Hierro reducido directo

Hierro de reducción directa (DRI), también llamado hierro esponja, se produce a partir de la reducción directa del mineral de hierro (en forma de trozos, gránulos o finos) en hierro mediante un gas reductor que contiene carbono elemental (producido a partir de gas natural o carbón) o hidrógeno. Cuando se utiliza hidrógeno como gas reductor no se producen gases de efecto invernadero. Muchos minerales son aptos para la reducción directa.

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

Proceso

Los procesos de reducción directa se pueden dividir aproximadamente 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 del mineral de hierro (mineral encolado, 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 desde el punto de vista energético. El acero fabricado con DRI requiere significativamente menos combustible, ya que no se necesita un alto horno tradicional. El DRI se convierte más comúnmente en acero mediante hornos de arco eléctrico para aprovechar el calor producido por el producto DRI.

Beneficios

Se desarrollaron procesos de reducción directa para superar las dificultades de los altos hornos convencionales. Las plantas de DRI no necesitan ser parte de una planta siderúrgica integrada, como es característico de los altos hornos. La inversión de capital inicial 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 coquizable de alta calidad son limitados, pero donde generalmente hay chatarra de acero disponible para reciclar. Muchos otros países utilizan variantes del proceso.

Factores que ayudan a que la DRI sea económica:

• El hierro reducido directamente tiene aproximadamente el mismo contenido de hierro que el hierro de cerdo, por lo general 90–94% de hierro total (dependiendo de la calidad del mineral crudo) por lo que es una excelente materia prima para los hornos eléctricos utilizados por mini molinos, lo que les permite utilizar niveles inferiores de chatarra para el resto de la carga o para producir grados superiores de acero.
• El hierro caliente (HBI) es una forma compactada de DRI diseñada para facilitar el envío, manejo y almacenamiento.
• El hierro reducido directo caliente (HDRI) es DRI que se transporta caliente, directamente desde el horno de reducción, en un horno de arco eléctrico, ahorrando así energía.
• El proceso de reducción directa utiliza mineral de hierro pelletizado o mineral de "golpe" natural. Una excepción es el proceso de cama fluidizado que requiere partículas de mineral de hierro tamaño.
• El proceso de reducción directa puede utilizar gas natural contaminado con gases inertes, evitando la necesidad de eliminar estos gases para otro uso. Sin embargo, cualquier contaminación inerte de gas de la reducción de gas reduce el efecto (calidad) de esa corriente de gas y la eficiencia térmica del proceso. El uso del gas natural también produce gases de efecto invernadero.
• Los suministros de mineral en polvo y gas natural crudo están disponibles en áreas como el norte de Australia, evitando costes de transporte para el gas. En la mayoría de los casos la planta DRI se encuentra cerca de una fuente de gas natural, ya que es más rentable enviar el mineral en lugar del gas.
• Para eliminar el uso de combustibles fósiles en la fabricación de hierro y acero, se puede utilizar gas de hidrógeno renovable en lugar de singas para producir DRI y eliminar la producción de gases de efecto invernadero.

Problemas

El hierro reducido directamente es muy susceptible a la oxidación y la oxidación si se deja sin protección, y normalmente se procesa rápidamente para obtener acero. El hierro a granel también puede incendiarse, ya que es pirofórico. 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 procedente de hierro reducido directamente con gas natural), que debe eliminarse en el proceso de fabricación de acero.

Historia

Producir hierro esponjoso y luego trabajarlo fue el método más antiguo utilizado para obtener hierro en Medio Oriente, Egipto y Europa, donde permaneció en uso hasta al menos el siglo XVI.

La ventaja de la técnica del Bloomery es que el hierro se puede obtener a una temperatura de horno más baja, sólo alrededor de 1100 °C aproximadamente. La desventaja, en comparación con un alto horno, es que sólo se pueden producir pequeñas cantidades a la vez.

Química

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

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

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

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

La carburación produce cementita (Fe₃C):

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

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

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

Economía

India es el mayor productor mundial de hierro de reducción directa.

Usos

El hierro esponja no es útil por sí solo, pero puede procesarse para crear hierro forjado o acero. La esponja se retira del horno, llamada flor, y se golpea repetidamente con martillos pesados y se dobla para eliminar la escoria, oxidar el carbono o 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 adicional puede agregar cantidades controladas de carbono, lo que permite varios tipos de tratamiento térmico (por ejemplo, "acero").

Hoy en día, el hierro esponjoso se crea reduciendo el mineral de hierro sin fundirlo. Esto lo convierte en una materia prima energéticamente eficiente para los fabricantes de aceros especiales que solían depender de chatarra.

Comida

El hierro reducido en hidrógeno se utiliza como fuente de hierro en polvo de calidad alimentaria, para el enriquecimiento de los alimentos y para la eliminación de oxígeno. Esta forma elemental no se absorbe tan bien como las formas ferrosas, pero la función de eliminación de oxígeno la mantiene atractiva. Los estándares de pureza para este uso se establecieron en 1977.