La escoria y su papel en la fabricación de hierro en altos hornos

La escoria y su papel en la fabricación de hierro en altos hornos

El alto horno (BF) es el más antiguo (más de 700 años) de los diversos reactores que se utilizan en las plantas siderúrgicas. Se utiliza para la producción de hierro líquido (metal caliente). El alto horno es un reactor complejo de alta temperatura en contracorriente y tiene la forma de un pozo en el que los materiales que contienen hierro (mineral, sínter/pellet) y el coque se cargan alternativamente en la parte superior junto con los materiales fundentes (piedra caliza, dolomita, etc.) para crear una carga en capas en el horno. Se inyecta aire precalentado desde la parte inferior del horno a través de toberas. Este aire caliente reacciona con el coque para producir gases reductores. La carga de mineral descendente (óxidos de hierro) se reduce mediante los gases reductores ascendentes y se funde para producir metal caliente. Los materiales de ganga y la ceniza de coque se derriten para formar escoria con los materiales fundentes. Los productos líquidos (metal caliente y escoria) se drenan (soplan) del horno a ciertos intervalos a través del orificio del grifo. La calidad del metal caliente obtenido depende de la formación de la escoria y de sus transformaciones mineralógicas. Una escoria de buena calidad es necesaria para un metal caliente de calidad. La escoria es una mezcla de compuestos químicos de bajo punto de fusión formados por la reacción química de la ganga de la carga que contiene hierro y la ceniza de coque con los materiales fundentes de la carga. Todos los compuestos no reducidos como silicatos, aluminosilicatos y aluminosilicatos de calcio, etc. también se unen a la escoria.

Es bien sabido que los componentes de la escoria, a saber, sílice (SiO2) y alúmina (Al2O3), aumentan la viscosidad, mientras que la presencia de óxido de calcio reduce la viscosidad. La zona de fusión de la escoria determina la zona cohesiva del alto horno y, por lo tanto, la fluidez y las características de fusión de la escoria juegan un papel importante en la determinación de la productividad del alto horno. Inicialmente se forma una escoria rica en hierro y, posteriormente, debido a la asimilación del óxido de calcio (CaO) y el óxido de magnesio (MgO) de los materiales fundentes, la composición de la escoria varía. A medida que la escoria se escurre, asimila SiO2 y Al2O3 de las cenizas, generadas por la combustión del coque. El proceso de goteo depende de la fluidez (baja viscosidad) de la escoria, que además se rige por su composición y temperatura.

La escoria debe tener afinidad para absorber impurezas, es decir, ganga de la carga junto con otras impurezas nocivas que afectan la calidad del metal caliente. Es fundamental conocer el comportamiento de las escorias en cuanto a la composición química, la constitución mineralógica y su capacidad para reaccionar y atrapar las impurezas menores. Además, la escoria debe fluir libremente a la temperatura de funcionamiento con una alta separación escoria-metal sin atrapar metal. Por lo tanto, las diversas propiedades del producto final están directamente influenciadas por la composición de la escoria. Por lo tanto, las propiedades fisicoquímicas de la escoria juegan un papel importante en el funcionamiento del alto horno.

La escoria final de alto horno que se produce durante la producción de metal caliente se considera principalmente como una mezcla de los cuatro óxidos, a saber (i) SiO2, (ii) Al2O3, (iii) CaO y (iv) MgO. Los componentes menores de la escoria incluyen (i) óxido ferroso (FeO), (ii) óxido de manganeso (MnO), óxido de titanio (TiO2), álcalis (K2O y Na2O) y compuestos que contienen azufre. Hay cuatro tipos de escorias con distintas composiciones que se producen en diferentes regiones dentro del alto horno. (Figura 1). Estos son (i) escoria primaria, (ii) escoria de bosh, (iii) escoria de tobera y (iv) escoria final. Estos cuatro tipos de escorias se generan respectivamente en (i) zona cohesiva, (ii) zona de goteo, (iii) canalización y (iv) solera. Es la escoria final la que se colada y por lo tanto para una buena colada es necesario que tenga la fluidez adecuada (baja temperatura de liquidus y baja viscosidad).

Fig. 1 Tipos de escorias BF y regiones de su generación

Para el buen funcionamiento del alto horno, se requiere que la escoria satisfaga las siguientes condiciones.

• El volumen de la escoria debe ser lo más bajo posible.
• La escoria debe tener capacidad para la eliminación de los álcalis,
• Es para cumplir con los requisitos para la desulfuración.
• La composición de la escoria primaria debe ser uniforme.
• La formación de escoria debe limitarse a una altura limitada del alto horno y la escoria debe ser estable.
• La escoria debe proporcionar una buena permeabilidad en la zona de formación de escoria.
• El punto de fusión de la escoria no debe ser ni demasiado alto ni demasiado bajo.
• La escoria final debe ser lo suficientemente fluida para que sea posible drenarla a través del orificio del grifo,

Las capas de material que contienen hierro comienzan a ablandarse y fundirse en la zona cohesiva bajo la influencia de los agentes fundentes a la temperatura predominante, lo que reduce en gran medida la permeabilidad de la capa que regula el flujo de materiales (gas/sólido) en el horno. Es la zona del horno limitada por el ablandamiento de los materiales que contienen hierro en la parte superior y la fusión y el flujo de los mismos en la parte inferior. Una temperatura de reblandecimiento alta junto con una temperatura de flujo relativamente baja formaría una zona cohesiva estrecha en la parte inferior del alto horno. Esto disminuiría la distancia recorrida por el líquido en el horno al disminuir la absorción de silicio. Por otro lado, la escoria final que gotea por la región del bosh hasta el hogar del horno debe ser una escoria corta que comienza a fluir tan pronto como se ablanda. Por lo tanto, el comportamiento de fusión es un parámetro importante para evaluar la eficacia de la escoria BF.

La fluidez de la escoria en un alto horno afecta el comportamiento de ablandamiento-fusión en la zona cohesiva, la permeabilidad en la parte inferior de un horno debido a la retención de líquido en la zona de goteo, el flujo de líquido en la solera del horno y la capacidad de drenaje de la escoria a través del orificio del grifo. También afecta su capacidad de desulfuración. La fluidez de la escoria se ve afectada por la temperatura y la composición, esta última influenciada por los minerales de ganga y los materiales de ceniza del coque y el carbón pulverizado.

Las escorias de alto horno pertenecen principalmente a tres sistemas de escoria, a saber (i) sistema terciario de CaO– Al2O3–SiO2, (ii) sistema cuaternario de CaO– Al2O3–SiO2– MgO, y (iii) sistema quinario de CaO– Al2O3–SiO2– MgO– TiO2. En general, la principal región operativa de la escoria de alto horno para una buena fluidez en el diagrama de liquidus del sistema quinario (SiO2-Al2O3-CaO-MgO-TiO2) es la fase de melilita (soluciones sólidas de akermanita, Ca2MgSi2O7 y gehlenita, Ca2Al2SiO7).

La composición de la escoria de alto horno tiene una influencia muy importante en sus características fisicoquímicas que afectan el grado de desulfuración, la suavidad de la operación, el manejo de la escoria, el consumo de coque, la permeabilidad del gas, la transferencia de calor, la productividad del metal caliente y su calidad, etc. Las propiedades de la escoria que más afectan son viscosidad, capacidad de sulfuro, capacidad de álcali y temperatura de liquidus. Estas propiedades tienen una gran influencia en el proceso general del alto horno. La viscosidad de la escoria está fuertemente influenciada por la composición química, la estructura y la temperatura.

La viscosidad de la escoria es una propiedad de transporte que se relaciona con la cinética de reacción y el grado de reducción de la escoria final. La viscosidad de la escoria también determina la eficiencia de separación escoria-metal y, posteriormente, el rendimiento del metal y la capacidad de eliminación de impurezas. En funcionamiento, la viscosidad de la escoria es indicativa de la facilidad con la que se puede sacar la escoria del horno y, por lo tanto, se relaciona con el requerimiento de energía y la rentabilidad del proceso.

Si los controles del horno tienen la capacidad de predecir la viscosidad de la escoria y la temperatura del liquidus, entonces tienen el potencial de optimizar el análisis y el control de la toma de decisiones durante la operación del alto horno. En tal caso, reemplaza el uso de reglas generales relativas a las composiciones de escoria. Para ello, se han realizado varios esfuerzos en el pasado para medir y modelar viscosidades para diferentes sistemas de escoria.

La escoria líquida se puede clasificar como un fluido newtoniano en el que la viscosidad de corte es independiente de la velocidad de corte y, por lo tanto, se denomina viscosidad dinámica. La viscosidad está muy influenciada por la unión y el grado de polimerización, con SiO2 y Al2O3 contribuyendo a viscosidades más altas con sus enlaces altamente covalentes. Por el contrario, los monóxidos como el CaO y el MgO muestran un comportamiento iónico que conduce a la destrucción de las cadenas de silicato y a la disminución de la viscosidad. Esto es cierto solo para el sistema de fase de escoria líquida y, en el sistema multifásico, un aumento en los monóxidos conduce a una mayor actividad de las fases sólidas y a la posible precipitación de sólidos, lo que aumenta la viscosidad efectiva (observada).

En una operación típica en la que es posible alterar la composición de la escoria, los cambios en la composición suelen tener efectos opuestos. Por ejemplo, el logro de una viscosidad más baja en basicidades más altas probablemente estará asociado con el efecto adverso de una temperatura de liquidus aumentada. Además de los efectos sobre las propiedades fisicoquímicas, la basicidad de la escoria también influye en la capacidad de eliminación de azufre (y en cierta medida del fósforo) de la escoria y el contenido de silicio del metal caliente. Basicidades más altas conducen a valores más altos de azufre en la escoria y valores más bajos de silicio en el metal.

Las escorias bajas en Al2O3 generalmente tienen baja viscosidad, alta capacidad de sulfuro y baja temperatura de liquidus, así como un volumen de escoria más bajo que la escoria alta en Al2O3 con Al2O3 normalmente más del 15 %. La escoria con alto contenido de Al2O3 se encuentra principalmente en los altos hornos de la India debido a la alta relación Al2O3/SiO2 en el mineral de hierro, así como en el sinterizado y el alto contenido de cenizas en el coque. Estas escorias tienen viscosidades altas.

La viscosidad de la escoria líquida está determinada principalmente por su temperatura y la composición química. La dependencia de la temperatura de la viscosidad en un rango de temperatura dado generalmente se describe mediante la ecuación de Arrhenius como se indica a continuación.

N =Exp. A (E/RT)

donde

N =Viscosidad de la escoria

A =Término pre-exponencial

E =Energía de activación del flujo viscoso

R =Constante de gas

T =Temperatura absoluta

Las escorias de silicato están formadas por cationes Si4+ que están rodeados por 4 aniones de oxígeno dispuestos en forma de tetraedro regular. Estos 4-tetraedros de SiO4 se unen en cadenas o anillos mediante puentes de oxígeno. El flujo viscoso en la escoria depende de la movilidad de las especies iónicas en el sistema, que, a su vez, depende de la naturaleza del enlace químico y la configuración de las especies iónicas. Las fuerzas interiónicas en el caso de las escorias dependen de los tamaños y cargas de los iones involucrados. Por lo tanto, es natural esperar que las fuerzas interiónicas más intensas conduzcan a un aumento de las viscosidades. En el caso de fundidos de silicato con alto contenido de sílice, los aniones poliméricos provocan una alta viscosidad. Con el aumento de las concentraciones de óxidos metálicos, los enlaces Si-O se rompen progresivamente y el tamaño de la red disminuye, acompañado de una disminución de la viscosidad de las escorias. Se ha demostrado que la adición de óxidos alcalinos hasta un 10-20 % en moles conduce a una caída drástica de las viscosidades debido a la despolimerización.

En el caso de las escorias de alto horno, la alúmina siempre está presente y los grupos AlO4 5- forman unidades poliméricas con SiO4 4-. En las escorias que contienen CaO-MgO-SiO2-Al2O3, la alúmina aumenta la viscosidad al igual que la sílice. Por otro lado, la cal y la magnesia, los proveedores de oxígeno, tienen el efecto opuesto sobre la viscosidad.

La viscosidad de las escorias depende de la composición y la temperatura. La baja viscosidad no solo ayuda a controlar las velocidades de reacción por su efecto en el transporte de iones en la escoria líquida hacia y desde la interfaz de reacción escoria/metal. También asegura un buen funcionamiento del alto horno. Tanto un aumento de los óxidos básicos como el de la temperatura por encima de la temperatura de liquidus de la escoria disminuyen la viscosidad. En el caso del sistema CaO-MgO-SiO2-Al2O3, la alúmina y la sílice no son equivalentes en base molar en su efecto, aunque ambas aumentan la viscosidad de estos fundidos. El efecto de la alúmina sobre la viscosidad depende del contenido de cal de la escoria. Esto se debe a que Al3+ puede reemplazar a Si4+ en la red de silicato solo si se asocia con 1/2 Ca2+ para preservar la neutralidad eléctrica.

El comportamiento de fusión de la escoria se describe en términos de cuatro temperaturas características, a saber, (i) la temperatura de deformación inicial (IDT) que simboliza la adherencia de la superficie, importante para el movimiento del material en estado sólido, (ii) el estado sólido (ST) que simboliza el plástico distorsión, que indica el comienzo de la distorsión plástica, (iii) la temperatura hemisférica (HT), que también es la temperatura de fusión o liquidus, que simboliza el flujo lento, que juega un papel importante en la aerodinámica del horno y la transferencia de calor y masa, y (iv ) la temperatura de flujo (FT) que simboliza la movilidad del líquido.

La escoria formada en la zona cohesiva es la escoria primaria que se forma con FeO como componente fundente primario. La temperatura solidus, la temperatura de fusión y el intervalo solidus-fusión se ven afectados significativamente por el FeO. Esta escoria es completamente diferente de la escoria final en la que el fundente se debe principalmente a la presencia de constituyentes básicos como CaO o MgO. Si bien no es posible obtener escoria primaria del alto horno, siempre es posible preparar una escoria sintética en el laboratorio que se asemeje a la escoria primaria y estudiar sus características de flujo. La escoria final es una escoria con una pequeña diferencia entre ST y FT. Tal escoria adquiere movilidad líquida y se filtra por el horno lejos del sitio donde comienza a distorsionarse plásticamente, tan pronto como sea posible. Esta acción expone sitios frescos para una mayor reacción y supuestamente es responsable de la mejora de las tasas de reacción de la escoria y el metal, lo que influye en las operaciones del alto horno y en la calidad del metal.

La característica de flujo de las escorias de alto horno está fuertemente influenciada por el grado de reducción del óxido de hierro a baja temperatura (en la zona granular), además de estar influenciada por la composición, la calidad y la cantidad de la ganga en los materiales que contienen hierro. La relación CaO/SiO2 y el contenido de MgO de la escoria de alto horno influyen en gran medida en sus propiedades de ablandamiento-fusión. La disponibilidad de MgO más adelante en el proceso a menudo da como resultado un pequeño rango de temperatura de la zona cohesiva que da como resultado una mejor permeabilidad del lecho que, a su vez, influye en el consumo de coque y la calidad del metal caliente producido.

El aumento de Al2O3 en el mineral de hierro no solo afecta la resistencia del sinterizado, sino también sus características a altas temperaturas en la zona cohesiva. La concentración de Al2O3 en la escoria se considera un factor que degrada la fluidez de la escoria y aumenta la temperatura de liquidus. Los efectos del alto contenido de alúmina en la escoria son los siguientes.

• La escoria con alto contenido de alúmina tiene una alta viscosidad para una basicidad constante (CaO/SiO2). Sin embargo, con un aumento de los óxidos básicos y de la temperatura por encima de la temperatura de liquidus de la escoria, la viscosidad de la escoria con alto contenido de alúmina disminuye hasta cierto punto.
• La escoria de alúmina más alta tiene una mayor tendencia hacia la reducción de silicio y existe una tendencia hacia el aumento del nivel de silicio de metal caliente.
• El contenido de azufre del metal caliente tiende a aumentar con el aumento del contenido de alúmina de la escoria. Por lo tanto, la escoria con alto contenido de alúmina contribuye a una desulfuración menos eficiente.
• La caída de presión en la zona de goteo aumenta a medida que aumenta la concentración de Al2O3 en la escoria. Incluso si la relación CaO/SiO2 aumenta, la caída de presión en la zona de goteo aumenta.

El efecto de deterioro del alto contenido de alúmina en la escoria se compensa aumentando su contenido de MgO. La concentración de alúmina en la escoria se establece semiempíricamente en muchos países en el límite superior de alrededor del 16 % para evitar la acumulación de la escoria de hierro y el deterioro de la permeabilidad en la parte inferior del alto horno.