Ny kinesisk jernproduktionsmetode omdanner timer til sekunder

Jern er stadig kongen af metaller

When discussing manufacturing innovation, the attention tends to be concentrated on high tech (robotik, 3D-print) or on rare metals and materials, like wolfram, titanium, rhodium, etc. (follow the links for detailed investment reports for each).

I sidste ende ændrer disse fremskridt, selvom de er vigtige, ikke på det faktum, at størstedelen af de materialer, vi bruger, er meget enklere – og intet metal er så essentielt for det moderne liv som jern.

Jern og stål er nøglematerialer, der kræves i enorme mængder til infrastruktur (broer, armeret beton osv.), logistik og transport (biler, jernbaner, tog, havne, skibe) samt utallige industrielle anvendelser (rør, lagertanke, ovne osv.).

Jernoxider kan stamme fra mineraler som hematit, limonit, magnetit, pyrit, goethit og flere, og cirka 90 % af al metal, der i dag raffineres, er jern.

Kilde: FTM Machinery

Heldigvis er jern meget udbredt på Jorden (5 % af jordens skorpe efter vægt) og i universet generelt. At omdanne det til en brugbar form kan dog være en meget energikrævende og tidskrævende proces. Derfor er det store nyheder, at kinesiske forskere har annonceret, at de har fundet en metode til at øge et centralt trin i jernfremstillingen, med en produktivitetsforøgelse på 3.600‑fold.

Hvordan fremstilles jern?

Rent jern produceres fra jernrig malm, som omdannes til renere metal gennem smelteprocessen.

Fra den primitive, lavtemperatur-smelteovn fra antikken blev der i middelalderen og i moderne tid udviklet mere avancerede ovne for at producere jern mere effektivt ved temperaturer på op til 1.400° til 1.500° C (2.550° til 2.700° F). Dette varme, rensede jern sendes ofte direkte til stålværket til stålproduktion, hvilket reducerer varmetab.

Selv med moderne metoder er jernsmeltning i højovne en lang proces, der tager 5‑6 timer. Det gør den meget energikrævende, da den høje temperatur skal opretholdes gennem hele processen, typisk ved brug af kul eller naturgas.

Dette gør også jern- og stålproduktion til en stor forbruger af fossile brændstoffer og en lige så stor udleder af drivhusgasser. Jern- og stålproduktion er ansvarlig for op til 7 % af de samlede CO2-udledninger, mere end hele EU’s udledninger.

I dag er størstedelen af den globale stålproduktion placeret i Kina, som producerer mere end 55 % af verdens samlede stålproduktion, efterfulgt af Indien (7 % af den samlede stålproduktion).

Kilde: GMK Center

Både Kina og Indien bruger fortrinsvis kul til at producere jern og stål, hvilket gør deres produktionsprocesser til særligt store CO2-udledere.

Kan hydrogen erstatte kul?

For at erstatte kul er der blevet foreslået grønne stålproduktionsmetoder, hvor den bedste kandidat er at bruge hydrogen i stedet for kul for at nå de nødvendige høje temperaturer.

Problemet er, at indtil videre kan kun meget høj‑kvalitets jernmalm anvendes med hydrogen. Billigere malm med lavere jernindhold ville være påkrævet for at kompensere for de højere omkostninger ved hydrogen sammenlignet med kul.

Dette er sandt, i hvert fald i højovne, men en ny proces, kaldet flash-jernsmeltning, kunne være anderledes.

Flash-jern

Processen blev beskrevet af den kinesiske forsker professor Zhang Wenhai og hans team i et papir offentliggjort i det fagfællebedømte tidsskrift Nonferrous Metals. Det hævder at fuldføre jernfremstillingsprocessen på blot tre til seks sekunder, sammenlignet med de fem til seks timer, som traditionelle højovne kræver.

Hovedideen er, at i stedet for at bruge små pellets af jernmalm, males den til et støv af meget små partikler. Dette gør reaktionen, der omdanner jernmalm til rent jern, næsten øjeblikkelig, mere som en eksplosion end en langsom smeltning af malmen.

Dette resulterer i en flash-oxidation af partiklerne på få sekunder.

Kilde: MDPI

Jernvortexlanse

At reducere jernmalmen til fine partikler er ikke et særlig svært trin eller kompleks teknologi. Det, der er meget mere udfordrende, er at injicere den i smelteovnen sikkert og effektivt.

For at løse dette problem har professor Zhang’s team udviklet en vortexlanse, der kan injicere 450 ton jernmalmspartikler per time. En reaktor udstyret med tre sådanne lanser producerer 7,11 millioner ton jern årligt.

Endnu vigtigere er, at denne teknologi ikke kun er et laboratorieeksperiment, men allerede er på vej ind i kommerciel produktion.

Dette har ikke været en hurtig succes, men resultatet af langsigtede bestræbelser, der startede i 2013, da Zhang’s team opnåede et patent på en flash-smelte-teknologi, der kan producere flydende jern direkte. Det tog ti år at forfine metoden og skalere den op til en pilotplant, hvilket demonstrerede, at sikker produktion i stor skala var mulig.

Kilde: News.com.au

Det bør også bemærkes, at professor Zhang har erfaring med at ændre metallurgisk videnskab. Han revolutionerede kobberproduktionen med en lignende flash-smelte-teknik, som han anvendte på kobber i 1970’erne. Han modtog førstepræmien ved National Science and Technology Progress Award i 2000 og blev valgt ind i den kinesiske akademi for ingeniørvidenskab i 2003.

Kinas strategiske mål

CO2-udledninger

Da Kina er den globale leder inden for stålproduktion, har den store afhængighed af kul i denne proces hæmmet landets ambitioner om at reducere CO2-udledninger. Det gør også industrien stærkt afhængig af importeret kul, især fra Australien.

Derfor har Kina et stærkt incitament til at udvikle alternative metoder og implementere dem hurtigt, især hvis de muliggør brug af hydrogen i stedet. Kombineret med sin rolle som leder inden for grøn energiproduktion er Kina i en god position til at blive førende inden for grøn stålproduktion.

Omformer globale jernmarkeder?

En anden ting, der gør denne metode unik, er, at den fungerer meget godt for lav‑ eller mellem‑udbytte malme. Dette kunne fuldstændigt omforme de globale jernmarkeder.

I øjeblikket er høj‑kvalitets, jernrig malm fra Australien den primære forsyning af jern til kinesiske smelteværker og stålværker.

Kilde: S&P Global

Hvis flash-jernsmeltning med hydrogen anvendes til at erstatte kul‑drevne højovne, kunne den indenlandske forsyning af lavere‑kvalitets jernmalm i stedet benyttes.

Forholdet mellem Kina og Australien har gradvist forværret sig i det sidste årti, på trods af Kinas afhængighed af australsk jern. For eksempel blev jern i 2020‑handelskrigen med Australien udelukket fra sanktionerne på grund af landets høje afhængighed af det. Så at løse denne sårbarhed kan betragtes som et strategisk imperativ for Kina, uanset den økonomiske beregning.

Jernmineselskab

Vale

Et fald i omkostningerne ved jernsmeltning og CO2‑udledninger kunne gøre stål til et endnu mere populært materiale end i dag. Når det gælder minedrift, er skala og god geologi alt, da lave produktionsomkostninger muliggør højere fortjeneste og sikkerhed under nedture, som er uundgåelige på råvaremarkederne.

Det brasilianske selskab Vale er verdens største producent af jern og nikkel, med i alt 323‑330 millioner ton produceret i 2024.

Selskabet producerer også metaller, der er relevante for “energiomstillingen”, såsom kobber. Selvom disse metaller kan være vigtige for fremtiden, er jern i øjeblikket kernen i virksomheden.

Selskabet var tidligere mere diversificeret, men har i de senere år fokuseret på jern, efter at have solgt aktiver for 2 milliarder dollars i forskellige andre metalminer og andre råvarer som palmeolie.

Kilde: Vale

Stor aktivbase

Vale kvalificerer sig som et mellemstort forsyningsselskab, der driver sin egen jernbane, tog, havne og skibe til at transportere malm fra udvinding til levering til kunder.

Det producerer også en stor del af sin egen energi, da det opererer i fjerntliggende regioner og ikke kan stole på den brasilianske regering til at udføre sit arbejde korrekt, især i betragtning af dets enorme energibehov.

Dette blev typisk gjort med vandkraft, da minedrift ikke er så forskellig fra vandkraftbyggeri (jordarbejde, sprængning af sten, enorme mængder beton, tungt maskineri, mega byggeprojekter, håndtering af regn osv.).

Disse infrastrukturer suppleres af virksomhedens F&U‑center, laboratorier, hundredvis af geologer, træningscentre osv.

Overvinde tidligere forpligtelser

En stor risiko ved et enormt mineselskab som Vale er en stor ulykke, der forårsager omfattende skader.

Det var, hvad der skete i 2015, med en enorm katastrofe efter, at en af Vale’s damme kollapsede. Og derefter en lignende hændelse i 2019.

Oversvømmelsen forårsagede Brasiliens hidtil værste miljøkatastrofe, dræbte 19 personer og påvirkede 39 kommuner på tværs af to stater, som blev begravet i minedriftsaffald.

Siden da er mange lignende damme blevet repareret og/eller forbedret for at undgå en ny katastrofe i regntiden.

Selskabet har også ændret sin drift ved at have investeret 2,5 milliarder dollars i fire filtreringsanlæg for at skabe tør affald (det knuste sten, støv og mudder) i stedet for vådt affald, der kræver damme. Så i fremtiden vil jernminedrift ikke længere skabe den slags affald, der overhovedet kræver damme.

Selskabet arbejder også aktivt på at genoprette sit image og insisterer på, hvordan dets minedrift, kombineret med en stor naturreserve finansieret af virksomheden, er en væsentlig bidragyder til at bevare den brasilianske regnskov, mens andre områder er omdannet til græsningsområder i regionen.

Kilde: Vale

Alt i alt er Vale nu ved at komme sig over sine tidligere problemer med økologiske katastrofer og bliver et af Brasiliens mest værdifulde aktiver samt en central leverandør af jern til verden, og især til Kina, et land som Brasilien knytter dybere bånd til gennem BRICS‑handelsnetværket.