CN103026161A - 移除熔炉中炉结堆积的方法和系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

移除熔炉中炉结堆积的方法和系统

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-iron-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（blister 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℃（2000℉）到1300℃（2400℉）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（uptake shaft）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 Thermal Unit，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。

附图说明

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；

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；

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；

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；

图7是图6的相干射流喷枪组件的纵向截面图；

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12一般在接近熔炉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（即，Ca、Si、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，Cu₂O:Fe₂O₃）、高Cu相27（即，Cu和Fe₂O₃）、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1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。

相	量	描述
			深尖晶石	75％	Fe、Mg、Cr、Cu氧化物
Ca-Si渣	20％	Ca、Si、Al、Fe、Cu氧化物
			浅尖晶石	较少	Fe、Cu氧化物
Cu-Fe氧化物	较少	1:1 Cu2O、Fe2O3
			高Cu相	较少	85％Cu、Fe氧化物
Cu金属	较少	98％Cu

表1    炉结堆积的样本

存在有助于铜阳极熔炉内的固体炉结堆积问题的多个因素，其包含新炉料的成分、工艺温度、工艺循环时间等。无论什么原因，由于炉结堆积有效地减少可用于铜生产的熔炉的体积，因此阳极熔炉内部的炉结堆积随着时间的过去直接促使减少铜生产。而且，在从熔炉排放（tap）熔融铜用于铸造与在熔炉内接收粗铜和/或废铜的新炉料之间没有多的时间以用传统手段来减轻炉结堆积的问题。

图3绘出的是在肯尼科特犹他铜业设备的阳极熔炉30的示意图。第一阳极熔炉32示出为具有单个相干射流喷枪端口33而第二阳极熔炉34示出为适应于具有一个或多个相干射流喷枪端口35和36。在移除渣之后，粗铜37从闪速转炉38通过加料端口39被加料到铜阳极熔炉中，在铜阳极熔炉中粗铜37经历大部分的火法精炼工艺，包含氧化和还原步骤。在火法精炼工艺中使用设置在各铜阳极熔炉的远离加料端口39的一端31处的端燃烧器。向配备有风口41的阳极熔炉内的熔融铜施用氧化和还原工艺步骤以在精炼工艺中将适当的气体引入到熔融铜。废气一般通过加料端口39排出或逸出。当各阳极熔炉内完成火法精炼工艺时，转动熔炉以便于从阳极熔炉32、34排放熔融铜至铸造工艺43。当排空阳极熔炉时，露出阳极熔炉内炉结的堆积。

图4A示出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。现有技术的相干射流喷枪组件具有大约37英寸长度的覆盖区（footprint）和大约16英寸的最大跨度或直径。设置在水冷式壳体内的现有技术的相干射流注入器具有大约6英寸的直径和大约200磅的重量。带有水冷式壳体的整个相干射流系统一般重几乎400磅。

相比之下，本发明的且在图4B示出设置在水冷式壳体内的较简易的、较小的且较轻质的相干射流喷枪组件具有大约37英寸长度的覆盖区但是仅大约7英寸的最大直径。较细的相干射流注入器具有仅大约3.5英寸的直径而且整个相干射流系统重图4A所示的现有技术的装置的大约一半那么多。这种较小和较细的相干射流喷枪组件允许熔炉容器的顶部中的较小的端口能够较容易和较安全的堵塞。

对于本相干射流喷枪组件的安装位置优选地邻近现存的平台或通道，致使不必为使用相干射流喷枪组件需要升高的工作实践。这种布置从可操作性角度看表现出主要改进。

本相干射流喷枪组件的较轻重量连同上述的安装位置提供在阳极熔炉内相干射流喷枪组件的明显较容易移除和安装。较小直径的端口通常较容易地开启和较容易地堵上，这最小化了与溢出相关的安全风险。

本相干射流喷枪组件还具有用于连接挠性气体供给管的较简易的布置。公开的挠性气体供给管被容易分开而且可以与熔炉外壳间隔开。当将示出在肯尼科特犹他铜业设备的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的图5A与在图5B中示出的同样在肯尼科特犹他铜业设备的铜阳极熔炉上安装和操作的本相干射流喷枪组件可视比较时，这些区别是突出的。虽然设计较简易，但是本相干射流喷枪组件中的各个仍能够将多达18MMBtu/h传递至铜阳极熔炉。

任何时候一个人考虑在熔炉中使用相干射流喷枪组件，熔炉结构的完整性以及特别是内部熔炉表面上的耐火材料特性的完整性仍然是问题。通过使用较小的相干射流喷枪和组件连同较小的喷枪端口，与相干射流技术相关的结构和耐火材料问题被最小化，而且由于相干射流组件与熔炉集成，生产以及炉膛炉结移除的成本效益超过了与维持熔炉完整性和减少熔炉寿命相关的风险和问题。

现在参见图6和7，示出大体上以40标示的优选的用于炉结移除的相干射流喷枪，其包括喷枪面42，喷枪面42具有绕其径向中点居中地设置在其中的主喷嘴44，主喷嘴44被燃料和氧化剂端口46和48的同心环包围。尽管未在图6和7中示出，但是相干射流喷枪组件容纳在水冷式封套壳体而且它们自身通过从水套到水管结合配件49的挠性管被水冷。

在优选的具体实施方式中，次要燃料优选地为天然气体且次要氧化剂是诸如工业用纯氧的含氧气体。优选地，各个次要端口46和48设置在水冷式壳体内的环形槽中以便于最小化次要端口的任何阻塞。首要气体喷嘴44是考虑到预期传递到相干射流装置的气体和气体流量而合适地确定大小的高速收缩-扩散喷嘴。喷嘴44优选地通过第一通路在其上游端上连接于含氧气体源。虽然图6和7示出简易且优选的喷嘴设计，但是如果需要的话可以使用可替换的喷嘴构造。比方说，可以使用带有多气体源的双首要气体喷嘴来替代单个中央喷嘴。而且，替代包围如图6和7所示的首要或主要喷嘴的两个同心环设计，可替换的喷枪设计可以涉及包围首要或主要喷嘴的交替的燃料和含氧气体端口的单个环或也许是使用三个或多个同心环的设计。

使用相干射流技术用于炉结移除的另一个关键优势是能够使用相干射流技术以执行铜精炼工艺中的多个功能。已被证明的本相干射流喷枪组件的一种这样的用途是能够在铜阳极熔炉内快速加热熔融铜熔池（bath）。这种多用途能力使得如果冷的炉泡排放或对端壁燃烧器不利的条件发生时熔炉操作者迅速恢复熔池温度。

比方说，如果在低于1193℃（2180℉）的温度排放铜泡，操作者一般需要以较高的燃烧率运行端壁燃烧器以提升熔池温度。通常端壁燃烧器使用带有氧的天然气具有大约6MMBtu/h到13MMBtu/h之间的燃烧率。这种能量转移只能够在熔炉内以每小时大约6℃（10℉）的速率加热液体铜。液体铜增加的实际温度提升取决于诸如渣层厚度、端壁燃烧器喷头（tip）状况的许多其他因素和熔炉操作状况，并且也对超高（freeboard）耐火材料产生冲击。通过比较，本公开的相干射流喷枪组件能够有9MMBtu/h的天然气燃烧率，而且当两个相干射流喷枪组件使用于阳极熔炉上时，系统能够以每小时大约17℃到33℃（每小时30到60℉）加热熔融铜。

在阳极熔炉中使用相干射流技术还可以增强其他精炼功能，比方说包含铜熔体的辅助废料熔化、氧化和还原。由于阳极熔炉配备有相干射流端口而且容易移除和安装相干射流喷枪组件，操作者可以使用现存的喷枪组件或者用其他喷枪组件来换出以在精炼工艺中提供额外灵活性。下面更详细地描述这种预期的使用。

任何预期的喷枪组件设计的显著特征是这种喷枪是轻质的、细的但是能够传递传统（软吹）和相干（硬吹）气体射流，而且其能够被操作以产生铜熔化火焰和由火焰包围物包围的相干气流。如在本文所使用的，“铜熔化火焰”指的是软吹、具有宽的表面覆盖范围的非切割（non-lancing）火焰（在氧-燃料燃烧器领域中也指的是“浓密的（bushy）火焰”）。这种火焰通过调节燃料（优选天然气）、氧化剂（优选含氧气体）、主含氧气流和致使产生在径向方向上散布的火焰的可选的惰性气流的流量产生。正如名字意指，这种火焰优选地使用于熔化固体铜以及诸如铜废料的其他炉料材料，因为它们在大表面面积上提供大量热用于熔化炉料材料。在本具体实施方式中，在这种固体铜熔化和废料熔化中使用的气流优选地是无氮气流。

优选地，在铜熔化火焰的产生中，至首要气体喷嘴44的气体流量从高流量、高速状况节流回到至少足以阻止喷嘴阻塞的减小的流量（在本文指的是“清洗流量”），但是如果需要的话，通过喷嘴44的高速气体流量可以持续（但没有形成火焰包围物）以产生混合熔化/切割火焰。这种形式的混合火焰可以具有期望结合的熔化/切割功能的优势，诸如比方说，当固体铜废料作为炉料材料的部分被使用。本系统和方法计划使用浓密和混合火焰两种，而且其同样被归入在通用术语“熔化火焰”下。在本文使用的有用燃料包含诸如天然气的烃类燃料。有用氧化剂包含含氧气体和优选地工业级高纯度氧。优选地，调节天然气和含氧气体的流量致使天然气和含氧气体的总流量在首要喷嘴44和次要端口46和48之间被分流。

本相干射流系统还包含气体控制系统（也指的是气体制动器（skid）或阀系（valve train）），气体控制系统从总管接收气体，使用基于微处理器的PLC控制器调整气体流量，并且将精确计量的气体流量传递至耦接于阳极熔炉的至少一个相干射流注入喷枪组件。实际的气体流量由实施的操作和工艺模式（如，炉结移除、冷炉泡加热，等）控制。由相干射流系统使用的预编程操作模式和详细的工艺步骤的选择优选地由阳极熔炉操作者通过控制室或控制站中的触摸屏人机界面做出。

以下表2和3提供在炉结移除工艺中有用的一般气体流量和燃烧率的范围。正如在本文所计划的，氧和燃料的气体流量应该包含在化学当量流量之上的过量的燃料流量，致使当火焰冲击固体炉结时气体在高度氧化的炉结（如，尖晶石）上提供减弱的影响。过量燃料的优选范围在大约5%过量燃料到大约17%过量燃料之间。而且，在用于炉结移除的相干射流喷枪组件的优选操作模式中，大约70%到80%之间的氧被传递到中央或首要喷嘴，同时传递到次要端口的同心环的氧平衡（balance）形成罩。

燃料（天然气）流量（英尺3/小时）	4000	6000	8000	10000	12000	15000
							总氧流量（英尺3/小时）	7619	11429	15238	17391	20870	26087
至主要喷嘴的氧百分比	70%	75%	80%	70%	75%	80%
							至主要喷嘴的氧流量（英尺3/小时）	5333	8571	12190	12174	15653	20870
至罩的氧流量（英尺3/小时）	2286	2858	3048	5217	5217	5217
							O2/燃料（天然气）比率	1.90	1.90	1.90	1.74	1.74	1.74
过量燃料（%）	5%	5%	5%	15%	15%	15%

表2    相干射流气体流量的优选范围

燃烧器燃烧率（MMBtu/hr）	主要喷嘴O2流量（英尺3/小时）	罩O2流量（英尺3/小时）	总O2流量（英尺3/小时）	罩O2速度（英尺/秒）	天然气流量（英尺3/小时）	天然气速度（英尺/秒）
							4	5714	1905	7619	109	4000	229
5	7143	2381	9524	137	5000	287
							6	8571	2857	11429	164	6000	344
7	10000	3333	13333	191	7000	402
							8	11429	3810	15238	219	8000	459
9	12857	4286	17143	246	9000	516
							10	14286	4762	19048	273	10000	574
11	15714	5238	20952	300	11000	631
							12	17143	5714	22857	328	12000	688
13	18571	6190	24762	355	13000	746
							14	20000	6667	26667	382	14000	803
15	21429	7143	28571	410	15000	860

表3    相干射流气体流量至主要喷嘴的75%O₂流量&5%过量燃料

如以上表3所见，针对包括至首要喷嘴的75%氧流量和至次要端口或罩的25%的氧流量连同大约5%过量燃料的流量状况，氧气的出口速度从每秒109英尺变化到每秒大约410英尺。将有关氧流量调节到至首要喷嘴的大约70%氧流量和至次要端口或罩的30%的氧流量导致出口速度接近每秒500英尺。另一方面，将过量燃料增加到17%而且以4MMBTU/hr的天然气燃烧率提供至首要喷嘴的大约80%氧流量和至次要端口或罩的20%的有关氧流量产生低达每秒大约75英尺的出口速度。类似计算证明了针对大约15MMBTU/hr的最大燃烧率在每小时大约6900立方英尺到每小时几乎30000立方英尺之间的总氧流量。

控制过量燃料的百分比；主要喷嘴和罩之间的氧流量的比率；以及燃烧器燃烧率，鉴于炉结的形成和用于炉结移除所需的时间同时最小化可能由相干射流引起的对耐火材料的不利影响允许操作者优化炉结移除。理想地，火焰长度不应该超出大约7到9英尺长以便于不冲击与喷枪组件对置的熔炉炉膛耐火材料。火焰长度和出口速度优选地通过调节相干射流燃烧器和对应氧和燃料气体流量的燃烧率控制。本系统中使用的过量燃料的量可以很大地取决于固体炉结中的数量和相的特性。当炉结内的许多相是高度氧化的化合物时，富燃料相干射流的减弱效果有可能影响在固体炉结的熔化中发生的反应。使用较高比率的氧流量穿过主要喷嘴的益处在于至喷枪组件水冷式封套存在显著减少的热转移，其减轻了对邻近喷枪的耐火材料的热影响而且允许包围喷枪组件的较小和较简易的水冷式封套设计。

实例-炉结移除工艺

在优选的炉结移除方法中，本相干射流喷枪组件安装于配给在铸造结束后的相干射流技术的熔炉端口。一旦安装后，相干射流喷枪组件在炉膛炉结堆积的大体方向上被燃烧数小时以熔化固体炉结。配给熔化的实际时间很大地取决于在熔炉恢复当中铜生产之前的用于炉结移除所需的时间。

选择炉结移除实例中的相干射流喷枪组件燃烧率以最小化端口处潜在的耐火材料磨损。特别地，开发保守的燃烧率分布以在延长的时间上移除炉结，每天操作系统数小时。通常将相干射流喷枪组件使用天然和氧以大约4MMBTU/hr到大约15MMBTU/hr之间的速率燃烧，而且可以设定为高达18MMBTU/hr。重要的是控制燃烧率和来自相干射流喷枪组件的火焰长度，因为用太长火焰添加太多能量可能破坏火焰冲击点上的耐火材料。在熔化炉结后，熔融炉结然后通过熔炉口的排放端口或其他放出端口从熔炉排放。

现在翻到图8和9，显示作为在2008年9月与2009年11月之间的时间函数的以产出的吨铜测量的针对在肯尼科特犹他铜业的两个阳极熔炉的熔炉产量的图表。

如图8所见，来自第一阳极熔炉的铜产量从2008年9月的大约520吨减少到2009年8月的小于250吨，在此期间很少或没有尝试过炉结移除。这种生产上的显著减少主要由于阳极熔炉内的固体炉结中的堆积。图8示出的减少的铜生产率突出了移除固体炉结的商业重要性。用于在阳极熔炉中炉结移除的基于相干射流的系统和方法的原型（prototype）大约在2009年9月3号开始被测试。从那个点往后，当使用用于炉结移除的本系统和方法时，铜生产极大地提高到接近450吨铜生产的水平。

类似地，如图9所见，来自第二阳极熔炉的铜产量从2008年9月的大约570吨减少到2009年8月的仅大约250吨。同样，这种生产上的显著减少主要是由于阳极熔炉内固体炉结的堆积。图8示出的减少的铜生产率突出了移除固体炉结的商业重要性。用于在阳极熔炉中炉结移除的基于相干射流的系统和方法的原型大约在2009年9月3号开始被测试。从那个点往后，只要使用用于炉结移除的基于相干射流的系统和方法，铜生产极大地提高到高于500吨铜生产的水平。

使用用于炉结移除的相干射流技术提供了针对其他精炼工艺步骤使用相干射流技术的依据，包含熔化、撇渣、氧化、还原和铸造。

比方说，熔化炉料可以通过由相干射流喷枪组件以一定温度和足以产生和维持大约1200℃到1250℃的熔体温度的一段时间产生的热实施。为了这个目的，至相干射流喷枪组件的气体流量将包含氧和燃料而且将优选地是基本无氮的。气体流量的控制将被调节以提供从相干射流喷枪组件喷入熔炉顶端空间并与铜炉料接触的熔化火焰。熔化火焰提供炉料的迅速熔化以形成熔融铜熔体。

而且，在熔化炉料后，所产生的铜熔体可以与相干氧气流顶吹以脱硫铜熔体而且将其中存在的硫氧化成SO₂。相干氧气流可以包括带有仅微量（trace amounts）的其他气体的多达100%体积的氧。相干氧气流一般具有从大约1.0到2.5马赫的轴向速度而且通过调节次要氧、燃料（如，天然气）和来自主要喷嘴的主氧气流的流量控制，这样围绕主氧流产生的火焰包围物围绕主氧气流的长度的至少一部分，而且优选地在主氧气流的整个长度上。

本相干射流喷枪组件的另一个用途是将辅助撇渣。虽然对于本公开的系统和方法的实践来说不是必须的，但是撇渣可能是定期所期望的以便于阻止熔炉中的渣积累而且阻止炉结的堆积。在这个步骤中，熔炉绕其纵向轴旋转致使渣可以通过熔炉的口移除。相干射流喷枪组件使用于顶吹铜熔体以在其表面上将渣扬起并且沿熔炉口的方向引导渣。

在氧化和可选的撇渣后，铜熔体一般将含有大约3,000到7,000ppm重量的氧。为了将熔体中存在的氧减少到可接受水平，然后熔体由相同或不同的相干射流喷枪组件用诸如氢气、天然气、烃、CO和氨的还原性气体顶吹，以便于脱氧熔体和将熔体中存在的氧减少到需要值。

在还原步骤完成时，所产生的阳极铜一般将含有大约15ppm或更少的硫，1,900ppm或更少的氧，而且具有大约1200℃范围内的熔体温度。在这个阶段上，阳极铜准备铸成阳极用于随后的电解精炼。为了当铜熔体在铸造操作之前放出熔炉时提供热以维持熔体温度，可以用来自使用富燃料熔化火焰的相干射流喷枪组件的熔化火焰再次顶吹铜熔体。

从前述内容中，应认识到的是公开的具体实施方式和实例提供在包含使用相干射流喷枪组件用于炉结预防和移除的铜阳极熔炉中使用相干射流技术的多种方法和系统。尽管已经参考一些优选的具体实施方式详细描述了本发明，但是如对于本领域技术人员会发生的，在不脱离本权利要求的精神和范围的情况下，可以做出多种其他使用、变型、变化、改变、添加和省略。

Claims (15)

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(d)。

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。

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