Producción Eficiente de Hierro con Horno de Fondo Rotativo: Reducción Directa con Carbón No Coquizable

Producción de Hierro en Horno de Fondo Rotativo (RHF)

La producción de hierro en el horno de fondo rotativo (RHF - Rotary Hearth Furnace) es un proceso de reducción directa que utiliza carbón no coquizable para la reducción de mineral de hierro. El RHF es el reactor del proceso que consiste en un fondo refractario plano que rota dentro de un horno túnel circular estacionario. Dentro del RHF, ocurre la reducción directa de mineral de hierro o materiales residuales ferrosos, usando carbón como reductante.

El RHF no es una tecnología nueva. Se ha usado exitosamente en una gama de aplicaciones industriales que incluyen tratamiento térmico, calcinación de coque de petróleo, tratamiento de residuos y recuperación de metales no ferrosos a alta temperatura.

La historia de la producción de hierro en RHF se remonta a mediados de los años 1960 con el desarrollo del proceso «Heat Fast» por Midrex. Desde entonces, se han desarrollado varios procesos de producción de hierro basados en RHF. Estos incluyen los procesos «Fastmet»/«Fastmelt» y el proceso ITmk3 que fueron llevados a operación comercial. Estos procesos se han descrito en artículos separados con enlaces https://www.ispatguru.com/fastmet-and-fastmelt-processes-of-ironmaking/, y https://www.ispatguru.com/itmk-3-process-of-making-iron-nuggets/. Otros procesos RHF son: proceso «Redsmelt», proceso «Inmetco», proceso «Iron Dynamics», proceso «DRyIron», procesos «Comet» y «SidComet» y proceso Hi-QIP.

Proceso Redsmelt

La tecnología del proceso Redsmelt se ha desarrollado para satisfacer la creciente demanda de una alternativa de producción de hierro de bajo costo y ambientalmente amigable a la ruta tradicional del horno alto. La planta con este proceso puede diseñarse para una capacidad de producción de 0,3 a 1,0 millones de toneladas por año de arrabio. El proceso puede tratar una amplia gama de finos de mineral de hierro y materiales residuales de la planta de acero.

El proceso Redsmelt se basa en un RHF que reduce pellets verdes hechos de mineral de hierro, finos de reductante y aglutinantes para producir hierro reducido directo (DRI) caliente y metalizado que se carga a un horno de arco sumergido (SAF). El proceso opera a alta temperatura y presión atmosférica.

La alimentación de óxido de hierro a un horno Redsmelt es en forma de pellets verdes hechos de mineral de hierro fino, reductante y aglutinantes. Los aglutinantes dan a los pellets verdes suficiente resistencia mecánica para soportar los golpes de manipulación posteriores. Los pellets se criban en una criba de rodillos a un tamaño entre 8 mm y 16 mm. Los materiales de tamaño inferior y superior se recirculan para alimentar los discos de pelletización. Los pellets se distribuyen luego sobre el RHF en una capa de hasta 30 kg/m². Mientras viajan a través del horno en 12 a 18 minutos, los pellets se calientan hasta 1370 °C. El secado de los pellets, desvolatilización del carbón y reducción del óxido de hierro tienen lugar durante el proceso de calentamiento. El contacto íntimo entre óxido de hierro y carbono a una temperatura muy alta resulta en una tasa de reacción muy rápida. Para prevenir la reoxidación del hierro metalizado, las zonas finales del horno se operan en atmósfera sub-estequiométrica. El producto DRI caliente se alimenta luego al SAF para fundición en arrabio y escoria.

La hoja de flujo del proceso se muestra esquemáticamente en la Figura 1.

Figura 1: Hoja de flujo del proceso Redsmelt

Proceso Inmetco

El proceso fue desarrollado por International Nickel Corporation (INCO), Canadá en 1978. INCO desarrolló este proceso y lo nombró «Inmetco» (Inco + met) ya que fue desarrollado para el reciclaje de residuos metalúrgicos. El proceso también puede usarse para reducir finos de mineral de hierro y combinación de finos de mineral de hierro y materiales residuales metalúrgicos.

El proceso Inmetco se basa en un RHF que reduce briquetas hechas de finos de mineral de hierro, materiales residuales ferrosos y carbón pulverizado para producir DRI caliente y metalizado que puede cargarse directamente en un horno de inducción o horno de arco eléctrico. El proceso opera a alta temperatura y a una presión ligeramente negativa.

La alimentación de hierro a un horno Inmetco es en forma de pellets de disco hechos de mineral de hierro fino bajo 250 micrómetros de tamaño y carbón fino o coque o char con menos del 25 % de materia volátil. Se distribuyen sobre el RHF en una capa de alrededor de 3 pellets de profundidad por medio de una cinta transportadora pivotante. El proceso usa un aglutinante de acción rápida que permite que los pellets sean transportados al fondo sin degradación significativa. El fondo rota continuamente y los pellets son calentados por quemadores ubicados alrededor de la periferia del fondo a 1250 °C a 1300 °C durante un período de 10 a 15 minutos. Los quemadores están dispuestos en grupos, y forman zonas de calentamiento y reducción. La zona de calentamiento ocupa alrededor de un tercio del área del fondo y la zona de reducción alrededor de dos tercios. Los quemadores están ubicados en la circunferencia interna y externa. El producto DRI caliente puede ser recogido en latas de transferencia purgadas con N₂, o alimentado directamente al horno eléctrico para fundición. El RHF opera bajo una ligera presión negativa, y sellado por un canal de sello de agua.

La hoja de flujo del proceso se muestra esquemáticamente en la Figura 2.

Figura 2: Hoja de flujo del proceso Inmetco

Proceso Iron Dynamics (IDI)

El proceso de producción de hierro Iron Dynamics (IDI) se basa en un RHF que reduce una carga de óxido de hierro carbonáceo a sólidos de hierro metálico que se cargan a un SAF para completar la reducción y fundir y desulfurar el hierro reducido. La fundición del DRI también permite una separación de fases de la escoria líquida y hierro resultantes.

El proceso IDI se compone de cinco áreas de proceso: (i) recepción de materias primas, (ii) molienda y preparación de mineral y reductante (carbón), (iii) pelletización, (iv) reducción en horno de fondo rotativo, y (v) fundición en SAF. Después de recibir el mineral, este se seca al contenido de humedad menor al 0,5 % usando gas de escape del RHF. El mineral también se beneficia usando separadores magnéticos y cribas para reducir la cantidad de materiales de ganga. Luego se muele a 50 % menos 200 mallas. El carbón se transporta a pulverizadores de carbón/piedra fundente para dimensionado a 80 % menos 200 mallas. Mineral molido y carbón se mezclan intensivamente con aglutinantes y agua en un mezclador y se alimentan a pelletizadores de disco. Los pellets húmedos se secan a menos del 1 % de humedad y se precalientan a 150 °C en un secador de parrilla circular. El cargador de pellets recibe las bolas verdes secas y las coloca en capas de 25 mm a 40 mm de espesor sobre el fondo del horno. El RHF alimentado con gas natural tiene ocho zonas de reacción. Temperatura, flujo de gas y composición de gas se controlan para proveer las condiciones requeridas en cada zona para calentar, reducir y proteger adecuadamente los pellets. El DRI en la descarga del horno tiene alrededor del 85 % de metalización. Una instalación de aditivos introduce fundente, coque, sílice u otros materiales a las cucharillas de transporte de DRI para controlar la química de la escoria en el SAF. El sistema de gas de escape remueve calor, polvo, dióxido de azufre y óxido nitroso del gas de escape. Un post-quemador realiza la combustión de cualquier CO (monóxido de carbono) restante en el conducto de gas de escape refrigerado por agua. El gas se enfría y los NOx se remueven en el enfriador primario. El gas de escape se usa para precalentar aire de combustión y suministrar calor a los secadores de mineral, carbón y pellets. Después del secador de pellets, el gas se filtra y los SOx (óxidos de azufre) se remueven antes de la descarga por la chimenea. El DRI y los aditivos caen en la capa de escoria del SAF por gravedad donde tiene lugar la fundición. La metalización promedio aquí es de aproximadamente 95,8 %. La escoria se desescoria del horno en cucharillas de escoria y se transfiere a una instalación de procesamiento de escoria.

La hoja de flujo del proceso se muestra esquemáticamente en la Figura 3.

Figura 3: Hoja de flujo del proceso Iron Dynamics

Proceso DRyIron

El proceso DRyIron fue desarrollado por Maumee Research and Engineering Inc. (MR&E). El proceso se basa en un RHF que reduce pellets/briquetas verdes hechas de materiales de óxido de hierro residual y carbón no metalúrgico pulverizado para producir DRI caliente y metalizado (mayor al 90 %). El proceso opera a alta temperatura y presión atmosférica, presenta un tiempo de residencia corto y también puede usarse para reciclar materiales residuales ferrosos.

La alimentación de óxido de hierro a un horno DRyIron es en forma de pellets/briquetas verdes hechas de óxidos de hierro finos y carbón o coque que elimina el pre-secado de los pellets. Bajo condiciones teóricas ideales de alta temperatura (alrededor de 1300 °C), el óxido de hierro reacciona con carbono fijo para formar hierro metálico en la briqueta con liberación de CO₂. La relación teórica de carbono fijo a óxido de hierro es 1,5:1.

El proceso DRyIron se ha formulado para producir hierro metálico usando una relación carbono/óxido de 6:1, lo que resulta en la evolución de tanto CO como CO₂ y deja un nivel residual de carbono de alrededor del 4 %. La clave de este proceso es controlar la relación CO/CO₂ para minimizar la reoxidación, consumo de carbono y tiempo de residencia en el horno. Mientras viajan a través del horno, los pellets se calientan hasta 1300 °C. El secado de los pellets, desvolatilización del carbón y reducción del óxido de hierro tienen lugar durante el proceso de calentamiento. El contacto íntimo entre óxido de hierro y carbono a una temperatura muy alta resulta en una tasa de reacción muy rápida. El producto DRI caliente puede entonces ser suministrado a la acería por varias opciones diferentes.

La hoja de flujo del proceso se muestra esquemáticamente en la Figura 4.

Figura 4: Hoja de flujo del proceso DRyIron

Procesos Comet y SidComet

El proceso Comet, desarrollado por el Centre de Recherches Metallurgiques (CRM), Bélgica, es un sistema basado en carbón que produce hierro esponjoso a partir de finos de mineral y caliza en un horno de fondo rotativo. El proceso de reducción directa Comet produce DRI de baja ganga y bajo azufre a partir de mineral de hierro y finos de carbón. Series extendidas de pruebas de laboratorio han demostrado la factibilidad y flexibilidad del proceso, que notablemente puede operarse con cualquier tipo de carbón, u otro reductante sólido (incluyendo lignito y polvo de coque) y que también está muy bien adaptado para reciclar residuos metalúrgicos ferrosos para ser sustituidos (o mezclados con) el mineral de hierro. Una instalación de laboratorio de 100 kg/hora se puso en marcha en noviembre de 1996. Basado en los resultados exitosos obtenidos, una planta piloto de 1,5 ton/hora se ha construido en Sidmar, Gante, Bélgica. Los resultados de metalización confirman los obtenidos de la unidad de laboratorio. Productividad, costo, precio, consumo energético e impacto ambiental han sido establecidos.

En el proceso Comet, los finos de mineral de hierro y carbón no se mezclan y pelletizan a diferencia de los otros procesos mencionados antes. En su lugar, se cargan en forma de capas alternadas en el fondo. La caliza se añade usualmente para controlar el azufre en el carbón. La temperatura en la zona de reducción es alrededor de 1300 °C. Gas natural, gas de coque y carbón pulverizado, etc., se disparan para generar el calor. La post-combustión de los volátiles y CO liberados durante la reacción también proporcionan algo de calor. Las capas de DRI sufren sinterización debido a la alta temperatura. Sin embargo, el char excedente permanece pulverulento y puede, por tanto, separarse fácilmente usando una criba. El gas de escape sufre post-combustión adicional fuera del horno y el calor se utiliza para calentar el aire de proceso y los materiales de carga. Debido a la mayor carga en el fondo en este proceso, el tiempo de procesamiento en este proceso es usualmente mucho mayor que sus contrapartes que usan pellets compuestos.

La hoja de flujo del proceso se muestra esquemáticamente en la Figura 5.

Figura 5: Hoja de flujo del proceso Comet

El proceso SidComet es similar al proceso Comet. La única diferencia es que los finos de mineral de hierro y carbón se alimentan como una mezcla en este caso. El tiempo de residencia es similar al proceso Comet. Debido al mayor tiempo de residencia, la productividad de este proceso usualmente permanece menor que los procesos basados en pellets.

Proceso Hi-QIP

Basado en los conceptos: (i) el proceso no requiere gas natural o carbón coquizable como agente reductor, (ii) el producto de hierro del proceso está libre de componentes de ganga, (iii) los equipos son lo más simples posible, y (iv) el sistema de recuperación de energía es mínimo, y resultados experimentales, se desarrolló un nuevo proceso de producción de hierro llamado Hi-QIP (High-Quality Iron Pebble). El proceso es un nuevo proceso basado en carbón para producir hierro de alta calidad. El proceso es similar al proceso ITmk3 ya que permite la fusión de hierro reducido en el horno de fondo rotativo. El proceso permite fluctuación de mezcla de materia prima. El desarrollo ha alcanzado actualmente la etapa de planta piloto.

El proceso Hi-QIP tiene dos características distintivas en comparación con procesos similares: (i) el uso de una capa de material carbonáceo en el fondo rotativo, y (ii) fusión de hierro reducido en el horno. El reactor principal en el proceso Hi-QIP es el horno de fondo rotativo. Mineral de hierro de grano grueso o fino, carbón y caliza se usan como materias primas. El uso de materiales en bulto no se considera para el proceso. Un material carbonáceo, como carbón, se coloca en el fondo, y se forman pequeños huecos en forma de taza en esta capa por un rodillo. El mineral de hierro se usa como fuente de hierro, carbón como agente reductor y caliza como agente fundente. Estos materiales se mezclan y cargan sobre la cama de material carbonáceo, y luego se calientan por quemadores. En este proceso, el mineral de hierro se reduce y funde, y el carbón mezclado en la capa de materia prima se gasifica y actúa como agente reductor. La caliza se funde y forma escoria con los componentes de ganga y ceniza en la mezcla. El hierro fundido y la escoria fundida fluyen hacia los huecos, donde se solidifican por el enfriador, formando guijarros (pebbles). Los guijarros de hierro y guijarros de escoria se descargan del horno por un dispositivo de tornillo.

Características Generales de la Producción de Hierro en RHF

El flujo general del proceso durante la producción de hierro por RHF se da en la Figura 6.

Figura 6: Flujo general del proceso durante la producción de hierro en RHF

La reducción de aglomerados de mineral de hierro/carbón en un RHF es un proceso de producción de hierro libre de coque y ambientalmente amigable. Sin embargo, la productividad y eficiencia energética del proceso es baja debido a la baja altura de cama, bajas temperaturas de reacción y aditivos carbonáceos insuficientes en los pellets. La cinética de reducción de óxido de hierro en aglomerados de mineral de hierro/carbón es altamente sensible a la temperatura ya que involucra reacciones fuertemente endotérmicas. Por otro lado, una temperatura más alta promueve la reoxidación del DRI recién producido por CO₂ y/o O₂. En la práctica actual de RHF, la profundidad de cama de aglomerados es poco profunda, solo 2-3 pellets de altura, y el reductante sólido es bajo en materia volátil. Por tanto, el flujo de gases que pueden proteger los pellets de la reoxidación es débil e inestable. La práctica de mantener la relación CO/CO₂ mayor que 2 resulta en una eficiencia de combustible muy pobre, mientras que la baja temperatura del proceso limita la productividad.

El uso exitoso de la tecnología RHF para la reducción directa de materiales ferrosos depende de la forma en que la tecnología del proceso se aplica a través de una ingeniería de proceso adecuada. Si el RHF se integra correctamente en el proceso global y la tecnología de reducción directa se aplica correctamente, el resultado es un sistema eficiente energéticamente, ambientalmente amigable y económico para producir hierro alternativo de calidad.

El concepto de reducción directa basado en carbón utilizando el RHF es simple. Sin embargo, la implementación comercial del concepto no se ha logrado fácilmente.

El concepto de proceso para producción de hierro en RHF y comparación de carga de capa simple con carga multi-capa se muestra en la Figura 7.

Figura 7: Concepto de proceso en RHF y comparación de carga de capa simple con carga multi-capa

Las siguientes reacciones tienen lugar durante la producción de hierro en RHF:

FeₓOᵧ + yC = xFe + yCO
FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂
C + O₂ = CO₂
C + CO₂ = 2CO

Hay tres a cuatro zonas principales dentro del RHF: (i) zona de precalentamiento, (ii) zona principal de reducción, (iii) zona final de reducción y (iv) zona de enfriamiento. La atmósfera del horno se controla para cumplir los requisitos térmicos y metalúrgicos del proceso con control adecuado de la relación combustible/oxígeno. Se requiere un potencial de oxígeno más alto en la zona de precalentamiento para extraer la máxima energía química almacenada en el combustible que se quema en esta zona. La eliminación de humedad atrapada y materias volátiles también tiene lugar en esta zona. Las dos zonas de reducción tienen un potencial de oxígeno mucho más bajo que previene la reoxidación de pellets reducidos. En las zonas de reducción, el óxido de hierro y algunos otros óxidos metálicos de impurezas se reducen a sus formas metálicas. En la zona de enfriamiento, el DRI se enfría por debajo de 300 °C antes de descargar.

Aparte del combustible ardiente, hay otras fuentes de calor dentro del RHF. La post-combustión del gas CO generado durante la reducción ayuda a reducir el requerimiento de energía del proceso. A veces, aire secundario también se inyecta para facilitar la post-combustión de los gases de escape. La combustión de materias volátiles también libera algo de calor. Una cantidad menor de calor también se genera durante la combustión de carbono presente en los pellets/briquetas.

Carbón no coquizable y a veces materiales carbonáceos de baja calidad incluyendo plástico residual pueden usarse en el RHF como reductante. La utilización de estos reductantes carbonáceos de baja calidad permite al proceso RHF producir hierro metálico reduciendo el óxido de hierro. Sin embargo, el porcentaje de contenido de materia volátil en el reductante carbonáceo es muy crítico para su uso en RHF. La rápida evolución de gas aumenta la presión interna que puede resultar en la rotura de pellets/briquetas. Esto puede evitarse manteniendo un alto porcentaje de bultos en el producto DRI.

La velocidad de rotación del fondo debe ser controlada externamente. La velocidad depende de la reactividad de las materias primas. La práctica normal es asegurar un tiempo de residencia lo suficientemente largo para que los pellets/briquetas alcancen un alto grado de metalización.

El RHF normalmente se opera a una pequeña presión negativa para evitar la fuga de gas del horno al ambiente externo y se sella usando canales de sello de agua.

Generalmente es ventajoso utilizar el calor sensible del DRI caliente por carga en caliente en un horno de fundición. En caso de fundición retrasada, la práctica usual es convertir el DRI en hierro briquetado en caliente (HBI) para minimizar el grado de reoxidación reduciendo el área superficial disponible.

La transferencia de calor a las capas inferiores es uno de los inconvenientes serios del RHF, especialmente cuando se usa cama de pellets multi-capa en lugar de capa simple para mejorar la productividad. Se espera que la contracción de pellets/briquetas compuestos facilite la transferencia de calor de la capa superior a la inferior. La contracción de los pellets/briquetas ocurre debido al efecto combinado de reacciones químicas y sinterización de los óxidos de hierro. Esto mejora la cinética de reacción de las capas inferiores. Depende tanto de la temperatura como del tiempo. Algunos estudios sobre fenómenos de contracción revelan que pellets/briquetas compuestos de carbón vegetal tienen mejor comportamiento de contracción que los de char de carbón bituminoso y grafito.

El gas de escape del RHF normalmente sufre post-combustión completa utilizando aire adicional. La energía obtenida de esto se usa para: (i) precalentar aire de combustión, (ii) secar materiales de alimentación, o (iii) generar vapor en calderas de recuperación de calor residual.

El polvo de los gases de escape se recoge en filtros de manga. Este polvo contiene alto porcentaje de metales volátiles como zinc y cadmio principalmente debido al reciclaje de materiales residuales.