BR102019005564A2

BR102019005564A2 - Sistema de combustão de oxicombustível e método para fundir um material de carga peletizado

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Publication number: BR102019005564A2
Application number: BR102019005564-2A
Authority: BR
Inventors: Anup Vasant Sane; Gregory J. Buragino; Anandkumar Makwana; Michael David Buzinski; Xiaoyi He; Mark Daniel D'Agostini
Original assignee: Air Products And Chemicals, Inc
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2019-10-08
Also published as: BR102019005564B1; HUE063411T2; CN117366615A; PL3543634T3; CN110296598A; ES2947382T3; CA3037681A1; CA3037681C; KR20190111842A; EP3543634A1; US20190293351A1; EP3543634B1; US11060792B2

Abstract

sistema de combustão de oxicombustível e método para fundir um material de carga peletizado. a presente invenção refere-se a um sistema para fundir um material de carga peletizado que inclui um forno que tem uma extremidade de alimentação configurada para receber um material de carga peletizado sólido e uma extremidade de descarga oposta à extremidade de alimentação configurada para descarregar um material de carga fundido e uma escória, um transportador configurado para alimentar o material de carga peletizado na extremidade de alimentação do forno, pelo menos um queimador de oxicombustível posicionado para direcionar calor para uma zona de fundição perto da extremidade de alimentação para aquecer e fundir, pelo menos parcialmente, o material de carga peletizado para formar o material de carga fundido e a escória, em que o queimador de oxicombustível usa um oxidante que tem pelo menos 70% de oxigênio molecular, e pelo menos um conduto para queimar exaustivamente os produtos de combustão do forno.

Description

[001] Este pedido reivindica prioridade do Pedido de Patente Provisório n° U.S. 62/647.040, depositado em 23 de março de 2018, incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de referência.

ANTECEDENTES [002] Tanto quanto é do conhecimento dos inventores, a combustão não é usada atualmente para a fundição direta de ferro reduzido (DRI) ou ferro briquetado a quente (HBI) (ou, mais genericamente, péletes contendo ferro ou péletes de ferro). Normalmente, a DRI é produzida em uma instalação e transportada para outra instalação para ser fundida em um forno elétrico a arco (FEA). O transporte de DRI apresenta desafios de manuseio de materiais. Além disso, a DRI, quando produzida, é quente e normalmente precisa ser resfriada para transporte. Além disso, a DRI, que tem uma metalização mais baixa do que o ferro-gusa, é uma fonte de ferro de grau inferior para fundição em um FEA. Contém maior quantidade de escória em comparação com o ferro-gusa. Além disso, a porosidade dos péletes torna difícil fundir a DRI com energia elétrica. Como resultado, a DRI não é uma fonte de ferro tão eficiente quanto o ferro-gusa para a fabricação de aço elétrico, de modo que converter DRI em ferro-gusa, antes do transporte e/ou antes da carga em um forno elétrico a arco, faça sentido, se puder ser feito a baixo custo.

SUMÁRIO [003] Um sistema é descrito no presente documento para fundir um material de carga peletizado que compreende: um forno que tem uma extremidade de alimentação, uma extremidade de descarga e um

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2/20 fundo, em que a extremidade de alimentação é alimentada com o material de carga peletizado sólido e o material de carga fundido e a escória são descarregados da extremidade de descarga; um transportador para alimentar a extremidade de alimentação do forno com o material de carga peletizado; pelo menos um queimador oxicombustível, posicionado em uma zona de fundição perto da extremidade de alimentação, para aquecer e pelo menos parcialmente fundir o material de carga peletizado para formar um material de carga fundido, em que o queimador de oxicombustível utiliza um oxidante que tem pelo menos 70% de oxigênio molecular; e pelo menos um conduto para queimar exaustivamente os produtos de combustão do forno.

[004] O material de carga peletizado pode compreender um ou mais péletes de ferro, péletes de ferro reduzidos diretos e péletes de ferro briquetado a quente, fragmentado ou finos [005] Em uma modalidade, pelo menos uma porção do fundo do forno é inclinada para baixo, a partir da extremidade de alimentação em direção à extremidade de descarga, para permitir que a gravidade auxilie no movimento do material de carga desde a extremidade de alimentação até a extremidade de descarga.

[006] Em outra modalidade, um mecanismo é fornecido para separar a escória do material de carga fundido, em que o mecanismo pode estar localizado perto da extremidade de descarga ou perto da extremidade de entrada, para assegurar que a escória esteja sempre flutuando acima da massa fundida e possa ser separada.

[007] Em outra modalidade, o forno tem um comprimento e uma largura, em que é alimentado e descarregado através da largura com o ferro que se move no sentido do comprimento, em que o comprimento é pelo menos duas vezes a largura.

[008] O transportador de alimentação/transporte pode alternar a alimentação em toda a largura para permitir a distribuição uniforme do

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3/20 material de carga e o tempo para fundição.

[009] Em outra modalidade, um pré-aquecedor pode ser posicionado adjacente à extremidade de alimentação do forno, que tem um dispositivo de entrada de energia para preaquecer o material de carga peletizado, antes de o forno ser alimentado com o material de carga.

[0010] Para o pré-aquecedor, o dispositivo de entrada de energia pode incluir um ou mais de um queimador, com ou sem um conduto, configurado para descarregar pelo menos uma porção dos produtos de combustão do queimador a partir do forno.

[0011] O dispositivo de entrada de energia do pré-aquecedor pode ser configurado para aquecer o material de carga peletizado no transportador ou pode ser configurado para aquecer o material de carga peletizado em um forno de pré-aquecedor, configurado para descarregar material de carga peletizado preaquecido no transportador. [0012] Em outra modalidade, um conduto está localizado na zona de fundição do forno para melhorar a transferência de calor para o material de carga peletizado.

[0013] Em outra modalidade, um controlador pode ser programado para operar pelo menos um queimador na zona de fundição em um modo rico em combustível para inibir a oxidação do material de carga. Além disso, pelo menos um injetor de oxigênio pode ser posicionado a jusante da zona de fundição para completar a combustão de produtos de combustão ricos em combustível, de pelo menos um queimador na zona de fundição.

[0014] Em outra modalidade, o pelo menos um queimador é um queimador de impacto direto que produz uma chama que impacta diretamente o material de carga peletizado para maximizar a transferência de calor ao material de carga peletizado.

[0015] Em outra modalidade, o pelo menos um queimador a jusante

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4/20 da zona de fundição, capaz de injetar finos de ferro reduzidos diretos no forno.

[0016] Em outra modalidade, pelo menos um queimador montado no telhado também é fornecido no forno a jusante da zona de fundição para fornecer calor ao material de carga fundido.

[0017] Em outra modalidade, pelo menos um par de queimadores montados na parede lateral também está posicionado em paredes laterais opostas do forno a jusante da zona de fundição para fornecer calor ao material de carga fundido.

[0018] Em outra modalidade, um controlador é programado para operar o pelo menos um queimador na zona de fundição em um modo rico em combustível, para inibir a oxidação do material de carga e operar pelo menos um par de queimadores montados na parede lateral, a jusante da zona de fundição em um modo pobre em combustível, para combustão completa de produtos de combustão ricos em combustível de pelo menos um queimador na zona de fundição.

[0019] Em outra modalidade, é fornecido um mecanismo de agitação para agitar o material de carga fundido e facilitar a mistura do material de carga peletizado no material de carga fundido na zona de fundição. O mecanismo de agitação pode incluir um ou mais bocais de agitação de fundo ou lateral, para injetar um gás inerte através do fundo ou da parede de carga do forno. Alternativamente, o mecanismo de agitação pode incluir um dispositivo de agitação eletromecânico.

[0020] Em outra modalidade, um ou mais sensores são usados para coletar dados e um controlador é programado para usar os dados para regular a operação de pelo menos um queimador na zona de fundição. [0021] Em outra modalidade, utiliza-se um aparelho de remoção de escória para desbastar a escória na superfície da carga fundida. O aparelho de remoção de escória pode incluir um dispositivo para injetar fluxo de remoção de escória no forno.

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5/20 [0022] Aspecto 1. Um sistema para fundir um material de carga peletizado que compreende: um forno que tem uma extremidade de alimentação configurado para receber um material de carga peletizado sólido e uma extremidade de descarga oposta à extremidade de alimentação, configurada para descarregar um material de carga fundido e uma escória; um transportador configurado para alimentar a extremidade de alimentação do forno com o material de carga peletizado; pelo menos um queimador de oxicombustível posicionado para direcionar calor para uma zona de fundição perto da extremidade de alimentação para aquecer e fundir, pelo menos parcialmente, o material de carga peletizado para formar o material de carga fundido e a escória, em que o queimador de oxicombustível usa um oxidante que tem pelo menos 70% de oxigênio molecular; pelo menos um conduto para queimar exaustivamente produtos de combustão do forno.

[0023] Aspecto 2. O sistema do Aspecto 1, em que o forno tem um comprimento e uma largura, em que o material de carga se move horizontalmente no sentido longitudinal a partir da extremidade de alimentação até a extremidade de descarga, e em que o pelo menos um queimador é posicionado perto da extremidade de alimentação, em que o comprimento é pelo menos duas vezes a largura.

[0024] Aspecto 3. O sistema do Aspecto 2, em que pelo menos uma porção do fundo é inclinada para baixo a partir da extremidade de alimentação em direção à extremidade de descarga para permitir que a gravidade auxilie no movimento do material de carga desde a extremidade de alimentação até a extremidade de descarga.

[0025] Aspecto 4. O sistema do Aspecto 1, em que o forno é um forno giratório que tem uma parede lateral curva que se estende entre a extremidade de alimentação até a extremidade de descarga.

[0026] Aspecto 5. O sistema do Aspecto 4, em que o pelo menos um queimador e o conduto são, ambos, posicionados na ou perto da

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6/20 extremidade de alimentação do forno.

[0027] Aspecto 6. O sistema do Aspecto 4, em que o pelo menos um queimador é posicionado na parede lateral do forno.

[0028] Aspecto 7. O sistema do Aspecto 1, em que o forno é um forno de eixo, em que a extremidade de alimentação é uma extremidade de topo e em que a extremidade de descarga está em uma parede lateral de uma extremidade de fundo, e em que o pelo menos um queimador é disposto de modo a disparar para o forno a partir de uma parede lateral.

[0029] Aspecto 8. O sistema do Aspecto 1, em que o material de carga peletizado compreende um ou mais dentre péletes de ferro, péletes de ferro reduzidos diretos e péletes de ferro briquetados a quente.

[0030] Aspecto 9. O sistema do Aspecto 1, que compreende ainda um mecanismo para separar a escória do material de carga fundido.

[0031 ] Aspecto 10. O sistema do Aspecto 1, que compreende ainda: um pré-aquecedor adjacente à extremidade de alimentação do forno que tem um dispositivo de entrada de energia para preaquecer o material de carga peletizado antes de o forno ser alimentado com o material de carga.

[0032] Aspecto 11.0 sistema do Aspecto 10, em que o dispositivo de entrada de energia inclui um queimador e um conduto configurado para descarregar pelo menos uma porção dos produtos de combustão de queimador a partir do forno, e em que o dispositivo de entrada de energia aquece o material de carga peletizado no transportador.

[0033] Aspecto 12. O sistema do Aspecto 10, em que o dispositivo de entrada de energia aquece o material de carga peletizado em um forno pré-aquecedor configurado para descarregar o material de carga peletizado preaquecido no transportador.

[0034] Aspecto 13. O sistema do Aspecto 1, que compreende ainda

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7/20 um controlador programado para operar o pelo menos um queimador na zona de fundição em um modo rico em combustível para inibir a oxidação do material de carga.

[0035] Aspecto 14. O sistema do Aspecto 1, em que o pelo menos um queimador é um queimador de impacto direto que produz uma chama que impacta diretamente o material de carga peletizado para maximizar a transferência de calor ao material de carga peletizado.

[0036] Aspecto 15. O sistema do Aspecto 1, que compreende ainda pelo menos um queimador a jusante da zona de fundição configurado para injetar finos de ferro reduzidos diretos no forno.

[0037] Aspecto 16. O sistema do Aspecto 1, que compreende ainda um mecanismo de agitação para agitar o material de carga fundido e facilitar a mistura do material de carga peletizado no material de carga fundido na zona de fundição, em que o mecanismo de agitação é selecionado a partir do grupo que consiste em: um ou mais bocais de agitação de fundo para injetar um gás inerte através do fundo do forno e um dispositivo de agitação eletromecânico.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0038] A presente invenção será descrita a seguir em combinação com as Figuras anexas, em que os numerais iguais denotam elementos semelhantes:

[0039] A Figura 1 é uma vista em perspectiva lateral esquemática de uma modalidade de um sistema de fundição de ferro, que emprega queimadores de fundição montados no telhado em uma zona de fundição de um forno de fundição contínuo ou semicontínuo.

[0040] A Figura 2 é uma vista em perspectiva lateral esquemática de outra modalidade de um sistema de fundição de ferro como na Figura 1, que emprega ainda um pré-aquecedor aquecido a gás de conduto, a montante do forno de fundição e bocais agitadores inferiores para melhorar a fundição e a mistura da carga no forno de fundição.

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8/20 [0041] A Figura 3 é uma vista em perspectiva lateral esquemática de outra modalidade de um sistema de fundição de ferro como na Figura

2, que emprega ainda queimadores montados na parede lateral a jusante da zona de fundição no forno de fundição.

[0042] A Figura 4 é uma vista em perspectiva lateral esquemática de outra modalidade de um sistema de fundição de ferro como na Figura

1, que emprega ainda queimadores de fundição montados no telhado adicionais no forno de fundição a jusante da zona de fundição no forno de fundição.

[0043] A Figura 5 é uma vista em perspectiva lateral esquemática de outra modalidade de um sistema de fundição de ferro como na Figura

3, que emprega ainda queimadores diretos de chama no pré-aquecedor. [0044] A Figura 6 é uma vista em perspectiva lateral esquemática de outra modalidade de um sistema de fundição de ferro como na Figura 3, que emprega ainda um forno giratório como o pré-aquecedor.

[0045] A Figura 7 é uma vista em perspectiva lateral esquemática de outra modalidade de um sistema de fundição de ferro como na Figura

2, que emprega ainda queimadores montados no telhado a jusante da zona de fundição, capazes de injetar finos de ferro reduzidos diretos no forno.

[0046] A Figura 8 é uma vista em perspectiva lateral esquemática de outra modalidade de um sistema de fundição de ferro como na Figura 7, que emprega ainda queimadores montados na parede lateral a jusante da zona de fundição no forno de fundição.

[0047] A Figura 9 é uma vista em perspectiva lateral esquemática de outra modalidade de um sistema de fundição de ferro como na Figura 1, que emprega ainda um pré-aquecedor aquecido a gás de conduto a montante do forno de fundição e um dispositivo de agitação eletromecânico para melhorar a fundição e a mistura da carga no forno de fundição.

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9/20 [0048] A Figura 10 é uma vista lateral esquemática de um préaquecedor de péletes de ferro para preaquecer o ferro antes de ser carregado para um forno de fundição, que mostra uma tampa refratária que cobre um transportador que fornece péletes de ferro para o forno de fundição e queimadores que fornecem calor para os péletes.

[0049] A Figura 11 é uma vista lateral esquemática de um préaquecedor de péletes de ferro para preaquecer o ferro antes de ser carregado para um forno de fundição, que mostra um forno giratório que tem um queimador para fornecer calor para os péletes e um conduto para exaustão de calor do forno giratório.

[0050] A Figura 12 é uma vista lateral esquemática de uma modalidade de um pré-aquecedor e uma zona de fundição de um sistema de forno de fundição de ferro.

[0051] A Figura 13 é uma vista lateral esquemática de outra modalidade de um pré-aquecedor e uma zona de fundição de um sistema de forno de fundição de ferro.

[0052] A Figura 14 é uma vista lateral esquemática de outra modalidade de um sistema de fundição de ferro usando uma cúpula.

[0053] A Figura 15 é uma vista lateral esquemática de outra modalidade de um sistema de fundição de ferro usando um forno giratório.

[0054] A Figura 16 é uma vista em perspectiva de uma simulação dinâmica de fluido computacional dos efeitos de um sistema de fundição em um forno como descrito no presente documento, que mostra uma distribuição de temperatura de fundição.

[0055] A Figura 17 é uma vista em perspectiva de uma simulação dinâmica de fluido computacional de um sistema de fundição em um forno como descrito no presente documento, que mostra um padrão de fluxo de fundição.

DESCRIÇÃO DETALHADA

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10/20 [0056] As usinas da DRI estão substituindo rapidamente as formas tradicionais de processamento de minério de ferro, como alto fornos, devido ao maior uso de gás natural nos processos de fabricação de DRI, levando a menores emissões de carbono em comparação aos altos fornos que requerem coque. O gás natural é preferencial porque é uma fonte de combustível com menor quantidade de carbono e economicamente disponível em comparação com o carvão e o coque. As usinas DRI geralmente estão localizadas mais perto das operações de mineração ou onde o gás natural é mais barato e não necessariamente próximo das operações da usina siderúrgica. A DRI particularmente não é uma matéria-prima ideal para a produção de aço elétrico, devido a sua maior temperatura de fundição (cerca de 1.350Ό), maior porosidade e menor teor de ferro metálico (cerca de 85%). Em vez disso, o ferro-gusa com maior teor de ferro (cerca de 95%) e menor temperatura de fundição (cerca de 1250Ό), é uma fonte melhor de unidades de ferro virgem. Portanto, a maioria dos laminadores atualmente preferiría comprar ferro-gusa para produção de aço, em vez de DRI, se o ferro-gusa estivesse disponível e fosse econômico. Assim, existe a necessidade de um processo de baixo custo e ambientalmente amigável para converter DRI em ferro-gusa. A disponibilidade de gás natural barato nos EUA torna um processo baseado em combustão economicamente atraente.

[0057] Os presentes inventores propõem um sistema e método de fundição de DRI frio (ou quente) usando queimadores de oxicombustível. De preferência, os queimadores utilizam gás natural como combustível e oxigênio ou ar enriquecido com oxigênio como oxidante, em que o oxidante tem pelo menos 30% de oxigênio molecular, preferencialmente pelo menos 70% de oxigênio molecular, mais preferencialmente é oxigênio de grau industrial.

[0058] Além disso, espera-se que o uso de um forno de fundição

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11/20 (aparelho de fundição) em combinação com um pré-aquecedor, forneça maior eficiência de transferência de calor e reduza as exigências de taxa de queima na zona de fundição, em comparação com o uso de um forno de fundição. Um pré-aquecedor fornece maior tempo de residência para aquecimento, bem como uma oportunidade para aquecer o ferro peletizado quando mais área de superfície é exposta.

[0059] A DRI é tipicamente produzida em uma forma peletizada, em que os péletes têm uma faixa de tamanho de 0,25 a 2 cm, um tamanho médio de cerca de 1 cm e também incluem alguns finos muito menores. Para maior clareza, os sistemas e processos contidos no presente documento, não estão restritos ao material peletizado por si e irão operar bem para o material granulado ou fragmentado ou outras formas similares.

[0060] Várias disposições de um sistema de fundição de ferro são mostradas nas Figuras 1 a 9 e 14 a 15. Cada modalidade do sistema de fundição de ferro tem alguns elementos ou características comuns, com as modalidades das Figuras 1 a 9, que compartilham a mesma disposição estrutural básica. Em linhas gerais, o forno das Figuras 1 a 9 é um forno longo contínuo de preferência em formato retangular, em que o ferro peletizado (de preferência preaquecido em um préaquecedor), entra através da extremidade de alimentação e o metal fundido é retirado a uma taxa contínua da extremidade de descarga. A camada de escória flutua na parte superior do metal fundido e é também retirada a uma taxa contínua, separada como descrito acima do metal fundido. Os queimadores na extremidade de alimentação do forno, transferem eficientemente o calor para os péletes de entrada de ferro. Os péletes de ferro amolecidos entram então em um banho de metal líquido já no forno. O banho de metal líquido se move lentamente em direção à extremidade de descarga e é retirado do forno. Queimadores de fogo horizontal podem ser posicionados sobre o banho líquido para

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12/20 efetivamente transferir calor através de radiação. Os queimadores são ajustados de modo que produzam uma camada mínima de escória exigida pela química do processo. A viscosidade da escória é preferencialmente administrada de modo que a escória possa fluir livremente, no entanto, não é permitida a formação de espuma. A escória também pode ser rompida ou quebrada por agitação mecânica, agitação de fluido por gases de alto ímpeto ou alterando a química da escória. O carbono em forma de coque/carvão ou através de gás natural é adicionado ao processo. O metal fundido pode ser aproveitado como metal quente ou convertido em ferro-gusa granulado através de resfriamento rápido ou usando um rodízio de gusa.

[0061] Como mostrado em detalhe na Figura 1, um sistema 10 de fundição de ferro inclui um forno de fundição 110 e um pré-aquecedor 210. Uma carga 298 de ferro peletizado (DRI) 300 é introduzida no préaquecedor 210 e é transportada por um transportador 302 para uma extremidade de alimentação 112 do forno de fundição 110. O forno também inclui uma extremidade de descarga 114 oposta à extremidade de alimentação 112, e um fundo 116, um telhado 118 e paredes laterais 120 que abrangem o comprimento do forno 110 desde a extremidade de alimentação 112 até à extremidade de descarga 114. Uma região do forno 110 proximal à extremidade de alimentação 112 é designado como uma zona de fundição 318, porque nesta região o ferro 300 peletizado é fundido para formar uma carga fundida 310. Embora um transportador mecânico seja apresentado no presente documento, um transportador pneumático ou outro sistema de transporte de material pode ser usado. Em alguns casos, o transportador é preferencialmente controlado por atmosfera para minimizar o risco de oxidação dos péletes.

[0062] Além disso, para melhorar a fundição e evitar o acúmulo de uma concentração de péletes muito grande em um ponto particular no

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13/20 forno, o transportador de alimentação pode dispersar a alimentação ao longo da largura para permitir a distribuição uniforme do material de carga e o tempo para fundição. Em uma (1) modalidade, o transportador pode mover-se de lado a lado para atingir esta dispersão.

[0063] À medida que os péletes de ferro 300 são carregados na extremidade de alimentação 112 do forno 110, eles são aquecidos por produtos de combustão de pelo menos um queimador de oxicombustível 340 montado no telhado 118. O queimador de oxicombustível 340 pode ser um queimador de impacto direto, o que significa que a chama 342 emitida pelo queimador 340 colide diretamente sobre o ferro peletizado 300 para aumentar a taxa de transferência de calor convectiva para os péletes de ferro 300. Alternativamente ou em combinação, o queimador de oxicombustível 340 pode produzir uma chama altamente radiante capaz de alcançar uma transferência de calor radiante significativa para os péletes de ferro 300.

[0064] Para facilitar ou melhorar o transporte do material de carga da extremidade de alimentação 112 para a extremidade de descarga 114, pelo menos uma porção de fundo 116 do forno 110 pode ser inclinada para baixo a partir da extremidade de alimentação 112 em direção à extremidade de descarga 114.

[0065] Durante o processo de fundição e aquecimento, escória 320 muitas vezes se forma em uma superfície superior da carga fundida 310. Após a descarga da extremidade de descarga 114 do forno, um mecanismo de separação 330 separa a escória 320 da carga fundida 310. O mecanismo de separação 330 pode incluir uma placa divisora, uma pá de desvio, uma barragem, um portão móvel ou outro mecanismo para separar a escória 320 da carga fundida 310, para produzir uma corrente de escória de saída 322 e uma corrente de carga fundida de saída 312. A escória pode ser retirada através de um furo separado de onde o metal quente é derramado.

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14/20 [0066] Os produtos de combustão, ou gases de condutos, produzidos por pelo menos um queimador 340 são direcionados a pelo menos um conduto, o qual pode ser posicionado em várias partes do forno 110. Como mostrado na Figura 1, um conduto 344 pode ser posicionado na extremidade de descarga 114. Alternativamente ou em combinação, como mostrado na Figura 2, outros condutos 196 podem ser posicionados em uma extremidade de entrada do pré-aquecedor 210 para permitir que os condutos de gases transfiram calor para os péletes de ferro 300 de entrada, antes de carregar os péletes de ferro 300 no forno 110. Como mostrado nas Figuras 12 e 13, os condutos 190 e 192 também podem ser posicionados em outro local no pré-aquecedor 210 (Figura 12, conduto 190) ou na zona de fundição 312 do forno 110 (Figura 13, conduto 192), para aumentar a transferência de calor para o ferro peletizado 300.

[0067] Como mostrado na Figura 2, o forno 110 pode ainda incluir um aparelho de agitação de fundo 350 para injetar um ou mais jatos de agitação de fundo 352 através do fundo 116 do forno 110 e para a carga fundida 320. Os jatos agitadores de fundo funcionam para agitar a carga fundida 320 para melhorar a mistura, integração e fundição do ferro peletizado 300 e para aumentar a homogeneidade da temperatura e composição da carga fundida 320. As lanças submersas podem ser usadas para injeção de carbono na forma de combustível gasoso (preferencialmente gás natural) para reduzir o óxido de ferro em DRI para ferro.

[0068] Como mostrado na Figura 3, o forno 110 pode ainda incluir um ou mais pares de queimadores montados na parede lateral 380 disparando chamas horizontais radiantes 382 no forno 110, acima da carga fundida 310. Os queimadores 380 fornecem calor adicional à carga fundida 310 para homogeneizar a temperatura de carga e assegurar que todo o ferro peletizado 300 tenha sido fundido e integrado

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15/20 no banho fundido. Em algumas modalidades, o pelo menos um queimador 340 montado no telhado, pode ser operado em um regime rico em combustível de modo que iniba a oxidação do ferro peletizado 300, à medida que este é fundido e pelo menos um par de queimadores montados na parede lateral 350 com chamas 352, pode ser operado em regime de combustível pobre para maximizar a recuperação do calor de combustão do combustível em excesso do queimador montado no telhado 340. O risco de oxidação, devido ao funcionamento dos queimadores montados na parede lateral 350, em um regime de combustível pobre, é relativamente baixo devido à presença de escória 320 na superfície superior da carga fundida 310, a jusante da zona de fundição 312.

[0069] Como mostrado na Figura 4, o forno 110 pode ainda incluir um ou mais queimadores adicionais montados no telhado 360 a jusante da zona de fundição 312 e acima da carga fundida 310. Estes podem ser queimadores do tipo de impacto direto que emite uma chama de ímpeto elevado 362 que contata a escória 320 na parte superior da carga fundida 320 e pode ser usada para interromper a escória 320 para aumentar a transferência de calor para a carga. Alternativamente ou em combinação, os queimadores 360 podem emitir chamas radiantes 362. [0070] Como mostrado na Figura 5, o pré-aquecedor 210 pode incluir uma pluralidade de queimadores de chama de impacto direto 240 emitindo chamas 242 que entram em contato com o ferro peletizado 300 que é transportado em direção ao forno 110.

[0071] Alternativamente, como mostrado na Figura 6, o préaquecedor 210 pode incluir um forno giratório 220 através do qual o ferro peletizado 300 passa a caminho do forno 110. O forno giratório 220 recebe entrada de calor de um queimador 222 que produz uma chama 228, e os produtos de combustão são exaustos através de um conduto 224. Um sensor 226 pode ser usado para medir as propriedades do gás

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16/20 de conduto, tais como temperatura e composição, que podem ser usadas para controlar a operação do queimador 220, bem como os parâmetros operacionais do forno 220, tais como velocidade de giro e taxa de transferência.

[0072] Como mostrado na Figura 7, o forno 110 pode ainda incluir um ou mais queimadores injetores 370 configurados para injetar diretamente finos de ferro reduzidos (finos de DRI) junto ao combustível e oxidante no forno. Os queimadores injetores 370 auxiliam na redução da perda de finos de DRI, injetando-os de uma maneira que permita que eles sejam fundidos e se integrem no banho fundido. Os queimadores 370 podem ser montados no telhado 118 (como mostrado) ou nas paredes laterais 120 (não mostradas), mas seja no telhado 118 ou nas paredes laterais 120, os queimadores 370 são inclinados para baixo em direção à carga fundida 310 para distribuir eficazmente DRI finos, que são preaquecidos na chama do queimador, no banho de metal líquido.

[0073] A Figura 8 mostra uma modalidade de forno 110 que tem tanto os queimadores injetores 370 como os queimadores montados na parede lateral 350.

[0074] Como mostrado na Figura 9, um mecanismo de agitação eletromecânico 392 pode ser usado como uma alternativa ao mecanismo de agitação de fundo 350 para aumentar a mistura, fundição e homogeneidade na carga fundida 320.

[0075] Em qualquer uma das modalidades das Figuras 1 a 9, ou combinações das mesmas, o processo de fundição de ferro peletizado pode operar em um modo semicontínuo ou totalmente contínuo. Além disso, em qualquer uma das modalidades, a taxa de disparo de qualquer um ou de todos os queimadores, pode ser modulada ou controlada, junto à a taxa de alimentação de carga, para controlar a taxa de transferência de calor para a carga. Em um exemplo, um queimador pode ser usado para poder direcionar seletivamente uma chama mais

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17/20 ou menos intensa em uma direção particular para aumentar ou diminuir a taxa de transferência de calor em uma parte particular do forno, conforme necessário.

[0076] Os péletes de DRI tendem a oxidar, de modo que, em algumas modalidades, possam ser benéficas para controlar a atmosfera no forno para ser ligeiramente redutora ou rica em combustível (uma relação de equivalência de 1 a 1,1, em que a taxa de equivalência indica a quantidade de combustível fornecida em comparação com a quantidade de combustível que seria completamente queimada para CO2 e H2O pelo oxigênio disponível). Mais especificamente, controlar os queimadores para formar uma atmosfera ligeiramente redutora na zona de fundição, pode ser mais eficaz na inibição da oxidação.

[0077] Em algumas modalidades, pode ser benéfico empregar queimadores de combustão horizontal, em que o combustível entra no forno abaixo do ponto de injeção de oxigênio, de modo que cubra a DRI fundida com uma atmosfera de redução.

[0078] A modelação computacional de uma tal modalidade é mostrada nas Figuras 16 e 17, que mostram temperatura de fundição e padrão de fluidez, respectivamente. Os resultados da modelagem na Figura 16 indicam que a temperatura de fundição pode ser alcançada através da radiação principalmente dos queimadores, desde que a espessura crítica da camada de escória seja mantida e que a convecção natural dentro da massa fundida seja estabelecida. Como mostrado na Figura 17 que ilustra o padrão de fluxo de fundição, a convecção natural dentro do metal fundido é configurada devido à diferença de temperatura entre o material de entrada e o de saída, o que ajuda a submergir o material de entrada no banho fundido. Esta convecção pode ser ainda assistida por agitação com gás ou agitação eletromecânica.

[0079] Em algumas modalidades, pode ser benéfico empregar múltiplos dutos de conduto de gás para dividir o conduto de gás que

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18/20 descarrega o forno em múltiplos fluxos. Em particular, com pelo menos uma corrente passando sobre a entrada DRI de uma forma contracorrente, e pelo menos outra corrente descarregando em outro lugar dentro do espaço de fundição.

[0080] Em algumas modalidades, pode ser benéfico operar a extremidade a montante do forno na relação subestequiométrica de oxigênio para combustível e descarregar esses gases de conduto através de um conduto localizado na extremidade a jusante do forno; em que o oxigênio faseado é introduzido a montante do dito conduto para queimar combustível não queimado, antes do combustível não queimado sair do forno. O oxigênio faseado de preferência é introduzido em um ponto em que uma camada de escória relativamente inerte separa o ferro fundido do oxigênio faseado para evitar a oxidação.

[0081] Em algumas modalidades, pode ser vantajoso utilizar gás inerte (ou relativamente inerte) como N2 ou gás de conduto reciclado/limpo para transportar os finos de DRI para o forno, de modo que reduza a quantidade de oxigênio livre que entra em contato com a DRI.

[0082] Em algumas modalidades, pode ser benéfico descarregar a maioria ou todo o gás de conduto através de pelo menos um conduto localizado na extremidade a montante do forno, de modo que transfira uma porção da energia sensível do gás de conduto para a DRI de entrada e/ou poça de ferro fundido em grande parte em contracorrente. [0083] Além disso, sensores de gases de conduto poderíam ser usados para medir a composição de gases de conduto ao longo do comprimento e na saída de conduto do forno para modificar e controlar a geração de atmosferas desejadas. Além disso ou alternativamente, sensores de temperatura e imagem poderíam ser usados para medir a temperatura ao longo do comprimento e na saída do forno de fundição e do pré-aquecedor, para controlar a entrada de energia.

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19/20 [0084] A montante do forno de fundição 110, pode ser fornecido um pré-aquecedor 210 para aumentar a eficiência do processo global de fundição. Como mostrado na Figura 10, em uma modalidade de um préaquecedor 210, o transportador 302 para transportar os péletes de ferro 300 para o forno 110 é pelo menos parcialmente coberto por uma tampa revestida com refratário e uma pluralidade de queimadores de impacto diretos são posicionados para disparar sobre os péletes de ferro 300. Alternativamente, como mostrado na Figura 11, em outra modalidade de um pré-aquecedor 210, o transportador 302 transporta os péletes de ferro 300 para um forno pré-aquecedor ou recipiente que é configurado como um forno giratório, que tem pelo menos um queimador e um conduto. Essas modalidades de pré-aquecedores são descritas em maior detalhe no Pedido n° U.S. 16/025230, depositado em 2 de julho de 2018, incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de referência.

[0085] O pré-aquecedor 210 pode também utilizar gases de conduto quentes do forno 110 que fluem em contracorrente em relação à direção dos péletes DRI 300, auxiliando assim o preaquecimento. De preferência, o forno de pré-aquecedor é revestido com revestimentos refratários especiais para refletir e irradiar a energia de volta para os péletes de DRI. A taxa de disparo do queimador e o tempo de residência no forno do pré-aquecedor, podem ser controlados com base na exigência de atingir um teor/temperatura média alvo de calor dos péletes carregados, usando sensores no forno de preaquecimento.

[0086] Configurações alternativas de um forno de fundição são previstas. Em um exemplo, como mostrado na Figura 14, um forno de fundição 410 pode ser configurado na forma de uma cúpula ou forno de eixo, em que uma carga 298 de péletes de ferro 300 é fornecida na parte superior do forno 410 de modo que flua verticalmente para baixo. O forno 410 é dividido por uma grelha ou tela 414 de modo que os péletes

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20/20 sólidos 300 sejam retidos acima da grelha 414 e é permitido que o ferro fundido 308 drene para baixo para um banho fundido de metal líquido 310 coberto por uma camada de escória 320. Uma pluralidade de queimadores 440 estão posicionados em uma porção inferior do forno 410 abaixo da grelha 414 para disparar chamas 442 na direção do banho fundido. Os produtos de combustão quentes ou gases de conduto 446 dos queimadores 440 fluem para cima através da grelha 414 e contatam intimamente com os péletes de ferro sólidos 300 acima da grelha, aquecendo e fundindo assim os péletes 300. Os gases de conduto resfriados 444 são exaustos da parte superior do forno 410.

[0087] Em outro exemplo, como mostrado na Figura 15, um forno de fundição 510 pode ser configurado na forma de um forno giratório. O transportador 302 fornece péletes de ferro 300 para o forno 510, o qual gira em torno do seu eixo geométrico para melhorar a mistura dos péletes e a transferência de calor das paredes refratárias quentes do forno para os péletes. Pelo menos um queimador 540 fornece calor para o forno 510 através de uma chama 542 e os produtos de combustão saem do forno 510 através de um conduto 544. Um sensor 546 no conduto pode ser usado para medir a temperatura e/ou a composição da exaustão, que pode ser usado para controlar a operação do queimador 540. A carga de ferro fundido 310 e a escória 320 são descarregadas do forno 510.

[0088] Embora os princípios da invenção tenham sido descritos acima em relação a modalidades preferenciais, deve ser claramente entendido que esta descrição é feita apenas a título de exemplo e não como uma limitação do escopo da invenção.

Claims

1. Sistema para fundir um material de carga peletizado caracterizado pelo fato de que compreende:

um forno que tem uma extremidade de alimentação configurada para receber um material de carga peletizado sólido e uma extremidade de descarga oposta à extremidade de alimentação configurada para descarregar um material de carga fundido e uma escória;

um transportador configurado para alimentar a extremidade de alimentação do forno com o material de carga peletizado;

pelo menos um queimador de oxicombustível posicionado para direcionar calor para uma zona de fundição perto da extremidade de alimentação para aquecer e fundir, pelo menos parcialmente, o material de carga peletizado para formar o material de carga fundido e a escória, em que o queimador de oxicombustível usa um oxidante que tem pelo menos 70% de oxigênio molecular; e pelo menos um conduto para queimar exaustivamente produtos de combustão do forno.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o forno tem um comprimento e uma largura, em que o material de carga se move horizontalmente no sentido longitudinal a partir da extremidade de alimentação até a extremidade de descarga, e em que o pelo menos um queimador é posicionado perto da extremidade de alimentação, em que o comprimento é pelo menos duas vezes a largura.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porção do fundo é inclinada para baixo a partir da extremidade de alimentação em direção à extremidade de descarga para permitir que a gravidade auxilie no movimento do material de carga desde a extremidade de alimentação até a

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2/4 extremidade de descarga.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o forno é um forno giratório que tem uma parede lateral curva que se estende entre a extremidade de alimentação até a extremidade de descarga.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um queimador e o conduto são ambos posicionados na ou perto da extremidade de alimentação do forno.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um queimador é posicionado na parede lateral do forno.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o forno é um forno de eixo, com a extremidade de alimentação sendo uma extremidade de topo e a extremidade de descarga estando em uma parede lateral de uma extremidade de fundo, e em que o pelo menos um queimador é disposto para disparar no forno a partir de uma parede lateral.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de carga peletizado compreende um ou mais dentre péletes de ferro, péletes de ferro reduzidos diretos e péletes de ferro briquetados a quente.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um mecanismo para separar a escória do material de carga fundido.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:

um pré-aquecedor adjacente à extremidade de alimentação do forno que tem um dispositivo de entrada de energia para pré-aquecer o material de carga peletizado antes de o forno ser alimentado com o material de carga.

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11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de entrada de energia inclui um queimador e um conduto configurado para descarregar pelo menos uma porção dos produtos de combustão do queimador a partir do forno, e em que o dispositivo de entrada de energia aquece o material de carga peletizado no transportador.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de entrada de energia aquece o material de carga peletizado em um forno pré-aquecedor configurado para descarregar o material de carga peletizado préaquecido no transportador.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um controlador programado para operar o pelo menos um queimador na zona de fundição em um modo rico em combustível para inibir a oxidação do material de carga.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um queimador é um queimador de impacto direto que produz uma chama que impacta diretamente o material de carga peletizado para maximizar a transferência de calor ao material de carga peletizado.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda pelo menos um queimador a jusante da zona de fundição configurado para injetar finos de ferro reduzidos diretos no forno.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um mecanismo de agitação para agitar o material de carga fundido e facilitar a mistura do material de carga peletizado no material de carga fundido na zona de fundição, em que o mecanismo de agitação é selecionado a partir do grupo que consiste em: um ou mais bocais de agitação de fundo para injetar um