MXPA00009410A - Proceso de fundicion directa - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a:Un proceso de fundición directa para producir metal a partir de un material de alimentación metalífero en un recipiente metalúrgico fijo, el proceso se caracteriza porque comprende las etapas de:a) formar un baño fundido que tenga una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa de metal en el recipiente;b) inyectar material de alimentación metalífero y/o material carbonáceo sólido con un gas acarreador en el baño fundido por medio de uno o más de una lanza/tobera que se extiende hacia abajo y fundir el material metalífero a metal en el baño fundido, con lo cual la inyección de sólidos y gas causa el flujo de gas desde el baño fundido a una velocidad de flujo de al menos 0.30Nm3/s/m2 en el lugar de la interfaz entre la capa de metal y la capa de escoria bajo las condiciones quiescentes, flujo de gas que arrastra material fundido en el baño y lleva el material fundido hacia arriba como salpicaduras, gotillas y corrientes, y forma una zona de transición en un espacio continuo de gas en el recipiente sobre la capa de escoria, con lo cual las salpicaduras, gotillas y corrientes de material fundido hacen contacto con las paredes laterales del recipiente y forman una capa protector de escoria y c) inyectar un gas que contenga oxígeno en el recipiente por medio de una o más de una lanza/tobera y quemar posteriormente los gases de reacción liberados del baño fundido, con lo cual las salpicaduras, gotillas y corrientes de material fundido ascendentes y posteriormente descendentes faciliten la transferencia de calor al baño fundido, y con lo cual la zona de transición minimice la pérdida de calor de radiación desde el recipiente por medio de las paredes laterales en contacto con la zona de transición.

Description

PROCESO DE FUNDICIÓN DIRECTA Descripción de la Invención La presente invención se refiere a un proceso para la producción de metal fundido (cuyo término incluye aleaciones metálicas), en particular, aunque de ningún modo exclusivamente hierro, a partir de material de alimentación metalífero, tales como minerales, minerales parcialmente reducidos y corrientes de desecho que contienen metales, en un recipiente metalúrgico que contiene un baño de fundido. La presente invención se refiere particularmente a un proceso de fundición directa basado en un baño de metal fundido para producir metal fundido a partir de un material de alimentación metalífero. El proceso más ampliamente utilizado para la producción de hierro fundido está basado en el uso de un alto horno. El material sólido se carga en la parte superior del horno y el hierro fundido es extraído desde el crisol. El material sólido incluye mineral de hierro (en forma de sinterizado, de terrón o de pella) , coque, y fundentes y forma REF: 123584 una carga permeable que se mueve con dirección hacia abajo. El aire precalentado, el cual puede estar enriquecido con oxígeno, es inyectado en el fondo del horno y se mueve con dirección hacia arriba a través del lecho permeable, y genera monóxido de carbono y calor por combustión del coque. El resultado de estas reacciones es producir hierro fundido y escoria. Un proceso que produce hierro mediante reducción del mineral de hierro por debajo del punto de fusión del hierro producido, es en general clasificado como un "proceso de reducción directa" y el producto es denominado como DRI . El proceso FIOR (Reducción de Mineral de Hierro Fluido) es un ejemplo de proceso de reducción directa. El proceso reduce las partículas finas de mineral de hierro conforme las partículas finas son alimentadas por gravedad a través de cada reactor en una serie de reactores de lecho fluidizado. Las partículas finas son reducidas en estado sólido por gas reductor comprimido que entra al fondo del reactor más bajo en la serie, y fluye a contracorriente hacia el movimiento hacia debajo de las partículas finas.

Otros procesos de reducción directa incluyen los procesos basados en horno de vientre móvil, procesos basados en horno de vientre estático, proceso basados en crisol giratorio, procesos basados en horno giratorio, y procesos basados en retorta . El proceso COREX incluye un proceso de reducción directa como una etapa. El proceso COREX produce hierro fundido directamente a partir de carbón mineral sin requerimiento de coque por parte del alto horno. El proceso COREX incluye la operación en 2 etapas en las cuales: (a) se produce DRI en un horno de vientre a partir de un lecho permeable de mineral de hierro (en forma de terrones o pellas) y fundentes; y (b) el DRI es luego cargado sin enfriamiento dentro de un gasificador fundidor conectado, y se funde. La combustión parcial del carbón mineral en el lecho fluidizado del gasificador fundidor produce gas reductor para el horno de vientre. Otro grupo conocido de procesos para la producción de hierro está basado en convertidores tipo ciclón en los cuales el mineral de hierro es fundido por combustión de oxígeno y gas reductor en un ciclón de fusión superior, y se funde en un fundidor o crisol inferior que contiene un baño de hierro fundido. El crisol o fundidor inferior genera el gas reductor para el ciclón de fundición superior . Un proceso que produce metal fundido directamente a partir de minerales (y minerales parcialmente reducidos) es denominado en general como un "proceso de fundición directa". Un grupo conocido de procesos de fundición directa está basado en el uso de hornos eléctricos como la fuente principal de energía para las reacciones de fundición. Otro proceso de fundición directa conocido, el cual es en general denominado como el proceso de Romelt, está basado en el uso de un baño de escoria altamente agitado, de gran volumen, como el medio para fundir los óxidos metálicos cargados en la parte superior, hasta metal, y para los productos de reacción gaseosos después de la combustión, y la transferencia del calor como sea requerido, para continuar la fundición de los óxidos metálicos. El proceso de Romelt incluye la inyección de aire enriquecido con oxígeno u oxígeno dentro de la escoria vía una hilera inferior de toberas para proporcionar agitación de la escoria e inyección de oxígeno dentro de la escoria vía una hilera superior de tobera para promover la post-combustión . En el proceso de Romelt, la capa metálica no es un medio de reacción importante. Otro grupo conocido de procesos de fundición directa que están basados en escoria, es en general descrito como los procesos de "escoria profunda". Estos procesos, tales como los procesos DIOS y AISI, están basados en la formación de una capa profunda de escoria. Como con el proceso de Romelt, la capa metálica por debajo de la capa de escoria no es un medio de reacción importante. Otro proceso de fundición directa conocido, el cual confía en una capa de metal fundido como un medio de reacción, y es denominado en general como el proceso de Hismelt, se describe en la solicitud Internacional PCT/AU96/00197 (WO 96/31627) a nombre del solicitante. El proceso de Hismelt como se describe en la solicitud Internacional comprende: (a) la formación de un baño de fundido que tiene una capa metálica y una capa de escoria sobre la capa metálica en un recipiente; (b) la inyección en el baño: (i) de un material de alimentación metalífero, típicamente óxidos metálicos; y (ii) un material carbonáceo sólido, típicamente carbón mineral, el cual actúa como un reductor de los óxidos metálicos y una fuente de energía; y (c) la fundición del material de alimentación metalífero hasta metal en la capa metálica. El proceso de Hismelt también comprende los gases de reacción post-combustión, tales como CO y H2, liberados del baño en el espacio por arriba del baño con el gas que contiene oxígeno, y transfiriendo el calor generado por la post-combustión hacia el baño, para contribuir a la energía térmica requerida para fundir los materiales de alimentación metalíferos. El proceso de Hismelt también comprende la formación de una zona de transición por arriba de la superficie nominal en reposo del baño en el cual existen gotitas o salpicaduras o corrientes ascendentes y después de esto descendentes de metal fundido y de escoria, que proporcionan un medio efectivo para transferir al baño la energía térmica generada por los gases de reacción post-combustión por arriba del baño- Una forma preferida del proceso de Hismelt está caracterizado por la formación de la zona de transición por inyección de gas portador, material de alimentación metalífero, material carbonáceo sólido y opcionalmente fluye hacia el baño a través de lanzas que se extienden con dirección hacia abajo y con dirección hacia adentro a través de las paredes laterales del recipiente, de modo que el gas portador y el material sólido penetran la capa de metal y provocan que el material fundido sea proyectado desde el baño. Esta forma del proceso de Hismelt es un mejoramiento sobre las formas anteriores del proceso que forman la zona de transición por inyección en la parte inferior de gas portador y el material carbonáceo sólido a través de las toberas dentro del baño, lo cual provoca gotitas, salpicaduras y corrientes de material fundido que va a ser proyectado desde el baño.

El solicitante ha llevado a cabo trabajo intensivo en planta piloto sobre la forma preferida descrita anteriormente del proceso de Hismelt y ha realizado una serie de hallazgos significativos en relación al proceso. Uno de los hallazgos realizados por el solicitante, que forma la base de la presente invención, es que la velocidad de flujo hacia arriba del gas derivado del baño, provocada por la inyección del material sólido/gas portador dentro del fundido, debe ser al menos de 0.30 Nm3/s/m2 en el sitio de la interfaz de la capa de metal y la capa de escoria (bajo condiciones en reposo) para establecer la zona de transición de modo que existe transferencia de calor hacia el baño del fundido a una velocidad efectiva. La eficiencia de transferencia de calor es una medida de la cantidad de energía disponible generada por la post-combustión que es transferida al baño del fundido. Esta es también una medida de la cantidad de energía disponible generada por la post-combustión, que se pierde desde el recipiente (vía la descarga de gas de escape por arriba de la temperatura del baño y la transferencia de calor vía las paredes laterales y el techo del recipiente) .

La velocidad de flujo del gas derivado del baño, mínima de 0.30 Nm3/s/m2 en la interfaz de la capa metálica y la capa de escoria (bajo condiciones en reposo), asegura que exista suficiente elevación de flotabilidad de las salpicaduras, gotitas y corrientes de material fundido desde el baño del fundido dentro de la zona de transición para maximizar : (a) la transferencia de calor hacia el baño del fundido vía las salpicaduras, gotitas y corrientes subsiguientemente descendentes del material fundido; y (b) poner en contacto el material fundido con las paredes laterales del recipiente que forma una capa protectora de escoria, que reduce la pérdida de calor desde el recipiente. El inciso (b) anterior es una consideración particular importante en el contexto del recipiente o contenedor preferido de la presente invención, que incluye paneles enfriados con agua que forman las paredes laterales en la sección de barril superior y opcionalmente el techo y los ladrillos refractarios enfriados con agua que forman las paredes laterales en la sección de barril inferior del recipiente.

En términos generales, la presente invención es un proceso de fundición directa para la producción de metal a partir de un material de alimentación metalífero en un recipiente metalúrgico fijo, por ejemplo no giratorio, cuyo proceso incluye los pasos de: (a) la formación de un baño de fundido que tiene una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa metálica en el recipiente; (b) la inyección de material de alimentación metalífero y/o material carbonáceo sólido con un gas portador en el baño del fundido vía una o más de una lanza/tobera que se extiende con dirección hacia abajo y la fundición de material metalífero en el baño del fundido, con lo cual la inyección de sólidos y gas provoca el flujo de gas desde el baño del fundido a una velocidad de flujo de al menos 0.30 Nm3/s/m2 en el sitio de la interfaz entre la capa de metal y la capa de escoria (bajo condiciones en reposo), cuyo flujo de gas arrastra el material fundido en el baño de fundido y lleva el material fundido con dirección hacia arriba como salpicaduras, gotitas y corrientes y forma una zona de transición en un mismo espacio continuo de gas en el recipiente por arriba de la capa de escoria, con lo cual las salpicaduras, las gotitas y las corrientes de material fundido hacen contacto con las paredes laterales del recipiente y forman una capa protectora de escoria; y (c) la inyección de un gas que contiene oxígeno en el recipiente vía una o más lanza/tobera y gases de reacción postcombustión liberados del baño del fundido, con lo cual las salpicaduras, gotitas y corrientes ascendentes y después de esto descendentes de material fundido facilitan la transferencia de calor hacia el baño del fundido, y con esto la zona de transición minimiza la pérdida de calor por radiación desde el recipiente vía las paredes laterales en contacto con la zona de transición. La velocidad de flujo de gas anteriormente descrita de al menos 0.30 Nm3/s/m2 en el sitio de la interfaz de la capa metálica y la capa . de escoria (bajo condiciones en reposo) es una velocidad de flujo de gas derivada del baño, sustancialmente más alta que el proceso de Romelt y el proceso de escoria profunda tal como los procesos DIOS y AISI descritos anteriormente, y es una diferencia significativa entre el proceso de la presente invención y estos procesos de fundición directa conocidos . A manera de comparación particular, la patente de los Estados Unidos 5,078,785 de Ibaraki y colaboradores (cedida a Nippon Steel Corporation) describe una forma particular de un proceso de escoria profunda utilizando un recipiente giratorio y describe la inyección de gas por el fondo dentro de una capa metálica para fines de agitación del baño metálico. El párrafo que comienza en la línea 17 de la columna 14 describe que es preferido que la "fuerza de agitación del baño de metal" generada por la inyección del gas del fondo sea no mayor de 6 kw/t. La patente de los Estados Unidos describe que a niveles más altos de agitación pueden ser niveles indeseablemente altos de generación de polvo de hierro. Con base en la información proporcionada en el párrafo que comienza en la línea 21 de la columna 14, una fuerza de agitación del baño de metal máxima de 6 kw/t corresponde a una velocidad de flujo de gas derivado del baño, máxima de 0.12 Nm3/s/m2 en la interfaz entre la capa de metal y la capa de escoria. Esta velocidad de flujo de gas máxima está considerablemente por debajo de la velocidad de flujo mínima de 0.30 Nm3/s/m2 de la presente invención. Preferentemente, el proceso incluye la fundición del material metalífero hasta metal, principalmente en la capa metálica. Preferentemente, la inyección de sólidos y de gases en el paso (b) provoca el flujo de gas desde el baño del fundido sustancialmente a través de la interfaz entre la capa metálica y la capa de escoria metálica (bajo condiciones en reposo) . Preferentemente la velocidad del flujo de gas es al menos 0.35 Nm3/s/m2, más preferentemente al menos 0.50 Nm3/s/m2 en el sitio de la interfaz entre la capa metálica y la capa de escoria (bajo condiciones en reposo) .

Preferentemente la velocidad del flujo de gas es menor de 0.90 Nm3/s/m2 en el sito de la interfaz entre la capa metálica que la capa de escoria (bajo condiciones en reposo). Típicamente, las salpicaduras, las gotitas y corrientes de material fundido arrastran el material fundido adicional (particularmente la escoria) conforme éstas se mueven con dirección hacia arriba. Típicamente, la escoria es una parte principal y el metal fundido es la parte remanente del material fundido en las salpicaduras, gotitas y corrientes de material fundido. El término "fundición" se entiende en la presente que indica el procesamiento térmico en donde las reacciones químicas que reducen los óxidos metálicos tienen lugar para producir metal líquido. El término "capa metálica" se entiende en la presente que es aquella región del baño que es predominantemente metal. Específicamente, el término cubre una región o zona que incluye una dispersión de la escoria fundida en un volumen continuo de metal. El término "capa de escoria" se entiende en la presente que significa aquella región del baño que es predominantemente escoria. Específicamente, el término cubre una región o zona que incluye una dispersión de metal fundido en un volumen continuo de escoria. Preferentemente, la zona de transición se extiende por arriba de la capa de escoria. Se prefiere que el nivel de carbón disuelto en el metal sea mayor de 4 % en peso. Se prefiere que la concentración de FeO en la capa de escoria sea menor de 5% en peso. Se prefiere que el proceso comprenda además la selección de la cantidad de material carbonáceo sólido inyectado en el baño del fundido para ser mayor de aquella requerida para fundir la alimentación metalífera y para generar calor, para mantener las velocidades de reacción tal que el polvo arrastrado en el gas de salida que abandona el recipiente contenga al menos algo de carbón en exceso . Se prefiere que la concentración de carbón sólido en el polvo en el gas de escape del recipiente esté en el intervalo de 5 a 90% en peso (más preferentemente 20 a 50% en peso) del peso del polvo en el gas de escape a una velocidad de generación de polvo de 10-50 g/Nm3 en el gas de escape.

La inyección de material metalífero y el material carbonáceo puede ser a través de la misma lanza/tobera o lanzas/toberas separadas. La zona de transición es muy diferente a la capa de escoria. A manera de explicación, bajo condiciones de operación estables del proceso, la capa de escoria comprende burbujas de gas en un volumen continuo líquido mientras que la zona de transición comprende salpicaduras, gotitas, y corrientes de material fundido, predominantemente escoria, en un volumen continuo de gas. Preferentemente, el paso (c) del proceso post-enciende los gases de reacción, tales como el monóxido de carbono y el hidrógeno, generados en el baño del fundido, en un espacio superior (incluyendo la zona de transición) por arriba de la superficie del baño del fundido y transfiere el calor generado por la post-combustión al baño del fundido, para mantener la temperatura del baño del fundido - como es esencial en vista de las reacciones endotérmicas en el baño del fundido. Preferentemente uno o más de una lanza/tobera de inyección de gas que contiene oxígeno es colocada para inyectar el gas que contiene oxígeno en una región central del recipiente . El gas que contiene oxígeno puede ser oxígeno, aire o aire enriquecido con oxígeno, que contiene hasta 40% en volumen. Preferentemente, el gas que contiene oxígeno es aire. Más preferentemente, el aire es precalentado . Típicamente, el aire es precalentado a 1200°C. El aire puede ser enriquecido con oxígeno. Preferentemente, el paso (c) del proceso opera a altos niveles, por ejemplo al menos 40% , de la post-combustión, donde la post-combustión es definida como: [C02] + [H20] [C02] + [H20] + [CO] + [H2] donde : [C02] = volumen % de C02 en el gas de escape; [H20] = volumen % de H20 en el gas de escape; [CO] = volumen % de CO en el gas de escape; y [H2] = volumen % de H2 en el gas de escape.

En algunos casos puede ser inyectada una fuente suplementaria de material carbonáceo sólido o gaseoso (tal como carbón mineral o gas natural) en el gas de escape desde el recipiente con el fin de capturar la energía térmica en la forma de energía química . Un ejemplo de tal inyección suplementaria de material carbonáceo es la inyección de gas natural que desintegra y reforma, y de este modo enfría, el gas de escape mientras que enriquece su valor combustible . El material carbonáceo suplementario puede ser agregado en los tramos superiores del recipiente o en el conducto de gas de escape después de que el gas de escape ha abandonado el recipiente. Preferentemente, el proceso opera a una post-combustión mayor de 50%, más preferentemente mayor de 60%. Preferentemente, una o más de una lanza/tobera se extienden a través de las paredes laterales del recipiente y están anguladas con dirección hacia abajo y con dirección hacia adentro hacia la capa metálica. Preferentemente, la localización de los parámetros de operación de una o más de una lanza/tobera que inyecta el gas que contiene oxígeno y los parámetros de operación que controlan la zona de transición, son seleccionados de modo que: (a) el gas que contiene oxígeno es inyectado hacia y penetra la zona de transición; (b) la zona de transición se extiende con dirección hacia arriba alrededor de la sección inferior de la o cada lanza/tobera y con esto protege en cierto grado las paredes laterales del recipiente de la zona de combustión generada al final de cada lanza/tobera; y (c) existe espacio continuo de gas descrito como un "espacio libre" que no contiene prácticamente metal y escoria alrededor del extremo de la o cada lanza/tobera. El inciso (c) anterior es una característica importante debido a que hace posible que los gases de reacción en el espacio superior del recipiente sean extraídos hacia la región en el extremo de la o cada lanza/tobera y sean post-encendidos en la región.

Preferentemente, el proceso mantiene un inventario de escoria relativamente alto (pero no demasiado alto) y utiliza la cantidad de escoria como un medio para controlar el proceso. El término "inventario de escoria relativamente alto" puede entenderse en el contexto de la cantidad de escoria en comparación a la cantidad de metal en el recipiente. Preferentemente, cuando el proceso está operando bajo condiciones estables, la proporción en peso del metal : escoria está entre 4:1 y 1:2. Más preferentemente la proporción en peso de metal : escoria está entre 3:1 y 1:1. Se prefiere particularmente que la proporción en peso de metal : escoria esté entre 2:1 y 1:1. El término "inventario de escoria relativamente alto" puede también entenderse en el contexto de la profundidad de la escoria en el recipiente. Preferentemente, el proceso incluye el mantenimiento del inventario con alto contenido de escoria al controlar la capa de escoria como de 0.5 a 4 metros de profundidad • bajo condiciones de operación estables.

Más preferentemente, el proceso incluye el mantenimiento del alto inventario de escoria al controlar la capa de escoria a 1.5 a 2.5 metros de profundidad bajo condiciones de operación estables. Se prefiere particularmente que el proceso incluya el mantenimiento del inventario alto de escoria al controlar la capa de escoria para ser de al menos 1.5 metros de profundidad bajo condiciones de operación estables. La cantidad de escoria en la capa de escoria del baño del fundido tiene un impacto directo sobre la cantidad de escoria que está en la zona de transición rica en escoria. La escoria es importante en el contexto de la minimización de la pérdida de calor vía la radiación desde la zona de transición hacia las paredes laterales del recipiente. Si el inventario de escoria es demasiado bajo existirá exposición incrementada del metal en la zona de transición rica en escoria y por lo tanto oxidación incrementada del metal y el potencial para la post-combustión reducida. Si el inventario de escoria es demasiado alto, entonces una o más de la lanza/tobera de inyección de gas que contiene oxígeno, se llegan a quemar en la zona de transición y esto minimiza el movimiento de los gases de reacción del espacio superior en el extremo de la o cada lanza/tobera y, como consecuencia, reduce el potencial para la post-combustión. De acuerdo a la presente invención, se proporciona un recipiente fijo, por ejemplo no giratorio, que produce metal a partir de un material de alimentación metalífero mediante un proceso de fundición directa, cuyo recipiente contiene un baño de fundido que tiene una capa metálica y una capa de escoria sobre la capa metálica, y tiene un espacio continuo de gas por arriba de la capa de escoria, cuyo recipiente incluye: (a) una coraza o protección; (b) un crisol formado de material refractario que tiene una base y lados en contacto con el baño del fundido; (c) paredes laterales que se extienden con dirección hacia arriba desde los lados del crisol y están en contacto con la capa de escoria y el espacio continuo de gas, en donde las paredes laterales que hacen contacto con el espacio continuo de gas incluyen paneles enfriados con agua y una capa de escoria sobre los paneles; (d) una o más de una lanza/tobera que se extiende con dirección hacia abajo dentro del recipiente y que inyecta un gas que contiene oxígeno dentro del recipiente, por arriba de la capa metálica; (e) una o más de una lanza/tobera que se extiende con dirección hacia abajo y hacia adentro, inyectando al menos parte del material de alimentación metalífero y/o un material carbonáceo con un gas portador en el baño del fundido, para generar flujo de gas derivado del baño a una velocidad de al menos 0.30 Nm3/s/m2 en el sitio de la interfaz entre la capa metálica y la capa de escoria (bajo condiciones en reposo) y la elevación de la flotabilidad del material fundido a partir de la capa de metal y la capa de escoria; (f) una zona de transición formada mediante el ascenso y después de esto el descenso de las salpicaduras, gotitas y corrientes de material fundido en el espacio continuo de gas por arriba de la capa de escoria, con algunas de estas salpicaduras, gotitas y corrientes que hacen contacto con las paredes laterales del recipiente y que forman una capa de material fundido sobre las paredes laterales; y (g) un medio para extraer el metal fundido y la escoria desde el recipiente. Preferentemente, la inyección de sólidos y de gas vía la lanza/tobera o las lanzas/toberas genera flujo de gas desde el baño del fundido sustancialmente a través de la interfaz entre la capa metálica y la capa de escoria (bajo condiciones en reposo) . Preferentemente, el recipiente incluye un crisol cilindrico y paredes laterales que forman un barril cilindrico que se extiende desde el crisol. El material de alimentación metalífero puede ser cualquier material adecuado y en cualquier forma adecuada. Un material de alimentación metalífero preferido es un material que contiene hierro. El material que contiene hierro puede estar en la forma de minerales, minerales parcialmente reducidos, DRI (hierro reducido directo), carburo de hierro, cascarilla de laminación, polvo de alto horno, partículas finas sinterizadas, polvo BOF o una mezcla de tales materiales. En el caso de minerales parcialmente reducidos, el grado de pre-reducción puede estar en el intervalo relativamente de bajos niveles (por ejemplo para FeO) hasta niveles relativamente altos (por ejemplo 70 a 95% de metalización) . En este contexto, el proceso incluye además el reducir parcialmente los minerales metalíferos y después de esto inyectar los minerales parcialmente reducidos dentro del baño del fundido. El material de alimentación metalífero puede ser pre-calentado . El gas portador puede ser cualquier gas portador adecuado. Se prefiere que el gas portador sea un gas deficiente en oxígeno. Se prefiere que el gas portador comprenda nitrógeno . La presente invención se describe además a manera de ejemplo con referencia a los dibujos anexos de los cuales La Figura 1 es una sección vertical a través de un recipiente metalúrgico que ilustra en forma esquemática una modalidad preferida del proceso de la presente invención; La Figura 2 es una gráfica de la eficiencia de transferencia de calor versus la velocidad de flujo de los gases derivados del baño, para la campaña 8.1 del trabajo en planta piloto llevado a cabo por el solicitante; y La Figura 3 es una gráfica de la eficiencia de la transferencia de calor versus la velocidad de flujo de los gases derivados del baño, para la campaña 8.2 de la planta piloto. La siguiente descripción está en el contexto de la fundición de mineral de hierro para producir hierro fundido, y se entiende que la presente invención no está limitada a esta aplicación, y es aplicable a cualesquiera minerales y/o concentrados metálicos adecuados -incluyendo minerales metálicos parcialmente reducidos y materiales de transformación de desecho. El recipiente mostrado en la Figura 1 es un recipiente fijo, por ejemplo no giratorio, que tiene un crisol cilindrico que incluye una base 3 y lados 55 formados de ladrillos refractarios; las paredes laterales 5 que forman un barril en general cilindrico que se extiende con dirección hacia arriba desde los lados 55 del crisol y que incluye una sección de barril superior 51 y una sección de barril inferior 53; un techo 7; una salida 9 para los gases de escape; un horno de afino o antecrisol 81 que puede descargar hierro fundido continuamente; una conexión 71 del antecrisol que interconecta el crisol y el antecrisol 81; y un orificio de colada 61 para descargar la escoria fundida. En el uso, el recipiente contiene un baño de fundido de hierro y escoria que incluye una capa 15 de hierro fundido y una capa 16 de escoria fundida sobre la capa de metal 15. La flecha marcada por el número 17 indica la posición de la superficie nominal en reposo de la capa metálica 15 y la flecha marcada por el número 19 indica la posición de la superficie nominal en reposo de la capa de escoria 16. Se entiende que el término "superficie en reposo" significa la superficie cuando no existe inyección de gas y sólidos dentro del recipiente. El recipiente también incluye 2 lanzas/ toberas 11 de inyección de sólidos que se extienden con dirección hacia abajo y hacia adentro a un ángulo de 30-60° a la vertical a través de las paredes laterales 5 y dentro de la capa de escoria 16. La posición de las lanzas/ toberas 11 se selecciona de modo que los extremos inferiores están por arriba de la superficie en reposo 17 de la capa de hierro 15 bajo condiciones de proceso en estado estacionario . En el uso, el mineral de hierro, el material carbonáceo sólido (típicamente carbón mineral), y fundentes (típicamente piedra caliza y magnesia) arrastrados en un gas portador (típicamente N2) se inyectan dentro de la capa de metal 15 vía las lanzas/toberas 11. El momento o cantidad de movimiento del material sólido/gas portador provoca que el material sólido y el gas penetren a la capa de metal 15. El carbón mineral es desvolatilizado y con esto produce gas en la capa de metal 15. El carbón se disuelve parcialmente en el metal y permanece parcialmente como carbón sólido. El mineral de hierro es fundido a metal y la reacción de fundición genera gas monóxido de carbono. Los gases transportados dentro de la capa de metal 15 y generados vía la desvolatilización y la fundición, producen elevación de la flotabilidad significativa del metal fundido, del carbón sólido y de la escoria (arrastrada hacia la capa de metal 15 como una consecuencia de la inyección de sólido/gas) a partir de la capa de metal 15 que genera un movimiento hacia arriba de las salpicaduras, gotitas y corrientes de material fundido, y estas salpicaduras, gotitas y corrientes arrastran la escoria conforme se mueven a través de la capa de escoria 16. El solicitante ha encontrado en el trabajo en planta piloto que la generación de flujo de gas desde el baño del fundido a una velocidad de al menos 0.30 Nm3/s/m2 del área de la capa de metal 15 al nivel 17 del metal en reposo (por ejemplo en la interfaz de la capa de metal 15 y la capa de escoria 16 bajo condiciones de reposo), preferentemente, sustancialmente a través del área, provoca la agitación sustancial en la capa de metal 15 y la capa de escoria 16 con el resultado de que: a) la capa de escoria 16 se expande en volumen y tiene una superficie indicada por la flecha 30; y b) la capa de metal 15 y la capa de escoria 16 son cada una sustancialmente homogéneas ya que existen temperaturas razonablemente uniformes a lo largo de cada capa, típicamente de 1450 a 1550°C y composiciones razonablemente uniformes a todo lo largo de cada capa. Además, el solicitante ha encontrado en el trabajo en planta piloto que la velocidad de flujo del gas, anteriormente descrita, y la elevación resultante de la flotabilidad del material fundido y el carbón sólido: a) forma una zona de transición 23; y b) proyecta algo del material fundido (predominantemente escoria) más allá de la zona de transición y sobre la parte de la sección de barril superior 51 de las paredes laterales 5, que está por arriba de la zona de transición 23 y sobre el techo 7. En términos generales, la capa de escoria 16 es un volumen continuo líquido, con burbujas de gas en ésta, y la zona de transición 23 es un volumen continuo de gas con salpicaduras, gotitas y corrientes de metal fundido y escoria. El recipiente incluye además una lanza 13 para la inyección de un gas que contiene oxígeno (típicamente aire enriquecido con oxígeno, precalentado) que está centralmente localizado y se extiende verticalmente con dirección hacia abajo dentro del recipiente. La posición de la lanza 13 y la velocidad de flujo de gas a través de la lanza 13 se seleccionan de modo que bajo condiciones del proceso en estado de reposo el gas que contiene oxígeno penetra la región central de la zona de transición 23 y mantiene un espacio 25 esencialmente libre de metal/escoria alrededor del extremo de la lanza 13. En el uso, la inyección del gas que contiene oxígeno vía la lanza 13 enciende posteriormente los gases de reacción CO y H2 en la zona de transición 23 y en el espacio libre 25 alrededor del extremo de la lanza 13, y genera altas temperaturas del orden de 2000°C o mayores en el espacio de gas. El calor es transferido a las salpicaduras, gotitas y corrientes ascendentes y descendentes del material fundido en la región de inyección del gas, y el calor es luego parcialmente transferido a la capa de hierro 15 cuando el metal/escoria regresa a la capa de hierro 15. El espacio libre 25 es importante para lograr altos niveles de post-combustión, por ejemplo más de 40%, debido a que hace posible el arrastre de los gases en el espacio por arriba de la zona de transición 23 en la región extrema de la lanza 13 y con esto incrementa la exposición de los gases de reacción disponibles, a la post-combustión. El efecto combinado de la posición de la lanza 13, la velocidad de flujo de gas a través de la lanza 13, y el movimiento hacia arriba de las salpicaduras, gotitas y corrientes de material fundido es para conformar la zona de transición 23 alrededor de la región inferior de la lanza 13 - en general identificada por los números 27. Esta región conformada proporciona una barrera parcial para la transferencia de calor o radiación a las paredes laterales 5. Además, las gotitas, salpicaduras y corrientes ascendentes y descendentes de material fundido es un medio efectivo para transferir el calor desde la zona de transición 23 hacia el baño de fundido con el resultado de que la temperatura de la zona de transición 23 en la región de las paredes laterales 5 es del orden de 1450-1550°C. El recipiente es construido con referencia a los niveles de la capa de metal 15, la capa de escoria 16, y la zona de transición 23 en el recipiente cuando el proceso está operando bajo condiciones de proceso en • estado de reposo o estacionario, y con referencia a las salpicaduras, gotitas y corrientes de material fundido que son proyectadas hacia el espacio superior 31 por arriba de la zona de transición 23 cuando el proceso está operando bajo condiciones de operación en estado de reposo, de modo que: a) el crisol y la sección de barril inferior 53 de las paredes laterales 5 que hacen contacto con las capas 15/16 de metal/escoria se forman de ladrillos de material refractario (indicados por el sombreado transversal en la figura) ; b) al menos parte de la sección de barril inferior 53 de las paredes laterales 5 está reforzada por paneles 8 enfriados con agua; y c) la sección de barril superior 51 de las paredes laterales 5 y el techo 7 que hacen contacto con la zona de transición 23 y el espacio superior 31 se forman a partir de los paneles 57, 59 enfriados con agua. Cada uno de los paneles 8, 57, 59 enfriados con agua tiene bordes superiores e inferiores paralelos y bordes laterales paralelos y está curvado para definir una sección del barril cilindrico. Cada panel incluye un tubo interno de enfriamiento con agua y un tubo externo de enfriamiento con agua. Los tubos están formados en una configuración en serpentín con las secciones horizontales interconectadas por secciones curvadas. Cada tubo incluye además una entrada de agua y una salida de agua. Los tubos están desplazados verticalmente de modo que las secciones horizontales del tubo exterior no están inmediatamente por detrás de las secciones horizontales del tubo interior cuando se observan desde una cara expuesta del panel, por ejemplo, la cara que está expuesta al interior del recipiente. Cada panel incluye además un material refractario apisonado, el cual llena los espacios entre las secciones rectas adyacentes de cada tubo y entre los tubos. Las entradas de agua y las salidas de agua de los tubos se conectan a un circuito de suministro de agua (no mostrado) que hace circular agua a una alta velocidad de flujo a través de los tubos. El trabajo en planta piloto al que se hace referencia anteriormente fue llevado a cabo como una serie de campañas extendidas por el solicitante en su planta piloto en Kwinana, Australia Occidental. El trabajo en planta piloto fue llevado a cabo con el recipiente mostrado en la Figura 1 y descrito anteriormente, y de acuerdo con las condiciones del proceso descritas anteriormente. En particular, el proceso es operado con descarga continua de hierro fundido vía el antecrisol 81 y la colada periódica de escoria fundida vía el orificio de colada 61. En el contexto de la presente invención es relevante hacer notar que el diámetro del crisol fue de 2.74 metros. El trabajo en planta piloto evaluó el recipiente e investigó el proceso bajo una amplia gama de diferentes: a) materiales de alimentación; b) velocidades de inyección de sólidos y de gases; c) inventarios de escoria - medidos en términos de la profundidad de la capa de escoria y de las proporciones escoria : metal; d) las temperaturas de operación; y e) los ajustes del aparato. Las Figuras 2 y 3 son gráficas que muestran la relación entre la eficiencia de transferencia de calor (HTE-TS) y la velocidad de flujo de los gases derivados del baño (expresados como kNm3/hora) para dos de las campañas en planta piloto.

La eficiencia de transferencia de calor es la cantidad de energía generada por la postcombustión, que es transferida al baño del fundido, dividida por la cantidad total de energía generada por la post-combustión, expresada como un porcentaje. Si el gas de escape está sustancialmente a la temperatura del baño, es justo decir que las altas eficiencias de transferencia de calor son una indicación de la baja pérdida de calor desde el recipiente (que ocurre principalmente vía las paredes laterales). Es evidente a partir de las Figuras 2 y 3 que existían incrementos agudos en la eficiencia de transferencia de calor a las velocidades de flujo de gas derivado del baño de aproximadamente 7.5 kNm3/hora. Esta cantidad corresponde a 0.32 Nm3/m2 en la interfaz entre la capa de metal 15 y la capa de escoria 16 del recipiente bajo condiciones de reposo . Se pueden realizar muchas modificaciones a la modalidad preferida de la presente invención descrita, sin apartarse del espíritu y alcance de la misma . Mientras que la modalidad preferida de la presente invención genera flujo de gas derivado del baño a partir de la capa de metal debido a la inyección de material sólido/gas portador a través de las lanzas/toberas 11, la presente invención se extiende a los arreglos en los cuales exista una menor contribución al flujo de gas derivado del baño por la inyección inferior/lateral del gas.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención .

Claims (18)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Un proceso de fundición directa para producir metal a partir de un material de alimentación metalífero en un recipiente metalúrgico fijo, por ejemplo no giratorio, el proceso está caracterizado porque incluye los pasos de: a) la formación de un baño de fundido que tiene una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa metálica en el recipiente; b) la inyección de material de alimentación metalífero y/o material carbonáceo sólido con un gas portador en el baño del fundido vía una o más de una lanza/tobera que se extiende con dirección hacia abajo y la fundición de material metalífero en el baño del fundido, con lo- cual la inyección de sólidos y gas provoca el flujo de gas desde el baño del fundido a una velocidad de flujo de al menos 0.30 NmVs/m2 en el sitio de la interfaz entre la capa de metal y la capa de 5 escoria (bajo condiciones en reposo), cuyo flujo de gas arrastra el material fundido en el baño de fundido y lleva el material fundido con dirección hacia arriba como salpicaduras, gotitas y 10 corrientes y forma una zona de transición en un mismo espacio continuo de gas en el recipiente por arriba de la capa de escoria, con lo cual las salpicaduras, las gotitas y las 15 corrientes de material fundido hacen contacto con las paredes laterales del recipiente y forman una capa protectora de escoria; y c) la inyección de un gas que contiene 20 oxígeno en el recipiente vía una o más lanza/tobera y gases de reacción postcombustión liberados del baño del fundido, con lo cual las salpicaduras, gotitas y corrientes ascendentes y 25 después de esto descendentes de material fundido facilitan la transferencia de calor hacia el baño del fundido, y con esto la zona de transición minimiza la pérdida de calor por radiación desde el recipiente vía las paredes laterales en contacto con la zona de transición.

2. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque incluye la fundición del material metalífero a metal, principalmente en la capa de metal.

3. El proceso de conformidad con la reivindicación 1 o con la reivindicación 2, caracterizado porque la inyección de sólidos y gas en el paso (b) provoca el flujo del gas desde el baño del fundido, sustancialmente a través de la interfaz entre la capa de metal y la capa de escoria de metal (bajo condiciones en reposo) .

4. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la velocidad de flujo de gas es al menos de 0.35 Nm3/s/m2 en el sitio de la interfaz entre la capa de metal y la capa de escoria (bajo condiciones en reposo) .

5. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizado porque la velocidad de flujo de gas es menor de 0.50 Nm3/m3 en el sitio de la interfaz entre la capa de metal y la capa de escoria (bajo condiciones en reposo) .

6. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la zona de transición se extiende por arriba de la capa de escoria.

7. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizado porque el nivel de carbón disuelto en el metal es mayor de 4% en peso.

8. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la concentración de FeO en la capa de escoria es menor de 5% en peso.

9. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque incluye además la selección de la cantidad de material carbonáceo sólido inyectado en el baño del fundido para ser mayor que aquella requerida para fundir la alimentación metalífera y para generar calor, para mantener velocidades de reacción tal que el polvo arrastrado en el gas de escape que abandona el recipiente, contiene al menos algo de carbón en exceso.

10. El proceso de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque la concentración de carbón sólido en el polvo en el gas de escape proveniente del recipiente, está en el intervalo de 5 a 90% en peso (más preferentemente 20 a 50% en peso) del peso del polvo en el gas de escape a una velocidad de generación de polvo de 10-50 g/Nm3 en el gas de escape.

11. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la inyección de material metalífero y material carbonáceo en el paso (b) es a través de la misma lanza/tobera o lanzas/toberas separadas .

12. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el gas que contiene oxígeno es oxígeno, aire o aire enriquecido con oxígeno, que contiene hasta 40% en volumen de oxígeno.

13. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el paso (c) opera a altos niveles, por ejemplo al menos 40%, de postcombustión, donde a post-combustión es definida como: [C02] + [H20] [C02] + [H20] + [CO] + [H2] donde: [C02] = volumen % de C02 en el gas de escape; [H20] = volumen % de H20 en el gas de escape; [CO] = volumen % de CO en el gas de escape; y [H2] = volumen % de H2 en el gas de escape.

14. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el paso (b) incluye la inyección de sólidos y gas dentro del baño del fundido, vía una o más de una lanza/tobera que se extiende a través de las paredes laterales del recipiente, y están anguladas con dirección hacia abajo y hacia adentro hacia la capa de metal.

15. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el paso (c) incluye la inyección del gas que contiene oxígeno dentro del recipiente vía una o más de una lanza/tobera, de modo que: a) el gas que contiene oxígeno es inyectado hacia y penetra la zona de transición; b) la zona de transición se extiende con dirección hacia arriba alrededor de la sección inferior de la o cada lanza/tobera, y con esto protege en cierto grado las paredes laterales del recipiente de la . zona de combustión generada al final de cada lanza/ tobera; y c) existe espacio continuo de gas descrito como un "espacio libre" que no contiene prácticamente metal y escoria alrededor del extremo de la o cada lanza/ tobera .

16. Un recipiente fijo, por ejemplo no giratorio, que produce metal a partir de un material de alimentación metalífero mediante un proceso de fundición directa, cuyo recipiente contiene un baño de fundido que tiene una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa de metal, y tiene un espacio continuo de gas por arriba de la capa de escoria, el recipiente está caracterizado porque incluye: a) una coraza o protección; b) un crisol formado de material refractario que tiene una base y lados en contacto con el baño del fundido; c) paredes laterales que se extienden con dirección hacia arriba desde los lados del crisol y están en contacto con la capa de escoria y el espacio continuo de gas, en donde las paredes laterales que hacen contacto con el espacio continuo de gas incluyen paneles enfriados con agua y una capa de escoria sobre los paneles; d) una o más de una lanza/tobera que se extiende con dirección hacia abajo dentro del recipiente y que inyecta un gas que contiene oxígeno dentro del recipiente, por arriba de la capa metálica; e) una o más de una lanza/tobera que se extiende con dirección hacia abajo y hacia adentro, inyectando al menos parte del material de alimentación metalífero y/o un material carbonáceo con un gas portador en el baño del fundido, para generar flujo de gas derivado del baño a una velocidad de al menos 0.30 Nm3/s/m2 en el sitio de la interfaz entre la capa metálica y la capa de escoria (bajo condiciones en reposo) y la elevación de la flotabilidad del material fundido a partir de la capa de metal y la capa de escoria; f) una zona de transición formada mediante el ascenso y después de esto el descenso de las salpicaduras, gotitas y corrientes de material fundido en el espacio continuo de gas por arriba de la capa de escoria, con algunas de estas salpicaduras, gotitas y corrientes que hacen contacto con las paredeaS laterales del recipiente y que forman una capa de material fundido .sob?.e las -a edes laterales; y g) un medio para extraer el metal fundido y la escoria desde el recipiente.

17. El recipiente de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque la inyección de sólidos y gas vía la lanza/tobera o las lanzas/toberas genera el flujo de gas desde el baño del fundido, sustancialmente a través de la interfaz entre la capa de metal y la capa de escoria (bajo condiciones en reposo) . ,

18. El recipiente de conformidad con la reivindicación 16 o la reivindicación 17, caracterizado porque incluye un crisol cilindrico y paredes laterales que forman un barril cilindrico que se extiende desde el crisol.