ES2254951T3 - Afinado de aleaciones de hierro. - Google Patents

Abstract

Un método de afinar una ferroaleación, que incluye la etapa de inyectar oxígeno molecular o una mezcla gaseosa que incluye oxígeno molecular en una masa fundida de la ferroaleación, en el que se introduce un material en partículas metalúrgicamente aceptable desde encima en el interior de la masa fundida, siendo transportado el material en partículas a la masa fundida en un primer chorro de gas supersónico que se desplaza hacia la masa fundida envuelto por un segundo chorro de gas, y el segundo chorro de gas es un chorro de gas supersónico.

Description

Afinado de aleaciones de hierro.

Este invento se refiere a la fabricación de aleaciones ferrosas mediante un proceso que incluye una etapa de afino con oxígeno. Típicamente, la etapa de afino con oxígeno puede comprender descarburación pero puede de manera alternativa o de manera adicional comprender retirada de silicio o de manganeso.

El ferrocromo de carbono intermedio se prepara comercialmente mediante la oxidación parcial del contenido de carbono del denominado "cromo de carga", una aleación de hiero y cromo que contiene una proporción relativamente elevada de carbono (típicamente en el orden de 6% en peso). (El ferrocromo es otro nombre para ferrocromo). La oxidación parcial se realiza en un convertidor inyectando una mezcla de oxígeno y vapor de agua a través de la aleación fundida por medio de uno o más toberas sumergidas. Es posible producir un producto de ferrocromo que contiene menos de 2% en peso de carbono. Durante la oxidación se forma una escoria que puede contener una cantidad considerable de óxido de cromo. Típicamente, el óxido de cromo se recupera mediante la adición de un agente reductor de ferrosilicio al final del ciclo del proceso. No obstante, parte del óxido de cromo se pierde en la escoria que se forma en esta etapa de reducción primaria.

Puede prepararse comercialmente un ferromanganeso de carbono reducido mediante un proceso análogo al descrito anteriormente para la preparación de ferrocromo.

El acero inoxidable es una aleación ferrosa de bajo contenido en carbono que típicamente incluye cromo y níquel como elementos aleantes. Una composición típica contiene 18% en peso de cromo, 8% en peso de níquel, menos de 0,1% en peso de carbono, siendo el equilibrio el hierro y cualquier otro elemento aleante (excluyendo impurezas secundarias). Típicamente el acero inoxidable se prepara fundiendo una carga de un trozo de acero inoxidable y ferroaleaciones de alto contenido en carbono en un horno de arco eléctrico para formar una aleación sin afinar que contiene hasta 0,5% en peso más de cromo que lo deseado en el producto y que tiene un contenido de carbono dentro del intervalo de 0,25% a 2% en peso y un contenido de silicio dentro del intervalo de 0,2% a 1,5% en peso. Los niveles particulares de carbono y silicio dependen de la especificación del producto, de la práctica de preparación del acero y del tamaño del recipiente. La aleación sin afinar se transfiere en estado fundido a un convertidor en el que se inyecta oxígeno en la aleación fundida desde debajo de la superficie, con el fin de oxidar el carbono a monóxido de carbono y de esta forma disminuir el contenido de carbono del acero inoxidable resultante a menos de 0,1% en peso. Dado que el contenido de carbono disminuye de manera progresiva durante la inyección, de manera que existe una tendencia del oxígeno a reaccionar con el cromo para formar óxido de cromo. También existe una tendencia asociada a que se cree una temperatura excesiva en el convertidor debido a la naturaleza exotérmica de las reacciones de oxidación. En el proceso de Descarburación de Argón-Oxígeno (AOD) este tendencia es contrarrestada de manera progresiva, o en etapas, diluyendo el oxígeno con argón para reducir la presión parcial de monóxido de carbono y así favorecer la oxidación de carbono en lugar de la oxidación del cromo. A través de estos medios, la mayoría del cromo es retenido en el baño y es posible limitar los aumentos de temperatura hasta un nivel aceptable (por ejemplo a una temperatura no mayor de 1750ºC). En un ejemplo típico, la inyección se comienza con una relación de argón-oxígeno (en volumen) de 1:3 y puede finalizar con una relación de argón-oxígeno (en volumen) de 2:1. Tras la inyección, puede añadirse algo de ferrosilicio para reducir el óxido de cromo de la escoria, y puede introducirse caliza como agente de desulfuración.

Puede usarse el proceso de Creusot-Loire-Uddeholm (CLU) como alternativa al proceso de AOD. El proceso de CLU es análogo al proceso de AOD pero típicamente utiliza una mezcla de vapor de agua, nitrógeno y argón en vez de argón puro para diluir el oxígeno que se inyecta en la masa fundida desde debajo de su superficie.

Todos los procesos mencionados anteriormente tienen en común el afino con oxígeno de una ferroaleación que tiene un contenido apreciable de carbono, con el fin de disminuir su contenido de carbono. Incluso con la dilución del oxígeno con, por ejemplo, argón, estos procesos todavía muestran una tendencia hacia el daño progresivo del revestimiento refractario del convertidor, particularmente en las proximidades de cada tobera a través de las cuales se inyecta el oxígeno. Por tanto, resulta necesario una revisión regular del revestimiento del convertidor.

El documento US-A-4 434 005 describe un método para el afino de un metal fundido sobre-envuelto por una escoria y cuyos sólidos fríos se introducen, por ejemplo en forma de trozo metálico. El calor necesario para fundir el trozo y evitar enfriamientos no deseados del baño se genera dirigiendo un chorro de gas neutral que arrastra carbono contra la superficie de la masa fundida a una velocidad supersónica, mientras que el oxígeno con fines de afino se dirige a la superficie procedente de chorros separados y que no están envueltos y el metal se inyecta en la parte inferior por medio de gas neutral para evitar la excesiva formación de espuma en la escoria.

El documento JP-A-61284512 describe la producción de acero de alto contenido en cromo mezclando mineral de cromo y polvo de coque en una boquilla de inyección e inyectando la mezcla al interior del punto de encendido del hierro fundido tanto para fundir como para reducir el mineral de cromo.

Los documentos GB-A-2 054 655, GB-A-2 122 649 y JP-A-58207313 se refieren a procesos de fabricación de acero con contenido básico de oxígeno en los que se inyecta oxígeno por la parte superior del metal fundido y un gas diferente por la parte inferior. Los sólidos pueden introducirse con los gases.

El documento JP-A-61106744A se refiere a la introducción de oxígeno y sólidos en el interior de un horno a través de toberas durante la fabricación de acero inoxidable.

De acuerdo con el presente invento se proporciona un método de afino de una ferroaleación, incluyendo la etapa de inyectar oxígeno molecular o una mezcla gaseosa que incluye oxígeno molecular en una masa fundida de la ferroaleación, en el que se introduce material en partículas metalúrgicamente aceptable desde abajo hacia el interior de la masa fundida, siendo transportado el material en partículas hacia el interior de la masa fundida en un primer chorro de gas supersónico que se desplaza hacia la masa fundida envuelta por un segundo chorro de gas, siendo el segundo chorro de gas un chorro de gas supersónico.

Preferiblemente, solo parte del oxígeno molecular se proporciona desde debajo de la superficie de la masa fundida en el método de acuerdo con el invento.

Por el término "ferroaleación" según se emplea en la presente memoria se entiende una aleación que contiene al menos 10% en peso de hierro. Típicamente, la ferroaleación contiene al menos 30% en peso de hierro.

El material en partículas metalúrgicamente aceptable actúa como refrigerante y preferiblemente se escoge entre metales que deben incluirse en la aleación afinada, aleaciones de tales metales, y óxidos de tales metales y sus mezclas.

La introducción de material refrigerante en partículas metalúrgicamente aceptable en la masa fundida tiene un efecto refrigerante que contribuye a limitar o controlar el aumento de temperatura que resulta de la reacción exotérmica entre el carbono y el oxígeno para formar monóxido de carbono. Existen varias contribuciones al efecto refrigerante. En primer lugar, el material en partículas se introduce normalmente a una temperatura por debajo de la de la masa fundida y por tanto tiene un sensible efecto refrigerante. En segundo lugar, en el caso de materiales en partículas metálicos, su entalpía de fusión tiene un efecto refrigerante adicional. En tercer lugar, en el caso de óxidos metálicos, su introducción proporciona un agente oxidante adicional para el oxígeno molecular o para la mezcla gaseosa que comprende oxígeno molecular y que se introduce en la masa fundida de la ferroaleación. Por consiguiente, la velocidad de introducción del oxígeno molecular o de la mezcla gaseosa que comprende oxígeno molecular en la masa fundida puede establecerse en un valor inferior al que corresponde a un proceso convencional comparable. Dado que la reacción entre el óxido y el carbono es endotérmica mientras que la reacción entre el oxígeno y el carbono es exotérmica, la utilización del óxido como oxidante junto con el oxígeno molecular limita el aumento de temperatura que tiene lugar durante el afino. Por tanto, se piensa que el método de acuerdo con el invento implica un menor daño con respecto a un método convencional sobre el revestimiento refractario del convertidor en el que se afina la ferroaleación. Como resultado de esto, resulta menos frecuente la necesidad de revestir de nuevo el convertidor.

Otra ventaja del método de acuerdo con el invento es que permite aumentar la productividad del convertidor.

En el afino de ferrocromo o de acero inoxidable mediante el método de acuerdo con el invento, el material en partículas preferiblemente comprende un óxido de cromo, típicamente óxido de cromo (III). Una forma particularmente preferida del óxido de cromo es la cromita, que es un óxido mixto de hierro y cromo. El material en partículas también puede comprender partículas de la ferroaleación sin afinar que se afina mediante el método de acuerdo con el invento.

En el afino de ferromanganeso mediante el método de acuerdo con el invento, el citado óxido del elemento aleante es preferiblemente un óxido de manganeso, típicamente óxido de manganeso (II).

Preferiblemente, el tamaño medio de partícula del material en partículas metalúrgicamente aceptable es inferior a 5 mm. Es particularmente preferido que se utilice un material en partículas fino. Un material en partículas fino es el que si se alimentase simplemente por gravedad en el interior del convertidor en el que se lleva a cabo el método de acuerdo con el invento no penetraría la superficie del metal fundido y por tanto tendría en su mayoría un única acción refrigerante despreciable. Mas preferiblemente, el tamaño medio de partícula del material metalúrgicamente aceptable es 1 mm o menos.

En el afino de ferrocromo mediante el método de acuerdo con el invento, surgen dos ventajas adicionales del empleo de partículas finas de cromita como material en partículas metalúrgicamente aceptable. En primer lugar, es posible conseguir una velocidad de reacción relativamente rápida entre el óxido y el carbono, en comparación con tamaños mayores de partícula. En segundo lugar, en algunos ejemplos del método de acuerdo con el invento, las partículas finas de cromita pueden ser un mineral obtenido como material residual en la fabricación de ferrocromo sin afinar. Típicamente, el ferrocromo sin afinar se forma haciendo reaccionar carbono con cromita a temperatura elevada en un horno de arco eléctrico para formar ferrocromo líquido y una escoria. Típicamente, la carga del horno de arco eléctrico también incluye constituyentes básicos formadores de flujo tales como caliza. La extracción del mineral de cromita genera grandes cantidades de partículas finas que pueden ser utilizadas, solo en cierta medida, en la etapa de reducción en el horno de arco. Las partículas finas tienden a reducir la permeabilidad del lecho del horno de arco y esto conduce a erupciones de gases calientes que ejercen el control sobre la problemática del proceso. Incluso con una adición limitada de partículas finas, el gas caliente que fluye desde la parte superior del horno contiene partículas finas de cromita suspendidas. Estas partículas pueden recuperarse y en combinación con los residuos de extracción pueden formar al menos parte de la cromita que se introduce desde encima en la masa fundida en los ejemplos preferidos de afino de ferrocromo mediante el método de acuerdo con el invento. El tamaño de estas partículas es tal que si fueran alimentadas simplemente por gravedad en el interior del convertidor en el que se lleva a cabo el método de acuerdo con el invento no penetrarían la superficie del ferrocromo fundido y por tanto tendrían en su mayoría una acción reductora despreciable. Pueden conseguirse ventajas análogas empleando como material en partículas metalúrgicamente aceptable cromo con carga de material en partículas fino que se obtiene también como material residual en la producción de ferrocromo sin afinar.

Mediante la introducción de material en partículas metalúrgicamente aceptable en la masa fundida desde encima en un primer chorro de gas supersónico, no obstante, el momento del chorro de gas es tal que sea capaz de penetrar tanto en la capa de escoria en la parte superior de la superficie de la ferroaleación fundida que se afina mediante el método de acuerdo con el invento como en la propia superficie. Envolviendo el primer chorro de gas con un segundo chorro de gas, el ritmo de reducción de la velocidad que ocurre de forma natural cuando un chorro de gas se mueve a través de una atmósfera fija no resulta casi tan pronunciado.

El segundo chorro de gas también es un chorro supersónico. Preferiblemente, el primer chorro de gas es expulsado por una primera boquilla Laval a una velocidad supersónica y el segundo chorro de gas es expulsado por una segunda boquilla Laval a una segunda velocidad supersónica, siendo la segunda velocidad supersónica preferiblemente de 10% menor que la primera velocidad supersónica a 10% mayor que la primera velocidad supersónica. Preferiblemente, tanto la primera velocidad supersónica como la segunda velocidad supersónica están dentro del intervalo de Mach 1,5 a Mach 4, más preferiblemente dentro del intervalo de Mach 2 a Mach 3.

De la utilización del segundo chorro de gas supersónico se derivan diferentes ventajas. En primer lugar, el ritmo de atenuación del primer chorro de gas tiende a ser menor cuando se emplea un primer chorro de gas subsónico. Por consiguiente, es posible que el primer chorro de gas se desplace una distancia mayor antes de incidir sobre la capa de escoria o sobre la superficie de la masa fundida. El ritmo de daño sobre las boquillas Laval provocado por el metal proyectado o por la escoria puede mantenerse, de este modo, en un nivel aceptable. En segundo lugar, puede escogerse una velocidad del segundo chorro tal que sea capaz de penetrar la capa de escoria y la superficie del metal fundido. Por consiguiente, cualquier partícula que migre del primer chorro al segundo chorro es transportada en gran medida hacia el interior del metal fundido. En tercer lugar, formando el primer y el segundo chorros con velocidades similares uno con respecto al otro, los inventores creen que es posible confinar la mayoría de las partículas en el primer chorro, sin que éstas migren al segundo chorro.

El gas que forma el primer chorro puede ser un gas oxidante, en particular oxígeno, o puede ser un gas no oxidante, por ejemplo, una mezcla de oxígeno y argón. Otra alternativa es incluir vapor de agua en el primer chorro. Formando un primer chorro en parte o en su totalidad a partir de oxígeno, se satisface otra parte de la demanda de oxidante del método de afino, con la consecuencia de que se satisfacerá menos necesidad demandada suministrando oxígeno procedente de debajo de la superficie del metal fundido.

El segundo chorro de gas puede tener una composición igual o diferente del primer chorro de gas. Mientras que el primer chorro de gas es típicamente expulsado desde la primera boquilla Laval a aproximadamente temperatura ambiente o una temperatura un poco por encima de temperatura ambiente, el segundo chorro de gas puede comprender gases en combustión. Se ha comprobado que tal "chorro de llama" es particularmente eficaz para mantener la intensidad del primer chorro de gas.

Preferiblemente, la primera y la segunda boquillas Laval forman parte de una lanza metalúrgica que comprende un primer conducto de gas axial que termina en su extremo de salida en la primera boquilla Laval, un conducto de gas envolvente alrededor del conducto de gas principal que termina en su extremo de salida en la segunda boquilla Laval, y un conducto de transporte de material en partículas que tiene una salida axial que comunica con la primera boquilla Laval y preferiblemente termina en la parte divergente de la primera boquilla Laval. Debido a que es posible introducir las partículas del óxido a través del conducto de transporte en el interior de la parte divergente de la primera boquilla Laval, es posible mantener al mínimo las colisiones de las partículas a velocidad elevada con las paredes de la primera boquilla Laval.

Si el segundo chorro de gas toma forma de llama, el conducto de gas envolvente preferiblemente comprende una cámara de combustión. Preferiblemente, la cámara de combustión tiene en su extremo proximal una entrada para un oxidante y una entrada para un combustible fluido. Típicamente, el combustible y el oxidante se suministran a través de los conductos coaxiales de oxidante y combustible. La cámara de combustión puede tener un tamaño y una configuración tal que tenga lugar en el interior cualquier proporción dada de combustión del gas de combustible.

Preferiblemente, el material en partículas metalúrgicamente aceptable se introduce en la masa fundida de manera continua durante una primera parte de la operación de afino. Si se desea, la introducción del primer chorro de gas puede continuar después de cesar la introducción del material en partículas metalúrgicamente aceptable. Si el primer chorro de gas comprende oxígeno, su suministro preferiblemente cesa antes del final de la operación de afino.

Ahora se describirá el método de acuerdo con el presente invento a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 es una vista lateral esquemática de un convertidor equipado con una lanza y de esta forma adaptado para llevar a cabo el método de acuerdo con el presente invento.

La Figura 2 es un alzado lateral, en parte en sección de la lanza mostrada en la Figura 1; y

La Figura 3 es una vista desde su extremo proximal de la lanza mostrada en la Figura 2.

Con respecto a la Figura 1 de los dibujos, un convertidor 2 de tipo convencional tiene la forma de recipiente 4 basculable abierto por la parte superior. En la parte inferior o cerca de ella, el recipiente está provisto de una pluralidad de toberas 6, de las cuales solo una se muestra en la Figura 1. Las superficies internas del convertidor están provistas de un revestimiento refractario 8.

En operación, el convertidor 2 se emplea para afinar, que es descarburar, una aleación de ferrocromo (ferrocromo) sin afinar que contiene una proporción relativamente elevada de carbono (digamos, del orden de 6% en peso). Un objeto de la etapa de afino es disminuir el contenido de carbono del ferrocromo por debajo de 2% en peso.

En operación, el convertidor se carga con ferrocromo fundido sin afinar. Típicamente, los agentes fundentes tales como caliza se introducen en el interior del ferrocromo. El ferrocromo se afina inyectando oxígeno, o una mezcla de oxígeno y un gas no reactivo o vapor tal como argón a través de las toberas 6. El oxígeno reacciona exotérmicamente con el carbono del ferrocromo para formar monóxido de carbono. El calor de la reacción entre el carbono y el oxígeno mantiene el ferrocromo en estado fundido. Se forma una escoria mediante la reacción de las impurezas del ferrocromo con los agentes fundentes y la capa de escoria se estabiliza sobre la superficie del
ferrocromo.

Típicamente, el ferrocromo sin afinar se forma en un recipiente separado (no mostrado), por ejemplo, en un horno de arco eléctrico. En esta operación, se introduce en el interior del horno de arco eléctrico una carga sólida que comprende trozos de carbono, trozos de cromita y agentes fundentes básicos (tales como caliza), y se genera un arco entre uno o más electrodos de carbono y la carga. Como resultado de ello se crea la temperatura suficiente para fundir la carga. El carbono reacciona con la cromita para formar ferrocromo y sílice, contribuyendo la última a la capa de escoria. El ferrocromo resultante tiene un alto contenido de carbono. El ferrocromo fundido y la escoria se vierten fuera del horno de arco eléctrico en el interior de un recipiente de recogida apropiado (no mostrado) que se emplea para transferir el metal fundido al interior del convertidor 2.

Una vez que el convertidor 2 ha sido cargado con el ferrocromo fundido de alto contenido en carbono y cualquier agente fundente tal como caliza, al menos una lanza 10 es descendida al interior de la posición sobre el metal fundido y mantenida en esa posición durante el afino del ferrocromo.

La lanza metalúrgica 10 se muestra con más detalle en las Figuras 2 y 3 a las que ahora se hace referencia. La lanza metalúrgica 10 comprende un conjunto de seis tubos o tuberías coaxiales. En orden, del tubo más interno al más externo, hay un tubo 14 de material en partículas, un tubo 16 de gas principal para un primer gas, un tubo interno 18 para agua, un tubo 20 para gas combustible, un tubo 22 para oxidante (típicamente, oxígeno puro comercialmente) y un tubo externo 24 para agua. Cada uno de los tubos 14, 16, 18, 20, 22 y 24 tiene una entrada en el extremo proximal, o cerca de él, de la lanza 10. Además, hay salidas desde el tubo interno 18 para agua y desde el tubo externo 24 para agua. De esta forma, existe una entrada axial 26 en el extremo proximal de la lanza 10 para un gas portador, típicamente aire, empleado para transportar el material en partículas al extremo distal de la lanza 10. La entrada 26 puede comunicar con un conducto o conductos (no mostrados) para introducir el material en partículas (cromita) en el interior del gas portador. El gas portador puede suministrarse a presión relativamente baja de forma que su velocidad a lo largo del tubo de transporte de material en partículas no sea mayor que alrededor de 100 metros por segundo y el material en partículas sea transportado en su interior como fase diluida. De manera alternativa, el material en partículas puede ser transportado como una fase densa en un gas portador de presión elevada.

El tubo 16 de gas principal tiene una entrada 28. Típicamente, el primer gas es oxígeno o aire enriquecido en oxígeno y la entrada 28 comunica con una fuente (no mostrada) de oxígeno o de aire enriquecido en oxígeno. El tubo interno 18 para agua tiene una entrada 30 y una salida 32 para el agua. El tubo 18 está provisto con un deflector tubular 34. En operación, el agua de refrigeración pasa sobre la superficie interna del deflector 34. El aporte de agua de refrigeración interna protege las partes internas de la lanza 10 frente a los efectos del entorno de temperatura elevada en el que operan.

El tubo 20 de gas combustible comunica en su extremo proximal a través de la entrada 36 con una fuente (no mostrada) de gas combustible (típicamente gas natural). De manera similar, una entrada 38 pone al tubo de oxidante en comunicación con una fuente (no mostrada) de oxígeno, típicamente oxígeno o aire enriquecido en oxígeno.

El tubo externo 24 para agua comunica en su extremo distal con otra entrada 40 para agua de refrigeración. El tubo externo 24 contiene un deflector tubular 42. La disposición es tal que el agua de refrigeración fluye a través de la entrada 40 y pasa sobre la superficie externa del deflector 42 a medida que fluye desde el extremo proximal hasta el extremo distal de la lanza 10. El agua de refrigeración retorna en dirección contraria y fluye a través de la salida 44 en el extremo proximal de la lanza 10. El tubo externo 24 para agua permite que las partes externas de la lanza 10 se enfríen durante su operación en un entorno de temperatura elevada.

El tubo 20 para gas combustible y el tubo 22 para oxidante terminan más lejos del extremo distal de la lanza 10 que los otros tubos. Los tubos 20 y 22 terminan en un boquilla 45 en el extremo proximal de una cámara 46 de combustión anular. En operación, el oxidante y el gas combustible se suministran a presión elevada, típicamente, del orden de 5 bares para el gas natural y de 11 bares para el oxígeno, y pasan a través de la boquilla 45 y se mezclan y se queman en la cámara de combustión 46. Típicamente, el oxidante (oxígeno) y el gas combustible se suministran con caudales como para dar una combustión estequiométrica, aunque, si se desea, el gas combustible y el oxidante pueden suministrarse con caudales como para dar un exceso de gas combustible o un exceso de oxidante en la llama.

El tubo 16 de gas principal proporciona el conducto para el primer gas a través de la lanza 10. El tubo de gas principal termina en una primera o boquilla Laval 48 interna. La primera boquilla Laval 48 tiene un conducto 50 anular de refrigeración formado en su interior. El conducto de refrigeración 50 es contiguo a un conducto interno para agua definido entre la superficie interna del tubo 18 y la superficie externa del tubo 16 de gas principal. El deflector 34 se extiende en el interior del conducto 50 para dirigir el flujo del refrigerante de agua.

La cámara de combustión 46 termina en su extremo distal en una segunda o boquilla Laval 52 externa. La disposición de la cámara de combustión 46 y de la boquilla Laval 52 provoca que la llama formada en la cámara de combustión 46 se acelere hasta una velocidad supersónica en la operación de la lanza 10. Esta llama envuelve el primer chorro de gas emitido desde la primera boquilla Laval 48. La segunda boquilla Laval 52 se forma como miembro de doble pared. La pared externa de la segunda boquilla Laval 52 es contigua con el extremo distal del tubo más externo 24. De esta forma, el tubo más externo 24 es capaz de proporcionar refrigeración a la segunda boquilla Laval 52 en operación de la lanza 10, extendiéndose el deflector 42 en el interior del espacio anular definido por las paredes interna y externa de la segunda boquilla Laval 52. La primera o boquilla Laval 48 interna está retrasada con respecto a la punta de la primera boquilla Laval 48 y termina en la parte divergente de la primera boquilla Laval 48.

En operación, el primer chorro de gas abandona la boquilla Laval 48 a una velocidad típicamente dentro del intervalo de Mach 2 a Mach 3. El gas portador que contiene partículas de cromita sale fuera del extremo distal del tubo 14 hacia el interior del primer gas que acelera en una zona de la parte divergente de la boquilla Laval 48 interna. De esta forma, la cromita es transportada fuera de la boquilla Laval 48 a velocidad supersónica.

El primer chorro de gas está envuelto por un flujo supersónico anular de gas de hidrocarburos en combustión que sale de la cámara de combustión 46. La velocidad de salida de la llama de gas de hidrocarburos en combustión a partir de la boquilla Laval 52 está típicamente entre 90 y 110% de la velocidad de salida del primer chorro de gas. Adoptando velocidades de salida similares, se mantiene baja la mezcla del chorro de gas principal con su envolvente de llama.

La lanza metalúrgica 10 mostrada en los dibujos es sencilla de fabricar y puede estar formada fundamentalmente por acero inoxidable. Las boquillas Laval 48 y 52 pueden estar unidas a la lanza mediante soldaduras apropiadas. La boquilla 45 en la entrada a la cámara de combustión 46 también puede estar soldada en posición.

Durante la utilización, la lanza 10 se usa para proporcionar oxígeno y cromita, como agentes descarburantes, al ferrocromo fundido. La lanza 10 se coloca de tal manera que su punta esté dentro del intervalo de 1,5 a 2,0 metros verticalmente por encima de la superficie del metal fundido y su eje esté en posición vertical. La envolvente supersónica es capaz de mantener la integridad del primer chorro de gas a lo largo de distancias dentro del intervalo de 200 a 300 D, donde D es el diámetro de la boquilla Laval 48 en su salida. Por tanto, no existe dificultad para obtener la penetración adecuada de la cromita y del oxígeno en el interior de las masas
fundidas.

De manera simultánea con el comienzo de la introducción del oxígeno y de la cromita en el interior del ferrocromo desde encima, típicamente se inyecta una mezcla de oxígeno y uno o ambos de argón y vapor de agua en el interior del metal fundido desde la parte inferior a través de las toberas 6. Mientras que el oxígeno reacciona exotérmicamente con el carbón para formar monóxido de carbono, la reacción entre la cromita y el carbón para formar metal de cromo y monóxido de carbono es endotérmica. De esta forma, la cromita sirve para moderar o eliminar el aumento de temperatura que ocurriría cuando no se añade cromita. Por tanto, es particularmente ventajoso introducir la cromita durante al menos el período inicial de la inyección, cuando la velocidad de descarburación se encuentra en su máximo. Por otra parte, durante las últimas etapas de la inyección, con frecuencia resulta deseable no introducir cromita y elevar la relación de gases no reactivos con respecto a gases oxidantes que son inyectados en el interior del ferrocromo fundido. La finalidad de este aumento es garantizar que la presión parcial de oxígeno nunca sea tan grande como para que se produzca oxidación apreciable en la masa fundida de cromo a un óxido de cromo. De hecho, a lo largo de toda la operación de afino el método de acuerdo con el invento se lleva a cabo de manera que prevalezcan condiciones que favorezcan la oxidación de carbono frente a la oxidación de
cromo.

La inyección de la mezcla gaseosa a través de las toberas 6 se continúa durante un período de tiempo suficiente para que el nivel de carbono del ferrocromo disminuya a menos de 2%. A continuación, la lanza 10 se extrae, si esto no se ha hecho todavía, y el recipiente 4 se inclina de forma que se vacíe todo el ferrocromo líquido en el interior del recipiente de recogida (no mostrado). La escoria es retenida para la recuperación de óxido de cromo (III). Típicamente, el producto de ferrocromo puede verterse en el interior de moldes apropiados (no mostra-
dos).

Se han simulado dos ejemplos de afino de ferrocromo y se aportan a continuación. El ejemplo 1 es un ejemplo comparativo y el Ejemplo 2 está de acuerdo con el invento.

Ejemplo 1

(Comparativo)

Se inyectó una mezcla de 22 partes en volumen de oxígeno y 7 partes por volumen de vapor de agua, durante 47 minutos, con un caudal de 1740 metros cúbicos normales por hora y a través de toberas 6, en una carga de ferrocromo fundido (41% de Fe, 53% de Cr, 6% de C) que contenía 6% en peso de carbono. A continuación se modificaron la composición y el caudal de la mezcla gaseosa. El caudal se redujo a 1200 metros cúbicos normales por hora y se modificó la composición hasta 13 partes en volumen de vapor de agua y hasta 7 partes por volumen de oxígeno. Se continuó la inyección durante otros 24 minutos. Se obtuvieron 30,8 toneladas de ferrocromo (42,4% de Fe, 55,6% de Cr) que contenían 1,5% en peso de carbono. La temperatura máxima de la masa fundida fue de 1699ºC.

Ejemplo 2

Se inyectó una mezcla de 14 partes en volumen de oxígeno y 9 partes por volumen de vapor de agua, durante 35 minutos, con un caudal de 1380 metros cúbicos normales por hora y a través de toberas 6, en una carga de ferrocromo fundido (41% de Fe, 53% de Cr, 6% de C) que contenía 6% en peso de carbono. A continuación, se modificó la mezcla y el ferrocromo fundido se inyectó durante otros doce minutos con 1080 metros cúbicos normales por hora con una mezcla de una parte por volumen de oxígeno y una parte por volumen de vapor de agua. Además, durante los primeros 21 minutos de la operación de afino, se inyectó de manera continua cromita en partículas desde encima en el interior de la masa fundida a partir de la lanza 10. La cromita fue transportada por un chorro de oxígeno que fluía a un caudal de 1500 metros cúbicos normales por hora. La cromita se inyectó a un caudal de 60 kg/minuto. Mientras la cromita era inyectada, la temperatura de la masa fundida se mantuvo por debajo de 1600ºC resistiendo el hecho de que la velocidad de flujo total del oxígeno molecular en el interior de la masa fundida fue mayor que en el Ejemplo 1. Una vez que hubo finalizado la alimentación del cromo, se continuó la inyección de oxígeno desde la lanza para aumentar la temperatura de la masa fundida por encima de 1600ºC. Después de que hubieran transcurrido cinco minutos desde el final de la inyección de cromita, también se interrumpió la inyección de oxígeno desde la lanza.

Al final de la inyección se extrajeron 31,2 toneladas de ferrocromo que contenía menos de 2% en peso de carbono a una temperatura de 1667ºC, la temperatura máxima obtenida en cualquier etapa de la inyección.

Puede observarse que el Ejemplo 2 (de acuerdo con el invento) aporta una productividad de ferrocromo en toneladas por hora considerablemente más elevada que el Ejemplo 1. En el Ejemplo 2 la productividad es de 39,7 toneladas por hora; en el Ejemplo 1 es 26,4 toneladas por hora. Además, el caudal a través de las toberas 6 se reduce considerablemente en el Ejemplo 2, en comparación con el Ejemplo 1.

Otras ventajas del invento resultan evidentes a partir del Ejemplo 2. Por ejemplo, la velocidad de descarburación es más elevada, pero la temperatura máxima de la masa fundida obtenida es menor que en el Ejemplo 1. Además, el caudal máximo de gas a través de las toberas es menor en el Ejemplo 2 que en el Ejemplo 1. Por tanto, es probable que el régimen del Ejemplo 2 desgaste menos el material refractario 8 del recipiente 4 que el régimen del Ejemplo 1.

Ejemplo 3

Se inyectó una mezcla de vapor de agua y oxígeno en una relación de 53 partes en volumen de vapor de agua y 88 partes por volumen de oxígeno, a través de toberas 6, durante 40 minutos y con un caudal de 1410 metros cúbicos normales por hora y, en una carga de ferrocromo fundido (41% de Fe, 53% de Cr, 6% de C) que contenía 6% en peso de carbono. Durante los primeros 35 minutos de este período el ferrocromo en partículas (41% de Fe, 53% de Cr, 6% de C) fue inyectado a través de la lanza 10 en el interior de la masa fundida con un caudal de 80 kg/h. El ferrocromo en partículas fue transportado en un chorro de oxígeno que fluía con un caudal de 1500 metros cúbicos normales por hora. Tras los primeros 35 minutos, el suministro de oxígeno y de ferrocromo a través de la lanza 10 se interrumpió. Al final del período inicial de 40 minutos, el caudal combinado de suministro y vapor de agua a través de las toberas 6 se redujo a 1010 metros cúbicos normales por hora y la relación de vapor de agua con respecto a oxígeno se aumentó hasta 53 partes en volumen de vapor de agua y hasta 48 partes en volumen de oxígeno. La inyección continuó durante otros 21 minutos.

Al final de la inyección se extrajeron 35,5 toneladas de ferrocromo que contenían menos de 2% en peso de carbono a una temperatura de 1630ºC. La temperatura máxima de la masa fundida en cualquier etapa fue de 1680ºC.

Puede verse que el Ejemplo 3 (de acuerdo con el invento) aporta una productividad en toneladas por hora considerablemente más elevada que el Ejemplo 1. En el Ejemplo 3 la productividad es 34,9 toneladas por hora. En el Ejemplo 1, es 26,4 toneladas por hora. Además, el caudal a través de las toberas 6 se reduce considerablemente en el Ejemplo 3, en comparación con el Ejemplo 1.

Además, las ventajas de los Ejemplos 2 y 3 pueden obtenerse utilizando la inyección a través de la lanza 10 de lo que de otra manera serían materiales residuales.

Puede entenderse fácilmente que el método de acuerdo con el invento es aplicable al afino de ferroaleaciones distintas de ferrocromo. Por ejemplo, puede adaptarse a la fabricación de acero inoxidable bien mediante un proceso AOD o un proceso CLU. El método de acuerdo con el invento también es aplicable, por ejemplo, al afino de ferromanganeso y ferrovanadio.

Claims (21)

1. Un método de afinar una ferroaleación, que incluye la etapa de inyectar oxígeno molecular o una mezcla gaseosa que incluye oxígeno molecular en una masa fundida de la ferroaleación, en el que se introduce un material en partículas metalúrgicamente aceptable desde encima en el interior de la masa fundida, siendo transportado el material en partículas a la masa fundida en un primer chorro de gas supersónico que se desplaza hacia la masa fundida envuelto por un segundo chorro de gas, y el segundo chorro de gas es un chorro de gas supersónico.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el material en partículas metalúrgicamente aceptable se escoge entre metales que son para ser incluidos en la aleación afinada, aleaciones de dichos metales y óxidos de dichos metales y sus mezclas.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que la ferroaleación contiene al menos 30% en peso de hierro.

4. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la ferroaleación es ferrocromo y el material en partículas metalúrgicamente aceptable comprende un óxido de cromo.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el óxido de cromo es cromita.

6. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material en partículas metalúrgicamente aceptable comprende ferrocromo.

7. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la ferroaleación es acero inoxidable y el material en partículas metalúrgicamente aceptable es un óxido de cromo.

8. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que la ferroaleación es ferromanganeso y el material en partículas metalúrgicamente aceptable es un óxido de manganeso.

9. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material en partículas metalúrgicamente aceptable se introduce en el interior de la masa fundida en forma de partículas finas.

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que la partícula media del material en partículas metalúrgicamente aceptable tiene un tamaño de 1 mm o inferior.

11. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el gas que forma el primer chorro de gas es un gas oxidante, un gas no oxidante, o una mezcla de un gas oxidante y un gas no oxidante.

12. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, en el que el gas oxidante es oxígeno.

13. Un método de acuerdo con la reivindicación 11 ó 12, en el que el gas oxidante es uno o ambos de argón y vapor de agua.

14. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el segundo chorro de gas está formado por gas de combustión.

15. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer chorro de gas es expulsado desde una primera boquilla Laval a una velocidad dentro del intervalo de Mach 1,5 a Mach 4 y el segundo chorro de gas es expulsado desde una segunda boquilla Laval a una velocidad también dentro del intervalo de Mach 1,5 a Mach 4.

16. Un método de acuerdo con la reivindicación 15, en el que la primera y la segunda boquillas Laval forman parte de una lanza metalúrgica que comprende un primer conducto de gas axial que termina en su extremo de salida y en la primera boquilla Laval, un conducto de gas envolvente alrededor del conducto de gas principal que termina en su extremo de salida en la segunda boquilla Laval, y un conducto de transporte del material en partículas que tiene una salida axial que comunica con la primera boquilla Laval.

17. Un método de acuerdo con la reivindicación 16, en el que dicha salida axial termina en la parte divergente de la primera boquilla Laval.

18. Un método de acuerdo con la reivindicación 16 ó 17, en el que el conducto de gas envolvente comprende una cámara de combustión.

19. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material en partículas metalúrgicamente aceptable se introduce en el interior de la masa fundida de manera continua durante una primera parte de la operación de afino.

20. Un método de acuerdo con la reivindicación 19, en el que el primer chorro de gas comprende oxígeno y la introducción del primer chorro de gas en el interior de la masa fundida continúa después de que ha cesado la introducción del material en partículas metalúrgicamente aceptable en la masa fundida.

21. Un método de acuerdo con la reivindicación 20, en el que la introducción del primer chorro de gas en el interior de la masa fundida cesa antes del final de la operación de afino.