PROCESO Y APARATO DE FUNDICIÓN DIRECTA
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con un proceso y un aparato para la producción de metal fundido (cuyo término incluye aleaciones metálicas) , en particular aunque por ningún medio exclusivamente hierro, a partir de materiales ferrosos, tales como minerales, minerales parcialmente reducidos y corrientes de desecho que contienen metal . La presente invención se relaciona en particular con un proceso de fundición directa que se basa en un baño de metal fundido y con un aparato para la producción de metal fundido a partir de un material ferroso. Un proceso conocido de fundición directa basado en un baño fundido para la producción de metal ferroso fundido es el proceso DIOS . El proceso DIOS incluye una etapa de prerreducción y una etapa de reducción de fundición. En el proceso DIOS el mineral (-8mm) se precalienta (750°C) y se prerreduce (de 10 a 30%) en lechos fluidizados usando gases de descarga de un recipiente de reducción de fundición el cual contiene un baño fundido de metal y escoria, la escoria forma una capa profunda sobre el metal. Los componentes finos (-3mm) y gruesos (-8mm) del mineral se separan en la etapa de prerreducción del proceso. Se alimentan continuamente carbón mineral precalentado y REF: 142733
mineral precalentado (por medio de dos lineas de alimentación) en el horno de reducción de fundición desde la parte superior del horno. El mineral se disuelve y forma FeO en la capa profunda de escoria y el carbón mineral se descompone en hulla residual y material volátil en la capa de escoria. Se sopla oxigeno a través de una lanza especialmente diseñada que mejora la combustión secundaria en la escoria espumada. Los chorros de oxigeno queman monóxido de carbono que se genera con las reacciones de reducción de fundición, generando de esta manera calor que se transfiere a la escoria fundida. El FeO se reduce en las interfases escoria/metal y escoria/hulla residual. El gas de agitación introducido en el baño de metal caliente desde el fondo del recipiente de reducción de fundición mejora la eficiencia de transferencia de calor y aumenta la interfase escoria/metal para reducción. La escoria y el metal se sangran periódicamente. Otro proceso de fundición directa para la producción de metal ferroso fundido es el proceso AISI. El proceso AISI incluye también una etapa de prerreducción y una etapa de reducción de fundición. En el proceso AISI los granulos de mineral de hierro precalentados y parcialmente prerreducidos, carbón mineral o coque pulverizado y fundentes se cargan por la parte superior en un reactor de fundición presurizado el cual contiene un baño fundido de
metal y escoria. El carbón mineral se desvolatiliza en la capa de escoria y los granulos de mineral de hierro se disuelven en la escoria y posteriormente se reducen por el carbón (hulla residual) en la escoria. Las condiciones del proceso dan como resultado el espumado de la escoria. El monóxido de carbono y el hidrógeno generado en el proceso experimentan una post combustión interna o justo sobre la capa de escoria para proporcionar la energia requerida para las reacciones de reducción endotérmica. El oxigeno se sopla en la parte superior a través de una lanza central, enfriada por aire y se inyecta nitrógeno a través de toberas en el fondo del reactor para asegurar una agitación suficiente para facilitar la transferencia de calor de la energia de post combustión al baño. El gas de descarga del proceso es despolvado en un ciclón caliente antes de ser alimentado a un horno tipo cuba para precalentar y prerreducir los granulos a FeO o wustita. Otro proceso de fundición directa conocido, el cual depende de una capa de metal fundido como un medio de reacción, y que generalmente se le refiere como el proceso Hlsmelt, se describe en la solicitud internacional PCT/AU96/00197 (WO 96/31627) a nombre del solicitante. El proceso Hlsmelt tal como se describe en la solicitud Internacional comprende: (a) la formación de un baño de metal fundido y escoria en
un recipiente; (b) la inyección en el baño de: (i) material metalífero de alimentación, tipicamente óxidos metálicos; y (ii) un material carbonoso sólido, tipicamente carbón mineral, el cual actúa como un reductor de los óxidos metálicos y una fuente de energia; y (c) fundición del material metalífero de alimentación a metal en la capa de metal. El proceso Hlsmelt comprende también la inyección de gas que contiene oxigeno dentro del espacio sobre el baño y la post combustión de los gases de reacción, tales como CO y H2/ liberados del baño y la transferencia del calor generado hacia el baño para contribuir a la energia térmica requerida para la fundición de los materiales metalíferos de alimentación. El proceso Hlsmelt comprende también la formación de una zona de transición en el espacio sobre la superficie nominal en reposo del baño en el cual existe una masa favorable de gotitas o salpicaduras o corrientes ascendentes y posteriormente descendentes de material fundido el cual proporciona un medio efectivo para transferir al baño la energía térmica generada por los gases de reacción de post combustión sobre el baño. El proceso Hls elt se describe en la solicitud
Internacional y se caracteriza por la formación de la zona de transición por la inyección de un gas portador, material metalífero de alimentación, y material carbonoso sólido dentro del baño a través de una sección del lado del recipiente que está en contacto con el baño y/o desde arriba del baño de tal forma que el gas portador y el material sólido penetran el baño y provocan que el material fundido se proyecte en el espacio sobre la superficie del baño . El proceso Hlsmelt descrito en la solicitud Internacional es un mejoramiento con respecto a formas anteriores del proceso Hlsmelt el cual forma la zona de transición por la inyección por el fondo de un gas y/o material carbonoso en el baño el cual provoca que se proyecten desde el baño gotitas y salpicaduras y corrientes de material fundido. El solicitante ha llevado a cabo una investigación exhaustiva y trabajo de planta piloto en procesos de fundición directa y ha hecho una serie de hallazgos significativos en relación con tales procesos. En términos generales, la presente invención proporciona un proceso de fundición directa para la producción de metales (cuyo término incluye aleaciones metálicas) a partir de material ferroso el cual incluye las etapas de :
(a) formación de un baño de metal fundido y escoria fundida en un recipiente metalúrgico; (b) inyección de materiales de alimentación los cuales son materiales sólidos y un gas portador dentro del baño fundido a una velocidad de al menos 40 m/s a través de una lanza de inyección de sólidos que se extiende hacia abajo que tiene un tubo de suministro de diámetro interno de 40-200 mm que se localiza de tal manera que el eje central de un extremo de salida de la lanza está a un ángulo de 20 a 90 grados con respecto a un eje horizontal y que genera un flujo de gas superficial de al menos 0.04 Nm3/s/m2 dentro del baño fundido (en donde m2 se relaciona con el área de una sección transversal a través del baño fundido) al menos en parte por reacciones de material inyectado en el baño los cuales ocasionan que el material fundido se proyecte hacia arriba como salpicaduras, gotitas y corrientes y formen una zona expandida de baño fundido, el flujo de gas y el material fundido proyectado hacia arriba provocan un movimiento substancial del material en el baño fundido y un fuerte mezclado del baño fundido, los materiales alimentados se seleccionan de tal manera que, en un sentido global, las reacciones de los materiales de alimentación en el baño fundido son endotérmicas; y
(c) inyección de un gas que contiene oxigeno dentro de una región superior del recipiente mediante al menos una lanza de inyección de gas oxigeno y la post combustión de gases combustibles que se liberan desde el baño fundido, mediante lo cual el material ascendente y posteriormente descendente de la zona expandida de baño fundido facilita la transferencia de calor al baño fundido. La zona expandida de baño fundido se caracteriza por una gran fracción de volumen de vacíos de gas a través del material fundido. Preferentemente la fracción de volumen de vacios de gas es al menos de 30% en volumen de la zona expandida de baño fundido. Las salpicaduras, gotitas y corrientes de material fundido se generan por el flujo de gas antes descrito dentro del baño fundido. Mientras que el solicitante no desea verse ligado a los siguientes comentarios, el solicitante cree que las salpicaduras, las gotitas y corrientes se generan por un régimen turbulento agitado a menores velocidades de flujo de gas y por un régimen de fuente a mayores velocidades de flujo de gas. Preferentemente el flujo de gas y el material fundido proyectado hacia arriba provocan un movimiento substancial de material dentro y desde el baño fundido.
Preferentemente el material sólido incluye material ferroso y/o material carbonoso sólido. La zona expandida de baño fundido antes descrita es muy diferente a la capa de escoria espumada producida en el proceso AISI antes descrito. Preferentemente la etapa (b) incluye la inyección de materiales de alimentación dentro del baño fundido de tal manera que los materiales de alimentación penetran en una región inferior del baño fundido. Preferentemente la zona expandida del baño fundido se forma en la región inferior del baño fundido. Preferentemente la etapa (b) incluye la inyección de materiales de alimentación dentro del baño fundido por medio de la lanza a una velocidad en el intervalo de 80-100 m/s. Preferentemente la etapa (b) incluye la inyección de materiales de alimentación dentro del baño fundido por medio de la lanza a una velocidad de flujo de masa de hasta 2.0 t/m2/s en donde m2 se relaciona con el área de sección transversal del tubo lanza de suministro. Preferentemente la etapa (b) incluye la inyección de materiales de alimentación dentro del baño fundido por medio de la lanza a una relación de sólidos/gas de 10-25 kg de sólidos/Nm3 de gas. Con más preferencia la relación de sólido/gas es de 10-
18 kg de sólidos/Nm3 de gas. Preferentemente el flujo de gas dentro del baño fundido generado en la etapa (b) es al menos de 0.04 Nm3/s/m2 en la superficie en reposo del baño fundido. Con más preferencia el flujo de gas en el baño fundido está a una velocidad de flujo de al menos 0.2 Nm3/s/m2. Con más preferencia la velocidad de flujo de gas es al menos de 0.3 Nm3/s/m2. Preferentemente la velocidad de flujo de gas es menor que 2 Nm3/s/m2. El flujo de gas dentro del baño fundido puede generarse en parte como resultado de la inyección por el fondo y/o por la pared lateral de un gas dentro del baño fundido, preferentemente la región inferior del baño fundido. Preferentemente el gas que contiene oxigeno es aire o aire enriquecido con oxigeno. Preferentemente el proceso incluye la inyección de aire o de aire enriquecido con oxigeno dentro del recipiente a una temperatura de 800-1400°C y a una velocidad de 200-600 m/s por medio de al menos una lanza de inyección de gas oxígeno y empujando la zona expandida de baño fundido en la región del extremo inferior de la lanza fuera de la lanza y formando un espacio "libre" alrededor del extremo inferior de la lanza que tiene una concentración de material fundido que es menor que la concentración de material fundido en la
zona expandida de baño fundido; la lanza se localiza de manera tal que: (i) un eje central de la lanza está a un ángulo de 20 a 90°C en relación con un eje horizontal; (ii) la lanza se extiende dentro del recipiente a una distancia que es al menos el diámetro externo del extremo inferior de la lanza; y (iii) el extremo inferior de la lanza es al menos 3 veces el diámetro externo del extremo inferior de la lanza por arriba de la superficie en reposo del baño fundido. Preferentemente la concentración del material fundido en el espacio libre alrededor del extremo inferior de la lanza es de 5% o menos por volumen del espacio. Preferentemente el espacio libre alrededor del extremo inferior de la lanza es un volumen semiesférico que tiene un diámetro que es al menos 2 veces el diámetro externo del extremo inferior de la lanza. Preferentemente el espacio libre alrededor del extremo inferior de la lanza no es más de 4 veces el diámetro externo del extremo inferior de la lanza. Preferentemente al menos 50%, con más preferencia al menos 60%, en volumen del oxigeno en el aire o de aire enriquecido con oxígeno se quema en el espacio libre alrededor del extremo inferior de la lanza. Preferentemente el proceso incluye la inyección de aire o de aire enriquecido con oxígeno dentro del recipiente en
un movimiento turbulento. El término "fundición" se entiende aquí que significa el procesamiento térmico en donde tienen lugar reacciones químicas que reducen el material ferroso para producir metal líquido. El término "superficie en reposo" en el contexto del baño fundido se entiende que significa la superficie del baño fundido bajo condiciones de proceso en las cuales no existe inyección de gas/sólido y por lo tanto no hay agitación del baño. Preferentemente el proceso incluye el mantenimiento de un gran inventario de escoria en el recipiente en relación con el metal ferroso fundido en el recipiente. La cantidad de escoria en el recipiente, es decir, el inventario de escoria, tiene un impacto directo en la cantidad de escoria que se encuentra en la zona expandida del baño fundido. Las características de transferencia de calor relativamente bajas de la escoria en comparación con el metal es importante en el contexto de minimizar la pérdida de calor desde la zona expandida del baño fundido a las paredes laterales enfriadas con agua y desde el recipiente a través de las paredes laterales del recipiente. Mediante un control de proceso apropiado, la escoria en la zona expandida del baño fundido puede formar una capa o
capas en las paredes laterales que agregan resistencia a la pérdida de calor desde las paredes laterales. Por lo tanto, al cambiar el inventario de escoria es posible aumentar o reducir la cantidad de escoria en la zona expandida del baño fundido y en las paredes laterales y por lo tanto controlar la pérdida de calor a través de las paredes laterales del recipiente. La escoria puede formar una capa "húmeda" o una capa
"seca" sobre las paredes laterales. Una capa "húmeda" comprende una capa solidificada que se adhiere a las paredes laterales, una capa semisólida (mineral de hierro de alta calidad), y una película líquida externa. Una capa "seca" es aquella en la que substancialmente toda la escoria está solidificada. La cantidad de escoria en el recipiente también proporciona una medida de control sobre el grado de post combustión . Específicamente, si el inventario de escoria es muy bajo habrá una mayor exposición del metal en la zona expandida del baño fundido y por lo tanto una mayor oxidación del metal y carbón disuelto en el metal y el potencial para una post combustión reducida y en consecuencia una post combustión disminuida, sin importar el efecto positivo que tiene el metal en la zona expandida del baño fundido en la transferencia hacia la capa de metal.
Además, si el inventario de escoria es muy alto la única o más lanzas/toberas de inyección de gas que contiene oxígeno se sumergirá en la zona expandida del baño fundido y esto minimiza el movimiento de los gases de reacción del espacio superior hacia el extremo de la lanza/tobera, o de cada una de las lanzas/toberas y, en consecuencia, reduce el potencial para una post combustión. La cantidad de escoria en el recipiente, es decir, el inventario de escoria, puede controlarse por medio de velocidades de sangrado del metal y la escoria. La producción de escoria en el recipiente puede controlarse variando las velocidades de alimentación de material metalífero de alimentación, de material carbonoso, y fundentes al recipiente y los parámetros de operación tales como las velocidades de inyección de gas que contiene oxígeno. Preferentemente el proceso incluye el control del nivel de carbón disuelto en el hierro fundido para que sea al menos 3 % en peso y manteniendo la escoria en una condición fuertemente reductora dando lugar a niveles de FeO de menos de 6% en peso, con más preferencia menos de 5% en peso, en la escoria. Preferentemente el material ferroso se funde a metal al menos en forma predominante en la región inferior del baño fundido. Invariablemente esta región del recipiente está en
donde debe de estar una alta concentración de metal. En la práctica, existirá una proporción del material ferroso que se funde a metal en otras regiones del recipiente. Sin embargo, el objetivo del proceso de la presente invención, y una diferencia importante entre el proceso y los procesos de las técnicas pasadas, es maximizar la fundición del material ferroso en la región inferior del baño fundido. La etapa (b) del proceso puede incluir la inyección de materiales de alimentación a través de una pluralidad de lanzas de inyección sólidos y la generación de flujo de gas de al menos 0.04 Nm3/s/m2 dentro del baño fundido. La inyección de material ferroso y de material carbonoso puede hacerse a través de las mismas lanzas o de lanzas separadas. Preferentemente el proceso incluye que el material fundido se proyecte por arriba de la zona expandida de baño fundido. Preferentemente el nivel de post combustión es al menos de 40%, en donde la post combustión se define como: [C02] + [H20] [C02] + [H20] + [CO] + [H2] en donde: [C02] = % en volumen de C02 en el gas de desprendimiento
[H20] = % en volumen de H20 en el gas de desprendimiento [CO] = % de CO en el gas de desprendimiento [H2] = % de H2 en el gas de desprendimiento La zona expandida de baño fundido es importante por dos razones: En primer lugar, el material fundido que asciende y que posteriormente desciende es un medio efectivo de transferencia al baño fundido del calor generado por post combustión de los gases de reacción. En segundo lugar, el material fundido, y particularmente la escoria, en la zona expandida del baño fundido es un medio efectivo de minimización de pérdida de calor a través de las paredes laterales del recipiente. Una diferencia importante entre la modalidad preferida del proceso de la presente invención y de los procesos de la técnica anterior es que en la modalidad preferida la región de fundición principal es la región inferior del baño fundido y la región de oxidación principal (es decir, la generación de calor) está por arriba y en una región superior de la zona expandida del baño fundido y estas regiones están espacialmente bien separadas y la transferencia de calor es por medio del movimiento físico de metal fundido y de la escoria entre las dos regiones. De acuerdo con la presente invención también se proporciona un aparato para la producción de metal a partir
de material ferroso mediante un proceso de fundición directa, cuyo aparato incluye un recipiente fijo que no se inclina el cual contiene un baño fundido de metal y escoria e incluye una región inferior y una zona expandida de baño fundido sobre la región inferior, la zona expandida del baño fundido está formada por flujo de gas de la región inferior el cual lleva material fundido hacia arriba desde la región inferior, cuyo recipiente incluye: (a) un hogar formado por material refractario que tiene una base y lados en contacto con la región inferior del baño fundido; (b) paredes laterales que se extienden hacia arriba desde los lados del hogar y que están en contacto con una región superior del material fundido y el espacio continuo de gas, en donde las paredes laterales que están en contacto con el espacio continuo de gas incluyen paneles enfriados por agua y una capa de escoria sobre los paneles; (c) al menos una lanza que se extiende hacia abajo dentro del recipiente y la inyección de gas que contiene oxígeno dentro del recipiente por arriba del baño fundido; (d) al menos una lanza que inyecta materiales de alimentación que son material ferroso y/o material carbonoso y un gas portador dentro del baño fundido a
una velocidad de al menor 40 m/s, la lanza se localiza de tal manera que un eje central de un extremo externo de la lanza está angulado hacia abajo a un ángulo de 20 a 90° con respecto a un eje horizontal, la lanza tiene un tubo de distribución para la inyección de materiales de alimentación el cual tiene un diámetro interno de
40-200 mm; y (e) un medio para el sangrado de metal fundido y escoria del recipiente. Preferentemente la lanza de inyección de material de alimentación se localiza de tal manera que el extremo de salida de la lanza está 150-1500 mm por arriba de la superficie nominal en reposo de una capa de metal del baño fundido. Preferentemente la lanza de inyección de materiales de alimentación incluye un tubo de fundición central a través del cual pasa el material de partículas sólidas; una chaqueta anular de enfriamiento que rodea al tubo de fundición central a través de una parte substancial de su longitud, cuya chaqueta define un pasaje anular interno alargado de flujo de agua dispuesto alrededor del tubo de fundición, un pasaje anular externo alargado de flujo de agua dispuesto alrededor del pasaje interno de flujo de agua, y un pasaje anular de extremo que interconecta los pasajes de flujo de agua interno y externo en un extremo
delantero de la chaqueta de enfriamiento; los medios de entrada de agua para la entrada de agua dentro del pasaje anular interno de flujo de agua de la chaqueta en una región de extremo posterior de la chaqueta; un medio de salida de agua para la salida de agua del pasaje anular externo de flujo de agua en la región de extremo posterior de la chaqueta, mediante lo cual proporciona flujo de agua de enfriamiento hacía adelante a lo largo del pasaje anular interno alargado hacia el extremo delantero de la chaqueta, después a través del medio de pasaje de flujo de extremo y hacia atrás a través del pasaje anular alargado externo de flujo de agua, en donde el pasaje anular de extremo se curva suavemente hacia afuera y hacia atrás desde el pasaje anular alargado interno hasta el pasaje anular alargado externo y el área efectiva de sección transversal para el flujo de agua a través del pasaje de extremo es menor que las áreas de flujo de sección transversal tanto de los pasajes anulares alargados interno y externo de flujo de agua. La presente invención se describe adicionalmente a manera de ejemplo con referencia a los dibujos acompañantes en los cuales: La figura 1 es una sección vertical que ilustra en forma esquemática una modalidad preferida del proceso y el aparato de la presente invención;
las figuras 2A y 2B se unen en la línea A-A para formar una sección transversal longitudinal a través de las lanzas de inyección de sólidos mostrados en la figura 1; la figura 3 es una sección transversal longitudinal alargada a través de un extremo posterior de la lanza; la figura 4 es una sección transversal alargada a ti .-vés del extremo delantero de la lanza; y la figura 5 es una sección en corte transversal en la línea 5-5 en la figura 4. La siguiente descripción está en el contexto del mineral de hierro de fundición para producir hierro fundido y se entiende que la presente invención no se limita a esta aplicación y que es aplicable a cualesquiera minerales y/o concentrados ferrosos adecuados, incluyendo minerales metálicos reducidos y materiales de reversión de desecho. El aparato de fundición directa que se muestra en la figura 1 incluye un recipiente metalúrgico denotado en forma general como 11. El recipiente 11 tiene un hogar que incluye una base 12 y lados 13 formados de ladrillos refractarios; paredes laterales 14 que forman un barril generalmente cilindrico que -,Éjtaa|£tiende hacia arriba desde los lados 13 del hogar y el cual incluye una sección de barril superior formada de paneles enfriados por agua (no mostrados) y una sección de barril inferior formada de paneles enfriados por agua (no mostrados) que tienen un revestimiento interno o
ladrillos refractarios; un techo 17; una salida 18 para gases de desprendimiento; un antehogar 19 para descargar continuamente metal fundido y un agujero de sangrado 21 para la descarga de escoria fundida. En el uso, bajo condiciones en reposo, el recipiente contiene un baño fundido de hierro y escoria el cual incluye una capa 22 de metal fundido y una capa 23 de escoria fundida sobre la capa de metal 22. El término "capa de metal" se entiende aquí que significa aquella región del baño que es predominantemente metal. Al espacio por arriba de la superficie nominal en reposo del baño fundido se le denomina de aquí en adelante como
"espacio superior". La flecha marcada por el número 24 indica la posición de la superficie nominal en reposo de la capa de metal 22 y la flecha marcada por el número 25 indica la posición de la superficie nominal en reposo de la capa de escoria 23 (es decir del baño fundido) . El término "superficie en reposo" se entiende que significa la superficie en donde no hay inyección de gas y de sólidos en el recipiente. El recipiente esté equipado con una lanza de inyección de aire caliente que se extiende hacia abajo 26 para la distribución de un chorro de aire caliente en una región
superior del recipiente y gases de reacción de post combustión liberados del baño fundido. La lanza 26 tiene un diámetro externo D en un extremo inferior de la lanza. La lanza 26 se localiza de tal manera que: (i) un eje central de la lanza 26 está a un ángulo de 20 a 90° con respecto a un eje horizontal (la lanza 26 mostrada en la figura 1 está a un ángulo de 90°); (ii) la lanza 26 se extiende dentro del recipiente a una distancia que es al menos el diámetro externo D del extremo inferior de la lanza; y (iii) el extremo inferior de la lanza 26 es al menos 3 veces el diámetro externo D del extremo inferior de la lanza por arriba de la superficie en reposo 25 del baño fundido. El recipiente está equipado también con lanzas de inyección de sólidos 27 (se muestran dos) que se extienden hacia abajo y hacia adentro a través de las paredes laterales 14 y dentro del baño fundido con extremos de salida 82 de las lanzas 27 a un ángulo de 20-70° con respecto a la horizontal para la inyección de mineral de hierro, material sólido carbonoso y fundentes arrastrados en un gas portador deficiente en oxígeno dentro del baño fundido. La posición de las lanzas 27 se selecciona de tal manera que sus extremos de salida 82 están por arriba de la superficie en reposo 24 de la capa de metal 22. Esta
posición de las lanzas 27 reduce el riesgo de daño a través del contacto con metalfundido y también hace posible enfriar las lanzas 27 mediante enfriamiento interno con agua a presión sin riesgo significativo de que el agua se ponga en contacto con el metal fundido en el recipiente. Específicamente, la posición de las lanzas 27 se selecciona de tal manera que los extremos de salida 82 están en el intervalo de 150 - 1500 mm por arriba de la superficie en reposo 24 de la capa de metal 22. Con este respecto, se nota que, mientras que las lanzas 27 se muestran en la figura 1 extendiéndose dentro del recipiente, los extremos de salida de las lanzas 27 pueden emparejarse con la pared lateral 14. Las lanzas 27 se describen con más detalle con referencia a las figuras 2-5. En el uso, el mineral de hierro, el material carbonoso sólido (típicamente carbón mineral), y fundentes (típicamente cal y magnesia) arrastrados en un gas portador (típicamente N2) se inyectan dentro del baño fundido a través de las lanzas 27 a una velocidad de al menos 40 m/s, preferentemente 80-100 m/s. El momento del material sólido/gas portador provoca que el material sólido y el gas penetren a una región inferior del baño fundido. El carbón mineral se desvolatiliza y de esta manera produce gas en la región del baño inferior. El carbón se disuelve parcialmente en el metal y permanece parcialmente como carbón sólido. El
hierro se funde a metal y la reacción de fundición genera gas monóxido de carbono. Los gases transportados dentro de la región del baño inferior y generados mediante desvolatilización y fundición producen un levantamiento de empuje de metal fundido, carbón sólido, y escoria (vertida dentro de la región de baño inferior como consecuencia de la inyección de sólido/gas) desde la región de baño inferior la cual genera un movimiento ascendente de salpicaduras, gotitas y corrientes de metal fundido y escoria, y estas salpicaduras, y gotitas, y corrientes arrastran escoria al moverse a través de una región superior del baño fundido. El flujo de gas generado por la inyección antes descrita de gas portador y reacciones del baño es al menos de 0.04 Nm3/s/m2 de la superficie en reposo del baño fundido (es decir la superficie 25) . El levantamiento de empuje de metal fundido, carbón sólido y escoria provoca una agitación substancial en el baño fundido, con el resultado de que el baño fundido se expande en volumen y forma una zona expandida de baño fundido 28 que tiene una superficie indicada por la flecha 30. El grado de agitación es tal que hay un movimiento substancial del material fundido en el baño fundido (incluyendo el movimiento de material fundido dentro y desde la región de baño inferior) y un fuerte mezclado del baño fundido hasta el grado gue existe una temperatura
razonablemente uniforme a través del baño fundido, típicamente, 1450 - 1550°C con una variación de temperatura del orden de 30° en cada región. Además, el flujo de gas ascendente proyecta algo de material fundido (predominantemente escoria) más allá de la zona expandida de baño fundido 28 y sobre la parte de la sección de barril superior de las paredes laterales 14 que está por arriba de la zona expandida de baño fundido 28 y sobre el techo 17. En términos generales, la zona expandida de baño fundido 28 es un volumen continuo de líquido, con burbujas de gas en el mismo. Además de lo anterior, en el uso, se descarga aire caliente a una temperatura de 800-1400°C a una velocidad de 200-600 m/s por medio de la lanza 26 y penetra la región central de la zona expandida de baño fundido 28 y provoca que se forme el espacio libre 29 esencialmente de metal/escoria alrededor del extremo de la lanza 26. El chorro de aire caliente a través de la lanza 26 provoca la post combustión de los gases CO y H2 en la zona expandida del baño fundido 28 y en el espacio libre 29 alrededor del extremo de la lanza 26 y genera altas temperaturas del orden de 2000°C o mayores en el espacio de gas. El calor es transferido a las gotitas de salpicadura y corrientes, ascendentes y descendentes de material fundido
en la región de inyección de gas y después el calor es transferido parcialmente a través del baño fundido. El espacio libre 29 es importante para alcanzar altos niveles de post combustión porque permite el arrastre de gases en el espacio por arriba de la zona expandida de baño fundido 28 dentro de la región de extremo de la lanza 26 y de esta manera aumenta la exposición de los gases de reacción disponibles a la post combustión. El efecto combinado de la posición de la lanza 26, la velocidad del flujo de gas a través de la lanza 26, y el movimiento ascendente de las salpicaduras, gotitas y corrientes de material fundido conforman la zona expandida del baño fundido 28 alrededor de la región inferior de la lanza 26. Esta región conformada proporciona una barrera parcial a la transferencia de calor por radiación a las paredes laterales 14. Además, las gotitas ascendentes y descendentes, las salpicaduras y corrientes de material fundido es un medio efectivo de transferencia de calor de la zona expandida de baño fundido 28 al baño fundido con el resultado de que la temperatura de la zona 28 en la región de las paredes laterales es del orden de 1450°C a 1550°C. La construcción de las lanzas de inyección de sólidos se ilustra en las figuras 2 a 5. Como se muestra en estas figuras, cada lanza 27
comprende un tubo de fundición central 31 para suministrar a través de éste el material sólido y una chaqueta de enfriamiento anular 32 que rodea al tubo de fundición central 31 a través de una parte substancial de su longitud. El tubo de fundición central 31 está formado de tubería de acero al carbón/aleado 33 a través de la mayor parte de su longitud, pero una sección de acero inoxidable 34 en su extremo delantero se proyecta como una boquilla desde el extremo delantero de la chaqueta de enfriamiento 32. La parte del extremo delantero 34 del tubo de fundición 31 se conecta a la sección de acero al carbón/aleado 33 del tubo de fundición a través de una sección corta de adaptador de acero 35 la cual está soldada a la sección de acero inoxidable 34 y conectada a la sección de acero al carbón/aleado por medio de una cuerda 36. El tubo de fundición central 31 está revestido internamente a través de la parte de extremo delantero 34 con un revestimiento cerámico delgado 37 formado por una serie de tubos de cerámica fundida. El extremo posterior del tubo de fundición central 31 está conectado a través de un acoplamiento 38 a una pieza T 39 a través de la cual se distribuye material sólido en partículas en un portador de gas de fluidización presurizado, por ejemplo nitrógeno. La chaqueta de enfriamiento anular 32 comprende una estructura anular hueca larga 41 que comprende tubos
externos e internos 42, 43 interconectados por medio de una pieza conectora de extremo delantero 44 y una estructura tubular alargada 45 la cual se coloca dentro de la estructura anular hueca 41 de tal forma que divide el interior de la estructura 41 en un pasaje anular interno alargado de flujo de agua 46 y un pasaje anular externo alargado de flujo de agua 47. La estructura tubular alargada 45 está formada por un tubo de acero al carbón largo 48 soldado a una pieza de extremo delantero de acero al carbón maquinado 49 la cual se monta en el conector de extremo frontal del 44 de la estructura tubular hueca 41 para formar un pasaje de flujo de extremo anular 51 el cual interconecta los extremos delanteros de los pasajes de flujo de agua interno y externo 46, 47. El extremo posterior de la chaqueta de enfriamiento anular 32 está provisto con una entrada de agua 52 a través de la cual el flujo de agua de enfriamiento puede dirigirse hacia el pasaje anular interno de flujo de agua 46 y una salida de agua 53 desde la cual se extrae agua del pasaje anular externo 47 en el extremo posterior de la lanza. Consecuentemente, al usar la lanza el agua de enfriamiento fluye hacia adelante abajo de la lanza a través del pasaje anular interno de flujo de agua 46 posteriormente hacia afuera y nuevamente alrededor del pasaje anular delantero 51 dentro del pasaje anular externo 47 a través del cual fluye
hacia atrás a lo largo de la lanza y fuera a través de la salida 53. Esto asegura que el agua más fría esté en una relación de transferencia de calor con el material sólido entrante para asegurar que este material no se funda o queme antes de que se descargue del extremo delantero de la lanza y permita el enfriamiento efectivo tanto del material sólido que se inyecta a través del núcleo central de la lanza así como el enfriamiento efectivo del extremo delantero como de las superficies externas de la lanza. Las superficies externas del tubo 42 y la pieza de extremo delantero 44 de la estructura anular hueca 41 están maquinadas con un patrón regular de protuberancias que se proyectan en forma rectangular 54 teniendo cada una un corte sesgado o sección transversal de cola de milano de tal manera que las protuberancias son de formación divergente hacia afuera y sirven como formaciones clave para la solidificación de escoria sobre las superficies externas de la lanza. La solidificación de escoria sobre la lanza ayuda a minimizar las temperaturas en los componentes metálicos de la lanza. Se ha encontrado en el uso que la solidificación de escoria sobre el extremo delantero o punta de la lanza sirve como una base para la formación de una tubería extendida de material sólido que sirve como una extensión de la lanza la cual protege adicionalmente a los componentes metálicos de la lanza de la exposición a las condiciones de
operación severas dentro del recipiente. Se ha encontrado que es muy importante el enfriamiento del extremo de punta de la lanza para mantener una velocidad alta de flujo de agua alrededor del pasaje de flujo de extremo anular 51. En particular es más deseable mantener una velocidad de flujo de agua en esta región del orden de 10 metros por segundo para obtener una transferencia de calor máxima. Con el objeto de maximizar la velocidad de flujo de agua en esta región, la sección transversal efectiva para el flujo de agua a través del pasaje 51 se reduce significativamente por debajo de la sección transversal efectiva tanto del pasaje anular interno de flujo de agua 46 y el pasaje externo de flujo de agua 47. La pieza de extremo delantero 49 de la estructura tubular interna 45 está conformada y colocada de tal manera que el agua que fluye desde el extremo delantero del pasaje anular interno 46 pasa a través de una sección de pasaje de flujo que se reduce internamente o de boquilla ahusada 61 para minimizar los torbellinos y perdidas antes de pasar al interior del pasaje de flujo de extremo 51. El pasaje de flujo de extremo 51 se reduce también en área de flujo efectiva en la dirección del flujo de agua para mantener la velocidad aumentada de flujo de agua alrededor de la curvatura en el pasaje y de regreso al pasaje anular externo de flujo de agua 47. De esta manera, es posible alcanzar
las altas velocidades de flujo de agua necesarias en la región de la punta de la chaqueta de enfriamiento sin caídas de presión excesivas y el riesgo de bloqueos en otras partes de la lanza. Con el objeto de mantener la velocidad de enfriamiento de agua apropiada alrededor del pasaje de extremo de punta 51 y para minimizar las fluctuaciones de transferencia de calor, es críticamente importante mantener un espaciamiento controlado constante entre la pieza de extremo delantero 49 y la estructura tubular 45 y la pieza de extremo 44 de la estructura anular hueca 41. Esto presenta un problema debido a la expansión térmica diferencial y a la contracción en los componentes de la lanza. En particular, la parte de tubo externo 42 de la estructura anular 41 se expone a temperaturas mucho mayores que la parte de tubo interno 43 de esa estructura y por lo tanto el extremo delantero de esa estructura tiende a rodar hacia adelante en la forma indicada por la linea punteada 62 en la figura 4. Esto produce una tendencia a la apertura de la separación entre los componentes 44, 49 que definen el pasaje 51 cuando la lanza se expone a las condiciones de operación dentro del recipiente de fundición. Por el contrario, el pasaje puede tender a cerrar si hay una caída en la temperatura durante la operación. Con el objeto de superar este problema el extremo posterior del tubo interno 43 de la estructura
anular hueca 41 está soportada en un montaje deslizante 63 de tal manera que puede moverse axialmente en relación con el tubo externo 42 de esa estructura, el extremo posterior de la estructura tubular interna 45 está montada también en un montaje deslizante 64 y está conectada al tubo interno 43 de la estructura 41 por una serie de tacos conectores 65 espaciados circunferencialmente de tal manera que los tubos 43 y 45 pueden moverse axialmente entre sí. Además, las piezas de extremo 44, 49 de la estructura anular hueca 41 y de la estructura tubular 45 están interconectadas positivamente por medio de una serie de pasadores espaciados circunferencialmente 70 para mantener el espaciamiento apropiado bajo la expansión térmica y los movimientos de contracción de la chaqueta de la lanza. El montaje deslizante 64 del extremo interno de la estructura tubular 45 está provista con un anillo 66 unido a una estructura de distribuidor de flujo de agua 68 la cual define la entrada 52 y la salida 53 de agua y está sellado por medio de un sello de junta tórica 69. El montaje deslizante 63 para el extremo posterior del tubo interno 53 de la estructura 41 está similarmente provista con una brida 71 sujetada a la estructura distribuidora de agua 68 y está sellada por medio de un sello de junta tórica 72. Un pistón 73 está localizado dentro de la brida 71 y conectado por medio de una cuerda 80 al extremo posterior del tubo interno
43 de la estructura 41 para cerrar una cámara distribuidora de entrada de agua 74 la cual recibe el flujo entrante de enfriamiento de la entrada 52. El pistón 73 se desliza en superficies forjadas sobre la brida 71 y esté equipado con juntas tóricas 81, 82. El sello de deslizamiento proporcionado por el pistón 73 no solamente permite movimientos del tubo interno 43 debido a la expansión térmica diferencia de la estructura 41 sino que permite también el movimiento del tubo 43 para acomodar cualquier movimiento de la estructura 41 generado por una presión excesiva de agua en la chaqueta de enfriamiento. Si por cualquier razón la presión del flujo de agua de enfriamiento se hace excesiva, el tubo externo de la estructura 41 será empujada hacia afuera y ' el pistón 73 permitirá que el tubo interno se mueva en forma concordante para liberar la presión acumulada. Un espacio interior 75 entre el pistón 73 y la brida 71 se ventea a través de un agujero de venteo 76 para permitir el movimiento del pistón y el escape de agua que se fuga mas allá del pistón. La parte posterior de la chaqueta en enfriamiento anular 32 está provista con una tubería externa de refuerzo 83 en la parte inferior de la lanza y que define un pasaje anular de agua de enfriamiento 84 a través del cual pasa un flujo separado de agua de enfriamiento por medio de una entrada de agua 85 y salida de agua 86.
Típicamente pasará agua de enfriamiento a través de la chaqueta de enfriamiento a una velocidad de 100 m3/hr a una presión de operación máxima de 800 kPa para producir velocidades de flujo de agua de 10 metros/minuto en la región de la punta de la chaqueta. Las partes internas y externas de la chaqueta de enfriamiento pueden estar sujetas a diferenciales de temperatura del orden de 200°C y el movimiento de los tubos 42 y 45 en los montajes de deslizamiento 63, 64 puede ser considerable durante la operación de la lanza, pero el área efectiva de flujo de sección transversal del pasaje de extremo 51 se mantiene substancialmente constante a través de todas las condiciones de operación. Deberá entenderse que la presente invención no está limitada de ninguna forma a los detalles de la construcción ilustrada y que muchas modificaciones y variaciones podrán caer dentro del espíritu y alcance de la presente invención.
En relación con esto se nota que la lanza de inyección de gas oxigeno puede ser parte integral y formar parte del cuerpo superior de la lanza de inyecciones de sólido. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.