专利名称：移除熔炉中炉结堆积的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及从熔炉移除炉膛炉结(accretion)，而且更具体地，涉及使用简单且轻质的相干射流(coherent jet)喷枪用于从铜阳极或铜储存熔炉熔化和移除炉膛炉结。
背景技术：
铜的生产一般涉及包含浓缩(concentration)、熔化、吹炼、精炼、阳极铸造和电解精炼工序的多步工序。一般从矿石开始，所述矿石包括诸如辉铜矿、黄铜矿和斑铜矿的硫化铜或硫化铜铁(copper-1ron-sulfide)矿物中的一种或多种,矿石被转化为通常含有25与35之间重量百分比铜的浓缩物。然后浓缩物用热和氧先被转化为冰铜并且然后转化为粗铜(bI i ster copper )。阳极熔炉中粗铜的进一步精炼实现粗铜中氧和硫磺杂质的进一步减少，一般分别从高达0. 80%和1. 0%的水平分别降至低达0. 05%和0. 002%的水平，而且通常在大约1090°C (2000 °F)到1300°C (2400 °F)的温度范围内被实施。然而，在阳极精炼工艺中，固体炉结积聚在阳极熔炉中，这易于不利地影响熔炉容量并且最终影响铜生产。熔炉炉结在含铁和不含铁的火冶反应器两者中都是普遍的。熔炉炉结包含炉膛炉结和炉壁(或管道)炉结以及在闪速熔炉中观测到的废热锅炉炉喉炉结和上风道(uptakeshaft)炉结。在早期的转炉操作中和在较新近的不含铁的闪速熔炉中已经有记录在不含铁的反应器中的炉膛炉结。炉膛炉结形成的机理(mechanism)既被认作为包含像渣化学、氧电势的因素的复杂现象，也被认为是热和质量转移机理。炉膛炉结的堆积看上去是(至少部分地)与努力延长熔炉的炉龄和包含撇渣频率、多孔气体注入混合(mixing)堵塞(plug)特性和偶然上游不正常状态的选择的熔炉操作考虑有关。炉膛炉结的不利影响的一个实例在肯尼科特犹他铜业(Kennecott Utah Copper)在熔化操作时被观测到。作为从大约600吨的正常操作容量到大约400吨的降低的操作容量的下降的熔炉容量的结果，在肯尼科特犹他铜业使用的铜阳极熔炉在从闪速转炉仅两次炉泡(blister)排放后变满了，并且这缩短的熔炉填充时间减少了用于废料熔化所用的时间。另外，下降的熔炉容量增加了为满足铜生产的理想产量的精炼循环的次数。总之，在肯尼科特设备里的炼炉阳极生产率由于炉膛炉结已被减少了多达大约20%。移除炉膛炉结堆积的先前努力集中在造渣(fluxing)和使用固体燃料以帮助将堆积熔化。比方说，硅铁已被作为燃料使用于试图熔化炉膛炉结堆积。在基本的氧炼钢熔炉中一般通过用硅铁填充熔炉和用经由主氧喷枪提供的氧燃烧硅铁移除炉膛炉结。可替换的努力减轻或移除熔炉中炉膛炉结堆积是添加或不添加石灰和铝屑(即铝热反应)的苏打灰造渣。然而，与苏打灰造渣和诸如硅铁的燃料相关的劣势(包含温度控制和局部生热)可能对阳极熔炉的炉龄产生不利影响。特别地，由于阳极熔炉形状一般不关于氧源对称，因此当使用苏打灰造渣和诸如硅铁的燃料时存关于温度控制和由过度的局部产热破坏耐火材料的潜在可能的问题。先前已经使用过的移除炉膛炉结堆积的另一个技术是在炉结堆积的附近添加显著的氧-燃料燃烧器能量以部分地熔化和松开(loosen)炉结。虽然这种解决方案已证实有效，但是存在关于氧-燃料燃烧器在耐火材料完整性上的影响的严重问题以及存在有关氧-燃料燃烧器的有关增加排放的环境问题。传统的相干射流技术也已被暗示去解决炉膛炉结的问题。一个这样的相干射流系统是为诸如铜阳极精炼工艺的冶金工艺提供化学能量和气体注入能力的普莱克斯的(Praxair’s) Cojet 系统。简要说，相干射流工艺产生围绕高速气体射流的火焰罩。火焰罩减少周围气体加入高速射流因而与无罩的气体射流相比在较长的距离上维持射流的速度分布(velocity profile)。相干射流技术和系统已显示在铜阳极精炼中作为顶吹氧化源和用于火法精炼的还原气体射流以及用于增加的废料熔化率的能量源可能是有用的。使用传统的相干射流技术和系统的大约9公吨/小时的废料熔化率在肯尼科特犹他铜业的一台铜阳极熔炉中已得到证明，其中在一个熔化期中熔化多达203公吨废料。然而，如果使用相干射流技术用于移除炉膛炉结要成为商业实务，需要克服使用现有的或传统的相干射流系统的一些操作问题和劣势。这些操作问题包含打开相干射流端口经常需要凿锤(jack-hammering)和磁切割(mag-lancing);将气体供给管连接于相干射流喷枪组件需要升高的(elevated)工作实践和控制；难于堵上相干射流端口而且会导致熔融铜的泄露；以及相干射流喷枪组件装置的尺寸和重量一般需要至少两个人安装和移除。如在随后段落中更加详细讨论的，本公开的用于移除炉结的系统和方法使用较简易的相干射流喷枪组件设计克服了这些困难中的多数。
发明内容
在一个方面中，本发明可以被表征为一种用于从阳极熔炉移除固体炉结的方法，其包括步骤(a)在熔炉中连接或设置至少一个相干射流喷枪组件，所述相干射流喷枪组件能够产生基本无氮气体的相干氧-燃料气流，相干氧-燃料气流包括主氧气流及周围的燃料和氧气的火焰包围物；(b)将相干氧-燃料气流以大约4百万BTU (British ThermalUnit，英制热单位)/小时到大约15百万BTU/小时之间的燃烧率从所述相干射流喷枪组件向固体炉结引导，并且同时主氧气流具有每秒大约75到大约500英尺之间的轴向速度；以及(c)从阳极熔炉断开或移除相干射流喷枪组件；以及(d)旋转阳极熔炉以通过端口从阳极熔炉移除任何熔化的炉结。相干氧-燃料气流的火焰长度足以熔化熔炉内的固体炉结，但不冲击耐火墙。在另一个方面，本发明可以被表征为一种用于从阳极熔炉移除固体炉结的系统，其包括熔炉，熔炉具有顶部和固体炉结易于堆积的底部，熔炉具有耐火墙而且含有在熔炉的顶部中的一个或多个能密封的端口 ；至少一个相干射流喷枪组件，其安装在熔炉的顶部中并且指向在熔炉的底部中的固体炉结，相干射流喷枪组件连接于惰性气体、燃料的和含氧气体的一些源；以及气体控制系统，其可操作地耦接于相干射流喷枪组件和所述惰性气体、燃料和含氧气体的一些源。气体控制系统适合于控制向相干射流喷枪组件供给所述气体以产生相干氧-燃料气流，相干氧-燃料气流包括主含氧气流和以大约4百万BTU/小时到大约15百万BTU/小时之间的燃烧率的周围的火焰包围物，并且同时主含氧气流具有每秒大约75到大约500英尺之间的轴向速度，并且其中相干氧-燃料气流的火焰长度在不冲击耐火墙的情况下足以熔化熔炉的底部中的固体炉结。
本发明的以上及其他方面、特征和优势将从结合以下附图呈现的其以下更加详细的描述中而更加显而易见，其中
图1是绘有固体炉结堆积的铜阳极熔炉的剖视 图2A和2B是识别炉结的不同相的抛光的炉结样本的放大图像；
图3是包含在肯尼科特犹他铜业设备使用的阳极熔炉的铜阳极精炼工艺的一部分的示意 图4A是设置在水冷式壳体内的现有技术的相干射流喷枪组件的轴测图，而图4B是本发明的较简易的、较小的且较轻质的相干射流喷枪组件的视 图5A绘有在铜阳极熔炉上安装和操作的现有技术的相干射流喷枪组件，而图5B绘有在铜阳极熔炉上安装和操作的本相干射流喷枪组件；
图6是根据本发明的具体实施方式
的相干射流喷枪组件的截面端视 图7是图6的相干射流喷枪组件的纵向截面 图8是显示针对在肯尼科特犹他铜业设备的第一铜阳极熔炉的作为在2008年9月与2009年11月之间的时间函数的以吨铜测量的阳极熔炉产量的图表；以及
图9是显示针对在肯尼科特犹他铜业设备的第二铜阳极熔炉的作为在2008年9月与2009年11月之间的时间函数的以吨铜测量的阳极熔炉产量的图表(图表)。
具体实施例方式如在本文使用的，术语“相干气流”或“相干射流”指在径向方向上在射流直径上具有很少或没有增加而且在离射流喷嘴的面的相当大距离上保持其轴向速度的气流。这种射流通过喷出气体射流穿过收缩/扩散喷嘴并用在射流长度的至少一部分上(且优选地在射流的整个长度上)延伸的火焰包围物包围气体射流而形成。类似地，术语“火焰包围物”指由燃料和氧化剂的燃烧形成的燃烧流，其沿一个或多个气流延伸。在广泛意义上，本公开的系统和方法大体涉及用于在有色金属的精炼中移除熔炉中固体炉结的相干射流技术的应用。虽然优选的具体实施方式
特别涉及在熔融铜的阳极精炼中产生的炉结，但是本系统和方法的某些方面和特征等同地适用于诸如镍、铅、锌、和锡的其他有色金属的熔化和精炼。理解的是在使用在本文公开的技术精炼的有色金属的熔体(melt)中可以存在不同量的含铁金属。公开的系统和方法特别有利于移除铜阳极熔炉中的固体炉结。如上所论述的，相干射流技术涉及以相干气体射流形式高速注入气体以获得相较于有色金属的火法精炼中的传统气体注入技术优越的工艺效果。特别设计的气体注入喷嘴保持气流射流相干。相干指维持射流直径和速度。相干射流用较高动量、较好冲击、较少分散或衰减、周围熔炉气体的较少输送向固体炉结传递精确量的气流。更重要地，在没有严重妥协耐火材料完整性或不利地缩短熔炉的炉龄的情况下进行相干射流的应用以熔化固体炉结。现在翻到图1，显示安装在肯尼科特犹他铜业设备的类型的铜阳极熔炉10的剖视图。铜阳极熔炉10的内部11的目视检查显示炉膛炉结堆积12 —般在接近熔炉10的铜加料端14是最大的。还存在接近熔炉10的燃烧端16的炉结12的堆积，而炉结堆积12在熔炉10的中央部分18或中央区域是最稀疏的(thinnest)。阳极熔炉中炉结堆积的特征通过取出使用驱使进入炉膛炉结的管路得到的样本执行。炉结样本一般由富铜部分和稀铜(copper deficient)部分组成。稀铜相被认为是代表熔炉内部的堆积的团块(mass)。抛光的炉结样本以40x和370x的放大倍数被显示在图2A和2B中。如在其中所见的，炉结样本中呈现的相主要是带有中等量的Ca-Si渣24 (BP,Ca、S1、Al、Fe、Cu氧化物)的深(dark)尖晶石22。以相对较少量也在炉结中呈现的其他相包含浅(light)尖晶石25 (即,Fe、Cu氧化物)、Cu-Fe氧化物26 (即,Cu20:Fe203)、高Cu相 27 (即，Cu 和 Fe203)、和 Cu 金属相 28 (即，98% Cu)。使用电子探针微分析(EPMA)以识别呈现的不同的相，而且估计炉结样本内的各相的体积。如下表I所示，炉膛炉结的主要相是深尖晶石，带有稳定较少成分的其他尖晶石的富磁铁矿尖晶石相，而且炉结还包括浅尖晶石的次要成分且还存在一些硅酸钙。
权利要求
1.用于从熔炉移除固体炉结的方法，其包括步骤(a)在所述熔炉中连接或设置至少一个相干射流喷枪组件，所述相干射流喷枪组件能够产生基本无氮气体的相干氧-燃料气流，所述相干氧-燃料气流包括主氧气流及燃料和氧的周围的火焰包围物；以及 (b)将所述相干氧-燃料气流以大约4百万BTU/小时到大约15百万BTU/小时之间的燃烧率从所述相干射流喷枪组件向固体炉结引导，并且同时所述主氧气流具有每秒大约75到大约500英尺之间的轴向速度，并且其中所述相干氧-燃料气流的火焰长度足以熔化所述熔炉内的固体炉结但不冲击耐火墙；(c)从所述阳极熔炉断开或移除所述相干射流喷枪组件；以及(d)旋转所述阳极熔炉以通过端口从所述阳极熔炉移除任何熔化的炉结。
2.权利要求1所述的用于移除固体炉结的方法，其中所述富燃料的、相干氧燃料气流含有大约5%到大约17%之间的过量燃料。
3.权利要求1所述的用于移除固体炉结的方法，其中通过所述相干射流喷枪组件传递到所述熔炉的所述总氧气流量在每小时大约6900立方英尺到每小时大约30000立方英尺之间，并且其中通过所述相干射流喷枪组件传递到所述熔炉的大约70%到大约80%之间的所述氧气是在所述主氧气流中，同时在所述火焰包围物中有氧气平衡。
4.权利要求1所述的用于移除固体炉结的方法，其中传递到所述熔炉的氧对燃料的比率在大约1. 7到大约1. 9之间。
5.权利要求1所述的用于移除固体炉结的方法，其中将所述熔化的炉结移除通过的所述端口是熔炉口。
6.权利要求1所述的用于移除固体炉结的方法，其中将所述熔化的炉结移除通过的所述端口是设置在所述熔炉中的排放端口。
7.权利要求1所述的用于移除固体炉结的方法，进一步包括在延长的时间段间歇性地重复步骤(a)到⑷。
8.权利要求8所述的用于移除固体炉结的方法，其中步骤(a)到(d)在从所述熔炉排放熔融铜用于铸造和在所述熔炉内接收新的铜炉料的操作步骤之间重复。
9.用于从熔炉移除固体炉结的系统，其包括熔炉，其具有顶部和固体炉结易于堆积的底部，所述熔炉具有耐火墙而且含有在所述熔炉的所述顶部中的一个或多个能密封的端口；至少一个相干射流喷枪组件，其安装在所述熔炉的顶部中并且指向在所述熔炉的所述底部中的固体炉结，所述相干射流喷枪组件连接于惰性气体、燃料和含氧气体的一些源；以及气体控制系统，其可操作地耦接于所述相干射流喷枪组件和所述惰性气体、燃料和含氧气体的一些源，用于控制向所述相干射流喷枪组件供给所述气体以产生相干氧-燃料气流，所述相干氧-燃料气流包括主含氧气流和以大约4百万BTU/小时到大约15百万BTU/小时之间的燃烧率的周围的火焰包围物，并且同时所述主含氧气流具有每秒大约75到大约500英尺的轴向速度，并且其中所述相干氧-燃料气流的所述火焰长度在不冲击所述耐火墙的情况下足以熔化所述熔炉的所述底部中的固体炉结。
10.权利要求9所述的用于移除固体炉结的系统，其中所述相干氧-燃料气流含有大约5%到大约17%之间的过量燃料。
11.权利要求9所述的用于移除固体炉结的系统，其中通过所述相干射流喷枪组件至所述熔炉的总氧气流量在每小时大约6900立方英尺到每小时大约30000立方英尺之间，并且其中传递到所述熔炉的大约70%到大约80%之间的氧气在所述主氧气流中，同时所述火焰包围物中有氧气平衡。
12.权利要求9所述的用于移除固体炉结的系统，其中传递到所述熔炉的氧对燃料的比率是在大约1. 7到大约1. 9之间。
13.权利要求9所述的用于移除固体炉结的系统，其中所述相干射流喷枪组件是具有不大于大约37英寸长度和不大于大约7英寸直径的小、轻质的组件。
14.权利要求9所述的用于移除固体炉结的系统，其中所述相干射流喷枪组件进一步包括包围相干射流注入器的水冷式封套，并且所述相干射流注入器具有不大于大约37英寸的长度和不大于大约3. 5英寸的直径。
15.权利要求9所述的用于移除固体炉结的系统，其中所述相干射流喷枪组件进一步包括在所述喷枪组件的远端处的喷枪面，所述喷枪面具有由燃料端口和氧化剂端口的同心环包围的居中地设置的收缩-扩散主要喷嘴。
全文摘要
一种用于用于从铜阳极或储存熔炉移除固体炉结的方法的方法和系统使用相干射流喷枪组件，所述相干射流喷枪组件被指向所述铜阳极熔炉的底部处的所述固体炉结，以在没有破坏邻近流冲击点的熔炉耐火材料的情况下在延长的时间段上熔化所述固体炉结。
文档编号F27D25/00GK103026161SQ201180030954
公开日2013年4月3日 申请日期2011年6月7日 优先权日2010年6月7日
发明者A.C.德尼斯, S.A.曼利, W.J.马霍尼, K.W.阿尔布雷希特, J.E.凯特斯, A.C.恩里克斯, K.B.赖特 申请人:普莱克斯技术有限公司, 肯尼科特犹他州铜业有限责任公司