Reducción Directa Basada en Carbón en Horno Rotatorio: Producción de Hierro de Bajo Coste y sin Coque

Proceso de Reducción Directa Basada en Carbón en Horno Rotatorio

El proceso de reducción directa basada en carbón en horno rotatorio se desarrolló para convertir mineral de hierro directamente en hierro metálico sin fusión de materiales. Tiene la ventaja de bajo gasto de capital y no requiere carbón coquizante. El hierro metálico se produce por reducción de óxido de hierro por debajo de la temperatura de fusión (1535 °C) utilizando material carbonáceo presente en carbón no coquizante. Como el mineral está en contacto directo con el agente reductor durante todo el proceso, a menudo se denomina hierro de reducción directa (DRI). El producto reducido con alto grado de metalización muestra una "estructura de panal", por lo que a menudo se llama hierro esponja.

Las plantas DRI basadas en carbón son flexibles respecto a ubicación, ya que el carbón no coquizante está ampliamente distribuido en grandes yacimientos y es fácil de transportar. La mayoría emplean proceso de reducción en hornos rotatorios. Usan amplia variedad de materias primas y carbón no coquizante. La calidad de estos materiales influye directamente en el proceso y producto. Algunas plantas no usan mineral directamente, sino pellets en el horno. Mezcla de mineral, dolomita y carbón no coquizante se alimenta en un extremo del horno y se calienta con quemadores de carbón para producir DRI. El producto DRI junto con char (a veces llamado dolo-char) se extrae del otro extremo. Además, se suministra aire primario y secundario al horno para iniciar combustión y sostener reacciones.

Materias primas

Las principales materias primas para producción de DRI por proceso de horno rotatorio son: (i) mineral de hierro calibrado o pellets; (ii) carbón no coquizante; (iii) dolomita en pequeñas cantidades para capturar azufre.

Mineral de hierro de calidad adecuada es la entrada básica. La mayoría de plantas usan mineral en bruto. Requisitos principales: (i) alto contenido Fe con poca ganga y elementos deletéreos (fósforo, azufre); (ii) buenas propiedades de manejo (índice tumbler y abrasión); (iii) calibrado a tamaño con pocos finos; (iv) alta reducibilidad; (v) baja decrepitación durante reducción; (vi) buena compatibilidad con carbón reductor.

Requisitos de calidad del mineral calibrado: físicos, metalúrgicos y químicos. Físicos: resistencia y granulometría. El mineral debe ser duro, con alta resistencia. Índice tumbler óptimo ≥90 %. Según reducibilidad, mineral calibrado 5-20 mm se usa generalmente. Metalúrgicos: alta reducibilidad, estabilidad térmica, baja tendencia a adherencia y desintegración durante calentamiento y reducción. Químicos: importante ya que, aparte de eliminación de oxígeno, no ocurre otro cambio químico. La ganga en DRI (sílice, alúmina, azufre, fósforo) afecta adversamente la economía en acería posterior. Por tanto, mineral debe ser alto en hierro y bajo en ganga. Especificaciones físicas y químicas deseadas:

• Tamaño: 5-20 mm
• Sobredimensionado y subdimensionado: <5 % máx cada uno
• Índice tumbler: >90 %
• Contaminación (laterita, etc.): <5 %
• Fe total: ≥65 %
• Sílice: <3 %
• Sílice + alúmina: ≤5 %
• Azufre: ≤0,01 %
• Fósforo: ≤0,05 %
• Humedad: ≤1 %

El carbón no coquizante en horno rotatorio tiene doble papel: suministra calor y actúa como agente reductor. Requisitos principales: (i) características no coquizantes; (ii) bajo contenido de cenizas; (iii) bajo azufre; (iv) buena reactividad; (v) alta temperatura de fusión de cenizas; (vi) materia volátil media. Característica no coquizante necesaria ya que reacción de coquización lleva a formación de anillos en horno. Límite práctico de índice de coquización: 3 máx. Bajo contenido de cenizas necesario ya que cenizas altas subutilizan volumen del horno y aumentan consumo de carbono fijo (energía extra para calentar masa inerte). Límite práctico: 20 % máx para operación eficiente. Bajo azufre para controlar azufre en DRI. Azufre en carbón ≤0,01 %. Buena reactividad necesaria: paso importante en reducción en estado sólido es reacción directa, donde CO₂ de quema de carbón reacciona con carbón para regenerar CO (reacción Boudouard). Carbón debe tener reactividad suficiente para que reacción Boudouard proceda a velocidad deseada. Carbones bituminosos y sub-bituminosos muestran buena reactividad. Temperatura de fusión de cenizas: carbones con baja temperatura llevan a masa pegajosa, operación inestable por formación de acreciones que reducen tasa de reducción por formación de capa de escoria en superficie del mineral. Deseables carbones con temperatura de fusión >1400 °C. Materia volátil óptima para proceso en horno rotatorio. Carbón con muy baja materia volátil da reactividad de char muy baja, producto pobremente metalizado. Muy alta materia volátil, aunque da char reactivo, no se prefiere por aumentar volumen de gas en horno. Normalmente 25-30 %. Carbones para reducción directa en horno rotatorio necesitan bajo índice de hinchazón. Normalmente <1. Especificaciones físicas y químicas del carbón:

• Tamaño grumos: 5-20 mm
• Tamaño finos: <5 mm
• Contaminación (pizarra, piedras, etc.): <3 %
• Carbono fijo: ≥45 %
• Materia volátil: 25-30 %
• Cenizas: ≤20 %
• Humedad: ≤8 %

La dolomita se usa para desulfuración en producción DRI. Especificación típica:

• MgO: ≥22 %
• CaO: ≤28 %
• PPI: balance

Reacciones químicas

Las reacciones químicas ocurren dentro del horno rotatorio. La sección transversal se muestra en Figura 1.

Figura 1 Sección transversal de horno rotatorio

El proceso basado en carbón usa agente reductor sólido (carbón no coquizante). La reacción ocurre a alta temperatura (1000-1100 °C). El carbón juega doble papel: parte como combustible para llevar materias primas a temperatura deseada; pero papel principal es suministrar carbono para reducción. La dolomita actúa como captador de azufre, saliendo con el char. El char contiene cenizas de carbón e impurezas del mineral. Las reacciones ocurren en varias etapas durante reducción de mineral a DRI. El mineral sufre la siguiente reacción final de reducción:

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

Esta muestra que CO es gas reductor obtenido por combustión controlada de carbón, según reacción Boudouard:

C + O₂ = CO₂

C + CO₂ = 2CO

El CO producido reduce óxido de hierro a hierro metálico según reacción anterior. Sin embargo, la reducción no ocurre en un paso, sino por eliminación gradual de oxígeno, dando óxidos intermedios. Secuencia: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe.

Las reacciones en el lecho de mineral y carbón son heterogéneas. Dos conjuntos de reacciones: primero entre carbón, CO₂ y O₂; segundo entre partículas de mineral y CO. Como oxígeno del mineral se elimina como CO₂, la escapada de CO₂ hace el producto DRI poroso. La reacción entre partícula de mineral y reductor gaseoso puede visualizarse en cinco etapas sucesivas:

1. Difusión de reactante gaseoso a través de película alrededor de partícula a superficie del sólido.
2. Penetración y difusión a través de capa reaccionada externa a superficie de núcleo no reaccionado.
3. Reacción de reactante gaseoso con sólido en superficie de reacción.
4. Difusión de productos gaseosos a través de capa reaccionada a superficie exterior.
5. Difusión de productos a través de película de gas al cuerpo principal del gas.

Como la reacción ocurre en varias etapas sucesivas, la etapa con menor tasa controla la velocidad global. Tanto la tasa de difusión como la de reacción son función de tres parámetros: (i) concentración de reactivos; (ii) temperatura de interfaz activa; (iii) área activa de reacción.

Proceso de reducción directa

El proceso se lleva a cabo en horno rotatorio a 1000-1100 °C. El producto (mezcla DRI y char) se enfría en enfriador rotatorio con refrigeración externa por agua. Los productos se criban y separan magnéticamente. DRI, al ser magnético, se atrae y separa de char no magnético.

Mineral y carbón triturados y cribados a tamaños respectivos se alimentan al horno a través de tubo de alimentación en proporción predeterminada. El horno está ligeramente inclinado 2,5° y rotado por motor AC de velocidad variable a 0,2-1,0 rpm. Por inclinación y movimiento rotatorio, el material viaja de extremo de alimentación a descarga en ~7-8 horas.

El carbón fino se sopla desde extremo de descarga para mantener temperatura y concentración de carbono en el lecho. El horno tiene varios ventiladores de aire de carcasa en la parte superior que soplan aire en zonas respectivas para mantener perfil de temperatura. Material y gases calientes se mueven en contracorriente, por lo que el mineral se precalienta y reduce gradualmente al llegar al extremo de descarga.

El horno se divide en dos zonas: precalentamiento (40-50 % longitud) y reducción (Figura 2). En precalentamiento, humedad de carga se elimina y materia volátil del carbón (600-800 °C) se quema con aire de combustión suministrado por tubos en espacio libre sobre carga. Calor de combustión eleva temperatura de revestimiento y superficie de lecho. Al rotar, el revestimiento transfiere calor a la carga. Carga precalentada a ~950 °C entra a zona de reducción. Temperatura de 1000-1100 °C se mantiene en zona de reducción, apropiada para reducción en estado sólido de óxido a hierro metálico. Termopares a lo largo de carcasa determinan perfil térmico. Temperatura se controla regulando aire de combustión admitido por puertos con ventiladores en carcasa y por inyección controlada de carbón. Óxido de hierro se reduce a hierro metálico por CO generado en horno desde carbón.

El material reducido caliente pasa a enfriador rotatorio por tolva de transferencia para enfriamiento. Enfriador también inclinado 2,5° y rotado a 0,3-1,2 rpm por motor AC variable. Agua se rocía sobre carcasa para enfriar indirectamente material caliente. Material se enfría a ~100 °C y se descarga en cinta transportadora por válvula de doble péndulo, que actúa como sello y evita entrada de aire atmosférico al enfriador.

El producto enfriado se envía a área de separación donde DRI se separa magnéticamente de char y se criba a varias fracciones de tamaño.

Gases que fluyen en contracorriente al material van a cámara de sedimentación de polvo (DSC) donde partículas pesadas sedimentan. Se remueven continuamente por sistema de rascador húmedo. Gases pasan a cámara de post-combustión (ABC) donde carbono residual o CO se quema por exceso de aire. Tras ABC, gases a alta temperatura con mucha energía calorífica se usan normalmente para generación de vapor en calderín de recuperación (WHRB). Este vapor se usa para generación eléctrica. Gases enfriados a ~200 °C en salida WHRB van a equipos de control de contaminación: filtros de mangas, scrubber o precipitador electrostático (ESP) para remover partículas finas. Gases limpios salen a atmósfera a ~80 °C por chimenea.

Para evitar formación significativa de anillos, temperaturas de operación deben mantenerse dentro de 1100 °C.

Como el proceso requiere ~7-8 horas de reducción, la productividad es limitada, usualmente 30.000-150.000 toneladas/año según tamaño de horno. Etapas importantes y concepto de proceso se muestran en Figura 2.

Figura 2 Etapas importantes y concepto de proceso de horno rotatorio

Además, en proceso de reducción en horno rotatorio basado en carbón se requieren ~6 Gcal de energía de combustible. >2 Gcal se pierde como gas de escape. Parte se recupera en WHRB.

Diagrama de flujo esquemático típico en Figura 3.

Figura 3 Diagrama de flujo esquemático de proceso de reducción directa basado en carbón

Se han desarrollado varios procesos y conceptos en esta área durante la segunda mitad del siglo XX. Algunos sobrevivieron, otros no. Los que sobrevivieron tienen características comunes o ligeramente diferentes:

• Método de sellado para evitar entrada de aire al horno.
• Método de lanzar o arrojar carbón no coquizante desde extremo de descarga.
• Método de alimentación por pesaje, dosificación y carga de materias primas.
• Método de introducir cantidad controlada de aire a intervalos regulares a lo largo del horno sin oxidar producto reducido.
• Método de medir y registrar temperatura a intervalos regulares.
• Método de enfriamiento indirecto de mezcla DRI-char en carcasa cilíndrica de acero por rociado de agua en superficie exterior.
• Método de separación de DRI de mezcla DRI-char.
• Método de tratamiento de gases residuales y mantenimiento de perfil de flujo deseado por control de presión.
• Método de recuperación de energía de gases residuales.

Equipos e instalaciones

• Sección de preparación de materias primas: alimentadores vibratorios, trituradoras, cribas. Trituración de mineral normalmente no necesaria (material calibrado 5-20 mm se adquiere). Mineral a tolva de suelo, de allí a cribas por alimentador vibratorio, separando sobredimensionado (+20 mm) y subdimensionado (-5 mm). Sobredimensionado a trituradora para obtener tamaño. Carbón no coquizante recibido -200 mm, triturado con trituradoras primarias/secundarias en circuito cerrado con cribas. Cribas separan dos fracciones: grumos para carbón de alimentación (5-20 mm) y finos (-5 mm) para inyección. Dolomita: trituración/cribado generalmente no necesario (material 3-8 mm se adquiere y alimenta directamente a tolva diaria por transportador). Todas las materias primas desde puntos de descarga a tolvas diarias por transportadores.
• Sección de almacenamiento: silos (tolvas diarias). Para cada materia prima, silos separados. Diseñados para almacenamiento mínimo de un día de consumo.
• Sistema de alimentación: dosificadores por peso bajo cada silo para extraer materias primas en proporción requerida y entregar a transportadores para alimentación al horno.
• Horno rotatorio: corazón del proceso. Diámetro y longitud dependen de capacidad. Generalmente revestido con refractario colable de alta alúmina con diques en extremos. Inclinado 2,5° y apoyado en 2-4 estaciones según tamaño. Tasa de transporte controlable variando inclinación y velocidad. Conos de entrada/salida en extremos opuestos, refrigerados por ventiladores individuales. Carcasa con puertos de muestreo. Posicionamiento longitudinal en aros de rodadura controlado por sistemas hidráulicos. Carbón y mineral dosificados en extremo alto. Porción de carbón inyectada neumáticamente desde extremo de descarga. Carga pasa por zona de precalentamiento (desvolatilización de carbón, calentamiento de mineral a temperatura de precalentamiento). Control de temperatura y proceso: tubos de inyección de aire de acero resistente al calor espaciados uniformemente a lo largo del horno, contracorriente al flujo de mineral. Extremos con remolinos internos para mejorar uniformidad de combustión. Quemador central en extremo de descarga usado con diesel ligero (LDO) para calentar horno en frío. Tras calentamiento inicial, suministro de combustible se corta y quemador inyecta aire para combustión de carbón. Temperaturas medidas con termopares fijos y puertos de "termopares de respuesta rápida" (QRT). Termopares fijos a lo largo del horno para monitorear temperaturas en varias secciones. Pueden dar lecturas erráticas si se recubren de ceniza, mineral o acreciones. En esos casos se usan QRT.
• Enfriador rotatorio: Producto (DRI) con cenizas, dolomita calcinada y char residual se descarga a ~1000 °C. Tolva cerrada en extremo de descarga con separador de grumos y puerta de acceso para remover grumos transfiere DRI caliente a enfriador. Enfriador: cilindro giratorio de tamaño apropiado, inclinado 2,5°. DRI enfriado indirectamente por rociado de agua en superficie superior. Agua de enfriamiento recogida en canaletas bajo enfriador y bombeada a torre de enfriamiento para reciclaje con agua de reposición. Sólidos descargados por tolva cerrada enfriados a ~100 °C sin contacto con aire. Parrilla en tolva remueve acreciones grandes (>50 mm) que podrían tapar o dañar mecanismos de descarga. Estas se descargan por compuerta separada. Resto se descarga en transportador por válvula de doble solapa. Producto transportado a sistema de separación por transportador.
• Sección de separación de producto: cribas vibratorias y separadores magnéticos. Producto enfriado transportado a sección por cintas. Productos de descarga de enfriador: DRI, char, cenizas. En edificio de separación, producto se criba en criba de doble piso con mallas 3 mm y 20 mm. Producto cribado alimentado a separadores magnéticos para separar porciones magnética y no magnética. Primero se criba para remover DRI +20 mm. Subdimensionado (mezcla DRI, char, cenizas) se criba en fracciones ±3 mm. Cada fracción pasa por separador magnético. Porción no magnética de +3 mm es mayormente char, reciclable a horno si se desea o usable en caldera de planta de energía. Porción no magnética de -3 mm: dolomita calcinada gastada, cenizas, char fino, se descarta. Porción magnética de cada fracción es DRI. Fracción +3 mm usable directamente para acería; fracción fina puede briquetarse y embolsarse.
• Sección de almacenamiento de producto: silos. DRI grumos (3-20 mm) y finos (-3 mm) en silos diferentes. Diseñados para mínimo 1 día de producción. Char generado almacenado separado para uso como combustible en central.
• Sistema de gases residuales: Gases a ~850-900 °C pasan por cámara de sedimentación donde polvo pesado sedimenta por disminución brusca de velocidad. Gases de chimenea pasan por cámara de post-combustión donde combustibles no quemados se queman soplando exceso aire. Temperatura de post-combustión, a veces controlada por rociado de agua. Gases quemados pasan por conducto descendente a enfriador evaporativo donde se reduce temperatura y por equipos de control: ESP/filtro/scrubber donde se separan partículas finas. Gas escapa a atmósfera por chimenea via ventilador de tiro inducido (ID). Deseable equipar con calderín de recuperación (WHRB) para recuperar energía sensible. En este caso, gases tras post-combustión pasan por conducto a WHRB donde se extrae calor sensible. Gas sale a atmósfera tras equipos de control (ESP/filtro/scrubber), ventilador ID y chimenea.
• Suministro de servicios: aire comprimido y agua de enfriamiento. Compresores para aire; sistema de agua: casa de bombas y torre de enfriamiento.

Formación de acreciones en horno rotatorio

El material en el horno voltea y desliza, y una capa delgada de polvo se forma invariablemente en superficie del revestimiento. Algunas zonas pueden ser propensas a acumulación de partículas y el efecto combinado de condiciones térmicas y de flujo resulta en depósitos cilíndricos, o anillos por movimiento rotatorio. A medida que el anillo crece, la abertura disponible disminuye, reduciendo volumen de trabajo, dificultando flujo de producto y gases. Los anillos suelen situarse cerca de zona de reducción o quemador, causados por temperatura muy alta, especialmente cuando revestimiento se sobrecalienta por impacto directo de llama. Son los más comunes y problemáticos.

La razón principal de formación de acreciones es formación de compuestos complejos de bajo punto de fusión en sistema FeO-SiO₂-Al₂O₃ (wustita, fayalita, cordierita de hierro, hercinita) y en sistema CaO-MgO-FeO-SiO₂-Al₂O₃ (melilita, anortita, akermanita, cordierita hierro-magnesio, espinela, silicato hierro-magnesio). La coexistencia de estos compuestos disminuye temperatura de fusión de la carga, que se adhiere a paredes refractarias. Algunas acreciones también por aglomeración de finos cerca de extremo de carga o sinterización de DRI por temperatura excesiva y/o baja relación carbono/hierro en extremo de descarga.

Como estos anillos no pueden alcanzarse desde fuera, es imposible removerlos durante operación. En varios casos, anillos crecen rápido y causan paradas no programadas. Se ha observado que la mayoría de paradas se debe solo a formación de acreciones.

Términos asociados a producción de DRI

Algunos términos para medir efectividad de reacciones de reducción para DRI:

• Hierro total porcentual (Fe T): hierro total en muestra, incluyendo hierro metálico y combinado químicamente (ej. con oxígeno). Fe T = (peso Fe / peso muestra) × 100.
• Hierro metálico porcentual (Fe M): hierro químicamente no combinado y como cementita (Fe₃C). Fe M = (peso Fe metálico / peso muestra) × 100.
• Óxidos de hierro residuales: óxidos restantes en DRI (FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃), normalmente FeO es el único residual.
• Carbono total: carbono total en DRI = carbono libre + combinado (como cementita).
• Impurezas: elementos/compuestos indeseables, azufre y fósforo los más comunes.
• Metalización: medida de conversión de óxidos a hierro metálico (libre o combinado con carbono como cementita) por eliminación de oxígeno por acción del reductor.
• Grado de metalización: porción de hierro total presente como metálico. Grado = (peso Fe metálico / peso Fe total) × 100 = (Fe M / Fe T) × 100.
• Metalización equivalente: contenido de carbono en hierro esponja a dado grado de metalización es importante; puede eliminar oxígeno de óxidos residuales durante acería. Metalización equivalente % = Grado metalización (%) + 5 × % carbono total en DRI.
• Reducción porcentual: oxígeno eliminado produciendo DRI referido a Fe inicial como Fe₂O₃. % reducción = {[(%O/%Fe T) en Fe₂O₃ – (%O/%Fe M) en DRI] / (%O/%Fe T) en Fe₂O₃} × 100 = [1 – 2,327 × (%O/%Fe T) en DRI] × 100. Define estado de hierro en DRI. Confusión: algunos definen % reducción referido a estado óxido inicial del mineral (puede incluir Fe₃O₄, FeO). En ese caso, define cantidad de reducción realizada en proceso DRI.
• Ganga porcentual: compuestos no férricos (SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, etc.) en DRI. Ganga = 100 – %O con Fe – %Fe M – %C.
• Basicidad cuaternaria: relación (CaO + MgO) / (Al₂O₃ + SiO₂).