Granulación de hierro líquido: Solución rentable para exceso de metal caliente

La granulación de hierro líquido es un método de manejo del exceso de producción de metal caliente en un alto horno (AH) que no puede ser consumido por la fabricación de acero en la acería de una planta siderúrgica integrada. Es un método rentable de producir un producto sólido conocido como hierro granulado (HG). El HG tiene buenas propiedades químicas y físicas como el arrabio y puede usarse como materia prima principal para la fabricación de acero.

Características del hierro granulado

El HG tiene una composición química idéntica al hierro líquido que se está granulando. No hay oxidación ni atrapamiento de escoria en el HG y hay un alto contenido metálico. La Figura 1 muestra algunas piezas de HG.

Figura 1: Hierro granulado

Una planta de HG se encarga de cualquier desajuste entre la producción en las instalaciones de fabricación de hierro y el requerimiento de hierro líquido en las instalaciones de fabricación de acero. Está posicionada logísticamente entre ambas instalaciones. El exceso de hierro líquido del AH se desvía a la planta de HG para la producción de HG. Esto elimina la reducción del volumen de aire caliente en el AH mientras se produce HG que puede usarse como materia prima interna como refrigerante en el convertidor BOF, o para venta externa para ser usado en cubilotes, hornos de inducción (HI) y hornos de arco eléctrico (HAE).

Las plantas de HG pueden construirse y operarse con capacidades que coincidan con las salidas del AH. Son alternativas a las máquinas de colada de arrabio (MCA) pero con capacidades considerablemente mayores. Las capacidades de incluso las MCA de doble hilo están limitadas debido al tiempo de solidificación del hierro líquido en los moldes de arrabio. Las MCA también requieren mantenimiento mecánico frecuente como consecuencia del diseño complejo. El HG tiene propiedades idénticas a las del arrabio pero con la ventaja adicional de que puede manipularse en sistemas de silos.

Proceso de granulación

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

• Control del flujo de hierro líquido al granulador
• Granulación mediante formación de gotas de hierro líquido y su enfriamiento rápido en agua
• Descarga de HG solidificado y enfriado normalmente por eyector aire-agua
• Desaguado del HG y transporte a ubicación de almacenamiento

Equipamiento y proceso de granulación

El equipamiento puede diseñarse para la granulación de grandes lotes de hierro líquido y a la tasa de producción de un AH. 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 solidificación del hierro líquido se transfiere al agua de refrigeración, que evacúa el calor del proceso.

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

Para la manipulación de cubas de hierro líquido en la planta de granulación, se utiliza una torreta de doble cuba, similar a la torreta usada en una máquina de colada continua. La torreta en combinación con una cuba intermedia (tundish) puede asegurar una operación secuencial suave en la planta de granulación sin ninguna discontinuidad entre cubas de hierro líquido.

Las cubas intermedias usadas para la granulación de hierro son cubas intermedias estándar de colada continua con modificaciones menores. Las cubas intermedias están equipadas con sistema de varilla obturadora o sistema de compuerta deslizante. Esto permite detener la granulación rápidamente en caso de un problema. Se puede usar un sistema estándar para controlar la tasa de granulación. La cuba intermedia y la boquilla normalmente se precalientan durante unos 20 a 30 minutos antes del inicio de 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 la corriente de hierro líquido en partículas más pequeñas y distribuirla uniformemente sobre la superficie del agua. La división de la corriente de hierro líquido no solo proporciona mayor área de superficie para un enfriamiento más rápido del hierro líquido, sino que también distribuye el hierro líquido sobre una mayor área de superficie en el granulador. Esto también ayuda a evitar la concentración de calor en menor volumen de agua y así permite un alto caudal de hierro líquido. El distribuidor de hierro líquido es un equipo crítico ya que debe soportar choques térmicos e impacto a largo plazo de la corriente de hierro líquido.

La superficie exterior de las gotas de hierro líquido se solidifica durante su trayectoria desde el distribuidor hasta la superficie del agua y antes de penetrar la superficie del agua. La parte interna restante de la gota semilíquida, ahora un granulo, se enfría bruscamente al golpear la superficie del agua e inicia su movimiento en el volumen de agua. En el momento del impacto de los granulos en el agua, se deforman ligeramente pero se evita que se dividan, evitando así la generación de finos.

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

Para una tasa de granulación de 100 ton/hr, la carga de calor generada que se transfiere del hierro líquido al agua de refrigeración está en el rango de alrededor de 8 M cal/segundo. El sistema de agua está diseñado para manejar esta magnitud de carga térmica. En el sistema de agua, el calor se distribuye al agua de manera que se asegure que la concentración de calor (calor/unidad de volumen) sea menor que la concentración crítica para explosiones de vapor.

El tanque de granulación contiene suficiente volumen de agua necesario para acomodar las gotas 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 HG enfriado del tanque. Los sistemas eyectores aire-agua se emplean normalmente para la descarga de hierro granulado enfriado.

El HG solidificado descargado se desagua y transporta por cinta transportadora al área de almacenamiento donde se almacena en una pila para envío.

El sistema de enfriamiento y manejo de agua está cuidadosamente equilibrado para asegurar que la gran cantidad de calor añadida por el hierro líquido sea removida por el agua de refrigeración. El sistema de agua es normalmente un sistema de agua de proceso de circuito cerrado. El flujo de agua de refrigeración en el tanque de granulación es contracorriente al movimiento del hierro líquido. Durante su flujo en el tanque granulado, el agua toma el calor del hierro líquido y se calienta. El agua caliente de proceso de retorno del tanque granulado se remueve y se envía de vuelta al sistema de manejo de agua. El agua de proceso de retorno caliente se enfría ya sea en una torre de enfriamiento o a través de intercambiadores de calor.

Las plantas de granulación de hierro líquido suelen ser completamente automatizadas, lo que permite la necesidad de solo poca mano de obra para ejecutar toda la operación. El tiempo de paso para la granulación de hierro es usualmente de alrededor de 30 a 40 segundos y tiene un rendimiento de proceso superior al 99 %. Esto es una buena mejora en comparación con los rendimientos más bajos obtenidos en las MCA.

Características importantes del proceso

• Corto tiempo de arranque para cumplir decisiones de último minuto de desvío de hierro líquido desde las instalaciones de fabricación de acero
• Tiempo de procesamiento rápido desde hierro líquido a HG enfriado
• Sin cambio en el análisis químico del hierro debido al enfriamiento rápido
• Más del 99 % de rendimiento del proceso
• Proceso robusto con alta disponibilidad y mantenimiento limitado por el uso de equipos estándar
• Fácil de operar
• Alta capacidad de producción igualando la salida del AH
• Producción de producto de hierro principal que no necesita procesamiento adicional
• Bajo impacto ambiental
• Disposición flexible y puede acomodarse en el espacio existente disponible
• Bajo costo operativo
• Costo de inversión razonable

Producto de hierro granulado

El HG tiene propiedades físicas y químicas consistentes. Combina el alto contenido metálico de la chatarra principal con los bajos contenidos residuales de fuentes de hierro virgen. Desde un punto de vista práctico, la alta densidad aparente y la forma física son adecuadas para una manipulación eficiente del material.

La composición química del HG es la misma que la del hierro líquido. Análisis típico: 4 % a 4,5 % de carbono, 0,5 % a 0,6 % de silicio, y alrededor de 95 % a 95,5 % de hierro. Elementos trampa (cobre, níquel, molibdeno y estaño) hasta un máximo de 0,05 %.

El HG tiene forma compacta y pequeña de una esfera aplanada que resulta en una alta densidad aparente de alrededor de 4 ton/m³. El tamaño del HG está en el rango de 8 mm a 25 mm. El HG tiene alto ángulo de reposo, lo que permite un transporte y almacenamiento efectivos.

Algunas de las características del HG se enumeran 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 añade a proceso metalúrgico
• Tiene carburo de hierro en la matriz, lo que es beneficioso para reemplazo de chatarra en operaciones de HAE
• Alta densidad aparente
• Inerte durante el envío y almacenamiento
• Tiene tamaño y forma que facilitan la manipulación con cinta transportadora, imán, cargador frontal, sistemas de silos y tolva de chatarra
• Tiene alta resistencia física y forma que elimina roturas durante la manipulación y reduce la generación de polvo
• No muestra comportamiento pirofórico y por tanto puede transportarse y manipularse sin preocupaciones de combustión. Es inerte durante el envío y almacenamiento

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