空气之间形成屏障，因而使得顶部空间24内的空气不被带入气体射流30中。因此，在优选的实施方案中，当在环境大气条件下进行测试时，气体射流30在距喷嘴出口30d处的轴向速度的特征为轴向速度大于1马赫，基本等于气体射流30的设计喷出速度，喷射力大于喷嘴出口处初始喷射力的50％，优选大于70％。在第二阶段中这个较大的射流轴向速度和喷射力的保持性是对如下程度的一种衡量，即射流30保持它们的能力，以非常大的动量冲击熔池表面的较小面积，从而向熔池传送较大的混合能量的程度。气体射流30的较大混合能量提高了金属熔池的脱碳，从而提高了精炼过程的效率。
各气体射流30从喷嘴中喷入顶部空间，喷嘴通常是出口直径为d的缩口/扩口喷嘴。各气体射流30将具有至少为30d，最大到50d或更大的超音速喷射长度。而且，各气体射流30将是连贯的，并且至少在从喷管22到炉料21表面的喷射顶部空间的一段距离上保持连贯。通常来说，各气体射流30将是连贯的，并且由喷管22上的喷嘴喷射到顶部空间的至少30d，最大到50d或更大的距离上保持连贯。气体射流30可具有超音速喷射长度，并在从喷管到熔池表面的顶部空间的整段距离上基本保持连贯。
在强吹时期，氧气射流的超音速轴向速度和连贯特性使得氧气射流能以非常大的动量冲击金属熔池表面的较小面积，此面积小于第一阶段中的接触面积，因此使通过气体射流传给熔融金属的可利用的混合能量最大并集中。这在图2中通过氧气射流进入熔融金属的较深渗透32表示。这就使得提高了炉渣金属的混合，降低了炉渣中的氧化铁和/或在精炼的金属中所溶解的氧，提高了产量，减少了飞溅和喷溅，提高了生产率，降低了精炼的金属中的碳含量。整个精炼或氧接触时期的第二阶段继续进行，直到金属熔池被脱碳，从而基本达到目标碳含量为止，目标碳含量通常约为0.03到0.15％重量。
在第二阶段或强吹时期的最后，喷管从炉内抽出，精炼氧射流、氧化剂和用于火焰罩的可燃流体均关闭。然后将炉倾斜，以便将精炼钢倒入盛钢桶中。加入合金和脱氧剂，如铝和硅，得到所需的成品钢化学成分，并去除不希望有的溶解在钢中的氧。
图3表示可用于进行本发明方法的喷管头的一个优选设置。现参考图3，图中显示了位于喷管22的表面7上的四个氧气喷嘴5。在本发明的操作中优选使用1到6个，最优选3到5个氧气喷嘴，各氧气喷嘴提供一股轻吹气流，之后再提供一股强吹的超音速连贯气流。优选以相对于喷管的中心线向外的角度对氧气喷嘴5进行定位，该角度可在约6到20度的范围内。如图3所示，优选氧气喷嘴5被设置在喷管22的表面7的一个圆上。在本发明方法中的开始的轻吹和其后的强吹时期，氧气流均从喷嘴5中喷出。
在喷管22的表面7上还设有内环孔8和外环孔9。如图3所示，优选在喷管表面的各个半径上将外孔9与内孔对准。各内环孔和外环孔绕氧气喷嘴成圆形排列。在开始的轻吹时期，氧气从外环孔9中吹出，而惰性气体如氮气从内环孔8中吹出，形成了包围轻吹气流的气体罩，并使轻吹气流扩展。穿过外环孔9的氧气是包括了至少80％摩尔氧的流体。在轻吹时期的最后，流经内环孔8的惰性气体被停止，而代之以可燃流体，如燃料。优选的燃料是甲烷或天然气。其它可以在本发明的操作中使用的燃料包括丙烷、丁烷、丁烯、氢、焦炉气和油。燃料和由外环孔9提供的氧气混合且燃烧，形成了火焰罩，其包围了强吹氧气射流，并当氧气射流从喷管喷到金属熔池表面时，使其至少在一部分距离上保持连贯和处于超音速状态。
虽然在上文中通过参考一些优选实施方案并结合BOP操作对本发明进行了详细的介绍，但本领域的技术人员将认识到，在权利要求的精神和范围内，本发明还具有其它实施方案。例如，本发明可以用于表面下喷射方法，如Q-BOP和AOD方法。而且，可以使用由围绕精炼氧喷嘴的单环孔构成的供气装置，其中惰性气体或可燃流体和氧气交替地通过该供气装置的孔。而且，可以采用其它的供气装置，如用围绕精炼氧喷嘴的环形或环状开口代替图3所示的孔8和9的环。