ES2286113T3 - Procedimiento de fusion directa y dispositivo. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de fusión directa para producir metales (comprendiendo dicho término las aleaciones metálicas) a partir de un material ferroso que comprende las etapas siguientes: (a) formar un baño de metal fundido y de escoria fundida en un crisol metalúrgico; (b) inyectar materiales de carga, que son material sólido y gas portador en el baño fundido a una velocidad de por lo menos 40 m/s a través de una lanza de inyección de sólidos que se extiende hacia abajo que presenta un tubo de suministro de un diámetro interior de 40 a 200 mm que está dispuesto de manera que un eje central de un extremo de salida de la lanza está en un ángulo de 2 a 90 grados con respecto a una eje horizontal y genera un flujo de gas superficial de por lo menos 0, 04 Nm3/s/m2 en el interior del baño fundido (en el que m2 se refiere al área de una sección transversal horizontal a través del baño fundido) por lo menos en parte mediante reacciones del material inyectado en el baño que hace que el material fundido sea proyectado hacia arriba como salpicaduras, gotitas y chorros y forme una zona de baño fundido expandida, produciendo el flujo de gas y el material fundido proyectado hacia arriba un movimiento sustancial del material en el interior del baño fundido y una intensa mezcla del baño fundido, habiendo sido seleccionados los materiales de carga de manera que, en un sentido global, las reacciones de los materiales de carga son endotérmicas; y (c) inyectar un gas que contiene oxígeno en una región superior del crisol, mediante por lo menos una lanza de inyección de gas oxígeno y la poscombustión de los gases combustibles liberados del baño fundido, por lo que el material fundido ascendente y a continuación descendente en la zona expandida del baño fundido facilita la transmisión de calor al baño fundido.
Description
Procedimiento de fusión directa y
dispositivo.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para producir metal fundido (comprendiendo dicho
término aleaciones metálicas), en particular aunque en ningún caso
exclusivamente hierro, a partir de un material ferroso, tal como
minerales de hierro, minerales parcialmente reducidos y aluviones
que contengan residuos metálicos.
La presente invención se refiere en particular a
un procedimiento de fusión directa basado en un baño de metal
fundido para producir metal fundido a partir de un material
ferroso.
Un procedimiento conocido de fusión directa
basado en un baño de metal fundido para producir metal ferroso
fundido, es el procedimiento DIOS. El procedimiento DIOS comprende
una etapa de prerreducción y una etapa de reducción durante la
fusión. En el procedimiento DIOS, se precalienta (a 750ºC) mineral
(- 8 mm) y se prerreduce (del 10 al 30%) en lechos fluidificados,
utilizando gas de descarga de un crisol de reducción por fusión que
comprende un baño fundido de metal y escoria, formando la escoria
una gruesa capa sobre el metal. Los componentes finos (- 3 mm) y
gruesos (- 8 mm) del mineral están separados en la etapa de
prerreducción del procedimiento. El carbón y el mineral
precalentado y prerreducido son alimentados de modo continuo (a
través de dos líneas de alimentación) al horno de reducción de
fusión por la parte superior del horno. El mineral se disuelve y
forma FeO en la gruesa capa de escoria, y el carbón se descompone en
coque y materias volátiles en la capa de escoria. Se insufla
oxígeno a través de una lanza diseñada especialmente, que mejora la
combustión secundaria en la escoria espumosa. Los chorros de oxígeno
queman el monóxido de carbono que se genera en las reacciones de
reducción de la fusión, generando de este modo calor que es
transmitido a la escoria fundida. En las superficies de separación
de escoria/metal y de escoria/coque se reduce el FeO. El gas
introducido en el baño de metal caliente por el fondo del crisol de
reducción de fusión para su agitación, mejora el rendimiento de la
transmisión de calor e incrementa la superficie de separación
escoria/metal para la reducción. De manera periódica se extraen
escoria y metal.
Otro conocido procedimiento de fusión directa
para producir metal ferroso fundido es el procedimiento AISI. El
procedimiento AISI comprende asimismo una etapa de prerreducción y
una etapa de reducción por fusión. En el procedimiento AISI, los
nódulos de mineral de hierro, de carbón, o de menudos de coque y
fundentes, precalentados y parcialmente prerreducidos son cargados
por la parte superior de un reactor de fusión a presión que contiene
un baño fundido de metal y escoria. El carbón se desvolatiliza en
la capa de escoria y los nódulos de mineral de hierro se disuelven
en la escoria y a continuación se reducen mediante carbono (coque)
en la escoria. Las condiciones del procedimiento tienen como
resultado la formación de una escoria espumosa. El monóxido de
carbono y el hidrógeno generados en el procedimiento se queman
posteriormente en la capa de escoria o inmediatamente encima de
ella para proporcionar la energía requerida para las reacciones
endotérmicas de reducción. Se insufla oxígeno por la parte superior
a través de una lanza refrigerada por agua y se inyecta nitrógeno a
través de toberas dispuestas en el fondo del reactor para
garantizar una agitación suficiente para facilitar la transmisión
al baño del calor de la energía de la poscombustión. Se elimina el
polvo de los gases de descarga del procedimiento en un ciclón
caliente antes de ser enviados a un horno del tipo de cuba para el
precalentamiento y la prerreducción de los nódulos de FeO o de
wustita.
Otro conocido procedimiento de fusión directa,
que se basa en una capa de metal fundido como medio de reacción, y
es el denominado generalmente como procedimiento HIsmelt, se
describe en la solicitud internacional de patente PCT/AU 96/00197
(WO 96/31627) en nombre del solicitante.
El procedimiento HIsmelt tal como se describe en
la solicitud internacional de patente comprende:
- (a)
- la formación de un baño de metal fundido y de escoria en un crisol;
- (b)
- la inyección en el baño de:
- (i)
- un material metalífero de carga, típicamente óxidos metálicos; y
- (ii)
- un material carbonoso sólido, típicamente carbón, que actúa como reductor de los óxidos metálicos y como fuente de energía; y
- (c)
- la fusión del material metalífero de carga a metal en la capa de escoria.
El procedimiento HIsmelt comprende asimismo la
inyección de un gas que contiene oxígeno en un espacio por encima
del baño y la poscombustión de los gases de la reacción, tales como
CO y H_{2}, liberados por el baño, y la transmisión del calor
generado al baño para contribuir a la energía térmica requerida para
fundir los materiales metalíferos de carga.
El procedimiento HIsmelt comprende asimismo la
formación de una zona de transición en el espacio por encima de la
superficie nominalmente inactiva del baño en la que existe una masa
favorable de gotitas o salpicaduras, o chorros de material fundido,
primero ascendentes y luego descendentes, que proporcionan un medio
efectivo para transmitir al baño la energía térmica generada por la
poscombustión de los gases de la reacción por encima del baño.
El procedimiento HIsmelt, tal como se describe
en la solicitud internacional de patente, se caracteriza por formar
la zona de transición mediante la inyección, en un gas portador, de
material metalífero de carga y material carbonoso sólido en el baño
a través de una sección de un lado del crisol que está en contacto
con el baño y/o por encima del baño, de manera que el gas portador
y el material sólido penetran en el baño y hacen que el material
fundido se proyecte al espacio por encima de la superficie del
baño.
El procedimiento HIsmelt tal como se describe en
la solicitud internacional de patente, constituye una mejora sobre
formas anteriores del procedimiento HIsmelt, conformando la zona de
transición mediante la inyección de gas y/o material carbonoso en
el baño desde el fondo, lo que hace que las gotitas y las
salpicaduras, y los chorros de material fundido sean proyectados
desde el baño.
El solicitante ha llevado a cabo una
investigación exhaustiva y trabajos en la planta piloto con respecto
a los procedimientos de fusión directa y ha realizado una serie de
hallazgos significativos en relación con dichos procedimientos.
En líneas generales, la presente invención
proporciona un procedimiento de fusión directa para producir metales
(cuyo término comprende aleaciones metálicas) a partir de un
material ferroso que comprende las etapas siguientes:
- (a)
- formación de un baño de metal fundido y de escoria fundida en un crisol metalúrgico;
- (b)
- inyección de materiales de carga que son materiales sólidos y gas portador, en el baño fundido, a una velocidad de por lo menos 40 m/s a través de una lanza de inyección de sólidos que se extiende hacia arriba, que presenta un tubo de suministro de un diámetro interior de 40 a 200 mm, que está situado de manera que el eje central de un extremo de salida de la lanza está en un ángulo de 20 a 90 grados con respecto a un eje horizontal y genera un flujo superficial de gas por lo menos de 0,04 Nm^{3}/s/m^{2} en el interior del baño fundido (en el que m^{2} se refiere al área de una sección transversal horizontal a través del baño fundido), por lo menos en parte, mediante reacciones del material inyectado en el baño que hace que el material fundido se proyecte hacia arriba en forma de salpicaduras, gotitas y chorros de material fundido y forma una zona expandida de baño fundido, produciendo el flujo de gas y el material fundido proyectado hacia arriba un movimiento sustancial del material en el interior del baño fundido y una intensa mezcla del baño fundido, habiéndose seleccionado los materiales de carga de manera que, en un sentido global, las reacciones de los materiales de carga en el baño fundido son endotérmicas; y
- (c)
- inyección de un gas que comprende oxígeno en una zona superior del crisol a través de por lo menos una lanza de inyección de gas oxígeno y la poscombustión de los gases combustibles liberados por el baño fundido, con lo que el material fundido primero ascendente y luego descendente en la zona expandida del baño fundido, facilita la transmisión de calor al baño fundido.
La zona expandida del baño fundido se
caracteriza por un elevado volumen de espacios huecos de la fracción
gaseosa en el material fundido.
Preferentemente, la fracción gaseosa en volumen
en los espacios huecos es de menos un 30% en volumen de la zona del
baño fundido.
Las salpicaduras, las gotitas y los chorros de
material fundido se generan en el interior del baño fundido, por
medio del flujo de gas descrito anteriormente. Aunque el solicitante
no pretende resultar limitado por los comentarios siguientes, el
solicitante cree que las salpicaduras, las gotitas y los chorros de
material fundido están generados con bajos caudales de gas por un
régimen de agitación turbulenta, y con mayores caudales de gas por
un régimen de fuente.
Preferentemente, el flujo de gas y el material
fundido proyectado hacia arriba producen un movimiento sustancial
del material, entrando y saliendo del baño fundido.
Preferentemente, el material sólido comprende
material ferroso y/o material carbonoso sólido.
La zona expandida del baño fundido descrita
anteriormente, es totalmente diferente de la capa de escoria
espumosa que se produce en el procedimiento AISI antes
descrito.
Preferentemente, la etapa (b) comprende la
inyección de materiales de carga en el baño fundido, de modo que
los materiales de carga penetran en una región inferior del baño
fundido.
Preferentemente, la zona expandida del baño
fundido se forma en la región inferior del baño fundido.
Preferentemente, la etapa (b) comprende la
inyección de materiales de carga en el baño fundido a través de la
lanza, a una velocidad comprendida entre 80 y 100m/s.
Preferentemente, la etapa (b) comprende la
inyección de materiales de carga en el baño fundido a través de la
lanza, con un caudal másico de hasta 2,0 t/m^{2}/s, en que m^{2}
se refiere al área de la sección transversal del tubo de la lanza
de suministro.
Preferentemente, la etapa (b) comprende la
inyección de materiales de carga en el baño fundido a través de la
lanza, con una proporción de sólidos/gas de 10 a 25 kg de
sólidos/Nm^{3} gas.
Más preferentemente, la proporción de
sólidos/gas es de 10 a 18 kg de sólidos/Nm^{3} gas.
Preferentemente, el flujo de gas en el interior
del baño fundido generado en la etapa (b) es de por lo menos 0,04
Nm^{3}/s/m^{2} en la superficie inactiva del baño fundido.
Más preferentemente, el flujo de gas en el
interior del baño fundido es de un caudal de por lo menos de 0,2
Nm^{3}/s/m^{2}.
Más preferentemente, el caudal de gas es por lo
menos de 0,3 Nm^{3}/s/m^{2}.
Preferentemente, el caudal de gas es inferior a
2 Nm^{3}/s/m^{2}.
El flujo de gas generado en el interior del baño
fundido puede estar generado en parte como resultado de la
inyección por el fondo y/o por la pared lateral, de un gas en el
baño fundido, preferentemente en la región inferior del baño
fundido.
Preferentemente, el gas que contiene oxígeno es
aire, o aire enriquecido en oxígeno.
Preferentemente, el procedimiento comprende la
inyección de aire o de aire enriquecido en oxígeno en el crisol, a
una temperatura de 800 a 1.400ºC y a una velocidad de 200 a 600 m/s
a través de por lo menos una lanza de inyección de gas oxígeno y
forzando la zona expandida del baño fundido en la región del extremo
inferior de la lanza, alejada de la lanza y formando un espacio
"libre" alrededor del extremo inferior de la lanza que tiene
una concentración de material fundido que es inferior a la
concentración de material fundido en la zona expandida del baño
fundido; estando dispuesta la lanza de manera que: (i) el eje
central de la lanza está en un ángulo de 20º a 90º con respecto a
un eje horizontal; (ii) la lanza se extiende en el interior del
crisol hasta una distancia de por lo menos el diámetro exterior del
extremo inferior de la lanza; y (iii) el extremo inferior de la
lanza está por lo menos a 3 veces el diámetro exterior del diámetro
exterior del extremo inferior de la lanza por encima de la
superficie inactiva del baño fundido.
Preferentemente, la concentración de material
fundido en el espacio libre alrededor del extremo inferior de la
lanza, es del 5% en volumen del espacio o inferior al mismo.
Preferentemente, el espacio libre alrededor del
extremo inferior de la lanza es un volumen semiesférico que
presenta un diámetro que es, por lo menos, 2 veces el diámetro
exterior del extremo inferior de la lanza.
Preferentemente, el espacio libre alrededor del
extremo inferior de la lanza no es superior a 4 veces el diámetro
exterior del extremo inferior de la lanza.
Preferentemente, por lo menos, el 50%, y más
preferentemente por lo menos, el 60% en volumen del oxígeno en el
aire, o del aire enriquecido en oxígeno se quema en el espacio libre
alrededor del extremo inferior de la lanza.
Preferentemente, el procedimiento comprende la
inyección de aire o de aire enriquecido en oxígeno en el crisol en
un movimiento de torbellino.
El término "fusión" en la presente memoria
se refiere a un procedimiento térmico en el que tienen lugar
reacciones químicas que reducen el material ferroso de carga para
producir metal líquido.
En el contexto del baño fundido, el término
"superficie inactiva", se refiere a la superficie del baño
fundido en las condiciones del procedimiento en las que no existe
inyección de gas/sólidos y por consiguiente, no se produce agitación
del baño.
Preferentemente, el procedimiento comprende el
mantenimiento de una elevada cantidad de escoria en el crisol con
respecto al metal ferroso fundido en el crisol.
La cantidad de escoria en el crisol, es decir,
las existencias de escoria, influye directamente en la cantidad de
escoria que se encuentra en la zona expandida del baño fundido.
Las características relativamente reducidas de
transmisión de calor de la escoria, comparadas con las del metal,
son importantes en el contexto de reducir al mínimo las pérdidas de
calor desde la zona expandida del baño fundido a las paredes
laterales refrigeradas con agua, y desde el crisol a través de las
paredes laterales del crisol.
Mediante un procedimiento de control adecuado,
la escoria de la zona expandida del baño fundido puede formar una
capa o capas en las paredes laterales que aumentan la resistencia a
la pérdida de calor a través de las paredes laterales.
\newpage
Por consiguiente, modificando la cantidad de
escoria resulta posible incrementar o disminuir la cantidad de
escoria en la zona expandida del baño fundido y en las paredes
laterales y, por lo tanto, controlar la pérdida de calor a través
de las paredes laterales del crisol.
La escoria puede formar una capa "húmeda" o
una capa "seca" en las paredes laterales. Una capa
"húmeda" comprende una capa solidificada que se adhiere a las
paredes laterales, una capa semisólida (papilla) y una película
exterior líquida. Una capa "seca" es aquella en la que
sustancialmente toda la escoria está solidificada.
La cantidad de escoria en el crisol proporciona
asimismo una medida de control sobre la magnitud de la
poscombustión.
Específicamente, si la cantidad de escoria es
demasiado baja se producirá un incremento de la exposición del
metal en la zona expandida del baño fundido y, por lo tanto, un
aumento de la oxidación del metal y del carbono disuelto en el
metal y del potencial para una poscombustión reducida y como
consecuencia una disminución de la poscombustión, a pesar del
efecto positivo que tiene el metal de la zona expandida del baño
fundido en la transmisión de calor a la capa de metal.
Además, si la cantidad de escoria es demasiado
elevada, la lanza o lanzas y/o toberas quedarán sepultadas en la
zona expandida del baño fundido y esto reduce al mínimo el
movimiento de los gases de la reacción del espacio superior al
extremo de la lanza o lanzas y/o toberas, y en consecuencia reduce
el potencial de la poscombustión.
La cantidad de escoria en el crisol, es decir,
la cantidad total de escoria, puede controlarse mediante la
cadencia de extracción del metal y de la escoria.
La producción de escoria en el crisol puede ser
controlada variando las velocidades de carga del material
metalífero de carga, del material carbonoso y de los fundentes en el
crisol, y de los parámetros de funcionamiento tales como las
velocidades de inyección del gas que contiene oxígeno.
Preferentemente, el procedimiento comprende el
control del nivel de carbono disuelto en el hierro fundido, de modo
que sea por lo menos del 3% en peso y manteniendo la escoria en un
estado fuertemente reductor que conduzca a niveles de FeO en la
escoria, inferiores al 6% en peso, más preferentemente inferiores al
5% en peso.
Preferentemente, el material ferroso se funde a
metal por lo menos de modo predominante en la región inferior del
baño fundido. De modo invariable, en esta región del crisol es donde
existe una elevada concentración de metal.
En la práctica, existirá una relación entre el
material ferroso que se funde a metal y el metal, en otras zonas
del crisol. Sin embargo, el objetivo del procedimiento de la
presente invención, y una diferencia importante entre el
procedimiento y los procedimientos de la técnica anterior, es
conseguir el máximo de la fusión del material ferroso en la región
inferior del baño fundido.
La etapa (b) del procedimiento puede incluir la
inyección de materiales de carga a través de una pluralidad de
lanzas de inyección de sólidos y la generación de un caudal de gas
por lo menos de 0,04 Nm^{3}/s/m^{2} en el interior del baño
fundido.
La inyección de material ferroso y de material
carbonoso puede realizarse a través de la misma lanza o de lanzas
independientes.
Preferentemente, el procedimiento comprende el
hacer que el material fundido se proyecte por encima de la zona
expandida de metal fundido.
Preferentemente, el nivel de poscombustión es de
por lo menos el 40% definiéndose la poscombustión como:
\frac{[CO_{2}]
+ [H_{2}O]}{[CO_{2}] + [H_{2}O] + [CO] +
[H_{2}]}
en
que:
[CO_{2}] = % en volumen de CO_{2} en el gas
de descarga
[H_{2}O] = % en volumen de H_{2}O en el gas
de descarga
[CO] = % en volumen de CO en el gas de
descarga
[H_{2}] = % en volumen de H_{2} en el gas de
descarga.
La zona del baño fundido expandido es importante
por dos motivos.
\newpage
En primer lugar, el material fundido, primero
ascendente y luego descendente, son unos medios eficaces para
transmitir al baño el calor generado por la poscombustión de los
gases de la reacción.
En segundo lugar, el material fundido, y
particularmente la escoria, en la zona del baño fundido expandido,
son unos medios eficaces para reducir al mínimo las pérdidas de
calor a través de las paredes laterales del crisol.
Una diferencia importante entre la forma de
realización preferida del procedimiento de la presente invención y
los procedimientos de la técnica anterior, es que en la forma de
realización preferida la región principal de fusión es la región
inferior del baño fundido y la región de la oxidación principal (es
decir, de la generación de calor) se encuentra encima y en la
región superior de la zona expandida del baño fundido, y estas
regiones están bien separadas espacialmente, y la transmisión del
calor se realiza mediante el movimiento físico del metal fundido y
de la escoria entre ambas regiones.
Preferentemente, la lanza de inyección del
material de carga se dispone de tal modo que el extremo de salida
de la lanza está a 150 a 1.500 mm por encima de la superficie
nominal inactiva de una capa de metal del baño fundido.
Preferentemente, la lanza de inyección del
material de carga comprende un núcleo con un tubo central, a través
del cual pasa el material sólido en partículas; una camisa anular de
refrigeración que rodea el núcleo tubular central a lo largo de una
parte sustancial de su longitud, cuya camisa define un paso anular
interior, alargado, para el caudal de agua dispuesto alrededor del
tubo del núcleo, un paso anular exterior para el caudal de agua,
dispuesto alrededor del paso interior para el caudal de agua, y un
paso anular en el extremo que conecta los pasos interior y
exterior del caudal de agua en el extremo delantero de la camisa de
refrigeración; medios de entrada del agua para la entrada de agua
en el paso anular interior del caudal de agua de la camisa en una
región posterior extrema de la camisa; unos medios de salida del
agua para la salida del caudal de agua desde el paso anular
exterior para el caudal de agua en la región posterior extrema de la
camisa; proporcionando de este modo un flujo de agua de
refrigeración hacia adelante a lo largo del paso anular, alargado,
interior al extremo delantero de la camisa y a través a
continuación de los medios de paso del caudal en el extremo y hacia
atrás a través de los medios exteriores del paso anular alargado del
caudal de agua, en el que el extremo del paso se curva suavemente
hacia el exterior y hacia atrás desde el paso interior anular
alargado, hasta el paso anular alargado exterior y la sección
transversal eficaz para el flujo del agua a través del paso del
extremo, es inferior al área de la sección transversal tanto del
paso interior anular alargado como del paso exterior.
La presente invención se describe además a
título de ejemplo haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los
cuales:
la Figura 1 es una sección vertical que ilustra
de forma esquemática una forma de realización preferida del
procedimiento y del dispositivo de la presente invención;
las Figuras 2A y 2B se unen en la línea
A-A para formar una sección transversal longitudinal
a través de una de las lanzas de inyección de sólidos ilustradas en
la Figura 1;
la Figura 3, es una sección transversal
longitudinal ampliada a través de un extremo posterior de la
lanza;
la Figura 4 es una sección transversal ampliada
a través del extremo delantero de la lanza; y
la Figura 5 es una sección transversal en la
línea 5-5 de la figura 4.
La siguiente descripción está dentro del
contexto de la fusión de mineral de hierro para producir hierro
fundido, y se entiende que la presente invención no se limita a la
presente aplicación y es aplicable a cualesquiera minerales de
hierro aptos y/o concentrados - comprendiendo minerales metálicos
parcialmente reducidos, y materiales de residuales de
recuperación.
El dispositivo de fusión directa ilustrado en la
Figura 1 comprende un crisol metalúrgico indicado en conjunto como
11. El crisol 11 presenta una solera que comprende una base 12 y
unos lados 13 realizados de ladrillos refractarios; paredes
laterales 14 que forman un cuerpo generalmente cilíndrico que se
extiende en sentido ascendente desde los lados 13 de la solera, y
que comprende un sección superior del cuerpo formada por paneles
refrigerados por agua (no representados) y una sección inferior del
cuerpo formada por paneles refrigerados por agua (no representados)
que presentan un revestimiento interior de ladrillos refractarios;
un techo 17; una salida 18 para los gases de descarga; una
antesolera 19 para la descarga del metal fundido de forma continua,
y un orificio de extracción 21 para descargar la escoria
fundida.
En funcionamiento, en condiciones de
inactividad, el crisol contiene un baño fundido de hierro y de
escoria que comprende una capa 22 de metal fundido y una capa 23 de
escoria fundida sobre la capa de metal 22.
La expresión "capa de metal" en la presente
memoria significa hace referencia a la región del baño compuesta de
modo predominante por metal.
El espacio por encima de la superficie
nominalmente inactiva del baño fundido se denominará en adelante
"espacio superior".
La flecha marcada con el número 24 indica la
posición de la superficie nominalmente inactiva de la capa de
metal 22 y la flecha marcada con el número 25 indica la posición
de la superficie nominalmente inactiva de la capa de escoria 23 (es
decir, del baño fundido).
La expresión "superficie inactiva" se
refiere a la superficie cuando no existe inyección de gas o de
sólidos en el crisol.
El crisol está provisto de una lanza de
inyección de aire caliente 26 que se extiende hacia abajo para
suministrar un chorro de aire caliente en una región superior del
crisol y realizar la poscombustión de los gases de la reacción
liberados desde el baño fundido. La lanza 26 presenta un diámetro
exterior D en el extremo inferior de la lanza. La lanza 26 se
dispone de manera que:
- (i)
- un eje central de la lanza 26 está en un ángulo de 20º a 90º con respecto a un eje horizontal (la lanza 26 mostrada en la Figura 1 se dispone en un ángulo de 90º);
- (ii)
- la lanza 26 se extiende en el interior del crisol a una distancia que es, por lo menos, igual al diámetro exterior D del extremo inferior de la lanza; y
- (iii)
- el extremo inferior de la lanza 26 está, por lo menos, a 3 veces el diámetro exterior D del extremo inferior de la lanza, por encima de la superficie inactiva 25 del baño fundido.
El crisol está provisto asimismo de lanzas de
inyección de sólidos 27 (mostradas dos de ellas) que se extienden
hacia abajo y hacia el interior a través de las paredes laterales 14
y hacia el baño fundido, estando los extremos de salida 82 de las
lanzas 27 en un ángulo de 20º a 70º con respecto a la horizontal
para la inyección de mineral de hierro, material carbonoso sólido y
fundentes, arrastrados por un gas portador bajo en oxígeno en el
baño fundido. La posición de las lanzas 27 se selecciona de manera
que sus extremos de salida 82 se dispongan por encima de la
superficie inactiva 24 de la capa de metal 22. Esta posición de las
lanzas reduce el riesgo de daños debidos al contacto con el
material fundido y hace posible asimismo refrigerar las lanzas 27
mediante refrigeración forzada con agua por el interior, sin un
riesgo significativo de que el agua entre en contacto con el metal
fundido en el crisol. Específicamente, la posición de las lanzas 27
se selecciona de manera que los extremos de salida 82 se dispongan
dentro de un intervalo de 150 a 1.500 mm por encima de la
superficie inactiva 24 de la capa de metal 22. A este respecto, debe
considerarse que mientras que las lanzas 27 se muestran en la
Figura 1 extendiéndose en el interior del crisol, los extremos de
salida de las lanzas 27 pueden estar al nivel de la pared lateral
14. Las lanzas 27 se describen con mayor detalle haciendo
referencia a las Figuras 2 a 5.
En el funcionamiento, el mineral de hierro, el
material carbonoso sólido (típicamente carbón) y los fundentes
(típicamente caliza y magnesita) arrastrados por un gas portador
(típicamente N_{2}) son inyectados en el baño fundido a través de
las lanzas 27 con una velocidad, por lo menos, de 40 m/s,
preferentemente de 80 a 100 m/s. El impulso del gas
portador/materiales sólidos hace que los materiales sólidos y el gas
penetren en una región inferior del baño fundido. El carbón se
desvolatiliza y de este modo produce gas en la región inferior del
baño. El carbono se disuelve parcialmente en el metal y permanece
parcialmente como carbono sólido. El mineral de hierro se funde
pasando a metal y la reacción de fusión genera monóxido de carbono
en forma de gas. Los gases transportados a la región inferior del
baño y generados a través de la desvolatilización y la fusión
producen una flotación significativa del metal fundido, el carbono
sólido y la escoria, en sentido ascendente (arrastrados a la región
inferior del baño como consecuencia de la inyección de sólidos/gas)
desde la región inferior del baño, lo que genera un movimiento
ascendente de salpicaduras, gotitas o chorros de metal fundido y de
escoria, y estas salpicaduras, gotitas o chorros arrastran escoria
a medida que se desplazan a la región superior del baño fundido. El
flujo de gas generado por la inyección descrita anteriormente de
gas portador y por las reacciones del baño es de por lo menos 0,04
Nm^{3}/s/m^{2} de superficie inactiva del baño fundido (es
decir, la superficie 25).
El empuje ascendente de la flotación del metal
fundido, del carbono sólido y de la escoria, producen una agitación
sustancial en el baño fundido con el resultado de que el baño
fundido se expansiona en volumen y forma una zona expandida en el
baño fundido 28 que presenta la superficie indicada mediante la
flecha 30. La magnitud de la agitación es tal que se produce un
movimiento sustancial del material fundido en el interior del baño
fundido (comprendiendo el movimiento del material fundido hacia y
desde la región baja del baño) y un intenso mezclado del baño
fundido hasta el punto en que existe una temperatura razonablemente
uniforme en la totalidad del baño fundido, típicamente de 1.450 a
1.550ºC, con una variación de temperatura del orden de 30ºC en cada
región.
Además el flujo ascendente de gas proyecta algo
de material fundido (predominantemente escoria) más allá de la zona
expandida 28 del baño fundido y hacia la parte de la sección más
elevada del cuerpo de las paredes laterales 14 que está por encima
de la zona expandida 28 del baño fundido y hacia el techo 17.
En líneas generales, la zona expandida 28 del
baño fundido es un volumen líquido continuo con burbujas de gas en
su interior.
Además de lo mencionado anteriormente, en
funcionamiento, el aire caliente a una temperatura de 800 a 1.400ºC
es descargado a una velocidad de 200 a 600 m/s a través de la lanza
26 y penetra en la región central de la zona expandida 28 del baño
fundido y crea un espacio 29 esencialmente libre de metal/escoria,
que se forma alrededor del extremo de la lanza 26.
El chorro de aire caliente realiza la
poscombustión de los gases de la reacción CO y H_{2}, a través de
la lanza 26 en la zona expandida 28 del baño fundido y en el espacio
libre 29 alrededor del extremo de la lanza 26, y genera elevadas
temperaturas del orden de los 2.000ºC o superiores, en el espacio
del gas. El calor se transmite a las salpicaduras, a las gotitas y
a los chorros, primero ascendentes y luego descendentes de material
fundido en la región de la inyección de gas y el calor es
transmitido luego parcialmente por la totalidad del baño
fundido.
El espacio libre 29 resulta importante para
alcanzar elevados niveles de poscombustión, porque permite el
arrastre de gases en el espacio por encima de la zona expandida 28
del baño fundido hasta la región del extremo de la lanza 26, y de
este modo se incrementa la exposición de los gases de la reacción
disponibles para la poscombustión.
El efecto combinado de la posición de la lanza
26, de la velocidad del caudal de gas a través de la lanza 26 y del
movimiento hacia arriba de las salpicaduras, las gotitas y los
chorros de material fundido, conforma la zona expandida 28 del baño
fundido alrededor de la región inferior de la lanza 26. Esta región
así conformada proporciona una barrera parcial a la transmisión de
calor por radiación a las paredes laterales 14.
Además, las salpicaduras, las gotitas y los
chorros ascendentes y descendentes de material fundido constituyen
unos medios eficaces para transmitir calor desde la zona expandida
28 del baño fundido al baño fundido, con el resultado de que la
temperatura de la zona 28 en la región de las paredes laterales 14
está comprendida en el intervalo de 1.450 a 1.550ºC.
En las Figuras 2 a 5 se ilustra la construcción
de las lanzas de inyección de sólidos.
Tal como se ilustra en estas figuras, cada lanza
27 comprende un núcleo con un tubo central 31, a través del cual se
suministran los materiales sólidos, y una camisa anular de
refrigeración 32 que rodea el núcleo central tubular 31 a lo largo
de una parte sustancial de su longitud. El núcleo central tubular 31
está formado por una tubería 33 de acero al carbono o aleado en la
mayor parte de su longitud, excepto una sección de acero inoxidable
34 en su extremo delantero que sobresale como una tobera desde
elemento extremo delantero de la camisa de refrigeración 32. La
parte 34 del extremo delantero del núcleo tubular 31 está conectada
a la sección 33 de acero al carbono/aleado del núcleo tubular a
través de una corta sección de adaptación 35 de acero, que está
soldada a la sección de acero inoxidable 34 y está conectada a la
sección de acero al carbono/aleado mediante una parte roscada
36.
El núcleo central tubular 31 está revestido
interiormente hasta la parte extrema delantera 34 de un delgado
revestimiento cerámico 37 formado por una serie de tubos cerámicos
moldeados. El extremo posterior del núcleo tubular central 31 está
conectado mediante un acoplamiento 38 con una pieza en T, 39, a
través de la que se suministran los materiales sólidos en
partículas en un gas portador fluidificador a presión, por ejemplo,
nitrógeno.
La camisa anular 32 de refrigeración comprende
una larga estructura anular hueca 41 constituida por tubos
exteriores y tubos interiores 42, 43, interconectados mediante una
pieza anterior extrema de conexión 44 y una estructura tubular
alargada 45 que está dispuesta en el interior de la estructura
anular hueca 41, de modo que divide el interior de la estructura 41
en un paso anular alargado interior 46 para el flujo del agua y un
paso anular alargado exterior 47 para el flujo del agua. La
estructura tubular alargada 45 está constituida por un largo tubo
de acero al carbono 48 soldado a una pieza mecanizada delantera
extrema de acero al carbono 49 que está encajada en el interior del
conector extremo delantero 44 de la estructura tubular hueca 41 para
formar un paso anular extremo 51 para el flujo que interconecta los
extremos delanteros de los pasos interiores y exteriores del flujo
del agua 46, 47.
El extremo posterior de la camisa anular de
refrigeración 32 está provisto de una entrada de agua 52, a través
de la que puede dirigirse el flujo del agua de refrigeración hacia
el paso anular interior del flujo del agua 46, y una salida del
agua 53 por la cual se extrae el agua de un paso anular exterior 47
en la parte posterior de la lanza. Así, en la utilización práctica
de la lanza, el agua de refrigeración fluye hacia adelante desde la
lanza a través del paso anular interior 46 del flujo del agua y
luego hacia el exterior y de retorno alrededor del extremo anular
delantero 51 del paso hacia el paso anular interior 47 a través del
cual fluye hacia atrás a lo largo de la lanza y hacia afuera a
través de la salida 53. Esto garantiza que el agua más fría en la
transmisión de calor está relacionada con el material sólido
entrante para garantizar que dicho material no se funda o se queme
antes de que se descargue por el extremo delantero de la lanza, y
permite una refrigeración efectiva tanto de los materiales sólidos
inyectados a través del núcleo central de la lanza, como una
refrigeración efectiva del extremo delantero y de las superficies
exteriores de la lanza.
Las superficies exteriores del tubo 42 y la
pieza anterior extrema 44 de la estructura anular hueca 41 están
mecanizadas con una disposición regular de resaltes rectangulares
salientes 54 presentando cada uno de ellos un corte o sección
transversal en forma de cola de milano, de modo que los resaltes
están formados divergiendo hacia el exterior y sirven como
formaciones clave para la solidificación de la escoria en las
superficies exteriores de la lanza. La solidificación de la escoria
sobre la lanza ayuda a reducir al mínimo la temperatura de los
componentes metálicos de la lanza. Se ha descubierto que en la
práctica la solidificación de la escoria en el extremo o punta
delantera de la lanza sirve como base para la formación de una
prolongación de una tubería de material sólido que sirve de
prolongación de la lanza y que protege además la exposición de los
componentes metálicos de la lanza frente a las severas condiciones
de funcionamiento en el interior del crisol.
Se ha descubierto que el enfriamiento del
extremo de la punta de la lanza es muy importante para mantener una
elevada velocidad del flujo de agua alrededor del paso anular
extremo 51. En particular, se pretende mantener una velocidad del
flujo de agua en esta región, del orden de 10 metros por segundo
para obtener la máxima transmisión de calor. Con el fin de obtener
el máximo flujo de agua en esta zona, la sección transversal
efectiva para el paso del flujo de agua 51 se reduce de manera
significativa por debajo de la sección transversal efectiva, tanto
del paso anular interior del flujo de agua 46 como del paso del
flujo exterior del agua 47. La pieza anterior extrema 49 de la
estructura anular interna 45 presenta una forma y está dispuesta de
tal manera que el agua que fluye desde el extremo delantero del
paso anular interior 46, pasa a través de una sección 61 de paso
del flujo con una tobera cónica que se reduce hacia el interior para
reducir al mínimo los remolinos y las pérdidas antes de pasar al
paso extremo 51 del flujo. El paso extremo del flujo 51 reduce
asimismo el área efectiva del flujo en la dirección del flujo del
agua, de modo que mantiene el incremento de la velocidad del flujo
alrededor de la curva en el paso, y de retorno hacia la región
anular exterior del flujo de agua 47. De este modo, resulta posible
conseguir las elevadas velocidades necesarias del flujo de agua en
la zona de la punta de la camisa de refrigeración sin una pérdida
de presión excesiva ni riesgo de bloqueos en otras partes de la
lanza.
Con el fin de mantener la velocidad de
refrigeración apropiada del agua alrededor del paso de la punta 51
del extremo y para reducir al mínimo las fluctuaciones en la
transmisión del calor, es muy importante mantener una separación
controlada constante entre la pieza anterior extrema 49 de la
estructura tubular 45 y la pieza 44 del extremo de la estructura
anular hueca 41. Esto plantea un problema debido a la diferente
dilatación y contracción térmica de los componentes de la lanza. En
particular, la parte del tubo exterior 42 de la estructura anular
hueca 41 está expuesta a temperaturas muy superiores que las de la
parte del tubo interior 43 de dicha estructura y por lo tanto,
tiende a girarse hacia adelante del modo indicado mediante la línea
de trazos 62 en la figura 4. Esto produce una tendencia a que se
abra el espacio entre los componentes 44, 49 que definen el paso
51, cuando la lanza está expuesta a las condiciones de
funcionamiento del interior del crisol de fusión. Por el contrario,
el paso tiende a cerrarse si se produce un descenso de la
temperatura durante el funcionamiento. Con el fin de solucionar
dicho problema, el extremo posterior del tubo interior 43 de la
estructura anular hueca 41 está soportado por un montaje deslizante
63, de modo que puede desplazarse axialmente con respecto al tubo
exterior 42 de dicha estructura, estando asimismo montado el extremo
posterior de la estructura tubular interna 45 en un montaje
deslizante 64 y está conectado al tubo interior 43 de la estructura
41 mediante una serie de listones 65 de un conector, separados
circunferencialmente de modo que los tubos 43 y 45 pueden moverse
axialmente juntos. Además, las piezas extremas 44, 49 de la
estructura anular hueca 41 y la estructura tubular 45, están
conectadas de modo segura mediante una serie de clavijas 70
separadas circunferencialmente, para mantener la separación
adecuada bajo los movimientos, tanto de dilatación como de
contracción térmica de la camisa de la lanza.
El montaje deslizante 64 para el extremo
interior de la estructura tubular 45 está proporcionado por un
anillo 66 sujeto a la estructura de un colector del flujo de agua
68 que define la entrada 52 y la salida 53 del agua y está cerrado
mediante un anillo tórico 69. El montaje deslizante 63 para el
extremo posterior del tubo interior 43 de la estructura 41 está
dispuesto de un modo similar mediante una pestaña anular 71 sujeta a
la estructura del colector de agua 68 y está cerrado mediante un
cierre con un anillo tórico 72. Un pistón anular 73 está dispuesto
en el interior de la pestaña anular 71 y está conectado mediante una
conexión roscada 80 al extremo posterior del tubo interior 43 de la
estructura 41, de modo que cierra la cámara del colector de entrada
de agua 74 que recibe el flujo entrante de refrigeración de la
entrada 52. El pistón desliza por el interior de unas superficies
endurecidas en la pestaña anular 71 y está provisto de anillos
tóricos 81, 82. El cierre deslizante proporcionado por el pistón
73, no solamente permite los movimientos del tubo interior 43
debidos a la diferente dilatación térmica de la estructura 41, sino
que permite asimismo el movimiento del tubo 43 para acomodarse a
cualquier movimiento de la estructura 41 generado por una excesiva
presión del agua en la camisa de refrigeración. Si, por cualquier
motivo, la presión del flujo de agua de refrigeración es excesiva,
el tubo exterior de la estructura se verá forzado hacia el exterior
y el pistón 73 permitirá que el tubo interior se desplace de
acuerdo con ello para disminuir la acumulación de presión. El
espacio interior 75 entre el pistón 73 y la pestaña anular 71 se
ventila a través de un orificio de ventilación 76 para permitir el
desplazamiento del pistón y que el agua que se haya fugado, escape
pasado el pistón.
La parte posterior de la camisa anular de
refrigeración 32 está provista de una tubería exterior de refuerzo
83 parcialmente más allá de la lanza y que define un paso anular 84
para el agua de refrigeración, a través del cual pasa un flujo
separado de agua de refrigeración a través de una entrada de agua 85
y una salida de agua 86.
Típicamente, el agua de refrigeración pasa a
través de la camisa de refrigeración con un caudal de 100 m^{3}/h
con una presión máxima de funcionamiento de 800 kPa para alcanzar
unas velocidades de 10 metros/minuto en la región de la punta de la
camisa. Las partes interiores y exteriores de la camisa de
refrigeración pueden estar sometidas a diferencias de temperatura
del orden de los 200ºC y el movimiento de los tubos 42 y 45 dentro
de los montajes deslizantes 63, 64 puede ser considerable durante el
funcionamiento de la lanza, pero el área efectiva de la sección
transversal del flujo del paso extremo 51 se mantiene
sustancialmente constante en todas las condiciones de
funcionamiento.
Debe comprenderse que esta invención no está
limitada en ningún caso a los detalles de la construcción ilustrada,
y que muchas modificaciones y variaciones están comprendidas dentro
del alcance de la presente invención, tal como se define mediante
las reivindicaciones adjuntas.
A este respecto, debe apreciarse que la lanza de
inyección de gas oxígeno puede ser de una sola pieza con y formar
parte del cuerpo superior de una lanza de inyección de sólidos.
Claims (17)
1. Procedimiento de fusión directa para
producir metales (comprendiendo dicho término las aleaciones
metálicas) a partir de un material ferroso que comprende las etapas
siguientes:
- (a)
- formar un baño de metal fundido y de escoria fundida en un crisol metalúrgico;
- (b)
- inyectar materiales de carga, que son material sólido y gas portador en el baño fundido a una velocidad de por lo menos 40 m/s a través de una lanza de inyección de sólidos que se extiende hacia abajo que presenta un tubo de suministro de un diámetro interior de 40 a 200 mm que está dispuesto de manera que un eje central de un extremo de salida de la lanza está en un ángulo de 2 a 90 grados con respecto a una eje horizontal y genera un flujo de gas superficial de por lo menos 0,04 Nm^{3}/s/m^{2} en el interior del baño fundido (en el que m^{2} se refiere al área de una sección transversal horizontal a través del baño fundido) por lo menos en parte mediante reacciones del material inyectado en el baño que hace que el material fundido sea proyectado hacia arriba como salpicaduras, gotitas y chorros y forme una zona de baño fundido expandida, produciendo el flujo de gas y el material fundido proyectado hacia arriba un movimiento sustancial del material en el interior del baño fundido y una intensa mezcla del baño fundido, habiendo sido seleccionados los materiales de carga de manera que, en un sentido global, las reacciones de los materiales de carga son endotérmicas; y
- (c)
- inyectar un gas que contiene oxígeno en una región superior del crisol, mediante por lo menos una lanza de inyección de gas oxígeno y la poscombustión de los gases combustibles liberados del baño fundido, por lo que el material fundido ascendente y a continuación descendente en la zona expandida del baño fundido facilita la transmisión de calor al baño fundido.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la etapa (b) comprende inyectar materiales de carga en el
baño fundido, de manera que los materiales de carga penetren en una
región inferior del baño fundido.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
en el que la etapa (b) comprende inyectar materiales de carga en
el baño fundido a través de la lanza a una velocidad comprendida en
el intervalo de 80 a 100 m/s.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en
el que la etapa (b) comprende inyectar materiales de carga en el
baño fundido a través de la lanza, a un caudal másico de hasta 2,0
t/m^{2}/s, en el que m^{2} se refiere al área de la sección
transversal del tubo de suministro de la lanza.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la etapa (b) comprende
inyectar materiales de carga en el baño fundido a través de la
lanza en una proporción de sólidos/gas de 10 a 25 kg de
sólidos/Nm^{3}/gas.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, en
el que la proporción de sólidos/gas es de 10 a 18 kg de
sólidos/Nm^{3}/
gas.
gas.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la etapa (b) comprende
inyectar materiales de carga a través de una pluralidad de lanzas
de inyección de sólidos y generar el flujo de gas de por lo menos
0,04 Nm^{3}/s/m^{2} en el interior del baño fundido.
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el flujo de gas en el
interior de baño fundido generado en la etapa (b) es de por lo
menos 0,04 Nm^{3}/s/m^{2} en la superficie nominal inactiva
del baño fundido.
9. Procedimiento según la reivindicación 8, en
el que el flujo de gas en el interior de baño fundido es de por lo
menos 0,2 Nm^{3}/s/m^{2}.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, en
el que el flujo de gas es de por lo menos 0,3
Nm^{3}/s/m^{2}.
11. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el caudal de gas en el
interior del baño fundido generado en la etapa (b) es inferior a
2 Nm^{3}/s/m^{2}.
12. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el gas que contiene oxígeno
inyectado en el baño fundido en la etapa (c) es aire o aire
enriquecido en oxígeno.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, en
el que la etapa (c) comprende inyectar aire o de aire enriquecido
en oxígeno en el crisol, a una temperatura de 800 a 1.400ºC y a una
velocidad de 200-600 m/s, a través de por lo menos
una lanza de inyección de gas con oxígeno y forzando la zona
expandida del baño fundido en la región del extremo inferior de la
lanza a alejarse de la lanza un espacio "libre" alrededor del
extremo inferior de la lanza que presenta una concentración de
material fundido inferior a la concentración del material fundido
en la zona expandida del baño fundido; disponiéndose la lanza de
manera que: (i) un eje central de la lanza está en un ángulo de 20
a 90ºC con respecto a un eje horizontal; (ii) la lanza se extiende
en el crisol a una distancia que es por lo menos el diámetro
exterior del extremo inferior de la lanza; y (iii) el extremo
inferior de la lanza es de por lo menos 3 veces el diámetro exterior
del extremo inferior de la lanza por encima de la superficie
inactiva del baño fundido.
14. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la etapa (c) comprende la
inyección de un gas que contiene oxígeno en el crisol en un
movimiento de torbellino.
15. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende controlar el nivel de
carbono disuelto en el hierro fundido, para que sea de por lo menos
el 3% en peso y mantener la escoria en un estado fuertemente
reductor, que conduce a niveles de FeO inferiores al 6% en peso, más
preferentemente inferiores al 5% en peso en la escoria.
16. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende hacer que el material
fundido se proyecte en un espacio superior por encima de la zona
expandida del baño fundido.
17. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la etapa (c) comprende la
poscombustión de los gases combustibles, de manera que el nivel de
poscombustión sea de por lo menos el 40%, en el que se define la
poscombustión como:
\frac{[CO_{2}]
+ [H_{2}O]}{[CO_{2}] + [H_{2}O] + [CO] +
[H_{2}]}
en la
que:
[CO_{2}] = % en volumen de CO_{2} en el gas
de descarga
[H_{2}O] = % en volumen de H_{2}O en el gas
de descarga
[CO] = % en volumen de CO en el gas de
descarga
[H_{2}] = % en volumen de H_{2} en el gas de
descarga.
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