專利名稱：移除熔爐中爐結堆積的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及從熔爐移除爐膛爐結(accretion)，而且更具體地，涉及使用簡單且輕質的相干射流(coherent jet)噴槍用于從銅陽極或銅儲存熔爐熔化和移除爐膛爐結。
背景技術：
銅的生產一般涉及包含濃縮(concentration)、熔化、吹煉、精煉、陽極鑄造和電解精煉工序的多步工序。一般從礦石開始，所述礦石包括諸如輝銅礦、黃銅礦和斑銅礦的硫化銅或硫化銅鐵(copper-1ron-sulfide)礦物中的一種或多種,礦石被轉化為通常含有25與35之間重量百分比銅的濃縮物。然后濃縮物用熱和氧先被轉化為冰銅并且然后轉化為粗銅(bI i ster copper )。陽極熔爐中粗銅的進一步精煉實現粗銅中氧和硫磺雜質的進一步減少，一般分別從高達0. 80%和1. 0%的水平分別降至低達0. 05%和0. 002%的水平，而且通常在大約1090°C (2000 °F)到1300°C (2400 °F)的溫度范圍內被實施。然而，在陽極精煉工藝中，固體爐結積聚在陽極熔爐中，這易于不利地影響熔爐容量并且最終影響銅生產。熔爐爐結在含鐵和不含鐵的火冶反應器兩者中都是普遍的。熔爐爐結包含爐膛爐結和爐壁(或管道)爐結以及在閃速熔爐中觀測到的廢熱鍋爐爐喉爐結和上風道(uptakeshaft)爐結。在早期的轉爐操作中和在較新近的不含鐵的閃速熔爐中已經有記錄在不含鐵的反應器中的爐膛爐結。爐膛爐結形成的機理(mechanism)既被認作為包含像渣化學、氧電勢的因素的復雜現象，也被認為是熱和質量轉移機理。爐膛爐結的堆積看上去是(至少部分地)與努力延長熔爐的爐齡和包含撇渣頻率、多孔氣體注入混合(mixing)堵塞(plug)特性和偶然上游不正常狀態(tài)的選擇的熔爐操作考慮有關。爐膛爐結的不利影響的一個實例在肯尼科特猶他銅業(yè)(Kennecott Utah Copper)在熔化操作時被觀測到。作為從大約600噸的正常操作容量到大約400噸的降低的操作容量的下降的熔爐容量的結果，在肯尼科特猶他銅業(yè)使用的銅陽極熔爐在從閃速轉爐僅兩次爐泡(blister)排放后變滿了，并且這縮短的熔爐填充時間減少了用于廢料熔化所用的時間。另外，下降的熔爐容量增加了為滿足銅生產的理想產量的精煉循環(huán)的次數?？傊诳夏峥铺卦O備里的煉爐陽極生產率由于爐膛爐結已被減少了多達大約20%。移除爐膛爐結堆積的先前努力集中在造渣(fluxing)和使用固體燃料以幫助將堆積熔化。比方說，硅鐵已被作為燃料使用于試圖熔化爐膛爐結堆積。在基本的氧煉鋼熔爐中一般通過用硅鐵填充熔爐和用經由主氧噴槍提供的氧燃燒硅鐵移除爐膛爐結。可替換的努力減輕或移除熔爐中爐膛爐結堆積是添加或不添加石灰和鋁屑(即鋁熱反應)的蘇打灰造渣。然而，與蘇打灰造渣和諸如硅鐵的燃料相關的劣勢(包含溫度控制和局部生熱)可能對陽極熔爐的爐齡產生不利影響。特別地，由于陽極熔爐形狀一般不關于氧源對稱，因此當使用蘇打灰造渣和諸如硅鐵的燃料時存關于溫度控制和由過度的局部產熱破壞耐火材料的潛在可能的問題。先前已經使用過的移除爐膛爐結堆積的另一個技術是在爐結堆積的附近添加顯著的氧-燃料燃燒器能量以部分地熔化和松開(loosen)爐結。雖然這種解決方案已證實有效，但是存在關于氧-燃料燃燒器在耐火材料完整性上的影響的嚴重問題以及存在有關氧-燃料燃燒器的有關增加排放的環(huán)境問題。傳統(tǒng)的相干射流技術也已被暗示去解決爐膛爐結的問題。一個這樣的相干射流系統(tǒng)是為諸如銅陽極精煉工藝的冶金工藝提供化學能量和氣體注入能力的普萊克斯的(Praxair’s) Cojet 系統(tǒng)。簡要說，相干射流工藝產生圍繞高速氣體射流的火焰罩?；鹧嬲譁p少周圍氣體加入高速射流因而與無罩的氣體射流相比在較長的距離上維持射流的速度分布(velocity profile)。相干射流技術和系統(tǒng)已顯示在銅陽極精煉中作為頂吹氧化源和用于火法精煉的還原氣體射流以及用于增加的廢料熔化率的能量源可能是有用的。使用傳統(tǒng)的相干射流技術和系統(tǒng)的大約9公噸/小時的廢料熔化率在肯尼科特猶他銅業(yè)的一臺銅陽極熔爐中已得到證明，其中在一個熔化期中熔化多達203公噸廢料。然而，如果使用相干射流技術用于移除爐膛爐結要成為商業(yè)實務，需要克服使用現有的或傳統(tǒng)的相干射流系統(tǒng)的一些操作問題和劣勢。這些操作問題包含打開相干射流端口經常需要鑿錘(jack-hammering)和磁切割(mag-lancing);將氣體供給管連接于相干射流噴槍組件需要升高的(elevated)工作實踐和控制；難于堵上相干射流端口而且會導致熔融銅的泄露；以及相干射流噴槍組件裝置的尺寸和重量一般需要至少兩個人安裝和移除。如在隨后段落中更加詳細討論的，本公開的用于移除爐結的系統(tǒng)和方法使用較簡易的相干射流噴槍組件設計克服了這些困難中的多數。

發(fā)明內容
在一個方面中，本發(fā)明可以被表征為一種用于從陽極熔爐移除固體爐結的方法，其包括步驟(a)在熔爐中連接或設置至少一個相干射流噴槍組件，所述相干射流噴槍組件能夠產生基本無氮氣體的相干氧-燃料氣流，相干氧-燃料氣流包括主氧氣流及周圍的燃料和氧氣的火焰包圍物；(b)將相干氧-燃料氣流以大約4百萬BTU (British ThermalUnit，英制熱單位)/小時到大約15百萬BTU/小時之間的燃燒率從所述相干射流噴槍組件向固體爐結引導，并且同時主氧氣流具有每秒大約75到大約500英尺之間的軸向速度；以及(c)從陽極熔爐斷開或移除相干射流噴槍組件；以及(d)旋轉陽極熔爐以通過端口從陽極熔爐移除任何熔化的爐結。相干氧-燃料氣流的火焰長度足以熔化熔爐內的固體爐結，但不沖擊耐火墻。在另一個方面，本發(fā)明可以被表征為一種用于從陽極熔爐移除固體爐結的系統(tǒng)，其包括熔爐，熔爐具有頂部和固體爐結易于堆積的底部，熔爐具有耐火墻而且含有在熔爐的頂部中的一個或多個能密封的端口 ；至少一個相干射流噴槍組件，其安裝在熔爐的頂部中并且指向在熔爐的底部中的固體爐結，相干射流噴槍組件連接于惰性氣體、燃料的和含氧氣體的一些源；以及氣體控制系統(tǒng)，其可操作地耦接于相干射流噴槍組件和所述惰性氣體、燃料和含氧氣體的一些源。氣體控制系統(tǒng)適合于控制向相干射流噴槍組件供給所述氣體以產生相干氧-燃料氣流，相干氧-燃料氣流包括主含氧氣流和以大約4百萬BTU/小時到大約15百萬BTU/小時之間的燃燒率的周圍的火焰包圍物，并且同時主含氧氣流具有每秒大約75到大約500英尺之間的軸向速度，并且其中相干氧-燃料氣流的火焰長度在不沖擊耐火墻的情況下足以熔化熔爐的底部中的固體爐結。


本發(fā)明的以上及其他方面、特征和優(yōu)勢將從結合以下附圖呈現的其以下更加詳細的描述中而更加顯而易見，其中
圖1是繪有固體爐結堆積的銅陽極熔爐的剖視 圖2A和2B是識別爐結的不同相的拋光的爐結樣本的放大圖像；
圖3是包含在肯尼科特猶他銅業(yè)設備使用的陽極熔爐的銅陽極精煉工藝的一部分的示意 圖4A是設置在水冷式殼體內的現有技術的相干射流噴槍組件的軸測圖，而圖4B是本發(fā)明的較簡易的、較小的且較輕質的相干射流噴槍組件的視 圖5A繪有在銅陽極熔爐上安裝和操作的現有技術的相干射流噴槍組件，而圖5B繪有在銅陽極熔爐上安裝和操作的本相干射流噴槍組件；
圖6是根據本發(fā)明的具體實施方式
的相干射流噴槍組件的截面端視 圖7是圖6的相干射流噴槍組件的縱向截面 圖8是顯示針對在肯尼科特猶他銅業(yè)設備的第一銅陽極熔爐的作為在2008年9月與2009年11月之間的時間函數的以噸銅測量的陽極熔爐產量的圖表；以及
圖9是顯示針對在肯尼科特猶他銅業(yè)設備的第二銅陽極熔爐的作為在2008年9月與2009年11月之間的時間函數的以噸銅測量的陽極熔爐產量的圖表(圖表)。
具體實施例方式如在本文使用的，術語“相干氣流”或“相干射流”指在徑向方向上在射流直徑上具有很少或沒有增加而且在離射流噴嘴的面的相當大距離上保持其軸向速度的氣流。這種射流通過噴出氣體射流穿過收縮/擴散噴嘴并用在射流長度的至少一部分上(且優(yōu)選地在射流的整個長度上)延伸的火焰包圍物包圍氣體射流而形成。類似地，術語“火焰包圍物”指由燃料和氧化劑的燃燒形成的燃燒流，其沿一個或多個氣流延伸。在廣泛意義上，本公開的系統(tǒng)和方法大體涉及用于在有色金屬的精煉中移除熔爐中固體爐結的相干射流技術的應用。雖然優(yōu)選的具體實施方式
特別涉及在熔融銅的陽極精煉中產生的爐結，但是本系統(tǒng)和方法的某些方面和特征等同地適用于諸如鎳、鉛、鋅、和錫的其他有色金屬的熔化和精煉。理解的是在使用在本文公開的技術精煉的有色金屬的熔體(melt)中可以存在不同量的含鐵金屬。公開的系統(tǒng)和方法特別有利于移除銅陽極熔爐中的固體爐結。如上所論述的，相干射流技術涉及以相干氣體射流形式高速注入氣體以獲得相較于有色金屬的火法精煉中的傳統(tǒng)氣體注入技術優(yōu)越的工藝效果。特別設計的氣體注入噴嘴保持氣流射流相干。相干指維持射流直徑和速度。相干射流用較高動量、較好沖擊、較少分散或衰減、周圍熔爐氣體的較少輸送向固體爐結傳遞精確量的氣流。更重要地，在沒有嚴重妥協(xié)耐火材料完整性或不利地縮短熔爐的爐齡的情況下進行相干射流的應用以熔化固體爐結?，F在翻到圖1，顯示安裝在肯尼科特猶他銅業(yè)設備的類型的銅陽極熔爐10的剖視圖。銅陽極熔爐10的內部11的目視檢查顯示爐膛爐結堆積12 —般在接近熔爐10的銅加料端14是最大的。還存在接近熔爐10的燃燒端16的爐結12的堆積，而爐結堆積12在熔爐10的中央部分18或中央區(qū)域是最稀疏的(thinnest)。陽極熔爐中爐結堆積的特征通過取出使用驅使進入爐膛爐結的管路得到的樣本執(zhí)行。爐結樣本一般由富銅部分和稀銅(copper deficient)部分組成。稀銅相被認為是代表熔爐內部的堆積的團塊(mass)。拋光的爐結樣本以40x和370x的放大倍數被顯示在圖2A和2B中。如在其中所見的，爐結樣本中呈現的相主要是帶有中等量的Ca-Si渣24 (BP,Ca、S1、Al、Fe、Cu氧化物)的深(dark)尖晶石22。以相對較少量也在爐結中呈現的其他相包含淺(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 金屬相 28 (即，98% Cu)。使用電子探針微分析(EPMA)以識別呈現的不同的相，而且估計爐結樣本內的各相的體積。如下表I所示，爐膛爐結的主要相是深尖晶石，帶有穩(wěn)定較少成分的其他尖晶石的富磁鐵礦尖晶石相，而且爐結還包括淺尖晶石的次要成分且還存在一些硅酸鈣。
權利要求
1.用于從熔爐移除固體爐結的方法，其包括步驟(a)在所述熔爐中連接或設置至少一個相干射流噴槍組件，所述相干射流噴槍組件能夠產生基本無氮氣體的相干氧-燃料氣流，所述相干氧-燃料氣流包括主氧氣流及燃料和氧的周圍的火焰包圍物；以及 (b)將所述相干氧-燃料氣流以大約4百萬BTU/小時到大約15百萬BTU/小時之間的燃燒率從所述相干射流噴槍組件向固體爐結引導，并且同時所述主氧氣流具有每秒大約75到大約500英尺之間的軸向速度，并且其中所述相干氧-燃料氣流的火焰長度足以熔化所述熔爐內的固體爐結但不沖擊耐火墻；(c)從所述陽極熔爐斷開或移除所述相干射流噴槍組件；以及(d)旋轉所述陽極熔爐以通過端口從所述陽極熔爐移除任何熔化的爐結。
2.權利要求1所述的用于移除固體爐結的方法，其中所述富燃料的、相干氧燃料氣流含有大約5%到大約17%之間的過量燃料。
3.權利要求1所述的用于移除固體爐結的方法，其中通過所述相干射流噴槍組件傳遞到所述熔爐的所述總氧氣流量在每小時大約6900立方英尺到每小時大約30000立方英尺之間，并且其中通過所述相干射流噴槍組件傳遞到所述熔爐的大約70%到大約80%之間的所述氧氣是在所述主氧氣流中，同時在所述火焰包圍物中有氧氣平衡。
4.權利要求1所述的用于移除固體爐結的方法，其中傳遞到所述熔爐的氧對燃料的比率在大約1. 7到大約1. 9之間。
5.權利要求1所述的用于移除固體爐結的方法，其中將所述熔化的爐結移除通過的所述端口是熔爐口。
6.權利要求1所述的用于移除固體爐結的方法，其中將所述熔化的爐結移除通過的所述端口是設置在所述熔爐中的排放端口。
7.權利要求1所述的用于移除固體爐結的方法，進一步包括在延長的時間段間歇性地重復步驟(a)到⑷。
8.權利要求8所述的用于移除固體爐結的方法，其中步驟(a)到(d)在從所述熔爐排放熔融銅用于鑄造和在所述熔爐內接收新的銅爐料的操作步驟之間重復。
9.用于從熔爐移除固體爐結的系統(tǒng)，其包括熔爐，其具有頂部和固體爐結易于堆積的底部，所述熔爐具有耐火墻而且含有在所述熔爐的所述頂部中的一個或多個能密封的端口；至少一個相干射流噴槍組件，其安裝在所述熔爐的頂部中并且指向在所述熔爐的所述底部中的固體爐結，所述相干射流噴槍組件連接于惰性氣體、燃料和含氧氣體的一些源；以及氣體控制系統(tǒng)，其可操作地耦接于所述相干射流噴槍組件和所述惰性氣體、燃料和含氧氣體的一些源，用于控制向所述相干射流噴槍組件供給所述氣體以產生相干氧-燃料氣流，所述相干氧-燃料氣流包括主含氧氣流和以大約4百萬BTU/小時到大約15百萬BTU/小時之間的燃燒率的周圍的火焰包圍物，并且同時所述主含氧氣流具有每秒大約75到大約500英尺的軸向速度，并且其中所述相干氧-燃料氣流的所述火焰長度在不沖擊所述耐火墻的情況下足以熔化所述熔爐的所述底部中的固體爐結。
10.權利要求9所述的用于移除固體爐結的系統(tǒng)，其中所述相干氧-燃料氣流含有大約5%到大約17%之間的過量燃料。
11.權利要求9所述的用于移除固體爐結的系統(tǒng)，其中通過所述相干射流噴槍組件至所述熔爐的總氧氣流量在每小時大約6900立方英尺到每小時大約30000立方英尺之間，并且其中傳遞到所述熔爐的大約70%到大約80%之間的氧氣在所述主氧氣流中，同時所述火焰包圍物中有氧氣平衡。
12.權利要求9所述的用于移除固體爐結的系統(tǒng)，其中傳遞到所述熔爐的氧對燃料的比率是在大約1. 7到大約1. 9之間。
13.權利要求9所述的用于移除固體爐結的系統(tǒng)，其中所述相干射流噴槍組件是具有不大于大約37英寸長度和不大于大約7英寸直徑的小、輕質的組件。
14.權利要求9所述的用于移除固體爐結的系統(tǒng)，其中所述相干射流噴槍組件進一步包括包圍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約37英寸的長度和不大于大約3. 5英寸的直徑。
15.權利要求9所述的用于移除固體爐結的系統(tǒng)，其中所述相干射流噴槍組件進一步包括在所述噴槍組件的遠端處的噴槍面，所述噴槍面具有由燃料端口和氧化劑端口的同心環(huán)包圍的居中地設置的收縮-擴散主要噴嘴。
全文摘要
一種用于用于從銅陽極或儲存熔爐移除固體爐結的方法的方法和系統(tǒng)使用相干射流噴槍組件，所述相干射流噴槍組件被指向所述銅陽極熔爐的底部處的所述固體爐結，以在沒有破壞鄰近流沖擊點的熔爐耐火材料的情況下在延長的時間段上熔化所述固體爐結。
文檔編號F27D25/00GK103026161SQ201180030954
公開日2013年4月3日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權日2010年6月7日
發(fā)明者A.C.德尼斯, S.A.曼利, W.J.馬霍尼, K.W.阿爾布雷希特, J.E.凱特斯, A.C.恩里克斯, K.B.賴特 申請人:普萊克斯技術有限公司, 肯尼科特猶他州銅業(yè)有限責任公司