Balances de masa y energía para la evaluación de la producción de ferrocromo y escoria

Introducción

Cualquier proceso químico puede ser caracterizado con determinado grado de eficiencia a partir de la realización de balances de masa y de energía, siendo posible analizar instalaciones en la etapa de diseño y en las etapas de producción tanto a nivel de planta piloto como a escala industrial.

En la industria metalúrgica se han usado con éxito los balances de materiales y energía en los procesos de reducción directa en alto horno, en la elaboración de acero en horno eléctrico de arco, en el procesamiento de minerales, en el procesamiento de residuales siderúrgicos, etc., sirviendo de herramienta para evaluar la factibilidad técnico económica de dichas instalaciones [1,2,3,4].

De igual manera, se reporta frecuentemente el uso de los balances para la producción de ferroaleaciones, para medir la recuperación de elementos metálicos de diferentes residuales industriales, para diseñar y/o modificar instalaciones metalúrgicas, etc. [5,6]. Un caso particular de procesamiento metalúrgico de minerales es el relacionado con la producción de fundentes fundidos de soldadura, donde también se aplican con éxito, determinándose por esta vía los requerimientos energéticos del proceso [7].

Una aplicación importante de los balances en los procesos metalúrgicos está relacionada con la modelación de los procesos, lo cual ha permitido el desarrollo de software dedicados al diseño y evaluación de instalaciones industriales [8,9].

El objetivo del presente trabajo es aplicar los balances de masa y de energía en la evaluación de una miniplanta experimental dedicada a la obtención de ferrocromos y escorias destinadas a la fabricación de consumibles de soldadura, a partir de la caracterización química de las materias primas y los requerimientos tecnológicos y energéticos del proceso.

Desarrollo

2.1. Balance de masa

El balance de masa se realiza a partir de la aplicación del principio de Conservación de la Masa [10], según muestra la ecuación general:

Para la evaluación se usó una formulación base, constituida por los siguientes componentes: cromita: 2 kg (64,2 %); arena: 0,485 kg (15,6 %); coque: 0,385 kg (12,4 %); caliza: 0.125 kg (4 %) y fluorita: 0.117 kg (3.8 %), para un total de 3,112 kg de mezcla [11]. La composición química de las materias primas y de la ceniza que produce el coque aparecen en la tabla 1, la que sirve de base para los cálculos de los balances.

Tabla 1: Composición química de las diferentes materias primas empleadas y la ceniza del coque (en % masa)

Para desarrollar los balances de masa y energía se asume que el 90% del contenido de Cr2O3

y el 95% de FeO son reducidos durante el procesamiento metalúrgico y que la aleación contendrá aproximadamente 7% de carbono y 2% de silicio [12,13], además atendiendo a las condiciones de desarrollo del proceso deben ocurrir fundamentalmente las reacciones químicas siguientes [11,13,14]:

Con los datos de composición química de los diferentes minerales (tabla 1), las reacciones químicas a ocurrir y la conversión asumida, se realiza el balance de masa cuyos resultados se muestran en la tabla 2.

Tabla 2: Balance de masa de la alimentación al horno para la mezcla seleccionada (en kg)

La composición de los productos a obtener del procesamiento metalúrgico puede ser predeterminada a partir de los resultados del balance de masa y usando la expresión 2 (ver tabla 3).

Tabla 3: Composición química de los productos, a obtener, del proceso de reducción (en % masa)

La aplicación del balance masa (tabla 2) permite predecir la composición química más probable de los productos del procesamiento metalúrgico, observándose en la tabla 3 que a partir de la carga conformada se puede obtener una aleación de cromo con 59,08 % de cromo y 6,98 % de carbono, además proporciona una escoria formada fundamentalmente por un sistema de óxidos del tipo SiO2–Al2O3–MgO, pudiéndose determinar que, del total de mezcla alimentada al horno, el 70.55% se convierte en productos aplicables al desarrollo de fundentes de soldadura (ferroaleaciones y escorias) y que el 71.33% del producto sólido a obtener es escoria y el 28.67% es ferrocromo. Esta distribución de producto está en correspondencia con la proporción de componentes dentro de un fundente aglomerado aleado para la soldadura automática por arco sumergido, ya que un fundentes de este tipo está formado entre el 65– 90% por una matriz (sistema de óxidos similar al obtenido) y el resto carga aleante, donde el ferrocromo puede constituir hasta el 70 % [14].

2.2. BALANCE DE ENERGÍA

Con los resultados del balance de masa se realiza el balance energético, donde teniendo en cuenta las diversas formas en que se manifiesta la energía, el principio de Conservación de la Energía puede expresarse:

El calor sensible y el calor latente fueron determinados usando las expresiones (5) y (6), respectivamente, considerando que el procesamiento se desarrolla a una temperatura de aproximadamente 1550°C y tomándose como referencia una temperatura de 25°C, los resultados de los cálculos se muestran en la tabla 4.

Tabla 4: Resumen de los calores involucrados en el proceso metalúrgico (en cal)

El procesamiento metalúrgico de la cromita es un proceso con reacción química, por lo que se hace necesario determinar los calores de reacción. En los procesos que ocurren a presión constante se plantea que el calor involucrado en una reacción química es numéricamente igual a la variación de entalpía que tiene lugar al pasar la reacción del estado inicial al estado final.

Los resultados del cálculo de los calores de reacción se muestran en la tabla 5.

Tabla 5: Resultados de la determinación de los calores de reacción (en cal)

La suma de todos los calores involucrados da la energía total requerida para el procesamiento metalúrgico del mineral, por lo que la demanda total de energía del proceso (QT) será de 2490,5 kcal.

2.3. CANTIDAD DE AGUA PARA LA GRANULACIÓN

Tanto las ferroaleaciones, como las escorias, son utilizadas en las formulaciones de los consumibles de soldadura en forma de polvo (granulometría menores a 0,1 mm para la escoria y entre 0,1 y 0,25 mm para la ferroaleación), lo cual obliga a realizar operaciones de pulverización. Esta operación se facilita debido al vertido en agua, lo cual hace que los productos obtenidos alcancen un alto grado de fragilidad, como resultado del choque térmico. El balance energético realizado permitió determinar la cantidad de calor contenida en la masa fundida, a partir de la cual se determina la cantidad de agua necesaria para lograr el enfriamiento de la masa fundida, considerándose que el agua debe alcanzar una temperatura entre 60–70 °C después del vertido [11,14].

La operación de vertido de la masa fundida, se realizó sobre agua manteniendo activo el arco eléctrico a una separación de 0,5 a 0,6m, como máximo, del agua y a una velocidad de 1 a 1,5 l.min-1) [11,14].

El ferrocromo y la escoria fueron separados del agua utilizando una malla de 0.5 mm.

Posteriormente estos productos son secados y separados mediante tamizado empleado una malla de 5 mm, donde el ferrocromo, debido a su mayor dureza y densidad en comparación con la escoria, se convierte en agente morturador. El ferrocromo tritura a la escoria esponjosa y frágil, haciéndola pasar a las fracciones inferiores durante el proceso.

La fuente de corriente directa empleada para desarrollar el proceso de fusión-reducción es capaz de entregar una Potencia activa (Pa) de 28800 W, lo equivale a entregar al horno 24763.5 kcal.h-1. Svenchanski [18] plantea, de acuerdo a estudios de balances térmicos, en hornos eléctricos industriales, el coeficiente de aprovechamiento de la energía total suministrada al horno se encuentra entre 45 y 55%. En el caso de la formulación utilizada y considerando que sólo se aproveche el 45% de la energía suministrada por la fuente, la carga debe ser procesada en aproximadamente 0,22 horas.

En la Tabla 6 puede observarse que al realizar diferentes coladas continuas la cantidad de productos que sale del horno varía entre 61 y 72 % con relación a la masa de carga alimentada, con un valor promedio de 68,34 %, lo que representa un 85,43 % respecto a la masa fundida. Del total de productos obtenidos en el vertido entre 15 y 20 % corresponde al ferrocromo (con un 17,33 % como promedio) y entre el 80 y 85 % a la escoria (82,67 % como promedio), observándose una tendencia a aumentar los rendimientos de ferrocromo en la medida en que aumenta el número de cargas fundidas, disminuyendo la proporción de escoria. También en la tabla 6 se observa que en la medida en que aumenta el número de cargas fundidas el tiempo de fusión disminuye (como promedio), desde 0,5 horas por carga, para 3 cargas continuas, hasta un promedio de 0,35 hora por carga para la fundición de entre 6 y 7 cargas continuas. Esto indica que los mayores rendimientos del horno se alcanzan a partir de 6 cargas fundidas continuamente con un aprovechamiento energético del 30 %, valor inferior a los reportados por Svenchanski [18] para hornos eléctricos industriales (45 – 55 %), lo cual está en correspondencia con las condiciones experimentales empleadas.

En las tablas 7 y 8 se muestra la composición química real de las ferroaleaciones y las escorias obtenidas durante el procesamiento.

Tabla 7: Composición química de los ferrocromos obtenidos (en % masa).

En la tabla 7 se observa que el contenido de cromo en los ferrocromos varía entre 51.27% y 55.01%, con un valor promedio de 53.14% y una desviación estándar (S) de 1.28. El contenido de carbono varió entre 5.46 y 6.54% para un promedio de 6.01 y una S= 0.34. En el caso del silicio la variación se enmarca entre 2.18 y 3.71% con un valor promedio de 3.00 y una S=0.51. En cuanto al azufre se obtuvo un rango de variación entre 0.011 y 0.012 con una S=4.9 10-4. Estos resultados ponen de manifiesto la capacidad que tiene el proceso de reproducir, en rangos relativamente estrechos, la composición química de las distintas ferroaleaciones que se obtienen, no observándose ninguna regularidad entre los contenidos individuales de los elementos químicos en función del número de coladas. Estas variaciones en la composición química no limitan la utilización de los ferrocromos en la conformación de las cargas aleantes de los fundentes de soldadura.

La comparación de los datos de composición real (tabla 7) con los de la composición predeterminada a partir del balance de masa (tabla 3), permiten comprobar su utilidad en la previsión de la composición química de las aleaciones a obtener.

Tabla 8: Composición química de las escorias (en % masa)

En la tabla 8 se puede observar que las escorias obtenidas durante el vertido tienen una composición química bastante estable, integradas en más del 80% por el sistema de óxidos Al2O3 – MgO – SiO2, con las relaciones porcentuales entre estos óxidos siguientes: Al2O3:MgO:SiO2 = 1:(0.6-0.7):(0.97-1.03), estas relaciones permiten ajustar su composición química a las relaciones establecidas para la conformación de la matriz del fundente Tast 11CrNi {Al2O3:MgO:SiO2 = 1:(0.47-0.77):(0.62-1)}. Además en esta propia tabla puede apreciarse que las escorias están constituidas por aproximadamente un 11% de componentes modificadores del sistema (CaO y CaF2), los que complementan las características metalúrgicas y tecnológicas del sistema. Es de señalar que los contenidos de Cr2O3 (<3.0%) y FeO (<1.40%), se mantienen en rangos relativamente bajos, existiendo también un alto grado de correspondencia entre los datos reales (tabla 8) y los predeterminados a partir del balance de masa (tabla 3).

Conclusiones

La caracterización química de las materias primas y las principales reacciones que ocurren durante el procesamiento carbotérmico de cromitas, permiten establecer una estrategia para evaluar las instalaciones experimentales mediante el empleo de los balances de masa y energía.

El procediendo de evaluación aplicado mediante el balance de masa permite predecir la cantidad de productos obtenidos en el proceso, obteniéndose una correspondencia, entre el valor determinado mediante este procedimiento y el obtenido experimentalmente del 60% para el metal y el 86% para la escoria, con una elevada correspondencia con la composición química calculada.

En la medida en que aumenta la cantidad de cargas fundidas, de manera continua, en la instalación experimental, el rendimiento de ferrocromo aumenta y el tiempo de duración por colada disminuye en un 35%, representando 22% mayor al determinado mediante el balance energético provocando que el aprovechamiento energético sea de un 30%.

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Autor:

Lorenzo Perdomo González

Rafael Quintana Puchol

Jesús E. Castellanos Estupiñán

Amado Cruz Crespo

Carlos R. Gómez Pérez