BRPI0610762A2 - vaso, usina e processo de redução direta - Google Patents

Abstract

Expõe-se um vaso de redução direta (3) para operar um processo de redução direta baseado em banho fundido sob condições de pressão no vaso. O vaso inclui uma ante-soleira (67) para sangrar metal fundido continuamente a partir do vaso. A ante-soleira inclui uma conexão aberta (97) que se estende através de uma parede lateral do vaso para o interior do vaso. A conexão aberta é formada para amortecer o impacto de mudanças repentinas na pressão no vaso no fluxo de metal fundido na ante-soleira que poderia resultar em um surto indesejável do metal fundido a partir da ante-soleira. A conexão aberta também é formada de uma maneira tal que metal fundido não se solidifica na conexão durante pelo menos 6 horas quando metal fundido não está sendo descarregado a partir do vaso para a ante-soleira por meio da conexão aberta.

Description

VASO, USINA E PROCESSO DE REDUÇÃO DIRETA

Refere-se a presente invenção'a um vaso deredução direta que inclui uma ante-soleira para sangrarmetal fundido continuamente a partir do vaso enquanto oprocesso está sendo operado no vaso.

Em particular, a presente invenção refere-se à construção da ante-soleira do vaso de redução di-reta.

A presente invenção refere-se com particu-laridade, muito embora não exclusivamente, a um vaso deredução direta que pode operar um processo de reduçãodireta baseado em banho fundido para produzir ferrofundido a partir de material de alimentação metaliferoque contém ferro, tais como minérios de ferro, minériosde ferro parcialmente reduzidos e correntes de refugoque contêm ferro (por exemplo, a partir de usinas defabricação de aço).

Um processo de redução direta conhecidoque se baseia em banho fundido é de um modo geral cha-mado de o processo HIsmelt. No contexto da produção deferro fundido, o processo HIsmelt inclui as etapas de:

(a) formar um banho de ferro fundido e deescória em um vaso de redução direta;

(b) injetar no banho: (i) um material dealimentação metalifero, tipicamente oxido de ferro naforma de finos; e (ii) um material carbonácèo sólido,tipicamente carvão, o qual funciona como um redutor domaterial de alimentação metalifero e uma fonte de ener-gia; e

(c) reduzir o material de alimentação meta-lifero para ferro no banho.

Da maneira que é utilizado neste contexto,o termo "redução" é compreendido como significando umprocessamento térmico no qual ocorrem reações quimicasque reduzem óxidos de metais para produzirem o metalfundido.

0 processo HIsmelt também compreende após-combustão de gases de reação, tais como CO e H2/ osquais são desprendidos a partir do banho, no espaço quefica situado acima do banho com gás que contém oxigênioe transferir o calor gerado pela pós-combustão para obanho, de maneira a contribuir para a energia térmicarequerida para reduzir os materiais de alimentação me-taliferos.

No processo HIsmelt, o material de alimen-tação metalifero e o material carbonáceo sólido são in-jetados para dentro de um banho fundido contido em umvaso de redução direta através dè um número de lanças/algaravizes que ficam inclinados em relação (à verti-cal, de maneira a estenderem-se descendentemente e patadentro através da parede lateral do vaso e para dentroda região inferior do vaso, de maneira a distribuíremos materiais sólidos para dentro da camada de metal nofundo do vaso. Um jato de gás que contém oxigênioquente, tipicamente ar ou ar•enriquecido com oxigênio,é injetado em uma região superior do vaso através deuma lança refrigerada a água que se estende descenden-temente dentro do vaso para provocar pós-combustão dosgases de reação liberados a partir do banho fundido naregião superior do vaso. Tipicamente, no caso da pro-dução de ferro fundido, o ar quente ou ar enriquecidocom oxigênio encontra-se a uma temperatura da ordem de1200°C e é gerado em regeneradores de jato quente. Ogás de saida resultante da pós-combustão dos gases dereação no vaso é removido da região superior do vasoatravés de um conduto de gás de saida. O vaso incluipainéis refrigerados a água revestidos de refratário naparede lateral e uma abóbada do vaso, e faz-se circularágua continuamente através dos painéis em um circuitocontinuo

0 processo Hismelt permite que grandes quan-tidades de ferro fundido, tipicamente pelo menos 0,5 Mt/a,sejam produzidas por meio de redução direta em um único vasocompacto.

A fim de se conseguir altas velocidades deprodução de ferro fundido no processo Hismelt é neces-sário (a) gerar e transportar grandes quantidades de arquente oü ar enriquecido com oxigênio e gás carreador(para injeção de sólidos) para o vaso dé redução dire-ta, 1 (b) transportar grandes quantidades do material dealimentação metalifero, tais como materiais de alimen-tação, que" contêm ferro, para o vaso, incluindo gerar etransportar grandes quantidades de gás carreador para ovaso, (c) transportar grandes quantidades de gás de sa-ida quente a partir do vaso, (d) transportar grandesquantidades de ferro e escória fundidos no processo pa-ra fora do vaso, e (e) fazer circular grandes quantida-des de água através dos painéis refrigerados a água -todos dentro de uma área relativamente confinada.

Em vista do exposto, altas velocidades deprodução de ferro fundido requerem um processo HIsmeltque opere sob condições de pressão e uma usina HIsmeltque inclua (a) um vaso de redução direta pressurizado eequipamento auxiliar, tais como tremonhas de fecho parafornecerem materiais de alimentação sólidos ao vaso eequipamento de controle de pressão do conduto de gás desaída do vaso, (b) regeneradores que produzem a altavelocidade de fluxo de ar' quente ou de ar enriquecidocom oxigênio para o vaso, e (c) equipamento de trata-mento de gás de saída que seja capaz de processar gran-des quantidades de gás de saída descarregado a partirdo vaso.

Um traçado atual de um vaso de redução di-reta para o processo HIsmelt inclui uma ante-soleirapara vazar metal fundido em uma base contínua., a partirdo vaso e um furo de corrida para vazar escória fundidaem uma base periódica a partir do vaso. A ante-soleirainclui uma conexão aberta através da parede lateral dovaso até ao interior do vaso.

0 uso da ante-soleira, com a conexão aber-ta para o interior do vaso, e operação do vaso sob con-dições de pressão, tipicamente 0,8 bar manométrico,significa que variações na pressão do vaso serão dire-tamente traduzidas em variações nos niveis de metalfundido no vaso e na ante-soleira.

Pode ser apreciado a partir do exposto quea operação do processo HIsmelt com uma ante-soleira a-berta particularmente sob condições de pressão, apre-senta questões de segurança potencialmente sérias queprecisam ser consideradas.

Uma dessas questões de segurança potenci-almente sérias apresenta-se na eventualidade de ocorrerum aumento inesperado na pressão dentro do vaso. Sobessas condições de sobre-pressão existe um risco de me-tal fundido crescer proveniente do vaso para a ante-soleira e extravasar a ante-soleira de uma maneira des-controlada e perigosa.

A presente invenção proporciona uma cons-trução de ante-soleira que visa a questão de limitaçãoda extensão de surtos de metal quente fluido a partirda ante-soleira em situações de sobre-pressão ao mesmotempo em que considera outros fatores que são relevan-tes para a operação da ante-soleira.

Em termos gerais, a presente invençãoproporciona um vaso de redução direta para operar umprocesso de redução direta baseado em banho fundidosob condições de pressão no vaso. 0 vaso inclui umaante-soleira para vazamento de metal fundido continua-mente a partir do vaso. A ante-soleira inclui uma co-nexão aberta que se estende através de uma parede late-ral do vaso para o interior do vaso. A conexão aberta éformada para amortecer o impacto de mudanças repentinasna pressão no vaso de fluxo de metal fundido na ante-soleira que poderia resultar em um surto de metal fundi-do indesejável a partir da ante-soleira. A conexão a-berta é também formada de maneira tal que metal fundidonão se solidifique na conexão durante pelo menos 6 horasquando metal fundido não está sendo descarregado dò vasopara a ante-soleira por meio da conexão aberta.

De acordo com a presente invenção propor-ciona-se um vaso de redução direta para operar um pro-cesso de redução direta baseado em banho fundido parareduzir um material de alimentação metalifero e produ-zir metal fundido sob condições de pressão no vaso, va-so esse que inclui:

(a) uma soleira adaptada para conter umacamada de metal do banho fundido, sendo a soleira dota-da de uma base e uma parede lateral;

(b) uma parede lateral que se estende as-cendentemente a partir da parede lateral da soleira;

(c) uma pluralidade de lanças de. injeçãode sólidos refrigeradas a água que se estendem descen-dentemente e para dentro do vaso para injetar materiaisde alimentação de sólidos tais como material de alimen-tação metalifero e/ou material carbonáceo, para dentrodo' "vaso;

(d) uma ou mais de uma lança de injeção degás que contém oxigênio refrigerada a água que se es-tende descendentemente dentro do vaso para injetar umgás que contém oxigênio dentro do vaso; e

(e) uma ante-soleira para sangrar metalfundido continuamente a partir do vaso, sendo que a an-te-soleira inclui (i) uma câmara que pode conter um vo-lume de metal fundido e tem uma salda para descarregarmetal fundido a partir da câmara e (ii) uma conexão a-berta que se estende através da parede lateral ,'da so-leira para o interior do vaso e que interliga dessa ma-neira a câmara e o interior do vaso; sendo a conexãoaberta formada de maneira tal a amortecer o impacto decargas repentinas na pressão no vaso no fluxo de metalfundido na ante-soleira que poderiam resultar em umsurto indesejável de "metal fundido proveniente da ante-soleira, e sendo a conexão aberta formada também de ma-neira que metal fundido não se solidifica na conexãodurante pelo menos 6 horas quando metal não está sendodescarregado do vaso para a ante-soleira por meio daconexão aberta.

O termo "amortecer" é compreendido nestecontexto como significando que um aumento repentino napressão no vaso não se transforma imediatamente para umaumento correspondente na velocidade e/ou na velocidadede fluxo (volume ou massa) de metal fundido provenientedo vaso para a ante-soleira que poderia resultar em umsurto de metal fundido indesejável a partir da ante-soleira.

Os requisitos para a conexão de ante-soleira descritos no parágrafo (e) anterior são o resul-tado de trabalho de pesquisa e desenvolvimento da reque-rente que identificou e reconheceu o significado de fato-res que incluem fatores participantes, que são importan-tes para o traçado de uma ante-soleira para. um processode redução direta baseado em banho fundido que opera sobpressão em um vaso de redução direta com fluxo continuometal fundido proveniente do vaso por intermédio dá ante-soleira.

Um fator é o de que a extensão do des-gaste de refratário aumenta quando a área de uma se-ção vertical que é transversal ao comprimento da co-nexão da ante-soleira na parte mais estreita da cone-xão da ante-soleira diminui. O termo "-área de seçãotransversal minima" é compreendido neste contexto co-mo significando a área de uma seção vertical trans-versal ao comprimento da conexão da ante-soleira naparte mais estreita da conexão da ante-soleira. Umfator contendente é o de que a extensão na qual a velo-cidade de fluxo (volume ou massa) de metal fundidoproveniente do vaso para a ante-soleira pode ser li-mitada aumenta na medida em que a área seccional trans-versal da conexão da ante-soleira decresce. Desta ma-neira, é preferível uma área seccional transversalminima maior sob um ponto de vista de desgaste, mas émenos preferida sob um ponto de vista de limitação davelocidade de fluxo. Além disso, uma área seccionaltransversal minima menor é preferível sob um ponto devista de limitação de velocidade de fluxo, mas é menospreferida sob um ponto de vista de desgaste.

Outro fator é que, para uma determinadaárea seccional transversal minima da conexão de ante-soleira, o risco de solidificação do metal fundido naconexão de. ante-soleira decresce quando o comprimentoda conexão de ante-soleira decresce. Um fator con-tendente é que, para uma determinada área seccionaltransversal minima da conexão de ante-soleira, a exten-são para a qual a velocidade de fluxo de metal fundidoproveniente do vaso para a ante-soleira pode ser limita-da decresce quando o comprimento da conexão de ante-soleira decresce. Desta maneira, é preferível umcomprimento mais longo sob um ponto de vista de limi-tação de velocidade de fluxo, mas é menos preferidosob um ponto de vista de solidificação de.metal fundi-do na conexão de ante-soleira. Além disso, é preferí-vel um comprimento mais curto sob um ponto de vista desolidificação de metal fundido, mas é. menos preferidosob um ponto de vista de limitação de velocidade defluxo.

Outro fator é o de que, para uma deter-»minada área seccional transversal minima da conexãode ante-soleira, a velocidade de metal fundido que fluiatravés da conexão de ante-soleira aumenta e o des-gaste da conexão aumenta quando a mudança de pressãono vaso aumenta. Um fator relacionado é que, para umdeterminado aumento de pressão dentro do vaso, a velo-cidade de metal fundido que flui através da conexãode ante-soleira aumenta e o desgaste da conexão aumentaquando a área seccional transversal minima da conexão deante-soleira decresce.

Preferentemente, a conexão aberta é forma-da de maneira tal que a velocidade máxima de metal fun-dido através da conexão aberta é de 1 m/s enquanto oprocesso está operando sob pressão no vaso e produzindoferro fundido sob uma velocidade de produção plena.

O termo "velocidade de produção plena" ecompreendido neste contexto como significando uma ve-locidade requerida para produzir a produção calculadaanual para o vaso.

A produção calculada anual poderá variarconsideravelmente para diferentes vasos. Tipicamente,para vasos projetados para produzirem ferro fundido, a pro-dução calculada anual é pelo menos 800.000 toneladas e podeser de até ou superior a 2 milhões de toneladas.

Prefere-se com particularidade que a conexãoaberta seja formada ' de modo que a velocidade máxima do me-tal fundido através da conexão aberta seja 0,6 m/s.

Tipicamente, a pressão de operação no vaso en-quanto o processo está operando no vaso é pelo menos 0,5 barmanométrico.

Tipicamente, a pressão de operação no vasoenquanto o processo está operando no vaso é menor do que1,5.: bar manométrico, e mais tipicamente menor do que 1,0bar manométrico.Preferentemente, a forma da conexão abertaé selecionada de modo a incluir um primeiro canalque se estende a partir do vaso e tem uma seção trans-versal uniforme ao longo do seu comprimento e tem uma á-rea seccional transversal minima que é selecionada de for-ma tal que ela pode funcionar como uma garganta ou de ou-tro modo limitar o fluxo de metal fundido na ante-soleiraem condições de sobre-pressão no vaso e desse modo amorte-cer o impacto de alterações repentinas na pressão do vasono fluxo de metal fundido na ante-soleira.

Preferentemente, uma dimensão de maior lar-gura do primeiro canal é 7 5-200 mm.

Pref erentemente, o comprimento do primeirocanal é menor do que 1 m.

Com maior preferência o comprimento do pri-meiro canal é 200-600 mm.

Prefere-se com particularidade que o com-primento do primeiro canal seja de 300-500 mm.

O primeiro canal pode ter qualquer formaadequada na seção transversal. Formas adequadas inclu-em em forma de túnel, circular e quadrada.

Preferentemente, a seção transversal , doprimeiro canal é em forma de túnel com uma base plana,paredes laterais paralelas que se estendem perpendicu-larmente à base e uma abóbada encurvada.

Preferentemente, a conexão aberta tambéminclui um segundo canal que se estende desde o primeirocanal até à câmara de ante-soleira e tem uma área sec-cional transversal que aumenta com a distância a partirdo primeiro canal.

A largura ou a altura do segundo canal po-de aumentar com a distância a,partir do primeiro canal.

Preferentemente, a altura do segundo canalaumenta com a distância a partir do primeiro canal.

Preferentemente, o segundo canal é de umamaneira geral troncônico quando observado na seção ver-tical ao longo do comprimento do segundo canal.

Preferentemente, o segundo canal é dotadode uma parede inferior e uma parede superior.

Preferentemente, a parede superior do se-gundo canal é mais inclinada em relação à horizontal doque a parede inferior do segundo canal.

Preferentemente, a parede superior do se-gundo canal tem um ângulo de inclinação em relação àhorizontal de pelo menos 15°.

Prefere-se com particularidade que o ângu-lo de inclinação em relação à horizontal seja de pelomenos 20°.

Preferentemente, a largura da seção do se-gundo canal aumenta inicialmente com a distância a par-tir do primeiro canal e depois disso permanece constan-te, ao longo do restante do comprimento do segundo canalaté à câmara de ante-soleira.

Preferentemente, a proporção do volume dosegundo.- canal para o volume do primeiro canal é pelomenos...3 :.l.Com maior preferência, a proporção do vo-lume do segundo canal para o volume do primeiro canal épelo menos 4:1.

Tipicamente, a conexão de ante-soleira éprojetada para amortecer aumentos repentinos na pressãode vaso em até 50% da pressão de operação no vaso.

Preferentemente, a ante-soleira inclui ti-jolos/blocos pré-fundidos ou tijolos/blocos que sãofundidos in sítu que definem a seção aberta.

Preferentemente, a ante-soleira inclui ti-jolos/blocos prensados que definem a câmara de ante-soleira.

Preferentemente, a ante-soleira inclui umfuro de corrida para descarregar metal fundido quandoexiste uma necessidade de drenar metal fundido a partirda ante-soleira e do vaso. O furo de corrida é fechadoquando o vaso está operando e produzindo metal e podeser aberto seletivamente conforme requerido se houvernecessidade de drenar metal fundido a partir do vaso eda ante-soleira.

Preferentemente, o vaso inclui válvulas dealivio de pressão que ventilam o vaso para a atmosferana eventualidade de que a pressão do vaso aumente parauma. pressão predeterminada.

De acordo com a presente invenção é pro-porcionada uma usina de redução direta que inclui o va-so de redução direta descrito anteriormente para operarum processo de redução direta baseado em banho fundidosob condições de pressão para reduzir um material dealimentação metalifero e produzir metal fundido.

De acordo com a presente invenção propor-ciona-se igualmente um processo de redução direta base-ada em banho fundido, para reduzir um material de ali-mentação metalifero e produzir metal fundido sob condi-ções de pressão no vaso de redução direta descrito an-teriormente.

A presente invenção é descrita adiante commaiores detalhes com referencia aos desenhos anexos, nosquais:

A Figura 1 é uma vista diagramática de umaconcretização de uma usina de redução direta que inclui umvaso de redução direta de acordo com a presente invenção.

A Figura 2 é uma seção vertical ampliada dovaso de redução direta ilustrado na Figura 1 que ilustraa ante-soleira de forma mais detalhada.

A Figura 3 é uma seção vertical ampliadaque ilustra a ante-soleira de forma mais detalhada.

A Figura 4 é uma seção horizontal ampliadaque ilustra a ante-soleira de uma maneira mais detalha-da; e

A Figura 5 é uma vista extrema ampliada daante-soleira quando observada na direção da seta A na Fi-gura 3.

A descrição seguinte da planta ilustradanas figures encontra-se no contexto da utilização dausina para reduzir material alimentício que contém fer-ro para produzir ferro fundido de acordo com o processoHIsmelt, tal como descrito no pedido internacionalPCT/AU96/00197 em nome da mesma requerente. A descriçãodo relatório de patente depositado com o pedido inter-nacional fica incorporada neste contexto por referênciaremissiva.

0 processo é baseado no uso de um vaso deredução direta 3.

O vaso 3 é do tipo descrito em detalhesnos pedidos internacionais PCT/AU2004/000472 ePCT/AU2004/000473 em nome da mesma requerente. A des-crição dos relatórios de patente depositados com estespedidos internacionais fica incorporada neste contextopor referência remissiva.

Com referência à Figura 2, o vaso 3 é do-tado de uma soleira que inclui uma base 81 e uma paredelateral 83 formada a partir de tijolos refratários; umaparede lateral 85 que forma um corpo geralmente cilín-drico que se estende ascendentemente a partir dos ladosda soleira, e uma abóbada 87 que inclui uma câmara de gásde saida central 89, um conduto de gás de saida 9 que seestende a partir da câmara de gás de saida 89, uma an-te-soleira 67 para descarregar metal fundido continuamentea partir- do vaso 3, e um furo de corrida 71 para descarre-gar escória fundida periodicamente do vaso 3.

A ante-soleira 67 inclui uma camisa de açoexterna 75 e um revestimento interno 77 de material re-fratário.A ante-soleira 67 inclui uma câmara principalou poço 91 que é dotado de uma saida 93 para ferro fundidoem uma extremidade superior da câmara. Em uso, ferro fun-dido flui por meio da saida 91 a partir da ante-soleira67 e para dentro de uma calha (não ilustrada).

A ante-soleira 67 também inclui um furo decorrida 95 em uma seção inferior da câmara principal 91.Em uso, o furo de corrida 95 é fechado sob condições deoperação normais do processo. 0 furo de corrida 95 podeser aberto quando requerido para drenar ferro fundido daante-soleira 67 e dò vaso 3.

A ante-soleira 67 também inclui uma cone-xão de ante-soleira de uma maneira geral identificadapelo número 97 que interliga a câmara principal 91 e, ointerior do vaso 3

Tal como pode ser mais bem observado nasFiguras 3 a 5, a conexão de ante-soleira 97 inclui:

(a) um primeiro canal, relativamente es-treito e curto, horizontal 99 que se estende para for adesde o interior do, e

(b) um segundo canal, gradualmente maislargo e relativamente longo 101 que se estende parafor a partir do'primeiro canal 99 e que se abre den-tro da.câmara principal 91.

0 primeiro canal 99 estende-se apenas umacurta distância (300 mm) dentro da parede lateral 83 dasoleira. Tal como pode ser mais bem observado na Figura5, o primeiro canal 99 é em forma de túnel na seçãotransversal e inclui uma base 103, paredes laterais pa-ralelas 103, e uma abóbada encurvada 107. O primeiro canal99 tem uma altura e uma largura de 150 mm.

O primeiro canal 99 é formado de modo afuncionar como um estrangulamento para dessa forma a-mortecer o impacto de qualquer fluxo para for a descon-trolado de ferro fundido a partir do vaso 3 quando dofluxo de ferro fundido na câmara principal 91 da ante-soleira 67 em condições de sobrepressão no vaso 3.

O segundo canal 102 é formado de maneira aproporcionar uma transição para o fluxo de ferro fundidoproveniente do primeiro canal 99 para dentro da câmaraprincipal 91.

O primeiro canal 99 e p segundo canal 101 sãotambém formados tendo relação com os requisitos térmicos daconexão de ante-soleira 97. Com particularidade, o pri-meiro canal 99 e o segundo canal 101 são formados de ma-neira que existe transferência de calor suficiente den-tro do primeiro canal 99 a partir do interior do vaso e dacâmara de ante-soleira 91 (por meio do segundo canal 101)para manter a temperatura do ferro fundido no primeirocanal 99 acima da temperatura "liquidus" durante pelomenos 6 horas, durante uma situação "off-wind", ou se-ja, quando não tem ferro fundido sendo produzido no vaso 3e sendo descarregado por meio da. ante-soleira 67.

Com particularidade, a forma e dimensão dosegundo - canal 101 facilitam a transferência de calordentro do primeiro canal 99.' Com referência à Figura 3,o segundo canal 101 é de uma maneira geral troncônico naseção vertical, com uma parede inferior geralmente hori-zontal 107 e uma parede superior geralmente inclinada as-cendentemente 109 que se estende segundo um ângulo de 20°à horizontal. Em particular, o segundo canal 101 tem:(a) uma primeira seção substancialmente troncônica 111que se estende por um comprimento de 600 mm e aumenta nalargura de 150 mm para 500 mm e; (b) uma segundo seçãode largura constante 113 que se estende para a câmaraprincipal 91 da ante-soleira 67. A dimensão do segundocanal 101 é tal que ele contém um volume de ferro fundidoque é relativamente grande em comparação com aquele contidopelo primeiro canal 99.

Além disso, a forma e dimensão global daconexão de ante-soleira 97 e a forma, materiais e traça-do do revestimento interno refratário que formam a cone-xão de ante-soleira 97 são selecionados de forma a (a)suportar desgaste significativo que ocorre durante oprocesso devido ao fluxo de ferro fundido através da co-nexão de ante-soleira 97 e (b) expandir-se em relaçãoao vaso 3 de maneira que a expansão coloque carga míni-ma, se é que alguma, no vaso 3. Com relação ao revesti-mento refratário interno, o revestimento interno da cone-xão de ante-soleira 97 é feito a partir de blocos pré-fundidos de material refratário. A Figura 5 mostra asextremidades de dois desses blocos pré-fundidos 117a e117b. -Com:relação ao item (b), o primeiro canal 99 é di-mensionado de forma tal que a velocidade máxima de ferrofundido no canal 99 está na faixa de 0,2-0,6 m/s quando ovaso está produzindo ferro fundido sob uma velocidade deprodução plena. Tipicamente, uma velocidade de produ-ção plena corresponde a uma velocidade de produção demetal nominal na faixa de 800.000 toneladas por ano a1.600.000 toneladas por ano para vasos que são dotados deum diâmetro de soleira na faixa de 6 m a 8 m, respectiva-mente e que operam sob uma pressão da ordem de 0,8 barmanométrica. Essas velocidades de produção correspon-dem ao processamento principalmente de finos de minériode ferro de hematita que foram pré-aquecidos e são for-necidos à soleira a uma temperatura da ordem de 700°Csob um grau de redução de até 11%.

Os blocos pré-fundidos que formam a cone-xão de. ante-soleira 97 proporcionam um gradiente térmicofor. a do ferro fundido na conexão 97 que é suficientepara limitar a propagação de rachaduras que podem serdesenvolvidas nesses blocos durante a operação. Um gra-diente térmico que, limita a propagação de rachaduras é van-tajoso devido à grande dimensão comparada com os tijolosrefratários prensados tipicos. ,

O vaso 3 é equipado com uma lança de inje-ção de ar quente refrigerada a água ("HAB") 7 que seestende descendentemente, que se estende em um espaçode topo do vaso 3 e oito lanças de injeção de sólidos re-frigeradas a água 5 que se estendem descendentemente e paradentro através da parede lateral 85.

Em uso, o vaso 3 contém um banho de ferrofundido. Sob condições quiescentes, ou seja, enquantoum processo de redução direta não está operando no vaso3, o banho fundido inclui uma camada de metal 91 e uma ca-mada de escória 93 no topo da camada de metal.

Em uso, enquanto um processo de reduçãodireta está sendo operado no vaso 3, material de ali-mentação que contém ferro (tais como finos de minério deferro, refugos de usina de ferro que contêm ferro ou finosÍDRI), carvão e fundentes (cal e dolomita) são injetadosdiretamente no banho por intermédio das lanças de inje-ção 5.

Especificamente, utiliza-se um conjunto delanças 5 para injetar material de alimentação que con-tém ferro e fundentes e utiliza-se outro conjunto delanças 5 para injetar carvão e fundentes.

As lanças 5 são refrigeradas a água para asproteger das altas temperaturas dentro do vaso 3 e são re-vestidas internamente com material de alta resistência afim de protegê-las da abrasão pela mistura de gás/sólidosque é injetada a alta velocidade. As lanças estendem-separa dentro através de uma parede lateral do vaso e des-cendentemente no sentido de uma região da soleira do va-so. As extremidades das lanças são posicionadas acimada camada de metal que sai na soleira durante a opera-ção e dentro de uma parte da soleira que contém escó-ria.

Em uso, enquanto um processo de reduçãodireta está em operação no vaso 3, material de alimenta-ção que contém ferro é pré-aquecido antes de ser fornecidoao vaso 3 ao ser pré-aquecido a uma temperatura na faixade 600-700°C e pré-reduzido em um pré-aquecedor de leitofluidifiçado 17 antes de ser injetado dentro do banho.

Em uma forma de processo de pré-tratamento, o minériode ferro é pré-tratado por gás de saida proveniente doprocesso somente ou em conjunto com gás natural. A pré-redução sob estas condições pode ser da ordem de 11% e étipicamente menos.

Carvão e fundentes são armazenados em umasérie de tremonhas de eclusa 25 antes de serem injeta-dos sob temperaturas ambiente dentro do banho. 0 carvãoé fornecido às tremonhas de eclusa 25 por meio de umainstalação de secagem & moagem de carvão 71.

0 carvão injetado desvolatiliza-se no ba-nho, liberando assim H2 e CO. Estes gases funcionamcomo redutores e fontes de energia. 0 carbono no car-vão é rapidamente dissolvido no banho. O carbono dis-solvido e o carbono sólido também funcionam como reduto-res, produzindo CO como um produto de redução. O materialde alimentação que contém ferro injetado é reduzido pa-ra ferro fundido no banho e é descarregado continuamen-te por meio da ante-soleira 67. A escória fundida produzidano processo é descarregada periodicamente por meio do furo decorrida de escória 71.

0 processo opera sob condições de pressão,tipicamente 0,8 bar manométrico, no vaso 3.

A operação do processo sob condições depressão no vaso 3 com a conexão aberta para o exterior dovaso 3 (por meio da ante-soleira 67) apresenta riscos desegurança nas condições de sub-pressão e sobre-pressão novaso 3 que são provocadas por perturbações inesperadas noprocesso.

Nas condições de sobre-pressão no vaso 3 orisco de segurança decorre da possibilidade de um surtode ferro fundido que flui a partir do vaso 3 no sentidoe a partir da ante-soleira 67 de uma maneira descontro-lada. 0 primeiro canal 99 anteriormente descrito da cone-xão de ante-soleira 97 opera como um estrangulador quedesse modo amortece o impacto de qualquer desse fluxodescontrolado de ferro fundido, no fluxo de ferro fundidona ante-soleira 67 ; Em particular, ° primeiro canal 99assegura que um aumento repentino na pressão no vaso 3 nãose transforme imediatamente para um aumento correspon-dente na velocidade e/ou escoamento (volume ou massa) doferro fundido proveniente do vaso 3 dentro da ante-soleira67 que poderá resultar em um surto indesejável de metalfundido proveniente da ante-soleira 67.

As reações de redução tipicas envolvidasna redução do material de alimentação que contém ferroinjetado para ferro fundido que ocorrem no banho são en-dotérmicas. A energia requerida para sustentar o proces-so e, mais particularmente estas reações endotérmicas, éproporcionada pela reação de CO e H2 desprendidos a partirdo banho com ar enriquecido com oxigênio injetado sob altastemperaturas, tipicamente 1200°C, no vaso 3 por meio dalança HAB 7.

A energia desprendida a partir das reaçõesde pós-combustão descritas anteriormente no espaço detopo do é transferida para o banho de ferro fundido pormeio de uma "zona de transição" na forma de regiões alta-mente turbulentas acima do banho que contêm goticulas deescória e ferro. As goticulas são aquecidas na zona detransição pelo calor gerado a partir das reações fie pós-combustão e retornam para o banho de escória/ferrotransferindo assim energia para o banho.

O ar quente enriquecido com oxigênio inje-tado no vaso 3 por meio da lança HAB 7 é gerado em umpar de regeneradores de jato quente 11 pela passagem deuma corrente.de ar enriquecida com oxigênio (que contém no-minalmente 30 a 35%, em volume, de 02) através de um dosregeneradores 11 é aquecendo o ar e transferindo o arquente enriquecido com oxigênio para a lança HAB 7 pormeio de um conduto de injeção de ar quente 41.

Gás de saida é liberado a partir do vaso 3por meio do conduto de gás de saida 9 na seção superior dovaso 3 e passa inicialmente através de um resfiriador deradiação, doravante chamado de um "capuz de gás de sal-da", 15. Tipicamente, o gás de saida está sob uma tem-peratura da ordem de 1450°C.

O gás de saida é resfriado quando ele passaatravés do capuz de gás de saida 15 e desse modo resultana geração de vapor que se acumula no tambor de vapor 35.

O capuz de gás de saída pode ser de ura tipo descrito napatente US 6.585.929 que resfria e limpa parcialmente ogás de saída.

A corrente de gás de saída que deixa o capuzde gás de saída 15 encontra-se a uma temperatura de aproxi-madamente 1000°C e é dividida em duas correntes.

Uma corrente de gás de saída dividida 15que deixa o capuz de gás de saída, que compreende entre55-65% do gás de saída proveniente do vaso 3, passa pri-meiramente através de um depurador de cone úmido 21.

O depurador 21 esfria, bruscamente e removematerial particulado e espécies gasosas solúveis e vapo-res de metal do gás de saída que flui através do depura-dor. A temperatura do gás de saída no depurador é deaproximadamente 1000°C 'âté menos de 100°C e tipicamentesitua-se entre 65°C e 90°C.

O gás de saída proveniente do depurador 21deixa o depurador 21 passes através de um resfriador degás de saída 23 que esfria ainda mais o gás de saída paramenos de 50°C, tipicamente entre 30°C e 45°C, para removerumidade suficiente a partir do gás de saída para ser usa-do como um gás combustível. Tipicamente o gás * de saídaque deixa o resfriador tem 5% ou menos de H20 e um teorde neblina menor do que 10 mg/Nm3 e, tipicamente, 5,0mg/Nm3.

O gás de saída resultante é adequado para ouso como um gás combustível em (a) os regeneradores 11(tais como descritos anteriormente) e (b) o sistema WHR25. Adicionalmente, o gás de saída lavado e resfriadoé adequado para secar carvão na usina de secagem e moa-gem 71.

Para os propósitos mencionados retro, ogás de saída proveniente do resfriador de gás de saída 23é dividido em três correntes, levando-se uma corrente paraos regeneradores 11; fazendo-se passar outra corrente pelosistema WHR 25; e fazendo-se passar a terceira correntepela usina de secagem e moagem 71.

A corrente de gás de saída proveniente doresfriador de gás de saída 23 é um gás de saída relati-vamente rico. A corrente que se faz passar para o siste-ma WHR 25 é misturada com gás de saída resfriado e limpoque passou através do pré-aquecedor 17, tal como descritoadiante, que é um gás de saída relativamente pobre, de-vido a alguma pré-redução do material de alimentaçãoferroso no pré-aquecedor por CO e H2 no gás de saída.

A corrente de gás de saída combinada tem umvalor calorífico que a torna adequada para combustão comoum gás combustível.

A corrente de gás de saída combinada, umafonte de gás combustível adicional na forma de gás natural(indicada pelo número 83 na Figura 1), e ar são forne-cidos ao sistema WHR 25 e queimador no mesmo.

A corrente de gás de saída combinada é quei-mada dentro do sistema WHR 25 de uma maneira que elevaao máximo a destruição de CO, o mesmo tempo em que re-duz ao mínimo a formação de NOx.

O gás de saída desprendido a partir do siste-ma WHR 25 é combinado com gás de saida proveniente dosdepuradores 11 e então passa para o sistema FGD 13. 0S02 é removido no sistema FGD 23 e o gás de saida é li-berado para a atmosfera por meio de uma chaminé 45.

A outra corrente dividida, que contém a-proximadamente 35-45% em volume da corrente do gás de sai-da, passa através do pré-aquecedor de leito fluidificado 17para material de alimentação que contém ferro. ,0 pré-aquecedor 17 remove umidade, pré-aquece e pré-reduz omaterial de alimentação que contém ferro. O gás de sa-ida é uma fonte de energia e um gás de fluidificação nopré-aquecedor 17.

O gás de saida desprendido do pré-aquecedor 17 é levado a passar através de um ciclone 61e a poeira arrastada é separada do gás de saida.

O gás de saida passa então através de umdepurador de cone úmido 63 que remove o material particu-lado e espécies gasòsas solúveis e vapores de metal do gásde saida e resfria o gás de saida para entre 500°C e 200°C,para menos de 100°C e tipicamente entre 65°C e 90°C.

0 gás de saida proveniente do depurador 63passa então através'de um resfriador de gás de saida 65 queresfria ainda mais o gás de saida para menos de 50°C, tipi-camente entre 30°C e 45°C, para remover umidade suficientedo gás ;de saida para que ele possa ser usado como um gáscombustível. Tipicamente, o gás de saida que deixa o res-friador tem 5% ou menos de H20 e um teor de névoa menor doque 10-mg/Nm3 e tipicamente 5.0 mg/Nm3.Tal como se descreveu anteriormente, o gás desaida resfriado e limpo é então usado como um gás combustí-vel em um sistema de recuperação de calor de refugo (WHR) 25.

A utilização do gás de saida como um gás com-bustível dentro de uma usina compensa uma quantidade de ener-gia elétrica que, de outro modo, precisaria ser obtida a par-tir de uma rede de suprimento de eletricidade externa, o quetorna a usina geralmente auto-suficiente em termos de energiaelétrica.

Muitas modificações podem ser feitas na con-cretização da presente invenção descrita anteriormente semescapar do espirito e escopo da invenção.

A titulo de exemplo, embora o primeiro canal99 da conexão de ante-soleira 97 do vaso 3 ilustrado nas fi-guras seja de seção transversal em forma de túnel, pode serfacilmente apreciado que a presente invenção não fica assimlimitada e estende-se a quaisquer formas adequadas, incluin-do circular e quadrada.

Claims (28)

1. - Vaso de redução direta para operar umprocesso de redução baseado em banho fundido para redu-zir um material de alimentação metalifero e produzirmetal fundido sob condições de pressão no vaso, carac-terizado pelo fato do vaso incluir:(a) uma soleira adaptada para conter umacamada de metal do banho fundido, sendo a soleira dota-da de uma base e uma parede lateral;(b) uma parede lateral que se estende as-cendentemente a partir da parede lateral da soleira;(c) uma pluralidade de lanças de injeçãode sólidos refrigeradas a água que se estendem descen-dentemente e para dentro do vaso para injetar materiaisde alimentação de sólidos tais como material de alimen-tação metalifero e/ou material carbonáceo, para dentrodo vaso;(d) uma ou mais de uma lança de injeção degás que contém oxigênio refrigerada a água que se es-tende descendentemente dentro do vaso para injetar umgás que contém oxigênio dentro do vaso; e(e) uma ante-soleira para sangrar metalfundido continuamente a partir do vaso, sendo que a an-te-soleira inclui (i) uma câmara que pode conter um vo-lume de metal fundido e tem uma saida para descarregarmetal fundido a partir da câmara e (ii) uma conexão a-berta que se estende através da parede lateral da so-leira para o interior do vaso e interliga desse modo acâmara e o interior do vaso, sendo a conexão abertaformada de maneira a amortecer o impacto de cargas re-pentinas na pressão no vaso no fluxo de metal fundidona ante-soleira que poderiam resultar em um surto inde-sejável de metal fundido proveniente da ante-soleira, esendo a conexão aberta formada também de maneira quemetal fundido não se solidifica na conexão durante pelomenos 6 horas quando metal não está sendo descarregadodo vaso para a ante-soleira por meio da conexão aberta.

2. - Vaso de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a conexão aberta é for-mada de maneira que a velocidade máxima de metal fundi-do através da conexão aberta é de 1 m/s enquanto o pro-cesso está operando sob pressão no vaso e produzindoferro fundido a uma taxa de produção plena, como defi-nida neste contexto.

3. - Vaso de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato deque a conexão aberta é formada demaneira que a velocidade máxima do metal fundido através daconexão aberta seja 0,6 m/s enquanto o processo está em ope-ração sob pressão no vaso sob uma taxa de produção plena,como definida anteriormente neste contexto.

4. - Vaso de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizado pelo fatode que a conexão aberta inclui um primeiro canal quese estende a partir do vaso e tem uma seção transversaluniforme ao longo do seu comprimento e tem uma área sec-cional transversal mínima, tal como definida neste contex-to, que é selecionada de forma tal que ela pode funcionarcomo uma garganta ou de outro modo limitar o fluxo de me-tal fundido na ante-soleira em condições de sobrepressãono vaso e desse modo amortecer o impacto de alterações re-pentinas na pressão do vaso no fluxo de metal fundido naante-soleira.

5. - Vaso de acordo com a reivindicação 4, ca-racterizado pelo fato de que a dimensão de maior largura doprimeiro canal é 75-200 mm.

6. - Vaso de acordo com a reivindicação 4 oureivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o comprimentodo primeiro canal é menor do que 1 m.

7. - Vaso de acordo com a reivindicação 4 oureivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o comprimentodo primeiro canal é 200-600 mm.

8. - Vaso de acordo com a reivindicação 4 oureivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o com-primento do primeiro canal é 300-500.mm.

9. - Vaso de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizado pelo fato deque o primeiro canal, na seção transversal, é qualquerum em forma de túnel, circular e quadrado.

10. - Vaso de acordo com qualquer uma dasreivindicações 4 a 9, caracterizado pelo fato de que aconexão aberta também inclui um segundo canal que seestende desde o primeiro canal até à câmara de ante-soleira e tem uma área seccional transversal que aumen-ta com a distância a partir do primeiro canal.

11. - Vaso de acordo com a reivindicação 10,caracterizado pelo fato de que a largura ou a altura dosegundo canal aumenta com a distância a partir do pri-meiro canal.

12. - Vaso de acordo com a reivindicação 10,caracterizado pelo fato de que a altura do segundo ca-nal aumenta com a distância a partir do primeiro canal.

13. - Vaso de acordo com a reivindicação 12,caracterizado pelo fato de que o segundo canal é de umamaneira geral tronconico quando observado na seção ver-tical ao longo do comprimento do segundo canal.

14. - Vaso de acordo com a reivindicação 12ou reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que osegundo canal é dotado de uma parede inferior e uma pa-rede superior.

15. - Vaso de acordo com a reivindicação 14,caracterizado pelo fato de que a parede superior do se-gundo canal é mais inclinada em relação à horizontal doque a parede inferior do segundo canal.

16. - Vaso de acordo com a reivindicação 15,caracterizado pelo fato de que a parede superior do se-gundo canal tem um ângulo de inclinação em relação àhorizontal de pelo menos 15°.

17. - Vaso de acordo com a reivindicação 15,caracterizado pelo fato de que o ângulo de inclinaçãoda parede superior do segundo canal em relação à hori-zontal é pelo menos 20°.

18. - Vaso de acordo com qualquer uma dasreivindicações 10 a 17, caracterizado pelo fato de quea largura da seção do segundo canal aumenta inicialmen-te com a distância a partir do primeiro canal e depoisdisso permanece constante ao longo do restante do com-primento do segundo canal até à câmara de ante-soleira.

19. - Vaso de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizado pelo fato deque a conexão de ante-soleira é projetada para amorte-cer aumentos repentinos na pressão de vaso em até 50%da pressão de operação no vaso.

20. - Vaso de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizado pelo fato deque a ante-soleira inclui tijolos/blocos pré-fundidosou tijolos/blocos que são fundidos in situ que definema seção aberta.

21. - Vaso de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizado pelo fato deque a ante-soleira inclui tijolos/blocos prensados quedefinem a câmara de ante-soleira.

22. - Vaso de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizado pelo fato deque a ante-soleira é formada para expandir-se em rela-ção ao vaso de forma que a expansão coloca carga míni-ma, se é que alguma, no vaso.

23. - Vaso de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizado pelo fato deque a ante-soleira inclui um furo de corrida para des-carregar metal fundido quando existe uma necessidade dedrenar metal fundido a partir da ante-soleira e do vaso.

24. - Vaso de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizado pelo fato deincluir válvulas de alivio de pressão que ventilam ovaso para a atmosfera na eventualidade de que a pressãodo vaso aumente para uma pressão predeterminada.

25. - Usina de redução direta que inclui ovaso de redução direta conforme descrito em qualqueruma das reivindicações precedentes, caracterizada pelofato de se destinar a operar um processo de redução di-reta baseado em banho fundido sob condições de pressãopara reduzir um material de alimentação metalifero eproduzir metal fundido.

26. - Processo de redução direta baseada embanho fundido, caracterizado pelo fato de compreenderreduzir um material de alimentação metalifero e produ-zir metal fundido sob pressão no vaso de redução diretaconforme descrito em qualquer uma das reivindicações 1a 25.

27. - Processo de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que a pressão de opera-ção no vaso é de pelo menos 0,5 bar manométrico.

28. - Processo,de acordo com a reivindicação 26 ou 27, caracterizado pelo fato de que a pressão deoperação no vaso é menor do que 1,5 bars manométrico.