ES2254201T3 - Procedimiento de fusion directa. - Google Patents

Procedimiento de fusion directa.

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ES2254201T3 ES00949007T ES00949007T ES2254201T3 ES 2254201 T3 ES2254201 T3 ES 2254201T3 ES 00949007 T ES00949007 T ES 00949007T ES 00949007 T ES00949007 T ES 00949007T ES 2254201 T3 ES2254201 T3 ES 2254201T3
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Abstract

Procedimiento para la fusión directa de un material metalífero de carga, que comprende las etapas siguientes: (a) reducir parcialmente los óxidos de hierro en estado sólido en un convertidor de prerreducción y producir óxidos de hierro parcialmente reducidos; (b) fundir directamente de forma parcial los óxidos de hierro reducidos, producidos en la etapa (a) a hierro líquido en un convertidor de fusión directa que contiene un baño líquido de hierro y escoria y que está alimentado con un material carbonoso sólido como fuente de reductor y de energía, y con un gas que contiene oxígeno que comprende aire precalentado o aire enriquecido en oxígeno para realizar la poscombustión del monóxido de carbono y del hidrógeno generados en el convertidor; (c) generar un gas de descarga que contiene azufre en la etapa de fusión directa (b) y liberar el gas de descarga del convertidor de fusión directa; (d) utilizar un primer chorro del gas de descarga liberado por el convertidor de fusión directa en laetapa de prerreducción (a) para prerreducir los óxidos de hierro en el convertidor de prerreducción, para controlar la cantidad de azufre que es devuelta al convertidor de fusión directa desde el convertidor de prerreducción; y (e) utilizar un segundo chorro que comprende por lo menos un 20% en volumen del gas de descarga liberado por el convertidor de fusión directa en la etapa de prerreducción (a) como una fuente de energía para calentar el aire o el aire enriquecido en oxígeno para el convertidor de fusión directa.

Description

Procedimiento de fusión directa.
La presente invención se refiere a un procedimiento para producir hierro líquido a partir de un material metalífero de carga, tal como minerales de hierro, minerales parcialmente reducidos y aluviones residuales que contienen metal, en un procedimiento de fusión directa basado en un baño líquido, para producir hierro líquido a partir de un material metalífero de carga.
La expresión "procedimiento de fusión directa" se refiere a un procedimiento que produce un material líquido, en este caso hierro, a partir de un material metalífero de carga.
Un procedimiento conocido de fusión directa basado en un baño de fusión para producir un metal ferroso en estado líquido es el procedimiento DIOS. El procedimiento DIOS comprende una etapa de prerreducción y una etapa de reducción del metal líquido. En el procedimiento DIOS, el mineral (<8 mm) es precalentado (a 750ºC) y prerreducido (10 a 30%) en lechos fluidificados de burbujas que utilizan el gas de descarga de un convertidor de reducción por fusión, que contiene un baño líquido de metal y escoria, formando la escoria una gruesa capa sobre el metal. Los componentes finos (<0,3 mm) y gruesos (<8 mm) del mineral son separados en la etapa de prerreducción del procedimiento, siendo recogidos los menores de 0,3 mm en un ciclón e inyectados en el horno de reducción por fusión junto con nitrógeno, mientras que el mineral grueso se carga por gravedad. En el horno de fusión por reducción se carga directamente carbón presecado por la parte superior del convertidor. El carbón se descompone en coque y materias volátiles en la capa de escoria y el mineral se disuelve en la escoria fundida y forma FeO. El FeO es reducido en las superficies de contacto escoria/metal y escoria/coque para producir hierro. El monóxido de carbono generado en las superficies de contacto escoria/metal y escoria/coque genera una escoria espumosa. Se insufla oxígeno mediante una lanza diseñada especialmente que introduce el oxígeno en el interior de la escoria espumosa y mejora la combustión secundaria. Los chorros de oxígeno realizan la combustión del monóxido de carbono que se genera en las reacciones reductoras de la fusión, generando de esta manera calor que se transmite en primer lugar a la escoria fundida y a continuación a la superficie de contacto, escoria/metal gracias a la fuerte agitación producida por el gas insuflado por el fondo. El gas de agitación introducido en el baño de metal caliente por el fondo o por los lados del convertidor de fusión por reducción mejora el rendimiento de la transmisión de calor e incrementa la superficie de contacto escoria/metal para la reducción y, por consiguiente aumenta la productividad del convertidor y el rendimiento térmico. No obstante, la magnitud de la inyección debe estar limitada ya que una agitación fuerte disminuye la combustión secundaria debido al incremento de la interacción entre el chorro de oxígeno y las pequeñas gotas de metal de la escoria con la consiguiente disminución de la productividad y un incremento del desgaste del refractario. Tanto la escoria como el metal son extraídos periódicamente.
Otro procedimiento conocido de fusión directa para producir hierro metálico líquido es el procedimiento Romelt. El procedimiento Romelt está basado en la utilización en un baño de escoria de gran volumen, con una gran agitación, como el medio para la fusión de un material metalífero de carga a metal en un convertidor de reducción por fusión y para la poscombustión de los productos gaseosos de la reacción y la transmisión del calor según se precise, para continuar la fusión del material metalífero de carga. El material metalífero de carga, el carbón y los fundentes son introducidos por gravedad en el baño de escoria a través de una abertura en el techo del convertidor. El procedimiento Romelt comprende la inyección en la escoria de un chorro de aire primario enriquecido en oxígeno mediante una fila inferior de toberas que proporcionan la agitación necesaria de la escoria, y la inyección de aire enriquecido en oxígeno o de oxígeno en la escoria mediante una fila superior de toberas para favorecer la poscombustión. El metal líquido producido en la escoria se desplaza en sentido descendente y forma una capa de metal que es evacuada a través de una solera previa. En el procedimiento Romelt, la capa de metal no es un medio importante para la reacción.
Otro conocido procedimiento de fusión directa para la producción de hierro metálico líquido es el procedimiento AISI. El procedimiento AISI comprende una etapa de prerreducción y una etapa de reducción por fusión. En el procedimiento AISI, se cargan pastillas de mineral de hierro precalentadas y parcialmente prerreducidas, cenizas de carbón o de coque y fundentes por la parte superior, en un reactor de fusión presurizado que contiene un baño líquido de metal y escoria. El carbón se desvolatiliza en la capa de escoria y los pastillas de mineral de hierro se disuelven en la escoria, siendo reducidos a continuación mediante carbón (coque) en la escoria. Las condiciones del procedimiento producen una escoria espumosa. El monóxido de carbono y el hidrógeno generados en el procedimiento son quemados posteriormente en el interior de la capa de escoria o justo encima de ella, para proporcionar la energía requerida para las reacciones endotérmicas de reducción. El oxígeno es insuflado por la parte superior mediante una lanza refrigerada con agua y el nitrógeno se inyecta a través de unas toberas de la parte inferior del reactor para asegurar una agitación suficiente que facilite la transmisión del calor de la poscombustión al baño. El polvo del gas de descarga del procedimiento es eliminado en un ciclón caliente antes de ser enviado a un horno del tipo de cuba para el precalentamiento y la prerreducción de las pastillas a FeO o a Wustita.
Otro conocido procedimiento de fusión directa que, a diferencia de los procedimientos mencionados anteriormente, se basa en una capa de metal líquido como medio de reacción, es el denominado generalmente como procedimiento HIsmelt, que comprende las etapas siguientes:
(a)
formación de un baño líquido con una capa de metal, y una capa de escoria sobre la capa de metal en un convertidor de fusión directa;
(b)
inyección de un material metalífero de carga y de carbón en la capa de metal a través de una pluralidad de lanzas/toberas;
(c)
fusión del material metalífero a metal, en la capa de metal;
(d)
proyección del material líquido en forma de salpicaduras, pequeñas gotas y chorros, por encima de una superficie inactiva del baño líquido para formar una zona de transición; y
(e)
inyección de un gas que contiene oxígeno en el convertidor a través de una(s) lanzas/toberas para realizar la poscombustión de los gases de la reacción liberados por el baño líquido, de modo que las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de material líquido que primero ascienden y a continuación descienden en el interior de la zona de transición, facilitan la transmisión de calor al baño líquido y de esta manera la zona de transición reduce al mínimo las pérdidas de calor del convertidor a través de las paredes laterales en contacto con la zona de transición.
Una forma preferida de procedimiento HIsmelt se caracteriza por formar la zona de transición inyectando un gas portador, un material metalífero de carga, carbón y fundentes en el baño a través de lanzas que se extienden en sentido descendente y hacia el interior a través de las paredes laterales, de tal modo que el gas portador y el material sólido penetran en la capa de metal y hacen que el metal líquido se proyecte desde el baño.
Esta forma del procedimiento HIsmelt es una mejora respecto a las formas anteriores del procedimiento, que forman la zona de transición mediante la inyección de gas portador y de carbón en el baño por la parte inferior a través de toberas, haciendo que las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de material líquido sean proyectados fuera del baño.
Los procedimientos de fusión directa Romelt, DIOS, AISI y HIsmelt pueden utilizar carbón como fuente de energía y como reductor. Esta es una ventaja de los procedimientos de fusión directa sobre las tecnologías de los altos hornos que requieren coque como fuente de energía y de reductor.
Los procedimientos de fusión directa Romelt, DIOS, AISI y HIsmelt pueden funcionar con una amplia gama de materiales metalíferos de carga.
El mineral de hierro es la fuente principal de materiales metalíferos de carga para producir hierro líquido mediante los procedimientos Romelt, DIOS, AISI y HIsmelt
Una de las opciones del procedimiento, entre los procedimientos de fusión directa, es suministrar el mineral de hierro directamente a los convertidores de fusión directa.
Otra opción del procedimiento consiste en precalentar y reducir parcialmente el mineral de hierro en estado sólido en convertidores de prerreducción (que podrían ser un horno de cuba, un lecho fluidificado o cualquier otro tipo de convertidor adecuado), y transferir el mineral de hierro precalentado y parcialmente reducido a unos convertidores de fusión directa que contengan un baño líquido de metal y escoria, y fundir el mineral de hierro precalentado y parcialmente reducido hasta obtener hierro líquido en los convertidores de fusión directa. Esta opción del procedimiento puede incluir también la utilización de gas de descarga de los convertidores de fusión directa para precalentar/prerreducir mineral de hierro en los convertidores de prerreducción. Una ventaja de esta opción del procedimiento es que proporciona una oportunidad para reducir el consumo total de energía. Una desventaja de que adolece este procedimiento es que se precipitan impurezas indeseables que forman parte del gas de descarga, típicamente impurezas derivadas del carbón como azufre y sales alcalinas, que se volatilizan en los convertidores de fusión directa volviendo a los convertidores de fusión directa con el mineral de hierro precalentado y parcialmente reducido y que se acumulan en los convertidores. Concretamente, el azufre reacciona con el FeO en los convertidores de prerreducción y forma FeS, y las sales alcalinas se precipitan en los convertidores de prerreducción, y el FeS y las sales alcalinas precipitadas son transportadas a los convertidores de fusión directa con el mineral de hierro precalentado y parcialmente reducido. El retorno del FeS a un convertidor de fusión directa distorsiona el desarrollo de la reacción del procedimiento de fusión y puede afectar de forma significativa a la producción. Una solución a este problema es incrementar la temperatura del medio de fusión. Sin embargo, esto comporta un incremento del desgaste de los refractarios y si se prosigue a la emigración del fósforo al metal en vez de la escoria, lo que es un inconveniente importante.
Un objetivo de la presente invención es disminuir los inconvenientes del conocido procedimiento de fusión directa en dos etapas descrito en el párrafo anterior y en particular cuando el medio de fusión es metal.
En líneas generales, la presente invención da a conocer un procedimiento para la fusión directa de un material metalífero de carga, que comprende las etapas siguientes:
(a)
reducción parcial de los óxidos de hierro en estado sólido en un convertidor de prerreducción y producción de óxidos de hierro parcialmente reducidos;
(b)
fusión directa de los óxidos de hierro parcialmente reducidos producidos en la etapa (a) a hierro líquido en un convertidor de fusión directa que contiene un baño líquido de hierro y escoria y al que se le suministra un material carbonoso sólido como fuente de reductor y de energía y un gas que contiene oxígeno para la poscombustión del monóxido de carbono y del hidrógeno generados en el convertidor;
(c)
generación de un gas de descarga que contiene azufre en la etapa de fusión directa (b) y liberación del gas de descarga del convertidor de fusión directa; y
(d)
utilización de solamente una parte del gas de descarga liberado en el convertidor de fusión directa en la etapa de prerreducción (a) para prerreducir los óxidos de hierro en el convertidor de prerreducción para controlar la cantidad de azufre que es devuelta al convertidor de fusión directa desde el convertidor de prerreducción.
El efecto de la etapa (d) de utilizar solamente una parte, en lugar de la totalidad del gas de descarga del convertidor de fusión directa en la etapa de prerreducción (a) es, por lo menos, el de reducir al mínimo la proporción de acumulación de impurezas, típicamente impurezas derivadas del carbón, en el convertidor de fusión directa. Como se ha indicado anteriormente, un inconveniente del conocido procedimiento de fusión directa en 2 etapas es que una cierta cantidad de impurezas indeseables, típicamente impurezas derivadas del carbón tales como azufre y sales alcalinas, que se volatilizan en los convertidores de fusión directa, son recuperadas en los convertidores de prerreducción y a continuación son devueltas a los convertidores de fusión directa.
Preferentemente, la etapa (d) comprende el control de la cantidad de gas de descarga liberado en el convertidor de fusión directa y utilizado en la etapa de prerreducción (a), de tal modo que la cantidad de azufre en el hierro líquido producido en la etapa (b) de fusión directa es inferior al 0,2% en peso del peso total del hierro líquido.
Preferentemente, el procedimiento comprende el procesado del gas de descarga restante liberado por el convertidor de fusión directa y/o para la generación de energía, sin devolver al convertidor de fusión directa la mayor parte del azufre de esta parte del gas de descarga.
Preferentemente, la etapa (b) comprende la poscombustión del monóxido de carbono y del hidrógeno en el convertidor hasta un nivel de por lo menos un 40%, calculado como:
\frac{[CO_{2}] + [H_{2}O]}{[CO_{2}] + [H_{2}O] + [CO] + [H_{2}]}
en la que:
[CO_{2}] = % en volumen de CO_{2} en el gas de descarga
[H_{2}O] = % en volumen de H_{2}O en el gas de descarga
[CO] = % en volumen de CO en el gas de descarga
[H_{2}] = % en volumen de H_{2} en el gas de descarga
Preferentemente, el baño líquido está a una temperatura de 1.580ºC o inferior.
Preferentemente, la etapa (b) de fusión directa comprende la inyección de aire precalentado o de aire enriquecido en oxígeno en el convertidor de fusión directa como el gas que contiene oxígeno.
Más preferentemente, el procedimiento comprende la utilización de un primer chorro del gas de descarga del convertidor de fusión directa en la etapa de prerreducción (a) y la utilización de un segundo chorro del gas de descarga como fuente de energía para calentar aire, o aire enriquecido en oxígeno, antes de suministrar el aire, o el aire enriquecido en oxígeno, al convertidor de fusión directa.
Preferentemente, el segundo chorro comprende por lo menos un 20% en volumen del gas de descarga liberado por el convertidor de fusión directa.
Más preferentemente, el segundo chorro comprende por lo menos un 30% en volumen del gas de descarga liberado por el convertidor de fusión directa.
Se prefiere particularmente que el segundo chorro incluya por lo menos un 40% en volumen del gas de descarga liberado por el convertidor de fusión directa.
Preferentemente, el procedimiento comprende la eliminación del azufre y las sales alcalinas del segundo chorro arrastradas por el mismo, antes de utilizar el segundo chorro como fuente de energía para calentar aire o aire enriquecido en oxígeno.
Preferentemente, el aire enriquecido en oxígeno contiene menos del 50% en volumen de oxígeno.
Preferentemente, la etapa de prerreducción (a) precalienta el mineral de hierro a una temperatura comprendida entre 600 y 1.000ºC.
Preferentemente, el gas de descarga de la etapa de prerreducción (a) es utilizado como gas combustible para el calentamiento o para la generación de energía.
La etapa de fusión (b) puede incluir cualquier procedimiento de fusión directa adecuado, y puede utilizar tanto el metal como la escoria como medio de fusión.
Preferentemente, la etapa de fusión (b) comprende la utilización del metal como un medio de fusión y más preferentemente como el medio de fusión principal.
Preferentemente, la etapa de fusión (b) comprende la fusión directa de óxidos de hierro parcialmente reducidos según el procedimiento HIsmelt, que comprende las etapas siguientes:
(i)
formar el baño líquido con una capa de hierro líquido y una capa de escoria líquida sobre la capa de hierro, en el convertidor de fusión directa;
(ii)
inyectar los óxidos de hierro parcialmente reducidos y el carbón en la capa de hierro a través de una pluralidad de lanzas/toberas;
(iii)
fundir los óxidos de hierro parcialmente reducidos para obtener hierro líquido en la capa de hierro;
(iv)
proyectar el material líquido en forma de salpicaduras, pequeñas gotas y chorros en un espacio por encima de una superficie nominalmente inactiva del baño líquido y formando una zona de transición; y
(v)
inyectar el gas que contiene oxígeno en el convertidor de fusión directa a través de una(s) lanzas/toberas, y realizar la poscombustión del monóxido de carbono y del hidrógeno liberados por el baño líquido, con lo cual las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros ascendentes y a continuación descendentes, de material líquido en la zona de transición facilitan la transmisión de calor al baño líquido, y con ello la zona de transición reduce al mínimo las pérdidas de calor del convertidor a través de la pared lateral del convertidor que está en contacto con la zona de transición.
La expresión "superficie inactiva" en el contexto del baño líquido, se entiende en la presente memoria que significa la superficie del baño líquido en unas condiciones de procedimiento en las que no existe inyección de gases/sólidos y por consiguiente no existe agitación del baño.
A continuación se describe la presente invención a título de ejemplo haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los que:
la Figura 1 es un diagrama de flujo en una forma ampliamente esquemática, de una forma de realización preferida del procedimiento de la presente invención; y
la Figura 2 es una sección vertical a través de un convertidor de fusión directa para ser utilizado en el procedimiento ilustrado en la Figura 1.
Haciendo referencia a la Figura 1, el mineral de hierro, típicamente en forma de finos, es calentado y parcialmente reducido en un convertidor de prerreducción 103 y a continuación es enviado a un convertidor de fusión directa 105 a una temperatura comprendida entre 600 y 1.000ºC y fundido en forma de hierro líquido en un baño de fusión en dicho convertidor.
El convertidor de fusión directa 105 es alimentado con carbón, fundentes y aire enriquecido en oxígeno. El carbón es suministrado como fuente de energía y como reductor; el aire enriquecido en oxígeno es suministrado para realizar la poscombustión de los productos combustibles de la reacción generados en el procedimiento; y el fundente se suministra para formar escoria.
El convertidor de prerreducción 103 puede ser de cualquier tipo y configuración adecuados para el mineral de hierro cargado. Por ejemplo, si el mineral de hierro de carga es mineral en trozos, típicamente el convertidor de prerreducción es un horno de cuba. Por otra parte, si el mineral de hierro es mineral en forma de finos, típicamente el convertidor de prerreducción es un horno de lecho fluidificado.
El material de mineral de hierro de carga es calentado y parcialmente reducido en el convertidor de prerreducción 103 mediante el gas de descarga liberado por el convertidor de fusión directa 105. El gas de descarga sale del convertidor de prerreducción 103 y puede ser utilizado como un gas combustible de baja energía para el calentamiento o para la generación de energía (no representado).
El gas de descarga puede enviarse directamente desde el convertidor de fusión directa 105 al convertidor de prerreducción 103. En este caso, el calentamiento y la reducción en el convertidor de prerreducción 103 están en función de la temperatura y composición del gas de descarga, que a su vez está en función del procedimiento de fusión directa utilizado en el convertidor de fusión directa 105.
El gas de descarga puede enviarse también desde el convertidor de fusión directa 105 al convertidor de prerreducción 103 a través de un modificador del gas (no representado) o por otros medios que acondicionan previamente el gas de descarga antes del convertidor de prerreducción 103.
Según la presente invención, el gas de descarga del convertidor de fusión directa 105 se dividide en dos (o más) chorros, uno de los cuales se envía directa o indirectamente al convertidor de prerreducción 103 como se ha descrito en los párrafos anteriores, mientras que el otro chorro se utiliza en el lado de combustión de las estufas 107 que precalientan el aire enriquecido en oxígeno para realizar la poscombustión de los productos de la reacción en el convertidor de fusión directa 105.
En la forma de realización preferida de la presente invención, el objetivo de la división del chorro de gas de descarga presenta dos aspectos.
En primer lugar, el envío de solamente una parte del chorro de gas de descarga al convertidor de prerreducción 103 reduce la acumulación de impurezas indeseables en el convertidor de fusión directa 105, típicamente impurezas derivadas del carbón tales como azufre y sales alcalinas, que se volatilizan en el procedimiento de fusión directa y que son recuperadas en la etapa de prerreducción y devueltas al convertidor de fusión directa 105 junto con el mineral de hierro que llega parcialmente reducido.
En segundo lugar, la utilización de una parte del chorro de gas de descarga para calentar las estufas 107 es beneficiosa para reducir al mínimo el consumo total de energía. Esta segunda ventaja es aplicable en particular a los procedimientos de fusión directa basados en aire, en los que generalmente existe más gas de descarga del requerido para calentar/reducir el mineral de hierro en el convertidor de prerreducción 103 y la división del gas de descarga no afecta negativamente el funcionamiento del convertidor de prerreducción 103.
El procedimiento de fusión directa que funciona en el convertidor de fusión directa 105 puede ser cualquier procedimiento adecuado y puede ser un sistema basado en oxígeno en frío.
El procedimiento preferido de fusión directa que funciona en el convertidor de fusión directa es el procedimiento HIsmelt, que se describirá en líneas generales a continuación haciendo referencia a la Figura 2, y más detalladamente en la solicitud de patente internacional PCT/AU 99/00538 en favor del solicitante, y en la explicación de la memoria de la patente presentada junto con la solicitud de patente internacional que se incorpora aquí como referencia.
En el contexto de la presente invención, el procedimiento de fusión directa descrito en la solicitud de patente internacional se basa en:
(a)
formar un baño líquido con una capa de hierro líquido y una capa de escoria líquida sobre la capa de hierro en el interior del convertidor de fusión directa 105;
(b)
inyectar de mineral de hierro parcialmente reducido de carbón y fundentes en la capa de hierro mediante una pluralidad de lanzas/toberas;
(c)
fundir el mineral de hierro parcialmente reducido a hierro líquido en la capa de metal;
(d)
hacer que el material líquido sea proyectado en forma de salpicaduras, pequeñas gotas y chorros a un espacio por encima de una superficie normalmente inactiva del baño líquido y formar una zona de transición; y
(e)
inyectar aire enriquecido en oxígeno en el convertidor de fusión directa 105 a través de una(s) lanzas/toberas y realizar la poscombustión de los gases de la reacción, típicamente monóxido de carbono e hidrógeno, liberados del baño líquido, hasta un nivel de poscombustión de por lo menos un 40% y generando unas temperaturas de 2.000ºC o superiores en la zona de transición, con lo que las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros ascendentes y a continuación descendentes de material líquido en la zona de transición facilitan la transmisión de calor al baño líquido reduciendo de esta forma en la zona de transición las pérdidas de calor del convertidor a través de las paredes laterales en contacto con la zona de transición.
El convertidor de fusión directa 105 puede ser cualquier convertidor adecuado.
El convertidor de fusión directa preferido es el convertidor descrito en líneas generales a continuación, haciendo referencia a la Figura 2, y con más detalle en la solicitud de patente internacional PCT/AU 99/00537 en favor del solicitante, y en la explicación de la especificación de patente presentada junto con la solicitud de patente internacional que se incorpora en la presente memoria como referencia.
El convertidor 105 que aparece en la Figura 2 dispone de una solera que comprende una base 3 y unas caras 55 formadas por ladrillos refractarios; las paredes laterales 5 que forman un cuerpo generalmente cilíndrico se extienden hacia arriba desde las caras 55 de la solera, e comprende una sección superior del cuerpo 51 y una sección inferior del cuerpo 53; un techo 7; una salida 9 para los gases de descarga; una antesolera 77 para la descarga de metal líquido de forma continua; una conexión 71 de la antesolera que interconecta la solera con la antesolera 77; y un orificio de colada 61 para la evacuación de la escoria líquida.
En su utilización, bajo unas condiciones de estabilidad del procedimiento, el convertidor 105 contiene el baño líquido que comprende una capa 15 de hierro líquido y una capa 16 de escoria líquida sobre la capa de hierro 15. La flecha indicada con el número de referencia de referencia 17 indica la posición de la superficie nominalmente inactiva de la capa de hierro 15 y la flecha indicada mediante el número de referencia 19 indica la posición de la superficie nominalmente inactiva de la capa de escoria 16. La expresión "superficie inactiva" se refiere a la superficie cuando no se produce inyección de gas ni de sólidos en el convertidor.
El convertidor 105 comprende también 2 lanzas/toberas 11 para la inyección de sólidos que se extienden hacia abajo y hacia el interior con un ángulo de 30 a 60º con 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 ha sido escogida de tal modo que los extremos inferiores estén por encima de la superficie inactiva 17 de la capa de hierro 15 en condiciones de estabilidad del procedimiento.
En su utilización, en condiciones estables del procedimiento, el mineral de hierro parcialmente reducido, el carbón y los fundentes (típicamente caliza y magnesita), arrastrados por el gas portador (típicamente N_{2}), son inyectados en la capa de hierro 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 hierro 15. El carbono se disuelve parcialmente en el metal y permanece en parte como carbono sólido. El mineral de hierro parcialmente prerreducido es fundido como hierro y la reacción de fusión genera monóxido de carbono en forma de gas. Las gases transportados a la capa de hierro 15 y generados por la fusión producen una flotación ascendente significativa del hierro líquido, del carbono sólido y de la escoria (arrastrada a la capa de hierro 15 como consecuencia de la inyección de sólidos/gas) desde la capa de hierro 15, lo que genera un movimiento ascendente de salpicaduras, pequeñas gotas y chorros de material líquido, y estas salpicaduras, pequeñas gotas y chorros arrastran escoria a medida que se desplazan a través de la capa de escoria
16.
La flotación ascendente del metal líquido, del carbono sólido y de la escoria produce una agitación substancial en la capa de hierro 15 y en la capa de escoria 16, haciendo que la capa de escoria 16 aumente de volumen y alcance una superficie indicada por la flecha 30. La agitación es tal que existe una temperatura razonablemente uniforme en las zonas del metal y la escoria, típicamente de 1.450 y 1.550ºC, con una variación de temperaturas de 30ºC en cada zona.
Además, el movimiento ascendente de las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de material líquido provocado por la flotación ascendente del hierro líquido, el carbono sólido y de la escoria se extiende hacia el espacio superior 31 por encima del material líquido en el convertidor y:
(a)
forma una zona de transición 23; y
(b)
proyecta parte del material líquido (predominantemente escoria) más allá de la zona de transición y hacia la parte de la sección superior del cuerpo 51 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 continuo de gas con salpicaduras, pequeñas gotas y chorros de material líquido y escoria.
El convertidor 105 comprende además una lanza 13 para inyectar aire enriquecido con oxígeno en el convertidor 105. La lanza 13 está dispuesta de forma centrada y se extiende verticalmente hacia abajo en el interior del convertidor. La posición de la lanza 13 y el caudal de gas a través de la lanza 13 se selecciona de tal modo que en condiciones de estabilidad del procedimiento, el gas que contiene oxígeno penetra en la región central de la zona de transición 23 y mantiene un espacio 25 esencialmente libre de metal/escoria alrededor del extremo de la lanza 13.
En su utilización, en condiciones de estabilidad del procedimiento, la inyección del gas que contiene oxígeno a través de la lanza 13 realiza la poscombustión 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 del gas. El calor es transmitido a las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros ascendentes y descendentes, y a las salpicaduras, a las pequeñas gotas y a los chorros de material líquido de la región de la inyección del gas, y el calor es parcialmente transmitido a continuación a la capa de hierro 15 cuando el metal/escoria vuelven a la capa de hierro 15.
El espacio libre 25 es importante para alcanzar unos elevados niveles de poscombustión porque permite el arrastre de gases en el espacio por encima de la zona de transición 23 hacia la región del extremo de la lanza 13 y con ello aumenta la exposición de los gases de reacción disponibles para la poscombustión.
El efecto combinado de la posición de la lanza 13, del caudal de gas a través de la lanza 13, y del movimiento ascendente de las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de material líquido conforman la zona de transición 23 alrededor de la región inferior de la lanza 13, identificada globalmente mediante el número de referencia 27. Esta región así conformada proporciona una barrera parcial a la transmisión de calor por radiación a las paredes laterales 5.
Por otra parte, en condiciones de estabilidad del procedimiento, las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros ascendentes y descendentes de material son un medio efectivo para la transmisión de calor de la zona de transición 23 hasta el baño líquido, haciendo que la temperatura de la zona de transición 23 en la región de las paredes laterales 5 esté comprendida entre 1.450 a 1.550ºC.
El convertidor 105 está realizado con referencia a los niveles de la capa de hierro 15, la capa de escoria 16 y la zona de transición 23 en el convertidor 105 cuando el procedimiento está funcionando en condiciones de estabilidad del procedimiento y con referencia a las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de material líquido que son proyectados hacia el espacio de la parte superior 31, por encima de la zona de transición 23 cuando el procedimiento está funcionando en condiciones de estabilidad, de tal modo que:
(a)
la solera y la sección inferior 53 del cuerpo de las paredes laterales 5 que están en contacto con las capas de hierro/escoria 15/16 están formadas por ladrillos de material refractario (indicado por la trama cruzada de 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 el techo 7 que están en contacto con la zona de transición 23 y el espacio superior 31 están formados por unos paneles refrigerados por agua 57, 59.
Cada uno de los paneles refrigerados por agua 8, 57, 59 (no representados) en la sección superior 51 del cuerpo de las paredes laterales 5, presenta los bordes laterales superiores e inferiores paralelos y está curvado de tal modo que delimita una sección del cuerpo cilíndrico. Cada panel comprende una tubería interior de agua para la refrigeración y una tubería exterior de agua para la refrigeración. Las tuberías están conformadas con una configuración en forma de serpentín con unas secciones horizontales conectadas mediante secciones en curva. Cada tubería comprende además una entrada de agua y una salida de agua. Las tuberías están desplazadas verticalmente de tal modo que las secciones horizontales de la tubería exterior no están inmediatamente detrás de las secciones horizontales de la tubería interior cuando se miran desde la cara expuesta del panel, es decir, la cara que está expuesta al interior del convertidor. Cada panel comprende además un material refractario apisonado que llena los espacios entre las secciones horizontales adyacentes de cada tubería y entre las propias tuberías. Cada panel comprende además una placa de soporte que forma la superficie exterior del panel.
Las entradas de agua y las salidas de agua de las tuberías están conectadas a un circuito de suministro de agua (no representado) que hace circular agua con un gran caudal por el interior de las tuberías.

Claims (13)

1. Procedimiento para la fusión directa de un material metalífero de carga, que comprende las etapas siguientes:
(a)
reducir parcialmente los óxidos de hierro en estado sólido en un convertidor de prerreducción y producir óxidos de hierro parcialmente reducidos;
(b)
fundir directamente de forma parcial los óxidos de hierro reducidos, producidos en la etapa (a) a hierro líquido en un convertidor de fusión directa que contiene un baño líquido de hierro y escoria y que está alimentado con un material carbonoso sólido como fuente de reductor y de energía, y con un gas que contiene oxígeno que comprende aire precalentado o aire enriquecido en oxígeno para realizar la poscombustión del monóxido de carbono y del hidrógeno generados en el convertidor;
(c)
generar un gas de descarga que contiene azufre en la etapa de fusión directa (b) y liberar el gas de descarga del convertidor de fusión directa;
(d)
utilizar un primer chorro del gas de descarga liberado por el convertidor de fusión directa en la etapa de prerreducción (a) para prerreducir los óxidos de hierro en el convertidor de prerreducción, para controlar la cantidad de azufre que es devuelta al convertidor de fusión directa desde el convertidor de prerreducción; y
(e)
utilizar un segundo chorro que comprende por lo menos un 20% en volumen del gas de descarga liberado por el convertidor de fusión directa en la etapa de prerreducción (a) como una fuente de energía para calentar el aire o el aire enriquecido en oxígeno para el convertidor de fusión directa.
2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que la etapa (d) comprende el control de la cantidad de gas de descarga liberado del convertidor de fusión directa y utilizado en la etapa de prerreducción (a), de tal modo que la cantidad de azufre en el hierro líquido producido en la etapa de fusión directa (b) es inferior al 0,2% en peso del peso total del hierro líquido.
3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 ó 2, que comprende el procesado del resto del gas de descarga liberado del convertidor de fusión directa para calentar y/o para generar energía sin devolver la mayor parte del azufre de esta parte del gas de descarga al convertidor de fusión directa.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el segundo chorro comprende por lo menos un 30% en volumen del gas de descarga liberado por el convertidor de fusión directa.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que el segundo chorro comprende por lo menos un 40% en volumen del gas de descarga liberado por el convertidor de fusión directa.
6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la eliminación del azufre y las sales alcalinas, arrastrados por el segundo chorro, antes de utilizar el segundo chorro como fuente de energía para calentar aire o aire enriquecido en oxígeno.
7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el gas enriquecido en oxígeno es aire, o aire enriquecido en oxígeno que contiene menos del 50% en volumen de oxígeno.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, que comprende el precalentamiento del aire o del aire enriquecido en oxígeno para ser utilizado en la etapa de fusión directa (b).
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la etapa de prerreducción (a) precalienta el mineral de hierro a una temperatura comprendida entre 600 y 1.000ºC.
10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la liberación del gas de descarga de la etapa de prerreducción (a) y la utilización del gas de descarga para el calentamiento o para la generación de energía.
11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la etapa de fusión (b) comprende la fusión directa de óxidos de hierro parcialmente reducidos, según las etapas siguientes:
(i)
formar el baño líquido con una capa de hierro líquido y una capa de escoria líquida sobre la capa de hierro líquido en el convertidor de fusión directa;
(ii)
inyectar los óxidos de hierro parcialmente reducidos y el carbón en la capa de hierro a través de una pluralidad de lanzas/toberas;
(iii)
fundir los óxidos de hierro parcialmente reducidos a hierro líquido en la capa de hierro;
(iv)
proyectar el material líquido en forma de salpicaduras, pequeñas gotas y chorros a un espacio por encima de una superficie nominalmente inactiva del baño líquido para formar una zona de transición; y
(v)
inyectar el gas que contiene oxígeno en el convertidor de fusión directa a través de una o varias lanzas/toberas y realizar la poscombustión del monóxido de carbono y del hidrógeno liberados del baño líquido, con lo que las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros ascendentes y a continuación descendentes de material líquido en la zona de transición facilitan la transmisión de calor al baño líquido reduciendo al mínimo las pérdidas de calor del convertidor en la zona de transición a través de una pared lateral del convertidor que está en contacto con la zona de transición.
12. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la etapa (b) es la fusión directa de óxidos de hierro parcialmente reducidos producidos en la etapa (a) a hierro líquido en un convertidor de fusión directa que contiene un baño líquido de hierro y escoria y es alimentado con un material carbonoso sólido como fuente de reductor y de energía y con un gas que contiene oxígeno para realizar la poscombustión del monóxido de carbono y del hidrógeno generados en el convertidor hasta un nivel de poscombustión de por lo menos un 40%.
13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el baño líquido se encuentra a una temperatura de 1.580ºC o inferior.
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