Magnetita en Colombia

8/17/2019 Magnetita en Colombia

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OBTENCIÓN DE HIERRO A PARTIR DE ARENAS NEGRAS DELATLÁNTICO COLOMBIANO DESEMBOCADURA RIO MAGDALENA

J. A. Vargas, E. A. Castañeda, A. H. Forero, S. C. Díaz

Grupo de Investigación en Materiales Siderúrgicos. Universidad Pedagógica y Tecnológica deColombia (UPTC), Tunja, Boyacá, COLOMBIA

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RESUMEN

El siguiente estudio pretende poner en comparación dos métodos de obtención de hierro, partiendo dearenas negras con un gran porcentaje de magnetita. Las arenas fueron caracterizadas por diferentes técnicascomo fluorescencia de rayos X, microscopia electrónica de barrido, petrografía y análisis volumétrico, con elfin de conocer el porcentaje de hierro presente en las arenas que fue de 54,72%, secadas y concentradas enseco por medio de un separador magnético tipo tambor. Del proceso de separación se obtuvo el 54,029 % dematerial concentrado y 45,9% de material de rechazo. Luego de previos ensayos con diversos tipos deaglomerantes, se realizó la peletización. A partir de dichos ensayos se determinó que la melaza diluida enagua es el mejor aglomerante utilizando una relación 2:1 De allí, se dio inicio al primer método propuesto, elcual consistió en llevar los pellets de arena concentrada, directamente a fusión en el horno eléctrico de arco,sin ningún otro tipo de tratamiento adicional. Mientras que para el segundo método, los pellets fueronhematizados a 1100 º C para facilitar su prerreducción, ya que la magnetita como tal carece depermeabilidad y es muy densa; luego de ser llevados al proceso de reducción directa, se sometieron a fusiónen el horno eléctrico de arco. El material que mejor se comportó en el horno fue el material prerreducido,

debido a que la carga fue menor, los pellets prerreducidos permanecieron menos tiempo en fusión; encuanto a la composición química se obtuvo porcentajes similares tanto de carbono como de hierro, lograndoen ambos métodos resultados altamente favorables, en cuanto a la cantidad de acero obtenido.

Palabras claves: Acero, arenas negras, caracterización, fusión

ABSTRACT

The following study aims to compared two methods of obtaining iron, based on black sand with a largepercentage of magnetite. The sands were characterized by different techniques such as X-ray fluorescence,scanning electron microscopy, petrography and volumetric analysis in order to know the percentage of iron inthe sand was approximately 54.72%, dried and concentrated dry using a drum type magnetic separator. Theseparation process was obtained concentrated material 54.029% and 45.9% of unconcentrated material.After preliminary trials with various types of binders, was made into granules. From these tests was

determined that the molasses diluted in water is the best binder using a ratio of 2:1 From there, it began thefirst method proposed, which was to bring the concentrated sand pellets directly to fusion in electric arcfurnace, without any other additional treatment. While the second method, the pellets were hematizados to1100 º C to facilitate pre-reduction, since the magnetite as such has no permeability and is very dense, thenbe taken to the direct reduction process, underwent fusion in the electric arc furnace. The material behavedbetter in the oven was pre-reduced material, because the charge was minor, the prereduced pellets stayedless fusion time, in terms of chemical composition was obtained similar percentages of both carbon and iron,both methods achieved highly favorable results, as the quantity of steel obtained.

Key words: Steel, black sands, characterization, fusion


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J. A. Vargas, E. A. Castañeda, A. H. Forero, S. C. Díaz; 26 (2011) 19-26

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1. INTRODUCCIÓN

El hierro, es después del aluminio elelemento metálico más abundante en lanaturaleza. Se encuentra en óxidos talescomo wustita, magnetita y hematita, sinembargo, con el tiempo los yacimientos

explotables existentes en Colombia se hanhecho menos rentables incrementándose asílos costos de producción, situación quecoloca el mercado nacional del hierro endesventaja frente al internacional. Por estarazón, es de gran importancia buscarestrategias costo-efectivas que garanticen lacontinuidad en la producción nacional deacero. Una alternativa a esta problemáticason las arenas negras, encontradas en loslechos de los ríos o en las playas, materialque se convierte en la mejor elección para la

extracción de acero por estar acompañado demagnetita, ilmenita y en ocasiones deminerales preciosos como el oro y platino; ya su vez por estar libre de materiales de bajadensidad gracias a la acción depuradora queel flujo de corriente y energía de las olasejerce constantemente sobre las arenas.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

2.1 SecadoEl proceso se inicio retirando la humedad de

191,7Kg de arena negra en un horno, a unatemperatura de 120ºC durante tres horaspara garantizar el secado total de lasmismas. La temperatura fue cuidadosamentecontrolada para garantizar que no existieraningún cambio dentro de la composición de laarena.

2.2 Concentración magnética [1]Una vez la arena estuvo totalmente seca sehizo pasar por el separador magnético tiporodillo, la concentración se realizorecirculando la arena en cuatrooportunidades. La cantidad de veces que seconcentro la arena fue con el fin de reducir almínimo la ganga presente.

2.3 CaracterizaciónLa caracterización de estas arenas se realizómediante cinco métodos diferentes talescomo: petrografía, difracción por rayos X,microscopía electrónica de barrido,fluorescencia de rayos X y gravimetría. Se

realizo por ésta variedad de métodos debidoa que la composición química de estas arenases desconocida.

Petrografía: El ensayo se realizó en ellaboratorio de petrografía, UPTC seccionalSogamoso utilizando un microscopio

petrográfico marca Olimpus BX51. El ensayose realizo con una muestra aleatoria de 200gsin concentrar y otra del mismo pesodespués de ser concentrada. De allí seobtuvo una descripción macroscópica ymicroscópica con sus respectivas fotografías.

Fluorescencia [5]: Se realizó en lasinstalaciones del Grupo de Integridad yEvaluación de Materiales – GIEM. Con ayudade un minipalm 2. Para este ensayo setomaron dos muestras de 5g de una arena

sin concentrar y la otra con arenaconcentrada.

Marcha química: Se realizó basados en el “Manual de procedimientos laboratorioquímico de pre-reducidos y materialessiderúrgicos” [2], esta marcha química ayudaa determinar de una forma cuantitativa lapresencia de hierro en minerales procedentesde cualquier yacimiento o mina.

Difracción de rayos X – DRX: Éste es unode los ensayos que gracias a los resultados

podemos demostrar de una formasemicuantitativa la cantidad de mineralespresentes en la muestra, esto con ayuda delas espectrografías y los análisis, con los quese pueden determinar la concentración dearena después de la separación magnética;este ensayo se realizo con el equipo dedifracción de rayos X de la UPTC. Se tomarondos muestras de 2g cada una pasantes demalla 200, la primera sin concentrar y lasegunda de arena concentrada.

Microscopia electrónica de barrido: Esteanálisis se desarrollo usando un microscopioelectrónico de barrido; gracias a su altaresolución de imagen, las muestran sepueden analizar con gran claridad. Estemétodo junto al análisis petrográfico seutilizo para determinar las especiesmineralógicas presentes en la muestra,adicionalmente nos ayudo a determinar deuna forma semi-cuantitativa la composiciónde las arenas.


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2.4 Peletización [3]Luego de realizar los ensayos decaracterización, se procedió a la etapa deaglomeración o peletización, esto se hizopara obtener un mejor comportamiento delas arenas en el momento de la pre-reduccióny además favorece la formación del arco

eléctrico en el horno. Debido a la pocainformación que se tiene respecto al manejode estas arenas y en busca de excelentespropiedades de los pelets, tales como durezay tamaño fue necesario escoger el tipo deaglomerante y el grado de inclinación idóneosdel disco peletizador de 120 cm de diámetroy de altura de pared de 22 cm, para que

junto al material a aglomerar, se obtenga unpelet con las características físicas deseadas.En total se peletizaron 120 kg, de los cualesla mitad se llevaron directamente a fusión,

mientras que los restantes se hematizáron ypre-redujeron antes de la fusión.

2.5 Hematización [4]La ecuación (1) representa la reaccióndominante en el proceso:

2Fe3O4 + ½ O2 = 3 Fe2O3 (1)

Se peletizaron 60 kg de arena y los otros 60kg se llevaron al proceso de fusióndirecta.Este proceso se llevo a cabo en unamufla en donde los pelets fueron sometidos

a una temperatura de 1150ºC durante 4horas, para así asegurar la transformaciónmagnetita-hematita.

2.6 Pre-reducciónLa ecuación (2) representa la reaccióndominante en el proceso:

2Fe2O3 + 3C = 4 Fe + 3CO2 (2)

La pre-reducción se realizó utilizando coquemetalúrgico con un 80 % de C. Segúncálculos para los 60 kg de material fueronnecesarios 6,5 kg de coque. Estos fueroncargados proporcionalmente en capasintercaladas en un crisol de grafito el cual sellevo al horno de foso a una temperatura que

oscilaba entre los 800 - 900ºC durante 4horas.

2.7 FusiónFusión con pre-reducido: Para esta etapadel proceso se utilizaron 5,3 kg de cal, 4,6 kgde coque y un total de 45,5 kg de pelets pre-reducidos. La fusión se llevo a cabo en unhorno eléctrico de arco (HEA), el cual alcanzouna temperatura de 1550 ºC.

Fusión directa con concentrado: Para la

fusión por este método se utilizaron 60 kg depelets concentrados, 7 kg de cal y 6 kg decoque. La fusión se realizo en el HAE, el cualalcanzo una temperatura de 1590 ºC.

3. RESULTADOS

3.1 SecadoEl contenido de humedad promedio presenteen las arenas es de 2,8% equivalentes a 1,3kg representados en la pérdida de peso.

3.2 Concentración magnéticaLos resultados obtenidos en la etapa deconcentración de arena, se muestran en latabla 1 en donde se observa la cantidad dematerial magnético concentrado y el residuoque dejo el mismo en cada una de laspasadas por el separador magnético.

Tabla 1. Pérdida de peso por secado.


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Como resultado de esta etapa del proceso ypartiendo de 222,1 kg de arena en bruto seobtuvieron 120 kg de material paramagnéticoy 100 kg de material diamagnético osobrante.

3.3 Resultado de la caracterización de la

arena

Análisis por florescencia de rayos X: Lafigura 1 presenta los datos obtenidos en el

ensayo de fluorescencia de las arenas sinconcentrar y concentradas, representa lacantidad de magnetita (Fe3O4) presente en laarena concentrada y la arena sin concentrar,en donde se aprecia un incremento del 6,3%de magnetita respecto a la arena sinconcentrar, que aun sin estar concentrada

presenta un porcentaje alto de magnetita,teniendo en cuenta que son arenas negrassin ningún tipo de tratamiento posterior a suextracción.

Figura 1. Columnas comparativas de arena con y sin concentrar.

Análisis de petrografía: Al igual que elensayo de fluorescencia de rayos X este

ensayo se hizo a dos muestras de arena, una

antes de ser concentrada y otra después dela concentración; datos que fueron

sintetizados en la figura 2.

Figura 2. Gráficos comparativos de arena con y sin concentrar.

De los datos a tener en cuanta en la figura 2es el aumento considerable en el porcentajede magnetita, donde gracias a laconcentración aumentó en un 21,6%

respecto a la arena sin concentrar, con uncontenido final de hierro (Fe) deaproximadamente 54,72%, dando unresultado semi-cuantitativo similar al


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obtenido en el análisis de fluorescencia derayos X. Además se encontró que los granosque componen la arena tienen composiciónvariada, predominando cristales de mineralesopacos con propiedades magnéticas. Lamayoría de minerales traslucidoscorresponden a minerales pesados entre los

cuales presenta clinopiroxenos tipo augita yortopiroxenos tipo hiperstena. Los anfíbolesmas frecuentes corresponden a Hornblenda.La epidota se presenta principalmente en lavariedad zoisita. Los feldespatos sonortoclasa y plagioclasa. El cuarzo se presentamayoritariamente como monomineral conleve extinción ondulante. Los circones conalto relieve y parcialmente fracturados. Enobservación sobre probeta pulida se aprecia

magnetita con predominio de cristaleslimpios, algunos con maclas cruzadas dehematita y en menor grado de ilmenita.

Resultados del análisis por microscopioelectrónico de barrido (MEB): En lasarenas sin concentrar el material translucido

muestra las especies mineralógicas presentesen la arena, tales como los feldespatos ycloritas. Las podemos distinguir del materialmetálico, porque una de las características deestos minerales es su exfoliación. En la figura3 vemos una micrografía de una de las zonasde esta muestra, donde se observa elmaterial metálico claramente diferenciadopor su forma romboédrica, rodeado dematerial translucido o silicatos.

Figura 3. Micrografía de arena sin concentrar 1000X.Figura 4. Micrografía de arena concentrada a 2000X.

La figura 4 muestra la diferencia que existenentre los minerales, vemos la presencia defeldespatos reconocidos por tener unasuperficie lisa y escalonada, a diferencia delas cloritas que presentan una superficie enforma de láminas.

Resultados del análisis por difracción derayos X [6]: Esta espectrografía muestra las

especies mineralógicas, que se encuentranpresentes dentro de la muestra de arena,dándonos un resultado semicuantitativo deellas obteniendo de esta forma una idea de lacantidad de minerales presentes dentro delas arenas, además de dejarnos ver de unaforma grafica el resultado de laconcentración, basándonos en los picos delespectro.


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Figura 5. Espectrografía combinada de las arenas con y sin concentrar

En la figura 5 se puede ver los espectros delas arenas concentradas identificadas con el

color azul y el espectro dejado por las arenassin concentrar identificadas con el color rojo,los picos mostrados en estos espectrosdemuestran la cantidad de especiesmineralógicas presentes en la arena, estagrafica sobrepuesta, ayuda a demostrar quela separación magnética disminuyo el

contenido de silicio, ya que es un elementodiamagnético.

Resultados del análisis gravimétrico:Éstos se realizaron siguiendo el manual deprocedimientos laboratorio químico de pre-reducidos y materiales siderúrgicos, cuyosresultados son los planteados en la tabla 2,donde se muestran los resultados de antes ydespués de la concentración.

Tabla 2. Resultados del análisis químico.

Arena sin concentrar

% de Fe3O4

Arena concentrada

% de Fe3O4 65,10 73,65

Estos porcentajes obtenidos son muycercanos a los obtenidos a los datos quearrojaron las pruebas de petrografía y DFRX,lo cual nos indica que el porcentaje demagnetita presente en las arenas es un datoconfiable.

3.4 Pruebas con diversos tipos deaglomerantesPara poder peletizar la arena, fue necesariohacer unos ensayos previos con varios tiposde aglomerantes, esto se hizo con el fin de

darle al pelet las propiedades mecánicasadecuadas. La tabla 3 muestra los resultadosque se obtuvieron luego de estos ensayos.Luego de estas pruebas se concluyó que elmejor aglomerante y el que aporta mayorcantidad de propiedades mecánicas a lospelets, es la melaza diluida con agua, en una

relación de 2:1, con una inclinación del discode 50º, a 17 rpm, con una alimentación de180 g/min y un flujo de agua de 26 – 30mL/min.


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Tabla 3. Pruebas de aglomerantes.

3.5 Resultados de la hematizaciónEl peso total de la arena concentrada es de60 kg, donde según caracterización contiene

un 75% de magnetita. Teóricamente latransformación total de magnetita a hematitaes de 46,5 kg. En vista de que los 60 kgcargados en la mufla contienen un 75% demagnetita y que la transformación demagnetita a hematita se dio en un 100%.Además se obtuvo un aumento de peso de1,48 kg para un total de 61,48 kg de arenahematizada, donde 46,5 kg pertenecen ahematita.

3.6 Resultados pre-reducción

En definitiva se necesitan 6,5 kg de coquepara reducir 46,551 kg de Fe2O3. Comoresultado de la prerreducción se obtuvieron45,5 kg de arena pre-reducida.

3.7 Resultados de la fusión en el hornoeléctrico de las arenasA continuación se muestran los resultadosobtenidos después de llevar a fusión lospelets pre-reducidos y los pelets simplementeconcentrados.

Fusión de arenas sin pre-reducir:

Partiendo de 45 kg de Fe3O4 y 20 de coquecomo resultado se obtuvieron tres lingoteslos cuales pesaron 20Kg. Que según el

ensayo de chispa corresponde a unafundición con un 2,5 % de C y 96,6 % de Fe,el cual equivale a 14,49 kg Fe presente.

Fusión de arenas pre-reducidas: Como elmaterial a fundir ya es hierro metálico noera necesario añadir coque para reducir másel material, sin embargo se debió adicionarsobre la marcha 4,6 kg de coque parafacilitar la formación del arco eléctrico en elhorno. Como resultado se obtuvieron doslingotes los cuales pesaron 22,3 kg. Quesegún el ensayo de chispa corresponde a unafundición con un 2,03% de C y 96,4 % deFe, el cual equivale a 16,3 kg de Fe presente.

3.8 Análisis comparativoEn la tabla 4 se hace una comparación entreel material producido por fusión a partir delconcentrado de las arenas negras y elproducido por la fusión del pre-reducido,donde se aprecia que el proceso llevado acabo con arena pre-reducida mostró unmejor comportamiento en el horno eléctrico,además los lingotes no presentaronporosidad, la diferencia en cuanto a lacantidad de escoria se le atribuye en granparte a la melaza presente en los pelets que

no se hematizaron, en cuanto al tiempo defusión fue mucho menor en el proceso conmaterial pre-reducido.


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Tabla 4. Tabla comparativa.

4. CONCLUSIONES

De acuerdo a los resultados de los ensayoscon los que se determino la composición dela arena, se demuestra que en ellas estánpresentes una gran cantidad de mineralestales como feldespatos y cloritas y cuarzos,además se corroboro la presencia de hierro,el cual se presenta en alta proporción en enforma de magnetita (Fe3O4) y en cantidadesmínimas en forma de ilmenita (FeTiO3).

Después de realizar pruebas con diferentestipos de aglomerantes, se determino que elmejor de ellos y el que otorga másresistencia a la compresión a los pellets,tanto en verde como en seco es la melaza.

Luego del proceso de hematización y de un

posterior ensayo se determino que latotalidad de la magnetita presente fuehematizada.

La pre-reducción se llevo cabo de manerasatisfactoria debido en gran parte a lapermeabilidad obtenida en el proceso dehematización, a la atmosfera reductora y a laadecuada carga de agente reductor.

Haciendo una comparación de los resultadosobtenidos de ambas fusiones se determinoque el material que mejor se comporto en elhorno fue el material pre-reducido, debido aque la carga fue menor; los pelletsprerreducidos permanecieron menos tiempoen fusión, ya que el arco eléctrico se formo

con mayor facilidad debido al grado demetalización de los pellets; en cuanto a lacomposición química se obtuvieronporcentajes similares tanto de carbono comode hierro.

5. REFERENCIAS

[1] Alarcón, S. H. Diseño, construcción ypuesta en marcha de un concentradormagnético tipo tambor. Trabajo de GradoIngeniero en Metalurgia. UPTC, Tunja,(2005), p. 17-18.[2] Grupo Materiales Siderúrgicos, UPTC.Manual de procedimientos laboratorioquímico de pre-reducidos y materialessiderúrgicos. Tunja, (2001).[3]

http://html.monografias.com/peletizacion.html. © Monografías S.A. Consultada el 08 dediciembre de 2009.[4] Díaz, B. S. Beneficio de una magnetitapara producción de pelets utilizados enprocesos de reducción directa. Articulo detrabajo de grado Ingeniero en Metalurgia.UPTC, Tunja, (2007), 794 p.[5] Sanchez, B. C. I. Evaluación de lareducibilidad de un mineral de hierro de laregión de Ubala, usando semicoque comoreductor. Trabajo de grado Ingeniero enMetalurgia. UPTC, Tunja, (2003), 28 p. [6] Díaz, M. C. Iniciación práctica a lamineralogía. Alhambra, Madrid-España,(1976), 97 p.

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