ARTICULO TECNICO/TECHNICAL PAPER

Desarrollo de Pellas Calidad Reducción Directa con Minerales Hematíticos Venezolanos

Oscar G. Dam G. y Henry Bueno

Centro de Investigaciones, Siderúrgica del Orinoco (SIDOR) C. A., Puerto Ordaz, Estado Bolívar, Vene-zuela 8016

En este trabajo se presenta cronológic.uucntc la cxpc ric ncia lit: SIDtJR en la pc le t izació n y rcducció n de pella" hcm.uu irus.Asimismo se revisan los conceptos b.isícos que dl:(inenla calidad de pcll.ts aptas para rcdu cc ió n dircct.r, y que pucd.ui scr redu-cidas bajo condiciones Hy l. y Midr ex. S« p rcse nca al efecto de rcluc ión de busicidad binaria (CaO/SiO,,), así como la int crrc la-ciún del Mg'O con el AI,O, Y su influcuc¡a sobre la ca lidad física del h ie r ru de rcdurr iún dircr tu.

Development of Direct Reduction Quality Pellets from Venezuelan Hematitic Ores

In th is papl:r ir is presented Sídors cxpcr ícncc in thc pelt:tizing and rcductio n ofhc mu t itic pclkb .. \Iso t lic basic conccpt, 01'high quality pellets suitablc for DR processes, such as lIyl. and Midrcx, ,(re rcviewcd. 1t is ,11<>w11 t h c c,i"kcb 01' IhdCa( ):Si().:)ratio, and rhe 1\IgO and AI,O; rclat io nship as pe rcc n t 01' thc gangul: cun tcnt, upon t lu, p hvsic al pmpe! lil" 01' t lu- [)IUproduced.

1. INTRODUCCION

Para el arranque y puesta en marcha de la Plantade Pellas de SIDOR se tomaron como parámetros deoperación los datos basados en los ensayos realizadospor la Lurgi, con minerales venezolanos de CerroBolívar y San Isidro. Sin embargo, por la condición deSIDOR de disponer dos tipos de procesos de Reduc-ción Directa, HyL y Midrex, los ensayos de Lurgimostraron que aparentemente existían dos calidadesde pellas, una para cada proceso. Esta situación detener que producir dos tipos de pel1as era muy preo-cupante por el diseño y operación de la Planta dePelIas, ya que habría que operar por campañas, con locual se afectaría la situación de manejo de materiales.Bajo estas condiciones SIDOR se planteó la necesi-dad de producir una sola calidad de pellas apta paralos procesos HyLy Midrex, con la calidad de los mine-rales de la Ferrominera Orinoco y sus posibles y futu-ras mezclas. El objetivo de este trabajo es el depresentar en forma técnica y resumida los logros eneste desarrrollo de pellas de calidad ReducciónDirecta, canto a nivel piloto como industrial.

2. ANTECEDENTES

En la historia de la técnica de peletización enSIDOR se han presentado casos de incertidumbre encuanto a la calidad de las pel1as se refiere, desde elmomento mismo de los ensayos iniciales. Para 1974

la Lurgi indicó con una primera serie de experienciasa nivel de laboratorio que era posible producir pellascomerciales en una Planta Lurgi-Dravo bajo unaserie de condiciones operativas. Entre estas condi-ciones estaba: Usar cal hidratada y obtener una pellacon basicidad cuaternaria (CaO + MgO)/(Si02 ++ AI20J, mayor a 0,7. Aquí cabe señalar el hecho deque el estado del arte para 1974 estaba consolidadocon el uso de bentonita y cal hidratada como aglome-rantes por excelencia. Esta pauta se fija ya que algu-nos ensayos con dolomita indicaron una mejoría enlas propiedades de las penas quemadas.

Una nueva serie de ensayos indicó que elevandola basicidad cuaternaria (B, = CaO + MgO)/(SiO ++ A12O;) de 0,8 hasta 0,97 y 1,16, mejoraban la cali-dad de las penas para ser utilizadas en el proceso HyLy las hacía aceptables para el proceso Midrex. En estecaso las discrepancias se pudieron asociar con loscambios de composición de la ganga natural delmineral. Apartir del arranque de la Planta de Pellas, ya pesar de haberse obtenido resultados aceptablesus~ndo cal hidratada como aglomeran te, se incor-poró el uso de dolomita, en procura de los beneficiosde la presencia del MgO en las penas, y tratando debuscar valores de basicidad cuaternaria dentro derangos específicos. para producir la calidad única depella para los procesos de Reducción Directa ya men-cionados, sin mucho éxito. Sin embargo, para 1979se produce una pella de excelente calidad, que sedenominó la PP3, a nivel industrial. Esta pella es un

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punto relevante, pero el mineral que se usó para suproducción fue sólo un lote relativamente pequeño,y fue parte del mineral explotado en San Isidro por laWells de Venezuela. Lo notable de este tipo de pellafue que su calidad se adaptó muy bienalosrequori-mientos tanto del proceso HyL comodel.Midrex.

Posteriormente a esta pella{PP3),seutilizarondistintos tipos de mezclas de minerales, y 'seobservanproblemas en el área de ReducciónDirecta comofueron: baja resistencia a la compresión y alta genera-ción de finos en el hierro de reducción directa, auncuando los niveles de adición de MgO son similares alos reportados en la literatura especializada.

En este estado de cosas se comienza a tener lacerteza de que tanto la mineralogía como el tipo deganga del mineral están afectando al proceso de pele-tización, y se llega a la conclusión preliminar de quepara desarrollar una pella con la calidad requerida esnecesario un conocimiento preciso de la importanciade cada parámetro a estudiar, en este momento sedecide realizar una revisión del estado del arte, paradilucidar el concepto de "pella calidad reduccióndirecta", a partir del cual se basaría el proceso dedesarrollo de la pella SIDOR.

3. RESULTADOS DE LA REVISIONDEL ESTADO DEL ARTE

El estado del arte para 1974-1979 estaba muyrelacionado con la peletización de minerales magne-títicos, pero se hizo más énfasis en la revisión de lasexperiencias de la LKAB, empresa que ha logradodesarrollar pellas de igual calidad, tanto para altoshornos como para reducción directa, con distintosminerales. Llamó la atención el hecho de que el pará-metro basicidad binaria (CaO/Si02) era el másimportante, ya que existían ciertos rangos definidosen los cuales se mejoran los parámetros de reducibili-dad, hinchamiento y resistencia a la compresión. Sinembargo, los límites de la relación (CaO/Si02), estándeterminados por el tipo de ganga natural del mine-ral, o sea el tipo de Si02 y cantidad de AI20\[1]. Engeneral, parece existir un acuerdo en que el rango debasicidad binaria no debe ser menor a 0,9 ni mayor a1,8. Esto se relacionó con la degradación de las pellasa baja temperatura, debido a las fases que se formandurante la reducción [1,2]. Es de aclarar que el rangoespecífico de basicidad para cada mineral, es muyparticular en cada caso.

En cuanto al tipo de aglomerunte, cal hidratuday/o dolomita, se pudo concluir que con el uso deestos aglomerantes por separado, se podían producirpellas cuyo comportamiento y calidad eran compara-tivamente iguales. Con la salvedad de que las pellasproducidas conjuntamente con dolomita y cal hidra-tada, mejoraban la resistencia a la compresión de laspellas durante la reducción a baja temperatura, Sinembargo era posible sustituir CaO por MgO, si y sólola relación CaO/Si02 se mantiene dentro de límites

definidos. Esto último, o sea las adiciones de MgO,era válido para pellas fabricadas con minerales mag-netí ticos o sus concentrados, con los cuales se produ-cían pellas LKAB y Alzada, ya que dentro de laspropiedades del MgO está la de reaccionar con loscompuestos con alto contenido de Fe+2 (FeO yFe\O~). Esto se debe a que los iones Mg+2sustituyenmás fácilmente a los iones Fe+2de la red cristalina tipoespineles, favoreciendo la formación de magnesio-ferritas[3, 4]. Por su parte, el CaO tiene mayor prefe-rencia de reacción con compuestos de alto contenidode iones Fe':' como la hematita.

Por último se consideró la alúmina (A1203) de laganga en el mineral, ya que tiende a estabilizar loscompuestos tipo espineles reaccionando con el MgOdurante la fabricación de pellas, sobre todo en la pele-tización de minerales magnetíticos.

Las conclusiones principales de la revisión delestado del arte fueron:

a. Debería existir un rango de basicidad binaria(CaO/SiOz) adecuado para peletizar los mi-nerales, 'nacionales, y específicamente lasmezclas de Cerro Bolívar, dentro del rangogeneral 0,9 a 1,8.

b. Las adiciones de dolomita sólo serían favora-bles para producir pellas a partir de concen-trados magnetíticos, ya que cuando se pro-cesan minerales Hematíticos el MgO esinerte' y el CaO es el responsable por la for-mación de fase aglomerante durante el pro-ceso de quemado de las pellas.

e. La alúmina libre al no ser considerada comocompuesto ácido que participa como catiónsustitucional en la estructura de la sílice, ten-dería a reaccionar con el MgO.

d. Como consecuencia de las conclusiones b y cse tendría:- Neutralización del MgO, por Al2 0" el cual

sería necesario..durante la reducción parareaccionar con el FeO, confiriendo resis-tencia mecánica al hierro de ReducciónDirecta en. este punto de menor resis-tencia.

-La sílice libre, por participación de la alu-mina tendería a producir silicatos de hie-rro o calcio, indeseables, ya que afectaríatanto la resistencia mecánica de las pellascomo su reductibilidad.

e. Para poder aprovechar mejor las adicionesde CaO se deberían considerar todos loscompuestos ácidos y básicos de la ganga, yañadir un exceso de CaO para poder formarla calcio-ferrjta y silicatos deseables.

f. Procesar las pellas a temperaturas del ordende los 1340"1358 °C para lograr la disocia-ción térmica controlada de la hematita [5],tanto de basícídad, tiempo de quemado y

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Ltltit¡AllleriCtIl/ jlJ/ll'llt¡/ of /vldtl//llrgy (/lid Alt1turitl/s, Vol. 4, N" 1, 1984

enfriamiento, para su mejor aprovecha-miento del MgO y lograr formar magnesio-ferritas.

Estas fueron las bases conceptuales asumidaspara el desarrollo de la pella única SIDOR calidadreducción directa.

4. EXPERIENCIAS DE SIDOR EN EL DESA-ROLLO DE PELLAS

4.1. Efecto del MgO

Debido a que SIDOR opera los procesos deReducción Directa Midrex yHyL, se han tomadocomo referencias de calidad las penas LKAB yAlzada respectivamente, penas estas fabricadas apartir de concentrados magnetíticos, con apro-vechamiento de todas las bondades del MgO.Tomando estas calidades como referencia, sedecidió revisar el significado de estas calidades ycompararla con la calidad de referencia deSIDOR como era la pella PP3. Se hizo un análisisdetallado para establecer cuál era el factor co-mún entre esta buena calidad, y se logró estable-

cer que el factor común era la relación MgO-AI20} en la ganga o escoria de la pella. Para esta-blecer esta relación se recolectaron varios valo-res de composición para pellas LKAB, Alzada,SIDOR (PP3) Y otros datos disponibles en la lite-ratura, presentados en la tabla 1 y figura 1.

La tabla 1 indica que una buena calidad depenas se puede obtener para cualquier basicidady contenido de ganga, siempre y cuando la rela-ción entre % MgO y % Al203 satisfaga la tenden-cia de la figura 1. Esto parece ser independientedel tipo de mineral y de los aditivos usados, o depenas fabricadas con cal hidratada (bajos %MgO). O con dolomita o mezclas cal y dolomita(altos % MgO). Por su parte, la figura 1 indica quepara altos contenidos de Al2 O} correspondenbajos contenidos de MgO y viceversa. En todocaso la alta calidad de pellas para Reduccióndirecta aparentemente obedece a la siguienterelación:

% MgO= 31,19 -0,6489 % A1203

r= - 0,9

TABl.A1

TIPOS DE ESCORIA Y BASICIDAD (CaO/Si02) DE PELLASDE BUENA CALIDAD PARA REDUCCION DIRECTA

Tipo. du escoria (% peso)CaO Ganga

PELLA Si02 AI2O¡ CoO MgO Si02 Totot%

ALZADA 30,00 17,50 32,50 20,00 1,08 4,028,57 18,11 32,65 20,66 1,14 3,830,11 12,90 38,71 18,28 1,28 4,6528,57 32,65 20,66 18,11 1,14 3,9236,91 21,24 26,39 15,46 1,40 4,25

LKAB 34,29 11,43 31,43 22,86 0,91 3,5033,33 12,50 29,17 25,00 0,87 2,4035,14 10,81 29,73 24,32 0,84 3,7027,08 6,25 37,50 29,17 1,38 4,8032,00 17,34 29,33 21,33 0,92 3,7556,88 27,51 4,46 11,15 0,08 2,69

SIDOR 33,18 18,99 30,72 17,10 0,91 4,39(PP3) 31,63 20,50 28,46 19,39 0,89 4,41

CVRD 38,55 34,79 22,52 4,20 0,58 2,6248,18 28,71 16,50 6,01 0,34 3,03

HIERROPERU 48,39 19,35 12,90 19,35 0,27 3,10

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En la experiencia de SIDOR, tanto a nivel delaboratorio como industrial, y por condiciones inhe-rentes a las materias primas usadas, la relación entreel contenido de MgO y el de alúmina ha obedecido latendencia mostrada en la Fig. 2. En esta figura sepuede notar que tanto en las pellas fabricadas a nivelde laboratorio como a escala industrial, el % MgO enla ganga oscila en el orden del 10%. Sólo con grandesadiciones de dolomita se logran contenidos del 15%como es el caso de las pellas producidas por Correia y]aimes [7].

4.2. Efecto de la basicidad binaria

Para 1982, se acometió el estudio del efecto de labasicidad binaria sobre la calidad de las pellas deSIDOR, para la cual se escogió el rango de 0,7 hasta1,7, para distintos niveles de MgO. Las pellas fueronfabricadas a escala piloto en los Laboratorios del Cen-tro de Investigaciones de SIDOR y ensayadas meta-lúrgicamente en los Laboratorios de Lurgi en Ale-mania, según normas ISO y]IS. [8].

Los resultados de estos ensayos [8] indicaron quela basicidad binaria era de una importancia predomi-nante, y que debía mantenerse entre valores de 1,1 a1,25, correspondiendo a basicidades cuaternarias(CaO +MgO)/(Si02 +AI20}) de 1,1 a 1,2. Un resu-men de estos ensayos se presentan en la figura 3. Unhecho importante es que la estabilidad de las pellasdurante la reducción, como lo indica el ensayo dereducción bajo carga, se mejora notablemente alaumentar la basicidad binaria. Los valores de caída depresión en mm de columna de agua se situaron entre10 Y13 para 80% de reducción, lo cual indica una bajatendencia a la generación de finos. En esta etapa noestaba muy claro el efecto del MgO, ya que fue muyvariable, oscilando entre 0,08 y 0,70 para basicidadbinariadel ordendeO,9, y entreO,18 aO,76 para basi-cidad entre 1,13 y 1,66. Otro hecho notable fue elincremento de las velocidades de reducción(dR/ dt)40, bajo condición alto horno de 0,86 % min'para basicidad 0,85, hasta 1,29% min 1 para basicidad1,66 como se muestra en la figura 4.

4.3. Programa de desarrollo de peilas calidad reduc-ción directa

Una vez que se estableció la importancia y rol dela basícídad binaria sobre la calidad de las pellashematíticas de SIDOR, se decidió proceder a la eje-cución de un programa para el desarrollo de pellascalidad reducción directa, evaluando el rango de basi-cidad binaria deÓ,3-hasta 1,70. Los objetivos del pro-grama son:

a) Evaluar la calidad de las pellas producidas,tanto física como metalúrgicamente ha-blando, y relacionar los parámetros de fabri-cación de pellas, con las propiedades delproducto.

.!!

~ 30

g.~Q

~ 20

o1

10

, AlzadO

• LKAB+ PP3• CVRQ

• Hierro Perú

•....

10 20 30

°/0 A'z 03 en lo g:m9O totor de lo pe 110

Fig. 1. Relación entre los % de MgO y AhO) en las pellas calidadreducción directa.

-e~o~

PELLAS

o SII.X)R Industriales

x Sl~ Loborotono

• SAMAACO

• FrRE LAKE

, U.CV (Rol. 7)

• MO-l-RANA

10

\'\

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\ . ~x -,\ x' x

x ., .~,\. -. -.-, -,-. -.

10 20 30

% A120) en lo go;¡nga rota' de lo pell Q

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Fig. 2. Relación entre los % de MgO y AI,O, de la ganga de laspellas básicas SIDOR.

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.\~.&-__~~ __~ ~ __~ ~ __~ __~Oo¡; 1,0 1,5 0,5 \0 \5

BoS;Cidodbinorio (CaO/5I02)-

Calidad de las penas SIDOR en función de' la basici-dad binaria.

Fig. 3.

//

(e) Degradadón (] lDjo

tem~rot\ro ro-2a6F(OJo. -o.Smm)

1.1

-~ 1.0 •

70-/0 ~ /:30% lCO.C02)900"<:

Pollos: Ioborotorio /

/

o~, --------~~~------~I,~O--------ll,~5--------22~,O~BoSiaOorl (COO/5i02)

Fig.4. Efecto de la basicidad binaria sobre la velocidad de reduc-ciónen la pella SIDOR. Condiciones de ensayo: Altohorno.

NfPb) Establecú el rango de basicidad binaria más

adecuado para procesar el mineral hematí-tico nacionaL

e) Establecer-una zona en los diagramas terna-rios (CaO-Si02-MgO)-A1203 y CaO-SiOz-Fe203, tal que la calidad lograda sea re-producible.500

000

500

Este programa se dividió en dos etapas, una anivel de laboratorio, y otra a nivel industrial, paracorrelacionar los datos experimentales con los in-dustriales.

A continuación se presentan los datos más rele-vantes del programa

100

4.3.1. Desarrollo a nivel de laboratorio

En la Unidad de Reducción del Centro de Inves-tigaciones de SIDOR se realizaron ensayos para eva-luar el comportamiento de pellas de mineral CerroBolí.••ar con basicidad binaria(CaO/SiOz) entre 0.37y 1.65. En este caso las pellas fueron reducidas congas reductor de composición equivalente a ladel pro-ceso, Midrex y HyL Ya la temperatura de 800°C.

Los resultados de la reducción de estas pellas semuestran en la figura N° 5.

De estas curvas de reducción se determinó lavelocidad de reducción a 40% reste se muestra enlafigura N° 6, En esta última se puede observar que enel caso de utilizar gas reductor equivalente al del pro-ceso Midrex no se observó ninguna variación apre-ciable en el (dRldt)40%, mientras que cuando seutilizó gas reductor equivalente al del proceso HyL seobserva un ligero aumento del (dRldt)40% con labasicidad, en cuanto a la resistencia a la compresióndel hierro esponja se observó que ésta aumenta con labasicidad binaria y presenta un máximo para valoresde basicidad binaria entre 0.9 y 1.2 como se observaen la figura 7.

4.3.2. Desarrollo a nivel industrial- Peletización

El efecto que produce la basicidad binaria sobrelas características físicas de las pellas quemadas, seobserva en la figura 8, donde se puede ver el compor-'tamiento de la pella en cuanto a su resistencia a lacompresión, índice de abrasión e índice de tambor.Cuando la basicidad binaria disminuye desde valoresde 1.5 a niveles próximos a la unidad, estos paráme-tros mejoraron, es decir, la resistencia a la compre-sión de la pella quemada aumenta de 300 a 500Kg/pella, el índice de abrasión disminuye desde valo-res de 5% hasta valores de 3% y el índice de tamboraumenta desde valores de 93% a 97%.

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4.3.3. Desarrollo a nivel industrial' Reducción Di-recta

Para determinar el rango de basicidad binaria enla pella, se realizaron ensayos a nivel industrial en lasplantas de reducción directa simultáneamente a losensayos de laboratorio. Se evaluaron pellas con basi-cidades en un rango de 0.9 a 1.6, observándose unmejor comportamiento de éstas en basicidades com-prendidas entre 0.9 y 1.2.

En la figura 7 se graficó la resistencia a la com-prensión del hierro esponja como función de la basí-cidad y como se puede observar ésta es máxima envalores de CaO/Si02 próximos a 1.

4.4. Efecto de la temperatura

Aunque en la experiencia de SIDOR en el desa-rrollo de sus pellas, no se ha estudiado a fondo elefecto de la temperatura sobre la calidad de las mis-mas, existe evidencia con minerales hematíticos conpresencia de FeO de que es posible producir mag-nesio-ferrita. Estoha sido demostrado por Arellano[9] y Correia et. al [8], al quemar pellas a 1.340 °C pro-duciendo la descomposición térmica de la hematita.El próximo paso a contemplar en el programa dedesarrollo de pellas es el de estudiar el efecto quetiene la temperatura de quemado sobre la calidad delas pellas en el rango de basicídad de 0,9 al ,25, rangoéste que parece ser la basicidad adecuada para peletí-zar, y por supuesto el rango a optimízar, para obteneruna pella de calidad reducción directa en SIDOR.

CONCLUSIONES

1. El desarrollo a nivel de laboratorio y a nivelindustrial de la pella de calidad permitiódeterminar un rango de basicidad binaria demejor resistencia a la compresión del hierroreducido directamente, sin afectar notoria-mente su comportamiento durante la reduc-ción. Este rango es de 0.9 a 1.25.

2. Al comparar las curvas de la resistencia-a lacompresión del desarrollo a nivel industrialy a nivel piloto, se pudo observar el fuerteefecto que el MgO tiene sobre esta caracte-rística física del hierro esponja.

3. Al comparar las curvas de la resistencia a lacompresión del desarrollo a nivel industrialcon el desarrollo a nivel piloto (Lurgi conminerales venezolanos) se observó que elAl203 presente en la ganga de la pella dismi-nuye la resistencia a la compresión del hie-rro esponja.

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2

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o Reducción con gas reformado slnibr01 del proceso MIDREX

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0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4Bosicidod binoria (caO/Si0

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Fíg. 6. Relación entre el (dR/dt)40% con la basicidad binaria.Fíg. 5. Reducción de pellas de mineral con diferentes B2 (CaO,Si02).

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ID W \Q U) - NI "' ••• (11'" '"pp s- s=.r:•••• eL) - 01 UIl. - EnsOyos ti nivel de Iaboratclrio (Bueno)

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Fig. 8. Características físicas de las pellas quemadas para un mesde operación en la planta de pellas de SIDOR.

Fig. 7. Resistencia a la compresión del hierro esponja como fun-ción de la relación CaO/Si02 y de los % de MgO y AI20,en la pella.

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