Neue chinesische Eisenproduktionsmethode verwandelt Stunden in Sekunden

Eisen ist immer noch der König der Metalle

When discussing manufacturing innovation, the attention tends to be concentrated on high tech (Robotik, 3D-Druck) or on rare metals and materials, like Wolfram, Titan, Rhodium, etc. (den Links folgen detaillierte Investitionsberichte für jedes).

Letztendlich ändern diese Fortschritte, so wichtig sie auch sind, nichts an der Tatsache, dass der Großteil der von uns genutzten Materialien viel einfacher ist – und kein Metall ist für das moderne Leben so unverzichtbar wie Eisen.

Eisen und Stahl sind Schlüsselmaterialien, die in riesigen Mengen für Infrastruktur (Brücken, Stahlbeton usw.), Logistik und Transport (Autos, Eisenbahnen, Züge, Häfen, Schiffe) sowie unzählige industrielle Anwendungen (Rohre, Lagertanks, Öfen usw.) benötigt werden.

Eisenoxide können aus Mineralien wie Hämatit, Limonit, Magnetit, Pyrit, Goethit und weiteren stammen, und etwa 90 % aller heute raffinierten Metalle sind Eisen.

Quelle: FTM Machinery

Glücklicherweise ist Eisen auf der Erde (5 % der Erdkruste nach Gewicht) und im Universum insgesamt sehr reichlich vorhanden. Das Umwandeln in eine nutzbare Form kann jedoch ein sehr energieintensiver und zeitaufwändiger Prozess sein. Daher ist es eine große Neuigkeit, dass chinesische Forscher angekündigt haben, dass sie ein Verfahren gefunden haben, um einen zentralen Schritt in der Eisenherstellung zu beschleunigen, mit einer Produktivitätssteigerung von 3.600‑fach.

Wie wird Eisen hergestellt?

Reines Eisen wird aus eisenreichem Erz gewonnen, das durch das Schmelzverfahren in reineres Metall umgewandelt wird.

Vom primitiven, niedrigtemperaturigen Schmelzofen der Antike wurden im Mittelalter und in der Moderne fortschrittlichere Öfen entwickelt, die Eisen bei Temperaturen von bis zu 1.400 ° bis 1.500 °C (2.550 ° bis 2.700 °F) effizienter produzieren. Dieses heiße, gereinigte Eisen wird häufig direkt an das Stahlwerk zur Stahlerzeugung weitergeleitet, wodurch Wärmeverluste reduziert werden.

Selbst mit modernen Verfahren ist das Eisenschmelzen in Hochöfen ein langer Prozess, der 5–6 Stunden dauert. Das macht ihn sehr energieintensiv, da die hohe Temperatur während des gesamten Prozesses aufrechterhalten werden muss, üblicherweise mit Kohle oder Erdgas.

Dies macht die Eisen- und Stahlproduktion zudem zu einem großen Verbraucher fossiler Brennstoffe und zu einem ebenso großen Emittenten von Treibhausgasen. Eisen- und Stahlproduktion sind für bis zu 7 % der gesamten CO₂-Emissionen verantwortlich, mehr als die gesamten Emissionen der EU.

Heute befindet sich der Großteil der weltweiten Stahlerzeugung in China, das mehr als 55 % der weltweiten Stahlproduktion liefert, gefolgt von Indien (7 % der Gesamtstahlproduktion).

Quelle: GMK Center

Sowohl China als auch Indien verwenden überwiegend Kohle zur Eisen- und Stahlerzeugung, wodurch ihre Produktionsprozesse besonders große CO₂-Emittenten sind.

Wird Wasserstoff Kohle ersetzen?

Um Kohle zu ersetzen, wurden grüne Stahlherstellungsmethoden vorgeschlagen, wobei die vielversprechendste darin besteht, Wasserstoff anstelle von Kohle zu verwenden, um die erforderlichen hohen Temperaturen zu erreichen.

Das Problem ist, dass bisher nur sehr hochwertiges Eisenerz mit Wasserstoff verwendet werden kann. Günstigeres Erz mit niedrigerem Eisengehalt wäre nötig, um die höheren Kosten von Wasserstoff im Vergleich zu Kohle auszugleichen.

Das stimmt zumindest bei Hochöfen, aber ein neuer Prozess, der als Flash‑Eisenschmelzen bezeichnet wird, könnte anders sein.

Flash-Eisen

Der Prozess wurde vom chinesischen Forscher Professor Zhang Wenhai und seinem Team in einem im peer‑reviewten Journal Nonferrous Metals veröffentlichten Papier beschrieben. Er behauptet, den Eisenherstellungsprozess in nur drei bis sechs Sekunden abzuschließen, verglichen mit den fünf bis sechs Stunden, die herkömmliche Hochöfen benötigen.

Die Kernidee besteht darin, anstelle kleiner Eisenerzpellets das Erz zu feinem Staub aus sehr kleinen Partikeln zu mahlen. Dadurch wird die Reaktion, die Eisenerz in reines Eisen umwandelt, nahezu sofortig, eher einer Explosion ähnelnd als einem langsamen Schmelzen des Erzes.

Dies führt innerhalb weniger Sekunden zu einer schnellen Oxidation der Partikel.

Quelle: MDPI

Eisen‑Vortex‑Lanze

Das Zerkleinern des Eisenerzes zu feinen Partikeln ist kein besonders schwieriger Schritt oder eine komplexe Technologie. Viel schwieriger ist es, das Material sicher und effizient in den Schmelzofen zu injizieren.

Um dieses Problem zu lösen, hat das Team von Prof. Zhang eine Vortex‑Lanze entwickelt, die 450 Tonnen Eisenerzpartikel pro Stunde injizieren kann. Ein mit drei solcher Lanzen ausgestatteter Reaktor produziert jährlich 7,11 Millionen Tonnen Eisen.

Noch wichtiger ist, dass diese Technologie nicht nur ein Laborversuch ist, sondern bereits in die kommerzielle Produktion übergeht.

Dies war kein über Nacht erzielter Erfolg, sondern das Ergebnis langfristiger Bemühungen, die 2013 begannen, als das Team von Zhang ein Patent für eine Flash‑Schmelztechnologie erhielt, die in der Lage ist, flüssiges Eisen direkt zu produzieren. Es dauerte zehn Jahre, das Verfahren zu verfeinern und zu einer Pilotanlage zu skalieren, was zeigte, dass eine sichere großtechnische Produktion möglich ist.

Quelle: News.com.au

Es sollte auch erwähnt werden, dass Professor Zhang Erfahrung darin hat, die metallurgische Wissenschaft zu verändern. Er revolutionierte die Kupferproduktion mit einer ähnlichen Flash‑Schmelztechnik, die er in den 1970er‑Jahren auf Kupfer anwandte. Er erhielt 2000 den ersten Preis des Nationalen Wissenschafts‑ und Technologie‑Fortschritts‑Preises und wurde 2003 in die Chinesische Akademie der Ingenieurwissenschaften gewählt.

Chinas strategische Ziele

CO₂-Emissionen

Da China weltweit führend in der Stahlerzeugung ist, hat die starke Abhängigkeit dieses Prozesses von Kohle die Bestrebungen des Landes, die CO₂-Emissionen zu reduzieren, behindert. Zudem ist die Industrie stark auf importierte Kohle angewiesen, insbesondere aus Australien.

Daher hat China einen starken Anreiz, alternative Verfahren zu entwickeln und schnell einzusetzen, insbesondere wenn sie die Nutzung von Wasserstoff ermöglichen. In Kombination mit seiner Rolle als Vorreiter in der grünen Energieerzeugung befindet sich China in einer guten Position, um führend in der Produktion von grünem Stahl zu werden.

Globale Eisenmärkte neu gestalten?

Ein weiterer Aspekt, der diese Methode einzigartig macht, ist, dass sie sehr gut für Erz mit niedriger oder mittlerer Ausbeute funktioniert. Dies könnte die globalen Eisenmärkte vollständig neu gestalten.

Derzeit ist hochwertiges, eisenreiches Erz aus Australien die Hauptversorgung chinesischer Schmelzer und Stahlwerke mit Eisen.

Quelle: S&P Global

Wenn das Flash‑Eisenschmelzen mit Wasserstoff eingesetzt wird, um kohlebetriebene Hochöfen zu ersetzen, könnte das heimische Angebot an minderwertigem Eisenerz stattdessen genutzt werden.

Die Beziehung zwischen China und Australien hat sich im letzten Jahrzehnt stetig verschlechtert, trotz Chinas Abhängigkeit von australischem Eisen. Zum Beispiel wurde im Handelskrieg 2020 mit Australien Eisen von Sanktionen ausgenommen, weil das Land stark darauf angewiesen ist. Daher könnte die Lösung dieser Verwundbarkeit von China als strategische Notwendigkeit angesehen werden, ungeachtet der wirtschaftlichen Kalkulation.

Eisenbergbauunternehmen

Vale

Eine Senkung der Eisenschmelzkosten und der CO₂-Emissionen könnte Stahl zu einem noch populäreren Material machen als heute. Beim Bergbau sind Größe und gute Geologie alles, wobei niedrige Produktionskosten höhere Gewinne und Sicherheit in Abschwungphasen ermöglichen, die auf den Rohstoffmärkten unvermeidlich sind.

Das brasilianische Unternehmen Vale ist der weltweit größte Produzent von Eisen und Nickel, mit insgesamt 323–330 Millionen Tonnen Produktion im Jahr 2024.

Das Unternehmen ist zudem Produzent von Metallen, die für die „Energiewende“ relevant sind, wie Kupfer. Während diese Metalle für die Zukunft wichtig sein könnten, ist Eisen derzeit das Kernprodukt des Unternehmens.

Das Unternehmen war früher stärker diversifiziert, hat sich jedoch in den letzten Jahren wieder auf Eisen konzentriert und Vermögenswerte im Wert von 2 Mrd. $ an verschiedenen anderen Metallminen und anderen Rohstoffen wie Palmöl veräußert.

Quelle: Vale

Große Vermögensbasis

Vale gilt als mittelgroßes Versorgungsunternehmen, das seine eigene Eisenbahn, Züge, Häfen und Schiffe betreibt, um Erz vom Abbau bis zur Auslieferung an Kunden zu transportieren.

Es erzeugt zudem einen großen Teil seiner eigenen Energie, da es in abgelegenen Regionen tätig ist und nicht auf die brasilianische Regierung zählen kann, die Aufgabe ordnungsgemäß zu erfüllen, insbesondere angesichts des enormen Energiebedarfs.

Dies wurde üblicherweise mit Wasserkraft umgesetzt, da das Bergbaugeschäft dem Bau von Wasserkraftwerken nicht so sehr unterscheidet (Erdarbeiten, Gesteinsabbruch mit Sprengstoffen, massive Betonmengen, schwere Maschinen, Megabauprojekte, Regenmanagement usw.).

Diese Infrastrukturen werden durch das F&E‑Zentrum des Unternehmens, Labore, Hunderte von Geologen, Schulungszentren usw. ergänzt.

Überwindung vergangener Verbindlichkeiten

Ein großes Risiko bei einem riesigen Bergbauunternehmen wie Vale ist ein schwerer Unfall, der massive Schäden verursacht.

Dies geschah 2015, als nach dem Einsturz eines von Vale errichteten Damms eine massive Katastrophe eintrat. Und ein ähnlicher Vorfall ereignete sich 2019.

Die Überschwemmung verursachte Brasiliens bislang schlimmste Umweltdisaster, tötete 19 Menschen und betraf 39 Gemeinden in zwei Bundesstaaten, die in Bergbauabfällen begraben wurden.

Seitdem wurden viele ähnliche Dämme repariert und/oder verbessert, um während der Regenzeit eine weitere Katastrophe zu vermeiden.

Das Unternehmen hat zudem seine Arbeitsweise geändert und 2,5 Mrd. $ in vier Filteranlagen investiert, um trockene Rückstände (zerkleinertes Gestein, Staub und Schlamm) anstelle von nassen Rückständen, die Dämme erfordern, zu erzeugen. In Zukunft wird die Eisenerzförderung also keine Art von Abfall mehr erzeugen, der überhaupt Dämme benötigt.

Das Unternehmen arbeitet zudem aktiv an seiner Reputation und betont, dass seine Bergbautätigkeit, kombiniert mit einem großen Naturschutzgebiet, das vom Unternehmen finanziert wird, ein bedeutender Beitrag zum Erhalt des brasilianischen Regenwaldes ist, während andere Gebiete in Weideland umgewandelt wurden.

Quelle: Vale

Insgesamt überwindet Vale nun seine früheren Probleme mit ökologischen Katastrophen und entwickelt sich zu einem der wertvollsten Vermögenswerte Brasiliens sowie zu einem zentralen Eisenlieferanten für die Welt, insbesondere für China, ein Land, mit dem Brasilien durch das BRICS‑Handelsnetzwerk engere Beziehungen aufbaut.