HYL I e HYL III: Principais Processos e Tecnologias de Fabricação de Aço Baseados em Hidrogênio

Definição e Conceito Básico

HYL I e HYL III são processos avançados de redução direta utilizados na fabricação de aço para produzir ferro esponjoso (também conhecido como ferro reduzido diretamente, DRI). Esses processos envolvem a redução de pelotas de minério de ferro ou minério em bloco usando um gás redutor, composto principalmente de hidrogênio e monóxido de carbono, em altas temperaturas em um forno de eixo. O principal objetivo desses processos é produzir ferro metálico de alta qualidade que pode ser utilizado diretamente em fornos de arco elétrico (EAF) ou rotas de fabricação de aço integradas, reduzindo assim a dependência das operações de alto-forno.

Posicionados dentro da cadeia geral de fabricação de aço, HYL I e HYL III servem como etapas principais de redução que convertem minério de ferro bruto em uma forma adequada para fusão e refino. Eles estão tipicamente situados a montante do forno de arco elétrico (EAF) ou do forno de oxigênio básico (BOF), fornecendo uma alternativa flexível e energeticamente eficiente às rotas tradicionais de alto-forno. Seu papel é crucial para permitir uma produção de aço mais sustentável e energeticamente eficiente, com menores emissões.

Projeto Técnico e Operação

Tecnologia Central

O princípio de engenharia central por trás dos processos HYL é a redução direta do minério de ferro usando uma mistura de gás redutor em altas temperaturas, tipicamente entre 800°C e 1050°C. O processo depende da favorabilidade termodinâmica da redução de óxidos de ferro a ferro metálico em um ambiente controlado, minimizando o consumo de carbono e as emissões.

Os principais componentes tecnológicos incluem o forno de eixo, onde ocorre a redução, e os sistemas de geração e reciclagem de gás. O forno de eixo é um recipiente vertical e cilíndrico revestido com materiais refratários para suportar altas temperaturas e gases corrosivos. O processo começa com a introdução de pelotas de minério de ferro ou minério em bloco na parte superior do eixo, juntamente com uma mistura de gás redutor fornecida por geradores de gás.

O gás redutor, composto principalmente de hidrogênio e monóxido de carbono, é produzido no local por meio de reforma ou gaseificação de gás natural ou outros hidrocarbonetos. Esse gás é pré-aquecido e injetado no forno de eixo, fluindo em contracorrente ao movimento do minério. À medida que o minério desce, ele reage com os gases redutores, perdendo gradualmente oxigênio e se transformando em ferro esponjoso. O material reduzido é extraído da parte inferior do eixo, resfriado e preparado para as etapas subsequentes de fabricação de aço.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem temperatura, composição do gás redutor, pressão e tempo de residência. As temperaturas operacionais típicas variam de 850°C a 1050°C, otimizadas para uma redução eficiente sem sinterização ou fusão.

A composição do gás redutor geralmente contém 70-85% de hidrogênio e monóxido de carbono, com o restante sendo gases inertes como nitrogênio. As taxas de fluxo de gás são ajustadas para garantir a redução completa dentro do tempo de residência, geralmente entre 20 a 60 minutos, dependendo do projeto do processo.

As condições de pressão são geralmente atmosféricas ou ligeiramente pressurizadas (até 2 bar), influenciando a cinética da reação e a eficiência de utilização do gás. Manter a temperatura e a composição do gás otimizadas é vital para alcançar altas taxas de metalização (> 90%) e minimizar o consumo de energia.

Sistemas de controle empregam sensores avançados e automação para monitorar temperatura, composição do gás, pressão e fluxo de material. A aquisição de dados em tempo real permite ajustes dinâmicos, garantindo operação estável e qualidade consistente do produto.

Configuração do Equipamento

Instalações típicas de HYL apresentam um forno de eixo vertical com diâmetro variando de 3 a 6 metros e altura de 20 a 50 metros, dependendo da capacidade. O forno é equipado com uma série de tuyères ou injetores de gás distribuídos ao longo de sua altura para garantir uma distribuição uniforme do gás.

As unidades de geração de gás, frequentemente reformadores ou gaseificadores, estão localizadas adjacentes ao forno de eixo, fornecendo o gás redutor continuamente. Sistemas auxiliares incluem pré-aquecedores para o minério, sistemas de resfriamento para o ferro esponjoso e equipamentos de coleta de poeira para controlar as emissões.

Variações de design evoluíram desde as configurações iniciais do HYL I até os sistemas mais avançados do HYL III, que incorporam reciclagem de gás aprimorada, automação e recursos de recuperação de energia. Plantas modernas também integram unidades de controle ambiental, como lavadores e filtros, para atender aos padrões de emissão.

Química do Processo e Metalurgia

Reações Químicas

As principais reações químicas envolvem a redução de óxidos de ferro (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO) a ferro metálico (Fe). As principais reações são:

• Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O
• Fe₃O₄ + 4H₂ → 3Fe + 4H₂O
• FeO + H₂ → Fe + H₂O

Da mesma forma, o monóxido de carbono reduz óxidos de ferro:

• Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂
• FeO + CO → Fe + CO₂

Essas reações são termodinamicamente favorecidas em altas temperaturas, com a redução ocorrendo por meio de interações gás-sólido. O processo é controlado cineticamente, com as taxas de reação influenciadas por temperatura, composição do gás e tamanho das partículas do minério.

Os produtos da reação incluem ferro esponjoso metálico e subprodutos gasosos, como vapor d'água (H₂O) e dióxido de carbono (CO₂). O gerenciamento desses gases é crítico para a eficiência do processo e conformidade ambiental.

Transformações Metalúrgicas

Durante a redução, os óxidos de ferro sofrem transformações de fase de hematita (Fe₂O₃) ou magnetita (Fe₃O₄) para magnetita, depois para wüstite (FeO) e finalmente para ferro metálico. Microestruturalmente, o processo envolve a formação de ferro esponjoso poroso com uma alta área de superfície, facilitando a redução adicional.

A microestrutura evolui de partículas de óxido densas para ferro metálico poroso, o que influencia as propriedades mecânicas e o comportamento de fusão do produto final. O controle adequado das condições de redução garante a formação mínima de inclusões de escória ou óxidos não reagidos, resultando em altos graus de metalização (> 90%).

Interações de Materiais

As interações entre o ferro metálico, a escória residual, o revestimento refratário e a atmosfera são complexas. Partículas de minério de ferro podem reagir com constituintes da escória, levando potencialmente à contaminação ou degradação dos materiais refratários.

Gases como CO e H₂ podem difundir através da cama de minério, facilitando a redução, mas também causando potencial corrosão dos revestimentos do forno se não forem gerenciados adequadamente. Para controlar interações indesejadas, os parâmetros do processo são otimizados para manter zonas de temperatura estáveis, e materiais refratários são selecionados para alta resistência à corrosão.

Sistemas de limpeza de gás removem poeira, compostos de enxofre e outras impurezas dos gases residuais, prevenindo poluição ambiental e corrosão de equipamentos.

Fluxo do Processo e Integração

Materiais de Entrada

O principal insumo é o minério de ferro em forma de pelotas ou blocos, com alto teor de ferro (tipicamente > 60%) e baixas impurezas. O minério deve ser adequadamente preparado, com tamanho e teor de umidade uniformes, para garantir uma redução consistente.

Os gases de reforma são gerados no local a partir de gás natural ou outros hidrocarbonetos, com especificações que incluem alta pureza e composição controlada. Materiais auxiliares incluem fluxos ou aglutinantes, se necessário, para a formação de pelotas.

A qualidade do insumo impacta diretamente a eficiência da redução, o grau de metalização e a qualidade final do ferro es