CN1308137A - 直接熔炼工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从一种含金属喂入材料制造金属的一种直接熔炼工艺和一种固定的即非转动的冶金容器。该工艺是以熔浴为基础的,其中包括通过一个或多个喷嘴和喷管(11)将固体喂入材料连同载体气体一起注入熔浴中,并且引起气流流出熔浴,该气流在熔浴中金属层15与炉渣层16的交界处的流量至少为0.3Nm3/s/m2。

Description

直接熔炼工艺
本发明涉及一种工艺，该工艺在一个含有熔浴的冶金容器中，由含金属喂入材料如矿石、部分还原过的矿石和含金属的废弃矿来生产熔化金属(该术语包括金属合金)，尽管决不特别指铁，但主要用于炼铁。
本发明特别涉及一个为由含金属喂入材料生产熔化金属而采用的以熔化金属浴为基础的直接熔炼工艺。
最广泛地使用的生产熔化铁的工艺是以采用高炉为基础的。将固体材料加到炉子的顶部，使熔化的铁从炉膛中流出。固体材料包括铁矿石(呈氧化铁皮、块状或团矿形式)、焦炭和助熔剂，它们形成了一种可透气的向下移动的装料。将可以是富氧的预热空气注入炉子底部，并且通过可透气的床向上流动，通过焦炭燃烧产生一氧化碳和热。这种反应的结果是产生熔化的铁和矿渣。
通过在铁的沸点以下对铁矿石进行还原而生产铁的工艺通常被分类为“直接还原工艺”，并且其产品特别称为DRI。
FIOR(流体铁矿石还原)工艺是直接还原工艺的一个实例。当铁矿石小颗粒由重力喂入一连串流化床反应器中的各反应器中时，该工艺将铁矿石小颗粒进行还原，该小颗粒在固态下由压缩还原气体还原，该还原气体从这一串反应器的最下一个反应器的底部进入，并且与小颗粒的向下运动逆向地流动。
其它的直接还原工艺包括移动竖炉工艺、静止竖炉工艺、转炉工艺、转窑工艺和甑炉工艺。
COREX工艺包括一个作为一个步骤的直接还原工艺。COREX工艺直接从煤产生熔化铁，而不是象高炉那样需要焦炭。COREX工艺包括2-步骤的操作，其中：
a在一个竖炉中由一种可透气的铁矿床(以团状或块状的形式)和助熔剂生产DRI；以及
b在不冷却的条件下将DRI装入相连的熔炉煤气发生器，并且将其熔化。
在熔炉煤气发生器的流化床中的煤所发生的部分燃烧产生了需要用于竖炉的还原气体。
另一个已知的生产铁的工艺组是以气旋转炉为基础的，其中铁矿通过氧气和在一个上部熔炉旋风器中的还原气体的燃烧而熔化，并且在一个含有熔化铁浴的下部熔炉中进行熔炼。下部熔炉产生上部熔炉旋风器所需要的还原气体。
直接从矿石(和部分还原的矿石)生产熔化金属的工艺通常称作“直接熔炼工艺”。
一组已知的直接熔炼工艺采用电炉作为熔炼反应的主要能源。
另一种已知的通常称为Romelt工艺的直接熔炼工艺，采用大体积、高度搅拌的矿渣浴作为一种介质，用于将顶部装填的金属氧化物熔炼成金属、使气体反应产物进行后燃烧以及传递连续熔炼金属氧化物所需要的热量。该Romelt工艺包括通过一排下部喷嘴将富氧空气或氧气注入矿渣中，以提供矿渣的搅拌，同时还包括通过一排上部喷嘴将氧气注入矿渣中，以促进后燃烧。在Romelt工艺中金属层不是一种重要的反应介质。
另一组以矿渣为基础的直接熔炼工艺通常称为“深矿渣”工艺。这些工艺如DIOS和AISI工艺，是基于形成深的矿渣层。正如Romelt工艺那样，在矿渣层之下的金属层不是一种重要的反应介质。
另一个已知的直接熔炼工艺依靠一个熔化金属层作为反应介质，这种工艺通常称为HIsmelt工艺，该工艺已以申请人的名义，描述于国际专利申请PCT/AU96/00197(WO96/31627)中。
在国际专利申请中所描述的HIsmelt工艺包括：
a在容器中形成一个具有一个金属层和在该金属层上的一个矿渣层的熔化浴；
b在该浴中注入：
(i)一种含金属的喂入材料，一般为金属氧化物；和
(ii)一种固体的含碳材料，一般为煤，该种材料作为一种金属氧化物的还原剂和一种能源；和
c将金属层中的含金属喂入材料熔炼成金属。
HIsmelt工艺还包括后燃烧反应气体，如CO和H2，这些气体带着含氧气体从浴中散发到浴上部的空间中，并且将后燃烧所产生的热量传递给浴，为熔炼含金属喂入材料提供所需的热能。
HIsmelt工艺还包括在浴的标称静止表面上形成一个过渡区域，在此过渡区域中有上升并随后下降的熔化金属和矿渣的熔滴或飞溅或涌流，从而为将在浴之上的后燃烧反应气体所产生的热能传递到浴中提供了一种有效的介质。
一种优选HIsmelt工艺形式的特征是：通过喷管将载体气体、含金属喂入材料、固体含碳材料和可任选的助熔剂注入到浴中而形成一个过渡区域，该喷管向下向内延伸，通过容器的侧壁，这样载体气体和固体材料穿过金属层，并且使得熔化的材料从浴中喷出。
这种形式的HIsmelt工艺比以前的工艺形式有所改进，它是通过将载体气体和固体含碳材料由喷管从底部注入到浴中而形成过渡区域的，这使得熔化材料的熔滴、飞溅和涌流从浴中喷出。
本申请人已对上述的优选HIsmelt工艺形式进行了大量的中间工厂试验，并且取得了一系列与该工艺相关的重要发现。
本申请人取得的发现之一，也是形成本发明基础的是：通过将固体材料/载体气体注入到熔浴中而引起的从浴中向上流动气体的流量，在金属层和炉渣层的交界处(在静止条件下)应该至少为0.3/Nm3/s/m2，以便建立过渡区域，以有效的速度传递热量给熔浴。
传热效率是度量由后燃烧所产生并传递给熔浴的能量大小的尺度。它还是度量由后燃烧所产生并从容器中损失的能量(经排出高于浴温度的废气和经容器的侧壁和顶部传出的热量)大小的尺度。
从浴中流出气体的最小流量在金属层和炉渣层的交界处为0.3/Nm3/s/m2，确保了足够的上浮力，从熔浴中进入到过渡区域的熔化材料的熔滴、飞溅和涌流使下列指标达到最佳：
a.经熔化材料的熔滴、飞溅和涌流随后落下而导致的传给熔浴的热量，和
b.熔化材料与容器侧壁的接触，这种接触形成了一个炉渣保护层，减小了容器中的热损失。
考虑到本发明的优选容器结构时上述的b条特别重要，这种优选结构包括水冷却板和耐火砖，其中水冷却板形成容器上部圆筒形部分的侧壁，并且还可以选择形成该圆筒形部分的顶部，水冷耐火砖形成容器下部的圆筒形部分的侧壁。
一般说来，本发明是一种用于在一个固定的即非转动的冶金容器中，由一种含金属喂入材料生产金属的直接熔炼工艺，该工艺包括的步骤为：
a.在容器中形成一个具有一个金属层和在该金属层上面的一个炉渣层的熔浴；
b.由一个或多个向下延伸的喷嘴/喷管将含金属喂材料和/或固体含碳材料与载体气体一起注入熔浴中，并且熔炼熔浴中的含金属材料，固体和气体的注入从而引起熔浴中产生气流，该气流在在静止条件下的金属层和炉渣层交界处的流量至少为0.3/Nm3/s/m2，该气流将熔化的材料带入熔浴中，并且将熔化的材料以熔滴、飞溅和涌流的形式向上带起，在容器中炉渣层上部的气体连续空间中形成一个过渡区域，从而使熔化材料的飞溅、熔滴和涌流与容器的侧壁接触，形成一个炉渣保护层，和
c.通过一个或多个喷嘴/喷管将含氧气体注入容器中，并且将从熔浴中放出的反应气体进行后燃烧，从而使升起并随后落下的熔化材料的熔滴、飞溅和涌流促进了对熔浴的热传递，这样，过渡区域使得从容器中经过与过渡区域接触的侧壁所损失的辐射热达到最小。
在在静止条件下的金属层与炉渣层的交接面处的上述气体流量至少为0.3/Nm3/s/m2，这一从浴中流出的气体流量远高于上述的Romelt工艺和深炉渣工艺如DIOS和AISI工艺中的相应流量，这是本发明的工艺与已知直接熔炼工艺的一个很重要的不同之处。
以个案进行比较，Ibaraki等人的美国专利5,078,785(受让于Nippon钢铁公司)揭示了一个采用转动容器的特殊形式深炉渣工艺，并且揭示了为对金属浴进行搅拌，从底部将气体注入金属层。出现在第14列第17行的段落揭示了由底部气体注入所产生的“金属浴搅拌力”不会大于6Kw/t。该美国专利揭示了在更高水平的搅拌条件下，将会产生大量不理想的铁灰尘。以第14列21行所提供的段落为信息基础，最大的金属浴搅拌力6Kw/t对应着最大的从浴中流出的气体流量在金属层与炉渣层的交接面处为0.12/Nm3/s/m2。这一最大气流大大低于本发明0.3/Nm3/s/m2的最小流量。
优选的工艺包括主要在金属层中将含金属材料熔炼成金属。
最好步骤b中固体和气体的注入引起来自熔浴中的气流基本上穿过在静止条件下的金属层与炉渣层的交接面。
最好该气流流量在在静止条件下的金属层与炉渣层的交接面处至少为0.35/Nm3/s/m2，更好为0.5/Nm3/s/m2。
最好该气流流量在在静止条件下的金属层与炉渣层的交接面处小于0.90/Nm3/s/m2。
典型地，熔化材料的熔滴、飞溅和涌流向上运动时带起了更多的熔化金属(特别是炉渣)。
典型地，在熔化材料的熔滴、飞溅和涌流中，炉渣是熔化材料的主要部分，而熔化的金属是熔化材料的剩余部分。
术语“熔炼”在此理解为进行热加工，其中发生使金属氧化物还原的化学反应，以便生产液态的金属。
术语“金属层”在此理解为浴中的一个区域，其中金属占大多数。特别是，该术语涵盖的区域和范围包括带有分散熔化炉渣的一个金属连续的体积。
术语“炉渣层”在此理解为浴中的一个区域，其中炉渣占大多数。特别是，该术语涵盖的区域和范围包括带有分散熔化金属的一个炉渣连续的体积。
最好过渡区在炉渣层之上延伸。
碳在金属中的溶解水平最好大于4％重量比。
FeO在炉渣层的浓度最好小于5％重量比。
在该工艺中最好还包括让注入熔浴中的固体含碳材料的数量大于熔炼含金属喂入材料和产生热量维持反应率所需要的数量，这样在离开容器的废气中所携带的灰尘中至少还含有过量的碳。
当废气中灰尘产生的速率为10到50g/Nm3时，离开容器的废气中灰尘的固体碳的浓度最好在5到90％重量比(更好为20到50％重量比)的废气中灰尘重量的范围内。
含金属材料和含碳材料的注入可以通过同一个喷嘴/喷管或分离的喷嘴/喷管来进行。
过渡区域与炉渣层有相当的不同之处。示意性地进行说明就是，在稳定操作的工艺条件下，炉渣层包括在液体连续体积中的气泡，而过渡区域包括在气体连续体积中的熔化材料，主要为炉渣的熔滴、飞溅和涌流。
最好是让本工艺的步骤c中的产生于熔浴中的后燃烧反应气体，如一氧化碳和氢气，处于熔浴表面之上的顶部空间中(包括过渡区域)，并且将后燃烧所产生的热量传递给熔浴，以维持熔浴的温度，而从熔浴内的内热反应来看，这是最基本的。
最好设置一个或多个注入含氧气体的喷嘴/喷管，以便将含氧气体注入到容器的中间区域。
含氧气体可以是氧气、空气或体积含氧量达到40％以上的富氧空气。
含氧气体最好是空气。
该空气最好是经预热的。
典型地，将该空气预加热到1200℃。
该空气可以是富氧的。
最好该工艺的步骤c在高水平的后燃烧下，即至少为40％的后燃烧下进行，其中后燃烧定义为： [ C O 2 ] + [ H 2 O ] [ CO 2 ] + [ H 2 O ] + [ CO ] + [ H 2 ]
其中：
    [CO2]＝CO2在废气中的体积％；
    [H2O]＝H2O在废气中的体积％；
    [CO]＝CO在废气中的体积％；和
    [H2]＝H2在废气中的体积％。
在某些情况下，可以将补充的固体或气体含碳材料(如煤或天燃气)注入来自容器的废气中，以便以化学能的形式获取热能。
一个这种补充注入含碳材料的实例是注入天燃气，天燃气分解、改良并冷却废气，同时天燃气本身的燃料值增加。
补充的含碳材料可以加到容器的上部区域或在废气离开容器后加到废气中。
最好该工艺在后燃烧大于50％的条件下，更好是在后燃烧大于60％的条件下进行操作。
最好，一个或多个喷嘴/喷管通过容器的侧壁倾斜向下向内地朝着金属层延伸。
最好注入含氧气体的一个或多个喷嘴/喷管的位置和操作参数和控制过渡区域的工作参数是这样选择：
a.含氧气体向着过渡区域注入，并且穿过过渡区域；
b.过渡区域围绕着喷嘴/喷管的下部向上延伸，这样一定程度将容器的侧壁屏蔽在各喷嘴/喷管端部所产生的燃烧区域之外；
c.在各喷嘴/喷管的端部周围，有一个不含金属和炉渣的称之为“自由空间”的气体连续空间。
上述的c条是一个重要的特征，因为它使得容器顶部的反应气体可以被抽入到各喷嘴/喷管的端部并在此区域后燃烧。
最好本工艺保持一个相对高(但不是太高)的炉渣存量并且用炉渣的数量作为控制工艺过程的方法。
术语“相对高的炉渣存量”可以理解为容器中炉渣的数量是相对于金属数量而言的。
最好，当该工艺在稳定条件下操作时，金属与炉渣的重量比为4∶1到1∶2。
更好地，金属∶炉渣在3∶1到1∶1之间。
金属∶炉渣最好在2∶1到1∶1之间。
术语“相对高的炉渣存量”还可以理解为容器中炉渣的深度。
该工艺最好包括，在稳定条件下，通过将炉渣层控制在0.5到4米的深度来保持高的炉渣存量。
更好的是该工艺包括，在稳定条件下，通过将炉渣层控制在1.5到2.5米的深度来保持高的炉渣存量。
特别好的是该工艺包括，在稳定条件下，通过将炉渣层控制在至少1.5米的深度来保持高的炉渣存量。
熔浴中的炉渣层的炉渣量对富含炉渣的过渡区域的炉渣量有一个直接的影响。
在减少由从过渡区域到容器侧壁的辐射热损失方面，炉渣是重要的。
如果炉渣存量太低，将会使金属更多地暴露在富含炉渣的过渡区域中，从而增加金属的氧化和降低后燃烧的潜力。
如果炉渣存量太高，则一个或多个含氧气体注入喷嘴/喷管就会被埋藏在过渡区域中，这就降低了顶部空间反应气体向各喷嘴/喷管端部的移动，其结果就是降低了后燃烧的潜力。
根据本发明，提供了一种固定的即非转动的容器，通过直接熔炼工艺该容器由含金属喂入材料生产金属，该容器装有一个熔浴，该熔浴有一个金属层和一个在该金属层之上的炉渣层，并且在该炉渣层之上有一个气体连续的空间，该容器包括：
a.一个壳体；
b.一个由耐火材料形成的炉膛，该炉膛有一个基座和多个侧面，此底座和侧面与熔浴相接触；
c.从炉膛的侧面向上延伸的侧壁，该侧壁与炉渣层和气体连续空间相接触，其中与气体连续空间相接触的侧壁包括水冷却板和一层在该板上的炉渣；
d.一个或多个向下延伸到容器中并将含氧气体注入到容器中的金属层之上的喷嘴/喷管；
e.一个或多个向下并向内延伸到容器中的喷嘴/喷管，这些喷嘴/喷管至少将一部分带载体气体的含金属喂入材料和/或一种含碳材料注入到熔浴中，这样来自浴中的气体流量在在静止条件下的金属层与炉渣层的交接面处至少为0.3/Nm3/s/m2，而且使得来自金属层和炉渣层的熔化材料向上浮起；
f.由上升并随后下降的熔化材料的熔滴、飞溅和涌流所形成的过渡区域存在于炉渣层上部的气体连续空间中，其中一些熔滴、飞溅和涌流与容器的侧壁相接触，并在该侧壁上形成一层熔化材料；和
g.一种从容器中放出熔化金属和炉渣的装置。
最好通过喷嘴/喷管注入固体和气体，使得从熔化浴产生的气体基本上穿过在静止的条件下的金属层和炉渣层的分界。
最好该容器包括一个圆筒形的炉膛和侧壁，从而形成一个从炉膛处延伸的圆柱形圆筒。
含金属的喂入材料可以是任何适当形式的适当材料。优选的含金属喂入材料是一种含铁的材料。含铁材料的形式可以是矿石、部分还原的矿石、DRI(直接还原的铁)、碳化铁、热轧钢锭表面的氧化皮、高炉灰尘、氧化铁皮粉末、BOF灰尘或这些材料的混合物。
在部分还原矿石的情况下，预还原程度的范围可以从相对较低(如FeO)的水平到相对较高的水平(如70到95％的金属量)。
在这方面，该工艺还包括部分还原含金属矿石并随后将部分还原的矿石注入到熔浴中。
含金属喂入材料可以预热。
载体气体可以是任何适当的载体气体。
最好载体气体是一个缺氧的气体。
最好载体气体由氮气组成。
本发明将以实施例的方式并参考以下示图进一步得以描述，其中：
图1是一个冶金容器的垂直剖面图，它示意地显示了本发明工艺的一个优选实施例；
图2是一个反应热传递效率与来自浴中的气体流量之间关系的坐标图，对应于申请者所做的中间工厂试验的系列试验8.1；和
图3是一个反应热传递效率与来自浴中的气体流量之间关系的坐标图，对应于申请者所做的中间工厂试验的系列试验8.2。
下面的描述是关于熔炼铁矿石来生产熔化铁的，应该理解本发明不仅限于本应用实例，而是适应于任何适当的金属矿石和/或浓度-包括部分还原金属矿石和废的下脚料材料。
由图1所示的容器是一个固定的即非转动的容器，它具有一个圆柱形圆筒炉膛，该炉膛包括由耐火材料形成的一个基座3和侧面55；侧壁5形成一个大体为圆柱形的圆筒，该圆筒从炉膛的侧面55处开始向上延伸，该圆筒包括一个上部圆筒部分51和一个下部圆筒部分53；一个顶部7；一个用来放出废气的出口9；一个前炉膛81，该前炉膛可以连续地排出熔化的金属；一个前连接通道71，该通道将炉膛与前炉膛81连通；和一个排出孔61，用于排出熔化的炉渣。
在使用中，该容器装有铁和炉渣的熔浴，该熔浴包括一个熔化铁层15和在该金属层15之上的一个熔化炉渣层16。由数字17标示的箭头指示了金属层15的标称静态表面，而由数字19标示的箭头指示了炉渣层16的标称静态表面。术语“静态表面”理解为当没有气体和固体注入到容器中时的表面。
该容器还包括2个固体注入喷嘴/喷管11，它们以与垂直方向呈30-60°的角度通过侧壁5向下并且向内延伸至炉渣层16处。喷嘴/喷管11的位置选择使得其下端处于在稳定状态的工艺条件下铁层15的静态表面17之上。
在使用中，通过喷嘴/喷管11，由载体气体(典型为N2)所携带的铁矿石、固体的含碳材料(典型为煤)和助熔剂(典型为石灰和氧化镁)被注入金属层15中。固体材料/载体气体的动量引起固体材料和气体穿过金属层15。煤被脱去挥发成份并且在金属层15中产生气体。碳被部分地溶于金属中，而部分仍保持为固体碳。铁矿石被熔炼成金属并且熔炼反应产生一氧化碳气体。这些气体被输送到金属层15中并且通过液化作用和熔炼使熔化金属、固体碳和炉渣在金属层15处产生意义重大的上浮(在固体/气体注入之后落入金属层15)，这样就使熔化材料的熔滴、飞溅和涌流产生了向上运动，而这些熔滴、飞溅和涌流在通过炉渣层16时又带动了炉渣运动。
本申请人在中间工厂试验中发现，在金属层15的静止金属层表面之处(即在静态条件下在金属层15和炉渣层16的交界面处)，从熔浴中所产生的气体的流量至少为0.3/Nm3/s/m2，最好是大体穿过该区域，引起在金属层15和炉渣层16中产生基本的搅拌，其结果是：
a.炉渣层16的体积膨胀，并且具有一个由箭头30所示的表面；和
b.金属层15和炉渣层16都基本上是均质的，在各层中都具有相当均匀的温度，典型地，该温度为1450℃到1550℃，并且在各层中都具有相当均匀的成份。
另外，该申请人在中间工厂试验中发现，上述的气体流量和所产生的熔化材料和固体碳的上浮导致；
a.形成一个过渡区域23；和
b.将一些熔化材料(主要是炉渣)喷射越过过渡区域并且喷射到侧壁5的上部圆筒形部分51，该圆筒形部分在过渡区域23之上并且达到顶部7上。
一般说来，炉渣层16是一个液体连续的体积，其中存在有气泡，而过渡区域23是一个气体连续的体积，其中带有熔化金属和炉渣的熔滴、飞溅和涌流。
该容器还包括一个用来注入含氧气体(典型为预热的富氧空气)的喷管13，该喷管位于中心位置并且在容器中垂直向下延伸。选择喷管13的位置和通过喷管13的气体流量，使得在稳定状态工艺条件下，含氧气体穿过过渡区域23的中心区域，并且维持在喷管13端部周围的基本无金属/炉渣的自由空间。
在使用中，通过喷管13所注入的含氧气体使得在过渡区域23中和在喷管13端部周围的自由空间25中的反应气体CO和H2发生后燃烧，并且在气体空间中产生约为2000℃或更高的高温。热量传给上升并随后下降的气体注入区域的熔化材料的熔滴、飞溅和涌流，并且当金属/炉渣反回到铁层15中时，部分热量又被传递到铁层15中。
自由空间25对达到高水平后燃烧即大于40％的后燃烧是很重要的，因为它能够将在过渡区域23之上的空间中的气体带入到喷管13的端部，从而使可得到的反应气体更多地暴露以便后燃烧。
喷管13的位置、通过喷管13的气体流量以及熔化材料的熔滴、飞溅和涌流的向上运动的综合效果，是为了在围绕着喷管13的下部区域形成过渡区域23，而该在喷管13下部的区域总体由标数27表示。这种形成的区域提供了部分障碍以阻止热量通过辐射被传递到侧壁5上。
另外，上升和下降的熔化材料的熔滴、飞溅和涌流是一种有效的方法，将热量从过渡区域23传递到熔浴中，其结果是使得在侧壁5区域中的过渡区域23的温度约为1450-1550℃。
该容器是参照当该工艺在稳定工艺条件下操作时容器中金属层15、炉渣层16和过渡区域23的水平面，并且参照当该工艺在稳定操作条件下进行操作时，喷射到过渡区域之上的顶部空间31的熔化材料的熔滴、飞溅和涌流来构成的，这样：
a.与金属/炉渣层15/16相接触的侧壁5的炉膛和圆筒形部分下部53是由耐火砖形成的(在图中用交叉阴影线表示)；
b.至少侧壁5的圆筒形部分下部53的一部分由水冷却的板8支撑；和
c.与过渡区域23和顶部空间31相接触的侧壁5的圆筒形上部51和顶部7是由水冷却的板57、59形成的。
每一块水冷却板8、57、59有平行的上下边缘和平行的侧边缘，并且是弯曲的，从而形成圆柱形圆筒的一部分。每一块板包括一个内部水冷却管和一个外部水冷却管。该水管为蛇形结构，其水平部分由弯曲部分连通。各管还包括一个水进口和一个水出口。这些管子在垂直方向上放置，这样当从板的暴露表面观察时，即从暴露于容器内部的表面观察时，外部管的水平部分不直接在内部管的水平部分之后。各板还包括一种夯实的耐火材料，这种耐火材料填充着各管相邻的竖直截面之间的空间和各相邻管之间的空间。
管子的水进口和水出口与供水回路(没有显示)相连，该供水回路使得以很大的流量流过管子的水进行循环。
涉及以上作为一个系列的扩展系列试验的中间工厂试验是由本申请人在位于Kwinana，Western Austrialia的试验工厂进行的。
所进行的中间工厂试验采用图1所示和上述的容器，并且依照上述的工艺条件进行。特别地，该工艺通过前炉膛81连续地排出熔化的铁，并且通过排出孔61周期地排出熔化的炉渣。根据本发明，要注意的是炉膛的直径是2.74米。
中间工厂试验对容器进行了评估并且在大范围内研究了在以下不同条件下的工艺：
a.喂入材料；
b.固体和气体的注入速率；
c.炉渣存量-根据炉渣层的厚度和炉渣∶金属的比例来度量；
d.操作温度；和
e.设备的装配。
图2和图3的坐标图表示的是在两个试验工厂的系列试验中的热传递率(THE-TS)与来自浴中的气体的流量(表示为kNm3/h)的关系。
热传递效率是由后燃烧所产生的、传递给熔浴的能量数量除以后燃烧所产生的总能量后以百分比表示的数。如果废气基本上处于浴的温度，则完全可以说高的热传递效率表示从容器中损失低的热量(主要经侧壁而发生)。
从图2和图3很明显可以看出，当来自浴的气体流量约为7.5kNm3/h时，热传递效率有一个迅速的增加。该数值对应着在静态条件下的金属层15与炉渣层16交界处的流量为0.32/Nm3/s/m2。
可以对所描述的本发明的实施例进行多种改进，而不脱离本发明的理论实质和范围。
由于通过喷嘴/喷管11而将固体材料/载体气体注入，本发明的优选实施例从金属层中产生来自浴中的气体流，与此同时，本发明扩展到了这样的配置，其中由底部/侧面注入的气体对来自浴中的气体的影响是次要的。

Claims (18)

1.一种用于在一个固定的即非转动的冶金容器中，由一种含金属喂入材料生产金属的直接熔炼工艺，该工艺包括的步骤为：
a.在容器中形成一个具有一个金属层和在该金属层上面的一个炉渣层的熔浴；
b.由一个或多个向下延伸的喷嘴/喷管将含金属喂入材料和/或固体含碳材料与载体气体一起注入熔浴中，并且熔炼熔浴中的含金属材料使其成为金属，固体和气体的注入从而引起熔浴中产生气流，该气流在在静止条件下的金属层和炉渣层交界处的流量至少为0.3/Nm3/s/m2，该气流夹带熔浴中的熔化的材料，并且将熔化的材料以熔滴、飞溅和涌流的形式向上带起，在容器中炉渣层上部的气体连续空间中形成一个过渡区域，从而使熔化材料的飞溅、熔滴和涌流与容器的侧壁接触，形成一个炉渣保护层，和
c.通过一个或多个喷嘴/喷管将含氧气体注入容器中，并且将从熔浴中放出的反应气体进行后燃烧，从而使升起并随后落下的熔化材料的熔滴、飞溅和涌流促进了对熔浴的热传递，这样，过渡区域使得从容器中经过与过渡区域接触的侧壁所损失的辐射热达到最小。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，包括主要在金属层中将含金属材料熔炼成金属。
3.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于，步骤b中固体和气体的注入引起来自熔浴中的气流基本上穿过在静止条件下的金属层与炉渣层的交接面。
4.根据前述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，气流流量在在静止条件下的金属层与炉渣层的交接面处至少为0.35/Nm3/s/m2。
5.根据前述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，气流流量在在静止条件下的金属层与炉渣层的交接面处小于0.5/Nm3/s/m2。
6.根据前述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，过渡区域在炉渣层之上。
7.根据前述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，碳在金属中的溶解水平大于4％重量比。
8.根据前述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，FeO在炉渣层的浓度最好小于5％重量比。
9.根据前述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，还包括让注入熔浴中的固体含碳材料的数量大于熔炼含金属喂入材料和产生热量维持反应率所需要的数量，这样在离开容器的废气中所携带的灰尘中至少还含有过量的碳。
10.根据权利要求9所述的工艺，其特征在于，当废气中灰尘产生的速率为10到50g/Nm3时，离开容器废气中的灰尘的固体碳的浓度在5到90％重量比，更好为20到50％重量比的废气中灰尘重量的范围内。
11.根据前述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，在步骤b中含金属材料和含碳材料的注入通过同一个喷嘴/喷管或分离的喷嘴/喷管来进行。
12.根据前述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，含氧气体是氧气、空气或体积含氧量最大达40％的富氧空气。
13.根据前述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，该工艺的步骤c在高水平的后燃烧下，即至少为40％的后燃烧下进行，其中后燃烧定义为： [ CO 2 ] + [ H 2 O ] [ CO 2 ] + [ H 2 O ] + [ CO ] + [ H 2 ] 其中：
    [CO2]＝CO2在废气中的体积％；
    [H2O]＝H2O在废气中的体积％；
    [CO]＝CO在废气中的体积％；和
    [H2]＝H2在废气中的体积％。
14.根据前述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，步骤b包括通过一个或多个喷嘴/喷管将固体和气体注入到熔浴中，这些喷嘴/喷管通过容器的侧壁，并且倾斜地向下并向内朝着金属层延伸。
15.根据前述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，步骤c包括通过一个或多个喷嘴/喷管，将含氧气体注入到容器中，这样：
a.含氧气体向着过渡区域注入，并且穿过过渡区域；
b.过渡区域围绕着喷嘴/喷管的下部向上延伸，这样一定程度将容器的侧壁屏蔽在各喷嘴/喷管端部所产生的燃烧区域之外；
c.在各喷嘴/喷管的端部周围，有一个不含金属和炉渣的称之为“自由空间”的气体连续空间。
16.一种固定的即非转动的容器，通过直接熔炼工艺该容器由含金属喂入材料生产金属，该容器容纳一个熔浴，该熔浴有一个金属层和一个在该金属层之上的炉渣层，并且在该炉渣层之上有一个气体连续的空间，该容器包括：
a.一个壳体；
b.一个由耐火材料形成的炉膛，该炉膛有一个基座和多个侧面，此底座和侧面与熔浴相接触；
c.从炉膛的侧面向上延伸的侧壁，该侧壁与炉渣层和气体连续空间相接触，其中与气体连续空间相接触的侧壁包括水冷却板和一层在该板上的炉渣；
d.一个或多个向下延伸到容器中并将含氧气体注入到容器中的金属层之上的喷嘴/喷管；
e.一个或多个向下并向内延伸到容器中的喷嘴/喷管，这些喷嘴/喷管至少将一部分带载体气体的含金属喂入材料和/或一种含碳材料注入到熔浴中，这样来自浴中的气体流量在在静止条件下的金属层与炉渣层的交接面处至少为0.3/Nm3/s/m2，而且使得来自金属层和炉渣层的熔化材料向上浮起；
f.由上升并随后下降的熔化材料的熔滴、飞溅和涌流所形成的过渡区域，存在于炉渣层上部的气体连续空间中，其中一些熔滴、飞溅和涌流与容器的侧壁相接触，并在该侧壁上形成一层熔化材料；和
g.一种从容器中放出熔化金属和炉渣的装置。
17.根据权利要求16所述的容器，其特征在于，通过喷嘴/喷管注入固体和气体，使得从熔化浴产生的气体基本上穿过在静止的条件下的金属层和炉渣层的分界。
18.根据权利要求16或17所述的容器，其特征在于，该容器包括一个圆筒形的炉膛和侧壁，从而形成一个从炉膛处延伸的圆柱形圆筒。
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