Reciclado de barros y polvos de acería al oxígeno

actualización tecnológica

Tratamiento de residuos:

Reciclado de barros y polvos de acería al oxígeno Por Jorge Madías*

La industria siderúrgica se proyecta a una meta de cero residuos, convirtiendo en forma creciente los desechos en productos estandarizados o en materia prima para la misma u otras industrias. En este artículo se tratan las tecnologías para reciclar uno de esos residuos.

Los barros o polvos generados por los sistemas de tratamiento de humos de los convertidores al oxígeno, presentan dificultades para el reciclado debido a su contenido de cinc, particularmente en la fracción fina. Se plantean en este trabajo las diversas tecnologías utilizadas y los obstáculos que se deben superar para mejorar los índices de reciclado de este subproducto, con especial mención a las experiencias de plantas latinoamericanas. Las soluciones que se han propuesto varían en cuanto al tipo de aglomeración utilizada (sínter, briquetas, pélets, granulado) como en los equipos metalúrgicos en que se reciclan (en plantas de sínter, altos hornos, convertidores, hornos de solera rotativa y hornos de cubilote).

Introducción En trabajos anteriores se ha discutido el reciclado de polvos de horno eléctrico y de refractarios de descarte [1-2]. Dentro de la marcha hacia una industria siderúrgica con desperdicio cero, otro de los residuos que ha merecido estudios y desarrollos tecnológicos importantes es el barro o polvo extraído en los sistemas de tratamiento de gases en húmedo o en seco de las acerías al oxígeno. El 90% de las acerías al oxígeno (BOF) del mundo utiliza sistemas de tratamiento en húmedo [3], debido a que la inversión inicial necesaria es menor. * Gerente empresa Metallon, Argentina.

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Los gases al salir del convertidor arrastran polvos metálicos, óxidos, finos de cales, etcétera. La formación de estos polvos se atribuye a la vaporización del hierro y de otros metales presentes, como el cinc, la eyección de pequeñas gotas de arrabio líquido y la voladura de finos de fundentes [4]. Para la depuración de los gases por vía húmeda se suele utilizar un lavador venturi. Aquí los gases y polvos chocan contra grandes cantidades de agua inyectada en ángulo recto sobre el chorro de gas. El impacto de los gases, polvo y agua provoca turbulencia; el polvo se humedece y aglomera y se separa con el exceso de agua. El agua cargada de sólidos, se suele tratar mediante a) un hidrociclón, para extracción de polvo y un clasificador para extraer el agua remanente con el polvo; b) un espesador, para clarificar el derrame del hidrociclón y recolectar las partículas finas en forma de un barro denso; y c) un filtro prensa o de vacío para extraer más agua del barro proveniente del espesador (Figura 1). El contenido en hierro metálico, óxido de hierro y cal de estos barros (Cuadro 1) los hacen interesantes como aporte a los procesos de reducción o de aceración. Sin embargo, su alto contenido de humedad, contenido de álcalis y la presencia de óxido de cinc proveniente del uso de chatarra de acero galvanizado en la carga, suponen obstáculos importan-

tes para su reutilización en la siderurgia (particularmente en el alto horno y por lo tanto en la planta de sínter). Por otro lado, a diferencia de los polvos de hornos eléctricos de arco, el contenido de cinc no es lo suficientemente alto como para procesarlos en los hornos Waelz, utilizados para concentrar el óxido de cinc [2]. Tomando a título de ejemplo el caso de las plantas integradas de Alemania, la generación de barros y polvos de acería está en el orden de los 14,2 kg/t acero, de un total de polvos, barros y laminilla de 61,2 kg/t acero [5] (esta cifra no incluye escorias ni refractarios de descarte).

Figura 1 Instalación típica de tratamiento de gases de acería al oxígeno (vía húmeda) [5]

Cubierta de enfriamiento

Venturi Convertidor de oxígeno

En este trabajo se analizan los diversos caminos para el reciclado de estos barros y polvos. Los destinos usuales de estos barros y polvos son el depósito, el reciclado fuera de la siderurgia y el reciclado dentro de la propia siderurgia, sea en alguna de las etapas del proceso, sea en instalaciones ad hoc (Cuadro 2). Por ejemplo, en el caso de Alemania se generan 162.000 t/año de barros o polvos gruesos de BOF, de los cuales se recicla el 96% y se deposita el 4% restante. En cambio, de los 426.000 t/año de barros y polvos finos de BOF, se recicla el 48% y se deposita el 52%. Las razones para esta gran diferencia son el mayor tenor de Zn y de álcalis y menor tenor de hierro total en los finos (Cuadro 1). Está claro que es en el reciclado de los finos donde reside el desafío más importante para alcanzar un objetivo de desperdicio cero en la acería al oxígeno.

Enfriador de gases Chimenea con antorcha

Esta utilización se basa en la necesidad de contar con fuentes de óxido de hierro para complementar la composición de las materias primas utilizadas en la producción de clinker para cemento Portland. Para el clinker se suele requerir una composición del 62%-67% CaO; 18%-24% SiO2; 4%-8% Al2O3 y 1,5%-4,5% Fe2O3, que pocas rocas naturales tienen y de ahí la necesidad de utilizar los denominados «correctores de hierro». Entre otros, suele usarse mineral de hierro o residuos siderúrgicos como laminilla, polvo de trampa de alto horno, barros y polvos de acería al oxígeno o residuos de centrales eléctricas a carbón, como las cenizas volantes. En este caso parecería que el contenido en Zn no es perjudicial; probablemente se elimine con los gases en los hornos rotativos utilizados para la fabricación del clinker. La valorización depende de la logística (distancia

Retorno de agua para enfriado de gas

Espesador

Barro al filtro de vacío

Cuadro 1 Ejemplos de composición química de barros gruesos y finos de acería al oxígeno [5] Barros

Fet (%)

CaO (%)

SiO2 (%)

Al2O3 (%)

MgO (%)

Zn (%)

Na2O+K2O (%)

Pb (%)

Gruesos

72

6,7

1,2

0,2

0,3

0,023

0,054

0,011

Finos

63

4,8

1,1

0,1

0,6

0,148

0,38

0,064

En los párrafos siguientes se analiza en detalle el reciclado en terceros y en la siderurgia.

Reciclado en cementeras

Clasif.

Cuadro 2 Destino de los barros y polvos de acería al oxígeno Ruta

Preparación

Producto

Depósito

Interno

Ninguna

–



Externo

Ninguna

–

Reciclado en terceros

Cementeras (corrector de hierro)

Ninguna

Clinker



Recicladores (planta Sinterización de sínter y alto horno - proceso DK)

Arrabio y concentrado de ZnO

Reciclado en la siderurgia (en los procesos usuales)

Plantas de sínter (muy limitado por el tenor de Zn y álcalis)

Estrategias variadas

Sínter para alto horno



Alto horno

Briquetas

Arrabio

Convertidores

Briqueteado Trozos

Acero

Reciclado en la siderurgia (en instalaciones ad hoc)

Ladrillos Pélets

Arrabio y concentrado de cinc

Briquetas Pélets Extruidos

Hierro esponja

Cubilotes

Horno de solera rotativa

39

actualización tecnológica

entre siderúrgica y cementera, disponibilidad y costo del transporte) y del costo y disponibilidad de otros «correctores».

Figura 2 Proporción de barros y polvos de acería al oxígeno y otros residuos y materias primas usados en la producción de sínter en DK Recycling und Roheisen [6]

Reciclado en proceso DK Se trata de una planta de sínter y dos altos hornos pequeños, operados por una empresa que procesa residuos para terceros por una determinada tarifa. Es DK Recycling und Roheisen, en Duisburg, Alemania, que perteneciera al grupo Rio Tinto y actualmente es propiedad de su personal. Esta planta procesa unas 400.000 t anuales de residuos, provenientes de 9 plantas de 6 países europeos que producen 77 Mt acero/año [6]. Se utiliza en la carga más del 50% de polvos de acería y el 5% de barros de acería (Figura 2). No tiene patio de mezclado, sino que el mezclado se hace mediante una grúa de almeja. Luego del mezclado, la grúa alimenta varias tolvas bajo las cuales corre una cinta de alimentación. El enfriamiento del sínter se realiza en el tercio final de la cinta; las cintas de enfriamiento son usadas solamente como transporte [6]. En 1999 DK construyó una segunda unidad de limpieza de gases detrás del precipitador electrostático existente, para mantener las emisiones de SO2, dioxinas y furanos dentro de los límites exigidos. La unidad consiste en un inyector de lechada de cal, un inyector de lignito y filtros bolsa para capturar sólidos. En el Cuadro 3 se presentan algunos índices de esta planta de sínter, comparados con los de una planta convencional.

Mineral de hierro 7,6%

Arena 4,3%

Coquecillo 2,0%

Cenizas 2,6%

Otros 7,3%

Laminillo 12,9%

Barro de alto horno 5,4% Polvo de BOF 52,8%

Barro de BOF 5,0%

Cuadro 3 Parámetros operativos típicos de la plantas de sínter de DK Recycling und Roheisen comparados con los de plantas convencionales [6] Unidad

DK

Convencional

%

75

100

Consumo de coquecillo

kg/t sínter

20

40

Hay dos altos hornos, uno de 580 m de volumen de trabajo y 5,5 m de diámetro de solera y uno de 460 m3 y 4,5 m, actualmente parado. Nominalmente el mayor produce 1.000 t/día y el menor 500 t/día. Se hace una colada cada dos horas; el arrabio es desulfurado y colado en una máquina lingotera, en forma de lingotes de 8 a 10 kg, para el mercado de las fundiciones.

Productividad

t/m2/24 h

24

40

La carga es el 100% de sínter. El contenido de cinc está en el orden de los 38 kg/t arrabio; en un alto horno normal suele estar entre 0,02 y 0,2 kg/t arrabio [2]. Se atribuye la ausencia de problemas operativos a la relativamente alta temperatura del gas de tope, de 350°C.

Unidad

En el Cuadro 4 se comparan algunos parámetros operativos del alto horno de DK con los de un alto horno normal.

3

La limpieza del gas de tope se hace en dos etapas, de precipitación de gruesos en seco y de finos en húmedo. Se obtiene un barro con alto tenor de Zn que se vende como concentrado de ZnO a los productores de cinc. En 2006 se vendieron 8.000 t [7].

40

Horno 0,1%

Índice Área para sinterizar

Cuadro 4 Parámetros operativos típicos del alto horno de DK, comparados con los de un alto horno convencional [6] Alto horno DK

Alto horno normal

Sínter en la carga

%

100

40-60

Cinc en la carga

kg/t arrabio

38

< 0,1

Álcalis en la carga

kg/t arrabio

8,5

2-3

Consumo específico de reductores

kg/t arrabio

700-720

480-550

Volumen de escoria

kg/t arrabio

400-450

200-250

%CO2/(%CO2+%CO)



≈ 30

≈ 50

Temperatura de gas de tope

°C

350

120

Si en el arrabio

%

2-2,5

< 0,5

Productividad

9/(m3/día)

1,4

2,5-3,5

Reciclado en plantas de sínter Las plantas de sínter son una herramienta tradicional de las acerías integradas para el reciclado de residuos internos. Hay diversas restricciones para esto. En particular para los barros de acería, su contenido en humedad, álcalis y cinc; estos últimos no porque ocasionen problemas en la sinterización, sino porque no son eliminados en ella y pasan por lo tanto a formar parte de la carga del alto horno, con los conocidos inconvenientes que hacen que haya un límite en la cantidad de cinc y álcalis cargables en este reactor [8]. Algunas plantas, como la de Tata Steel en Jamshedpur, India, reciclan sin embargo todos los barros de acería generados. En este caso se informa que se han presentado algunas dificultades con el tenor de álcalis y de permeabilidad en el lecho por la presencia de finos [9]. Las formas de adición en las plantas de sínter han sido varias: en ArcelorMittal Fos, Francia, se ha practicado la adición de los barros como slurry [10], directamente al tambor de mezclado; en ILVA Taranto, Italia, se lo ha bombeado al humidificador de la mezcla [10]; en China Steel Corporation, Taiwán, se los ha introducido previo paso por un micropeletizador [11]; en SAIL Bhilai Steel Plant, India, se ha practicado un mezclado del barro con finos de dolomita caliente provenientes de un horno rotativo de calcinación, aprovechando el calor de los mismos para secarlos y luego adicionarlos a la planta de sínter [12].

También es común el premezclado de diversos residuos (Figura 3). Esto permite un menor impacto de variaciones en la composición química de los residuos individuales sobre la productividad de la planta de sínter y la calidad del sínter obtenido. Este tipo de operación se ha realizado en una planta de Francia, reciclando unas 200.000 t/año de residuos varios y en una planta de Eslovania [10]. Sin embargo, las presiones ambientales han ido limitando la alternativa de la utilización de las plantas de sínter para este propósito y, en algunos casos, junto a la disponibilidad de pélets, han traído aparejadas el cierre de las mismas, particularmente en el norte de Europa y en Estados Unidos [10, 13]. En una planta de Rusia de sínter se ha modificado el proceso de sinterización, incluyendo la operación de una parte de la línea a alta temperatura, para vaporizar el cinc y recuperar el óxido en la casa de filtros [13].

en la recuperación de polvos en el alto horno. Con cargas en el extremo superior, se observaron indicaciones de perturbaciones en la distribución de los gases en el interior del horno. Los componentes de las briquetas reemplazan parte de la carga de pélets, fundentes y coque, pero generan un aumento del volumen de escoria de 5 a 10 kg/t arrabio. El trabajo de optimización de las briquetas se ha centrado en la mejora de la resistencia en frío, por la vía de modificar el mix de materias primas, realizar diferentes tipos de preparación de las materias primas y mejorar las condiciones de curado [14]. En el año 2.000, con la inauguración de un nuevo alto horno en reemplazo de los dos anteriores, más pequeños, debido a la mayor producción y al nuevo sistema de tratamiento de gases, aumentó mucho la cantidad de finos recuperados, exigiendo la utilización de mayores porcentajes de cemento en las briquetas, lo que llevó a considerar la peletización como el método de aglomeración más adecuado [15].

Reciclado en altos hornos Se ha publicado un caso particular, el de SSAB Lulea, Suecia, que cerró su planta de sínter en 1978 y operó desde ese entonces con el 100% de pélets. Para poder hacer reciclado de los residuos, entre ellos los barros gruesos de la acería LD, se construyó una planta de briqueteado en la que se utilizó como ligante cemento Portland. Esta planta arrancó en 1993 y desde esa fecha se ha cargado en alto horno entre 40 y 85 kg/t de arrabio de estas briquetas [14]. Con doble zarandeo antes de la carga, no hubo un aumento

Reciclado en convertidores El reciclado de barros y polvos de convertidores en los mismos hornos tiene generalmente el objetivo de reemplazar el mineral de hierro en forma de piedras o pélets o la chatarra, como regulador del balance térmico del horno (enfriador del baño). Su uso es más beneficioso cuando se opera con baja proporción de arrabio en la carga. La adición se realiza en general en forma de briquetas. Para los barros del espesa-

Figura 3 Reciclado de barros de acería y otros residuos vía planta de sínter mediante premezclado [10] Polvos • Polvos horno (casa de colada, ventilación) • Convertidor (ventilación, extracción secundaria)

Finos

Barros • Barros de acería • Barros de alto horno

Cal

• Concentrado magnético de la escoria • Finos de la escoria

Mezclado

Micropeletización

Mezcla de residuos para reciclado vía sinterización

41

actualización tecnológica

Figura 4 Esquema de las unidades de extracción de agua de los barros de acería [16] Acería N° 2 25%-35% Sólidos

Acería N° 4 25%-35% Sólidos

Barro proveniente de la salida inferior del espesador Centrifugadora

Tanque de ingreso

95-150 litros por minuto 50-250 ppm de sólidos solubles

Barro para broqueteo y reciclado Reciclado directo o indirecto a los espesadores

dor, suele haber un proceso previo de extracción de parte de la humedad. Las briquetas se producen en frío, utilizando un ligante, o en caliente sin ligante. Este último caso se aplica en plantas con sistema de limpieza de gases en seco. Otra vía es el mezclado de escoria caliente con los polvos, con formación de piedras. A continuación se detallan estas tres tecnologías.

Briqueteado en frío con ligante Esta vía de utilización ha sido adoptada en varias plantas de América del Norte (ArcelorMittal East Chicago e Indiana Harbor); América del Sur (ArcelorMittal Tubarão, APERAM, Ternium Siderar); Europa (Tata Steel Port Talbot, Tata Steel Scunthorpe, ILVA Taranto) y Asia (SAIL Bhilai Steel Plant, India). La preparación del material se hace disminuyendo el tenor de humedad mediante centrifugadoras u hornos rotativos con combustión de gas natural o gas de coquería. Como ligante se utiliza melaza, cemento o cal, individualmente o en mezclas. Las briqueteadoras son de rodillos. Se describe a título de ejemplo para el briqueteado en frío la experiencia de las plantas situadas en East Chicago e Indiana Harbor, East Works, EE. UU. (en ese entonces pertenecientes a Inland Steel Corporation y hoy al grupo ArcelorMittal), que utilizan este esquema desde 1993 [16]. En este caso se dispone de una instalación para extracción del agua, como se

42

Acería N° 2 60%-68% Sólidos

Tanque de efluentes

muestra en la Figura 4. Se utilizan máquinas centrifugadoras que giran a 2.000 rpm, generando una aceleración de 1.000 g. Se inyecta en el chorro de alimentación de las centrifugadoras un polímero de baja densidad, inmediatamente antes del ingreso a las máquinas. El agua se recircula mediante un sistema cerrado a los espesadores del sistema de tratamiento de humos de los convertidores. Se logra incrementar el porcentaje de sólidos del 25%-35% al 60%-78%. El material obtenido se transporta mediante camiones a un área donde en función del tiempo que

Acería N° 4 70%-68% Sólidos

transcurra hasta su uso en la planta de briqueteado, la humedad puede bajar a niveles del 15% al 18%. La capacidad de la planta de briqueteado es de 25.400 t/mes. Las partes que la componen son la de mezclado, secado, mezclado con el ligante, briqueteado y curado. Como ligante se usa melaza y cal hidratada. En los Cuadros 5 y 6 se presenta la composición química y las propiedades físicas de las briquetas. En la Figura 5 se presenta un esquema del proceso.

Cuadro 5 Composición química de las briquetas de barros de acería para uso en convertidores [16] Componente

35% de barro

61% de barro

Fe total

61,6

54,7

Fe metálico

5,3

2,8

FeO

46,4

38,4

Fe2O3

28,9

31,6

MnO

0,8

0,9

CaO

6,8

8,4

MgO

1,6

2,1 2,0

SiO2

1,8

Al2O3

0,7

0,8

P2O5

0,16

0,21

S

0,09

0,14

Zn

0,76

1,24

Pb

0,05

0,08

C total

4,8

6,1

C libre

3,1

4,0

Figura 5 Diagrama de flujo de la planta de briqueteado de barros de acería al oxígeno [16]

Gas de escape

Almacenamiento Almacenamiento Almacenamiento Zaranda

ta

Cin

Secador rotativo

Silo

Cinta

Tanque de almacenamiento

Tanque de melaza

Silo de Mezcla

Silo de Cal (2) Tornillo

Estación de descarga

Camión neumático

Silo de Cemento

Camión neumático

Tornillo

Camión neumático

Silo de MILF

Bolsa a granel

Chimenea

ta Cin Pila de gruesos

Mezclado

Camión neumático

Casa de filtros de bolsa

Ciclón

Cinta de pesaje

je

esa

ep

d inta

Molino de paletas 1

C

Transportador a tornillo

Cin

ta d

Almacenamiento

ee

Cin

Molino de paletas 2

ta d

lev

aci

ón

Cinta de transferencia

ee

lev

aci

ón

da

Prensa de briqueteado

ran

Za

Cin

ta

Pila de curado Cinta de finos

Se ha informado que esta planta carga 3.500 kg/colada en la acería 2 (convertidores de 195 t) y 6.000 kg/colada en la acería 4 (convertidores de 235 t). Dependiendo de la cantidad cargada, una parte se carga sobre la chatarra o el arrabio y otra luego de la ignición, por ejemplo dentro del primer 20% del soplo, acompañado de 500 a 1.000 kg de cal. Una adición posterior de briquetas da lugar a derrames, emisiones y empuje sobre la lanza debido al alto tenor de CO en los gases de escape. Se supone que también una adición temprana, cuando todavía el tenor de carbono en el arrabio de carga es importante, contribuye a la recuperación de las unidades de hierro presentes en la briqueta.

Briqueteado en caliente sin ligante Este proceso está menos extendido porque se usa en plantas con sistema de extracción de polvos en seco, como ThyssenKrupp Steel Bruckhausen y Voestalpine Stahl Linz, Austria [3, 5]. Esta última posee un sistema de combustión suprimida, incluyendo un sistema de recuperación de gas. Aguas abajo de los módulos estándar del sistema de tratamiento de gases (cámara de enfriamien-

Cuadro 6 Propiedades físicas de las briquetas de barros de acería para uso en convertidores [17] Propiedad

35% de barro

61% de barro

Densidad aparente (g/cm3)

1,84

1,70

Índice de resistencia mediante tambor ASTM (%)

57,3

60,5

Resistencia a la trituración una vez curada (kPa)

5.640

5.550

> 25,4 mm

67

71

< 6,3 mm

22

16

< 3,2 mm

18

13

< 1,6 mm

16

12

to, recuperación de calor y enfriador por evaporación), hay un precipitador electrostático en seco para extraer el polvo de los gases de salida del convertidor (Figura 6). El 40% de los polvos, la fracción gruesa, se extrae en el enfriador por evaporación y el 60%, la fracción fina, en el precipitador electrostático. Debido al sistema de combustión suprimida, los polvos contienen una importante cantidad de hierro metálico, 10% al 20%. Para evitar la oxi-

dación de estas unidades de hierro, se procede al briqueteado en caliente bajo atmósfera inerte. El factor de enfriamiento de estos óxidos de descarte aglomerados está usualmente en el rango de 3 a 4 MJ/kg, dependiendo del sistema de combustión (completa o suprimida) y de los materiales que se usan en el briqueteado, además del polvo de convertidores (laminilla, polvo de trampa de alto horno). En comparación con la chatarra, que tiene un factor de

43

actualización tecnológica

Figura 6 Esquema de la planta de briqueteado en caliente, sin ligante, para reciclado de polvos de acería al oxígeno, en Voestalpine Stahl Linz, Austria [3] Enfriamiento del gas

Enfriador por evaporación

Vapor

Ventilador

Enfriador de gas

Chimenea con antorcha

Vapor

Agua Precipitador electrostático

Polvo grueso Convertidor

Gasómetro

Polvo fino LÁSER

Briquetas de polvo

enfriamiento de 1,35 MJ/kg, el de estas briquetas es 2 a 3 veces más alto. O sea que cada t de briquetas puede reemplazar 2 a 3 t de chatarra. Por esta razón, para obtener el mismo peso de colada y temperatura del acero líquido que sin reciclado, es necesario aumentar la carga de arrabio líquido o agregar coque a las briquetas, para compensar el efecto de enfriamiento [3]. Para prevenir un enriquecimiento infinito en cinc de los polvos, debido al reciclado, se debe enviar a terceros cuando se excede un límite definido. Para ello se ha desarrollado un sistema para la determinación en línea del cinc en el polvo, denominado LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy).

Aglomerado por mezcla con escoria caliente Una vía de bajo costo de inversión y operación para preparar el barro (particularmente la torta de filtro) para la carga en el convertidor, se ha utilizado en la planta de Sparrows Point, hoy propiedad de Renco Group Inc. Se trata de una mezcla con escoria caliente de BOF. Para evitar la voladura de polvo y colaborar en la aglomeración de las partículas, se agrega una solución de silicato de sodio en agua, en la descarga del filtro prensa. El material es luego mezclado con escoria a una temperatura del orden de los 800°C,

44

Válvula de gas

Planta de briqueteado en caliente

en capas sucesivas. Luego se lo deja curar unas 16 horas [3]. Un factor importante es la humedad residual, que si es muy poca permite el libre flujo del material en los silos y si es muy alta puede dar lugar a la obstrucción de los mismos [3]. Para esta planta, utilizar 3.600 kg de este reciclo en reemplazo de mineral de hierro por colada equivale a reciclar el 100% del material generado. Se ha probado adicionar hasta 6.600 kg/colada sin inconvenientes.

Reciclado en cubilotes La experiencia más conocida en este campo es la del proceso OXYCUP, desarrollado por Küttner y adoptado en primer lugar en su momento por la siderúrgica mexicana SICARTSA (hoy ArcelorMittal Lázaro Cárdenas) [17]. Se trata de un cubilote de gran tamaño, de viento caliente enriquecido con oxígeno, con la particularidad de que una gran parte de la carga está constituida por ladrillos autorreductores elaborados a partir de residuos, entre ellos los barros de acería. En el horno instalado en ThyssenKrupp Stahl Duisburg, Alemania, los finos de la acería son el principal componente de la carga [18]. El resto puede ser chatarra, fondos de cuchara de arrabio o acero, hierro esponja, etcétera. En la Figura 7 se presenta un esquema del proceso.

Polvo rico en cinc a productores de cinc

En comparación con los cubilotes usuales, el OXYCUP tiene un consumo específico de coque muy elevado (360 kg/t arrabio) y una alta generación de escoria (604 kg/t arrabio). Estos valores son para una marcha con el 85% de ladrillos. En el alto horno el grueso de la reducción sucede a temperaturas por debajo de los 800°C. En el cubilote OXYCUP esta ocurre por reducción directa, a temperaturas por encima de los 900°C, con ayuda de los finos de carbón introducidos en los ladrillos (Figuras 8 y 9). Se eligió la aglomeración en ladrillos por tratarse de una tecnología ampliamente conocida (para la fabricación de adoquines sintéticos). Se mezclan los barros y polvos con carbón y cemento y esta mezcla se transfiere a un silo sobre la prensa de ladrillos. El material se alimenta sobre moldes que ingresan bajo la prensa en un pallet de madera y es comprimido por prensado y vibración. Cada 15 segundos un pallet con ladrillos deja la prensa y es apilado. Luego un conjunto de pallets es transportado a una sala de almacenamiento de ladrillos, para el curado del cemento. Después de 3 días se extraen los ladrillos, listos para la carga del cubilote (Figura 9). Hay cinco plantas en operación, en siderúrgicas de México, Alemania, Japón y Taiwán (Cuadro 7).

Figura 7 Esquema de cubilote para reciclado de residuos siderúrgicos (proceso OXYCUP) [17]

Red de gas de planta Antorcha Gas a 230°C Cubilote Limpieza del gas Ladrillos

Chatarra

Coque Estufa para viento caliente

Gas de tope °C 230

50.000 m/h ≈ 4.300 kJ/m3 620°C Tratamiento de efluentes

1000 1400

30.000 m3/h viento caliente 3.500 m3/h oxígeno

1800

15-30 t/h escoria

35-65 t/h arrabio

Figura 8 Condiciones operativas de un alto horno y de un cubilote OXYCUP, en cuanto a la reducción [18]

Figura 9 Ladrillos autorreductores construidos con residuos siderúrgicos, para reciclado en cubilote OXYCUP [18] 50-110 mm

1 0,8

PCO

PCO + PCO2

Fe

El equilibrio de Bouduard fija la relación CO/CO2 para cada temperatura; por encima de 650°C el FeO se puede convertir a Fe

0,6 Fe

FeO

0,4 0,2 0 400

Fe304 BF 500

600

700

Ladrillo autorreductor

Laminilla (aceitoso) Barros de acería LD Polvo de acería LD Barros de alto horno Polvo de sínter Polvos secundarios Finos de mineral Finos de carbón

CO

FeOx

Fe

CO CO2

C

C

CO2 C

CO

OXYCUP 800

En el alto horno normal la mayor parte de la reducción ocurre a 650°C-700°C

900

1.000 1.100 1.200

Los ladrillos autorreductores en el cubilote OXYCUP se reducen principalmente por encima de 1.000°C

1. Reacción de Boudduard 2. Reducción a hierro

CO2 + C → 2CO CO + óxidos de hierro → Fe + CO2

Cuadro 7 Cubilotes OXYCUP en operación en la actualidad [17] Empresa País ArcelorMittal Lázaro Cárdenas ThyssenKrupp Nippon Steel

Capacidad de fusión (t/h)

Carga metálica

Año de arranque

México

80 t/h

Ladrillos y chatarra

1998

Alemania

25-50 t/h

Ladrillos y chatarra

2004

Japón

60 t/h

Pellas y chatarra

2005

JFE Steel

Japón

80 t/h

Ladrillos y chatarra

2008

TISCO

Taiwán

3 x 50 t/h (1 en reparación)

Ladrillos

2011

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actualización tecnológica

Reciclado en hornos de solera rotativa Estos hornos se han propuesto inicialmente para la producción de hierro esponja a partir de mineral de hierro y carbón, pero se han aplicado mayoritariamente al reciclado de residuos ricos en hierro, incluyendo los polvos y barros de acería, particularmente en Japón. El iniciador de este proceso para la siderurgia fue la empresa Midland Ross, en Estados Unidos, bajo la denominación de Heat-Fast; se trabaja en ese caso para obtener hierro esponja a partir de mineral. El proceso no pasó de la escala piloto debido al surgimiento simultáneo y exitoso del proceso MIDREX de reducción directa a gas natural. Una empresa originada en Midland Ross, Maumee Research & Engineering, introdujo en el año 2000 el primer horno industrial para este propósito en Rouge Steel [19], cuyo propietario actual es Severstal North America. El proceso fue denominado DryIron y consistía en el briqueteado junto con finos de coque, previo paso de los componentes con más del 5% de humedad por un secador rotativo a gas natural. Se usó inicialmente melaza como ligante y posteriormente un polímero. En el horno de solera rotativa se producía hierro esponja y en los filtros bolsa se recuperaba ZnO. El hierro esponja se agregaba a la cucha-

ra de transferencia de arrabio donde se fundía y pasaba por una estación de desulfuración antes de ser cargado al BOF. Uno de los problemas mayores fue la dificultad en descargar el hierro esponja de los cargadores que lo transportaban, debido a que se pegaba al revestimiento refractario. Con Maumee Research & Engineering proveyendo la ingeniería y Nippon Steel Engineering como constructor, Nippon Steel Corporation incorporó con un gran impulso el horno de solera rotativa, para el tratamiento de diversos residuos, habiendo construido ya ocho plantas en Japón, China, Taiwán y Corea [20], de los cuales seis están dedicados entre otras materias primas a los barros de acería LD (Cuadro 8). En la Figura 10 se presenta una planta típica; en este caso, una en la que se obtienen pélets como producto de la aglomeración [20]. De los tres métodos de aglomeración utilizados para los hornos de solera rotativa, la peletización en disco es el de mayor productividad pero es muy sensible a variaciones en las características de las materias primas y en las proporciones en que se mezclan. La extrusión en tornillos es el método de menor productividad y menos sensible a los cambios. El briqueteado con rodillos está en una posición intermedia [21]. Por estas razones, se tiende a usar pélets para los polvos y lodos que están relativamen-

te secos y son estables que son la mayoría y extrusión para los polvos y barros que son muy húmedos o inconsistentes en sus propiedades físicas. Cabe mencionar que en el peletizado de polvos y barros se suele utilizar el proceso llamado de liga en frío (cold bonding), que tiene algunos rasgos específicos que contrastan con la peletización tradicional de los minerales de hierro. Consiste en a) mezclado del material con un ligante (cemento) a baja temperatura; b) formación de los pélets en el disco peletizador y c) autoendurecimiento de los pélets a temperatura ambiente o a 70°C a 100°C [22]. En la Figura 11 se presenta un esquema del proceso de reducción, en un corte longitudinal del horno de solera rotativa [20]. Entre los problemas tecnológicos que han debido ser resueltos para poder operar estos hornos a costo relativamente bajo, está el del ataque de los materiales refractarios que los revisten internamente, por parte de los metales alcalinos presentes en la carga, que se vaporizan y al permearse a través de la porosidad de los refractarios causan su expansión y rotura. Se han desarrollado materiales en los que se genera una estructura cerrada en la superficie, por la vía de reacciones con componentes de los gases de combustión [20].

Cuadro 8 Algunos hornos de solera rotativa que incluyen barros de acería al oxígeno entre sus materias primas. Basado en diversas fuentes Planta Arranque

Capacidad (t/año)

Residuo procesado

Aglomerado producido

Destino DRI

Ingeniería/Construcción

Rouge Steel Company, 2000 196.000 Polvo y barro BOF Briquetas BOF [1] EE. UU.

MR&E RSC

NSC Hirohata

Midrex

2000

210.000

Polvo y barro BOF

Pellas

BOF [2]

NSC Kimitsu, Japón 2002 135.000 Barros AH y BOF Extruidos Alto horno Lucchini Piombino, Italia

2004

60.000

Polvos AH y BOF

Pellas

Alto horno [4]

MR&E NSE SMS Siemag

China Steel, Taiwán 2007 130.000 Barros AH y BOF Extruidos Alto horno

MR&E NSE

NSC Kimitsu, Japón 2008 310.000 Polvos AH y BOF Pellas Alto horno

MR&E NSE

Ma Steel, China 2009 200.000 Polvos AH y BOF Pellas Alto horno

MR&E NSE

Posco Pohang, Corea 2009 200.000 Polvos AH y BOF Pellas Alto horno

MR&E NSE

Posco Kwangyang, Corea 2009 200.000 Polvos AH y BOF Pellas Alto horno

MR&E NSE

Nittetsu Shinko [3]

Midrex

2011

220.000

[1] Carga en cuchara de transferencia. [2] Carga caliente. [3] Propiedad de Nippon Steel y Kobe Steel. [4] Produce hierro briqueteado en caliente (HBI).

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Polvos AH, BOF y EAF

Briquetas

BOF, EAF, alto horno [4]

Figura 10 Horno de solera rotativa para reciclado de barros de acería al oxígeno y otros residuos [20] Mezclado, aglomeración y secado de polvos y barros

Filtros bolsa

Caldera

Silos de materias primas

Recuperación de calor de los gases de escape

Secador de pélets

Moino de bolas

Adición de ligante y agua

Tratamiento del gas de escape

Intercambiador de calor

Patio de materias primas

Calentamiento y reducción de pellas verdes

Disco peletizador

RHF

Tratamiento del hierro esponja Secador de pélets

Enfriamiento y almacenamiento del hierro esponja

Otro problema es el crecimiento del piso, por adhesión de finos, fusión incipiente, etc. Esto acorta la vida del tornillo sinfín que descarga el hierro esponja. Para esto se mejoró el material y el tratamiento térmico del tornillo. También se han presentado problemas de taponamiento por polvos del conducto de gas de escape. Esto llevó a adicionar un aparato de remoción de polvos, modificar el tratamiento y el enfriamiento de los gases y ajustar las condiciones operativas para disminuir la adhesividad del polvo [20]. Cabe mencionar que se recupera el calor de los gases para generar vapor. Desde las mismas fuentes de la original MR&E, MIDREX Technologies y Kobe Steel han desarrollado el proceso FASTMET, que utiliza también un horno de solera rotativa y que ha tenido menos aplicaciones industriales; una de ellas incluye polvos y barros de BOF en la carga (Cuadro 8). Otra variante, de SMS Siemag, es el proceso REDSMELT NST, del cual hay una instalación industrial (Cuadro 8) [23]. MIDREX argumenta que, a diferencia de los otros diseños de horno con solera rotativa, en el FASTMET se colocan solo una o dos capas de pélets o briquetas, por lo que éstas, debido a la fuerte radiación, se calentarían más uniformemente y se reducirían más rápidamente. En

Silo de hierro esponja

Figura 11 Reacciones y transferencia de calor en un corte longitudinal del horno de solera rotativa [20]

Zona de calentamiento

Zona de reducción

Quemado Radiación

Pellas

Gas de alta temperatura Descargador CO

Piso de la solera Hierro primario

Rueda Movimiento del piso

cambio en los hornos con varias capas la temperatura en la camada superior sería muy alta y para prevenir su fusión debería trabajarse el horno a una temperatura menor, teniendo como resultado una menor productividad, así como una temperatura más baja y una menor calidad del hierro

esponja de la capa inferior. Además, la camada superior debe permanecer más tiempo, hasta que la inferior se reduce, por lo que se correría el riesgo de que se reoxide y la metalización sea inferior [24].

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actualización tecnológica

Experiencias latinoamericanas

Figura 12 Esquema del proceso utilizado en CSN para la producción de polvo de hierro metálico [29]

Como ya se ha comentado, hay experiencias latinoamericanas en el reciclado de barros y polvos de acería. A continuación se detallan algunas de esas experiencias, ordenadas por países y por plantas.

Sistema de gases de escape Gasómetro

En México se hizo la primera instalación de un cubilote del tipo OXYCUP, para el reciclado de residuos, en la entonces SICARTSA, hoy ArcelorMittal Lázaro Cárdenas. Tiene capacidad de 80 t/h y se reciclan diversos materiales, incluyendo los barros de la acería LD. Se preparan ladrillos autorreductores que se cargan junto con chatarra, obteniendo arrabio para uso en la acería LD o la acería eléctrica [25]. En Brasil, ArcelorMittal Tubarão (AMT) y APERAM (ex ACESITA) utilizan la vía del briqueteado y carga en convertidores. AMT posee una planta con un patio de 15.000 m2 para recibir los residuos; con ellos abastece 4 silos revestidos internamente, de 60 m3 cada uno. Los equipos y la sala de control ocupan una nave de 2.200 m2. La planta tiene un alto grado de automatización y está monitoreada por un controlador lógico programable (PLC). Se utilizan en la acería en promedio 11.700 t/mes de briquetas; para este propósito se consumen unas 3.000 t/mes de barros gruesos [26]. El desarrollo inicial se hizo en una planta piloto, en forma conjunta con la Fundación Gorceix. Esto permitió desarrollar conocimiento propio en cuanto a los problemas que surgieron en el proceso de fabricación de las briquetas y en su utilización, que comenzó en un alto horno y luego continuó en la acería, no solo en los convertidores, sino también en la metalurgia secundaria, en este caso reemplazando la chatarra para enfriamiento [27]. En el caso de APERAM, en 2002 arrancó una planta de briqueteado operada por ABC Tecnologia. Se utiliza como ligante un cemento de características particulares y melaza; se juntan en mezcladores a tornillo verticales y cilíndricos. Luego el material se transporta por cinta hacia la tolva de la briqueteadora. La prensa tiene una capacidad de 10 t/h. El producto de salida pasa por una zaranda y los finos se retornan al proceso para su reutilización. Las briquetas obtenidas se apilan y luego se transportan hacia el lugar donde permanecen un tiempo de curado hasta su utilización [28]. CSN instaló y puso en marcha recientemente, junto a la empresa K&K Mineração, una instalación industrial en la planta de Volta Redonda para la obten-

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Agua Barro grueso

Pulpa

Gas lavado

Clasificador a tornillo Separador ultrasónico

Convertidor LD

Espesador

Horno de secado

Material seco

ción de hierro metálico, basada en separación del hierro metálico mediante ultrasonido y espirales de Humphrey (Figura 12) [29]. Las espirales de Humphrey son un método de separación de sólidos por gravedad utilizado en minería, basado en corrientes de agua superficiales. Ternium Siderar, Argentina, ha optado también por la ruta de la preparación de briquetas donde participa la fracción gruesa de los barros de acería y otros reciclos como laminilla de planchones de colada continua. Se utiliza melaza como aglomerante. El tenor de hierro total es del 63% al 67%. Se utiliza en reemplazo de la chatarra, hasta un cierto porcentaje máximo [30]. En cuanto a la investigación sobre el reciclado de los barros, se han realizado diversos proyectos a escala de laboratorio y de planta piloto que amplían la base de conocimiento de la región, generalmente en conjunto entre empresas y universidades [4, 27, 30-36].

Conclusiones El reciclado de barros y polvos de acería presenta oportunidades, ligadas al tenor de hierro total y de cal que contiene, además de desafíos, particularmente en su

Material separado

Material concetrado

fracción fina, como el contenido de cinc y de finos. Su depósito en terrenos de la propia empresa o de terceros ha sido el camino inicial, que está cada vez más restringido por razones de costo y legislación ambiental. También se ha desarrollado la venta a cementeras como corrector de hierro, donde la logística lo ha hecho posible. A diferencia de los polvos de horno eléctrico de arco, donde el contenido de cinc es suficientemente alto y ha alentado la creación de empresas independientes de reciclado o productores de cinc especializados en usarlo como materia prima previa concentración, no hay oferta de recuperación de hierro y cinc en terceros, a no ser una planta de reciclado de Alemania, basada en una planta de sínter y dos altos hornos, que opera en condiciones muy particulares. El reciclado dentro de las plantas ha seguido caminos diversos. En primer lugar las plantas de sínter, donde se han desarrollado diversas formas de preparación para la adición; las limitaciones son el contenido de cinc y álcalis y la presencia de finos. Otra posibilidad, utilizada en América del Sur y del Norte, Europa y Asia, es la del reciclado en los convertidores, en reem-

plazo de mineral de hierro o de chatarra, para el balance térmico de la carga. En este sentido se utiliza el briqueteado en frío con ligante, el briqueteado en caliente sin ligante y el mezclado con escoria caliente. Aquí la presencia de cinc no es un inconveniente. En lo que va del siglo, una tendencia importante, particularmente en las regiones más desarrolladas, ha sido el reciclado en unidades metalúrgicas separadas que producen hierro esponja o arrabio líquido y concentrado de cinc. En Japón, Corea y Taiwán se han instalado numerosos hornos de solera rotativa para estos fines, con la carga en forma de pélets, briquetas o extrudidos autorreductores. También se ha comenzado a utilizar cubilotes de viento caliente, cargados con ladrillos o pélets autorreductores y coque. En América Latina, hay al menos tres instalaciones de briqueteado, para reciclado en convertidores y se hicieron instalaciones pioneras de reciclado en cubilote de viento caliente con carga de ladrillos y coque y de recuperación de hierro metálico en espirales de Humphrey.

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