Estudio para la recuperación de las inclusiones metálicas contenidas en las escorias de las acerías.

Autores: Inv. Agregado. Manuel de la Fuente Fernández
Msc. Emilio Leyva Ramírez.
Msc. Jesús E. Rodríguez García.

Centro de Investigaciones Siderúrgicas.
Holguín, Cuba.

Resumen.

En el presente trabajo se muestran los resultados alcanzados en el estudio para la recuperación de las inclusiones metálicas contenidas en las escorias negras de la producción de acero. En el desarrollo de la investigación se utilizó el laboratorio tecnológico de dicho centro, donde fue posible con la utilización del equipamiento necesario para el estudio propuesto alcanzar los objetivos planteados, quedando demostrado que por medio del proceso combinado trituración ­ separación magnética es posible lograr la separación de las inclusiones metálicas contenidas en las escorias generadas en la producción de acero, así como, la determinación de la malla de liberación optima para la clasificación y separación del metal. Se recomienda además, posibles usos para el producto no magnético lo cual podría convertir un desecho industrial no degradadle en un producto totalmente aprovechable en diferentes sectores industriales.

Introducción.

La principal materia prima empleada para la fabricación de acero en horno eléctrico es la chatarra de hierro dulce o acero. Como elementos de adición auxiliares se cargan también en los hornos eléctricos pequeñas cantidades de fundición, de mineral de hierro y de ferroaleaciones.
La utilización de los residuos provenientes de los procesos metalúrgicos posibilita la conservación de un gran volumen de recursos naturales al mismo tiempo que permite ahorros considerables de energía que serían necesarias para su extracción. Además ayuda a preservar el medio ambiente, ya que permite reducir el vertido de residuos, que, en general causan la degradación de grandes áreas.
Por lo antes expuesto y teniendo en cuenta que en el sector siderúrgico se genera una serie de residuos procedentes del proceso se expone la siguiente situación problémica: La producción de acero en nuestro país genera grandes cantidades de escorias las cuales se acumulan en depósitos habilitados al efecto alcanzando en la actualidad acumulaciones de miles de toneladas de un desecho industrial no degradable el cual deteriora el medio ambiente, no siendo aprovechado el hierro contenido en las mismas, tanto en forma metálica como en forma de oxido, el cual constituye una importante reserva de un material que puede ser utilizado como sustituto parcial de la chatarra de acero a la vez que se reduce su influencia negativa en el entorno.
Desarrollar nuevas tecnologías que permitan dar un uso racional a las escorias constituyentes de residuos industriales se impone como una necesidad para el sector siderúrgico cubano por lo que el problema científico a resolver con este trabajo es: La determinación de la malla de liberación para la recuperación de las inclusiones metálicas contenida en las escorias de acería.
El objeto de estudio del presente trabajo lo constituyen: El beneficio de las escorias negras de la acería José Martí.
Para el desarrollo del presente trabajo se plantea la siguiente hipótesis: Si se logra determinar la malla de liberación para la recuperación de las inclusiones metálicas contenidas en las escorias negras de la acería José Martí, sería posible implantar una tecnología para la utilización de este material en sustitución de la chatarra de acero.
Para dar solución al problema planteado se propone el siguiente objetivo: Recuperar las inclusiones metálicas contenidas en las escorias negras de la acería José Martí.
Del objetivo propuesto para el desarrollo del trabajo se derivan los siguientes objetivos específicos: Separar las inclusiones metálicas contenidas en las escoria negras. Definir la malla de liberación del metal contenido en las escorias negras. Precisar los parámetros tecnológicos de los equipos para el beneficio de las escorias. Por lo antes expuesto y para dar cumplimiento al objetivo propuesto se obtiene el campo de acción de nuestro estudio: Dado por los procesos de preparación mecánica y separación magnética de las escorias negras generadas en la producción de acero de la acería José Martí.
Finalmente se hace referencia a las conclusiones que arribamos a partir del resultado de los ensayos realizados y se recomiendan nuevas líneas de trabajo a desarrollar para dar continuidad a la investigación realizada.

Desarrollo.

Proceso de formación de escoria negra:
Estos procesos transcurren en el tiempo. Con determinada velocidad se produce la oxidación de las impurezas de la carga (del silicio, manganeso, fósforo, etc.) y la formación de sus respectivos óxidos; son prolongados los procesos de calentamiento y de fusión de los pedazos de mineral de hierro y de cal cargados en la instalación; a los procesos de fusión les preceden los de la descomposición de los carbonatos e hidratos, los cuales constituyen con frecuencia los materiales escorificantes, etc. El consumo de estos materiales se calcula tomando en consideración la composición de los materiales de carga, la de las propias adiciones escorificantes y de aquella escoria que se quiere obtener durante el proceso de la formación de la escoria. Si la atmósfera en la instalación es oxidante la fundición del acero va acompañada de los procesos de oxidación del hierro y de sus impurezas. Con objeto de realizar diversas operaciones tecnológicas en las instalaciones para fundir el acero se introducen diferentes adiciones (fundentes). Los compuestos formados con ello son más ligeros que el acero, suben a la superficie y forman por encima del baño metálico una capa de escoria.
Durante la fundición y la colada el metal líquido se encuentra en contacto continuo con la escoria e interacciona con ella. La composición de la escoria, su temperatura, la fluidez y otros parámetros ejercen una influencia decisiva en el proceso de la fundición y en la calidad del metal, la tarea principal del fundidor del acero consiste en eliminar del metal las impurezas nocivas (por lo común, son el azufre y el fósforo). Este problema se resuelve haciendo pasar estas impurezas indeseables a la escoria y creando las condiciones que impiden su paso inverso de la escoria al metal. Cambiando la composición de al escoria, sus propiedades y la temperatura también se puede aumentar o disminuir el contenido de Mn, Cr, Si y otras impurezas en el metal. Por eso, con objeto de fabricar el acero de calidad, el fundidor, ante todo tiene que obtener la escoria de composición necesaria y de consistencia requerida.

Principales propiedades químicas y físicas de las escorias negras.
Entre las principales propiedades químicas de las escorias sobresalen la basicidad y el poder oxidante.
La basicidad de la escoria es la relación que existe entre la cantidad de óxidos básicos y ácidos que forman la escoria. Se determina por la relación entre las concentraciones de los óxidos ácidos y básicos y caracteriza la capacidad de la escoria de absorber y de retener, solidamente, las impurezas de metal (fósforo, azufre y otros).
Viscosidad de la escoria: Es la propiedad física más importante de la escoria, ya que los procesos de difusión con aumento de la viscosidad, se reducen bruscamente. La viscosidad depende de la fuerza de fricción interna y de la energía de interacción entre las partículas de escoria. Estas características se determinan por la composición y la temperatura del metal líquido.

Caracterización química de la escoria negra objeto de estudio.
El análisis químico a la escoria negra para nuestro estudio lo dividimos en tres partes, teniendo en cuenta que dentro de la misma se presentaban dos tipos de escoria una del período de oxidación y una del período de reducción, en la tabla No. 2 se muestran los resultados obtenidos.

Tabla No.2. Composición química de la muestra inicial.
Elemento Fe total (%) FeO (%)
Muestra inicial 23,49 30,06
Escoria Blanda 24,32 30,64
Escoria Dura 31,71 39,95

Como se puede observar en la tabla el contenido de FeO en la escoria dura, o sea la generada en el período de afino es más alto, lo cual está dado en que parte del hierro oxidado en el período de oxidación no se redujo completamente pasando a la escoria en forma de oxido, mientras que en el caso de la muestra inicial el contenido de FeO es menor influenciado por la unión de las dos escorias lo que provoca un descenso en la ley del Fe de la muestra inicial.

Materiales y métodos.

Selección y toma de la muestra.
La muestra objeto de estudio fue tomada en el depósito habilitado al efecto en la acería José Martí, la toma de la muestra se realizó de forma aleatoria formando un compósito de 0,5 t la cual fue trasladada hasta el Centro de Investigaciones Siderúrgicas de Nicaro para su posterior estudio.
En la toma de la muestra se pudo apreciar visualmente que las dimensiones de los trozos oscilaban desde 5 a más de 100 mm, encontrándose la escoria en dos formas una esponjosa con abundantes incrustaciones metálicas y otra más oscura de textura sólida y más pesada, en este caso resulta muy interesante resaltar que no se observan incrustaciones de metal.

La separación magnética se realizo bajo un régimen de intensidad de campo magnético permanente de 64 kA/m, Las muestras a separar se hicieron llegar al interior del separador de forma suave y uniforme, trabajando con velocidades de 28, 43 y 80 rpm respectivamente, el objetivo de las bajas velocidades está dado en lograr una mayor superficie de contacto entre el material y el tambor del separador aumentando el tiempo de contacto entre los mismos.
Para los ensayos de trituración se utilizó la trituradora de mandíbula con suspensión superior de la mandíbula y biela vertical. En la misma se trituró la muestra a diferentes granulometrías y abertura de las mandíbulas de 16 y 10 mm, con el objetivo de lograr la malla de liberación para las inclusiones metálicas existentes en la muestra.

Metodología.

Diseño Experimental:
Para la realización de los ensayos se realizó un diseño de experimento, la metodología que se siguió para realizar los experimentos fue la de factorial completo por lo que el número de pruebas a realizar se determinaron según la fórmula:

Donde:
N- es el número de experimentos.
n- es el número de niveles.
q- es el número de factores.
Para nuestro caso tomamos tres niveles y el número de factores se determina de acuerdo a las variables las cuales se van a estudiar su comportamiento; ellas son la velocidad de rotación (rpm) y la granulometría del material luego de la trituración primaria (para 16 y 10mm de abertura de la trituradora), por lo que son 32=9 el número de pruebas a realizar.
Primeramente decidimos trabajar con las 3 granulometrías más gruesas obtenidas mediante la trituración con 16 mm de abertura de la trituradora (+6,+13,+25mm), tal y como se muestra en la siguiente tabla:

Tabla No.3. Niveles mínimos, medios y máximos a analizar en el experimento para las fracciones granulométricas superiores (trituración a 16 mm de abertura):

Variable Nivel Mínimo Nivel medio Nivel máximo
X1 (velocidad de rotación, (rpm) 28 43 80
X2 (Granulometría) +6 +13 +25

Las fotos se pueden ver en la revista impresa, o en el PDF de la revista en http://www.metalspain.com/fundidores-gifa2.htm

Por lo que la matriz experimental quedaría de la siguiente manera:

No de Experimento Velocidad del tambor (rpm/min) Clase Granulométrica
(mm)
1 28 -13+6
2 28 +25
3 80 +25
4 43 +25
5 43 -13+6
6 80 -13+6
7 28 -25+13
8 80 -25+13
9 43 -25+13

De igual forma se diseñó la experimentación para las granulometrías inferiores (+0,+1+3 mm) para el material obtenido a partir de la trituración con una abertura de la mandíbula de 16 mm.
Tabla No.4. Niveles mínimos, medios y máximos a analizar en el experimento para las fracciones granulométricas superiores (trituración a 16 mm de abertura):

Variable Nivel Mínimo Nivel medio Nivel máximo
X1 (velocidad de rotación, (rpm) 28 43 80
X2 (Granulometría) +3-6 +1-3 -1+0

Por lo que la matriz experimental queda de la siguiente manera:
No. de Experimento Velocidad del tambor (rpm) Clase Granulométrica (mm)
1 28 -1+0
2 28 -6+3
3 80 -6+3
4 43 -6+3
5 43 -1+0
6 80 -1+0
7 28 -3+1
8 80 -3+1
9 43 -3+1

Métodos de muestreo: La preparación de las muestras corresponde a una etapa muy importante para el control metalúrgico como para los estudios a escala de laboratorio o piloto. De los métodos y precauciones que aquí se tomen dependerá la confiabilidad y exactitud de los datos obtenidos. En la preparación de muestras se emplean comúnmente dos métodos roleo y cuarteo, el roleo consiste en la homogenización de la muestra y el cuarteo es una operación que consiste en llegar a obtener una porción de muestra pequeña, representativa del total de la muestra inicial.
Método de Cribado: El cribado es un procedimiento de separación de los minerales áridos por clases de grosor mediante el tamizado de los mismos en una o varias cribas, o tamices. Las partes fundamentales de los aparatos para el cribado (cribas) es la superficie de trabajo fabricada en forma de una red de alambre (tela metálica) de hojas perforadas de acero. La clasificación por grosor en las cribas transcurre durante el movimiento relativo del material y de la superficie de trabajo de aquellas.
Como resultado se obtienen dos productos, los que pasaron a través de la criba (material obtenido) y los que se quedaron encima de la criba (material retenido).
Durante el cribado se generan diferentes tipos de granos:
Granos fáciles: son aquellos cuyos diámetros son menores que tres cuartos del diámetro de los agujeros del tamiz, pasan fácilmente entre los granos gruesos del material sobre el tamiz.
Granos difíciles: son aquellos que son más gruesos de tres cuartos del de los agujeros del tamiz, pasan con trabajo entre los espacios entre los granos gruesos del material sobre el tamiz, esta dificultad de paso crece progresivamente a medida que se aproxima el diámetro de los agujeros del tamiz.
Granos entorpecedores: son aquellos próximos a la magnitud de los agujeros del tamiz, pero más grandes, que se atascan fácilmente en los agujeros y ciegan el tamiz.
En nuestro caso el cribado básico se realizó sobre la base del siguiente esquema.
Esquema de trituración Básico.

Trituración a 16 mm

Cribado

Escoria metal + 25 mm

Trituración 16 mm

Homogenización y cuarteo

Análisis Muestra
Granulométrico para la Investigación

Análisis químico

Análisis de los resultados.

A la muestra extraída para nuestro estudio se le realizo un análisis de tamices para determinar su distribución granular. En la tabla No. 4 se muestra la composición granulométrica de la escoria negra de la acería José Martí. Como se puede observar el 80,04 % de las fracciones se encuentran por encima de 100 mm mientras que el 99,93 % se encuentra por encima de 2,0 mm.

Tabla No. 4. Composición granulométrica de la muestra Inicial.
Malla (mm) Peso (Kg) % en Peso % acumulado
100,00 384,50 80,04 80,04
35,00 82,28 17,13 97,16
13,00 6,21 1,29 98,46
6,70 2,00 0,42 98,87
5,00 0,35 0,07 98,95
3,36 1,05 0,22 99,17
2,00 3,67 0,76 99,93
0,80 0,33 0,07 100,00
0,40 0,00 0,00 100,00
0,20 0,00 0,00 100,00
0,10 0,00 0,00 100,00
0,01 0,00 0,00 100,00
total 480,40 100

A la muestra objeto de estudio inicialmente se le realizó una trituración a 16 mm, la muestra fue cuarteada tomando un cuarto para análisis químico y granulométrico y el resto para dar continuidad al estudio. Estos resultados se extrapolaron al gráfico de características tipo de grosor de los productos quebrantados en trituradoras de mandíbulas dados por Razumov, A. K, 1982, los mismos están reflejados en el siguiente gráfico.

Característica de grosor de los productos triturados.


Como se puede observar la curva correspondiente a la muestra estudiada está por encima de la curva de dureza por lo que la escoria negra de la acería José Martí se comporta como un material de alta dureza, esto indica que la resistencia a la rotura de las escorias es elevada, además el producto fragmentado poseerá un diámetro superior a la abertura de la boca de salida de la trituradora, en este caso el d=16 mm. Como resultado de la alta dureza de la escoria podemos observar que por el tamiz de + 25 mm se encuentra un retenido de 39,81 % del producto triturado.

Estudio de trituración y caracterización por fracciones.
Con el objetivo de recuperar las inclusiones metálicas presentes en la escoria, las diferentes granulometrías obtenidas en la trituración inicial a 16 mm fueron sometidas a un proceso de separación magnética en un separador vía seca con una intensidad de campo de 64 kA/m y velocidades de 80, 43 y 28 rpm respectivamente, en todos los casos se trabajó bajo las mismas condiciones. En el gráfico No. 1 se muestran los resultados de la separación magnética de las diferentes fracciones producto de la trituración básica triturada a 16 mm.

Gráfico No.1 Recuperación global de la trituración a 16 mm.

como se puede observar los mayores valores de recuperación se encuentran en las fracciones entre ­1 y +1 mm pero en este caso el hierro se encuentra en forma de oxido con una alta susceptibilidad magnética por lo que estas fracciones pueden ser cargadas al horno teniendo en cuenta, que la misma puede ser considerada como un mineral de alta ley en Fe y que en la actualidad en la acería José martí se carga la escarpa como componente de la carga en sustitución parcial de la chatarra.
Debemos señalar que para la trituración básica la maya de liberación de las inclusiones metálicas se encuentra entre 3 y 6 mm donde se alcanzan valores de 17,64 y 10,57 % respectivamente.

Diapositiva No. 1. Liberación metálica fracción + 25 mm.

Diapositiva No. 2. Fracción magnética, fracción + 6 mm.

Diapositiva No. 3. Fracción magnética, fracción + 3 mm.

Teniendo en cuenta que posterior a la separación magnética, en las fracciones gruesas + 13, + 6 mm se podía apreciar abundantes incrustaciones metálicas, se realizó una trituración a 10 mm de abertura de la trituradora a estas fracciones.
En el gráfico No. 2 se muestran los resultados de la separación magnética de la fracción + 13 mm, en el mismo se muestran los valores obtenidos en la separación magnética de las diferentes fracciones producto de la trituración.

Separación magnética fracción + 13 mm triturada a 10 mm.

Como se puede observar en el gráfico se mantienen los mayores valores de recuperación en las fracciones finas con valores de 10,75 y 17,83 % respectivamente mientras que en la fracción + 3 mm se mantienen los mayores contenidos de recuperación metálica los cuales se encuentran en 7,35 %. Como se puede apreciar los valores de recuperación van decreciendo lo que es evidente ya que a la muestra se le realizó una separación básica, siendo significativo destacar que aun en la separación de limpieza los valores se mantienen representativos representados en la fracción + 3 mm por 7,35 %.
En el gráfico No. 3 se muestran los resultados de la separación magnética de la fracción + 6 mm, al igual que el caso anterior se muestran los valores obtenidos en la separación magnética de las diferentes fracciones producto de la trituración.

Gráfico No. 3 Separación magnética fracción + 6 mm triturada a 10 mm.

En el gráfico se aprecia que los mayores valores de recuperación se encuentran en las fracciones finas con valores de 11,83 y 21,52 % respectivamente, en este caso el hierro se sigue manifestando en forma de oxido, mientras que en la fracción + 3 mm se mantienen los mayores contenidos de recuperación metálica los cuales se encuentran en 2,18 %. Como se puede estimar los valores de recuperación en la fracción + 3 mm decrece con respecto al fracción + 13 mm y aumenta para las fracciones finas +1 y ­ 1 mm, lo que esta dado por la generación de finos en las diferentes trituraciones lo cual ha ido incrementando el contenido de este con la consiguiente liberación del hierro en forma de oxido.
Teniendo en cuenta que posterior a la trituración básica, la cual se realizó a 16 mm de abertura de la mandíbula de la trituradora se obtuvo inclusiones metálicas mayores de 25 mm, podemos definir que para escorias de acería el esquema de beneficio general para la extracción de las inclusiones metálicas de estas escorias es el mostrado a continuación.

Esquema de trituración y cribado.

conclusiones.

1. Se demostró que es posible mediante un proceso combinado trituración - separación magnética separar las inclusiones metálicas contenidas en las escorias negras generadas en la producción de acero.
2. La malla de liberación óptima para la separación del metal de las escorias negras se encuentra entre -6 y + 3 mm.
3. La abertura óptima de la trituradora para la trituración primaria es de 16 mm, mientras que para la trituración secundaria es de 10 mm, trabajando con intensidad de campo en el separador magnético de 64 kA/m y velocidad del tambor de 28 rpm.
4. Las escorias negras almacenadas en los depósitos de la acería José Martí, constituyen un desecho industrial reutilizable como sustituto de la chatarra de acero y materia prima para la construcción de carreteras, cementeras, hormigones, etc.

Las fotos se pueden ver en la revista impresa, o en el PDF de la revista en http://www.metalspain.com/fundidores-gifa2.htm