Mechanism Analysis of Ring Formation on Aluminum Phosphate Refractory Bricks During Treatment of Iron-Bearing Waste in a Coal-Fired Rotary Kiln

Resumen Técnico: Análisis del Mecanismo de Formación de Anillos en Ladrillos Refractarios de Fosfato de Aluminio Durante el Tratamiento de Residuos con Contenido de Hierro en un Horno Rotatorio Alimentado con Carbón

Planteamiento del Problema
La industria siderúrgica enfrenta una presión ambiental significativa debido a la generación de polvo metalúrgico y lodos, los cuales contienen sustancias peligrosas como metales alcalinos y cloruros, así como metales valiosos como el hierro y el zinc. Si bien los procesos pirometalúrgicos, específicamente los hornos rotatorios, ofrecen un método viable para el reciclaje de residuos que contienen zinc, su operación eficiente se ve frecuentemente obstaculizada por la formación de "anillos" (la formación de acumulaciones en el revestimiento del horno). La formación de anillos provoca una disminución en la calidad de los pellets, una reducción en la eficiencia de la producción y un aumento en los costos. Aunque estudios previos han examinado la formación de anillos utilizando mineral de hierro o lodos aceitosos, la composición compleja y fluctuante del polvo y lodo metalúrgico presenta desafíos únicos. Existe una falta de investigación detallada sobre los mecanismos específicos de corrosión de los ladrillos refractarios y la subsiguiente formación de anillos al tratar estos residuos específicos con contenido de hierro.

Metodología
Este estudio investiga el comportamiento de corrosión de los ladrillos refractarios de fosfato de aluminio y los mecanismos de formación de anillos durante el tostado de polvo y lodo con contenido de zinc y hierro.

• Materiales: Se utilizaron muestras de residuos con contenido de hierro, incluyendo Polvo de Alto Horno (BFD) y Lodo de Convertidor de Oxígeno (OGs), provenientes de la Compañía Maanshan Iron and Steel. Los materiales se mezclaron en una relación de masa de 1:1.
• Configuración Experimental: Se realizaron simulaciones de laboratorio utilizando un horno de mufla. Mezclas de pellets prensados y polvos sueltos se colocaron sobre ladrillos rectangulares de fosfato de aluminio (cortados de ladrillos recuperados del campo) y se calentaron de 1000 °C a 1250 °C en incrementos de 50 °C durante 80 minutos cada uno.
• Análisis: El estudio utilizó fluorescencia de rayos X (XRF) para la composición química, difracción de rayos X (XRD) para la identificación de fases, y Microscopía Electrónica de Barrido con Espectroscopía de Energía Dispersiva (SEM-EDS) para observar microestructuras y distribución elemental.
• Modelado Termodinámico: Se empleó el software FactSage 8.4 para calcular diagramas de fase de los sistemas CaO-SiO2-FeO-Al2O3 y CaO-SiO2-FeO-Al2O3-MgO para elucidar el comportamiento de fusión y los mecanismos de reacción.
• Validación de Campo: Se recolectaron muestras de anillos de zonas específicas (8 m, 22 m y 27 m desde la cabeza del horno) de un horno rotatorio industrial para correlacionar los hallazgos de laboratorio con las condiciones reales de producción.

Resultados Clave

1. Temperatura y Aglomeración: La aglomeración en los ladrillos refractarios fue insignificante por debajo de los 1100 °C. Entre 1100 °C y 1200 °C, comenzaron a formarse adherentes, mostrando las mezclas de polvo una aglomeración más severa que las mezclas de pellets. A 1250 °C, la mezcla se adhirió completamente a los ladrillos, formando una capa de corrosión sólida que no podía eliminarse mecánicamente.
2. Mecanismo de Corrosión:
   • Etapa Inicial: Durante la reducción, el Fe2O3 se reduce a FeO. El FeO se acumula en la superficie del refractario y reacciona con el Al2O3 para formar fases líquidas de bajo punto de fusión. Los cálculos termodinámicos indican que el sistema FeO-Al2O3 posee el punto de fusión más bajo entre los óxidos binarios involucrados.
   • Etapa Secundaria: A medida que se forma la fase líquida, el CaO del residuo reacciona con el Al2O3, y el SiO2 reacciona con el FeO (formando Fe2SiO4). Estas reacciones reducen aún más el punto de fusión de la escoria, facilitando la penetración del líquido en el ladrillo refractario.
   • Solidificación y Formación de Anillos: El MgO, inicialmente presente en el residuo, se difunde en la capa erosionada en una etapa posterior. La reacción del MgO con SiO2 y CaO forma compuestos de alto punto de fusión, específicamente Ca3MgSi2O8. Esta reacción eleva la temperatura de liquidus de la escoria. A medida que el contenido de FeO disminuye (debido a la reducción a hierro metálico) y el MgO se acumula, la escoria líquida se solidifica, formando una capa de corrosión dura y acumulaciones tipo anillo.
3. Composición del Anillo: Las muestras de anillos industriales contenían hierro metálico (MFe), cementita (Fe3C) y fases de escoria. La presencia de Fe3C, formada por la carburación del MFe, redujo significamente el punto de fusión de la fase de hierro, contribuyendo a la fuerza de unión y a la dificultad para remover los anillos.
4. Eliminación de Zinc: La tasa de eliminación de zinc aumentó con la temperatura, superando el 75% a 1100 °C y sobrepasando el 90% a 1200 °C. Sin embargo, las temperaturas más altas también promueven la formación de anillos.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma elucidar los mecanismos específicos de corrosión y aglomeración de los ladrillos refractarios de fosfato de aluminio en el contexto del tratamiento de residuos con contenido de hierro. El estudio identifica que la formación de anillos es un proceso de múltiples etapas iniciado por la corrosión inducida por FeO, seguido de la incorporación de CaO y SiO2, y finalizado por la solidificación de la escoria debido a la participación del MgO y la reducción del FeO.

Los autores afirman que estos hallazgos proporcionan referencias prácticas para optimizar las condiciones operativas, sugiriendo específicamente que el control de la basicidad (relación CaO/SiO2) y la composición de la mezcla (particularmente el contenido de MgO y CaO) puede reducir la formación de escoria líquida y mitigar la formación de anillos. La investigación tiene como objetivo facilitar la aplicación de hornos rotatorios para el reciclaje de residuos sólidos al abordar el desafío operativo clave de la formación de anillos, apoyando así el objetivo de la industria de reducir la presión ambiental mediante un tratamiento de residuos efectivo.