Ny kinesisk jernproduksjonsmetode gjør timer til sekunder

Jern er fortsatt kongen av metaller

Når man diskuterer innovasjon innen produksjon, er oppmerksomheten ofte konsentrert om høyteknologi (robotikk, 3D‑utskrift) eller om sjeldne metaller og materialer, som tungsten, titan, rhodium, osv. (følg lenkene for detaljerte investeringsrapporter for hver).

Til syvende og sist endrer ikke disse fremskrittene, selv om de er viktige, fakta at mesteparten av materialene vi bruker er mye enklere – og ingen metall er så essensiell for det moderne livet som jern.

Jern og stål er nøkkelmaterialer som kreves i enorme mengder for infrastruktur (broer, armert betong osv.), logistikk og transport (biler, jernbaner, tog, havner, skip) og utallige industrielle bruksområder (rør, lagertanker, ovner osv.).

Jernoksider kan komme fra mineraler som hematitt, limonitt, magnetitt, pyritt, goetit og flere, og omtrent 90 % av alt metall som raffineres i dag er jern.

Kilde: FTM Machinery

Heldigvis er jern svært rikelig på jorden (5 % av jordens skorpe etter vekt) og i universet generelt. Å omdanne det til en brukbar form kan imidlertid være en svært energikrevende og tidkrevende prosess. Så det er store nyheter at kinesiske forskere har kunngjort at de har funnet en metode for å øke et sentralt trinn i jernproduksjon, med en produktivitetsøkning på 3 600‑fold.

Hvordan produseres jern?

Rent jern produseres fra jernrik malm, som omdannes til renere metall gjennom smelteprosessen.

Fra den primitive, lavtemperatur-smelteren fra antikken ble mer avanserte ovner utviklet i middelalderen og i moderne tid for å produsere jern mer effektivt ved temperaturer på opptil 1 400° til 1 500° C (2 550° til 2 700° F). Dette varme, rensede jernet blir ofte sendt direkte til stålfabrikken for stålproduksjon, noe som reduserer varmetap.

Selv med moderne metoder er jernsmelting i høyovner en lang prosess som tar 5–6 timer. Dette gjør den svært energikrevende, da den høye temperaturen må opprettholdes gjennom hele prosessen, vanligvis ved bruk av kull eller naturgass.

Dette gjør også jern- og stålproduksjon til en stor forbruker av fossile brensler og en like stor utskiller av klimagasser. Jern- og stålproduksjon står for opptil 7 % av de totale CO₂‑utslippene, mer enn hele EUs utslipp.

I dag er mesteparten av den globale stålproduksjonen lokalisert i Kina, som produserer mer enn 55 % av verdens totale stålproduksjon, etterfulgt av India (7 % av total stålproduksjon).

Kilde: GMK Center

Både Kina og India bruker hovedsakelig kull til å produsere jern og stål, noe som gjør deres produksjonsprosesser til spesielt store CO₂‑utslippere.

Kan hydrogen erstatte kull?

For å erstatte kull har grønne stålproduksjonsmetoder blitt foreslått, hvor det beste alternativet er å bruke hydrogen i stedet for kull for å oppnå de nødvendige høye temperaturene.

Problemet er at hittil kan kun svært høy‑kvalitets jernmalm brukes med hydrogen. Billigere malm med lavere jerninnhold ville være nødvendig for å kompensere for de høyere kostnadene ved hydrogen sammenlignet med kull.

Dette er sant, i det minste i høyovner, men en ny prosess, kalt flash‑jernsmelting, kan være annerledes.

Flash‑jern

Prosessen ble beskrevet av den kinesiske forskeren professor Zhang Wenhai og hans team i en artikkel publisert i det fagfellevurderte tidsskriftet Nonferrous Metals. Den hevder å fullføre jernproduksjonsprosessen på bare tre til seks sekunder, sammenlignet med de fem til seks timene som kreves av tradisjonelle høyovner.

Hovedideen er at i stedet for å bruke små pellets av jernmalm, males den til et støv av svært små partikler. Dette gjør at reaksjonen som omdanner jernmalm til rent jern blir nesten umiddelbar, mer lik en eksplosjon enn en langsom smelting av malmen.

Dette resulterer i en lynrask oksidasjon av partikkelen i løpet av noen sekunder.

Kilde: MDPI

Jern‑vortex‑lanse

Å redusere jernmalmen til fine partikler er ikke et veldig vanskelig trinn eller kompleks teknologi. Det som er mye mer utfordrende er å injisere den inn i smelteren på en sikker og effektiv måte.

For å løse dette problemet har professor Zhang sitt team utviklet en vortex‑lanse som kan injisere 450 tonn jernmalmpartikler per time. En reaktor utstyrt med tre slike lanser produserer 7,11 millioner tonn jern årlig.

Enda viktigere er at denne teknologien ikke bare er et laboratorieeksperiment, men allerede er i ferd med å gå inn i kommersiell produksjon.

Dette har ikke vært en umiddelbar suksess, men resultatet av langsiktige innsats som startet i 2013 da Zhang sitt team fikk et patent på en flash‑smelte‑teknologi som kan produsere flytende jern direkte. Det tok ti år å finpusse metoden og skalere den opp til et pilotanlegg, noe som demonstrerte at sikker, stor‑skala produksjon var mulig.

Kilde: News.com.au

Det bør også bemerkes at professor Zhang har erfaring med å endre metallurgisk vitenskap. Han revolusjonerte kobberproduksjon med en lignende flash‑smelte‑teknikk han anvendte på kobber på 1970‑tallet. Han mottok førsteprisen i National Science and Technology Progress Award i 2000 og ble valgt inn i Chinese Academy of Engineering i 2003.

Kinas strategiske mål

Karbonutslipp

Ettersom Kina er verdensledende innen stålproduksjon, har den overdrevne avhengigheten av kull i denne prosessen hindret landets ambisjoner om å redusere karbonutslipp. Det gjør også industrien sterkt avhengig av importert kull, spesielt fra Australia.

Dermed har Kina et sterkt insentiv til å utvikle alternative metoder og implementere dem raskt, spesielt hvis de tillater bruk av hydrogen i stedet. Kombinert med sin rolle som leder innen grønn energiproduksjon, er Kina i en god posisjon til å bli ledende innen grønn stålproduksjon.

Omforming av globale jernmarkeder?

En annen ting som gjør denne metoden unik er at den fungerer svært bra for lav- eller mellomkvalitets malmer. Dette kan fullstendig omforme de globale jernmarkedene.

For øyeblikket er høykvalitets, jernrik malm fra Australia den primære forsyningen av jern til kinesiske smeltere og stålfabrikker.

Kilde: S&P Global

Hvis flash‑jernsmelting med hydrogen brukes til å erstatte kull‑drevne høyovner, kan den innenlandske forsyningen av lavere‑kvalitets jernmalm brukes i stedet.

Forholdet mellom Kina og Australia har jevnt forverret seg det siste tiåret, til tross for Kinas avhengighet av australsk jern. For eksempel, i handelskrigen med Australia i 2020, ble jern ekskludert fra sanksjoner på grunn av landets høye avhengighet av det. Så å løse denne sårbarheten kan bli sett på som et strategisk imperativ for Kina, uavhengig av den økonomiske kalkulasjonen.

Jerngruveselskap

Vale

En reduksjon i kostnadene for jernsmelting og karbonutslipp kan gjøre stål til et enda mer populært materiale enn det er i dag. Når det gjelder gruvedrift, er skala og god geologi alt, med lave produksjonskostnader som gir høyere fortjeneste og sikkerhet under nedgangstider, som er uunngåelige i råvaremarkedene.

Det brasilianske selskapet Vale er verdens største produsent av jern og nikkel, med totalt 323–330 millioner tonn produsert i 2024.

Selskapet er også en produsent av metaller som er relevante for «energiovergangen», som kobber. Selv om disse metallene kan være viktige for fremtiden, er jern for øyeblikket kjernen i selskapet.

Selskapet var tidligere mer diversifisert, men har de siste årene sentrert seg rundt jern, etter å ha solgt eiendeler verdt 2 milliarder dollar i ulike andre metallgruver og andre råvarer som palmeolje.

Kilde: Vale

Stor eiendomsbase

Vale kvalifiserer som et mellomstort verktøyselskap, som driver sin egen jernbane, tog, havner og skip for å transportere malm fra utvinning til levering til kunder.

Det produserer også mye av sin egen energi, da det opererer i avsidesliggende regioner og ikke kan stole på den brasilianske regjeringen for å utføre jobben riktig, spesielt med tanke på det massive energibehovet.

Dette ble vanligvis gjort med vannkraft, ettersom gruvedrift ikke er så ulik vannkraftkonstruksjon (jordarbeid, sprengning av stein, enorme mengder betong, tungt maskineri, megakonstruksjonsprosjekter, håndtering av regn osv.).

Disse infrastrukturene kompletteres av selskapets FoU‑senter, laboratorier, hundrevis av geologer, opplæringssentre osv.

Kommer seg over tidligere forpliktelser

En stor risiko med et massivt gruveselskap som Vale er en enorm ulykke som forårsaker omfattende skade.

Dette er hva som skjedde i 2015, med en enorm katastrofe etter at en dam bygget av Vale kollapset. Og så en lignende hendelse i 2019.

Flommen forårsaket Brasils verste miljøkatastrofe til dags dato, drept 19 personer og påvirket 39 kommuner i to delstater, begravd i gruveavfallsprodukter.

Siden da har mange lignende dammer blitt reparert og/eller forbedret for å unngå en ny katastrofe i regntiden.

Selskapet har også endret hvordan det opererer, etter å ha investert 2,5 milliarder dollar i fire filtreringsanlegg for å lage tørre avsetninger (det knuste steinet, støvet og mudderet) i stedet for våte avsetninger som krever dammer. Så i fremtiden vil jerngruvedrift ikke lenger skape den typen avfall som krever dammer.

Selskapet arbeider også aktivt med å reparere sitt image, og insisterer på hvordan deres gruvedrift, kombinert med en stor naturreservat finansiert av selskapet, er en viktig bidragsyter til å bevare den brasilianske regnskogen, mens andre områder er blitt omgjort til beiteområder i regionen.

Kilde: Vale

Alt i alt kommer Vale nå seg over sine tidligere problemer med økologiske katastrofer og blir ett av Brasils mest verdifulle eiendeler og en sentral leverandør av jern til verden, og spesielt til Kina, et land som Brasil knytter tettere bånd med gjennom BRICS‑handelsnettverket.