ES2350042T3 - Un proceso de fusión mejorado para la producción de hierro. - Google Patents
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Abstract
Un proceso para producir escoria y metal de hierro fundiendo material fuente que contiene hierro, que tiene hierro presente como óxido, en un estado parcialmente metalizado o una combinación del mismo, en un reactor que contiene un baño fundido que comprende o que tiene una fase de escoria, en el que el proceso comprende las etapas de: (a) inyectar combustible/agente reductor y gas que contiene oxígeno en la escoria, mediante al menos una lanza sumergida superior, para generar calor y condiciones reductoras en al menos una región reductora en el baño; (b) alimentar el material fuente al reactor, junto con agente reductor adicional y con fundente, en o adyacente a al menos una región reductora, mediante lo cual el material fuente se somete a reducción por fusión lo que genera gases de combustión que comprenden CO y H2; (c) controlar las tasas de inyección del gas que contiene oxígeno y el combustible/agente reductor mediante dicha al menos una lanza para lograr las condiciones reductoras suficientes, requeridas; y (d) realizar combustión posterior, en el reactor por encima del baño, de los gases de combustión generados por la fusión; en el que el control de la etapa (c) se lleva a cabo para dar como resultado que el gas que contiene oxígeno inyectado tenga un contenido en oxígeno de desde aproximadamente el 40% en volumen hasta aproximadamente el 100% en volumen y suficiente para un grado de combustión superior al 60% en peso del combustible/agente reductor inyectado mediante la al menos una lanza.
Description
Un proceso de fusión mejorado para la producción
de hierro.
Esta invención se refiere a un proceso de fusión
para la producción de hierro a partir de un material fuente de
hierro adecuado.
La memoria descriptiva de patente australiana
AU-B- 25725/92 (656228) y la correspondiente patente
estadounidense 5498277 concedida a Floyd y otros dan a conocer un
proceso para fundir material que contiene hierro en un reactor de
lanzas sumergidas superiores que contiene un baño de escoria. En
esto, el calor y las condiciones reductoras se generan en al menos
un región reductora del baño mediante la inyección de un
combustible/agente reductor carbonoso y gas que contiene oxígeno en
al menos una lanza sumergida superior. Se alimentan con el/los
material(es) que contiene(n) hierro, agentes
reductores carbonosos adicionales y fundentes al reactor, en o
adyacentes a la región reductora de modo que se someten a fusión y
reducción, usando carbón como agente reductor adicional. El gas que
contiene oxígeno inyectado tiene un contenido en oxígeno de desde el
40 hasta el 100% en volumen. La patente existente da a conocer que
las tasas de inyección del gas que contiene oxígeno y el
combustible/agente reductor se controlan para proporcionar un grado
de combustión del combustible/agente reductor de desde el 40% en
peso hasta el 50% en peso. Los productos gaseosos procedentes de las
reacciones de combustión, reducción y fusión pueden contener
cantidades sustanciales de componentes reductores incluyendo
monóxido de carbono e hidrógeno, así como polvos que contienen
carbono elemental. Estos gases y polvos que se transportan fuera
del baño se someten a combustión posterior mediante la adición de
una corriente de gas que contiene oxígeno secundaria dentro del
reactor de modo que se genera energía calorífica cuya energía se
transfiere al menos en parte al baño.
Las consideraciones termodinámicas fundamentales
y la práctica industrial indican que la producción de hierro
metálico a partir de óxidos de hierro requiere potenciales de
oxígeno muy bajos de menos que aproximadamente 10^{-8} atmósferas
a temperaturas de preparación de hierro típicas por encima de
1400ºC. Para que el hierro esté suficientemente fundido a estas
temperaturas de funcionamiento, las condiciones reductoras deben ser
adecuadas para permitir que el hierro fundido retenga normalmente
del 3 al 4% en peso de carbono. En tales condiciones reductoras, se
espera que el dióxido de carbono y el vapor generados en el baño
actúen como oxidantes que evitan o inhiben, al menos en parte, la
formación de hierro metálico así como que oxidan el carbono
contenido. Por tanto, en el proceso de la memoria descriptiva de
patente AU-B-25725/92 (626228), se
especifican las estequiometrías de combustión del
combustible/agente reductor y el gas que contiene oxígeno
suministrados con la lanza a un límite superior del 50% en peso, a
cuyo nivel sólo una pequeña cantidad, si hubiese, de las especies
oxidantes tales como dióxido de carbono y vapor de agua, se generan
en el baño mediante la combustión del combustible/agente
reductor.
La mayor parte de la energía calorífica generada
en la combustión de combustibles carbonosos resulta de la
combustión del monóxido de carbono a dióxido de carbono y de
hidrógeno a vapor de agua. Con el fin de recuperar esta energía, el
proceso de la memoria descriptiva
AU-B-25725/92 (656228) se basa casi
únicamente en la combustión posterior para la recuperación del
valor de energía del combustible.
Para la combustión posterior, se inyecta por
separado gas que contiene oxígeno adicional en el espacio de gas
del reactor, con el fin de someter a combustión el monóxido de
carbono e hidrógeno generados, y el polvo arrastrado que contiene
carbono, justo por encima del baño. Se recupera la energía para el
baño a partir de esta combustión mediante mecanismos que incluyen
convección y radiación desde el espacio de gas, y conducción
directa a la nueva alimentación y gotas de salpicadura de escoria
que pasan a través del espacio de gas. El proceso de recuperación
de esta energía a partir de la combustión posterior esencialmente da
como resultado poca exposición de la fase de hierro metálico a los
gases oxidados. Sin embargo, aunque la recuperación de energía para
el baño es sustancial y de considerable beneficio práctico, la
recuperación de energía tiene una eficacia significativamente
inferior al 100%, ineficacia que da como resultado el calentamiento
de los gases residuales del reactor con respecto a la temperatura
del baño.
La presente invención se dirige a proporcionar
un proceso mejorado para la fusión de un material fuente de hierro,
que usa un reactor de lanzas sumergidas superiores que contiene un
baño de escoria y que tiene al menos una lanza sumergida superior,
invención que permite un uso de energía calorífica mejorado.
En el proceso de la presente invención, se
inyectan gas que contiene oxígeno primario y combustible/agente
reductor carbonoso en la escoria mediante la al menos una lanza a
tasas que proporcionan un grado de combustión del
combustible/agente reductor que es significativamente superior al
50% en peso. Es decir, la estequiometría de oxígeno con respecto a
combustible/agente reductor es superior al 50%.
Por tanto, según la presente invención, se
proporciona un proceso para fundir un material fuente que contiene
hierro adecuado, en el que el hierro está presente como óxido y/o en
un estado parcialmente metalizado, en el que se genera al menos una
región de combustión dentro de una fase de escoria de un baño
fundido mediante la inyección sumergida de combustible/agente
reductor y gas que contiene oxígeno mediante al menos una lanza
sumergida superior; en el que se controlan las tasas de inyección
del gas que contiene oxígeno y el combustible/agente reductor para
proporcionar un grado de combustión del combustible/agente reductor
que es superior al 60% en peso, y en el que los productos gaseosos
procedentes de las reacciones de combustión, reducción y fusión, y
el carbono elemental en los polvos arrastrados en los productos
gaseosos, se someten a combustión posterior por encima de la fase
de escoria para transferir la energía calorífica resultante al
baño.
En el proceso de la presente invención, se
alimentan un material fuente de hierro, un agente reductor adicional
y un material fundente al reactor, adyacente a o a una distancia
adecuada de una región de combustión generada por la inyección del
gas que contiene oxígeno primario y el combustible/agente
reductor.
Más específicamente, la invención proporciona un
proceso para producir metal de hierro y escoria fundiendo material
fuente que contiene hierro, que tiene hierro presente como óxido, en
un estado parcialmente metalizado o una combinación de los mismos,
en un reactor que contiene un baño fundido que comprende o que tiene
una fase de escoria, en el que el proceso comprende las etapas
de:
(a) inyectar combustible/agente reductor y gas
que contiene oxígeno en la escoria, mediante al menos una lanza
sumergida superior, para generar calor y condiciones reductoras en
al menos una región reductora en el baño;
(b) alimentar el material fuente al reactor,
junto con agente reductor adicional y con fundente, en o adyacente
a la al menos una región reductora, mediante la cual el material
fuente se somete a reducción por fusión que genera gases de
combustión que comprenden CO y H_{2};
(c) controlar las tasas de inyección del gas que
contiene oxígeno y el combustible/agente reductor mediante dicha al
menos una lanza para lograr las condiciones reductoras suficientes,
requeridas; y
(d) someter a combustión posterior, en el
reactor por encima del baño, los gases de combustión generados con
la fusión;
en el que el control de la etapa (c) se lleva a
cabo para dar como resultado que el gas inyectado que contiene
oxígeno tenga un contenido en oxígeno de desde aproximadamente el
40% en volumen hasta aproximadamente el 100% en volumen y lo
suficiente para un grado de combustión superior al 60% en peso del
combustible/agente reductor inyectado mediante la al menos una
lanza.
El "combustible/agente reductor" inyectado
comprende material que tiene un componente combustible que se somete
a combustión para proporcionar energía calorífica, y un componente
reductor que no se somete a combustión y, por tanto, está
disponible como agente reductor en las reacciones de fusión. La
razón de combustible con respecto a agente reductor en el
combustible/agente reductor, tal como se apreciará, se determina
mediante las tasas de inyección de gas que contiene oxígeno y de
combustible/agente reductor para un contenido en oxígeno dado del
gas. Antes del inicio de la fusión, se enciende la lanza mientras
que está en una posición levantada para generar una llama de
combustión al consumirse el combustible. Entonces la lanza se baja
para sumergir su extremo inferior en la escoria, con la llama
mantenida lo que proporciona una región de combustión dentro de la
escoria.
Tal como se indicó anteriormente, las
consideraciones termodinámicas y la práctica industrial dan lugar a
la expectativa de que las estequiometrías de oxígeno con respecto a
combustible/reducción superiores a aproximadamente el 50% darán
lugar a dióxido de carbono y vapor de agua en el baño de escoria lo
que evitará o inhibirá la formación de hierro metálico, así como la
oxidación del carbono y cualquier hierro metálico presente. Sin
embargo, en la presente invención, se demuestra sorprendentemente
que esta expectativa no tiene fundamento. Esto puede deberse a
factores individuales asociados con la inyección sumergida superior
de oxígeno y combustible/agente reductor en combinación con
proporcionar agente reductor adicional, o a una combinación de estos
factores.
La expectativa de que, con estequiometrías
superiores a aproximadamente el 50%, el dióxido de carbono y el
vapor de agua evitarán o inhibirán la formación de hierro metálico y
oxidarán el carbono y el hierro metálico surge de una consideración
simple y convencional del equilibrio a alta temperatura. Es decir,
se supone sustancialmente que el sistema está en equilibrio,
existiendo esencialmente el mismo potencial de reducción en todo el
baño del reactor. La inyección sumergida superior da como resultado
un alto nivel de turbulencia en la escoria, lo que justificará de
manera razonable esta suposición. Sin embargo un primer factor que
posiblemente permite el uso de estequiometrías superiores al 50% es
que, a pesar de tal turbulencia, el baño puede mantener regiones en
las que el potencial de reducción es suficientemente mayor que en la
región de combustión generada por cualquier lanza individual. Es
decir, puede haber un alejamiento inesperado con respecto a la
teoría de suposición del equilibrio del sistema, debido a que
existe una diferencia significativa en el potencial de reducción
entre las regiones respectivas.
Un factor alternativo o adicional puede deberse
a la distancia entre las regiones respectivas. Esta distancia puede
resultar del material fuente de hierro, el agente reductor adicional
y el material fundente que se añaden al baño en una ubicación
separada de la región de combustión generada por cualquier lanza
individual. Alternativamente, la distancia puede resultar de que la
alimentación de esos materiales se arrastrar desde la región de
combustión generada por una lanza, como resultado de la turbulencia
generada con la inyección sumergida. De hecho, incluso cuando se
añaden el material fuente de hierro, el agente reductor adicional y
el material fundente en o cercanamente adyacente a una lanza, puede
arrastrase desde la región reductora generada por la lanza dado que
la inyección sumergida habitualmente está en una ubicación
relativamente profunda en el baño de escoria. Además, en el caso de
agente reductor adicional, en forma de carbón en grumos, tal como se
prefiere, su densidad relativamente baja puede dar como resultado
que flote hasta la superficie del baño, lejos de la región reductora
generada por la lanza.
Independientemente del factor o la combinación
de factores implicados, la capacidad inesperada para usar
estequiometrías superiores al 60% permite una eficacia de
funcionamiento mejorada.
Se requiere la combustión del componente
combustible del combustible/agente reductor inyectado para generar
la energía calorífica necesaria para calentar el contenido del
reactor hasta una temperatura que permita rápidas reacciones de
proceso y para mantener un baño fundido. En la medida en que la
combustión se logra de manera más completa dentro del baño, la
eficacia de la absorción de energía directa por el baño aumenta
significativamente y no es inesperado que ésta pueda utilizarse. El
nivel global de energía absorbida por el baño puede aumentarse
todavía más mediante combustión posterior de cualquier especie de
gas que permanezca que no se ha sometido a combustión, incluyendo
monóxido de carbono e hidrógeno, generado con las reacciones de
combustión sumergida, fusión y reducción, o el polvo que contiene
carbono arrastrado. La recuperación mediante el baño de la energía
calorífica generada a partir de la combustión posterior es todavía
menos eficaz que la recuperación de energía a partir de la
combustión sumergida.
Por tanto, la recuperación global de energía a
partir del combustible/agente reductor, tanto mediante combustión
sumergida directa como mediante combustión posterior, aumenta
sustancialmente mediante el proceso de la presente invención. Por
tanto, el aumento del grado de combustión sumergida al aumentar la
estequiometría de oxígeno con respecto a combustible más allá del
límite aceptado anteriormente del 50% permite que la intensidad de
producción de hierro aumente sustancialmente para un nivel dado de
consumo de combustible o, por el contrario, la invención
proporciona un nivel significativamente reducido de consumo de
combustible para una intensidad dada de producción de hierro. En
cada caso, existe una producción de hierro más eficaz en cuanto al
consumo de energía por unidad de hierro producido.
En el proceso de la presente invención, la
estequiometría del oxígeno inyectado con respecto al componente
combustible del combustible/agente reductor inyectado es
preferiblemente superior al 65%. La estequiometría de combustión en
la lanza puede ser de entre el 60% y el 100%, pero más
preferiblemente entre el 65% y el 90%. Se encuentra que los
beneficios óptimos se logran a estequiometrías de entre el 65% y el
85%.
En general, es deseable usar una estequiometría
superior al 60% con el fin de lograr un aumento significativo de la
eficacia de la producción de hierro. Sin embargo, se encuentra que
un intervalo estequiométrico deseable varía con el grado, los
atributos químicos y físicos del combustible/agente reductor o
cualquier material carbonoso adicional usado en el proceso. Por
ejemplo, con combustibles de calidad inferior, el intervalo puede
ser preferiblemente de desde el 60% hasta el 75%, mientras con un
combustible de calidad superior, tal como carbón negro, el
intervalo puede ser de desde el 70% hasta un valor que se aproxima
al 100%.
El proceso de la presente invención utiliza
reducción carbotérmica básica de óxidos de hierro para lograr la
producción de hierro metálico. La combustión sumergida de
combustible proporciona la energía calorífica necesaria para
impulsar las reacciones de fusión y reducción. Aunque la
estequiometría de combustión superior en la lanza reduce de manera
correspondiente el nivel de monóxido de carbono e hidrógeno
producido con la combustión directa de combustible/agente reductor,
también se generan monóxido de carbono e hidrógeno mediante las
reacciones de fusión. Por tanto, como en el proceso de la memoria
descriptiva de patente AU-B-25725/92
(656228), el proceso de la presente invención también se beneficia
de la combustión posterior para maximizar la energía calorífica
absorbida por el baño. Es decir, el uso más eficaz de combustible
obtenido mediante el aumento del nivel de la estequiometría de
combustión en la lanza no evita la necesidad de la combustión
posterior con el fin de que se maximice la eficacia de
funcionamiento global.
Preferiblemente la combustión posterior se lleva
a cabo para lograr un grado de oxidación superior a 0,2, tal como
se determina mediante la razón de (CO_{2} + H_{2}O) con respecto
a (CO + H_{2} + CO_{2} + H_{2}O) par los gases residuales del
reactor. El grado de oxidación se controla preferiblemente hasta
aproximadamente 0,95-1,0. Se controla el grado de
oxidación de modo que se logra un nivel máximo de transferencia de
calor al baño, acorde con cualquier uso posterior de los gases,
mientras que no se oxida nuevamente el baño. El uso posterior de
los gases puede incluir precalentamiento de los materiales o gases
de alimentación, y/o generación de vapor u otros medios de
recuperación de energía a partir de los gases.
La inyección sumergida superior según la
presente invención proporciona condiciones suficientemente
reductoras para producir hierro metálico mientras que se
proporciona recuperación de energía optimizada en el baño. El
combustible/agente reductor inyectado puede comprender al menos uno
de carbón en forma particulada fina, aceite de combustible, gas
natural, LPG u otro material carbonoso adecuado. Particularmente en
el caso del combustible que comprende carbón fino, el combustible
se inyecta por medio de un gas portador y este gas puede comprender
al menos parte del oxígeno requerido para la combustión del
combustible. El gas portador puede comprender alternativamente una
mezcla de gas inerte tal como nitrógeno con aire, aire enriquecido
con oxígeno o únicamente oxígeno, o puede simplemente comprender
gas inerte. Puede inyectarse parte del oxígeno requerido para la
combustión mediante flujo a través de la lanza que está separado
del flujo del combustible/agente reductor, produciéndose el
mezclado de los flujos separados sólo en el extremo inferior de la
lanza y/o en el baño de escoria. Cuando se inyecta al menos parte
del oxígeno mediante tal flujo separado, éste puede comprender
oxígeno solo, aire enriquecido con oxígeno, o tal gas mezclado con
un gas inerte tal como nitrógeno.
Se controlan las tasas de inyección de oxígeno
primario y de combustible/agente reductor para lograr las
condiciones de combustión requeridas y, tal como se indica, estas
condiciones son lo suficientemente reductoras. Por tanto, el gas
que contiene oxígeno inyectado primario tiene un contenido en
oxígeno de normalmente del 40 al 100% en volumen, y suficiente para
un grado de combustión del combustible/agente reductor superior al
50%, preferiblemente superior al 60%.
Preferiblemente el agente reductor carbonoso es
carbón. Se alimenta al baño junto con el material fuente de hierro,
lo más preferiblemente a una tasa de aproximadamente el 20 al 60 por
ciento en peso del material fuente. El material fundente adecuado
tal como al menos uno de caliza, dolomita, cal calcinada, dolomita
calcinada o sílice, dependiendo del material fuente, también puede
alimentarse con el material fuente de tal manera que se forma un
baño fluido adecuado. El agente reductor carbonoso adicional y el
material fuente pueden alimentarse continuamente durante una
operación de fusión, siendo el vaciado de escoria y metal de hierro
o bien continuo o bien discontinuo. La alimentación puede ser como
materiales independientes o en una forma aglomerada que incluye
algunos o todos los componentes de alimentación.
Puede usarse una variedad de formas de lanzas
sumergidas superiores. Sin embargo, el proceso de reducción de
fusión de la invención necesita temperaturas de reactor
relativamente altas, tales como desde aproximadamente 1350ºC hasta
aproximadamente 1500ºC. Por tanto, la lanza sumergida superior se
construye preferiblemente de acero adecuado, por ejemplo acero
inoxidable u otros materiales adecuados tales como cobre, óxidos de
metales, cerámica y combinaciones o mezclas de los mismos,
incluyendo recubrimientos.
Generalmente es necesario el enfriamiento de la
lanza, mediante el suministro de un fluido refrigerante a la misma
durante la operación de fusión. Para permitir esto, la lanza puede
por ejemplo ser de la forma dada a conocer en la solicitud
internacional PCT/AU90/00466 (W091/05214) presentada el 26 de
septiembre de 1990, o de la forma dada a conocer en la patente
australiana 647669. La descripción de cada una de estas referencias
se incorpora en el presente documento y se leerá como parte de la
descripción de la presente invención.
La combustión posterior requerida en el proceso
de la presente invención se lleva a cabo con oxígeno, o un gas que
contiene oxígeno tal como aire o aire enriquecido con oxígeno, que
se sopla en el espacio del reactor por encima del baño de escoria.
Preferiblemente la combustión posterior está cerca de la superficie
del baño, y lo más preferiblemente adyacente a una región
reductora, para lograr un alto nivel de transferencia de calor al
baño de escoria. En cada caso, la combustión posterior se lleva a
cabo en una zona de combustión posterior cercanamente adyacente a
la superficie del baño mediante lo cual gotas de escoria que se
salpican desde el baño por la turbulencia generada con la inyección
en la escoria pasan a través y absorben energía calorífica en la
zona de combustión posterior.
El gas que contiene oxígeno para la combustión
posterior puede suministrarse mediante cualquier medio adecuado,
tal como por medio de al menos un conducto que tiene su extremo de
descarga por encima de la superficie del baño. Alternativamente el
gas puede soplarse en el espacio del reactor a través de una tubería
de refuerzo a través de la cual se extiende la lanza sumergida
superior para la inyección del combustible/agente reductor,
terminando la tubería de refuerzo por encima de la superficie del
baño. La lanza con refuerzo del documento PCT/AU90/00466 y la lanza
con una tubería de refuerzo dada a conocer en la patente australiana
en tramitación junto con la presente 647669 son adecuadas para este
fin.
El material fuente de hierro puede estar en
grumos o en forma particulada o finamente dividida pero,
particularmente en el caso de material fino, preferiblemente se
aglomera, por sí mismo o con material fundente y/o carbón, para
evitar que el material fuente se elimine con los gases de chimenea
del reactor. La aglomeración puede ser mediante el uso de la
adición de agua a un husillo de amasado u otro dispositivo
adecuado.
El material fuente de hierro y otros materiales
tales como fundente y agentes reductores adicionales se cargan lo
más preferiblemente en o adyacentes a una región de combustión que
resulta de una inyección sumergida mediante orificios de carga
adecuadamente ubicados. Sin embargo, algunos o todos del material
fuente y el fundente, cuando son de un tamaño de partícula
adecuada, pueden cargarse al reactor a través de una lanza sumergida
superior. En cualquier caso, la inyección sumergida superior es lo
más preferiblemente tal como para generar turbulencia sustancial en
la región de combustión, normalmente con dilatación hacia arriba
sustancial de la superficie del baño.
El material fuente de hierro puede comprender o
incluir mineral de hierro, como grumo, material particulado o
partículas finas. Alternativamente, puede comprender o incluir
gránulos, material particulado en gránulos o partículas finas,
arenas de hierro, escamas, polvo de chimenea de planta de acero,
residuo ferrosos, materiales parcialmente metalizados y escoria con
alto contenido en hierro.
Con el fin de que la invención pueda entenderse
más fácilmente, se hace referencia al dibujo adjunto. El dibujo
ilustra esquemáticamente un sistema 10 de reactor de lanzas
sumergidas superiores, en una vista transversal tomada sobre un
plano vertical que se extiende longitudinalmente a través del
sistema 10.
El sistema 10 incluye un reactor 12 que contiene
un baño 14 fundido que comprende una capa 16 inferior de hierro
metálico y una capa 18 superior de escoria. En un extremo, el
reactor 12 tiene un rebosadero 20 mediante el cual el producto de
hierro puede descargarse continuamente. En el otro extremo, el
reactor 12 tiene un rebosadero 22 mediante el cual la escoria puede
descargarse continuamente. A partir del rebosadero 22, la escoria
puede pasar a lo largo del canal 24 a un sistema de tratamiento de
escoria (no mostrado), tal como un granulador.
Aunque se muestran los rebosaderos 20, 22, debe
entenderse que puede proporcionarse una forma alternativa de
instalación de vaciado.
Aunque son posibles otras disposiciones, el
sistema 10 incluye una pluralidad de dispositivos 26 de lanza que
se separan en una serie a lo largo de la línea central del reactor
12. Los dispositivos 26 se extienden hacia abajo a través del techo
12a del reactor 12 y pueden elevarse o bajarse independientemente
mediante mecanismos de soporte (no mostrados) ubicados por encima
del reactor 12. Los dispositivos 26 son del tipo dado a conocer en
la solicitud de patente internacional PCT/AU90/00466 (WO91/05214) y
la patente estadounidense correspondiente 5251879 concedida a
Floyd. Por tanto, cada dispositivo 26 comprende una lanza 28
sumergida superior mediante la cual se llevan a cabo las
operaciones de fusión requeridas, y un refuerzo 30 tubular a través
del cual se extiende la lanza 28. Cada lanza 28 permite la inyección
de gas que contiene oxígeno y combustible/agente reductor (tal como
se explicó anteriormente) dentro de la capa de escoria debido al
extremo de descarga inferior de la lanza y estando sumergida una
llama de combustión en ese extremo en la capa de escoria. Sin
embargo, cada refuerzo 30 es más corto que su lanza 28. Por tanto,
con las lanzas 28 bajadas para permitir la inyección sumergida, el
extremo inferior de cada refuerzo 30 está separado por encima de la
capa de escoria. Puede descargarse gas que contiene oxígeno
adicional en el reactor 12, por encima del baño 14, mediante el
flujo de este gas adicional hacia abajo por un paso definido entre
cada refuerzo 30 y su lanza 28 y hacia fuera desde el extremo
inferior del refuerzo.
El sistema 10 incluye además una pluralidad de
orificios 32 de alimentación, equipado cada uno con un dispositivo
34 de control de alimentación. Un orificio 32 está ubicado entre el
extremo del reactor 12 en el que se proporciona el rebosadero 20 y
el dispositivo 26 de lanza más cercano al rebosadero 20. Un orificio
32 respectivo adicional está ubicado entre cada par de dispositivos
26 de lanza sucesivos. Otro orificio 32 está ubicado entre el otro
extremo del reactor 12, en el que se proporciona el rebosadero 22, y
el dispositivo 26 más cercano al rebosadero 22.
Para el uso de la presente invención, se
establece en primer lugar al menos la capa 18 de escoria. La escoria
puede ser restos del ciclo de funcionamiento anterior.
Alternativamente, puede establecerse la capa 18 fundiendo en el
reactor una carga de material fuente que contiene hierro, que
comprende o que incluye óxido, y fundentes, preferiblemente con
escoria granular. Para esto, se enciende al menos una de las lanzas
28 y la llama producida con la combustión del combustible se usa
para calentar y fundir la carga.
Una vez que se establece al menos la capa 18 de
escoria, puede avanzar la fusión según la invención. En un método
preferido, se inyectan carbón fino como combustible/agente reductor,
aire y oxígeno a través de cada lanza 28. Con cada lanza encendida
y todavía en posición elevada, se usa la inyección desde arriba para
generar turbulencia en la escoria lo que produce que la escoria
salpique y forme un recubrimiento de escoria sobre la parte
expuesta de cada lanza 28 y la extensión inferior de cada refuerzo
30. El recubrimiento se solidifica mediante el fluido refrigerante
circulado a través de cada dispositivo 26. Entonces, los
dispositivos 26 se bajan hasta sumergir el extremo inferior de cada
lanza 28 y su llama en la escoria, y entonces se continua la
inyección dentro de la escoria. A pesar de que el extremo inferior
de cada lanza está sumergido, el refrigerante en circulación puede
mantener el recubrimiento de escoria protector.
Simultáneamente con la inyección sumergida
superior, se cargan a través los orificios 32 material fuente que
contiene hierro, agente reductor y fundentes adicionales. El agente
reductor adicional es preferiblemente carbón en grumos. Además, se
descarga oxígeno en el espacio del reactor, por encima de la capa de
escoria, para lograr la combustión posterior de gases que se
producen durante la fusión y se desprenden del baño 14.
Se controlan las tasas de inyección de gas que
contiene oxígeno y combustible/agente reductor mediante las lanzas
para proporcionar un grado de combustión del combustible/agente
reductor que es superior al 60% en peso. Es decir, el oxígeno
consume más del 60% en peso del combustible/agente reductor como un
componente combustible. Por tanto, aunque la región de combustión
generada en la escoria por cada lanza generalmente se reducirá,
debido al componente reductor restante del combustible/agente
reductor, es menos fuertemente reductor que con el proceso de la
memoria descriptiva mencionada anteriormente
AU-B-25725/92 (656228). Sin
embargo, pueden mantenerse condiciones suficientemente reductoras
globales con el componente reductor del combustible/agente reductor
inyectado y el reductor adicional y que comprende carbón en
grumos.
La fusión avanza mediante la reducción del óxido
de hierro para dar hierro en la fase de escoria mediante la
reducción del carbono. La reducción se facilita con la razón
subestequiométrica de oxígeno inyectado con respecto a
combustible/agente reductor en las regiones de combustión. Además,
la turbulencia generada con los gases inyectados y en aumento
produce una cascada de gotas de escoria tal como representa en 36.
Los gases en aumento incluyen CO y H_{2}, así como polvo
carbonoso arrastrado. La reducción puede facilitarse además
mediante la combustión posterior de los gases y polvo desprendidos
mediante oxígeno descargado por encima de la capa de escoria, a
través del refuerzo 30 de cada dispositivo 26 de lanza. La
combustión posterior genera energía calorífica sustancial de la
cual se absorbe una proporción
significativa por la escoria que cae en cascada.
significativa por la escoria que cae en cascada.
Aunque el combustible/agente reductor es
preferiblemente carbón fino, en el presente documento también pueden
usarse otros materiales tal como se detalló anteriormente. Además,
aunque el agente reductor adicional es preferiblemente carbón en
grumos, pueden usarse agentes reductores alternativos. Los fundentes
adecuados son tal como se detallaron anteriormente en el presente
documento. Además, el contenido en oxígeno de los gases que
contiene oxígeno inyectados y de combustión posterior también puede
ser tal como se detalló anteriormente en el presente documento.
La presente invención no se basa en la necesidad
de usar materiales previamente reducidos, ya sean de una planta
independiente o mediante el uso de gases residuales del reactor de
la presente invención. Tal reducción previa compensaría la mejor
rentabilidad o eficacia de funcionamiento que se hace posible con la
presente invención. En vez de eso, es mejor maximizar la
introducción de energía calorífica al baño a partir de la
combustión posterior, realizando la combustión posterior a un grado
de oxidación de hasta aproximadamente 0,95 a 1,0.
Tal como se indicó anteriormente en el presente
documento, el uso de las tasas de inyección de oxígeno y de
combustible/agente reductor para proporcionar un grado de combustión
de más del 60% en peso del combustible/agente reductor permite una
producción de hierro más eficaz en cuanto al consumo de energía por
unidad de producto de hierro. En parte, esto resulta de un nivel
superior de eficacia de combustible mediante la combustión sumergida
dentro de la escoria que mediante la combustión posterior por
encima de la escoria. Por tanto, o bien puede lograrse una
temperatura de fusión superior, y por tanto tasa de reacción de
fusión superior, para un nivel dado de combustible y consumo de
agente reductor total o bien puede lograrse un nivel dado de
producción de hierro con un menor nivel de combustible y consumo de
agente reductor total.
A lo largo del reactor 12, puede haber
alimentación uniforme a través de cada orificio e inyección a través
de cada lanza. Sin embargo, la razón de material fuente que
contiene hierro con respecto a agente reductor adicional puede
disminuir de un orificio 32 al siguiente en la dirección desde el
extremo en el que se ubica el rebosadero 22 hacia el extremo en el
que se ubica el rebosadero 20. Además, aunque la tasa de oxígeno
inyectado con respecto a combustible/agente reductor total debe ser
tal como para proporcionar más del 60% de combustión del
combustible/agente reductor, el nivel de combustión puede disminuir
de una lanza 28 a la siguiente en esta dirección de tal manera que
las zonas de combustión sucesivas se vuelven progresivamente cada
vez más fuertemente reductoras hacia el rebosadero 20.
Finalmente, debe entenderse que pueden
producirse diversas alteraciones, modificaciones y/o adiciones en
las construcciones y disposiciones de las partes anteriormente
descritas sin salir del espíritu o el ámbito de la invención.
Claims (21)
1. Un proceso para producir escoria y metal de
hierro fundiendo material fuente que contiene hierro, que tiene
hierro presente como óxido, en un estado parcialmente metalizado o
una combinación del mismo, en un reactor que contiene un baño
fundido que comprende o que tiene una fase de escoria, en el que el
proceso comprende las etapas de:
(a) inyectar combustible/agente reductor y gas
que contiene oxígeno en la escoria, mediante al menos una lanza
sumergida superior, para generar calor y condiciones reductoras en
al menos una región reductora en el baño;
(b) alimentar el material fuente al reactor,
junto con agente reductor adicional y con fundente, en o adyacente
a al menos una región reductora, mediante lo cual el material fuente
se somete a reducción por fusión lo que genera gases de combustión
que comprenden CO y H_{2};
(c) controlar las tasas de inyección del gas que
contiene oxígeno y el combustible/agente reductor mediante dicha al
menos una lanza para lograr las condiciones reductoras suficientes,
requeridas; y
(d) realizar combustión posterior, en el reactor
por encima del baño, de los gases de combustión generados por la
fusión;
en el que el control de la etapa (c) se lleva a
cabo para dar como resultado que el gas que contiene oxígeno
inyectado tenga un contenido en oxígeno de desde aproximadamente el
40% en volumen hasta aproximadamente el 100% en volumen y
suficiente para un grado de combustión superior al 60% en peso del
combustible/agente reductor inyectado mediante la al menos una
lanza.
2. El proceso según la reivindicación 1, en el
que el control de la etapa (c) se lleva a cabo para proporcionar un
grado de combustión superior al 65% en peso del combustible/agente
reductor inyectado mediante la al menos una lanza.
3. El proceso según la reivindicación 1, en el
que el control de la etapa (c) se lleva a cabo para proporcionar un
grado de combustión de entre el 65% en peso y el 90% en peso del
combustible/agente reductor inyectado mediante la al menos una
lanza.
4. El proceso según la reivindicación 1, en el
que el control de la etapa (c) se lleva a cabo para proporcionar un
grado de combustión de entre el 65% en peso y el 85% en peso del
combustible/agente reductor inyectado mediante la al menos una
lanza.
5. El proceso según la reivindicación 1, en el
que el combustible/agente reductor y el agente reductor adicional
que comprende carbón son combustibles de calidad inferior y el
control de la etapa (c) se lleva a cabo para proporcionar un grado
de combustión de entre el 65% en peso y el 75% en peso del
combustible/agente reductor inyectado mediante la al menos una
lanza.
6. El proceso según la reivindicación 1, en el
que el combustible/agente reductor y el agente reductor adicional
que comprende carbón son combustibles de calidad superior y el
control de la etapa (c) se lleva a cabo para proporcionar un grado
de combustión de al menos el 70% en peso del combustible/agente
reductor inyectado mediante la al menos una lanza.
7. El proceso según una cualquiera de las de
reivindicaciones 1 a 6, en el que la combustión posterior de la
etapa (d) se lleva a cabo para lograr un grado de combustión
superior a 0,2, tal como se determina mediante la razón de
(CO_{2}+H_{2}O) con respecto a
(CO_{2}+H_{2}+O_{2}+H_{2}O) para los gases residuales del
reactor resultantes.
8. El proceso según la reivindicación 7, en el
que el grado de combustión se controla a aproximadamente de 0,95 a
1,0.
9. El proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que el combustible/agente reductor
comprende al menos un agente reductor carbonoso seleccionado de
carbón particulado, aceite combustible, gas natural y LPG.
10. El proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que el combustible/agente reductor
comprende carbón particulado inyectado por medio de un gas
portador.
11. El proceso según la reivindicación 10, en el
que el gas portador contiene al menos parte del oxígeno requerido
para la combustión del combustible del combustible/agente
reductor.
12. El proceso según la reivindicación 10, en el
que el gas portador se selecciona de nitrógeno, oxígeno, aire y
aire enriquecido con oxígeno.
13. El proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12, en el que el agente reductor adicional es
carbón.
14. El proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12, en el que el agente reductor adicional es
carbón suministrado a una tasa de desde aproximadamente el 20% hasta
el 60% en peso del material fuente.
15. El proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 14, en el que el fundente comprende al menos
uno de caliza, dolomita, cal calcinada, dolomita calcinada y
sílice.
16. El proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 15, en el que la fusión se lleva a cabo a una
temperatura de reactor de desde aproximadamente 1350ºC hasta
aproximadamente 1500ºC.
17. El proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 16, en el que la combustión posterior se lleva
a cabo soplando en un espacio del reactor, por encima del baño
fundido, un gas que contiene oxígeno seleccionado de aire y aire
enriquecido con oxígeno.
18. El proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 17, en el que la combustión posterior se lleva
a cabo en una zona de combustión posterior cercanamente adyacente a
la superficie del baño mediante lo cual gotas de escoria salpicadas
del baño por la turbulencia generada con la inyección en la escoria
pasan a través y absorben energía calorífica en la zona de
combustión posterior.
19. El proceso según la reivindicación 18, en el
que la zona de combustión posterior es adyacente a la al menos una
región reductora.
20. El proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 19, en el que el material fuente que contiene
hierro comprende grumos o material fino aglomerado.
21. El proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 20, en el que el material fuente que contiene
hierro es al menos un grumo de mineral de hierro, material
particulado de mineral de hierro, gránulos, gránulos finos, arenas
de hierro, residuos de hierro, escamas, polvo de chimenea de planta
de acero, residuos ferrosos, materiales parcialmente metalizados y
escoria con alto contenido en hierro.
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