WO2016131118A1 - Conjunto de lança de sopro para fabricação e refino de metais - Google Patents

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LIMA DE SOUZA Marcelo GUERRA
SILVEIRA Fabrício GARAJAU
TOTTI Breno MAIA
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Lumar Metals Ltda
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Definitions

  • the present invention relates to a metal manufacturing and refining blow boom assembly, more specifically to a steel manufacturing and refining blow boom assembly designed to control the formation and oxidation of the metal. slag, the thermal capacity of the reactor and the maintenance of loading and blowing operating conditions.
  • the BOF (Basic Oxygen Furnace) furnace is a closed cylindrical vessel at the bottom, its upper end shaped like a cone trunk, with a large opening at the top for the loading of liquid pig iron and scrap, called “mouth”. "and a small lateral opening called the” leakage channel "through which the liquid steel made at the end of the primary refining is removed.
  • a lining of refractory bricks is used to contain the liquid bath at high temperatures, around 1700 Q degrees Celsius.
  • the blowing process involves performing a sequence of steps, starting with loading.
  • the vessel is tilted at an angle of 45 ° from the vertical; the scrap is loaded into the vessel with the help of a channel, a container for preparing the scrap to be hung; When the scrap is hung, the liquid pig is carried.
  • the vessel is then tilted back to the upright position for oxygen to blow through a vertically moving oxygen lance.
  • the oxygen lance is water cooled, containing at its end the oxygen outlet nozzles.
  • the nozzle assembly and its geometry determine the boom nozzle configuration.
  • the oxygen lance follows a height pattern relative to the metal bath during the blow, called the "lance bath distance". The goal is always to bring the boom closer to the bath surface to accelerate the speed of reactions, however, the closer to the bath surface, subjected to high temperatures. The closer to the bath surface, on the other hand, the deeper the injection of oxygen jets, which increases the speed of reactions.
  • the process causes agitation of the liquid metal and slag which is thrown into the upper parts of the furnace and can solidify into both the boom and the furnace walls as well as being thrown out of the furnace.
  • the lance may also use other gases or mixtures of these with oxygen in liquid metal manufacturing processes.
  • the blowing process consists of four distinct steps: ignition, slag formation, decarburization and oxidation for temperature adjustment.
  • the boom is lowered to a height that allows the ignition of the run, that is, oxidation of some element of the bath by the blown oxygen.
  • the slag formation stage begins. This second stage lasts approximately 3 to 5 minutes and is also called the first decarburization period. It is characterized by almost complete oxidation of silicon and a marked oxidation of manganese, while the decarburization rate increases as the contents of these two elements decrease.
  • all scorifiers such as calcitic lime, dolomitic lime and raw dolomite are added.
  • the addition of scorifying materials is generally made using storage silos above the converter furnace.
  • the logistics of supplying these silos are complex, comprising several stages, including the receipt of material by road or rail, carried in bulk or in big bags.
  • the material When they are transported in bulk, the material is discharged to transfer silos generally located in an opening below the conveyor; From the holding silo the material is dosed through a hopper and dried onto a conveyor belt whose function is to guide the material to the top of the converter kiln support buildings with heights between 25 and 50m where the storage bins are located; During the climb there may be transposition of belts to allow changing the direction material depending on the layout of each company. At the top, the materials reach a distributing car called a tripper.
  • the material is then directed to the storage silos, usually 4-15 silos.
  • Below the storage bins are vibrators or feeders that, when given the weighing command, move the material for the holding silos, which are fitted with a balance for weight adjustment.
  • the heavy material is waiting for the right moment to be added inside the converter oven. If big bags are used, they can be opened in the transfer silo or lifted by overhead crane and unloaded directly onto the storage silos. In both cases, each material transposition has a significant pollutant effect and containment requires considerable investment in dedusting systems.
  • These materials may also be added by lances or through porous or pressurized passages in the sole or refractory base of the furnace.
  • the moment of addition varies depending on the type of steel to be manufactured, but in general, follows the same sequence.
  • a basic agent in this case, and especially lime, added immediately after finding that the race has ignited.
  • the material is granulated, it requires a time for its heating, reaction and dissolution, and then the effective neutralization action of the silica.
  • magnesium oxide rich materials such as dolomite, are added for the main purpose of obtaining such a slag saturation level that avoids attack on the converter's refractory bricks.
  • magnesium oxide rich materials is the same as that of lime and, depending on the silicon content of pig iron, the domain of lime dissolution is crucial to prevent the emulsion from overflowing out of the converter or even its projection with consequences. damaging to race performance, operating time, formation of solid metallic materials adhered to the boom and dedusting system, which imposes major downtime for maintenance.
  • the second stage of decarburization mainly involves carbon oxidation after silicon oxidation.
  • the conditions in the converter are temperature rise and the existence of the metal-gas-slag emulsion that favors decarburization, and the reaction speed is determined only by the availability of oxygen.
  • the furnace functions as an autothermal reactor in which the energy required for the process is supplied through the liquid charge, the pig iron, and the refining reactions resulting from the reaction with oxygen.
  • the oxidation reaction forms two products: carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO2), with contents ranging from 40 to 70% CO and 10 to 40% CO2.
  • CO carbon monoxide
  • CO2 carbon dioxide
  • the intense generation of carbon monoxide in the metallic bath causes "slagging" the slag and the formation of the metal-gas-slag emulsion.
  • the technique of post combustion of gases within the furnaces is for the purpose of oxidizing carbon monoxide to carbon dioxide and generating a substantial amount of energy.
  • the efficiency of transmitting this amount of additional energy to the load can also influence the amount of scrap used.
  • Increasing the proportion of scrap in the load, and therefore steel production per ton of pig iron requires an adjustment in the thermal balance and the use of additional energy sources is required.
  • Preheating scrap and the addition of auxiliary fuels such as ferro-silicon and metallurgical coke are the traditional ones.
  • the decarburization reactions are exothermic and raise the temperature of the metal bath. The completion of this step is determined when the decarburization rate is controlled no longer by oxygen availability but by carbon diffusion to the reaction interface.
  • Afterburning is maximized during runout decarburization, associated with the entrainment of gases from the furnace atmosphere and entrainment in the main or secondary oxygen jet.
  • the entrained carbon monoxide is oxidized to carbon dioxide. A portion of carbon dioxide is dissipated into the furnace atmosphere and the remainder reaches the bath and emulsion being reduced again by the metal.
  • Specially designed post-combustion boom nozzles are characterized by the existence of two oxygen blowing conditions: the main blow by the converging divergent nozzles and the supplemental oxygen blow by straight nozzles called secondary jets.
  • the last step of the blow aims to increase the temperature of the metallic bath, especially in processes where the thermal input is compromised by larger amounts of hanging scrap.
  • This step is characterized by a decreasing decarburization rate and a gradual increase in oxidation of manganese and ferrous as the carbon content in the bath decreases.
  • the reduction of gas generation causes the gradual destruction of the emulsion, with the coalescence of the metal particles and their return to the bath.
  • the final blasting step has become a time to ensure the low content demanded in steels at the other end, increasing the blasting domain and the quality requirements still to be met. in the converter.
  • the final blowing step has an essential condition for removal of phosphorus: the high oxidation level of the bath and slag; However, it also has an element restricting dephosphoration: the high temperature for leakage.
  • the third ingredient for phosphorus retention in slag is increased basicity, or increased calcium oxide and magnesium oxide content.
  • Current practice for increasing dephosphorus, and conversely, for the purpose of raising the temperature, is the addition of lime or even limestone, which is lime without calcination, after sub-spear measurement or final blow step to who do not have this resource.
  • the objective is a rapid increase in the already oxidized slag basicity added to the temperature drop creating the condition to capture and retain the phosphorus in the slag. Phosphorus reactions are easily reversible, so one consequence of this technique is rapid leakage.
  • the final blow temperature determination considers the thermal processing and handling losses of the run after the primary refining step. After sampling for chemical composition analysis and bath temperature measurement, the furnace is tilted for pouring liquid steel into a steel pan. Then the furnace is tilted to make the slag leak, which happens on the opposite side of the steel leak. The execution time of the set of all these mentioned operations determines the furnace production cycle time.
  • One aspect of the invention is the introduction in the lance of a conductive tube of pulverized solid material, notably calcium oxide (lime), to the proximity of the main oxygen outlets in the converging-divergent oxygen-passing nozzles. distinct goals in each blowing step. Injection of lime together with oxygen for metal bath refining allows for continuous addition facilitating slag formation while maintaining emulsion control, the steel-slag-gas mixture. In another variant of the application, it is possible to increase the injection rate in the final blowing stages contributing to the reduction of phosphorus content in the bath, the dephosphorization.
  • a conductive tube of pulverized solid material notably calcium oxide (lime)
  • Another aspect of the invention is the introduction into the boom of secondary oxygen and fuel gas secondary exits with independent primary oxygen control for different purposes at the main blowing moments: a) during the initial phase of scrap melting and slag formation increase the calorific power of the reactor to accelerate the fusion process; and b) during the decarburization period, increase the oxygen source at supersonic speed to reduce refining time and, c) finally, in the final blowing step, promote afterburner to ensure temperature and increase the oxidation level of the race. to ensure low levels of dephosphorization.
  • the boom has two sets of gas outlets that determine two blowing conditions.
  • the first group consists of the convergent-divergent-shaped oxygen passage nozzles, which are primarily responsible for the oxidation and transport reactions of basic solid material, mainly calcium oxide, for initial slag formation and final phase dephosphorization during race refining.
  • the second group are supersonic secondary jets with varying functions at each stage of the blowing process.
  • the first function at the beginning of the process as an afterburner, is the reaction of oxygen with the carbon monoxide generated by the main jets.
  • the second function is to accelerate carbon reactions by increasing the velocity of the oxygen jet, accelerate scrap melting in the early stages and ultimately increase the oxidation of the elements of the metallic bath, the iron, in order to reduce the phosphorus levels in the final phases during the race refining.
  • a side sectional oxygen furnace is shown in Figure 1, the furnace consisting of an outer container, the metal housing (201), open at the top, in the furnace mouth (207), the oxygen furnace being internally lined with refractory bricks (202) whose function is to protect the metal housing (201) from the extreme refining conditions during the oxygen blasting process.
  • the furnace contains four distinct materials: liquid metal (301), scrap (302), slag (303) resulting from oxidation of liquid metal elements and the addition of scorifiers, and gases (305) from Refining reactions.
  • a mixture of metal (301), slag (303) and gases (305) called emulsion is formed, which occupies a large volume of the furnace.
  • a dedusting duct (208) for trapping gases (305) and refining generated fumes with an opening, or "dome” (209) for passing the lance (100) into the furnace to initiate the process. of refining the liquid metal.
  • the boom (100) is positioned at a distance above the metal bath called "DBL - boom bath distance" (401) from the height of the static bath (400).
  • the scrap (302) is gradually melted into the metallic bath (301).
  • Oxygen (300) reacts with metal bath (301) initiating slag formation (303) and gas generation (305), forming an emulsion region (402).
  • the lance (100) is immersed in the emulsion (402), which causes it to adhere to the lance or spear hull formation (403).
  • Successive layers of lance shell (403) are adhered to lance (100), which compromises its passage through the lance dome (209), and it is necessary to interrupt production for cleaning and in many cases to replace it with a lance. (100) clean.
  • FIG 2 shows a sectional view of a prior art boom (100) comprising a copper nozzle (101) having at its end the oxygen outlets through a varying number of holes and angles with the vertical axis, main oxygen tube (105), intermediate tube (106), outer tube (107), generally all steel, further having this lance ( 100), one coolant inlet (108).
  • Liquid usually water (304) flows through the copper nozzle (101) returning through the outer tube (107) to the boom outlet (109).
  • the good performance of the boom (100) depends on the water's ability to draw heat from the nozzle (101) and the outer tube (107).
  • FIG 3 is a cross-sectional view of the lower afterburner module (14) incorporated into the copper nozzle (101) and composed of lower oxygen secondary outlets (110) surrounding the converging outlet.
  • a pulverized solid material injection tube (1119) is inserted inside the main oxygen tube (105) .
  • injection of solid material sprayed through this tube (11) is by continuous injection, in which case the conductive gas is oxygen (300).
  • an inert gas (307) generally argon or nitrogen, is used.
  • the pulverized solid material injection tube (1119) is carried close to the copper nozzle (101) in order to avoid material suspended in the main oxygen tube (105).
  • a flow direction may be adapted to channel the pulverized solid to the main oxygen outlets (15) suitably sized to flow gases and solids.
  • the pulverized solid material injection tube (1 19) can work at injection rates ranging from 50kg / min to 1500kg / min and can extend to the face of the copper nozzle (101) for the purpose of discharging direct material to the environment of the converter.
  • the annular or point lower secondary oxygen outlet (16) is connected to the main oxygen pipe (105) and is intended for afterburning facilitating the melting of scrap (302) at times may also be connected to the auxiliary gas supply chamber (1 17).
  • an auxiliary gas supply chamber (1 17) is provided, with oxidizing gases such as oxygen (300) as well as combustible gases (305) passing into contact with the environment. from the furnace (200) through the secondary gas outlet (1 18).
  • the auxiliary gas supply chamber (1 17) is designed to purpose to allow individual control of pressure and flow conditions.
  • this chamber is used for oxygen passage (300), during the initial refining moments the condition of intermediate pressure and flow favors the melting of scrap (302) and the afterburner generated slag formation (303). rich in iron oxide, favoring the dissolution of other scorifiers. Then, during the decarburization step, the condition is changed to high pressure and flow rate contributing to an increase in the carbon removal rate during refining of the metallic bath (301). Finally, at the end of processing, the condition of low flow and pressure enters the slag oxidation (303), contributing to the retention of phosphorus. For extremely high temperatures, inert gases with cooling power or even purge agents may be used to prevent the closing of the secondary gas outlets (1 18).

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Abstract

Refere-se a presente invenção a um conjunto de lança de sopro para fabricação e refino de metais, desenvolvida de forma a controlar a formação e oxidação da escória, a capacidade térmica do reator e a manutenção das condições operacionais de carregamento e sopro, dispondo na sua parte inferior de dois grupos de saídas de gases que determinam duas condições de sopro, consistindo o primeiro grupo nos bocais de passagem de oxigênio com formato convergente-divergente, principal responsável pelas reações de oxidação e de transporte de material sólido básico, principalmente óxido de cálcio, para formação inicial da escória e desfosforação nas fases finais durante o refino da corrida e consistindo o segundo grupo de jatos secundários com funções variadas em cada estágio do processo de sopro, sendo a primeira função, no início do processo como agente de pós-combustão, através da reação do oxigênio com o monóxido de carbono gerado pelos jatos principais e a segunda função, contribuir para acelerar as reações com o carbono através do aumento da velocidade do jato de oxigênio, acelerar a fusão de sucata nas etapas iniciais e, finalmente, incrementar a oxidação dos elementos do banho metálico, o ferro, com objetivo de reduzir os teores de fósforo nas fases finais durante o refino da corrida.

Description

CONJUNTO DE LANÇA DE SOPRO PARA FABRICAÇÃO E REFINO DE METAIS
[001 ] Refere-se a presente invenção a um conjunto de lança de sopro para fabricação e refino de metais, mais especificamente a um conjunto de lança de sopro utilizado na fabricação e refino de aço, desenvolvida de forma a controlar a formação e oxidação da escória, a capacidade térmica do reator e a manutenção das condições operacionais de carregamento e sopro.
ESTADO DA TÉCNICA
[002] O forno BOF (Basic Oxygen Furnace) é um vaso cilíndrico fechado na parte inferior, possuindo a sua extremidade superior formato de um tronco de cone, com uma grande abertura no topo para carregamento do gusa líquido e da sucata, denominada "boca" e uma pequena abertura lateral denominada "canal de vazamento", por onde é retirado o aço líquido elaborado ao final do refino primário.
[003] Para proteger a carcaça metálica do forno utiliza-se o revestimento por uma camada de tijolos refratários com a finalidade de conter o banho líquido a elevadas temperaturas, em torno de 1700Q graus Celsius.
[004] O processo de sopro envolve a realização de uma sequência de etapas, iniciando pelo carregamento. O vaso é basculado a um ângulo de 45° com relação à vertical; a sucata é carregada no vaso com ajuda de uma canaleta, um recipiente para a preparação da sucata a ser enfornada; enfornada a sucata, o gusa líquido é carregado. O vaso é então basculado novamente para a posição vertical, para que ocorra o sopro de oxigénio por intermédio de uma lança de oxigénio que movimenta- se verticalmente.
[005] A lança de oxigénio é refrigerada a água, contento na sua extremidade os bocais de saída de oxigénio. O conjunto de bocais e sua geometria determinam a configuração do bico de lança. A lança de oxigénio segue um padrão de altura em relação ao banho metálico durante o sopro, denominada "distância banho-lança". O objetivo sempre é de aproximar a lança o mais próximo da superfície do banho para se acelerar a velocidade de reações, ficando, entretanto, quanto mais próxima da superfície do banho, submetida a elevadas temperaturas. Quanto mais próxima da superfície do banho, por outro lado, mais profunda é a injeção dos jatos de oxigénio, o que aumenta a velocidade das reações.
[006] O processo provoca agitação do metal líquido e da escória que são lançados para as partes superiores do forno podendo solidificar-se tanto na lança, quanto nas paredes do forno, assim como ser arremessado para fora do forno. Além de oxigénio, a lança pode também utilizar outros gases ou misturas desses com oxigénio nos processos de fabricação de metais líquidos.
[007] Para obtenção de uma lança de sopro com maior vida útil, é necessário que essa seja refrigerada, como no caso presente, através da circulação de água. As temperaturas na face externa da lança são elevadas e muito superiores à temperatura de ebulição da água. No caso do metal processado ser o aço, as temperaturas ultrapassam os 1 .700QC, e em todos as bateladas processadas a lança fica imersa em uma mistura de banho líquido, escória e gás denominada "emulsão".
[008] O processo de sopro consiste em quatro etapas distintas: ignição, formação da escória, descarburação e oxidação para acerto da temperatura. Para iniciar o processo, a lança é abaixada até uma altura que permita a ignição da corrida, ou seja, que ocorra a oxidação de algum elemento do banho pelo oxigénio soprado. Imediatamente após a ignição da corrida, inicia-se a etapa de formação de escória. Esta segunda etapa tem duração aproximada de 3 a 5 minutos, sendo também denominada de primeiro período da descarburação. É caracterizada pela oxidação quase completa do silício e uma oxidação acentuada do manganês, enquanto a velocidade de descarburação aumenta à medida que os teores destes dois elementos diminuem. Durante essa etapa inicial de formação da escória, todos os escorificantes como cal calcítica, cal dolomítica e dolomita crua, são adicionados.
[009] A adição de materiais escorificantes em geral é feita utilizando-se de silos de armazenamento situados acima do forno convertedor. A logística de abastecimento desses silos é complexa, compreendendo vários estágios, incluindo o recebimento do material através de rodovias ou ferrovias, transportados a granel ou em "big-bags" (grandes embalagens). Quando são transportados a granel, o material é descarregado nos silos de transferência geralmente situados em uma abertura abaixo do meio de transporte; do silo de espera o material é dosado através de uma moega e seque para uma correia transportadora cuja função é conduzir o material até o topo das edificações de sustentação do forno convertedor com alturas entre 25 e 50m onde se situam os silos de armazenamento; durante a subida pode haver transposições de correias para permitir mudar o material de direção dependendo do lay out de cada empresa. No topo, os materiais chegam a um carro distribuidor chamado de tripper . O material é então direcionado para os silos de armazenamento, normalmente em número de 4 a 15 silos. Abaixo dos silos de armazenamento estão dispostos vibradores ou dosadores que ao receberem o comando de pesagem, deslocam o material para os silos de espera, os quais são dotados de balança para ajuste do peso. O material pesado aguarda o momento correto para ser adicionado no interior do forno convertedor. No caso de emprego de big bags, esses podem ser abertos no silo de transferência ou içados por ponte rolantes e descarregados diretamente sobre os silos de armazenamento. Em ambos os casos, a cada transposição de material o efeito poluidor é notável e a contenção requer investimentos consideráveis em sistemas de despoeiramento.
[010] Estes materiais podem também ser adicionados por lanças ou através de passagens porosas ou pressurizadas, existentes na sola ou base refratária do forno. O momento de adição varia dependendo do tipo de aço a ser fabricado, mas em linhas gerais, obedece a uma mesma sequência. Como ocorre a oxidação acelerada, o silício sendo transformando em sílica, é necessário a adição rápida de um agente básico, no caso e, principalmente, cal, adicionado imediatamente após constatação de que a corrida teve a ignição efetuada. Como o material é granulado, requer um tempo para seu aquecimento, reação e dissolução, e então, a ocorrência da efetiva ação de neutralização da sílica. Na sequência, materiais ricos em óxido de magnésio, como dolomita, são adicionados com o objetivo principal de obter um nível de saturação tal da escória, que evite o ataque aos tijolos refratários do convertedor. O comportamento dos materiais ricos em óxido de magnésio é o mesmo da cal e, dependendo dos teores de silício no ferro gusa, o domínio da dissolução da cal é fundamental para evitar o transbordo da emulsão para fora do convertedor ou mesmo a sua projeção com consequências danosas para o rendimento da corrida, tempo de operação, formação de materiais metálicos sólidos aderidos na lança e no sistema de despoeiramento, que impões grandes paradas para sua manutenção.
[01 1 ] O segundo estágio de descarburação envolve principalmente a oxidação do carbono, após a oxidação do silício. As condições no convertedor são de elevação de temperatura e de existência da emulsão metal-gás-escória que favorece a descarburação, sendo a velocidade da reação determinada somente pela disponibilidade de oxigénio. O forno funciona como um reator autotérmico no qual a energia necessária ao processo é fornecida através da carga líquida, o gusa, e das reações de refino decorrentes da reação com o oxigénio.
[012] A reação de oxidação forma dois produtos: o monóxido de carbono(CO) e o dióxido de carbono(CO2), com teores variando entre 40 a 70% de CO e 10 a 40% de CO2. A intensa geração de monóxido de carbono no seio do banho metálico provoca o "espumamento" da escória e a formação da emulsão metal-gás-escória. A técnica da pós-combustão dos gases no interior dos fornos tem a finalidade de oxidação do monóxido de carbono para dióxido de carbono e a geração de uma quantidade substancial de energia. A eficiência da transmissão dessa quantidade de energia suplementar para a carga também pode influir na quantidade de sucata utilizada. O aumento da proporção de sucata na carga, e, portanto, da produção de aço por tonelada de gusa líquido, exige um ajuste no balanço térmico sendo necessário a utilização de fontes energéticas adicionais. O pré-aquecimento da sucata e a adição de combustíveis auxiliares como o ferro-silício e o coque metalúrgico são os tradicionais.
[013] As reações de descarburação são exotérmicas e elevam a temperatura do banho metálico. O término desta etapa é determinado quando a velocidade de descarburação passa a ser controlada não mais pela disponibilidade de oxigénio, mas pela difusão do carbono até a interface de reação. A pós-combustão é maximizada durante a descarburação da corrida, associada ao arraste de gases da atmosfera do forno e seu entranhamento no jato de oxigénio principal ou secundário. O monóxido de carbono entranhado é oxidado para dióxido de carbono. Uma parcela de dióxido de carbono é dissipada para atmosfera do forno e o restante atinge o banho e emulsão sendo reduzido novamente pelo metal. Os bicos de lanças especialmente projetados para pós-combustão são caracterizados pela existência de duas condições de sopro de oxigénio: o sopro principal pelos bocais convergentes-divergentes e o sopro de oxigénio suplementar através de bocais retos, denominados de jatos secundários.
[014] A última etapa do sopro objetiva o aumento da temperatura do banho metálico, principalmente em processos onde o aporte térmico é comprometido por maiores quantidades de sucata enfornada. Esta etapa é caracterizada pela velocidade decrescente de descarburação e por um aumento gradativo da oxidação do manganês e ferrro, na medida em que o teor de carbono no banho diminui. A diminuição da geração de gases provoca a destruição gradual da emulsão, com o coalescimento das partículas metálicas e seu retorno ao banho. Com o crescente conteúdo de fósforo dos minérios e consequentemente no metal líquido, a etapa final de sopro tornou-se um momento para garantir o baixo conteúdo solicitado nos aços no outro extremo, aumentado o domínio de sopro e as exigências de qualidade a serem cumpridas ainda no convertedor. A etapa final de sopro tem uma condição essencial para remoção de fósforo: o nível elevado de oxidação do banho e escória; porém, tem também um elemento restritivo a desfosfo ração: a temperatura elevada para vazamento.
[015] O terceiro ingrediente para retenção de fósforo na escória é o aumento da basicidade, ou aumento do conteúdo de oxido de cálcio e óxido de magnésio. A prática corrente para aumentar a desfosforação, e contrariamente, com o objetivo de elevar a temperatura, é a adição de cal ou mesmo calcário, que é o cal sem calcinação, após a tomada de medida de sub-lança ou etapa final de sopro para quem não dispõe desse recurso. O objetivo é um rápido aumento da basicidade da escória já oxidada somada à queda de temperatura criando a condição para capturar e reter o fósforo na escória. As reações do fósforo são facilmente reversíveis, e então, uma consequência dessa técnica é o rápido vazamento.
[016] A determinação da temperatura de final de sopro considera as perdas térmicas de processamento e manuseio da corrida posterior à etapa de refino primário. Após a realização das amostragens para análise de composição química e medição de temperatura do banho, o forno é basculado para o vazamento do aço líquido em uma panela de aço. Em seguida, o forno é basculado para realizar o vazamento de escória, que acontece do lado contrário do vazamento de aço. O tempo de execução do conjunto de todas essas operações citadas determinam o tempo de ciclo de produção do forno.
[017] Vários são os problemas que normalmente podem ocorrer na operação descrita: a) a formação de material solidificado ("cascão"), ao redor da lança de sopro, causando, o aumento do diâmetro da lança e do cascão, danos no sistema de captação de fumos; b) redução do rendimento metálico do processo provocado pelo material solidificado com conteúdo metálico; c) o elevado custo logístico e de beneficiamento para recuperar o conteúdo metálico dos materiais solidificado nas lanças; d) o tempo elevado para limpeza dos cascões formados na lança; e) danos no tubo externo da lança provocados pela limpeza dos cascões, gerando gastos com manutenção na lança; f) balanço térmico deficiente para elevadas quantidades de sucata; g) descontrole do tempo de formação de escória e elevado tempo de dissociação do material sólido básico; e h) descontrole da fusão de sucata e da desfosforação no final de sopro.
[018] Assim, é objetivo da presente invenção, o desenvolvimento de uma lança que permita flexibilidade no processo de sopro para melhorar o controle térmico, o controle da taxa de descarburação e o controle do fósforo final de sopro, eliminando ou diminuindo consideravelmente a ocorrência dos problemas identificados durante a operação do processo no atual estado da técnica.
ASPECTOS DA INVENÇÃO
[019] Um aspecto da invenção consiste na introdução na lança, de um tubo condutor de material sólido pulverizado, notadamente óxido de cálcio (cal), até a proximidade das saídas principais de oxigénio nos bocais de passagem de oxigénio com formato convergente-divergente com objetivos distintos em cada etapa de sopro. A injeção de cal juntamente com o oxigénio destinado ao refino do banho metálico, permite adição continua facilitando a formação de escória e mantendo controle da emulsão, a mistura aço-escória-gases. Em outra variante da aplicação, é possível incrementar a taxa de injeção nas etapas finais de sopro contribuindo para redução dos teores de fósforo no banho, a desfosforação.
[020] Um outro aspecto da invenção consiste na introdução na lança de saídas secundárias de oxigénio e gases combustíveis com controle independente do oxigénio principal com objetivos distintos nos principais momentos de sopro: a) durante a fase inicial de fusão de sucata e formação de escória, aumentar o poder calorífico do reator para acelerar o processo de fusão; e b) durante o período de descarburação, aumentar a fonte de oxigénio em velocidade supersônica para reduzir o tempo de refino e, c) finalmente, na etapa final de sopro, promover a pós-combustão para garantir temperatura e aumentar o nível de oxidação da corrida para garantir baixos níveis de desfosforação.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[021 ] Na sua parte inferior, a lança dispõe de dois grupos de saídas de gases que determinam duas condições de sopro. O primeiro grupo consiste nos bocais de passagem de oxigénio com formato convergente-divergente, principal responsável pelas reações de oxidação e de transporte de material sólido básico, principalmente óxido de cálcio, para formação inicial da escória e desfosforação nas fases finais durante o refino da corrida. O segundo grupo, são jatos secundários supersonicos com funções variadas em cada estágio do processo de sopro. A primeira função, no início do processo como agente de pós-combustão, através da reação do oxigénio com o monóxido de carbono gerado pelos jatos principais. A segunda função, contribuir para acelerar as reações com o carbono através do aumento da velocidade do jato de oxigénio, acelerar a fusão de sucata nas etapas iniciais e, finalmente, incrementar a oxidação dos elementos do banho metálico, o ferro, com objetivo de reduzir os teores de fósforo nas fases finais durante o refino da corrida.
[022] Com a finalidade de ilustrar o processo de refino de metais, é mostrado na figura 1 um forno a oxigénio em corte lateral, sendo o forno constituído de um recipiente externo, a carcaça metálica (201 ), aberto na parte superior, na boca do forno (207), sendo o forno a oxigénio revestido internamente com tijolos refratários (202) cuja função é proteger a carcaça metálica (201 ) das extremas condições de refino durante o processo de sopro de oxigénio. Durante o processo de fabricação do metal, o forno contém quatro materiais distintos: metal líquido (301 ), sucata (302), escória (303) resultante da oxidação dos elementos do metal líquido e adição de escorificantes, e gases (305) provenientes das reações de refino. Durante o processo de sopro é formada uma mistura metal (301 ), escória (303) e gases (305) denominada emulsão, que ocupa grande volume do forno. Acima do forno, existe um duto de despoeiramento (208) para captação dos gases (305) e fumos gerados no refino com uma abertura, ou "domo" (209) para passagem da lança (100) ao interior do forno para iniciar o processo de refino do metal líquido. Para iniciar o refino, a lança (100) é posicionada a uma distância acima do banho metálico denominada "DBL - distância banho lança" (401 ) em relação à altura do banho estático (400). Durante o refino a sucata (302) é gradativamente fundida incorporando ao banho metálico (301 ). O oxigénio (300) reage com o banho metálico (301 ) iniciando a formação de escória (303) e a geração de gases (305), formando uma região de emulsão (402). A lança (100) fica imersa na emulsão (402), o que causa sua adesão à lança ou formação de cascão de lança (403). O mesmo acontece na região do cone do forno (206) e da boca do forno (207) com a formação de cascão de boca (404), provocado tanto pela emulsão (402) quanto pela projeção de escória e metal (203), na forma de respingos ou espalhamentos. Sucessivas camadas de cascão de lança (403) vão sendo aderidas na lança (100), o que compromete a sua passagem pelo domo da lança (209), sendo necessário interromper a produção para realização de limpeza e em muitos casos a substituição por uma lança (100) limpa. O mesmo fenómeno ocorre na região do cone (206) e boca (207) do forno, sendo necessário paralisar as atividades produtivas para limpeza da região, permitindo facilidade para o carregamento de sucata (302) e do banho metálico (301 ).
[023] A Figura 2 apresenta uma vista em corte de uma lança (100) do estado da técnica, que compreende um bico de cobre (101 ) que possui na sua extremidade as saídas de oxigénio através de um número variado de furos e ângulos com o eixo vertical, tubo de oxigénio principal (105), tubo intermediário (106), tubo externo (107), em geral, todos de aço, possuindo ainda, essa lança (100), uma entrada do líquido refrigerante (108). O líquido, em geral água (304), percorre até o bico de cobre (101 ) retornando pelo tubo externo (107) até a saída da lança (109). O bom desempenho da lança (100) depende da capacidade da água de extrair o calor do bico (101 ) e do tubo externo (107).
[024] A figura 3 é uma vista em corte do módulo de pós-combustão inferior (1 14), incorporado ao bico de cobre (101 ) e composto por saídas secundárias de oxigénio inferior (1 16), que circundam a saída convergente-divergente de oxigénio principal (1 15). No interior do tubo de oxigénio principal (105) é inserido um tubo de injeção de material sólido pulverizado (1 19). Diferentemente da prática do estado da técnica, a injeção de material sólido pulverizado através desse tubo (1 19) é feita através da injeção contínua, sendo nesse caso o gás condutor o oxigénio (300). No caso de uso de adição fracionada, de forma similar a prática do estado da técnica, durante os intervalos de não injeção, é utilizado um gás inerte (307), em geral argônio ou nitrogénio. O tubo de injeção de material sólido pulverizado (1 19) é levado próximo ao bico de cobre (101 ) com o objetivo de evitar material suspenso no tubo de oxigénio principal (105). Na saída do tubo de material sólido pulverizado (1 19) pode ser adaptado um direcionar de fluxo com objetivo de canalizar o sólido pulverizado para as saídas principais de oxigénio (1 15) adequadamente dimensionadas para escoar gases e sólidos. O tubo de injeção de material sólido pulverizado (1 19) pode trabalhar com taxas de injeção que variam de 50kg/min até 1500kg/min e pode prolongar-se até a face do bico de cobre (101 ) com a finalidade de realizar a descarga do material direto para o ambiente do convertedor.
[025] Na configuração apresentada, a saída secundária de oxigénio inferior (1 16), anular ou pontual, está conectada ao tubo de oxigénio principal (105) e tem por finalidade uma pós-combustão facilitando a fusão da sucata (302) nos momentos iniciais do sopro, podendo também estar conectada à câmara de fornecimento de gases auxiliares (1 17). Para elevadas quantidades de sucata enfornada é previsto a inserção de uma câmara de fornecimento de gases auxiliares (1 17), podendo passar gases comburentes, como o próprio oxigénio (300), assim como gases combustíveis (305), entrando em contato com o ambiente do forno (200) através da saída de gases secundários (1 18). A câmara de fornecimento de gases auxiliares (1 17) tem por finalidade permitir o controle individual das condições de pressão e vazão. Assim, se esta câmara for utilizada para passagem de oxigénio (300), durante os momentos iniciais do refino a condição de intermediária pressão e vazão, favorece a fusão da sucata (302) e a pós-combustão gerada a formação da escória (303) inicial, rica em óxido de ferro, favorecendo a dissolução dos demais escorificantes. Em seguida, durante a etapa de descarburação, a condição é alterada para elevada pressão e vazão contribuindo para um incremento na taxa de remoção de carbono durante o refino do banho metálico (301 ). Finalmente, ao final do processamento, entra a condição de baixa vazão e pressão, aumento a oxidação da escória (303), contribuindo para a retenção do fósforo. Para casos de temperaturas extremamente elevadas é possível a utilização de gases inertes com poder refrigerante ou mesmo agentes de purga para evitar o fechamento das saídas de gases secundários (1 18).

Claims

REIVINDICAÇÕES
1 . Conjunto de lança de sopro para fabricação e refino de metais dispondo de módulo de pós-combustão inferior (1 14) incorporado ao bico de cobre (101 ) e composto por saídas secundárias de oxigénio (1 16) e gases combustíveis (1 17) inferior, que circundam a saída convergente-divergente de oxigénio principal (1 15), caracterizado por dispor no interior do tubo de oxigénio principal (105) um tubo de injeção de material sólido pulverizado (1 19).
2. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ter as saídas secundárias de oxigénio (1 16) e gases combustíveis (1 1 7) com controle independente do oxigénio principal.
3. Conjunto de lança, de acordo com a reivindicação 1 , caraterizado pela injeção do material sólido pulverizado através do tubo (1 19) ser feita de modo contínuo.
4. Conjunto de lança de acordo com as reivindicações 1 e 3, caracterizado por ser o oxigénio o gás condutor.
5. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de durante os intervalos de injeção quando do uso de adição fracionada, ser utilizado um gás inerte como condutor do material particulado.
6. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo gás inerte ser argônio.
7. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo gás inerte ser nitrogénio.
8. . Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo tubo de injeção de material sólido pulverizado (1 19) poder prolongar-se até a face do bico de cobre (101 ).
9. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de na saída do tubo de material sólido pulverizado (1 19) poder ser adaptado um direcionar de fluxo.
10. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo tubo de injeção de material sólido pulverizado (1 19) trabalhar com taxas de injeção que variam de 50kg/min até 1500kg/min.
1 1 . Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pela saída secundária de oxigénio inferior (1 16), anular ou pontual, estar conectada ao tubo de oxigénio principal (105).
12. Conjunto de lança de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pela saída secundária de oxigénio inferior (1 16), anular ou pontual, estar conectada à câmara de fornecimento de gases auxiliares (1 17).
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