PT87518B

PT87518B - Processo e aparelho para realizacao de reaccoes quimicas a alta temperatura

Info

Publication number: PT87518B
Application number: PT87518A
Authority: PT
Inventors: Wilhelm Stadlbauer; Erwin Koch; Franz Zauner; Rudolf Rinesch; Wolfgang Vanovsek
Original assignee: Know How Trading Patent Kht
Priority date: 1987-05-18
Filing date: 1988-05-18
Publication date: 1992-09-30
Also published as: AT387986B; AU1726188A; NZ224688A; JPH02501074A; DE3878036D1; PH26880A; EP0292469B1; AU607768B2; FI890244A0; EP0292469A1; CN88103911A; WO1988009390A1; ZA883448B; IL86404A0; DK17489A; ATE85368T1; DK17489D0; PT87518A; DD271717A5; ATA125887A

Description

MEMORIA DESCRITIVA presente invento refere-se a um processo assim como a um aparelho para realização de reacções químicas a alta tempe. ratura, em especial fusões e/ou reduções-fusões de misturas de pós metalúrgicos, minérios e outras materiais susceptíveis de tratamento por fusão e/ou redução-fusão, como por exemplo, SiO^, MgO, TiO^, I^a2^5 ^ou d°^s respoctivos metais a temperaturas de trabalho superiores à temperatura de fusão dos revestimentos altamente refractários.

A condução de reacções químicas a alta temperatura em ga, mas de temperatura que se situam acima da temperatura de fusão dos revestimentos altamente refractários conhecidos não é possível pelos processos até agora disponíveis. Além disse, os processos de fusão e redução-fusão, actualmente utilizados, implicam elevados consumos energéticos e são altamente poluído, res do ambiente em consequência das quantidades de poeiras arrastadas nos gases de exaustão quando se não utilizam cs equipamentos adicionais adequados, sempre dispendiosos. Daí resul. ta, também, que a recuperação de pós metalúrgicos produzidos em grande quantidade depara com grandes dificuldades.

Na patente DD-A5-215 803 encontra-se já descrita uma experiência em que se consegue uma fusão expedita e uma reacção rápida entre os componentes da carga de um forno de cuba, por entrega de energia eléctrica, formando um facho de plasma entre um maçarico de plasma que atravessa a cobertura superior da cuba e concêntrico com esta, e um eléctrodo de fundo que atravessa o fundo da cuba em que cria uma tricheira de protecção, constituída por material sólido da carga que reveste a parede interior do forno, a oarti¹' da qual a carga, partindo do lado interior das paredes de protecção, atinge a zona do facho de plasma.

Este processo não permite, no entanto, ura guiamento adequado do facho de plasma para fusão e/ou redução química do ma terial da trincheira. Assim, o funcionamento contínuo de um forno deste tipo não se torna possível. Os gases formados du67 746

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-3rante a reacção têm que ser extraídos através da massa do que resultam outros inconvenientes deste processo, como seja o que resulta da condensação de componentes dos gases de exaustão.

presente invento tem por objectivo proporcionar um pro cesso e o respectivo aparelho para realização de reacções químicas a alta temperatura, em especial fusões e/ou reduções-fusões de misturas de pós metalúrgicos, minérios e outros materi. ais susceptíveis de tratamento por fusão e/ou redução-fusão co, mo, por exemplo, 3i0_o, MgC, TiC^, Ta_?0_c ou dos respectivos metais, por meio dos quais essas reacções químicas a alta temperatura se possam realizar em gamas de temperatura situadas aci, ma da temperatura de fusãc dos revestimentos altamente refractários conhecidos. Simultaneamente as reacções físico-químicas realizadas a alta temperatura devem ser dominadas com ssgu, rança, sem terem que admitir limitações das temperaturas de reacção por razões técnicas. Além disso dsverá obter-se, em comparação com os processos conhecidos, uma vantagem importante constituída por importantes economias de energia e uma grajn de redução das quantidades de pó arrastadas pelos gases de exaustão.

Estes objectivos atingem-se pelo processo do presente in vento, a partir de um processo dc tipo anteriormente referido, utilizando blocos comprimidos da mistura a fundir e/ou a reduzir-fundir, com uma composição bem definida, formando ccm estes blocos uma caverna ds determinada geometria que envolve uma fonte de alta intensidade energética e fazendo avançar radialmente os blocos de mistura em direcção à fonte radiante central, à medida que o processo de fusão e/ou fusão-rsduçãc se vai realizando.

No processo da presente invento, a caverna definida per blocos de mistura, formados por compressão, desempenha simultaneamente o papel do meio reaccional e de revestimento dc vaso de reacção. Conforme a taxa de fusão, os blocos vão avançando de forma que a geometria da caverna, que envolve a fonte radiante, por exemplo um facho de plasma, se mantenha constante. Para este efeito os blocos de mistura são empurrados progressi.

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-4vamente, segundo uma direcção radial, para a fonte radiante central, à medida que o processo de fusão e/ou redução-fusão se desenrola. Tomando-se as medidas apropriadas, o facho de plasma mantém-se no interior da caverna, como a seguir se explica em pormenor.

Para se conseguir uma condução correcta dos blocos de mistura em direcção à fonte de energia utilizam-se, de preferência, elementos de guiamento. A matéria prima em forma de blocos é convenientemente seca devendo observar-se uma certa estabilidade dimensional e resistência â compressão a frio dos blocos, em virtude dos requisitos impostos pelo sistema de avanço dos blocos.

Na utilização do processo, de acordo com. o presente invento, para recuperação de pós metalúrgicos pede proceder-se, com vantagem, da seguinte forma, por exemplo partindo das maté rias primas referidas na tabela seguinte:

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-5TABELfl 1

FS Pó de filtro

KR Krivoj-Rog (pó de minério, ócido)

GS Pó de goela

KS Cinzas de coque de pó de coque (pó de filtro)

	FS	KR	GS	KS
Fe		46,80		50,35	27,40	31,70
FeO		8,90			5,16	-
Fb₂0,		57,06		(71,98)	(38,42)	45,33
Mn		1,21		0,09	0,57	-
sio₂		1,55		16,31	3,08	21,20
^A12°3		0,33		3,64	1,93	8,70
CaO		15,60		0,13	6,93	13,02
MgO		1,75		0,36	1,73	0,5 9
P		0,064		0,055	0,050	0,157
s		0,072		0,02 3	0,42	3,40
Pb		0,54		0,001	0,019	-
Zn		3,18		0,0019	0,0055	0,018
C0₂		-		-	1,13	-
c		-		-	37,31	79,13
Cu		-		-	0,007	-
Cr		-		-	0,02	-
tío₂		0,08		-	0,50	0,46
Na₂D		-		-	η ι ς	Γ • , M-fc
^K2°		-		-	0,29	0,94
Humidade		20,40		4,37	-	r» ς L. y ?
Perdas por	in	8,40		2,37	40,6 0	1,35
candencência
Cinzas		-		-	-	20
Proporção da	mistura	de pós	me	talúrgicos	em /· em peso:
		FS	33
		KR	25
		GS	31	,0
		KS	4

Total 100,0/

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-6As matérias primas constantes da tabela 1 encontram-se, de preferência, misturadas ccm uma quantidade de água correspondente a 9% em peso ε prensada em blocos do tamanho adequado. Os blocos secos são dispostos radialmente, com c auxilio dos elementos de guiamento, que asseguram a sua condução correcta, em torno de uma fonte radiante central, formando-se em torno desta, que pode ser por exemplo um facho de plasma, uma caverna com uma determinada geometria. De acordo com uma forma de concretização vantajosa do invento, o facho de plasma p_o de ser o descrito na patente AT-PS 376 702. Depois do acendimento do facho de plasma que sai de um eléctrodc de grafite, por meio de árgon introduzem-se no facho de plasma hidrocarbonetos e/ou grafite finamente dividida. Em virtude da alta tem peratura do plasma, o carbono (grafite) passa à fase gasosa e por ionização do carbono gasoso o processo de reacção acelera. Além disso, existindo uma atmosfera de carbono gasoso altamente ionizado, o consumo dos elêctrodos de carbono ê consideravelmente reduzido. Depois do acendimento do facho de plasma entre os elêctrodos os blocos de mistura que envolvem o facho, *

formando a referida caverna, começam a fundir. A medida que os blocos fundem vão sendo empurrados de fora para dentre de forma que a geometria se mantenha. Ao mesmo tempo que se dá a fusão verifica-se também a reacção quimica a alta temperatura, no caso presente uma redução directa.

Como no presente caso esta reacção se dá sem a presença de ar além do árgon que intervém como gás de plasma, às altas temperaturas que se verificam, os únicos gases de exaustão que se podem formar são o monóxido de carbono e hidrogénio. Este gás pode ser utilizado numa reciclagem de energia, de tecnologia já conhecida.

Os metais pesados que façam parte da composição das maté rias primas utilizadas vaporizam-se no decurso do processo e podem ser condensados no elemento condensador montado na hote de aspiração e na tubagem de extracção de gases.

ferro líquido obtido por este processo pode ser sangra do em continuo assim como a escória que se vai formando pode

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-7ser evacuada também em contínuo.

processo de acordo com o presente invento é também apropriado para a recuperação das lamas que se formam na extraç, ção de minérios, por exemplo a lama formada na mina de Steiermark na Áustria. A Tabela 2 seguinte apresenta os valores médios da análise da lama de minério de ferro:

TABELA 2

ANALISE DA LAMA DE MINÉRIO DE FERRO*

I g: /

F e	26
FeO	14,5
^Fe2°3	20,7
Constituição das pendas por
incandescência (00^-r ϊϊ_ο0)	26,5
SiO	12,5
CaO	13,3
^Al2°3	5,6
MgO	4,0
SO^	0,21
^P2°5	0,14
Mn	1,8

Granulometria do material sólido nas saídas de transvasamento 100 yvs

X \ ) Análise média

Como se mostra na tabela anterior a composição desta lama constitui desde logo um leito de fusão autosuficiente. Depois de doseado com carbono nas quantidades estequiomêtricas esta matéria prima pode ser prensada sob a forma de blocos ccm as dimensães adequadas que são utilizados no processo anterioj? mente referido de redução-fusão baseado no presente invento. Essencialmente importante para o desenrolar do processo do pre, sente invento é a configuração e conservação da geometria da caverna durante o desenrolar de todo o processo.

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-8Utilizando o princípio anterior pode efectuar-se a redução de todos os tipos de minerais metálicos por reacção química a alta temperatura. Do mesmo modo podem realizar-se todos os processos de fusão que se desenrolem a alta temperatura apli z

cando o método do presente invento. E de especial interesse o tratamento de pó de filtros e de resíduos de escórias provenieri tes de instalaçães de queima como sejam por exemplo instalaçães de incineração de lixo, cujo volume possa ser reduzido por fusão, recuperando-se os metais pesados vaporizados durante o processo, por condensação parcial, ficando eventualmente alguns vestígios no produto final, um material cerâmico vidrada, do qual não é já possível extraí-los.

processo do presente invento é de aplicação particular, mente interessante na redução directa da bauxite a alumínio.

Para o efeito a bauxite é moída finamente, misturada nas quantidades estequiomêtricas com carbono e a mistura obtida ê prejg sada em blocos e seca, como anteriormente se descreveu, levando em seguida os blocos ao contacto com a fonte de energia de modo a que os blocos definam a geometria de uma caverna e esta se mantenha enquanto o processo de reacção se desenrola. Depois de aceso o facho de plasma, a superfície da mistura de bauxite funde dando-se em primeiro lugar a redução do óxido de ferro que se acumula no vaso de recolha sob a forma de um leito de ferro fundido, saturado de alumínio e enriquecido com carbono. 0 óxido de alumínio começa por formar um fluxo de ma terial em fusão (mulite) e por nova absorção de energia ê trans formado a temperaturas superiores a 2 C009C partindo dos iães Al^⁺ e C⁴”, principalmente, em carboneto de alumínio (Al^C^) (calor de constituição H= -49,9 kcal/Mol) pela reacção 2 Al^O^ + + 9C —» Al^Cg+6 CO. Durante o arrefecimento lento de 15GQSC para baixo e até aos 66QSC dá-se a decomposição em alumínio me tálico e carbono sob a forma de grafite, segundo a equação Al^Cg —> 4 Al + 3C. Pode também verificar-se uma reacção do carboneto com o segundo a equação Al^C^ + > 6A1 + + 3C0.

A fim de conseguir uma reacção total do Al^O^ ou da muli te fundida procede-se de preferência como se descreve em seguida:

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-90 A^Qj l^{ue come}Ç^a por fluir no estado de fusão (mulite fundida) é impelido pelos gases quentes formados (gases 00/¾) em direcção a um vaso de refinação, formando-se carboneto de alumínio que posteriormente se decompõe. 0 A^Q^ fundido resi. dual, que se não transformou, é reconduzido à zona de reacção a fim de ser completamente transformado. Na zona de refinação sangra-se alumínio metálico com um teor máximo em carbono de 0,05/, um teor em silício de cerca de 1%, um teor em titSnio de cerca de l_zí e ainda um teor em impurezas, incluindo ferro, de um máximo de 1,8/. Da tina de recolha situada na zona de reacção extrai-se continuamente ferro saturado com alumínio e enriquecido com carbono.

Como se referiu anteriormente no processo de acordo com 0 presente invento, 0 facho de plasma ê mantido no interior da caverna. Para se utilizar completamente a alta intensidade energética do facho de plasma torna-se necessário guiar o facho rigorosamente no interior da caverna. Além disso, para optimização do processo de fusão ou de redução-fusão é indispensável dominar de forma exacta a energia necessária para a realização da reacção a alta temperatura, ou seja as entalpias de fusão e de redução, assim como ajustar de forma optimizada a energia total fornecida ao facho de plasma para satisfação da entalpia de vaporização da grafite no facho de plasma. Com a tecnologia de facho de plasma usual este objectivo atinge-se de forma pouco satisfatória. Segundo a tecnologia usual prev^ -se formar um facho de plasma entre dois eléctrodos; um eléctrodo de cabeça e um eléctrodo de fundo e/ou um elêctrodo de cabeça e dois ou três eléctrodos laterais. Neste caso 0 facho de plasma pode arder de um dos lados apenas de uma caverna no interior do forno, dado que não pode ser guiado de forma controlada.

Outra vantagem da concepção do processo, de acordo com 0 presente invento, consiste em possibilitar atingir-se o objectivo anteriormente referido, ou seja um domínio exacto do dispêndio de energia e um guiamento comandado do facho de plasma no interior da caverna, pelo facto de se acender 0 facho de plasma entre 0 eléctrodo principal, 0 eléctrodo de cabeça, que

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-10se salienta para o interior da caverna e vários eléctrodos radiais (a a h) dispostos imediatamente por baixo da caverna. Os eléctrodos radiais são carregados com uma carga de base para ionização da atmosfera gasosa através de um comando tiristorizado, enquanto a carga principal é distribuída por meio de tiristores, através de termoelementos colocados no topo dianteiro do sistema condutor, de modo a assegurar-se uma taxa de fusão regular da superfície interior da caverna.

Uma outra forma vantajosa de concretização prevê que o ma terial fundido, a juntar na tina de recolha, possa receber ene,r gia adicional dos eléctrodos radiais com o auxílio do eléctrodo de fundo, comandada através de um sistema de medida de tempera tura do banho com o fim de que a temperatura do referido banho se mantenha constante.

Num outro aspecto o presente invento refere-se a um aparelho para a realização do processo anteriormente descrito que se caracteriza, genericamente, pela existência de uma caverna central com uma geometria bem definida, determinada pela dispjo sição de blocos da mistura a fundir e/ou reduzir-fundir e ainda pela existência de elementos de guiamento radiais para condução dos blocos de mistura para o centro, pela existência de uma tina de recolha disposta por baixo da caverna e provida de aberturas de sangria para o metal fundido e para a escória fluí da, pela disposição central do eléctrodo, pela existência de uma cobertura sobre a caverna, pela existência de umahote de aspiração de gases e pela existência de uma tubagem de exaustão de gases.

Nos desenhos anexos encontram-se representados exemplos de construção do aparelho de acordo com o presente invento. A Fig. 1 reprssenta um corte transversal de um aparelho de acordo com o presente invento e a Fig. 2 uma planta do mesmo. As Figs. 3 e 4 representam respectivamente um corte transversal e uma planta de um outro aparelho especial mente indicado para a redução directa de bauxite, de acordo com o presente invento.

Na Fig. 5 encontra-se representada em esquema uma outra forma de construção de um aparelho de acordo com o presente invento

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-11no qual a energia entregue pode ser regulada com exactidão e o facho de plasma guiado de forma controlada no interior da caverna.

Nestes desenhos a caverna 1 ê formada pela mistura a fun dir e/ou reduzir-fundir que, sob a forma de blocos, ê empurrada radialmente para o centro. Os elementos ds guiamento 2, dispostos radialmente, asseguram um guiamento exacto dos blocos de mistura em direcção ao centro. Na tina de recolha 3, por baixo da caverna 1, encontram-se em posiçSes adequadas, os furos de sangria para o metal fundido e para a escória. 0 eláç trado superior encontra-se referenciado por 4 e o elêctrodo in ferior 10 encontra-se disposto no fundo da tina de recolha 3.

A cobertura superior do vaso de reacção está referenciada por 5, a hote por 6 e a tubagem de exaustão de gases por 7.

Por 8 e 9 encontram-se referenciados canais de ligação. Na Fig. 5 mostra-se a alimentação de corrente e gás para o eléctrodo superior ou de cabeça 4 que entra na caverna, o qual se pode deslocar na vertical por meio de um patim ou dispositivo semelhante. Imediatamente por baixo da caverna encontram-se dispostos radialmente, sobre um plano horizontal, vários eléctrodos radiais (a a h) que se podem deslocar independentemente para trás e para a frente segundo uma direcção radial e, de preferência, podem ainda rodar em relação a esse eixo de direç. ção. Na tina de recolha 3, por baixo da caverna 1, pode prever-se um elêctrodo de fundo 10.

Utilizando-se o processo do presente invento á possível transformar os componentes áxidos da mistura, directamente num fluxo de material fundido e efectuar a redução a metais a partir da fase líquida, A vantagem desta tecnologia em comparação com os prccessos vulgares consiste, por exemplo no caso dc Fe_?0g, não se ter que previamente passar pelo õe^O^ e FeO para chegar a Fe mas sim obter-se a redução directa dc fluxo de FogUj sm fusão a Fe, podendo tirar-se partido da composição de uma mistura em que o ferro na forma pura sem impurezas constituídas por carbono, silício, manganês, fósforo, etc., se encori trar em equilíbrio com Fe_?0g líquido - veja-se ULLNANNS ENCYCLO ³AEDIE DER TECHNISCHEN CHEMIE, 4§ edição, volume 10, pág. 334.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1 - Processo para realização de reacções químicas a alta temperatura, em especial fusões e/ou reduções-fusões de misturas de pós metalúrgicos, minérios e outros materiais susceptiveis de tratamento por fusão e/ou redução-fusão, como por exem pio Si0₂, MgO, Ti0₂, Ta₂0g ^{ou os res}P^ec'tivQs metais, a tempera turas que se situam acima da temperatura de fusão dos revestimentos altamente refractârios, caracterizado por a mistura a fundir e/ou reduzir ser prensada em blocos com uma composição bem definida e estes serem dispostos de modo a formar uma caver; na com determinada geometria qus envolve uma fonte radiante de alta intensidade energética, mantendo-se a geometria dessa caverna por avanço dos blocos de mistura em direcção à fonte radiante central, à medida que prossegue o processo de fusão e/ou redução-fusão.
2 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por se utilizar como fonte radiante de alta intensidade energética um facho de plasma.
3 - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por depois do acendimento de um facho de plasma de árgon que parte de um eléctrodo de grafite se introduzirem juntamente com este gás, hidrocarbonetos e/ou grafite finamente dispej? sa.
4 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por se encontrarem previstos elementos de guiamento para assegurarem o avanço preciso dos blocos de mistura.
5 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por entre um eléctrodo superior e uma série de eléctrodos radiais, dispcstc imediatamente por baixo da caverna, se formar um facho de plasma e por este ser submetido a uma carga base para ionização da atmosfera gasosa enquanto a carga principal se distribui pelos eléctrodos radiais assegurando-se assim umataxa de fusão regular da superfície da cavejr na.

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Lisboa,

-136 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por além de um eléctrodo disposto no fundo do ca, dinho de recolha de material fundido, para manter constante a temperatura do banho se prover um fornecimento de energia por meio de eléctrodos radiais,
7 - Aparelho para realização do processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por apresentar uma caverna (l), formada por blocos de mistura a fundir e/ou reduzir-fundir, com uma geometria bem determinada, elementos de guiamento (2) para assegurarem o avanço preciso dos blocos de mistura em direeção ao centro, um cadinho de recolha (3) disposto por baixo da caverna (l) provido de aberturas de extracção de metal fundido e escória liquida, um eléctrodo de fundo central (4), uma cobertura (5) disposta por cima da caverna, uma campânula de aspiração (6) e uma tubagem de extracção de gases (7).
8 - Aparelho de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por peio menos um cadinho de recolha (3') adicional, desempenhando as funçães de zona de refinação, se encontrar liga, do ao cadinho de recolha (3) situado por baixo da caverna (l) ou a outros cadinhos de recolha (3”), por meio de canais de li gação (8, 9).