MXPA97008345A - Proceso para producir hierro para molderia - Google Patents

Abstract

Un horno de arco sumergido (10) produce hierro para moldería y fuentes de hierro viejo y chatarra de acero donde no se produce escoria o muy poca. El hierro viejo o la chatarra de acero se suministra al horno de arco sumergido (10) con una fuente de sílice y con un agente reductor carbonoso. El hierro viejo y la chatarra de acero se derriten mientras que al mismo tiempo se funde la sílice en la presencia del agente reductor carbonoso. La cantidad de la fuente de sílice y el agente reductor carbonáceo se agregan en una cantidad apta para controlar selectivamente el contenido de silicio y carbono del hierro para moldería resultante.

Description

PROCESO PARA PRODUCIR HIERRO PARA MOLDERIA Campo da la Invención La presente invención se refiere a un proceso para producir hierro para molderia de hierro viejo y/o chatarra de acero. Más particularmente, la invención está dirigida a un proceso para producir hierro para moldería en un horno de arco sumergido usando hierro viejo o chatarra de acero como las principales fuentes de hierro. Antecedentes de la Invención El hierro de moldería, usado para fundición y fabricación del acero, es producido en la industria del hierro en diferentes procesos. El proceso usado depende normalmente del material de suministro y el uso propuesto del hierro para moldería. Un proceso para producir hierro para moldería utiliza un horno estándar tipo cubilote. Una variedad de fuentes de hierro como hierro viejo, chatarra de acero y lingotes de hierro son suministrados al eje vertical del horno aprovisionado de combustible por combustión de coque por una corriente de aire. La carga agregada al horno generalmente contiene varios aditivos como ferrosilicio para aumentar el contenido de silicio del hierro y materiales que forman escoria como piedra caliza para remover impurezas como el azufre. El hierro producido mediante este proceso normalmente contiene alrededor de 1 por ciento a 3 por ciento de silicio y alrededor de 2 por ciento a 4 por ciento de carbono. El horno tipo cubilote desfavorablemente es un oxidante neto de silicio con el resultado de que tanto como el 30 por ciento del silicio disponible se pierde por oxidación y se descarga en la escoria. Normalmente, sólo alrededor del 70 por ciento del silicio disponible se combina con el hierro. El silicio es un elemento esencial de hierro para moldería y normalmente se agrega en la forma de ferrosilicio ya que el silicio se puede combinar con facilidad con el hierro. El ferrosilicio es una fuente cara de silicio de tal manera que las pérdidas de silicio por la oxidación pueden aumentar considerablemente los costos de producción. El horno tipo cubilote es conveniente en muchos procesos ya que puede tener buen rendimiento energético y requiere una inversión de capital relativamente baja. Un horno tipo cubilote también se puede ampliar fácilmente de una sola unidad para una mayor producción y puede operarse como un proceso continuo de carga y colada. El carbono se combina fácilmente con el hierro y se recoge de manera natural en el cubilote cuando las gotas de hierro y acero derretidos pasan por el coque caliente y disuelven el carbono. La posibilidad de producir hierro para moldería depende en parte de la eficiencia del proceso usado y el costo de los materiales de carga. El costo del hierro viejo y la chatarra de acero depende de diversos factores incluyendo el contenido de hierro, las cantidades de constituyentes de aleación deseables y no deseables presentes y el tamaño de partículas. El costo del hierro viejo y la chatarra de acero muy fino o ligero, como virutas de taladrado o de torno, normalmente es mucho menor que la chatarra más pesada de tal manera que es conveniente usar chatarra ligera cada vez que sea posible. El uso de chatarra ligera en un cubilote requiere la aglomeración o briquetación ya que el alto volumen de gases que salen del cubilote lleva un porcentaje inaceptablemente elevado de la carga del horno. La chatarra muy fina o ligera se recogerá en la cámara de sacos o depurador dando como resultado una recuperación baja de hierro y por lo tanto un aumento en el costo de operación. El hierro para moldería también se produce de manera convencional y comercial con el horno de inducción eléctrica. En el horno de inducción eléctrica la carga, la cual puede ser hierro viejo, chatarra de acero y lingotes de hierro, se introduce al horno, se derrite; y, después se introducen los aditivos, incluyendo silicio, carbono y un material que forma escoria para cubrir el hierro. La carga de hierro es calentada por corrientes parásitas resultantes de la inducción electromagnética de la corriente eléctrica alterna que fluye en el serpentín que rodea la carga. El silicio se agrega normalmente como ferrosilicio y el carbono se agrega en la forma de un material de grafito con bajo contenido de azufre. El hierro resultante generalmente tiene un contenido de silicio de 1-3 por ciento y un contenido de carbono de 2-4 por ciento. De manera desfavorable, el horno de inducción eléctrica está limitado a un proceso por lotes donde unidades individuales son capaces normalmente de producir menos de 20 toneladas de hierro por hora. Además, la energía eléctrica es bastante costosa debido a la ineficiencia de ser un proceso por lotes. Otras desventajas incluyen los costos de moderados a altos de productos refractarios, la elevada inversión de capital, la costosa mano de obra, el alto costo del ferrosilicio y aditivos de carbocementación y la capacidad limitada de ampliación. Otro proceso para producir hierro para moldería es fundiendo mineral de hierro en un horno de arco eléctrico sumergido. Los hornos de arco sumergido tienen la ventaja de fundir directamente los minerales y producir niveles convenientes de carbono y silicio en el hierro usando el calor del arco eléctrico junto con la reducción química carbotérmica simultánea de óxidos metálicos por los agentes reductores carbonosos, como el coque y el carbón. Los electrodos son inmersos en la carga y capa de escoria que se forma arriba del hierro derretido. Ese arreglo permite la eficiente transferencia de calor entre el arco y los materiales de carga. Sin embargo, la naturaleza del calor en el horno de arco sumergido requiere que la conductividad eléctrica de la carga sea controlada para permitir la inmersión profunda simultánea de los electrodos a la carga evitando al mismo tiempo las corrientes excesivas en los electrodos, las cuales podrían causar que los electrodos se sobrecalentaran. El mineral de hierro tiene poca conductividad eléctrica haciéndolo susceptible a la fundición en un horno de arco sumergido. La producción anterior de hierro para moldería en hornos de arco sumergido ha sido limitada al uso de mineral de hierro en forma de finos, gruesos o granulos como la fuente principal de hierro. Un ejemplo del uso de un horno de arco sumergido para fundir el mineral de hierro se revela en la Patente Estadounidense Número 4,613,363 de einert. Una desventaja de los procesos convencionales que producen hierro usando un horno de arco sumergido es que la reducción carbotérmica de minerales para producir hierro requiere grandes cantidades de energía eléctrica, aumentando con ello los costos de producción. De manera alternativa, los procesos más ampliamente utilizados para producir hierro para moldería (hornos tipo cubilote y de inducción) requieren materias primas relativamente caras, como hierro viejo o chatarra de acero que son pesados; y fuentes de silicio previamente reducidas como carburo de silicio o ferrosilicio, las cuales son fuentes de silicio relativamente caras. Todas estas características han limitado estos procesos anteriores para producir hierro para moldería. En consecuencia, la industria del hierro tiene la necesidad continua de un proceso económico y eficiente para producir hierro para moldería. Sumario de la Invención En consecuencia de ello, un objetivo de la presente invención es proporcionar un proceso eficiente y económico para producir hierro para moldería usando materiales de suministro fácilmente disponibles y baratos. Un objetivo adicional de la presente invención es proporcionar un proceso para usar hierro viejo o chatarra de acero como la fuente principal para producir hierro para moldería. Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un proceso para producir hierro para moldería en un horno de arco sumergido. Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un proceso para derretir el hierro viejo o la chatarra de acero en un horno de arco sumergido Un objetivo adicional de la presente invención es proporcionar un proceso para fundir sílice y derretir hierro viejo o chatarra de acero simultáneamente para producir hierro para moldería. Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un proceso para producir hierro para moldería donde substancialmente no se forme escoria. Un objetivo adicional de la presente invención es proporcionar un proceso para derretir el hierro viejo o la chatarra de acero en un horno de arco sumergido y aumentar el contenido de silicio y carbono del hierro para producir hierro para moldería. Estos y otros objetivos de la presente invención son básicamente logrados por un proceso para producir hierro para moldería comprendiendo los siguientes pasos: suministrar una carga a un horno de arco sumergido alrededor de los electrodos del mismo, la carga comprendiendo una mezcla de una fuente de hierro, una fuente de silicio y un agente reductor carbonoso, la fuente de hierro comprendiendo hierro viejo o chatarra de acero y suministrar energía eléctrica a los electrodos para generar un arco eléctrico entre los mismos y calentar el hierro viejo o la chatarra de acero, la fuente de silicio y el agente reductor carbonoso en el horno por el arco eléctrico entre los electrodos para derretir el hierro viejo o chatarra de acero y producir el hierro para moldería. El proceso de la presente invención es capaz de utilizar hierro viejo o chatarra de acero barato en el horno de arco sumergido para producir hierro para moldería, controlando al mismo tiempo el contenido de carbono y silicio y substancialmente en la ausencia de formación de escoria. La fuente de silicio es reducida a silicio en la presencia de un agente reductor carbonoso para aumentar y modificar el contenido de silicio del hierro para moldería. El agente reductor carbonoso produce carbono el cual se disuelve en el hierro o acero. Otros objetivos, ventajas y características notables de la presente invención serán aparentes de la siguiente descripción detallada, la cual, tomada en conjunto con los dibujos anexados, revela modalidades preferidas de la presente invención. Breve Descripción del Dibujo Haciendo referencia al dibujo el cual forma parte de estas revelaciones originales: La Figura 1 es una vista lateral en alzado parcialmente en sección transversal de un horno de arco sumergido para uso en el proceso de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

Descripción Detallada de la Invención El proceso de la presente invención básicamente comprende el suministro de hierro viejo o chatarra de acero como una fuente principal de hierro, una fuente de silicio y materiales carbonosos los cuales sirven tanto como una fuente de carbono para el hierro, como agentes reductores, a un horno de arco sumergido para producir hierro para moldería. En modalidades preferidas de la presente invención, la sílice o una fuente de sílice es la fuente principal de silicio. El calor producido por el arco eléctrico en el horno hace que el agente reductor carbonoso reduzca la sílice a silicio el cual es tomado por el hierro junto con el carbono de los agentes reductores. En modalidades preferidas, el proceso se realiza como un proceso continuo para derretir simultáneamente las fuentes de hierro y fundir las fuentes de sílice en la presencia del agente reductor carbonoso. Como se usa en el presente, el hierro para moldería se usa para definir el producto de hierro resultante que tiene por lo menos alrededor de 0.05 por ciento en peso de silicio y por lo menos alrededor de 0.01 por ciento en peso de carbono. La clase de hierro para moldería incluye varias composiciones de hierro, incluyendo, por ejemplo, lingotes de hierro, hierro gris, hierro dúctil, hierro maleable e hierro fundido. El hierro para moldería producido por la invención puede usarse directamente sin procesamiento adicional para fabricar el producto deseado dependiendo del uso propuesto del hierro. En otras modalidades, el hierro para moldería resultante puede procesarse más para modificar la composición y naturaleza del hiero como, por ejemplo, para producir acero. En modalidades de la invención, el hierro para moldería resultante contiene alrededor de 0.05 por ciento a 9.5 por ciento de silicio y alrededor de 0.01 por ciento a 4.5 por ciento de carbono con el resto del hierro y cantidades menores de impurezas como azufre, fósforo, manganeso, aluminio, cromo, titanio y otros metales. Como se usa en el presente, los porcentajes son en peso a menos de que se indique lo contrario. En modalidades preferidas de la invención, el hierro para moldería de preferencia comprende alrededor de 0.05 por ciento a 9.5 por ciento de silicio y más preferentemente alrededor de 0.5 por ciento a 4.0 por ciento de silicio y alrededor de 2.0 por ciento a 4.0 por ciento de carbono. Normalmente, el hierro para moldería contiene menos de 3.0 por ciento de silicio, alrededor de 2.0 por ciento a 4.0 por ciento de carbono y menos de 1.0 por ciento de azufre, fósforo, aluminio, manganeso, cromo y otras impurezas. De preferencia, el hierro para moldería contiene 0.10 por ciento en peso de azufre o menos. En modalidades, el hierro para moldería contiene alrededor de 0.25 a 3.0 por ciento en peso de silicio. En otras modalidades, el hierro para moldería contiene alrededor de 2.0 por ciento en peso.de silicio. Haciendo referencia a la Figura 1, se ilustra un horno de arco sumergido adecuado para realizar el proceso de la presente invención. El horno 10 de arco sumergido incluye un forro inferior o pared de solera 12, paredes laterales 14 y un techo o pared superior 16 para definir una zona de derretimiento y fundición 18 y recoger y remover el polvo, vapores y gases a un sistema de recogida. Las aberturas de suministro 20 se proporcionan en el techo 16 para suministrar la carga o material de suministro al horno 10 mediante transportadores o materiales de suministro 26. En un sistema de suministro alternativo, los materiales de carga son introducidos vaciando el suministro directamente en la parte superior de la carga existente usando un esquema de carga de tolva mecánica, como se conoce en el arte. Las espitas de salida 22 se incluyen en la pared lateral 14 para extraer el metal derretido 28 de la zona de derretimiento 18. Una piquera para escoria 24 también puede incluirse en la pared lateral 14 para extraer la escoria 30 de la zona de derretimiento 18. El revestimiento 34 del horno 10 puede ser enfriado con una lámina delgada de agua (no se muestra) .

Puede encontrarse un anillo de aspersión inmediatamente abajo del reborde del techo de la pared lateral por medio del cual el agua es recogida en un canal en el fondo de las paredes laterales 14. En las modalidades de la invención, el techo o pared superior puede dividirse en su dimensión longitudinal para permitir que el material de carga sea suministrado a cualquier punto en el horno. Tres electrodos 36 de corriente alterna se extienden a través del techo 16 a la zona de derretimiento 18. Los electrodos generalmente están colocados en una configuración triangular. En la modalidad de la Figura 1, se muestran dos electrodos con el tercer electrodo estando colocado atrás de uno de los electrodos ilustrados. Los electrodos 36 son controlables de manera independiente para ajustar selectivamente su posición vertical dentro del horno y evitar sobrecorrientes . Los electrodos 36 pueden ser elevados o bajados para variar la longitud del arco como se conoce en el arte. El horno es en general un horno de corriente alterna de tres fases alimentado por voltaje seleccionable de manera variable de 30 - 300 voltios con una corriente máxima de aproximadamente 100,000 amperios por fase. Los electrodos pueden ser, por ejemplo: electrodos de grafito, electrodos de carbono precocidos; o Soderberg, o electrodos de carbono de autococción, como se conoce en el arte. Los electrodos son de preferencia electrodos de carbono de las diversas formas conocidas en el arte. El conducto de exhaustación 32 se extiende a través de la campana 16 posicionada arriba del horno para recoger gases de escape como gases de combustión, polvo y vapores, emitidos durante las fases de derretimiento y fundición del proceso. Los gases de escape son llevados a una cámara de sacos para limpiar los gases antes de descargarlos a la atmósfera. Los sólidos recogidos en la cámara de sacos son reciclados, procesados, o desechados de una manera convencional. En ejemplo de un horno de arco sumergido adecuado es producido por Elkem Technology de Oslo, Noruega. En otras modalidades, el horno de arco sumergido puede ser un horno de arco de corriente continua (CC) teniendo un solo electrodo sumergido en la carga con un electrodo de retorno adecuado como se conoce en el arte, un horno de arco sumergido de plasma o un horno de arco sumergido de corriente alterna teniendo por lo menos dos electrodos. El horno de arco sumergido proporciona la producción continua de hierro para moldería permitiendo el suministro continuo del horno con el material de carga y la colada del metal derretido de las regiones más bajas del horno. El proceso puede ser fácilmente ampliado para altos porcentajes de producción, controlando al mismo tiempo la productividad y la composición de salida del hierro. Un transportador de suministro adecuado, un sistema de carga de tolva, o tubos de carga como se conoce en el arte, pueden usarse para suministrar continuamente los materiales de carga al horno. El rendimiento o la capacidad de producción del horno depende de la potencia alimentada al horno y la velocidad de suministro de los materiales al horno. El horno puede estar diseñado para un nivel de potencia en servicio de alrededor de 1 megavatio a 100 egavatios dependiendo de la construcción del horno, tipo de electrodos y materiales de carga. Generalmente, el horno de corriente alterna produce una tonelada de producto de hierro para moldería con una entrada de energía eléctrica de alrededor de 600 kilovatio-horas. Dependiendo de los materiales de carga, las características del producto y la construcción del horno, un horno de arco sumergido de corriente alterna puede producir hierro para moldería a una velocidad de entrada de energía eléctrica de entre 500 a 1400 kilovatio-horas por tonelada de producto. El proceso de la invención es de preferencia realizado en el horno de arco sumergido de corriente alterna usando un nivel de suministro y potencia de manera que las puntas de los electrodos se incrusten varios pies en la base del material de suministro en el horno y dentro de un pie del baño de charco de metal fundido. De esta manera, la zona del arco se forma cerca del charco de metal o baño. El horno es operado para mantener la temperatura de la aleación derretida en el horno entre 2100°F a 3200°F. En modalidades preferidas, la temperatura de la solera del horno se mantiene suficientemente alta para permitir el recalentamiento adecuado del metal derretido para una fácil colada y manejo o procesamiento corriente abajo. Las puntas de los electrodos que son sumergidos en el material y producen un arco cerca del metal derretido proporcionan una buena transferencia de calor al material no procesado por radiación del arco y el material derretido y por convección del gas de monóxido de carbono caliente que continuamente está siendo generado por la reducción química de óxidos metálicos y sílice por carbono en las regiones más bajas de la base de carga. Un horno de arco sumergido estándar incluye un mecanismo de autoprotección o sistema de control para elevar automáticamente los electrodos de la carga para evitar excesivas corrientes de electrodos las cuales pueden resultar cuando la conductividad de los materiales de carga aumenta arriba de un nivel de umbral. Cuando los electrodos son retirados del material de la base de carga en respuesta a los aumentos en la conductividad de la carga, la temperatura cerca de la solera del horno disminuye y, si se prolonga, puede dar como resultado un calentamiento y derretimiento inadecuados de la chatarra y la fundición incompleta de la sílice. Es importante tener la base de suministro de carga a una altura y conductividad eléctrica que permita a los electrodos incrustarse profundamente en la base de manera que el arco se forme alrededor de un pie arriba del baño metálico. Lograr la inmersión o penetración satisfactoria de los electrodos del horno de arco sumergido a la base de carga del horno depende de diversos factores incluyendo la resistividad eléctrica específica de los materiales cargados, su tamaño físico, su distribución en la mezcla y el voltaje de operación seleccionado para el horno. El voltaje de operación es seleccionado para compensar la relación entre el voltaje, la corriente de los electrodos y la resistencia de los materiales de carga para lograr una inmersión más profunda de los electrodos a la carga. La resistencia de la base de carga puede ser variada cambiando los materiales de suministro y el tamaño de los materiales para optimizar la operación a fin de obtener la penetración más profunda de los electrodos en la base de carga para un voltaje de operación determinado. La cantidad de energía eléctrica requerida por tonelada de la aleación de hierro producida depende en gran medida del grado de oxidación o reducción de los materiales metálicos cargados, la cantidad de sílice y otros óxidos requeridos para llegar a la composición deseada o de objetivo, la optimización de la operación de electrodos sumergidos y la destreza del operario del horno. Las aleaciones que contienen alrededor de 0.5 por ciento a 4 por ciento de carbono y alrededor de 0.25 por ciento a 2.5 por ciento de silicio normalmente requieren alrededor de 500 a 650 kilovatio-horas por tonelada de aleación producida. Los porcentajes de silicio más altos y en consecuencia los porcentajes de carbono más bajos requieren un aumento de alrededor de 10 kilovatio-horas para fuentes de hierro sumamente no oxidadas para cada aumento adicional de 0.1 por ciento en el silicio arriba del 2.5 por ciento de silicio en la aleación. Las materias primas que constituyen la carga que será suministrada al horno de arco sumergido son de preferencia mezcladas antes de suministrarlas al horno. Alternativamente, los diferentes componentes de la carga pueden ser suministrados de manera simultánea de materiales separados al horno a una velocidad controlada y en las proporciones deseadas. La composición del hierro para moldería resultante depende de la composición de la carga y el grado de reducción química que ocurre en el horno. Los materiales de carga comprenden una fuente de hierro la cual incluye hierro viejo o chatarra de acero, una fuente de silicio y un agente reductor carbonoso como se discute en lo sucesivo con más detalles. Generalmente, la sílice es la fuente principal de silicio. El derretimiento del hierro y la fundición de la sílice en modalidades preferidas es substancialmente en la ausencia de un suministro de oxígeno o agente oxidante y la ausencia de materiales que forman escoria. El hierro viejo y la chatarra de acero están disponibles como mercancías como se conoce en la industria del metal. Los precios del mercado y la clase de varios tipos de hierro viejo y chatarra de acero se divulgan regularmente en diversas publicaciones de la industria como American Metal Market. El hierro viejo y la chatarra de acero como se conoce en el arte se clasifica de acuerdo con el tamaño de partículas y composición del metal. Por ejemplo, un tipo de chatarra de acero se define como: "Acero para moldería, 21 máx." Las fuentes adecuadas de hierro para uso en la presente invención incluyen cascarillas de laminación, hierro reducido directo (DRI), hierro briqueteado caliente (HBI), carburo de hierro, limaduras de hierro, virutas de torno de hierro, acero triturado para automóviles y latas de acero y mezclas de los mismos. La composición del hierro viejo o chatarra de acero influirá en la composición del hierro para moldería resultante. Diversas fuentes o clases de hierro viejo pueden mezclarse antes de suministrarlas al horno para proporcionar las composiciones de entrada y salida deseadas. La fuente de hierro generalmente comprende por lo menos alrededor del 50 por ciento de chatarra, de preferencia alrededor de 75 por ciento de chatarra y más preferentemente alrededor de 90 por ciento en peso de hierro viejo o chatarra de acero. La fuente de hierro puede basarse totalmente en el hierro viejo o chatarra de acero. El hierro viejo o chatarra de acero puede mezclarse con otros materiales de hierro o acero para aumentar o disminuir el porcentaje de varios metales aleantes en la composición del hierro para moldería resultante. Por ejemplo, el hierro reducido directo (DRI) y el hierro briqueteado caliente (HBI) los cuales normalmente contienen alrededor de 90 por ciento de hierro y tienen pocos elementos residuales no deseables, como cobre, pueden agregarse para aumentar el contenido de hierro del hierro para moldería diluyendo con ello los materiales aleantes y reduciendo el porcentaje de metales no deseables, como cobre, cromo y manganeso que están presentes en los otros materiales de carga como la chatarra de acero usada para producir el hierro para moldería. La cantidad y el tipo de materiales combinados con el hierro viejo y chatarra de acero se determinan en parte por la eficiencia del horno en la utilización de sus componentes y el costo relativo de los materiales de suministro. Por ejemplo, la chatarra de acero pesada que tiene pocos elementos residuales no deseables, es cara en comparación con las limaduras de hierro fundido o virutas de torno de acero, de manera que las grandes cantidades de chatarra pesada, mientras que deseables desde el punto de vista de elementos residuales, son usualmente no deseables desde un punto de vista económico. Por comparación, las virutas de torno de acero, las cuales son pequeñas en el tamaño de partículas y baratas comparadas con la chatarra de acero pesada, generalmente contienen altos niveles de elementos residuales no deseables. El uso del horno de arco sumergido permite el uso de materiales de chatarra muy finamente calibrados, los cuales, siendo menos caros que la chatarra pesada es una ventaja económica para producir hierro para moldería sobre otros métodos de procesamiento. El tamaño de partículas del material de carga es importante para obtener el calentamiento y derretimiento adecuados de la chatarra aunque no existe ningún límite absoluto. El hierro viejo o chatarra de acero generalmente tiene un tamaño de 60 centímetros o menos en cualquier dimensión. Un tamaño adecuado del hierro viejo o chatarra de acero es alrededor de 25 milímetros o menos. En modalidades alternativas, el tamaño de partículas del hierro viejo o chatarra de acero es menor que 0.5 centímetros. El tamaño de partículas del suministro se selecciona para manejarse con facilidad y cargarse al horno y derretirse sin formar un puente entre los electrodos o entre los electrodos y las paredes laterales del horno. El horno de arco sumergido en conformidad con las modalidades preferidas es capaz de manejar chatarra con tamaño pequeño de partículas menor que .25 de pulgada en la dimensión más grande, como limaduras de hierro fundido y virutas de torno de acero las cuales son tradicionalmente difíciles de procesar sin los pasos de procesamiento previo como la aglomeración o briquetación. Por ejemplo, cascarillas de laminación y desechos de laminación son generalmente 6 pulgadas o menos y DRI/HBI son alrededor de 1-1/4 a 6 pulgadas en la dimensión más grande. El tamaño de partículas del hierro viejo o chatarra de acero puede variar de pequeños finos o limaduras a pedazos grandes. El límite superior de tamaño es generalmente el espacio de cara a cara entre los electrodos en un horno de arco sumergido de corriente alterna o entre el electrodo y la pared refractaria del horno en un horno de arco sumergido de corriente continua para evitar la formación de puentes. El hierro viejo y la chatarra de acero son altamente conductivos en comparación con el mineral de hierro de manera que en el uso de materiales de chatarra como las fuentes de hierro en el presente proceso, la conductividad y resistividad eléctricas del suministro deben seleccionarse y controlarse para permitir la inmersión profunda de los electrodos. La resistividad eléctrica del suministro pueden modificarse por la selección del tamaño de partículas del suministro y el tipo de materiales. Reducir el tamaño de partículas del material de suministro aumenta la resistividad del suministro. El tamaño de partículas más eficiente dependerá de su inherente resistividad y la dependencia de la permeabilidad de la carga del horno al paso de los gases de escape en los tamaños de partículas de los materiales cargados. Los costos de procesamiento para reducir el tamaño de partículas también se consideran en la selección del tamaño de partículas de la carga. En modalidades preferidas, el material de suministro no contiene substancialmente mineral de hierro aunque pueden agregarse cantidades menores de minerales de hierro para modificar la resistividad del suministro. También se pueden usar desechos de laminación sumamente oxidados o fuentes de hierro resistivo para modificar la resistividad. El material de carga incluye también una cantidad de una fuente de silicio como, por ejemplo, sílice, fuente de sílice o dióxido de silicio en una forma reductible. La sílice es la fuente de silicio preferida. La fuente del dióxido de silicio puede ser algún material disponible en el mercado el cual puede ser fundido y reducido a silicio en el horno de arco sumergido en la presencia de un agente reductor carbonoso simultáneamente con el derretimiento del hierro viejo y la chatarra de acero. El silicio se produce en una forma que puede combinarse directamente con el hierro. En modalidades preferidas, la fuente de silicio es una cuarcita de gran pureza. En modalidades alternativas, otras fuentes, como se conoce en el arte, pueden usarse como mineral que contiene sílice, residuos y arena que ha sido lavada para remover las arcillas y otras impurezas. Normalmente, la carga está substancialmente ausente de ferrosilicio o carburo de silicio. En modalidades preferidas, la fuente de silicio contiene por lo menos alrededor de 98 por ciento en peso de sílice. Las impurezas son de preferencia removidas para evitar la formación de escoria en el horno ya que la escoria aumenta la demanda de energía para la fundición y el derretimiento del suministro. La cuarcita usada en modalidades preferidas como la fuente principal de sílice está substancialmente libre de arcillas y otros materiales extraños como óxidos metálicos los cuales contribuirían a la formación de escoria no deseable, así como la contaminación no deseable del hierro para moldería resultante con metales en estado de traza. La cuarcita es cristal de cuarcita de gran pureza generalmente calibrado o cuarcita molida que contiene por lo menos 95 por ciento de sílice. El tamaño de partículas de la fuente de sílice se determina por las dimensiones particulares del horno, los electrodos y el tiempo de residencia de los materiales de suministro en el horno para asegurar la reducción completa a silicio en la presencia de un agente reductor. Generalmente, la cuarcita tiene un tamaño de partículas de 4 pulgadas o menos aunque los hornos grandes pueden utilizar partículas más grandes. La fuente de sílice de preferencia contiene menos de 0.5 por ciento en peso de aluminio, magnesio, cinc y óxidos de titanio. Algunos de estos metales, como cinc, pueden oxidarse y removerse por un flujo de aire u oxígeno a través del horno y removerse en la cámara de sacos. Otros óxidos metálicos son reducidos en el horno al metal que puede combinarse con el hierro. La cantidad de la fuente de silicio agregada al horno con el suministro se determina por cálculos teóricos del contenido de silicio deseado del hierro para moldería resultante. La cantidad de la fuente de silicio agregada se basa también en cálculos estequiométricos tomando en cuenta el contenido de silicio calculado del hierro viejo y otros materiales de suministro y las pérdidas calculadas debido a la volatilización pronosticada en la reducción de sílice a silicio elemental. La fuente de silicio puede agregarse en la cantidad de 0.01 por ciento a 20 por ciento en peso en base al peso del hierro viejo o chatarra de acero. Normalmente, la fuente de silicio es menor que alrededor de 10 por ciento y de preferencia menor que alrededor de 5 por ciento en peso del hierro viejo o chatarra de acero. Generalmente, alrededor del 90 por ciento o más del silicio disponible se combina con el hierro mientras que el silicio restante se pierde como vapor de sílice y, si se forma, como escoria. Se experimentan recuperaciones de silicio normalmente mayores que 90 por ciento cuando se producen aleaciones de 3 por ciento o menos de silicio contenido. El agente reductor carbonoso puede ser una fuente de carbono capaz de reducir la sílice en el horno. Los ejemplos de agentes reductores carbonosos adecuados incluyen carbón animal, carbón vegetal, carbón, coque como petróleo o coque bituminoso, astillas de madera y mezclas de los mismos. Los materiales carbonosos preferidos tienen un alto contenido de carbono fijo y tienen también un bajo contenido de ceniza, bajo contenido de humedad, niveles bajos de óxido de calcio y óxido de aluminio y niveles bajos de azufre y fósforo. Los materiales carbonosos en modalidades preferidas tienen además alta reactividad y alta resistencia eléctrica. Un material carbonoso preferido es astilla de madera dura libre de corteza de una madera dura como el roble. Las astillas de madera proporcionan una fuente de carbono para reducir la sílice a silicio elemental, así como un medio para reducir la conductividad eléctrica del suministro en el horno de manera que los electrodos puedan sumergirse profundamente en el horno de arco sumergido para mantener la temperatura de derretimiento deseada de la chatarra y la fundición de la sílice. El suministro puede contener alrededor de 5 por ciento a 40 por ciento en peso de los agentes reductores carbonosos en base al peso del hierro. De' preferencia, el suministro contiene por lo menos alrededor de 5 por ciento de agentes reductores carbonosos en base al peso del hierro. La cantidad del agente reductor carbonoso agregado al suministro se determina calculando la cantidad estequiométrica de carbono fijo requerido para reducir la sílice a silicio y la cantidad de carbono libre requerido para proporcionar el contenido de carbono deseado en el hierro para moldería resultante. Los cálculos teóricos se basan en el contenido de carbono fijo del carbón, carbón vegetal, coque, astillas de madera y otro agente reductor carbonoso de acuerdo con los cálculos estándar conocidos en la industria metalúrgica. La cantidad, el tipo y los tamaños de partículas del agente reductor carbonoso afectan la resistividad del material de suministro. Por ejemplo, el carbón vegetal puede usarse en grandes proporciones para aumentar la resistividad ya que los carbones vegetales preferidos tienen una resistividad más alta que el coque o el carbón. El proceso puede realizarse en la completa ausencia del coque. El tamaño de partículas del agente reductor carbonoso se selecciona de acuerdo con la composición de los materiales de suministro, la reactividad y la resistividad o conductividad eléctrica de la composición de suministro. Un tamaño adecuado de astillas de madera generalmente es alrededor de 6 pulgadas o menos en la dimensión más larga. Un tamaño adecuado para coque para uso metalúrgico es alrededor de 1/2 pulgada o menos. El carbón es normalmente alrededor de 2 pulgadas o menos mientras que el carbón animal y el carbón vegetal son en general 6 pulgadas o menos en la dimensión más grande. La composición de la carga de preferencia contiene sólo cantidades menores de azufre, fósforo, calcio, aluminio, cromo, cinc y otros metales los cuales no son deseables en las aleaciones de hierro para moldería. El uso de materiales de carga que tienen pocas impurezas contribuye a que no se forme escoria o se forme muy poca. Operar el horno de arco sumergido substancialmente en la ausencia de escoria tiene el beneficio agregado del calor del hierro derretido precalentando el material de suministro que es cargado al horno ya que no hay escoria o muy poca que protege al hierro derretido del material de suministro. Cada vez que es posible generalmente se evita la formación de escoria ya que la presencia de escoria aumenta el consumo de energía y reduce la eficiencia del derretimiento de la chatarra y la reducción de la sílice a silicio. La excesiva formación de escoria inhibe también el flujo de los materiales de suministro a la zona de calentamiento del horno y aumenta la probabilidad de que se forme un puente del suministro en el horno. En modalidades donde el material de suministro contiene grandes cantidades de azufre u otras impurezas, un componente que forma escoria puede agregarse según sea necesario. Los componentes adecuados que forman escoria incluyen piedra caliza (carbonato de calcio) , cal (óxido de calcio) , o magnesia aunque se pueden usar otros componentes que forman escoria conocidos en el arte. Cuando sea necesario para una operación eficiente, se puede usar la cal que tiene un tamaño de partículas de menos de 3 milímetros. En modalidades preferidas, el proceso para producir hierro para moldería se realiza en un horno de arco sumergido en la ausencia de mineral de hierro y coque y generalmente fabrica un producto de hierro para moldería teniendo una temperatura de entre 2100°F a 3200°F y menos de 0.1 por ciento en peso de escoria en comparación con 1 por ciento a 10 por ciento en peso de escoria de procesos convencionales de hierro para moldería usando un horno de arco sumergido. En general, el hierro para moldería se produce substancialmente en la ausencia de escoria. Las modalidades del proceso de la invención se revelan en los siguientes ejemplos no limitantes. EJEMPLOS 1-12 La chatarra de acero de piezas troqueladas de acero limpio y pedazos de placa cortada con poco óxido superficial se mezcló con coque, cuarcita y astillas de madera para producir una mezcla de suministro para cada ejemplo. El análisis del metal de la chatarra se muestra en la Tabla 1. La cuarcita era una cuarcita española lavada de gran pureza con un tamaño de partículas de menos de 3 milímetros. El coque era finos de coque metalúrgico teniendo un tamaño de partículas de menos de 3 milímetros. Las astillas de madera eran roble noruego teniendo un tamaño de partículas promedio de 75 milímetros por 50 milímetros por 15 milímetros. La chatarra tuvo un tamaño de partículas promedio de 25 milímetros por 5 milímetros por 4 milímetros. Las astillas de madera tuvieron alrededor de 17 por ciento en peso de carbono fijo y el coque tuvo alrededor de 93 por ciento en peso de carbono fijo para los ejemplos 1-8 y el coque tuvo alrededor de 86.5 por ciento en peso de carbono fijo para los ejemplos 9-12.

TABLA 1 El material de suministro para los Ejemplos 1-12 se mezclaron en las proporcionas mostradas en las Tablas 2 y 3. Los valores de porcentaje para las astillas de madera, coque y cuarcita presentados en la Tabla 3 son en peso en base al peso de la chatarra.

TABLA 2 TABLA 3 El horno usado en los ejemplos 1-12 era un horno de arco sumergido de escala de banco hecho por Elkem Technology, Noruega. El horno de arco sumergido era un horno de corriente alterna de una sola fase, de dos electrodos con capacidad de transformador de 300kVA, corriente máxima 3000 A, con tomacorrientes de voltaje secundario de 15-150V en pasos de 1.5 V. El arranque inicial del horno se realizó cargando 16 kilogramos de chatarra de acero y 5 kilogramos de coque al horno y los electrodos bajados para tocar la chatarra. Se conectó la energía para derretir la chatarra. El material de suministro mezclado se cargó al horno para mantener el horno medio lleno con chatarra. El metal derretido se extrajo y se analizó. El análisis de cada Ejemplo se muestra en la Tabla 4. Las temperaturas de colada de baño del horno fueron alrededor de 1250-1550°C.

CQ < in ?n o Estos ejemplos muestran que la cuarcita es fundida simultáneamente con el derretimiento de la chatarra. El contenido de carbono y silicio del hiero resultante es proporcional a la sílice y carbono fijo en el suministro. EJEMPLO 13 Una operación simulada por computadora consistió en una mezcla del suministro conteniendo 2000 libras de hierro viejo, 100 libras de astillas de madera, 85 libras de carbón, 20 libras de coque y 75 libras de cuarcita cargada a un horno de arco sumergido de corriente alterna a una velocidad de producción de aleación de 75.590 toneladas por hora. La entrada de potencia proyectada al horno fue de 50,000 kilovatios. El suministro de hierro viejo simulado estaba compuesto de 40 por ciento de acero triturado para automóviles, 15 por ciento de desperdicios de coladas derretidos de nuevo, 15 por ciento de chatarra de acero #1, 20 por ciento de limaduras de Hierro Fundido, 5 por ciento de placa/latas de estaño y 15 por ciento de virutas de torno mezcladas con bajo contenido de cromo. La mezcla de suministro tuvo una composición de aleación calculada de 2.5 por ciento de silicio, 3.85 por ciento de carbono, 0.40 por ciento de manganeso, 0.10 por ciento de cromo, 0.15 por ciento de níquel, 0.15 por ciento de cobre, 0.01 por ciento de azufre, 0.05 por ciento de fósforo y 0.03 por ciento de estaño con el resto del hierro donde los porcentajes son en peso. El producto de hierro resultante proyectado extraído del horno tuvo un contenido de hierro de 92.5 por ciento, un contenido de carbono de 3.85 por ciento y un contenido de silicio de 2.50 por ciento en peso con el resto de las impurezas. El consumo de energía calculado fue de 650 kilovatio-horas por tonelada de la aleación de hierro. EJEMPLO 14 Un lote de producción simulada por computadora consistió en una mezcla del suministro conteniendo 2000 libras de hierro viejo, 100 libras de astillas de madera, 210 libras de carbón, 20 libras de coque y 393 libras de cuarcita cargada a un horno de arco sumergido de corriente alterna a una velocidad de producción de aleación proyectada de 34.68 toneladas por hora. La entrada de potencia del horno seleccionada fue de 50,000 kilovatios. El hierro viejo proyectado era una mezcla que comprendía 40 por ciento de acero triturado para automóviles, 15 por ciento de desperdicios de coladas derretidos de nuevo, 10 por ciento de virutas de torno mezcladas, 20 por ciento de limaduras de Hierro Fundido, 5 por ciento de placa/latas de estaño y 10 por ciento de virutas de torno mezcladas con bajo contenido de cromo. La mezcla de suministro tuvo una composición de aleación calculada de 9 por ciento de silicio, 1.5 por ciento de carbono, 0.4 por ciento de manganeso, 0.18 por ciento de cromo, 0.09 por ciento de níquel, 0.19 por ciento de cobre, 0.14 por ciento de azufre, 0.03 por ciento de fósforo y 0.02 por ciento de estaño y el resto del hierro, donde los porcentajes son en peso. La aleación de hierro resultante proyectada extraída del horno tuvo un contenido de hierro de 87.87 por ciento, un contenido de carbono de 1.50 por ciento y un contenido de silicio de 9.01 por ciento en peso con el resto de las impurezas. El consumo de energía calculado fue de 1370 kilovatio-horas por tonelada de la aleación de hierro. EJEMPLO 15 Un lote simulado por computadora consistió en una mezcla del suministro conteniendo 2000 libras de hierro viejo, 100 libras de astillas de madera, 35 libras de carbón y 55 libras de cuarcita cargada a un horno de arco sumergido de corriente alterna a una velocidad de producción de aleación proyectada de 80.922 toneladas por hora. La potencia del horno seleccionada fue de 50,000 kilovatios. La entrada de hierro viejo estaba compuesto de 40 por ciento de acero triturado para automóviles, 15 por ciento de desperdicios de coladas derretidos de nuevo, 10 por ciento de virutas de torno de acero mezclado, 20 por ciento de limaduras de Hierro Fundido, 5 por ciento de placa/latas de estaño y 10 por ciento de virutas de torno mezcladas con bajo contenido de cromo. La mezcla de suministro simulada tuvo una composición de aleación de 2 por ciento de silicio, 2 por ciento de carbono, 0.40 por ciento de manganeso, 0.10 por ciento de cromo, 0.15 por ciento de níquel, 0.15 por ciento de cobre, 0.01 por ciento de azufre, 0.05 por ciento de fósforo y 0.03 por ciento de estaño y el resto del hierro donde los porcentajes son en peso. La aleación de hierro resultante proyectado extraída del horno tuvo un contenido de hierro de 94.52 por ciento, 2.05 por ciento de silicio y 2.00 por ciento de carbono con el resto de las impurezas. El consumo de energía calculado fue de 600 kilovatio-horas por tonelada de la aleación de hierro. Mientras que se han mostrado diversas modalidades para ilustrar la invención, las personas especialistas en el arte entenderán que pueden hacerse varios cambios y modificaciones en la misma sin desviarse del alcance de la invención según lo definido en las reivindicaciones anexadas.

Claims (33)

1. REIVINDICACIONES 1. Un proceso para producir hierro para moldería comprendiendo los siguientes pasos: suministrar una carga a un horno de arco sumergido alrededor de sus electrodos, la carga comprendiendo una mezcla de una fuente de hierro, una fuente de silicio y un agente reductor carbonoso, la fuente de hierro comprendiendo hierro viejo o chatarra de acero, abastecer energía eléctrica a los electrodos para generar un arco eléctrico entre los mismos y calentar el hierro viejo o chatarra de acero, la fuente de silicio y el agente reductor carbonoso en el horno por el arco eléctrico entre los electrodos para derretir el hierro viejo o chatarra de acero y producir el hierro para moldería.
2. 2. El proceso de la reivindicación 1, comprendiendo el suministro constante de la carga y el retiro continuo del hierro para moldería derretido del horno.
3. 3. El proceso de la reivindicación 1, que además comprende el derretimiento del hierro viejo o chatarra de acero y la producción de hierro para moldería teniendo un contenido de carbono de 0.01 por ciento a 4.5 por ciento en peso.
4. 4. El proceso de la reivindicación 1, comprendiendo el derretimiento del hierro viejo o chatarra de acero y la producción de hierro para moldería con un contenido de silicio de 0.05 por ciento a 9,5 por ciento en peso.
5. 5. El proceso de la reivindicación 1, en donde la fuente de silicio es substancialmente cuarcita o arena pura.
6. 6. El proceso de la reivindicación 1, en donde el agente reductor carbonoso se selecciona del grupo que consta de astillas de madera, carbón animal, carbón vegetal, carbón, coque de petróleo, coque bituminoso y mezclas de los mismos.
7. 7. El proceso de la reivindicación 1, comprendiendo el derretimiento del hierro viejo o chatarra de acero y la producción de hierro para moldería substancialmente en la ausencia de la escoria.
8. 8. El proceso de la reivindicación 1, en donde la fuente de hierro comprende por lo menos 50 por ciento en peso de hierro viejo o chatarra de acero.
9. 9. El proceso de la reivindicación 1, en donde la fuente de hierro comprende por lo menos alrededor de 90 por ciento en peso de hierro viejo o chatarra de acero.
10. 10. El proceso de la reivindicación 1, en donde la carga comprende alrededor de 0.01 por ciento a 20 por ciento en peso de sílice como la fuente de sílice basada en el peso total del hierro viejo o chatarra de acero.
11. 11. El proceso de la reivindicación 1, en donde la carga comprende por lo menos alrededor de 5.0 por ciento en peso de los agentes reductores carbonosos en base al peso del hierro en la carga.
12. 12. El proceso de la reivindicación 1, en donde el proceso se realiza en la ausencia del coque como un material de carga.
13. 13. El proceso de la reivindicación 1, en donde el horno de arco sumergido es un horno de arco sumergido de corriente alterna teniendo por lo menos dos electrodos separados, cada uno con un extremo inferior, el proceso comprendiendo la inmersión de los extremos de los electrodos en la carga con los extremos separados arriba de un baño de metal derretido en el horno para producir una zona de arco arriba del baño.
14. 14. El proceso de la reivindicación 13, comprendiendo la inmersión de los extremos de los electrodos en la carga por lo menos alrededor de 2 pies.
15. 15. El proceso de la reivindicación 13, comprendiendo la inmersión de los electrodos en la carga en donde los extremos de los electrodos están separados del baño de metal derretido alrededor de 1 pie.
16. 16. El proceso de la reivindicación 1, en donde el horno incluye por lo menos un electrodo, el proceso comprendiendo la aplicación de un potencial eléctrico de 100 voltios a por lo menos un electrodo.
17. 17. El proceso de la reivindicación 1, en donde la fuente de silicio es sílice y el proceso además comprende la fundición de la sílice en la presencia del agente reductor carbonoso para producir silicio y la producción del hierro para moldería teniendo un contenido de silicio de 0.05 por ciento a 9.5 por ciento en peso.
18. 18. El proceso de la reivindicación 1, en donde el horno de arco sumergido es un horno de arco sumergido de plasma.
19. 19. El proceso de la reivindicación 1, que además comprende el derretimiento del hierro viejo o chatarra de acero para producir el hierro para moldería teniendo un contenido de carbono de 2 por ciento a 4 por ciento en peso.
20. 20. El proceso de la reivindicación 1, que además comprende el derretimiento del hierro viejo o chatarra de acero para producir el hierro para moldería teniendo un contenido de silicio de 0.5 por ciento a 4.0 por ciento en peso.
21. 21. El proceso de la reivindicación 1, que además comprende el derretimiento de la fuente de hierro en el horno a una temperatura entre 2100°F y 3200°F.
22. 22. Un proceso continuo para producir hierro para moldería comprendiendo los siguientes pasos: suministrar continuamente una carga que comprende una mezcla de hierro viejo o chatarra de acero, una fuente de sílice y un agente reductor carbonoso a un horno de arco sumergido alrededor de sus electrodos, abastecer energía eléctrica a los electrodos para generar un arco eléctrico entre los mismos y derretir el hierro viejo o chatarra de acero y fundir simultáneamente la fuente de sílice en la presencia del agente reductor carbonoso por el arco eléctrico entre los electrodos para producir silicio y producir hierro para moldería teniendo un contenido de silicio de 0.05 por ciento a 9.5 por ciento en peso y un contenido de carbono de 0.01 por ciento a 4.5 por ciento en peso substancialmente en la ausencia de la escoria.
23. 23. El proceso de la reivindicación 22, en donde el hierro viejo o chatarra de acero tiene un tamaño de partículas de menos de 60 centímetros.
24. 24. El proceso de la reivindicación 22, en donde el hierro viejo o chatarra de acero tiene un tamaño de partículas de menos de 0.5 centímetros.
25. 25. El proceso de la reivindicación 22, en donde la carga está substancialmente en la ausencia del mineral de hierro y ferrosilicio.
26. 26. El proceso de la reivindicación 22, en donde la carga contiene por lo menos alrededor de 5.0 por ciento en peso de astillas de madera en base al peso del hierro en la carga.
27. 27. El proceso de la reivindicación 22, en donde la fuente de sílice es substancialmente cuarcita pura.
28. 28. El proceso de la reivindicación 22, en donde el hierro para moldería tiene un contenido de silicio de 0.25 por ciento a 3.0 por ciento en peso.
29. 29. El proceso de la reivindicación 22, en donde el hierro para moldería tiene un contenido de silicio de 2.0 por ciento en peso.
30. 30. El proceso de la reivindicación 22, comprendiendo el suministro de la carga al horno substancialmente en la ausencia del coque.
31. 31. El proceso de la reivindicación 22, en donde el agente reductor carbonoso se selecciona del grupo que consta de carbón vegetal, astillas de madera, carbón, coque y mezclas de los mismos.
32. 32. El proceso de la reivindicación 22, en donde el hierro viejo o chatarra de acero contiene por lo menos alrededor de 98 por ciento en peso de hierro.
33. 33. El proceso de la reivindicación 22, comprendiendo la operación del horno a una temperatura de baño entre 2100°F y 3200°F.