0.10 Alternativa processvägar för järnframställning

Masugnen har en dominerande ställning som järnframställningsprocess. Av världens årliga totala råjärnsproduktion på cirka 550 miljon ton står masugnen för cirka 95%. Resterande 5% produceras i direktreduktionsprocesser. Stora förhoppningar har funnits att direktreduktionsprocesserna skulle byggas ut snabbt för att ersätta skrot vid skrotbaserad stålframställning och därigenom ta stora andelar från masugnen. Det sker visserligen en hygglig årlig tillväxt av direktreduktionskapacitet men det tycks svårt att hota masugnens dominerande ställning. En annan typ av ny reduktionsprocess är smältreduktion. Den har också spåtts en möjlighet att konkurrera ut masugnen men ännu har ingen dylik process etablerats industriellt.

Vid direktreduktion framhålls järnsvamp eller som det också kallas DRI (Direct Reduced Iron). Definitionen av DRI är en järnprodukt som nått minst en 80%-ig metalliseringsgrad.

Produkten är avsedd att komplettera eller ersätta skrot i de processvägar som startar med skrot. I praktiken innebär detta att DRI-produkterna sätts in i ljusbågsugn som råvara för stålframställningen.

Den totala DRI-produktionen på cirka 35 miljon ton per år görs huvudsakligen i två processer kallade Midrex och Hyl III. Båda processerna arbetar efter följande principer. Malmen består i regel av pellets med hög halt Fe. Styckemalm är ett alternativ men används enbart i liten utsträckning. Reduktionen sker i ett schakt där godset transporteras nedåt och möter reduktionsgasen. Reduktionsgasens ursprung är naturgas som reformerats så att den huvudsakligen består av H₂ och CO enligt formlerna nedan.

CH₄ + CO₂ → 2H₂ + 2CO
CH₄ + H₂O → 3H₂ + CO

Reduktionen sker i fast fas, det vill säga järnet smälter ej, vid temperaturer kring 900 °C – 1000 °C.

Fördelar med metoderna är att man kan använda naturgas. Lokaliseringen av DRIverk blir därför till platser där man har tillgång till billig naturgas. En annan drivkraft för nya DRI-verk är att skalan kan göras mindre än vid investering i en ny masugn. Produkten kan också användas direkt in i ljusbågsugnen som ett alternativ till skrot.

När processerna introducerades i slutet av 1970-talet spåddes en snabb tillväxt av kapaciteten som dock har uteblivit. Metodernas nackdelar ligger i att man måste ha en mycket bra råvara, pellets med hög Fe-halt, vilket ofta innebär långa transporter. Rent tekniskt måste man ta hänsyn till att det alltid finns en risk att materialet när det reducerats till Fe genom sintring klibbar ihop. En annan teknisk problematik är att det färdiga materialet på grund av sin stora yta kan återoxideras vilket kan få katastrofala följder.

Vid relativt små årsvolymer upp till en miljon ton är investeringskostnaden lägre för järnsvampsprocesserna än för investering i en ny masugn. Vid stora årsvolymer över 3 à 4 miljoner ton är masugnens investeringskostnad lägre. Driftkostnaderna för järnsvampproduktionen blir högre än jämfört med masugnen vilket i huvudsak beror på att man arbetar i mindre skala. DRI-verken byggs därför idag där man har ett lokalt begränsat behov av råvara för ”skrotbaserad” ståltillverkning och där gaspriserna är låga.

Där målet har varit att ersätta masugnen har de flesta processidéer som kommit fram, vid sidan om järnsvampprocesserna, varit olika typer av smältreduktion. Gemensamt för smältreduktions-processer är att reduktionen av järnmalmen sker i smält fas. Finkornig slig och finkornigt kol läggs på eller blandas ner i en Fe-smälta. Den höga temperaturen över 1500ºC och fina kornstorlekar borgar för en snabb reaktion och därmed en mycket produktiv process. Till detta kommer att malmen inte behöver agglomereras och sintras. Att direkt använda finkornig slig är mycket kostnadsbesparande. Även kolråvaran blir väsentligt billigare, eftersom icke koksande kol, olja eller biobränsle kan användas.

Det metallurgiska förloppet vid smältreduktion är enkelt:

Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO

Teoretiskt krävs 322 kg kol per ton Fe samt 1989 kWh/ton Fe vid 1600ºC. Reaktionen är således endoterm (kräver värme). I detta ligger ett hittills ej praktiskt överkomligt problem. Mycket värme måste tillföras. Teoretiskt kunde man erhålla denna värme om den frigjorda CO-gasen förbrändes med syre. Det är emellertid svårt att lösa hur denna värme skall kunna återvinnas till badet. Man har inte klarat de infodringsproblem som uppstår och man förbränner CO-gasen direkt ovan badet, vilket vore det enklaste. Man har utan framgång provat olika ytterligheter som att förbränna i en skummande slagg eller att omvandla värmen i CO-gasen till elenergi och föra tillbaka elenergin induktivt eller som plasma till smältan.

Den smältreduktionsprocess som har kommit längst är Corex där kol och syre tillförs i en lans ovan badytan. CO-gasen omvandlas till el-energi eller används på annat sätt. I Corex-processen är en stor andel av malmråvaran agglomererad. Med högre bränsleförbrukning, högre driftkostnader och högre investeringskostnader per ton än masugnen har Corex svårt att konkurrera ut masugnen. Slutsatsen är att man i praktiken idag inte har någon process som i stor skala kan ersätta masugnen. Kvar står dock att masugnens akilleshälar med höga förbehandlingskrav på råvarorna, malm och kol, samt den låga produktiviteten per volymsenhet borde innebära ett utrymme för en smältreduktionsprocess.