ES2272220T3 - Procedimiento de puesta en marcha para un proceso de fusion directa. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la puesta en marcha de un proceso de fusión directa para producir hierro a partir de un material metalífero de carga en una cuba metalúrgica, comprendiendo la cuba una pluralidad de lanzas/toberas de inyección del material de carga, comprendiendo el procedimiento de puesta en marcha las etapas siguientes: (a) precalentar la cuba mediante la combustión de gas combustible y de aire en la cuba; (b) suministrar una carga de hierro fundido a la cuba y formar un baño fundido en la cuba; (c) suministrar material carbonoso y fundente al baño fundido e inyectar de un gas que contiene oxígeno a través de una o varias lanzas/toberas de inyección de material de carga y realizar la combustión del carbono y del gas derivado del baño, y calentar de esta manera el baño fundido, generar escoria y empezar a establecer una zona de transición y aumentar la presión en la cuba; y (d) cuando las condiciones predeterminadas, que comprenden cualquiera o varias de entre: temperatura del baño fundido de por lo menos 1.400ºC, concentración de carbono de por lo menos 4% en peso en el baño fundido, y niveles de poscombustión inferiores al nivel que indica la saturación del carbono del baño fundido, alcanzan un umbral predeterminado, suministrar el material metalífero de carga a la cuba mientras prosigue el suministro de material carbonoso y de fundente y la inyección de gas que contiene oxígeno y fundir material metalífero de carga y producir hierro fundido adicional.
Description
Procedimiento de puesta en marcha para un
proceso de fusión directa.
La presente invención se refiere a un proceso
para producir hierro fundido a partir de un material metalífero de
carga, tal como mineral de hierro, minerales parcialmente reducidos
y aluviones residuales que contengan metal en una cuba metalúrgica
que contiene un baño fundido.
La presente invención se refiere particularmente
a un proceso de fusión directa basado en un baño fundido, para
producir hierro fundido a partir de un material metalífero de
carga.
El término "proceso de fusión directa" se
entiende que significa un proceso que produce un metal fundido, en
este caso hierro, a partir de un material metalífero de carga.
El documento US nº 3.463.472 da a conocer un
dispositivo para la fusión continua directa de minerales a metal, y
para el refinado de dicho metal. El aparato se utiliza en un
procedimiento de puesta en marcha que comprende las etapas que
consisten en precalentar mediante quemadores de gasoil, la carga con
arrabio fundido que conteniendo carbono y silicio, e inyectar un
material carbonoso, mineral de hierro y nódulos metalizados.
La presente invención se refiere más
particularmente a un proceso de fusión directa basado en un baño
fundido que se basa en una capa de metal fundido como medio de
fusión y que generalmente se denomina proceso HIsmelt.
El proceso HIsmelt comprende las etapas
siguientes:
- (a)
- formar en una cuba metalúrgica un baño fundido que presenta una capa de metal y una capa de escoria sobre la capa de metal;
- (b)
- inyectar un material metalífero de carga y un material carbonoso sólido en la capa de metal, a través de una pluralidad de lanzas/toberas;
- (c)
- fundir el material metalífero a metal, en la capa de metal;
- (d)
- proyectar el material fundido en forma de salpicaduras, pequeñas gotas y chorros, en un espacio por encima de una superficie nominalmente inactiva del baño fundido para formar una zona de transición; e
- (e)
- inyectar en la cuba un gas que contiene oxígeno a través de una(s) lanza(s)/tobera(s) para realizar la poscombustión de los gases liberados por el baño fundido, con lo cual las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros ascendentes y a continuación descendentes de material fundido en la zona de transición, facilitan la transmisión de calor al baño fundido y de este modo se reducen al mínimo las pérdidas de calor en la zona de transición de la cuba, a través de las paredes laterales en contacto con la zona de transición.
Una forma preferida del proceso Hismelt se
caracteriza por formar la zona de transición mediante la inyección
en el baño de un gas portador de material metalúrgico de carga, de
material carbonoso sólido y, opcionalmente, de fundentes a través
de lanzas, que se extienden hacia abajo y hacia el interior a través
de las paredes laterales de la cuba, de manera que el gas portador
y el material sólido penetran en la capa de metal y hacen que el
material fundido sea proyectado desde el baño.
Esta forma del proceso Hismelt supone una mejora
con respecto a las formas anteriores del proceso, que forman la
zona de transición mediante la inyección por la parte inferior del
baño, del gas portador y del material carbonoso sólido a través de
toberas, haciendo que las pequeñas gotas, las salpicaduras y los
chorros de material fundido sean proyectadas desde el baño.
El solicitante ha realizado un exhaustivo
trabajo en la instalación piloto sobre el proceso Hismelt y ha
descubierto una serie de hallazgos significativos en relación con
el proceso.
Uno de los hallazgos, que es el objetivo de la
presente invención, consiste en proporcionar un procedimiento para
la realización del proceso Hismelt, de una manera efectiva y
eficiente.
En términos generales, la presente invención
consiste en un procedimiento para la puesta en marcha de un proceso
de fusión directa para producir hierro a partir de un material
metalífero de carga en una cuba metalúrgica, comprendiendo dicha
cuba una pluralidad de lanzas/toberas de inyección del material de
carga, y cuyo procedimiento de puesta en marcha comprende las
etapas siguientes:
- (a)
- precalentar la cuba,
- (b)
- suministrar una carga de hierro fundido a la cuba y formar un baño fundido en la cuba,
- (c)
- suministrar material carbonoso y fundente al baño fundido, e inyectar un gas que contiene oxígeno a través de una(s) lanza(s)/tobera(s) de inyección del material de carga y la combustión del carbono y del gas originado en el baño (si existe) y precalentar de este modo el baño fundido generando escoria; e iniciar el establecimiento de una zona de transición y aumentando la presión en el baño,
- (d)
- cuando las condiciones predeterminadas alcanzan un umbral predeterminado, tal como se especifica más adelante, suministrar el material metalífero de carga a la cuba mientras continúa el suministro de material carbonoso y de fundente y la inyección de un gas que contiene oxígeno y fundir el material metalífero de carga produciendo hierro fundido y completar de esta manera el procedimiento de puesta en marcha.
Preferentemente, la etapa (a) de
precalentamiento de la cuba, comprende la combustión del gas
combustible y de aire en la cuba. El término "gas combustible"
se entiende que comprende en la presente memoria, únicamente a
título de ejemplo, gas de horno de coque, gas de alto horno y gas
natural.
Preferentemente, en la etapa (c), el suministro
de material carbonoso y/o de fundente se realiza a través de
una(s) lanza(s)/tobera(s) de inyección del
material de carga.
Preferentemente, en la etapa (d), el suministro
de material metalífero de carga se realiza a través de una o varias
lanzas/toberas de inyección del material de carga.
Preferentemente los sólidos, es decir uno o más
de uno de los materiales metalíferos de carga, el material
carbonoso y el fundente, que son suministrados a través de
una(s) lanza(s)/tobera(s) de inyección del
material de carga son inyectadas a través de la(s)
lanza(s)/tobera(s) con gas portador.
La(s) lanza(s)/tobera(s) de
inyección de sólidos pueden ser desplazables durante el transcurso
del procedimiento de puesta en marcha entre las posiciones
inferiores de funcionamiento y las posiciones elevadas
retiradas.
Como alternativa, la(s)
lanza(s)/tobera(s) de inyección de sólidos pueden
estar fijas durante el procedimiento de puesta en marcha y, a
título de ejemplo, pueden prolongarse a través de las paredes
laterales de la cuba.
En una situación en la que la(s)
lanza(s)/tobera(s) de inyección de sólidos son fijas,
la etapa (b) comprende preferentemente la inyección de gas portador
sin sólidos a través de la(s)
lanza(s)/tobera(s) de inyección de sólidos con un
caudal que impide que el metal fundido penetre en la(s)
lanza(s)/tobera(s).
Preferentemente, el procedimiento de puesta en
marcha comprende una etapa intermedia entre las etapas (b) y (c) de
inyección del gas que contiene oxígeno a través de una(s)
lanza(s)/tobera(s) de inyección de materiales antes
de iniciar la carga de material carbonoso y de fundente en la etapa
(c) con el fin de realizar la combustión del material oxidable en
el baño fundido y de este modo incrementar la temperatura del
baño.
La etapa (d) de suministro de material
metalífero de carga empieza cuando las condiciones predeterminadas
del procedimiento alcanzan un umbral predeterminado. Las condiciones
predeterminadas del procedimiento comprenden una o varias de las
siguientes:
- (i)
- la temperatura del baño fundido es de por lo menos 1.400ºC; y
- (ii)
- la concentración de carbono en el baño fundido es de por lo menos 4% en peso; y
- (iii)
- los niveles de poscombustión son inferiores a un nivel que indica la saturación del carbono del baño fundido.
Preferentemente, la cuba comprende una solera
previa, y la etapa (b) de suministro de la carga de hierro fundido
a la cuba comprende el suministro de la carga a través del
antecrisol.
Preferentemente, la etapa (a) de
precalentamiento comprende la colocación de una tapa en el
antecrisol para reducir al mínimo las pérdidas de calor a través de
el antecrisol.
Preferentemente, el procedimiento de puesta en
marcha comprende la limpieza del la cuba antes de la etapa (a) de
precalentamiento para eliminar la escoria de la cuba.
Preferentemente, la cuba comprende unos paneles
refrigerados por agua que forman parte, por lo menos, de las
paredes laterales de la cuba, y el procedimiento de puesta en marcha
comprende la pulverización de un material refractario moldeable
sobre los paneles, antes de la etapa (a) de precalentamiento para
reducir las pérdidas iniciales de calor en los paneles durante el
procedimiento de puesta en marcha.
Preferentemente, el material refractario
moldeable es una espinela de alto contenido en alúmina.
Preferentemente, el procedimiento de puesta en
marcha comprende la conexión de prolongaciones en los extremos de
las lanzas/toberas de inyección de sólidos antes de la etapa (a) de
precalentamiento, para aumentar la efectividad de la inyección de
sólidos durante el procedimiento de puesta en marcha cuando el nivel
del baño fundido es relativamente bajo. Las prolongaciones están
realizadas preferentemente en un material que se funde en el baño
fundido a medida que el nivel del baño fundido aumenta y sumerge
progresivamente las prolongaciones.
Preferentemente, el hierro fundido suministrado
en la etapa (b) comprende por lo menos 3% de su peso de carbono.
Preferentemente, el hierro fundido suministrado
en la etapa (b) comprende silicio y/o aluminio y/o cualquier otro
material adecuado fácilmente oxidable.
Preferentemente, la etapa (c) y la etapa
intermedia entre las etapas (b) y (c) comprenden la inyección en la
cuba de gas portador a una presión, por encima de por lo menos 100
kPa, medida en las lanzas/toberas de inyección de sólidos.
Preferentemente, el procedimiento de puesta en
marcha comprende el aumento del caudal del gas que contiene oxígeno
durante cada una de las etapas (c) y (d).
Preferentemente, la etapa (c) comprende la
inyección de un gas que contiene oxígeno a través de una(s)
lanza(s)/
tobera(s) de inyección de material de carga con un caudal de por lo menos 12.000 Nm^{3}/h.
tobera(s) de inyección de material de carga con un caudal de por lo menos 12.000 Nm^{3}/h.
Preferentemente, la etapa (d) comprende la
inyección de un gas que contiene oxígeno con un caudal de por lo
menos 20.000 Nm^{3}/h.
Preferentemente, el procedimiento de puesta en
marcha comprende la determinación de un periodo de tiempo para la
etapa (c) para controlar las concentraciones de oxígeno y/o de
monóxido de carbono y/o de dióxido de carbono en los gases de
descarga de la cuba.
Preferentemente, el procedimiento de puesta en
marcha comprende la determinación de un periodo de tiempo para la
etapa intermedia entre las etapas (b) y (c) mediante el control de
las concentraciones de oxígeno y/o de monóxido de carbono y/o de
dióxido de carbono en los gases de descarga de la cuba.
El material de la escoria, comprendiendo
posiblemente materiales de escoria de un funcionamiento anterior de
la cuba, puede ser suministrado a la cuba durante la etapa (c) para
ayudar a reducir al mínimo la excesiva oxidación del hierro en el
baño fundido durante la etapa (c), mediante la acumulación de una
capa de escoria en el
baño.
baño.
Preferentemente, el material de la escoria es
suministrado a través de una(s)
lanza(s)/tobera(s) de inyección del material de
carga.
El material metalífero de carga puede ser
cualquier material de carga que contenga hierro. El material de
carga preferido es el mineral de hierro.
El mineral de hierro puede estar
precalentado.
El mineral de hierro puede estar parcialmente
prerreducido.
En algunas situaciones, tales como cuando la
cuba está sometida a elevadas pérdidas de calor, el material
metalífero de carga puede ser una mezcla de mineral de hierro y de
un material metalífero de carga altamente reducido. En dicho caso,
el procedimiento de puesta en marcha comprende preferentemente las
etapas de reducción de la cantidad de material metalífero de carga
altamente reducido al baño fundido, sustituyendo este material
metalífero de carga con mineral de hierro, y continuando la
inyección de gas que contiene oxígeno y alcanzando unas condiciones
de estabilización del proceso.
La expresión "condiciones de estabilización
del proceso" se entiende que se refiere a que el procedimiento
funciona con un material metalífero de carga previsto y dentro de
los equilibrios previstos de calor y masa.
La definición anterior se entiende en el
contexto de que el proceso Hismelt se basa en una considerable
agitación del material fundido en la cuba y, en consecuencia, a
corto plazo el procedimiento puede estar sometido a considerables
fluctuaciones.
Preferentemente, el material metalífero de carga
altamente reducido inyectado en la etapa (d) está metalizado en por
lo menos 60%.
Más preferentemente, el material metalífero de
carga altamente reducido es hierro de reducción directa
("DRI").
Preferentemente, el gas que contiene oxígeno es
aire con hasta un 50% de oxígeno en volumen.
Según la presente invención, se da a conocer
asimismo un proceso de fusión directa que comprende el procedimiento
de puesta en marcha descrito anteriormente.
\newpage
La presente invención se describe además a
título de ejemplo haciendo referencia al dibujo adjunto que consiste
en una sección vertical a través de una forma preferida de una cuba
de fusión directa para realizar el proceso Hismelt para la fusión
directa de mineral de hierro para producir hierro fundido.
La cuba que aparece en la figura presenta un
crisol que comprende una base 3 y unos lados 55 formados por
ladrillos refractarios; unas paredes laterales 5 que forman un
cuerpo generalmente cilíndrico que se prolonga hacia arriba desde
los lados 55 del crisol y que comprende una sección superior 51 del
cuerpo y una sección inferior 53 del cuerpo; un techo 7; una salida
9 para los gases de descarga; un antecrisol 77 para la descarga de
metal fundido de manera continua una conexión 71 en el crisol que
interconecta el crisol y el antecrisol 77, y un orificio de colada
61 para la descarga de la escoria fundida.
En su utilización, bajo condiciones de
estabilidad del procedimiento, la cuba contiene un baño fundido de
hierro y escoria que comprende una capa 15 de metal fundido y una
capa 16 de escoria fundida sobre la capa de metal 15. La flecha
marcada mediante el número de referencia 17 indica la posición de la
superficie nominalmente inactiva de la capa de escoria 15 y la
flecha marcada con el número de referencia 19 indica la posición de
la superficie nominalmente inactiva de la capa de escoria 16. La
expresión "superficie inactiva" se entiende que significa la
superficie cuando no existe inyección de gas ni de sólidos en la
cuba.
La cuba comprende asimismo dos lanzas/toberas de
inyección de material de carga en forma de lanzas/toberas de
inyección de sólidos 11, que se prolongan en sentido descendente y
hacia el interior con un ángulo de 30 a 60º Con respecto a la
vertical, a través de las paredes laterales 5 y hacia la capa de
escoria 16. La posición de las lanzas/toberas 11 ha sido escogida
de manera que los extremos inferiores están por encima de la
superficie inactiva 17 de la capa de metal 15 en un procedimiento
en condiciones estabilizadas.
En su utilización, en un procedimiento en
condiciones estabilizadas, el mineral de hierro, el material
carbonoso sólido (típicamente carbón), y los fundentes (típicamente
caliza y magnesita) arrastrados por un gas portador (típicamente
N_{2}) son inyectados en la capa de metal 15 a través de las
lanzas/toberas 11. El impulso del material sólido/gas portador hace
que el material sólido y el gas penetren en la capa de metal 15. El
carbón se desvolatiliza y de este modo produce gas en la capa de
metal 15. El carbono se disuelve en parte en el metal y permanece
en parte como carbono sólido. El mineral de hierro se funde a metal
y la reacción de fusión genera monóxido de carbono en forma de gas.
Los gases transportados hasta la capa de metal 15 y generados
mediante la desvolatilización y la fusión producen un considerable
movimiento ascendente de flotación del metal fundido, del carbono
sólido y de la escoria (arrastrada a la capa de metal 15 como
consecuencia de la inyección de gas/sólido) desde la capa de metal
15, lo que genera un movimiento ascendente de salpicaduras,
pequeñas gotas y chorros de metal fundido y escoria, y estas
salpicaduras, pequeñas gotas y chorros arrastran escoria a medida
que se desplazan a través de la capa de escoria 16.
La flotación ascendente del metal fundido, del
carbono sólido y de la escoria produce una agitación sustancial en
la capa de metal 15 y en la capa de escoria 16, haciendo que aumente
de volumen la capa de escoria y presenta una superficie indicada
mediante la flecha 30. El valor de la agitación es tal que existe
una temperatura razonablemente uniforme en las partes del metal y
de la escoria,
\hbox{típicamente de 1.450 a 1.550ºC, con una
variación de temperatura de 30ºC.}
Además, el movimiento ascendente de las
salpicaduras, pequeñas gotas y chorros de metal fundido y de escoria
producido por la flotación ascendente del metal fundido, del
carbono sólido y de la escoria se extiende hacia el espacio
superior 31 por encima del material fundido en la cuba, y:
- (a)
- forma una zona de transición 23; y
- (b)
- proyecta algo de material fundido (de manera predominante escoria) más allá de la zona de transición y hacia la parte de la sección superior 51 de las paredes laterales del cuerpo 5, que está por encima de la parte de transición 23 y hacia el techo 7.
En líneas generales, la capa de escoria 16 es un
volumen líquido continuo, con burbujas de gas en su interior, y la
parte de transición 23 es un volumen gaseoso continuo con
salpicaduras, pequeñas gotas y chorros de metal fundido y de
escoria.
La cuba comprende además una lanza/tobera
adicional para el material de carga en forma de una lanza 13 para
la inyección de un gas que contiene oxígeno (típicamente aire
precalentado enriquecido en oxígeno) que está dispuesta de forma
centrada y se prolonga verticalmente en sentido descendente en el
interior de la cuba. La posición de la lanza 13 y el caudal de gas
a través de la lanza 13 han sido seleccionados de tal manera que en
unas condiciones de estabilización del proceso, el gas que contiene
oxígeno penetra en la parte central de la zona de transición 23 y
mantiene un espacio 25 esencialmente libre de metal/escoria
alrededor del extremo de la lanza 13.
En su utilización, en condiciones de
estabilización del proceso, la inyección a través de la lanza 13 del
gas que contiene oxígeno, realiza la poscombustión de los gases CO
y H_{2} de la reacción en la parte de transición 23 y en el
espacio libre 25 alrededor del extremo de la lanza 13, y genera
elevadas temperaturas de 2.000ºC o superiores en el espacio de gas.
El calor es transmitido a las salpicaduras, pequeñas gotas y
chorros ascendentes y descendentes de material fundido en la parte
de inyección del gas y el calor es transmitido a continuación
parcialmente a la capa de metal 15 cuando el metal fundido vuelve al
baño fundido.
El espacio libre 25 es importante para alcanzar
elevados niveles de poscombustión porque permite el arrastre de
gases en el espacio por encima de la zona de transición 23 hacia la
parte del extremo de la lanza 13 y de este modo aumenta la
exposición de los gases de la reacción disponibles a la
poscombustión.
El efecto combinado de la posición de la lanza
13, el caudal de gas a través de la lanza 13, y el movimiento
ascendente de las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de
metal fundido y de escoria conforma la zona de transición 23
alrededor de la parte inferior de la lanza 13, generalmente
identificada mediante el número de referencia 27. Esta parte
conformada proporciona una barrera parcial a la transmisión de calor
por radiación a las paredes laterales 5.
Además, en condiciones de estabilización del
proceso, las salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros
ascendentes y descendentes de metal y de escoria son un medio
efectivo de transmisión de calor desde la zona de transición 23 al
baño fundido, haciendo que la temperatura de la zona de transición
23 en la parte de las paredes laterales 5 esté comprendida entre
1.450ºC y 1.550ºC.
La cuba está construida con referencia a los
niveles de la capa de metal 15, de la capa de escoria 16, y a la
zona de transición 23 en la cuba cuando el proceso está funcionando
en condiciones de estabilización del proceso y con referencia a las
salpicaduras, las pequeñas gotas y los chorros de metal fundido y de
escoria que son proyectados al espacio superior 31 por encima de la
zona de transición 23 cuando el proceso está funcionando en
condiciones de estabilización del proceso, de modo que:
- (a)
- el crisol y la sección inferior 53 del cuerpo de las paredes laterales 5 que están en contacto con las capas de metal/escoria 15/16 están formadas por ladrillos de material refractario (indicado mediante el sombreado de la figura);
- (b)
- por lo menos parte de la sección inferior 53 del cuerpo de las paredes laterales 5 está respaldada por paneles refrigerados por agua 8; y
- (c)
- la sección superior 51 del cuerpo de las paredes laterales 5 y el techo 7 que están en contacto con la zona de transición 23 y el espacio superior 31 están formados por paneles refrigerados por agua 57, 59.
Cada uno de los paneles refrigerados por agua 8,
57, 59, en la sección superior 51 del cuerpo, de las paredes
laterales 5 presenta unos bordes superior e inferior paralelos y
unos bordes laterales paralelos y están curvados de manera que
definen una sección del cuerpo cilíndrico. Cada panel comprende una
tubería interior de agua de refrigeración y una tubería exterior de
agua de refrigeración. Las tuberías presentan forma de serpentín,
con secciones horizontales interconectadas mediante secciones
curvadas. Cada tubería comprende además una entrada de agua y una
salida de agua. Las tuberías están desplazadas verticalmente de
manera que las secciones horizontales de la tubería exterior no
están inmediatamente detrás de las secciones horizontales de la
tubería interior vistas desde el lado de la cara expuesta del
panel, es decir, de la cara que está expuesta al interior de la
cuba. Cada panel comprende además un material refractario apisonado
que se llena los espacios entre las secciones rectas adyacentes de
cada tubería y entre las tuberías. Cada panel comprende además una
placa de soporte que forma una superficie exterior del
panel.
panel.
Las entradas de agua y las salidas de agua de
las tuberías están conectadas a un circuito de suministro de agua
(no representado) por el que circula agua con un caudal elevado a
través de las tuberías.
El trabajo en la instalación piloto al que se ha
hecho referencia anteriormente fue realizado en forma de una serie
de campañas prolongadas por parte del solicitante en su instalación
piloto de Kwinana, Australia Occidental.
El trabajo en la instalación piloto fue
realizado con la cuba mostrada en la figura y descrito
anteriormente, y según las condiciones de estabilización del
proceso descritas anteriormente.
El trabajo en la instalación piloto evaluó la
cuba e investigó el proceso con una amplia gama de diferentes:
- (a)
- materiales de carga;
- (b)
- velocidades de inyección de sólidos y de gases;
- (c)
- cantidades de escoria, medidas en términos del espesor de la capa de escoria y de las proporciones escoria: metal;
- (d)
- temperaturas de funcionamiento; y
- (e)
- puestas a punto del aparato.
El trabajo en la instalación piloto estableció
un procedimiento preferido de puesta en marcha que funcionó de
manera efectiva y eficiente. A continuación se resume el
procedimiento preferido de puesta en marcha.
(1) Limpieza de la cuba para eliminar la
escoria del crisol, de las paredes laterales 5, y del techo 7, que
se depositó en una campaña anterior. Es importante eliminar la
escoria debido a los problemas de seguridad que podrían surgir
durante la puesta en marcha si se proyectara escoria fundida hacia y
desde el antecrisol 77. Después de limpiar la cuba, pulverizar una
espinela de elevado contenido en alúmina sobre los paneles
refrigerados para reducir las pérdidas de calor a través de los
paneles durante el procedimiento de puesta en marcha. Antes o
después de la etapa anterior, fijar las prolongaciones (no
representadas) atornillándolas o de otra forma, a las
lanzas/toberas 11 de inyección de sólidos para aumentar la longitud
efectiva de las lanzas/toberas durante el procedimiento de puesta
en marcha mientras el nivel de material fundido en la cuba es
relativamente bajo. Las prolongaciones están realizadas en acero
inoxidable o en cualquier otro material adecuado que se fundirá en
el baño fundido a medida que el nivel del baño fundido aumente y
sumerja las prolongaciones.
(2) Precalentar la cuba.
Una opción preferida de precalentamiento
consiste en realizar la combustión del gas combustible y de aire en
la cuba. En su utilización, se prefiere limitar la temperatura de
precalentamiento a 1.400ºC debido a que la temperatura de la llama
que genera estas temperaturas de precalentamiento es
considerablemente elevada y podría dañar los refractarios de la
cuba. Con el fin de mejorar la eficiencia de la transmisión del
calor, se coloca una tapa 73 y una placa de cobertura 75 que se
extiende hacia abajo sobre el antecrisol 77.
Otra opción preferida de calentamiento, en
situaciones en las que se dispone de estufas calientes, es calentar
la cuba mediante soplado con aire a través de la lanza 13
incrementando progresivamente la cantidad de aire que ha sido
precalentado utilizando las estufas hasta que todo el aire llega a
través de las estufas y a continuación suplementar el
precalentamiento en los últimos 400ºC con la utilización de un
quemador de combustible, tal como se ha descrito anteriormente.
(3) Preparar una carga de 40 a 45 toneladas
de hierro fundido que comprende un 4% en peso de carbono, un 0,75%
en peso de silicio y un 0,5% en peso de aluminio, y que esté a una
temperatura media de 1.360ºC.
(4) Detener la etapa de precalentamiento y
suministrar la carga de hierro fundido a la cuba a través de el
antecrisol 77 e inyectar nitrógeno (u otro gas portador adecuado) a
través de las lanzas/toberas 11 en la cuba a una presión de por lo
menos 100 kPa por encima de la presión de la cuba e impedir de este
modo la penetración de metal fundido en las lanzas/toberas 11;
(5) Después de suministrar la carga de
hierro fundido, continuar la inyección de nitrógeno tal como se ha
destacado en la etapa (4) e inyectar un gas que contiene oxígeno a
través de la lanza 13, con un caudal inicial de 12.000 Nm^{3}/h,
aumentando hasta 20.000 Nm^{3}/h (el caudal mínimo requerido para
la inyección de sólidos), para realizar la combustión del silicio y
el aluminio y para descarburar la carga de hierro fundido y generar
monóxido de carbono/dióxido de carbono y de este modo calentar el
baño de hierro fundido. Aumentar de manera simultánea la presión en
la cuba hasta la presión mínima requerida para inyectar sólidos
(típicamente 20 kPa). Típicamente, el tiempo requerido para esta
etapa es de 5 a 10 minutos.
(6) Una vez que la inyección del gas que
contiene oxígeno se ha estabilizado a 20.000 Nm^{3}/h, iniciar la
inyección de carbón y de fundente (típicamente caliza) a través de
las lanzas/toberas 11 con un caudal inicial de carbón de 3
toneladas/hora e iniciar el control del contenido de oxígeno y/o de
CO y/o de CO_{2} en los gases de descarga para determinar cómo
reacciona el baño. Una disminución del contenido de oxígeno y un
aumento en el contenido del CO y del CO_{2} indica que el baño
está reaccionando. Cuando está establecida esta tendencia, pueden
incrementarse los caudales del gas que contiene oxígeno y del carbón
más allá de los caudales iniciales. Los objetivos de esta etapa
consisten en (a) incrementar la temperatura y el contenido de
carbono del hierro fundido tan rápidamente como sea posible hasta
una temperatura mínima del hierro fundido de 1.450ºC y un contenido
mínimo en peso de carbono del 4,5%, (b) formar una escoria que
presenta la basicidad requerida, y (c) empezar a establecer la zona
de transición 23. Durante esta etapa, existen unas cargas de calor
muy elevadas en los paneles refrigerados por agua. Se incrementa el
caudal del gas que contiene oxígeno hasta 28.000 Nm^{3}/h. Esto
hace aumentar la presión en el interior de la cuba a
70-75 kPa. Típicamente, esta etapa dura unos 30
minutos.
(7) Una vez que la temperatura del hierro
fundido alcanza la temperatura mínima de 1.450ºC y el contenido de
carbono mínimo al 4,5% en peso, empieza la inyección de una mezcla
de finos de mineral de hierro y DRI a través de las lanzas/toberas
11 con un caudal inicial de 6 toneladas/hora, mientras prosigue la
inyección de carbón y fundente y se funde la mezcla y se produce un
caudal de hierro fundido desde el antecrisol y se genera la
poscombustión y la transmisión de calor al baño a través de la zona
de transición 23. Una vez que los niveles de la poscombustión
empiezan a aumentar, la carga de calor sobre los paneles empieza a
disminuir y puede incrementarse el caudal de la mezcla.
(8) Con el tiempo, el DRI puede ser
sustituido progresivamente por mineral de hierro parcialmente
reducido o por mineral de hierro como el material objetivo de carga
hasta el momento en que el único material de carga sea solamente el
material metalífero de carga y el procedimiento entre en el modo de
estabilización.
(9) Después de 2 a 3 horas de
funcionamiento, hay que purgar la cuba y obtener una muestra de la
escoria y determinar las condiciones del proceso.
La inyección inicial de la mezcla de finos de
mineral de hierro y DRI en la etapa (7) anterior está en función
del tamaño de la cuba y de las pérdidas caloríficas. En el caso de
la instalación piloto, en la fase inicial se producían unas
pérdidas de calor muy elevadas y fue necesaria la adición de DRI
para establecer la producción de metal. En las cubas de tamaño
industrial se supone que las pérdidas caloríficas pueden no ser tan
importantes y no ser necesaria la adición de DRI.
Claims (19)
1. Procedimiento para la puesta en marcha de
un proceso de fusión directa para producir hierro a partir de un
material metalífero de carga en una cuba metalúrgica, comprendiendo
la cuba una pluralidad de lanzas/toberas de inyección del material
de carga, comprendiendo el procedimiento de puesta en marcha las
etapas siguientes:
- (a)
- precalentar la cuba mediante la combustión de gas combustible y de aire en la cuba;
- (b)
- suministrar una carga de hierro fundido a la cuba y formar un baño fundido en la cuba;
- (c)
- suministrar material carbonoso y fundente al baño fundido e inyectar de un gas que contiene oxígeno a través de una o varias lanzas/toberas de inyección de material de carga y realizar la combustión del carbono y del gas derivado del baño, y calentar de esta manera el baño fundido, generar escoria y empezar a establecer una zona de transición y aumentar la presión en la cuba; y
- (d)
- cuando las condiciones predeterminadas, que comprenden cualquiera o varias de entre: temperatura del baño fundido de por lo menos 1.400ºC, concentración de carbono de por lo menos 4% en peso en el baño fundido, y niveles de poscombustión inferiores al nivel que indica la saturación del carbono del baño fundido, alcanzan un umbral predeterminado, suministrar el material metalífero de carga a la cuba mientras prosigue el suministro de material carbonoso y de fundente y la inyección de gas que contiene oxígeno y fundir material metalífero de carga y producir hierro fundido adicional.
2. Procedimiento de puesta en marcha según la
reivindicación 1, en el que la etapa (c) comprende el suministro de
material carbonoso y de fundente mediante la inyección de material
carbonoso y de fundente a través de una o varias lanzas/toberas de
inyección de material de carga.
3. Procedimiento de puesta en marcha, según
la reivindicación 2, que comprende la inyección de uno o varios
materiales carbonosos, fundente y material metalífero de carga con
gas portador a través de una o varias lanzas/toberas de inyección
de material de carga.
4. Procedimiento de puesta en marcha según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la etapa (d)
comprende el suministro de material metalífero de carga mediante la
inyección de material de carga a través de una o varias
lanzas/toberas de inyección de material de carga.
5. Procedimiento de puesta en marcha según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, entre las etapas (b) y
(c) que comprende la inyección de gas que contiene oxígeno a través
de una o varias lanzas/toberas de inyección de material de carga
antes de iniciar el suministro de material carbonoso y de fundente
en la etapa (c) con el fin de realizar la combustión del material
oxidable en el baño fundido para incrementar la temperatura del
baño.
6. Procedimiento de puesta en marcha según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la cuba
comprende una solera y la etapa (b) comprende el suministro de la
carga a través del antecrisol.
7. Procedimiento de puesta en marcha según la
reivindicación 6, en el que la etapa de precalentamiento (a)
comprende la colocación de una tapa sobre el antecrisol para
minimizar la pérdida de calor a través del antecrisol.
8. Procedimiento de puesta en marcha según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende la limpieza
de la cuba antes de la etapa (a) para eliminar la escoria que quedó
en la cuba a la finalización de un funcionamiento anterior del
proceso de fusión directa.
9. Procedimiento de puesta en marcha según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la cuba
comprende paneles refrigerados por agua que forman por lo menos
parte de las paredes laterales de la cuba y el procedimiento de
puesta en marcha comprende la pulverización de un material
refractario moldeable sobre los paneles antes de la etapa (a) para
reducir la pérdida inicial de calor de los paneles durante el
procedimiento de puesta en marcha.
10. Procedimiento de puesta en marcha según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el hierro
fundido suministrado en la etapa (b) comprende por lo menos 3% en
peso de carbono.
11. Procedimiento de puesta en marcha según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el hierro
fundido suministrado en la etapa (b) comprende silicio y/o aluminio
y/o cualquier otro material oxidable adecuado.
12. Procedimiento de puesta en marcha según
cualquiera de las reivindicaciones 3 a 11, en el que la etapa (c)
comprende la inyección de gas portador a una presión de por lo menos
100 kPa por encima de la presión en la cuba con el material
carbonoso y el fundente inyectados.
13. Procedimiento de puesta en marcha según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que comprende el
incremento del caudal del gas que contiene oxígeno durante cada una
de las etapas (c) y (d).
14. Procedimiento de puesta en marcha según
la reivindicación 13, que comprende la inyección de gas que contiene
oxígeno a un caudal por lo menos 12.000 Nm^{3}/h en la etapa
(c).
15. Procedimiento de puesta en marcha según
la reivindicación 13 ó 14, que comprende la inyección de gas que
contiene oxígeno a un caudal de por lo menos 20.000 Nm^{3}/h en la
etapa (d).
16. Procedimiento de puesta en marcha según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, que comprende la
determinación del periodo de tiempo para la etapa (c) mediante el
control de las concentraciones de oxígeno, y/o de monóxido de
carbono y/o de dióxido de carbono en el gas de descarga de la
cuba.
17. Procedimiento de puesta en marcha según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en el que el material
metalífero de carga comprende una mezcla de mineral de hierro y un
material metalífero de carga altamente reducido, y el procedimiento
de puesta en marcha comprende además las etapas siguientes: reducir
la cantidad del material metalífero de carga altamente reducido
suministrado al baño fundido durante un periodo de tiempo,
sustituir el material metalífero de carga altamente reducido con
mineral de hierro, y proseguir la inyección de gas que contiene
oxígeno y alcanzar unas condiciones de estabilización del
proceso.
18. Procedimiento de puesta en marcha según
la reivindicación 17, en el que el material metalífero de carga
altamente reducido inyectado en la etapa (d) está metalizado por lo
menos en un 60%.
19. Procedimiento de puesta en marcha según
la reivindicación 18, en el que el material metalífero de carga
altamente reducido es hierro reducido directamente.
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