Hierro de reducción directa

El hierro de reducción directa ( DRI ), también llamado hierro esponja , ^[1] se produce a partir de la reducción directa del mineral de hierro (en forma de trozos, pellets o finos) en hierro mediante un gas reductor que contiene carbono elemental (producido a partir de gas natural o carbón ) y/o hidrógeno . Cuando se utiliza hidrógeno como gas reductor, no se produce dióxido de carbono. Muchos minerales son adecuados para la reducción directa.

La reducción directa se refiere a los procesos en estado sólido que reducen los óxidos de hierro a hierro metálico a temperaturas inferiores al punto de fusión del hierro. El hierro reducido deriva su nombre de estos procesos, un ejemplo es el calentamiento del mineral de hierro en un horno a una temperatura alta de 800 a 1200 °C (1470 a 2190 °F) en presencia del gas reductor syngas , una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono , o hidrógeno puro. ^[2]

Los procesos de reducción directa se pueden dividir en dos categorías: basados ​​en gas y basados ​​en carbón. En ambos casos, el objetivo del proceso es eliminar el oxígeno contenido en diversas formas de mineral de hierro (mineral calibrado, concentrados, pellets, cascarilla de laminación, polvo de horno, etc.) para convertir el mineral en hierro metálico, sin fundirlo (por debajo de 1200 °C (2190 °F)).

El proceso de reducción directa es comparativamente eficiente en términos de energía. El acero fabricado con DRI requiere mucho menos combustible, ya que no se necesita un alto horno tradicional. El DRI se convierte en acero más comúnmente utilizando hornos de arco eléctrico para aprovechar el calor producido por el producto DRI. ^[3]

Los procesos de reducción directa se desarrollaron para superar las dificultades de los altos hornos convencionales . Las plantas de reducción directa no necesitan ser parte de una planta siderúrgica integrada, como es característico de los altos hornos. La inversión inicial de capital y los costos operativos de las plantas de reducción directa son menores que los de las plantas siderúrgicas integradas y son más adecuadas para los países en desarrollo donde los suministros de carbón de coque de alta calidad son limitados, pero donde la chatarra de acero generalmente está disponible para reciclar. ^{[ cita requerida ]} Muchos otros países utilizan variantes del proceso.

Factores que ayudan a que el DRI sea económico:

• El hierro reducido directamente tiene aproximadamente el mismo contenido de hierro que el arrabio , típicamente entre el 90 y el 94 % de hierro total (dependiendo de la calidad del mineral en bruto), por lo que es una excelente materia prima para los hornos eléctricos utilizados por las miniacerías , lo que les permite usar calidades inferiores de chatarra para el resto de la carga o producir calidades superiores de acero.
• El hierro briquetado en caliente (HBI) es una forma compacta de DRI diseñada para facilitar su envío, manipulación y almacenamiento.
• El hierro reducido directamente en caliente (HDRI) es DRI que se transporta caliente, directamente desde el horno de reducción, a un horno de arco eléctrico, ahorrando así energía.
• El proceso de reducción directa utiliza mineral de hierro granulado o mineral natural en "trozos". Una excepción es el proceso de lecho fluidizado, que requiere partículas de mineral de hierro de distintos tamaños.
• El proceso de reducción directa puede utilizar gas natural contaminado con gases inertes, lo que evita la necesidad de retirar estos gases para otros usos. Sin embargo, cualquier contaminación del gas inerte del gas reductor reduce el efecto (calidad) de esa corriente de gas y la eficiencia térmica del proceso. El uso de gas natural también produce gases de efecto invernadero.
• En zonas como el norte de Australia se pueden conseguir suministros de mineral en polvo y gas natural crudo , lo que permite evitar los costes de transporte del gas. En la mayoría de los casos, la planta de DRI se encuentra cerca de una fuente de gas natural, ya que resulta más rentable enviar el mineral que el gas.
• Para eliminar el uso de combustibles fósiles en la fabricación de hierro y acero, se puede utilizar gas hidrógeno renovable en lugar de gas de síntesis para producir DRI y eliminar la producción de gases de efecto invernadero. ^[4]

El hierro de reducción directa es muy susceptible a la oxidación y la herrumbre si se deja desprotegido, y normalmente se procesa rápidamente para obtener acero. ^[5] El hierro a granel ^{[ página necesaria ]} también puede incendiarse (es pirofórico ). ^[6] A diferencia del arrabio de alto horno , que es casi metal puro, el DRI contiene algo de ganga silícea (si se fabrica a partir de chatarra, no de hierro nuevo de hierro de reducción directa con gas natural), que debe eliminarse en el proceso de fabricación de acero.

La producción de hierro esponjoso y su posterior procesamiento fue el primer método utilizado para obtener hierro en Oriente Medio , Egipto y Europa , donde se siguió utilizando hasta al menos el siglo XVI.

La ventaja de la técnica del alto horno es que el hierro se puede obtener a una temperatura de horno más baja, de tan sólo unos 1.100 °C. La desventaja, en relación con el alto horno, es que sólo se pueden fabricar pequeñas cantidades a la vez.

Las siguientes reacciones convierten sucesivamente la hematita (del mineral de hierro ) en magnetita , la magnetita en óxido ferroso y el óxido ferroso en hierro mediante reducción con monóxido de carbono o hidrógeno . ^[7]

${\displaystyle {\ce {3 Fe2O3 + CO/H2 -> 2 Fe3O4 + CO2/H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + CO/H2 -> 3 FeO + CO2/H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {FeO + CO/H2 -> Fe + CO2/H2O}}}$

La carburación produce cementita (Fe ₃ C):

${\displaystyle {\ce {3 Fe + CH4 -> Fe3C + 2H2}}}$

${\displaystyle {\ce {3 Fe + 2CO -> Fe3C + CO2}}}$

${\displaystyle {\ce {3 Fe + CO +H2 -> Fe3C + H2O}}}$

La India es el mayor productor mundial de hierro de reducción directa. ^[8]

El hierro esponjado no es útil por sí mismo, pero se puede procesar para crear hierro forjado o acero. La esponja se saca del horno, llamado horno de fundición, y se golpea repetidamente con martillos pesados ​​y se dobla para eliminar la escoria, oxidar el carbono o el carburo y soldar el hierro. Este tratamiento generalmente crea hierro forjado con aproximadamente un tres por ciento de escoria y una fracción de un por ciento de otras impurezas. Un tratamiento posterior puede agregar cantidades controladas de carbono, lo que permite varios tipos de tratamiento térmico (por ejemplo, "acero").

En la actualidad, el hierro esponjado se crea reduciendo el mineral de hierro sin fundirlo, lo que lo convierte en una materia prima energéticamente eficiente para los fabricantes de aceros especiales que antes dependían de la chatarra .

El hierro reducido con hidrógeno se utiliza como fuente de polvo de hierro de calidad alimentaria , para enriquecer los alimentos y para la eliminación del oxígeno . Esta forma elemental no se absorbe tan bien como las formas ferrosas, ^[9] pero su función de eliminación del oxígeno la hace atractiva. Los estándares de pureza para este uso se establecieron en 1977. ^[10]

• Proceso Krupp-Renn
• Alto horno
• Hierro fundido
• Molino de acero
• Reducción directa

Notas

Bibliografía

• Valipour MS y Saboohi, Y, "Investigación numérica de la reducción no isotérmica de hematita utilizando gas de síntesis: estudio a escala de pozo", Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 15(5), pág. 487, 2007.
• Grobler, F. y Minnitt, RCA "El papel cada vez más importante del hierro de reducción directa en la fabricación mundial de acero", The Australasian Institute of Mining and Metallurgy.