ES2282287T3 - Procedimiento de fusion directa. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de fusión directa para producir hierro y/o ferroaleaciones que funciona a escala comercial en una vasija metalúrgica con un crisol, unas paredes laterales y un techo, y una anchura mínima del interior del crisol por lo menos de 4 metros, comprendiendo dicho procedimiento las etapas siguientes: (a) formar un baño fundido que contiene metal fundido y escoria fundida; (b) suministrar materiales de alimentación que son material ferruginoso, material carbonoso y fundentes en la vasija, mediante la inyección de los materiales de alimentación en el baño fundido a través de 3 o más lanzas de inyección que se extienden en sentido descendente y que generan de este modo un flujo de gas por lo menos de 0, 35 Nm3/s/m2 en el baño fundido (en el que m2 se refiere al área de una sección transversal horizontal a través del crisol, en su anchura mínima) que ocasiona la formación de una zona en el baño fundido en la que se proyectan hacia arriba salpicaduras, gotitas y corrientes de material fundido desde la zona del baño fundido; (c) fundir material de alimentación ferruginoso para obtener metal fundido en el baño fundido y generar gases en el baño; (d) inyectar chorros de un gas que contiene oxígeno que es aire o aire con hasta un 50% de oxígeno a una velocidad por lo menos de 150m/s a través de 3 o más lanzas con extremos de salida de un diámetro interior de 0, 8 m o inferior, en un espacio por encima de la superficie inactiva del baño fundido (el "espacio superior") y realizando la combustión de los gases generados en el procedimiento; y (e) generar un movimiento ascendente del material fundido desde el baño fundido al espacio superior para facilitar la transmisión del calor al baño y reducir al mínimo las pérdidas de calor de la vasija; estando dicho procedimiento caracterizado porque arrastra un volumen de gas del espacio superior hacia los chorros del gas que contiene oxígeno inyectado en la vasija, que es de 2 a 6 veces el volumen del gas inyectado y por la transmisión delcalor de la poscombustión de los gases generados en el baño al material fundido en el espacio superior en la parte de inyección del gas, y el posicionado de las lanzas de inyección del gas que contiene oxígeno con respecto a los extremos de salida de las lanzas que no están a más de 7 m por encima de una superficie inactiva del baño fundido, y que la disposición de las lanzas y la longitud que sobresalen en la vasija están seleccionadas de manera que se impide que la llama originada por la poscombustión prosiga a lo largo de las paredes laterales o del techo de la vasija.
Description
Procedimiento de fusión directa.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para la producción de hierro y/o ferroaleaciones a
partir de material ferruginoso, comprendiendo minerales de hierro,
otros minerales que contienen hierro, tales como minerales de
cromita, minerales parcialmente reducidos y corrientes residuales
que contienen hierro tales como materiales recuperados de acero.
La presente invención se refiere en particular a
un procedimiento de fusión directa basado en un baño de metal
fundido para producir hierro fundido y/o ferroaleaciones.
El procedimiento DIOS es un conocido
procedimiento de fusión directa, basado en un baño de metal fundido
para la fabricación de hierro fundido. El procedimiento DIOS
comprende una etapa de prerreducción y una etapa de reducción de la
fusión. En el procedimiento DIOS, el mineral (-8 mm) es precalentado
(750ºC) y pre-reducido (10 a 30%) en lechos de
burbujas fluidificados, utilizando gas de descarga de una vasija de
reducción por fusión, que contiene un baño fundido de hierro y
escoria, formando la escoria una gruesa capa sobre el hierro. Los
componentes finos (-3 mm) y gruesos (-8 mm) del mineral, están
separados en la etapa de prerreducción del procedimiento, y los
componentes -3 mm son recogidos en un ciclón e inyectados en la
vasija de reducción por fusión con nitrógeno, mientras que el
mineral grueso es cargado por gravedad. En la vasija de reducción
por fusión, se carga por la parte superior de la vasija, carbón
secado previamente. El carbón se descompone en la capa de escoria
en coque y materias volátiles, y el mineral se disuelve en la
escoria fundida y forma FeO. El FeO se reduce en las superficies de
separación escoria/hierro y escoria/coque para producir hierro. El
monóxido de carbono generado en las superficies de separación
escoria/hierro y escoria/coque, genera una escoria espumosa. Se
insufla oxígeno a través de una lanza diseñada especialmente, que
introduce el oxígeno en el interior de la escoria espumosa y mejora
la combustión secundaria. Los chorros de oxígeno queman el monóxido
de carbono que se genera con las reacciones de reducción de la
fusión, generando de este modo calor, que es transmitido en primer
lugar a la escoria fundida y a continuación a la superficie de
separación escoria/hierro mediante el fuerte efecto de agitación
del gas insuflado por el fondo. El gas de agitación introducido en
el baño de hierro caliente por el fondo o por el lado de la vasija
de reducción por fusión, mejora el rendimiento de la transmisión de
calor y aumenta la superficie de separación escoria/hierro para la
reducción y, por consiguiente, la productividad de la vasija y el
rendimiento térmico. No obstante, deben limitarse las proporciones
de la inyección, ya que una agitación fuerte disminuye la
combustión secundaria debido al incremento de la interacción entre
el chorro de oxígeno y las gotitas de hierro en la escoria, con la
consiguiente disminución de la productividad y un incremento de
desgaste del refractario. La escoria y el hierro son
extraídos
periódicamente.
periódicamente.
Otro conocido procedimiento de fusión directa
para producir hierro fundido, es el procedimiento Romelt. El
procedimiento Romelt se basa en la utilización de un baño de escoria
de un gran volumen y muy agitado, como medio para la fusión un
material ferruginoso de alimentación que pasa a hierro, en una
vasija de reducción por fusión y realizando la poscombustión de los
productos de la reacción gaseosa y la transmisión del calor, según
se requiera, para la fusión continua del material de alimentación
ferruginoso. El material de alimentación ferruginoso, el carbón, y
los fundentes, son alimentados por gravedad en la escoria, a través
de una abertura en el techo de la vasija. El procedimiento Romelt
comprende la inyección de un chorro primario de aire enriquecido en
oxígeno en la escoria a través de una fila inferior de toberas para
producir la necesaria agitación de la escoria, y la inyección de
aire enriquecido en oxígeno, o de oxígeno, en la escoria, a través
de una fila superior de toberas para favorecer la poscombustión. El
hierro fundido producido en la escoria se desplaza en sentido
descendente y forma una capa de hierro que es descargada a través de
un antecrisol. En el procedimiento Romelt, la capa de hierro no
constituye un medio de reacción
importante.
importante.
Otro procedimiento conocido de fusión directa
para producir hierro fundido es el procedimiento AISI. El
procedimiento AISI comprende una etapa de prerreducción y una etapa
de reducción en estado de fusión. En el procedimiento AISI, se
cargan nódulos de mineral de hierro, precalentados y parcialmente
pre-reducidos, carbón o menudos de coque y
fundentes, por la parte superior en una vasija de fusión presurizada
que contiene un baño fundido de hierro y escoria. El carbón se
desvolatiliza en la capa de escoria, y los nódulos de mineral de
hierro se disuelven en la escoria, siendo reducidos a continuación
mediante carbón (coque) en la escoria. Las condiciones del
procedimiento tienen como resultado la formación de escoria
espumosa. El monóxido de carbono y el hidrógeno generados en el
procedimiento son quemados posteriormente en la escoria, o justo
encima de la misma, para proporcionar la energía requerida para las
reacciones endotérmicas de reducción. El oxígeno es insuflado por
la parte superior, a través de una lanza central refrigerada por
agua, y se inyecta nitrógeno a través de toberas por el fondo del
reactor, para garantizar una agitación suficiente que facilite la
transmisión al baño del calor de la energía de la poscombustión. Se
elimina el polvo de gas de descarga del procedimiento en un ciclón
en caliente antes de ser alimentado a un horno de tipo de cuba para
el precalentamiento y la prerreducción de los nódulos a FeO, o
a
wustita.
wustita.
Otro conocido procedimiento de fusión directa,
que se basa en una capa de hierro fundido como medio de reacción, y
que generalmente es denominado procedimiento HIsmelt, se describe en
la solicitud internacional de patente PCT/AU96/00197 (WO 96/31627) a
nombre del solicitante.
El procedimiento HIsmelt, tal como se describe
en la solicitud internacional de patente, comprende:
(a) la formación de un baño de hierro
fundido y de escoria en una vasija;
(b) la inyección en un baño, de:
- (i)
- material de alimentación ferruginoso, típicamente óxidos de hierro; y
- (ii)
- un material carbonoso sólido, típicamente carbón, que actúa como reductor de los óxidos de hierro y como fuente de energía; y
(c) la fusión del material metalífero de
alimentación a metal en la capa de hierro.
El procedimiento HIsmelt comprende asimismo la
inyección de un gas que contiene oxígeno en un espacio por encima
del baño y la poscombustión de los gases de la reacción, tales como
CO y H_{2} liberados por el baño, y la transmisión al baño del
calor generado para contribuir a la energía térmica requerida para
la fusión de los materiales metalíferos de alimentación.
El procedimiento HIsmelt comprende asimismo la
formación de una zona de transición en el espacio dispuesto encima
de la superficie nominalmente inactiva del baño en la que existe una
masa que favorece el ascenso y el descenso posterior de gotitas o
salpicaduras o corriente de material fundido, que constituyen un
medio efectivo para transmitir al baño la energía térmica generada
por los gases de la poscombustión por encima del baño.
El solicitante ha realizado una extensa labor de
investigación y desarrollo sobre los procedimientos de fusión
directa, comprendiendo trabajos de investigación y desarrollo sobre
los requisitos para el funcionamiento comercial de los
procedimientos y ha realizado una serie de hallazgos significativos
en relación con dichos procedimientos.
El enfoque de la presente invención es sobre la
poscombustión de los gases de la reacción.
Sin una poscombustión adecuada de los gases de
la reacción y la posterior transmisión del calor de nuevo al baño
fundido, dicho baño fundido, basado en procedimientos de fusión
directa, en particular los que carecen de una etapa de
prerreducción no resultan económicos, y en muchos casos, imposibles
de realizar debido a la naturaleza endotérmica de la reducción de
los materiales ferruginosos.
Un tema adicional es que una poscombustión
correcta no debe realizarse a expensas de la oxidación de cantidades
significativas de material, tal como metal fundido y coque en el
baño fundido, ya que el procedimiento resulta ineficiente,
necesitándose unas cantidades excesivas de material carbonoso sólido
para contrarrestar dicha oxidación.
Asimismo, unas cantidades excesivas de FeO en el
baño fundido son especialmente perjudiciales para el desgaste del
refractario en la zona del nivel nominalmente inactivo del metal
fundido.
En líneas generales, la presente invención es un
procedimiento de fusión directa para la producción de hierro y/o de
ferroaleaciones que funciona a escala comercial en una vasija
metalúrgica que dispone de un crisol, paredes laterales y un techo,
y unas dimensiones mínimas de anchura del interior de el crisol, por
lo menos de 4 metros, más preferentemente por lo menos de 6 metros,
según la reivindicación 1.
Más concretamente, el procedimiento de fusión
directa comprende las etapas de:
- (a)
- formar un baño fundido que contiene metal fundido y escoria fundida;
- (b)
- suministrar materiales de alimentación que son material ferruginoso, material carbonoso y fundentes, en la vasija;
- (c)
- fundir material ferruginoso de alimentación a metal fundido en el baño de fusión y generar gases en el baño;
- (d)
- inyectar chorros de un gas que contiene oxígeno, siendo el gas aire o aire con hasta un 50% de oxígeno, a través de 3 o más lanzas en un espacio por encima de la superficie inactiva del baño fundido (el "espacio superior") y la combustión de los gases generados en el procedimiento; y
- (e)
- generar de un movimiento ascendente de material fundido, desde el baño fundido hacia el espacio superior, para facilitar la transmisión de calor al baño y minimizar las pérdidas de calor de la vasija.
y cuyo procedimiento se caracteriza por
arrastrar un volumen de gas del espacio superior hacia los chorros
del gas que contiene oxígeno inyectado en el recipiente, que es de 2
a 6 veces el volumen del gas inyectado.
La presente invención se basa en que el arrastre
de un volumen de gas del espacio superior hacia los chorros de gas
inyectado, que es de 2 a 6 veces el volumen del gas inyectado,
permite conseguir una poscombustión correcta del gas del espacio
superior y una buena transferencia de calor al baño fundido, sin
niveles de oxidación inaceptables de los materiales fundidos en el
baño.
La presente invención se basa asimismo en la
posibilidad de conseguir arrastrar volúmenes del gas del espacio
superior hacia el gas que contiene oxígeno inyectado, entre los
márgenes descritos anteriormente, mediante la inyección de gas que
contiene oxígeno a través de lanzas con extremos de salida de un
diámetro interior de 0,8 m o inferior (preferentemente de 0,6 m o
inferior) a una velocidad por lo menos de 150 m/s.
Según ello, el procedimiento se caracteriza
preferentemente por la inyección de gas que contiene oxígeno a
través de lanzas que presentan extremos de salida de un diámetro
interior de 0,6 m o inferior, a una velocidad por lo menos de 150
m/s.
Preferentemente, la velocidad es por lo menos de
200 m/s.
Preferentemente, los extremos de salida de las
lanzas de inyección del gas que contiene oxígeno están a no más de 7
m por encima de una superficie inactiva del baño fundido.
Preferentemente, el procedimiento comprende el
precalentamiento del gas que contiene oxígeno a una temperatura
comprendida entre 800 y 1.400ºC.
La utilización de 3 o más lanzas para inyectar
chorros de gas que contiene oxígeno permite que el techo de la
vasija de fusión sea más bajo de cómo sería en el caso de una lanza
única que tuviera la misma área total de la sección transversal
interna que las lanzas múltiples. Esto se debe al aumento de la
proporción superficie/volumen de los chorros de gas que emanan de
los extremos de múltiples lanzas más pequeñas. Se requiere menos
espacio libre para el arrastre del gas, y por lo tanto menos altura
vertical en la vasija metalúrgica. El resultado es un procedimiento
de fusión directa más compacto y económico, con menores pérdidas de
calor de la vasija.
Preferentemente, el procedimiento comprende la
inyección de gas que contiene oxígeno en la vasija con un movimiento
de torbellino.
Las turbulencias incrementan la magnitud de la
aspiración del gas del espacio superior hacia los chorros de gas
inyectado. Por consiguiente, la utilización de torbellinos permite
que la altura de los extremos de salida de las lanzas de inyección
del gas que contiene oxígeno por encima del baño fundido sea
inferior a la altura con lanzas sin torbellino. De este modo, una
vasija provista de un cierto número de lanzas con torbellino de un
determinado diámetro interior, puede presentar una altura menor que
una vasija provista del mismo número de lanzas sin torbellino del
mismo diámetro interior. Esta es una consideración importante en lo
que se refiere a disminuir todavía más la altura de la vasija y, de
este modo el área superficial a través de la que puede perderse
calor de la vasija.
Además, para una vasija de una altura
determinada, la utilización del torbellino significa que el número
de lanzas para inyectar chorros del gas que contiene oxígeno puede
ser inferior que el número de lanzas sin torbellino. No obstante,
existe una limitación de la cantidad hasta la que es deseable
reducir el número de lanzas con torbellino. Específicamente, a
medida que se reduce el número de lanzas en una vasija de un tamaño
determinado, el diámetro interior de las lanzas debe aumentar
significativamente. Con el incremento del diámetro interior,
resulta más difícil enfriar el dispositivo generador de torbellinos
en el interior de dichas lanzas, provocando que puedan presentar un
aumento de la tendencia a quemarse, en particular cuando se utiliza
aire precalentado enriquecido con oxígeno. Se considera que es
improbable que lanzas de un diámetro interior mayor aproximadamente
de 0,8 metros, puedan soportar dicho dispositivo generador de
torbellinos durante la vida útil necesaria, es decir, un mínimo de
6 meses, y más deseablemente de 12 meses. La utilización de
materiales altamente conductores del calor tales como cobre para el
dispositivo de torbellinos se piensa que no es viable dada la
tendencia del aire precalentado a transportar pequeñas partículas
abrasivas con él, que erosionan rápidamente los materiales blandos
como el cobre.
Preferentemente, cuando se utiliza un
dispositivo de torbellino las lanzas utilizadas son de 3 a 6,
mientras que sin dispositivo de torbellino las lanzas utilizadas son
preferentemente 6 o más.
La etapa (b) comprende el suministro de
materiales de alimentación mediante la inyección de materiales de
alimentación en el baño fundido a través de 3 o más lanzas de
inyección de sólidos que se extienden en sentido descendente,
generando así un flujo de gas que ocasiona:
- (i)
- la formación de una zona más expansionada del baño fundido; y
- (ii)
- que las salpicaduras, las gotitas y las corrientes de material fundido sean proyectadas en sentido ascendente desde la zona expansionada del baño fundido.
La inyección de materiales de alimentación y el
flujo de gas resultante originado por la inyección de materiales de
alimentación y las reacciones de los materiales de alimentación en
el baño fundido, producen un movimiento sustancial del material en
el interior de la zona expansionada del baño fundido y desde la
misma.
\newpage
Preferentemente, el procedimiento comprende la
extracción periódica o continua de la escoria fundida de la
vasija.
Preferentemente, el procedimiento comprende
asimismo la extracción periódica o continua de hierro fundido y/o de
ferroaleaciones de la vasija.
Los materiales ferruginosos pueden comprender
minerales de hierro, otros minerales que contengan hierro tales
como minerales de cromita, minerales parcialmente reducidos y
corrientes residuales que contengan hierro, tales como los
recuperados de acero. Debe tenerse en cuenta que aunque los
materiales ferrosos, es decir, los materiales en los que el hierro
es el componente principal, son el material ferruginoso preferente,
la presente invención no está limitada a la utilización de material
ferroso.
Preferentemente, el procedimiento comprende la
inyección por lo menos de un 80% en peso del peso total del material
sólido requerido para hacer funcionar el procedimiento a través de
las lanzas de inyección de sólidos.
Preferentemente, el procedimiento comprende la
inyección de materiales de alimentación en el baño fundido a una
velocidad por lo menos de 40 m/s a través de las lanzas de inyección
de sólidos.
Preferentemente, la velocidad está comprendida
entre 80 y 100 m/s.
Preferentemente, el procedimiento comprende la
inyección de materiales de alimentación en el baño fundido a través
de las lanzas de inyección de sólidos con un caudal másico de hasta
2,0 t/m^{2}/s, en que m^{2} se refiere al área de la sección
transversal del tubo de distribución de lanza.
Preferentemente, el procedimiento comprende la
inyección de materiales de alimentación en el baño fundido a través
de las lanzas de inyección de sólidos, con una proporción de
sólidos/gas de 10 a 18 kg/Nm^{3}.
En el contexto de la presente invención, se
entiende en la misma que la expresión "fusión" significa un
procedimiento térmico en el que tienen lugar reacciones químicas que
reducen los materiales de alimentación para producir hierro líquido
y/o ferroaleaciones.
En el contexto de la presente invención, se
entiende en la misma que la expresión "lanza" significa un
dispositivo de inyección de gas/material que sobresale hasta una
cierta magnitud en el interior de la vasija.
El flujo de gas generado en el baño fundido es
por lo menos de 0,35 Nm^{3}/s/m^{2} (en que m^{2} se refiere
al área de una sección transversal horizontal a través de el crisol
en su anchura mínima).
Preferentemente, el flujo de gas generado en el
baño fundido es por lo menos de 0,5 Nm^{3}/s/m^{2}.
Preferentemente, el caudal de gas generado en el
baño fundido es inferior a 2 Nm^{3}/s/m^{2}.
El flujo de gas generado en el baño fundido
puede estar generado en parte como resultado de una inyección de un
gas en el baño fundido por el fondo y/o por la pared lateral.
El material fundido puede formar una capa
"húmeda" o "seca" en las paredes laterales. Una capa
"húmeda" comprende una capa solidificada que se adhiere a las
paredes laterales, una capa semisólida (papilla), y una película
líquida exterior. Una capa "seca" es una capa en la que toda la
escoria está solidificada.
La producción de escoria en la vasija puede
controlarse variando las proporciones de alimentación a la vasija
del material ferruginoso, del material carbonoso, y de los fundentes
y de los parámetros operativos tales como las proporciones de
inyección del gas que contiene oxígeno.
En situaciones en las que el procedimiento es
para la producción de hierro, el procedimiento comprende
preferentemente el control de que el nivel de carbono disuelto en el
hierro fundido sea por lo menos del 3% en peso y el mantenimiento
de la escoria en una fuerte condición reductora con unos niveles de
óxido de hierro inferiores a 6% en peso, más preferentemente
inferiores al 5% en peso (medido como la cantidad de hierro en los
óxidos de hierro en la escoria extraída de la vasija).
La inyección de material ferroso y de material
carbonoso puede realizarse a través de la misma lanza o de lanzas
separadas.
Preferentemente, el nivel de la poscombustión
es, por lo menos, del 40%, en el que la poscombustión se define
como:
\frac{[CO_{2}]
+ [H_{2}O]}{[CO_{2}] + [H_{2}O] + [CO] +
[H_{2}]}
en la
que:
\global\parskip0.950000\baselineskip
[CO_{2}] = % en volumen de CO_{2} en el gas
de descarga
[H_{2}O] = % en volumen de H_{2}O en el gas
de descarga
[CO] = % en volumen de CO en el gas de
descarga
[H_{2}] = % en volumen de H_{2} en el gas de
descarga.
La presente invención puede ponerse en
funcionamiento con un dispositivo para producir hierro y/o
ferroaleaciones mediante un procedimiento de fusión directa,
comprendiendo dicho dispositivo una vasija fija, no basculante, con
un crisol, paredes laterales y un techo, y una anchura mínima de 4
metros, preferentemente, por lo menos de 6 metros, en el interior
del crisol para contener un baño fundido de hierro y escoria que
comprende una zona rica en metal y una zona expansionada del baño
fundido por encima de la zona rica en metal.
Más concretamente:
- (a)
- el crisol está formado con material refractario y presenta una base y unos lados en contacto con el metal fundido; y
- (b)
- las paredes laterales se extienden en sentido ascendente desde los lados del crisol y están en contacto con la zona del baño fundido expansionado y el espacio continuo del gas, en que las paredes laterales que están en contacto con el espacio continuo del gas comprenden paneles refrigerados por agua y una capa de material fundido en los paneles.
Más concretamente, el dispositivo comprende
además:
- (a)
- 3 o más lanzas que se extienden en sentido descendente en la vasija, para inyectar chorros del gas que contiene oxígeno, que es aire o aire enriquecido con hasta un 50% de oxígeno, en una zona de la vasija por encima del baño fundido;
- (b)
- unos medios para suministrar materiales de alimentación que son material ferruginoso y/o material carbonoso y gas portador en el baño fundido; y
- (c)
- unos medios para extraer metal fundido y escoria de la vasija.
Más concretamente, cada lanza de inyección del
gas que contiene oxígeno, presenta un extremo de salida de un
diámetro interior de 0,6 m o menos, sobresaliendo por lo menos en
una distancia equivalente a su diámetro interior en la vasija, y
puede inyectar gas que contiene oxígeno a una velocidad por lo menos
de 150 m/s.
Preferentemente, la velocidad es por lo menos de
200 m/s.
Preferentemente, cada lanza de inyección del gas
que contiene oxígeno comprende medios para impartir al gas un
movimiento de torbellino.
Preferentemente, la parte de inyección del gas
que contiene oxígeno es una parte central de la vasija.
Preferentemente, los extremos de salida de las
lanzas de inyección del gas que contiene oxígeno están a no más de 7
m por encima de una superficie inactiva del baño fundido.
Es altamente deseable que la disposición de las
lanzas y la longitud del resalte en la vasija, esté seleccionada de
manera que impida que la llama producida por la poscombustión
prosiga a lo largo de las paredes laterales o del techo de la
vasija.
Preferentemente, los medios para suministrar
materiales de alimentación comprenden por lo menos 3 lanzas de
inyección de sólidos.
Preferentemente, el número de lanzas de
inyección de sólidos y del gas que contiene oxígeno y las posiciones
relativas y las condiciones de funcionamiento del procedimiento
están seleccionadas de manera que:
- (i)
- la zona expansionada del baño fundido comprende una parte más elevada alrededor de la parte de inyección del gas que contiene oxígeno de la vasija, entre la parte y las paredes laterales;
- (ii)
- las salpicaduras, las gotitas y las corrientes de material fundido se proyectan hacia arriba desde la parte elevada y forman una cortina alrededor de la zona de inyección de gas oxígeno entre la parte y las paredes laterales y humedecen las paredes laterales; y
- (iii)
- se forma un espacio "libre" alrededor de un extremo inferior de cada una de las lanzas de inyección de gas que contiene oxígeno, presentando el espacio libre una concentración de material fundido inferior a la concentración de material fundido en la zona del baño fundido expansionado.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Preferentemente, las lanzas de inyección de
sólidos se extienden a través de paneles refrigerados por agua en
las paredes laterales de la vasija, y en sentido descendente y hacia
el interior hacia la parte del crisol de la vasija.
La presente invención se describe además a modo
de ejemplo haciendo referencia al dibujo adjunto, que es una sección
vertical que ilustra de manera esquemática una forma de realización
preferente del procedimiento y el dispositivo de la presente
invención.
La descripción siguiente entra dentro del
alcance de la fusión de mineral de hierro para producir hierro
fundido, y se entiende que la presente invención no está limitada a
esta aplicación y es aplicable a la fusión de cualesquiera
materiales de alimentación adecuados.
El dispositivo de fusión directa que aparece en
la figura comprende una vasija metalúrgica designada en conjunto
como 11. La vasija 11 presenta un crisol que comprende una base 12 y
unos lados 13 formados con ladrillos refractarios; unas paredes
laterales 14 que forman un cuerpo generalmente cilíndrico que se
extiende en sentido ascendente desde los lados 13 del crisol y que
comprende una sección superior 51 del cuerpo formada por paneles
refrigerados por agua, y una sección inferior 53 formada por paneles
refrigerados por agua con un revestimiento interior de ladrillos
refractarios; un techo 17; una salida 18 para los gases de descarga;
un antecrisol 19 para la descarga del hierro fundido de manera
continua, y un orificio de colada 21 para la descarga de la escoria
fundida.
El crisol y la sección superior 51 del cuerpo
definen regiones cilíndricas en el interior de la vasija. La
sección inferior 53 del cuerpo define una parte cilíndrica,
generalmente troncocónica, en el interior de la vasija que
proporciona una zona de transición entre el diámetro más estrecho
del crisol y la zona superior 51 del cuerpo de diámetro más ancho.
En una instalación a escala comercial, es decir, una instalación que
produzca por lo menos 500.000 toneladas/año de hierro fundido, el
diámetro del crisol es por lo menos de 4 metros, más preferentemente
por lo menos de 6 metros.
En funcionamiento, la vasija contiene un baño
fundido de hierro y escoria.
La vasija está provista de 3 lanzas de inyección
26 de aire caliente que se extienden en sentido descendente para el
suministro de chorros de aire caliente a una parte central superior
91 de la vasija y para realizar la poscombustión de los gases de la
reacción liberados por el baño fundido. Los extremos de salida 39 de
las lanzas 26 presentan un diámetro interior D de 0,6 m o inferior.
Los extremos de salida 39 están dispuestos a no más de 7 m por
encima de una superficie inactiva (no representada) del baño fundido
en una instalación a escala comercial.
La expresión "superficie inactiva" se
entiende que significa la superficie del baño fundido cuando no
existe inyección de gas ni de sólidos en la vasija.
La vasija está dotada asimismo de 4 lanzas de
inyección de sólidos 27 (solamente dos de las cuales aparecen en la
figura) que se extienden en sentido descendente y hacia el interior,
a través de las paredes laterales 14, y hacia el baño fundido, con
un ángulo comprendido entre 20 y 70º con respecto a la horizontal
para inyectar materiales de alimentación que son mineral de hierro,
material carbonoso sólido y fundentes arrastrados por un gas
portador pobre en oxígeno en el baño fundido.
Las lanzas 27 están situadas de tal manera que
los extremos de salida 39 de las lanzas 27 están dispuestos
separados a distancias iguales alrededor del eje vertical de la
vasija. Además, las lanzas 27 están situadas de manera que unas
líneas trazadas verticalmente hacia abajo desde los extremos de
salida 39 cortan la base 12 del crisol en las posiciones 71, en un
círculo con un diámetro de 2/3 partes del diámetro del crisol.
Debe tenerse en cuenta que la posición de las
lanzas 27 ha sido escogida en el contexto de la posición de las
lanzas de oxígeno 26 y con el objetivo de formar una cortina 72 de
material fundido, por lo menos sustancialmente alrededor de las
lanzas 26 y entre las paredes laterales 14 de la vasija y las lanzas
26, y que puede ser más apropiada una disposición diferente de las
lanzas 27 para conseguir este objetivo en una configuración
distinta de vasija/lanza 26. Específicamente, debe tenerse en cuenta
que la presente invención no está limitada a las disposiciones en
las que las lanzas 26 están situadas centradas.
En funcionamiento, el mineral de hierro, el
material carbonoso sólido (típicamente carbón) y fundentes
(típicamente caliza y magnesita) arrastrados por un gas portador
(típicamente N_{2}) son inyectados en el baño fundido a través de
las lanzas 27 con una velocidad por lo menos de 40 m/s,
preferentemente de 80 a 100 m/s. El impulso del material sólido/gas
portador impulsa el material sólido y el gas hacia la base 12 del
crisol hacia regiones (las regiones rodeadas por círculos indicadas
mediante el número 24) que están distribuidas alrededor del eje
central de la vasija. Estas regiones son a las que se refiere la
descripción siguiente como regiones 24 de alta concentración de
inyección de sólidos/gas. El carbón se desvolatiliza y de este modo
produce gas. El carbón se disuelve parcialmente en el metal y
permanece parcialmente como carbón sólido. El mineral de hierro se
funde, pasando a metal, y la reacción de fusión genera gas monóxido
de carbono. Los gases transportados al baño fundido, y generados
mediante la desvolatilización y la fusión producen una flotación
ascendente significativa del material fundido (comprendiendo metal y
escoria) y del carbón sólido del baño fundido.
La flotación ascendente del material fundido y
del carbón sólido produce una agitación sustancial del baño
fundido, en particular inmediatamente encima y hacia el exterior
alrededor de las regiones 24 de alta concentración de inyección de
sólidos/gas, con el resultado de que se forma una zona del baño
fundido 28 más expansionada con una superficie indicada mediante
las flechas 30. Más concretamente, la superficie de la zona
expansionada 28 del baño fundido forma una parte anular más elevada
70 entre la zona central 91 y las paredes laterales 14 de la
vasija. El valor de la agitación es tal que existe un movimiento
sustancial de material fundido en el interior de la zona
expansionada 28 del baño fundido y una íntima mezcla del material
fundido en el interior de esta zona hasta el punto de que existe
una temperatura razonablemente uniforme (típicamente 1.450 a
1.550ºC) con una variación de temperatura aproximadamente de 30ºC,
en toda la zona.
A pesar de la íntima mezcla del material fundido
en la zona expansionada 28 del baño fundido, el hierro fundido se
sedimenta progresivamente en la parte inferior del crisol y forma
una zona rica en metal 23 que es eliminada de manera continua a
través del antecrisol 19.
La superficie de separación entre la zona
expansionada 28 del baño fundido y la zona rica en metal 23 se
determina principalmente mediante las regiones 24 de alta
concentración de inyección de sólidos/gas. El movimiento
sustancialmente ascendente del material fundido desde estas
regiones está compensado por el suministro continuo de más
materiales de alimentación a través de las lanzas 27 y por el
movimiento descendente del material ya fundido.
Además, el flujo ascendente de gas desde las
regiones 24 de alta concentración de inyección de sólidos/gas
proyecta algo de material fundido (principalmente escoria) en forma
de salpicaduras, gotitas y corrientes de material fundido más allá
de la parte más elevada 70 de la zona expansionada 28 del baño
fundido y forma la cortina 72 descrita anteriormente. El material
fundido entra en contacto en la cortina 72 con la sección superior
51 del cuerpo de las paredes laterales 14 que está por encima de la
zona expansionada 28 del baño fundido y del techo 17.
En líneas generales, la zona expansionada 28 del
baño fundido es un volumen líquido continuo con vacíos con gas en su
interior.
El movimiento del material fundido descrito
anteriormente puede ser visualizado como una serie de fuentes que se
originan en las regiones de alta concentración de inyección de
sólidos/gas que forman la parte más elevada 70 de la zona
expansionada 28 del baño fundido y la cortina 72 de material
fundido.
Adicionalmente a lo expuesto anteriormente, en
la práctica se inyecta aire caliente a una temperatura de 800 a
1.400ºC a una velocidad, por lo menos de 150 m/s en la parte central
91 de la vasija a través de las lanzas 26. Los chorros de aire
caliente desvían hacia arriba el metal fundido proyectado en dicha
parte y hace que se forme un espacio 29 esencialmente libre de
metal/escoria alrededor del extremo de la lanza 26. Los chorros
descendentes de aire caliente contribuyen a modelar el metal fundido
proyectado creando la cortina 72 descrita anteriormente.
El aire caliente inyectado a través de las
lanzas 26 realiza la poscombustión de los gases CO y H_{2} en el
espacio libre 29 alrededor de los extremos de salida 39 de las
lanzas 26 y en el metal fundido que las rodea, y genera elevadas
temperaturas de 2.000ºC o superiores. El calor es transmitido al
material fundido en la parte de inyección del gas y el calor es
transmitido a continuación en parte a través del material fundido a
la zona 23 rica en metal.
El espacio libre 29 es importante para alcanzar
elevados niveles de poscombustión, porque permite que el gas en el
espacio por encima de la zona expansionada 28 del baño fundido fluya
en el espacio libre 29 alrededor de los extremos de salida 39 de las
lanzas 26, y este flujo de gas incrementa la exposición de los gases
disponibles de la reacción a la poscombustión.
El dispositivo descrito anteriormente y las
condiciones del procedimiento de funcionamiento hacen posible
conseguir el arrastre de un volumen del espacio superior, al aire
caliente inyectado que es de 2 a 6 veces el volumen del aire
caliente. El solicitante ha apreciado que este intervalo de
proporciones de arrastre hace posible conseguir una poscombustión
correcta y una transmisión de calor al baño fundido sin niveles
inaceptables de reoxidación del metal fundido.
La cortina 72 es asimismo importante para
proporcionar una barrera parcial a la energía radiante del chorro de
poscombustión hacia las paredes laterales 14.
Además, las gotitas, las salpicaduras y las
corrientes de material fundido que ascienden y descienden en el
interior de la cortina 72 constituyen un medio efectivo para la
transmisión del calor generado por la poscombustión al baño
fundido.
Claims (9)
1. Procedimiento de fusión directa para
producir hierro y/o ferroaleaciones que funciona a escala comercial
en una vasija metalúrgica con un crisol, unas paredes laterales y un
techo, y una anchura mínima del interior del crisol por lo menos de
4 metros, comprendiendo dicho procedimiento las etapas
siguientes:
- (a)
- formar un baño fundido que contiene metal fundido y escoria fundida;
- (b)
- suministrar materiales de alimentación que son material ferruginoso, material carbonoso y fundentes en la vasija, mediante la inyección de los materiales de alimentación en el baño fundido a través de 3 o más lanzas de inyección que se extienden en sentido descendente y que generan de este modo un flujo de gas por lo menos de 0,35 Nm^{3}/s/m^{2} en el baño fundido (en el que m^{2} se refiere al área de una sección transversal horizontal a través del crisol, en su anchura mínima) que ocasiona la formación de una zona en el baño fundido en la que se proyectan hacia arriba salpicaduras, gotitas y corrientes de material fundido desde la zona del baño fundido;
- (c)
- fundir material de alimentación ferruginoso para obtener metal fundido en el baño fundido y generar gases en el baño;
- (d)
- inyectar chorros de un gas que contiene oxígeno que es aire o aire con hasta un 50% de oxígeno a una velocidad por lo menos de 150 m/s a través de 3 o más lanzas con extremos de salida de un diámetro interior de 0,8 m o inferior, en un espacio por encima de la superficie inactiva del baño fundido (el "espacio superior") y realizando la combustión de los gases generados en el procedimiento; y
- (e)
- generar un movimiento ascendente del material fundido desde el baño fundido al espacio superior para facilitar la transmisión del calor al baño y reducir al mínimo las pérdidas de calor de la vasija;
estando dicho procedimiento caracterizado
porque arrastra un volumen de gas del espacio superior hacia los
chorros del gas que contiene oxígeno inyectado en la vasija, que es
de 2 a 6 veces el volumen del gas inyectado y por la transmisión
del calor de la poscombustión de los gases generados en el baño al
material fundido en el espacio superior en la parte de inyección del
gas, y el posicionado de las lanzas de inyección del gas que
contiene oxígeno con respecto a los extremos de salida de las lanzas
que no están a más de 7 m por encima de una superficie inactiva del
baño fundido, y que la disposición de las lanzas y la longitud que
sobresalen en la vasija están seleccionadas de manera que se impide
que la llama originada por la poscombustión prosiga a lo largo de
las paredes laterales o del techo de la vasija.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
que comprende la inyección de un gas que contiene oxígeno a través
de las lanzas a una velocidad de por lo menos 200 m/s.
3. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende el precalentamiento del
gas que contiene oxígeno a una temperatura comprendida entre 800 y
1.400ºC.
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende la inyección de un gas
que contiene oxígeno en la vasija con un movimiento de
torbellino.
5. Procedimiento según la reivindicación 1,
que comprende la inyección por lo menos de un 80% en peso del peso
total del material sólido requerido para que el procedimiento
funcione a través de las lanzas de inyección de sólidos.
6. Procedimiento según la reivindicación 1,
que comprende la inyección de materiales de alimentación en el baño
fundido a una velocidad por lo menos de 40 m/s a través de las
lanzas de inyección de sólidos.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
que comprende la inyección de materiales de alimentación en el baño
fundido a una velocidad comprendida entre 80 y 100 m/s a través de
las lanzas de inyección de sólidos.
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende la inyección de
materiales de alimentación en el baño fundido a través de las lanzas
de inyección de sólidos con un caudal másico de hasta 2,0
t.m^{2}/s, refiriéndose m^{2} al área de la sección transversal
del tubo de distribución de lanza.
9. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende la inyección de
materiales de alimentación en el baño fundido a través de las
lanzas de inyección de sólidos con una proporción de sólidos/gas
comprendida entre 10 y 18 kg/Nm^{3}.
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