En la fabricación de acero con horno de arco eléctrico, el hierro de reducción directa (DRI) suele considerarse un material de carga suplementario cuando la disponibilidad de chatarra es limitada. Sin embargo, en la práctica, el uso de HDR impone requisitos estrictos en cuanto a la calidad de la materia prima, las prácticas de carga, el control de procesos y la gestión de la planta.
Para muchos proyectos de fabricación de acero con horno eléctrico de arco de tamaño pequeño y mediano, estos requisitos pueden aumentar significativamente la complejidad y el riesgo operativos, sin ofrecer necesariamente beneficios económicos claros.
Basado en la experiencia práctica en la fabricación de acero y en datos de operación de proyectos, este artículo analiza los requisitos técnicos clave para el uso de DRI en la fabricación de acero con horno eléctrico de arco (EAF), su comportamiento de carga y su impacto en los principales indicadores metalúrgicos. También explica por qué, en la mayoría de los proyectos, no se recomienda el DRI como material de carga preferente.
Requisitos técnicos básicos para DRI en la fabricación de acero con horno de arco eléctrico
Para garantizar un funcionamiento estable y controlable del horno eléctrico, el DRI utilizado para la fabricación de acero debe cumplir varios requisitos fundamentales.
Densidad y resistencia mecánica
La densidad aparente del DRI suele estar entre 4,0 y 6,5 g/cm³, con suficiente resistencia en frío para evitar la rotura excesiva y la generación de finos durante el transporte, el almacenamiento y la carga. Un exceso de finos aumenta las pérdidas de polvo y reduce el rendimiento metálico efectivo.
Distribución de tamaño adecuada
El DRI no debe contener un exceso de finos ni pellets de gran tamaño. Las partículas finas se oxidan o extraen fácilmente mediante el sistema de desempolvado, mientras que el material de gran tamaño afecta negativamente la uniformidad de la carga y la eficiencia de fusión. En la práctica, se suele adoptar un rango de tamaño de partícula de 10 a 100 mm.
Contenido controlado de impurezas y ganga
Un alto contenido de ganga en el DRI aumenta el consumo de cal para la formación de escoria, lo que resulta en un mayor volumen de escoria, un mayor consumo de energía y una reducción del rendimiento técnico y económico. Por lo tanto, un bajo contenido de ganga es un requisito fundamental para la aplicación del DRI en la fabricación de acero con horno de arco eléctrico (HAE).
Tasa de metalización adecuada
La tasa de metalización, definida como la proporción de hierro metálico respecto al hierro total, tiene un impacto directo en el consumo de energía y el rendimiento metálico. Una menor metalización implica un mayor contenido de FeO residual, lo que requiere energía eléctrica adicional y reductores para la reducción, a la vez que reduce el rendimiento metálico general.
Comportamiento de carga y características de fusión del DRI
La densidad del DRI se encuentra entre la de la escoria y la del acero fundido. Tras su carga en el horno, el DRI tiende a permanecer en la interfaz escoria-metal. Si bien esto puede ser beneficioso para las reacciones interfaciales en ciertas condiciones, también impone requisitos más estrictos en las prácticas de carga.
Cuando la proporción de DRI es relativamente baja (generalmente inferior al 30%), se puede cargar junto con la chatarra. En la práctica, la chatarra ligera se coloca en el fondo de la cubeta, seguida de la chatarra pesada y el DRI. Esta disposición ayuda a evitar que el DRI se acumule cerca de la pared del horno o en las zonas frías, donde puede formar aglomerados sin fundir.
Al cargar grandes cantidades de DRI, su lenta transferencia de calor y su deficiente comportamiento de fusión se acentúan. Si el arco eléctrico no calienta directamente una capa gruesa de DRI, el metal fundido puede solidificarse entre los gránulos, formando cúmulos sinterizados que dificultan su penetración y fusión. Esto prolonga significativamente el tiempo de fusión y empeora los indicadores técnicos y económicos.
Por lo tanto, cuando se aplican relaciones de DRI más altas, suele requerirse una carga continua a través del techo del horno. Los puertos de carga ubicados en el centro o radio medio del horno permiten que el DRI entre en la zona de alta temperatura con suficiente energía cinética para penetrar la capa de escoria y mejorar la eficiencia de fusión.
Contenido de carbono del DRI y su influencia en el control de procesos
El contenido de carbono del DRI varía significativamente dependiendo del proceso de reducción y esto afecta directamente el control del proceso del horno de arco eléctrico.
La producción de DRI a base de gas permite un control relativamente preciso del carbono y el FeO residual, lo que resulta en el llamado «DRI equilibrado». En estos casos, no suele ser necesario añadir carbono durante la fusión, y el DRI no aumenta significativamente el carbono del baño ni impone una carga excesiva de FeO.
El DRI a base de carbón generalmente contiene niveles más bajos de carbono. Durante la fabricación de acero, se debe añadir carbono adicional según la tasa de metalización y los requisitos de calidad del acero para garantizar la correcta formación del baño y la reducción de FeO. Esto reduce la ventana operativa y aumenta la dependencia de la experiencia del operador y la disciplina de gestión.
Impacto del DRI en el consumo de energía y el rendimiento metálico
Los datos estadísticos y la experiencia operativa indican que el uso de DRI en la fabricación de acero con horno de arco eléctrico generalmente conlleva un mayor consumo de energía eléctrica, especialmente cuando la relación de DRI supera aproximadamente el 25 %. La magnitud de este aumento depende del contenido de carbono del DRI, la tasa de metalización y la estrategia de ajuste del carbono.
El rendimiento metálico está fuertemente influenciado por el control del equilibrio carbono-oxígeno. Aumentar el carbono del baño, aplicar inyección de carbono multipunto y coordinar las lanzas de carbono-oxígeno ayudan a reducir el contenido de FeO en la escoria y promueven la reducción de FeO del DRI en acero fundido. Al combinarse con una proporción adecuada de carga de metal caliente, se puede mejorar aún más el rendimiento metálico.
Desde la perspectiva del volumen de escoria, el nivel de impurezas que introduce el DRI es generalmente comparable al de la chatarra. Cuando la proporción de DRI se mantiene por debajo del 30%, su impacto en la cantidad de escoria suele ser limitado.
Efectos sobre el tiempo de fusión, el consumo de electrodos y el consumo de oxígeno
En el funcionamiento de hornos de arco eléctricos con chatarra, la mayor demanda de energía asociada con el DRI generalmente conduce a un mayor tiempo de encendido, ciclos de fusión más extensos y un mayor consumo de electrodos.
Por el contrario, cuando se aplica una carga de metal caliente, una adición razonable de DRI puede acelerar la descarburación. Con un control adecuado de la curva de potencia, el ciclo de fusión no necesariamente aumenta, e incluso puede reducirse ligeramente en ciertas condiciones de operación.
El FeO transportado por el DRI promueve la fusión de la escoria y acelera las reacciones de descarburación. Como resultado, el consumo total de oxígeno suele disminuir, típicamente entre 0,5 y 3,5 m³/t en la práctica industrial.
Consideraciones de seguridad al utilizar DRI en la fabricación de acero con horno eléctrico de arco
Cuando se utiliza DRI con bajo contenido de carbono y baja metalización en proporciones excesivas, puede acumularse FeO en la escoria. Una operación incorrecta puede provocar una ebullición violenta del baño y graves incidentes de seguridad.
Además, el DRI puede formar «icebergs» sin fundir en el horno. En casos graves, estos pueden obstruir el orificio de colada durante el colado, comprometiendo la seguridad del colado y la estabilidad de la producción, un problema especialmente crítico para las operaciones de hornos de arco eléctrico pequeños y medianos.
Por qué generalmente no se recomienda el DRI en la mayoría de los proyectos de hornos de arco eléctrico
Con base en las prácticas de ingeniería y la experiencia en gestión de producción, el DRI no se considera un material de carga óptimo para la mayoría de los proyectos de fabricación de acero con horno eléctrico de arco de tamaño pequeño y mediano, por las siguientes razones:
- Desde una perspectiva energética y de rendimiento, el DRI generalmente ofrece un rendimiento metálico menor que el metal caliente, y aun así requiere la eliminación de componentes no metálicos, lo que limita su ventaja económica.
- A excepción del carbono, la mayoría de los compuestos del DRI finalmente ingresan a la escoria, lo que aumenta el consumo de cal y el volumen de escoria a medida que aumenta el contenido de ganga.
- El DRI con alto contenido de carbono o el DRI con metalización por debajo de aproximadamente el 90 % conlleva un mayor riesgo de ebullición grave en el baño si no se controla adecuadamente.
- El DRI tiene una estructura altamente porosa y una alta reactividad química. Es difícil de transportar y almacenar de forma segura, con riesgos de oxidación y autocalentamiento al exponerse al aire o la humedad. En muchos casos, se requiere el briquetado (HBI) para mitigar estos riesgos, lo que aumenta las exigencias logísticas y de gestión.
En la práctica, el DRI es más adecuado para sistemas de producción de acero donde la producción de DRI y las operaciones de horno de arco eléctrico están estrechamente integradas y es posible realizar la carga en caliente. Sin embargo, la mayoría de los proyectos de horno de arco eléctrico pequeños y medianos carecen de suministro de DRI cercano y de la infraestructura de gestión necesaria para garantizar un almacenamiento seguro y una operación estable, lo que aumenta significativamente el riesgo operativo.
Experiencia en Ingeniería y Gestión de Producción del Grupo SME
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