Granulación de Hierro Líquido

Granulación de hierro líquido

La granulación de hierro líquido es un método de manejo del exceso de producción de metal caliente en un alto horno (BF) que no puede ser consumido por la fabricación de acero en el taller de fundición de acero de una planta integrada de hierro y acero. Es un método rentable de producir un producto sólido que se conoce como hierro granulado (GI). GI tiene buenas propiedades químicas y físicas como el arrabio y se puede utilizar como materia prima principal para la fabricación de acero.

GI tiene una composición química idéntica a la del hierro líquido que se granula. No hay oxidación ni atrapamiento de escoria en el GI y hay un alto contenido metálico. La figura 1 muestra algunas piezas de GI.

Fig. 1 Hierro granulado

Una planta IG se ocupa de cualquier desajuste entre la producción en las instalaciones de fabricación de hierro y los requisitos de hierro líquido en las instalaciones de fabricación de acero. Está posicionado logísticamente entre las dos instalaciones. El exceso de hierro líquido del BF se desvía a la planta de GI para la producción de GI. Esto elimina la reducción del volumen de chorro caliente en el BF mientras se produce GI que se puede usar como materia prima interna como refrigerante en el BOF, o para ventas externas para los cubilotes, hornos de inducción (IF) y hornos de arco eléctrico (EAF).

Las plantas GI se pueden construir y operar con capacidades que coincidan con las salidas BF. Son una alternativa a las máquinas de fundición de cerdos (PCM) pero con capacidades considerablemente más altas. Incluso las capacidades de los PCM de doble hebra están limitadas debido al tiempo de solidificación del hierro líquido en los moldes de cerdo. Los PCM también requieren un mantenimiento mecánico frecuente como consecuencia del diseño complejo. El GI tiene propiedades idénticas a las del arrabio pero con la ventaja adicional de que puede manipularse en sistemas de contenedores.

Los cuatro pasos básicos del proceso de granulación del hierro líquido son los siguientes.

• Control de flujo de hierro líquido al granulador
• Granulación por formación de gotitas de hierro líquido y su rápido enfriamiento en agua
• Descarga de GI solidificado y enfriado generalmente por eyector de aire y agua
• Desaguado de GI y transporte al lugar de almacenamiento

El equipo y el proceso de granulación

  El equipo puede diseñarse para la granulación de grandes lotes de hierro líquido y al ritmo de producción de un BF. El principio se basa en la transferencia de calor entre el hierro líquido y el agua de refrigeración. El calor liberado durante el enfriamiento y la solidificación del hierro líquido se transfiere al agua de enfriamiento, que saca el calor del proceso.

Los equipos utilizados para la granulación de hierro son equipos estándar.

Para el manejo de cucharas de hierro líquido en la planta de granulación, se utiliza una torreta de cucharas gemelas, similar a la torreta utilizada en una máquina de colada continua. La torreta, en combinación con una artesa, puede garantizar una operación de secuencia fluida en la planta de granulación sin ninguna discontinuidad entre las cucharas de hierro líquido.

Las artesas de colada utilizadas para la granulación de hierro son artesas de colada continua estándar con modificaciones menores. Las artesas están equipadas con un sistema de varilla de tope o un sistema de compuerta deslizante. Esto permite detener rápidamente la granulación en caso de que surja un problema. Se puede utilizar el sistema estándar para controlar la tasa de granulación. La artesa y la boquilla normalmente se precalientan durante unos 20 a 30 minutos antes de comenzar la granulación.

El granulador de hierro líquido es el corazón del proceso. Consiste en un tanque que contiene agua y tiene un distribuidor de hierro líquido. La función principal del distribuidor de hierro líquido es dividir el flujo de hierro líquido en partículas más pequeñas y distribuirlo uniformemente sobre la superficie del agua. La división de la corriente de hierro líquido no solo proporciona un área de superficie más grande para un enfriamiento más rápido del hierro líquido, sino que también distribuye el hierro líquido sobre un área de superficie más grande en el granulador. Esto también ayuda a evitar la concentración de calor en un volumen de agua más pequeño y, por lo tanto, permite un alto caudal de hierro líquido. El distribuidor de hierro líquido es un equipo crítico ya que tiene que soportar los choques térmicos y el impacto a largo plazo de la corriente de hierro líquido.

La superficie exterior de las gotitas de hierro líquido se solidifica durante su trayecto de movimiento desde el distribuidor hasta la superficie del agua y antes de penetrar en la superficie del agua. La parte interna restante de la gota semilíquida, ahora un gránulo, se apaga cuando golpea la superficie del agua y comienza su movimiento en el volumen de agua. En el momento del impacto de los gránulos en el agua se deforman ligeramente pero se evita que se partan, evitando así la generación de finos.

Durante el movimiento de los gránulos de hierro a través del agua en el tanque de granulación, el calor del hierro se transfiere al agua de enfriamiento. El agua de enfriamiento permite que los gránulos alcancen una temperatura inferior a 100 °C.

Para una tasa de granulación de 100 ton/h, la carga de calor generada que se transfiere del hierro líquido al agua de enfriamiento está en el rango de alrededor de 8 M cal/segundo. El sistema de agua está diseñado para hacerse cargo de esta magnitud de carga de calor. En el sistema de agua, el calor se distribuye al agua de manera que se garantice que la concentración de calor (unidad de calor/volumen) sea inferior a la concentración crítica para las explosiones de vapor.

El tanque de granulación contiene suficiente volumen de agua necesario para acomodar las gotitas de hierro líquido formadas por la división de la corriente de hierro líquido y por el momento de impacto de la corriente de hierro líquido en la superficie del agua.

El diseño y construcción del tanque de agua facilita la concentración y descarga de las piezas de GI enfriadas del tanque. Los sistemas eyectores de aire y agua se emplean normalmente para la descarga de hierro granulado enfriado.

El GI solidificado descargado se deshidrata y se transporta por la cinta transportadora al área de almacenamiento donde se almacena en una pila para su envío.

El sistema de refrigeración y manejo del agua está cuidadosamente equilibrado para garantizar que el agua de refrigeración elimine la gran cantidad de calor añadido por el hierro líquido. El sistema de agua es normalmente un sistema de agua de proceso de circuito cerrado. El flujo de agua de enfriamiento en el tanque de granulación es a contracorriente del movimiento del hierro líquido. Durante su flujo en el tanque granulado, el agua toma el calor del hierro líquido y se calienta. El agua calentada del tanque de granulado se extrae  y se envía de regreso al sistema de manejo de agua. El agua de proceso caliente de retorno se enfría en una torre de refrigeración o mediante intercambiadores de calor.

Las plantas de granulación de hierro líquido suelen estar completamente automatizadas, lo que permite que solo se necesite una pequeña mano de obra para ejecutar toda la operación. El tiempo de procesamiento para la granulación de hierro suele ser de alrededor de 30 a 40 segundos y tiene un rendimiento del proceso superior al 99 %. Esta es una buena mejora en comparación con los rendimientos más bajos que se obtienen en los PCM.

Las siguientes son las características importantes del proceso de granulación de hierro líquido.

• Poco tiempo de puesta en marcha para cumplir con las decisiones de última hora sobre el desvío de hierro líquido de las instalaciones siderúrgicas
• Tiempo de procesamiento rápido de hierro líquido a GI refrigerado
• Sin cambios en el análisis químico del hierro debido a la rápida extinción
• Más del 99 % del rendimiento del proceso
• Proceso robusto con alta disponibilidad y con mantenimiento limitado debido al uso de equipos estándar
• Fácil de operar
• Alta capacidad de producción que coincide con la salida de BF
• Producción de productos de hierro de primera calidad que no necesitan procesamiento adicional
• Bajo impacto ambiental
• Diseño flexible y se puede acomodar en el espacio existente disponible
• Bajo costo operativo
• Coste de inversión razonable

Producto de hierro granulado

GI tiene propiedades físicas y químicas consistentes. Combina el alto contenido de metal de la chatarra prima con el bajo contenido de residuos de las fuentes de hierro virgen. Desde un punto de vista práctico, la alta densidad aparente y la forma física son adecuadas para el manejo eficiente de materiales.

La composición química de GI es la misma que la del hierro líquido. El análisis típico es del 4 % al 4,5 % de carbono, del 0,5 % al 0,6 % de silicio y alrededor del 95 % al 95,5 % de hierro. Elementos vagabundos (cobre, níquel, molibdeno y estaño) hasta un máximo de 0,05 %.

Los GI tienen una forma compacta y pequeña de una esfera aplanada que da como resultado una alta densidad aparente de alrededor de 4 toneladas/cum. El tamaño de GI está en el rango de 8 mm a 25 mm. GI tiene un alto ángulo de reposo, lo que permite un transporte y almacenamiento efectivos.

Algunas de las características de GI se dan a continuación.

• Composición homogénea
• Prácticamente sin contenido de óxido
• Alto rendimiento metálico durante la fabricación de acero
• Muy buenas propiedades de precalentamiento y fusión/disolución rápida cuando se agrega al proceso metalúrgico
• Tiene carburo de hierro en la matriz, lo que es beneficioso para el reemplazo de chatarra en operaciones EAF
• Alta densidad aparente
• Inerte durante el envío y almacenamiento
• Tiene un tamaño y forma que facilita el manejo con cinta transportadora, imán, cargador frontal, sistemas de contenedores y contenedor de chatarra
• Tiene una gran resistencia física y forma que elimina las roturas durante la manipulación y reduce la formación de polvo
• No muestra comportamiento pirofórico y, por lo tanto, puede transportarse y manipularse sin problemas de combustión. Es inerte durante el transporte y almacenamiento

La simplicidad del proceso de solidificación y enfriamiento del hierro líquido, en combinación con una alta capacidad que cumple con un rendimiento BF estándar, hace que el proceso de granulación del hierro sea adecuado para su instalación en las plantas siderúrgicas integradas.