Uusi kiinalainen rautatuotantomenetelmä muuttaa tunnit sekunneiksi

Rauta on yhä metallien kuningas

Kun keskustellaan valmistusinnovaatiosta, huomio keskittyy usein korkean teknologian (robotiikkaan, 3D-tulostukseen) tai harvinaisiin metalleihin ja materiaaleihin, kuten tungsteniin, titaaniin, rodiumiin, jne. (seuraa linkkejä saadaksesi tarkempia sijoitusraportteja jokaisesta).

Lopulta, vaikka ne ovat tärkeitä, nämä edistysaskeleet eivät muuta sitä tosiasiaa, että suurin osa käyttämistämme materiaaleista on paljon yksinkertaisempia – eikä mikään metalli ole yhtä olennainen nykyaikaiselle elämälle kuin rauta.

Rauta ja teräs ovat keskeisiä materiaaleja, joita tarvitaan suurina määrinä infrastruktuuriin (sillat, raudoitettu betoni, jne.), logistiikkaan ja kuljetukseen (autot, rautatiet, junat, satamat, alukset) sekä lukemattomiin teollisiin käyttötarkoituksiin (putket, varastotankit, uunit, jne.).

Rautaaoksidit voivat tulla mineraaleista kuten hematite, limoniitti, magnetiitti, pyyriitti, goetiitti ja muista, ja noin 90 % kaikesta nykyään jalostetusta metallista on rautaa.

Lähde: FTM Machinery

Onneksi rauta on erittäin runsasta maapallolla (5 % maankuoren massasta) ja koko universumissa. Kuitenkin sen muuttaminen käyttökelpoiseksi muodoksi voi olla erittäin energiaintensiivinen ja aikaa vievä prosessi. Siksi on merkittävä uutinen, että kiinalaiset tutkijat ovat ilmoittaneet löytäneensä menetelmän, jolla voidaan tehostaa keskeistä vaihetta raudan valmistuksessa, tuottavuus kasvaa 3 600-kertaisesti.

Miten rauta valmistetaan?

Puhtaa rautaa tuotetaan rautapitoisesta malmista, joka muutetaan puhtaammaksi metalliksi sulatusprosessin avulla.

Alkuperäisestä, matalan lämpötilan sulatusuunista antiikin ajoilta kehittyi keskiajalla ja nykyaikana kehittyneempiä uuneja, joilla voidaan tuottaa rautaa tehokkaammin lämpötiloissa jopa 1 400–1 500 °C (2 550–2 700 °F). Tämä kuuma, puhdistettu rauta lähetetään usein suoraan terästehtaaseen teräksen valmistusta varten, mikä vähentää lämmönhukkaa.

Vaikka nykyaikaiset menetelmät ovatkin käytössä, raudan sulatus puhallusuunissa on pitkä prosessi, joka kestää 5–6 tuntia. Tämä tekee siitä erittäin energiaintensiivisen, sillä korkea lämpötila on ylläpidettävä koko prosessin ajan, yleensä hiilen tai maakaasun avulla.

Tämä tekee myös rauta- ja terästuotannosta suuren fossiilisten polttoaineiden kuluttajan ja yhtä suuren kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttajan. Rauta- ja terästuotanto vastaa jopa 7 % kaikista CO₂-päästöistä, enemmän kuin koko EU:n päästöt.

Tänä päivänä suurin osa maailmanlaajuisesta terästuotannosta sijaitsee Kiinassa, joka tuottaa yli 55 % maailman teräksestä, ja sitä seuraa Intia (7 % kokonaisvalmistuksesta).

Lähde: GMK Center

Sekä Kiina että Intia käyttävät pääasiassa hiiltä raudan ja teräksen tuotantoon, mikä tekee niiden tuotantoprosesseista erityisen suuria CO₂-päästöjen aiheuttajia.

Vety korvaaako hiilen?

Jotta hiili voitaisiin korvata, on ehdotettu vihreitä teräksen valmistusmenetelmiä, joista paras vaihtoehto on vetyä hiilen sijaan tarvittavien korkeiden lämpötilojen saavuttamiseksi.

Ongelma on, että tähän mennessä vain erittäin korkealaatuista rautamalmia voidaan käyttää vedyn kanssa. Halvempi, alempaa rautapitoisuutta omaava malmi tarvittaisiin vedyn korkeampien kustannusten kompensoimiseksi hiileen verrattuna.

Tämä pitää paikkansa ainakin puhallusuunissa, mutta uusi prosessi, jota kutsutaan salamrautasulaukseksi, voisi olla erilainen.

Salamrauta

Prosessi kuvattiin kiinalaisen tutkijan professori Zhang Wenhain ja hänen tiiminsä toimesta vertaisarvioidussa lehdessä Nonferrous Metals julkaistussa artikkelissa. Siinä väitetään, että raudanvalmistusprosessi saadaan päätökseen vain kolmessa–kuudessa sekunnissa, verrattuna perinteisten puhallusuunien vaatimiin viiteen–kuuteen tuntiin.

Keskeinen ajatus on, että sen sijaan että käytettäisiin pieniä rautamalmipalloja, se jauhetaan erittäin pieniksi hiukkasiksi. Tämä mahdollistaa reaktion, jossa rautamalmista muodostuu puhdasta rautaa, lähes välittömästi, enemmän räjähdyksen kaltaisesti kuin hitaana sulamisena.

Tämä johtaa hiukkasen salamoksidaatioon muutamassa sekunnissa.

Lähde: MDPI

Rautavortex-lanssi

Rautamalmin hienoksi hiukkasiksi pienentäminen ei ole kovin vaikea askel tai monimutkainen teknologia. Paljon haastavampaa on ruiskuttaa se sulatusuuniin turvallisesti ja tehokkaasti.

Ratkaistakseen tämän ongelman Pr. Zhangin tiimi on kehittänyt vortex-lanssin, joka pystyy ruiskuttamaan 450 tonnia rautamalmihiukkasia tunnissa. Kolmella tällaisella lanssilla varustettu reaktori tuottaa vuosittain 7,11 miljoonaa tonnia rautaa.

Entistä tärkeämpää on, että tämä teknologia ei ole pelkkä laboratoriokoe, vaan se on jo siirtymässä kaupalliseen tuotantoon.

Tämä ei ole ollut yön yli tapahtuva menestys, vaan pitkän aikavälin ponnistelujen tulos, jotka alkoivat vuonna 2013, kun Zhangin tiimi sai patentin salam-sulatus-teknologiaan, joka pystyy suoraan tuottamaan nestemäistä rautaa. Kymmenen vuotta kesti menetelmän hiominen ja sen skaalaaminen pilottitehtaaseen, mikä osoitti, että turvallinen, suurikokoinen tuotanto on mahdollista.

Lähde: News.com.au

On myös syytä mainita, että professori Zhangilla on kokemusta metallurgisen tieteen muuttamisesta. Hän mullisti kuparintuotannon samankaltaisella salam-sulatusmenetelmällä, jota hän sovelsi kupariin 1970‑luvuilla. Hän sai ensimmäisen palkinnon National Science and Technology Progress Award -palkinnosta vuonna 2000 ja valittiin Kiinan insinööriakatemiaan vuonna 2003.

Kiinan strategiset tavoitteet

Hiilipäästöt

Koska Kiina on maailman johtava teräksen valmistaja, prosessin liiallinen riippuvuus hiilestä on hidastanut maan pyrkimyksiä vähentää hiilipäästöjä. Se tekee myös sen teollisuudesta erittäin riippuvaisen tuontihiilestä, erityisesti Australiasta.

Siksi Kiinalla on vahva kannustin kehittää vaihtoehtoisia menetelmiä ja ottaa ne nopeasti käyttöön, erityisesti jos ne mahdollistavat vedyn käytön. Yhdistettynä sen rooliin vihreän energian tuotannon johtajana, Kiina on hyvässä asemassa tulemaan vihreän teräksen tuotannon johtajaksi.

Uudistetaanko maailmanlaajuiset rautamarkkinat?

Toinen seikka, joka tekee tästä menetelmästä ainutlaatuisen, on sen erinomainen toiminta matalan tai keskisuuren tuoton malmeille. Tämä voisi täysin muuttaa maailmanlaajuiset rautamarkkinat.

Tällä hetkellä korkealaatuinen, rautapitoinen malmi Australiasta on Kiinan sulatusuunien ja terästehtaiden tärkein raudan lähde.

Lähde: S&P Global

Jos salamrautasulatus vedyllä otetaan käyttöön hiilivoimaisia puhallusuunia korvaamaan, kotimainen alhaisemman laadun rautamalmien tarjonta voitaisiin käyttää sen sijaan.

Kiinan ja Australian välinen suhde on heikentynyt tasaisesti viimeisen vuosikymmenen aikana, huolimatta Kiinan riippuvuudesta Australian raudasta. Esimerkiksi vuonna 2020 Kiinan ja Australian kauppasodassa rauta poistettiin pakotteista maan suuren riippuvuuden vuoksi. Näin ollen tämän haavoittuvuuden ratkaiseminen voidaan nähdä Kiinan strategisena imperatiivina riippumatta taloudellisesta laskelmasta.

Rautakaivosyhtiö

Raudan sulatuskustannusten ja hiilipäästöjen väheneminen voisi tehdä teräksestä entistä suositumman materiaalin kuin se on tänään. Kaivostoiminnassa mittakaava ja hyvä geologia ovat kaikki, sillä alhaiset tuotantokustannukset mahdollistavat suuremmat voitot ja turvallisuuden taantumien aikana, jotka ovat väistämättömiä hyödykemarkkinoilla.

Brasilialainen yhtiö Vale on maailman suurin raudan ja nikkelin tuottaja, yhteensä 323–330 miljoonaa tonnia tuotettuna vuonna 2024.

Yhtiö on myös metallien tuottaja, jotka ovat merkityksellisiä “energia‑siirtymille”, kuten kupari. Vaikka nämä metallit saattavat olla tärkeitä tulevaisuudessa, toistaiseksi rauta on yhtiön ydin.

Yhtiö oli aiemmin monipuolisempi, mutta on viime vuosina keskittynyt rautaan, luovuttaen 2 miljardia dollaria arvoisia erilaisia metallimalmia ja muita raaka-aineita, kuten palmuöljyä.

Lähde: Vale

Laaja omaisuusperusta

Vale luokitellaan keskikokoiseksi palveluyritykseksi, joka omistaa oman rautatien, junat, satamat ja alukset raudan kuljettamiseen louhinnasta asiakkaiden toimitukseen.

Se myös tuottaa paljon omaa energiaa, koska se toimii syrjäisillä alueilla eikä voi luottaa Brasilian hallituksen toimintaan, erityisesti ottaen huomioon sen valtavat energian tarpeet.

Tämä toteutettiin yleisesti vesivoimalla, sillä kaivostoiminta ei ole kovin erilainen kuin vesivoiman rakentaminen (maatyöt, kiven louhinta räjähteillä, valtavat määrät betonia, raskaat koneet, megahankkeet, sateen hallinta jne.).

Nämä infrastruktuurit täydentävät yhtiön T&K‑keskus, laboratoriot, satoja geologeja, koulutuskeskukset jne.

Menneisyyden vastuukysymysten ylittäminen

Yksi suuri riski massiivisessa kaivosyhtiössä kuten Vale on valtava onnettomuus, joka aiheuttaa massiivista vahinkoa.

Tätä tapahtui vuonna 2015, kun valtava katastrofi tapahtui Vale:n rakentaman padon sortumisen jälkeen. Sitten samanlainen tapaus vuonna 2019.

Tulvat aiheuttivat Brasilian tähän mennessä pahimman ympäristökatastrofin, tappoi 19 ihmistä ja vaikutti 39 kuntaan kahdessa osavaltiossa, haudaten ne kaivosjätteisiin.

Siitä lähtien monet vastaavat padot on korjattu ja/tai parannettu, jotta vältetään toinen katastrofi sadekaudella.

Yhtiö on myös muuttanut toimintatapaansa investoimalla 2,5 miljardia dollaria neljään suodatinkäsittelylaitokseen, jotka tuottavat kuivia tailingia (murskattu kivi, pöly ja muta) sen sijaan, että käytettäisiin kosteaa tailingia, joka vaatii patoja. Näin tulevaisuudessa rautakaivostoiminta ei enää tuota sellaista jätettä, joka vaatisi patoja.

Yhtiö pyrkii myös aktiivisesti korjaamaan mainettaan korostaen, että sen kaivostoiminta yhdessä yhtiön rahoittaman suuren luonnonsuojelualueen kanssa on merkittävä tekijä Brasilian sademetsän säilyttämisessä, kun taas muut alueet on muutettu laidunmaiksi alueella.

Lähde: Vale

Kaiken kaikkiaan Vale on nyt selättänyt menneet ekologiset katastrofit ja kehittynyt yhdeksi Brasilian arvokkaimmista omaisuuksista sekä keskeiseksi raudan toimittajaksi maailmalle, erityisesti Kiinalle, maalle, jonka kanssa Brasilia solmii syvempiä siteitä BRICS‑kauppaverkoston kautta.