Optimización de Operaciones de Alto Horno con Pelotas de Mineral de Hierro

La pelletización es un proceso que implica mezclar partículas muy finamente molidas de finos de mineral de hierro de tamaño menor a 200 mallas con aditivos como bentonita y luego darles forma de grumos ovales/esféricos de 8-20 mm de diámetro mediante un pelletizador y endurecer las bolas por cocción con combustible. Es el proceso de convertir finos de mineral en "pelotas de mineral de hierro de tamaño uniforme" que pueden cargarse directamente en un alto horno. La Fig. 1 muestra pelotas de mineral de hierro.

Fig. 1 Pelotas de mineral de hierro

Procesos de Pelletización

Hay varios procesos/tecnologías de pelletización disponibles. Sin embargo, actualmente, el proceso de parrilla móvil rectilínea (STG) y el proceso de parrilla-horno (GK) son los más populares.

Propiedades Físicas de las Pelotas

• Tamaño: 8-20 mm
• pH (40 g/L, 20 °C; suspensión en agua): 5.0-8.0
• Punto de fusión: 1500-1600 °C
• Densidad aparente: 2.0-2.2 t/m³
• Índice de tumbler (+6.3 mm): 93-94%
• Índice de abrasión (-0.5 mm): 5-6%
• Resistencia a compresión (daN/p): ~250
• Porosidad: >18%

Análisis Químico

Componente	Grado AH (BF)	Grado DRI
Fe %	63-65.5	65-67.8
SiO2 + Al2O3 %	<5	<5
CaO + MgO %	Hasta 3	Hasta 0.10
P, máx %	0.05	0.05
S, máx %	0.01	0.01
Basicidad, mín %	0.5	—
Desintegración (-3.15 mm) %	2	—
Índice de hinchamiento %	13-18	—
Reducibilidad %	65	—

Normas ISO para Ensayos

Diferentes ensayos estándar ISO para pelotas se dan en Tabla 1.

Ensayo ISO	Valores de medición	Propósito
ISO 4700 / Resistencia a compresión	daN	Resistencia en frío de la pelota
ISO 3271 / Resistencia al tumbler	Fracciones +6.3 mm y -0.5 mm	Tendencia a la abrasión
ISO 13930 / Desintegración por reducción a baja temperatura	Fracciones +6.3, -3.15 y -0.5 mm	Tendencia a degradación a baja temperatura
ISO 4698 / Hinchamiento libre	Volumen %	Tendencia al hinchamiento
ISO 4695 / Reducibilidad	Tasa de reducción al 40% reducido	Reducibilidad
ISO 7992 / Reducción bajo carga	1. Tasa de reducción al 40% reducido	Reducibilidad, comportamiento ablandamiento/fusión
	2. Caída de presión al 80% reducido
	3. Contracción de cama al 80% reducido

La calidad de las pelotas está influenciada por la naturaleza del mineral o concentrado, ganga asociada, tipo y cantidad de fundentes añadidos. Estos factores resultan en variación de propiedades fisicoquímicas de las fases coexistentes y su distribución durante la induración. Por tanto, las propiedades se rigen en gran medida por la forma y grado de enlace logrado entre partículas de mineral y la estabilidad de estas fases de enlace durante la reducción de óxidos de hierro en el alto horno. Dado que la formación de fases y microestructura durante la induración depende del tipo y cantidad de fundentes, hay efecto de agentes fundentes en términos de relación CaO/SiO2 y contenido de MgO en la calidad de la pelota.

Historia del Uso en Alto Horno

La historia comenzó en 1912 cuando A.G. Andersson, sueco, inventó un método de pelletización. El uso comercial comenzó en EE. UU. tras la Segunda Guerra Mundial. Se realizaron estudios para desarrollar las vastas reservas de taconita en la zona de los Grandes Lagos. En 1943, el Dr. Davis, profesor en la Universidad de Minnesota, inventó un método para procesar taconita con mineral de bajo grado. Su proceso implicaba moler para remover gangas y mejorar el mineral (beneficiación). El mineral de alta resultante está en forma de partículas finas, tan pequeñas como 0.1 mm o menos, no aptas para sinterización. Esto llevó al desarrollo de pelletización de estas partículas finas. Las plantas de pelletización hoy juegan papel importante en era donde la reserva global de mineral de alta ley se reduce. Promueven la concentración de mineral de baja ley en pelotas mejoradas, usadas cada vez más por altos hornos y hornos de reducción directa.

La fabricación de hierro en EE. UU. se basó históricamente en gran medida en pelotas, principalmente porque todos los minerales locales necesitaban beneficiación (mejora) moliéndolos a partículas finas (<0.1 mm) y aglomerando en pelotas, pero también porque no se usan plantas de sinter por razones ambientales.

Las pelotas son ahora la mayor fuente única de hierro para altos hornos de Norteamérica. Constituyen ~70% de la carga. Inicialmente se producían y usaban pelotas ácidas (grados DRI).

A mediados de los 80, se realizaron ensayos de pelletización y alto horno para evaluar beneficios de pelotas fundidas con caliza-dolomita. Hacia finales de la década, las pelotas fundidas se establecieron firmemente como producto mayor, representando ~30% de la producción de Norteamérica.

La transición implicó muchos cambios en equipos (molinos de fundentes, quemadores de precalentamiento) y prácticas. Cada planta personalizó la química para cumplir con la operación del AH del cliente. Como resultado, hay plantas produciendo hasta cuatro grados. En Norteamérica, las pelotas cambiaron de commodity en los 70 a producto personalizado en los 90, cumpliendo especificaciones exigentes. Las pelotas fundidas son ahora equivalentes al mejor sinter en reducibilidad y propiedades de ablandamiento-fusión, y superiores en resistencia y desintegración a baja temperatura (LTD/RDI).

Ventajas de las Pelotas

Las pelotas pueden usarse como sustituto de sinter y mineral calibrado en la carga del AH debido a:

• Forma esférica y poros abiertos dan mejor permeabilidad uniforme, resultando en operación más suave. Tienen rango de tamaño uniforme generalmente 8-20 mm.
• Muy alta resistencia a compresión en frío, resultando en generación insignificante de finos en casa de carga.
• Alta porosidad (>18%) conduce a reducción más rápida.
• Alta resistencia (~250 daN/p) da buena resistencia a desintegración durante el descenso. Mejor índice de tumbler que mineral calibrado.
• Composición química uniforme comparada con mineral calibrado. Ausencia de LOI es otra ventaja.

El índice de hinchamiento es una propiedad metalúrgica importante. Indica cambio de volumen durante reducción. La expansión volumétrica resulta en menor resistencia a compresión. Hinchamiento alto dentro del horno causa aumento de volumen de la pelota, disminuyendo vacíos en la carga, impidiendo flujo de gas y resultando en caída de presión, causando colgamiento y deslizamiento. La adición de dolomita es favorable para mejorar la propiedad de hinchamiento. Hinchamiento máximo permitido: 16%-18%. Pelotas ácidas (DRI) y sin MgO exhiben mayor hinchamiento.

Las pelotas fundidas pueden producirse equivalentes al mejor sinter en reducibilidad y ablandamiento-fusión, y superiores en resistencia y LTD/RDI. Exhiben buena resistencia, mejor reducibilidad, hinchamiento y características de ablandamiento-fusión. Por estas propiedades, dan mejor desempeño en el AH.

Metálicos en la Carga del AH

Sinter, pelotas y minerales calibrados son los tres metálicos ferruginosos normalmente usados. Sus usos pueden variar de 0% a 100% con ajuste de parámetros del horno. Pueden usarse en cualquier combinación de dos o tres. No hay fórmula estándar para la elección. La elección depende de varios factores que varían de planta a planta:

• Disponibilidad del material metálico de especificación correcta
• Propiedades metalúrgicas: reducibilidad, propiedades de decrepitación térmica y ablandamiento
• Costo relativo del material metálico
• Efecto en costo general de producción de arrabio
• Posibilidad de ajuste de parámetros del horno: patrón de distribución, tasa de combustible, etc.
• Posibilidad de ajuste en parámetros de control de proceso
• Instalaciones disponibles en casa de carga del horno
• Disponibilidad de planta de sinter cautiva
• Tipo de mineral disponible en mina cautiva o área cercana
• Asuntos relacionados con operación suave sin colgamiento y deslizamiento
• Asuntos relacionados con medio ambiente

Las pelotas en el AH pueden usarse de 0% a 100%. No hay solución estándar para aumentar el contenido de pelotas. Cada ubicación y horno tendrá diferentes problemas que deben identificarse, analizarse y encontrar soluciones para llegar al máximo contenido de pelotas usable. El objetivo siempre debe ser operación sin problemas al menor costo posible de producción de arrabio.