ES2908128T3 - Método para la producción de hierro fundido - Google Patents

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Abstract

Un método para la producción de hierro fundido a partir de mineral de hierro reducido previamente DRI por medio de un horno de arco eléctrico EAF, que comprende los siguientes pasos: a. preparar una carga de mineral de hierro reducido previamente DRI que tiene una metalización mayor que el 90 % y que contiene por encima del 2,8 % en peso de carbono, en donde al menos el 80 % de dicho carbono se combina con el hierro para formar carburo de hierro Fe3C, b. cargar la carga de mineral de hierro reducido previamente DRI en el horno de arco eléctrico EAF, c. fundir la carga de DRI para formar hierro fundido líquido en donde dicho hierro fundido líquido tiene un contenido real predeterminado de carbono, dicho contenido real de carbono del hierro fundido que se deriva del carbono en la carga de mineral de hierro reducido previamente DRI, el método que excluye expresamente la adición de carbono tanto en la cámara de fundición como posteriormente, y en donde el paso c. se lleva a cabo en una atmósfera de reducción y en una cámara de fundición del horno de arco eléctrico EAF sometido a una presión interna positiva generada por los gases producidos por las reacciones de reducción que se desarrollan en el paso c.

Description

DESCRIPCIÓN
Método para la producción de hierro fundido
Campo técnico
La presente invención se refiere a un método para la producción de hierro fundido según el preámbulo de las reivindicaciones independientes adjuntas relativas.
El campo técnico al que se refiere la invención es, por lo tanto, el de la producción de hierro y acero, en el que se usan ampliamente materiales ferrosos tales como hierro fundido.
Técnica conocida
En el campo de referencia, el término “hierro fundido” indica una variedad de materiales ferrosos generalmente producidos en altos hornos, que contienen al menos 92 % (en peso) de Hierro y 2,1 % (en peso) de Carbono y trazas de otros elementos; con el tiempo, el hierro fundido ha llegado a ser un auténtico “producto básico” en la industria siderúrgica como fuente de hierro metálico para la producción de aceros de alta calidad.
De hecho, el hierro fundido se usa en hornos eléctricos (a los que se hace referencia en lo sucesivo como EAF), para proporcionar ciertas cantidades de hierro necesarias para contrarrestar los elementos no deseados contenidos en los desechos de acero que normalmente se introducen en EAF: el hierro fundido, de hecho, ayuda a diluir elementos residuales tales como cobre y estaño presentes en pequeñas cantidades en los desechos; el hierro fundido también contribuye a minimizar los niveles de nitrógeno del hierro derretido en los EAF.
El hierro fundido también se usa en lugar de otros materiales de hierro metálico, tales como desechos de acero de alta calidad o mineral de hierro reducido previamente (también conocido como DRI, Hierro de Reducción Directa). El hierro fundido es un material ferroso con un alto contenido de carbono que normalmente se funde en lingotes de 200 mm x 100 mm x 50 mm u otras formas de lingotes.
El hierro fundido se produce generalmente en altos hornos, pero también se conocen otros procesos para producir hierro derretido con un alto contenido de carbono.
Hay tres categorías principales de hierro fundido:
- hierro fundido básico, usado para la fabricación de acero,
- hierro fundido gris para la producción de piezas fundidas (también llamado lamelar),
- hierro fundido nodular (o esferoidal) usado para la producción de piezas fundidas de alta resistencia a la tracción. Estas categorías de hierro fundido difieren principalmente en el contenido de silicio y fósforo.
Un análisis típico de las categorías de hierro fundido indicadas anteriormente se representa en la Tabla 1 a continuación:
Figure imgf000002_0001
Como ya se ha mencionado, un método para la producción de hierro fundido es el de los altos hornos; los detalles sobre este aspecto no se describen en la presente memoria, ya que la fabricación de hierro fundido en altos hornos es un proceso bien conocido por los expertos en el campo.
No obstante, como es sabido, los altos hornos tienen ciertos límites: requieren coque, tienen ciclos de producción relativamente largos y, sobre todo, generan altas emisiones de CO2 , que requieren un control cuidadoso y dispositivos producidos específicamente para cumplir con las restricciones de las regulaciones medioambientales que están llegando a ser cada vez más estrictas.
Además, las cantidades de producción de hierro fundido de alto horno son extremadamente difíciles de regular: de hecho, detener el alto horno a menudo, si no siempre, implica la sustitución completa de su material refractario, con todo lo que conlleva; el resultado es por lo tanto que es difícil o extremadamente antieconómico producir cantidades limitadas de hierro fundido.
Se han desarrollado diversas soluciones para resolver parcialmente estos inconvenientes.
La patente de EE.UU. 1.686.075, por ejemplo, describe un proceso para producir hierro fundido sintético por medio de un proceso de reducción dentro de un rango de temperatura de 900°- 1200 °C produciendo el llamado hierro esponja. El hierro esponja se libera de su ganga mediante separación magnética; se le añade un material carbonoso y se funde en un horno eléctrico en condiciones ácidas a una temperatura que oscila entre 1100 °C a 1300 °C. Se añaden cantidades adecuadas de silicio, manganeso y otros elementos al baño fundido para obtener la composición deseada. Un límite de esta solución está vinculado al hecho de que se requiere una operación adicional para la adición de material carbonoso, con el consiguiente aumento de la energía usada en el proceso.
Una solución adicional se describe en la patente de EE.UU. 3.165.398, que describe un proceso para fundir hierro esponja en donde la temperatura de fusión se reduce gradualmente añadiendo material carbonoso en polvo. La carga se remueve lenta y continuamente mediante la rotación del horno de fundición. También en este caso, por lo tanto, existe la adición separada de carbono al hierro esponja en la fase de fundición, con sustancialmente los mismos límites que los descritos anteriormente; además, la presencia de remover de manera continua en el horno crea límites adicionales que se derivan de la necesidad de tener que proporcionar recursos específicamente adecuados para el propósito.
La patente de EE.UU. 4.661.150 describe un método y aparato para producir hierro fundido líquido en un horno eléctrico en el que se carga mineral de hierro reducido previamente (DRI) caracterizado por una metalización mayor que el 60 %, junto con carbono residual procedente de un proceso de reducción. No obstante, esta solución tiene sus límites debido al hecho de que la mayor parte del material carbonoso añadido al horno de fundición se consume para completar la reducción de los óxidos de hierro restantes.
Otras soluciones de la técnica anterior, tales como las descritas en la patente de EE.UU. 5.810.905 y la patente europea 0871781, describen fundir el mineral de hierro reducido previamente (DRI) en un horno de arco sumergido, lo cual es más costoso en términos de costes tanto de inversión como operativos; esta solución, no obstante, ha demostrado ser relativamente ventajosa en la medida que estos hornos funcionan con una gruesa capa de escoria sobre el fundido que hasta cierto punto protege al carbono de la oxidación. No obstante, estas soluciones usan mineral de hierro reducido previamente que tiene una metalización global baja y/o un bajo contenido de carbono o usan chatarra como fuente de hierro, lo que conlleva la desventaja de tener que introducir elementos tales como carbono, silicio y manganeso durante el paso de fundición con los costes más altos consiguientes para las ferroaleaciones y mayor duración de los ciclos de fundición del horno de fundición.
La patente europea EP1298224 describe un método de producción de hierro fundido usando DRI, usando DRI que no presenta una cantidad mínima de C en forma de Fe3C, lo que es perjudicial para la introducción eficaz de carbono en la fundición de hierro fundido.
Los documentos que no son de patente “Behavior and Benefits of High Fe3C-DRI in the EAF” de Francesco Memoli publicado en mayo de 2015 y “Point: How high carbon DRI improves EAF results” en HYLNEWS de TENOVA publicado en julio de 2014 describen el uso de DRI con una alta cantidad de carbono en forma de Fe3C, pero como material adicional en la producción de acero.
A partir de la discusión anterior surge, por lo tanto, la necesidad de un método (y un equipo relativo) para la producción eficaz de hierro fundido para la fabricación de acero o productos de fundición a partir de mineral de hierro.
Objetivos y compendio de la invención
Por lo tanto, un objetivo de la presente invención es proporcionar un método para la producción de hierro fundido que supere los inconvenientes de la técnica anterior.
Un objetivo adicional de la invención es proporcionar dicho método relativamente económico y práctico.
Otro objetivo de la invención es proporcionar dicho método que permita la producción de hierro fundido también en cantidades reducidas.
Otro objetivo más de la invención es proporcionar dicho método para producir hierro fundido a partir de DRI que contiene carbono usando un horno eléctrico de arco.
Un objetivo adicional de la presente invención es proporcionar dicho método que reduzca el impacto medioambiental en términos de emisiones de dióxido de carbono con respecto a los métodos y aparatos normalmente adoptados para este propósito.
Objetivos adicionales de la invención parecerán evidentes para los expertos en el campo, o llegarán a ser más evidentes en la descripción detallada de la invención.
Estos y otros objetivos se consiguen por medio de un método según la invención.
La idea detrás de la invención es producir hierro fundido a través de mineral de hierro reducido previamente (DRI) con un alto contenido de carbono, preferiblemente presente en forma de carburo de hierro.
Esto es ventajoso en la medida que el carbono combinado en esta forma permanece en el baño de hierro de forma energéticamente eficaz; se debe considerar que proporcionar carbono al fundido como carbono libre implica un alto coste energético para su disolución en la matriz de hierro.
Más específicamente, la invención proporciona un método para producir hierro fundido usando DRI con un alto contenido de carbono como fuente de hierro y carbono en un aparato que comprende un horno de arco eléctrico EAF para producir hierro fundido con el contenido de carbono deseado, con numerosas ventajas técnicas y económicas.
Por lo tanto, el objeto de la invención se refiere a un método según la reivindicación 1.
Las características del método se describen en detalle a continuación y se reivindican en las siguientes reivindicaciones que se deberían considerar como que son una parte integral de la presente descripción.
Breve descripción de las figuras
Las características estructurales y funcionales de la invención, y sus ventajas con respecto a la técnica conocida, serán evidentes a partir de la siguiente descripción, con referencia a la Figura 1 adjunta, que es un diagrama de bloques esquemático que ilustra una realización no limitativa de la invención que muestra las operaciones principales del método.
Con la intención de describir primero el método en sus características generales, este está destinado a la producción de hierro fundido a partir de mineral de hierro reducido previamente (DRI) usando un aparato que comprende un horno de arco eléctrico (EAF).
El término “hierro fundido” se refiere en la presente memoria y en las siguientes reivindicaciones a cualquier tipo de hierro fundido.
El método de la invención comprende de manera característica los siguientes pasos:
a. preparar una carga de mineral de hierro reducido previamente (DRI) que tenga una metalización mayor que el 90 % y que contenga por encima del 2,8 % en peso de carbono, en donde al menos el 80 % de dicho carbono se combina con el hierro para formar carburo de hierro Fe3C,
b. cargar la carga de mineral de hierro reducido previamente (DRI) en el horno de arco eléctrico (EAF),
c. derretir la carga de DRI para formar hierro fundido líquido en donde dicho hierro fundido líquido tiene un contenido objetivo predeterminado de carbono, dicho contenido real de carbono del hierro fundido que se deriva del carbono en la carga de mineral de hierro reducido previamente DRI, el método que excluye expresamente la adición de carbono tanto en la cámara de fundición como posteriormente, y
en donde el paso c. se efectúa en una condición de atmósfera de reducción y en una cámara de fusión del horno de arco eléctrico (EAF) sometido a una presión interna positiva generada por los gases producidos por las reacciones de reducción que se desarrollan en el paso c.
Un límite superior del contenido de carbono en peso de la carga de mineral de hierro reducido previamente (DRI) es preferiblemente 6,5 % en peso.
Un gran porcentaje, normalmente mayor que el 90 % en peso de carbono en la carga de mineral de hierro reducido previamente (DRI) se combina preferiblemente con el hierro en forma de carburo de hierro Fe3C; esto evita tener carbono en forma de grafito que se perdería en su mayor parte en la escoria.
En particular, el método se lleva a cabo en un aparato que implementa el método y comprende un horno de arco eléctrico (EAF) equipado con una cámara de fundición en la que los electrodos están activos.
La cámara de fundición del aparato en la que se funde la carga de DRI, se somete a una presión ligeramente positiva para impedir o en todo caso limitar la entrada de aire del exterior, evitando la oxidación del carbono presente en el baño metálico.
Según una característica opcional ventajosa, el paso a. proporciona el calentamiento de dicha carga de DRI a una temperatura mayor que 400 °C, favoreciendo totalmente el ahorro energético en el proceso de fundición.
Según otras variantes, se proporciona opcionalmente un paso adicional d., para descargar el contenido del horno EAF - aguas abajo (después) del paso c. - en una cuchara o recipiente de transferencia.
El hierro fundido líquido se solidifica entonces de la cuchara según uno de los siguientes pasos alternativos: e. granulación del hierro fundido líquido
f. fundición del hierro fundido líquido en lingotes.
El hierro fundido obtenido de este modo es hierro fundido básico, y comprende, además de hierro, los siguientes porcentajes en peso de elementos:
Carbono 2,1-4,5 %
Silicio < 1,5 %
Manganeso 0,5-1,0 %
Azufre < 0,05 %
Fósforo <0,12 %
En otras realizaciones preferidas, el hierro fundido obtenido es hierro fundido gris o hierro fundido nodular.
El hierro fundido gris producido de este modo comprende incluso más preferiblemente, además de hierro, los siguientes porcentajes en peso de elementos:
Carbono 3,5-4,5 %
Silicio 1,5-3,5 %
Manganeso 0,5-1,0 %
Azufre < 0,05 %
Fósforo <0,12 %
El hierro fundido nodular producido de este modo comprende incluso más preferiblemente, además del hierro, los siguientes porcentajes en peso de elementos:
Carbono 3,5-4,5 %
Manganeso < 0,5 %
Azufre < 0,02 %
Fósforo < 0,04 %
Haciendo referencia ahora a la figura 1, que ilustra un esquema de bloques simplificado de una realización preferida de un método para la producción de hierro fundido según la invención, 10 indica en conjunto un suministro de mineral de hierro reducido previamente (DRI).
Este último contiene un porcentaje de carbono mayor que el 2,8 % en peso, preferiblemente que oscila del 3 % al 6 % en peso, y más preferiblemente del 4 % al 5 %.
La metalización de la carga de mineral de hierro reducido previamente (DRI) es de al menos el 90 % en peso, preferiblemente al menos el 94 % en peso.
La carga de DRI se alimenta a un aparato 20 según la invención que comprende un horno de arco eléctrico, para ser fundida.
El carbono que contiene DRI se puede cargar en la cámara de fundición del aparato 20 a una temperatura que oscila desde la temperatura ambiente hasta 500 °C o más alta (preferiblemente hasta 700 °C), el consumo de energía del proceso de fundición obviamente será menor con un aumento en la temperatura de carga del DRI.
La carga se efectúa usando medios conocidos por sí mismos en la tecnología de vanguardia, por ejemplo, por gravedad, por medio de un sistema de transporte neumático, por un transportador mecánico dotado con medios para mantener una atmósfera inerte en contacto con el DRI caliente, o en recipientes aislados térmicamente (no mostrados en la medida que son conocidos en la técnica).
La carga de DRI se funde entonces en el EAF a una temperatura al menos mayor que 1350 °C, preferiblemente que oscila de 1400 °C a 1550 °C.
Una vez que se haya completado el proceso, los contenidos del horno se descargan (derivan) (véase 26) del EAF. Se debería observar que el contenido de carbono en el material de carga (DRI) ya está cerca del contenido objetivo del hierro fundido a ser producido.
En un aspecto no cubierto por el alcance de las reivindicaciones, el contenido de carbono se puede ajustar opcionalmente mediante la adición de un material carbonoso adicional.
En tal aspecto no cubierto por el alcance de las reivindicaciones, este material carbonoso 24 se mezcla con el DRI directamente en la cámara de fundición del aparato.
En tal aspecto no cubierto por el alcance de las reivindicaciones, el material carbonoso 24 que se puede usar es, por ejemplo, pero no exclusivamente, carbono, coque, grafito o mezclas de los mismos.
En un segundo aspecto fuera del alcance de las reivindicaciones, alternativamente a o combinado con el primer aspecto, el material carbonoso 30 se mezcla posteriormente con el DRI fundido, por ejemplo, en una cuchara de transferencia 28.
En tal aspecto no cubierto por el alcance de las reivindicaciones, el material carbonoso 30 que se puede usar es, por ejemplo, pero no exclusivamente, carbono, coque, grafito o mezclas de los mismos.
En ambos de los aspectos anteriores que no están cubiertos por el alcance de las reivindicaciones, estas adiciones son opcionales y solamente son necesarias cuando el contenido de carbono objetivo del hierro fundido a ser producido excede el contenido de carbono del DRI.
El contenido de carbono del DRI es igual al contenido de carbono objetivo del hierro fundido a ser producido, por lo que el método excluye expresamente la adición de carbono tanto en la cámara de fundición como posteriormente. Según la invención, el contenido de carbono en la carga de DRI se combina en la misma con hierro, preferiblemente en su mayor parte en forma de carburo de carbono Fe3C. El carbono combinado proporciona una serie de ventajas en el horno de arco eléctrico (EAF) con respecto al uso de carbono “libre” que se puede añadir en forma de hollín, carbón, coque, grafito: el hollín, de hecho, se arrastra fácilmente por los gases calientes durante la fase de fundición del DRI, el carbón aporta numerosas impurezas, entre las que el azufre que se debe controlar y eliminar en la composición final del hierro fundido, el coque tiene un alto coste y el grafito, como carbono de alta pureza, es incluso más caro.
Por lo tanto, es evidente que el uso del contenido de carbono en DRI como carburo de carbono Fe3C es económicamente conveniente para la producción de un producto básico tal como el hierro fundido.
El paso de colada 26 del hierro fundido líquido obtenido de este modo se ajusta a una temperatura es tal que tenga un cierto grado de sobrecalentamiento, preferiblemente que oscila de 1400 °C a 1550 °C, también en relación con el punto de fusión de la escoria que se espera sea producida.
De esta forma, puede haber suficiente tiempo en la cuchara de transferencia 28 para ajustar la composición final deseada para cumplir con el análisis químico predeterminado del hierro fundido en vista de su uso final.
También se pueden introducir opcionalmente ferroaleaciones o escarificadores 30 en la cuchara de transferencia 28 que contiene hierro fundido líquido.
Dichas ferroaleaciones o escarificadores son conocidos en sí mismos en la tecnología de vanguardia y en consecuencia no se hará referencia adicional en la presente memoria a los mismos.
El hierro fundido líquido 32 se descarga entonces de la cuchara de transferencia 28 y se vierte en recipientes de formación 34 en forma de lingotes 36, o se puede granular a través de procesos conocidos en la técnica, formando de este modo el hierro fundido final.
Por lo tanto, se han logrado los objetivos de la presente invención.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un método para la producción de hierro fundido a partir de mineral de hierro reducido previamente DRI por medio de un horno de arco eléctrico EAF, que comprende los siguientes pasos:
a. preparar una carga de mineral de hierro reducido previamente DRI que tiene una metalización mayor que el 90 % y que contiene por encima del 2,8 % en peso de carbono, en donde al menos el 80 % de dicho carbono se combina con el hierro para formar carburo de hierro Fe3C,
b. cargar la carga de mineral de hierro reducido previamente DRI en el horno de arco eléctrico EAF,
c. fundir la carga de DRI para formar hierro fundido líquido
en donde dicho hierro fundido líquido tiene un contenido real predeterminado de carbono, dicho contenido real de carbono del hierro fundido que se deriva del carbono en la carga de mineral de hierro reducido previamente DRI, el método que excluye expresamente la adición de carbono tanto en la cámara de fundición como posteriormente, y en donde el paso c. se lleva a cabo en una atmósfera de reducción y en una cámara de fundición del horno de arco eléctrico EAF sometido a una presión interna positiva generada por los gases producidos por las reacciones de reducción que se desarrollan en el paso c.
2. El método según la reivindicación 1, en donde dicha carga de mineral de hierro reducido previamente DRI contiene hasta un 6,5 % en peso de carbono.
3. El método según una o más de las reivindicaciones anteriores, en donde sustancialmente el 100 % de dicho carbono en la carga de mineral de hierro reducido previamente DRI se combina con hierro en forma de carburo de hierro Fe3C.
4. El método según una o más de las reivindicaciones anteriores, en donde el paso a. proporciona que dicha carga de DRI se cargue en el horno a una temperatura mayor que 400 °C.
5. El método según una o más de las reivindicaciones anteriores, en donde se proporciona un paso adicional d. descargar el contenido del horno EAF aguas abajo del paso c. en una cuchara o recipiente de transferencia.
6. El método según una o más de las reivindicaciones anteriores, en donde se proporciona el siguiente paso e. granulación del hierro fundido líquido
o un paso
f. fundición del hierro fundido líquido en lingotes.
7. El método según una o más de las reivindicaciones anteriores, en donde el hierro fundido es hierro fundido gris o hierro fundido nodular.
ES17733740T 2016-05-31 2017-05-29 Método para la producción de hierro fundido Active ES2908128T3 (es)

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