MXPA02002414A - Dispositivo para la reduccion directa de oxidos de hierro. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo para la reduccion directa de oxidos de hierro del tipo con una carga gravitacional, que comprende un reactor que define, en su parte superior, al menos una zona dentro de la cual ocurre la reaccion de reduccion, medios (14, 15) para introducir la carga a traves de una boca (12) del reactor, medios (18, 17, 19) para introducir una corriente de gas en al menos una seccion del reactor en correspondencia con la zona de reduccion, medios de salida (13) del material reducido del fondo del reactor, y medios (20) para descargar los humos de exhaustacion, del reactor (10) incluyendo al menas una primer zona superior (10a) de calentamiento, reduccion y reduccion final, con un estrechamiento o bifurcacion que converge hacia abajo, y una segunda zona inferior (10b) de carburizacion y enfriamiento, con un estrechamiento o bifurcacion que converge hacia abajo.

Description

DISPOSITIVO PARA LA REDUCCIÓN DIRECTA DE ÓXIDOS DE HIERRO DESCRIPCIÓN Antecedentes y campo de la invención Esta invención se refiere a un dispositivo para la producción de hierro metálico por medio de la reducción directa de mineral de hierro, en donde el hierro está presente en forma de óxidos, por medio de una reducción directa de los óxidos. El dispositivo de conformidad con la invención comprende un reactor que se perfila al menos parcialmente en forma de un cono truncado y en donde ocurren los diferentes procesos que logran la reducción directa de los óxidos de hierro. El hierro reducido puede surgir del reactor ya sea caliente o frío y posteriormente puede enviarse a un horno de fundición para producir acero líquido o puede convertirse en briquetas de arrabio rico en silicio y pobre en azufre (HBI por sus siglas en inglés) , o de nuevo puede transportarse a una zona de enfriamiento y almacenamiento. En correspondencia con una o más zonas longitudinales diferentes, al reactor se le proporciona un conducto equipado con boquillas a través de las cuales se inyecta gas reductor. Esta invención se caracteriza por el hecho de que el reactor de reducción tiene una estructura cónica múltiple, divergiendo en por lo menos un ángulo en su parte superior y convergiendo en por lo menos un ángulo en su bajo inferior. En el campo de la producción de acero, cada vez es más común el uso de hierro reducido (DRI por sus siglas en inglés) como un material de carga para procesos de fundición o de conversión. El proceso para obtener hierro reducido proporciona lo necesario para hacer reaccionar el mineral de hierro con una corriente de gas reductor en un dispositivo apropiado que comprende un recipiente de reacción, llamado reactor, que define en su altura por lo menos una zona en donde ocurre el proceso de reducción. Los dispositivos usados generalmente son del tipo gravitatorio, también llamados tipos flecha, y comprenden una parte central, con una forma substancialmente cilindrica o de como truncado, una zona superior cilindrica para carga, una zona inferior para descarga, medios para inyectar gas reductor en una o más zonas del reactor y medios para crear una admisión de los gases, por lo menos en la zona superior.

Para perfeccionar el desempeño de los procesos químicos para reducir los óxidos de hierro, es necesario crear condiciones de distribución uniforme, dentro del dispositivo de reducción, tanto de la carga de mineral introducida como del gas reductor. En reactores convencionales, particularmente aquellos de gran tamaño, el flujo de gas reductor introducido lateralmente afecta primariamente la zona periférica: esto da un rendimiento reducido de las reacciones de reducción en correspondencia con la zona central . Es más, en los reactores tradicionales los taponamientos de material se crean a menudo en la parte superior, particularmente con ciertos tipos de material, y/o el material se adhiere de material sobre las paredes cuando el material a ser reducido entra en un estado parcialmente plástico. Además, si la inyección de la corriente de gas ocurre en una zona de reducción del reactor donde el diámetro es demasiado grande, esto trae consigo una eficacia pobre y por consiguiente bajo rendimiento del proceso de reducción. Las irregularidades en el flujo del material y del gas dentro del reactor producen un rendimiento pobre en el proceso de reducción y afectan negativamente la productividad del dispositivo. La parte inferior del reactor, que converge hacia abajo, convencionalmente tiene un aguzamiento o inclinación constante. Con esta estructura, el volumen de material que atraviesa es muy limitado y, para mantener una alta productividad, el tiempo que el material sólido permanece dentro del reactor también está limitado. Por consiguiente, no se da al carbono (C) el tiempo necesario para esparcirse eficazmente en la estructura molecular del metal y por consiguiente no es posible obtener los compuestos deseados de Fe y C, tal como por ejemplo Fe3C. El documento DE-C-198 38 368 describe un reactor para la reducción directa de material de hierro que comprende, en su parte superior, una cámara de prevacio interna y tubular capaz de esparcir uniformemente la carga de material introducida en el reactor desde arriba. Esta cámara también tiene la función de dividir, en la parte superior del reactor, la zona interna central, a través de la cual se alimenta la carga de material de hierro en el reactor, de la zona anular periférica la cual está vacía y a través de la cual los gases que salen del interior del reactor se hacen transitar.

Esta cámara no tiene ninguna función de precalentamiento o reducción de los óxidos de hierro alimentados en la reacción. Los documentos JP 61099612A y US 1585344A describen reactores similares que comprenden una parte divergente uniforme superior, con un solo ángulo de divergencia, el cual prácticamente cubre la totalidad de la altura del reactor y una parte terminal inferior corta convergente. El desarrollo uniforme de la parte divergente superior, con un solo ángulo de divergencia, no puede adaptar eficazmente la forma interna del reactor al aumento progresivo del volumen del material durante la reacción Fe203 -> Fe304. Es más, en la parte convergente inferior, debido a su muy corta altura, no pueden realizarse reacciones carburización y enfriamiento del material antes de su salida del propio reactor. Los documentos US-S-4 725 309 y US-A-4 374 585 describen reactores similares que comprenden una parte cilindrica superior, una parte intermedia parcialmente divergente y una parte inferior convergente. La parte divergente sólo se proporciona en la sección asociada a la entrada de los gases reductores dentro del reactor, pero claramente no tiene la función de provocar una mejor distribución de la carga dentro del reactor, para prevenir la adhesión del material sobrecalentado a las paredes y adaptar la forma de la parte superior del reactor para el aumento del volumen del mineral de hierro durante la reacción Fe2Ü3 -> Fe304. El inventor de la presente ha inventado y ha incluido esta invención para superar todas estas limitaciones para mejorar la eficacia del proceso y la calidad del producto obtenido.

Breve descripción de la invención El dispositivo para producir hierro metálico mediante la reducción directa de óxidos de hierro de conformidad con la invención se establece y caracteriza en la reivindicación principal, mientras que las reivindicaciones dependientes describen otras características innovadoras de la invención. El dispositivo de reducción de conformidad con la invención es del tipo gravitatorio o del tipo flecha, en donde tanto el material como el gas se alimentan preferentemente de forma continua, para crear un flujo vertical y gravitatorio del material y para lograr la reducción directa del mineral. El dispositivo de reducción de conformidad con la invención está provisto con medios para alimentar el mineral de hierro y medios para descargar el hierro metálico reducido. El dispositivo también está equipado con conductos para inyectar el gas reductor en correspondencia con una o más zonas distribuidas sobre la altura del reactor. Un objeto de la invención es lograr un dispositivo de reducción en el cual exista una distribución uniforme y estable tanto de la carga de metal como del gas reductor a lo largo del volumen total del mineral de hierro, para obtener una productividad alta, una mejor calidad del hierro reducido y una mayor cantidad de carbono, posiblemente como Fe3Ü. Otro objeto de la invención es obtener un dispositivo en donde el material de carga se previene de aglomerarse y bloquearse en correspondencia con la parte superior del reactor y lo cual evita los riesgos de que el material sobrecalentado se adhiera contra las paredes del reactor. Un objeto adicional de la invención es provocar y facilitar el descenso del material reducido, en la parte inferior del reactor, hacia la salida desde el reactor, mejorando al mismo tiempo la eficacia de la inyección del gas en la zona y aumentando el volumen disponible para reacción.

De conformidad con la invención, el dispositivo de reducción comprende un reactor definido por una primer zona superior, con un cono que diverge hacia abajo, y una segunda zona inferior, con un cono que converge hacia abajo. De conformidad con una modalidad preferida de la invención, la segunda zona inferior está definida por al menos dos segmentos equipados con ángulos respectivos de convergencia los cuales son diferentes entre si. La primer zona superior define una zona de calentamiento, prerreducción y de reducción final en donde, gracias a la introducción de corrientes de gas reductor en por lo menos una zona circunferencial, se realizan las siguientes reacciones de transformación: Fe203 -> Fe304, Fe30 -> FeO y FeO -> Fe.

La segunda zona inferior comprende la zona de transición y la zona donde el material como metal se carburiza y se enfria. De conformidad con una variante, entre la zona superior divergente y la zona inferior convergente existe un segmento de separación prácticamente cilindrico en donde se completan las reacciones de reducción.

La estructura divergente de la primer zona superior provoca una mejor distribución de la carga dentro del reactor y una mejor distribución del gas sobre la totalidad del volumen interno. La mejor distribución de la carga y del gas provoca un rendimiento de calor superior de las reacciones químicas, las cuales pueden ocurrir más rápidamente y con un aumento consecuente en la productividad. En la parte superior del reactor, la forma divergente descendentemente provoca el flujo descendente del material, evitando que se adhiera a las paredes. Durante la reacción del Fe2Ü3 a Fe304, el mineral de hierro aumenta en volumen un valor que puede variar de 15 a 30%, de conformidad con las condiciones del proceso y el tipo de material cargado. Este aumento en volumen provoca un aumento correspondiente en la presión sobre las pelotillas de material introducidas, aumentando así el riesgo de que se adhieran a las paredes . La estructura divergente del reactor en su parte superior incrementa el volumen disponible conforme el material desciende, evitando bloqueos y permitiendo que el volumen aumente libremente.

En las zonas periféricas, es más, ya no existe ninguna presión ejercida por la columna de material, lo cual reduce las oportunidades de adhesión. De conformidad con la invención, el ángulo de abertura de la primer parte superior divergente del reactor con respecto a la vertical está entre 1 y 5 grados, preferentemente alrededor de aproximadamente 3 grados. La primer parte superior tiene una extensión en la altura, de conformidad con la invención de entre aproximadamente 1/4 y aproximadamente 1/2 de la altura total del reactor. De conformidad con otra modalidad, la primer parte superior tiene una estructura definida por dos o más • segmentos consecutivos que tienen un ángulo de divergencia diferente a la vertical. La estructura convergente . de la segunda parte inferior provoca un aumento en la eficacia de inyección del gas, debido a la reducción en él diámetro de la sección del reactor donde el gas se introduce. En la parte inferior del reactor, la forma que converge descendentemente provoca una disminución en la velocidad del gas conforme el gas sube gradualmente del fondo hacia arriba. De esta manera, se incrementa el tiempo disponible para que el gas complete las reacciones, con respecto a la carburización, de manera que el carbono se obtenga en forma de Fe3C; también existe más tiempo para que el gas intercambie calor con el material, permitiendo asi que el gas se enfrie. De conformidad con una modalidad preferencial, el cono de la parte inferior del reactor tiene dos o más segmentos con un cono progresivamente más grande. Esta modalidad permite adaptar la forma del segmento terminal del reactor conforme la temperatura del material varía. De hecho, conforme gradualmente desciende dentro del reactor, el material se enfría y así disminuye su tendencia a adherirse a las paredes. Así el volumen disponible en la zona inferior del reactor se aumenta y las condiciones para la carburización y enfriamiento se llevan a un óptimo. Es más, el material reducido se descarga más rápida y eficazmente hacia la zona de salida y los medios de descarga. De conformidad con -la invención, los ángulos de convergencia de la segunda zona inferior están entre 5 y 20 grados, preferentemente entre 8 y 15 grados, con la vertical .

Breve descripción de los dibujos Éstas y otras características de la invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción de algunas formas de la modalidad preferida, dada como un ejemplo no restrictivo y con referencia a los dibujos adjuntos . La figura 1 muestra una sección longitudinal esquemática de una primera modalidad del dispositivo para la reducción directa de óxidos de hierro de conformidad con la invención. La figura 2 muestra otra modalidad del dispositivo de conformidad con la invención, resaltando algunos detalles de la estructura del reactor. La figura 3a muestra una tercera modalidad del dispositivo de conformidad con la invención. La figura 3b muestra el dispositivo como en la figura 3a, resaltando algunos detalles de la estructura del reactor .

Descripción detallada de modalidades preferidas En la figura 1 se muestra un dispositivo 11 para la reducción directa de óxidos de hierro de conformidad con la invención que comprende un reactor 10 equipado con una boca 12 superior para alimentar material desde arriba, a través de la cual el mineral (óxidos de hierro) se introducen de forma conveniente y una abertura 13 inferior a través de la cual sale el hierro. Las paredes internas del reactor 10 están recubiertas de manera convencional, total o parcialmente, por lo menos en la parte superior, con material refractario . En su parte superior el reactor 10 tiene una abertura 20 circunferencial a través de la cual sale el gas de descarga. La boca 12 superior del reactor 10 coopera con un dispositivo 15 para introducir el mineral de hierro que consiste de una pluralidad de tubos 14 de introducción convenientes para distribuir uniformemente el material de metal cargado sobre la totalidad de la sección del reactor 10. Los óxidos de metal basados en hierro se introducen en el reactor 10 en forma de pelotillas o de mineral burdo del tamaño apropiado, el hierro contenido allí está entre 63% y 68% en peso. Al final del método de conformidad con la invención el hierro contenido en el material reducido que sale del reactor 10 se encuentra normalmente entre 80 y 90% en peso.

De conformidad con la característica principal de la invención, el reactor 10 se divide en por lo menos una primer zona 10a superior, o zona de reducción, formada como un cono truncado que diverge hacia abajo y una segunda zona 10b inferior, o zona de carburización y enfriamiento, formada como un cono truncado que converge hacia abajo y hacia la boca 13 de salida. La primer zona 10a superior, la cual ocupa una altura de entre aproximadamente 1/4 y aproximadamente 1/2 de la altura global del reactor 10 trabaja en conjunto con por lo menos una zona 16 para la introducción circunferencial de una corriente de gas reductor. La zona 16 de introducción puede ser del tipo mostrado esquemáticamente con la sección en la figura 1 y puede comprender un conducto 18 de alimentación asociado con un colector 17 circunferencial que trabaja en conjunto con una pluralidad de aberturas o boquillas 19 convenientes para transportar la corriente de gas dentro del volumen del reactor 10. El gas reductor y la corriente superior de planta del conducto 18 puede ser de cualquier tipo convencional y por consiguiente no se describen aquí a más detalle. En la primer zona 10a superior, ocurren las reacciones para reducir el material de metal, con transformaciones progresivas de Fe203 en Fe304, de Fe304 en FeO y de FeO en Fe. El gas introducido en las diferentes secciones del reactor 10 se eleva, en la dirección de las flechas 22 mostradas en la figura 3a, y se encuentra con los minerales de hierro en la zona 10a superior, provocando las reacciones de reducción progresiva de los óxidos de hierro. La parte 10a superior del reactor 10 se define, en las modalidades mostradas aquí, por tres segmentos consecutivos, respectivamente 23a, 23b y 23c, separados por segmentos de transición inclinados respectivos 24a, 24b y 24c, colocados en correspondencia con las secciones de introducción de gas dentro del reactor 10. La co-operación entre las boquillas 19 y los segmentos inclinados 24a, 24b y 24c hace más eficaz la distribución del gas dentro del reactor 10 y más uniforme. Los dos segmentos superiores 23a y 23b son por lo menos ligeramente divergentes hacia el exterior, definiendo respectivos ángulos al y a2 con la vertical. El tercer segmento 23c puede ser cilindrico con paredes paralelas, divergiendo ligeramente o incluso puede ligeramente converger hacia abajo. En una primera modalidad, los ángulos al y a2 son iguales (Fig. 2) .

De conformidad con una variante, los ángulos al y a2 son diferentes, con al > a2 (Fig. 1) . La zona superior divergente provoca un volumen mayor de reacción y por consiguiente mayores velocidades de reacción y un aumento en el rendimiento y la productividad. Es más, se reduce el riesgo de que el material plastificado se adhiera a las paredes, porque el material fluye mejor hacia abajo y existe menos presión sobre las pelotillas hacia la zona periférica del reactor 10. De conformidad con la invención, los ángulos al y a2 tienen valores de entre 1° y 5o. El material reducido que deja la zona 10a superior llega a la zona 10b inferior en donde el material se carburiza/enfría y entonces se envía hacia la salida 13 del reactor 10. De conformidad con las modalidades de la presente invención, la zona 10b inferior del reactor 10 es convergente hacia abajo y en este caso se caracteriza por al menos dos segmentos con convergencia diferente. Para ser más exactos, como se muestra en las figuras 1 y 2, comprende un primer segmento 25a, definido por un primer ángulo ß? con respecto a la vertical y un segundo segmento 25b definido por un segundo ángulo ß2 con respecto a la vertical.

El primer segmento 25a substancialmente actúa como una zona 10c de transición para el material reducido que viaja hacia la boca 13 de salida. En el segundo segmento 25b, caracterizado por una convergencia más acentuada hacia abajo que la del primer segmento (ß? < ß2), el material reducido se carburiza y se enfria. En el segundo segmento 25b, se hace circular un fluido de enfriamiento, se alimenta por medio de un conducto 21a de entrada y se descarga por medio de un conducto 21b de salida. Los ángulos ß? y ß2 de conformidad con la invención están entre aproximadamente 5 y aproximadamente 20 grados, preferentemente entre aproximadamente 8 y 15 grados; el ángulo ß2 está preferentemente alrededor de 12 grados . La estructura convergente de la zona 10b inferior del reactor 10 proporciona la ventaja sustancial de un aumento en la eficacia de la inyección del gas, gracias a la reducción progresiva en el diámetro. Es más, el gas reduce progresiva y gradualmente su velocidad conforme sube gradualmente hacia la parte superior del reactor 10; esto proporciona un tiempo más largo para completar las reacciones de reducción y por tanto una mejor eficiencia.

De conformidad con la modalidad adicional mostrada en las figuras 3a y 3b, la zona inferior del reactor 10 comprende un tercer segmento 25c con una estructura que converge hacia abajo y un ángulo ß3 mayor que ß2. El tercer segmento 25c se comunica con la boca 13 de salida y su conicidad más acentuada permite dirigir mejor el material de metal reducido hacia la boca 13 de salida . Es más, el ahusamiento o conicidad progresivo mayor del reactor 10, conforme el material gradualmente procede hacia la boca 13 de salida, se adapta al enfriamiento progresivo del material que asi tiene una menor tendencia a adherirse a las paredes. Con esta estructura de. convergencia doble o triple, es posible obtener un volumen mayor en la zona de enfriamiento y de carburización, y llevar a un óptimo la eficacia y desempeño de las reacciones. Es obvio que pueden hacerse modificaciones y adiciones a esta invención, pero éstas permanecerán dentro del campo y alcance de la misma. Por ejemplo, tanto la zona superior como la zona inferior pueden ser caracterizadas por tres, cuatro o más segmentos consecutivos, caracterizados por ángulos de convergencia o divergencia respectivos diferentes, en el sentido de una divergencia progresivamente creciente en la parte superior del reactor 10 y una convergencia progresivamente creciente en la parte inferior. Puede haber cuatro o más zonas de introducción de gas, así como puede haber presente dos o más aberturas para la salida del gas de descarga. El reactor 10 puede alimentarse con medios para introducir el material de un tipo diferente, por ejemplo, equiparse con medios para distribuir y/o para agitar de forma uniforme el material. El circuito de enfriamiento incluido en la parte inferior puede comprender varias entradas y varias salidas, por ejemplo localizadas a alturas diferentes y puede tener diferentes condiciones de enfriamiento de conformidad con la sección del reactor afectada por el enfriamiento. Es por consiguiente obvio que aunque la descripción de esta invención se. refiere a ejemplos específicos, una persona con conocimientos medios en la materia podrá lograr varias otras modalidades de reactores de reducción directa cuya totalidad de los mismos permanecerá dentro del campo y alcance de esta invención.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo para la reducción directa de óxidos de hierro del tipo con una carga gravitatoria, que comprende un reactor que define, en su parte superior, por lo menos una zona de reducción dentro de la cual ocurre la reacción de reducción, medios para introducir la carga a través de una boca del reactor, medios para introducir una corriente de gas en por lo menos una sección del reactor en correspondencia con la zona de reducción, medios de salida del material reducido del fondo del reactor, y medios para descargar los humos de descarga, el reactor incluye al menos una primer zona superior de calentamiento, prerreducción y reducción final, con un cono que diverge hacia abajo y una segunda zona inferior de carburización y enfriamiento, con un cono que converge hacia abajo, caracterizado porque el cono inicia junto a la boca del reactor, porque la extensión en la altura de la primer zona superior está entre 1/4 y 1/2 de la altura del reactor y porque la primer parte superior tiene una estructura, que inicia desde la boca, definida por al menos dos segmentos consecutivos que tienen un ángulo de divergencia respectivo diferente con respecto a la vertical.

2. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el ángulo de abertura a de la primer zona superior con respecto a la vertical está entre 1 y 5 grados.

3. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 2 , caracterizado porque el ángulo de abertura a de la primer zona superior con respecto a la vertical está alrededor de 3 grados.

4. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la primer parte superior tiene una estructura definida por tres segmentos consecutivos separados por segmentos inclinados respectivos, por lo menos los dos segmentos superiores divergen hacia abajo con ángulos de divergencia al, a2 respectivos .

5. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el tercer segmento es cilindrico con paredes paralelas.

6. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el tercer segmento converge hacia abajo.

7. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque los segmentos inclinados se colocan en correspondencia con las secciones en donde se introduce el gas en el reactor.

8. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la zona inferior comprende por lo menos un primer segmento que converge hacia abajo con un ángulo ß? y un segundo segmento que converge con un ángulo ß2 y consecutivo al primer segmento.

9. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque ß? < ß2.

10. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque los ángulos (ß?, ß2) se encuentran entre 5 y 20 grados.

11. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el ángulo ß2 se encuentra alrededor de 12 grados.

12. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque por lo menos el segundo segmento coopera con un circuito de enfriamiento que comprende por lo menos un conducto de entrada y un conducto de salida para el fluido de enfriamiento.

13. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la zona inferior también comprende por lo menos un tercer segmento que mira hacia la salida y que converge hacia abajo con un ángulo ß3, en donde ß? < ß2 < ß3.

14. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los medios para introducir la corriente de gas reductor comprenden por lo menos un conducto de alimentación asociado con un colector circunferencial colocado alrededor de la pared del reactor, que coopera con una pluralidad de aberturas o boquillas convenientes para transportar la corriente de gas dentro del reactor.

15. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque entre la primer zona superior divergente y la segunda zona inferior convergente existe una zona de separación substancialmente cilindrica.