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



  1. Introducción
  2. Desarrollo
  3. Conclusiones
  4. Bibliografía

Introducción

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

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

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

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

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

Desarrollo

2.1. Balance de masa

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2.2. BALANCE DE ENERGÍA

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

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

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

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

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

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

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

2.3. CANTIDAD DE AGUA PARA LA
GRANULACIÓN

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Conclusiones

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

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

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

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18. A. D. Svenchanski y M. Ya. Smelianski. Hornos
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Moscú, 1978.

 

 

Autor:

Lorenzo Perdomo González

Rafael Quintana Puchol

Jesús E. Castellanos
Estupiñán

Amado Cruz Crespo

Carlos R. Gómez Pérez

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