producción de ferromanganeso en horno de cuba
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Producción de FeMn horno de cuba
Contenido
Introducción
Producción de FeMn en altos hornos
Materias primas
Altos hornos
Otros hornos de cuba
Comparación con hornos de arco sumergido
Conclusiones
2
Introducción
Analizar la posibilidad de producir 5 t/día de
FeMn alto C en horno de cuba
Trabajos presentados en congresos o publicados en
revistas
Consultas a especialistas internacionales
Consultas a proveedores de equipamiento
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Producción de FeMn en altos hornos
FeMn alto C: en el mundo, 5 millones de toneladas por
año
De eso, 3,5 millones de toneladas en Asia
2,5 millones de toneladas en China
En China hay 600 productores, incluyendo los de SiMn
Gran exceso de capacidad instalada
Vía alto horno: China, Rusia, Ucrania, Polonia, Japón
En el resto del mundo los altos hornos cerraron al fin de
la segunda guerra mundial
4
Producción de FeMn en altos hornos5
Entre las razones para el abandono de los altos hornos está:
El alto consumo de coque
Este a su vez implica el alto consumo de fundentes y el gran volumen de escoria
Baja flexibilidad frente a cambios en el mercado
Corta vida de los refractarios
Dificultades para el tratamiento del gas de tope
La posibilidad de producir FeSiMn en los hornos de arco sumergido, a partir de las escorias provenientes de la producción de FeMn alto C
China y Rusia tienen minerales de baja ley, y alto tenor de finos que se procesan con más facilidad en los altos hornos
El alto horno de Japón es el fruto de una decisión tomada después de la segunda crisis del petróleo, ligada a los altos precios de la energía eléctrica
Al continuar con altos hornos, desarrollaron tecnologías para mejorar los consumos específicos
Materias primas6
Minerales
Los altos hornos pueden admitir mineral de hasta 28%
Mn
Se basan en óxidos de manganeso (MnO2, Mn2O3,
Mn3O4), acompañados de óxido de hierro, sílice, etc.
También se han usado carbonatos, al menos en China y
Rusia
Mejor mineral: Brasil, Gabón, Australia y Rusia
Mina Azul, Carajás
Materias primas7
Minerales
Relación Mn/Fe (mayor que 7,5:1) ya que todo el
hierro presente pasa al FeMn
Tenor de fósforo (en el alto horno no se puede bajar el
fósforo) 0,19% máximo
Especificación típica
Mn (%) Fe (%) Al2O3 (%) Al2O3+SiO2
(%)
As (%) P (%) Cu+Pb+Zn(%)
48 mín. 6 máx. 7 máx. 11 máx. 0,18 máx. 0,19 máx. 0,30 máx.
Mina do Azul, Carajás, Pará, Brasil8
Mn (%) Fe (%) Al2O3 (%) Al2O3+SiO2 (%) As (%) P (%) Cu+Pb+Zn (%)
48 mín. 6 máx. 7 máx. 11 máx. 0,18 máx. 0,19 máx. 0,30 máx.
Mina do Azul, Carajás, Pará, Brasil9
Lavado, separación granulométrica, molienda
Mineral granulado y finos para sinter
Sinter10
Aglomeración vía planta de sinter: tanto para la vía alto horno o horno de arco sumergido, sobre todo cuando el mineral tiene muchos finos
Plantas de sinter estáticas (como la que tenía Aceros Zapla) o continuas (como la que tiene Siderar)
Se aglomera con fundentes a alta temperatura (900 oC)
El aporte de energía se hace con finos de coque
Hay un retorno de finos del 25%
También es útil para calcinar la cal y dolomita(eliminando un factor de consumo de coque en el alto horno)
Sinter11
Proporción en la carga del alto horno, para
algunas plantas chinas
Evolución de índices con la adición de sinter
Planta Xinyu Saoxin Yangkuan Bayi Guilin Xinyang Langfang Wujing Promedio
Sinter% 66,1 7,8 39,2 48,7 63,1 34,5 41,2 31,2 40,5
Sinter (%) 60 70 80 90 100
Coque (kg/t) 2196 2145 2083 2075 2064
Fundentes (kg/t) 1158 978 604 526 355
Escoria (kg/t) 2684 2631 2484 2473 2465
Productividad(t/m3.día)
0,465 0,492 0,509 0,514 0,537
Reductores12
Coque producido a partir de carbnes coquizables,
en baterías con recuperación de subproductos o en
baterías non-recovery o heat-recovery
Tamaño y propiedades semejantes a los del coque
de alto horno
Menos flexibilidad que los hornos de arco
sumergido, que tienen menos altura y donde se ha
usado parcialmente carbón vegetal y piedras de
carbón residual e petróleo
Reductores13
Por ejemplo, en dos proyectos realizados en Brasil
de modificación de mini altos hornos a carbón
vegetal para la producción de FeMn, se previó
pasarlos a coque
Companhia Paulista de Ferroligas, 1 alto horno, hace
varios años, no concretado
Otra empresa, 2 altos hornos, reciente, no hay decisión
tomada
Reductores14
Consumo de coque de 1200 a 2000 kg/t
Inyecciones auxiliares para reducir consumo de coque
Carbón pulverizado: en horno de cuba experimental de
Japón, 1500 kg/t
Fuel oil: en alto horno de Mitzushima Ferroalloys, 100 kg/t
En principio, el coque de MECAF, con baja ceniza,
debería traer aparejadas varias ventajas; entre ellas,
un menor consumo de fundentes
Fundentes15
Caliza y dolomita, para manejar la basicidad de la
escoria (relación CO/SiO2)
Es necesario regular la composición de la escoria
para
Que fluya adecuadamente por la piquera y canal de
escoria
Que no tenga un tenor alto de MnO
Que haya desulfuración
Que haya eliminación de álcalis (Na2O y K2O)
Fundentes16
La reacción de calcinación CO3Ca = CaO + CO2
consume calor
La formación de CO2 favorece la llamada reacción
de Bouduard, entre el carbono del coque y el CO2,
que consume coque y calor
Se complica la distribución del gas y la uniformidad
de la operación
Por ello es bueno utilizar cal viva o incorporar los
fundentes en el sinter
Altos hornos17
Se han utilizado altos hornos para producir arrabio
Se han modificado a lo largo del tiempo
Se han diseñado altos hornos para producir FeMn
Alto horno: diseño chino18
Alto horno: diseño chino19
Volumen útil: 55 m3; 100 m3; 175 m3; 200 m3 y 300 m3
Comparativamente, el 3 y 4 de Aceros Zapla tenían
200 m3 y el 5 350 m3
En la producción de arrabio, se considera mini alto
horno hasta 500 m3
Carga con carrito; tope con campana
Tratamiento de los gases (filtro por gravedad + Venturi
+ torre de lavado)
Dos estufas para precalentamiento del aire para soplo
Alto horno: diseño chino20
Menor tamaño: 55 m3
Producción diaria 35 t
Espacio ocupado: 2000 m2
Precio, incluyendo diseño, construcción y
entrenamiento: USD 3M
Alto horno: diseño japonés
398 m3
350 t/día
Tope sin campana;
distribuidor cardánico
Precalentamiento del
aire con
recuperadores
Inyección de oxígeno y
fuel-oil
21
Alto horno: diseño ruso22
Se incrporan algunas particularidades con respecto
a los altos hornos para arrabio
Rociado de la carga
Refrigeración de la cuba superior
Piquera separada para la escoria
Metalurgia23
Diferencias con la producción de arrabio
Fácil reducción de MnO2 y Mn2O3 a MnO por el CO del gas, en la parte superior del horno
Pero la reducción del MnO sólo ocurre en contacto directo con el C del coque, a alta temperatura, y con un consumo de energía mucho mayor que para la reducción del FeO
Por eso los consumos de coque triplican lo usual para arrabio
Los volúmenes de escoria son por lo tanto mayores
La escoria suele ser de basicidad más alta
El volumen de gas de tope es mucho mayor y está acompañado además de gruesos por muchos finos
El contenido de CO y la temperatura de este gas son mucho más altas
Metalurgia24
Diferencias con la producción de arrabio
Refractarios25
Desgaste más rápido, por las altas temperaturas y
la agresividad del Mn con respecto a la sílice
contenida en los refractarios
En China:
a los seis meses del arranque había erosión;
al año o dos años el desgaste se acentuaba, causando
mala distribución de la carga y problemas operativos
Las campañas duraban entre dos y cuatro años
Refractarios26
Planta de Yanggang, años 60
Desgaste en el vientre y parte superior de la cuba
Mayor diámetro de campana, obteniendo distribución central de los gases
Primer horno que operó sin revestimiento
Luego hacen uno nuevo, con refrigeración con agua del cuerpo completo
Como anduvo bien, y tuvo muy buenos índices operativos, todo el resto los copió
Crisol y solera: Refractarios usuales
Etalaje: duelas refrigeradas (cooling staves) y ladrillos sílicoaluminosos
Exterior de la cuba y garganta: rociadores de agua
Placas refrigeradas27
Alto horno japonés
Refractarios
Cambios para evitar problema de calentamiento en parte superior implican:
Garganta grande
Etalaje corto
Cuba alta
El diámetro del vientre se agranda y el ángulo de la cuba se amplía correspondientemente con el aumento del diámetro de la garganta
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Limpieza de gases29
Inicialmente, no se podía recuperar el calor de los gases precalentando el aire de soplo en las estufas
Además de la fracción gruesa, contienen muchos finos
Esto hacía que dependieran de otros altos hornos de la misma planta para el precalentamiento del aire
Luego se instalaron estaciones de tratamiento de gases, consistentes en filtros por gravedad, venturisy torres de lavado
Minimizar pérdida de MnO en escoria30
escoria con la composición adecuada basicidad alta
MgO elevado
Al2O3 menos de 15% para que no se forme MgO.Al2O3, de alto punto de fusión
alta temperatura en el crisol mayor temperatura en la zona de goteo del metal líquido y la
escoria a través del coque, que es donde hay mayor reducción
el sinter debe tener un rango estrecho de temperatura de ablandamiento;
el soplo de aire tiene que ser a temperatura elevada
se puede utilizar la inyección de oxígeno a través de las toberas
buena distribución del gas en el horno Tenor de CO distribuido en forma de embudo
Minimizar pérdida de MnO en escoria31
Distribución del CO
Minimizar pérdida de MnO en escoria32
Evolución de índices en planta de Yanggang
Ítem 1962-1964 1965-1974 1975-1979 1980-1981
Ley Mn carga (%) 32,4 32,4 29,9 32,9
consumo coque (kg/t) 2215 2040 1907 1722
rendimiento Mn (%) 69,5 77,5 79,4 84,2
Si en FeMn (%) 1,10 1,01 1,07 0,99
CaO/SiO2 escoria 1,26 1,33 1,42 1,49
MgO escoria (%) 3,6 6,0 5,5 9,0
Al2O3 escoria (%) 15,1 14,0 11,8
MnO escoria (%) 14,2 9,4 8,3 4,8
Minimizar pérdida de MnO en escoria33
Estas prácticas tienen límites
si la basicidad de la escoria es muy alta, pueden
precipitar fases de alto punto de fusión, como el
2CaO.SiO2, y perderse los beneficios obtenidos
si la temperatura en el crisol es muy alta, pueden
aumentar las pérdidas por volatilización del
manganeso.
Temperatura de soplo34
Es un ítem importante, por el alto consumo de coque
El 30% del calor es aportado por el aire caliente y el 60% por la combustión del coque frente a las toberas
Normalmente el aire se precalienta a una temperatura entre 800 y 950 oC
Una temperatura de soplo más elevada debería favorecer una mejor recuperación del Mn y un menor consumo de coque
La inyección de oxígeno da resultados favorables cuando se tiene una situación de baja temperatura de soplo (hasta 950 oC), una carga de alta ley de Mn y una escoria de basicidad baja o media
Aumenta la temperatura del crisol, aumenta la reducción del manganeso y esto lleva a un mayor rendimiento del manganeso y menor consumo de coque
En cambio, si la temperatura de precalentado del aire es de por sí alta (1000-1150 oC), esto asegura una temperatura de llama teórica (2260-2350 oC) suficientemente alta, aunque se esté soplando exclusivamente aire, y un rendimiento de Mn y consumo de coque razonables. En estas condiciones, la inyección de oxígeno podría dar resultados negativos
Balance de energía35
Calor del aire soplado
30%
Combustión de C en toberas
59%
Otros11%
Ingreso deenergía
Calor FeMn7%
Calor escoria10%
Calor gas de tope15%
Refrigeración17%
Reducción23%
Fundentes16%
Varios12%
Salida deenergía
Temperatura del soplo36
En general se usan estufas similares a las de los altos hornos para arrabio.
La excepción es el alto horno japonés: se optó por un recuperador metálico para intercambio de calor continuo
probablemente por falta de espacio, ya que el horno fue introducido en una nave de hornos de arco sumrgido
Arranque37
El arranque es importante en el sentido que puede tener una incidencia importante en el logro de una campaña satisfactoria
La práctica estándar de arranque es comenzar produciendo arrabio para uso siderúrgico o de fundición, y luego comenzar gradualmente a incorporar mineral de manganeso, hasta llegar al tenor mínimo de norma, usualmente en el tercer día de producción
Se ha ensayado con éxito arrancar con mineral de manganeso desde un principio, aunque graduándolo, de manera de obtener a las 8 h de operación un 25% Mn; a las 16 h un 50% de Mn y a las 24 h 70-75% Mn
Otros hornos de cuba38
En un horno piloto de cuba, utilizado previamente para el desarrollo del proceso de fusión reductora para la obtención de arrabio denominado DIOS, se estudió en la década del 90 un proceso para la obtención de FeMn
El desarrollo fue exitoso pero no pasó a la escala industrial
El aspecto más importante para el presente trabajo es que es el único que tiene una escala en el orden de la buscada
Se trata de un horno con dimensiones de cubilote (900 mm de diámetro en la parte inferior y 700 mm en la parte superior), que tiene tres toberas a 120 o y en el que se sopla aire caliente, oxígeno y carbón pulverizado; el coque y el mineral se cargan por la parte superior
Se pudo producir FeMn 75% de manera estable, con un consumo de coque de 1100 kg/t, de carbón pulverizado de 1500 kg/t y una productividad de 3 t/m3.día.
Otros hornos de cuba39
Planta piloto en Japón
Otros hornos de cuba40
Planta piloto en Japón
Otros hornos de cuba41
Cubilote
La única referencia a la utilización de un cubilote para la producción de ferromanganeso proviene de una patente y una breve publicación de fines de la década del 70
Metkem Process Ltd., Canadá, diseñó y hizo ensayos en un horno con soplo frío y doble hilera de toberas
Se usaban aglomerados autoreductores, que incluían carbón de granulometría fina, con el propósito de producir arrabio
Esto se habría logrado, con consumos de carbón de 650 kg/t, aún con soplo frío
Se buscaba quemar todo el carbón posible a CO2 a la altura de las toberas; de ahí la doble hilera
Se suponía que de esta forma, aún con soplo frío, se lograba una temperatura de llama equivalente a la que se lograría con una temperatura de soplo de 900 oC
Otros hornos de cuba42
Cubilote
El éxito que aparentemente se alcanzó con este horno, llevó a proponerlo para la obtención de
ferromanganeso a partir de minerales de baja ley
spiegeleisen
recuperación del manganeso contenido en las escorias provenientes de la producción de FeMn en hornos de arco sumergido
Se esperaba obtener FeMn de 80% Mn con un consumo de carbón de 1200 kg/t y un volumen de escoria de 900 kg/t, partiendo de mineral de alta ley
En el caso de operar con escorias se calculaba un consumo de carbón de 2300 kg/t y un volumen de escoria de 6500 kg/t
Se suponía que se podrían operar económicamente unidades de unos 25.000 t/año
No hay información de que este concepto de cubilote reductor haya sido probado para FeMn
Alto horno experimental43
Funciona desde año 2000 en instalaciones de Swerea MEFOS, en Lulea, Suecia
Es propiedad de la empresa minera LKAB
Se menciona porque las dimensiones son parecidas a las que podría tener un alto horno para FeMn que produjera 5 t/días
Alto horno experimental44
Disposición general
Alto horno experimental45
Volumen de trabajo 8,2 m3
Diámetro del crisol 1,2 m
Altura de trabajo 6 m
Toberas 3 x Ø54 mm
Presión de tope hasta 1,5 bar
Sistema de carga Campana modificada
Inyecciones Carbón pulverizado, fuel oil, formadores de escoria
Caudal de aire caliente soplado Hasta 2000 m3/h
Calentamiento del aire Intercambiador de calor con piedras
Temperatura máxima del aire 1300 oC
Mano de obra directa Cinco personas
Arrabio por colada 1,3 a 1,8 t
Tiempo de colada 10 min
Tiempo entre coladas 60 min
Reductores 510 – 540 kg/t arrabio
Comparación con SAF46
Ítem Alto horno Horno de arco sumergido
Mineral 28-30%Mn posible >35% Mn
Consumo de coque 1500-2000 kg/t 310-380
Consumo de energíaeléctrica (kWh/t)
200 2400
Consumo de mineral 2500-3000 kg/t
Rendimiento de Mn 80 – 85 % 60 – 75%
Tenor de Fósforo Alto Bajo
Formación de escoria (kg/t) 600-2700 600-700
Otros productos Arrabio, Ferrotitanio,Ferrofósforo
FeSi, SiMn, Si, CaSi,FeSiMgCe, CaC2, arrabio
Respuesta al mercado Rígida (campañas largas) Rápida (se para el horno yno se pierde nada)
Escala mínimo 35 t/día mínimo 10 t/día
Conclusiones47
La producción de FeMn en altos hornos sigue siendo utilizada, en países donde están dadas
las condiciones más favorables (baja calidad de mineral, disponibilidad de hornos existentes,
costo de la energía eléctrica).
El alto horno de menor tamaño que se estaría ofreciendo en el mercado actualmente produce
unas 35 t/día y ocupa 2000 m2 de terreno
Para tener una marcha regular y un producto dentro de especificaciones, debe operar en
forma continua, en campañas de varios años
En comparación con la producción de arrabio, la producción de FeMn en alto horno requiere
temperaturas más elevadas, consume mucho más coque y genera mucho más escoria; los
gases de tope requieren un manejo especial por la alta cantidad de finos.
No se han encontrado antecedentes de utilización de cubilotes para este fin, a excepción de
una propuesta de una empresa canadiense, en los años 80, con carga de aglomerados
autoreductores, que aparentemente no fue llevada a la práctica o lo fue solamente para la
producción de arrabio
En el rango de producciones pequeñas, existen hornos piloto que en general se han usado
para desarrollo de procesos y no comercialmente
Los hornos de arco sumergido pueden tener una escala menor