BR112015027789B1

BR112015027789B1 - lança de injeção de sólidos, planta de fundição direta, processo de fundição direta e aparelho para um processo de fundição

Info

Publication number: BR112015027789B1
Application number: BR112015027789-6A
Authority: BR
Inventors: Rodney James Dry; Jacques Pilote; Michael Anthony Hutton
Original assignee: Tata Steel Limited
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2014-05-02
Publication date: 2021-07-06
Also published as: UA118557C2; EP2994708A1; US10018419B2; CN105264320A; NZ713633A; BR112015027789A8; CA2910743A1; KR102100875B1; KR20160003754A; JP2016522859A; EP2994708A4; CN105264320B; EA201591999A1; CA2910743C; WO2014179825A1; US20160153715A1; JP6462666B2; EA030690B1; BR112015027789A2

Abstract

LANÇA DE INJEÇÃO DE SÓLIDOS. A presente invenção refere-se a uma lança de injeção de sólidos que inclui (a) um tubo que define uma passagem para material de alimentação sólido para ser injetado através do tubo e que tem uma entrada para material sólido em uma extremidade traseira e uma saída para descarregar material sólido em uma extremidade dianteira do tubo e (b) um sistema de detecção de punção para detectar uma punção no tubo de injeção de sólidos.

Description

CAMPO DA TÉCNICA

[0001] A presente invenção refere-se a uma lança para injetar ma terial sólido dentro de um recipiente, tal como um recipiente de fundição direta baseado em banho fundido para produzir metal fundido, tal como ferro.

[0002] A presente invenção também se refere a um processo e aparelho para fundir um material metalífero, tal como um material contendo ferro, tal como um minério de ferro, e produzir ferro fundido.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

[0003] Um processo de fundição baseado em banho fundido co nhecido é, em geral, chamado de processo "HIsmelt" e é descrito em um número considerável de patentes e pedidos de patente no nome do requerente.

[0004] O processo HIsmelt é aplicável para fundir material metalí- fero, em geral, mas é associado particularmente com produzir ferro fundido a partir de minério de ferro ou outro material contendo ferro.

[0005] No contexto de produzir ferro fundido, o processo HIsmelt inclui as etapas de: (a) formar um banho de ferro fundido e escória em uma câmara principal de um recipiente de fundição direta; (b) injetar dentro do banho fundido: (i) minério de ferro, tipi-camente na forma de finos; e (ii) um material carbonoso sólido, tipicamente carvão, o qual atua como um redutor do material de alimentação de minério de ferro e como uma fonte de energia; e (c) fundir minério de ferro para ferro no banho.

[0006] O termo "fundir" é no presente documento compreendido com o significado de processamento térmico em que reações químicas que reduzem óxidos de metal ocorrem para produzir metal fundido.

[0007] No processo HIsmelt, materiais de alimentação sólidos na forma de material metalífero (o qual pode ser pré-aquecido) e material carbonoso são injetados com um gás de transporte dentro do banho fundido através de um número de lanças de injeção de sólidos arrefecidas à água que são inclinadas para a vertical de modo a se estenderem para baixo e para dentro através da parede lateral da câmara principal do recipiente de fundição e para dentro de uma região mais baixa do recipiente de modo a entregar pelo menos parte dos materiais de alimentação sólidos dentro da camada de metal no fundo da câmara principal. Os materiais de alimentação sólidos e o gás de transporte penetram o banho fundido e fazem com que o metal fundido e/ou a escória sejam projetados para dentro de um espaço acima da superfície do banho e formem uma zona de transição. Um sopro de gás contendo oxigênio, tipicamente ar enriquecido com oxigênio ou oxigênio puro, é injetado dentro de uma região superior da câmara principal do recipiente através de uma lança que se estende para baixo para provocar a pós-combustão de gases de reação liberados a partir do banho fundido na região superior do recipiente. Na zona de transição há uma massa favorável de gotículas ou salpicos ou corren-tes ascendentes e em seguida descendentes de metal fundido e/ou escória os quais fornecem um meio eficaz para transferir para o banho a energia térmica gerada pela pós-combustão dos gases de reação acima do banho.

[0008] Tipicamente, no caso de produzir ferro fundido, quando é usado ar enriquecido com oxigênio, o ar enriquecido com oxigênio é gerado em insufladores de ar quente e alimentado em uma temperatura da ordem de 1.200 °C dentro da região superior da câmara principal do recipiente. Se oxigênio frio de grau técnico for usado, o oxigênio frio de grau técnico é tipicamente alimentado dentro da região superior da câmara principal na ou próximo à temperatura ambiente.

[0009] Efluentes gasosos que resultam da pós-combustão de ga ses de reação no recipiente de fundição são retirados da região superior do recipiente de fundição através de um duto de efluente gasoso.

[0010] O recipiente de fundição inclui uma câmara principal para fundir material metalífero e uma soleira dianteira conectada à câmara principal por meio de uma conexão de soleira dianteira que permite saída contínua de produto de metal a partir do recipiente. A câmara principal inclui seções revestidas com refratário em uma soleira mais baixa e painéis arrefecidos à água em paredes laterais e um teto da câmara principal. Água é circulada continuamente através dos painéis em um circuito contínuo. A soleira dianteira opera como um sifão preenchido de metal fundido, "derramando" naturalmente o excesso de metal fundido a partir do recipiente de fundição conforme o mesmo é produzido. Isso permite que o nível de metal fundido na câmara principal do recipiente de fundição seja conhecido e controlado dentro de uma tolerância pequena, isso é essencial para segurança da instalação. O nível de metal fundido precisa (sempre) ser mantido em uma distância segura abaixo de elementos arrefecidos à água tais como lanças de injeção de sólidos que se estendem para dentro da câmara principal, caso contrário, explosões de vapor são possíveis.

[0011] O processo HIsmelt permite que grandes quantidades de ferro fundido, tipicamente pelo menos 0,5 Mt/a, sejam produzidas por fundição em um único recipiente compacto.

[0012] Um exemplo da construção de uma lança de injeção de só lidos para uso no recipiente de fundição pode ser encontrado na Patente US 6.398.842 (atribuída ao presente requerente). Essa forma de lança pode ser usada para injetar material particulado sólido, tal como material metalífero ou material carbonoso, para dentro do recipiente de fundição. Tipicamente, o material metalífero e material carbonoso são injetados através de lanças separadas. O material metalífero pode ser pré-aquecido. Material metalífero e material carbonoso podem ser co- injetados através de uma lança.

[0013] A lança revelada na Patente US 6.398.842 inclui um tubo de núcleo central e uma camisa de arrefecimento anular externa. O tubo de núcleo é ajustado estreitamente dentro da camisa de arrefecimento. Em uso, o material sólido particulado é passado através do tubo de núcleo central e descarregado a partir de uma extremidade de ponta dianteira da lança. Um sistema de água de arrefecimento interno forçado é fornecido dentro da camisa de arrefecimento anular externa para permitir que a lança opere com sucesso quando exposta às temperaturas altas encontradas dentro um recipiente de fundição direta, que podem ser acima de 1400 °C no caso de fundir minério de ferro como o material metalífero.

[0014] O material metalífero e o material carbonoso podem ser abrasivos e, portanto, desgaste abrasivo é uma consideração no projeto de uma lança de injeção de sólidos para o recipiente de fundição. Esse é particularmente o caso quando o recipiente de fundição é usado para produzir ferro fundido e o material metalífero compreende finos de minério de ferro.

[0015] O uso de um sistema de água de arrefecimento interno em uma lança de injeção de sólidos, tal como a lança revelada na Patente US 6.398.842, é uma questão de segurança que é uma consideração séria em projeto de lança. É crítico que o material de alimentação sólido não desgaste através da parede do tubo de núcleo da lança e forme uma perfuração e exponha o sistema de arrefecimento à água ao material de alimentação sólido, com um risco potencial de uma explosão.

[0016] Uma consideração adicional é que é desejável que uma planta de fundição direta opere durante uma campanha de fundição de 12 meses ou mais. Portanto, é desejável operar as lanças de injeção de sólidos pelo maior tempo possível, levando em conta considerações de segurança.

[0017] Há tipos diferentes de lanças de injeção de sólidos para re cipientes de fundição direta para a lança arrefecida à água descrita acima revelada na Patente US 6.398.842. Outras dessas lanças incluem lanças que injetam separadamente material de alimentação sólido e um gás contendo oxigênio para dentro de recipientes de fundição direta. Essas lanças podem ser, ou não, lanças arrefecidas à água, mas são, apesar disso, sujeitas às mesmas considerações de segurança que surgem de desgaste abrasivo que resulta em punções dos componentes de injeção de sólidos das lanças.

[0018] A presente invenção fornece uma lança de injeção de sóli dos eficaz e confiável para injetar material metalífero e/ou material carbonoso para dentro de um recipiente de fundição direta.

[0019] A descrição acima não deve ser tomada como uma admis são do conhecimento comum na Austrália ou em qualquer outro lugar.

SUMÁRIO DA REVELAÇÃO

[0020] A lança de injeção de sólidos da presente invenção minimi za os riscos e preocupações de segurança que surgem a partir de desgaste abrasivo dos componentes de injeção de sólidos de uma lança de injeção de sólidos, que resulta em punções, por meio de um sistema eficaz de detecção de perfuração.

[0021] A lança de injeção de sólidos da presente invenção inclui (a) um tubo que define uma passagem para material de alimentação sólido a ser injetado através do tubo e tem uma entrada para material sólido em uma extremidade traseira e uma saída para descarregar material sólido em uma extremidade dianteira do tubo e (b) um sistema de detecção de perfuração para detectar uma perfuração no tubo de inje- ção de sólidos.

[0022] O sistema de detecção de perfuração pode ser adaptado para detectar uma mudança de pressão no tubo de injeção de sólidos ou um fluxo de um gás para dentro ou a partir do tubo como resultado de uma perfuração no tubo.

[0023] A lança de injeção de sólidos pode incluir um sistema de arrefecimento de água, e o sistema de detecção de perfuração pode ficar localizado entre o tubo de injeção de sólidos e o sistema de água de arrefecimento. Nesse caso, o propósito do sistema de detecção de perfuração é detectar uma perfuração de a perfuração poder se estender para o sistema de água de arrefecimento interno, com resultados potencialmente catastróficos.

[0024] O sistema de arrefecimento de água pode ser uma camisa de arrefecimento anular externa que inclui um sistema interno de arre-fecimento de água.

[0025] A invenção não é restrita à disposição descrita nos dois pa rágrafos precedentes, embora lanças de injeção de sólidos arrefecidas à água sejam o foco da descrição da invenção.

[0026] A título de exemplo, a invenção também se estende para lanças que injetam separadamente materiais de alimentação sólidos e um gás contendo oxigênio e não incluem um sistema de arrefecimento de água e é importante detectar uma perfuração no componente de injeção de sólidos da lança antes de a perfuração poder se estender para o componente de injeção de gás contendo oxigênio da lança.

[0027] A título de exemplo particular, a lança de injeção de sólidos pode incluir o tubo de injeção de sólidos e um sistema para injetar um gás contendo oxigênio através da lança a partir de uma extremidade traseira para uma extremidade dianteira da lança, e o sistema de detecção de perfuração pode ficar localizado entre o tubo de injeção de sólidos e o sistema de injeção de gás. Nesse caso, o propósito do sis- tema de detecção de perfuração é detectar uma perfuração antes de a perfuração poder se estender do tubo de injeção de sólidos para o sistema de injeção de gás, com resultados potencialmente catastróficos.

[0028] O sistema de injeção de gás pode incluir um ou mais tubos paralelos de gás separados em intervalos espaçados em volta da lança.

[0029] O sistema de injeção de gás pode incluir uma câmara anu lar.

[0030] O termo "gás contendo oxigênio" é compreendido no pre sente documento com o significado de qualquer gás que contém pelo menos algum oxigênio. A título de exemplo, o termo se estende para ar, oxigênio 100%, e ar enriquecido com oxigênio.

[0031] O tubo de injeção de sólidos pode ser um tubo de núcleo central da lança.

[0032] O sistema de detecção de perfuração pode incluir uma câ mara anular radialmente externa ao tubo de núcleo, e o sistema de detecção de perfuração pode ser adaptado para detectar uma mudança de pressão na câmara anular ou um fluxo de um gás para dentro ou a partir da câmara anular como resultado de uma perfuração no tubo de núcleo.

[0033] O sistema de detecção de perfuração pode incluir uma câ mara anular radialmente externa ao tubo de núcleo, um sensor para detectar uma mudança de pressão na câmara anular ou no tubo de núcleo ou um fluxo de um gás para dentro ou a partir da câmara anular ou do tubo de núcleo que indica que há uma perfuração no tubo de núcleo, e um alarme que é responsivo ao sensor indicar uma perfuração no tubo de núcleo.

[0034] A mudança de pressão ou fluxo de gás pode ser uma redu ção na pressão na câmara anular ou um fluxo interno de gás para dentro da câmara anular quando o tubo de núcleo for perfurado.

[0035] Por exemplo, a câmara anular pode conter um gás inerte sob uma pressão que seja mais alta do que a pressão média de gás no tubo de núcleo para que, em uso, o gás inerte flua para dentro da passagem no tubo de núcleo a partir da câmara anular quando o tubo de núcleo for perfurado.

[0036] A câmara pode incluir uma entrada através da qual o gás inerte pode ser abastecido para a câmara para manter a pressão do gás na câmara.

[0037] Em uso dessa disposição, se o material sólido particulado desgasta através do tubo de núcleo, o gás inerte sob pressão na câmara anular flui através da perfuração para dentro da passagem definida pelo tubo de núcleo e para completamente ou minimiza desgaste adicional do tubo de núcleo naquela parte do tubo de núcleo pelo material de alimentação no tubo de núcleo e é vantajoso apenas nessa base. Além disso, o fluxo do gás inerte a partir da câmara anular para dentro do tubo de núcleo resulta em um aumento no fluxo do gás inerte para dentro da câmara anular, e o aumento de fluxo é detectado pelo sensor. O sensor ativa um alarme de que o tubo de núcleo foi perfurado. O alarme inicia um procedimento para substituir a lança. O fluxo do gás inerte sob pressão na câmara anular através da perfuração for-nece uma janela de tempo razoável para substituir o tubo de núcleo com defeito.

[0038] A mudança de pressão ou fluxo de gás pode ser um au mento na pressão na câmara anular ou um fluxo externo de gás a partir da câmara anular devido a gás que flui para dentro da câmara anular a partir da passagem no tubo de núcleo quando o tubo de núcleo for perfurado.

[0039] Por exemplo, a câmara anular pode conter um gás inerte sob uma pressão que é mais baixa do que a pressão média de gás no tubo de núcleo para que, em uso, o gás flua para dentro da câmara anular a partir da passagem no tubo de núcleo quando o tubo de núcleo for perfurado.

[0040] A câmara anular pode ficar sob vácuo.

[0041] As vantagens da lança da presente invenção incluem: • Segurança - tanto em termos de detectar uma perfuração como permitir tempo (tipicamente algumas horas) para substituição da lança. • Uma oportunidade para ciclos de operação mais longos antes de substituição da lança, maximizar vida do tubo de núcleo, o tubo de núcleo pode precisar ser substituído mais cedo do que o necessário como parte de um programa de manutenção preventiva na ausência do sistema de detecção de perfuração. • Uma oportunidade para modificar os parâmetros de injeção, o material de tubo de núcleo ou as técnicas de fabricação do tubo de núcleo que pode afetar sua vida sem ter que reconstruir um histórico para julgar a expectativa de vida.

[0042] A profundidade radial da câmara anular pode ser de 1 a 5 mm.

[0043] A câmara anular pode se estender substancialmente ao longo do comprimento da camisa de arrefecimento anular.

[0044] O gás inerte pode ser qualquer gás inerte adequado.

[0045] O gás inerte pode ser nitrogênio.

[0046] A pressão do gás na câmara anular pode ser qualquer pressão adequada em relação à pressão média no tubo de núcleo. Como indicado acima, a câmara anular pode ficar sob vácuo.

[0047] A pressão do gás na câmara anular pode ser selecionada para provocar um fluxo do gás inerte a partir da câmara anular para dentro ou para fora do tubo de núcleo por meio de uma perfuração no tubo de núcleo contra ou devido à pressão interna no tubo de núcleo.

[0048] A pressão real exigida em qualquer dada situação depen- derá de uma série de fatores, que incluem o projeto mecânico nessa seção da lança.

[0049] A título de exemplo apenas, em situações em que a pres são do gás na câmara anular é selecionada para ser maior do que a pressão média de gás no tubo de núcleo, a pressão do gás na câmara anular pode ser de pelo menos 100 kPa, tipicamente pelo menos 200 kPa, e tipicamente 500 a 1.500 kPa.

[0050] O tubo de núcleo pode ser feito de um material estrutural e pode incluir um revestimento ou cobertura interna de um material resistente a desgaste, tal como um ferro fundido branco, tal como uma liga ferro-cromo de ferro fundido branco, cerâmica ou uma mistura de ambos.

[0051] O tubo de núcleo pode compreender uma montagem de um tubo externo de um material estrutural e um tubo interno de um material resistente a desgaste que são ligados.

[0052] O tubo externo pode ser formado de um aço, tal como um aço inoxidável.

[0053] O tubo externo pode ser de pelo menos 1 mm de espessu ra.

[0054] A espessura do tubo externo pode ser na faixa de 3 a 30 mm.

[0055] O tubo interno pode ser formado de um revestimento resis tente a desgaste feito de um ferro fundido branco, tal como uma liga ferro-cromo de ferro fundido branco, cerâmica ou uma mistura de ambos.

[0056] O revestimento resistente a desgaste pode ser de pelo me nos 3 mm de espessura e mais preferencialmente de pelo menos 5 mm de espessura.

[0057] A ligação entre o tubo externo e o tubo interno pode se es tender pelo menos substancialmente por toda a área da superfície da interface entre os dois tubos.

[0058] A ligação entre o tubo externo e o tubo interno em caso de revestimento metálico pode ser uma ligação metalúrgica.

[0059] O tubo de núcleo pode ser de pelo menos 2 m de compri mento.

[0060] O tubo de núcleo pode ter um diâmetro interno mínimo de 50 mm.

[0061] O tubo de núcleo pode ter um diâmetro interno máximo de 300 mm.

[0062] O tubo de núcleo pode ter um diâmetro externo máximo de 400 mm.

[0063] A presente invenção fornece adicionalmente uma planta de fundição direta que inclui um recipiente de fundição direta que tem pelo menos uma lança de injeção de sólidos como descrita acima.

[0064] A presente invenção fornece adicionalmente um processo de fundição direta baseado em banho fundido para produzir um metal fundido a partir de um material de alimentação metalífero sólido que inclui injetar um material de alimentação sólido, tal como o material de alimentação metalífero, para dentro de um banho fundido em um recipiente de fundição direta por meio de pelo menos uma lança de injeção de sólidos como descrita acima e monitorar a lança para detectar uma perfuração na lança.

[0065] O processo pode incluir verificar uma mudança de pressão no tubo de injeção de sólidos da lança de injeção de sólidos ou um fluxo de um gás para dentro ou a partir do tubo como um resultado de uma perfuração no tubo.

[0066] O processo pode incluir abastecer um gás inerte para a câmara anular da lança de injeção de sólidos para manter a pressão interna do gás na câmara anular e verificar uma mudança de fluxo de gás inerte para dentro para manter a pressão interna do gás.

[0067] Um exemplo de material de alimentação metalífero é miné rio de ferro.

[0068] O minério de ferro pode ser finos de minério de ferro.

[0069] O minério de ferro pode ser pré-aquecido para uma tempe ratura de pelo menos 600 °C.

[0070] O processo pode incluir injetar material de alimentação me- talífero, um material carbonoso sólido, um fundente ou qualquer outro material sólido para dentro do recipiente de fundição que contém um banho de metal fundido na forma de metal fundido e escória fundida e gerar uma fonte de banho/escória por meio de evolução de gás no banho fundido e gerar um efluente gasoso e fundir material metalífero no banho fundido e formar metal fundido.

[0071] O processo pode incluir pré-aquecer o material metalífero por combustão de um gás combustível em uma temperatura de menos do que 300 °C, com o gás combustível sendo produzido de efluente gasoso descarregado a partir do recipiente de fundição. O gás combustível pode ser um gás combustível produzido de efluente gasoso quente liberado a partir do recipiente de fundição e arrefecido para a temperatura de menos do que 300 °C.

[0072] A presente invenção também fornece um aparelho para um processo de fundição baseado em banho fundido para produzir metal fundido a partir de um material de alimentação metalífero que inclui um recipiente de fundição direta que tem pelo menos uma lança de injeção de sólidos como descria acima e pelo menos uma lança para injetar um gás contendo oxigênio, em que o recipiente de fundição direta contém um banho de metal fundido na forma de metal fundido e escória fundida e gerar uma fonte de banho/escória por meio de evolução de gás no banho fundido e gerar um efluente gasoso e material de alimentação metalífero pré-aquecido de fundição e formar metal fundido.

[0073] O aparelho pode incluir uma pré-aquecedor para pré- aquecer o material de alimentação metalífero e um sistema de tratamento de efluente gasoso para arrefecer o efluente gasoso descarregado do recipiente de fundição e abastecer a efluente gasoso arrefecido a uma temperatura de menos do que 300 °C para o pré-aquecedor para ser usado como um gás combustível para pré-aquecer o material de alimentação metalífero no pré-aquecedor.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0074] A invenção é descrita adicionalmente, a título de exemplo apenas, com referência aos desenhos anexos, em que:

[0075] A Figura 1 é uma seção de corte vertical através de um recipiente de fundição direta;

[0076] a Figura 2 é uma vista de seção de corte parcial longi tudinal de uma modalidade de uma lança de injeção de sólidos de acordo com a presente invenção para injetar minério para dentro do recipiente mostrado na Figura 1; e

[0077] a Figura 3 é uma vista de corte diagramática de uma seção da lança mostrada na Figura 2 que ilustra o sistema de injeção de perfuração da lança.

DESCRIÇÃO DE MODALIDADE

[0078] A Figura 1 mostra um recipiente de fundição direta 11 que é adequado particularmente para realizar o processo HIsmelt como descrito a título de exemplo no Pedido de Patente Internacional PCT/AU96/00197 (WO 1996/031627) no nome do requerente. O recipiente 11 faz parte de uma planta de fundição direta (não mostrado) que inclui aparelho para armazenar e abastecer materiais de alimentação para o recipiente 11 e para manipular/processar metal fundido, escória e efluente gasoso descarregado do recipiente 11.

[0079] A descrição a seguir é no contexto de fundir finos de miné rio de ferro para produzir ferro fundido de acordo com o processo HIs- melt.

[0080] Será avaliado que a presente invenção é aplicável a fundir qualquer material metalífero, que inclui minérios, minérios parcialmente reduzidos, e correntes de resíduo contendo metal por meio de qualquer processo de fundição direta adequado baseado em banho fundido e não é restrita ao processo HIsmelt. Também será avaliado que os minérios podem ser na forma de finos de minério de ferro.

[0081] O recipiente 11 tem uma soleira que inclui uma base 12 e lados 13 formados de tijolos refratários, paredes laterais 14, que formam um, barril geralmente cilíndrico que se estende para cima a partir dos lados 13 da soleira, e um teto 17. Painéis arrefecidos à água (não mostrados) são fornecidos para transferir calor das paredes laterais 14 e do teto 17. O recipiente 11 é adicionalmente dotado de uma soleira dianteira 19, através do qual metal fundido é descarregado continuamente durante a fundição, e um orifício de fundição 21, através do qual a escória fundida é periodicamente descarregada durante a fundição. O teto 17 é dotado de uma saída 18 através da qual efluentes gasosos do processo são descarregados.

[0082] No uso do recipiente 11 para fundir finos de minério de ferro para produzir ferro fundido de acordo com o processo HIsmelt, o recipiente 11 contém um banho fundido de ferro e escória, o qual inclui uma camada 22 de metal fundido e uma camada 23 de escória fundida sobre a camada de metal 22. A posição da superfície quiescente nominal da camada de metal 22 é indicada pela seta 24. A posição da superfície quiescente nominal da camada de escória 23 é indicada pela seta 25. O termo "superfície quiescente" é compreendido como significando a superfície quando não há nenhuma injeção de gás e sólidos para dentro do recipiente 11.

[0083] O recipiente 11 é dotado de lanças de injeção de sólidos 27 que se estendem para baixo e para dentro através de aberturas (não mostradas) nas paredes laterais 14 do recipiente e para dentro da camada de escória 23. Em uso, os materiais de alimentação na forma de finos de minério de ferro e/ou material carbonoso sólido (tais como, por exemplo, carvão ou pó de coque) e fundentes são arrastados em um gás de transporte adequado (tal como um gás de transporte deficiente em oxigênio, tipicamente nitrogênio) e injetados através de extremidades de saída 28 das lanças 27 para dentro da camada de metal 22.

[0084] As extremidades de saída 28 das lanças 27 ficam acima da superfície da camada de metal 22 durante a operação do processo. Essa posição das lanças 27 reduz o risco de dano através de contato com metal fundido e também torna possível arrefecer as lanças por arrefecimento a água interno forçado, como descrito adicionalmente abaixo, sem risco significativo de água entrar em contato com o metal fundido no recipiente 11.

[0085] O recipiente 11 também tem uma lança de injeção de gás 26 para entregar um sopro de ar quente para dentro de uma região superior do recipiente 11. A lança 26 se estende para baixo através do teto 17 do recipiente 11 para dentro da região superior do recipiente 11. Em uso, a lança 26 recebe um fluxo de ar quente enriquecido com oxigênio através de um duto de entrega de gás quente (não mostrado), o qual se estende a partir de uma estação de abastecimento de gás quente (também não mostrada).

[0086] As Figuras 2 e 3 ilustram a construção geral de uma moda lidade de uma lança de injeção de sólidos 27 de acordo com a presente invenção.

[0087] A lança 27 compreende um tubo de núcleo na forma de uma montagem de tubo de núcleo 31 na forma de um tubo que define uma passagem 71 para material sólido na forma de finos de minério de ferro e/ou material carbonoso arrastados em um gás de transporte adequado para passar de uma extremidade de entrada 60 para uma extremidade dianteira 62 da lança 27 na direção das setas nas Figuras.

[0088] Com referência à Figura 2, a montagem de tubo de núcleo 31 compreende uma seção de tubo externo 56 de um material estrutural, tal como um aço inoxidável, e uma seção de tubo interno 72 de um material resistente a desgaste, tal como uma liga de ferro-cromo de ferro fundido branco. As seções de tubo interno e externo 56 e 72 são ligadas metalurgicamente. Tipicamente, a ligação metalúrgica é através da área de superfície inteira da interface entre as seções de tubo. As seções de tubo interno e externo 56 e 72 podem ser de quaisquer espessuras adequadas. A seção de tubo externo 56 fornece as exigências estruturais da montagem de tubo de núcleo 31. A seção de tubo interno 72 fornece as exigências de resistência a desgaste da montagem de tubo de núcleo 31. Cada seção de tubo 56, 72 é formada separadamente para otimizar a exigência estrutural e a de resistência a desgaste.

[0089] A lança 27 também compreende uma camisa de arrefeci mento anular 32 que circunda a montagem de tubo de núcleo 31 e que se estende sobre uma parte substancial do comprimento da montagem de tubo de núcleo 31. A camisa de arrefecimento anular 32 inclui um sistema de água de arrefecimento para a lança 27.

[0090] A camisa de arrefecimento anular 32 é na forma de uma estrutura anular oca longa 41 que tem tubos externo e interno 42 e 43 respectivamente interconectados por uma peça de conector de extremidade frontal 44. Uma estrutura tubular alongada 45 é disposta dentro a estrutura anular oca 41 de modo a dividir o interior da estrutura 41 em uma passagem de fluxo de água anular alongada interna 46 e uma passagem de fluxo de água anular alongada externa 47. A extremidade traseira (não mostrada) da camisa de arrefecimento anular 32 da lança 27 é dotada de uma entrada de água (também não mostrada) através da qual um fluxo de água de arrefecimento pode ser dirigido para dentro da passagem de fluxo de água anular interna 46 e uma saída de água (também não mostrada) a partir da qual a água é extraída da passagem anular externa 47 na extremidade traseira da lança 27. Essa disposição de passagens de fluxo de água 46, 47 e entradas e saídas de água define o sistema de água de arrefecimento. Consequentemente, no uso da lança 27, a água de arrefecimento flui avançando para baixo da lança através da passagem interna de fluxo de água anular 46, radialmente para fora através da peça de conector 44, e então retrocedendo através da passagem anular externa 47 ao longo a lança 27. Assim, a água de arrefecimento fornece arrefecimento eficaz da lança 27 quando exposta ao calor gerado dentro do recipiente de fundição 11, quando em uso.

[0091] A lança 27 também compreende um sistema de detecção de perfuração para detectar uma perfuração em uma parede da montagem de tubo de núcleo 31 localizado entre a montagem de tubo de núcleo 31 e o sistema de água de arrefecimento alojado na camisa de arrefecimento anular 32.

[0092] Com referência particular à Figura 3, o sistema de detecção de perfuração inclui uma câmara anular 58 entre a montagem de tubo de núcleo 31 e a camisa de arrefecimento anular 32 (e, portanto, o sistema de água de arrefecimento). A câmara anular 58 pode ser de qualquer espessura radial adequada. Tipicamente, a espessura radial da câmara anular 58 é de 1 a 5 mm. A câmara anular 58 contém nitrogênio ou qualquer outro gás inerte adequado ou qualquer outro gás sob pressão adequado. O nitrogênio é abastecido para a câmara anular 58 por meio de uma entrada 74 para manter a câmara em uma pressão predeterminada do gás. A pressão do gás é selecionada para ser suficiente para provocar um fluxo de nitrogênio da câmara anular 58 para dentro da montagem de tubo de núcleo 31 por meio de uma perfuração na montagem de tubo de núcleo 31 contra a pressão interna na montagem de tubo de núcleo 31. A pressão preferencial do gás em qualquer situação dependerá de uma série de fatores que incluem o projeto mecânico nessa seção da lança 27 e as pressões de operação para a injeção de material de alimentação sólido por meio da montagem de tubo de núcleo 31. Tipicamente, a pressão do gás será de pelo menos 200 kPa, mais tipicamente em uma faixa de 200 a 1.500 kPa, e mais tipicamente novamente em uma faixa de 500 a 1.200 kPa.

[0093] O sistema de detecção de perfuração também inclui um sensor (não mostrado) para detectar um fluxo de nitrogênio para dentro da câmara anular 58 por meio da entrada 74 o qual indica que há uma queda na pressão na câmara anular 58 e, desse modo, uma perfuração na montagem de tubo de núcleo 31. A título de exemplo, o sensor pode ser disposto para detectar um aumento no fluxo do gás inerte para dentro da câmara anular 58 por meio da entrada 74 que é exigido para manter a pressão predeterminada do gás na câmara 58.

[0094] O sistema de detecção de perfuração também inclui um alarme (não mostrado) que é responsivo ao sensor de fluxo de gás para indicar uma perfuração na montagem de tubo de núcleo 31. O alarme pode ser qualquer alarme adequado, visual e/ou audível, em uma sala de controle para o recipiente 11

[0095] Em uso, se o material sólido particulado, tal como finos de minério de ferro quente, desgasta a montagem de tubo de núcleo 31 e forma uma perfuração (mostrada pelo numeral 76 na Figura 3) na montagem 31, o gás nitrogênio sob pressão na câmara anular 58 flui através da perfuração para dentro da passagem definida pela montagem de tubo de núcleo 31 e para completamente ou minimiza o desgaste adicional da montagem de tubo de núcleo 31 naquela parte da montagem de tubo de núcleo 31 pelo material de alimentação no tubo de núcleo e é vantajoso apenas nessa base. Além disso, o fluxo de nitrogênio da câmara anular 58 para dentro da montagem de tubo de núcleo 31 resulta em um aumento no fluxo de nitrogênio para dentro da câmara anular 58 por meio da entrada 74, e o aumento de fluxo é detectado pelo sensor. O sensor ativa um alarme de que a montagem de tubo de núcleo 31 foi puncionada. O alarme inicia um procedimento para substituir a lança 27. Esse procedimento pode ser qualquer procedimento adequado que inclui (a) mudar condições de operação do processo HIsmelt para um estado "suspenso" para permitir substituição segura da lança 27, que inclui parar o abastecimento de materiais de alimentação para a lança 27, (b) desconectar a lança 27 das linhas de abastecimento de material de alimentação, (c) remover a lança 27 do recipiente 11, (d) inserir um lança de substituição 27, (e) conectar a lança de substituição 27 às linhas de abastecimento de material de alimentação, e (f) mudar as condições de operação do processo HIs- melt do estado "suspenso" para o estado estável. O fluxo de nitrogênio sob pressão na câmara anular 58 através da perfuração fornece uma janela de tempo razoável para iniciar o procedimento de substituição e substituir a lança 27.

[0096] O sistema de detecção de perfuração da lança 27 fornece as seguintes vantagens: • Segurança - tanto em termos de detectar uma perfuração como de tempo que permita (tipicamente algumas horas) a substituição da lança. • Uma oportunidade para ciclos de operação mais longos antes de substituição da lança, isso maximizará a vida da lança. Essa oportunidade surge devido ao sistema de detecção de perfuração fornecer uma clara indicação da vida de operação máxima da lança 27. • Uma oportunidade para modificar os parâmetros de injeção, o material do tubo de núcleo ou as técnicas de fabricação do tubo de núcleo que podem afetar sua vida sem ter que reconstruir um histó- rico para julgar a expectativa de vida.

[0097] Muitas modificações podem ser feitas à modalidade da lan ça de injeção de sólidos da presente invenção descrita em relação às Figuras sem se afastar do espírito e escopo da invenção.

[0098] A título de exemplo, embora o sistema de detecção de per furação seja descrito em relação às Figuras no contexto de uma lança de injeção de sólidos arrefecida à água e o propósito do sistema de detecção de perfuração seja detectar uma perfuração no tubo de injeção de sólidos da lança (que é descrito como, porém sem limitações, um tubo de núcleo central) antes que a mesma se estenda para o sistema de arrefecimento de água, pode ser facilmente avaliado que a invenção não é limitada a esse tipo de lança e propósito do sistema de detecção de perfuração. A título de exemplo, a invenção também se estende para lanças que não incluem sistemas de arrefecimento de água e injeta materiais de alimentação sólidos e um gás contendo oxigênio separadamente e é importante para detectar uma perfuração no componente de injeção de sólidos da lança antes que a perfuração possa se estender para o componente de injeção de gás contendo oxigênio da lança.

[0099] A título de exemplo, a presente invenção não é limitada à construção particular dos componentes da lança da montagem de tubo de núcleo 31 e à camisa de arrefecimento anular 32 e aos materiais a partir dos quais esses componentes de lança são construídos descritos em relação às Figuras. A presente invenção é aplicável a qualquer lança arrefecida à água de injeção de sólidos feita de quaisquer materiais adequados.

[00100] A título de exemplo, a presente invenção não é limitada à montagem de tubo de núcleo 31 que compreende uma seção de tubo externo 56 de um material estrutural e uma seção de tubo interno 72 de um material resistente a desgaste ligados metalurgicamente descri- ta em relação às Figuras.

[00101] A título de exemplo, embora o sistema de detecção de perfuração da lança 27 mostrado nos desenhos inclua a câmara anular 58 que contém nitrogênio sob pressão, em que a câmara anular 58 inclui uma entrada 74 através da qual o nitrogênio é abastecido para a câmara anular 58 para manter uma pressão do gás na câmara, um sensor para detectar um fluxo de gás inerte dentro da câmara anular que indica que há uma perfuração no tubo de núcleo, e um alarme que é responsivo ao sensor de fluxo de gás para indicar uma perfuração na montagem de tubo de núcleo 31, a presente invenção não é tão limitada e se estende a qualquer sistema para detectar uma perfuração na montagem de tubo de núcleo 31.

[00102] Por exemplo, a presente invenção se estende a qualquer sistema para detectar uma mudança na pressão na montagem de tubo de núcleo 31 ou na câmara anular 58 que indique uma perfuração na montagem de tubo de núcleo 31. A mudança de pressão pode ser um aumento na pressão na câmara anular 58 ou uma redução na pressão na câmara anular 58.

[00103] A título de exemplo, embora a modalidade da lança de injeção de sólidos seja descrita no contexto do processo HIsmelt de fundição direta, pode ser avaliado facilmente que a presente invenção não é tão limitada e se estende a qualquer processo de fundição baseado em banho fundido.

[00104] A título de exemplo, embora a modalidade da lança de injeção de sólidos seja descrita no contexto de fundir minério de ferro, pode ser facilmente avaliado que a presente invenção não é limitada a esse material e se estende a qualquer material metalífero adequado.

[00105] Nas reivindicações a seguir e na descrição precedente da invenção, exceto onde o contexto exigir em contrário devido à linguagem expressa ou implicação necessária, a palavra "compreender" ou variações tais como "compreende" ou "que compreende" é usada em um sentido inclusivo, ou seja, para especificar a presença dos recursos especificados, mas não impossibilita a presença ou adição de recursos adicionais em várias modalidades da invenção.

Claims

1. Lança de injeção de sólidos, incluindo um tubo de injeção de sólidos que é um tubo de núcleo (31) da lança e que define uma passagem (71) para que material de alimentação sólido seja injetado através do tubo (31) e tem uma entrada para material sólido em uma extremidade traseira e uma saída para descarregar material sólido em uma extremidade dianteira do tubo, caracterizada pelo fato de que um sistema de detecção de perfuração para detectar uma perfuração no tubo de núcleo (31), o sistema de detecção de perfuração incluindo uma câmara anular (58) disposta radialmente para fora do tubo de núcleo (31), a câmara anular (58) contém um gás inerte sob pressão que é maior do que a pressão média de gás no tubo de núcleo (31) e com o sistema de detecção de perfuração sendo adaptado para detectar a mudança de pressão na câmara anular (58) ou um fluxo de gás inerte na passagem (71) do tubo de núcleo (31) da câmara anular (58) através de uma perfuração, quando o tubo de núcleo (31) estiver perfurado.

2. Lança, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que inclui um sistema de arrefecimento de água, e o sistema de detecção de perfuração é localizado entre o tubo de núcleo (31) e o sistema de arrefecimento de água.

3. Lança, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que inclui um sistema para injetar um gás contendo oxigênio através da lança a partir de uma extremidade traseira para uma extremidade dianteira da lança, e o sistema de detecção de perfuração é localizado entre o tubo de núcleo (31) e o sistema de injeção de gás.

4. Lança, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o sistema de detecção de perfuração inclui um sensor para detectar uma mudança de pressão na câmara anular (58) ou no tubo de núcleo (31) ou um fluxo de gás para dentro ou a partir da câ- mara anular (58) ou do tubo de núcleo (31) que indica que há uma per-furação no tubo de núcleo (31), e um alarme que é responsivo ao sensor para indicar uma perfuração no tubo de núcleo (31).

5. Lança, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a mudança de pressão ou fluxo de gás é uma redução na pressão na câmara anular (58) ou um fluxo interno de gás para dentro da câmara anular (58) quando o tubo de núcleo (31) estiver perfurado.

6. Lança, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a câmara anular (58) inclui uma entrada através da qual o gás inerte é abastecido para a câmara para manter a pressão do gás na câmara.

7. Lança, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a mudança de pressão ou fluxo de gás é um aumento na pressão na câmara anular (58) ou um fluxo externo de gás a partir da câmara anular (58) devido a gás que flui para dentro da câmara anular (58) a partir da passagem (71) no tubo de núcleo (31) quando o tubo de núcleo (31) estiver perfurado.

8. Lança, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a câmara anular (58) contém um gás inerte sob uma pressão que é mais baixa do que a pressão média de gás no tubo de núcleo (31).

9. Lança, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a câmara anular (58) fica sob vácuo.

10. Lança, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a câmara anular (58) tem a profundidade radial de 1 a 5 mm.

11. Lança, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a câmara anular (58) se estende ao longo do comprimento da camisa de arrefecimento anular.

12. Lança, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o gás inerte é nitrogênio.

13. Processo de fundição direta baseado em banho fundido para produzir um metal fundido a partir de um material sólido de alimentação metalífero, caracterizado pelo fato de que inclui injetar o material de alimentação metalífero, para dentro de um banho fundido em um recipiente de fundição direta por meio de pelo menos uma lança de injeção de sólidos, como definido em qualquer uma de reivindicações 1 a 12 e, verificar uma mudança de pressão no tubo de injeção de sólidos da lança de injeção de sólidos ou um fluxo de um gás para dentro de uma passagem (71) no tubo de núcleo (31) da câmara anular (58) para detectar uma perfuração na lança.

14. Processo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que inclui abastecer um gás inerte para a câmara anular (58) da lança de injeção de sólidos para manter a pressão interna do gás na câmara anular (58) e verificar uma mudança de fluxo de gás inerte para dentro para manter a pressão interna do gás.

15. Aparelho para um processo de fundição baseado em banho fundido para produzir metal fundido a partir de um material de alimentação metalífero, caracterizado pelo fato de que inclui um recipiente de fundição direta que tem pelo menos uma lança de injeção de sólidos, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, e pelo menos uma lança para injetar um gás contendo oxigênio, sendo que o recipiente de fundição direta contém um banho de metal fundido na forma de metal fundido e escória fundida.