La fabricación de acero es el proceso de producción de acero a partir de mineral de hierro y/o chatarra . En la fabricación de acero, se eliminan del hierro de origen impurezas como nitrógeno , silicio , fósforo , azufre y exceso de carbono (la impureza más importante), y se añaden elementos de aleación como manganeso , níquel , cromo , carbono y vanadio para producir diferentes grados de acero .
La fabricación de acero existe desde hace milenios, pero no se comercializó a gran escala hasta mediados del siglo XIX. Un antiguo proceso de fabricación de acero era el proceso de crisol . En las décadas de 1850 y 1860, el proceso Bessemer y el proceso Siemens-Martin convirtieron la fabricación de acero en una industria pesada .
En la actualidad, existen dos procesos comerciales principales para fabricar acero: la fabricación de acero con oxígeno básico , que utiliza hierro líquido del alto horno y chatarra de acero como principales materias primas, y la fabricación de acero con horno de arco eléctrico (EAF), que utiliza chatarra de acero o hierro de reducción directa (DRI) como principales materias primas. La fabricación de acero con oxígeno se alimenta predominantemente por la naturaleza exotérmica de las reacciones dentro del recipiente; por el contrario, en la fabricación de acero con EAF, se utiliza energía eléctrica para fundir la chatarra sólida y/o los materiales de DRI. En los últimos tiempos, la tecnología de fabricación de acero con EAF ha evolucionado para acercarse a la fabricación de acero con oxígeno a medida que se introduce más energía química en el proceso. [1]
La fabricación de acero es una de las industrias con mayor emisión de carbono del mundo. En 2020 [actualizar], la fabricación de acero era responsable de aproximadamente el 10 % de las emisiones de gases de efecto invernadero . [2] Para mitigar el calentamiento global , la industria deberá encontrar reducciones significativas en las emisiones. [3]
La fabricación de acero ha desempeñado un papel crucial en el desarrollo de las sociedades tecnológicas antiguas, medievales y modernas. Los primeros procesos de fabricación de acero se realizaron durante la era clásica en la antigua China , la India y Roma .
El hierro fundido es un material duro y quebradizo que es difícil de trabajar, mientras que el acero es maleable, relativamente fácil de moldear y un material versátil. Durante gran parte de la historia de la humanidad, el acero solo se ha fabricado en pequeñas cantidades. Desde la invención del proceso Bessemer en la Gran Bretaña del siglo XIX y los posteriores avances tecnológicos en tecnología de inyección y control de procesos , la producción en masa de acero se ha convertido en una parte integral de la economía global y un indicador clave del desarrollo tecnológico moderno. [4] El primer medio de producción de acero era en una fábrica de acero .
Los métodos de producción de acero de la primera era a menudo una actividad que requería mucha mano de obra y mucha habilidad. Véase:
Un aspecto importante de la Revolución Industrial fue el desarrollo de métodos a gran escala para producir metales forjables ( barras de hierro o acero). El horno de pudling fue inicialmente un medio para producir hierro forjado , pero luego se aplicó a la producción de acero.
La verdadera revolución en la fabricación moderna de acero recién comenzó a fines de la década de 1850, cuando el proceso Bessemer se convirtió en el primer método exitoso de fabricación de acero en grandes cantidades, seguido por el horno de hogar abierto .
Los procesos modernos de fabricación de acero se pueden dividir en tres pasos: primario, secundario y terciario.
La fabricación primaria de acero implica la fundición del hierro para convertirlo en acero. La fabricación secundaria de acero implica la adición o eliminación de otros elementos, como agentes de aleación y gases disueltos. La fabricación terciaria de acero implica la fundición en láminas, rollos u otras formas. Existen múltiples técnicas disponibles para cada paso. [5]
La fabricación de acero con oxígeno básico es un método de fabricación primaria de acero en el que se funde el arrabio rico en carbono y se convierte en acero. Al inyectar oxígeno a través del arrabio fundido, parte del carbono del hierro se convierte en CO−y CO2, convirtiéndolo en acero. Los refractarios ( óxido de calcio y óxido de magnesio) recubren el recipiente de fundición para soportar la alta temperatura y la naturaleza corrosiva del metal fundido y la escoria . La química del proceso se controla para garantizar que se eliminen del metal impurezas como el silicio y el fósforo.
El proceso moderno fue desarrollado en 1948 por Robert Durrer , como un refinamiento del convertidor Bessemer que reemplazó el aire con oxígeno más eficiente . Redujo el costo de capital de las plantas y el tiempo de fundición, y aumentó la productividad laboral. Entre 1920 y 2000, los requisitos de mano de obra en la industria disminuyeron en un factor de 1000, a solo 0,003 horas-hombre por tonelada. En 2013, el 70% de la producción mundial de acero se produjo utilizando el horno de oxígeno básico. [6] Los hornos pueden convertir hasta 350 toneladas de hierro en acero en menos de 40 minutos en comparación con las 10 a 12 horas en un horno de hogar abierto . [7]
La fabricación de acero en hornos de arco eléctrico es la fabricación de acero a partir de chatarra o hierro de reducción directa fundido por arcos eléctricos . En un horno de arco eléctrico, se carga una tanda ("caldera") de hierro en el horno, a veces con un "talón caliente" (acero fundido de una tanda anterior). Se pueden utilizar quemadores de gas para ayudar con la fusión. Al igual que en la fabricación de acero con oxígeno básico, también se añaden fundentes para proteger el revestimiento del recipiente y ayudar a mejorar la eliminación de impurezas. La fabricación de acero en hornos de arco eléctrico normalmente utiliza hornos de una capacidad de alrededor de 100 toneladas que producen acero cada 40 a 50 minutos. [7] Este proceso permite adiciones de aleación más grandes que el método de oxígeno básico. [8]
En el proceso de fabricación de hierro HIsarna, el mineral de hierro se procesa casi directamente para obtener hierro líquido o metal caliente . El proceso se basa en un tipo de alto horno llamado horno convertidor ciclónico , que permite omitir el proceso de fabricación de pellets de arrabio que es necesario para el proceso básico de fabricación de acero con oxígeno . Al no ser necesario este paso preparatorio, el proceso HIsarna es más eficiente energéticamente y tiene una menor huella de carbono que los procesos tradicionales de fabricación de acero. [ cita requerida ]
El acero se puede producir a partir de hierro reducido directamente, que a su vez se puede producir a partir de mineral de hierro al sufrir una reducción química con hidrógeno. El hidrógeno renovable permite fabricar acero sin el uso de combustibles fósiles . En 2021, una planta piloto en Suecia probó este proceso. La reducción directa se produce a 1500 °F (820 °C). El hierro se infunde con carbono (del carbón) en un horno de arco eléctrico . El hidrógeno producido por electrólisis requiere aproximadamente 2600 kWh por tonelada de acero. Se estima que los costos son entre un 20 y un 30 % más altos que los métodos convencionales. [9] [10] [11] Sin embargo, el costo de las emisiones de CO 2 se suma al precio de la producción básica de oxígeno, y un estudio de 2018 de la revista Science estima que los precios se equilibrarán cuando ese precio sea de 68 € por tonelada de CO 2 , que se espera que se alcance en la década de 2030.
La siderurgia secundaria se realiza con mayor frecuencia en cucharas de cocción . Algunas de las operaciones que se realizan en cucharas de cocción incluyen la desoxidación (o "desoxidación"), la desgasificación al vacío, la adición de aleación, la eliminación de inclusiones, la modificación de la química de las inclusiones, la desulfurización y la homogeneización. En la actualidad, es común realizar operaciones metalúrgicas en cucharas de cocción agitadas con gas y con calentamiento por arco eléctrico en la tapa del horno. El control estricto de la metalurgia en cucharas de cocción está asociado con la producción de altos grados de acero en los que las tolerancias en la química y la consistencia son estrechas. [5]
A partir de 2021 [actualizar], se estima que la fabricación de acero es responsable de alrededor del 11% de las emisiones globales de dióxido de carbono y alrededor del 7% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. [12] [13] La fabricación de 1 tonelada de acero emite alrededor de 1,8 toneladas de dióxido de carbono. [14] La mayor parte de estas emisiones son resultado del proceso industrial en el que se utiliza carbón como fuente de carbono que elimina el oxígeno del mineral de hierro en la siguiente reacción química, que ocurre en un alto horno : [15]
Fe 2 O 3 (s) + 3 CO (g) → 2 Fe (s) + 3 CO 2 (g)
Las emisiones adicionales de dióxido de carbono son resultado de la minería, el refinado y el transporte del mineral utilizado, la fabricación de acero con oxígeno básico , la calcinación y el chorro de aire caliente . Las técnicas propuestas para reducir las emisiones de dióxido de carbono en la industria del acero incluyen la reducción del mineral de hierro utilizando hidrógeno verde en lugar de carbono y el despliegue de tecnología de captura y almacenamiento de carbono . [16] Véase a continuación otras estrategias de descarbonización.
La extracción de carbón y mineral de hierro consume mucha energía y provoca numerosos daños ambientales , desde contaminación hasta pérdida de biodiversidad, deforestación y emisiones de gases de efecto invernadero. El mineral de hierro se transporta a grandes distancias hasta las acerías.
Para fabricar acero puro se necesitan hierro y carbono. El hierro por sí solo no es muy resistente, pero una baja concentración de carbono (menos del 1 por ciento, según el tipo de acero) le confiere sus importantes propiedades. El carbono del acero se obtiene del carbón y el hierro del mineral de hierro. Sin embargo, el mineral de hierro es una mezcla de hierro y oxígeno, y otros oligoelementos. Para fabricar acero, es necesario separar el hierro del oxígeno y añadir una pequeña cantidad de carbono. Ambas cosas se consiguen fundiendo el mineral de hierro a una temperatura muy alta (1.700 grados Celsius o más de 3.000 grados Fahrenheit) en presencia de oxígeno (del aire) y un tipo de carbón llamado coque . A esas temperaturas, el mineral de hierro libera su oxígeno, que es arrastrado por el carbono del coque en forma de dióxido de carbono.
Fe 2 O 3 (s) + 3 CO (g) → 2 Fe (s) + 3 CO 2 (g)
La reacción se produce debido al estado energético más bajo (favorable) del dióxido de carbono en comparación con el óxido de hierro, y se necesitan altas temperaturas para lograr la energía de activación para esta reacción. Una pequeña cantidad de carbono se une al hierro, formando arrabio , que es un intermediario antes del acero, ya que tiene un contenido de carbono demasiado alto, alrededor del 4%. [17]
Para reducir el contenido de carbono del arrabio y obtener el contenido de carbono deseado del acero, el arrabio se vuelve a fundir y se le inyecta oxígeno en un proceso llamado fabricación de acero con oxígeno básico , que se lleva a cabo en una cuchara de colada . En este paso, el oxígeno se une al carbono no deseado, llevándolo en forma de gas de dióxido de carbono, una fuente adicional de emisiones. Después de este paso, el contenido de carbono del arrabio se reduce lo suficiente y se obtiene acero.
Otras emisiones de dióxido de carbono resultan del uso de piedra caliza , que se funde a altas temperaturas en una reacción llamada calcinación , que tiene la siguiente reacción química:
CaCO 3 (s) → CaO (s) + CO 2 (g)
El dióxido de carbono es una fuente adicional de emisiones en esta reacción. La industria moderna ha introducido óxido de calcio (CaO, cal viva ) como reemplazo. [18] Actúa como un fundente químico , eliminando impurezas (como azufre o fósforo (por ejemplo, apatita o fluorapatita ) [19] ) en forma de escoria y mantiene bajas las emisiones de CO 2 . Por ejemplo, el óxido de calcio puede reaccionar para eliminar impurezas de óxido de silicio:
SiO2 + CaO → CaSiO3
Esta utilización de piedra caliza como fundente se produce tanto en el alto horno (para la obtención de arrabio) como en la acería básica al oxígeno (para la obtención de acero).
Otras emisiones de dióxido de carbono resultan del soplo caliente , que se utiliza para aumentar el calor del alto horno. El soplo caliente bombea aire caliente al alto horno donde el mineral de hierro se reduce a arrabio, lo que ayuda a lograr la alta energía de activación. La temperatura del soplo caliente puede ser de 900 a 1300 °C (1650 a 2370 °F) dependiendo del diseño y la condición de la estufa. También se pueden inyectar petróleo, alquitrán , gas natural, carbón en polvo y oxígeno en el horno para combinarlos con el coque para liberar energía adicional y aumentar el porcentaje de gases reductores presentes, lo que aumenta la productividad. Si el aire en el soplo caliente se calienta quemando combustibles fósiles, que es a menudo el caso, esto es una fuente adicional de emisiones de dióxido de carbono. [20]
La industria siderúrgica produce entre el 7 y el 8 % de las emisiones de CO2 generadas por el hombre (casi dos toneladas por cada tonelada de acero producida) y es una de las industrias que más energía consume en el planeta. [21] [22] Existen varias estrategias de reducción de carbono y descarbonización en la industria siderúrgica, que dependen del proceso básico de fabricación utilizado. Las opciones se dividen en tres categorías generales: cambiar la fuente de energía de los combustibles fósiles a la eólica y la solar ; aumentar la eficiencia del procesamiento; y nuevos procesos tecnológicos innovadores. Las tres pueden utilizarse en combinación. [ cita requerida ]
El término "acero verde" se utiliza para referirse a la fabricación de acero sin utilizar combustibles fósiles , [23] es decir, productos con cero emisiones . Sin embargo, no todas las empresas que afirman producir acero verde cumplen este criterio. Algunas simplemente reducen las emisiones. [24] Australia produce casi el 40% del mineral de hierro del mundo y el gobierno, a través de la Agencia Australiana de Energías Renovables (ARENA), está ayudando a financiar muchos proyectos de investigación que involucran la fabricación de hierro de reducción directa (DRI) para aumentar la producción de acero y hierro ecológicos. Grandes empresas como Rio Tinto , BHP y BlueScope están desarrollando proyectos de acero ecológico. [25]
Las emisiones de CO2 varían según las fuentes de energía. Cuando se utilizan energías sostenibles como la eólica o la solar para alimentar el proceso, ya sea en hornos de arco eléctrico o para crear hidrógeno como combustible, las emisiones pueden reducirse drásticamente. Los proyectos europeos de HYBRIT, LKAB , Voestalpine y ThyssenKrupp están aplicando estrategias para reducir las emisiones. [26] HYBRIT afirma producir un auténtico "acero verde". [24]
El gas de alta temperatura del alto horno es el gas que normalmente se libera al aire durante la fabricación de acero. Este gas contiene CO2 y también es rico en agentes reductores de H2 y CO. El gas de alta temperatura se puede capturar, el CO2 se puede eliminar y los agentes reductores se pueden reinyectar en el alto horno. [ cita requerida ] Un estudio de 2012 sugirió que este proceso puede reducir las emisiones de CO2 del alto horno en un 75%, [27] mientras que un estudio de 2017 mostró que las emisiones se reducen en un 56,5% con la captura y almacenamiento de carbono, y en un 26,2% si solo se utiliza el reciclaje de los agentes reductores. [28] Para evitar que el carbono capturado entre en la atmósfera, habría que encontrar un método para almacenarlo o utilizarlo.
Otra forma de utilizar el gas de la parte superior sería en una turbina de recuperación superior que luego genere electricidad, que podría utilizarse para reducir la intensidad energética del proceso, si se utiliza la fundición con arco eléctrico. [26] El carbono también podría capturarse de los gases en el horno de coque. A partir de 2022 [actualizar], la separación del CO2 de otros gases y componentes del sistema, y el alto costo de los cambios de equipo e infraestructura necesarios, han mantenido esta estrategia mínima, pero se ha estimado que el potencial de reducción de emisiones es de hasta un 65% a 80%. [29] [26]
Como alternativa, se puede utilizar hidrógeno en un horno de cuba para reducir los óxidos de hierro. Solo se produce agua como subproducto de la reacción entre el óxido de hierro y el hidrógeno, y da como resultado una fabricación de hierro sin emisiones. [30] Conocida como reducción directa de hidrógeno (HDR), es la más destacada entre las tecnologías de acero verde. Se diferencia de los procesos de fabricación de acero convencionales, en los que el carbono del coque se utiliza como reductor (para extraer el oxígeno del mineral de hierro), lo que crea hierro y dióxido de carbono. Cuando el hidrógeno se genera a partir de una fuente de energía renovable como reductor alternativo y combustible, se logra la mayor ganancia en emisiones de CO2 . En 2021, solo ArcelorMittal en Francia, Voestalpine en Austria y TATA en los Países Bajos se comprometieron a utilizar hidrógeno verde para fabricar acero desde cero. [31]
En el proyecto HYBRIT de Suecia se utiliza la tecnología HDR. [32] Sin embargo, este enfoque requiere una cantidad sustancial de energías renovables para producir el hidrógeno renovable necesario. En el caso de la Unión Europea, se estima que la demanda de hidrógeno para la fabricación de acero a base de hidrógeno requeriría 180 GW de capacidad renovable. [33]
Otra posible tecnología en desarrollo es la electrólisis del mineral de hierro, donde el agente reductor son simplemente electrones en lugar de H2 , CO o carbono. [26] Un método para esto es la electrólisis de óxido fundido. Aquí, la celda consta de un ánodo inerte, un electrolito de óxido líquido (CaO, MgO, etc.) y el acero fundido. Cuando se calienta, el mineral de hierro se reduce a hierro y oxígeno. Boston Metal se encuentra en la etapa semiindustrial para este proceso, con planes de alcanzar la comercialización para 2026. [34] Ampliando una planta piloto en Woburn, Massachusetts , y construyendo una instalación de producción en Brasil, fue fundada por los profesores del MIT Donald Sadoway y Antoine Allanore. [35]
Un proyecto de investigación en el que participó la empresa siderúrgica ArcelorMittal probó un tipo diferente de proceso de electrólisis de mineral de hierro en un proyecto piloto llamado Siderwin. [36] Opera a temperaturas relativamente bajas (alrededor de 110 °C), mientras que el proceso Boston Metal opera a temperaturas altas (~1.600 °C). A partir de marzo de 2023, [actualizar]ArcelorMittal está investigando si la empresa desea ampliar la tecnología y construir una planta más grande, y espera una decisión de inversión para 2025. [37]
La chatarra en la fabricación de acero se refiere al acero que ha llegado al final de su vida útil o que se generó durante la fabricación de componentes de acero. El acero es fácil de separar y reciclar debido a su magnetismo inherente y el uso de chatarra evita la emisión de 1,5 toneladas de CO2 por cada tonelada de chatarra utilizada. [38] A partir de 2023 [actualizar], el acero tiene una de las tasas de reciclaje más altas de todos los materiales, y alrededor del 30% del acero del mundo se fabrica a partir de componentes reciclados. Sin embargo, el acero no se puede reciclar para siempre y los procesos de reciclaje, que utilizan hornos de arco, utilizan electricidad. [21]
En el alto horno, los óxidos de hierro se reducen mediante una combinación de CO, H2 y carbono. Solo alrededor del 10% de los óxidos de hierro se reducen mediante H2 . Con el procesamiento de enriquecimiento con H2 , se aumenta la proporción de óxidos de hierro reducidos mediante H2 , de modo que se consume menos carbono y se emite menos CO2. [ 39] Este proceso puede reducir las emisiones en un 20% aproximadamente. [ cita requerida ]
El proceso de fabricación de hierro HIsarna se describió anteriormente como una forma de producir hierro en un "horno convertidor ciclónico" sin los pasos de preprocesamiento de estrangulamiento/aglomeración, lo que reduce las emisiones de CO2 en alrededor de un 20%. [40]
Una idea especulativa es un proyecto en curso de SuSteel para desarrollar una tecnología de plasma de hidrógeno que reduce los óxidos con hidrógeno, en lugar de CO o carbono, y funde el hierro a altas temperaturas de funcionamiento. [26]
En la fabricación de acero, el carbón y el coque se utilizan como combustible y para la reducción del hierro. La biomasa, como el carbón vegetal o los pellets de madera, son un posible combustible alternativo, pero en realidad no reducen las emisiones, ya que la biomasa quemada sigue emitiendo carbono; simplemente proporcionan una " compensación de carbono ", en la que las emisiones se "negocian" a cambio del secuestro de la biomasa de origen, "compensando" las emisiones entre un 5% y un 28% de los valores actuales de CO2 . [ 26] La compensación tiene muy mala reputación a nivel mundial, ya que la tala de árboles para crear los pellets o el carbón vegetal no secuestra el carbono, sino que interrumpe el secuestro natural que proporciona el árbol. La compensación no es reducción. [ cita requerida ]
En general, existen varios métodos innovadores para reducir las emisiones de CO2 en la industria siderúrgica. Algunos de ellos, como la recuperación de gas de superficie y el uso de la reducción de hidrógeno en DRI/EAF, son muy viables con los niveles actuales de infraestructura y tecnología. Otros, como el plasma de hidrógeno [41] y la electrólisis de mineral de hierro [42], todavía se encuentran en la etapa de investigación o semiindustrial.