ES2712671T3 - Horno metalúrgico - Google Patents

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Abstract

Un horno metalurgico, que comprende: al menos un tubo superior (1); al menos un tubo inferior (2); al menos un alimentador de combustible solido situado sustancialmente entre al menos un tubo superior (1) y al menos un tubo inferior (2); y al menos una fila de toberas (4) situadas en al menos un tubo superior (1) y al menos una fila de toberas (3) situadas en al menos un tubo inferior (2), al menos una fila de toberas (3, 4) en comunicacion fluida dentro del horno con el ambiente exterior; caracterizado por que comprende ademas: un quemador (10) situado en al menos una tobera (4) en la al menos una fila de toberas en el tubo superior (1) y un quemador situado en al menos una tobera (3) en al menos una fila de toberas en el tubo inferior (2), en donde el quemador esta dispuesto para quemar una mezcla de comburente soplado en la tobera y combustible inyectado en el mismo de modo que haya una liberacion de calor en el horno.

Description

DESCRIPCION
Horno metalurgico
Campo tecnico
La presente invencion se refiere a procedimientos y equipos metalurgicos. Mas particularmente, la presente invencion se refiere a procedimientos y equipos metalurgicos para producir aleaciones metalicas.
Descripcion del estado de la tecnica
Ya se conocen procedimientos clasicos de obtencion de arrabio como, por ejemplo, los altos hornos y los hornos de reduccion electrica. Tambien se conocen otros procedimientos para obtener aleaciones a partir de oxido de hierro o minerales de hierro despues del acondicionamiento del tamano de partfcula, granulados clasicos u otros aglomerados tradicionales, para obtener, mediante operaciones tradicionales en estos hornos, hierro lfquido o solido de una composicion determinada.
En los altos hornos, la carga que puede comprender mineral clasificado, granulados, sinterizados u otros aglomerados clasicos, coque y piedra caliza se cargan secuencialmente a traves de la parte superior del horno, formando una columna continua. El aire atmosferico se introduce en la parte inferior del alto horno, precalentado en calentadores regenerativos o no, a una temperatura aproximada de 300 a 1200 °C, por medio de una fila de toberas en la parte superior de un crisol. En este sitio, se forma una zona que tiene una atmosfera reductora debido a la presencia de monoxido de carbono, formado por la reaccion de CO2 con el carbono del coque. Este CO se combina con el oxfgeno del oxido de hierro, reduciendolo a hierro metalico y produciendo arrabio.
Las impurezas, es decir, la ganga mineral y la ceniza de coque forman con piedra caliza una escoria lfquida, menos densa, que flota en la superficie del arrabio fundido.
Los gases formados en contracorriente con la carga lo precalientan y lo dejan desde la parte superior. Este gas se compone principalmente de CO, CO2, H2 y N2 , enviandose a los precalentadores regeneradores de aire de combustible que entran en el horno y en los otros dispositivos de calefaccion.
Tambien se sabe que, en los granulados clasicos, la reduccion se lleva a cabo reduciendo la carga oxidada por el CO generado por la combustion parcial del coque. El CO se propaga al interior del aglomerado o de las partfculas de mineral, la reduccion se produce de acuerdo con la reaccion MeO CO ^ Me CO2. El CO2 generado en esta reaccion se propaga en direccion opuesta al CO y se incorpora a la corriente de gas que sale del horno a traves de la parte superior. Esta reaccion requiere un cierto tiempo para la difusion completa de CO dentro del mineral o el granulado clasico, lo que requiere hornos con altos tiempos de residencia en el interior del mismo, como es tfpico de los altos hornos.
Los granulados autorreductores, a su vez, presentan condiciones de reduccion considerablemente mas favorables. El contacto mas mtimo entre el mineral o el oxido y el material de carbono, que estan finamente divididos, proporciona un menor tiempo de reaccion en la medida en que no hay necesidad de la etapa de difusion de CO hacia el interior de la, la reduccion que se produce por las siguientes reacciones, preconstruido dentro del granulado con este objetivo:
2MeO C ^ 2Me CO2
CO2 + C ^ 2CO
MeO CO ^ Me CO2
En este sentido, el aglomerado mismo establece, en la practica, un sistema semicerrado en el que la atmosfera es reductora durante todo el penodo de tiempo en el que el carbono esta disponible en el interior. Como alternativa, los aglomerados autorreductores, como su propio nombre, mantienen en su interior una atmosfera autorreductora que no depende de las caractensticas de la atmosfera exterior, es decir, del tipo de atmosfera existente dentro del horno de cuba provisto por los gases en aumento.
Por consiguiente, es posible convertir en energfa para el procedimiento el CO presente en la atmosfera del horno que se origina a partir de la combustion parcial del combustible y de la reaccion de reduccion que se procesa dentro de los granulados.
Por el contrario, en los procedimientos de fusion en los hornos de cuba, la presencia de coque u otro combustible solido, cargado a traves de la parte superior durante la operacion, corre una trayectoria descendente con el resto de la carga, reaccionando con el aumento de CO2 en un regimen contracorriente, segun la reaccion de Boudouard CO2 + C ^ 2CO, el consumo de material de carbono por lo tanto es mayor, sin resultar en una utilizacion efectiva en el procedimiento de reduccion-fusion. Si fuera posible quemar este gas de CO en el procedimiento mismo, se obtendna una mayor eficiencia, lo que resultana en una econoirna de coque combustible en los hornos de cupula y de combustible y de reduccion en los hornos altos, como en el caso de todos los demas hornos de cuba empleados. en reduccion / fusion o simplemente fusion de cualquier otra aleacion de metal.
El documento PI9403502-4, propiedad del solicitante, resuelve el problema antes citado proporcionando un horno que comprende un alimentador de combustible separado de la entrada de carga (materia prima). Particularmente, el horno descrito en el documento PI9403502-4 presenta un tubo superior, que recibe la carga (oxidos / minerales, por ejemplo) y un tubo inferior, y el combustible se inserta aproximadamente en la union entre los dos tubos.
Los gases que se originan en la zona inferior, en contracorriente a la carga, transfieren a la misma la energfa termica necesaria para el calentamiento y para la reduccion o fusion simple. Dado que la carga en el tubo superior no presenta coque, carbon ni ningun otro combustible solido, no se produce la reaccion de Boudouard (CO2 + C ^ 2CO), que es endotermica, y que ademas consume cantidades apreciables de carbono. Asf que los gases de escape que salen del equipo son esencialmente CO.2 y N2.
Sin embargo, a pesar de tener innumerables ventajas, como las citadas anteriormente, el horno descrito en el documento PI9403502-4 no permite el uso de materias primas o combustibles con un alto contenido de impurezas porque generalmente no proporcionan suficiente calor para fundir muchas de estas impurezas. El artfculo " Oxy-Fuel Burner Technology for Cupola Melting" of T. Niehoff et. al. (XP008184030) presentado durante la 2a Conferencia internacional de cupula - Trier 19.03.2004 trata, entre otras cosas, un horno de cupula Whitting equipado con tres quemadores de combustible de aire para quemar el gas de la parte superior de la cupula justo al final del eje en el que se instalan seis quemadores-toberas dentro de su seccion inferior.
Objetivos de la invencion
El objetivo de la presente invencion es proporcionar un horno metalurgico con una potencia termica alta y eficiente capaz de usar materias primas y combustibles con altos niveles de impurezas.
Sumario de la descripcion de la invencion
Para lograr los objetivos descritos anteriormente, la presente invencion proporciona un horno metalurgico, que comprende (i) al menos un tubo superior, (ii) al menos un tubo inferior, (iii) al menos un alimentador de combustible situado sustancialmente entre al menos un tubo superior y al menos un tubo inferior, y (iv) al menos una fila de toberas situadas en al menos uno de al menos un tubo superior y al menos una fila de toberas situadas en al menos un tubo inferior al menos una fila de toberas que se comunican de manera fluida dentro del horno con el ambiente exterior, en el que el horno de la presente invencion comprende adicionalmente (v) al menos un quemador situado en al menos una tobera en al menos una fila de toberas en el tubo superior y un quemador situado en al menos una tobera en al menos una fila de toberas en el tubo inferior. El quemador esta dispuesto para quemar una mezcla de comburente soplado en la tobera y combustible inyectado en el mismo, de modo que haya una liberacion de calor en el horno.
Descripcion de los dibujos
La descripcion detallada expuesta mas adelante hace referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- La figura 1 ilustra una primera realizacion del horno metalurgico de acuerdo con la presente invencion;
- la figura 2 ilustra una segunda realizacion del horno metalurgico segun la presente invencion;
- la figura 3 ilustra un quemador de acuerdo con una realizacion preferida de la presente invencion;
- la figura 4 ilustra dispositivos de evacuacion de gas de acuerdo con una realizacion alternativa de la presente invencion.
Descripcion detallada de la invencion
La siguiente descripcion se basa en una realizacion preferida de la invencion. Como sera evidente para cualquier experto en la materia, sin embargo, la invencion no se limita a esta realizacion particular.
La presente invencion proporciona un horno metalurgico dotado de innovaciones que permiten el consumo de diferentes materiales combustibles para generar energfa para el procedimiento, ademas del uso de materias primas con altos niveles de impurezas en comparacion con las tecnicas clasicas de metalurgia. Ademas, el horno de la presente invencion permite quemar el CO o cualquier otro gas combustible presente en el gas ascendente, como el H2 , CH4, etc.
El horno metalurgico de la presente invencion se ilustra en figuras 1 y 2, estando esencialmente compuesto por un tubo superior 1 donde se carga la carga (materia prima) en el horno. Como se puede observar, la figura 1 ilustra un tubo en forma de cilindro (seccion transversal circular), mientras que la figura 2 Muestra un tubo en forma de paralelepfpedo (seccion transversal rectangular). Por lo tanto, se enfatiza que la presente invencion no esta limitada a ninguna forma espedfica del horno.
En el tubo superior 1 hay un conjunto de al menos una fila de toberas secundarios 4, que son, preferentemente orificios que permiten el inflado del aire atmosferico caliente o fno para quemar el CO y otros gases combustibles presentes en el gas ascendente. El aire inflado puede comprender potencialmente el enriquecimiento de O2. Ademas, se puede inyectar combustible gaseoso, lfquido o solido a traves de las toberas 4 junto con el aire inflado. El horno de la presente invencion comprende ademas un tubo inferior 2, que tiene una seccion transversal preferentemente circular o rectangular, que tiene un diametro o que esta suficientemente dimensionado para alimentar el combustible solido. El diametro o ancho de la seccion transversal del tubo 2 es mayor que el del tubo 1 suficiente para posicionar los alimentadores de combustible. En los alimentadores, ubicados alrededor de la union del tubo superior 1 con el tubo inferior 2, se pueden acoplar conductos de suministro de combustible 5 para garantizar la carga de combustible en el lecho del horno, evitando que se produzca un arrastre de carga cuando se utilizan materiales finos. Con el descenso de la carga en el alimentador, se produce precalentamiento, presecado y destilacion de las fracciones volatiles presentes en los combustibles solidos y los residuos de carbon combustible. El tubo inferior 2 tiene una o mas filas de toberas primarias 3 que, al igual que las toberas secundarias descritas anteriormente, son para inflar aire caliente o fno, y tambien pueden enriquecerse con O2 o no. Los combustibles solidos en forma de polvo, lfquido o gaseoso tambien pueden inyectarse para quemar parcialmente el combustible, produciendo gas y proporcionando la energfa termica necesaria para la reduccion y / o fusion de la carga.
Si el aire caliente se infla en las toberas primarias 3 y / o secundarias 4 se pueden usar conjuntos de inflado, como se ilustra en figura 2, que se pueden conectar a cualquier sistema de calefaccion de aire (no mostrado) conocido en el estado de la tecnica.
Opcionalmente, el tubo inferior 2 puede tener un revestimiento refractario y / o tener paneles enfriados.
Adicionalmente, al menos parte de las toberas primarias o secundarias 3, 4 comprende quemadores de gas 10, como se ilustra en figura 3. Estos quemadores 10, situados en las toberas 4 preferentemente, comprenden un tubo coaxial, es decir, un tubo central pequeno 12, a traves del cual se inyecta el combustible, y un tubo exterior 14 que lo envuelve, a traves del cual se sopla el aire a traves de las toberas 3, 4 o cualquier otro comburente. De este modo, el aire inflado pasa a traves del tubo exterior del quemador, mientras que el combustible pasa a traves del tubo central 12. El aire se mezcla con el combustible para quemar la mezcla en la region 16 aguas abajo del quemador, y esta region 16 se encuentra dentro del horno. De este modo, se garantiza una mayor seguridad para el procedimiento de combustion, ya que la mezcla del combustible con el comburente y la posterior combustion solo se producen dentro del horno.
La combinacion del aire soplado en las toberas. 3, 4 con el combustible inyectado (gas, lfquido o solido) y quemado en los quemadores 10 genera una liberacion muy intensa de calor en virtud de las reacciones exotermicas que se producen por esta combinacion.
La combustion completa del CO y de los gases combustibles presentes puede generar productos gaseosos tales como CO 2 y H2O.
C O2 —— CO2
CO / O2 — CO2
2H2 O2 — 2H2O
Los materiales fundidos salen del equipo por la parte inferior de un crisol, situado en la parte inferior del tubo inferior 2, a traves de la toma o tomas de salida de una manera continua o no.
Este calor adicional proporcionado por los quemadores es extremadamente necesario para materias primas con un alto contenido de impurezas, es decir, la ganga de mineral y las cenizas del coque o carbon vegetal, ya que terminan extrayendo mucho calor del procedimiento. Por lo tanto, la combinacion de aire soplado en las toberas 3, 4 con combustible inyectado (gas, lfquido o solido) y quemado en los quemadores 10 genera el calor necesario para reducir las materias primas con un alto contenido de impurezas y para fundir la alta cantidad de escoria generada por estas impurezas.
Ademas de los productos de combustion, la combustion asistida por la combustion de los quemadores 10 proporciona suficiente calor para la carga de aglomerados, aglomerados de combustible, arrabio, chatarra, hierro esponja, minerales o composicion de proporciones variadas de estos materiales, lo que permite una amplia gama de materias primas y combustibles para llevar a cabo el procedimiento de trabajo del metal de la preparacion de las aleaciones.
El horno de la presente invencion, por lo tanto, permite que el combustible no se cargue con la carga en la parte superior del tubo, diferenciandose asf de los procedimientos de fabricacion clasicos y, en consecuencia, evitando las reacciones de gasificacion del carbono (reacciones de Boudouard) y aumentando tanto el calor como el consumo de combustible en el horno.
Con las mejoras relacionadas con los tubos y las distintas zonas de reaccion, la flexibilidad en terminos de forma de los tubos y la presencia de quemadores en las toberas, el horno de acuerdo con la presente invencion hace un mejor uso del calor de la combustion del combustible, reduciendo el consumo y potenciando el rendimiento. Esto se debe a que, a diferencia de las tecnologfas de fabricacion clasicas, como los altos hornos u otros hornos de cuba, el monoxido de carbono y otros gases formados en la parte inferior del horno pueden quemarse en la parte superior, transfiriendo energfa termica a la carga que desciende por el tubo. En otras palabras, los gases que se originan en la zona inferior, a contracorriente con la carga, se queman en el tubo superior y transfieren la energfa termica necesaria para el calentamiento, a la reduccion y / o fusion simple de la carga.
El horno metalurgico propuesto en la presente invencion, debido a su alto poder calonfico y eficiencia, permite una mayor flexibilidad en las operaciones, y puede usarse para fundir chatarra, arrabio, esponja, materiales metalicos que proceden de hornos de fundicion o acenas, asf como cualquier aleacion, tales como, por ejemplo, aquellas usadas en hornos de cupula clasicos.
Opcionalmente, la presente invencion proporciona valvulas de cierre hermetico para la alimentacion de combustible solido. Tambien opcionalmente, la seccion del alimentador de combustible solido puede comprender dispositivos de evacuacion de gas por medio de valvulas de control de flujo 6 (figura 4) capaces de garantizar el paso de una cierta cantidad de gases para promover el precalentamiento, el secado previo y la destilacion de las fracciones volatiles presentes en varios combustibles solidos. En particular, los dispositivos de evacuacion de gas permiten el intercambio de gases entre los conductos de suministro de combustible. 5 y el tubo superior 1.
Existen innumerables variaciones dentro del alcance de la proteccion de la presente solicitud. Por consiguiente, se enfatiza que la presente invencion no esta limitada a las disposiciones / realizaciones particulares descritas anteriormente.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un horno metalurgico, que comprende:
al menos un tubo superior (1);
al menos un tubo inferior (2);
al menos un alimentador de combustible solido situado sustancialmente entre al menos un tubo superior (1) y al menos un tubo inferior (2); y
al menos una fila de toberas (4) situadas en al menos un tubo superior (1) y al menos una fila de toberas (3) situadas en al menos un tubo inferior (2), al menos una fila de toberas (3, 4) en comunicacion fluida dentro del horno con el ambiente exterior;
caracterizado por que comprende ademas:
un quemador (10) situado en al menos una tobera (4) en la al menos una fila de toberas en el tubo superior (1) y un quemador situado en al menos una tobera (3) en al menos una fila de toberas en el tubo inferior (2), en donde el quemador esta dispuesto para quemar una mezcla de comburente soplado en la tobera y combustible inyectado en el mismo de modo que haya una liberacion de calor en el horno.
2. El horno metalurgico de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que el al menos un quemador (10) comprende un tubo central (12), a traves del cual se inyecta el combustible, y un tubo exterior (14) que lo envuelve, a traves del cual pasa un comburente
3. El horno metalurgico de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que el comburente es aire atmosferico inflado por las toberas (3, 4).
4. El horno metalurgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el comburente y el combustible del quemador (10) se mezclan y queman en una region (16) aguas abajo del quemador, dentro del horno.
5. El horno metalurgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que comprende adicionalmente al menos un conducto de suministro de combustible (5) acoplado a al menos un alimentador de combustible.
6. El horno metalurgico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el al menos un alimentador de combustible comprende al menos uno de una valvula de cierre hermetico y un dispositivo de evacuacion de gas (6).
7. El horno metalurgico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que al menos uno de al menos un tubo superior (1) y al menos un tubo inferior (2) comprende una seccion transversal circular o rectangular.
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