Recuperación de polvos de hornos eléctricos de arco

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La industria siderúrgica contribuye a mejorar el medio ambiente, investigando y luego aplicando
procedimientos cada vez más limpios en la producción de acero.
NUEVO PROCESO
Recuperación de polvos
de hornos eléctricos de arco
Por L. Tomadin, VP Danieli Environment; A. Bertolissio, Executive mgr Engineering Danieli
Environment; F. Magris Process engineer, Danieli Environment
E
n una mini mill de un millón de toneladas métricas anuales de acero, la producción de polvo que
resulta del tratamiento de los gases de salida del horno eléctrico de arco (EAF) oscila entre 15.000 y
25.000 toneladas por año. Ese polvo es uno de los más difíciles de manejar en la industria siderúrgica.
Ese material contiene metales pesados por lo que hay problemas para su disposición en vertederos. Por
ello, se está progresivamente privilegiando su reciclado. El desafío es tratar y convertir ese desperdicio
en uno o más productos para sus mercados.
Los polvos de EAF de la producción de aceros al carbono y de bajas aleaciones son ricas en cinc (10% al
40% en peso) y plomo también (0,8% al 6% en peso) que viene principalmente de la chatarra, mientras
que los aleados son ricos en cromo (7% al 14% en peso) y níquel (2% al 4% en peso) y otros. En ambos
casos hay un contenido de hierro en forma de óxidos (25% al 50% en peso), que puede ser recuperado.
En años recientes se han presentado diversas tecnologías para recuperar especialmente el cinc contenido
en este polvo. El proceso más utilizado industrialmente es el pirometalúrgico, que a alta temperatura
separa una concentración de los materiales ferrosos que son volátiles (cinc, plomo, cobre, etc.) en forma
de óxidos. Este producto que es denominado óxido crudo de cinc (CZO en su acrónimo en inglés), es
justamente rico en cinc (50% al 70% en peso) que le asegura un valor comercial importante.
Esas tecnologías pirometalúrgicas difieren en productos reactivos y condiciones operativas, pero en
general son procesos a altas temperaturas (1.200°C a 1.600°C), en la presencia de agentes reductores
carbonosos.
DOSSIER TECNOLÓGICO
PROCESOS WAELZ DE HORNO
ROTATORIO
La tecnología tradicional
implementada para tratar el polvo de
EAF es el proceso Waelz. En un horno
rotativo se carga el polvo de EAF en
forma peletizada, permitiendo que
los compuestos volátiles (Zn, Pb) se
reduzcan, volatilicen y finalmente
sean recuperados en forma de
óxido, generando el denominado
Óxido Waelz, que no es otro que
el mencionado CZO. Su principal
dificultad es la escoria que contienen
todos los metales pesados no volátiles,
así como el hierro contenido en el
polvo del EAF.
En ciertos casos la escoria puede
presentar problemas de lixiabilidad
(escurrimiento) existiendo dificultades
para encontrar una forma de
estabilización que permita su uso
generalizado. Eso determina que
debe ser acumulado o finalmente
desechado. Pero el problema con la
escoria de este proceso no es solo por
su composición sino por la cantidad,
ya que constituyen del 75% al 85%
del polvo del EAF. Esto implica
que este residuo es tratado para
obtener un material valioso (el CZO)
pero a su vez se genera un residuo
comparable (la escoria) en términos
de seguridad ambiental y cantidad y
que adicionalmente se pierde todo el
contenido de hierro. Otros procesos
han sido estudiados e implementados
para recuperar tanto el cinc y el
hierro, y a la vez que no generar
residuos de difícil utilización.
HORNOS DE SOLERA GIRATORIA
Otras soluciones recaen en la
categoría de hornos de solera (piso)
giratorio (RHF por su acrónimo en
inglés), tales como los denominados
Fastmet, Inmetco (y su evolución el
RedSmelt), y horno de solera múltiple
apilada. Su principio básico es el
tratamiento del polvo peletizado del
EAF (puede también potencialmente
procesar otros materiales) en un
horno giratorio circular en donde la
fracción de hierro puede convertirse
FIGURA 1. Flujos en el horno de inducción para el tratamiento de polvos
de EAF
O2
Reactivos
Carbón
Polvo de EAF
Óxido crudo de cinc
Escoria inerte
Energía eléctrica
ZnO
Arrabio
ZnFe2O3
Fe2O3
en un material similar al de
reducción directa (DRI), recogiendo
el CZO en la planta de tratamiento de
humos.
FIGURA 2. Horno de inducción
para tratamiento de polvo de EAF
En comparación con el horno
Waelz, esta tecnología permite la
recuperación del hierro, lo que reduce
la cantidad de escoria que por otra
parte no presenta los problemas
de lixiviación, o sea que no es
problemática.
Pero la mayoría de los procesos
indicados están seguidos de un
horno de arco sumergido para
completar la reducción antes de la
fusión y permitir la recuperación del
hierro, obviamente esta etapa hace
más compleja a la planta. Por otra
parte, ambas tecnologías (Waelz y
RHF) son factibles económicamente
solo para altas capacidades (ej.
más de 100.000 toneladas de polvo
de EAF tratadas por año). Como
consecuencia, se debe crear un
consorcio entre varias acerías para
alcanzar la escala económica de
procesamiento, implicando un alto
costo de inversión.
NUEVA SOLUCIÓN PROPUESTA:
HORNO COMPACTO
DE INDUCCIÓN
Para dar una respuesta individual
al tratamiento de los polvos de
EAF, Danieli & C., en colaboración
con Engitec Technologies SpA,
propusieron la tecnología INDUTEC®,
un proceso pirometalúrgico para
recuperar cinc, plomo y hierro sin
generar residuos sino solo productos
de valor comercial.
El equipo principal es un horno
de inducción sin núcleo y de baja
frecuencia, cargado en lotes (batch)
con polvo de EAF peletizado con
alimentación de carbón (reductor) y
con obtención de óxido crudo de cinc,
escoria inerte y arrabio (FIGURA 1).
Un aspecto exterior de este horno
puede apreciarse en la FIGURA 2.
El polvo de EAF que es almacenado
temporalmente en un edificio, pasa
antes de entrar al horno por un
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FIGURA 3. Diagrama de flujo del proceso de tratamiento de polvos de EAF
Filtros
de mangas
Ciclones
Polvo de EAF
peletizado
Aire
TI
Inyección
de oxígeno
FI
CL-050
C-050
TI
TI
TI
Carbón y reactivos
FL-050
F-050
Precalentador
TI
�P
HC-050
Horno a
inducción
secador rotativo (F-050) con flujo en
contracorriente a los gases calientes
que salen de dicho horno (FIGURA
3).
por grúas y transferidos a una
planta de tratamiento de escorias en
donde son enfriadas y procesadas
mecánicamente.
(resultantes de la producción de
1.000.000 t/año de acero) con una
concentración del 25% de cinc, se
espera la generación de:
Los vapores de cinc pasan a través
de la capa de peletizados y son
oxidados por el oxígeno presente en
el tambor de secado que proviene del
tratamiento secundario de los humos
(F1). Los gases extraídos del horno
de inducción son enfriados antes de
la filtración con aire y tratados en
ciclones de preseparación (CL-050).
El arrabio que es moldeado en
panes es apto para ser usado en la
planta EAF y tiene la concentración
siguiente:
• 10.500 t/año de CZO con una
concentración de ZnO del 75%
• 7.400 t/año de arrabio
• 9.700 t/año de escoria inerte
• Fe: 92% al 94%
• C: 3% al 4%
• Cu:< 2%
Este procedimiento permite recuperar
cinc y hierro de diferentes materiales
residuales así como otras fuentes
que contienen cinc, como las pilas
alcalinas.
El óxido de cinc es recuperado
mediante el filtrado de los gases de
salida del horno de inducción con
filtros de mangas(FL-50). El material
extraído del filtro es el mencionado
óxido crudo de cinc (CZO). Esta
disposición de los equipos puede
ser modificada dependiendo de las
limitaciones de espacio del sitio.
Volviendo al horno de inducción al
final del proceso de fundición, los
óxidos de hierro son reducidos y
recuperados como arrabio, recogidos
en cucharas y luego moldeados en
lingotes, mientras que la escoria
liquida es recogida en potes izados
El contenido de cobre no es
problemático ya que se diluye dentro
del acero producido a partir de
chatarra.
La escoria así generada tiene la
ventaja que su lixiviación no genera
líquidos tóxicos (FIGURA 4). Puede,
por lo tanto, ser vendida para el
asfaltado de caminos o construcción
de pavimentos de concreto.
En la FIGURA 4 se muestra un detalle
de la composición de los productos
del proceso.
Considerando el tratamiento de
25.000 toneladas de polvo de EAF
Habitualmente se requiere una etapa
de lavado del CZO para aumentar
el valor del producto. Esto genera
una sal que puede ser vendida a
productores de cinc secundario o
puede ser convertida directamente en
cinc metálico, a través de un proceso
electrolítico.
PROCESO ELECTRÓLITICO
El proceso electrolítico Ezinex
convierte el óxido de cinc (ZnO)
en un material que contiene cinc
metálico utilizando energía eléctrica.
La alimentación puede ser el CZO
DOSSIER TECNOLÓGICO
el mismo material producido por el
proceso Indutec®. El producto final,
cinc metálico, puede ser usado en
diferentes aplicaciones, vendido o
empleado para galvanizado dentro de
la siderurgia.
FIGURA 4. Composición de los productos de la planta de tratamiento de
polvo de EAF
El proceso se divide en 3 etapas
principales:
1. Lixiviación, en donde el cinc
es solubilizado en una solución
electrolítica como cinc catiónico
(Zn+2).
Óxido crudo de cinc (CZO)
Arrabio
2. Purificación, en donde la solución
es limpiada de sus impurezas
antes de ingresar a las celdas
electrolíticas.
La integración de las dos plantas
(tratamiento) del polvo de EAF en
el horno compacto de inducción y el
proceso electrolítico de tratamiento
de CZO resulta en el flujo de
alimentación de productos que se
indican en la FIGURA 5.
58%–62%
0,5%–2%
5%–6%
6%–10%
Arrabio
Hierro ..............................
Carbón .............................
Cobre ...............................
92%–94%
3%–4%
<2%
Escoria inerte
(ensayo de lixiviación con acético)
Escoria
Elemento
As
Cd
Cr3+
Cr6+
Hg
Pb
Cu
Zn
3. Electrólisis, en la que el cinc
disuelto se deposita como cinc
metálico en los cátodos, de donde
es extraído mecánicamente para
recuperar el metal.
Todos los residuos de estas etapas,
que son pequeños en proporción,
tienen su propio mercado o pueden
ser elaborados para ello, de tal
manera que el proceso solo genera
subproductos.
CZO
Cinc .................................
Hierro ..............................
Plomo ..............................
Haluros (NaCI+KCI) ........
Unidades
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
Valores
n.r.
0,01
n.r.
n.r.
n.r.
<0,001
<0,001
0,35
Límite
0,50
0,02
2,00
0,20
0,05
0,20
0,10
0,50
FIGURA 5. Flujo combinado de las dos plantas de tratamiento de polvo de
EAF y de CZO
Polvo
de EAF
Indutec®
Arrabio
Escoria inerte
Óxido crudo
de cinc
Lingotes de cinc
Ezinex®
Sal alcalina (NaCI+KCI)
Material para cementación de pozos
CONCLUSIÓN
Día a día crecen las exigencias
ambientales para la industria del
acero. Los proveedores de tecnología
(como la división ambiental de
Danieli) cooperan entre sí para
desarrollar procesos innovadores que
satisfagan esas exigencias.
La tecnología presentada permite
tratar los polvos de EAF, recuperando
el cinc en el 98%, produciendo una
escoria estable que puede ser vendida
y arrabio para la recarga en el horno
de arco eléctrico.
Tiene la ventaja de poder servir
a acerías de hornos eléctricos
relativamente pequeñas con bajos
costos de inversión y menos costos
operativos netos, por la recuperación
de materiales como productos. ••
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