Protección del revestimiento del hogar de alto horno mediante la adición de TiO2

Protección del revestimiento del hogar de alto horno mediante la adición de TiO2

La extensión de la vida útil de campaña de un alto horno (BF) es de gran preocupación. Es conocida la necesidad de prolongar la campaña de la BF. La mejora de la vida útil de la campaña debe lograrse manteniendo una alta productividad para reducir el costo de capital unitario. El revestimiento refractario del hogar BF es el más crítico y tiene una gran influencia en la vida útil de la campaña BF. De hecho, es uno de los factores más importantes que limitan la vida de la campaña BF. El desgaste de los refractarios del hogar es una preocupación seria para los operadores de BF ya que su influencia en la vida de campaña de BF es máxima.

El hogar es la zona más severamente expuesta en el BF, debido al ataque químico, disolución de los ladrillos de carbón, flujos de escoria y metal caliente (HM) y tensiones térmicas. La región más crítica es la región de transición entre la pared del horno y el fondo del hogar. La vida de campaña del BF normalmente está determinada por la erosión de los refractarios de la pared del hogar. Además del diseño adecuado del revestimiento, es crucial minimizar la erosión de la pared del hogar. Por lo tanto, los métodos que pueden prolongar la vida útil del hogar y las paredes BF sin interrumpir la producción son de gran interés económico y técnico.

Los efectos abrasivos y erosivos en el hogar de un BF se deben a varias condiciones, a saber (i) altas temperaturas ambientales, (ii) movimiento continuo de los productos de fundición líquidos, (iii) actividad química de los productos, (iv) presión y química actividad de los gases, y (v) entrada de humedad en el hogar BF. Las razones principales del desgaste de los refractarios del hogar BF son (i) la alta productividad del horno, (ii) la frecuencia de las paradas prolongadas del horno (más de 2 días), (iii) la fuga de agua del sistema de enfriamiento de agua del horno y (iv) calidad de los materiales de carga

Existen varias medidas para reducir la erosión del hogar BF que incluyen (i) la reducción de la productividad BF, (ii) la reducción de las tasas de inyección de carbón, (iii) la inyección de la masa apisonada entre duelas y bloques de carbón, (iv) el taponamiento temporal de las toberas, (v) aumentar las velocidades de enfriamiento de la pared y (vi) agregar los materiales que contienen TiO2 (óxido de titanio). La mejora de la vida útil del revestimiento del hogar BF mediante la adición de compuestos que contienen TiO2 es el método más utilizado. TiO2 proporciona protección al revestimiento del hogar BF contra la erosión prematura.

El material que contiene TiO2 con mayor frecuencia y que se introduce en el BF a través de la parte superior del horno es el mineral de ilmenita, una fuente natural de Ti. Este mineral se presenta en forma de magnetita de titanio (Fe,Ti)3O4 o FeTiO3 y es una mezcla mecánica de ilmenita con minerales de hierro (magnetita y parcialmente hematita). La composición típica de la ilmenita es TiO2:33 %, Fe2O3:menos del 36 %, SiO2:menos del 25 %, Al2O3:menos del 8 %, MgO:menos del 5 % y humedad:6 %. El tamaño del mineral oscila entre 10 mm y 40 mm. Otra forma de cargar material que contiene TiO2 en el BF junto con la carga desde la parte superior es a través de materiales que contienen TiO2 sinterizado, granulado o sintético.

La práctica tecnológica actual para la reducción del desgaste y reparación de áreas dañadas en el hogar es a través del aporte de ilmenita que genera carbonitruros de titanio química y térmicamente estables Ti(C,N). Estos compuestos se acumulan principalmente en los puntos dañados y tienen el efecto de la llamada "reparación en caliente". La Fig. 1 muestra los depósitos de Ti(C,N) en el hogar BF.

Fig. 1 Depósito de carbonitruros de titanio en solera BF

Se ha encontrado que el uso de una cantidad adecuada de materiales que contienen titanio (Ti) en el BF es una forma eficaz de proteger la pared del hogar. Se cree que la adición de los materiales que contienen Ti promueve la formación de una capa de protección, denominada "oso de titanio", en el ladrillo refractario. El 'oso de titanio' es un precipitado de carburo, nitruro y carbonitruro de Ti, que se puede formar en el área del hogar BF, si el TiO2 está presente en la alimentación. La pestaña 1 muestra algunas propiedades características importantes de los compuestos TiN y TiC.

Este propósito de la adición de materiales de soporte de Ti se basa en la generación de compuestos de Ti (C, N) resistentes a altas temperaturas y al desgaste, que muestran una solubilidad dependiente de la temperatura en el HM. Cuando se alcanza el límite de solubilidad debido a la disminución de la temperatura, que es el caso en las áreas dañadas en el hogar debido al mayor flujo de calor y la pérdida de calor hacia el exterior, se precipitan los respectivos compuestos de Ti(C,N). fuera del HM y depositado en las zonas más severamente dañadas de los refractarios, con un 'efecto de reparación en caliente' intrínseco.

Dos enfoques comunes para la adición de TiO2 en el BF son (i) enfoque preventivo y (ii) enfoque correctivo. En el enfoque de reparación, se carga TiO2 de forma regular para crear y mantener una capa protectora de precipitado de Ti(C,N) en el hogar BF. En el enfoque de remediación, se cargan cantidades relativamente grandes de TiO2 cuando las temperaturas del hogar aumentan más allá de los niveles críticos. Estas grandes cantidades de adiciones se mantienen hasta que las temperaturas del hogar se estabilizan en un nivel aceptable. La pestaña 2 proporciona los parámetros típicos durante las adiciones de TiO2 en el BF durante estos dos enfoques.

Mecanismo de reacciones químicas del TiO2

La ilmenita es un mineral natural que consiste en titanatos de hierro (Fe,Ti)3O4 o FeTiO3. Primero debe descomponerse en el BF en FeO y TiO2 mediante el suministro de energía (consumo de coque de 3 kg/t a 10 kg/t de ilmenita) antes de que pueda ocurrir la generación de compuestos de Ti (C,N).

Los tres mecanismos técnicos básicos en caso de adiciones de compuestos que contienen TiO2 en BF son (i) los cálculos termodinámicos indican que el TiO2 está en equilibrio con el Ti(C,N) en la escoria al nivel de la tobera cuando la concentración de TiO2 en la escoria es de alrededor del 1,2 %, (ii) a concentraciones superiores al 1,2 %, el TiO2 se reduce y precipita como Ti(C,N), (iii) debido al aumento de la viscosidad de la escoria líquida y el nivel máximo de TiO2 en la escoria y la concentración máxima de Ti en el HM deben controlarse con los límites superiores respectivos del nivel de TiO2 en la escoria del 3 % y la concentración máxima de Ti en el HM del 0,3 %, y (iv) una mayor partición de Ti/TiO2 se ve favorecida por niveles más altos de Si en el HM y mayor basicidad de la escoria.

El proceso de depósito de Ti(C,N) es una reacción de interfaz. Es necesario que los niveles de Ti aumenten a través de la interfaz escoria/metal HM para lograr una reacción efectiva de las fuentes de Ti. Por lo tanto, es ventajoso producir gotas finamente dispersas de Ti con una gran cantidad y un área específica alta lo antes posible. Se ha demostrado que las gotas finas dispersas de Ti son particularmente favorables para la formación de grandes cantidades de Ti(C,N). Los grandes cristales de Ti(C,N) en los bloques C del hogar pueden atribuirse a la concentración inducida por infiltración en la superficie del material refractario. Esta acumulación da como resultado un crecimiento cristalino acelerado y, por lo tanto, la estabilización de las deposiciones.

Los materiales que contienen Ti cargados en el BF se reducen solo por reducción directa como se muestra en la ecuación TiO2 + 2 C =Ti + 2 CO; H =169773 Kcal/mol. La formación de carbonitruros está controlada por el proceso de difusión y, por lo tanto, necesita más tiempo. El Ti después de la reducción de TiO2 precipita en HM y reacciona con el carbono y el nitrógeno para formar Ti(C,N) que forma una capa protectora en el hogar. La formación exitosa de la capa de protección en las regiones erosionadas del revestimiento del hogar depende en gran medida del flujo y la transferencia de calor del HM y, por lo tanto, de las condiciones de operación del horno. Además, la cantidad de material que contiene TiO2 necesaria debe ser suficiente para formar la capa de protección, pero al mismo tiempo debe minimizarse ya que la cantidad en exceso provoca un efecto adverso en el procesamiento posterior del HM y la escoria. El mecanismo de formación de desgaste de Ti(C,N) desarrollado se describe a continuación.

Se necesita hierro metálico como catalizador para la conversión de TiO2 a Ti(C,N). Mediante la adición de TiO2 en el BF, se disuelve en la fase de escoria y se reduce a Ti metálico mediante silicio o carbono en la interfaz de fase de HM y escoria según las ecuaciones (i) TiO2 + C =Ti + CO2 y/o (ii) TiO2 + Si =Ti + SiO2. Este Ti formado luego se disuelve (debido a su alta solubilidad) en el HM inmediatamente. El Ti que se encuentra en el HM enriquecido, es transportado con el flujo del HM a las zonas dañadas del hogar. El Ti metálico disuelto reacciona con el C y el N disueltos en el HM para formar compuestos de Ti(C,N) según la ecuación xTi + yC, zN  =TiN, TiC y Ti(C,N). Los compuestos de Ti(C,N) precipitan en los lugares con temperaturas más bajas (áreas de alto flujo de calor) cuando la solubilidad de Ti(C,N) en HM es baja. La figura 2 muestra la visualización del mecanismo de formación de la capa de protección Ti(C,N) en el hogar BF. Y un trozo de capa de protección de Ti(C,N) sobre el hogar extraído de un BF después de haberlo parado para revestirlo.

Fig. 2 Protección del hogar BF por TiO2

Los factores que afectan el equilibrio [Ti] / [TiO2] en la operación BF incluyen (i) la temperatura del hogar, (ii) la basicidad de la escoria y (iii) los niveles de silicio en el HM. Las relaciones típicas entre la temperatura y la carga de TiO2 en diferentes equilibrios de Ti/TiO2 y silicio HM se muestran en la Fig. 3.   Ti(C,N), que tiene un punto de fusión de 2959 °C, precipita en el fondo y las paredes del hogar. La acumulación precipitada con el tiempo protege la cara interna del revestimiento del hogar y ayuda a prolongar la vida útil de la campaña BF. Esto se ha demostrado a partir de los grandes depósitos de Ti(C,N) encontrados en las salamandras de los BF volados.

Fig. 3 Relación entre la temperatura del hogar y la carga de titanio en diferentes niveles de equilibrio de Ti/TiO2 y silicio HM

Método de carga de TiO2 en el BF

Los compuestos que contienen TiO2 se pueden agregar con materiales de carga en el BF desde la parte superior o se pueden inyectar en el BF a través de varias toberas. En el caso de materiales que contienen TiO2 cargados junto con la carga desde arriba, la distribución se produce en toda la longitud del eje y, como consecuencia, existe un retraso en la reacción. Como resultado, las cantidades cargadas son superiores a las realmente necesarias, comprometiendo la calidad de la escoria y los depósitos ocasionales en el pozo (carga inactiva). Normalmente, Ti se distribuye uniformemente a lo largo de la sección transversal del BF. Sin embargo, el Ti solo se necesita en las zonas de pared del hogar. Por lo tanto, son necesarias mayores cantidades de entrada y esto tiene un efecto negativo en las cualidades del HM y la escoria. El aumento del contenido de Ti en el HM debido al aumento en la carga de materiales que contienen TiO2, da como resultado más TiO2 contenido en la escoria y esto puede ser un factor limitante en el uso de la escoria como aditivo en la producción de cemento.

Los materiales que contienen TiO2, cuando se inyectan en el BF, se encuentran en forma de partículas finas de materiales sintéticos de TiO2. Estas partículas finas de materiales sintéticos de TiO2 se inyectan en el BF a través de la tobera en las proximidades del hogar del BF. La inyección local de fuentes de TiO2 de partículas finas a través de las toberas directamente en la vecindad de la zona del hogar es un método más efectivo para importar TiO2 al BF. Esta técnica ofrece toda una serie de ventajas, como (i) la inyección se produce en las inmediaciones de las zonas de peligro de los refractarios, lo que significa que se pueden conseguir sistemáticamente los mejores resultados posibles con cantidades de entrada bajas, (ii) el período de retardo es más corto antes de la acción reparadora ocurre, incluso en el caso de 'puntos calientes' en la pared del horno, (iii) no hay acumulación de materiales que contienen TiO2 en el eje BF, (iv) los materiales que contienen TiO2 se transportan directamente al sitio de reacción a nivel de tobera y en solera, donde pueden influir directamente en las interacciones de las fases gas, metal y escoria, independientemente de las reacciones que se produzcan en el pozo y en la zona cohesiva, (v) menores caudales de entrada y mayor eficiencia de la conversión a compuestos de Ti(C, N) da como resultado una mejor calidad de la escoria, debido al menor contenido de TiO2 en la escoria y, por lo tanto, no se deteriora la calidad de la escoria granulada BF.

El uso industrial de la fuente sintética de TiO2 indica una reducción considerable de la temperatura tras la inyección sistemática en las zonas críticas del hogar BF. La inyección de precisión de los materiales permite una reparación rápida de las áreas dañadas en caso de que se produzca un "punto caliente". Sin embargo, un sistema de inyección es necesario para el uso de productos sintéticos. Este sistema consta de un depósito de almacenamiento, una esclusa de presión, un recipiente de alimentación, un alimentador rotativo con una boquilla de eyección y líneas de transporte correspondientemente dimensionadas para la entrega simultánea a hasta 4 toberas. La tasa de entrega debe ser de alrededor de 10 kg/minuto a 60 kg/minuto. Se pueden seleccionar y suministrar las toberas más adecuadas, en función de los requisitos y necesidades. El concepto de automatización hace posible un funcionamiento completamente automatizado, con la excepción del llenado del depósito de almacenamiento.