Producción de ferromanganeso en horno de cuba

Producción de FeMn horno de cuba
 Contenido
 Introducción
 Producción de FeMn en altos hornos
 Materias primas
 Altos hornos
 Otros hornos de cuba
 Comparación con hornos de arco sumergido
 Conclusiones
2

Introducción
 Analizar la posibilidad de producir 5 t/día de
FeMn alto C en horno de cuba
 Trabajos presentados en congresos o publicados en
revistas
 Consultas a especialistas internacionales
 Consultas a proveedores de equipamiento
3

Producción de FeMn en altos hornos
 FeMn alto C: en el mundo, 5 millones de toneladas por
año
 De eso, 3,5 millones de toneladas en Asia
 2,5 millones de toneladas en China
 En China hay 600 productores, incluyendo los de SiMn
 Gran exceso de capacidad instalada
 Vía alto horno: China, Rusia, Ucrania, Polonia, Japón
 En el resto del mundo los altos hornos cerraron al fin de
la segunda guerra mundial
4

Producción de FeMn en altos hornos
5
 Entre las razones para el abandono de los altos hornos está:
 El alto consumo de coque
 Este a su vez implica el alto consumo de fundentes y el gran volumen de escoria
 Baja flexibilidad frente a cambios en el mercado
 Corta vida de los refractarios
 Dificultades para el tratamiento del gas de tope
 La posibilidad de producir FeSiMn en los hornos de arco sumergido, a partir de las
escorias provenientes de la producción de FeMn alto C
 China y Rusia tienen minerales de baja ley, y alto tenor de finos que se
procesan con más facilidad en los altos hornos
 El alto horno de Japón es el fruto de una decisión tomada después de la
segunda crisis del petróleo, ligada a los altos precios de la energía eléctrica
 Al continuar con altos hornos, desarrollaron tecnologías para mejorar los
consumos específicos

Materias primas
6
 Minerales
 Los altos hornos pueden admitir mineral de hasta 28%
Mn
 Se basan en óxidos de manganeso (MnO2, Mn2O3,
Mn3O4), acompañados de óxido de hierro, sílice, etc.
 También se han usado carbonatos, al menos en China y
Rusia
 Mejor mineral: Brasil, Gabón, Australia y Rusia
 Mina Azul, Carajás

Materias primas
7
 Minerales
 Relación Mn/Fe (mayor que 7,5:1) ya que todo el
hierro presente pasa al FeMn
 Tenor de fósforo (en el alto horno no se puede bajar el
fósforo) 0,19% máximo
 Especificación típica
Mn (%) Fe (%) Al2O3 (%) Al2O3+SiO2
(%)
As (%) P (%) Cu+Pb+Zn
(%)
48 mín. 6 máx. 7 máx. 11 máx. 0,18 máx. 0,19 máx. 0,30 máx.

Mina do Azul, Carajás, Pará, Brasil
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Mn (%) Fe (%) Al2O3 (%) Al2O3+SiO2 (%) As (%) P (%) Cu+Pb+Zn (%)
48 mín. 6 máx. 7 máx. 11 máx. 0,18 máx. 0,19 máx. 0,30 máx.

Mina do Azul, Carajás, Pará, Brasil
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 Lavado, separación granulométrica, molienda
 Mineral granulado y finos para sinter

Sinter
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 Aglomeración vía planta de sinter: tanto para la vía
alto horno o horno de arco sumergido, sobre todo
cuando el mineral tiene muchos finos
 Plantas de sinter estáticas (como la que tenía Aceros
Zapla) o continuas (como la que tiene Siderar)
 Se aglomera con fundentes a alta temperatura (900
oC)
 El aporte de energía se hace con finos de coque
 Hay un retorno de finos del 25%
 También es útil para calcinar la cal y dolomita
(eliminando un factor de consumo de coque en el alto
horno)

Sinter
11
 Proporción en la carga del alto horno, para
algunas plantas chinas
 Evolución de índices con la adición de sinter
Planta Xinyu Saoxin Yangkuan Bayi Guilin Xinyang Langfang Wujing Promedi
o
Sinter % 66,1 7,8 39,2 48,7 63,1 34,5 41,2 31,2 40,5
Sinter (%) 60 70 80 90 100
Coque (kg/t) 2196 2145 2083 2075 2064
Fundentes (kg/t) 1158 978 604 526 355
Escoria (kg/t) 2684 2631 2484 2473 2465
Productividad
(t/m3.día)
0,465 0,492 0,509 0,514 0,537

Reductores
12
 Coque producido a partir de carbnes coquizables,
en baterías con recuperación de subproductos o en
baterías non-recovery o heat-recovery
 Tamaño y propiedades semejantes a los del coque
de alto horno
 Menos flexibilidad que los hornos de arco
sumergido, que tienen menos altura y donde se ha
usado parcialmente carbón vegetal y piedras de
carbón residual e petróleo

Reductores
13
 Por ejemplo, en dos proyectos realizados en Brasil
de modificación de mini altos hornos a carbón
vegetal para la producción de FeMn, se previó
pasarlos a coque
 Companhia Paulista de Ferroligas, 1 alto horno, hace
varios años, no concretado
 Otra empresa, 2 altos hornos, reciente, no hay decisión
tomada

Reductores
14
 Consumo de coque de 1200 a 2000 kg/t
 Inyecciones auxiliares para reducir consumo de coque
 Carbón pulverizado: en horno de cuba experimental de
Japón, 1500 kg/t
 Fuel oil: en alto horno de Mitzushima Ferroalloys, 100 kg/t
 En principio, el coque de MECAF, con baja ceniza,
debería traer aparejadas varias ventajas; entre ellas,
un menor consumo de fundentes

Fundentes
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 Caliza y dolomita, para manejar la basicidad de la
escoria (relación CO/SiO2)
 Es necesario regular la composición de la escoria
para
 Que fluya adecuadamente por la piquera y canal de
escoria
 Que no tenga un tenor alto de MnO
 Que haya desulfuración
 Que haya eliminación de álcalis (Na2O y K2O)

Fundentes
16
 La reacción de calcinación CO3Ca = CaO + CO2
consume calor
 La formación de CO2 favorece la llamada reacción
de Bouduard, entre el carbono del coque y el CO2,
que consume coque y calor
 Se complica la distribución del gas y la uniformidad
de la operación
 Por ello es bueno utilizar cal viva o incorporar los
fundentes en el sinter

Altos hornos
17
 Se han utilizado altos hornos para producir arrabio
 Se han modificado a lo largo del tiempo
 Se han diseñado altos hornos para producir FeMn

Alto horno: diseño chino
19
 Volumen útil: 55 m3; 100 m3; 175 m3; 200 m3 y 300 m3
 Comparativamente, el 3 y 4 de Aceros Zapla tenían
200 m3 y el 5 350 m3
 En la producción de arrabio, se considera mini alto
horno hasta 500 m3
 Carga con carrito; tope con campana
 Tratamiento de los gases (filtro por gravedad + Venturi
+ torre de lavado)
 Dos estufas para precalentamiento del aire para soplo

Alto horno: diseño chino
20
 Menor tamaño: 55 m3
 Producción diaria 35 t
 Espacio ocupado: 2000 m2
 Precio, incluyendo diseño, construcción y
entrenamiento: USD 3M

Alto horno: diseño japonés
 398 m3
 350 t/día
 Tope sin campana;
distribuidor cardánico
 Precalentamiento del
aire con
recuperadores
 Inyección de oxígeno y
fuel-oil
21

Alto horno: diseño ruso
22
 Se incrporan algunas particularidades con respecto
a los altos hornos para arrabio
 Rociado de la carga
 Refrigeración de la cuba superior
 Piquera separada para la escoria

Metalurgia
23
 Diferencias con la producción de arrabio
 Fácil reducción de MnO2 y Mn2O3 a MnO por el CO del gas, en
la parte superior del horno
 Pero la reducción del MnO sólo ocurre en contacto directo con el
C del coque, a alta temperatura, y con un consumo de energía
mucho mayor que para la reducción del FeO
 Por eso los consumos de coque triplican lo usual para arrabio
 Los volúmenes de escoria son por lo tanto mayores
 La escoria suele ser de basicidad más alta
 El volumen de gas de tope es mucho mayor y está acompañado
además de gruesos por muchos finos
 El contenido de CO y la temperatura de este gas son mucho más
altas

Metalurgia
24
 Diferencias con la producción de arrabio

Refractarios
25
 Desgaste más rápido, por las altas temperaturas y
la agresividad del Mn con respecto a la sílice
contenida en los refractarios
 En China:
 a los seis meses del arranque había erosión;
 al año o dos años el desgaste se acentuaba, causando
mala distribución de la carga y problemas operativos
 Las campañas duraban entre dos y cuatro años

Refractarios
26
 Planta de Yanggang, años 60
 Desgaste en el vientre y parte superior de la cuba
 Mayor diámetro de campana, obteniendo distribución central de los
gases
 Primer horno que operó sin revestimiento
 Luego hacen uno nuevo, con refrigeración con agua del cuerpo
completo
 Como anduvo bien, y tuvo muy buenos índices operativos, todo el
resto los copió
 Crisol y solera: Refractarios usuales
 Etalaje: duelas refrigeradas (cooling staves) y ladrillos sílico
aluminosos
 Exterior de la cuba y garganta: rociadores de agua

Placas refrigeradas
27
 Alto horno japonés

Refractarios
 Cambios para evitar
problema de
calentamiento en parte
superior implican:
 Garganta grande
 Etalaje corto
 Cuba alta
 El diámetro del vientre se
agranda y el ángulo de la
cuba se amplía
correspondientemente con
el aumento del diámetro
de la garganta
28

Limpieza de gases
29
 Inicialmente, no se podía recuperar el calor de los
gases precalentando el aire de soplo en las estufas
 Además de la fracción gruesa, contienen muchos
finos
 Esto hacía que dependieran de otros altos hornos
de la misma planta para el precalentamiento del
aire
 Luego se instalaron estaciones de tratamiento de
gases, consistentes en filtros por gravedad, venturis
y torres de lavado

Minimizar pérdida de MnO en escoria
30
 escoria con la composición adecuada
 basicidad alta
 MgO elevado
 Al2O3 menos de 15% para que no se forme MgO.Al2O3, de alto
punto de fusión
 alta temperatura en el crisol
 mayor temperatura en la zona de goteo del metal líquido y la
escoria a través del coque, que es donde hay mayor reducción
 el sinter debe tener un rango estrecho de temperatura de
ablandamiento;
 el soplo de aire tiene que ser a temperatura elevada
 se puede utilizar la inyección de oxígeno a través de las toberas
 buena distribución del gas en el horno
 Tenor de CO distribuido en forma de embudo

31
 Distribución del CO

32
 Evolución de índices en planta de Yanggang
Ítem 1962-1964 1965-1974 1975-1979 1980-1981
Ley Mn carga (%) 32,4 32,4 29,9 32,9
consumo coque (kg/t) 2215 2040 1907 1722
rendimiento Mn (%) 69,5 77,5 79,4 84,2
Si en FeMn (%) 1,10 1,01 1,07 0,99
CaO/SiO2 escoria 1,26 1,33 1,42 1,49
MgO escoria (%) 3,6 6,0 5,5 9,0
Al2O3 escoria (%) 15,1 14,0 11,8
MnO escoria (%) 14,2 9,4 8,3 4,8

33
 Estas prácticas tienen límites
 si la basicidad de la escoria es muy alta, pueden
precipitar fases de alto punto de fusión, como el
2CaO.SiO2, y perderse los beneficios obtenidos
 si la temperatura en el crisol es muy alta, pueden
aumentar las pérdidas por volatilización del
manganeso.

Temperatura de soplo
34
 Es un ítem importante, por el alto consumo de coque
 El 30% del calor es aportado por el aire caliente y el 60% por la combustión del
coque frente a las toberas
 Normalmente el aire se precalienta a una temperatura entre 800 y 950 oC
 Una temperatura de soplo más elevada debería favorecer una mejor recuperación
del Mn y un menor consumo de coque
 La inyección de oxígeno da resultados favorables cuando se tiene una situación de
baja temperatura de soplo (hasta 950 oC), una carga de alta ley de Mn y una
escoria de basicidad baja o media
 Aumenta la temperatura del crisol, aumenta la reducción del manganeso y esto
lleva a un mayor rendimiento del manganeso y menor consumo de coque
 En cambio, si la temperatura de precalentado del aire es de por sí alta (1000-
1150 oC), esto asegura una temperatura de llama teórica (2260-2350 oC)
suficientemente alta, aunque se esté soplando exclusivamente aire, y un rendimiento
de Mn y consumo de coque razonables. En estas condiciones, la inyección de
oxígeno podría dar resultados negativos

Balance de energía
35
Calor del aire
soplado
30%
Combustión de
C en toberas
59%
Otros
11%
Ingreso de
energía
Calor FeMn
7%
Calor escoria
10%
Calor gas de
tope
15%
Refrigeración
17%
Reducción
23%
Fundentes
16%
Varios
12%
Salida de
energía

Temperatura del soplo
36
 En general se usan estufas
similares a las de los altos
hornos para arrabio.
 La excepción es el alto
horno japonés: se optó por
un recuperador metálico
para intercambio de calor
continuo
 probablemente por falta
de espacio, ya que el
horno fue introducido en
una nave de hornos de
arco sumrgido

Arranque
37
 El arranque es importante en el sentido que puede tener
una incidencia importante en el logro de una campaña
satisfactoria
 La práctica estándar de arranque es comenzar produciendo
arrabio para uso siderúrgico o de fundición, y luego
comenzar gradualmente a incorporar mineral de
manganeso, hasta llegar al tenor mínimo de norma,
usualmente en el tercer día de producción
 Se ha ensayado con éxito arrancar con mineral de
manganeso desde un principio, aunque graduándolo, de
manera de obtener a las 8 h de operación un 25% Mn; a
las 16 h un 50% de Mn y a las 24 h 70-75% Mn

Otros hornos de cuba
38
 En un horno piloto de cuba, utilizado previamente para el desarrollo del
proceso de fusión reductora para la obtención de arrabio denominado
DIOS, se estudió en la década del 90 un proceso para la obtención de
FeMn
 El desarrollo fue exitoso pero no pasó a la escala industrial
 El aspecto más importante para el presente trabajo es que es el único que
tiene una escala en el orden de la buscada
 Se trata de un horno con dimensiones de cubilote (900 mm de diámetro en
la parte inferior y 700 mm en la parte superior), que tiene tres toberas a
120 o y en el que se sopla aire caliente, oxígeno y carbón pulverizado; el
coque y el mineral se cargan por la parte superior
 Se pudo producir FeMn 75% de manera estable, con un consumo de coque
de 1100 kg/t, de carbón pulverizado de 1500 kg/t y una productividad
de 3 t/m3.día.


39
 Planta piloto en Japón

40
 Planta piloto en Japón

41
 Cubilote
 La única referencia a la utilización de un cubilote para la producción de
ferromanganeso proviene de una patente y una breve publicación de
fines de la década del 70
 Metkem Process Ltd., Canadá, diseñó y hizo ensayos en un horno con
soplo frío y doble hilera de toberas
 Se usaban aglomerados autoreductores, que incluían carbón de
granulometría fina, con el propósito de producir arrabio
 Esto se habría logrado, con consumos de carbón de 650 kg/t, aún con
soplo frío
 Se buscaba quemar todo el carbón posible a CO2 a la altura de las
toberas; de ahí la doble hilera
 Se suponía que de esta forma, aún con soplo frío, se lograba una
temperatura de llama equivalente a la que se lograría con una
temperatura de soplo de 900 oC

42
 Cubilote
 El éxito que aparentemente se alcanzó con este horno, llevó a
proponerlo para la obtención de
 ferromanganeso a partir de minerales de baja ley
 spiegeleisen
 recuperación del manganeso contenido en las escorias provenientes de la
producción de FeMn en hornos de arco sumergido
 Se esperaba obtener FeMn de 80% Mn con un consumo de carbón de
1200 kg/t y un volumen de escoria de 900 kg/t, partiendo de mineral
de alta ley
 En el caso de operar con escorias se calculaba un consumo de carbón
de 2300 kg/t y un volumen de escoria de 6500 kg/t
 Se suponía que se podrían operar económicamente unidades de unos
25.000 t/año
 No hay información de que este concepto de cubilote reductor haya
sido probado para FeMn

Alto horno experimental
43
 Funciona desde año
2000 en instalaciones
de Swerea MEFOS, en
Lulea, Suecia
 Es propiedad de la
empresa minera LKAB
 Se menciona porque las
dimensiones son
parecidas a las que
podría tener un alto
horno para FeMn que
produjera 5 t/días

44
 Disposición general

45
Volumen de trabajo 8,2 m3
Diámetro del crisol 1,2 m
Altura de trabajo 6 m
Toberas 3 x Ø54 mm
Presión de tope hasta 1,5 bar
Sistema de carga Campana modificada
Inyecciones Carbón pulverizado, fuel oil, formadores de escoria
Caudal de aire caliente soplado Hasta 2000 m3/h
Calentamiento del aire Intercambiador de calor con piedras
Temperatura máxima del aire 1300 oC
Mano de obra directa Cinco personas
Arrabio por colada 1,3 a 1,8 t
Tiempo de colada 10 min
Tiempo entre coladas 60 min
Reductores 510 – 540 kg/t arrabio

Comparación con SAF
46
Ítem Alto horno Horno de arco sumergido
Mineral 28-30% Mn posible >35% Mn
Consumo de coque 1500-2000 kg/t 310-380
Consumo de energía
eléctrica (kWh/t)
200 2400
Consumo de mineral 2500-3000 kg/t
Rendimiento de Mn 80 – 85 % 60 – 75%
Tenor de Fósforo Alto Bajo
Formación de escoria (kg/t) 600-2700 600-700
Otros productos Arrabio, Ferrotitanio,
Ferrofósforo
FeSi, SiMn, Si, CaSi,
FeSiMgCe, CaC2, arrabio
Respuesta al mercado Rígida (campañas largas) Rápida (se para el horno y
no se pierde nada)
Escala mínimo 35 t/día mínimo 10 t/día

Conclusiones
47
 La producción de FeMn en altos hornos sigue siendo utilizada, en países donde están dadas
las condiciones más favorables (baja calidad de mineral, disponibilidad de hornos existentes,
costo de la energía eléctrica).
 El alto horno de menor tamaño que se estaría ofreciendo en el mercado actualmente produce
unas 35 t/día y ocupa 2000 m2 de terreno
 Para tener una marcha regular y un producto dentro de especificaciones, debe operar en
forma continua, en campañas de varios años
 En comparación con la producción de arrabio, la producción de FeMn en alto horno requiere
temperaturas más elevadas, consume mucho más coque y genera mucho más escoria; los
gases de tope requieren un manejo especial por la alta cantidad de finos.
 No se han encontrado antecedentes de utilización de cubilotes para este fin, a excepción de
una propuesta de una empresa canadiense, en los años 80, con carga de aglomerados
autoreductores, que aparentemente no fue llevada a la práctica o lo fue solamente para la
producción de arrabio
 En el rango de producciones pequeñas, existen hornos piloto que en general se han usado
para desarrollo de procesos y no comercialmente
 Los hornos de arco sumergido pueden tener una escala menor

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