HIsmelt: Fundición Directa Avanzada para Producción de Hierro Líquido

El proceso HIsmelt es una tecnología de fundición directa basada en aire, simple pero innovadora. El proceso produce hierro líquido (metal caliente) usando finos de mineral de hierro u otro material ferroso apropiado. La fundición se realiza en un baño de hierro fundido usando coque como reductante y fuente de energía. Las materias primas principales son finos de mineral de hierro, carbón y fundentes (caliza y dolomita).

Concepto y ventajas

HIsmelt significa "high intensity smelting" (fundición de alta intensidad). Es un proceso de fundición directa para producir hierro líquido directamente del mineral de hierro. Se ha desarrollado para tratar finos de mineral de hierro con mínimo pretratamiento, haciendo el proceso más flexible en cuanto a la calidad del mineral que puede tratar. Permite el uso de carbón no coquizable y finos de mineral con impurezas significativas. El producto principal es hierro líquido o metal caliente, usable en acería o colable en máquina de colada de lingotes para producir arrabio. Los subproductos son escoria y gas de escape.

Las fuerzas impulsoras de esta alternativa de producción de hierro son: (i) capacidad de utilizar materias primas más baratas y abundantes como carbones no coquizables y minerales no aglomerados, (ii) tamaños de planta económicos más pequeños, (iii) costos de capital y operativos competitivos, (iv) reducción de problemas ambientales eliminando hornos de coque y plantas de sinter/pellets, y (v) flexibilidad operativa. El proceso es muy flexible ya que puede usar una amplia gama de alimentaciones ferrosas, incluyendo desechos de planta siderúrgica y mineral de alto fósforo. Puede usar minerales de hasta 6 mm (alimentación normal de planta de sinter) y también procesar minerales típicos de pellets (80% más fino que 40 micrómetros) sin cambio en el rendimiento de hierro. Carbones desde coque breeze hasta carbón no coquizable de 38% volátiles pueden usarse.

Características principales del proceso

El proceso HIsmelt es simple y ha demostrado alta fiabilidad. El mecanismo básico es la reducción y fundición de minerales ferríferos con carbono disuelto en el baño metálico. Esto se logra por inyección y combustión parcial del carbón directamente en el baño y transferencia del calor generado por post-combustión de los gases evolucionados del baño con chorro de aire caliente enriquecido en oxígeno de vuelta al baño. El enriquecimiento de oxígeno del chorro de aire caliente (hasta 30% O2) se ha utilizado con éxito para aumentar la intensidad operativa del recipiente, resultando en el esperado aumento de productividad. Las reacciones globales y mecanismo de transferencia de calor proporcionan energía suficiente para mantener las reacciones de reducción y el calor para fundición de hierro y escoria.

El proceso ocurre dentro de un Recipiente de Reducción-Fundición Vertical (SRV) bajo presión, que es el núcleo del proceso HIsmelt (Figura 1). El SRV tiene un hogar revestido de refractario y carcasa superior refrigerada por agua. El hogar refractario contiene el baño de hierro fundido y escoria líquida. Una capa gruesa de escoria se sitúa sobre el baño metálico. Finos de mineral, carbón y fundentes se inyectan directamente en el baño en el SRV. Al contacto con el baño de hierro, ocurre la disolución del carbono del carbón, que reacciona con los óxidos en las alimentaciones ferríferas, formando monóxido de carbono (CO). El calentamiento rápido del carbón también resulta en craqueo de volátiles liberando hidrógeno.

Figura 1 Recipiente de reducción-fundición de HIsmelt

Una fuente de material fundido, consistiendo principalmente de escoria, erupciona en el espacio superior por la rápida expulsión de CO, hidrógeno y gas portador nitrógeno del baño fundido. Aire caliente a 1.200 °C se sopla en el espacio superior a través de una lanza refrigerada por agua. El CO e hidrógeno se post-combustionan con el oxígeno del chorro de aire caliente. El metal y escoria calentados caen de nuevo al baño proporcionando la energía para la fundición directa del mineral de hierro. La escoria eyectada recubre los paneles refrigerados por agua, reduciendo la pérdida de energía.

El gas de escape del proceso se enfría parcialmente en una campana de tubos de membrana. La energía sensible y química en el gas de escape puede usarse para efectuar precalentamiento, pre-reducción y/o calcinación de la alimentación metálica y fundentes. El gas se limpia luego en un lavador y se usa como combustible para estufas de aire caliente o en planta de cogeneración.

El recipiente está equipado con un antecámara para colada continua de metal caliente. Esto mantiene un nivel óptimo de baño dentro del SRV y proporciona una corriente de producto limpio sin necesidad de separación externa de escoria y metal. La escoria se extrae periódicamente a través de una muesca refrigerada por agua.

El proceso HIsmelt tiene características únicas que lo diferencian de otros procesos de fundición directa:

• Usa el baño metálico como medio de reacción primario. Otros procesos normalmente alimentan mineral y carbón por la parte superior, con fundición a través de carbón (más una pequeña cantidad de metal) en la capa de escoria. El carbono disuelto en metal es un reductante más disponible que el carbón en escoria, ya que este último requiere una fase gaseosa intermedia (CO). HIsmelt logra tasas de fundición significativamente más rápidas usando carbono en forma más activa (disuelta).
• El grado de mezcla en el baño. Inyectar materiales de alimentación directamente en el metal genera gran volumen de gas "profundo". Esto crea una fuerte pluma ascendente impulsada por flotabilidad que causa rápido recambio de líquido. Se ha calculado que este recambio es del orden de toneladas por segundo. Bajo estas condiciones, hay muy poco potencial para establecer gradientes de temperatura significativos (> 20-30 °C) en la fase líquida y el sistema opera con baño esencialmente isotérmico. El rápido recambio de masa promueve buena transferencia de calor del espacio superior al baño sin sobrecalentamiento significativo de gotas individuales. Las implicaciones son significativas para refractarios del hogar en la zona de línea de escoria, ya que buena mezcla lleva a los ladrillos a estar expuestos a bajo FeO y temperatura uniforme (baja).
• El método de inyección de sólidos usando lanzas de alta velocidad asegura alta eficiencia de captura en el baño y hasta ultrafinos pueden usarse directamente.
• El nivel "natural" de 5% a 6% FeO en la escoria junto con carbono metálico al 4% crea condiciones para fuerte partición de fósforo de metal a escoria. Típicamente 80% a 90% del fósforo va a escoria (Figura 2).
• El rendimiento del carbón prácticamente no depende de la morfología de partícula, ya que el carbón se muele fino para inyección.

Figura 2 Condiciones de eliminación de fósforo en SRV y SRV de HRDF

Desarrollo histórico del proceso

El origen del proceso HIsmelt se remonta al proceso de convertidor de oxígeno soplado por fondo (OBM) y la evolución del proceso de soplado combinado desarrollado por Klöckner Werke en sus acerías Maxhütte. CRA (ahora Rio Tinto) formó una joint venture en 1981 con Klöckner Werke para perseguir tecnologías de acería y reducción por fundición. Se realizaron ensayos en un convertidor OBM de 60 toneladas para demostrar los fundamentos. Los ensayos exitosos llevaron a una planta piloto a pequeña escala (SSPP) de ~12.000 t/a en Maxhütte. El diseño se basaba en un SRV horizontal rotativo que usaba toberas de fondo para inyección de carbón, fundentes y mineral. La SSPP operó de 1984 a 1990 probando la viabilidad tecnológica.

La siguiente etapa fue la Instalación de Investigación y Desarrollo HIsmelt (HRDF) en Kwinana, Australia Occidental. La construcción comenzó en 1991. HRDF tenía capacidad de diseño de 100.000 t/a. El objetivo principal era demostrar el proceso y escalado de ingeniería de la planta núcleo y proporcionar datos operativos para evaluación comercial. La configuración original SRV para Kwinana era una ampliación directa del SRV de SSPP, basada en un recipiente horizontal capaz de rotar 90 grados. El recipiente horizontal operó de octubre 1993 a agosto 1996. Aunque el escalado se demostró exitosamente, la complejidad de ingeniería de un recipiente horizontal limitó su viabilidad comercial.

Para superar esto, se desarrolló un diseño para recipiente vertical refrigerado por agua. El diseño e ingeniería del SRV vertical (Figura 2) se completó en 1996. Las mejoras principales incluyeron: recipiente vertical estacionario, inyección superior de materias primas sólidas, lanza de aire caliente simplificada, antecámara para colada continua de metal caliente y paneles refrigerados por agua para superar problemas de desgaste refractario.

El SRV vertical de HRDF se puso en marcha en el primer semestre de 1997 y operó hasta mayo 1999. Demostró mejoras mayores en desgaste refractario, fiabilidad, disponibilidad, productividad y simplicidad de diseño. Abordó todos los requisitos clave para una tecnología exitosa de fundición directa de hierro: combinando alto nivel de logros técnicos con conceptos de ingeniería simples y tecnología de planta. Esta etapa confirmó que el proceso estaba listo para escalar a nivel de planta comercial.

En 2002 se formó una joint venture entre Rio Tinto (60%), Nucor Corporation (25%), Mitsubishi Corporation (10%) y Shougang Corporation (5%) para construir y operar una planta HIsmelt de 800.000 t/a. Ubicada en Kwinana, la instalación de arrabio comercial fue diseñada con SRV de 6 m de diámetro de hogar. La construcción comenzó en enero 2003. La puesta en marcha en frío comenzó en segundo semestre 2004 y la puesta en marcha en caliente en segundo trimestre 2005. La planta alcanzó una tasa de producción de 80 t/h de metal caliente a principios de 2008 con tasa de carbón de 810 kg/t de metal caliente.

Debido a condiciones económicas en 2008, la planta de Kwinana cerró y en 2014 parte del equipo se transfirió de Australia a China. La nueva planta HIsmelt está cerca del Puerto Shouguang en Shandong, propiedad y operada por Molong Petroleum Machinery Limited, empresa siderúrgica privada. La planta Molong HIsmelt arrancó en 2016 y ha producido metal caliente a costo menor que los mini altos hornos usados anteriormente por Molong. Las cucharas de metal caliente se entregan por carretera a la acería de oxígeno básico de Molong ubicada 40 km al sur. En 2017, Molong compró la propiedad intelectual de HIsmelt a Rio Tinto para licenciar la tecnología a otros usuarios en China y extranjero.

Descripción del proceso

El proceso HIsmelt, representado en Figura 1, implica inyección a alta velocidad de materiales sólidos (carbón, mineral de hierro y fundentes) en un baño de hierro fundido a ~1.450 °C. El mecanismo básico es la reducción y fundición de minerales ferríferos con carbono disuelto en el baño. Usa inyección de alta velocidad de carbón y mineral en el baño a través de lanzas de inyección refrigeradas por agua inclinadas hacia abajo. El carbón inyectado tras calentamiento y desvolatilización se disuelve para mantener ~4% carbono en el metal fundido y reponer el carbono usado en la reacción de reducción. Los finos de mineral inyectados profundamente en el baño se reducen instantáneamente al contacto con carbono disuelto en el baño para que ocurra la fundición. Esta reacción produce hierro y CO. La parte inferior del SRV se mantiene a bajo potencial de oxígeno para permitir esta reacción y la cinética se equilibra en torno a 5-6% FeO en la escoria.

El gas de reacción (CO) y productos de desvolatilización del carbón generados desde lo profundo del baño forman una fuente (salpicadura) de mayormente escoria y algo de metal. El suministro de calor para mantener el balance térmico viene por la combustión del gas de reacción (mayormente CO) en la parte superior del SRV. Aire caliente enriquecido en oxígeno (típicamente 35%) a 1.200 °C se introduce a través de lanza superior y quema eficientemente los gases generados en el baño liberando gran cantidad de energía. Esta combustión ocurre en la región relativamente oxidante en la sección superior del SRV. La transferencia de calor entre las regiones superiores (oxidantes) e inferiores (reductoras) se logra de modo que se mantenga el gradiente de potencial de oxígeno. Esto se hace mediante grandes cantidades de salpicadura de líquido moviéndose entre las dos regiones. La escoria y metal líquidos salpicados actúan como portadores de calor.

La inyección de materiales se organiza para lograr penetración significativa de sólidos en el baño de hierro, conduciendo a disolución de carbono en el metal y reducción de mineral de hierro mediante la reacción global: 3[C]hierro + Fe2O3 = 2[Fe]hierro + 3CO. Esta reacción es altamente endotérmica y, para sostener el proceso, se necesita aporte externo de calor. CO más hidrógeno liberados del baño proporcionan el combustible para generar este calor. Aire caliente (aire enriquecido en oxígeno a 1.200 °C) se inyecta en el espacio superior a través de lanza central de remolino y la combustión quema los gases del baño a dióxido de carbono y agua según: 2CO + O2 = 2CO2 y 2H2 + O2 = 2H2O.

Teóricamente se desea combustión total del gas del baño, pero en práctica se logra típicamente post-combustión del 50-60%. La post-combustión (PC) se define como la relación de concentración volumétrica de especies combustibles: PC (%) = 100(CO2 + H2O) / (CO + CO2 + H2 + H2O).

La fundición ocurre en el baño donde el potencial de oxígeno es bajo, mientras que la generación de calor ocurre en el espacio superior donde el potencial es relativamente alto. La clave es mover calor de la región de combustión hacia la de fundición sin comprometer el potencial de oxígeno en ninguna zona.

Cuando CO e H2 se liberan de la fundición en el baño, la tasa de liberación produce una erupción violenta de líquido. Metal y escoria son lanzados hacia arriba formando una fuente (salpicadura) permeable a gas con alta área superficial para transferencia de calor. Los gases calientes de combustión pasan a través de esta fuente y transfieren calor a las gotas de escoria y metal que a su vez entregan calor al baño. El metal sale continuamente por una antecámara de desbordamiento (efectivamente un sello de columna de metal líquido), mientras que la escoria se extrae periódicamente a través de la pared lateral mediante muesca refrigerada por agua.

El producto principal es metal caliente. Se extrae continuamente a través de antecámara abierta y está libre de escoria. Temperatura típica: 1.420-1.450 °C. Composición típica: carbono 4,4% ±0,15%, silicio <0,01%, manganeso <0,02%, fósforo <0,02% ±0,01%, azufre 0,1% ±0,05%.

La atmósfera relativamente oxidante y la escoria de baja temperatura en el SRV resultan en 90-95% del fósforo en materiales de alimentación particionando a la escoria (Figura 2). Por tanto, el proceso tiene flexibilidad para usar minerales con alto fósforo.

Como la escoria se extrae por lotes a través de muesca, el metal caliente está libre de escoria. Puede tratarse en planta de desulfuración para bajar azufre a <0,05%. El diagrama de flujo típico se muestra en Figura 3.

Figura 3 Diagrama de flujo típico del proceso HIsmelt

El gas de escape del SRV se enfría de 1.500 °C a 800 °C por caldera radiativa de campana, parcialmente limpiado en ciclones calientes y luego enfriado a 200 °C por sistema de caldera convectiva. Las calderas radiativa y convectiva generan vapor saturado que fluye a un tambor de vapor en caldera de gases de escape.

El gas de escape del SRV saliendo de la caldera convectiva se enfría, lava y enfría por aspersión de agua y circula por conductos para uso como combustible en estufas de aire caliente y caldera de gases de escape. En la caldera de gases de escape, el exceso de gas se quema y sobrecalienta el vapor saturado de las calderas radiativa, convectiva y de gases. Este vapor sobrecalentado fluye a turbinas que generan energía suficiente para operar la planta HIsmelt, auxiliares, y enviar exceso a la red local. Los gases de escape de la caldera y estufas se lavan con lechada de cal para eliminar azufre antes de ventilar a atmósfera.

Los subproductos son escoria y gas de escape. La escoria se forma fundiendo la ganga del mineral y cenizas del carbón con cal y dolomita. Puede granilarse o dirigirse a fosas para procesamiento posterior. Puede usarse como materia prima para cemento, base de carreteras, o acondicionamiento de suelos. El gas de escape típicamente tiene grado de post-combustión 50-60%. Estos gases salen de la parte superior del SRV a altas temperaturas y tienen valores energéticos similares al gas de alto horno. Se limpia, enfría y usa como combustible y para generación de energía.

El proceso HIsmelt es altamente flexible. Su naturaleza altamente responsiva convierte mineral, carbón y fundente en metal, escoria y energía casi instantáneamente. Las capacidades permiten cambiar tasas de alimentación de materias primas muy eficientemente sin afectar calidad del producto. Esta flexibilidad maximiza productividad, ya que es fácil mantener una ventana de operación en estado estable. A diferencia de altos hornos, HIsmelt puede arrancarse, pararse o mantenerse en ralentí con facilidad. La Figura 4 muestra la distribución de la planta.

Figura 4 Distribución de la planta HIsmelt

Beneficios ambientales

Los beneficios ambientales son considerables. Al reducir la demanda de coque, sinter y pellets, y mejorar la eficiencia energética de la producción de hierro, reduce emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes dañinos como SOx, NOx y dioxinas. Las mejoras son: (i) reducción de emisiones CO2 en 20%, (ii) reducción emisiones SOx en 90%, (iii) reducción emisiones NOx en 40%, y (iv) emisiones tóxicas nulas con dioxinas y furanos en nivel nulo. Las condiciones operativas en el SRV impiden la formación de dioxinas. Además, gran reducción en emisiones de polvo y consumo específico de agua. El proceso, al reciclar desechos de la planta, ayuda a la protección ambiental.

Ventajas

Las ventajas proyectadas son: (i) materias primas de bajo costo al eliminarse aglomeración de alimentación férrica y coquización, (ii) alimentaciones flexibles al operar en amplia gama de finos de mineral y óxidos de desecho, junto con carbones de alta y baja volatilidad, (iii) flexibilidad de producción, (iv) mejor calidad de producto, (v) consumo total de energía minimizado, (vi) ingeniería y configuración de proceso simplificada, (vii) emisiones ambientales muy por debajo de la industria, (viii) menor costo de capital, y (ix) menor costo operativo.