Unidad 3.2 Rd Proceso Midrex

Tecnologías de Reducción Directa Generalidades del Proceso MIDREX. Materia Prima, Instalaciones y Productos. Estadísticas Nacionales y Mundiales.

Prof. Ruselkis Flores Dpto. Ing. Metalúrgica Sección Siderurgia y Fundición

PROCESO MIDREX

Durante las últimas cuatro décadas, Midrex Technologies, Inc. ha enfocado sus esfuerzos en satisfacer las necesidades de la industria Siderúrgica mediante el suministro y la constante innovación de un proceso cada vez más confiable y productivo: el Proceso MIDREX.

El Proceso MIDREX es sin igual en la industria de Reducción Directa en términos de producción y flexibilidad de operación, para cumplir con la naturaleza en constante evolución de los fabricantes de acero y proveedores metálicos a base de minerales. La calidad ajustable del producto y la flexibilidad para producir diferentes formas de hierro, junto con algunos de los mejores registros de producción de toda la industria hacen de las Plantas MIDREX las más rentables en el mundo para poseer y operar.

PROCESO MIDREX MIDREX se especializa en el campo de la reducción directa de mineral de hierro, y se lo conoce principalmente por sus tecnologías basadas en el Gas Natural y Carbón. Estos procesos permiten la obtención de un producto metálico de alta pureza para su uso en la industria siderúrgica y están basados en dos equipos principales: - El horno de reducción Midrex, donde el mineral de hierro es reducido en contacto con gases reductores a alta temperatura. - El reformador Midrex, donde se generan los gases reductores a partir de gas natural. Como materia prima el proceso Midrex puede utilizar tanto pellas como mineral de hierro en trozos (grueso/calibrado) y gracias a la recirculación del gas tope del horno reductor al reformador, el proceso logra un muy bajo consumo de gas natural. Entre los años de 2.007 y 2.010 la capacidad instalada de las plantas Midrex superó los 15.000.000 Tons, incluyendo tres opciones de transporte y descarga en caliente. Se espera que para el año 2.017 la producción de HRD de las plantas Midrex alcance 1 Billón de toneladas acumulativas. Procesos con Tecnologías MIDREX Tradicionales, basados en Gas Natural: Nuevos, basados en reducción con Carbón: - Proceso MIDREX® de Reducción Directa - FASTMET® - Nuevos desarrollos: - FASTMELT®/FASTIRONTM - HOTLINKTM - FASTEELTM - OXY+TM - ITmk3TM - KWIKSteelTM - FASTOXTM

PROCESO MIDREX

PROCESO MIDREX

MATERIAS PRIMAS MIDREX El Proceso MIDREX ha operado con prácticamente cualquier mezcla de pellets y mineral grueso, habiendo procesado minerales ferrosos de calidad variable de más de 50 fuentes de todo el mundo.

Características Químicas

Midrex también trabaja con los operadores de plantas MIDREX para determinar las características y composición de las fuentes de óxido de hierro más adecuados para sus condiciones de funcionamiento.

Grueso

Fe (%)

67.0

SiO2 +Al2O3 (%)

3.0

El costo, la disponibilidad y la productividad dictan el tipo de materia prima a utilizar en la planta de reducción directa. Midrex tiene un programa de pruebas completas en su centro de investigación y desarrollo tecnológico que evalúa las materias primas existentes e investiga nuevas fuentes potenciales. El Laboratorio de Pruebas de Materiales Midrex puede evaluar todo tipo de pellas y mineral en trozos para determinar la idoneidad para la producción de HRD.

Pellas

S (%)

0.008

P (%)

0.003

TiO2 (%)

0.15

Características Físicas

Pellas

Grueso

6*16 mm

10*35 mm

10*35 mm (%)

-

85 mín.

6*16 mm (%)

95 mín.

-

Menos de 5 mm (%)

3 máx.

5 máx.

250 mín.

-

Pellas

Grueso

Tamaño Nominal

Resistencia a la Compresión (Kg) Características de Reducción Metalización (Linder Test 760 °C) Fracción menor a 3.36 mm (%)

93 mín. 2 máx.

5 máx.

PROCESO MIDREX En el proceso Midrex pueden distinguirse 3 sub-procesos importantes:

REDUCCIÓN MIDREX En términos generales, la reducción del mineral de Hierro se logra a medida que el mismo desciende a través del horno (reactor) por gravedad, a medida que esto sucede se calienta y el oxígeno es retirado por los gases que fluyen en contracorriente y que tienen un alto contenido de H2 y CO.

Reacciones durante la Reducción:

6Fe2O3 + H2(g) + CO(g) ↔ 4Fe3O4 + CO2(g) + H2O(v) 2Fe3O4 + H2(g) + CO(g) ↔ 6FeO + CO2(g) + H2O(v) 2FeO + H2(g) + CO(g) ↔ 2 Fe° + CO2(g) + H2O(v) La velocidad con que ocurran las reacciones de reducción, determinan el tiempo de duración en el horno necesario para metalizar el producto por encima del 92-93%.

Sistema de Carga

a.) Tolva de Alimentación: sirve como un acumulador que recibe el material de entrada al reactor. Esta tolva se encuentra abierta a la atmosfera en la parte superior para facilitar la recepción de la carga y ventear parte del gas de sello. b.) Tolva de distribución y compuerta superior: la pierna de sello conecta la tolva de alimentación y la tolva de distribución. Provee un flujo continuo de material y mientras la carga ingresa mantiene un sello dinámico entre el reactor y la atmosfera. c.) Piernas de distribución: parten del fondo de la caja distribuidora y se conectan al horno por su techo describiendo una circunferencia.

REDUCCIÓN MIDREX El propósito del sistema de carga puede resumirse de la siguiente manera:

- Sirve como sección de distribución y mezcla permanente de pellas/gruesos. - Contribuye como elemento de sello a los gases del horno. - Mantiene un suministro constante de oxido sobre la línea de abastecimiento del horno.

Zona de Reducción: está cubierta con material refractario y es donde ocurre la reducción del mineral de hierro. La zona de reacción comprende la zona cilíndrica superior del reactor y la zona del bustle. El ingreso del gas al interior del horno se hace a través de 76 toberas equidistantes entre sí.

Zona de Transición: En esta zona se alojan los rompedores superiores, cuya función es reducir el tamaño de cualquier aglomerado que se haya formado dentro del reactor y permitir que estos se muevan a través del sistema de descarga y fuera del horno

Zona de Enfriamiento: Esta zona se extiende desde los colectores de gas de enfriamiento hasta la parte inferior del horno. Permite asegurar que todo el HRD entre en contacto con el gas de enfriamiento que asciende, garantizando un enfriamiento homogéneo. Se da también la carburización del HRD, según las reacciones:

3Fe+ CO(G) + H2(G) → Fe3C + H2O(G) 3Fe + CH4(G) → Fe3C + 2H2(G)

Sistema de Descarga: Es un sistema mecánico que controla la cantidad de producto metalizado que es descargado del reactor. Dentro de una carcaza, el producto es descargado hacia una placa curvada mientras que una viga accionada hidráulicamente se traslada de un extremo a otro, empujando cada vez una cantidad constante de material hacia una cinta transportadora.

REDUCCIÓN MIDREX

REDUCCIÓN MIDREX

REFORMACIÓN MIDREX El reformador es una gran estructura metálica en forma rectangular, hermética, cubierta internamente con refractario en las paredes, atravesada verticalmente por 288 tubos alineados longitudinalmente de aproximadamente 8 metros de longitud, distribuidos en 4 filas con 72 tubos cada una.

Reacciones durante la Reformación: CH4(G) + H2O(V) ↔ CO(G) + 3H2(G) CH4(G) + CO2(G) ↔ 2CO(G) + 2H2(G) El gas reformado, contiene 90 – 92% de H2 y CO, y se alimenta caliente al horno de cuba como gas reductor a una temperatura promedio de 900 °C

Uno de los factores que afecta enormemente el desarrollo de la reformación, es la deposición del carbono en los catalizadores, que puede teóricamente, ser formado por alguna de las siguientes reacciones: CnHn+2 → (n)C + (n+1)H2

2CO → C + CO2

CO + H2 → C + H2O

REFORMACIÓN MIDREX

REFORMACIÓN MIDREX En 1969, Midrex implementó un nuevo tipo de reformación denominado “reformación estequiométrica”, este concepto permite la producción de un gas reformado de alta calidad que se puede alimentar directamente al horno de reducción directa. Sin embargo, el Gas Reductor, que contiene principalmente H2 y CO, puede ser generado a partir de una amplia variedad de fuentes de energía:

a. b. c. d.

El gas natural puede ser reformado en el reformador MIDREX o en un reformador de vapor tradicional. Carbón de cualquier tipo o contenido de cenizas se puede gasificar. Gas de Coque puede reformarse mediante el sistema de reactor térmico MIDREX™ (TRS®). El gas de síntesis de una planta de metal caliente COREX® también puede emplearse para obtener un gas reductor de alta calidad.

REFORMACIÓN MIDREX

RECUPERACIÓN DE CALOR El rendimiento térmico del reformador Midrex es reforzado en gran medida por el sistema de recuperación de calor. El calor sensible se recupera en el reformador de los gases de combustión para precalentar la mezcla de gas de alimentación, el aire de combustión del quemador y el gas natural. Además, dependiendo de la economía, el gas combustible también puede ser precalentado. Las plantas Midrex de reducción directa tienen un historial probado de eficiencia energética, fiabilidad y consistencia. En las zonas donde el gas natural de bajo costo, estas características de rendimiento proporcionan una gran economía. Consumo específico por tonelada de producto: Metalización del 93% por la vía tradicional con reformador MIDREX®

DRI

HBI

HDRI

Mineral de Hierro (ton)

1,45

1,45

1,42

Gas Natural (Gcal)

2,25

2,35

2,35

Electricidad (Kw/h)

95

110

2,35

Oxigeno (Nm3)

0 - 15

0 - 10

0 – 15

Nitrógeno (Nm3)

-

10

10

Agua (m3)

1,0

1,2

1,0

ZONAS DEL REACTOR MIDREX

PRODUCTOS MIDREX Especificaciones de los productos Midrex DRI

HBI

FeT (%)

90 - 94

Fe° (%)

83 - 90

Metalización (%)

92 – 96

HDRI

Carbón (%)

0.5 – 2.5

0.5 – 1.5

0.5 – 2.5

Temperatura del producto (°C)

40

80

600 - 700

Densidad Aparente (g/cm3)

3.4 – 3.6

5.0 – 5.5

3.4 – 3.6

Tamaño promedio (mm)

4 - 20

30 * 50 * 110

4 - 20

DRI: La mayoría de las plantas Midrex construidas hasta la fecha producen HRD. Este material se almacena temporalmente en silos para pasivarse antes del transporte a un EAF adyacente u otro sitio. HBI: El briqueteado en caliente del HRD se ha practicado a escala industrial desde hace más de tres décadas y actualmente es el método preferido para la preparación del HRD que ha de ser almacenado o transportado internacionalmente. HDRI: La carga de HDRI a un HAE a una temperaturas cercanas o superiores a los 600 °C, proporciona la manera más óptima para los usuarios de HRD para aumentar la productividad y reducir costos. Midrex ofrece tres métodos para el transporte en caliente: el sistema HOTLINK®, cintas transportadoras y contenedores o vasos.

PROCESO MIDREX El proceso MIDREX® tradicional ha demostrado ser altamente eficiente. Las opciones adicionales están disponibles para reducir el consumo de electricidad y los costos. Flexibilidad: • Las plantas combinadas permiten la descarga simultánea de HDRI y CDRI o HBI. • La planta MIDREX puede continuar operativa cuando el EAF se encuentre fuera de línea. • El EAF puede operar utilizando CDRI/HBI almacenado. • La implantación de software permite la automatización de los procesos y la predicción de la calidad del HDRI. Beneficios durante la fusión: • Aumenta la productividad del EAF en un 15-20%. • Reduce el consumo de electricidad en 120-140 kWh/ton de acero líquido. • Reduce el consumo de electrodos en 0,5-0,6 kg/ton de acero líquido. • Reduce el consumo de refractarios en 1,8-2 kg/ ton de acero líquido.

PROCESO MIDREX

PROCESO MIDREX El uso de 80% de HRD cargado al EAF provoca la mitad de las emisiones de carbono por tonelada de acero en comparación a las producidas por la ruta alto horno/convertidor BOF. MIDREX® ha desarrollado un nuevo concepto que emplea un sistema de eliminación de CO2 que permite emisiones aún más bajas. La ventaja de esta opción es la flexibilidad que proporciona el operador de la planta, con cambios relativamente pequeños en los costos de capital, insumos de operación, y el costos operativo.

INNOVACIONES MIDREX HOTLINK® Descarga en caliente de HRD a un horno eléctrico adyacente mediante un sistema de acople intermedio que utiliza la gravedad para transportar el HRD caliente.

INNOVACIONES MIDREX HOTLINK: Se basa en una tecnología diseñada y probada, en la que el transporte se da por medio de la gravedad, minimizando las pérdidas de temperatura y metalización del HDRI. El sistema introduce HDRI al EAF con temperaturas de 600700 °C. Esta configuración ha sido implantada en algunas plantas Midrex desde 1984. Cinta transportadora en Caliente: distancias menores a 100 m En los casos en que la acería no es adyacente a la planta Midrex, una opción consiste en utilizar una cinta transportadora para trasladar el HRD caliente a una temperatura igual o superior a los 500 °C. En este caso, DRI se descarga caliente del horno sobre una cinta transportadora totalmente cerrada y aislada, que está diseñada para minimizar la pérdida de temperatura y evitar la oxidación.

Es un sistema fiable, de fácil mantenimiento y operación, que proporciona flexibilidad al proceso. El Módulo E en Hadeed, Arabia Saudita fue la primera planta MIDREX en incorporar esta opción de descarga en caliente. Vasos de transporte en caliente: distancias mayores a 100 m Otro medio para el transporte de HRD caliente a la acería es con el uso de vasos aislados, normalmente con una capacidad de 60-90 toneladas. El horno Midrex está diseñado para la descarga caliente y los vasos se llenan a través de una tubería con un sello hermético. Después que un recipiente se llena, el tubo se cierra y otro comienza a llenarse. Los vasos llenos son transportados por camión o tren a la acería. El uso de este sistema es ideal para situaciones en las que hay una acería existente y no es posible localizar el horno Midrex lo suficientemente cerca para utilizar HOTLINK o una cinta transportadora. Otra aplicación es el caso de una planta Midrex con alimentación múltiples acerías. Essar Steel fue pionera en este sistema en la década de 1990.

INNOVACIONES MIDREX Horno MIDREX® de solera giratoria (RHF): El horno es esencialmente una plataforma giratoria de gran tamaño que gira dentro de un recinto. Las pellas, compuestas de mineral de hierro y carbono se cargan formando una o dos capas, y a medida que avanzan en el horno, se calientan por los quemadores ubicados encima de la solera. Una revolución del horno tarda aproximadamente diez minutos.

En FASTMET®, el producto es hierro de reducción directa, pero en ITmk3®, las pellas se funden en la última zona del horno para producir arrabio de alta calidad, en forma de PIG IRON con escoria de subproducto. ITmk3® evolucionó a partir del proceso de FASTMET®, desarrollado por las tecnologías de Midrex y Kobe Steel, compañía matriz de Midrex.

INNOVACIONES MIDREX ITmk3® utiliza finos de hierro mineral y carbón no coquizable para producir arrabio de alta calidad. Las etapas tradicionales de reducción y fusión se realizan dentro del horno de solera giratoria (RHF).

Dado que el proceso realiza tanto la reducción y la separación del metal de la escoria, permite concentrar efectivamente el mineral de hierro. Esto abre la posibilidad de utilizar mineral de hierro de bajo tenor, como finos de colas provenientes de plantas de beneficio. ITmk3® es muy flexible en cuanto a las fuentes de carbono.

INNOVACIONES MIDREX Esquema de Reducción ITmk3® Granallas de acero virgen (<0.5% C) caliente o frío

Materia Prima

Mineral de hierro Concentrado

Agente reductor

Carbón no coquizable

Combustible RHF

Gas Natural

Productos

Nuggets de Hierro

Uso de los productos

EAF o BOF

Capacidad de Planta (1 sólo módulo)

500.000 Ton/año

Los nuggets (granallas) ITmk3® son materia prima de alta calidad para la fabricación de acero. Son esencialmente hierro y carbono, con muy poca cantidad de ganga y bajos niveles de residuos metálicos,

INNOVACIONES MIDREX MXCOL™ se refiere al uso de un gas sintetizado a base de carbón en una planta MIDREX® Gasificador Syngas: Es en Tecnología de gasificación disponible en el mercado en la que se puede combinar una planta de gasificación con una planta Midrex para producir DRI. Gas de reciclo COREX® En 1.999 Midrex puso en marcha la primera aplicación industrial de gasificación del carbón en África (Saldanha Steel), ahora Arcelor Mittal. Esta instalación incluye una planta COREX®, que utiliza un horno de fusión/gasificador para producir arrabio y simultáneamente un gas de síntesis sub-producto que se alimenta una módulo Midrex.

Gas de coquería Los hornos de coque producen coque para su uso en altos hornos y generan una descarga de gas que contiene CO, H2 y CH4. Este gas se utiliza normalmente para aplicaciones de calefacción y producción de electricidad. Con el acondicionamiento adecuado, el gas puede ser utilizado para la reducción directa en una planta MIDREX.

PLANTAS TECNOLOGÍA MIDREX

PLANTAS TECNOLOGÍA MIDREX

HISTORIA DESARROLLO MIDREX 1.966 Donald Beggs de la Surface Combustion Corp. concibe la idea del proceso MIDREX® de reducción. 1.969 Se construye la primera planta MIDREX® Oregon Steel Mills en Portland, Oregon USA. 1.974 MIDREX Corporation es comprada por Korf Group y se traslada a Charlotte, North Carolina USA. 1.976 SIDERCA (ahora Tenaris-Siderca) inicia sus operaciones en Argentina, siendo la primera planta MIDREX® en Suramérica. 1.978 Inicia operaciones QASCO (ahora Qatar Steel) en Qatar, primera planta de reducción directa en el Medio Oriente. 1.979 Sidor en Venezuela inicia sus operaciones, como la primera planta MIDREX® de módulo múltiple. Las plantas MIDREX® producen mas del 50% del HRD producido mundialmente. 1.983 Kobe Steel, Ltd. adquiere MIDREX®.

HISTORIA DESARROLLO MIDREX 1.984 Industrias Sabah Gas (ahora Antara Steel Mills) inicia sus operaciones en Malasia, siendo la primera planta MIDREX® de briqueteado en caliente. 1.987 Las plantas MIDREX® producen más del 60% del HRD producido mundialmente. 1.990 OPCO inicia sus operaciones en Venezuela (ahora Planta de Briquetas FMO) usando reformación a vapor. Las plantas MIDREX® exceden los 10.000.00 Ton/año en producción de HRD. 1.994 Se usa por primera vez la inyección de Oxígeno en una planta Midrex en Acindar, Argentina. 1.995 Se construye en Japón una planta piloto para la evaluación del proceso FASTMET®. 1.996 Las plantas MIDREX® producen más de 20.000.00 Ton/año en producción de HRD.

1.999 Essar Steel en la India inicia el transporte y carga en caliente de HRD en hornos de arco eléctrico utilizando contenedores isotérmicos.

HISTORIA DESARROLLO MIDREX 1.999 Saldanha Steel inicia sus operaciones como la primera planta COREX®/MIDREX® en el mundo. 2.000 Inicia sus operaciones en Japón la primera planta comercial con tecnología FASTMET®. Las plantas Midrex alcanzan la producción de 30.000.000 Ton/ año de HRD. 2.003 Mesabi Nugget ITmk3® inicia sus operaciones a escala piloto en Minnesota, USA. 2.004 IMEXSA (ahora Arcelor Mittal Steel Lazaro Cardenas) establece un record mundial, al producir 1.760.000 Ton de HRD con un solo módulo. 2.005 OXY+® Sistema de Oxidación Parcial es instalado en OEMK en Rusia. 2.007 Hadeed Module E inicia sus operaciones como la planta MIDREX® de mayor capacidad hasta la fecha. La producción total de HRD usando los módulos de reducción directa Midrex alcanza los 500.000.000 Ton acumulativas 2.009 La primera planta comercial ITmk3® es construida en Minnesota, USA.

IMEXSA

MIDREX Vs. OTRAS TECNOLOGIAS

MIDREX Vs. OTRAS TECNOLOGIAS

MIDREX Vs. OTRAS TECNOLOGIAS

MIDREX Vs. OTRAS TECNOLOGIAS

MIDREX Vs. HYL

MIDREX Nuevos módulos iniciaron operaciones: Cuatro plantas nuevas de Reducción directa utilizando tecnología Midrex iniciaron operaciones en 2013. Dos están en Irán; estas son el segundo modulo de South Kaveh Steel’s y el nuevo modulo de Arfa Steel. En el Reino de Bahrain, la planta SULB’s inicio sus operaciones como una planta que combina los sistemas de descarga en frio y en caliente de HRD así como la planta Tuwairqi Steel en Karachi, Pakistán. Bajo Construcción: Seis módulos se encuentran bajo construcción en cinco países: Egipto, India, Irán, Rusia y Estados Unidos. Se prevé el inicio de sus operaciones entre 2014 y 2016. HYL Nuevos módulos iniciaron operaciones: En Estados Unidos a finales de 2013 inicio sus operaciones un nuevo modulo en Nucor Lousiana. Bajo Construcción: Tres módulos se encuentran bajo construcción en Egipto, India y Venezuela. Estas han de tener una capacidad combinada de 5.2 millones de toneladas.

ESTADÍSTICAS DE PRODUCCIÓN

ESTADÍSTICAS DE PRODUCCIÓN

ESTADÍSTICAS DE PRODUCCIÓN

La industria de la Reducción Directa alrededor del mundo ha continuado su crecimiento, establecimiento un nuevo récord en el 2013 con 75.2 millones de toneladas producidas; lo que representa un aumento de dos millones de toneladas al año, lo que implica un 2.8% por encima de los números de 2012. Irán demostró una vez más un importante crecimiento, registrando un aumento de su producción de casi tres millones de toneladas. Por su parte, India cayó a 17,8 millones de toneladas, desde el máximo histórico que había disfrutado sólo tres años antes cuando hizo 23,4 millones de toneladas en 2010. Las principales razones de la caída son las mismas dificultades que se han visto en los últimos años: menor disponibilidad de mineral de hierro nacional debido a las regulaciones y licenciasen relación con los requisitos medioambientales y precios extremadamente altos de gas natural.

ESTADÍSTICAS DE PRODUCCIÓN Venezuela ha seguido luchando con la producción de HRD, registrando una disminución acumulada de 40% para el 2012. Esto significa que el país ha reducido su producción a menos de un tercio luego de su producción máxima en 2005. La razón inmediata para tal declive es la escasez de pellas para alimentar los reactores de reducción directa; aunque la razón de fondo es la falta de fondos destinados al mantenimiento a lo largo de la cadena de suministro; así como a las operaciones de minería, transporte, manejo de materiales e infraestructura.

ESTADÍSTICAS DE PRODUCCIÓN

ESTADÍSTICAS DE PRODUCCIÓN

ESTADÍSTICAS DE PRODUCCIÓN