correlación de propiedades físicas, mecánicas y metalúrgicas de

CORRELACIÓN DE PROPIEDADES FÍSICAS, MECÁNICAS
Y METALÚRGICAS DE MINERALES DE HIERRO
MAGNETITÍCOS PARA SU APLICACIÓN EN EL ALTO
HORNO
(1)
Silvina Ramos
(2)
Elena Brandaleze
(1)
Oscar Baglivo
(1)
Daniel Costoya
(1)
Martín Domínguez
RESUMEN
El incremento de la producción en la industria siderúrgica implica una mayor
demanda de las materias primas ferrosas y por esta razón la búsqueda de materias
primas alternativas se torna un objetivo de interés a nivel industrial.
En general, los principales minerales calibrados empleados en la carga de la
mayoría de los altos hornos son de tipo hematítico. Sin embargo, muchas industrias
comienzan a considerar a los minerales magnetíticos como materia prima alternativa
en dicho proceso de reducción, recurriendo a nuevas fuentes o proveedores. Por
esta razón, resulta imprescindible conocer el comportamiento de los mismos en las
condiciones de operación.
A tal fin, se realizan ensayos a escala de laboratorio con el objetivo de determinar
las propiedades físicas, mecánicas y metalúrgicas. Además, mediante microscopía
óptica y electrónica se identifican las fases presentes.
En este trabajo se presenta un estudio que contempla ensayos de tambor,
degradación a baja temperatura y reducibilidad sobre tres muestras de minerales de
hierro magnetítico de distinta procedencia. Estos datos, se correlacionan con el
estudio microestructural para predecir la respuesta de dichos minerales en el
proceso de alto horno.
Palabras clave: minerales ferrosos, propiedades generales, comportamiento a alta
temperatura.
Trabajo a ser presentado en el XXXVI Seminário de Redução de Minério de Ferro é
Matérias - Primas de ABM, Ouro Preto- MG 2006.
(1) Ingeniero Asistente - Área Asistencia a Procesos, Instituto Argentino de Siderurgia, Av.
Central y 19 Oeste, 2900 San Nicolás, Bs. As., Argentina.
(2) Jefe de Área Asistencia a Procesos, Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y 19
Oeste, 2900 San Nicolás, Bs. As., Argentina. [email protected]
(3) Técnico de Laboratorio de Materias Primas - Área Asistencia a Procesos, Instituto
Argentino de Siderurgia, Av. Central y 19 Oeste, 2900 San Nicolás, Bs. As., Argentina.
CORRELACIÓN DE PROPIEDADES FÍSICAS, MECÁNICAS
Y METALÚRGICAS DE MINERALES DE HIERRO
MAGNETITÍCOS PARA SU APLICACIÓN EN EL ALTO
HORNO
(1)
Silvina Ramos
(2)
Elena Brandaleze
(1)
Oscar Baglivo
(1)
Daniel Costoya
(1)
Martín Domínguez
1. INTRODUCCION
Como se sabe, para obtener durante el proceso de reducción en el alto horno la
máxima productividad y mínimo consumo específico de combustible, los materiales
que integran parte del lecho de fusión deben poseer propiedades controladas. Esto
se traduce en una granulometría adecuada, buena resistencia en frío, óptima
composición química y estructura mineralógica, resistencia a la degradación en la
cuba, adecuada reducibilidad, alta temperatura de ablandamiento, un intervalo
pequeño en el comportamiento de fusión y compatibilidad con el resto de los
componentes de la carga [1, 2].
A escala de laboratorio es difícil determinar las propiedades metalúrgicas de los
minerales en condiciones similares a las del alto horno y no hay un ensayo único
que, por sí mismo, brinde información sobre las propiedades metalúrgicas siendo
necesario la utilización de varios ensayos y la correlación de los resultados con el
comportamiento que podría tener el mineral en el proceso a escala industrial.
Tal como se sabe, en la mayoría de los casos los altos hornos se operan empleando
minerales calibrados hematíticos, salvo en los casos en que por el emplazamiento
geográfico de la planta industrial, no se pueda optar por dichos minerales. La gran
diferencia entre minerales de origen hematítico y los magnetíticos radica en el menor
contenido de FeO, menores tenores de S, P, ganga y en muchos casos álcalis que
poseen los primeros.
En este trabajo se presenta un estudio que contempla ensayos físicos y
metalúrgicos sobre tres muestras de minerales de hierro magnetíticos de distinta
procedencia con el objetivo de evaluarlos como material alternativo parcial para la
carga del alto horno. Se determina la tendencia a la degradación en frío y luego de
reducidos a 900 ºC y se correlacionan estos resultados con un estudio
microestructural de los mismos.
2. DESARROLLO
2.1 Muestras. El estudio se realiza en base a tres muestras de minerales
magnetíticos, cuya composición química (ver tabla 1) se determina mediante
espectrometría de absorción atómica.
Tabla 1. Composición química de las muestras de mineral
Muestra Fetotal FeO Al2O3 SiO2 CaO MgO MnO S
P
TiO2
M1
53,9 16,96 3,37 9,94 0,80 0,25 0,070 2,93 0,20 0,24
M2
64,4 4,45 0,26 5,67 0,51 0,15 0,038 0,009 0,19 0,019
M3
67,4 7,04 0,24 1,69 0,09 0,24 0,025 0,32 0,055 0,019
Na2O
0,037
0,015
0,009
K2O
0,021
0,030
0,052
2.2 Propiedades mecánicas y metalúrgicas
En este estudio se evalúa sobre las tres muestras de mineral la resistencia a la
degradación tanto en estado de recepción del mineral como después de reducido a
900 °C.
En el primer caso, en las muestras en estado de recepción, se realiza el ensayo de
tambor dado que resulta relevante conocer la degradación que pueden sufrir estos
minerales tanto durante el manipuleo y traslado como durante la operación de carga
en el alto horno. Los resultados se pueden observar en la tabla 2.
Tabla 2. Resultados del ensayo de tambor para las muestras de mineral de hierro
Indices
M1
M2
M3
% Indice de tambor ( %> 6,3 mm)
70,8
91,4
81,5
% Indice de abrasión ( %< 0,59 mm)
24,6
5,7
11,1
% Indice de chips (0,59>%> 6,3 mm)
4,6
2,9
7,4
Luego se determina la reducibilidad en un reactor a 900 °C sobre los tres minerales
calibrados. Se sabe que la reducibilidad se puede relacionar con la facilidad de
ceder el oxígeno durante la reducción indirecta en la cuba del alto horno. El valor de
reducibilidad calculado con los parámetros del ensayo, da idea principalmente de las
necesidades de consumo de combustible durante la operación. El ensayo realizado
es de tipo isotérmico y de lecho fijo con una composición constante del gas [1]. Los
resultados obtenidos se presentan en la tabla 3.
Tabla 3. Valores obtenidos en el ensayo de reducibilidad a 900°C.
Parámetro
M1
M2
M3
% Reducción
67,1
49,2
56,1
Se determina también la degradación de los minerales luego de someterse al
ensayo de reducibilidad previamente mencionado para evaluar el efecto de dichas
condiciones térmicas y de atmósfera sobre la resistencia mecánica de los minerales.
A tal fin, se somete a las tres muestras a un ensayo de microtambor. Los
porcentajes de finos obtenidos en este caso se presentan en la tabla 4.
Tabla 4. Resultados del ensayo de microtambor sobre las muestras
de mineral de hierro reducido a 900°C*AT: antes del ensayo de tambor, DT: después de ensayo de tambor
M1
M2
M3
Finos
AT
DT
AT
DT
AT
DT
%< 6,30 mm
1,8
28,0
2,5
36,2
10,7
48,8
%< 0,59 mm
0,8
26,3
0,9
30,1
2,9
35,4
2.3 Estudio microestructural
Se realiza un estudio microestructural de las muestras de mineral en estado de
recepción y luego de ser sometidas a la reducción a 900°C. La observación se
realiza mediante microscopía óptica y electrónica. Se identifican las fases presentes
y se correlacionan las respuestas obtenidas en los ensayos.
Muestras en estado de recepción. Los tres minerales presentaban en sus
estructuras fases magnetita, hematita y silicatos de hierro, principalmente en bordes
de grietas y granos.
En las figuras 1,2 y 3 se pueden observar las morfología de las fases halladas en las
estructuras de cada una de las muestras.
Figura 1. Magnetita masiva Figura 2. Magnetita y
en la muestra M1. [256X]
hematita en la muestra M2.
[256X]
Figura 3. Magnetita
dispersa y hematita en la
muestra M3. [256X]
La observación mediante microscopio electrónico de barrido de las muestras en
estado de recepción permitió la identificación en la muestra M1, además de la
magnetita y las agujas de hematita (observadas mediante microscopía óptica) de
una fase de silicato de aluminio y magnesio localizada entre los granos de la
magnetita (figura 4). Se pudo observar también la presencia de pirita de hierro
(figura 5)
Figura 4. Aspecto del silicato de Figura 5. Zona donde se encontró
aluminio y magnesio
pirita
de
hierro
y
mapeos
correspondientes
En el mineral M2, se identifica la presencia de silicatos de hierro con forma
arriñonada (figura 6) o de morfología tipo bastón o venas (figura 7).
Figura 6. Silicato
arriñonada. [M1010x]
con
morfología Figura 7. Silicato con morfología bastón o
venas. [M1500x]
En la muestra M3, también se identificaron cantidades abundantes de venas de
silicatos (figura 8). En algunas zonas se pudo comprobar la presencia de silicatos
asociados con la wustita y la magnetita (figura 9).
Figura 8. Morfología
silicatos. [M600x]
de
venas
de Figura 9. Zona donde se encuentran
asociados el silicato, la wustita y la
magnetita. S: silicato, W: wustita, M:
magnetita. [M300x]
Muestras reducidas. Las muestras M2 y M3 denotan una baja reducción a 900°C
ya que la estructura presenta en la zona más externa (próxima a la superficie) del
mineral la nucleación del hierro metálico con escaso desarrollo. Sólo en zonas muy
localizadas de las muestras se observa una estructura más desarrollada. Ejemplos
de lo descripto se presentan en las figuras 10 y 11.
Figura 10. Nucleación y crecimiento del Figura 11. Escasa nucleación del hierro
hierro metálico en la muestra M2 en metálico en una zona interna de la
zonas superficiales. [M256x]
muestra M3. [M256x]
Es notable que la formación de Fe metálico tanto en la muestra M2 como M3 se
restringe sólo a nivel superficial, indicando que las condiciones no han sido
favorables para la reducción hacia el interior del mineral, quizás como consecuencia
de su alta compacidad.
Mediante microsocopía electrónica de barrido de las muestras (M1, M2 y M3
reducidas) se pudo comprobar que se identifican abundantes zonas con presencia
de fases silicatadas de hierro y escasas cantidades de hierro metálico. (Figura12 y
13)
Figura 12. Silicatos con diferentes
morfologías encontrados en la muestra
M1.[M1250x]
Figura 13. Silicato de hierro identificado
en la muestra M2. [M600x]
3. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Al realizar la comparación desde el punto de vista de la composición química de los
tres minerales se puede notar que las principales diferencias entre ellos se
encuentran en los contenidos de Fe total, FeO, Al2O3 ,SiO2 y en menor proporción
en los contenidos de CaO, MgO y S. Figura 14
M1
M2
M3
70
Porcentaje (%)
60
50
40
30
20
10
0
Fetotal FeO Al2O3 SiO2
CaO
MgO
MnO
S
P
TiO2
Na2O
K2O
Figura 14. Comparación de la composición química de los tres minerales en estudio
M1, M2 y M3.
Las muestras M2 y M3 respecto de la M1, son las que presentan el mayor contenido
de Fe total y las que tienen porcentajes menores de FeO, Al2O3, y SiO2. Por otra
parte, la muestra M1 es la que presenta el mayor contenido de S.
La comparación en cuanto a la generación de finos permite comprobar que en
estado de recepción, la muestra M1 es la que se degrada más, dado que produce un
porcentaje acentuado de finos y presenta el mayor índice de abrasión. Sin embargo,
las muestras reducidas resultan con mayor índice de abrasión en el caso de las
muestras M2 y M3 (generando mayor % de finos < a 0,59 mm). Figura 15
Índice de abrasión (Tp%<0,59 mm)
40
AR
35
RED
30
25
20
15
10
5
0
M1
M2
M3
Figura 15. Comparación del índice de abrasión obtenida sobre las muestras M1, M2
y M3 en estado de recepción y reducidas.
La mayor reducción a temperaturas de 900°C se logra en la muestra M1 hecho
consistente con la mayor porosidad observada en la estructura asociado al alto
porcentaje de wustita, esto se puede comprobar en la figura 16.
Porcentaje de
reducción(%)
70
60
50
40
30
20
10
0
M1
M2
M3
M1
M2
M3
Figura 16. Comparación de la reducibilidad a 900°C alcanzada en las muestras M1,
M2 y M3.
Los minerales magnetítiticos pueden ser de diferentes orígenes. Aquellos de origen
sedimentario-metamórfico son generalmente de grano fino y la textura puede ser
bandeada, cuyas bandas pueden presentar diferentes espesores y distintos
contenidos de hierro. Los minerales magnetíticos cuya génesis es por contactometasomáticos presentan granos de magnetita de diferentes tamaños y elevada
cantidad de sulfuros de hierro y otros metales. La composición de la ganga es
variada presentando además de cuarzo, óxidos básicos de calcio y magnesio.
Los llamados minerales magnetíticos magmáticos tienen tamaños de granos muy
variados, así como también considerables cantidades de hematita [1].
Durante la reducción de minerales magnetíticos naturales, no se experimenta ningún
aumento de volumen, dado que la magnetita presenta la misma estructura cristalina
que la wüstita y el hierro metálico. Esto explica el menor porcentaje de reducción
obtenido en este tipo de minerales y el porqué su reducibilidad puede ser mejorada
considerablemente, cuando la magnetita es previamente oxidada a hematita antes
de la reducción [3].
La wüstita es metaestable y por esta razón a 570 ºC se reduce directamente a Fe
metálico y magnetita no teniendo una fusión congruente a 1371 ºC [4]. Tal como se
ha observado en las muestras en estudio, la wustita remanente en la estructura
indica que la cinética en las condiciones del ensayo de reducción a 900 ºC no ha
permitido alcanzar una situación de equilibrio estable. El mecanismo operante de la
reacción es la liberación de oxígeno de la superficie de la partícula que provoca un
incremento de iones Fe+2 dando lugar a un gradiente de concentración de dichos
iones en la superficie de la wüstita y provocando difusión de los mismos a través de
la red cristalina de la fase. La difusión se acentúa por la presencia de vacancias en
la red. Algunos iones Fe+2 y electrones encuentran sitios de nucleación, donde
precipitan como Fe metálico, otros difunden a las capas de wüstita y magnetita ,
hacia las interfases wüstita-magnetita y magnetita - hematita [3].
De acuerdo a lo mencionado previamente se pueden clasificar los tres minerales en
estudio como:
Muestra M1: Correspondería a un mineral magnetítico de origen contactometasomático, presentando en la composición química el mayor porcentaje de
wüstita (FeO), azufre, sílice y alúmina. El porcentaje de FeO, está relacionado con el
consumo específico de coque en el alto horno, siendo menor dicho consumo cuanto
menor es el porcentaje de FeO en la materia prima. El estudio microestructural
reveló que la fase cualitativamente mayor es la magnetita (Fe3O4) con muy
pequeñas cantidades de hematita (Fe2O3) en forma de agujas y notándose además
una abundante porosidad entre los granos. Se detectó la presencia de silicatos de
aluminio, calcio y magnesio, además de granos de pirita de hierro. En el ensayo de
degradación en frío esta muestra presentó la mayor tendencia a la formación de
finos, lo que se correlaciona con su estructura casi completamente magnetítica (fase
más frágil que la hematita), es evidente que la porosidad facilita la reducción a
900°C respecto de las otras muestras, sumado al incremento de formación de Fe
metálico debido a la inestabilidad de la wüstita a 570 ºC mencionado previamente.
Muestra M2: Este mineral puede ser clasificado como un mineral magnetítico
magmático con relativamente alto porcentaje de FeO y sílice. El estudio
microestructural de este mineral revela la presencia de abundante hematita y la
magnetita aparece distribuida en forma de lagunas oscuras en la estructura. Las
grietas internas y la matriz del material presenta silicatos de hierro con diferentes
morfologías. El comportamiento de esta muestra frente la degradación en frío fue la
mejor lo que puede estar influenciado por su mayor contenido de hematita (fase más
dúctil) presente en la estructura. Por otro lado, el menor porcentaje de reducción a
900°C puede justificarse debido a su menor porosidad, la presencia de una
estructura mucho más compacta con abundante ganga.
Muestra M3 : Este mineral correspondería a un mineral magnetítico magmático con
una composición similar a la del mineral M2, magnetita con abundante cantidades de
hematita, pero en el que las lagunas de magnetita son más grandes. Hay presencia
de grietas en las cuales se alojan los silicatos de hierro con morfología de venas. Su
textura es compacta y poco porosa sin embargo presenta en los ensayos un índice
de abrasión mayor que puede relacionarse con una mayor presencia de FeO en la
estructura. Si bien el porcentaje de reducción obtenido para este mineral fue mayor
que para la muestra M2, la nucleación del hierro metálico se notó menor. Esto se
pone de manifiesto cuando se observan los valores para la degradación después de
reducido que resulta ser mayor para la muestra M3.
4. CONCLUSIONES
A partir de los resultados obtenidos en este estudio comparativo entre los tres
minerales (M1, M2 y M3) se puede decir que:
1. La resistencia a la degradación en frío se ve favorecida por la presencia de
poros grandes y de morfología y tamaño heterogéneas sumado a mayores
contenidos de hematita en la estructura.
2. Se pudo corroborar la influencia de la porosidad en la reducibilidad a 900 ºC
de la muestra M1 respecto de la M2 y M3 que presentan una estructura de
mayor compacidad sumado a un mayor contenido de ganga resultando en
una menor reducibilidad final. Además, la baja ley sumada a la alta porosidad
de la muestra M1 favorece la reducibilidad de dicho material.
3. Si bien el comportamiento de los minerales en estudio no es totalmente
satisfactorio para la carga en el alto horno, podría sugerirse el empleo
alternativo de los mismos en porcentaje limitado para no provocar
perturbaciones en la operación del alto horno. El mineral M1, presenta una
alta desintegración en frío. No obstante, un cuidadoso manipuleo u
operaciones de zarandeo previo podría permitir utilizarlo en porcentajes
acotados (debido al contenido de S y de FeO) dado que es el que presenta la
mayor reducibilidad y menor desintegración durante la reducción.
REFERENCIAS
[1] Comité de Reducción del Instituto Argentino de Siderurgia (IAS), Ensayos para la
caracterización de materias primas ferrosas: pellets - minerales calibrados – sinter,
Ilafa , p. 313-327, 1978.
[2] P. L. Hooey, J. Sterneland y M. Halin, Evaluation of high temperature properties
of blast furnace burden, 1st International Meeting on Ironmaking, ABM (2001), Belo
Horizonte, p. 205 – 220.
[3]A, Janikow, Procesos de reducción, Pirometalurgia, Ed.: Universidad Nacional de
Jujuy, (2000) cap. 4, p. 200.
[4] N. Sano, W. Lu, P.V. Riboud, Advanced Physical Chemistry for Process
Metallurgy, Academic Press, (1997), p. 310 – 312.