FASTMET y FASTMELT: Tecnologías avanzadas de producción de hierro para una producción eficiente de metal

Procesos FASTMET y FASTMELT de producción de hierro

El proceso FASTMET es un proceso de producción de hierro basado en carbón. Permite la conversión de óxidos metálicos, ya sea de finos de mineral de hierro o residuos metalúrgicos de planta de acero, en hierro metalizado. El proceso FASTMELT es FASTMET con la adición de un «horno eléctrico de fusión de hierro» (EIF) para producir hierro líquido o arrabio. Kobe Steel en colaboración con Midrex Technologies, Inc. (subsidiaria de Kobe Steel en EE. UU.) ha desarrollado este proceso. FASTMET es un proceso único que usa un horno de hogar rotatorio (RHF) para reducir aglomerados que contienen carbón con alta relación de reducción y alta productividad. La Fig 1 muestra sección transversal simplificada y vista en planta de un RHF.

FASTMET convierte alimentación de pellets de mineral, finos de mineral y/o residuos metalúrgicos en hierro reducido directo (DRI) usando carbón no coquizable pulverizado como reductor. El producto final DRI puede ser briquetado en caliente para producir hierro briquetado en caliente (HBI), descargado como DRI caliente en contenedores de transferencia, o enfriado si se necesita DRI frío. El DRI caliente se descarga directamente del RHF al EIF y se funde para producir arrabio. Este puede colarse en lingotes de arrabio. El hierro reducido/arrabio puede alimentarse a un horno de acería primario.

Además de facilitar el reciclaje de residuos metalúrgicos a la alimentación de horno de oxígeno básico (BOF) / horno de arco eléctrico (EAF), hay dos objetivos principales: mayor metalización de óxidos de hierro (reduce carga en proceso de fusión) y alta relación de remoción de zinc (reduce concentración de zinc en el circuito de reciclaje). Para alimentación de alto horno, se necesita alta resistencia a compresión, también lograda ajustando aglutinante y proporción de mezcla de materias primas en FASTMET.

Desarrollo histórico

La reducción de mineral en RHF se intentó primero por Midland Ross Co., predecesora de Midrex Technologies. El proceso, llamado «Heat Fast», era único en usar pellets compuestos (mineral + material carbonáceo), precalentados en parrilla, pre-reduciados en RHF y enfriados en enfriador de eje. Se probó exitosamente en planta piloto de 2 t/h en Cooley, Minnesota, 1965–1966.

Simultáneamente se desarrollaba el proceso DRI Midrex basado en gas natural, que ofrecía producto de mayor calidad y menores costos operativos (gas natural muy barato entonces). Por los bajos costos del proceso de gas, el trabajo en «Heat Fast» se detuvo y no se comercializó.

Midrex revivió interés en RHF para reducción directa a principios de los 80. Estudios indicaron que un proceso basado en RHF podría producir DRI a precio atractivo. En los 90, subió el precio del gas natural y se construyó una planta piloto FASTMET en centro técnico Midrex con RHF de 2,75 m de diámetro y capacidad 160 kg/h. Más de 100 campañas se ejecutaron 1992–1994.

Kobe Steel y Midrex colaboraron para reiniciar desarrollo de proceso basado en carbón con RHF con intención de comercializar. Sobre la base del trabajo piloto «Heat Fast» de los 60, se hicieron mejoras resultando en mayor productividad, mejor calidad, mayor flexibilidad y eficiencia. Resultado: proceso FASTMET. Kobe Steel y Midrex llevaron FASTMET un paso más desarrollando FASTMELT, que requiere descarga en caliente de DRI del RHF y carga por gravedad en EIF, horno de fusión diseñado específicamente para fundir DRI caliente FASTMET y producir arrabio.

Planta piloto de demostración se construyó en 1995 en obras Kakogawa de Kobe Steel (KSL). RHF de 8,5 m diámetro, capacidad 2,5 t/h. Operación continua 1995–1998. Mediante operaciones de demostración, Kobe Steel y Midrex establecieron FASTMET para comercialización. En 2000, primera planta comercial FASTMET se suministró a obras Hirohata de Nippon Steel (NSC) para reducir 190.000 t/a de residuos de acería. FASTMET fue reconocido por su capacidad para reciclar eficientemente polvo de acería. Detalles de primeras cinco plantas comisionadas en Tabla 1.

Tabla 1: Plantas comerciales FASTMET
	Unidad	NSC Hirohata n.º 1	NSC Hirohata n.º 2	NSC Hirohata n.º 3	JFE Steel, Fukuyama	KSL Kakogawa
Tasa alimentación RHF	t/a	190.000	190.000	190.000	190.000	16.000
Materias primas		Polvo BOF	Polvo BOF	Polvo BOF	Polvo BF, BOF	Polvo BF, BOF, EAF
Aplicación producto		Alimentación BOF, DRI	Alimentación BOF, DRI	Alimentación BOF, HBI	Alimentación BOF, DRI	Alimentación BF y BOF, DRI
Diámetro exterior RHF	m	21,5	21,5	21,5	27	8,5
Fecha puesta en marcha		Abril 2000	Enero 2005	Diciembre 2008	Abril 2009	Abril 2001

Este proceso se usa actualmente para utilización de residuos metalúrgicos. Además, puede usar finos de mineral con tamaño igual a alimentación de pellets (<45 μm) por tener pasos de aglomeración integrados. FASTMET/FASTMELT presenta ruta alternativa de producción de hierro en capacidades 100.000–500.000 t/a. FASTMELT ofrece alternativa a tecnología de mini alto horno. Los refractarios en RHF y EIF son de especificación estándar usada en producción de hierro. Diseño de EIF basado en diseños probados de EAF y horno de cucharón (LF).

Características del proceso FASTMET

FASTMET difiere claramente del proceso de reducción basado en gas usando gas reformado de gas natural, en que calienta y reduce aglomerados compuestos, cada uno consistente en mineral o residuos metalúrgicos y carbón. Este proceso simple y único que involucra calentamiento rápido logra reacción de reducción rápida. Los aglomerados se colocan en una o dos capas uniformes sobre el hogar y se calientan por radiación. Esto previene oxidación de aglomerados, a pesar de la condición en horno de gas de escape de combustión con potencial oxidante considerable.

El proceso logra calentamiento y reducción simultánea y efectiva a relación aire-gas ideal en RHF. Además, el gas combustible generado por carbono en aglomerados arde en combustión secundaria sobre ellos. Esto suprime considerablemente emisión de NOx, a pesar de que RHF es horno de alta temperatura. Otra característica de FASTMET.

Al rotar el hogar, pellets/briquetas pasan por tres zonas y se calientan rápidamente. Cada zona tiene tres quemadores de gas, cuya relación aire/combustible puede ajustarse para combustión pobre o rica deseada en cada zona. Al final de zona 3, material pasa bajo muro divisorio que separa zona final de zona de descarga. Tornillo helicoidal transporta DRI caliente fuera del hogar a tolva de descarga y luego por gravedad a contenedor de producto DRI purgado con nitrógeno o a EIF.

Un intercambiador de calor en equipo de tratamiento de gas de escape convierte energía del gas de escape a alta temperatura en energía para calentar aire usado para combustión o secado de materias primas. Reduce consumo energético global.

Materias primas como polvo de acería pueden generar dioxinas al arder. En FASTMET, temperatura RHF ≥1300 °C, suficiente para suprimir generación de dioxinas. Gas de escape se enfría rápidamente a través de región donde dioxinas pueden recombinarse, impidiendo recomposición. Fig 2 muestra diagrama de flujo típico FASTMET/FASTMELT.

Gas caliente saliendo del RHF se enfría por enfriador evaporativo antes de entrar a intercambiador. Calor sensible del gas de escape precalienta aire de combustión RHF y aire de secador de bolas verdes a ~350 °C. Gas de escape saliendo del precalentador se enfría más por segundo enfriador evaporativo antes de entrar a filtro de mangas, donde óxido de zinc se recupera y envía a silo de polvo. Ventilador de tiro inducido en salida de filtro logra caída de presión requerida y controla RHF a presión ligeramente negativa.

Servicios necesarios: aire de planta, nitrógeno, vapor, aire de instrumentos, agua de reposición, gas natural licuado. También circuito abierto de agua de proceso recirculante y circuito cerrado de agua de refrigeración de maquinaria.

DRI caliente descargado del RHF tiene tres opciones: (i) enfriado para DRI frío, (ii) briquetado en briquetadora para HBI, (iii) fundido en EIF para producir hierro líquido. Este puede colarse en lingotera de arrabio para producir arrabio.

El DRI tiene muchos poros tras reducción. Si expuesto al aire mucho tiempo, el hierro metálico se reoxida a óxido, deteriorando calidad. Si no se usa inmediatamente como materia prima para horno de fusión o alto horno, compactar y densificar DRI en HBI previene reoxidación. Permite almacenar hierro reducido por período prolongado sin degradación. HBI almacenado puede alimentarse a horno de acería primario o alto horno. Si el hierro reducido por FASTMET se usa como DRI (pellets/briquetas) o se forma en HBI depende de aplicación (fuente de hierro) y período de almacenamiento.

El residuo metalúrgico (polvo) generado en planta se ha pelletizado o sinterizado convencionalmente para reciclarlo como materia prima de alto horno. La materia prima de alto horno contiene componentes volátiles, especialmente zinc, que se vaporiza en zona de alta temperatura. Pero no todo el vapor escapa; parte se enfría y es atrapado por materiales recién cargados, quedando en horno. Componentes volátiles acumulados disminuyen permeabilidad y deterioran productividad considerablemente.

FASTMET vaporiza metales pesados (zinc, plomo) que inhibían reciclaje de chatarra, convirtiéndolos en óxido de zinc crudo y similares. Esto permite descargar estos elementos en líneas de escape sin circularlos en el proceso. Instalaciones de tratamiento de gas de escape tienen sistema de enfriamiento y captación de polvo, que combinado con enfriamiento por aire y agua, previene que componentes volátiles se adhieran a paredes. Esto permite operación estable y continua por período prolongado y captación de óxido de zinc crudo usando filtro de mangas. El óxido de zinc crudo captado es recurso valioso y se recicla junto con hierro reducido.

Proceso y reacciones principales

FASTMET comienza con mezcla de finos de mineral o residuos metalúrgicos (alto % óxido de hierro) con carbón pulverizado, aglomerando en pellets/briquetas con pelletizadora/briquetadora, secando en secador, y colocando aglomerados sobre hogar de RHF en una o dos capas uniformes.

Pellets/briquetas deben aislarse del aire al entrar al horno. Su tasa de alimentación se controla precisamente. FASTMET contiene sistema de tuberías de alimentación que permite ajustar número de tuberías según tamaño del horno, logrando aislamiento del aire y control de volumen simultáneamente. Sistema nivelador de tornillo se adopta para colocar aglomerados en una o dos capas uniformes.

Al rotar hogar, briquetas se calientan por radiación de temperaturas de zona RHF >1300 °C y óxidos de hierro se reducen a hierro metálico. Reducción se logra principalmente por carbono elemental fijo reaccionando con magnetita (Fe₃O₄) o hematita (Fe₂O₃) para formar hierro metálico (Fe) y wüstita sólida mientras evolucionan CO y CO₂. Parte del carbono entra en solución sólida con hierro metálico formando carburo de hierro (Fe₃C).

Óxido de zinc, óxido de plomo y otros óxidos metálicos volátiles en residuos metalúrgicos también se reducen a forma metálica y vaporizan. Estos vapores metálicos se reoxidan en gas de escape antes de salir por la toma.

Método de calentamiento rápido, tecnología propietaria de Kobe Steel, calienta pellets/briquetas sobre hogar alcanzando rápidamente 1350 °C. Este calentamiento genera reacción óxidos-carbono. Residiendo 8–16 minutos, aglomerados se convierten en DRI, descargado o suministrado a proceso posterior a 1000–1200 °C. Reacciones entre óxidos y carbono:

• Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO
• Fe₃O₄ + 4C = 3Fe + 4CO
• Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂
• Fe₃O₄ + 4CO = 3Fe + 4CO₂
• FeO + CO = Fe + CO₂
• ZnO + CO = Zn + CO₂

Gas de combustión (CO) emitido por pellets/briquetas como resultado de reducción puede usarse como combustible para RHF, disminuyendo considerablemente combustible suministrado a quemadores.

La atmósfera en EIF de FASTMELT consiste esencialmente en gas CO y es altamente reductora. Esta atmósfera promueve reducción de silicio y remoción de azufre.

La descarga estable y continua de DRI del RHF a alta temperatura se logra por tecnología propietaria de KSL como elevar el hogar de horno de reducción. A diferencia de alto horno, FASTMET puede iniciar y detener operación con relativa facilidad según cantidad de producción, permitiendo producir según demanda.

Mecanismo de reducción

La cinética de reacción de reducción en horno de reducción directa normalmente se controla por difusión de gas reductor desde el exterior. En FASTMET, la reacción ocurre dentro de pellets/briquetas compuestos de carbono hechos de finos de mineral y carbón pulverizado. Una vez calentados, el gas CO dentro promueve reducción de óxido de hierro. Por tanto, la reacción procede más rápido en pellets/briquetas compuestos de carbono que en proceso de reducción directa convencional. Reacciones básicas durante FASTMET:

• FeₓOᵧ + yC = xFe + yCO (endotérmica)
• CO₂ + C = 2CO (endotérmica)
• FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂ (exotérmica)

A temperaturas bajo punto de fusión de hierro, casi no hay reacción directa con carbono sólido de carbón pulverizado; la reacción (i) domina la cinética. A temperaturas ≥1000 °C, la reacción de generación de CO por pérdida de solución de carbono (ii) y reducción de óxido por CO (iii) ocurren en serie dentro de pellets/briquetas compuestos. En estas, la generación de CO controla la cinética por su naturaleza altamente endotérmica. Para promover la reacción, es necesario suministrar calor necesario al interior del pellet/briqueta a ≥1000 °C. Esto significa transferir calor eficientemente por radiación de atmósfera a superficie de pellet/briqueta, y por conducción de superficie a interior. Fig 3 muestra mecanismo de reducción de pellets/briquetas compuestos de carbono.

En RHF, pellets/briquetas se calientan normalmente con temperaturas de zona >1300 °C y se reducen a hierro metálico. Tiempo de residencia en hogar típicamente 8–16 min, variando según material, tamaño de pellets/briquetas y otros factores. La alta tasa de reducción en FASTMET se debe a alta temperatura de reducción, alta tasa de transferencia de calor, y contacto íntimo del carbono dentro de briquetas con óxido de hierro. Transferencia de calor y reacciones de reducción en RHF se muestran esquemáticamente en Fig 4.

Producto

Producto final FASTMET/FASTMELT: HBI, DRI caliente descargado directamente a contenedores, DRI frío, o hierro líquido (arrabio). Metalización lograda >85%. Temperatura de arrabio FASTMELT: 1450–1550 °C; composición típica: C 3–5%, Si 0,3–0,6%, Mn 0,6–1,2%, S <0,05%, P <0,03%.

Tratamiento de gas de escape y control ambiental

Gas de escape saliendo del RHF está completamente combustido, conteniendo ~2% O₂. Intercambiadores usan energía térmica para precalentar aire de combustión para quemadores RHF y secadores de preparación de materias primas. Gas sale por techo a conducto de escape a través de toma revestida de refractario. Ubicación adecuada de toma relativa a zonas de combustión RHF se determina por análisis de materiales de alimentación, cinética de reducción, verificado por «Dinámica de Fluidos Computacional». Aire de dilución se inyecta en conducto para enfriar y quemar combustibles restantes (H₂ y CO) en corriente de escape.

Agua pulverizada en enfriador primario enfría gas de >1400 °C a 1000 °C para minimizar formación de NOx y dar temperatura de entrada aceptable para recuperador. De enfriador primario, gas fluye a precalentador de aire de combustión y secador donde calor del gas calienta aire para quemadores RHF y secador rotatorio. Gas sale de precalentador a enfriador secundario. Agua pulverizada en enfriador secundario enfría gas de ~800 °C a 120 °C para temperatura de entrada aceptable para sistema de filtro de mangas. Gas fluye a filtro de mangas tipo jet donde óxido de zinc crudo se colecta y luego a ventilador ID donde se descarga por chimenea a atmósfera.

Control de SO₂ normalmente no necesario en FASTMET ya que la mayoría reacciona y es absorbido por óxidos metálicos en corriente de gas. Inyección de cal puede usarse para control adicional. NOx controlado por quemadores bajo NOx y control operativo cercano de relación aire/combustible y temperaturas. Dioxinas y furanos destruidas por altas temperaturas y largo tiempo de residencia en RHF. Velocidad de enfriamiento de gas controlada para minimizar re-formación. Partículas removidas por sistema de filtro de mangas. Óxido de zinc crudo colectado por filtro y almacenado en silo.

FASTMET es proceso ambientalmente amigable. Emisión CO₂ de FASTMELT ~1,6 t/t arrabio vs ~2,1 t/t en mini alto horno. Emisión NOx: 0,3–1,5 kg/t arrabio; SOx: ~2,4 kg/t arrabio.

Beneficios del proceso FASTMET

FASTMET da otra opción para manejo de residuos metalúrgicos. Planta FASTMET en acería puede procesar polvo y hacer dos productos primarios: DRI para retroalimentar horno de acería primario, y óxido de zinc crudo para venta a procesadores de zinc. Convierte pasivo en activo. Se elimina alto costo de disposición y se dispone de suministro barato de unidades de hierro.

Beneficios: (i) muy baja generación de finos resulta en alto contenido de zinc y muy bajo hierro en polvo secundario; (ii) alta metalización y alta remoción de zinc hacen producto de hierro reducido reciclable a horno primario; (iii) no se genera residuo para disposición; (iv) tratamiento a alta temperatura descompone dioxinas; (v) polvo de zinc tratado económicamente se vuelve producto, no residuo.