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CN105899687B - 熔炼方法和装置 - Google Patents

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CN105899687B
CN105899687B CN201480066102.1A CN201480066102A CN105899687B CN 105899687 B CN105899687 B CN 105899687B CN 201480066102 A CN201480066102 A CN 201480066102A CN 105899687 B CN105899687 B CN 105899687B
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smelting
heat pipe
metal
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Tata Steel Ltd
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Abstract

本申请公开了一种用于产生熔融金属的熔炼容器(4)，包括衬有耐火材料的炉膛，该炉膛在使用中与熔炼容器中的熔渣或熔融金属接触，且炉膛包括多个热管(21)，这些热管定位在炉膛的至少一部分的耐火材料衬垫中，用于冷却耐火材料衬垫。

Description

熔炼方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于熔炼含金属材料的方法和装置。
特别是，尽管并不排他，本发明涉及一种用于熔炼含铁材料(例如铁矿石)和产生铁的熔炼方法和装置。
本发明还涉及其它熔炼方法和装置，例如包括用于熔炼氧化钛渣和熔炼含铜材料的方法和装置。
背景技术
有多种已知的、基于熔池的熔炼方法。
一种通常称为“HIsmelt”方法的、基于熔池的熔炼方法在本申请人的大量专利和专利申请中介绍。另一种基于熔池的熔炼方法在下文中称为“HIsarna”方法。HIsarna方法和装置在本申请人的国际专利申请PCT/AU99/00884(WO00/022176)中介绍。其它已知的、基于熔池的熔炼方法例如包括用于熔炼氧化钛渣和用于熔炼含铜材料的方法。
本发明的以下说明集中于HIsmelt和HIsarna方法。
HIsmelt和HIsarna方法特别与由铁矿石或其它含铁材料来生产熔融铁相关。
在生产熔融铁的情况下，HIsmelt方法包括以下步骤：
(a)在熔炼容器的熔炼腔室中形成熔融铁和熔渣的池；
(b)将(i)铁矿石(通常成粉矿形式)和(ii)固体碳材料(通常为煤)注入该池中，该固体碳材料用作铁矿石供料的还原剂和能量源；以及
(c)在池中使得铁矿石熔炼成铁。
这里，术语“熔炼”理解为是指热处理，其中发生还原金属氧化物的化学反应，以便产生熔融金属。
在HIsmelt方法中，成含金属材料和固体含碳材料的形式的固体供料与载体气体一起通过多个喷枪而注入熔池中，这些喷枪相对于竖直方向倾斜，以便向下和向内穿过熔炼容器的侧壁延伸进入该容器的下部区域，以便将至少部分的固态供料传送至该熔炼腔室底部的金属层中。固态供料和载体气体渗入熔池，使得熔融金属和/或熔渣到达该熔池表面上方的空间内，并形成过渡区域。通过向下延伸的喷枪将一股含氧气体(通常为富氧空气或纯氧)注入容器的熔炼腔室的上部区域中，以使得从熔池释放至容器的上部区域中的反应气体进行后燃烧。在过渡区域中具有使得熔融金属和/或熔渣的液滴或喷溅物或流上升和之后下降的有利物质(mass)，这提供了用于将热能传递给熔池的有效介质，该热能由反应气体在熔池上面后燃烧而产生。
通常，在产生熔融铁的情况下，当使用富含氧的空气时，它在大约1200℃的温度下供给，并在热风炉中产生。当在技术上使用冷的纯氧时，它通常在环境温度下或接近环境温度来供给。
由熔炼容器中的反应气体的后燃烧产生的废气从熔炼容器的上部区域通过废气管道而排出。
熔炼容器包括在下部炉膛中的、衬有耐火材料的部分以及在容器的侧壁和顶部中的水冷面板，水在连续回路中连续循环通过面板。
HIsmelt方法能够通过在单个紧凑容器中熔炼而产生大量的熔融铁，通常至少0.5Mt/a。
HIsarna方法在熔炼装置中进行，该熔炼装置包括：(a)熔炼容器，该熔炼容器包括熔炼腔室以及用于将固体供料和含氧气体注入熔炼腔室内的喷枪，且用于容纳熔融金属和熔渣的池；以及(b)熔炼旋流器，用于预处理含金属的供料，该熔炼旋流器位于熔炼容器的上面，并直接与该熔炼容器连通。
这里，术语“熔炼旋流器”理解为是指一种容器，该容器通常确定竖直圆柱形腔室，并构成为使得供给腔室的供料在环绕腔室的竖直中心轴线的通路中运动，且能够承受足以使得含金属的供料至少局部熔化的高操作温度。
在一种形式的HIsarna方法中，含碳的供料(通常为煤)和可选的助熔剂(通常煅烧石灰石)注入在熔炼容器的熔炼腔室中的熔池内。含碳材料提供为还原剂的源和能量源。含金属的供料(例如铁矿石)(可选地与助熔剂混合)注入熔炼旋流器中，并在该熔炼旋流器中加热和局部熔化以及局部还原。该熔化、局部还原的含金属材料从熔炼旋流器向下流入熔炼容器中的熔池内，并在该池中熔炼成熔融金属。在熔池中产生的热还原气体(通常为CO、CO2、H2和H2O)通过在熔炼腔室的上部部件中的含氧气体(通常为工业等级的氧)局部燃烧。通过后燃烧产生的热量传递到上部部分中的熔融液滴，该熔融液滴落后熔池中，以便保持熔池的温度。热的、部分燃烧的反应气体从熔炼腔室向上流动，并进入熔炼旋流器的底部。含氧气体(通常为工业等级的氧)通过鼓风口而注入熔炼旋流器中，该鼓风口布置成在水平平面(即环绕熔炼旋流器的腔室的竖直中心轴线)中产生旋风涡流图形。含氧气体的这样注入导致熔炼容器气体的进一步燃烧，从而导致非常热(旋风)的火焰。进入的含金属供料(通常成粉矿形式)通过在熔炼旋流器中的鼓风口而气动地注入该火焰中，从而导致快速的加热和局部熔化，伴随局部还原(大致10-20％还原)。还原是由于赤铁矿的热分解和在来自熔炼腔室的反应气体中的CO/H2的还原作用。热和局部熔化的含金属供料通过旋风涡流作用而向外抛至熔炼旋流器的壁上，且如上所述，向下流入下面的熔炼容器中，用于在该容器的熔炼腔室中熔炼。
上述形式的HIsarna方法的净效果是两级逆流处理。含金属的供料通过从熔炼容器流出的反应气体(附加有含氧气体)而加热和局部还原，并向下流入熔炼容器中，且在该熔炼容器的熔炼腔室中熔炼成熔融铁。在通常情况下，这种逆流结构增加了生产率和能量效率。
HIsmelt和HIsarna方法包括通过水冷固体注射喷枪而将固体注入熔炼容器中的熔池内。
两种方法的关键特征是处理在熔炼容器中操作，该熔炼容器包括用于熔炼含金属材料的熔炼腔室以及前炉，该前炉通过前炉连接部而与熔炼腔室连接，该前炉连接部允许金属产品从容器连续流出。前炉操作为熔融金属填充的虹吸密封件，自然地在生产时将多余熔融金属从熔炼容器中“溢出”。这能够知道熔炼容器的熔炼腔室中的熔融金属高度，并将其控制在较小公差内-这对于设备安全非常重要。熔融金属高度必须(一直)保持在水冷元件(例如伸入熔炼腔室内的固体注射喷枪)下面的安全距离处，否则可能产生蒸汽爆炸。因此，前炉被认为是用于HIsmelt和HIsarna方法的熔炼容器的固有部件。
这里，术语“前炉”理解为是指熔炼容器的腔室，该腔室通向大气，并通过通道(这里称为“前炉连接部”)而与熔炼容器的熔炼腔室连接，且在标准操作条件下容纳在腔室中的熔融金属，其中，前炉连接部完全充满熔融金属。
本申请人的国际专利申请WO00/01854介绍了一种直接熔炼容器，该直接熔炼容器是能够用于HIsmelt和HIsarna方法的容器的示例，包括由耐火材料形成的炉膛和从该炉膛的侧部向上延伸的侧壁，且侧壁包括水冷面板。HIsmelt和HIsarna方法高度搅拌，这导致炉膛的上部部件的耐火材料磨损(由于由熔渣和熔融金属对着炉膛上部部件中的耐火材料冲洗和飞溅而引起的化学侵蚀和物理磨损)。该磨损比通常在高炉的炉膛中(其中，热金属和渣相对静止)经受的磨损更大。
本发明能够明显降低炉膛的这种耐火材料磨损。
上述说明并不认为是在澳大利亚或其它地方的公知常识。
发明内容
本发明基于这样的认识，即如这里所述，位于熔炼容器(例如用于HIsmelt和HIsarna方法的直接熔炼容器)的、衬有耐火材料的炉膛中的热管能够明显降低炉膛的耐火材料由于与成熔渣或熔融金属形式的熔融材料接触而引起的耐火材料磨损，从而能够在炉膛中使用更宽范围的耐火材料(与以前的情况相比)，并由于更宽材料选择而获得操作优点。
在广义方面，本发明提供了一种用于产生熔融金属的熔炼容器，该熔炼容器包括衬有耐火材料的炉膛，该炉膛在使用中与容器中的熔渣或熔融金属接触，且炉膛包括多个热管，这些热管定位在炉膛的至少一部分的耐火材料衬垫中，用于冷却耐火材料衬垫。
这里，术语“热管”理解为是指密封的细长管，该细长管使用流体来传递热量，而并不是直接传导作为主要机理，该流体在管的热端蒸发，在管的较冷端冷凝，并因此释放热量和返回热端。
热管可以定位成使得它们并不伸出熔炼容器外。
衬有耐火材料的炉膛可以包括：上部部件，该上部部件在使用中与在容器中的渣区域中的熔渣接触；以及下部部件，该下部部件在使用中与在容器中的金属区域中的熔融金属接触。
热管可以定位在炉膛的上部部件的耐火材料衬垫中，用于冷却耐火材料衬垫。
热管可以是任意合适形状。
热管可以包括下部部分，该下部部分布置成竖直地在耐火材料衬垫中延伸。
下部部分可以是直的部分。
下部部分可以相对于炉膛的几何形状来成形，例如相对于炉膛的几何形状弯曲。
热管的下部部分可以相互平行。
热管的下部部分可以相互间隔开。
热管的下部部分的间距可以相同。
热管的下部部分的间距可以不同。
热管的下部部分的间距可以在炉膛的一个部分中相同，在炉膛的另一部分中不同。
例如，在需要更多冷却的区域中可以有相对更多的热管。例如，渣排泄出渣孔区域可能需要附加冷却。
有多个因素与热管间距的选择相关联，例如，热管的位置、要从耐火材料中抽取的热量值、耐火材料的热导率和其它相关特征以及热管的热导率。
热管可以完全环绕炉膛定位。
热管可以定位在完全环绕炉膛的环中。
热管可以定位在完全环绕炉膛的多个径向间隔开的环中。
一个环的热管可以相对于径向外侧或径向内侧的环的热管周向交错。
热管可以为相同长度。
热管可以为不同长度。
热管的长度可以随着热管离炉膛内表面的径向间距而增加，热管布置在该炉膛中。
在容器中的熔炼生产开始之前，炉膛的耐火材料衬垫可以有圆柱形内表面，热管布置在该炉膛中。
容器可以包括渣区域冷却器，该渣区域冷却器位于炉膛的耐火材料衬垫中，用于冷却该耐火材料衬垫，且热管定位在渣区域冷却器下面，热管的上部部分与渣区域冷却器成传热关系，用于从热管向渣区域冷却器传热。
渣区域冷却器可以是在本申请人的国际专利申请WO2007/134382中所述的类型。
渣区域冷却器可以通过多个冷却器元件而形成为环。
各冷却器元件可以形成为一段环，侧壁在环的径向延伸。
各冷却器元件可以包括空心开口背衬铸造壳结构，该空心开口背衬铸造壳结构有成一体形成于铸造壳结构中的底壁、一对侧壁、前壁和顶壁，并包括冷却剂流动通路，用于冷却剂流过。
热管可以包括上部部分，该上部部分布置成在渣区域冷却器附近径向延伸，以便使得向渣区域冷却器的传热最大。
例如，热管可以为大致倒置的L形或曲棍球棒形状，具有竖直延伸的下部部分和径向或大致径向延伸的上部部分。
容器可以包括：侧壁，该侧壁从炉膛向上延伸；以及多个冷却面板，这些冷却面板环绕该侧壁定位，以便形成在这些侧壁上的内部衬垫。
容器可以包括：用于排出熔融金属的装置和用于从容器排出渣的装置；一个或多个喷枪，用于将包括固体含金属材料和/或含碳材料的固体供料供给至容器内；以及一个或多个喷枪，用于将含氧气体供给至容器中，以便后燃烧在直接熔炼处理中产生的气体反应产物。
用于排出熔融金属的装置可以是前炉。
容器可以包括熔炼旋流器，用于局部还原和局部熔化用于容器的固体含金属材料，该熔炼旋流器位于容器上面。
容器可以例如用于通过基于熔池的直接熔炼处理来产生含铁合金。
根据本发明，提供了一种(a)渣区域冷却器元件和(b)热管的组件，该渣区域冷却器元件用于冷却熔炼容器的炉膛的耐火材料衬垫的部件，该热管与渣区域冷却器为传热关系，用于从热管向渣区域冷却器传热。
在使用中，多个组件可以在熔炼容器的炉膛中形成为环。
各冷却器元件可以形成为一段环，侧壁径向延伸。
各冷却器元件可以包括空心开口背衬铸造壳结构，该空心开口背衬铸造壳结构有成一体形成于铸造壳结构中的底壁、一对侧壁、前壁和顶壁，并包括冷却剂流动通路，用于冷却剂流过。
根据本发明，提供了一种用于产生熔融金属的熔炼容器，该熔炼容器包括：衬有耐火材料的炉膛，该炉膛有上部部件和下部部件，该上部部件在使用中与在容器的渣区域中的渣接触，该下部部件在使用中与容器的金属区域中的熔融金属接触，该炉膛包括：(a)渣区域冷却器，该渣区域冷却器位于炉膛的上部部件的耐火材料衬垫中，用于冷却耐火材料衬垫；以及(b)多个热管，这些热管位于炉膛的上部部件的耐火材料衬垫中并在渣区域冷却器下面，用于冷却耐火材料衬垫，其中，热管的上部部分与渣区域冷却器成传热关系，用于从热管向渣区域冷却器传热，下部部分在炉膛的上部部件中从渣区域冷却器向下延伸。
渣区域冷却器和热管可以形成为这两个部件的组件。
根据本发明，提供了一种用于熔炼含金属供料的方法，包括在上述熔炼容器中的熔池中熔炼含金属的供料。
方法可以包括：(a)在熔炼旋流器中至少局部还原和局部熔化含金属供料；以及(b)使得该至少局部还原/熔化的材料在上述熔炼容器的熔池中完全熔炼。
含金属的供料可以为包含金属氧化物的任意材料。
含金属的供料可以是矿石、局部还原矿石和包含废料的金属。
含金属的供料可以是含铁的供料，例如铁矿石。在这种情况下，方法的特征可以是在熔炼旋流器中保持至少1100℃的温度，通常至少1200℃。
含金属的供料可以是氧化钛渣。
含金属的供料可以是含铜的供料。
方法可以包括在熔炼旋流器中保持氧势，该氧势足以使得来自熔炼旋流器的废气有至少80％的后燃烧程度。
根据本发明，还提供了一种用于熔炼含金属供料的装置，该装置包括上述熔炼容器。
附图说明
下面将参考附图通过示例进一步介绍本发明，附图中：
图1是表示用于根据HIsarna直接熔炼方法而将含有铁的含金属供料直接熔炼成熔融铁的设备的一个实施例的示意图，其中，设备包括直接熔炼容器和位于该容器上的熔炼旋流器；
图2是根据本发明的直接熔炼容器实施例的部件的下部部分在开始容器中的直接熔炼处理之前的放大图，其中，附图包括在处理的稳定状态操作下将在容器中的熔融金属和熔渣的高度，该高度在容器中的静止状态下(即不操作状态)表示；
图3是表示图2中所示的容器的炉膛的一段上部部件的示意透视图，其中，耐火材料已除去，以便表示实施例的渣区域冷却器和热管；
图4是图3中所示的结构的仰视图；
图5是图3中所示的结构的端视图；
图6是根据本发明的直接熔炼容器的另一(但并不是仅有的其他可能)实施例的部件的下部部分的放大图，该直接熔炼容器具有与图2至5中所示相同的热管结构，表示了在直接熔炼处理已经在容器中进行一段时间之后的下部部分，因此表示了在炉膛中的耐火材料的磨损；
图7是根据本发明的直接熔炼容器的另一(但并不是仅有的其他可能)实施例的部件的下部部分的放大图，该直接熔炼容器具有与图2至5中所示不同的热管结构，表示了在直接熔炼处理已经在容器中进行一段时间之后的下部部分，因此表示了在炉膛中的耐火材料的磨损；以及
图8是根据本发明的直接熔炼容器的另一(但并不是仅有的其他可能)实施例的部件的下部部分的放大图，该直接熔炼容器具有与图2至5中所示不同的热管结构，表示了在直接熔炼处理已经在容器中进行一段时间之后的下部部分，因此表示了在炉膛中的耐火材料的磨损。
具体实施方式
图1中所示的方法和装置是HIsarna方法和装置的实施例。本发明的方法和装置并不限定为HIsarna方法和装置，也延伸至HIsmelt和任意其它基于熔池的熔炼方法和装置。
图1中所示的方法和装置基于使用包括熔炼旋流器2和直接熔炼容器4(基于熔池)的装置，该直接熔炼容器4直接位于熔炼旋流器2的下面，且在熔炼旋流器2和熔炼容器4的腔室之间直接连通。
参考图1，成基于磁铁矿的矿石(或其它铁矿石)形式(具有6mm的最大尺寸)的含金属供料和石灰石1的混合物通过矿石干燥器而利用气动传送气体1a供给至熔炼旋流器2中。石灰石表示大致8-10wt％的、矿石和石灰石的组合流。煤3通过单独的干燥器而供给熔炼容器4，其中，它利用传送气体2a而注入金属和渣的熔池中。氧气7注入熔炼容器4中，以便在气体从熔炼容器4向上流入熔炼旋流器2内之前将在熔池中产生和从该熔池释放的气体(通常为CO和H2)后燃烧以及提供用于在池中的熔炼处理所需的热量。氧气8注入熔炼旋流器2中，以便进一步燃烧熔炼容器气体，从而在熔炼旋流器2中形成非常热的(旋风)火焰，该火焰预热和部分熔化矿石。通常，氧气7和8为工业等级的氧气。
上述形式的HIsarna方法的净效果是两级逆流处理。含金属的供料在熔炼旋流器2中通过从熔炼容器4流出的反应气体而加热和局部还原，并向下流入熔炼容器4中和熔炼成熔融铁。
熔融铁5通过前炉而从熔炼容器4排出。
在处理中产生的熔渣6通过出渣孔而从熔炼容器4排出。
操作条件(包括但不局限于：煤和矿石供给速率、氧气供给直接熔炼容器4和熔炼旋流器2的速率以及熔炼容器4的热损失)选择为使得通过废气出口导管9离开熔炼旋流器2的废气具有通常至少90％的后燃烧程度。
来自熔炼旋流器2的废气通过废气导管9而通向废气焚烧炉10，另外的氧气11注入该废气焚烧炉10中，以便燃烧残余的CO/H2，并在完全燃烧烟道气中提供一定程度的自由氧气(通常1-2％)。
然后，完全燃烧气体通过废热回收部分12，在该废热回收部分12中冷却气体和产生蒸汽。然后，烟道气通过湿式洗涤器13，在该湿式洗涤器13中实现冷却和灰尘去除。形成的浆14可通过矿石供给流1而回收至熔炼器。
离开洗涤器13的冷烟道气供给烟道气脱硫单元15。然后，清洁的烟道气通过烟囱16排出。该气体主要包括CO2，且需要时它能够被压缩和地下隔离(合适除去残余的不可冷凝气体)。
熔炼容器4为在本申请人的上述国际专利申请WO00/01854中介绍的类型，包括由耐火材料形成的炉膛和从该炉膛的侧部向上延伸的侧壁，且侧壁包括水冷面板。在国际专利申请中的公开内容通过交叉引用结合到本文中。
图2至5表示了在图1所示总体类型的直接熔炼容器4的、衬有耐火材料的炉膛中的热管21的结构，该直接熔炼容器4还包括根据本发明的一个实施例在容器的炉膛部分中的热管21。
如后面更详细所述，在使用中，热管21明显降低了炉膛的耐火材料由于与成熔渣或熔融金属形式的熔融材料接触而引起的耐火材料磨损，并使得能够在炉膛中使用与以前情况相比更宽范围的耐火材料，并由于更宽的材料选择而获得操作优点。
图2是根据本发明的直接熔炼容器4实施例的部件的下部部分在开始容器中的直接熔炼处理之前的放大图。附图表示了在稳定处理操作状态下将在熔炼容器4中的熔融金属和熔渣的高度，其中，该高度表示在静止状态，即不操作状态。熔炼容器4可以是对于图1所述的HIsarna设备或任意其它直接熔炼设备的部件。图3是表示图2中所示的熔炼容器4的炉膛的一段上部部件的示意透视图，其中，耐火材料已除去，以便表示实施例的渣区域冷却器20和热管21。图4和5分别是图3中所示的结构的仰视图和端视图。
参考图2，衬有耐火材料的炉膛有：上部部件25，该上部部件25在使用中与容器4的渣区域18中的熔渣接触；以及下部部件26，该下部部件在使用中与熔炼容器4的金属区域19中的熔融金属接触。渣区域18和金属区域19表示为在静止状态，即不操作。已经知道，在HIsarna和HIsmelt以及其它基于熔池的直接熔炼方法的稳定操作状态中，渣区域和金属区域将高度搅拌。
炉膛包括：基部43和侧部44，该基部43和侧部44包括成耐火砖形式的耐火材料衬垫；前炉27，用于连续排出熔融金属；以及出渣孔28，用于排出熔渣。炉膛的上部环形表面31向上和向外成锥形直至容器侧壁。在容器的使用中，炉膛的该部件受到熔融金属和熔渣的飞溅。
炉膛还包括：
(a)渣区域冷却器20，该渣区域冷却器20位于炉膛的上部部件的耐火材料衬垫中，用于冷却炉膛的该部件中的耐火材料衬垫；以及
(b)多个热管21，这些热管21位于炉膛的上部部件的耐火材料衬垫中并在渣区域冷却器20下面，用于冷却在炉膛的该部件中的耐火材料衬垫。
渣区域冷却器20如在本申请人的国际专利申请WO2007/134382中所述，该文献的公开内容通过交叉引用结合到本文中。渣区域冷却器20通过多个冷却器元件而形成为环。各冷却器元件形成为环的区段，具有沿环的径向延伸侧壁。各冷却器元件包括空心开口背衬铸造壳结构，具有成一体形成于铸造壳结构中的底壁、一对侧壁、前壁和顶壁，且包括用于冷却剂流过的冷却剂流动通道。
各渣区域冷却器元件和与该渣区域冷却器元件成传热关系的相关热管可以形成为组件，该组件能够作为组件而现场安装。也可选择，渣区域冷却器元件和热管可以在现场分别安装。
炉膛的上部部件25的耐火材料衬垫由渣区域冷却器20来高效冷却和支承。渣区域冷却器20明显降低了在炉膛的该部件中的耐火材料的磨损速率。特别是，渣区域冷却器20的操作使得在衬垫区域中的耐火材料衬垫冷却至低于熔渣的固相线温度，并使得渣冷凝在它的表面上，冷凝的渣提供了对于耐火材料的进一步磨损的屏障。
热管21定位成使得它们并不伸出熔炼容器4外。
热管21是竖直延伸的平行直管。热管21在炉膛的上部部件中从渣区域冷却器21竖直和相互平行地向下延伸。热管21使得在渣区域冷却器20下面的、炉膛的上部部件的耐火材料衬垫冷却。热管21的上部部分与渣区域冷却器20成传热关系，并从热管21向渣区域冷却器20传热。通常，热管21定位成始终环绕炉膛。在图2至5所示的实施例中，热管21布置在四个径向间隔开的环中。这种结构能够最好在图4中可见。在各环中的热管21相对于在径向内侧和径向外侧的热管21环中的热管21周向交错。热管21的长度随着热管21离炉膛的上部部件25的内表面的径向间距而增加，热管布置在该炉膛中。
热管21可以成任意其它合适的结构和方位。例如，本发明并不局限于热管21竖直的结构。还例如，本发明并不局限于热管21为直的结构-热管21可以包括弯曲部分，以便适应炉膛的结构特征。还例如，本发明并不局限于热管21的长度随着热管21离炉膛的上部部件25的内表面的径向间距增加的结构。
热管21可以是任意合适结构。通常，热管21容纳水。可以使用在操作温度下的任意其它合适传热流体，例如酒精、丙酮或者甚至金属如钠。
热管21从耐火材料衬垫的耐火材料中除去热量。热管21的目的是使得在耐火材料衬垫区域中的耐火材料衬垫(热管21位于该耐火材料衬垫中)的、尽可能大容积的耐火材料保持低于渣的固相线温度，以便使得渣冷凝在炉膛的表面上，并形成冷凝渣层，该冷凝渣层用作对于磨损的屏障。
在高度搅拌的直接熔炼方法中，例如HIsarna和HIsmelt方法中，在熔炼容器4中的渣和较少量熔融金属的运动引起熔炼容器的炉膛的耐火材料磨损。磨损能够为不同性质，例如腐蚀、由包含在熔渣中的FeO、TiO2和其它侵蚀性氧化物的化学侵蚀。对炉膛的上部部件中的耐火材料的金属冲洗和飞溅也能够是磨损机理的一部分，提高冷凝衬垫将有助于使得耐火材料保持与引起磨损的这些侵蚀条件隔离。本申请人发现，通常，熔渣在炉膛的向上和向外倾斜的上部部件31上向下流动，然后在炉膛的侧部的内表面上向下流动。这种运动逐渐磨损耐火材料衬垫，并在耐火材料中形成底切部分。
这种底切部分磨损图形在图6至8中表示。
图6-8表示了根据本发明的直接熔炼容器4的其它实施例的部件的下部部分的放大图。图6有与图2-5中所示相同的热管21基本结构，图7和8有与图2-5中所示类似的热管21结构。附图表示了在直接熔炼处理已经在容器4中进行一段时间之后的熔炼容器4。附图表示了在各耐火材料衬垫中在热管21区域中的底切部分41，该底切部分41是由于在炉膛中的耐火材料磨损产生的。
图7中所示的热管21为大致倒曲棍球棒形状，具有竖直延伸的平行下部部分53和大致径向延伸的上部部分45。在图8中所示的热管21包括三个大致倒L形，具有竖直延伸的平行下部部分53和径向延伸的上部部分55。图8中的第四热管21为直管。图7和8中的热管21的下部部分53在炉膛的上部部件内在渣区域冷却器21下面竖直和相互平行地向下延伸。下部部分53使得在渣区域冷却器20下面的、炉膛的上部部件的耐火材料衬垫冷却。热管21的大致径向延伸上部部分55与渣区域冷却器20为传热关系，并从热管21向渣区域冷却器20传热。渣区域冷却器20从熔炼容器4抽取热量。大致径向延伸的上部部分55定位成紧邻渣区域冷却器20，从而方便传热。应当知道，本发明并不局限于这些L形或曲棍球棒形结构，热管21可以为任意合适形状。
由本申请人进行的计算机模拟建模工作表明，与当热管21并不布置于耐火材料衬垫中时将出现的磨损相比，由于与熔渣接触而引起的磨损(和因此的底切)程度将通过图2-8的实施例中所示的热管21结构而明显降低。
耐火材料衬垫的磨损是严重的问题，因为它能够明显缩短熔炼容器4的操作寿命。直接熔炼容器的设计包括使用在直接熔炼处理的操作温度下耐磨损的耐火材料。在熔炼含铁供料的情况下，耐火材料必须在1400-1500℃范围的温度下耐磨损。有限组的可有耐火材料适合用于构造直接熔炼含铁供料的炉膛，这些耐火材料将昂贵。例如，这样的耐火材料包括高铬耐火材料。
热管21使得炉膛的上部部件25中的耐火材料衬垫能够保持在较低温度，同时维持由冷凝渣衬垫提供的屏障效果。因此，耐火材料衬垫可以由更宽范围的耐火材料来制造(与以前的情况相比)。使用更宽范围的材料将有成本优点。另外，更宽范围的材料包括与当前使用的材料相比具有更好热导率的材料。提高热导率将进一步提高热量去除，从而使得耐火材料衬垫区域中的耐火材料保持低于熔渣的固相线温度。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明的上述方法实施例进行多种变化。
例如，尽管实施例包括热管21的结构，其中，热管21的长度随着热管21离炉膛的上部部件的内表面的径向间距而增加(热管布置在该炉膛中)，但是本发明并不局限于此，热管21可以为任意合适长度。
例如，尽管实施例包括渣区域冷却器20，但是本发明并不局限于此，并延伸至没有渣区域冷却器20的结构。应当知道，在实施例中所示类型的渣区域冷却器20是有利的选择，以方便从热管21向容器4外部传热。
例如，尽管实施例聚焦于耐火材料衬垫与熔渣的接触，但是本发明并不局限于此，也延伸至耐火材料衬垫与熔融金属接触的情况。

Claims (35)

1.一种用于产生熔融金属的熔炼容器，包括衬有耐火材料的炉膛，所述炉膛在使用中与容器中的熔渣或熔融金属接触，炉膛包括：上部部件，所述上部部件在使用中与在容器中的渣区域中的熔渣接触；以及下部部件，所述下部部件在使用中与在容器中的金属区域中的熔融金属接触；炉膛包括多个热管，热管定位在炉膛的上部部件的耐火材料衬垫中，用于冷却耐火材料衬垫，热管定位在完全环绕炉膛的多个径向间隔开的环中，其中，热管定位在渣区域冷却器下面，热管的上部部分与渣区域冷却器成传热关系，用于从热管向渣区域冷却器传热。
2.根据权利要求1所述的熔炼容器，其中：热管包括下部部分，所述下部部分在耐火材料衬垫中竖直地延伸。
3.根据权利要求2所述的熔炼容器，其中：热管的下部部分是直的部分。
4.根据权利要求2所述的熔炼容器，其中：热管的下部部分相对于炉膛的几何形状来成形。
5.根据权利要求4所述的熔炼容器，其中：热管的下部部分相对于炉膛的几何形状弯曲。
6.根据权利要求2至5中任意一项所述的熔炼容器，其中：热管的下部部分相互平行。
7.根据权利要求2至5中任意一项所述的熔炼容器，其中：热管的下部部分相互间隔开。
8.根据权利要求7所述的熔炼容器，其中：热管的下部部分的间距相同。
9.根据权利要求7所述的熔炼容器，其中：热管的下部部分的间距不同。
10.根据权利要求7所述的熔炼容器，其中：热管的下部部分的间距在炉膛的一个部分中相同，在炉膛的另一部分中不同。
11.根据权利要求2至5中任意一项所述的熔炼容器，其中：热管具有相同长度。
12.根据权利要求2至5中任意一项所述的熔炼容器，其中：热管具有不同长度。
13.根据权利要求2至5中任意一项所述的熔炼容器，其中：热管的长度随着热管离布置有热管的炉膛的上部部件的内表面的径向间距而增加。
14.根据权利要求2至5中任意一项所述的熔炼容器，其中：在容器中的熔炼生产开始之前，布置有热管的炉膛的耐火材料衬垫具有圆柱形内表面。
15.根据权利要求2至5中任意一项所述的熔炼容器，其中：所述渣区域冷却器位于炉膛的耐火材料衬垫中，用于冷却所述耐火材料衬垫。
16.根据权利要求15所述的熔炼容器，其中：热管包括布置成在渣区域冷却器附近径向延伸、以便使得向渣区域冷却器的传热最大的上部部分。
17.根据权利要求16所述的熔炼容器，其中：热管为大致L形或曲棍球棒形状，具有竖直延伸的下部部分和径向或大致径向延伸的上部部分。
18.根据权利要求2至5中任意一项所述的熔炼容器，还包括：侧壁，所述侧壁从炉膛向上延伸；以及多个冷却面板，这些冷却面板环绕所述侧壁定位，以便在这些侧壁上形成内部衬垫。
19.根据权利要求2至5中任意一项所述的熔炼容器，还包括：用于排出熔融金属的装置和用于从熔炼容器排出渣的装置；一个或多个喷枪，用于将包括固体含金属材料和/或含碳材料的固体供料供给至熔炼容器内；以及一个或多个喷枪，用于将含氧气体供给至熔炼容器中，以便后燃烧在直接熔炼处理中产生的气体反应产物。
20.根据权利要求19所述的熔炼容器，其中：用于排出熔融金属的装置是前炉。
21.根据权利要求2至5中任意一项所述的熔炼容器，还包括：熔炼旋流器，用于局部还原和局部熔化用于熔炼容器的固体含金属材料。
22.一种用于产生熔融金属的熔炼容器，包括衬有耐火材料的炉膛，所述炉膛具有上部部件和下部部件，所述上部部件在使用中与在容器的渣区域中的渣接触，所述下部部件在使用中与容器的金属区域中的熔融金属接触，所述炉膛包括：(a)渣区域冷却器，所述渣区域冷却器位于炉膛的上部部件的耐火材料衬垫中，用于冷却耐火材料衬垫；以及(b)多个热管，这些热管位于炉膛的上部部件的耐火材料衬垫中并在渣区域冷却器下面，用于冷却耐火材料衬垫，其中，热管的上部部分与渣区域冷却器成传热关系，用于从热管向渣区域冷却器传热，下部部分在炉膛的上部部件中从渣区域冷却器向下延伸。
23.根据权利要求22所述的熔炼容器，其中，所述渣区域冷却器包括多个冷却器元件，并成形为在炉膛内并环绕炉膛的外周延伸的环。
24.根据权利要求23所述的熔炼容器，其中，各冷却器元件成形为一段环，其侧壁径向延伸。
25.根据权利要求23或24所述的熔炼容器，其中，各冷却器元件包括空心开口背衬铸造壳结构，所述空心开口背衬铸造壳结构具有一体形成于空心开口背衬铸造壳结构中的底壁、一对侧壁、前壁和顶壁，并包括冷却剂流动通路，用于冷却剂流过。
26.根据权利要求22至24中任一项所述的熔炼容器，其中：热管包括布置成在渣区域冷却器附近径向延伸、以便使得向渣区域冷却器的传热最大的上部部分。
27.根据权利要求26所述的熔炼容器，其中：热管为倒置的L形或曲棍球棒形状，具有竖直延伸的下部部分和径向或大致径向延伸的上部部分。
28.一种用于熔炼含金属的供料的方法，包括在根据前述任意一项权利要求所述的熔炼容器中的熔池中熔炼含金属的供料。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括：(a)在熔炼旋流器中至少局部还原和局部熔化含金属的供料；以及(b)使得所述至少局部还原和局部熔化含金属的供料在上述熔炼容器的熔池中完全熔炼。
30.根据权利要求28或29所述的方法，其中：含金属的供料包括含铁的供料。
31.根据权利要求30所述的方法，其中：含金属的供料包括铁矿石。
32.根据权利要求28或29所述的方法，其中：含金属的供料包括氧化钛渣。
33.根据权利要求28或29所述的方法，其中：含金属的供料包括含铜的供料。
34.根据权利要求33所述的方法，其中：含金属的供料包括含铜的矿石。
35.一种用于熔炼含金属的供料的装置，所述装置包括根据权利要求1-27中任意一项所述的熔炼容器。
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