Ny kinesisk järnproduktionsmetod förvandlar timmar till sekunder

Järn är fortfarande metallernas kung

När innovation inom tillverkning diskuteras hamnar fokus ofta på avancerad teknik (robotik, 3D-utskrift) eller på ovanligare metaller och material, exempelvis volfram, titan och rodium. Följ länkarna för utförligare investeringsanalyser av respektive område.

Dessa framsteg är viktiga, men merparten av de material vi använder är betydligt enklare. Få metaller är lika centrala för det moderna samhället som järn.

Järn och stål behövs i stora mängder för infrastruktur som broar och armerad betong, för transporter och logistik som bilar, järnvägar, tåg, hamnar och fartyg samt för otaliga industriella tillämpningar, däribland rör, lagringstankar och ugnar.

Järn utvinns bland annat ur järnoxider som hematit och magnetit samt järnhaltiga mineral som goethit. Limonit är en blandning av järnhaltiga mineral, medan pyrit är en sulfid, inte en oxid. Enligt den uppskattning som citeras här utgör järn ungefär 90% av metallproduktionen.

Källa: FTM Machinery

Järn är lyckligtvis rikligt förekommande både på jorden och i universum; det utgör omkring 5% av jordskorpans massa. Att omvandla malmen till användbar metall kan däremot kräva mycket energi och tid. Därför väcker rapporten om en kinesisk metod som uppges förkorta ett centralt reaktionssteg upp till 3 600 gånger intresse. Detta innebär inte att hela järnverkets produktivitet har visats öka lika mycket.

Hur tillverkas järn?

Järn framställs genom att syre och andra beståndsdelar avlägsnas från järnhaltig malm. Den smälta metall som bildas är inte nödvändigtvis rent järn: råjärn innehåller även kol och andra ämnen.

Från antikens enklare lågtemperaturugnar utvecklades effektivare ugnar under medeltiden och den moderna tiden. Vid temperaturer kring 1 400–1 500 °C, ungefär 2 550–2 700 °F, kan smält råjärn framställas. Det förs ofta direkt vidare till stålverket för att minska värmeförlusterna.

Även med moderna metoder tar järnframställning i en traditionell masugn flera timmar; jämförelsen här anger 5–6 timmar. Att upprätthålla höga temperaturer kräver mycket energi. Kolbaserad koks har en central roll i masugnen, medan naturgas också används i andra järnframställningsprocesser.

Järn- och stålframställning förbrukar därför stora mängder fossila bränslen och orsakar betydande utsläpp av växthusgaser. Enligt den citerade uppskattningen står sektorn för omkring 7% av de globala CO₂-utsläppen, mer än EU:s samlade utsläpp.

Enligt World Steel Associations statistik för 2023 stod Kina för ungefär 54% av världens råstålsproduktion och Indien för cirka 7,4%. Kina var därmed världens klart största producent.

Källa: GMK Center

Kol används i stor omfattning inom både Kinas och Indiens järn- och stålindustri, vilket bidrar till stora CO2-utsläpp.

Kan vätgas ersätta kol?

Flera metoder utvecklas för att minska stålindustrins beroende av kol. Vätgas är ett lovande alternativ som reduktionsmedel: den kan avlägsna syre från järnoxider. Dess uppgift är alltså inte enbart att skapa höga temperaturer.

En utmaning är att etablerade vätgasbaserade direktreduktionsprocesser vanligtvis kräver högvärdig järnmalm. Om billigare malm med lägre järnhalt kan användas effektivt kan det bidra till att kompensera för vätgasens högre kostnad.

En möjlig väg är så kallad flashjärnframställning, en process som skiljer sig från traditionell masugnsdrift.

Flashjärnframställning

En översiktsartikel av Zhang Renjie i tidskriften Nonferrous Metals beskrev 2024 laboratorie- och pilotförsök med tekniken, som bygger vidare på bland annat Zhang Wenhais arbete. Enligt nyhetsrapporteringen kan ett centralt reaktionssteg ta 3–6 sekunder, jämfört med 5–6 timmar i den traditionella process som används som jämförelse. Reaktionstid är dock inte samma sak som genomloppstiden för hela fabriken.

Grundidén är att använda mycket finfördelad järnmalm i stället för större pellets. Partiklarnas stora sammanlagda yta gör att reduktionsreaktionen kan gå snabbt. Det handlar om kontrollerade kemiska reaktioner, inte om att malmen måste explodera.

Järnoxiden reduceras därmed på några sekunder: syre avlägsnas från partiklarna. Detta är reduktion, inte oxidation.

Källa: MDPI

Injektionslans med virvelflöde

Att mala malm till fina partiklar är en etablerad teknik. En svårare uppgift är att mata in partiklarna i reaktorn på ett säkert och effektivt sätt.

Enligt rapporteringen har Zhangs grupp utvecklat en injektionslans med virvelflöde som kan mata in 450 ton malmpartiklar per timme. En anläggning med tre sådana lansar uppges kunna dimensioneras för 7,11 miljoner ton järn per år. Det är en uppgift om planerad kapacitet, inte verifierad årsproduktion i en kommersiell anläggning.

Tekniken har prövats både i laboratoriet och i pilotskala. Översiktsartikeln från 2024 diskuterar framtida industrialisering; den visar inte att fullskalig kommersiell produktion redan hade etablerats.

Utvecklingen bygger på långvarigt arbete, bland annat ett patent från Zhangs grupp från 2013 på utrustning för flashbaserad järnframställning. Under de följande tio åren vidareutvecklades processen och försök genomfördes i pilotskala. Sådana försök är viktiga steg mot industrialisering, men innebär inte att alla frågor om säkerhet och storskalig drift är lösta.

Källa: News.com.au

Zhang Wenhai har också erfarenhet av annan metallurgisk processutveckling. Den citerade rapporten beskriver hans arbete med flashsmältning av koppar från 1970-talet. Enligt samma rapport fick han första pris i Kinas nationella utmärkelse för vetenskapliga och tekniska framsteg år 2000 och valdes in i Chinese Academy of Engineering 2003.

Kinas strategiska mål

Koldioxidutsläpp

Som världens största stålproducent har Kina starka skäl att minska sektorns kolberoende och koldioxidutsläpp. Import av råvaror, däribland metallurgiskt kol från Australien, innebär också försörjningsrisker.

Alternativa processer, särskilt sådana som kan använda vätgas med låga utsläpp, kan därför vara strategiskt intressanta. Kinas omfattande investeringar i förnybar energi kan underlätta utvecklingen, men en ledande position inom stål med låga utsläpp beror även på kostnader, teknik och tillgång till energi.

Omforma de globala järnmarknaderna?

En viktig egenskap som lyfts fram är möjligheten att behandla malm med låg eller medelhög järnhalt. Om detta fungerar ekonomiskt i stor skala skulle det kunna påverka den globala järnmalmsmarknaden.

Australien är en stor leverantör av järnmalm till kinesiska järn- och stålverk. Tillgången till stora exportvolymer och etablerad logistik gör landet betydelsefullt för Kinas råvaruförsörjning.

Källa: S&P Global

Om vätgasbaserad flashjärnframställning kan ersätta kolbaserade masugnar skulle en större del av den inhemska malmen med lägre järnhalt kunna bli användbar.

Relationen mellan Kina och Australien har periodvis präglats av handelspolitiska spänningar, samtidigt som Kina är beroende av australisk järnmalm. Under handelskonflikten 2020 undantogs järnmalm från de kinesiska handelsrestriktionerna. Att minska detta beroende kan därför ha strategiskt värde även utöver rent ekonomiska överväganden.

Järngruvföretag

Lägre kostnader och utsläpp vid järnframställning skulle kunna stärka stålets konkurrenskraft. För gruvbolag är storlek, malmkvalitet och produktionskostnader viktiga. Låga kostnader kan förbättra motståndskraften när råvarupriserna faller, men eliminerar inte investeringsrisken.

Brasilianska Vale är en stor producent av järnmalm och nickel. Under 2024 angav bolaget en produktionsprognos för järnmalm på 323–330 miljoner ton. Detta var en prognos för järnmalm, inte faktisk sammanlagd produktion av järn och nickel.

Bolaget producerar också metaller som är viktiga för energiomställningen, exempelvis koppar. Järnmalm var dock kärnan i verksamheten under den period som beskrivs här.

Vale hade tidigare en mer diversifierad verksamhet men koncentrerade sig senare mer på järnmalm och vissa andra metaller. Den citerade företagspresentationen beskriver avyttringar på omkring 2 miljarder dollar, bland annat av andra gruvtillgångar och verksamheter inom råvaror som palmolja.

Källa: Vale

Omfattande tillgångar

Vale har omfattande egen transportinfrastruktur med järnvägar, tåg och hamnar samt tillgång till sjötransporter för att föra malm från gruvorna till kunderna. Denna infrastruktur stöder bolagets gruvverksamhet.

Vale producerar även en del av sin egen energi. Verksamheten kräver stora mängder el och bedrivs ofta på avlägsna platser, vilket gör tillförlitlig energiförsörjning särskilt viktig.

Vattenkraft har spelat en viktig roll. Byggande av vattenkraftverk och gruvinfrastruktur kräver delvis liknande kompetens, exempelvis stora markarbeten, bergsprängning, betongkonstruktioner, tunga maskiner och vattenhantering.

Därtill kommer forsknings- och utvecklingscentrum, laboratorier, geologisk kompetens, utbildningscentrum och annan infrastruktur.

Ansvar efter tidigare katastrofer

En allvarlig risk för ett stort gruvbolag som Vale är olyckor som orsakar omfattande skador på människor och miljö.

År 2015 brast Fundão-dammen, som drevs av Samarco, ett samriskbolag ägt av Vale och BHP. En annan katastrof inträffade 2019 vid Vales damm i Brumadinho. Det var två separata händelser med olika följder och ansvarsförhållanden.

Katastrofen 2015 spred stora mängder gruvavfall och dödade 19 personer och påverkade 39 kommuner i två delstater. Dessa siffror gäller inte katastrofen i Brumadinho 2019.

Därefter har arbete genomförts för att förstärka, förbättra eller avveckla liknande dammar. Åtgärderna syftar till att minska risken, men kan inte garantera att nya olyckor aldrig inträffar.

Vale har också beskrivit investeringar på 2,5 miljarder dollar i fyra filtreringsanläggningar. Genom att minska vattenhalten i anrikningssand och annat processavfall kan mer material lagras torrt och beroendet av dammar minska. Detta betyder dock inte att allt avfall från bolagets gruvverksamhet kan hanteras helt utan dammar.

Bolaget arbetar även med sin miljöprofil. Vale framhåller att de stora naturområden som bolaget finansierar skyddet av bidrar till att bevara brasiliansk regnskog, medan vissa omgivande områden har omvandlats till betesmark. Detta är bolagets beskrivning av verksamhetens bidrag till naturvården.

Källa: Vale

Vale är en viktig global leverantör av järnmalm, inte minst till Kina. Brasiliens och Kinas samarbete inom Brics ingår i det bredare handelspolitiska sammanhanget. Samtidigt kvarstår ansvar för ersättning, återställande och andra följder av tidigare miljökatastrofer; dessa problem bör inte betraktas som avslutade.