Unidad 3.2 RD Proceso MIDREX

Prof. Ruselkis Flores

Dpto. Ing. Metalúrgica Sección Siderurgia y Fundición

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

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.

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.

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.

PROCESO MIDREX

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.

Procesos con Tecnologías MIDREX

Tradicionales, basados en Gas Natural:

- Proceso MIDREX® de Reducción Directa

- Nuevos desarrollos:

- HOTLINKTM

- OXY+TM

- KWIKSteelTM

Nuevos, basados en reducción con Carbón:

- FASTMET®

- FASTMELT®/FASTIRONTM

- FASTEELTM

- ITmk3TM

- FASTOXTM

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.

PROCESO MIDREX

MATERIAS PRIMAS MIDREX

Características Químicas Pellas Grueso

Fe (%) 67.0

SiO2 +Al2O3 (%) 3.0

S (%) 0.008

P (%) 0.003

TiO2 (%) 0.15

Características Físicas Pellas Grueso

Tamaño Nominal 6*16 mm 10*35 mm

10*35 mm (%) - 85 mín.

6*16 mm (%) 95 mín. -

Menos de 5 mm (%) 3 máx. 5 máx.

Resistencia a la Compresión (Kg) 250 mín. -

Características de Reducción Pellas Grueso

Metalización (Linder Test 760 °C) 93 mín.

Fracción menor a 3.36 mm (%) 2 máx. 5 máx.

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.

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.

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.

PROCESO MIDREX

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

REDUCCIÓN MIDREX

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.

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.

REDUCCIÓN MIDREX

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)

- 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.

El propósito del sistema de

carga puede resumirse de

la siguiente manera:

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

REFORMACIÓN MIDREX

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

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.

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. El gas natural puede ser reformado en el reformador MIDREX o en un reformador de vapor tradicional.

b. Carbón de cualquier tipo o contenido de cenizas se puede gasificar.

c. Gas de Coque puede reformarse mediante el sistema de reactor térmico MIDREX™ (TRS®).

d. 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 HDRI

FeT (%) 90 - 94

Fe° (%) 83 - 90

Metalización (%) 92 – 96

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.

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 600-

700 °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

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

Granallas de acero virgen

(<0.5% C) caliente o frío

Esquema de Reducción ITmk3®

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.

INNOVACIONES 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®.


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.


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. 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


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.


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.

Unidad 3.2 RD Proceso MIDREX

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