Granulación de Escoria de Alto Horno en la Colada: Visión General del Proceso

Granulación de escoria de alto horno en la colada

Un alto horno (AH) es un sistema cerrado al que se alimentan continuamente materiales ferrosos (terrón de mineral, sinter y/o pellets), fundentes (formadores de escoria) y agentes reductores (coque) desde la parte superior del eje a través de un sistema de carga. Los productos del proceso de reducción dentro del AH son arrabio (HM) y escoria líquida. Estos se acumulan en el hogar del AH. La escoria flota sobre el HM por su menor densidad. Los productos líquidos acumulados en el hogar se dejan salir periódicamente desde el ojo de vaciado a un sistema de canaletas donde HM y escoria se separan por sistema de aliviaderos y presas. El HM va a cucharones (abiertos o torpedo) mientras la escoria líquida va a grandes fosas laterales para enfriamiento al aire en producto árido, o a una instalación de granulación de escoria. Hasta los años 70, la escoria de AH se consideraba residuo y se vertía en lugar conveniente lejos del AH.

Los diferentes procesos de granulación de escoria líquida en la colada se desarrollaron a principios de los años 70. Difieren en el método de desaguado de la escoria granulada húmeda. Hoy la granulación de escoria líquida de AH es tecnología bien aceptada y usada en todos los AH del mundo.

La cantidad de escoria líquida depende mucho del material de carga: ley del mineral, contenido de ganga y fundentes añadidos para ajustar composición química de la escoria. Hasta ~1940-1950, generación de escoria en AH era ~980 kg/t HM. Actualmente, por mejor comprensión de mecanismos de formación de escoria y del proceso AH, es posible controlar, optimizar y minimizar la generación. Hoy la cantidad específica de escoria generada está en 175-350 kg/t HM. La escoria líquida está a ~1.400-1.550 °C.

Objetivo y parámetros de calidad

La escoria de AH es subproducto no metálico del proceso de fabricación de hierro. Consiste principalmente en silicatos, aluminosilicatos y calcio-aluminosilicatos. La escoria líquida absorbe gran parte del azufre (S) de la carga. El objetivo principal de la planta de granulación es procesar la escoria líquida en materias primas valiosas para industrias de cemento y construcción. Los parámetros que afectan la calidad de la escoria granulada incluyen: (i) química de la escoria líquida, (ii) temperatura de la escoria líquida, (iii) contenido de vidrio de la escoria granulada, y (iv) distribución promedio de tamaño de partícula de la escoria granulada. Los dos primeros se relacionan con la operación del AH, los dos últimos con el proceso de granulación. Los parámetros del proceso incluyen temperatura y presión del agua de granulación, caudal y área de granulación disponible para transferencia de calor.

El valor de la escoria depende de sus propiedades mineralógicas, químicas, físicas y mecánicas: basicidad, contenido de vidrio, estructura y humedad. Estas propiedades técnicas se relacionan con la carga y proceso del AH, tecnología de granulación aplicada y sus condiciones de operación, tiempo de almacenamiento y desaguado, etc. La Fig. 1 muestra la compleja dependencia de las propiedades técnicas de la escoria.

La escoria granulada tiene apariencia de arena de hormigón. Es vítrea y fibrosa. No hay calor de cristalización en su formación y el material tiene propiedad hidráulica latente para formar productos de hidratación sólidos como el cemento. Sin embargo, mientras el cemento es soluble en agua facilitando la hidratación, la escoria granulada solo es soluble en solución alcalina. La condición alcalina puede producirse añadiendo un activador o "catalizador" básico, como cal. La Tabla 1 muestra propiedades típicas de la escoria granulada.

Tabla 1: Propiedades típicas de la escoria granulada
Nº	Ítem	Unidad	Valor
Propiedades físicas
1	Estado		Gránulos sólidos
2	Tamaño	mm	< 10
Propiedades químicas
3	SiO₂	%	32-38
4	FeO	%	0,2-2
5	CaO	%	32-38
6	MnO	%	0,02-5
7	Al₂O₃	%	16-22
8	S	%	0,1-1,2
9	MgO	%	6-17
10	TiO₂	%	0,5-1,2
11	CaO+MgO+Al₂O₃/SiO₂		1-2
12	Contenido de humedad	%	8-15
13	Residuo insoluble	%	0,7-5
14	Pérdida por ignición	%	Nula
15	Contenido de vidrio	%	> 90

Los productos de la escoria líquida incluyen principalmente: (i) escoria de AH enfriada al aire, y (ii) escoria de AH granulada.

La escoria granulada se produce por enfriamiento rápido (temple) a estado vítreo resultando en poca o ninguna cristalización. Esto forma fragmentos de tamaño de arena (tipo frita), usualmente con material friable tipo clinker. La estructura física y gradación dependen de la composición química de la escoria, su temperatura al temple en agua y el método de producción. De la escoria granulada se puede producir escoria granulada de AH molida (GGBS). GGBS tiene propiedades cementicias y puede usarse como reemplazo parcial o aditivo al cemento Portland. La escoria enfriada al aire se produce si la escoria líquida se vierte en camas y se enfría lentamente en condiciones ambientales. Tiene estructura cristalina. El enfriamiento al aire produce escoria dura en terrones, que luego se tritura y criba.

Árido grueso de escoria de AH para hormigón se produce triturando escoria enfriada al aire y clasificando por cribas; árido fino se produce triturando ligeramente escoria granulada para controlar granulometría y clasificando. La Fig. 2 muestra el flujo de producción de escoria de AH.

Concepto de granulación de escoria

El proceso implica verter la escoria líquida a través de rociado de agua a alta presión en una cabeza de granulación, cerca del AH. La granulación es el enfriamiento controlado de la escoria en agua fría sin dar tiempo a crecimiento cristalino. Se necesita gran volumen de agua (~10 partes agua por 1 parte escoria líquida como óptimo). Durante el enfriamiento rápido, la escoria sufre enfriamiento acelerado bajo flujo controlado y se convierte en arena vítrea con ~97 % de partículas sólidas <3 mm y tamaño promedio ~1 mm. El punto de impacto de la escoria líquida y el agua a alta presión depende del caudal de escoria, su temperatura, pendiente y forma de la canaleta caliente.

El intercambio de calor entre escoria líquida y agua de granulación debe ser muy rápido. Los chorros de agua rompen la corriente de escoria en láminas que se descomponen inicialmente en filamentos y luego en gotas. La mejor transferencia de calor ocurre cuando la superficie de contacto entre escoria líquida y agua es máxima, es decir, cuando la escoria se ha convertido en gotas completamente rodeadas de agua. El tiempo de solidificación depende del tamaño de gotas de escoria, diferencia de temperatura entre escoria y agua, y entorno de contacto.

Según la temperatura del agua alrededor de la gota, ocurren diferentes mecanismos de transferencia de calor: (i) solo eliminación de calor por liberación de vapor (si agua está a temperatura de ebullición), (ii) eliminación por vapor y transferencia a agua (caso más común), (iii) eliminación sin vapor, solo transferencia a agua (si agua fría permite condensación inmediata del vapor generado).

En general, la temperatura de ebullición no se alcanza al granula con agua fría, salvo puntos locales por flujos transitorios altos de escoria. La eliminación sin vapor puede ocurrir con agua fría y buena turbulencia entre escoria y agua que permite eliminación óptima de calor. Pero la situación más común es eliminación por vapor y transferencia a agua. La Fig. 3 muestra el concepto del proceso.

La granulación puede realizarse con agua caliente o fría, permitiendo dos diseños de circuito de agua diferentes. La planta diseñada para circuito de agua caliente no tiene torre de enfriamiento. El agua circula en circuito cerrado, calentándose cerca de ebullición. La eliminación de calor es principalmente por liberación de vapor. Agua fría de reposición solo compensa pérdidas por vapor y humedad. Temperatura promedio en circuito ~90-95 °C. En punto de impacto, temperaturas ~95 °C o superiores.

En caso de granulación con agua fría, el proceso comienza cuando el agua contacta la escoria líquida (Fig. 3). El flujo de escoria se rompe en láminas y filamentos, luego gotas. Solo parte se granula en el camino por la canaleta fría a la tolva receptora, pero probablemente se completa al golpear la placa de impacto dentro de la tolva y caer en ella. Con este diseño, solo parte del caudal se usa directamente para granulación, parte enfría placas de protección contra desgaste junto a la canaleta fría.

La planta diseñada para circuito cerrado de agua fría tiene torre de enfriamiento para mantener agua de proceso a temperatura fría constante. La eliminación de calor ocurre por transferencia al agua y parcialmente por liberación de vapor. La transferencia por vapor varía según temperatura del agua y flujo instantáneo de escoria. A bajos caudales, transferencia principal al agua fría; a altos caudales, liberación de vapor. Una planta con circuito de agua fría tiene mayor potencial de eliminación rápida de calor comparada con circuito de agua caliente.

En diseño de canaleta fría, esta se instala como continuación de la caliente, con caja de soplado integrada en el extremo frontal. La canaleta fría guía la mezcla agua-escoria/arena a la tolva receptora y tiene revestimiento resistente al desgaste por abrasión de partículas granuladas. El flujo de calor de la escoria necesita rociado de agua junto a la canaleta en el extremo frontal.

La cuenca de granulación bajo el extremo de la canaleta caliente consiste en una cuenca de agua de tamaño variable según distribución de planta (Fig. 3). La cuenca, llena de agua a nivel definido, permite agua adicional al agua de circuito para granulación. Así la granulación, sostenida por baño de agua turbulento, ocurre mucho más rápido que en diseño de canaleta fría. Permite diseñar circuitos con menor caudal pero más agua disponible para granulación sin comprometer seguridad. La cuenca protege fácilmente contra desgaste, que en canaleta fría necesita alto mantenimiento. Tiene potencial para reducir la cantidad de empuje de escoria a la cuenca bajo nivel de agua. El intercambio de calor entre gotas de escoria y agua ahora no solo por chorros de la caja de soplado, sino también por agua rodeando y envolviendo cada gota en la cuenca. Los chorros golpeando la superficie dentro de la cuenca crean condiciones turbulentas y promueven enfriamiento más rápido de gotas en partículas granuladas. Aunque este diseño reduce relación agua/escoria, más volumen de agua está disponible (volumen en cuenca + caudal en caja de soplado). El proceso ocurre más rápido y el tiempo de solidificación se reduce.

Planta de granulación de escoria

Componentes principales: (i) canaleta caliente, (ii) caja de soplado, (iii) tanque de granulación, (iv) chimenea y torre de condensación, (v) distribuidor y cajas de frenado, (vi) equipo de desaguado, (vii) tanque de agua caliente, (viii) bombas, (ix) torre de enfriamiento, (x) tanque de agua fría, (xi) tanque buffer, (xii) agua de reposición, (xiii) cinta transportadora, (xiv) pila de almacenamiento.

La planta comprende: (i) sección de granulación, (ii) sección de desaguado, (iii) sección de almacenamiento. La sección de granulación conecta la canaleta caliente del AH y la sección de desaguado. La Fig. 4 muestra diagrama esquemático.

Sección de granulación

Aquí la escoria líquida de AH se templea en agua y solidifica en partículas pequeñas, eliminando necesidad de equipos de trituración pesados. La escoria fluye por canaletas del AH a la unidad de granulación. Desde la canaleta, la corriente de escoria a ~1.500 °C se vierte en chorro de agua a alta velocidad en la cabeza de rociado antes de terminar a ~50 °C en el tanque de granulación. Esta solidificación rápida seguida de fragmentación en trozos pequeños se controla por el exceso de agua usado. Por la alta temperatura, el agua se evapora parcialmente y condensa posteriormente en torre de condensación sobre el tanque.

La producción de escoria durante vaciado del AH normalmente alcanza 10 t/min. Para afrontar esta variación, el caudal de agua a la unidad puede controlarse por cálculo de balance energético para asegurar rendimiento eficiente y económico. El elemento de control es una válvula regulando parte del flujo a la cabeza de rociado.

La cabeza de rociado es el corazón tecnológico del granulador donde agua y escoria se mezclan intensivamente, asegurando granulación rápida y eficiente. Diseñada para producir patrón de flujo específico para mezcla óptima y ubicada para dirigir chorros de agua a alta presión en la corriente de escoria en caída libre.

El volumen principal de agua es dirigido por los chorros para formar un canal de agua rápida en el fondo de la canaleta de granulación. Además de granula, protege la canaleta y transporta la mezcla granulada. Adicionalmente, varios chorros en los lados de la corriente de escoria aseguran que toda la escoria se granula en trozos pequeños lo más rápido posible, aportan enfriamiento adicional y propulsan la mezcla escoria/agua en la canaleta. La configuración es tal que la escoria líquida, en condiciones normales, no toca el fondo de la canaleta. Las cabezas de rociado generalmente contienen placas de boquillas desmontables con insertos cerámicos y cabezales de rociado reemplazables rápidamente en intervalos cortos de mantenimiento.

Cantidades de agua para la cabeza: ~1.200 m³/h para rociador inferior, 600 m³/h para rociador superior, 100 m³/h para rociadores laterales. En condiciones normales se usan 1.800 m³/h, pero al final del vaciado del AH, cuando volúmenes de escoria aumentan, se pueden añadir 600 m³/h adicionales activando cabezas extra, elevando total a 2.400 m³/h.

Requisitos de la cabeza: (i) construcción simple y lógica para reducir coste y simplificar reemplazo, (ii) materiales resistentes al desgaste (ej. insertos cerámicos en boquillas y guías), (iii) fácil inspección y reemplazo, (iv) fácil acceso y limpieza.

Durante el enfriamiento, el agua se evapora y se liberan compuestos SOx. Estas emisiones pueden eliminarse con torre de condensación que incluye conjunto de boquillas de rociado que disuelven emisiones en agua, neutralizadas parcialmente por CaO de la escoria.

Todo el tanque está revestido con refractario resistente al desgaste por exposición a mezcla turbulenta y erosiva de agua y partículas de escoria. Esta mezcla se transfiere por gravedad a la sección de desaguado para separación de partículas y agua.

Sección de desaguado

La sección de granulación añade agua a la escoria, que debe removerse y reciclarse. El desaguado reduce humedad a ~10-12 %. La escoria desaguada puede descargarse directamente a camión o a sistema de manipulación para transporte. Muchos sistemas de desaguado se han usado: lecho filtrante de gravas, deshidratador, rueda de desaguado rotativa, tambor de desaguado, silos estáticos de desaguado, etc.

Sección de almacenamiento

La escoria granulada desaguada se transporta al almacenamiento. Se usan tanto silos como almacenamiento al aire libre.

La planta es normalmente instalación compacta apta para aplicaciones con espacio limitado. Granulación, desaguado y almacenamiento son físicamente independientes y pueden instalarse en ubicaciones separadas. Permite múltiples combinaciones.

Proceso de granulación de escoria en colada

Existen varios procesos. Los principales en operación son: sistema de granulación OCP (proceso de ciclo abierto), plantas de diseño ruso (Fig. 5), sistema RASA, y plantas de granulación INBA (Fig. 6).

El proceso comienza con separación de escoria líquida del HM. La escoria se lleva a la cámara de granulación por canaletas protegidas por revestimiento y arena. Contacto directo entre chorro de agua a presión y escoria líquida en la cámara. Por enfriamiento rápido e impacto de presión de agua, la escoria se granula en partículas vítreas tipo arena que forman mezcla slurry con agua. Esta mezcla se transporta a sección de desaguado.

El método más simple de desaguado es lecho filtrante de gravas. Este lecho se lava periódicamente con agua y aire para remover atascamiento por partículas pequeñas de escoria. Las instalaciones de desaguado de RASA tienen varios lechos filtrantes con capas de lecho de guijarros de diferente tamaño en el fondo. El equipo más popular es el tambor de desaguado rotativo de INBA. La mezcla de escoria granulada y agua se distribuye uniformemente a lo largo del tambor. Álabes axiales dentro elevan continuamente la escoria y la depositan en cinta transportadora sobre el distribuidor. La malla fina en el exterior retiene la escoria y deja filtrar el agua. La capa de escoria en el fondo crea efecto auto-filtrante.

Tras desaguado, humedad residual ~10-12 %. El agua desaguada se limpia, enfría y recicla. La escoria seca se transporta a almacenamiento para envío a clientes. Vapores de agua generados se emiten por chimenea normalmente de acero inoxidable.

Emisiones durante la granulación

La escoria de AH tiene ~1 % S, pudiendo llegar a 2 % según S del coque y carbón. Compuesto principal es sulfuro de calcio (CaS) y durante granulación se generan y emiten compuestos gaseosos de S: principalmente sulfuro de hidrógeno (H₂S) y dióxido de azufre (SO₂) según reacciones simplificadas: (i) CaS + H₂O = H₂S + CaO, (ii) CaS + ³/₂ O₂ = SO₂ + CaO. Estas ocurren principalmente a temperaturas >1.100 °C. Mientras la gota de escoria es líquida, CaS está disponible para alimentar la superficie escoria/vapor. El suministro de S a la superficie ocurre por flujo y difusión. Una vez la superficie se endurece (piel), la transferencia solo ocurre por difusión. Como el coeficiente de difusión en sólido es mucho menor que en líquidos, el suministro desde el líquido a la superficie se detiene. Solo el S contenido en la piel reacciona con el vapor. Como el vapor es producto de vapor H₂O y compuestos gaseosos de S (H₂S, SO₂) en contacto con agua de granulación circundante, los compuestos de S van a solución según presiones parciales. Condiciones como temperatura del agua, pH y solubilidad de H₂S y SO₂ definen cantidad de compuestos de S liberados por vapor y emitidos a atmósfera o ligados con CaO en el agua.

Beneficios de la granulación de escoria

• Convierte material de desecho en producto útil y valorado.
• Elimina vertido de escoria y todos sus inconvenientes.
• Costes de inversión y operación inferiores a los del vertido.
• Proceso fiable.
• Reduce mano de obra comparado con vertido.
• Proceso totalmente automatizable.
• Ahorra terreno necesario para vertido.
• Diseño compacto necesita solo área pequeña.
• Al instalarse junto a colada del AH, ayuda a la operación por flujo continuo de datos desde la planta de granulación.