RESUMEN. Palabras clave: chatarra, mineral de hierro, prerreducido, reducción directa.

Transcripción

1 COMPORTAMIENTO DE LA REDUCCIÓN DE NODULOS UTILIZANDO CARBÓN COMO AGENTE REDUCTOR ALFONSO LÓPEZ DÍAZ Y SANDRA PATRICIA PÉREZ VELÁSQUEZ Facultad de Ingeniería, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC), Av. Central del norte vía Tunja - Paipa. Correo electrónico: lopezdalfonso@gmail.com RESUMEN La obtención del acero se realiza, a partir del mineral de hierro o de la chatarra. En el primer caso el proceso tiene lugar vía alto horno - convertidor, en el segundo vía horno eléctrico de arco. Sin embargo, al horno eléctrico se pueden cargar, también, los denominados nódulos prerreducidos de minerales de hierro, materiales metálicos que pueden ser obtenidos a partir de finos de mineral de hierro (portador de la carga metálica), finos de carbón (agente reductor), finos de cal (agente desulfurante) y bentonita (aglomerante), los cuales toman una forma ovoide mediante el empleo de un disco nodulizador. El trabajo muestra la caracterización realizada a las materias primas utilizadas y los ensayos de reducibilidad efectuados a nódulos cargados en un horno tipo Linder, fabricados a partir de dos yacimientos de minerales de hierro colombianos. Analiza sus resultados, que dejan ver que efectivamente los nódulos de minerales de hierro estudiados pueden ser prerreducidos, obteniendo grados de metalización del orden del 84 al 90%. Palabras clave: chatarra, mineral de hierro, prerreducido, reducción directa. BEHAVIOR OF THE PELLETS REDUCTION USING COAL AS A REDUCING AGENT ABSTRACT The obtaining of steel is made from the iron mineral or from the scrap iron. In the first case, the process takes place via high furnace-converter; in the second one, via electrical arc furnace. Nevertheless, it is also possible to load the electrical furnace with the pre-reduced pellets of iron minerals, metallic materials that can be obtained from fines of iron mineral (which carries the metallic load), fines of coal (reducing agent), fines of lime (desulphurization agent) and bentonite (coal binder), which take the form of an ovoid by using a pelletizer disc. This project shows the characterization made to the raw materials, the conducted tests of reducibility to pellets loaded in a Linder-type furnace, made from two colombian iron mineral deposits. The results show that the pellets of iron minerals can indeed be pre-reduced to obtain metallization degrees in the range of 84 to 90%. Keywords: scrap iron, iron mineral, pre-reduced, direct reduction.

2 INTRODUCCIÓN Una de las alternativas para controlar el precio de la chatarra, es sustituirla o reemplazarla parcialmente, dando lugar a los llamados procesos de reducción directa de minerales de hierro, cuyo producto se denomina hierro de reducción directa (HRD) o (DRI) ( Leyva, 1997). El presente trabajo está orientado a la obtención de nódulos prerreducidos, con el fin de utilizar los finos que se generan tanto en la explotación y transporte, como en la preparación del mineral, y que en la actualidad, en su mayoría, se encuentran inutilizados, (Trujic y col., 2003). El desarrollo de los procesos de reducción directa de minerales de hierro, en el mundo, ha tenido un incremento permanente remplazando paulatinamente los procesos de producción de arrabio en el alto horno, por cuanto se utilizan reactores de tamaños relativamente pequeños y de bajo costo, y además, no requieren de coquerías, plantas costosas y cada vez más exigentes desde el punto de vista ambiental. En este trabajo se describe, inicialmente, la caracterización de cada uno de los minerales de hierro, objeto de estudio, frente al proceso de reducción, así como la del carbón, cal y bentonita a utilizar, así mismo, el proceso de nodulización de la materia prima. Posteriormente, se analiza el grado de reducción de dichos nódulos, obteniéndose un prerreducido de altas calidades. CARACTERIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS En los procesos de reducción directa de minerales de hierro, la calidad de las materias primas utilizadas juega un papel decisivo. MINERAL DE HIERRO Los minerales de hierro considerados en el presente trabajo, pertenecen a Ubalá (Cundinamarca) y el Uvo (Boyacá). Las técnicas empleadas y los resultados de la caracterización de finos de mineral se describen a continuación: MINERAL DE UBALÁ Es un mineral de origen hidrotermal formado principalmente por óxidos de hierro hidratados, gohetita (81.6%) y en porcentajes menores de especies como la limonita (8.6%), lepidocricita (6.2%) y hematita (2.6%). Desde el punto de vista del análisis elemental, este mineral posee un contenido de hierro total de %. En cuanto a la presencia de otros elementos químicos se puede decir que son bajos los contenidos de alumina, menores al 1%, y óxidos de calcio, magnesio y manganeso del orden de

3 0.52%, 0.08% y 3.22% respectivamente. El tenor de la sílice, es de 2.27 %. Este mineral es una buena alternativa para ser utilizado como materia prima en el proceso de reducción directa. MINERAL DEL UVO Es un mineral sedimentario como lo demuestra la presencia de arcilla ferrosa (32.3%) y el alto contenido de sílice (6.8%) y de siderita (25.4%); en porcentajes menores se encuentran especies como la hematita (6.0%) y chamoisita (4.8%). Desde el punto de vista del análisis elemental, este mineral posee un contenido de hierro total de %; en cuanto a la presencia de otros elementos químicos se puede decir que el contenido de alumina es alto 5.67%. Se presentan en menor cantidad los óxidos de calcio, magnesio y manganeso del orden de 2.80%, 0.43% y 0.21% respectivamente, presentado un alto contenido de sílice 11.77%. El mineral del Uvo, igualmente, tiene probabilidades de transformar el óxido de hierro en hierro metálico, pero presenta la desventaja de poseer un alto contenido de sílice. CARBÓN La zona del Departamento de Boyacá presenta carbones térmicos de excelentes características, con calidades superiores a los utilizados en otros países, por sus altos contenidos de carbono fijo y bajos contenidos de cenizas y azufre, resultando aptos para su utilización en el proceso de reducción (López y col., 2001) se tomo como ejemplo un carbón de Tópaga. Así mismo, se trabajo con una antracita proveniente del Departamento de Santander, con el fin de evaluar las ventajas que se pueden obtener en procesos de reducción cuando el reductor empleado presenta bajos contenidos de materia volátil y alto contenido de carbón fijo. Las técnicas empleadas para la caracterización de finos de carbón se describen a continuación: ANÁLISIS INMEDIATOS Demuestran que el carbón de Tópaga (Boyacá) es de alto rango, con un contenido de materia volátil de 34.36% y la antracita corresponde al rango de las semiantracitas con un contenido de materia volátil de 12.99%, ambos presentan igual contenido de cenizas (Tabla I)

4 Tabla I. Análisis inmediato de los carbones considerados MUESTRA TOPAGA ANTRACITA Materia volátil (%) Cenizas (%) Carbono fijo (%) Humedad (%) ANÁLISIS COMPLEMENTARIOS El índice de hinchamiento muestra que el carbón de Tópaga (2.5) es poco aglutinante, mientras que la antracita (0) no hincha ni se aglomera, siendo importante para la reducción de nódulos. Igualmente, presenta un poder calorífico más alto debido a la mayor cantidad de carbón fijo que contiene. (Tabla II). Tabla II. Análisis complementarios de los carbones considerados MUESTRA TOPAGA ANTRACITA Poder calorífico (KJ) Índice de hinchamiento Fusibilidad de cenizas (ºC) CAL El máximo porcentaje de azufre, permitido en un proceso de reducción directa, es del 2% ( Chatterjee y col., 1978). A mayor azufre, se requiere mayor cantidad de desulfurante (cal), lo cual no es conveniente puesto que puede propiciar la formación de anillos dentro del horno. Por ello se utilizan carbones con contenidos de azufre menores al 1 %. El análisis químico se realizó a la cal proveniente del Municipio de Nobsa (Boyacá). (Tabla III)

5 Tabla III. Composición química de la cal. CaO MgO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 PPC 52.41% 0.45% 2.01% 0.95% 0.65% 1.59% BENTONITA La bentonita se ha usado desde los años 50 como agente aglomerante (Regueiro y col., 1995) en la producción de nódulos del material previamente pulverizado durante las tareas de separación y concentración. Aunque no existen especificaciones estandarizadas para este uso, se emplean bentonitas sódicas, naturales o activadas, puesto que son las únicas que forman buenos nódulos con las resistencias en verde y en seco requeridas, así como una resistencia mecánica elevada tras la calcinación. (Tabla IV) Tabla IV. Composición química de la bentonita. Fet FeO Fe 2 O 3 SiO 2 CaO MgO Al 2 O 3 TiO 2 PPC 4.04% 1.13% 4.52% 52.43% 1.40% 2.49% 18.90% 0.74% 17.35% NODULIZACIÓN La nodulización es una alternativa para el uso de finos, ya que se basa en la formación de un ovoide a partir de finos de mineral al cual se le agrega un aglomerante, proceso que se realiza en el disco nodulizador. Estos ovoides son tratados posteriormente (secado) en condiciones apropiadas para obtener el producto deseado. PROCEDIMIENTO DE NODULIZACIÓN Para la fabricación de los nódulos se llevan a cabo las siguientes etapas: RECOLECCIÓN DE MATERIAS PRIMAS Mineral de hierro (Uvo y Ubalá): portador de la carga metálica. Carbón (Antracita y Tópaga): agente reductor Cal: agente desulfurante Bentonita: aglomerante PREPARACIÓN DE MATERIA PRIMA La preparación mecánica consiste en el cuarteo, trituración, molienda y tamizado, obteniéndose la granulometría mostrada en la Tabla V.

6 Tabla V. Granulometría de la materia prima empleada en la fabricación de nódulos Materia Prima GRANULOMETRIA Malla < mm Mineral de hierro Carbón Cal Bentonita La granulometría de los carbones, recomendada para ser utilizada en los procesos de reducción directa, debe estar por el orden de la mitad del tamaño del mineral de hierro a reducir. Es importante que el combustible sólido a utilizar en la reducción tenga una alta reactividad para la operación exitosa del proceso. Ella se basa en la reacción de Boudouard (reacción [1]). C + CO 2 = 2CO; H = J/mol [1] PREPARACIÓN DE LAS MEZCLAS A NODULIZAR La mezcla esta constituida por el mineral de hierro, carbón, cal y bentonita. Para calcular la cantidad de carbón a emplear se utiliza la siguiente expresión (ecuación [2]): [2] donde: C: Carbón P: Peso F: Fijo Min: Mineral Con base a la anterior fórmula la proporción de carbón a cargar, es del orden de 0.6 por unidad de mineral de hierro cargado (Regueiro y col., 1995); sin embargo, a nivel industrial se trabaja con un exceso, para garantizar la mayor reducción posible y compensar así las perdidas por arrastre que se presentan. La relación C / Fe tota es muy importante, pues establece las proporciones de mineral de hierro y carbón que deben ser cargadas para realizar un ensayo

7 de reducibilidad. Bajo estas consideraciones, a nivel industrial, se opera normalmente, con relaciones de C/ Fe tota que están entre 0.4 a 0.6 (Barbis, 2000). La carga del disco nodulizador se puede apreciar en la Tabla VI. Tabla VI. Cargas de las diferentes mezclas utilizadas en la fabricación de nódulos en el disco nodulizador MATERIA PRIMA CANTIDAD (gramos) Uvo Ubalá Mineral de hierro Carbón Tópaga Antracita Cal Bentonita ENSAYO DE REDUCIBILIDAD DE NÓDULOS Para conocer el grado de reducibilidad de un mineral de hierro es necesario observar su comportamiento a diferentes condiciones, es decir que tanto oxigeno es capaz de eliminar de su interior. Esto es posible de indagar en un reactor especial denominado Horno Linder. (Figura 1) Este reactor busca simular las condiciones reductoras que se van a encontrar en hornos rotatorios a nivel industrial, permitiendo evaluar el comportamiento de los nódulos frente al proceso de reducción. La prueba consiste en cargar nódulos, dentro del cilindro del horno, el cual gira a 16 rpm y se calienta a temperaturas entre 800 y 1000 C y a tiempos de 90 y 180 minutos. El horno cuenta, además, con un sistema de alimentación de gases, y un tablero de control.

8 Figura 1. Horno Linder RESULTADOS La Tabla VII muestra las condiciones de trabajo empleadas (temperatura y tiempo) en cada una de las pruebas. Las Figuras 2, 3, 4 y 5 muestran los grados de reducción obtenidos, para los nódulos fabricados con los dos minerales y los dos carbones considerados, en las 16 pruebas desarrolladas en el horno Linder. Tabla VII. Condiciones de trabajo en las pruebas de reducción en el horno Linder Tº 1000ºC Tº 1000ºC Tº 800ºC Tº 800ºC t 180 t 90 t 180 t 90 Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Prueba 4 Prueba 5 Prueba 6 Prueba 7 Prueba 8 Prueba 9 Prueba 10 Prueba 11 Prueba 12 Prueba 13 Prueba 14 Prueba 15 Prueba 16

9 % prueba 1 prueba 2 prueba 3 prueba 4 Fe Fe t Grado de metalización Figura 2. Porcentaje de: hierro metálico (Fe ), hierro total (Fe t) y grado de metalización del prerreducido obtenido a partir de mineral de Ubalá y Antracita % prueba 5 prueba 6 prueba 7 prueba Fe Fe t Grado de metalización Figura 3. Porcentaje de: hierro metálico (Fe ), hierro total (Fe t) y grado de metalización del prerreducido obtenido a partir de mineral de Ubalá y Carbón de Tópaga

10 % prueba 9 prueba 10 prueba 11 prueba 12 Fe Fe t Grado de metalización Figura 4. Porcentaje de: hierro metálico (Fe ), hierro total (Fe t) y grado de metalización del prerreducido obtenido a partir de mineral de Uvo y Antracita % prueba 13 prueba 14 prueba 15 prueba 16 Fe Fe t Grado de metalización Figura 5. Porcentaje de: hierro metálico (Fe ), hierro total (Fe t) y grado de metalización del prerreducido obtenido a partir de mineral de Uvo y Carbón de Tópaga

11 CONCLUSIONES Evaluando cada una de las técnicas utilizadas en la caracterización de los minerales de hierro de Ubalá y el Uvo,y los carbones de Tópaga y la Antracita se puede verificar: El mineral de Ubalá por su alto contenido en hierro, es una buena alternativa para ser utilizado como materia prima en el proceso de reducción directa, ya que se puede transformar fácilmente el óxido de hierro a hierro metálico. El mineral del Uvo, igualmente, tiene probabilidades de trasformar el óxido de hierro en hierro metálico, pero presenta la desventaja de poseer un alto contenido de SiO 2. Los análisis inmediatos demuestran que el carbón de Tópaga es de alto rango, con un contenido de materia volátil de 34.36% y la Antracita corresponde al rango de las semiantracitas con un contenido de materia volátil de 12.99%. Ambos presentan igual contenido de cenizas, el poder calorífico es más alto en la Antracita debido a la mayor cantidad de carbón fijo que esta contiene. Al realizar los ensayos de reducibilidad con los minerales motivo de estudio, utilizando el carbón de Tópaga y la Antracita, se aprecia que los mejores resultados de metalización se obtienen cuando se trabaja a una temperatura (T ) de 1000 C y a un tiempo (t) de 180' minutos. El horno Linder es un reactor en el cual es posible reducir los nódulos, obteniéndose: Con el mineral de Ubalá y empleando antracita como reductor: un grado de metalización máximo del 84.82%. Con el mineral de Ubalá y empleando carbón de Tópaga como reductor: un grado de metalización máximo del 83.29%. Con el mineral de Uvo y empleando antracita como reductor: un grado de metalización máximo del 88.12%. Con el mineral de Uvo y empleando carbón de Tópaga como reductor: un grado de metalización máximo del 90.0%. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en los nódulos producidos con el mineral del Uvo y empleando el carbón de Tópaga se puede concluir que esta combinación alcanza el mayor grado de metalización. La combinación mineral del Uvo y antracita también presenta valores altos de metalización,

12 aunque menores. Los grados de metalización obtenidos con el mineral de hierro de Ubalá son menos llamativos. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a Colciencias, a la UPTC y a la Empresa Acerías Paz del Rio, S.A. por el apoyo prestado para el buen desarrollo de este trabajo. REFERENCIAS Barbis R., Conferencia Reducción de minerales de hierro, UPTC. 2000, p 2. Chatterjee A., Pandey B.L., Ojha C., Development of the Tisco Technology for Sponge Iron Production in Rotatory Kilns, Ponencia presentada al SEAISI Quarterly, Octubre (1978). Thailand. p. 315 Leyva, C.A., Tecnología de la reducción directa, Mayo (1997). pp. 1, 2. Lopez Díaz A., Gonzalez López E.J., Saavedra, H., Caracterización de materias primas utilizadas en el proceso de producción de prerreducidos de minerales de hierro en un Horno Rotatorio a nivel de Laboratorio, Revista Facultad de Ingeniería, 17, 3-4 (2001). Regueiro y González-Barros, M. Spanish Industrial Minerals and Rocks. Industrial Minerals. May, (1995). Trujic V.K., Zivkovic D.T., Pellet phase changes during reduced iron production by rotary kiln process. Iron making and Steel making,. 30(1), 12 (2003).