EL ARTE DE MANEJO DE ESCORIAS Por: J ames Herbert, ALTEK L LC, Exton, USA, Alan M Peel, Peel, ALTEK Ltd , U.K., U.K., Martin J . Collins, A LTEK L TD, U.K. U.K. y Salvador Tov ar F. SCM SCM S.C. MEX.
Si bien es generalmente reconocido que la generación de escorias debe limitarse a un mínimo, muy a menudo la importancia de maximizar el contenido de aluminio de la escoria se pasa por alto. Generalmente se cree equivocadamente, que un bajo contenido de metal en la escoria es una bueno y que el aluminio se mantiene en el horno. En realidad, lo más probable este metal se pierda debido a un insuficiente enfriamiento y a la termitación generada. Con solo observar la escoria generada en la operación y la calidad de escorias puede proporcionar una buena indicación de la eficiencia global de la operación. No obstante a los bajos precios del aluminio actuales, cerca de US$2,200 por tonelada, si la recuperación es mejorada solo un 3% en una planta que produce 500T de escorias por mes, esto puede genera ahorros en el orden de $400,000 por año. Una gestión adecuada de las Escorias redunda en una mejor calidad metal, mayor eficiencia del combustible, prolongada vida refractarios y mejorando la rentabilidad en toda la instalación. Actualmente todos los procesadores de aluminio se han centrado en un enfriamiento de escoria más efectivo y técnicas de manipulación de las mismas, la recuperación de escorias es han mejorado. Actualmente, la recuperación de escoria es debe estar en el rango de los 60-70%. Estos números están sujetos a debate, pero en 30 años de experiencia han generado un profundo conocimiento de estos resultados. Este trabajo examina las diferentes técnicas de manejo de la escoria que se produce en la operación de fusión y vaciado con el objetivo de maximizar la recuperación aluminio.
SECCIÓN 1 – PERSPECTIVA HISTORICA SOBRE LA MANIPULACIÓN DE ESCORIAS EN LA FUNDICION Enfriamiento en el Piso Enfriamiento en el Piso fue la primera y es la forma más básica básica de recuperación de metal de escorias, y esta práctica se encuentra en las las fundiciones de México. Este método de recuperación de metales es realizado al extender la escoria caliente sobre lingotes de aluminio o una placa de acero ó directamente al piso. Una vez vez que la escoria se enfría suficientemente, se pepenan los pedazos de aluminio visibles. Típicamente, de este método se obtiene una recuperación total de 20-30% de metal aproximadamente [1]. Si bien esta es una una mejora significativa en caso de no hacer nada, esto es un largo camino al fin de alcanzar el potencial de recuperación posible comparado al utilizar la tecnología actual disponible. Este método de manejo escorias es altamente contaminante y peligrosa para el medio ambiente, equipos equipos y para el personal de de las plantas.
Agitación y mezclado de escoria La Agitación y Mezclado apareció por primera vez en la industria en los finales de 1960 y al comienzo de 1970 s. El principio básico es que la escoria se vaciada directamente en un contenedor con recubrimiento refractario con piquera. El contenedor se transfiere a una unidad de agitación que se realiza por medio de una paleta que agita la escoria. Después de un período de tiempo (4-6 minutos), el metal del interior del contenedor es vaciado en una lingotera por la piquera. Este método de manejo de escorias fue el primero en proporcionar un considerable drenado de aluminio en planta (20 30%) debido a la aglomeración de aluminio en gotas [1]. La acción de agitación, promueve oxidación y termitación del aluminio, usualmente el producto es polvo, material que es difícil para su procesamiento secundario. No obstante esta forma de recuperación de escoria fue un paso en la dirección correcta, pero incrementaron de manera significativa los costos de mantenimiento. En promedio, la agitación suele ofrecer una recuperación de metales total del 40%.
ENFRIADORES ROTATORIOS DE ESCORIA Los Enfriadores Rotatorios de Escoria aparecieron en escena en los 70´s, constando de cuatro componentes principales, un tambor grande que es enfriado por agua externamente, un dispositivo de carga, una criba-trómel y su sistema de control contaminación de aire. La escoria removida del horno se vacía en charolas provistas de barrenos en el fondo para permitir un drenado natural en planta. Las charolas se colocan en el dispositivo de carga y vertido del tambor. El tambor rota siendo rociado con agua, sumergiéndolo en el agua, o con elevadores de agua que vacían su contenido en el exterior del tambor. Habitualmente, las recuperaciones en planta, son menores a los experimentados con el proceso de agitación; sin embargo, las características de enfriamiento de esta tecnología puede proporcionar un mejor recuperación secundaria, habitualmente va desde 50 60%. Las pérdidas de metal de los enfriadores rotatorios, provienen por un mal diseño de dos zonas, el sistema de control contaminación y la localización de chimeneas. En un sistema diseñado adecuadamente, el polvo es capturado en las chimeneas en ambos extremos y siendo recogido por cada campana. El interior del tambor deberá estar libre de cualquier ráfaga de aire que podría promover oxidación del metal. En un mal diseño, usualmente se localiza una chimenea en la salida de la unidad que controla la salida del polvo; esto propicia las ráfagas de aire por el tambor. Esto actúa como un fuelle y tiene un efecto significativo sobre la reducción recuperación por oxidación las pequeñas partículas de aluminio. Se puede observar esta caída de material por las ráfagas de aire caliente con partículas finas de aluminio. Las pérdidas pueden ser muy altas. Este es un problema común con algunos sistemas de enfriamiento rotatorio. La segunda pérdida ocurre debido a la pésima práctica de procesamiento secundaria. Al final de 70´s y 80´s era una práctica común la remoción de partículas de (-1/4 o 6 mm) antes del reciclado secundario en un horno rotatorio. Antes de los Enfriadores rotatorios de escorias, el material a recuperar era predominantemente óxido con muy poco contenido de metal y así un despilfarro de energía para introducirlo en el horno. Posterior a los Enfriadores rotatorios de escorias, la fracción de -1/4 (6mm). Puede ser recuperado efectivamente. Durante mucho tiempo los operadores de los rotatorios no se dieron cuenta que estaban perdiendo esta importante fracción. La mayoría recicladores aprendieron que es necesario cargar toda la escoria en los TTRF sin la remoción de finos, después de lo cual recuperaciones se incrementaron dramáticamente. Los Enfriadores Rotatorios de Escoria tienen la ventaja de ser capaces de manejar escoria termitando. Las desventajas de esta tecnología incluyen alto costos de mantenimiento y la dependencia de un buen control de la contaminación unidad. Aunque relativamente eficiente, los Enfriadores Rotatorios de Escoria rara vez son vendidos actualmente debido a preocupaciones de seguridad en virtud de que escoria caliente y aluminio
líquido es procesado en una piscina de agua. Ha habido casos con los Enfriadores Rotatorios de Escoria donde el tambor se ha agrietado y permitió el contacto del agua con la escoria causando explosiones. Varias empresas se han alejado de esta tecnología para esta razón.
Enfriadores de escoria con atmósfera inerte Los enfriadores de escoria de Atmósfera Inerte, aparecieron en el mercado a comienzos de 1990 s. El sistema consta de una caja de acero, muy pesada, donde se aloja las charolas de enfriamiento de escoria. En estas estaciones, la atmósfera interior es reemplazada con gas argón o, en algunos casos nitrógeno que previene la oxidación de la escoria. Generalmente, los resultados de estos sistemas es similar a los enfriadores rotatorios; sin embargo, debido a la lentitud de enfriamiento (generalmente de 12-24 hrs) los usuarios suelen requerir demasiadas charolas para escoria y estaciones de enfriamiento. Las unidades ocupan un espacio mayor en el piso. Es posible argumentar que el enfriamiento característico de la charola con escoria sea más eficaz en la preservación de las unidades metal por la adición del gas inerte, pero no es raro encontrar charolas con escoria sin la operación de las estaciones enfriamiento debido a problemas de mantenimiento. Es enfriamiento de las escorias por este método usualmente proporciona una pequeña cantidad de recuperación en planta típicamente en el rango de 5 10%. Las recuperaciones secundarias generalmente oscilan entre 40% a 50%.
PRENSAS DE ESCORIAS La Prensa Escoria está comercialmente disponible a comienzos de los 1990 s, actualmente hay varias alternativas utilizando de esta tecnología [1]. La tecnología de prensado de Escorias; está basado en el principio de que un líquido bajo presión se separe de una masa semi-sólida y fluya de las zonas de menos presión. El sistema consiste en un marco de acero, unidad hidráulica, una cabeza de prensado y un conjunto de lingoteras ó charolas de escoria. La escoria es removida del horno y alojada en las charolas, posteriormente, son transferidas a la prensa y se inicia el ciclo, al momento que se cierra la puerta y la cabeza de prensado comienza a bajar lentamente. La presión sobre la escoria en el conjunto de lingotera, obliga a las partículas finas de aluminio aglomerarse en la superficie externa de la masa de escoria densificada. Este densificación previene la liberación de óxidos, polvo y la termitación de aluminio libre (ver gráfico 1). La prensa de Escorias es la primera tecnología que mejora substancialmente el manejo de escoria, mejorara el medio ambiente de la fundición e incrementa la recuperación del procesador secundario. El sistema no sólo enfría rápidamente la escoria, sino también proporciona el máximo drenado en planta. En un rango de recuperación entre el 60 al 70%. Existen dos condiciones, donde la prensa de escoria puede resultar menos eficaz: Si la escoria es demasiado fría para prensa o si la escoria está Termitando fuertemente. Las escorias en Termitación, puede ser procesadas, pero se requiere una revisión de las prácticas de fusión, con ciclos especiales y técnicas de enfriamiento más enérgicas. Figura 3 muestra los resultados obtenidos en un estudio realizado en Cressona Aluminum PA, USA durante mediados de 1990 comparando diversas técnicas de manejo de escorias. Es importante hacer notar que estas pruebas se realizaron utilizando el mismo tipo de escoria, es decir, escorias de la misma instalación, los mismo hornos manejado por los mismos operadores.
CAJAS ENFRIADORAS DE ESCORIA Estos dispositivos son la última tecnología, que han sido diseñadas específicamente para las pequeñas operaciones que no generan suficiente escoria para justificar una Prensa de Escoria. Las Cajas Enfriadoras de escoria es un método muy sencillo, para incrementar el valor de escorias y consisten en un Lingotera de escoria y Tapa de fundición de acero con diseño que permite el
enfriamiento efectivo de las escorias (véase gráfico 4). La tapa se coloca sobre el cojunto de lingoteras de escoria utilizando una montacargas que brinda suficiente presión para generar aproximadamente la mitad del drenado de Aluminio que lq generada por una Prensa de Escoria. Las cajas de Enfriamiento pueden ser muy eficaces para el enfriamiento de escorias termitando, ya que las tapas son más pesadas, que las cabezas de presión de la que los utilizados enlas prensad de escorias. Las tapas de lingoteras permiten operar largos periodos de tiempo de enfriamiento para conseguir la temperatura deseada. En general recuperaciones de metal son típicamente en el rango de 40-60%.
Procesamiento de escoria en Caliente Un salto cualitativo en la recuperación escorias es procesado la escoria en planta utilizando un horno rotatorio basculante. Este método de recuperación de escorias se ha usado principalmente en Asia, así como algunos lugares en Europa y los Estados Unidos. Una vez que la escoria es retirada del horno, se carga inmediatamente al horno rotatorio que con su movimiento desbarata la escoria y promueve la coalescencia de las gotas de aluminio contenidas en la masa de escoria. Después de un período de tiempo, el metal fundido que se vació al Horno rotario el metal se coalesce y se aglomera en el fondo ya que este metal que es la misma aleación, puede ser vaciado directamente en el horno fusión optimizando uso de la energía contenida. El horno rotario puede ser operado con mínimas adiciones de sal y carga de chatarra limpia junto con la escoria. Esto ayuda a enfriar el material y controlar posibles termitaciones del metal. Este método de gestión escorias puede ofrecer un 5 10% de recuperación mayor que en comparación con la Prensa de Escoria. Con un estudio a fondo del proceso, se pueden lograr importantes mejoras reduciendo de manera significativa la pérdida global de la planta. Esto puede equiparar posibles ahorros de millones de dólares de por año. Enfriar los residuos de óxido puede convertirse en el principal desafío en el proceso. Lingoteras de Enfriado, Cabezas de enfriamiento y Enfriadores rotatorios son las opciones utilizadas para enfriar los residuos de óxido. SECCION 2:- Procesamiento secundario del la escoria
Esta sección se destaca la importancia y el valor de desarrollar un programa de ,anejo de escoria de aluminio. Si bien es importante prestar atención a la gestión de un generador escoria, también es igualmente importante para una planta de aluminio entender el importante papel desempeñado por el procesador secundario de dross [2]; es aquí donde el valor de la escoria se decide finalmente. Los valores de recuperación escorias son principalmente la responsabilidad del generador de la escoria ya que una buena práctica horno y técnicas de enfriamiento de escoria tendrán un mayor efecto sobre los valores de recuperación del procesador secundario. Si bien todos los procesadores siempre prometen el más alto porcentaje de recuperación, hay prácticas y técnicas de proceso que pueden afectar la calidad global y la recuperación de la escoria. Los generadores de escorias debería tener el derecho a inspeccionar y auditar su procesador secundario de observar su material que están siendo procesados y se sientan cómodos con las prácticas y asegurarse que están obteniendo el verdadero valor de sus escorias. Si bien la escoria quizás ya haya salido de la planta del generador de escoria, todavía tienen una moral y responsabilidad ambiental para lo que suceda a esa escoria. Con la presiones gubernamentales para reducir o eliminar los depósitos en general, y en particular la disposición de la sal usada, los generadores de escorias deben de insistir en manejos de residuos más ecológico y racionales, tecnologías verdes y procesos aprobados por su procesador secundario.
La Evolución del Horno Rotatorio El principal equipo de la mayoría operaciones de transformación de escorias fue el horno rotatorio. Los Hornos Rotatorios se han utilizado para recuperar aluminio de escorias durante al menos 50 años. Un Horno rotatorio convencional es un contenedor rondo de acero con un revestimiento refractario interior, montados horizontalmente sobre un conjunto de soportes (véase gráfico 5). La operación del horno implica la fusión de sal y luego carga de la escoria de aluminio. El fundente líquido recubre las partículas de aluminio, ayudando a evitar metal pérdida mediante oxidación y asiste en la coalescencia de las gotitas aluminio para formar un baño líquido. La rotación del horno obliga a la escoria a permanecer por debajo de la superficie del fundente y sin permitir el impacto directo de la llama del quemador. El horno es operado en ciclos, mismos que duran varias horas. Cada ciclo incluye:
Carga y fusión del fundente.
Carga y de la fusión la escoria.
Vaciado del metal recuperado y eliminación el fundente usado.
Hasta mediados de los años 1980 , muchos procesadores de escoria han utilizado el sistema de horno rotatorio. No es raro que procesadores secundarios de escoria fabriquen sus propios hornos utilizando viejos hornos o tambores de revolvedoras de concreto, usando partes refacciones recicladas. Actualmente, las regulaciones ambientales son cada vez más estrictas, en cuanto emisiones al aire y disposición de residuos sólidos, adicionalmente el diseño de un equipo de alta eficiencia y la maximización de la producción y recuperaciones, han obligado que la tecnología del horno rotatorio haya evolucionado. Los procesadores de escorias tienen la posibilidad de utilizar hornos rotatorios basculantes (1] con sofisticados sistemas de combustión oxy-combustible, avanzados sistemas de control computarizado SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) y la capacidad para operar utilizando fundentes secos. Un ejemplo de dicho sistema puede verse en la figura 6.
Operación Húmeda VS. Seca Tradicionalmente los hornos rotatorios para operar en un modo húmedo el giro del horno debe de ser sobre su eje horizontal. Este método requiere de suficiente fundente a fin de que todos los óxidos de aluminio y otros contaminantes sean absorbidos por el fundente, mientras permanece en estado líquido. La relación típica de Fundente/no metálicos es de 1:1. Los Hornos rotatorios basculantes ofrecen mayor flexibilidad a la operación y puede utilizar un proceso de fundente seco. Esta práctica operativa reduce significativamente la cantidad de fundente requerido y también reduce la cantidad de sal utilizada generada, siendo partidas importantes de los gastos de operación. Requiriendo una relación típica de Fundente/no metálica de 0.3:1.
Dependiendo de la habilidad del operador del rotatorio de 3 a 8 por ciento de aluminio en peso será atrapado dentro del la sal de residuo de cualquiera de estos procesos. Debido al volumen mayor de sal residual generada usando los métodos convencionales de horno rotatorio horizontal, el método en seco es intrínsecamente mejor ya que proporciona recuperaciones mayores, por varios puntos porcentuales. Para un generador que procesa 500 ton de escorias por mes, esto puede equiparar a más de $400,000 USD adicionales en unidades de metal por año. Aunque algunos desechos observan una fusión más efectiva en hornos rotatorios de eje horizontal fijo, usualmente es aceptado, que escoria puede ser fundida más eficazmente en los Hornos rotatorios basculantes.
Relación de Fundente y su Granulometría La cantidad de sal fundente utilizado depende del porcentaje de aluminio en el material procesado. A mayor cantidad de sustancias no metálicas tales como óxidos e inertes, se requiere de una cantidad mayor de fundente. Una cantidad de sal insuficiente de fundente tiende a dar una granulometría my fina, tendiendo a atrapar las pequeñas gotas de aluminio, promover una pérdida metal mayor. La granulometría del fundente es también un factor muy sutil, pero importante, que puede afectar recuperaciones de metal. Si se está utilizado un fundente pre-mezclado, es importante que el tamaño de las partículas de cada componente es igual; de lo contrario, puede ocurrir una segregación durante el transporte del producto. Si se presenta una segregación en el fundente, las fracciones de NaCl y KCl tienden a fundir a temperaturas más altas, lo que aumenta los costos de energía y promueve mayores pérdidas por oxidación. La Figura 7 muestra un ejemplo de diferente calidad de fundente.
Procesamiento de escorias Libre de Sal En los últimos años, el proceso de escorias libre de sal (Fundente), ha tomado gran importancia. Ya que día con día el control ambiental impuesto por diversos organismos gubernamentales es más estrecho en las áreas de confinamiento ya que es muy difícil de encontrar terrenos adecuados para confinar estas escorias salinas. Si no existen plantas de regeneración de sal, en las cercanías entonces los procesadores secundarios son obligados a buscar alternativas, para usar esta sal en sus procesos de recuperación de escorias. Esto es posible con el procesamiento de escoria, pero no es posible para chatarra contaminada, que es un material de carga común para los hornos rotatorios debido a la alta contaminación que observa la chatarra de aluminio. A fin de realizar el procesamiento de estos materiales se ha generado nuevas tecnologías de hornos de cámara con quemador secundario para los efluentes de fusión, con el objetivo de remover los recubrimientos de la chatarra ó su previa preparación para estos tipos de chatarra tal como se ha presenciado especialmente en Europa y Asia. No es sólo la sal, la causa de los problemas durante su confinamiento, sino que materiales formados en el proceso como el aluminio nitruros [4] , carburos y finos formado en las diferentes etapas del procesamiento de la escoria, su manipulación y su ciclo de vida. Estos son los elementos que cuando se combinan con agua
liberaran amoníaco, metano y el hidrógeno en los lugares de confinación y son la causa de una gran parte de los problemas ambientales. Si bien es posible el proceso chatarras contaminadas y escorias en hornos rotatorios, sin la adición de sal fundente, la reducción de recuperación de aluminio niveles son sustanciales y puede hacer esta opción costo prohibitivo. Los avances tecnológicos en horno rotatorio en su diseño y desarrollo, será la clave para desarrollar un proceso de fusión libre sal , a fin de que sea una una solución económicamente viable. Hay varios procesos mecánicos en el mercado, que permiten la transformación de la escoria de aluminio directamente desde la prensa de escoria ú hornos. La separación por Impacto Mecánico está basada en la premisa de que el aluminio está junto a un óxido de aluminio que no está íntimamente combinado. Al impactar la escoria, el aluminio es separado de los óxidos, que son partículas finas, de fácil recolección por procesos subsecuentes de tamizado. El Aluminio recuperado puede cargado en una poza alterna u horno rotatorio. Aquellas escorias que se presentan como una masa sólida óxido de aluminio es difícil separar por los métodos de impacto mecánico. Estos materiales son típicamente escoria fría rica en silicio, algunas escorias de fundición, materiales de limpieza de horno, tales como: raspaduras de piso y escoria asociada con procedimientos de drenado deficiente. La prensa escoria es un paso intermedio entre el horno de fusión y la tecnología de impacto mecánico, siendo la tecnología ideal para un enfriamiento rápido de las escorias a fin de garantizar una mínima oxidación y una separación del óxido, coalescencia las partículas de aluminio en las placas de aluminio en el exteriores de los densificados de escoria. Esto asegura que un máximo de aluminio puede ser recuperado en el proceso de impacto mecánico.
Manejo de materiales y segregación Hay varios métodos que un generador de escorias, puede tomar para asegurarse de que obtendrá el mayor valor de su escoria. A veces, los depósitos de escoria de aluminio son tratados como un basurero, y no es raro encontrar basura y otros desechos mezclados con la escoria. Debe reconocerse que el almacenaje del material en lugares secos, Escorias por tipo de aleacion separad y la escoria libre de basura garantizará una mejor calidad de escorias y por lo tanto, una mejor recuperación de ellas. Es tan importante para el procesador de escoria; reconocer la importancia de manejo de materiales y su segregación. Si la escoria es almacenada sin protecciones (techos, cuartos, etc) (véase gráfico 8) estará sujeto a las inclemencias atmosféricas, obviamente la recuperación de este metal será afectado adversamente. En términos generales cada 1% de humedad se traducirá en 1% de pérdida de aluminio en su recuperación. Por tal motivo es importante que el generador se asegure que sus escorias generadas se almacenen en un lugar adecuado.
CONCLUSIONES El uso de la tecnología adecuada en la fundición, para manejar la inevitable formación de escorias, puede brindar importantes ahorros de costos para operación. Mediante la adecuada elección de la tecnología, es posible para el fundición, maximizar en planta, la recuperación de aluminio de la escoria antes que deja la planta, para el procesamiento secundario. La relación entre generador y el procesador es sumamente importante y debe mejorarse si cada uno de ellos, entendiendo las expectativas de cada uno. El aspecto más importante para recordar es que los óptimos resultados de procesador de escoria es a partir de la planta de los generadores ya aquel aluminio que no está en la escoria no se recuperará. Tanto el generador y el procesador necesitan reconocer la importancia de mantener el material seco, libre de hierro y otra basura para garantizar una mejor calidad de escorias y, por tanto, mejor recuperaciones. En el caso del horno rotatorio, la calidad de fundente y condiciones de almacenamiento puede hacer la diferencia de 5 a 8 % en la recuperación. Se ha producido un creciente interés en la necesidad de eliminar sal de la secundaria escoria proceso de transformación, debido a las cuestiones ambientales asociados con su disposición. Los Gobiernos están legislando para estos cambios y los productores de aluminio se concentran cada vez más en el ciclo de vida efecto de su producción de aluminio. Por lo tanto más y más países continúan con la prohibición del confinamiento de los residuos de la recuperación de Aluminio de sus escoras, obligando a los procesadores secundarios de escorias modificar o incluso cambiar totalmente sus tecnologías y procesos para eliminar la sal y minimizar otros elementos indeseables.
