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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACUL TAO DE INGENIERÍA MECÁNICA

SECCIÓN DE POST GRADO

"IMPLEMENTACIÓN DE UN PROCESO EXPERIMENTAL DE

CARBURIZACIÓN DEL HIERRO ESPONJA CON GAS NATURAL Y SU APLICACIÓN EN EL PROCESO DE REDUCCIÓN DIRECTA

CON CARBÓN SL/RN"

TESIS

PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE

MAESTRO EN CIENCIAS CON MENCIÓN EN

CIENCIAS DE LOS MATERIALES

PRESENTADO POR:

YONI JORGE ÁBRIGO IPARRAGUIRRE

LIMA, PERÚ

2011

ATIZ1

Nuevo sello

DEDICATORIA

A la memoria de mi querido padre Víctor

y hermano Fernando que partieron juntos

a una mejor vida.

Con todo cariño para mis seres más queridos:

Mi madre Silvia, mi Esposa Cecilia, mis hijos Piero y Xiomara

y mis hermanas Nelia y Nilda.

AGRADECIMIENTOS

A la empresa Corporación Aceros Arequipa S.A. (CAASA) por brindarme la posibilidad

de publicar este trabajo y por ser una empresa nacional líder en tecnología, lugar

donde me ha permitido realizarme aún más como profesional.

Al lngo Víctor Granados por su valioso apoyo técnico y a mis amigos Ricardo García y

Miguel Malpartida por su valiosa colaboración en el Laboratorio de Investigaciones

Metalúrgicas de CAASA.

A mi amigo Msc. Santiago Valverde Espinoza, que tan gentilmente accedió a ser

asesor de mi tesis.

A todos mis amigos y familiares que de una u otra forma me estimulan y me ayudan a

continuar por este camino en la vida y en especial a mi esposa Cecilia por su valioso

apoyo y animo que me brinda día con día para alcanzar nuevas metas, tanto

profesionales como personales.

RESUMEN

ABSTRACT

INTRODUCCIÓN

ÍNDICE

CAPÍTULO 1

ASPECTOS GENÉRICOS DE LA INVESTIGACIÓN 1.1 Antecedentes

1.2 Alcance de la Investigación

1.3 Problemática

1.4 Formulación del Problema

1.5 Objetivos

1.5.1 Objetivos Generales

1.5.2 Objetivos Específicos

1.6 Hipótesis

1.7 Diseño de la Investigación

1,8 Variables e Indicadores de la Investigación

1.9 Metodología de la Investigación

1.10 Importancia del estudio

CAPÍTULO 2

12

14

16

18 18

19

19

20

20

20

21

21

22

24

24

25

MARCO TEÓRICO 27 2.1. La Cadena Productiva de la Siderurgia 27

2.2. Importancia del Desarrollo de la Tecnología de Reducción Directa. 29

2.3. Producción Mundial del Hierro Esponja ó DRI

2.4. Producción Global de Acero Vía Acería Eléctrica

2.5. Clasificación de los Procesos de Reducción Directa

2.6. Procesos de Reducción Directa con Gas

2.6.1. Proceso Midrex.

2.6.2 Proceso H y L.

2.7 Procesos de Reducción con Reductores Sólidos ., . .

2.8 Proceso SURN de Aceros Arequipa.

30

31

32

32

32

37

38

39

5

2.9 Características de las Materias Primas y Productos.

2.10 Fundamentos Físicos y Químicos.

2.10.1 Termodinámica de la Reducción del Oxido de Hierro

2.1 0.2. Reducción por el Monóxido de Carbono

2.10.3. La Reacción de Boudouard

2.11. Termodinámica de Carburización

2 .11.1. Deposición de Carbono.

2.11.2. Diagrama de Equilibrio Hierro- Carbono

2.12. Cinética de Carburización

2.13. Uso del DRI en el Horno Eléctrico de Arco

2.14. Influencia del Carbono del DRI en el EAF

CAPÍTULO 3

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 3.1. Introducción

3.2 Materiales

3.2.1 Pellets de Mineral de Hierro

3.2.2 Carbón Bituminoso

3.2.3 Caliza

3.2.4 Gas Natural

3.3 Equipos utilizados

3.3.1 Horno de Reducibilidad/Carburización

3.3.2. Horno Mufla

3.3.3. Analizador de Carbono y Azufre Leco CS-400

3.3.4. Analizador T errnogravimétrico

3.3.5 Balanza Satmagan

3.3.6. Equipo de Absorción Atómica.

3.4 Descripción Experimental

3.4.1 Experimentos de Reducibilidad

3.4.1.1 Parámetros de Operación de Experimentos de Reducibilidad Estándar

3.4.2 Experimentos de Carburización:

3.4.2.1 Carburización Dinámica

3.4.2.2 Carburización Estática

3.5 Estudios Experimentales de Carburización

41

42

42

44

46

47 47 50 52

63

63

66 66 67

67

68

69

70

70

70

73

74 75 76

77

78

78

79

81

81

82

82

6

3.5.1 Pruebas Preliminares 84

3.5.2 Pruebas Variando la Temperatura de reducción y tiempo de Carburización 85

3.5.3 Pruebas de Carburización con DRI de Planta Reducción Directa 86

3.6 Diseño de Experimentos Factorial

3.6.1 Introducción

3.6.2 Planteamiento del Problema

3.6.3 Selección de Factores y Dominio Experimental

3.6.4 Matriz de Experimentos y Plan de Experimentación

3.6.5 Realización de los Experimentos.

3.6.6 Análisis Estadístico de los Resultados

3.6.6.1 Estimación de los Efectos de los Factores y Contrastes

3.6.6.2 Análisis de varianza (ANOVA)

3.6.6.3 Modelo del Diseño Factorial

3.6.6.4 Optimización del Modelo

3.6.6.5 Validación del Modelo

3.6.6.6 Superficie respuesta

3. 7 Análisis Cinético

3.8 Análisis del Contenido de Carbono en el Hierro Esponja

3.8.1 Determinación del Carbono Libre (CL) y Cementítico (CC)

3.9 Microscopia

3.9.1 Preparación de la Muestra

3.9.2 Observación Microscópica

RESULTADOS

CAPÍTULO 4

87 87

88

89

90

90

90

91

95

98

98

98 99 99~

99.

99 100

101

101

102 4.1 Pruebas Preliminares 102

4.2 Pruebas Variando la Temperatura de reducción y tiempo de Carburización 103

4.2.1 Determinación del carbono cementítico

4.2.2. Variación de fierro metálico, fierro total y grado de metalización

4.3 Pruebas de Carburización con DRI de Planta Reducción Directa

4.3.1 Carburización Dinámica

4.3.2 Carburización Estática


4.4.1 Estimación de los efectos y contrastes

104

105

107

107

109

112

114

4.4.2 Análisis de Varianza (ANOVA)

4.4.3 Modelo del diseño factorial

4.4.4 Optimización del modelo

4.4.5 Validación del modelo

4.4.6 Superficie respuesta

4. 5 Análisis Cinético

4.5.1 Modelo utilizado

4.5.2 Efecto del Caudal

7

4.5.3 Evaluación de los parámetros cinéticos

4.6 Análisis Microscópico

4.6.1 Macrografía

4.6.2 Micrografía

CAPÍTULO 5

PRUEBAS INDUSTRIALES DE CARBURIZACIÓN EN PLANTA DE REDUCCIÓN DIRECTA- PROCESO SLIRN

5.1. Introducción

5.2. Resultados de las pruebas Industriales

116

118

120

122

123

130

130

131

133

135

137

137

143

144

5.3. Conclusiones de las pruebas Industriales 151

CAPÍTULO 6 DISCUSIÓN DE RESULTADOS 153

6.1 Pruebas Preliminares 153

6.2 Pruebas Variando la temperatura de reducción y tiempo de carburización 155

6.3 Pruebas de Carburización con DRI Planta Reducción Directa 158

6.3.1 Carburización Dinámica 158

6.3.2 Carburización Estática 158

6.3.3 Análisis Cinético 160

6.4. Contrastación de la Hipótesis 160

CONCLUSIONES 161

RECOMENDACIONES 165

BIBLIOGRAFÍA 166

Figura O:

Figura 1: Figura 2:

Figura 3:

Figura 4:

Figura 5:

Figura 6:

Figura 7:

Figura 8:

Figura 9:

Figura 10:

LISTA DE FIGURAS

Esquema del diseño de la investigación.

Cadena productiva de la Siderurgia. Producción mundial de DRI. ETSAP (2009)

Producción por regiones de DRI en los años 2007 y 2008

Producción global de acero vía acería eléctrica

Descripción del proceso Midrex

Zonas del horno de cuba Midrex

Reformador

Recuperación de calor en proceso Midrex

Proceso de Reducción Directa H y L

Proceso de Reducción directa SL 1 RN de CAASA

Figura 11: Vista de Hornos de Reducción de Aceros Arequipa

Figura 12: Digrama de equilíbrio Fe-O

23

27 30

31

31

33

34

36

36

38

40

41

44

Figura 13: Diagrama de predominancia de las fases para el sistema CO-C02-H2-H20-Fe 46

Figura 14: Diagrama de equilibrio de la reacción de Boudouard a 1 atm de presión total 47

Figura 15: Equilibro de la composición gaseosa versus la temperatura para el sistema 49 Fe-C-0, que incluye el equilibrio de la cementita

Figura 16: Región de apreciable descomposición de CO 49

Figura 17: Diagrama de equilibrio Hierro- Carbono 51

Figura 18: Disminución del consumo de energía eléctrica en la producción del acero 65 líquido en hornos a arco

Figura 19: Pellets usado en pruebas de Reducibilidad y Carburización 68

Figura 20: Carbón Bituminoso usado en pruebas de Reducibilidad y Carburización 69

Figura 21: Equipo de pruebas de Reducibilidad y Carburización 71

Figura 22: Sistema de calentamiento por resistencias del Horno rotatorio 71

Figura 23: Parte del panel de control mostrando control de temperaturas y velocidad del 72 horno rotatorio

Figura 24: Flujometros de control de gas natural 72

Figura 25: Horno Mufla 74

Figura 26: Analizador de carbono y azufre LECO CS-400 75 Figura 27: Equipo TGA 701 usado para determinar análisis inmediato del carbón 76 Figura 28: Balanza Satmagan 77

Figura 29: Espectrómetro de absorción atómica Perkin Elmer 77

Figura 30: Esquema mostrando el Ensayo de Reducibilidad Estándar 80

9

Figura 31: Esquema del equipamiento de las Pruebas de Reducibilidad y Carburización 81

Figura 32: Esquema de carburización estática 82

Figura 33: Esquema de los estudios de carburización realizados Figura 34: Esquema de pruebas preliminares de carburización

83 85

Figura 35: Esquema de pruebas de carburización a varias temperaturas de reducción 86 Figura 36: Esquema de pruebas en la carburización Dinámica y Estática del DRI 87

Figura 37: Dominio experimental para los 3 factores del experimento factorial 90

Figura 38: Esquema de pruebas para el diseño de experimentos factorial 91

Figura 39: Esquema mostrando la determinación del carbono cementitico 100

Figura 40: Resultados variando la temperatura de reducción y tiempo de carburización. 103

Figura 41: Variación del fierro metálico en pruebas de carburización 105

Figura 42: Variación del fierro total en pruebas de carburización 106

Figura 43: Variación del Grado de metalización en pruebas de carburización 106

Figura 44: Resultados del carbono total en pruebas de carburización dinámica con DRI 107 fria

Figura 45: Resultados del fierro metálico en pruebas de carburización dinámica con DRI 108 fria

Figura 46: Resultados del fierro total en pruebas de carburización dinámica con DRI fria 108

Figura 47: Resultados del Grado de Metalización en pruebas de carburización dinámica 109 con DRI fria

Figura 48: Resultados del carbono total en pruebas de carburización estática con DRI 110 fria

Figura 49: Resultados del fierro metálico en pruebas de carburización estática con DRI 110 fria

Figura 50: Resultados del fierro total en pruebas de carburización estática con DRI fria 111

Figura 51: Resultados del grado de metalización en pruebas de carburización estática 111 con DRI fria

Figura 52: Representación de las respuestas obtenido en los experimentos del diseño 113 factorial

Figura 53: Superficie de respuesta un tiempo de carburización de 1 O minutos 126

Figura 54: Contorno de Superficie respuesta para un tiempo de carburización de 1 O 126 minutos

Figura 55: Superficie de respuesta un tiempo de carburización de 15 minutos 127

Figura 56: Contorno de Superficie respuesta para un tiempo de carburización de 15 127 minutos

Figura 57: Superficie de respuesta un tiempo de carburización de 20 minutos. 128

Figura 58: Contorno de Superficie respuesta para un tiempo de carburización de 20 128 minutos.

10

Figura 59: Superficie de respuesta un tiempo de carburización de 25 minutos 129

Figura 60: Contorno de Superficie respuesta para un tiempo de carburización de 25 129 minutos

Figura 61: Efecto del caudal en la carburización a 2 RPM y 750 oc 131




Figura 65: Temperatura Vs. Factor de carbono de Saturación (A) 135

Figura 66: Resultados de carbono total en DRI 136

Figura 67: Resultados de fierro metálico, fierro total y grado de metalización 136

Figura 68: Vista transversal de muestras de DRI con diferentes tiempos de carburación 137

Figura 69: Esquema de toma de microfotografías 137

Figura 70: Microestructura del pellets de mineral de hierro sin carburar. 200X 138

Figura 71: Microestructura de DRI reducido tomados en la superficie 139

Figura 72: Microestructura de DRI reducido tomados en el cuerpo 141

Figura 73: Microestructura de DRI reducido tomados en el centro 142

Figura 74: Esquema de inyección de gas natural a la salida del horno de reducción 143

Figura 75: Esquema de torre de carburación para carburación con gas natural a la 144 salida del horno de reducción

Figura 76: Resultados de pruebas de carburización en la salida del hamo de reducción. 145

Figura 77: Esquema del reactor de carburización y sus principales partes. 146

Figura 78: Resultados de prueba de carburización en reactor estático.

Figura 79: Reactor de carburización y sus principales controles automatizados.

147

148

Figura 80: Disposición del tren de gas natural para las pruebas de carburización. 148

Figura 81: Silos de almacenamiento de DRI carburado tipo retorta con inyección de gas 149 de nitrógeno.

Figura 82: Vista del DRI carburado. 149

Figura 83: Resultados de cuarta campaña de carburización con reactor estático. 150

Figura 84: Vista de situaciones de carburización para el análisis de las mejores 152 condiciones de carburización del DRI.

Figura 85: Medición del área superficial a diferentes temperaturas con gas metano. 157

Figura 86: Variación del Feo, Fet y% FeO del DRI carburizado a 10, 30 y 60 minuto 158

Tabla 0:

Tabla 1:

Tabla 2:

Tabla 3:

Tabla 4:

Tabla 5:

Tabla 6:

Tabla 7:

Tabla 8:

Tabla 9:

Tabla 10:

Tabla 11:

Tabla 12:

Tabla 13:

Tabla 14:

Tabla 15:

Tabla 16:

Tabla 17:

Tabla 18:

Tabla 19:

Tabla 20:

Tabla 21:

Tabla 22:

Tabla 23:

Tabla 24:

Tabla 25:

Tabla 26:

LISTA DE TABLAS

Variables e Indicadores de Investigación

Clasificación de los Procesos de Reducción Directa

Materia prima y productos de procesos de reducción directa

Composición de los pellets de hematita investigado(%)

Tamaños de los pellets de hematita investigado(%)

Análisis químico del carbón utilizado(%)

Tamaños de los pellets de hematita investigado(%)

Análisis químico de la caliza utilizado(%)

24

32

42

68

68

69

69

70

Composición Química del Gas Naturai-Ref. Cert. de entrega de Pluspetrol - 70 COGA. Compañía Operadora De Gas Del Amazonas - Estación de Medición en Humay-Pisco Parámetros del Experimento de Reducibilidad Estándar 79

Factores y dominio experimental en las pruebas de carburización 89

Matriz de experimentos, plan de experimentación y respuesta del diseño 93 factorial. Tabla de Análisis de Varianza (ANOVA). 95

Tabla de Hipótesis a probar y su respectiva región de rechazo. 96

Resultados preliminares de carburización dinámica 102

Resultados de carbono cementítico 104

Resultados de carburización de experimentos factorial23. 112

% C en DRI obtenido en los experimentos realizados a diferentes tiempos. 113

Efectos y Contrastes del Diseño Factorial. 114

Análisis de Varianza (ANOVA) para el diseño factorial2 3. 116

Coeficiente del modelo de regresión de todos los efectos y sus interacciones. 119

Modelos de regresión completo 120

Coeficientes del modelo de regresión separando factores no significativos. 121

Modelos de regresión con estadísticos significativos. 122

Análisis de residuales para la determinación de R2. 124

Modelo de regresión refinado para los tiempos de carburización de 1 O, 15, 20 125 y 25 minutos. Parámetros cinéticos de carburización. 133

12

RESUMEN

Actualmente en los hornos eléctricos de las acerías mundiales, se usa el Hierro

Esponja como materia prima de buena calidad en la fabricación del acero debido a su

pureza (alto % Fe) y bajos elementos residuales, pero debido a que contiene algunos

óxidos en su composición química, su uso al 100% está condicionado, ya que se

requiere un mayor consumo de energía eléctrica, para su fusión completa en la

fabricación del acero. Con el Hierro Esponja Carburizado se dispone de un producto de

mayor calidad que tiene una alta incidencia en la producción de acero en el Horno

Eléctrico, permitiendo disminuir el consumo de energía, incrementar la productividad y

reducir los costos operativos de fabricación del acero.

En los procesos de reducción directa con gas MIDREX y H&L, se realiza la

carburización del hierro esponja, con la finalidad de aumentar su contenido de carbono

hasta 4 %. En cambio, en el proceso de reducción directa SLIRN con carbón,

adoptado por las dos únicas siderúrgicas del Perú, no se aplica la carburización y el

contenido de carbono en el hierro esponja es casi cero.

En tal sentido, la siderúrgica Corporación Aceros Arequipa S.A. (CAASA) ha

implementado una metodología experimental de pruebas de Carburización del Hierro

Esponja con gas natural aplicado al Proceso de Reducción Directa SL/RN, con el

objetivo de elevar el contenido de carbono del Hierro Esponja.

13

Esta tesis muestra las primeras pruebas preliminares de carburización del pellets de

mineral de hierro con diversos carburantes sólidos y líquidos, con la finalidad de

averiguar si hay algunos indicios de un aumento de carbono en el producto, así como

evaluar la formación de carburo de hierro o cementita en el producto carburado.

Después de seleccionar al gas natural como el principal carburante, se ha

implementado un Método Experimental de Carburización del Hierro Esponja con gas

natural, aplicado al proceso de Reducción Directa SURN con Carbón, con la finalidad

de aumentar el contenido de carbono en el Hierro Esponja o DRI.

Se ha realizado un Diseño Experimental con la finalidad de determinar la influencia de

los principales parámetros a evaluar en la carburización, como son la temperatura de

reducción, tiempo de carburización y caudal de gas introducido. La evaluación del

producto carburizado se ha realizado mediante análisis químicos instrumentales y

análisis de fases por microscopia.

También se han realizado pruebas de carburización con gas natural en un horno

rotatorio y horno mufla, con el DRI frío obtenido de la Planta de Reducción Directa

con la finalidad de evaluar un posible incremento de carbono en el DRI.

Por último, se muestra la implementación de las primeras pruebas de carburización con

gas natural a nivel industrial en el proceso de reducción directa SL/RN en la Planta de

Reducción Directa de Corporación Aceros Arequipa S.A. tendientes a incrementar el

contenido de carbono en el Hierro Esponja, el cual es materia prima para la fabricación

del acero en horno eléctrico.

ABSTRACT

Currently in electric fumaces in steel milis worldwide, Sponge lron is used as raw

material of good quality in manufacturing high quality steel, because of its purity ( %Fe

high) and low residual elements, but because it contains some inherent oxides from its

ore, 100% use is conditional, beca use it requires more energy consumption for

complete fusion in the manufacture of steel. With the Carburized Sponge lron there is a

higher quality product that has a high impact on the steel making in an electric fumace,

allowing to reduce energy consumption, increase productivity and reduce operational

costs in making steel.

In the direct reduction processes with gas MIOREX and H&L, is made the carburization

of sponge iron, in arder to increase its carbon content up to 4%. In contrast, in the direct

reduction process SL 1 RN, adopted by the only two steel milis in Perú, is not performed

the carburization and the carbon content in the sponge iron is almost zero.

In this regard, the steel company Corporación Aceros Arequipa S.A. (CAASA) has

implemented an experimental methodology for evidence of carburization of sponge iron

with natural gas applied to the Direct Reduction Process SL 1 RN, with the objective of

increasing the carbon content of Sponge lron.

15

This thesis shows the preliminary carburization tests of iron ore pellets with various

salid and liquid fuels, in arder to find out if there is sorne evidence of carbon increase in

the product and evaluate the formation of iron carbide or cementite in carburized

product. After selecting the natural gas as main fuel, has implemented an experimental

method of carburization of sponge iron natural gas, applied to the Direct Reduction

process SL 1 RN with coal, with the aim of increasing the carbon content in sponge iron

or DRI.

We made an experimental design in arder to determine the lnfluence of majar

parameters to evaluate carburization, such as the reduction temperature, time of

carburizing and gas flow introduced. Carburized product evaluation was performed

using instrumental chemical analysis and phase analysis by microscopy.

Also, carburization tests were conducted in a laboratory kiln and muffle fumace, with

the cold DRI obtained from the CAASA Direct Reduction Plant, with the purpose of

evaluating a possible increase of carbon in the DRI.

Finally, we show the implementation of the first carburization tests with natural gas at

industrial leve! in the direct reduction process SL 1 RN in Aceros Arequipa Plant aimed

at increasing the carbon content in the sponge iron, which is raw material for making

steel in Electric Are Furnace.

INTRODUCCIÓN

Actualmente en los hornos eléctricos de arco de las acerías mundiales, es usado el

DRI (Hierro Esponja) como materia prima de buena calidad en la fabricación del acero,

debido a su pureza (alto contenido de fierro) y bajos contaminantes, pero a causa que

contiene algunos en su composición química, su uso al 100 % está condicionado,

debido a que se requiere un mayor consumo de energía eléctrica en el horno para su

fusión completa en la fabricación del acero.

Con el DRI Carburizado de alto carbono se pretende poner a disposición un producto

de buena calidad que tiene una alta incidencia en la producción de acero en el Horno

Eléctrico, permitiendo disminuir el consumo de energía, incrementar la productividad y

reducir los costos operativos de fabricación del acero.

Además, el uso del gas natural puede reemplazar ventajosamente a otros

combustibles, como el petróleo ó carbón y también puede ser usado como materia

prima o parte de un proceso Siderúrgico, como el de la Reducción Directa.

En tal sentido, se ha implementado una metodología experimental de pruebas de

Carburización del Hierro Esponja con gas natural aplicado al Proceso de Reducción

Directa SL/RN, con el objetivo de elevar el contenido de carbono del Hierro Esponja y

dar una alternativa de uso del gas natural en un proceso metalúrgico, como el de

Reducción Directa.

17

Esta tesis muestra los resultados de la implementación del proceso de Carburización

realizados experimentalmente en laboratorio, los cuales dan información valiosa para la

realización de las primeras pruebas a nivel industrial en la Planta de Reducción Directa

de la siderúrgica peruana Corporación Aceros Arequipa S.A., tendientes a incrementar

el contenido de carbono en el Hierro Esponja.

El trabajo de investigación es abordado en siete (7) capítulos que a continuación se

detallan:

En el Capítulo 1 se exponen los objetivos y la metodología llevada a cabo en la

investigación.

En el Capítulo 2 se presenta el marco teórico en el cual se sustenta el trabajo de

investigación.

En el Capítulo 3 se describe la metodología para la realización de los experimentos,

con la aplicación de un diseño factorial experimental, abarcando factores que depende

de la variable respuesta. Se muestra además un análisis cinético y estudio

microscópico.

En el Capítulo 4 se presentan los resultados de todas las pruebas que fueron

planificados en el capítulo anterior.

En el Capítulo 5 se describe un desarrollo de pruebas industriales de acuerdo a los

resultados experimentales obtenidos. Se presentan los resultados y conclusiones de

las pruebas industriales.

En el Capítulo 6 se muestra la discusión de los resultados, incluyendo la contrastación

de la hipótesis inicialmente formulada en la tesis.

Finalmente, se dan las conclusiones a las cuales la investigación ha permitido llegar y

las recomendaciones que se consideran oportunas.

CAPÍTULO 1

ASPECTOS GENÉRICOS DE LA INVESTIGACIÓN

1.1 Antecedentes

Se denomina Proceso de Reducción Directa a todo proceso mediante el cual se

obtiene hierro metálico por reducción de minerales de hierro, siempre que las

temperaturas involucradas en los distintos procesos no superen la temperatura de

fusión de cualquiera de los componentes. Al producto obtenido se le llama Hierro

Esponja o DRI (Direct Reduced lron).

Dependiendo del medio reductor adoptado, actualmente los procesos de reducción

directa mundialmente implementados son: Procesos Midrex y Proceso HYL (Reductor

gaseoso) y Proceso SLIRN - Stelco Lurgi/Republic Steel - National Lead (Reductor

Carbón Bituminoso sólido). En el Perú, las dos empresas siderúrgicas producen DRI

con el proceso SLIRN (reductor sólido de carbón).

De acuerdo a lo anterior, los dos procesos más importantes son Midrex y HYL y se

utiliza gas natural. En ambos procesos el carbono obtenido después del proceso de

carburización en el hierro esponja supera el3.0 %, en cambio en el proceso de SLIRN

donde mundialmente no se han implementados procesos de carburización, el

contenido de carbono en el Hierro esponja es insignificante.

En tal sentido: el procedimiento experimental adoptado de carburización del hierro

esponja y las primeras pruebas de Carburización a nivel industrial son originales e

19

inéditas a nivel mundial y su aplicación está relacionada en los procesos SURN de

reducción con carbón bituminoso de CAASA.

1.2 Alcance de la Investigación

El alcance del presente estudio se aplica para la implementación de una metodología

experimental de pruebas de Carburización del Hierro Esponja con gas natural aplicado

al Proceso de Reducción Directa SL/RN, con el objetivo de elevar el contenido de

carbono del Hierro Esponja y como una alternativa de uso del gas natural en un

proceso metalúrgico, como el de Reducción Directa. Adicionalmente, con los

resultados experimentales obtenidos, se realizan pruebas industriales para evaluar su

aplicación definitiva.

1.3 Problemática


Esponja 1 como materia prima de buena calidad en la fabricación del acero debido a su




fabricación del acero. Un aumento del contenido de carbono en el hierro esponja

permitirá reducir el consumo de energía en la fabricación del acero.

Además, en el proceso SL!RN, adoptado por las dos únicas siderúrgicas del Perú para

fabricar hierro esponja, no se aplica la carburización y el contenido de carbono en el

hierro esponja es casi cero.

20

El problema se incrementa debido a la inexistencia de una metodología experimental

para el estudio del proceso de Carburización del pellets o mineral de hierro en el

proceso de Reducción Directa SL/RN,

1.4 Formulación del Problema

En el proceso de investigación buscaremos responder a las siguientes preguntas:

¿Cómo influye el uso del gas reductor en la carburización del DRI en un proceso

SLIRN con carbón sólido?

¿En qué medida funcionará el escalamiento a nivel industrial de los resultados

obtenidos experimentalmente en laboratorio sobre las pruebas de carburización?

¿Cuál será la estructura metalográfica del material carburado? ¿Se obtendrá una

estructura cementítica?.

1.5 Objetivos

1.5.1 Objetivos Generales:

• Implementación de un Proceso Experimental de Carburización del Hierro Esponja

con gas natural y su Aplicación Industrial en una Planta de Reducción Directa

SLIRN con Carbón, con la finalidad de aumentar el contenido de carbono en el

Hierro Esponja.

• Dar un mayor uso tecnológico al gas natural producido nacionalmente.

21

1.5.2 Objetivos Específicos:

• Mejorar la calidad del Hierro Esponja en la Planta de Reducción Directa de la

Corporación Aceros Arequipa S.A., mediante el aumento del contenido de

carbono, el cual permitirá obtener muchas ventajas operativas y económicas

como materia prima en la Fabricación del Acero en el Horno Eléctrico de Arco.

• Implementar un diseño de experimentos factoriales para correlacionar las

principales variables de carburización del hierro esponja.

• Estudiar la cinética de carburización del DRI.

• Implementar un método de análisis químico-metalográfico para determinar el

contenido de carbono en la cementita.

1.6 Hipótesis

Mediante la implementación de un proceso experimental e industrial de carburización

con gas natural aplicado al hierro esponja obtenido en el proceso de reducción directa

SL/RN, se obtiene un aumento del contenido de carbono, el cual mejorará la calidad

del producto, usado como materia prima en la fabricación del acero.

22

1.7 Diseño de la Investigación

El presente trabajo es una investigación científica-tecnológica que correlaciona datos

extraídos experimentalmente a fin de aplicarlos a nivel industrial.

Para alcanzar los objetivos propuestos anteriormente se ha seguido un diseño de

investigación (figura O) el cual consta de las siguientes partes:

1 o Revisión de la literatura

2° Tratamiento de los conceptos teóricos

3 o Objetivos

4o Planteamiento de la hipótesis

so Metodología de la Investigación

6° Diseño experimental

r Pruebas Industriales

ao Resultados

go Contrastación de los resultados

1 o o Conclusiones

23

, REVISIÓN DE LA LITERATURA: Recopilación y estudio

r=---- ---~--

! Tratamiento de los conceptos teóricos

OBJETIVOS DE LA TESIS

PLANTEAMIENTO DE LAS HIPÓTESIS

. --------- --- ---- ------~-- ----- ------- ---- ----------------------

METODOLOGÍA:

1 • Pruebas experimentales preliminares

1 • Pruebas experimentales variando la temperatura de reducción y tiempo de carburización • Pruebas experimentales con DRI obtenido en la planta industrial • Estudio cinético

... ---------------------------------- --~ 1 1 DISEÑO EXPERIMENTAL

• Diseño factorial aplicado al proceso de carburización ~ • Optimización de parámetros para retroalimentación de prueba industrial

' PRUEBAS INDUSTRIALES DE CARBURIZACIÓN

1

• Pruebas de carburización en reactor SLIRN de la Planta de Reducción Directa • Implementación de reactor estático para pruebas de carburización

¡·--R-ESUL-T-ADOS: ANA LISIS Y-DISCUSJÓN~-

!• •• Pruebas preliminares

Pruebas experimentales 1 • Pruebas de carburización con DRI P.R.D.

1

• Diseño de experimentos factorial • Análisis cinético

1 • Análisis micrográfico 1 • Pruebas industriales de carburización en P.R.D. 1

--- ----~~-- ------~~-~

CONTRAST ACIÓN DE LAS HIPÓTESIS

Figura O: Esquema del diseño de la investigación.

24

1.8 Variables e Indicadores de la Investigación

Para el tratamiento de los datos se aplicó la técnica de Diseño de Experimentos

Factorial a fin de procesar e identificar la influencia de las variables en el estudio

(tiempo, temperatura y caudal). En el análisis de los datos se aplicó el Software de

Diseño de Experimentos DX8S, a fin de evaluar, interpretar y optimizar las variables de

estudio.

A fin de desarrollar el presente trabajo de investigación se han estudiado las siguientes

variables resumidos en la tabla No O.

Tabla W O: Variables e Indicadores de Investigación.

TIPO DE

VARIABLE DIMENSION INDICADORES

TIPO DE

MEDICION VALOR

DEPENDIENTE Carburización del hierro esponja %Carbono Cuantitativa %

Gas reductor Caudal de gas carburante Cuantitativa ·e

Temperatura de Carburización Temperatura Cuantitativa Horas

INDEPENDIENTE

Duración de la carburización Tiempo de carburización Cuantitativa Litros/minuto

Rotación del horno Velocidad de rotación Cuantitativa Revoluciones/

minuto

1.9 Metodología de la Investigación

La metodología de investigación seguida en el desarrollo de la tesis consiste en los

siguientes pasos:

25

• Desarrollo de pruebas experimentales con la finalidad de seleccionar el mejor

carburante para incrementar el contenido de carbono en el DRI, asi como

determinar la presencia de cementita en el producto carburado.

• Después de seleccionar el carburante adecuado, se realizan pruebas

experimentales de carburización variando la temperatura de reducción y el tiempo

de carburización.

• Realización de pruebas con el DRI obtenido en Planta de Reducción Directa para

averiguar la posibilidad de carburar el DRI después de obtener el producto.

• Aplicación de diseño experimental con la finalidad de determinar la influencia de

los principales parámetros de carburización y proporcionar información de

parámetros óptimos de carburización para la planta industrial.

• Estudio cinético con la finalidad de evaluar el tiempo inicial de formación de

cementita y su relación con la temperatura y caudal de gas natural.

1.1 O Importancia del Estudio


Esponja como materia prima de buena calidad en la fabricación del acero debido a su




fabricación del acero.

26

Además, en los procesos de reducción directa con gas MIDREX y H&L, se realiza la

carburización del hierro esponja, con la finalidad de aumentar su contenido de carbono

hasta 4 %. En cambio, en el proceso SLIRN, adoptado por las dos únicas siderúrgicas

del Perú, no se aplica la carburización y el contenido de carbono en el hierro esponja

es casi cero.

En tal sentido, la importancia del trabajo de investigación se basa en lo siguiente:

• Implementación de una metodología experimental e industrial de pruebas de

Carburización del Hierro Esponja con gas natural aplicado al Proceso de

Reducción Directa SL!RN de la siderúrgica peruana Corporación Aceros Arequipa,

con el objetivo de elevar el contenido de carbono del Hierro Esponja, el cual

permitirá obtener un hierro esponja carburizado, el cual es un producto de mayor

calidad que tiene una alta incidencia en la producción de acero en el Hamo

Eléctrico, permitiendo disminuir el consumo de energía, incrementar la

productividad y reducir los costos operativos de fabricación del acero.

• Dar al país una alternativa de uso del gas natural producido nacionalmente, en un

proceso metalúrgico, como el de Reducción Directa.

CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO

2.1. La Cadena Productiva de la Siderurgia

En la figura 1, se presenta la cadena productiva de la siderurgia [1 ].

DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO SIDERURGICO

Horno Eléctrico de Arco

Figura 1: Cadena productiva de la Siderurgia. Steelmaking [1]

0

(1, ~..:.::~~"'~~")

Convertidor al oxigeno

Arrabio

--~ . 1

::~~ · .. ., .. ~:!•-'/'

--s L._

1 ' - '<-.f1.,._ J'cffJ ~- -~'·:\ ______ _,

Colada Continu'!_

~~~~~ Planchones Bobinas

28

La cadena productiva de la siderurgia comprende las siguientes etapas: materias

primas (minerales, reductores, escorificantes, chatarra, etc), reducción (alto horno,

reducción directa, otros procesos), producción de acero (convertidor de oxígeno, horno

eléctrico de arco), metalurgia secundaria (tratamiento sobre vacío) colada continua,

conformación en caliente, conformación en frió, tratamiento de superficies y por último

es obtenido el acero como producto final.

En el proceso convencional vía alto horno para la obtención del hierro primario, los

materiales cargados al alto horno son: mineral, combustible-reductor y adiciones,

durante el proceso de reducción se transforman en arrabio, escoria, gas de alto horno y

polvos entre los principales.

El alto horno puede ser considerado como un intercambiador de calor y de materias

entre la carga descendente, inicialmente sólida, después pastosa y más tarde líquido,

obteniéndose el arrabio con 90-95 % de hierro, 3 - 4.5 % de carbono y 1.7 % de

impureza aproximadamente. Posteriormente el arrabio ingresa al convertidor de

oxigeno donde su transformación en acero envuelve: disminución de los contenidos de

carbono, silicio, fósforo, azufre y nitrógeno a niveles bastante bajos. Finalmente se

realiza la transformación mecánica para así obtener el acero laminado.

Para la obtención del hierro primario, vía reducción directa, el mineral de hierro en la

forma de trozos o en pellets, ingresa al horno (Procesos Midrex, Hyl, ó SLIRN, etc), y

se produce la reducción del mineral de hierro por acción del gas reductor, con una

temperatura de operación entre 800-1050 oc aproximadamente, sin llegar al punto de

fusión.

29

El objetivo de los diversos procesos de reducción directa es de conseguir hierro

comercial de buena calidad, que pueda sustituir al arrabio sólido o la chatarra de acero,

para alimentar a la acería y cuya producción sea total, o por lo menos parcialmente

independiente del coque.

2.2. Importancia del desarrollo de la tecnología de reducción directa.

El inicio del desarrollo de la reducción directa se remonta a los años veinte. Su objetivo

era obtener hierro primario prescindiendo del alto horno y del uso del coque. En ése

entonces se utilizaron hornos rotativos " ... en /os que a alta temperatura se introducía

carbón y mineral de hierro, donde el gas reductor desprendido por el carbón, reducía el

óxido de hierro, obteniéndose un producto poroso, de casi 80 % de hierro, denominado

hierro esponja". En los años de posguerra se impulsaron las investigaciones sobre

procesos alternativos al alto hamo y empresas de varios países aportaron nuevas ideas

en el proceso de reducción directa. Se inventaron alrededor de 50 procesos reductores.

Los procesos de Reducción Directa consisten básicamente en la "eliminación del oxígeno

de /os minerales (óxidos de hierro), que se efectúa directamente, sin llegar a la fusión. De

esta manera, el producto después de procesado conseNa su forma original (trozos de

mineral, pelets) pero con mayor porosidad, lo que ha dado lugar a que se llame "hierro

esponja". Actualmente el hierro esponja es llamado hierro directamente reducido (DRI).

Los procesos de reducción adquieren mayor relevancia en la década de los noventa en

las mini acerías porque se hace compatible el uso del DRI en el horno de arco, en

reemplazo de la chatarra, necesaria para los aceros de alta calidad.

30

2.3. Producción Mundial del Hierro Esponja ó DRI.

En la figura 2 según ETSAP 2009 [2], se observa el crecimiento de la producción

mundial de DRI desde 1970 hasta 2009, donde la producción alcanzó un total de 68.5

millones de toneladas de DRI, de los cuales 58. 2% se produjeron con el Proceso

Midrex, 14.5 % proceso HYL, 25.7 % Procesos con reductor carbón y 1.6 % otros

procesos de reducción con gas. A pesar de la crisis económica mundial, en 2009 hubo

una ligera disminución de la producción total de DRI, alcanzando a 62 millones.

En la figura 3 se presenta la producción de DRI en el 2007 y 2008 por regiones, según

MIDREX 2009 [3]. La mayor cantidad de DRI producido en el mundo se encuentra en

Asia y Oceanía, siendo un 25.02% del total mundial producido.

PRODUCCION MUNDIAL DE DRI (Mt)

80r--------------------------------------------------------,

70

60

50

40

O Producción

li Proyección

43.8 r- 40.3 -

45.1 r-

49.5 r-

57 54.6 .... r-

59.8 -67.2 68.5 r- r 62

r-

"''

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Figura 2: Producción mundial de DRI. ETSAP (2009) [2].

30

25

20

15

10

5

31

Producción Mu11~ial de DRI por Regiones (Mt)

,---------------~~

25.0

"

Asia/Oceanía

\

Oriente

Medio/A frica

Central

7 ~ Y~.· ~A J .. . _ _ r. n _ ~ ~ El ~008

¿¡;:~f ~ .~ 0r / {

) -{ -:.. . ' } ~ '-. / ~ '¡,... ~~;,

. '...-t . e-- u ' ~ ) 1 ~-- \.

/ !

4.6 1 _, 1.2 '1.0 0.6 0.5

America Latina Ex URSS/Europa

Oriental

Africa America del .¡ 1 Europa

Norte Occidental

Figura 3: Producción por regiones de DRI en los años 2007 y 2008 (Midrex, 2009).[3]

2.4. Producción Global de Acero Vía Acería Eléctrica

En la figura 4 se observa la producción global del acero vía acería eléctrica en millones

de toneladas. Hay un continuo incremento en la producción del acero.

Producción Global de Acero Vía Acería Electrica (Mt)

450 402 405 412 4:i!O

395 - ~

400 ,_ 355 364

339 - -350 316 r-

1- - - - -299 301 ,--

300 269 ,_ ,_ 1- 1- 1- 1- - -

260 260 264 245 -_ - _r-_r-_ 250 1- 1- 1- 1- - - ¡- - - -

200 1- - - 1- - 1- 1- 1- 1- - - 1- 1- ·- ·-

150 1- - - - - 1- 1- - 1- - - 1- 1- - -

1

100 - - - 1- ·- - 1- - 1- - - 1- 1- - -·

50 - - - 1- - - 1- - 1- - - 1- 1- - -

o 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Figura 4: Producción global de acero vía acería eléctrica (World Steel Association, 2009).[4]

32

2.5. Clasificación de los procesos de Reducción Directa

Para analizar los procesos de reducción directa es conveniente clasificarlos en las

siguientes categorías, según ilustrado en la tabla 1.

Tabla 1: Clasificación de los Procesos de Reducción Directa, según Astier, 1980 [5].

Procesos de Reducción Directa

Reducción Directa con carbón sólido Reducción Directa con gas

Proceso Ejemplo Proceso Ejemplo

Proceso en Hornos Hoganas Procesos Continuos en Midrex, H y L Tipo Batch Hornos de Cuba Purofer, Armco

Procesos Continuos Kinglor

Procesos en Lecho en Hornos de Cuba

Mentor Fluidizado FlOR, HIB Echeverria

Procesos en Hornos SURN Procesos en Hornos Rotatorios

Krup Rotatorios

ACCAR Kawasaki

Actualmente el DRI es producido principalmente a partir de pellets o mineral de hierro

por dos procesos diferentes: a) Procesos de reducción directa con gas en un horno

estático de cuba, como los procesos Midrex ó H y L y (b) Proceso de reducción directa

con reductor sólido carbón en un horno rotatorio, como el proceso SL!RN. [6]

2.6. Procesos de Reducción Directa con Gas

2.6.1. Proceso Midrex.

En la figura 5 se presenta el proceso Midrex. El proceso de Reducción Directa de

MIDREX utiliza un horno de reducción donde se alimenta pellets o mineral de hierro,

los cuales descienden en forma continua por efecto de la gravedad. En la parte media

del reactor se inyecta el gas reductor, rico en monóxido de carbono (CO) e hidrógeno

33

(H2), que fluye en el interior del reactor en contracorriente a la mezcla de mineral. Los

gases reaccionan con el óxido de hierro (Fe20 3) a elevadas temperaturas y extraen el

oxígeno, convirtiéndolo en hierro metálico y liberando el H20 y C02.

Gasdo Gas Combustión Natural

Natural Recuperador

de Calor

PROCESO MDDREX Sistema del Proceso

de Gas

Figura 5. Descripción del proceso Midrex (Midrex 2009).

hierro

Horno Estático

Fe20 3¡s¡ + 3H2191 ~ 2Fe¡8 ¡+ 3H 20 191 Fe20 3¡8¡+ 3C0191~ 2Fe(s)+ 3C02191

Compresoras ! de Gas de 1 enfriamiento 1

Gas Natural

Hierro Esponja carburizado

3 Fe¡s¡ +C0191 +H2191 ~ Fe3C¡s¡+ H20<sl

3 Fe¡s¡ +CH4191 ~ Fe3C(s)+ 2H 2191

El proceso de reducción directa MIDREX utiliza un flujo continuo de gases reductores

para extraer químicamente el oxígeno del mineral de hierro. Los gases reductores se

producen en el reformador y se introducen en el horno de reducción con una

concentración y temperaturas controladas. Mientras fluyen contra la corriente del

mineral descendiente, los gases reductores calientan, reducen y carburizan al mineral

a la composición deseada.

34

El proceso MIDREX consta de tres etapas: a) Reducción, b) Reformación, y e)

Recuperación de Calor.

a) Reducción.

En la figura 6 se presenta detalles del hamo Midrex. En la zona superior del horno se

realiza el calentamiento y reducción, mientras que en la zona inferior es la zona de

enfriamiento y carburación. [7].

Figura 6: Zonas del horno de cuba Midrex.

En la zona de reducción, el mineral durante el descenso es calentado hasta la

temperatura de proceso y luego metalizado y carburizado. La descarga del producto es

a 40 oc y se produce en la parte inferior del horno. Las reacciones de reducción son:

Fe20J(s) + 3H2(gJ ~ 2FersJ + 3 H20(g)

Fe203(sJ + 3COrgJ ~ 2FersJ + 3 C02rgJ

LJH = 20.287 Kcal

LJH = - 7. 635 Kca/

(1)

(2)

35

La carburización se realiza en un 60 % en la zona de reducción y se completa durante

el enfriamiento, controlándose mediante la temperatura y la composición de los gases

COy CH4 [8]. Las reacciones de carburización son:

3 Fers; + C0r9; + H2rs; --+ FeJCrs; + H20r9;

3 Fers; + CH4(gJ --+ FeJCrs; + 2H2r9;

b) Reformador

fJH = -36. 830 K cal

fJH = 15.004 Kcal

(3)

(4)

En los procesos de reducción con utilización de gas natural, el CO y H2 necesarios

para la reducción se obtienen por la reformación a elevadas temperaturas de gas

natural con vapor de agua y/o C02 . El gas natural es principalmente CH4 (metano).

En el proceso Midrex para maximizar la eficiencia en la reformación, los gases que han

sido utilizados en el hamo de reducción, son reciclados y mezclados con gas natural

fresco. Esta mezcla sirve para alimentar al Reformador, el cual es un hamo recubierto

con material refractario y tubos de aleación llenos de catalizador. El gas es calentado y

reformado a medida que pasa a través de los tubos. El gas nuevamente reformado

contiene de 90 a 92 por ciento de H2 y C02 , y es utilizado para alimentar directamente

el hamo como gas reductor. Las reacciones de reformación son:

CH4rg; + C02rg; ~ 2COr9; + 2H2r9;

CH4rg; + H20r9; ~ COr9; + 3H2rg;

En la Figura 7 se muestra el reformador.

fJH = 51.84 Kcal

fJH = 61.16 Kcal

(5)

(6)

36

Figura 7: Reformador

e) Recuperación de Calor

En la figura 8 se presenta el proceso de recuperación de calor. La eficiencia térmica del

reformador MIDREX es mejorada principalmente debido al sistema de recuperación de

calor [8].

~~~j)tf@ ~]

@m) ~----®n .. rg.roo•

~ ""-;.-..... (:IDui=J•UHfli!\,1

Figura 8: Recuperación de calor en proceso Midrex.

Reducing Gas

H,

co

Pressure: > 6.0 kgfcm2

Temperature: > 930 oc

38

lron Ore

Fez03

REDUCTION

Fe20$ + 31'1, - 2Fe + 3H10 Fez().~ + 3CO- 2Fe + 3C02

CARBURIZATION

3Fe + CH. - Fe,C +2H2 3Fe + 2CO - Fe:,C + C02

DRI '(Cold/Hot} Fe me'tallic

Figura 9: Proceso de Reducción Directa H y L.

2. 7 Procesos de Reducción Con Reductores Sólidos

Debido a los altos costos de extracción del gas natural, petróleo, a la incertidumbre de

los precios de la chatarra a nivel mundial y a la mala calidad de la chatarra, se originó

un resurgimiento de interés para la reducción directa, especialmente con la tecnología

de reducción directa con carbón. El proceso SLIRN, desarrollado por Stelco, Lurgi

Chemie, Republic Steel Company y Nacional Lead Corporation en 1964, presentó un

alto desarrollo y aplicación, y hoy día es una tecnología líder en el proceso de

Reducción Directa con carbón [11].

La siderúrgica peruana Aceros Arequipa con la finalidad de incrementar la calidad de sus

productos y tener mayor productividad, ha implementado en Pisco - lea una Planta de

Reducción Directa mediante el proceso SLIRN _

39

2.8 Proceso SL 1 RN de Aceros Arequipa.

La Planta de reducción Directa tiene dos hornos rotatorios que producen en total de 80

mil toneladas anuales de hierro DRI. El proceso de reducción se realiza calentando el

mineral de hierro en el horno rotatorio hasta la temperatura de 1100 oc, en presencia

del reductor carbón bituminoso. Con esta operación se logra extraer el oxígeno del

mineral de hierro (óxido) y así elevar el % Fe, para luego ser utilizado como materia

prima en el hamo eléctrico. En la figura 1 O se presenta el proceso de Reducción

Directa SL 1 RN de Aceros Arequipa [12].

En la zona de precalentamiento del horno (800-1000°C), la reducción del óxido de

hierro ocurre hasta obtener el óxido ferroso (FeO) según la ecuación:

LJH = 2.25 Kcal (11)

La reducción final (1000-1100°C) hasta obtener hierro metálico, ocurre en la zona de

metalización. La reducción final está acompañada por la reacción del CO con el FeO

para formar dióxido de carbono y hierro metálico, de acuerdo a la reacción:

FeO(s) + CO(g) --¡)> Feo(s) + C02(g) LJH = - 4.45 Kcal (12)

La mayoría del C02 de esta reacción es convertido de nuevo a CO por la reacción con

el combustible sólido en exceso en el horno, de acuerdo a la reacción de Boudouard:

LJH = 41.25 Kcal (13)

40

El control de la temperatura requerida para el proceso se realiza según la cinética de

combustión del carbón y la inyección del aire a través de los ventiladores, dispuestos

en 7 zonas del horno. Desde 800 oc hasta 1100°C, el mineral de hierro es reducido a

DRI. Al término del proceso, el DRI es descargado hacia el enfriador, junto con los

materiales remanentes del carbón y de caliza, cargados inicialmente .

•

Proceso de Reducción Directa SL/RN

de Corporación Aceros Arequipa S.A.

Figura 10: Proceso de Reducción directa SL 1 RN de CAASA.

Los materiales de la descarga del enfriador son tamizados en una zaranda de 3 mm.

Cada fracción pasa a través de un separador magnético. Los productos obtenidos son

los siguientes: DRI (+3.0 mm magnético), Finos de DRI (3.0 mm magnético), Char

(+3.0 mm No Magnético) y Dolochar (-3.0 mm No Magnético). En la Figura 11 se

presenta una vista de los hornos de reducción de Aceros Arequipa.

41

r ' 1

\ : l l

. /"""

Figura 11: Vista de Hornos de Reducción de Aceros Arequipa.

2.9 Características de las materias primas y productos.

En la tabla 2 se presenta las características de la materia prima y de los productos

obtenidos de los dos procesos más importantes de producción de DRI.

r-'

De lo anterior, en los dos procesos más importantes Midrex y HYL donde se utiliza gas

natural, el contenido de carbono obtenido después del proceso de carburización en el

DRI fluctúa desde 2.0% hasta 4 %, en cambio en el proceso de SL!RN donde hasta la

fecha no se ha implementado ningún proceso de carburización, el contenido de

carbono en el Hierro esponja es insignificante.

42

Tabla 2: Materia prima y productos de procesos de reducción directa (13).

Tipo de Proceso de Con Gas Con Carbón

Reducción Directa Procesos Midrex - HYL Proceso SURN

Materia Prima Fe total 65%mínimo

Si02+ AI203 5%máximo S 0.040 % máximo p 0.045 % máximo

Reductores C02= 0.1-5%

Gas Natural Metano = 85 - 93 %

Etano= 3-8% Propano = 1 - 4 %

Carbono Fijo= 45%-60%

Carbón Materia Volátil = 25%- 40 %

Ceniza = 15 % máximo Azufre = 1 . O %

Producto (DRI) Fe total 91% mínimo

Hierro Metálico 81% mínimo

Grado de Metalización 90% mínimo Carbono 2%-4% 0.10% máximo Azufre 0.05 % máximo Fósforo 0.06%

2.1 O. Fundamentos físicos y químicos.

2.10.1 Termodinámica de la reducción del óxido de hierro

Los agentes reductores más comunes usados en los procesos de reducción directa del

oxido de hierro son: monóxido de carbono, hidrógeno y mezclas de estos gases. La

termodinámica de la reducción del óxido de hierro trata principalmente del equilibrio

entre sus óxidos y éstos agentes reductores. Además la termodinámica no predice con

que velocidad éstas reacciones suceden, esto es definido por la cinética del proceso,

43

entonces es necesario que ambas condiciones cinéticas y termodinámicas estén

presentes para que las reacciones sucedan.

Los principales aspectos referentes a la reducción de óxidos de hierro son:

El sistema hierro-oxígeno puede ser descrito por el diagrama de equilibrio de fases,

representado en la figura 12. Este diagrama muestra seis fases condensadas, las

cuales son: hierro metálico, subdividido en hierro alfa, hierro gamma y hierro delta,

wustita, magnetita, hematita, hierro liquido y óxido de hierro liquido.

De la figura 12 se tiene lo siguiente:

Hematita: La hematita presenta la composición química Fe20 3 y es el de mayor estado

de oxidación del hierro, correspondiendo a 69.94% de hierro y 30.06% de oxígeno, en

estado puro. Presenta una estructura HC (hexagonal compacto), es de color gris y

tiene un peso especifico aproximado de 5.25 tlm3. Con la misma notación

estequiométrica (Fe20 3) son obtenidos dos diferentes tipos de óxidos: Maguemita, y

Fe203, y Hematita, a-Fe20 3. Esta diferenciación es importante, debido a que en la

reducción de la hematita (a-Fe20 3) a Magnetita (Fe30 4) ocurre el efecto del crecimiento

anisotrópico de la estructura espinela invertido CFC (cúbico de cara centrada), lo que

normalmente implica en generación de grietas y microgrietas [14].

Magnetita: La magnetita presenta la composición química Fe304, correspondiente a

72.36% de hierro y 27.64% de oxígeno en estado puro. Normalmente es de color gris

oscuro a negro y tiene peso específico de 5.16 t/m3. La magnetita presenta estructura

cristalina CFC (cúbica de cara centrada) de espinela invertido. Es fuertemente

magnética.

44

3000 1600

1500 2800

1400 2600

1300 2400

1200 !;>

2200 !;L. Gamma lron

~ 1100 ~ 8. 1000 E ~ 900

2000 Gi :; ~ Ql

1800 a. E Ql 1-

Wustite Magnetlte

+ ma2netlte

Hematlte 1600

800 1400

700 Alpha !ron + wustlte

.1200 600

1000 500

o 0.4 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Oxygen, percent

Figura 12: Digrama de equilíbrio Fe-O (Ross, 1980)[15]

Wustita: La wustita tiene una estructura cristalina CFC (cúbica de cara centrada) .con

el ión de hierro dispuesto en los intersticios octaédricos entre los iones de oxígeno. La

formula de la wustita es comúnmente "FeO", indicando un átomo de hierro para un

átomo de oxígeno, pero en realidad la wustita siempre se presenta insuficiente en

hierro, luego la correcta fórmula de la wustita es FexO, donde x es casi 0.95.

2.10.2. Reducción por el monóxido de carbono

La reducción del óxido de hierro por el monóxido de carbono se realiza en tres etapas,

a temperaturas superiores a 560 oc (Ross, 1980)[15]:

I II m

FeO

45

Las tres reacciones con las energías libres de formación (LlG 0) a 25 oc son:

~Go =- 15.147 kca/

~Go = + 4.988 kca/

FeOrsJ + COrgJ <=> FersJ + C02 (gJ ~Go =- 2.739 kca/

(14)

(15)

(16)

A la temperatura debajo de 560 oc la wustita (FeO) es metaestable y sucede la

reducción en dos etapas, según las reacciones (14) y (16).

~Go =- 3,229 kca/ (17)

Teniendo la energía libre patrón de las reacciones, se puede construir el diagrama de

equilibrio de acuerdo a las siguientes ecuaciones:

l!.G = l!.Go + RT lnQ, Cuando está en equilibrio l!.G =O, entonces tenemos:

l!.G =- RTinQ

P(C02 )x Q = P(CO)Y

Donde:

x =Numero de moles de COz y = Numero de moles de CO

Asumiendo que la suma de las presiones parciales es igual a 1 tenemos:

PCO + PCOz = 1

El equilibrio de la composición del gas (%CO, %COz) con el sistema hierro-carbono-

oxigeno es mostrado en la figura 13.

46

0= pH2+pC0 pH2 + pHP+ pCO+ pC02 1.0 1"":::::::--___:_ _ __:_ __ __;__:...__ _____________ ____,

0.9 Fe

0.8

0.7 FeO

0.6 Fe3 0 4

0.5 n= pH 2 + pH20

pH 2 + pH 20+ pCO + pC02

0.4 300 500 700 900 1100 1300 'C

Figura 13: Diagrama de predominancia de las fases para el sistema CO-COrH2-H 20-Fe.[16]

2.10.3. La reacción de Boudouard

La Figura 14 muestra la curva de equilibrio de composición de CO-C02 y la

temperatura para la reacción (11) denominada reacción de Boudouard.

11H = + 41,210 kca/ (18)

Esta reacción tiene mucha importancia en la reducción y en la carburización de los

óxidos de hierro. A la izquierda de la curva, que corresponde a bajas temperaturas, el

dióxido de carbono es la fase estable. El monóxido de carbono tiende a

descomponerse a dióxido de carbono y se deposita como carbono sólido en la forma

de hollín. Parte del carbono de este hollín es encontrado en el DRI.

A altas temperaturas el dióxido de carbono reacciona con el carbono para producir

monóxido de carbono. Se nota que a temperaturas por encima de aproximadamente

1000 oc la reacción es esencialmente completa, constituido por 1 00 % de CO y 0% de

47

C02. A medida que disminuye la temperatura, la estabilidad del C02 aumenta, así

como la precipitación de C. La reducción por el CO sucede separadamente por las dos

reacciones:

llH =- 3,751 kcal (19)

llH = + 41,210 kcal (20)

FeO(sJ + C(sJ (::::) Fe(sJ + C02 (gJ llH = + 37,459 kca/ (21)

La reacción (21) se refiere a la reducción directa por el carbono, en cuanto la reacción

(19) es la reducción indirecta por el carbono.

o.----,,.---,-----,.--.---.--=;;,.., 100 Volumen- 1. /...,.-anteil V C02 1n•Jo /

20r-~r-~-~l/'~-+---+-~80

40

400 500 600 700 800 900 1000

. Temperatur in ·oc

Volumenanteil CO In OJo

Figura 14: Diagrama de equilibrio de la reacción de Boudouard a 1 atrn de presión total.

2.11. Termodinámica de Carburización

2.11.1. Deposición de carbono.

Según Stephenson [17], Asano [18] e lguchi [19], el carbono es formado a bajas

temperaturas según la reacción de Boudouard invertida, 2CO(gl ~ C(s¡+C02(gJ·Aunque

termodinámicamente la deposición de carbono sea altamente favorecida a bajas

37

El calor sensible se recupera a partir del gas de combustión del Reformador para

precalentar el gas de alimentación, el aire de combustión hacia los quemadores y gas

natural al proceso.

2.6.2 Proceso H y L.

Como se muestra en la figura 9, el proceso H y L es un proceso basado en la

reducción directa del mineral de hierro por acción de los gases reductores que ingresan

al reactor, en contracorriente al descenso del mineral de hierro [9], [10]. El oxígeno es

removido del mineral por reacciones químicas basado en hidrógeno (H2) y monóxido de

carbono (CO), para la producción del hierro directamente reducido (DRI).

Las principales reacciones de reducción son:

Fe20J(s) + 3 H2(g) ~ 2 FersJ + 3H20(g)

Fe20JrsJ + 3 COrgJ ~ 2 FersJ + 3C02(gJ

L1H = · 20.287 Kcal

L1H = - 7. 635 Kca/

(7)

(8)

En el reactor de reducción, el carburo de hierro (Fe3C) es también formado por la

combinación de carbono con hierro metálico del producto reducido. Las principales

reacciones de carburización más importantes son:

3FersJ + CH4(gJ ~ FeJCrsJ + 2H2(gJ

3FersJ + 2 C0r9J ~ Fe3C(sJ + C02rgJ

LJH = 15.004 Kcal

LJH = -27.509 Kca/

(9)

(10)

Las condiciones de operación en el proceso HYL están basados en una composición

del gas reductor rico en hidrógeno, elevada presión (6.0 kg/cm2) y una alta temperatura

de reducción (> 930 °C).

48

temperaturas y alta concentración de monóxido de carbono, es improbable que esta

reacción adquiera un estado de equilibrio porque las velocidades de reacción son muy

lentas a temperaturas bajas y también porque la deposición de carbono requiere una

nucleación de carbono en algún sitio catalítico que no siempre puede estar disponible.

Sin duda algo de carbono encontrado en el DRI (hierro esponja) es hollín formado por

esta reacción. Además de eso el carburo de hierro (Fe3C), comúnmente llamado

cementita puede ser formado por la reacción 3Fe(sl + 2CO(gl <=> Fe3C + C02(g)·

Esta reacción es también favorecida por las bajas temperaturas y altas

concentraciones de monóxido de carbono [20]. La figura 15 muestra el equilibrio de la

temperatura con la composición gaseosa CO - C02 para las reacciones de reducción

del hierro y para la ecuaciones: 2co ~ co2 + e LJH = - 41.25 Kcal y

LJH = -27.509 Kcal.

Podemos entender mejor la figura 15 a partir de la referencia del diagrama hierro

carbono que es mostrado en la figura 17.

Monda! y col. (2003) [21], a través de la difracción de rayos X observaron la presencia

de carbono grafítico y carburo de hierro durante la reducción de la hematita con 100 %

de CO a una temperatura de 850 oc en partículas finas (1.2 ¡.Lm de diámetro) y gruesas

(57.8 1-L m de diámetro) de hematita. También observaron que con 40 y 50 % de CO

como gas reductor y presiones parciales de CO menores a 50 % no presentan

presencia de carburo de hierro.

49

Figura 15: Equilibro de la composición gaseosa versus la temperatura para el sistema Fe-C-0,

que incluye el equilibrio de la cementita (Sibakin J.G. 1980) (22].

La figura 16 muestra la región de presión -temperatura en la cual de acuerdo con las

mediciones de Baukloh & Henke (1940) [23] y Soma (1964) [24], la descomposición

del monóxido de carbono toma lugar en óxidos de hierro, por el hierro formado en la

reducción.

1

80 ' '· ·- , 1 .. ' '

o e .Q g FeO <:: ~ 40

8

C+C0,=2CO (1) FeO+CO= Fe+CO, (2)

20

Fe, O,

Fe,O.+CÚ.= 3Fe0+CO, (3)

.ero 900 um 1.100 1.200 1,.:m

Temperaiure (K)

Figura 16: Región de apreciable descomposición de CO (Baukloh, 1940; Soma, 1964).[23][24].

50

2.11.2. Diagrama de equilibrio Hierro - Carbono

Las consideraciones iniciales a ser consideradas sobre el diagrama Fe-C son los

siguientes:

• Alotropía del hierro puro: el hierro es un metal que se caracteriza por presentar

varias fases alotrópicas. El punto de fusión del hierro es de 1538 oc, debajo de esa

temperatura, el hierro cristaliza de acuerdo con un reticulado cúbico de cuerpo

centrado y una forma alotrópica llamada "delta" (8). Esta forma persiste estable

hasta la temperatura cerca de 1394 oc, en ese instante, ocurre una redisposición

espontánea de los átomos y formándose un nuevo reticulado - el cúbico de cara

centrada que corresponde a la forma alotrópica del hierro definida como "gamma"

(y). Disminuyendo la temperatura cerca de 912 oc, ocurre una nueva

transformación alotrópica, con un nuevo rearreglo atómico, retomando el reticulado

a readquirir la forma cúbica de cuerpo centrado "alfa" (a.). Debajo de 912 oc no

ocurre más cualquier rearreglo atómico. Continuando el enfriamiento, a 770 oc

ocurre el punto de Curie, esto es, el hierro pasa a tener propiedades magnéticas.

• Aleado con el carbono, el comportamiento de las variedades alotrópicas del hierro

y la solubilidad del carbono en él varían de forma característica, dependiendo de la

temperatura y del contenido de carbono. Esto puede ser visto en la figura 17,

llamado diagrama de equilibrio hierro-carbono. Algunas definiciones de los

términos usados en el diagrama son:

• Austenita: Es la solución sólida de carbono en hierro gamma (Fey).

• Ferrita: Es la solución sólida de carbono en hierro alfa (Fea.).

51

~ D

Austenita

Austenita + Cementita

727

Ferrita + Cementita

o 0.5 1.0 1.5 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 --- Aceros --•'---- Hierros Fundido ---

CONTENIDO DE CARBONO o

Figura 17: Diagrama de equilibrio Hierro- Carbono [25).

• Cementita: Es carburo de hierro (Fe3C).

• Grafito: Es la variedad alotrópica del carbono (estructura cristalina hexagonal).

• Aceros: Contenidos de carbono hasta 2.11 %.

• Hierros Fundidos: Contenidos de carbono encima de 2.11 %.

La solubilidad del carburo de hierro gamma es máxima a 1148 oc y corresponde a 2.11

% de carbono. A medida que cae la temperatura a partir de 1148 oc, la cantidad de

carbono soluble en el hierro gamma se toma cada vez menor, hasta que a 727 oc ella

es apenas 0.77 %. En el diagrama ese hecho está indicado por la línea SECF.

En el rango comprendido entre la línea SCEF y la línea SK están presentes dos fases:

hierro gamma y carbono, el primero bajo la forma de austenita y el segundo bajo la

forma de carburo de hierro llamado cementita.

52

Debajo de 727 oc, en las condiciones de enfriamiento continuo muy lento para el

diagrama normal Fe-C, en ninguna hipótesis, existirá hierro gamma o austenita.

El contenido de 2.11 % de carbono, corresponde al punto E, es adoptado con

separación teórica entre los dos principales productos siderúrgicos (Chiaverini, V.,

1990).

2.12. Cinética de Carburización

La velocidad de deposición del carbono con mezclas CO/C02 sobre superficies de

hierro metálico han sido estudiados por autores como Schenck y col. (1960)[26],

Turkdogan & Vinters (197 4) y otros [27]. El consenso de estos autores es que en el

intervalo de composición gaseosa y temperatura en la cual sucede la deposición del

carbono fue aquel definido por consideraciones termodinámicas. Concluyeron también

que la velocidad en la cual la deposición del carbono sucede, está fuertemente

influenciada por la naturaleza de la superficie del sólido (composición y modo de

preparación) y las posibles impurezas del gas.

Mondal y col. [21] estudiaron la cinética de la reducción de hematita (Fe203) con 100%

de CO como gas reductor; ellos hicieron experiencias en el intervalo de temperatura de

800 a 900 oc. Las reacciones consideradas en su estudio envuelven la reducción del

oxido de hierro y también las reacciones de carburización tales como la reacción de

Boudouard invertida ( 2CO(g) <:::> C(g) + C02(9¡) y la reacción de formación de carburo de

hierro (2CO(g) +3 Fe(s) <:::> Fe3C(s) + C02(9¡). Los autores concluyeron que la constante de

velocidad de la hematita fue mayor que la wustita en el intervalo de temperatura

53

estudiado. La ecuación de Arrhenius como es presentada en la ecuación (22) fue

usada para calcular la velocidad de reacción, la constante cinética, el factor de

frecuencia y la energía de activación aparente.

(22)

El factor de frecuencia (A) de la reacción de Boudouard invertida fue de 7.44 min-1, y

energía de activación aparente igual a 14.14 kJ/mol. Para la reacción de formación de

carburo de hierro o cementita el factor de frecuencia encontrado fue de 0.082 min-1,

mucho menor que la reacción de Boudouard invertida, lo que significa que una baja

fracción de colisiones de energía para que suceda esta reacción, la energía de

activación aparente fue de 14,65 kJ/mol ligeramente mayor que la reacción de

Boudouard invertida.

La cinética de conversión de hematita para cementita fue estudiado por Conejo (1995)

[28], que observó una transformación de hematita en carburo de hierro en

temperaturas entre 560 a 600 oc, reduciendo la hematita hasta hierro metálico, con

posterior carburización, en una atmósfera conteniendo H2 y CO, de acuerdo con la

siguiente secuencia:

Conejo y col. (1998)[29] concluyeron que la transferencia de carbono de fase gaseosa

en el interior del sólido (DRI) está asociada con tres pasos iniciales: transporte de gas

para la reacción de interface, reacción en la superficie y subsiguiente difusión en el

interior del sólido.

54

El incremento de la velocidad de Carburización a bajas temperaturas 600-640 oc tiene

una demostración semicuantitativa por el CO-H2 del modelo cinético de adsorción

química. El mecanismo considerado fue de adsorción química molecular de H2 y CO

sobre la superficie del hierro naciente del DRI y subsiguiente reacción de esas

especies absorbidas para producir una superficie activa de especies de carbono el cual

reaccionará con el hierro para producir cementita.

Las reacciones que suceden son:

CO(gJ + 2(*) <:::::> CO* (23)

H2(gJ + 2(*) <:::::> 2H* (24)

Las reacciones que controlan la velocidad, de la deposición de carbono sobre el sitio

de la superficie activa son:

K3

eO*+eO*---->...eO +C * ---T 2(g)

K4

2H * + eo * ::::::>H2Dcg) +e*

(25)

(26)

Las reacciones de arriba (*) significan una vacancia o sitio, y * significa las especies

que fueron absorbidos. La reacción de carburización puede ser escrita como:

K!

3Fecs) +e* ::::::>Fe3Ccs) (27)

la velocidad de carburización es:

(28)

55

donde B1 se refiere a la concentración de vacancias o sitios ocupados por especies i.

Los datos medidos de velocidad de carburización revelan una dependencia lineal sobre

la temperatura (590-640°C) para una relación de H2/CO de 3.6 y 7.

Barran & Gonzales (19)[30] y Bonalde [31] estudiaron la cinética de carburización del

DRI en una atmosfera rica en CO considerando tres etapas elementales:

• Transporte de CO del centro del fluido hasta la frontera gas-sólido.

• Reacción interfacial entre el gas COy el hierro metálico.

• Difusión del carbono en el hierro de la superficie extema hasta el interior de la

muestra.

Zhang & Ostovsky (2001)[32], estudiaron en laboratorio la reducción del mineral de

hierro y la cementación del hierro por mezclas de H2-CH 4-Ar, entre las temperaturas de

600 - 950 oc. El mineral de hierro fue primeramente reducido a hierro metálico por el

hidrogeno, luego el hierro metálico fue carburizado a cementita por metano (!ron

carbide process). En el estudio fue utilizado un reactor de lecho fijo en un hamo

vertical. La composición del mineral utilizado era de 89.56% de Fe203; 4.81 %de Si02;

2.61 %de Al20 3; 0.08% de Ti02; 0.087% de P; 0.004% Mn y 0.026 % de S (62.7%

Fetotal).

En todos los experimentos, el flujo de los gases fue de 1 000 ml/min. La muestra

utilizada contenía 2 g para producir suficiente material para el análisis de fases. En el

primer sistema, los experimentos con mineral de hierro fueron reducidos y carburizados

56

en una mezcla de gases con volumen de 55 % H2 - 35 % CH4-10 % Ar, entre

temperaturas de 600-925 oc.

La velocidad de formación de la cementita a 600 oc fue muy lenta. Con el aumento de

la temperatura hay un aumento en la velocidad de formación de la cementita. Por otro

lado la cementita es inestable y se descompone para hierro y carbono con el

incremento del tiempo. En el intervalo de temperatura de 600-925 oc la cementita fue

más estable a 750 oc.

En el segundo sistema de experimentos, la temperatura fue fijada en 750 oc. La

composición de los gases fue cambiada para investigar los efectos de los contenidos

de metano e hidrogeno en los gases sobre la reducción y cementación del mineral de

hierro. En uno de los experimentos el hidrogeno fue mantenido constante a 55 % en

volumen y el contenido de metano varió de 15 a 45% en volumen. En la otra serie, el

contenido de metano fue fijado a 35 % en volumen, y el contenido de hidrogeno fue

variando de 15 para 55 % en volumen. Ellos concluyeron que aumentando ambos

metano e hidrogeno, aumenta la fracción de cementita, pero este incremento no fue

significativo cuando el contenido de metano fue > 35% en volumen, y el contenido de

hidrogeno fue > 40 % en volumen. Con el aumento del contenido de metano hay un

aumento en la deposición de carbono libre. La óptima composición de los gases para la

formación de cementita a 750 oc fue de 35 % volumen de CH4 y 40-55 % en volumen

de H2.

57

Inspecciones de la morfología de las muestras reducidas demostraron que el hierro

metálico formado en el proceso de reducción del mineral de hierro fue muy poroso,

debido a eso el contenido de metano en el gas puede fácilmente penetrar y

consecuentemente la cementación ocurre a través del volumen de los poros en la

muestra de hierro [33]. De este modo, se usa el modelo del volumen de reacción, para

simular la cementación del hierro. La velocidad de cementación del hierro de acuerdo

con la reacción es la siguiente:

(29)

(30)

Donde kv =k Fe exp(-E 1 RI), es la constante de velocidad de reacción volumétrica; f

es una función relacionada a la concentración (C)de metano e hidrogeno; XFe es la

fracción de hierro metálico, definido como la fracción molar que es disponible para la

cementación, que es la diferencia entre la fracción de hierro formado en el proceso de

reducción del mineral de hierro (X~.) y la fracción de cementita (XFe3c ).

Grabke & Horz (1977)[34] en su análisis de la carburización (CH4 <=> C(disue/to)+2H2),

sugieren que la velocidad de reacción para la derecha es la siguiente:

kpCH4 V = --:-1/:-::-2- (31)

PH2

58

Donde, f(CcH4 ,CH2 ), en la forma más general como e :;H 4 1 e

puede ser escrita como:

dxFe3C k cm X ;en - v CH4 Fe H2

dt (32)

n H 2 , 1~ eq. (30)

m y n son el orden de la reacción de cementación con respecto al metano e

hidrogeno respectivamente.

Según lo descrito arriba, el mineral de hierro fue reducido por hidrógeno. El metano

tiene un efecto insignificante sobre el proceso de reducción. Sobre esta base, el

modelamiento de la reducción del mineral de hierro y cementación puede ser dividido

en dos etapas:

• Reducción del mineral de hierro por el hidrogeno descrito por el modelo de

grado de dos interfaces.

• Cementación del hierro, el cual es simulado por el modelo de volumen

reacciona! (Volume Reaction Model).

Los parámetros cinéticos encontrados fueron calculados con los datos experimentales

y los resultados son:

kv= 106,62; E= 51,84k.J /mol; m= 0.5 y n = -2.lxl0-3

Los autores llegaron a las siguientes conclusiones:

59

• La velocidad de reducción del mineral de hierro aumenta con el aumento de la

temperatura. El incremento del contenido de hidrogeno en el gas reductor

también incrementó la velocidad de reducción, pero no fue significativo para >

55 % en volumen de H2. El metano prácticamente no tiene ningún efecto sobre

el proceso de reducción. El modelo de grado de dos interfaces fue empleado

como modelo de reducción de magnetita para el hierro metálico. La reducción

de magnetita para wustita es de primer orden con respecto al hidrógeno y la

reacción reversa es de primer orden con respecto al agua. La energía de

activación aparente fue de de 78,47 kJ/mol. La conversión de wustita para el

hierro metálico es una reacción reversa tiene orden de 0.5 con respecto al

hidrogeno y agua respectivamente. La energía de activación aparente es de

86,13 kJ/mol. La difusión efectiva del hidrógeno y agua en el proceso de

reducción del mineral de hierro puede ser expresada como De = 8.8 x1 o·3T0·5

(cm2/s).

• La velocidad de formación de cementita aumenta con el aumento de la

temperatura y el contenido de metano e hidrogeno. En el intervalo de

temperatura entre 600-925 oc, la cementita es más estable a - 750 oc, el cual

fue la mejor temperatura de formación de la cementita. En esta temperatura de

reducción/cementacíón de mineral de hierro para cementita fue realizada en

aproximadamente 15 minutos usando una mezcla de 55 % H2, 35 % CH4 y 1 O

% Ar. Una óptima concentración de hidrógeno y metano para la formación de

cementita fue de 40-55 % en volumen de H2 y 35 % en volumen de CH4

respectivamente.

60

• La formación de cementita en el proceso de reducción/cementación fue

simulada por el modelo de volumen de reacción sobre la velocidad de reducción

del mineral de hierro predicho por el modelo de grado de dos interfaces. La

reacción de cementación de mineral de hierro presentó un orden de 0.5 con

respecto al metano y la energía de activación aparente de la reacción de

cementita fue de 51,84 kJ/mol.

Towhidi & Szekely (1981 )[35) y Ghoshm[36] estudiaron la influencia de la deposición

de carbono en la cinética de reducción, ellos usaron pelotas de hematita comerciales

con baja sílice las cuales reaccionan con mezclas de gases de CO, C02 e H2 en el

intervalo de temperatura de 500 oc hasta 1000 o C, que corresponde a la región donde

la deposición de carbono sobre la superficie sólida puede acompañar el proceso de

reducción. Fue usado un horno tubular Marshall, suspendido en una balanza para

estudiar las reacciones de las pelotas sólidas con gases reactivos. Las pelotas tuvieron

la siguiente composición química: Fet (67.55 %), Si02 (2.68 %), Ab03 (0.29 %), CaO

(0.19 %), MgO (0.19 %), Mn (0.009 %), P (0.009 %) y S (0.005 %). La más rápida

velocidad de deposición del carbono corresponde al intervalo de temperaturas entre

500-600 oc, y composición gaseosa de 25% de H2 y 75% de CO.

Debido a la complejidad del sistema de reacciones ningún modelo cinético cuantitativo

ha sido propuesto. Por lo tanto, el siguiente análisis cualitativo fue sugerido para

esclarecer el comportamiento general del sistema.

Se observo que proporcionando las condiciones termodinámicas fue encontrado que la

descomposición de CO para generar C y C02, durante las etapas iniciales de la

61

reacción, el proceso de reducción tiende a ser dominante, porque la presencia de

hierro catalítico es necesaria en la medida que la deposición de carbono sucede en

altas velocidades.

Una vez que la fase hierro metálico es formada, la deposición de carbono procederá y

será una cuestión del balance entre la velocidad de reducción y velocidad de

deposición de carbono. Generalmente es esperado que el proceso suceda en paralelo,

aunque la capa de deposición de carbono necesariamente obstruya el acceso del gas

reductor.

Podemos resaltar dos puntos importantes: Una de ellos es que cuando el contenido de

H2 de los gases reductores es alto, la reducción puede ser más importante que la

deposición de carbono. En contraste, cuando el contenido de CO de los gases

reductores es alto, la deposición de carbono puede oprimir el proceso de reducción. La

presencia de hidrogeno sugiere que ayuda a la descomposición de CO, en particular el

gas reductor que contiene 25 % de H2 Y 75 % de CO tendiendo a proporcionar la

máxima velocidad de deposición de carbono.

Otro punto importante es que ahora, la wustita es inestable debajo de 570 oc y tiene un

limitado intervalo de composición encima de esta temperatura, y que el hierro que

probablemente se va a formar con anticipación durante el proceso de reducción, y el

efecto catalítico del hierro permitirá que tenga una rápida velocidad de deposición de

carbono. Ciertamente la más rápida velocidad de deposición del carbono fue

observada entre 500 y 600 oc.

62

Los autores hacen algunos comentarios sobre las implicaciones tecnológicas de los

resultados. Cuando el hecho que la deposición de carbono puede suceder durante la

reducción de hematita con mezclas de CO + H2 debajo de 900 oc tiene que ser

conocido para un tiempo considerable. El estudio ha contribuido potencialmente en

información útil para las actuales velocidades de deposición de carbono, comparado

con las velocidades del procedo de reducción.

Es obvio que lo encontrado en este estudio es que operando en el sistema DR

utilizando pelotas de hierro, se debe tener un gran cuidado siempre que la temperatura

del sistema disminuya debajo de 900 oc, porque la deposición de carbono puede

ocurrir con altas velocidades, dependiendo de la composición de los gases y

particularmente de la temperatura.

Para minimizar la deposición de carbono, o por lo menos permanecer dentro de los

límites es muy importante el diseño del sistema DR, asimismo como que el tiempo de

residencia de las pelotas en esas regiones cruciales sean apropiadamente controlados.

La deposición de carbono en la etapa de pre-reducción puede ser particularmente

inútil, porque el carbono finamente dividido puede prevenir el acceso del gas reductor.

La deposición de carbono en la sección de enfriamiento puede ser un beneficio,

proporcionando carbono adicional para el subsiguiente proceso de fusión. Por eso que,

una excesiva deposición de carbono suelto adherida a la capa puede simplemente

corresponder a una perdida en la producción del gas reductor.

63

2.13. Uso del DRI en el horno eléctrico de arco

El hierro esponja fue ensayado en varios sistemas de fusión, incluyendo alto horno,

hornos de lanza sumergida, BOF, hornos de inducción, hornos eléctricos y cubilotes.

Según Reddy (1980)[37], Guigere [38], Nabil [39] y Meraikib [40] algunas ventajas del

uso de DRI en el horno eléctrico son:

• El DRI tiene poco contenido de impurezas

• El DRI es de fácil manipuleo y transporte

• El DRI permite una alimentación continua y automática en el EAF

• El DRI permite el incremento de la productividad del horno

• El DRI permite aumentar la expansión de la siderúrgica a menor costo y riesgo.

2.14. Influencia del carbono del DRI en el EAF

El carbono contenido en el DRI es generalmente más efectivo para la reducción del

FeO que el carbono para otros recursos. En la naturaleza de algunos procesos de

reducción directa, la mayoría del carbono en el DRI es encontrado como cementita

(Fe3C). En otros procesos todo el carbono es depositado sobre la superficie y en los

poros de las partículas del producto.

Los resultados operativos muestran que el carbono del DRI es generalmente más

efectivo cuando esta químicamente combinado con el hierro. El costo de adicionar

carbono y la cantidad que puede ser adicionada prácticamente depende del proceso

específico de reducción directa (DR). Estos tres factores tienen un fuerte impacto sobre

el óptimo carbono en el DRI.

64

La necesidad de mejorar el costo de producción del acero efectivo en el horno eléctrico

a arco ha renovado interés en las fuentes de energía química. Eso incluye alto carbono

(C) y DRI caliente (HDRI), los cuales reducen los costos de energía eléctrica debido a

la cantidad de carbono eficiente.

Según Anderson (2002)[42], la deficiencia del carbono, junto con las bajas propiedades

residuales inherentes al DRI, puede significar mejoras y frecuentemente usan escoria

más espumosa, bajo nitrógeno en el acero, lo que reduce la cantidad de energía y el

consumo de electrodo, incrementando así la producción, calidad; productividad y

reducción de costos operativos.

Otro aspecto importante para el uso eficiente del DRI en el EAF es que los operadores

deben conocer la composición del DRI a ser alimentados y modificar el procedimiento

estándar de operaciones.

La utilidad de trabajar con mayores contenidos de carbono en el DRI en el EAF, es

bastante significativa. En la planta siderúrgica IMEXA, cuando se incrementó el

carbono del DRI de 2,08 % hasta 3,1 O % usando 94,4 % de DRI como carga en el

EAF, el ahorro fue de $ 4,64/t de acero producido, con un costo de energía de $

0.035/kWh, eso significó un beneficio de 14 t/h de productividad.

El carbono contenido en el DRI es una fuente más eficiente y rentable, así comparado

con el carbono cargado o inyectado al EAF. Sampaio (1999) en la figura 17 presentó

los beneficios del incremento de carbono del DRI en el EAF, variando la composición

de la carga.

600

<C 580 (.)

~ 1-(.) 0560 w "'C ...J ·s w <C tT

~ ~ 540 .... (1)

w u z : 520 w w "'C o o!:!

o i 500 á: ~ ::> en z 480 o (.)

460

65

MODELO PARA EL HORNO ELECTRICO DE ARCO (100 t/colada- 90 tlh - tap to tap = 66.7 minutos)

575.3 10% Chatarra+ 90% DRI

CADA INCREMENTO DE CARBONO EN EL DRI EQUIVALE A UN AHORRO PROMEDIO DE 25.0

55Ukwh/t DE ACERO LIQUIDO.

50 o/o Chatarra + 50 o/o ))RJ CAl> A IN{;REMENTO DE CA RilO NO EN EL DRI EQUIVALE A UN AHORRO PROMEDIO DE 13.4 Kwh/t DE ACERO LIQUJ))O.

481.3

475.4

1% 2% 3% 4% 5%

CONTENIDO DE CARBONO EN EL DRI (%en peso)

-o-60 %Chatarra+ SO o/oDRI -o-10 %Chatarra+ 90 o/oORI

Figura 18: Disminución del consumo de energia eléctrica en la producción del acero líquido en

hornos a arco (Sampaio, 1999)[43].

CAPÍTULO 3

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

3.1. Introducción

A nivel laboratorio para estudiar experimentalmente el Proceso de Reducción Directa

SLIRN con carbón, se utiliza un horno rotatorio, el cual simula las condiciones de

reducción y así trasladar los resultados de operación a la Planta Industrial

[44],[45],[46].

En el horno rotatorio la reducción del óxido de hierro se determina mediante el

ensayo de reducibilidad, donde el pellets o mineral de hierro, carbón y caliza son

calentados en el horno a una determinada temperatura de reducción, con una

velocidad y tiempo de reducción establecido. Al producto obtenido (DRI ó hierro

esponja) se determina químicamente el Grado de Metalización cual es una medida

cuantitativa del grado de reducción y viene dado como el cociente, el entre el hierro

metálico y el hierro total del producto [47].

Actualmente, debido a que no existen investigaciones del proceso de Carburización

del pellets o mineral de hierro en el proceso de Reducción Directa SLIRN, hemos

realizado algunas pruebas preliminares de carburización del pellets de mineral de

hierro con diversos carburantes sólidos y líquidos, con la finalidad de averiguar si hay

algunos indicios de un aumento de carbono en el producto, así como evaluar la

formación de carburo o cementita en el producto carburado.

67

Después de seleccionar al gas natural como el principal carburante, se ha

implementado un Método Experimental de Carburización del Hierro Esponja con gas

natural, aplicado al proceso de Reducción Directa SURN con Carbón, con la finalidad

de aumentar el contenido de carbono en el Hierro Esponja o DRI.

Se ha realizado un Diseño Experimental con la finalidad de determinar la influencia de

los principales parámetros a evaluar en la carburización, como son la temperatura de

reducción, tiempo de carburización y caudal de gas introducido.

La evaluación del producto carburizado se ha realizado mediante análisis químicos

instrumentales, vía húmeda y análisis de fases por microscopia.

Adicionalmente se han realizado pruebas de carburización en un horno rotatorio y

horno mufla, con el DRI frío obtenido de la Planta de Reducción Directa de Aceros

Arequipa, con la finalidad de evaluar un posible incremento de carbono en el DRI.

3.2 Materiales

3.2.1 Pellets de mineral de hierro

La materia prima para las pruebas de carburización fueron los pellets de mineral de

hierro procedente de la Empresa Shougang del Perú, el cual está constituido por

hematita (Fe20 3). En las tablas 3 y 4 se presenta la composición química y análisis

granulométrico del pellets respectivamente.

68

Tabla 3: Composición de los pellets de hematita investigado(%)

Elemento Fet Si02 p S Ca O AbO a MgO Na20 K20 FeO H20

% 65.9 4.00 0.010 0.007 0.38 0.37 0.86 0.17 0.05 0.7 0.43

Tabla 4: Tamaños de los pellets de hematita investigado (%)

Tamaño + 16mm +12.5 mm +9.5 mm + 6.3 mm + 2.8 mm

% o 40 50 10 o

Para los ensayos de reducibilidad y carburización, el peso de pellets utilizado fue de 1

Kg. En la figura 19 se presenta la muestra de pellets usado en las pruebas.

• tooaoo ,

Figura 19: Pellets usado en pruebas de Reducibilidad y Carburización.

3.2.2 Carbón bituminoso

Con la finalidad de generar los gases reductores, se utilizó un carbón bituminoso, cuyo

análisis químico y granulométrico están en la tablas 5 y 6 respectivamente.

69

Tabla 5: Análisis químico del carbón utilizado(%)

Componente Carbono Fijo (C.F.) Materia Volátil (M.V.) Ceniza (CNZ) Azufre H20

% 46.9 48.8 4.3 0.83 12.8

Tabla 6: Tamaños de los pellets de hematita investigado (%)

Tamaño + 16mm +12.5 mm +9.5 mm + 6.3 mm + 2.8 mm

% o 20.0 20.0 30.0 30.0

En la figura 20 se presenta la muestra de carbón usado en las pruebas.

t?:. !1

• 80200 '

Figura 20: Carbón Bituminoso usado en pruebas de Reducibilidad y Carburización.

3.2.3 Caliza

Con la finalidad de eliminar el azufre en el producto reducido (hierro esponja), en las

pruebas se ha adicionado 50 gr de caliza cálcica, en tamaños menores a 3 mm. En la

tabla 7 se muestra la composición química de la caliza.

70

Tabla 7: Análisis químico de la caliza utilizado(%)

CaC03 MgC03 Si02 R203 S PPC

97.1 0.13 1.6 1.1 0.109 42.2

3.2.4 Gas Natural

El gas natural usado para las pruebas de Carburización proviene del yacimiento de

Camisea [48]. La composición química del gas natural es mostrada en la tabla 8.

Tabla 8: Composición Química del Gas Naturai-Ref. Cert. de entrega de Pluspetrol- COGA. Compañía Operadora De Gas Del Amazonas -Estación de Medición en Humay-Pisco.

Componente Composición %

Metano (CH4) 88.66

Etano (C2H6) 10.20

Propano (C3Ha) 0.10

Butano (C4H1o) 0.028

Pentano (CsH12) 0.0004

Hexano (C5H14) 0.0008

Heptano (C7H15) 0.0006

Octano (CaH1a) 0.0003

Nitrógeno (N2) 0.76

Gas carbónico (C02} 0.25

3.3 Equipos utilizados

3.3.1 Horno de reducibilidad/Carburización

Para las pruebas del ensayo de reduciblidad y carburización, se utilizó un horno

rotatorio de marca Ruhstrat, el cual llega hasta la temperatura de 1200 °C. En las

figuras 21, 22, 23 y 24 se presenta el equipo utilizado y sus principales partes. Para

realizar las pruebas de carburización, se ha acoplado una toma de gas natural a la

entrada del horno.

~c!m (i(ifj(tliÍ)

_::¡_.) .-----~---=---=

[J [;~[ 11

:.rr -.. . .. o#

• • -b\ . '

71

J

J

Figura 21: Equipo de pruebas de Reducibilidad y Carburización.

Figura 22: Sistema de calentamiento por resistencias del Horno rotatorio.

,...------- --------- -- -

-. . --

72

Display de temperatura interna de hcrno

rotatorio

Display de temperaturas externas de

hcrno rotatcrio

..

Control de velocidad de horno rotatorio

Figura 23: Parte del panel de control mostrando control de temperaturas y velocidad del horno

rotatorio.

: \ 1

t 1

Figura 24: Flujometros de control de gas natuíal

73

El calentamiento del hamo se realiza vía resistencias eléctricas colocado externamente

alrededor del tubo. La temperatura final del hamo fue medida con terrnocuplas tipo S.

El tubo de calentamiento tiene 15 mm de diámetro interno y 1500 mm de longitud. El

horno gira a diferentes revoluciones por minuto y en su interior se coloca la mezcla de

pellets de mineral, carbón bituminoso y caliza.

Por el interior del cilindro circula nitrógeno, el cual es empleado como gas de arrastre

de los productos de la reacción generada por la reducción del mineral de hierro, como

los volátiles del carbón.

Las mezclas de las materias primas empleadas pueden trabajarse variando su peso,

temperaturas de reducción, tiempos de permanencia en el hamo, diferentes tamaños,

logrando de esta forma predecir su comportamiento en el hamo rotatorio.

3.3.2. Horno Mufla

Para las pruebas de carburización estática se uso un horno mufla de marca

Therrnolyne, el cual llega hasta la temperatura de 1000 oc y permite el ingreso de un

gas en la cámara interna del hamo. Las dimensiones de la cámara interna del hamo

son 30 mm x 30 mm x 30 mm.

En la figura 25 se presenta el hamo mufla.

Control de caudal de gas de ingreso al horno

Figura 25: Horno Mufla

74

3.3.3. Analizador de Carbono y Azufre LECO CS-400

Control de temperatura interna del horno

Para determinar el contenido de carbono total en el DRI se utilizó el analizador de

carbono y azufre LECO CS-400, el cual usa un horno de inducción de 2.2 kW acoplado

con un celda de absorción de infrarrojos (IR) [49]. Una muestra DRI finamente molida

de 1 gr es quemada en un pequeño crisol con oxígeno. El carbono en la muestra es

oxidada a C02 y el azufre es oxidado a S02.

Estos gases de combustión son transportados por el oxígeno en una celda infrarroja

(IR) donde el azufre es detectado como S02. Después de eliminar el azufre por

filtración, el C02 es medido en una celda separada IR. Cuando los gases pasan a

través de su respectiva celda de absorción IR, se realiza la determinación del carbono

y azufre por energía infrarroja no dispersiva (fija) en longitudes de onda precisas. Los

cambios en energía son luego observados en los detectores y se determina la

concentración. En la figura 26 se presenta el equipo LECO utilizado.

75

Horno de Inducción

t -=--~ -·- -o n

.. -t

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~f2jí f i

• . . !f}( o

~- J o •' ,-, __ ?: :¡ ~ D 0 ~· ..

1, :"'

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1 •

Figura 26: Analizador de carbono y azufre LECO CS-400

3.3.4. Analizador Termogravimétrico

Para determinar el análisis químico de los carbones se utilizó el analizador

Termogravimétrico TGA 701. El equipo mide la pérdida de peso en función de la

temperatura en un ambiente controlado. El equipo puede analizar hasta 19 muestras

de carbones simultáneamente.

La pérdida de peso de cada muestra es monitoreada y la temperatura del hamo es

controlada de acuerdo al método de análisis seleccionado. En nuestro caso se

determina la materia volátil, ceniza y carbono fijo del carbón bituminoso utilizado para

las pruebas. En la figura 27 se presenta el equipo TGA 701 utilizado.

76

NiTROGENO

~o O~lC.EitO,

o

Figura 27: Equipo TGA 701 usado para determinar análisis inmediato del carbón.

3.3.5 Balanza Satmagan

Para determinar el análisis químico inmediato del hierro esponja o DRI se utiliza la

balanza magnética Satmagan. En el equipo se determina el hierro metálico (Fe 0),

hierro total (Fet) y el grado de metalización (G.M.) del hierro esponja ó DRI. El principio

de funcionamiento de la balanza Satmagan es la medición de la fuerza que actúa en

la muestra DRI en un campo magnético con un gradiente espacial. El campo

magnético es suficientemente fuerte como para saturar el componente magnético de la

muestra.

El dispositivo Satmagan puede usarse para medir cualquier muestra con un solo

componente magnético. En la figura 28 se presenta la balanza Satmagan utilizada.

77

L_.

Figura 28: Balanza Satmagan

3.3.6. Equipo de Absorción Atómica.

Para determinar los elementos químicos del mineral de hierro o DRI, tales como P,

Si02 , Ab03, CaO se utiliza el equipo de absorción atómica marca Perkin Elmer, modelo

AAnalyst 400. En la figura 29 se presenta la foto del equipo usado.

Figura 29: Espectrómetro de absorción atómica Perkin Elmer.

78

3.4 Descripción Experimental

La implementación de los experimentos de Carburización del pellets de mineral de

hierro en un proceso de reducción directa SLIRN, se realizó en el enfriamiento del

producto DRI, después de la etapa de reducción del material. Por lo tanto, es necesario

conocer los experimentos de reducción o reducibilidad del pellets de hierro.

3.4.1 Experimentos de Reducibilidad

Los experimentos de reducibilidad se realizaron en un hamo rotatorio experimental de

resistencia eléctrica marca Ruhstrat (figura 21), donde la carga de alimentación al

horno está compuesto del pellets de mineral de hierro (1 000 gr), carbón bituminoso

para reducir al mineral de hierro y 50 gr. de caliza para eliminar el azufre de la carga.

El peso de carbón bituminoso se determina según la ecuación 33:

(CfFe)(W)(%Fet5 )(100- %H2 0w) Peso total del carbón (g) = ....:..._:__....:......:----=._;_ _ ___;:_;_ ____ -=--.:..:....:..

(%C.F.8 s )(100- %H2 0c) (33)

Donde:

C/Fe = Relación de Carbono/Hierro= 0.5

W = Peso total del pellets o mineral = 1000 gr.

% Fets = % Hierro total en el pellets o mineral

% H20w = % Humedad del pellets o mineral

% C.F. as = % Carbono Fijo (base seca) del carbón

%H20c = % Humedad del carbón

79

Esta relación es importante pues establece las proporciones de pellets o mineral de

hierro y carbón bituminoso que debe ser alimentadas para realizar un ensayo de

reducibilidad. A nivel industrial se opera normalmente con relaciones de C/Fe total

entre 0.4 y 0.5, dependiendo de las materias primas.

En nuestro cado, considerando una relación constante de C/Fe de 0.50 para todas las

pruebas de reducibilidad/carburización y de los datos de la tabla 3, se tiene de la

ecuación (33), que el peso de carbón es de 802.2 gr.

3.4.1.1 Parámetros de Operación de experimentos de reducibilidad Estándar

En la tabla 9 se muestran los parámetros de los ensayos de reducibilidad estándar.

Tabla 9: Parámetros del Experimento de Reducibilidad Estándar.

Granulometría (%) Tamaños Pellets de Carbón Bituminoso Caliza

+ 16 mm o o o + 12.5 mm 40 20 o

Carga + 9.5 mm 50 20 o + 6.3 mm 10 30 o + 2.8 mm o 30 o -2.8 mm o o 100

Total 1000 g 802.2 g 50g

Relación C!Fe 0.50

Parámetros de Temperatura de reducibilidad (0 C) 1050

Experimentos de Gas N2 para evacuación de gases (L.P.M.) 2 Reducibilidad Rotación del horno (R.P.M.) 8

Tiempo de reducción (hr} 3

Material Análisis Realizado al compósito de + 2.8 mm

granulométrico Resultados

Magnético Se determina el Feo, Fet, G.M, C y S (Hierro esponja) Análisis químico

al comnósito de +2 8 mm Material No

Análisis químico Se determina C.F, M.V., CNZ y S. Magnético

80

Las muestras de pellets, carbón bituminoso y caliza se cargan al horno y se calientan a

la temperatura de reducción de 1050 oc por 3 hr. según el perfil de temperatura de la

figura 30. Después que transcurre el tiempo de reducción, se procede al enfriamiento

del horno hasta la temperatura ambiente, manteniendo el caudal de N2 de 2 LPM.

Después del enfriamiento del horno, se realiza la descarga del material. Utilizando un

separador magnético manual se determina el material magnético (llamado DRI ó Hierro

Esponja) y el no magnético.

Al material magnético, se forma un compósito formado por los tamaños por encima de

2.8 mm para determinar el% Fe 0 ,% Fet,% G.M., %S, %P y Carbono total.

ESQUEMA DE EXPERIMENTOS DE REDUCIBILIDAD ESTANCAR

PRODUCTO

FeT: 65.5% Fe203: 92.3% Si02: 3.5% S: 0.04%

MV: 38.9% CNZs: 7.6% 5:1.1% H20: 5%

S:O.OOS% R203: 3.0"-'>

HORNO DE RESISTENCIA ELÉCTRICA GASES: CO, C02, otros.

MATERIAL MAGNÉTICO· aprox. 700 g.

FeT: 94.0%

V 4 Fe•: 88.6% ~ G.M:94.3%

C: 0.04% S: 0.041%

BIALNO MAGNÉJ!CO· aprox.250g

•

CF:47.1% MV:3.8'1o CNZs: 49.1% S: 1.375%

PERFIL DE TEMPERATURA DE EXPERIMENTOS DE REDUCIBIUDAD ESTANDAR

Reducción Enfriamiento

r·c

NITRÓGENO: 2 LPM

2 3 4 6

TIEMPO EN HORAS

Figura 30: Esquema mostrando el Ensayo de Reducibilidad Estándar.

81

3.4.2 Experimentos de Carburización:

Se han implementado dos tipos de experimentos de carburización: Carburización

Dinámica y Carburización Estática

3.4.2.1 Carburización Dinámica

La carburización dinámica se realizó en el horno rotatorio de reducibilidad, en donde el

carburante gas natural ingresa después de culminar la etapa de reducibilidad del

pellets de mineral. Para realizar las pruebas, se ha acoplado una toma de gas natural

a la entrada del horno. En la figura 31 se presenta el esquema del ensayo.

Figura 31: Esquema del equipamiento de las Pruebas de Reducibilidad y Carburización

82

3.4.2.2 Carburización Estática

La carburización estática se realizó en un horno mufla que llega hasta la temperatura

de 1 ooooc y donde ha sido acoplado una tubería de entrada de gas. En la figura 32 se

presenta el esquema de la carburización estática. En esta prueba, se ha carburizado el

producto frío de hierro esponja obtenido en la Planta de Reducción Directa.

PRUEBAS DE CARBURIZACION EN HORNO MUFLA

para carburar

REFRACTARIO PASANTE DE SALIDA DE GASES

! CABINA DEL PROD~CTOCARBUREZADO

¡

TERMOCUPLA

INYECCION DE GAS NATURAL

HORNO MUFLA- THERMOLYNE- TEMP. MAX. 950°C

Figura 32: Esquema de carburización estática.

3.5 Estudios Experimentales de Carburización

Dependiendo del objetivo a alcanzar, en la figura 33 se presenta los estudios

realizados de carburización.

'

ESTUDIOS REALIZADOS

Pruebas preliminares

Pruebas variando la temperatura de

reducción y tiempo de carburización

Pruebas de carburización de DRI de la Planta de Reducción

Directa SURN

Diseño Experimental

Estudio Cinético

83

[ OBJETIVOS

~-·----

! • AV~nguar si existe , carburación en el DRI. : • Selección de carburante 1 • Determinación del carbono

en la cementita.

(.Estudiar la carburización a diferentes temperaturas de

1 reducción y tiempos de ' carburización.

• Averiguar si se puede carburar el DRI obtenido en Planta de Reducción

(.Determinar 1;-i-;.fl~encia de 1 los principales parámetros ! de carburización. 1 •Informar a Planta Industrial

de parámetros óptimos de carburización

~~;;e~po inicial de ¡· ~ovr';.;~~~Ón de la cementita y ' su relación con la ' temperatura y caudal de gas

natural.

Figura 33: Esquema de los estudios de carburización realizados.

J

84

3.5.1 Pruebas preliminares

Se realizaron experimentos de carburización dinámica, con la finalidad de Averiguar

si hay algunos indicios de un aumento del carbono en el DRI. Se utilizaron como

carburante al petróleo, gas licuado de petróleo GLP y gas natural. Las pruebas de

carburización se realizaron después de la etapa de reducción, a la temperatura de

1100 oc con diferentes tiempos de carburización (15, 30 y 45 minutos). En todos los

casos se utilizó una carga de 1 Kg. de pellets de mineral de hierro, un caudal del gas

de 4 LPM y una velocidad constante del horno de 8 R.P.M.

Para la carburización con petróleo se implementó un sistema de caída por gravedad

del petróleo a la salida del horno de reducibilidad. Debido a la contaminación del

ambiente (generación de abundantes humos) solamente se carburo hasta un máximo

de 10 minutos.

En la figura 34 se presenta el esquema de pruebas preliminares de carburización.

Estas pruebas preliminares también ha permitido determinar la implementación del

método químico de determinación del carbono libre y carbono cementítico, en el

producto carburado DRI.

85

~~~~©~~o '1LP~~~~~I3b

liYjOO]ló)~

~

Nitrógeno: 2 LPM

·.;J

Figura 34: Esquema de pruebas preliminares de carburización.

3.5.2 Pruebas variando la temperatura de reducción y tiempo de carburización

Con la finalidad de evaluar la carburización del pellets con la temperatura de reducción,

se han hecho pruebas de carburización dinámica a las temperaturas de reducción de

950°C, 1000 oc, 1050 oc y 1100 oc a diferentes tiempos de carburización, insuflando

gas natural desde 5 hasta 60 minutos. En todos los casos se utilizó una carga de 1

Kg. de pellets de mineral de hierro, un caudal del gas de 4 LPM y una velocidad

constante del horno de 8 R.P.M.

En la figura 35 se presenta el esquema de las pruebas.

86

Figura 35: Esquema de pruebas de carburización a varias temperaturas de reducción.

3.5.3 Pruebas de Carburización con DRI planta Reducción Directa

Con la finalidad de averiguar el incremento del carbono al hierro esponja (DRI) frío

producido por la Planta de Reducción Directa, se han realizado pruebas de

carburización dinámica y carburación estática, usando los hornos de reduciblidad

rotatorio y horno mufla respectivamente.

El procedimiento consiste en introducir 1 Kg. de hierro esponja fria y calentar el horno

hasta llegar a las temperaturas de carburización, en donde se insufla gas natural a

varios tiempos de carburización, con un caudal de 4 LPM.

Se han realizado pruebas a las temperaturas de carburización de 900 oc, 950 oc y

1000 oc, en tempos de 5', 10', 20', 40', 60', 80', 100' y 120'. En la figura 36 se

presenta el esquema de pruebas.

87

Figura 36: Esquema de pruebas en la carburización Dinámica y Estática del DRI obtenido en la

Planta de Reducción Directa de CAASA.

También el objetivo de estas pruebas, es evaluar la posibilidad de colocar un reactor

para carburar a la salida de la zona de refrigeración, por donde sale el hierro esponja

de la planta industrial.


3.6.1 Introducción

En el área industrial, la experimentación requiere frecuentemente conocer el efecto

sobre una variable respuesta de un gran número de factores [50]; esto se logra con la

ayuda de los Diseños Factoriales, en el cual se pueden estudiar los efectos de dos o

88

más factores de variación a la vez y es factible investigar todas las posibles

combinaciones de los niveles de los factores en cada ensayo completo o réplica del

Experimento [51],[52] y [53].

Las Ventajas de usar un diseño Factorial son:

a) Ahorro y economía del recurso experimental; ya que cada unidad experimental

provee información acerca de dos o más factores, lo que no sucede cuando se realiza

con una serie de experimentos simples.

b) Da información respecto a las interacciones entre los diversos factores en estudio.

e) Permite realizar estimaciones de las interacciones de los factores, además de los

efectos simples.

d) Permite estimar los efectos de un factor en diversos niveles de los otros factores,

produciendo conclusiones que son válidas sobre toda la extensión de las condiciones

experimentales.

Los experimentos de carburización se realizaron con la ayuda de la herramienta

estadística denominada Planeamiento Factorial Completo [54].

3.6.2 Planteamiento del problema

En la implementación de las pruebas experimentales de Carburización del Hierro

Esponja ó DRI con gas natural, aplicado al Proceso de Reducción Directa SURN, se

requiere determinar la influencia que tienen los principales parámetros que influyen en

el Proceso de Carburización, sobre el aumento del contenido de carbono en el DRI,

denominado variable respuesta.

89

En tal sentido, se desea comprobar que efecto tiene la Velocidad de Rotación del

Horno, la temperatura de inicio de carburización, el cual llamaremos "Temperatura de

Carburización" y el Caudal del Gas Natural, sobre el Contenido de Carbono en el DRI,

realizados a diferentes tiempos de carburización.

Las pruebas experimentales se realizaron mediante el Experimento Factorial 2k, donde

k (k = 3), es el numero de factores que intervienen en el experimento.

3.6.3 Selección de Factores y dominio experimental

Los factores y su dominio experimental se muestran en la tabla 1 O. El dominio

experimental de un factor continuo se expresa con los valores mínimo y máximo que

puede tomar y se asigna la notación codificada -1 al nivel inferior y +1 al superior.

Tabla 10: Factores y dominio experimental en las pruebas de carburización.

Dominio Experimental

Factores Niveles

Inferior(-) Superior (+)

A Velocidad de Rotación Horno (RPM) 2.0 8.0

B Temperatura de Carburización (°C) 750.0 1050.0

e Caudal de Gas Natural (LPM) 1.0 4.0

En el Diseño Factorial23 hay ocho combinaciones de tratamiento (23) que son (1), a, b,

e, ab, ac, be, abe, las cuales se pueden representar geométricamente mediante un

cubo. En la figura 37 se representa el dominio experimental combinado para los tres

factores, en donde cada círculo indica un posible experimento con unos valores

concretos de cada factor.

90

alto+ e

FactorC (CaudaiGN) : b

bO--------------------------- a

/_./ {2a~:;B V ;:;peratura

( 1) 1 1 .. Carburlzaclón)

• Factor A alto+ baJo

bajo (Velocidad de

bajo

Rotación)

Figura 37: Dominio experimental para los 3 factores del experimento factorial

3.6.4 Matriz de experimentos y plan de experimentación

En la tabla 11 se presenta la matriz de experimentos, el plan de experimentación y la

respuesta a obtener, con dos replicas a realizar. El plan de experimentación se obtiene

al reemplazar los valores -y+ por los valores de las variables reales.

3.6.5 Realización de los experimentos.

De acuerdo con el plan de experimentación y con la réplica incluida, se han realizado

64 ensayos de carburización dinámica, el cual servirá también para el respectivo

análisis cinético. En la figura 38 se muestra el esquema de pruebas para el diseño de

experimentos factorial de carburización.

3.6.6 Análisis Estadístico de los Resultados:

El procedimiento de análisis estadístico para los resultados del experimento factorial

son:

a) Estimación de los Efectos de los factores y contrastes

b) Análisis de Varianza (ANOVA)

e) Modelo del Diseño Factorial

d) Optimización del modelo

e) Validación del modelo

f) Superficie respuesta.

91

Figura 38: Esquema de pruebas para el diseño de experimentos factorial.

3.6.6.1 Estimación de los Efectos de los Factores y Contrastes

Se entiende por efecto de un factor, al cambio en la respuesta media ocasionada por

un cambio en el nivel de ese factor. El efecto de un factor esta dado por el promedio

del efecto del mismo factor en los niveles bajo y alto del otro factor, siendo "n" el

numero de réplicas del experimento. La estimación de los efectos principales y las

interacciones en el diseño factorial completo 23 se puede calcular mediante la

representación geométrica [55].

Efecto Promedio del Factor A

FactorA +

Efecto de A= YA+- YA-

Efecto de A= 4~7 [a+ab+abc+ac]- 41)0)+b+bc+c]

b Efecto de A= 4~7 [a+ab+abc+ac-(l)-b-bc-c]

Efecto Promedio del Factor 8

Efecto Promedio del Factor C

Efecto Promedio del Factor AB

Efecto Promedio del Factor AC

92

Efecto de 8 = Y 8 + - Y 8-//

+

1_co----'--"'"" 0 Efecto de 8 = 4~[b+ab+abc+bc]- 4~[(l)+a+ac+c]

Factor-e 8 ~ J---.A ab Efecto de 8 = 4~[b+ab+abc+bc-(l)-a-ac-c]

~·· (1t------l

FactorA +

_¡:b,_c ___ __,;¡•bc Efecto de e = Y e+ - Y e-

Efecto de e= ln[c+ac+abc+bc ]- L[(l)+a+ab+b J • r Efecto de C = 1 [c+ae +abe +be ~O)~a ~ab~b J ""•" _1 ~==.-Jlab n

FactorA +

be

FactorA +

be

Factor A +

be

EfectodeAB = jn[(l)+ab+abc+c]- L[a+ac+bc+b]

Efecto de AB = ln [Cl)+ab+abc+c-a-ac-bc-b]

Efecto deAe = Jn[(l)+ac+abc+b]- 4~[a+c+bc+ab] Efecto de AC = 4~ [O)+ac+abc+b-a-c-bc-ab]

1 [ 1 Efecto de 8e = 4n (I)+a+abc+bc]-4)b+ab+ac+c]

Efecto de 8e = j [C1)+a+abc+bc-b-ab-ac-c] ab n Efecto Promedio ·r

del Factor BC •-·e 1 o-----o

FactorA +

Efecto Promedio deABC

93

FactorA +

Efecto deABC = 4~1 [a+abc+c+b]-4:

1[Cl)+ab+bc+ac]

Efecto deABC = -k[a+abc+c+b-(1)-ab-bc-ac]

Tabla 11: Matriz de experimentos, plan de experimentación y respuesta del diseño factorial.

Matriz de Experimentos Plan de Experimentación Respuesta

N• Velocidad Temperatura de Caudal de Tiempo de N" Replica

A B e Simbología de Rotación Carburización Gas Natural Carburización Experimento

(RPM) <•e¡ (LPM) (minutos) 1 11

1 - 2 10

3-4 (1) 2 750 1

15 - - -5-6 20

7-8 25

9- 10 10

11 - 12 8 750 1

15 + - - a

13- 14 20

15 -16 25

17- 18 10

19-20 b 2 1050 1

15 - + -21 -22 20

23-24 25

25-26 10

27-28 ab 1050 1

15 + + - 8

29-30 20

31-32 25 %CI %Cu

33-34 10

35-36 4

15 - - + e 2 750 37-38 20

39-40 25

41 -42 10

43-44 8 750 4

15 + - + a e

45-46 20

47-48 25

49-50 10

51 -52 1050 4

15 - + + be 2 53-54 20

55-56 25

57-58 10

59-60 1050 4

15 + + + abe 8

61 -62 20

63-64 25

94

Para llevar a cabo el Análisis de Varianza (ANOVA) se debe obtener los contrastes de

los efectos encontrados anteriormente; que no son más que las cantidades entre

paréntesis de los efectos, es decir:

Contraste A =a+ ab +abe+ ae- (1)- b- be- e

Contraste 8 = b + ab +abe+ be- (1)- a- ae- e

Contraste e =e+ ae +abe+ be- (1)- a- ab- b

Contraste AB = (1) + ab +abe +e- a- ae- be- b

Contraste Ac = (1) + ae +abe + b - a- e- be- ab

Contraste se = (1) + a +abe +be- b- ab- ae- e

Contraste ABe =a+ abe+ e+ b- (1) -ab- be- ae

La suma de cuadrados de los efectos esta dado como:

SS = (contraste)2

8n

Luego la Suma de Cuadrados de los efectos principales e interacciones son:

SSA = (contrasteA)2

8n

SSA = (contrasteAB)2

8n

SS = (contrasteABc)2

A 8n

SS = (contraste8 )2

8 8n

SSA = (contrasteAc)2

8n

SSc = (contrastec)2

8n

SSA = (contraste8c)2

8n

La suma de cuadrado total y la suma de cuadrados del error se calcula según:

donde:

SST =Suma de cuadrado total, tiene 8n-1 grados de libertad, ya que existe un total de

N = 8n observaciones.

SSE = Suma de Cuadrados del 1 error, tiene 8(n-1) grados de libertad, porque cada

suma de los efectos principales e interacciones tiene un grado de libertad cada uno.

95

3.6.6.2 Análisis de Varianza (ANOVA)

En el análisis del Diseño Factorial 23, los tres factores en estudio tienen igual

importancia. Las hipótesis se deben plantear en relación a la igualdad de los efectos

principales {A, B y C), además en relación a la igualdad de los efectos de las

interacciones dobles (AB, AC, y BC) e interacción triple (entre los tres factores ABC).

El procedimiento para obtener la tabla de Análisis de Varianza involucra el cálculo del

estadístico (F0). En la tabla 12 se presenta la tabla de Análisis de Varianza para el

diseño factorial de modelos de efectos fijos. Los grados de libertad de los factores A, B

y C corresponden a los "niveles" que presentan cada uno de los factores menos 1 (el

cual es un parámetro a estimar) respectivamente [56].

Tabla 12: Tabla de Análisis de Varianza (ANOVA).

Fuente de Variación Suma de Cuadrado Grados de Libertad Media de Cuadrado . Fo

Factor A SSA a-1 MSA MSA

Fo=-MSE

Factor B SS a b-1 M Se MSB

F--0 - MSE

Interacción C SS e c-1 M Se M Se

F--0 - MSp;

Interacción AB SS As (a-1)(b-1) MSAa MSAB

F.--0 - MSp;

Interacción AC SSAc (a-1)(c-1) MSAc MSAc

F--0 - MSp;

Interacción BC SSac (b-1)(c-1) MSac M S Be

F.--0 - MSp;

Interacción ABC SSABC (a-1 )(b-1 )(c-1) MSABC MSABC

Fo=--MSE

Error SSE abc(n-1) MSE

Total SST abcn-1

Para determinar el estadístico (Fa) de los efectos, se deben observar los valores

esperados de las medias de cuadrados definidas y evaluar el efecto que tiene la

hipótesis nula. En la tabla 13 se presentan las hipótesis que se deben probar y su

96

respectiva región de rechazo para el Modelo de Efectos Fijos, con el FTablas que

corresponden a la distribución F con sus grados de libertad del numerador y

denominador para cada caso.

Tabla 13: Tabla de Hipótesis a probar y su respectiva región de rechazo.

Factor Hipótesis

Forma Estadística

Factor A Ho: T1 = T2 =O

H1: cuando menos un T1 * o

Factor B Ho:pl =Pz =O

H1: cuando menos un p1 * o

Interacción Ho: Y1 = Yz =O

e H1:cuandomenosun Yk * O

Interacción Ho: (T{3) 11 =O, para todo ij

AB H1:cuandomenosun (T{3) 11 * o

Interacción Ho: (TY)tk = O, para todo ik

A e H1:cuandomenosun (TY)ik * O

Interacción Ho: (Py)1k = O,para todo jk

8e H1:cuandomenosun (Pr)1k * O

Interacción Ho: (TPY)tJk =O, para todo ijk

ABe H1:cuandomenosun (TPY)tJk * o

Donde:

T 1: Efecto del i-ésimo nivel del factor A f3/ Efecto del j-ésimo nivel de/factor B y k: Efecto del k-ésimo nivel del factor e

Forma Verbal

H0: Factor A no influye significativa-mente en la respuesta. H1: Factor A influye significativamente en la respuesta.

H0: Factor 8 no influye significativa-mente en la respuesta. H1: Factor 8 influye significativamente en la respuesta.

Ho: Factor e no influye significativa-mente en la respuesta. H1: Factor e influye significativamente en la respuesta.

H0: Factores A y 8 influyen significati-vamente en la respuesta. H1: Factores A y 8 influyen significati-vamente en la respuesta.

Ho: Factores A y e influyen significati-vamente en la respuesta. Hf Factores A y e influyen significati-vamente en la respuesta.

H0: Factores 8 y e influyen significati-vamente en la respuesta. H1: Factores 8 y e influyen significati-vamente en la respuesta.

H0: Factores A,8 y e influyen signifi-cativamente en la respuesta. H1: Factores A,8 y e influyen signifi-cativamente en la respuesta.

( T{3) 11 : Efecto de la interacción del i-ésimo nivel de A y el j-ésimo nivel de B.

Región de Rechazo

Fo > Foc,a-l.abc(n-1)

Fo > Foc.b-1.abc(n-1)

Fo > Foc.c-1.abc(n-1)

Fo > r'oc.ca-1)(b-1),abc(n-1)

Fo > Foc,(a-1)(c-1).abc(n-1)

Fo > Foc.(b-1)(c-1),abc(n-1)

Fo > Foc,(a-1)(b-1)(c-1).abc(n-1)

( ) E~ecf,.. ,.¡,.. 'a ;"~f,..ra"C;,r.., ,.¡,..¡; An;~o n;v· el ,.JeA ., " 11' An;mo nl""el ,.Je e TY ik: lt tV UC' 1 1 ILCI V lVII UVI 1-c:.:>tlll U1 y Cl 1\""'C.:>III V' Ui .

(Py)1k: Efecto de la interacción delj-ésimo nivel de By el k-ésimo nivel de C. (T{3y) 11k: Efecto de la interacción del i-ésimo nivel de A, j-ésimo nivel de By k-ésimo nivel de C.

97

Para las pruebas de hipótesis planteadas en la tabla, se toma en cuenta las

estadísticas correspondientes (F0); las cuales tienen una distribución F, con sus

respectivos grados de libertad y un nivel de significancia a, si la hipótesis nula es

verdadera. Por lo tanto, la región crítica es el extremo superior de la distribución F,

como se observa a continuación.

onade Aceptación deHo

La hipótesis nula (Ha) se rechazará si, Fa> FTablas, que es la región de rechazo que se

presenta en la tabla para cada una de las hipótesis a probar en cada uno de los casos.

Fa se obtiene del Análisis de Varianza y Frablas se obtiene por medio de la tabla F.

Considerando que a = b = e= 2 y tomando a = 0.05, encontrando para cada hipótesis a

probar sus respectivos Frablas, se tiene:

a) Fo,a-1,abc(n-1J = Foos,2 -1,8 = Foos,1,8 = 5.32

b) Fo,b-1,abc(n-1)= Foo5,2-1,8= Foo5,1,8= 5.32

e) F o,c-1,abc(n-1J = Fo.os,2 -1,8 = Fo.os,1,8 = 5.32

d) Fo,(a-1)(b-1),abc(n-1)= Foo5,(2-1)(2-1),8= Foo5,1,8= 2.54

e) Fo,(a-1)(c-1J,abc(n-1J = Foos,(2-1J(2-1J,8= Fo.o5,1,8= 2.54

f) Fo,(b-1)(c-1),abc(n-1) = Foo5,(2 -1)(2 -1), 8 = Fo.05,1,8 = 2.54

d) F o,(a-1)(b-1)(c-1 ),abc(n-1) = Fo.05,(2 -1)(2 -1)(2-1), 8 = Fo.05,1,8 = 2.54

98

3.6.6.3 Modelo del Diseño Factorial

En un diseño factorial 2K , es fácil expresar los resultados del experimento en términos

de un modelo de regresión [57].

Para un diseño factorial 23 el modelo de regresión es:

Donde bn es el coeficiente asociado con el factor n y A, 8, C representan los factores

en el modelo. Combinación de factores (tales como AB, AC .. ) representa una

interacción entre los factores individuales. Si los factores han tomado los valores -1 y

+1, los coeficientes del modelo son la mitad de los efectos calculados y 13o toma el

Efecto Promedio de los resultados del experimento, incluyendo las replicas.

3.6.6.4 Optimización del Modelo

Esta etapa involucra la remoción de los efectos estadísticamente no significativos [58].

3.6.6.5 Validación del Modelo

La validación de los modelos de regresión consiste en determinar el coeficiente de

regresión múltiple o coeficiente de determinación R2, que cuando esta más cerca a 1,

mejor es la confiabilidad del modelo. Para determinar R2 se tiene que realizar un

análisis de residuos de los valores reales con los valores del modelo [59].

99

3.6.6.6 Superficie respuesta

Valiéndose del software de diseño de experimentos DXB, se grafican las variables

respuestas para diferentes tiempos de carburización [60].

3.7 Análisis Cinético

Para evaluar la cinética se han realizado ensayos adicionales a los obtenidos en el

diseño de experimentos factorial, en los tiempos de 40, 60 y 80 minutos de tiempo de

carburización.

3.8 Análisis del contenido de carbono en el hierro esponja

El contenido de carbono y azufre del hierro esponja fueron determinado usando un

analizador de Carbono/Azufre Leca es 400, el cual está basado en el método de

combustión, donde la muestra es fundida y combustionada en un hamo de inducción.

Los gases C02 y S02 generados fueron medidos por un sensor infrarrojo, con las

cantidades de cada gas da el contenido de carbono y azufre respectivamente.

3.8.1 Determinación del carbono libre (CL) y cementítico (CC)

Como se mencionó anteriormente, el contenido de carbono en el hierro esponja se

encuentra básicamente en dos estados: uno combinado formando cementita (Fe3C) y

el otro libre (amorfo). A fin de determinar los distintos estados, se implementó una

metodología de análisis, según la figura 39.

100

1

D~~~ > r····

[s~lución ~J.

Ataque con HGL

-~CT~CL~ L~~c~~ TI ~------ ' .... - -

¡--;;;-~ Determihación del ./ l ___ ~~1-trad~l'---------,~ carbono libre (CL) /

·; ....___ __ .,;_ _____ ~--~--~~

Figura 39: Esquema mostrando la determinación del carbono cementitico.

El procedimiento de análisis es como sigue:

• Tratar la muestra DRI con HCI a fin de disolver el hierro y la cementita.

• Separar el residuo por filtración.

• Determinar por el método de combustión (LEGO GS-400) el contenido de carbono en

el residuo, denominado "carbono libre" (CL).

• Determinar por el método de combustión (LEGO GS-400) el contenido de carbono en

la muestra original de DRI, denominado "carbono total" (CT).

• Calcular por diferencia entre CT y CL, el carbono que se encuentra combinado con

el hierro formando cementita, denominado "carbono cementitico" (CC).

3.9 Microscopia

• Durante los estudios de reducción y carburización, la deposición del hollín o

carbono libre, dificulta distinguir la formación de Fe3C, por tal razón es importante

101

incorporar un análisis de fases para determinar la velocidad de cementación del

hierro.

3.9.1 Preparación de la muestra

Las muestras de DRI carburado fueron montados en moldes de resina epóxica.

Después de colocar en un limpiador ultrasónico, fueron desbastadas y pulidas al

espejo usando papeles abrasivos de CSi desde # 120 hasta #1 000. Luego fueron

pulidas con alúmina desde 0.5 hasta 1 micra y un pulido final con pasta de diamante.

Las muestras para microscopia óptica fueron atacadas en una solución de picrato de

sodio alcalina (2 g de acido pícrico, 25 g de NaOH y 100 mi de agua) para revelar la

cementita y el hierro metálico. Este ataque tiene el efecto de colorear a la cementita y

mantener brillante al hierro metálico.

3.9.2 Observación Microscópica

Las muestras atacadas fueron observadas usando un microscopio metalográfico

invertido marca Leica, que tiene incorporado una cámara Leica DC 300.

CAPÍTULO 4

RESULTADOS

4.1 Pruebas Preliminares

En la tabla 14 se presentan los resultados de las pruebas preliminares de carburización

dinámica del DRI con varios carburantes.

Tabla 14: Resultados preliminares de carburización dinámica

Condiciones de Experimentos de %Carbono %Carbono %Carbono

Carburante Total Libre Cernentitico Carburización Dinamica

(CT) (CL) (CC)

Petróleo Inyección de Petroleo a 11 o o oc por 15 minutos 0.65 0.21 0.44

Inyección de GLP a 1100 oc por 15 minutos 3.19 0.46 2.73

GLP Inyección de GLP a 11 00 oc por 30 minutos 8.28 4.16 4.12

Inyección de GLP a 11 00 oc por 45 minutos 16.87 11.45 5.42

Inyección de GN a 1100 oc por 15 minutos 2.15 0.31 1.84

Gas Natural Inyección de GN a 11 00 oc por 30 minutos 6.47 2.69 3.78

Inyección de GN a 1100 oc por 45 minutos 13.3 8.32 4.98

Se observa de la tabla 14 que carburizando con GLP y GN se evidencia un incremento

del contenido de carbono total en el DRI, desde 2.15% hasta 16.87 %. Se evidencia

también la presencia de carbono cementítico (CC) en el DRI. Comparando con el GN a

los mismos tiempos de inyección, con el GLP se obtiene mejores resultados de

carburización, principalmente debido a que el GN produce menos C02 que el GLP y

que contiene menos átomos de carbono en el metano (CH4) comparado a los átomos

del GLP, el cual está constituido principalmente por propano (C3H8) y butano (C4H10).

103

Tiempos de inyección mayores a 30' se nota la presencia de carbono libre en la forma

de hollín que cubre al DRI.

En vista a los resultados satisfactorios obtenidos con el gas natural y a que la

Corporación Aceros Arequipa ha efectuado recientemente el proyecto de inversión del

uso del gas natural como fuente de energía en las diferentes plantas y para reducir las

emisiones de gases contaminantes al ambiente, se eligió al gas natural como el

principal carburante para la realización de las pruebas del incremento de carbono en el

DRI.

4.2 Pruebas variando la temperatura de reducción y tiempo de carburización.

En la figura 40 se presentan los valores de % carbono total obtenido en las pruebas

realizadas.

18.0 16.6

16.0

14.0 ....,_%Carbono a lOOO"C

12.0 ....,_%Carbono a lOSO"C a: --e-% Carbono a 11oo•c Q

e 10.0 Ql ....,_%Carbono a 950"C o e o .e 8.0 .. "' u ~

6.0

4.0

2.0

0.0

5 20 30

Tiempo de Carburización (minutos)

Figura 40: Resultados variando la temperatura de reducción y tiempo de carburización.

104

De la figura 40 se observa que el carbono incorporado al DRI en la etapa de

enfriamiento aumenta sensiblemente cuando se incrementa la temperatura de

reducción o temperatura de inicio de carburización y aumenta también con el tiempo de

carburización, es decir, con el tiempo de contacto con el gas natural de enfriamiento.

A las temperaturas de reducción superiores a 1050 oc, se nota que a los 1 O minutos de

inyección de gas natural, el carbono en el DRI está por encima de 1.8 %. Estos valores

son satisfactorios.

Los mejores resultados de incremento de carbono, se han obtenido a la temperatura de

reducción de 1050 °C, debido principalmente, a que a 1100 oc, se ha observado

superficialmente una mayor capa metalizada de hierro, el cual ocasiona menos

vacancia y no ha permitido una mejor difusión del carbono al interior del pellets

reducido.

4.2.1 Determinación del carbono Cementítico

Según el método propuesto en el capitulo 3.8.1, se presenta en la tabla 15 los valores

de carbono cementítico obtenidos en las pruebas.

Tabla 15: Resultados de carbono cementítico

Tiempo de 950°C lOOOoC lOSO oC l100°C

Enfriamiento %CT %CL %CC %CT %Cl %CC %CT %CL %CC %CT %Cl %CC

5 0.040 0.008 0.032 0.100 0.010 0.090 0.200 0.030 0.170 0.300 0.060 0.240

10 0.300 0.034 0.266 0.500 0.100 0.400 1.800 0.340 1.460 1.900 0.41 1.490

20 0.700 0.130 0.570 1.400 0.270 1.130 4.600 0.870 3.730 3.700 0.67 3.030

30 1.000 0.200 0.800 2.400 0.450 1.950 7.500 2.100 5.400 5.800 1.54 4.260

45 1.400 0.260 1.140 4.000 0.780 3.220 11.700 5.800 5.900 9.000 4.4 4.600

60 1.800 0.320 1.480 5.500 1.040 4.460 16.600 10.500 6.100 13.000 8.3 4.700

105

Se observa que el aumento de la temperatura de reducción e inicio de carburización,

favorece la formación de la cementita.

El carbono cementítico aumenta proporcionalmente mientras aumenta el carbono libre.

4.2.2 Variación del Fierro Metálico, Fierro total y Grado de Metalización.

En las figuras 41, 42 y 43 se presentan los resultados de la calidad del hierro esponja o

DRI después de las pruebas de carburización. Se nota que a medida que aumenta la

inyección de gas natural, hay una disminución del fierro metálico y del fierro total. Este

fenómeno se presenta debido a que en el proceso de inyección de GN, la temperatura

de carburización disminuye, habiendo la posibilidad de una reoxidación del hierro

esponja.

100

95

-";!. 90 -G) 85

LL

o .~ •CU -G)

E e

80

75

; 70 ¡¡:

65

60

-cJ-950~1000~1050~1100

_8~_, ____ ?2.1. __ ~~, ___ , ___ , __________ , _______ _ 88,2

o 5 10 20 30


45

-Z5.6,

60

72.1 'l(}:fr

Figura 41: Variación del fierro metálico en pruebas de carburización.

106

100

95 ----~--~--~-

-{)-950~1000~1050~1100

90.9 91.0

- 90 :::.e o -- 85 Q)

LL

J!! 80

.S e 75 .... Q)

¡¡: 70

65 ----------68.0-~

60

o S 10 20 30 45 60


Figura 42: Variación del fierro total en pruebas de carburización.

100.0

98.0

-96.0 ?fl :f94.0

~ 92.0 e:

•O '(j 90.0

C'IS .!::! 88.0 J!! ~ 86.0 Q)

"C 84.0 o

'O e 82.o (!)

80.0

99 97.7 97.1 98.0 ~ 98.6

-..,;::;;;;¡;¡¡ __ .... ~--~-~--~--~-~·-~-=-~~~=-~:~~9~- ----~~~-;· 98.0 98.0 97.9

96.2 96.6 96.6 96.5 ...9.5 •. L~~~~------~-~~------------_:::.,¿o..::...........,.~

v--

90.2 90.3 89.9 8~2 ... --...1!89.6 ________________ _

o 5 10 20 30 45 60


Figura 43: Variación del Grado de metalización en pruebas de carburización.

107

4.3 Pruebas de Carburización con DRI planta Reducción Directa

4.3.1 Carburización Dinámica.

En las figuras 44 a 47 se presentan los resultados con la carburización dinámica del

DRI fria obtenido de la planta de Reducción Directa.

Se observa un ligero incremento de carbono hasta 0.8 %, el cual es muy bajo para los

objetivos buscados.

Los valores del fierro metálico y grado de metalización aumentan, mejorando aun más

la calidad del DRI.

~ o --(.) 1

S o lo r::::: o -e CG (.)

0.9

0.8

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

o

~900 1----

-D-950

o S

0.82 0.8

0.77 0.78

0.49 0.51 0.50

0.41

10 20 40 60 80 100 120


Figura 44: Resultados del carbono total en pruebas de carburización dinámica con DRI trio.

86.0

85.0

84.0

- 83.0 ~ e -cu 82.0 u.

1

o 81.0 .S:! :! 80.0 cu

::¡;¡: 79.0 o ... ... 78.0 .S! u.

77.0

76.0

o

108

5 10 20 40 60


80 100

-->900

<:-950

120

Figura 45: Resultados del fierro metálico en pruebas de carburización dinámica con DRI trio.

91.0

90.0

-e E 89.o -(1) u.

S 88.0 o 1-

g 87.0 (1)

¡¡:

90.0

86.0 , ___ -.e ______ • __ ' ---·-------·

85.0

o 5 10 20 40 60


80

-c-900

·~5n----

-c-looo

100 120

Figura 46: Resultados del fierro total en pruebas de carburización dinámica con DRI trio.

96.0 94.7

94.0 -~ Q -e: 92.0 :2 u cu

.!::! 90.0 s Q)

::;¡¡: Q) 88.0 --gg])---s!l'Jl" "C o

"C e 86.0 (!)

84.0

o 5

109

94.6 94.5 94.5 94.7

93.6

---9-2-Jl.----------··--

91.3 ·~---<-r-·--·-----·-------·------·----·--------o-goo----

90.0 -D-950

--·--"""0--lQQQ-

10 20 40 60 80 100 120

Tiempo de Carburización {minutos)

Figura 47: Resultados del Grado de Metalización en pruebas de carburización dinámica con

DRI trio.

4.3.2 Carburización Estática.

En las figuras 48 a 51 se presentan los resultados con la carburización estática del DRI

fria obtenido de la planta de Reducción Directa. Se observa que a medida que aumenta

la temperatura y el tiempo de carburización, aumenta también el carbono total en el

DRI.

En tiempos de carburización mayores a 20 minutos, se logra contenidos de carbono

superiores a 1 %.

Los valores del fierro metálico y grado de metalización también aumentan, mejorando

aun más la calidad del DRI.

6.00

5.00

S 3.00 o ..... o e: o .e t.. cu u

2.00

1.00

0.00

11 o

->-900

-----c-gso----------·

-.t-1000

0.09

o 5 10 20 40 60 80 100 120


Figura 48: Resultados del carbono total en pruebas de carburización estática con DRI trio.

86.0

85.0

84.0

~ 83.0 -C1) 82.0 u..

81.0

80.0

79.0

78.0

77.0

76.0

84.2

81.1 -----8~------------~ 81.3

,_, .... _____ .. ___ , _____ ... _ .. ______ , _______ ,,.,_, ___________ , ______ .~.....950 ...... ____ ., __

-á-1000

o 5 10 20 40 60 80 100 120


Figura 49: Resultados del fierro metálico en pruebas de carburización estática con DRI frio.

111

91.0

90.2 90.1 90.1 90.0

90.0 u

- 89.0 88.9 89.0 ~ .. 89.0 --Q) u.

cu 88.0 - 88.2 o 1-

e 87.6 87.7 87.6 ~ 87.0 ---------------s-7-4-~n-·----Q)

¡¡: <=:-900

86.0 ------- -::::;;;; 9 50

-á-1000

8S.O

o S 10 20 40 60 80 100 120


Figura 50: Resultados del fierro total en pruebas de carburización estática con DRI trio.

96.0

4.4

94.0 -~ .. -90.0 ----:-goo

90.1 90.0 -c-9so

88.0

84.0

o S 10 20 40 60 80 100 120


Figura 51: Resultados del grado de metalización en pruebas de carburización estática con DRI

trio.

112


En la tabla 16 se presentan los resultados de las pruebas para el diseño de

experimentos factorial de carburización dinámica.

Tabla 16: Resultados de carburización de experimentos factorial 2 3.

N• Velocidad Temperatura de Caudal de Tiempo de %C en DRI Experimento de Rotación Carburización Gas Natural Carburización 1 11 Total Promedio

1 - 2 10 0.07 0.11 0.18 0.15 3-4 15 0.21 0.17 0.38 0.28

2 750 1 5-6 20 0.27 0.29 0.56 0.43 7-8 25 0.37 0.44 0.81 0.63 9-10 10 0.04 0.06 0.10 0.08

11 - 12 15 0.1 0.13 0.23 0.18 8 750 1

13- 14 20 0.16 0.18 0.34 0.26

15- 16 25 0.23 0.17 0.40 0.29

17- 18 10 0.65 0.72 1.37 1.05

19-20 15 1.16 1.2 2.36 1.78 2 1050 1

21 -22 20 1.41 1.57 2.98 2.28 23-24 25 1.78 1.95 3.73 2.84

25-26 10 0.54 0.72 1.26 0.99

27-28 15 0.99 1.07 2.06 1.57 8 1050 1

29-30 20 1.54 1.14 2.68 1.91

31-32 25 1.59 1.87 3.46 2.67

33-34 10 0.31 0.37 0.68 0.53

35-36 15 0.85 0.77 1.62 1.20 2 750 4

37-38 20 1.34 1.16 2.50 1.83

39-40 25 1.73 1.51 3.24 2.38

41-42 10 0.32 0.26 0.58 0.42

43-44 15 0.67 0.58 1.25 0.92 8 750 4

45-46 20 0.98 0.87 1.85 1.36

47-48 25 1.31 1.16 2.47 1.82

49-50 10 1.78 1.58 3.36 2.47

51 -52 15 3.59 2.55 6.14 4.35 2 1050 4

53-54 20 3.45 4.54 7.99 6.27

55-56 25 3.83 5.12 8.95 7.04

57-58 10 1.05 1.65 2.70 2.18

59-60 15 1.96 2.67 4.63 3.65 8 1050 4

61 -62 20 2.43 3.43 5.86 4.65

63-64 25 2.91 4.34 7.25 5.80

En la figura 52 y tabla 17 se presenta la representación de las respuestas obtenidas en

los experimentos del diseño factorial.

113

Caudal Caudal 4.63

10 minutos 15 minutos

Temperatura Temperatura

Caudal Caudal

20 minutos 25 minutos

0.56-r----(1)

Temperatura Temperatura

Figura 52: Representación de las respuestas (suma de% e en las 2 replicas) obtenido en los experimentos del diseño factorial.

Tabla 17:% e en DRI obtenido en los experimentos realizados a diferentes tiempos.

No Replicas %Carbono en el Hierro Esponja - 10 minutos (1) a b ab e a e be abe

Replica 1 0.07 0.04 0.65 0.54 0.31 0.32 1.78 1.05 Replica 11 0.11 0.06 0.72 0.72 0.37 0.26 1.58 1.65

Total 0.18 0.10 1.37 1.26 0.68 0.58 3.36 2.70

N° Replicas %Carbono en el Hierro Esponja - 15 minutos (1) a b ab e a e be abe

Replica 1 0.21 0.10 1.16 0.99 0.85 0.67 3.59 1.96 Replica 11 0.17 0.13 1.20 1.07 0.77 0.58 2.55 2.67

Total 0.38 0.23 2.36 2.06 1.62 1.25 6.14 4.63

N° Replicas %Carbono en el Hierro Esponja -20 minutos

(1) a b ab e a e be abe Replica 1 0.27 0.16 1.41 1.54 1.34 0.98 3.45 2.43 Replica 11 0.29 0.18 1.57 1.14 1.16 0.87 4.54 3.43

Total 0.56 0.34 2.98 2.68 2.50 1.85 7.99 5.86

No Replicas %Carbono en el Hierro Esponja- 25 minutos

(1) a b ab e a e be abe Replica 1 0.37 0.23 1.78 1.59 1.73 1.31 3.83 2.91 Replica 11 0.44 0.17 1.95 1.87 1.51 1.16 5.12 4.34

Total 0.81 0.40 3.73 3.46 3.24 2.47 8.95 7.25

114

4.4.1 Estimación de los Efectos y Contrastes

En la tabla 18 se presenta los efectos y contrastes calculados para los tiempos de

carburización de 1 O, 15, 20 y 25 minutos respectivamente.

Tabla 18: Efectos y Contrastes del Diseño Factorial. Resultado de Contraste y Efecto - 10 minutos

A 8 e AB AC 8C A8C Efecto -0.12 0.89 0.55 -0.07 -0.07 0.31 -0.07

Contraste -0.95 7.15 4.41 -0.59 -0.57 2.45 -0.53 Suma de Cuadrados 0.0564 3.1952 1.2155 0.0218 0.0203 0.3752 0.0176

f(*) Efecto Promedio i ¡ - 0.64 ~o ••

11.6659 Suma de cuadrados de todos los experimentos = Suma de totales - 10.23 Suma de-cuadrados totales - 5.1251 Suma de cuadrados del error - 0.2232

' .. Restiltado de COntraste y Efecto~ 15níini.Jtos . - ~. -

A 8 e AB AC 8C A8C Efecto . -~.0.29 . 1.46 .··· 1.08' -0.16. -0.18 ·0.51. -0.12 .

Contraste -2.33 11.71 .. 8.61 -1.29 -1.43 • 4.09 - -0.99 Suma de Cuadrados 0.3393 8.5703 4.6333 0.1040 0.1278. 1.0455 0.0613

e0 Efec!~ Promedio ¡ 1 - 1.17 Suma de cuadrados de todos los experimentos - 37.4723

g~:J_Il]_~~-!o_~les _,----J_ - 18.67 Suma de cuadrados totales - 15.6867 ;suma· de <?_~adr_ados ~el ~rror __ ---+ = 0.8054 --

Resultado de Contraste y Efecto- 20 minutos A 8 e A8 AC BC ABC

Efecto -0.41 1.78 1.46 -0.20 -0.28 0.59 -0.18 Contraste -3.30 14.26 11.64 -1.56 -2.26 4.74 -1.40

Suma de Cuadrados 0.6806 12.7092 8.4681 0.1521 0.3192 1.4042 0.1225 Wl Efecto Promedio ¡ 1 - 1.55 Suma de cuadrados de todos los experimentos - 63.3816 ~ma~e to~!_~~--_j _______ - 24.76 --Suma de cuadrados totales = 25.0655 Suma de cuadrados del error - 1.2095 -

Resultado de Contraste y Efecto- 25 minutos A B e A8 AC 8C ABC

Efecto -0.39 2.06 1.69 -0.10 -0.22 0.56 -0.13 Contraste -3.15 16.47 13.51 -0.79 -1.79 4.51 -1.07

Suma de Cuadrados 0.6202 16.9538 11.4075 0.0390 0.2003 1.2713 0.0716 (*) Efecto Promedio 1 - 1.89 Suma de cuadrados de todos los experimentos - 89.9299 Suma de totales - 30.31 1-=--------

32.5114 Suma de cuadrados totales -Suma de cuadrados del error - 1.9479

(*)Nota: El efecto del promedio es e/ promedio de los resultados del experimento, incluyendo las replicas_

115

Los valores encontrados para cada uno de los efectos de la tabla 18 significan:

• El efecto A de la Velocidad de Rotación del Horno es negativo, lo que significa que

aumentando desde el nivel bajo (2 RPM) hasta el nivel alto (8 RPM) no afecta al

incremento de carbono en el DRI.

• El efecto B de la Temperatura de Carburización es positivo, lo que significa que se

espera un aumento en el carbono del DRI al aumentar la Temperatura desde el nivel

bajo (750 oC) al nivel alto (1050 oc).

• El efecto C del Caudal del Gas Natural es positivo, lo que significa que se espera un

aumento en el carbono del DRI al aumentar el caudal desde el nivel bajo (1 LPM) hasta

el nivel alto (4 LPM).

• El efecto AB de la Velocidad de Rotación y Temperatura de carburización es

negativo, lo que significa que el efecto de ambos factores no afectan al incremento del

contenido de carbono en el DRI.

• El efecto AC de la Velocidad de Rotación y Caudal del Gas Natural es negativo, lo

que significa que el efecto de ambos factores no afectan al incremento del contenido

de carbono en el DRI.

• El efecto BC de la Temperatura de Carburización y Caudal del Gas Natural es

positivo, lo que significa que se espera que el efecto de ambos, produzca un aumento

del carbono en el DRI.

• El efecto ABC de la Velocidad de Rotación, Temperatura de Carburización y Caudal

de Gas Natural es negativo, lo que significa que la combinación de los tres factores no

afecta al incremento del contenido de carbono en el DRI.

116

4.4.2 Análisis de Varianza (ANOVA)

Según lo descrito en el capitulo 3.6.6.2, en la tabla 19 se presenta el análisis de

varianza (ANOVA) para el diseño factorial.

Tabla 19: Análisis de Varianza (ANOVA) para el diseño factorial 23.

Fuente de Suma Grados de Media de Fo P-Value Clasif.

Variación Cuadra ti ca Libertad Cuadrados 10 minutos

A 0.056 1 0.056 2.02 0.193 No Signif.

B 3.195 1 3.195 114.50 < 0.0001 Extrem. Signif.

e 1.216 1 1.216 43.56 0.0002 Extrem. Signif.

AB 0.022 1 0.022 0.78 0.4029 No Signif.

AC 0.020 1 0.020 0.73 0.4111 No Signif.

BC 0.375 1 0.375 13.44 0.0063 MJy Signif.

ABC 0.018 1 0.018 0.63 0.4503 No Signif.

Error 0.223 8 0.028 SQ Total 5.125 15

SQ Modelo 4.902 15 minutos

A 0.339 1 0.339 3.37 0.1J/ No Signif.

B 8.570 1 8.570 85.13 < 0.0001 Extrem. Signif.

e 4.633 1 4.633 46.02 0.0001 Extrem. Signif.

AB 0.104 1 0.104 1.03 0.3399 No Signif.

AC 0.128 1 0.128 1.27 0.2924 NoSignif.

BC 1.046 1 1.046 10.39 0.0122 Signf.

ABC 0.061 1 0.061 0.61 0.4573 No Signif.

Error 0.8054 8 0.101 SQ Total 15.687 15


A 0.681 1 0.681 4.50 0.0667 CasiSignif.

B 12.709 1 12.709 84.06 < 0.0001 Extrem. Signif.

e 8.468 1 8.468 56.01 < 0.0001 Extrem. Signif.

AB 0.152 1 0.152 1.01 0.3443 No Signif.

AC 0.319 1 0.319 2.11 0.1844 No Signif.

BC 1.404 1 1.404 9.29 0.0159 Signif.

ABC 0.123 1 0.123 0.81 0.3944 No Signif.

Error 1.209 8 0.151 SQ Total 25.066 15


A 0.620 1 0.620 2.55 0.149 No Signif.

B 16.954 1 16.954 69.63 < 0.0001 Extrem. Signif.

e 11.408 1 11.408 46.85 0.0001 Extrem. Signif.

AB 0.039 1 0.039 0.16 0.6996 No Signif.

AC 0.200 1 0.200 0.82 0.3916 No Signif.

BC 1.271 1 1.271 5.22 0.0517 CasiSignif.

ABC 0.072 1 0.072 0.29 0.6049 No Signif.

Error 1.948 8 0.243 SQ Total 32.511 15

SQ Modelo 30.564

117

De la tabla 19 se obtienen las siguientes conclusiones:

Respecto a la Hipótesis Factor A {Velocidad de Rotación).

Fo (2.02, 3.37,4 .50 y 2.55) < FTablas (5.32), luego, se acepta Ho; es decir, la velocidad

de rotación no influye significativamente en el incremento del carbono del DRI.

Respecto a la Hipótesis Factor B (Temperatura de carburización).

Fo(114.50, 85.15, 84.06 y 69.63) > FTablas(5.32); luego, se rechaza H0 ; es decir, la

Temperatura de carburización influye significativamente en el incremento de carbono.

Respecto a la Hipótesis Factor C (Caudal del Gas Natural).

Fo (43.56, 46.02, 56.01 y 46.85) > FTablas (5.32); luego, se rechaza H0 ; es decir, el

caudal del Gas Natural influye significativamente en el incremento de carbono del DRI.

Respecto a la Hipótesis Factores de Interacción AB

Fo (0.78, 1.03, 1.01 y 0.16) < FTablas (2.54); luego, se acepta H0 ; es decir, la velocidad y

la temperatura no influye significativamente el incremento de carbono del DRI.

Respecto a la Hipótesis Factores de Interacción AC

F0 (0.73, 1.27, 2.11 y 0.82) < FTablas (2.54); luego, se acepta Ho; es decir, la velocidad y

el caudal no influyen significativamente el incremento de carbono del DRI.

Respecto a la Hipótesis Factores de Interacción BC

F0 (13.44,10.39, 9.29 y 5.22) >FTablas(2.54); por lo tanto, se rechaza Ho; es decir, la

temperatura y el caudal influyen significativamente en el incremento de carbono DRI.

Respecto a la Hipótesis Factores de Interacción ABC

Fo (0.63, 0.61, 0.81 y 0.29) < FTabras (2.54); luego, se acepta Ho; es decir, la velocidad,

temperatura y caudal no influyen significativamente el incremento de carbono del DRI.

118

Muchos investigadores usan p-valor para decidir la significancia estadística de la

prueba F en el análisis de varianza. Técnicamente, p-valor representa un índice

decreciente de confiabilidad de un resultado. Valores de p-valor menores que 0.05

indican que los términos del modelo son significativos. Valores mayores que 0.1 O

indican que no son significativos. En el Software GraphPad

(www.graphpad.com/quickcalcs) puede obtenerse p-valor, en función de los

estadísticos F y T.

De la tabla 19 del Análisis de Varianza (ANOVA) en todas las pruebas muestran que

los factores B, C y la interacción de factores BC fueron estadísticamente significativos

a la variable respuesta. Los otros factores (A, AB, AC y ABC) fueron estadísticamente

no significativos, es decir, al variar sus niveles la respuesta no impacta

significativamente.

4.4.3 Modelo del Diseño Factorial

En la tabla 20 se presentan los coeficiente del modelo de regresión de todos los

efectos y sus interacciones [54].

119

Tabla 20: Coeficiente del modelo de regresión de todos los efectos y sus interacciones.

COEFICIENTES DEL MODELO COMPLETO

Efectos y Coeficientes Estimados para Carburizacion a 10 minutos Termino Efecto Coeficientes SECoef. T P-Value Clasif.

Constante 0.64 0.04:l 15.31 < 0.0001 Extrem. Signif.

A -0.12 -0.06 0.042 -1.42 0.1934 No Signif. B 0.89 0.45 0.042 10.70 < 0.0001 Extrem. Signif. e O.bb O.:l!:l 0.04:l 6.60 O.OOO:l Extrem. Signif.

AB -0.07 -0.04 0.042 -0.88 0.4045 No Signif. AC -0.07 -0.04 0.042 -0.85 0.4:l No Signif. BC 0.31 0.10 0.04:l 3.67 0.0063 MJy Signif.

ABC -0.07 -0.03 0.042 -0.79 0.4523 No Signif. S- 0.167 R-Sq(adj)-' ~1.ts3%

R-Sq = 95.64% Efectos y Coeficientes Estimados para Carburizacion a 15 minutos

Termino Efecto Coeficientes SE Coef. T P-Value Clasif. Constante 1.1 { O.Of~ 14.71 < 0.0001 Extrem. Signif.

A -0.29 -0.15 0.0!9 -1.84 0.103 No Signif. B 1.46 0.73 0.079 9.23 < 0.0001 Extrem. Signif. e 1.Uts U.b4 U.Of~ 6.78 0.0001 Extrem. Signif.

AB -0.16 -0.0!:1 0.0!9 -1.02 0.33!6 No Signif. AC -0.18 -0.09 0.079 -1.13 0.2912 No Signif. BC 0.51 0.26 0.079 3.22 O.U1ll Signf.

ABC -0.1:l -0.06 O.Of~ -U. fB 0.4bfB No Signif. S- 0.317 R-Sq(adJ)- 90.37%

R-Sq = 94.87% Efectos y Coeficientes Estimados para Carburización a 20 minutos

Termino Efecto Coeficientes SE Coef. T P-Value Clasif. Constante 1.bb 0.0~{ 15.92 < 0.0001 Extrem. Signif.

A -0.41 -0.21 0.097 -:l.1:l 0.0668 Casi Signif.

B 1.78 0.89 0.097 9.17 < 0.0001 Extrem. Signif.

e 1.46 0.73 0.097 7.48 < 0.0001 Extrem. Signif. AB -0.20 -0.10 0.097 -1.00 0.3466 No Signif. AC -0.28 -0.14 0.097 -1.45 0.1851 No Signif.

BC 0.59 0.30 0.097 3.05 0.015!:1 Signif.

ABC -0.18 -0.09 0.097 -0.90 0.3944 No Signif.

S= 0.389 R-Sq(adj)- 90.95% R-Sq = 95.17%

Efectos y Coeficientes Estimados para Carburizacion a 25 minutos Termino Efecto Coeficientes SE Coef. T P-Value Clasif.

Constante 1.89 0.123 15.36 < 0.0001 Extrem. Signif.

A -0.39 -0.20 0.123 -1.60 0.1483 No Signif.

B 2.06 1.03 0.123 8.34 < 0.0001 Extrem. Signif.

e 1.69 0.84 0.123 6.84 < 0.0001 Extrem. Signif. AB -0.10 -0.05 0.1:l3 -0.40 U.ti~~ti No Signif.

AC -U.;¿;¿ -0.11 0.123 -0.91 0.3!:194 No Signif.

BC 0.56 0.28 0.123 2.28 0.0521 Casi Signif. Al:j{.; -u. ·1 -:s -u.ur U.1L3 -u.o4 U.bU3~ No Signif.

S- 0.4~3 R-Sq(adJ) - 88.77% R-Sq = 94.01%

120

A continuación se presentan algunos estadísticos del modelo considerados:

SE _~SE Coef- -k n2

Donde:

R-sq = SSModel SST

S= .JMSE

SEcoet = Error estándar del modelo MSE = Media de cuadrados del error

n = Número de réplicas k= Número de factores

R-sq =Cuadrado del coef. de correlación SSMoDEL = Suma de cuadrados del modelo

SSr = Suma de cuadrados total R¿adi = Cuadrado del coef. correlación ajustado

R¿adi = Cuadrado del coef. correlación ajustado SSE = Suma de cuadrados del error

G.L.E = Grados de libertad del error G.L.r = Grados de libertad total

S = Desviación estándar

En la tabla 21, se presentan las ecuaciones finales del modelo de regresión completo,

en términos de factores codificados:

Tabla: 21: Modelos de regresión completo

Tiempo de Carburización Modelo de Regresión

10 minutos R = 0.64- 0.06 A +0.45 8 + 0.28C- 0.04 A8- 0.04 Ae +0.15 8C- 0.03 A8e

15 minutos R = 1.17 ~ 0.15 A +0.73 8 + 0.54 e- 0.08 A8- 0.09 Ae +0.26 8e- 0.06 A8e

20 minutos R - 1.55- 0.21 A +0.89 8 + 0.73 e- 0.1 O AB- 0.14 Ae +0.30 se~ 0.09 ABe

25minutos R = 1.89-0.20 A +1.03 8 + 0.84 e -0.05 A8-0.11 Ae +0.28 8e- 0.07 A8e

4.4.4 Optimización del Modelo

/

Esta etapa involucra la remoción de los efectos estadísticamente no significativos. En

la tabla 22 se presentan los modelos refinados, sin considerar los factores A, AB, AC Y

ABC.

121

Tabla 22: Coeficientes del modelo de regresión separando factores no significativos.

MODELO REFINADO- SEPARANDO FACTORES NO SIGNIFICATIVOS Efectos y Coeficientes Estimados para Carburización a 10 minutos

Termino Efecto Coeficientes SE Coef. T P-Value Clasif. Constante 0.64 0.042 15.21 < 0.0001 Extrem Signif.

B 0.89 0.45 0.042 10.63 < 0.0001 Extrem Signif.

e 0.55 0.28 0.042 6.56 < 0.0001 Extrem Signif.

BC 0.31 0.15 0.042 3.64 0.0034 Nluy Signif.

S- 0.168 Ecuación de Regresión: R-Sq = 93.38% R-Sq(adj) = 91.73% o.64 + o.45 B + o.28 e+ o.15 Be

Análisis de Varianza Fuente G.L. Seq SS AdjSS Adj MS F P-Value Efectos Principales 2 4.411 4.411 2.2053 78.00 < 0.0001 ES Interacciones Doble 1 0.375 0.375 0.3752 13.27 0.0034 MS Error Residual 12 0.339 0.339 0.0283

Efectos y Coeficientes Estimados para Carburización a 15 minutos Termino Efecto Coeficientes SE Coef. T P-Value Clasif.

Constante 1.17 0.087 13.48 < 0.0001 Extrem Signif.

B 1.46 0.73 0.087 8.46 < 0.0001 Extrem Signif.

e 1.08 0.54 0.087 6.22 < 0.0001 Extrem Signif.

BC 0.51 0.26 0.087 2.95 0.0121 Signf.

S- 0.346 Ecuación de Regresión: R-Sq =· 90.83% R-Sq(adj) = 88.54% 1.11 + 0.73 B + 0.54 e+ 0.26 Be

Análisis de Varianza Fuente G.L. Seq SS Adj SS Adj MS F P-Value Efectos Principales 2 13.204 13.204 6.6018 55.10 < 0.0001 ES Interacciones Doble 1 1.046 1.046 1.0455 8.73 0.012 S Error Residual 12 1.438 1.438 0.1198



B 1.78 0.89 0.114 7.84 < 0.0001 Extrem Signif.

e 1.46 0.73 0.114 6.40 < 0.0002 Extrem Signif.

BC 0.59 0.30 0.114 2.60 0.0232 Signif.

S- 0.455 Ecuación de Regresión: R-Sq = 90.09% R-Sq(adj) = 87.61% 1.55 + o.89 B + o.73 e+ o.3o se

Análisis de Varianza Fuente G.L. Seq SS Adj SS Adj MS F P-Value Efectos Principales 2 21.177 21.177 10.5887 51.15 < 0.0001 ES Interacciones Doble 1 1.404 1.404 1.4042 6.78 0.0231 S Error Residual 12 2.484 2.484 0.2070



B 2.06 1.03 0.122 8.41 < 0.0001 Extrem Signif.

e 1.69 0.84 0.122 6.90 < 0.0001 Extrem Signif.

BC 0.56 0.28 0.122 2.30 0.0402 Signif.

S- 0.490 Ecuacion de Regresion:

R-Sq = 91.15% R-Sq(adj) = 88.93% 1.89 + 1.03 B + o.84 e+ 0.28 Be Análisis de Varianza Fuente G.L. Seq SS Adj SS Adj MS F P-Value Efectos Principales 2 28.361 28.361 14.1807 59.11 < 0.0001 ES Interacciones Doble 1 1.271 1.271 1.2713 5.30 0.04 S Error Residual 12 2.879 2.879 0.2399

122

En la tabla 23~ se presentan las ecuaciones finales del modelo de regresión completo,

separando los factores no significativos, en términos de factores codificados:

Tabla: 23: Modelos de regresión con estadísticos significativos.

Tiempo de Carburización Modelo de Regresión

10 minutos R- 0.64 +0.45 B+ 0.28 e +0.15 8e

15 minutos R = 1.17 +0.73 8 + 0.54 e +0.26 8e

20 minutos R- 1.55 +0.89 8 + 0.73 e +0.30 8e

25 minutos R = 1.89 +1.03 8 + 0.84 e +0.28 8e

4.4.5 Validación del Modelo

Para determinar R2 se realizó el análisis de residuos de los valores reales con los

valores del modelo.

Las siguientes ecuaciones son relaciones importantes para el tratamiento estadístico:

Residuo:

Suma Total de Cuadrados: SSTO = l:}~~(Yj- y) 2

Suma del error de cuadrados: _ ~j=nc ~ )2 SSE- L...j=t Yj- Yi

Suma de la regresión de cuadrados: SSR = SSTO - SSE

Coeficiente de Determinación: R2 = 1- ssE = ssn SSTO SSTO

123

Valores de R2 están comprendidos entre O y 1. Cuanto más cercano a 1, mejor es el

modelo, esto es, una mayor parte de la variabilidad constatada de "y" estará asociada a

las variables explicativas incluidas en el modelo.

En las tablas 24 y 25 se presentan el análisis de residuales para la determinación de R2

y el análisis de varianza (ANOVA) para el modelo de regresión refinado.

Se observa que los valores encontrados de R2 es mayor a 94 %, lo que indica que

más del 94 % de la variación total fue explicado por el modelo de regresión.

4.4.6 Supeñicie respuesta

En las figuras 53 a 60 se presentan los gráficos de superficie respuesta del Contenido

de Carbono en el DRI, obtenidos a los tiempos de carburización de 10, 15, 20 y 25

minutos y para una velocidad de rotación mínima de 2 R.P.M. Estos gráficos permitirán

el escalamiento hacia las pruebas industriales de carburización que se realizaran en la

Planta de Reducción Directa.

Se observa que aumentando el tiempo de carburización, aumenta el % Carbono en

DRI, llegando hasta un máximo valor de 4% para un tiempo de carburización de 25

minutos y velocidad de rotación del horno de 2 R.P.M.

124

Tabla 24: Análisis de residuales para la determinación de R2.

Tiempo de earburización = 10 Minutos A B e "leC¡ "'eC u "'o epromedlo y (MODELO) Residual (Residual)2 (Y-Yavef -1 -1 -1 0.07 0.11 0.09 0.06 0.030 0.00090 0.3018 1 -1 -1 0.04 0.06 0.05 0.06 -0.010 0.00010 0.3474 -1 1 -1 0.65 0.72 0.69 0.66 0.025 0.00063 0.0021 1 1 -1 0.54 0.72 0.63 0.66 -0.030 0.00090 0.0001 -1 -1 1 0.31 0.37 0.34 0.32 0.020 0.00040 0.0896 1 -1 1 0.32 0.26 0.29 0.32 -0.030 0.00090 0.1221 -1 1 1 1.78 1.58 1.68 1.52 0.160 0.02560 1.0829 1 1 1 1.05 1.65 1.35 1.52 -0.170 0.02890 0.5050

Total 5.12 5.12 -0.005 0.058325 2.4509 Promedio 0.64 0.64 -0.001 0.01 0.31 SSTO = 2.4509 SSR= 2.3926 SSE = 0.058325

R2= 1-SSE/SSTO = 0.9762028 SSRISSTO = 0.976202832

Tiempo de earburización = 15 Minutos

A B e "'eC¡ Of.Cu 0/o epromedlo y (MODELO) Residual (Residual)2 (Y-Yave)2

-1 -1 -1 0.21 0.17 0.19 0.16 0.030 0.0009 0.9543 1 -1 -1 0.10 0.13 0.12 0.16 -0.045 0.002025 1.1064 -1 1 -1 1.16 1.20 1.18 1.1 0.080 0.0064 0.0002 1 1 -1 0.99 1.07 1.03 1.1 -0.070 0.0049 0.0187 -1 -1 1 0.85 0.77 0.81 0.72 0.090 0.0081 0.1274 1 -1 1 0.67 0.58 0.63 0.72 -0.095 0.009025 0.2936 -1 1 1 3.59 2.55 3.07 2.7 0.370 0.1369 3.6219 1 1 1 1.96 2.67 2.32 2.7 -0.385 0.148225 1.3182

Total 9.34 9.36 -0.025 0.316475 7.4407 Promedio 1.17 1.17 -0.003 0.04 0.93 SSTO = 7.4407 SSR= 7.1242 SSE = 0.316475

R2= 1-SSE/SSTO = 0.957467 SSR/SSTO = 0.957467022


A B e o¡.cl o¡.cll %epromedlo y (MODELO) Residual (Residual)2 (Y-Yave)2

-1 -1 -1 0.27 0.29 0.28 0.23 0.05 0.0025 1.6066 1 -1 -1 0.16 0.18 0.17 0.23 -0.06 0.0036 1.8975 -1 1 -1 1.41 1.57 1.49 1.41 0.08 0.0064 0.0033 1 1 -1 1.54 1.14 1.34 1.41 -0.07 0.0049 0.0431 -1 -1 1 1.34 1.16 1.25 1.09 0.16 0.0256 0.0885 1 -1 1 0.98 0.87 0.93 1.09 -0.17 0.027225 0.3875 -1 1 1 3.45 4.54 4.00 3.47 0.53 0.275625 5.9903 1 1 1 2.43 3.43 2.93 3.47 -0.54 0.2916 1.9113

Total 12.38 12.40 -0.02 0.63745 11.9280 Promedio 1.55 1.55 0.00 0.08 1.49

SSTO = 11.9280 SSR = 11.2906 SSE = 0.63745 R2 = 1-SSE/SSTO = 0.9465585 SSRISSTO = 0.946558518


A B e o¡.cl Of.Cu %epromedlo y (MODELO) Residual (Residualf (Y-Yave)2

-1 -1 -1 0.37 0.44 0.41 0.3 0.11 0.011025 2.2182 1 -1 -1 0.23 0.17 0.20 0.3 -0.10 0.01 2.8709 -1 1 -1 1.78 1.95 1.87 1.8 0.06 0.004225 0.0009 1 1 -1 1.59 1.87 1.73 1.8 -0.07 0.0049 0.0270 -1 -1 1 1.73 1.51 1.62 1.42 0.20 0.04 0.0753 1 -1 1 1.31 1.16 1.24 1.42 -0.19 0.034225 0.4348 -1 1 1 3.83 5.12 4.48 4.04 0.44 0.189225 6.6596 1 1 1 2.91 4.34 3.63 4.04 -0.42 0.172225 2.9951

Total 15.16 15.12 0.04 0.465825 15.2818 Promedio 1.89 1.89 0.00 0.06 1.91

SSTO = 15.2818 SSR = 14.8159 SSE = 0.465825 R2= 1-SSE/SSTO = 0.9695176 SSRISSTO = 0.969517605

125

Tabla 25: Modelo de regresión refinado para los tiempos de carburización de 1 O, 15, 20 y 25 minutos.

MODELO DE REGRESION A NOVA Análisis de Regresión: Carburización a 10 minutos

La ecuación de Regresión es : 0.64 + 0.46 B + o.28 e + 0.15 B e

Predictor !coeficientes SECoef. T P-Value Clasif. Análisis de Varianza

Constante 0.64 0.042 15.21 < 0.0001 Extrem Signif. Fuente G.L. SS MS F P-Value

B 0.45 0.042 10.63 < 0.0001 Extrem Signif. Regresión 3 4.786 1.595 56.4241 < 0.0001 ES e 0.28 0.042 6.56 < 0.0001 Extrem Signif. Error Residual 12 0.339 0.028

BC 0.15 0.042 3.64 0.0034 Muy Signif. Total 15 5.125

S= 0.168 R-Sq = 93.38% R-Sq(adj) = 91.73%

SSTO = 2.451 SSE = 0.058 R2 = 0.976

Análisis de Regresión: Carburización a 15 minutos

La ecuación de Regresión es : 1.17 + 0.73 B + 0.54 C+ 0.26 B C

Predictor icoefic_ientes SECoef. T P-Vatue Clasif. Análisis de Varianza

Constante 1.17 0.087 13.48 < 0.0001 Extrem Signif. Fuente G.L. SS MS F P-Vatue

B 0.73 0.087 8.46 < 0.0001 Extrem Signif. Regresión 3 14.249 4.750 39.6432 < 0.0001 ES

e 0.54 0.087 6.22 < 0.0001 Extrem Signif. Error Residual 12 1.438 0.120

BC 0.26 0.087 2.95 0.0121 Signf. Total 15 15.687

S= 0.346 R-Sq = 90.83% R-Sq(adj) = 88.54%

SSTO = 7.441 SSE = 0.316 R2 = 0.967


La ecuación de Regresión es : 1.65 + o.89 B + o.73 e+ 0.30 Be

Predictor !coeficientes SECoef. T P-Value Clasif. Análisis de Varianza

Constante 1.55 0.114 13.61 < 0.0001 Extrem. Signif. Fuente G.L. SS MS F P-Value



BC 0.30 0.114 2.60 0.0232 Signif. Total 15 25.066

S= 0.455 R-Sq = 90.09% R-Sq(adj) = 87.61%

SSTO= 11.928 SSE = 0.637 R2 = 0.947


La ecuación de Regresión es : 1.89 + 1.03 B + o.84 e+ 0.28 Be

Predictor ~Coeficientes SECoef. T P-Value Clasif. Análisis de Varianza

Constante 1.89 0.122 15.47 < 0.0001 Extrem Signif. Fuente G.L. SS MS F P-Value



BC 0.28 0.122 2.30 0.0402 Signif. Total 15 32.511

S= 0.490 R-Sq = 91.15% R-Sq(adj) = 88.93%

SSTO= 15.282 SSE = 0.4658 R2 = 0.970

126

Tiempo de Carburización = 1 O minutos

Oeslgn-El<pert® SOftware Factor Coding: Attual n ~~~ano en DRI

Uo.04 X1 = B: Temperatura de carouriZatlón X2 = C: Caudal de Gas Natural

Actual Factor A: Velocidad de Rotación Horno = 2.01

0:: o e: Q)

o e: o -e ro u ~

2.5

2

2.8 2.5

2.2 1

C: Caudal de Gas Natural 850

B: Temperatura de Carburización 1.0 750

Figura 53: Superficie de respuesta un tiempo de ca:rburización de 1 O minutos.

Deslgn-Expert® SOftware Faclor Coding: Actual % caroono en DRI n1.7B

Uo.04 X1 = B: Temperatura de Carburizaclón X2 = C: Caudal de Gas Natural

Attual Factor ~ A. Velocidad ae Rotación Horno= 2.01 .;

z (/)

111 (.!) Q)

"C -¡¡¡ "C ::1 111

(.)

ü

% Carbono en DR 1 4.0

3.7

3.4

3.1

1.8

2.5

2.2

1.9

1.6

1.3

1.0

750

B: Temperatura de Carburización

Figura 54: Contorno de Superficie respuesta para un tiempo de carburización de 1 O minutos.

Oesigr>-Expert® SOftWare Factor Coding: Actual % Carbono en DRI n3.59

Uo1 X1 = B: Temperatura de Carburttaclón X2 = e: caudal de Gas Natural

Actual Factor A: Velocidad de Rotación= 2.01

127

Tiempo de Carburización = 15 minutos

0:: o e (1)

o e o € 111 o ~

3

2.5

2

850


Figura 55: Superficie de respuesta un tiempo de carburización de 15 minutos.

Desigr>-EY.pert® Software Factnr Coding: Actual % Carbono en DRI n3.59

Uo.1 X1 = s: Temperatura de carnurttaclón X2 = C: Caudal de Gas Natural

Actual Factor A. Velocidad de Rotación= 2.01

""§ ::1

iii z "' (\)

(!) Q)

"'O -¡¡¡ "'O ::1 (\)

o ü

4.0

3.7

3.4

3.1

2.9

2.5

2.2

1.9

1.6

1.3

1.0

%Carbono en DRI

750 800 850 900 950 1000 1050


Figura 56: Contorno de Superficie respuesta para un tiempo de carburización de 15 minutos.

oeslgn-Expert® sonware Factor Codlng: Actual n~a~ono en DRI

~016 X1 : B: Temperatura de CartJurttaclón X2 : C: Caudal de Gas Natural

Actual Factor A Velocidad de Rotación: 2.01

128


02 o e: Q)

o e: o .n ·"-m ü "#.

4

3.5

3

4.03.8 3.53.3

3.02.8 2.52 3

. 20 850 C: Caudal de Gas Natural · 1·8 1 5 . 1.3

1.0 B: Temperatura de Carburización


Deslgn-Expert® sottware Factor Coding: Actual fl~a~ono en DRI

Uo.1s X1 : 8: Temperatura de CarburiZación X2 = C: Caudal de Gas Natural

Actual Factor A Velocldat1 de Rotación= 2.01

4.0

3.8

3.5

3.3

3.0

2.8

2.5

2.3

2.0

1.8

1.5

1.3

1.0

% Carbono en DR 1

@)

750 800. 850 900 950

B: Temperab.Jra de Carburización

1000 1050


129


Oeslgn-Expert® Software Factor coalng: Actual % Carbono en ORI n5.12

Uo.11 X1 = 8: Temperatura ae Carburizaclón X2 = C: Caudal de Gas Natural

Actual Factor A Velocidad de Rotación= 2.01

0::: o e: Q)

o e: o ..e ..... r:tJ u '$.

5

4.5

4

3.5


Deslgn-Expert® SoftWare Factor Codlng: Actual n ~a~ono en ORI

Uo.17 XI = 8: Temperatura ae CarburiZaclón X2 = e: caudal de Gas Natural

Actual Factor k. Velocidad de Rotación= 2.01

4.0

3.7

3.4

3.1

2.8

2.5

2.2

1.9

1.6

1.3

1.0

750 800 850 900 950


1000 1050


130

4.5 Análisis Cinético

4.5.1 Modelo utilizado

Conforme a lo descrito en la revisión bibliográfica, la carburización es un fenómeno

muy complejo, donde los investigadores concuerdan que los factores más influyentes

en la carburización son la naturaleza y composición del gas, la temperatura y el efecto

catalítico del hierro metálico.

Logrando modelar el fenómeno de carburización en el proceso SL!RN, en el presente

trabajo se propone una ecuación no lineal que envuelve una función transcendental.

El modelo es semi-empírico porque no toma en cuenta el mecanismo de cómo sucede

el fenómeno de carburización y su validación está basado en el ajuste que exhibe con

respeto a los resultados de los experimentos. El modelo queda expresado por la

siguiente ecuación:

(o/oC) + r .!!_ (o/oC) = A ~ (o/oC) = A (1 - e-Ct-t;nc)fT) dt

(34)

Para evaluar la cinética se han realizado ensayos adicionales a los obtenidos en el

planeamiento experimental, en los tiempos de 40, 60 y 80 minutos de tiempo de

carburización.

131

Por su buena correlación este modelo fue utilizado en este trabajo, logrando una

obtención de los parámetros cinéticos como porcentajes de carbono de saturación (A),

tiempo de incubación (fine) y el factor temporal (r). De la ecuación (34), el %C está

definido como el porcentaje de carbono depositado en el hierro esponja.

4.5.2 Efecto del caudal

Conforme muestra las figuras 61 a 64, cuanto mayor es el caudal, mayor es la

deposición de carbono a tiempos iguales. Estas observaciones confirman lo logrado

por Motlagh (1994) [61].

3

2.5

2

u *' 1.5

1

0.5

o tinc= 7'

o 10 20

y= 1.15191n(x)-2.2207 R2 = 0.9708

·----------------------------------~--

30 40 so

t (minutos)

y= 0.358lln(x)-0.7629 R2 = 0.9935

60 70

Figura 61: Efecto del caudal en la carburización a 2 RPM y 750 oc.

80

9

8

7

6

u S '(fe

4

3

2

1

o tinc = S'

o 10 20 30

132

y= 2.77351n(x)-4.454 R2 = 0.9823

---------- ~ ... ~ -----------

40 50

t (minutos)

Jl /._

y= 1.13341n(x)-1.8781 R2 =0.9954

60 70 80


3

2.5

2

u '(fe 1.5

1

0.5

o t;nc= 8'

o 10 20 30

y= 1.07771n(x)-2.238 R2 = 0.9924

y= 0.15041n(x) -0.2877 R2 = 0.9881

Caudal G.N. = 1 L.P .M.

40 50 60 70 80

t (minutos)


7

6

S

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y= 1.077lln(x)-1.8406 R2 = 0.99

60 70 80


4.5.3 Evaluación de los parámetros cinéticos

La tabla 26 muestra los parámetros cinéticos obtenidos por el modela miento.

Tabla 26: Parámetros cinéticos de carburización.

'r 12.0

t;nc (750 •e) 7.0 Minutos

t;nc (1050 •e) 5.0

2 R.P.M. A (0=1 L. P.M .. T = 750 OC) 0.9

A (0=4 L. P.M., T = 750 OC) 2.8 %

A (0=1 L.P.M., T = 105o •e> 3.0

A (0=4 L.P.M., r = 1o5o ·e) 7.8

't 12.0

tinc (750 •q 8.0 Minutos

tinc (1050 •e) 6.0

8R.P.M. A (0=1 L.P.M., T = 750 OC) 0.4

A (0=4 L. P.M., T = 750 •q 2.5 %

A (0=1 L. P.M., T = 1050 •q 2.9

A (0=4 L. P.M., T = 1050 ·e) 5.8

134

Conforme se ha visto en la revisión bibliográfica, de acuerdo con las observaciones de

Otaviano (2003); Towhidi & Szekely (1981 ); Conejo y col. (1998); Barran & Gonzales

(1998), los autores concuerdan que la carburización es un fenómeno muy complejo y

ellos proponen modelos cinéticos cualitativos.

La tabla 26 muestra los parámetros cinéticos obtenidos. Se observa que el parámetro

tiempo de incubación, valido solamente para los ensayos realizados, fue afectado por

la temperatura.

Los resultados experimentales indican que este tiempo de incubación es inversamente

proporcional a la temperatura, cuyos valores fueron a 2 R.P.M. de 7' (750°C) y 5'

(1 050°C) y a 8 R.P.M fueron de 8' (750°C) y 6' (1 050 oc). La carburización en el hamo

rotatorio girando a menores revoluciones por minuto presenta los más bajos tiempos

de incubación. Esto es, se forma más rápido la cementita en el DRI, cuando el hamo

gira a las más bajas R.P.M.

El factor temporal --e, mide una escala de tiempo dentro del cual los fenómenos de

carburización transcurren en este estudio. Matemáticamente esta escala de tiempo

determina la inclinación de la curva de carburización en el instante que esta

carburización tiene inicio. Ello es el parámetro clave que regula el tiempo necesario

para que el pellets de mineral de hierro a alcance el nivel de carburización cualquiera.

En la figura 65 se observa la variación del factor de carbono de saturación (A) con la

temperatura y caudal.

135

Para 4 LPM , 2 RPM y temperatura de 1050 oc fue obtenido el mayor valor de A, eso

significa que en esas condiciones el máximo contenido de carbono depositado en el

hierro esponja es de 7.8 %.

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Temperatura de Carburización (•C)

Figura 65: Temperatura Vs. Factor de carbono de Saturación (A).

4.6 Análisis Microscópico

Se han analizado 3 tipos de muestras de DRI obtenidos en pruebas de carburización

dinámica, a una temperatura de reducción de 1050 oc, tiempo de reducibilidad de 3 hr.

y rotación del horno de 8 R.P.M. La carburización se realizó inyectando gas natural (4

L.P.M.) a 3 bares, en la etapa de enfriamiento, con tiempos de carburización de 10, 30

y60.

Para el análisis microscópico del producto DRI, se analizó solamente para un tamaño

de pellets reducido de -12.5 mm a +9.5 mm. En la figura 66 se presenta los resultados

del% Carbono total obtenido en el DRI y en la figura 67 los valores del fierro metálico,

fierro total y grado de metalización.

136

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Tiempo de Carburación

Figura 66: Resultados de carbono total en DRI.

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Figura 67: Resultados de fierro metálico, fierro total y grado de metalización.

De la figura 66 se observa que el contenido de carbono total en el DRI aumenta desde

1.72 % hasta 9.72 %. A partir de 30 minutos de carburación existe un exceso de

carbono, el cual es depositado en forma de carbono libre y hollín.

De la figura 67, se observa una disminución del fierro metálico y fierro total, a medida

que aumenta el tiempo de carburización. Esto es debido a que existe una reoxidación

del material, por efecto de la disminución de temperatura en la inyección del gas

natural (enfriamiento) y a la reoxidación del DRI en la etapa de carburización.

137

4.6.1 .. Macrografia

Las muestras de 1 O minutos de carburación se observan zonas blancas y grises,

mientras que en muestras de 30 y 60 minutos de carburación la muestra presenta

coloración gris homogénea.

Carburación 10': 1.72% de carbono



Figura 68: Vista transversal de muestras de DRI con diferentes tiempos de carburación.

4.6.2. Micrografía

Para el análisis micrográfico, las tomas de las microfotografías es de acuerdo a la

figura 69.

Hasta 2 mm hacia el centro

CUERPO:

De 3 a 6 mm desde la superficie

ESFERA DE DRI CARBURADO

Figura 69: Esquema de toma de microfotografías.

CENTRO: 4 mm de diámetro

en el centro

A continuación se presenta los resultados del análisis micrográfico:

138

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Figura 70: Microestructura del pellets de mineral de hierro sin carburar. 200X.

En la figura 70 se muestra la microestructura hematítica del pellets utilizado en las

pruebas de carburización. Se observa remanentes esqueléticos de magnetita (mt) que

se exhiben como agregados continuos dentro de la hematita (hm) masiva.

SUPERFICIE

Carburación 10'- Superficie

Microfotos 1 y 2. 500X

Perlita laminar (pe) y carburos de hierro (ca) de coloración rosado finamente delimitados e intercrecidos con las ferritas (fe).

139

Carburación 30'- Superficie.


Carburos de hierro (ca) de coloración rosado finamente delimitados e intercrecidos en playas ferriticas (fe). Sobre zonas ferríticas más hacia el cuerpo presenta perlita laminar (pe) intercrecidas en las ferritas (fe)

Carburación 60'- Superficie.


Carburos de hierro (ca) de coloración rosado intercrecidos en playas de perlita laminar(pe). Algunas pocas zonas de ferrita (fe) reemplazada por el crecimiento de los carburos

Figura 71: Microestructura de DRI reducido tomados en la superficie.

140

CUERPO

Carburación 10'- Cuerpo


Perlita laminar (pe) intercrecida con /as ferritas (fe). No hay presencia de cementita libre (ca).

Carburación 30' - Cuerpo


Carburos de hierro (ca) intercrecidos en granos ferríticos (fe). Perlita laminar (pe) ocupando granos enteros del DRI. Evidencia de granos de cementita (ca).

141

Carburación 60'- Cuerpo


Ledeburitas (le) intercrecidas en granos ferríticos (fe) y perlitas ocupando granos enteros de DRI. Presencia de carburos.

Figura 72: Microestructura de DRI reducido tomados en el cuerpo.

CENTRO

Carburación 10'- Centro


Perlita laminar (pe) intercrecida con las ferritas (fe). No hay presencia de carburos de hierro.

142



Ausencia de carburos de hierro (ca), predomina el intercrecimiento de la perlita laminar (pe) en matriz ferrítica (fe).



Presencia de carburos de hierro (ca) de color rosado intercrecidos en matriz ferrítica (fe) y la aparición de perlita laminar (pe) sobre matriz ferrítica (fe).

Figura 73: Microestructura de DRI reducido tomados en el centro.

CAPÍTULO 5

PRUEBAS INDUSTRIALES DE CARBURIZACIÓN EN PLANTA

DE REDUCCIÓN DIRECTA- PROCESO SL/RN

5.1 Introducción

El siguiente capítulo se presenta un resumen de los resultados de las pruebas piloto de

Carburización con inyección de Gas Natural, en la Planta de Reducción Directa de la

Corporación Aceros Arequipa.

Las pruebas fueron realizadas de dos tipos:

1 o TIPO.- Inyección directa al DRI con Gas Natural al final de la etapa de Reducción

del Hamo de Reducción Directa W 2 (figura 74).

HORNO ROTATORIO DE REDUCCIÓN DIRECTA

ENFRIADOR ROTATORIO

Figura 74: Esquema de inyección de gas natural a la salida del horno de reducción

144

2° TIPO.- Utilizando un reactor de Carburización Estática con Inyección de Gas Natural

fluyendo de abajo hacia arriba en sentido contrario a la caída del DRI al final del Hamo

de Reducción Directa No 2. (Figura 75).

TORRE DE CARBURAClON (PRELIMINAR)

Figura 75: Esquema de torre de carburación para carburación con gas natural a la salida del horno de reducción

5.2 Resultados de las pruebas de Carburización Industrial

1 o TIPO: Inyección de Gas Natural al final del Horno de Reducción

En la figura 76 se presenta los resultados de esta prueba. Se obtuvó valores máximos

de carbono en el DRI hasta 0.43 %, con un promedio 0.07% de carbono en el DRI

145

carburado. Este valor resulta ser bajo y se tomó como punto de partida para realizar

modificaciones en posteriores pruebas.

Figura 76: Resultados de pruebas de carburización en la salida del horno de reducción.

2° TIPO: Utilizando un Reactor Estático a la caída del DRI hacia el Enfriador

En la figura 77 se presenta el reactor de carburización estático, colocado verticalmente

entre la salida del Horno de reducción y el ingreso del Enfriador. El reactor mide aprox.

4 m y consta de los siguientes equipos: El reactor de Carburación, una válvula rotativa

que gira a 12 Hz de frecuencia y está colocado en la zona donde sale el producto

carburado y una faja transportadora por donde se transporta el producto.

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Figura 77: Esquema del reactor de carburización y sus principales partes_

Reactor de Carburización. Volumen de 1.7 m3

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~---Válvula rotativa

Faja Transportadora

En la figura 78 se presentan los resultados de 3 campañas de pruebas de

carburización con el reactor estático.

147

SEGUIMIENTO DEL %C EN EL DRI CARBURADO EN PLANTA DE REDUCCION

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16 Nov. 2007 al 02 Ene de 2008 06 al 27 de Marzo 2007 31 Ago. al26 Set. 2007 MINIMO 0.11% MAXIMO 2.15% PROMEDIO 0.63%

MINIMO :0.01% MAXIMO :2.30% PROMEDIO :0.98%

MINIMO :0.12% MAXIMO : 3.27% PROMEDIO : 1.24%

Figura 78: Resultados de prueba de carburización en reactor estático.

Se observa de la figura 78 que con este reactor estático se obtienen excelentes

resultados, principalmente en la campaña 3 donde se alcanza valores de carbono en el

DRI hasta 3.27 % con un promedio de 1.24 %.Sobre la base de estos resultados se

modificaron algunos puntos de inyección de gas natural en el reactor y se adicionaron

controles de temperatura y muestreo de acuerdo a la descarga del material carburado.

Además con la finalidad de evitar la reoxidación del DRI carburado, se fabricaron 3

silos de almacenamiento del DRI carburizado, tipo retorta los cuales fueron sellados

herméticamente e inyectados constantemente con gas de nitrógeno.

En las figuras 79 a 82 se presentan las principales modificaciones realizadas.

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151

5.3 Conclusiones de pruebas industriales

Los mejores resultados de las pruebas industriales de carburización fueron

usando un reactor estático, en donde se carbura con gas natural al pellets de

mineral de hierro después de reducido en el horno de reducción.

Carburando en la salida del horno de reducción rotatorio, no se obtuvo buenos

resultados debido a que no hubo demasiado contacto entre el DRI metalizado y

el gas carburante, ocasionando que el gas se disperse a lo largo del horno y no

carburize. Otra de las desventajas son los tamaños del horno y del enfriador el

cual no favorece la carburación, debido a la expansión de los gases en toda la

longitud del horno.

Tiempo de residencia debe ser el más alto

te> tB > Ta (ver figura 84)

Temperatura de ingreso a torre de carburación debe ser el más alto,

manteniendo una altura de cama cercana a la zona de ingreso a torre de

carburación.

Se puede controlar un mayor tiempo de residencia observando la diferencia de

temperaturas en las zonas 1, 2 y 3.

Para mantener una cama alta de DRI en la torre de carburación se estima un

volumen de 1.7 m3 lo cual sería una carga de 3.3 t de HHEE para llenar toda la

torre.

Para lograr una cama de 3 t en torre de carburación se debe empezar a

alimentar la torre sin descargar por el lapso de 3 horas, lo cual tendríamos un

152

tiempo de residencia del material carburado de 3 horas en el reactor hasta su

máximo enfriamiento.

El tiempo de Carburación o gasificación efectiva se calcula en 1 hora

considerando la tercera zona de la torre cercana al ingreso de HHEE.

T'C 7maZONA DE HORNO T'C 7ma ZONA DE HORNO T'C 7ma ZONA DE HORNO

SITUACIÓN 1: %C < A0.3%

SITUACIÓN 2: %C: 0.3A 1%

t =e

SITUACiÓN 3: %C >A 1%

Figura 84: Vista de situaciones de carburización para el análisis de las mejores condiciones de

carburización del DRI.

T'C =Z ·2

CAPÍTULO 6

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

6.1 Pruebas Preliminares

Los valores encontrados en las pruebas preliminares demostraron que el GLP

constituido principalmente por propano y butano son mejores carburantes que el Gas

Natural, constituido principalmente de metano. Esto es cierto debido a que el GLP

genera mayor cantidad de gases C02 que el Gas Natural.

La obtención de altos valores de carbono total, podría dar la posibilidad de encontrar

mayormente carbono libre en forma de hollín ó grafito. Por lo tanto, la metodología para

la determinación del carbono cementítico, nos ha permitido determinar y cuantificar

aproximadamente la cantidad de cementita en el DRI y nos indica que es posible la

carburización por este método de pruebas.

Es bien sabido que la formación de la cementita se debe a:

154

Basado en la estequiometria, un 1% de carbono cementítico contiene

aproximadamente 15 % de cementita. De todos modos, es posible formar cementita

por la reacción del fierro con los gases carburantes, especialmente monóxido de

carbono e hidrocarburos, como el metano.

La formación de cementita es bien conocida a estar fuertemente afectado por la

temperatura y la composición del gas. En la formación de cementita desde el mineral

de hierro, los óxidos de hierro fueron primero reducido a hierro metálico, el cual

subsecuentemente carburizó para luego formar la cementita.

Con estos primeros resultados satisfactorios de obtención de cementita en el material

carburado DRI, nos dan los primeros indicios de que el Proceso SLIRN de Reducción

Directa adoptado por Aceros Arequipa, es factible la implementación de la carburación.

Lo que hay que investigar es la metodología

En vista a los resultados satisfactorios obtenidos con el gas natural y debido a que la

Corporación Aceros Arequipa ha efectuado el proyecto de inversión del uso del gas

natural como fuente de energía en las diferentes plantas y para reducir las emisiones

de gases contaminantes al ambiente, se eligió al gas natural como el principal

carburante para la realización de las pruebas del incremento de carbono en el DRI.

155

6.2 Pruebas variando la temperatura de reducción y tiempo de carburización

Los resultados de éstas pruebas nos indicaron que elevando la temperatura de

reducción y con mayores tiempos de reducción se obtiene altos contenidos de carbono

en el DRI. Se concluye que en el proceso SLIRN, después del proceso de reducción,

en la etapa de enfriamiento, se puede carburar mediante la inyección de gas natural.

La formación de cementita por la reacción del hierro con el gas natural (constituido

principalmente por metano) nos sugiere establecer la principal reacción de

carburización como:

El mecanismo de carburización, indica que después de la formación del hierro metálico

(al transformarse desde la hematita-Fe20 3 con CO) por acción del CH4 se forma la

cementita. De este modo, la velocidad de carburización durante la reducción del

mineral de hierro está relacionada a la velocidad de reducción del mineral de hierro.

Durante la carburización del fierro por los gases que contienen metano, el hierro

metálico cataliza la descomposición del metano. Esto es aún usado como la base del

proceso llamado proceso de reducción "auto reformador''. En la carburización del fierro

formado durante la reducción del pellets o mineral de hierro, la deposición de carbono

solamente ocurre después de la formación de hierro metálico. Esto fue debido a la

catálisis del fierro de la descomposición del metano, mientras los óxidos de fierro no

catalizan esto.

156

La alta temperatura de reducción favorece la reducción y hay una mayor formación de

fierro metálico, como lo encontrado a 1050 oc, que presenta mejores resultados de

carburización y de grado de reducción, con alto contenido de fierro metálico. Elevando

la temperatura a 11 oooc e inyección de gas natural por encima de 10 minutos,

disminuye el carbono en el DRI, el cual está de acuerdo a lo encontrado por El Geassy

and Rajakuma 1985 [62], en donde se formula la hipótesis de que la carburización

depende fuertemente de la superficie de contacto metal/gas.

Se ha evidenciado que la cantidad de carbono depositado fue directamente

proporcional a la cantidad de poros del hierro que está presente a temperaturas debajo

de 900 oc. A más altas temperaturas, ocurre el sinterizado del hierro metálico,

reduciendo el área superficial del hierro y subsecuentemente reduciendo la velocidad

de carburización del hierro.

El efecto de sinterizado a altas temperaturas fue examinado midiendo el área

superficial de muestras después de la reducción. Estas mediciones son mostradas en

la figura 85 [63], donde puede ser visto que el área superficial varía grandemente sobre

el rango de temperatura. A 700 oc el área superficial es más alta que para otra

temperatura examinada. A 1000 oc el área superficial ha disminuido significativamente.

157

14~~------------~------------~--~

r ·1o ... I;IJ

g 8

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temporature fC)

Flgnr11 4.3 - Spt>cific ~nrfact> aren. meawremeni5 of titanomazneúte ore samples redttced using a ~ \'OI% CH4·25~'o H¡· iO'!ó Ar gas ar different ¡emperatttre~.

Figura 85: Medición del área superficial a diferentes temperaturas con gas metano [63].

A medida que se está carburando con gas natural en la etapa de enfriamiento, se

observa de las figuras 41 y 42 que está disminuyendo el fierro metálico y fierro total,

debido principalmente a la reoxidación que está sufriendo el fierro metálico.

Se sabe que el proceso de reducción del oxido de hierro por el monóxido de carbono

(generado por el quemado del carbón bituminoso en el proceso SLIRN), se realiza en

las siguientes etapas, a temperaturas superiores a 560 oc (Ross, 1980):

I II III

=> => FeO =>

Las tres reacciones con las energías libres de formación (6G 0) a 25 oc son:

L\Go =-15.147kca/

L\Go = + 4.988 kcal

FeO(sJ Fe(sJ + C02 (gJ L\G 0 =- 2.739 kca/

Luego, en la carburización del DRI después de la reducción y en la etapa de

enfriamiento, la temperatura continuamente está disminuyendo a medida que se insufla

el gas natural, ocasionando una reoxidación del metal, con la formación de FeO.

158

Esto se puede evidenciar en la figura 86, de los resultados tomados en las probetas

para análisis microscópico (capitulo 4.6), donde a medida que aumenta la

carburización con metano, aumenta el contenido de FeO, lo que evidencia una

reoxidación del DRI carburizado.

6.0 100.0 _ _¡_ 1 1 1

1 l 1 ! -

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95.0

4.0

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1 1 ~ i l i ---~ ¡.,.. ., 1 ··-

85.0

1.0 ......... 1 ! ' , ! 1 l l 0.0 80.0

o 10 20 30 40 50 60 70


Figura 86: Variación del Feo, Fet y% FeO del DRI carburizado a 10, 30 y 60 minutos.

6.3 Pruebas de Carburización con DRI planta Reducción Directa

6.3.1 Carburización Dinámica.

Los resultados evidencian que carburizando dinámicamente (en horno rotatorio) el DRI

obtenido en la Planta de Reducción Directa presenta bajos contenidos de carbono en

el DRI, el cual es debido a que el material se encuentra metalizado y con pocos poros

para la difusión del metano, ocasionando una reducción del área superficial del hierro,

159

produciendo una baja difusión del metano sobre el DRI. Adicionalmente, no hay un

buen contacto entre el gas carburante y el metal. Estos resultados no garantizan

realizar pruebas de carburización del DRI fria

Comparando resultados con la prueba de carburización en la etapa de enfriamiento, en

este caso existe una mejoría de la calidad del DRI, obteniéndose un aumento del fierro

metálico y grado de metalización, a medida que se aumenta la inyección del metano.

En este caso la carburización se realiza a una temperatura constante (no hay

disminución de temperatura) en donde hay un aumento de gases reductores,

principalmente H2, generados por la descomposición del metano según:

CH4(gl = C(grafito) + 2H2(gl

El hidrógeno es un gas reductor que ayuda a metalizar el DRI.

6.3.2 Carburización Estática.

Los resultados en este tipo de carburización son excelentes. Se observa que a un

mismo caudal de inyección del metano, a medida que aumenta la temperatura y el

tiempo de carburización, aumenta también el carbono total en el DRI. A 1000 oc se

obtienen los mejores resultados, llegando hasta 5.7% de carbono en 120 minutos de

carburización. Esto nos lleva a sugerir que manteniendo estáticamente el DRI, hay un

mejor contacto con el metano, logrando el gas atravesar la capa metálica del DRI.

160

Esta prueba nos sugiere que aun carburizando a un DRI frío en un reactor, se puede

obtener mejores resultados, similares a los obtenidos en los procesos de reducción con

gas, como los procesos Midrex ó HYL. Es muy evidente que carburizar inmediatamente

un pellets después de un proceso de reducción en un reactor, se obtendrá mejores

resultados de carburización, debido a que el material reducido a alta temperatura

presenta una mayor porosidad, aumentando el área superficial del hierro, y

subsecuentemente ayuda a mejorar la cinética de carburización del hierro.

Análogamente a lo obtenido en la prueba de carburización dinámica, se obtiene una

mejoría de la calidad del DRI, obtenido por aporte del gas reductor hidrogeno,

generado por la descomposición de metano, logrando reducir aún más al DRI.

6.3.3 Análisis Cinético

El modelo cinético adoptado presenta buena correlación, concluyendo que a mayor

caudal de gas natural mayor es la deposición de carbono en el DRI. Se determinó que

a mayor temperatura se presenta una mayor rapidez de formación de cementita,

obteniendo mejores resultados de carburización en un horno girando a menor RPM.

6.4 Contrastación de la Hipótesis

De acuerdo a los resultados obtenidos, es factible la carburización con gas natural al

hierro esponja obtenido en el proceso de reducción directa con carbón SLIRN,

obteniéndose un hierro esponja con alto contenido de carbono, el cual dependerá de la

temperatura de carburización alta, tiempo de carburización y caudal del gas natural.

CONCLUSIONES

1. La formación de cementita por la reacción del hierro con el gas natural (constituido

principalmente por metano) nos sugiere establecer la principal reacción de

carburización: 3 Fe(s) + CH4(g) = Fe3C(s) + 2H2(g)· El mecanismo de carburización con

gas natural, nos indica que después de la formación del hierro metálico (según la

transformación Fe203 -Fe3o4-FeO-Fe 0) y por acción del CH4 se forma la cementita.

2. La obtención de altos valores de carbono total, podría dar la posibilidad de

encontrar mayormente carbono libre en forma de hollín grafito. Por lo tanto, la

metodología para la determinación del carbono cementítico, nos ha permitido

determinar y cuantificar aproximadamente la cantidad de cementita en el DRI y nos

indica que es posible la carburización por este método de pruebas.

3. La formación de cementita es bien conocida a estar fuertemente afectado por la

temperatura y la composición del gas.

4. El carbono incorporado al DRI en la etapa de enfriamiento del proceso SLIRN,

aumenta sensiblemente cuando se incrementa la temperatura de reducción o

temperatura de inicio de carburización y también con el tiempo de carburización, es

decir, con el tiempo de contacto con el gas natural de enfriamiento. A las temperaturas

162

de reducción superiores a 1050 oc, se nota que a los 1 O minutos de inyección de gas

natural, el carbono en el DRI está por encima de 1.8 %. Estos valores son

satisfactorios.

5. Los mejores resultados de incremento de carbono, se han obtenido a la

temperatura de reducción de 1050 oc, comparado a la máxima temperatura de

reducción de 1100 oc, en donde se ha observado superficialmente una mayor capa

metalizada (sinterizado del hierro metálico), el cual ocasiona menos vacancia y no ha

permitido una mejor difusión del carbono al interior del pellets.

6. Se observa que el aumento de la temperatura de reducción e inicio de

carburización, favorece la formación de la cementita.

7. En la carburización en la etapa de enfriamiento del hamo de reducción, se observa

que a medida que aumenta la inyección de gas natural, hay una disminución del fierro

metálico y del fierro total. Este fenómeno se presenta debido a que en el proceso de

inyección de GN, la temperatura de reducción o inicio de la carburización disminuye,

ocasionando una reoxidación del hierro esponja.

8. Comparando la carburización con el DRI frío obtenido de la Planta de Reducción

Directa, los mayores contenidos de carbono en el DRI se obtuvieron en el proceso

estático, debido a que hay un mejor contacto con el metano, logrando el gas atravesar

la capa metálica del DRI.

163

9. En la carburización estática, nos sugiere que aun carburizando a un DRI frío en un

reactor, se puede obtener mejores resultados, similares a los obtenidos en los

procesos de reducción con gas, como Midrex ó HYL. Es muy evidente que carburizar

inmediatamente un pellets después de un proceso de reducción en un reactor, se

obtendrá mejores resultados de carburización, debido a que el material reducido a alta

temperatura presenta una mayor porosidad, aumentando el área superficial del hierro,

y subsecuentemente ayudar a mejorar la cinética de carburización del hierro.

1 O. En las pruebas de carburización estática y dinámica con el DRI de la Planta de

Reducción Directa, se ha incrementado el contenido de Feo y grado de metalización,

debido al aporte del gas reductor hidrogeno, generado por la descomposición de

metano, logrando reducir aún más al DRI.

11. De los resultados del diseño experimental factorial, la temperatura de

carburización y el caudal son los parámetros que más influyen en el incremento del

contenido de carbono en el DRI. Los modelos de regresión propuestos con los datos

experimentales, tienen una buena confiabilidad superior a 94 %.

12. Del estudio cinético, cuanto mayor es el caudal de inyección de gas natural,

mayor es la deposición de carbono para tiempos iguales de carburización. Esto es

debido probablemente a la disminución de espesor y consecuentemente la resistencia

de la capa limite, el cual favorece la transferencia de masa del gas para el sólido. Los

resultados experimentales indican que el tiempo de incubación es inversamente

proporcional a la temperatura, cuyos valores fueron de 5', y 7' para 2 R.P.M y de 6' y

164

8' para 8 R.P. M. La carburización en el hamo rotatorio girando a menores revoluciones

por minuto presenta los más altos tiempos de incubación.

13. Del análisis microscópico, se evidencia que el DRI reducido a 1050 oc y después

de 10' de carburización con gas natural se forma cementita en la superficie del DRI. A

mayor tiempo de carburización, se incrementa la formación de cementita.

14. En vista a los resultados satisfactorios obtenidos con el gas natural y debido a

que la Corporación Aceros Arequipa ha efectuado el proyecto de inversión del uso del

gas natural como fuente de energía en las diferentes plantas y para reducir las

emisiones de gases contaminantes al ambiente, se selecciona al gas natural como el

principal carburante para la realización de las pruebas del incremento de carbono en el

DRI, en el Proceso de Reducción Directa SL/RN.

RECOMENDACIONES

1. Con la finalidad de evaluar el efecto que tiene la presión interna del horno sobre

la carburización del pellets, se recomienda continuar con las pruebas experimentales

variando la presión de ingreso del gas natural y también evaluar la cinética de

carburización.

2. Continuar con las pruebas carburización después de la reducción del pellets,

insuflando gas natural a una temperatura constante.

3. Realizar experimentos factoriales al proceso de carburización estático, con la

finalidad de dar una mayor información a la Planta Industrial sobre los resultados a

obtener en este tipo de proceso de carburización.

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