Guía paso a paso para producir carburo de hierro (Fe3C) de alta calidad

Proceso de fabricación de carburo de hierro

El carburo de hierro (Fe₃C) es compuesto sintético de alto punto fusión, no pirofórico, fuertemente magnético, forma granular. Contiene ~90% Fe total y ~7% C total. Uso principal: carga metálica en acería sustituyendo arrabio (HM), hierro reducido directo (DRI) o chatarra acero. Proceso carburo hierro convierte partículas finas mineral hierro precalentadas a carburo hierro. Reduce mineral hierro a carburo en reactor lecho fluidizado, contactando mineral con gas proceso: principalmente metano (CH₄) e hidrógeno (H₂).

Proceso fabricar carburo hierro diseñado y desarrollado originalmente en Hazen Research Inc., Golden, Colorado, EE. UU. por vicepresidente técnico Dr. Frank M. Stephens. Implica reducción partículas finas mineral hierro precalentadas (0,1-1,0 mm) en reactor lecho fluidizado circuito cerrado por gas proceso precalentado con CH₄, H₂, CO, CO₂ y vapor agua (H₂O) a 600 °C. Reactor lote 50 mm usado pruebas laboratorio. Seguido pruebas continuas reactor 600 mm. Muestras mineral hierro varios países probadas Hazen. Producto convertido exitosamente acero por MEFOS Suecia en convertidor oxígeno básico (BOF) 1979.

Tras pruebas iniciales Hazen, Dr. Stephens patentó (11 octubre 1977, US Patent No. 4,053,301). 1985 Dr. Stephens jubilado, adquirió derechos patente, formó "Iron Carbide Development Corporation" (ICDC) comercializando proceso. 1988 ICDC y empresa australiana PACT Resources Pty. Ltd. formaron "Iron Carbide Holdings, Limited" (ICH). Trabajo desarrollo adicional en planta piloto construida 1989 desde planta vanadio inactiva Wundowie, Australia Occidental. Reactor piloto 1830 mm diámetro, profundidad lecho ~3700 mm. Producción ~25 t/día.

Historia comercial

1989 ICH produjo 310 t carburo hierro en planta piloto. Vendido a 7 clientes. 5 empresas (Nucor, North Star Steel, Mitsubishi, Qualitech Steel, Cleveland Cliffs) compraron licencia/opción tecnología. Nucor convirtió carburo hierro piloto en acería Darlington, Carolina Sur, EE. UU. usando horno arco eléctrico (EAF) 32 t. Carburo inyectado hasta 90 kg/min EAF usando tanque gunita existente.

Nucor licenció 1992. Autorizó PLS Engineering Denver (ahora Harris Group) construir planta Point Lisas, Trinidad producir 300.000 t/año carburo hierro. Finales 1994 planta operativa. Nucor inició construcción 1993 pero limitó fondos PLS. PLS agotó fondos antes completar diseño. Nucor terminó diseño. Además, Nucor minimizó gastos algunos equipos, incluyendo intercambiadores calor.

Planta arrancó finales septiembre 1994. Problemas compresores gas proceso = parada. Dejaron agua refrigeración funcionando. Durante este período, técnico retiró sensores nivel columnas torre empaquetada recalibración = alarmas nivel bloqueadas. Informó sala control. Válvula instalada torre empaquetada, pese a posición cerrada, fugaba y fuga no detectada días. Descubierta, columna drenada inmediatamente, pero daño hecho. Agua pasó tuberías, mezcló con polvo óxido hierro, contaminó severamente intercambiadores calor. Nucor >1 año intentando limpiar intercambiadores sin éxito.

Nucor también enfrentó otros problemas operacionales: (i) tuberías gas proceso sobredimensionadas limitando flujo 65% capacidad diseño, (ii) rotura frecuente sello gas placa tobera reactor lecho fluidizado, (iii) abandono sistema calentado mineral por fallo abrasión comprometiendo química reactor limitando calidad/cantidad producto, (iv) tanque colector scrubber sobredimensionado, (v) sistema poco fiable regulación flujo producto enfriador producto necesitando alto mantenimiento, (vi) sistema elevación neumático producto poco fiable mantenimiento frecuente, (vii) tornillo alimentador mineral muy pequeño, (viii) prensas empaque tornillo alimentador inadecuadas fugas severas.

Nucor 4 años trabajando problemas, pero 1998 caída precios acero = cierre planta. Demolida 2002. A pesar dificultades, 357.712 t carburo hierro producidas demostrando viabilidad técnica. Fallos mecánicos subrayaron necesidad instalaciones adecuadas y fiables.

Segundo intento producción escala comercial: Qualitech Steel Corp. Corpus Christi, Texas, nueva planta. Qualitech licenció ICH pero cambió proceso: Mitsubishi Corp. financió proyecto y quiso dos reactores y distribución gas estilo rejilla tuberías reactor lecho fluidizado.

Planta Texas en puesta en marcha cuando matriz quebró marzo 1999, solo produjo pocos miles toneladas antes cierre 1999 y demolición 2004.

Frank A. Stephens, hijo Dr. Frank M. Stephens Jr., adquirió derechos exclusivos proceso carburo hierro 2010. Inicios 2011 formó International Iron Carbide LLC. Empresa posee derechos 35 patentes. Nueva empresa analizó problemas plantas Trinidad y Texas y preparó soluciones documentadas. Muchas soluciones consideradas propietarias. Algunas: (i) diseño robusto intercambiadores calor carcasa-tubo, (ii) diseño cambiado sistema gas proceso capacidad plena, (iii) mejora diseño reactor lecho fluidizado y distribución gas tolerante paradas planta, (iv) nuevo diseño sello gas placa tobera reactor = doble sello gas, (v) sistema calentamiento flash alimentación mineral: transferencia neumática material caliente, inventario sólidos mínimo para arranques/paradas rápidas, eliminación offsets angulares evitar abrasión, construcción modular facilitar mantenimiento, (vi) cambios diseño scrubber capacidad adecuada plena, (vii) simplificación sistema manipulación producto elimina sistema elevación producto entrando enfriador, (viii) uso eyectores mover sólidos en lugar transportadores mecánicos.

Hoy no hay planta operativa producción carburo hierro. Sin embargo, International Iron Carbide usó experiencia (positiva y negativa) plantas primera generación Trinidad y Texas y desarrolló diseño planta segunda generación basado lecciones aprendidas. Busca activamente emprendedores colaboración construir plantas segunda generación.

El proceso

Proceso fabricación carburo hierro limpio y simple. Tres pasos principales (Fig 1): (i) calentamiento mineral hierro ~700 °C, (ii) contacto mineral caliente con mezcla H₂ y CH₄ presurizada ~600 °C y presión absoluta ~4,5 kg/cm² en reactor lecho fluidizado para conversión óxido hierro a carburo con gases fuertemente reductores, (iii) enfriamiento producto ~65 °C.

Fig 1 Tres pasos proceso

Mineral hierro usualmente hematita, composición típica 62-65% Fe, 1-5% ganga, 1-6% humedad. Mineral almacenado no suele necesitar cubierta, si clima permite. Factores decisión cubrir: coste combustible, contenido humedad natural, clima.

Desde almacenamiento, mineral transportado a silo (tolva día). Silo almacena mineral ~24 h operación. Transportador velocidad variable mide y controla cantidad mineral alimentado sistema calentamiento mineral.

Calentador mineral = "calentador flash" con tres ciclones serie. Calienta mineral 710 °C contactando con gas oxidante caliente saliendo hogar/quemador. Aumentar temperatura mineral útil: (i) elimina humedad alimentación mineral, (ii) oxida parcialmente magnetita si presente a hematita. Ayuda reacciones reactor: hematita convierte más rápido a carburo hierro que magnetita. Calentador descarga mineral caliente en tolvas bloqueo alimentación, donde retenido antes alimentar reactor lecho fluidizado.

Suministro mineral caliente reactor por dos tolvas bloqueo operando en paralelo. Tolvas revestidas refractario. Fondo piramidal/cónico. Típicamente una tolva alimenta reactor ~1 hora. Tolvas funcionan: mientras una alimenta, otra se llena.

Tolvas alimentación también impiden entrada gases oxidantes reactor. Tras purga mineral caliente con N₂ y aumento presión, mineral caliente alimentado continuamente reactor a tasa permite una tolva vaciarse y despresurizarse cuando otra llena.

Reactor lecho fluidizado y reacciones proceso

Reactor lecho fluidizado usa finos mineral hierro limitando pre-tratamientos (sinterizado/peletizado). Alimentación ideal: finos hematita 0,1-1,0 mm.

Diámetro interior reactor ~12 m, opera ~600 °C. Recibe gas proceso esencialmente H₂ y CH₄. H₂ introducido mantener presión zona libre reactor 4,5 kg/cm² absoluta. Compresores reciclan gas proceso velocidad superficial 0,92 m/s.

En reactor lecho fluidizado, H₂ y CH₄ convierten mineral calentado a carburo hierro. Oxígeno combina con H₂ formando agua; carbono (C) combina con hierro formando carburo hierro. Química general: 3Fe₂O₃ + 2CH₄ + 5H₂ = 2Fe₃C + 9H₂O. Resumen global todas reacciones proceso. Reacción velocidad relativamente lenta, residencia reactor mucho mayor vs proceso horno acería. Tiempo reducible cambiando temperatura/presión.

En fase gaseosa reacciones tres componentes básicos: (i) H₂, (ii) O₂, (iii) C. Interactúan formando H₂, H₂O, CO, CO₂, CH₄. Concentración cada compuesto depende: (i) ratio masas elementos individuales, (ii) temperatura sistema, (iii) presión sistema, (iv) tiempo contacto elementos.

Dos reacciones gaseosas principales: reformado vapor CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ (gas natural reacciona vapor formando H₂ necesario). Desplazamiento gas agua CO + H₂O = CO₂ + H₂.

Reactivos juntos alta temperatura = mezcla gas conteniendo H₂, H₂O, CO, CO₂, CH₄ + poco N₂.

Reacciones gaseosas catalizadas por presencia Fe metálico y/o carburo hierro. C y H₂ para reacciones vienen reactivos añadidos. O₂ extraído mineral: Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O. Controlando concentraciones relativas C y H₂ gas proceso, posible promover eliminación O₂ mineral y adición C formar carburo hierro.

Reacciones formar carburo hierro ligeramente endotérmicas, mantener ~600 °C necesario calentar gas proceso 633 °C.

Reactor opera lecho fluidizado fase densa. Burbujas gas formadas gas proceso en lecho. Reactor recibe mineral un lado y descarga producto otro. Deflectores internos conveyen sólidos dentro reactor. Deflectores minimizan cortocircuito sólidos y crean distribución tiempo residencia más uniforme. Tiempo retención sólidos ~16 horas.

Composición gas proceso, temperatura y presión monitorizadas continuamente instrumentación. Proceso produce producto no pirofórico, almacenable y transportable.

Reactor produce ~42 t/h producto (carburo hierro). Producto descargado continuamente través tolvas bloqueo desde reactor y ciclones gas salida antes pasar enfriadores producto.

Problema anterior: producción no intencional C libre (hollín) por reacción Boudouard 2CO = C + CO₂. International Iron Carbide identificó condiciones proceso no permiten formación C libre produciendo carburo alta calidad. Especificidades propietarias.

Reactor descarga carburo hierro vía dos tolvas bloqueo (similares alimentación mineral caliente). Tolvas liberan producto presión atmosférica. Una recibe producto caliente ~3,5 kg/cm², otra descarga a enfriador (enfriador producto) presión atmosférica. Carburo sale tolvas ~590 °C, enfriado ~65 °C pasando enfriadores. Cantidad producto enfriadores controlada cinta transportadora velocidad variable conveye carburo a separador magnético seco. Separador elimina cantidad significativa ganga liberada (típico 50%), dependiendo calidad mineral alimentado.

Esquema flujo proceso carburo hierro Fig 2.

Fig 2 Diagrama flujo esquemático proceso fabricación carburo hierro

Sistema tratamiento gas

Gas proceso sale reactor ~590 °C. Pasa 4 ciclones paralelos (ciclones reactor) revestidos refractario. Eliminan mayoría sólidos arrastrados gas salida reactor. Finos ciclones (~36 t/h) fluyen gravedad a tolva pulmón antes reciclar reactor. Sólidos adicionales pasan serie tolvas bloqueo antes entrar enfriador producto, enfría sólidos <65 °C (normal ~40 °C), añade sólidos a producto reactor enfriado arriba separador magnético.

Gas proceso saliendo ciclones reactor pasa 4 intercambiadores calor paralelos (intercambiadores gas proceso) reducen temperatura gas 150 °C. Venturi scrubber y columna lecho empaquetado (torre empaquetada) enfrían gas ~30 °C eliminar agua producida reactor y partículas finas restantes suspendidas gas escaparon ciclones. Asegura cantidad finos gas proceso baja para evitar daño "compresores reciclaje gas proceso".

Pequeña corriente gas proceso retirada gas recirculante (gas purga) salida tope torre empaquetada antes entrar compresores reciclaje, evitar acumulación N₂ circuito. Cantidad purga depende contenido N₂ gas natural, cantidad N₂ entra sistema con mineral caliente entrando reactor.

Gas reactivo reposición (normalmente H₂ y gas natural) entra recirculante antes compresores. Presión zona libre reactor lecho fluidizado gobierna cantidad exacta H₂ introducir sistema. Cantidad gas natural añadir gas proceso determinada por concentración CH₄ gas proceso.

Dos compresores centrífugos (compresores reciclaje gas), uno operando otro standby, reciclan gas proceso ~4,20 kg/cm² entrada y ~5,30 kg/cm² salida. Diferencial presión compresores regula flujo gas proceso reactor.

Cuatro intercambiadores gas-gas enfrían gas proceso desde reactor lecho fluidizado, calientan gas proceso desde compresores ~520 °C. Calentador gas (calentador gas proceso) aumenta temperatura ~630 °C usando gas purga y gas natural combustible. Gas escape calentador da energía calentar aire combustión alimentado calentador mineral.

Dos sistemas refrigeración agua: (1) contacto directo gas proceso ("agua refrigeración contacto directo"): agua enfriamiento "venturi scrubber" y "torre empaquetada" donde agua contacto directo gas proceso. (2) indirecto: agua enfriamiento (i) sistema enfriamiento productos (enfriadores producto), (ii) reformador H₂, (iii) otros intercambiadores calor menores proceso.

Agua caliente saliendo torre empaquetada retorna directamente torre refrigeración contacto eliminación calor. Agua saliendo venturi scrubber pasa espesador primero, filtrada eliminar sólidos agua contaminada.

Proceso típicamente produce producto 93% convertido a carburo hierro. Composición mineralógica/elemental típica: Fe₃C 91-96%, Fe total 89-93%, Fe met 0,5-1%, SiO₂+Al₂O₃ 2-5%, Fe₃O₄ 2-5%, C (como Fe₃C) 6-6,5%, O (como Fe₃O₄) 0,5-1,5%. Carburo hierro magnético: si ganga liberada físicamente antes/durante/después carburación, separación magnética seca reduce ganga producto final aumentando ley hierro.

Aunque análisis producto varía según mineral, no hay azufre significativo. Fósforo depende mineral, usualmente presente como P₂O₅. Mayor fósforo pasa escoria horno, no producto.

Elementos residuales mineral normalmente presentes producto como óxidos, pero minerales hierro muy bajos Cu, Ni, Cr, Mo, Sn = cantidades insignificantes producto final. Resultado: carburo hierro muy limpio, método efectivo diluir metales trampa residuales acería, evitando azufre que viene con algunas fuentes hierro virgen.

Consumos típicos materiales, energía, límite batería por t carburo hierro: mineral hierro 1,42 t, gas natural 350 Mcal, electricidad 400 kWh, agua 1,2 m³, nitrógeno 10 m³, mano obra 0,22 h-hombre.

Carburo hierro muy ambientalmente amigable: grandes ventajas ambientales. Proceso logra menor emisión C de todos procesos acería hierro virgen: solo 1,09 kg CO₂/kg acero. Menos que 2,01 kg ruta convencional alto horno-BOF, 3,09 kg DRI carbón, 1,87 kg DRI gas natural-EAF. Solo acero 100% chatarra logra menor emisión.

Ventajas carburo hierro y su producción

• Mejor material carga EF que otros: ~6,0-6,5% C, producido mineral hierro virgen = elementos trampa despreciables. Uso acería = bajo contenido N₂ y H₂ acero.
• No pirofórico = seguro y fácil manejo.
• Polvo granular denso que disuelve fácil acero líquido. Inyectable fácilmente BOF y/o EAF, disuelve instantáneamente.
• Proceso ambientalmente amigable: no requiere aglomerar mineral hierro.
• Únicos subproductos: agua y CO₂, cantidad CO₂ mucho menor que otros procesos acería. Gran cantidad CO₂ sale reformer flujo gas concentrado, fácil secuestrar/reusar.
• Usa finos mineral hierro, menos costosos que pellets y trozos mineral.
• No necesidad briquetado producto.
• Proceso baja temperatura y térmicamente eficiente.
• Proceso circuito cerrado usa 100% reactivos añadidos.
• Proceso simple: reactor etapa única, fácil control.