Proceso ITmk3 de Kobe Steel: Producción Ecológica de Nuggets de Hierro

Proceso ITmk3 de fabricación de nuggets de hierro

El proceso ITmk3, también conocido como Tecnologías de Fabricación de Hierro (IT) marca 3, es una de las tecnologías de reducción con carbón. La marca IT 1 es el proceso de fabricación de hierro por alto horno (AH), mientras que la marca IT 2 es la fabricación por reducción directa, mayormente por procesos de reducción basados en gas (Fig. 1). Este proceso ha sido desarrollado por Kobe Steel y es ambientalmente amigable.

Historial de desarrollo

• 1996-1998: Pruebas de laboratorio.
• 1999-2000: Planta piloto de 3.000 t/día construida y operada en Kakogawa Works de Kobe Steel (Japón).
• 2002-2004: Planta piloto de demostración de 25.000 t/año construida y operada en Minnesota (EE. UU.).
• 2007: Inicio de construcción de primera planta comercial de 500.000 t/año en Hoyt Lakes, Minnesota.
• Enero 2010: Inicio de operación en esta planta.

Proceso ITmk3

ITmk3 es un proceso rápido de fabricación de hierro que incluye reducción de mineral, carburación y fusión de hierro y separación de escoria, todo a temperaturas relativamente bajas. El proceso de cuatro pasos consiste en: (i) aglomerar mineral de hierro y carbón, (ii) reducir y fundir los aglomerados, (iii) separar hierro metálico de escoria, y (iv) tratar gases de escape y recuperar calor.

En este proceso, concentrado de mineral de hierro y carbón no coquizable (reductor), caliza (fundente) y bentonita (aglutinante) se mezclan y aglomeran en pellets verdes auto-reductores. Estos pellets se alimentan a un horno de hogar rotatorio (RHF) donde bolas verdes secas auto-reductoras y fundentes se reducen, carburan y funden. El producto es hierro granular llamado nuggets de hierro. El proceso en el diagrama de fases hierro-carbono (Fe-C) se muestra en Fig. 2.

ITmk3 produce hierro granular de alta pureza (nuggets de hierro) usando finos de mineral de hierro y carbón no coquizable. El proceso es distintivo por la reducción, carburación, fusión y separación de escoria (Fig. 3). Ocurre a temperaturas más bajas (~1.350 °C) y por tanto difiere de la fabricación convencional por alto horno. En ITmk3 la reacción de reducción toma 10 minutos, frente a 8 horas en AH y 6 horas en procesos de reducción directa basados en gas.

Durante el proceso, la reducción del mineral ocurre en varios pasos mostrados en Fig. 3.

Características principales

• Utiliza finos de mineral de hierro de baja ley, molidos en partículas finas y beneficiados para producir concentrado de alta ley, convertido en pellets verdes.
• Carbón no coquizable como reductor.
• Pellets cargados en horno de hogar rotatorio (RHF), calentados a 1.350 °C, reducidos, fundidos y separados en metal y escoria.
• Hierro fundido se solidifica en nuggets dentro del horno, se descarga tras enfriamiento y se separa de la escoria.
• Proceso simple con equipos convencionales. El corto tiempo de retención facilita arranque y parada de la planta. Finos de mineral y carbón pulverizado se aglomeran en pellets compuestos.

Reacciones químicas

Las reacciones entre mineral de hierro y carbón son las mismas que en el proceso general de fabricación de hierro:

FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂
CO₂ + C = 2CO
C(s) = C (carburizado)
Fe(s) = Fe(l) (fusión)

Las dos últimas reacciones son adicionales en ITmk3 para la separación de hierro metálico de la escoria.

Producto del proceso ITmk3

ITmk3 produce nuggets de hierro libres de escoria (Fig. 5) con propiedades químicas y físicas similares al arrabio. Contienen hierro metálico 96-97 %, C 1,7-3,5 %. Azufre ~0,5 %. Densidad 6,5-7,0 g/cm³. Los nuggets tienen mejor fundibilidad que el arrabio de AH por su punto de fusión más bajo y mayor conductividad térmica. Tamaño que facilita transporte y manipulación. No se reoxidan ni generan finos durante manipulación. Ventaja adicional: pueden cargarse continuamente en horno de arco eléctrico (EAF) similar a DRI o HBI (hierro briquetado en caliente).

Consumos específicos para ITmk3

Consumos específicos de materiales y utilidades por tonelada de nuggets:

• Finos de mineral de hierro: 1,5 t
• Carbón no coquizable: 0,5 t
• Gas combustible: 1,1 Gcal
• Energía eléctrica: 200 kWh
• Agua: 2 m³
• Aire comprimido: 85 m³
• Nitrógeno: 12 m³

Control ambiental

La ruta ITmk3 - EAF produce menos contaminantes que la ruta AH - BOF (convertidor de oxígeno básico). Reducciones porcentuales en ITmk3-EAF vs AH-BOF:

• Monóxido de carbono (CO): 96 %
• Óxidos de nitrógeno (NOx): 65 %
• Dióxido de azufre (SO₂): 77,7 %
• Compuestos orgánicos volátiles (COV): 86,5 %
• Dióxido de carbono (CO₂): 41,1 %
• Mercurio (Hg): 58,0 %

Distribución típica de planta ITmk3

La distribución típica con requerimientos de terreno se muestra en Fig. 6.

Ventajas del proceso ITmk3

ITmk3 tiene varias ventajas sobre otros procesos de fabricación de hierro:

• Proceso simple.
• Reducción directa de finos de mineral con carbones no coquizables.
• Eficiente energéticamente: consume ~30 % menos energía que AH.
• Menores emisiones de CO₂.
• Baja inversión de capital al eliminar planta de sinter/pellets y batería de hornos de coque.
• Materias primas más baratas: finos de mineral y carbones no coquizables.
• Producción de nuggets de hierro de alta ley con mejor fundibilidad que arrabio en etapa de acería.
• Elimina necesidad de manipular hierro líquido.
• Nuggets libres de escoria, elementos parásitos, reoxidación y generación de finos; fáciles de transportar.
• Operación y ajuste simples; facilita ajuste de producción por arranque y parada.
• Equipos simples con fiabilidad probada.