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Revisin y evaluacin de procesos alternativos al horno altoW Alberto Conejo Nava*Resumen Se hace una revisin crtica de los diversos procesos alternativos al homo alto, tanto de procesos de reduccin en estado slido como de procesos de reduccin en estado lquido. La comparacin de procesos permite identificar ventajas y desventajas de cada uno de ellos as como sealar sus principales retos para poder competir en la misma escala de produccin del homo alto, proceso que hasta ahora domina el escenario mundial de produccin de unidades de hierro.

Palabras clave

Reduccin directa. Fusin reductora. Homo alto.

Review and evaluation of alternative processes to the blast furnaceAbstract A critical review on the alternative processes to the blast furnace, involving both solid and liquid State reduction is presented. Process comparison allows to identify advantages and disadvantages of each type of processes as well as to highlight the major challenges faced in order to compete with the traditional ironmaking route: the blast furnace, which today rules the production of iron units worldwide.

Keywords

Direct reduction. Smelting. Blast furnace.

1. ANTECEDENTES

Tabla I. Consumo histrico de carbn en el horno alto Table I. Carbn consumption in the blast furnace Ao 1540 1600 1650 1700 1750 1965 1975 1997 C/Fe,(t) 3,9 2,6 1,9 1,5 1,2 0,80 0,63 0,40-0,47

La produccin de hierro a escala mundial es dominada por un solo proceso: el horno alto. En 1999 se produjeron 788 millones de toneladas de acero, empleando los siguientes materiales'^': 541 millones de toneladas de arrabio. 354 millones de toneladas de chatarra. 38,6 millones de toneladas de hierro esponja.

El horno alto constituye una instalacin emblemtica en la siderurgia, cuyos precedentes se remontan, segn Rehder'^% a ocho milenios. En su larga historia se han dado desarrollos impresionantes en su diseo y en su operacin, siendo ejemplo de ello la evolucin del consumo de carbn, tal como se muestra en la tabla I: El taln de Aquiles del horno alto es el coque. El consumo mundial de carbn, en 250 plantas de coquizacin, es de 450 millones de toneladas' % a partir de las cuales se producen 340 millones de toneladas de coque. Adems del problema del coque, existe tambin el problema relacionado con la alta escala de produccin de un horno alto() {*)

(1-4,5 mtpa), la cual le confiere poca flexibilidad. Para reducir la elevada dependencia del coque se ha producido una intensa revolucin tecnolgica del proceso de horno alto en los aspectos, complementarios entre s, de elevacin de la temperatura del viento y de inyeccin de hidrocarburos (principios de los aos 60) o de fnos de carbn (principios de los aos 80). El proceso alterno que compita con el horno alto (Tabla II), tomando como referencia su volumen de produccin, deber de reunir caractersticas especiales, que permitan:

Trabajo recibido el da 28 de enero de 2000 y aceptado en su forma final el da 18 de diciembre de 2000. Instituto Tecnolgico de Morelia. Av.Tecnolgico 1500, Col. Lomas de Santiaguito. 58120 Morelia, Mich., Mxico. aconejo@antares.tecmor.mx

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A. CONEJO NAVA

Tabla II. Caractersticas del horno alto Table IL Blasf furnace features

Caractersticas Volumen trabajo Reductor Carga Consumo carbn Energa Productividad

Magnitudes 5.000 m^ Coque mineral, sinter, pellet, coque 400 kg/t arrabio 14,0GJ/t 2-2,5 t/m^ d

tores en fase gaseosa (CO y H2) generados por reacciones qumicas. Las reacciones de reduccin que involucran reacciones gas-slido son ms rpidas que las reacciones cuyas interfaces son slidoslido, debido, no slo a una mayor rea de contacto sino tambin a una mayor velocidad de difusin de especies gaseosas comparada con la difusin en estado slido. Las reacciones principales en la reduccin de xidos de hierro en el h o m o alto son las siguientes:

-

Eliminar o depender a un mnimo del coque, empleando materia prima ms barata. Eliminar la etapa previa de aglomeracin de los finos de mineral de hierro. Obtener un producto libre de escoria. Aumentar el ndice de productividad (t/m^ d). Lograr un menor consumo de energa (GJ/t). Disminuir los costes de inversin y operacin. Realizar un mantenimiento fcil y de bajo costo. Conseguir una operacin fcil, flexible y libre de riesgos. Desarrollar un proceso no contaminante del ambiente.

aPe^Ovo + bCO/^N = mPe^O^r.^ + n C O w(s) ^2(g) ^(s) Ag) C(s) +C02(g) = 2CO(g) AH(2) (L400 K) = + 166,31 kj/mol

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Se dispone, en la actualidad, de una gran cantidad de procesos alternativos al homo alto que permiten obtener hierro. El objetivo de este trabajo es revisar sus caractersticas y evaluar sus ventajas. Todos estos procesos se pueden agrupar en dos tipos: procesos de reduccin en estado slido y procesos de reduccin en estado liquido (smelting). La comparacin de procesos tomar como base de anlisis los aspectos enumerados anteriormente. 2. EL FENMENO DE REDUCCIN La produccin de hierro en el horno alto esta dividida en dos etapas principales: reduccin principal en estado slido seguida de fusin, en la cual se logra una reduccin complementaria en estado lquido, y carburacin. Otro rasgo importante que presenta este proceso es que el gas reductor se genera de manera interna. La velocidad de produccin est determinada directamente por la velocidad de reduccin de los xidos de hierro. Si se toman como referencia los fenmenos qumicos de los procesos alternativos, stos no ofrecen nada nuevo. La reduccin en estado slido se efecta por medio del carbono slido y por medio de reducRev. Metal Madrid 36 (2000) (c) Consejo Superior de Investigaciones Cientficas Licencia Creative Commons 3.0 Espaa (by-nc)

Esta ltima reaccin, conocida como reaccin de Boudouard o reaccin de prdida de solucin, es altamente endotrmica y se promueve por tanto a altas temperaturas, preferentemente en la zona de toberas. Durante la reduccin del mineral en estado slido operan diversos mecanismos: transferencia de masa entre el gas reductor y el slido, transferencia de calor, reacciones qumicas, as como fenmenos de nucleacin y crecimiento de las nuevas fases. Debido a que la reduccin de xidos de hierro no se efecta en una sola etapa, sino en varias, los diferentes mecanismos sealados actan de diversa manera dependiendo de las fases especificas involucradas. La wstita (Fei_xO) y la magnetita (Fe3_x04) poseen en comn, no solo la misma estructura cbica sino adems el mismo tipo de defectos. Son estructuras deficientes en cationes mientras que, por el contrario, la hematita (Fe203_x) posee una estructura rombodrica deficiente en aniones. 3. PROCESOS DE REDUCCIN DIRECTA Los procesos de reduccin directa se pueden clasificar, de acuerdo con el tipo de reductor, en procesos que utilizan reductor slido o procesos que utilizan reductor en fase gaseosa. Ha existido una gran variedad de procesos y, sin embargo, una gran parte no ha alcanzado la etapa comercial. Actualmente, los procesos que emplean reductor gaseoso obtienen el 92 % de la produccin mundial de hierro esponja (DRI). La tabla III resume la produccin mundial de DRI por procesos'[4]

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Revisin y evaluacin de procesos alternativos al horno alto

Tabla III. Produccin mundial de DRI por procesos en 1999 Table III. Worldwide DRI production by processes in J 999

Tabla V. Caractersticas del proceso WIBERG Table V. Features of WIBERG'S process WIBERG Inicio 1918 M. Wiberg, Suecia Vertical CO Columna de coque Pelet 9,5 GJ/t

Base Gas MIDREX HYLI HYLIII FIOR FINMET PUROFER Otros Totales

nntpa

%67,3 2,3 20,6 0,90 0,83 0,10 0,47 92,5

Base Carbn SL/RN CODIR DRC KINGLOR Otros

nntpa

%3,0 0,39 0,93 0,08 3,1 Energa Desarrollado por Tipo de horno Reductor

25,97 0,87 7,94 0,34 0,32 0,04 0,18 35,7

1,16 0,15 0,36 0,03 1,2

Generacin del reductor xido de Hierro

3.1. Procesos con reductor en fase gaseosaTotales 2,9 7,5

Antes de iniciar la revisin de procesos comerciales, se sealarn dos procesos cuya importancia es, sobre todo, de tipo histrico. El primer proceso de reduccin directa fue el proceso H O G A N A S (Tabla IV). El fundamento operativo del proceso comienza por la colocacin de los finos de mineral de hierro dentro de tubos cilindricos {''saggers'')^ rodeado de capas compuestas por finos de coque y fundente. El material se transporta dentro de un horno de tnel a una temperatura de 1.200 C. Se genera un producto de alta metalizacin y, sin embargo, por ser un proceso con un manejo complicado, no es adecuado para la produccin a gran escala. Este proceso se emplea en la produccin de polvos de hierro utilizados en metalurgia de polvos. El sueco Martn Wiberg fue excepcionalmente productivo en el terreno de la reduccin de minerales de hierro. Fue l quin invento un proceso novedoso (Tabla V) empleando hornos verticales. Este proceso es antecesor de los procesos modernos tales como el proceso MIDREX.Tabla IV. Caractersticas del proceso HOGANAS Toble IV. Features of HOGANAS Process

Los procesos con reductor en fase gaseosa, comercialmente ms importantes, son el proceso HYL y el proceso MIDREX. Los procesos FIOR y PUROFER operan comercialmente, pero en baja escala. 3.7.7. HYL El proceso HYL cuenta con dos versiones: el proceso HYLI, que actualmente no se comercializa, y el proceso HYLIII. El proceso HYLI era un proceso por cargas (Tabla VI). Fue el primer proceso comercial con xito mundial. El gas reductor es producido por reformado cataltico del gas natural, empleando un exceso de vapor de agua, segn la reaccin: C H 4(g + H20(,) = CO(,) + 3H ^2(g)

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La reaccin es endotrmica. El exceso de vapor de agua es utilizado para prevenir la precipitacin de carbono y evitar la desactivacin del

Tabla VI. Caractersticos del proceso HYLI Table VI. Features of HYLI process HYLI HOGANAS Inicio Desarrollado por Tipo de horno Reductor xido de Hierro Energa 1908 Hoganas,AB, Suecia Tnel Reduccin carbotrnnica Concentrado (