La siderurgia es el proceso de producir acero a partir de mineral de hierro y/o chatarra . En la fabricación de acero, las impurezas como nitrógeno , silicio , fósforo , azufre y el exceso de carbono (la impureza más importante) se eliminan del hierro obtenido, 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 escala masiva hasta mediados del siglo XIX . Un antiguo proceso de fabricación de acero fue 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 .
Hoy en día existen dos procesos comerciales principales para fabricar acero: la fabricación de acero con oxígeno básico , que utiliza arrabio líquido del alto horno y chatarra de acero como principales materiales de alimentación, y la fabricación de acero en horno de arco eléctrico (EAF), que utiliza chatarra de acero o acero directo . hierro reducido (DRI) como principal materia prima. La fabricación de acero con oxígeno se debe principalmente a la naturaleza exotérmica de las reacciones dentro del recipiente; por el contrario, en la fabricación de acero EAF, se utiliza energía eléctrica para fundir la chatarra sólida y/o los materiales DRI. En los últimos tiempos, la tecnología de fabricación de acero EAF ha evolucionado más cerca de 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 es responsable de aproximadamente el 10% de las emisiones de gases de efecto invernadero . [2] Para mitigar el calentamiento global , la industria necesitará encontrar reducciones significativas en las emisiones. [3]
La producción 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 el Antiguo Egipto , [ cita requerida ] la antigua China , 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 sólo se ha fabricado en pequeñas cantidades. Desde la invención del proceso Bessemer en Gran Bretaña del siglo XIX y los posteriores desarrollos 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] La primera forma de producir acero fue en una florería .
Los primeros métodos modernos de producción de acero eran a menudo artes altamente cualificadas y que requerían mucha mano de obra. Ver:
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 charco fue inicialmente un medio para producir hierro forjado , pero luego se aplicó a la producción de acero.
La verdadera revolución en la fabricación de acero moderna no comenzó hasta finales 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 fundir hierro para convertirlo en acero. La fabricación secundaria de acero implica agregar o eliminar otros elementos, como agentes de aleación y gases disueltos. La fabricación de acero terciario implica la fundición en láminas, rollos u otras formas. Hay múltiples técnicas disponibles para cada paso. [5]
La fabricación de acero con oxígeno básico es un método de fabricación de acero primario en el que el arrabio rico en carbono se funde y se convierte en acero. Soplar oxígeno a través del arrabio fundido convierte parte del carbono del hierro en CO−y compañía
2, convirtiéndolo en acero. Los refractarios ( óxido de calcio y óxido de magnesio ) recubren el recipiente de fundición para resistir 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 reemplazaba 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, las necesidades de mano de obra en la industria disminuyeron en un factor de 1.000, a sólo 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 de un horno de solera abierta . [7]
La fabricación de acero con horno de arco eléctrico es la fabricación de acero a partir de chatarra o hierro de reducción directa fundido mediante arcos eléctricos . En un horno de arco eléctrico, se carga en el horno una tanda ("calor") de hierro, a veces con un "talón caliente" (acero fundido de un calor anterior). Se pueden utilizar quemadores de gas para ayudar con el derretimiento. 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 con hornos de arco eléctrico suele utilizar hornos con 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 básico de oxígeno. [8]
En el proceso de fabricación de hierro de HIsarna, el mineral de hierro se procesa casi directamente en hierro líquido o metal caliente . El proceso se basa en un tipo de alto horno llamado horno convertidor ciclónico , que permite saltarse el proceso de fabricación de pellets de arrabio que es necesario para el proceso básico de fabricación de acero con oxígeno . Sin la necesidad de este paso preparatorio, el proceso HIsarna es más eficiente energéticamente y tiene una huella de carbono menor que los procesos tradicionales de fabricación de acero. [ cita necesaria ]
El acero se puede producir a partir de hierro de reducción directa, que a su vez se puede producir a partir de mineral de hierro a medida que se somete a reducción química con hidrógeno. El hidrógeno renovable permite fabricar acero sin utilizar 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 coste de las emisiones de CO 2 aumenta el precio de la producción básica de oxígeno, y un estudio de 2018 de la revista Science estima que los precios alcanzarán el punto de equilibrio cuando ese precio sea de 68 € por tonelada de CO. 2 , que se espera alcanzar en la década de 2030.
La fabricación secundaria de acero se realiza más comúnmente en cucharas . Algunas de las operaciones realizadas en cucharas incluyen desoxidación (o "muerte"), desgasificación al vacío, adición de aleaciones, eliminación de inclusiones, modificación de la química de las inclusiones, desulfuración y homogeneización. Actualmente es común realizar operaciones metalúrgicas de cuchara en cucharas agitadas por gas con calentamiento por arco eléctrico en la tapa del horno. El control estricto de la metalurgia de cuchara está asociado con la producción de acero de alta calidad en el que las tolerancias químicas y de consistencia son estrechas. [5]
A partir de 2021 [actualizar], se estima que la fabricación de acero será 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] Fabricar 1 tonelada de acero emite alrededor de 1,8 toneladas de dióxido de carbono. [14] La mayor parte de estas emisiones resulta 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 resultan de la extracción, la refinación y el envío del mineral utilizado, la fabricación de acero con oxígeno básico , la calcinación y la explosión caliente . La captura y utilización de carbono o la captura y almacenamiento de carbono son técnicas propuestas para reducir las emisiones de dióxido de carbono en la industria del acero y la reducción del mineral de hierro utilizando hidrógeno verde en lugar de carbono. [16] Véase más abajo para conocer más estrategias de descarbonización.
La minería de carbón y mineral de hierro consume mucha energía y provoca numerosos daños ambientales , desde la contaminación hasta la pérdida de biodiversidad, la deforestación y las emisiones de gases de efecto invernadero. El mineral de hierro se envía a grandes distancias hasta las acerías.
Para fabricar acero puro se necesitan hierro y carbono. Por sí solo, el hierro no es muy fuerte, pero una baja concentración de carbono (menos del 1 por ciento, dependiendo del tipo de acero) le da al acero 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, oxígeno y otros oligoelementos. Para fabricar acero, es necesario separar el hierro del oxígeno y añadir una pequeña cantidad de carbono. Ambos se logran derritiendo 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 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 ocurre 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 en el arrabio y obtener el contenido de carbono deseado del acero, el arrabio se vuelve a fundir y se sopla oxígeno en un proceso llamado fabricación de acero con oxígeno básico , que se produce en una cuchara . En este paso, el oxígeno se une al carbono no deseado, llevándolo en forma de gas dióxido de carbono, una fuente adicional de emisiones. Después de este paso, el contenido de carbono en el 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 el óxido de calcio (CaO, cal viva ) como sustituto. [18] Actúa como 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 las impurezas de óxido de silicio:
SiO 2 + CaO → CaSiO 3
Este uso de la piedra caliza para proporcionar un fundente se produce tanto en el alto horno (para obtener arrabio) como en la acería básica al oxígeno (para obtener acero).
Otras emisiones de dióxido de carbono resultan de la corriente caliente , que se utiliza para aumentar el calor del alto horno. La ráfaga caliente bombea aire caliente al alto horno donde el mineral de hierro se reduce a arrabio, lo que ayuda a lograr una alta energía de activación. La temperatura del chorro de calor puede ser de 900 °C a 1300 °C (1600 °F a 2300 °F) dependiendo del diseño y la condición de la estufa. También se pueden inyectar en el horno petróleo , alquitrán , gas natural , carbón en polvo y oxígeno para combinarlos con el coque y liberar energía adicional y aumentar el porcentaje de gases reductores presentes, aumentando la productividad. Si el aire de la ráfaga de calor se calienta quemando combustibles fósiles, como ocurre a menudo, se produce una fuente adicional de emisiones de dióxido de carbono. [20]
Existen varias estrategias de reducción y descarbonización de carbono en la industria siderúrgica, dependiendo del proceso de fabricación básico utilizado, de los cuales el alto horno/horno básico de oxígeno (BF/BOF) es actualmente el proceso dominante. 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. La mayoría de estos últimos se encuentran todavía en etapas especulativas o experimentales.
Las emisiones de CO 2 varían según las fuentes de energía. Cuando se utiliza energía sostenible como la eólica o la solar para impulsar el proceso, en hornos de arco eléctrico, o para crear hidrógeno como combustible, las emisiones se pueden reducir drásticamente. Los proyectos europeos de HYBRIT, LKAB , Voestalpine y ThyssenKrupp siguen esta estrategia. [21]
El gas superior del alto horno es el gas que normalmente se expulsa al aire durante la fabricación de acero. Este gas contiene CO 2 y también es rico en agentes reductores de H 2 y CO. El gas superior puede capturarse, eliminarse el CO 2 y reinyectarse los agentes reductores en el alto horno.
Un estudio afirma que este proceso puede reducir las emisiones de CO 2 BF en un 75%, [22] otro estudio afirma que las emisiones se reducen en un 56,5% con la captura y almacenamiento de carbono y se reducen en un 26,2% si solo se utiliza el reciclaje de los agentes reductores. . [23] 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 superior sería en una turbina de recuperación superior que luego genera electricidad, que podría usarse para reducir la intensidad energética del proceso, si se utiliza fundición por arco eléctrico. [21] El carbono también podría capturarse de los gases en el horno de coque. Actualmente, la separación del CO2 de otros gases y componentes del sistema, y el alto costo de los equipos y cambios de infraestructura necesarios, han mantenido esta estrategia al mínimo, pero se ha estimado que el potencial de reducción de emisiones es de entre un 65% y un 80%. . [24] [21]
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 CO 2 por cada tonelada de chatarra utilizada. [25] Actualmente, el reciclaje de acero es elevado y toda la chatarra que se recoge también se recicla en la industria del acero.
En el alto horno, los óxidos de hierro se reducen mediante una combinación de CO, H2 y carbono. Sólo alrededor del 10% de los óxidos de hierro se reducen con H2 . Con el procesamiento de enriquecimiento con H2 , la proporción de óxidos de hierro reducidos por H2 aumenta , de modo que se consume menos carbono y se emite menos CO2 . [26] Este proceso puede reducir las emisiones en aproximadamente un 20%.
Alternativamente, se puede utilizar hidrógeno en un horno de cuba para reducir los óxidos de hierro. Esto permite depender únicamente del hidrógeno (o gas natural) para la reducción, por lo que permite emisiones casi nulas. Esta tecnología se emplea en el proyecto HYBRID en Suecia. Sin embargo, este enfoque requiere una cantidad sustancial de energías renovables para producir el hidrógeno renovable necesario. Para la Unión Europea, se estima que la demanda de hidrógeno para la fabricación de acero basada en hidrógeno requeriría 180 GW de capacidad renovable. [27]
El proceso de fabricación de hierro de HIsarna se describió anteriormente como una forma de producir hierro en un horno convertidor ciclónico sin los pasos previos al procesamiento de asfixia/aglomeración, lo que reduce las emisiones de CO 2 en aproximadamente un 20 %. [28]
Una idea especulativa es un proyecto en curso de SuSteel para desarrollar una tecnología de plasma de hidrógeno que reduzca los óxidos con hidrógeno, a diferencia de CO o carbono, y funda el hierro a altas temperaturas de funcionamiento. [21] Este proyecto aún se encuentra en la etapa de desarrollo.
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. [21] Un método para esto es la electrólisis de óxido fundido. En este caso, la celda consta de un ánodo inerte, un electrolito de óxido líquido (CaO, MgO, etc.) y acero fundido. Cuando se calienta, el mineral de hierro se reduce a hierro y oxígeno. Boston Metal se encuentra en la etapa semiindustrial de este proceso, con planes de alcanzar la comercialización en 2026. [29] 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 Allanoré. [30]
Un proyecto de investigación en el que participó la empresa siderúrgica ArcelorMittal probó un tipo diferente de proceso de electrólisis del mineral de hierro en un proyecto piloto llamado Siderwin. [31] Opera a temperaturas relativamente bajas (alrededor de 110°C), mientras que el proceso Boston Metal opera a temperaturas altas (~1.600°C). ArcelorMittal está investigando actualmente si la empresa quiere ampliar la tecnología y construir una planta más grande, y espera una decisión de inversión para 2025. [32]
En la fabricación de acero, el carbón y el coque se utilizan para reducir el combustible y el 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, sino que simplemente proporciona una " compensación de carbono ", en la que las emisiones se "negocian" por el secuestro de la fuente. biomasa, "compensando" las emisiones entre un 5% y un 28% de los valores actuales de CO 2 . [21]
La compensación tiene muy mala reputación a nivel mundial, ya que la tala de árboles para crear pellets o carbón no secuestra carbono, sino que interrumpe el secuestro natural que proporcionaba el árbol. La compensación no es la reducción.
En general, existen varios métodos innovadores para reducir las emisiones de CO 2 dentro de la industria siderúrgica. Algunas de ellas, como la recuperación de gas superior y el uso de reducción de hidrógeno en DRI/EAF, son altamente factibles con los niveles actuales de infraestructura y tecnología. Otros, como el plasma de hidrógeno y la electrólisis del mineral de hierro, aún se encuentran en etapa de investigación o semiindustrial. A pesar de estos esfuerzos, las emisiones procedentes de la fabricación de acero no disminuirán en 2023. [ cita necesaria ]