ES2205170T3 - Procedimiento para fundir materiales de partida metalicos en un horno de cuba. - Google Patents

Abstract

SE PROPONE UN PROCEDIMIENTO PARA FUNDIR MATERIALES METALICOS EN UN HORNO DE CUBA, EN EL QUE SE QUEMAN COQUES CON AIRE PRECALENTADO Y OXIGENO PRACTICAMENTE PURO, Y LOS GASES DE HUMO CALIENTAN EN CONTRACORRIENTE LA CARGA METALICA; Y EN EL QUE LA COLADA SE SOBRECALIENTA Y SE CARBURA EN EL LECHO DE COQUE, INYECTANDOSE UNA PROPORCION FIJA DEL OXIGENO A UNA VELOCIDAD MUY ELEVADA, PARA MEJORAR EL PASO DE GAS DEL LECHO DE COQUE, LO MAS LEJOS POSIBLE DENTRO DEL LECHO DE COQUE, E INYECTANDOSE UN SEGUNDO VOLUMEN VARIABLE DE OXIGENO EN EL ANILLO DE VIENTO.

Description

Procedimiento para fundir materiales de partida metálicos en un horno de cuba.

Procedimiento para fundir materiales de partida metálicos en un horno de cuba, en el que se quema con aire precalentado y oxígeno ampliamente puro y los gases de humos se calientan en contracorriente con el material de partida metálico y en el que la masa fundida se sobrecalienta y coquifica en el lecho de coque.

El invento se define en la reivindicación 1 y se refiere a un procedimiento para fundir materiales de partida metálicos en un horno de cuba, en el que se siguen fundiendo coque, materiales metálicos y no metálicos, tales como hierro y metales no férreos, basalto y diabasa, a pesar del desarrollo de procedimientos de fusión eléctricos y calentados por llama, como hasta ahora en hornos de cuba calentados por coque. De esta manera, se produce hoy en día en hornos de cubilote todavía aproximadamente un 60% de todos los materiales de hierro.

La razón de esta alta cuota de mercado para los hornos de cubilote se encuentra en el perfeccionamiento continuo, siendo importantes, entre el gran número de las modificaciones de los procedimientos, el desarrollo de hornos de cubilote con viento caliente y el empleo de oxígeno.

Así, p.ej. mediante el desarrollo del horno de cubilote con viento caliente se compensaron ampliamente las desventajas técnicas de procesos y metalúrgicas del horno de cubilote con viento frío, tales como

- bajas temperaturas del hierro

- alta pérdida por abrasión de silicio

- pequeña coquificación

- alto consumo de coque

- alta absorción de azufre

- alto cierre refractario.

Se consiguen mejoras similares mediante el empleo de oxígeno, siendo insuflado el oxígeno en el horno de cubilote o bien por enriquecimiento del viento del horno de cubilote hasta como máximo un 25% o mediante inyección directa con velocidad inferior a la del sonido (subsónica). Por causa de los altos costos de funcionamiento, el oxígeno, no obstante, se emplea solamente de una manera discontinua, p.ej. para poner en marcha rápidamente el horno frío o para aumentar la temperatura del hierro en un plazo de tiempo fijo. La posibilidad de aumentar el rendimiento, a saber con el empleo de oxígeno en régimen continuo, se usa solamente en casos excepcionales.

A pesar de la introducción de estas modificaciones de los procedimientos,

- el rendimiento de fusión

- la temperatura del hierro

- el conjunto de coque

se siguen pudiendo modificar como hasta ahora solamente en un intervalo muy estrecho junto al punto de funcionamiento óptimo.

La conexión existente entre el rendimiento de fusión y la cantidad de viento así como la cantidad de oxígeno adicional se describe por la conocida ecuación de Jungbluth. Esta ecuación resulta de una formación de masa y energía, debiendo determinarse el conjunto de coque y la relación de combustión de una manera empírica para cada horno de cubilote.

Mediante vinculación de las magnitudes influyentes, a saber la cantidad de viento, el conjunto de coque y la relación de combustión, con las magnitudes dianas (del objetivo prefijado) se establece el diagrama de capacidad de fusión de la Figura 1 con curvas para igual conjunto de coque y para igual cantidad de viento.

Este diagrama de capacidad de fusión, conocido como diagrama de Jungbluth, se debe determinar empíricamente para cada horno de cubilote. Una transferencia a otros hornos de cubilote no es posible, puesto que inmediatamente se modifica el comportamiento de funcionamiento en el caso de condiciones marginales modificadas, tales como el grado de troceado (grosor) del coque, la reactividad del coque, la composición de los conjuntos, la velocidad del viento, la presión del horno, la temperatura, etc.

En el máximo de temperatura, las pérdidas de calor son las más pequeñas. En el caso de unas cantidades demasiado grandes de viento, es decir una alta velocidad de circulación, el horno es sobresoplado. En el caso de cantidades demasiado pequeñas de aire, es decir una velocidad de circulación demasiado pequeña, el horno es infrasoplado. En ambos casos, se disminuye la temperatura de combustión, puesto que, por un lado, se debe calentar conjuntamente el lastre de N_{2} adicional y, por otro lado, se sustrae calor mediante la formación adicional de CO. Adicionalmente, en el caso del sobresoplado se oxidan más intensamente los elementos acompañantes del hierro.

Mediante empleo de oxígeno p.ej. hasta 24% en volumen en el viento, la línea de red (mojadura) se desplaza hacia arriba, es decir hacia temperaturas más altas y hacia más altos caudales de tratamiento del hierro. El máximo de temperatura desciende de nivel, y el horno se vuelve insensible frente al infrasoplado o al sobresoplado.

Una reducción del conjunto de coque con caudales constantes de tratamiento del hierro y una cantidad reducida de viento tampoco es posible en el caso de adición continua del oxígeno, puesto que entonces la temperatura del hierro disminuye, y aparecen problemas adicionales metalúrgicos y técnicos de procesos, tales como

-

menor coquificación

-

aumento de la pérdida por abrasión de Si

-

aumento del contenido de FeO en la escoria

-

funcionamiento marginalmente aceptable del horno por reducción de la velocidad del viento.

El horno de cubilote produce un hierro no moldeable por colada.

Puesto que desde el punto de vista técnico de combustión el coque se presenta con un alto exceso, presenta un gran interés, por razones de rentabilidad, conseguir una reducción de la cantidad de coque mientras que se mantiene constante el rendimiento de fusión, puesto que los costos de producción de hierro líquido se influyen de modo esencial por los costos de refusión (segunda fusión) y los costos de los materiales de partida.

Además de ello, es conocido desde hace mucho tiempo que, en particular en el caso de hornos de cubilote con grandes diámetros del bastidor (pedestal), a pesar del enriquecimiento con oxígeno del viento o de la inyección directa de oxígeno con velocidad subsónica en el centro del horno permanece existente el denominado "hombre muerto". La reacción entre el oxígeno insuflado y el carbono tiene lugar solamente en una zona limitada en la proximidad de la tobera de viento, y el horno trabaja de un modo marginal.

El coque presente en el centro del horno no contribuye a la reacción, puesto que el aire comburente, por causa del pequeño impulso, no puede penetrar a través de la carga a granel situada delante de él. La zona de reacción se encuentra en proximidad inmediata a la tobera de viento (Figura 2a). Mediante el conocido enriquecimiento con oxígeno del viento del horno o por insuflación del oxígeno con velocidad subsónica no se aumentará esencialmente la profundidad de penetración. Mediante la oferta más elevada de oxígeno, la zona de reacción se ensancha hacia arriba, a causa de las relaciones de presión (Figura 2b).

Como condición previa para la reducción pretendida de la cantidad de coque de combustión, ha de pretenderse la combustión uniforme por encima de la sección transversal del horno, es decir la distribución uniforme de la oferta de oxígeno. Con esta finalidad, el impulso, es decir la velocidad de los chorros de aire o de oxígeno, debe ser aumentado por encima de los valores buscados que hasta ahora se han de designar como estado de la técnica.

En el documento de solicitud de patente británica GB 2.018.295 se describe un sistema, con el que se insufla oxígeno con toberas de Laval incorporadas centralmente en las toberas de viento, es decir con una velocidad superior a la del sonido (supersónica), a fin de hacer mínimo el desgaste del revestimiento refractario. El conjunto de coque no se pudo reducir.

El documento de solicitud de patente europea EP-A-0.554.022 divulga un procedimiento para fundir materiales de partida metálicos en un horno de cuba, en el que se quema el coque con aire previamente calentado y con oxígeno ampliamente puro, y los gases de humos calientan en contracorriente a la carga metálica de partida y en el que la masa fundida se sobrecalienta y coquifica en el lecho de coque. En el procedimiento de este documento EP-A-0.554.022 se inyecta en el lecho de coque una cantidad parcial fija del oxígeno con velocidad superior a la del sonido (supersónica).

Los intentos y experimentos con toberas supersónicas incorporadas centralmente en las toberas de viento han mostrado, por el contrario, de manera sorprendente, que la cantidad de coque de combustión se puede reducir en torno a 20 hasta 30 kg/t de Fe, sin influir negativamente sobre el funcionamiento del horno ni sobre la metalurgia del horno, si al mismo tiempo la cantidad específica de viento del horno se reduce desde 500 a 600 m^{3} (i.D)/t de Fe hasta 400 a 480 m^{3} (i.N)/t de Fe y se inyecta adicionalmente oxígeno en función del diámetro del horno (Figura 3). El consumo específico de oxígeno se debe modificar conforme a la Figura 3. En el caso de un horno de cubilote con viento caliente (temperatura del viento caliente de 500 a 600ºC) y de un diámetro del horno de 1 m, se necesitan aproximadamente 15 a 22 m^{3} (i.N) [en condiciones normales de presión y temperatura] de oxígeno por tonelada de hierro y en el caso de un diámetro del horno de 4 m se necesitan de 40 a 61 m^{3} (i.N) de oxígeno por tonelada de hierro. En función del diámetro del horno se debe ajustar a la salida de las toberas un número de Mach M de los chorros de oxígeno, que cumple la condición 1,1 < M < 3. Al contrario que en la teoría de los hornos de cubilote hasta ahora conocidos, se aumenta al mismo tiempo la temperatura del hierro de canaleta en hasta 30ºC. Con ello se reduce en un 10% la pérdida por abrasión de silicio y se mejora la coquificación en un 0,2%. Los mejores resultados en lo que se refiere al ahorro de coque se consiguen cuando una parte fija de la cantidad de oxígeno se introduce en el horno de cubilote mediante inyección supersónica, puesto que entonces se presenta una distribución más uniforme del oxígeno a lo largo de la sección transversal del horno. La restante cantidad del oxígeno se añade de una manera regulada al viento en el cinturón portaviento (Figura 4). Por medio de esta medida se hace posible una realización constante de los análisis. El enriquecimiento con oxígeno en el viento se controla y regula en el gas de tragante por medio de los componentes CO, CO_{2}, O_{2}. La zona de reacción, que es avanzada en forma de lengua en el centro del horno de cubilote mediante la inyección ultrasónica (Figura 2c), es ensanchada hacia arriba y uniformizada, puesto que como consecuencia de la capacidad de aspiración del chorro ultrasónico se transporta adicionalmente aire comburente enriquecido con O_{2} en el centro del horno (Figura 2d).

Mediante la reducción de la cantidad de viento del horno se reduce la presión en el horno y la cantidad de gas de tragante se disminuye en un 20%. Como consecuencia de la menor velocidad de circulación en el horno, la cantidad de polvo se reduce adicionalmente de un modo proporcional a la cantidad de gas de tragante. La temperatura del aire caliente se aumenta hasta en 30ºC, puesto que el recuperador debe rendir menos por medio de la cantidad disminuida de aire.

Para la subdivisión de la adición del oxígeno en cada caso en el cinturón portaviento y en las toberas son válidos los siguientes principios:

Las cantidades de base se pueden escoger a partir del diagrama de acuerdo con la Figura 3. La cantidad absoluta de la adición de oxígeno se determina por la temperatura deseada del hierro. La temperatura del hierro sube, cuando aumenta la temperatura en el lecho de coque. La temperatura en el lecho de coque sube, cuando falta el efecto refrigerante del nitrógeno que acompaña al oxígeno.

Se debe añadir a través de las lanzas tanta mayor cantidad de oxígeno con velocidad supersónica cuanto más grande sea el horno. La relación óptima de la cantidad de oxígeno, que se añade a través de lanzas, se hace = O1, con respecto a la cantidad de oxígeno, que se añade como enriquecimiento al viento, se hace = O2, se busca durante la puesta en marcha mediante la medición de la temperatura del hierro y luego se preestablece al regulador.

La relación óptima de las proporciones en volumen de CO a CO_{2} en el gas de tragante se determina a partir de la suma de los resultantes costos de funcionamiento. Una atmósfera más fuertemente reductora con mayores proporciones de CO proporciona ahorros de silicio y mayores inversiones para coque. El ajuste óptimo depende por lo tanto también de los respectivos precios en el mercado de las materias primas. Hay épocas y países en las o los que es más económico un modo de funcionamiento más oxidante. La relación más favorable de CO a CO_{2} se debe examinar por lo tanto de tiempo en tiempo y se debe ajustar la cantidad del oxígeno adaptada a ella.

El ajuste óptimo pretendido de CO a CO_{2} fluctúa, puesto que es provocado por la dispersión de las cantidades cargadas de carbono a hierro. Estas fluctuaciones a breve plazo se pueden compensar mediante una adaptación de la adición de oxígeno. La reacción de Boudouard está pronta, puesto que la temperatura del lecho de coque aumenta con mucha rapidez al añadir oxígeno. La aportación de la cantidad total de oxígeno a O1 y a O2 es controlada por lo tanto de tal manera que la relación de CO a CO_{2} se mantenga en el valor más rentable. En el caso de este modo de funcionamiento se consigue también la más pequeña dispersión del análisis.

Claims (4)

1. Procedimiento para fundir materiales de partida metálicos en un horno de fusión, en el que se quema coque en un lecho de coque con aire previamente calentado y oxígeno ampliamente puro, inyectándose con velocidad ultrasónica una primera cantidad parcial del oxígeno en el lecho de coque, y los gases de humos calientan en contracorriente al material de partida metálico, en el que la masa fundida existente en el lecho de coque se sobrecalienta y coquifica, y en el que un gas de tragante abandona el horno de fusión, caracterizado porque una segunda cantidad parcial del oxígeno se añade de una manera regulada a un viento de horno dentro de un cinturón portaviento, efectuándose la regulación de la segunda cantidad parcial de oxígeno en función del contenido de CO y CO_{2} del gas de tragante.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la temperatura del hierro metálico se mantiene constante mediante un circuito de regulación.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la atmósfera del horno se mantiene constante mediante un circuito de regulación.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el contenido de CO y CO_{2} del gas de tragante se ajusta en el horno de fusión con el fin de reducir al mínimo una pérdida por abrasión en el horno de fusión.