BR102015003522A2 - conjunto de lança de sopro para fabricação e refino de metais - Google Patents

Abstract

cqnjunto de lança de sopro para fabricação e refino de metais refere-se a presente invenção a um conjunto de lança de sopro para fabricação e refino de metais, desenvolvida de forma a controlar a formação e oxidação da escória, a capacidade térmica do reator e a manutenção das condições operacionais de carregamento e sopro, dispondo na sua parte inferior de dois grupos de saídas de gases que determinam duas condições de sopro, consistindo o primeiro grupo nos bocais de passagem de oxigênio com formato convergente-divergente, principal responsável pelas reações de oxidação e de transporte de material sólido básico, principalmente óxido de cálcio, para formação inicial da escória e desfosforação nas fases finais durante o refino da corrida e consistindo o segundo grupo de jatos secundários com funções variadas em cada estágio do processo de sopro, sendo a primeira função, no início do processo como agente de pós-combustão, através da reação do oxigênio com o monóxido de carbono gerado pelos jatos principais e a segunda função, contribuir para acelerar as reações com o carbono através do aumento da velocidade do jato de oxigênio, acelerar a fusão de sucata nas etapas iniciais e, finalmente, incrementar a oxidação dos elementos do banho metálico, o ferro, com objetivo de reduzir os teores de fósforo nas fases finais durante o refino da corrida

Description

CONJUNTO DE LANÇA DE SOPRO PARA FABRICAÇÃO E REFINO DE METAIS

[0011 Refere-se a presente invenção a um conjunto de lança de sopro para fabricação e refino de metais, mais específicameníe a um conjunto de lança de sopro utilizado na fabricação e refino de aço, desenvolvida de forma a controlar a formação e oxidação da escória, a capacidade térmica do reator e a manutenção das condições operacionais de carregamento e sopro.

ESTADO DA TÉCNICA

[002] O forno BOF (Basic Oxygen Furnace) é um vaso cilíndrico fechado na parte inferior, possuindo a sua extremidade superior formato de um tronco de cone, com uma grande abertura no topo para carregamento do gusa líquido e da sucata, denominada “boca” e uma pequena abertura lateral denominada “cana! de vazamento", por onde é retirado o aço líquido elaborado ao final do refino primário.

[003] Para proteger a carcaça metálica do forno utiliza-se o revestimento por uma camada de tijolos refratários com a finalidade de conter o banho líquido a elevadas temperaturas, em torno de 1700° graus Celsius.

[004] O processo de sopro envolve a realização de uma sequência de etapas, iniciando pelo carregamento, O vaso é basculado a um ângulo de 45° com relação à vertical; a sucata é carregada no vaso com ajuda de uma canaleta, um recipiente para a preparação da sucata a ser enfornada; enfornada a sucata, o gusa líquido é carregado, O vaso é então basculado novamente para a posição vertical, para que ocorra o sopro de oxigênio por intermédio de uma lança de oxigênio que movimenta-se verticalmente.

[005] A lança de oxigênio é refrigerada a água, contento na sua extremidade os bocais de saída de oxigênio. O conjunto de bocais e sua geometria determinam a configuração do bico de lança. A lança de oxigênio segue um padrão de altura em relação ao banho metálico durante o sopro, denominada “distância banho-fança”. O objetivo sempre é de aproximar a lança o mais próximo da superfície do banho para se acelerar a velocidade de reações, ficando, entretanto, quanto mais próxima da superfície do banho, submetida a elevadas temperaturas. Quanto mais próxima da superfície do banho, por outro lado, mais profunda é a injeção dos jatos de oxigênio, o que aumenta a velocidade das reações.

[006] O processo provoca agitação do meta! líquido e da escória que são íançados para as partes superiores do forno podendo solidificar-se tanto na lança, quanto nas paredes do forno, assim como ser arremessado para fora do forno. Além de oxigênio, a iança pode também utilizar outros gases ou misturas desses com oxigênio nos processos de fabricação de metais líquidos.

[007] Para obtenção de uma iança de sopro com maior vida útil, é necessário que essa seja refrigerada, como no caso presente, através da circulação de água. As temperaturas na face externa da lança são elevadas e muito superiores à temperatura de ebulição da água. No caso do metal processado ser o aço, as temperaturas ultrapassam os 1.7G0°C, e em todos as bateiadas processadas a iança fica imersa em uma mistura de banho líquido, escória e gás denominada “emulsão”.

[008] O processo de sopro consiste em quatro etapas distintas: ignição, formação da escória, descarburação e oxidação para acerto da temperatura. Para iniciar o processo, a lança é abaixada até uma altura que permita a ignição da corrida, ou seja, que ocorra a oxidação de algum elemento do banho pelo oxigênio soprado. Imediatamente após a ignição da corrida, inicia-se a etapa de formação de escória. Esta segunda etapa tem duração aproximada de 3 a 5 minutos, sendo também denominada de primeiro período da descarburação. É caracterizada peia oxidação quase completa do silício e uma oxidação acentuada do manganês, enquanto a velocidade de descarburação aumenta à medida que os teores destes dois elementos diminuem. Durante essa etapa inicial de formação da escória, todos os escorificantes como caf calcítica, cal dolomítica e doíomíta crua, são adicionados.

[009] A adição de materiais escorificantes em geral é feita utilizando-se de silos de armazenamento situados acima do forno convertedor. A logística de abastecimento desses silos é complexa, compreendendo vários estágios, incluindo o recebimento do material através de rodovias ou ferrovias, transportados a granel ou em “big-bags” (grandes embalagens). Quando são transportados a granel, o material é descarregado nos silos de transferência geralmente situados em uma abertura abaixo do meio de transporte; do silo de espera o material é dosado através de uma moega e seque para uma correia transportadora cuja função é conduzir o material até o topo das edificações de sustentação do forno convertedor com alturas entre 25 e 50m onde se situam os silos de armazenamento; durante a subida pode haver transposições de correias para permitir mudar o material de direção dependendo do íay out de cada empresa. No topo, os materiais chegam a um carro distribuidor chamado de tripper . O material é então direcionado para os silos de armazenamento, normalmente em número de 4 a 15 silos.

Abaixo dos silos de armazenamento estão dispostos vibradores ou dosadores que ao receberem o comando de pesagem, deslocam o material para os silos de espera, os quais são dotados de balança para ajuste do peso. O material pesado aguarda o momento correto para ser adicionado no interior do forno convertedor. No caso de emprego de big bags, esses podem ser abertos no silo de transferência ou içados por ponte rolantes e descarregados diretamente sobre os silos de armazenamento. Em ambos os casos, a cada transposição de material o efeito pofuidor é notável e a contenção requer investimentos consideráveis em sistemas de despoeiramento.

[010] Estes materiais podem também ser adicionados por lanças ou através de passagens porosas ou pressurizadas, existentes na sola ou base refratária do forno. O momento de adição varia dependendo do tipo de aço a ser fabricado, mas em linhas gerais, obedece a uma mesma sequência. Como ocorre a oxídação acelerada, o silício sendo transformando em síiica, é necessário a adição rápida de um agente básico, no caso e, princípalmente, cal, adicionado imediatamente após constatação de que a corrida teve a ignição efetuada. Como o material é granulado, requer um tempo para seu aquecimento, reação e dissolução, e então, a ocorrência da efetiva ação de neutralização da síiica. Na sequência, materiais ricos em óxido de magnésio, como dolomita, são adicionados com o objetivo principal de obter um nível de saturação tal da escória, que evite o ataque aos tijolos refratários do convertedor. O comportamento dos materiais ricos em óxido de magnésio é o mesmo da cal e, dependendo dos teores de silício no ferro gusa, o domínio da dissolução da cal é fundamental para evitar o transbordo da emulsão para fora do convertedor ou mesmo a sua projeção com consequências danosas para o rendimento da corrida, tempo de operação, formação de materiais metálicos sólidos aderidos na lança e no sistema de despoeiramento, que impões grandes paradas para sua manutenção, [011] O segundo estágio de descarburação envoive principaímente a oxidação do carbono, após a oxidação do silício. As condições no convertedor são de elevação de temperatura e de existência da emulsão metaf-gás-escória que favorece a descarburação, sendo a velocidade da reação determinada somente pela disponibilidade de oxigênio. O forno funciona como um reator autotérmico no qual a energia necessária ao processo é fornecida através da carga líquida, o gusa, e das reações de refino decorrentes da reação com o oxigênio.

[012] A reação de oxidação forma dois produtos: o monóxido de carbono(CO) e o dióxido de carbono(C02), com teores variando entre 40 a 70% de CO e 10 a 40% de CG2. A intensa geração de monóxido de carbono no seio do banho metálico provoca o “espumamento" da escória e a formação da emulsão metal-gás-escória. A técnica da pós-combustão dos gases no interior dos fornos tem a finalidade de oxidação do monóxido de carbono para dióxido de carbono e a geração de uma quantidade substancial de energia. A eficiência da transmissão dessa quantidade de energia suplementar para a carga também pode influir na quantidade de sucata utilizada. O aumento da proporção de sucata na carga, e, portanto, da produção de aço por tonelada de gusa líquido, exige um ajuste no balanço térmico sendo necessário a utilização de fontes energéticas adicionais. O pré-aquecimento da sucata e a adição de combustíveis auxiliares como o ferro-silício e o coque metalúrgico são os tradicionais.

[013] As reações de descarburação são exotérmicas e elevam a temperatura do banho metálico. O término desta etapa é determinado quando a velocidade de descarburação passa a ser controlada não mais pela disponibilidade de oxigênio, mas pela difusão do carbono até a interface de reação. A pós-combustão é maximizada durante a descarburação da corrida, associada ao arraste de gases da atmosfera do forno e seu entranhamento no jato de oxigênio principal ou secundário. O monóxido de carbono entranhado é oxidado para dióxido de carbono. Uma parcela de dióxido de carbono é dissipada para atmosfera do forno e o restante atinge o banho e emulsão sendo reduzido novamente pelo metal. Os bicos de lanças especialmente projetados para pós-combustão são caracterizados pela existência de duas condições de sopro de oxigênio: o sopro principal pelos bocais convergentes-divergentes e o sopro de oxigênio suplementar através de bocais retos, denominados de jatos secundários.

[014] A última etapa do sopro objetiva o aumento da temperatura do banho metálico, principaImente em processos onde o aporte térmico é comprometido por maiores quantidades de sucata enfornada. Esta etapa é caracterizada pela velocidade decrescente de descarburação e por um aumento gradativo da oxidação do manganês e ferrro, na medida em que o teor de carbono no banho diminui. A diminuição da geração de gases provoca a destruição gradual da emulsão, com o coalescimento das partículas metálicas e seu retorno ao banho. Com o crescente conteúdo de fósforo dos minérios e consequentemente no metal líquido, a etapa final de sopro tornou-se um momento para garantir o baixo conteúdo solicitado nos aços no outro extremo, aumentado o domínio de sopro e as exigências de qualidade a serem cumpridas ainda no convertedor. A etapa finai de sopro tem uma condição essencial para remoção de fósforo: o nível elevado de oxidação do banho e escória; porém, tem também um elemento restritivo a desfosforação: a temperatura elevada para vazamento.

[015] O terceiro ingrediente para retenção de fósforo na escória é o aumento da basicidade, ou aumento do conteúdo de oxido de cáicio e óxido de magnésio. A prática corrente para aumentar a desfosforação, e contrariamente, com o objetivo de elevar a temperatura, é a adição de cal ou mesmo calcário, que é o cal sem calcinação, após a tomada de medida de sub-lança ou etapa finai de sopro para quem não dispõe desse recurso. O objetivo é um rápido aumento da basicidade da escória já oxidada somada à queda de temperatura criando a condição para capturar e reter o fósforo na escória. As reações do fósforo são facilmente reversíveis, e então, uma consequência dessa técnica é o rápido vazamento.

[016] A determinação da temperatura de fina! de sopro considera as perdas térmicas de processamento e manuseio da corrida posterior à etapa de refino primário. Após a realização das amostragens para análise de composição química e medição de temperatura do banho, o forno é basculado para o vazamento do aço líquido em uma panela de aço. Em seguida, o forno é basculado para realizar o vazamento de escória, que acontece do lado contrário do vazamento de aço, O tempo de execução do conjunto de todas essas operações citadas determinam o tempo de ciclo de produção do forno.

[017] Vários são os problemas que normalmente podem ocorrer na operação descrita: a) a formação de material solidificado (“cascão”), ao redor da lança de sopro, causando, o aumento do diâmetro da lança e do casGão, danos no sistema de captação de fumos; b) redução do rendimento metálico do processo provocado pelo material solidificado com conteúdo metálico; c) o elevado custo logístico e de beneficiamento para recuperar o conteúdo metálico dos materiais solidificado nas lanças; d) o tempo elevado para limpeza dos cascões formados na lança; e) danos no tubo externo da lança provocados pela limpeza dos cascões, gerando gastos com manutenção na lança; f) balanço térmico deficiente para elevadas quantidades de sucata; g) descontrole do tempo de formação de escória e elevado tempo de dissociação do material sólido básico; e h) descontrole da fusão de sucata e da desfosforação no final de sopro.

[018] Assim, é objetivo da presente invenção, o desenvolvimento de uma lança que permita flexibilidade no processo de sopro para melhorar o controle térmico, o controle da taxa de descarburação e o controle do fósforo final de sopro, eliminando ou diminuindo consideravelmente a ocorrência dos problemas identificados durante a operação do processo no atual estado da técnica.

ASPECTOS DA INVENÇÃO

[019] Um aspecto da invenção consiste na introdução na lança, de um tubo condutor de material sólido pulverizado, notadamente oxido de cálcio (cal), até a proximidade das saídas principais de oxigênio nos bocais de passagem de oxigênio com formato convergente-divergente com objetivos distintos em cada etapa de sopro. A injeção de cai juntamente com o oxigênio destinado ao refino do banho metálico, permite adição continua facilitando a formação de escória e mantendo controle da emulsão, a mistura aço-escória-gases. Em outra variante da aplicação, é possível incrementar a taxa de injeção nas etapas finais de sopro contribuindo para redução dos teores de fósforo no banho, a desfosforação. {020] Um outro aspecto da invenção consiste na introdução na lança de saídas secundárias de oxigênio e gases combustíveis com controle independente do oxigênio principal com objetivos distintos nos principais momentos de sopro: a) durante a fase inicial de fusão de sucata e formação de escória, aumentar o poder calorífico do reator para acelerar o processo de fusão; e b) durante o período de descarburação, aumentar a fonte de oxigênio em velocidade supersônica para reduzir o tempo de refino e, c) finaimente, na etapa final de sopro, promover a pós-combustão para garantir temperatura e aumentar o nível de oxidação da corrida para garantir baixos níveis de desfosforação.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[021] Na sua parte inferior, a iança dispõe de dois grupos de saídas de gases que determinam duas condições de sopro. O primeiro grupo consiste nos bocais de passagem de oxigênio com formato convergente-divergente, principal responsável pelas reações de oxidação e de transporte de material sólido básico, principalmente óxido de cálcio, para formação inicial da escória e desfosforação nas fases finais durante o refino da corrida. O segundo grupo, são jatos secundários supersônicos com funções variadas em cada estágio do processo de sopro. A primeira função, no início do processo como agente de pós-combustão, através da reação do oxigênio com o monóxido de carbono gerado pelos jatos principais. A segunda função, contribuir para acelerar as reações com o carbono através do aumento da velocidade do jato de oxigênio, acelerar a fusão de sucata nas etapas iniciais e, finalmente, incrementar a oxidação dos elementos do banho metálico, o ferro, com objetivo de reduzir os teores de fósforo nas fases finais durante o refino da corrida. {022] Com a finalidade de ilustrar o processo de refino de metais, é mostrado na figura 1 um forno a oxigênio em corte lateral, sendo o forno constituído de um recipiente externo, a carcaça metálica (201), aberto na parte superior, na boca do forno (207), sendo o forno a oxigênio revestido internamente com tijolos refratários (202) cuja função é proteger a carcaça metálica (201) das extremas condições de refino durante o processo de sopro de oxigênio. Durante o processo de fabricação do metal, o forno contém quatro materiais distintos: metal líquido (301), sucata (302), escória (303) resultante da oxidação dos elementos do metal líquido e adição de escorificantes, e gases (305) provenientes das reações de refino. Durante o processo de sopro é formada uma mistura metal (301), escória (303) e gases (305) denominada emulsão, que ocupa grande volume do forno. Acima do forno, existe um duto de despoeiramento (208) para captação dos gases (305) e fumos gerados no refino com uma abertura, ou “domo” (209) para passagem da lança (100) ao interior do forno para iniciar o processo de refino do metal líquido. Para iniciar o refino, a lança (100) é posicionada a uma distância acima do banho metálico denominada “DBL- distância banho lança" (401) em relação à altura do banho estático (400). Durante o refino a sucata (302) é gradativamente fundida incorporando ao banho metálico (301). O oxigênio (300) reage com o banho metálico (301) iniciando a formação de escória (303) e a geração de gases (305), formando uma região de emulsão (402). A lança (100) fica imersa na emulsão (402), o que causa sua adesão à lança ou formação de cascão de lança (403). O mesmo acontece na região do cone do forno (206) e da boca do forno (2*07) com a formação de cascão de boca (404), provocado tanto pela emulsão (402) qijanto pela projeção de escória e metal (203), na forma de respingos ou espalhamentos. Sucessivas camadas de cascão de lança (403) vão sendo aderidas na lança (100), o que compromete a sua passagem pelo domo da lança (209), sendo necessário interromper a produção para realização de limpeza e em muitos casos a substituição por uma lança (100) limpa. O mesmo fenômeno ocorre na região do cone (208) e boca (207) do forno, sendo necessário paralisar as atividades produtivas para limpeza da região, permitindo facilidade para o carregamento de sucata (302) e do banho metálico (301).

[023] A Figura 2 apresenta uma vista em corte de uma lança (100) do estado da técnica, que compreende um bico de cobre (101) que possui na sua extremidade as saídas de oxigênio através de um número variado de furos e ângulos com o eixo vertical, tubo de oxigênio principal (105), tubo intermediário (106), tubo externo (107), em geral, todos de aço, possuindo ainda, essa lança (100), uma entrada do líquido refrigerante (108). O líquido, em gerai água (304), percorre até o bico de cobre (101) retornando pelo tubo externo (107) até a saída da lança (109). O bom desempenho da lança (100) depende da capacidade da água de extrair o calor do bico (101) e do tubo externo (107).

[024] A figura 3 é uma vista em corte do módulo de pós-combustão inferior (114), incorporado ao bico de cobre (101) e composto por saídas secundárias de oxigênio inferior (116), que circundam a saída convergente-divergente de oxigênio principal (115). No interior do tubo de oxigênio principal (105) é inserido um tubo de injeção de material sólido pulverizado (119). Diferentemente da prática do estado da técnica, a injeção de material sólido pulverizado através desse tubo (119) é feita através da injeção contínua, sendo nesse caso o gás condutor o oxigênio (300). No caso de uso de adição fracionada, de-forma similar a prática do estado da técnica» durante os intervafos de não injeção, é utilizado um gás inerte (307), em geral argônio ou nitrogênio. O tubo de injeção de material sólido pulverizado (119) é levado próximo ao bico de cobre (101) com o objetivo de evitar material suspenso no tubo de oxigênio principal (105). Na saída do tubo de material sólido pulverizado (119) pode ser adaptado um direcionar de fluxo com objetivo de canalizar o sólido pulverizado para as saídas principais de oxigênio (115) adequadamente dimensionadas para escoar gases e sólidos. O tubo de injeção de material sólido pulverizado (119) pode trabalhar com taxas de injeção que variam de 50kg/min até 1500kg/min e pode prolongar-se até a face do bico de cobre (101) com a finalidade de realizar a descarga do material direto para o ambiente do convertedor.

[025] Na configuração apresentada» a saída secundária de oxigênio inferior (116), anular ou pontual, está conectada ao tubo de oxigênio principal (105) e tem por finalidade uma pós-combustão facilitando a fusão da sucata (302) nos momentos iniciais do sopro, podendo também estar conectada à câmara de fornecimento de gases auxiliares (117). Para elevadas quantidades de sucata enfornada é previsto a inserção de uma câmara de fornecimento de gases auxiliares (117), podendo passar gases comburentes, como o próprio oxigênio (300), assim como gases combustíveis (305), entrando em contato com o ambiente do forno (200) através da saída de gases secundários (118). A câmara de fornecimento de gases auxiliares (117) tem por finalidade permitir o controíe individual das condições de pressão e vazão. Assim» se esta câmara for utilizada para passagem de oxigênio (300), durante os momentos iniciais do refino a condição de intermediária pressão e vazão, favorece a fusão da sucata (302) e a pós-combustão gerada a fognação da escória (303) inicial, rica em óxido de ferro, favorecendo a dissolução dos demais escorificantes. Em seguida, durante a etapa de descarburação, a condição é alterada para elevada pressão e vazão contribuindo para um incremento na taxa de remoção de carbono durante o refino do banho metálico (301). Finalmente, ao final do processamento, entra a condição de baixa vazão e pressão, aumento a oxidação da escória (303), contribuindo para a retenção do fósforo. Para casos de temperaturas extremamente elevadas é possível a utilização de gases inertes com poder refrigerante ou mesmo agentes de purga para evitar o fechamento das saídas de gases secundários (118).

REIVINDICAÇÕES

Claims (12)

1. Conjunto de lança de sopro para fabricação e refino de metais dispondo de módulo de pós-combustão inferior (114) incorporado ao bico de cobre (101) e composto por saídas secundárias de oxigênio (116) e gases combustíveis (117) inferior, que circundam a saída convergente-divergente de oxigênio principal (115), caracterizado por dispor no interior do tubo de oxigênio principal (105) um tubo de injeção de material sólido pulverizado (119).

2. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter as saídas secundárias de oxigênio (116) e gases combustíveis (117) com controle independente do oxigênio principal.

3. Conjunto de lança, de acordo com a reivindicação 1, caraterizado pela injeção do material sólido pulverizado através do tubo (119) ser feita de modo contínuo.

4. Conjunto de lança de acordo com as reivindicações 1 e 3, caracterizado por ser o oxigênio o gás condutor.

5. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de durante os intervalos de injeção quando do uso de adição fracionada, ser utilizado um gás inerte como condutor do material partícuíado.

6. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo gás inerte ser argônio.

7. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo gás inerte ser nitrogênio.

8. . Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo .tubo de injeção de material sólido pulverizado (119) poder prolongar-se até a face do bico de cobre (101).

9. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de na. saída do tubo de material sólido pulverizado (119) poder ser adaptado um direcionar de fluxo.

10. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo tubo de injeção de material sólido pulverizado (119) trabalhar com taxas de injeção que variam de 50kg/min até 1500kg/mín.

11. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 1» caracterizado pela saída secundária de oxigênio inferior (116), anular ou pontual, estar conectada ao tubo de oxigênio principai (105).

12. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela saída secundária de oxigênio inferior (116), anular ou pontual, estar conectada à câmara de fornecimento de gases auxiliares (117).