MXPA00012893A - Proceso de fusion directa - Google Patents

Abstract

Se describe un proceso de fusión directa para producir metales a partir de un material de alimentación metalífero. El proceso incluye formar un baño fundido que tiene una capa de metal (15) y una capa de escoria (16) sobre la capa de metal en un recipiente metalúrgico, inyectar material de alimentación metalífero y material carbonáceo sólido a la capa de metal vía una pluralidad de lanzas/toberas (11) y fundir el material metalífero a metal en la capa de metal. El proceso también incluye provocar que el material fundido sea proyectado como salpicaduras, gotas y corrientes a un espacio superior por encima de una superficie quiescente nominal del baño fundido para formar una zona de transición (23). El proceso también incluye inyectar un gas que contiene oxígeno al recipiente vía una o más de una lanza/tobera (13) para someter a post-combustión los gases de reacción liberados del baño fundido, mediante lo cual las salpicaduras, gotas y corrientes ascendentes y después de esto descendentes de material fundido en la zona de transición facilitan la transferencia de calor al baño fundido y mediante lo cual la zona de transición minimiza la pérdida de calor del recipiente vía las paredes laterales en contacto con la zona de transición. El proceso esta caracterizado por el control del mismo al mantener un alto inventario de escoria.

Description

PROCESO DE FUSIÓN DIRECTA ANTECEDENTES DE IA INVENCIÓN La presente invención es concerniente con un proceso para producir metal fundido (tal término incluye aleaciones de metal) , en particular aunque por ningún medio exclusivamente hierro, a partir de material de alimentación metalífero, tales como menas, menas parcialmente reducidas y corrientes de desperdicio que contienen metal, en un recipiente metalúrgico que contiene un baño fundido. La presente invención es concerniente en particular con un proceso de fusión directa a base de baño de metal fundido para producir metal fundido a partir de un material de alimentación metalífero. El proceso más ampliamente usado para producir metal fundido está basado en el uso de un alto horno u horno de cuba. El material sólido es cargado a lo alto del horno y el hierro fundido es derivado del alma. El material sólido incluye mena de hierro (en forma de sinterizado, terrón o pelotilla) , coque y fundentes alcalinos y forma una carga permeable que se mueve hacia abajo. Aire precalentado, que puede ser enriquecido con oxigeno, es inyectado al fondo del horno y se mueve hacia arriba a través del lecho permeable y genera monóxido de carbono y calor mediante combustión de coque. El resultado de estas reacciones es producir hierro fundido y escoria. Ref: 125480 Un proceso que produce hierro mediante reducción de mena de hierro a una temperatura menor que el punto de fusión del hierro producido es en general clasificado como un "proceso de reducción directa" y el producto es denominado como DRI . EL proceso FIOR (Reducción de Mena de Hierro Fluida) es un ejemplo de proceso de reducción directa. El proceso reduce finos de mena de hierro a medida que los finos son alimentados por gravedad a través de cada reactor en una serie de reactores de lecho fluido. Los finos son reducidos mediante gas reductor comprimido que entra al fondo del reactor más bajo en la serie y fluye a' contracorriente al movimiento hacia abajo de los finos. Otros procesos de reducción directa incluyen procesos a base de alto horno con eje móvil, procesos a base de alto horno con eje estático, procesos a base de hogar rotativo, procesos a base de horno rotativo y procesos a base de retorta. El proceso COREX produce hierro fundido directamente de carbón sin el requerimiento de coque del horno de fundición o alto horno. El proceso incluye una operación de 2 etapas en las cuales: (a) se produce DRI en un alto horno u horno de cuba a partir de un lecho permeable de mena (o mineral) de hierro (en forma de terrón o pelotilla) , carbón y fundentes alcalinos y (b) luego el DRI es cargado sin enfriamiento a un gasificador fusor anexo. La combustión parcial del carbón en el lecho fluidizado del gasificador fusor produce gas reductor para el alto horno. Otro grupo conocido de procesos para producir hierro fundido es a base de convertidores de ciclón en los cuales el mineral de hierro es fundido mediante combustión de oxigeno y gas reductor en un ciclón de fusión superior y es fundido en un fusor inferior que contiene un baño de hierro fundido. El fusor inferior genera el gas reductor para el ciclón de fusión superior. Un proceso que produce metal fundido directamente de menas es denominado en general como un "proceso de fusión directa" . Un grupo conocido de procesos de fusión directa es a base del uso de hornos eléctricos como la fuente principal de energía para las reacciones de fusión. Otro proceso de fusión directa, que es denominado en general como el proceso Romelt, es a base del uso de un gran volumen de baño de escoria altamente agitado como el medio para fundir óxidos de metal cargados en lo alto a metal y para la post-combustión de productos de reacción gaseosos y transferir el calor como sea requerido para continuar fundiendo óxidos de metal. El proceso Romelt incluye inyección de aire enriquecido con oxigeno u oxigeno a la escoria via una hilera inferior de toberas para proporcionar agitación de la escoria e inyección de oxigeno a la escoria via una hilera superior de toberas para promover la postcombustión. En el proceso de Romelt, la capa de metal no es un medio de reacción importante. Otro grupo conocido de procesos de fusión directa que son a base de escoria son descritos en general como procesos de "escoria profunda". Estos procesos, tales como los procesos DIOS y AISI, son a base de la formación de una capa profunda de escoria con 3 regiones, es decir: una región superior para la post-combustión de gases de reacción con oxigeno inyectado; una región inferior para la fusión de óxidos de metal a metal y una región intermedia que separa las regiones superior e inferior. Como con el proceso Romelt, la capa de metal debajo de la capa de escoria no es un medio de reacción importante. Otro proceso de fusión directa conocido que depende de una capa de metal fundido como un medio de reacción y es denominado en general como el proceso Hismelt, es descrito en la solicitud de patente internacional PCT/AU00197 (WO 96/31627) a nombre de la solicitante.

El proceso Hlsmelt como se describe en la solicitud internacional comprende: (a) formar un baño de hierro fundido y escoria en un recipiente; (b) inyectar al baño: (i) material de alimentación metalífero, normalmente óxidos de metal y (ii) un material carbonáceo sólido, normalmente carbón, que actúa como un reductor de los óxidos de metal y una fuente de energía y (c) fundir el material de alimentación metalífero a metal en la capa de metal. El proceso Hlsmelt también comprende someter a post-combustión los gases de reacción, tales como CO y H2, liberados del baño en el espacio por encima del baño con gas que contiene oxigeno y transferir el calor generado por la post-combustión al baño para contribuir a la energía térmica requerida para fundir los materiales de alimentación metalíferos . El proceso Hlsmelt también comprende formar una zona de transición por encima de la superficie quiescente normal del baño en la cual hay una masa favorable de gotas o salpicaduras ascendentes y después de esto descendentes de metal fundido y/o escoria que proporcionan un medio efectivo para transferir al baño la energía térmica generada por la post-combustión de los gases de reacción por encima del baño. El proceso Hlsmelt como se describe en la solicitud internacional está caracterizado por la formación de la zona de transición al inyectar un gas portador y material de alimentación metalífero y/o material carbonáceo sólido y/u otro material sólido al baño a través de una sección del lado del recipiente que está en contacto con el baño y/o desde arriba del baño, de tal manera que el gas portador y el material sólido penetran al baño y provocan que el metal fundido y/o escoria sean proyectados al espacio por encima de la superficie del baño. El proceso Hlsmelt como se describe en la solicitud internacional es una mejora con respecto a las formas anteriores del proceso Hlsmelt que forma la zona de transición mediante inyección al fondo del gas y/o material carbonáceo al baño, lo que provoca que gotas y salpicaduras y corrientes de metal fundido y escoria sean proyectados desde el baño. La solicitante ha llevado a cabo un trabajo en planta piloto extenso sobre el proceso Hlsmelt y ha efectuado una serie de hallazgos significativos en relación con el proceso. En términos generales, la presente invención es un proceso de fusión directa para producir metales a partir de un material de alimentación metalífero que incluye las etapas de: (a) formar un baño fundido que tiene una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa de metal en un recipiente metalúrgico; (b) inyectar material de alimentación metalífero y material carbonáceo sólido a la capa de metal via una pluralidad de lanzas/toberas; (c) fundir el material metalífero a metal en la capa de metal; (d) provocar que el material fundido sea proyectado como salpicaduras, gotas y corrientes a un espacio por encima de una superficie quiescente normal del baño fundido para formar una zona de transición y (e) inyectar un gas que contiene oxigeno al recipiente via una o más de la lanza/tobera para someter a post-combustión los gases de reacción liberados del baño fundido, mediante lo cual las salpicaduras, gotas y corrientes ascendentes y después de esto descendentes de material fundido en la zona de transición facilitan la transferencia de calor al baño fundido y mediante lo cual la zona de transición minimiza la pérdida de calor del recipiente via las paredes laterales en contacto con la zona de transición; e incluye la etapa de controlar el proceso al mantener un alto inventario de escoria. En la presente se comprende que el término "fusión" significa procesamiento térmico, en donde se llevan a cabo reacciones químicas que reducen el material de alimentación metalífero para producir el metal liquido. Se entiende que el término "superficie quiescente" en el contexto del baño fundido significa la superficie del baño fundido bajo condiciones de proceso en las cuales no hay inyección de gas/sólidos y por consiguiente, ninguna agitación del baño. El espacio por encima de la superficie quiescente nominal del baño fundido es denominada posteriormente en la presente como el "espacio superior". Un resultado significativo del trabajo en planta piloto es que es importante mantener altos niveles de escoria en el recipiente y más en particular en la zona de transición con el fin de controlar las pérdidas de calor del recipiente y la transferencia de calor a la capa de metal. La importancia de la escoria para el proceso Hlsmelt es una desviación significativa del trabajo previo sobre el proceso HIsmelt. En el trabajo previo la cantidad de escoria no fue considerada importante para el proceso.

El concepto de un "alto inventario de escoria" puede ser comprendido en el contexto de la profundidad de la capa de escoria en el recipiente. De preferencia, el proceso incluye mantener el alto inventario de escoria al controlar la capa de escoria de tal manera que sea de 0.5 a 5 metros de profundidad bajo condiciones de operación estables. Más de preferencia, el proceso incluye mantener el alto inventario de escoria al controlar la capa de escoria de tal manera que sea de 1.5 a 2.5 metros de profundidad bajo condiciones de operación estables. Es particularmente preferido que el proceso incluya mantener el alto inventario de escoria al controlar la capa de escoria de tal manera que sea de por lo menos 1.5 metros de profundidad bajo condiciones de operación estables. El concepto de un "alto inventario de escoria" también puede ser comprendido en el contexto de la cantidad de escoria en comparación con la cantidad de metal en el recipiente. De preferencia, cuando el proceso se pone en operación bajo condiciones estables, el proceso incluye mantener el alto nivel de escoria al controlar la proporción en peso de metal : escoria de tal manera que sea de entre 4:1 y 1:2.

Más de preferencia, el proceso incluye mantener el alto inventario de escoria al controlar la proporción en peso de metal : escoria de tal manera que sea de entre 3:1 a 1:1. Es particularmente preferido que el proceso incluya mantener el alto inventario de escoria al controlar la proporción en peso de metal : escoria de tal manera que sea de entre 3:1 y 2:1. La cantidad de escoria en el recipiente, esto es, el inventario de escoria, tiene un impacto directo sobre la cantidad de escoria que está en la zona de transición. Las características de transferencia de calor relativamente bajas de escoria en comparación con el metal es importante en el contexto de minimizar la pérdida de calor de la zona de transición a las paredes laterales y del recipiente via las paredes laterales del recipiente. Mediante el control de proceso apropiado, la escoria en la zona de transición puede formar una capa o capas sobre las paredes laterales que agrega resistencia a la pérdida de calor de las paredes laterales. Por consiguiente, al cambiar el inventario de escoria, es posible incrementar o disminuir la cantidad de escoria en la zona de transición y sobre las paredes laterales y por consiguiente controlar la pérdida de calor via las paredes laterales del recipiente.

La escoria puede formar una capa "húmeda" o una capa "seca" sobre las paredes laterales. Una capa "húmeda" comprende una capa congelada que se adhiere a las paredes laterales, una capa semisólida (masa blanda) y una película liquida externa. Una capa "seca" es una en la cual sustancialmente toda la escoria está congelada. La cantidad de escoria en el recipiente también proporciona una medida de control con respecto a la extensión de la post-combustión. Específicamente, si el inventario de escoria es demasiado bajo habrá una exposición incrementada del metal en la zona de transición y por consiguiente oxidación incrementada de metal y carbono disuelto en el metal y el potencial de post-combustión reducida y disminución secuencial de post-combustión, no obstante el efecto positivo que el metal en la zona de transición tiene sobre la transferencia de calor a la capa de metal. Además, si el inventario de escoria es demasiado alto, la una o más de una lanza/tobera de inyección de gas que contiene oxigeno será enterrada en la zona de transición y esto minimiza el movimiento de los gases de reacción del espacio superior al extremo de la o cada lanza/tobera y como consecuencia, reduce el potencial de post-combustión. La cantidad de escoria en el recipiente, esto es, el inventario de escoria, medida en términos de la profundidad de la capa de escoria o la proporción en peso de metal : escoria, puede ser controlada mediante las velocidades de derivación de metal y escoria. La producción de escoria en el recipiente puede ser controlada al hacer varias las velocidades de alimentación del material de alimentación metalífero, material carbonáceo y fundentes alcalinos al recipiente y los parámetros de operación tales como velocidades de inyección del gas que , contiene oxigeno. El proceso de la presente invención está caracterizado por el control de la transferencia de calor via la zona de transición a la capa de metal y el control de la pérdida de calor del recipiente via la zona de transición. Como se indica anteriormente, en particular la presente invención está caracterizada por el control del proceso al mantener un alto inventario de escoria. Además, la presente invención está caracterizada de preferencia por el control del proceso por medio de las siguientes características del proceso, separadamente o en combinación: (a) situar o ubicar la una o más de una lanza/tobera de inyección de gas que contiene oxigeno e inyectar el gas que contiene oxigeno a una velocidad de flujo, de tal manera que: (i) el gas que contiene oxigeno es inyectado hacia la capa de escoria y penetra a la zona de transición y (ii) la corriente de gas que contiene oxigeno desvia las salpicaduras, gotas y corrientes de material fundido alrededor de una sección inferior de la o cada lanza/tobera y un espacio continuo de gas, descrito como un "espacio libre" se forma alrededor de extremo de la o cada lanza/tobera; (b) controlar la pérdida de calor del recipiente al salpicar predominantemente escoria sobre las paredes laterales del recipiente en contacto con la zona de transición al ajustar uno o más de: (i) la cantidad de escoria en el baño fundido; (ii) la velocidad de flujo de inyección del gas que contiene oxigeno a través de la una o más de una de lanza/tobera de inyección de gas que contiene oxigeno y (iii) la velocidad de flujo de material de alimentación metalífero y material carbonáceo a través de las lanzas/toberas . En situaciones en donde el material de alimentación metalífero es un material que contiene hierro, la presente invención también está caracterizada de preferencia por el control del proceso al controlar el nivel de carbono disuelto en el hierro fundido, de tal manera que sea de por lo menos 3% en peso y mantener la escoria en una condición fuertemente reductora que conduce a niveles de Feo de menos del 6% en peso, más de preferencia menos del 5% en peso en la capa de escoria y en la zona de transición. De preferencia, el recipiente metalúrgico incluye: (a) la una o más de una lanza/tobera descrita anteriormente para inyectar gas que contiene oxigeno y las lanzas/toberas para inyectar materiales sólidos, tal manera como material metalífero, material carbonáceo (normalmente carbón) y fundentes alcalinos, al recipiente; (b) salidas para descargar metal fundido y escoria del recipiente y (c) una o más salidas de gas de desprendimiento. Con el fin de poner en operación el proceso, es esencial que el recipiente contenga un baño fundido que tiene una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa de metal . En la presente, se entiende que el término "capa de metal" significa aquella región del baño que es predominantemente de metal. En la presente, se entiende que el término "capa de escoria" significa aquella región del baño que es predominantemente de escoria. Un aspecto o característica importante del proceso de la presente invención es que el material metalífero es fundido a metal y por lo menos predominantemente en la capa de metal del baño fundido. En la práctica, habrá una proporción del material metalífero que es fundida a metal en otras regiones del recipiente, tal como la capa de escoria. Sin embargo, el objetivo del proceso de la presente invención y una diferencia importante entre el proceso y los procesos de la técnica previa, es maximizar la fusión del material metalífero en la capa de metal. Como consecuencia de lo anterior, el proceso incluye inyectar material metalífero y material carbonáceo, que actúa como una fuente de reductor y como fuente de energía, a la capa de metal. Una opción es inyectar material metalífero y material carbonáceo via lanzas/toberas posicionadas por encima y que se extienden hacia abajo hacia la capa de metal. Normalmente las lanzas/toberas se extienden a través de las paredes laterales del recipiente y son angulares hacia adentro y hacia abajo hacia la superficie de la capa de metal. Otra opción, aunque de ninguna manera la única otra opción, es inyectar material metalífero y material carbonáceo via toberas al fondo del recipiente o en las paredes laterales del recipiente que se ponen en contacto con la capa de metal.

La inyección de material metalífero y material carbonáceo puede ser a través de las mismas lanzas/toberas o de lanzas/toberas separadas. Otro aspecto o característica importante del proceso de la presente invención es que provoca que el material fundido, normalmente en forma de salpicaduras, gotas y corrientes, sea proyectado hacia arriba desde el baño fundido a por lo menos parte del espacio superior por encima de la superficie quiescente del baño para formar la zona de transición. La zona de transición es bastante diferente de la capa de escoria. A manera de explicación, bajo condiciones de operación estables del proceso, la capa de escoria comprende burbujas de gas en un volumen continuo liquido, mientras que la zona de transición comprende salpicaduras, gotas y corrientes de material fundido en un volumen de gas continuo. De preferencia, el proceso incluye: provocar que el material fundido sea proyectado como salpicaduras, gotas y corrientes al espacio superior por encima de la zona de transición. Otro aspecto o característica importante de la presente invención es que somete a post-combustión los gases de reacción, tales como monóxido de carbono e hidrógeno, generados en el baño fundido, en el espacio superior (que incluye la zona de transición) por encima de la superficie quiescente nominal del baño y transfiere el calor generado por la post-combustión a la capa de metal para mantener la temperatura del baño - ya que es esencial en vista de las reacciones endotérmicas en aquella capa. De preferencia, el gas que contiene oxigeno consiste de aire. Más de preferencia, el aire es pre-calentado. Normalmente, el aire es pre-calentado a 1200°C. El aire puede ser enriquecido con oxigeno. De preferencia, el nivel de post-combustión es de por lo menos 40%, en donde la post-combustión es definida como: [C02] + [H20] [C02] + [H20] + [CO] + [H2] en donde : [C02] en volumen de C02 en el gas de desprendimiento; [H20] en volumen de H20 en el gas de desprendimiento; [CO] en volumen de CO en el gas de desprendimiento; [H2] en volumen de H2 en el gas de desprendimiento.

La zona de transición es importante por 2 razones: En primer lugar, las salpicaduras, gotas y corrientes ascendentes y después de esto descendentes de material fundido son un medio efectivo para transferir al baño fundido el calor generado por la post-combustión de los gases de reacción en el espacio superior por encima de la superficie quiescente del baño. En segundo lugar, el material fundido y en particular la escoria, en la zona de transición es un medio efectivo para minimizar la pérdida de calor via las paredes laterales del recipiente. Una diferencia fundamental entre el proceso de la presente invención y los procesos de la técnica previa es que en el proceso de la presente invención la región de fusión principal es la capa de metal y la región de oxidación principal (esto es, generación de calor) está por encima y en la zona de transición y estas regiones están bien separadas espacialmente y la transferencia de calor es via el movimiento fisico del metal fundido y escoria entre las dos regiones. De preferencia, al zona de transición es generada al inyectar material metalífero y material carbonáceo en un gas portador a través de lanzas/toberas que se extienden hacia abajo hacia la capa de metal.

Más de preferencia, como se indica anteriormente, las lanzas/toberas se extienden a través de las paredes laterales del recipiente y son angulares hacia adentro y hacia abajo hacia la capa de metal. Esta inyección del material sólido hacia y después de esto a la capa de metal tiene las siguientes consecuencias : (a) el momento (o cantidad de movimiento) del material sólido/gas portador provoca que el material sólido y gas penetren a la capa de metal; (b) el material carbonáceo, normalmente carbón, es desvolatilizado y mediante esto produce gas en la capa de metal; (c) el carbón se disuelve predominantemente en el metal y parcialmente permanece como sólido; (d) el material metalífero es fundido a metal por el carbono derivado del carbono inyectado como se describe anteriormente en el Ítem (c) y la reacción de fusión genera gas de monóxido de carbono y (e) los gases transportados a la capa de metal y generados via desvolatilización y fusión producen un levantamiento de buoyancia significativa del metal fundido, carbono sólido y escoria (que es atraída a la capa de metal como una consecuencia de la inyección sólido/gas) de la capa de metal, que da como resultado un movimiento ascendente de salpicaduras, gotas y corrientes de metal fundido y escoria y estas salpicaduras, gotas y corrientes arrastran escorie adicional a medida que se mueven a través de la capa de escoria . Otro aspecto importante de la presente invención es que la situación (o ubicación) y los parámetros de operador de la una o más de una lanza/tobera que inyecta el gas que contiene oxigeno y los parámetros de operación que controlan la zona de transición son seleccionados de tal manera que: (a) el gas que contiene oxigeno es inyectado hacia la capa de escoria y penetra a la zona de transición; (b) la corriente de gas que contiene oxigeno desvia las salpicaduras, gotas y corrientes de metal fundido de tal manera que, en efecto: (i) la zona de transición se extiende hacia arriba alrededor de la sección inferior de la una o más de una lanza/tobera y (ii) se forma un espacio continuo de gas descrito como un "espacio libre" alrededor del extremo de la una o más de una lanza/tobera. La formación del espacio libre es un aspecto importante debido a que hace posible que los gases de reacción en el espacio superior del recipiente sean extraídos a la región del extremo de la una o más de una lanza/tobera de inyección de gas que contiene oxigeno y sean sometidos a post-combustión en la región. En este contexto, se comprende que el término "espacio, libre" significa un espacio que prácticamente no contiene metal y escoria. Además, la desviación descrita anteriormente de metal fundido blinda a algún grado las paredes laterales del recipiente de la zona de combustión generada en el extremo de la o cada lanza/tobera. También proporciona un medio para devolver más energía al baño de los gases sometidos a postcombustión en el espacio superior. De preferencia, el proceso incluye inyectar el gas que contiene oxigeno al recipiente en un movimiento de remolino. La presente invención es descrita adicionalmente a manera de ejemplo con referencia al dibujo adjunto que es una sección vertical a través de un recipiente metalúrgico que ilustra en forma esquemática una modalidad preferida del proceso de la presente invención. La siguiente descripción es en el contexto de la fusión de mena (o mineral) de hierro para producir hierro fundido y se comprenderá que la presente invención no está limitada a esta aplicación y es aplicable a cualesquier menas (o minerales) y/o concentrados metálicos apropiados - en los que se incluyen menas metálicas parcialmente reducidas y materiales de recuperación de desperdicio.

El recipiente mostrado en la figura tiene un alma que incluye una base 3 y lados 55 formados de ladrillos refractarios; paredes laterales 5 que forman un barril en general cilindrico que se extiende hacia arriba desde los lados 55 del alma y que incluyen una sección 51 de barril superior y una sección 53 de barril inferior; un techo 7; una salida 9 para los gases de desprendimiento; un antecrisol 57 para descargar metal fundido continuamente; y un agujero de purga 61 para descargar la escoria fundida. En servicio, el recipiente contiene un baño fundido de hierro y escoria que incluye una capa 15 de metal fundido y una capa 16 de escoria fundida sobre la capa de metal 15. La flecha marcada con el número 17 indica la posición de la superficie quiescente nominal de la capa de metal 15 y la flecha marcada con el número 19 indica la posición de la superficie quiescente nominal de la capa de escoria 16. Se comprende que el término "superficie quiescente" significa la superficie cuando no hay inyección de gas y sólidos al recipiente. El recipiente también incluye 2 lanzas/toberas de inyección de sólidos que se extienden hacia abajo y hacia adentro en un ángulo de 30 - 60 grados con respecto a la vertical a través de las paredes laterales 5 y a la capa de escoria 16. La posición de las lanzas/toberas 11 es seleccionada de tal manera que los extremos inferiores se encuentran por encima de la superficie quiescente 17 de la capa de metal 15. En servicio, mena (mineral) de hierro, material carbonáceo sólido (normalmente carbón) y fundentes alcalinos (normalmente cal y magnesia) arrastrados en un gas portador (normalmente N2) son inyectados a la capa de metal 15 via las lanzas/toberas 11. El momento (cantidad de movimiento) del material sólido/gas portador provoca que el material sólido y gas penetren a la capa de metal 15. El carbón es desvolatilizado y mediante esto produce gas en la capa de metal 15. El carbono se disuelve parcialmente al metal y parcialmente permanece como carbono sólido. La mena (mineral) de hierro es fundida a metal y la reacción de fusión genera gas de monóxido de carbono. Los gases transportados a la capa de meta 15 y generados via desvolatilización y fusión producen un levantamiento de buoyancia significativo del metal fundido, carbono sólido y escoria (atraída a la capa de metal 15 como consecuencia de la inyección sólido/gas) de la capa de metal 15 que genera un movimiento hacia arriba de salpicaduras, gotas y corrientes de metal fundido y escoria y estas salpicaduras y gotas y corrientes arrastran escoria a medida que se mueven a través de la capa de escoria 16. El levantamiento de buoyancia del metal fundido, carbono sólido y escoria provoca agitación sustancial en la capa de metal 15 y la capa de escoria 16, con el resultado de que la capa de escoria 16 se expande en volumen y tiene una superficie indicada por la flecha 30. La extensión de agitación es de tal manera que hay una temperatura razonablemente uniforme en las regiones de metal y escoria -normalmente de 1450°C - 1550°C, con una variación de temperatura del orden de 30 °C en cada región. Además, el movimiento hacia arriba de las salpicaduras, gotas y corrientes de material fundido provocados por el levantamiento de buoyancia del metal fundido, carbono sólido y escoria se extiende al espacio superior 31 por encima del baño fundido en el recipiente y (a) forma una zona de transición 23 y (b) proyecta algo de material fundido (predominantemente escoria) más allá de la zona de transición y sobre la parte de la sección 51 de barril superior de las paredes laterales 5 que se encuentra por encima de la zona de transición 23 y sobre el techo 7. En términos generales, la capa de escoria 16 es un volumen continuo de liquido, con burbujas de gas en el mismo y la zona de transición 23 es un volumen continuo de gas con salpicaduras, gotas y corrientes de metal fundido y escoria. El recipiente incluye además una lanza 13 para inyectar un gas que contiene oxigeno (normalmente aire enriquecido con oxigeno, precalentado) que es localizada o situada centralmente y se extiende verticalmente hacia abajo al recipiente. La posición de la lanza 13 y la velocidad de: flujo de gas a través de la lanza 13 son seleccionadas de tal manera que el gas que contiene oxigeno penetra a la región central de la zona de transición 23 y mantiene un espacie libre 25 esencialmente libre de metal/escoria alrededor del extremo de la lanza 13. La lanza 13 incluye un conjunto o montaje que provoca que el gas que contiene oxigeno sea inyectado en un movimiento de remolino al recipiente. La inyección del gas que contiene oxigeno, via la lanza 13, somete a post-combustión los gases de reacción CO y H2 en la zona de transición 23 y en el espacio libre 25 alrededor del extremo de la lanza 13 y genera altas temperaturas del orden de 2000 °C o mayores en el espacio de gas. El calor es transferido a las salpicaduras, gotas y corrientes ascendentes y descendentes de material fundido en la región de inyección de gas y el calor es luego parcialmente transferido a la capa de metal 15 cuando el metal/escoria regresa a la capa de metal 15. El espacio libre 25 es importante para obtener altos niveles de post-combustión debido a que permite el arrastre de gases en el espacio por encima de la zona de transición 23 a la región del extremo de la lanza 13 y mediante esto incrementa la exposición de los gases de reacción disponibles a la post-combustión.

El efecto combinado de la posición de la lanza 13, la velocidad de flujo de gas a través de la lanza 13 y el movimiento hacia arriba de las salpicaduras, gotas y corrientes de material fundido es conformar la zona de transición 23 alrededor de la región inferior de la lanza 13 identificada en general por el número 27. Esta región formada proporciona una barrera parcial a la transferencia de calor por radiación a las paredes laterales 5. Además, las gotas, salpicaduras y corrientes ascendentes y descendentes de material son un medio efectivo para transferir calor desde la zona de transición 23 al baño fundido, con el resultado de que la temperatura de la zona de transición 23 en la región de las paredes laterales 5 es del orden de 1450°C - 1550°C. El recipiente es construido con referencia a los niveles de la capa de metal 15, la capa de escoria 16 y la zona de transición 23 en el recipiente cuando el proceso está en operación y con referencia a las salpicaduras, gotas y corrientes de metal fundido y escoria que son proyectados al espacio superior 31 por encima de la zona de transición 23 cuando el proceso está en operación, de tal manera que: (a) el alma y la sección 53 de barril inferior de las paredes laterales 5 que se ponen en contacto con las capas de metal/escoria 15/16 son formadas de material refractario (indicado por el rayado transversal en la figura) ; (b) por lo menos parte de la sección 53 de barril inferior de las paredes laterales 5 es reforzada por paneles 8 enfriados por agua y (c) la sección 51 de barril superior de las paredes laterales 5 y el techo 7 que se ponen en contacto con la zona de transición 23 y el espacio superior 31 son formados de paneles enfriados por agua 57, 59. Cada panel enfriado por agua 8, 57, 59 en la sección superior 10 de las paredes laterales 5 tiene bordes superior e inferior paralelos y bordes laterales paralelos y es curvo para definir una sección del barril cilindrico. Cada panel incluye un tubo interno de enfriamiento de agua y un tubo externo de enfriamiento de agua. Los tubos son formados en una configuración de serpentín con secciones horizontales interconectadas por secciones curvas. Cada tubo incluye además una entrada de agua y una salida de agua. Los tubos están desplazados verticalmente, de tal manera las secciones horizontales del tubo externo no están inmediatamente detrás de las secciones horizontales del tubo interno cuando son vistas desde una cara expuesta del canal, esto es, la cara que está expuesta al interior del recipiente. Cada panel incluye además un material refractario compactado que llena los espacios entre las secciones horizontales adyacentes de cada tubo y entre los tubos. Las entradas para agua y las salidas para agua de los tubos son conectadas a un circuito de suministro de agua (no mostrado) que hace circular el agua a alta velocidad de flujo a través de los tubos. En servicio, las condiciones de operación son controladas de tal manera que haya suficiente escoria que se pone en contacto con los paneles 57, 59 enfriados por agua y suficiente extracción de calor de los paneles para acumularse y mantener una capa de escoria sobre los paneles. La capa de escoria forma una barrera térmica efectiva para la pérdida de calor via la zona de transición y el resto del espacio superior por encima de la zona de transición. Como se indica anteriormente se han identificado las siguientes características de proceso, en trabajo en planta piloto que, separadamente o en combinación, proporcionan un control efectivo del proceso. (a) control del inventario de escoria, esto es, la profundidad de la capa de escoria y/o la proporción de metal/escoria, para equilibrar el efecto positivo del metal en la zona de transición 23 sobre la transferencia de calor con el efecto negativo del metal en la zona de transición 23 sobre la post-combustión debido a reacciones posteriores en la zona de transición 23. Si el inventario de escoria es demasiado bajo, la exposición del metal a oxigeno es demasiado alta y hay un potencial reducido de postcombustión. Por otra parte, si el inventario de escoria es demasiado alto, la lanza 13 será enterrada en la zona de transición 23 y habrá un arrastre reducido de gas al espacio libre 25 y potencial reducido de post-combustión. (b) control del nivel de carbono disuelto en el metal, de tal manera que sea por lo menos 3% en peso y mantener la escoria en una condición fuertemente reductora conduciendo a niveles de FeO de menos del 6% en peso en la capa de escoria 16 y en la zona de transición 23. (c) seleccionar la posición de la lanza 13 y controlar las velocidades de inyección del gas que contiene oxigeno y sólidos via la lanza 13 y lanzas/toberas 11 para mantener la región esencialmente libre de metal/escoria alrededor del extremo de la lanza 13 y formar la zona de transición 23 alrededor de la sección inferior de la lanza 13. (d) control de la pérdida de calor del recipiente al salpicar con escoria las paredes laterales del recipiente que están en contacto con la zona de transición 23 o que están por encima de la zona de transición 23 al ajustar uno o más de : (i) el inventario de escoria y (ii) la velocidad de flujo de inyección a través de la lanza 13 y la lanza/toberas 11. El trabajo en planta piloto al que se hace referencia anteriormente fue llevado a cabo como una serie de campañas extensas por la solicitante en su planta piloto en K inana, Australia Occidental. El trabajo en planta piloto se llevó a cabo con el recipiente mostrado en la figura y descrito anteriormente y de acuerdo con las condiciones de proceso descritas anteriormente. El trabajo en planta piloto evaluó el recipiente e investigó el proceso bajo un amplio rango de diferentes: (a) materiales de alimentación; (b) velocidades de inyección de sólidos y gas; (c) inventarios de escoria - medidos en términos de la profundidad de la capa de escoria y las proporciones de escoria: metal; (d) temperaturas de operación y (e) ajustes del aparato. La tabla 1 a continuación resume los datos relevantes durante el arranque y condiciones de operación estables para el trabajo en planta piloto.

La fuente de mena (mineral) de hierro fue Hamersley como un mineral de embarque directo fino normal y contenia 64.6% de hierro, 4.21% de Si02 y 2.78% de A1203 en una base seca. Un carbón de antracita fue usado como reductor y como fuente de carbono e hidrógeno para someter a combustión y suministrar energía al proceso. El carbón tenia un valor calorífico de 30.7 MJ/Kg, un contenido de ceniza de 10% y un nivel de volátiles de 9.5%. Otras características incluían 79.82% de carbono total, 1.8% de H20, 1.59% de N2, 3.09% de 02 y 3.09% de H2. El proceso se puso en operación para mantener una basicidad de escoria de 1.3 (proporción de CaO/Si02) utilizando una combinación de fundentes alcalinos de cal y magnesia. La magnesia contribuyó al MgO reduciendo mediante esto la corrosividad de la escoria al refractario al mantener niveles apropiados de MgO en la escoria. Bajo condiciones de arranque, la planta piloto operó con: una velocidad de ráfaga de aire caliente de 26,000 Nm3/hora a 1200 °C; una velocidad de post-combustión de 60% ( (C02 + H20)/(CO + H2 + C02 + H20) ) y una velocidad de alimentación de finos de mineral de hierro de 5.9 t/h, una velocidad de alimentación de carbón de 5.4 t/h y una velocidad de alimentación de fundente alcalino de 1.0 t/h, todos inyectados como sólidos utilizando N2 como gas portador. Hubo poca o ninguna escoria en el recipiente y no hubo oportunidad suficiente para formar una capa de escoria congelada sobre los paneles laterales. Como consecuencia, la pérdida de calor del agua de enfriamiento fue relativamente alta a 12 MW. La planta piloto funcionó a una velocidad de producción de 3.7 t/h de metal caliente (4.5% en peso de C) y la velocidad de carbón de 1450 Kg carbón/t de metal caliente producido. Bajo condiciones estables, con control del inventario de escoria y una capa de escoria congelada sobre los paneles de enfriamiento de agua que forman las paredes laterales, se experimentaron relativamente pocas pérdidas de calor de 8 MW. La reducción de la pérdida de calor al sistema de enfriamiento de agua permitió una productividad incrementada de 61. t/h de metal caliente. La productividad incrementada fue obtenida a la misma velocidad de ráfaga de aire caliente y post-combustión como en el arranque. Las velocidades de inyección del sólido fueron 9.7 t/h de finos de mineral y 6.1 t/h de carbón junto con 1.4 t/h de fundente alcalino. La productividad mejorada también mejoró la velocidad del carbón a 1000 Kg de carbón/t de metal caliente obtenido. Muchas modificaciones se pueden efectuar a las modalidades preferidas del proceso de la invención como se describe anteriormente sin desviarse del espíritu y alcance de la presente invención. Se hace constar que, con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención es el que resulta claro de la presente descripción de la invención:

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad, lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Un proceso de fusión directa para producir metales a partir de un material de alimentación metalífero, caracterizado porque incluye las etapas de: (a) formar un baño fundido que tiene una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa de metal en un recipiente metalúrgico; (b) inyectar material de alimentación metalífero y material carbonáceo sólido a la capa de metal via una pluralidad de lanzas/toberas y provocar que el material fundido sea proyectado como salpicaduras, gotas y corrientes a un espacio superior por encima de una superficie quiescente nominal del baño fundido para formar una zona de transición; (c) fundir el material metalífero a metal en la capa de metal y (d) inyectar un gas que contiene oxigeno al recipiente via una o más de una lanza/tobera para someter a post-combustión los gases de reacción liberados del baño fundido, mediante lo cual las salpicaduras, gotas y corrientes ascendentes y después de esto descendentes de material fundido en la zona de transición facilitan la transferencia de calor al baño fundido y mediante esto la zona de transición minimiza la pérdida de calor del recipiente via las paredes laterales en contacto con la zona de transición; tal proceso incluye la etapa de controlar el proceso al mantener un alto inventario de escoria.
2. 2. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque incluye mantener el alto nivel de escoria al controlar la capa de escoria de tal manera que sea de 0.5 a 4 metros.
3. 3. El proceso de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque incluye mantener el alto nivel de escoria al controlar la capa de escoria de tal manera que sea de 1.5 a 2.5 metros de profundidad.
4. 4. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque incluye mantener el alto nivel de escoria al controlar la capa de escoria de tal manera que sea de por lo menos 1.5 metros de profundidad.
5. 5. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque incluye, controlar la proporción en peso de metal : escoria de tal manera que sea de entre 4:1 y 1:2.
6. 6. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque incluye controlar la proporción en peso de metal : escoria de tal manera que sea de entre 3:1 y 1:1 bajo condiciones de operación estables del proceso.
7. 7. El proceso de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque incluye mantener el alto nivel de escoria al controlar la proporción en peso de metal : escoria de tal manera que sea de entre 3:1 y 2:1 bajo condiciones de operación estables del proceso.
8. 8. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la etapa (c) incluye fundir el material metalífero a metal, por lo menos predominantemente en la capa de metal.
9. 9. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque incluye situar o ubicar la una o más de una lanza/tobera de gas que contiene oxigeno e inyectar el gas que contiene oxigeno a una velocidad de flujo de tal manera que: (a) el gas que contiene oxigeno es inyectado hacia la capa de escoria y penetra la zona de transición y (b) la corriente de gas que contiene oxigeno desvia las salpicaduras, gotas y corrientes de material fundido alrededor de una sección inferior de la una o más de una lanza/tobera y se forma un espacio continuo de gas alrededor del extremo de la una o más de una lanza/tobera.
10. 10. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque incluye controlar la pérdida de calor del recipiente al salpicar predominantemente escoria a las paredes laterales del recipiente que están en contacto con la zona de transición y sobre el techo del recipiente al ajustar uno o más de: (i) la cantidad de escoria en el baño fundido; (ii) la velocidad de flujo de inyección del gas que contiene oxigeno a través de la una o más de una lanza/tobera de inyección de gas que contiene oxigeno y (ii) la velocidad de flujo del material de alimentación metalífero y material carbonáceo a través de las lanzas/toberas .
11. 11. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la etapa (b) de la reivindicación 1 incluye localizar la pluralidad de lanzas/toberas por encima y que se extienden hacia abajo de la capa de metal.
12. 12. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque incluye alimentar material de alimentación metalífero y material carbonáceo sólido en un portador inerte.
13. 13. El proceso de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque incluye situar la pluralidad de lanzas/toberas por encima y que se extienden hacia abajo hacia la capa de metal.