Reducción directa
Conjunto de procesos para la obtención de hierro a partir de mineral de hierro.
Complejo siderúrgico de New Zealand Steel , alimentado mediante hornos rotatorios de reducción directa (proceso SL/RN) [1] (capacidad 650.000 t/año). [2]

En la industria siderúrgica , la reducción directa es un conjunto de procesos de obtención de hierro a partir de minerales de hierro , mediante la reducción de óxidos de hierro sin fundir el metal. El producto resultante es un mineral de hierro prerreducido .

Históricamente, se utilizaba la reducción directa para obtener una mezcla de hierro y escoria llamada bloomery (granizo) . A principios del siglo XX, este proceso se abandonó en favor del alto horno , que produce hierro en dos etapas (reducción-fusión para producir hierro fundido , seguida de refinación en un convertidor ).

Sin embargo, a lo largo del siglo XX se han desarrollado diferentes procedimientos y, desde los años 1970, la producción de mineral de hierro prerreducido ha experimentado un notable desarrollo industrial, en particular con la aparición del procedimiento Midrex. Estos procedimientos, diseñados para sustituir al alto horno, hasta ahora sólo han resultado rentables en determinados contextos económicos, lo que limita todavía este sector a menos del 5% de la producción mundial de acero .

Historia

Florería

Históricamente, la reducción del mineral de hierro sin fundición es el procedimiento más antiguo para obtener acero. Los hornos de baja temperatura, incapaces de alcanzar las temperaturas de fusión de las aleaciones de hierro, producen una tolva, un aglomerado heterogéneo de hierro metálico más o menos impregnado de carbono , ganga y carbón vegetal . A este procedimiento lo sustituyó paulatinamente, a partir del siglo I en China y del siglo XIII en Europa, el alto horno, que reduce y funde simultáneamente el hierro. [3]

Los hornos bajos elaborados, como la tátara o la fragua catalana, sobrevivieron hasta principios del siglo XIX. [1] Comparados con el proceso indirecto (reducción-fusión en el alto horno, seguida de afinación del hierro fundido), estos procesos solo sobrevivieron cuando disfrutaron de al menos una de las dos ventajas siguientes:

  • capacidad de procesar minerales incompatibles con los altos hornos (como arenas de hierro que obstruyen los altos hornos o minerales que generan escoria demasiado pastosa para ser drenada);
  • un tamaño más "razonable" que el de las plantas gigantes y sus limitaciones (requerimientos de mineral y capital, producción para vender, etc.).

Reducción directa moderna

Porcentaje de la producción mundial de acero [nb 1] correspondiente a diferentes procesos de fabricación de acero.

A principios del siglo XX se desarrollaron procesos de reducción directa más avanzados, cuando se hizo posible fundir minerales prerreducidos mediante el proceso Martin-Siemens o el horno de arco eléctrico . Basándose en este modelo técnico y económico, se industrializaron varios procesos antes de la Segunda Guerra Mundial (el proceso Krupp-Renn adoptado por la acería Shōwa , el proceso Chenot , [1] etc.). Sin embargo, se mantuvieron confidenciales y su rentabilidad fue objeto de debate en general. [2]

Los procesos modernos de reducción directa, basados ​​en el uso de gas natural en lugar de carbón, fueron estudiados intensamente en la década de 1950. [nb 2] El 5 de diciembre de 1957, la empresa mexicana Hylsa puso en marcha la primera unidad de producción industrial de este tipo en Monterrey , con el mineral pre-reducido obtenido destinado a la fundición en un horno de arco eléctrico. [nb 3] [4] Como la producción de mineral pre-reducido con gas natural era económicamente viable, varias plantas se construyeron a finales de la década de 1960. Como un suministro barato de gas natural [nb 4] era esencial para su rentabilidad, la mayoría de las plantas se ubicaron en países con yacimientos de gas, en América Latina (donde se desarrollaron muchos) y en Oriente Medio . [5]

En 1970, la producción mundial de mineral de hierro prerreducido alcanzó las 790.000 toneladas. Los procesos que se utilizaban en ese momento eran el proceso HYL (680.000 toneladas producidas), una unidad SL/RN, una unidad Purofer y la primera planta que utilizó el proceso Midrex. [4]

Aunque rentables e innovadores, los procesos inventados no acabaron demostrando ser una revolución tecnológica capaz de suplantar al proceso tradicional basado en altos hornos. [3] Sin embargo, la cantidad de acero producido a partir de materiales prerreducidos creció de forma constante, superando la producción mundial de acero:

  • En 1976, las instalaciones en servicio totalizaban menos de 5 Mt ; [3]
  • En 1985, la producción anual fue de 11 Mt para una capacidad instalada de alrededor de 20 Mt, [nb 5] la diferencia se explica por las fluctuaciones en los costos de la energía ; [6]
  • En 1991, la producción alcanzó los 20 Mt. [3]
  • En 1995, la producción mundial de prerreductos superó por primera vez la marca de 30 Mt. [7]
  • En 2010, se produjeron 70 Mt, el 14% a partir de procesos HYL y el 60% a partir del proceso Midrex. Este último representa la mayor parte del crecimiento de la producción de productos prerreducidos a gas natural, aunque desde 2005 los procesos a carbón han estado volviendo con fuerza, principalmente en la India. [nb 6] [8]
Briquetas de mineral de hierro pre-reducido.

El embalaje del mineral de hierro prerreducido se divide de forma uniforme entre hierro esponjado y briquetas. Las esponjas son un producto metálico muy poroso, similar al mineral original pero muy pirofórico , lo que limita su transporte. Por ello, suelen estar sometidas a compactación en caliente, lo que mejora tanto la densidad del producto como la seguridad de manipulación. [9] En 2012, el 45% de los prerreducidos se transformaron en briquetas de esta forma. [8]

Reacciones químicas

Reducción de óxido de hierro

Los óxidos de hierro se reducen en la siguiente secuencia: [10]

     Fe2O3  → Fe3O4     → FeO [ nb 7 ] → Fe

   hematita → magnetita →   wustita   → hierro

Cada transición de un óxido al siguiente se debe a dos reacciones simultáneas de reducción a alta temperatura por monóxido de carbono CO o dihidrógeno H 2 :

Principales reacciones de reducción [11]
TemperaturaReducción de monóxido de carbonoReducción de hidrógeno
900 °C < T < 1 000 °C3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2​​

Fe 3 O 4 + CO → 3 FeO + CO 2

3Fe2O3 + H2 → 2Fe3O4 + H2O​​​​​​

Fe3O4 + H2 → 3 FeO + H2O​

1000 °C < T < 1050 °CFeO + CO → Fe + CO 2FeO + H2 → Fe + H2O

Estas temperaturas difieren de las predichas por el diagrama de Ellingham . [nb 8] En realidad, hay un acoplamiento entre la reducción de monóxido de carbono y dihidrógeno, [nb 9] de modo que estas reacciones trabajan juntas, y el hidrógeno mejora significativamente la eficiencia de la reducción de CO.

Reducción de la producción de gas

Procesos a carbón

En los procesos que utilizan carbón, primero se quema parte del combustible para calentar la carga. El producto de esta combustión es CO 2 . Cuando la temperatura alcanza los 1000 °C, el CO 2 [11] reacciona con el carbón no quemado para crear CO: [12]

           CO2 + C ⇌ 2 CO cuando T > 1 000 °C ( reacción de Boudouard )

La producción de H2 no se puede lograr mediante la descomposición térmica del agua, ya que las temperaturas involucradas son demasiado bajas. De hecho, el hidrógeno se produce junto con el monóxido de carbono mediante la reacción:

           H2O + C → H2 + CO cuando T > 1 000 °C

Estas dos reacciones de producción de gas reductor, que consumen 172,45 y 131,4 kJ/mol [13] respectivamente, son altamente endotérmicas y funcionan limitando el calentamiento de la carga.

Procesos de gas natural

La atmósfera reductora, rica en CO y H 2 , se puede crear a partir del craqueo a alta temperatura del gas natural, alrededor de 1100-1150 °C, en presencia de gases oxidados (H 2 O y CO 2 ) procedentes de reactores de reducción de minerales .

         CH4 +CO2 → 2CO + H2

          CH4 + H2O → CO+ 3H2

El sistema que genera los gases reductores se denomina "reformador". En el proceso Midrex, está formado por tubos calentados por la combustión de una parte (aproximadamente un tercio) del gas del reactor.

Procedimientos

Las plantas de producción de mineral de hierro prerreducido se denominan plantas de reducción directa. El principio consiste en exponer el mineral de hierro a la acción reductora de un gas a alta temperatura (alrededor de 1000 °C). Este gas está compuesto de monóxido de carbono y dihidrógeno, cuyas proporciones dependen del proceso de producción.

En términos generales, existen dos tipos principales [nb 10] de procesos: [11]

  • Procesos en los que el gas reductor se obtiene a partir del gas natural. En este caso, el mineral se reduce en tanques;
  • Procesos en los que el gas reductor se obtiene a partir del carbón. El reactor es generalmente un horno rotatorio inclinado, similar a los que se utilizan en las plantas de cemento , en el que se mezcla el carbón con caliza y mineral y luego se calienta.

Otra forma de clasificar los procesos es distinguir entre aquellos en los que los gases reductores se producen en instalaciones específicas separadas del reactor de reducción (lo que caracteriza a la mayoría de los procesos que utilizan gas natural) y aquellos en los que los gases se producen dentro del reactor de fusión: los procesos alimentados con carbón generalmente caen en esta categoría. [12] Sin embargo, muchos procesos "alimentados con gas" pueden ser alimentados por unidades de gasificación que producen un gas reductor a partir del carbón. [14]

Además, como la etapa de fusión es necesaria para obtener aleaciones , se han desarrollado procesos de reducción-fusión que, a modo de altos hornos, producen un metal líquido más o menos carburizado. Finalmente, se han desarrollado numerosos procesos más o menos experimentales. [12]

Procesos de reducción directa

En negrita se indican procesos probados técnica y comercialmente (es decir, que funcionan de manera viable en varios contextos económicos) [15]

Gas naturalCarbón
TanquesCíclicoHYL I (el proceso de reducción directa industrial más antiguo que utiliza gas natural [16] ) y HYL IIRetortas (algunos procesos de importancia secundaria, que sobreviven sólo en la producción especializada)
ContinuoMidrex (2/3 de la producción mundial pre-reducida [16] [8] )

HYL III (proceso que compite con Midrex)

Variantes de los procesos de gas natural, donde el gas puede sintetizarse a partir de carbón en una unidad adicional.
Lechos fluidizadosNumerosos desarrollos recientes (FINMET, CIRCORED...) pero aplicaciones industriales limitadas [17] [18]
Horno rotatorioHogar rotatorioSe utiliza ocasionalmente como complemento del carbón.Muchos procesos desarrollados en la década de 1990 sin éxito comercial
Tambores rotatoriosKrupp-Renn (desarrollado en la década de 1930, 38 hornos en 1945 [19] )

SL/RN (desarrollada en 1964, 45% de la producción de carbón prerreducido en 1997 [20] )

Varios otros procesos eficientes pero más confidenciales sucedieron a SL/RN: Kawasaki y Koho, [21] Krupp-CODIR [22]

Procesos de tanques

En estos procesos, el mineral de hierro entra en contacto con gases reductores producidos y calentados por una planta separada en un recinto cerrado. Por lo tanto, estos procesos son naturalmente adecuados para el uso de gas natural.

Procesos cíclicos

En estos procesos, el mineral se introduce en un tanque, donde permanece hasta que se reduce por completo. A continuación, el tanque se vacía del mineral prerreducido y se llena con otra carga de mineral sin tratar. Por tanto, estos procesos se pueden extrapolar fácilmente a partir de experimentos de laboratorio. Además, su principio, basado en la producción por lotes , facilita el control del proceso.

Procesos de gas natural

En los procesos cíclicos de gas natural, una unidad produce gas reductor caliente, que se inyecta en el reactor. Para garantizar el funcionamiento continuo de la unidad que convierte el gas natural en gas reductor, se hacen funcionar varios tanques en paralelo y con un desfase temporal.

El más conocido de este tipo es el HYL I y su variante mejorada, el HYL II. Se trata del proceso industrial de reducción directa de gases más antiguo, desarrollado en México en 1957 por la empresa Hylsa. [16]

Réplicas

Se trata de procesos que funcionan exclusivamente con carbón, en los que los gases reductores se generan en el interior de un recipiente de reducción. El mineral se carga con carbón en un recipiente cerrado, que se calienta hasta que el oxígeno presente en el mineral se combina con el carbono antes de ser expulsado, principalmente en forma de CO o CO2. Esta producción de gas mediante el calentamiento de un material sólido hace que el reactor pertenezca a la categoría de retorta.

El principio es antiguo: en el norte de China, la escasez de carbón vegetal llevó al desarrollo de procesos que utilizaban carbón duro antes del siglo IV. Para evitar cualquier contacto entre el hierro y el azufre , el elemento frágil proporcionado por el carbón, China desarrolló un proceso que implicaba colocar mineral de hierro en baterías de crisoles tubulares alargados y cubrirlos con una masa de carbón, que luego se quemaba. [23] Este proceso sobrevivió hasta el siglo XX. [24]

Más recientemente, han cobrado importancia otros procesos históricos, como el de Adrien Chenot, operativo en la década de 1850 en varias plantas de Francia y España. Las mejoras sucesivas de Blair, Yutes, Renton y Verdié [1] no son significativas. [2] [25] Entre los procesos desarrollados se encuentra el proceso HOGANAS, perfeccionado en 1908. Tres pequeñas unidades siguen operativas (a fecha de 2010). No es muy productivo, se limita a la producción de hierro en polvo, pero como es lento y opera en retortas cerradas, alcanza fácilmente las purezas requeridas por la pulvimetalurgia . [26]

Se desarrollaron otros procesos de retorta, como KINGLOR-METOR, perfeccionado en 1973. Se construyeron dos unidades pequeñas en 1978 (cerrada) y 1981 [12] (probablemente cerrada [27] ).

Procesos continuos

Unidad Lebeddinskv GOK-1 en Gubkin ( Rusia ): proceso HYL comenzó en 1999, capacidad 0,9 Mt/año.

Basados ​​en el principio de flujo de pistón a contracorriente , estos procesos son los más cercanos al alto horno o, más exactamente, al stückofen. Los gases reductores calientes se obtienen a partir de gas natural, en una unidad separada de la mina, y se inyectan en el fondo de la mina, mientras que el mineral se carga en la parte superior. Los materiales pre-reducidos se extraen en caliente, pero en forma sólida, del fondo de la mina. Esta similitud con un alto horno sin su crisol lo convirtió en uno de los primeros procesos explorados por los metalúrgicos, pero los fracasos del alemán Gurlt en 1857, y del francés Eugène Chenot (hijo de Adrien) alrededor de 1862, llevaron a la conclusión de que "la reducción del mineral de hierro [...] es por lo tanto [no] posible en grandes cantidades solo con gas". [4]

Desarrollado en los años 70, el proceso Midrex es el mejor ejemplo de un proceso continuo de reducción directa. Un éxito tanto técnico como comercial, que desde 1980 representa alrededor de dos tercios de la producción mundial de materiales prerreducidos. Su similitud con el alto horno significa que comparte algunas de sus ventajas, como la alta capacidad de producción, y algunas desventajas, como la relativa dificultad de controlar varias reacciones simultáneas en un solo reactor (ya que la naturaleza del producto cambia considerablemente a medida que viaja a través del recipiente). La estrategia de venta de unidades llave en mano , combinada con un aumento cauteloso de la capacidad de producción, ha proporcionado a este proceso una buena visibilidad financiera [nb 11] y técnica... en comparación con las esperanzas a menudo frustradas de los procesos competidores. [8] [16]

Su competidor directo, el proceso HYL III, es el resultado de un esfuerzo de investigación del Grupo Tenova (de), heredero de los pioneros mexicanos Hylsa. Representa casi el 20% de la producción de productos prerreducidos y se diferencia del proceso Midrex en que cuenta con una unidad de reformado interna para la producción de gases reductores. [28]

Se han desarrollado otros procesos basados ​​en este principio de reactor continuo. Algunos, como ULCORED, [29] todavía están en la etapa de estudio. La mayoría se han desarrollado en un solo país o por una sola empresa. Otros fracasaron, como el proceso NSC, del que se construyó una sola planta en 1984 y se convirtió en HYL III en 1993, [30] ARMCO (una sola unidad [31] puesta en servicio en 1963 [32] y cerrada en 1982 [33] ) o PUROFER (3 unidades operativas de 1970 a 1979, [12] la producción a pequeña escala se reanudó en 1988). [33]

Los procesos a carbón son variantes de los procesos a gas natural, en los que el gas puede sintetizarse a partir de carbón en una unidad adicional. Entre estas variantes, el MXCOL, del que una unidad está en funcionamiento desde 1999 [14] y dos están en construcción, es un Midrex alimentado por una unidad de gasificación de carbón. [34] Técnicamente maduros pero más complejos, están en desventaja en comparación con los procesos equivalentes a gas, que requieren una inversión ligeramente menor. [35]

Diagrama del proceso Midrex, que representa dos tercios de la producción mundial de mineral de hierro pre-reducido.

Lechos fluidizados

Diagrama simplificado de un reactor de lecho fluidizado.

Dado que la reducción directa es un intercambio químico entre gas y sólido, la fluidización de minerales mediante gases reductores es una línea de investigación atractiva. Sin embargo, la naturaleza cambiante de los constituyentes, combinada con la alta temperatura y la dificultad de controlar el fenómeno de fluidización, hacen que su adopción sea singularmente difícil.

Se han desarrollado muchos procesos sobre este principio. Algunos han sido fracasos técnicos, como el HIB (una sola planta [36] puesta en servicio en 1972, convertida en Midrex en 1981 [37] ) o fracasos económicos, como el proceso FIOR (una sola planta puesta en servicio en 1976, suspendida desde 2001, [33] el precursor de FINMET). [17]

Desarrollado en 1991 a partir del proceso FIOR, el proceso FINMET parece más maduro, pero su expansión no se ha materializado (se construyeron dos plantas [17] y solo una estaba en operación en 2014 [38] ). El proceso CIRCORED, también reciente, [39] está igualmente estancado (solo se construyó una planta, puesta en servicio en 1999, suspendida en 2012 [8] ), a pesar de su adaptabilidad al carbón (proceso CIRCOFER, sin producción industrial). [18]

Procesos en hornos rotatorios

La rotación del horno de reducción puede ser una opción de diseño destinada a hacer circular el mineral a través del horno. También puede desempeñar un papel activo en la reacción química al garantizar la mezcla entre los reactivos presentes. Los procesos de solera rotatoria, en los que el mineral reposa sobre un lecho fijo y viaja a través de un túnel, pertenecen a la primera categoría. Los procesos de horno rotatorio, en los que el mineral se mezcla con carbón a alta temperatura, constituyen la segunda categoría.

Hogar rotatorio

Estos procesos consisten en un horno anular en el que se hace circular mineral de hierro mezclado con carbón. Los gases reductores calientes fluyen sobre la carga y, a veces, a través de ella. El mineral se deposita en una bandeja o en carros que giran lentamente en el horno. Después de una rotación, el mineral se reduce; luego se descarga y se reemplaza por mineral oxidado.

Se han desarrollado numerosos procesos basados ​​en este principio. En los años 1970-1980, el proceso INMETCO sólo demostró la validez de la idea, sin aplicación industrial. [40] El proceso MAUMEE (o DryIron) llegó a buen puerto en los EE. UU. con la construcción de dos pequeñas unidades industriales en los años 1990. [41] De manera similar, en Europa, un consorcio de fabricantes de acero del Benelux desarrolló el proceso COMET en el laboratorio entre 1996 y 1998. A pesar de que el consorcio se retiró del programa de investigación en 1998, se extrapoló un único demostrador industrial a partir de él, el SIDCOMET, que se interrumpió en 2002. [42] RedIron, cuya única unidad operativa se inauguró en Italia en 2010, [43] también se beneficia de esta investigación. Japón ha adoptado el proceso FASTMET, con la puesta en servicio de tres unidades dedicadas a la recuperación de polvos ricos en hierro, [44] y está proponiendo una versión mejorada, el proceso ITmk3, con una unidad en operación en los Estados Unidos. [45]

Diagrama esquemático de un proceso de reducción directa en un hogar rotatorio, el proceso ITmk3.

Esta lista no exhaustiva muestra que, a pesar del gran interés demostrado por los fabricantes de acero de los países desarrollados durante la década de 1990, ninguno de estos procesos tuvo éxito comercial.

Tambores rotatorios

Vista de los 6 hornos rotativos de la planta de reducción directa de Essen-Borbeck, alrededor de 1964.

Estos procesos implican la mezcla a alta temperatura de mineral de hierro y polvo de carbón, con un poco de piedra caliza para reducir la acidez del mineral. Procesos como el de Carl Wilhelm Siemens [46], basado en el uso de un tambor corto, [47] aparecieron por primera vez a finales del siglo XIX. La herramienta utilizada luego evolucionó hacia un horno rotatorio tubular largo, inspirado en los utilizados en las fábricas de cemento, como en el proceso Basset, desarrollado en la década de 1930. [48]

Un proceso de importancia histórica es el Krupp-Renn. Desarrollado en la década de 1930, en 1945 había nada menos que 38 hornos que, aunque en aquel momento sólo tenían una capacidad de 1 Mt/año, se instalaron en todo el mundo. [19] Este proceso fue mejorado [nb 12] e inspiró los hornos alemanes Krupp-CODIR [49] y los procesos japoneses Kawasaki [50] y Koho. Ambos procesos japoneses integran una unidad de peletización de subproductos de acero aguas arriba de los hornos rotativos. Se construyeron dos unidades de cada proceso entre 1968 (Kawasaki) y 1975 (Koho). [21]

Diagrama esquemático de un proceso de reducción directa en un tambor rotatorio, el proceso Krupp-Renn.

El proceso ACCAR, desarrollado a finales de los años 1960 y utilizado de forma confidencial hasta 1987, [8] utiliza una mezcla de 80% de carbón y 20% de petróleo o gas: los hidrocarburos , aunque más caros, enriquecen el gas reductor con hidrógeno. [11] El proceso alemán Krupp-CODIR, operativo desde 1974, ha tenido poco más éxito: sólo se han puesto en servicio tres unidades. [22] Finalmente, los fabricantes de acero indios están detrás de los procesos SIIL, Popurri, Jindal, TDR y OSIL, que son simplemente variantes [nb 13] desarrolladas para satisfacer limitaciones técnicas y económicas específicas. [11]

Otros procesos basados ​​en el mismo principio no lograron desarrollarse, como el Strategic-Udy, [19] que consistía en una sola planta puesta en funcionamiento en 1963 y cerrada en 1964. [37]

El proceso SL/RN, desarrollado en 1964, dominó los procesos a carbón en 2013. En 1997, representó el 45% de la producción de carbón prerreducido. [20] En 2012, sin embargo, la capacidad de producción para este proceso había caído a solo 1,8 Mt/año, de un total de 17,06 Mt atribuidas a los procesos a carbón. [nb 14] [8]

Procesos de reducción directa mediante tambores rotatorios [51]
123a3b45
Consistencia del producto obtenidosólidopastososol. ( clínker )

líquido ( hierro fundido )

Contenido ideal de hierro (%)30-6030-6055-6325-4550-67
Granulometría del mineral (mm)< 20< 20< 105-25 [número 15]< 5< 0,2
Basicidad de la carga (CaO/Al 2 O 3 )cualquier0,32,8-3,0
Temperatura máxima (°C)600-900900-11001200-13001400-1500
Reducción (% O 2 eliminado de Fe 2 O 3 )12 %20-70>90100
Ejemplos de procesosAire líquidoAlto Veld

Udy Larco

EnfermeraEnfermera registrada/enfermera diplomada

Krupp

Krupp-

Ren

Afloramiento

Procesos de reducción-fusión

Como la etapa de fundición es necesaria para obtener aleaciones y dar forma al producto, los procesos de reducción directa se combinan con frecuencia con instalaciones de fundición posteriores.

La mayor parte del mineral de hierro prerreducido se funde en hornos eléctricos: en 2003, 49 de las 50 Mt producidas se destinaron a hornos eléctricos. [52] La integración del proceso es generalmente muy avanzada, para aprovechar la alta temperatura (más de 600 °C) del prerreducido del reactor de reducción directa. [28]

Una idea es realizar todo el proceso de reducción-fusión en el horno de arco instalado aguas abajo de la planta de reducción. Se han ideado y probado varios procesos de plasma que funcionan por encima de los 1530 °C. Los hornos pueden ser de arco no transferido ( Plasmasmelt , Plasmared ) o de arco transferido (ELRED, EPP, SSP, The Toronto System , reactor de película de plasma descendente). Todos estos procesos comparten la ventaja del horno eléctrico de su bajo coste de inversión y su desventaja de utilizar una fuente de energía cara. En el caso de la reducción directa, esta desventaja se ve compensada por el hecho de que se requiere una gran cantidad de calor, tanto para el proceso de reducción como por la ganga que se va a fundir.

Una alternativa al horno eléctrico es fundir el prerreductor con un combustible. El horno de cubilote es ideal para esta tarea, pero como una de las razones de la existencia de los procesos de reducción directa es la no utilización de coque , han surgido otros hornos de fusión. El proceso COREX , en funcionamiento desde 1987, consiste en un reactor de cuba de reducción directa que alimenta un crisol de alto horno, en el que el mineral prerreducido se lleva a un estado de fundición líquido, consumiendo únicamente carbón. Este proceso también produce un gas reductor caliente, que se puede valorizar en una unidad de tipo Midrex. [53] Un equivalente a COREX, basado en el lecho fluidizado FINMET en lugar del recipiente Midrex, es el proceso coreano FINEX (una contracción de FINMET y COREX). [54] Ambos procesos están en funcionamiento industrial en varias plantas de todo el mundo. [38]

Por último, pero no por ello menos importante, se han estudiado varios hornos de reducción-fusión en el mismo reactor, pero aún no han conducido a un desarrollo industrial. Por ejemplo, el proceso ISARNA [29] y su derivado HISARNA (una combinación de los procesos ISARNA y HISMELT [55] ), es un reactor ciclónico que realiza la fusión antes de la reducción. [29] Estos procesos han culminado en un demostrador industrial probado en los Países Bajos desde 2011. [55] De manera similar, los fabricantes de acero japoneses unieron fuerzas en la década de 1990 para desarrollar el proceso DIOS que, como muchos procesos de reducción-fusión, es similar a los convertidores de oxígeno . [56] El proceso TECNORED, estudiado en Brasil, [57] también realiza la reducción-fusión en el mismo recipiente, pero es más parecido a un alto horno modificado para adaptarse a cualquier tipo de combustible sólido. [58] De todos los procesos de este tipo que se han desarrollado, una única unidad industrial tipo ISASMELT construida en Australia, con una capacidad de 0,8 Mt/año, [59] operó de 2005 a 2008 [60] antes de ser desmantelada y enviada a China, donde se reinició en 2016. [61]

Importancia económica

Control de los requerimientos de capital y materiales

En los Estados Unidos, donde se desarrolló por primera vez el proceso Midrex, en los años 1960 se consideró que la reducción directa era una forma de insuflar nueva vida a la fabricación de acero eléctrico. El modelo técnico-económico de las miniacerías, basado en la flexibilidad y en la reducción del tamaño de las plantas, se vio amenazado por la escasez de chatarra y el consiguiente aumento de su precio. Como la misma escasez afectaba al coque metalúrgico, el regreso a la vía del alto horno no parecía una solución atractiva. [19]

En teoría, la reducción directa es adecuada para el uso de minerales menos compatibles con los altos hornos (como los minerales finos que obstruyen los hornos), que son menos costosos. También requiere menos capital, lo que la convierte en una alternativa viable a los dos métodos probados de hornos eléctricos y altos hornos. [19]

Rendimiento económico y técnico comparativo de algunos procesos de reducción o reducción/fusión (datos de 2010) [62]
Alto horno con inyección de carbón.HIsmeltCOREXMidrexHILA IIIHorno eléctrico
Productos de entrada9 % pellets / 91 % aglomerado100 % finos de mineral50 % pellets / 50 % aglomerado100 % pellets100% mineral pre-reducido
Producto de salidaHierro fundidoHierro fundido / gas reductorMineral de hierro pre-reducidoAcero fundido sin alear
Capacidad de producción (kt/año) [8]300 a 4.200≈ 800300 a 1.500400 a 1.700500 a 1.100
Coste de inversión (€ 2010 /(Mt/año)) [nb 16]273428200194191108
CO2 producido (tCO2 / t )1,51,572,90,650,530,058
Requerimiento de coque (GJ/t) [nb 17]9,303,10
Requerimiento de carbón (GJ/t) [nb 18]6,2014,76270
Requerimiento de electricidad (kWh/t)138174,890135,4104,2697,7
Requerimiento de gas natural (GJ/t) [nb 19]01,68010,890,09
Producción de gas (GJ/t)3,25

( gas de alto horno )

010,9

(gas COREX)

0

El cuadro comparativo muestra que la diversidad de procesos también se justifica por la necesidad de materiales de calidad. La planta de coquización que alimenta una batería de altos hornos es tan costosa como el alto horno y requiere una calidad específica de carbón. [62] [63] Por el contrario, muchos procesos de reducción directa tienen la desventaja de la costosa transformación del mineral en pellets: estos cuestan en promedio un 70% más que el mineral en bruto. [64] Finalmente, las necesidades de gas pueden aumentar significativamente los costos de inversión: el gas producido por un COREX es notablemente adecuado para alimentar una unidad Midrex, [53] pero el atractivo de la baja inversión entonces se desvanece. [65]

Los beneficios de la reducción directa del combustible

Aunque la manipulación y el procesamiento del gas son mucho más económicos que la conversión de carbón en coque (sin mencionar las limitaciones asociadas, como la manipulación a granel, la alta sensibilidad de las plantas de coque a las fluctuaciones de la producción, el impacto ambiental, etc.), la sustitución del coque por gas natural sólo hace que la reducción directa resulte atractiva para los fabricantes de acero con recursos de gas baratos. Este punto es esencial, como señalaron los fabricantes de acero europeos en 1998:

"No hay ningún secreto: para ser competitivo, la reducción directa requiere gas natural a 2 dólares por gigajulio, la mitad del precio europeo". - L'Usine nouvelle , septiembre de 1998, La réduction directe passe au charbon .

Esto explica el desarrollo de ciertos procesos de reducción-fusión que, debido a las altas temperaturas involucradas, tienen un excedente de gas reductor. Los procesos de reducción-fusión como el COREX, capaz de alimentar una unidad auxiliar de reducción directa Midrex [52] , o el Tecnored, se justifican por su capacidad de producir gas rico en CO a pesar de su mayor coste de inversión. [62] Además, el gas de horno de coque es un coproducto esencial en la estrategia energética de un complejo siderúrgico: la ausencia de un horno de coque debe, por tanto, compensarse con un mayor consumo de gas natural para las herramientas posteriores, en particular los hornos de laminación en caliente y de recocido .

Por lo tanto, la distribución mundial de las plantas de reducción directa está directamente relacionada con la disponibilidad de gas natural y de minerales. En 2007, la distribución fue la siguiente: [52]

  • Los procesos de gas natural se concentran en América Latina (donde ya se han desarrollado muchos) y Oriente Medio;
  • Los procesos a carbón tienen un éxito notable en la India, manteniendo la proporción de acero producido por reducción directa a pesar del fuerte desarrollo de la industria siderúrgica china. [8]

China, país con necesidades gigantescas y con déficit de chatarra, y Europa, carente de minerales y combustibles competitivos, nunca han invertido masivamente en estos procesos, permaneciendo fieles a la vía de los altos hornos. Estados Unidos, por su parte, siempre ha contado con algunas unidades, pero desde 2012, la explotación del gas de esquisto ha dado un nuevo impulso a los procesos de gas natural. [66]

Sin embargo, debido a que la reducción directa utiliza mucho más hidrógeno como agente reductor que los altos hornos (lo que es muy claro para los procesos de gas natural), produce mucho menos CO 2 , un gas de efecto invernadero . [62] Esta ventaja ha motivado el desarrollo de procesos ULCOS en países desarrollados, como HISARNA, ULCORED y otros. La aparición de tecnologías maduras de tratamiento de gases, como la adsorción por oscilación de presión o el tratamiento de gases con aminas , también ha reavivado el interés de los investigadores. [29] Además de reducir las emisiones de CO 2 , los procesos de hidrógeno puro como Hybrit se están estudiando activamente con vistas a descarbonizar la industria del acero. [67]

Notas

  1. ^ Es fundamental distinguir entre capacidad de producción y producción real. De hecho, muchas plantas nunca han alcanzado su capacidad de producción teórica y muchas otras se utilizan de forma esporádica, cuando las condiciones económicas hacen rentable su explotación.
  2. ^ Entre 1950 y 1975 se registraron 1.200 patentes, se analizaron 100 procesos y se probaron 12 principios esenciales5. En 2014, Stanley Santos contabilizó 70 desarrollos de procesos de reducción directa y 45 procesos de reducción-fusión... una cifra muy subestimada si recordamos que en 1890, Marion Howe ya citaba, como ejemplo, 35 procesos de reducción directa.
  3. ^ Esta unidad inaugura el proceso HYL I. Con una capacidad inicial de 75.000 toneladas anuales, produjo mineral pre-reducido hasta 1991.
  4. ^ En 2006, el 92% del mineral prerreducido procedía de procesos que utilizaban gas natural. Sin embargo, desde 2010, esta proporción ha descendido al 75%.
  5. ^ Es fundamental distinguir entre capacidad de producción y producción real. De hecho, muchas plantas nunca han alcanzado su capacidad de producción teórica y muchas otras se utilizan de forma esporádica, cuando las condiciones económicas hacen rentable su explotación.
  6. ^ Las variantes de los procesos Midrex y HYL no recibieron nombres específicos, ya que las empresas que los comercializaban querían tranquilizar a los clientes sobre la madurez tecnológica de sus procesos. Por el contrario, los fabricantes de acero indios que modificaban sus hornos rotativos querían enfatizar su originalidad (muy relativa).
  7. ^ La wustita es en realidad un compuesto no estequiométrico con una tasa de oxidación variable. Los metalúrgicos suelen utilizar la fórmula FeO 1,0356
  8. ^ Según el diagrama, la reducción del CO comienza a temperaturas más bajas: para la hematita y la magnetita, comienza a 690 °C, para la wustita a 830 °C. En cuanto a la reducción por H 2 , la reducción de la hematita comienza a 630 °C, mientras que la reducción de la magnetita requiere 1.050 °C y la reducción de la wustita a más de 1.500 °C (temperatura de fusión del hierro).
  9. ^ Más específicamente, el hidrógeno promueve la reducción por monóxido de carbono a través de las siguientes reacciones: Fe 3 O 4 + H 2 → 3 FeO + H 2 O H 2 O + CO → H 2 + CO 2 o: Fe 3 O 4 + CO → 3 FeO + CO 2 Así como: FeO + H 2 → Fe + H 2 O H 2 O + CO → H 2 + CO 2 o: FeO + CO → Fe + CO 2
  10. ^ Si bien distinguir los procesos a gas de los procesos a carbón es un enfoque común, por supuesto existen otras posibles diferencias, como las basadas en la temperatura, el acondicionamiento del mineral antes de la reducción, el producto obtenido, etcétera.
  11. ^ Las variantes de los procesos Midrex y HYL no recibieron nombres específicos, ya que las empresas que los comercializaban querían tranquilizar a los clientes sobre la madurez tecnológica de sus procesos. Por el contrario, los fabricantes de acero indios que modificaban sus hornos rotativos querían enfatizar su originalidad (muy relativa).
  12. ^ Una de las ventajas del proceso Krupp-Renn reside en su capacidad de tratar minerales silíceos, sin necesidad de reducir la acidez de la ganga mediante la costosa adición de cal. Pero una ganga ácida es poco fundible, lo que dificulta la reducción del hierro y da lugar a una prerreducción de mala calidad. Una solución costosa y parcial es operar a temperaturas más altas.
  13. ^ Las variantes de los procesos Midrex y HYL no recibieron nombres específicos, ya que las empresas que los comercializaban querían tranquilizar a los clientes sobre la madurez tecnológica de sus procesos. Por el contrario, los fabricantes de acero indios que modificaban sus hornos rotativos querían enfatizar su originalidad (muy relativa).
  14. ^ Es fundamental distinguir entre capacidad de producción y producción real. De hecho, muchas plantas nunca han alcanzado su capacidad de producción teórica y muchas otras se utilizan de forma esporádica, cuando las condiciones económicas hacen rentable su explotación.
  15. ^ Para ilmenita y arenas ferruginosas: tamaño de grano 0,05 a 0,5 mm.
  16. ^ Con 1 $ 2000 ≈1,34 € 2010 , si suponemos un tipo de cambio de 1 $ 2000 ≈1,07 € 2000 y una tasa de inflación de 1 € 2000 ≈1,23 € 2010
  17. ^ Con 1 tonelada de coque equivalente a 27,920 GJ, 1 tonelada de carbón equivalente a 25,911 GJ53, 1.000 Nm3 u 800 kg de gas natural equivalente a 36
  18. ^ Con 1 tonelada de coque equivalente a 27,920 GJ, 1 tonelada de carbón equivalente a 25,911 GJ53, 1.000 Nm3 u 800 kg de gas natural equivalente a 36
  19. ^ Con 1 tonelada de coque equivalente a 27,920 GJ, 1 tonelada de carbón equivalente a 25,911 GJ53, 1.000 Nm3 u 800 kg de gas natural equivalente a 36

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Véase también

Bibliografía

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