MXPA97008321A - Proceso para reducir los polvos en estructuras de acero electricas e instalacion para implementarlo - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un proceso para procesar los polvos de estructuras de acero eléctricas y que portan zinc, alto contenido de fierro, materiales oxidados en un horno de inducción de frecuencia baja del tipo sin núcleo, resultando en:- reducción de contenidos deóxido de fierro a fierro fundido, -concentración deóxidos metálicos no ferrosos en vapores recuperados desde el proceso, -formación de escoria adecuada para ser dispuesta en depósitos normales. El baño de fierro fundido, manteniendo a temperatura alta y circulado rápidamente por las corrientes inducidas las cuales fluyen a través del mismo, constituyen la"sección de reducción"del horno, dentro del cual toma lugar la reducción de losóxidos de metal los cuales constituyen la alimentación:Zn, Pb, Cd, Fe. La capa de recubrimiento del baño, ocupada por la provisión de alimentación (polvos granulados de estructuras de acero, carbón granular, agentes formadores de escoria) constituye la sección de oxidación del horno dentro del cual se quema carbón produciendo CO, y vapores de Zn y otros metales de la provisión de alimentación dejando el baño, son oxidados otra vez y regresan a los vapores. Una unidad de recolección de vapores apropiada recolecta los polvos y recuperaóxidos de Zn, Pb, Cd concentrados a más de dos veces como niveles altos con relación a sus concentraciones iniciales en el inicio del proceso.

Description

PROCESO PARA REDUCIR LOS POLVOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO ELÉCTRICAS E INSTALACIÓN PARA IMPLEMENTARLO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Es bien conocido que la fundición de fragmentos de fierro en un horno eléctrico provoca que se formen 10-20 kg de polvo por cada tonelada de acero producido. Este polvo de peso ligero, fino y fácilmente dispersable (referido como "EAF") contiene, como sus óxidos, 20-25% de Fe, 18-25% de Zn, 2-4% de Pb, y aún otras impurezas más o menos peligrosas. Sobre la consideración del tamaño de las estructuras de acero presentes, la cantidad producida de polvos es extremadamente grande y, debido a razones de salud, ambientales y económicas, se requiere urgentemente un proceso para recuperar y hacer inertes los metales valiosos. La primera solución intentada fue el reciclado de los polvos en el mismo horno el cual los produce. Por esta forma, puede ser recuperado fierro y pueden ser gradualmente concentrados óxidos de metales no ferrosos en los vapores, pero se experimentaron muy pronto grandes dificultades en las estructuras de acero, en el horno que carga y recolecta los vapores, los consumos de energía resultaron ser grandes, y la capacidad de los hornos disminuyó, de este modo se contempla que el método no es deseable por razones económicas y, sobre todo ambientales. En la presente, para procesar los polvos EAF son utilizados varios procesos térmicos para reducción ambiental, y son llevados a cabo en hornos rotatorios, hornos de forja, hornos de plasma y hornos de flama. El proceso más ampliamente conocido y difundido es el proceso de Waelz-Berzelius en el cual se mezclan los polvos con carbón fino, yeso y sílice y se alimenta la mezcla resultante a un horno rotatorio grande. La reducción toma lugar en esa porción del horno en la cual se alcanzan temperaturas de 1200°C: Zn y Pb cambian a vapores y son recuperados como polvos en unidades de filtraciones de vapores y condensadores, mientras que el óxido de fierro, reaccionando con los agentes para formación de escorias produce una escoria la cual no siempre puede ser dispuesta como un material inerte. En los óxidos de Waelz el Zn, Pb alcanza niveles de concentración de 60% y, respectivamente 10%: por lo tanto, este material es adecuado para recuperación de ambos metales. El proceso HTR conceptualmente similar al precedente, logra un cierto ahorro de energía alimentando el polvo a esa porción del horno en la cual se alcanzan temperaturas de 1400°C: no se reduce FeO y cambia a escoria.

El proceso de Plasmadust (Sueco) utiliza un plasma de arco no transferido, que provoca que un gas fluya a través de la descarga de un arco eléctrico y se mantiene quemando entre dos electrodos instalados dentro de las toberas de un horno metalúrgico alimentado en la parte superior con coque que fluye desde la parte superior hacia abajo. Los polvos granulados con carbón y fundentes son inyectados a la flama del soplete de plasma. Se reducen los óxidos de fierro a fierro fundido, Zn y Pb son reducidos y volatilizados, y son recolectados en un condensador exterior. La cal y sílice reaccionan con otros componentes en polvo, cambiándolos a escoria. En la presente, este proceso se utiliza principalmente para procesar los polvos de hornos eléctricos utilizados para producir acero inoxidable. También el proceso de Inmetco (USA) se utiliza preferentemente para procesar los polvos de acero inoxidable que producen hornos eléctricos. Se utiliza un horno de mesa rotatorio dentro del cual se somete a una primera reducción a una mezcla de polvos con carbón y coque fino, granulada: el Zn y Pb se concentran en los vapores de este horno. Se cargan los granulos pre-reducidos los cuales contienen todo el fierro, junto con fragmentos y capas de óxido de la laminación a un horno eléctrico de arco sumergido para obtener una aleación de fierro con Cr, Ni y Mo contenidos en los polvos originales. El reactor de St. Joe es un horno de acero vertical con una cubierta de agua subdividida en dos etapas. El quemador, alimentado con polvo de coque, se alimenta con aire enriquecido con oxfgeno, de esta forma se genera una flama particularmente de alta temperatura (aproximadamente a 2000°C). Se inyecta neumáticamente la carga metalúrgica a la región de reducción de la flama. El Zn, Pb y Cd, se reducen, evaporan y recolectan en un filtro de bolsa ó saco. Se granula la escoria con alto contenido de fierro y puede ser vendida a industrias de cementos (con el fin de agregar fierro a la mezcla de cemento), o se utiliza como materia prima para altos hornos. El proceso de Tetronics por British Steel Co. utiliza un horno de plasma de arco transferido. Se instala un soplete de plasma sobre la parte superior del horno y, con el fin de distribuir la energía al baño, puede rotar con una inclinación variable hacia el eje vertical. Los vapores del acero inoxidable, mezclado con 28% de antracita son alimentados continuamente al horno (con una velocidad de alimentación de 500 kg/h) a una temperatura constante de aproximadamente 2000°C. Se recupera el Cr, Ni, Mo como aleaciones de fierro. Los gases de escape son eliminados de los polvos dentro de los filtros de bolsa. También los polvos EAF que contienen 18% de Zn son probados, obteniéndose concentraciones de ZnO hasta de 60%.

También el proceso de Kaldo para Boliden desarrollado para residuos que llevan plomo, y el proceso para formar vapores de escoria, muy bien conocido para recuperación de Zn y Pb a partir de escoria de sílice de horno de viento, se puede tomar en cuenta como que representa una posible solución para el procesamiento de polvos de EAF. En el horno electrotérmico vertical desarrollado por St. Joe Minerals, estudiado para minerales de zinc, los polvos de EAF pueden ser cargados y sinterizados mezclándolos con el residuo de esfaleritas calcinadas. El producto sinterizado resultante fluye entonces a través de un horno rotatorio de precalentamiento y entra entonces al horno electrotérmico desde la parte superior. El coque alimenta el horno con energía y crea una región conductiva por energía eléctrica suministrada por medio de electrodos de grafito. Bajo las condiciones de operación del horno, se volatiliza el Zn. Los vapores son enviados para burbujear a través de un baño de Zn frío que actúa como condensador. La alimentación no debe contener menos de 40% de Zn. La cantidad de polvos EAF los cuales pueden ser procesados en este proceso está limitada por las grandes cantidades de impurezas que contiene. Finalmente, la Universidad Tecnológica de Michigan trató de agregar al horno de cúpula, granulos de residuos oxidados junto con fierro fundido y fragmentos. Operando a 1510-1538°C, se forma la escoria y se reduce en fierro y se recupera en el estado líquido, mientras que se volatilizan el Zn y el Pb y se recuperan como óxido de zinc sin purificar. Pudiera considerarse que los óxidos granulados representan solamente 5% de la carga alimentada al horno de cúpula. Las instalaciones para realizar el proceso citado requieren altos costos de inversión y los gastos financieros resultantes son tales que pueden ser soportados exclusivamente por las fábricas de acero primarias o consorcios. Los metales producidos deben ser reprocesados con el fin de explotarlos a un nivel comercial. Solamente algunos de los procesos anteriores producen escorias adecuadas para ser dispuestas en depósitos normales. Los propósitos de la presente invención son suministrar un proceso directo y simple para: - recuperar, en la forma de metal, el fierro contenido en el polvo EAF; - separar y concentrar, sin pérdida, los óxidos de Zn y Pb y otras impurezas ya sea metálicas o no metálicas (Cd, F, Cl y otros); - remover todos los otros componentes del polvos, enviarlos para formar una escoria adecuada para ser dispuesta en depósitos normales, es decir, con carácter no tóxico o no dañino.

De acuerdo a la presente invención, con el fin de lograr los propósitos anteriores, debe ser utilizada una instalación la cual es adecuada para velocidades de producción pequeña-media y posiblemente conocida por aquellos con habilidad en la industria de fabricación de acero. Los costos de energía y operación deben ser limitados y por otra parte competitivos con aquellos procesos utilizados actualmente para el procesamiento de polvos EAF. Con el fin de lograr tales propósitos, la presente invención propone un proceso para procesar los polvos de estructuras de acero eléctricas y materiales que portan zinc, fierro altamente oxidado, principalmente con el fin de recuperar el fierro y el zinc de los mismos, caracterizado en que los polvos son alimentados a un horno de inducción sólo parcialmente llenado con una carga de metal o aleación, como, usualmente, fierro fundido, para ser fundido, tal como una carga que está en el estado fundido como un baño bajo condiciones turbulentas dentro del horno debido al efecto de las corrientes inducidas, con los polvos que hacen de esta forma contacto con la superficie libre del baño de fundición turbulento dentro del horno, con reacciones de reducción de óxidos de zinc y fierro contenidos en los polvos que toman lugar consecuentemente dentro del horno. La presente invención se caracteriza primero que nada, por el medio seleccionado para llevar a cabo la reacción de reducción/oxidación necesaria para procesar racionalmente polvos EAF y materiales oxidados que contienen zinc y alto contenido de fierro, los cuales son fuertemente penalizados si deben ser seguidos los procesos clásicos de producción de zinc. El horno de inducción de baja frecuencia del tipo sin núcleo, el cual se selecciona de acuerdo a la presente invención, ha sido conocido por muchos años en la metalurgia de metales no ferrosos y de aceros secundarios como un medio de fundición rápido y efectivo. De acuerdo a la técnica conocida, tal horno se utiliza solamente como un medio de fundición en el cual la carga en todos los casos conocidos está constituida por masas coalescidas de polvo o fragmentos que suministran rendimientos altos de metales, variables de acuerdo al metal o aleación a ser fundido. Por ejemplo, en el caso de la producción de fierro fundido, puede ser tomada en cuenta como estándar una carga, como a continuación: Fragmentos o masas coalescidas de polvo de fierro fundido limpias 95% Aleaciones maestras 2-3% Agentes de formación de escorias 1 -2% De acuerdo a la técnica anterior, se utiliza solamente el horno de inducción de baja frecuencia como un medio de fundición para preparar metal líquido para fundir.

De lo contrario, la presente invención utiliza, por primera vez, el horno de inducción de baja frecuencia no como un medio de fundición, sino como un aparato para llevar a cabo simultáneamente las reacciones de reducción y oxidación y propone por lo tanto el ser cargado, por ejemplo, de granulos de polvo que tienen típicamente la siguiente composición: ZnO 16-24% FeO 18-20% MnO 2-4% PbO 4-6% CaO 6-8% Si?2 4-5% S 0.5-1 % F 0.5-1 % Cl 0.5-2% en donde todos los metales están en sus formas oxidadas. Esta sorprendente aplicación de acuerdo a la presente invención se hace posible por el aspecto de caracterización de que el horno, antes de iniciar el cargado de los granulos de polvo, se llena hasta aproximadamente la mitad de la altura típicamente con fierro fundido, el cual constituye el "talón" para la reacción. El flujo de alta intensidad de corrientes inducidas calienta el baño hasta 1450-1500°C y lo mantiene agitado vigorosamente. Ahora, los granulos, preferiblemente secos y precalentados, son cargados al horno mezclados con 14% de carbón granular, con pequeñas cantidades de agentes formadores de escorias agregadas. La reducción de los compuestos oxidados al metal Zn toma lugar en la región de contacto entre la superficie del baño de fierro fundido y la capa más caliente, de la parte más inferior de granulos cargados. La renovación rápida y continua de la capa de fierro fundido la cual humedece el ZnO y FeZn?4 que contienen los granulos, provoca la reacción con el carbono contenido en el fierro fundido: ZnO + C(Fe) ?Zn + Co O ) para proceder con una velocidad considerablemente alta. A su vez, el baño, debido a su contacto con los granulos de carbón contenidos en el polvo, reestablece el nivel original C de fierro fundido. El Zn producido por la reacción (1 ), debido a la alta temperatura de la zona de reacción, se vaporiza y se eleva a través de las capas de óxido de polvo, reduciendo efectivamente los óxidos de fierro: FeO + Zn ? Fe + Zn (2) El proceso toma lugar en dos etapas y en dos zonas diferentes del horno: I I - una etapa reductiva, en la cual el agente activo es carbón contenido en eJ fierro fundido, que se mantiene moviéndose rápidamente por el fenómeno inductivo (direccionamiento). La zona de interés es la región de contacto del baño/gránulos, la cual es la región más caliente en el horno y debe ser suministrada una gran cantidad de energía; - una etapa oxidativa, la cual toma lugar dentro de los polvos, en la cual se quema el carbón mezclado produciendo Co y generando la energía necesaria para mantener el valor de alta temperatura y permitir que los óxidos de fierro oxiden los vapores de Zn que se elevan de la parte inferior. Durante el curso del proceso, debe ser monitoreada cuidadosamente la calidad de la escoria formada, y, si es necesario, modificarla posiblemente con un flujo adecuado para fluiría. También la volatilización de Pb debe ser asistida adecuadamente, agregando pequeñas cantidades de CaCl2 con el fin de provocar la baja ebullición de PbCl2 a ser formado por la reacción de cloruro de calcio agregado con PbO. Un objeto adicional de la presente invención es una instalación para implementar el proceso descrito anteriormente, la instalación que comprende un horno de inducción para tal uso como se proporciona por el proceso de acuerdo a la misma invención.

Una instalación de acuerdo a la presente invención se describe esquemáticamente con referencia a la figura de los dibujos acompañantes. De acuerdo a tal figura, con (10) un horno de inducción de baja frecuencia del tipo sin núcleo es mostrado, dentro del cual, con (11 ), una carga de fierro colado fundido se muestra esquemáticamente y, como se observará, solamente se llena parcialmente el horno. Tal carga se presenta consecuentemente como un baño fundido bajo condiciones turbulentas dentro del horno debido al efecto de las corrientes inducidas de alta intensidad típicas del horno de inducción. Los polvos de estructuras de acero eléctricas, ricas en óxido de zinc y fierro, son alimentadas al horno (10) a través de la entrada (12), y las mismas son obligadas entonces a fluir a lo largo de un tambor inclinado (13), en contracorriente con relación al flujo de aire caliente que sale del horno (10). El calor de reacción generado dentro del horno se utiliza de esta forma para secar y precalentar los polvos mientras que fluyen hacia el horno. Los óxidos de metal no ferrosos salen del horno introducidos por la corriente de aire caliente rica en CO. La reacción de CO con el aire de arrastre: CO + 1 /2 02 ? C02 (3) toma lugar durante el paso de los vapores a través del tambor inclinado (13), a lo largo del cual fluye hacia abajo el flujo de granulos de polvo húmedos, en contracorriente con relación a ios vapores. Después de que salen del tambor (13), los gases de escape sufren un primer enfriamiento por la adición de aire en (14) y entran a un extractor de polvos (15) en el cual se eliminan los componentes más gruesos y más pesados. La eliminación completa de polvos toma lugar dentro de un filtro de bolsa (16) del tipo de "impulso por chorro", instalado corriente arriba de una chimenea (1 7). Ejemplos no limitantes de un proceso de acuerdo a la presente invención se reportan ahora.

EJEMPLO 1 Procesando un polvo EAF con la composición normal (por ejemplo: un polvo similar a uno descrito en el sig uiente Ejemplo 2) de acuerdo a la presente invención, se obtiene lo siguiente: 25-27% Fierro de colada sin purificar 34-36% Polvos recuperados de los vapores (50-60% de Zn) 34-36% Escoria en la composición de la cual de acuerdo a la prueba de liberación internacional , cae dentro de los límites de la Tabla "A" de la prueba.

Dentro de un horno de Inducción de baja frecuencia dei tipo sin núcleo que tiene una capacidad de 900 I, puede ser procesada una t/h de polvo EAF granulado, con los consumos siguientes: Energía eléctrica 1000 kW/h Carbón 130 kg CaCÍ2 4 kg CaF2 4 kg 02 130 m3 CH4 20 Nm3 Material 1 refractario 6 kg Los consumos anteriores incluyen todas las operaciones subsidiarias (filtración de vapores, aire de granulación, y similares).

Ejemplo 2 Se cargan a un horno de baja frecuencia del tipo sin núcleo con una potencia de 150 kW y con una capacidad de 750 kg de fierro colado, con una camisa refractaria de magnesita de alúmina, 350 kg de fierro de colada para ser el talón de la reacción. Se calienta el baño hasta 1450-1500°C y entonces se inicia la alimentación de polvos, que consiste de 150 kg de granulos secos y precalentados, y 20 kg de granulos de carbón. La composición promedio de polvos granulados es: Zn 21 .5%; Pb 5.6%; Fe 27,4%; Mn 0.8%; C 2.85%; Ca 3.30%; S 0.45%.

Con el fin de hacer fluir la escoria, se agregan gradualmente 0.1 kg de CaCl2 y 0.3 kg de CaF2 a través de la duración de la prueba. Con el fin de ahorrar energía eléctrica, se inyectan 20 m3 de oxígeno. Dentro de una hora después del inicio de la prueba, se completa la adición de la carga y la reacción ha procedido para su terminación, siendo formada una escoria fluida del tipo ácido y con una apariencia vidriosa. El análisis completo de la escoria es como sigue: MgO 1 .66%; CaO 14.43%; ZnO 1 .98%; FeO 12.27%; PbO 0.05%; AI2O3 7.74%; resto Si?2- De acuerdo con ia prueba de liberación, esta escoria cumple con los requerimientos de calidad de la Tabla "A". Se obtienen los siguientes productos a partir de procesar 150 kg de polvo: 38.5 kg de fierro de colada con 0.92% de Mn, 3.6% de C 52.5 kg de óxidos con 58.3% de Zn, 15.3% de Pb, 0.44% de Fe 53.0 kg de escoria con 1 .59% de Zn, 0.05% de Pb, 9.54% de Fe. Totalizando, los aspectos siguientes de la invención son valiosos, siendo resaltados: 1 ) La elección del horno de inducción, el cual, mientras que es bien conocido como un horno de fundición, se utiliza aquí para llevar a cabo las reacciones de reducción/oxidación. 2) La agitación intensa inducida en el baño de fierro de colada, de tal manera que se favorece la reducción de ZnO por el carbono mezclado ZnO + C(Fe) ? Zn + CO por la renovación continua de la superficie, provocada por las corrientes intensas inducidas que fluyen a través del baño. 3) La reducción de FeO por vapores de Zn emitidos desde la zona de reacción precedente, multiplica el efecto de reducción de FeO del carbón contenido en la carga. 4) La explotación máxima de energía de los elementos disponibles reduce los consumos del proceso.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1 . Un proceso para procesar polvos de estructuras de acero eléctricas y materiales que contienen alto contenido de fierro, zinc oxidados principalmente con el fin de recuperar fierro y zinc a partir de los mismos, caracterizado porque los polvos son alimentados a un horno de inducción solamente llenado parcialmente con una carga de metal o aleación, como, usualmente, fierro de colada, a ser fundido, con tal carga que está contenida dentro del horno en el estado fundido así como un baño bajo condiciones turbulentas debido al efecto de ias corrientes inducidas, con los polvos que hacen contacto de esta forma con la superficie libre del baño fundido turbulento dentro del horno, con reacciones de reducción de óxidos de zinc y fierro contenidos en los polvos consecuentemente que toma lugar dentro del horno.

2. El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la carga está constituida por fierro de colada y el óxido de zinc contenido en el polvo reacciona con el carbono contenido en el fierro de colada de acuerdo a la siguiente reacción: ZnO + C(Fe) ? Zn + CO (1 ).

3. El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque los polvos son mezclados con carbón, preferiblemente en forma granular.

4. El proceso de conformidad con las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque el baño de fierro de colada fundido mantiene constante su nivel de carbono por estar en contacto con el carbón mezclado con los polvos.

5. El proceso de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el metal de zinc producido en la reacción (1 ) se vaporiza y reacciona con el óxido de fierro contenido en los polvos de acuerdo a la reacción : FeO + Zn ? Fe + Zn (2)

6. El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque los polvos son alimentados al horno después de que son secados y precalentados.

7. El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el fierro y el zinc son recuperados comúnmente como fierro de colada y óxido de zinc, respectivamente.

8. El uso de un horno de inducción para el proceso de conformidad con una o más de las reivindicaciones precedentes.

9. La instalación para procesar los polvos a partir de estructuras de acero eléctricas y materiales que contienen zinc y altos contenidos de fierro oxidados principalmente con el fin de recuperar fierro y zinc a partir de los mismos, caracterizada porque comprende un horno de inducción en el cual son alimentados los polvos a la superficie libre de un baño de fierro de colada fundido con el cual se llena parcialmente el horno.

10. La instalación de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque comprende un tambor inclinado con el fin de provocar que los polvos se alimenten al horno para fluir en contracorriente con relación al aire caliente que sale del horno, un extractor de polvos para provocar que sedimenten los componentes más pesados, un filtro para recolección de polvos en el cual los materiales a ser recuperados son separados. RESUMEN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona a un proceso para procesar los polvos de estructuras de acero eléctricas y que portan zinc, alto contenido de fierro, materiales oxidados en un horno de inducción de frecuencia baja del tipo sin núcleo, resultando en: - reducción de contenidos de óxido de fierro a fierro fundido, - concentración de óxidos metálicos no ferrosos en vapores recuperados desde el proceso, - formación de escoria adecuada para ser dispuesta en depósitos normales. El baño de fierro fundido, mantenido a temperatura alta y circulado rápidamente por las corriente inducidas las cuales fluyen a través del mismo, constituyen la "sección de reducción" del horno, dentro del cual toma lugar la reducción de los óxidos de metal los cuales constituyen la alimentación: Zn, Pb, Cd, Fe. La capa de recubrimiento del baño, ocupada por la provisión de alimentación (polvos granulados de estructuras de acero, carbón granular, agentes formadores de escoria) constituye la sección de oxidación del horno dentro del cual se quema carbón produciendo CO, y vapores de Zn y otros metales de la provisión de alimentación dejando el baño, son oxidados otra vez y regresan a los vapores. Una unidad de recolección de vapores apropiada recolecta los polvos y recupera óxidos de Zn, Pb, Cd concentrados a más de dos veces como niveles altos con relación a sus concentraciones iniciales en el inicio del proceso.