Thermodynamic simulation of reduction of mixtures of iron ore, siderurgical wastes and coal

Simulación termodinámica de la reducción de mezclas de mineral de hierro, residuos siderúrgicos y carbón

La viabilidad termodinámica de la reducción de aglomerados en mineral de hierro/carbón (ICA) a partir de mezclas concentradas de mineral de goethita, residuos siderúrgicos y carbón se realizó utilizando el software HSC Chemistry for Windows V. 6.0. La eliminación por reducción y gasificación de Na₂O, K₂O, ZnO y la metalización de óxidos de hierro se realizaron utilizando una atmósfera reductora generada por el calentamiento de las mezclas. Las mezclas propuestas generan reducciones cercanas al 100 % de hierro con un 28 % de carbono y se han obtenido porcentajes medios de eliminación del 85 % de Na, K y Zn.

INTRODUCCIÓN

Los procesos siderúrgicos actuales requieren un desarrollo sostenible centrado en resolver el problema de la escasez de materias primas. Además, la elevada generación de residuos siderúrgicos (30-40 kg/tonelada de acero) incluye los polvos y lodos del alto horno y del horno básico de oxígeno, y los materiales con alto contenido en Fe y carbono que no han sido reutilizados debido a la presencia de otros elementos que afectan negativamente al proceso convencional de fusión-reducción en el alto horno. Los óxidos de Na, K y Zn degradan el refractario del horno y generan desequilibrios térmicos en el proceso de reducción [1,2]. Los porcentajes de dichos óxidos en los polvos de BOF, lodos de ciclón y alto horno, superan los valores permitidos [2], por lo que su reutilización es actualmente escasa.

Una alternativa tecnológica viable para implementar el uso de materias primas no convencionales en el proceso de reducción-fusión son los aglomerados a base de mineral de hierro/carbón. Estudios innovadores [3-7] han reportado que el uso de otros materiales diferentes a la hematita, principalmente la goethita, tienen un alto grado de reducción y metalización; bajo condiciones específicas [3,4].

El uso de la estructura de goethita está restringido en los procesos convencionales de sinterización y peletización debido a las limitadas propiedades metalúrgicas conferidas al aglomerado. Miura et al. [3] descubrieron que al sinterizar la goethita se genera una serie de poros a escala nanométrica, lo que inhibe la aglomeración de partículas. Sin embargo, al combinar goethita de carbón y utilizar su capacidad como aglutinante, los aglomerados resultantes muestran buenas propiedades metalúrgicas; esto se debe a que los nanoporos generados en el proceso de termólisis están ocupados por carbón. Asimismo, se han implementado varios tipos de materiales carbonosos para generar agentes reductores sin el uso de arcillas para ligar las partículas, dando como resultado prerreducidos, cuyas propiedades metalúrgicas son satisfactorias para su implementación como materia prima en procesos de fundición [5-7].

El objetivo de esta investigación es diseñar mezclas óptimas y determinar las condiciones de procesamiento para el desarrollo de ICA a partir de la simulación termodinámica del comportamiento de mezclas de carbón con concentrados de hierro de goethita y residuos de acero contaminados con Na₂O, K₂ O y ZnO.