ES2258095T3 - Metodo para producir hierro metalico. - Google Patents
Metodo para producir hierro metalico.Info
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Abstract
Un método para producir hierro metálico por calentamiento, reducción y fundido de una mezcla de materia prima que contiene agentes de reducción carbonáceos y una sustancia que contiene óxido de hierro, caracterizado porque se controla la fracción líquida en una fase de co-existencia sólido y líquido de la escoria producida que contiene una ganga de varios componentes para acelerar así el fundido del hierro metálico sólido producido, controlándose la fracción líquida de la escoria en el momento de la cementación y el fundido en el intervalo de 50 a 80% en masa.
Description
Método para producir hierro metálico.
La presente invención se refiere a una mejora en
la técnica de obtención de hierro metálico por calentamiento y
reducción de una fuente de óxido de hierro, como por ejemplo mineral
de hierro, mediante agentes de reducción carbonáceos tales como
coque, y a un método mejorado para reducir eficazmente óxido de
hierro en hierro metálico a través de un tratamiento simple, para
separar eficientemente el hierro metálico producido de un componente
que forma escoria mezclado en mineral de hierro o similar como
componente de ganga, para producir partículas de hierro metálico de
alta pureza con un alto rendimiento.
Recientemente, se han realizado muchos estudios
en lo que se refiere a un método directo de producción de hierro que
consiste en formar una mezcla de materia prima que contiene una
fuente de óxido de hierro (por ejemplo mineral de hierro) y agentes
de reducción carbonáceos (como por ejemplo coque), calentarla para
reducir así el óxido de hierro en la fuente de óxido de hierro
mediante agentes de reducción carbonáceos, y separar el hierro
metálico producido del componente de escoria
sub-producto para obtener hierro metálico.
Los autores de la presente invención han puesto
en marcha también un estudio sobre un método directo de producción
de hierro de este tipo desde hace tiempo, y han desarrollado el
método que se expone a continuación como resultado de dicho estudio,
y su posterior desarrollo.
Este método para producir hierro metálico por
calentamiento y reducción de un compacto que contiene agentes de
reducción carbonáceos y óxido de hierro consiste en reducir óxido de
hierro en estado sólido por calentamiento para producir y hacer
crecer así una corteza de hierro metálico, continuar la reducción de
sólidos hasta que no queda sustancialmente óxido de hierro presente
en el interior, después continuar calentando para hacer fluir hacia
fuera la escoria producida de la corteza de hierro metálica y, a
continuación, separar el hierro metálico de la escoria.
Al llevar a cabo el método mencionado, una parte
de la corteza de hierro metálica se puede fundir para hacer así
fluir hacia fuera la materia fundida desde la corteza de hierro
metálica. En este punto, para fundir una parte o toda la corteza de
hierro metálica, se puede disolver (solución) el carbono derivado de
los agentes de reducción carbonáceos que está presente dentro de la
corteza de hierro metálico en hierro metálico (este fenómeno se
denomina a veces "cementación") para reducir así el punto de
fusión de la corteza de hierro metálica.
El hierro metálico de alta pureza obtenido a
través del método citado y la escoria producida se enfrían y
solidifican para triturar la escoria y las partículas de hierro
metálico solidificadas se someten a clasificación por separación
magnética o con un tamiz, o se separa el hierro metálico de la
escoria por calentamiento y fundido y como consecuencia de la
diferencia en el peso específico para dar cabida así a la obtención
de un material que tiene una alta pureza por encima de 95% en masa o
por encima de 98% en masa. Por otra parte, la invención descrita
proporciona un método para llevar a cabo la reducción de óxido de
hierro en estado sólido, con el que se puede reducir la cantidad de
FeO fundido en la escoria producida al mínimo posible, gracias a lo
cual es difícil que se produzcan la erosión y/o corrosión del
material refractario de una caldera de proceso causadas por el FeO
fundido; con lo cual es de esperar que el método mencionado se pueda
llevar a cabo en una aplicación práctica desde el punto de vista
del mantenimiento del equipo.
Entre los métodos mencionados, el método que
consiste en enfriar y solidificar el hierro metálico producido y la
escoria producida, triturar la escoria producida y, a continuación,
obtener las partículas de hierro metálico por separación magnética
o con tamiz parece adecuado para su aplicación a escala industrial
en comparación con el método que consiste en su separación por la
diferencia en el peso específico tras el fundido. Es decir, en el
método de fundido y separación, es necesario el calentamiento a alta
temperatura para conseguir el fundido, con lo cual es necesario una
gran energía calorífica y, además, cuando se separan ambos, una
parte del hierro fundido penetra en la escoria fundida en la
interfaz siendo así posible que disminuya el rendimiento del hierro
metálico. En cambio, en el método para obtener partículas de hierro
metálico por triturado, separación magnética o tamiz, se puede
prescindir de la energía de calentamiento, y por otra parte, el
diseño de un sistema de separación continuo ajustado a una escala
del equipo de fabricación de hierro es fácil y se puede reducir al
mínimo la pérdida de hierro.
La invención que se ha descrito pone de relieve
que en la etapa de calentamiento y reducción, se produce la corteza
de hierro metálico y se forma un alto grado de atmósfera de
reducción dentro de la corteza en virtud de lo cual tiene lugar la
metalización de una manera eficaz. No obstante, de acuerdo con este
último estudio, se ha confirmado que cuando las proximidades de un
compacto de materia prima se mantienen en una atmósfera de
reducción superior por una gran cantidad de gas CO generada por la
combustión del material de reducción carbonáceo incluido en el
compacto de materia prima, dicha corteza de hierro metálico no
siempre es necesaria.
Por otra parte, en lo que se refiere al método
para controlar la composición de escoria que se produce para
acelerar la separación de hierro metálico cuando se emplea el método
de fabricación de hierro directo que se ha descrito, se han
propuesto diversos métodos.
Por ejemplo, existe un método que consiste en
utilizar polvo de fabricación de hierro como fuente de óxido de
hierro, mezclarlo con material carbonáceo (agentes de reducción
carbonáceos) y un material adicional (agente de formación de
escoria), controlar la composición de escoria que se produce en el
intervalo de 1,4 a 1,6 en una relación CaO/SiO_{2} (basicidad),
someterla a calentamiento y reducirla a entre 1250ºC y 1350ºC para
producir hierro metálico, y separar las partículas de hierro
metálico de la escoria que tienen un punto de fusión bajo que
contienen FeO.
No obstante, este método es un método que
consiste en utilizar polvo de fabricación de hierro como fuente de
óxido de hierro, y el control de la basicidad aplicado en este
método se realiza en el momento de la preparación inicial de la
materia prima. En este método, no se reconoce el comportamiento de
la escoria producida durante el calentamiento y la reducción, es
decir, el comportamiento cuando la escoria producto pasa al estado
fundido en un estado de co-existencia
sólido-líquido afecta a la aceleración de la
separación del hierro metálico producido. Por otra parte, en este
método, se utiliza la escoria que tiene un bajo punto de fusión que
contiene FeO para acelerar la separación del hierro metálico, pero
el método en el que se utiliza la escoria fundida que contiene FeO
implica numerosos problemas, como los que se indican a continuación,
desde el punto de vista del funcionamiento real:
1) la escoria fundida que contiene FeO fundido
daña enormemente el ladrillo refractario de la cámara de fusión;
2) el FeO fundido entra en contacto con el
material carbonáceo para producir una reacción de reducción, siendo
dicha reacción una reacción endotérmica, con lo cual resulta difícil
controlar la temperatura; y
3) dado que el hierro metálico producido por
reacción de contacto entre el FeO fundido en la escoria y el
material carbonáceo se dispersa en forma de gránulos finos en la
escoria, el trabajo de enfriarlo y solidificarlo junto con la
escoria tras la recuperación se hace enormemente complicado.
Por consiguiente, es deseable recuperar hierro
metálico eficazmente al tiempo que se suprime la producción de FeO
fundido en la escoria sub-producto.
Existe otro método más que consiste en introducir
la mezcla de materia prima que contiene mineral de hierro fino y
agentes de reducción sólidos en una cámara de fusión en movimiento y
calentarla y reducirla para producir hierro metálico,
estratificando agentes de reducción sólidos finos previamente en la
cámara de fusión, llevar a cabo el calentamiento y la reducción en
un estado en el que el mineral de hierro como materia prima está
situado en una pequeña sección encima sin entrar en contacto directo
con la cámara de fusión, y fundir el hierro reducido al menos una
vez en la cámara de fusión. Según este método, la razón por la que
"se coloca en una pequeña sección" tal como se denomina aquí,
es la de prevenir que la sustancia fundida que contiene hierro
metálico producido por calentamiento y reducción y la escoria
sub-producto se fundan o se peguen en la superficie
de la cámara de fusión y la corroan. No obstante, para llevar a cabo
el método tal como se ha descrito, no solamente es necesario un
equipo complicado para formar la pequeña sección o para cargar la
materia prima en la pequeña sección, sino que también es necesaria
una gran cantidad de sustancias de reducción sólidas finas, no
considerándose pues este método como un método práctico en lo que se
refiere a la eficacia de la materia prima. Por otra parte, en este
método, la formación de la sección pequeña más bien acelera la
fusión y la adhesión de la sustancia fundida a la superficie de la
cámara de fusión entorpeciendo la descarga de las sustancias
producidas.
Por otra parte, la invención adopta medidas para
prevenir los daños presuponiendo que la sustancia fundida producida
por calentamiento y reducción podría dañar el material refractario
de la cámara de fusión. Sin embargo, es bastante importante, en lo
que se refiere al funcionamiento real, reducir la gran cantidad de
agentes de reducción sólidos finos. Por otra parte, también desde
el punto de vista de la economía y el diseño del equipo, es
deseable establecer una técnica para reducir los daños del material
refractario de la cámara de fusión producidos por la propia
escoria, y de esta manera, incluso después del enfriado y la
solidificación, la escoria o el hierro metálico no se adhieran a la
superficie de la cámara de fusión.
Existe otro método para controlar la basicidad
del componente de escoria en una materia prima dentro del intervalo
de 0,4 a 1,3, controlando por lo menos 1/3 del tiempo necesario para
el calentamiento y la reducción en la cámara de fusión dentro de un
intervalo de temperatura comprendido entre 1200ºC y 1350ºC para
conseguir un grado de reducción del óxido de hierro de 40 a 80% y,
posteriormente, fundir la sustancia reducida.
El control de la basicidad empleado en este
método se lleva a cabo por cómputo cuando se prepara la materia
prima, y se determina la basicidad bajo el supuesto de que todos los
componentes de escoria en la materia prima están fundidos. No
obstante, ya estén o no fundidos todos los componentes de escoria,
se producen cambios dependiendo de las condiciones de
funcionamiento (en particular, la temperatura). Por otra parte, no
se lleva un seguimiento de cómo el comportamiento dinámico desde el
inicio del fundido de la escoria hasta el fundido del conjunto
pasando por el estado de co-existencia sólido y
líquido afecta a las condiciones de separación del hierro metálico
producido y a la erosión y/o corrosión del material refractario de
la cámara de fusión. No se reconoce en absoluto que se pueda
controlar la fracción líquida de la fase de
co-existencia sólido y
\hbox{líquido o que se
acelere por ello la fusión del hierro metálico.}
En lo que se refiere a la técnica de
calentamiento, reducción y fusión de una mezcla que contiene fuente
de óxido de hierro y agentes de reducción carbonáceos para fabricar
hierro metálico tal como se ha descrito, se han realizado diversas
propuestas. Los recientes problemas señalados en conexión con la
técnica relacionada incluyendo esta cuestión, se estructuran y
resumen del siguiente modo:
1) Al calentar, reducir y fundir una mezcla que
contiene una fuente de óxido de hierro y agentes de reducción
carbonáceos para fabricar hierro metálico, es necesario establecer
una técnica capaz de fundir el hierro metálico producido sólido
reduciéndolo eficazmente a una temperatura más baja, lograr
separarlo de la escoria sub-producto, y separar y
recuperar el hierro metálico de alta pureza a una temperatura más
baja y con una alta eficacia.
2) Para alcanzar la técnica que se ha mencionado,
es deseable que se acelere la cementación del hierro metálico
sólido producido por calentamiento y reducción para fundir el hierro
metálico a una temperatura más baja y eficazmente, y que se pueda
lograr la separación de la escoria sub-producto para
fabricar hierro metálico con una alta pureza de Fe de manera
eficaz. En este punto, para poder controlar la concentración de
carbono apropiadamente, que es un importante factor para destinar
el hierro metálico producto para su uso práctico, es muy ventajoso
que se utilice en la práctica como material de fabricación de acero
para calderas eléctricas y similares.
3) En la técnica relacionada, se han propuesto
algunos métodos para controlar el componente de escoria en la
materia prima mediante la basicidad o similares, tal como se ha
mencionado anteriormente. Se proponen para la escoria producto
final. No obstante, si se puede fundir y separar eficazmente el
hierro metálico con la mínima cantidad de escoria requerida sin
fundir toda la escoria sub-producto en la etapa de
calentamiento y reducción, se puede reducir aún más la influencia
negativa en el material refractario de la cámara de fusión y,
además, puede ser ventajoso en lo que se refiere a la eficacia de
calentamiento y el mantenimiento del equipo.
4) Se sabe perfectamente que el FeO fundido en la
escoria influye en gran medida en los daños del material
refractario de la cámara de fusión. Para evitar estos daños, es
deseable reducir la cantidad de FeO fundido en la escoria producida
al mínimo posible. Si se lleva a cabo la reducción de la cantidad de
FeO fundido, se mitigan los daños en la cámara de fusión
considerablemente en consecuencia aliviando así la carga mecánica u
operativa en concreto requerida para proteger la cámara de
fusión.
La presente invención ha sido realizada dedicando
especial atención a los problemas que se han señalado. Uno de los
objetos de la invención consiste en proporcionar un método capaz de
superar los problemas mencionados en 1) a 4) completamente para
fabricar hierro metálico con una alta pureza de Fe, de manera
eficaz, con una operación estable, evitando los daños del material
refractario de la cámara de fusión para que sean los mínimos
posibles.
El método para producir hierro metálico según la
presente invención proporcionado consiste en un método de
calentamiento, reducción y fusión de una mezcla de materia prima que
contiene agentes de reducción carbonáceos y una sustancia que
contiene óxido de hierro para fabricar hierro metálico que
comprende: controlar la fracción líquida en la fase de
co-existencia sólido y líquido de la escoria que se
produce que contiene un componente de ganga de un sistema de varios
componentes para acelerar así la fusión del hierro metálico sólido
producido, y separar eficazmente el hierro metálico de la escoria
sub-producto a una temperatura de operación inferior
y en un menor período de tiempo para fabricar hierro metálico de
alta pureza.
De acuerdo con la invención, la fracción líquida
de la escoria en el momento de la cementación y fusión se controla
en un intervalo comprendido entre 50 a 80% en masa.
En la realización de este método, se controla la
fracción líquida en la fase de co-existencia sólido
y líquido de la escoria que se produce que contiene el componente
de ganga de un sistema de varios componentes, y se introducen los
agentes de reducción carbonáceos en la escoria en estado líquido y
sólido para acelerar la cementación relativa al hierro metálico
sólido en virtud de lo cual se alcanza la temperatura de fusión del
hierro reducido, progresando así la fusión del hierro reducido. Es
deseable para realizar eficazmente esta operación, tal como se ha
descrito, regular la cantidad de agentes de reducción carbonáceos
que componen la mezcla de materia prima, de manera que la
concentración de carbono en el hierro metálico sea de 0,5 a 4,3% en
masa, y controlar también la temperatura de fusión del hierro
metálico sometido a cementación para que esté comprendida entre
1147 y 1500ºC.
Por otra parte, la fracción líquida de la escoria
producto se puede regular en el mezclando de las materias primas
cuando se prepara la materia prima. Más específicamente, existe un
método en el que, cuando se prepara la mezcla de materias primas,
se obtiene previamente una relación entre la temperatura de la
escoria que se produce y la fracción líquida a partir de la
composición de la mezcla de materias primas, y se añade el otro
componente de escoria al componente de materias primas en virtud de
lo cual se obtiene la fracción líquida de escoria óptima a un nivel
de temperatura operativo predeterminado; o existe también un método
en el que se controla la fracción líquida a través de una
temperatura de partida de fusión objetivo después de que se ha
reducido la materia prima.
Para alcanzar el objeto de la presente invención
de manera más eficaz, es deseable que la fracción líquida de la
escoria en el momento de la cementación y la fusión sea controlada
dentro del intervalo de 50 a 80% en masa, más preferiblemente
dentro del intervalo de 70 a 80% en masa. Como mezcla de materias
primas, se puede utilizar una mezcla de materias primas sin
modificación o se puede utilizar adecuadamente en estado prensado.
No obstante, más preferiblemente, es deseable que la mezcla esté
aglomerada generalmente en una forma de tipo pelet, de tipo
briqueta o esférica para el calentamiento y la reducción.
\newpage
De acuerdo con la presente invención, la fracción
líquida de la escoria producto se regula para dar cabida así de
manera adecuada al control de la cantidad de cementación en hierro
metálico sólido que se va a producir y, como resultado, la
concentración de carbono del hierro metálico producto se puede
controlar también. Asimismo, de acuerdo con la presente invención,
se enfría y solidifica el hierro metálico condensado por cementación
y fusión para dar cabida de este modo a la obtención de partículas
de hierro metálico. Las partículas de hierro metálico se pueden
separar de la escoria sub-producto retrasada
coagulada mediante un tamiz o por separación magnética, y se pueden
recuperar fácilmente las partículas de hierro metálico.
Por otra parte, la presente invención se
caracteriza porque el hierro metálico se fabrica eficazmente
preferiblemente en forma de partícula. Como efecto secundario que
se deriva del control de la fracción líquida de la escoria que se
produce empleada en el método de fabricación, la escoria
sub-producto se puede separar y recuperar en forma
granulada o en partículas con una distribución del tamaño
relativamente uniforme. Más específicamente, se enfría la escoria
de los minerales de ganga en la materia prima, tras el
calentamiento, reducción y fusión, que se clasifica en una escoria
granulada vítrea producida de la fase líquida de la fase de
co-existencia sólido y líquido y una escoria en
polvo granulada producida de la fase sólida de la fase de
co-existencia sólida y líquida para separación y
recuperación. A continuación, se pueden obtener de forma simple la
escoria granulada de tamaño uniforme y la escoria en polvo
granulada.
Por otra parte, de acuerdo con la presente
invención, la cantidad de FeO fundido en la escoria producto se
puede reducir a no más de 50% en masa, preferiblemente a 0%
sustancialmente, para suprimir así la erosión/corrosión del
material refractario de la cámara de fusión causada por el mezclado
de una gran cantidad de FeO fundido en la escoria para que sea el
mínimo posible. En particular, cuando se calienta y se reduce la
mezcla de materia prima, si se eleva la velocidad de calentamiento
de la mezcla de materia prima a no menos de 300ºC/minuto, la
cantidad de FeO fundido en la escoria que se produce se puede
reducir eficazmente, siendo esto preferible.
Tal como se ha descrito, la presente invención
tiene como característica principal que, en el calentamiento,
reducción y fusión de un compacto de materia prima que contiene un
material que contiene óxido de hierro (en adelante denominado en
ocasiones mineral de hierro o similar), como por ejemplo mineral de
hierro y óxido de hierro o una sustancia de reducción parcial del
mismo, y agentes de reducción carbonáceos, como coque y carbón (en
adelante denominados en ocasiones material carbonáceo) para fabricar
hierro metálico, se controla la fracción líquida en una fase de
co-existencia sólido y líquido de una escoria
sub-producto que contiene un componente de ganga de
un sistema de varios componentes producido como resultado de mineral
de hierro o similar, para llevar a cabo eficazmente así la
cementación de hierro metálico producido, en virtud de lo cual se
reduce enseguida el punto de fusión de hierro metálico acelerando de
este modo la fusión (lo que se denomina en adelante en ocasiones
"fundido a la baja").
Tal como se ha descrito anteriormente, en la
técnica anterior, se ha propuesto un método para regular la
basicidad o similar de la escoria sub-producto en
relación con el punto de fusión cuando se funde en conjunto el
componente de ganga que resulta del mineral de hierro o similar.
Por otra parte, en la presente invención, la escoria
sub-producto no siempre se funde íntegramente, sino
que se introduce un nuevo concepto, una fracción líquida en una
fase de co-existencia sólido y líquido de la escoria
sub-producto, para llevar a efecto el control,
habiéndose llevado a cabo la presente invención en función de este
nuevo concepto de que la fracción líquida está en íntima relación
con el fundido a la baja del hierro metálico. Es decir, en la
presente invención, la fracción líquida se controla apropiadamente
en virtud de lo cual se puede reducir el punto de fusión del hierro
metálico sólido producido por calentamiento y reducción llevando a
cabo la cementación a una temperatura de operación reducida para
permitir así el fundido del hierro metálico a una temperatura
inferior. Así pues, se puede llevar a cabo la separación de la
escoria sub-producto eficazmente a una temperatura
baja, y se puede controlar también la concentración de carbono que
influye en gran medida en la calidad del hierro metálico
producto.
La figura 1 es un gráfico en el que se muestra
esquemáticamente la temperatura de fusión cuando se calienta una
mezcla de hierro electrolítico y varios materiales carbonáceos y se
observa a través de un microscopio de láser de alta temperatura
para trazar un diagrama de fase en equilibrio termodinámico
Fe-C, la relación entre la temperatura de fusión y
el contenido en carbono;
La figura 2 es un gráfico en el que se
representa, en el caso de utilización de una mezcla de hierro
electrolítico y un material carbonáceo comercial variando la
cantidad de adición de CaO (cantidad de CaO en cenizas que resulta
del material carbonáceo) a la mezcla, la relación entre la
temperatura de fundido a la baja de la materia prima y la fracción
líquida;
La figura 3 es un gráfico en el que se muestra,
en el caso de utilización de una mezcla de hierro electrolítico y
otro material carbonáceo comercial variando la cantidad de adición
de CaO (cantidad de CaO en cenizas derivada de carbono) a la mezcla,
la relación entre la temperatura de fundido a la baja de la materia
prima y la fracción líquida;
La figura 4 es un gráfico en el que se muestra,
en el caso de utilización de una mezcla de hierro electrolítico y
otro material carbonáceo comercial variando la cantidad de adición
de CaO (cantidad de CaO en cenizas derivado de carbono) a la mezcla,
la relación entre la temperatura de fundido a la baja de la materia
prima y la fracción líquida; y
La figura 5 es un gráfico en el que se muestra la
influencia de una fracción líquida de la escoria que se produce y
el contenido en FeO de la escoria cuando se cambia la velocidad de
calentamiento cuando se calienta y se reduce una mezcla de óxido de
hierro cuya cantidad de componente de ganga es constante y material
carbonáceo.
La presente invención se explicará con mayor
detalle haciendo referencia a los detalles de los experimentos.
Los autores de la presente invención han
observado en detalle, al calentar, reducir y fundir la mezcla de
materia prima para la fabricación de hierro metálico, el
comportamiento de la escoria sub-producto en un
sistema según la presente invención de agentes de reducción
carbonáceos, así como el comportamiento de cementación y fusión del
hierro metálico producido y han confirmado el hecho que se expone a
continuación.
Es decir, para someter hierro metálico producido
por calentamiento y reducción a cementación, es esencial que estén
presentes los agentes de reducción carbonáceos en el sistema. No
obstante, de acuerdo con la confirmación de los autores de la
presente invención a partir de los experimentos, aunque estén
presentes los agentes de reducción carbonáceos, en el caso de que
estén presentes los agentes de reducción carbonáceos en forma de
sólido solamente en un estado cercano al hierro metálico sólido, la
cementación raramente progresa y no se puede esperar la aceleración
de la fusión causada por la disminución del punto de fusión del
hierro reducido sólido.
No obstante, se ha confirmado que cuando
co-existen los agentes de reducción carbonáceos con
la escoria en un estado fundido, la cementación del hierro metálico
sólido puede progresar de una manera enormemente eficiente. Esto se
debe al hecho de que la escoria fundida que tiene fluidez exhibe una
acción de tipo vehículo de manera que entra en contacto enseguida
en torno al hierro metálico sólido junto con los agentes de
reducción sólidos para acelerar así la cementación. Se ha
confirmado que la acción de aceleración la cementación causada por
la co-existencia de la escoria fundida no se
manifiesta de forma efectiva únicamente cuando todo el conjunto de
la escoria se encuentra en estado fundido, pero dicha acción cambia
dependiendo de la fracción liquida de la escoria en estado de
co-existencia sólido y líquido.
Así pues, para confirmar la influencia de la
fracción líquida de la escoria sub-producto en la
cementación de hierro metálico, se utilizó una sustancia compacta
(briqueta) mezclando óxido de hierro en polvo y material carbonáceo
de reducción y se observó el comportamiento durante el
calentamiento, reducción y fusión con un microscopio de láser de
alta temperatura, y el comportamiento de producción de una sustancia
de fundido cuantitativamente, por análisis de imagen. Es decir, en
dicha observación, se obtiene la fracción líquida del compacto de
materia prima durante el calentamiento y se obtiene la elevación de
la temperatura por análisis de imagen para que sirvan como índice
de la sustancia fundida. Por otra parte, la temperatura a la que la
fracción líquida está al 100% durante el calentamiento se definió
como temperatura de fundido a la baja.
La fracción líquida, tal como se utiliza en la
presente memoria, está localizada entre sólido y líquido y se
define como la relación en masa de líquido ocupado en un sólido +
líquido (es decir, fase sólida + fase líquida). En la observación
que se ha descrito con un microscopio de láser de alta temperatura,
la relación en masa fue sustituida por la relación de área del
análisis de imagen. Por otra parte, la fracción líquida prevista
descrita más adelante se refiere a un valor previsto a partir de una
composición de componente de ganga y una temperatura mediante un
diagrama de fase de sistema múltiple.
En primer lugar, se investigaron el %C (cantidad
de cementación) del hierro metálico y la temperatura fundido a la
baja del hierro metálico (es decir, el punto de fusión). Se utilizó
el polvo de hierro electrolítico como hierro metálico, grafito y 4
tipos de carbón en polvo, tal como se muestra en la tabla 1 a
continuación, como material carbonáceo, y se llevó a cabo el
mezclado para que las concentraciones de carbono fijo con respecto
al polvo de hierro electrolítico fueran 1% (que se refiere a % en
masa, igual que se aplica a los siguientes), 2%, 3% y 4,3%. En el
diagrama de fase Fe-C de la figura 1 se muestran las
temperaturas de fusión medidas.
| Tipo de material carbonáceo | Valor analizado (% masa) | |||
| Cantidad carbono | Cantidad volátil | Cantidad cenizas | Contenido en | |
| fija | cenizas | |||
| A | 69,39 | 21,25 | 9,36 | 0,334 |
| B | 71,6 | 19,6 | 8,8 | 0,53 |
| C | 53,63 | 36,41 | 9,95 | 0,32 |
| D | 77,1 | 5,9 | 17 | 0,21 |
Tal como se puede apreciar de la figura 1, debe
entenderse que cuando se utiliza grafito como material carbonáceo,
se funde sustancialmente junto con los líquidos en el diagrama de
fase y la temperatura de fundido se decide sustancialmente en
función de la concentración de carbón en el hierro metálico que se
someta a cementación. Por otra parte, cuando se utiliza carbón que
contiene ceniza como material carbonáceo, la temperatura de fundido
se encuentra en el lado de temperatura alta del líquido en el
diagrama de fase, lo que sugiere que la ceniza en el carbón influye
en la temperatura de fundido del hierro metálico, es decir, la
cementación.
A continuación, se combinan hierro electrolítico
en polvo y material carbonáceo que tiene la composición que se
muestra en la tabla 1, y para cambiar la fracción líquida de la
escoria producida a partir de la ceniza del carbón, se añade CaO
(reactivo) al carbón en polvo para cambiar así el %CaCO de la
escoria producida. La cantidad de mezclado de material carbonáceo
fue ajustada para que llegue un 4,3% de concentración de carbón en
el hierro electrolítico.
Se sometió la muestra a observación con un
microscopio de láser de alta temperatura de manera similar a la
antes descrita para medir la temperatura de fundido de cada una de
las mezclas del hierro electrolítico y el material carbonáceo.
Es decir, tal como se podrá deducir de los
resultados de los experimentos, cuando se utiliza un material
carbonáceo que contiene cenizas como agente de reducción
carbonáceo, para calentar reducir y fundir una mezcla de materia
prima de éste y de óxido de hierro, la temperatura de fundido del
hierro metálico producido varía considerablemente en función de la
cantidad de CaO añadida a la mezcla de materia prima y la
temperatura de fundido disminuye rápidamente a medida que aumenta
la cantidad de CaO. Por otra parte, por el contrario, la fracción
líquida de la escoria producida aumenta rápidamente a medida que
aumenta la cantidad de CaO. A partir de esta tendencia que se ha
descrito, es posible conocer la tendencia de que cuando se aumenta
la fracción líquida de la escoria producida por adición de CaO,
disminuye rápidamente la temperatura de fundido del hierro metálico
producido. Es decir, se puede confirmar que a medida que aumenta la
fracción líquida de la escoria producida, se acelera la
cementación del material carbonáceo que permanece en la materia
prima para dar hierro reducido sólido. A juzgar por dicha
tendencia, tal como se ha descrito, se entiende que el material
carbonáceo que permanece en la materia prima tras la reducción de
sólidos está acompañado de la escoria fundida y entra en contacto
eficazmente con hierro reducido sólido, teniendo ello como resultado
la aceleración de la cementación del hierro reducido sólido y la
posibilidad de reducir la temperatura de fundido como consecuencia
de una rápida caída del punto de fusión de un hierro reducido
sólido.
Para manifestar eficazmente la acción de
aceleración de la cementación, además de los agentes de reducción
carbonáceos, la fracción líquida de la escoria producida es
enormemente importante. Existe cierta diferencia en la viscosidad
(fluidez) de la escoria líquida, pero se ha confirmado que si el
índice de escoria fundida en la escoria producida en el estado de
co-existencia sólido y líquido, es decir, la
fracción líquida es de al menos 50%, más preferiblemente, no es
inferior a 70%, entonces, puede tener lugar rápidamente una caída
del punto de fusión del hierro reducido sólido causada por el rápido
progreso de la cementación, y puede tener lugar un
\hbox{rápido
fundido, a una temperatura relativamente baja.}
La fracción líquida de la escoria producida se
puede ajustar mediante el mezclado de la materia prima (el
contenido y composición del componente de escoria en el óxido de
hierro y la ceniza en el material carbonáceo) cuando se prepara la
mezcla de materia prima para que tenga una composición de escoria
apropiada de acuerdo con la temperatura de operación objetivo (en
particular, la temperatura de fundido objetivo). Más preferible, al
obtener la relación entre la temperatura de la escoria producida y
la fracción líquida por adelantado a partir de la composición del
componente de escoria en la mezcla de materia prima y añadir y
ajustar el otro componente de formación de escoria según sea
necesario, se puede asegurar la fracción líquida de escoria
apropiada en la región de temperatura de fundido objetivo.
Es decir, de acuerdo con la presente invención,
la temperatura de fundido se puede controlar de acuerdo con la
composición de escoria de la materia prima, o se puede ajustar la
composición de escoria para que sea una fracción líquida
predeterminada a una temperatura de fundido dada ajustando la
temperatura de fundido previamente.
Dicho fenómeno, tal como se ha descrito, aparece
como una tendencia similar también cuando el mineral de hierro
contiene una cantidad considerable de componentes de ganga como
fuente de óxido de hierro. Si la fracción líquida de la escoria de
varios componentes formada a partir de los componentes filonianos y
las cenizas en el material carbonáceo se controla apropiadamente en
la temperatura de operación, la cementación del hierro metálico
producido sólido puede tener lugar de manera eficiente, y la
temperatura de fundido del hierro metálico sólido puede reducirse
considerablemente.
El control de la fracción líquida de la escoria
producida para llevar a cabo la presente invención se puede llevar
a cabo mezclando varios minerales de hierro para conseguir una
composición de escoria apropiada con arreglo a los componentes de
ganga contenidos en el mineral de hierro utilizado como fuente de
óxido de hierro. Preferiblemente, existe un método en el que se
añade uno o por lo menos dos tipos de caliza (CaO), piedra caliza
(CaCO_{3}), sílice (SiO_{2}), serpentina (MgO), mineral de
manganeso (MnO), bauxita (Al_{2}O_{3}), etc., como aditivos
capaces de cambiar la fracción líquida en función del componente de
ganga contenido en el mineral de materia prima. Más
específicamente, cuando se mezclan una fuente de óxido de hierro y
agentes de reducción carbonáceos, y un componente aglutinante, si
es necesario, para preparar una mezcla de materia prima, se obtiene
la relación entre la temperatura y la fracción líquida en función de
un diagrama de fase de sistema de varios componentes a partir de
una composición filoniana contenida en las materias primas, y se
mezcla una cantidad adecuada de óxido, tal como se ha descrito, como
aditivo para obtener una fracción líquida apropiada tal como se ha
mencionado anteriormente a una temperatura de fundido objetivo.
Para exhibir eficazmente la aceleración de la
cementación, además de la escoria fundida y una acción de reducción
de la temperatura de fundido, tal como se ha mencionado, es
necesario causar una caída suficiente del punto de fundido del
sólido metálico por cementación. Se ha confirmado que es sobre todo
efectivo controlar la concentración de carbono de hierro metálico
tras la cementación en el intervalo de 0,5 a 4,3%, más
preferiblemente de 1,5 a 3,5% y controlar la temperatura de fundido
en el intervalo de 1147 a 1500ºC, más preferiblemente, en el
intervalo de 1200 a 1450ºC. La concentración de carbono preferible
de hierro metálico tras la cementación puede ajustarse en función
de la cantidad de agentes de reducción carbonáceos mezclados en la
etapa de preparación de la materia prima. En concreto, se añaden
agentes de reducción carbonáceos necesarios para la cementación
sobre la cantidad teóricamente requerida para la reducción de la
fuente de óxido de hierro. No obstante, en las condiciones de
operación normales, una parte de los agentes de reducción
carbonáceos se consume por el gas oxidante producido por la
combustión del quemador durante el calentamiento y reducción y, por
tanto, en realidad, para decidir la cantidad de mezclado de
material carbonáceo, la cantidad de mezclado deberá ajustarse
considerando la cantidad consumida como se ha descrito.
Por otra parte, si la cantidad de mezclado de los
agentes de reducción carbonáceos se ajusta tal como se ha descrito
anteriormente en la preparación de la materia prima, se puede
controlar la cantidad de cementación en hierro metálico, con lo
cual se puede ajustar el contenido de carbono final del hierro
metálico, según propósito.
En la mezcla de materia prima utilizada en la
presente invención, preferiblemente, tanto la fuente de óxido de
hierro como los agentes de reducción carbonáceos se utilizan en
estado en polvo. La mezcla de materia prima se puede suministrar en
un estado ligeramente prensado sobre la cámara de fusión, si bien,
preferiblemente, se suministra como un material compacto en el que
se aglomera la mezcla en una forma adecuada como, por ejemplo,
forma esférica, de briqueta o de pelet, se forma una corteza
metálica de hierro reducido sólido sobre la superficie del material
compacto durante la reducción del sólido por calentamiento para dar
cabida a que se mantenga el interior en un alto potencial de
reducción, y es preferible que la velocidad de metalización pueda
mejorarse más eficientemente.
Por otra parte, la caldera utilizada en la
presente invención consiste preferiblemente en una caldera de tipo
de cámara de fusión móvil, siendo particularmente preferible una
caldera de cámara de fusión rotatoria. En este caso, las materias
primas ajustadas previamente para que tengan una fracción líquida
deseable se colocan en la cámara de fusión mediante un dispositivo
de alimentación de tipo tubo o bandeja para que haya más de dos
capas en el caso de un material compacto más ancho y de diámetro
mayor. Se calienta el material desde la parte superior mediante un
quemador o similar para reducir y fundirlo, y después del enfriado,
se descarga con un raspador o un dispositivo de descarga de tipo
tornillo. Si, antes de alimentar la materia prima, se forma una
capa de sustancias que contienen carbón en polvo o una capa de
sustancias a prueba de ignición en polvo, como por ejemplo alúmina,
es preferible desde el punto de vista de la protección de la cámara
de fusión, una descarga más suave del producto y la prevención de la
re-oxidación desde el final de la reducción al
fundido.
Cuando el hierro metálico, que se cementa, se
funde y coagula después de calentarlo y reducirlo, se enfría y se
solidifica, se pueden obtener partículas de hierro metálico, y se
pueden separar de la escoria producida simultáneamente por tamizado
por separación magnética.
Tal como se ha descrito anteriormente, la
presente invención se caracteriza porque se controla la fraccion
líquida de una escoria sub-producto para acelerar
así la cementación y llevar a cabo el fundido de hierro metálico a
una baja temperatura y eficientemente, con lo que, finalmente, se
pueden fabricar eficazmente las partículas de hierro metálico de
alto grado de metalización, es decir alta pureza de Fe. Se ha
confirmado que el efecto secundario tal como se muestra a
continuación se puede obtener también mediante el control de la
fracción líquida de la escoria sub-producto.
Es decir, al llevar a cabo el método de la
presente invención para controlar la fracción líquida de la escoria
producida para controlar la temperatura de fundido del hierro
metálico, la escoria producida en condiciones de temperatura de
fundido a la baja exhibe el estado de co-existencia
sólido y líquido, y cuando se enfría y solidifica la escoria
coagulada producida desde la fase líquida de una fase de
co-existencia sólido y líquido se condensa por la
tensión superficial en una sustancia granulada vítrea, al tiempo que
la escoria coagulada producida de la fase sólida de la fase de
co-existencia sólido y líquido se convierte en una
escoria granulada fina. Por consiguiente, cuando estas escorias se
clasifican a través de un tamiz adecuado, se pueden separar en una
escoria granulada vítrea y una escoria granulada fina. Dado que la
escoria separada de esta forma se puede recuperar como una escoria
en la que la distribución del tamaño es estrecha y de tamaño
uniforme, la escoria separada es enormemente ventajosa también
cuando se emplean como recurso secundario como material de lecho de
carretera o agregado para cemento como agregado fino o agregado
tosco.
Por otra parte, los autores de la presente
invención también han estudiado la wustita fundida (FeO) producida
durante el calentamiento y reducción para suprimir el daño del
material refractario causado por FeO fundido en la escoria
sub-producto en la reducción y fundido, explicándose
también el resultado del estudio.
En los experimentos, partiendo del supuesto de
una composición de escoria de una fuente de óxido de hierro y un
material carbonáceo, y utilizando una escoria sintetizada a la que
se añade FeO a la escoria base de SiO_{2}:Al_{2}O_{3}:CaO =
70:2:5 (relación en masa), se investigó la relación entre la
velocidad de calentamiento y la fracción líquida durante el
calentamiento.
En la figura 5 se muestran los resultados. En
esta figura se muestra el cambio de la concentración de FeO y la
relación de líquido (es decir, la fracción líquida) cuando la
temperatura de calentamiento es 1156ºC constante, y se cambió la
velocidad de calentamiento a 100ºC/min., 300ºC/min, 500ºC/min, como
parámetro. Tal como se puede deducir de la figura, hay una tendencia
a que aumente la fracción líquida a medida que la concentración de
FeO se hace más alta, pero cambia marcadamente la fracción líquida
con la velocidad de calentamiento y la fracción líquida se hace
rápidamente más alta cuando se reduce la velocidad de
calentamiento.
Esto indica que en el calentamiento, reducción y
fundido de una mezcla de materia prima, cuando la velocidad de
calentamiento es baja en el estado de FeO durante la reducción, FeO
se une con el componente de ganga y se funde y produce líquido, y la
escoria fundida que contiene una gran cantidad de FeO se genera
fácilmente.
Por el contrario, cuando se eleva la velocidad de
calentamiento, no da tiempo para que se funda FeO en la escoria, se
suprime el mezclado del FeO fundido en la escoria como consecuencia,
de manera que el óxido de hierro se reduce rápidamente en el hierro
metálico en condiciones de calentamiento de alta velocidad.
Se ha confirmado que el efecto de reducir el
contenido en FeO fundido en la escoria causado por la velocidad de
calentamiento, tal como se ha descrito, se manifestó efectivamente
al elevar la velocidad durante el calentamiento y reducción a no
menos de 300ºC/min, preferiblemente, no menos de 400ºC/min, más
preferiblemente, no menos de 500ºC/min.
Se ha confirmado además a partir de los estudios
que llevaron a cabo por separado los autores de la presente
invención que el daño del material refractario causado por el
mezclado del FeO fundido en la escoria cambia notablemente en un
límite en el que la cantidad de FeO fundido en la escoria es
aproximadamente 50% y, si se controla la velocidad de calentamiento
para que la cantidad de FeO fundido no supere más de aproximadamente
50%, preferiblemente no más de aproximadamente 20%, más
preferiblemente sustancialmente 0%, el daño del material refractario
de la cámara de fusión causado por la escoria fundida se puede
evitar para que sea el mínimo posible, y dar cabida así a la
simplificación de la contramedida en particular que se adopta para
evitar los daños del material refractario en la técnica
anterior.
Asimismo, las condiciones preferibles para
obtener una cantidad de FeO en la escoria fundida preferiblemente no
superior a aproximadamente 20%, o sustancialmente nulas, consisten
en la elevación a regiones de temperatura de 600 a 1350ºC,
preferiblemente 500 a 1250ºC durante el calentamiento y la reducción
a una velocidad no inferior a 300ºC/min, preferiblemente, no
inferior a 500ºC/min.
La reducción del contenido en FeO en la escoria
fundida, tal como se ha descrito, actúa efectivamente para prevenir
el daño del material refractario de la cámara de fusión, lo que es
enormemente importante en la operación real, y por otra parte, la
mejora del rendimiento en forma de hierro metálico y, asimismo, el
aumento de la velocidad de calentamiento que acorta el tiempo de
calentamiento y reducción, mejoran el resultado de la
productividad.
Por otra parte, cuando la fracción líquida de la
escoria producida es excesivamente alta en la etapa de reducción de
sólidos, el compacto de materia prima comienza a fundirse antes de
que tenga lugar la reducción de sólidos suficientemente de manera
que el FeO sin reducir tiende a fundirse en la escoria fundida, sin
embargo, en el caso descrito, también es eficaz que se añada el
material de flujo para ajustar la composición de escoria (los
óxidos que se han mencionado) en una cantidad adecuada en la etapa
de preparación de la materia prima, y que se suprima la generación
del fundido en una región de temperatura baja para elevar la
temperatura de reducción, elevando así la velocidad de reducción de
sólidos. Es decir, cuando se lleva a cabo la presente invención, se
puede emplear eficazmente el ajuste de la fracción líquida de la
escoria producida como medio para potenciar la productividad
positivamente elevando la temperatura de generación de líquido (es
decir, la temperatura de inicio de la cementación) y aumentando la
velocidad de reducción de sólidos elevando la temperatura de
reducción en adición al caso en el que se reduce la temperatura de
operación disminuyendo la temperatura de cementación que
corresponde a la temperatura de
fusión.
fusión.
A continuación, se describirá en detalle la
constitución, operación y efecto de la presente invención haciendo
referencia a los ejemplos. Naturalmente, la presente invención no
queda limitada con dichos ejemplos, pudiéndose introducir
modificaciones adecuadas dentro del alcance que se ajusta a los
objetivos descritos anteriormente y más adelante, que se incluyen
dentro del alcance técnico de la presente invención.
Se utilizaron el mineral de las composiciones de
componente que se presenta en la tabla 2, a continuación, y el
material carbonáceo de las composiciones de componente que se indica
en la tabla 3 para llevar a cabo los experimentos que se describen a
continuación.
| Tipo mineral | Composición de componente (% en masa) | ||||
| T.Fe | FeO | SiO_{2} | Al_{2}O_{3} | CaO | |
| A | 68,06 | 1,36 | 0,52 | ||
| B | 69,2 | 30,56 | 1,81 | 0,51 | 0,45 |
| Tipo de material carbonáceo | Composición de componentes (% masa) | ||
| Cenizas | Volátiles | Carbono fijo | |
| A | 8,80 | 19,60 | 71,60 |
| B | 9,36 | 21,25 | 69,39 |
| C | 12,36 | 17,77 | 69,87 |
| D | 17,0 | 5,90 | 77,1 |
Se preparó la materia prima utilizada mezclando
uniformemente mineral B (diámetro de grano medio: 21 \mum) 83,5%
en masa, indicado en la tabla 2, material carbonáceo C (diámetro de
grano medio: 45 \mum), 18,5% indicado en la tabla 3, y bentonita
(diámetro de grano medio: 9 \mum) 1,0% en masa como aglutinante,
aglomerada en una forma esférica sustancialmente con un diámetro de
aproximadamente 17 mm (en adelante denominado compacto), tras lo
cual se secó preliminarmente a 120ºC.
Se cargó la materia prima compacta en una caldera
experimental para calentar y elevar la temperatura y se observó el
comportamiento de fundido de la materia prima compacta a una
temperatura determinada para investigar la relación con la fracción
líquida de la escoria producida estimada a partir de un componente
de materia prima. En el caso de no producirse el fundido, se
observó el estado superficial y la sección transversal interna. En
la tabla 4 a continuación, se muestra el resultado.
| Temperatura muestra | Fracción líquida estimada | Comportamiento fundido de |
| (ºC) | (%) | material compacto |
| 1280 | 0 | Sustancia no fundida en el |
| interior de hierro reducido | ||
| 1330 | 24,7 | Forma superficial mantenida |
| y trazas de generación de | ||
| líquido en el interior | ||
| 1370 | 55,3 | Mantenimiento de forma |
| superficial e interior en | ||
| estado fundido | ||
| 1400 | 77,0 | Completamente fundido |
| 1450 | 100 | Completamente fundido |
Tal como se puede deducir de la tabla 4, cuando
la fracción líquida estimada es 0%, no se encuentran trazas de
sustancia fundida en la materia compacta; y cuando la fracción
líquida estimada es aproximadamente 25%, se encuentran trazas de
sustancia fundida en el interior, pero la materia compacta que
mantiene su forma original y no se observa fundido. Por otra parte,
cuando la fracción líquida estimada se eleva a un nivel de 55%, se
observa la producción de una cantidad considerable de sustancia
fundida, pero la materia compacta mantiene su forma original y no
hay fundido (cementación y fundido del hierro metálico y flujo).
Por otra parte, se ha confirmado que cuando la
fracción líquida estimada alcanza el 100%, la materia compacta se
funde para producir el fundido, pero incluso cuando la fracción
líquida alcanza el 77%, el hierro reducido sólido en la materia
compacta empieza a fundirse y se completa el fundido. Es decir, se
ha confirmado que el calentamiento y la reducción de la materia
compacta tiene lugar a medida que se eleva la temperatura de
calentamiento y, al mismo tiempo, también se eleva la fracción
líquida estimada, pero cuando la fracción líquida excede
aproximadamente 70%, el fundido progresa rápidamente.
Debe entenderse, tal como se puede deducir de los
resultados de los experimentos, que si se controla la temperatura
para obtener la fracción líquida a un nivel de 70%, puede tener
lugar un fundido suficiente y la temperatura de operación se puede
disminuir aproximadamente 50ºC ajustando la temperatura de
calentamiento en 1400ºC y manteniendo la fracción líquida a un
nivel de 70 a 80% sin elevar la fracción líquida a 100% elevando la
temperatura de calentamiento a 1450ºC.
Mineral A (diámetro de grano medio: 38 \mum)
74,6% en masa, indicado en la tabla 2, material carbonáceo A
(diámetro de grano medio: 37 \mum) 23,4% en masa indicado en la
tabla 3 y bentonita (diámetro de grano medio: 9 \mum) 2,0% en
masa, como aglutinante, que son la composición base, a lo que se
añade sílice (contenido SiO_{2}: 92,7% en masa) en una cantidad
adecuada para ajustar así la temperatura de fundido de una escoria.
En la tabla 5 se muestra la fracción líquida a 1200ºC estimado a
partir del diagrama de fase basado en la composición de escoria en
una materia prima mixta. Se utilizó la materia prima compacta
después de mezclar las sustancias indicadas uniformemente para
formar un aglomerado con una forma esférica con diámetro de
partícula de 17 mm y secado a 120ºC.
Se carga la materia prima compacta en una caldera
experimental de calentamiento y reducción, se mide la temperatura
atmosférica en el momento en el que se funde la materia prima
compacta, y se obtienen los resultados que se indican en la tabla
5.
| Índice de mezclado de sílice (% masa) | 0 | 0,8 | 2,4 |
| Fracción líquida (%) a 1200ºC | 77 | 85 | 96 |
| Temp. atmosférica en el fundido | 1435 | 1425 | 1405 |
Tal como se puede deducir de la tabla 5, al
elevar el índice de mezcla de sílice, la fracción líquida a 1200º
de la escoria producida aumenta, y la temperatura de fundido de la
materia prima compacta se reduce en consecuencia. Es decir, se
puede deducir de los resultados que si se mezcla una cantidad
adecuada de fuente de SiO_{2} (u otro óxido) con el componente de
materia prima para controlar la fracción liquida a la temperatura de
operación, se puede reducir la temperatura de fundido de la materia
compacta calentada y reducida, es decir, al temperatura de
operación. Por otra parte, la cantidad adicional del material de
flujo (por ejemplo la fuente de SiO_{2}) se ajusta para determinar
la temperatura de operación objetivo, se obtiene la fracción líquida
suficiente para el fundido a la temperatura de operación para
permitir así un ajuste sustancial de la temperatura de fundido para
la temperatura de operación.
Tal como se ha descrito anteriormente, en el caso
en el que se genere la fase líquida de la escoria producida a baja
temperatura, el fundido de la materia compacta tiene lugar antes de
que se produzca suficientemente la reducción del óxido de hierro
contenido en la fase sólida, y el FeO sin reducir se funde y se
mezcla con la escoria materialmente para acelerar la erosión y/o
corrosión del material refractario de la cámara de fusión.
Por consiguiente, desde el punto de vista de
prevenir el daño del material refractario de la cámara de fusión, se
llevó a cabo un experimento en el que se puso en práctica la
presente invención.
Es decir, se preparó una materia prima mezclando
la relación de los casos A y B que se muestra en la tabla 6 a
continuación, y se configuró en una forma esférica similar a la que
se ha descrito anteriormente y se llevó a cabo el experimento de
calentamiento, reducción y fundido para obtener los resultados que
se muestran en la tabla 6 tras el secado del material compacto.
| Mineral C | Materia | Aglutinante | CaO | Temp. generación | Temp. | Temp. | |
| carbonácea | añadido | fase líquida | reducción | fundido | |||
| (ºC) | (ºC) | (ºC) | |||||
| Caso A | 76,54 | 21,81 | 1,65 | - | 1177 | 1320 | 1430 |
| Caso B | 72,51 | 20,99 | 1,5 | 5 | 1332 | 1340 | 1430 |
En la tabla 6, en el mezclado del caso A, la
temperatura de generación de fase líquida es de sólo 1177ºC, y el
líquido se produce antes de que tenga lugar la reducción de sólidos
suficientemente, y el mezclado de FeO sin reducir en la escoria
producida da lugar a daños en el material refractario de la cámara
de fusión. Así pues, la temperatura de calentamiento y reducción se
reduce en cierto modo a 1320ºC como consecuencia de lo cual se
reduce la velocidad de reducción de sólidos y se reduce considerable
la velocidad de producción. Así pues, se cambió la relación de
mezclado en el caso B (mezclado adicional de piedra caliza) y se
elevó la temperatura de generación de fase líquida a 1332ºC. A
continuación, se confirmó que cuando la temperatura calentamiento y
reducción y la temperatura de fundido se ajustaron en 1340ºC y
1430ºC respectivamente, se pudo mantener una operación suave sin
daño del material refractario de la cámara de fusión.
Por otra parte, se enfrió la sustancia producida
obtenida en el caso B y después se sometió a separación magnética,
después se pudo separar en metal y escoria sustancialmente de manera
completa. La distribución del diámetro de partícula del metal y la
escoria obtenida es la que se muestra en la tabla 7. Debe entenderse
que la partícula de metal que tiene un diámetro (la forma
sustancialmente circular se representa por el diámetro y la elipse
o forma ovalada se representa por un valor medio entre el diámetro
largo y el diámetro corto) no inferior a 3,35 mm puede recuperarse
perfectamente con un rendimiento de 94,3%. Por otra parte,
generalmente se divide la escoria en dos, una escoria granulada
vítrea que tiene un diámetro de partícula no inferior a 3,35 mm, y
una escoria en polvo granulada que tiene un diámetro inferior a 3,35
mm. Se ha confirmado que la escoria en polvo granulada se recicla
introduciéndola en un sistema de tratamiento de materia prima para
permitir su recuperación y utilizando material carbonáceo residual y
hierro, y la escoria granulada vítrea se puede utilizar eficazmente
para agregados finos sin que contengan hierro.
| Diámetro de partícula (mm) | Por encima de 6,7 | 3,35 a 6,7 | menos de 3,35 |
| Metal (% masa) | 84,3 | 10,0 | 5,7 |
| Escoria (% masa) | 34,4 | 17,5 | 48,1 |
En la presente invención, constituida tal como se
ha descrito, para el calentamiento, reducción y fundido de una
mezcla que contiene fuente de óxido de hierro y agentes de reducción
carbonáceos para fabricar hierro metálico, se controla la fracción
líquida ocupada en una fase de co-existencia sólido
y líquido de la escoria producida apropiadamente para permitir así
un ajuste adecuado de la temperatura de inicio de la cementación
del hierro metálico, consiguiéndose las operaciones y los efectos
que se indican a continuación:
1) Se obtiene una relación entre la temperatura y
la fracción líquida de la escoria producida mediante un componente
de formación de escoria en la materia prima y una cantidad de
material de flujo añadido, se ajusta la fracción líquida, en virtud
de lo cual se puede controlar la temperatura de inicio de la
cementación, es decir, la temperatura de fundido de la materia
prima, y se reduce la temperatura de fundido para permitir así la
reducción de la temperatura de operación y mejorar la eficacia de
energía térmica y suprimir el deterioro térmico de la estructura
resistente al calor.
2) Si se obtiene una fracción liquida de la
escoria producida en una región de temperatura predeterminada en la
etapa de mezclado de materia prima, se puede dar una temperatura de
fundido como un objetivo sustancial y se puede ajustar la
temperatura a una temperatura de fundido adecuada de acuerdo con la
eficacia térmica del equipo operativo y la resistencia al calor del
equipo, facilitando así la correspondencia de varios equipos de
operación.
3) Se puede ajustar la temperatura de inicio de
la cementación, es decir, la temperatura de fundido ajustando la
fracción líquida sin fundir la cantidad total de la escoria
producida para permitir la reducción de la temperatura de operación
como resultado y permitir el ahorro de la energía necesario y
mejorar la eficacia térmica.
4) Si se ajusta una cantidad de mezclado de
agentes de reducción carbonáceos en la etapa de preparación de la
materia prima, el contenido en carbono del hierro metálico obtenido
se puede controlar sustancialmente en un objetivo, y el hierro
metálico en un contenido en carbono adecuado según los usos.
5) Se controla la fracción líquida de la escoria
producida en virtud de lo cual se puede establecer la temperatura
de fundido óptima ajustando la temperatura para completar el
calentamiento y la reducción y, como resultado, se puede evitar el
mezclado de la cantidad de FeO fundido en la escoria fundida para
que sea el mínimo posible. En particular, si se controla
apropiadamente la velocidad de calentamiento durante el
calentamiento y la reducción, se puede suprimir la producción de
escoria fundida en el mínimo posible para poder prevenir la fusión o
adherencia de sustancias producidas en la cámara de fusión causada
por la producción de escoria que tiene un bajo punto de fusión que
contiene FeO fundido, y permitir la supresión efectiva de la erosión
y/o corrosión del material refractario.
6) Como efecto secundario de la presente
invención, la escoria sub-producto se separa en una
escoria granulada vítrea obtenida a partir de la fase líquida y una
escoria granulada obtenida a partir de la fase sólida para
obtenerlas como sub-producto que tiene una estrecha
distribución de tamaño de partícula, que se puede utilizar
efectivamente para varios usos como agregados finos o agregados
toscos.
La presente invención es operable ventajosamente
para la producción de hierro metálico y partículas de hierro
metálicas de alta pureza con un alto rendimiento al reducir
eficientemente y separar eficientemente el hierro metálico de la
escoria en una operación estable evitando los daños en el material
refractario de la cámara de fusión en el mínimo posible.
Claims (15)
1. Un método para producir hierro metálico por
calentamiento, reducción y fundido de una mezcla de materia prima
que contiene agentes de reducción carbonáceos y una sustancia que
contiene óxido de hierro, caracterizado porque se controla
la fracción líquida en una fase de co-existencia
sólido y líquido de la escoria producida que contiene una ganga de
varios componentes para acelerar así el fundido del hierro metálico
sólido producido, controlándose la fracción líquida de la escoria
en el momento de la cementación y el fundido en el intervalo de 50 a
80% en masa.
2. El método según la reivindicación 1, en el que
se controla la fracción líquida en una fase de
co-existencia sólido y líquido de la escoria
producida que contiene dicha ganga de varios componentes, dicha
escoria líquida va acompañada de dichos agentes de reducción
carbonáceos para acelerar así la cementación de hierro metálico
sólido para reducir la temperatura de fusión de dicho hierro
reducido sólido.
3. El método según la reivindicación 2, en el que
a través de dicha cementación, la concentración de carbono en el
hierro metálico llega a 0,5 a 4,3% en masa y la temperatura de
fusión de dicho hierro metálico de cementación es de 1147ºC a
1500ºC.
4. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3 en el que dicha fracción líquida se controla
ajustando la materia prima combinando dicha mezcla de materia
prima.
5. El método según la reivindicación 4, en el
cuando que se fabrica dicha mezcla de materia prima, se obtiene una
temperatura de escoria producida y una fracción líquida previamente
desde una composición de un componente que forma la escoria en
dicha mezcla de materia prima, se añade el otro componente que forma
la escoria al componente de materia prima, en virtud de lo cual se
controla la fracción líquida de la escoria en una temperatura de
operación predeterminada.
6. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha fracción liquida se controla
mediante una temperatura de calentamiento de la mezcla de materia
prima.
7. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que la fracción líquida de dicha
escoria en el momento de la cementación y el fundido se controla en
el intervalo de 70 a 80%.
8. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que dicha mezcla de materia prima se
aglomera por calentamiento y reducción.
9. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que dicha fracción líquida de la
escoria producida se ajusta para controlar así la cantidad de
cementación a hierro metálico sólido producido.
10. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en el que dicha fracción líquida de la
escoria producida se ajusta para controlar así la concentración de
carbono en el hierro metálico producido.
11. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, en el que el hierro metálico condensado por
cementación y fundido se enfría y solidifica para su obtención como
partículas de hierro metálico.
12. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11 en el que se enfría la escoria que resulta
del componente de formación de escoria en la materia prima, tras lo
cual se separan la escoria granulada de la fase líquida de una fase
de co-existencia sólido y líquido y la escoria
granulada producida de la fase sólida de una fase de
co-existencia sólido y líquido entre sí para
recuperarlas.
13. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12, en el que la cantidad de FeO fundido en
dicha escoria producida se controla en no más de 50% en masa.
14. El método según la reivindicación 13 en el
que la cantidad de FeO fundido en dicha escoria producida es
sustancialmente 0%.
15. El método según la reivindicación 13 ó 14, en
el que dicha escoria producida se calienta y se reduce, la velocidad
de calentamiento de dicha mezcla de materia prima se hace no
inferior a 300ºC/min para reducir así la cantidad de FeO fundido en
la escoria.
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