BR112013015528B1 - Processo baseado em banho fundido para reduzir por meio direto material metalífero - Google Patents
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Abstract
processo de redução de minérios direta. a presente invenção refere-se a um processo baseado em banho fundido para reduzir por meio direto o material metalífero e para produzir metal fundido em um recipiente para redução de minérios direta que contém um banho fundido que tem uma camada de metal que tem pelo menos 900 mm de profundidade. o processo inclui selecionar os parâmetros de operação do processo para que o material de alimentação (material sólido e gás transportador) seja injetado por cima da camada de metal na camada de metal por meio de pelo menos uma lança de injeção de sólido com impulso suficiente para penetrar uma profundidade de pelo menos 100 mm abaixo de uma superfície quiescente nominal da camada de metal para ocasionar o movimento ascendente do material fundido e do gás a partir da camada de metal.
Description
[001] A presente invenção refere-se a um processo baseado em banho fundido para a redução de minérios direta de um material meta- lífero.
[002] Em particular, a presente invenção refere-se aos parâme tros exigidos para injetar material sólido em um banho fundido em um processo baseado em banho fundido para a redução de minérios direta de um material metalífero de acordo com a invenção.
[003] Um processo de redução de minérios direta conhecido para um material metalífero, que conta, principalmente, com um banho fundido como um meio de redução de minérios, e é geralmente referido como o processo HIsmelt, é descrito no pedido Internacional PCT/AU96/00197 (WO 96/31627) no nome do depositante.
[004] O processo HIsmelt, conforme descrito no pedido Internaci onal no contexto da redução de minérios direta de um material metalí- fero na forma de óxidos de ferro e de produzir ferro fundido inclui as etapas de: (a) formar um banho de ferro fundido e escória em um recipiente para redução de minérios direta; (b) injetar no banho: (i) material metalífero, tipicamente óxidos de ferro; e (ii) material carbonáceo sólido, tipicamente carvão, que age como um agente redutor dos óxidos de ferro e uma fonte de energia; e (c) reduzir o material metalífero para ferro no banho fundido.
[005] O termo "redução de minérios" é, no presente, entendido para significar o processamento térmico em que as reações químicas que reduzem os óxidos de metal ocorrem para produzir o metal fundi- do.
[006] O processo HIsmelt também inclui os gases de reação de pós-combustão, como CO e H2 liberados do banho, no espaço acima do banho com gás que contém oxigênio, tipicamente ar, e transferem o calor gerado pela pós-combustão para o banho para contribuir para a energia térmica exigida para reduzir os materiais metalíferos.
[007] O processo HIsmelt também inclui formar uma zona de transição acima da superfície quiescente nominal do banho em que há uma massa favorável de ascender e, consequentemente, descer gotí- culas ou borrifos ou correntes de metal fundido e/ou escória que fornecem um meio eficaz de transferir para o banho a energia térmica gerada pelos gases de reação de pós-combustão acima do banho.
[008] No processo HIsmelt o material metalífero e o material car- bonáceo sólido são injetados em um banho fundido através de inúmeraslanças de injeção de sólidos (às vezes referidas como "ventanei- ras") que são inclinadas para a vertical de modo a se estenderem para baixo e para dentro através de uma parede lateral de um recipiente para redução de minérios direta e para uma região inferior do recipiente de modo a liberar pelo menos parte do material sólido em uma camada de metal fundido no fundo do recipiente. Para promover a pós- combustão dos gases de reação em uma parte superior do recipiente, um sopro de ar quente, que pode ser enriquecido com oxigênio, é injetado em uma região superior do recipiente através de uma lança de injeção de ar quente que se estende para baixo. Os efluentes gasosos que resultam da pós-combustão de gases de reação no recipiente são levados da região superior do recipiente através de um duto de efluente gasoso. O recipiente inclui painéis resfriados por água com revestimento interno refratário na parede lateral e no teto do recipiente, e a água circula continuamente através dos painéis em um circuito contínuo.
[009] O processo HIsmelt possibilita que grandes quantidades de ferro fundido sejam produzidas por meio da redução de minérios direta de material metalífero em um banho fundido. Para possibilitar tais níveis de produção, grandes quantidades tanto do material metalífero quanto do material carbonáceo devem ser fornecidas ao recipiente.
[0010] A descrição acima não deve ser levada com uma admissão do conhecimento geral comum na Austrália ou em qualquer outro lugar.
[0011] O documento de patente US 6.989.042 no nome do deposi tante revela parâmetros para injetar materiais de alimentação (material sólido e gás transportador) em um banho fundido por meio de lanças de injeção de sólido no processo HIsmelt. Esses parâmetros incluem a velocidade de injeção, o diâmetro da lança, a orientação da lança e o fluxo de gás superficial da camada de metal como uma consequência da injeção de sólido.
[0012] Especificamente, a patente US define as etapas de um pro cesso de redução de minérios direta para produzir metais cujo termo inclui ligas metálicas de um material ferroso que inclui as etapas de: (a) formar um banho de metal fundido e escória fundida em um recipiente metalúrgico; (b) injetar materiais de alimentação que são material sólido e gás transportador no banho fundido em uma velocidade de pelo menos 40 m/s através de uma lança de injeção de sólido que se estende para baixo dotada de um tubo de liberação de diâmetro interno de 40 a 200 mm que se localiza de modo que um eixo geométrico central de uma extremidade de saída da lança esteja em um ângulo de 20 a 90 graus com um eixo geométrico horizontal e gerar um fluxo de gás superficial de pelo menos 0,04 Nm3/s/m2no banho fundido (em que m2 refere-se à área de uma seção transversal horizontal através do banho fundido) pelo menos em parte pelas reações do material injetado no banho que faz com que o metal fundido seja projetado para cima como borrifos, gotículas e correntes e formam uma zona de banho fundido expandida, sendo que o fluxo de gás e o material fundido projetado para cima ocasiona o movimento substancial do material no banho fundido e forte mistura do banho fundido, sendo que os materiais de alimentação são selecionados para que, em um sentido geral, as reações dos materiais de alimentação no banho fundido sejam endotérmi- cas; e (c) injetar um gás que contém oxigênio em uma região superior do recipiente por meio de pelo menos uma lança de injeção de gás oxigênio e gases combustíveis pós-combustão liberados do banho fundido, por meio do que ascender e, consequentemente, descer o material fundido na zona de banho fundido expandida facilita a transferência de calor para o banho fundido.
[0013] O depositante determinou que alcançar a extensão exigida de fluxo ascendente de material fundido da camada de metal é uma questão difícil à medida que o tamanho dos recipientes para redução de minérios direta aumenta. Em particular, em um recipiente com um diâmetro da soleira equivalente de 6 m ou mais, a exigência de mistura é significantemente mais difícil de alcançar do que é o caso com um recipiente menor com aproximadamente metade do diâmetro equivalente. Além do mais, o depositante determinou que alcançar a extensão desejada do fluxo ascendente de material fundido da camada de metal é decisivo para a operação estável e rentável do processo HIs- melt em maior escala.
[0014] O depositante percebeu que a extensão exigida do fluxo ascendente de material fundido pode ser alcançada ao selecionar os parâmetros de operação para o processo HIsmelt para que o material de alimentação (material sólido e gás transportador) para o processo tenha impulso suficiente para penetrar em uma profundidade de pelo menos 100 mm em uma camada de metal de um banho fundido que tem pelo menos 900 mm de profundidade.
[0015] O cálculo numérico para chegar a uma dada profundidade de penetração na camada de metal não é uma ciência exata. As diferentes profundidades de penetração podem ser calculadas (para as condições nominalmente iguais) usando diferentes suposições e métodos de cálculo. Para fins de clarificar o significado do termo "profundidade de penetração", adotou-se um método de cálculo padrão com base em um modelo da McMaster University no Canadá. Os detalhes deste modelo são dados no anexo, e o próprio modelo está livremente disponível. O termo "profundidade de penetração"conforme usado no presente é implicitamente definido como a profundidade de penetração calculada usando-se o modelo McMaster conforme descrito no anexo. Por isso, a referência de penetrar pelo menos 100 mm na camada de metal do banho fundido no parágrafo anterior significa uma profundidade de penetração de pelo menos 100 mm conforme calculada usan-do o modelo McMaster, conforme descrito no anexo.
[0016] A presente invenção fornece um processo baseado em ba nho fundido para reduzir por meio direto o material metalífero e para produzir metal fundido em um recipiente para redução de minérios direta que contém um banho fundido que tem uma camada de metal que tem pelo menos 900 mm de profundidade inclui selecionar os parâmetros de operação do processo para que o material de alimentação que inclui material sólido e gás transportador seja injetado por cima da camada de metal na camada de metal por meio de pelo menos uma lança de injeção de sólido com impulso suficiente para penetrar uma profundidade de pelo menos 100 mm abaixo de uma superfície quiescen- te nominal da camada de metal para ocasionar o movimento ascen-dente do material fundido e do gás a partir da camada de metal.
[0017] Os parâmetros de operação para o processo para fornecer material de alimentação com impulso suficiente podem incluir injetar material de alimentação com uma queda de pressão da lança de pelo menos 0,1 Mpa (1 bar) na lança ou nas lanças de injeção de sólido.
[0018] A queda de pressão da lança na lança ou lanças de injeção de sólido é uma medida da aceleração e, portanto, o impulso e/ou a velocidade do material de alimentação através da lança de injeção de sólido ou de cada lança de injeção de sólido.
[0019] O termo "queda de pressão da lança" é compreendido no presente para significa a queda de pressão de um ponto (A) a montante da lança e a "seção de aceleração"da lança (vide abaixo) em que a velocidade do gás é pelo menos um fator de 2 menor do que este na ponta da lança de saída para (B) a própria ponta da lança de saída. Em muitos casos a pressão no ponto (B) não está disponível (por exemplo, nenhum sensor de pressão nesta localização), mas em tais casos a pressão na ponta da lança pode ser razoavelmente calculada a partir da pressão acima do material fundido por meio da densidade da escória estimada e da profundidade de imersão da ponta da lança.
[0020] O termo "seção de aceleração" é entendido, no presente, para significar uma seção de uma lança na qual a velocidade do gás superficial do material de alimentação que passa através da seção muda por um fator de pelo menos dois de uma extremidade de entrada para uma extremidade de saída da seção.
[0021] A queda de pressão da lança pode ser pelo menos 0,15 MPa (1,5 bar) na lança ou lanças de injeção de sólido.
[0022] A queda de pressão da lança pode ser pelo menos 0,2 MPa (2 bar) na lança ou lanças de injeção de sólido.
[0023] A queda de pressão da lança pode ser pelo menos 0,3 MPa (3 bar) na lança ou lanças de injeção de sólido.
[0024] Os parâmetros de operação para o processo para fornecer material de alimentação com impulso suficiente podem incluir posicio- nar uma extremidade inferior da lança de injeção de sólido ou de cada lança de injeção de sólido tão próxima quanto possível de uma interface metálica/de escória.
[0025] Os parâmetros de operação para o processo para fornecer material de alimentação com impulso suficiente podem incluir selecionar os parâmetros de operação do processo, como a química da escória, para promover a formação de extensões de canos da lança ou lanças de injeção de sólido para, desse modo, minimizar a distância de percurso do material sólido injetado através da lança ou das lanças e, desse modo, facilitam o posicionamento da extremidade inferior da lança ou de cada lança de injeção de sólido tão próximo quanto possível da interface metálica/da escória.
[0026] Os parâmetros de operação para o processo para fornecer material de alimentação com impulso suficiente podem incluir uma velocidade de injeção de pelo menos 40 m/s para o material de alimentação injetado.
[0027] Os parâmetros de operação para o processo para fornecer material de alimentação com impulso suficiente podem incluir uma velocidade de injeção de pelo menos 50 m/s.
[0028] Os parâmetros de operação para o processo para fornecer material de alimentação com impulso suficiente podem incluir uma velocidade de injeção de pelo menos 60 m/s.
[0029] Os parâmetros de operação para o processo para fornecer material de alimentação com impulso suficiente podem incluir uma relação sólido/gás de material de alimentação de sólido injetado e gás transportado de pelo menos 10 kg de sólido por Nm3 de gás.
[0030] Os parâmetros de operação para o processo para fornecer material de alimentação com impulso suficiente podem incluir uma relação sólido/gás de material de alimentação de sólido injetado e gás transportado de pelo menos 15 kg de sólido por Nm3 de gás.
[0031] A lança ou as lanças de injeção de sólido podem ter um diâmetro interno de pelo menos 40 mm.
[0032] A lança ou as lanças de injeção de sólido podem ter um diâmetro interno de pelo menos 60 mm.
[0033] A lança ou as lanças de injeção de sólido podem ter um diâmetro interno de pelo menos 80 mm.
[0034] A lança ou as lanças de injeção de sólido podem ter um diâmetro interno de mais do que 200 mm.
[0035] O material de alimentação sólido pode ser um material car- bonáceo sólido apenas. O material carbonáceo sólido pode ser carvão.
[0036] O material de alimentação sólido pode ser um material car- bonáceo sólido e um fundente apenas.
[0037] O material de alimentação sólido pode ser um material de alimentação metalífero e um material carbonáceo sólido.
[0038] O material de alimentação sólido pode ser um material de alimentação metalífero, um material carbonáceo sólido, e um fundente.
[0039] O material de alimentação metalífero pode ser um material que contém ferro.
[0040] O material que contém ferro pode ser minério de ferro.
[0041] O minério de ferro pode estar na forma de finos.
[0042] O material de alimentação metalífero e o material carboná- ceo sólido podem ser injetados através da mesma lança ou lanças de injeção de sólido ou através de lanças de injeção de sólidos separadas.
[0043] O material de alimentação metalífero pode ser preaquecido.
[0044] O material de alimentação metalífero pode estar em tempe ratura ambiente.
[0045] O gás transportador pode ser um gás inerte, como nitrogê nio ou argônio.
[0046] A profundidade de penetração do material de alimentação na camada de metal pode ser pelo menos 150 mm.
[0047] A profundidade de penetração na camada de metal pode ser pelo menos 200 mm.
[0048] A profundidade de penetração na camada de metal pode ser pelo menos 300 mm.
[0049] A profundidade de penetração na camada de metal pode ser menos do que 500 mm.
[0050] A profundidade de penetração na camada de metal pode ser menos do que 400 mm.
[0051] A profundidade da camada de metal pode ser pelo menos 1 m.
[0052] A profundidade da camada de metal pode ser pelo menos 1,5 m.
[0053] A profundidade da camada de metal pode ser menos do que 2,5 m.
[0054] A lança ou as lanças de injeção de sólido podem ser dis postas para se estenderem para baixo no recipiente com um eixo geométrico central de uma extremidade de saída da lança ou das lanças em um ângulo de 20 a 90 graus com um eixo geométrico horizontal.
[0055] As lanças de injeção de sólidos podem incluir um par opos to de lanças de injeção de sólidos que são orientadas no recipiente e são dispostas de modo que a injeção de materiais de alimentação por meio das lanças forme colunas sobrepostas de material de alimentação injetado na camada de metal de banho fundido.
[0056] As lanças de injeção de sólidos podem incluir pelo menos um par de lanças de injeção opostas que se estendem para baixo e para dentro no banho fundido com eixos geométricos longitudinais das lanças intersectando em uma base do recipiente ou acima da base ou abaixo da base de modo que as colunas de material injetado das lanças se sobreponham em uma região central da camada de metal que é pelo menos 100 mm da superfície da camada de metal e há movimento ascendente de material fundido e gás da região central da camada de metal.
[0057] O termo "colunas de material injetado"é entendido no pre sente para descrever as correntes de (a) material de alimentação injetado e (b) produtos produzidos como um resultado de tal injeção no recipiente para redução de minérios direta por meio das lanças. Em situações em que o material de alimentação inclui material carbonáceo sólido, os produtos incluem, por meio de exemplo, voláteis liberados do material carbonáceo e produtos de reação como CO e CO2 e H2O.
[0058] O recipiente pode ter um diâmetro de pelo menos 6 m.
[0059] O recipiente pode ter um diâmetro de pelo menos 7 m.
[0060] A presente invenção é descrita adicionalmente por meio de exemplo com referência aos desenhos em anexo que ilustram um recipiente para redução de minérios direta que forma uma parte de uma plante que é particularmente adequada para ser usada para realizar o processo HIsmelt conforme descrito no pedido Internacional PCT/AU96/00197.
[0061] A modalidade do processo da presente invenção descrita daqui em diante com referência à Figura pode ser considerada como uma forma do processo HIsmelt conforme descrito no pedido Internacional.
[0062] A descrição seguinte está no contexto de reduzir o material metalífero na forma de finos de minério de ferro, tipicamente menos do que 6 mm, para produzir ferro fundido de acordo com o processo HIs- melt. No entanto, será observado que a presente invenção não está confinada ao minério de ferro e é aplicável à redução de qualquer material metalífero em qualquer forma do material. O minério é um exemplo de uma forma de material metalífero. A invenção também se estendeaté outras formas de material metalífero, inclusive, por meio de exemplo, minérios parcialmente reduzidos e correntes residuais que contêm metal.
[0063] Com referência à Figura, o recipiente 11 mostrada na Figu ra tem uma soleira para conter um banho fundido de ferro e escória que inclui uma base 12 e lados 13 formados de tijolos refratários, uma parede lateral 14, que forma um tambor geralmente cilíndrico que se estende para cima a partir dos lados 13 da soleira, e um teto 17. A parede lateral 14 e o teto 17 compreendem painéis resfriados por água (não mostrados) para transferir calor da parede lateral 14 e do teto 17. O resfriamento com água dos painéis é o mecanismo principal para controlar a temperatura da parede lateral 14 e do teto 17 e que garante que a temperatura não aumente para um nível que tenha um impacto na integridade da parede lateral 14 e do teto 15. O recipiente 11 é adicionalmente fornecido com um canal de distribuição 19, através da qual o ferro fundido é continuamente descarregado durante a redução de minérios, e um furo de corrida 21, através do qual a escória fundida é periodicamente descarregada durante a redução de minérios. O teto 17 é fornecido com uma saída 18 através da qual os efluentes gasosos do processo são descarregados.
[0064] No uso do recipiente 11 para reduzir finos de minério de ferro para produzir ferro fundido de acordo com uma modalidade do processo da presente invenção, o recipiente 11 contém um banho fundido de ferro e escória, que inclui uma camada 22 que é predominantemente ferro fundido e uma camada 23 que é predominantemente escória fundida na camada de ferro 22. A posição de uma superfície quiescente nominal da camada de ferro 22 é indicada pelo numeral 24. A posição de uma superfície quiescente nominal da camada de escória 23 é indicada pelo numeral 25. O termo "superfície quiescente"é entendido para significar que a superfície quando não há injeção de gás e sólido no recipiente 11. Nas condições de operação normais, o processo opera em uma faixa de pressões entre 0,05 MPa (0,5 barg) e 1,2 MPa (1,2 barg), e preferivelmente entre 0,6 e 0,1 MPa (1,0 barg).
[0065] O recipiente 11 é fornecido com uma pluralidade de lanças de injeção de sólidos 27 que se estendem para baixo e para dentro através de aberturas (não mostradas) na parede lateral 14 do recipiente e na camada de escória 23. As lanças podem ser descritas em mais detalhes na patente US 7445747 cedida ao depositante e a revelação na patente US é incorporada ao presente por meio de referência cruzada.
[0066] As lanças 27 têm um diâmetro interno de pelo menos 40 mm e são orientadas no recipiente para que as extremidades de saída 28 das lanças 27 estejam acima da superfície da camada de ferro 22 durante a operação do processo. Esta posição das lanças 27 reduz o risco de danos através do contato com o metal fundido e também torna possível resfriar as lanças por meio de resfriamento com água interno forçado sem risco significante de a água entrar em contato com o metal fundido no recipiente 11.
[0067] Preferivelmente, as extremidades de saída 28 das lanças 27 são posicionadas tão próximas quanto possível de uma interface metálica/de escória do banho fundido com relação às considerações de segurança para minimizar a distância de percurso e perda resultante de impulso de material sólido injetado na camada de metal.
[0068] As lanças 27 se estendem para baixo e para dentro do re cipiente 11, tipicamente em um ângulo de 45° com um eixo geométrico horizontal. As lanças 27 são orientadas no recipiente 11 para que os eixos geométricos longitudinais 81 das lanças 27 se intersectem na camada de ferro 22 em uma região central da camada de ferro 22.
[0069] No uso, em condições de operação normais, os materiais de alimentação sólidos na forma de finos de minério de ferro, o material carbonáceo sólido na forma de carvão, e os fundentes são coinjeta- dos através das extremidades de saída 28 das lanças 27 com um gás transportador na forma de nitrogênio com uma relação sólido/gás de material de alimentação sólido injetado e gás transportador de pelo menos 10 kg de sólido por Nm3 de gás, uma velocidade de injeção de pelo menos 40 m/s para materiais de alimentação sólidos injetados e gás transportador, e uma queda de pressão da lança de pelo menos 0,1 MPa (1 bar) nas lanças 27 no banho fundido. A queda de pressão da lança é a queda de pressão de (a) um ponto a montante de uma lança 27 e a "seção de aceleração"da lança em que a velocidade do gás é pelo menos um fator de 2 menor do que na ponta da lança de saída para (b) a própria ponta da lança de saída. Os materiais de ali mentação injetados formam colunas que se movem para baixo 71 de material que penetra na camada de metal 23 e se sobrepõem na região central da camada de metal. Esses parâmetros de operação fornecem aos materiais de alimentação injetados impulso suficiente e/ou velocidade para penetrar para baixo na camada de ferro 22 até uma profundidade de penetração de pelo menos 100 mm abaixo de uma superfície quiescente nominal 24 da camada de ferro 22 quando a camada de ferro 22 tem pelo menos 900 mm de profundidade, com a profundidade de penetração sendo calculada usando o modelo McMaster conforme descrito no anexo. O depositante descobriu que a injeção de materiais de alimentação nesses parâmetros de operação torna possível alcançar a extensão exigida de fluxo ascendente de material fundido para a operação estável e rentável do processo.
[0070] O carvão é desvolatizado e, desse modo, produz gás à me dida que ele se move para baixo no banho fundido. O carbono se dissolve parcialmente no metal e permanece parcialmente como carbono sólido. O minério de ferro é reduzido para metal e a reação de redução de minério gera gases de monóxido de carbono. Os gases transportados para a camada de ferro 22 e gerados por meio de desvolatilização e redução de minérios produzem sustentação por flutuação significan- te de material fundido (inclusive metal e escória) e carbono sólido e gás do banho fundido. A sustentação por flutuação gera um movimento ascendente de borrifos, gotículas e correntes de material fundido e gás para uma região superior 83, isto é, um espaço para gás superior, do recipiente. O movimento ascendente é mostrado na Figura como uma região identificada pelo numeral 69. A sustentação por flutuação também causa agitação substancial no banho fundido e, em efeito, expande o banho fundido. A extensão da agitação é tal que há forte mistura do material fundido no banho fundido até o ponto em que há a temperatura razoavelmente uniforme - tipicamente, 1450 a 1550°C com uma variação de temperatura da ordem de 50°C por todo o banho fundido. Além disso, o movimento ascendente de material fundido é suficiente para umedecer os painéis resfriados por água que formam a parede lateral 14 e o teto 17 do recipiente 11 para minimizar a perda de calor até um ponto em que a perda de calor através dos painéis é menos do que 3.000 kW/m2 do painel, mais preferivelmente menos do que 2.000 kW/m2 do painel e para causar agitação substancial.
[0071] Muitas modificações podem ser feitas na modalidade do processo da presente invenção descrita acima sem se separar do espírito e do escopo da invenção.
[0072] Por meio de exemplo, enquanto a Figura mostra um recipi ente 11 com uma pluralidade de lanças de injeção de sólidos 27, pode- se observar prontamente que a presente invenção se estende às disposições nas quais só há uma lança de injeção de sólido.
[0073] Além disso, enquanto a Figura mostra as lanças de injeção de sólidos 27 que se estendem para baixo e para dentro do recipiente 11 em um angulo de 45° com o eixo geométrico horizontal, a presente invenção não é tão limitada e se estende às disposições nas quais as lanças se estendem para baixo em qualquer ângulo adequado em uma faixa de 20 a 90° com o eixo geométrico horizontal.
[0074] Além disso, muito embora a modalidade inclua minério de coinjeção, carvão, e fundentes através das lanças de injeção de sólidos 27, a presente invenção não é tão limitada e se estende até injetar carvão e/ou fundentes apenas através das lanças 27, com o minério sendo fornecido por meio do topo do recipiente. Tal fornecimento de minério pelo topo pode incluir a injeção por meio de lanças que se estendem para baixo através de um teto ou uma transição interna e ascendentemente inclinada entre a parede lateral e o teto.
[0075] Além disso, muito embora a modalidade inclua injetar ar quente no recipiente, a presente invenção não é tão limitada e se estende a injetar oxigênio frio como o gás que contém oxigênio.
[0076] Calcular o quão longe uma corrente de sólido injetado mais gás transportador irá penetrar no metal e na escória não é passível de uma simples análise do primeiro princípio. Com relação a uma situação de injeção apenas de gás, a presença de sólido trás determinadas complicações e a análise se torna mais difícil. Várias suposições são possíveis e estas irão levar aos diferentes resultados. Para minimizar o impacto disto, é apropriado encontrar o "melhor método de cálculo disponível" e para padronizar o cálculo com esta base.
[0077] O modelo de injeção McMaster é amplamente aceito para esta finalidade. Ele originou-se na McMaster University no Canadá em meados dos anos de 1980, e a base cientifica fundamental (equações, suposições, etc.) foi amplamente difundida.
[0078] As referências públicas comumente citadas são: G A Irons e L R Farias, The Influence of Lance Orientation and Gas Evolution on Particle-Liquid Contact During Submerged Pow er Injection, Canadian Metallurgical Quarterly, Vol 25, N° 4, págs. 297 a 306, 1986 L R Farias e G A Irons, A Unified Approach to BubblingJetting Phenomena in Powder Injection into Iron and Steel, Metallurgical Transactions B, Volume 16B, junho de 1985, págs. 211 a 225 Irons, G.A., 1992. "Fundamental Aspects of Solids Injection for Bath Smelting", Savard/Lee International Symposium on Bath Smelting, 18 a 22 de outubro, Montreal, QC, The Metallurgical Society and The Iron and Steel Society of AIME, e CIM págs. 493 a 506
[0079] O trabalho original na McMaster University (por dois cole gas do curso de pós-doutorado, Drs. L R Farias e H Gou sob supervisão de Prof. G A Irons) usou um modelo Fortran para o processo de injeção para calcular o desempenho. É este código Fortran de McMaster original, traduzido em C# e recodificado em um ambiente do Windows (com teste rigoroso executado por G A Irons para garantir a fidelidade), que forma a base do modelo de injeção McMaster atual. Este é usado para representar a metodologia de cálculo com a "melhor prática". HIsmelt também estendeu o modelo para as condições relevantes para seu processo.
[0080] O objetivo é usar este modelo como uma ferramenta geral para calcular as distâncias de penetração de sólidos mais gás transportador no metal e na escória. Outros podem escolher repetir, por si próprios, esses cálculos (usando as mesmas inserções, metodologia e suposições), assim, chegando aos mesmos resultados. No entanto, para evitar a necessidade deste tipo de recálculo (que pode ser oneroso e trabalhoso), a invenção é tornar o software disponível (prontamente e isento de encargos) para qualquer parte interessada.
[0081] A Figura 1 deste Anexo mostra as entradas do modelo ne cessárias. A explicação de cada uma das entradas numeradas é mos- trada, e cinco dessas (entradas 32 a 36) exigem explicação
[0082] A entrada "Fator de Tempo de Aceleração" é um parâmetro que descreve o quão rápido os sólidos se aproximam de sua velocida-demáxima na corrente de gás. Para cada fração de tama- nho/densidade da partícula há uma velocidade máxima que correspondeà velocidade do gás menos a velocidade terminal daquele tipo de partícula (sozinha) no meio gasoso. Na prática, as partículas tendem a se agruparem e as distâncias de aceleração um tanto longas podem ser necessárias para chegar a esta velocidade máxima. O parâmetro "Fator de Tempo de Aceleração"permite que o usuário ajuste o grau de aceleração da partícula alcançado em uma dada distância (que usualmente é igual ao comprimento da lança, entrada 3). O cálculo para um tamanho/densidade da partícula individual é conforme segue:
[0083] Quanto maior o "Fator de Tempo de Aceleração", mais len tas as partículas são na ponta da lança. Para a finalidade deste cálculo, as definições do valor numérico do fator de tempo de aceleração são restritas à faixa 1 a 2.
[0084] Os sólidos injetados são, dependendo de sua natureza, ca pazes de reagir com metal e escória. Em particular, o carvão é capaz de se desvolatilizar e o minério de ferro é capaz de se reduzir (em metal que contém carbono) para gerar gás CO. É, portanto, possível que os sólidos de entrada, à medida que eles entram no metal, possam encontrar uma suspensão de gás-líquido (dos sólidos previamente injetados) em sua zona de "impacto" alvo. O modelo descreve isso ao permitir que o usuário acione (ou desacione ) uma opção para ter metal"borbulhante" na área alvo (caixa de seleção da entrada 33). Se esta opção estiver "acionada" (isto é, marcada), então, o modelo usa a porcentagem de porosidade (imediatamente especificada abaixo como entrada 34) para modificar a densidade do metal alvo de acordo com: • Densidade eficaz do metal = (densidade da entrada 11) x (1-(porcentagem de porosidade)/100)
[0085] O resultado é que a coluna penetra mais profundamente à medida que a porosidade da zona alvo aumenta. Para a redução de minérios direta, esta suposição é padronizada (conforme mostrada) em "Generate Gas Bubbles in Target Zone" marcado (ativado) e 50% de porosidade na zona alvo.
[0086] Às vezes, um usuário pode desejar especificar diretamente a velocidade média dos sólidos na ponta da lança. O modelo permite isso ao fornecer uma opção para desviar o cálculo da aceleração des-crito acima. Para usar esta opção o usuário precisa desmarcar a entrada 35 ("Usar Porcentagem de Autoaceleração") e especificar diretamente na entrada 36 (isto é, a caixa de texto imediatamente abaixo) qual porcentagem da velocidade do gás na ponta deve ser atribuída aos sólidos.
[0087] O uso padrão do modelo envolve usar a entrada 35 ativada (marcada) conforme mostrado, e permitir que o modelo calcule a por-centagemmédia da velocidade do gás na ponta que é alcançada pelos sólidos.
[0088] Os resultados do modelo para as condições da entrada mostradas na Figura 1 são dados na Figura 2 deste Anexo.
[0089] O parâmetro de saída chave é a "Penetração do Metal".
[0090] A "Penetração do Metal" é definida como a profundidade de penetração máxima calculada na camada de metal ao longo da linha central curvada da coluna de injeção (mostrada como uma linha preta no meio da coluna vermelha).
Claims (15)
1. Processo baseado em banho fundido para reduzir por meio direto material metalífero e para produzir metal fundido em um recipiente (11) para redução direta de minérios que contém um banho fundido que tem uma camada de metal (22) que tem pelo menos 900 mm de profundidade, caracterizado pelo fato de que o processo inclui selecionar parâmetros de operação incluindo injetar um material de alimentação com uma queda de pressão da lança de ao menos 0,1 MPa (1 bar), uma velocidade de injeção de material de alimentação injetado de ao menos 40 m/s, e uma relação de sólidos/gás de um material de alimentação sólido injetado e um gás transportador de ao menos 10kg de sólidos por N.m3de gás, para que o material de alimentação que inclui o material de alimentação sólido e o gás transportador seja injetado por cima da camada de metal (22) na camada de metal (22) por meio de pelo menos uma lança de injeção de sólido (27) com impulso suficiente para penetrar até uma profundidade de pelo menos 100 mm abaixo de uma superfície quiescente nominal (24) da camada de metal (22), conforme calculado utilizando um modelo de injeção McMaster, para ocasionar o movimento ascendente de material fundido (23) e do gás a partir da camada de metal (22).
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que injetar o material de alimentação com a queda de pressão da lança de pelo menos 0,15 MPa (1,5 bar) na lança ou nas lanças de injeção de sólido (27).
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que injetar o material de alimentação com a queda de pressão da lança de pelo menos 0,2 MPa (2 bar) na lança ou nas lanças de injeção de sólido (27).
4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que os parâmetros de operação incluem posicionar uma extremidade inferior da lança ou das lanças de injeção de sólido (27) tão próxima quanto possível de uma interface metálica/de escória (24).
5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a velocidade de injeção do material de alimentação injetado é pelo menos 50 m/s.
6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a relação sólido/gás de material de alimentação injetado e gás transportador é pelo menos 15 kg de sólido por Nm3de gás.
7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o material de alimentação sólido inclui um material de alimentação metalífero e um material carbonáceo sólido.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o material de alimentação metalífero inclui um material que contém ferro.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que o material carbonáceo sólido inclui carvão.
10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a profundidade de penetração de material de alimentação na camada de metal (22) é pelo menos 150 mm.
11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a profundidade de penetração de material de alimentação na camada de metal (22) é pelo menos 1 m.
12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a lança ou as lanças de injeção de sólido (27) são dispostas para se estenderem de modo descendente no recipiente com um eixo geométrico central (81) de uma extremidade de saída (28) da lança ou das lanças (27) em um ângulo de 20 a 90 graus com um eixo geométrico horizontal.
13. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que as lanças de injeção de sólidos (27) incluem um par oposto de lanças de injeção de sólidos (27) que são orientadas no recipiente e são dispostas para que a injeção de materiais de alimentação por meio das lanças (27) forme colunas sobrepostas (71) de material de alimentação injetado na camada de metal (22) do banho fundido.
14. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que as lanças de injeção de sólidos (27) incluem pelo menos um par de lanças de injeção (27) opostas que se estendem de modo descendente e para dentro no banho fundido com eixos geométricos longitudinais (81) das lanças (27) intersectando em uma base do recipiente ou acima da base ou abaixo da base de modo que colunas (71) de material injetado das lanças (27) se sobreponham em uma região central da camada de metal (22) que é pelo menos 100 mm da superfície da camada de metal (22) e há movimento ascendente de material fundido e gás da região central da camada de metal (22).
15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o recipiente (11) tem um diâmetro de pelo menos 6 m.
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