BR112017010329B1 - Aparelho para fundir cargas metalúrgicas, uso do aparelho, e, processo para fundir cargas metalúrgicas - Google Patents
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Abstract
resumo ?aparelho para fundir cargas metalúrgicas, uso do aparelho, e, processo para fundir cargas metalúrgicas? a presente invenção trata de um aparelho apropriado para fundir e separar metais em condições de óxido-redução flexíveis. mais particularmente, ela trata de um aparelho para fundir cargas metalúrgicas compreendendo um forno de banho suscetível de conter uma carga em fusão até um nível determinado, caracterizado pelo fato de que o forno é equipado com: pelo menos um maçarico de plasma não transferido para a geração de primeiros gases quentes; pelo menos um queimador a oxigás para a geração de segundos gases quentes; e injetores submersos para injetar referidos primeiros e segundos gases quentes abaixo de referido nível determinado.
Description
[0001] A presente invenção trata de um aparelho apropriado para fundir e separar metais em condições flexíveis de óxido-redução.
[0002] Queimadores a oxigás têm sido usados em pirometalurgia para fundir cargas metalúrgicas complexas. Esta tecnologia é bem adequada para manter condições oxidantes, tais como para conversão de alimentações sulfetadas em metais e SO2. Ela é também útil quando condições brandamente redutoras são requeridas como para a redução de metais facilmente redutíveis como PGMs ou cobre. No entanto, a redução de elementos menos nobres tais como ferro está bem fora do domínio viável de queimadores a oxigás.
[0003] Quando são necessárias condições fortemente redutoras, um queimador precisa operar com uma mistura muito pobre, produzindo essencialmente CO e pouco ou nenhum CO2. A entalpia utilizável dos gases do queimador é consequentemente muito mais baixa e pode se tornar insuficiente para compensar as perdas térmicas do forno e/ou para fornecer calor suficiente para conduzir reações endotérmicas como a redução de óxidos de metal. As vazões para o queimador podem ser aumentadas, mas isto aumenta também os volumes de gás a serem processados na câmara de filtro e no aparelho de pós-combustão.
[0004] Os queimadores de plasma, por outro lado, são apropriados para gerar uma entalpia utilizável muito alta enquanto mantendo as vazões de gás relativamente baixas, também com uma mistura gasosa muito pobre.
[0005] No entanto, eles têm suas próprias limitações, uma desvantagem sendo o consumo de eletricidade, uma fonte de energia bastante cara em muitos países. Uma outra é relacionada ao desgaste mais elevado e aos custos de manutenção inerentes.
[0006] Os processos metalúrgicos frequentemente compreendem uma série de etapas de oxidação e redução, as vezes intermisturadas com separações de fase. Diferentes fornos são tipicamente usados em cada etapa, as fases em fusão ou solidificada sendo transferidas de forno a forno. Cada forno é então otimizado para operar em uma faixa específica de condições oxidantes ou redutoras.
[0007] Foi agora constatado que um único aparelho pode ser apropriadamente equipado com tanto um queimador a oxigás como um queimador a plasma, desde que ambas tecnologias sejam implementadas de um modo compatível. Isto assegura uma transição suave entre o modo de oxigás e o modo de plasma, sem a necessidade de reconfigurar o aparelho de qualquer modo. Na verdade, ambos modos podem ser executados simultaneamente se necessário, por exemplo, quando uma entrada de energia muito elevada fosse requisitada. Ademais, o banho em fusão pode ser conservado dentro do mesmo forno, simplificando grandemente as etapas sequenciais de processo.
[0008] Para esta finalidade, a entalpia é introduzida diretamente no banho na forma de gases quentes através de pelo menos 2 tubeiras submersas, uma equipada com um queimador a oxigás, a outra com um queimador a plasma. Quando mais do que 2 tubeiras são previstas, os tipos de queimadores podem ser misturados e conjugados em função da metalurgia desejada.
[0009] Deve-se observar que são conhecidos fornos equipados com sistemas de aquecimento duplo, como em US 4486229 A. Este documento descreve um aparelho para a redução carbotérmica de misturas contendo óxido de alumínio e óxido de silício. São utilizadas fontes de calor paralelas, particularmente uma fonte de calor de combustão e uma fonte de calor elétrica. No entanto, o ensinamento é limitado a fornos de leitos móveis ou altos-fornos e não se refere à tecnologia de banho fundido.
[0010] Tubeiras devem preferivelmente ser curtas, de modo a incorrer em um mínimo de desgaste e rasgamento. Isto também assegura baixas perdas térmicas. Elas podem ser montadas horizontalmente, perfurando a parede do forno sob o nível do banho. Os queimadores, sejam acionados a plasma ou oxigás, são então localizados fora do forno em uma posição submersível (também chamada "submersa"); eles precisam ser constantemente alimentados com gás para evitar que a massa em fusão escoe de volta, causando sérios danos. Alternativamente, as tubeiras podem ser montadas em um ângulo, ainda insuflando no banho, mas permitindo que os queimadores residam acima do nível do banho e fora do forno. Este esquema resulta em tubeiras levemente mais longas, mas garante que nenhuma matéria em fusão vai poder escoar de volta para os queimadores. Embora isto possa ser menos recomendado em fornos grandes, as tubeiras também poderiam ser colocadas verticalmente.
[0011] O aparelho é particularmente versátil quanto ao potencial de oxido- redução (pO2) que pode ser obtido. Embora o queimador a oxigás se preste idealmente para introduzir oxigênio suplementar na massa em fusão (aplicando uma mistura gasosa rica em oxigênio), o queimador a plasma é idealmente apropriado para a introdução de agente redutor suplementar (por adição de gás natural junto com o gás de plasma ou, então, por introdução do mesmo como um gás de embainhamento em torno do plasma).
[0012] O aparelho descrito é particularmente apropriado para tratar cargas metalúrgicas constituídas de materiais reciclados como aqueles coletados em " minas urbanas". Tais alimentações são notoriamente inomogêneas e controle em tempo real do processo é necessário para monitorar tanto a temperatura do banho quanto a redução. Aqui reside a principal vantagem do forno de duplo queimador pois ele fornece um grau de liberdade suplementar para o operador: a entrada de entalpia pode ser, de fato, modulada independentemente do potencial redox, um feito que é impossível de realizar com um queimador a oxigás apenas. Usar um plasma elétrico apenas resolve o problema de entrada de entalpia em condições redutoras. No entanto, conduzir o processo para um pO2 preciso é difícil: a quantidade de gás injetado no banho é baixa, com como resultado um pO2 que é dominado pelas características amplamente divergentes da carga. Isto é conseguido enquanto se reduz as despesas operacionais, um feito que é difícil de conseguir com um queimador a plasma apenas.
[0013] Um processo que permita manter mais facilmente estes dois parâmetros sob controle é necessário.
[0014] Para este fim, é apresentado um aparelho para fundir cargas metalúrgicas compreendendo um banho em forno suscetível de conter uma carga em fusão até um nível determinado, caracterizado pelo fato de que o forno é equipado com: pelo menos um maçarico de plasma não transferido para a geração de primeiros gases quentes; pelo menos um queimador a oxigás para a geração de segundos gases quentes; e, injetores submersos para injetar referidos primeiros e segundos gases quentes abaixo de referido nível determinado.
[0015] Maçaricos de plasma não transferido contrastam com plasma transferido onde o eletrodo é tipicamente obtido a partir de carbono: um eletrodo de carbono tem a desvantagem de fixar as condições redutoras, assim prejudicando a versatilidade do equipamento.
[0016] Por injetor submerso entende-se um tubo ou tubeira de conexão entre uma fonte de gás e um ponto de injeção que está localizado abaixo do nível do banho, assim em uma posição submersa. Isto assegura um contato direto entre o gás e a massa em fusão.
[0017] Por maçarico de plasma não transferido entende-se um gerador de gás térmico usando um maçarico de plasma pelo que um arco elétrico é mantido entre eletrodos internos à unidade de maçarico. Um gás entra através uma abertura de entrada para uma câmara de fluxo passante, em que um arco elétrico é mantido. O gás se aquece até temperaturas extremas e é expelido como um plasma através uma abertura de saída.
[0018] Por queimador a oxigás entende-se um gerador de gás térmico misturando e queimando um combustível contendo carbono e um gás contendo oxigênio. A zona de mistura fica no interior da unidade de queimador, enquanto que a zona de combustão pode ser interna ou externa à unidade.
[0019] É ademais preferido ter, pelo menos, um queimador e pelo menos um maçarico localizado abaixo de referido nível determinado. Esta instalação na verdade permite tubos de conexão muito curtos, o gerador de gás quente sendo localizável no nível do ponto de injeção, sobre o lado exterior do forno. Medidas são, porém, necessárias para evitar alagamento do gerador pela massa em fusão. Um fluxo de gás contínuo protetor através do injetor pode ser usado.
[0020] A metalurgia considerada requer que a entalpia seja fornecida de um modo versátil pelos maçaricos de plasma e pelos queimadores a oxigás. Ambos sistemas devem ser capazes de proporcionar a soleira necessária nas diferentes etapas do processo. Para este fim a razão da entalpia nominal total expressa como MJ/s do(s) queimador(es) a oxigás para aquela do(s) maçarico(s) de plasma deve preferivelmente ser 1:5 a 5:1. Similarmente, a razão da vazão de gás nominal total expressa como Nm3/s, suscetível de ser alimentada no(s) queimador(es) a oxigás para aquela suscetível de ser alimentada no(s) maçarico(s) de plasma deve ser preferivelmente 1:10 a 10:1. Por "nominal" entende-se o valor máximo da placa de identificação.
[0021] O forno deve ter uma razão de altura para diâmetro bastante grande para lidar com o intenso respingamento de matéria em fusão além da injeção de gás submerso. Assumindo um forno com um fundo cilíndrico de diâmetro d e uma altura h, a razão h/d deve ser preferivelmente maior do que 4.
[0022] Tal aparelho é utilizável para muitos fluxogramas de fusão diferentes no campo da metalurgia.
[0023] Em um primeira modalidade, o aparelho pode ser usado em um processo para fundir cargas metalúrgicas, compreendendo as etapas de alimentar uma carga metalúrgica incluindo metais de transição e formadores de escória para o forno; fundir a carga usando o(s) queimador(es) a oxigás como fonte de entalpia primária, deste modo formando uma liga compreendendo uma primeira parte dos metais de transição e uma escória compreendendo uma segunda parte dos metais de transição; tratar a escória em condições fortemente redutoras usando o(s) maçarico(s) de plasma como fonte de entalpia primária, deste modo formando uma liga enriquecida em metais de transição e uma escória esgotada em metais de transição transferindo referida segunda parte dos metais de transição da escória para a liga; e, separar a liga e a escória esgotada por vazamento.
[0024] Em uma segunda modalidade, o aparelho pode ser usado em um processo para fundir cargas metalúrgicas, compreendendo as etapas de alimentar uma carga metalúrgica incluindo metais de transição e formadores de escória para o forno; fundir a carga usando o(s) queimador(es) a oxigás como fonte de entalpia primária, deste modo formando uma primeira liga compreendendo uma primeira parte dos metais de transição e uma escória compreendendo uma segunda parte dos metais de transição; separar a primeira liga por vazamento, deixando a escória no forno; tratar a escória em condições fortemente redutoras usando o(s) maçarico(s) de plasma como fonte de entalpia primária, deste modo formando uma segunda liga enriquecida em metais de transição e uma escória esgotada em metais de transição transferindo referida segunda parte dos metais de transição da escória para referida segunda liga; e, separar a segunda liga e a escória esgotada por vazamento.
[0025] Estas duas modalidades resultam na produção de uma escória "limpa", isto é, livre de elementos indesejados. Elementos voláteis, tais como Zn ou Cd, podem ser extraídos por fumegação; elementos não voláteis, tais como Cu e Co, podem ser transferidos para a fase da liga. Condições redutoras apropriadas são necessárias em ambos casos; estas são bem conhecidas do versado na técnica, em termos de pO2 a ser obtido. Elas podem ser obtidas por um influxo reduzido de gás contendo oxigênio ou por um influxo de espécies contendo carbono. A adequabilidade das condições pode ser verificada e, se necessário, corrigidas, analisando a composição das fases. Uma tal análise pode ser realizada em tempo real durante a conclusão do processo.
[0026] Em uma terceira modalidade, o aparelho pode ser usado em um processo para fundir cargas metalúrgicas, compreendendo as etapas de alimentar uma carga metalúrgica incluindo metais de transição e formadores de escória para o forno; fundir a carga em condições fortemente redutoras usando o(s) maçarico(s) de plasma como fonte de entalpia primária, deste modo formando uma liga compreendendo metais de transição e uma primeira escória esgotada em metais de transição; separar a primeira escória por vazamento, deixando a liga no forno; tratar a liga usando o(s) queimador(es) a oxigás como fonte de entalpia primária, deste modo formando uma liga parcialmente esgotada em metais de transição e uma segunda escória enriquecida em metais de transição transferindo parte dos metais de transição da liga para a segunda escória; e, separar a liga esgotada e a segunda escória por vazamento.
[0027] A terceira modalidade descreve o uso do aparelho em uma sequência compreendendo uma redução seguida por uma oxidação. A escória final não é "limpa", mas pode na prática ser recirculada para a primeira etapa do processo, como parte da alimentação.
[0028] Por fonte de entalpia primária, entende-se que a fonte fornece mais do que 50% da entalpia total expressa em MJ alimentada para o forno.
[0029] Nos processos acima, é preferido realizar as injeções submersas em um nível onde os gases são insuflados na escória. No entanto, por exemplo, a etapa de tratamento da liga, de acordo com a terceira modalidade acima mencionada, pode também ser realizada injetando os gases na liga.
[0030] Esta combinação permite uma profunda redução, uma entrada de entalpia suficiente, e confere suficiente versatilidade para manter as desejadas condições mesmo no caso de uma alimentação altamente variável.
[0031] Uma batelada de 6 t de concentrado ustulado de Cu-Ni-Fe com composição de acordo com a Tabela 1 é processada em um forno de banho aberto para valorizar Cu e Ni de um modo econômico e eficiente. O forno de banho é equipado com um maçarico de plasma não transferido de 3 MW conectado a uma tubeira submersa por um lado, e uma outra tubeira submersa em que um queimador a oxigás de 1,5 MW reside. O diâmetro interno do forno é 1,5 m e a altura utilizável (fundo até a abertura de alimentação) é 7 m. Tabela 1: Composição da alimentação (% em peso)
[0032] Em uma primeira etapa, condições brandamente redutoras são impostas a 1200°C com um queimador a oxigás para reduzir muito do Cu presente no concentrado e coletar Ni e Fe em uma fase de escória. Em um processo em batelada de 12 h, o concentrado acima mencionado é carregado a 0,5 t/h junto com 0,1 t/h de calcário como agente fundente. Para manter o balanço de calor do forno com uma temperatura do banho de 1200°C e lambda apropriado de 0,7, o queimador a oxigás injeta 200 Nm3/h de gás natural e 240 Nm3/h de oxigênio no banho. Depois de uma batelada de 12 h, cerca de 160 kg de uma primeira liga são formados e 5,8 t de uma escória contendo Ni-Fe. As respectivas composições são mostradas nas Tabelas 2 e 3. Tabela 2: Composição da primeira liga (% em peso)
Tabela 3: Composição da escória (% em peso) 
[0033] A liga é vazada, o queimador a oxigás é desligado, mantendo um fluxo de segurança de nitrogênio através da tubeira, e o maçarico de plasma sofre partida para aquecer o banho de escória a 1500°C para recuperação de Ni e Fe. Depois de uma batelada de 3 h, cerca de 1,6 t de uma segunda liga Fe-Ni é obtido, e 4,1 t de uma escória limpa. As respectivas composições são mostradas nas Tabelas 4 e 5. Tabela 4: Composição da segunda liga (% em peso)
Tabela 5: Composição da escória (% em peso) 
[0034] O maçarico de plasma é operado em condições fortemente redutoras com 700 Nm3/h de ar como gás de plasma, e 500 Nm3/h de gás natural para obter um lambda médio de 0,3 para os gases injetados. A potência elétrica para o maçarico de plasma nesta etapa do processo é 2,3 MW. Para manter uma escória líquida, 0,2 t/h de calcário é adicionada durante a etapa de limpeza de escória. O exemplo ilustra o uso de ambas as tecnologias de aquecimento de acordo com diferentes metais a serem recuperados.
Claims (10)
1. Aparelho para fundir cargas metalúrgicas compreendendo um forno de banho suscetível de conter uma carga em fusão até um nível determinado, caracterizado pelo fato de que o forno é equipado com: - pelo menos um maçarico de plasma não transferido para a geração de primeiros gases quentes; - pelo menos um queimador a oxigás para a geração de segundos gases quentes; e, - injetores submersos para injetar referidos primeiros e segundos gases quentes abaixo de referido nível determinado.
2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que referido pelo menos um queimador e pelo menos um maçarico estão localizados abaixo de referido nível determinado.
3. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que a razão da entalpia nominal total expressa como MJ/s do(s) queimador(es) a oxigás para aquela do(s) maçarico(s) a plasma é 1:5 a 5:1.
4. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a razão da vazão de gás nominal total expressa como Nm3/s, suscetível de ser alimentada no(s) queimador(es) a oxigás para aquela suscetível de ser alimentada no(s) maçarico(s) de plasma deve ser preferivelmente 1:10 a 10:1.
5. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o forno tem um formato geralmente cilíndrico, tendo um fundo circular com um diâmetro d, e paredes laterais com uma altura h, a razão de h para d sendo de mais do que 4.
6. Uso do aparelhoconforme qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que ser para fundir cargas metalúrgicas.
7. Processo para fundir cargas metalúrgicas usando o aparelho conforme qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: - alimentar uma carga metalúrgica incluindo metais de transição e formadores de escória para o forno; - fundir a carga usando o(s) queimador(es) a oxigás como fonte de entalpia primária, deste modo formando uma liga compreendendo uma primeira parte dos metais de transição e uma escória compreendendo uma segunda parte dos metais de transição; - tratar a escória em condições fortemente redutoras usando o(s) maçarico(s) de plasma como fonte de entalpia primária, deste modo formando uma liga enriquecida em metais de transição e uma escória esgotada em metais de transição transferindo referida segunda parte dos metais de transição da escória para a liga; e, - separar a liga e a escória esgotada por vazamento.
8. Processo para fundir cargas metalúrgicas usando o aparelho conforme qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: - alimentar uma carga metalúrgica incluindo metais de transição e formadores de escória para o forno; - fundir a carga usando o(s) queimador(es) a oxigás como fonte de entalpia primária, deste modo formando uma primeira liga compreendendo uma primeira parte dos metais de transição e uma escória compreendendo uma segunda parte dos metais de transição; - separar a primeira liga por vazamento, deixando a escória no forno; - tratar a escória em condições fortemente redutoras usando o(s) maçarico(s) de plasma como fonte de entalpia primária, deste modo formando uma segunda liga enriquecida em metais de transição e uma escória esgotada em metais de transição transferindo referida segunda parte dos metais de transição da escória para a referida segunda liga; e - separar a segunda liga e a escória esgotada por vazamento.
9. Processo para fundir cargas metalúrgicas usando o aparelho conforme qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: - alimentar uma carga metalúrgica incluindo metais de transição e formadores de escória para o forno; - fundir a carga em condições fortemente redutoras usando o(s) maçarico(s) de plasma como fonte de entalpia primária, deste modo formando uma liga compreendendo metais de transição e uma primeira escória esgotada em metais de transição; - separar a primeira escória por vazamento, deixando a liga no forno; - tratar a liga usando o(s) queimador(es) a oxigás como fonte de entalpia primária, deste modo formando uma liga parcialmente esgotada em metais de transição e uma segunda escória enriquecida em metais de transição transferindo parte dos metais de transição da liga para a segunda escória; e, - separar a liga esgotada e a segunda escória por vazamento.
10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que os injetores submersos estão localizados de modo a injetar referidos primeiros e segundos gases quentes na escória.
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