Optimización de Operaciones en Alto Horno con Escoria de Alta Alúmina

Escoria de Alta Alúmina y Operación del Alto Horno

El proceso de alto horno (AH) para la producción de hierro es donde se producen hierro líquido (arrabio) y escoria líquida mediante la reducción de materiales ferrosos (sinter, pelotas y mineral en bruto) con coque y la fundición de la ganga de los materiales de carga. El proceso resulta de una serie de reacciones químicas en el AH. Los materiales de ganga y cenizas de coque se funden para formar escoria con los materiales fundentes. La separación de la escoria del arrabio ocurre en estado líquido. La escoria tiene menor punto de fusión y es más ligera que el arrabio. En el AH está a mayor temperatura que el arrabio. Una escoria de buena calidad es necesaria para un buen arrabio.

La escoria de AH contiene predominantemente sílice (SiO₂), alúmina (Al₂O₃), cal (CaO) y magnesia (MgO) junto con menores cantidades de FeO (óxido ferroso), MnO (óxido de manganeso), TiO₂ (dióxido de titanio), Na₂O (óxido de sodio), K₂O (óxido de potasio) y S (azufre). La composición de la escoria tiene gran influencia en sus características fisicoquímicas que afectan el rendimiento del AH. Las propiedades fisicoquímicas de las escorias líquidas determinan en gran medida el grado de desulfuración, operación suave del AH, manejo de escoria, consumo de coque, productividad del AH y calidad del arrabio.

Se producen cuatro tipos de escorias con composiciones distintas en diferentes zonas del AH debido a reacciones de reducción. Estas cuatro escorias —primaria, de bosh, de tobera y final— se generan respectivamente en la zona cohesiva, zona de goteo, zona de combustión (raceway) y hogar. Un buen desescoriado depende principalmente de la escoria final, que debe tener baja temperatura de liquidus y buena fluidez.

La fluidez de la escoria en el AH afecta el comportamiento de ablandamiento-fusión en la zona cohesiva, la permeabilidad en la parte baja por retención de líquido en la zona de goteo, el flujo líquido en el hogar y la capacidad de drenaje por la tobera. La fluidez depende de la temperatura y composición de la escoria, esta última influenciada por minerales de ganga del mineral y cenizas de coque y carbón pulverizado. La relación CaO/SiO₂ se ajusta normalmente a 1.2–1.3 con material auxiliar para mejorar fluidez y capacidad de desulfuración. La concentración de Al₂O₃ se considera factor que degrada la fluidez, límite semi-empírico superior ~18% (menor mejor) para evitar acumulación de hierro y escoria y deterioro de permeabilidad en la parte baja.

Si se usa mineral con alta Al₂O₃ extensivamente, la composición se desvía del sistema normal a nueva escoria con Al₂O₃ hasta 30%. Además, cambios recientes como aumento de inyección de carbón pulverizado (PCI) aumentaron la Al₂O₃. Esto causa transición del sistema silicato a alúminato. La escoria es un sistema de óxidos complejos cuyas propiedades dependen mucho de la composición. Varios estudios han determinado propiedades fisicoquímicas de escorias de AH, pero la mayoría en escorias con Al₂O₃ <20%.

Las propiedades que más afectan son: viscosidad, capacidad de sulfuro, capacidad de álcalis y temperatura de liquidus. Influyen enormemente en el proceso general. Escoria de baja Al₂O₃ (<15%) tiene baja viscosidad, alta capacidad de sulfuro, baja temperatura de liquidus y menor volumen que escoria de alta Al₂O₃. Escoria de alta Al₂O₃ (>15%) se debe a alta relación Al₂O₃/SiO₂ en mineral/sinter y alto contenido de cenizas en coque. Estas escorias son altamente viscosas.

En la producción de hierro en AH, la viscosidad de la escoria es propiedad física crucial que influye en la operación de muchas formas. La viscosidad es propiedad de transporte que se relaciona con cinética de reacción y grado de reducción de la escoria final. También determina la eficiencia de separación escoria-metal, y por tanto el rendimiento metálico y capacidad de eliminación de impurezas. En operación, la viscosidad indica la facilidad de desescoriado, relacionándose con requerimiento energético y rentabilidad.

La viscosidad afecta permeabilidad al gas, transferencia de calor y reducción de SiO₂, FeO, etc. Es deseable buscar sistemas de escoria con buena fluidez incluso a bajas temperaturas. Hay datos de viscosidad de escorias de AH, pero la mayoría para escorias de baja Al₂O₃ (10–15%). Además, estos datos representan escorias con alta relación CaO/SiO₂, grandes cantidades de aditivos como FeO, TiO₂, Fe₂O₃, no tan comunes en escoria final de AH.

El contenido de Al₂O₃ en la escoria depende principalmente del Al₂O₃ de los materiales de entrada, sobre todo mineral de hierro. Si el mineral tiene Al₂O₃ <1%, la escoria apenas supera 10%. Pero con mineral de 2% Al₂O₃ o más, la escoria alcanza 20%+. Operar AH con tal escoria es difícil y requiere habilidades distintas: con el aumento de Al₂O₃ hay problemas como acumulación excesiva de escoria líquida en el hogar y aumento de caída de presión en la parte baja. Es importante mantener Al₂O₃ en límite que asegure buena fluidez para buena permeabilidad y drenaje.

La viscosidad depende de composición y temperatura. Baja viscosidad no solo gobierna tasas de reacción por efecto en transporte de iones en la escoria líquida hacia/desde la interfaz escoria/metal, sino que asegura operación suave. Tanto el aumento de óxidos básicos como el de temperatura sobre la temperatura de liquidus disminuyen la viscosidad. En el sistema CaO-MgO-SiO₂-Al₂O₃, Al₂O₃ y SiO₂ no son equivalentes en base molar en su efecto, aunque ambos aumentan la viscosidad. El efecto de Al₂O₃ depende del contenido de cal: el ion Al³⁺ puede reemplazar Si⁴⁺ en la red silicato solo si se asocia con Ca²⁺ para preservar neutralidad eléctrica.

Se espera que el AH produzca arrabio con S ~0.05% o menos. Por eso interesa conocer la capacidad desulfurizante de la escoria o relación de partición S entre arrabio y escoria. Se ha mostrado que la partición S alcanza equilibrio en AH para escorias con Al₂O₃ ~15% o menos. Estas escorias tienen temperaturas de liquidus menores que la del horno y baja viscosidad, condiciones favorables para el equilibrio.

Para evaluar sistemáticamente los efectos de la concentración de Al₂O₃ en la escoria sobre la operación del AH, enfocado en drenaje de escoria en cada zona y permeabilidad en la parte baja, desde el punto de vista de fluidez, se realizó un experimento de operación con escoria de alta Al₂O₃ (20% Al₂O₃) en AH experimental (Fig 1) en Japón.

Fig 1 Vista transversal de alto horno experimental

Algunas observaciones se muestran gráficamente en Fig 2. Resumen de resultados:

• El drenaje de escoria en el hogar es fenómeno de fluidización dominado por viscosidad. La tasa de drenaje disminuye al aumentar la viscosidad. Para mantener drenaje con alta Al₂O₃, aumentar MgO en la escoria es efectivo. Los efectos de la temperatura de cristalización en la tasa de drenaje son relativamente pequeños comparados con los de viscosidad.
• La caída de presión en la zona de goteo aumenta con la concentración de Al₂O₃. Incluso aumentando CaO/SiO₂, la caída de presión aumenta. Es causada principalmente por efecto de mojabilidad por retención estática de escoria, y poco por viscosidad de escoria goteante y temperatura de cristalización. En escoria de alta Al₂O₃, para suprimir el aumento de caída de presión, es efectivo reducir la retención disminuyendo CaO/SiO₂.
• La resistencia permeable en la zona cohesiva está sujeta a concentración de Al₂O₃ por el índice de resistencia permeable del mineral sinterizado a alta temperatura. Aumenta con Al₂O₃ en el mineral. El aumento puede suprimirse aumentando MgO en el mineral. De lo anterior, en operación con escoria de alta Al₂O₃, los efectos de fluidez en cada zona se han evaluado sistemáticamente. Para mantener drenaje y permeabilidad, el diseño de escoria que aumenta MgO y disminuye CaO/SiO₂ es efectivo.

Fig 2 Propiedades de la escoria influyendo operaciones del AH

Efecto de alta alúmina en la escoria

El alto contenido de Al₂O₃ en escoria de AH tiene muchos efectos adversos. El aumento de Al₂O₃ en el mineral no solo afecta la resistencia del sinter, sino también sus características a alta temperatura en la zona cohesiva. La concentración de Al₂O₃ degrada la fluidez y aumenta la temperatura de liquidus. Efectos:

• Escoria de alta Al₂O₃ tiene alta viscosidad a basicidad constante (CaO/SiO₂). Sin embargo, al aumentar óxidos básicos y temperatura sobre liquidus, la viscosidad disminuye algo.
• La viscosidad depende básicamente de composición química y temperatura. Es variable de proceso importante. Es propiedad de transporte que se relaciona con cinética y grado de reducción. Baja viscosidad gobierna tasas de reacción por efecto en transporte de iones en escoria líquida hacia/desde interfaz escoria/metal. Determina eficiencia separación escoria-metal, rendimiento metálico y capacidad eliminación impurezas. Asegura operación suave.
• En operación AH, el drenaje en el hogar es fenómeno de fluidización dominado por viscosidad. La tasa de drenaje disminuye al aumentar viscosidad.
• Escoria de alta Al₂O₃ tiene mayor tendencia a reducción de silicio (Si) y tendencia a aumentar Si en arrabio. Puede ser por aumento de concentración de equilibrio de Si o por no alcanzar equilibrio.
• El contenido de S en arrabio tiende a aumentar con Al₂O₃ en escoria. La escoria de alta Al₂O₃ contribuye a desulfuración menos eficiente. No solo el equilibrio de distribución S entre metal y escoria se ve afectado adversamente, sino que la tasa de alcanzar tal distribución es marcadamente más lenta. Hay captación más lenta de S por escoria de alta Al₂O₃ ya que el equilibrio no se alcanza en el AH.
• La caída de presión en zona de goteo aumenta con Al₂O₃. Incluso aumentando CaO/SiO₂, la caída aumenta. Causada por efecto de mojabilidad por retención estática, poco por viscosidad y temperatura de cristalización. La resistencia permeable en zona cohesiva aumenta con Al₂O₃ en escoria.

Contramedidas para diluir efecto de alta alúmina

El efecto deteriorante de alta Al₂O₃ se compensa aumentando MgO. La concentración de Al₂O₃ se establece semi-empíricamente en muchos países en límite superior ~16% para evitar acumulación de hierro y escoria y deterioro de permeabilidad en parte baja.

El aumento de resistencia permeable en zona cohesiva puede suprimirse aumentando MgO en la carga. Efectos físicos de MgO aumentado son opuestos a los de Al₂O₃. MgO ayuda a mantener buen drenaje del hogar durante desescoriado. Al aumentar MgO en escoria de alta Al₂O₃, el contenido de S en arrabio mejora para un rango dado de Si, probablemente por mayor fluidez de escoria alta en MgO. Escoria alta en MgO es ventajosa para control de S y Si. Disminuir basicidad también ayuda. Para compensar efecto deteriorante de operación con escoria alta Al₂O₃, las medidas importantes son:

• Dado que el aumento de MgO en escoria mejora tasa de drenaje del hogar en operación con alta Al₂O₃, el MgO en escoria debe mantenerse por encima del nivel mínimo. Mayor MgO también mejora permeabilidad en zona cohesiva.
• Para suprimir aumento de caída de presión en zona de goteo, es importante disminuir retención de escoria reduciendo CaO/SiO₂. Permeabilidad de zona de goteo mejora disminuyendo CaO/SiO₂ en escoria a ~1%.
• Otro método para reducir efecto de alta Al₂O₃ es diluir su nivel en escoria a concentraciones menores añadiendo materiales formadores de escoria extra en la carga. Pero esto resulta en mayor volumen de escoria y mayores tasas de fundente y coque y menor productividad. Solo como remedio ocasional.