El proceso de fabricación de hierro de 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 Ciclón (CCF) para la fusión y pre-reducción del mineral y un Recipiente de Reducción por 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 sinterizados, ni la producción de coque , 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% 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 por 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 a la cooperación entre los antiguos Corus (ahora Tata Steel ) y el Grupo Rio Tinto . [8] Estos últimos contribuyeron con su tecnología HIsmelt (abreviatura de " fundición de alta intensidad ") [9] al diseño final de la instalación, lo que motivó el nombre de HIsarna para el proceso ("HI" de "alta intensidad" y "sarna" de Isarna , palabra celta que significa hierro ). [4] [10] [11]
HIsarna se considera uno de los avances más prometedores en la reducción de las emisiones de CO 2 de la industria del acero. [12]
Los primeros intentos de aplicar la tecnología de hornos ciclónicos en la reducción de mineral de hierro tuvieron lugar en Koninklijke Hoogovens en los años 60. 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 lograron que funcionara correctamente y el experimento fue rápidamente abandonado. [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 sinterizado. En aquel momento el deseo era principalmente 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 en un segundo plano hasta principios de la década de 1990.
A principios de la década de 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 económica. Las fuertes restricciones ambientales hicieron poco atractivo la construcción de nuevas instalaciones, por lo que los productores de acero buscaron formas de reducir la necesidad de coque; Hoogovens comenzó a poner más esfuerzo en la tecnología de ciclones como 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 ] , por lo que cuando los productores de acero actuaron masivamente para reemplazar parte del coque por inyección de carbón en polvo y China comenzó a producir coque en masa, el proyecto volvió a perder impulso. La fuerte caída de los precios de las materias primas alrededor de 1999 provocó la interrupción del proyecto. [2]
Sin embargo, en 2004, la Unión Europea presionó a la industria siderúrgica para que redujera su huella de carbono; A raíz de ello se fundó el consorcio ULCOS y en el período 2005-2007 se seleccionó la tecnología ciclónica 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 añadió 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 totalidad de 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 producir 65.000 toneladas de arrabio al año. [10] [11] Una primera campaña de experimentos se completó en la primavera de 2011, a la que siguieron tres campañas experimentales más exitosas. La segunda y la tercera campaña fueron cofinanciadas por el Fondo de Investigación del Carbón y del Acero (RFCS). [14] La cuarta campaña finalizó en junio de 2014. La quinta campaña comenzó en otoño de 2017. [15] [16] Este proyecto está financiado en parte por el Programa Marco Horizonte 2020 de la UE, como parte del segundo Programa de Industria Sostenible Baja Ronda de financiación de carbono (SILC-II). [17] [18] [19]
El proceso HIsarna es un proceso de reducción por fundición con dos etapas de proceso directamente acopladas en las que tiene lugar la producción de arrabio líquido.
Es una combinación de un horno convertidor ciclónico (CCF) [20] que se coloca encima del recipiente de reducción de fundición (SRV), formando un proceso continuo de una sola vez. La planta HIsarna tiene forma de botella de vino: una "botella" en la parte inferior y un fino "cuello" 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 oxígeno (por lo que el oxígeno se inyecta en la parte superior en lugar de en la parte inferior). La temperatura en el ciclón provoca 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 gotean entonces por la pared del horno hasta el lugar donde el "cuello" se ensancha hasta convertirse en la "botella". Aquí las gotas caen desde la pared hacia la escoria fundida, que se encuentra encima del 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 quemando parcialmente los gases que se liberan en la etapa de reacción de reducción final que tiene lugar en la escoria. Se inyecta carbón en polvo en la capa de escoria, también a través de lanzas enfriadas por agua. La reacción de reducción ahora continúa "normalmente" en el fondo del horno, con el mineral de hierro parcialmente reducido reduciéndose aún más a arrabio normal y todo separándose 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 carbón en polvo solo, ya que se requiere la fuerza del coque para soportar la carga. En comparación, en HIsarna, la forma en polvo del carbón y el mineral son una ventaja porque el aumento de la superficie mejora la velocidad y la calidad de la reacción de reducción en el ciclón. [2] [4]
Sin embargo, las principales ventajas del proceso se derivan de las mencionadas anteriormente: 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, quienes están siendo presionados para que sus procesos sean más respetuosos con el medio ambiente, particularmente en Europa , donde las regulaciones gubernamentales imponen cada vez más una penalización financiera a los altos niveles de contaminación. 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 medioambientales incluyen una reducción significativa de otras emisiones como NO x , SO x y polvo fino. [22] Se pueden lograr reducciones de las emisiones de CO 2 de más del 50% sustituyendo parte del carbón por biomasa sostenible y utilizando chatarra de acero en el proceso. [5] [6]
Además de los beneficios medioambientales directos, HIsarna también ofrece beneficios económicos. [22] El proceso es capaz de 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, ya 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 planea desarrollar el proceso de tal manera que se pueda recuperar zinc, [24] con el apoyo de EIT RawMaterials, y se pueda capturar CO 2 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 seguiría siendo un lugar potencial para una mayor implementación industrial de La tecnología. [27] [28]