El proceso de fabricación de hierro HIsarna es un proceso de reducción directa de hierro para la fabricación de hierro en el que el mineral de hierro se procesa casi directamente en hierro líquido ( arrabio ). El proceso combina dos unidades de proceso, el horno convertidor ciclónico (CCF) para la fusión y prerreducción del mineral y un recipiente de reducción de fundición (SRV) donde tiene lugar la etapa final de reducción a hierro líquido. El proceso no requiere la fabricación de aglomerados de mineral de hierro como pellets y sinter, ni la producción de coque , que son necesarios para el proceso de alto horno . Sin estos pasos, el proceso HIsarna es más eficiente energéticamente y tiene una huella de carbono menor que los procesos tradicionales de fabricación de hierro. [1] [2] [3] [4] En 2018, Tata Steel anunció que había demostrado que es posible reducir más del 50% de las emisiones de CO 2 con la tecnología HIsarna, sin la necesidad de tecnología de captura de carbono. [5] [6]
El proceso HIsarna se desarrolló en etapas y con pausas en Koninklijke Hoogovens / Corus IJmuiden / Tata Steel IJmuiden, a partir de 1986. Las etapas finales fueron posibles gracias al consorcio Ultra-Low Carbon Dioxide Steelmaking (ULCOS) [7] y la cooperación entre la antigua Corus (ahora Tata Steel ) y el Grupo Rio Tinto . [8] Este último contribuyó con su tecnología HIsmelt (abreviatura de " fundición de alta intensidad ") [9] al diseño final de la instalación, lo que provocó el nombre HIsarna para el proceso ("HI" de "alta intensidad" y "sarna" de Isarna , una palabra celta para hierro ). [4] [10] [11]
HIsarna se considera uno de los desarrollos más prometedores en la reducción de las emisiones de CO2 de la industria del acero. [12]
Los primeros intentos de aplicar la tecnología de hornos ciclónicos a la reducción de mineral de hierro tuvieron lugar en Koninklijke Hoogovens en la década de 1960. La tecnología ciclónica ya se había utilizado con éxito en diferentes procesos químicos industriales y los diseñadores de Hoogovens pensaron que podría ser una estrategia para mejorar su proceso. Sin embargo, en ese momento no pudieron hacer que funcionara correctamente y el experimento se abandonó rápidamente. [2]
El primer resurgimiento serio se produjo en 1986, cuando Hoogovens buscó un método para producir acero sin tener que producir aglomerados de mineral de hierro, como pellets y sinter. En aquel momento, el deseo era sobre todo una medida de reducción de costes para abaratar el proceso en tiempos económicos difíciles. Sin embargo, los tiempos difíciles no duraron y el proyecto quedó aparcado hasta principios de los años 90.
A principios de los años 1990, la disponibilidad de coques se estaba volviendo limitada debido a que muchas de las principales instalaciones de coquización en Occidente que producían coques a partir de carbón estaban llegando al final de su vida útil. Las fuertes restricciones ambientales hicieron que no fuera atractivo construir nuevas instalaciones, por lo que los productores de acero buscaron formas de reducir la necesidad de coques; Hoogovens comenzó a dedicar más esfuerzos a la tecnología de ciclones como una solución a este problema y una instalación de prueba para la parte del ciclón demostró ser capaz de producir veinte toneladas de arrabio por hora. Sin embargo, el resto del proceso no funcionó muy bien, [ vago ] así que cuando los productores de acero se movieron masivamente para reemplazar parte del coque por inyección de carbón en polvo y China comenzó a producir coques en masa, el proyecto perdió impulso nuevamente. La pronunciada caída de los precios de las materias primas alrededor de 1999 hizo que el proyecto se detuviera. [2]
Sin embargo, en 2004, la Unión Europea presionó a la industria siderúrgica para que redujera su huella de carbono; como resultado, se fundó el consorcio ULCOS y, en el período 2005-2007, la tecnología ciclónica fue seleccionada como una de las cuatro tecnologías de alto potencial. Se encontró una respuesta teórica a los problemas anteriores de la parte posterior al ciclón del horno ciclónico en forma de un recipiente de reducción de fundición y el Grupo Rio Tinto tenía experiencia a escala industrial con el proceso requerido, llamado HIsmelt. Un acuerdo entre ellos y ULCOS agregó la tecnología HIsmelt al horno ciclónico y el resultado fue el proceso HIsarna. [2] En 2017, Tata Steel obtuvo los derechos de propiedad intelectual de la fundición de Rio Tinto, y ahora posee la propiedad total de toda la propiedad intelectual de HIsarna. [13]
En 2010 se construyó la planta piloto HIsarna en Tata Steel IJmuiden. La planta piloto tiene una capacidad de producción de 65.000 toneladas de arrabio al año. [10] [11] En la primavera de 2011 se completó una primera campaña de experimentos, a la que siguieron otras tres campañas experimentales exitosas. La segunda y la tercera campaña fueron cofinanciadas por el Fondo de Investigación del Carbón y el Acero (RFCS). [14] La cuarta campaña finalizó en junio de 2014. La quinta campaña comenzó en el otoño de 2017. [15] [16] Este proyecto está financiado en parte por el Programa Marco Horizonte 2020 de la UE, como parte de la segunda ronda de financiación de la Industria Sostenible con Bajas Emisiones de Carbono (SILC-II). [17] [18] [19]
El proceso HIsarna es un proceso de reducción de fundición con dos etapas de proceso acopladas directamente en el que tiene lugar la producción de arrabio líquido.
Se trata de una combinación de un horno convertidor ciclónico (CCF) [20] que se coloca encima del recipiente de reducción de fundición (SRV), lo que forma un proceso continuo de un solo paso. La planta HIsarna tiene forma de botella de vino: una "botella" en la parte inferior y un "cuello" delgado en la parte superior. La geometría de este horno hace que se forme un ciclón en el cuello cuando el mineral de hierro triturado se inyecta en este ciclón junto con el oxígeno (por lo que el oxígeno se inyecta en la parte superior en lugar de en la parte inferior). La temperatura en el ciclón hace que se produzca una reacción de disociación de modo que el carbón, introducido inmediatamente después, reduce el mineral de hierro a hierro. [2] [4]
Las gotas de hierro fundido caen por la pared del horno hasta el lugar donde el "cuello" se ensancha y forma la "botella". Aquí las gotas caen desde la pared a la escoria fundida, que se encuentra sobre el baño de hierro líquido en el fondo del horno. Entre el ciclón y la capa de escoria, se inyecta oxígeno a través de lanzas enfriadas por agua para generar calor mediante la combustión parcial de los gases que se liberan de la etapa final de la reacción de reducción que tiene lugar en la escoria. El carbón en polvo se inyecta en la capa de escoria, nuevamente a través de lanzas enfriadas por agua. La reacción de reducción ahora continúa "con normalidad" en el fondo del horno, con el mineral de hierro parcialmente reducido reduciéndose aún más a arrabio normal y el conjunto se separa en dos capas fundidas (una capa superior de escoria y una capa inferior de arrabio fundido). Ambas capas se pueden extraer individualmente y el arrabio se puede utilizar inmediatamente en el resto del proceso básico de fabricación de acero con oxígeno. [2] [4]
En un sentido técnico, la ventaja del proceso HIsarna es que elimina el paso de crear aglomerados de mineral de hierro y coque para crear una carga porosa para el alto horno. En el proceso tradicional no se puede utilizar solo carbón en polvo, ya que se requiere la resistencia del coque para soportar la carga. En comparación, en HIsarna, la forma en polvo del carbón y el mineral es una ventaja porque el área superficial aumentada mejora la velocidad y la calidad de la reacción de reducción en el ciclón. [2] [4]
Las principales ventajas del proceso se derivan de las mencionadas anteriormente, sin embargo: el hecho de que los pasos separados de creación de aglomerados de mineral y coques desaparezcan del proceso hace que el proceso sea más eficiente energéticamente y reduce su huella de carbono. [2] [3] [4] [10] [11] Esto hace que el proceso sea atractivo para los fabricantes de acero, que están siendo presionados para hacer que sus procesos sean más respetuosos con el medio ambiente, particularmente en Europa , donde las regulaciones gubernamentales están asociando cada vez más una penalización financiera a las altas emisiones de dióxido de carbono. El proceso HIsarna utiliza un 20% menos de energía y emite al menos un 20% menos de CO 2 por tonelada de acero en comparación con la producción convencional de arrabio. [4] [21] Otras ventajas ambientales incluyen una reducción significativa de otras emisiones como NO x , SO x y polvo fino. [22] Se pueden lograr reducciones de emisiones de CO 2 de más del 50% reemplazando parte del carbón por biomasa sostenible y utilizando chatarra de acero en el proceso. [5] [6]
Además de los beneficios ambientales directos, HIsarna también ofrece beneficios económicos. [22] El proceso puede manejar minerales y carbones de bajo costo y tiene menores costos de inversión. El metal caliente producido en HIsarna también tiene ventajas para el proceso de fabricación de acero, lo que permite niveles más bajos de escoria y fósforo metálico en el convertidor BOF o mayores cargas de metal caliente en un horno de arco eléctrico . [23]
Tata Steel también está planeando desarrollar el proceso de tal manera que se pueda recuperar zinc, [24] con el apoyo de EIT RawMaterials, y se pueda capturar CO2 para su utilización o almacenamiento. [ 22]
En noviembre de 2018 se anunció que se podría construir una instalación piloto de HIsarna a mayor escala en el sitio de Tata Steel en Jamshedpur , India , [25] [26] pero que el sitio en IJmuiden aún sería una ubicación potencial para una mayor implementación industrial de la tecnología. [27] [28]