BR0110108B1

BR0110108B1 - processo de redução direta para produzir metais.

Info

Publication number: BR0110108B1
Application number: BRPI0110108-0A
Authority: BR
Inventors: Rodney James Dry; Peter Damian Burke
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2012-11-27
Also published as: EP1276912B1; ES2286113T3; CZ20023440A3; DE60128671D1; CN1429278A; ZA200208389B; KR20020091214A; BR0110108A; CA2405966A1; KR100764042B1; MXPA02010219A; AU4815601A; JP5112593B2; US20040031355A1; JP2012255215A; RU2258744C2; ATE363544T1; AU2001248156B2; WO2001081637A1; EP1276912A4

Description

PROCESSO DE REDUÇÃO DIRETA PARA PRODUZIR METAIS

Refere-se a presente invenção a um proces- so e a um aparelho para produzir metal fundido (termo este que inclui ligas de metais), em particular, muito embora de forma alguma exclusivamente, ferro, a partir de material de alimentação ferroso, tais como minérios, minérios parcialmente reduzidos e correntes de refugo que contêm metais.

A presente invenção relaciona-se particu- larmente com um processo de redução direta baseado em banho de metal fundido e um aparelho para produzir me- tal fundido a partir de um material ferroso.

Um processo de redução direta à base de banho fundido conhecido para produzir metal ferroso fundido, compreende o processo DIOS. 0 processo DIOS inclui um estágio de pré-redução e um estágio de fusão redutora. No processo DIOS minério (-8 mm) é pré- aquecido (750°C) e pré-reduzido (10 a 30%) em leitos fluidifiçados borbulhantes que utilizam gás de saida proveniente de um vaso de fusão redutora que contém um banho de metal e escória fundidos, com a escória for- mando uma camada profunda no metal. Os componentes fi- nos (-0,3 mm) e grossos (-8 mm) do minério são separa- dos no estágio de pré-redução do processo. Carvão e minério pré-aquecido e pré-reduzido (por intermédio de duas linhas de alimentação) são alimentados continua- mente para dentro do forno de redução de fundido a par- tir do topo do forno. 0 minério dissolve-se e forma FeO na profunda camada de escória e o carvão decompõe- se em carbonizado e em matéria volátil na camada de es- cória. Oxigênio é insuflado através de urna lança pro- jetada especialmente, o que aperfeiçoa a combustão se- cundária na escória espumante. Jatos de oxigênio quei- mam o monóxido de carbono que é gerado com as reações de fusão redutora, gerando dessa maneira calor o qual é transferido para a escória fundida. 0 FeO é reduzido nas interfaces de escória/metal e de escó- ria/carbonizado. Gás de agitação que é introduzido no banho de metal quente proveniente do fundo do vaso de fusão redutora, aperfeiçoa a eficiência de transferên- cia de calor e aumenta a interface escória/metal para redução. A escória e o metal são sangrados periodica- mente .

Um outro processo de redução direta conhe- cido para produzir metal ferroso fundido, compreende o processo AISI. 0 processo AISI inclui um estágio de pré-redução e um estágio de fusão redutora. No proces- so AISI, pelotas de minério de ferro pré-aquecidas e parcialmente pré-reduzidas, carvão ou moinha de coque e fundentes são carregados pelo topo em um reator de re- dução pressurizado que contém um banho de metal e de escória fundidos. 0 carvão desvolatiliza-se na camada de escória e as pelotas de minério de ferro dissolvem- se na escória e, então, são reduzidas pelo carbono (carbonizado) na escória. As condições de processo re- sultam na espumação da escória. 0 monóxido de carbono e hidrogênio que são gerados no processo são posterior- mente queimados na camada de escória ou exatamente aci- ma da mesma, a fim de proporcionarem a energia requeri- da para as reações de redução endotérmicas. Oxigênio é injetado de topo através de uma lança central, refrige- rada a água, e nitrogênio é injetado através de algara- vizes no fundo do reator, com a finalidade de assegura- rem agitação suficiente para facilitar a transferência de calor da energia de pós-combustão para o banho. 0 gás de saida de processo é despulverizado em ura ciclone quente antes de ser alimentado a um forno do tipo cuba para pré-aquecimento e pré-redução das pelotas para FeO ou wustita.

Um outro processo conhecido de redução di- reta que, diferentemente dos processos anteriormente descritos, se baseia em uma Ccimada de metal fundido co- mo ura meio de reação, e é geralmente chamado de proces- so HIsmelt, encontra-se descrito no pedido internacio- nal PCT/AU 96/00197 (WO 96/316627) em nome da presente requerente.

0 processo Hisrnelt, tal como se encontra descrito no pedido internacional, compreende: e inclui as etapas de:

(a)Formar um banho fundido de metal e de escória em um vaso;

(b)injetar no banho: (i) material de alimentação metalifero, tipicamente óxidos de metais; e

(ii) um material carbonáceo sóli- do, tipicamente carvão, o qual funcio- na como um redutor dos óxidos de me- tais e como uma fonte de energia; e (c) reduzir o material de alimentação meta- lifero a metal na camada de metal. 0 processo Hismelt também compreende inje- tar um gás que contém oxigênio em um espaço situado a- cirna do banho e gases de reação de pós-combustão, tais como CO e H2, desprendidos a partir do banho e transfe- rir o calor gerado para o banho para contribuir para a energia térmica requerida para reduzir os materiais de alimentação metaliferos.

0 Processo Hismelt também compreende formação de uma zona de transição no espaço situado a- cima da superfície inativa nominal do banho, em que e- xiste uma massa de respingos ou de gotículas ou de cor- rentes ascendentes e, depois disso, descendentes, de material fundido, na zona de transição, que proporcio- nam um meio efetivo para transferir para o banho a e- nergia térmica gerada pelos gases de reação de pós- combustão acima do banho.

0 processo Hlsmelt, tal como se encontra descrito no pedido internacional, é caracterizado pela formação da zona de transição mediante a injeção de um gás de transporte, um material de alimentação metalífe- ro, e um material carbonáceo sólido, para dentro do ba- nho, através de uma seção do lado do vaso que fica em contacto com o banho e/ou a partir de cima do banho, de maneira que o gás de transporte e o material sólido penetram no banho e fazem com que o material fundido seja projetado dentro do espaço situado acima da superfície do banho.

0 processo Hlsraelt, tal como se encontra descrito no pedido internacional, constitui um aperfei- çoamento sobre as formas anteriores do processo HIsmelt que formam a zona de tremsição mediante a injeção infe- rior do gás e/ou do material carbonáceo para dentro do banho, que fazem corri que as gotículas e respingos e as correntes de material fundido sejam projetados a partir do banho.

A requerente realizou extensas pesquisas e trabalho em instalação piloto em processos de redução direta e realizou uma série de descobertas significati- vas em relação a esses processos.

Ern termos gerais, a presente invenção pro- porciona um processo de redução direta para produzir metais (termo este que inclui ligas de metais) a partir de um material ferroso, processo este que inclui as e- tapas de:

(a) formar ura banho de metal fundido e de escória fundida em um vaso metalúrgi- co; (b) injetar materiais de alimentação que compreendem material sólido e gás de transporte em um banho fundido a uma velocidade de pelo menos 4 0 m/s atra- vés de uma lança de injeção de sóli- dos que se estende descendentemente, dotada de um tubo de distribuição de diâmetro interno de 40-200 ram, a qual fica localizada de maneira que ura ei- :·:ο central de uma extremidade de sai- da da lança fica disposto segundo um angulo de 2 0 a 90 graus em relação a uiTL eixo horizontal e que gera um flu- xo de gás de superfície de pelo menos .0,04 Nm3/s/m2 dentro do banho fundido (onde m2 refere-se à área de uma se- ção tramsversal horizontal através do banho fundido) pelo menos em parte pelas reações do material injetado seja projetado ascendentemente na forma de respingos, çrotícuias e cor- rentes e forma uma zona de banho fun- dido expandido, o fluxo de gás e o material fundido projetado ascenden- temente provocando um movimento subs- tancial de material dentro do banho fundido e uma forte mistura do banho fundido, sendo os materiais de ali- mentação selecionados de maneira tal que, em tua sentido global, as reações dos materiais de alimentação no banho fundido são endotérmicas; e

(c) injetar um gás que contém oxigênio dentro de uma região superior do vaso por intermédio de pelo menos uma lan- ça de injeção de gás de oxigênio e promover a pós-combustão dos gases combustíveis desprendidos do banho fundido, pelo que o material fundido ascendente e depois disso descendente na zona expandida de banho fundido facilita a transferência de calor pa- r a o banho fundido.

A zona expandida de banho fundido é carac- terizada por uma fração de expulsões de gás de alto vo- lume por todo o material fundido.

Preferencialmente, a fração de expulsões de gás de alto volume é de pelo menos 30%, em volume, da zona expandida de banho fundido.

Os respingos, gotícuias e correntes de ma- terial fundido são gerados pelo fluxo de gás descrito anteriormente dentro do banho fundido. Muito embora a requerente não pretenda ficar delimitada pelos comentá- rios expostos em seguida, a requerente acredita que os respingos, gotículas e correntes são gerados por ura re- gime de agitação turbulenta sob as velocidades de fluxo de gás e por iam regime de origem sob velocidades de fluxo de gás mais altas.

Preferentemente, o fluxo de gás e o mate- rial fundido projetado ascendentemente provocam movi- mento substancial do material para dentro e proveniente do banho fundido.

Preferentemente, o material sólido inclui material ferroso e/ou material carbonáceo sólido.

A zona expandida de banho fundido descrita anteriormente é totalmente diferente para a camada de escória espumante produzida no processo AISI descrito anteriormente.

Preferencialmente, a etapa (b) inclui in- jetar materiais de alimentação dentro do banho fundido de maneira que os materiais de alimentação penetrem em UJna região inferior do banho fundido.

Preferencialmente, a zona expandida de ba- nho fundido é formada na região inferior do banho fun- dido .

Preferencialmente, a etapa (b) inclui in- jetar materiais de alimentação dentro do banho fundido por intermédio da lança a uma velocidade na faixa de .80-100 m/s.

Preferencialmente, a etapa (b) inclui in- jetar materiais de alimentação dentro do banho fundido por intermédio da lança sob uma velocidade de fluxo em massa de até 2,0 t/in2/s, onde m2 refere-se à área sec- cional transversal do tubo de distribuição da lança. Preferencialmente, a etapa (b) inclui in- jetar materiais de alimentação dentro do banho fundido por intermédio da lança sob uma relação de sólidos/gás de 10-25 kg de sólidos/Nm3 de gás.

Com maior preferência, a relação de sóli- dos/gás é de 10-18 kg sólidos/Nm3 de gás.

Preferencialmente, o fluxo de gás dentro do banho fundido que é gerado na etapa (b) é de, pelo menos, 0,04 Nm3/s/m2, na superfície inativa do banho fundido.

Com maior preferência o fluxo de gás den- tro do banho fundido encontra-se sob uma velocidade de fluxo de, pelo menos, 0,2 Nm3/s/m2.

Com raaior preferência, a velocidade de fluxo de gás é de pelo menos 0,3 Nm3/s/m2.

Preferencialmente, a velocidade de fluxo de gás é menor do que 2 NmVs/m2.

O fluxo de gás dentro do banho fundido po- derá ser gerado em parte como um resultado da injeção de fundo e/ou de parede lateral de um gás dentro do ba- nho fundido, preferencialmente na região inferior do banho fundido.

Preferencialmente, o gás que contém oxigê- nio é ar ou ar enriquecido com oxigênio.

Preferencialmente, o processo inclui inje- tar-se ar, ou ar enriquecido com oxigênio, dentro do vaso, ci uma temperatura de 300-1400°C e a uma velocida- de de 200-600 m/s, por intermédio de, pelo menos, uma lança de injeção de gás de oxigênio e forçando-se a zo- na expandida de banho fundido na região da extremidade inferior da lança para fora em relação à lança e for- mando-se assim um espaço "livre" em torno da extremida- de inferior da lança, a qual é dotado de uma concentra- ção de material fundido que é mais baixa do que a con- centração de material fundido situado na zona expandida de banho fundido; ficando a lança localizada de uma ma- neira tal que: (i) um eixo central da lança fica dis- posto segundo um ângulo de 20 a 90° em relação a um ei- xo horizontal; (ii) a lança estende-se para dentro do vaso uma distância a qual corresponde a, pelo menos, o diâmetro externo da extremidade inferior da lança; e (iii) a extremidade inferior da lança fica disposta a uma distância que corresponde a, pelo menos, três vezes o diâmetro externo da extremidade inferior da lança a- cima da superfície inativa do banho fundido.

Preferencialmente, a concentração do mate- rial fundido no espaço livre em torno da extremidade inferior da lança corresponde a 5% ou menos, em volume, do espaço.

Preferencialraente, o espaço livre formado em torno da extremidade inferior da lança compreende um volume semi-esférico que é dotado de um diâmetro o qual corresponde a, pelo menos, 2 vezes o diâmetro externo da extremidade inferior da lança.

Preferencialraente, o espaço livre formado em torno da extremidade inferior da lança é de não mais que 4 vezes o diâmetro externo da extremidade inferior da lança.

Preferencialmente, pelo menos 50%, com maior preferência pelo raenos 60%, em volume, do oxigê- nio no ar ou do ar enriquecido com oxigênio, é queimado no espaço livre formado em torno da extremidade inferi- or da lança.

Preferencialmente, o processo inclui inje- tar ar ou ar enriquecido com oxigênio dentro do vaso num movimento de redemoinho.

Da maneira que é utilizado neste contexto, o termo "redução" deve ser compreendido como signifi- cando um processcimento térmico em que ocorrem reações químicas que reduzem o material de alimentação ferroso para produzir metal liquido.

Da maneira que é utilizado neste contexto, o termo "superfície inativa", no contexto do banho fun- dido, deve ser compreendido como significando a super- fície do banho fundido sob condições de processo em que não ocorre injeção de gás/sólidos e, portanto, nenhuma agitação do banho.

Preferencialmente, o processo inclui man- ter um alto inventário de escória no vaso era relação ao metal ferroso fundido no vaso.

A quantidade de escória no vaso, isto é, o inventário de escória, tem um impacto direto na quanti- dade de escória que se encontra na zona expandida de banho fundido. As características de transferência de ca- lor relativamente baixas da escória comparadas com o metal são importantes no contexto de se reduzir ao mí- nimo a perda de calor a partir da zona expandida de ba- nho fundido para as paredes laterais refrigeradas a á- gua e a partir do vaso por intermédio das paredes late- rais do vaso.

Pelo controle apropriado do processo, a escória na zona expandida do banho fundido pode formar uma camada ou camadas nas paredes laterais, que acres- centa (m) resistência à perda de calor proveniente das ρ a redes laterais.

Conseqüentemente, pela mudança do inventá- rio de escória é possível aumentar-se ou dirninuir-se a quantidade de escória na zona expandida do banho fundi- do e nas paredes leiterais e, conseqüentemente, contro- lar a perda de calor por intermédio das paredes late- rais do vaso.

A escória pode formar uma camada "úmida" ou uma camada "seca" nas paredes laterais. Uma camada "úmida" compreende uma camada solidificada que adere às paredes laterais, uma camada semi-sólida (esponjosa), e uma película líquida externa. Uma camada "seca" é uma em que substancialmente toda a escória se apresenta so- lidificada.

A quantidade de escória no vaso também proporciona uma medida de controle sobre a extensão de pós-combustão. Especificamente, na eventualidade do in- ventário de escória ser demasiadamente baixo, haverá exposição de metal aumentada na zona expandida de banho fundido e, portanto, oxidação de raetal aumentada e de carbono dissolvido no metal e o potencial para pós- combustão reduzido e pós-combustão conseqüente diminuí- da, não importando o efeito positivo que o metal na zo- na expandida do banho fundido tenha na transferência de calor para a camada de metal.

Adicionalmente, na eventualidade do inven- tário de escória ser excessivamente elevado, a uma ou mais que uma lança/algaravjζ de injeção de gás que con- tém oxigênio será enterrada na zona expandida de banho fundido e isto reduz ao mínimo o movimento dos gases de reação do espaço de topo para a extremidade da Ian- ça/algaraviz ou cada uma delas e, como uma conseqüên- cia, reduz o potencial para pós-combustão.

A quantidade de escoria no vaso, isto é, o inventário de escória, pode ser controlado pelas velo- cidades de sangramento de metal e escória.

A produção de escória no vaso poderá ser controlada mediante a varjação das velocidades de ali- mentação de material de alimentação metalífero, de ma- terial carbonáceo e de fundentes para o vaso e parâme- tros de operação, tais como velocidades de injeção de gás que contém oxigênio.

Preferencialmente, o processo inclui con- trolar-se o nível de carbono dissolvido no ferro fundi- do de forma tal a ser de pelo menos 3%, em peso, e man- ter-se a escória sob uma condição fortemente redutora de maneira a serem proporcionados níveis de FeO menores do que 6%, em peso, com maior preferência menores do que 5%, era peso, na escória.

Preferencialmente, o material ferroso é reduzido para metal, pelo menos predominantemente, na região inferior do banho fundido. Invariavelmente, es- ta região do vaso é aquela onde existirá uma alta con- centração de metal.

Na prática, existirá uma proporção do ma- terial ferroso que é reduzido para metal em outras re- giões do vaso. Não obstante, o objetivo do processo da presente invenção, e uma diferença importante entre o processo e os processos da técnica anterior, é o de e- levar ao máximo a redução de material ferroso na região inferior do banho fundido.

A etapa (b) do processo poderá incluir a injeção de materiais de alimentação através de uma plu- ralidade de lanças de injeção de sólidos e a geração do fluxo de gás de, pelo menos, 0,04 Nm3/s/m^ dentro do banho fundido.

A injeção de material ferroso e de materi- al carbonáceo poderá ser realizada através da mesma lança, ou de lanças separadas.

De preferência, o processo inclui fazer-se com que o material fundido seja projetado acima da zona expandida do banho fundido. Preferentemente, o nível cie pós-combustão é de pelo menos 40%, onde a pós-combustão é definida como:

<formula>formula see original document page 16</formula> onde:

[C02] = volume o, t5 de CO2 em gás de saída; [H2O] = volume α o de H2O em gás de saída; [CO] = vo 1 UffLe α Ώ de CO em gás de saída; e [H2] = volume α de H2 em gás de saída.

A zona expandida de banho fundido é impor- tante por duas razões.

Em primeiro lugar, o material fundido as- cendente e depois disso descendente é um meio efetivo de se transferir para o banho fundido o calor gerado pela pós-combustão dos gases de reação.

Em segundo Iugarf o material fundido, e particularmente a escória, na zona expandida do banho fundido constitui um meio efetivo para se reduzir ao mínimo a perda de calor por intermédio das paredes la- terais do vaso.

Uma diferença importante entre a concreti- zação preferida do processo da presente invenção e os processos da técnica anterior é a de que na concretiza- ção preferida a região de redução principal é a região inferior do banho fundido e a região de oxidação prin- cipal (isto é, a geração de calor) fica acima e em uma região superior da zona expandida do banho fundido e estas regiões são especialmente bem separadas e a transferência de calor realiza-se por intermédio do mo- vimento físico do metal e da escória fundidos entre as duas regiões.

De acordo com a presente invenção, propor- ciona-se igualmente um aparelho para produzir metal a partir de um material ferroso por meio de um processo de redução direta, aparelho esse que inclui um vaso fi- xo não inclinável que contém um banho de metal e escó- ria fundidos e inclui uma região inferior e uma zona expandida do banho fundido sendo formada pelo fluxo de gás proveniente da região inferior que transporta mate- rial fundido ascendentemente a partir da região inferi- or, vaso esse que inclui:

( a)uma soleira formada de material refratário dotada de uma base e lados em contacto com a região inferior do banho fundido;

(b)paredes laterais que se estendem ascenden- temente a partir dos lados da soleira e que ficam em contacto com uma região supe- rior do banho fundido e o espaço de gás continuo, em que as paredes laterais que concactam o espaço de gás contínuo incluem painéis refrigerados a água e uma camada de escória nos painéis;

(c)pelo menos uma lança que se estende des- cendentemente dentro do vaso e que injeta um gás que contém oxigênio dentro do vaso acima do banho fundido;

(d)pelo menos uma lança que injeta materiais de alimentação que compreende material ferroso e/ou material carbonáceo e gás de transporte dentro do banho fundido a uma velocidade de pelo menos 40 m/s, ficando a lança localizada de maneira que um eixo central de uma extremidade de saída da lança fica angulado descendentemente se- gundo um ângulo de 2 0 a 90° a um eixo ho- rizontal, sendo a lança um tubo de distri- buição para injetar materiais combustíveis que é dotado de ura diâmetro interno de 40- .2 00 mm; e

(e)uma disposição parei descarregar metal e escória fundidos a partir do vaso.

De preferência, a lança de injeção de ma- terial de alimentação fica localizada de maneira que a extremidade de saída da lança fica 150-1500 mm acima da superfície inativa nominal de uma camada de metal do banho fundido.

De preferência, a lança de injeção de ma- teriais de alimentação inclui ura tubo de núcleo central para passagem do material particulado sólido através dele; uma camisa de refrigeração anular circundando o tubo de núcleo central por toda uma parte substancial do seu comprimento, camisa essa que define uma passagem de fluxo de água anular interna alongada, disposta em torno do tubo de núcleo, uma passagem de fluxo de água anular alongada, disposta em torno da passagem de fluxo de água interna, e uma passagem extrema anular interli- gando as passagens de fluxo de água interna e externa na extremidade dianteira da camisa de refrigeração; disposição de entrada de água para entrada de água den- tro da passagem de fluxo de água anular interna da ca- misa, em uma região extrema da camisa; uma disposição de saida de água, para saida da água proveniente da passagem de fluxo de água anular externa, na região ex- trema traseira da camisa, para proporcionar desta ma- neira fluxo de cigua de refrigeração para diante, ao longo da passagem anular alongada interna para a extre- midade dianteira da camisa, então através da disposição de passagem de fluxo extrema e então de volta através da passagem de fluxo de água anular alongada externa, em que a passagem extrema anular se encurva suavemente para fora e para trás, da passagem anular alongada in- terna para a passagem anular alongada externa e a área seccional efetiva para o fluxo de água através da pas- sagem extrema é menor do que as áreas de fluxo seccio- nais das duas passagens de fluxo de água anular alonga- das interna e externa.

A presente invenção encontra-se descrita de forma mais detalhada, a titulo de exemplo, com refe- rência aos desenhos anexos, nos quais: A Figura 1 representa uma seção vertical que ilustra de forma esquemática uma concretização pre- ferida do processo e do aparelho de acordo com a pre- sente invenção.

As Figuras 2A e 23 são reunidas pela linha A-A para formarem uma seção longitudinal através de uma das lanças de injeção de sólidos que estão ilustradas na Figura 1.

A Figura 3 representa uma seção longitudi- na.l ampliada através da seção extrema da lança.

A Figura 4 representa uma seção ampliada através da extremidade dianteira da lança; e

A Figura 5 representa uma seção transver- sal na linha 5-5 na Figura 4.

A descrição seguinte encontra-se no con- texto da redução de minério de ferro para produzir fer- ro fundido e fica entendido que a presente invenção não fica limitada a esta aplicação e que é aplicável a quaisquer minérios e/ou concentrados ferrosos adequados - incluindo minérios metálicos parcialmente reduzidos e materiais da reversão de refugo.

0 aparelho de redução direta que se encon- tra ilustrado na Figura 1 inclui um vaso metalúrgico assinalado de uma maneira geral por 11. 0 vaso 11 é dotado de uma soleira que inclui uma base 12 e lados 13 formados a partir de tijolos refratários; paredes late- rais 14 que formam um corpo geralmente cilíndrico que se estende ascendentemente a partir dos lados 13 da so- leira e que inclui uma seção de corpo superior formada a partir de painéis refrigerados a água (não ilustra- dos) e uma seção de corpo inferior formada a partir de painéis refrigerados a água (não representados) dotados de um revestimento interno de tijolos refratários; um teto 17; uma saida 18 para gases de descarga, uma ante- soleira 19 para descarregar metal fundido continuamen- te; e um furo de sangria 21 para descarregar a escória fundida.

Em uso, sob condições de repouso, o vaso contém um banho de ferro e escória fundidos que inclui ujna camada 22 de metal fundido e uma camada 23 de escó- ria fundida na camada de metal 22.

Da maneira que é utilizado neste contexto, o termo "camada de metal'' é compreendido como signifi- cando a região do banho que consiste predominantemente de metal.

O espaço que fica situado acima da super- fície de repouso nominal do banho fundido é doravante chamada de o v'espaço de topo".

A seta assinalada pelo número 24 indica a posição da superfície de repouso nominal da camada de metal 22 e a seta assinalada pelo número 25 indica a posição da superfície de repouso nominal da camada de escória 23 (isto é, do banho fundido).

O termo "superfície de repouso" é compre- endido como significando a superfície onde não há inje- ção de gás e sólidos dentro do vaso. O vaso está equipado com uma lança de in- jeção de ar quente 26 que fica estendida descendente- mente, para a distribuição de um jorro de ar quente na região superior do vaso e gases de reação de pós- combustão desprendidos a partir do banho fundido. A lança 2 6 é dotada de um diâmetro externo D em uma ex- tremidade inferior da lança. A lança 26 fica localiza- da de uma maneira tal que:

(i)um eixo central da lança 2b encontra- se segundo um ângulo de 2 0 a 90° em relação a um eixo horizontal (a lança .2 6 ilustrada na Figura 1 encontra-se segundo um ângulo de 90°);

(ii)a lança 2 6 estende-se dentro do vaso uma distância que é pelo menos do diâ- metro externo D da extremidade inferi- or da lança; e

(iii) a extremidade inferior da lança 2 6 é pelo menos três vezes o diâmetro ex- terno D da extremidade inferior da lança acima da superfície de repouso .25 do banho fundido.

0 vaso também é equipado com lanças de in- jeção de sólidos 27 (duas ilustradas) que se estendem descendentemente e para dentro através das paredes la- terais 14 e dentro do banho fundido com extremidades de saída 82 das lanças 27 dispostas segundo um ângulo de .20-70° em relação à horizontal para injetarem minério de ferro, material carbonáceo sólido, e fundentes ar- rastados em um gás de transporte deficiente em oxigênio para dentro do banho fundido. A posição das lanças 27 é selecionada de maneira tal que as suas extremidades de saida 82 ficam dispostas acima da superfície de re- pouso 24 da camada de metal 22. Esta posição das lan- ças 27 reduz o risco de danos através do contacto com metal fundido e também torna possível refrigerar as lanças 27 por refrigeração de água interna forçada sem risco significativo da água entrar em contacto com o metal fundido no vaso. Especificamente, a posição da lança 27 é selecionada de maneira tal que as extremida- des de saída 82 ficam na faixa de 150-1500 mm acima da superfície de repouso 24 da camada de metal 22. Sob este aspecto deverá ser observado que, embora as lanças .27 estejam ilustradas na Figura 1 como estendidas den- tro do vaso, as extremidades de saída das lanças 27 po- dem ficar niveladas com a parede lateral 14. As lanças .27 encontram-se descritas de maneira mais detalhada com referência às Figuras 2-5.

Em uso, minério de ferro, material carbo- náceo sólido (tipicamente carvão), e fundentes (tipica- mente cal e óxido de magnésio) arrastados em um gás de transporte (tipicamente N2) são injetados no banho fun- dido por intermédio das lanças 27 a uma velocidade de pelo menos 40 m/s, de preferência 80-100 m/s. 0 impul- so do material sólido/gás de transporte faz com que o material sólido e gás penetrem para uiria região inferior do banho fundido. 0 carvão é desvolatilizado e desse modo produz gás na região de banho inferior. Carbono dissolve-se parcialmente dentro do metal e permanece parcialmente como carbono sólido. 0 minério de ferro é reduzido para metal e a reação de redução gera gás de monóxido de carbono. Os gases transportados na região de banho inferior e gerados por intermédio da desvola- tilização e redução produzem subida flutuante signifi- cativa do metal fundido, carbono sólido e escória (ar- rastaida para dentro da região de banho inferior como uma conseqüência da injeção de sólido/gás) proveniente da região de banho inferior que gera um movimento as- cendente de respingos, gotícuias e correntes de metal e escória fundidos, e estes respingos, gotículas e cor- rentes arrastam escória quando eles se movimentam atra- vés de uma região superior do banho fundido. 0 fluxo de gás gerado pela injeção de gás de transporte descri- ta anteriormente e reações do banho é de pelo menos .0,04 Nm3/s/m2 da superfície de repouso do banho fundido (isto é, superfície 25) .

A subida flutuante de metal fundido, car- bono sólido e escória provoca uma agitação substancial no banho fundido, com o resultado de que o banho fundi- do expande-se em volume e forma uma zona de banho fun- dido expandida 28 que é dotada de uma superfície indi- cada pela seta 30. A extensão da agitação é tal que ocorre um movimento de material fundido substancial dentro do banho fundido (incluindo movimento de materi- al fundido para dentro e proveniente da região de banho inferior) e forte mistura do banho fundido na extensão em que se apresenta uma temperatura consideravelmente uniforme por todo o banho fundido - tipicamente, 14 50 - .1550°C com uma variação de temperatura da ordem de 30° em cada região.

Além disso, o fluxo de gás ascendente pro- jeta algum material fundido (predominantemente escória) além da zona expandida do banho fundido 28 e sobre a parte da seção de corpo superior das paredes laterais .14 que se situa acima da zona de banho fundido expandi- da 28 e para o teto 17.

Em termos gerais, a zona expandida de ba- nho fundido 23 constitui um volume continuo de liquido, com borbulhas de gás no mesmo.

Adicionalmente ao exposto acima, em uso, ar quente a uma temperatura de 800-1400°C é descarrega- do a uma velocidade de 200-600 ra/s por intermédio da lança 2 6 e penetra na reçrião central da zona expandida de banho fundido 28 e faz com que se forme um espaço 29 essencialmente isento de meta/escória em torno da ex- tremidade da lança 26.

O jato de ai" quente injetado por intermé- dio da lança 2 6 promove a pós-combustão dos gases de reação CO e H2 na zona expandida de banho fundido 2 3 e no espaço livre 29 em torno da extremidade da lança 2 6 e gera altas temperaturas da ordem de 2000°C ou mais altas no espaço de gás. O calor é transferido para os respingos, goticulas e correntes, ascendentes e descen- dentes, de material fundido na região de injeção de gás e o calor é então parcialmente transferido para todo o banho fundido.

0 espaço livre 2 9 é importante para a ob- tenção de altos níveis de pós-combustão porque ele pos- sibilita o arrastamento de gases no espaço acima da zo- na expandida de banho fundido 2 8 para a região extrema da lança 2 6 e aumenta desse modo a exposição dos gases de reação disponíveis à pós-combustão.

O efeito combinado da posição da lança 26, da velocidade de fluxo de gás através da lança 2 6, e do movimento ascendente dos respingos, goticulas e corren- tes de metal fundido é o de conformar a zona expandida de banho fundido 28 em torno da região inferior da lan- ça 26. Esta região conformada proporciona uma barreira parcial à transferência de calor por radiação para as paredes laterais 14.

Além disso, os respingos, goticulas e cor- rentes de metal fundido ascendentes e descendentes, constituem uma disposição de transferência de calor e- fetiva proveniente da zona expandida de banho fundido .2 8 para o banho fundido, com o resultado de que a tem- peratura da zona 28 na região das paredes laterais 14 é da ordem de 1450°C-1550°C.

A construção das lanças de injeção de só- lidos encontra-se ilustrada nas Figuras 2 a 5.

Conforme ilustrado nestas figuras, cada lança 27 compreende ura tubo cie núcleo central 31 para distribuição através do raesrao dos materiais sólidos e uma camisa de refrigeração anular 32 circundando o tubo de núcleo central 31 através de toda uma parte substan- ciai de seu comprimento. 0 tubo de núcleo central 31 é formado de tubulação de aço carbono/liga 33 pela maior parte do seu comprimento, mas uma seção de aço inoxidá- vel 34 na sua extremidade dianteira projeta-se como um bico a partir da extremidade dianteira da camisa de re- frigeração 32. A parte extremai dianteira 34 do tubo de núcleo 31 está conectada à seção de aço carbono/liga 33 do tubo de núcleo através de uma curta seção de adapta- do r de aço 35 que está soldada à seção de aço inoxidá- vel 34 e conectada à seção de aço carbono/liga através de uma rosca 36.

O tubo de núcleo central 31 apresenta-se revestido internamente até à parte extrema dianteira 34 com um fino revestimento de cerâmica 37 formado por uma série de tubos de. cerâmica fundidos. A extremidade traseira do tubo de núcleo central 31 está conectada através de um acoplamento 38 a Lima peça em forma de "T" .39, através da qual material sólido particulado é dis- tribuído em um gás de f luidif icação pressurizado de transporte, por exemplo, nitrogênio.

A camisa de refrigeração anular 32 compre- ende uma longa estrutura anular oca 41 compreendida de tubos externo e interno 42, 4 3 interligados por uma pe- ça conectora extrema frontal 44 e uma estrutura tubular alongada 45 que fica disposta dentro da estrutura anu- lar oca 41, de maneira a dividir o interior da estrutu- ra 41 em uma passagem de fluxo de água anular alongada interna 4b e uma passagem de fluxo de água anular alon- gada externa 47. A estrutura tubular alongada 45 é formada por um tubo de aço carbono longo 48, soldado à peça extrema dianteira de aço carbono usinada 4 9 que se ajusta dentro do conector extremo frontal 4 4 da estru- tura tubular oca 41, para formar assim uma passagem de fluxo extrema anular 51 a qual interliga as extremida- des dianteiras das passagens de fluxo de água interna e externa 4 6, 47.

A extremidade traseira da camisa de refri- geração anular 32 é provida de uma entrada de água 52 através da qual o fluxo de água de refrigeração pode ser encaminhado para a passagem de fluxo de água anular internei 46 e uma saida de água 53 a partir da qual a água é extraída da passagem anular externa 47 na extre- midade traseira da lança. Conseqüentemente, no uso da lança água de refrigeração escoa para diante descenden- temente na lança através da pcissagem de fluxo de água anular interna 4 6, então para fora e de volta em torno da passagem extrema anular dianteira 51 para dentro da passagem anular externa 47 através da qual ela flui pa- ra traz ao longo da lança e para fora através da saída .53. Isto assegura que a água mais refrigerada fique em relação de transferência de calor com o material sólido de entrada, para assegurar que este material não seja fundido ou queimado antes dele ser descarregado da ex- tremidade dianteira da lança e possibilita um resfria- mento efetivo tanto do material sólidos que está sendo injetado através do núcleo central da lança, quanto a refrigeração efetiva da extremidade dianteira e super- fícies externas da lança.

As superfícies externas do tubo 42 e a pe- ça extrema frontal 44 da estrutura anular oca 41 são usinadas com um padrão regular de bossas projetadas re- tangulares 54 tendo cada uma delas um recorte ou seção em cauda de andorinha de maneira tal que as bossas são de formação divergente para fora e servem como forma- ções de chaveamento para solidificação de escória nas superfícies externas da lança. A solidificação de es- cória na lança ajuda a reduzir ao mínimo as temperatu- ras nos componentes de metal da lança. Constatou-se, em uso, que a solidi f icaição de escoriai na extremidade dianteira ou ponta da lança serve como uma base paira formação de um tubo de material sólido prolongado que serve como uma extensão da lança que protege mais a ex- posição dos componentes de metal da lança às condições de operação rigorosas dentro do vaso.

Constatou-se que é da maior importância refrigerar a extremidade da ponta da lança para se man- ter um fluxo de água de alta velocidade em torno da passagem de fluxo extrema anular 51. Em particular, é altamente desejável manter-se uma velocidade de escoa- mento de água nesta região da ordem de 10 metros por segundo, para se obter máxima transferência de calor. A fim de se elevar ao máximo a velocidade de escoamento de água nesta região, a seção efetiva para a passagem direta de fluxo de água 51 é significativamente reduzi- da abaixo da seção efetiva da passagem de fluxo de água anular interna -Ib e a passagem de fluxo de água externa .47. A peça extrema dianteira 49 da estrutura tubular interna 45 é conformada e posicionada de maneira tal que a água que flui proveniente da extremidade diantei- ra da passagem anular interna 46, passa através de uma seção de passagem de fluxo de bocal que é afilada ou reduzida para dentro 61, com a finalidade de reduzir ao mínimo a formação de redemoinhos e perdas antes de pas- sar para dentro da passagem de fluxo extrema 51. A passagem de fluxo extrema 51 também reduz a área de es- coamento efetiva na direção do fluxo de água, de manei- ra a manter a velocidade de escoamento de água aumenta- da em torno da curva na passagem e de volta para a pas- sagem de fluxo de água anular externa 47. Desta manei- ra, é possível conseguirem-se as altas velocidades de escoamento de átgua necessárias na região de ponta da camisa de refrigeração, sem ocorrência de quedas de pressão excessivas e sem o risco de bloqueios em outras partes da lança.

Com a finalidade de se manter a velocidade de água de refrj geração apropriada era torno da passagem extrema da ponta 51 e de reduzir ao mínimo flutuações de transferência de calor, é da maior importância man- ter-se iam espaçamento controlado constante entre a peça extrema fronte· 1 4 9 da estrutura tubular 4 5 e a peça ex- trema 44 da estrutura anular oca 41. Isto apresenta um problema decorrente da expansão e contração térmica di- ferencial nos componentes da lança. Com particularida- de, a parte de tubo externo 4 2 da estrutura anular oca .41 fica exposta a temperaturas muito mais altas do que a parte de tubo interna 4 3 dessa estrutura e a extremi- dade dianteira dessa estrutura, portanto, tende a es- tender-se para diante, da maneira indicada pela linha tracejada 62 na Figura 4. Isto produz uma tendência p>ara a folga entre os componentes 44, 49 que definem a passagem 51 ser aberta quando a lança fica exposta às condições de operação dentro do vaso de redução. In- versamente, a passagem pode tender a ser fechada se houver uma queda de temperatura durante a operação. A fim de superar este problema, a extremidade traseira do tubo interno 4 3 da estrutura anular oca 41 é sustentada em um suporte deslizante 63 de maneira tal que ela pode movimentar-se axialmente em relação ao tubo externo 42 dessa estrutura, a extremidade traseira da estrutura tubular interna 4 5 também fica montada em um suporte deslizante 65 e está conectada ao tubo interno 43 da estrutura 41 por meio de uiaa série de presilhas conec- toras espaçadas circunferencialmente 65, de maneira tal que os tubos 43 e 45 podem movimentar-se axialrnente en- tre si. Além disso, as peças extremas 44, 49 da estru- tura anular oca 41 e da estrutura tubular 45 são inter- ligadas positivamente por uma série de pinos espaçados circunferencialmente 7 0 para manterem o espaçamento a- propriado sob os movimentos de expansão e de contração térmica da camisa de lança.

O suporte deslizante 64 para a extremidade interna da estrutura tubular 4 5 é proporcionado por um anel 66 preso a urna estrutura de distribuição de fluxo de água 68 que define a entrada de água 52 e saida 53 e é selada por meio de um anel de vedação de seção circu- lar 69. O suporte deslizante 63 para a extremidade traseira do tubo interno 43 da estrutura 41 é propor- cionado similarmente por um flange anular 71 preso à estrutura de distribuição de água 68 e fica selado por raeio de um anel de vedação de seção circular 72. Um pistão anular 73 fica localizado dentro do fJange anu- lar 71 e conectado por meio de uma conexão rosqueada 8 0 à extremidade traseira do tubo interno 43 da estrutura .41, de maneira a fechar a câmara de distribuição de en- trada de água 74 que recebe o fluxo de entrada de água de refrigeração proveniente da entrada 52. O pistão 73 desliza dentro de superfícies temperadas no flange anu- lar 71 e está equipado com anéis de vedação de seção circular 81, 82. O selo deslizante proporcionado pelo pistão 73 não apenas permite os movimentos do tubo in- terno 43 decorrentes da expansão térmica diferencial da estrutura 41, mas também permite o movimento do tubo 4 3 para acomodar qualquer movimento da estrutura 41 gerado por pressão de água excessiva na camisa de refrigera- ção. Se por qualquer razão a pressão do fluxo de água de refrigeração se tornar excessiva, o tubo externo da estrutura 41 será forçado para fora e o pistão 73 per- mite que o tubo interno se movimente correspondentemen- te para aliviar a elevação de pressão. Um esp>aço inte- rior 75 formado entre o pistão 73 e o flange anular 71 é ventilado através de um furo de respiro 7 6 a fim de permitir o movimento do pistão e escapamento de água que vaza pelo pistão.

A parte traseira da camisa de refrigeração anular 32 é provida de um tubo de enrijecimento externo .8 3 que se estende descendentemente pela lança e que de- fine uraa passagem de água de refrigeração anular 84 a- través da qual se faz passar um fluxo separado de água de refrigeração por intermédio de uma entrada de água .85 e uma saida de água 86.

Tipicamente, faz-se passar água de refri- geração através da camisa de refrigeração a uma veloci- dade de escoamento de 100 m3/hora sob uma pressão de operação máxima de 800 kPa para produzir velocidades de fluxo de água de 10 metros/minuto na região de ponta da camisa. As partes internas e externas da camisa de re- frigeração podem ser submetidas a diferenciais de tem- peratura da ordem de 200°C e o movimento dos tubos 42 e .45 dentro dos suportes deslizantes 63, 64 pode ser con- siderável durante a operação da lança, mas a área de escoamento seccional efetiva da passagem extrema 51 é mantida substancialmente constante durante todas as condições de operação.

Deverá ser compreendido que a presente in- venção não fica de modo algum limitada aos detalhes da construção ilustrada e que muitas modificações e varia- ções poderão ser realizadas dentro do espirito e do es- copo da invenção.

Sob tal aspecto, observa-se que a lança de injeção de gás de oxigênio poderá ser integral com o corpo superior de uma lança de injeção de sólidos e formar parte do mesmo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1.Processo de redução direta para produzir metais (termo este que inclui ligas de metais) a partir de um material ferroso que inclui as etapas de: (a)formar um banho de metal fundido e de es- cória fundida em um vaso metalúrgico; (b)injetar materiais de alimentação que com- preendem material sólido e gás de trans- porte em um banho fundido para fazer com que o material fundido seja projetado as- cendentemente na forma de respingos, go- ticulas e correntes e forma uma zona de banho fundido expandido, o fluxo de gás e o material fundido projetado ascendente- mente provocando um movimento substancial de material dentro do banho fundido e uma forte mistura do banho fundido, sendo os materiais de alimentação selecionados de maneira tal que, em um sentido global, as reações dos materiais de alimentação no banho fundido são endotérmicas; e (c) injetar um gás que contém oxigênio dentro de uma região superior do vaso por inter- médio de pelo menos uma lança de injeção de gás de oxigênio e promover a pós- combustão dos gases combustíveis despren- didos do banho fundido, pelo que o mate- rial fundido ascendente e depois disso descendente na zona expandida de banho fundido facilita a transferência de calor para o banho fundido; caracterizado pelo fato de que os materiais de alimentação são injetados a uma velocidade de pelo menos 40 m/s através de uma lança de injeção de sólidos que se estende descen- dentemente, dotada de um tubo de distribuição de diâmetro interno de 40-200 mm, a qual fica localizada de maneira que um eixo central de uma extremidade de saida da lança fica disposto segundo um ângulo de 20 a 90 graus em relação a um eixo horizontal e que gera um fluxo de gás de superfície de pelo menos 0,04 Nm3/s/m2 dentro do banho fundido (onde m2 refere-se à área de uma seção transversal horizontal atra- vés do banho fundido) pelo menos em parte pelas reações do material injetado

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa (b) inclui injetar materiais de alimentação dentro do banho fundido, penetran- do em uma região inferior do banho fundido.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a etapa (b) inclui in- jetar materiais de alimentação dentro do banho fundido por intermédio de uma lança a uma velocidade na faixa de 80-100 m/s.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a etapa (b) inclui injetar materiais de alimentação dentro do banho fundido por inter- médio da lança sob uma velocidade de fluxo de massa de até .2,0 t/m2/s, onde m2 refere-se à área seccional do tubo de distribuição de lança.

5.Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a etapa (b) inclui injetar materiais de alimentação dentro do banho fundido por intermédio da lança sob uma relação de sólidos/gás de 10-25 kg de sólidos/Nm3 de gás.

6.Processo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a relação de sólidos/gás é de 10-18 kg de sólidos/Nm3 de gás.

7.Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a etapa (b) inclui injetar materiais de alimentação através de uma pluralidade de lanças de injeção de sólidos e gerar um fluxo de gás de pelo menos 0,04 Nm3/s/m2 dentro do banho fundido.

8.Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o fluxo de gás dentro do banho fundido gerado na etapa (b) é de pelo menos 0,04 Nm3/s/m2 na superfície em repouso no- minal do banho fundido.

9.Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o fluxo de gás dentro do ba- nho fundido é realizado sob uma velocidade de fluxo de pelo menos 0,2 Nm3/s/m2.

10. Processo, de acordo com a reivindicação .9, caracterizado pelo fato de que a velocidade de fluxo de gás é pelo menos 0,3 Nm3/s/m2.

11.Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o fluxo de gás dentro do banho fundido gerado na etapa (b) é menor do que 2 Nm3/s/m2.

12.Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o gás que contém oxigênio injetado dentro do banho fundido na etapa (c) é ar ou ar enriquecido com oxigênio.

13. Processo, de acordo com a reivindicação .12, caracterizado pelo fato de que a etapa (c) inclui inje- tar-se ar, ou ar enriquecido com oxigênio, dentro do vaso, a uma temperatura de 800-1400°C e a uma velocidade de 200- .600 m/s, por intermédio de, pelo menos, uma lança de inje- ção de gás de oxigênio e forçando-se a zona expandida de banho fundido na região da extremidade inferior da lança para fora em relação à lança e formando-se desta maneira um espaço "livre" em torno da extremidade inferior da lança, o qual é dotado de uma concentração de material fundido que é mais baixa do que a concentração de material fundido situa- do na zona expandida de banho fundido; ficando a lança lo- calizada de uma maneira tal que: (i) um eixo central da lança fica disposto de acordo com um ângulo de 20 a 90° em relação a um eixo horizontal; (ii) a lança estende-se para dentro do vaso uma distância a qual corresponde a, pelo me- nos, o diâmetro externo da extremidade inferior da lança; e (iii) a extremidade inferior da lança fica disposta a uma distância que corresponde a, pelo menos, três vezes o diâ- metro externo da extremidade inferior da lança, acima da superfície inativa do banho fundido.

14.Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a etapa (c) inclui a injeção de gás que contém oxigênio pa- ra dentro do vaso, com um movimento de redemoinho.

15.Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que inclui controlar o nível de carbono dissolvido no ferro fundido de forma a ser de pelo menos 3%, em peso, e manter- se a escória em uma condição fortemente redutora conduzindo a níveis de FeO menores do que 6%, em peso, com maior pre- ferência menores do que 5%, em peso, na escória.

16. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que inclui fazer-se com que o material fundido seja projetado dentro de um espaço de topo acima da zona expandida do ba- nho fundido.

17.Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a etapa (c) inclui gases combustíveis de pós-combustão de maneira que o nível de pós-combustão é de pelo menos 40%, onde a pós-combustão é definida como: <formula>formula see original document page 39</formula> onde: [C02] = volume % de CO2 em gás de saída; [H2O] = volume % de H2O em gás de saída; [CO] = volume % de CO em gás de saída; e [H2] = volume % de H2 em gás de saída.