ES2847874T3 - Proceso de fundición directa - Google Patents

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Abstract

Un proceso de fundición directa que incluye suministrar (a) un mineral de hierro (b) un material de alimentación carbonáceo sólido, y (c) un gas que contiene oxígeno en un recipiente de fundición directa que contiene un baño de fundido de metal y escoria y fundir directamente el mineral de hierro en el recipiente y producir productos de proceso de metal fundido, escoria fundida y un gas de escape, en donde la escoria fundida es una suspensión de una fase de óxido sólido a la temperatura de la escoria en el proceso y una fase líquida; y el proceso se caracteriza por controlar las condiciones del proceso para que: - la escoria fundida tenga una viscosidad en un intervalo de 0,5-5 poise en un intervalo de la temperatura de operación para el proceso cuando la temperatura de la escoria está en un intervalo de 1400-1550 °C en el recipiente de fundición directa, - la fase de óxido sólido en la escoria fundida está entre el 5 % y el 30 % en volumen de la escoria fundida, y - el contenido de FeO de la escoria fundida es al menos del 3 % en peso y menos del 10 % en peso, de modo que la escoria fundida tenga un alto potencial de oxígeno.

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso de fundición directa
La presente invención se refiere a un proceso para fundir un material de alimentación metalífero que es el mineral de hierro.
La presente invención se refiere particularmente, aunque no exclusivamente, a un proceso de fundición directa en baño de fundido para producir un metal fundido (término que incluye las aleaciones metálicas) a partir de un material de alimentación metalífero que es el mineral de hierro en un recipiente de fundición directa.
La presente invención se refiere más particularmente, aunque de ninguna manera exclusivamente, a un proceso de fundición directa en baño de fundido para producir un metal fundido a partir de un material de alimentación metalífero que es el mineral de hierro en un recipiente de fundición directa que tiene un baño fuerte/fuente de escoria generado por el desprendimiento de gas en el baño de fundido, siendo el desprendimiento de gas al menos en parte el resultado de la desvolatilización del material carbonáceo en el baño de fundido.
El material de alimentación metalífero es el mineral de hierro que contiene óxidos de metal. El material de alimentación metalífero puede ser minerales de hierro, minerales de hierro parcialmente reducidos y corrientes de desechos que contienen metales.
La presente invención se refiere particularmente, aunque no exclusivamente, a la fundición de material de alimentación metalífero que contiene hierro, que es un mineral de hierro.
Un proceso de fundición directa en baño de fundido conocido se denomina generalmente proceso HIsmelt, y se describe en un número considerable de patentes y solicitudes de patente a nombre del solicitante.
Otro proceso de fundición directa en baño de fundido se denomina en lo sucesivo proceso "HIsarna". El proceso y el aparato de Hisarna se describen en la solicitud internacional núm. PCT/AU99/00884 (WO 00/022176) a nombre del solicitante.
El documento núm. JP 2007 177295 A describe una etapa de reducción directa (pre-reducción) para el mineral de hierro granulado y el carbón, donde el mineral de hierro se pre-reduce del 80 al 85 %, seguido de una etapa de fundición para los gránulos pre-reducidos y para la chatarra. La etapa de fundición implica suministrar los gránulos, el carbón adicional y la chatarra a un baño de fundido de escoria y metal, junto con un gas que contiene oxígeno para la poscombustión del gas de escape del baño de fundido. El documento núm. JP 2007 177295 A enseña que la viscosidad de la escoria se controla para lograr una transferencia de calor relativamente alta desde el gas de poscombustión al baño de fundido. El documento núm. JP 2003 105452 A describe un proceso del producto de hierro que implica combinar el mineral de hierro y un reductor en una briqueta y sumergir la briqueta en la capa de escoria en un baño de fundido. El mineral de hierro se reduce por reducción directa debido a su contacto directo con el reductor en la briqueta. Un aspecto clave de este proceso es que el contenido de FeO de la escoria se mantiene bajo para garantizar que el revestimiento refractario del recipiente de fundición no se corroa fácilmente.
El proceso HIsmelt se asocia particularmente con la producción de hierro fundido a partir de mineral de hierro.
En el contexto de la producción de hierro fundido, el proceso HIsmelt incluye las etapas de:
(a) formar un baño de hierro fundido y escoria en un recipiente de fundición directa;
(b) inyectar en el baño: (i) mineral de hierro, típicamente en forma de finos; y (ii) un material carbonáceo sólido, típicamente el carbón, que actúa como un reductor del material de alimentación del mineral de hierro y como una fuente de energía; y
(c) fundir el mineral de hierro a hierro en el baño.
El término "fundición" se entiende en la presente descripción que significa un procesamiento térmico en donde tienen lugar las reacciones químicas que reducen los óxidos metálicos para producir el metal fundido.
En el proceso HIsmelt, los materiales de alimentación sólidos en forma de material metalífero y material carbonáceo sólido se inyectan con un gas portador en el baño de fundido a través de una serie de lanzas que están inclinadas hacia la vertical para extenderse hacia abajo y hacia adentro a través de la pared lateral del recipiente de fundición directa y en una región inferior del recipiente para suministrar al menos parte de los materiales de alimentación sólidos a la capa de metal en el fondo del recipiente. Los materiales de alimentación sólidos y el gas portador penetran en el baño de fundido y hacen que el metal fundido y/o la escoria se proyecten en un espacio por encima de la superficie del baño y formen una zona de transición. Un chorro de gas que contiene oxígeno, típicamente aire enriquecido con oxígeno u oxígeno puro, se inyecta en una región superior del recipiente a través de una lanza que se extiende hacia abajo para provocar la poscombustión de los gases de reacción liberados del baño de fundido en la región superior del recipiente. En la zona de transición hay una masa favorable de gotitas ascendentes y luego descendentes o salpicaduras o corrientes de metal fundido y/o escoria que proporcionan un medio efectivo para transferir al baño la energía térmica generada por los gases de reacción de poscombustión sobre el baño.
Típicamente, en el caso de producir el hierro fundido, cuando se usa aire enriquecido con oxígeno, se alimenta a una temperatura del orden de 1200 °C y se genera en estufas de chorros de calor. Si se usa oxígeno frío técnicamente puro, típicamente se alimenta a temperatura ambiente o cerca de ella.
Los gases de escape resultantes de la poscombustión de los gases de reacción en el recipiente de fundición directa se extraen de la región superior del recipiente a través de un conducto de gases de escape.
El recipiente de fundición directa incluye secciones revestidas refractarias en el crisol inferior y paneles refrigerados por agua en las paredes laterales y el techo del recipiente, y el agua circula continuamente a través de los paneles en un circuito continuo.
El proceso HIsmelt permite producir grandes cantidades de hierro fundido, típicamente al menos de 0,5 Mt/a, mediante fundición directa en un solo recipiente compacto.
El proceso HIsarna se lleva a cabo en un aparato de fundición que incluye (a) un recipiente de fundición que incluye las lanzas de inyección de sólidos y las lanzas de inyección de gas que contiene oxígeno y se adapta para contener un baño de metal fundido y (b) un ciclón de fundido para tratar previamente un material de alimentación metalífero que se coloca encima y se comunica con el recipiente de fundición.
El término "ciclón de fundido" se entiende en la presente descripción como un recipiente que define típicamente una cámara cilíndrica y se construye de modo que los materiales de alimentación suministrados a la cámara se muevan en una trayectoria alrededor de un eje central vertical de la cámara y puedan soportar altas temperaturas de funcionamiento suficiente, al menos parcialmente, para los materiales de alimentación metalíferos fundidos.
En una forma del proceso HIsarna, el material de alimentación carbonáceo (típicamente carbón) y el fundente (típicamente piedra caliza) se inyectan en un baño de fundido en el recipiente de fundición. El material de alimentación metalífero, tal como el mineral de hierro, se inyecta, se calienta y se funden parcialmente y se reduce parcialmente en el ciclón de fundido. Este material metalífero fundido, parcialmente reducido, fluye hacia abajo desde el ciclón de fundido al baño de fundido en el recipiente de fundición y se funde a metal fundido en el baño. Los gases de reacción calientes (típicamente CO, CO2, H2 y H2O) producidos en el baño de fundido se queman parcialmente por el gas que contiene oxígeno (típicamente oxígeno de grado técnico) en una parte superior del recipiente de fundición. El calor generado por la poscombustión se transfiere al material fundido en la sección superior que regresa al baño de fundido para mantener la temperatura del baño. Los gases de reacción calientes parcialmente quemados fluyen hacia arriba desde el recipiente de fundición y entran en la parte inferior del ciclón de fundido. El gas que contiene oxígeno (típicamente oxígeno de grado técnico) se inyecta en el ciclón de fundido a través de toberas que se disponen de tal manera que generan un patrón de remolino ciclónico en un plano horizontal, es decir, alrededor de un eje central vertical de la cámara del ciclón de fundido. Esta inyección de gas que contiene oxígeno conduce a una mayor combustión de los gases del recipiente de fundición, lo que da como resultado llamas muy calientes (ciclónicas). El material de alimentación metalífero entrante finamente dividido se inyecta neumáticamente en estas llamas a través de toberas en el ciclón de fundido, lo que produce un calentamiento rápido y una fundición parcial acompañada de una reducción parcial (reducción de aproximadamente 10­ 20 %). La reducción se debe a CO y H2 en los gases de reacción del recipiente de fundición. El material de alimentación metalífero caliente, parcialmente fundido, se arroja hacia afuera sobre las paredes del ciclón de fundido mediante la acción de un remolino ciclónico y, como se describió anteriormente, fluye hacia abajo en el recipiente de fundición que se encuentra más abajo para fundirse en ese recipiente.
El control del proceso en el proceso HIsmelt y el proceso Hisarna es un tema importante. Cada proceso requiere condiciones de alta agitación en el baño de fundido y en las secciones superiores del recipiente de fundición directa sobre el baño para lograr las condiciones de reacción y la transferencia de calor requeridas dentro del recipiente y minimizar la pérdida de calor a través de las paredes laterales y el techo del recipiente. Estas condiciones de reacción incluyen las condiciones relativamente oxidantes en la escoria (en comparación con, por ejemplo, un horno de chorro) y las condiciones reductoras en el hierro fundido y la transferencia de calor desde la sección superior del recipiente al baño de fundido, particularmente el hierro fundido en una sección inferior del baño de fundido.
La presente invención proporciona un proceso de fundición directa en baño de fundido como se define en la reivindicación 1 que, entre otros, incluye controlar las condiciones del proceso en un recipiente de fundición directa para que la escoria fundida en un baño de fundido de metal y la escoria en el recipiente tengan una viscosidad en un intervalo de 0,5-5 poise cuando la temperatura de la escoria está en un intervalo de la temperatura de operación para el proceso.
La presente invención proporciona un proceso de fundición directa que incluye suministrar (a) un mineral de hierro, (b) un material de alimentación carbonáceo sólido y (c) un gas que contiene oxígeno en un recipiente de fundición directa que contiene un baño de fundido de metal y escoria y fundir directamente el mineral de hierro en el recipiente y producir productos de proceso de metal fundido, escoria fundida y un gas de escape,
en donde la escoria fundida es una suspensión de una fase de óxido sólido a la temperatura de la escoria en el proceso y una fase líquida; y el proceso se caracteriza por controlar las condiciones del proceso, como se describe en la presente descripción, de modo que
- la escoria fundida tiene una viscosidad en un intervalo de 0,5-5 poise en un intervalo de la temperatura de operación para el proceso cuando la temperatura de la escoria está en un intervalo de 1400-1550 °C en el recipiente de fundición directa,
- la fase de óxido sólido en la escoria fundida está entre el 5 % y el 30 % en volumen de la escoria fundida, y - el contenido de FeO de la escoria fundida es al menos del 3 % en peso y menos del 10 % en peso, de modo que la escoria fundida tiene un alto potencial de oxígeno.
El término "material metalífero" se entiende en la presente descripción que incluye los materiales de alimentación sólidos y el material de alimentación fundido siempre que incluya el mineral de hierro. El término también incluye dentro de su alcance el mineral de hierro parcialmente reducido.
El término "escoria fundida" se entiende en la presente descripción como la escoria que es completamente líquida.
El término "escoria fundida" se entiende en la presente descripción como la escoria que incluye una suspensión de un material sólido y una fase líquida.
El material sólido en la escoria fundida puede ser una fase de óxido sólido a la temperatura de la escoria en el proceso, de manera que la escoria es una suspensión de una fase de óxido sólido en una fase de escoria líquida.
El término "condiciones del proceso" pretende en la presente descripción tener un significado amplio y extenderse, dentro del significado de acuerdo con la reivindicación 1, a (a) condiciones operativas dentro del recipiente de fundición directa, tales como la temperatura, la presión y la velocidad de inyección de los materiales de alimentación sólidos y el gas que contiene oxígeno en el recipiente, (b) la composición del baño de fundido, particularmente la composición de la escoria, y (c) las características del baño de fundido. La composición del baño de fundido puede incluir la selección de los constituyentes de la escoria, de modo que la escoria sea una escoria fundida, como se describe en la presente descripción, en el intervalo de la temperatura de operación del proceso. Como se indica en la definición de "escoria fundida" expuesta anteriormente, la escoria fundida puede incluir una fase de óxido sólido y una fase de escoria líquida en el intervalo de la temperatura de operación del proceso. Las características de la escoria fundida incluyen, a manera de ejemplo, la viscosidad y/o el potencial de oxígeno de la escoria fundida mencionada anteriormente. Las características también incluyen a manera de ejemplo, la basicidad de la escoria fundida y la turbulencia de la escoria. Estas características son una función de las condiciones operativas y la composición de la escoria.
La presente invención se basa en una comprensión del solicitante, como consecuencia del trabajo de investigación y desarrollo realizado por el solicitante, que el control de la viscosidad de la escoria en un intervalo de 0,5-5 poise en un intervalo de la temperatura de operación para el proceso de la invención proporciona una oportunidad para controlar el proceso para producir el metal fundido de manera más efectiva.
El proceso puede incluir controlar las condiciones del proceso al controlar que la composición de la escoria y la temperatura del baño de fundido estén por debajo, típicamente ligeramente por debajo, de la temperatura del líquido de la escoria, de modo que una fase de óxido sólido precipite a partir de una fase líquida de la escoria fundida, lo que controla de esta manera la viscosidad de la escoria. La temperatura real del baño de punto a punto puede variar en el recipiente debido a una variedad de factores, que incluyen la estratificación de la escoria. A los efectos de la evaluación de la viscosidad de la escoria, la temperatura del baño se toma como la temperatura del metal líquido que se descarga del recipiente cuando el proceso se ejecuta continuamente.
Los términos "viscosidad" y "temperatura del líquido" como se usa en la presente descripción se entienden que significan la viscosidad y la temperatura del líquido según lo calcula el programa informático FactSage (para la temperatura del líquido, "FactSage 6.1" o posterior y para la viscosidad "FactSage Viscosity 6.0" o posterior). Dado el potencial de resultados no estándar que surgen de diferentes técnicas de medición y cálculo, se define que la racionalización a través del cálculo de FactSage está implícita en el significado de estos términos. Tales cálculos, cuando se ejecuten, deben ser totalmente consistentes con las pautas mediante el uso del programa informático FactSage y, si es necesario, deben revisarse y autorizarse por los propietarios del programa informático FactSage. En particular, los cálculos que (deliberadamente o de cualquier otra manera) omiten determinadas combinaciones de especies químicas posibles no se considerarán consistentes con la "viscosidad" y la "temperatura del líquido" como se usa en la presente descripción.
El proceso puede incluir controlar las condiciones del proceso de modo que el material sólido en la escoria fundida sea al menos del 5 % de la escoria fundida.
El material sólido en la escoria fundida puede ser al menos del 10 % de la escoria fundida.
El material sólido en la escoria fundida puede ser menos del 30 % de la escoria fundida.
El material sólido en la escoria fundida puede ser de 15-25 % de la escoria fundida.
El material de alimentación metalífero es el mineral de hierro.
El proceso controla las condiciones del proceso, como se describe en la presente descripción, de modo que la escoria fundida tiene una viscosidad en un intervalo de 0,5-5 poise cuando la temperatura de la escoria está en un intervalo de 1400-1550 °C en el recipiente de fundición directa.
El proceso puede incluir controlar las condiciones del proceso al controlar la relación de las concentraciones del hierro en la escoria y el carbono en el metal para que sea inferior a 2:1, típicamente inferior a 1,5: 1, más típicamente de 1:1 a 1,3:1. El proceso controla las condiciones del proceso para que la escoria fundida tenga un alto potencial de oxígeno.
En el contexto del mineral de hierro, el término "alto" en el contexto de "potencial de oxígeno" se entiende en la presente descripción como alto en relación con la escoria del horno de chorro.
El proceso controla las condiciones del proceso de modo que el contenido de FeO de la escoria fundida sea al menos del 3 % en peso y menos del 10 % en peso, de modo que la escoria fundida tenga un alto potencial de oxígeno.
El proceso puede incluir controlar las condiciones del proceso de modo que el contenido de FeO de la escoria fundida sea al menos del 4 % en peso de modo que la escoria fundida tenga un alto potencial de oxígeno.
El proceso puede incluir controlar las condiciones del proceso de modo que el contenido de FeO de la escoria fundida sea al menos del 5 % en peso de modo que la escoria fundida tenga un alto potencial de oxígeno.
El proceso puede incluir controlar las condiciones del proceso de modo que el contenido de FeO de la escoria fundida sea inferior al 6 % en peso.
El proceso puede incluir controlar las condiciones del proceso de modo que el contenido de carbono de la escoria fundida sea al menos del 3 % en peso.
El proceso puede incluir controlar las condiciones del proceso de modo que el contenido de carbono de la escoria fundida sea al menos del 4 % en peso.
El proceso puede incluir controlar las condiciones del proceso de modo que el contenido de carbono de la escoria fundida sea inferior al 5 % en peso.
El proceso puede incluir controlar las condiciones del proceso de modo que la viscosidad de la escoria fundida esté en el intervalo de 0,5-4 poise.
El proceso puede incluir controlar las condiciones del proceso de modo que la viscosidad de la escoria fundida esté en el intervalo de 0,5-3 poise.
El proceso puede incluir controlar las condiciones del proceso de modo que la viscosidad de la escoria fundida sea superior a 2,5 poise.
El proceso puede incluir la adición de uno o más de un aditivo para facilitar el control de las características de la escoria fundida, por ejemplo, la composición de la escoria y/o la viscosidad de la escoria, en el baño de fundido.
A manera de ejemplo, el aditivo puede seleccionarse para controlar la basicidad de la escoria fundida, por ejemplo mediante la adición de CaO, para disminuir la viscosidad de la escoria y minimizar el riesgo de una escoria espumosa. El proceso puede incluir operar el proceso por encima de la presión atmosférica en el recipiente de fundición directa. El gas que contiene oxígeno puede ser aire enriquecido con oxígeno u oxígeno de grado técnico.
El proceso puede incluir el suministro de materiales de alimentación sólidos en el recipiente mediante la inyección del material de alimentación metalífero y el material carbonáceo sólido y un gas portador en el baño de fundido a través de las lanzas de inyección del material sólido que se extienden hacia abajo y hacia adentro a través de una pared lateral del recipiente para que los materiales de alimentación sólidos penetren al menos parcialmente en una capa de hierro fundido del baño de fundido.
El proceso puede incluir controlar el proceso, que incluye controlar la inyección de los materiales de alimentación sólidos y el gas portador, para producir una agitación sustancial del baño de fundido.
La extensión de la agitación del baño de fundido puede ser de manera que haya una temperatura sustancialmente uniforme en el baño.
El proceso puede incluir descargar el metal fundido y los productos de escoria fundida del proceso como corrientes de proceso separadas.
El proceso puede ser el proceso HIsmelt como se describió anteriormente.
El proceso puede ser el proceso HIsarna como se describió anteriormente.
La presente invención se describe en más detalle de aquí en adelante con referencia a los dibujos que se adjuntan, en los cuales:
La Figura 1 es una vista esquemática de un recipiente de fundición directa que funciona de acuerdo con una modalidad de un proceso de fundición directa de la presente invención;
La Figura 2 es un diagrama de fase terciaria para cal, alúmina y sílice en la escoria en una modalidad del proceso de fundición directa de la presente invención; y
La Figura 3 es un diagrama de fase pseudoterciaria para una escoria y trazados de líquidos de escoria separados para dos secciones marcadas del diagrama de fase para un material de alimentación con alto contenido de óxido de titanio en una modalidad del proceso de fundición directa que no pertenece a la presente invención.
Como una modalidad que no pertenece a la invención, la siguiente descripción está en el contexto de la fundición de un material de alimentación metalífero en forma de un mineral que contiene titanio/hierro, más específicamente titanomagnetita, para producir hierro fundido mediante el proceso HIsmelt. La presente invención no se limita a fundir titanomagnetita y se extiende a fundir cualquier material de alimentación metalífero adecuado. Además, la presente invención no se limita al proceso HIsmelt y se extiende a cualquier proceso basado en baño de fundido que pueda generar las condiciones de proceso necesarias. En particular, a manera de ejemplo, la presente invención se extiende al proceso HIsarna como se describió anteriormente.
Como se indicó anteriormente, el proceso HIsmelt se describe en un número considerable de patentes y solicitudes de patente a nombre del solicitante. A manera de ejemplo, el proceso HIsmelt se describe en la solicitud internacional núm. PCT/AU96/00197 a nombre del solicitante.
El proceso se basa en el uso de un recipiente de fundición directa 3.
El recipiente 3 es del tipo descrito en detalle en las solicitudes internacionales núms. PCT/AU2004/000472 y PCT/AU2004/000473 a nombre del solicitante
El recipiente 3 tiene un crisol 51 que incluye una base y los lados formados de ladrillos refractarios, una pared lateral 53 que forma un barril generalmente cilíndrico que se extiende hacia arriba desde los lados del crisol e incluye una sección de barril superior y una sección de barril inferior, un techo 55, un conducto de gases de escape 9 en una sección superior del recipiente 3, un antecrisol 67 para descargar el metal fundido continuamente del recipiente 3, y un orificio de grifo (no mostrado) para descargar la escoria fundida periódicamente del recipiente 3.
En uso, el recipiente contiene un baño de fundido de hierro y escoria que incluye una capa 15 de metal fundido y una capa 16 de escoria fundida sobre la capa de metal 15. La flecha marcada con el número 17 indica la posición de la superficie de reposo nominal de la capa de metal 15 y la flecha marcada con el número 19 indica la posición de la superficie de reposo nominal de la capa de escoria 16. Se entiende que el término "superficie de reposo" significa la superficie cuando no hay inyección de gas y materiales sólidos en el recipiente. Típicamente, la temperatura del baño de fundido está en un intervalo de 1400-1500 °C.
El recipiente 3 está equipado con una lanza de chorro de aire caliente refrigerado por agua ("HAB") 7 que se extiende hacia un espacio superior del recipiente 3 y una pluralidad de lanzas de inyección de sólidos enfriadas por agua 5 que se extienden hacia abajo y hacia adentro a través de una pared lateral y en la escoria. Las lanzas 5 se extienden hacia abajo y hacia dentro en un ángulo de 30-60° con la vertical a través de la pared lateral y dentro de la capa de escoria 16 en el baño de fundido. La posición de las lanzas 5 se selecciona de modo que los extremos inferiores estén por encima de la superficie de reposo 17 de la capa de metal 15 del baño de fundido.
En uso, en una modalidad que no pertenece a la invención, la titanomagnetita y los aditivos de la escoria y el carbón arrastrados en un gas portador (típicamente N2) se inyectan directamente en el baño a través de las lanzas de inyección de sólidos 5.
El impulso de los materiales sólidos/gas portador inyectados hace que el material sólido y el gas penetren en la capa de metal 15. El carbón se desvolatiliza y, de esta manera, produce volúmenes sustanciales de gas en la capa de metal 15.
El carbono se disuelve parcialmente en el metal y permanece parcialmente como carbono sólido. Los óxidos de hierro en la titanomagnetita se funden a metal fundido y la reacción de fundición genera el gas monóxido de carbono. Los gases transportados a la capa de metal 15 y generados a través de la desvolatilización y la fundición producen una elevación significativa de la flotabilidad del metal fundido, el carbono sólido, el material sólido sin reaccionar en la titanomagnetita (predominantemente TiO2) y la escoria (arrastrada hacia la capa de metal 15 como consecuencia de inyección/sólido/gas) de la capa de metal 15 que genera un movimiento ascendente de las salpicaduras, las gotitas y las corrientes de metal fundido y la escoria y la titanomagnetita sin reaccionar arrastrada, y estas salpicaduras, y gotitas, y corrientes arrastran la escoria a medida que se mueven a través de la capa de escoria 16.
La elevación de la flotabilidad del material descrito anteriormente provoca una agitación sustancial en la capa de metal 15 y la capa de escoria 16, con el resultado de que la capa de escoria 16 se expande en volumen y tiene una superficie indicada por la flecha 30. El grado de agitación es de manera que hay una temperatura razonablemente uniforme en las regiones de metal y escoria, típicamente, 1400-1550 °C con una variación de temperatura del orden de 30° en cada región.
Además, el movimiento hacia arriba del material descrito anteriormente se extiende hacia un espacio superior 31 del recipiente 3 que está por encima del baño de fundido en el recipiente y:
(a) forma una zona de transición 23; y
(b) proyecta algo de material fundido (predominantemente escoria) más allá de la zona de transición y sobre la sección de la pared lateral del recipiente 3 que está por encima de la zona de transición 23.
En términos generales, la capa de escoria 16 es un volumen continuo líquido, con material sólido y burbujas de gas, y la zona de transición 23 es un volumen continuo de gas con salpicaduras, gotitas y corrientes de metal fundido y escoria. Alternativamente, la capa de escoria 16 puede describirse como una suspensión de material sólido en una fase líquida con una dispersión de burbujas de gas en la fase líquida.
La posición de la lanza 7 del gas que contiene oxígeno y la velocidad de flujo del gas a través de la lanza 7 se seleccionan de modo que el gas que contiene oxígeno penetre en la región central de la zona de transición 23 y mantenga un espacio esencialmente libre de metal/escoria (no mostrado) alrededor del extremo de la lanza 7. La lanza 7 incluye un ensamble que hace que el gas que contiene oxígeno se inyecte en un movimiento de remolino en el recipiente.
La inyección del gas que contiene oxígeno a través de la lanza 7 poscombustiona los gases de reacción CO y H2 en la zona de transición 23 y en el espacio libre alrededor del extremo de la lanza 7 y genera altas temperaturas del orden de 2000 °C o más en el espacio del gas. El calor se transfiere a las gotas y las corrientes de salpicaduras ascendentes y descendentes del material de la capa de metal y luego el calor se transfiere parcialmente a la capa de metal 15 cuando el material cae hacia abajo a la capa de metal 15.
La modalidad descrita del proceso de la invención incluye controlar las condiciones del proceso de modo que la escoria fundida esté dentro de un intervalo de composición seleccionado, de modo que la escoria sea una escoria fundida, como se describe en la presente descripción, en el intervalo de la temperatura de operación de 1400-1550 °C del proceso, con un alto potencial de oxígeno y una viscosidad en un intervalo de 1-5 poise cuando la temperatura de la escoria está en un intervalo de 1400-1550 °C en el recipiente 3.
El control necesario de las condiciones del proceso puede lograrse mediante una o más de un intervalo de opciones, que incluyen, pero no se limitan al control del contenido de FeO de la escoria fundida para lograr el alto potencial de oxígeno requerido y el control del contenido de CaO de la escoria fundida para lograr la viscosidad requerida en el intervalo de 1­ 5 poise cuando la temperatura de la escoria está en el intervalo de 1400-1550 °C en el baño de fundido en el recipiente 3.
Más particularmente, en una modalidad que no pertenece a la invención, cuando se usa la alimentación de titanomagnetita, el control necesario de las condiciones del proceso incluye la selección de las materias primas de alimentación y las condiciones operativas para que la escoria fundida tenga los siguientes constituyentes en el intervalo establecido de 1400-1550 °C del baño de fundido:
TiO2: al menos el 15 % en peso,
SiO2: al menos el 15 % en peso,
CaO: al menos el 15 % en peso,
Al2O3: al menos el 10 % en peso, y
FeO: al menos el 3 % en peso.
Cuando se usa mineral de hierro normal, la limitación del porcentaje de TiO2 en la escoria no se tiene en cuenta.
Más particularmente, el control necesario de las condiciones del proceso incluye controlar la composición de la escoria y la temperatura de operación de modo que la escoria fundida sea sublíquida, preferentemente de manera ligera sublíquida, para esa composición de escoria en el intervalo establecido de 1400-1550 °C, de modo que una fase de óxido sólido precipite de la escoria líquida en una cantidad de 5-25 % en volumen de la escoria. La escoria fundida resultante es una suspensión de una fase de óxido sólido en una fase de escoria líquida. La fase de óxido sólido precipitado contribuye a controlar la viscosidad de la escoria fundida como se requiere para la modalidad descrita del proceso. Además, la escoria fundida viscosa es muy adecuada para formar un revestimiento protector sobre los refractarios del recipiente en contacto con la escoria.
La Figura 2 es un diagrama de fase terciaria para tres constituyentes principales de la escoria de cal, alúmina y sílice en una modalidad del proceso de fundición directa de la presente invención. Más particularmente, el diagrama de fases se enfoca en dos constituyentes principales de ganga de alúmina y sílice y un aditivo fundente, específicamente, cal. El diagrama de fases se obtuvo de FactSage 6.1. El diagrama de fases ilustra el impacto de la composición de la escoria en las fases de la escoria. En particular, puede determinarse a partir de la Figura 2 que si se requiere una escoria de mayor viscosidad (es decir, al menos 2,5 poise), esto puede lograrse al controlar la composición de la escoria, por ejemplo, mediante el ajuste de la adición de cal y otras condiciones del proceso para precipitar la fase sólida de melilita de la escoria fundida.
La Figura 3 es un diagrama de fase pseudoterciaria para una escoria y trazados de líquidos de escoria separados para dos secciones marcadas del diagrama de fase para un material de alimentación con alto contenido de óxido de titanio en una modalidad del proceso de fundición directa que no pertenece a la presente invención. El diagrama de fases se centra en (a) tres componentes principales de ganga, específicamente, alúmina, magnesia y sílice, (b) un aditivo fundente, específicamente, cal, y (c) titania. El diagrama de fases se obtuvo de investigadores de la Universidad de Queensland. El diagrama de fases define una ventana de operación para las composiciones de escoria que proporcionan las viscosidades de escoria requeridas de 1-5 poise para el proceso. La Figura resalta dos secciones del diagrama de fase y estas secciones muestran el cambio significativo en las temperaturas del líquido en las composiciones seleccionadas. Es particularmente evidente a partir de estas secciones el alcance considerable para precipitar las fases sólidas y de esta manera cambiar la viscosidad de la escoria cuando la temperatura de la escoria está en el intervalo de 1400-1550 °C en el baño de fundido en el recipiente 3.
En términos más generales, las siguientes características del proceso, por separado o en combinación, son parámetros de control relevantes del proceso.
(a) Controlar la existencia de la escoria, es decir, la profundidad de la capa de escoria y/o la relación escoria/metal (típicamente la relación en peso de metal:escoria debe estar entre 3:1 y 1:1), para equilibrar el efecto positivo del metal en la zona de transición 23 sobre la transferencia de calor con el efecto negativo del metal en la zona de transición 23 sobre la poscombustión debido a las reacciones posteriores en la zona de transición 23. Si la existencia de la escoria es demasiado baja, la exposición del metal al oxígeno es demasiado alta y hay un potencial reducido de poscombustión. Por otro lado, si la existencia de la escoria es demasiado alta, la lanza 7 quedará enterrada en la zona de transición 23 y se reducirá el arrastre de gas al espacio libre 25 y se reducirá el potencial de poscombustión.
(b) Seleccionar la posición de la lanza 7 y controlar las velocidades de inyección del gas que contiene oxígeno y los sólidos a través de la lanza 7 y las lanzas 5 para mantener la región esencialmente libre de metal/escoria alrededor del extremo de la lanza 7 y para formar la zona de transición 23 alrededor la sección inferior de la lanza 7.
(c) Controlar la pérdida de calor del recipiente salpicando con la escoria las secciones de la pared lateral del recipiente 3 que están en contacto con la zona de transición 23 o están por encima de la zona de transición 23 mediante el ajuste de uno o más de:
(i) la existencia de la escoria; y
(ii) la velocidad del flujo de inyección a través de la lanza 7 y las lanzas 5.
A manera de ejemplo, si bien la modalidad descrita arriba se refiere al proceso Hismelt, la presente invención no se limita y se extiende a cualquier proceso de fundición directa en baño de fundido que tenga las características de acuerdo con la reivindicación 1, para producir el metal fundido a partir de un material de alimentación metalífero en un recipiente de fundición directa que tiene un baño fuerte/fuente de escoria generado por el desprendimiento de gas en el baño de fundido, siendo el desprendimiento de gas al menos en parte el resultado de la desvolatilización del material carbonáceo en el baño de fundido. Por ejemplo, el proceso Hisarna es otro de esos procesos.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un proceso de fundición directa que incluye
suministrar (a) un mineral de hierro (b) un material de alimentación carbonáceo sólido, y (c) un gas que contiene oxígeno en un recipiente de fundición directa que contiene un baño de fundido de metal y escoria y fundir directamente el mineral de hierro en el recipiente y producir productos de proceso de metal fundido, escoria fundida y un gas de escape,
en donde la escoria fundida es una suspensión de una fase de óxido sólido a la temperatura de la escoria en el proceso y una fase líquida; y
el proceso se caracteriza por
controlar las condiciones del proceso para que:
- la escoria fundida tenga una viscosidad en un intervalo de 0,5-5 poise en un intervalo de la temperatura de operación para el proceso cuando la temperatura de la escoria está en un intervalo de 1400-1550 °C en el recipiente de fundición directa,
- la fase de óxido sólido en la escoria fundida está entre el 5 % y el 30 % en volumen de la escoria fundida, y - el contenido de FeO de la escoria fundida es al menos del 3 % en peso y menos del 10 % en peso, de modo que la escoria fundida tenga un alto potencial de oxígeno.
2. El proceso definido en la reivindicación 1 incluye controlar las condiciones del proceso al controlar que la composición de la escoria y la temperatura del baño de fundido estén por debajo de la temperatura del líquido de la escoria, de modo que una fase de óxido sólido precipite de una fase líquida de la escoria fundida, lo que controla de esta manera la viscosidad de la escoria.
3. El proceso definido en la reivindicación 2 incluye controlar las condiciones del proceso de modo que el material sólido en la escoria fundida sea el 15-25 % de la escoria fundida.
4. El proceso definido en la reivindicación 1 incluye controlar las condiciones del proceso al controlar que la relación de las concentraciones del hierro en la escoria respecto al carbono en el metal sea menor que 2:1.
5. El proceso definido en la reivindicación 1 incluye controlar las condiciones del proceso al controlar que la relación de las concentraciones del hierro en la escoria respecto al carbono en el metal sea menor que 1,5:1.
6. El proceso definido en la reivindicación 1 incluye controlar las condiciones del proceso al controlar que la relación de las concentraciones del hierro en la escoria respecto al carbono en el metal que sea de 1:1 a 1,3:1.
7. El proceso definido en cualquiera de las reivindicaciones anteriores incluye controlar las condiciones del proceso de modo que la escoria fundida tenga un alto potencial de oxígeno en relación con la escoria de horno de chorro.
8. El proceso definido en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el proceso incluye controlar las condiciones del proceso de modo que el contenido de carbono de la escoria fundida sea al menos del 3 % en peso.
9. El proceso definido en cualquiera de las reivindicaciones anteriores incluye controlar las condiciones del proceso de modo que la viscosidad de la escoria fundida esté en el intervalo de 0,5-4 poise.
10. El proceso definido en la reivindicación 9 incluye controlar las condiciones del proceso de modo que la viscosidad de la escoria fundida esté en el intervalo de 0,5-3 poise.
11. El proceso definido en la reivindicación 9 incluye controlar las condiciones del proceso de modo que la viscosidad de la escoria fundida sea superior a 2,5 poise.
12. El proceso definido en cualquiera de las reivindicaciones anteriores incluye controlar el proceso para producir una agitación sustancial del baño de fundido.
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