Hierro de Reducción Directa (DRI): Técnicas de Producción y Procesos Industriales

El hierro de reducción directa (DRI) es el producto obtenido por reducción directa de mineral de hierro u otros materiales ferrosos en estado sólido, usando carbón no coquizable o gas natural. Los procesos que producen DRI por reducción del mineral por debajo del punto de fusión del hierro se conocen como procesos de reducción directa (RD). Los agentes reductores son monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H₂), provenientes de gas natural reformado, gas de síntesis o carbón. El mineral se usa mayormente en pellets y/o bultos (lumps). El O₂ se elimina del mineral por reacciones químicas basadas en H₂ y CO para producir DRI altamente metalizado.

Fundamentos de la reducción directa

En el proceso de reducción directa, el hierro metálico sólido (Fe) se obtiene directamente del mineral de hierro sólido sin fundir ni el mineral ni el metal. La reducción directa es la reducción en estado sólido a potenciales de O₂ que permiten reducir óxidos de hierro, pero no otros óxidos (MnO, SiO₂, etc.) a sus elementos correspondientes. Al ser reducción en estado sólido, hay poca probabilidad de que estos elementos se disuelvan (baja actividad termodinámica) en el hierro reducido, por lo que los óxidos más estables que el hierro permanecen esencialmente sin reducir.

El DRI tiene estructura porosa porque se produce eliminando O₂ del mineral. También se llama «hierro esponja» por su estructura semejante a esponja con red de poros conectados. Estos poros resultan en una superficie interna ~10.000 veces mayor que la del hierro sólido.

El DRI se produce en varias formas: bultos (lumps), pellets, hierro briquetado en caliente (HBI), finos, y hierro briquetado en frío (CBI). HBI y CBI son formas densificadas para facilitar manejo y transporte. HBI se produce compactando DRI a presión muy alta a T >650 °C: cierra muchos poros, limita área de contacto para reacción con aire, y aumenta conductividad térmica.

Contenido de hierro y metalización

Hierro en DRI en dos formas: (1) metálico → hierro metálico, Fe(M); (2) residual en óxidos → Fe(O). Hierro total Fe(T) = Fe(M) + Fe(O). Hierro metálico = cantidad agregada de hierro, libre o combinado con carbono (cementita). Metalización del DRI = medida de conversión de óxidos de hierro en hierro metálico (libre o como cementita) por eliminación de O₂ por acción del reductor. Grado de metalización = % en masa de Fe metálico / masa de Fe total.

Historia de los procesos de RD

• Primera patente DRI: 1792, Reino Unido (presumiblemente horno rotatorio).
• Desarrollo procesos RD modernos: mediados siglo XIX.
• Desde 1920: >100 procesos inventados y operados; la mayoría no sobrevivieron.
• Era moderna DRI: 5 dic 1957, planta HYL inicia producción en Hylsa.
• Primera planta Midrex: 17 mayo 1969, Oregon Steel Mills, Portland.
• Proceso rotatorio carbón combina: proceso Republic Steel-National Lead (RN, 1920s, beneficiar minerales baja ley) y proceso Stelco-Lurgi (SL, inicios 1960s, DRI alta calidad).

Proceso de producción de DRI

Implica mezcla íntima de mineral preparado (clasificado) con reductor, que también calienta la cama de mineral a la T necesaria para tasas de reducción adecuadas. Reductor puede ser gas o sólido. Procesos principales: basados en gas natural o carbón. Alimentación: mineral clasificado 10–30 mm o pellets 8–20 mm de planta de pelletización.

Proceso basado en gas

Horno shaft (vertical) para reacción de reducción. Mineral alimentado por cima, DRI terminado extraído por fondo tras enfriar para evitar reoxidación. Gas reductor pasa a través de cama de mineral; gas gastado recircula tras calentamiento y reformado a mezcla H₂/CO en reformador, calentado a 950 °C (T para tasas de reducción adecuadas). Horno shaft opera en contracorriente: mineral desciende por gravedad y se reduce por gases reductores ascendentes.

Combustibles gaseosos: capacidad de reformar/craquear para producir mezcla H₂/CO. Gas natural alto en metano es el más usado. Gas natural reformado para enriquecer en H₂/CO, precalentado y enviado a horno shaft de RD.

Proceso gas: simple operación, tres pasos principales: (i) reducción mineral, (ii) precalentamiento gas, (iii) reformado gas natural. Hoy existe versión sin reformado de gas natural.

Corazón del proceso gas: horno shaft. Vaso cilíndrico revestido refractario, componente clave, flexible y versátil. Puede usar gas natural, gas de síntesis de carbón, gas de cohorno, o gas de escape del proceso Corex como gas reductor.

Reacciones de reducción con H₂ y CO:

• Con H₂: 3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O; Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O; FeO + H₂ = Fe + H₂O.
• Con CO: 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂; Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂; FeO + CO = Fe + CO₂.

DRI gas no necesita separación magnética (sin contaminación por no magnéticos). Proceso flexible para tres formas de producto: DRI frío, HBI, DRI caliente.

Tres procesos gas populares: (i) HYL (última versión: Energiron), (ii) Midrex, (iii) PERED. Flujogramas en Fig. 3 y 4.

Proceso basado en carbón

Reactor: horno rotatorio ligeramente inclinado. T de operación 1000–1100 °C. Carbón y mineral cargados por mismo extremo. Durante avance del material, se equilibra oxidación de C del carbón y reducción por CO. Perfil T 800–1050 °C a lo largo del horno en distintas zonas; mineral se reduce al descender por gravedad. Reacciones básicas: C + O₂ = CO₂; CO₂ + C = 2CO; 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂; Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂; FeO + CO = Fe + CO₂.

Producto (mezcla DRI + carbón residual) enfriado en enfriador rotatorio con refrigeración externa a 100–200 °C. Descargado, cribado y separación magnética. DRI (magnético) atraído y separado de carbón no magnético. DRI separado cribado en dos fracciones: +3 mm y –3 mm. Fracción –3 mm a veces briquetada con cal hidratada y melaza como aglutinantes. Flujograma en Fig. 5.

Propiedades del DRI: comparación carbón vs gas

Nº	Aspecto	Unidad	Basado en carbón	Basado en gas
1	Contenido de carbono	%	0,2–0,25	1,2–2,5
2	Tamaño de producto		Variable	Uniforme
3	Estado del material		Estable	Propenso a reoxidación
4	Densidad aparente	t/m²	1,6–2,0	1,5–1,9
5	No metálicos	%	0,3–0,5	Nulo
6	Metalización	%	86–92	85–93
7	Producción HBI		No factible	Factible

Nº	Componente	Unidad	Basado en carbón	Basado en gas
1	Hierro metálico	%	80–84	83–86
2	Óxido	%	6–9	5–8
3	Carbono	%	0,2–0,25	1,2–2,5
4	Ganga	%	3–4	2–6
5	Fundentes	%	1–3	0–3
6	Azufre	%	0,02–0,03	0,05–0,25
7	Fósforo	%	0,04–0,07	0,03–0,08
8	Residuales	%	0,3–0,5	0,02–0,05

Ventajas del DRI

• Permite diluir residuales metálicos en chatarra durante la acería.
• Producto manufacturado → composición uniforme.
• Tamaño uniforme.
• Bajo contenido de azufre y fósforo vs chatarra.
• Si se carga en alto horno con otros materiales de carga, mejora productividad del alto horno.