ES2249014T3 - Procedimiento de fusion directa. - Google Patents
Procedimiento de fusion directa.Info
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Abstract
Procedimiento de fusión directa para la producción de metales a partir de un material de carga metalífero que comprende las etapas siguientes: (a) la formación en una cuba metalúrgica de un baño fundido que presenta una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa de metal; (b) la inyección de un material metalífero de carga y de un material carbonoso sólido en la capa de metal, mediante una pluralidad de lanzas/toberas dispuestas encima y que se extienden en sentido descendente hacia la capa de metal, y haciendo que el material fundido sea proyectado en forma de salpicaduras, pequeñas gotas y chorros a un espacio superior por encima de una superficie en reposo nominal del baño fundido para formar una zona de transición; (c) la fusión del material metalífero a metal en la capa de metal; y (d) la inyección de un gas que contiene oxígeno en la cuba mediante una o más de una lanza/tobera para realizar la postcombustión de los gases de reacción liberados por el baño fundido, con lo que lassalpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de material fundido ascendentes y a continuación descendentes en la zona de transición facilitan la transferencia de calor al baño fundido y con lo cual la zona de transición minimiza las pérdidas de calor de la cuba a través de las paredes laterales en contacto con la zona de transición; y cuyo procedimiento comprende la etapa de controlar el procedimiento manteniendo unas existencias de escoria elevadas controlando que la capa de escoria presente por lo menos 1, 5 metros de espesor.
Description
Procedimiento de fusión directa.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para la producción de metal fundido (cuyo término
comprende aleaciones metálicas) en particular, aunque de ninguna
forma exclusivamente hierro, a partir de materiales metalíferos de
carga, tales como minerales, minerales parcialmente reducidos y
aluviones residuales que contienen metal, en una cuba metalúrgica
que contiene un baño fundido.
La presente invención se refiere particularmente
a un baño de metal fundido basado en un procedimiento de fusión
directa para la producción de metal fundido a partir de un
material metalífero de carga.
El procedimiento más ampliamente utilizado para
producir metal fundido se basa en la utilización de un alto horno.
Se carga el material sólido por la parte superior del horno y el
hierro fundido se cuela por la solera. El material sólido comprende
mineral de hierro (en forma sinterizada, en bloques o en nódulos),
coque y fundentes, y forma una carga permeable que se desplaza en
sentido descendente. Se inyecta aire precalentado, que puede estar
enriquecido en oxígeno, por el fondo del horno y se desplaza hacia
arriba a través del lecho permeable, generando monóxido de carbono
y calor debido a la combustión del coque. El resultado de estas
reacciones es la producción de hierro fundido y escoria.
Un procedimiento que produce hierro mediante la
reducción del mineral de hierro por debajo del punto de fusión del
hierro producido, es conocido generalmente como un "procedimiento
de reducción directa" y el producto se denomina DRI.
El procedimiento FIOR (reducción fluida de
mineral de hierro) es un ejemplo de un procedimiento de reducción
directa. El procedimiento reduce los finos de mineral de hierro, a
medida que los finos van siendo alimentados por gravedad en cada
uno de los reactores, en una serie de reactores de lecho fluido. Los
finos son reducidos mediante un gas reductor comprimido que penetra
por el fondo del reactor más bajo de la serie y fluye a
contracorriente respecto al desplazamiento descendente de los
finos.
Otros procedimientos de reducción directa
comprenden procedimientos basados en hornos de eje móvil,
procedimientos basados en hornos de eje estático, procedimientos
basados en hornos de solera rotativa, procedimientos basados en
hornos de calcinación rotativos, y procedimientos basados en
retortas.
El procedimiento COREX produce hierro fundido
directamente a partir de carbón, sin el requisito del coque del
alto horno. El procedimiento comprende una operación en 2 etapas en
la que:
- (a)
- se produce el DRI en un horno de eje a partir de un lecho permeable de mineral de hierro (en forma de bloques o nódulos), carbón y fundentes; y
- (b)
- a continuación, se carga el DRI sin enfriarlo, en un gasificador de fusión conectado al mismo.
La combustión parcial del carbón en el lecho
fluidizado del gasificador de fusión produce un gas reductor para
el horno de eje.
Otro grupo conocido de procedimientos para la
producción de hierro fundido se basa en cubas ciclónicas en las
cuales se funde el mineral de hierro mediante la combustión de
oxígeno y de un gas reductor en un ciclón superior de fusión y es
fundido en un fundidor inferior que contiene un baño de hierro
fundido. El fundidor inferior genera el gas reductor para el ciclón
superior de fusión.
Un procedimiento que produce metal fundido,
directamente a partir de minerales, se denomina generalmente
"procedimiento de fusión directa".
Un conocido grupo de procedimientos de fusión
directa se basa en la utilización de hornos eléctricos como fuente
principal de energía para las reacciones de fusión.
Otro conocido procedimiento de fusión directa,
denominado generalmente procedimiento Romelt, se basa en la
utilización en un baño de escoria muy agitada de un gran volumen
como medio para la fusión a metal, de los óxidos metálicos cargados
por la parte superior y por la postcombustión de los productos
gaseosos de la reacción y la transferencia del calor según se
precise, para continuar la fusión de los óxidos metálicos. El
procedimiento Romelt comprende la inyección de aire enriquecido u
oxígeno en la escoria a través de una fila inferior de toberas que
proporcionan la agitación de la escoria, y la inyección de oxígeno
mediante una fila superior de toberas para promover la
postcombustión. En el procedimiento Romelt, la capa de metal no
constituye un medio importante de la reacción.
Otro conocido grupo de procedimientos de fusión
directa basado en escorias, son los generalmente denominados
procedimientos de "escoria profunda". Estos procedimientos,
tales como el DIOS y el AISI, están basados en la formación de una
gruesa capa de escoria con tres zonas, a saber: una zona superior
para la postcombustión de los gases de la reacción con el oxígeno
inyectado; una zona inferior para la fusión de los óxidos
metálicos, pasando los mismos a metal; y una zona intermedia que
separa las regiones superior e inferior. Al igual como en el
procedimiento Romelt, la capa de metal por debajo de la capa de
escoria no constituye un medio importante de reacción.
Otro conocido procedimiento de fusión directa que
se basa en una capa de metal fundido como medio de reacción, se
denomina generalmente procedimiento HIsmelt, y está descrito en la
solicitud internacional PCT/AU96/00197 (WO 96/31627) en nombre del
Solicitante.
El procedimiento HIsmelt tal como se describe en
la solicitud de patente internacional comprende:
- (a)
- la formación de un baño de hierro fundido y de escoria en una cuba;
- (b)
- la inyección en el baño de:
- (i)
- un material metalífero de carga, normalmente óxidos metálicos; y
- (ii)
- un material carbonoso sólido, normalmente carbón, que actúa como reductor de los óxidos metálicos y como fuente de energía; y
- (c)
- la fusión del material metalífero de carga que pasa a metal, en la capa de metal.
El procedimiento HIsmelt comprende también la
postcombustión de los gases de la reacción, tales como CO y H_{2},
liberados por el baño en el espacio por encima del baño, con un gas
que contiene oxígeno y la transferencia del calor generado por la
postcombustión al baño para contribuir a la energía térmica
requerida para fundir los materiales metalíferos de carga.
El procedimiento HIsmelt comprende también la
formación de una zona de transición por encima de la superficie en
reposo nominal del baño, en el cual existe una masa favorecedora de
pequeñas gotas, salpicaduras o chorros de metal fundido y/o
escorias que primero suben y a continuación bajan, que proporcionan
un medio efectivo para la trans-
ferencia al baño de la energía térmica generada por la reacción de los gases de la postcombustión por encima del baño.
ferencia al baño de la energía térmica generada por la reacción de los gases de la postcombustión por encima del baño.
El procedimiento HIsmelt tal como se describe en
la solicitud de patente internacional, se caracteriza por formar la
zona de transición inyectando un gas portador y un material
metalífero de carga y/o un material carbonoso sólido y/o otro
material sólido en el baño a través de una sección de un lado de la
cuba que está en contacto con el baño y/o desde encima del baño, de
manera que el gas portador y el material sólido penetran en el baño
y hacen que el metal fundido y/o la escoria se proyecten al espacio
por encima de la superficie del baño.
El procedimiento HIsmelt tal como se describe en
la solicitud de patente internacional, constituye una mejora
respecto a las anteriores formas del procedimiento HIsmelt, que
forma la zona de transición mediante la inyección de gas por la
parte inferior y/o de un material carbonoso en el interior del baño,
lo cual hace que se proyecten pequeñas gotas y salpicaduras y
chorros de metal fundido y de escoria del baño.
El solicitante ha realizado un extenso trabajo en
la planta piloto con el procedimiento HIsmelt y ha realizado una
serie de hallazgos significativos en relación con el
procedimiento.
En líneas generales, la presente invención es un
procedimiento de fusión directa para producir metales a partir de
un material metalífero de carga que comprende las etapas definidas
en la reivindicación 1.
El término "fusión" se entiende en la
presente memoria que significa el procedimiento térmico durante el
cual tienen lugar reacciones químicas que reducen los materiales
metalíferos de carga para producir metal líquido.
El término "superficie en reposo" en el
contexto del baño fundido se entiende en la presente memoria que
significa la superficie del baño fundido bajo las condiciones del
procedimiento, en la que no existe inyección de gases/sólidos y por
consiguiente no existe agitación del baño.
El espacio por encima de la superficie en reposo
nominal del baño fundido, se denominará en adelante "espacio
superior".
Un resultado significativo del trabajo en la
planta piloto es que es importante mantener unos elevados niveles de
escoria en la cuba y, más particularmente en la zona de transición,
con el fin de controlar las pérdidas caloríficas de la cuba y la
transferencia de calor a la capa de metal. La importancia de la
escoria en el procedimiento HIsmelt es una innovación significativa
respecto a los trabajos anteriores sobre el procedimiento HIsmelt.
En los trabajos anteriores no se consideraba que la cantidad de
escoria fuera tan importante para el procedimiento.
El concepto de "elevadas existencias de
escoria" puede ser entendido como el espesor de la capa de
escoria en la cuba.
Preferentemente, el procedimiento comprende el
mantenimiento de unas elevadas existencias de escoria controlando
que la capa de escoria presente un espesor de 0,5 a 4 metros en
condiciones de funcionamiento estable.
Más preferentemente, el procedimiento comprende
el mantenimiento de unas existencias elevadas de escoria controlando
que la capa de escoria presente un espesor de 1,5 a 2,5 metros en
condiciones de funcionamiento estable.
Particularmente, es preferible que el
procedimiento incluya el mantenimiento de unas elevadas existencias
de escoria controlando que la capa de escoria presente un espesor
de por lo menos 1,5 metros en condiciones de funcionamiento
estable.
El concepto de "elevadas existencias de
escoria" puede ser entendido también como la cantidad de escoria
comparada con la cantidad de metal en la cuba.
Preferentemente, cuando el procedimiento está
funcionando en condiciones estables, el procedimiento comprende el
mantenimiento de unas elevadas existencias de escoria controlando
que la relación en peso metal:escoria esté comprendida entre 4:1 y
1:2.
Más preferentemente, el procedimiento comprende
el mantenimiento de unas elevadas existencias de escoria controlando
que la relación en peso metal:escoria esté comprendida entre 3:1 y
1:1.
Particularmente, se prefiere que el procedimiento
incluya el mantenimiento de unas elevadas existencias de escoria,
controlando que la relación en peso metal:escoria esté comprendida
entre 3:1 y 2:1.
La cantidad de escoria en la cuba, es decir las
existencias de escoria, tiene una influencia directa en la cantidad
de escoria que existe en la zona de transición.
La característica de la transferencia
relativamente pequeña de calor por parte de la escoria, comparada
con la del metal, es importante para reducir al mínimo las pérdidas
de calor de la zona de transición a las paredes laterales y desde
la cuba a través de las paredes laterales de la cuba.
Mediante un control apropiado del procedimiento,
la escoria de la zona de transición puede formar una capa o capas
en las paredes laterales que incrementan la resistencia a las
pérdidas caloríficas desde las paredes laterales.
Por consiguiente, modificando las existencias de
escoria es posible aumentar o disminuir la cantidad de escoria en la
zona de transición y sobre las paredes laterales, controlando por
consiguiente la pérdida calorífica a través de las paredes
laterales de la cuba.
La escoria puede formar una capa "húmeda" o
"seca" sobre las paredes laterales. Una capa "húmeda"
comprende una capa solidificada que se adhiere a las paredes
laterales, una capa semisólida (papilla) y una lámina líquida
exterior. Una capa "seca" es una capa en la que toda la
escoria está solidificada.
La cantidad de escoria en la cuba proporciona
también un control de medición sobre el alcance de la
postcombustión.
Específicamente, si las existencias de escoria
son demasiado bajas se producirá un aumento de la exposición del
metal en la zona de transición y por consiguiente un aumento de la
oxidación del metal y del carbono disuelto en el metal y del
potencial de reducción de la postcombustión y el consiguiente
descenso de la postcombustión a pesar del efecto positivo que el
metal de la zona de transición tiene en la transferencia de calor a
la capa de metal.
Además, si las existencias de escoria son
demasiado elevadas la o las lanzas/toberas de inyección de un gas
que contiene oxígeno quedarán enterradas en la zona de transición
disminuyendo así el desplazamiento de los gases de la reacción en
el espacio superior hasta el extremo de la o las lanzas/toberas y,
en consecuencia, reduciendo el potencial de la postcombustión.
La cantidad de escoria en la cuba, es decir, las
existencias de escoria, medidas en términos de espesor de la capa
de escoria o de la relación de peso metal:escoria, puede ser
controlada por las velocidades de colada de metal y escoria.
La producción de escoria en la cuba puede
controlarse variando los caudales de alimentación del material
metalífero de carga, del material carbonoso y de los fundentes a la
cuba y los parámetros operativos tales como los caudales de
inyección del gas que contiene oxígeno.
El procedimiento según la presente invención esta
caracterizado por el control de la transferencia de calor a través
de la zona de transición hasta la capa de metal, y por el control
de las pérdidas caloríficas de la cuba a través de la zona de
transición.
Como se ha hecho notar anteriormente, la presente
invención se caracteriza en particular por el control de
procedimiento manteniendo unas elevadas existencias de escoria.
Además, la presente invención está caracterizada
preferentemente por el control del procedimiento mediante las
siguientes características del procedimiento, por separado o
combinadas;
- (a)
- localizando, la o las lanzas/toberas de inyección del gas que contiene oxigeno, e inyectando el gas que contiene oxígeno a un caudal tal que:
- (i)
- el gas que contiene oxígeno es inyectado hacia la capa de escoria y penetra en la zona de transición; y
- (ii)
- el chorro de gas que contiene oxígeno desvía las pequeñas gotas, las salpicaduras y los chorros de material fundido alrededor de la sección inferior de la o las lanzas/toberas y se forma un espacio gaseoso continuo descrito como "espacio libre", alrededor del extremo de la o las lanzas/toberas;
- (b)
- controlando las pérdidas de calor de la cuba al salpicar principalmente de escoria las paredes laterales de la cuba en contacto con la zona de transición, regulando uno o más de:
- (i)
- la cantidad de escoria en el baño fundido;
- (ii)
- el caudal de inyección del gas que contiene oxígeno a través de las lanzas/toberas; y
- (iii)
- el caudal de alimentación del material metalífero de carga y del material carbonoso a través de las lanzas/toberas.
En las situaciones en las que el material
metalífero de carga es un material que contiene hierro, la presente
invención está también preferentemente caracterizada por controlar
el procedimiento, controlando que el nivel de carbono disuelto en
el hierro fundido sea de por lo menos 3% en peso, y manteniendo la
escoria en un estado fuertemente reductor que conduzca a niveles de
FeO inferiores al 6% en peso; más preferentemente inferiores al 5%
en peso en la capa de escoria y en la zona de transición.
Preferentemente, la cuba metalúrgica
comprende:
- (a)
- una o más lanzas/toberas mencionadas anteriormente para inyectar un gas que contiene oxígeno y las lanzas/toberas para inyectar materiales sólidos, tales como material metalífero, material carbonoso, (normalmente carbón) y fundentes, en la cuba;
- (b)
- salidas para la descarga del metal fundido y de la escoria de la cuba ; y
- (c)
- una o varias salidas de los gases de escape.
Con el fin de que el procedimiento funcione, es
esencial que la cuba contenga un baño fundido con una capa de metal
y una capa de escoria sobre la capa de metal.
El término "capa de metal" significa aquella
zona del baño que se compone predominantemente de metal.
El término "capa de escoria" significa
aquella zona del baño que se compone predominantemente de
escoria.
Una característica importante del procedimiento
según la presente invención es que el material metalífero es
fundido a metal, por lo menos de manera predominante, en la capa de
metal del baño fundido.
En la práctica, existirá una relación entre el
material metalífero que ha sido fundido a metal, con otras regiones
de la cuba tales como la capa de escoria. No obstante, el objetivo
del procedimiento según la presente invención y una diferencia
importante entre el procedimiento y los procedimientos de la técnica
anterior, es conseguir la máxima fusión del material metalífero en
la capa de metal.
Como consecuencia de lo anterior, el
procedimiento comprende la inyección de material metalífero y de
material carbonoso, que actúan como una fuente de reducción y una
fuente de energía, en la capa de metal.
Una opción es inyectar material metalífero y
material carbonoso mediante lanzas/toberas dispuestas por encima,
que se extienden en sentido descendente hacia la capa de metal.
Normalmente, las lanzas/toberas se extienden a través de las
paredes laterales de la cuba y están dirigidas con un cierto ángulo
hacia el interior y en sentido descendente hacia la superficie de
la capa de metal.
Otra opción, aunque de ninguna forma no sea la
única, es inyectar material metalífero y material carbonoso a
través de las toberas del fondo de la cuba o de las paredes
laterales de la cuba que están en contacto con la capa de metal.
La inyección de material metalífero y de material
carbonoso puede realizarse a través de la misma lanza/tobera, o de
lanzas/toberas separadas.
Otra característica importante del procedimiento
según la presente invención, es que el metal fundido, normalmente
en forma de salpicaduras, pequeñas gotas y chorros, se proyecta
hacia arriba desde el baño fundido hasta por lo menos una parte del
espacio superior por encima de la superficie en reposo del baño para
formar la zona de transición.
La zona de transición es totalmente diferente de
la capa de escoria. A modo de explicación, en condiciones operativas
de estabilidad del procedimiento, la capa de escoria comprende
burbujas de gas en un volumen líquido continuo mientras que la zona
de transición comprende salpicaduras, pequeñas gotas y chorros de
metal fundido en un volumen gaseoso continuo.
Preferentemente, el procedimiento debe hacer que
el material fundido sea proyectado en forma de salpicaduras,
pequeñas gotas y chorros en el espacio superior por encima de la
zona de transición.
Otra importante característica según la presente
invención es que realiza la postcombustión de los gases de la
reacción, tales como monóxido de carbono e hidrógeno generados en
el baño fundido, en el espacio superior (comprendiendo la zona de
transición) por encima de la superficie en reposo nominal del baño,
y transmite el calor generado por la postcombustión a la capa de
metal para mantener la temperatura del baño fundido, como es
esencial en vista de las reacciones endotérmicas en esta capa.
Preferentemente el gas que contiene oxígeno es
aire.
Más preferentemente, el aire está
precalentado.
Normalmente, el aire está precalentado a
1.200ºC
El aire puede estar enriquecido en oxígeno.
Preferentemente, el nivel de postcombustión es
por lo menos del 40%, definiéndose la postcombustión como:
\frac{[CO_{2}]
+ [H_{2}O]}{[CO_{2}] + [H_{2}O] + [CO] +
[H_{2}]}
en la
que:
[CO_{2}] = volumen en % de CO_{2} en los
gases de escape;
[H_{2}O] = volumen en % de H_{2}O en los
gases de escape;
[CO] = volumen en % de CO en los gases de escape;
y
[H_{2}] = volumen en % de H_{2} en los gases
de escape.
La zona de transición es importante por 2
razones.
En primer lugar, las salpicaduras, pequeñas gotas
y chorros de metal fundido que primero ascienden y a continuación
descienden son un medio efectivo para transmitir el calor generado
por la postcombustión de los gases de la reacción al baño en el
espacio superior por encima de la superficie en reposo del baño.
En segundo lugar, el material fundido, y
particularmente la escoria, resultan en la zona de transición un
medio efectivo para reducir al mínimo las pérdidas de calor a
través de las paredes laterales de la cuba.
Una diferencia fundamental entre el procedimiento
según la presente invención y los procedimientos de la técnica
anterior es que en el procedimiento según la presente invención la
zona principal de fusión es la capa de metal y la principal zona de
oxidación (es decir de generación de calor) está por encima y en la
zona de transición, y estas regiones están bien separadas
espacialmente, y la transferencia de calor se realiza mediante el
movimiento físico del metal fundido y de la escoria entre las dos
regiones.
Preferentemente, la zona de transición se genera
mediante la inyección de material metalífero y de material
carbonoso en un gas portador mediante las lanzas/toberas que se
extienden en sentido descendente hacia la capa de metal.
Más preferentemente, como se ha expuesto
anteriormente, las lanzas/toberas se extienden a través de las
paredes laterales de la cuba y están dirigidas en ángulo y en
sentido descendente hacia la capa de metal.
La inyección del material sólido hacia y a partir
de la capa de metal tiene las siguientes consecuencias:
- (a)
- el impulso del material sólido/gas portador hace que el material sólido y el gas penetren en la capa de metal;
- (b)
- el material carbonoso, normalmente carbón, se desvolatiliza y con ello produce gas en la capa de metal;
- (c)
- el carbono se disuelve de forma predominante en el metal y permanece parcialmente en forma sólida;
- (d)
- el material metalífero se funde a metal por medio del carbono derivado del carbono inyectado, como se ha descrito anteriormente en el apartado (c), y la reacción de fusión genera monóxido de carbono en forma de gas; y
- (e)
- los gases transportados a la capa de metal y generados mediante la desvolatilización y la fusión producen un movimiento de flotación significativo del material fundido, del carbono sólido y de la escoria (que es arrastrada a la capa de metal como consecuencia de la inyección de gases/sólidos) desde la capa de metal, provocando un movimiento ascendente de las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de material fundido, y estas salpicaduras, pequeñas gotas y chorros de material fundido arrastran más escoria a medida que se desplazan a través de la capa de escoria.
Otra característica importante según la presente
invención es que la posición y los parámetros operativos de
la(s) lanzas/toberas que inyectan el gas que contiene
oxígeno y los parámetros operativos que controlan la zona de
transición son escogidos de manera que:
- (a)
- el gas que contiene oxígeno sea inyectado hacia la capa de escoria y penetre en la zona de transición;
- (b)
- el chorro de gas que contiene oxígeno desvíe las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de material fundido de manera que:
- (i)
- la zona de transición se extiende en sentido ascendente alrededor de la sección inferior de la(s) lanza(s)/tobera(s); y
- (ii)
- se forma un espacio gaseoso continuo descrito como "espacio libre" alrededor del extremo de la(s) lanza(s)/tobera(s).
La formación del espacio libre es una
característica importante porque hace posible que los gases de la
reacción en el espacio superior de la cuba sean aspirados hacia la
zona del extremo de la(s) lanza(s)/tobera(s) de
inyección del gas que contiene oxígeno y se realice la
postcombustión en la zona. En este contexto el término "espacio
libre" significa un espacio que prácticamente no contiene ni
metal ni escoria.
Además, la desviación antes descrita del material
fundido protege de alguna forma las paredes laterales de la cuba de
la zona de combustión generada en el extremo de la(s)
lanzas/toberas. Asimismo, proporciona los medios para retornar más
energía al baño desde los gases de la postcombustión en el espacio
superior.
Preferentemente, el procedimiento comprende la
inyección de un gas que contiene oxígeno en la cuba con un
movimiento de torbellino.
La presente invención se describe además a título
de ejemplo, haciendo referencia al dibujo adjunto que es una
sección vertical de una cuba metalúrgica que ilustra de forma
esquemática una forma de realización preferida del procedimiento
según la presente invención.
La descripción siguiente hace referencia a la
fusión de mineral de hierro para producir hierro fundido y se
sobreentiende que la presente invención no está limitada a esta
aplicación y es aplicable a cualesquiera minerales metálicos
adecuados y/o concentrados, comprendiendo los minerales metálicos
parcialmente reducidos y los materiales de desecho recuperados.
La cuba que aparece en la figura presenta una
solera que comprende una base 3 y unos costados 55 formados por
ladrillos refractarios; unas paredes laterales 5 que forman un
cuerpo generalmente cilíndrico que se extiende en sentido
ascendente desde los costados 55 de la solera y que comprenden una
sección superior 51 y una sección inferior 53 del cuerpo; un techo
7; una salida 9 para los gases de escape; una antesolera 57 para la
descarga del metal fundido de manera continua; y un orificio de
colada 61 para la descarga de la escoria fundida.
En la práctica, la cuba contiene un baño fundido
de hierro y escoria, que comprende una capa 15 de metal fundido y
una capa 16 de escoria fundida sobre la capa de metal 15. La flecha
marcada con el número 17 indica la posición de la superficie en
reposo nominal de la capa de metal 15, y la flecha marcada con el
número 19 indica la posición de la superficie en reposo nominal de
la capa de escoria 16. El término "superficie en reposo" se
entiende que significa la superficie cuando no existe inyección de
gas ni de sólidos en la cuba.
La cuba comprende también 2 lanzas/toberas 11
para la inyección de sólidos que se extienden en sentido
descendente y hacia el interior con un ángulo de 30 a 60º respecto
a la vertical a través de las paredes laterales 5, y hasta la capa
de escoria 16. La posición de las lanzas/toberas 11 es escogida de
manera que los extremos inferiores están por encima de la
superficie en reposo 17 de la capa de metal 15.
En la práctica, se inyectan mineral de hierro,
material carbonoso sólido (generalmente carbón) y fundentes
(generalmente caliza y magnesita) arrastrados por un gas portador
(generalmente N_{2}), en la capa de metal 15 a través de las
lanzas/toberas 11. El impulso del material sólido/gas portador hace
que el material sólido y el gas penetren en la capa de metal 15. El
carbón es desvolatilizado y con ello produce gas en la capa de
metal 15. El carbono se disuelve parcialmente en el metal y
permanece parcialmente en forma de carbono sólido. El mineral de
hierro es fundido a metal y la reacción de fusión genera monóxido de
carbono en forma de gas. Los gases transportados a la capa de metal
15 y generados mediante la desvolatilización y la fusión, producen
un significativo empuje de flotación ascendente del metal fundido,
del carbono sólido y de la escoria (arrastrada a la capa de metal
como consecuencia de la inyección de gas/sólido) desde la capa de
metal 15, que genera un movimiento ascendente de las salpicaduras,
las pequeñas gotas y los chorros de material fundido y de escoria,
y estas salpicaduras, pequeñas gotas y chorros arrastran escoria al
desplazarse a través de la capa de escoria 16.
La flotación ascendente del metal fundido, del
carbono sólido y de la escoria produce una considerable agitación
en la capa de metal 15 y en la capa de escoria 16, con el resultado
de que la capa de escoria aumenta de volumen y presenta una
superficie indicada mediante la flecha 30. La magnitud de la
agitación es tal, que existe una temperatura razonablemente uniforme
en las regiones del metal y de la escoria, generalmente entre 1.450
y 1.550ºC, con una variación de temperatura de 30ºC en cada
zona.
Además, el movimiento ascendente de las
salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de material fundido
producido por la flotación ascendente del metal fundido, del
carbono sólido y de la escoria, se extiende al espacio superior 31
por encima del baño fundido en la cuba y:
- (a)
- forma una zona de transición 23; y
- (b)
- proyecta algo de material fundido (principalmente escoria) más allá de la zona de transición y hacia la parte de la sección 51 del cuerpo superior de las paredes laterales 5 que está por encima de la zona de transición 23 y hacia el techo 7.
En líneas generales, la capa de escoria 16 es un
volumen líquido continuo, con burbujas de gas en su interior, y la
zona de transición 23 es un volumen gaseoso continuo con
salpicaduras, pequeñas gotas y chorros de material fundido y
escoria.
La cuba comprende además una lanza 13 para
inyectar un gas que contiene oxígeno (normalmente aire precalentado
enriquecido en oxígeno) que está situada en posición central y se
extiende en sentido vertical descendente en el interior de la cuba.
La posición de la lanza 13 y la magnitud del caudal del gas a través
de la lanza 13 son seleccionadas de manera que el gas que contiene
oxígeno penetre en la zona central de la zona de transición 23 y
mantenga un espacio 25 esencialmente libre de escoria/metal
alrededor del extremo de la lanza 13. La lanza 13 comprende un
dispositivo que hace que el gas que contiene oxígeno sea inyectado
con un movimiento de torbellino en el interior de la cuba.
La inyección del gas que contiene oxígeno a
través de la lanza 13 realiza la postcombustión de los gases CO y
H_{2} de la reacción en la zona de transición 23 y en el espacio
libre 25 alrededor del extremo de la lanza 13, y genera unas
elevadas temperaturas de 2.000ºC o superiores en el espacio gaseoso.
El calor es transmitido a las salpicaduras, las pequeñas gotas y
los chorros de material fundido ascendentes y descendentes en la
zona de la inyección del gas, y el calor es transmitido en parte a
la capa de metal 15 cuando el metal y la escoria vuelven a la capa
de metal 15.
El espacio libre 25 es importante para conseguir
unos elevados niveles de postcombustión porque permite el arrastre
de los gases al espacio por encima de la zona de transición 23,
hacia la zona del extremo de la lanza 13 y aumenta con ello la
exposición a la postcombustión de los gases disponibles de la
reacción.
El efecto combinado de la posición de la lanza
13, de la magnitud del caudal de gas a través de la lanza 13 y el
movimiento ascendente de las salpicaduras, las pequeñas gotas y los
chorros de material fundido conforma la zona de transición 23
alrededor de la zona inferior de la lanza 13, globalmente
identificada con el número 27. Esta zona así formada proporciona
una barrera parcial a la transferencia de calor por radiación a las
paredes laterales 5.
Por otra parte, las salpicaduras, las pequeñas
gotas y los chorros de material ascendentes y descendentes
constituyen un medio efectivo de transferencia del calor desde la
zona de transición 23 al baño fundido, con el resultado de que la
temperatura de la zona de transición 23 en la zona de las paredes
laterales 5 está comprendida entre 1.450 y 1.550ºC.
La cuba está estructurada con referencia a los
niveles de la capa de metal 15, la capa de escoria 16 y la zona de
transición 23 en el interior de la cuba cuando el procedimiento
está en funcionamiento y con referencia a las salpicaduras, las
pequeñas gotas y los chorros de material fundido y escoria que son
proyectados hacia el espacio superior 31 por encima de la zona de
transición 23 cuando el procedimiento está en funcionamiento, de
manera que:
- (a)
- la solera y la sección inferior 53 del cuerpo de las paredes laterales 5 que están en contacto con las capas de metal/escoria 15/16 están formadas por ladrillos de material refractario (indicado por las líneas de trama cruzada en la figura);
- (b)
- por lo menos una parte de la sección inferior 53 del cuerpo de las paredes laterales 5 está respaldada por paneles refrigerados por agua 8; y
- (c)
- la sección superior 51 del cuerpo de las paredes laterales 5 y del techo 7 que están en contacto con la zona de transición 23 y el espacio superior 31 están formadas por paneles refrigerados por agua 57, 59.
Cada uno de los paneles refrigerados por agua 8,
57, 59 en la sección superior 10 de las paredes laterales 5
presenta unos bordes laterales superior e inferior paralelos y que
están curvados de manera que delimitan una sección del cuerpo
cilíndrico. Cada panel comprende una tubería interna de
refrigeración por agua y una tubería externa de refrigeración por
agua. Las tuberías están formadas con una configuración en forma de
serpentín, con secciones horizontales interconectadas mediante
secciones curvas. Cada tubería comprende además una entrada de agua
y una salida de agua. Las tuberías están desplazadas en sentido
vertical de manera que las secciones horizontales de la tubería
externa no están inmediatamente detrás de las seccione horizontales
de la tubería interna, vistas desde la cara expuesta del panel, es
decir desde la cara que está expuesta al interior de la cuba. Cada
panel comprende además un material refractario apisonado que
rellena los espacios entre las secciones horizontales adyacentes de
cada tubería y entre las tuberías.
Las entradas y las salidas del agua de las
tuberías están conectadas a un circuito de suministro de agua (no
representado) que hace circular el agua con un elevado caudal a
través de las tuberías.
En la práctica, las condiciones de funcionamiento
están controladas de tal manera que existe suficiente escoria en
contacto con los paneles 57, 59 refrigerados por agua y suficiente
extracción de calor de los paneles para acumular y mantener una
capa de escoria sobre los paneles. La capa de escoria forma una
barrera térmica efectiva contra la pérdida de calor a través de la
zona de transición y del resto del espacio superior por encima de la
zona de transición.
Como se ha indicado anteriormente, el solicitante
ha identificado las siguientes características del procedimiento
durante el trabajo en la planta piloto, de manera que por separado
o en combinación, proporcionan un control efectivo del
procedimiento:
- (a)
- controlando las existencias de escoria, es decir el espesor de la capa de escoria y/o la relación escoria/metal para equilibrar el efecto positivo del metal en la zona de transición 23 en la transferencia de calor, con el efecto negativo del metal en la zona de transición 23 sobre la postcombustión debida a las reacciones de retorno en la zona de transición 23. Si las existencias de escoria son demasiado bajas, la exposición del metal al oxígeno es demasiado elevada y existe un reducido potencial de postcombustión. Por otra parte, si las existencias de escoria son demasiado elevadas, la lanza 13 quedará enterrada en la zona de transición 23 y se producirá un arrastre reducido del gas al espacio libre 25 y un reducido potencial de postcombustión.
- (b)
- controlando que el nivel de carbono disuelto en el metal sea por lo menos del 3% en peso y manteniendo la escoria en un estado fuertemente reductor que conduzca a niveles de FeO inferiores al 6% en peso en la capa de escoria 16 y en la zona de transición 23.
- (c)
- seleccionando la posición de la lanza 13 y controlando los caudales de inyección del gas que contiene oxígeno y de los sólidos a través de la lanza 13 y de las lanzas/toberas 11 para mantener la zona alrededor del extremo de la lanza 13 esencialmente libre de metal/escoria y para formar la zona de transición 23 alrededor de la sección inferior de la lanza 13.
- (d)
- controlando las pérdidas de calor de la cuba salpicando con escoria las paredes laterales de la cuba que están en contacto con la zona de transición 23, o que están por encima de la zona de transición 23, ajustando uno o más de los siguientes parámetros:
- (i)
- las existencias de escoria; y
- (ii)
- la magnitud del caudal de inyección a través de la lanza 13 y de las lanzas/toberas 11.
Los trabajos en la planta piloto a los que nos
hemos referido anteriormente fueron llevados a cabo como una serie
de prolongadas campañas en su planta piloto de Kwinana, Australia
occidental.
El trabajo en la planta piloto fue realizado con
la cuba que aparece en la figura y anteriormente descrito, y según
las condiciones del procedimiento mencionadas anteriormente.
El trabajo en la planta piloto evaluó la cuba e
investigó el procedimiento bajo una amplia gama de diferentes:
- (a)
- materiales de carga;
- (b)
- magnitudes de inyección de gases y de sólidos;
- (c)
- existencias de escoria, medidas en términos del espesor de la capa de escoria y de la relación escoria:metal;
- (d)
- temperaturas operativas; y
- (e)
- regulaciones de la instalación.
La siguiente Tabla 1 ilustra los datos de
importancia durante la puesta en marcha y la condiciones de
funcionamiento estable del trabajo en la planta piloto.
\newpage
| Puesta en marcha | Funcionamiento estable | ||
| Temperatura del baño | (ºC) | 1.450 | 1.450 |
| Presión de funcionamiento | (bar g) | 0,5 | 0,5 |
| Aire HAB | (kNm^{3}/h) | 26,0 | 26,0 |
| Oxígeno en HAB | (%) | 20,5 | 20,5 |
| Temperatura en HAB | (ºC) | 1.200 | 1.200 |
| Mineral DSO | (t/h) | 5,9 | 9,7 |
| Carbón | (t/h) | 5,4 | 6,1 |
| Fundente calcinado | (t/h) | 1,0 | 1,4 |
| Temperatura del mineral de carga | (ºC) | 25,0 | 25,0 |
| Metal caliente | (t/h) | 3,7 | 6,1 |
| Escoria | (t/h) | 2,0 | 2,7 |
| Postcombustión | (%) | 60,0 | 60,0 |
| Temperatura de los gases de escape | (ºC) | 1.450 | 1.450 |
| Transferencia de calor al baño | (MW) | 11,8 | 17,3 |
| Pérdidas caloríficas a los paneles | (MW) | 12,0 | 8,0 |
| Caudal de carbón | (kg/thm) | 1.453 | 1.003 |
El mineral de hierro procedía de Hamersley, como
un envío normal directo de finos de mineral y contenía el 64,6% de
hierro, el 4,21% de SiO_{2} y el 2,78% de Al_{2}O_{3} en base
seca.
Se utilizó un carbón de antracita como reductor y
una fuente de carbono y de hidrógeno para la combustión y para el
suministro de energía al procedimiento. El carbón tenía una
potencia calorífica de 30,7 MJ/kg, un contenido de cenizas del 10%,
y un nivel de volátiles del 9,5%. Otras características incluían el
79,82% de carbono total, el 1,8% de H_{2}O, el 1,59% de N_{2},
el 3,09% de O_{2}, y el 3,09% H_{2}.
El procedimiento se hizo funcionar manteniendo
una basicidad de la escoria de 1,3 (proporción CaO/SiO_{2})
utilizando una combinación de fundentes de caliza y magnesita. La
magnesita contribuía con el MgO a reducir la corrosividad de la
escoria sobre el refractario manteniendo unos niveles apropiados de
MgO en la escoria.
En las condiciones de funcionamiento de puesta en
marcha, la planta piloto funcionó con: un caudal de aire caliente
insuflado de 26.000 Nm^{3}/h a 1.200ºC; una proporción de
postcombustión del 60% ((CO_{2} + H_{2}O)/(CO + H_{2} +
CO_{2} + H_{2}O)); y un caudal de alimentación de finos de
mineral de hierro de 5,9 t/h, un caudal de alimentación de carbón
de 5,4 t/h y un caudal de alimentación de fundentes de 1,0 t/h,
todos ellos inyectados como sólidos utilizando N_{2} como gas
portador. Se produjo muy poca o nada de escoria en la cuba y no
hubo suficientes oportunidades para formar una capa de escoria
solidificada sobre los paneles laterales. En consecuencia, las
pérdidas caloríficas en el agua de refrigeración fueron
relativamente elevadas de 12 MW. La planta piloto funcionó con un
caudal de funcionamiento de 3,7 t/h de metal caliente (4,5% en peso)
y un caudal de carbón de 1.450 kg/de carbón/t de metal caliente
producido.
En condiciones de funcionamiento estable, con
control de las existencias de escoria y con una capa de escoria
solidificada sobre los paneles refrigerados por agua que forman las
paredes laterales se registraron unas pérdidas caloríficas
relativamente bajas de 8 MW. La reducción del calor perdido por el
sistema de refrigeración por agua permitió un aumento de la
productividad de hasta 6,1 t/h de metal caliente. El aumento se
productividad se consiguió con la misma proporción de aire caliente
insuflado y de postcombustión que en la puesta en marcha. Las
proporciones de inyección de sólidos fueron de 9,7 t/h de finos de
mineral y de 6,1 t/h de carbón junto con 1,4 t/h de fundente. La
mejora de la productividad mejoró también la proporción de carbón a
1.000 kg de carbón/t de metal caliente conseguido.
Claims (11)
1. Procedimiento de fusión directa para la
producción de metales a partir de un material de carga metalífero
que comprende las etapas siguientes:
- (a)
- la formación en una cuba metalúrgica de un baño fundido que presenta una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa de metal;
- (b)
- la inyección de un material metalífero de carga y de un material carbonoso sólido en la capa de metal, mediante una pluralidad de lanzas/toberas dispuestas encima y que se extienden en sentido descendente hacia la capa de metal, y haciendo que el material fundido sea proyectado en forma de salpicaduras, pequeñas gotas y chorros a un espacio superior por encima de una superficie en reposo nominal del baño fundido para formar una zona de transición;
- (c)
- la fusión del material metalífero a metal en la capa de metal; y
- (d)
- la inyección de un gas que contiene oxígeno en la cuba mediante una o más de una lanza/tobera para realizar la postcombustión de los gases de reacción liberados por el baño fundido, con lo que las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de material fundido ascendentes y a continuación descendentes en la zona de transición facilitan la transferencia de calor al baño fundido y con lo cual la zona de transición minimiza las pérdidas de calor de la cuba a través de las paredes laterales en contacto con la zona de transi-ción;
y cuyo procedimiento comprende la etapa de
controlar el procedimiento manteniendo unas existencias de escoria
elevadas controlando que la capa de escoria presente por lo menos
1,5 metros de espesor.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, que
comprende el mantenimiento de unas existencias de escoria elevadas
controlando que la capa de escoria esté comprendida entre 0,5 y 4
metros.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, que
comprende el mantenimiento de unas existencias de escoria elevadas
controlando que la capa de escoria esté comprendida entre 1,5 y 2,5
metros de espesor.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, que
comprende controlar que la relación en peso metal:escoria esté
comprendida entre 4:1 y 1:2.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, controlando que la relación en peso
metal:escoria esté comprendida entre 3:1 y 1:1 en condiciones de
funcionamiento estable del procedimiento.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, que
comprende el mantenimiento de unas existencias de escoria elevadas,
controlando la relación en peso metal:escoria para que esté
comprendida entre 3:1 y 2:1 en condiciones de funcionamiento
estable del procedimiento.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la etapa (c) comprende la
fusión del material metalífero a metal por lo menos de manera
predominante en la capa de metal.
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende la localización de una o
varias lanzas/toberas del gas que contiene oxígeno y la inyección
del gas que contiene oxígeno a un cierto caudal de manera que:
- (a)
- el gas que contiene oxígeno es inyectado hacia la capa de escoria y penetra en la zona de transición; y
- (b)
- el chorro de gas que contiene oxígeno desvía las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de material fundido alrededor de una sección inferior de la(s) lanza(s)/tobera(s) y se forma un espacio gaseoso continuo alrededor del extremo de la(s) lanza(s)/tobera(s).
9. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende el control de las
pérdidas de calor de la cuba salpicando principalmente escoria
sobre las paredes laterales de la cuba que están en contacto con la
zona de transición y hacia el techo de la cuba regulando uno o más
de los parámetros siguientes:
- (i)
- la cantidad de escoria en el baño fundido;
- (ii)
- el caudal de inyección del gas que contiene oxígeno a través de la(s) lanza(s)/tobera(s) de inyección del gas que contiene oxígeno; y
- (iii)
- el caudal del material metalífero de carga y del material carbonoso a través de las lanzas/toberas.
\newpage
10. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende la inyección de material
metalífero de carga y de material carbonoso sólido en un gas
portador.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, que
comprende la localización de la pluralidad de las lanzas/toberas
por encima y extendiéndose hacia la capa de metal.
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