siderurgia iii

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REDUCCIÓN DIRECTA REDUCCIÓN DIRECTA FUNDAMENTOS Y PROCESOS FUNDAMENTOS Y PROCESOS Profesor del curso Profesor del curso Ing. Germán Coillo C. Ing. Germán Coillo C.

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siderurgia

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Page 1: Siderurgia III

REDUCCIÓN DIRECTA REDUCCIÓN DIRECTA FUNDAMENTOS Y PROCESOSFUNDAMENTOS Y PROCESOS

Profesor del cursoProfesor del cursoIng. Germán Coillo C.Ing. Germán Coillo C.

Page 2: Siderurgia III

1. 1. DefiniciónDefinición::

Proceso que consiste enProceso que consiste ensustraer el oxigeno de lasustraer el oxigeno de lamena de mineral o pellet sinmena de mineral o pellet sinllegar a fusión por efecto dellegar a fusión por efecto deun reductor (C,CO, Hun reductor (C,CO, H22).).

Page 3: Siderurgia III

2. Hierro Esponja:2. Hierro Esponja: Producto de la Producto de la Reducción Directa.Reducción Directa.

mineral pero con notable mineral pero con notable mayor porosidad. Por esta mayor porosidad. Por esta última condición recibe el última condición recibe el nombre de Hierro Esponja.nombre de Hierro Esponja.

Como la eliminación delComo la eliminación deloxígeno se efectúa sinoxígeno se efectúa sinllegar a la fusión,llegar a la fusión,

H.E. GRUESOH.E. GRUESO

el producto conserva la forma original delel producto conserva la forma original del

H.E. FINOH.E. FINO

Page 4: Siderurgia III

3.- Grado de Reducción.3.- Grado de Reducción.

R =R = OrOrOtOt

x 100% x 100%

Or =Or = Oxígeno removido de los óxidosOxígeno removido de los óxidosde hierro.de hierro.

Ot =Ot = Oxígeno total del mineral antesOxígeno total del mineral antesde la reducción.de la reducción.

Page 5: Siderurgia III

4.- Grado de Metalización.4.- Grado de Metalización.

G.M =G.M = Fe mFe mFe tFe t

x 100% x 100%

Fe m = Hierro metálico del producto.Fe m = Hierro metálico del producto.

Fe t = Hierro total del mineral empleado.Fe t = Hierro total del mineral empleado.

Page 6: Siderurgia III

5.- Fundamentos de la reducción directa.5.- Fundamentos de la reducción directa.

Fem On + nC = mFe + nCOFem On + nC = mFe + nCO (1)(1)

Fem On + nCO = mFe + nCOFem On + nCO = mFe + nCO22 (2)(2)

COCO22 + C = 2CO + C = 2CO (3)(3)

Fem On + nHFem On + nH22 = mFe + nH = mFe + nH22OO (4)(4)

5,1 Reacciones Fundamentales5,1 Reacciones Fundamentales

Page 7: Siderurgia III

5,1 Relaciones de equilibrio.5,1 Relaciones de equilibrio.

Equilibrio de la composición del gas vs temperatura para el sistema Fe - C - O

0,00

10,0020,0030,00

40,00

50,00

60,00

70,0080,0090,00

100,00

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Temperatura ºC

% C

O

FeO + CO = Fe + CO2

Fe3O4 + CO = FeO + CO2

1/4 Fe3O4 + CO =

3/4 Fe + CO2

FeFe

FeOFeO

Fe3O4Fe3O4

Page 8: Siderurgia III

0102030405060708090

100

200 400 600 800 1000 1200 1400

Temperatura ªC

%H

2

FeFe

Fe3O4Fe3O4 FeOFeO

Equilibrio de la composiciòn del gas vs temperatura para el sistema Fe-H-O

Page 9: Siderurgia III

Equilibrio C-OEquilibrio C-O

0102030405060708090

100

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Temperatura C

% d

e C

O

Page 10: Siderurgia III

Evolución de la reducción de pelets en horno Evolución de la reducción de pelets en horno rotativo con carbónrotativo con carbón

0102030405060708090

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Grado de reducción %

Con

teni

do %

Fe2O3Fe3O4

FeOFe met

Page 11: Siderurgia III

5,3 Necesidades Energéticas.5,3 Necesidades Energéticas.

Reacciones de desoxidación Energía involucrada (25 C)

Fe2O3 = 2Fe + 3/2O2 +1.759 Gcal/t Fe = 6.981 MBTU/t Fe

Fe3O4 = 3Fe + 2O2 +1.594 Gcal/t Fe = 6.325 MBTU/t Fe

Energía teóricamente necesaria para la desoxidaciónEnergía teóricamente necesaria para la desoxidaciónde óxidos de hierrode óxidos de hierro

Necesidades energéticas teóricas para la reducciónNecesidades energéticas teóricas para la reducciónde minerales de hierro.de minerales de hierro.

Reacciones Necesidades por t de FeFe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO 1.050 Gcal = 4.168 MBTUFe2O3 + 3/2C = 2Fe + 3CO2 0.497 Gcal = 1.972 MBTUFe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O 0.209 Gcal = 0.831 MBTUFe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 - 0.056 Gcal = 0.224 MBTU

Page 12: Siderurgia III

5,45,4 Factores que influencian la Factores que influencian la cinética cinética de de reducción.reducción.

5,4,1.5,4,1. Mineral.Mineral.

PorosidadPorosidad

ComposiciónComposición

ReducibilidadReducibilidad

Page 13: Siderurgia III

5,4,2.5,4,2. Temperatura de reducción.Temperatura de reducción.

Variación de la velocidad de reducción en función de la temperatura

0

4

8

12

16

20

24

28

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

Temperatura en ªC

Con

teni

do d

e O

2 el

imin

ado,

en %

H2H2

COCO

Page 14: Siderurgia III

5,4,3.5,4,3. GranulometríaGranulometría..

Tamaños pequeños de partículas Tamaños pequeños de partículas favorecen la cinética en cuanto favorecen la cinética en cuanto presentan una mayor superficiepresentan una mayor superficiede reacción.de reacción.

La uniformidad en el tamaño La uniformidad en el tamaño es determinante.es determinante.

Page 15: Siderurgia III

5,4,4.5,4,4. Concentración de los gases Concentración de los gases reductores.reductores.

Figura 6.Figura 6.

Relación entre la velocidad de reducción y el contenido de vapor respecto del hidrógeno en el gas reductor

fluyendo a la velocidad de 0,24 m/s.

0

1

2

3

4

5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Concentración de vapor en %

Velo

cida

d de

redu

cciò

n en

m

ol O

2/s

30%

40%50%75%90%

Page 16: Siderurgia III

6.6. Requisitos que deben tener los materialesRequisitos que deben tener los materialesa emplearse en la reducción directa.a emplearse en la reducción directa.

6,1 Mineral de hierro.6,1 Mineral de hierro.A)- Granulometría.A)- Granulometría.

Efecto del porcentaje de hierro esponja y el contenido de ganga en el consumo de energía

859095

100105110115120125130135140

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Hierro esponja en la carga ,%.

Con

sum

o de

ene

rgía

/t de

ace

ro,

en re

laci

ón a

100

% d

e ch

atar

ra.

Porcentaje de ganga ácida en la esponja

1010

886644

C)- Reducibilidad.C)- Reducibilidad.D)- Contenido de azufre.D)- Contenido de azufre.

B)- Ganga.B)- Ganga.

E)- Decrepitación.E)- Decrepitación.F)- Hinchamiento.F)- Hinchamiento.

Page 17: Siderurgia III

6,2 El reductor sólido.6,2 El reductor sólido. Fusibilidad de las cenizas.Fusibilidad de las cenizas. Composición de las cenizas.Composición de las cenizas. Reactividad.Reactividad. Materias Volátiles.Materias Volátiles. Contenido de azufre.Contenido de azufre. Contenido de cenizas.Contenido de cenizas.

Page 18: Siderurgia III

6,3 El reductor gaseoso.6,3 El reductor gaseoso.

CHCH44 + CO + CO22 2CO + 2H2CO + 2H22..

CHCH44 + H + H22OO CO + 3HCO + 3H22..

** El contenido de azufre en el gas El contenido de azufre en el gas es limitado.es limitado.

Page 19: Siderurgia III

Zona deenfriamiento

Zona dereducción

HORNO DEREDUCCIÓN

Oxido de hierro

SISTEMA DE PROCESAMIENTO DE GAS

Gas Natural

Flue Gas

Chimenea deextracción

RECUPERADORDE CALOR

Ventilador principal de aire

Limpiador de gases

Salidade gas

Compresor degas del proceso

Gas dereducción

Limpiador de gasde enfriamiento

Compresor de gasde enfriamiento

REFORMADOR

DRI

FlueGas

Alimentación de gas

Aire de combustión

Gascombustible

7. Procesos Industriales.7. Procesos Industriales. 7,1 Procesos en hornos verticales.7,1 Procesos en hornos verticales.

MIDREXMIDREX

Page 20: Siderurgia III

Combustible

Gas natural

AguaReformador H2O

CO2

Calentadorde gas

H2O

Mineralde hierro

Reactor

Gas natural

DRI

Combustible

HYL IIIHYL III

Page 21: Siderurgia III

Potencialidades de los procesos Potencialidades de los procesos Midrex - HyL III.Midrex - HyL III.Por t DRI / HBI:Por t DRI / HBI:

Gas naturalGas natural 9 - 10 MJ.9 - 10 MJ.Energía eléctricaEnergía eléctrica 0 - 100 kwh.0 - 100 kwh.

Para una Planta de 0,5 a 1 Mt/añoPara una Planta de 0,5 a 1 Mt/año..PersonalPersonal entre 50 a 100.entre 50 a 100.InversiónInversión entre 200 - 250 US$/t por año.entre 200 - 250 US$/t por año.

Calidad del productoCalidad del producto..90 - 94 % Fe.90 - 94 % Fe.90 - 95 % metalización.90 - 95 % metalización. 1 - 3 % C.1 - 3 % C.

Page 22: Siderurgia III

AREXAREX

PRECALENTADORDE GAS

H2O

OXIDODE HIERRO

PRECALENTA-DOR DE AIRE

GAS NATURAL

AIRE + O2

HRO

6 2

1

3

4

5

Page 23: Siderurgia III

7,2 Procesos en cama fluidizada.7,2 Procesos en cama fluidizada.

Tambor alimentador de briquetiado

Briquetadora

Barriles

Enfriador

Briquetas

Alimentadores de mineral

Compresor de reciclado

Torre de limpieza de gas reciclado

Reactor de pre-calentamiento

de mineralNat Gas

Aire

Reactores de reducción

Horno pre-calentadorde gas de reducción.

Sistema remo-vedor

de CO2Horno

Reformador

Vapor

Nat gas

FIORFIOR..

Page 24: Siderurgia III

Productocarburo

de hierro

Espesador

Entrada demineral de hierro

Horno rotatorio

hacia laatmósfera Combustible

Aire

Enfriadordel

Producto

Precalentadorde gas

LimpiadorhúmedoAgua de

refrigeraciónHacia

desecho

Hacia desechoCombustible

Hacia laatmósfera

Reactorde lecho

fluidizado

IRONIRON CARBIDECARBIDE

Page 25: Siderurgia III

A :A : Horno Rotatorio. Horno Rotatorio.B :B : Enfriador Rotatorio. Enfriador Rotatorio.C :C : Separación del Producto. Separación del Producto.D :D : Cámara de post-combustión. Cámara de post-combustión.E :E : Caldera. Caldera.F :F : Limpiador de gas. Limpiador de gas.

AB

C

D

E FCarbón

MineralDolomita

AguaAire

Carbón

DRI Char

Agua de refrigeración

Descarga fría

Aire

PolvoVapor

Gas de desecho

7,3 Proceso con reductor sólido.7,3 Proceso con reductor sólido.SL / RNSL / RN..

Page 26: Siderurgia III

Potencialidades del proceso SL/RNPotencialidades del proceso SL/RN Por t DRI / HBI:Por t DRI / HBI:

CarbónCarbón 800 - 900 kg (5 - 6 Gcal)800 - 900 kg (5 - 6 Gcal)DolomitaDolomita 20 - 40 kg.20 - 40 kg.KwhKwh 80 Kwh.80 Kwh.

Para una unidad de 150000 t/año.Para una unidad de 150000 t/año.PersonalPersonal 150 a 200 (2 hour /t).150 a 200 (2 hour /t).InversiónInversión 200 a 300 US$/t por año.200 a 300 US$/t por año.

Calidad del productoCalidad del producto..90 - 93 %90 - 93 % Fe. Fe. 93 % Metalización.93 % Metalización.0,010 - 0,015 % S.0,010 - 0,015 % S.

Page 27: Siderurgia III

Horno de hogar rotatorio

Oxido dehierro

ReductorTolva

Mezclador

PeletizadorSecador

Acondicionador degas de escape

intercambiador de calor

Limpiadorde gases Ventilador

Chimenea

Gas de salida

Aire de combustión

Combustible delquemador

Enfriador de barrilrotatorio - DRI frío. Tolva de transferencia

DRI caliente.

Prensa de briqueteadoHBI

FASTMET

Page 28: Siderurgia III

Diagrama de Flujo - Planta de Hierro EsponjaDiagrama de Flujo - Planta de Hierro Esponja

EnfriadorClasifica-ción por tamaño

Separaciónmagnética

Separaciónmagnética

Acería

Almace-namiento.

Acería

Almacenamien.de pellets

Separación de Finos

Almacenamien.de carbón

Clasificación por tamaños

Almacenamien.de caliza

Finos (-3mm)

Hornosde

Reducción

Almacenamien.

Carguío a silos

Carguío a silos

Carguío a tolva

Carguío a silos

C. grueso+3mm,-20 mm

C. Fino-3mm

14,60 t/h

6,20 t/h.

3,7 t/h.

ProductoBruto

ProductoBruto

100ºC.

Fino -5mm

Grueso +5mm

Magnético, hierro espoja fino 0,92t/h

No Magnético, Dolochar.

No Magnético, Char.

Magnético,hierro espoja grueso 9,5t/h

1,42 t/h

Agua 19,2 m 3/h.

0,438 t/h.

Gases achimenea

Aire (2000 m 3/tn. pellets

x

x

Page 29: Siderurgia III

A :A : Horno Rotatorio. Horno Rotatorio.B :B : Enfriador Rotatorio. Enfriador Rotatorio.C :C : Separación del Producto. Separación del Producto.D :D : Cámara de post-combustión. Cámara de post-combustión.

AB

C

D

CarbónMineral

Caliza

AguaAire

Carbón

DRI Char

Agua de refrigeración

Descarga fría

Aire

Vapor

Page 30: Siderurgia III

HornosHornos

Caliza.Caliza.

CarbónCarbón Carbón fijo 50 - 55

% Volátiles 35 - 40 % Cenizas 8 - 12 %

Azufre 0,50%

PelletPelletFe tFe t 67,90% 67,90%PP 0,009% 0,009%SS 0,006% 0,006%SiO2SiO2 1,70% 1,70%Al2O3Al2O3 0,27% 0,27%CaOCaO 0,34% 0,34%MgOMgO 0,60% 0,60%

Hierro Esponja.Fe Tot 90 - 92 %Fe met 85 - 88 %G. Met 90 - 92 %% P 0,010 - 0,020 %% S 0,020 - 0,050 %% C 0,06 - 0,20 %