ES2286827T3

ES2286827T3 - Procedimiento para el tratamiento de polvos en los conductos de acerias electricas.

Info

Publication number: ES2286827T3
Application number: ES97203326T
Authority: ES
Inventors: Gianni Zoppi
Original assignee: Ecochem AG
Current assignee: Ecochem AG
Priority date: 1996-11-01
Filing date: 1997-10-27
Publication date: 2007-12-01
Anticipated expiration: 2017-10-27
Also published as: AU739426B2; CA2219645C; EP0839919A1; US6136059A; KR100291250B1; CH691685A5; KR19980041966A; DE69737623D1; EP0839919B1; MX9708321A; AU4365997A; CA2219645A1; DE69737623T2

Abstract

LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UN PROCESO Y UNA INSTALACION DE TRATAMIENTO DEL POLVO Y LOS MATERIALES OXIDADOS QUE CONTIENEN CINC Y UNA ALTA PROPORCION DE HIERRO DE LAS ACERIAS ELECTRICAS, EN UN HORNO DE INDUCCION DE BAJA FRECUENCIA SIN NUCLEO MAGNETICO, Y QUE DA COMO RESULTADO: - LA REDUCCION DEL CONTENIDO DE OXIDOS DE HIERRO A FUNDICION DE HIERRO, - LA CONCENTRACION DE LOS OXIDOS METALICOS NO FERREOS EN LOS HUMOS RECUPERADOS DEL PROCESO, Y - LA FORMACION DE UNA ESCORIA ADECUADA PARA SU EVACUACION EN VERTEDEROS NORMALES. EL BAÑO DE HIERRO FUNDIDO, MANTENIDO A ALTA TEMPERATURA Y EN RAPIDA CIRCULACION POR LAS CORRIENTES INDUCIDAS QUE LO ATRAVIESAN, CONSTITUYE LA SECCION REDUCTORA DEL HORNO, EN CUYO INTERIOR TIENE LUGAR LA REDUCCION DE LOS OXIDOS METALICOS QUE CONSTITUYEN LA MATERIA PRIMA: ZN, PB, CD, FE. LA CAPA QUE CUBRE EL BAÑO, OCUPADA POR LA MATERIA PRIMA (POLVO DE ACERIA NODULIZADO, CARBON GRANULAR, AGENTES FORMADORES DE ESCORIA) CONSTITUYEN LA SECCION OXIDANTE DEL HORNO EN CUYO INTERIOR SE QUEMA EL CARBON Y DESPRENDE CO, Y LAS EMANACIONES DE ZN Y OTROS METALES DE LA MATERIA PRIMA QUE SE DESPRENDEN DEL BAÑO SE OXIDAN DE NUEVO Y SE TRANSFORMAN EN HUMOS. UNA UNIDAD COLECTORA DE HUMOS ADECUADA RECOGE EL POLVO Y RECUPERA LOS OXIDOS DE ZN, PB, CD, CONCENTRADOS EN NIVELES SUPERIORES AL DOBLE DE SU CONCENTRACION INICIAL AL COMIENZO DEL PROCESO.

Description

Procedimiento para el tratamiento de polvos en los conductos de acerías eléctricas.

Se conoce bien que la fundición de chatarra de hierro en horno eléctrico hace que se formen entre 10 y 20 kg de polvo por cada tonelada de acero producido. Este polvo ligero, fácilmente dispersable y fino (denominado como "EAF") contiene, como sus óxidos, el 20-25% de Fe, el 18-25% de Zn, el 2-4% de Pb, y todavía otras impurezas, más o menos peligrosas.

Al considerar el tamaño de las acerías actuales, la cantidad producida de polvos resulta extremadamente grande y, debido a motivos de salud, medioambientales y económicos, se requiere urgentemente un procedimiento de inertización y recuperación de metales valiosos.

La primera solución probada fue la de recircular el polvo al mismo horno que lo produce. De esta manera, puede recuperarse hierro y pueden concentrarse gradualmente óxidos de metales no ferrosos en los humos, pero pronto se experimentaron mayores dificultades en las acerías, en la carga del horno y la recogida de humos, los consumos de energía resultaron ser superiores, y disminuyó la producción de los hornos, así que se considera que el procedimiento no es deseable por motivos económicos y, sobre todo, medioambientales.

En la actualidad, para tratar polvos EAF se utilizan varios procedimientos térmicos en un entorno reductor, y se llevan a cabo en hornos giratorios, hornos de solera, hornos de plasma y hornos de llama.

El procedimiento más ampliamente conocido y difundido es el procedimiento de Waelz-Berzelius en el que se mezclan los polvos con carbón menudo, cal y sílice y se alimenta la mezcla resultante a un horno giratorio
largo.

La reducción tiene lugar en aquella parte del horno en la que se alcanzan temperaturas de 1.200ºC: el Zn y Pb se convierten en vapores y se recuperan como polvos en condensadores y unidades de filtración de humos, mientras que el óxido de hierro, al reaccionar con los agentes escorificantes produce una escoria que no siempre puede desecharse como un material inerte.

El Zn y Pb en los óxidos de Waelz alcanzan niveles de concentración del 60% y, respectivamente, el 10%; por tanto, este material resultar adecuado para recuperar ambos metales.

El procedimiento HTR, similar conceptualmente al precedente, consigue un cierto ahorro de energía alimentando el polvo a aquella parte del horno en el que se alcanzan temperaturas de 1.400ºC: el FeO no se reduce y se convierte en escoria.

El procedimiento Plasmadust ("polvo de plasma") (Suecia) utiliza un plasma de arco no transferido, que hace que un gas fluya a través de la descarga de arco eléctrico que se mantiene encendido entre dos electrodos instalados dentro de las toberas de un horno metalúrgico alimentado por arriba con coque que fluye desde la parte de arriba hacia abajo. Los polvos nodulizados con carbón y fundente se inyectan en la llama de la antorcha de plasma. Se reducen los óxidos de hierro a arrabio, se reducen y se volatilizan el Zn y Pb, y se recogen en un condensador externo. La cal y la sílice reaccionan con otros componentes del polvo, convirtiéndose ellas mismas en escoria. En la actualidad, este procedimiento se utiliza principalmente para el tratamiento de los polvos de hornos eléctricos utilizados para producir acero inoxidable.

También se utiliza preferentemente el procedimiento Inmetco (USA) para tratar los polvos de hornos eléctricos que producen acero inoxidable. Se utiliza un horno de mesa giratoria dentro del cual se somete la mezcla de polvo con carbón y coque fino, nodulizada, a una primera reducción: el Zn y Pb se concentran en los humos de este horno. Los nódulos (pellets) reducidos previamente que contienen todo el hierro se cargan, junto con chatarra y cascarillas de laminación, en un horno eléctrico de arco sumergido para obtener una aleación de hierro con el Cr, Ni y Mo contenidos en los polvos originales.

El reactor de St. Joe es un horno para acero vertical con camisa de agua subdividido en 2 etapas. El quemador, alimentado con polvo de coque, se alimenta con aire enriquecido en oxígeno, de modo que se genera una llama de temperatura particularmente alta (aproximadamente a 2.000ºC).

La carga metalúrgica se inyecta neumáticamente a la región reductora de la llama. El Zn, Pb y Cd se reducen, vaporizan y recogen en una bolsa filtrante.

Se granula la escoria de alto contenido en hierro y puede venderse a fábricas de cemento (con el fin de añadir hierro a la mezcla de cemento) o se utiliza como materia prima para altos hornos.

El procedimiento de Tetronics de la British Steel Co. utiliza un horno de plasma de arco transferido. Se instala la antorcha de plasma sobre la bóveda del horno y, con el fin de distribuir la energía hasta el baño, puede girar con una inclinación variable con respecto al eje vertical.

Se alimentan continuamente los humos procedentes del acero inoxidable, mezclados con un 28% de antracita, al horno (con una velocidad de alimentación de 500 kg/h) a una temperatura constante de aproximadamente 2000ºC. Se recuperan Cr, Ni, Mo como aleaciones de hierro.

Se quitan los gases de escape de los polvos dentro de las bolsas filtrantes.

También se sometieron a prueba polvos EAF que contenían un 18% de Zn, obteniéndose una concentración de ZnO de hasta el 60%.

También puede considerarse que el procedimiento Kaldo de Boliden, desarrollado para residuos que llevan plomo, y el procedimiento de producción de humos de escoria, muy conocido para la recuperación de Zn y Pb a partir de escoria de sílice de un horno eólico, representan una posible solución para el tratamiento de polvos EAF.

En el horno electrotérmico vertical desarrollado por St. Joe Minerals, estudiado para los minerales de zinc, pueden cargarse polvos EAF, y sinterizarlos mezclados con el residuo de la tostación de blendas.

El producto sinterizado resultante fluye a continuación a través de un horno giratorio de precalentamiento y luego entra en el horno electrotérmico desde la parte superior. El coque alimenta al horno con energía y produce una región conductora para la energía eléctrica suministrada por medio de electrodos de grafito. En las condiciones de funcionamiento del horno, el Zn se volatiliza. Los humos se envían a burbujear a través de un baño de Zn enfriado que actúa como condensador. La alimentación no debe contener menos del 40% de Zn. La cantidad de polvos EAF que pueden procesarse en este procedimiento está limitada por las grandes cantidades de impurezas con las que contribuyen.

Finalmente, la Universidad Tecnológica de Michigan intentó añadir a un horno de cubilote nódulos de residuos oxidados junto con arrabio y chatarra. Mediante el funcionamiento a entre 1.510 y 1.538ºC, se forma una escoria y se reduce el hierro y se recupera en estado líquido, mientras que se volatilizan el Zn y Pb y se recuperan como óxido de zinc
bruto. Debe considerarse que los óxidos nodulizados sólo representan el 5% de la carga alimentada al

\hbox{horno de cubilote.}

Las instalaciones para realizar el procedimiento citado requieren altos costes de inversión y las cargas económicas resultantes son tales que pueden soportarse exclusivamente por acerías o consorcios primarios.

Los metales producidos deben volverse a procesar con el fin de aprovecharlos a nivel comercial.

Sólo algunos de los procedimientos anteriores producen escorias adecuadas para desecharse en vertederos normales.

El documento EP-A-0 174 641 (Sumitomo) da a conocer un procedimiento para recuperar metales valiosos tales como zinc, hierro y similares a partir de un polvo de hierro que contiene zinc en él, tal como el generado en un horno de arco eléctrico para la fabricación de acero o similares.

Los objetivos de la presente invención son los de proporcionar un procedimiento sencillo y directo para:

-: recuperar, en forma metálica, el hierro contenido en un polvo EAF;

-: separar y concentrar, sin pérdidas, los óxidos de Zn y Pb y otras impurezas o bien metálicas o bien no metálicas (Cd, F, Cl, etcétera);

-: eliminar todos los demás componentes del polvo, enviándolos para formar una escoria adecuada para desecharse en vertederos normales, es decir, sin carácter tóxico o nocivo.

Según la presente invención, con el fin de alcanzar los objetivos anteriores, debe utilizarse una instalación que sea adecuada para tasas de producción de pequeñas a medias y posiblemente conocida por los expertos en la industria de la fabricación de acero.

Los costes de energía y funcionamiento deben limitarse y ser en cualquier caso competitivos con los de los procedimientos usados actualmente para el tratamiento de polvos EAF.

Con el fin de alcanzar dichos objetivos, la presente invención proporciona un procedimiento según se reivindica en la reivindicación 1.

La presente invención se caracteriza, en primer lugar, por los medios seleccionados para llevar a cabo la reacción de reducción/oxidación necesaria para tratar de manera racional los polvos EAF y materiales con alto contenido en hierro, que llevan zinc oxidados, que están fuertemente desfavorecidos si deben seguirse los procedimientos de producción de zinc clásicos.

Se conoce desde hace muchos años, el horno de inducción de baja frecuencia del tipo sin núcleo, que se seleccionó según la presente invención, en metalurgia secundaria de metales no ferrosos y acero como un medio de fundición rápido y eficaz.

Según la técnica conocida, sólo se utiliza un horno de este tipo como medio de fundición en el que la carga en todos los casos conocidos está constituida por tortas o escoria que suministran altos rendimientos de metal, variables según el metal o la aleación que va a fundirse.

Por ejemplo, en el caso de la producción de arrabio, una carga que puede considerarse que es convencional, es tal como sigue:

Escoria o tortas de arrabio limpio	95%
Aleaciones madre	2-3%
Agentes escorificantes	1-2%

Según la técnica anterior, sólo se utiliza el horno de inducción de baja frecuencia como medio de fundición para preparar metal líquido para colada.

Por el contrario, la presente invención utiliza, por primera vez, el horno de inducción de baja frecuencia no como medio de fundición, sino como un aparato para llevar a cabo simultáneamente las reacciones de reducción y oxidación y, por lo tanto, propone cargar, por ejemplo, nódulos de polvo que normalmente presentan la siguiente composición:

ZnO	16-24%
Fe_{2}ZnO_{4}	10-12%
FeO	18-20%
MnO	2-4%
PbO	4-6%
CaO	6-8%
SiO_{2}	4-5%
S	0,5-1%
F	0,5-1%
Cl	0,5-2%

en los que todos los metales están en sus formas oxidadas.

Esta sorprendente aplicación según la presente invención es posible por el rasgo caracterizador de que el horno, antes de comenzar la carga de los nódulos de polvo, se llena hasta aproximadamente la mitad de la altura, normalmente con arrabio, que constituye el "fondo" para la reacción. El flujo de alta intensidad de corrientes inducidas calienta el baño hasta 1.450-1.500ºC y lo mantiene con agitación vigorosa. Ahora, se cargan los nódulos, preferentemente secos y precalentados, en el horno mezclados con un 14% de carbón granulado, con pequeñas cantidades de agentes escorificantes añadidos.

La reducción de los componentes oxidados a Zn metálico tiene lugar en la región de contacto entre la superficie del baño de arrabio y la capa más inferior, más caliente de nódulos cargados. La renovación rápida y continua de la capa de arrabio que humedece los nódulos que contienen ZnO y FeZnO_{4}, produce la reacción con el carbono contenido en el arrabio:

(1)ZnO + C_{(Fe)} \rightarrow Zn + CO

para avanzar con una velocidad considerablemente alta.

A su vez, el baño, debido a su contacto con los gránulos de carbón contenidos en el polvo, restaura el nivel de C original del arrabio. El Zn producido por la reacción (1), debido a la alta temperatura de la zona de reacción, se vaporiza y asciende a través de las capas de óxidos del polvo, reduciendo de manera eficaz los óxidos de hierro:

(2)FeO + Zn \rightarrow Fe + ZnO

El procedimiento tiene lugar en dos etapas y en dos zonas del horno diferentes:

-: una etapa reductora, en la que el agente activo es carbón contenido en el arrabio, que se mantiene en rápido movimiento debido al fenómeno inductivo (dirección). La zona de interés es la región de contacto de baño/nódulos, que es la región más caliente en el horno y debe suministrarse una gran cantidad de energía;

-: una etapa oxidativa, que tiene lugar dentro de los polvos, en la que se quema el carbón combinado produciendo CO y generando la energía necesaria para mantener el alto valor de temperatura y permitir que los óxidos de hierro oxiden los vapores de Zn que ascienden desde la parte inferior.

Durante el transcurso del procedimiento, debe monitorizarse cuidadosamente la calidad de la escoria formada y, si es necesario, posiblemente modificarla con un fundente adecuado para fluidificarla. También debe ayudarse de manera adecuada a la volatilización del Pb, añadiendo pequeñas cantidades de CaCl_{2} con el fin de producir que se forme PbCl_{2} de bajo punto de ebullición mediante la reacción del cloruro de calcio añadido con PbO.

Un objetivo adicional de la presente invención es una instalación para poner en práctica el procedimiento dado a conocer anteriormente, instalación que comprende un horno de inducción para una utilización tal como la proporcionada mediante el procedimiento según la misma invención.

Una instalación según la presente invención se da a conocer de manera esquemática haciendo referencia a la figura del dibujo adjunto.

Según tal figura, con (10) se muestra un horno de inducción de baja frecuencia del tipo sin núcleo, dentro del cual, con (11) se muestra de manera esquemática una carga de arrabio fundido y, tal como puede observarse, sólo llena parcialmente dicho horno. En consecuencia, tal carga está presente como un baño fundido en condiciones turbulentas dentro del horno debido al efecto de las corrientes inducidas de alta intensidad típicas de los hornos de inducción.

Se alimentan polvos procedentes de acerías eléctricas, ricos en zinc y óxidos de hierro, al horno (10) a través de la entrada (12), y por tanto, se obligan a fluir a lo largo de un tambor (13) inclinado, en contracorriente con respecto al flujo de aire caliente que abandona el horno (10). Por tanto, se utiliza el calor de reacción generado dentro del horno para secar y precalentar los polvos mientras están fluyendo hacia dicho horno.

Los óxidos de metales no ferrosos abandonan el horno arrastrados por la corriente de aire caliente rico en CO. La reacción de CO con el aire de la campana:

(3)CO + ½ O_{2} \rightarrow CO_{2}

tiene lugar durante el paso de dicho humos a través de dicho tambor (13) inclinado, a lo largo del cual los nódulos de polvo húmedos fluyen hacia abajo, en contracorriente con respecto a dicho humos.

Al abandonar el tambor (13), los gases de escape experimentan un primer enfriamiento mediante la adición de aire en (14) y entran en un ciclón (15) en el que se eliminan los componentes más gruesos y pesados. La eliminación de polvo completa tiene lugar dentro de una manga o bolsa (16) filtrante de tipo "pulse-Jet", instalada aguas arriba de una chimenea (17).

A continuación se notifican ejemplos no limitativos de un procedimiento según la presente invención.

\vskip1.000000\baselineskip

Ejemplo 1

Al tratar un polvo EAF con una composición normal (por ejemplo: un polvo como el descrito en el siguiente ejemplo 2) según la presente invención, se obtiene lo siguiente:

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 25-27% \+ Arrabio bruto\cr  34-36%
\+ Polvos recuperados de humos (50-60% de Zn)\cr 
34-36% \+ Escoria cuya composición, según la prueba
de liberación internacional, se encuentra dentro de los\cr  \+ 
límites de la tabla  A  de dicha
prueba.\cr}

\vskip1.000000\baselineskip

Dentro de un horno de inducción de baja frecuencia del tipo sin núcleo que presenta una capacidad de 900 l, puede procesarse 1 t/h de polvo EAF nodulizado, con los siguientes consumos:

Energía eléctrica	1.000 kW/h
Carbón	130 kg
CaCl_{2}	4 kg
CaF_{2}	4 kg
O_{2}	130 m^{3}
CH_{4}	20 Nm^{3}
Material refractario	6 kg

Los consumos anteriores incluyen todas las operaciones secundarias (filtración de humos, aire de granulación, etcétera).

Ejemplo 2

En un horno de inducción de baja frecuencia del tipo sin núcleo con una potencia de 150 kW y con una capacidad de 750 kg de arrabio, con revestimiento refractario de alúmina-magnesita, se cargaron 350 kg de arrabio para ser el fondo de reacción. Se calentó el baño hasta 1.450-1.500ºC y luego se comenzó la alimentación de polvo, que estaba constituida por 150 kg de nódulos secados y precalentados, y 20 kg de gránulos de carbón. La composición promedio de los polvos nodulizados fue:

21,5% de Zn; 5,6% de Pb; 27,4% de Fe; 0,8% de Mn.

2,85% de C; 3,30% de Ca; 0,45% de S.

\vskip1.000000\baselineskip

Con el fin de fluidificar la escoria, se añadieron gradualmente 0,1 kg de CaCl_{2} y 0,3 kg de CaF_{2} a lo largo de la duración de la prueba.

Con el fin de ahorrar energía eléctrica, se inyectaron 20 m^{3} de oxígeno.

En el plazo de una hora tras el comienzo de la prueba, se había completado la adición de la carga y la reacción había avanzado hasta su final, formándose una escoria fluida de tipo ácido y con aspecto vítreo.

\vskip1.000000\baselineskip

El análisis completo de la escoria fue el siguiente:

1,66% de MgO; 14,43% de CaO; 1,98% de ZnO; 12,27% de FeO:

0,05% de PbO; 7,74% de Al_{2}O_{3}; el resto SiO_{2}.

\vskip1.000000\baselineskip

Según la prueba de liberación, esta escoria cumple los requisitos de calidad de la tabla "A".

\vskip1.000000\baselineskip

A partir del tratamiento de 150 kg de polvos, se obtuvieron los siguientes productos:

38,5 kg de arrabio con un 0,92% de Mn, un 3,6% de C

52,5 kg de óxidos con un 58,3% de Zn, un 15,3% de Pb, un 0,44% de Fe

53,0 kg de escoria con un 1,59% de Zn, un 0,05% de Pb, un 9,54% de Fe

\vskip1.000000\baselineskip

En resumen, cabe destacar los siguientes aspectos de la invención:

1): La elección del horno de inducción que, aunque se conoce bien como horno de fundición, se utiliza en la presente memoria para llevar a cabo reacciones de reducción/oxidación.

2): La agitación intensa inducida en el baño de arrabio, de modo que se favorece la reducción de ZnO por el carbono aleado ZnO + C_{(Fe)} \rightarrow Zn + CO mediante la renovación continua de la superficie, producida por las intensas corrientes inducidas que fluyen a través del baño.

3): La reducción de FeO por los vapores de Zn que se desprenden de la zona de reacción anterior, multiplica el efecto de reducción de FeO del carbón contenido en la carga.

4): El aprovechamiento energético máximo de los elementos disponibles reduce los consumos del procedimiento.

Claims

1. Procedimiento para el tratamiento de los polvos de acerías eléctricas que contienen materiales que llevan zinc, con alto contenido en hierro oxidados principalmente con el fin de recuperar hierro y zinc de ellos, que comprende alimentar dichos polvos en forma de nódulos, carbón y CaCl_{2} o CaF_{2} a un horno (10) de inducción de baja frecuencia del tipo sin núcleo, estando dicho procedimiento caracterizado porque

dicho horno (10) de inducción de baja frecuencia del tipo sin núcleo sólo se llena parcialmente con una carga (11) de arrabio, estando contenida dicha carga dentro de dicho horno (10) de inducción de baja frecuencia del tipo sin núcleo en estado fundido como un baño en condiciones turbulentas debido al efecto de las corrientes inducidas, entrando en contacto dichos polvos en forma de nódulos con la superficie libre de dicho baño fundido turbulento dentro de dicho horno (10) de inducción de baja frecuencia del tipo sin núcleo, de tal manera que

la renovación rápida y continua de la capa de arrabio humedece los nódulos, y

el óxido de zinc contenido en los nódulos reacciona con el carbono contenido en dicho arrabio (11) de la región de contacto de baño/nódulo de dicho horno (10) según la siguiente reacción (L):

(1)ZnO + C_{(Fe)} \rightarrow Zn + CO

y el Zn metálico producido en la reacción (1) se vaporiza y reacciona dentro de dicho horno (10) de inducción de baja frecuencia

con el óxido de hierro contenido en dichos polvos según la siguiente reacción (2):

(2)FeO + Zn \rightarrow Fe + ZnO

y con oxígeno inyectado por medio de una lanceta dentro de dicho horno (10) de baja inducción,

de tal manera que el calor generado da como resultado el ahorro de energía eléctrica.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dichos polvos se mezclan con carbón antes de alimentarse al horno de baja frecuencia.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el baño de arrabio fundido mantiene constante su nivel de carbono estando en contacto con dicho carbón mezclado con los polvos.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho horno se llena hasta la mitad de la altura con arrabio antes de comenzar la carga de los polvos en forma de nódulos.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se alimentan dichos polvos a dicho horno tras secarse y precalentarse.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicho hierro y zinc se recuperan de forma preponderante como arrabio, óxido de zinc, respectivamente.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que se calienta el baño fundido hasta una temperatura de 1450 a 1500ºC mediante el flujo de alta intensidad de las corrientes inducidas.