ITRM960551A1

ITRM960551A1 - Procedimento per la produzione diretta di ghisa a partire da materiale ferrifero ed apparecchiatura idonea per l'esecuzione di tale proce=

Info

Publication number: ITRM960551A1
Application number: IT96RM000551A
Authority: IT
Inventors: Cesare Alessandro De; Giansilvio Malgarini; Paolo Granati; Giuseppe Federico
Original assignee: Sviluppo Materiali Spa
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 1998-01-31
Also published as: ITRM960551A0; EP0915992B1; DE69701703T2; DE69701703D1; ES2147454T3; US6146440A; EP0915992A1; IT1284200B1; WO1998004751A1

Description

DESCRIZIONE dell'Invenzione industriale dal titolo.· "PROCEDIMENTO PER LA PRODUZIONE DIRETTA DI GHISA A PARTIRE DA MATERIALE FERRIFERO ED APPARECCHIATURA IDONEA PER L'ESECUZIONE DI TALE PROCEDIMENTO"

La presente invenzione si riferisce ad un procedimento ed una apparecchiatura per la produzione diretta di ghisa e, più precisamente, ad un procedimento ed una apparecchiatura per la produzione di ghisa a partire da materiale contenente ferro (d'ora in avanti indicato anche come "ferrifero") con varia granulometria e in vari stati di ossidazione.

Procedimenti per la produzione indiretta della ghisa a partire da carbone cokeficato e da materiale ferrifero sottoposto a processi di agglomerazione sono noti e sperimentati e rappresentano attualmente l'unico procedimento industriale per la produzione della ghisa con capacità produttiva superiore a un milione di tonnellate annue .

Procedimenti per la produzione diretta di ghisa a partire da carbone non cokeficato e da materiale contenente ferro non sottoposto a processi di agglomerazione, entrambi a granulometria fine, sono noti solo a livello di sperimentazione pilota.

In particolare, sono noti procedimenti che comprendono due fasi.

Una prima fase di pre-riduzione e preriscaldo fino all'eventuale fusione di materiali contenenti ferro, che avviene in una camera sostanzialmente cilindrica, ove il materiale contenente ferro viene convogliato all'interno tramite una molteplicità di ugelli ed in un modo tale da conferirgli un moto rotazionale lungo la parete della camera, aumentando così il tempo di permanenza a contatto con un gas riducente quale, ad esempio, ossido di carbonio proveniente dalla camera inferiore.

Ed una seconda fase, di riduzione finale del preridotto ottenuto nella prima camera, che avviene in una seconda camera sottostante la prima ed in comunicazione con quest'ultima e normalmente chiamata convertitore, ove vengono immessi un combustibile, quale ad esempio carbone fine ed un comburente, quale ad esempio ossigeno, per dare origine a gas riducente e caldo, capace di ridurre il composto proveniente dalla prima camera di preriduzione già allo stato fuso con invio del gas prodotto nella prima camera per effettuare la preriduzione ed il preriscaldamento.

Nella prima camera l'energia richiesta dalle reazioni chimiche e trasformazioni fisiche che avvengono è fornita dalla postcombustione del gas riducente, generato dalla gassificazione del carbone, con l'ossigeno iniettato nel convertitore e quello legato al minerale di ferro.

Secondo una metodologia facente parte dello stato della tecnica è previsto l'utilizzo di una lancia centrale per l'immissione nella seconda camera (convertitore) di combustibili e ossigeno.

L'uso della lancia centrale nel convertitore riduce l'uniformità della distribuzione di carbone ed ossigeno rispetto alla superficie totale del bagno metallico a cui sono destinate queste materie prime.

Inoltre secondo una metodologia prevista dalla domanda di brevetto europeo n° EP 0 690136, la soluzione della lancia centrale può presentare problemi nelle operazioni di lunga durata del ciclone; infatti tale lancia può rappresentare una superficie di ostacolo all'uniforme svolgimento delle reazioni chimiche e una superficie di inizio di depositi con conseguente parziale occlusione della sezione di lavoro.

Pertanto, nonostante i progressi finora conseguiti in questo campo, rimangono sostanzialmente ancora insoluti i problemi inerenti ai procedimenti per la produzione diretta ed in continuo di ghisa a partire da ferrifero, ed alla individuazione di apparecchiature, idonee per l'esecuzione di tale procedimenti, in grado di offrire elevata flessibilità produttiva.

Scopo della presente invenzione è fornire un procedimento per la produzione diretta ed in continuo di ghisa ed una apparecchiatura idonea alla sua esecuzione, la quale non preveda l'utilizzo di lance centrali, e sia in grado di garantire elevata flessibilità produttiva.

Questi obiettivi sono raggiunti dalla presente invenzione mediante l'utilizzo di lance laterali per iniettare carbone, fondenti ed ossigeno nel convertitore .

Infatti in tal modo si realizzano maggiori uniformità di distribuzione dei detti materiali sulla sezione del convertitore, più efficienti condizioni di agitazione della scoria aumentando in tal modo le cinetiche di riduzione e l'efficienza di scambio termico tra scoria/bagno/gas, ed una maggiore flessibilità nei valori di postcombustione realizzabili nel convertitore.

Oggetto della presente invenzione è un procedimento per la produzione diretta di ghisa a partire da ferrifero in una apparecchiatura avente due camere comunicanti per l'esecuzione del procedimento, comprendente le seguenti operazioni:

preriduzione e preriscaldo fino all'eventuale inizio di fusione del ferrifero in una prima camera sostanzialmente cilindrica;

riduzione finale, carburazione e fusione del ferro in una seconda camera disposta inferiormente a detta prima camera, ove carbone ed ossigeno, iniettati in detta seconda camera, forniscono il gas riducente sia in detta seconda sia in detta prima camera,

caratterizzato dal fatto di:

- introdurre in detta prima camera, attraverso le sue pareti laterali, detto ferrifero ed ossigeno contemporaneamente ma in modo separato; ed

- introdurre in detta seconda camera, attraverso le sue pareti laterali ed in maniera inclinata verso il basso e verso il centro di detta seconda camera, detto ossigeno, carbone e fondenti contemporaneamente ma in modo separato.

Inoltre la presente invenzione fornisce una apparecchiatura per la produzione diretta di ghisa a partire da ferrifero, caratterizzata dal fatto di comprendere :

una prima camera conformata in maniera sostanzialmente cilindrica;

- mezzi di alimentazione di ferrifero a detta prima camera;

- primi mezzi di alimentazione di ossigeno a detta prima camera;

una seconda camera, conformata in maniera sostanzialmente cilindrica, di diametro maggiore della prima, disposta inferiormente e comunicante con detta prima camera attraverso un raccordo troncoconico ;

secondi mezzi di alimentazione di ossigeno a detta seconda camera,·

- mezzi di alimentazione di combustibile e fondenti a detta seconda camera

- terzi mezzi di alimentazione di ossigeno a detta seconda camera; e

- un condotto di uscita di gas collegato con la parte superiore della detta prima camera.

L'unica figura annessa mostra una assonometria di una apparecchiatura secondo la presente invenzione .

Si è data finora della presente invenzione una descrizione di carattere generale. Con l'aiuto di un esempio verrà ora fornita una descrizione dettagliata di una forma di realizzazione dell'invenzione finalizzata a farne meglio comprendere scopi, caratteristiche, vantaggi e modalità operative.

ESEMPIO

L'apparecchiatura è costituita da un primo corpo cilindrico 1 e da un secondo corpo cilindrico 2 disposto inferiormente al primo corpo 1 e collegato a quest'ultimo tramite un raccordo troncoconico 3. Il corpo cilindrico 1 è collegato superiormente ad un condotto di- uscita 4 (parzialmente illustrato nella figura) destinato a convogliare verso l'esterno i gas prodotti durante il processo.

Per semplicità, di seguito il primo corpo cilindrico 1 verrà indicato come "ciclone" ed il secondo corpo cilindrico 2 verrà indicato come "convertitore" .

Il ciclone 1 presenta due livelli di iniezione, uno di minerale di ferro ed uno di ossigeno .

Con riferimento alla figura, l'iniezione avviene tramite iniettori equidistanziati tra loro, dei quali due {5 e 6) sono indicati nella stessa figura .

Sottostante alla parte troncoconica 3 si trova il convertitore, ove avviene la riduzione finale a ferro del minerale di ferro preridotto nel ciclone, come pure la carburazione e fusione del ferro prodotto. Nel convertitore è prevista l'iniezione di carbone fine, fondenti e ossigeno (per chiarezza di seguito detto "primario") mediante più tubiere 8, individuate in numero e posizione in funzione delle dimensioni del convertitore (solo due delle quali sono mostrate- in figura). Il livello delle tubiere corrisponde a un posizionamento adeguato sopra la ghisa liquida con l'obiettivo di evitare la riossidazione del bagno e ottenere una elevata postcombustione .

Inoltre è prevista, mediante l'utilizzo di lance 7 inclinate verso il basso, l'iniezione di ossigeno supplementare (per chiarezza di seguito detto "secondario") ad un livello superiore a quello delle tubiere 8, per la postcombustione del gas .

Con lo scopo di migliorare gli scambi termici e di massa, dal fondo del convertitore è prevista l'entrata di gas di agitazione tramite tappi porosi {non mostrati in figura).

La ghisa liquida, insieme con la scoria, è quindi spillata dal condotto 9.

Le caratteristiche della forma di realizzazione della apparecchiatura secondo l'invenzione utilizzata in questo esempio sono indicate nella seguente tabella.

Tabella 1

L'utilizzazione di questa apparecchiatura consente il miglioramento dell'emulsione tra carbone, gas, scoria e metallo liquido con conseguente miglioramento degli scambi termici tra fase gassosa (CO, H2 prodotto dalla gassificazione parziale del carbone) e bagno metallico, e degli scambi di massa tra preridotto, ghisa liquida e gas .

Il procedimento è caratterizzato da due stadi principali che avvengono separatamente nelle due camere del reattore e che sono:

preriduzione e preriscaldo fino all'eventuale inizio di fusione di ferrifero nel ciclone; e

- riduzione finale, carburazione e fusione a ghisa liquida del preridotto nel convertitore.

Nel ciclone viene immesso il minerale di ferro (o ferrifero) insieme al gas vettore che serve per il trasporto. Contemporaneamente, nel ciclone viene insufflato ossigeno.

Inoltre, nel ciclone entra anche un gas proveniente dal convertitore sottostante.

Questo gas è composto da CO, C02, H2, H20 e N2 e ha una temperatura di 1G00 -1800 °C.

Il CO ed il H2 del gas riducono parzialmente il ferrifero (preriduzione), mentre tutto il gas contribuisce al suo preriscaldamento.

L'ossigeno insufflato nel ciclone reagisce col gas proveniente dal convertitore. Questa combustione serve a fornire l'energia per sostenere la reazione di riduzione e a favorire il preriscaldamento del ferrifero.

Le entità della preriduzione e del preriscaldamento sono misurate da due parametri fondamentali del processo:

a) il grado di preriduzione (Pre-Reduction Degree, PRD) e

b) la temperatura del preridotto.

Esprimendo l'ossido di ferro del preridotto come FeOx, il PRD è definito come:

PRD = (1 - x/l,5) X 100

dove:

Il ferrifero preridotto e preriscaldato, allo stato semifuso, passa per caduta libera nel convertitore .

È da tenere presente che non tutto il ferrifero viene preridotto. Una parte viene trascinata fuori dal ciclone dal gas che esce dall'impianto tramite il condotto di uscita (4).

Nel convertitore sono presenti un bagno di ghisa liquida e una fase di scoria liquida sopra la ghisa .

La riduzione finale del preridotto avviene nella fase scoria. La riduzione avviene per opera di carbone fine iniettato direttamente nella scoria e per opera del CO che si produce sia dalla reazione di riduzione sia dalla gassificazione diretta del carbone.

Le reazioni che portano alla riduzione finale di FeO a Fe possono essere schematizzate come segue :

(I)

(II)

(III)

La reazione (III) di gassificazione del carbonio è conseguenza dello stabilirsi dell'equilibrio chimico, fra i prodotti ossidati e ridotti del ferro e del carbonio all'interfaccia metallo liquido-scoria .

In seguito a questo equilibrio e quindi alla presenza di C02 si ha nella fase scoria la postcombustione primaria.

Insufflando ossigeno nel convertitore tramite le lance superiori 7 si ha la postcombustione secondaria che serve a fornire energia per le riduzioni del ferrifero e per mantenere la temperatura dei prodotti fusi a livelli opportuni.

Le postcombustioni sono realizzate insufflando ossigeno, attraverso le pareti laterali del convertitore, nella scoria sovrastante il bagno metallico.

Tale iniezione avviene radialmente su due livelli, nel primo livello attraverso tubiere (8) dotate di ugelli concentrici coassiali nella cui parte interna viene alimentata la miscela solida di carbone fine e fondenti, e nel secondo livello attraverso lance (7) posizionate ad un livello superiore .

Tale disposizione assicura l'introduzione di ossigeno nel convertitore verso la superficie superiore a quella del bagno di metallo fuso ed in corrispondenza della scoria ad esso sovrastante, evitando in tal modo l'interazione tra getto d'ossigeno e bagno metallico.

I parametri che descrivono la postcombustione sono il rapporto di postcombustione (PCR, Post Combustion Ratio) primario e secondario, ove il PCR è definito come il rapporto delle concentrazioni delle specie chimiche ossidate sulle specie chimiche ossidate e ridotte del gas:

L'energia prodotta come calore dalla postcombustione del gas viene ceduta con un certo grado di efficienza alle fasi liquide dove è richiesta .

Il grado di efficienza del trasferimento di energia è detto efficienza di trasferimento termico (HTE, Heat Transfer Efficiency) dove l'HTE è:

I meno il rapporto tra il sovrappiù di energia rimasto al gas dopo la combustione e tutta l'energia cedibile come calore.

Il gas prodotto dalla riduzione finale e dalle due postcombustioni esce dal convertitore, entra nel ciclone dove effettua la preriduzione e il preriscaldamento del ferrifero.

Le frazioni di ferrifero e carbone, che non reagiscono, formano la fase scoria (porzione sovrastante schiumosa e porzione sottostante compatta) che galleggia sopra la ghisa.

La quantità della scoria, che influenza la cinetica di riduzione, e la qualità della stessa, che influenza la composizione della ghisa e l'attacco ai refrattari, è controllata tramite l'aggiunta nel convertitore di specifici fondenti quali CaO e MgO.

Dal fondo dello convertitore e' prevista l'entrata di gas di agitazione quale, ad esempio, azoto tramite tappi porosi.

Verrà qui di seguito fornito un esempio di realizzazione del procedimento di produzione diretta di ghisa a partire da ferrifero e della apparecchiatura idonea per l'esecuzione di tale procedimento. Le specifiche della forma di realizzazione del procedimento secondo l'invenzione ed utilizzate nell'esempio sono riassunte nella seguente tabella.

Tabella 2

In Tabella 3 vengono indicati i materiali (kg/h per i solidi, Nm<3>/h per i gas e temperature in °C) immessi, mentre in Tabella 4 vengono indicati i materiali uscenti dalla apparecchiatura.

Tabella 3

Tabella 4

In Tabella 5 vengono indicate le grandezze utili per definire un corretto svolgimento del procedimento, in termini di reazioni chimiche e scambio termico.

Tabella 5

Claims

RIVENDICAZIONI 1 . Procedimento per la produzione diretta di ghisa a partire da materiale ferrifero in una apparecchiatura avente due camere comunicanti per l'esecuzione del procedimento, comprendente le seguenti operazioni: preriduzione e preriscaldo fino all'eventuale inizio di fusione di ferrifero in una prima camera sostanzialmente cilindrica,· riduzione finale, carburazione e fusione del ferro risultante in una seconda camera disposta inferiormente a detta prima camera, ove carbone ed ossigeno, iniettati in detta seconda camera, forniscono il gas riducente sia in detta seconda sia in detta prima camera, caratterizzato dal fatto di: - introdurre in detta prima camera, attraverso le sue pareti laterali detto ferrifero ed ossigeno contemporaneamente ma in modo separato,· ed - introdurre in detta seconda camera, attraverso le sue pareti laterali in maniera inclinata verso il basso e verso il centro di detta seconda camera, detto ossigeno, carbone e fondenti contemporaneamente ma in modo separato.
2. Procedimento secondo la rivendicazioni 1, in cui detto carbone ha una granulometria compresa tra 0,05 e 3 mm.
3. Procedimento secondo la rivendicazioni 2, in cui detto carbone è iniettato in detta seconda camera ad una velocità pari ad almeno 80m/s.
4. Procedimento secondo la rivendicazioni 1, in cui detto ossigeno è iniettato in detta seconda camera ad una velocità pari ad almeno 100m/s.
5. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detti fondenti hanno una granulometria inferiore a 2 mm.
6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il rapporto tra il volume di gas nella scoria e il volume totale della scoria schiumosa è almeno 0,4.
7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il rapporto tra massa di ghisa e massa di scoria è compreso tra 2,5 e 4,5.
8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il rapporto tra il Rapporto di Post-Combustione {Post Combustion Ratio, PCR) ed l'Efficienza di Trasferimento di Calore (Heat Transfer Efficiency, HTE) è compreso tra 0,3 e 0,5.
9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la potenza di agitazione del bagno è inferiore a 2,5 kW per tonnellata di ghisa.
10. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'altezza della schiuma sovrastante la scoria è almeno 2,0 volte l'altezza della scoria compatta.
11. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'ossigeno introdotto in detta seconda camera viene diretto sulla superficie superiore a quella del bagno di metallo fuso ed in corrispondenza della scoria ad esso sovrastante.
12. Apparecchiatura per la produzione diretta di ghisa a partire da materiale ferrifero, caratterizzata dal fatto di comprendere: una prima camera conformata in maniera sostanzialmente cilindrica; - mezzi di alimentazione di ferrifero a detta prima camera,· - primi mezzi di alimentazione di ossigeno a detta prima camera; una seconda camera, conformata in maniera sostanzialmente cilindrica, di diametro maggiore della prima, disposta inferiormente e comunicante con detta prima camera attraverso un raccordo troncoconico ; secondi mezzi di alimentazione di ossigeno a detta seconda camera; - mezzi di alimentazione di combustibile e fondenti a detta seconda camera; - terzi mezzi di alimentazione di ossigeno a detta seconda camera; e - un condotto di uscita di gas collegato con la parte superiore di detta prima camera.
13. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 12, in cui detti mezzi di alimentazione di materiale ferrifero a detta prima camera sono costituiti da iniettori disposti circonferenzialmente a detta prima camera e equidistanziati tra loro.
14. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 13, in cui detti iniettori di alimentazione di ferrifero sono disposti inclinati rispetto alla direzione radiale della prima camera.
15. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 12, in cui detti primi mezzi di alimentazione di ossigeno a detta prima camera sono costituiti da iniettori disposti circonferenzialmente e equidistanziati tra loro.
16. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 15, in cui detti iniettori di alimentazione di ossigeno sono disposti inclinati rispetto alla direzione radiale della prima camera.
17. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 12, in cui detti secondi mezzi di alimentazione di ossigeno a detta seconda camera sono costituiti da lance inclinate verso il basso e equidistanziate ciascuna lungo il perimetro di detta seconda camera .
18. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 17, in cui dette lance sono inclinate di un angolo compreso tra 10° e 40° circa verso il basso e rispetto al piano orizzontale.
19. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il rapporto tra altezza totale della seconda camera e diametro interno della stessa è compreso tra 1,4 e 3,2.
20. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il rapporto tra il diametro interno della prima camera e il diametro interno della seconda camera è compreso tra 0,4 e 0,8.
21. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il rapporto tra altezza della prima camera e altezza della seconda camera è compreso tra 0,4 e 1,2.
22. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il rapporto tra altezza del raccordo troncoconico e altezza della seconda camera è compreso tra 0,3 e 0,5.