Preridotto DRI

Il preridotto nella siderurgia

Usavano solo il carbone (questo perché non erano ancora stati effettuati studi sul metano come possibile riducente gassoso). Si procedeva quindi per via solida.

Il preridotto è una delle materie prime nell’ambito della siderurgia. Anche il preridotto deriva da diverse reazioni che avvengono in reattori chimici che andremo ad analizzare. I volumi di produzioni non sono trascurabili, ma non sono comunque grandi come quelli provenienti dall’altoforno: è infatti un ciclo ausiliario ai cicli convenzionali che sono altoforno e acciaierie elettriche.

La riduzione diretta di un minerale di ferro o suoi ossidi avviene per via solida senza fondere il minerale. Carico come materia prima dei pellet di minerale o del minerale in pezzatura ad un flusso in controcorrente di CO dentro il reattore che va a ridurre l’ossido di ferro. Le reazioni in gioco sono:

Forni a mufola e spugna di ferro

Furono creati per primi i forni a mufola: si mette dentro del minerale con il carbone in un forno a caldo e si cercava di preridurre. Questo forno fu sfruttato per circa 50 anni. Non erano forni efficienti per la dispersione di calore e per l’impatto ambientale, ma l’obiettivo era ottenere la spugna di ferro.

Nel 1909 in Svezia crearono i forni Lea, forni con dei bruciatori: usavano gas e non solo carboni per la riduzione del ferro e nel 1930 potevano produrre fino a 10000 ton/anno. Alcuni impianti di questi forni lavorarono fino al 1980.

Ci sono anche forni rotativi orizzontali leggermente inclinati dove il materiale si carica solo da un lato, viene a contatto con carbone o metano e si riduce.

Lo Stercoluggi è un processo dove si caricano i minerali di ferro, carbone, additivi vari in un forno rotativo che produce ferro preridotto che sarà raffreddato e sarà poi venduto. Il combustibile serve ad operare una preriduzione tramite carbone-gas; per ottimizzare la capacità riducente del gas si fa viaggiare in controcorrente rispetto al moto del materiale. Si otteneva così il DRI freddo.

Reazioni e formazione del DRI

Che cosa avviene nello specifico? La CO₂ con altro carbonio, carbone o coke, forma 2CO. Si immettono nel reattore agenti riducenti solidi, come il carbone, o agenti riduttori gassosi come il metano che viene neutralizzato o scisso in CO e H₂O durante le reazioni.

Lo scopo ultimo è sempre quello di produrre il DRI, ovvero palline di ferro preridotto. Questo tipo di forno è sempre in rotazione, quindi il continuo contatto tra ferro e parete refrattaria consumava la parete stessa, con costo di sostituzione e manutenzione del refrattario. Attualmente questi impianti di forni rotativi non sono usati per la produzione diretta di ferro ma sono solo impianti ausiliari che riciclano sottoprodotti.

La spugna di ferro è una specie nota fin dagli antichi romani; è un materiale poco coerente fatta da granuli metallici che poi venivano martellati meccanicamente dai forgiatori. Tramite percussione meccanica si rimuove la scoria e si martella per rendere compatta la spugna e descorificare.

Nonostante il progredire del tempo non si arrivò ad un processo industriale di questa spugna di ferro o addirittura di acciaio. Veniva solamente ottenuto un ferro misto, ovvero in parte ossidato e in parte ridotto. Fino al 1300 si produceva spugna di ferro tramite sempre lo stesso processo produttivo degli antichi romani.

Fino al 1800 si produceva acciaio ma non c’è stata rivoluzione nella preriduzione del ferro finché nel 1837 i produttori di rame ottennero come sottoprodotto un preridotto di ferro. Si riuscì con degli studi a separare rame da spugna di ferro che sarà riutilizzata in un processo siderurgico da cui si ottenne acciaio.

Furono inventati diversi forni a riguardo. Si sviluppò col tempo anche un forno che permetteva di produrre ferro quasi completamente ridotto e non ghisa liquida.

La domanda a cui veniva incontro il siderurgista del 1800 era: quale agente riducente bisogna usare?

Nel 1950 si sviluppa la tecnologia dell’altoforno, forni in verticale. Si prese spunto dall’altoforno e dalla sua forma per applicare il tutto al reattore del preriduttore.

Altoforno: si carica nella parte alta dell’altoforno minerale più coke che scendono; si ha poi un flusso di ossigeno in controcorrente dal basso verso l’alto. L’ossigeno a contatto col carbone genera CO e il minerale di ferro nella prima parte è sottoposto a una preriduzione, quindi si preriduce nella parte alta dell’altoforno. Le reazioni che avvengono nel reattore del DRI e nell’altoforno sono proprio le stesse.

Nel 1957 una ditta messicana produsse il primo reattore per ottenere il DRI: da qui si ebbe inizio alla produzione moderna di ferro preridotto. Le industrie progredirono successivamente.

Reazioni termodinamiche

Una preriduzione con solo carbone produce un andamento canonico di Boudouard che abbiamo già analizzato con gli altoforni. Esistono, oltre ai cicli di carbone, anche i cicli di gas metano sotto forma di CO e idrogeno, H₂. Si può usare anche l’idrogeno come reagente riduttore se messo a contatto con il minerale di ferro.

Quali sono i parametri da tenere presente?

Sono: concentrazione di CO, H₂ e la temperatura del reattore. Non si supera mai gli 800-950°C. Industrialmente i processi avvengono a 400-950°C.

Nel reattore minerale e agente riducente si trovano in equilibrio dinamico chimico e fisico a delle temperature specifiche.

Di processi industriali e produttivi ce ne furono molti; alcuni rimasero sul mercato, altri no o comunque per tempo limitato. Attualmente uno stabilimento arriva a produrre un massimo di 75 milioni di ton/anno di preridotto.

Diverse tecnologie portano a diversi volumi produttivi: lo Stercoluggi produce 1 milione di ton/anno mentre il forno ad ancia produce 60 milioni di ton/anno.

Gli USA sono la nazione che attualmente importa più preridotto ma che attualmente cerca anche di produrne tanto.

Caratteristiche del preridotto

Fosforo e zolfo sono presenti in pochissime quantità nel DRI. Il preridotto ha tanto carbonio ed è molto meglio di una ghisa, questo perché non è sottoposto a fluttuazioni come nell’altoforno.

Il DRI può essere caricato anche nel forno elettrico ad arco dato il basso tenore di S e P: a seconda dei tenori di specie inquinanti del materiale che carico avrò un rottame più o meno puro.

Ganga: composta da diverse specie chimiche, vedi slides, come silicati e alluminati: composizione chimica simile alla scoria dei forni elettrici e non produce interazione coi refrattari e con il bagno fuso.

Il processo Corex: composto da due parti.