ES2947382T3 - Sistema de combustión oxígeno-combustible para la fusión de un material de carga peletizado - Google Patents

Sistema de combustión oxígeno-combustible para la fusión de un material de carga peletizado Download PDF

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ES2947382T3 ES19164697T ES19164697T ES2947382T3 ES 2947382 T3 ES2947382 T3 ES 2947382T3 ES 19164697 T ES19164697 T ES 19164697T ES 19164697 T ES19164697 T ES 19164697T ES 2947382 T3 ES2947382 T3 ES 2947382T3
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J Gregory Buragino
Anandkumar Makwana
Michael David Buzinski
Xiaoyi He
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Abstract

Un sistema para fundir un material de carga en gránulos que incluye un horno que tiene un extremo de alimentación configurado para recibir un material de carga en gránulos sólido y un extremo de descarga opuesto al extremo de alimentación configurado para descargar un material de carga fundido y una escoria, un transportador configurado para alimentar la carga en gránulos. material en el extremo de alimentación del horno, al menos un quemador de oxígeno-combustible colocado para dirigir el calor a una zona de fusión cerca del extremo de alimentación para calentar y al menos fundir parcialmente el material de carga granulado para formar el material de carga fundido y la escoria, donde el El quemador de oxicombustible utiliza un oxidante que tiene al menos un 70 % de oxígeno molecular y al menos un conducto de humos para evacuar los productos de combustión del quemador del horno. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de combustión oxígeno-combustible para la fusión de un material de carga peletlzado
REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS
Esta solicitud reivindica la prioridad de la Patente provisional US62/647,040, presentada el 23 de marzo de 2018, que se Incorpora en su totalidad por referencia en este documento.
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR
Según el mejor conocimiento de los Inventores, actualmente no se utiliza la combustión para la fusión del hierro de reducción directa (DRI) o del hierro brlquetado en caliente (HBI) (o más generalmente, pélets que contienen hierro o pélets de hierro). Normalmente, el DRI es producido en una instalación y es transportado a otra instalación para ser fundido en un horno de arco eléctrico (EAF). El transporte del DRI plantea problemas de manipulación del material. Adicionalmente, el DRI, cuando es fabricado, está caliente y habitualmente necesita ser enfriado para su transporte. Además, el DRI que tiene una cantidad de metal menor que el arrabio, es una fuente de hierro de un grado Inferior para su fusión en un horno eléctrico de arco. Contiene una mayor cantidad de escoria en comparación con el arrabio. Adicionalmente, la porosidad de los pélets hace que sea problemática la fusión del DRI con energía eléctrica. Como resultado, el DRI no es una fuente de hierro tan eficiente como el arrabio para la fabricación de acero eléctrico, tal como la conversión de DRI en arrabio, antes de transportarlo y/o antes de cargarlo en un horno eléctrico de arco, hace que sea lógico si puede ser realizado a un coste menor. La Patente US 4456476 A da a conocer un proceso para la fabricación y la colada continua de acero partiendo de un horno rotativo que comprende la combinación de las fases siguientes: (a) mantener un baño de metal fundido en el Interior de un horno rotativo que tiene una abertura de descarga axial en un extremo estando la superficie del baño expuesta a una presión sustancialmente como la atmosférica; (b) mantener una columna encerrada de metal fundido exterior al horno que tiene la superficie superior expuesta a la presión de un vacío controlado y confinada en el Interior de una cámara de vacío cerrada que tiene un tubo en forma de sifón que tiene el extremo de salida conectado con dicha cámara, y el extremo de entrada Introducido en la abertura de descarga axial del horno hacia abajo a través de la superficie del baño y sumergido en dicho baño; (c) mantener una balsa de colada de acero fundido en una artesa de fundición de acero en comunicación directa con dicha columna mediante un canal sumergido, con la superficie superior de dicha balsa a un nivel más elevado que dicho extremo del nivel inferior de la columna y sometido a una presión sustanclalmente constante de un gas de referencia, por ejemplo, a la presión atmosférica, permitiendo el flujo del metal desde el interior de dicha columna a dicha balsa de colada por medio de dicho canal sumergido que los conecta entre sí; (d) permitir el vertido del acero fundido a través, por lo menos, de la abertura de una tobera sumergida desde dicha balsa de colada directamente a un molde de colada sin transferencia a un recipiente Intermedio; y (e) extraer el metal fundido de dicho baño hada dicha columna bajo la influencia de dicha presión de vacío a través de dicho tubo en sifón a una velocidad que proporciona la reposición continua del acero que se vierte desde dicha balsa de colada para la fundición. La Patente EP 1 127 171 A1 da a conocer un proceso para la fabricación de hierro y acero directamente a partir de óxidos de hierro, que comprende el calentamiento y la reducción de fragmentos que contienen óxidos de hierro en una zona de reducción gas-sólido en el interior de un reactor de reducción que produce fragmentos callentes de hierro sólido reducido y el avance de dichos fragmentos de hierro reducido mediante un conducto, lo cual puede ser ayudado por medio de un gas portador a presión para ser introducidos en una zona de fusión gas-sólldo-líquldo que contiene un baño de metal fundido parcialmente conducido al interior de las paredes laterales Internas de un horno rotativo alargado que tiene, por lo menos, una cobertura superior parcial de escoria flotante y calentado mediante combustible y gases que contienen oxígeno que generan una corriente de gas de gases callentes del horno que pasan por encima de la superficie del baño suministrando calor para fundir de forma continua dicho hierro caliente reducido para obtener hierro y acero líquidos, saliendo dicha corriente de gases a través de una abertura anular en el extremo de dicho horno, caracterizado por las fases siguientes, en combinación: introducción de dichos fragmentos de hierro reducido y gas portador a presión en un conducto de transferencia que conecta por lo menos una lanza de inyección de sólidos dirigida a través de una abertura anular en el extremo de dicho horno rotativo en dicha corriente de gas en el interior de dicha zona de fusión con una tobera de descarga en la lanza Inclinada hada abajo hada dicha superficie del baño; proyectar una corriente de dichos gases portadores y de fragmentos de hierro callente reducido hada abajo desde dicha tobera que penetra en dicha superficie del baño de metal sumergiendo de este modo dichos fragmentos sólidos de hierro reducido en el interior de dicho baño de metal parcialmente fundido; y atravesar alternativamente dicha corriente hada atrás y hada adelante longitudinalmente dicha zona de fusión gas-soildo-líquldo dispersando de este modo dichos fragmentos de hierro reducido en el interior de dicho baño para su fusión. La Patente US 2009/031859 A1 da a conocer un material de solera que se coloca en forma de una capa sobre la solera antes de suministrar una mezcla que contiene un agente reductor carbonoso y óxidos de hierro sobre la solera de un horno de fusión por reducción, formando de este modo una solera renovable que puede ser renovada, y el hierro metálico está siendo producido mientras se renueva con el material de solera una parte o la totalidad de la solera renovable que se ha deteriorado durante el funcionamiento. La Patente US 2009/025511 A1 da a conocer un procedimiento para la fabricación de hierro metálico en el que se utiliza como material un producto compacto que contiene óxido de hierro tal como mineral de hierro o similar y un reductor carbonoso tal como carbón o similar, y el óxido de hierro es reducido por medio de la aplicación de calor, produciendo de este modo hierro metálico. En el transcurso de esta reducción, se genera y se crea una cáscara compuesta de hierro metálico sobre la superficie del material compacto y se añade escoria en el interior de la cáscara. Esta reducción continua hasta que sustanclalmente no queda presente óxido de hierro en el interior de la cáscara de hierro metálico. A continuación, se realiza, además, un calentamiento para fundir el hierro metálico y la escoria. El hierro metálico y la escoria fundidos son separados uno de otro, obteniendo de esta manera hierro metálico con una proporción de metal relativamente elevada. Mediante la utilización de un aparato para la fabricación de hierro metálico de la presente invención, el procedimiento antes descrito es realizado de manera eficiente y se puede fabricar de forma continua hierro metálico que tiene una elevada pureza en hierro, así como de manera productiva no solo a partir de óxido de hierro que tiene un elevado contenido de hierro sino también a partir de óxido de hierro que tiene un contenido de hierro relativamente bajo. La Patente JP 2002241820 A da a conocer un procedimiento para la fusión y la reducción del óxido de hierro utilizando un horno rotativo, caracterizado por que el hierro fundido es obtenido mediante la reducción del óxido de hierro con un material carbonoso. En el procedimiento de reducción por fusión para óxido de hierro utilizando el horno rotativo se obtiene hierro fundido mediante el calentamiento y la reducción del óxido de hierro en el horno rotativo. Se fabrica una primera materia mezclada constituida esencialmente de óxido de hierro, un material carbonoso para reducir el óxido de hierro y un agente para obtener escoria para evitar la formación de un anillo en la pared del horno en el horno rotativo cuando se produce el hierro fundido y esta primera materia mezclada es cargada en el horno rotativo que tiene una temperatura de su atmósfera de 1200 SC en el horno, y el óxido de hierro es reducido con el material carbonoso para obtener hierro fundido. La Patente CA 1 327 274 C da a conocer un procedimiento para la recuperación de un metal o de una aleación metálica, en particular una ferroaleaclón, mediante la reducción de un óxido metálico en una zona de reducción formada mediante un lecho de carbón al hacer pasar un gas reductor a través de la zona de reducción. Para obtener un metal que tenga una alta afinidad con el oxígeno, el material de carga de trozos de óxido es guiado bajo la acción de la gravedad a través del lecho de carbón compuesto por tres capas de lecho estático, en el que está dispuesta una capa inferior de carbón desgasificado que cubre un sumidero líquido de metal reducido y escoria. Adlclonalmente, oxígeno o un gas que contiene oxígeno es alimentado a la capa central para formar un gas reductor callente compuesto esencialmente de CO, y unos gases de combustión de partículas de carbono y oxígeno o un gas que contiene oxígeno son alimentados a la capa superior. La Patente US6063156 da a conocer un procedimiento de fusión de pélets mediante la flotación de los mismos en un flujo de metal líquido en un horno rectangular largo continuo, creando opclonalmente un flujo con agitación del metal para favorecer la transferencia de calor entre los pélets y el metal fundido.
CARACTERÍSTICAS
En el presente documento se describe un sistema para la fusión de un material de carga peletlzado para producir arrabio según las características de la reivindicación 1.
El material de carga peletlzado comprende uno o varios pélets de hierro, pélets de hierro de reducción directa, y pélets de hierro briquetado en callente, terrones o finos.
Por lo menos, una parte del fondo del horno está Inclinada hacia abajo, desde el extremo de alimentación hada el extremo de descarga para permitir que la gravedad colabore para desplazar el material de carga desde el extremo de alimentación al extremo de descarga.
En una realización, está dispuesto un mecanismo para separar la escoria del material de carga fundido, en la que el mecanismo puede estar situado cerca del extremo de descarga o cerca del extremo de entrada para asegurar que la escoria esté siempre flotando por encima del material fundido y pueda ser separada.
El horno tiene una longitud y una anchura, en las que el hierro se desplaza en sentido longitudinal y es alimentado y descargado siguiendo la anchura, siendo la longitud, como mínimo, el doble de la anchura.
El encaminador/transportador de alimentación puede variar la alimentación en toda la anchura para permitir una distribución uniforme del material de carga y el tiempo para su fusión.
En otra realización, un precalentador puede estar situado adyacente al extremo de alimentación del horno con un dispositivo de introducción de energía para precalentar el material de carga peletlzado antes de que el material de carga sea alimentado en el horno.
En el caso del precalentador, el dispositivo de introducción de energía puede incluir uno o varios quemadores, con o sin un conducto de humos configurado para descargar, por lo menos, una parte de los productos de la combustión del quemador desde el horno.
El dispositivo de introducción de energía del precalentador puede estar configurado para calentar el material de carga peletlzado en el transportador, o puede estar configurado para calentar el material de carga peletlzado en un horno de precalentamiento configurado para descargar el material precalentado de carga peletlzado sobre el transportador.
En otra realización, un conducto de humos está situado en la zona de fusión del horno para favorecer la transferencia de calor al material de carga peletizado.
En otra realización, puede estar programado un controlador para hacer funcionar, como mínimo, un quemador en la zona de fusión en un modo rico en combustible para Inhibir la oxidación del material de carga. Además, por lo menos un Inyector de oxígeno puede estar situado más abajo de la zona de fusión para completar la combustión de los productos de combustión ricos en combustible desde el, por lo menos, un quemador en la zona de fusión.
En otra realización, el por lo menos un quemador es un quemador de impacto directo que produce una llama que impacta directamente sobre el material de carga peletizado para maxlmlzar la transferencia de calor al material de carga peletizado.
En otra realización, el por lo menos un quemador aguas abajo de la zona de fusión puede inyectar en el horno finos de hierro reducidos directamente.
En otra realización, por lo menos un quemador montado en el techo está dispuesto asimismo en el horno aguas abajo de la zona de fusión para proporcionar calor al material de carga fundido.
En otra realización, por lo menos un par de quemadores montados en una pared lateral están asimismo posicionados en paredes laterales opuestas del horno aguas abajo de la zona de fusión para proporcionar calor al material de carga fundido.
En otra realización, está programado un controlador para hacer funcionar el como mínimo un quemador en la zona de fusión en un modo rico en combustible para Inhibir la oxidación del material de carga y para hacer funcionar el por lo menos un par de quemadores montados en la pared lateral más abajo de la zona de fusión en un modo pobre en combustible para completar la combustión de los productos de la combustión ricos en combustible desde el como mínimo un quemador en la zona de fusión.
Un mecanismo de agitación está dispuesto para agitar el material de carga fundido y para facilitar el mezclado del material de carga peletizado en el material de carga fundido en la zona de fusión. El mecanismo de agitación puede incluir una o varías toberas de agitación en el fondo o laterales para inyectar un gas inerte a través de la pared Inferior o de carga del horno. Como alternativa, el mecanismo de agitación puede Incluir un dispositivo de agitación electromecánico.
En otra realización, uno o varios sensores son utilizados para recoger datos y un controlador está programado para utilizar los datos para regular el funcionamiento del, por lo menos, un quemador en la zona de fusión.
En otra realización, se utiliza un aparato para desescoriado para romper la escoria de la superficie de la carga fundida. El aparato para desescoriado puede incluir un dispositivo para Inyectar en el horno un flujo para desescoriado.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La presente invención será descrita a continuación junto con las figuras adjuntas en las cuales numerales ¡guales indican elementos ¡guales.
La figura 1 es una vista lateral esquemática, en perspectiva, de una realización de un sistema de fusión de hierro que utiliza quemadores de fusión montados en el techo en la zona de fusión de un horno de fusión continuo o semicontinuo.
La figura 2 es una vista lateral esquemática, en perspectiva, de otra realización de un sistema de fusión de hierro como el de la figura 1, que utiliza, además, un precalentador calentado por gases de combustión antes del horno de fusión y las toberas de agitación en la parte inferior para favorecer la fusión y el mezclado de la carga en el horno de fusión.
La figura 3 es una vista lateral esquemática, en perspectiva, de otra realización de un sistema de fusión de hierro como el de la figura 2, que utiliza, además, quemadores montados en la pared lateral después de la zona de fusión en el horno de fusión.
La figura 4 es una vista lateral esquemática, en perspectiva, de otra realización de un sistema de fusión de hierro como el de la figura 1, que utiliza, además, quemadores de fusión adicionales montados en el techo del horno de fusión aguas abajo de la zona de fusión en el horno de fusión.
La figura 5 es una vista lateral esquemática, en perspectiva, de otra realización de un sistema de fusión de hierro como el de la figura 3, que utiliza, además, quemadores de impacto de llama directa en el precalentador.
La figura 6 es una vista lateral esquemática, en perspectiva, de otra realización de un sistema de fusión de hierro como el de la figura 3, que utiliza, además, un horno rotativo como precalentador.
La figura 7 es una vista lateral esquemática, en perspectiva, de otra realización de un sistema de fusión de hierro como el de la figura 2, que utiliza, además, quemadores montados en el techo aguas abajo de la zona de fusión que pueden Inyectar finos de hierro de reducción directa en el horno.
La figura 8 es una vista lateral esquemática, en perspectiva, de otra realización de un sistema de fusión de hierro como el de la figura 7, que emplea, además, quemadores montados en la pared lateral aguas abajo de la zona de fusión en el horno de fusión.
La figura 9 es una vista lateral esquemática, en perspectiva, de otra realización de un sistema de fusión de hierro como el de la figura 1, que utiliza, además, un precalentador calentado por gases de combustión, aguas arriba del horno de fusión y un dispositivo de agitación electromecánico para favorecer la fusión y el mezclado de la carga en el horno de fusión.
La figura 10 es una vista lateral esquemática de un precalentador de pélets de hierro para precalentar hierro antes de cargarlo en un horno de fusión, que muestra una campana de refractarlo que cubre un transportador que proporciona pélets de hierro al horno de fusión y quemadores que proporcionan calor a los pélets.
La figura 11 es una vista lateral esquemática de un precalentador de pélets de hierro para precalentar hierro antes de cargarlo en un horno de fusión, que muestra un horno rotativo que tiene un quemador para proporcionar calor a los pélets y un conducto de humos para extraer el calor del horno rotativo.
La figura 12 es una vista lateral esquemática de una realización de un precalentador y de una zona de fusión de un sistema de horno de fusión de hierro.
La figura 13 es una vista lateral esquemática de otra realización de un precalentador y de una zona de fusión de un sistema de horno de fusión de hierro.
La figura 14 es una vista lateral esquemática de otra realización de un sistema de fusión de hierro que utiliza un cubilote.
La figura 15 es una vista lateral esquemática de otra realización de un sistema de fusión de hierro que utiliza un horno rotativo. Esta realización no forma parte de la invención.
La figura 16 es una vista, en perspectiva, de una simulación de dinámica de fluidos Informatizada, de los efectos de un sistema de fusión en un horno como el descrito en este documento, mostrando la distribución de las temperaturas de fusión.
La figura 17 es una vista, en perspectiva, de una simulación de dinámica de fluidos Informatizada de un sistema de fusión en un horno como el descrito en este documento, mostrando la disposición del flujo de fusión.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
Las plantas de DRI están sustituyendo rápidamente las formas tradicionales de procesamiento del mineral de hierro tales como los hornos altos, debido a la mayor utilización de gas natural en los procesos de fabricación de DRI, lo que conduce a menores emisiones de carbono en comparación con los hornos altos que precisan carbón de coque. Se prefiere el gas natural porque es una fuente de combustible que contiene menos carbono y está disponible más económicamente, en comparación con el carbón y el coque. Las plantas de DRI están situadas normalmente más próximas a las Instalaciones mineras o en donde el gas natural es más barato y no necesariamente junto a las Instalaciones de laminación de acero. En particular, el DRI no es una materia prima Ideal para la fabricación de acero eléctrico debido a su mayor temperatura de fusión (alrededor de 1350 SC), una mayor porosidad y menor contenido de hierro metálico (alrededor del 85 %). Por el contrario, el arrabio con un mayor contenido en hierro (alrededor del 95 %) y una menor temperatura de fusión (alrededor de 1250 SC) es una mejor fuente de unidades de hierro nativo. Por consiguiente, hoy en día la mayor parte de las plantas de laminación preferirían comprar arrabio para la fabricación de acero en vez de DRI si el arrabio estuviera disponible y fuera económico. Por lo tanto, existe la necesidad de un proceso de coste reducido y respetuoso con el medio ambiente para convertir DRI en arrabio. La disponibilidad de gas natural barato en EE. UU. hace que un proceso basado en la combustión sea económicamente atractivo.
Los actuales inventores proponen un sistema y un procedimiento para fundir DRI frió (o caliente) utilizando quemadores de oxígeno-combustible. Preferentemente, los quemadores utilizan gas natural como combustible y oxígeno o aire enriquecido con oxígeno como oxidante, en el que el oxidante tiene por lo menos un 30 % de oxígeno molecular, preferentemente, por lo menos, un 70 % de oxígeno molecular, siendo preferentemente oxígeno de calidad Industrial.
Adicionalmente, la utilización de un horno de fusión (dispositivo de fundido) conjuntamente con un precalentador es de esperar que proporcione una mayor eficiencia en la transferencia de calor y una reducción de los requisitos de Intensidad de encendido en la zona de fusión en comparación con la utilización de un horno de fusión solo. El precalentador proporciona un mayor tiempo de permanencia para el calentamiento, así como una oportunidad para calentar el hierro peletlzado cuando está expuesta un área superficial mayor.
El DRI se fabrica habltualmente en forma peletlzada, en la que los pélets tienen una gama de tamaños de 0,25 a 2 cm, un tamaño medio de alrededor de 1 cm, e incluyen asimismo algunos finos mucho más pequeños. Para una mayor claridad, los sistemas y los procesos de este documento no están limitados a material peletlzado per se, y funcionan correctamente en el caso de material en forma de gránulos o terrones, o en otras formas similares.
En las figuras 1 a 9, 14 y 15 se muestran diversas disposiciones de un sistema de fusión del hierro. Cada realización del sistema de fusión del hierro tiene algunos elementos o características comunes, compartiendo las realizaciones de las figuras 1 a 9 la misma disposición estructural básica. En líneas generales, el horno de las figuras 1 a 9 es un horno, continuo, alargado, de forma rectangular, en el que se introduce hierro peletizado (preferentemente precalentado en un precalentador) por el extremo de alimentación y se extrae metal fundido a un ritmo continuo por el extremo de descarga. La capa de escoria flota por encima del metal fundido y es asimismo extraída del metal fundido a un ritmo continuo, separadamente, tal como se ha descrito anteriormente. Los quemadores en el extremo de alimentación del horno transfieren calor de forma eficiente a los pélets de hierro entrantes. Los pélets de hierro ablandados penetran a continuación en un baño de metal líquido ya en el horno. El baño de metal líquido se desplaza lentamente hacia el extremo de descarga y es vertido al exterior del horno. Unos quemadores de encendido horizontal pueden estar poslclonados por encima del baño líquido de modo que transfieren el calor de forma eficiente mediante radiación. Los quemadores están regulados de modo que produzcan la capa mínima de escoria requerida por el proceso químico. La viscosidad de la escoria se gestiona preferentemente de modo que la escoria pueda fluir libremente, pero sin embargo no se permite que se forme espuma. La escoria puede también ser dividida o partida mediante agitación mecánica, agitación del fluido o por gases de elevado Impulso, o mediante modificación química de la escoria. El carbono en forma de coque o carbón, o mediante gas natural, es añadido al proceso. El metal fundido puede ser extraído como metal callente o convertido en arrabio granulado mediante un enfriamiento rápido o utilizando moldes de colada para arrabio.
Tal como se muestra en detalle en la figura 1, un sistema de fusión de hierro 10 Incluye un horno de fusión 110 y un precalentador 210. Una carga 298 de hierro peletlzado (DRI) 300 es alimentada al precalentador 210 y transportada por medio de un transportador 302 a un extremo de alimentación 112 del horno de fusión 110. El horno Incluye también un extremo de descarga 114 opuesto al extremo de alimentación 112 y un fondo 116, un techo 118 y paredes laterales 120 que se extienden por toda la longitud del horno 110 desde el extremo de alimentación 112 al extremo de descarga 114. Una zona del horno 110 próxima al extremo de alimentación 112 está diseñada como una zona de fusión 318 debido a que en esta zona se funde el hierro peletlzado 300 para formar una carga fundida 310. Aunque en la misma está representado un transportador mecánico, se podría utilizar un transportador neumático u otro sistema de conducción de material. En algunos casos, el transportador es preferentemente de atmósfera controlada para reducir el riesgo de oxidación de los pélets.
Asimismo, para favorecer la fusión y evitar la acumulación de una concentración demasiado grande de pélets en un punto concreto del horno, el transportador de alimentación puede dispersar la alimentación en toda la anchura para permitir una dispersión uniforme del material de carga y del tiempo de fusión. En una realización, el transportador puede moverse de un lado al otro para realizar esta dispersión.
A medida que los pélets de hierro 300 son cargados en el extremo de alimentación 112 del horno 110, van siendo calentados por los productos de la combustión de, por lo menos, un quemador 340 de oxígeno-combustible montado en el techo 118. El quemador 340 de oxígeno-combustible puede ser un quemador de Impacto directo, lo que significa que la llama 342 emitida por el quemador 340 ¡mpacta directamente sobre el hierro peletlzado 300 para aumentar la velocidad de transferencia convectiva de calor a los pélets de hierro 300. Como alternativa, o en combinación, el quemador 340 de oxígeno-combustible puede producir una llama altamente radiante capaz de conseguir una significativa transferencia de calor por radiación a los pélets de hierro 300.
Para facilitar o favorecer el transporte del material de carga desde el extremo de alimentación 112 al extremo de descarga 114, por lo menos una parte del fondo 116 del horno 110 puede estar Inclinada en sentido descendente desde el extremo de alimentación 112 hacia el extremo de descarga 114.
Durante el proceso de fusión y calentamiento, a menudo se forma escoria 320 en la superficie superior de la carga fundida 310. Tras la descarga en el extremo de descarga 114 del horno, un mecanismo de separación 330 separa la escoria 320 de la carga fundida 310. El mecanismo de separación 330 puede Incluir una placa dlvlsora, una paleta de desviación, un rebosadero, una compuerta móvil o cualquier otro mecanismo para separar la escoria 320 de la carga fundida 310 para producir una corriente de salida 322 de escoria y una corriente de salida 312 de la carga fundida. La escoria puede ser extraída a través de un orificio Independiente del que es vertido el metal callente. Los productos de la combustión, o gases de escape, producidos por el como mínimo un quemador 340 son dirigidos a, por lo menos, un conducto de humos que puede estar situado en diversas partes del horno 110. Tal como se muestra en la figura 1, un conducto de humos 344 puede estar situado en el extremo de descarga 114. Alternativamente, o en combinación, tal como se muestra en la figura 2, otro conducto de humos 196 puede estar situado en el extremo de entrada del precalentador 210 para permitir que los gases de escape transfieran calor a los pélets de hierro entrantes 300 antes de cargar los pélets de hierro 300 en el horno 110. Tal como se muestra en las figuras 12 y 13, los conductos de humos 190 y 192 pueden estar también poslclonados en cualquier otra parte del precalentador 210 (figura 12, conducto de humos 190) o en la zona de fusión 314 del horno 110 (figura 13, conducto de humos 192) para favorecer la transferencia de calor al hierro peletlzado 300.
Tal como se muestra en la figura 2, el horno 110 puede Incluir, además, un aparato 350 de agitación del fondo para inyectar uno o varios chorros 352 de agitación del fondo a través del fondo 116 del horno 110 y hacia la carga fundida 320. Los chorros 352 de agitación del fondo actúan para agitar la carga fundida 320 para favorecer el mezclado, la Integración y la fusión del hierro peletlzado 300 y para aumentar la homogeneidad de la temperatura y de la composición de la carga fundida 320. Se pueden utilizar lanzas sumergidas para la Inyección de carbono en forma de un combustible gaseoso (preferentemente gas natural) para reducir el óxido de hierro en el DRI a hierro. Tal como se muestra en la figura 3, el horno 110 puede Incluir, además, uno o varios pares de quemadores 380 montados en la pared lateral que disparan llamas radiantes horizontales 382 en el Interior del horno 110 por encima de la carga fundida 310. Los quemadores 380 proporcionan calor adicional a la carga fundida 310 para homogenelzar la temperatura de la carga y asegurar que la totalidad del hierro peletlzado 300 ha sido fundido e integrado en el baño fundido. En algunas realizaciones, el como mínimo un quemador 340 montado en el techo puede funcionar en un régimen rico en combustible de modo que Impida la oxidación del hierro peletlzado 300 mientras está siendo fundido, y el por lo menos un par de quemadores 350 montados en la pared lateral con las llamas 352 pueden funcionar en un régimen pobre en combustible para maxlmlzar la recuperación del calor de la combustión del exceso de combustible del quemador 340 montado en el techo. El riesgo de oxidación debido al funcionamiento de los quemadores 350 montados en la pared lateral en un régimen pobre en combustible es relativamente reducido debido a la presencia de la escoria 320 en la superficie superior de la carga fundida 310 aguas abajo de la zona de fusión 314.
Tal como se muestra en la figura 4, el horno 110 puede Incluir, además, uno o varios quemadores adicionales 360 montados en el techo, aguas abajo de la zona de fusión 314 y encima de la carga fundida 310. Estos quemadores pueden ser del tipo de Impacto directo que emiten una llama 362 de elevada Impulsión que entra en contacto con la escoria 320 por encima de la carga fundida 320, y pueden ser utilizados para romper la escoria 320 para favorecer la transferencia de calor a la carga. Como alternativa, o en combinación, los quemadores 360 pueden emitir llamas radiantes 362.
Tal como se muestra en la figura 5, el precalentador 210 puede Incluir una pluralidad de quemadores 240 de llama de Impacto directo que emiten llamas 242 que entran en contacto con el hierro peletlzado 300 que está siendo conducido hacia el horno 110.
Alternativamente, tal como se muestra en la figura 6, el precalentador 210 puede incluir un horno rotativo 220 a través del cual pasa el hierro peletlzado 300 en su trayecto hada el horno 110. El horno rotativo 220 recibe la aportación de calor de un quemador 222 que produce una llama 228, y los productos de la combustión son evacuados a través de un conducto de humos 224. Un sensor 226 puede ser utilizado para medir las propiedades del gas de escape tales como la temperatura y la composición, que pueden ser utilizadas para controlar el funcionamiento del quemador 220 así como los parámetros de funcionamiento del horno 220, tales como la velocidad de rotación y la velocidad del proceso.
Tal como se muestra en la figura 7, el horno 110 puede incluir adicionalmente uno o varios inyectores-quemadores 370 configurados para inyectar finos de hierro de reducción directa (finos de DRI) junto con el combustible y el oxidante en el horno. Los inyectores-quemadores 370 contribuyen a reducir las pérdidas de finos de DRI mediante la Inyección de los mismos de un modo que les permita que se fundan y queden Integrados en el baño fundido. Los quemadores 370 pueden estar montados en el techo 118 (tal como se muestra) o en las paredes laterales 120 (no mostradas), pero tanto si están en el techo 118 como en las paredes laterales 120, los quemadores 370 están Inclinados en sentido descendente hacia la carga fundida 310 para suministrar de manera efectiva los finos de DRI, que son precalentados con la llama del quemador, al baño de metal líquido.
La figura 8 muestra una realización del horno 110 que tiene tanto los inyectores-quemadores 370 como los quemadores 350 montados en las paredes laterales.
Tal como se muestra en la figura 9, un mecanismo de agitación electromecánico 392 puede ser utilizado como una alternativa al mecanismo 350 de agitación del fondo para Incrementar el mezclado, la fusión y la homogeneidad de la carga fundida 320.
En cualquiera de las realizaciones de las figuras 1 a 9 o en combinaciones de las mismas, el proceso de fusión de los pélets de hierro puede funcionar con lotes semlcontlnuos o en un modo totalmente continuo. Asimismo, en cualquiera de las realizaciones, la Intensidad de encendido de cualquiera o de todos los quemadores puede ser modulada o controlada, junto con la velocidad de alimentación de la carga, para controlar la velocidad de transferencia del calor a la carga. En un ejemplo, se puede utilizar un quemador que puede dirigir de forma selectiva una llama más o menos intensa en una dirección concreta para incrementar o disminuir la velocidad de transferencia de calor en una zona concreta del horno, según sea preciso.
Los pélets de DRI tienden a oxidarse, de modo que en ciertas realizaciones puede ser beneficioso controlar la atmósfera del horno para que sea ligeramente reductora o rica en combustible (una proporción de equivalencia de 1 a 1,1, en que la proporción de equivalencia Indica la cantidad de combustible suministrada comparada con la cantidad de combustible que sería completamente quemada como CO2 y H20 mediante el oxígeno disponible). Más concretamente, el control de los quemadores para formar una atmósfera ligeramente reductora en la zona de fusión puede ser lo más efectivo para Inhibir la oxidación.
En algunas realizaciones puede ser beneficioso emplear quemadores de encendido horizontal en los que el combustible entra en el horno por debajo del punto de Inyección de oxígeno de modo que cubren el DRI fundido con una atmósfera reductora.
El modelado Informatizado de una de dichas realizaciones se muestra en las figuras 16 y 17, que muestran el patrón de la temperatura del material fundido y del flujo del material fundido, respectivamente. Los resultados de la modellzaclón en la figura 16 Indican que la temperatura del material fundido se puede conseguir principalmente mediante radiación desde los quemadores siempre que se mantenga el grosor crítico de la capa de escoria y se establezca una convección natural en el Interior del material fundido. Tal como se muestra en la figura 17, que ¡lustra el patrón del flujo del material fundido, la convección natural en el Interior del metal fundido se establece debido a la diferencia de temperatura entre el material que entra y el que sale, la cual ayuda a sumergir el material que entra en el baño fundido. Esta convección puede ser ayudada, además, mediante agitación del gas o agitación electromecánica.
En algunas realizaciones, puede ser beneficioso utilizar múltiples conductos de humos para dividir el gas de escape que expulsa el horno en múltiples corrientes. En concreto, como mínimo, con una corriente que pase por encima del DRI entrante a contracorriente, y por lo menos otra corriente de descarga en cualquier otra parte en el interior del espacio de fusión.
En algunas realizaciones, puede ser beneficioso hacer funcionar el extremo aguas arriba del horno con una proporción de oxígeno a combustible subestequlométrlca y expulsar estos gases de escape a través de un conducto situado en el extremo aguas abajo del horno; en el que el oxígeno regulado es Introducido aguas arriba del citado conducto para quemar el combustible no quemado antes de que el combustible no quemado salga del horno. Preferentemente, el oxígeno regulado es Introducido en un punto en el que una capa de escoria relativamente Inerte separa el hierro fundido del oxígeno regulado para Impedir la oxidación.
En algunas realizaciones, puede ser beneficioso utilizar un gas Inerte (o relativamente Inerte) tal como N2 o gas de escape reclclado/llmplo para conducir los finos de DRI al Interior del horno, de modo que se reduzca la cantidad de oxígeno libre que entra en contacto con el DRI.
En algunas realizaciones, puede ser beneficioso descargar la mayor parte o la totalidad del gas de escape a través de, como mínimo, un conducto situado en el extremo aguas arriba del horno de modo que se transfiera una parte de la energía detectable del gas de escape al DRI entrante y/o a la balsa de hierro fundido en una forma principalmente a contracorriente.
Adlclonalmente, se pueden utilizar sensores del gas de escape para medir la composición de los gases de escape a lo largo de toda la longitud y en la salida de los gases de escape del horno para modificar y controlar la generación de las atmósferas deseadas. Además, o como alternativa, se podrían utilizar sensores de temperatura y de toma de Imágenes para medir la temperatura a lo largo de la longitud y a la salida del horno de fusión y del precalentador para controlar la entrada de energía.
Aguas arriba del horno de fusión 110, puede estar dispuesto un precalentador 210 para aumentar la eficiencia global del proceso de fusión. Tal como se muestra en la figura 10, en una realización de un precalentador 210, el transportador 302 para transportar los pélets de hierro 300 al horno 110 está, como mínimo, parcialmente cubierto por una tapa cubierta de refractarlo y una pluralidad de quemadores de Impacto directo están poslclonados para ser encendidos hada los pélets de hierro 300. Alternativamente, tal como se muestra en la figura 11, en otra realización de un precalentador 210, el transportador 302 transporta los pélets de hierro 300 a un horno de precalentamlento o un recipiente que está configurado como un horno rotativo que tiene, por lo menos, un quemador y un conducto de humos. Estas realizaciones de precalentadores están descritas con mayor detalle en la Patente US16/025230 registrada el 2 de julio de 2018, que se Incorpora por referencia a este documento en su totalidad.
El precalentador 210 puede asimismo utilizar gases de combustión callentes del horno 110 que fluyen a contracorriente con respecto a la dirección de los pélets de DRI 300, colaborando de este modo a su calentamiento.
Preferentemente, el horno de precalentamiento está revestido con un recubrimiento de refractario especial para reflejar y volver a radiar energía de retorno a los pélets de DRI. La intensidad del encendido del quemador y el tiempo de permanencia en el horno de precalentamiento pueden ser controlados en base a las exigencias para conseguir una cantidad térmica y temperatura media objetivo de los pélets cargados utilizando sensores en el horno de precalentamiento.
Están previstas configuraciones alternativas de un horno de fusión. En un ejemplo que no forma parte de la invención, tal como el que se muestra en la figura 14, se puede configurar un horno de fusión 410 en forma de horno de cubilote o de cuba, en el que está dispuesta una carga 298 de pélets de hierro 300 en la parte superior del horno 410, de modo que fluya verticalmente hacia abajo. El horno 410 está dividido por medio de una reja o una pantalla 414 de manera que los pélets sólidos 300 están retenidos por encima de la reja 414 y se permite que el hierro fundido 308 drene hacia abajo a un baño fundido de metal líquido 310 cubierto por una capa de escoria 320. Una pluralidad de quemadores 440 están posicionados en la parte inferior del horno 410 por debajo de la reja 414 para encender las llamas 442 en la dirección del baño fundido. Los productos calientes de la combustión o los gases de escape 446 de los quemadores 440 fluyen hacia arriba a través de la reja 414 y están en contacto estrecho con los pélets de hierro sólidos 300 de encima de la reja, calentando y fundiendo de este modo los pélets 300. Los gases de escape enfriados 444 son evacuados de la parte superior del horno 410.
En otro ejemplo, que no forma parte de la invención, tal como el mostrado en la figura 15, un horno de fusión 510 puede estar configurado en forma de un horno rotativo. El transportador 302 suministra pélets de hierro 300 al horno 510, el cual gira alrededor de su eje para favorecer el mezclado de los pélets y la transferencia de calor desde las paredes callentes de refractarlo del horno a los pélets. Por lo menos, un quemador 540 proporciona calor al horno 510 por medio de una llama 542, y los productos de la combustión salen del horno 510 a través de un conducto de humos 544. Un sensor 546 en el conducto de humos puede ser utilizado para medir la temperatura y/o la composición de los gases de escape, lo que puede ser utilizado para controlar el funcionamiento del quemador 540. La carga de hierro fundido 310 y de escoria 320 son evacuadas del horno 510.
Aunque los principios de la Invención han sido descritos anteriormente en relación con realizaciones preferentes, se debe entender claramente que esta descripción ha sido realizada únicamente a modo de ejemplo y no como una limitación del alcance de la Invención, tal como está definida en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Sistema para la fusión de un material de carga peletizado que comprende uno o varios pélets de hierro (300), pélets de hierro de reducción directa, y pélets de hierro brlquetado en caliente, para producir arrabio, que comprende:
un horno rectangular continuo alargado (110) que tiene un extremo de alimentación (112) configurado para recibir un material de carga peletizado sólido y un extremo de descarga (114) opuesto al extremo de alimentación (112) configurado para descargar un material de carga fundido y una escoria (320);
un transportador (302) configurado para alimentar con el material de carga peletizado el extremo de alimentación (112) del horno (110);
por lo menos un quemador (340) de oxígeno-combustible poslclonado para dirigir calor a una zona de fusión (318) cerca del extremo de alimentación (112) para calentar y fundir, por lo menos parcialmente, el material de carga peletizado para formar el material de carga fundido y la escoria (320), en el que el quemador (340) de oxígenocombustible está configurado para utilizar un oxidante que tenga por lo menos un 70 % de oxígeno molecular; y como mínimo un conducto de humos para evacuar los productos de la combustión del quemador, del horno (110); y un mecanismo de agitación (392) para agitar el material de carga fundido y facilitar el mezclado del material de carga peletizado en el material de carga fundido en la zona de fusión (318), en el que el mecanismo de agitación (392) se selecciona de entre el grupo consistente en: una o varias toberas de agitación del fondo para Inyectar un gas Inerte a través del fondo (116) del horno (110) y un dispositivo de agitación electromecánico,
en el que el horno (110) tiene una longitud y una anchura, en el que el material de carga se desplaza horizontalmente en dirección longitudinal desde el extremo de alimentación (112) hada el extremo de descarga (114), y en el que el por lo menos un quemador (340) está posicionado cerca del extremo de alimentación (112), siendo la longitud como mínimo el doble de la anchura; y
en el que por lo menos una porción del fondo (116) está inclinada hada abajo desde el extremo de alimentación (112) hada el extremo de descarga (114) para permitir que la gravedad ayude a desplazar el material de carga desde el extremo de alimentación (112) hada el extremo de descarga (114).
2. Sistema, según la reivindicación 1, en el que el por lo menos un quemador (340) y el conducto de humos están ambos posicionados en el extremo de alimentación (112) del horno (110) o cerca del mismo.
3. Sistema, según la reivindicación 1, que comprende, además, un mecanismo para separar la escoria (320) del material de carga fundido.
4. Sistema, según la reivindicación 1, que comprende, además:
un precalentador (210) adyacente al extremo de alimentación (112) del horno (110) que tiene un dispositivo de entrada de energía para precalentar el material de carga peletizado antes de alimentar el material de carga peletizado al horno (110).
5. Sistema, según la reivindicación 4, en el que el dispositivo de entrada de energía incluye un quemador y un conducto de humos configurado para descargar por lo menos una parte de los productos de combustión del quemador del horno (110), y en el que el dispositivo de entrada de energía calienta el material de carga peletizado en el transportador (302).
6. Sistema, según la reivindicación 4, en el que el dispositivo de entrada de energía calienta el material de carga peletizado en un horno de precalentamlento configurado para descargar el material de carga peletizado precalentado sobre el transportador (302).
7. Sistema, según la reivindicación 1, que comprende, además, un controlador programado para hacer funcionar el por lo menos un quemador (340) en la zona de fusión (318) en un modo rico en combustible para inhibir la oxidación del material de carga.
8. Sistema, según la reivindicación 1, en el que el por lo menos un quemador (340) es un quemador de Impacto directo que produce una llama (342) que impacta directamente en el material de carga peletizado para maxlmlzar la transferencia de calor al material de carga peletizado.
9. Sistema, según la reivindicación 1, que comprende, además, por lo menos un quemador (340) aguas abajo de la zona de fusión (318) configurado para inyectar finos de hierro de reducción directa en el horno (110).
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