Proceso de fabricación de hierro de Hisarna

El proceso de producción de hierro HIsarna es un proceso de reducción por fundición en el que el mineral de hierro se procesa casi directamente en hierro líquido ( arrabio ). El proceso combina dos unidades: el Horno Convertidor Ciclónico (CCF) para la fusión y prereducción del mineral y un Recipiente de Reducción por Fundición (SRV) donde tiene lugar la etapa final de reducción a hierro líquido. ^{[ 1 ]} El proceso no requiere la fabricación de aglomerados de mineral de hierro como pellets y sinter, ni la producción de coque , necesarios para el proceso del alto horno . Sin estos pasos, el proceso HIsarna es más eficiente energéticamente y tiene una menor huella de carbono que los procesos tradicionales de producción de hierro. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} En 2018, Tata Steel anunció que había demostrado que es posible una reducción de más del 50 % en las emisiones de CO₂ _con la tecnología HIsarna, sin necesidad de tecnología de captura de carbono. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

El proceso HIsarna se desarrolló por etapas y con pausas en Koninklijke Hoogovens / Corus IJmuiden / Tata Steel IJmuiden, a partir de 1986. Las etapas finales fueron posibles gracias al consorcio Ultra-Low Carbon Dioxide Steelmaking (ULCOS) ^{[ 8 ]} y la cooperación entre la antigua Corus (ahora Tata Steel ) y el Grupo Rio Tinto . ^{[ 9 ]} Este último aportó su tecnología HIsmelt (abreviatura de " fundición de alta intensidad ") ^{[ 10 ]} al diseño final de la instalación, lo que motivó el nombre HIsarna para el proceso ("HI" de "alta intensidad" y "sarna" de Isarna , una palabra celta para hierro ). ^{[ 5 ] [ 11 ] [ 12 ]}

HIsarna se considera uno de los desarrollos más prometedores para reducir las emisiones de CO2 _de la industria siderúrgica. ^{[ 13 ]}

Los primeros intentos de aplicar la tecnología de hornos ciclónicos en la reducción de mineral de hierro tuvieron lugar en Koninklijke Hoogovens en la década de 1960. La tecnología ciclónica ya se había utilizado con éxito en diferentes procesos industriales y químicos, y los diseñadores de Hoogovens pensaron que podría ser una estrategia para mejorar su proceso. Sin embargo, en aquel momento no lograron que funcionara correctamente y el experimento se abandonó rápidamente. ^{[ 3 ]}

El primer resurgimiento importante se produjo en 1986, cuando Hoogovens buscaba un método para producir acero sin necesidad de fabricar aglomerados de mineral de hierro, como pellets y sinter. En aquel entonces, el objetivo principal era reducir costes y abaratar el proceso en tiempos de crisis económica. Sin embargo, la crisis no duró mucho y el proyecto quedó en suspenso hasta principios de la década de 1990.

A principios de la década de 1990, la disponibilidad de coque se estaba volviendo limitada debido a que muchas de las principales instalaciones de coquización en Occidente que producían coque a partir de carbón estaban llegando al final de su vida útil. Las estrictas restricciones ambientales hacían poco atractivo construir nuevas instalaciones, por lo que los productores de acero buscaron formas de reducir la necesidad de coque; Hoogovens comenzó a invertir más esfuerzos en la tecnología de ciclones como solución a este problema y una instalación de prueba para la parte del ciclón demostró ser capaz de producir veinte toneladas de arrabio por hora. Sin embargo, el resto del proceso no funcionó muy bien, por lo que cuando los productores de acero comenzaron a reemplazar masivamente parte del coque por inyección de carbón en polvo y China comenzó a producir coque en masa, el proyecto volvió a perder impulso. La fuerte caída de los precios de las materias primas alrededor de 1999 provocó la paralización del proyecto. ^{[ 3 ]}

En 2004, sin embargo, la Unión Europea presionó a la industria siderúrgica para que redujera su huella de carbono; como resultado, se fundó el consorcio ULCOS y, entre 2005 y 2007, la tecnología ciclónica fue seleccionada como una de las cuatro tecnologías de alto potencial. Se encontró una solución teórica a los problemas anteriores de la etapa posterior al ciclón del horno ciclónico mediante un recipiente de reducción de fundición, y el Grupo Rio Tinto contaba con experiencia a escala industrial en el proceso requerido, denominado HIsmelt. Un acuerdo entre ellos y ULCOS incorporó la tecnología HIsmelt al horno ciclónico, dando como resultado el proceso HIsarna. ^{[ 3 ]} En 2017, Tata Steel obtuvo los derechos de propiedad intelectual de la fundición de Rio Tinto, siendo ahora propietaria de toda la propiedad intelectual de HIsarna. ^{[ 14 ]}

En 2010 se construyó la planta piloto HIsarna en Tata Steel IJmuiden. La planta piloto tiene una capacidad de producción de 65.000 toneladas de arrabio por año. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Una primera campaña de experimentos se completó en la primavera de 2011, a la que siguieron tres campañas experimentales más exitosas. La segunda y la tercera campaña fueron cofinanciadas por el Fondo de Investigación para el Carbón y el Acero (RFCS). ^{[ 15 ]} La cuarta campaña terminó en junio de 2014. La quinta campaña comenzó en otoño de 2017. ^{[ 16 ] [ 17 ]} Este proyecto fue financiado en parte por el Programa Marco Horizonte 2020 de la UE, como parte de la segunda ronda de financiación de Industria Sostenible Baja en Carbono (SILC-II). ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} En 2021 se inició la sexta campaña HIsarna. Para 2023, la planta piloto había producido un total de 12 000 toneladas de metal líquido y el funcionamiento continuo más largo fue de 19,5 días. ^{[ 21 ]} En la primavera de 2026 se informó que la planta piloto había experimentado varias mejoras significativas que aumentaron la productividad, introduciendo la inyección de gas natural como reemplazo parcial de la inyección de carbón y la instalación de imágenes térmicas dentro del recipiente de reducción de fundición. ^{[ 22 ]} En la misma publicación se informa que la producción total de metal líquido fue de 19 000 toneladas con un récord diario de 160 toneladas y una tasa de carbón de 726 kg por tonelada de metal líquido.

El proceso HIsarna es un proceso de reducción por fundición con dos etapas de proceso acopladas directamente en las que tiene lugar la producción de arrabio líquido.

Se trata de una combinación de un horno convertidor ciclónico (CCF) ^{[ 23 ]} que se coloca sobre el recipiente de reducción de fundición (SRV), formando un proceso continuo de paso único. La planta de HIsarna tiene forma de botella de vino: una "botella" en la base y un "cuello" delgado en la parte superior. La geometría de este horno provoca la formación de un ciclón en el cuello cuando el mineral de hierro triturado se inyecta en él junto con oxígeno (por lo que el oxígeno se inyecta en la parte superior en lugar de en la inferior). La alta temperatura en el ciclón provoca la fusión del mineral de hierro y su prerreducción parcial a FeO. ^{[ 3 ] [ 5 ] [ 24 ]}

Estas gotas de mineral de hierro fundido y prerreducido gotean por la pared del horno hasta el punto donde el "cuello" se ensancha formando la "botella". Allí, las gotas caen de la pared a la escoria fundida, que se encuentra sobre el baño de hierro líquido en el fondo del horno. Entre el ciclón y la capa de escoria, se inyecta oxígeno a través de lanzas refrigeradas por agua para generar calor mediante la combustión parcial de los gases (principalmente CO) liberados durante la etapa final de la reacción de reducción que tiene lugar en la escoria. Se inyecta carbón en polvo en la capa de escoria, también a través de lanzas refrigeradas por agua. La reacción de reducción continúa "normalmente" en el fondo del horno, donde el mineral de hierro parcialmente reducido se reduce aún más a arrabio y todo se separa en dos capas fundidas (una capa superior de escoria y una capa inferior de arrabio fundido). Ambas capas se pueden extraer individualmente y el arrabio se puede utilizar inmediatamente en el resto del proceso básico de fabricación de acero con oxígeno. ^{[ 3 ] [ 5 ]}

En términos técnicos, la ventaja del proceso HIsarna radica en que elimina la etapa de creación de aglomerados de mineral de hierro y coque para generar una carga porosa para el alto horno. En el proceso tradicional, no se puede utilizar únicamente carbón en polvo, ya que se requiere la resistencia del coque para soportar la carga. En cambio, en HIsarna, la forma en polvo del carbón y el mineral representa una ventaja, pues el aumento de la superficie mejora la velocidad y la calidad de la reacción de reducción en el ciclón. ^{[ 3 ] [ 5 ]}

Las principales ventajas del proceso se derivan de las mencionadas anteriormente: el hecho de que los pasos separados de creación de aglomerados de mineral y coque desaparezcan del proceso lo hace más eficiente energéticamente y reduce su huella de carbono. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 11 ] [ 12 ]} Esto hace que el proceso sea atractivo para los fabricantes de acero, que están siendo presionados para que sus procesos sean más respetuosos con el medio ambiente , particularmente en Europa , donde las regulaciones gubernamentales están imponiendo cada vez más una penalización financiera a las altas emisiones de dióxido de carbono. El proceso HIsarna utiliza un 20 % menos de energía y emite al menos un 20 % menos de CO₂ _por tonelada de acero en comparación con la producción convencional de arrabio. ^{[ 5 ] [ 25 ]} Otras ventajas ambientales incluyen una reducción significativa de otras emisiones como NO _x , SO _x y polvo fino. ^{[ 26 ]} _{Se pueden lograr reducciones de emisiones de} CO₂ de más del 50 % reemplazando parte del carbón por biomasa sostenible y utilizando chatarra de acero en el proceso. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Además de los beneficios ambientales directos, HIsarna también ofrece beneficios económicos. ^{[ 26 ]} Debido a su menor tamaño, el costo total de inversión se reducirá en comparación con la ruta tradicional. El proceso también puede manejar minerales y carbones de bajo costo. Las pruebas que simulaban condiciones utilizando un mineral de hierro de ganga pobre con alto _contenido de Al₂O₃ _fueron exitosas, ejecutando el proceso con una escoria que contenía más del 20 % de Al₂O₃ . _[ 27 ^{] El metal} _{caliente producido en HIsarna} también tiene ventajas para el proceso de fabricación de acero, permitiendo niveles más bajos de escoria y fósforo metálico en el convertidor BOF o mayores cargas de metal caliente en un horno de arco eléctrico . ^{[ 28 ]}

Para sustituir fundentes como la caliza y la dolomita, el proceso HIsarna puede utilizar escorias de acería BOF o LD como sustituto. ^{[ 29 ] [ 30 ]} El uso de escoria reciclada mejora el comportamiento fundente y reduce el consumo de carbón. El proceso recupera gran parte del hierro contenido en la escoria de acería. La escoria HIsarna puede granularse y es apta para la producción de cemento. ^{[ 31 ]}

Tata Steel también planea desarrollar el proceso de tal manera que se pueda recuperar el zinc, ^{[ 32 ]} apoyado por EIT RawMaterials, y se pueda capturar el CO _{2 para su utilización o almacenamiento.} ^{[ 26 ]}

En noviembre de 2018 se anunció que se podría construir una instalación piloto HIsarna a mayor escala en el sitio de Tata Steel en Jamshedpur , India , ^{[ 33 ] [ 34 ]} pero que el sitio en IJmuiden seguiría siendo una ubicación potencial para una mayor implementación industrial de la tecnología. ^{[ 35 ] [ 36 ]} El 10 de diciembre de 2025 Tata Steel anunció que su junta directiva aprobó el inicio del trabajo de ingeniería y el proceso de aprobación regulatoria para establecer una planta de demostración de 1 Mtpa en Jamshedpur. ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]}

• FINEX (proceso de fabricación de acero)
• Proceso Corex
• Alto horno

• ULCOS Archivado el 21 de noviembre de 2008 en Wayback Machine Consorcio de fabricación de acero con emisiones ultrabajas de _CO₂
• Tata Steel Europa
• Río Tinto