GENERALIDADES, DESCRIPCION DEL PROCESO, PROCESOS Y EQUIPOS PARA COCIMIENTO, ETAPAS DE FABRICACION DEL PELET
La
peletización es el proceso mediante el cual el concentrado de mineral de fierro
es aglomerado en forma de esferas, sometidas a un calentamiento o quemado para
que adquiera las propiedades de dureza, estabilidad y reducibilidad para su uso
en el alto horno.
Este
proceso surge como una necesidad por aprovechar el mineral ultrafino que se
producían ya bien en la molienda de mineral, vetas de material fino en forma
natural, minerales de fierro pobres que eran concentrados por métodos de
flotación o concentración magnética de tal manera que su uso era dificilmente
para sinterizar, briquetear o directamente ser utilizado en el alto horno.
Hacia
el año de 1912 aparece la primera patente de fabricación de pelet en Suecia,
concedida a A:G: Anderson esto
derivado de las limitaciones existentes para continuar adicionando fuerte
cantidades finos de mineral a las plantas de sinter, proponiendo un nuevo
proceso que era "la formacion de esferas de mineral con adición de agua y
por medio del quemado dale dureza ". Posteriormente en Alemania son
continuados los primeros trabajos desarrollados en Suecia y es hasta 1926 que
son concluidos con la instlacion de una planta piloto de 120 toneladas por dia
sin tener un esquema definido, para 1935 el proceso de pelet a traves de esta
pequeña planta cobró su dimensión tal como lo conocemos actualmente, en 1937
este adelanto tecnológico es desmantelado para en su lugar contruir una moderna
planta de sinter..
Al
concluir la 2a Guerra Mundial las reservas minerales de EUA quedaron mermadas,
por lo que la busqueda de fuentes alternas de mineral de fierro se dirigieron la
Región del Mesabi (grandes reservas, Baja ley de fierro y magnetico),
estudios encaminados a recuperar este tipo de material encontraron que molienda
fina era evitable para liberar la magnetitia e iniciar la concentracion
magnetica a baja intensidad, dando un producto ultrafino (96 % -M325) que por
sus caracterisiticas se presentabla limitaciones para la sinterizacion
Reeiniciadas
las investigaciones en el año de 1944, se concuyeron el el año de 1955 con la
instlacion de 2 gigantescas planta peletizadoras por las Compañias Reserves
Mining Co. y Erie Mining Co.
Dado
que los minerales de fierro en su estado natural no pueden ser peletizados
directamente, la mayoría requieren de molienda para ser beneficiados mediante
procesos de ; Flotación, concentración magnética (Baja/Alta Intensidad),
medio denso, etc.. estos procesos se realizan bien sea para mejorar la ley de
fierro o eliminación de constituyente indeseables. La molienda fina (-M325)
permite la formación de esferas de fierro, siguiendo el principio de la bola de
nieve, que a medida que rueda en un plano inclinado atrapa partículas finas.
Estas esferas de fierro aglutinadas por la cohesión del agua y aditivos, son
alimentadas a hornos de cocimiento, donde se les da un tratamiento térmico
apropiado para endurecerlo y proporcionar la propiedades fisicoquímicas para el
manejo y consumo en el alto horno.
3.-
PROCESOS Y EQUIPOS PARA COCIMIENTO DEL PELET :
Horno de cuba
Es el
primer equipo que se usó para cocimiento de pelet fue en un horno cilíndrico
vertical estático recubierto de refractario, donde el pelet se carga por la
parte de superior y se descarga por la parte inferior, cuenta con quemadores en
la parte lateral del horno y se introducen los gases al nivel de la zona de
quemado, por la parte de abajo entra el aire frío, enfriando los pelets
quemados y asciende calor a las partes altas; este aire quema los gases de
combustión de los quemadores elevando la temperatura alrededor de 1300 °C en
la zona de quemado; la operación de estos hornos es limitada ya que se
dificulta el control de temperatura y sobre todo la homogeneización de la
misma, los hornos de cuba más grandes que se construyeron son de 1000 ton/día
y existen restricciones para cocer pelet de material magnetítico, es por eso
que la aparición del horno de parrilla recta hicieron que este tipo de horno ya
no sean diseñados
Horno de parrilla recta
Este
tipo de horno fue inspirado en el proceso de sinter, ya que utiliza el mismo
principio de cadena sin fin, con la diferencia de que esta cubierto en la parte
de arriba en toda su extensión formando un túnel de material refractario
dividido en varias etapas o zonas, que van desde el secado hasta las de alta
temperatura donde se cuenta con quemadores laterales horizontales en las
paredes. Los gases calientes pasan de arriba a abajo en la cama de pelet;
excepto en la primera zona de secado que es de abajo hacia arriba.
Durante
el enfriamiento el entra aire de la atmosfera y se caliente para ser
transportada mediante ductos para la demás zonas, este aire caliente también
se utiliza como aire precalentado para los quemadores, aumentando la eficiencia
de estos y recuperando un 30 % de energía de gases.
El
ancho de parrilla varia de 2 a 4 metros. Y en los hornos más grandes la
producción es hasta de 20,000 t/día.
El consumo
especifico de combustible depende de del tipo de mineral a peletizar y
de combustible sólido adicionado así como de tipo de pelet a fabricar.
Sistema parrilla recta/horno rotatorio:
Este
proceso cuenta con 2 etapas de cocimiento ; en la primera parte del proceso se
cuenta con equipo similar al de una parrilla recta horizontal la cual abarca
hasta la etapa de precalentamiento, de ahí el pelet es descargado a un horno de
forma cilíndrica en posición horizontal con
movimiento e inclinado. Calentado por un gran quemador en el extremo al de
alimentación del pelet , al rodar los pelet por el giro del horno, el
calentamiento se realiza uniforme; por lo que la calidad de quemado de estos
pelets es mejor que los otros sistemas, sin embargo la operacion y mantenimiento
del equipo es costosa; sobre todo en el horno rotario y enfriador anular .
4.-
ETAPAS DE FABRICACION DEL PELET.
La
peletización comprende dos etapas principales; la formación de pelet verde y
su endurecimiento.
4.1.- FORMACION DEL
PELET "VERDE".
El
proceso se inicia con la preparación de la materia prima procedente de la mina
el cual debe ser homogeneizado para tener un
buen comportamiento de calidad en los pasos sucesivos.
Molienda:
Una
vez el material homogeneizado pasa a la etapa de molienda, que se puede realizar
mediante molinos de bolas o autógenos/semiautogénos, la descarga de los
molinos se enlaza a un sistema de clasificación generalmente por ciclones para
separar el tamaño mayor del requerimiento y recircularlo al molino y a su vez
se separan los ultrafinos o lamas, de esta manera se obtiene la granulometría
dentro de la especificación que es en el orden de 80% abajo de menos 325
mallas.
La
molienda se realiza ya sea en húmedo o en seco ; si se efectúa en húmedo,
(proceso más común) la etapa siguiente lógica es efectuar un
"deshumidificado" o "secado" parcial llamado filtración. Si
se realiza en seco el paso subsecuente es una humectación del material para
permitir su boleo.
Secado o filtración:
Para
la fabricación de esferas o pelets es indispensable una humedad del orden de 8
a 10% para efectuar la aglomeración. El secado o filtrado se realiza mediante
filtros de disco o tambor y en algunos casos se utilizan en hornos secadoras
adicionales.
La
operación de filtrado es importante y deberá ser homogénea debido a que la
fabricación del pelet húmedo (pelet verde)es una operación muy sensible a los
cambios de humedad.
Mezclado:
En
este proceso se efectúa la incorporación de aditivos que permitan ayudar no
solo al proceso de aglomeración, como lo son ; la bentonita o compuestos orgánicos,
sino aditivos para el control de índice de basicidad del producto como son el
uso de : calhidra, dolomita y caliza o
la incorporación de MgO al pelet,
(para mejorar las propiedades del pelet cocido) de igual manera también la
adición de coque fino es un aditivo que tiene como objetivo reducir el consumo
de energía durante el cocimiento y aumentar la porosidad del pelet cocido.
Para
la incorporación de estos se utilizan 2 tipos de equipos:
- Aspas sobre bandas o descargas discos
Consistente
de aspas colocadas sobre la banda o en la descarga a discos que mezclan los
aditivos ya pesados, este método no es recomendable ya que en la banda o
descarga no es posible un mezclado eficiente y completo.
- Mezcladores de tambor.
Consistentes
en un tambor fijo con dos flechas internas provistas de aspas en forma de
"arados", las cuales mezclan el material al pasar el material y
aditivos. Este sistema es eficiente y comunmente utilizado por las modernas
plantas peletizadoras.
Proceso de Boleo:
En
este proceso el objetivo es dar la forma esférica al pelet y las propiedades de
resistencia en verde durante el manejo hasta su endurecimiento en la etapa de
cocimiento, lo métodos mas comunes son los siguientes:
Boleo por Tambor
Es el
proceso más antiguo y consiste esencialmente en un tambor horizontal con un
pequeño ángulo de inclinación, el material es cargado con la granulometría y
humedad requerida entra por un extremo y la cual al girar el tambor y debido a
la inclinación sale por el extremo contrajo, el material rueda en el interior del tambor siguiendo el principio de la
bola de nieve y mediante este movimiento se producen las esferas de mineral
de fierro.
En
este tipo de equipos el pelet no es formado en un solo transferencia o pasada
por el tambor, ya que no alcanza el tamaño requerido, sin embargo en la
descarga existe un cribado para separar el tamaño pequeño y ser recirculado
nuevamente al tambor, esta recirculación normalmente se eleva hasta un
recirculación de 200% de la alimentación inicial.
Boleo por disco
Consiste
en un disco o "plato" inclinado con un ángulo que varia entre 45° y
50° el plato cuenta con una ceja en el extremo de aproximadamente una relación
de 0.2 del diámetro disco , los diámetros de los discos a nivel industrial
alcanzan hasta 9 metros, sin embargo los mas comunes son entre 6.5 y 7.0 metros,
giran a una velocidad de 4 a 7 revoluciones por minuto (rpm), es el proceso más
común para la fabricación de "pelet verde" y los principales parámetros
de operación son :
Humedad del mineral.
Granulometría o finura de mineral(°B blaine).
Inclinación del Disco.
Velocidad del disco.
Zona de alimentación al disco.
Posición de raspadores en el Disco
La
principal ventaja que tiene sobre el tambor es que el material alimentado
realiza una sola "pasada "para obtener el tamaño de pelet deseado; la
recirculación del material fuera de especificación es muy baja (10 - 20%) y
adicionalmente el disco actúa como eficiente mezclador.
Calidad del "pelet verde".
El
pelet con humedad y aun sin cocer ya bien fabricado en discos o tambores se le
llama "pelet verde", debe de reunir ciertas características físicas
para ser transportado hasta el horno de endurecimiento como la mínima degradación
y el tamaño adecuado para su futuro consumo en los altos hornos, las
propiedades que son medidas para su control de calidad y del proceso de
fabricación de la esfera son : :
Tamaño =
+3/8" a 5/8" (9.5 mm a 15.8mm)
Resistencia compresión en húmedo = mayor de 1 Kg/pelet
Resistencia caídas = mayor
a 3 caídas de 12" (20.48 cm)
Humedad = 8 % a 10
%
Resistencia compresión en seco = mayor de 2.0 Kg/pelet.
El tamaño del pelet.
La
dimensión de un pelet mayor a 3/8" y menor a 5/8" es el tamaño óptimo
que se ha encontrado de acuerdo a ensayos realizados en los altos hornos,
tomando en cuenta factores como la permeabilidad del lecho del horno y sobre
todo el efecto de tiempo de reducción química del pelet en el interior del
alto horno.
Resistencia a la compresión (húmedo y seco).
Durante
la descarga y acomodo de los pelet húmedos en la parrilla para formar la cama
de pelet y efectuar el secado y posterior cocimiento el aplastamiento de un
pelet con otro y adicionalmente el
peso de la columna de pelets superiores hace que estos sufran una degradación
por aplastamiento por lo que se requiere que los pelets cuenten con una resistencia
a la compresión de un mínimo de 1 Kg/pelet.
Después
que los pelet han perdido el agua durante la etapa de secado pierden cohesión
por lo que es necesario que mantengan su resistencia en seco para lo cual se
mide y controla la propiedad de resistencia a la compresión en seco.
En el
trayecto de manejo el pelet de los discos hasta la parrilla es sometido a varias
caídas por banda por esto se requiere que tenga cierta resistencia a un numero
mínimo de caídas las caídas, las cuales son medidas mediante el lanzamiento
de pelets a diferentes alturas hasta que son quebrados..
4.2- PROCESO DE ENDURECIDO O COCIMIENTO.
El
pelet verde es endurecido mediante la aplicación de temperatura en un horno
donde se alcanzan temperaturas cercanas al punto de fusión de sus componentes.
( 1280 - 1300 grados centígrados ) El proceso de quemado mas común para
realizar el peletizado en el mundo es el proceso llamado de parrilla recta la
cual consta de una banda sinfín
recubierta con varias zonas donde se realiza la piroconsolidación proceso el
consta de varias etapas:
Etapa de Secado :
Con el
propósito de eliminar el agua contenida en el " Pelet verde " la
primer etapa y quizás la mas critica del proceso es el secado del pelet para
tal efecto es utilizado aire caliente entre 200 y 400 grados centígrados proveniente de la zona de
enfriamiento y el que se hace pasar a través de la cama de pelet verde.
Normalmente
el secado se realiza en 2 etapas : la primera se realiza por un secado
ascendente (de la parte inferior hacia la superior), y la segunda por un secado
descendente (de la parte superior a la inferior) esta última con el fin de
secar los pelet de las capas superiores que no se alcanzan a secar en el
ascendente.
La
temperatura es controlada en los rangos mencionados dependiendo de la capacidad
de pelet verde para eliminar o desalojar el contenido de humedad en el menor
tiempo posible sin que se destruyan por "explosión".
Etapa de Precalentamiento:
Una
vez seco el pelet entra a una zona del horno de adecuación térmico de media
temperatura en la es preparado para el quemado o piroconsolidación propiamente
dicho, el rango de temperatura de esta zona varia dependiendo del tipo de
material que es peletizado sin embargo esta va de 900 a 1000 grados centígrados.
Si la materia prima con la que fue fabricado el pelet es magnetita, es esta zona
ocurre principalmente la reacción de oxidación de magnetita a hematíta y
debido a que la atmósfera durante el proceso de peletización es oxidante, esta
reacción es marcadamente exotérmica (aportadora de calor al proceso) de tal
manera que la cantidad de calorías para
cocer un pelet de magnetita es aproximadamente la mitad que para un pelet
fabricado con hematíta (600,000 Btu/ton de pelet con magnetita y 1,100,000
Btu/ton de pelet con hematíta) en un horno de parrilla recta.
Etapa de Quemado:
En
esta zona es donde se tiene la máxima temperatura y donde se realiza el
endurecimiento final, la temperatura de cocimiento está muy cercana al punto de
fusión de los componentes, por tal motivo se logra la difusión de la escoria y
la formación de fundidos que dan los compuestos de escoria que proporcionan las
propiedades del pelet; en esta etapa sucede el crecimiento de los granos de
hematíta y la formación de "puentes" de hematíta formando una
estructura consolidada que le da la resistencia final al pelet.
La
temperatura de quemado son del orden de 1280 - 1300 grados centígrados.
Etapa de Post-quemado:
Dado
que las temperaturas de la fase anterior ( cocimiento ) son muy elevadas y un
enfriamiento brusco ocasionaria una verificación de las fases formadas, esta se
considera como una etapa escalón de adecuación antes de su enfriamiento. la
temperatura es cercana de 1000 grados centígrados.
Etapa de Enfriamiento:
Se
realiza con aire frío de la atmósfera ; el cual es aprovechado para las etapas
de secado o aire precalentado para los quemadores sale de ésta a alta
temperatura y se utiliza en el secado o como aire precalentado en quemadores.
4.3.- CONTROL DE
CALIDAD DE PELET :
Tamaño o Granulometría :
Se
realiza mediante un análisis de cribas, para conocer su distribución granulométrica,
puntualizando contar con el mayor porcentaje entre 3/8" y 5/8" ( 9 mm
- 12 mm) y el mejor porcentaje posible menor a 1/4 " ( 6.3mm). Valores
mayores al 85 % entre 3/8" y 5/8 " son aceptables así como menores a
3 % en 1/4 ".
Resistencia a la compresión en frío (ASTM).
Se
determina sometiendo al individualmente a los pelets una fuerza creciente de
compresión generada por dos placas hasta que el pelet se rompa, en ese momento
se mide la fuerza máxima (Kg) en que se destruye, para que la prueba sea
representativa lleva acabo toma el promedio de 20 pelets por cada determinación.
Valores promedio por arriba de 200 Kg/pelet son aceptables.
Indice de Degradación Tumbler ASTM.
Mide
el comportamiento del pelet durante el manejo y la abrasión; la prueba se efectúa
en un tambor, para el caso de la norma ASTM es de 0.914 m de diámetro por 0.457
m de longitud con dos cejas interiores de 50 mm de altura a 25 RPM se ensayan
11.3 Kg de material muestreado, se somete a 200 revoluciones; se reporta el
resultado como la fracción en porciento mayor a 6.3 mm y la menor de 0.6 mm .
Porosidad del Pelet :
Determina
el porcentaje de huecos que presenta el pelet producto esta prueba se realiza
por desplazamiento con agua. Esta propiedad está muy relacionada es determinate
para la etapa de reducción en el alto horno, es por eso que es de gran
importancia su medición y control.
Ensayos Tecnológicos
a Pelet con temperatura y Gases reductores.
Este
Tipo de ensayos tiene como objetivo simular las condiciones a las que se va a
someter el pelet en cuanto a temperatura, de gradación, presión y atmósfera
en el Interior del alto horno.
Degradación a baja temperatura DBT a 600 °C:
Simula
las condiciones a las que se ve sometido el pelet en la parte alta de la cuba
del alto horno esta prueba se lleva a cabo a 600°C con una composición de
gases de 60% de N2, 24% de CO y 16% de CO2.
Bajo
estas condiciones ocurre el primer paso de reducción, el cual va acompañado de
un cambio en la estructura cristalina (hematíta a magnetita) provocando el
debilitamiento del pelet, por lo que es necesario saber que tanto es afectado el
contenido de magnetita en esta etapa.
La
prueba se realiza en un pequeño reactor rotario horizontal de 200mm de diámetro
girando a una velocidad 10 rpm calentado dentro de un horno por espacio de 1
hora a las condiciones antes mencionadas. Finalizado el ensayo se criba el
producto reportando la fracción mayor de 6.3 mm y la menor de 0.6 mm .
Hinchamiento Norma JIS . a 900°C :
Este
Ensayo se realiza en un tubo o reactor horizontal fijo donde se ensayan de 3 a 5
pelets, para llevar a cabo la prueba JIS se utiliza una mezcla de gases con 30%
de CO y 70% de N2. Midiendo la característica de los pelet de su tendencia a
aumentar el volumen durante la reducción; este aumento puede dar niveles tales
que interfiera en la permeabilidad del horno o ejerza presiones más altas que
las normales en las paredes o que el mismo hinchamiento destruya al pelet. Se
determina el aumento de volumen expresado en porciento con relación a antes y
después del ensayo.
Reducibilidad Norma JIS (900 °C) :
Se
determina la capacidad de un pelet para ceder oxígeno reducción o sea pasar de
hematíta (Fe2O3) a fierro metálico, esta propiedad es determinada por la
estructura cristalina, el tamaño y la porosidad que asegura el paso de gases
reductores a todo el interior del pelet.
La
prueba se efectúa en un reactor de acero inoxidable vertical, el cual se le
determina su peso constantemente y se le están pasando gases reductores 30% de
CO y 70% de N2; este reactor está dentro de un horno a 900°C. Se le determina
la pérdida de peso a través del tiempo que se lleva la prueba; esta es medida
directa de la pérdida de oxígeno. (
Resistencia a la compresión después de la reducción:
El
objetivo de este ensayo es determinar la disminución de resistencia que sufre
el pelet al recibir un tratamiento térmico bajo atmosfera reductora tal como se
presenta en el interior del horno.La prueba se realiza con el mismo aparato de
compresión en frío para en rangos más bajos de los normales (0 - 100
Kg/pelet).
Reducibilidad bajo carga Burghardt (1050 °C) :
Simula
las condiciones en la parte baja del horno; se lleva a cabo en un reactor cilíndrico
estático vertical donde está empacado el material (800 mm 1 X 125 mm d); por
medio de un pistón o contrapeso se le aplica una carga constante: En la prueba
ISO es de 0.8 Kg/cm2 que simula la columna de carga de un alto horno mediano, se
le hacen pasar gases con 40% de CO y 60% de CO y 60% de N2 (83 Lt/min). A 1050°C
se determina el aplastamiento, la caída de presión de los gases de entrada a
la salida y la pérdida de peso, con estos datos se tiene una idea de la
permeabilidad, la deformación por calor y la reducibilidad del
material en caliente.
Especificación de Pelet.
El
establecimiento de característica o especificaciones deseadas para el control
del pelet, es necesario definirlas conjuntamente entre el fabricante y el
usuario, dado que estas dependen de factores como :
- Materia prima para la fabricación del pelet.
- Limitaciones de equipo para el peletizado y control de calidad
- Economías del proceso.
- Tamaño del alto horno
- Tipo de carga metálica requerida para productividad.
Sin
embargo existe información técnica por la cual puede ser definida una buena
calidad del pelet con el siguiente ejemplo de especificación:
Ejemplo de
especificaciones para pelet.
Fierro Total
62.0% mínimo
Fe ++
0.85% máximo
Fósforo
0.065% máximo
Azufre
0.02%
máximo
Basicidad (CaO/SiO2)
1.1 ± 0.1
Degradación %-M28
5% máximo
Indice Tumbler % -1/4" 92% mínimo
Resistencia a la Comp..
250 Kg/pelet mínimo
Granulometría
+3/4"
4.0 % máximo
-3/4",
+1/2"
70.0% mínimo
-1/2",
+1/4"
25.0% máximo
-1/4"
1.0% máximo
Degradación a baja
temperatura:
% +1/4"
80% mínimo
% -M30 5%
mínimo
Reducibilidad JIS
Reducibilidad
70% mínimo
Hinchamiento 20% máximo
Resistencia
después de Reducción 60 Kg/Pelet mínimo.
Reducibilidad bajo
carga:
Contracción
de la cama
15% máximo
Caída
de presión
15% mm H2O máximo
Velocidad
de reducción (dr/dt)40 0.90%
min. mínimo
Iron Ore, Grades of iron Ore, Pretreatment of Ores, Pelletizing Process
The
appearance of the iron ores varies considerably according to geographical
origin. Iron ores mostly take the
form of a hard rocky mass. The
color varies generally between reddish and brownish shades and a metallic black.
The weight is determined by the iron content.
The
known iron ore deposits are spread over the whole earth.
Iron ore deposits are estimated at more than 100 milliard tones, so than
in future there will be no shortage.
Corresponding
to the varying iron compounds we find a great number of different grades of iron
ore. They are characterized by the
type of iron-oxygen compounds as well as by the tramp elements, gangue and other
non-metallic and non ferrous oxides. The
most important grades of iron ores are briefly described.
Magnetite, magnetic iron ore, Fe3O4
Magnetic
is an iron ore which possesses a large share of iron (60 to 70 percent) and
which is to a high degree free from undesired tramp elements.
The gangue is of a siliceous nature (acid).
Iron and oxygen atoms are very closely combined with each other in
magnetite, thus making magnetic “difficult to reduce”.
As the name indicates, magnetite is very magnetic.
Large deposits are found in Sweden, Norway and in the former USSR.
Hematite, red iron ore, Fe3O4
Hematite
processes likewise a high Fe content and has
mostly low phosphorus and sulphur contents with a siliceous and clay
gangue (acid). The typical reddish
color is caused by the iron (III) oxide. In
the case of red iron ore, the compound of iron and oxygen is not so “tight”
and so the hematite is regarded as “easily reducible”.
Workable deposits are found in all parts of the world.
Special forms of the red iron ore are taconites (Canada, USA), itaborites
(mainly Brazil) and latrines.
Limonite, brown iron ore, Fe2O3
• H2O
Limonite
contains water, which means that the iron oxides have formed a stable compound
with water (water of crystallization). Limonite
is the most widespread iron ore but mainly contains a low concentration of iron.
Exploration is only economically feasible if the deposits are fairly
large. Special forms of brown
hematite’s are the illicit or bean ores, lake iron ores and bog iron ores.
Important deposits have been the Lorrainese minute and the Salzgitter
ores. Both grades of the ore have
lost their economic importance.
Dressing ores
One
dressing increases the iron content by removing most of the gangue.
A high share of gangue increases not only the transportation costs, but
can also have a negative effect on the processing of the ores.
Furthermore, excessive gangue has negative effect on the blast furnace or
other reduction processes and leads to less hot metal output.
The
specific physical properties of ore and gangue are used for dressing the ore:
specific weight, wettability and magnetic properties. For successful dressing, the ores have to be ground to such
an extent that the intermingled components are exposed.
The
differing specific weights of ore and gangues are used in a process by which
varying buoyancy and centrifugal forces segregate the ore and gangue in
separating spirals.
The
differing wettability of ore and gangue is applied in foam flotation.
Iron minerals and gangue are separated in a watery solution, in which,
with the addition of certain substances, the infiltration of air causes the iron
minerals to surface so they can be removed.
During
magnetic dressing, the magnetic forces cause the ore particles to travel to one
of the poles from where they can be removed.
Low
Fe contents of eg 30 to 35 percent can be increased to 60 to 65 percent by
dressing processes. In most cases,
dressing leads to fine and ultrafine ores.
Agglomeration
Fine
ores and concentrates (ultrafine ores) developed during dressing and preparation
have to be agglomerated for use in the blast furnace.
The
most important processes are:
-
sintering and
-
pelletizing.
Decisive
in the choice of process is the grain size developed during dressing.
Sintering requires a grain size of more than 2 mm, while ores which are
ground even finer (<0.2 mm farina size) have to be palletized.
Sintering
plants are generally situated in the neighborhood of the blast furnaces, while pelletizing
plants are mainly located near the iron ore pits or the transshipment sites.
Sinters and pellets for charging the blast furnaces are in growing demand
worldwide as the efficiency of the blast furnace process can be further upgraded
by using a homogenized burden prepared in such a manner (less consumption of
coke, improved furnace operation, etc).
Modern
blast furnaces use between 80 to 100 percent agglomerated material.
During
pelletizing, ultrafine ores and concentrates of grain sizes far less than 1 mm
are formed into small nodules of about 10 to 15 mm.
The
ore mixture is wetted for this purpose and a binding agent added.
Then “green pellets” are formed in rotating drums or rotary feed
disks. These green pellets are
dried and burnt at temperature of more than 1,000 ºC.
This can be done in a shaft furnace, rotary kiln or on a traveling grate.
Compared
with lump ores, pellets have a narrow size range, constant quality and good
permeability during reduction. Any
swelling and sticking of the pellets during the reduction phase must be avoided.
Furthermore, pellets are well suited for transport and storage.
Pelletizing differs from sintering in that a “green” unbaked pellet or ball is formed and then hardened by heating. Experimental work, started many years ago by E.W. Davis and his associates at the University of Minnesota on the concentration and agglomeration of low-grade iron ores, showed that it was possible to ball or palletize fine magnetite concentrate in a balling drum and that if the balls were fired at sufficiently high temperature (usually below the point of incipient fusion) a hard indurated pellet well adapted for use in the blast furnace, could be made. Consequently, despite the unquestioned benefits of sinter on blast furnace performance, intense interest in the palletizing process has developed because of the outstanding performance achieved by steel producers in extended operations with pellets as the principal iron-bearing material in the blast-furnace burden.
In general, the palletizing process is desirable for agglomeration of finely divided concentrates because they are normally of such fine size that they will form into a green ball with little difficulty. Concentrates and high grade ores that are not suitable in size for palletizing are in some cases ground to the required size when pellets are desired as the final product.
The balling drum and the disc pelletizer are the most widely used devices for forming “green balls”. Compared with the balling drum, the disc has the advantages of lighter weight and greater possibility for adjustment. Its inherent design averages out the effect of instantaneous fluctuations in the feed, whereas the drum cannot. Also, the classifying action of the disc promotes discharge of balls of more uniform size, which simplifies screening of the product. However, the capacity of the discs is low and discs is low and discs generally require closer control than drums. Best control of ball size is achieved when the balling device is in closed circuit with a screen to remove and recycle the under size material. Binders, such as bentonite, clay or hydrated lime, are generally used to raise the wet strength of green balls to more acceptable levels for handling. Bentonite consumption at the rate of 6.3 to 10 kg (14 to 22 pounds) per ton of feed is a significant cost element and considerable effort has been directed to reducing its usage and to development of cheaper substitutes. The ballability and strength of green balls are influenced by the additives and by the moisture content and particle-size distribution of the concentrates. Optimum moisture content for good balling is usually in the 9 to 12 per cent range. It appears that balling characteristics are relatively independent of the chemical composition of a concentrate, but are strongly affected by its physical properties. For example, specular hematites are more difficult to ball than magnetite concentrates because of the “plate-like” structure of the specular hematite particles. In any case, satisfactory pellet formation is usually achieved by regrinding to about 80 to 90 per cent minus 43 um (325 mesh). Normally, and material considered for palletizing should contain at least 70 per cent minus 43 um (325 mesh) and have a specific surface area (Blaine) greater than 1200 cm2/gram for proper balling characteristics.
Both the drop and compressive strengths of green pellets are important but because dried pellets are not required to withstand much handling, their compressive strength is considered most important. The strength of fired pellets is important in minimizing degradation by breakage and abrasion during handling and shipping and in the blast furnace. Strong bonding in pellets is believed to be due to grain growth from the accompanying oxidation of magnetite to hematite, or recrystallization of hematite. Although slag bonding may promote more rapid strengthening at slightly lower firing temperatures, pellet strength is normally decreased, especially resistance to thermal shock. Fired pellet strength is most commonly determined by compression and tumble tests. Compressive strengths of individual pellets depend upon the mineralogical composition and physical properties of the concentrate, the additives used, the balling method, pellet size, firing technique and temperature, and testing procedure.
The compressive strengths of commercially acceptable pellets are usually in the range of 150 to 400 kg (300 to 900 pounds) for pellets in the size range of minus 13 mm plus 9 mm (minus ½ inch plus ¾ inch). In the tumber test 11.4 kg (25 pounds) of plus 6 mm (1/4 inch) pellets are tumbled for 200 revolutions at 25 rpm in a drum tumbler (ASTM E279-65T) and then screened. A satisfactory commercial pellet should contain not more than about 6 per cent of minus 0.6 mm (28 mesh) fines, and 90 per cent or more of plus 6 mm (1/4 inch) size, after tumber testing. A minimum of broken pellets between 6 mm and 0.6 mm (1/4 inch and 28 mesh) in size is also desirable. Other important properties of fired pellets to be used for blast furnace feed are reducibility, porosity, and bulk density. With some concentrates these can be varied within certain limits.
The flow sheet of a pelletizing process is similar in many respects to the sintering process, particularly in the materials handing are. Usually the associated mining, concentrating, and grinding installations are operated as a feed preparation section of the pellet plant. The three most important palletizing systems are the traveling grate, the grate kiln, and the shaft furnace. Each system has been used commercially to make acceptable quality pellets and thus, capital and operating factors are usually involved in choosing one or the other. Fuel requirements for pelletizing by these systems vary from about 500 000 to 1 000 000 kj per metric ton (Btu/long ton) of pellets depending on the feed material. Oxidation of magnetite to hematite during palletizing will provide a significant proportion [about 300 000 kj per metric (Btu per long ton)] of the heat requirement in all of the systems. Pelletizing processes are being improved constantly and further details on their technology and development may be found in the references at the end of the chapter. The production of self fluxing and pre-reduced pellets are examples of innovations that are currently becoming accepted on a commercial scale. A brief description of important differences in the major palletizing systems are pointed out in the discussion that follows.
Traveling Grate
The traveling grate system for producing pellets, is essentially a modification of the sintering process. The green balls are fed onto the grate continuously to give a bed depth of about 300 to 400 mm (12 to 16 inches) and are dried in the first few windboxes by updraft air recuperated from the firing zone, followed by downdraft drying using recuperated air from the cooler. This arrangement of hot air flows limits pellet damage resulting from condensation of moisture in the bed. Following drying, the pellets are preheated by downdraft air from the cooling zone. Firing is done downdraft in the combustion zone by burning fuel oil or natural gas with hot air from the cooling zone. The cooling zone follows the combustion zone and uses updraft fresh air.
Fuel consumption in the traveling grate system is about 350 000 to 600 00 kj per metric ton (Btu per long ton) of pellets produced from magnetite and up to 1000000 kj per metric ton (Btu per long ton) when palletizing hematite. The system offers good temperature control in the firing zone. Pellet consistency throughout the bed may be achieved by recirculating some fired pellets to form hearth and side layers on the grate. The largest grate machines are 4 metres (13 feet) wide and are capable of producing more than 3 million metric tons of pellets per year. Circular grate machines have also been designed and one such machine is in operation.
Grate Kiln System
The grate kiln system, consist of a straight grate for drying and preheating the pellets to about 1040°C (1900°F), a rotary kiln for heating to the final in duration temperature of 1315°C (2400°F), and a horizontal rotary hearth for cooling and heat recuperation. Heat for firing is supplied by a central oil, gas, or coal burner at the kiln are used for downdraft drying and preheating of the pellets. Hot air from the cooling zone is used for combustion.
The grate-kiln system offers good temperature control in all stages and produces a relatively consistent product. Fuel consumption is 400 000 to 600 000 kJ per metric ton (Btu per long ton) of pellets produced from magnetite, and up to 1 000 000 kJ per metric ton (Btu per long ton) of pellets produced from hematite. The largest systems have 7.6 metre (25 foot) diameter kilns and are capable of producing about 4 000 000 metric tons per year of pellets per line.
Vertical-Shaft Furnaces
Vertical-shaft furnaces are not as common as the traveling-grate or grate-kiln systems. There are several variations in shaft-furnace design but the most common is the Erie type
Green balls are charged at the top and descend through the furnace at a rate of 25 to 38 mm (1 to 1 ½ inches ) per minute countercurrent to the flow of hot gases. About 25 per cent of the total air enters the furnace through the hot-gas inlet at temperatures from 1280°C (2340°F to 1300°C (2375°F). Pellets in this zone of the furnace reach temperatures of 1315°C (2400°F) or higher because exothermic heat is releases when the magnetite oxidizes to hematite, increasing the temperature. The remaining 75 per cent of the furnace air enters via the cooling-air inlet. Pellets discharge at about 370°C (700°F), and top-gas temperature is about 200°C (400°F).
Typical furnace capacities are 1000 to 2000 metric tons per day. Shaft furnaces are more energy efficient than traveling-grate or grate-kiln systems. The shaft furnace is well suited for palletizing magnetite, but not hematitic or limonitic materials.
Disadvantages
of shaft furnaces are low unit productivity and difficulty in maintaining
uniform temperature in the combustion zone. Hot spots may occur which cause
pellets to fuse together into large masses, producing discharge problems.
CONTINUOUS IMPROVEMENTS IN PELLETIZING, THE AHMSA EXPERIENCE
Norma Mayela Carreon, Rodrigo Martinez Sanchez, Hector Rolando Mata Esparza