ES2291296T3 - Procedimiento y aparato de fusion directa. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de fusión directa para producir metal ferroso a partir de un material de alimentación ferroso que comprende las etapas que consisten en: (a) formar un baño de metal fundido y escoria fundida en un recipiente metalúrgico; (b) inyectar material de alimentación ferroso en el baño fundido y fundir el material de alimentación ferroso a metal en el baño fundido; (c) inyectar material carbonoso sólido en el baño fundido; de manera que el nivel de carbono disuelto en el hierro fundido en el baño fundido es de por lo menos del 3% en peso; (d) generar un flujo de gas en el baño fundido por lo menos en parte mediante reacciones de material inyectado en el baño que transporta material fundido hacia arriba por encima de una superficie inactiva del baño fundido (tal como se define en la presente memoria) para formar un baño elevado; (e) inyectar aire precalentado en el recipiente mediante por lo menos una lanza de manera que incide sobre o penetra en el baño elevado y realiza la poscombustión de los gases de reacción liberados desde o contenidos dentro del baño elevado, facilitando así la transferencia de calor al baño fundido, forzando el aire al material fundido en el baño elevado en la región del extremo inferior de la lanza lejos de la lanza y formando un espacio libre alrededor del extremo inferior de la lanza que presenta una concentración de material fundido que es inferior que la concentración de material fundido en el baño elevado, estando dicho procedimiento caracterizado por la inyección del aire precalentado hacia abajo en el recipiente en un ángulo de 20 a 90ºC con respecto al eje horizontal y a una temperatura de 800-1.400ºC y a una velocidad de 200-600 m/s; siendo la lanza dispuesta de manera que: (i) la lanza se extiende en el recipiente una distancia que es por lo menos el diámetro exterior del extremo inferior de la lanza; e (ii) el extremo inferior de la lanza es por lo menos 3 veces el diámetro exterior del extremo inferior de la lanzapor encima de la superficie inactiva del baño fundido, en el que el flujo de gas superficial en el baño fundido es de por lo menos 0, 04 Nm3/s/m2 de la superficie inactiva del baño fundido.
Description
Procedimiento y aparato de fusión directa.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de fusión directa basado en un baño fundido y a un
aparato para producir metal ferroso fundido (término que comprende
ferroaleaciones), en particular aunque ni mucho menos
exclusivamente hierro, a partir de material de alimentación ferroso,
tal como minerales, minerales parcialmente reducidos y corrientes
de desechos que contienen metal, que utilizan un sistema basado en
aire precalentado (término que incluye aire enriquecido en oxígeno
hasta un 50% de O_{2}) para la poscombustión de los gases de
reacción (que son principalmente CO y H_{2}) que se generan en el
baño fundido.
Sin la adecuada poscombustión de los gases de
reacción y la posterior transferencia sustancial de calor de vuelta
al baño fundido, dichos procedimientos de fusión directa basados en
un baño, en particular aquellos sin una fase de reducción previa,
resulta poco rentable y en muchos casos inviable debido a la
naturaleza endotérmica de la reducción de los materiales de
alimentación ferrosos. Aunque los sistemas de poscombustión basados
en oxígeno (término que incluye O_{2} impuro hasta un 50% de
O_{2}) frente a los sistemas basados en aire precalentado
presentan ventajas tales como la minimización del volumen de gas de
descarga, existe también un coste significativo en suministrar
grandes cantidades de oxígeno.
Un requisito adicional es que una buena
poscombustión no debe estar a expensas de volver a oxidar cantidades
significativas de metal ferroso fundido en el baño fundido ya que
el procedimiento resulta poco eficiente, necesitándose cantidades
excesivas de material carbonoso sólido para realizar tal oxidación.
Además, una cantidad excesivamente alta de FeO_{x} líquido
(principalmente FeO) en el baño fundido es en particular perjudicial
con respecto al desgaste refractario en la región entre el nivel de
la superficie inactiva nominal del metal ferroso fundido y la del
baño como un todo.
Un procedimiento de fusión directa basado en un
baño fundido conocido para producir metal ferroso fundido es el
procedimiento DIOS. El procedimiento DIOS comprende una fase de
reducción previa y una fase de reducción por fusión. En el
procedimiento DIOS, se calienta (750ºC) previamente el mineral (-8
mm) y se reduce previamente (del 10 al 30%) en lechos fluidizados
utilizando gas de descarga de un recipiente de reducción por fusión
que contiene un baño fundido de metal y escoria, formando la escoria
una capa profunda sobre el metal. Los componentes finos (-3 mm) y
gruesos (-8 mm) del mineral se separan en la fase de reducción
previa del procedimiento. Se alimentan de forma continua carbón y
mineral reducido previamente y precalentado (mediante dos líneas de
alimentación) al horno de reducción por fusión desde la parte
superior del horno. El mineral se disuelve y forma FeO en la capa
profunda de la escoria y el carbón se descompone en residuo
carbonoso y materia volátil en la capa de escoria. Se insufla
oxígeno a través de una lanza concebida especialmente que mejora la
combustión secundaria de la escoria espumosa. Los chorros de
oxígeno queman monóxido de carbono que se genera con las reacciones
de reducción por fusión, generando así calor que se transfiere a la
escoria fundida. Se reduce el FeO en las interfases escoria/metal y
escoria/residuo carbonoso. El gas de agitación introducido en el
baño de metal caliente desde la parte inferior del recipiente de
reducción por fusión mejora la eficacia de la transmisión de calor
y aumenta la interfase escoria/metal para la reducción. La escoria y
el metal se extraen periódicamente.
Otro procedimiento de fusión directa conocido
para producir metal ferroso fundido es el procedimiento AISI. El
procedimiento AISI incluye también una fase de reducción previa y
una fase de reducción por fusión. En el procedimiento AISI se
cargan las pastillas de mineral de hierro parcialmente reducido
previamente y precalentado, cenizas de carbón o coque y fundentes
por la parte superior en un reactor de fusión presurizado que
contiene un baño fundido de metal y escoria. El carbón se
desvolatiliza en la capa de escoria y las pastillas de mineral de
hierro se disuelven en la escoria y se reducen a continuación por el
carbono (residuo carbonoso) en la escoria. Altas velocidades de
generación de gas en la escoria dan como resultado la espumación de
la escoria. Se realiza la poscombustión del monóxido de carbono e
hidrógeno generados en el procedimiento en o justo por encima de la
capa de escoria para proporcionar la energía necesaria para las
reacciones de reducción endotérmicas. Se insufla oxígeno por la
parte superior a través de una lanza central, refrigerada con agua y
se inyecta nitrógeno a través de toberas en la parte inferior del
reactor para garantizar una agitación suficiente para facilitar la
transferencia de calor de la energía de poscombustión al baño. Se
elimina el polvo del gas de descarga del procedimiento en un ciclón
caliente antes de alimentarlo a un horno de tipo cuba para
precalentar y reducir previamente las pastillas a FeO o
wustita.
Otro procedimiento de fusión directa conocido
para producir metal ferroso fundido es el procedimiento HIsmelt.
Una forma del procedimiento HIsmelt tal como se describe en la
solicitud internacional PCT/AU96/00197 (WO 96/31627) a nombre del
solicitante, comprende:
- (a)
- formar un baño fundido de metal y escoria en un recipiente;
- (b)
- inyectar en el baño:
- (i)
- material de alimentación ferroso, normalmente óxidos de metal; y
- (ii)
- un material carbonoso sólido, normalmente carbón, que actúa como un reductor de los óxidos de metal y una fuente de energía; y
- (c)
- fundir el material de alimentación ferroso a metal en la capa de metal del baño fundido.
El procedimiento HIsmelt comprende también la
inyección de gas que contiene oxígeno en un espacio por encima del
baño y la poscombustión de los gases de reacción, tales como CO y
H_{2}, liberados del baño y que transfieren el calor generado al
baño para contribuir a la energía térmica necesaria para fundir los
materiales de alimentación metalíferos.
El solicitante ha llevado a cabo un extenso
trabajo en planta piloto y trabajo de modelación computacional de
dinámica de fluidos sobre el procedimiento HIsmelt y ha obtenido una
serie de hallazgos significativos con respecto a los sistemas
basados en aire precalentado.
En términos generales, la presente invención
proporciona un procedimiento de fusión directa para producir metal
ferroso a partir de un material de alimentación ferroso que incluye
las
\hbox{etapas tal como se definen en la reivindicación
1.}
Preferentemente la concentración de material
fundido en el espacio libre alrededor del extremo inferior de la
lanza es del 5% o inferior en volumen del espacio
Preferentemente el espacio libre alrededor del
extremo inferior de la lanza es un volumen semiesférico que
presenta un diámetro que es por lo menos 2 veces el diámetro
exterior del extremo inferior de la lanza.
Preferentemente el diámetro del espacio libre
alrededor del extremo inferior de la lanza no es superior a 4 veces
el diámetro exterior del extremo inferior de la lanza.
Preferentemente se quema por lo menos el 50%,
más preferentemente por lo menos el 60%, en volumen del oxígeno en
el aire precalentado en el espacio libre alrededor del extremo
inferior de la lanza.
Preferentemente el procedimiento incluye
inyectar aire precalentado en el recipiente con un movimiento de
torbellino.
El término "fusión" significa en la
presente memoria un tratamiento térmico en el que tienen lugar
reacciones químicas que reducen el material de alimentación ferroso
para producir metal líquido.
Se entiende que el término "superficie
inactiva" significa una superficie del baño fundido que hace
referencia a condiciones de procedimiento en las cuales no existe
inyección de gas/sólidos y por tanto no hay agitación en el
baño.
Tal como se indicó anteriormente, se entiende
que el término "aire" significa en la presente memoria aire o
aire enriquecido en oxígeno que contiene hasta el 50% en volumen de
O_{2}.
El flujo de gas superficial en el baño fundido
es por lo menos 0,04 Nm^{3}/s/m^{2} de la superficie inactiva
del baño fundido.
Preferentemente la velocidad de flujo de gas
superficial es por lo menos 0,2 Nm^{3}/s/m^{2} de la superficie
inactiva del baño fundido.
Preferentemente la velocidad de flujo de gas
superficial es inferior a 2 Nm^{3}/s/m^{2} de la superficie
inactiva del baño fundido.
El flujo de gas en el baño fundido puede
producirse por uno cualquiera o más de entre un número de factores.
Por ejemplo, el flujo de gas puede generarse por lo menos en parte
como un resultado de la inyección del material de alimentación
ferroso y material carbonoso sólido en el baño fundido,
preferentemente en una región inferior del baño fundido. A título
de ejemplo adicional, el flujo de gas puede generarse por lo menos
en parte como un resultado de la inyección de gas portador en el
baño fundido, preferentemente, la región inferior del baño fundido,
con material de alimentación ferroso y/o material carbonoso sólido
inyectados. A título de ejemplo adicional, el flujo de gas puede
generarse por lo menos en parte como un resultado de la inyección en
la pared lateral y/o inferior de un gas en el baño fundido,
preferentemente la región inferior del baño fundido.
Preferentemente el procedimiento incluye
controlar el nivel de carbono disuelto en el hierro fundido para
que sea por lo menos el 3% en peso y mantener la escoria en un
estado fuertemente reductor que conduce a niveles de FeO inferiores
al 6% en peso, más preferentemente inferiores al 5% en peso, en la
escoria.
Preferentemente el procedimiento incluye
mantener existencias de escoria elevadas en el recipiente con
respecto al metal ferroso fundido en el recipiente.
La cantidad de escoria en el recipiente, es
decir, las existencias de escoria, presenta un impacto directo
sobre la cantidad de escoria que está en una región superior del
baño fundido.
Las características de transferencia de calor
relativamente bajas de la escoria en comparación con el metal son
importantes en el contexto de minimizar la pérdida de calor hacia
las paredes laterales refrigeradas con agua y desde el recipiente a
través de las paredes laterales del recipiente.
Mediante un control apropiado del procedimiento,
la escoria puede formar una capa o capas sobre las paredes
laterales que añade resistencia a la pérdida de calor desde las
paredes laterales.
Por tanto, cambiando las existencias de la
escoria es posible aumentar o disminuir la cantidad de escoria
sobre las paredes laterales y por tanto controlar la pérdida de
calor a través de las paredes laterales del recipiente.
La escoria puede formar una capa "húmeda" o
una capa "seca" sobre las paredes laterales. Una capa
"húmeda" comprende una capa congelada que se adhiere a las
paredes laterales, una capa semisólida (pasta), y una capa líquida
externa. Una capa "seca" es una en la que sustancialmente toda
la escoria está congelada.
La cantidad de escoria en el recipiente también
proporciona una medida de control sobre el grado de
poscombustión.
Específicamente, si las existencias de escoria
son demasiado bajas, existirá una mayor exposición de metal y por
tanto una mayor oxidación de metal y carbono disuelto en el metal y
el potencial para obtener una menor poscombustión y en consecuencia
una menor poscombustión, a pesar del efecto positivo que el metal
presenta sobre la transferencia de calor a la capa de metal.
Además, si las existencias de escoria son muy
altas, la lanza o más de una lanzas de inyección de aire
precalentado se enterrarán en el baño fundido y esto minimiza el
movimiento de los gases de reacción del espacio superior hasta el
extremo de la o cada lanza y, como consecuencia reduce el potencial
de obtener poscombustión.
La cantidad de escoria en el recipiente, es
decir, las existencias de escoria, pueden controlarse mediante las
velocidades de extracción de metal y escoria.
La producción de escoria en el recipiente puede
controlarse variando las velocidades de alimentación de material de
alimentación ferroso, material carbonoso, y fundentes al recipiente
y parámetros de funcionamiento tales como las velocidades de
inyección de gas que contiene oxígeno.
Preferentemente el procedimiento incluye
inyectar material ferroso y material carbonoso, que actúa como una
fuente de reductor y como una fuente de energía, en la región
inferior del baño fundido.
Una opción consiste en inyectar material ferroso
y material carbonoso mediante lanzas/toberas que se extienden hacia
abajo en el baño fundido. Normalmente, las lanzas/toberas se
extienden a través de paredes laterales del recipiente y están
inclinadas hacia dentro y hacia abajo dentro del baño fundido.
Otra opción, aunque de ninguna manera la única
otra opción, consiste en inyectar material ferroso y material
carbonoso mediante toberas en la parte inferior del recipiente o en
las paredes laterales del recipiente que están en contacto con el
baño fundido.
La inyección de material ferroso y material
carbonoso puede ser a través de las mismas lanzas/toberas o
separadas.
Preferentemente el nivel de poscombustión es de
por lo menos el 40%, en el que se define la poscombustión como:
\frac{[CO_{2}]
+ [H_{2}O]}{[CO_{2}] +[H_{2}O] + [CO] +
[H_{2}]}
en la
que:
[CO_{2}] = % en volumen de CO_{2} en el gas
de descarga
[H_{2}O] = % en volumen de H_{2}O en el gas
de descarga
[CO] = % en volumen de CO en el gas de
descarga
[H_{2}] = % en volumen de H_{2} en el gas de
descarga
Según la presente invención se proporciona
también un aparato para producir metal ferroso a partir de un
material de alimentación ferroso mediante un procedimiento de
fusión directa, aparato que incluye un recipiente que contiene un
baño de metal fundido y escoria fundida y un espacio gaseoso
continuo por encima del baño fundido, recipiente que incluye:
- (a)
- un crisol formado de material refractario que presenta una base y laterales en contacto con una región inferior del baño fundido;
- (b)
- paredes laterales que se extienden hacia arriba desde los laterales del crisol y que están en contacto con una región superior del baño fundido y el espacio gaseoso continuo, en el que las paredes laterales que están en contacto con el espacio gaseoso continuo incluyen paneles refrigerados con agua y una capa de escoria sobre los paneles;
- (c)
- unos medios para suministrar material de alimentación ferroso y material carbonoso al recipiente;
- (d)
- unos medios para generar un flujo de gas en el baño fundido que transporta material fundido hacia arriba por encima de una superficie inactiva nominal del baño fundido y forma un baño elevado;
- (e)
- por lo menos una lanza que se extiende hacia abajo en el recipiente y que inyecta aire precalentado en el recipiente a un ángulo de 20 a 90º con respecto a un eje horizontal a una velocidad de 200-600 m/s y a una temperatura de 800-1400ºC, ubicándose la lanza de modo que:
- (i)
- la lanza se extiende en el recipiente una distancia que es por lo menos el diámetro exterior de un extremo inferior de la lanza; y
- (ii)
- el extremo inferior de la lanza es por lo menos 3 veces el diámetro exterior del extremo inferior de la lanza por encima de una superficie inactiva del baño fundido;
- incidiendo el aire sobre o penetrando en el baño elevado y realizando la poscombustión de los gases liberados desde o contenidos dentro del baño elevado, y forzando la inyección de aire al metal fundido en el baño elevado en la región del extremo inferior de la lanza lejos del extremo inferior de modo que existe un espacio "libre" alrededor del extremo inferior de la lanza que presenta una concentración de material fundido inferior a la del baño elevado; y
- (f)
- unos medios para extraer metal fundido y escoria del recipiente.
Preferentemente los medios de suministro/medios
de generación de gas incluyen una pluralidad de lanzas/toberas que
inyectan material de alimentación ferroso y material carbonoso con
un gas portador en el baño fundido y que generan el flujo de
gas.
La presente invención se describe además a
título de ejemplo haciendo referencia a los dibujos adjuntos de los
cuales:
La figura 1 es una sección vertical que ilustra
de forma esquemática una forma de realización preferida del
procedimiento y el aparato de la presente invención;
la figura 2 es una sección transversal
longitudinal a través de la lanza de inyección de aire caliente
mostrada en la figura 1;
la figura 3 es una sección transversal
longitudinal a escala ampliada a través de una parte del extremo
anterior de la lanza;
la figura 4 es una sección transversal sobre la
línea 4-4 de la figura 3;
la figura 5 es una sección transversal sobre la
línea 5-5 de la figura 3;
la figura 6 es una sección transversal sobre la
línea 6-6 de la figura 5;
la figura 7 es una sección transversal sobre la
línea 7-7 de la figura 6;
la figura 8 ilustra los pasos de flujo de agua
formados en una parte anterior de un cuerpo central dispuesto con
el extremo anterior de la lanza;
la figura 9 es un desarrollo que muestra la
disposición de las galerías de entrada y retorno de agua para la
parte del cuerpo central y cuatro paletas de agitación de flujo en
remolino en la parte anterior de la lanza; y
la figura 10 es una sección transversal ampliada
a través de una parte posterior de la lanza.
La siguiente descripción está en el contexto de
la fusión de un mineral de hierro para producir hierro fundido y se
entiende que la presente invención no se limita a esta aplicación y
puede aplicarse a cualquier mineral ferroso adecuado y/o
concentrados, que incluyen minerales ferrosos parcialmente reducidos
y materiales de desecho de
reciclaje.
reciclaje.
El aparato de fusión directa mostrado en la
figura 1 incluye un recipiente metalúrgico indicado generalmente
como 11. El recipiente 11 presenta un crisol que incluye una base 12
y laterales 13 formados de ladrillos refractarios; las paredes 14
laterales que forman un barril generalmente cilíndrico que se
extiende hacia arriba desde los laterales 13 del crisol que incluye
una sección superior del barril 151 formada de paneles refrigerados
con agua y una sección inferior del barril 153 formada de paneles
refrigerados con agua que presentan un revestimiento interno de
ladrillos refractarios; un techo 17; una salida 18 para gases de
descarga; un alimentador 19 para descargar metal fundido de forma
continua; y un orificio 21 de extracción para descargar la escoria
fundida.
Durante su utilización, el recipiente contiene
un baño fundido de hierro y escoria que, bajo condiciones estables,
incluye una capa de metal fundido 22 y una capa de escoria fundida
23 sobre la capa de metal 22. Se entiende que el término "capa de
metal" significa en la presente memoria una región del baño que
es predominantemente metal. Se entiende que el término "capa de
escoria" significa en la presente memoria una región del baño que
es predominantemente escoria. La flecha marcada por el número 24
indica la posición de la superficie inactiva nominal de la capa de
metal 22 y la flecha marcada por el número 25 indica la posición de
la superficie inactiva nominal de la capa de escoria 23 (es decir,
del baño fundido). Se entiende que el término "superficie
inactiva" significa la superficie cuando no existe inyección de
gas ni sólidos en el recipiente.
El recipiente está provisto de una lanza de
inyección de aire caliente 26 que se extiende hacia abajo para
distribuir una ráfaga de aire caliente a una región superior del
recipiente y realizar la poscombustión de los gases de reacción
liberados del baño fundido. La lanza 26 presenta un diámetro D
exterior en el extremo inferior de la lanza. La lanza 26 está
colocada de modo que:
- (i)
- un eje central de la lanza 26 está a un ángulo de 20 a 90º con respecto a un eje horizontal de modo que el ángulo de inyección de aire caliente está comprendido en este intervalo;
- (ii)
- la lanza 26 se extiende en el recipiente una distancia que es por lo menos el diámetro D exterior del extremo inferior de la lanza; y
- (iii)
- el extremo inferior de la lanza 26 es por lo menos 3 veces el diámetro D exterior del extremo inferior de la lanza por encima de la superficie 25 inactiva del baño fundido.
Se describe la lanza 26 con mayor detalle
haciendo referencia a las figuras 2-10.
El recipiente también está provisto de lanzas de
inyección de sólidos 27 (dos mostradas) que se extienden hacia
abajo y hacia dentro a través de las paredes 14 laterales y en el
baño fundido para inyectar mineral de hierro, material carbonoso
sólido, y fundentes arrastrados en un gas portador deficiente en
oxígeno en el baño fundido. La posición de las lanzas 27 se
selecciona de modo que sus extremos de salida 82 están por encima
de la superficie inactiva de la capa de metal 22. Esta posición de
las lanzas reduce el riesgo de daño a través del contacto con metal
fundido y también hace posible enfriar las lanzas mediante
refrigeración con agua interna forzada sin riesgo significativo de
que el agua entre en contacto con el metal fundido en el
recipiente.
Durante su utilización, se inyecta el mineral de
hierro, el material carbonoso sólido (normalmente carbón), y
fundentes (normalmente cal y magnesia) arrastrados en un gas
portador (normalmente N_{2}) en el baño fundido 15 a través de
las lanzas 27. El momento del material sólido/gas portador provoca
que el material sólido y el gas penetren en una región inferior del
baño fundido. El carbón se desvolatiliza y por tanto produce gas en
la región inferior del baño. El carbono se disuelve en parte en el
metal y permanece en parte como carbono sólido. El mineral de
hierro se funde para obtener metal y la reacción de fusión genera
gas monóxido de carbono. Los gases transportados a la región
inferior del baño y generados mediante desvolatilización y fusión
producen una flotación ascendente significativa de metal fundido,
carbono sólido y escoria (arrastrada a la región inferior del baño
como consecuencia de la inyección gas/sólido) desde la región
inferior del baño lo que genera un movimiento ascendente de
salpicaduras, gotas y corrientes de metal fundido y escoria, y estas
salpicaduras, gotas y corrientes arrastran escoria mientras se
mueven a través de una región superior del baño fundido. El flujo
de gas generado mediante la inyección de gas portador y reacciones
en el baño mencionadas descritos anteriormente es por lo menos 0,4
Nm^{3}/s/m^{2} de la superficie inactiva del baño fundido (es
decir, la superficie 25).
La flotación ascendente de metal fundido,
carbono sólido y escoria produce una agitación sustancial en el
baño fundido, con el resultado de que el baño fundido 23 se dilata
en volumen y presenta una superficie indicada mediante la flecha
30. El grado de agitación es tal que hay una temperatura
razonablemente uniforme a través del baño fundido, normalmente
1.450 -1.550ºC.
Además, el movimiento ascendente de
salpicaduras, gotas y corrientes de material fundido producidas por
la flotación ascendente de metal fundido, carbono sólido y escoria
se extiende al espacio superior 31 por encima del baño fundido en
el recipiente y:
- (a)
- forma una zona 28 de transición; y
- (b)
- proyecta algo de material fundido (predominantemente escoria) más allá de la zona 28 de transición y sobre la parte de la sección superior del barril 151 de las paredes 14 laterales que está por encima de la zona 28 de transición y sobre el techo 17.
El baño fundido dilatado y la zona 28 de
transición definen un baño elevado.
\newpage
Además de lo anterior, durante su utilización,
se descarga aire caliente a una temperatura de
800-1.400ºC a una velocidad de
200-600 m/s mediante una lanza 26 y penetra en la
región central de la zona 28 de transición y provoca la formación
de un espacio esencialmente libre de metal/escoria 29 alrededor de
la lanza 26.
La ráfaga de aire caliente mediante la lanza 26
realiza la poscombustión de los gases CO y H_{2} en la zona 28 de
transición y en el espacio libre 29 alrededor del extremo de la
lanza 26 y genera altas temperaturas del orden de 2.000ºC o
superiores en el espacio del gas. Se transfiere el calor a las
salpicaduras, gotas y corrientes de material fundido ascendentes y
descendentes en la región de inyección de gas y el calor se
transfiere en parte por todo el baño fundido.
El espacio libre 29 es importante para lograr
niveles altos de poscombustión debido a que permite el arrastre de
gases en el espacio por encima de la zona 28 de transición a la
región del extremo de la lanza 26 y aumenta por tanto la exposición
de los gases de reacción disponibles para la poscombustión.
El efecto combinado de la posición de la lanza
26, la velocidad de flujo de gases a través de la lanza 26, y el
movimiento ascendente de salpicaduras, gotas y corrientes de
material fundido es para conformar la zona 28 de transición
alrededor de la región inferior de la lanza 26. Esta región
conformada proporciona una barrera parcial frente a la
transferencia de calor mediante radiación a las paredes 14
laterales.
Además, las gotas, salpicaduras y corrientes de
material ascendentes y descendentes son medios eficaces para
transferir calor desde la zona 28 de transición hasta el baño
fundido con el resultado de que la temperatura de la zona 28 de
transición en la región de las paredes 14 laterales está comprendida
entre 1.450ºC y 1.550ºC.
Se ilustra la construcción de la lanza de
inyección de aire caliente 26 en las figuras 2-9.
Tal como se muestra en estas figuras, la lanza 26 comprende un
conducto 31 alargado a través del que pasa el flujo de aire
caliente, que puede ser enriquecido en oxígeno. El conducto 31 está
constituido por una serie de cuatro tubos 32, 33, 34, 35 de acero
inoxidable concéntricos que se extienden hasta una parte del extremo
anterior 36 del conducto en el que se conectan a una pieza del
extremo de la punta 37. Una parte de cuerpo alargado 38 se dispone
centralmente dentro de la parte del extremo anterior 36 del
conducto y soporta una serie de cuatro paletas 39 que imparten
agitación en remolino. La parte de cuerpo central 38 es de formación
cilíndrica con extremos anterior y posterior 41, 42 abovedados o de
extremo redondeado. Las paletas 39 están dispuestas en una formación
helicoidal que empieza en cuatro sitios diferentes y están
conectadas en sus extremos anteriores mediante extremos de paleta
45 que se extienden radialmente hacia fuera hasta la parte anterior
del conducto.
El conducto 31 está revestido internamente a lo
largo de la mayoría de su longitud mediante un revestimiento 43
refractario interno que encaja dentro del tubo 35 de metal más
interno del conducto y se extiende a través de las partes del
extremo anterior 42 de las paletas, encajando las paletas 39
perfectamente dentro del revestimiento refractario detrás de estas
partes del extremo anterior 42.
La pieza del extremo de la punta 37 del conducto
presenta una cabeza anular hueca o formación 44 en punta que se
proyectan hacia dentro desde el resto del conducto de modo que está
generalmente a ras de la superficie interna del revestimiento 43
refractario que define el paso de flujo eficaz para el gas a través
del conducto. El extremo anterior de la parte de cuerpo central 38
se proyecta hacia delante más allá de esta formación 44 en punta de
modo que el extremo anterior de la parte de cuerpo y la formación de
punta actúan conjuntamente para formar una boquilla anular desde la
cual sale la ráfaga de aire caliente en un flujo divergente anular
con un movimiento de torbellino o de rotación impartido por las
paletas 39.
Según la presente invención, la formación 44 en
punta del conducto, la parte de cuerpo central 38 y las paletas 39
están refrigeradas en su totalidad con agua internamente con flujos
de agua de refrigeración proporcionados mediante medios de paso de
flujo de agua de refrigeración indicados generalmente como 51 que se
extienden a través de la pared del conducto. Los medios 51 de paso
de flujo de agua comprenden un paso de suministro de agua 52
definido por el espacio anular entre los tubos 33, 34 de conducto
para suministrar agua de refrigeración al interior hueco 53 de la
formación 44 en punta del conducto mediante aberturas espaciadas
circunferencialmente 54 en la pieza del extremo de la punta 37. El
agua vuelve desde la pieza del extremo de la punta a través de
aberturas espaciadas circunferencialmente 55 a un paso anular de
retorno de flujo de agua 56 definido entre los tubos 32 y 33 de
conducto y que forma parte también de los medios 51 de paso de flujo
de agua. Por tanto se suministra agua de refrigeración de forma
continua al interior hueco 52 de la pieza del extremo de la punta
37 para actuar como un paso de refrigeración interna. El agua de
refrigeración para la punta de la lanza se distribuye al paso de
suministro 52 a través de una entrada de agua 57 en el extremo
posterior de la lanza y el agua de retorno abandona la lanza a
través de una salida 58 también en el extremo posterior de la
lanza.
El espacio anular 59 entre los tubos 34 y 35 de
conducto está dividido mediante barras divisoras enrolladas
helicoidalmente en ocho pasos helicoidales independientes que se
extienden desde el extremo posterior del conducto a través de la
parte del extremo anterior 36 del conducto. Se suministra agua a
cuatro de estos pasos de forma independiente a través de cuatro
entradas de agua espaciadas circunferencialmente 62 para
proporcionar suministros de agua independientes para la
refrigeración de las paletas 39 y la parte de cuerpo 38. Los otros
cuatro pasos sirven como pasos retorno de flujo que están conectados
a un paso colector de retorno anular común 63 y una única salida de
agua 64.
Las paletas 39 son de formación hueca y los
interiores están divididos para formar pasos de entrada y salida de
flujo de agua a través de los cuales fluye el agua hacia y desde la
parte de cuerpo central 38, que también está formada de pasos de
flujo de agua para una refrigeración de agua interna. Las partes del
extremo anterior 45 de las paletas 39 están conectadas al extremo
anterior del tubo 35 de conducto más interno alrededor de cuatro
ranuras de entrada de agua 65 a través de las cuales fluye el agua
desde los cuatro pasos de entrada de flujo de agua suministrados
independientemente a pasos de entrada dirigidos radialmente hacia
dentro 66 en los extremos anteriores de las paletas. El agua de
refrigeración fluye entonces al extremo anterior de la parte de
cuerpo central 38.
La parte de cuerpo central 38 se compone de
partes de cuerpo internas delantera y trasera 68, 69 alojadas
dentro de una cubierta 70 formada de una sección cilíndrica
principal 71 y piezas de extremo anterior y posterior abovedadas
41, 42 que están cementadas para resistir la abrasión por limaduras
refractarias u otro material particulado transportado por el flujo
caliente de gas. Un espacio de huelgo 74 entre las partes internas
68, 69 y la cubierta externa de la parte de cuerpo central está
subdividida en dos conjuntos de pasos de flujo de agua periféricos
75, 76 por medio de nervaduras 77, 78 divisoras formadas sobre las
superficies periféricas externas de las partes de cuerpo interno
68, 69. El conjunto anterior de canales de flujo de agua periféricos
75 están dispuestos para abrirse en abanico desde el extremo
frontal de la parte de cuerpo central de la manera mostrada en la
figura 8 y hacia atrás alrededor del cuerpo. Un inserto 81 de guía
de flujo está colocado en el centro dentro del cuerpo interno, la
parte 68 para extenderse a través del paso de flujo de agua 67 y
dividir ese paso en cuatro pasos de flujo de agua espaciados
circunferencialmente que reciben de forma independiente los flujos
entrantes de agua a través de los pasos de entrada de agua 66 en los
extremos anteriores de las paletas, manteniendo así cuatro flujos
de entrada de agua independientes a través del extremo frontal de la
parte de cuerpo central. Estos flujos de agua independientes
comunican con los cuatro canales de flujo de agua periféricos
frontales 75 a través de los cuales el agua fluye de vuelta
alrededor del extremo anterior en la parte de cuerpo central.
Una placa 82 deflectora divide los pasos de
entrada de agua 66, 67 en los extremos anteriores de las paletas y
la parte de cuerpo central de los pasos de flujo de agua en las
partes posteriores de las paletas y la parte de cuerpo central. El
agua que fluye de vuelta a través de los canales periféricos
anteriores 75 se extiende a través de ranuras 83 en este deflector
colocado entre los pasos de entrada 66 de modo que fluye de nuevo a
un paso central 84 en la parte de cuerpo posterior 69. Este paso
también está dividido en cuatro canales de flujo independientes por
medio de una guía 85 de flujo central para hacer continuar los
cuatro flujos de agua independientes a través del extremo posterior
del cuerpo central. Los canales de flujo periféricos posteriores 76
también están dispuestos en un conjunto de cuatro de una forma
similar a los pasos secundarios 75 en el extremo frontal del cuerpo
central para recibir los cuatro flujos de agua independientes en el
extremo posterior del cuerpo y devolverlos alrededor de la
periferia del cuerpo a las ranuras de salida espaciadas
circunferencialmente 86 en la cubierta a través de las cuales fluye
el agua al paso de retorno 87 en las paletas.
Las paletas huecas están divididas internamente
mediante deflectores longitudinales 89 de modo que los pasos de
agua de refrigeración se extienden desde los extremos anteriores
internos de las paletas hacia los extremos posteriores de las
paletas, después hacia fuera y hacia delante a lo largo de los
extremos longitudinales externos de las paletas hasta pasos de
salida de agua que se extienden radialmente 91 en los extremos
anteriores 42 de las paletas que se comunican a través de ranuras
de salida 93 con los cuatro pasos de retorno espaciados
circunferencialmente que se extienden de vuelta a través de la pared
del conducto hasta la salida común 64 en el extremo posterior del
conducto. El deflector 82 divide los pasos de entrada y salida 66,
91 dentro de las paletas y las ranuras de flujo de entrada y salida
de agua 65, 93 para cada paleta están formadas en el extremo
anterior del tubo 35 de conducto interno con un ángulo con respecto
a la dirección longitudinal para adaptarse al ángulo de hélice de
las paletas tal como se observa en la figura 3.
Los extremos anteriores de los cuatro tubos 32,
33, 34, 35 de conducto concéntricos están soldados a tres rebordes
94, 95, 96 de la pieza de punta 55 de modo que están firmemente
conectados en una estructura sólida en el extremo anterior de la
lanza. Los extremos posteriores de los tubos de conducto pueden
moverse longitudinalmente entre sí para permitir una dilatación
térmica diferencial durante el funcionamiento de la lanza. Tal como
se observa más claramente en la figura 10, el extremo posterior del
tubo 32 de conducto está provisto de un reborde prominente 101 al
que se suelda una estructura 102 continua que soporta las diversas
entradas y salidas de agua 57, 58, 62, 64. La estructura 102
incluye un reborde anular interno 103 ajustado a una junta tórica
hermética 104 que sirve como una montura deslizante para el extremo
posterior del tubo 33 de conducto, permitiendo así que el tubo 33
de conducto se dilate y se contraiga longitudinalmente
independientemente del tubo 32 de conducto externo. Una estructura
105 soldada al extremo posterior del tubo 34 de conducto incluye
rebordes anulares 106, 107 provistos de juntas tóricas herméticas
108, 109 que proporcionan una montura deslizante para el extremo
posterior del tubo 34 de conducto dentro de la estructura externa
102 fijada al extremo posterior del tubo 32 de conducto de modo que
el tubo 34 de conducto también puede dilatarse y contraerse
independientemente del tubo 32 de conducto. El extremo posterior
del tubo 35 de conducto más interno está provisto de un reborde
prominente 111 equipado con una junta tórica hermética 112 que
engancha un anillo 113 anular ajustado a la estructura externa 102
de modo que también se proporciona una montura deslizante para el
tubo de conducto más interno permitiendo la dilatación y
contracción longitudinal independiente.
También se prevé la dilatación térmica de las
paletas 39 de guía de flujo y la parte de cuerpo interno 38. Las
paletas 39 están conectadas al conducto y a la parte de cuerpo
interno sólo en sus extremos anteriores y en particular, en las
ubicaciones en las que hay flujos de entrada y salida de agua en las
partes interna y externa de los extremos anteriores de las paletas.
Las partes principales de las paletas simplemente se ajustan entre
el revestimiento 43 refractario del conducto y la cubierta de la
parte de cuerpo central 38 y son libres para dilatarse
longitudinalmente. El divisor 85 de flujo de agua dentro de la
sección trasera de la parte de cuerpo interno presenta una placa de
extremo frontal circular que se desliza dentro de una superficie
maquinada de una espiga 122 tubular sobre el deflector 82 de modo
que permite que las partes anteriores y traseras de la parte de
cuerpo central se separen bajo dilatación térmica mientras se
mantiene el sellado entre los pasos de flujo de agua
independientes. Se proporciona una junta de expansión térmica 133
para acomodar la expansión térmica entre los extremos anterior y
frontal de la parte de cuerpo central.
Para permitir además una dilatación térmica, las
paletas 39 pueden conformarse de modo que no se extiendan
radialmente hacia fuera entre la cubierta de la parte de cuerpo
central y el revestimiento refractario del conducto cuando se
observa en sección transversal, sino de manera que están ligeramente
desplazados con un ángulo con respecto a la dirección radial
verdadera cuando los tubos de la lanza y el cuerpo central están en
un estado de frío. La dilatación posterior de los tubos de conducto
durante el funcionamiento de la lanza permitirá a las paletas
descender hacia posiciones radiales verdaderas mientras se mantiene
un contacto apropiado con el revestimiento del conducto y la parte
de cuerpo central, mientras se evitan tensiones radiales sobre las
paletas debido a la dilatación térmica.
Durante el funcionamiento de la lanza de
inyección de aire caliente ilustrada, se distribuyen flujos de agua
de refrigeración independientes a las cuatro paletas 39 de agitación
en remolino de modo que no puede producirse ninguna pérdida de la
eficacia de refrigeración debido a efectos de flujo diferenciales.
También se proporcionan los flujos de agua de refrigeración
independientes a los extremos anterior y posterior de la parte de
cuerpo central 38 de modo que se eliminan los puntos calientes
debido a la falta de flujo de agua debido a posibles efectos de
flujo preferido. Esto resulta crítico en particular para la
refrigeración del extremo anterior 72 de la parte de cuerpo central
que está expuesta a condiciones de temperatura extremadamente altas
dentro del recipiente de fusión.
Los tubos de conducto pueden dilatarse y
contraerse de forma independiente en la dirección longitudinal bajo
efectos térmicos de dilatación y contracción y las paletas y partes
de cuerpo central también pueden dilatarse y contraerse sin
comprometer la integridad estructural de la lanza o el mantenimiento
de los diversos flujos independientes de agua de refrigeración.
La lanza 26 ilustrada ha demostrado poder
funcionar en condiciones extremas de temperatura dentro de un
recipiente de fusión directa en el que se produce hierro fundido
mediante el procedimiento HIsmelt. Normalmente, la velocidad de
flujo de agua de refrigeración a través de las cuatro paletas de
agitación en remolino y la parte de cuerpo central será del orden
de 90 m^{3}/h y la velocidad de flujo a través del alojamiento
externo y la punta de la lanza será del orden de 400 m^{3}/h. Por
tanto, la velocidad de flujo total puede ser del orden de 490
m^{3}/h a una presión máxima de funcionamiento del orden de 1.500
kPag.
Debe entenderse que la invención no está
limitada de ninguna manera a los detalles del procedimiento descrito
y la construcción ilustrada y que muchas modificaciones y
variaciones estarán dentro del alcance de la invención.
Claims (14)
1. Procedimiento de fusión directa para producir
metal ferroso a partir de un material de alimentación ferroso que
comprende las etapas que consisten en:
- (a)
- formar un baño de metal fundido y escoria fundida en un recipiente metalúrgico;
- (b)
- inyectar material de alimentación ferroso en el baño fundido y fundir el material de alimentación ferroso a metal en el baño fundido;
- (c)
- inyectar material carbonoso sólido en el baño fundido; de manera que el nivel de carbono disuelto en el hierro fundido en el baño fundido es de por lo menos del 3% en peso;
- (d)
- generar un flujo de gas en el baño fundido por lo menos en parte mediante reacciones de material inyectado en el baño que transporta material fundido hacia arriba por encima de una superficie inactiva del baño fundido (tal como se define en la presente memoria) para formar un baño elevado;
- (e)
- inyectar aire precalentado en el recipiente mediante por lo menos una lanza de manera que incide sobre o penetra en el baño elevado y realiza la poscombustión de los gases de reacción liberados desde o contenidos dentro del baño elevado, facilitando así la transferencia de calor al baño fundido, forzando el aire al material fundido en el baño elevado en la región del extremo inferior de la lanza lejos de la lanza y formando un espacio libre alrededor del extremo inferior de la lanza que presenta una concentración de material fundido que es inferior que la concentración de material fundido en el baño elevado,
estando dicho procedimiento
caracterizado por la inyección del aire precalentado hacia
abajo en el recipiente en un ángulo de 20 a 90ºC con respecto al
eje horizontal y a una temperatura de 800-1.400ºC y
a una velocidad de 200-600 m/s; siendo la lanza
dispuesta de manera que: (i) la lanza se extiende en el recipiente
una distancia que es por lo menos el diámetro exterior del extremo
inferior de la lanza; e (ii) el extremo inferior de la lanza es por
lo menos 3 veces el diámetro exterior del extremo inferior de la
lanza por encima de la superficie inactiva del baño fundido, en el
que el flujo de gas superficial en el baño fundido es de por lo
menos 0,04 Nm^{3}/s/m^{2} de la superficie inactiva del baño
fundido.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la concentración de material fundido en el espacio libre
alrededor del extremo inferior de la lanza es del 5% o inferior en
volumen del espacio.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
en el que el espacio libre alrededor del extremo inferior de la
lanza es un volumen semiesférico que presenta un diámetro que es por
lo menos 2 veces el diámetro exterior del extremo inferior de la
lanza.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en
el que el diámetro del espacio libre alrededor del extremo inferior
de la lanza no es superior a 4 veces el diámetro exterior del
extremo inferior de la lanza.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que por lo menos el 50% en
volumen del oxígeno en el aire precalentado se quema en el espacio
libre alrededor del extremo inferior de la lanza.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende inyectar aire
precalentado en el recipiente con un movimiento de torbellino.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la velocidad de flujo de gas
superficial es de por lo menos 0,2 Nm^{3}/s/m^{2} de la
superficie inactiva del baño fundido.
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la velocidad de flujo de gas
superficial es inferior a 2 Nm^{3}/s/m^{2} de la superficie
inactiva del baño fundido.
9. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende generar el flujo de gas
desde el baño fundido mediante la inyección de material ferroso y
material carbonoso sólido en el baño fundido.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, que
comprende generar el flujo de gas desde el baño fundido mediante la
inyección de material ferroso y material carbonoso sólido para
penetrar en una región inferior del baño fundido.
11. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende la inyección de material
ferroso y material carbonoso sólido en el baño fundido mediante
lanzas/toberas que se extienden hacia abajo en el baño fundido.
12. Procedimiento según la reivindicación 11,
que comprende inyectar material ferroso y material carbonoso sólido
en el baño fundido mediante lanzas/toberas que se extienden a través
de las paredes laterales del recipiente y están inclinadas hacia
dentro y hacia abajo dentro del baño fundido.
13. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende la poscombustión de los
gases de reacción liberados desde o contenidos dentro del baño
elevado hasta un nivel de por lo menos el 40%.
14. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende mantener la escoria en
un estado fuertemente reductor que conduce a niveles de FeO
inferiores al 6% en peso en la escoria.
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