ITUD990156A1 - Dispositivo per la riduzione diretta di ossidi di ferro - Google Patents
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Description
Descrizione del trovato avente per titolo: "DISPOSITIVO PER LA RIDUZIONE DIRETTA DI OSSIDI DI FERRO"
CAMPO DI APPLICAZIONE
Il presente trovato si riferisce ad un dispositivo per la produzione di ferro metallico a partire da minerale di ferro, in cui il ferro è presente in forma di ossidi, mediante un processo di riduzione diretta di tali ossidi.
Il dispositivo secondo il trovato comprende un reattore avente conformazione almeno parzialmente tronco-conica ed in cui avvengono i vari processi che concretizzano la riduzione diretta degli ossidi di ferro.
Il ferro ridotto può uscire dal reattore sia freddo che caldo ed essere successivamente inviato in un forno fusorio per produrre acciaio liquido, oppure convertito in ferro bricchettato a caldo (HBI), oppure ancora trasportato in una zona di raffreddamento e stoccaggio.
Il reattore, in corrispondenza di una o più distinte zone longitudinali, è provvisto di un condotto dotato di ugelli attraverso i quali viene iniettato gas riducente.
Il presente trovato è caratterizzato dal fatto che il reattore di riduzione presenta una conformazione a conicità multipla, divergente secondo almeno un angolo nella sua parte superiore e convergente secondo almeno un angolo nella sua parte inferiore.
STATO DELLA TECNICA
Nel settore siderurgico è sempre più accentuato l'utilizzo di ferro ridotto (D.R.I.) come materiale di carica per processi di fusione o di conversione. Il processo di ottenimento del ferro ridotto prevede di far reagire il minerale di ferro con una corrente di gas riducente in un apposito dispositivo comprendente un contenitore di reazione, denominato reattore, definente sulla sua altezza almeno una zona nella quale avviene il processo di riduzione. I dispositivi utilizzati sono generalmente di tipo gravitazionale, anche denominati "shaft", e comprendono una parte centrale, sostanzialmente cilindrica o tronco-conica, una zona superiore cilindrica di carico, una zona inferiore di scarico, mezzi per iniettare gas riducente in una o più zone del reattore e mezzi per creare almeno nella zona superiore un'aspirazione dei gas.
Per ottimizzare il rendimento dei processi chimici di riduzione degli ossidi di ferro è necessario creare, all'interno del dispositivo di riduzione, condizioni di distribuzione uniforme sia della carica di minerale introdotta sia del gas riducente. Nei reattori convenzionali, in particolare se di grandi dimensioni, il flusso del gas riducente introdotto lateralmente va ad interessare prevalentemente la zona periferica, ciò provocando una resa ridotta delle reazioni di riduzione in corrispondenza della zona centrale.
Inoltre, nei reattori tradizionali si creano spesso intasamenti del materiale nella loro parte alta, in particolare con certe tipologie di materiale, e/o incollamenti sulle pareti quando il materiale da ridurre viene a trovarsi in uno stato parzialmente plastico.
Ancora, nel caso in cui l'iniezione della corrente gassosa avvenga in una zona di riduzione del reattore in cui il diametro è troppo grande, ciò comporta una scarsa efficienza e quindi un basso rendimento della riduzione.
Irregolarità nel flusso del materiale e del gas all'interno del reattore determinano una bassa resa del processo di riduzione, influenzando negativamente la produttività del dispositivo.
La parte bassa del reattore, convergente verso il basso, presenta convenzionalmente una conicità unica.
Con tale conformazione, il volume di materiale transitante è molto ridotto e, per mantenere elevata la produttività, i tempi di permanenza del materiale solido sono anch'essi ridotti.
Così, non viene dato al carbonio (C) il tempo sufficiente per diffondersi in modo efficace nella matrice metallica, e pertanto non si riescono ad ottenere i composti desiderati fra Fe e C, quali ad esempio Fe3C.
Per risolvere tutti questi inconvenienti, migliorare l'efficienza del processo e la qualità del prodotto ottenuto, la proponente ha ideato e sperimentato il presente trovato.
ESPOSIZIONE DEL TROVATO
Il dispositivo per produrre ferro metallico dalla riduzione diretta di ossidi di ferro di cui al presente trovato è espresso e caratterizzato nella rivendicazione principale.
Altri aspetti innovativi del presente trovato sono espressi nelle rivendicazioni secondarie.
Il dispositivo di riduzione secondo il presente trovato è di tipo gravitazionale, o "shaft", in cui l'alimentazione sia del materiale che del gas avvengono vantaggiosamente in continuo, affinché si crei un flusso verticale e gravitazionale del materiale e si realizzi la riduzione diretta del minerale.
Il dispositivo di riduzione secondo il trovato è dotato di mezzi di alimentazione del minerale di ferro e di mezzi per l'evacuazione del ferro metallico ridotto.
Tale dispositivo è inoltre dotato di condotti per l'iniezione del gas riducente in corrispondenza di una o più zone distribuite sull'altezza del reattore.
Uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di riduzione in cui ci sia una stabile ed uniforme distribuzione sia della carica metallica che del gas riducente in tutto il volume riempito con minerale di ferro, così da ottenere una elevata produttività, una migliore qualità del ferro ridotto ed una maggiore quantità di carbonio, possibilmente come Fe3C.
Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo in cui siano evitati ammassamenti ed intasamenti del materiale di carica in corrispondenza della parte alta del reattore, così come i rischi di incollaggio del materiale surriscaldato contro le pareti del reattore stesso. Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di favorire ed agevolare, nella parte bassa del reattore, la discesa del materiale ridotto verso l'uscita del reattore stesso, migliorando nel contempo l'efficienza di iniezione del gas in tale zona ed aumentando il volume disponibile per la reazione.
Secondo il trovato, il dispositivo di riduzione comprende un reattore definito da una prima zona superiore a conicità divergente verso il basso e da una seconda zona inferiore a conicità convergente verso il basso.
In una realizzazione preferenziale del trovato, la seconda zona inferiore è definita da almeno due tratti dotati di rispettivi angoli di convergenza fra loro differenti.
La prima zona superiore definisce una zona di riscaldamento, preriduzione e riduzione finale degli ossidi di ferro, in cui, grazie all'introduzione di correnti gassose riducenti in almeno una zona circonferenziale, si concretizzano progressivamente le reazioni di trasformazione
La seconda zona inferiore comprende la zona di transizione e quella di carburazione/raffreddamento del materiale metallizzato.
Secondo una variante, tra la zona superiore divergente e la zona inferiore convergente è presente un tratto di separazione sostanzialmente cilindrico in cui si completano le reazioni di riduzione.
La conformazione divergente della prima zona superiore favorisce una migliore distribuzione della carica all'interno del reattore, ed una migliore distribuzione del gas su tutto il suo volume interno.
Tale miglior distribuzione di carica e gas determina un più elevato rendimento termico delle reazioni chimiche, che possono avvenire con maggior velocità e con un conseguente aumento di produttività.
Nella parte alta del reattore, la forma divergente verso il basso favorisce il deflusso del materiale, evitando l'incollaggio con le pareti.
Durante la reazione da il minerale di ferro aumenta dì volume per un valore che può variare dal 15 al 30%, in funzione delle condizioni del processo e del tipo di materiale caricato.
Tale aumento di volume determina un corrispondente aumento della pressione sui pellets di materiale introdotto, accrescendo così il rischio di incollaggio sulle parti.
La conformazione divergente del reattore nella sua parte alta aumenta il volume a disposizione man mano che il materiale scende, evitando intasamenti e dando libero sfogo all'aumento di volume.
Nelle zone periferiche, inoltre, viene a mancare l’effetto della pressione esercitata dalla colonna di materiale, riducendo le possibilità di incollaggio.
Secondo il trovato, l'angolo di apertura della prima parte superiore divergente del reattore rispetto alla verticale è compreso tra 1 e 5 gradi, vantaggiosamente nell'intorno di circa 3 gradi.
La prima parte superiore presenta un'estensione in altezza, secondo il trovato, compresa tra circa 1/4 e circa 1/2 dell'altezza complessiva del reattore. Secondo un'ulteriore soluzione, detta prima parte superiore presenta una conformazione definita da due o più tratti consecutivi aventi un differente angolo di divergenza rispetto alla verticale.
La conformazione convergente della seconda parte inferiore determina un aumento dell'efficienza di iniezione del gas dovuto alla riduzione di diametro della sezione del reattore ove detto gas viene introdotto.
Nella parte bassa del reattore, la forma convergente verso il basso favorisce una diminuzione della velocità del gas man mano che il gas sale dal basso verso l'alto.
In questo modo, aumenta il tempo a disposizione del gas per completare le reazioni, per quanto riguarda la carburazione con ottenimento di carbonio in forma di Fe3C, e di scambiare calore con il materiale per quanto riguarda il raffreddamento.
Secondo una soluzione preferenziale, la conicità della parte bassa del reattore presenta due o più tratti a conicità progressivamente maggiore.
Tale soluzione permette di adeguare la forma del tratto terminale del reattore al variare della temperatura del materiale.
Infatti, man mano che scende all'interno del reattore il materiale si raffredda e quindi diminuisce la tendenza all'incollaggio sulle pareti.
Così si aumenta il volume disponibile nella zona inferiore del reattore e si ottimizzano le condizioni di carburazione e raffreddamento.
Inoltre, si ottiene uno scaricamento più rapido ed efficiente del materiale ridotto verso la zona di uscita ed i mezzi di evacuazione.
Secondo il trovato, gli angoli di convergenza della seconda zona inferiore sono compresi tra 5 e 20 gradi, vantaggiosamente tra 8 e 15 gradi, rispetto alla verticale.
ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI
Queste ed altre caratteristiche del presente trovato saranno chiare dalla seguente descrizione di alcune forme preferite di realizzazione, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con l'ausilio degli annessi disegni, in cui:
- la fig. 1illustra una sezione longitudinale schematica di una prima realizzazione del dispositivo per la riduzione diretta di ossidi di ferro secondo il presente trovato;
- la fig. 2illustra un'altra realizzazione del dispositivo secondo il trovato, con evidenziati alcuni particolari della conformazione del reattore;
- la fig. 3a illustra una terza realizzazione del dispositivo secondo il trovato;
- la fig. 3b illustra il dispositivo di fig. 3a con evidenziati alcuni particolari della conformazione del reattore.
DESCRIZIONE DI ALCUNE FORME PREFERITE DI
REALIZZAZIONE
Con riferimento alla fig. 1, un dispositivo 11 per la riduzione diretta di ossidi di ferro secondo il presente trovato comprende un reattore 10 dotato di una bocca superiore 12 di alimentazione dall'alto, dalla quale è atto ad essere introdotto il minerale (ossidi di ferro), e di un'apertura inferiore 13 per la fuoriuscita del ferro.
Le pareti interne del reattore 10 sono rivestite in modo noto, totalmente o parzialmente, quanto meno nella parte superiore, con materiale refrattario.
Il reattore 10, nella sua parte alta, è provvisto di un'apertura circonferenziale 20 attraverso la quale fuoriesce il gas esausto.
La bocca superiore 12 del reattore 10 coopera con un dispositivo di introduzione 15 del minerale di ferro costituito da una pluralità di tubi di introduzione 14 idonei a distribuire uniformemente il materiale metallico caricato sull’intera sezione del reattore 10.
Gli ossidi metallici a base di ferro vengono introdotti nel reattore 10 in forma di pellets o di minerale grezzo di pezzatura opportuna; il ferro in essi contenuto normalmente è compreso tra il 63% ed il 68% in peso.
Alla fine del procedimento secondo il trovato il ferro contenuto nel materiale ridotto in uscita dal reattore 10 è normalmente compreso tra 1'80% ed il 90% in peso.
Secondo la caratteristica principale del presente trovato, il reattore 10 è diviso in almeno una prima zona superiore 10a, o zona di riduzione, presentante conformazione tronco-conica divergente verso il basso, ed in una seconda zona inferiore 10b, o zona di carburazione e raffreddamento, presentante conformazione tronco-conica convergente verso il basso e verso la bocca di uscita 13.
La prima zona superiore 10a, che occupa un'altezza compresa tra circa 1/4 e circa 1/2 dell'altezza complessiva del reattore 10, coopera con almeno una zona 16 di introduzione circonferenziale di una corrente gassosa riducente.
Detta zona di introduzione 16 può essere del tipo illustrato schematicamente con la sezione di fig. 1, 13 gip 11-8876
6 SET. 1999
e può comprendere un condotto di adduzione 18
s '<f>. associato ad un collettore circonferenziale 17, il
quale coopera con una pluralità di aperture od
ugelli 19 idonei a convogliare il flusso gassoso all'interno del volume del reattore 10.
II gas riducente e 1’impianto a monte del condotto
18 possono essere di qualsiasi tipo noto, e pertanto
non vengono descritti in ulteriore dettaglio.
Nella prima zona superiore IOa avvengono le
reazioni di riduzione del materiale metallico con progressive, trasformazioni di Fe2C>3 in Fe3C>4, di
Fe304 in FeO e quindi di FeO in Fe.
II gas introdotto nelle varie sezioni del reattore
10 sale verso l'alto, nella direzione delle frecce
22 indicate in fig. 3a, ed incontra i minerali di
ferro nella zona superiore IOa, determinando le
reazioni di progressiva riduzione degli ossidi di
ferro.
La parte superiore IOa del reattore 10 è definita,
nelle soluzioni illustrate, da tre tratti consecutivi, rispettivamente 23a, 23b e 23c,
separati da rispettivi segmenti inclinati 24a, 24b e
24c di transizione disposti in corrispondenza delle
sezioni di introduzione del gas all'interno del
reattore 10.
ma/>i ri ORNO TUDIO G L P S.r.l. Ρ.ΐθ Cavedalis, 6/2 - 33100 UDINE La cooperazione fra ugelli 19 e segmenti inclinati 24a, 24b e 24c rende più efficace ed uniforme la distribuzione del gas all’interno del reattore 10.
I due tratti superiori 23a e 23b sono almeno leggermente divergenti verso l'esterno, definendo rispettivi angoli al e a2 rispetto alla verticale.
Il terzo tratto 23c può essere cilindrico a pareti parallele, leggermente divergente od anche leggermente convergente verso il basso.
In una prima soluzione, gli angoli al e a2 sono fra loro uguali (fig. 2).
Secondo una variante, gli angoli al e a2 sono fra loro differenti con α2 > α1 (fig. 1).
La presenza di una zona superiore divergente determina un maggior volume di reazione e quindi maggiori velocità di reazione ed aumento del rendimento e della produttività.
Inoltre, viene ridotto il rischio di incollaggio del materiale plasticizzato sulle pareti, grazie ad un miglior deflusso del materiale verso il basso e ad una minore pressione sui pellets verso la zona periferica del reattore 10.
Secondo il trovato, gli angoli a1 e a2 presentano valori compresi tra 1° e 5°.
Il materiale ridotto che lascia la zona superiore 10a si porta poi nella zona inferiore 10b, nella quale viene eseguita la carburazione/raffreddamento del materiale che si avvia verso l'uscita 13 del reattore 10.
Secondo le realizzazioni illustrate del trovato, la zona inferiore 10b del reattore 10 è convergente verso il basso e nel caso di specie è caratterizzata da almeno due tratti a convergenza differente.
In particolare, come illustrato nelle figg. 1 e 2, essa comprende un primo tratto 25a, definito da un primo angolo β1 rispetto alla verticale, ed un secondo tratto 25b definito da un secondo angolo β2 rispetto alla verticale.
Il primo tratto 25a funge sostanzialmente da zona di transito 10c per il materiale ridotto che si porta verso la bocca di uscita 13.
Nel secondo tratto 25b, caratterizzato da una convergenza verso il basso più accentuata rispetto a quella del primo tratto (β2 > β1) si ha il raffreddamento e la carburazione del materiale ridotto.
In tale secondo tratto 25b è prevista la circolazione di un fluido di raffreddamento alimentato tramite un condotto di entrata 21a ed evacuato tramite un condotto di uscita 21b.
Gli angoli βΐe β2 sono, secondo il trovato, compresi tra circa 5 e circa 20 gradi, preferenzialmente tra circa 8 e 15 gradi; l'angolo β2 è vantaggiosamente nell'intorno di 12 gradi.
La conformazione convergente della zona inferiore 10b del reattore 10 determina il vantaggio sostanziale di un aumento dell'efficienza di iniezione del gas grazie alla progressiva riduzione di diametro.
Inoltre, il gas diminuisce progressivamente la velocità man mano che sale verso la parte alta del reattore 10, ciò comportando un maggior tempo per completare le reazioni di riduzione e quindi una migliorata efficienza.
Secondo l'ulteriore soluzione illustrata nelle figg. 3a e 3b, la zona inferiore del reattore 10 comprende un terzo tratto 25c avente una conformazione convergente verso il basso con un angolo β3 superiore a β2.
Tale terzo tratto 25c comunica con la bocca di uscita 13 e la sua conicità più accentuata permette di meglio indirizzare il materiale metallico ridotto verso la bocca di uscita 13.
Inoltre, la progressiva maggior conicità del reattore 10 man mano che il materiale procede verso la bocca di uscita 13 si adegua anche al progressivo raffreddamento del materiale stesso, il quale materiale presenta quindi una minor tendenza all'incollaggio alle pareti.
Con tale configurazione a doppia o tripla convergenza si può ottenere un maggior volume nella zona di raffreddamento e carburazione, con una efficienza ed un rendimento delle reazioni ottimizzati.
E' ovvio che al presente trovato possono essere apportate modifiche o aggiunte di parti, senza per questo uscire dall'ambito del presente trovato.
Ad esempio, sia la zona superiore che la zona inferiore possono essere caratterizzate da tre, quattro o più segmenti fra loro consecutivi e caratterizzati da rispettivi angoli di convergenza o divergenza differenti, nel senso di una divergenza progressivamente crescente nella parte alta del reattore 10 e di una convergenza progressivamente crescente nella parte bassa.
Le zone di introduzione del gas possono essere quattro o più, così come possono essere presenti due o più aperture di uscita del gas esausto.
Il reattore 10 può essere alimentato con mezzi di introduzione del materiale di diverso tipo, ad esempio dotati di mezzi mobili di distribuzione uniforme e/o di agitazione.
Il circuito di raffreddamento presente nella parte bassa può comprendere più entrate e più uscite, ad esempio poste ad altezze diverse, e presentare condizioni di raffreddamento diversificate in funzione della sezione del reattore interessata dal raffreddamento.
E' quindi ovvio che sebbene la descrizione del presente trovato faccia riferimento a specifici esempi, un esperto del ramo potrà realizzare varie altre soluzioni equivalenti di reattori di riduzione diretta tutte rientranti nell'oggetto del presente trovato.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1 - Dispositivo per la riduzione diretta di ossidi di ferro del tipo a carica gravitazionale, comprendente un reattore definente, nella sua parte superiore, almeno una zona all'interno della quale avviene la reazione di riduzione, mezzi (14, 15) per l'introduzione della carica attraverso una bocca (12) del reattore, mezzi (18, 17, 19) per l'introduzione di una corrente gassosa in almeno una sezione del reattore in corrispondenza della zona di riduzione, mezzi di uscita (13) del materiale ridotto dal fondo del reattore, e mezzi (20) per l'evacuazione dei fumi esausti, caratterizzato dal fatto che detto reattore (10) presenta almeno una prima zona superiore (10a) di riscaldamento, preriduzione e riduzione finale, a conicità divergente verso il basso ed una seconda zona inferiore (10b) di carburazione e raffreddamento a conicità convergente verso il basso. 2 - Dispositivo come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'angolo di apertura (a) di detta prima zona superiore (IOa) rispetto alla verticale è compreso tra 1 e 5 gradi. 3 - Dispositivo come alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che l'angolo di apertura (a) di detta prima zona superiore (10a) rispetto alla verticale è nell'intorno di 3 gradi. 4 - Dispositivo come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'estensione in altezza di detta prima zona superiore (10a) è compresa fra 1/4 ed 1/2 dell'altezza del reattore (10). 5 - Dispositivo come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta prima parte superiore (10a) presenta una conformazione definita da almeno due tratti consecutivi aventi un rispettivo angolo di divergenza rispetto alla verticale tra loro differente. 6 - Dispositivo come alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta prima parte superiore (10a) presenta una conformazione definita da tre tratti consecutivi (23a, 23b, 23c) separati da rispettivi segmenti inclinati (24a, 24b, 24c), almeno i due tratti superiori (23a, 23b) essendo divergenti verso il basso con rispettivi angoli di divergenza (al, a2). 7 - Dispositivo come alla rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il terzo tratto (23c) è cilindrico a pareti parallele. 8 - Dispositivo come alla rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il terzo tratto (23c) è convergente verso il basso. 9 - Dispositivo come alla rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti segmenti inclinati (24a, 24b, 24c) sono disposti in corrispondenza delle sezioni di introduzione del gas all'interno del reattore (10). 10 - Dispositivo come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la zona inferiore (10b) comprende almeno un primo tratto convergente (25a) verso il basso con angolo (β1) ed un secondo tratto (25b) convergente con angolo (β2) e consecutivo a detto primo tratto (25a). 11 - Dispositivo come alla rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che β1 < β2. 12 - Dispositivo come alla rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che gli angoli (βΐ, β2) sono compresi tra 5 e 20 gradi. 13 - Dispositivo come alla rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che l 'angolo (β2 ) è nell'intorno di 12 gradi. 14 - Dispositivo come alla rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che almeno detto secondo tratto (25b) coopera con un circuito di raffreddamento comprendente almeno un condotto di entrata (21a) ed un condotto di uscita (21b) del fluido refrigerante. 15 - Dispositivo come alla rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detta zona inferiore (10b) comprende anche almeno un terzo tratto (25c) rivolto verso l’uscita (13) e convergente verso il basso con un angolo (β3), in cui β1 < β2 < β3. 16 - Dispositivo come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi di introduzione della corrente gassosa riducente comprendono almeno un condotto di adduzione (18) associato ad un collettore circonferenziale (17) disposto attorno alla parete del reattore (10), il quale coopera con una pluralità di aperture od ugelli (19) idonei a convogliare il flusso gassoso all'interno del reattore (10). 17 - Dispositivo come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che tra la prima zona superiore (10a) divergente e la seconda zona inferiore (10b) convergente è presente una zona di separazione sostanzialmente cilindrica. 18 - Dispositivo per la riduzione diretta di ossidi di ferro, sostanzialmente come descritto con riferimento agli annessi disegni.
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