BR112021012917A2 - Método de fabricação de ferro em um recipiente metalúrgico - Google Patents
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Abstract
método de fabricação de ferro em um recipiente metalúrgico. método de fabricação de ferro em um recipiente metalúrgico, o referido recipiente compreendendo um banho de ferro fundido com no topo do banho de ferro fundido uma camada de escória, em que uma alimentação metaliferrosa, material contendo carbono, material de fluxo, e oxigênio ou um gás contendo oxigênio são introduzidos no recipiente para converter a alimentação metaliferrosa em ferro fundido que é coletado no banho de ferro fundido e contínua ou semicontinuamente extraído do recipiente através de uma saída de ferro - saída do recipiente, e onde a composição do material de fluxo é selecionada para adquirir uma química pré-determinada da escória, que é regularmente extraída do recipiente através de uma saída de escória, e o material de fluxo compreende escória derivada de um processo de fabricaçãp de aço.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE FERRO EM UM RECIPIENTE METALÚRGICO".
[001] A invenção refere-se a um método de fabricação de ferro em um recipiente metalúrgico, o referido recipiente compreende um banho de ferro fundido com no topo do banho de ferro fundido uma camada de escória, na qual uma alimentação metaliferrosa, material contendo carbono, material de fluxo, e oxigênio ou um gás contendo oxigênio são introduzidos no recipiente para converter a alimentação metaliferrosa em ferro fundido que é coletado no banho de ferro fundido e contínua ou semicontinuamente extraído do recipiente através de uma saída de ferro do recipiente, e no qual a composição do material de fluxo é selecionada para adquirir uma química de escória pré-determinada, que é regularmente extraída para fora do recipiente através de uma saída de escória.
[002] Tanto o EP-B-1 112 387 como o EP-A-0 726 326 revelam individualmente tal método. O EP-B-1 112 387 refere-se ao chamado processo Hl-smelt e ensina um processo de fundição direta para a produção de metais a partir de um material de alimentação de metaliferroso em um recipiente metalúrgico, cujo processo inclui as etapas de:
[003] (a) formar um banho fundido com uma camada metálica e uma camada de escória sobre a camada metálica;
[004] (b) injetar pelo menos parte do material metaliferroso de alimentação e um material sólido carbonáceo com um gás de transporte no banho fundido através de uma pluralidade de lanças/ tuyeres e fundindo o material metaliferroso na camada metálica, em que a injeção de sólidos provoca o fluxo de gás da camada metálica que entra na camada metálica e transporta o material fundido para cima sob a forma de salpicos, gotas e correntes, e forma uma zona de transição em um espaço contínuo de gás no recipiente acima da camada de escória, onde salpicos, gotículas e correntes de material fundido entram em contato com as paredes laterais do recipiente, e formam uma camada protetora de escória;
[005] (c) injetar um gás contendo oxigênio no recipiente através de uma ou mais lanças/tuyere e gases de reação pós-combustão liberados do banho fundido em que salpicos ascendentes e posteriormente descendentes, gotículas e correntes de material fundido facilitam a transferência de calor para o banho fundido.
[006] O EP-A-0 726 326 diz respeito a um processo de produção de ferro fundido de gusa utilizando a redução direta da alimentação metaliferrosa em uma fase de pré-redução, seguida de uma fase de redução final. Na fase de pré-redução o minério de ferro (= a alimentação metaliferrosa) é pré-reduzido em um ciclone de fusão por meio de um gás de processo de redução proveniente da fase de redução final. Ocorre uma pós-combustão no gás de processo de redução no ciclone de fusão de modo a que o referido minério de ferro no referido ciclone de fusão seja, pelo menos parcialmente, fundido. O minério de ferro parcialmente derretido passa para baixo em um recipiente metalúrgico situado por baixo do ciclone, no qual a redução final ocorre por fornecimento de carvão (= o material contendo carbono) e oxigênio, formando assim um gás de processo redutor. Uma pós-combustão parcial ocorre no gás de processo de redução no vaso metalúrgico por meio do referido oxigênio fornecido ao mesmo. O carvão é fornecido diretamente para a camada de escória de modo a que a pós-combustão parcial no vaso metalúrgico seja, pelo menos parcialmente, efetuada na camada de escória.
[007] Em ambos os processos conhecidos o material de fluxo é utilizado para melhorar ou promover a limpeza do ferro produzido. Como a Wikipedia explica, o calcário e outros materiais são utilizados como "fluxos" quando adicionados ao conteúdo de um forno de fusão com o objetivo de purgar o metal de impurezas químicas como o fósforo, e de tornar a escória mais líquida à temperatura de fundição. A escória é uma mistura líquida de cinzas, fluxos, e outras impurezas.
[008] De acordo com a invenção, o material de fluxo introduzido no recipiente metalúrgico compreende escória derivada de um processo siderúrgico, tal como de um forno de arco elétrico, mas, de preferência, de um processo siderúrgico LD. Isto tem várias vantagens notáveis, como será explicado a seguir. A escória do processo de fabricação do aço pode, por exemplo, ser introduzida no recipiente como grumos de material (quebrado).
[009] Observa-se que o processo de fabricação de aço LD é bem conhecido do técnico no assunto; o processo de fabricação de aço LD ou o processo de fabricação de aço Linz-Donawitz refere-se a um método de fabricação de aço em que o ferro fundido rico em carbono é transformado em aço. O sopro de oxigênio através do ferro fundido reduz o teor de carbono da liga e transforma-o em Aço com baixo teor de carbono. Neste processo de fabricação de aço LD são adicionados fluxos de cal queimada ou dolomita para promover a remoção de impurezas e proteger o revestimento do conversor de fabricação de aço.
[0010] Os inventores descobriram que, utilizando a escória derivada de um processo de fabricação de aço no processo de fabricação de ferro da invenção, é possível operar este processo de fabricação de ferro de acordo com as suas exigências, e reduzir a necessidade de introduzir calcário fresco, dolomita e cal neste processo. Ao mesmo tempo, o teor relativamente elevado de ferro na escória derivada do processo de fabricação do aço pode, pelo menos em parte, ser recuperado e ficar disponível como ferro gusa resultante do processo de fabrico do ferro. Ambos os aspectos representam economias de custos, e possivelmente também economias na produção de CO2. Em um outro aspecto, verifica-se que a qualidade da escória do processo de produção de aço, de acordo com a invenção, é melhorada de modo a qualificar-se como matéria-prima para a produção de cimento, obviando a necessidade de a eliminar como aterro sanitário ou outras aplicações de baixo valor.
[0011] As características preferenciais da invenção são mencionadas nas reivindicações dependentes. Por exemplo, é preferível que a escória do processo de fabricação do aço seja moída em tamanho de partículass, tornando-a adequada para injeção pneumática no recipiente. Isto permite que o equipamento existente que é utilizado no processo de fabricação de ferro de acordo com a técnica anterior possa ser utilizado para introduzir a escória do processo de fabricação de aço neste processo existente. Neste contexto, é preferível que a escória do processo de fabricação do aço seja triturada em tamanho de partículass de menos de 3 mm.
[0012] Para promover a eficácia como agente de fluxo, é ainda preferível que a escória do processo de fabricação do aço compreenda predominantemente tamanho de partículass na gama de 100 - 300 µm.
[0013] A escória derivada do processo de fabricação do aço é devidamente misturada com a alimentação metaliferrosa antes de ser introduzida no recipiente. Resultados ótimos podem ser alcançados se se conseguir que a escória derivada do processo de fabricação do aço seja misturada com a alimentação metaliferrosa em uma relação peso escória : alimentação metaliferrosa entre 2:98 e 20:80, e, de preferência, entre 5:95 e 10:90.
[0014] O método de fabricação do ferro gusa de acordo com a invenção pode ser utilizado em uma diversidade de processos. Uma aplicação vantajosa é no entanto um método em que no topo do recipiente metalúrgico é fornecido um ciclone no qual são introduzidos alimentação metaliferrosa e oxigênio e através do qual os gases de reação do ciclone escapam do banho de ferro derretido por baixo do ciclone.
[0015] Pode ser preferível que a escória derivada do processo de fabricação do aço seja introduzida no recipiente através do ciclone. Contudo, é também possível que a escória derivada do processo de fabricação do aço seja introduzida no recipiente abaixo do ciclone, e depois, de preferência, em uma mistura com material contendo carbono moído que é introduzido no recipiente abaixo do ciclone. Outra possibilidade é introduzir a escória tanto através do ciclone como em uma mistura com material contendo carbono moído, que é introduzido no recipiente abaixo do ciclone.
[0016] Do ponto de vista energético, é preferível que a escória derivada do processo de fabricação do aço seja granulada a seco, embora não se exclua que seja utilizada escória granulada húmida.
[0017] Em uma concretização vantajosa do método de acordo com a invenção, o ferro que é extraído do recipiente metalúrgico através da sua saída de ferro é posteriormente processado em um processo siderúrgico, onde a escória derivada deste processo siderúrgico é devolvida e introduzida no primeiro recipiente metalúrgico mencionado que é utilizado para a fabricação do ferro.
[0018] A invenção será a seguir explanada com referência a um desenho de uma concretização exemplar não limitativa do método de fabricação do ferro em conformidade com a invenção.
[0019] No desenho:
[0020] - A Figura 1 mostra um recipiente para executar um método de fabricação de ferro de acordo com a invenção; e
[0021] - A Figura 2 mostra alguns resultados calculados para diferentes alimentos metaliferrosa e misturas de fluxo.
[0022] A Figura 1 mostra os elementos básicos necessários para a fabricação de ferro de acordo com o processo do EP-A-0 726 326, em que em um recipiente 1 é aplicado com no topo do recipiente 1 um ciclone 10. A invenção é, contudo, também aplicável em um processo sem tal ciclone, tal como o processo de acordo com o EP-B-1 112 387. Para maior clareza, contudo, o método da invenção será explanado a seguir com referência ao processo aplicado quando o recipiente 1 é dotado de um ciclone 10 no topo do recipiente 1. Além disso, a invenção será explanada com referência à utilização de escória de um processo de fabricação de aço - LD, embora isto não exclua a utilização de escória de outros processos de fabricação de aço.
[0023] Como mostra a Figura 1, a alimentação metaliferrosa 4 é injetada no ciclone fundido 10 na parte superior do recipiente 1. A alimentação metaliferrosa 4 derrete e em parte pré-reduz neste ponto, após o que goteja para dentro do recipiente 1. O material contendo carbono 5, de preferência, carvão, é injetado no recipiente 1 e na camada de escória 3, onde ocorre uma redução final, formando ferro quente líquido e escória 3. A composição da escória 3 é controlada a priori, injetando cal queimada diretamente nesta escória juntamente com o carvão. De acordo com a invenção, pelo menos parte da cal queimada injetada no recipiente 1 é substituída por escória de um processo (LD) de fabricação de aço que atua depois como uma fonte alternativa de CaO. Assim, os custos de produção do metal quente são reduzidos e, dependendo da fonte de CaO que está a ser substituída, a fonte de CO2 do processo da invenção também é reduzida. Para reduzir a quantidade de cal queimada, o material contendo CaO pode ser injetado no ciclone fundido 10 juntamente com a alimentação metaliferrosa 4, que é, de preferência, minério de ferro. Isto melhora o comportamento de fusão e de fluxo da mistura no ciclone fundido 10. Mais especificamente, o método da invenção pode ser ilustrado para funcionar da seguinte forma.
[0024] Como mencionado, o recipiente 1 compreende durante a operação um banho de ferro fundido 2 com no topo do banho de ferro fundido 2 uma camada de escória 3. Além disso, uma alimentação metaliferrosa 4, material contendo carbono 5, material de fluxo 6', 6", e oxigênio 7, ou um gás contendo oxigênio, são introduzidos no recipiente 1 para converter a alimentação metaliferrosa 4 em ferro fundido 2 que é coletado no banho de ferro fundido 2 e contínua ou semicontinuamente extraído a partir do recipiente 1 através de uma saída de ferro - saída 8 do recipiente 1. A composição do material de fluxo 6', 6" é selecionada para adquirir uma química pré-determinada da escória 3, que é regularmente extraída do recipiente 1 através de uma saída de escória 9. De acordo com a invenção, o material de fluxo 6', 6" compreende escória derivada de um processo de produção de aço, de preferência, um processo de produção de aço LD. De preferência, a escória do processo de fabricação do aço é triturada em tamanho de partículass tornando-a adequada para injeção pneumática no recipiente 1. Prefere-se tamanho de partículass inferior a 3 mm, e, mais preferivelmente, que a escória do processo de fabricação de aço (LD) compreenda predominantemente tamanhos de partículas na faixa de 100 - 300 µm.
[0025] A escória derivada do processo de fabricação do aço é misturada com a alimentação metaliferrosa 4 antes de ser introduzida no recipiente 1, e, de preferência, a escória é misturada com a alimentação metaliferrosa 4 em uma relação peso escória : alimentação metaliferrosa entre 2:98 e 20:80, mais de preferência, entre 5:95 e 10:90.
[0026] Como mostra a Figura 1 no topo do recipiente metalúrgico 1 é um ciclone 10 no qual são introduzidos a alimentação metaliferrosa 4 e o oxigênio 7 e através do qual o ciclone 10, gases de reação 11 escapam do banho de ferro fundido 2 abaixo do ciclone 10. A escória derivada do processo de fabricação do aço é introduzida no recipiente 1 através do ciclone 5 10, ou, em alternativa, a escória derivada do processo de fabricação do aço é introduzida no recipiente 1 tanto através do ciclone 10 como em uma mistura com material contendo carbono moído que é introduzido no recipiente 1 abaixo do ciclone 10.
[0027] Os efeitos do fluxo com a escória derivada de um processo siderúrgico LD são estimados, fazendo uso do software de termodinâmica FactSage, cujo software é conhecido pela pessoa competente. Os cálculos são feitos com três composições diferentes de misturas que são introduzidas no recipiente, nomeadamente
1. minério de ferro a 100%;
2. 95,8% de minério de ferro, 2,5% de calcário e 1,7% de dolomita;
3. 95 % de alimentação metaliferrosa e 5 % de LD-escória. 1 2 3 Fe2O3 88,90 85,12 84,35 Fe2O4 1,04 FeO 1,07 1,02 1,13 SiO2 3,46 3,35 4,01 Al2O3 1,42 1,37 1,46 CaO 1,39 1,33 3,42 MgO 0,51 0,49 0,85 MnO 0,82 0,79 1,02 P2O5 0,048 0,046 0,126 TiO2 0,63 0,60 0,66 CaCO3 3,44 0,10 MgCO3 0,76 Tabela 1: Composição (peso %) das misturas de minério utilizadas nos cálculos de Factsage.
[0028] Os resultados são visualizados na Figura 2. O eixo X na Figura 2 representa a temperatura em graus centígrados; e o eixo Y representa a percentagem que se encontra na fase líquida. O gráfico inferior na Figura relaciona-se com os resultados com 100% de minério de ferro; o gráfico médio relaciona-se com os resultados com 95,8% de minério de ferro (minério puro), 2,5% de calcário e 1,7% de dolomita; e o gráfico superior relaciona-se com os resultados com 95% de alimentação metaliferrosa e 5% de escória conversora (LD).
[0029] A Figura 2 mostra que a utilização de agentes de fluxo pré- misturados com a alimentação metaliferrosa resulta em um melhor comportamento de fusão e de fluxo. Constata-se que o impacto do fósforo do escória LD no ferro fabricado é limitado, tendo em conta que o método da invenção resulta em um ferro quente com menos fósforo do que o ferro quente do alto-forno convencional baseado nos mesmos materiais de entrada.
[0030] Além disso, a invenção foi demonstrada na seguinte experiência. Experiência
[0031] A escória de fabricação de aço, ou escória de conversão, neste caso da fábrica LD de Tata Steel em IJmuiden foi triturada e crivada até uma fração de tamanho 0-3 mm. Foram preparadas 100 toneladas de material. A escória LD foi pré-misturada com minério de ferro a uma taxa de 5% de escória por tonelada de mistura de minério (5% de escória e 95% de minério de ferro). O limite superior da quantidade de escória LD que pode ser utilizada na mistura será determinado pelo teor de CaO da escória, e também pela quantidade de cinza de carvão e minério de ferro e composições utilizadas no processo de fabricação do ferro. O material da escória foi subsequentemente seco em um secador de minério. Desta forma, cerca de 2000 toneladas de uma mistura de escória de minério-LD foram preparadas para utilização no processo de fabricação do ferro. A injeção de cal queimada foi utilizada para aparar a basicidade da escória dentro da faixa necessária para o processo. A mistura de minério foi utilizada durante um período de três ensaios que totalizaram cerca de 20 dias de produção de metal quente. Resultados
[0032] Verificou-se que o comportamento e controle do método de fabricação de ferro de acordo com a invenção era semelhante à utilização de uma mistura de minério convencional baseada em uma mistura de calcário e dolomita. No entanto, foram observadas diferenças na composição da escória e do metal, como se pode ver na Tabela 2. Por exemplo, o nível P no metal quente (~ 0,02 %) aumentou quando se utilizou a escória LD, no entanto ainda era significativamente mais baixo do que em um típico ferro de alto-forno (~ 0,05-0,10 %). Com o termo B2 na Tabela 2 é feita referência à relação CaO/SiO2. Mistura de Mistura de Mistura de Mistura de pedra escória pedra escória LD calcária/dolo LD calcária/do- mita lomita Metal % em peso % em Escória % em peso % em peso Quente peso C 4,3 4,0 B2[-] 1,16 1,19 S 0,082 0,088 CaO 38,6 38,2 P 0,016 0,025 SiO2 33,2 32,0 V 0,0079 0,012 MgO 5,5 5,2 Mn 0,076 0,082 Al2O3 12,7 12,5 Si <0,01 <0,01 Fetot 3,5 3,7 P2O5 0,11 0,22 V2O5 0,064 0,14 Tabela 2: Média de escórias e composições metálicas para ensaios com duas misturas diferentes de alimentação de minério. Note-se que o Fetot relatado na escória está presente como FeOx.
[0033] Embora a invenção tenha sido discutida no precedente com referência a uma concretização exemplar do método da invenção, a invenção não se restringe a esta concretização particular que pode ser variada de muitas maneiras sem se afastar da invenção.
A personificação exemplar discutida não deve, portanto, ser utilizada para interpretar as reivindicações anexas estritamente em conformidade com as mesmas.
Pelo contrário, a concretização destina-se apenas a explicar a redação das reivindicações anexas sem intenção de limitar as reivindicações a esta concretização exemplar.
O âmbito da proteção da invenção deve, portanto, ser interpretado em conformidade apenas com as reivindicações anexas, em que uma possível ambiguidade na redação das reivindicações deve ser resolvida utilizando esta concretização exemplar.
Claims (15)
1. Método de fabricação de ferro em um recipiente metalúrgico (1), referido recipiente (1) compreendendo um banho de ferro fundido (2) com no topo do banho de ferro fundido (2) uma camada de escória (3), em que uma alimentação metaliferrosa (4), material contendo carbono (5), material de fluxo (6', 6"), e oxigênio (7) ou um gás contendo oxigênio são introduzidos no recipiente (1) para converter a alimentação metaliferrosa (4) em ferro fundido (2) que é coletado no banho de ferro fundido (2) e contínua ou semi- interruptamente extraído a partir do recipiente (1) através de uma saída de ferro (8) do recipiente (1), e em que a composição do material de fluxo (6', 6") é selecionada para adquirir uma escória pré- determinada (3) química, que a escória (3) é regularmente extraída do recipiente (1) através de uma saída de escória (9), caracterizado pelo fato de que o material de fluxo (6', 6") compreende escória derivada de um processo de fabricação de aço.
2. Método de fabricação de ferro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de fluxo (6', 6") compreende escória derivada de um processo de fabricação de aço LD.
3. Método de fabricação de ferro, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a escória do processo de fabricação do aço é triturada em tamanho de partículass tornando-a adequada para injeção pneumática no recipiente (1).
4. Método de fabricação de ferro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a escória do processo de fabricação do aço é moída em tamanho de partículass inferior a 3 mm.
5. Método de fabricação de ferro, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a escória do processo de fabricação do aço compreende predominantemente tamanho de partículass no intervalo de 100 - 300 µm.
6. Método de fabricação de ferro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5 , caracterizado pelo fato de que a escória derivada do processo de fabricação do aço é misturada com a alimentação metaliferrosa (4) antes de ser introduzida no recipiente (1).
7. Método de fabricação de ferro, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a escória derivada do processo de fabricação do aço é misturada com a alimentação metaliferrosa (4) em uma relação peso escória : alimentação metaliferrosa entre 2:98 e 20:80.
8. Método de fabricação de ferro, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que a escória derivada do processo de fabricação do aço é misturada com a alimentação metaliferrosa (4) em uma relação peso escória : alimentação metaliferrosa entre 5:95 e 10:90.
9. Método de fabricação de ferro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8 , caracterizado pelo fato de que no topo do recipiente metalúrgico (1) é fornecido um ciclone (10) no qual são introduzidos a alimentação metaliferrosa (4) e oxigênio (7), e através do qual o ciclone (10) gases de reação (11) escapam do banho de ferro fundido (2) abaixo do ciclone (10).
10. Método de fabricação de ferro, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a escória derivada do processo de fabricação do aço é introduzida no recipiente (1) através do ciclone (10).
11. Método de fabricação de ferro, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que a escória derivada do processo de fabricação do aço é introduzida no recipiente
(1) abaixo do ciclone (10).
12. Método de fabricação de ferro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 1 1 , caracterizado pelo fato de que a escória derivada do processo de fabricação do aço é introduzida no recipiente (1) em uma mistura com material contendo carbono moído (5) que é introduzido no recipiente (1) abaixo do ciclone (10).
13. Método de fabricação de ferro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 1 2 , caracterizado pelo fato de que a escória derivada do processo de fabricação do aço é introduzida no recipiente (1) tanto através do ciclone (10) como em uma mistura com material contendo carbono moído (5) que é introduzida no recipiente (1) abaixo do ciclone (10).
14. Método de fabricação de ferro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que a escória derivada do processo de fabricação do aço é granulada a seco.
15. Método de fabricação de ferro, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que o ferro que é extraído do recipiente metalúrgico (1) através da sua saída de ferro (8) é posteriormente processado em um processo siderúrgico, em que a escória derivada do processo siderúrgico é alimentada e introduzida no recipiente metalúrgico (1) que é utilizado para a fabricação do ferro.
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