本发明涉及一种在熔融还原容器中，自金属氧化物和矿石，如铁矿石，包括部分预还原的矿石和含金属氧化物的渣生产金属和金属合金，特别是铁和铁合金的方法，在该容器中细颗粒固体，如碳、含碳燃料、金属氧化物、造渣剂和/或它们的混合物，及氧化气体，如氧、空气和含氧气体在熔池表面之下和/或从其上方导入金属液，本发明还涉及用于实施该方法的熔融还原容器。 近年来，大量涉及钢铁生产的新工艺已为公众所知。这些方法共同之处是都用常规质量的煤全部代替较贵的高炉焦炭，及或是在预还原步骤之后，不然直接就在铁水反应器中还原铁矿石。
通过利用来自铁熔池的反应气体在该铁水反应器的气体空间中的二次燃烧，使得某些这类新方法变得更为经济。由于煤在铁熔池中燃烧成一氧化碳期间所发的热仅可达到其发热值的三分之一，所以最大限度地使来自铁熔池的反应气体CO和H2在熔池上方的气体空间中二次燃烧对这类工艺的热效率是有益的。但反应气体二次燃烧的缺点是：所产生的废气不能用于预还原。欧洲专利申请NO.0126391通过一种组合工艺克服了这一缺点。该工艺包括一个矿石预还原步骤，如竖炉，以及一个熔化气化器，在其中从铁水中逸出的反应气体至少部分地被二次燃烧，所产生的热大量地传给熔体，然后在该反应气体向预还原容器的通道上输送时，用还原剂将该反应气体还原，并同时将之冷却至最佳还原温度。
德国专利NO.3607774和NO.3607775涉及了铁矿石的熔融还原方法，并以在熔融还原容器中使反应气体地二次燃烧优越的性能为特点。例如，这些专利公开了使用温度为800℃-1500℃的热空气以及多级的二次燃烧。
德国专利NO.3903705叙述了一种首次使有选择地控制二次燃烧成为可能的方法及相应的设备。这种二次燃烧气流以涡流被吹到熔池表面上，而二次燃烧的程度可通过改变涡流值而变化。
尽管上述新方法是在特殊形状的熔融还原容器，如一种鼓型反应中进行的，而还有一些可在常规的炼钢转炉，如具有底吹风咀的LD转炉（BOF）或OBM/KMS转炉中操作的方法也是已知的。基于这一技术的熔融还原法已由例如日本的Kobe Steel和Kawasaki和欧洲的British Steel、Klockner-Werke及Krupp成为公知。
德国专利No.3607776涉及了一个所有熔融还原法都共同遇到的难题，即如何处理来自熔融还原容器的废气流中的液体和固体，例如铁滴，以使之不会在该容器开口处及在随后的管道中造成不希望有的粘结和沉积。在该专利中所公开的解决方案是：将带入废气流的铁滴在废气道中保持在铁滴的凝固温度以上，然后再于单独的空间中将废气冷却至1000℃以下。
本发明涉及到提供一种在熔融还原容器中从金属氧化物和矿石，如铁矿石包括部分预还原的矿石和含金属氧化物的渣生产金属和金属合金，特别是铁和铁合金的方法，该方法可在废气离开容器之前，自废气中分离出高比例的，存在于熔融还原容器的熔池表面上部空间中的废气里的液体和固体，以便减少离开该熔融还原容器的废气流中的液体和固体的损失，从而改善生产金属和金属合金，特别是铁和铁合金的熔融还原法的经济性。
本发明的主题是一种在盛有金属液的熔融还原容器中，从金属氧化物和/或矿石，如铁矿石，包括部分预还原后的矿石和含金属氧化物的渣生产金属及金属合金，特别是铁和铁合金的方法，金属氧化物和/或矿石以细粒状供入此容器，而含碳燃料和氧化气体，如氧、空气和含氧气体以及必要时加入的造渣剂则在低于和/或高于熔池表面之处另外导入该金属液中，在容器中形成的废气则通过一出口排放，该方法的特征是：通过使熔池表面上方空间中的废气、氧化气体，液体和固体绕容器的垂直轴旋转，借此迫使液体和固体向外趋向于容器壁来减少通过废气出口的液体和固体的损失。
本发明的主题是一种在盛有金属液的熔融还原容器中，从金属氧化物和/或矿石，如铁矿石，包括部分预还原后的矿石和含金属氧化物的渣生产金属和金属合金，特别是铁和铁合金的方法，金属氧化物和/或矿石以细粒状供入该容器，而含碳燃料和氧化气体，如氧、空气及含氧气体以及必要时加入的造渣剂在低于和/或从高于熔池表面处另行导入该金属液中，在容器中所形成的废气则通过一个出口排放，该方法的特征是：通过使熔池表面上方的空间中的废气、氧化气体、液体和固体绕容器的垂直轴旋转，借此迫使液体和固体向外趋向于容器壁来减少通过废气出口的液体和固体的损失，其特征还在于：细粒矿石和/或其它的金属氧化物（它们也可是经部分预还原的）由熔池的上方直接供入金属液中。
本发明的主题还是一种用于从金属氧化物和/或矿石生产金属和金属合金，特别是铁和铁合金的熔融还原容器，该容器包括熔池表面之下的风咀、熔池表面上方的顶吹风咀和/或喷枪，以及一个废气出口，该容器的特征是：至少在熔池表面上方的空间，该容器基本上是轴对称型的。
本发明的基本特点是：熔池表面上方空间中的废气、氧化气体、液体和固体的旋转轴与熔池表面垂直。这种流动模式与在已知的熔融还原容器中进行的方法所产生的流动模式显著不同。在现有技术的熔融还原法中，氧化气体通常垂直地，或以小倾角吹向熔池表面。产生的废气向上朝顶吹气流流动，并部分被顶吹气流裹带，因而被向下导向熔池表面。在熔池上方空间范围内形成的流动模式，大致是绕水平轴旋转，即绕平行于熔池表面的轴的旋转。
在熔池表面上方空间中的气体气氛是氧化性的。如果用预热过的气体作为二次燃烧的氧化气体，则此气氛基本上由离开金属液的反应气体，主要是CO和H2、二次燃烧后的气体CO2和H2O和空气中的氮构成。以下的分析示出了典型的气体组成：16%CO、10%CO2、4%H2、10%H2O和60%N2。
在熔池表面（及浮在其上的渣层）和熔池上方空间之间有一紊流过渡区。在此过渡区中有上升的金属液和熔渣的液滴和溅沫，它们与来自熔体的反应气体、顶吹的氧化气体以及来自二次燃烧的反应气体混合。可以想见在此过渡区中气体或液体的量或多或少是均匀分布的。
可通过调节吹在熔池表面上的反应剂和在熔池表面以下喷入熔体的反应剂的比来将过渡区的高度控制在一定限度内。例如，可通过提高该比例，即通过增加在金属液表面上所加入的反应剂相对于经熔池表面以下的风咀加入的反应剂的相对量来提高过渡区的高度。金属液和熔渣的液滴和飞沫（及粉尘）由过渡区移至其上方的空间，而相当小的液滴和溅沫则成悬浮体被此空间中的强紊流气流保留在该处，较大的液滴和溅沫则因重力落回熔池。
熔池表面上方空间中的液体和固体量的变化是很大的，而且这取决于铁水反应器的操作方式。本发明的方法可将该操作方法所需的反应剂在熔池表面以下和/或其上方加入。例如，全部固体，如含碳燃料、金属氧化物和/或矿石、预还原的矿石以及造渣剂可随载气，如氮、氩、CO、CO2或来自熔融还原容器的返回脱尘后的反应气体通过熔池表面以下的风咀导入金属液。此外，一部分氧化气体，如氧，可在熔池表面以下引入熔体。已经发现，当该金属液反应器以这一方式运行时，由于全部固体和约30%的氧化气体是在熔池表面以下供入此金属液的，所以熔池表面上方空间中的液体和固体的量就随着过渡区高度增加。
在本发明的方法中，通过改变反应剂的供入方式可减少液体和固体在熔池表面上方空间中的排放。这证明了将含碳燃料和造渣剂在熔池表面以下加入金属液和将氧化气体吹在熔池表面上是有效的。矿石也可在熔池表面以下以细粒状加入。
已意外地找到一个对本发明特别有益的实施方案，此方案是将细粒矿石和/或也是粒度极细的经部分预还原的矿石直接吹在熔池表面上。这种自熔池表面上方的风咀或喷枪供应矿石的方式使得废气中的粉尘负荷率比在熔池表面以下供应矿石的粉尘负荷率低。将金属氧化物或矿石同时在熔池表面以下和其上方供入金属液的方式也在本发明范围之内。
按本发明的一个较佳实施例方案，氧化气体，如氧、空气、含氧气体及其任何的混合物，以倾斜于通过容器的垂直轴的一个垂直平面的方向吹向熔池表面。
按本发明的一个特别优选的实施方案，至少一部分氧化气体是通过这样一个风咀吹向熔池表面的，该风咀是这样定位的：它与两个相互正交的假想的垂直平面中的每一个成10°和80°间的倾角。氧化气体方向和该垂直平面的空间定位在下面说明。以通过喷咀的实际位置的一个径向上的垂直平面开始，第一倾角是该风咀的轴线与这一径向平面中的该垂线所形成的角。第二平面与该径向平面沿该熔融还原容器的垂轴相垂直。第二倾角是该风咀的轴与第二平面所形成的角。实际上可通过假想使在第一平面中的该风咀的轴朝容器的壁转动来描述该风咀的定位。
选择在前段中所述的本发明的较佳实施方案的顶吹氧化气体的方向，以使顶吹氧化气体旋转，并且还将此旋转运动传递给熔池表面上方空间中的气体、液体和固体。即使在通常的条件下，熔池表面的上方空间经受在废气出口方向上的流动模式，而由于在熔融还原容器中的高反应速率及巨大的能量转移，这种模式又是强烈的紊流，该旋转运动仍然发生。已知，与其它的冶金方法相比，在熔融还原法中，能量转移密度，即以最小的几何体积除最大的能量转移，是非常高的，一般在1MW/m3的范围内。
在熔池表面上方空间中的这种旋转运动对通过废气出口的，来自熔融还原容器的液体和固体的损失产生了意外的有利结果。当来自熔融还原容器的废气中的粉尘负荷率通常约为40g/Nm3废气时，用本发明的方法则将该值降低至小于10g/Nm3废气，在很多情况下降至5g/Nm3，而在铁水反应器中经几小时运行降至约1g/Nm3了。
对于本发明方法的这一有利效果的可能的解释是：旋转运动叠加在熔融还原容器的熔池表面上方空间中正常存在的强烈紊流运动上产生了一种流动模式，该模式增加了空间中的固体和液体的碰撞频率，并因离心力使固体和液体向容器壁加速。碰撞使液体和固体聚结而形成较粗的颗粒，这些粗颗粒又落回熔体中。到达容器壁的剩余的粗颗粒和细粒固体和液体粘附于此处，借此减少了废气中的液体和固体的比例。
本发明的一个优选实施方案是以倾斜于通过容器垂轴的垂直平面的涡流将氧化气体吹入熔池表面上方的空间中。氧化气体的涡流有助于进一步增强该旋转运动，改善此空间中的流动模式以及促进来自金属液的反应气体的二次燃烧。已证明，采用与本发明的这一实施方案相结合的德国专利NO.3903705的方法和设备是有益的。
本发明方法中的废气速度测定表明通过废气出口离开熔融还原容器的废气速度约为10-150m/sec。当将本发明的方法用于铁水反应器中时，在出口处测得的废气速度平均值约为80m/sec。
按照本发明，在熔池表面上方空间中的旋转运动的平均速度预计在2和50m/sec之间。要注意，此平均速度以在2和15m/sec之间为佳。
按照本发明，熔融还原容器包括一个顶吹装置，如风咀和/或喷枪，该装置与穿过容器垂直轴的一垂直平面相倾斜（它也可以与熔池表面垂直），并至少处于静止的熔池表面以上0.5m处，而且在本发明的一种可能的布置中是以切线指向熔池表面。包括一个或多个风咀或一个喷枪的顶吹装置将所有的磨细的固体，如矿石和/或金属氧化物、部分预还原的矿石及造渣剂以及含碳燃料输至金属液中。将细粒的金属矿石和/或部分预还原的金属矿石吹入熔融还原炉也在本发明的范围之内。可按需要选择预热温度，而通常在300℃-800℃之间。通过将固体预热而引入的能量改善了本方法的总热效率。
本发明的熔融还原容器还包括熔池表面以下的风咀、一个废气出口孔以及金属液和熔喳的排出口。已证明，如果金属液反应器的几何形状，特别是在熔池表面以上的区域是轴对称的，则有利于本发明的方法。然而，这一有利的形状对使用本发明的方法而言不是先决条件。这仅是一种推荐的容器形状。
最好熔融还原容器在金属表面以上有一个足够大的空间。已证明，空间高度至少为金属液深度的两倍是有益的。是金属液深度的2-10倍则更好，而最好是3-6倍。
现在参照附图于下面更详细地说明本发明的方法和熔融还原容器，附图展示了熔融还原容器的一个较佳实施方案的简化示意纵剖面图。
容器1包括一个在其内侧衬有耐火砖的钢板外壳。容器1盛有金属液2，在其上面浮有一层渣。磨细的固体与载气及气态反应剂一起经由以箭头所示的底部风咀3供入熔体2。风咀3通常由两根同心管构成，反应气体最好通过中心管导入，气态的风咀防护剂通常是碳氢化合物，如天然气或丙烷，则通过两管间的环缝流过。也可使用惰性气体，如氮或氩作为风咀防护剂。
顶吹装置4也以箭头表示。螺旋箭头5表示经风咀4吹向熔池表面上的氧化气体涡流。箭头6代表旋转气流。按本发明，气流向左还是向右旋转是无关紧要的。
金属液2上方空间中的液体和固体因离心力以朝容器内壁8的方向被加速。
容器1在上部区域还有一个锥形体9，以便将大的金属液飞溅物留在容器1中。
容器1还具有一个废气口10，以箭头11表示的废气通过该口离开此金属液反应器。
附图未示出使容器1由所示的操作位置转向水平位置的轴。在水平位置，全部风咀3和4都位于熔池区的上方。