ES2912077T3

ES2912077T3 - Sistema para controlar la inyección de una tobera de horno de oxígeno básico

Info

Publication number: ES2912077T3
Application number: ES20185446T
Authority: ES
Inventors: Anandkumar Makwana; Anup Vasant Sane; Michael David Buzinski; Gregory J Buragino
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2020-07-13
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2040-07-13
Also published as: US11155890B2; KR20210010363A; EP3766598B1; BR102020014409A2; US20210017616A1; KR102342201B1; PL3766598T3; CN112239798B; CN112239798A; JP7007431B2; EP3766598A1; JP2021017653A

Abstract

Sistema (100) para controlar una tobera (10), comprendiendo la tobera (10): un tubo interior (30) que incluye una sección inferior (32) que tiene un primer diámetro, una sección superior (36) que tiene un segundo diámetro que es menor que el primer diámetro, y una sección de transición convergente (34) que tiene un ángulo convergente Θ comprendido entre 30° y 60°, que conecta la sección inferior del tubo interior (32) con la sección superior del tubo interior (36), terminando el tubo interior (30) en una boquilla interior (38) en un extremo de más abajo de la sección superior del tubo interior (36); y un tubo exterior (20) que rodea el tubo interior (30) para crear un anillo entre ambos, incluyendo el tubo exterior (20) una sección inferior (22) que tiene un tercer diámetro que es mayor que el primer diámetro, una sección superior (26) que tiene un cuarto diámetro que es menor que el tercer diámetro pero mayor que el segundo diámetro, y una sección de transición convergente (24) que conecta la sección inferior del tubo exterior (22) a la sección superior del tubo exterior (26), terminando el tubo exterior (20) en una boquilla exterior (28) en un extremo de más abajo de la sección superior del tubo exterior (26); comprendiendo el sistema (100) dicha tobera (10), donde el sistema (100) comprende, además: una primera válvula de gas inerte (72) configurada para suministrar un gas inerte al tubo interior (30) y una válvula de combustible (74) configurada para suministrar un combustible al tubo interior (30); una segunda válvula de gas inerte (62) configurada para suministrar un gas inerte al tubo exterior (20) y una válvula de oxidante (64) configurada para suministrar un oxidante al tubo exterior (20); y un controlador (80) programado para accionar la tobera (10) en un modo de agitación o un modo de quemador, en el que, en el modo de agitación la primera válvula de gas inerte (72) y la segunda válvula de gas inerte (62) están abiertas, mientras que la válvula de combustible (74) y la válvula de oxidante (64) están cerradas, y en el que en el modo de quemador la válvula de combustible (74) y la válvula de oxidante (64) están abiertas mientras que la primera válvula de gas inerte (72) y la segunda válvula de gas inerte (62) están cerradas; de modo que la tobera (10) puede funcionar en dos modos, un modo de agitación en el que un chorro formado por la tobera está en el modo de chorro con un número de Mach de expansión de más de 1,25 a 2, y un modo de quemador en el que se forma una llama estable no premezclada, para permitir la eliminación de cualquier bloqueo en la boquilla interior (38) o la boquilla exterior (28).

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema para controlar la inyección de una tobera de horno de oxígeno básico

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Esta solicitud se refiere a una tobera para mejorar la operatividad de la utilización de gas inerte para agitar por el fondo un horno de oxígeno básico (BOF, Basic Oxygen Furnace).

Los BOF han sido utilizados comúnmente desde mediados del siglo XX para convertir arrabio en acero, principalmente mediante la utilización de oxígeno para eliminar el carbono y las impurezas. El BOF fue una mejora con respecto al proceso de Bessemer anterior, que inyectaba aire en el arrabio para conseguir la conversión. En un BOF, inyectar oxígeno a través del arrabio fundido reduce el contenido de carbono del metal y lo convierte en acero con bajo contenido de carbono. El proceso utiliza, asimismo, fundentes de cal quemada o dolomita, que son bases químicas, para favorecer la eliminación de impurezas y proteger el revestimiento de la vasija.

En el BOF, se inyecta oxígeno a una velocidad supersónica en el baño utilizando una lanza superior, que provoca una reacción exotérmica de oxígeno y carbono, generando así calor y eliminando el carbono. Los ingredientes, incluido el oxígeno, son modelizados, y se inyecta la cantidad precisa de oxígeno para que la química y la temperatura objetivo se alcancen en aproximadamente 20 minutos.

La metalurgia y la eficiencia de la inyección de oxígeno son mejoradas mediante la agitación del fondo (que también se puede denominar inyección combinada); básicamente, la agitación del metal fundido mediante la introducción de gas desde abajo mejora la cinética y homogeneiza la temperatura, permitiendo un mejor control de la relación carbono-oxígeno y la eliminación del fósforo.

Es relativamente común fuera de los Estados Unidos utilizar un gas inerte, tal como argón y/o nitrógeno, para la agitación del fondo. Los beneficios de la agitación del fondo del BOF incluyen un rendimiento potencialmente mayor y una mayor eficiencia energética. Sin embargo, la agitación del fondo del BOF no es común en los Estados Unidos, debido a la poca fiabilidad y a la dificultad del mantenimiento de las boquillas de agitación del fondo debido a las prácticas de salpicadura de escoria comúnmente utilizadas en los Estados Unidos. La salpicadura de escoria ayuda a mejorar la vida útil del refractario y de la vasija, pero provoca el bloqueo de las boquillas de agitación del fondo existentes.

Incluso en instalaciones fuera de los Estados Unidos que emplean agitación del fondo del BOF, la vida útil de las boquillas de agitación del fondo existentes, antes de que se obstruyan u ocluyan, a menudo es significativamente menor que la duración de una campaña del horno. Por ejemplo, no es raro que una campaña de BOF ejecute diez mil, quince mil o incluso veinte mil encendidos, pero las boquillas de agitación del fondo rara vez duran más de entre tres y cinco mil encendidos antes de dejar de ser utilizables. Por lo tanto, durante como mínimo la mitad, y en algunos casos hasta el 85 % de la campaña del horno, no se dispone de agitación del fondo.

Históricamente, otras operaciones que introducen gases desde debajo del metal fundido han sido utilizadas de vez en cuando en la obtención de acero. Por ejemplo, en la década de 1970 se desarrollaron procesos para utilizar oxígeno para la descarburación en la obtención de acero mediante la inyección de gas natural (o de otros gases utilizados como refrigerantes), junto con el oxígeno, a través de toberas con boquillas concéntricas (normalmente con flujo de oxígeno a través de la boquilla central interior y flujo de combustible a través de la boquilla anular exterior). Por ejemplo, un proceso con el 100 % de inyección desde el fondo (OBM) utiliza gas natural para proteger las toberas que inyectan oxígeno en el proceso. También se han utilizado algunas variantes de este proceso, tales como el Q-BOP (Quick - Basic Oxygen Process, proceso de oxígeno básico rápido), que también inyecta cal en polvo a través de las toberas. Estos procedimientos se describen, por ejemplo, en el Capítulo 8: Oxygen Steelmaking Furnace Mechanical Description and Maintenance Considerations; Capítulo 9: Oxygen Steelmaking Furnace Processes; Fruehan, R.J., The Making, Shaping and Treating of Steel: Steelmaking and Refining Volume, 11a edición, AIST, 1998, ISBN: 0930767020; y en https://mme.iitm.ac.in/shukla/BOF%20steelmaking%20process.pdf. Estos procesos terminan normalmente con un mayor desgaste del fondo y necesitan un reemplazo del fondo a la mitad de las campañas del horno.

En otros casos, los flujos de gas inerte se mantienen a caudales altos todo el tiempo, incluso cuando no se necesita agitar el fondo para combatir el potencial de obstrucción, lo que es ineficiente y utiliza cantidades excesivas de gases inertes. Véase, por ejemplo, Mills, Kenneth C., et al. “A review of slag splashing” ISIJ internacional 45.5 (2005): 619-633); y https://www.jstage.jstgo.jp/article/isijinternational/45/5/45_5_619/_pdf.

En otros casos adicionales, las composiciones químicas de la escoria han sido modificadas en combinación con flujos un 50 % mayores utilizados para agitación en caso de que se detecte una obstrucción. Véase, por ejemplo, “Experience with long BOF campaign life and TBM bottom stirring technology”, de Guoguang, Zhao & Hüsken, Rainer & Cappel, Jürgen. (2012), Stahl und Eisen, 132. 61-78 (que mejoró la vida útil de la tobera a entre 8.000 y 10.000 ciclos). Sin embargo, estas modificaciones requieren una gran cantidad de conocimiento y control del proceso, es decir, la adición de gránulos de MgO y la gestión de la relación CaO/SiO2 dependiendo de los niveles de [C]-[O] en la escoria.

Han existido una serie de toberas que han sido diseñadas e implementadas en hornos, pero cada una tiene deficiencias.

Por ejemplo, la Patente US 4,417,723 describe una tobera concéntrica de doble tubo que fue diseñada para minimizar la erosión de la pared del refractario por el ataque posterior, y mantener un funcionamiento continuo de la inyección de gas.

La Patente US 5,329,545 describe una tobera para ser utilizada para inyectar oxígeno y gas inerte en un horno de arco eléctrico. La tobera fue desarrollada, en concreto, para funcionar con una profundidad relativamente pequeña de metal fundido en un horno de arco eléctri

de diámetro interior estrecho crea un flujo sónico a un caudal volumétrico más bajo de oxígeno o gas inerte.

La Patente US 4,758,269 da a conocer una tobera para inyectar oxígeno, con distribución de gas mejorada para mejorar las reacciones de refinado y la agitación, bajo un baño de acero fundido. Esta tobera tiene una pluralidad de tubos a cuyo través el gas entra en el baño de metal en forma de espiral. Asimismo, el dispositivo facilita el control del área sobre la que se dispensarían las burbujas en la cuchara en función de la presión del gas de suministro. La Patente US 5,458,320 explica una tobera de tres tubos concéntricos para inyectar gases en un baño de metal fundido. La tobera sumergida fue diseñada para formar una acumulación de tamaño optimizado en la salida del tubo, que protegería la tobera del metal fundido y no limitaría el flujo de gas utilizado para la agitación.

Las Patentes EP 2047001 A1, US 2017/356645 A1, WO 2016/103196 A1, US 3920447 A y US 4249719 A dan a conocer, además, sistemas de inyección desde un inyector de lanza de inyección superior.

La presente invención se refiere a un dispositivo que se puede utilizar en hornos para agitar un baño de metal para conseguir rápidamente la homogeneidad, en temperatura y química, del baño y, por lo tanto, conseguir una mejor calidad del producto. Estos dispositivos o toberas podrían ser utilizados en hornos de fusión o refinado de metales, incluidos, entre otros, cucharas, hornos de oxígeno básico, hornos de refinado de cobre para operaciones de inyección de fondo o lateral.

Los diversos aspectos del sistema y el procedimiento dados a conocer en el presente documento pueden ser utilizados solos o combinados entre sí.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1 es una vista lateral esquemática, en sección transversal, de una realización de una tobera para ser utilizada en la agitación del fondo de un BOF.

Las figuras 2A y 2B son vistas laterales, en sección transversal, de una boquilla interior de una tobera tal como la de la figura 1, con mecanismos para ayudar a crear una llama estable.

La figura 2A muestra un alambre enrollado en espiral para crear turbulencia cerca de la salida de la boquilla interior, y la figura 2B muestra ranuras o muescas en una pared exterior de la boquilla interior, para crear turbulencia cerca de la salida de la boquilla.

La figura 3 es una vista lateral, en sección transversal, de una tobera tal como la de la figura 1, que funciona en modo de quemador.

La figura 4 es un esquema de un sistema de control para hacer funcionar una tobera tal como la de la figura 1 en sus diversos modos de funcionamiento.

La figura 5 es un gráfico que muestra el caudal de gas frente a la presión a través de una boquilla interior de conversión de una tobera tal como la de la figura 1.

La figura 6 es un gráfico que muestra el aumento de temperatura medida, debido al reflujo de metal fundido en una tobera tal como la de la figura 1 en caso de fallo durante combustión sumergida.

La figura 7 es un esquema que muestra una secuencia de funcionamiento de un proceso de obtención de acero de BOF de referencia, sin la utilización de agitación del fondo.

La figura 8 es un esquema que muestra una secuencia de funcionamiento de una realización de un proceso de obtención de acero de BOF modificado que utiliza agitación del fondo, y un proceso, tal como el descrito en el presente documento, para inhibir la obstrucción de las toberas de agitación del fondo durante la salpicadura de escoria.

La figura 9 es una vista esquemática, en sección, que muestra una realización de un proceso en el que una llama de alto momento o un chorro térmico es expulsado de una tobera tal como la de la figura 1 durante la salpicadura de escoria, para reducir la probabilidad de obstrucción de la tobera de agitación del fondo.

Las figuras 10A y 10B son fotografías que muestran una tobera funcionando en sus dos modos fuera de un BOF durante la prueba. La figura 10A muestra una llama estable producida por la tobera en el modo de quemador, y la figura 10B muestra un chorro estable producido por la tobera en un estanque de agua.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Una tobera de agitación del fondo o lateral de la invención se describe en el presente documento para facilitar la utilización de agitación del fondo en un BOF con una fiabilidad mejorada, una detección/mitigación a tiempo de problemas, y un mantenimiento más fácil de las toberas de agitación del fondo, en un funcionamiento que también pone en práctica la salpicadura de escoria. Esta tobera también permitirá que las operaciones de agitación del fondo del BOF que actualmente no utilizan salpicadura de escoria comiencen a utilizar salpicadura de escoria y obtener los beneficios de ello. La tobera se puede montar en el fondo o en la pared lateral de un BOF.

Tal como se utiliza en el presente documento, oxidante significará aire enriquecido u oxígeno que tiene una concentración de oxígeno molecular de, como mínimo, el 23 %, preferentemente, como mínimo, el 70 % y, más preferentemente, como mínimo, el 90 %. Tal como se utiliza en el presente documento, gas inerte significará nitrógeno, argón, dióxido de carbono, otros gases inertes similares y combinaciones de los mismos. Tal como se utiliza en el presente documento, combustible significará un combustible gaseoso, que puede incluir, pero no está limitado a, gas natural.

Para permitir la utilización de agitación del fondo en un BOF que también emplea salpicaduras de escoria, los presentes inventores han determinado que es necesario minimizar la probabilidad de obstruir las toberas de agitación del fondo y tener una estructura de flujo de boquillas de las toberas que consiga la situación de agitación deseada, tanto con un nuevo BOF como bajo una situación de acumulación al fondo, resultante de sucesivas operaciones de salpicadura de escoria.

Un proceso habitual de obtención de acero en un BOF tiene cuatro fases, mostradas por medio de cinco etapas en la figura 7: una fase de vertido (etapa 1), una fase de inyección (iniciada en la etapa 2 y finalizada en la etapa 3), una fase de colado (etapa 4 ), y una fase de salpicadura de escoria (etapa 5). El ciclo se repite, así que después de la etapa 5, el proceso se recicla a la etapa 1.

En la etapa 1 (vertido de metal caliente), se carga o vierte metal caliente (arrabio) en la vasija del horno a través de una abertura superior, para conseguir el nivel de llenado deseado.

En la etapa 2 (inicio de la inyección), se inyecta un flujo de oxígeno a través de una lanza introducida a través de la abertura superior del horno; durante este proceso, se forma escoria en la superficie superior del metal fundido. En la etapa 3 (fin de la inyección), el flujo de oxígeno se detiene y la lanza se retira de la abertura superior.

En la etapa 4 (colado), el horno es inclinado, y el metal fundido se vierte a través de un grifo en el lateral del horno, mientras que la escoria se queda en el horno.

En la etapa 5 (salpicadura de escoria), el horno se vuelve a poner en posición vertical y se inyecta un flujo de nitrógeno a través de una lanza introducida a través de la abertura superior del horno. El nitrógeno se hace fluir en grandes cantidades (por ejemplo, 20.000 SCFM) a velocidades supersónicas hacia el BOF, lo que hace que la escoria fundida salpique todas las paredes de la vasija del horno. Esto tiene como resultado el recubrimiento de la vasija del BOF con una capa de escoria protectora, que, en parte, reemplaza una parte del refractario de la vasija que se consume o erosiona durante el proceso del BOF. Sin embargo, la salpicadura de escoria, si se realiza en una vasija con boquillas de agitación del fondo, a menudo tiene como resultado una obstrucción parcial o total de las boquillas de agitación del fondo ubicadas en el fondo de la vasija. Esta obstrucción esencialmente impide o limita el flujo adicional de gases a través de las boquillas de agitación del fondo hacia el BOF y, finalmente, después de múltiples salpicaduras de escoria, tiene como resultado la pérdida total de la capacidad de agitación del fondo. Por lo tanto, un problema importante con la utilización de una tobera de agitación del fondo del BOF es que, con el tiempo, la tobera puede desarrollar un bloqueo parcial o total a la salida de la tobera debido al enfriamiento de la escoria o del metal del gas de agitación. Adicionalmente, estos bloqueos podrían estar presentes en una ubicación más abajo de la salida de la tobera. Estos tipos de bloqueos no afectarían al flujo de gas en el interior de la tobera; sin embargo, la eficacia de la agitación se pierde cuando el chorro expandido por debajo del óptimo se desvía hacia otras zonas del horno. Estos bloqueos que se forman más abajo de la tobera son difíciles de detectar y eliminar, ya que no afectan esencialmente a las características de flujo del fluido en la tobera.

Adicionalmente, las toberas sumergidas de inyección de gas están diseñadas para funcionar en régimen de chorro. El funcionamiento de la tobera en régimen de chorro ayuda a disminuir la ocurrencia de ataques por retroceso en las paredes circundantes del refractario y la penetración de metal fundido en el interior de la tobera. Se comprende que los criterios para conseguir una condición de chorro estable de la tobera en funcionamiento se basan en dos variables: el número de Mach de expansión y el ángulo de expansión del chorro. Un chorro con un número de Mach de expansión de 1,25 y un semiángulo de expansión de más de 5° estarían en un régimen de chorro estable. Para conseguir este régimen de chorro estable, los requisitos de suministro de gas son considerablemente altos y requieren la utilización de dispositivos de compresión. La utilización de estos dispositivos se suma a los costes de funcionamiento de la tobera.

El objetivo de la presente invención es dar a conocer una tobera que ayude a eliminar los inconvenientes explicados anteriormente a la vez que mantiene las ventajas del funcionamiento de la agitación del gas sumergido en un horno. El diseño de tobera actual consigue este objetivo proporcionando flexibilidad de funcionamiento de la tobera en dos modos de funcionamiento diferentes. Los dos modos de funcionamiento son el modo de agitación y un modo de quemador; el modo de funcionamiento puede ser seleccionado mediante la utilización de un mecanismo de control. Un objetivo adicional del dispositivo es funcionar a presiones, mientras mantiene una condición de chorro estable y un requisito de flujo de proceso para una agitación efectiva, que se pueden conseguir desde una vasija de almacenamiento estándar de alta presión o una unidad de separación de aire sin necesidad de un compresor externo.

Se han hecho algunos intentos fallidos anteriores para mantener abiertas las boquillas de agitación del fondo existentes haciendo fluir nitrógeno a través de las boquillas de agitación del fondo durante la salpicadura de escoria. En el presente documento se da a conocer una tobera autosuficiente de agitación del fondo para superar las dificultades anteriores, así como un sistema de control para ser utilizado con una tobera de este tipo. La tobera autosuficiente es básicamente un diseño de tubo concéntrico, en el que un fluido se hace fluir a través de la boquilla central interior mientras que otro fluido se hace fluir a través de la boquilla anular exterior. En la descripción que sigue, la boquilla central interior se puede denominar, en ocasiones, boquilla principal, y la boquilla anular exterior se puede denominar, en ocasiones, boquilla secundaria.

En una realización, el conducto central interior está configurado para hacer fluir selectivamente ya sea combustible o un gas inerte, y el conducto anular exterior está configurado para hacer fluir selectivamente ya sea oxígeno o un gas inerte, dependiendo de la fase de funcionamiento del BOF. En una realización alternativa, el conducto central interior está configurado para hacer fluir, selectivamente, ya sea oxidante o un gas inerte y el conducto anular exterior está configurado para hacer fluir, selectivamente, ya sea combustible o un gas inerte, nuevamente dependiendo de la fase de funcionamiento del BOF.

Más específicamente, cada tobera de agitación está compuesta de boquillas coaxiales (configuración de tubería en tubería), por ejemplo, tal como se muestra en la figura 10. La tobera es instalada en el BOF de tal manera que tiene un extremo de salida o una punta caliente orientada hacia el interior del horno. Durante el funcionamiento, el combustible y el oxígeno, o, alternativamente, un gas inerte tal como nitrógeno, argón o dióxido de carbono, son introducidos indistintamente en las boquillas interior y exterior, dependiendo de la fase de funcionamiento en el BOF. La función principal de la boquilla principal es proporcionar regímenes de flujo que sean efectivos para agitar, por ejemplo, chorros de flujo para evitar el ataque por retroceso. La función principal de la boquilla secundaria es proporcionar un medio para hacer fluir el oxidante o el combustible y ayudar a estabilizar una llama no premezclada, durante la fase de salpicadura de escoria, mediante la utilización de características especiales, por ejemplo, flujos en remolino.

La boquilla principal puede tener una de varias configuraciones. Por ejemplo, la boquilla principal puede ser una boquilla convergente, una boquilla convergente-divergente (para crear flujos supersónicos), una boquilla de cavidad o una combinación de una boquilla convergente-divergente con cavidad. Adicionalmente, la tobera podría tener uno o varios números de estas boquillas divergentes, convergentes o convergentes-divergentes.

La figura 1 muestra la realización reivindicada de una tobera 10 que funciona en dos modos diferentes: un modo de agitación para inyección de gas sumergido (donde el chorro formado por la tobera 10 está en un régimen de chorro) y un modo de quemador (donde el combustible y el oxidante se queman para mantener la salida de la tobera sin escorificación). En el modo de agitación, la tobera ayuda a mezclar correctamente el baño que se encuentra sobre ella. En el modo de quemador, la tobera proporciona un mecanismo de limpieza de cualquier obstrucción de materia solidificada o semisólida a la salida de la tobera. Por lo tanto, la tobera permite mantener la eficacia de la mezcla en el modo de agitación durante una campaña más prolongada, al eliminar potencialmente cualquier acumulación de material a la salida de la tobera y aumentar la campaña de vida útil de la tobera durante más tiempo, mediante eliminar por completo el bloqueo en o más abajo de la salida de la tobera.

En la realización de la figura 1, la tobera 10 incluye dos tubos concéntricos, un tubo exterior 20 y un tubo interior 30. El tubo exterior 20 incluye una sección inferior 22, una sección de transición convergente 24 más abajo de la sección inferior 22, y una sección superior 26 más abajo de la sección de transición convergente 24 que termina en una boquilla exterior o secundaria 28. El tubo interior 30 incluye una sección inferior 32 alineada con la sección inferior 22 del tubo exterior 20, una sección de transición convergente 34 alineada con la sección de transición convergente 24 del tubo exterior 20, y una sección superior 36 que termina en una boquilla interior o principal 38.

La sección inferior 22 del tubo exterior 20 tiene un diámetro dLO y la sección superior 26 del tubo exterior 20 tiene un diámetro dUO, donde el diámetro de la sección superior es menor que el diámetro de la sección inferior, y la sección de transición convergente 24, que converge en un ángulo © que está comprendido, preferentemente, entre 30° y 60° para unir la sección inferior 22 y la sección superior 26. De manera similar, la sección inferior 32 del tubo interior 30 tiene un diámetro du y la sección superior 36 del tubo interior 30 tiene un diámetro duI, en el que el diámetro de la sección superior es menor que el diámetro de la sección inferior, y la sección de transición convergente 34, que converge en un ángulo © para unir la sección inferior 32 y la sección superior 36. La utilización de las secciones de transición convergente 24, 34 ayuda a conseguir una condición de flujo sónico a la salida de cada tubo respectivo a presiones menores que las alcanzables en los diseños anteriores, que consistían en un tubo con un solo diámetro de tubo.

Aunque la realización representada muestra que la boquilla principal 38 y la boquilla secundaria 28 están alineadas, en algunos casos puede ser deseable rebajar una de las boquillas con respecto a la otra en una longitud deseada o una longitud adimensional que hace referencia al diámetro hidráulico de una de las boquillas. Además, aunque el tubo interior 30 y el tubo exterior 20 serán comúnmente de sección transversal circular, esa geometría no es necesaria para el funcionamiento con éxito de la tobera 10 y, en algunos casos, se pueden utilizar tubos de sección transversal no circular.

La longitud total de la tobera 10, Li está comprendida, preferentemente, en un intervalo de aproximadamente 40 pulgadas a 55 pulgadas, dependiendo del tipo de aplicación. La ubicación del extremo de más abajo de las secciones de transición convergentes 24, 34, designadas como L², está, preferentemente, comprendida entre aproximadamente 10 pulgadas y 20 pulgadas de las boquillas 28, 38 de la tobera 10. Al establecer las secciones de transición convergentes 24, 34 detrás de las boquillas 28, 38, la tobera 10 puede soportar el desgaste y la erosión durante su vida útil. Sin embargo, para aplicaciones en las que no se observa ningún desgaste de la tobera 10, la boquilla convergente podría estar situada cerca de las boquillas 28, 38 de la tobera 10, o en las mismas.

La relación de área de la sección inferior 32 con respecto a la sección superior 36 para el tubo interior 30 está, preferentemente, en el intervalo comprendido entre 1 y 20, más preferentemente, en el intervalo comprendido entre 5 y 10. Para un tubo interior circular 30, esto se traduce en una relación diametral comprendida entre 1 y 4,5, y, preferentemente, una relación comprendida entre 2,2 y 3,2. En general, cuanto mayor sea la relación de área, menor será la presión de suministro requerida para conseguir la misma velocidad de salida en la salida de la sección de transición convergente 34. El ángulo de conicidad, 0, de las secciones de transición convergentes 24, 34 puede estar comprendido entre aproximadamente 15° y aproximadamente 75°, preferentemente entre aproximadamente 30° y aproximadamente 60°, y más preferentemente, puede ser de aproximadamente 45°.

El diámetro de la sección superior 36, dui, de la boquilla interior 30 está comprendido, preferentemente, en el intervalo comprendido entre 2 y 12 mm, y, más preferentemente, en el intervalo comprendido entre 5 mm y 8 mm. El tamaño de la cara de salida de la boquilla interior 38 está determinado principalmente por la necesidad de alcanzar la situación de flujo de chorro en el funcionamiento en modo de agitación. El fenómeno del régimen de flujo burbujeante y de chorro está bien establecido en la bibliografía (véase, por ejemplo, Farmer L, Lach D, Lanyi M y Winchester D. “Gas injection tuyere design and experience”, 72" Steelmaking Conference Proceedings, págs. 487 a 495 (1989)), que estableció que para que un chorro esté en un régimen de chorro estable, el número de Mach completamente expandido debe ser mayor de 1,25. El flujo de chorro ayuda a: (a) impedir el ataque por retroceso al refractario del fondo y (b) conseguir una agitación más efectiva. El flujo de chorro se consigue cuando hay suficiente presión de gas para desarrollar un chorro expandido por debajo del óptimo (cuando la presión del gas que sale de las toberas es mayor que la presión o carga estática del fluido circundante) de tal manera que se genera un flujo continuo de gas (sin formación de burbujas) para impedir el reflujo periódico de líquido (metal/escoria) a la tobera. El diámetro de la sección inferior 32, du, de la boquilla interior 30 está, preferentemente, en el intervalo comprendido entre 5 y 30 mm, y, más preferentemente, en el intervalo comprendido entre 8 mm y 16 mm.

El diámetro de la sección superior 26 de la boquilla exterior 20, duo, se establece de tal manera que la relación de la velocidad de los fluidos en modo de quemador a la salida de la boquilla interior 38 con respecto a la boquilla exterior 38, Vinterior/Vexterior, está, preferentemente, en el intervalo comprendido entre 1 y 5, y, más preferentemente, es de, aproximadamente, 2.

El diámetro de la sección inferior 22 de la boquilla exterior 20, dLo, se establece de tal manera que la distancia entre una superficie interior 21 de la boquilla exterior 30 y la superficie exterior 33 de la boquilla interior 30 es una constante que es igual a la distancia z.

Preferentemente, el oxidante es oxígeno puro, con una pureza superior al 90 % y el gas natural es el combustible. Sin embargo, se puede utilizar cualquier otra combinación de oxidante y combustible, según se considere por una razón específica y conocida en la técnica.

Durante el modo de agitación, la boquilla interior 38 y la boquilla exterior 28 descargarían, preferentemente, un gas inerte. Durante el modo de quemador, la boquilla interior 38 haría fluir, preferentemente, un combustible gaseoso, y la boquilla exterior 28 haría fluir, preferentemente, un oxidante. La relación de oxidante a combustible gaseoso es, preferentemente, tal que haya suficiente oxidante para la combustión completa del combustible gaseoso. Sin embargo, según la solicitud, se podría utilizar una llama pobre o rica en combustible. La velocidad de combustión (MMBtu/hr) de la tobera en modo de quemador dependería del tipo de aplicación; la velocidad de combustión puede estar en el intervalo comprendido entre 0,1 y 3 MMBtu/hr, preferentemente, en el intervalo comprendido entre 0,1 y 1 MMBtu/hr y, más preferentemente, en el intervalo comprendido entre 0,2 y 0,5 MMBtu/hr. La mezcla de oxidante y combustible se enciende, preferentemente, debido a la energía (alta temperatura o calor) del entorno, o mediante la utilización de una fuente de ignición externa.

En el modo de quemador de la tobera 10, para facilitar el funcionamiento estable de la llama sin una fuente de ignición externa continua, se aplica un remolino al fluido en la boquilla secundaria mediante la utilización de dos alambres 40. Los dos alambres 40 están enrollados sobre la cara de la superficie exterior 33 del tubo interior 30 a lo largo de, como mínimo, una parte de la sección superior 36 en un patrón helicoidal, tal como se muestra en la figura 1 y, con más detalle, en la figura 2A. Alternativamente, se podrían utilizar ranuras 39 en lugar de los alambres 40, tal como se muestra en la figura 2B. Los alambres 40 están enrollados en un ángulo de hélice, 0i, que está, preferentemente, en el intervalo comprendido entre 30° y 60°, más preferentemente, aproximadamente entre 40° y 50°. Las posiciones iniciales de los dos alambres 40 están separadas 180 grados, de tal manera que los alambres 40 ayudan a crear un campo de flujo simétrico del fluido desde la boquilla exterior 28, a la salida de la tobera 10 (en la zona 54 mostrada en la figura 3), dentro de la zona 52 creada por el fluido de la boquilla interior 38.

Los dos alambres 40 están enrollados, preferentemente, en espiral, en parte o en toda la longitud L²de la superficie exterior 33 del tubo interior 30. La presencia de los alambres 40 en toda la longitud L²ayudaría a proporcionar un remolino al fluido en el tubo exterior 20 incluso cuando la tobera 10 se desgasta por cualquier motivo. La longitud L²se define como la distancia desde el extremo de más abajo de la sección de transición convergente 34 hasta el plano de salida de la boquilla interior 38. Los alambres 40 facilitan una mezcla intensa de combustible, oxidante y productos de combustión, que conduce a una llama estable. Una buena mezcla de combustible y oxidante también ayuda a evitar la perturbación de la llama a partir del fluido de proceso 50 circundante, fundido o solidificado, tal como se muestra en la figura 3. El fluido de proceso podría ser un metal fundido o escoria o una mezcla de escoria y un metal. Los alambres tienen un diámetro di, preferentemente, de aproximadamente un tercio de la distancia z entre la superficie exterior 33 de la boquilla interior 30 y la superficie interior 21 de la boquilla exterior 20.

En la figura 4 se muestra un sistema 100 para controlar la tobera 10. Un conducto exterior 120 alimenta fluido al tubo exterior 20 de la tobera 10 y un conducto interior 130 alimenta fluido al tubo interior 30 de la tobera 10. El conducto exterior 120 recibe gas inerte a través de una válvula de control 62, o un oxidante a través de una válvula de control 64, mientras que el conducto interior 130 recibe un gas inerte a través de una válvula de control 72 o un combustible a través de una válvula de control 74. Un controlador 80 acciona las válvulas de control 62, 64, 72, 74 basándose en un modo de funcionamiento deseado, y, posiblemente, también basándose en la retroalimentación desde diversos sensores. El controlador 80 está programado para garantizar que, durante el funcionamiento de la tobera 10, la válvula 62 o la válvula 64 estén siempre abiertas, y la válvula 72 o la válvula 74 estén siempre abiertas, para mantener un flujo continuo a través de la tobera 10 con fines de refrigeración. Durante el modo de agitación, el controlador 80 abre las válvulas 62 y 72 para hacer fluir un gas inerte a través de ambos tubos 20, 30 de la tobera 10. Durante el modo de quemador, el controlador 80 abre las válvulas 64 y 74 para hacer fluir un combustible y un oxidante a través de la tobera 10, utilizando esencialmente la tobera 10 como quemador.

El controlador 80 se puede programar para realizar un proceso cíclico de conmutación entre el modo de agitación y el modo de quemador, en función de un requisito del proceso. Además, el controlador 80 puede recibir señales de los sensores para cambiar entre el modo de agitación y el modo de quemador. Los sensores pueden ser sensores de temperatura, por ejemplo, uno o más elementos de termopar 84 instalados cerca de las boquillas 28, 38, la tobera 10, medidores de presión diferencial 66, 76, medidores de flujo 68, 78 y/o cámaras 82.

En un ejemplo, considérese una tobera 10 que funciona inicialmente en el modo de agitación. Si la cámara 82 detecta una acumulación o un puente alrededor de las boquillas 28, 38 de tobera, o uno de los medidores de presión diferencial 66, 76 indica un valor que se desvía de un valor esperado (por ejemplo, debido a un posible bloqueo parcial en la salida de la tobera), el controlador 80 puede activar el modo de quemador cerrando las válvulas 62, 72 y abriendo simultáneamente las válvulas 64, 74. La liberación de calor de la llama producida en el modo de quemador ayuda a fundir el bloqueo parcial o a eliminar la formación de puente sobre la salida de cerca las boquillas 28, 38, de la tobera 10. Una vez que se elimina el puente o se elimina el bloqueo, el controlador 80 puede cambiar la tobera 10 de nuevo al modo de agitación abriendo las válvulas apropiadas para el gas inerte y cerrando las válvulas que suministran el combustible y el oxidante.

Se fabricó y probó en un laboratorio un prototipo de tobera 10 con dimensiones comprendidas en el intervalo que se describe en el presente documento, para verificar la funcionalidad y el funcionamiento del dispositivo en los dos modos de funcionamiento: modo de agitación y modo de quemador. Esta prueba confirmó que la tobera 10 funciona y actúa como se esperaba. La figura 5 muestra las características de presión de flujo teóricas y determinadas en laboratorio para la tobera prototipo. Este gráfico también muestra el número de Mach de expansión para la tobera prototipo. El eje Y del lado izquierdo es para la presión de suministro de fluido, y el eje Y del lado derecho es para el número de Mach de expansión. El gráfico muestra que, a presiones de suministro por encima de 80 psia, el número de Mach de expansión está por encima de 1,25 y la tobera funciona en el régimen de chorro. Además, el gráfico muestra que las presiones de suministro se pueden conseguir utilizando un depósito de suministro de gas estándar o una unidad de separación de aire, sin la utilización de un dispositivo de compresión, para conseguir un régimen de flujo de chorro. Además, las características de flujo-presión medidas en el laboratorio están dentro del 10 % de las características teóricas de flujo-presión determinadas de la tobera.

El funcionamiento de la tobera prototipo también se probó en el modo de quemador. La tobera produce una llama estable en un intervalo de velocidades de combustión comprendido entre 0,05 y 1,00 MMbtu/h. La figura 10A muestra una imagen de la llama de 0,4 MMBtu/h de alto momento, no premezclada, producida por esta tobera. La figura 10B muestra un chorro estable producido por una tobera prototipo en el modo de agitación en un estanque de agua.

Adicionalmente, se probó el modo de funcionamiento de quemador de la tobera en un estanque de escoria fundida. La llama fue estable y funcionó bien en un estanque fundido de escoria creando un agujero transparente y abierto a través de la capa de escoria por encima de la salida de la tobera, tal como se muestra esquemáticamente en la figura 9.

El mecanismo de control para detectar el bloqueo de la tobera y enviar retroalimentación a la válvula de control de la tobera también se probó en el laboratorio. En este diseño de prototipo, se utilizaron termopares y dispositivos de medición de caudal como elementos de detección activos, para probar y validar el mecanismo de control. Se instalaron termopares en el crisol del refractario y en el interior de la tobera en varias ubicaciones críticas. Se creó un estanque fundido de escoria y metal en un crisol refractario sobre la salida de la tobera. Para simular una condición de pérdida de flujo de fluido, el caudal de gas se redujo a cero. La figura 6 presenta datos de temperatura obtenidos de los termopares instalados en el crisol del refractario y en la tobera prototipo. La temperatura y el tiempo están en el eje y el eje x, respectivamente. El caudal de gas se redujo a cero después de 236 minutos de tiempo de ejecución. La figura 6 muestra que, cuando el flujo comienza a reducirse, el metal fundido o la escoria fluye de regreso al interior de la tobera, lo que provoca un aumento en la lectura de temperatura de los termopares A, B y D. La temperatura del crisol se mantuvo cerca de 1775 °F durante esta operación. El aumento en la lectura de temperatura de los termopares A y B fue cercano a 725 F/min y se utilizó para proporcionar retroalimentación al controlador para iniciar el flujo secundario con el fin de evitar un mayor reflujo de metal fundido o escoria en la tobera. La lectura del termopar D muestra un aumento de temperatura del tubo debido a la pérdida del efecto de enfriamiento del flujo de fluido. La lectura de temperatura D fue inferior a la de los termopares A y B, ya que el material fundido no llegó tan lejos como hasta la ubicación del termopar D.

Las toberas autosuficientes funcionan en dos modos de funcionamiento. Durante la fase de inyección del BOF, las toberas funcionan en un modo de agitación del fondo (BS, Bottom Stirring), en el que los gases inertes fluyen a través de las boquillas a una velocidad suficiente para conseguir una agitación eficaz del acero fundido en el horno. Durante la fase de salpicadura de escoria del BOF, las toberas funcionan en un modo de salpicadura de escoria (SS), en el que una combinación de combustible y oxidante y, opcionalmente, gases inertes fluye a través de la tobera.

Más específicamente, la figura 8 muestra la estrategia de funcionamiento de las toberas de agitación del fondo autosuficientes y, en particular, muestra cómo el proceso propuesto difiere del proceso estándar de fabricación de acero de BOF. En las etapas 1 a 3 (durante la fase de colado y la fase de inyección), las toberas de agitación del fondo funcionan en el modo de agitación, mientras que en las etapas 4 a 5 (durante la fase de colado y la fase de salpicadura de escoria), las toberas de agitación del fondo funcionan en el modo de quemador.

En la etapa 1 (vertido de metal caliente), se inicia (o continúa) un flujo de gas inerte a través de ambos conductos de la boquilla antes de comenzar el vertido de metal caliente en el horno, y el flujo de gas inerte es mantenido durante el vertido. Esto evita que la boquilla de agitación del fondo se sobrecaliente y/u obstruya. En la etapa 2 (inicio de la inyección), se continúa el flujo de gas inerte a través de ambos conductos de la boquilla, al mismo o diferente caudal, para conseguir la agitación del metal fundido. En la etapa 3 (fin de la inyección), el flujo de gases inertes continúa como durante la etapa 2. Durante las etapas 1 a 3, los resultados más efectivos se consiguen haciendo fluir gases inertes tales como argón, nitrógeno, dióxido de carbono o combinaciones de los mismos a través tanto de la boquilla principal como de la boquilla secundaria de la tobera.

En la etapa 4 (colado), cuando la vasija de BOF es inclinada para verter el metal, el flujo a través de los conductos de la boquilla se cambia a combustible a través de un conducto y oxidante a través del otro conducto, para producir una llama (las paredes del horno están suficientemente calientes para provocar la autoignición de una mezcla de combustible y oxidante que sale de las boquillas). La combustión, en forma de llama que sale de cada tobera de agitación del fondo, debe comenzar antes del inicio de la operación de salpicadura de escoria. En la etapa 5 (salpicadura de escoria), las llamas evitan que las toberas se obstruyan y también evitan la formación de puentes. De este modo, durante las etapas 4 y 5, se introduce combustible y oxidante a través de las boquillas. Es preferible introducir oxidante a través de la boquilla principal y combustible a través de la boquilla secundaria. Sin embargo, también se puede utilizar la disposición inversa. Adicionalmente, se puede añadir un gas diluyente, tal como nitrógeno o aire, al flujo a través de una o ambas de la boquilla principal y la boquilla secundaria para ayudar a controlar la ubicación de la liberación de calor (es decir, a qué distancia de las boquillas se produce la mayor parte de la combustión) y los volúmenes o el momento necesarios para proporcionar el perfil de flujo deseado (es decir, añadir nitrógeno o aire aumenta el caudal volumétrico o el momento). Esto se puede conseguir ajustando la relación o proporción relativa de gas diluyente frente a oxidante y/o combustible.

Se pueden utilizar sensores para mejorar la capacidad de detectar e impedir la obstrucción de la boquilla. En una realización, se instalan transductores de presión en el extremo de salida de la tobera o cerca del mismo, para detectar la obstrucción o los puentes de las boquillas, lo que provocaría un aumento de la contrapresión. También se pueden utilizar sensores de presión para detectar la erosión de las boquillas y el daño de las características convergentes-divergentes y/o de cavidad de las boquillas, que se manifiestan como variaciones en la caída de presión. En otra realización, se pueden instalar termopares en o cerca del extremo de salida de la tobera para detectar la desviación de las temperaturas con respecto al funcionamiento normal debido a la erosión de las boquillas y a la filtración de metal fundido a través de la boquilla.

El alcance de la presente invención no está limitado por los aspectos o realizaciones específicos dados a conocer en los ejemplos que pretenden ser ilustraciones de algunos aspectos de la invención, y cualquier realización que sea funcionalmente equivalente está dentro del alcance de esta invención. Diversas modificaciones de la invención, además de las mostradas y descritas en el presente documento, resultarán evidentes para los expertos en la técnica, y se prevé que caigan dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Sistema (100) para controlar una tobera (10), comprendiendo la tobera (10):

un tubo interior (30) que incluye una sección inferior (32) que tiene un primer diámetro, una sección superior (36) que tiene un segundo diámetro que es menor que el primer diámetro, y una sección de transición convergente (34) que tiene un ángulo convergente © comprendido entre 30° y 60°, que conecta la sección inferior del tubo interior (32) con la sección superior del tubo interior (36), terminando el tubo interior (30) en una boquilla interior (38) en un extremo de más abajo de la sección superior del tubo interior (36); y

un tubo exterior (20) que rodea el tubo interior (30) para crear un anillo entre ambos, incluyendo el tubo exterior (20) una sección inferior (22) que tiene un tercer diámetro que es mayor que el primer diámetro, una sección superior (26) que tiene un cuarto diámetro que es menor que el tercer diámetro pero mayor que el segundo diámetro, y una sección de transición convergente (24) que conecta la sección inferior del tubo exterior (22) a la sección superior del tubo exterior (26), terminando el tubo exterior (20) en una boquilla exterior (28) en un extremo de más abajo de la sección superior del tubo exterior (26);

comprendiendo el sistema (100) dicha tobera (10), donde el sistema (100) comprende, además:

una primera válvula de gas inerte (72) configurada para suministrar un gas inerte al tubo interior (30) y una válvula de combustible (74) configurada para suministrar un combustible al tubo interior (30);

una segunda válvula de gas inerte (62) configurada para suministrar un gas inerte al tubo exterior (20) y una válvula de oxidante (64) configurada para suministrar un oxidante al tubo exterior (20); y

un controlador (80) programado para accionar la tobera (10) en un modo de agitación o un modo de quemador, en el que, en el modo de agitación la primera válvula de gas inerte (72) y la segunda válvula de gas inerte (62) están abiertas, mientras que la válvula de combustible (74) y la válvula de oxidante (64) están cerradas, y en el que en el modo de quemador la válvula de combustible (74) y la válvula de oxidante (64) están abiertas mientras que la primera válvula de gas inerte (72) y la segunda válvula de gas inerte (62) están cerradas;

de modo que la tobera (10) puede funcionar en dos modos, un modo de agitación en el que un chorro formado por la tobera está en el modo de chorro con un número de Mach de expansión de más de 1,25 a 2, y un modo de quemador en el que se forma una llama estable no premezclada, para permitir la eliminación de cualquier bloqueo en la boquilla interior (38) o la boquilla exterior (28).

2. Sistema (100), según la reivindicación 1, comprendiendo, además, la tobera (10):

un par de alambres diametralmente opuestos enrollados en espiral alrededor de la superficie exterior de la sección superior del tubo interior en un ángulo de conicidad comprendido entre 15° y 75°.

3. Sistema (100), según la reivindicación 1 o 2, que comprende, además:

un primer sensor de presión (66) en un conducto de más arriba del tubo interior (30) de la tobera (10), configurado para enviar una señal al controlador (80) indicativa de una primera contrapresión en el tubo interior (30) de la tobera (10); y

un segundo sensor de presión (76) en un conducto de más arriba del tubo exterior (20) de la tobera (10), configurado para enviar una señal al controlador (80) indicativa de una segunda contrapresión en el tubo exterior (20) de la tobera (10);

en el que el controlador (80) está programado para cambiar el funcionamiento de la tobera del modo de agitación al modo de quemador cuando una o ambas de la primera contrapresión y la segunda contrapresión se desvían de un intervalo normal predeterminado de contrapresión en la tobera.

4. Sistema (100), según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende, además:

un sensor de temperatura (84) configurado para enviar una señal al controlador (80) indicativa de una temperatura en la sección superior (26) del tubo exterior (20) de la tobera (10);

en la que el controlador (80) está programado para cambiar el funcionamiento de la tobera del modo de agitación al modo de quemador cuando la temperatura se desvía de un intervalo normal predeterminado de temperatura en la tobera.

5. Sistema (100), según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende, además:

una cámara (82) configurada para enviar una imagen visual de la boquilla interior (38) y la boquilla exterior (28) de la tobera (10) al controlador (80);

en el que el controlador (80) está programado para cambiar el funcionamiento de la tobera del modo de agitación al modo de quemador cuando la imagen visual indica un bloqueo parcial de uno o ambos de la boquilla interior (38) y la boquilla exterior (28).