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O processo de redução direta é uma alternativa ao uso do alto forno para a fabricação de um produto intermediário com as mesmas funções básicas do ferro gusa produzido pelo alto forno, pois este outro produto intermediário, denominado ferro esponja, também se destina ao uso na aciaria para a produção de aço.
Entretanto, o ferro esponja é fabricado com um combustível mais disponível e também mais barato: o gás natural. Sua desvantagem é o menor volume de produção quando comparado com o alto forno. Por outro lado, é mais indicado para situações onde justamente é desejável um menor volume de produção, pois neste caso representa uma considerável redução de custo de investimento inicial, além do menor custo da energia utilizada no processo. Por todos esses motivos, é adequado para exportações.
Os processos de redução direta mais conhecidos são: HyL (Hayata y Lamina) do México, Midrex do Canadá, Armco, H. iron, SL-RN e Purofer.
Classificação dos reatores: leito fluidizado (H. Iron), fornos de cuba (HyL e Midrex), forno rotativo (SL-RN) e retorta (Purofer e Armco).
Nos processos de redução direta a temperatura, embora elevada, é inferior à temperatura de fusão do material.
No processo Midrex uma mistura de gases contendo metano e gases reformados (a 1000ºC num catalisador) é introduzida no forno junto com o minério de ferro (geralmente em pelotas), no qual a parte superior corresponde à zona de redução e a parte inferior á zona de resfriamento. A redução corre a 760ºC com tempo de residência em torno de 6 horas. Na zona de resfriamento introduz-se gás frio e recolhem-se lateralmente finos e gases para a purificação, enquanto na parte inferior do forno retira-se o ferro esponja. Na purificação o metano (CH4) e o vapor d’água (H2O) são transformados em CO e H2, mistura gasosa que é efetivamente o agente redutor. Estas mistura gasosa redutora é adicionada ao metano na reforma que gera o gás novamente introduzido no forno para a redução. São controlados: temperatura, composição do gás e quantidades de minério e gases.
No processo HyL também num forno de cuba e com tempo de residência de 6 horas, é realizado carregamento na parte superior do forno e logo abaixo está a zona inicial de redução (que utiliza gases reciclados). Mais abaixo a zona de redução final e mais abaixo ainda a zona de resfriamento, onde é realizada a retirada do ferro esponja.
Os processos Midrex e HyL são de redução a gás. Porém outros processos de redução direta, como SL_RN, Allis-Chamers e Hoganas, entre outros, são de redução por sólido.
A composição do gás redutor é dada por 35 partes de CO, 3 de CO2, 1 de CH4, 50 de H2, 5 de H2) e 6 de N2.
As reações envolvidas no processo são:
3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2
FeO + H2 = Fe + H2O
FeO + CO = Fe + CO2
Reforma: CH4 + H2O = CO + 3H2 e H2O + C (de Fe3C) = CO + H2
Resfriamento: CH4 → Fe3C
O processo Midrex produz ferro esponja com 92-95 % Fe, 2-5 % C, S = 0,008 %.
Na sequência: Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe.
Gases: O2, CO/CO2, H2/H2O, CO + H2, CO2 + H2O.
Controles: alimentação, temperatura do gás de input, quantidades de CH4 e H2O no resfriamento, pressão no forno, escoamento do gás do input, composição do gás, grau de metalização correto, reforma e parâmetros dos materiais.
Fatores que influem na qualidade do ferro esponja: temperatura, composição percentual do gás, pressão no forno, quantidade de gás e escoamento do gás. A quantidade de Fe3C precipitado influi na geração de finos e no surgimento de trincas. Quanto maior a pressão do forno, pelo princípio de Le Chatelier, maior a precipitação de Fe3C, ocorrendo o mesmo quando for maior a quantidade de gás.
Outros fatores que são controlados: no equipamento: o queimador da reforma, a superfície dos catalisadores (Fe/Ni), a pressão do gás no fundo e no topo, a temperatura do gás, a zona de resfriamento e a temperatura do ferro.
A mistura de pelotas e minério contém de 1 a 2,5 % de carbono. Além da composição do material de entrada, outros fatores importantes são: superfície específica, condutividades térmica e elétrica, mudança de estrutura cristalina (que influi nos três fatores anteriores) e a absorção ou repulsa de carbono.
No gás reformado deve ser controlado o teor de carbono: se a temperatura do ás reformado subir muito, cai o teor de carbono no ferro.
As reações químicas envolvidas no processo são:
CH4 + H2O = CO + 3H2.
CH4 = C + 2H2
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2O
H2O + C = CO + H2
CO + H2O = CO2 + H2
CH4 + ½ O2 = 2H2 + CO
Fe2O3 → Fe3O4
Fe3O4 → FeO
FeO → Fe
A temperatura máxima de precipitação do carbono é 800ºC. Dependendo da temperatura, a precipitação do carbono ocorre na faixa de 30 a 40 % de CO e 35 a 70 % de CO2.
Para temperaturas superiores a 800ºC o H2 passa a ser o principal agente redutor, porém para temperaturas inferiores a 800ºC o principal agente redutor é o CO:
3Fe + 2CO = Fe3C + CO2
3Fe + CO + H2 = Fe3C +3H2
A altíssimas temperaturas (cerca de 1050ºC) os gases CO e H2 são quase totalmente utilizados na redução dos óxidos, não existindo mais em quantidades suficientes para formar Fe3C. Esses precipitados só se formam em temperaturas mais baixas, devido ao gás reciclado usado no resfriamento.
Com o aumento da pressão parcial de CO, aumenta a atividade do carbono, significando mais átomos de carbono disponíveis para reagir;
2CO = C + CO2
Fe sólido + 5CO = Fe(CO)5, através do uso de catalisadores como a alumina (Al2O3).
Esta reação ocorre à pressão de 200 atm aproximadamente e temperaturas da ordem de 200ºC.
Se a temperatura for de 70 a 80ºC e a pressão de 1 atm, forma-se carbonila de Fe em pó ou sintético.
A redução direta forma ferro esponja, mas outras possibilidades são a formação de ferro carbonílico (Fe(CO)5), a desintegração e a formação de Fe(CO)5 em pó.
