Qual è il settore DRI?

L'industria DRI si riferisce al segmento della metallurgia dell'acciaio dedicato alla produzione di ferro a riduzione diretta convertendo il minerale di ferro in ferro metallico di elevata purezza attraverso una riduzione a base di gas o carbone a temperature inferiori al punto di fusione del ferro. Questo processo evita completamente il percorso dell’altoforno, basandosi invece sulla riduzione del gas generato all’interno dei sistemi di reforming per estrarre l’ossigeno dai pellet di minerale di ferro o dal minerale in pezzi. Attrezzature come il tubo di reforming DRI, il corpo del forno a tino e la rete di riscaldatori associata costituiscono la spina dorsale di ogni linea di produzione DRI e l'affidabilità di questi componenti determina sia la qualità della produzione che i costi operativi.

Percorsi tecnologici di base e configurazione dei processi nel settore DRI

I processi con forni a tino a base di gas rappresentano circa il 75,8% della capacità produttiva globale di DRI, con MIDREX ed Energiron che rappresentano i due licenziatari tecnologici dominanti. L'intera catena del processo si svolge attraverso quattro fasi collegate: riduzione all'interno del forno a tino, reforming del gas all'interno di tubi di reazione riempiti di catalizzatore, recupero del calore di scarto attraverso la sezione di convezione e bricchettatura o raffreddamento finale. Poiché la riduzione della qualità del gas guida l’intera catena, la rete di tubi del reformer è al centro delle prestazioni del processo.

I processi dei forni a tino a base di gas dominano il settore DRI perché combinano un'elevata efficienza termica con forme di output flessibili, tra cui DRI freddo, DRI caldo e ferro bricchettato caldo. La preparazione del gas di riduzione è il fulcro operativo di questo percorso: il gas naturale si mescola con il gas del forno riciclato e scorre attraverso tubi di reforming riempiti con catalizzatore a base di nichel, producendo un flusso di reazione ricco di idrogeno che effettua la riduzione effettiva all'interno del forno a tino.

Standard di produzione per i componenti del tubo del riformatore DRI e del tubo del catalizzatore

Il tubo del reformer DRI è il nucleo portante della pressione del forno di reforming, esposto a temperature interne del gas superiori a 900°C, calore radiante diretto da bruciatori esterni, pressione interna sostenuta e usura meccanica dovuta al letto catalitico. Il processo del tubo del forno di colata centrifuga è una pratica standard per questo componente perché produce una microstruttura a parete densa e una struttura a grana raffinata, che si traduce direttamente in una maggiore resistenza allo scorrimento viscoso e all'ossidazione rispetto alla fusione statica.

La selezione dei materiali si concentra tipicamente su leghe ad alta resistenza al calore di nichel-cromo come i gradi HP e HK, contenenti dal 25 al 35% di cromo e dal 35 al 45% di nichel, con niobio, tungsteno e titanio aggiunti per rafforzare i bordi del grano. La stessa tecnologia del tubo catalizzatore supporta anche il tubo del reformer per la generazione di idrogeno utilizzato nelle unità di produzione di idrogeno, poiché entrambe le applicazioni condividono richieste termiche e di pressione quasi identiche.

• Temperatura operativa: interna da 900 a 1050°C, con temperatura della parete che arriva fino a 1100°C
• Requisiti di pressione: deve resistere alla pressione interna del gas riducente combinata con il peso del letto catalitico
• Standard materiale: lega ad alta resistenza al calore di nichel-cromo con densa struttura di fusione centrifuga
• Vita utile: ciclo operativo tipico di circa 8-12 anni
• Processo di produzione: fusione centrifuga, lavorazione meccanica di precisione e controlli non distruttivi

Le modalità di guasto nel funzionamento del tubo di reazione includono principalmente la deformazione da scorrimento viscoso, la rottura per fatica termica, l'infragilimento da carburazione e la scheggiatura delle scaglie di ossido. Questi rischi vengono affrontati attraverso velocità di raffreddamento controllate della fusione, rapporti di lega ottimizzati e un'ispezione rigorosa di ogni piastra tubiera, collettore e connessione del collettore prima che l'assemblaggio lasci la fabbrica.

Serie di prodotti in evidenza per sistemi DRI e riscaldatori a fuoco

Le seguenti linee di apparecchiature coprono la rete di tubi del reformer, il corpo del forno a tino e i relativi sistemi di cracking e riscaldamento utilizzati negli impianti DRI, nelle unità di etilene e nelle operazioni di raffinazione.

Tubo del riformatore DRI

Industria DRI

Forno DRI

Industria DRI

Tubo del riformatore

Tubo del forno

Tubo di cracking (bobina radiante)

Industria dell'etilene

Forno di cracking dell'etilene

Industria chimica

Progettazione strutturale del forno DRI e dei relativi sistemi di riscaldamento

Un forno a tino DRI a gas è costruito come un recipiente cilindrico rivestito in refrattario. I pellet di minerale di ferro o il minerale in pezzi si caricano dall'alto e scendono per gravità, incontrando il gas riducente che scorre verso l'alto in uno schema controcorrente che completa la reazione di riduzione. L'ingegneria per i sistemi di riscaldamento che supportano questo forno deve tenere conto del rapporto altezza-diametro dell'albero, della distribuzione uniforme del gas attraverso la sezione trasversale, della velocità di discesa controllata del carico e di un affidabile sistema di tenuta dinamica nei punti di carico e scarico.

Molti di questi sistemi condividono la logica ingegneristica con un riscaldatore a fuoco per il servizio di raffineria di petrolio e un riscaldatore a fuoco per il servizio dell'industria petrolchimica, poiché tutti e tre si basano su una sezione radiante, una sezione di convezione e un EPC preciso per il coordinamento a livello del forno di cracking dell'etilene tra la progettazione del corpo del forno, la metallurgia dei tubi e la disposizione del bruciatore. La consegna completa del progetto, dalla progettazione del processo fino all'installazione e alla messa in servizio, mantiene queste parti del forno interconnesse funzionanti come un unico sistema affidabile.

Trasformazione verde e tendenze ingegneristiche nel settore DRI

L’industria globale DRI si sta muovendo verso operazioni a basse emissioni di carbonio. Il DRI convenzionale basato sul gas naturale produce già emissioni di CO2 nettamente inferiori rispetto al percorso dell’altoforno e la tecnologia DRI costruita attorno al 100% di idrogeno verde come agente riducente è vista come un percorso leader per la decarbonizzazione del settore siderurgico. I principali licenziatari di processo hanno sviluppato configurazioni di impianti in grado di passare in modo flessibile tra gas naturale, idrogeno e gas di sintesi come riducenti, mantenendo la porta aperta per una transizione completa alla riduzione basata sull’idrogeno senza ricostruire il forno a tino stesso.

La flessibilità su scala vegetale è un secondo vantaggio del percorso DRI. Mentre una combinazione di altoforno e forno a ossigeno basico in genere necessita di una produzione annua vicina a 2 milioni di tonnellate per rimanere economica, un impianto DRI abbinato a un forno ad arco elettrico può iniziare a funzionare da un minimo di 0,5 milioni di tonnellate all’anno. Ciò rende l’industria DRI particolarmente pratica per le regioni con risorse disperse di minerale di ferro o con una fornitura limitata di gas naturale e idrogeno, supportando mini-acciaierie su scala di capitale molto più piccola.

Domande frequenti

Quali materiali vengono generalmente utilizzati per produrre i tubi DRI Reformer

I tubi di reforming DRI sono generalmente realizzati con leghe ad alta resistenza al calore di nichel-cromo come i gradi HP e HK utilizzando la tecnologia di fusione centrifuga, che consente loro di resistere a temperature di esercizio superiori a 900°C e a una pressione interna del gas sostenuta.

Ciò che distingue un forno DRI da un riscaldatore convenzionale

Un forno DRI è un reattore a pozzo costruito appositamente per la riduzione diretta del minerale di ferro, definito da un contatto gas-solido in controcorrente, un sistema di tenuta dinamica e un rivestimento refrattario. Questo differisce fondamentalmente da un riscaldatore a combustione convenzionale sia nel principio di processo che nella progettazione strutturale.

Qual è la composizione tipica del gas riducente nei processi DRI basati su gas

La riduzione del gas nei processi DRI basati su gas consiste tipicamente di circa il 55% di idrogeno e il 36% di monossido di carbonio, con un rapporto H2/CO vicino a 1,5, generato attraverso il reforming catalitico del gas naturale all’interno dei tubi del reformer.

Quali sono le principali forme di prodotto di DRI

Il DRI è prodotto in tre forme principali: DRI freddo, DRI caldo e ferro bricchettato caldo. Il ferro caldo bricchettato viene prodotto comprimendo il DRI caldo in bricchette dense per uno stoccaggio e un trasporto più sicuri.

Qual è la durata di servizio tipica di un tubo Reformer

In condizioni operative normali, un tubo di reforming dura in genere circa 8-12 anni, a seconda della temperatura operativa, della fluttuazione della pressione, della frequenza di sostituzione del catalizzatore e del tipo specifico di lega utilizzata.

Quali vantaggi ambientali offre il processo DRI rispetto alla produzione dell’acciaio in altoforno?

Il processo DRI consuma circa la metà dell'energia del percorso dell'altoforno e genera emissioni di CO2 notevolmente inferiori. Se abbinato all’idrogeno al 100% come agente riducente, le emissioni di carbonio vicine allo zero diventano realizzabili, rendendolo un percorso fondamentale per la decarbonizzazione dell’industria siderurgica.