Reciclado de polvos de horno eléctrico

actualización tecnológica

Tendencias tecnológicas:

Reciclado de polvos de horno eléctrico Por Jorge Madías*

El aumento de la producción de acero por la vía hornos eléctricos de arco, la tendencia a revestir las chapas de acero con cinc para prevenir su corrosión, aumentando así la proporción de chatarra galvanizada a disponer en el futuro, más las exigencias ambientales crecientes, son factores que permiten prever que el reciclado de los polvos de hornos eléctricos de arco seguirá creciendo, más allá de la coyuntura actual. Las alternativas disponibles son variadas pero tienen un costo. La colaboración entre las industrias del cinc y del acero, los desarrolladores de tecnología y los proveedores de equipamiento pueden aliviar la carga y aportar soluciones sustentables con beneficio para las empresas y la comunidad.

Introducción Los hornos eléctricos de arco generan gases de escape, que al salir del horno, arrastran numerosas partículas finas. Estas partículas, denominadas usualmente polvos de horno eléctrico, están compuestas por elementos provenientes del acero, de la escoria y de la carga, incluyendo hierro, cinc y metales pesados como el plomo y el cadmio, que se volatilizan durante el proceso. La presencia de estos metales implica que el polvo se clasifique como residuo peligroso [1]. La EPA, Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, lo hizo así en 1980 y diversos países y regiones se sumaron posteriormente. La cantidad de partículas generada varía de planta a planta, pero se estima un mínimo de 15 kg/t y un máximo de 25 kg/t. Estos polvos, que antes se arrojaban a la atmósfera a través de la chimenea, perjudicando el ambiente laboral y geográfico, ahora se recuperan en las casas de humos. Una vez recuperados surge el interrogante de qué hacer con ellos. Inicialmente, los polvos se depositaron en terrenos propios o en depósitos de terceros. Luego surgió la posibilidad de reciclarlos externamente, a partir del aprovechamiento de su contenido de óxido de cinc. El reciclado interno también ha sido motivo de desarrollos. Es más atractivo en las plantas que producen aceros inoxidables donde se recuperan cromo y níquel.

* Gerente de empresa «Metalurgia», Argentina.

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En este artículo se presentan las distintas alternativas que se utilizan a nivel industrial para el manejo de estos polvos (Tabla 1). El eje está puesto en los polvos provenientes de la fusión de aceros al carbono. No se considera la minimización de la formación de polvo porque si bien es posible y necesaria, tiene límites técnicos y económicos concretos; tampoco se considera la eliminación del cinc de la chatarra, acción que se realiza comercialmente en Europa y Japón para la industria de la fundición, requerida por los problemas que se generan en los cubilotes y hornos de inducción. No se incluyen los procesos que no han alcanzado la escala industrial o que, aún alcanzándola, han dejado de operar. En la Tabla 2 se presenta una evolución de la generación de polvos, su reciclado y la obtención del cinc a partir del reciclado [2]. Si se mira a las industrias siderúrgica y del cinc como un conjunto, es importante tener en cuenta que el 80% del cinc producido se destina a galvanizar acero. Además, tiende a crecer la demanda de chapa galvanizada y por ende la proporción de chatarra de acero galvanizado [3] (Figura 1). Se puede prever un incremento del contenido de cinc en los polvos de horno eléctrico. Se podría interpretar también que los procesos de reciclado de polvos, al generar materias primas para la industria del cinc, cierran el círculo entre ambas industrias.

Tabla 1 Alternativas actuales para el manejo de los polvos de hornos eléctricos de arco (aceros al carbono) Alternativa

Variantes

Localización actual

Comentarios

Depósito Sin tratamiento. En siderurgia; en terceros.

La legislación ambiental tiende a prohibirlo.

Con tratamiento En siderurgia; en terceros. de insolubilización de metales pesados.

Legalmente se trata como depósito de sustancia no peligrosa. Tecnología Super Detox y otras.

Reciclado En el mismo horno eléctrico En siderurgia. de arco.

Para subir el porcentaje de cinc y venderlo a productores.

Para la obtención de óxido En terceros independientes de cinc. o productores de cinc u óxido de cinc.

Compite con la minería del cinc. Waelz es el proceso dominante, pero hay otros (Mitsui Furnace, Flame Reactor, proceso electrotérmico, Scan Arc).

Para la obtención de arrabio y óxido de cinc.

Proceso PRIMUS.

En empresa de reciclados perteneciente a un grupo siderúrgico.

Tabla 2 Generación y reciclado de polvos de horno eléctrico, y producción de cinc a partir de esos polvos, en distintas regiones del mundo

Región

1991

1996

2001

Generación de polvos (x 1.000 t/año)

Europa Occidental

530

600

670



América del Norte

520

675

780



Japón

450

495

520



Resto del mundo

580

650

720



Total

2080

2420

2690

Polvos tratados para producir cinc (x 1.000 t/año)

Europa Occidental

230

350

420



América del Norte

350

450

500



Japón

240

370

450



Resto del mundo

70

120

250



Total

890

1290

1620

Porcentaje de polvo tratado

43

53

60

Contenido promedio de cinc (%)

15

Capacidad de tratam. faltante (x 1.000 t/año)

1.170

Cinc recuperado del polvo (x 1.000 t/año)

18

20

1.130

1.070

Europa Occidental

41

63

84



América del Norte

54

81

110



Japón

35

66

80



Resto del mundo

4

22

50



Total

134

232

324

Cinc «perdido» (x 1.000 t/año)

175

203

214

En América Latina, si bien predomina ampliamente el depósito sin tratamiento en terrenos preparados a ese efecto, se están dando pasos importantes en el reciclado de los polvos. Como se mencionara anteriormente, el cinc y el plomo contenidos en la chatarra, en su mayor parte se volatilizan; sólo una pequeña parte pasa al metal y a la escoria [4].

Las partículas de polvo atrapadas en los filtros bolsa de los sistemas de extracción de humos de los hornos eléctricos son el resultado de una serie de fenómenos: emisiones del baño, transporte por el flujo de gas en el sistema de extracción de humos y transformaciones físicas y químicas que ocurren durante ese transporte. Se distinguen los mecanismos de los precursores de polvos (vapores, gotas líquidas y partículas sólidas), de los me-

canismos de transformación en polvo de estos precursores [5]. En la Figura 2 se presentan esquemáticamente los mecanismos de los precursores de polvos. Desde el punto de vista de la estructura cristalina, el polvo está constituido por espinelas del tipo (Fe, Zn, Mn) OFe2O3, de fases vítreas ricas en FeOx, SiO2 y CaOy de zincita (ZnO).

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Al introducirse en las acerías eléctricas los sistemas de recolección de humos, comenzó el problema sobre qué hacer con los polvos recuperados en los filtros. La primera solución, todavía utilizada, fue la de los depósitos, ya sea en terrenos propios de las siderúrgicas o bien en terceros (en Alemania, por ejemplo, se utilizaron minas abandonadas). Debido a la presencia de metales pesados que pueden ser lixiviados y contaminar napas y corrientes de agua, los requisitos legales para los depósitos fueron creciendo. Se exigieron precauciones especiales para evitar esa incorporación de metales pesados. Posteriormente, en algunos países se comenzó a exigir que el polvo a depositar pasara por un tratamiento de estabilización, para permitir un manejo como residuo no peligroso. En Estados Unidos, Bethlehem Steel Corporation desarrolló en los Homer Research Laboratories la tecnología llamada Super Detox, actualmente manejada por EnviroSource Technologies. Se trata de un proceso de estabilización que involucra una serie de complejas reacciones físicas y químicas, incluyendo oxidación/ reducción, insolubilización de metales, polimerización de silicatos, liga puzolánica y solidificación. Este proceso cambia químicamente los metales a su estado menos soluble y físicamente los inmoviliza. El material estabilizado tiene baja permeabilidad y alta resistencia [6]. La primera planta Super Detox fue instalada dentro de Northwestern Steel and Wire, en Sterling, Illinois. Hay otra en Idaho y una tercera en la localidad de Oregon, Ohio [6]. En Estados Unidos, la competencia entre a) la estabilización del polvo y su depósito como residuo no peligroso, que hemos descrito en esta sección y b) el reciclado para uso en la fabricación de cinc –que explicaremos en la sección siguiente– ha dado lugar a fuertes polémicas con la intervención de diferentes actores y a una judicialización de este enfrentamiento [1].

Reciclado Los productores de cinc requieren materias primas con un contenido mayor al 18% de cinc. En general, los polvos de horno eléctrico tienen un contenido menor. Existe la posibilidad de enriquecer el polvo en cinc reciclándolo en el horno o sometiéndolo a procesos pirometalúrgicos que lo enriquezcan. También hay un proceso para recuperar el hierro en forma de arrabio.

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Figura 1 Evolución del porcentaje de chatarra de acero galvanizado en el total de chatarra para horno eléctrico de primera calidad 41 38 37 Chatarra (%)

Depósito

36 35 31 29

1989

1994

2000

Figura 2 Mecanismos de formación de los precursores de polvos Electrodos de grafito

Sistema de extracción de humos

5

4

1’ 1 2

3

Lanza de oxígeno

2’

Acero

Volatilización: 1) en el arco eléctrico; 1’) en la zona de impacto del chorro de oxígeno; proyección de gotas: 2) en el arco eléctrico; 2’) en la zona de impacto del chorro de oxígeno; 3) proyección de gotas en atmósfera oxidante, sufriendo una rápida descarburación; desprendimiento directo de partículas sólidas provenientes de adiciones en el horno (4) o de la chatarra (5).

Estos procesos se realizan en la siderurgia, en empresas independientes (que es lo más usual) y en empresas productoras de cinc o de óxido de cinc. En la Tabla 3 se presentan las principales características de algunas de las plantas que poseen equipamientos para realizar estos procesos. La situación favorable en los últimos años en cuanto a los precios crecientes del cinc y el hierro, dio como resultado que durante el año 2008 comenzaran diversos proyectos de plantas de reciclado de polvos, algunos de los cuales es probable que se demoren o paralicen en la nueva situación por la que atraviesa la economía mundial.

Entre ellos vale la pena mencionar la planta de Heritage Environmental, en Blytheville, Arkansas, Estados Unidos, que procesaría los polvos de Nucor Blytheville y Hickman. Se utiliza el proceso PIZO (Pig Iron, Zinc Oxide). La capacidad es de 50.000 t/año. Se prepara una briqueta autorreductora con la que se alimenta un horno de inducción con canal, que contiene arrabio y escoria líquidos. El Zn, Pb y Cd se reducen, vaporizan, oxidan y recogen en el sistema de salida de gases. El Fe se reduce y va al metal líquido y los óxidos como SiO2 y CaO van a la escoria. El arrabio se puede usar líquido en los hornos cercanos o solidificar en lingotes [21].

Tabla 3 Principales características de algunas de las empresas que reciclan polvos de horno eléctrico Empresa Plantas País Proceso

Capacidad (t/año polvo HEA)

Tipo de empresa

Año

Ref.

60.000

Siderúrgica

2003

7

Siderúrgica

1999

8

ArcelorMital Woiwer

Differdange

Luxemburgo

PRIMUS

ASW Steel Sheerness

Kent

Gran Bretaña

Carbofer

BEFESA

Duisburg

Alemania

Waelz

Indep.

9



Freiberg

Alemania

Waelz

Indep.

9



Erandío

España

DDS Frederiksværk Dinamarca ERAS Metal

Inyección en HEA

10

Indep.

2005

11

1995

12

Feng Hsin Taichung Hsien Taiwán

Inyección en HEA

Siderúrgica

2001

13

Himeji Tekko Refine Horsehead

60.000

Himeji

Japón

Waelz

35.000

Beaumont,TX

Estados Unidos

Flame reactor

30.000

Calumet, IL

Estados Unidos

Rockwood, TN Estados Unidos

Waelz

40.000

1997

Siderúrgica

Alemania

Scan Arc

9

Siderúrgica

Inyección en HEA

Goslar-Oker

Noruega

1991

Indep.

EWS Siegen Alemania

Harz-Metall

Høyanger

42.000

Waelz

Waelz x 2 Waelz 1 Waelz 2

100.000 ó 90.000

Indep. Prod. de Zn

1993

14 15 16

Prod. de Zn

16

Prod. de Zn

16

2007

Palmerton, PA

Estados Unidos

Prod. de Zn

16

Ohmurota

Japón

Mitsui Furnace

60.000

Prod. de Zn

15

Pontenossa

Pontenossa, Bergamo

Italia

Waelz

100.000

Indep.

17

Portovesme

Portoscuso, Cerdeña

Italia

Waelz

75.000

Prod. de Zn

17

Recytech

Fouquières- lez-Lens

Francia

Waelz

80.000

Steel Dust Recycling

Mobile, AL

Estados Unidos

Waelz

120.000

Aizu

Japón

Waelz

72.000

Miike Refining

Sotetsu Metal

Waelz x 3

Indep.

Indep.

Zinc Nacional

Onahama

Japón

San Nicolás de los Garza

México

Indiana Melting and Manufacturing (IMM) está haciendo una planta de producción de frita abrasiva, denominada comercialmente Spin-El, en La Porte, Indiana, Estados Unidos. La capacidad nominal del polvo a procesar es de 15.000 a 20.000 t, dependiendo de la proporción de vidrio reciclado (cullet) y arena de fundición que se utilicen. Esta planta usa un horno de combustión sumergida (SCM), desarrollado en Ucrania para hacer lana de vidrio. Este proceso no recupera cinc y puede operar con polvos de bajo tenor de cinc, compitiendo con los depósitos [21]. También cabe mencionar el horno Waelz de Votorantim, que se presenta en la sección correspondiente a América Latina. A las plantas detalladas en la Tabla 3 hay que agregar las que procesan polvos provenientes de hornos eléctricos que

Electrothermic

50.000

Waelz

producen aceros inoxidables, donde el principal objetivo es la recuperación del cromo y níquel. Entre ellas cabe mencionar a: • INMETCO, Elwood City, PA, Estados Unidos, que opera desde 1978 con un horno de solera rotativa y un horno eléctrico de arco; capacidad de 60.000 t/año [22]. • BEFESA Scandust, Landskrona, Suecia, que opera desde 1987, con un horno de cuba equipado con antorcha de plasma y un condensador de plomo y cinc; capacidad de 65.000 t/ año [9, 23]. • BEFESA Valera, Gravelines, Francia, que carga briquetas en dos hornos eléctricos de arco sumergido; capacidad de 120.000 t con el nuevo horno 1 operando desde 2007 [9].

9

Indep.

18

Prod. de Zn

15

Sumitomo Shisakajima Japón Waelz 120.000 Prod. de Zn Toho Zinc

1993

1977 1992

19

Prod. de Zn

15

Prod. de ZnO

20

• Ugine & ALZ, Savoie, Francia, desde 2000 inyecta polvo en el horno eléctrico [13].

Reciclado en hornos eléctricos de arco Este proceso se ha realizado mediante la inyección neumática directa del polvo sobre el acero líquido o haciendo previamente una peletización en frío. Un ejemplo actual del primer caso es la planta de Edelstahlwerke Südwestfalen, del grupo Swiss Steel, en Siegen, Alemania, que posee un horno eléctrico de arco de 120 t [12] y produce aceros para construcción mecánica e inoxidables. En la Figura 3 se presenta un esquema del proceso. El polvo es transportado neumáticamente a la lanza de inyección, montada en un manipulador de lanzas BSE. La salida de la lanza se posiciona preferentemente

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Figura 3 Reciclado de polvos de horno eléctrico de arco provenientes de la producción de aceros de construcción mecánica Del silo de polvo en casa de humos Sistema de alimentación de carbón

Tolva de polvo

proceso CARBOFER, desarrollado por Heckett MultiServ e instalado por Stein, para la inyección de laminilla aceitosa y polvos del horno eléctrico en el mismo horno [8]. Ambos se mezclan con aditivos, se transportan mediante un sistema neumático y se inyectan mediante una lanza refrigerada por agua, a través de la puerta de trabajo. No se han verificado efectos negativos sobre la calidad del metal y hay evidencias de un aumento en el rendimiento metálico [8]. En la sección correspondiente a América Latina se comenta la experiencia de Aceros Arequipa.

A la casa de humos

Dispensador de polvo

Reciclado para la obtención de cinc El proceso dominante es el horno rotativo Waelz, que se describe en detalle. Los restantes procesos en uso en la actualidad se describen brevemente.

Proceso Waelz Figura 4 Evolución anual en la concentración de cinc en el polvo y de la cantidad de polvo enviada por la entonces Krupp Edelstahlprofile, a partir del arranque de la instalación del sistema de reciclado de polvos en el horno eléctrico Polvo despachado (kg/t)

Concentración de zinc en el polvo (%) 35 30 25 20 15 10 5 0

1994

1995

1996

sobre la interface escoria-acero. Se recicla todo el polvo que se produce (1,5 t/ colada), comenzando con la inyección cuando está fundida la chatarra correspondiente a la primera colada del día. Mediante la inyección del polvo, aumentan los tenores de Zn y Pb en el nuevo polvo generado. Otro efecto ecológico y económico es una reducción en la cantidad de polvos que se envían a procesadores externos para la recuperación de Zn y Pb (Figura 4). Esta reducción en la cantidad de polvos es el beneficio económico más importante para los aceros de construcción mecánica.

42

1997

1998

1999

Cuando se hacen campañas de acero inoxidable, el proceso es más complejo debido a que se procura la reutilización del Cr contenido en el polvo; se hace una reducción de la escoria con ferrosilicio [12]. Det Danke Stålvalseværk (DDS), en Dinamarca, y Feng Hsin Iron & Steel, en Taiwán, realizan la inyección en equipos Velco, con la particularidad de que el mismo dispensador inyecta el polvo y el carbón [10]. En la planta inglesa de ASW Steel Sheerness se utiliza desde 1999 el llamado

Este proceso se define como la volatilización de metales no ferrosos como Zn, Pb, Cd, a partir de una mezcla de óxidos sólidos, por medio de la reducción con coquecillo en un horno rotativo, sin generación de escoria líquida [24]. La tecnología Waelz fue desarrollada en Alemania por Krupp [23]. Se introdujo originalmente para el enriquecimiento del mineral de cinc de baja ley. La primera planta arrancó en 1925. En la década del 40 se la adoptó para el reprocesamiento de residuos de lixiviado neutro de los hornos de obtención de cinc. Finalmente, en la década del 70 comenzó a aplicarse para el tratamiento de los polvos de horno eléctrico de arco. La planta Waelz consiste normalmente de dos partes: la preparación de la materia prima y el horno rotativo Waelz con tratamiento de la escoria y gas de escape (Figura 5). Eventualmente, se añade una tercera parte: el lavado del polvos de ZnO para eliminar los cloruros. Esto es necesario para poder utilizar el óxido Waelz en procesos de obtención de cinc mediante vía electrolítica, ya que los cloruros producen la corrosión de las celdas [25]. No es imprescindible cuando el cinc se produce en los denominados «Imperial smelters». En la unidad de materias primas se prepara la carga sólida para asegurar una alimentación homogénea y uniforme del horno rotativo. Esto incluye los polvos de horno eléctrico de diferentes plantas, el coquecillo como agente reductor y los formadores de escoria: arena para la ruta ácida y cal para la ruta básica. Estos materiales se mezclan entre sí, con adición

Figura 5 Esquema del proceso Waelz

de agua (en el orden del 10%); en un tambor se producen micropellas autorreductoras, que se almacenan por un tiempo para su curado. El horno Waelz opera en contracorriente: el material sólido avanza desde el extremo por donde es alimentado, debido a la rotación del horno (1 rpm) y la inclinación (2% al 3%). El aire es succionado desde el otro extremo, por donde sale la escoria. La carga sólida primero se seca y luego se calienta, hasta que comienzan las reacciones. La máxima temperatura del sólido es de 1.200°C. Las reacciones de reducción en la carga son endotérmicas. El cinc se reduce y se vaporiza. El calor requerido se genera por la combustión entre el coquecillo y el aire que ingresa por el otro extremo y por la oxidación del cinc vapor. El aire ingresa al horno a temperatura ambiente y el gas egresa por el otro extremo a 700 a 800°C. En la Figura 6 se presentan las principales reacciones que ocurren en el horno.

Camión tolva

Tolvas y unidad de peletización Horno Waelz

Escoria

Filtro de producto

Coque

Absorbentes Óxido Waelz

Figura 6 Principales reacciones que tienen lugar en el horno Waelz 2

CO

El cinc reducido, vaporizado y vuelto a oxidar sale del horno con el gas de escape, desde donde se recupera. La limpieza del gas comienza con la cámara de deposición de polvos. En esta cámara también se inyecta agua para el primer enfriamiento. El enfriamiento principal se obtiene por la adición de aire ambiente en un venturi y por enfriamiento indirecto. El polvo de óxido Waelz en bruto se separa en los filtros de la casa de bolsas. Para controlar la emisión de dioxinas, se usa la técnica de absorción por carbón activado o coque de lignito.

En la atmósfera del horno

+ Zn

+

CO

Zn

ZnO + FeO + C

Zn

En la carga

O +C

Ambiente 1Zn+1/2O2 2CO+1/2O2

ZnO CO2

Reacciones 1ZnO+ Zn+CO2 2CO2+C 2CO

Así se obtiene el llamado óxido Waelz en bruto, con el 54% al 60% de cinc. Algunas plantas lo venden directamente a los productores de cinc o a plantas químicas y otras tienen una planta de lavado para eliminar los cloruros. Esta planta se diseña como un lavado en contracorriente de dos etapas como mínimo. Para la precipitación del cinc disuelto se agrega carbonato de sodio. Los óxidos lavados contienen Cl < 0,1% y F < 0,15%.

3ZnO+C Zn+CO 1FeO+CO Fe+CO2 2CO2+C 2CO 3FeO+C

Fe+CO

Tabla 4 Rango de composición química de polvos de horno eléctrico, escoria generada en el proceso Waelz, óxido obtenido en ese proceso en bruto y después de un doble lavado

La composición típica de la carga y los productos obtenidos se presenta en la Tabla 4 [24].

Polvo Escoria (ácida)

Zn (%)

14 - 35

Proceso MF (Mitsui Furnace)



Pb (%)

2 - 0

Se trata de un horno de cuba, diseñado inicialmente para tratar un residuo rico en cinc obtenido en hornos de retorta vertical. Estos hornos fueron dejados de lado en 1985 y se comenzó a procesar polvos de horno eléctrico de las siderúrgicas cercanas en uno de los cuatro Mitsui Furnace (MF) existentes.



Cd (%)



El proceso consiste en la fabricación de briquetas autorreductoras, a partir de una mezcla típica de 60.000 t/año de pol-

Aire de proceso

Óxido Waelz en bruto

Óxido Waelz doble lavado

0,2 - 2

55 - 58

60 - 68

0,1 - 2

7 - 10

9 - 11

0,1 - 0,2

< 0,002

0,3 - 0,5

0,4 - 0,6

Cl (%)

1 -5

0,1 - 0,5

4 - 8 (11)

0,05 - 0,1

F (%)

0,2 - 0,5

0,1 - 0,2

0,4 - 0,7

0,08 - 0,15

1,5 - 2,0

1,2 - 1,6

2,0 - 2,5

0,1 - 0,2

1 - 1,5

0,7 - 0,9

1,5 - 2,0

0,1 - 0,2 0,5 - 1,5

Na2O (%)

K2O (%)



C (%)

1 - 5

3 - 8

0,5 - 1,5



FeO (%)

20 - 45

30 -50

2 - 5

2-5



SiO2 (%)

3 - 6

25 - 40

0,5 - 1,5

0,5 - 1,5



CaO (%)

3 - 10

4 - 1-

0,3 - 1,0

0,3 - 1,0

Hg (ppm)

1 - 5