Tesis

FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS
INFLUENCIA DE LA BASICIDAD EN LA
MICROESTRUCTURA DE LOS PELLETS Y EN SU
COMPORTAMIENTO METALURGICO EN LOS
PROCESOS DE REDUCCION DIRECTA
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE
MAESTRO EN CIENCIAS
CON ESPECIALIDAD EN METALURGIA
PRESENTA:
I.Q.M. RAFAEL ALEJANDRO GUTIERREZ RAMIREZ
ASESOR:
DR. ARTEMIO TELLO DUARTE
COQUIMATLAN, COLIMA, MARZO DE 1998
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a todos los que de distintas formas
contribuyeron a la realización del mismo aportando
ideas, su tiempo, dando facilidades, opinando,
realizando críticas, etc; pero muy en especial a mis
padres por su apoyo invaluable y su ejemplo de
trabajo y constancia.
A todos gracias
Sinceramente
Rafael Alejandro Gutiérrez Ramkez
Fwultad de Ciencias Q&nicms
0f7c10/051/97
FAC. CS. QUTM.
C. RAFAEL ALEJANVRO GUTTERREZ RAMTREZ
PASANTE VE LA MAESTRTA EN METALURGTA
P R E S E N T E .
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C.C.P. ARCfflVO.-
C.C.P. MlNUTARlO.SEVV/& bp*
Kilómetro 9, Carretera Colha-Caquimatl~n I Coqdmatl~n,
Colima, M&ico, 28400 I Telefax 91 (332) 3.00 77.
SUMARIO
El presente trabajo se puede dividir en 6 secciones o capítulos. El primero de ellos
trata de los principales procesos de reducción directa del mineral de hierro (pellets) sus
características y la produccción mundial de cada uno de ellos en los últimos años. Esto con
el fín de dar un panorama de la importancia del peletizado, sus características e impacto en
la producción de DRI y en la producción de acero.
En el capítulo dos se muestran las pruebas metalúrgicas efectuadas a los pellets
producidos y los constituyentes más comunes en la microestructura de pellets cocidos de
mineral de hierro ya que en estudios previos se ha demostrado que las propiedades físicas
no se afectan drásticamente con diferentes niveles de basicidad, no así sus propiedades
metalúrgicas y entonces se busca explicar como influye dicha basicidad en la
microestructura de éstos; ya que tenemos la hipótesis de que la basicidad induce distintos
tipos de microestrwtura y esta determina el comportamiento metahírgico de los pellets en
los procesos de reducción directa y además que el éxito de este último tiene impacto directo
sobre el proceso empleado en la producción del acero (HEA).
En el tercer capítulo se explican los mecanismos por medio de los cuales las
propiedades de los pellets verdes se modifican en el horno de cocimiento.
En el capítulo cuatro se explica el experimento desarrollado para tratar de encontrar
la influencia que tiene la basicidad como se menciono anteriormente, para lo cual f%
necesario realizar tres primeras fases experimentales en la Planta Peletizadora de Peña
Colorada, una cuarta fase en los laboratorios de metalografia de la U. de C. y Peña
Colorada y fínalmente una quinta fase dando seguimiento a los pellets producidos en
embarques enviados a IMEXSA para estudiar su comportamiento en Reducción Directa y
en la acería.
En el capítulo cinco se interpretan los resultados obtenidos para diferentes niveles
de basicidad en las pruebas realizadas y en el estudio de microestructuras así como una
explicación de su comportamiento en la producción de DRI y de acero.
Al final se presentan las conclusiones del trabajo de investigación y se anexan
resultados de estudios complementarios en el desarrollo del mismo.
INDICE
Página
L- INTRODUCCION
1.1 Generalidades de la reducción directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2 Conceptos básicos sobre reducción directa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.3 Indices de basicidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..-............. 3
1.4 Estabilidad del fierro esponja . . . . ...f................_....................................................... 4
1.5 Proceso MIDREX ..-.....,........-................................................................................ 5
6
1.6 Proceso Hn III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.7 Producción mundial de hierro por reducción directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
‘k2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
ANTECEDENTES
Pruebas metalúrgicas .............................................................................................
Prueba de reducibilidad.. .......................................................................................
Prueba HYL de hinchamiento.. .............................................................................
Prueba HYL para tendencia a la adhesión.............................................................
Prueba de degradación a baja temperatura.. ..........................................................
Calores de reacción en la reducción de los óxidos.. .............................................
Microestructura de pellets verdes y los efectos en sus propiedades.. ...................
Constituyentes comunes en la microestructura de pellets cocidos.. .....................
10
12
16
17
20
23
23
27
III.- GENERALIDADES
3.1 Generalidades sobre transformaciones de la microestructura del pellet de acuerdo
al análisis de la ganga y los ciclos de cocimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2
3.2 Mecanismos de unión durante el endurecimiento de pellets verdes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5
3.2.1 Oxidación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...I....................................................
35
...
3.2.2 Recristalización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
38
3.2.3 Crecimiento de grano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
3.2.4 Formación de escorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Iv.- DESARROLLO EXPERIMENTAL
4.1 Estudios preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Diseño experimental ( 5 Fases). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
44
V.- INTERPRETACXON DE RESULTADOS
5.1 Interpretación de resultados ( 5 Fases) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
......
5.2 Microestructuras ..-........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -.
46
62
VL- CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
VIL- BIBLIOGRAFÍA
VIII.- ANEXOS
85
CAPmJLO I
INTRODUCCION
CAPrlULO 1
INlROOUCCI~N
1.1 GENERALIDADES DE IA REDUCCIbN DIRECTA.
Cualquier país que pretenda desarrollar sus industrias, mejorar la calidad de vida en
la sociedad en general, debe ser autónomo
. en el procesamiento de su acero.
Actualmente, existen dos caminos para obtener acero a partir de mineral de hierro,
estos caminos son:
1 .- Alto horno-Convertidor de oxígeno.
2.- Reducción directa-Horno eléctrico de arco.
En el alto horno, el mineral se alimenta mezclado con coque y fundentes,
ocurriendo la reducción y fusión del hierro, la energía necesaria para llevar a cabo el
proceso se libera por combustión del coque con aire caliente, generalmente enriquecido
con oxígeno, el cual es inyectado mediante toberas al alto horno, el hierro líquido que se
obtiene se llama arrabio y tiene alto contenido de carbón, azufre y silicio, los cuales son
ajustados al nivel deseado en una etapa de refinación que generalmente se lleva a cabo en
un convertidor de oxígeno, donde se obtiene finalmente el acero.
En los procesos de reducción directa, el mineral de hierro es puesto en contacto con
agentes reductores a alta temperatura, ocurriendo así la remoción del oxígeno combinado
con el hierro, el producto es un sólido poroso llamado fierro esponja, tanto el tipo de agente
reductor, así como la temperatura a que ocurre la reducción varían de proceso en proceso,
pero en ningún caso se llega a la temperatura de fusión del sólido.
Para definir cual de los dos caminos antes expuestos se debe elegir se consideran
diversos factores entre los cuales podemos destacar los siguientes:
a).-, Capacidad a instalarse
b).- Disponibilidad de energéticos
c).- Disponibilidad de minerales
En términos generales resulta más económica la ruta del alto horno cuando la
capacidad a instalarse es superior a los 2 millones de toneladas por año, quedando esto
condicionado por la disponibilidad de carbón coquizable, por otra parte, cuando la
capacidad a instalarse es pequeña resulta mas económica la ruta de reducción directa [ 11.
Pág. 1
CAPWLO 1
INTRODUCCION
El segundo factor es la disponibilidad de energéticos, ya que el alto horno no puede
operar si no se dispone de carbon coquizable, y este no puede ser substituido
completamente por otro tipo de energético (gas natural, hidrocarburos, líquidos, etc.). Los
procesos de reducción directa, por otra parte, pueden adaptarse con más facilidad al tipo de
energético disponible, siendo el mas usado el gas natural.
1.2 CONCEPTOS BbICOS SOBRE REDUCCIbN DIRECTA.
Un proceso de reducción directa es aquel mediante el cual se remueve el oxígeno de
los minerales oxidados de hierro por la acción de agentes reductores, que pueden ser
sólidos o gaseosos. Como producto de la reducción directa de los minerales de hierro, se
obtiene un sólido poroso y metalizado que se conoce con el nombre genérico de fierro
esponja.
La fusión del fierro esponja para la obtención de acero se lleva a cabo en un paso
subsecuente y fuera del proceso de reducción directa.
El grado de metalización del producto, relación del hierro metálico a hierro total
*/oM =( FeO+Fe en Fe&) / Fer.(lOO) depende del tipo de mineral usado, del tipo de proceso
y de las condiciones de operación del mismo [ll.
Para algunos autores, se denomina material prereducido al producto de un proceso
de reducción directa, cuyo grado de metalización es inferior al 85%, mientras que el
material con un grado de metalización mayor al 85% se le denomina fierro esponja [ 11.
El grado de reducción directa de un producto es la relación de oxígeno removido
del mineral entre el oxígeno inicial del mineral (%R = 0 Fer en mineral - 0 Fer en el DRI /
0 Fe-r en el mineral * 100).
Los agentes reductores son sustancias sólidas o gaseosas que tienen gran afinidad
por el oxígeno contenido en los minerales de hierro. Los principales agentes reductores
empleados en los procesos de la reducción directa son el monóxido de carbono y el
hidrógeno. En segundo término, se encuentran los procesos que utilizan el carbón como
agente reductor.
Debido a la termodinámica de las reacciones de reducción directa, a sus relaciones
de equilibrio y a que la mayoría de estas reacciones son endotérmicas, es necesario operar
los procesos a temperaturas elevadas entre 550°C y 1050°C. Mientras más baja sea la
temperatura de operación, es necesario un mayor contenido de Hz en el agente, reductor [2].
Entre mayor sea la temperatura de operación de un proceso de reduccion directa., se
tendrA una mayor velocidad de reacción, y por lo tanto, una mayor productividad del
proceso. Generalmente, el límite superior de temperatura lo fijan las características del
mineral de hierro, tales como: el hinchamiento y la tendencia a aglomerarse, debido a
fusión incipiente de las partículas sólidas.
Pág. 2
CAPl'fULO 1
NTRODUCCION
La generación de los elementos reductores gaseosos se efectúa mediante la reacción
a una temperatura de 800°C a 1000°C de un elemento energético con un elemento oxidante
como pueden ser gas natural, hidrocarburos, carbón con oxigeno, dióxido de carbono y
vapor de agua, produciéndose .mezclas de hidrógeno y monóxido de carbono
principalmente.
Por reducibilidad del mineral se entiende la facilidad de los óxidos de hierro del
mineral para ceder oxígeno por la acción de los elementos reductores. La reducibilidad
depende del proceso empleado, de su temperatura de operación y de la composición del gas
reductor, entre otros factores que se analizan posteriormente.
El comportamiento o productividad de cualquier proceso de reducción directa es
fuertemente afectado por la reducibilidad del mineral alimentado a dicho proceso, por lo
tanto es muy importante la caracterización del mineral que va a ser alimentado, para que en
base a las características del mineral se determinen las condiciones de operación del
proceso.
1.3 INDICES DE BASICIDAD.
La reducibilidad de un mineral, depende de una serie de factores, entre los cuales,
los más importantes son los siguientes:
a).- La composición del mineral.- El contenido del fierro total, de hematita, de magnetita, y
de ganga. Se conoce como ganga al material sólido inerte que no participa directamente en
las reacciones de reducción directa, los componentes de la ganga son principalmente CaO,
MgO, SiO y A1203. La ganga sin embargo influye en algunas propiedades, tales como: el
hinchamiento y la tendencia a la aglomeración. Generalmente, la influencia de la ganga se
analiza en base a los llamados índices de basicidad:
B2 = Ca0 / SiOZ
B4 = Ca0 + Mg0 / Si01 + Al203
La concentración de los minerales de hierro y el peletizado influyen en la
reducibilidad, y por lo tanto en el comportamiento del proceso, esto se analiza
posteriormente.
b).- La porosidad del mineral.- Los minerales porosos son más fácilmente reducibles que
los no porosos, ya que son mas permeables al gas, permitiendo que se logre una mayor
I
reducción en un tiempo mas corto.
c).- La aglomeración del mineral.- Si el mineral tiende a aglomerarse por fusión incipiente;
entonces se obliga a operar el proceso a menor temperatura, lo cual ocasiona que la
productividad baje. La aglomeración del mineral causa problemas serios en el flujo de
sólidos y gases, formándose canalizaciones que traen como consecuencia un producto con
calidad no uniforme [3].
Pág. 3
CAPllULO 1
tilROoOUCClON
d).- El hinchamiento del mineral.- Algunos minerales tienden a aumentar su volumen al
reducirse a alta temperatura. Cuando el hinchamiento es significativo causa problemas
similares a la agíomeración, por lo que, para evitarlo es necesario operar el proceso a más
baja temperatura, afectándose entonces la productividad [4].
e).- La decrepitación del mineral.- Es la producción de finos causada por la reacción de
reducción. La formación de finos ocasiona problemas de mayor caída de presión y
canalización de la corriente gaseosa.
f).- La resistencia mecánica del mineral.- El mineral debe tener suficiente resistencia
mecánica para no degradarse en tamaño por las acciones de manipulación, transporte y
carga al reactor de reducción.
g).- La granulometría del mineral.- Se prefiere partículas homogéneas, en tamaño, para
evitar canalizaciones que causan problemas de caída de presión y de producto no uniforme.
1.4 ESTABILIDAD DEL FIERRO ESPONJA.
El fierro esponja debido a su alto contenido de hierro en forma metálica está sujeto
a sufrir reoxidación, es d&ir, que si las condiciones son propicias, es posible que el hierro
reaccione con el oxígeno del aire o con agua para oxidarse y volver a formar óxidos de
hierro.
El principal problema de las reacciones de reoxidación es que son exotérmicas, es
decir que generan calor y además pueden generar gases tóxicos y explosivos como el
monóxido de carbono y el hidrógeno [S].
Las reacciones de reoxidación se promueven cuando se pone en contacto fierro
esponja a alta temperatura con una atmósfera oxidante, como puede ser el aire y la
humedad.
Por lo tanto, para la obtención de un producto estable, homogéneo, no reoxidable;
es necesario que el fierro esponja a la salida del proceso de reducción directa esté frío, es
decir a temperatura ambiente o cuando mucho a temperaturas menores de 100°C con
depositación de carbón controlada, seco y con resistencia mecánica que facilite la labor de
almacenamiento y transporte del producto sin degradación apreciable.
La obtención de un fierro esponja con estas características no solo depende del tipo
de proceso y de sus condiciones de operación, sino también, depende en gran parte de las
características especiales del mineral alimentado al proceso.
Entre los procesos de reducción directa existentes tenemos los siguientes:
Hogannas, Wiberg, Midrex, HYL, Purofer, Armco, SLIRN, Krupp, HIE3, Fíor, Novalfer, etc.
Pág.4
I
lNTROOUCCION
CAPfTULO 1
Estos procesos tienen ciertas semejanzas entre si con los procesos de reducción
directa empleados en la antigüedad [ 11.
En seguida se describen los dos procesos mas utilizados actualmente en la reducción
directa:
1.5 PROCESO MIDREX.
El proceso Midrex inició en Toledo, Ohio; con Surface Combustion Corporation en
1936. El generador de gases reductores era una estufa de ladrillo para llevar a cabo el
rompimiento del gas natural. Redujeron arenas de mineral de hierro, pero no pudieron
separar la ganga del hierro metalizado, por lo tanto no tuvo éxito.
En 1948 diseñaron un proceso tipo Batch (intermitente) en Toledo, Ohio, con un
reformador estequiométrico, de Surface Combustion este operó durante un ano, y se tuvo
que parar por razones económicas.
En 1959 Surface Combustión pasó a Midland Rose Corporation de Cleveland.
Para 1963 se desarrolló el proceso Heat Fast Reduction (HFR) que usó pelotillas y
carbón pulverizado en horno rotatorio. en 1965 se instaló una planta HFR para alto horno
en Cooley Minnesota con 60 a 90% de metalización, que por razones económicas se dejó
de operar en 1966.
En 1966 y con 20 años de experiencia., Surface Combustion inició el desarrollo del
proceso Midrex.
Para 1967 se experimentó con un horno de 18” de diámetro y dos tubos comerciales
de reformador, 20 toneladas diarias de producción con un 95% de Metalización para usarse
en horno eléctrico en Oregon Steel Mills en Portland, Oregon. Utilizando un reformador
estequiométrico, de gas natural y horno a contracorriente de lecho móvil.
En 1969 se instalaron dos módulos en EUA (Oregon Steel Milis), pero tuvieron
problemas con la capacidad de reformación y control de carbón.
En 1969 Midland Rose fué adquirida por Korf Industrie y Handel Gmbh & KG,
Alemania, y en 1973 instaló cuatro plantas que operan exitosamente: en Hamburgo
(Alemania), Georgetown (South Carolina), Portland (Oregon), Contrecoeur (Canadá ) con
una capacidad de producción de 400,000 tons/ano. Actualmente tiene plantas en SIBECDOSCO en Canadá , SIDOR en Venezuela, IMEXSA en México, Nippon Denro Ispat Ltd
en la India, NISCO en han, Kobe Steel Kakogawa en Japón, en Brasil, Indonesia y
Trinidad entre otros [6].
Pág. 5
CAPITULO 1
INTRODUCCION
CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO MIDREX:
-Horno vertical de lecho móvil con tres zonas bien definidas:
zona de reducción, zona isobárica y zona de enfriamiento.
-Reformador
estequiométrico.
-Dos circuitos de gas separados:
Circuito superior de reducción
Circuito inferior de enfriamiento
-El gas de reducción se circula al reactor a través del reformador.
-La reformación se lleva a cabo con COZ y Hz0 que son gases de tragante, por reacción
catalítica del CI&
-En el reformador se provee calor con gas de salida del horno de reducción y gasnatural.
-El gas reductor contiene aproximadamente 95% de Hz y CO en relación Hz/CO de 1.5 a
1.6
-Duración aproximada de la carga en la zona de reducción de 6 hrs.
-Metalización de 92 a 93 % .
-Consumo de energía de 3.0 Gcal de gas natural y 120 kWh/ton producida [7].
1.6 PROCESO HYL III
.
Proceso desarrollado a principios de los setentas en Monterrey, N.L. México,
iniciando con el proceso I-IYL 1. Se construyó una planta piloto de 20 toneladas de fierro
esponja por día en 1975 [8].
La sección generadora de gases reductores es completamente independiente de la
sección de reducción. Esta da opción a usar cualquier proceso de generación de gases
reductores, por ejemplo: gasificación, combustión parcial, reformación, etc.
El proceso generador de gases reductores empleado en la actualidad, es la
reformación de gas natural con vapor de agua. Como el vapor de agua se emplea en exceso
(relación de 2.4 de vapor de agua a gas natural), se tiene que enfriar el gas para quitarle el
excedente. (La relación estequiométrica necesaria es de 1: 1).
El gas reformado resultante tiene una composición aproximada de:
J32
75% en volumen
co
15% en
5% en
3% en
1% en
co2
CH4
H20
volumen
volumen
volumen
volumen
Pág. 6
cAPrlu10 1
INTRODUCCION
El consumo de este gas es de aproximadamente 1060 M3 std. por tonelada de fierro
producido.
La sección de reducción consta de un reactor de lecho móvil por gravedad,
presurizado con sellado mecánico. La presión de operación es de aproximadamente 3.5
kg/cm* abs. La admisión del mineral se realiza por una tolva de presurización y
despresurización, y otra tolva de capacidad comunicada directamente al reactor.
El sistema de sello consta de una válvula media bola, modificada que corta el flujo
de sólidos, y una válvula macho que sella el flujo de gas. Dispuestas estas antes y después
de la tolva de presurización.
El control de flujo de sólidos se realiza a la salida del reactor por medio de una
válvula dosifícadora, siendo ésta ti disco de altura igual al diámetro inferior del reactor; en
cuya periferia tiene cavidades que al girar retiran del reactor un volumen de sólidos igual al
volumen de cavidad. La velocidad de rotación de ésta válvula es controlada y se varía de
acuerdo al flujo de sólidos o producción que se desee.
Igual que en la parte superior, se tiene una tolva de capacidad y una tolva de
despresurización con válvulas de sellado idénticas a las de admisión de sólidos. Una vez
llena la tolva se descarga por una banda a una tolva de almacenamiento del producto.
El reactor consta de tres zonas: zona de reducción o zona superior donde el gas
reductor fluye a contracorriente, entrando por una cavidad circular y saliendo por la parte
superior por un recolector (tubo revestido de refractario) colocado al lado de la entrada de
los sólidos.
Zona de enfkiamiento o zona inferior, en que el gas refrigerante entra por la parte
inferior del reactor y fluye a contracorriente con el sólido, para salir a un plenum recolector
del gas, situado abajo del plenum de entrada de gas de reducción.
Zona isobárica o zona media. Esta sección del reactor separa las zonas de reducción
y enfíiamiento. Se llama isobárica por ser zona de presión constante con el fin de no tener
flujo de gas a través de ella y no mezclar el gas de reducción con el de enfriamiento.
Teóricamente en esta zona lo único que debe fluir es el sólido que se transfiere de la zona
de reducción a la de enfkmiento.
El gas’reductor tiene dos circuitos independientes. El circuito de reducción que
entra al reactor en la zona de reducción. Sale de éste y es enfriado y lavado para quitar el
agua, producto de la reducción con Hz y separar las partículas de sólidos arrastrados por el
gas. Parte de este gas se purga del sistema enviándose a fuegos, el resto se recircula por
medio de un compresor, y se envía a un calentador junto con el gas de repuesto procedente
del reformador.
Pág. 7
INlRODUCC10N
CmULO 1
El calentador eleva la temperatura del gas a 900-1000°C dependiendo de las condiciones de
operación. Generalmente la depositación de carbón se controla por medio de la gravedad
específica del gas de enfriamiento, a mayor gravedad específica del gas se tendrá una
menor depositación de carbón [9].
1.7 PRODUCCION MUNDIAL DE HIERRO POR REDUCCION
DIRECTA.
La producción mundial de Hierro de Reducción Directa (DRI) aumento nuevamente
en 1994. De acuerdo a datos recopilados por la Corporación Midrex de Reducción Directa
el total de la producción fué de 27.4 millones de toneladas de las cuales el 65% de la
producción total es aportada por ellos. El Briquetizado en Caliente de Hierro (HBI) alcanzó
un 16% del total.
Este aumento en la producción se debe a una fuerte demanda de las acerias del DRI
y HBI, un incremento récord en los precios de la chatarra. Además del DRI del Horno
Eléctrico de Arco, más de un millón de toneladas de DRI fueron usados en Altos Hornos y
Hornos al Oxígeno Básicos y muchas fundiciones y otras operaciones metahírgicas los
usaron muy bien.
En 1994 las plantas que basan sus procesos en la utilización de gas produjeron el
92% del DRI mundial. Además del 65% producido por MIDREX, la tecnología HYL III
alcanzó un 14.5% y las plantas HYL I produjeron 11.1%. Las plantas que utilizan carbón
produjeron 8% del total, de este porcentaje el proceso SLiR.N contribuyó con el 3.6% [lo],
ver gráfica 1.1 .
La producción mundial de DRI por regiones se muestra en la Tabla 1.1, donde
puede observarse que América Latina es el líder mundial con ll.4 millones de toneladas,
En 1994, por ejemplo, de las 10.40 millones de toneladas de DRI producidos en América
Latina, 4.7 millones correspondieron a Venezuela quien ocupó el primer lugar tanto en la
región latinoamericana como a nivel mundial; en tanto que México ocupo el segundo lugar
con 3.2 millones de toneladas. En el contexto mundial la India ocupó un tercer lugar con
3.1 millones de toneladas.
En 1996 las plantas que basan sus procesos en la utilización de gas produjeron 33.3
millones de toneladas, de las cuales como se observa en la gráfica 1.1, el 63% se obtuvo
mediante el proceso MIDREX, el 27% mediante la tecnologia HYL, y otros procesos
aportaron el 10% de la producción total.
En 1996 la producción se incremento nuevamente. México pondrá en operación
reactor de reducción directa con tecnología MIDREX con una capacidad de 1.5 millones
toneladas por tio, con lo que se encontrará en similitud de producción con Venezuela
el afro 1998.
Midrex pronosticó que la producción mundial de DRI incrementará 44 millones
toneladas para el año 2000 y 48 millones para el año 2005.
un
de
en
de
Pág. 8
CAPITULO 1
INTRODUCCION
TABLA 1.1 PRODUCCION MUNDIAL DE DRI POR REGION
1993-1996
(Millones de toneladas)
REGION
1 1993
1994
1996
\r
ESTE MEZDIO/NORTE D E AFRICA
’ ASIAIOCEANIA
Desaparecida URWEUROPA DEL ESTE
NORTl%MERICA
AFRICA
1 OESTE DE EUROPA
6.02
4.43
l
1.54
1.18
0.91
0.18
6.98
5.74
I
8.4
8.1
1.71
1.25
1.02
2.6
1.5
0.28
0.4
0.9
Gráfica 1.1 PRODUCCIÓN MUNDIAL DE
*DRI POR PROCESO 1996
O-l-ROS
10%
MIDREX
63%
Pág. 9
CAPITULO 2
ANTECEDENTES
2.1 PRUEBAS METALÚRGICAS.
Los pellets de mineral de hierro que sirven como alimentación a los procesos de
aceración primaria Alto Horno y Reducción Directa se evalúan de acuerdo a sus
características fisicas y químicas principalmente, a pesar de que en ocasiones presentan la
misma composición química y propiedades físicas similares su comportamiento durante su
transformación a hierro primario, es diferente [ ll].
Es conocido que los diferentes tipos de mineralización en los yacimientos de
mineral de hierro ocasionan variaciones en el proceso de Molienda y Concentración, como
puede ser mayor consumo de energía para alcanzar un mismo grado de fineza o mayores y
pasos mas intensos de concentración y clasificación para alcanzar la ley deseada en el
concentrado.
Por otra parte variaciones en la cantidad y composición de la ganga del concentrado
ocasionan que en el proceso de peletizado haya disturbios principalmente durante el
cocimiento, como son el bloqueo de la reacción de oxidación y del proceso de
desulfkración así como la fusión parcial de los componentes de la ganga del concentrado y
los aditivos empleados.
Las anteriores variaciones repercuten directamente en los procesos de Reducción
del pellet y da una idea de porque los pellets no pueden ser fabricados siguiendo una receta.
Esto hace necesario profundizar en el conocimiento de los yacimientos del mineral y la
mejora de los procesos de Molienda, Concentración y Peletizado, para obtener un producto
de calidad altamente competitivo.
Por lo antes descrito, se desarrollaron pruebas Standard que evaluan el
comportamiento metalúrgico del pellet durante su reducción, siendo las principales
características que se evalúan las siguientes [ 121:
l.- GENERACIÓN DE FINOS.- Característica a controlar debido a que los procesos
primarios de aceración trabajan a contraflujo y es necesario que exista una buena
permeabilidad en los reactores.
PRUEBA DE DEGRADACIÓN A BAJA TEMPERATURA: Durante el inicio de la
reducción, el pellet se ve sujeto a la acción de una mezcla de gases de poder reductor bajo y
relativamente frios, en este ambiente ira descendiendo y encontrando gases cada vez más
reductores y temperaturas más altas hasta llegar a su máxima reducción. Esta combinación
de movimientos con gases reductores y temperatura es una fuerte prueba para el pellet, que
debe soportar sin una alta generación de finos. La finalidad de esta prueba es simular las
condiciones que existen en la parte alta del reactor, básicamente en la zona donde ocurre
la transformación de hematita a magnetita microporosa.
Pág. 10
JDAD
I
PAR4 EL DESALOJO DE OXÍGENO.- El mineral de hierro en los pellets
-Jk en su máximo estado de oxidación (Fe203) y temhá que ceder el oxigeno
r*a su estado metálico (Fe”).
:e Ir
&;*.’
Fi.., PRUEBA DE REDUCIBILlDAD
(REDUCCIÓN ESTÁTICA): El objetivo de esta
_2ba es medir a nivel laboratorio la reducibilidad de la carga metálica bajo condiciones
:,temper;ltura y concentración de gas reductor similares a 10s cercanos a la parte media de
i,gna de reducción. La reducibilidad es una característica importante del pellet y
esenta una medición de la facilidad del mismo para ceder el oxígeno contenido en sus
s de hierro. Los resultados son indicadores del consumo de energéticos en el horno.
IO DE VOLUMEN DEL PELLET.- Los diferentes cambios estructurales que
- ‘%
;.sufke el pellet cuando pasa de hematita a hierrro metálico ocasionan un hinchamiento en el
‘,i pellet.
:. P.
i -1
PRUEBA DE HINCHAMIENTO: El objetivo de esta prueba es medir el cambio de
1 volumen en el pellet durante su reduccion.
’ t.\.
,.d24
, ‘.
“4.- FORMACIÓN DE AGLOMERADOS.- El pellet cuando es sometido a altas
temperaturas (mayores a 900°C) sufre una fusión parcial de la ganga lo que ocasiona una
unión en los puntos de contacto peIlet-pellet y pellet-refractario.
PRUEBA DE ADHESIÓN (REDUCCIÓN BAJO CARGA): Tiene como objetivo
simular la estancia de los pellets en las condiciones más drásticas de temperatura, presión y
concentración de gas reductor. La información que proporciona, es la pérdida de
permeabilidad de la cama de pellets soportando una carga bajo condiciones de reducción a
das temperaturas y la tendencia a la adhesión de la carga metálica.
Pág. 11
ANTECEDENTES
CmruLO
2.2 PRUEBA DE REDUCIBILIDAD.
HyL ha desarrollado una prueba de laboratorio para la evaluación de los minerales
de hierro. Los resultados de esta prueba permiten la evaluación de la calidad del mineral de
hierro para la reducción en el proceso HyL III, La prueba consiste en la reducción
isotérmica, de una muestra con un gas de composición y flujo constante. El grado de
reducción es determinado mediante el monitoreo de la perdida de peso de la muestra. El
equipo y las condiciones experimentales son:
1 EQUIPO:
I PESO DE LA MUESTRA:
l GRANULOMETRíA:
1
I TEMPERATURA:
l Tubo vertical de doble pared, 75mm D.I.
I
I % kg. (seca)
I
) Muestra representativa de +6.3 mm (+1/4”)
1
1(250 grs. -5/8+1/2"y250
1
gs. -1/2+3/8")
I 800°C y 950°C (dos pruebas)
I
ATMOSFERA DE PRECALENTAMIENTO Nitrógeno
YE-01
.
COMPOSICIÓN DEL GAS PARA LA 55% Hz, 21% CO, 14% COZ, 10% N2
PRUEBA:
I FLUJO DEL GAS:
I TIEMPO DE REDUCCCIÓN:
I RESULTADOS:
l 5.5 x 10m2 M3N/min
l
I Hasta obtener el 95% de reducción
I
I Gráfíca de perdida de peso
l
VS.
tiempo
Un diagrama del equipo de prueba se muestra en la figura 2.1
El procedimiento experimental es el siguiente:
1.- Se obtiene una muestra representativa de 2 Kg. con un tamtio de (15/8”+3/8”).
La muestra se seca a 110°C por 8 hrs.
3.- Se carga una muestra de prueba de 0.5 Kg. en el reactor.
2.-
(250 grs.-5/8"+1/2",250 grs.-1/2"+3/8")
4.- Se coloca el reactor dentro del horno precalentado.
5.- Se llevan a cabo todas las conexiones.
Pág. 12
ANTECEDENTES
CAPITULO 2
...
M3N/min.(5
a
10
-6.- Se establece un flujo de nitrógeno de 0.5 a 1.0 x lo1
litros
n0rmalesAAin.)
7.- Cuando la muestra alcanza la temperatua de prueba, el flujo de nitrógeno se incrementa
a 5.5 x 10’ M3NMin..
8.- Se tara la balanza a cero.
’
9.- Se introduce el gas reductor a 5.5 x lo7 M?N/Min. con una composición de 55%H2,
2 l%CO, 14%C02, 10°/oNz.
lo.- Se monitorea continuamente la pérdida de peso.
1 l.- Cuando el grado de reducción alcanza el 95%, el gas reductor se reemplaza por
nitrógeno a un flujo de 0.5 a 1.0 x 10m2 M3N/Min. y se saca el reactor del horno. Se
mantiene el flujo de nitrógeno hasta que la muestra se ha enfriado a la temperatura
ambiente.
El oxígeno removido se mide continuamente durante la prueba mediante la perdida
de peso. El oxígeno reducible se calcula como sigue:
O2 red =
-
wo2
- -
-
-
-
x (1.5 Fet-0.5 Fe+2 )
WFe
donde:
Wo2 = Peso átómico del oxigeno
WF~ = Peso atómico del hierro
Fet = Hierro total en la muestra
Fe+‘= Hierro ferroso en la muestra
El resultado es una gráfica de grado de reducción contra tiempo. El grado de
reducción se define como:
Orem
R = m---w
Ored
donde:
R = Grado de reducción (como fricción)
Orem = Oxígeno removido de la muestra
Ored = Oxígeno reducible en la muestra
I
La cantidad de oxígeno reducible se verifica experimentalmente mediante la
reducción al 100% de una muestra representativa. Las condiciones usadas para esta prueba
son 1000°C con una mezcla de gas reductor H2/N2 en una proporción de 70130.
Usualmente los datos experimentales pueden ser ajustados a un modelo cinético de
primer orden. La ecuación del coeficiente de reducción es:
Póq. 13
CAPITULO 2
AHIECEDENTES
dR
- = K( 1-R)
dt
donde:
dR
-- = Velocidad de reducción
dt
K = Constante de reducción
R = Grado de reducción
t = Tiempo requerido para la reducción
Integrando la ecuación se obtiene:
1
In --- = Kt
1-R
Como resultado de graficar In (l/( 1-R)) se obtiene una línea recta. La pendiente es
un índice directo de la reducibilidad. Un valor alto de “K” implica una mejor reducibilidad.
Las cifras típicas dan valores entre 2.9 y 3.3
La metalización en porciento se calcula mediante la siguiente ecuación:
% Metalización = 100-150(1-R)
donde:
% Metalización = Porciento de metalización
R = Grado de reducción
Esta relación supone que el hierro metálico comienza a aparecer cuando el Fe0 es
el único óxido de hierro que se tiene presente. Esta aproximación es válida para R = 75 ‘%
>wetalización = 62.5 Oh).
Esta aproximación es usada únicamente para monitoreo experimental durante una
prueba. Los reportes de la metalización del producto son determinados mediante análisis
~~cluimico estándar.
:,.
Pág. 14
ANTECEDENTES
Fig, 261 EQUIPO PARA PRUEBA HYL DE REDUCIBILIDAD
i --J
y/
l
N2
l.- R E A C T O R
2.. H O R N O E L E C T R I C O
3.- B A L A N Z A
4.- T E R M O P A R
5.- S A L I D A D E G A S E S
6.- E N T R A D A D E G A S E S
7.- ESTACION P R E P . D E G A S E S
S.- C O M P U T A D O R A
ge-TRANSDUCTOR
1 D.- MUESTRA
L
I
0 ’
Pág. 15
CAPITULO 2
ANTECEDENTES
2.3 PRUEBA HYL DE HINCHAMIENTO.
HyL utiliza la misma mue&a de la prueba de reducibilidad para evaluar el
hinchamiento. Se mide el volumen total de la muestra antes y después de la reducción
usando un medidor de volumen por desplazamiento de mercurio. El hinchamiento se
calcula mediante la siguiente ecuación:
V-VO
% Hinchamiento = ------- x 100
Vo
donde:
V = Volumen de la muestra después de la reducción
Vo = Volumen de la muestra antes de la reducción
Las cifras típicas dan valores menores al 20 %.
Pág.16
ANTECEDENTES
“cm-ruLo 2
2.4 PRUEBA HYL PARA TENDENCIA A LA ADHESIÓN.
Una característica de los óxidos de hierro alimentados en los procesos de reducción
directa es su tendencia a aglomerarse durante la reducción. HYL ha desarrollado una
prueba a escala laboratorio para medir esta tendencia a la aglomeración. Esta prueba
permite la predicción del comportamiento de los minerales de hierro alimentados al
proceso HYL III. La prueba de la tendencia a la adhesión consiste en tres pasos principales:
1 .- Reducción de la muestra bajo condiciones constantes.
2.- Aplicación de una carga mecánica a la muestra caliente ya reducida.
3.- Prueba de caída de la muestra ftia.
El grado de reducción de la muestra se mide mediante el monitoreo de la pérdida de peso.
la tendencia a la adhesión son:
-~ Las condiciones exnerimentales nara determinar
1
t
ZQUIPO:
rubo
vertical
de
doble
pared,
125mm.
D.1:
I
l
‘ESO DE LA MUESTRA:
14 kg. (seca).
,,
xANuLoMETRÍA:
viuestra representativa de -518” a +3/8
1250 grs. -5/8”+1/2”, 250 grs. -1/2”+3/8”)
lEMPERATURA:
?recalentar hasta la temperatura de la prueba
:950”+/- 2”C), mantener la T” durante las
Fases de reducción y carga mecánica.
ATMOSFERA DE PRECALENTAMIENTO
Y E-0
Nitrógeno
COMPOSICIÓN DEL GAS PARA LA 55% Hz, 21% CO, 14% COZ, 10% N2
PRUEBA:
FLUJO DEL GAS:
5.4 x 10q2 M3N/min. (54 lts. normales/min.)
TIEMPO DE REDUCCIÓN:
Hasta obtener el 90% de reducción
CONDICIÓN DE CARGA:
1.5 kg./cm’ (145kpa) durante 30 minutos
sobre la muestra.
PRUEBA FíSICA DE LA MUESTRA:
Dejar caer 20 veces la muestra desde una
altura de 1 metro.
RESULTADOS:
El % de muestra aglomerada remanente
)después de cada caída.
Pág. 17
CAPmJLO 2
AMECEDENTES
La figura 2.2 representa un diagrama del equipo para la prueba.
El procedimiento detallado de la prueba es el siguiente:
l.- Se obtiene una muestra representativa de 2 Kgs. de -5/8”+3/8”.
2.- Se seca la muestra a 100°C por 8 hrs.
3.- Se separa una muestra de prueba con un peso de 1/2 Kg.
(250 grs. -5/8”+1/2”, 250 g-rs. -1/2”+3/8”). En caso de mineral en trozo y mezclas de pellet,
cualquier trozo que exceda 16 mm (+5/8”) se rechaza debido a su efecto desproporcionado
en la mezcla.
4.- La muestra se carga al reactor en una canasta. Se coloca la muestra sobre una cama de
bolas de alúmina, se rodea por una capa belgada de lana mineral y se cubre con otra cama
de bolas de alúmina dentro de la canasta. Esta protección es necesaria para prevenir la
adhesión de la muestra con la canasta como resultado de la carga mecánica posterior.
5.- Se coloca el reactor dentro del horno precalentado.
6.- Se llevan a cabo todas las conexiones.
7.- Se inicia un flujo de nitrógeno de 0.6 a 1.2~10-~ M3N/min. (6 a 12 lts. normales/min.).
Este flujo se mantiene hasta que la muestra alcance la temperatura de prueba de 950 “C.
8.- Cuando la muestra alcance la temperatura de prueba, el flujo de nitrógeno se
incrementa a 5.4~10~~ MfN/min. (54 lts. normaleslmin.)
9.- Se ajusta la balanza a cero.
lo.- Se introduce el gas reductor a 5.4~10‘~ M3N/min. con una composición de 55% Hz,
21% CO, 14% C02, 10% N2,
ll .- Se monitorea continuamente la pérdida de peso.
12.- Cuando el grado de reducción alcanza el 90%, se reemplaza el gas reductor por
nitrógeno a un flujo de 5.4~10” M3N/min.
13.- Se aplica una carga de 1.5 Kg/cm2 (147 KPa) sobre la muestra, manteniéndola durante
30 minutos.
14.- Después de quitar la carga, se saca el reactor del horno manteniendo el flujo de
nitrógeno hasta que la muestra se enfkíe a la temperatura ambiente.
15.- Se detiene el flujo de nitrógeno y se saca la canasta del reactor.
16.- Se saca la muestra de la canasta y es inspeccionada para determinar el porcentaje de
material aglomerado. Se cuenta como aglomerado todos aquellos grupos de partículas que
tienen más de una ó media piezas pegadas entre sí.
17.- La muestra se deja caer desde una altura de un metro contra una superficie por 20
veces. Después de cada caída, se determina el porcentaje de material aglomerado. Aquellas
piezas individuales que se separan del material aglomerado como resultado de la prueba de
caída se deben quitar de la muestra antes de la siguiente caída
Los resultados de la prueba se grafican en porciento de aglomerados como función
del número de caídas. Se unen los puntos de la gráfica. Se calcula el área bajo la curva.
Esta área se convierte a un porcentaje del área total de la gráfica. Este porcentaje es el
valor del índice de adhesión del material.
Pág. 18
ANTECEDENTES
FQ 2.2 EQUIPO PARA PRUEBA HYL DE ADHESION
@ri
111111111 = I
l.2..
3.a.5..
6.7.-
IWCTOR
HORNO EUXTRKO
adANzA
TERMOPAR
WDA DE GASES
ENTRADA DE GASES
ESTACION PREP DE GASES
8.. cohttw5o~~
9.- TRANSDUCTOR
lo.- MUESTRA
ll..ENTPAMDEAlRECOMPRlhUDO
12.- CILINDRO NEUMATICO
13 .- PISTON DE PRE!WN
Pág. 19
CAPITULO 2
._
ANTECEDENTES
m PRUEBA HYL DE DEGRADACION
A BAJA TEMPERATURA
Además de la reducibilidad y la tendencia a la adhesión, la degradación durante la
reducción es considerada como una propiedad importante a ser evaluada para los minerales
que se usan en la plantas de reducción directa HyL III. HyL ha desarrollado una prueba de
degradación adaptada de las pruebas de degradación para altos hornos, a las condiciones
del proceso HyL. La prueba se hace a Baja Temperatura debido a que la etapa critica
durante la reducción es la reacción hematita-magnetita microporosa la cual toma lugar en
la parte alta del reactor, entre 500°C y 600°C.
La prueba consiste en la reducción isotérmica, a 500°C de una muestra de 1000 grs.
en un reactor rotatorio usando un gas reductor representativo del proceso HyL. El equipo y
las condiciones experimentales son las siguientes:
SQUIPO:
Tubo rotatorio de 100 mm. de D.I. y 200
mm. de longitud con 4 elevadores,
VELOCIDAD DE ROTACIÓN:
I 18RPM
1.0 kg. (muestra seca)
MUESTRA:
(500 grs. -5/8”+1/2”, 500 grs. -1/2”+3/8”)
TBMPERATURA:
l Constante a 500°C
KTMOSFERA DE PRECALENTAMIENT 0 Nitrógeno
Y ENFRLAMIENTO:
COMPOSICION DEL GAS PARA LA 55% HZ, 21% CO, 14% COZ, lo%PRUEBA:
FLUJO DE GAS:
2.0 x 10m2 M3N/min. (20 lts. normales/min.)
TIEMPO
2 hrs.
DE REDUCCIÓN:
RESULTADOS:
,
Grado de reducción y distribución de
tamaños de la muestra reducida.
En la figura 2.3 se muestra un diagrama del equipo utilizado para la prueba.
Pág. 20
CAPITULO 2
ANTECEDENTES
Bl procedimiento experimental es el siguiente:
I.- Una muestra seca de 1 .O Kg. del mineral a ser probado se carga en el reactor (500 grs.5/8+1/2”,5OOgrs.-1/2+3/8”).
2.- Se coloca el reactor en el horno y se hacen todas las conexiones.
3.- Se pasa un flujo de nitrógeno de 0.5 a 1.0~10” M3N/min. (5 a 10 lts. normales/min.)
durante el precalentamiento.
4.- Cuando la temperatura alcanza 5OO”C, el flujo de nitrógeno se cambia por el de gas
reductor. La rotación del reactor se inicia en éste momento. Esta condición se mantiene
durante dos horas.
5.- Se enfría el reactor hasta alcanzar la temperatura ambiente usando nitrógeno.
6.- La muestra se criba para obtener su granulometria y se analiza para obtener el grado de
reducción.
El resultado de ésta prueba es la distribución de tamaños de la muestra reducida. El
porcentaje de material remanente en la fracción +6.3 mm (+1/4”) se considera como un
lndice para la evaluación de la tendencia a la degradación del mineral de hierro probado.
Entre mas grande sea éste valor mayor es la resistencia a la degradación del mineral
durante la reducción. Valores mayores del 88% para la fracción +6.3 mm (+1/4”) son
considerados buenos para pellets y 20% para mineral en trozos.
El porcentaje de material abajo de 3.1 mm (-l/S”) se considera también como un
buen índice para determinar la tendencia del mineral de hierro probado a generar finos
durante la reducción. Entre mas bajo es éste valor, menor es la tendencia del mineral a
generar finos. Valores menores del 10% para la fracción -3.1 mm (- 118”) son considerados
buenos para pellets y 20% para mineral en trozos.
Un índice adicional que resulta muy útil es el porcentaje de pellets que permanecen
enteros durante la prueba de reducción. El mayor de éstos valores, da el mejor
comportamiento del pellet en el proceso de reducción directa. Valores mayores del 75%
son considerados buenos para pellets.
Para casos especiales se debe consultar el Standard JIS 8402-2, y los Standard ISO
de los procesos MIDREX y HYL.
Una tolerancia de 6.2 es un valor típico cuando se usa el mismo equipo y el mismo
laboratorio para el DBT +6.3mm (+-1/4”), una tolerancia de 2.95 para el DBT -3.lmm (1/8”) y una tolerancia de 12.6 para el DBTpE.
Una tolerancia de 1.81 es un valor típico entre dos laboratorios para el DBT6.1, una
tolerancia de 0.6 para el DBT3.1 y una tolerancia de 9.43 para el DBTPE.
Pág. 21
CAPITULO 2
‘.
_.
:
.- .
ANTECEDENTES
4
0
.$
0
LLI
-
Pág. 22
c,4ImJLO
2
ANTECEDENTES
2.6 CALORES RE REACCION EN LA REDUCCIbN DE LOS áXIDOS.
REDUCCIÓN
CON MONOXIRO
3 Feto3 + CO = 2 FeJO + COZ
Fe304 + C O =3FeO +COZ
Fez03 + CO = 2 F e 0 +C02
Fe0 +CO = F e +COL
Fe203+3C0 = 2Fe +3CO2
RERUCCI6N
DE CARBONO (CO):
H = -37.574 kcal/t Fe
H = +5 1.979
H = +14.405
H = -73.250
H = -58.845
*
CON HIDROGENO (Hz):
3 Fe203 + HZ = 2 Fe304 + Hz0
H = - 8.263 kcal/t Fe *
H = + 110.600
‘- Fe304+Hz = 3FeO +HzO
.Fe203+H2
=
2
F
e
0
+HzO
H
= +102.337
-.:
;-:; Fe0 + H2 = Fe f Hz0
H = +102.614
=
2
F
e
+3Ht0
H=+204.951
; Fe203 + 3 HZ
. ‘: *Reacción exotérmica, HEMATITA-MAGNETITA
~1. Etapa critica que sucede a Bajas Temperaturas en las reacciones de reducción.
@-7 ,MICROESTRUCTURA
IOPIEDADES.
i
5
rde~
DE PELLETS VERDES Y LOS EFECTOS EN SUS
Los procesos de peletización pueden ser divididos en dos etapas:
Formación del pellet verde y consolidación del pellet o cocimiento. Los pellets
deben ser cocidos de ta1 manera que adquieran resistencia.
ti?!
“;+. La formación de pellets de minerales de hierro generalmente tiene lugar ya sea en
tambor o en un disco. Actualmente tiene mayor éxito el disco peletizador por su efecto
!clasificación que reduce sensiblemente la carga circulante y en nuestro pais todas las
antas peletizadoras emplean este método. El problema principal en ambos casos es el
@emaje de humedad del mineral mezclado con aditivos aglomerantes. El mineral una
,,mezclado se coloca dentro del tambor o del disco y en ambos casos se tiene una
kión a una velocidad fija.
Pág.23
ANTECEDENTES
.En ambos procesos se acondiciona la mezcla para dar las características de un
material peletizable (adhesividad y plasticidad). La acción de rolado producida por la
.rotacion le da crecimiento a los pequefios aglomerados esféricos. Mineral con aditivos y
j w son reabastecidos continuamente; esto les permite a los pequeños pellets crecer y los
wr..:
e-i _ pellets formados son desalojados del sistema. Para una mezcla de material dado y una
:g‘1 . velocidad de alimentación, el tamaño del pellet producido por el disco peletizador es una
z?,; función de la velocidad y del ángulo de inclinación del disco.
, %:- ~ . _
3,;
.: *
C\h .“,”
La microestructura de los pellets verdes producidos de ésta manera es usualmente
7:.,” 1. constante a lo largo del radio y consiste de partículas fragmentadas de magnetita y cuarzo,
?,. los cuales en el caso de pellets cocidos se mezclan con granos o nódulos de caliza, calhidra,
‘:’ .dolomita, aditivos orgánicos ó mezclas de ellos; aunque para la producción de pellets
:
. básicos el mas utilizado es la calhidra. Porosidades elevadas se producen por una gran
1. cantidad de poros pequeños de forma irregular los cuales algunas veces son llenados por
-:,~. partf c ulas fmas entrelazadas de los óxidos antes mencionados.
.i”
La estructura formada debe proveer a los pellets verdes de la resistencia suficiente
.. para soportar el transporte y carga dentro del horno de cocimiento (endurecimiento del
. pellet), operaciones que pueden provocar diferentes caídas de alrededor de un metro;
” aunque debe procurarse en la planta peletizadora minimizar el número de caídas y la altura
. de éstas así como su ficción. Cuando son cargados dentro del horno, los pellets deben
soportar un mpido ascenso de temperatura sin romperse “Cracking”. Esta propiedad es
fuertemente influenciada por los aditivos como lo muestran los estudios de Tigerschiöld
1131, Ba11 y colaboradores [14] y algunos otros autores.
;‘.,: : . _
‘,
La determinación de la resistencia para un secado rápido es por lo tanto de gran
<
importancia y esto puede hacerse de la siguiente manera: Un horno de laboratorio debe ser
calentado a cierta temperatura, se colocan rápidamente en el horno diez o mas pellets
verdes y se observa su comportamiento; si ninguno de los pellets se rompe se incrementa la
temperatura del horno y un nuevo lote de pellets verdes se coloca dentro del horno. El
experimento se repite hasta una temperatura en la cual algunos pellets muestren
rompimiento, ésta temperatura es llamada “temperatura de choque térmico de los pellets
verdes”. En el interior del pellet las fuerzas desarrolladas por la presión de vapor son tan
&randes que se supera el efecto de las fuerzas de cohesión, explotando o agrietándose
interiormente.
Pág. 24
LO 2
ANTECEDENTES
Existen dos razones principales por las cuales la magnetita es mucho r&.s
-;!: j apropiada como materia prima que la hematita para el peletizado, como lo muestran los
‘;, estudios realizados por Harbord y Goldring [ 15 1. La primera razón es que cuando se usan
‘ concentrados de magnetita, sucede una oxidación ligera y la cementación de granos
individuales a temperaturas entre 200 y 300°C, lo que mejora las propiedades para los
pellets verdes durante el secado. La segunda razón es con respecto a la oxidación de la
magnetita la cual es ligeramente exotérmica y por lo tanto provee cierta cantidad de calor
al proceso. De éste calor no se dispone durante el cocimiento de pellets hechos de hematita
y por lo tanto éste calor debe ser suministrado externamente, incrementando el costo del
proceso y el riesgo de la adhesión entre los pellets.
A nivel mundial se produce un mayor volumen de pellets de magnetita que de
hematita, sin embargo, los minerales de hematita se peletizan en algunos países y es obvio
esperar que casi toda la hematita que este presente en el pellet producto inició como
hematita antes del cocimiento.
En el primer artículo de investigación publicado relacionado con el peletizado [3],
se reportó muy poca ó prácticamente ninguna diferencia en las características de
aglomeración entre hematita y magnetita lo cual no coincide con resultados posteriores. En
este trabajo además se concluyó que la “facilidad de boleo” fué proporcional al numero de
puntos de contacto entre partículas y que el numero de contactos está en función de la
superficie específica del material alimentado.
En cambio Tigerschiöld e Ilmoni encontraron una relación proporcional entre la
superficie específica y la resistencia del pellet verde, explicando éste fenómeno por la
teoría de capilaridad en la unión de pellets verdes en Iugar de Ia hipótesis del numero de
puntos de contacto [ 161.
Otras investigaciones mostraron que la resistencia de los pellets verdes resulta de la
fuerza de compresión ejercida por la pelotilla entera sobre una partícula sola. Cálculos
basados en el tamaño de la partícula y el peso del pellet mostraron que si la pelotilla actúa
sobre una partícula sola la presión en ésa partícula sola podría ser de “algunos miles de
psi”; trabajos posteriores rechazaron ésta teoria como la única causa de la resistencia de los
pellets verdes, ya que existen otras fuerzas que contibuyen al sostenimiento de las
partículas.
Pág. 25
10 2
ANTECEDENTES
Tigerschiöld mostró mediante medidas de resistencia bajo una constante pero rápida
.‘:,’. . velocidad de deformación (menos de tres segundos para el rompimiento de la pelotilla) que
,!,’ la resistencia es inversamente proporcional a la porosidad de los pellets verdes y
; directamente proporcional al porcentaje de agua a porosidad constante.
./
Por otra parte Goldstick encontró que la resistencia a la caída y la resistencia al
,, impacto también son proporcionales al porcentaje de agua [ 161. Este investigador propuso
]a siguiente teoría entre la resistencia de los pellets verdes y la superficie específica del
mineral:
g.
7.a humedad incorporada se mantiene sujeta por fuerzas capilares inversamente
‘?
I proporcionales al diámetro promedio de los poros, debido a que el diámetro del poro varía
7I,: aproximadamente de manera inversa con la superficie específica, por lo que las fuerzas
$ capilares son proporcionales a la superficie específica”.
i’t;,,p... 2:
yS&,‘3,’ : ah
“í
::Y+(;..’ . i. ;,j
Con respecto al tamaño de partícula, se ha demostrado que éste es el factor más
~#importante
en el peletizado; existen tres diferentes aspectos para éste factor los cuales son:
&
s,? el’límite de sobretamtio,. el rango de tamaño y la distribución de tamaños ó frecuencia
,i
1’
.
De esos aspectos el primero es el que tiene una mayor influencia en la
formación del mineral durante el proceso de boleo. Los dos últimos afectan más la
dad del empaquetamiento de los pellets y por lo tanto su resistencia fínal.
-* En trabajos posteriores producidos por Tígerschiöld, Newitt y Conway-Jones se
ntró que la rapidez de crecimiento de los pellets hechos con material fino fué más
que para material grueso, mientras que para mezclas de finos y gruesos la rapidez fué
lenta. Con respecto al tamaño de los pellets éstos investigadores encontraron que
de fractura es directamente proporcional al cuadrado del diámetro del pellet.
Páq. 26
ANTECEDENTES
WUSTITA (FeO).
La wustita solo se presenta en pellets reducidos. No hay una diferencia muy
marcada entre las propiedades ópticas de la wustita y la magnetita. Sin embargo, la wustita
presenta un índice de reflexión I@S bajo y un color ligeramente más obscuro que la
magnetita. En general la wustita existe en forma granular y asociada con magnetita. El
método más confiable para identificar la wustita es el ataque químico.
;
:.
3: ’
[$
0%@‘i ”
i<
f.f$J!,. : , II.- ESCORI&?
En sí existe una gran variedad de escorias que en función de su composición
&t
’ quhíca tendrán un efecto positivo ó negativo sobre la calidad del pellet ya que dichas
f escorias son muy importantes para la reducibilidad final y resistencia de los pellets, puesto
*’. .que la unión a través de una escoria relativamente inerte durante la reducción garantiza
[: a&$m tipo de soporte a los otros elementos en la estructura dei pelIet:
1; .g;* .
DE CALCIO:
se presentan en forma rectangular, aunque en ocasiones cristalizan en
tales como masas ó agujas. El color que presentan los ferritos bajo luz
1 índice de reflexión es mayor que el de los silicatos y menor que el de la
La reacción al ataque químico dependerá de la combinación entre la cal y los óxidos
pueden existir en el pellet fenitos monocálcicos, bicálcicos, tricálcicos,
os, etc. Los ferritos son solubles en HCl ó HF por lo que pueden identificarse
de los óxidos de hierro y de los sílicatos de hierro.
).- SILICATOS COMPLEJOS:
Existe un gran número de silicatos que pueden formarse durante el cocimiento del
let. Estos silicatos normalmente se observan de color gris obscuro y entre los granos de
ral, es decir, formando puentes ó uniones entre los granos.
El análisis químico de los pellets puede orientarnos respecto al tipo de silicatos
ados durante el tratamiento térmico.
En pellets cocidos frecuentemente se detectan cristales de cuarzo, los cuales se
nhn en diversas formas y de gran tamaño. Estos cristales muestran un color gris más
urO que los silicatos.
Por SU coloración los cristales de cuarzo se distinguen fácilmente de la hematita, la
ta y la escoria formada.
Debido a la reacción entre las partículas de ganga, óxidos de hierro y aditivos; se
escoria durante el cocimiento de los pellets. La cantidad, la compleja composición
la variedad de las escorias dificultan su identificación, aunque pueden
se con cierta facilidad de la hematita y la magnetita; la dificultad estriba en
si se trata por ejemplo de silicatos de calcio, de hierro, combinación de ambos ó
tos de calcio ó de magnesio, etc.
Pág. 28
ANTECEDENTES
Así pues los óxidos que usualmente forman la escoria en los pellets son FeZ03, FeO,
2, Ca0 y en menor proporción MgO, A1203 y K20.
Han sido descritos diversos tipos de escoria en la literatura en relación a la
mposición química, naturaleza mineralógica y propiedades de ésta principalmente por
1 y colaboradores [ 141. Ademas se han llevado a cabo análisis en pellets cocidos bajo
feras oxidantes y neutras principalmente por Nekrasov (201, para encontrar qué
des de escoria de manera marcada están presentes en pellets de magnetita cocidos
Ba11 y colaboradores encontraron, que pellets aglomerados con contenidos de
atita fmamente diseminada se rompen durante su reducción a magnetita [ 191.
Las escorias vítreas son mas probablemente formadas con velocidades de
amiento altas (400-500 grados/min.), ya que los cambios de fusión dan una dureza por
mientras que con velocidades de enfriamiento lentas se tiende a producir fases
(20-40 grados/min.). Velocidades de enftiarniento intermedias aseguran la
ión de una estructura de tipo vítreo-cerámico con una distribución relativamente
rme de magnesio, potasio y aluminio de las fases de óxidos y la escoria vítrea.
s elementos como el magnesio inducen la cristalización de escorias.
Como ha sido estudiado por Yusfin y Bazilevich [22], la formación de una fase
no siempre incrementa substancialmente la resistencia La influencia del fundido
de su humectabilidad, su fluidez y otras propiedades. Un fundido cristalino
neo tiene mala fluidez y no da una alta resistencia entre la unión de partículas. En
tal, las escorias cristalinas tienden a estimular la aparición de un fundido ferruginoso a
temperatura el cual retarda intensamente la reducción de los pellets y daña la
ción en el alto horno ó en los hornos de reducción directa.
La basicidad tiene una gran influencia en la temperatura a la cual comienza a
arse el fundido, en su viscocidad y en la composición mineralógica de la unión del
Una mayor formación de escoria vítrea y una menor viscosidad han sido
lación de basicidad de alrededor’de 0.5 por Yusfin y Bazilevich [22],
10~ [23] Y KhOkhlOV ~241.
Páq. 29
ANTECEDENTES
PARTÍCWLAS DE GANGA;
$ “.
<^ ,‘
Debido a la naturaleza de los minerales de hierro, las partículas de ganga son
constituyentes relativamente comunes en los pellets y su presencia en la microestructura
depende de su facilidad para reaccionar con otros componentes para formar escoria.
El tipo más común de ganga asociada con los minerales de hierro son los silicatos;
y por lo tanto se encuentran partículas de cuarzo en la mayoría de los pellets. El estudio
llevado a cabo por Ba11 y colaboradores [ 141 mostró que el principal efecto de los aditivos
fué facilitar la formación de escorias, especialmente por disolución de cuarzo.
Las partícuias de cuarzo son más difkiles de encontrar y las únicas encontradas
están mas fuertemente disueltas conforme se aumenta la cantidad de aditivos. Las adiciones
de cuarzo por sí mismas no incrementan la cantidad de escoria ni la resistencia del pellet.
Teixeira da Silva y Ogasawara reportaron un efecto benéfico de los olivinos de
calcio (silicatos) en el hinchamiento de los minerales de hierro durante la reducción [25].
La unión de los pellets cocidos y el hinchamiento durante la reducción fueron producidos
por la presencia de minerales de manganeso en la ganga.
Aunque generalmente las partículas de ganga tienden a reaccionar con los aditivos y
los óxidos de hierro, parece ser factible elegir composiciones y ciclos de cocimiento tales
que los componentes de la ganga sean afectados muy poco, mientras provee una adecuada
formación de fundido por unión y recristalización de óxidos de hierro. Ciclos de
,’ cocimiento de este tipo han sido descritos por Chemyshev [26].
:’ IV.- POROS:
Se han dedicado muchos trabajos de investigación al estudio de la relación entre la
resistencia de los pellets y los mecanismos que proveen la estructura del pellet. Sin
embargo, la resistencia está influenciada en primer lugar por la distribución del material
sólido y la distribución de los poros.
En pellets ricos de mineral de hierro, la proporción de poros es considerablemente
mayor que la ganga. Sin embargo, el promedio de tamaño de los poros como regla es
menor que el promedio de tamaño de los granos.
Ba11 [14] mencionó que el efecto de coalescencia de poros es producido por los
aditivos, observándose que cantidades de aditivos más allá de un cierto punto se convierte
en un deterioro para la resistencia de los pellets y una de sus explicaciones esta basada en
la continua coalescencia (condensación) de los poros. Un trabajo que da soporte a ésta
teoría fué realizado por Kovalev y Efimenko [27], en el cual se encontró una correlación
entre la resistencia y distribución del tamaiio de los poros.
Pág. 30
ANTECEDENTES
El rompimiento de pellets cocidos durante la reducción ha sido relacionado con la
mkroporosidad formada por la evolución de dióxido de carbono de la caliza durante el
cocimiento, en una investigación realizada por Khokhlov [24]. En el mismo trabajo el autor
sugiere un crecimiento programado por disminución del porcentaje de microporosidad y la
abertura de la superficie específica de los poros, lo cual disminuye el rompimiento de los
pellets. El crecimiento programado sin embargo, disminuye la reducibilidad de los peilets
hasta en un 40% aproximadamente.
Por otra parte, Karabasov [28] obtuvo empíricamente la relación entre el promedio
de porosidad, tamaño de grano y resistencia. Este autor justifica la resistencia con el
incremento en el promedio del tamaño de los poros debido a una distribución más uniforme
de la fuerza en el espécimen.
El hacinamiento de poros individuales que están rodeados por aditivos es producido
por contracción y coalescencia de poros, que producen una disminución en la superficie
total de los poros sin ningún cambio en su vohímen. Este efecto beneficia la resistencia del
pellet sólo por encima de cierta magnitud, ya que pocos poros pero muy grandes debilitan
toda la estructura más que poros pequeños en gran cantidad. La porosidad adecuada está
entre un 23% a un 30%.
Pág. 31
CAPmJLO III
GENERALIDADES
'CAprlULO 3
GENERALIOAOES
3.1 GENERALIDADES SOBRE LAS TRANSFORMACIONES DE LA
nmXOESTBUCT~ DEL PELLET DE ACUERDO AL ANALISIS QUIMICO
DE LA GANGA Y LOS CICLOS DE COCIMIENTO.
Durante el calentamiento del pellet verde en atmósfera oxidante la magnetita se
oxida a hematita y de acuerdo al tipo de magnetita la oxidación se inicia entre 300°C y
600°C, finalizando alrededor de 1100°C.
La oxidación de la magnetita comienza en la superficie y penetra topoquímicamente
hacia el centro del pellet, es decir, de manera concéntrica. Al principio del ciclo de
cocimiento, una caída en la resistencia durante el secado ha sido explicada por la remoción
de la película adsorbida de agua la cual es la responsable de la resistencia de los pellets
verdes. Esta caída de resistencia no es apreciable en pellets de magnetita debido a la
-oxidación insignificante y a que la cementac$n de los granos de hematita puede iniciar a
temperaturas entre 200 y 300°C incrementando la resistencia de los pellets en esta etapa.
Los primeros cristales de hematita formados simultaneamente se unen unos con
otros. Con suficiente suministro de oxígeno y conforme se incrementa la temperatura entre
800 y 9OO”C, la oxidackn penetra a través de la estructura del pellet, impartiendo así
mayor resistencia a las uniones mediante la recristalización y crecimiento de los granos de
hematita.
A una temperatura de 1 150°C, la oxidación finaliza y toda la magnetita debe estar
.convertida a hematita. Sin embargo, en pellets verdes de magnetita es muy común la
tendencia a formarse una doble estructura, escencialmente una capa periférica de hematita
y un núcleo de magnetita sin oxidar. Por esta razón es muy importante que el oxígeno
penetre la capa de hematita para oxidar el núcleo, por lo tanto, es indispensable mantener
una adecuada permeabilidad en esta capa mediante un control cuidadoso de la velocidad de
calentamiento. Una capa’ de hematita poco permeable no solo disminuye la velocidad de
oxidación del núcleo, sino que a temperaturas de 900°C la magnetita puede sufrir una
recristalización y crecimiento de grano capaz de interferir también con este proceso.
En muchos pellets, muchos de los espacios de los poros se reacomodan dentro de
una grieta concéntrica en la coraza y en el núcleo, dandose un efecto de deterioro en las
propiedades del pellet debido al debilitamiento de la estructura.
Pág.32
INLO 3
GENERAUOADES
3:*-
La ganga en los pellets es un constituyente que invariablemente estará presente.
g fiededor de los 1100-l 150°C comienza la formación de escoria líquida. Solamente
:.r
;; pc9u eíías cantidades de ganga se requieren para desarrollar una película de escoria fundida
f$,~,. entre las partículas de mineral. Si la viscosidad de ésta es alta puede inhibir la oxidación de
,t? la magnetita. La escoria fundida tiene la propiedad de disolver los óxidos de hierro y el
; r grado de disolución es una función de la composición y cantidad de la misma. La escoria
; sin embargo, puede favorecer considerablemente la recristalización y el crecimiento de los
granos de hematita a ll 5O”C, con el subsecuente desarrollo de la resistencia del pellet. La
i ’ variación en la mineralogía con tiempos de cocimiento y temperatura depende de los
t- analisis químicos del pellet.
i
La presencia de una microestructura heterogénea, una en la coraza y otra en el
R núcleo (magnetita) es un factor indeseable en el peletizado. Wynnyckyj y McCurdy f29]
r; explicaron ésta estructura en términos de una contracción de las diferentes zonas del pellet.
‘? Ellos afiknan que la contracción es muy sensible a la temperatura y que se transforma muy
ic, i4pido a temperaturas alrededor de 1300°C. Bajo estas condiciones por lo tanto la parte del
$ &erior puede alcanzar temperaturas elevadas rápidas a todo lo ancho y ocurre la
$~ntracción, mientras que el centro del pellet permanece inmóvil a temperaturas donde la
~‘&ntracción no es notoria. El tamaño de los pellets juega un papel importante en la
$presencia de este defecto.
i. i
‘1‘
,
pst~;~
Cuando se trata del endurecimiento de los pellets verdes de hematita con muy poca
$ ganga, la resistencia solamente es alcanzada a través de la recristalización y crecimiento de
f ,los granos. Este crecimiento solo puede observarse a temperaturas superiores a 12OO*C, por
b$ajo de 12OO*C, los granos y la estructura del pellet mantiene su forma original, sin
t4 mgún tipo de unión entre ellos.
L:$““rr ;
;.< J’
,._ .:
Solo a temperaturas elevadas del orden de 1300°C las pequeñas partículas de
1
mineral
empiezan a formar los primeros puentes entre grano y grano.
<.,Ii 0E”,
$” &
2,; -,s‘-.;
ti,+
Para asegurar que se desarrollen suficientes puentes entre los granos, es decir, para
dCanZar una resistencia del pellet, se requieren largos tiempos de permanencia a la
‘. temperatura óptima de endurecimiento. Esta es la razón de las diferencias en capacidad de
: las @ntas peletizadoras cuando se tratan concentrados de magnetita o hematita.
Pág. 33
GENERALIDAOES
1.
r
I
Por ejemplo, en plantas con parrilla recta pueden producirse de 28-30 Tons. de
@let/m2*día, tratando pellets verdes de magnetita, mientras que con hematita solo se
obtiene de 22-25 Tons/m’ día.
La posible aceleración teórica del crecimiento de los granos de hematita mediante
la aplicación de más altas temperaturas no es recomendable, dado que por encima de
1350°C la hematita se convierte en magnetita, lo que implica un debilitamiento de la
estructura del pellet.
Como regla general, los minerales o concentrados a peletizar contienen ciertos
porcentajes de ganga o aditivos, los cuales reaccionan entre sí y con los óxidos de hierro
para formar finalmente fases de escoria fundida entre los granos de mineral. Estas fases
juegan un papel muy importante en el crecimiento de los cristales de óxido de hierro
durante el cocimiento de los pellets. En otras palabras la calidad del pellet cocido mucho
dependerá de la composición, distribución y cantidad de escoria que se forme durante el
endurecimiento del mismo.
Por ejemplo, el Ca0 reacciona con FezO formando simultáneamente diferentes
ferritos de calcio, los cuales favorecen sustancialmente el crecimiento de los granos de
mineral a temperaturas superiores a 1250°C. Esto se debe ai hecho de que los ferritos de
calcio funden a bajas temperaturas y bajo estas condiciones el crecimiento es mucho más
rápido que en el caso de no existir fases fundidas. Incluso adiciones tan bajas como 1% de
Ca0 son suficientes para producir este efecto.
El SiOz en forma de silicatos reacciona con los granos de mineral para formar
compuestos cristalinos o vítreos, que unen a los mismos granos de mineral ya
desarrollados. La composición de krs silicatos fundidos es muy compleja y están en
función de la ganga del concentrado y el tipo de aditivo usado.
Pág. 34
GENERALIDADES
3 MECANISMOS DE UNIdN DURANTE EL ENDURECIMIENTO DE PELLETS
.,yERDES.
Durante el cocimiento de los pellets verdes ocurren varios mecanismos de
“i
k?;x,:, transformación a las partículas de mineral; estos procesos son los responsables de la
b,. es~-~tura final del pellet cocido y por lo tanto de sus propiedades fisicas y metalúrgicas.
4~:
Estos mecanismos han sido descritos por muchos autores [13,30] de la forma siguiente:
p&.:,
$. .
f ~CRISTALIZACIÓN
;;<; (JUXIM.IENTO DE GRANO
;i “. FORMACION DE ESCORIA
“:
L+ r
,i-V;- ’.
“.i :
fit; 33.1 OXIDACIÓN.
TI$;i:‘;:!?I. . ”
La primera transformación empieza a partir de los 200°C y se trata de un cambio
i. químico en el que el átomo de hierro divalente de la molécula de magnetita se oxida, es
i;*:decir, pierde cargas negativas, para transformarse en trivalente, modificando la molécula
& ve ahora pasa a ser de hematita. La forma de perder cargas negativas es cediéndolas a un
$,: @orno de oxígeno que entra a formar parte de la molécula de hematita.
b,., :f
f
+
&2Fe304
+ 1/2 O2
3 FezO
!$.t,;*
+-:;,i ? :,
f-- , (
Para explicar mejor esta reacción de oxidación, es conveniente describir el término
f :
*,.,,’ “espinela”, ya que la magnetita es un ejemplo típico de la misma. Una espinela es una
‘: fprma de mineral en la que se observa la solución sólida entre dos óxidos del mismo metal,
” por 10 que una presentación más correcta de la espinela mapetita es: FeO.FetOJ, aunque
.por abreviar se escriba Fe;O+ El punto más importante por recalcar es que no hay una
: .unión química real entre las moléculas de óxido férrico y óxido fenoso; sino que ambas
mol&las forman la estructura cristalina de la espinela.
~~UlUU
4 l¿l
@all
lIluYIlluiíu
UG
IU5
¿lLUlIlU~
Cl1
Cl IlIulIiclILu
UG I¿l
crktaks
de hematita se forman en los puntos de contacto, manteniendo los
.I I ,
~4
uAl~luIl,
granos
iu3
juntos.
i.‘
‘.
.
Páq. 35
GENER+ADES
En la siguiente estructura química se ilustra la reacción anterior bajo este
R
E
A
C
T
1
V
0
S
concepto:
+ 1/2 02
Y-0
FeA”
Fe/
P
R
0
D
U
C
T
0
S
La oxidación ocurre al principio en ciertas direcciones cristalográficas en la
~perfície de los granos. Por este motivo se forman pequeños cristales de hematita en la
superficie, los cuales alcanzaran a unir finalmente a las partículas. El resultado es una
forma de unión que empieza a incrementar la fuerza del pellet y que contribuye a
contrarrestar los efectos debilitantes de la perdida de agua. Este mecanismo ha sido
observado entre 200°C y 300°C particularmente en material de granos extremadamente
finos.
Pág. 36
GENERALIDAOES
,,,: 3.2.2 RECRISTALIZACIÓN Y CRECIMXENTO
DE GRANO,
&
:i :
Es necesario primero definir algunos conceptos sobre energía. El primero y
fundamental se refiere al equilibrio o estado con mínima energía, en términos sencillos
podríamos igualarlo a la ley del mayor esfuerzo. Esto quiere decir que dos o más estados en
que se puede encontrar un cuerpo, éste tenderá hacia el más simple, el que le exija menos
energía; de acuerdo a este concepto podríamos entender que las partículas de mineral
tenderán a acomodarse en un estado de mínima energía si se les dan los medios para
hacerlo.
Los sólidos cristalinos tienen capacidad para almacenar energia debido a la
existencia de defectos geométricos uni, bi o tridimensionales que dan a estos materiales
una mayor energía libre en comparación con el estado termodinzknicamente estable, La
diferencia entre estos dos niveles de energía, proporciona una fuerza que impulsa los
cambios estructurales que ocurren durante el cocimiento. En la redistribución de los
defectos y la liberación de Ia energía almacenada se reconocen tres períodos de cambio:
recuperación, recristalización y crecimiento del grano.
En el caso de los pellets nos interesa el movimiento de los bordes del grano
(posiblemente en presencia de una fase líquida). Este movimiento lo determina un proceso
,. de solución y precipitación en la interfaz de los bordes de grano.
Por lo antes mencionado es claro que la fuena impulsora para las transformaciones
es la disminución de la energía almacenada en el material. Los mecanismos de unión de
acuerdo a NC Chang son los siguientes:
a).- Por defectos cristalográfkos.
(Deformaciones plásticas permanentes por tensiones mecanicas
formación geológica).
durante la
b).- Por energía superficial.
(En la supeficie de la partícula, los iones no están enteramente rodeados de iones).
Estrechamente relacionado con la superficie especifica puede afectarse por medios
mechic0s.
,
c).- Energía de los bordes de grano.
Depende del tamaño de grano producido durante la formación del yacimiento, no
Puede afectarse por medios mecánicos; mientras mas fino, mas energía. Ejemplo de poca
energía es la hematita especular.
Pág. 37
GENERALIDADES
,L Energía por interacción química.
La mayor contribución sucede durante la oxidación de Ia magnetita.
e),- Energía superficial localizada.
En puntos localizados de alta energía creados por una relación de
(Partículas puntiagudas es decir muy angulares).
superficie
a
&$:
Ahora bien, el proceso de reacomodo que sufre una partícula de alta energía, para
p& 1:
.G--: transformarse en una de menor energía es lo que se entiende por recristalización y ocurrirá
con mayor intensidad mientras mayor sea la energía acumulada.
La presencia de una fase líquida (escoria) facilita el reacomodo de la estructura
(recristalización) así como el crecimiento de las estructuras más estables a expensas de las
seen altos contenidos de energia (crecimiento de grano).
El mecanismo que mejor explica este crecimiento, es el de disolución de la
cula o parte de la partícula de alta energía para posteriormente precipitar el óxido en
con menor contenido de energía. En pellets bien formados la recristalización de
atrta ocurre arriba de los lOOO- 1100°C mientras que si por algtín bloqueo no hay
iente disponibilidad de oxígeno, la recristalización de la magnetita comienza a los
ésto puede encontrarse con cierta frecuencia en los núcleos de pellets mal oxidados,
al efecto de bloqueo de los fundidos, los cuales retardan la oxidación y debido a la
olidación del pellet en las zonas exteriores.
Una señal de que estos mecanismos han trabajado adecuadamente es la ausencia de
cuias angulares (la mayoría de las partículas tienen los bordes redondeados y se
frecuentemente uniones por recristalización y crecimiento de grano); el
de grano lleva a uniones entre partículas en los puntos en que se tocan.
Muchos autores consideran este tipo de unión como la mas importante [ 13,19,3 11.
e considera que imparte la resistencia necesaria para su transportación y uso en el alto
I
Póg. 38
GENERALIDADES
3.2.4
FoRMACION
DE ESCORIAS.
Al llegar a temperaturas superiores a los 1000°C se forman escorias por las
reacciones del óxido ferroso, los componentes de la ganga y el aditivo. Estas escorias
$ tienen composiciones muy variables como ya se explicó, desde puramente ácidas del tipo
$?&. ï de la fayalita Fe$i04 (silicoferritos formados entre 900°C y 1 150°C), hasta los de tipo
&. básico (fenitos de calcio formados a temperaturas superiores a 1200°C) entre los cuales se
$i encuentran Fet03.Ca0, Fez03.2Ca0, 2Fez0&a0, etc., estas escorias son líquidas y corren
& entre los granos de magnetita y hetiatita, proporcionando de esta manera el medio líquido
$g;,
E;-. que facilita los fénomenos de recristalización y crecimiento de grano ya que presenta un
$< medio para la disolución y precipitación de los iones que forman las partículas de mineral.
g. A.l enfriarse el pellet, la escoria solidifica actuando como un cemento entre los granos, lo
que produce una unión importante entre ellos. Se ha mencionado que la escoria puede
.: solidificar en forma cristalina, o vítrea dependiendo de su composición y de la velocidad de
.$;’ enfriamiento, las propiedades del pellet resultante varían de acuerdo a ello.
$$*>*9.
$..s
~’
Este tipo de unión no era considerado importante por algunos autores, sin embargo,
trabajos posteriores [32] mostraron una gran importancia de la matriz de silicato como un
agente que aumenta la unión. Algunos otros autores [33] consideran ahora este mecanismo
como el más importante para lograr las mejores transformaciones durante la reducción, aun
que la fuerza de unión por recristalización de la hematita.
Malysheva [34] comparó las principales uniones de las estructuras y las propiedades
tas producieron en los pellets de diferente contenido de sílice. Se observó una
tendencia hacia la unión por recristalización para contenidos de sílice bajos.
También se observó que durante la reducción surgen grandes diferencias con respecto a la
$ reducibilidad y resistencia en ambos tipos de pellets. La predominancia de contactos de
.T WOS de mineral en pellets de baja sílice y la cantidad relativamente pequeña de
3: sflicoferritos es la principal razón para la baja resistencia durante el calentamiento y la
6 reducción. La ausencia de material unido no reducible en la microestructura hace a éstos
tameme reducibles; mientras que la alta resistencia de los pellets de alta sílice
e la reducción y su baja reducibilidad comparada con los pellets de baja sílice antes
encionados se debe a Ia presencia de aglomerados de sílice pobremente reducibles.
Pág. 3 9
GENERALIDADES
Barbosa Trinidade y Teixeira da Silva [35] usaron diversas técnicas para la
ficación de los componentes, encontraron que es mas frecuente la formación de fases
silicato en lugar de ferritos de calcio y mencionaron que las probetas son una
enta esencial para este tipo de estudios.
Por otra parte, encontraron que los pellets de hematita presentan una gran
gradación durante el secado y que por lo tanto deben ser terminados por un camino
rente, ya que los mecanismos que actúan en las primeras etapas de cocimiento de pellet
magnetita (oxidación) no esta disponible para ellos.
Sin embargo, Urich y Han [36] realizaron un estudio en el que encontraron que
L&
g.:
íal., mineral de hematita de tipo especular incrementa usualmente su densidad en estado verde
@‘por adición de partículas muy finas (menos de 1 micron) de hematita ó magnetita. Durante
$$” el cocimiento estas partículas se combinan con las partículas gruesas formando puentes
gi’ entre ellas, las cuales crecen dando como resultado del cocimiento pellets fuertes.
:Ir&J:
[“,
Póg. 40
cAPmJLON
DESARRiOLLO EXPERIMENTAL
DESARROLLO
EXPERIMENTAL
El presente trabajo fué desarrollado en la planta peletizadora de Pefia Colorada, que
,una producción anual aproximadamente de 3 millones de toneladas. Siendo la
ta su principal mineral, contando con reservas geológicas calculadas en 200
nes de toneladas; lo cual representa el 32 % del total de las reservas nacionales.
fe Durante 1987 HyL y Pena Colorada convinieron en dar seguimiento al
kportamiento
metalúrgico del pellet mediante ensayos realizados bajo los
&&dimientos del mismo HvL a comrksitos semanales del nellet de nroducción v,
dete& una gran variación
los resukados debi ido
kipalmente a la variación en la calidad del pellet por el procesamiento del mineral
&-So y a la optimización de los equipos de reducibilidad. Con el fin de amortiguar el
&&to del mineral amorfo se realizaron mezclas tanto en el área de explotación como en
r*&barque del pellet, el reflejo en la calidad metalúrgica no se hizo esperar y la
@ación en cada una de.las características fué disminuyendo notoriamente. Por su parte
I-oratorio de reducibilidad mediante ensayos estadísticos determinó que las poblaciones
$,producc$n y embarque podrían considerarse semejantes y sólo se evaluaría
ete la producción.
AC.
. .
En un primer ensayo y en base a los estudios realizados por N. A. Kortman y O.P.
r4;
u@ardt (encontraron que las características de mayor peso en el comportamiento
ktalúrgico del pellet es la composición de la ganga, en especial el contenido de óxido de
$io y sílice), se observó una menor tendencia a generar finos mientras menor era el
@nido de óxido de calcio y mayor el porcentaje de fierro total.
g;- ‘i
En 1992 se realizaron estudios preliminares a nivel POT-GRATE (simulación del
Dmo de cocimiento) en los laboratorios de ingeniería de proceso e investigación de Peña
bkada
como se muestra en la tabla 4.1 .
b.,+.
n este trabajo se analizó el comportamiento de los pellets en la prueba DBT debido a que
ha demostrado que el paso crítico durante la reducción ocurre a bajas temperaturas en la
yformación de hematita a magnetita.
Pág. 41
DES4RROLLO
EXPERIMENTAt
Tabla 4.1 PRUEBA DE BASICIDAD NIVEL ALTO Y BA JO SEPT. 1992
1CARACTERISTICA
1PRUEBA 1 1PRUEBA 2 1PRUEBA 3
l % 1. TAMBOR
I
’
93.1
% 1. ABRASION
5.3
4.5
5.0
R . COMPRESION
352
350
351
% -5/8”+3/8”
87.5
86.8
86.4
I
rpJIMIcos
I % Fe total
l % Ca0
l Bl = CaO/SiOz
I B4
METALURGICOS
93.6- 1 9 2 . 7
I
1
0.8
l
1.1
66.2
I
65.8
I
65.4
0.50
l
0.3 1
l
0.52
I
1.60
I
2.04
I
2.44
l
0.61
/
0.58
l
0.60
I
l
l
2.18
1
0.88
I
I
I
1.7
2.10
l
2.18
I
0.96
I
0.92
0.73
l
0.97
I
1.12
0.72
1
0.86
I
0.98
% DBT+1,4”
66.5
55.2
46.4
% DBTelW
16.0
14.4
41.2
K*lOO(min-1)
3.3
’ 3.2
2.9
%lYIINCHAMIENTO
10.5
4.2
4.1
% ADHESION
17.7
15.5
8.5
Pág. 42
4
OESARROLLO EXPERIMENTAL
esta tabla podemos apreciar que al incrementar la basicidad (B4):
.- Disminuye el % DBT+,,dw lo cual significa que al incrementar la basicidad aumenta la
’tendencia a la degradación de los pellets en la reducción.
g
1.“7
<
g:i b).- Aumenta el % DBT- ~,IJ” lo cual significa que al incrementar la basicidad aumenta la
!$, tendencia del pellet a generar finos durante la reducción.
@*:g... ”
2, c).- También se observo que disminuye el % DBTPE (Peilets Enteros) lo cual significa que
“: al incrementar la basicidad disminuye la fuerza del pellet durante la reducción
,,.produciendose grietas y el rompimiento de los pellets en algunos casos.
ii‘
&zy. :
,2“i ,
‘\:* ,
/
En 1993 se realizó un diseño de experimentos a nivel POT-GRATE para evaluar la
.
: mfluencia de la adición de calhidra en el comportamiento metalrírgico de los pellets
:r preparando para un mismo concentrado tres diferentes adiciones de calhidra y se
“jobservaron resultados similares.
-:/’
<
Fué necesario mencionar los estudios anteriores para indicar que con los resultados
!de esas pruebas se negoció con IMEXSA la producción de lotes de 16 hrs. en planta, de
pellets de baja basicidad para estudiar su efecto en reducción directa y en la acería, a
embarques
enviados por Peña Colorada.
L .:.ï
i
Pág. 43
ESARROLLO EXPERIMENlAL
~&EÑOEXPERIMENTAL.
@. Se disefio un experimento que consistió en cinco fases para poder determinar la
auencia de la basicidad de los pellets en su comportamiento metalúrgico:
&!,
;,-QSE l.- ANÁLISIS FÍSICOS, c@&lICOS Y METALÚRGICOS A PELLETS PRODUCIDOS A
;$rv= PIUXOi$l.
‘&SE 2.- ANÁLISIS FÍSICOS, qUÍMICOS Y METALÚRGICOS A PELLETS PRODUCIDOS EN
‘PLANTA CON LOTES DE 16 HRS. DE PRODUCCION.
t¿rL
‘l&SE 3.- ANÁLISIS DE RESULTADOS EN BASE A LA RELACIÓN ENTRE LA BASICIDAD y
m CARACTERíSTICAS
METALÚRGICAS.
$*
FASE 4.- ESTUDIO DE MICROESTRUCTURAS A PELLETS PRODUCIDOS EN PLANTA A
;~$OTES DE PRODUCCIÓN DE 16 HRS.
,i.+
“i?ASE Sr SEGUIMIENTO A LOS LOTES DE PRODUCCIÓN EN REDUCCIÓN DIRECTA Y EN LA
~&cERÍA.
I"ASE
l.- Se fijo como objetivo efectuar análisis físicos, químicos y metalúrgicos primero
; p ,pellets producidos a nivel piloto con tres diferentes niveles de basicidad ( 1 .O %, 1.5 % y
$2 % de calhidra) para determinar las propiedades de pellets ácidos y básicos, siguiendo el
imanual de procedimientos HyL y las pruebas metalúrgicas antes mencionadas. Para esto se
!@cidio producir lotes de 250 kg. de pellets verdes con los niveles de basicidad antes
~,$ñalados con el mismo concentrado utilizado por la planta peletizadora y luego utilizar el
z$POT GRATE para su cocimiento y realizar las pruebas respectivas a muestras de estos
@peas.
g
.,; FASE 2.- Realizar los mismos análisis pero en esta fase a los lotes de producción en planta
&de 16 hrs. de los pellets antes mencionados con diferentes concentrados y adición de
fphidra y a los embarques enviados a IMEXSA de aproximadamente 50,000 toneladas
cada uno, para determinar la influencia de los distintos niveles de basicidad en las
,:propiedades de dichos pellets, para buscar si existe o no reproducibilidad
de resultados de
ay’ mve! piloto a nivel planta.
El disefio de-experimentos comprendió análisis que se realizaron durante un periodo
eses comprendido de Octubre de 1996 a Marzo de 1997. En este período se
n embarques tanto de pellets de alta como de baja basicidad.
L O S análisis fisicos y químicos se realizarían cada 8 horas tomando muestras de los
a descarga de la parrilla recta al final del horno de cocimiento. De estos mismos
aría muestra para realizar las pruebas metalúrgicas en forma semanal; es
realizar 56 análisis mensuales tanto fisicos como químicos, así como 4
es para las distintas pruebas metaltírgicas. Al final de este medio año de
estudio se tendría un total de 336 análisis de rutina (fisicos y químicos) y 24 análisis
metal&,alcas).
n-t
AA
.
DEWROLLO EXPERIMENTAL
E 3.- Se planeó que con los resultados obtenidos se encontrara una relación entre la
cidad y las características metalúrgicas dando los resultados en base a los promedios
anales y al final mensuales, ya que con los estudios estadísticos preliminares se
ostro que las poblaciones de producción y de embarque podrían considerarse
ejames y es suficiente con una evaluación semanal de la producción. Por otra parte no
ten gmndes variaciones en la calidad física del pellet con diferentes niveles de
cidad, éstos mismos estudios pusieron de manifiesto la problemática entre la basicidad
calidad metalúrgica para la misma calidad física; es decir que pellets desde el punto de
ga físico iguales, mostraban diferente comportamiento metalúrgico.
Por tal razón se diseñó realizar un estudio de microestructuras a los lotes antes
a realizar el estudio de microestructuras fue necesario el acondicionamiento
de los pellets mediante su montaje en probetas de acuerdo a los pasos siguientes:
muestra representativa de los lotes de producción siguiendo el manual ISO3081 para muestreo de compósitos y el manual ISO- para la preparación de muestras
de mineral de hierro.
llets a baja velocidad y enfriamiento en aceite en la cortadora marca
c) Montar los pellets en resina transóptica y en baquelita en la montadora MEZCAPRESS-C
modelo PRES 3 8-POISAT.
d) Experimentar con diferentes ciclos de calentamiento y enfriamiento para lograr una
$$$ compactación adecuada en las probetas.
g$
k?
., & e) Desbastar y pulir las muestras hasta obtener las condiciones adecuadas en la muestra
:i; para SU observación al microscópio.
“f;
Nota: No es necesario utilizar reactivos para atacar las muestras.
*“.“.+L6.I. i I
.e:*
Caracterizar las distintas fases mineralógicas presentes y los diferentes mecanismos
de unión de las partículas para encontrar su influencia en la calidad del pellet, empleando
la técnica de microfotograíias para ilustrarlo.
I.
‘-.
FASE 5.- En esta fase se diseñó dar un seguimiento a los lotes de producción y embarques
” enviados a Ih4EXSA en la Reducción Directa; además dar un seguimiento al DRI en la
*” aceiía de Horno El&rico de Arco y hacer un análisis de los resultados para comprobar su
: comportamiento en estos procesos. Este estudio se realizó en la siderúrgica de IMEXSA en
LkuO Cárdenas, Mich.
CAPmJLOv
INTERPRETAClON
DE.RESUL?mOS
05
IN'IERPRFTACI~N DE RESULIADOS
.
1 mRI?RETACIdN DE RESULTADOS.
;:. ~~JESULTADOS
FASE l.-
En la tabla 5.1 se muestran los resultados obtenidos a nivel POT-GRATE del efecto
$&. de la adición de calhidra a un concentrado de calidad conocida. Las adiciones de calhidra
$“\,’ ’ fueron en tres niveles de lo/, 1.5%, 2.2% y se observaron los siguientes efectos:
.;.J$ :;,:
.. :., l.- Disminuye el ?/o de fierro total en el pellet al incrementar la basicidad.
;:.;’ L 2; *
‘ ‘. ~-NO se afecta la resistencia al manejo del pellet en frío por la variación en la basicidad
_,_T
:c.;
3,- En la prueba de Degradación a Baja Temperatura se observa un claro descenso en el
!‘;,; porcentaje mayor a 1/4” conforme se incrementa la basicidad binaria, es decir aumenta la
,:-‘-tendencia a la degradación.
:. 1. :
.4.- Aumenta la generación de finos (-l/S”) conforme incrementa la basicidad binaria.
.,.>~’-.+’ .;
.’ .5.- En la Reducción disminuye el porcentaje de pellets enteros conforme se incrementa la
i . ba@cidad.
. , ‘.:
.6.- En la prueba de Reducción Estática se observó un descenso en el hinchamiento de los
. s.i pellets conforme incrementa la basicidad binaria.
.b
1. . .7.- En la prueba de Reducción Bajo Carga se observó que una basicidad binaria menor
. . >: promoverá una mayor tendencia a la adhesión.
8.- No se encontró ninguna relación entre la degradación e índice de tambor contra el -1/8”
y el +1/4” en la prueba de D.B.T.
9.- Se encontraron los mejores resultados tanto físicos, químicos y metaltírgicos para la
adición de 1% de calhidra, es decir una basicidad binaria de 0.70, por lo que se observa que
pellets ácidos mejoran las propiedades de los peliets.
Pág. 46
INTERPRETAClON OE RESULTAWS
i
,; -
‘~J?ECTO DE LA ADICION DE CALHIDRA EN LAS PROPIEDADES
~TALURGICAS DEL PELLET A NIVEL PILOTO (POT-GRATE).
6.
i
n>AD
1CARWTERISTICAS
1CONCENT 1 1% CAL.1 l.S%CALj 2.2%CAL.j
1% Fe total
I
[MICA
I % Ca0
l
l
l
Bz = CaO/SiOz
l
B4
67.8
65.9
0.93
1.66
1
1.96
1 2.41
0.50
0.48
1
0.49
1
2.46
1 2.36
1 2.41
1 2.41
1.00
(
1 0.83
j
0.38
1 0.70
0.41
0.67
0.76
0.90
46.9
35.0
21.0
2.7
2.8
7.6
5.3
0.82
% DBTpE
.- -
jSTATIC 1K*lOO(min-1)
f.’
D:4:
.
&..
I
I
2.9
(
I
l
1
30.7
)
15.2
0.48
(
1
0.80
0.81
10.7
% HINCHAMIENTO
l % ADHESION
65.4
1.00
1
8.0
Pág. 47
1
tNTERPRE7AClON
DE RESULTA005
-. ti tabla 5.2 muestra los resultados para las pruebas de pellets a diferentes niveles
&cidad obtenidos en planta en producción de 16 hrs. y se observaron los siguientes
hados:
ZEl % FeT es mayor en pellets de baja basicidad.
3 % Fe+2 es menor para pellets de baja basicidad.
YEl % de Azufre es menor para pellets de baja basicidad.
be;
;q.:
CEI % DBT +1/4w es considerablemente mayor para pellets de baja basicidad.
f$“
G:EI % DBT-rw es menor para pellets de baja basicidad.
31% DBTPE es mayor para pellets de baja basicidad.
&,Los pellets de baja basicidad mostraron una mejor reducibilidad.
i El % de hinchamiento es menor para los pellets de baja basicidad.
p
.&l % de adhesión es mayor para pehets de baja basicidad, debido a que se tiene un % de
ET mayor y los pellets se adhieren con mayor facilidad.
Se puede observar que el único aspecto desfavorable para los pellets de baja
&idad fue su mayor tendencia a la adhesión.
$ el caso de las pruebas fisicas, químicas y metabírgicas realizadas a los embarques a
kJ@CSA de los datos obtenidos se obtuvo la media aritmética mensual de los datos
jlanaks y diarios respectivos para cada embarque y son mostradas en la tabla 5.3 .
Pág. 48
INlERPRflACION DE RESULTADOS
c;’
f
<PRUEBAS ADnmumTEs NIVELESDE BASIC~DADENPLANTA
ii;, (16 hrs.) 1996._
1CARACTERISTICA
OCTUBRE
1 NOVIEMBRE j DICIEMBRE /
BAJO ALTO BAJO ALTO BAJO ALTO
gI_
,;:.
(Laboratorio)
kA
ro8
,'i;:rr
I.ABRASTON(-30M)
3.7
4.6
3.7
4.3
3.9
4.25
LTAMBOR(%+1/4”)
94.8
94.0
95.0
93.6
95.2
93.8
@ICA
R.COMPRESIONKg/p
399
407
456
354
412
350
% Fe total
66.7
66.3
66.8
66.0
66.5
66.0
% Fe++
0.40
0.65
0.45
0.64
0.42
0.46
% Ca0
1.04
1.76
1.16
2.32
1.11
1.78
0.39
0.40
0.41
0.43
0.40
0.45
‘<
*; .:
+=
g...
.,'
% Mg0
.
1% SiO,
.xs
&i
fq2
I
~’
% Alzo3
l.Bz = CaOfSiO,l
I B-4
2.05 1 1.96 1 1.98 1 2.07 1 2.00 1 2.19 1
0.92 j 0.96 1 0.84 1 0.96 1 0.91
1 0.51 1 0.90 1 0.59
1 1.12
1 0.97 /
1 0.55 1 0.82 1
0.48 1 0.74 1 0.56 1 0.91 1 0.52 [ 0.51
.004
.014
/
.004
.028-
) .00s
.009
Pág. 49
INKRPIXTACION D E RESULl ‘AOOS
2.
b$
ii CARACTERISTICAS DE 1 LOS EMBARQUES EN VIADCX3 A IMEXSA.
!Ko35
l
97002
l
1
1.033
(.028
1.028
66.1
I 66.5
66.1
I 66.1
I 66.4
1.027
1.019
.026
1.023
1.027
.008
1.005
.008
1.OlO
1.008
2.18
(2.17
12.02
4.3
4.2
4.3
94.1
93.7
93.2
?3.8
361
367
348
337
336
24.3
23.9
23.6
24.4
24.2
2.9
2.8
3.9
93.5
90.8
85.8
84.8
3.2
5.9
9.4
ll.6
10.5
0.8
352
t&os (24.0
123.6
123.2
P. 13.3
13.2
12.0
I
I
I
I
t
I
r”Y
16.8
16.5
23.1
-t
I
16.3
/
10.7
10.7
10.4
/SO.9
(85.0
/SO.5
176.7
81.8
36.5
82.4
9.8
s.
45320 38323 38635
60.9 163.6
58.1
61.2
58646-148374
49049
3 1865
40600
;de embarque (ah, número de embarque)
;1
Pág. 50
INTERPRETAClON
DE RESULTADOS
LTADOS FASE 3.@ un adisis de la media aritmética se obtuvo la relación entre la baslcrdad binaria
tirentes índices de basicidad del pellet; conociendo que el de mayor impacto son las
w DBT como se ha explicado anteriormente.
F y ~.a @ca No, 5.1 muestra la relación entre la B2 y el % FeT, se puede observar que
sminuir la basicidad aumenta el ?G FeT, ésto se notó principalmente en los embarques
34 y 97-003. Este hecho es importante para el peletizador ya que el precio del pellet se
e a los puntos de fierro total presentes; para el acerero ésto significa un grado de
. 5.2 muestra la relación entre la B2 y el % S, aquí se observó como la
proporcional al nivel de basicidad, es decir al disminuir la basicidad
uye el porcentaje de azufre y viceversa. Esto es notorio nuevamente en los
96-034 y 97-003; ésto se explica porque al aumentar el % CaO, se promueve
te el cocimiento de! pellet se forme sulfato de calcio que permanece hasta el final
proceso y como consecuencia el % S remanente es elevado.
La gráfica No. 5.3 muestra la relación entre B2 y el % DBT+I,,ln , donde se observó
al disminuir la basicidad aumenta el % DBT+l,.lV. y viceversa, es decir se observó que
ets “ácidos” tienen una menor tendencia a la degradación.
La gráfica No. 5.4 muestra la relación entre B2 y el % DBT-~B- donde se observó
asicidad disminuye el % DBT-1/8” y viceversa, es decir se observó que
llets “ácidos” tienen una menor tendencia a generar finos durante la reducción.
La gráfica No. 5.5 muestra la relación entre Bz y el % DBT~E, donde se observó en
a general que los pellets “ácidos” tienen una mayor tendencia a permanecer enteros en
a reducción ésto se observó principalmente en el embarque 97-003.
,
Pág. 51
0.5 '
96-03-i
96-030
96-032 96-033
96-034 96-035 97-001
EMBARQUES A IMEXSA
- 66
97-002 97-003
iif
%
3
g
m4
c?”
g
t.2
Gráfica 5.2 RELACIÓN ENTRE B2 Y % S
0.012
0.8
0.008
0.6
0.5
96-030
0.006
96-031
96-032
96-033
96-034
96-035
EMBARQUES A IMEXSA
9,n
E
[+%s/
97-001
97-002
97-003
m”
z
s
xza
@
ij
Gráfica 5.3 RELACIÓN ENTRE B2 Y % +1/4 DBT
90
0.9
85
0.8
m
I
80
0.7
75
0.6
0.5
96-030
96-031
96-032
96-033
96-034
96-035
EMBARQUES A IMEXSA
-r-% +1/4 DBT *B2
97-001
Q7-002
70
97-003
Gráfica 5.4 RELACIÓN ENTRE B2 Y % -1/8 DBT
0.5
S-030
96-031
96-032
96-033
96-034
96-035
EMBARQUES A IMEXSA
-b % 48 DBT -+3-B2
w-m1
w-002 w-003
Gráfica 5.5 RELACIÓN ENTRE B2 Y % P.E. DBT
80
75
70
0.7
65
60
0.6
55
0.5
96-030
96-031
96-032
96-033
96-034 96-035
EMBARQUES A IMEXSA
IwJ~E. DBT 4~21
97-001
97-002
50
97-OA
cmu 5
INTERPRflACION
OE RESULTADOS
RESULTADOS FASE 4.Para estandarizar Ia preparación de probetas para el estudio de microestructuras se
realizaron ensayos en donde se observó que la mejor compactación para las probetas de
resina transóptica se logra utilizando 10 ml. ó 10.32 gramos de esta, en tanto para la
baquelita se logra con 1.5 ml. 6 10.33 gramos; lo anterior acompañado con ciclos de
calentamiento de 10 minutos a 150°C y 5 minutos de enfiiamiento a una presión de 2 Bar.
Se montaron un total de 60 probetas: 25 de pellets de baja basicidad (B+.52) y 25 de
pellets de alta basicidad ([email protected]); además de 10 probetas con pellets que se fabricaron en
planta con ALCOTAC como aditivo aglomerante.
Las 60 probetas una vez así preparadas se desbastaron con lijas grado 120, 180,
240, 400, 600, 1200 y 1500 y posteriormente se pulieron con alúmina grado 600, grado
0.05 micrones para dar las condiciones necesarias para su observación ya que de lo
contrario se tienen superfkias que causan interferencias o no estan bien acondicionadas
para observarse bajo luz reflejada. Por otra parte la alíunina que se depositó en los poros al
momento de pulir, se eliminó en el paiio de la pulidora con agua y con el uso de un equipo
de ultrasonido con ciclos de 30 minutos.
Las muestras se analizaron primero en el microscopio estereoscopico marca WILD
HEERBRUGG modelo M75, con lo cual fué posible observar algunas grietas a 50,100,150
y 200 aumentos; de las cuales solo se muestran las más representativas en las fotografias
l-4.
Posteriormente las muestras se observaron en el microscopio metalográfíco
ORTHOPLAN de LEITZ WETZLAR con los lentes oculares de 10X y con los lentes
objetivos de 4X, 8X, 50X y 63X con lo cual se obtuvieron 40, 80, 500 y 630 aumentos
respectivamente;
de las cuales también se repórtan solo las más representativas en las
fotogmfias 5-32.
Es necesario mencionar que se tomaron un total de 250 microfotografias de las 60
probetas, pero solo se reportan un total de 32 de ellas; por razones de espacio y
representatividad..
Pág. 57
aPlTlJL0 5
INTERPRETAClON
DE RESULTADOS
PELLETS DE BAJA BASICIDAD
Se caracterizan por presentar dos o tres zonas como se explica a continuación figura 5.1:
ZONA 1
Capa externa de aproximadamente l-2 mm. de espesor, a través de la cual se
presentan solo granos de hematita con tamaños que van de finos con bordes redondeados
hasta grandes aglomerados debido a la unión por crecimiento de grano y recristalización
(Fot. 29).
Se encuentran también con frecuencia grandes masas de ganga disolviendo
pequeiros granos de mineral, sobre todo en lugares cercanos a los poros. La unión se da
entre granos de hematita-hematita y entre granos de hematita-ganga-hematita.
La presencia de partículas finas es debido a la falta de crecimiento de grano es
decir un crecimiento parcial de la hematita. Se encuentran también partículas finas cerca de
grandes aglomerados lo que indica que las primeras no alcanzaron a incorporarse
completamente.
ZONA 2
Capa intermedia entre 4-5 mm. de profundidad que se caracteriza por ser una
estructura más desarrollada que la zona 1, es decir, el proceso de recristalización y
crecimiento de grano de la hematita parece cumplirse en mayor grado. Se observa como
resultado grandes granos de hematita con venas delgadas de ganga uniformemente
distribuida (Fot. 13,15). La hematita está algunas veces asociada con cristales con bordes
redondeados y ocasionalmente angulares en forma de cuñas. Por su aspecto y coloración se
les pudo distinguir como Ferritos de Magnesio aunque estos se encontraron en mayor
proporcion en pellets de alta basicidad (Fot. 18). Se observaron también silicatos de calcio
y escoria vitrea de tipo Fayalita en abundancia, la cual se observó que favorece Ia
recristalización y el crecimiento de los granos de hematita, contribuyendo así al incremento
en ia resistencia del pellet.
ZONA 3
Esta zona se localiza entre 5-6 mm. de profundidad y en pellets grandes *de la
fracción -5/8”+1/2” puede llegar hasta 8 mm. Los pellets pequeños y la fracción -1/2”+3/8”
no presentan esta zona.
Se caracteriza por abundancia de magnetita sin oxidar o parcialmente oxidada (Fot.
19) e incluso con oxidación en ciertas direcciones cristalográficas (Fot. 23). Se encuentran
también granos con bordes redondeados o de forma totalmente globular; en ocasiones se
encuentran granos romboedricos de hematita junto con granos de magnetita (Fot. 25).
Pág. 58
INTERPRETACION
CAPffuLo 5
Mg. 5.1 DIAGRAMA ESQUEMATICO
RESULTADOS
DEL PELLET DE PERA COLORADA
PELLET DE BAJA BASICIDAD
(B2.0.52)
(NUCLEO)
Granos de hemaüta
y magnetita.
Oxidación parcial.
Unión de granos de
Hematita-HematitaGanga-Hematita
Poros esféricos y
i
I
,
i
/4 I
DE
/
b’
i
I
I!
Recristalización
Crecimiento de grano
.
CAPITULO 5
INTERPRETAClON
DE RESULTADOS
PELLETS DE ALTA BASICIDAD
Se caracterizan por tener dos o tres de las zonas siguientes figura 5.2:
ZONA 1
Se observa en la capa periférica con un espesor de 1-2 mm. constituida por grandes
aglomerados de hematita con bordes redondeados y en ocasiones globulares (Fot. 30). La
liga de unión entre granos de hematita-hematita son venas delgadas de ganga distribuidas
homogéneamente (Fot. 16).
Se observa una frecuente aparición de ferritos de calcio en forma de cuñas o de
agujas y pequefias masas entre los granos de mineral y cerca de los poros, lo cual es
caracteristico en pellets con adiciones de cal con niveles de basicidad alto (Fot. 22).
Se encuentran también muchas partículas aisladas entre grandes poros irregulares.
ZONA 2
Esta zona (3-5 mm.) se observa más homogénea que la anterior observandose
recristalización y crecimiento-de grano de la hematita. También se encuentran cristales de
Ferritos de Magnesio en mayor proporción que en pellets de baja basicidad, explicandose
lo anterior por las diferentes concentraciones de Magnesio de ambos tipos de pellets (Fot.
18). En esta zona se observan también algunos cristales de silicatos de calcio entre las
uniones
hematita-hematita.
ZONA 3
Corresponde al núcleo del pellet que en algunas ocasiones y sobre todo en pellets
grandes se observa a una profundidad entre 6-8 mm. un núcleo de magnetita, en donde es
frecuente encontrar partículas de magnetita sin oxidar, partículas de magnetita
parcialmente oxidadas (Fot. 24) y partículas de magnetita y hematita unidas por escoria
muy pobre debido a la falta de penetración del oxígeno (Fot. 20).
En esta zona se observan partículas angulares y muy pocas con bordes redondeados
como consecuencia de la ausencia de recristalización.
Pág. 60
GwTULO 5
INTERPRETACION
DE RESULTADOS
Mg. 5.2 DIAGRAMA ESQUEMATICO DEL PELLET DE PEÑA COLORADA
PELLET DE ALTA BASICIDAD
(82 - 0.9)
Hematita recristalizada
Ferritos de magnesio
Crecimiento de
grano.
Escoria abundante.
Partículas
angulares
Ligera
recristalización
Oxidación parcial.
1
D=l%14mm.
Pág. 61
Pág. 62
FotograSa 3. Pellet de Baja
estructura con algunos poros grandes pero sin formar grietas, predominando
la hematita. Los puntos en color
FotograGa 4.- Pekt de Álta Éksicidad. Fotografía en ~estereomi~oscópio 200X. Núcleo del pellet. Se observa una
grieta interna formada por cohalescencia de poros y contracción en el núcieo debido al cambio de volumen en las
estructuras de Magnetita-Hematita y a la salida de los gases formados durante el cocimiento.
Pág. 63
Fotografia 6. Pellet de Alta Basicidad. Fotografia en microscopio metalográflco 80X. Se observa una distribución
heterogénea de poros grandes de forma irregular debido a la gran cohalescencia que este tipo de peilets presenta
como consecuencia del volumen de gases formados en su interior por la calhidra y otros elementos que forman
kW.
Pág. 64
Fotografia 7. Pellet de Baja Basicidad. Fotografía en microscópio metalogrtico 100X. Se observa una mejor
distribución de poros que en pellets de alta basicidad debido al menor porcentaje de calhidra que contienen lo cual
ocasiona que se genere un mmor volumen de gases y se tenga una estructura más compacta pero con un tamaño
Fotografía 8. Pellet de Alta Basicidad. Fotografia en microscopio metalográfko 100X. Se observa una mayor
cantidad de poros en relación a los granos de mineral. Los aditivos ocasionan una condensación en la porosidad lo
cual representa una fknte de debilidad y el resultado es la producción de Cnos en la redukción y hasta su
rompimiento.
Pág. 65
.-.-Fotografía 9. Pehet de Baja Basicidad. Fotoma a color en microscópio metalogrtico 500X. Se observa la
zona intermedia del pekt con una distribución proporcional entre poros y el material sólido, existen muchos
puntos de contacto entre los granos lo que promueve Ia formación de una red de material fuertemente unida y
estable en la reducción.
Fotogrtia 10. Pellet de Alta Basicidad. Fotografia a color en microscopio metalografico 500X. Se observa la
zona intermedia donde existen poros con un tarnaiIo promedio mayor a los granos de mineral, se observa también
la unión entre las particulas y el crecimiento de grano.
Pág. 66
Fotografía 11. Peílet de Baja Basicidad. Fotografia en microscópio metalográfko 500X. Se observa la zona
central del pellet (núcleo), existe mayor unión entre partículas y muy buena proporción entre poros y material
sólido (granos de mineral), resultando estructuras más resistentes en los procesos metalúrgicos.
FotograGa 12. Pellet de Alta Basicidad. Fotografla en microscopio metalográfíco 500X. Se observa la zona
central del pellet (núcleo), distinguiendose por pequeíhs masas de mineral, muchas partículas aisladas entre
grandes poros y muy poca unión entre partículas. El volúmen de gases que salen es mayor que en pellets de baja
basicidad y van en sentido opuesto al flujo de oxígeno, lo cual ocasiona la débil unión y poca recristaIiiación.
Pág. 67
MION DE RESULTADOS
Fotogrka 13. %llkd”åjaBasicidad. Fotografía en microscópio metaiográfico 630X. Se observa la zona
intermedia del pei!et, con formacjón de escoria de tipo vítrea, la cual generalmente aparece de manera intersficiai
promoviendo la unión entre partículas . Este tipo de unión es estable en la reducción.
Fotografía -14. Pellet de Alta Basicidad. Fotografia en &&oscopio metalográíico EFob
intermedia del pellet, distinguiendose por ferrit& de calcio que soncaracteristicos
de este tipo de pellet. Este tipo
de escoria en la reducción se descompone debilitando la estructura de éstos pellets.
Ph-. 6X
.:.
::-T.& . . . .
i
.T”‘i,
c .:- I,cn,A-&&n 67, OX.
8copKl
LI1CrCll”&L-.“’ --
Se observa la zona
de Baja Basicidad. FotoFafia, en micros al promueve la unión de granos de mineral para
I-A--medii
del pellet con la formación de escoria wtrea, la CU
UlLCI
~~my compactas predominando los contáctos
ka umn&s apiomerados. Este tipo de estructuras se observan mu
en rmcroscoplo
da16Tpelletde Alta Basicidad. Fotografía
x,,.a”n,
---&iiePporos formando una grieta que se observa de
de manera radial y en &unas ocasiones de manera concemnw.
fuertemente unidos los granos de mineral.
----Pág. 69
NUWKTACION DE RESULTADOS
:-;
_
Baja Basicidad. Fotografia en microscópio metalográfico 630X. Se observa una partícula
de cuarzo parcial----UGIILG asimilada,*las cuales son muy dificiles de encontrar ya que los aditivos las disuelven. Se
_^_.^_ c-*
..
..contenídos de sílice.
; >, -’
m*
.,“.iW
Fot :ogrtia 18. Pekt de Alta Basicidad. Fotogrtia en microscópio metaiográfico 630X. Se observan ferritas de
^--za __I---~ ae* nemahta,
* . este
MaeIIcsIo
emre granos
3s ferritos se observan en forma de cuña entre escoria y granos de mineral.
Pág. 70
Pág. 71
..-.
. ..-.
Fotograt?a 21. Pellet de Baja Basicidad. FotograSa en microscópio metalográfico 630X. Zona central del pellet
(núcleo). Se observan ferritos de +cio que en la reducción debilitan la estructura. Se observa unión entre
partículas con muy poca formación de escoria de tipo vítreo. Las partículas en color blanco son granos de
Fotografía 22. Pelkt de Alta Basicidad. Fotografía en microscópio metalográfico 630X. Zona central del pellet
(núcleo). Se observan partículas de hematita y ferritos de calcio que se encuentran sobre todo en pellets con alta
basicidad. Se observa también en la esquina inferior derecha escoria de tipo vítreo que es comrín en pellets con
alto sílice.
Pág. 72
Fotografia 24. Pellet de Alta Basicidad. Fotografía en microscópio metalográfico 630X. Zona central del pellet
(núcleo). Se observa oxidación parcial laminar que indica el sentido del flujo de oxígeno en el interior del pellet.
El mímero de contáctos entre las partículas inicia en ese momento.
Pág. 73
Fotograíia 25. Pella de Baja Basicidad. Fotografía en microscopio metalogrtico 630X. Zona central del pellet
(núcleo). Se observan cristales de hematita romboedrícos junto con cristales de fenitos de calcio angulares debido
Fotogrtia 26. Pellet de Alta Basicidad. Fotografia en microscópio metalográfico 630X. Zona central del pellet
(núcleo). Se observan ferritos de calcio en la orilla de un poro junto con cristales romboedricos de hematitq
partículas angulares sin recristaliiar, dichos ferritos se desestabilizan en la reducción ocasionando una mala
calidad.
Pág. 74
Fotograba 27. Pellet de Baja Basicidad. Fotografia en microscópio metalográfico 630X. Zona intermedia del
pellet Se observa el crecimiento de grano de la hematita cuando esta alcanza la oxidación suficiente. Se observan
Fotografia 28. Pellet de Alta Basicidad. Fotografía en microscópio metalográfico 630X. Zona intermedia del
pellet. Se observan algunos granos de hematita romboedricos que no terminaron de recristakarse. La escoria
promueve la unión entre las partículas observandose como agujas delgadas.
Pág. 75
Fotogratia 29. Pellet de Baja Basicidad. Fotogr&a en microscópio metaiografíco 630X. Zona periférica del pellet
Se observan granos de hematita globulares que se unen, aumentando el tamaño del grano; observandose una
.,
Fotograíia 30. Pellet de Alta Basicidad. Fotografía en microscópio metalografko 630X. Zona periférica periférica
del pellet. Se observa hematita globular y crecimiento de grano en los puntos de contacto. Con estos aumentos se
puede observar la distribución de material sólido (partículas de mineral) y de poros en ésta zona.
PUg. 76
JACIUN Ut KtSULIAUU5:
Fotografia 31. Pellet de Baja Basicidad empleando ALCOTAC como aditivo aglomerante. Fotografia en
microscópio metalográfico 80X. Se observa una distribución de poros homogénea sin cohalescencia y con
microporos esféricos dando como resultado pellets resistentes en las pruebas de degradación en liío y en la prueba
Fotografia 32. Pellet de Alta Basicidad empleando ALCOTAC como aditivo. FotograSa en microscópio
metalográfíco 80X. Se observa al igual que la fotograria anterior microporos esfëncos que se producen con este
aditivo ya que a 27O’C logra su mayor descomposición y el peilet aún no sufre ningún cambio estructural, además
su volatiiiiación no compite con otras reacciones durante el cocimiento del pellet (distinta temperatura).
CAPITULO 5
INTERPRETACION DE RESULTADOS
RESULTADOS FASE 5
SEGUIMIENTO EN REDUCCION DIRECTA
En general para los distintos tipos de pellets se observo en los resultados del
seguimiento de los embarques en reducción directa lo siguiente:
l.- Pellets ácidos producen un mayor % FeT.
2.- A mayor % FeT se obtiene un fierro esponja con un grado de metalización mayor.
3.- A mayor grado de metalización menor consumo de gas natural en los cuatro reactores.
4.- A mayor metalización menor consumo de energia eléctrica en los mismos.
La tabla 5.4 muestra los resultados de Metalización observados en Reducción
Directa para pellets de baja basicidad en siete dias consecutivos en los cuatro reactores con
que cuenta IMEXSA; el dia 4 se suministro pellet de alta basicidad con lo que observó un
descenso marcado en cada uno de los reactores como puede observarse en la gráfica 5.6 en
donde se utilizaron estos datos. Aquí se muestra el % de metalización en los cuatro
reactores, en los cuales se observa un incremento en el grado de metalización al procesar
pellets de baja basicidad especialmente los días 5 y 6 de enero, ya que el día 7 de enero se
alimentaron mezclas con mineral en trozo para lo cual se observó un descenso nuevamente
en el grado de metalización alcanzado hasta entonces.
La tabla 5.5 muestra los datos de producción en estos siete días consecutivos
analizados en los cuatro reactores, estos datos se utilizaron en la gráfica 5.7 en donde se
observa un incremento en la producción al procesar pellets de baja basicidad’ (dias
1,2,3,5,6,7), excepto el día 4 de enero donde se proceso pellets de mayor basicidad. Solo
los días 6 y 7 se observó un descenso en la producción en el reactor 2, debido a que se
presentaron problemas con fugas de gases.
Pág. 78
CAPITULO 5
IMERPRETACION
DE RESULTADOS
Tabla 5.4 REDUCCION DIRECTA IMEXSA (%METALIZACION)
PELLET DE BAJA BASICIDAD
DIA (ENE 9 7 )
REACTOR 1
REACTOR 2
REACTOR 3
REACTOR 4
1
90.2
89.0
88.7
89.5
2
90.4
87.5
88.5
89.4
3
89.8
88.0
88.9
89.3
87.5
8 4 . 0
87.5
..
k
**
:
4
:
88.9
5
92.2
91.2
89.5
89.3
6
92.3
89.8
91.0
90.9
7
91.0
89.8
90.5
90.2
_
Tabla 5.6 REDUCCION DIRECTA IMEXSA (PRODUCCION Tons.)
PELLET DE BAJA BASICIDAD
DIA (ENE 97)
REACTOR 1
REACTOR 2
REACTOR 3
REACTOR 4
1
1950
1940
1900
1850
2
1900
1820
1910
1840
3
1960
1850
1940
1850
4.
j74O-.
1780 :
1790
1800~
5
1945
1890
1890
1850
6
1948
’ 1190
1900
1900
7
1925
1800
1500
1900
ti
**
* El día 4 se suministro pellet de alta basicidad.
** El día 7 se suministro mezclas con 19% de mineral en trozo
Pág. 79
Gráfica 5.6 RESULTADOS DEL % DE METALIZAClON
P
3
F
0
REDUCCION DIRECTA IMEXSA
w
)
I
92 -
I
7
0
$
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.’
91 -5 ‘-,--‘.-----.--- . . . .-.-...--.----..- ..I.. -..--_-“__--_ . . . . . ...--.. _ ..,..-.. T
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:,
/r\.,->
pnr
I
86.5 1
1
ENERO ‘97
2
3
4
5
6
+-REACTOR1 *REACTOR 2 -+REACJOR3 *REACTOR 4
7;
Gráfica 5.7 RESULTADOS DE PRODUCCION Fons.)
REDUCCION DIRECTA IMEXSA
2000
n .
1900
E
g
1800
1700
1600
3
ENERO ‘97
4
DIAS
5
+-REACTOR 1 --+ REACTOR 2 -+ REACTOR 3 -t- REACTOR 4
¿ñ
CAPITULO 5
INTERPRETACION DE RESULTADOS
SEGUIMIENTO EN LA ACEIUA
La tabla 5.6 muestra los resultados del seguimiento de los embarques en la acería,
para coladas fabricadas con el fierro esponja de diferente basicidad, en los cuales se
observó que el fierro esponja con menor basicidad (B2=0.77) da como resultado una
disminución en el consumo de energía en el horno eléctrico de arco, el DRI 2 (90.10 % de
metalización) tiene 1.3 % de mayor metalización que el DRI 1 (Bz4I.85, 88.80% Met.).
Este hecho contribuye al ahorro de los KWHITAL producidos. Se observó que el % Fe0 de
.la escoria generada con el DRI 1 es mayor al del DRI 2 lo cual es producto de una menor
metalización. El consumo de energía con el DRI 2 es 5% menor al DRI 1.
Tabla 5.6 VARIABLES DE PROCESO DE COLADAS FABRICADAS CON
FIERRO ESPONJA DE DIFERENTE BASICIDAD.
I
ANALISIS
CONCEPTO
DEL FIERRO ESPONJA
I
UN-IDAD
DRIl
DR12
METALIZACION
%
88.80
90.10
C
%
1.79
1.91
S
%
0.01
0.01
Si02
%
1.97
1.98
I Ca0
%
N.0
%
Aho3
%
Indice
BASICIDAD ($4)
Indice
CWlMICO
I
Q;47
BASICIDAD (Bz)
ANALISIS
1.67
I
1.52
I
Q.44
0.82
_<
.,. ,_.. . . . .- 0.85 r
0.89
0177
0.77
.
0.68
DE ESCORIAS AL FIN DE FUSION EN EL HEA
Fe0
%
37.9
34.1
SiO*
%
13.8
13.6
Ca0
%
29.1
26.4
MgO
%
9.7
10.0
44203
Oh
2.7
2.3
BASICIDAD (Bz)
Indice
2111
1.94
BASICIDAD (-Bd)
Indice
2.35
P vaciado
%
0.007
0.008
S vaciado
%
0.017
0.018
ENERGIA
KW-I-U-TAL
‘_
727.9
’
:
.-
2.29
.690.4
Pág. 82
CAPITULO 5
INlERPRETACION
DE RESULTAWS~
Por lo antes expuesto se tiene la siguiente interpretación para los dos tipos de pellets:
I.- PELLETS DE ALTA BASICIDAD.
Este tipo de pellets presenta en general una porosidad heterogénea, coalescencia de
poros que producen un incremento en el diámetro promedio de los poros y produce grietas
y fracturas (Fot. 2,4). En las pruebas metakrgicas éstos pellets mostraron una mayor
generación de finos, una mayor formación de grietas, una mayor tendencia a la degradación
y un menor número de pellets enteros; se observó que microestructuras con granos de
mineral angulares disminuyen la permeabilidad del gas natural en la reducción (Fot. 26,281
además se observó que escorias aglomerantes disminuyen la permeabilidad del gas y por lo
tanto la velocidad de reducción; lo anterior como se ha mencionado disminuye la
permeabilidad del reactor observandose lo siguiente:
A).- En la Reducción Directa:
1 .- Un mayor consumo de gas natural.
2,- Una menor velocidad del proceso y por lo tanto menor producción.
3.- Un mayor consumo de electricidad.
4.- Un menor grado de metalización en el fierro esponja.
B).- En la acería de Horno Eléctrico de Arco:
1 .- Un incremento en el consumo de los KWWTAL producida.
2.- Un descenso en la producción por tener un grado de metalización menor y velocidad
más lenta.
En los pellets de alta basicidad la fase escarificada que comunmente se forma
durante el endurecimiento del pellet con adiciones de cal es por un lado el Fenito
hemicálcico (Ca0.2Fez03) y por otro el silicato dicálcico (2Ca0.Si02) para contenídos de
sílice inferiores al 4% como señala la bibliografía [20,3 11.
En éste tipo de escoria cerámica se encontraron los ferritos de calcio mencionados
(Fot. 14), los cuales disminuyen la resistencia de la estructura de éstos pellets, primero
debido a la habilidad de éstos ferritos a reducirse, lo cual provoca el debilitamiento de la
estructura [22]. Durante la reducción a bajas temperaturas el ferrito hemicálcico se
descompone y forma una fase de ferritos temarios no homogéneos
(CaO.FezO~.2CaO.SiO~), donde el silicato de calcio aparece como inclusiones entre los
cristales de ferritas de calcio formados, debilitando su estructura [18,20,23]. Esta fase
ternaria por lo tanto, es muy frágil como para absorver las transformaciones durante la
primera etapa de reducción a baja temperatura. El segundo de los casos se debe al
incremento en volumen de los granos de óxido de hierro durante la transformación de
hematita a magnetita [4,27], lo cual ocasiona esfuerzos que no pueden ser absorbidos por el
debilitamiento de la unión de fases, así que las uniones se rompen explicandose entonces
los resultados obtenídos en las pruebas DBT.
Pág. 83
CAPITULO 5
INTERPRETAClON
DE RESULTADOS
LL- PELLETS DE BAJA BASICIDAD.
En los pellets de baja basicidad se observó que en las pruebas metalúrgicas
muestran menor generación de finos, menor tendencia a la degradación, menor cantidad de
grietas, menor % S remanente, mayor porcentaje de pellets enteros, una mayor
reducibilidad, una porosidad promedio homogénea (Fot. 5,7,9,11) y la formación de
escorias de tipo vítreo (Fot. 13,15). Esto mejora la permeabilidad del Reactor de Reducción
Directa observandose lo siguiente:
1 .- Menor consumo de gas natural.
2.- Mayor velocidad del proceso y por lo tanto mayor producción.
3.- Mayor grado de metalización.
4.- Menor consumo de electricidad.
Con éstas características en la acería de Horno Eléctrico de Arco se observó lo
siguiente:
1 .- Menor consumo en los KWHITAL producida.
2.- Mayor producción excepto cuando se utilizan mezclas de mineral en trozo como se
observó en los resultados.
También en pellets de baja basicidad se observó un menor porcentaje de pellets
agrietados y quebrados (Fo& 1,3), aunque no se encuentran como especificación en calidad.
Durante el endurecimiento de pellets ácidos se observó la formación de una fase de
escoria vítrea resultado de la reacción entre la sílice, los óxidos de hierro y la cal presente,
ésta última como silicatos de calcio [18,22],. Esta fase vítrea no es afectada durante la
reducción a bajas temperaturas, por lo que imparte suficiente resistencia como para
soportar los cambios estructurales que ocurre en la primera etapa de reducción (hematita a
magnetita).
Esta fase de escoria se observa en las figuras mostradas por grandes masas
disolviendo pequeños granos de mineral, su distribución se observó en las diferentes zonas
de los pellets (Fot. 13,15,17,27).
La presencia de ferritos de magnesio como se observa en las figuras mostradas,
contribuye a la obtención de mejores resultados en la prueba DBT (Fot. 18).
La presencia de núcleos de magnetita hace que la cantidad de hematita a reducir sea
menor en comparación con un pellet mas oxidado, ya que un pellet parcialmente oxidado
sufre aparentemente una menor degradación en la prueba DBT (Fot. 19,23).
Con los pellets ácidos se disminuye la formación de canales, finos, pellets
agrietados y quebrados, depósitos e incluso en casos extremos el taponeamientó del
Reactor (perdida de la permeabilidad), de ahí que se observen los resultados antes
mencionados.
Pág. 84
CAPmJLOvl
CONCLUSIONES
CAPITULO 6
CONCLUSIONES
No se puede dar una “receta” para la fabricación de pellets ya que su comportamiento en
Reducción Directa y en la acería depende entre otros factores de la naturaleza de los
aditivos, del ciclo de cocimiento, de su granulometría, del tamaño de grano, de la
porosidad, de la tendencia a la degradación a baja temperatura, del % Fe total, magnétita,
hematita, del tipo y contenído de ganga, etc; pero en base a los resultados antes
interpretados llegamos a concluir lo siguiente:
La basicidad no influye de manera significativa en las propiedades fisicas, pero sí en
lai propiedades metalúrgicas,. ya que induce el tipo de microestructura formada que influye
en el comportamiento del proceso de reducción y por lo tanto en la acería. En el presente
trabajo se encentro una basicidad óptima en el rango de 0.5 a 0.6 de basicidad binaria.
1
II.Se obtendrán mejores resultados de degradación, reducibilidad y resistencia de los
pellets con la basicidad de 0.52, sobre todo si los comparamos con basicidades cercanas a
0.9; esto influenciado por los siguientes factores:
l).- La resistencia de los pellets esta influenciada en primer lugar por la distribución
del material sólido y la distribución de los poros. Además los mineralesporosos son más
fácilmente reducibles que los no porosos, ya que son más permeables a los gases reductores
y permiten que se logre una mayor reducción en un tiempo más corto, incrementando así la
velocidad del proceso y por lo tanto la productividad.
En base a lo anterior la porosidad adecuada está entre un 23% y un 30% y se
obtienen mejores resultados con una BZ = 0.52, es decir para pellets de baja basicidad, en
donde se producen poros pequeños pero en cantidad suficiente para su reducción, esto
debido a que la cantidad de aditivos es menor y la sálida de gases de ganga calcinable
también; disminuyendo así la competencia con la entrada de gases (permeabilidad).
Los pellets con mayor cantidad de ganga calcinable CaC03, Ca(OH)z y FeS2
producen un mayor desalojo de gases para un mismo período de tiempo durante su
cocimiento.
La resistencia de los pellets es inversamente proporcional al diámetro
promedio del tamaño de los poros; es decir, al aumentar el tamaño de los poros disminuye
la resistencia.
2).- La resistencia de los pellets está influenciada en segundo lugar por las uniones
mediante recristalización y crecimiento de grano de la hematita.
La oxidación de la magnétita comienza en la superficie entre 200 y 600°C de
forma concéntrica hacia el centro del pellet, finalizando alrededor de los 115O”C,
formandose diferentes mícroestructuras que constituyen tres zonas distinguibles al
microscopio.
CAPITULO 6
CONCLUSIONES
3).- La resistencia de los pellets está influenciada en tercer lugar por la cantidad,
distribución y tipo de escoria formada; la cual favorece la recristalización y crecimiento de
los granos de hematita, predominando en los pellets de baja basicidad las escorias de tipo
vítreo (fayalita) que son estables en la reducción y en los de alta basicidad las escorias de
tipo cerámico (férritos de calcio) que son inestables en la reducción.
In.- Todas las propiedades del pellet son mayores en los pellets de baja basicidad que en
los de alta basicidad, excepto la tendencia a la adhesión; lo cual se sumariza en forma
general como sigue:
a).- Al disminuir la basicidad aumenta el porcentaje de Fe total.
EI porcentaje de FeT es inversamente proporcional a la basicidad binaria.
b).- Al disminuir la basicidad disminuye el porcentaje de Azufre.
El porcentaje de S es directamente proporcional a la basicidad binaria.
c).- Al disminuir la basicidad aumenta el porcentaje de +1/4 de Degradación a Baja
Temperatura.
EI porcentaje DBT+l/d es inversamente proporcional a la basicidad binaria.
d).- Al disminuir la basicidad disminuye el porcentaje -1/8 de Degradación a Baja
Temperatura.
El porcentaje DBT- 118 es directamente proporcional a la basicidad binaria.
e).- Al disminuir la basicidad aumenta el porcentaje de Pellets Enteros en la
Degradación a Baja Temperatura.
El porcentaje DBT~E es inversamente proporcional a la basicidad binaria.
f).- Al disminuir la basicidad disminuye también el porcentaje Fe+‘, y la tendencia
al hinchamiento; además aumenta su reducibilidad.
La única desventaja de los pellets de baja basicidad es su mayor tendencia a la adhesión.
Iv.-
En base a los análisis Térmico Diferencial y Gravimétrico podemos concluir que:
a).- El pellet verde con mayor porcentaje de azufi-e, menor adición de calhidra, así
como menor ganga calcinable, durante su cocimiento se ve sometido a un ciclo menos
drástico en cuanto a presiones internas por desalojo de gases (I-IZO, COZ y SO& los cuales
acuían en flujo contrario al oxígeno que penetra para oxidar la magnetita, lo anterior
explica porque el pellet de baja basicidad presenta una estructura más homogénea y por lo
tanto mejor resistencia durante su empleo en Redución Directa.
b).- En cuanto al empleo de aditivo orgánico (ALCOTAC), en el proceso de
peletizado
su mayor descomposición a bajas temperaturas promueve mayor porosidad, ya
I
que a 27OOC el pellet aún no sufre ningún cambio estructural y’ las bajas cantidades
empleadas (0.015 porciento) no afectan la resistencia del pellet y si lo benefician por
funcionar como un aglomerante durante el secado del pellet y su volatilidad no compite con
otras reacciones durante el proceso de cocimiento del pellet verde. Por otra parte se
obtienen menos finos, lo que garantiza completar más fácilmente los embarques requeridos
y el reprocesamiento de materiales. Se hace necesario un análisis de costos y suministros
para decidir sobre su empleo.
Poq. 86
CAPmJLO VII
BIBLIOGRAFIA
[ll.- APRAIZ BARREIRO J. “Fabricación de hierro, aceros y fundiciones” URMO,
S.A. DE EDICIONES, TOMO 2,1984,494-495.
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ANEXOS
Se realizó un estudio sobre análisis térmicos y gravimétricos a minerales de Peña
Colorada, así como aditivos (Caliza, Calhidra y ALCOTAC) para detectar las temperaturas
de reacción de la magnétita y pirita en el mineral, así como de las de descomposición de los
aditivos y la influencia del porcentaje de aditivo empleado medido como basicidad binaria.
CALIZA
En la figura 1 la tendencia del ATD indica una sola reacción que para este caso es
de 840°C, si se realizan mediciones comparativas es recomendable ajustar las muestras a un
tamaño de partícula uniforme de 50 a 300 micras y secar las muestras.
La tendencia del Gravimétrico registra una pérdida de peso de aproximadamente
13.4 mg. (para ATG 20”C/min. cada cuadro en papel mílimetrico equivale a un mg.) que
relacionandolos con los 30 mg. de la muestra inicial equivale al 44.7%, valor similar a las
pérdidas por calcinación de este carbonato.
.
CaCO
Ca0 + COZ
CALlSlDRA
En la figura 2 en la línea del ATD se registran dos crestas negativas la primera a
480°C y la segunda a 775”C, la primera puede relacionarse con la descomposición de la
Portlandita en Ca0 y Hz0 y la segunda en la descomposición del Carbonato de Calcio
residual comúnmente presente en la cal hidratada.
La tendencia del Gravimétrico indica dos pérdidas de peso, una de 17.7% (5.3 mg.)
en la primera reacción (deshidratación de la calhidra) y otra de 9.3% (2.8 mg.) en la
reacción de descomposición de los carbonatos, en total presenta una pérdida de peso del
27% (peso inicial 30 mg.)
Ca
*
Ca0 + Hz0
17.7%
CaC
b
Ca0 + CO2
9.3%
ALCOTAC
Debido al desconocimiento en la composición de este aditivo se realizaron dos
corridas, en la figura 3 se observa la curva ATD que presenta una reacción a 270°C la
segunda a 420°C y una final a 765”C, las tres endotkmicas.
La figura 4 indica el Gravimétrico donde en la primera reacción se perdió el 47%
del aditivo orgánico, en la segunda alcanza el 80% de pérdida de peso y en la última se
consume el 100% de los 37 mg. del aditivo orgánico.
ANEXOS
cu
.
I
t--,t --.
c---L
_
r
T
t
-1
+
-.-. .: -Í;:-Li i
&K
1:
.
2
8
-2
ANEXOS
MINERAL (PENA COLORADA)
Con el fin de realizar un estudio comparativo para detectar la influencia del
porcentaje de azufre y el nivel de basicidad en el proceso de Peletizado se prepararon y
analizaron 4 muestras:
1) Mineral con bajo azufre y baja basicidad
2) Mineral con alto azufre y alta basicidad
3) Mineral con alto azufre y baja basicidad
4) Mineral con bajo azufre y alta basicidad
.
Análisis químico de las 4 muestras:
MUESTRA
1
2
3
4
ZaCO %(CaO)
1.71 (0.95)
1.82 (1.01)
1.46 (0.81)
2.05 (1.14)
Za(OH), %(CaO)
0.14 (0.11)
1.26 (0.96)
0.37 (0.28)
1.01 (0.77)
MgCO3
%(MgO)
0.87 (0.41)
0.91 (0.42)
0.9 1 (0.43)
0.87 (0.40)
SiOz
%
2.12
2.19
2.19
2.12
ti2o3
%
0.91
0.98
Fe$
%(S)
% Adic. Calhidra
I
l
0.99
0.90
/
1 0.63 (0.14) 1 2.12 (0.47) 1 2.12 (0.47) 1 0.63 (0.14)
0.20
/
1.77
I
0.52
l
1.41
ANEXOS
Para las cuatro muestras (1,2,3,4) ocurren reacciones similares, solo se ven
diferencias en la intensidad por los diferentes porcentajes de azufre y aditivo empleado
(fígs. 5,6,7,8).
Reacción 1
Reacción exotérmica a 380°C por el inicio de la oxidación de la Magnétita la
cual se refleja en la curva gravimétrika con una ganancia en peso, la tendencia es igual para
las cuatro curvas.
Reacción 2
Reacción endotérmica aproximadamente a 44O”C, por la descomposición de la
calhidra adicionada al mineral, esta cresta negativa es más pronunciada para los minerales
de alta basicidad (2) y (4) por la mayor necesidad de calor con respecto a las muestras (3) y
Reacción 3
Entre 47oOC y 480°C ocurre una reacción exotk-mica producto de la desulfuración
de la pirita, las crestas de las muestras (2) y (3) son mayores a las muestras (4) y (1)
respectivamente.
Reacción 4
Continua una segunda fase de la oxidación aproximadamente a 580°C reflejado
en mayor ganancia en peso por la curva del gravimétrico que presenta un cambio en la
pendiente a partir de esta temperatura.
El mineral con mayor cantidad de ganga calcinable (muestra 2, fig. 6): CaCO3,
Ca y FezS, (mayor azufre y adición de calhidra) presenta las curvas del Térmico
Diferencial más pronunciadas, que en el pellet significa mayor desalojo de gases para un
mismo período de tiempo durante su cocimiento.
ANEXOS
i
I
-I
i
i
..
:
;/
%
/_j
FL
j
<
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.
f-F--:
a--
F
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k!Y
:.
.z:
.,.
.
PELLET ACIDO CON ALCOTAC
CARACTERISTICAS DE CALIDAD
QUIMICAS
FISICAS
MXTALURGICAS
% FeT
66.8
% DEGFUDACION
4.0
% DBT +1/4
% Fe ft
0.39
% IND. TAMBOR
95.1
% DBTmIB
7.4
350.0
% DBTPE
73.2
%s
0.003
RESIST.
% Ca0
0.80
% POROSIDAD
% Mg0
0.41
% +5/8
% Si02
2.02
% -518 +3/8
% A1203
0.8-8
% -3/8 +1/4
2.7
B2
0.40
% -114
0.3
B4
0.42
% PELLET ENTERO
FEBRERO 1997
COMPRESION
25.7
4.4
92.6
80.0
% PELLET AGRIETADO
8.0
% PELLET QUEBRADO
12.0
89.3