Obtención de ferro-cromo-niquel a partir de materias primas de la Región de Moa, Cuba

Introducción

La región de Moa posee importantes reservas de minerales cromitas y lateríticos. Esta última utilizada, principalmente, en las operaciones metalúrgicas de las dos tecnologías existentes, carbonato amoniacal basada en la lixiviación atmosférica, utilizada en la Empresa comandante Ernesto Che Guevara (ECG) y la tecnología de lixiviación ácida a alta presión, en la Empresa Moa Nickel S.A. Existen perspectivas de producción de FeNi, utilizando mezclas de minerales lateríticos y serpentiníticos, lo que brindará la posibilidad de producir otras ferroaleaciones, tomando en cuenta la existencia de otros minerales importantes como las cromitas refractarias, las colas y los escombros lateríticos, que a pesar de haber sido investigados sus características, (Pons Herrera J. A., 2010Pons Herrera, J. A. 2010. Evaluación de Materias Primas locales para la Producción de FeNi en Moa. Moa: Ferroniquel Minera S.A.); (Pons Herrera & Ramírez Pérez, 2022Pons Herrera, J., & Ramírez Pérez, M. 2022. Obtención de Materias Primas Metalizadas Base Hierro a partir de las Colas de las Tecnologias CARON y HPAL. Moa: Universidad de Moa.), aún son insuficientes los estudios científicos, que fundamenten su utilización en la industria siderúrgica cubana.

Los depósitos lateríticos de níquel se formaron por la meteorización prolongada y penetrante de las rocas ultramáficas que portan, básicamente, silicato de Ni, generalmente en climas tropicales o subtropicales. (Garcia & Giselle, 2013Garcia, V. & Giselle, et al. 2013. Actualización del Conocimiento Mineralógico de Menas Lateríticas y Residuos Solidos de las Industrias Niquelíferas Cubanas. La Habana: V Congreso Cubano de Mineria. Geociencias 2013.)

A partir del tratamiento pirometalúrgico de las cromitas y lateritas se han obtenido semiproductos siderúrgicos, cuyas investigaciones demandan de una mayor profundidad científica, que permitan fundamentar la futura implementación de una planta metalúrgica para la obtención de ferroaleaciones en Moa.

En los últimos años se han realizado diferentes investigaciones sobre el tratamiento y uso integral de nuestros recursos minerales, sin embargo, los resultados sobre la obtención de productos siderúrgicos a partir de recursos minerales fuera del balance de la ONRM, aún son insuficientes, a pesar de los intentos por obtener semiproductos metalizados base hierro para la industria siderúrgica cubana, (Pons Herrera & Ramírez Pérez, 2022Pons Herrera, J., & Ramírez Pérez, M. 2022. Obtención de Materias Primas Metalizadas Base Hierro a partir de las Colas de las Tecnologias CARON y HPAL. Moa: Universidad de Moa.). A partir de estas insatisfacciones se diseñó metodológicamente esta investigación.

Como resultado del trabajo conjunto de especialistas de la Universidad de las Villas y de Moa, se han desarrollado diversas investigaciones, con los minerales de esta región del país, destacan en este sentido la obtención de arrabio enriquecido con Níquel, llamado internacionalmente como Nickel Pig Iron (NPI), (Ortiz, 2015Ortiz, B. J. 2015. Obtención de un producto prerreducido para la producción de arrabio con níquel (nickel pig iron) a partir del tratamiento de los escombros lateríticos de Mina Martí de Nicaro. Moa: Tesis Doctoral. Universidad de Moa.), lupias de hierro, (Ferreiro Guerreo, 2013Ferreiro Guerreo, Y. 2013. Obtención de Lupias para la Industria Siderúrgica a partir de las Colas del Proceso CARON en Nicaro. Moa: Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa. Tesis Doctoral.), oxidantes para el proceso de descarburización del acero HK-40, (Ramírez Pérez, 2010Ramírez Pérez, M. 2010. Utilización de los Escombros Lateríticos de la zona A, Yacimiento Moa Occidental en el Proceso de Descrburización del Acero ACI HR-40. Moa: Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa.), producto metalizado base hierro a partir de las colas rojas de Moa, (Pons Herrera, Perdomo, & al, 2023Pons Herrera, J., Perdomo, L. C., & et al. 2023. Obtención de Prdocutos Siderúrgicos a partir de las Colas de la Producción de Níquel en Moa. Moa: Universidad de Moa.), entre otros.

El siguiente problema científico es la necesidad obtener FeCrNi, a partir de materias primas minerales existentes en la región de Moa, con posibilidades de utilización en la producción de aceros en Cuba.

Antes esta situación problémica, se definió como objetivo principal, evaluar la tecnología más efectiva desde el punto de vista técnico-económico para la obtención de FeCrNi, a partir de materias primas existentes en la región de Moa, y su posible utilización para la obtención de materiales para la industria siderúrgica cubana.

Constituyen elementos de elevada motivación profesional, la posibilidad real de utilizar las colas de la producción de Níquel en Moa, las cromitas abandonadas de las antiguas minas de Cayo Guam y los escombros lateríticos, como materias primas fundamentales.

Materiales y métodos

Fueron caracterizadas física y químicamente las muestras de investigación: cromita, escombro diferenciado, cola del proceso CARON en Moa, cieno carbonatado (fundente) y carbones bituminoso y antracita (reductores), se analizaron y conformaron las diversas mezclas a utilizar durante las pruebas de fusión reductora en hornos de arco eléctrico.

Se emplearon los laboratorios de análisis químicos y mineralógicos del Centro de Investigaciones del níquel (CEDINIQ), para la caracterización de las muestras de investigación y las escorias del proceso de fundición; mientras que los metales obtenidos (FeCrNi), fueron analizados en los laboratorios de las empresas Acinox Las Tunas y mecánica del níquel (EMNI).

Las mezclas metalúrgicas fueron conformadas, utilizando los niveles de variación de las variables de entrada que se muestran en la tabla 1, y empleando el software estadístico profesional Statgraphics Centurion XV.

Los ensayos de laboratorio y de banco se desarrollaron en el horno de arco eléctrico de C.D que se muestra a continuación, donde se obtuvieron los productos de la fusión reductora (metal, escoria y gases).

Las mezclas de materiales principales (cromitas, colas y escombros), reductores y fundentes, se variaron para una masa promedio total de 500 gramos (laboratorio) y 1000 gramos (banco), teniendo en cuenta las pruebas experimentales desarrolladas con anterioridad entre 2018 y 2022, (Pons Herrera et al., entre 2018Pons Herrera, J., & et al. 2018. Obtención de Productos Metalizados Base Hierro a Partir de Colas de la Producción de Níquel en Moa. Moa: Universidad de Moa.) y (Pons Herrera et al., 2022Pons Herrera, J. & et al. 2022. Obtención de Arrabio Enriquecido con Cromo y Níquel a Partir de Materias Primas de la Región de Moa. Moa: Universidad de Moa.).

La proporción de reductores utilizados se definió en 80 % de carbón antracita y 20 % de carbón bituminoso, tomando en cuenta los trabajos de Angulo Palma (2024)Angulo Palma, H. 2024. Sustitución del Petroleo Aditivo por Carbón Bituminoso en el Proceso de Tostación/Reducción de la Tecnología CARON. Santiago de Cuba: Universidad de Oriente. Tesis Doctoral. y Pons Herrera, (2022)Pons Herrera, J. & et al. 2022. Obtención de Arrabio Enriquecido con Cromo y Níquel a Partir de Materias Primas de la Región de Moa. Moa: Universidad de Moa..

La cantidad de fundente utilizado, se fundamentó a partir de las características del refractario del horno y la experiencia de trabajos precedentes, Pons Herrera et al. (2018)Pons Herrera, J., & et al. 2018. Obtención de Productos Metalizados Base Hierro a Partir de Colas de la Producción de Níquel en Moa. Moa: Universidad de Moa.; (2022)Pons Herrera, J. & et al. 2022. Obtención de Arrabio Enriquecido con Cromo y Níquel a Partir de Materias Primas de la Región de Moa. Moa: Universidad de Moa., empleando CaCO₃ y CaO, utilizados por las empresas siderúrgicas cubanas, (Rosales Martín, 2022Rosales Martín, G. 2022. Características de los Fundentes Empleados por las Empresas Siderúrgicas Cubanas. Caso de Estudio Acinox Las Tunas. Las Tunas: Acinox Las Tunas), con el objetivo de alcanzar basicidades entre 0,8 y 1,2.

Resultados y discusión

Las muestras de cromitas, con contenidos significativos de Cr₂O₃; Al₂O₃; SiO₂, les dan un carácter refractario a las mezclas conformadas, lo que complejizó las determinaciones químicas y la toma de decisiones para la obtención adecuada de los tipos de FeCrNi previstos, durante las pruebas de fusión.

Los resultados de los análisis químicos de las mezclas conformadas, se muestran en la tabla 2. A partir de estos resultados, fueron determinadas las proporciones de fundente (cieno carbonatado) y reductores a utilizar (mezcla de carbón antracita y bituminoso).

Los parámetros técnicos resultantes de los análisis realizados se muestran en la tabla siguiente, con énfasis en la relación SiO₂/MgO para el control del comportamiento de la interfase escoria-metal durante el proceso de fusión.

Los resultados de las pruebas experimentales permitieron demostrar la posibilidad de obtener FeCrNi a partir de las cromitas refractarias de la región de Moa, las cuales siempre fueron comercializadas como materia prima refractaria. En este caso, al mezclarlas con escombros y colas del proceso CARON, se obtuvieron diferentes grados de esta ferroaleación, con valores promedio de Fe (84,42 %), Cr = 8,69% y Ni = 1,5 %, como se muestra en la tabla siguiente.

Los FeCrNi obtenidos alcanzaron valores de Ni que oscilaron entre 1, 2 y 2,3 %, acorde con los contenidos de este elemento en las materias primas utilizadas, mientras que los valores de cromo fluctuaron entre 3,8-11,3 %, lo que permitirá ajustar posteriormente, las mezclas adecuadas para la obtención de esta ferroaleación en un rango entre 2 % de Níquel y 10 % de Cromo.

Los contenidos de carbono poseen un promedio de 3,84 %, con variaciones entre 1.9 - 5,0 %, apropiado para este tipo de ferroaleación, ya que constituye un elemento de sacrificio, para evitar la oxidación del cromo durante la elaboración de aceros. La comercialización de este tipo de ferroaleación, se realiza en dependencia del contenido de carbono, el cual varía entre 0,03 % hasta aproximadamente, 8 %. Por tanto, para el FeCrNi obtenido, el contenido promedio de 4 %, es adecuado para su uso en la industria siderúrgica como materia prima para la elaboración de aceros especiales, como los previstos a obtener en Acinox Las Tunas, en los próximos años.

Por su parte, los contenidos promedio de los restantes elementos fundamentales para este tipo de materia prima son adecuados para su uso siderúrgico, principalmente, Mn (0,47 %); Si (0,58 %) e Fe (84,4 %), que unido a los bajos valores de azufre (0,12 %) y fósforo (0,016 %), principales, impurezas de la industria siderúrgica, convierten a este producto, en una importante materia prima a evaluar para su utilización en este sector de la economía cubana, con posibilidades de ser comercializada internacionalmente luego del completamiento del estudio de factibilidad, previsto para las próximas etapas de esta investigación.

Adicionalmente, se aprecian contenidos pequeños, pero importantes de Co, Ti y V, elementos de gran importancia para la elaboración de aceros aleados en Cuba, y que aportan valor agregado al FeCrNi obtenido.

De forma general, los resultados de los parámetros de calidad de los FeCrNi obtenidos, están dentro de los rangos establecidos, para garantizar la obtención a mayor escala de este tipo de ferroaleación, usando horno de arco eléctrico de corriente directa, como operación unitaria fundamental, de la tecnología empleada.

Las escorias obtenidas tienen un comportamiento ácido, expresada en los contenidos promedio de SiO₂ (14,22%); Al₂O₃ (18,76%). En la tabla siguiente se muestran los resultados de los análisis químicos de este residuales, el cual será sometido al estudio correspondiente para su reutilización industrial.

La presencia de contenidos promedios significativos de Fe, Ni y Cr en las escorias, indican la necesidad de ajustar el proceso tecnológico para reducir estas pérdidas y la posibilidad de recuperarlos a partir de las escorias. Se comprobó, además, el carácter ácido de las escorias obtenidas como se aprecia en el gráfico siguiente.

Conclusiones