INYECTOR MULTI FUNCIONAL Y PROCESO DE COMBUSTIÓN RELATIVA PARA TRATAMIENTO METALÚRGICO EN UN HORNO
DE ARCO ELÉCTRICO
La presente invención se refiere a un inyector multifuncional destinado para combustión en tratamiento de metalurgia de hierro en un horno de arco eléctrico. La invención también se refiere a un proceso de combustión para tratamiento de metalurgia de hierro en un horno de arco eléctrico utilizando el inyector multifuncional. La tecnología de horno EAF o arco eléctrico se encuentra expandiéndose rápidamente en el campo de producción de acero. El interés comercial en este proceso se debe a la aún creciente necesidad de reciclar los desechos de metal y otros materiales de desecho, combinados con los excelentes resultados obtenidos con estas técnicas para recuperación de desechos. El ciclo utilizado para obtener el hierro, acero, y hierro fundido utilizando hornos de arco eléctrico o EAF se realiza generalmente en grupos: el desecho se carga durante una etapa inicial del proceso en un intervalo que dura
aproximadamente diez minutos, después de la inyección en una masada residual durante la etapa de producción previa. Por lo tanto, el tiempo incluido en la fusión de la masa de desechos de metal en inmersión tiene un fuerte efecto en la duración total del ciclo para obtener el producto líquido. Cualquier método capaz de acelerar la etapa de fusión inicial reducirá obviamente el tiempo de tratamiento total, creando mayor eficiencia de producción en los trabajos de acero. En un horno EAF, el metal se suministra con energía principalmente de los electrodos a través de la conducción eléctrica, debido al efecto Joule. El mezclado del metal y la escoria, inducido por la formación de arcos eléctricos en los valores máximos de electrodos grafitos, facilita la transferencia de calor a todas las partes del horno. En este caso, la transferencia de la energía térmica a la escoria es un proceso muy lento. El material en la masada se calienta a través de conducción directa, pero la baja densidad de la escoria inhibe la transferencia de calor a las partes subyacentes. La parte restante de la masa cargada se calienta por radiación.
Además, las partes más externas de la carga crean un escudo contra la masa interna, disminuyendo de esta manera el proceso de fusión. A fin de mejorar la eficiencia de calentamiento, y por lo tanto, reducir los tiempos de fusión de carga, el proceso actual en práctica depende de los quemadores que suministran calor directamente a la parte externa de la carga mediante medios químicos. Los quemadores adecuados para este uso son de tipo combustible-oxígeno u oxígeno-combustible, en donde el combustible se compone de un gas tal como propano, gas natural, o una mezcla de ambos, por ejemplo. El comburente es oxígeno puro, y los quemadores trabajan con una llama relativamente ancha a fin de calentar áreas anchas, incluyendo el área sobre la parte superior de la masada. En hornos de gran tamaño, estos sistemas cooperan para mantener la temperatura de masada uniforme. Se han hecho algunos intentos de producir quemadores capaces de modificar las características de la llama, como en US20030054301. Una vez que todo el material cargado se ha fusionado completamente, el ciclo actual para
obtener el producto metalúrgico comienza. Este puede ser hierro, hierro fundido, o acero líquido. A fin de obtener la reacción química requerida durante esta etapa, así como también la energía, las cantidades correctamente balanceadas de carbono y/u oxígeno deberán introducirse en la masada . Para realizar esto, la capa externa de la escoria deberá perforarse utilizando chorros supersónicos de alta velocidad generados a través de inyectores adecuados. A fin de lograr el impulso cinético y la concentración a lo largo del eje de los gases a inyectarse en el metal, y lo suficientemente fuerte para perforar la capa de escoria externa mientras que se mantiene suficiente energía para burbujearse a través del metal, se han adoptado cierta medidas (formas y colocación de las toberas), en último lugar pero no por ello menos importante, un método de revestimiento sobre el chorro principal llamado recubrimiento . En esta técnica (conocida por ejemplo de la patente Praxair US5823762, el gas inyectado en la masada a velocidad supersónica (Machio >2), se rodea por una mezcla de gas en fase de combustión.
Para una distancia larga en la dirección de viaje del chorro, la combustión en el anillo externo forma un recubrimiento que confina los gases técnicos a inyectar por un lado, y por el otro, genera una capa protectora caliente que, reduce la masa de gas capturado por el chorro principal (arrastre) aumentando de esta manera la longitud de la zona de alta velocidad. Los dos sistemas descritos, quemador e inyector, se dan como resultado como que siendo muy eficientes hasta que su esfera de acción específica se afecta, pero su función se limita a períodos limitados en el ciclo productivo, mientras que permanecen inertes en otros períodos. Aún cuando se optimiza, el uso de los inyectores supersónicos, según se enseña por la Patente de Estados Unidos US6514310 por ejemplo, y se asigna a Airliquid, y en la Patente Europea correspondiente EP1179602, no es efectivo durante la etapa de fusión de desechos total, debido a que la coherencia del chorro puede cortarse a través de o perforar la masa de desecho localmente, cruzando la capa sin emitir calor en una manera eficiente, lo cual es un problema. De igual forma, durante la etapa de
decarbur i zac ion los quemadores generan un chorro escasamente coherente que no es capaz de lograr el metal líquido y por lo tanto el calor generado en la escoria y en el anillo se dispersa. La proximidad excesiva de las toberas a la masada líquida, algunas veces adoptada para superar este problema, aumenta la posibilidad de función ineficiente originada por el depósito de materiales exógenos en las toberas. Debido a los problemas anteriormente mencionados con los dispositivos de la técnica anterior, a fin de lograr máxima eficiencia, los hornos EAF de última generación deberán equiparse con grupos de ambos tipos de equipo (quemadores e inyectores supersónicos) . Sin embargo, también deberá considerarse que el ambiente de horno es particularmente exigente: todo el equipo colocado en el horno se somete a temperaturas muy altas, el polvo de diversos depósitos naturales en cada superficie expuesta, y el daño de ser golpeado por fuerte salpicadura de escoria aumenta cuando se encuentra cerca de la masada, la solidificación puede obturar las toberas, los soportes de transferencia que sostienen las toberas y las conectan a los
conductos de control y suministro son paneles enfriados por líquido complejos instalados en las paredes de horno en aberturas adecuadas establecidas en el desbarbado refractario. Por esta razón, el uso de dos aparatos separados da como resultado el aumento de costos considerable en todos los aspectos, esto se refiere a la inversión inicial (mayor complejidad de planta), conducción (mayor necesidad de control), inspecciones, mantenimiento y trabajo similar, consumo (lavado de gas para prevenir el bloqueo de tobera), así como también el riesgo de operación de mayores probabilidades de arresto de máquina . Se han hecho intentos para resolver los problemas anteriormente mencionados encontrados en la técnica anterior en el pasado. Uno de estos se reporta en la solicitud de patente US2001 / 0043639 que propone un método para operar los inyectores montados en pared en modo diferenciado durante la etapa de fusión de desecho (quemadores), y decarburi zación (toberas). Sin embargo, el problema de construir este aparato no se nombró en esta patente. El Solicitante planteó el problema de
reducir el gran número de quemadores e inyectores necesarios bajo diferentes condiciones de trabajo de horno, y pensó en crear un aparato (inyector multifuncional) colocado en una manera que sea capaz de modificar la llama generada por una configuración con una abertura amplia similar a aquella de un quemador de oxígeno-combustible a aquel de una configuración de recubrimiento o revestimiento para el chorro supersónico central. El Solicitante también diseño un inyector multifuncional en donde el sistema de control de suministro se equipa con la posibilidad de estabilizar la llama para cada configuración intermedia, entre el oxígeno-combustible y recubrimiento, a fin de optimizar la contribución térmica en todas las etapas metalúrgicas del horno EAF. El propósito general de la presente invención es, por lo tanto, suministrar un inyector multif ncional colocado de tal forma que sea capaz de modificar la llama a medida que esta sale en una configuración con una abertura amplia similar a aquella de un quemador de oxígeno-combustible, cambiándola a una configuración de recubrimiento o revestimiento para el chorro
supersónico central. Otro propósito de la presente invención es darse cuenta de un inyector multifuncional que pueda optimizarse, no solamente bajo las condiciones extremas de fusión de desecho e inyección de oxígeno supersónico en el metal líquido, sino que también sea adecuado bajo condiciones intermedias para mejorar la transferencia de calor de acuerdo a las necesidades de carga, incluyéndose a través del calentamiento localizado, a fin de aumentar el calor y/u homogeneidad de inyección en el metal para mejorar la reacción química. Un propósito adicional de la presente invención es proporcionar un método de combustión flexible para el tratamiento de metalurgia en hornos de arco eléctrico utilizando un inyector multi funcional . El inyector multifuncional de acuerdo a la presente invención incluye una tobera De Laval regulada para las operaciones subsónicas o supersónicas combinado con una pluralidad de toberas para combustible e inyección de comburente respectivamente, colocado en dos anillos concéntricos y co-axial con dicha tobera De Laval
y externamente protegido por medio de una cavidad con forma adecuada. La flexibilidad del proceso de combustión se logra a través de la generación de un componente de velocidad tangencial y circunferencial agregado para inyectar comburente externo y combustible. Esto hace posible regular la longitud y abertura de la llama durante la etapa de quemador al actuar en la distribución entre el oxígeno de la tobera interna y el oxígeno de los agujeros ubicados en el anillo externo, y en cualquier caso, para obtener un chorro con una zona supersónica muy grande durante la etapa de refinado. Bajo las mismas condiciones geométricas, esta flexibilidad existe tanto durante las operaciones de ejecución, como durante la etapa de planeación de proyecto, al variar el ángulo del propulsor de tal forma que este se adapta a las necesidades específicas del horno: anchura de horno, tamaño de desechó, y aspectos similares . La presente invención también se refiere a un proceso de combustión para el tratamiento metalúrgico en un horno de arco eléctrico utilizando un inyector multifuncional que se
desarrolla para realizar las siguientes etapas: operar como un quemador con una tobera De Laval subsónica con mezclado de gas de rápida combustión para obtener una llama ancha capaz de calentar los aglomerados de desecho ubicados en la parte frontal del mismo rápida y eficientemente; operar como un quemador con una tobera De Laval supersónica con una llama concentrada y velocidad de altos pulsos para cortar el desecho, y por lo tanto romper las formaciones conglomeradas en la parte frontal del inyector multifuncional; operar como un inyector de oxígeno a velocidad supersónica con una zona supersónica hasta 70 veces el diámetro de la abertura de tobera De Laval, utilizando un método de recubrimiento para confinar la llama lateralmente, y bajo estas condiciones ser capaz de inyectar oxígeno directamente hacia la masada de metal líquido.
Con los propósitos en mente anteriormente mencionados, de acuerdo a la presente invención, se decidió que se diera cuenta de un inyector multifuncional y un proceso de combustión relativa para tratamiento metalúrgico en un horno de arco eléctrico, teniendo las características descritas en las reivindicaciones anexas. Las características estructurales y funcionales de la presente invención, así como también las ventajas a adquirirse en comparación a la técnica anterior se harán más claras y más obvias de la siguiente descripción en referencia a los dibujos esquemáticos anexos en donde: La Figura 1 es una vista en perspectiva esquemática de un Horno de Arco Eléctrico equipado con una tobera de acuerdo a la técnica conocida; La Figura 2 es una vista en perspectiva esquemática de un inyector de acuerdo a la presente invención; La Figura 3 es una vista lateral de una tobera De Laval como una parte de componen del inyector de acuerdo a la
invención; La Figura 4 es una vista final frontal esquemática de un detalle del inyector mostrado en la Figura 2; - Las Figuras 5a-5c muestran las vista laterales respectivamente esquemáticas del inyector de acuerdo a una modalidad preferida de la invención y otras dos modalidades de inyectores de acuerdo a la invención; La Figura 6 es una gráfica que ilustra ciertos ejemplos de la operación del inyector realizada por la modalidad preferida ilustrada en las figuras 2 y 5a. Un horno de arco eléctrico 1 de acuerdo a la técnica anterior se muestra en la Figura 1, en donde un tobera convencional 2 se adapta para emitir una llama de acuerdo a un ángulo predefinido a' a una altura H y una distancia L del grupo de metal ML por debajo del nivel de la escoria SL. Las Figuras 2 a 6 muestran un inyector multifuncional 10, de acuerdo a la presente invención comprenden una tobera De Laval 20
adaptaba para operar como un quemador a velocidad supersónica o subsónica, combinado con un anillo compuesto de una pluralidad de inyectores anulares, respectivamente compuestos de toberas de combustible 31, y toberas de comburente 32, dichos inyectores anulares colocándose en una manera concéntrica y co-axial alrededor de dicha tobera De Laval 20, en donde el anillo de las toberas de combustible encierra la tobera De Laval central, colocado además en el interior con respecto al anillo de las toberas de comburente. Los dos anillos y la tobera se protegen externamente por una cavidad de protección específicamente con forma 40. Las Figuras 5a-5c muestran el inyector 10 en su modalidad preferida, como una salida hacia una cavidad de protección específicamente con forma 40, presentando una primera y una segunda sección 43 y 444 en una secuencia cónica, preferentemente 20° y 30°. La Figura 5b muestra un inyector 11 equipado con una cavidad de protección 40 con una forma cónica constante 42, preferentemente 20°. La Figura 5c muestra un inyector 12 equipado con una cavidad de protección 40 que
tiene una sección cilindrica 41. En todos los tres casos, el desarrollo de la cavidad de protección 40 se establece con una longitud Lq y un diámetro de salida Dsaiida- Un ejemplo no limitante de las dimensiones de la cavidad de protección 40 se muestra como sigue: Inyector 10 Lq= 45.51 mm DSaiida= 103.6 mm Inyector 11 Lq= 60 mm Dsai? a= 103.6 mm Inyector 12 Lq= 10 mm
60 mm La tobera central para el oxígeno convergente-divergent e debe garantizar la excelente eficiencia: en referencia a la figura 3, la tobera 20 comprende lo siguiente en secuencia, comenzando desde la boquilla: Una sección de entrada convergente cónica 21, teniendo una longitud Ll, la entrada 25 con diámetro de entrada Deptrada y ángulo medio de incidencia ß; Un cuello cilindrico 22 teniendo una longitud L2 y un diámetro de cuello Dcue]i ; Una conificación circunferencial entre la sección de entrada cónica 21 y el siguiente cuello cilindrico central 22, teniendo un radio Rl; Una sección de entrada divergente cónica
23, teniendo una longitud L3, y ángulo medio de incidencia a; Una conificación circunferencial entre el cuello 22 y la sección de salida divergente cónica 23 teniendo un radio R2 ; Una sección de emisión de oxígeno cilindrica final 24, teniendo una longitud L4 y un diámetro de salida Dsa?lda. Una conificación circunferencial entre la sección divergente cónica 23 y la sección de emisión de oxígeno cilindrica final 24 teniendo un radio R3. En general, los parámetros que identifican una tobera son los diámetros de la entrada, el cuello y la salida, a su vez conectados con la velocidad de la entrada, el número Machio, el flujo, la masa de paso y la presión estática del gas saliente. Todas las variables se conectan con las condiciones a las que se someten durante las diversas etapas de operación . Considerando las condiciones requeridas para un horno EAF, el Solicitante fue capaz de calcular que el rendimiento se optimiza si las siguientes relaciones se respetan:
El ángulo medio ß de la sección de entrada cónica convergente 21 es entre 7o y 20°; El ángulo medio a de la sección de salida cónica divergente 23 es entre 2° y 7o; El radio de conificación Rl entre ia sección de entrada cónica 21 y el cuello cilindrico 22 es entre 1 y 10 veces el diámetro cueiio del cuello; La longitud L2 del cuello cilindrico 22 es entre 0.5 y 5 veces el diámetro del cuello por sí mismo Dcueiio' El radio de conificación R2 entre el cuello cilindrico 22 y la sección de salida cónica divergente 23 es entre 1 y 15 veces el diámetro del cuello DCUeiio; El radio de conificación R3, entre la sección cónica divergente 23 y la sección cilindrica final 24 es entre 20 y 80 veces el diámetro del cuello Dcue??0; La longitud de la sección cilindrica final 24 es entre 0 y 3 veces el diámetro del
C U e l l O DC U e l l o . En esta manera, el chorro de oxígeno se optimiza bajo las condiciones más críticas, es decir, de máxima velocidad.
- 1 Hasta ahora las toberas de inyección periféricas, respectivamente 31 y 32, o las toberas de comburente y combustible se afectan, para tomar ventaja del efecto de recubrimiento las toberas se coloca en dos anillos concéntricos alrededor de la tobera de oxígeno central. En part icular : las toberas de inyección de combustible 31 son de un número entre 8 y 20, su forma puede ser trapezoidal, circular, o de alguna otra forma. Estas toberas se colocan en un círculo completo alrededor de la tobera de oxígeno De Laval 20 y en el interior del círculo de las toberas de comburente 32. las toberas de comburente 32 se colocan en el segundo anillo alrededor de la tobera de oxígeno De Laval 20 y el primer anillo de las toberas de combustible 31. El número de las toberas de comburente 32 es preferentemente 8 y 20, y su sección individual puede variar -circular, semi-circular , trapezoidal, pero
otras formas pueden utilizarse tal como eficazmente. La optimización del inyector se logra al considerar las condiciones de trabajo más extremos, en otras palabras, con el chorro central en 2 Machio y al aplicar el efecto de recubrimiento . Sin embargo, ya que las condiciones de trabajo intermedias pueden afectarse negativamente por esta colocación de proyecto, a fin de prevenir los efectos negativos tales como inestabilidad de llama o extinción repentina, se adopta una cavidad de protección estabili adora específicamente con forma 40. Básicamente, esta cavidad de protección crea un túnel de protección dentro del cual se inserta el inyector. En esta manera, cuando los gases salen a baja velocidad su mezclado se mejora, y estos se afectan menos por la alteración externa que origina la inestabilidad. En este caso específico, esta cavidad de protección 40 también actúa como una protección extra sobre las toberas 31, 32, previniendo a la salpicadura de la escoria o metal de fase líquida, y puede ser cónica o cilindrica en forma. De
acuerdo al tipo de instalación, la cavidad puede formarse en la pared refractaria o una cavidad en el sistema de enfriamiento de inyector. De hecho, el enfriamiento de inyector y el sistema de protección se compone de una estructura metálica que aloja el inyector. La pared externa de esta estructura se construye de tal forma que la salpicadura de escoria se adherirá a la superficie, y por lo tanto tendrá ventaja de este material como una protección refractaria natural para el inyector. La cavidad se construye así manteniendo la superficie de los eyectores en una posición retraída en comparación al límite de enfriamiento . Con los valores de pulso de combustible lo suficientemente altos, y a las temperaturas de trabajo del horno, el inyector genera una llama estable, con saliente, que comienza desde el límite externo o justo antes de la cavidad. Al utilizar la geometría ensanchada o cónica, la circulación local de los gases calientes se aumenta a una temperatura mayor a aquella de la ignición por sí misma de la mezcla de horno, estimulando la re-ignición espontánea de la llama en casos en donde se extingue, y
previniendo el contacto directo de la llama con las superficies externas de la cavidad con una mejora obvia para la vida de trabajo del horno. Con este tipo de geometría de cuello la mezcla de comburente y combustible puede controlarse con mayor precisión: la conificación de bajos valores de pulso genera la expansión de gas de combustible disminuyendo su flujo y permitiendo mejor acción de mezclado. Por lo tanto, la combustión se presenta en ángulos amplios y en zonas cercanas al inyector. Al aumentar el pulso, la coherencia de la llama se aumenta . Básicamente, la llama parece más estrecha y más larga, la contribución hecha por la cavidad de protección 40 llega a ser, en proporción, crecientemente menos influyente, a pesar de que continúa garantizando el efecto benéfico de la presencia de gases calientes para la ignición. Una solución utilizada para mantener los beneficios de un pulso relativamente alto, mientras que todavía se opera en condiciones de llama más anchas, consiste en provocar una rotación espiral en los gases oxidantes de anillo más externos o en los combustibles inyectados por
el anillo interno. Este movimiento rotativo se obtiene por ductos 33 sobre una inclinación en relación al eje del quemador en una forma espiral que crea un momento tangencial en los gases en relación al eje. La difusión transversal aumentada crea un diferente campo térmico especialmente en el área que busca al quemador con un efecto benéfico en la estabilidad de llama. La Figura 6 muestra una gráfica que representa el progreso de la temperatura (K) de acuerdo a la coordenada radial (m) , en relación a cuatro ejemplos de combustión llevados a cabo por el inyector 10 con la cavidad de protección de doble cono esquemáticamente ilustrada en la Figura 5a. La sección total de las toberas de combustible 31 (metano) ocupa 333 mm2, mientras que la sección total de las toberas de oxígeno 32 (oxígeno) ocupa 757 mm2. Por lo tanto, cuatro curvas A-D se midieron en diferentes condiciones de trabajo. Curva A: 1250 Nm3/hora a 12 barias, tobera en ambiente de horno EAF a 1530°C; Curva B: 4 MWt de gas natural, tobera con potencia teniendo una onda de choque en aire a
O O ° C ; Curva C: 4 MWt de gas natural, tobera en aire a 500 ° C ; Curva D: 4 MWt de gas natural, quemador en aire a 500°C. Deberá considerarse que en las condiciones del inyector de oxígeno descrito, la coherencia se extiende por aproximadamente 1.5 metros . Gracias a la geometría del inyector relacionado, caracterizado porque genera un componente agregado de velocidad circunferencial y tangencial para la inyección de combustible y comburente externa, el proceso de combustión de acuerdo a la presente invención, en las siguientes etapas : actúa como un quemador con una tobera De Laval subsónica (20) con mezclado de gas de rápida combustión, auxiliado en la obtención de una llama ancha capaz de calentar los aglomerados de desecho ubicados en la parte frontal del mismo rápida y eficientemente; - actúa como un quemador con una tobera
De Laval supersónica con una llama de pulso alto concentrada auxiliada en el corte de desecho y de esta manera rompiendo las formaciones conglomeradas en la parte frontal del inyector multifuncional; actúa como un inyector de oxígeno a velocidad supersónica con área supersónica extendida hasta ahora 70 veces el diámetro de salida de la tobera De Laval, utilizando un método de recubrimiento para confinar la llama lateralmente, y en esta condición siendo capaz de enviar una inyección de oxígeno directamente hacia el grupo de metal líquido. El proceso de combustión para tratamiento metalúrgico en un horno de arco eléctrico de acuerdo a la presente invención optimiza la combustión, no solamente en las condiciones de fusión de desecho extremas y la inyección de oxígeno supersónica hacia el metal líquido. En particular, adapta dicha combustión bajo condiciones intermedias de tal forma que mejora la capacidad térmica adicional y el material técnico
de acuerdo a la carga calentada ubicada para aumentar la homogeneidad térmica e/o inyección hacia el metal para mejorar la reacción química. De esta manera, el inyector actúa como un quemador que rodea el desecho en la parte frontal del mismo hasta que la fase sólida se ha eliminado completamente. En casos en donde los aglomerados pueden ser resistentes a la fusión se prevé un aumento en la velocidad de llama hasta que logra una velocidad que es ligeramente supersónica pero sin provocar el efecto de coherencia completo originado por el recubrimiento. Bajo estas condiciones, la energía de penetración se aumenta mientras que se mantiene un ángulo de llama que es lo suficientemente ancho para optimizar la transferencia de calor a la carga. Durante el refinado, la presión de suministro de combustible se eleva en la tobera De Laval central 20, hasta que alcanza una velocidad de eyección muy alta de aproximadamente 2 Machio. Al mismo tiempo, los inyectores de anillo de comburente y combustible se activan para rodear el chorro central con un gas en fase de combustión y para tomar mejor ventaja posible del efecto de recubrimiento.
El proceso descrito anterior se prevé principalmente para un inyector multifuncional capaz de llevar a cabo las diferentes etapas de combustión de acuerdo al material presente en el horno de arco eléctrico. De la descripción anteriormente mencionada con referencia a las figuras, parece que un inyector multifuncional de acuerdo a la invención es particularmente útil y ventajosa, esto logra los propósitos mencionados en el preámbulo a la descripción. Naturalmente, las modalidades del dispositivo de acuerdo a la invención, así como también sus formas y los materiales empleados pueden diferir de aquellos descritos, proporcionado simplemente como un ejemplo en los dibujos, y al ser considerados no significan 1 imitante s . El alcance de la protección de la invención se define, por lo tanto, por las reivindicaciones anexas.