160 LatinAmencan Journal of Metallurgy and Materials, Vol. 5, N° 2, 1985

ARTICULO TECNICO/TECHNICAL PAPER

Precipitación del Carbono y. Formación de Carburas en el Hierro Esponja Durante el Procesode Reducción en la Planta Midrex II

Luis Yépez", Germán Fuenrnayor", Mario Machado", Mokka N. Raot yJesús Ramón López Hércules r ,

'"Planta de Midrex II, Siderúrgica del Orinoco, Puerto Ordaz, Ciudad Guayana, Venezuelat Instituto Universitario Politécnico, Ciudad Guayana, Venezuela

Se realizó un estudio del proceso de reducción en la Planta de Midrex II, divididas en tres partes: zona de enfriamiento, zona de transi-ción, zona de reducción. En la zona de transición se colocaron 2 tomas de muestras de gases, una al fondo de la zona que es punto deentrada del hierro esponja a lazona de enfriamiento y otra ubicada en la parte superior de la zona de transición. Del balance de carbonode los gases de las tomas de muestras, combinado con el modelo de mezcla del gas de entrada (Bustle) a través de las toberas a la zona detransición, se propuso el mecanismo para la deposición del carbono y formación de carburos que mayormente ocurre en la zona de tran-sición; la razón, es de la disponibilidad de máximos núcleos activos de Fe"parael proceso de precipitación del carbono y formación de car-buros en el hierro esponja, como producto que viene desde la zona de reducción.

Precip'itation of Carbon y Formation of Carbides in Sponge-Iron During Processof Reduction in the Plant Midrex-II

Studies are realized of the reactions of the process of direct reduction and formation of carbon and carbides in the plant MIDREX-Il·SIDOR, divided en three parts: Reductíon Zone, Transition Zone, Cooling Zone. In the transition zone, two tubes designed to take sarn-pies of gas are fitted: one at the bottom part of the zone corresponding to the point where the sponge iron enters the cooling zone fromthe transition zone and the second at the upper part of the transition zone. From the carbon balance of the gases corresponding to thetwo levels of sampling, combined with the mixing model oí the gases oí bustle entering the transition zone through the inclined tubes, amecanism is proposed forformation ofcarbon and carbides mostly in transition zone. The reason is the availability of maximum nuclii ofFe' for the precipitation of carbon and formation of carbides, as the reduced producto from the reduction zone with high metallizationenters the transition zone.

INTRODUCCION

Después de analizar el hierro esponja Midrex res-pecto al carbono libre y carbono combinado (ver Tabla 1)programamos un análisis de la formación de carbono ycarburos relacionado con: 1 Zona de enfriamiento, n.Zona de Transición, III. Zona de Reducción.

1. Zona de enfriamiento

En la Fig. 1, se representa el patrón de distribucióndel gas de enfriamiento en la zona dé enfriamiento. Eldiseño del distribuidor de gas tiene una forma de cono enla parte superior y de cono invertido en la parte inferior,para facilitar un flujo libre de sólidos y flujo de gases conuna distribución para mejor eficiencia de contacto con elsólido. Las temperaturas de los gases: entrada y salida,composición química, flujos, se dan en Tabla .2.

Para realizar el balance de carbono de los gases deentrada y salida de la zona de enfriamiento, calculamosla cantidad de carbono que puede formarse sobre el hie-rro esponja durante el paso de las pellas a través de dichazona (ver Tabla 3). El % de carbono formado en esta zonaes muy poco del orden de 0,333%.

Fig. 1 Par rén de Distribución del Gas de Enfriamiento en zona

de enfriamiento.

Salida del Gas de enfriamiento

Gas de enfriamientoEntrada.

Zona de enfriamiento

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales. Vol. 5. N° 2. 1985 161

TABLA1

ANALISIS DE CARBONO

Fet FeO Met Fe+2 S CT DJbr. C. combino

85,75 79,06 92,20 6,69 0,004 2,32 1,07 1,2585,87 76,94 89,60 8,23 0,009 2,21 1,42 0,7986,87 78,90 89,50 8,22 0,00 2,30 1,20 1,1087,62 77,90 89,60 8,02 0,004 2,20 0,11 2,0985,63 75,07 87,67 10,56 0,005 2,46 0,16 2,3085,30 77,34 90,67 7,96 0,005 2,88 0,09 2,79

X 86,17 77,53 89,87 8,28 0,005 2,40 0,68 1,72

HIERRO ESPONJA GRIS METALICO

CT Clb. Combo

2.48 1,06 1,422,31 0,22 2,092,72 0,18 2,54

X 2,50 0,49 2,01

TABLA2

ANALISIS DEL GAS DE ENFRIAMIENTO

Entrada Salida-Comp. químicaCH4

COCO2

N2ir,

76,582,236,191,131,22

75,502,286,311,022,78

TEMPERATURA 40°CAproxim.

400°CAproxim.

FlujoNmt/hr. 30000 26000*

• 4000 suben a la zona de transición.

11. ZONA DE TRANSICION

La zona de transición ryer Fig. 2) se encuentra ubi-cada por debajo de la zona Bustle y por encima del Off-Takes, posee una longitud de 3,50 mts. aproximada-mente, de los cuales 2,5 rnts representan la altura dellecho considerado para cuantificar la cantidad de car-

1 ~Ii

Fig. N° 2

Gas tope

Toma muestra de zonaIr ansición -Supe r í.or

Toma mucs t r a dQ zonaTransición Inferior

I1 ~I

162 LatinAmerican Journal of MetallU'rgy and Materials, Vol. 5, N° 2, 1985

TABLA3

ANALISIS DE GAS DE ENFRIAMIENTOENTRADA Y SALIDA MODULO HA"

C14 (%) CO(%) CO, (%) N, (%) Ht(%)

E. S. E-S. E. S. E. S. E. s. E. s.

76,96 74,54 2,22* 3,92 3,73 5,23 5,00 0,59 0,10 1,19 4,6677,85 76,13 1,72 2,37 2,37 5,82 5,82 0,87 0,87 0,93 1,7076,71 75,39 1,32 3,41 3,41 4,71 4,07 1,08 1,19 1,49 3,3575,67 74,38 1,29 3,87 3,87 6,18 5,35 0,60 0,59 0,99 3,3576,83 75,86 0,97 1,58 1,53 6,68 6,61 1,02 0,98 1,09 2,3376,53 76,31 0,22 0,64 0,84 7,07 7,04 1,04 0,99 1,79 1,8377,69 77,18 0,51 0,43 0,43 8,22 8,17 3,48 3,46 0,36 0,3675,44 75,09 0,35 6,67 5,51 5,58 5,25 0,99 0,78 0,51 3,9575,95 74,90 1,05 0,64 0,57 8,47 8,40 0,73 0,61 0,10 3,5676,83 75,86 0,97 1,58 1,53 6,68 6,61 1,02 0,98 1,09 2,5374,85 74,10 0,75 1,03 5,58 6,39 1,13 0,81 1,42 4,2177,89 76,31 1,58 0,64 0,84 7,07 7,04 1,04 0,99 1,79 1,83

X 76,58 75,50 1,07* 2,23 2,28 6,19 6,31 1,13 1,02 1,22 2,78

.TABLA4

CUADRO COMPARATIVO DE LA COMPOSICIONDE LOS GASES EN LAS DIFERENTES

ZONAS DEL REACTOR

Gas Gas Transic. Gas Tromsic. Gas reductor GasComo inferior superior (Bustle) tope

CH4 , 63,33 3,12 2,67 6,45

CO2 3,34 5,75 2,73 18,25

CO 2,68 31,41 33,81 22,69

n, 16,93 59,21 60,00 51,79

N2 2,37 0,51 0,39 0,82

FlujoNm3/Hr 5000 85,176 80,176 85,176

Presión(Bar) 0,598 0,15

Temp.(OC) 845 845

bono depositado en esta zona. En la Fig. 2 se aprecia laubicación de la toma muestra de gases, instalados a nivelsuperior e inferior de la zona referida. Se realizaron losanálisis cromatográficos respectivos. (Ver tabla 4, típicade resultados obtenidos). Se estimó la penetración delgas reductor en la zona de transición mediante el modelode mezcla y reacción en esta zona (Ver Fig. 2). Esta zonaposee 76 toberas de 0,20 mts de diámetros c/u distribui-dos en la pared cilíndrica (diámetro 5 mts) y con una incli-nación de entrada de 45°. El flujo de gas que entra al

sistema Bustle (por las toberas es de 80.000 Nm3/H4). Lamezcla de los gases que entran a través de las toberas ygases que escapan desde la zona de enfriamiento con laspellas reducidas que descienden desde la zona de reduc-ción, con una velocidad correspondiente a la descarga delproducto de las pellas de hierro esponja. Se propuso unmodelo aproximado de mezcla de gases en presencia delas pellas en la siguiente manera: Los gases gue entran através de las toberas, forman especie de chorros quepenetran una distancia dependiendo de las velocidadesde los gases y de las características de las pellas. Cadachorro se imagina como un túnel empacado con las pellasy se calcula la distancia de penetración a través de la grá-fica del comportamiento general de la ecuación de ergun(Ver Fig. 3).

Cálculo de la penetración del gas reductor

Datos

Dp = 15,59 X 10-3 mts, om = 0,1451 Kg/mts''Jlm = 0,086 Kg/rnts. hr Comp. del gas:E = 0,35 C~ = 2,17 H20 = 7,6dP = 0,18 atrns. C~ = 2,54 N2 = 0,38L =? ea = 29,58Go = V·om H2 = 57,51 T = 830'C

Fórmula:

Dp4Go X _1 _ = 5474mm 1- e

DP4dm X Dp X e3

= 1,72 (Por Fig. N" 3)G~ L (1- e)

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 5, N° 2, 1985 163

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10

Fig. 3. Representación Gráfica del Comportamiento General de laEcuación de ERGUN.

Despejando: L = 3,58

donde:

D, = diámetro de partículaGo = velocidad másicalLm = viscosidadilP = caída de presiónV = velocidad del gasom densidad de la mezclae = fracción de vacío

Para el cálculo del balance de carbono, se asume quela muestra inferior representa la composición del gas queproviene de la zona de enfriamiento hacia la zona detransición y se mezcla con el gas Bustle que entra a tra-vés de las toberas. El grado de mezcla es en forma com-pleta teóricamente. Siendo la mezcla la composición degas que sube a través de la zona de transición desde laparte inferior de la misma hasta la parte superior. Latoma de muestra en la parte superior de la zona de transi-ción representa la composición de gases después de lareacción con pellas reducidas en zona de reducción. Vertabla 8. La deposición de carbono y formación de carburoserá máxima en la zona de transición por la-razón de quela reducción y metalización están en un nivel máximo(pellas provenientes de la zona de reducción).. - Las limitaciones de este modelo propuesto son: (i) el

gas que entra a través de las toberas se expande y tieneun perfil de velocidades diferente (Ver Fíg, N° 2). Debido

a esto, la penetración será menor que la calculada por elmodelo. Además la interacción entre los chorros de gasesvecinos también influye en el patrón de flujo y mezcla. (ii)Los gases que entran a través de toberas interaccionanparcialmente con las pellas antes de mezclar con el gasproveniente de zona de enfriamiento. (iii) El movimientode los gases en la zona no es uniforme por el patrón de loschorros, y up-flow de la mezcla. (iv) Sin embargo. consi-derando la vigorosa acción de 76 chorros-una mezcla uni-forme puede resultar por la gran turbulencia que daapoyo para la aproximación de las condiciones delmodelo.

CALCULO DEL TIEMPO DE RESIDENCIA -ZONA DE TRANSICION

. Para el Gas

Area:Altura:Volumen:

19,63 m2

2.50 m49,075 m3

T· idencí 49,075 m34lempo resr encia = 3 = 1,59 X 10- Hr.

323223 m /Hr

Flujo = 80000 N m3/Hr a 830°C

= 323223 m3/Hr. = 0.546 seg .

Temp. = 830°C.

164 LatinAmerican Journai 01 Metallurgy and Materials, Vol, 5, N° 2, 1985

TABLA5% DE CARBONO 'EN LA ZONA DE TRANSICION

Kq. de carbono Kg, carbono en Kg. carbono en ProducciónN° mezcla G,T,S, Zona de transición Fe Esp. (Ton/Hr) %C

1 16.441,52 15.489,14 953,58 36,4 2,62

2 17.445,53 16,373,17 1.072,36 45,4 2,63

3 17.183,2 16.108,06 1.075,14 47,4 2,41

4 18.019,52 16.606,73 1.412,79 54,88 2,57

5 19.230,17 17.611,31 1.618,86 54,53 2,97

6 17.216,96 15.332,08 1.884,88 49,25 3,82

7 18.079,61 16.221,55 1.858,06 51,26 3,62

Para sólido

Flujo sólido = 50000 Kg/Hr.Volumen: 49,075 m"Densidad a granel: 2200 Kg/m"Masa de sólido = 49,075 m'' X 2200 Kg/rn" = 107965 Kg.Tiempo de residencia = 107965 Kg. = 2,15 horas.

50000 Kg/Hr.

lII. Zona de reducción

La zona de reducción se extiende desde la partesuperior de Zona Bustle hasta el techo dehorno (con una altura de 8,34 mts. aprox.).

El gas de reducción a una temp. de 860°C aprox. seinyecta al horno a través de la zona anu-lar del Bustle (Ver Fig. 4).

CALCULO DEL TIEMPO RESIDENCIA.ZONA DE REDUCCION

Para el Gas

Datos: Flujo = 80000 Nm3/Hr Temp. = 830°C(1.103°K)

AreaAlturaVolumen

= 19,63 mt2

8,34 mts= 163,75 mts"

Flujo real = 80000 Nm3 X 1103 "-: = 323223 m3/Hr273 °

T· d ldencí 163,75 mtsS

lempo e resi encía = 323223 mts" Hr

= 5.066 X 10- Hr = 1,82 seg

Repr eaent ac í Sn Esquemática de la Composici6n de Gases en las

diferentes zonas del reactor. (Base húmeda). Hora: 9 :00 amo

e.T. Composición G.T. (B.H)

% CH4 4.47

% CO2

15.57

% eo 15.01

% B2 .••. 44.34

% HZO ~ 20.73

% N2 0.20o

85.974 NmJ/HrFlujo

+---1H--7L..1J,---'¡""-+--"i=-frl~;-t- Composición G.R.(B.H)¡ CH4 - 1.49

C02 = 2.85

CD = 3D.4R

% H2 = 56.f,!

% "20 • 8.194. N2 = 0.l9

P'l uj c .• 81.974 Nm3/Hl

r-¡I \I \

\\\---\\\\

Composición G.T.L (B.H)

:t CH¿ : 32.04

% COZ •• 2.26

% co •. 6.62

% 112 - 44.93

%HZO.-8.82

% C2H6" 3.02

2: C)Ha" 1."9

% C41110- 0.43

Flujo = 4000 !'Im='/Hr

Figura N° 4

Para el sólido

Datos:

Flujo del sólido: 50000 Kg/HrVolumen total = 163,75 m"Densidad a granel = 2200 Kg/m"

Masa de sólido = 163,75m3 X 2200 Kg/m" = 360250 Kg.

T' d idencí 360250 Kg 7 20 hlempo e res! encia = 50000 Kg/Hr =, oras

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 5, N° 2, 1985 165

TABLA6 TABLA 7

GAS TOPE GAS TRANSICION SUPERIOR(E.S.)

% CH. %C02 %CO %H2 % CH. %C02 %CO %HR

5,64 19,64 18,94 55,93 2,16 4,18 30,29 63,375.88 19,01 21,22 53,48 2,10 2,82 32,94 61,845,89 19,35 20,55 53,70 2,52 2,87 31,26 63,357,72 19,79 19,91 51,95 2,79 4,13 32,79 59,877,43 19,14 21,73 50,67 3,06 3,74 33,24 59,447,88 16,76 22,83 51,73 2,68 3,94 31,40 61,586,45 18,25 22,69 51,79 3,12 5,72 31,41 59,21-- --6,69 18,48 21,12 52,75 2,63 3,91 31,90 61,23

TABLA8 TABLA9

GAS DE TOPE GAS TRANSICION SUPERIOR(~.H.)

% CH. %C02 %CO %H2 %H2O % CH. %COR %CO %HR%H2O

4,47 15,57 15,01 44,34 20,73 1,98 3,84 27,81 58,18 8,194,57 14,76 16,48 41,53 22,35 1,96 2,63 30,68 57,59 6,874,46 14,66 15,55 40,67 24,26 2,33 2,65 28,88 58,53 7,61--4,50 15,00 15,68 42,18 22,44 -- -- --

2,09 3,04 29,12 58,10 7,55

CONCLUSIONES

En la zona de enfriamiento, la posibilidad de deposi-ción de carbono y formación de carbono es muy mínimo;aunque la concentración de CH4 es alta, la temperaturapromedio es baja para las reacciones como: BOUDO-VARD y craqueo de metano. El 0,33% de carburo for-mado puede ocurrir" en la parte a la salida de pellas de lazona de transición y entrada a la zona de enfriamientodonde la temperatura es alrededor de 700°C.

La máxima deposición del carbono y formación decarburos ocurre en la zona de transición por la razón ter-modinámica de efecto de temperatura del orden de 800°Cy por la alta metalización de las pellas que entran a lazona de transición siendo el tiempo de residencia prome-dio de 2,15 horas.

En la parte inferior de zona de reducción existencondiciones favorables para la reducción de mineral dehierro principalmente y en la parte superior ocurremayormente el precalentamiento de las pellas por trans-ferencia de calor de los gases ascendentes y las pellas encontracorriente. Las reacciones secundarias como meta-

nación y Shift - gas reacción también ocurre. El índice debalance de masa de los gases de entrada a la zona detransicÍn en la parte superior y la del gas de tope serviránpara estimar el grado de reducción y deposición de car-bono si ocurre. En esta zona la reacción principal es lareducción. El aumento en cantidad de CH4 puede serexplicado por la reacción de rnetanación. Casi no da indi-cación de deposición de carbono por el Balanceo deCarbono.

Para realizar el balance de carbono de los gases deentrada y salida de la zona de enfriamiento, se calcula lacantidad de carbono que puede formarse sobre el hierroesponja durante el paso de las pellas a través de dichazona (ver tabla 3). El % de carbono formado en esta zonaes muy poco del orden de 0,333%.

REFERENCIA

1. Max Leva: Chemieal Engineerign Series Fluidization. Me Graw-Hill book Company (1959).

2. Josefina Martínez y José Campero: Formación de Carbono y Car-buros en el Hierro Esponja, LU.P.E.G. Tesis de Grado. febrero(1983).