BR112014013493B1 - Método de iniciação de um processo de redução à base de banho de material fundido para reduzir um material de alimentação metalífero em um aparelho de redução - Google Patents

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Abstract

resumo patente de invenção: "iniciação de um processo de fundição". a presente invenção refere-se a um método de iniciação de um processo de fundição à base de banho de material fundido que inclui começar o abastecimento de gás contendo oxigênio frio e material carbonáceo frio em uma câmara principal de um vaso de fundição dentro de no máximo 3 horas após a conclusão de uma carga de metal quente no vaso e inflamar o material carbonáceo e aquecer a câmara principal e o metal fundido na câmara principal.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO DE INICIAÇÃO DE UM PROCESSO DE REDUÇÃO À BASE DE BANHO DE MATERIAL FUNDIDO PARA REDUZIR UM MATERIAL DE ALIMENTAÇÃO METALÍFERO EM UM APARELHO DE REDUÇÃO.
CAMPO DA TÉCNICA [001] A presente invenção refere-se a um método de iniciação de um processo para reduzir um material metalífero.
[002] Compreende-se que o termo material metalífero no presente documento inclui material de alimentação sólido e material de alimentação fundido. O termo também incluir dentro de seu escopo material metalífero parcialmente reduzido.
TÉCNICA ANTERIOR [003] A presente invenção refere-se particularmente, embora não exclusivamente, a um método de iniciação de um processo de redução à base de banho de material fundido para reduzir metal fundido a partir de um material de alimentação metalífero em um vaso de redução que tem uma fonte de escória/banho forte gerada pela emissão de gás no banho de material fundido, sendo que a emissão de gás é pelo menos parcialmente o resultado da desvolatização do material carbonáceo no banho de material fundido.
[004] Em particular, embora não exclusivamente, a presente invenção se refere a um método de iniciação de um processo para reduzir um material que contém ferro, como um minério de ferro, e produzir ferro.
[005] A presente invenção refere-se particularmente, embora não exclusivamente, a um método de iniciação de um processo de redução em um vaso de redução que inclui uma câmara principal para reduzir material metalífero.
[006] Um processo de redução à base de banho de material fun
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2/21 dido conhecido, geralmente denominados o processo Hlsmelt, é descrito em uma quantidade considerável de patentes e pedidos de patente no nome do requerente.
[007] Outro processo de redução à base de banho de material fundido, doravante denominado processo HIsarna, é descrito no pedido internacional PCT/AU99/00884 (WO 00/022176) no nome do requerente.
[008] O processo HIsmelt e o processo HIsarna são associados particularmente à produção de ferro fundido a partir de minério de ferro ou outro material que contém ferro.
[009] O processo HIsarna é executado em um aparelho de redução que inclui (a) um vaso de redução que inclui uma câmara de redução principal e lanças para injetar os materiais de alimentação sólidos e gás contendo oxigênio no interior da câmara principal e é adaptada para conter um banho de metal fundido e escória e (b) um ciclone para redução para pré-tratar um material de alimentação metalífero que está posicionado acima e se comunica diretamente com o vaso de redução.
[0010] Compreende-se no presente documento que o termo ciclone para redução significa um vaso que tipicamente define uma câmara cilíndrica vertical e é construída de modo que os materiais de alimentação fornecidos à câmara se movam em um trajeto ao redor de um eixo geométrico central vertical da câmara e pode suportar temperaturas de operação altas o suficiente para reduzir pelo menos parcialmente os materiais de alimentação metalíferos.
[0011] Em uma forma do processo HIsarna, um material de alimentação carbonáceo (tipicamente carvão) e opcionalmente fundente (tipicamente calcário calcinado) são injetados no interior de um banho de material fundido na câmara principal do vaso de redução. O material carbonáceo é fornecido como uma fonte de um redutor e uma fonte
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3/21 de energia. O material de alimentação metalífero, como minério de ferro, opcionalmente mesclado com fundente, é injetado e aquecido e parcialmente fundido e parcialmente reduzido no ciclone para redução. Esse material metalífero parcialmente reduzido e fundido flui para baixo a partir do ciclone para redução no banho de material fundido no vaso de redução e é fundido para metal fundido no banho. Os gases de reação quentes (tipicamente CO, CO2, H2, e H2O) produzidos no banho de material fundido são parcialmente queimados por gás que contém oxigênio (tipicamente oxigênio de grau técnico) em uma parte superior da câmara principal. O calor gerado pela pós-combustão é transferido para gotículas fundidas na seção superior que cai retorna para o banho de material fundido para manter a temperatura do banho. Os gases de reação parcialmente queimados quentes fluem para cima a partir da câmara principal e entram no fundo do ciclone para redução. O gás contendo oxigênio (tipicamente oxigênio de grau técnico) é injetado no ciclone para redução por meio de tubeiras que são dispostas de tal forma com a finalidade de gerar um padrão de redemoinho ciclônico em um plano horizontal, isto é, sobre um eixo geométrico central vertical da câmara do ciclone para redução. Essa injeção de gás contendo oxigênio leva à combustão adicional dos gases de vaso de redução, resultando em chamas muito quentes (ciclônicas). O material de alimentação metalífero de entrada finamente dividido é injetado pneumaticamente nessas chamas por meio de tubeiras no ciclone para redução, resultando em aquecimento rápido e redução parcial acompanhada de redução parcial (aproximadamente 10 a 20% de redução). A redução acontece devido tanto à decomposição térmica da hematita quanto à ação de redução do CO/H2 nos gases de redução da câmara principal. O material de alimentação metalífero parcialmente fundido quente é lançado para fora nas paredes do ciclone para redução pela ação de redemoinho ciclônico e, conforme descrito acima,
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4/21 flui para baixo no vaso de redução abaixo para reduzir na câmara principal daquele vaso.
[0012] O efeito líquido da forma descrita acima do processo HIsarna é um processo de contracorrente de duas etapas. O material de alimentação metalífero é aquecido e parcialmente reduzido por gases de redução de saída forma o vaso de redução (com adição de gás contendo oxigênio) e flui para baixo para o vaso de redução e é fundido para ferro fundido no vaso de redução. Em um sentido geral, Essa disposição de contracorrente aumenta a produtividade e eficácia de energia.
[0013] A descrição acima não deve ser tomada como uma admissão do conhecimento geral comum na Austrália ou em outro lugar.
[0014] O requerente propôs que o processo HIsarna e uma versão de oxigênio soprado do processo HIsmelt sejam iniciados em um vaso de redução alimentando-se metal quente (de uma fonte externa) no interior da câmara principal do vaso por meio do cadinho do vaso, começando a abastecer gás contendo oxigênio (tipicamente, oxigênio de grau técnico) e material carbonáceo sólido (tipicamente carvão) e gerando calor na câmara principal. O método de iniciação quente gera calor por meio de ignição espontânea do material combustível na câmara principal. O requerente propôs que essa etapa inicial no método de iniciação quente seja seguida pela adição de agentes formadores de escória e, posteriormente, pela adição de material de alimentação metalífero (como material ferruginoso como minério de ferro) no interior da câmara principal.
[0015] Nos testes de fábrica-piloto do processo HIsarna que foram baseados em oxigênio de grau técnico frio como o gás contendo oxigênio, carvão como o material carbonáceo sólido e finos de minério de ferro como o material metalífero, o requerente observou que essa iniciação pode falhar sob determinadas condições. Permitindo-se inad
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5/21 vertidamente que um período de tempo longo passe entre o carregamento de metal quente e a admissão de oxigênio/carvão no interior da câmara principal do vaso de redução, observou-se que ignição de carvão-oxigênio poderia falhar apesar do fato de que o metal quente novo tinha sido vertido recentemente no interior da câmara principal. Isso levou a uma mistura não queimada de carvão e oxigênio que deixa o vaso de redução, e isso por sua vez acionou uma explosão de poeira de carvão em uma caldeira de calor residual a jusante.
[0016] O requerente acredita que esse tipo de situação deve ser evitado visto que pode levar a ferimentos graves e/ou danos ao equipamento. Como uma consequência dessa iniciação falha, o requerente instalou subsequentemente uma câmera no vaso de redução para observar diretamente o que estava causando a falha de ignição.
[0017] Imagens de vídeo mostraram que, quando o metal quente é vertido no interior da câmara principal do vaso de redução, existem fagulhas espontâneas e respingos pequenos do metal quente têm a capacidade de inflamar, com facilidade, uma mistura de oxigêniocarvão fria na câmara principal. Entretanto, conforme o tempo passa, uma camada fina de escória se acumula na superfície de metal quente, e a atividade de respingo de metal quente gradualmente termina. Eventualmente, o metal se torna completamente coberto com uma crosta de escória, e a atividade de respingo de metal para. Se oxigênio e carvão forem alimentados sob essas condições, acredita-se que a ignição pode falhar.
[0018] Acredita-se que a escória se origina de duas fontes: (1) escória deixada na câmara principal do vaso de redução de operações anteriores, como campanhas de redução anteriores, e (2) oxidação de determinada espécie de metal (particularmente silício) em metal quente. O grau para o qual o anterior ocorre é uma função de quanto silício está presente no metal de carga e, nos casos em que silício é aumen
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6/21 tado deliberadamente como parte da iniciação, esse efeito é intensificado. A conclusão prática importante é que uma camada de escória pode sempre se formar, e um método de iniciação seguro deve acomodar essa possibilidade.
[0019] A formação de camada de escória é uma função da geometria de vaso, composição/temperatura de metal de carga e condição de vaso (por exemplo, espessura de camadas de congelamento existentes em paredes laterais dos vasos). Quando o metal quente é vertido em uma câmara principal de um vaso de redução, existe uma perda imediata de calor por radiação da superfície de banho relativamente quiescente para as paredes laterais da câmara principal que estão acima do metal quente. Essas paredes laterais podem ser paredes refratárias. No caso do vaso de redução de interesse particular para o requerente, as paredes laterais incluem painéis resfriados por água. O metal, em virtude de ter uma densidade alta e uma viscosidade relativamente baixa sob essas condições, tende a circular dentro de si mesmo. Isso suprime qualquer tendência inicial para formar uma crosta uniforme solidificada ou altamente viscosa através de sua superfície de topo. A escória, por outro lado, tende a flutuar como uma camada uniforme parcialmente uniforme sobre o metal. Conforme perde calor por radiação, sua viscosidade aumenta e se torna pegajosa. Sob essas condições uma crosta de escória de isolamento (na realidade um cobertor isolante) é formada efetivamente sobre o metal quente. Isso é considerado pela requerente como o mecanismo chave associado à capacidade da escória de comprometer a ignição de oxigênio-carvão sob condições de iniciação. Esse é um mecanismo relacionado ao tempo.
[0020] Compreender a escala de tempo associada à formação dessa crosta de escória é crítico para a operação de fábrica segura. Para a fábrica-piloto descrita no presente documento, o diâmetro de
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7/21 banho (metal) era cerca de 2,6 m e o espaço superior foi definido por painéis completamente resfriados por água nas paredes laterais e no teto do vaso de redução. Uma camada refratária jateada/lançada provisória (de sacrifício) estava presente sobre os painéis de água no momento. No teste envolvendo a iniciação falha (levando à explosão de poeira de carvão), o metal foi carregado na câmara principal do vaso e 7 tentativas separadas foram feitas para iniciar o processo adicionando-se oxigênio e carvão à câmara principal. Dentre esses, 6 foram feitos dentro das primeiras 2 horas após o carregamento, e todas as vezes foi possível mostrar que a ignição realmente aconteceu (a partir dos dados de composição de gás e carga de calor de painel de água), mas a tentativa de iniciação falhou subsequentemente por razões não relacionadas à ignição. A 7a (e última) tentativa foi feita em aproximadamente 2,5 horas após a conclusão da carga de metal quente. É essa tentativa que levou à falha de ignição final e à explosão de poeira de carvão resultante.
[0021] Para essa instalação de redução particular, parece haver uma janela de tempo de ignição segura de cerca de 1 a 2 horas após a conclusão do carregamento de metal quente (durante o qual a ignição espontânea de oxigênio e carvão pode ser assegurada de forma razoável). Além disso, a ignição segura não é assegurada e um método de iniciação fria alternativo precisa ser seguido. O método de iniciação fria é descrito em um pedido internacional cooptado (companion International application) intitulado Starting a Smelting Process depositado no nome do requerente no mesmo dia que o pedido internacional para a presente invenção.
[0022] A tradução dessa janela de tempo específica para outras instalações deve ser realizada com cuidado, dando a devida atenção aos fatores discutidos acima (geometria de vaso, condições de metal de carga, etc.).
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SUMÁRIO DA DESCRIÇÃO [0023] O método de iniciação de um processo de redução da presente invenção é aplicável à iniciação de qualquer processo de redução à base de banho de material fundido quando uma carga de metal quente nova foi adicionada como parte da iniciação a partir de uma condição de vaso vazio.
[0024] De acordo com a presente invenção é fornecido um método de iniciação de um processo de redução à base de banho de material fundido para reduzir um material de alimentação metalífero em um aparelho de redução, sendo que o aparelho inclui um vaso de redução que inclui uma câmara principal para conter um banho de material fundido, um cadinho para descarregar o metal fundido da câmara principal durante uma campanha de redução, e uma conexão de cadinho que conecta a câmara principal e o cadinho, e em que o método inclui as etapas de:
[0025] (a) pré-aquecer a câmara principal, o cadinho, e a conexão de cadinho;
[0026] (b) verter uma carga de metal quente no interior da câmara principal por meio do cadinho;
[0027] (c) começar a abastecer gás contendo oxigênio frio e material carbonáceo frio no interior da câmara principal dentro de no máximo 3 horas após concluir a carga de metal quente e inflamar o material carbonáceo e aquecer a câmara principal e o metal fundido na câmara principal;
[0028] (d) continuar a abastecer gás contendo oxigênio e material carbonáceo no interior da câmara principal e queimar o material carbonáceo e aquecer a câmara principal e o metal fundido na câmara principal durante um período de pelo menos 10 minutos; e [0029] (e) começar a alimentar um material metalífero no interior da câmara principal a fim de iniciar a produção de metal.
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9/21 [0030] A título de explicação da seleção de um limite de tempo de ignição superior de 3 horas na etapa (c), conforme é descrito acima, o limite de tempo superior de 2 horas para ignição segura surgindo dos testes de fábrica-piloto estava sujeito a vários fatores associados ao tamanho e condições de operação da fábrica-piloto. Levando em conta esses fatores para a fábrica-piloto e tendo em conta os fatores que são relevantes para outras instalações de redução à base de banho de material fundido, o requerente concluiu que sob condições além daquelas usadas na fábrica-piloto esse período de tempo para ignição segura poderia expandir para no máximo 3 horas em outras instalações de redução.
[0031] O termo frio no contexto de gás contendo oxigênio é compreendido no presente documento como significando frio no sentido de que o gás está em uma temperatura abaixo daquela requerida para ignição espontânea do material carbonáceo e da mistura de gás contendo oxigênio (isto é, abaixo de cerca de 700 a 800 °C no caso de uma mistura de carvão-oxigênio).
[0032] O termo frio no contexto de material carbonáceo é compreendido no presente documento como significando material sólido abaixo de 150°C.
[0033] O método pode incluir verificar a ignição do gás contendo oxigênio e material carbonáceo na câmara principal. A verificação pode ser feita por meio de cargas e calor de painel de água e/ou um sistema de análise de gás em linha para o aparelho de redução e/ou observação direta com o uso de uma câmera ou uma abertura adequada no vaso (se as condições de processo permitirem isso).
[0034] A etapa (a) pode incluir pré-aquecer um forno do vaso, o cadinho, e a conexão de cadinho, por exemplo, com o uso de um gás combustível adequado, de modo que uma temperatura de superfície média do forno, do cadinho, e da conexão de cadinho esteja acima de
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1.000 °C, de preferência acima de 1.200 °C.
[0035] A carga de metal fundido na etapa (b) pode incluir múltiplas panelas para redução individuais de metal quente.
[0036] A etapa (b) pode incluir selecionar a quantidade da carga de metal quente no interior da câmara principal por meio do cadinho de modo que o nível de metal na câmara principal esteja pelo menos 100 mm acima do topo da conexão de cadinho.
[0037] A etapa (b) pode incluir selecionar a quantidade da carga de metal quente no interior da câmara principal por meio do cadinho de modo que o nível de metal na câmara principal esteja pelo menos 200 mm acima do topo da conexão de cadinho.
[0038] A etapa (c) pode incluir começar a abastecer gás contendo oxigênio e material carbonáceo no interior da câmara principal dentro de 2 horas após a conclusão da carga de metal quente no interior da câmara principal.
[0039] A etapa (c) pode incluir começar a abastecer gás contendo oxigênio e material carbonáceo no interior da câmara hour principal dentro de 1 hora após a conclusão da carga de metal quente no interior da câmara principal.
[0040] A etapa (c) pode incluir começar a abastecer material carbonáceo de carvão no interior antes de começar a abastecer gás contendo oxigênio no interior da câmara principal.
[0041] A etapa (c) pode incluir começar a abastecer material carbonáceo de carvão e gás contendo oxigênio no interior da câmara principal ao mesmo tempo.
[0042] A etapa (c) pode incluir começar a abastecer gás contendo oxigênio no interior antes de começar a abastecer material carbonáceo de carvão no interior da câmara principal.
[0043] A etapa (c) pode incluir selecionar a razão de material carbonáceo sólido e gás contendo oxigênio para assegurar a combustão
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11/21 completa do material carbonáceo sólido.
[0044] A etapa (d) pode incluir aumentar a razão de material carbonáceo sólido e gás contendo oxigênio.
[0045] A etapa (d) pode incluir aquecer a câmara principal durante um período de 30 a 60 minutos queimando-se o material carbonáceo e gás contendo oxigênio na câmara principal.
[0046] As taxas de alimentação iniciais de gás contendo oxigênio e material carbonáceo no interior da câmara principal na etapa (c) acima são, de preferência, calculadas de modo que haja oxigênio suficiente para queimar completamente o material carbonáceo. Isso é geralmente consistente com a geração de calor máximo e maior probabilidade de alcançar uma boa ignição.
[0047] Uma vez que essa etapa de ignição inicial (c) foi concluída, as taxas de gás contendo oxigênio e material carbonáceo são preferencialmente ajustadas na etapa (d) a partir das taxas de etapa (c) de modo que haja aproximadamente metade, de preferência pelo menos 40% da quantidade de oxigênio para a combustão completa do material carbonáceo. Isso leva o potencial de oxigênio da câmara principal aproximadamente em sua faixa normal para reduzir e evita a oxidação excessiva de materiais fundidos.
[0048] O método pode incluir, após a etapa (d) e antes da etapa (e), alimentar escória ou agentes formados de escória no interior da câmara principal a fim de estabelecer um inventário de escória adequado para reduzir o material metalífero na câmara principal.
[0049] O vaso de redução pode incluir um forno revestido refratário.
[0050] O cadinho pode ser um cadinho revestido refratário.
[0051] O vaso de redução pode incluir paredes laterais parcialmente resfriadas por água que definem um espaço superior da câmara principal do vaso.
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12/21 [0052] O vaso de redução pode incluir lanças/tubeiras para injetar material carbonáceo no interior do banho na câmara principal do vaso. [0053] O vaso de redução pode incluir lanças/tubeiras para injetar gás contendo oxigênio no espaço superior da câmara principal do vaso.
[0054] O aparelho pode incluir (i) o vaso de redução descrito acima que é adaptado para conter um banho de metal fundido e (ii) um ciclone para redução que é posicionado acima e se comunica com o vaso de redução. Naquele evento, a etapa (e) pode incluir começar a abastecer material de alimentação metalífero e gás contendo oxigênio adicional no interior do ciclone para redução e gerar um fluxo giratório do material no ciclone e queimar gás combustível que fluir para cima no interior do ciclone a partir do vaso e reduzir e reduzir parcialmente o material de alimentação metalífero no ciclone, enquanto que o material de alimentação metalífero fundido parcialmente reduzido flui para baixo a partir do ciclone no interior do banho de material fundido de metal e escória na câmara principal do vaso de redução e é fundido para metal fundido no banho.
[0055] O método da presente invenção é aplicável a um aparelho de redução à base de banho de material fundido que inclui (a) um vaso de redução que tem uma câmara principal que é adaptada para conter o banho de metal fundido e escória, (b) lanças ou outro meio adequado para abastecer o material carbonáceo no interior do banho, (c) lanças ou outro meio adequado para o gás contendo oxigênio no interior do banho (d) lanças ou outro meio adequado para abastecer o material metalífero no interior do banho, direta ou indiretamente por meio de um ciclone para redução, e (e) pelo menos 40%, tipicamente pelo menos 50%, da região de parede do vaso de redução acima do banho que é coberta por painéis resfriados por água com camadas de escória congeladas.
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13/21 [0056] Sob condições de operação normal, o processo de redução à base de banho de material fundido inclui as etapas de:
[0057] (a) abastecer material carbonáceo e material metalífero (que pode ser sólido ou fundido) no interior do banho de material fundido e gerar gás de reação e reduzir material metalífero e produzir metal fundido no banho, [0058] (b) abastecer gás contendo oxigênio no interior da câmara principal para a combustão de banho acima do gás combustível liberado do banho e gerar calor para reações de redução em banho, sendo que o gás contendo oxigênio é tipicamente oxigênio de grau técnico que é frio no sentido de que está em uma temperatura significativamente abaixo daquela requerida para a ignição segura de uma mistura de carvão-oxigênio (isto é, abaixo de cerca de 700 a 800 °C); e [0059] (c) produzir um movimento para cima significativo do material fundido a partir do banho por afloramento de gás a fim de criar gotículas transportadoras de calor e respingos de material fundido que são aquecidos quando projetados na região de combustão no espaço superior da câmara principal e posteriormente retornam para o banho, enquanto que as gotículas e respingos transportam calor para baixo no interior do banho em que é usado para reduzir o material metalífero.
[0060] O gás contendo oxigênio pode ser ar, oxigênio, ou ar enriquecido com oxigênio.
[0061] De acordo com a presente invenção é fornecido um método de iniciação de um processo de redução à base de banho de material fundido para reduzir um material de alimentação metalífero em um aparelho de redução, sendo que o aparelho inclui um vaso de redução que inclui uma câmara principal para conter um banho de material fundido, um cadinho para descarregar o metal fundido da câmara principal durante uma campanha de redução, e uma conexão de cadinho que conecta a câmara principal e o cadinho, e em que o método inclui
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14/21 as etapas de:
[0062] (a) pré-aquecer a câmara principal, o cadinho, e a conexão de cadinho;
[0063] (b) verter uma carga de metal quente no interior da câmara principal por meio do cadinho;
[0064] (c) começar a abastecer gás contendo oxigênio frio e material carbonáceo frio no interior da câmara principal e inflamar o material carbonáceo e aquecer a câmara principal e o metal fundido na câmara principal dentro de um período de tempo antes de uma cada isolante de escória em crosta se forma sobre a carga de metal até um ponto em que envia que o metal fundido inflame o material carbonáceo;
[0065] (d) continuar a abastecer gás contendo oxigênio e material carbonáceo no interior da câmara principal e queimar o material carbonáceo e gás contendo oxigênio e aquecer a câmara principal e o metal fundido na câmara principal durante um período de pelo menos 10 minutos; e [0066] (e) começar a alimentar um material metalífero no interior da câmara principal a fim de iniciar a produção de metal.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0067] Uma modalidade de um método de iniciação de um processo de redução em um vaso de redução de acordo com a presente invenção é descrita com referência aos desenhos anexos, dos quais: [0068] a Figura 1 é uma vista diagramática de um aparelho HIsarna para reduzir um material metalífero e produzir metal fundido de acordo com uma modalidade do processo HIsarna;
[0069] a Figura 2 é uma vista em corte transversal ampliada do vaso de redução mostrado na Figura 1 que ilustra a condição do vaso de redução logo após abastecer uma carga de metal fundido no interior de uma câmara principal de um vaso de redução do aparelho mostrado na Figura 1 e existe a formação de camada em crosta sobre o
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15/21 metal fundido e camadas de escória fundida no vaso.
DESCRIÇÃO DA(S) MODALIDADE(S) [0070] O processo HIsarna funde o material de alimentação metalífero e produz saídas de processo de metal fundido, escória fundida, e um efluente gasoso. A seguinte descrição do processo HIsarna está no contexto da redução de material metalífero na forma de minério de ferro. A presente invenção não é limitada a esse tipo de material metalífero.
[0071] O aparelho HIsarna mostrado na Figura 1 inclui um ciclone para redução 2 e um vaso de redução à base de banho de material fundido 4 que tem uma câmara principal 19 localizada diretamente abaixo do ciclone para redução 2, com comunicação direta entre câmaras do ciclone para redução 2 e do vaso de redução 4.
[0072] Com referência à Figura 1, durante a operação em estado contínuo de uma campanha de redução, uma blenda de minérios à base de magnetita (ou outro minério de ferro) com um tamanho superior de 6 mm e fundente como calcário 1 é alimentado, por meio de um secador de minério, e com um gás de transporte pneumático 1a, no interior do ciclone para redução 2. O calcário representa aproximadamente 8 a 10%, em peso da corrente combinada de minério e calcário. O oxigênio 8 é injetado no interior do ciclone para redução 2 por meio de tubeiras para pré-aquecer e reduzir parcialmente e reduzir parcialmente o minério. O oxigênio 8 também queima o gás combustível que flui para acima para o ciclone para redução 2 a partir do vaso de redução 4. O minério parcialmente fundido e parcialmente reduzido flui para baixo a partir do ciclone para redução 2 para um banho de material fundido 25 de metal e escória na câmara principal 19 no vaso de redução 4. O minério parcialmente fundido e parcialmente reduzido é fundido para formar ferro fundido no banho de material fundido 25. O carvão 3 é alimentado, por meio de um secador separado, para a câmara
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16/21 principal 19 do vaso de redução 4. O carvão 3 e um gás de transporte 2a são injetados por meio das lanças 35 no banho de material fundido 25 de metal e escória na câmara principal 19. O carvão fornecer uma fonte de um redutor e uma fonte de energia. As Figuras 1 e 2 mostra o banho de material fundido 25 como compreendendo duas camadas, das quais a camada 25a é uma cada de metal fundido e a camada 25b é uma camada de escória fundida. As Figuras ilustram as camadas como sendo de profundidade uniforme. Isso somente é para propósitos de ilustração e não é uma representação precisa do que seria um banho bem misturado e altamente agitado na operação do processo HIsarna. A mistura do banho de material fundido 25 é devido à desvolatização do carvão no banho, que gera gás, como CO e H2, e resulta no movimento para cima de gás e material arrastado do banho de material fundido em um espaço superior da câmara principal 19 que está acima do banho de material fundido 25. O oxigênio 7 é injetado no interior da câmara principal 19 por meio das lanças 37 para pós-queimar alguns desses gases, tipicamente CO e H2, gerados e liberados a partir do banho de material fundido 25 no espaço superior da câmara principal 19 e fornece o calor necessário para o processo de redução no banho.
[0073] A operação normal do processo HIsarna durante uma campanha de redução envolve (a) injeção de carvão por meio das lanças 35 e injeção de oxigênio frio por meio das lanças 37 no interior da câmara principal 19 do vaso de redução 4 e (b) injeção de minério 7 e injeção de oxigênio adicional 8 no ciclone para redução 2.
[0074] As condições de operação, incluindo, mas não se limitando a, taxas de alimentação de oxigênio e carvão no interior da câmara principal 19 do vaso de redução 4 e taxas de alimentação de oxigênio e minério no ciclone para redução 2 e perdas de calor da câmara principal 19, são selecionadas de modo que o efluente gasoso que deixa o
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17/21 ciclone para redução 2 por meio de um duto de saída de efluente gasoso 9 tem um grau de pós combustão de pelo menos 90%.
[0075] O efluente gasoso do ciclone para redução 2 passa por meio de um duto de efluente gasoso 9 para um incinerador de efluente gasoso 10, em que oxigênio adicional 11 é injetado para queimar o CO/H2 residual e fornecer um grau de oxigênio livre (tipicamente 1 a 2%) no gás de combustão completamente queimado.
[0076] O efluente gasoso completamente queimado então passa através de uma seção de recuperação de calor residual 12 em que o gás é resfriado e vapor d'água é gerado. O gás de combustão então passa através de um purificador molhado 13 em que a remoção e poeira e resfriamento são alcançados. A borra resultante 14 é disponível para reciclagem para o fundidor por meio da corrente de alimentação de minério 1.
[0077] O gás de combustão frio deixando o purificador 13 é alimentado para uma unidade de dessulfurizarão de gás de combustão 15.
[0078] O gás de combustão limpo é então ventilado por meio de uma cuba 16. Esse gás consiste principalmente em CO2 e, se adequado, pode ser comprimento e geossequestrado (com remoção adequada de espécie de gás não condensável residual).
[0079] Com referência particular à Figura 2, o vaso de redução 4 inclui um forno revestido refratário 33 e paredes laterais 41 definidas predominantemente por painéis resfriados por água que definem a câmara principal 19. O vaso de redução 4 também inclui um cadinho 21 que é conectado à câmara principal 19 por meio de uma conexão de cadinho 23. Durante o curso de uma campanha de redução do processo Hlsarna, o metal fundido produzido na câmara principal 19 é descarregado a partir da câmara principal 19 por meio da conexão de cadinho 23 e do cadinho 21.
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18/21 [0080] Uma modalidade do método para iniciar o processo HIsarna para produção de ferro de acordo com a presente invenção é descrita abaixo.
[0081] No começo do método de iniciação, a câmara principal 19, o cadinho 21, e a conexão de cadinho 23 do vaso 4 estão vazios.
[0082] O método de iniciação inclui pré-aquecer o forno 33, o cadinho 21, e a conexão de cadinho 23, por exemplo, com uso de um gás combustível adequado, de modo que uma temperatura de superfície média do forno 33, do cadinho 21, e da conexão de cadinho 23 esteja acima de 1.000 °C, de preferência acima de 1.200 °C.
[0083] Após a etapa de preaquecimento se concluída, o método de iniciação inclui verter uma quantidade selecionada de ferro fundido no interior da câmara principal 19 por meio do cadinho 21 e da conexão de cadinho 23 para estabelecer um banho de ferro fundido 25a no forno 33 do vaso 4. Tipicamente, a quantidade da carga charge é selecionada de modo que o nível de ferro fundido na câmara principal 19 seja pelo menos 100 mm acima do topo da conexão de cadinho 23.
[0084] Assim que o ferro fundido é carregado no interior da câmara principal 19, uma camada de escória congelada em crosta 29 começa a se formar na superfície do banho de ferro fundido 25a. A Figura 2 ilustra a vaso de redução 4 nesse estágio no método de iniciação. O calor é perdido a partir de uma superfície superior do banho de ferro fundido 25a mostrada na Figura 2 por radiação (principalmente) para painéis resfriados por água das paredes laterais 41 que definem a seção superior da câmara principal 19.
[0085] Após concluir a etapa de carregamento de ferro fundido no interior da câmara principal 19, o método de iniciação inclui abastecer carvão e oxigênio no interior da câmara principal 19 por meio das lanças 35 e 37, respectivamente.
[0086] Em um método de iniciação bem-sucedido, o carvão inflaPetição 870190055004, de 14/06/2019, pág. 22/35
19/21 ma e calor é gerado na câmara principal 19.
[0087] A chave para uma iniciação segura do processo Hlsarna é a admissão de oxigênio 37 e injeção de carvão 35 dentro de um período de tempo seguro nominal menor do que 3 horas (1 a 2 horas nesse exemplo).
[0088] Em termos mais gerais, a janela de tempo é o período de tempo antes da camada de escória congelada em crosta 29 se formar até um ponto que faíscas e respingos de ferro fundido do banho de ferro fundido 25a no espaço superior na câmara principal 19 acima do banho de material fundido 25a não podem inflamar o oxigênio 37 e o carvão 35 e não existe outra fonte de ignição.
[0089] Quando o oxigênio 37 e o carvão 35 são primeiro admitidos, a razão entre os dois é calculada de modo que haja oxigênio o suficiente para queimar todo o carvão 35. Após a ignição, essa condição somente é mantida por tem o suficiente (5 a 10 minutos) para verifica que a ignição é saudável. Posteriormente, razão de carvão para minério é subsequentemente ajustada para aproximadamente duas vezes a quantidade de carvão 35 (para combustão completa) em relação ao oxigênio 37. O propósito do aumento na razão de carvão para minério é para elevar os níveis de carbono para uso como uma fonte de um redutor e energia.
[0090] A verificação de ignição saudável pode ser por meio de cargas de calor de painel de água e/ou um sistema de análise de gás em linha para o aparelho de redução e/ou observação direta com o uso de uma câmera ou uma abertura adequada no vaso de redução 4 (se as condições de processo permitirem isso).
[0091] O método de iniciação pode incluir injetar agentes fundentes como lima ou calcário em qualquer momento quando a injeção de carvão estiver ativa. A prática preferencial é aguardar até após o estágio de verificação de ignição de 5 a 10 minutos inicial conforme desPetição 870190055004, de 14/06/2019, pág. 23/35
20/21 crito acima.
[0092] A injeção de carvão e oxigênio (mais fundente) é mantida por aproximadamente 30 minutos a fim de aquecer a câmara principal 19 e o metal fundido na câmara. Nesse ponto a escória triturada é transportada pneumaticamente para o interior da câmara principal 19 por meio de orifício da escória 6 a fim de estabelecer rapidamente um inventário de escória adequado para a operação normal.
[0093] Uma vez que a injeção triturada é concluída, o minério de ferro e o oxigênio 8 são injetados no ciclone para redução 2, carvão 35 e oxigênio 37 são injetados no vaso de redução 4, a produção de metal na campanha de redução começa e o metal fundido é descarregado a partir da câmara principal 19 por meio do cadinho 21 e da conexão de cadinho 23.
[0094] Muitas modificações podem ser feitas à modalidade do processo da presente invenção descrita acima sem sair do espírito e escopo da invenção.
[0095] A descrição acima foca no carvão como o material carbonáceo e oxigênio de grau técnico como o gás contendo oxigênio. A presente invenção não é limitada a isso e se estende a qualquer gás contendo oxigênio adequado e quaisquer materiais carbonáceos sólidos adequados.
[0096] A modalidade descrita acima foca no processo HIsarna. A presente invenção não é limitada ao processo HIsarna e se estende a qualquer processo de redução frio à base de banho de material fundido em um vaso de redução. A título de exemplo, a presente invenção se estende à versão de oxigênio soprado do processo HIsmelt. Com é indicado acima, o processo HIsmelt é descrito em um número considerável de patentes e pedidos de patente no nome do requerente. A título de exemplo, o processo HIsmelt é descrito no pedido internacional PCT/AU96/00197 no nome do requerente. A revelação no relatório
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21/21 descritivo de patente depositada com o pedido internacional é incorporada no presente documento por referência cruzada.

Claims (14)

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REIVINDICAÇÕES
1. Método de iniciação de um processo de redução à base de banho de material fundido para reduzir um material de alimentação metalífero em um aparelho de redução, com o aparelho incluindo um vaso de redução (40) que inclui uma câmara principal (19) para conter um banho de material fundido (25), um cadinho (21) para descarregar metal fundido da câmara principal (19) durante uma campanha de redução e uma conexão de cadinho (21) que conecta a câmara principal (19) e o cadinho (21) e com o método caracterizado pelo fato de incluir as etapas de:
(a) pré-aquecer a câmara principal (19), o cadinho (21) e a conexão de cadinho (21);
(b) verter uma carga de metal quente na câmara principal (19) através do cadinho (21);
(c) começar o abastecimento de gás contendo oxigênio frio e material carbonáceo frio na câmara principal (19) dentro de no máximo 3 horas após conclusão da carga de metal quente e inflamar o material carbonáceo e aquecer a câmara principal (19) e o metal fundido na câmara principal (19);
(d) abastecer continuamente gás contendo oxigênio e material carbonáceo na câmara principal (19) e comburir material carbonáceo e aquecer a câmara principal (19) e o metal fundido na câmara principal (19) durante um período de pelo menos 10 minutos; e (e) iniciar a alimentação de um material metalífero na câmara principal (19) a fim de iniciar a produção de metal.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de incluir verificar a ignição de gás contendo oxigênio e material carbonáceo na câmara principal (19).
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a etapa (a) incluir pré-aquecer um forno do vaso, o
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2/5 cadinho (21) e a conexão de cadinho (21) de modo que uma temperatura de superfície média do forno, do cadinho (21) e da conexão de cadinho (21) esteja acima de 1.000 °C.
4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de a etapa (a) incluir pré-aquecer o forno do vaso, o cadinho (21) e a conexão de cadinho (21) de modo que uma temperatura de superfície média do forno, do cadinho (21) e da conexão de cadinho (21) esteja acima de 1.200 °C.
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de a etapa (b) incluir selecionar a quantidade de carga de metal quente na câmara principal (19) através do cadinho (21) de modo que o nível de metal na câmara principal (19) esteja pelo menos 100 mm acima do topo da conexão de cadinho (21).
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de a etapa (b) incluir selecionar a quantidade de carga de metal quente na câmara principal (19) através do cadinho (21) de modo que o nível de metal na câmara principal (19) esteja pelo menos 200 mm acima do topo da conexão de cadinho (21).
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de a etapa (c) incluir iniciar o abastecimento de gás contendo oxigênio e material carbonáceo na câmara principal (19) dentro de 2 horas após a conclusão da carga de metal quente na câmara principal (19).
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a etapa (c) incluir iniciar o abastecimento de gás contendo oxigênio e material carbonáceo na câmara principal (19) dentro de 1 hora após a conclusão da carga de metal quente na câmara principal (19).
9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de a etapa (d) incluir aquecer a câ
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3/5 mara principal (19) durante um período de 30 a 60 minutos comburindo o material carbonáceo e gás contendo oxigênio na câmara principal (19).
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de as taxas de alimentação inicial de gás contendo oxigênio e material carbonáceo na câmara principal (19) na etapa (c) serem calculadas de modo que haja oxigênio suficiente para comburir totalmente o material carbonáceo.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de uma vez concluída essa etapa de ignição inicial (c), as taxas de gás contendo oxigênio e material carbonáceo serem ajustadas na etapa (d) a partir das taxas da etapa (c) de modo que haja pelo menos 40% da quantidade de oxigênio para combustão completa do material carbonáceo.
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de incluir, após a etapa (d) e antes da etapa (e), alimentar escória ou agentes formadores de escória na câmara principal (19) a fim de estabelecer um estoque de escória adequado para reduzir material metalífero na câmara principal (19).
13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de o processo de redução à base de banho de material fundido (25) incluir as etapas de:
(a) abastecer um material carbonáceo e um material metalífero sólido ou fundido no banho de material fundido (25) e gerar gás de reação e reduzir material metalífero e produzir metal fundido no banho (25), (b) abastecer gás contendo oxigênio na câmara principal (19) para a combustão de banho acima de gás combustível liberado do banho e gerar calor para reações de redução em banho; e (c) produzir movimento para cima significativo de material
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4/5 fundido do banho (25) por meio da ressurgência de gás a fim de criar gotículas portadoras de calor e respingos de material fundido que são aquecidos quando projetados na região de combustão no espaço superior da câmara principal (19) e, portanto, caem novamente no banho (25), em que as gotículas e os respingos transportam calor para baixo no banho onde é usado para reduzir o material metalífero.
14. Método, de acordo com a reivindicação 1, de iniciação de um processo de redução à base de banho de material fundido para reduzir um material de alimentação metalífero em um aparelho de redução, com o aparelho incluindo um vaso de redução (40) que inclui uma câmara principal (19) para conter um banho de material fundido (25), um cadinho (21) para descarregar metal fundido da câmara principal (19) durante uma campanha de redução e uma conexão de cadinho (21) que conecta a câmara principal (19) e o cadinho(21), caracterizado pelo fato de incluir as etapas de:
(a) preaquecer a câmara principal (19), o cadinho (21) e a conexão de cadinho (21);
(b) verter uma carga de metal quente na câmara principal (19) através do cadinho (21);
(c) iniciar o abastecimento de gás contendo oxigênio frio e material carbonáceo frio na câmara principal (19) e inflamar material carbonáceo e aquecer a câmara principal (19) e o metal fundido na câmara principal (19) dentro de um período de tempo antes que se forme uma camada isolante de escória dura na carga de metal em uma medida que evita que o metal fundido inflame o material carbonáceo;
(d) abastecer continuamente gás contendo oxigênio e material carbonáceo na câmara principal (19) e comburir material carbonáceo e gás contendo oxigênio e aquecer a câmara principal (19) e o metal fundido na câmara principal (19) durante um período de pelo
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5/5 menos 10 minutos; e (e) iniciar a alimentação de um material metalífero na câmara principal (19) a fim de iniciar a produção de metal.
BR112014013493-6A 2011-12-06 2012-12-06 Método de iniciação de um processo de redução à base de banho de material fundido para reduzir um material de alimentação metalífero em um aparelho de redução BR112014013493B1 (pt)

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