Antecedentes, Historia y Generalidades del Proceso FINMET. Materia Prima, Instalaciones y Productos. Planta FINMET: Orinoco Iron
El proceso FINMET (finos metalizados), es una tecnología de reducción directa basada en el procesamiento de finos de mineral de hierro, por acción de un gas reductor, en un lecho fluidizado a alta presión y temperatura. Orinoco Iron, empresa venezolana privada del sector siderúrgico es una compañía de IBH (International Briquettes Holding), que opera una planta de HBI en Venezuela con tecnología FINMET, proceso de reducción directa desarrollado por personal venezolano a partir del proceso FIOR (ESSO-EXXON, USA).
ANTECEDENTES 1973: Se funda Fior de Venezuela con acciones de Ferrominera Orinoco, Sivensa y Lukens Steel. 1976: Se producen las primeras briquetas HBI. 1986: El grupo Sivensa adquiere 60 % de Fior de Venezuela. 1997: Operaciones RDI compró todos los activos y pasivos de Fior, empresa que transfirió a Orinoco Iron los activos relacionados con la construcción de la nueva planta. Sivensa se asocia con The Broken Hill Propietary (BHP). 1998: Inicia la construcción de la planta Orinoco Iron. 2000: Puesta en marcha. 2002: En septiembre Orinoco Iron alcanzó el primer millón de toneladas de briquetas producidas y vendidas. 2004: En febrero Orinoco Iron alcanza los dos millones de toneladas de briquetas producidas y vendidas. En mayo entra en operaciones el cuarto tren.
Orinoco Iron en el Edo. Bolívar, Venezuela posee una capacidad instalada de 2.000.000 t/año de HBC. Esta planta consta de 2 módulos de producción con capacidad de 1 millón de t/año cada uno. Cada módulo tiene dos trenes de producción con capacidad de 500.000 t/año cada uno. Procesos Básicos: 1. 2. 3. 4. 5.
Preparación y Alimentación de mineral. Generación del Gas Reductor. Reducción. Carburización. Briqueteado.
1.
Preparación y Alimentación de mineral:
El mineral de hierro requerido por la planta es suministrado por CVG Ferrominera del Orinoco y transportado mediante ferrocarriles en la cantidad y calidad requerida por el proceso FINMET. Antes de ser introducido al proceso el mineral de hierro es tratado en el área de manejo de materiales donde es secado y cribado para luego ser transportado hasta el área de reactores. Durante el secado se alcanzan temperaturas de 100-110 °C. Se cuenta también con una tolva para la reutilización del Remet (finos parcialmente reducidos que no fueron briqueteados) y que son introducidos nuevamente al proceso. Análisis típico de los finos de mineral de Hierro Fe2O3 (%)
93,39
94,24
Fe Total (%)
64,68
65,96
CaO (%)
-
0,11
MgO (%)
-
0,06
SiO2 (%)
0,88
1,40
Al2O3 (%)
0,70
1,40
TiO2 (%)
0,10
0,26
K2O (%)
-
0,13
P (%)
0,06
0,07
PPR (%)
3,53
4,00
H2O (%)
4,80
7,90
Granulometría típica de los finos de mineral de Hierro Partículas menores a 6,3 mm. La fracción ultrafina (menor a 0,15 mm) no debe exceder el 20%.
2. Generación del Gas Reductor (Reformación): La reformación implica la transformación de la mezcla de gas natural y vapor de agua a gas reductor en presencia de un catalizador (NiO) a altas temperaturas, según la reacción: CH4 + H2O → CO + 3 H2 El gas reductor es producido en un horno por reformación catalítica del Gas natural con Vapor de agua. De esta forma se obtiene un gas con alto poder reductor a la presión, temperatura y composición química requeridos en el circuito de reactores. Calidad Típica del Gas Reductor: H2 = 60 - 64% CO = 7 - 10 % CH4 = 20 - 25% CO2 < 7% N2 < 4% La planta de Orinoco Iron cuenta con 2 reformadores (1 para cada modulo), 4 hornos reductores (1 para cada tren) y 16 reactores (4 para cada tren). En el proceso FINMET, la composición del gas reductor puede ser ajustada según los requerimientos propios de la planta y de acuerdo a la disposición de la unidad de remoción de CO2 en el circuito del gas de reciclo.
3. Sistema de Reactores (Reducción): El área de reducción tiene como objetivo general recibir el mineral de hierro seco proveniente del área de alimentación de mineral para ser calentado, reducido y posteriormente suministrarlo al área de Briqueteado. Su objetivo específico es reducir el mineral hasta una metalización de 92%, aproximadamente. La particularidad de este proceso es la generación de un lecho fluidizado dentro de los reactores.
En estos reactores la corriente de gas se hace pasar a través de las partículas sólidas, a una velocidad suficiente para suspenderlas, en estas condiciones, el lecho de partículas se comporta como un líquido en ebullición que tiende a igualar la composición de la mezcla de reacción y la temperatura a lo largo del lecho.
CO2 , H2O
3. Sistema de Reactores (Reducción):
CO, H2 3 Fe2O3 + H2 → 2 Fe3O4 + H2O 3 Mineral secado a 100-110°C (Fe2O3.nH2O)
Drier
Se elimina el agua de cristalización
R4
Primera fase de reducción (Fe3O4)
R4/R3
Segunda fase de reducción (FeO)
R2
Fase final de reducción (Fe°)
R1
Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2 R4/R3 Fe3O4 + H2 → 3 FeO + H2O Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2
R2
FeO + H2 → Fe + H2O
FeO + CO → Fe + CO2
R1
3. Sistema de Reactores (Reducción): El sistema de reactores consiste en dos módulos con cuatro trenes de reactores, dos trenes por modulo, que funcionan en serie, cada uno con una capacidad nominal de 500,000 t/año de hierro briqueteado en caliente.
Partículas menores a 6,3 mm. La fracción ultrafina (menor a 0,15 mm) no debe exceder el 20%.
3. Sistema de Reactores (Reducción): SECUENCIA DE LAS REACCIONES DE REDUCCIÓN Reactor R-4: En este reactor se elimina el agua de cristalización que posee el mineral y se da inicio a la primera etapa de reducción de Hematita a Magnetita a una temperatura promedio de 650°C por eso es que el reactor R-4 es también llamado reactor reductor y se dan las siguientes reacciones: Fe2O3.nH2O → Fe2O3 + nH2O
Fe° < 1%
Reactor R-3: En este reactor el mineral es calentado con gas reductor a una temperatura promedio de 730°C, completándose la transformación de Hematita a Magnetita iniciada previamente (Fe° < 3%), mediante las siguientes reacciones: 3 Fe2O3 + H2 → 2 Fe3O4 + H2O ∆H = -12,18 KJ/mol 3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2 ∆H = -47,07 KJ/mol Reactor R-2: En este reactor la Magnetita se reduce a Wustita con un gas reductor a una temperatura de 773°C, lográndose un nivel de hierro metálico entre 50 y 60%, mediante las reacciones: Fe3O4 + H2 → 3 FeO + H2O
∆H = 50,58 KJ/mol
Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2
∆H = 15,69 KJ/mol
3. Sistema de Reactores (Reducción): SECUENCIA DE LAS REACCIONES DE REDUCCIÓN Reactor R-1: En este reactor el Gas Reductor, con una temperatura de 835°C permite la transformación final de Wustita a Hierro metálico (84 - 87% °Fe). Las reacciones que gobiernan esta etapa son las siguientes: FeO + H2 → Fe + H2O
∆H = 15,02 KJ/mol
FeO + CO → Fe + CO2
∆H = -14,87 KJ/mol
4. Carburización: Formación de Carbón
Formación de Fe3C
CH4 → C + 2H2
3Fe + CH4 → Fe3C + 2H2
CO + H2 → C + H2O
3Fe + CO + H2 → Fe3C + H2O
2CO → C + CO2
3Fe + 2CO → Fe3C + CO2
5. Briqueteado: El hierro reducido y caliente es descargado desde el reactor 4, a través de la línea elevadora hacia el tambor de alimentación, luego pasa a la tolva del tornillo alimentador donde este dirige el material hacia el espacio entre los rodillos de la maquina briqueteadora, donde ocurre el proceso de compactación. La maquina briqueteadora genera una cinta de briquetas que posteriormente se separa en briquetas individuales, las cuales pasan a través de una criba donde los finos y virutas generados en el proceso son separados para ser reciclados hacia el tambor del tornillo alimentador. Finalmente, las briquetas son descargadas de la criba a la cinta de enfriamiento y transporte para ser llevadas a la pila de producto o directamente a las tolvas de almacenamiento en el área de despacho.
BRIQUETAS FINMET® %FeT
92,5 - 93,50
%Fe°
84 – 85
%Met
≥ 91
%C
0,8 – 1,5
Dens. (g/cm3)
≥5
VENTAJAS: -
La principal es que está basado en un proceso probado a escala comercial en lecho fluidizado. Utilización de finos de mineral de hierro con partículas menores a 6 mm. No requiere procesos previos de molienda y/o peletización. Dosificación controlada de la fracción ultrafina en la alimentación. Recuperación de los finos y virutas dosificándolos nuevamente al sistema. Posibilidad de recuperar el remet dosificándolo nuevamente al sistema. Consumo de gas natural y electricidad competitivos con los procesos de reducción directa comercialmente establecidos hasta el momento. Consumo de mineral de hierro por tonelada de producto menor que los procesos de reducción directa comercialmente establecidos hasta ahora y a menor costo que las pellas y gruesos.
DESVENTAJAS: -
El cuidado en el tamaño de los finos (máx.20%-malla 325) lo cual atenta contra la economía del proceso. El costo del capital es alto y no es competitivo con otros procesos con producciones de menos de un millón de toneladas. El consumo de combustible es alto. La utilización de los finos de mineral debido a sus límites críticos origina pérdidas. Este proceso es muy sensible a la calidad de los finos de mineral de hierro.
Tecnología
Tipo de Horno Tipo de Lecho
Agentes Reductores Presión
Materia Prima Producto Reformación Plantas en
% 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =
𝐹𝑒° × 100% 𝐹𝑒𝑇
% 𝑅𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 =
𝑂𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑅𝑒𝑚𝑜𝑣𝑖𝑑𝑜 × 100% 𝑂𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝐴𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 × 𝐹𝑒𝑇𝐴𝐿𝐼𝑀 = 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 × 𝐹𝑒𝑇𝑃𝑅𝑂𝐷 𝐻𝑅𝐷 = %𝐹𝑒° + %𝐹𝑒𝑂 + %𝐶 + %𝐺𝑎𝑛𝑔𝑎
En una planta de reducción Directa se alimenta un tren de reactores de lecho fluidizado con 120 ton/h de mineral. Si se desea un porcentaje de metalización del HRD de 92%, con un nivel de hierro metálico de 89%. a. b.
Seleccione la mejor mezcla (carga) que garantice la mayor producción (ton/h) de HRD. Determine entonces : - %Ganga, asumiendo que el hierro se encuentra como Hematita. - %Carbono, sabiendo que %FeO=6,23%. - %Reducción. Tipo Mineral
% FeT
Finos
67,40
Gruesos
68,10
Pellas
66,45
Mezclas 1 2 3 4
% Finos 100 10
% Gruesos 20 -
% Pellas 100 80 90
Fe° H2/CO
Wustita
H2O/CO2
Magnetita Hematita Fe2O3
Fe3O4 FeO Fe°
Wustita
Hierro Metálico
Poros Escoria
Sílice
El HBC, cuenta con características particulares que lo hacen útil como materia prima para los procesos de aceración:
• • • • • • •
FeT
90 – 94%
Fe˚
83 – 88%
C
0,8 – 1,7%
P
0,02 – 0,11%
S
0,003 – 0,03%
Ganga
1,95%
Residuales
5,1%
Bajos niveles de elementos residuales tales como el Cu, Ni, Cr, Mo, y Sn. Su consistencia química. Su densidad a granel. Su estabilidad durante traslados oceánicos y terrestres. Su tamaño óptimo. Alta conductividad térmica y eléctrica Baja reactividad con agua dulce y salada
Este proceso se produce a altas temperaturas (típicamente entre 500 y 700 ° C) y altas fuerzas de presión (por ejemplo, 120 kN por cm de anchura de rodillo activo).
Hierro Briqueteado en Caliente proveniente de distintos procesos de Reducción Directa:
Tecnología Fior/FINMET
Tecnología Midrex/HyL-III
