IntroduccionExisten diferentes procesos de reduccin directa1 en el mundo, como son: Proceso Armco, Proceso Fior, Proceso Purofer, Proceso HyL y Proceso MIDREX. En el presente trabajo nos estaremos refiriendo al proceso de reduccin directa con tecnologa MIDREX de Ternium SIDOR.El proceso de Reduccin Directa MIDREX, consiste en introducir pellas2 (Fe2O3) como materia prima dentro de un horno reactor, las cuales se desplazan por gravedad y se pone en contacto en contra corriente con el gas reductor proveniente del reformador, el cual con un alto contenido de H2 y CO causa la eliminacin del oxgeno en forma de CO2 y H2O, produciendo el hierro esponja o hierro de reduccin directa (HRD) con una metalizacin3 que normalmente oscila entre 93% y 95%.

Marco TeoricoEl ms comn de los esquemas de Reduccin Directa con tecnologa MIDREX se describe brevemente a continuacin:El gas reductor (gas bustle)1 se introduce en el horno reactor (ver Figura 1), este flujo se desplaza hacia el tope del horno en contracorriente al flujo de pellas, y luego sale por la parte superior como un gas reductor pobre (mejor conocido como gas de tope2). Este gas de tope se enfra y se limpia de finos a pasar a travs de un lavador de venturi hmedo llamado lavador de gas de tope. El enfriamiento en este lavador, remueve un porcentaje de vapor de agua formado durante la reduccin, resultando en un gas de tope enfriado con un contenido de aproximadamente 70 % de reductores (CO + H2).Cerca de dos terceras parte del gas tope enfriado en el lavador de gas de tope, (llamado gas proceso3) se desplaza con la utilizacin de compresores de lbulos rotativos conocidos como compresores de gas proceso. El gas proceso comprimido se mezcla con gas natural, precalentado, luego es reformado en tubos llenos con catalizadores. La mezcla del gas proceso y gas natural se conoce como gas de alimentacin4 (llamado Feed Gas). La reformacin produce gas reductor caliente (llamado gas reformado5) conteniendo de 90 95 % de reductores que sern dirigidos al horno de reduccin.El gas de alimentacin sufre una expansin de volumen durante la reformacin de gas natural (ver las reacciones de reformacin). Esta expansin resulta en un volumen de gas reformado que es aproximadamente un tercio mayor al volumen de gas alimentacin y la misma debe ser venteada del sistema usndose como combustible en los quemadores principales.Cuando el gas tope pasa a travs del lavador de gas de tope, la tercera parte restante es removida y es utilizada como gas tope combustible6. Este gas tope combustible es mezclado con gas natural y quemado en los quemadores del reformador para suplir el calor necesario para las reacciones de reformacin.El calor en los gases de combustin (llamado gases de humo7) a la salida del reformador es recuperado para el precalentamiento del aire a los quemadores del reformador, como tambin se precalienta el gas de alimentacin y el gas natural a gas proceso.El hierro reducido caliente desciende de la zona de reduccin del horno y es enfriado a una temperatura alrededor de 45 C antes de ser descargado. El enfriamiento del HRD es producido por una corriente de gas que se mueve en contracorriente al descenso del producto metalizado. Este flujo de gas en contracorriente remueve el calor del HRD y sale de la zona de enfriamiento del horno de reduccin a travs de los "Off Takes" (dentro del horno existen tres cajas de vientos, las cuales canalizan el gas de enfriamiento para su salida). Elgas de enfriamiento a su salida del horno, pasa a travs de un lavador de venturi hmedo lavador de gas de enfriamiento - , para ser enfriado y limpiado. Este gas es movilizado en este circuito con la utilizacin un compresor de lbulo rotativo. Luego de ser comprimido, el gas pasa a travs de un eliminador de gotas (mist eliminator) para remover la posible presencia de agua y as retornar a la zona de enfriamiento a travs de un distribuidor de gas dentro del horno de reduccin llamado rbol de Navidad (Christmas tree), de esta manera se completa el lazo. Dentro de este lazo, se encuentran las inyecciones de gas natural, que se realizan directamente a la zona de enfriamiento y/o en la corriente de gas de enfriamiento.

Reacciones de reformacin:CH4 + H2O CO + 3 H2 (1)CH4 + CO2 2 CO + 2 H2 (2)

Las condiciones generales de operacin del gas tope combustible (gas a tratar) son:Presin: 0.2 bar a condiciones normales de operacin.Temperatura: el gas tope entra al lavador a 400 C (550 C mx.) pero luego de ser lavado y enfriado sale como gas tope combustible a 35 45 CFlujo volumtrico: 50.000 y 70.000 Nm3/hComposicin qumica: se observa en la siguiente tabla

DESCRIPCION DEL PROCESO MIDREX I

PROCESO DE REDUCCIN DIRECTA DE LA PLANTA MIDREX IEn la industria siderrgica, existen dos mtodos de Reduccin del hierro:

Reduccin Indirecta: El mineral de hierro es transformado utilizando un Alto Horno para obtener arrabio que luego es refinado para producir el acero.

Reduccin Directa: El mineral de hierro, tanto en forma de pellas como en su estado natural, se le extrae el oxigeno para obtener el hierro metlico utilizado para la fabricacin del acero.

DefinicinReduccin Directa es el proceso que permite obtener el hierro metlico o HRD con las caractersticas fsico-qumicas requeridas (granulometra y composicin qumica para la fabricacin del acero) a travs de la extraccin o eliminacin de oxgeno de las pellas en el Horno de Reduccin o Reactor.

Maqueta del proceso y Flujo de MaterialesA continuacin se representan grficamente el flujo de material de las tres plantas de Reduccin Directa:

Figura 2. Esquema de la Planta Midrex I

Figura 3. Esquema de la Planta Midrex II

Figura 4. Esquema de la Planta HYL

Capacidad instaladaLa capacidad instalada de los procesos de Reduccin Directa es de 4500 Mton/ao, para lo cual cuenta con las siguientes facilidades y equipos:

Tabla 3. Capacidad instalada por Planta

Secuencia de Operaciones MIDREX

Las operaciones que se llevan a cabo para la produccin de HRD en Midrex son: Preparacin de la materia prima Reduccin ReformacinA continuacin se describe cada una de ellas:

Figura 5. Esquema Reduccin Directa con tecnologa MIDREXPreparacin de la materia primaTiene como objetivo recubrir la pella con cal hidratada para evitar la adhesin entre ellas por efecto de las altas temperaturas en el horno de reduccin.

ReduccinEl horno de reduccin o reactor es un cilindro metlico hueco recubierto de refractario donde se realizan diferentes operaciones a medida que las pellas pasan por cinco sistemas o zonas, estas son: carga, reduccin, transicin, enfriamiento y descarga.El proceso dura 6,5 horas desde el momento en que una pella ingresa al reactor y sale en forma de HRD.

Figura 6. Sistemas o zonas del Horno de ReduccinA continuacin se explica las operaciones llevadas a cabo en cada zona del reactor:Carga: La carga de las pellas maquilladas se lleva a cabo a travs de un sistema que permite mantener un suministro constante y homogneo e impedir que el gas del reactor se escape a la atmsfera.Reduccin: La zona de Reduccin comprende desde el techo del horno hasta la parte baja de la zona del bustle9. La secuencia de operaciones es la siguiente:1. Las Pellas alimentadas en el horno van descendiendo por efecto de la fuerza de gravedad a travs de la Zona de Reduccin en contracorriente con el gas inyectado en la zona de bustle.2. El gas reductor ingresa al reactor con una temperatura entre los 990 C y los 1010 C. En la medida que el gas asciende se va haciendo ms rico en C02 y H20, mientras que el material en descenso se va concentrando en hierro metlico (Fe), es decir, se transforma gradualmente en HRD.Al llegar a la zona del tope del reactor, el gas tiene una temperatura de 370C aprox., mientras que el HRD cercana a la zona del bustle tiene entre 750C y 820 C.El ingreso del gas al interior del horno se hace a travs de dos anillos distribuidores de setenta y tres (73) toberas equidistantes entre si, para lograr una distribucin uniforme.Esta zona es la de mayor temperatura, cantidad de hierro metalizado y concentracin de hidrogeno y monxido de carbono dentro del reactor.Las reacciones que tienen lugar en esta etapa, de manera general son:

Figura 7. Reacciones qumicas en el Horno de ReduccinTransicin: La zona de Transicin o Isobrica tiene por objetivo igualar las presiones entre la zona de enfriamiento y la zona de reduccin, evitando la contaminacin de circuitos. Comprende desde la parte inferior del anillo de toberas del bustle hasta la parte superior de los ductos recolectores de gas de enfriamiento (cajas de viento).Enfriamiento: La zona de enfriamiento tiene como objetivo bajar la temperatura de HRD a 45C para su manejo en los sistemas de transporte. Es la seccin cnica del reactor y abarca desde los colectores de gas de enfriamiento(cajas de viento) hasta la parte inferior del reactor.Adems de enfriar el HRD, en esta zona se realiza la deposicin del carbono, mediante el craqueo del metano (CH4) presente en el gas de enfriamiento, para obtener valores de 2,0 a 2,2% aproximadamente en el HRD.Descarga: El Sistema de Descarga controla la cantidad de producto metalizado descargado del reactor. Est compuesto por la pierna del reactor, un cajn y el pndulo. Este ltimo es un dispositivo accionado hidrulicamente que se traslada de un extremo a otro del cajn, empujando cada vez una cantidad constante de material por el borde hacia la cinta transportadora. La velocidad del pndulo se ajusta en funcin de la productividad requerida.

ReformacinEl objetivo de la reformacin es convertir el gas tope (gas de salida del reactor rico en C02) en gas reformado, para lo cual requiere adicin de gas natural, energa y un catalizador de nquel. El gas reformado junto con la adicin de gas natural, constituye el gas reductor utilizado en el proceso de reduccinEl reformador es una gran estructura metlica de forma rectangular, hermtica, cubierta internamente con refractarios en las paredes y con lana aislante en el techo, atravesada verticalmente por una serie de tubos porta catalizadores.La secuencia en esta etapa es la siguiente:1. El gas natural es precalentado en un recuperador de calor en la zona de humos del reformador.2. El gas de alimentacin (gas tope + gas natural precalentado) es calentado y distribuido hacia los tubos del reformador a travs de dos cabezales ubicados en la parte inferior y a lo largo del reformador. Cada cabezal suple a dos filas a travsde tubos flexibles.3. El gas de alimentacin que entra por la parte inferior de cada tubo a unos 460C, se pone en contacto con el catalizador, convirtindose en gas reformado (hidrogeno y monxido de carbono) y sale por la parte superior, a una temperatura de 920 C (promedio).4. El gas reformado caliente de cada tubo es colectado por dos ductos paralelos ubicados en el techo del reformador. Estos convergen en un solo ducto.5. En el ducto comn de gas reformado se inyecta una corriente de gas natural para evitar metanacin y para reformar in situ. Se incrementa su temperatura entre 990 y 1010 C a travs de inyeccin de oxgeno. Finalmente, ingresa en el reactor.

Figura 8. Sistema de reformacinLas principales reacciones qumicas en la reformacin son:CH4 + CO2 2CO + 2H2 Reformacin con CO2 (3)CH4 + H2O CO + 3H2 Reformacin con H2O (4)