浮渣量小的铝熔炼方法 广义上讲，本发明涉及铝熔炼方法，该方法尤其适用于铝的循环使用或铝的回收。
近年来，由于立法的影响和制铝工业旨在降低能耗和投资方面的努力，已大大提高了废铝或铝碎屑的循环使用或回收量。有约一半的废铝来自制铝废料。但是，来自废饮料罐的废铝量已迅速增大，因此要求有新的熔炼方法和制铝能力。
为了提高循环使用或回收的经济效益，已在铝熔炼炉的设计和操作上作了大幅度的改进。更好地控制温度设定点和燃烧的化学计量已提高了燃料效益。通过改进操作实践也已在某种程度上减小了加热期间铝表面的浮渣，即氧化物生成量。但在直接火焰炉中，由于炉内气氛中存在氧化性气体，尤其是存在氧气和从直接火焰燃烧器出来的燃烧产物，所以使浮渣的进一步减少受到限制。更具体地讲，直接火焰炉的炉内气氛中含有CO2，H2O和O2，该气氛中不断送入铝进料。在用空气作氧化剂时，CO2，H2O和O2的总浓度一般为约30％。铝熔炼期间形成的大部分浮渣据认为是因为与这些氧化性气体接触所致。虽然已合理地充分认识到了熔体温度，熔体组成和炉内气氛对氧化速度的影响，但对于所形成的浮渣量的减少仍然受到限制。
在用辐射管加热铝进料的非直接火焰炉中采用受控气氛可大幅度减少氧化损失。但这类炉的传热速度低，辐射管受腐蚀并且投资大和维修改保养费用高又使其不经济。
因此，仍需要可大幅度减少氧化损失和浮渣生成量并又不会大幅度增加损资或生产成本的直接火焰铝熔炼方法。
本发明涉及在直接火焰炉中熔炼铝进料地改进方法。将该进料引入炉中并使其受到放在进料上的一或多台直接火焰燃烧器的辐射加热作用。将非氧化性气体从直接火焰燃烧器和铝进料之间引入以在进料附近形成气体层，该气体层可将进料与包括直接火焰燃烧生成的燃烧产物的常规炉内气氛分隔开。与不存在该气体层时进行的氧化过程相比，该非氧化性气体层具有减少进料氧化程度的组成。
图1是按本发明进行气体分层的铝熔炼炉系统的简化示意图。
图2示出了用于直接火焰炉的氧气-燃料类型燃烧器例子。
图3示出了实施例所述炉。
图4示出了实施例所述辐射类型燃烧器。
图5是实施例所得结果图，其中示出了对于1.13″或2″内径管而言，CO2＋O2＋H2O的体积％浓度随氮气流量(英尺3/小时)的变化情况，该实施例中使用了1，3或6根管注入氮气。
图6是实施例所得结果图，其中示出了对于氧气-燃料类型燃烧器和辐射类型燃烧器而言，CO2＋O2＋H2O的体积％浓度随N2与天然气之比而变化的情况。
图7是实施例所得结果图，其中示出了周废饮料罐(UBC)进行氧化试验的结果，该实施例表明了本发明减少浮渣生成量的优点。该图中示出了wt％(重量百分比)增重随炉中温度(°F)变化的情况，其中包括用氧气/燃料类型燃烧器的分层系统(“STRATIFIED O2-FUEL”)，用空气燃料燃烧器的未分层系统(“NORMAL AIR-FUEL”)和用氧气/燃料燃烧器的未分层系统(“NORMAL O2-FUEL”)。
本发明涉及对直接火焰铝熔炼炉中气氛加以分层以在加热和熔炼铝的过程中获得有利的结果。所谓“分层”(“stratification”)，是指在炉内的一或多台直接火焰燃烧器和铝之间设置炉内气氛隔离层，该层用于隔离或保护铝，使其基本上不受炉内燃烧产物的影响。该层具有减少铝进料在未被隔离时会发生的氧化程度的组成。向炉内引入非氧化性气体或非氧化性气体混合物即可形成这种隔离层。在非氧化性隔离层之上并含有大量燃烧产物的气氛分层称为“燃烧层”。
非氧化性层或分层和燃烧气体层或分层将在一定程度上相互混合，因此两层之间无需，而且通常亦不会完全区别开。不过，由于引入了非氧化性气体并且形成了非氧化性层，所以铝进料的氧化可得到控制，其方式基本上与燃烧层的组成和氧化性无关。含有这种分层气氛的炉基本上保留了直接火焰炉的优点(如传热速度高并且成本低)，同时又可控制进料受氧化的气氛。
图1示出了“分层或隔离”炉气氛，其中包括两层：燃烧层和非氧化层。燃烧层含有高浓度来自燃烧器的燃烧产物，即从燃烧器排出的CO2＋O2＋H2O，这些燃烧产物对铝而言是氧化性的，但对非氧化性分层而言就不是氧化性的。非氧化层对于铝进料基本上是惰性的或是还原性的并且会保护铝进料不受那些燃烧产物的影响。本发明实践中所用惰性气体例子包括氮气和氩气。氮气特别有利，因为其成本低并且对环境影响或冲击小。但氩气可更好地保护进料，使其不致于氧化，因为氩气比空气重，因此不容易与燃烧器燃烧产物混合。可用于本发明的还原性气体例子包括氢气，甲烷和其他烃。这样引入惰性或还原性气体可减少作为浮渣，即铝表面因氧化形成浮渣而损失的铝量。
在循环铝量大并且作为浮渣而损失的金属铝量亦明显的典型循环炼铝操作中，这会是一大优越性。
一般来说，可有利地尽可能地减小未受控的燃烧层气氛与受控的非氧化层气氛之间的混合程度。这意味着在很大程度上避免了来自直接火焰燃烧器的燃烧产物混入非氧化性气体的可能性。在铝进料表面附近可将氧化性气体量减少到无隋性气体时同样气体量的50％以下。更优选的是，可将氧化性气体减少到无隋性气体存在时同样气体量的10％以下，最优选是减少到5％以下。通过选择非氧化性气体的组成，调节其流量和速度，有效地将炉废气或烟道气定位以及有利地调节非氧化性气体引入点与进料和燃烧器之间的相对位置和取向即可达到上述减少氧化性气体量的目的。
可对非氧化性气体的流通量(流量)加以调节以使氧化性气体量的减少程度符合要求。一般来说，非氧化性气体流量越大，则氧化性气体量减少程度越高。不过，由于因此要求更大量的燃料和附加的非氧化性气体费用，所以通常要在接近进料的环境中允许的氧化性条件和非氧化性气体流量之间寻求折衷方案。优选可使氧化性气体量减少程度符合要求的最低流量。
在本技术领域里的普通技术人员所知的限度内，亦可对来自燃烧器的气体流量和速度(及其速度)加以选择以减少进料附近的氧化性气体量。例如，可优选低速类型燃烧器，因为其低速可减少燃烧产物与非氧化性层的混合程度。本技术领域已众所周知，预混合的辐射类型燃烧器就是这种低速类型的燃烧器。但是，尽管辐射类型燃烧器一般排出极低速度的燃烧产物，但燃烧器的表面温度却受到火焰前沿后移到多孔辐射元件中并引起该元件过热时产生的逆燃烧的限制。
本发明炉中最优选应用低速叠层火焰类型氧气-燃料燃烧器。这种燃烧器的非限制性例子已示意性地示于图2中，并且在下述实施例中会进一步说明。图2所示燃烧器21是典型的这类燃烧器。该燃烧器中有两根入口管，分别用于燃料23(通常为天然气)和氧气或富氧气体25。燃料和氧气分别从上一排和下一排出口管27和24出来。可用这种燃烧器产生叠层火焰，以尽可能减小燃烧产物与隋性气体的混合程度。
叠层火焰可在低速下获得并且在燃料射流的雷诺数(Re)达到2000-10000的情况下会向涡旋火焰过渡，这要根据所用燃料类型而定。对于甲烷，在大约Re＝3000的情况下过渡。即使在应用叠层火焰时，大部分炉内物流场倾向于变成涡旋流场并且燃烧气体和非氧化性层之间的大规模混合会因涡旋混合过程而受到控制。在应用涡旋火焰时，火焰和周围气体间的混合会更为迅速，并且一般要求在非氧化层中有更大量的非氧化性气体才能达到相同程度的分层或隔离作用或效果。
引入炉的非氧化性气体速度应不超过50英尺/秒(fps)，优选低于20fps。
炉内烟道或排气口的位置对于尽可能减少混合也很重要，其中可从燃烧层(以及从非氧化层)中排出气体，同时又不会使两相出现明显的混合。更优选将烟道位置定在炉顶内或附近，如直接设在燃烧器以上。确定具体炉的优化烟道位置可能要求作一些试验。应用一个以上的烟道口也可能是符合要求的，如在非氧化性气体引入位置或其左右位置上增加另外的烟道口，从而单独排出一些非氧化性气体。
在燃烧器以下垂直方向上的任何位置将非氧化性气体引入炉中。一般来说，优选使非氧化性气体注入点接近铝进料表面以增大非氧化性气体和燃烧器间的垂直距离，从而尽可能减少非氧化层和燃烧层的混合。优选的是，经过分布在炉侧壁上的多个注入口将非氧化性气体注入炉中。非氧化性气体应填充燃烧器的燃烧气体和铝进料间的空间。为了达到这一点，可能需要调节具体炉的各种参数如烟道位置，气体流量，非氧化性气体入口位置和方向。也可能需要调节非氧化性气体入口管的数量和直径。有多个非氧化性气体入口管分布在侧壁上并保持低气体流速是符合要求的。非氧化性气体的总动量通量应保持在燃烧器气体的总动量通量以下。
一般来说，在铝熔炼期间熔融铝熔池倾向于按温度分层，其中高温熔融铝处于熔融铝熔池的上层。在这些情况之下，优选的是至少一些非氧化性气体通过鼓泡通过熔融铝的方式通入炉中。这样会搅动熔融铝并且在熔融铝中更好地分配燃烧热，从而使熔融铝中达到均匀的熔池温度并且更有效地使铝熔融。
为了有助于在炉中保持分层，优选的是非氧化性气体分子量或密度要高于燃烧器中所用的或其中产生的一或多种气体。因此可达到适当的浮力，这可抑制或阻止来自燃烧器的氧化性气体与非氧化性气流混合，尤其是在经过燃烧器的流量大的情况下是如此。
虽然在铝熔炼炉中达到合适的分层的条件很复杂，但基于燃烧气体相对于从铝表面开始的非氧化性气体对流流动的一维扩散试验研究和数学分析已总结出以下标准或规则。流量和炉几何尺寸条件的优选范围可表示为
UH/D＞5以及最优选范围为
UH/D＞50其中U是非氧化性气体在垂直或向上方向上的平均对流速动，表示为英尺/秒。这定义为以英尺3/秒计的非氧化性气体在炉温下评估的体积流速除以炉的水平横截面积。H是燃烧器轴与进料熔融后的铝熔池表面间的垂直直距离，计为英尺。D是氧化性物质以英尺2/秒计的湍流或涡旋扩散系数或分子扩散系数。对于大部分燃烧器和非氧化性气体入口，包括叠层火焰在内，可按下式估算湍流扩散系数
D＝0.01dv其中d是单独燃烧器喷嘴的直径或非氧化气体入口管的直径，计为英尺，而v是燃烧器气体或非氧化性气体经过喷嘴的速度，计为英尺/秒。可采用这两种计算的扩散系数中的较大者。对于预混合的辐射类型燃烧器，可采用分子扩散系数。
为了保持分层作用或效果，在灯顶和底间达到足够的温度梯度是有帮助的。一般来说，铝进料作为受热物质，使炉内接近铝表面的点和接近燃烧区，即接近燃烧器的点之间达到很明显的温度差。典型的是，炉内气氛中接近铝表面的温度应保持为比燃烧器附近的温度低200°F至500°F。这种垂直方向上的温度梯度会导致垂直方向上的密度梯度，从而有利于维持分层。换句话说，在炉内燃烧层和非氧化层中的气体混合会因该温度梯度而进一步降低。例如，若在400-500 °F温度梯度下要求达到80SCFH(标准立方英尺/小时)的非氧化性气体流量以得到合适的分层，则在10°F温度梯度下可能要求2000SCFH的非氧化性气体流量才能获得同样的分层程度或效果，即在铝进料附近同样程度地限制燃烧气体的存在。
炉在用所选的合适耐火材料炼铝所要求的常规温度下进行操作。据认为，炉内燃烧区可在最高大约3000°F温度下操作，而同时又能达到本发明的优点。
炉内气氛的分层作用限制了铝的对流加热。因此，将炉保持在高温下(即提供补偿对流热损失的辐射加热作用)也是符合要求的。由于大多数工业用炉中传热主要是通过辐射实现的，并且辐射传热随炉温急剧增加，所以在大多数情况下温度提高50-200°F就已足够。用常见耐火材料如氧化铝-二氧化硅砖制成的壁通常就会达到这种再辐射作用。但是需要时，炉亦可用特殊的高温陶瓷材料如氧化铝-氧化锆-二氧化硅砖制成以便在高温下操作。
如上所述，也可调节燃烧器和非氧化性气体引入点之间的距离以加强分层作用。一般来说，这种距离越大，分层效果越好。还可有利地利用非氧化性气体入口管的取向。
对于利用空气进行的燃烧，优选用氧气或富含氧气的空气使燃料燃烧。应用氧气更易达到合适的分层效果，因为燃烧气体体积小。氧气或富含氧气还可提供更多的热量/单位体积的燃烧器气体，从而节省了燃料。
以下实施例和比较例仅仅是示意性举例说明本发明和进行比较，但并不限制本发明。
实施例
用图3所示内部尺寸为2′× 2′×2′的小规模炉51说明本发明。在炉上部区域燃烧器中用空气或氧气燃烧天然气，而同时在炉底引入隋性氮气。炉用耐火砖连同钢壳体形成，其中接口进行焊接以防止空气泄漏。炉底面以上6英寸处放6根2英寸管53，其中在炉的相对侧互相面对着的对称位置各放3根管(即在与炉底平行的方向上注入惰性气体)，从而在进料以上注入氮气。管的设计使得雷诺数小于2300，即达到层流。从这些管的中心到燃烧器的氧气管的中心之间的距离为6英寸，而炉顶在此之上4.5英寸处。将水冷却管55放在炉底以模拟铝料的受热性能。虽然图中仅示出了两根管，但可用许多根可调长度的冷却管，其中用这些管上的平置耐火板控制受热表面温度。烟道口57(直径2.5英寸)设在炉顶中央。
分别使用两种类型的燃烧器：如图4所示辐射燃烧器61及如图2和3所示低速叠层火焰氧气/燃料燃烧器21。
辐射类型燃烧器61采用天然气体为燃料，该燃料与空气预混合并经进气管63引入。在炉顶上放置4台4″×6″辐射燃烧器。天然气/空气混合物先渗透细孔扩散层65，然后渗透粗孔扩散层67。燃烧产物经热外表面69从燃烧器排出，并进入炉中。
低速叠层火焰类型的氧气/燃料燃烧器21中包含54根小铜管：上面的27根管为氧气流管，而下面的27根管为燃料(天然气)物流管。燃料管27直径为0.25英寸(横截面积为0.0092英寸2/燃烧器)，而氧气管29直径为0.38英寸(横截面积为0.021英尺2/燃烧器)。燃烧管选用更小的直径的原因是这些管可提供较低的流量。
炉的最高操作温度为2200°F。在炉顶和底间温差为400°F，其中冷却水经过炉底的冷却管以模拟铝料达到的典型条件。氧气/燃料燃烧器的加热速度为100000-300000Btu/小时，而平均的燃料和氧气速度为1.3-4.5英尺/秒。对于辐射燃烧器，加热速度为100000-150000Btu/小时，而气体速度为1-1.4英尺/秒。为了达到完全的燃料燃烧，氧气/燃料燃烧器中以湿基准计用2％过量氧气燃烧并且辐射燃烧器用10％过量空气燃烧。
炉中要经过2-3小时才能使其顶和底之间达到400°F的温差。然后进行测量。将氮气流量降低直到在炉底测得正好1％(体积)以上的CO2＋O2＋H2O为止。一般来说，用最少250SCFH氮气可达到很好的分层。将氧化剂(O2或空气)和燃料流量进行调节以使氧气/燃料燃烧器和辐射燃烧器的氧化剂/燃料体积比分别达到2.06和10.47。
测试了不同的氮气引入方法。已发现通过炉内相对两侧设置的各3根入口管注入氮气可达到很好的分层效果。在这种构型中，入口管直径为2英寸，气体速度为0.45英尺/秒，而氮气流量为211SCFH。采用一壁上的3根入口管也可获得很好的结果，该入口管直径为2英寸，而气体速度为0.90英尺/秒。
将入口管直径降为1.13英寸并用一壁上的3根管以2.5英尺/秒的速度注入氮气时，操作性能即开始恶化。在用单一的2英寸管以2.5英尺/秒的速度注入氮气时，已观察到操作性能最差。这些试验表明可有利地从相互分隔开的多根入口管以低速度注入隋性气体，这有利于在整个进料面积上形成保护层。图5示出了氮气流量，管径和管数对该炉的CO2＋O2＋H2O的百分数浓度的影响。
改变烟道口的位置，再进行试验。已发现优选位置在侧壁之一的顶部附近，燃烧器以上和炉顶上。这些位置可防止燃烧产物向下流。在烟道口位于燃烧器以下时，大量的氧化性燃烧产物会混入炉底区域。
图6示出了氧气/燃料燃烧器和辐射类型燃烧器的试验结果。天然气以196CFH和280CFH的流量供入氧气燃料燃烧器中，并以100和150CFH的流量供入辐射类型燃烧器中(图示的“CH4”指天然气)。也改变氮气/天然气之比。结果表明在采用两种类型的燃烧器时，对于所有四种天然气流量均达到少于1％(体积)的CO2＋O2＋H2O。在1.3的最低氮气/天然气流量比时仍获得合适的分层。在这些试验中，UH/D值为约300-600。
图7为用废饮料罐(UBC)进行的氧化试验结果图，其中表明了本发明分层体系在减少浮渣生成量方面的效益。使用上述炉，其中加入废饮料罐进料。测定在采用氧气-燃料燃烧器(“oxyfuel”)时的分层体系以及相对应地采用辐射类型燃烧器(“air-fuel”)和氧气-燃料燃烧器的未分层体系的增重wt％(因生成氧化物所致)。正如图中所示，在分层体系中浮渣生成量急剧减少。
虽然本发明已参照一些优选实施方案作了详细说明，但本技术领域里的普通技术人员可以看出，在本发明构思和权利要求书所定义的范围内，本发明还有其他实施方案。而且，还可按本发明的总体发明构思成功地加热钢材，其中与常规钢加热实践相比，钢氧化物生成量会明显减小。