Proceso HYLElProceso HyLes un sistema de reduccin directa del hierro patentado por la empresa mexicanaHojalata y Lmina S.A. (Hylsa)en 1957, del cual se obtiene como producto finalfierro esponjaohierro esponja(eningls:fire sponging), nombres con los que tambin se conoce a este procedimiento de reduccin.12Fue desarrollado por un equipo de tcnicos comandado por el ingenieroJuan Celada Salmncon la idea de facilitar la produccin de materia prima para la fabricacin de acero.3Con el tiempo, y despus de mejorar los estndares de calidad, exportaron la tecnologa,4que se considera una de las tecnologas mexicanas ms conocidas a nivel internacional.5ndice[ocultar] 1Historia 2Proceso 3Referencias 4BibliografaHistoria[editar]Valores Industriales, S. A. de C. V.(VISA), unholdingregiomontanoque se encargaba de manejar unconglomerado de empresasrelacionadas con laCervecera Cuauhtmoc,67fundHojalata y Lmina S.A. (Hylsa)en 1943, con la finalidad de procesar el acero necesario para lascorcholatasde sus envases de cerveza, en esa pocaEstados Unidosle haba cortado a Mxico los suministros de acero debido a que se haban involucrado en laSegunda Guerra Mundialy, como el acero escaseaba, precisaban satisfacer sus propias necesidades. Con el tiempo, Hylsa se convirti en la mayor acera privada en Mxico.1Aos despus, durante laguerra de Corealos precios de lachatarrase encarecieron y como Hylsa utilizaba este componente para la fabricacin de aceros planos, encargaron a un equipo de investigadores la tarea de idear otros procedimientos para obtener los materiales que necesitaban para su produccin y as surgi la tecnologa del fierro esponja en1957, un proceso de reduccin directa del mineral de hierro.5El ingeniero Juan Celada Salmn fue el lder del equipo creado por la empresa para la investigacin de nuevas tecnologas.3Proceso[editar]El proceso consiste en reducirqumicamentela cantidad deoxgenodel hierro, lo que se consigue mezclndolo conhidrgeno(H) ymonxido de carbono(CO) a 800 C. Tanto el hidrgeno, como el monxido de carbono, sustraen el oxgeno del hierro, es decir, se oxidan, y forman H2O y CO2. Durante el proceso, elxido de hierroFe2O3se convierte en Fe3O4, despus en FeO y al terminar el proceso en el elemento Fe. El hierro reducido (o fierro esponja) es poroso, carece de impurezas y resulta fcil de manejar en el proceso de fabricacin de acero.3Referencias[editar]1. Saltar a:abAlfa, S.A. de C.VInternational Directory of Company Histories, Vol. 19. St. James Press, 1998.2. Volver arribaHoy parte del grupoTernium), vase: Rojas Sandoval, Javier. Hojalata y Lmina S.A. de C.V..Monterrey Cultura Industrial. Consultado el 14 de septiembre de 2012.3. Saltar a:abcJuan Celada Salmn. Consejo Consultivo de Ciencias de la Presidencia de la Repblica. Consultado el 20 de septiembre de 2012.4. Volver arribaThe Alfa Group: The decline and resurgence of a large-scale indigenous business group in Mexico.Developing Economies31(4). 1993.5. Saltar a:abGarritz Ruiz, Andoni; Chamizo, Jos Antonio. La Qumica en Mxico. Un poco de la historia cientfica mexicana. Biblioteca Digital del ILCE. Consultado el 19 de septiembre de 2012.6. Volver arribaReyes (2010), p. 827. Volver arribaHistoria Corporativa. Femsa.com. Consultado el 17 de septiembre de 2012.

INTRODUCCIONPara la reduccin de hierro a partir de sus concentrados oxidados (hematita, magnetita y bustita) existen barios procesos o mtodos para la reduccin. Pero en este reporte solo hablaremos de dos, que a mi parecer, son los mas importantes o por lo menos los mas utilizados en la actualidad. Tales mtodos son: El proceso HyL, que es un sistema de reduccin directa de hierro y el proceso de fusin indirecta en alto horno.

Proceso HyL.El Proceso HyL es un sistema de reduccin directa del hierro patentado por la empresa mexicana Hojalata y Lmina S.A. (Hylsa) en 1957, del cual se obtiene como producto final fierro esponja o hierro esponja, nombres con los que tambin se conoce a este procedimiento de reduccin. Fue desarrollado por un equipo de tcnicos comandado por el ingeniero Juan Celada Salmn con la idea de facilitar la produccin de materia prima para la fabricacin de acero. Con el tiempo, y despus de mejorar los estndares de calidad, exportaron la tecnologa, que se considera una de las tecnologas mexicanas ms conocidas a nivel internacional.El proceso generador de gases es la reformacin de gas natural con vapor de agua. Como el vapor de agua se emplea en exceso, se tiene que enfriar el gas para quitarle el excedente. Se consume de este gas aproximadamente 1060 m3 std. Por tonelada de fierro producido. La seccin de reduccin consta de un reactor de locho mvil por gravedad, presurizado con sellado mecnico. La presin de operacin es deaproximadamente 3.5 hg/cm2. La entrada de mineral se realiza por la tolva de presurizacin y despresurizacin.El sistema de sellado consta de una vlvula de media bola, que corta el flujo de los slidos y de una vlvula macho que sella el flujo del gas.El control de flujo de slidos se realiza a la salida del reactor por medio de una banda dosificadora, una vez llena la tolva se descarga por una bomba a una tolva de almacenamiento del producto.El reactor consta de tres zonas; zona de reduccin zona superior donde el gas reductor fluye a contracorriente, entrando por una cavidad circular y saliendo por la parte posterior por un recolector colocado a lado de la entrada de slidos.Consta de una zona de enfriamiento donde el gas refrigerado entra por la parte inferior del reactor y fluye contracorriente con el solido.La zona isobrica o zona media, esta seccin del reactor separa las zonas de reduccin y enfriamiento.El gas reductor tiene dos circuitos independientes. El circuito de reduccin que entra al reactor en la zona de reduccin, sale de este y es enfriado y lavado para quitarle el agua, producto de la reduccin con H2 y separar las partculas de slidos arrastrados por el gas. Parte de este gas se purga del sistema envindose a fuegos, el resto se recircula por medio de un compresor, y se enva a un calentador junto con el gas de repuesto procedente del reformado.

Ilustracin 1 Proceso de reduccin directa HyL.

Fusin Indirecta en el AltoHorno.Antes de entrar en la explicacin del proceso de fusin indirecta en el alto horno, es imprtate definir dos trminos, hierro esponja y carbn de coque.Hierro esponja.La materia prima para la produccin de hierro esponja es el mineral de hierro en forma de pellets. Se le denomina hierro esponja por que a los pellets de mineral de hierro se le extrae el oxigeno convirtindose en un material sumamente liviano.Pala extraer el oxigeno de los pellets de mineral de hierro se utilizan hornos rotatorios de reduccin directa. Los pellets de mineral de hierro junto con el carbn y la piedra caliza ingresan a los hornos rotatorios a una velocidad controlada. El interior de los hornos esta cubierto de material refractario debido a las altas temperaturas que debe soportar. Por efecto de la combustin se produce monxido de carbono (CO), el cual favorece la reduccin de los pellets de mineral de hierro, es decir, pierden oxigeno, obtenindose as hierro esponja. Para mantener la combustin se dispone de ventiladores a lo largo de los hornos los que brindan el aire necesario para la combustin del carbn. El hierro esponja obtenido pasa luego al enfriador rotatorio donde se le suministra externamente agua para su refrigeracin.

Carbn de coque.El coque carbn de coque es un combustible slido formado por la destilacin de carbn bituminoso calentado a temperaturas de 500 a 1100 C sin contacto con el aire. El proceso de destilacin implica que el carbn selimpia de alquitrn, gases y agua. Este combustible o residuo se compone en 90 a 95% de carbono. Nitrogeno, oxgeno, azufre e hidrogeno estn presentes en cantidades menores. Es poroso y de color negro a gris metlico. El coque se utiliza en grandes cantidades en altos hornos para la elaboracin de hierro aprovechando la siguiente reaccin qumica:Fe2O3 + 3C 2Fe + 3CO

Proceso de Fusin Indirecta en el Alto Horno.El proceso de fusin indirecta en el alto horno tiene casi 100 aos desde su invencin pero, a pesar de eso, en la actualidad es uno de los mtodos para la reduccin de concentrados oxidados de hierro mas utilizados.

Las materias primas que ingresan al alto horno son: mineral de hierro en forma de pelets, carbn de coque, fundentes como piedra caliza u oxido de manganeso, aire enriquecido con oxigeno y gas natural.Un alto horno tpico est formado por una cpsula cilndrica de acero de unos 30 m de alto. El dimetro de la cpsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es mximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. El alto horno esta constituido por dos troncos de cono el superior, cuba, y el inferior, etalaje. El dimetro del horno disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es mximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. Sobre la cuba, en la alimentacin lleva un doble sierre para impedir que escapen los gases. La parte mas ancha del horno se llama vientre, debajo del etalajese encuentra el crisol donde se recogen el hierro fundido y la escoria. El alto horno se construye en acero revestido interiormente de ladrillos refractarios que deben resistir el calor y la erosin producidos por el descenso de las cargas y por las reacciones qumicas en su interior. La carga del material ingresa por el tragante donde la temperatura es de unos 150 C. Por medio de toberas se inyecta el aire enriquecido con oxigeno que eleva la temperatura a unos 2000 C. El oxigeno al ponerse en contacto con el coque forma monxido de carbono, el cual en su acenso a trabes de la carga va quitando oxigeno al mineral y de esta manara produce el fenmeno de reduccin. Alrededor de un 50% del monxido de carbono se transforma en bixido y el resto es recuperado como combustible para otros usos. Las temperaturas alcanzadas en el etalaje permiten que se produzca la reduccin del oxido de manganeso, se elimine el azufre, y funde mineral de hierro que forma el arrabio, un hierro metlico con alto contenido de carbono e impurezas. En la parte inferior del horno la escoria se separa y en estado lquido fluye por un canal. El arrabio se extrae al romper un tapn de arcilla inferior llamado piquera y fluye hacia vagones termos, este proceso se llama colada. El arrabio suele contener entre el 91 y el 94% de hierro y pequeos porcentajes de carbono, manganeso, azufre, fosforo y silicio. El arrabio luego es transportado a hornos especiales llamados convertidores donde serfinalmente transformado en acero.

Ilustracin 4 Proceso de Fusin Indirecta en el Alto Horno.

CONSIDERACIONES TERMODINAMICASEl alto horno es un reactor qumico, cuyo funcionamiento contra corriente (los gases suben mientras que los slidos se dirigen hacia abajo) le proporciona un rendimiento trmico excelente.A continuacin se presentan las diferentes reacciones de los compuestos oxidados de hierro que ocurren en el interior del alto horno.Reacciones Principales.La primera consiste en reducir mediante el monxido de carbono los xidos de hierro presentes en el mineral de hierro u la segunda en la produccin del agente reductor CO (monxido de carbono).

Reaccin general:2C(C) + O2(g) = 2CO(g)

Dado el exceso de carbono y la temperatura, hay una conversin de todo el oxgeno en monxido de carbono.

La reaccin anterior se produce por dos reacciones sucesivas:

C + O2(g) = CO2(g), a continuacin, C(C) + CO2(g) = CO(g) (Ecuacin de Bouduard)

A partir de ah, la reaccin de reduccin de los xidos de hierro es la siguiente:

Fe2O3(C) + 3 CO(g) = 2Fe + 3CO2(g)

El carbn de coque tiene dos funciones principales:Por la combustin, se produce el agente reductor, sobre todo a la salida de las toberas. La reaccin es altamente exotrmica, se alcanzan temperaturas de 2200 C.Se consume el dixido de carbono (CO2), producido por la reduccin de los xidos de hierro para regenerar el agente reductor (CO), de los xidosde hierro.

Reduccin de los xidos de Hierro.Al entrar el mineral de hierro en forma de peletts, estos entran como Fe2O3 al ir descendiendo la carga, el monxido de carbono que esta en ascenso, va reduciendo paulatinamente el mineral de hierro entrando en los poros del mismo hasta obtener Fe lquido a la altura de las toberas con algunas impurezas.Los xidos de hierro se reducen siguiendo la siguiente secuencia:

Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe

La secuencia de la temperatura en la cuba es (desde arriba de la cuba en funcin de la temperatura):T > 320 C3Fe2O3(C) + CO(g) = 2Fe3O4 + CO2(g)620 C < T < 950 CFe3O4 + CO(g) = 3FeO + CO2(g)T > 950 CFeO + CO(g) = Fe(C) + CO2(g)

En el fondo de la cuba, se produce la regeneracin del CO por la reaccin de Boudouard a una temperatura de alrededor de 1000 - 1050 C.

Clculos.Equilibrio Fe2O3 Fe3O42(3Fe(C) + 2O2 (g) = Fe3O4); G = 2(-261200 +71.36T) (600 1537C)3(Fe2O3(C) = 2Fe + 3/2 O2 (g)); G = 3(192800 58.30T) (600 1573C)CO (g) + O2 (g) = CO2 (g); G = -67500 + 20.75T (292 2000K)3Fe2O3(C) + CO (g) = 2Fe3O4 + CO2 ( g); G = -11500 11.43T (600 1537K )

K=(a_Fe3O4* p_co2)/(a_Fe2O3^3* p_co )=p_co2/p_co logK=log(P_CO2/P_CO )=-(G)/RT

2(3Fe(C) + 2O2 (g)= Fe3O4); G = 2(-265660 +76.81T) (600 1537C)3(Fe2O3 (C) = 2Fe + 3/2 O2 (g)); G = 3(195450 61.38T) (600 1573C)CO (g) + O2 ( g) = CO2(g) ; G = -67500 + 20.75T (292 2000K)3Fe2O3(C) + CO (g) = 2Fe3O4 + CO2 (g); G = -12470 9.77T (600 1537K)

K=(a_Fe3O4* p_co2)/(a_Fe2O3^3* p_co )=p_co2/p_co logK=log(P_CO2/P_CO )=-(G)/RT

Tabla 1. Equilibrio Fe2O3 Fe3O4T, C T,K G Log (Pco2/Pco)400 673 -19045,21 6,1842600 873 -20999,21 5,2566800 1073 -23764,39 4,84001000 1273 -26050,39 4,47201200 1473 -28336,39 4,20391400 1673 -30622,39 4,00001600 1873 -32908,39 3,83961800 2073 -35194,39 3,7101

Equilibrio Fe3O4 FeOFe3O4 = 3Fe(C) + 2O2 (g); G = 261200 -71.36T (600 1537C)3(Fe(C) + O2 (g) =FeO); G = 3(-63200 + 15.47T) (600 1377C)CO (g) + O2 (g) = CO2 (g) ; G = -67500 + 20.75T (292 2000K)Fe3O4 + CO (g) = 3FeO + CO2 (g); G = 4100 4.2T (600 2000K)

K=( a_FeO^3* p_co2)/(a_Fe3O4^ * p_co )=p_co2/p_co logK=log(P_CO2/P_CO )=-(G)/RT

Tabla 2. Equilibrio Fe3O4 - FeOT, C T,K G Log (Pco2/Pco)400 673 1273,4 - 0,4135600 873 433,4 - 0,1085800 1073 -406,6 0,08281000 1273 -1246,6 0,21401200 1473 -2086,6 0,30961400 1673 -2926,6 0,38231600 1873 -3766,6 0,43951800 2073 -4606,6 0,4856

Equilibrio FeO Fe

FeO ( = Fe(C) + O2 (g); G = 63200 - 15.47T (600 1377C)CO (g) + O2 (g) = CO2 (g); G = -67500 + 20.75T (292 2000K)FeO + CO (g) = Fe(C) + CO2 (g); G = -4300 + 5.28T (25 1377K)

K=( p_co2)/(a_FeO^ * p_co )=p_co2/p_co logK=log(P_CO2/P_CO )=-(G)/RTTabla 3. Equilibrio FeO FeT, C T,K G Log (Pco2/Pco)400 673 -746,56 0,2424600 873 309,44 -0,0775800 1073 1365,44 -0,27811000 1273 2421,44 -0,41571200 1473 3477,44 -0,51591400 1673 4533,44 -0,59221600 1873 5589,44 -0,65211800 2073 6645,44 -0,7005

Equilibrio Fe3O4 Fe

(Fe3O4 = 3Fe(C) + 2O2 (g)); G = (265660 -76.81T) (25 600C)2(CO (g) + O2 (g) = CO2 (g)) ; G = 2(-67500 + 20.75T) (292 2000K) Fe3O4 +2CO (g)= 3Fe + 2CO2 (g); G = -2170 + 3.095T (25 600C)

K=( P_CO2^2)/(a_Fe3O4^(1/2)* P_CO^2 )=p_co2/p_co logK=log (P_CO2/P_CO )^2=-(G)/RT

Tabla 4. Fe3O4 - FeT, C T,K G Log(Pco2/Pco)200 473 -706,065 0,3262400 673 -87,065 0,0283600 873 531,935 -0,1332

Ecuacin de Bouduard para ac= 0.65 y Pt= 0.5 atm

2(C (gr) + O2 (g)= CO (g)); G = 2(-26700 -20.95T) (298 2500K)CO2 (g) = C (gr) + O2 (g); G = 94200 + 0.2T (298 2000K)C (gr) + CO2 (g) = 2CO (g); G = 40800 41.7T (298 2000K) eq. Bouduard

K=( P_CO^2)/(a_C^ * P_CO2^ )=(P_CO^2)/P_CO2 logK=log ((P_CO^2)/P_CO2 )^ =-(G)/RT

Encontrando el valor de G a la temperatura que queramos, sustituyendo en la ecuacin de K, y si Pt = PCO + PCO2 = 0.5, despejando para PCO2, sustituyendo y simplificando tenemos:

PCO2 = 0.5 - PCOK=( P_CO^2)/(a_C^ (0.5- P_CO2 ) )K aC(0.5 - PCO) = P_CO^20.5KaC - KaCPCO = P_CO^2P_CO^2 + 0.65KPCO 0.325K= 0

Utilizando la formula general obtuvimos los siguientes datos:

Tabla 5. Clculos Para la Lnea de BouduardT, C T, K Pco Pco2 Pco2/Pco log(Pco2/Pco)400 673 0,00485 0,49515 102,01557 2,00867600 873 0,13687 0,36313 2,65321 0,42377800 1073 0,45137 0,04863 0,10773 -0,967651000 1273 0,49704 0,00296 0,00595 -2,225291200 1473 0,49967 0,00033 0,00067 -3,173981400 1673 0,49994 0,00006 0,00013 -3,89741600 1873 0,49998 0,00002 0,00003 -4,46641800 2073 0,49999 0,00001 0,00001 -4,9257La ecuacin de Bouduard sirve para calcular principalmente el poder de reduccin de una mezcla gaseosa en este caso CO2/CO. La relacin de mezclas gaseosas debe de ser capaz de los oxgenos del metal oxidado y producir un metal o compuesto menos oxidado, en el caso anterior solo puede reducirse hasta FeO y no puede reducirse hasta Fe lquido.Como se puede observar en el grafico la temperatura de operacin para la produccin de hierro esponja esta entre 800 y 1000C, con un log(PCO2/PCO) que puede irdesde -0.5 hasta -2 aproximadamente.Para la produccin del arrabio en el alto horno, las temperaturas de operacin oscilan entre 1500 y 1700C, con un log(PCO2/PCO) que puede ir desde -1 hasta -4 aproximadamente.

Reduccin de Pellets de Hierro EsponjaEn la reduccin de pellets de hematita, el CO que es el gas reductor, entra en contacto con la superficie del pellet y le va quitando su oxigeno. Como el pellet tiene poros el CO se introduce en ellos y lo va reduciendo, pero conforme se introduce al centro del pellet cada ves es menos el oxigeno que reduce.Lgicamente la cantidad de CO que recibe la superficie es mayor, por tanto, la reduccin de oxigeno es mayor, y conforme se introduce en el centro del pellet la reduccin de oxigeno va disminuyendo.

Gradientes de Concentracin de Oxigeno.En esta grafica se muestra el porcentaje de oxigeno que contienen cada una de las fases en el interior de un pellet cuando este se esta reduciendo

Tecnologas Alternativas: Procesos Hierro de Reduccin Directa y MIDREX

Procesos de HRDVarios mtodos se han usado durante los ltimos 50 aos para producir hierro de reduccin directa. En la prctica, funcionan tres procesos principales: MIDREX, HyL (I, II y III) y FIOR. Slo recientemente se han desarrollado cinco tcnicas nuevas: FASTMET, IRON CARBIDE, CIRCORED, INMETCO y FINMET. Aproximadamente el 92% del HRD se produce usando gas natural (reformado) como combustible. En una cantidad limitada de plantas, se usa carbn como combustible. Como material de carga, se usa plets de mineral de hierro y mineral granular en los procesos que utilizan un horno de cuba (MIDREX, HyL), se usa finos y concentrados en los procesos que utilizan un lecho fluidizado (CIRCORED, FINMET, IRON CARBIDE) o un horno de crisol rotativo (FASTMET, INMETCO). El horno de cuba ha evolucionado y se convirti en el reactor de reduccin para los procesos basados en gas. Funcionan dos procesos principales: MIDREX y HyL III. La unidad de FIOR en Venezuela, pequea en comparacin, usa un lecho fluidizado para la reduccin del mineral de hierro. HyL I y HyL II usan reactores por lotes para reducir el mineral de hierro.Proceso MIDREXLos procesos de reduccin directa basados en gas son particularmente adecuados para las zonas donde el gas natural est disponible en abundancia y a un precio econmico. El proceso MIDREX es un proceso de reduccin directa en un horno de cuba en el cual los plets de mineral de hierro, el mineral granular o una combinacin se reducen en una cuba vertical (horno de reduccin) a hierro metlico por medio de un gas reductor. El gas reductor se produce por una mezcla de gas natural (por lo general metano) y gas reciclado proveniente del horno de reduccin. La mezcla fluye a travs de tubos catalizadores donde se convierte qumicamente a un gas que contiene hidrgeno y monxido de carbono. La temperatura deseada del gas reductor es de alrededor de los 900 C. El gas asciende por la columna del material en contracorriente y elimina el oxgeno de los transportadores de hierro. El producto, hierro de reduccin directa, generalmente tiene un contenido total de hierro que oscila del 90% al 94% de Fe. Despus de que el hierro de reduccin directa sale por el fondo de la cuba, puede comprimirse en el estado caliente a hierro briqueteado en caliente (HBC) para un almacenaje y transporte seguros. El HRD y el HBC son fuentes de hierro virgen libre de elementos extraos y se usan cada vez ms en los hornos de arco elctrico para diluir los contaminantes presentes en la chatarra.La primera planta de reduccin directa MIDREX a nivel comercial comenz a funcionar en 1969 en Oregon Steel Mills en Portland, Oregon, Estados Unidos de Amrica. En la actualidad hay ms de 60 Mdulos MIDREX en operacin, en construccin o por contrato en 20 pases. La escala de plantas MIDREX contina creciendo y hoy MIDREX ha construido la planta de reduccin directa de mdulo nico ms grande del mundo en Hadeed, Arabia Saudita, con una capacidad nominal de 1,76 millones de toneladas por ao.

Cambios en la Entrada de Materiales.La utilizacin de carbn, oxigeno, y en algunos casos la inyeccin de gas natural, proveern ms de la mitad de los requerimientos necesarios para la modernizacin de la reduccin del mineral de hierro utilizando el alto horno. Los principales avances tecnolgicos en la utilizacin del Alto Horno lo representan la disminucin o sustitucin del uso del coque y la reduccin de los capitales de inversin y mantenimiento. Para este fin se busca incrementar el uso de carbn en el Alto Horno y la inyeccin de gas natural.La mejor manera de reducir la polucin es evitarla en primera instancia. Algunas empresas han creado tcnicas de prevencin de la polucin para mejorar la eficiencia y aumentar las ganancias mientras disminuyen el impacto ambiental. Esto se puede lograr reduciendo la entrada de materiales, procesos de reingenieria con el fin de la reutilizacin de subproductos, implementar prcticas operacionales eficientes y la sustitucin de los posibles compuestos qumicos txicos.Las principales polticas de prevencin de polucin en la industria del hierro y el acero se han concentrado en la reduccin de las emisiones de la planta de Coqueria, el material particulado proveniente de horno de arco elctrico y los cidos utilizados en las operaciones finales. Debido a la complejidad, tamao y antigedad de los equipos, utilizados para la fabricacin de acero, se requiere de costosas inversiones econmicas que permitan la implementacin de estas polticas.Cambios planteados para la Planta de Coqueria.La planta de Coqueria es la etapa del proceso de reduccin de mineral de hierro que reporta un mayor grado de agresividad ambiental debido a las emisiones de los hornos de coquizacin y a los vertimientos generados.La prevencin de la polucin en la coquizacin se enfoca en dos aspectos: la reduccin de las emisiones de los hornos y el desarrollo de tcnicas para disminuir el consumo de coque en el proceso de reduccin de mineral. Aunque estos mtodos no se han desarrollado plenamente a nivel industrial, se ha demostrado en pruebas piloto que pueden disminuir las emisiones y las descargas en los vertimientos.Eliminacin del Coque.La sustitucin del coque elimina la necesidad de una planta de Coqueria. Estas tecnologas tienen un enorme potencial para la eliminacin de la polucin generada y las mas desarrolladas son las siguientes: Proceso Japons de Fundicin Directa de Mineral de Hierro (DIOS).Este proceso produce hierro fundido directamente utilizando carbn y cargando mineral en forma de snter. Una planta piloto produjo inicialmente 500 toneladas por da desde Octubre de 1.993 y en 1.995 se determin que es un proceso factible a nivel comercial, cerrandose la planta piloto en 1.996 para implantarla a gran escala. Proceso Hismelt.Este proceso se desarrolla en Australia, desde 1.993. El proceso de mineral y carbn, y ha logrado una produccin promedio de 8 toneladas por hora usando mineral directamente en el horno de fundicin.Durante 1.995, los estudios realizados se utilizaron para determinar la factibilidad comercial. Este proceso piensa implementarse en Estados Unidos. Proceso Corex.El proceso Corex ha integrado el de desulfurizacin, permitiendo la utilizacin de diversos tipos de carbones. Una planta est operando a gran escala en Sur Africa y en la actualidad estn empezando a operar a nivel comercial plantas en Corea del Sur y la India.Reduccin de Emisiones en los Hornos de Coquizacin.Varias tecnologas estn operando o estn siendo desarrolladas para reducir las emisiones provenientes de los hornos de coquizacin. Algunas de las alternativas existentes son: Inyeccin de Carbn Pulverizado.Este tipo de tecnologa sustituye en parte la utilizacin del coque en el alto horno, aproximadamente entre un 25 y 40%, reduciendose de esta forma, de manera sustancial las emisiones asociadas con las operaciones de coquizacin. Esta reduccin depende de la inyeccin de combustible en alto horno, el costo del combustible, el oxigeno disponible, los requerimientos econmicos y la posibilidad de contar con altas temperaturas en el alto horno. Batera de Coquizacin sin Reconversin.Esta diseada para lograr la combustin de los gases provenientes de los hornos de coquizacin, consumiendo de esta forma los subproductos que son tipicamente reconvertidos. Los resultados de procesos son bajo nivel de emisiones y reduccin sustancial de los desechos en las aguas de los efluentes. Autoproceso de Destilacin.En este proceso de limpieza de los gases de precombustin de los hornos de coquizacin, se utiliza agua para retirar amoniaco y acido sulfhdrico provenientes de las emisiones para llevar a cabo un posterior tratamiento de las aguas residuales. Utilizacin de combustibles alternativos.Implementado la utilizacin de otros combustibles, como: gas natural, crudo, o alquitrn en lugar de coque, pero estos combustibles presentan importantes limitaciones.Cambios Tecnolgicos.La reduccin directa, incluye tanto el uso de procesos basados en el consumo de gas como de carbn, esperndose que para el ao 2015, aproximadamente, estas tecnologas alcancen el 15% al 20% de la produccin total de hierro. Los productos de la reduccin indirecta son cargados al horno elctrico como sustituto de la chatarra.Los mtodos de fundicin directa, entre los cuales se destaca el COREX implementado ya a gran escala en tres plantas de Estados Unidos, estn llamados a remplazar los viejos Altos Hornos en las plantas de tipo integral.Reduccin Directa del Mineral de Hierro.La reduccin directa es el proceso mediante el cual se produce hierro slido a partir de mineral mediante la utilizacin de gas natural o carbn que intervienen como agentes reductores. Los procesos de reduccin directa en varias categoras las cuales se presentan en la siguiente tabla.Diferentes Tipos de Procesos de Reduccin Directa.PROCESOPRODUCCION MUNDIAL EN 1995COMENTARIO

UTILIZANDO GAS COMO AGENTE REDUCTOR

Midrex21.85 Mill TonTecnologa ya probada. A gran escala resulta ser econmica.

HyL III8.97 Mill TonSimilar a la tecnologa Midrex. Utiliza monoxido de carbono e Hidrogeno como agentes reductores.

UTILIZANDO GAS Y LECHO FLUIDIZADO

Fior360000 TonTecnologa ya probada.

Iron Carbide110000 TonPlanta a escala industrial en proyeccin.

UTILIZANDO CARBON

INMETCO70000 TonPlanta a escala industrial en proyeccin.

SL/RN1.12 Mill TonUtiliza grandes cantidades de carbn.

Fuente. R.J. Fruehan, Carnegie Mellon University.Los primeros mtodos de reduccin directa implementados hace ms de diez aos fueron el mtodo o Midrex y el HyL los cuales alcanzan ms del 85% de la produccin mundial por esta va. En 1985 en el mundo la produccin total por mtodo Midrex fue de 21.85 millones de toneladas logradas principalmente en Estados Unidos, mientras que por el mtodo H y L se alcanzaron casi nueve toneladas de producto.Las barreras que tienen que superar los nuevos mtodos de lecho fluizado son principalmente mejorar la productividad y la implementacin eficaz del equipo, mientras que los procesos basados en uso de carbn producen an un exceso de escoria y el azufre asociado al carbn.La productividad de los procesos de lecho fluidizado aun no es lo suficientemente alta. El control de los pasos no estn completamente comprendidos y las variables del proceso no han sido optimizadas.La adherencia provocada por la reduccin del mineral causa prdidas en la fluidizacin. Hay problemas de ingeniera asociados el diseo del proceso de lecho fluidizado incluyendo los intercambiadores de calor y los sistemas de distribucin de gas.Hierro de Reduccin Directa por el Mtodo HyL III.Una planta de reduccin directa por el mtodo HyL consta de una serie de reactores de reduccin del mineral y los reformadores de gas. Un reformador de gas puede servir a dos reactores, y cada reactor esta conectado al proceso de calentamiento de gas. El equipo y sistema auxiliar de operacin es el siguiente. Sistema de manejo y almacenamiento del mineral de hierro y del hierro reducido directamente. Unidad de generacin del gas inerte. Planta de tratamiento de aguas. Sistema de enfriamiento de agua. Sistema de aire Equipo elctrico Sistema de control Descripcin General del Proceso.Este sistema consiste en suministrar mineral de hierro y reducirlo en un reactor a hierro lquido con un 90 al 92% de composicin, mediante la utilizacin de una mezcla de gases de hidrgeno y monxido de carbono previamente tratada en la seleccin de generacin de gas reductor.La planta consta de tres circuitos principales: Circuito de reduccin de mineral de hierro. Circuito de generacin de gas reductor. Circuito de enfriamiento. Circuito de Generacin de Gas Reductor.La finalidad de esta etapa es producir a partir de metano y agua, el hidrogeno y el monoxido de carbono que se emplea como agente reductor del mineral de hierro. La reaccin caracterstica es:CH4+ H203H2+ COEl gas natural se precalienta y se mezcla con vapor sobrecalentado, ingresando posteriormente al reactor el cual consiste de una seccin de radiacin de calor, compuesta por una serie de tubos de acero inoxidable, con catalizador de Nquel, donde se lleva a cabo la reaccin de reformacin. El exceso de agua del gas se remueve y se enva a la seccin de reduccin. Circuito de Reduccin de Mineral de Hierro.El principal equipo de una planta de reduccin directa de mineral, es el reactor en el cual se lleva a cabo esta operacin. Las reacciones ocurridas son:Fe03+ 3H22 Fe + 2H2OFe03+ 3CO2 Fe + 2CO2A los gases provenientes de la seccin de generacin a una temperatura de 320 -, 420oC, se le elimina el vapor en exceso. Una vez entran al reactor, los gases reductores se calientan entre 900 y 960oC, a continuacin, en la zona de reduccin se remueve el oxigeno del mineral de hierro por la accin de los gases reductores calientes. El gas recirculado se le elimina el anhdrido carbnico y se mezcla con el repuesto de gas reductor. El CO2es recuperado por absorcin. Circuito de Enfriamiento.El enfriamiento del producto metalizado se lleva a cabo en la parte inferior del reactor donde, adems de enfriarse, se carburiza. La reaccin ocurrente en esta etapa es al siguiente:CH4 + 3FeFe3C + 2H2El gas natural utilizado para llevar a cabo la reaccin se alimenta en la zona de enfriamiento entre 40 a 45oC, enfra y carburiza el producto y sale entre 490 y 540oC. Posteriormente, se lava y se pasa por el enfriador de gases para posteriormente reciclarlo. Ventajas del Proceso de HRD.Las principales ventajas de este sistema de reduccin de mineral de hierro son: la disposicin modular de la planta, la cual proporcin a flexibilidad para la operacin e instalacin compacta; la disposicin integrada del calentador de gas reformado, con una eficiencia superior al 91%; y la incorporacin de un sistema de control digital, lo cual contribuye a la efectividad del proceso.- Bajo costo de Inversin: dos reactores de reduccin pueden compartir el mismo reformador de gas, los equipos de manejo de materiales y servicios. Adems su capacidad de produccin es mayor de 250.000 toneladas por ao. Estas plantas son de diseo simple y operacin independiente, lo cual genera eficiencia y alta disponibilidad.- Ventajas Operativas: el reformador de gas es de diseo estndar, el catalizador de Nquel tiene larga vida, los costos de mantenimiento son bajos y el reactor no requiere complicados mecanismos internos para lograr flujo de producto generando un hierro reducido ms uniforme a la salida de reactor.- Bajo consumo de energa: el consumo de gas natural por tonelada de producto es 2600 kcal o menos, y un requerimiento de 62 kwh de energa elctrica, prcticamente la mitad de la requerida por otros procesos. La recuperacin de energa ha sido optimizada para aprovechar el calor sensible de los gases.Las ventajas econmicas, de operacin y mantenimiento el proceso HYL se presentan en la siguiente tabla.Ventajas Energticas y Econmicas del Proceso.HRDHBCHYTEMP

Mineral de Hierro (ton)Gas natural para proceso (kcal)Combustible (kcal)Energa Trmica Total (kcal)AguaParte y Mantenimiento (Dollars)AdministracinBriquetado1.451380112025001.60.341.4001.451540106026001.80.341.405.001.45154010602.6001.80.341.400

HRD: Hierro de Reduccin DirectaHBC: Hierro Briquetado en CalienteHYTEMP: Hierro reducido Directamente Transportado NeumticamenteFuente. Hylsa Co.- Fcil Operacin y Mantenimiento: el control de los operadores es computarizado requirindose de bajo de mantenimiento y poca mano de obra, de 0,22 a 0,34 horas hombre por tonelada de producto.- Flexibilidad de insumos: adems de gas natural, se puede utilizar gas de Coquera, gas corregido o gas de gasificacin de carbono e hidrogeno. El mineral de hierro a utilizar puede ser en plet o trozo haciendo el proceso flexible en cuanto al mineral a usar, y permitiendo minerales con altos contenidos de azufre, por la implementacin de una planta de desulfurizacin.- Productos flexibles y de calidad: el producto presenta caractersticas fsicas y qumicas uniformes que alcanzan porcentajes de hierro el 90 y 95% y de carbono entre 1,2 y 4%. La ausencia de elementos residuales es total, acabando con los efectos nocivos de la chatarra, cuando esta se carga en el horno elctrico. A parte de ser fuente metlica para el horno elctrico, tambin lo es para Altos Hornos y fundiciones.- Efectos ambientales: las plantas HYL III son de bajo impacto ambiental ms exigentes. La autogeneracin de energa elctrica y la eliminacin y captura de CO2son un atractivo econmico ambiental.- Los porcentajes de hierro en el producto alcanzan los ndices del 92% y un contenido de carbn entre el 1.8 y el 2% adems los consumos de energa son bajos: el gas natural consumido por tonelada de producto es 2.600 kcal, y un requerimiento de 62 KWh de energa elctrica.An as, los anteriores procesos de reduccin directa tienen las siguientes barreras por superar: Desarrollar un proceso de reduccin directa que tenga baja produccin de ganga y sulfuros. Determinar los efectos de las diversas variables en la velocidad de reduccin y la importancia de la carburizacin para el proceso de lecho fluidizado. Investigar la cintica y los fenmenos de fluidos en los reactores de lecho fluidizado para aumentar la productividad y la eficiencia energtica. Reducir la cantidad de material metlico particulado que se genera en el proceso.Fundicin Directa del Mineral de Hierro.Este proceso se basa en la fundicin del mineral mediante el uso de carbn para la produccin de hierro lquido. El carbn tiene ventajas de tipo econmico sobre el gas natural y el coque, adems que se elimina las etapas de coquizacin y aglomeracin, reduciendo as los costos de capital. Los principales mtodos de esta tecnologa se resean a continuacin:Diferentes Tipos de Procesos de Reduccin Directa.PROCESOCARGACONDICION ACTUAL

COREXCarbn y mineral de hierro.Tres plantas operando, y muchas otras en proyecto.

DIOSCarbn y finos de Mineral.Planta piloto en Japn.

AISICarbn y pellets u xidos de desecho.Pruebas ya finalizadas.

HismeltCarbn y finos de Mineral.Pruebas piloto en operacin.

ROMELTCarbn y mineral u xidos de desecho.Planta de tipo semicomercial.

CCFCarbn y finos de Mineral.Pruebas con hornos cicln.

Clean SmeltCarbn y finos de Mineral.Pruebas combinando cicln y horno de fundicin.

Fuente. R.J. Fruehan, Carnegie Mellon UniversityDentro de esta tecnologa el proceso ms desarrollados es el COREX, que hace uso directamente del carbn.Esta tecnologa tiene como objetivos la reduccin de los costos de inversin, la eliminacin de la etapa de coquizacin y la reduccin de los requerimientos de la sinterizacin de las materias primas.Estos procesos utilizan una forma directa de prereduccin y precalentameinto del mineral, alcanzado razonables niveles de postcombustin. Para poder desarrollar dichas tecnologas es necesario superar los siguientes obstculos:- Los actuales niveles de postcombustin y la transferencia de calor no son lo suficientemente altas cuando se usan carbn con alto contenido de materia voltil.- La escoria contenida en el producto, es an inadecuada, se carece de una eficiencia en el proceso de prereduccin. La tecnologa de ciclones parece superar este problema pero no esta an plenamente implementada.- El control actual del proceso es insuficiente para mantener los niveles crticos de carbn en la escoria y controlar el espumamiento sin que disminuya la postcombustin.- No hay un mtodo econmicamente efectivo para llevar a cabo la desulfuracin del metal fundido, la cual provoca que tenga dos o tres veces ms azufre que el metal procedente de un Alto Horno.Teniendo en cuenta los anteriores parametros se hace necesario:- Desarrollar mtodos que aumenten la postcombustin y la transferencia de calor en la fundicin. Utilizar nuevos refractarios y sistemas de agua de enfriamiento mas eficientes.- Implementar mtodos eficientes de adicin de carbn y finos prereducidos para mejorar el funcionamiento de la planta de fundicin.- Estudiar mtodos econmicos de la desulfuracin del metal fundido y desarrollar la tecnologa de ciclones.