BR112013006130B1

BR112013006130B1 - processo de fusão direta

Info

Publication number: BR112013006130B1
Application number: BR112013006130A
Authority: BR
Inventors: Rodney James Dry; Jacques Pilote
Original assignee: Tata Steel Limited
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2018-09-04
Also published as: CA2811123A1; UA111829C2; NZ608909A; EP2616562A1; CA2811123C; US10000821B2; BR112013006130A2; JP5877838B2; JP2013537259A; KR20130137631A; AU2011301784B2; EP2616562A4; RU2591925C2; EP2616562B1; US20130180361A1; KR101903434B1; ES2847874T3; AU2011301784A1; WO2012034184A1; CN103108967B

Description

(54) Título: PROCESSO DE FUSÃO DIRETA (51) Int.CI.: C22B 5/10; C21B 11/02; C21B 13/00 (30) Prioridade Unionista: 15/09/2010 AU 2010904166 (73) Titular(es): TATA STEEL LIMITED (72) Inventor(es): RODNEY JAMES DRY; JACQUES PILOTE (85) Data do Início da Fase Nacional: 14/03/2013

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PROCESSO DE FUSÃO DIRETA

Refere-se a presente invenção a um processo e um aparelho para a fusão de um material de alimentação metalífero.

A presente invenção refere-se com particularidade, muito embora de forma alguma exclusivamente, a um processo de fusão direta baseada em banho fundido para produzir metal fundido (termo este que inclui ligas metálicas) a partir de um material de alimentação metalífero em um vaso de fusão direta.

A presente invenção refere-se com mais particularidade, muito embora em hipótese alguma de forma exclusiva, a um processo de fusão direta baseada em banho fundido para a produção de metal fundido a partir de um material de alimentação metalífero em um vaso de fusão direta que é dotado de uma forte fonte de banho/escória gerada por meio do desprendimento de gás no banho fundido, com o desprendimento de gás sendo pelo menos parcialmente o resultado da desvolatilização do material carbonífero dentro do banho fundido.

O material de alimentação metalífero pode ser qualquer material que contenha óxidos de metais. O material de alimentação metalífero pode ser estar na forma de minérios, de minérios reduzidos parcialmente, e de correntes de refugo que contêm metal.

A presente invenção refere-se com particularidade, muito embora em hipótese alguma de forma exclusiva, à fusão de material de alimentação metalífero que contém ferro, tais como areia ferruginosa de suporte de titânio em minério de ferro ou magnetita de titânio e vanádio.

Um processo de fusão direta com base em banho fundido conhecido é de um modo geral referido como o

2/21 processo Hlsmelt, encontra-se descrito em um número considerável de patentes e de pedidos de patente em nome da presente requerente.

Outro processo de fusão direta com base em banho fundido é referido neste contexto como o processo HIsarna. O processo HIsarna e aparelhagem encontram-se descritos no pedido de patente internacional ECT/AU99/00884 (WO 00/022176) em nome da presente requerente.

processo Hlsmelt encontra-se associado com particularidade com a produção de ferro fundido a partir de minério de ferro.

No contexto da produção de ferro fundido, o processo Hlsmelt inclui as etapas de:

(a) formar um banho do ferro fundido e da escória em um vaso de fusão direta;

(b) injetar dentro do banho: (i) minério de ferro, tipicamente na forma de finos; e (ii) um material carbonífero sólido, tipicamente carvão, o qual funciona como um redutor do material de alimentação de minério de ferro e uma fonte de energia; e (c) no banho, fundir o minério de ferro para ferro.

alimentação e material termo fusão é compreendido neste contexto como significando processamento térmico em que ocorrem reações químicas que reduzem os óxidos de metal para produzir metal fundido.

No processo Hlsmelt materiais de sólidos na forma de material metalífero carbonífero sólido são injetados com um gás carreador para dentro do banho fundido através de um número de lanças que são inclinadas em relação à vertical de forma a estenderemse descendentemente e para dentro através da parede lateral do vaso de fusão direta e dentro de uma região inferior do

3/21 vaso de modo a distribuir pelo menos parte dos materiais de alimentação sólidos para dentro da camada de metal no fundo do vaso. Os materiais de alimentação sólidos e o gás carreador penetram no banho fundido e fazem com que o metal fundido e/ou escória sejam projetados para o espaço situado acima da superfície do banho e formem uma zona de transição. Uma injeção de gás que contém oxigênio, tipicamente ar enriquecido com oxigênio ou oxigênio puro, é injetado em uma região superior do vaso através de uma lança que se estende descendentemente para proporcionar a pós-combustão dos gases de reação liberados a partir do banho fundido na região superior do vaso. Na zona de transição existe uma massa favorável de gotículas ou respingos ou correntes ascendentes e, depois disso, descendentes, de metal fundido e/ou de escória que proporcionam um meio eficaz para transferir para o banho a energia térmica gerada pelos gases de reação de póscombustão acima do banho.

Tipicamente, no caso da produção de ferro fundido, quando se utiliza ar enriquecido com oxigênio, o mesmo é alimentado sob uma temperatura da ordem de 1200°C e é gerado em regeneradores de vento quente. Se for utilizado oxigênio frio tecnicamente puro, ele é alimentado tipicamente sob temperatura ambiente ou próxima da ambiente.

Os gases de saída resultantes da pós-combustão dos gases de reação no vaso de fusão direta são retirados da região superior do vaso através de um conduto de descarga de gás.

vaso de fusão direta inclui seções revestidas de refratário na soleira inferior e painéis refrigerados a água nas paredes laterais e na abóbada do vaso, e faz-se circular água continuamente através dos painéis em um

4/21 circuito contínuo.

O processo Hlsmelt permite que grandes quantidades de ferro fundido, tipicamente pelo menos 0,5 Mt/a, sejam produzidas por meio de fusão direta em um único vaso compacto.

O processo HIsarna é realizado em um aparelho de fusão que inclui (a) um vaso de fusão que inclui lanças de injeção de sólidos e lanças de injeção de gás que contém oxigênio e é adaptado para conter um banho de ferro fundido e (b) um ciclone de fusão para pré-aquecimento de um material de alimentação metalifero que fica posicionado acima e se comunica com o vaso de fusão.

O termo ciclone de fusão é compreendido neste contexto no sentido de significar um vaso que define tipicamente uma câmara cilíndrica e é construído de forma que materiais fornecidos à câmara se movimentam em um caminho em torno de um eixo central vertical da câmara e pode suportar altas temperaturas de operação suficientes para pelo menos parcialmente reduzirem materiais de alimentação metalíferos.

De acordo com uma forma do processo HIsarna, material de alimentação carbonífero (tipicamente carvão) e fundente (tipicamente pedra calcária) são injetados dentro do banho fundido no vaso de fusão. Material de alimentação metalifero, tal como minério de ferro, é injetado dentro do ciclone de fusão e aquecido e parcialmente fundido e parcialmente reduzido no mesmo. Este material metalifero fundido, parcialmente reduzido, flui descendentemente a partir do ciclone de fusão para dentro do banho fundido no vaso de fusão e é fundido para metal fundido no banho. Os gases de reação quentes, (tipicamente CO, CO₂, H₂, e H₂0) produzidos no banho fundido são parcialmente queimados por meio do gás que contém oxigênio (tipicamente oxigênio de

5/21 grau técnico) em uma parte superior do vaso de fusão. 0 calor gerado por meio da pós-combustão é transferido para o material fundido na seção superior que cai de novo dentro do banho fundido para manter a temperatura do banho. Os gases de reação quentes, parcialmente queimados, fluem ascendentemente a partir do vaso de fusão e entram no fundo do ciclone de fusão. 0 gás que contém oxigênio (tipicamente oxigênio de grau técnico) é injetado dentro do ciclone de fusão por meio de algaravizes que são dispostos de uma maneira tal a gerar um padrão de redemoinho ciclônico em um plano horizontal, ou seja, em torno de um eixo central vertical da câmara do ciclone de fusão. Esta injeção do gás que contém oxigênio conduz a uma combustão adicional dos gases do vaso de fusão, resultando em chamas (ciclônicas) muito quentes. Material de alimentação metalífero de entrada finamente dividido é injetado pneumaticamente nestas chamas por meio de algaravizes no ciclone de redução, resultando em um rápido aquecimento e fusão parcial acompanhada por redução parcial (redução de aproximadamente 10-20%). A redução é devida ao CO e H₂ nos gases de reação provenientes do vaso de fusão. O material de alimentação metalífero quente, parcialmente reduzido, é arremessado para fora nas paredes do ciclone de fusão por meio da ação de redemoinho ciclônico e, tal como descrito anteriormente, flui descendentemente para dentro do vaso de fusão abaixo para fusão nesse vaso.

controle de processo para o processo Hlsmelt e para o processo HIsarna constitui um aspecto importante. Cada processo requer condições de alta agitação no banho fundido e nas seções superiores do vaso de fusão direta acima do banho, com a finalidade de se conseguirem as condições para a transferência e para a reação que são requeridas dentro do vaso e para reduzir ao mínimo a perda

6/21 de calor por meio das paredes laterais e da abóbada do vaso. Estas condições de reação incluem condições relativamente oxidantes na escória (em comparação com, por exemplo, um alto-forno) e condições de redução no ferro fundido e transferência de calor a partir da seção superior do vaso para o banho fundido, com particularidade do ferro fundido em uma seção inferior do banho fundido.

A exposição apresentada anteriormente não pretende ser uma admissão do conhecimento geral comum na Austrália e em outros lugares.

A presente invenção proporciona um processo de fusão direta baseado em banho fundido que inclui controlar as condições de processo em um vaso de fusão direta de maneira que a escória fundida em um banho de metal e de escória fundidos no vaso tem uma viscosidade situada na faixa de 0,5-5 poise quando a temperatura da escória se encontra em uma faixa de temperatura de operação para o processo.

A presente invenção proporciona um processo de fusão direta que inclui fornecer (a) um material metalífero (b) um material de alimentação sólido carbonífero, e (c) um gás que contém oxigênio para dentro de um vaso de fusão direta que contém um banho de metal e de escória fundidos e promover a redução direta do material de alimentação metalífero no vaso e produzir saídas de processo de metal fundido, escória fundida, e um gás de saída, e sendo o processo caracterizado por controlar as condições de processo, tais como descritas neste contexto, de forma tal que a escória fundida seja dotada de uma viscosidade situada em uma faixa de 0,5-5 poise em uma faixa de temperatura de operação para o processo.

O termo material metalífero é compreendido neste contexto no sentido de incluir materiais de

7/21 alimentação sólidos e material de alimentação fundido. 0 termo também inclui dentro do seu escopo material metalífero parcialmente reduzido.

termo escória fundida é compreendido neste contexto no sentido de significar escória que é completamente líquida.

termo escória fundida é compreendido neste contexto como significando escória que inclui uma pasta fluida de um material sólido e uma fase líquida.

O material sólido na escória fundida pode ser uma fase de óxido sólido sob a temperatura da escória no processo, pelo que a escória é uma pasta fluida de uma fase de óxido sólida em uma fase de escória líquida.

termo condições de processo destina-se neste contexto a ter um amplo significado e a estender-se, a título de exemplo, a (a) condições de operação dentro do vaso de fusão direta, tais como temperatura e pressão e taxas de injeção dos materiais de alimentação sólidos e do gás que contém oxigênio para dentro do vaso, (b) a composição do banho fundido, com particularidade a composição da escória, e (c) as características do banho fundido. A composição do banho fundido pode incluir a seleção dos constituintes da escória de forma tal que a escória é uma escória fundida, tal como descrita neste contexto, na faixa de temperatura de operação do processo. Tal como indicado na definição da escória fundida estabelecida anteriormente, a escória fundida pode incluir uma fase de óxido sólida e uma fase de escória líquida sob a faixa da temperatura de operação do processo. As características da escória fundida incluem, a título de exemplo, a viscosidade e/ou o potencial de oxigênio da escória fundida mencionado anteriormente. As características também incluem, a titulo de exemplo, a

8/21 basicidade da escória fundida e a turbulência da escória. Estas características são uma função das condições de operação e da composição da escória.

A presente invenção é baseada em uma realização da requerente, como uma conseqüência da pesquisa e desenvolvimento realizados pela requerente, em que o controle da viscosidade da escória em uma faixa de 0,5-5 poise em uma faixa de temperatura de operação para o processo da invenção proporciona uma oportunidade de controlar o processo para produzir metal fundido mais efetivamente.

processo pode incluir o controle das condições de processo por meio do controle da composição da escória e da temperatura do banho fundido ficar abaixo, tipicamente levemente abaixo, da temperatura liquidus da escória de forma tal que uma fase de óxido sólido precipita-se a partir de uma fase líquida da escória fundida, controlando dessa forma a viscosidade da escória. A temperatura do banho de ponto a ponto real pode variar no vaso em decorrência de uma gama de fatores que incluem a estratificação da escória. Para o propósito de avaliação da viscosidade da escória, a temperatura do banho é considerada como sendo a temperatura do metal líquido que é descarregado a partir do vaso quando o processo está funcionando continuamente.

Os termos viscosidade e temperatura liquidus da forma que são usados são compreendidos como significando a viscosidade e temperatura liquidus tais como calculadas por meio do software FactSage (para temperatura liquidus, FactSage 6.1 ou posterior e para viscosidade FactSage Viscosity 6.0 ou posterior). Dado o potencial para os resultados atípicos decorrentes das diferentes técnicas de medição e cálculo, a racionalização por meio de cálculo de

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FactSage é definida como estando implícita no significado destes termos. Esses cálculos, quando realizados, devem ser plenamente compatíveis com as diretrizes para a utilização do software FactSage e, se necessário, devem ser analisados e autorizados pelos proprietários do software FactSage. Em particular, os cálculos que (deliberadamente ou de outro modo) omitem determinadas combinações de espécies químicas possíveis não serão considerados compatíveis com viscosidade e temperatura liquidus tais como são usadas neste contexto.

processo poderá incluir o controle das condições de processo de forma tal que o material sólido na escória fundida seja pelo menos 5% da escória fundida.

O material sólido na escória fundida pode ser compreendido por pelo menos 10% da escória fundida.

O material sólido na escória fundida pode ser compreendido por menos do que 30% da escória fundida.

O material sólido existente na escória fundida pode ser equivalente a 15 - 25% da escória fundida.

O material de alimentação metalífero pode ser compreendido por qualquer material.

Por exemplo, o material de alimentação metalífero pode ser compreendido por material que contém ferro, tal como minério de ferro.

Quando o material de alimentação metalífero compreende um material que contém ferro, o processo pode incluir o controle das condições de processo, da forma que se encontra descrita neste contexto, de maneira que a escória fundida seja dotada de uma viscosidade situada em uma faixa de 0,5-5 poise quando a temperatura da escória está em uma faixa de 1400-1550°C no vaso de fusão direta.

Quando o material de alimentação metalífero compreende um material que contém ferro, o processo pode

10/21 incluir controlar as condições do processo por meio do controle da relação das concentrações de ferro na escória para carbono no metal seja menor do que 2:1, tipicamente menor do que 1,5: 1, mais tipicamente 1:1 até 1,3:1.

O processo pode incluir controlar as condições do processo de uma forma tal que a escória fundida seja dotada de um alto potencial de oxigênio.

No contexto do material de alimentação metalífero na forma de material que contém ferro, o termo alto no contexto de potencial de oxigênio é compreendido neste contexto como significando alto em relação à escória do alto-forno.

Quando o material de alimentação metalífero compreende material que contém ferro, o processo pode incluir o controle das condições do processo de forma tal que o teor de FeO da escória fundida seja de pelo menos 3%, em peso, de forma que a escória fundida seja dotada de um alto potencial de oxigênio.

O processo poderá incluir controlar as condições do processo de forma tal que o teor de FeO da escória fundida seja pelo menos 4%, em peso, de forma tal que a escória fundida seja dotada de um alto potencial de oxigênio.

O processo poderá incluir controlar as condições do processo de forma tal que o teor de FeO da escória fundida seja pelo menos 5%, em peso, de forma tal que a escória fundida seja dotada de um alto potencial de oxigênio.

O processo poderá incluir controlar as condições do processo de forma tal que o teor de FeO da escória fundida seja menor do que 6%, em peso.

O processo poderá incluir controlar as condições do processo de forma tal que o teor de FeO da escória

11/21 fundida seja menor do que 10%, em peso.

Quando o material de alimentação metalífero é material que contém ferro, o processo poderá incluir controlar as condições do processo de forma tal que o teor de carbono da escória fundida seja pelo menos 3%, em peso.

O processo poderá incluir controlar as condições do processo de forma tal que o teor de carbono da escória fundida seja pelo menos 4%, em peso.

O processo poderá incluir controlar as condições do processo de forma tal que o teor de carbono da escória fundida seja menor do que 5%, em peso.

O processo poderá incluir controlar as condições do processo de forma tal que a viscosidade da escória fundida esteja situada na faixa de 0,5-4 poise.

O processo poderá incluir controlar as condições do processo de forma tal que a viscosidade da escória fundida esteja situada na faixa de 0,5-3 poise.

processo poderá incluir controlar as condições do processo de forma tal que a viscosidade da escória fundida seja maior do que 2,5 poise.

O processo poderá incluir adicionar um ou mais do que um aditivo com a finalidade de facilitar o controle das características da escória fundida, por exemplo, a composição da escória e/ou viscosidade da escória, no banho fundido.

A titulo de exemplo, o aditivo pode ser selecionado para controlar a basicidade da escória fundida, por exemplo, por meio da adição de CaO, para diminuir a viscosidade da escória e reduzir ao mínimo o risco uma escória espumante.

O processo poderá incluir realizar a operação do processo acima da pressão atmosférica no vaso de fusão direta.

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O gás que contém oxigênio pode ser ar enriquecido com oxigênio ou oxigênio de grau técnico.

processo poderá incluir o fornecimento de materiais de alimentação sólidos para dentro do vaso por meio de injeção de material de alimentação metalífero e material carbonífero sólido e um gás carreador para dentro do banho fundido por intermédio de lanças que se estendem descendentemente e para dentro através de uma parede lateral do vaso, de forma tal que os materiais de alimentação sólidos penetram pelo menos parcialmente em uma camada de ferro fundido do banho fundido.

O processo poderá incluir controlar o processo, que inclui controlar a injeção dos materiais de alimentação sólidos e o gás carreador, para produzir agitação substancial do banho fundido.

A extensão da agitação do banho fundido pode ser de forma tal que haja no banho uma temperatura substancialmente uniforme.

O processo poderá incluir descarregar as saídas

do	metal	fundido e da escória	fundida do	processo	na	forma
de	correntes de processo separadas.
		0 processo pode ser	o processo	Hlsmelt	tal	como
descrito	anteriormente.
		0 processo pode ser	o processo	HIsarna	tal	como

descrito anteriormente.

A presente invenção encontra-se descrita em seguida de forma mais detalhada com referência aos desenhos anexos, nos quais:

A Figura 1 é um vista diagramática de um vaso de fusão direta que opera de acordo com uma modalidade de um processo de fusão direta da presente invenção;

A Figura 2 é um diagrama de fase terciária para cálcia, alumina e sílica na escória de acordo com uma

13/21 modalidade do processo de fusão direta da presente invenção; e

A Figura 3 é um diagrama de fases pseudoterciárias para traçados de escória e liquidus de escória separados para duas seções marcadas do diagrama de fases para um material de alimentação de óxido de titânio alto em uma modalidade do processo de fusão direta da presente invenção.

A descrição seguinte é realizada no contexto da redução de um material de alimentação metalífero na forma de um minério que contém titânio e ferro, mais especificamente titanomagnetita, para produzir ferro fundido por meio do processo HIsmelt. A presente invenção não fica limitada à redução de titanomagnetita e estende-se à fusão de qualquer material de alimentação metalífero adequado. Além disso, a presente invenção não fica limitada ao processo HIsmelt e estende-se a qualquer processo baseado em banho fundido que pode gerar as condições de processo necessárias. Em particular, a titulo de exemplo, a presente invenção estende-se ao processo HIsarna tal como se encontra descrito anteriormente.

Tal como se encontra indicado anteriormente, o processo HIsmelt encontra-se descrito em um número considerável de patentes e pedidos de patentes em nome da mesma requerente deste pedido. A título de exemplo, o processo HIsmelt está descrito no pedido internacional PCT/AU96/00197 em nome da presente requerente. A exposição do pedido de patente depositado com o pedido internacional fica incorporada neste contexto a título de referência remissiva.

O processo está baseado no uso de um vaso de fusão direta 3.

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O vaso 3 é do tipo descrito em detalhes nos pedidos depatentes internacionais PCT/AU2004/000472 e PCT/AU2004/000473 no nome da presente requerente. A exposição dos relatórios de patentes depositados com estes pedidos de patentes fica incluída neste contexto por referência cruzada.

O vaso 3 é dotado de uma soleira 51 que inclui uma base e lados formados a partir de tijolos refratários, uma parede lateral 53 que forma um barril de uma maneira geral cilíndrico que se estende ascendentemente a partir dos lados da soleira e inclui uma seção de barril superior e uma seção de barril inferior, uma abóbada 55, um conduto de gás de descarga 9 em uma seção superior do vaso 3, uma ante-soleira 67 para descarregar continuamente metal fundido a partir do vaso 3, e uma tampa (não ilustrado) para descarregar escória fundida periodicamente a partir do vaso 3.

Em uso, o vaso contém um banho fundido de ferro e escória que inclui uma camada 15 de metal fundido e uma camada 16 de escória fundida na camada de metal 15. A seta assinalada pelo número 17 indica a posição da superfície de repouso da camada de metal 15 e a seta assinalada pelo número 19 indica a posição da superfície de repouso nominal da camada de escória 16. O termo superfície de repouso é compreendido como significando a superfície quando não ocorre injeção de gás e de materiais sólidos dentro do vaso. Tipicamente, a temperatura do banho fundido situa-se em uma faixa de 1400-1500°C.

O vaso 3 é equipado com uma lança de injeção de ar quente 7 refrigerada por meio de água (HAB) que se estende descendentemente, a qual se estende para dentro do espaço de topo do vaso 3 e uma pluralidade de lanças de injeção de sólidos 5 refrigeradas por meio de água que se

15/21 estendem descendentemente e para dentro através da parede lateral e dentro da escória. As lanças 5 estendem-se descendentemente e para dentro segundo um ângulo de 30-60° em relação à vertical através da parede lateral e dentro da camada de escória 16 no banho fundido. A posição das lanças 5 é selecionada de forma tal que as extremidades inferiores ficam dispostas acima da superfície de repouso 17 da camada de metal 15 do banho fundido.

Em uso, titanomagnetita e carvão e aditivos de escória arrastados em um gás carreador (tipicamente N₂) são injetados diretamente dentro do banho por meio das lanças de injeção de sólidos 5.

A quantidade de movimento linear dos materiais sólidos injetados e do gás carreador faz com que o material sólido e o gás penetrem na camada de metal 15. O carvão é desvolatilizado e desse modo produz volumes substanciais de gás na camada de metal 15. Carbono dissolve-se parcialmente no metal e permanece parcialmente na forma de carbono sólido. Os óxidos de ferro na titanomagnetita são reduzidos para metal fundido e a reação de redução gera monóxido de carbono. Os gases transportados para dentro da camada de metal 15 e gerados por intermédio da desvolatilização e da redução produzem elevação significativa de flutuabilidade de metal fundido, carbono sólido, material sólido que não reagiu na titanomagnetita (predominantemente TiO2), e a escória (arrastados para dentro da camada de metal 15 como uma conseqüência dos sólidos /gás /injeção) a partir da camada de metal 15 que gera um movimento ascendente dos respingos, gotículas e correntes de metal fundido e escória e titanomagnetita que não reagiu arrastada, e estes respingos, e gotículas, e correntes arrastam escória quando eles se movimentam através da camada de escória 16.

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A elevação flutuante do material descrito anteriormente provoca uma agitação substancial na camada de metal 15 e na camada de escória 16, com o resultado de que a camada de escória 16 expande-se no seu volume e tem uma superfície indicada por meio da seta 30. A extensão da agitação é tal que existe uma temperatura razoavelmente uniforme no metal e nas regiões de escória - tipicamente, 1400 -1550°C com uma variação de temperatura da ordem de 30° em cada região.

Além disso, o movimento ascendente do material

descrito anteriormente estende-se dentro	de	um espaço de
topo 31 do vaso 3 que se encontra acima	do	banho fundido
situado no vaso e:
(a) forma uma zona de transição	23;	e

(b) projeta algum material fundido (predominantemente escória) além da zona de transição e sobre a seção da parede lateral do vaso 3 que fica situada acima da zona de transição 23.

Em termos gerais, a camada de escória 16 é compreendida por um volume contínuo líquido, com material sólido e bolhas de gás, e a zona de transição 23 compreende um volume contínuo de gás com respingos, gotículas e correntes de metal fundido e escória. De uma forma alternativa, a camada de escória 16 pode ser descrita como uma pasta fluida de material sólido em uma fase líquida com uma dispersão de bolhas de gás na fase líquida.

A posição da lança de gás que contém oxigênio 7 e a taxa de fluxo de gás através da lança 7 são selecionadas de forma tal que o gás que contém oxigênio penetra na região central da zona de transição 23 e mantém um espaço essencialmente isento de metal e escória (não ilustrado) em torno da extremidade da lança 7. A lança 7 inclui um conjunto que faz com que o gás que contém oxigênio seja

17/21 injetado em um movimento de redemoinho dentro do vaso.

A injeção do gás que contém oxigênio por intermédio da lança 7 proporciona a pós-combustão dos gases de reação CO e H₂ na zona de transição 23 e no espaço livre em torno da extremidade da lança 7 e gera temperaturas elevadas da ordem de 2000°C ou mais altas no espaço de gás. O calor é transferido para os respingos, gotículas e correntes ascendentes e descentes de material a partir da camada de metal e o calor é então transferido de forma parcial para a camada de metal 15 quando o material cai no sentido descendente para a camada de metal 15.

A modalidade descrita do processo da invenção inclui controlar as condições do processo de forma tal que a escória fundida fica dentro de uma faixa de composição selecionada, de forma tal que a escória é compreendida por uma escória fundida, tal como descrita neste contexto, na faixa de temperaturas de operação de 1400 -1550°C do processo, com um potencial de oxigênio alto e uma viscosidade situada na faixa de 1-5 poise quando a temperatura da escória se encontra na faixa de 1400 -1550°C dentro do vaso 3.

O controle necessário das condições de processo pode ser obtido por meio de uma ou mais de uma gama de opções, que incluem, sendo que não se fica limitado às mesmas, controlar o teor de FeO da escória fundida para se conseguir o potencial de oxigênio alto requerido e controlar o teor de CaO da escória fundida para se conseguir a viscosidade requerida na faixa de 1-5 poise quando a temperatura da escória está situada na faixa de 1400 -1550°C no banho fundido dentro do vaso 3.

Mais particularmente, quando se utilize alimentação de titanomagnetita, o controle necessário das condições de processo incluem a seleção dos materiais de

18/21 alimentação e condições de operação de forma tal que a escória fundida é dotada dos seguintes constituintes na faixa estabelecida de 1400 -1550°C do banho fundido:

TiO₂: pelo menos 15%, em peso,

SiO₂: pelo menos 15%, em peso,

CaO: pelo menos 15%, em peso,

Al₂O₂: pelo menos 10%, em peso, e

FeO: pelo menos 3% em peso.

Quando se utilize o minério de ferro normal, a limitação da percentagem de TiO₂ na escória deve ser desconsiderada.

Com maior particularidade, o controle das condições de processo necessário incluem controlar a composição da escória e a temperatura de operação de forma tal que a escória fundida esteja na condição sub liquidus, de preferência levemente sub liquidus, para essa composição de escória na faixa estabelecida de 1400 -1550°C, de forma tal que uma fase de óxido sólido precipita-se a partir da escória líquida em uma quantidade de 5-25%, em volume, da escória. A escória fundida resultante é compreendida por uma pasta fluida de uma fase de óxido sólido em uma fase de escória líquida. A fase de óxido sólido precipitado contribui para controlar a viscosidade da escória fundida tal como requerida para a modalidade do processo descrito. Além disso, a escória fundida viscosa, é perfeitamente adequada para formar um revestimento de proteção nos refratários do vaso em contato com a escória.

A Figura 2 é um diagrama de fase terciária para três constituintes de escória principais de cálcia, alumina, e sílica de acordo com uma modalidade do processo de fusão direta da presente invenção. Com maior particularidade, o diagrama de fases focaliza dois constituintes de ganga principais de alumina e sílica e um

19/21 aditivo fundente, a saber, cálcia. 0 diagrama de fases foi proveniente do FactSage 6.1. O diagrama de fases ilustra o impacto da composição de escória nas fases da escória. Com particularidade, poderá ser determinado a partir da Figura

2 que se for requerida uma escória de viscosidade mais elevada (ou seja, pelo menos 2,5 poise), isto poderá ser obtido por meio do controle da composição da escória, por exemplo, por meio da ajustagem da adição de cálcia, e outras condições de processo para precipitar fase sólida de melita a partir da escória fundida.

A Figura 3 é um diagrama de fases pseudoterciárias para traçados de escória e liquidus de escória separados para duas seções marcadas do diagrama de fases para um material de alimentação de óxido de titânio alto em uma modalidade do processo de fusão direta da presente invenção. O diagrama de fases focaliza em (a) três constituintes de ganga principais, a saber alumina, magnésia, e sílica, (b) um aditivo fundente, a saber, cálcia, e (c) titânia. O diagrama de fases foi obtido a partir dos pesquisadores da University of Queensland. O diagrama de fases define uma janela de operação para composições de escória que proporcionam as viscosidades de escória requeridas de 1-5 poise para o processo. A Figura destaca duas seções do diagrama de fases e estas seções mostram a mudança significativa nas temperaturas de liquidus através das composições selecionadas. É particularmente evidente a partir destas seções o escopo considerável para precipitar as fases sólidas e desse modo alterar a viscosidade da escória quando a temperatura da escória está situada na faixa de 1400 -1550°C no banho fundido dentro do vaso 3.

Em termos mais generalizados, os aspectos de processo expostos em seguida, separadamente ou em

20/21 combinação, constituem parâmetros de controle relevantes do processo.

(a) Controlar o inventário da escória, ou seja, a profundidade da camada de escória e/ou a relação de escória/ metal (tipicamente a relação em peso do metal:escória ficar situada entre 3:1 e 1:1), para equilibrar o efeito positivo do metal na zona de transição 23 na transferência de calor com o efeito negativo de metal na zona de transição 23 na pós-combustão em decorrência das reações de volta na zona de transição 23. Se o inventário de escória for demasiadamente baixo a exposição do metal ao oxigênio é excessivamente elevada e existe um potencial reduzido para a pós-combustão. Por outro lado, se o inventário de escória for excessivamente alto, a lança 7 será enterrada na zona de transição 23 e ocorrerá arrastamento reduzido de gás dentro do espaço livre 25 e potencial reduzido para pós-combustão.

(b) Selecionar ã posição da lança 7 e controlar as taxas de injeção de gás que contém oxigênio e sólidos por intermédio da lança 7 e das lanças 5 para manter essencialmente isenta de metal/escória a região em torno da extremidade da lança 7 e para formar a zona de transição 23 em torno da seção inferior da lança 7.

(c) Controlar a perda de calor a partir do vaso por meio de respingamento das seções de parede lateral com escória do vaso 3 que estão em contacto com a zona de transição 23 ou estão situadas acima da zona de transição 23 por meio de um ou mais de:

(i) o inventário de escória; e (ii) a taxa de fluxo de injeção através da lança 7 e das lanças 5.

Muitas modificações podem ser realizadas na modalidade da presente invenção descrita anteriormente

21/21 neste contexto sem com isso se escapar do espírito e escopo da invenção.

A título de exemplo, muito embora a modalidade descrita anteriormente se relacione com o processo Hlsmelt, a presente invenção não fica a ele limitada e estende-se a qualquer processo de fusão direta baseado em banho fundido para produzir metal fundido a partir de um material de alimentação metalífero em um vaso de fusão direta que é dotado de uma forte fonte de banho/escória gerada pelo desprendimento de gás no banho fundido, com o desprendimento de gás sendo pelo menos parcialmente o resultado da desvolatílização de material carbonífero dentro do banho fundido. Por exemplo, o processo HIsarna constitui outro desses processos.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo de fusão direta que inclui o fornecimento de:

(a) um material metálico (b) um material de 5 alimentação carbonoso sólido, e (c) um gás contendo oxigênio a um recipiente de fusão direta contendo um banho de metal fundido e escória e fusão direta do material de alimentação metálico no recipiente e produzir saídas do processo de metal fundido, escória fundida e um gás de

10 escape, e o processo sendo caracterizado pelo controle das condições de processo, tal como aqui descrito, de modo que a escória fundida tem uma viscosidade em uma faixa de 0,5 a 5 poise em uma faixa de temperatura para o processo.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1,

15 caracterizado pelo fato de que a escória fundida é uma lama de um material sólido e uma fase líquida, e o material sólido é uma fase de óxido sólido na temperatura de escória no processo.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 2,

20 caracterizado pelo fato de que inclui o controle das condições do processo, controlando a composição de escória e a temperatura do banho em fusão para ser abaixo da temperatura de líquido da escória, de modo que a fase de óxido sólido precipite a partir de uma fase líquida da

25 escória fundida, controlando, assim, a viscosidade da escória.
4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que inclui o controle das condições de processo, de modo que o

30 material sólido na escória fundida seja pelo menos 5% da escória fundida.
5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que

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2/4 inclui o controle das condições de processo, de modo que o material sólido na escória fundida seja pelo menos 10% da escória fundida.
6. Processo, de acordo com qualquer uma das 5 reivindicações 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que inclui o controle das condições de processo, de modo que o material sólido na escória fundida seja menor do que 30% da escória fundida.
7. Processo, de acordo com qualquer uma das

10 reivindicações 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que inclui o controle das condições de processo, de modo que o material sólido na escória fundida seja 15 a 25% da escória fundida.
8. Processo, de acordo com qualquer uma das 15 reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o material de alimentação metálico é um material contendo ferro, tal como minério de ferro.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que inclui o controle das

20 condições do processo, de modo que a escória fundida tem uma viscosidade em uma faixa de 0,5 a 5 poise quando a

temperatura da escória está em uma faixa de 1400 a 1550 °C no vaso de fusão direta. 10. Processo, de acordo com qualquer uma das 25 reivindicações 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que

inclui o controle das condições de processo, controlando a relação entre as concentrações de ferro na escória para carbono no metal para ser inferior a 2:1, tipicamente inferior a 1,5:1, mais tipicamente de 1:1 a 1,3:1.

30 11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que inclui o controle das

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3/4 condições de processo, de modo que a escória fundida tenha um potencial elevado de oxigênio.

12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 11,

5 caracterizado pelo fato de que, quando o material de alimentação metálico é o material contendo ferro, o processo inclui o controle das condições de processo, de modo que o teor de FeO da escória fundida seja pelo menos 3% em peso, de modo que a escória fundida tenha um
10 potencial elevado de oxigênio.
13. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que inclui o controle das condições do processo, de modo que o teor de FeO da escória fundida seja pelo menos 4% em peso, de modo que a escória

15 fundida tenha um potencial elevado de oxigênio.
14. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que inclui o controle das condições do processo, de modo que o teor de FeO da escória fundida seja pelo menos 5% em peso, de modo que a escória

20 fundida tenha um potencial elevado de oxigênio.
15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que, quando o material de alimentação metálico é o material contendo ferro, o

25 processo inclui o controle das condições de processo, de modo que o teor de carbono da escória fundida seja pelo menos 3% em peso.
16. Processo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que inclui o controle das

30 condições de processo, de modo que o teor de carbono da escória fundida seja pelo menos 4% em peso.
17. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13,

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14, 15 ou 16, caracterizado pelo fato de inclui o controle das condições de processo, de modo que a viscosidade da escória fundida seja na faixa de 0,5 a 4 poise.
18. Processo, de acordo com a reivindicação 17, 5 caracterizado pelo fato de que inclui o controle das condições de processo, de modo que a viscosidade da escória fundida seja na faixa de 0,5 a 3 poise.
19. Processo, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que inclui o controle das

10 condições de processo, de modo que a viscosidade da escória

fundida seja superior a 2,5 poise. 20. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 ou 19, caracterizado pelo fato de que

15 inclui o controle do processo para a produção de agitação substancial do banho fundido.

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