ES2878056T3

ES2878056T3 - Tobera de agitación de fondo y método para manejar un horno de oxígeno básico

Info

Publication number: ES2878056T3
Application number: ES19151184T
Authority: ES
Inventors: Gregory J Buragino; Shailesh Pradeep Gangoli; Anshu Gupta; Anup Vasant Sane; Avishek Guha; Xiaoyi He; Michael David Buzinski; Kyle J Niemkiewicz; Russel James Hewertson
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2021-11-18
Anticipated expiration: 2039-01-10
Also published as: TW201932607A; KR20190088010A; HUE054764T2; PT3514248T; TWI681061B; KR102249348B1; US20190218631A1; BR102019000862A2; CA3029689C; CA3029689A1; BR102019000862B1; EP3514248B1; US10781499B2; PL3514248T3; CN110042199B; CN110042199A; MX2019000615A; EP3514248A1

Abstract

Un método para manejar una tobera de agitación de fondo en un horno de oxígeno básico para la fabricación de acero, en donde la tobera de agitación de fondo tiene una disposición de boquillas concéntrica con una boquilla interior rodeada por una boquilla anular, el método comprendiendo: (a) durante una fase de vertido de metal caliente, hacer fluir un gas inerte a través de ambas boquillas de la tobera de agitación de fondo; (b) durante una fase de soplado, continuar haciendo fluir el gas inerte a través de ambas boquillas de la tobera de agitación de fondo; (c) durante una fase de colada, iniciar un flujo de un primer reactivo y detener el flujo de gas inerte a través de la boquilla interior de la tobera, e iniciar un flujo de un segundo reactivo y detener el flujo de gas inerte a través de la boquilla anular de la tobera, en donde el primer reactivo incluye uno de combustible y oxidante y el segundo reactivo incluye el otro del combustible y el oxidante, de tal manera que se forma una llama a medida que el combustible y el oxidante salen de la tobera; (d) durante una fase de salpicadura de escoria, continuar los flujos de combustible y oxidante para mantener la llama; y (e) después de finalizar la fase de salpicadura de escoria y comenzar otra fase de vertido de metal caliente, iniciar un flujo de gas inerte a través de ambas boquillas de la tobera de agitación de fondo y detener los flujos del primer y el segundo reactivos, caracterizado porque la boquilla interior es una boquilla convergente- divergente dimensionada para hacer que el primer reactivo salga de la boquilla interior a una velocidad que alcanza de Mach 0,8 a Mach 1,5.

Description

DESCRIPCIÓN

Tobera de agitación de fondo y método para manejar un horno de oxígeno básico

ANTECEDENTES

Esta solicitud se refiere a una tobera y un método para mejorar la operabilidad usando gas inerte para agitar por el fondo un horno de oxígeno básico (BOF).

Los BOF se han usado comúnmente desde mediados del siglo 20 para convertir arrabio en acero, principalmente mediante el uso de oxígeno para eliminar el carbono y las impurezas. El BOF fue una mejora con respecto al proceso Bessemer anterior que soplaba aire en el arrabio para lograr la conversión. En un BOF, soplar oxígeno a través de arrabio fundido reduce el contenido de carbono del metal y lo convierte en acero con bajo contenido de carbono. El proceso también usa fundentes de cal quemada o dolomita, que son bases químicas, para promover la eliminación de impurezas y proteger el revestimiento del recipiente.

En el BOF, el oxígeno se inyecta a una velocidad supersónica en el baño usando una lanza superior, lo que provoca una reacción exotérmica del oxígeno y el carbono, generando de este modo calor y eliminando el carbono. Los ingredientes, incluyendo el oxígeno, se modelan y se inyecta la cantidad precisa de oxígeno para que la química y la temperatura objetivo se alcancen en aproximadamente 20 minutos.

La metalurgia y la eficiencia del soplado de oxígeno se mejoran mediante agitación en el fondo (que también puede denominarse soplado combinado); básicamente, la agitación del metal fundido mediante la introducción de gas desde abajo mejora la cinética y hace que la temperatura sea más homogénea, lo que permite un mejor control de la proporción carbono-oxígeno y la eliminación del fósforo.

Es relativamente común fuera de los Estados Unidos usar un gas inerte, como argón y/o nitrógeno, para la agitación del fondo. Los beneficios de la agitación del fondo del BOF incluyen un rendimiento potencialmente mayor y una mayor eficiencia energética. Sin embargo, la agitación del fondo del BOF no es común en los Estados Unidos debido a la poca fiabilidad y la dificultad para mantener las boquillas de agitación de fondo debido a las prácticas de salpicadura de escoria comúnmente usadas en los Estados Unidos. Las salpicaduras de escoria ayudan a mejorar la vida útil del refractario y del recipiente, pero provocan el bloqueo de las boquillas de agitación de fondo existentes.

Incluso en instalaciones fuera de los Estados Unidos que emplean la agitación de fondo del BOF, la vida útil de las boquillas de agitación de fondo existentes, antes de que se obstruyan u ocluyan, a menudo es significativamente menor que la duración de una campaña de horno. Por ejemplo, no es raro que una campaña de BOF ejecute diez mil, quince mil o incluso veinte mil series, pero las boquillas de agitación de fondo rara vez duran más de tres a cinco mil series antes de que ya no puedan usarse. Por lo tanto, durante por lo menos la mitad, y en algunos casos hasta el 85% de la campaña del horno, la agitación del fondo no está disponible.

Históricamente, se han usado de vez en cuando otras operaciones que introducen gases desde debajo del metal fundido en la fabricación de acero. Por ejemplo, en la década de 1970 se desarrollaron procesos para usar oxígeno para la descarburación en la fabricación de acero mediante la inyección de gas natural (u otros gases usados como refrigerantes), junto con el oxígeno, a través de toberas que tienen boquillas concéntricas (habitualmente con oxígeno fluyendo a través de la boquilla central interna y flujo de combustible a través de la boquilla anular externa). Por ejemplo, un proceso 100% soplado por el fondo (OBM) usa gas natural para envolver las toberas que inyectan oxígeno en el proceso. También se han usado algunas variantes de este proceso, como el Q-BOP (proceso básico de oxígeno), que también inyecta cal en polvo a través de las toberas. Estos métodos se describen, por ejemplo, en el Capítulo 8: Oxygen Steelmaking Furnace Mechanical Description and Maintenance Considerations; Capítulo 9: Oxygen Steelmaking Processes; Fruehan, R.J., The Making, Shaping and Treating of Steel: Steelmaking and Refining Volume, 11a edición, AIST, 1998, ISBN: 0930767020; y en https://mme.iitm.ac.in/shukla/BOF%20steelmaking%20process.pdf. Estos procesos habitualmente terminan con un mayor desgaste del fondo y necesitan un reemplazo del fondo a la mitad de las campañas del horno.

En otros casos, los flujos de gas inerte se mantienen a caudales altos todo el tiempo, incluso cuando no se necesita agitación del fondo para combatir el potencial de obstrucción, que es ineficiente y usa cantidades excesivas de gases inertes. Ver, por ejemplo, Mills, Kenneth C., et al. "A review of slag splashing", ISIJ international 45.5 (2005): 619-633); y https://www.jstage.jst.go.jp/article/isijinternational/45/5/45_5_619/_pdf.

En otros casos más, las composiciones químicas de la escoria se han modificado en combinación con flujos un 50% más altos usados para agitar en caso de que se detecte una obstrucción. Ver, por ejemplo, Guoguang, Zhao & Hüsken, Rainer & Cappel, Jürgen. (2012), Experience with long BOF campaign life and TBM bottom stirring technology, Stahl und Eisen, 132. 61-78 (que mejoró la vida útil de la tobera a 8.000-10.000 ciclos). Sin embargo, estas modificaciones requieren un gran conocimiento y control del proceso, es decir, la adición de gránulos de MgO y la gestión de la proporción de CaO/SiO2 dependiendo de los niveles de [C]-[O] en la escoria. La US 5830407 A divulga un aparato y método para visualizar y analizar el interior de una baño de metal fundido durante el tratamiento en un recipiente metalúrgico que comprende una tobera de tubería concéntrica que se extiende hacia el recipiente por debajo de la superficie del baño y que comprende una tubería interior a través de la cual se pasa un fluido trasparente presurizado, y una tubería exterior que forma, con la tubería interior, un anillo a través del cual se pasa un fluido refrigerante. Una mirilla está dispuesta en alineación con una abertura en la tubería interior y con una línea central de la tobera proporcionando acceso visual al interior del baño. Un sensor óptico está asociado con la mirilla para recibir y analizar la luz generada en el baño para determinar las propiedades del metal fundido como la temperatura y la composición química. La FR 2228845 A1 divulga una boquilla para la introducción de un gas de refinado, en particular oxígeno en un recipiente metalúrgico por debajo de la superficie del baño, que comprende un tubo interior para inyectar el gas de refinado en el baño y un tubo concéntrico exterior para inyectar un medio protector hacia él y caracterizado por que el tubo interior y el tubo exterior son desplazables axialmente dentro de por lo menos un manto tubular. La US 4365992 divulga un método para tratar metal ferroso que incluye los pasos de contener en un recipiente metalúrgico una cantidad de metal ferroso que es de forma por lo menos parcialmente sólida, arrastrar carbono dividido finamente y un agente fundente en un gas no oxidante e inyectar el mismo en una primera trayectoria de flujo y desde debajo de dicho metal, inyectar simultáneamente una primera cantidad de oxígeno en una segunda trayectoria de flujo separada de la mencionada primera trayectoria de flujo y por debajo de dicho metal para oxidar el carbono para elevar la temperatura de dicho metal. Se inyecta una segunda cantidad de oxígeno en el metal en una tercera trayectoria de flujo y desde encima del metal para reducir el contenido de carbono del mismo. También pueden introducirse agentes fundentes adicionales desde encima del metal. Después de que se ha alcanzado la temperatura del metal deseada, el suministro del carbono y los agentes fundentes a través de la primera trayectoria de flujo se finaliza mientras se continúa con el flujo de gas no oxidante para promover el mezclado. Se continua con el suministro de oxígeno a través de la segunda y la tercera trayectorias de flujo hasta que el nivel de carbono en el metal se haya reducido a un nivel predeterminado.

Los varios aspectos del sistema y método divulgados en la presente pueden usarse solos o en combinaciones entre ellos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Fig. 1 es un esquema que muestra una secuencia de funcionamiento de un proceso de fabricación de acero BOF de valor inicial sin el uso de agitación de fondo.

La Fig. 2 es una vista esquemática en sección que muestra la obstrucción de las boquillas de agitación de fondo existentes en un fondo de BOF en un proceso que no usa las toberas y las modificaciones del proceso descritas en la presente.

La Fig. 3 es una vista esquemática en sección que muestra una realización de un proceso en el que se usa un flujo de gas inerte durante la salpicadura de escoria en un intento de reducir la probabilidad de obstrucción de la boquilla de agitación de fondo.

La Fig. 4 es una vista esquemática en sección que muestra la formación de puentes de escoria sobre una boquilla de agitación de fondo a pesar de un flujo de gas inerte durante la salpicadura de escoria como en la Fig. 3.

La Fig. 5 es una vista esquemática en sección que muestra una condición de acumulación de escoria en un fondo de BOF alrededor de una boquilla de agitación de fondo.

La Fig. 6 es una vista esquemática en sección que muestra una realización de un proceso en el que una llama viscosa de momento alto o un chorro térmico se agota desde una tobera de agitación de fondo durante el salpicado de escoria para reducir la probabilidad de obstrucción de la tobera de agitación de fondo, usando una realización de una tobera de agitación de fondo como en la Fig. 10.

La Fig. 7 es un esquema que muestra una secuencia de funcionamiento de una realización de un proceso de fabricación de acero BOF modificado usando agitación de fondo y un proceso como se describe en la presente para inhibir que las toberas de agitación de fondo se obstruyan durante el salpicado de escoria.

La Fig. 8 es un gráfico que muestra la estabilidad de una tobera que tiene una tobera interior sin cavidad como se describe en la presente, en un intervalo de velocidades de disparo y estequiometrías.

La Fig. 9 es un gráfico que muestra la estabilidad de una tobera que tiene una boquilla interior con una cavidad como se describe en la presente, en un intervalo de velocidades de disparo y estequiometrías.

La Fig. 10 es una vista esquemática en sección de una tobera de agitación de fondo para su uso en operaciones de agitación de fondo y durante salpicaduras de escoria.

La Fig. 11 es una vista en sección parcial detallada de la boquilla de la cavidad de la tobera de agitación de fondo de la Fig. 10.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Un proceso inventivo como se describe en la presente, combinado con el uso de toberas de agitación de fondo inventivas como se describe en la presente, permite el uso de agitación de fondo en un BOF con fiabilidad mejorada, detección/mitigación oportuna de problemas, y mantenimiento más fácil de las toberas de agitación de fondo, en una operación que también pone en práctica el salpicado de escoria. Estas mejoras también permitirán que las operaciones de agitación de fondo de BOF que actualmente no utilizan salpicaduras de escoria comiencen a usarlas y obtengan los beneficios de las mismas.

Como se usa en la presente, oxidante significará aire u oxígeno enriquecido que tiene una concentración de oxígeno molecular de por lo menos el 23%, preferiblemente por lo menos el 70% y más preferiblemente por lo menos el 90%. Como se usa en la presente, gas inerte significará nitrógeno, argón, dióxido de carbono, otros gases inertes similares y combinaciones de los mismos. Como se usa en la presente, combustible significará un combustible gaseoso, que puede incluir, pero no se limita a, gas natural.

Para permitir que se use la agitación de fondo en un BOF que también emplea salpicaduras de escoria, los presentes inventores han determinado que es necesario minimizar la probabilidad de obstruir las toberas de agitación del fondo y tener una estructura de flujo de la boquilla de la tobera que logre la condición de agitación deseada tanto con un BOF nuevo como bajo una condición de acumulación de fondo resultante de sucesivas operaciones de salpicadura de escoria.

Un proceso típico de fabricación de acero BOF tiene cuatro fases, que se muestran mediante cinco pasos en la Fig. 1: una fase de vertido (Paso 1), una fase de soplado (iniciada en el Paso 2 y finalizada en el Paso 3), una fase de colada (Paso 4) y una fase de salpicadura de escoria (Paso 5). El ciclo se repite, por lo que después del Paso 5, el proceso vuelve al Paso 1.

En el Paso 1 (vertido de metal caliente), se carga o vierte metal caliente (arrabio) en el recipiente del horno a través de una abertura superior, para lograr el nivel de llenado deseado.

En el Paso 2 (inicio de soplado), se inyecta un flujo de oxígeno a través de una lanza insertada a través de la abertura superior del horno; durante este proceso, se forma escoria en la superficie superior del metal fundido. En el paso 3 (final de soplado), se detiene el flujo de oxígeno y se retira la lanza de la abertura superior.

En el Paso 4 (colada), el horno se inclina y el metal fundido se vierte a través de un grifo en el lateral del horno, mientras que la escoria se deja en el horno.

En el Paso 5 (salpicadura de escoria), el horno se vuelve a colocar en posición vertical y se inyecta un flujo de nitrógeno a través de una lanza insertada a través de la abertura superior del horno. El nitrógeno fluye en grandes cantidades (por ejemplo, 20.000 SCFM) a velocidades supersónicas hacia el interior del BOF, lo que hace que la escoria fundida salpique por todas las paredes del recipiente del horno. Esto da como resultado el recubrimiento del recipiente de BOF con una capa de escoria protectora, que en parte reemplaza parte del refractario del recipiente que se consume o erosiona durante el proceso de BOF. Sin embargo, las salpicaduras de escoria, si se realizan en un recipiente con boquillas de agitación del fondo, dan como resultado a menudo la obstrucción parcial o total de las boquillas de agitación de fondo localizadas en el fondo del recipiente. Esta obstrucción, como se muestra en la Fig. 2, esencialmente evita o restringe el flujo adicional de gases a través de las boquillas de agitación de fondo hacia el BOF y, finalmente, después de múltiples salpicaduras de escoria, da como resultado la pérdida total de la capacidad de agitación de fondo.

Se han hecho algunos intentos previos para mantener abiertas las boquillas de agitación de fondo existentes haciendo fluir nitrógeno a través de las boquillas de agitación de fondo durante la salpicadura de escoria, bajo la idea de que el flujo de nitrógeno proporcionaría resistencia a la salpicadura de escoria venidera (ver Fig. 3). Sin embargo, este método no ha podido evitar de forma fiable que las boquillas de agitación de fondo se obstruyan. Otro desafío experimentado durante estos intentos fue la formación de puentes (ver Fig. 4), en el que la boquilla de agitación de fondo permanece abierta pero se forma un puente de escoria alrededor de la boquilla, anulando efectivamente cualquier efecto de agitación que pudiera obtenerse por el flujo que sale de la boquilla. La formación de puentes da como resultado la continuación y el desperdicio de los flujos de gas inerte en el espacio entre la escoria y las paredes refractarias antes de salir del recipiente de BOF en lugar de participar en la agitación. Un desafío adicional experimentado durante estos intentos fue la acumulación de fondo (ver la Fig. 5), en el que se forma un canal extendido de escoria en sentido descendente de la boquilla de agitación de fondo, provocando de este modo la desaceleración del chorro de gas inerte y una disminución de la eficacia de agitación.

En la presente se divulgan una tobera de agitación de fondo autosostenida y un método de agitación de fondo que, combinados, superan estas dificultades anteriores, así como un sistema de control para su uso con dicha tobera y método. La tobera autosostenible es básicamente un diseño de tubo concéntrico, donde un fluido fluye a través de la boquilla central interior mientras que otro fluido fluye a través de la boquilla anular exterior. En la descripción que sigue, a la boquilla central interior puede hacerse referencia en ocasiones como la boquilla primaria, y a la boquilla anular exterior puede hacerse referencia a veces como la boquilla secundaria.

En una realización, el pasaje central interior está configurado para hacer fluir selectivamente o combustible o un gas inerte y el pasaje anular exterior está configurado para fluir selectivamente oxígeno o un gas inerte, dependiendo de la fase de funcionamiento del BOF. En una realización alternativa, el pasaje central interior está configurado para fluir selectivamente oxidante o un gas inerte y el pasaje anular exterior está configurado para fluir selectivamente combustible o gas inerte, de nuevo dependiendo de la fase de funcionamiento del BOF.

Más específicamente, cada tobera de agitación está formada por boquillas coaxiales (configuración de tubería en tubería), por ejemplo, como se muestra en la Fig. 10. La tobera se instala en el BOF de tal manera que tenga un extremo de salida o una punta caliente orientada hacia el horno. Durante el funcionamiento, el combustible y el oxígeno, o alternativamente un gas inerte como el nitrógeno, el argón o el dióxido de carbono, se introducen indistintamente en las boquillas tanto interiores como exteriores, dependiendo de la fase de funcionamiento en el BOF.

La función principal de la boquilla primaria es proporcionar regímenes de flujo que sean eficaces para agitar, por ejemplo, flujos de chorro para evitar el retroceso. La función principal de la boquilla secundaria es proporcionar protección a la boquilla primaria y mejorar la interacción con los flujos de la boquilla primaria, en particular para ayudar a estabilizar una llama durante la fase de salpicadura de escoria, mediante el uso de características especiales, por ejemplo, flujos en remolino.

La boquilla principal puede tener una de varias configuraciones. Por ejemplo, la boquilla primaria puede ser una boquilla recta, una boquilla convergente-divergente (para crear flujos supersónicos), una boquilla de cavidad o una combinación de una boquilla convergente-divergente con cavidad.

Cuando la boquilla primaria es o incluye una boquilla convergente-divergente, la boquilla debe estar dimensionada preferiblemente para Mach >1,25 para asegurar el flujo de chorro (ver, por ejemplo, Farmer, L., Lach, D., Lanyi, M., Winchester, D., "Gas injection tuyeres design and experience", Steelmaking Conference Proceedings, Pg. 487-495 (1989)). El flujo a chorro ayuda a: (a) evitar el retroceso en el refractario del fondo y (b) lograr una agitación más eficaz. El flujo de chorro se logra cuando hay suficiente presión de gas para desarrollar un chorro subexpandido (cuando la presión del gas que sale de las toberas es mayor que la presión o la altura estática del fluido circundante) de tal manera que se genera un flujo continuo de gas (sin formación de burbujas) para evitar el reflujo periódico de líquido (metal/escoria) en la tobera.

Cuando la boquilla primaria incluye una cavidad (por ejemplo, como en el PCT/US2015/37224), la cavidad debe estar dimensionada para tener una proporción de longitud a diámetro (L/D) de 1 a 10, preferiblemente de 1,5 a 2,5. Un detalle de una boquilla de cavidad con estas dimensiones se muestra en la Fig. 11. El intervalo de proporción L/D preferido ayuda a: (a) aumentar la coherencia y la penetración del flujo de chorro para una agitación más eficaz, y (b) mejorar la estabilidad de la llama en un amplio intervalo de velocidades de encendido y estequiometría. Las Figs. 8 y 9 muestran la mejora en la estabilidad de la llama para una boquilla con cavidad (Fig. 9) frente a una boquilla sin cavidad (Fig. 8), en donde la boquilla está diseñada para disparar a 0,2 MMBtu/h. Además, la boquilla de la cavidad puede empotrarse hasta una longitud L^rdesde la punta caliente de las boquillas primarias para mejorar la vida útil y mantener el rendimiento de la boquilla primaria, en donde LR se mide desde el borde en sentido descendente de la cavidad. Preferiblemente, L^r/L es de más de 0 a aproximadamente 20, y más preferiblemente de 0,1 a 5.

Cuando se usan juntas, la distancia entre la boquilla convergente-divergente y la cavidad puede ser de hasta una longitud L^d, donde L^d/L es de más de 0 a 3, y preferiblemente de 0,1 a 1, y en donde L^dse mide desde el borde en sentido ascendente de la cavidad hasta la garganta de la boquilla convergente-divergente.

La boquilla secundaria debe tener preferiblemente álabes de remolino para inducir un flujo de remolino que mejora la interacción con el flujo primario y ayuda con la estabilización de la llama durante los Pasos 4 y 5. El ángulo agudo (0) de los álabes con respecto al eje de las toberas puede ser de 0 grados y 90 grados (ver Fig. 10), y preferiblemente de 10 grados a 60 grados, y más preferiblemente de 15 grados a 45 grados.

La proporción de velocidad (VP/VS) entre el flujo de la boquilla primaria (VP) y el flujo de la boquilla secundaria (V^s) puede ser de 2 a 30, donde V^ses el componente axial de la velocidad del flujo secundaria.

Las toberas autosostenibles funcionan en dos modos de funcionamiento. Durante la fase de soplado del BOF, las toberas funcionan en un modo de agitación de fondo (BS), en el que los gases inertes fluyen a través de las boquillas a una velocidad suficiente para lograr una agitación eficaz del acero fundido en el horno. Durante la fase de salpicadura de escoria del BOF, las toberas funcionan en un modo de salpicadura de escoria (SS), en el que una combinación de combustible y oxidante, y opcionalmente gases inertes fluyen a través de la tobera (ver la Fig. 6).

Más específicamente, la Fig. 7 ilustra la estrategia de funcionamiento de las toberas de agitación de fondo autosostenibles y, en particular, ilustra cómo el proceso propuesto difiere del proceso estándar de fabricación de acero BOF. En los Pasos 1 a 3 (durante la fase de vertido y la fase de soplado), las toberas de agitación de fondo funcionan en el modo de agitación de fondo, mientras que en los Pasos 4 a 5 (durante la fase de colada y la fase de salpicadura de escoria), las toberas de agitación de fondo funcionan en el modo de salpicadura de escoria.

En el Paso 1 (vertido de metal caliente), se inicia (o continúa) un flujo de gas inerte a través de ambos pasajes de boquilla antes de comenzar el vertido de metal caliente en el horno, y el flujo de gas inerte se mantiene a través del vertido. Esto evita que la boquilla de agitación de fondo se sobrecaliente y/o se obstruya. En el Paso 2 (inicio de soplado), se continúa el flujo de gas inerte a través de ambos pasajes de la boquilla, al mismo caudal o uno diferente, para lograr la agitación del metal fundido. En el Paso 3 (finalización de soplado), el flujo de gases inertes se continúa como durante el Paso 2. Durante los Pasos 1 a 3, los resultados más efectivos se logran haciendo fluir gases inertes como argón, nitrógeno, dióxido de carbono o combinaciones de los mismos a través de tanto la boquilla primaria como la boquilla secundaria de la tobera.

En el Paso 4 (colada), cuando el recipiente BOF se inclina para verter el metal, el flujo a través de los pasajes de la boquilla se cambia a combustible a través de un pasaje y oxidante a través del otro pasaje, para producir una llama (las paredes del horno están suficientemente calientes para provocar la autoignición de una mezcla de combustible-oxidante que sale de las boquillas). La combustión, en forma de llama que sale de cada tobera de agitación de fondo, debe iniciarse antes del inicio de la operación de salpicadura de escoria. En el Paso 5 (salpicadura de escoria), las llamas evitan que las toberas se obstruyan y también evitan la formación de puentes. Por tanto, durante los Pasos 4 y 5, el combustible y el oxidante se introducen a través de las boquillas. Es preferible introducir oxidante a través de la boquilla primaria y combustible a través de la boquilla secundaria. Sin embargo, también puede usarse la disposición inversa. Adicionalmente, puede añadirse un gas diluyente como nitrógeno o aire al flujo a través de cualquiera o ambas de la boquilla primaria y la boquilla secundaria o ambas para ayudar a gestionar la localización de la liberación de calor (es decir, como de lejos de las boquillas se produce la mayor parte de la combustión) y los volúmenes o el momento requeridos para proporcionar el perfil de flujo deseado (es decir, la adición de nitrógeno o aire aumenta el caudal volumétrico o el momento). Esto puede lograrse ajustando la relación o la proporción relativa de gas diluyente a oxidante y/o combustible.

Alternativamente, puede usarse una descarga eléctrica (arco de plasma) para reemplazar el combustible y el oxidante como fuente de energía para evitar la obstrucción de la boquilla durante las fases de colada y salpicaduras de escoria. En la práctica, se crearía una descarga eléctrica entre la boquilla interior y la boquilla anular de la tobera mientras se mantiene el flujo de gas inerte durante esas fases de funcionamiento. Además, alternativamente, puede utilizarse una corriente de gas precalentada (preferiblemente a una temperatura superior a 2500° F) como fuente de energía.

El proceso de salpicadura de escoria implica la formación de gotitas de escoria (por impacto de un chorro de nitrógeno supersónico de momento alto) seguido de un rápido enfriamiento por convección de las gotitas de escoria (por el mismo flujo de nitrógeno que se arremolina a través del recipiente). Este proceso provoca un aumento de la viscosidad y la tensión superficial de la escoria, seguido de una solidificación bastante rápida, lo que da como resultado la formación de puentes y/o una obstrucción que un flujo de gas inerte por sí solo no puede evitar.

Por el contrario, la tobera y el método descritos actualmente pueden evitar la formación de puentes y la obstrucción de las toberas de agitación de fondo durante el proceso de salpicadura de escoria. El mecanismo principal para evitar la obstrucción es mediante el uso de calor (es decir, el calor de combustión del combustible y el oxidante) para simultáneamente: (a) disminuir la viscosidad y la tensión superficial de la escoria que es local y rodea las boquillas de agitación de fondo, y (2) aumentar la viscosidad de los chorros de gas que salen de las toberas y mejorar térmicamente el momento de los flujos a través de las toberas.

La tobera de agitación de fondo combinada con el método como se describe en la presente, logra resultados que no pueden obtenerse usando boquillas de agitación de fondo y métodos de la técnica anterior. Primero, manejar térmicamente la viscosidad y la tensión superficial de la escoria a nivel local cerca de las toberas se logra más fácilmente que intentando alterar la composición química de toda la escoria (lo que también puede afectar a la propia química del acero). En segundo lugar, mejorar térmicamente el momento y la viscosidad de los chorros de gas proporciona una potencia de despeje de la boquilla significativo en comparación con solo aumentar el caudal de gases inertes. En tercer lugar, utilizar combustible y oxígeno solo durante una parte específica del ciclo (es decir, los Pasos 4 y 5 en la Fig. 7) para minimizar el potencial de obstrucción, es más eficiente y menos costoso que usar oxígeno y combustible (como refrigerante) continuamente durante todo el proceso de refinado de la composición del acero. Los caudales de fondo usados están de acuerdo con la tabla de la Fig. 7.

Pueden usarse sensores para mejorar la capacidad de detectar y evitar la obstrucción de la boquilla. En una realización, los transductores de presión se instalan en o cerca del extremo de salida de la tobera para detectar obstrucciones o formación de puentes de las boquillas, lo que provocaría un aumento de la contrapresión. También pueden usarse sensores de presión para detectar la erosión de las boquillas y el daño de las características de convergencia-divergencia y/o cavidad de las boquillas, como se muestra por las variaciones en la caída de presión. En otra realización, pueden instalarse termopares en o cerca del extremo de salida de la tobera para detectar la desviación de las temperaturas del funcionamiento normal debida a la erosión de las toberas y la filtración de metal fundido a través de la tobera.

Además de lo anterior, puede usarse periódicamente un chorro de alto volumen (alta presión) para evitar que las boquillas se obstruyan o introducirse en respuesta a la detección de una desviación de presiones/temperaturas del funcionamiento normal. Pueden usarse otras acciones correctoras como el lavado del fondo del recipiente con oxígeno para desobstruir las boquillas de manera oportuna.

La presente invención no está limitada en su alcance por los aspectos o realizaciones específicos divulgados en los ejemplos que se pretende que sean ilustraciones de unos pocos aspectos de la invención y cualquier realización que sea funcionalmente equivalente está dentro del alcance de esta invención, como se define en las reivindicaciones adjuntas. Varias modificaciones de la invención además de las mostradas y descritas en la presente resultarán evidentes para los expertos en la técnica y se pretende que entren dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para manejar una tobera de agitación de fondo en un horno de oxígeno básico para la fabricación de acero, en donde la tobera de agitación de fondo tiene una disposición de boquillas concéntrica con una boquilla interior rodeada por una boquilla anular, el método comprendiendo:

(a) durante una fase de vertido de metal caliente, hacer fluir un gas inerte a través de ambas boquillas de la tobera de agitación de fondo;

(b) durante una fase de soplado, continuar haciendo fluir el gas inerte a través de ambas boquillas de la tobera de agitación de fondo;

(c) durante una fase de colada, iniciar un flujo de un primer reactivo y detener el flujo de gas inerte a través de la boquilla interior de la tobera, e iniciar un flujo de un segundo reactivo y detener el flujo de gas inerte a través de la boquilla anular de la tobera, en donde el primer reactivo incluye uno de combustible y oxidante y el segundo reactivo incluye el otro del combustible y el oxidante, de tal manera que se forma una llama a medida que el combustible y el oxidante salen de la tobera;

(d) durante una fase de salpicadura de escoria, continuar los flujos de combustible y oxidante para mantener la llama; y

(e) después de finalizar la fase de salpicadura de escoria y comenzar otra fase de vertido de metal caliente, iniciar un flujo de gas inerte a través de ambas boquillas de la tobera de agitación de fondo y detener los flujos del primer y el segundo reactivos, caracterizado porque la boquilla interior es una boquilla convergentedivergente dimensionada para hacer que el primer reactivo salga de la boquilla interior a una velocidad que alcanza de Mach 0,8 a Mach 1,5.

2. El método de la reivindicación 1, en donde el gas inerte que fluye a través de ambas boquillas en el paso (a) comprende nitrógeno, argón, dióxido de carbono o combinaciones de los mismos.

3. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde en los pasos (c) y (d), el oxidante se hace fluir a través de la boquilla interior como el primer reactivo y se hace fluir el combustible a través de la boquilla anular como el segundo reactivo.

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el primer reactivo tiene una velocidad V^py el segundo reactivo tiene una velocidad axial V^s, y en donde la proporción entre la velocidad del primer reactivo y la velocidad axial del segundo reactivo es 2<V^p/V^s<30.

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además, en el paso (d), hacer fluir adicionalmente un gas diluyente junto con el oxidante y ajustar la proporción relativa de gas diluyente a oxidante, ajustando de este modo un perfil de liberación de energía del quemador.

6. El método de la reivindicación 5, que comprende además, en el paso (d), hacer fluir adicionalmente un gas diluyente junto con el combustible y ajustar la proporción relativa de gas diluyente a combustible.

7. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende además hacer que uno o ambos del primer reactivo y el gas inerte salgan de la boquilla central a una velocidad que alcanzada de Mach 0,8 a Mach 1,5.

8. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende además impartir turbulencia al segundo reactivo y al gas inerte que sale de la boquilla anular.

9. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende además detectar por lo menos una presión y una temperatura de la tobera para detectar una desviación de las condiciones normales de funcionamiento, y tomar medidas correctoras en respuesta a una desviación detectada de las condiciones normales de funcionamiento, en donde la acción correctora incluye uno o más de hacer fluir un alto volumen de gas inerte a través de ambas boquillas de la tobera, prescribir el lavado del fondo del horno, y detener el funcionamiento del horno.

10. Una tobera de agitación de fondo para su uso en un horno de oxígeno básico para la fabricación de acero, que comprende:

una boquilla interior configurada y dispuesta para hacer fluir, alternativamente, o un primer reactivo o un gas inerte;

una boquilla anular que rodea a la boquilla interior y está configurada y dispuesta para hacer fluir, alternativamente, o un segundo reactivo o un gas inerte; caracterizada porque comprende

un controlador programado para hacer que un gas inerte fluya a través de ambas boquillas durante una fase de vertido en caliente y una fase de soplado del funcionamiento del horno, y para hacer que un primer reactivo fluya a través de la boquilla interior y un segundo reactivo fluya a través del pasaje anular durante una fase de colada y una fase de salpicadura de escoria del funcionamiento del horno;

en donde el primer reactivo incluye uno de combustible y oxidante y el segundo reactivo incluye el otro de combustible y oxidante, y porque

la boquilla interior es una boquilla convergente-divergente dimensionada para hacer que el primer reactivo salga de la boquilla interior a una velocidad alcanzada de Mach 0,8 a Mach 1,5.

11. La tobera de la reivindicación 10, en donde la tobera interior incluye además una cavidad en sentido descendente de la tobera convergente-divergente, la cavidad teniendo una longitud L, una profundidad D y una proporción de longitud a profundidad de 1 <L/D<10.

12. La tobera de la reivindicación 11, en donde la cavidad está en sentido descendente de la boquilla convergente en una distancia L^dmedida desde el borde en sentido ascendente de la cavidad hasta el cuello de la boquilla convergente-divergente, en donde 0<L^d/L<3, o en donde la cavidad está empotrada desde un extremo de salida de la boquilla interior a una distancia L^rmedida desde el borde en sentido descendente de la cavidad, donde 0<L^r/L<20.

13. La tobera de la reivindicación 10, en donde la boquilla interior incluye una cavidad que tiene una longitud L, una profundidad D y una proporción de longitud a profundidad de 1<L/D<10, en donde la cavidad está en sentido descendente de la boquilla convergente en una distancia LD medida desde el borde en sentido ascendente de la cavidad hasta la garganta de la boquilla convergente-divergente, en donde 0<L^d/L<3, y en donde la cavidad está empotrada desde un extremo de salida de la boquilla interior a una distancia L^rmedida desde el borde en sentido descendente de la cavidad, en donde 0<L^r/L<20.

14. La tobera de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en donde la tobera anular incluye álabes de remolino que tienen un ángulo agudo de 10° a 60° con respecto a la dirección del flujo axial.

15. La tobera de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, que comprende además un sensor de presión para detectar una presión en sentido ascendente de la boquilla interior, en donde el controlador está programado además para detectar una posible oclusión o erosión de la tobera en base a la presión detectada.

16. La tobera de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15, que comprende además un sensor de temperatura para detectar la temperatura de una tobera, en donde el controlador está programado además para detectar la posible erosión de la tobera en base a la temperatura detectada.

17. Un método para manejar una tobera de agitación de fondo en un horno de oxígeno básico para la fabricación de acero, en donde la tobera de agitación de fondo tiene una disposición de boquillas concéntricas con una boquilla interior rodeada por una boquilla anular, el método comprendiendo:

(c) durante una fase de colada, iniciar una descarga eléctrica entre la boquilla interior y la boquilla anular mientras continúa el flujo de gas inerte a través de la boquilla interior y las boquillas anulares, provocando de este modo que se descargue un plasma de la tobera;

(d) durante una fase de salpicadura de escoria, continuar la descarga eléctrica para mantener la descarga de plasma de la tobera; y

(e) después de terminar la fase de salpicadura de escoria y comenzar otra fase de vertido de metal caliente, continuar el flujo de gas inerte a través de las boquillas interior y anular de la tobera de agitación de fondo mientras se detiene la descarga eléctrica.