直接熔炼容器及用于直接熔炼容器的冷却器

摘要

公开了一种直接熔炼容器和炉缸冷却器元件。所述容器包括有耐火衬里的炉缸。所述炉缸上部的内表面向上并向外延伸至所述容器的侧壁。所述炉缸的上部结合向外设置在所述炉缸该部分的所述耐火衬里后面并位于所述容器侧壁上的冷却板下面的炉缸冷却器。所述炉缸冷却器包括多个冷却器元件。每个冷却器元件具有中空后部开口的壳体结构，该壳体结构具有一体形成在铸造结构中的底壁、顶壁和侧壁并结合了冷却剂流道。

说明书

技术领域

本发明涉及用于进行直接熔炼从而由诸如矿石、部分还原的矿石和含金属废流的含金属供给材料生产以纯金属或合金的形式的熔融金属的容器。

更具体来说，本发明涉及被用作容器的部分的冷却器。

背景技术

一种已知的直接熔炼工艺在以申请人名义的美国专利6267799和国际专利公开WO/96/31627中进行了描述，该直接熔炼工艺依靠熔融金属层作为反应介质，并且通称为HIsmelt工艺。如在用于生产熔融铁的这些申请中所描述的HIsmelt工艺包括：

(a)在容器中形成熔融铁和熔渣的熔池；

(b)将以下物质喷射入熔池：

(i)含金属供给材料，通常为氧化铁；和

(ii)固体含碳材料，通常为煤，该固体含碳材料用作金属氧化物的还原剂和能量源；以及

(c)在金属层中将含金属供给材料熔炼成金属。

在这里将术语“熔炼”理解为热处理，其中进行还原金属氧化物的化学反应以生产液态金属。

HIsmelt工艺还包括在熔池上方具有含氧气体的空间中后燃从熔池释放的诸如CO和H₂的反应气体，并将该后燃产生的热量传递到熔池以贡献熔炼含金属供给材料所需的热能。

HIsmelt工艺还包括在熔池的名义静止表面上方形成过渡区，在该过渡区中，具有熔融金属和/或熔渣的液滴或飞溅或液流的适量上升及随后的下降，这提供了用来将通过在熔池上方后燃反应气体而产生的热能传递到熔池的有效介质。

在HIsmelt工艺中，含金属供给材料和固体含碳材料通过许多喷枪/鼓风口喷射入金属层，这些喷枪/鼓风口相对于竖直方向倾斜以便向下且向内地延伸通过直接熔炼容器的侧壁并进入容器的下部区域，从而将至少部分的固体材料传送到容器底部中的金属层。为了促进容器上部中的反应气体的后燃，通过向下延伸的热空气喷枪将一股可富含氧气的热空气喷射入容器的上部区域中。容器中的反应气体的后燃所产生的废气通过废气管从容器的上部被带走。

HIsmelt工艺使得能在单个小型容器中通过直接熔炼来生产大量的熔融金属。该容器必须用作在能持续长期熔炼操作的整个过程中，在极高的温度下含有固体、液体和气体的压力容器。如以申请人的名义在美国专利6322745和国际专利公开WO00/01854中所描述的，该容器可由其内包含了由耐火材料形成的炉缸的钢壳体以及从该炉缸的侧面向上延伸并设置有水冷板的侧壁组成。HIsmelt工艺为湍流式的，则由于朝着炉缸的上部中的耐火材料进行熔渣和熔融金属冲洗喷溅而造成的化学侵蚀和可能的物理腐蚀会导致炉缸的上部的耐火材料腐蚀。此腐蚀通常比鼓风炉的炉缸所经受的腐蚀更严重，该鼓风炉的炉缸中的熔融金属和熔渣相对静止。

本发明使得能显著减少这种炉缸的耐火材料腐蚀。

发明内容

根据本发明，提供了一种直接熔炼容器，包括有耐火衬里的炉缸、从所述炉缸向上延伸的侧壁、以及多个环绕所述侧壁设置以形成在这些侧壁上的内部衬里的冷却板，其中所述炉缸的所述上部的内表面向上并向外延伸至所述容器的侧壁，且所述炉缸的所述上部结合向外设置在所述炉缸该部分的耐火衬里后面并位于所述容器侧壁上的冷却板下面的冷却器。

举例来说，该容器可用于使用基于熔池的直接熔炼工艺来生产铁和/或铁合金，且还可包括容器顶、用于从容器出熔融金属和熔渣的装置、用于将包括固体含铁材料和含碳材料的固体供给材料供给到容器中的喷枪、以及用于将含氧气体供给到容器中以后燃在直接熔炼工艺中产生的气体反应产物的喷枪。

所述炉缸冷却器可具有紧接在所述炉缸的上部的耐火衬里后面向上并向外延伸的冷却表面。

更具体地说，所述炉缸的底部和所述容器的侧壁可大体为圆柱形，所述冷却器的冷却表面可向上并向外延伸且所述炉缸的上部的耐火衬里可覆盖该冷却表面。

所述炉缸上部的耐火衬里可由覆盖冷却器的耐火砖的层列(course)形成。

在所述炉缸的上部下面，所述炉缸衬里可由耐火砖的圆柱形层列形成。

所述冷却器可由设置成环绕所述炉缸的上部周向延伸的排列的多个冷却器元件形成。

所述冷却器元件可连接至所述容器侧壁的外壳体，因此，所述冷却器元件不依赖于所述炉缸的底层部分而支承所述元件。

每个冷却器元件可由中空后部开口的铸造壳体结构组成，该铸造壳体结构具有一起一体形成在所述铸造壳体结构中的底壁、顶壁、前壁和侧壁并结合了用于冷却剂流动通过的冷却剂流道，该顶壁包括至少部分地形成为倾斜表面的固体表面。

每个冷却器元件的顶壁可具有作为所述倾斜表面向下倾斜至所述铸造壳体结构的前壁的表面。此倾斜表面和前壁的表面限定所述元件的前面。

每个冷却元件前壁的竖直范围可小于所述元件的顶壁的倾斜表面的竖直范围。

每个冷却器元件的所述顶壁可具有平行于所述底壁、从所述冷却器元件后面延伸并限定平台(flat land)的部分。

可对每个冷却器元件的所述平台的尺寸进行选择，从而在与所述冷却板的前壁相邻的点存在到所述元件的向下倾斜的前面的过渡，所述冷却板构成所述容器侧壁的一部分。也就是说，平台的径向范围可与位于该平台上方的冷却板的径向范围相等。此选择将在可能使得炉结物形成堵塞的冷却板基底处形成的台阶的可能性降到最低，该堵塞可能会使与冷却板、冷却元件或者容器壳体邻近的热金属堆积。在冷却板属于由其间带有孔的蛇形布置形成的类型时尤为令人担忧。

顶壁可为台阶状，从而所述外表面具有一系列台阶层表面，这些台阶层表面延伸越过所述冷却器元件以支承所述炉缸上部的耐火衬里的耐火砖。

每个冷却器元件的所述侧壁可提供固体表面。

每个冷却器元件的所述侧壁可朝着所述元件的前壁收敛。

更具体地说，所述冷却器可被形成为环，每个冷却器元件成梯状地被形成为该环的段，所述冷却器元件的侧壁形成该环的径向延伸，所述冷却器元件的前壁弯曲以形成该环的周向延伸。

每个冷却器元件的所述侧壁可形成有平坦表面。

所述冷却器元件可通过相邻元件之间的小间隙成并排关系而设置。

相邻冷却元件之间的所述间隙可以是20mm或者更小。

优选地，该间隙为15mm或更小。

更优选地，该间隙在5-20mm的范围之内。

所述冷却器元件可具有用于冷却剂流动进出冷却剂流道的冷却剂入口接头和冷却剂出口接头。

所述冷却剂流道可由管构成，所述管被铸造到每个冷却剂元件的壳体结构中并在该壳体的开口后部的入口和出口之间延伸。

本发明还提供了一种用于冷却熔炼容器的炉缸中的耐火材料的铸铜或铜合金冷却器元件，包括具有一体形成在铸造结构中的底壁、顶壁、前壁和侧壁的中空后部开口的壳体结构，并在该壳体结构中结合了冷却剂流道，该冷却剂流道由管构成，所述管被铸造到所述壳体结构中并在所述元件的开口后部的入口和出口之间延伸，所述顶壁提供至少部分地形成为倾斜表面的固体表面。

构成所述冷却剂流道的所述管可设置成延伸遍及所述冷却器元件底壁、顶壁、前壁和侧壁的排列。

所述冷却剂流道可以为跟随延伸通过所述底壁、顶壁、前壁和侧壁的蛇形通道的至少两个连续管的形式。

该蛇形通道优选为相邻的蛇形通道。

所述相邻的蛇行通道可相互替换，从而提供通过冷却元件的至少前壁和底壁来大致均匀的管分布。

可构造构成冷却剂流道的管，使得底壁上不存在管的对折。

可构造构成一个冷却剂流道的各管，使得冷却剂能流入通过所述顶壁和所述前壁一个流道，然后，流入通过所述侧壁和所述底壁至出口的返回流道，或反之亦然。

优选地，各管的流道沿着越过并邻近所述冷却元件的顶壁、前壁、侧壁和底壁的蛇形通道。

优选地，通过所述底壁和所述侧壁的各管的流道为在所述冷却元件的前面和所述冷却元件的后面之间经过所述底壁和所述侧壁的连续通道。

更优选地，所述连续通道为反复穿过所述底壁和所述侧壁中的每一个的蛇形通道。

在另一个但不是唯一的其它实施例中，可构造构成一个冷却剂流道的一个管，使得冷却剂流入从流道入口到顶壁和前壁下面向上回到前壁和顶壁到达出口的蛇形通道。另外，可构造构成另一冷却剂流道的另一管，使得冷却剂流入从流道的入口沿着侧壁和底壁到冷却元件的前面然后沿着侧壁和底壁回到流到出口的蛇形通道。

顶壁和前壁可形成一个大体倾斜的表面，该表面从所述冷却器元件的后面向下倾斜至在所述冷却器元件前面的所述底壁并限定所述元件的前面。

所述顶壁可具有平行于所述底壁、从所述冷却器元件后面延伸并限定平台的部分。

用于冷却剂流道的入口和出口最初可穿过所述顶壁的平行部分。

可具有用于冷却剂流道进出所述形成所述冷却剂流道的管的冷却剂入口接头和冷却剂出口接头。

所述顶壁的倾斜表面可成台阶状，从而该顶壁的所述倾斜表面的外表面具有一系列延伸越过元件的台阶层表面。

所述台阶层的尺寸可被构造为单独容纳搁置于该台阶层上的单排耐火砖。

在所述顶壁上的上表面中的各台阶的前面可具有延伸越过所述冷却元件的线性凹槽。

所述底壁的下面可设置有一系列延伸越过所述冷却元件的线性凹槽。

所述冷却元件可成形为带有收敛侧壁的环段，从而并排设置的多个这种元件能形成圆环冷却器，所述元件的底壁形成平坦的环底、所述元件的所述顶壁形成具有水平的平坦层的向上并向外倾斜的环表面，且所述元件的到达侧壁形成该环的径向延伸。

本发明还提供了一种用于定位于直接熔炼容器的有耐火衬里的炉缸中的冷却元件，该冷却元件包括具有一体形成在铸造结构中的水冷底壁、顶壁、前壁和侧壁的中空后部开口的壳体结构，该冷却元件适于与炉缸中的其它冷却元件协同定位，而所述元件的水冷侧壁提供相邻的冷却元件之间的间隙缺口的水冷却。

水冷侧壁的应用使得能实现简单而稳固的设计，该设计利用大致摆脱相邻元件之间的互锁或其它密封的竖直的优选平坦的侧壁，这些相邻元件可能还要求防止熔融金属渗透任意这种缺口以及接触壳体。在带有已搅拌且良好混合的熔融金属以及熔渣的熔池的直接熔炼工艺的熔渣区中加剧了此类问题。

相邻冷却元件之间的间隙缺口可以是20mm或更小。

优选地，该间隙缺口为15mm或更小。

更优选地，该缺口间隙在5-20mm的范围之内。

本发明还提供了一种用于定位于直接熔炼容器的有耐火衬里的炉缸中的冷却元件，该直接熔炼容器具有位于紧接所述冷却元件上方的所述容器的侧壁上的水冷板，该冷却元件包括中空后部开口的壳体结构，该中空后部开口的壳体结构具有一体形成在铸造结构中的水冷底壁、顶壁、前壁和侧壁，该顶壁包括从所述冷却元件后面延伸的大致水平的部分，该顶壁还包括从该水平部分向下延伸到到达前壁的倾斜表面，该水平部分朝着所述前壁径向延伸并在一点过渡到倾斜部分中，在安装在所述容器中时，该点被定位成邻近紧接在所述顶壁的水平部分上方的水冷板的前面。

附图说明

为了更充分地说明本发明，参照附图详细描述直接熔炼容器以及炉缸冷却器的冷却器元件的一个具体实施例，其中：

图1是根据本发明设置有炉缸冷却器的直接熔炼容器的实施例的竖直截面；

图2是图1所示容器的平面图；

图3是图1的容器的下部的放大图；

图4是炉缸冷却器的冷却器元件的实施例的透视图；

图5是炉缸冷却器元件的平面图；

图6是冷却器元件的竖直截面；

图7是从元件的后面看的冷却器元件图示，示出了形成在该冷却器元件中的冷却剂流道的构造；以及

图8是从元件的前面看的冷却器元件的另一图示，示出了形成在该冷却器元件中的冷却剂流道的构造。

具体实施方式

附图中的图1至图6示出了适用于如美国专利6267799以及国际专利公开WO 96/31627中所描述的HIsmelt工艺的操作的直接熔炼容器。冶金容器总体由11表示，其具有包括由耐火砖形成的基底13和侧面14的炉缸12、用于连续排出熔融金属的前炉15以及用于排出溶渣的出渣口16。

容器的基底被固定到由钢制成的外容器壳体17的底端，外容器壳体17包括圆柱形主筒段18、向上并向内成锥形的顶段19、以及限定废气室26的上圆柱段21和盖段22。上圆柱段21设置有用于废气的大直径出口23且盖22具有开口24，以将向下延伸的气体喷枪(未示出)安装在该开口24中，该气体喷枪用于将热空气吹送到容器的上部区域中。壳体的主圆柱段18具有八个周向间隔开的管状配件25，以使用于将铁矿、含碳材料以及助熔剂喷射到容器底部的固料喷枪(未示出)通过这些管状配件延伸。

在使用过程中，容器包含铁和熔渣的熔池且容器的上部必须包含处于压力以及1200℃量级的极度高温下的热气体。因此，要求容器能用作可长期使用的压力容器且必须具有坚固结构并被完全密封。进入容器内部极其受限，进入基本上限于在停机时通过盖开口24和换衬通道门27。

容器壳体17内衬有一组冷却板31，冷却水能通过这些冷却板循环，且这些冷却板包覆有耐火材料，从而在熔炼区上方为容器提供水冷内部耐火衬里。重要的是耐火衬里实际上为连续的且所有的耐火材料受到冷却，这是由于未冷却的耐火材料会快速腐蚀。所述板形成并附接至壳体的方式使得，这些板能内部安装在壳体17中并能在停机时分别得以拆卸与置换，而不会破坏壳体的完整性。可以通过完全在美国专利6,267，799和国际专利公开WO96/31627中所公开的方式来实施板31的构造和安装。

容器的炉缸12的基底13由深耐火砖32构成，且炉缸的侧面14衬有耐火砖33的连续层列。炉缸的上部12a向上并向外成锥形至容器壁18。在容器的使用过程中，炉缸的此部分暴露于带有熔融金属和熔渣的喷溅物。根据本实施例，炉缸的此部分结合了总体由34表示的冷却器，该冷却器向外设置在加衬炉缸上部的砖33a的后面并设置在位于容器侧壁上的冷却板31的最低部分下面。

冷却器34由设置成沿炉缸上部周向延伸的排列的一系列单独的冷却器板元件35构成。该冷却器具有紧接在炉缸12上部的耐火衬里33a后面向上并向外延伸的台阶状上冷却表面36以及位于砖33b的圆柱形层列的耐火砖上的底部平坦冷却表面37，砖33b加衬炉缸上部下面的炉缸12的侧面。

各冷却器元件35相对于炉缸12的底层的耐火砖自支承。具体来说，各冷却器元件35被安装到外容器壳体17，如下文所述。注意，当冷却器元件35未由耐火砖有效支承时，冷却器元件仍具有协助将耐火砖保持在适当的位置并减小砖在熔池内部浮动的趋向的效果。

如从图4到图6中所最清楚地看到的，冷却器34的每个冷却元件35包括具有底壁42、顶壁43、一对侧壁44和前壁45的中空后部开口的铸造壳体结构41。底壁42和侧壁44与连续朝外的表面齐平，而顶壁43向下倾斜至壳体结构41的前壁45。顶壁43可以是台阶状的，从而该顶壁的为连续表面的上朝外表面具有一系列台阶层表面46，这些台阶层表面延伸越过元件以支承炉缸12上部的耐火衬里33a的耐火砖47。

将各冷却器元件45的壳体41铸造为诸如铜或铜合金之类的高导热率金属的一体结构。一对铜或镍(或合金)管48a、48b铸造在此结构内部，从而形成一系列设置成分别延伸遍及冷却器元件的底壁42、顶壁43和侧壁44的排列的冷却剂流道。美国专利6,280,681中公开的铸造方法适用于形成冷却器元件45。

各管48a、48b最初形成为管的直线长度，然后弯曲成所需要的蛇形布置，以下将进一步论述，并设置在模子中，熔融金属随后倾倒在该模子中用以形成铸造结构。附图中所示的管48a、48b的布置典型是可用于经由冷却器元件35的壁实现冷却剂(通常是水但不必须是水)的适当流动的许多不同布置。

参照图7和图8，构成冷却剂流道的管48a、48b从冷却器元件35的开口后部的上部延伸并装配有入口接头61和出口接头51，该入口接头和出口接头用于冷却剂进出由管48a、48b限定的冷却剂流道的流动。

具体来说，管48a、48b的入口端向外延伸至左侧壁44，如图4、图7和图8所示，然后在顶壁43的平面上向前延伸一短距离，接着延伸越过顶壁43到右侧壁44，如图中所示。沿着顶壁43到前壁45以下重复管48a、48b的此基本布置，直到管48a、48b到达铸造壳体结构41前面的底壁42。然后，管48a、48b以返回路径延伸至冷却元件35的开口后部的出口接头51。具体来说，管48a、48b在其中一个侧壁44的平面上向后延伸一短距离，延伸越过底壁42到另一侧壁44，竖直向上延伸到顶壁43，在侧壁44的平面上向后延伸一短距离，竖直向下延伸到底壁42，并延伸越过底壁42到另一侧壁。然后，连续重复该基本布置，直到管48a、48b到达出口接头51。

螺纹螺栓40在相应的入口接头和出口接头51之间从每个冷却器元件35的开口后部的上部向外突出。通过将冷却器元件的下后部分安置在焊接到容器11的外钢壳体17的钢脚板50上、使得螺栓40穿过壳体17中的孔、以及通过将螺母60装配到螺栓来完成固定，而将冷却器元件牢固地固定在适当的位置。这样，冷却器元件35由外钢壳体17、而非炉缸12中的底层耐火砖支承。因此，不必移除冷却器元件35就替换耐火砖是可能的。

各冷却器元件35成形为带有收敛侧壁41的环段，且冷却器由并排设置的多个该元件构成，从而构成圆环冷却器34，其中冷却器元件35的底壁42形成平坦的环底、冷却器元件35的顶壁43形成向上并向外倾斜环表面、以及冷却器元件35的侧壁44形成该环的径向延伸。

各冷却器元件35的内外缘弯曲而形成该环的周向延伸。在台阶位于顶壁43中的位置也可以被弯曲，从而冷却器元件35的平坦层表面共同形成一系列环绕容器的圆半部延伸的圆台阶层。

上台阶层表面46之间的竖直台阶表面设置有线性凹槽52，这些线性凹槽延伸越过每个元件35并在组装的冷却器中排列形成环槽，柔性可铸材料能被装入该环槽中以在冷却器的台阶状表面和耐火砖47之间形成密封。附加凹槽53、54形成在各冷却器元件35的平坦的上下朝外面中，从而延伸越过冷却器元件35并容纳可铸造装入材料而邻接紧接在冷却器34的上方和紧接这冷却器34的下方的耐火砖层列。

在所示出的本发明实施例中，炉缸12上部的耐火衬里由冷却器34有效冷却并支承，这显著地减小了耐火材料的腐蚀速率。如果全部耐火材料都被腐蚀了，则冷却器34的运行也会引起熔渣冻牢在其表面上。因此将冷却器结合在炉缸12的上部防止了如果在熔渣区中的耐火材料完全腐蚀时出现的熔渣和熔融金属在冷却板31底排的后面或下面被冲洗。

仅通过举例提出所描述的本发明的实施例，且应当理解的是本发明并不限制于该实施例的构造细节。

举例来说，尽管台阶状顶壁在冷却器元件前缘形成的竖直壁部分的的冷却器元件35是一个选择，但另一选择是改变该构造，从而顶壁43成锐角地与底壁相接或者与那些元件的前部的竖直前壁接合。顶壁43能构成为不具有台阶而具有大体成圆锥形的弯曲上部(尽管仍保持能装入柔性可铸造材料的环凹槽)，因此覆盖的耐火砖可成形为平滑地邻接该顶表面。图7示意性地示出了此选择。应当理解的是该变型和许多其它变型都落入本发明的范围内。

此外，应当理解，当冷却元件35铸造有后开口的壳体结构时，增加无论是否固定的后板都不会限制本发明。

此外，并未将本发明限制为附图中所示的冷却元件35中管48a、48b的具体布置。在选择布置中，但不是仅有的其它可能的选择布置中，如图4、7和8所示，其中一个管的入口端向外延伸到右侧壁44，然后竖直向下延伸到底壁42，延伸越过底壁42到如附图中所示的左侧壁44，竖直向上延伸到顶壁43，向前延伸，接着在侧壁44的平面内竖直向下延伸到底壁41，此后延伸越过底壁42到右侧壁44，如图中所示。重复该管的基本布置，直到管48a到达铸造壳体结构41的前面。然后，使该基本布置反向并连续重复直到另一管到达出口接头51。另外，该管的入口端向外延伸至左侧壁44，如图4、图7和图8所示，然后在顶壁43的平面内向前延伸一短距离，接着延伸越过顶壁43到右侧壁44，如图中所示。沿着顶壁43到前壁45以下重复该管的此基本布置，直到管到达铸造壳体结构41前面的底壁42。然后，使该基本布置反向并连续重复直到管到达出口接头51。