ES2251922T3 - Procedimiento de fusion directa. - Google Patents
Procedimiento de fusion directa.Info
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Abstract
Procedimiento de fusión directa para producir metal a partir de material metalífero de alimentación en una cuba metalúrgica fija, es decir, no giratoria, cuyo procedimiento comprende las etapas siguientes: (a) formar un baño fundido que presenta una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa de metal en la cuba; (b) inyectar material metalífero de alimentación y/o material carbonoso sólido con un gas transportador en el baño fundido mediante una o más de una lanza/tobera que se extiende(n) hacia abajo y fusionar el material metalífero en el baño fundido, por lo que la inyección de sólidos y gases provoca un flujo de gases desde el baño fundido a un valor de flujo de por lo menos 0, 50 Nm3/s/m2 en la zona de la superficie de contacto entre la capa de metal y la capa de escoria (en condiciones de reposo), arrastrando el flujo de gases el material fundido del baño fundido y transportando el material fundido hacia arriba como salpicaduras, gotículas y chorros y formando una zona de transición en un espacio continuo gaseoso en la cuba por encima de la capa de escoria, por lo que las salpicaduras, gotículas y chorros de material fundido entran en contacto con las paredes laterales de la cuba y forman una capa protectora de escoria; e (c) inyectar un gas que contiene oxígeno en la cuba mediante una o más de una lanza/tobera y la postcombustión de los gases de la reacción liberados del baño fundido, por lo que las salpicaduras, gotículas y chorros de material fundido que ascienden y a continuación descienden facilitan la transferencia de calor al baño fundido, y por lo que la zona de transición minimiza la pérdida de calor de radiación de la cuba mediante las paredes laterales que se encuentran en contacto con la zona de transición.
Description
Procedimiento de fusión directa.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para producir metales fundidos (comprendiendo el
término "metales" las aleaciones metálicas), en particular no
exclusivamente hierro, a partir de un material de alimentación
metalífero, tal como minerales, minerales parcialmente reducidos y
flujos de desechos que contienen metales, en un recipiente
metalúrgico que contiene un baño de fusión.
La presente invención se refiere particularmente
a un procedimiento de fusión directo basado en un baño de metal
fundido para producir metal fundido a partir de un material de
alimentación metalífero.
El procedimiento más ampliamente utilizado en la
producción de hierro fundido se basa en la utilización de altos
hornos. El material sólido se carga en el tragante del horno y el
hierro fundido se sangra desde el crisol. El material sólido
comprende mineral de hierro (en forma aglutinada, masiva o
granular), coque y forma una carga permeable que se desplaza hacia
abajo. El aire precalentado, que puede ser oxígeno enriquecido, se
inyecta en el fondo del horno y se desplaza hacia arriba a través
del lecho permeable y origina monóxido de carbono y calor por la
combustión del coque. El resultado de dichas reacciones es producir
hierro fundido y escoria.
El procedimiento que produce hierro mediante la
reducción del mineral de hierro por debajo del punto de fusión del
hierro producido se conoce generalmente como "procedimiento de
reducción directa" y se hace referencia al producto como
DRI.
El procedimiento de FIOR (reducción fluida del
mineral de hierro) es un ejemplo de procedimiento de reducción
directa. El procedimiento reduce los granos menudos de mineral de
hierro a medida que los granos menudos alimentan por gravedad cada
reactor en una serie de reactores de lecho fluido. Los granos
menudos se reducen mediante un gas comprimido reductor que penetra
en el fondo del reactor inferior de la serie y fluye contra
corriente en relación con el movimiento descendiente de los granos
menudos.
Otros procedimientos de reducción directa
comprenden los procedimientos basados en hornos de cuba móviles,
los procedimientos basados en hornos de cuba fijos, los
procedimientos basados en crisoles rotatorios, los procedimientos
basados en hornos de calcinación rotatorios y los procedimientos
basados en hornos de retorta.
El procedimiento COREX comprende el procedimiento
de reducción directa en una etapa. El procedimiento COREX produce
hierro fundido directamente a partir del carbón sin que el alto
horno requiera coque. El procedimiento COREX comprende dos etapas
en las que:
- (a)
- se produce DRI en un horno de cuba a partir de un lecho permeable de mineral de hierro (en forma masiva o granular) y de unos fundentes; y
- (b)
- a continuación se carga el DRI sin enfriarlo en un horno gasificador y se funde.
La combustión parcial del carbón en el lecho
fluidizado del horno gasificador produce gas reductor por el horno
de cuba.
Otros procedimientos conocidos para la producción
de hierro se basa en convertidores de turbulencia en los que el
mineral de hierro se funde por combustión de oxígeno y gas reductor
en un quemador de turbulencia fundente superior y se funde en el
horno de fusión inferior que contiene un baño de hierro fundido. El
horno de fusión inferior produce el gas reductor para el quemador
de turbulencia fundente superior.
El procedimiento que produce el metal fundido
directamente a partir de minerales (y de minerales reducidos
parcialmente) se conoce generalmente como "procedimiento de fusión
directa".
Otros procedimientos de fusión directa conocidos
se basan en la utilización de hornos eléctricos como fuente
principal de energía para las reacciones de fusión.
Otro procedimiento de fusión directa, conocido
generalmente como procedimiento Romelt, se basa en la utilización
de un baño de escoria altamente agitado y de gran volumen como medio
para fundir los óxidos metálicos cargados por el tragante a metal y
para la postcombustión de los productos gaseosos de la reacción y
transferir el calor tal como se requiera para continuar fundiendo
los óxidos metálicos. El procedimiento Romelt comprende la
inyección de aire enriquecido en oxígeno en la escoria por una fila
inferior de toberas para provocar la agitación de la escoria y la
inyección del oxígeno en la escoria por una fila superior de toberas
y provocar la postcombustión. En el procedimiento Romelt la capa de
metal no constituye un medio importante de reacción.
Otros procedimientos de fusión directa conocidos
basados en la escoria se describen generalmente como procedimientos
de "escoria profunda". Dichos procedimientos, tales como los
procedimientos DIOS y AISI, se basan en la formación de una capa
profunda de escoria. Tal como en el procedimiento Romelt, la capa de
metal por debajo de la escoria no constituye un medio importante de
reacción.
Otros procedimientos de fusión directa conocidos
que dependen de la capa de metal fundido como medio de reacción, y
a los que generalmente se hace referencia como procedimiento
HIsmelt, se describen en la solicitud internacional PCT/AU96/00197
(WO 96/31627) a nombre del solicitante.
El procedimiento HIsmelt tal como se da a conocer
en la solicitud internacional comprende:
- (a)
- formar un baño fundido que presenta una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa de metal en el contenedor;
- (b)
- inyectar en el baño:
- (i)
- un material metalífero de alimentación, 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)
- fusionar el material metalífero de alimentación a metal de la capa de metal.
El procedimiento HIsmelt comprende también la
postcombustión de los gases de la reacción, tales como CO y
H_{2}, liberados a partir del baño en el espacio que se encuentra
por encima del baño con los gases que contienen oxígeno y la
transferencia del calor generado por la postcombustión al baño para
contribuir con la energía requerida para fundir los materiales
metalíferos de alimentación.
El procedimiento HIsmelt comprende también la
formación de una zona de transición por encima de la superficie
fija nominal del baño en el que se producen gotículas o salpicaduras
o chorros ascendentes y a continuación descendentes de metal
fundido y escoria que proporcionan un medio eficaz para transferir
al baño la energía térmica generada por los gases de la reacción de
postcombustión por encima del baño.
Una forma de realización preferida del
procedimiento HIsmelt está caracterizada por la formación de la zona
de transición inyectando un gas transportador, material metalífero
de alimentación, material carbonoso sólido y opcionalmente unos
fundentes en el baño a través de unas lanzas que se extienden hacia
abajo y hacia adentro a través de las paredes laterales de la cuba
de tal modo que el gas transportador y el material sólido penetren
en la capa de metal y provoquen que el material fundido emerja del
baño.
Dicha forma de realización del procedimiento
HIsmelt es una mejora de las formas anteriores del procedimiento en
las que la zona de transición se forma mediante la inyección por el
fondo del gas transportador y el material carbonoso sólido a través
de las toberas hacia el baño, haciendo que emerjan del baño
gotículas, salpicaduras y chorros de material fundido.
El solicitante ha realizado un amplio trabajo de
instalación experimental sobre la forma de realización descrita
anteriormente del procedimiento HIsmelt y ha realizado una serie de
descubrimientos significativos en relación con el
procedimiento.
Uno de los descubrimientos realizados por el
solicitante, que forma la base de la presente invención, es que el
valor del flujo ascendente del gas derivado del baño originado por
la inyección de material sólido/gas transportador en el baño
fundido ha de ser por lo menos de 0,50 Nm^{3}/s/m^{2} en la zona
de la superficie de contacto de la capa de metal y la capa de
escoria (en condiciones de reposo) para establecer la zona de
transición de tal modo que se produzca la transferencia de calor
hacia el baño fundido con un ritmo eficaz.
La eficacia en la transferencia de calor es una
medición de la cantidad de energía disponible generada por la
postcombustión que se transfiere al baño fundido. También es una
medición de la cantidad de energía disponible generada por la
postcombustión que se pierde de la cuba (por los gases desprendidos
por encima de la temperatura del baño y la transferencia de calor
por las paredes laterales y la bóveda de la cuba).
El valor mínimo del flujo del gas derivado del
baño de 0,50 Nm^{3}/s/m^{2} en la superficie de contacto de la
capa de metal y la capa de escoria (en condiciones de reposo)
asegura que haya suficiente fuerza ascensional de la cara de
salpicaduras, gotículas y chorros de material fundido desde el baño
fundido hasta la zona de transición para maximizar:
- (a)
- la transferencia del baño fundido mediante las salpicaduras, gotículas y chorros de material fundido que descienden posteriormente; y
- (b)
- el contacto del material fundido con las paredes laterales de la cuba que forma una capa protectora de escoria que reduce la pérdida de calor de la cuba.
El aspecto anterior (b) resulta ser una
consideración particularmente importante en el contexto de la
construcción de la cuba preferida de la presente invención que
comprende los paneles enfriados con agua que forman las paredes
laterales de la sección superior del cuerpo cilíndrico y
opcionalmente la bóveda y los ladrillos refractarios que forman las
paredes laterales de la sección inferior del cuerpo cilíndrico de la
cuba.
En términos generales, la presente invención es
un procedimiento de fusión directa para producir metales a partir
de un material metalífero de alimentación en una cuba metalúrgica
fija, es decir no giratoria, comprendiendo el procedimiento las
etapas siguientes:
- (a)
- formar un baño fundido que presenta una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa de metal en la cuba;
- (b)
- inyectar material metalífero de alimentación y/o material carbonoso sólido con un gas transportador en el baño fundido mediante una o más de una lanza/tobera que se extienden hacia abajo y fusionar el material metalífero en el baño fundido, por lo que la inyección de sólidos y gases provoca un flujo de gases desde el baño fundido a un valor de flujo de por lo menos 0,50 Nm^{3}/s/m^{2} en la zona de la superficie de contacto entre la capa de metal y la capa de escoria (en condiciones de reposo), arrastrando el flujo de gases el material fundido del baño fundido y transportando el material fundido hacia arriba como salpicaduras, gotículas y chorros y formando una zona de transición en un espacio continuo gaseoso en la cuba por encima de la capa de escoria, por lo cual las salpicaduras, gotículas y chorros de material fundido entran en contacto con las paredes laterales de la cuba y forman una capa protectora de escoria; y
- (c)
- inyectar un gas que contiene oxígeno en la cuba mediante una o más de una lanza/tobera y la postcombustión de los gases de la reacción liberados del baño fundido, por lo que las salpicaduras, gotículas y chorros de material fundido que ascienden y a continuación descienden facilitan la transferencia de calor al baño fundido, y por lo que la zona de transición minimiza la pérdida de calor de radiación de la cuba mediante las paredes laterales que se encuentran en contacto con la zona de transición.
El valor del flujo de gas descrito anteriormente
de por lo menos 0,50 Nm^{3}/s/m^{2} en la zona de la superficie
de contacto de la capa de metal y la capa de escoria (en condiciones
de reposo) es un valor del flujo de gas anteriormente derivado del
baño sustancialmente superior que el del procedimiento Romelt y el
procedimiento de escoria profunda así como de los procedimientos
DIOS y AISI descritos anteriormente y representa una diferencia
significativa entre el procedimiento de la presente invención y
dichos procedimientos conocidos de fusión directa.
A título de comparación particular, la patente US
nº 5.078.785 de Ibaraki et al. (cedida a Nippon Steel
Corporation) da a conocer una forma particular de procedimiento de
escoria profunda que utiliza una cuba giratoria y da a conocer la
inyección inferior de gas en la capa de metal para agitar el baño de
metal. El párrafo que empieza en la línea 17 de la columna 14 da a
conocer que se prefiere que la "fuerza de agitación del baño de
metal" generada por la inyección de gas en el fondo no supere los
6 kW/t. La patente US da a conocer que a niveles superiores de
agitación pueden resultar desaconsejable unos niveles elevados de
generación de polvo de hierro. Sobre la base de la información
proporcionada en el párrafo que comienza en la línea 21 de la
columna 14, una fuerza de agitación del baño de metal de 6 kW/t
corresponde a un valor de flujo máximo del gas derivado del baño de
0,12 Nm^{3}/s/m^{2} en la zona de la superficie de contacto de
la capa de metal y la capa de escoria. Este valor de flujo máximo
resulta considerablemente inferior al valor de flujo mínimo de 0,50
Nm^{3}/s/m^{2} de la presente invención.
Preferentemente el procedimiento comprende la
fusión de material metalífero a metal principalmente en la capa de
metal.
Preferentemente la inyección de sólidos y gases
en la etapa (b) provoca un flujo de gas desde el baño fundido
sustancialmente a través de la superficie de contacto entre la capa
de metal y la capa de escoria metálica (bajo condiciones de
reposo).
Preferentemente el valor de flujo de gas es
inferior a 0,90 Nm^{3}/s/m^{2} en la zona de la superficie de
contacto entre la capa de metal y la capa de escoria (bajo
condiciones de reposo).
Normalmente, las salpicaduras, gotículas y
chorros de material fundido arrastran más material fundido
(particularmente escoria) a medida que se desplazan hacia
arriba.
Normalmente, la escoria constituye la parte
principal y el metal fundido constituye la parte restante del
material fundido en las salpicaduras, gotículas y chorros de
material fundido.
El término "fusión" utilizado en la presente
memoria significa un proceso térmico en el que las reacciones
químicas que reducen los óxidos metálicos producen metal
líquido.
El término "capa de metal" utilizado en la
presente memoria significa aquella zona del baño que
predominantemente es metal. Específicamente, el término cubre una
zona que comprende una dispersión de escoria fundida en un volumen
continuo de metal.
El término "capa de escoria" en la presente
memoria significa aquella zona del baño que es predominantemente
escoria. Específicamente, el término cubre una zona o zona que
comprende una dispersión de metal fundido en un volumen continuo de
escoria.
Preferentemente la zona de transición se extiende
por encima de la capa de escoria.
Se prefiere que el nivel de carbono disuelto en
el metal sea superior al 4% en peso de los gases desprendidos.
Se prefiere que la concentración de FeO en la
capa de escoria sea inferior al 5% en peso.
Se prefiere que la cantidad de material carbonoso
sólido inyectado en el baño fundido sea superior al requerido en la
fusión de la carga metalífera y en la generación de calor para
mantener los índices de reacción de tal modo que el polvo
arrastrado en los gases desprendidos que salen de la cuba contenga
por lo menos algo de carbono
excedente.
excedente.
Se prefiere que la concentración de carbono
sólido en el polvo de los gases desprendidos de la cuba se encuentre
comprendida entre 5 y 90% en peso (más preferentemente entre 20 y
50% en peso) del peso de polvo de los gases desprendidos a un
índice de generación de polvo comprendido entre 10 y 50 g/Nm^{3}
de los gases desprendi-
dos.
dos.
La inyección de material metalífero y de material
carbonoso puede realizarse a través de la misma lanza/tobera o
mediante lanzas/toberas separadas.
La zona de transición es completamente distinta
de la capa de escoria. A título de explicación, bajo condiciones
estables de funcionamiento del procedimiento la capa de escoria
contiene burbujas de gas en un volumen continuo de líquido mientras
que la zona de transición contiene salpicaduras, gotículas y chorros
de material fundido, predominantemente escoria, en un volumen
continuo de gas.
Preferentemente en la etapa (c) del procedimiento
se realiza la postcombustión de gases de la reacción, tales como
monóxido de carbono e hidrógeno, originando en el baño fundido, en
un espacio superior (comprendiendo la zona de transición) por
encima de la superficie del baño fundido y la transferencia del
calor generado en la postcombustión al baño fundido para mantener
la temperatura del baño fundido - que resulta esencial en vista de
las reacciones endotérmicas del baño fundido.
Preferentemente la(s) lanzas/toberas de
inyección de gas que contienen oxígeno se disponen para inyectar el
gas que contiene oxígeno en una zona central de la cuba,
El gas que contiene oxígeno puede ser oxígeno,
aire o aire enriquecido con oxígeno que contiene hasta un 40% de
oxígeno en volumen.
Preferentemente el gas que contiene oxígeno es
aire.
Más preferentemente el aire se encuentra
precalentado.
Normalmente el aire se precalienta a 1.200ºC.
El aire puede estar enriquecido en oxígeno.
Preferentemente la etapa (c) del procedimiento
funciona a niveles elevados, por lo menos del 40%, de
postcombustión, 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 desprendidos;
[H_{2}O] = volumen en % de H_{2}O en los
gases desprendidos;
[CO] = volumen en % de CO en los gases
desprendidos; y
[H_{2}] = volumen en % de H_{2} en los gases
desprendidos.
En algunos casos puede inyectarse una fuente
suplementaria de material carbonoso gaseoso o sólido (tal como
carbón o gas natural) en los gases desprendidos de la cuba a fin de
capturar la energía térmica en forma de energía química.
Un ejemplo de dicha inyección suplementaria de
material carbonoso lo constituye la inyección de gas natural que
abre y reforma, y por lo tanto enfría, los gases desprendidos
mientras enriquece su valor calórico.
El material carbonoso suplementario puede
añadirse en el tramo superior de la cuba o en el conducto de los
gases desprendidos una vez que los gases desprendidos han salido de
la cuba.
Preferentemente el procedimiento funciona con una
postcombustión superior al 50%, más preferentemente superior al
60%.
Preferentemente, la(s) lanzas/toberas se
extienden a través de las paredes laterales de la cuba y se oblicúan
hacia abajo y hacia adentro en dirección a la capa de metal.
Preferentemente los parámetros de ubicación y
funcionamiento de la(s) lanzas/toberas que inyectan el gas
que contiene oxígeno y los parámetros de funcionamiento que
controlan la zona de transición se seleccionan de tal modo que:
- (a)
- el gas que contiene oxígeno se inyecta hacia la zona de transición y la penetra;
- (b)
- la zona de transición se extiende hacia arriba alrededor de la sección inferior de la(s) lanza(s)/tobera(s) y de ese modo resguarda en cierto grado las paredes laterales de la cuba de la zona de combustión generada en el extremo de la(s) lanza(s)/tobera(s) o de cada una de ellas; y
- (c)
- existe un espacio continuo de gas descrito como "espacio libre" que no contiene prácticamente metal ni escoria alrededor del extremo de la(s) lanza(s)/tobera(s).
El aspecto anterior (c) es una característica
importante ya que permite que los gases de reacción del espacio
superior de la cuba sean dirigidos hacia la zona del extremo de
la(s) lanza(s)/tobera(s) y se produzca la
postcombustión en la zona.
Preferentemente el procedimiento mantiene una
cantidad total de escoria relativamente elevada (pero no
excesivamente elevada) y utiliza la cantidad de escoria como un
medio para controlar el procedimiento.
El término "cantidad total de escoria
relativamente elevada" se ha de entender en el contexto de la
cantidad de escoria en comparación con la cantidad de metal en la
cuba.
Preferentemente, cuando el procedimiento está
funcionando en condiciones estables, la proporción en peso
metal:escoria está comprendida entre 4:1 y 1:2.
Más preferentemente la proporción en peso
metal:escoria está comprendida entre 3:1 y 1:1.
Resulta particularmente preferido que la
proporción en peso metal:escoria está comprendida entre 2:1 y
1:1.
El término "cantidad total de escoria
relativamente elevada" se ha de entender también en el contexto
de la profundidad de la escoria en la cuba.
Preferentemente el procedimiento comprende el
mantenimiento de la cantidad total de escoria elevada controlando
que la capa de escoria esté comprendida entre 0,5 y 4 metros de
profundidad en condiciones estables de funcionamiento.
Más preferentemente el procedimiento comprende el
mantenimiento de la cantidad total de escoria elevada controlando
que la capa de escoria esté comprendida entre 1,5 y 2,5 metros de
profundidad en condiciones estables de funcionamiento.
Resulta particularmente preferido que el
procedimiento comprenda el mantenimiento de la cantidad total de
escoria elevada controlando que la capa de escoria se encuentre por
lo menos a 1,5 metros de profundidad en condiciones estables de
funcionamiento.
La cantidad de escoria de la capa de escoria del
baño fundido repercute directamente en la cantidad de escoria que
se encuentra en la zona de transición rica en escoria.
La escoria resulta importante para minimizar la
pérdida de calor por radiación desde la zona de transición a las
paredes laterales de la cuba.
Si la cantidad total de escoria es excesivamente
baja se producirá un incremento en la exposición del metal de la
zona de transición rica en escoria y por lo tanto un incremento en
la oxidación del metal y una reducción del potencial para la
postcombustión.
Si la cantidad total de escoria es excesivamente
elevada entonces la(s) lanzas/toberas de inyección del gas
que contiene oxígeno se sumergen en la zona de transición
minimizando el movimiento de los gases de la reacción del espacio
superior hacia el extremo de la(s) lanzas/toberas y, como
consecuencia de ello, se reduce el potencial de postcombustión.
Para realizar el procedimiento se proporciona una
cuba fija, no giratoria, que produce metal a partir del material
metalífero de alimentación mediante un procedimiento de fusión
directa, conteniendo la cuba un baño fundido con una capa de metal
y una capa de escoria sobre la capa de metal y presentando un
espacio continuo de gas por encima de la capa de escoria,
comprendiendo la cuba:
- (a)
- una camisa;
- (b)
- un crisol formado de material refractario con una base y unos laterales en contacto con el baño fundido;
- (c)
- unas paredes laterales que se extienden hacia arriba a partir de los laterales del crisol y que están en contacto con la capa de escoria y con el espacio continuo de gas, comprendiendo las paredes laterales que se encuentran en contacto con el espacio continuo de gas unos paneles refrigerados por agua y una capa de escoria sobre los paneles;
- (d)
- una o más de una lanza/tobera que se extienden hacia abajo en la cuba y que inyectan un gas que contiene oxígeno en la cuba por encima de la capa de metal;
- (e)
- una o más de una lanza/tobera que se dirigen hacia abajo y hacia el interior y que inyectan por lo menos parte del material metalífero de alimentación y/o un material carbonoso con un gas transportador en el interior del baño fundido a fin de generar un flujo de gases derivados del baño a un valor de por lo menos 0,50 Nm^{3}/s/m^{2} en la zona de la superficie de contacto de la capa de metal y la capa de escoria (en condiciones de reposo) y una fuerza ascensional resultante del material fundido de la capa de metal y de la capa de escoria;
- (f)
- una zona de transición formada por salpicaduras, gotículas y chorros de material fundido ascendentes y descendentes a continuación en el espacio continuo de gas que se encuentra por encima de la capa de escoria con algunas de dichas salpicaduras, gotículas y chorros en contacto con las paredes laterales de la cuba y formando una capa de material fundido en las paredes laterales; y
- (g)
- un medio de sangrado del metal y la escoria fundidos de la cuba.
Preferentemente la inyección de sólidos y gases
mediante la(s) lanza(s)/ tobera(s) origina un
flujo de gases desde el baño fundido sustancialmente a través de la
superficie de contacto entre la capa de metal y la capa de escoria
(bajo condiciones de reposo).
Preferentemente la cuba comprende un crisol
cilíndrico y unas paredes laterales que forman un cuerpo cilíndrico
que se extiende desde el crisol.
El material metalífero de alimentación puede ser
cualquier material apto y en cualquier forma apta. Un material
metalífero de alimentación preferido es el material que contenga
hierro. El material que contiene hierro puede presentarse en forma
de minerales, minerales parcialmente reducidos DRI (hierro de
reducción directa), carburo de hierro, cascarilla de laminación,
polvo de altos hornos, finos aglutinados, polvo de BOF (horno de
oxígeno básico) o una mezcla de dichos materiales.
En el caso de los minerales parcialmente
reducidos, el grado de prerreducción puede variar entre niveles
relativamente bajos (por ejemplo de FeO) y niveles relativamente
elevados (por ejemplo de una metalización comprendida entre 70 y
95%).
A este respecto, el procedimiento comprende
además la reducción de los minerales metalíferos y después de ello
la inyección de los minerales parcialmente reducidos en el baño
fundido.
El material metalífero de alimentación puede
precalentarse.
El gas transportador puede ser cualquier gas
transportador apto.
Se prefiere que el gas transportador sea un gas
deficiente en oxígeno.
Se prefiere que el gas transportador sea un gas
que contenga nitrógeno.
Además, la presente invención se describe a
título de ejemplo haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los
que:
la Figura 1 es una sección vertical a través de
una cuba metalúrgica que ilustra de un modo esquemático una forma
de realización preferida del procedimiento de la presente
invención;
la Figura 2 es un gráfico de la eficacia de la
transferencia de calor con relación al valor del flujo de los gases
derivados del baño para la prueba 8.1 del trabajo llevado a cabo por
el solicitante en la planta experimental; y
la Figura 3 es un gráfico de la eficacia de la
transferencia de calor con relación al valor del flujo de los gases
derivados del baño para la prueba 8.2 de la planta experimental.
Se ha de considerar la siguiente descripción en
el contexto de la fusión del mineral de hierro para producir hierro
fundido y se entiende que la presente invención no se encuentra
limitada por dicha aplicación y resulta aplicable a cualquier
mineral y/o concentrado metálico apto - comprendiendo los minerales
metálicos parcialmente reducidos y los materiales transformados en
desechos.
La cuba ilustrada en la Figura 1 comprende una
cuba fija, es decir, no giratoria, que presenta un crisol cilíndrico
que comprende una base 3 y unos laterales 55 compuestos por
ladrillos refractarios. Las paredes laterales 5 que forman un
cuerpo generalmente cilíndrico se extienden hacia arriba a partir de
los laterales 55 del crisol comprendiendo una sección superior del
cuerpo cilíndrico 51 y una sección inferior del cuerpo cilíndrico
53; una bóveda 7; un orificio de salida 9 para los gases
desprendidos: un antecrisol 81 que puede descargar continuamente
hierro fundido, una conexión 71 del antecrisol que interconecta el
crisol con el antecrisol 81; y un agujero para la sangría 61 para
descargar la escoria fundida.
En funcionamiento, la cuba contiene un baño
fundido de hierro y escoria que comprende una capa 15 de hierro
fundido y una capa 16 de escoria fundida en la capa de metal 15. La
flecha señalada con la referencia numérica 17 indica la posición de
la superficie de reposo nominal de la capa de metal 15 y la flecha
señalada con la referencia numérica 19 indica la posición de la
superficie de reposo nominal de la capa de escoria 16. El término
"superficie de reposo" significa la superficie cuando no se
produce la inyección de gases y sólidos en la cuba.
La cuba comprende también 2 lanzas/toberas 11 de
inyección de sólidos que se extienden hacia abajo y hacia adentro
formando un ángulo de 30 a 60º con relación a la vertical a través
de las paredes laterales 5 y en el interior de la capa de escoria
16. La posición de las lanzas/toberas 11 se selecciona de tal modo
que los extremos inferiores se encuentren por encima de la
superficie de reposo 17 de la capa de hierro 15 en unas condiciones
de régimen permanente del procedimiento.
Durante la utilización, el mineral de hierro, el
material carbonosos sólido (normalmente carbón), y los fundentes
(normalmente cal y magnesia) arrastrados en un gas transportador
(normalmente N_{2}), se inyectan en la capa de metal 15 mediante
las lanzas/toberas 11. El momento del material sólido/gas
transportado provoca que el material sólido y el gas penetren en la
capa de metal 15. El carbón se desvolatiliza y produce de ese modo
gas en la capa de metal 15. El carbono se disuelve parcialmente en
el metal y permanece parcialmente como carbono sólido. El mineral
de hierro se funde a metal y la reacción de fundido genera un gas de
monóxido de carbono. Los gases transportados en la capa de metal 15
y generados mediante la devolatilización y la fusión producen una
fuerza ascensional significativa en el metal fundido, el carbono
sólido y la escoria (arrastrada hacia la capa de metal 15 como
consecuencia de la inyección de sólido y gas) desde la capa de metal
15 que genera un movimiento ascendente de las salpicaduras,
gotículas y chorros, y dichas salpicaduras, gotículas y chorros
arrastran escoria a medida que se desplazan a través de la capa de
escoria 16.
El solicitante ha descubierto con su trabajo en
la planta experimental que la generación del flujo de gas a partir
del baño fundido con un valor de flujo de por lo menos 0,50
Nm^{3}/s/m^{2} de la zona de la capa de metal 15 al nivel de la
superficie de reposo 17 de la capa de metal (es decir, en la
superficie de contacto entre la capa de metal 15 y la capa de
escoria 16 bajo condiciones de reposo), preferentemente y
sustancialmente a través de la zona, provoca una agitación
sustancial en la capa de metal 15 y la capa de escoria 16, con el
siguiente resultado:
- (a)
- la capa de escoria 16 se expande en volumen y presenta una superficie indicada por la flecha 30; y
- (b)
- la capa de metal 15 y la capa de escoria 16 son sustancialmente homogéneas debido a que se encuentran unas temperaturas razonablemente uniformes en cada capa, normalmente comprendidas entre 1.450 y 1.550ºC y composiciones razonablemente uniformes durante cada capa.
Además, el solicitante ha puesto de manifiesto
con su trabajo en la planta experimental que el valor de flujo de
gas descrito anteriormente y la fuerza ascensional resultante en el
material fundido y el carbono sólido produce:
- (a)
- la formación de la zona de transición 23; y
- (b)
- la proyección de parte del material fundido (predominantemente escoria) más allá de la zona de transición y sobre la zona de la sección superior 51 del cuerpo cilíndrico de las paredes laterales 5 que se encuentra por encima de la zona de transición 23 y sobre la bóveda 7.
En términos generales, la capa de escoria 16 es
en un volumen continuo de líquido, con burbujas de gas en el mismo,
y la zona de transición 23 es un volumen continuo de gas con
salpicaduras, gotículas y chorros de metal fundido y escoria.
La cuba comprende además una lanza 13 para
inyectar un gas que contiene oxígeno (normalmente aire precalentado
enriquecido en oxígeno) que se dispone en el centro y que se
extiende verticalmente hacia abajo en la cuba. La posición de la
lanza 13 y el valor del flujo de gas a través de la lanza 13 se
seleccionan de tal modo que, bajo condiciones de régimen permanente
en el procedimiento, el gas que contiene oxígeno penetre en la zona
central de la zona de transición 23 y mantenga un espacio
esencialmente libre de metal/escoria 25 alrededor del extremo de la
lanza 13.
En funcionamiento, la inyección del gas que
contiene oxígeno mediante la lanza 13 produce la postcombustión de
los gases de reacción CO y H_{2} en la zona de transición 23 y en
el espacio libre 25 alrededor del extremo de la lanza 13 y genera
unas temperaturas elevadas de 2.000ºC o superiores en el espacio del
gas. El calor se transfiere a las salpicaduras, gotículas y chorros
ascendentes y descendentes de material fundido en la zona de la
inyección de gas y a continuación el calor se transfiere
parcialmente a la capa de hierro 15 cuando el metal/escoria vuelve
a la capa de hierro 15.
El espacio libre 25 resulta importante para
conseguir unos niveles elevados de postcombustión, es decir,
superiores al 40%, debido a que permite arrastrar los gases del
espacio por encima de la zona de transición 23 hacia la zona del
extremo de la lanza 13 y de ese modo incrementa la exposición de los
gases de la reacción disponibles para la postcombustión.
El efecto combinado de la posición de la lanza
13, el valor del flujo de gas a través de la lanza 13, y el
movimiento ascendente de las salpicaduras, gotículas y chorros de
material fundido conformará la zona de transición 23 alrededor de
la zona inferior de la lanza 13 - generalmente identificada con la
referencia numérica 27. Dicha zona perfilada proporciona una
barrera parcial contra la transferencia de calor por radiación a las
paredes laterales 5.
Además, las salpicaduras, gotículas y chorros
ascendentes y descendentes de material fundido son un medio eficaz
para transferir el calor desde la zona de transición 23 al baño
fundido haciendo que la temperatura de la zona de transición 23 de
la zona de las paredes laterales 5 está comprendida entre 1.450ºC y
1.550ºC.
La cuba se construye teniendo en consideración
los niveles de la capa de metal 15, la capa de escoria 16, y la
zona de transición 23 en la cuba cuando el procedimiento funciona en
condiciones de régimen permanente del procedimiento y teniendo en
consideración las salpicaduras, gotículas y chorros de material
fundido que se proyectan en el espacio superior 31 por encima de la
zona de transición 23 cuando el procedimiento está funcionando en
condiciones de régimen permanente de funcionamiento, de tal modo
que:
- (a)
- el crisol y la sección inferior 53 del cuerpo cilíndrico de las paredes laterales 5 que entran en contacto con las capas de escoria/metal 15/16 están formadas por unos ladrillos de material refractario (señaladas mediante rayado cruzado en la figura);
- (b)
- por lo menos una parte de la sección inferior 53 del cuerpo cilíndrico de las paredes laterales 5 está respaldada por unos paneles refrigerados por agua 8; y
- (c)
- la sección superior 51 del cuerpo cilíndrico de las paredes laterales 5 y la bóveda 7 que entran en contacto con la zona de transición 23 y el espacio superior 31 están formadas por unos paneles refrigerados por agua 57, 59.
Cada uno de los paneles refrigerados por agua 8,
57, 59 presenta unos bordes superior e inferior paralelos y unos
bordes laterales paralelos y adopta una forma curvada de tal modo
que define una sección del cuerpo cilíndrico. Cada panel comprende
un conducto interior de refrigeración por agua y un conducto
exterior de refrigeración por agua. Los conductos se disponen con
una configuración de serpentín con las secciones horizontales
interconectadas con las secciones curvadas. Cada conducto comprende
además una acometida de agua y un orificio de salida de agua. Los
conductos se desplazan verticalmente de tal modo que las secciones
horizontales del conducto exterior no se encuentran inmediatamente
detrás de las secciones horizontales del conducto interior cuando
se observan desde la cara descubierta del panel, es decir la cara
que se encuentra expuesta en el interior de la cuba. Cada panel
comprende además un material refractario apisonado que ocupa los
espacios existentes entre las secciones rectas adyacentes de cada
conducto y entre los conductos.
Las acometidas de agua y los orificios de salida
de agua de los conductos están conectados a un circuito de
suministro de agua (no representado) que hace circular agua con un
flujo elevado a través de los conductos.
El trabajo en la planta experimental al que se ha
hecho referencia anteriormente se realizó como una serie de pruebas
efectuadas por el solicitante en la planta experimental de Ewinana,
Australia Occidental.
El trabajo en la planta experimental se realizó
con la cuba ilustrada en la Figura 1 y descrita anteriormente según
las condiciones del procedimiento descrito anteriormente. En
particular, el procedimiento funcionó con una descarga continua de
hierro fundido mediantel antecrisol 81 y una sangría periódica de
escoria fundida mediante el agujero 61 para la sangría. En el
contexto de la presente invención resulta pertinente señalar que el
diámetro del crisol era de 2,74 m.
El trabajo en la planta experimental permitió el
estudio de la cuba y la investigación del procedimiento con
distintos:
- (a)
- materiales de alimentación;
- (b)
- índices de inyección de sólidos y gases;
- (c)
- cantidad de escoria - determinadas según la profundidad de la capa de escoria y las proporciones escoria:metal;
- (d)
- temperaturas de funcionamiento; y
- (e)
- ajustes del aparato.
La Figuras 2 y 3 son unos gráficos que muestran
la relación entre la eficacia en la transferencia de calor
(HTE-TS) y el valor del flujo de los gases derivados
del baño (expresado como kNm^{3}/h) en dos de las campañas de la
planta experimental.
La eficacia en la transferencia de calor es la
cantidad de energía generada en la postcombustión que se transfiere
al baño fundido dividida por la cantidad total de energía generada
por la postcombustión, expresada como porcentaje. Si los gases
desprendidos se encuentran sustancialmente a la temperatura del
baño, lo cierto es que las elevadas eficacias en la transferencia
de calor indican unas bajas pérdidas de calor desde la cuba (lo que
sucede principalmente por las paredes laterales).
Resulta evidente a partir de la Figuras 2 y 3 que
existieron unos incrementos bruscos de la eficacia en la
transferencia de calor en los valores de flujo de los gases
derivados del baño de aproximadamente 7,5 kNm^{3}/h. Esta
cantidad corresponde a 0,32 Nm^{3}/s/m^{2} en la superficie de
contacto entre la capa metálica 15 y la capa de escoria 16 de la
cuba en condiciones de reposo.
Mientras que la forma de realización preferida de
la presente invención genera el flujo de los gases derivados del
baño a partir de la capa de metal debido a la inyección de gas
transportador/material sólido a través de las lanzas/toberas 11, la
presente invención se extiende a disposiciones en las que se produce
una menor contribución del flujo de los gases derivados del baño
mediante la inyección inferior/lateral del gas.
Claims (13)
1. Procedimiento de fusión directa para producir
metal a partir de material metalífero de alimentación en una cuba
metalúrgica fija, es decir, no giratoria, cuyo procedimiento
comprende las etapas siguientes:
- (a)
- formar un baño fundido que presenta una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa de metal en la cuba;
- (b)
- inyectar material metalífero de alimentación y/o material carbonoso sólido con un gas transportador en el baño fundido mediante una o más de una lanza/tobera que se extiende(n) hacia abajo y fusionar el material metalífero en el baño fundido, por lo que la inyección de sólidos y gases provoca un flujo de gases desde el baño fundido a un valor de flujo de por lo menos 0,50 Nm^{3}/s/m^{2} en la zona de la superficie de contacto entre la capa de metal y la capa de escoria (en condiciones de reposo), arrastrando el flujo de gases el material fundido del baño fundido y transportando el material fundido hacia arriba como salpicaduras, gotículas y chorros y formando una zona de transición en un espacio continuo gaseoso en la cuba por encima de la capa de escoria, por lo que las salpicaduras, gotículas y chorros de material fundido entran en contacto con las paredes laterales de la cuba y forman una capa protectora de escoria; e
- (c)
- inyectar un gas que contiene oxígeno en la cuba mediante una o más de una lanza/tobera y la postcombustión de los gases de la reacción liberados del baño fundido, por lo que las salpicaduras, gotículas y chorros de material fundido que ascienden y a continuación descienden facilitan la transferencia de calor al baño fundido, y por lo que la zona de transición minimiza la pérdida de calor de radiación de la cuba mediante las paredes laterales que se encuentran en contacto con la zona de transición.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, que
comprende la fusión de material metalífero a metal principalmente
en la capa de metal.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
en el que la inyección de sólidos y gases en la etapa (b) provoca
un flujo de gas desde el baño fundido sustancialmente a través de la
superficie de contacto entre la capa de metal y la capa de escoria
metálica (en condiciones de reposo).
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la zona de transición se
extiende por encima de la capa de escoria.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el nivel de carbono disuelto
en el metal es superior al 4% en peso.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la concentración de FeO en
la capa de escoria es inferior al 5% en peso.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende además seleccionar la
cantidad de material carbonoso sólido inyectado en el baño fundido
sea superior al requerido en la fusión de la carga metalífera y en
la generación de calor para mantener los índices de reacción de tal
modo que el polvo arrastrado en los gases desprendidos que salen de
la cuba contenga por lo menos un poco de carbono excedente.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el
que la concentración de carbono sólido en el polvo de los gases
desprendidos de la cuba está comprendido entre 5 y 90% en peso (más
preferentemente entre 20 y 50% en peso) del peso de polvo de los
gases desprendidos a un índice de generación de polvo comprendido
entre 10 y 50 g/Nm^{3} de los gases desprendidos.
9. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la inyección de material
metalífero y de material carbonoso en la etapa (b) se produce a
través de la misma lanza/tobera o en lanzas/toberas separadas.
10. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el gas que contiene oxígeno
es oxígeno, aire o aire enriquecido en oxígeno que contiene hasta un
40% de oxígeno en volumen.
11. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la etapa (c) funciona a
niveles elevados, es decir por lo menos del 40%, de postcombustión,
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 desprendidos;
[H_{2}O] = volumen en % de H_{2}O en los
gases desprendidos;
[CO] = volumen en % de CO en los gases
desprendidos; y
[H_{2}] = volumen en % de H_{2} en los gases
desprendidos.
12. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la etapa (b) comprende la
inyección de sólidos y gases en el baño fundido mediante una o más
de una lanza/tobera que se extienden a través de las paredes
laterales de la cuba que presentan un ángulo hacia abajo y hacia
adentro en dirección a la capa de metal.
13. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la etapa (c) comprende la
inyección del gas que contiene oxígeno en la cuba mediante una o más
de una lanza/tobera de tal modo que:
- (a)
- el gas que contiene oxígeno se inyecta hacia la zona de transición y la penetra;
- (b)
- la zona de transición se extiende hacia arriba alrededor de la sección inferior de la o cada lanza/tobera y de ese modo resguarda en cierto grado las paredes laterales de la cuba de la zona de combustión generada en el extremo de la o cada lanza/tobera; y
- (c)
- existe un espacio continuo de gas descrito como "espacio libre" que no contiene prácticamente metal ni escoria alrededor del extremo de la o cada lanza/tobera.
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