ES2272220T3 - Procedimiento de puesta en marcha para un proceso de fusion directa. - Google Patents

Procedimiento de puesta en marcha para un proceso de fusion directa. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la puesta en marcha de un proceso de fusión directa para producir hierro a partir de un material metalífero de carga en una cuba metalúrgica, comprendiendo la cuba una pluralidad de lanzas/toberas de inyección del material de carga, comprendiendo el procedimiento de puesta en marcha las etapas siguientes: (a) precalentar la cuba mediante la combustión de gas combustible y de aire en la cuba; (b) suministrar una carga de hierro fundido a la cuba y formar un baño fundido en la cuba; (c) suministrar material carbonoso y fundente al baño fundido e inyectar de un gas que contiene oxígeno a través de una o varias lanzas/toberas de inyección de material de carga y realizar la combustión del carbono y del gas derivado del baño, y calentar de esta manera el baño fundido, generar escoria y empezar a establecer una zona de transición y aumentar la presión en la cuba; y (d) cuando las condiciones predeterminadas, que comprenden cualquiera o varias de entre: temperatura del baño fundido de por lo menos 1.400ºC, concentración de carbono de por lo menos 4% en peso en el baño fundido, y niveles de poscombustión inferiores al nivel que indica la saturación del carbono del baño fundido, alcanzan un umbral predeterminado, suministrar el material metalífero de carga a la cuba mientras prosigue el suministro de material carbonoso y de fundente y la inyección de gas que contiene oxígeno y fundir material metalífero de carga y producir hierro fundido adicional.

Description

Procedimiento de puesta en marcha para un proceso de fusión directa.
La presente invención se refiere a un proceso para producir hierro fundido a partir de un material metalífero de carga, tal como mineral de hierro, minerales parcialmente reducidos y aluviones residuales que contengan metal en una cuba metalúrgica que contiene un baño fundido.
La presente invención se refiere particularmente a un proceso de fusión directa basado en un baño fundido, para producir hierro fundido a partir de un material metalífero de carga.
El término "proceso de fusión directa" se entiende que significa un proceso que produce un metal fundido, en este caso hierro, a partir de un material metalífero de carga.
El documento US nº 3.463.472 da a conocer un dispositivo para la fusión continua directa de minerales a metal, y para el refinado de dicho metal. El aparato se utiliza en un procedimiento de puesta en marcha que comprende las etapas que consisten en precalentar mediante quemadores de gasoil, la carga con arrabio fundido que conteniendo carbono y silicio, e inyectar un material carbonoso, mineral de hierro y nódulos metalizados.
La presente invención se refiere más particularmente a un proceso de fusión directa basado en un baño fundido que se basa en una capa de metal fundido como medio de fusión y que generalmente se denomina proceso HIsmelt.
El proceso HIsmelt comprende las etapas siguientes:
(a)
formar en una cuba metalúrgica un baño fundido que presenta una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa de metal;
(b)
inyectar un material metalífero de carga y un material carbonoso sólido en la capa de metal, a través de una pluralidad de lanzas/toberas;
(c)
fundir el material metalífero a metal, en la capa de metal;
(d)
proyectar el material fundido en forma de salpicaduras, pequeñas gotas y chorros, en un espacio por encima de una superficie nominalmente inactiva del baño fundido para formar una zona de transición; e
(e)
inyectar en la cuba un gas que contiene oxígeno a través de una(s) lanza(s)/tobera(s) para realizar la poscombustión de los gases liberados por el baño fundido, con lo cual las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros ascendentes y a continuación descendentes de material fundido en la zona de transición, facilitan la transmisión de calor al baño fundido y de este modo se reducen al mínimo las pérdidas de calor en la zona de transición de la cuba, a través de las paredes laterales en contacto con la zona de transición.
Una forma preferida del proceso Hismelt se caracteriza por formar la zona de transición mediante la inyección en el baño de un gas portador de material metalúrgico de carga, de material carbonoso sólido y, opcionalmente, de fundentes a través de lanzas, que se extienden hacia abajo y hacia el interior a través de las paredes laterales de la cuba, de manera que el gas portador y el material sólido penetran en la capa de metal y hacen que el material fundido sea proyectado desde el baño.
Esta forma del proceso Hismelt supone una mejora con respecto a las formas anteriores del proceso, que forman la zona de transición mediante la inyección por la parte inferior del baño, del gas portador y del material carbonoso sólido a través de toberas, haciendo que las pequeñas gotas, las salpicaduras y los chorros de material fundido sean proyectadas desde el baño.
El solicitante ha realizado un exhaustivo trabajo en la instalación piloto sobre el proceso Hismelt y ha descubierto una serie de hallazgos significativos en relación con el proceso.
Uno de los hallazgos, que es el objetivo de la presente invención, consiste en proporcionar un procedimiento para la realización del proceso Hismelt, de una manera efectiva y eficiente.
En términos generales, la presente invención consiste en un procedimiento para la puesta en marcha de un proceso de fusión directa para producir hierro a partir de un material metalífero de carga en una cuba metalúrgica, comprendiendo dicha cuba una pluralidad de lanzas/toberas de inyección del material de carga, y cuyo procedimiento de puesta en marcha comprende las etapas siguientes:
(a)
precalentar la cuba,
(b)
suministrar una carga de hierro fundido a la cuba y formar un baño fundido en la cuba,
(c)
suministrar material carbonoso y fundente al baño fundido, e inyectar un gas que contiene oxígeno a través de una(s) lanza(s)/tobera(s) de inyección del material de carga y la combustión del carbono y del gas originado en el baño (si existe) y precalentar de este modo el baño fundido generando escoria; e iniciar el establecimiento de una zona de transición y aumentando la presión en el baño,
(d)
cuando las condiciones predeterminadas alcanzan un umbral predeterminado, tal como se especifica más adelante, suministrar el material metalífero de carga a la cuba mientras continúa el suministro de material carbonoso y de fundente y la inyección de un gas que contiene oxígeno y fundir el material metalífero de carga produciendo hierro fundido y completar de esta manera el procedimiento de puesta en marcha.
Preferentemente, la etapa (a) de precalentamiento de la cuba, comprende la combustión del gas combustible y de aire en la cuba. El término "gas combustible" se entiende que comprende en la presente memoria, únicamente a título de ejemplo, gas de horno de coque, gas de alto horno y gas natural.
Preferentemente, en la etapa (c), el suministro de material carbonoso y/o de fundente se realiza a través de una(s) lanza(s)/tobera(s) de inyección del material de carga.
Preferentemente, en la etapa (d), el suministro de material metalífero de carga se realiza a través de una o varias lanzas/toberas de inyección del material de carga.
Preferentemente los sólidos, es decir uno o más de uno de los materiales metalíferos de carga, el material carbonoso y el fundente, que son suministrados a través de una(s) lanza(s)/tobera(s) de inyección del material de carga son inyectadas a través de la(s) lanza(s)/tobera(s) con gas portador.
La(s) lanza(s)/tobera(s) de inyección de sólidos pueden ser desplazables durante el transcurso del procedimiento de puesta en marcha entre las posiciones inferiores de funcionamiento y las posiciones elevadas retiradas.
Como alternativa, la(s) lanza(s)/tobera(s) de inyección de sólidos pueden estar fijas durante el procedimiento de puesta en marcha y, a título de ejemplo, pueden prolongarse a través de las paredes laterales de la cuba.
En una situación en la que la(s) lanza(s)/tobera(s) de inyección de sólidos son fijas, la etapa (b) comprende preferentemente la inyección de gas portador sin sólidos a través de la(s) lanza(s)/tobera(s) de inyección de sólidos con un caudal que impide que el metal fundido penetre en la(s) lanza(s)/tobera(s).
Preferentemente, el procedimiento de puesta en marcha comprende una etapa intermedia entre las etapas (b) y (c) de inyección del gas que contiene oxígeno a través de una(s) lanza(s)/tobera(s) de inyección de materiales antes de iniciar la carga de material carbonoso y de fundente en la etapa (c) con el fin de realizar la combustión del material oxidable en el baño fundido y de este modo incrementar la temperatura del baño.
La etapa (d) de suministro de material metalífero de carga empieza cuando las condiciones predeterminadas del procedimiento alcanzan un umbral predeterminado. Las condiciones predeterminadas del procedimiento comprenden una o varias de las siguientes:
(i)
la temperatura del baño fundido es de por lo menos 1.400ºC; y
(ii)
la concentración de carbono en el baño fundido es de por lo menos 4% en peso; y
(iii)
los niveles de poscombustión son inferiores a un nivel que indica la saturación del carbono del baño fundido.
Preferentemente, la cuba comprende una solera previa, y la etapa (b) de suministro de la carga de hierro fundido a la cuba comprende el suministro de la carga a través del antecrisol.
Preferentemente, la etapa (a) de precalentamiento comprende la colocación de una tapa en el antecrisol para reducir al mínimo las pérdidas de calor a través de el antecrisol.
Preferentemente, el procedimiento de puesta en marcha comprende la limpieza del la cuba antes de la etapa (a) de precalentamiento para eliminar la escoria de la cuba.
Preferentemente, la cuba comprende unos paneles refrigerados por agua que forman parte, por lo menos, de las paredes laterales de la cuba, y el procedimiento de puesta en marcha comprende la pulverización de un material refractario moldeable sobre los paneles, antes de la etapa (a) de precalentamiento para reducir las pérdidas iniciales de calor en los paneles durante el procedimiento de puesta en marcha.
Preferentemente, el material refractario moldeable es una espinela de alto contenido en alúmina.
Preferentemente, el procedimiento de puesta en marcha comprende la conexión de prolongaciones en los extremos de las lanzas/toberas de inyección de sólidos antes de la etapa (a) de precalentamiento, para aumentar la efectividad de la inyección de sólidos durante el procedimiento de puesta en marcha cuando el nivel del baño fundido es relativamente bajo. Las prolongaciones están realizadas preferentemente en un material que se funde en el baño fundido a medida que el nivel del baño fundido aumenta y sumerge progresivamente las prolongaciones.
Preferentemente, el hierro fundido suministrado en la etapa (b) comprende por lo menos 3% de su peso de carbono.
Preferentemente, el hierro fundido suministrado en la etapa (b) comprende silicio y/o aluminio y/o cualquier otro material adecuado fácilmente oxidable.
Preferentemente, la etapa (c) y la etapa intermedia entre las etapas (b) y (c) comprenden la inyección en la cuba de gas portador a una presión, por encima de por lo menos 100 kPa, medida en las lanzas/toberas de inyección de sólidos.
Preferentemente, el procedimiento de puesta en marcha comprende el aumento del caudal del gas que contiene oxígeno durante cada una de las etapas (c) y (d).
Preferentemente, la etapa (c) comprende la inyección de un gas que contiene oxígeno a través de una(s) lanza(s)/
tobera(s) de inyección de material de carga con un caudal de por lo menos 12.000 Nm^{3}/h.
Preferentemente, la etapa (d) comprende la inyección de un gas que contiene oxígeno con un caudal de por lo menos 20.000 Nm^{3}/h.
Preferentemente, el procedimiento de puesta en marcha comprende la determinación de un periodo de tiempo para la etapa (c) para controlar las concentraciones de oxígeno y/o de monóxido de carbono y/o de dióxido de carbono en los gases de descarga de la cuba.
Preferentemente, el procedimiento de puesta en marcha comprende la determinación de un periodo de tiempo para la etapa intermedia entre las etapas (b) y (c) mediante el control de las concentraciones de oxígeno y/o de monóxido de carbono y/o de dióxido de carbono en los gases de descarga de la cuba.
El material de la escoria, comprendiendo posiblemente materiales de escoria de un funcionamiento anterior de la cuba, puede ser suministrado a la cuba durante la etapa (c) para ayudar a reducir al mínimo la excesiva oxidación del hierro en el baño fundido durante la etapa (c), mediante la acumulación de una capa de escoria en el
baño.
Preferentemente, el material de la escoria es suministrado a través de una(s) lanza(s)/tobera(s) de inyección del material de carga.
El material metalífero de carga puede ser cualquier material de carga que contenga hierro. El material de carga preferido es el mineral de hierro.
El mineral de hierro puede estar precalentado.
El mineral de hierro puede estar parcialmente prerreducido.
En algunas situaciones, tales como cuando la cuba está sometida a elevadas pérdidas de calor, el material metalífero de carga puede ser una mezcla de mineral de hierro y de un material metalífero de carga altamente reducido. En dicho caso, el procedimiento de puesta en marcha comprende preferentemente las etapas de reducción de la cantidad de material metalífero de carga altamente reducido al baño fundido, sustituyendo este material metalífero de carga con mineral de hierro, y continuando la inyección de gas que contiene oxígeno y alcanzando unas condiciones de estabilización del proceso.
La expresión "condiciones de estabilización del proceso" se entiende que se refiere a que el procedimiento funciona con un material metalífero de carga previsto y dentro de los equilibrios previstos de calor y masa.
La definición anterior se entiende en el contexto de que el proceso Hismelt se basa en una considerable agitación del material fundido en la cuba y, en consecuencia, a corto plazo el procedimiento puede estar sometido a considerables fluctuaciones.
Preferentemente, el material metalífero de carga altamente reducido inyectado en la etapa (d) está metalizado en por lo menos 60%.
Más preferentemente, el material metalífero de carga altamente reducido es hierro de reducción directa ("DRI").
Preferentemente, el gas que contiene oxígeno es aire con hasta un 50% de oxígeno en volumen.
Según la presente invención, se da a conocer asimismo un proceso de fusión directa que comprende el procedimiento de puesta en marcha descrito anteriormente.
\newpage
La presente invención se describe además a título de ejemplo haciendo referencia al dibujo adjunto que consiste en una sección vertical a través de una forma preferida de una cuba de fusión directa para realizar el proceso Hismelt para la fusión directa de mineral de hierro para producir hierro fundido.
La cuba que aparece en la figura presenta un crisol que comprende una base 3 y unos lados 55 formados por ladrillos refractarios; unas paredes laterales 5 que forman un cuerpo generalmente cilíndrico que se prolonga hacia arriba desde los lados 55 del crisol y que comprende una sección superior 51 del cuerpo y una sección inferior 53 del cuerpo; un techo 7; una salida 9 para los gases de descarga; un antecrisol 77 para la descarga de metal fundido de manera continua una conexión 71 en el crisol que interconecta el crisol y el antecrisol 77, y un orificio de colada 61 para la descarga de la escoria fundida.
En su utilización, bajo condiciones de estabilidad del procedimiento, la cuba contiene un baño fundido de hierro y escoria que comprende una capa 15 de metal fundido y una capa 16 de escoria fundida sobre la capa de metal 15. La flecha marcada mediante el número de referencia 17 indica la posición de la superficie nominalmente inactiva de la capa de escoria 15 y la flecha marcada con el número de referencia 19 indica la posición de la superficie nominalmente inactiva de la capa de escoria 16. La expresión "superficie inactiva" se entiende que significa la superficie cuando no existe inyección de gas ni de sólidos en la cuba.
La cuba comprende asimismo dos lanzas/toberas de inyección de material de carga en forma de lanzas/toberas de inyección de sólidos 11, que se prolongan en sentido descendente y hacia el interior con un ángulo de 30 a 60º Con respecto a la vertical, a través de las paredes laterales 5 y hacia la capa de escoria 16. La posición de las lanzas/toberas 11 ha sido escogida de manera que los extremos inferiores están por encima de la superficie inactiva 17 de la capa de metal 15 en un procedimiento en condiciones estabilizadas.
En su utilización, en un procedimiento en condiciones estabilizadas, el mineral de hierro, el material carbonoso sólido (típicamente carbón), y los fundentes (típicamente caliza y magnesita) arrastrados por un gas portador (típicamente N_{2}) son inyectados en la capa de metal 15 a través de las lanzas/toberas 11. El impulso del material sólido/gas portador hace que el material sólido y el gas penetren en la capa de metal 15. El carbón se desvolatiliza y de este modo produce gas en la capa de metal 15. El carbono se disuelve en parte en el metal y permanece en parte como carbono sólido. El mineral de hierro se funde a metal y la reacción de fusión genera monóxido de carbono en forma de gas. Los gases transportados hasta la capa de metal 15 y generados mediante la desvolatilización y la fusión producen un considerable movimiento ascendente de flotación del metal fundido, del carbono sólido y de la escoria (arrastrada a la capa de metal 15 como consecuencia de la inyección de gas/sólido) desde la capa de metal 15, lo que genera un movimiento ascendente de salpicaduras, pequeñas gotas y chorros de metal fundido y escoria, y estas salpicaduras, pequeñas gotas y chorros arrastran escoria a medida que se desplazan a través de la capa de escoria 16.
La flotación ascendente del metal fundido, del carbono sólido y de la escoria produce una agitación sustancial en la capa de metal 15 y en la capa de escoria 16, haciendo que aumente de volumen la capa de escoria y presenta una superficie indicada mediante la flecha 30. El valor de la agitación es tal que existe una temperatura razonablemente uniforme en las partes del metal y de la escoria, 
\hbox{típicamente de 1.450 a 1.550ºC, con una
variación  de temperatura de 30ºC.}
Además, el movimiento ascendente de las salpicaduras, pequeñas gotas y chorros de metal fundido y de escoria producido por la flotación ascendente del metal fundido, del carbono sólido y de la escoria se extiende hacia el espacio superior 31 por encima del material fundido en la cuba, y:
(a)
forma una zona de transición 23; y
(b)
proyecta algo de material fundido (de manera predominante escoria) más allá de la zona de transición y hacia la parte de la sección superior 51 de las paredes laterales del cuerpo 5, que está por encima de la parte de transición 23 y hacia el techo 7.
En líneas generales, la capa de escoria 16 es un volumen líquido continuo, con burbujas de gas en su interior, y la parte de transición 23 es un volumen gaseoso continuo con salpicaduras, pequeñas gotas y chorros de metal fundido y de escoria.
La cuba comprende además una lanza/tobera adicional para el material de carga en forma de una lanza 13 para la inyección de un gas que contiene oxígeno (típicamente aire precalentado enriquecido en oxígeno) que está dispuesta de forma centrada y se prolonga verticalmente en sentido descendente en el interior de la cuba. La posición de la lanza 13 y el caudal de gas a través de la lanza 13 han sido seleccionados de tal manera que en unas condiciones de estabilización del proceso, el gas que contiene oxígeno penetra en la parte 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 su utilización, en condiciones de estabilización del proceso, la inyección a través de la lanza 13 del gas que contiene oxígeno, realiza la poscombustión de los gases CO y H_{2} de la reacción en la parte de transición 23 y en el espacio libre 25 alrededor del extremo de la lanza 13, y genera elevadas temperaturas de 2.000ºC o superiores en el espacio de gas. El calor es transmitido a las salpicaduras, pequeñas gotas y chorros ascendentes y descendentes de material fundido en la parte de inyección del gas y el calor es transmitido a continuación parcialmente a la capa de metal 15 cuando el metal fundido vuelve al baño fundido.
El espacio libre 25 es importante para alcanzar elevados niveles de poscombustión porque permite el arrastre de gases en el espacio por encima de la zona de transición 23 hacia la parte del extremo de la lanza 13 y de este modo aumenta la exposición de los gases de la reacción disponibles a la poscombustión.
El efecto combinado de la posición de la lanza 13, el caudal de gas a través de la lanza 13, y el movimiento ascendente de las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de metal fundido y de escoria conforma la zona de transición 23 alrededor de la parte inferior de la lanza 13, generalmente identificada mediante el número de referencia 27. Esta parte conformada proporciona una barrera parcial a la transmisión de calor por radiación a las paredes laterales 5.
Además, en condiciones de estabilización del proceso, las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros ascendentes y descendentes de metal y de escoria son un medio efectivo de transmisión de calor desde la zona de transición 23 al baño fundido, haciendo que la temperatura de la zona de transición 23 en la parte de las paredes laterales 5 esté comprendida entre 1.450ºC y 1.550ºC.
La cuba está construida con referencia a los niveles de la capa de metal 15, de la capa de escoria 16, y a la zona de transición 23 en la cuba cuando el proceso está funcionando en condiciones de estabilización del proceso y con referencia a las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de metal fundido y de escoria que son proyectados al espacio superior 31 por encima de la zona de transición 23 cuando el proceso está funcionando en condiciones de estabilización del proceso, de modo que:
(a)
el crisol y la sección inferior 53 del cuerpo de las paredes laterales 5 que están en contacto con las capas de metal/escoria 15/16 están formadas por ladrillos de material refractario (indicado mediante el sombreado de la figura);
(b)
por lo menos parte de la sección inferior 53 del cuerpo de las paredes laterales 5 está respaldada por paneles refrigerados por agua 8; y
(c)
la sección superior 51 del cuerpo de las paredes laterales 5 y el techo 7 que están en contacto con la zona de transición 23 y el espacio superior 31 están formados por paneles refrigerados por agua 57, 59.
Cada uno de los paneles refrigerados por agua 8, 57, 59, en la sección superior 51 del cuerpo, de las paredes laterales 5 presenta unos bordes superior e inferior paralelos y unos bordes laterales paralelos y están curvados de manera que definen una sección del cuerpo cilíndrico. Cada panel comprende una tubería interior de agua de refrigeración y una tubería exterior de agua de refrigeración. Las tuberías presentan forma de serpentín, con secciones horizontales interconectadas mediante secciones curvadas. Cada tubería comprende además una entrada de agua y una salida de agua. Las tuberías están desplazadas verticalmente de manera que las secciones horizontales de la tubería exterior no están inmediatamente detrás de las secciones horizontales de la tubería interior vistas desde el lado de la cara expuesta del panel, es decir, de la cara que está expuesta al interior de la cuba. Cada panel comprende además un material refractario apisonado que se llena los espacios entre las secciones rectas adyacentes de cada tubería y entre las tuberías. Cada panel comprende además una placa de soporte que forma una superficie exterior del
panel.
Las entradas de agua y las salidas de agua de las tuberías están conectadas a un circuito de suministro de agua (no representado) por el que circula agua con un caudal elevado a través de las tuberías.
El trabajo en la instalación piloto al que se ha hecho referencia anteriormente fue realizado en forma de una serie de campañas prolongadas por parte del solicitante en su instalación piloto de Kwinana, Australia Occidental.
El trabajo en la instalación piloto fue realizado con la cuba mostrada en la figura y descrito anteriormente, y según las condiciones de estabilización del proceso descritas anteriormente.
El trabajo en la instalación piloto evaluó la cuba e investigó el proceso con una amplia gama de diferentes:
(a)
materiales de carga;
(b)
velocidades de inyección de sólidos y de gases;
(c)
cantidades de escoria, medidas en términos del espesor de la capa de escoria y de las proporciones escoria: metal;
(d)
temperaturas de funcionamiento; y
(e)
puestas a punto del aparato.
El trabajo en la instalación piloto estableció un procedimiento preferido de puesta en marcha que funcionó de manera efectiva y eficiente. A continuación se resume el procedimiento preferido de puesta en marcha.
(1) Limpieza de la cuba para eliminar la escoria del crisol, de las paredes laterales 5, y del techo 7, que se depositó en una campaña anterior. Es importante eliminar la escoria debido a los problemas de seguridad que podrían surgir durante la puesta en marcha si se proyectara escoria fundida hacia y desde el antecrisol 77. Después de limpiar la cuba, pulverizar una espinela de elevado contenido en alúmina sobre los paneles refrigerados para reducir las pérdidas de calor a través de los paneles durante el procedimiento de puesta en marcha. Antes o después de la etapa anterior, fijar las prolongaciones (no representadas) atornillándolas o de otra forma, a las lanzas/toberas 11 de inyección de sólidos para aumentar la longitud efectiva de las lanzas/toberas durante el procedimiento de puesta en marcha mientras el nivel de material fundido en la cuba es relativamente bajo. Las prolongaciones están realizadas en acero inoxidable o en cualquier otro material adecuado que se fundirá en el baño fundido a medida que el nivel del baño fundido aumente y sumerja las prolongaciones.
(2) Precalentar la cuba.
Una opción preferida de precalentamiento consiste en realizar la combustión del gas combustible y de aire en la cuba. En su utilización, se prefiere limitar la temperatura de precalentamiento a 1.400ºC debido a que la temperatura de la llama que genera estas temperaturas de precalentamiento es considerablemente elevada y podría dañar los refractarios de la cuba. Con el fin de mejorar la eficiencia de la transmisión del calor, se coloca una tapa 73 y una placa de cobertura 75 que se extiende hacia abajo sobre el antecrisol 77.
Otra opción preferida de calentamiento, en situaciones en las que se dispone de estufas calientes, es calentar la cuba mediante soplado con aire a través de la lanza 13 incrementando progresivamente la cantidad de aire que ha sido precalentado utilizando las estufas hasta que todo el aire llega a través de las estufas y a continuación suplementar el precalentamiento en los últimos 400ºC con la utilización de un quemador de combustible, tal como se ha descrito anteriormente.
(3) Preparar una carga de 40 a 45 toneladas de hierro fundido que comprende un 4% en peso de carbono, un 0,75% en peso de silicio y un 0,5% en peso de aluminio, y que esté a una temperatura media de 1.360ºC.
(4) Detener la etapa de precalentamiento y suministrar la carga de hierro fundido a la cuba a través de el antecrisol 77 e inyectar nitrógeno (u otro gas portador adecuado) a través de las lanzas/toberas 11 en la cuba a una presión de por lo menos 100 kPa por encima de la presión de la cuba e impedir de este modo la penetración de metal fundido en las lanzas/toberas 11;
(5) Después de suministrar la carga de hierro fundido, continuar la inyección de nitrógeno tal como se ha destacado en la etapa (4) e inyectar un gas que contiene oxígeno a través de la lanza 13, con un caudal inicial de 12.000 Nm^{3}/h, aumentando hasta 20.000 Nm^{3}/h (el caudal mínimo requerido para la inyección de sólidos), para realizar la combustión del silicio y el aluminio y para descarburar la carga de hierro fundido y generar monóxido de carbono/dióxido de carbono y de este modo calentar el baño de hierro fundido. Aumentar de manera simultánea la presión en la cuba hasta la presión mínima requerida para inyectar sólidos (típicamente 20 kPa). Típicamente, el tiempo requerido para esta etapa es de 5 a 10 minutos.
(6) Una vez que la inyección del gas que contiene oxígeno se ha estabilizado a 20.000 Nm^{3}/h, iniciar la inyección de carbón y de fundente (típicamente caliza) a través de las lanzas/toberas 11 con un caudal inicial de carbón de 3 toneladas/hora e iniciar el control del contenido de oxígeno y/o de CO y/o de CO_{2} en los gases de descarga para determinar cómo reacciona el baño. Una disminución del contenido de oxígeno y un aumento en el contenido del CO y del CO_{2} indica que el baño está reaccionando. Cuando está establecida esta tendencia, pueden incrementarse los caudales del gas que contiene oxígeno y del carbón más allá de los caudales iniciales. Los objetivos de esta etapa consisten en (a) incrementar la temperatura y el contenido de carbono del hierro fundido tan rápidamente como sea posible hasta una temperatura mínima del hierro fundido de 1.450ºC y un contenido mínimo en peso de carbono del 4,5%, (b) formar una escoria que presenta la basicidad requerida, y (c) empezar a establecer la zona de transición 23. Durante esta etapa, existen unas cargas de calor muy elevadas en los paneles refrigerados por agua. Se incrementa el caudal del gas que contiene oxígeno hasta 28.000 Nm^{3}/h. Esto hace aumentar la presión en el interior de la cuba a 70-75 kPa. Típicamente, esta etapa dura unos 30 minutos.
(7) Una vez que la temperatura del hierro fundido alcanza la temperatura mínima de 1.450ºC y el contenido de carbono mínimo al 4,5% en peso, empieza la inyección de una mezcla de finos de mineral de hierro y DRI a través de las lanzas/toberas 11 con un caudal inicial de 6 toneladas/hora, mientras prosigue la inyección de carbón y fundente y se funde la mezcla y se produce un caudal de hierro fundido desde el antecrisol y se genera la poscombustión y la transmisión de calor al baño a través de la zona de transición 23. Una vez que los niveles de la poscombustión empiezan a aumentar, la carga de calor sobre los paneles empieza a disminuir y puede incrementarse el caudal de la mezcla.
(8) Con el tiempo, el DRI puede ser sustituido progresivamente por mineral de hierro parcialmente reducido o por mineral de hierro como el material objetivo de carga hasta el momento en que el único material de carga sea solamente el material metalífero de carga y el procedimiento entre en el modo de estabilización.
(9) Después de 2 a 3 horas de funcionamiento, hay que purgar la cuba y obtener una muestra de la escoria y determinar las condiciones del proceso.
La inyección inicial de la mezcla de finos de mineral de hierro y DRI en la etapa (7) anterior está en función del tamaño de la cuba y de las pérdidas caloríficas. En el caso de la instalación piloto, en la fase inicial se producían unas pérdidas de calor muy elevadas y fue necesaria la adición de DRI para establecer la producción de metal. En las cubas de tamaño industrial se supone que las pérdidas caloríficas pueden no ser tan importantes y no ser necesaria la adición de DRI.

Claims (19)

1. Procedimiento para la puesta en marcha de un proceso de fusión directa para producir hierro a partir de un material metalífero de carga en una cuba metalúrgica, comprendiendo la cuba una pluralidad de lanzas/toberas de inyección del material de carga, comprendiendo el procedimiento de puesta en marcha las etapas siguientes:
(a)
precalentar la cuba mediante la combustión de gas combustible y de aire en la cuba;
(b)
suministrar una carga de hierro fundido a la cuba y formar un baño fundido en la cuba;
(c)
suministrar material carbonoso y fundente al baño fundido e inyectar de un gas que contiene oxígeno a través de una o varias lanzas/toberas de inyección de material de carga y realizar la combustión del carbono y del gas derivado del baño, y calentar de esta manera el baño fundido, generar escoria y empezar a establecer una zona de transición y aumentar la presión en la cuba; y
(d)
cuando las condiciones predeterminadas, que comprenden cualquiera o varias de entre: temperatura del baño fundido de por lo menos 1.400ºC, concentración de carbono de por lo menos 4% en peso en el baño fundido, y niveles de poscombustión inferiores al nivel que indica la saturación del carbono del baño fundido, alcanzan un umbral predeterminado, suministrar el material metalífero de carga a la cuba mientras prosigue el suministro de material carbonoso y de fundente y la inyección de gas que contiene oxígeno y fundir material metalífero de carga y producir hierro fundido adicional.
2. Procedimiento de puesta en marcha según la reivindicación 1, en el que la etapa (c) comprende el suministro de material carbonoso y de fundente mediante la inyección de material carbonoso y de fundente a través de una o varias lanzas/toberas de inyección de material de carga.
3. Procedimiento de puesta en marcha, según la reivindicación 2, que comprende la inyección de uno o varios materiales carbonosos, fundente y material metalífero de carga con gas portador a través de una o varias lanzas/toberas de inyección de material de carga.
4. Procedimiento de puesta en marcha según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la etapa (d) comprende el suministro de material metalífero de carga mediante la inyección de material de carga a través de una o varias lanzas/toberas de inyección de material de carga.
5. Procedimiento de puesta en marcha según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, entre las etapas (b) y (c) que comprende la inyección de gas que contiene oxígeno a través de una o varias lanzas/toberas de inyección de material de carga antes de iniciar el suministro de material carbonoso y de fundente en la etapa (c) con el fin de realizar la combustión del material oxidable en el baño fundido para incrementar la temperatura del baño.
6. Procedimiento de puesta en marcha según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la cuba comprende una solera y la etapa (b) comprende el suministro de la carga a través del antecrisol.
7. Procedimiento de puesta en marcha según la reivindicación 6, en el que la etapa de precalentamiento (a) comprende la colocación de una tapa sobre el antecrisol para minimizar la pérdida de calor a través del antecrisol.
8. Procedimiento de puesta en marcha según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende la limpieza de la cuba antes de la etapa (a) para eliminar la escoria que quedó en la cuba a la finalización de un funcionamiento anterior del proceso de fusión directa.
9. Procedimiento de puesta en marcha según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la cuba comprende paneles refrigerados por agua que forman por lo menos parte de las paredes laterales de la cuba y el procedimiento de puesta en marcha comprende la pulverización de un material refractario moldeable sobre los paneles antes de la etapa (a) para reducir la pérdida inicial de calor de los paneles durante el procedimiento de puesta en marcha.
10. Procedimiento de puesta en marcha según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el hierro fundido suministrado en la etapa (b) comprende por lo menos 3% en peso de carbono.
11. Procedimiento de puesta en marcha según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el hierro fundido suministrado en la etapa (b) comprende silicio y/o aluminio y/o cualquier otro material oxidable adecuado.
12. Procedimiento de puesta en marcha según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 11, en el que la etapa (c) comprende la inyección de gas portador a una presión de por lo menos 100 kPa por encima de la presión en la cuba con el material carbonoso y el fundente inyectados.
13. Procedimiento de puesta en marcha según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que comprende el incremento del caudal del gas que contiene oxígeno durante cada una de las etapas (c) y (d).
14. Procedimiento de puesta en marcha según la reivindicación 13, que comprende la inyección de gas que contiene oxígeno a un caudal por lo menos 12.000 Nm^{3}/h en la etapa (c).
15. Procedimiento de puesta en marcha según la reivindicación 13 ó 14, que comprende la inyección de gas que contiene oxígeno a un caudal de por lo menos 20.000 Nm^{3}/h en la etapa (d).
16. Procedimiento de puesta en marcha según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, que comprende la determinación del periodo de tiempo para la etapa (c) mediante el control de las concentraciones de oxígeno, y/o de monóxido de carbono y/o de dióxido de carbono en el gas de descarga de la cuba.
17. Procedimiento de puesta en marcha según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en el que el material metalífero de carga comprende una mezcla de mineral de hierro y un material metalífero de carga altamente reducido, y el procedimiento de puesta en marcha comprende además las etapas siguientes: reducir la cantidad del material metalífero de carga altamente reducido suministrado al baño fundido durante un periodo de tiempo, sustituir el material metalífero de carga altamente reducido con mineral de hierro, y proseguir la inyección de gas que contiene oxígeno y alcanzar unas condiciones de estabilización del proceso.
18. Procedimiento de puesta en marcha según la reivindicación 17, en el que el material metalífero de carga altamente reducido inyectado en la etapa (d) está metalizado por lo menos en un 60%.
19. Procedimiento de puesta en marcha según la reivindicación 18, en el que el material metalífero de carga altamente reducido es hierro reducido directamente.
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