电弧炉(EAF)炼钢是利用电弧来熔化放置在熔炉中的废金属 的一次或多次装料。现代电弧炉还通过将与熔炉中的热金属混合的 直接还原铁(DRI)熔化而炼钢。除了利用电弧的电能之外，化学 能也能通过辅助燃烧器被提供以协助电弧的作用，它是应用燃料和 氧化气体而产生含有高热容量的燃烧物。
如果电弧炉炼钢使用的是废金属，则废料是从料桶中通过炉顶 的开口倾倒入熔炉中，废料内还可包括带电碳和造渣材料。类似的 装料方法是将熔炉的铁水罐中的热金属与用喷枪注入的直接还原 铁混合，以形成炉料。
在熔化期间，电弧和燃烧器将炉料熔化成被称作铁碳熔融金属 的金属熔融体，它聚集在熔炉的底部或者炉床中。通常，在通过熔 化所有装入的炉料而形成一个平的熔池后，电弧炉就进入精炼和/ 或脱碳阶段。在这一阶段，电弧继续将金属加热直至造渣材料与铁 碳合金熔料中的杂质混合并作为炉渣而升至表面。当铁碳合金熔料 达到熔点温度时，熔料中的带电碳与熔池中存在的氧气混合以形成 一氧化碳泡沫，它升至熔池表面。通常，在这一阶段高速氧气流， 通常为超音速氧气流被喷枪或燃烧/喷射装置吹入熔池中，并通过 熔池中碳的氧化而产生脱碳。
通过用注入的氧气沸腾熔池，熔池中的含碳量被降低到一个选 择的水平。如果铁碳合金熔液的含碳量低于2％就成为钢。电弧炉 炼钢在开始时炉料的含碳量一般低于1％。钢水熔池中的碳被继续 降低直到达到某一特定钢种所要求的含量，低于0.1％则为低碳钢。
由于降低电弧炉炼钢时间的必要性，在炼钢过程中尽量早的在 铁碳合金熔液中加入有效的脱碳氧气就变的非常必要。传统的固定 在熔炉的水冷侧壁上的燃烧器通常要等待熔化期基本完全结束才 开始注入高速氧气流进行脱碳。在这之前这些燃烧器并不能有效地 输送高速氧气，这是因为未熔化的废料会阻挡喷射路径并会使氧气 流发生偏转。另外，电弧炉的炉底是球形的，熔化的废金属首先在 熔炉的中间形成熔液，然后升高并向两侧填充。在熔化早期，高速 氧气流并不能有效的与铁碳合金熔液的表面接触以进行渗透和脱 碳反应。
因此，降低电弧炉熔化期的时间将十分有利于更早地注入高速 氧气并使脱碳反应更加迅速。
一种缩短熔化期的方法是在熔化期的早期为燃烧器提供更多 的能量以加快熔化废金属。但是，实际上要考虑到传统的固定在侧 壁上的燃烧器，它们限制了注入炉中的能量总量和能量有效利用的 速率。当废金属最初被装入熔炉中时，它非常接近燃烧器的火焰面， 面临着在它所安装的侧壁处回火的极大危险。安装燃烧器的板通常 是水冷式的，电弧炉中载水元件的烧穿是令人担忧的。为了减轻这 种担忧，许多固定燃烧器低于额定功率地运行，直到废金属在与燃 烧器表面距离一定距离处熔化。只有在燃烧器表面被清理干净后燃 烧器才能输出最大能量。另外一个在熔化期早期增加注入能量的问 题就是燃烧器的火焰在最初集中在废金属炉料外侧的一块很小的 废金属区域内。这就很难将燃烧器输出的大量能量有效地传递给这 一局限区域外的其它废金属。直到燃烧器熔化掉其表面的废渣并且 形成一个更大的热能传递区域后，提升燃烧器到最大输出功率将产 生加热空气的燃烧气体的大部分能量。
因此，在熔化期早期增加燃烧器输出的能量并且在熔炉上壳体 的冷水板上不会产生回火危险是有利的。
同样，更加有效的利用增加的能量并且将能量的增加部分传递 给废金属炉料也是有利的。
通常，氧气被吹入或者注入铁碳合金熔液中并与熔池中的碳反 应，以将最后产出物的含碳量降低到预期的程度。电弧炉中脱碳的 速率一般取决于铁碳合金熔液的含碳浓度、氧气的注入速率以及反 应区的表面积。对于高浓度的含碳熔液来说，反应速率并很受可参 与反应的碳的限制。可是，当熔池中碳的浓度降低到低于大约 0.15％-0.20％时，要达到理想的速率就变得越来越困难。因为这时 熔池的含碳浓度成为脱碳速率的决定因素。在达到临界含碳量后， 脱碳速率就取决于碳的质量转移和碳的浓度。
现有技术中的脱碳反应过程的特征是通过诸如喷枪和燃烧/喷 射装置这类设备而局部提供大量的氧气。因为这一过程的局部化特 性，所以脱碳速率取决于注入熔池的氧气速率、碳浓度和碳向反应 区发生的质量转移。在低碳阶段，矿渣中的铁氧含量超过平衡所允 许的程度，这是因为局部碳含量的耗尽和质量转移的减弱。这就导 致了更大的耐热材料腐蚀，铁产量的损失，对合金物质需求的增高， 和低的氧气利用率。
因此，提供一种在任意碳浓度的铁碳熔液中都能供应氧气以便 有效地进行脱碳反应的方法和装置是有利的。提高反应区的数目和 在反应早期更加有效的注入氧气将是有利的，因为它缩短脱碳反应 的持续时间。尤为重要的是在铁碳合金熔液的含碳浓度降低之后提 供氧气的效率，以便使脱碳速率达到最大值，并且不会过分地氧化 废渣，以及产生过量的一氧化铁。通过改善氧气效率、降低过多的 铁氧化、提高合金回收率和提高生产效率，可以降低运行成本。
脱碳反应中所用的传统的氧气注入设备并不适用于有效的将 氧气引入铁碳合金熔液中。出渣口或者侧壁处的可再利用或水冷型 喷枪经常受到熔炉中安装位置的空间限制。安装点在靠近出渣口的 炉壳的四分之一圆周的位置上通常是有效的。基本的熔炉设计，所 要求的操控台的运动，操控台的尺寸，以及需要操作者以观察使用 和易于接触，以上均决定了操控台的位置。上述设计还导致当操控 可移动喷枪时从出渣口或者侧壁引入大量的冷空气。这些大量的冷 空气降低了效率还导致炉内空气中一氧化二氮含量的增加。喷枪在 炉内移动通过废金属炉料还存在一个明显的延误。在喷枪进入炉子 的高热反应区以释放有效的氧气之前，废金属必须在喷枪前面被熔 化。
安装在侧壁水冷板或者炉子上壳体上的固定氧气喷射装置例 如燃烧/喷射装置，距离铁碳合金熔液有一段相当的距离。这段距 离一般由从上壳体到下壳体的过渡中形成阶梯的熔炉侧壁的几何 形状确定。设置燃烧/喷射装置的上壳体的水冷部分安装于下壳体 或耐热炉衬中，一般距离耐热炉衬的热表面大约38.1-60.96cm。 因为固定的燃烧/喷射装置要将火焰覆盖这个阶梯，所以传统的固 定壁氧气喷射装置必须被安装于距离熔池上方的大约114.3cm，以 试图将氧气的输出控制在一个最佳喷射角度。上述距离和角度要求 氧气喷射流的长度为大约165.1cm或更长。
这段距离很难将全部的氧气流有效地传递到反应区域。高速 (高动能)氧气流至铁碳熔液的有效传输量与氧气喷射器的喷孔直 径(在收敛—扩张形喷管的情况下孔的尺寸)及氧气喷嘴到达铁碳 合金熔液的距离成正比。因此扩大孔的直径虽增加了实际反应的氧 气的总量，但是也造成炉中未反应氧气的增加。另一种提高脱碳反 应中氧气流的效率的方法是用燃烧产物或者其它气体将其覆盖和 包裹。这种包裹可以在较长的距离里维持气流从而提高气流的渗透 能力。尽管通过这种包裹可以提高效率，但是会导致炉中大量氧气 的流失，从而带来对操作的一些不利影响。首先，覆盖气体和形成 覆盖气体的装置会使成本增加。过量的氧气会造成对侧壁板的破 坏，腐蚀耐热炉衬，矿渣中过多的氧化铁，电极过度氧化，降低寿 命周期，并且会导致熔炉真空系统过热。
另外，脱碳反应中运用的传统的氧气喷射装置一般并不适于在 大的范围内改变氧气速率。安装在炉子侧壁板上的例如燃烧/喷射 装置的固定氧气喷射设备存在的问题就是它们与铁碳合金熔液表 面具有一定的距离。这类固定喷枪通过一个超音速或高速喷嘴实现 氧气喷射能力，这个喷嘴能够使氧气即使距铁碳合金熔液有一段相 当的距离也能获得足够渗透到表面的动能。如果这些喷射装置的气 流速率明显降低，则高速喷嘴就不能传递给氧气足够的速率以渗透 并形成一个有效的脱碳反应区。

本发明提供了一种改善铁碳合金溶液的熔化和脱碳过程的方 法和装置，这种方法和装置特别适用于电弧炉炼钢。
根据本发明用于炼钢过程的优选实施方式，降低熔化期的持续 时间是这样实现的，即在熔化期早期增加被导入较有效的燃烧反应 区特别是熔炉的耐火炉衬下方的燃烧/喷射装置火焰的燃烧产物的 能量。当燃烧器火焰在熔炉的这个位置生成时，会对炼钢过程产生 一些直接的有利影响。熔化进行高速氧气喷射的路径被加快，这是 因为需要被清理的路径缩短并且清理可以做的更快。在熔炼早期增 加燃烧器的输出达到它的最大额定值将会进一步缩短熔化路径长 度的时间。将火焰设置于耐火炉衬下方，可以显著地减少回火的可 能性，并且耐火炉衬可以承受这种操作而不会发生突发性故障。熔 清一个路径的过程还会更快，这是因为火焰位于更接近电弧的高热 区域。并且，热的燃烧气流向上升通过炉渣堆，并导致附加的能量 转移而不是加热炉内的空气。
除了通过在熔炼期早期注入氧化气体而获得增加的效率以外， 一种脱碳方法还包括用于提高铁碳合金熔液中氧化气体利用效率 的工艺。这种方法还特别包括为多个反应区提供氧化气体以便对铁 碳合金熔液进行脱碳，氧气是按一个与熔液的含碳量有关的氧气供 给曲线图供应的。通过增大反应区的面积和提高各反应区的效率， 从而多个反应区的使用能够增加被有效地用于熔液的脱碳反应的 氧气量。每个反应区能够更加有效，这是因为表层的动力学反应过 程发生在多个局部区域。由于更好的质量转移，各个局部区域比一 个大的单一区域更容易在碳耗尽后迅速地被补充。这将降低脱碳反 应的时间，同时氧化更少的铁。
最好是，在达到临界含碳量，或者接近低于0.2％的临界含碳量 以后，多个反应区的氧气供给量将被降低，氧气量取决于在特定反 应时间内的含碳量。最好是，多个反应区的整个氧气供应曲线图近 似呈指数衰减，与随含碳量降低的氧气需求量相似。在该脱碳阶段 运用多个反应区可产生一些明显的优点。因为脱碳过程依赖于表面 反应动力学和含碳量，当含碳量降低时，多个局部区域比单一反应 区更加有效率。效率的提高很大，这是因为总反应面积的增大以及 每个反应区中碳质量转移时间的降低。另外，多个反应区与缩短的 氧气到达熔融金属的距离的结合会产生一些渗透性强的区域，这将 增强搅拌能力从而有利于反应的发生。
本发明的优选实施方式包括多个能够有效地为每个反应区提 供高速燃烧气体和氧化气体的喷射装置。这些喷射装置最好由能够 喷射燃烧气体和高速氧气特别是超音速氧化气流的固定的燃烧/喷 射装置或喷枪组成。在图示实施例中，高速氧气的速度被一个燃烧 /喷射装置的喷嘴结构加速到超音速。燃烧/喷射装置的喷嘴结构还 包括燃料和辅助氧化气体喷口，它们被用于在燃烧结束后在高速氧 气的周围形成一个覆盖层并保持它的渗透能力。
燃烧/喷射装置或喷枪然后被安装在一个保护罩中，它使得喷 嘴结构比其它安装在侧壁面板上的固定喷枪更加接近熔液的表面 和熔炉的中心。优选实施方式中的保护罩是一个流体冷却罩，它至 少有一面可以经受炉内的恶劣环境。通过该表面上的安装孔，燃烧 器喷枪被固定在一个最佳喷射角度上。
将燃烧器喷枪安装在一个保护罩内会有一些优点。保护罩使燃 烧器火焰移动，并且高速氧气流远离炉壁并接近耐火炉衬边缘。这 将大大降低或消除燃烧器火焰或高速氧气流在炉壁上产生回火和 破坏作用的机会。对于高速氧化气流有利的是，与安装在侧壁上的 喷枪相比，气流到达熔液的距离缩短。气流路径的缩短使得氧化气 流以更高的速度和更加集中的气流模式冲击熔液，从而提高脱碳反 应的速率和效率。缩短的气流路径长度还能消除对过量覆盖性气体 和高速氧气射流的需要。这将大大降低多余氧气对熔炉所产生的不 利的氧化作用。
此外，由保护罩和允许在每块区域内降低气流速率的多个反应 区域所提供的短途气流路径，使得每块区域内的氧化气流在保持高 速和高渗透力的状态下能够在一个大范围内被控制。实现以上控制 的优选装置将有利于与熔液含碳量有关的每个区域的氧化气体的 供给。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，从而以上其它目 的、特征将变得更加清楚，其中相同的元件用相同的数字表示。

图1是根据本发明的用于电弧炉的改善的燃烧/喷射装置结构 的局部侧剖视图，其中熔炼和脱碳能力更有效；
图2是图1所示的用于电弧炉的燃烧/喷射装置结构的局部剖 视图，示出了多个燃烧/喷射装置和一个用于调节它们的操作的控 制装置；
图3是传统的用于电弧炉的燃烧/喷射装置结构的局部侧剖视 图，其能够显示一个侧壁安装；
图4是图1所示用于电弧炉的燃烧/喷射装置结构的更详尽的 侧视图，它显示了炼钢半熔化阶段有效的氧化气体喷射；
图5是图1所示用于电弧炉的燃烧/喷射装置结构的更详尽的 侧视图，它显示了炼钢熔清阶段有效的氧化气体喷射；
图6是图3所示传统燃烧/喷枪装置结构在炼钢熔化期的第一 次装料期间化学能和时间的函数图表；
图7是图4和图5所示的改善的燃烧/喷射装置结构在炼钢第 一次装料过程中化学能和时间的函数图表；
图8是传统燃烧/喷射装置结构在炼钢过程中输入电弧炉的电 能、化学能、氧化气体的总量与时间的函数图表；
图9是根据本发明的一种实施方式在炼钢过程中输入电弧炉的 电能、化学能、氧化气体的总量与时间的函数图表。

如图1和图2所示，多个燃烧/喷射装置10适于以几种不同 的模式工作，以便在电弧炉(EAF)15或者其它类似的用于金属熔 炼、精炼和加工的炉子中提供辅助性的加热、金属精炼和其它冶金 处理。适宜的，燃烧/喷射装置10可以如前面发明人为Shver等人 的第一或第二参考文献所述，但是它们也可以是其它市场上可买到 的空气燃料燃烧器、氧气燃料喷枪或者氧和空气燃料喷枪。同样， 虽然本发明的优选实施例可以应用和安装这种燃烧/喷射装置，但 是很明显，其它类似装置例如固定喷枪等也可以应用于本发明而产 生有益的效果。
本发明可用于任何金属熔炼、精炼或加工装置，该装置具有一 个卸料口，其效率通过将卸料口位置靠近熔融金属表面或者熔炉中 心而被提高。本发明对于诸如燃烧/喷射装置和喷枪等特别有用， 它们具有喷射高速氧化气体例如超音速氧气的能力。
图1为侧视图，电弧炉(EAF)15通过由一个或多个电极20 产生的电弧17，将废铁13或其它铁基材料熔化，从而在炉床21 中聚成金属熔池或者熔液18。通过引入高温火焰以及将热量传递 给废料的燃烧产品，燃烧/喷射装置10的燃烧器部分辅助废料的熔 化过程。通常为球形的炉床21由耐火材料制成以抵挡熔融金属的 高温。如图2清楚地显示，电弧炉(EAF)15的炉床21被一个由 一系列弧形流体冷却板23组成的上壳体19包围。形成熔炉15侧 壁的流体冷却板23可以为几种传统的类型，例如图示实施例中具 有外壳件25和多个平行冷却盘管22，带有支撑柱(未示出)的开放 式冷却盘管，或者内部板喷射有冷却流体(未示出)的几个喷射杆 装置。由铁和碳组成的熔液18通常被不同数量的炉渣16覆盖，炉 渣16由在金属熔炼期之前或者熔炼期间加入炉子中的金属和造渣 材料之间的化学反应而生成。
一旦金属废料或者其它炉料已经被熔化，就利用氧气喷射进行 金属熔池18的精炼或脱碳。这个过程可以把金属的含碳量降低到 所需钢的等级。在精炼期及其之后，电弧17通常将金属熔池18的 温度加热到超过它的熔化温度。这种过热使得熔液沸腾并且继续利 用喷射氧气将碳氧化。过热还使得金属熔池18在用铁罐或者其它 容器转运到另外的工序中时保持液态。
燃烧/喷射装置10最好通过熔炉15的侧壁板23处的流体冷却 盘管22上的一个开口而安装在通常为矩形的安装体或罩14中。在 图示实施例中，固定罩14最好位于在熔炉15的上壳体侧壁板23 与炉床21的耐火层之间所形成的阶梯24中，但是也可以被熔炉 15的其它合适的结构件所支撑或从其上悬挂下来。固定罩14位于 具有外壳构件25的侧壁板23形式的冷却盘管22的内部。类似的， 这种固定罩可以位于开口式侧壁板或者喷射杆式侧壁板的冷却盘 管的内部。当需要为现有熔炉改装固定罩14时，这种结构是优选 的，这是因为只需对熔炉结构作出很小的改进。对于新熔炉，或者 新制造的替换炉壳或者面板，固定罩14也可以通过去除冷却盘管 22或者开放式固定罩14的喷射冷却壳而与侧壁面板23成为一体。
燃烧/喷射装置10被固定于固定罩14的安装孔处，这样它的 卸料口或者面就超出耐热炉床21的热边12。这就使得从燃烧/喷 射装置10的卸料口注入的气流特别是高速氧化气流避开阶梯的边 缘，从而不会磨损耐热炉衬。燃烧/喷射装置10的卸料口在阶梯上 面的安装还使燃烧器10中的气流接近熔液18的表面和熔炉15的 中心，从而提高炼钢过程的效率。固定罩14还可以保护燃烧/喷射 装置10承受熔炉15的高温并避免落下废渣13对熔炉造成的机械 损坏。
燃烧/喷射装置或者其它装置10通常在安装孔26中以一个安 装角度向下倾斜，最好在30至60度之间，从而将由燃烧产品和/ 或其它喷射材料流组成的材料气流29从燃烧/喷枪装置10导至炉 子的炉床21中的金属熔料18。除了这种向下倾斜结构，燃烧/喷 枪装置或者类似装置10还要选择性地最好保持0度—10度的径向 (距熔炉中心)。为了达到对金属熔池18适宜的渗透能力而不引起 喷溅，超音速氧化气流，最好是氧气流，冲击液面的角度不宜太平 也不宜太陡。如果角度太陡，就会发生过量的钢和矿渣的喷溅。如 果角度太缓，则气流不能充分地渗透熔液18的表面。最好，大约 45度角(上下9度)被认为是喷射高速氧化气流达到理想效果的 有效角度。
根据图2所示熔炉15的平面结构图，燃烧/喷射装置10可以 沿着上壳体的侧壁12而安装在任意位置。如果是偏心底注式熔炉， 各个燃烧/喷射装置或燃烧器(未示出)可以被安装于熔炉15的贮 槽27内，或可以位于出渣口28内或高于它的位置。一般来说，现 代熔炉15的外围具有多于一个的燃烧/喷射装置或其它装置10， 数量取决于其尺寸、结构、熔炼能力和操作工序。
通常，这些燃烧/喷射装置10为多种不同的目的被有策略地沿 着侧壁12安装，例如，位于熔炉中的冷点以帮助废金属熔化。这 些冷点因DC(直流)炉子和AC(交流)炉子的不同而不同，即使在这 些类型的炉子中也因炉子的尺寸、制造商和操作过程的不同而不 同。定位还取决于其它一些因素，例如通过燃烧/喷射装置或其他 装置10导入炉内的材料，以及注入的用途和时间。其它被导入的 材料包括用于精炼、熔炼、脱碳和后燃烧等的冶金和合金剂、造渣 剂、发泡剂和氧化气体。固定罩14可以被定位并有利地在熔炉15 侧壁任何需要的地方安装一个装置10。
在本发明的优选实施方案中，有四个具有罩14的燃烧/喷射装 置10被等间距地分布在熔炉15的周边。本发明中所述的结构，用 于为脱碳过程提供均匀分布的反应区52、54、56和58。在反应区 52、54、56和58中高速氧化气体渗透入炉料和铁碳合金熔液，称 为脱碳的氧化反应发生在喷射气体和熔池碳之间。通过提供多个反 应区，本发明不但将氧化气体更加均匀的分配，而且增大了反应区 的面积。这就使得增加的氧化气体被更加有效的利用，也就是说， 增加的氧化气体有助于降低脱碳时间，而又不会过度氧化铁碳合金 熔液或在熔炉中产生自由氧气。
无论燃烧/喷射装置10或其它装置10具有什么其它功能或形 式，本发明重要的是当提供一种氧化气体的喷射模式时，装置应该 更接近熔液的表面或者熔炉的中心。而且，当多模式装置10具有 一个燃烧模式以帮助熔化废渣和/或清理废金属路径以用于喷射模 式时，重要的是装置应该更接近熔液的表面或者更指向熔炉的中 心。固定罩14提供了一个延伸件，它使装置10的安装超出熔炉 15的水冷板23，从而使卸料口伸出炉床21的耐火炉衬的阶梯，而 更加接近熔炉的中心。
在图2所述的实施方案中，燃烧/喷射装置10最好采用传统的 多模式装置，其具有燃烧功能和喷射功能。一个装置用于在炼钢的 熔炼期注入热能和注入高速氧化气流使铁碳合金熔液脱碳。燃烧喷 射装置10的燃烧功能是通过混合最好是氧气的氧化气体和最好是 天然气的燃料而提供的，它们能产生由具有高热含量的燃烧气体组 成的火焰。燃烧气体的热能通过辐射、对流或者两者结合的方法传 递给在炉子中熔化的金属废料，这是已知的。为了控制燃烧功能， 运用流量控制器40来控制氧化气流和燃烧/喷射装置10的燃料， 其方法是在装置10和公用设备50之间的输入路径上安装流量控制 致动器和传感器42、44、46、48。流量控制器40最好是一个由程 序控制的装置，它具有一个程序用于独立地控制每一燃烧/喷射装 置10的燃烧功能，例如至少是它的氧化气体/燃料比率和热能输出 量。
最好是，流量控制器40还通过程序控制喷射功能中高速氧气 流量和时间。流量控制器40的部分程序是控制火焰，以覆盖高速 氧化气体，从而提高其对铁碳合金熔液的有效渗透能力。流量控制 器40还人工地从传感器以及其他程序控制装置-例如调节电弧电 能的控制器-中接受输入信息53，或者从指示炼钢过程阶段及铁碳 合金熔液含碳量的内部定时器中接受输入信息53。流量控制器40 应用熔炉15的这些物理参数通过程序决定何时改变燃烧模式，何 时将燃烧模式改为喷射模式以及喷射模式如何改变。
为了更加明显的体现出本发明的优点，将图3所示安装于熔炉 15侧壁上的传统燃烧/喷射装置11的操作与图5和图6所示本发 明的安装于水冷罩14中的相同的燃烧/喷射装置10的操作进行比 较。图3所示燃烧/喷射装置11的传统的安装结构是将装置以小于 或等于42度的喷射角安装于水冷侧壁板23上。燃烧/喷射装置11 通常位于阶梯24的上面至少60.96cm处并且距耐热炉衬21的热面 12约38.1-60.96cm(取决于耐热炉衬的宽度)，这样燃烧/喷射装 置的火焰和氧化气流可以熔清阶梯处的废渣。燃烧/喷射装置11被 认为应该具有利用从超音速喷孔射出的高速氧化气体进行喷射的 能力。假定从喷嘴射出的具有火焰覆盖物的超音速射流中心的有效 距离为大约d2。图中示出了一个普通熔炉15，其中完全熔化的钢 水线低于基底线或者阶梯24约45.72cm。渣线一般在无泡沫状态 高于钢水线约20.32cm。
以现有的喷射能力和结构，在一个或多个熔化阶段，燃烧/喷 射装置11必须等直到钢水线从炉底或加热面29升高至几乎完全熔 化后才能进行喷射。除非超音速喷射流体能渗透进渣线和钢水线， 否则氧化气体喷射不会有效，并且只能使铁碳合金熔液过度氧化以 及产生自由氧气，而这两者都将降低炼钢过程的效率。另外，由于 在氧化气体进行喷射的路径上有废料的存在，所以必须先将其熔清 才能进行喷射。首先利用燃烧/喷射装置11的燃烧功能将侧壁23 的废渣熔清以清理装置的表面或出料口以到达熔液表面，然后才能 进行有效的喷射。因为废渣通常会从侧壁23向内落下，该塌落会 使大量的燃烧气体的热能释放出炼焦堆，该热量只能增加炉内空气 的温度。另外，在燃烧/喷射装置11在废金属中熔化出一个气窝之 前，装置中的火焰易于回火而直接进入水冷板23中，从而可能产 生严重的后果。
相比较而言，图4和图5所示的燃烧/喷射装置10和固定罩14 的结构表明，可以在熔炼周期中让氧化气体更早地进行有效的喷 射。图4示出了熔化期半熔状态的燃烧/喷射装置构造，而图5示 出了熔化期的全熔状态的构造。燃烧/喷射装置11的出料口通过固 定罩14的保护而被移动到耐热炉衬的热面12的边缘。这使得燃烧 /喷射装置的表面或者出料端向下(向着熔液)移动一个距离，该 距离即侧壁燃烧装置必须被提升而燃烧整个阶梯的距离，并且向内 (朝着炉子的中心)移动所述阶梯的宽度。这就产生了超越于图3 所示构造的操作上的优势。对于燃烧功能而言，穿过废渣而到达熔 液表面的熔化距离(d1相对于d2)将被缩短，从而反应能够更快。 另外，如此定位的燃烧火焰不会回火而进入水冷板23，如果回火 现象发生，它也会被耐火炉衬21吸收而不至破坏整个反应过程。 因此，燃烧/喷射装置10的燃烧功能可以比图3所示的燃烧/喷射 装置11更早地达到最大额定功率。燃烧/喷射装置的热能比以前能 够更加有效地利用，因为热气体不是从废金属炉料13中释放，而 是渗透进炉料中从而将更多的热能传递给废渣。
在燃烧/喷射装置11的喷射功能方面，氧化气流从装置的出料 端到废渣和熔液表面的距离相应于它被向下及向内移动的距离而 成比例地缩小。这一点就能使脱碳反应的效率显著的提高。如图4 所示，一旦通路被熔清，氧化气体能够应用有效的喷射力而比在传 统装置中更早地达到半熔化状态，即使燃烧/喷射装置具有同样有 效的喷射能力。这就使得有效的脱碳反应在熔化周期中开始的更 早，从而可以结束的更早，并减少整个处理时间。另外如图5所示， 当有效的喷射反应开始后，废渣继续熔化，钢水线上升至全熔阶段。 从半熔阶段到全熔阶段并在之后，燃烧/喷射装置11的喷射有效性 要更强。通过这种构造，由于到达熔液液面的距离缩短，所以超音 速喷射流能更深的渗入铁碳合金熔液中。
虽然在本发明的优选构造中，为使本发明的优越性最大化，尽 可能地将燃烧/喷射装置10的火焰出料端更靠近耐热炉衬21的热 面12和基底线24，但是显然，出料端沿这些方向上的任何移动都 是有益的。优势的增长是非线形的，其中效率的最大增长发生在靠 近基底线和耐热炉衬的热面处，但是从朝着基底线或耐热炉衬的热 面移动少至20％起，也有明显的优势。换句话说，从基底线到基 底线与传统侧壁安装之间垂直距离的80％，以及从热面到热面与 传统侧壁安装之间水平距离的80％，可获得本发明的有益效果。
为了更加清晰地描述本发明对炼钢过程的改进方法，以下将阐 述有关炼钢过程中的熔化期和脱碳期。如图6所示，在炉子熔炼过 程的至少一部分期间-在例子中为几个料斗中的第一个(第一炉料) -为安装于电弧炉15侧壁上的燃烧/喷射装置11设计多种模式。熔 炼过程的这部分时间大约设为15分钟。所示出的燃烧/喷射装置 11的最大功率为5兆瓦。首先，为保证在装料过程中不发生堵塞， 燃烧/喷射装置11的燃烧功率为4兆瓦。一旦熔炉15的电弧开启， 表示顶盖被关闭和装料过程结束，燃烧的功率在熔炼期这部分的最 初5分钟内下降至2兆瓦。这使燃烧/喷射装置11在废金属中形成 一个气窝，从而火焰展开并且不会在冷水板23上产生回火。在这 段时间的某部分时间内，例如在开始的2至4分钟，在大约15至 30秒内，氧气/燃料的比例从2：1升高到4：1。因为燃烧/喷射装 置使用亚音速氧气，所以这段过程有时被称作软吹，它使得废金属 被多余的氧气熔化，从而气窝更容易形成，并清除燃烧/喷射装置 11表层的炉渣。由于软吹接触废渣而不到达反应区，所以它并不 实施熔液的脱碳。在5分钟时，气窝基本形成，然后从大约7至8 分钟起，燃烧/喷射装置11可提升到5兆瓦的最大功率，以继续熔 化熔炉15中燃烧/喷射装置11的前部与铁碳合金熔液之间的废渣。 当燃烧/喷射装置11已经以最大功率帮助废渣熔化进行了足够的 时间后，开始在熔炼期的最后1至3分钟内进行超音速氧气喷射模 式，以使氧气能够被有效地注入反应区的铁碳合金熔液中。如果另 外的一炉废渣需要被熔炼，则如图6所示重复同样的过程直至所有 的炉料被熔化。在最后一炉废渣的熔化过程中，仍继续注入超音速 氧气流直至铁碳合金熔液中的含碳量降低到理想的程度。这个过程 可以由一个或多个燃烧/喷射装置11执行。
根据本发明，在图7所示炼钢过程熔炼阶段的开始，为了避免 装料过程中发生堵塞，燃烧/喷射装置10也要进行类似的喷火。当 电弧启动后，熔炼过程仍持续中火1至2分钟。选择地，其间也可 伴随15到30秒钟的一个或多个软吹。然后在3到7.5分钟期间， 燃烧/喷射装置10达到其5兆瓦的最大功率。由于燃烧/喷射装置 10的安装位置，与侧壁安装燃烧/喷射装置11相比，火焰不需要 经过到达铁碳熔液的一个长的燃烧路径，并且可以更加迅速。由于 喷火点低于耐热炉衬的阶梯，所以燃烧/喷射装置10可以在熔炉 15的熔炼期期间更早地达到最大功率而不会产生回火。而且，燃 烧/喷射装置10可以更快地熔化废渣，这是因为火焰已经位于电弧 炉提供的相对较热的区域。另外，热燃烧气体上升通过其余未燃烧 的废渣以将热量传递地废渣。
超音速氧气的喷射在熔炼期早期第7.5分钟的时候开始，并一 直持续到整个炼钢过程的结束。本发明中的氧气注入就在熔炼期的 这段时间开始。因为准备形成注入通路的燃烧时间被缩短，并且因 为铁碳合金熔液更加接近燃烧/喷射装置10，所以在有效的氧气流 被注入之前不需要熔化太多的废金属。
如果需要熔化第二炉废金属，则重复如图6所示的同样的过程 直至所有炉的废金属被熔化。在熔化最后一炉废渣的时候，继续注 入超音速氧气流直至铁碳合金熔液中的含碳量降低到理想的程度。 这个过程可以由两个或更多个的燃烧/喷射装置进行，每个装置都 具有一个独立的反应区域，而又被控制器40作为一个系统而统一 操控。正如以下将要详细描述的，一旦铁碳合金熔液的含碳量低于 临界含碳量，大约为0.15％至0.20％，则整个反应区的超音速氧气 流总量将相对于含碳量而降低。
图8所示为用于炼钢的传统的两次装料的熔炼和脱碳过程中的 能量输入和氧化气体喷射。在熔炼期的第一部分，电弧为废金属提 供电能，并在熔化期中辅助以由一个或多个燃烧/喷射装置11的燃 烧物质产生的化学能。第一炉料的熔炼期被分为两段，即燃烧/喷 射装置11提供火焰的时间和进行氧化气体喷射的时间。同样地， 第二炉炉料被电弧熔化，并辅助以来自一个或多个燃烧/喷射装置 11的燃烧物质。当熔炼期过后，电弧能量被降低，并进入精炼和/ 或脱碳期。第二炉炉料的熔炼期也被分为两段，即燃烧/喷射装置 11提供火焰的时间以及进行氧化气体喷射的时间。喷射反应的启 动被限制在到达铁碳合金熔液的路径被熔清后，铁碳合金熔液被充 分地形成以进行有效的喷射。一旦第二炉炉料被熔化，就进入精炼 脱碳期。氧化气体的喷射仍然继续直至达到理想的含碳量。氧化气 体的喷射基本上是一个与时间有关的操作，其中足够量的氧气必须 被注入以便与铁碳合金熔液中的碳发生化学氧化反应。
图9所示是本发明的一种优选实施方案，在相同的熔炉和相同 的炉料的情况下，氧化气体的喷射可以在两个熔化期的每一个的更 早期被启动。传统的或侧壁安装的燃烧/喷射装置可以在每炉熔化 期的大约80％的时间时进行氧化气体喷射，而本发明则更早，可 以在每个熔化期的大约50％的时间时进行喷射。喷射的提前进行 是因为这时燃烧熔化和氧化气体喷射的效率的提高。如图所示，对 进行喷射的相同量的氧气而言，脱碳反应结束的时间也被大大地提 前。脱碳反应中能量的总节省量是决定精炼/脱碳反应结束的工艺 参数。电弧持续时间的缩短，大约等于脱碳周期的提前，从而节省 大量的能量。
在图2所示的优选实施方案中，为了进行脱碳反应，建立了四 个分离的氧化反应区。反应区的数量和位置通常取决于熔炉的特定 操作工序和结构。一般来说，反应区数量的增加会增大脱碳反应发 生的总面积，并对脱碳反应的两个阶段来说都是需要的。通过在需 要更多的氧气时增加供应的氧化气体的数量，从而增加反应区的数 量使得脱碳反应的第一阶段更有效率。这降低了达到铁碳合金熔液 临界含碳量以及开始第二阶段所必需的时间。增加反应区的数量尤 其提高了依靠反应表面动能、特别是碳的质量转移率的脱碳反应第 二阶段的效率。在典型的直流炉或交流炉中，反应区的数量为2至 8个独立反应区。
通常，炼钢过程的特点是通过向铁碳合金熔液中吹入氧气而稳 定地降低熔池中含碳量的脱碳反应。上述反应的速率就是以点/分 表示的脱碳反应的速率(-dC/dt)，其中一点等于0.01％。在达到 临界含碳量，大约0.15％至0.20％碳之前，脱碳率大致是平直的， 然后当含碳量和反应动能限制脱碳率时，脱碳率较迅速地降低。
现在结合图3和图5讨论在脱碳反应中控制氧气供应曲线图的 方法。流量控制器40包括一个程序，用于在喷射阶段控制从四个 燃烧/喷射装置10供应的氧气总量。控制器控制的氧气供应曲线图 是以铁碳合金熔液的含碳量为基础。氧气供给曲线图通常被分为两 部分：第一部分为单位时间提供预定的氧气量，其以脱碳反应发生 的速率、碳的去除量和去除碳所需的时间为基础，一般在达到临界 含碳量之前的速率为每分钟大约3至6个点，第二部分中氧气的总 供给量随含碳量的降低而成比例的降低，以将铁碳合金熔液的过度 氧化和熔炉空气中的自由氧气含量降到最低。流量控制器40可运 用氧气供给曲线图的第二部分的一些实施例。
在第一实施例中，流量控制器40中有一个程序，它通过关闭一 个或多个给独立反应区52、54、56和58供应氧气的燃烧/喷射装 置10，从而降低在达到临界含碳量后多反应区的氧气供给总量。
在第二实施例中，流量控制器40中有一个程序，它通过改变为 独立反应区52、54、56和58供应氧气的一个或多个燃烧/喷射装 置10的工作周期，从而降低在达到临界含碳量后多反应区的氧气 供给总量。这些控制方案有利于在达到临界含碳量后使氧气的供给 量更接近于反应区氧气的需求量。而且，它们对于在改变流率方面 无效率或无能力的氧化气流喷射装置尤其有利。
在第三实施例中，流量控制器40中有一个程序，它通过关闭或 改变给各个反应区52、54、56和58供应氧气的一个或多个燃烧/ 喷射装置10的工作周期，而降低在达到临界含碳量后供给多反应 区的氧气总量。
在第四实施例中，流量控制器40中有一个程序，它通过改变为 独立反应区52、54、56和58供应氧气的一个或多个燃烧/喷射装 置10的流率，来降低在达到临界含碳量后多反应区的氧气供给总 量。这个控制方案尤其有利地用于具有有效地调节高速氧化气流喷 射速率能力的氧气喷射装置。
在第五实施例中，流量控制器40中有一个程序，它通过关闭以 及改变流率或改变给各个反应区52、54、56和58供应氧气的一个 或多个燃烧/喷射装置10的工作周期，而降低在达到临界含碳量后 供给多反应区的氧气总量。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本说明书并没有将本 发明限制在特定的形式和方法内，相反，在本发明的原理和范围内 作出的变形、修改和等价物都应视为属于本发明的保护范围。
相关申请
本专利申请是2000年2月10日申请人Shver在美国申请的序 列号为09/502064、专利号为6,289,035的发明专利的继续申请。 上述专利的内容在此被结合作为参考。