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Selección de agentes de desulfuración de acero: carburo de calcio, magnesio o cal: ¿cuál ofrece el menor costo total?
2026-01-12
Los factores determinantes para la desulfuración de metales calientes (HMD) del acero son las tendencias ambientales y de materiales. El objetivo de sostenibilidad establecido por las agencias ecológicas exige reducir las emisiones de CO2 de los procesos de fabricación de acero. Esto conlleva una mayor dependencia de la chatarra, que suele contener mayores niveles de impurezas como azufre y fósforo.
Habrá una mayor demanda de desulfuración cuando se utilice chatarra como materia prima, lo que nos lleva a la pregunta principal: ¿Qué agente desulfurante...carburo de calcio¿Cuál de los dos materiales, carburo de calcio, magnesio o cal, ofrece el menor costo total? El análisis requiere evaluar las reacciones del carburo de calcio, el magnesio y la cal con el azufre y otras impurezas presentes en el acero. Comparar simplemente sus precios de costo no es la forma correcta de evaluar su rentabilidad.
Este artículo explora los mecanismos y procesos de desulfuración, comparando los reactivos disponibles para mejorar el acero. Además, se presentarán los datos de rendimiento de cada material. Finalmente, se realizará un análisis de costos general. Comencemos con lo básico.
¿Por qué eliminamos el azufre del acero?
La presencia de azufre en el acero altera sus características físicas. Es una impureza en el acero de baja calidad que, al ser eliminada, produce "acero limpio". Problemas como fragilidad en caliente, mala soldabilidad, menor resistencia a la corrosión y SO2Las emisiones provienen del azufre presente en el acero. Por lo tanto, podemos utilizar diferentes mecanismos y reactivos para eliminar este elemento no deseado.
Mecanismos de desulfuración y configuraciones de procesos
Principio de desulfuración
Nuestro objetivo es asegurar la eliminación eficiente del azufre del metal fundido, que suele estar presente en concentraciones de entre el 0,02 % y el 0,06 % en peso. La adición de reactivos provoca que las impurezas se acumulen en la superficie en forma de escoria, la cual puede eliminarse fácilmente, o bien, que la mezcla quede en estado gaseoso.
Los parámetros clave a considerar en el proceso de desulfuración son el porcentaje eliminado (eficiencia), la capacidad de sulfuro y la transferencia de masa entre el reactivo y el metal. Cada tipo de escoria tendrá una capacidad de sulfuro diferente, que es la capacidad de la escoria para retener azufre. La velocidad inherente del movimiento del azufre es su tasa de difusión, que es de aproximadamente 1,2 x 10⁻⁶.-8metro2/s a 1350 °C.
Reacciones químicas
Cal (CaO)
CaO + [S] → CaS + [O]
La cal reacciona con el azufre para formar sulfuro de calcio y liberar oxígeno. Sin embargo, el proceso es lento debido a una capa inmediata (por ejemplo, 2CaO·SiO).2) de material denso se forma, bloqueando la reacción posterior. No hay ningún beneficio secundario al agregar cal al metal fundido.
Carburo de calcio (CaC2)
CaC2+ [S] → CaS + 2[C]
Cuando el carburo de calcio reacciona con el azufre, forma sulfuro de calcio, similar a la cal. Sin embargo, produce carbono, que forma una capa de grafito alrededor de la partícula. Este proceso limita la difusión, la cual se controla mediante la gestión del tamaño de las partículas. Una ventaja adicional del carburo de calcio es el calor que libera, lo que ayuda a mantener la temperatura del metal fundido.
Magnesio (Mg)
Mg + [S] → MgS (sólido)
La reacción entre el magnesio y el azufre es mucho más rápida que las otras dos. El magnesio se vaporiza al reaccionar a 1090 °C. Los compuestos de azufre se nuclean en la fase gaseosa. Esto aporta calor al metal fundido y minimiza la producción de escoria.
Datos de rendimiento y eficiencia
●Magnesio (Mg):Ofrece la máxima eficiencia, eliminando entre el 85% y el 95% del azufre en menos de 5 minutos.
●Carburo de calcio (CaC2): Partículas de carburo de calcioPuede lograr una eliminación del 65 al 90 %. Sin embargo, el resultado depende del tamaño de las partículas. El uso de partículas de 11,8 µm puede aumentar la eliminación hasta el 90 %.
●Lima (KR):Mínima eficiencia, eliminando entre un 50% y un 70% en 10-20 minutos.
Las partículas del reactivo permanecen en contacto con el metal durante un tiempo muy breve —aproximadamente 0,4 segundos— cuando se inyectan en forma de polvo en el metal fundido mediante una lanza sumergida. En el caso contrario, al añadir carburo de calcio en partículas de 2 a 10 mm, el tiempo aumenta a 20-40 segundos. Para comparar, consideraremos la forma de polvo en todos los casos. El índice de penetración (β), que indica la profundidad a la que se inyecta el reactivo, suele ser del 23-29 %.
Procesos de desulfuración
●KR (Reactor de Kanbara)
Se utiliza cal con un impulsor giratorio a 100 rpm para la mezcla (10-20 min). Genera una alta cantidad de escoria, pero tiene un bajo costo de reactivos. El proceso se controla para asegurar la basicidad de la mezcla y limitar la pérdida de hierro por la evaporación de los sólidos.
●MMI (Monoinyección de Magnesio)
Se inyectaron gránulos de magnesio (en menos de 5 minutos). La reacción es rápida debido a los 1090 °C (vapor). Todo el proceso produce poca escoria. La principal desventaja de la MMI es la revulcanización, es decir, la reabsorción de azufre en el metal fundido.
●Coinyección
El proceso utiliza mezclas de magnesio y cal. La mezcla se presenta en forma de polvo y se inyecta en el metal fundido mediante un gas inerte, como el nitrógeno, para facilitar la mezcla. El gas mejora la mezcla al formar burbujas.
●Coinyección de cuchara torpedo
La cuchara torpedo es la cuchara de transporte que lleva el metal caliente desde el alto horno hasta la acería. Utiliza una mezcla de carburo de calcio y cal que se inyecta en el metal fundido mediante un gas inerte para su mezcla. Elimina el azufre del metal. La reacción exotérmica reduce la caída de temperatura.
Características y manejo detallados de los reactivos.
Aquí están los perfiles de los tres reactivos de desulfuración convertidos en viñetas:
1. Perfil de cal (CaO)
●Costo y uso:Reactivo más barato(150 dólares/tonelada)y también el agente principal en el proceso de KR.
●Desventajas:Provoca una pérdida significativa de hierro del 0,5 al 2,5 % debido a la formación de escoria espesa.
●Cinética:Reacción lenta, limitada por capas como 2CaO.SiO2.
●Actuación:Si bien el 50-70% es un valor de referencia para los procesos simples de CaO, la metalurgia moderna y optimizada en cuchara, como el proceso KR con agitación intensa y fundente, logra habitualmente altas tasas de desulfuración, a menudo superiores al 90% a partir de los niveles iniciales de azufre en el metal caliente.
2. Carburo de calcio (CaC2) Perfil
●Costo y uso:Se utiliza en mezclas de coinyección rentables ($380/tonelada).
●Cinética:La eliminación se ve limitada por la formación de una capa de grafito alrededor de las partículas. Es altamente eficiente con una selección adecuada del tamaño de partícula. El tamaño de partícula más favorable y rentable es de 2 a 10 mm, que se deposita en el fondo de la cuchara.
●Seguridad:El principal riesgo es que reacciona violentamente con el agua (forma acetileno).
3. Perfil de magnesio (Mg)
●Costo y uso:Reactivo más caro(2270 dólares/tonelada)Se utiliza para alcanzar niveles de azufre ultrabajos (inferiores a 10 ppm) en el proceso MMI.
●Cinética:Agente más rápido, que logra mayores tasas de eliminación.
●Pérdidas:Provoca una pérdida mínima de escoria/hierro, pero es muy susceptible a la pérdida de reactivos debido a la ebullición.
●Limitación:La eficiencia disminuye en metales con alto contenido de carbono (por ejemplo, HIsarna) porque el grafito bloquea la reacción.
|
Métrico |
Cal |
Carburo de calcio |
Magnesio |
|
Porcentaje de eliminación |
50-70 |
65-90 (90 de multa) |
85-95 |
|
Tiempo minutos |
10-20 |
5-12 |
menores de 5 años |
|
Escoria kg por tonelada |
10-15 |
8-12 |
menores de 5 años |
|
Porcentaje de hierro perdido |
2-3 |
menores de 1 año |
menores de 1 año |
|
Caída de temperatura °C |
25-40 |
15-25 |
añade calor |
|
Partes finales de azufre por millón (a partir de 400) |
100-200 |
10-50 |
menores de 10 años |
Análisis de costos
Como mencionamos anteriormente, el análisis de los reactivos requiere comparar precios, tasas de consumo y penalizaciones del proceso, como la pérdida de hierro y la pérdida de energía, para cada método. Comparar simplemente su costo inicial puede resultar engañoso. Aquí, realizaremos un análisis de costos de la cal, el magnesio y el carburo de calcio en diferentes procesos. Utilizaremos el análisis de costos empleado por Schrama, FNH (2021) en “Desulfuración en la siderurgia del siglo XXI” y los precios más recientes a partir del tercer trimestre de 2025. Antes de continuar, consulte la siguiente nota:
Nota sobre el modelo de costos y las fuentes de datos:
Las cifras de consumo, los valores de pérdida de hierro, las penalizaciones por temperatura y los costos de desgaste/N₂ se obtienen directamente de Schrama, FNH (2021) – Desulfurisation in 21st century iron- and steelmaking, TU Delft. La mayoría de los datos industriales de la tesis provienen de Tata Steel IJmuiden (condiciones de operación 2017–2020).
Los costos reales en otras plantas variarán según la composición local del metal caliente, el diseño del equipo, la calidad de los reactivos, los costos laborales y los precios de la energía. La clasificación relativa (Mg: el más barato → Coinyección → CaC₂ + cal → KR-cal: el más caro) y la magnitud de las penalizaciones se han confirmado en varias acerías integradas europeas y asiáticas, pero las cifras absolutas de $/tHM deben considerarse indicativas y no de aplicación universal.
Precios (solo para el Grupo IMARC):
●Cal: 150 $/TM (Informe sobre cal viva, tercer trimestre de 2025)
●Carburo de calcio: 380 $/tonelada métrica (Informe sobre el carburo de calcio, octubre de 2025)
●Magnesio: 2270 $/TM (Informe sobre el magnesio, tercer trimestre de 2025)
Consumo de reactivos de Schrama (2021), Capítulo 8.4.2, 8.5.1:
|
Proceso |
Cal (kg/tHM) |
CaC2(kg/tHM) |
Mg (kg/tHM) |
|
KR-Lima |
12–15 |
— |
— |
|
MMI-Mg |
— |
— |
0,6–0,8 |
|
Coinyección (Mg+Cal) |
4–5 |
— |
0,3–0,4 |
|
CaC2Mezcla de lima |
4–6 |
6–8 |
— |
Factores de penalización de Schrama (2021):
|
Factor |
Valor |
Fuente |
|
Pérdida de hierro (KR-Cal) |
25 kg/tHM |
Capítulo 3, pág. 61 |
|
Pérdida de hierro (otras) |
8 kg/tHM |
Capítulo 3, pág. 62 |
|
Bajada de temperatura (lima) |
30°C |
Capítulo 2, pág. 30 |
|
Caída de temperatura (CaC2) |
15°C |
Capítulo 2, pág. 30 |
|
Caída de temperatura (Mg) |
0 °C neto |
Capítulo 2, pág. 30 |
|
precio del hierro |
$420/MT |
Capítulo 8, página 164 |
|
Costo temporal |
$0,045/°C |
Capítulo 8, página 165 |
|
norte2+ desgaste (KR) |
$1,25/tHM |
Capítulo 8, página 165 |
|
norte2+ desgaste (MMI/Co-inyección) |
0,55–0,80 dólares/tHM |
Capítulo 8, página 166 |
Cálculo de costes paso a paso (por tHM)
|
Proceso |
Costo del reactivo |
Pérdida de hierro |
Temperatura |
Desgaste/N2 |
Env |
TOTAL |
|
KR-Lima |
13,5 kg x $150/1000 = $2,03 |
25 kg x $0.42 = $10.50 |
$30°C x $0.045 = $1.35 |
$1.25 |
$0.25 |
$15.39 |
|
MMI-Mg |
0,7 kg x $2270/1000 = $1,59 |
8 kg x $0.42 = $3.36 |
$0.00 |
$0.55 |
$0.15 |
$5.65 |
|
Co-inyección (Mg+Cal) |
(4,5 kg x $150 + 0,35 kg x $2270)/1000 = $1,47 |
$3.36 |
$10°C x $0.045 = $0.45 |
$0.80 |
$0.15 |
$6.23 |
|
CaC2Mezcla de lima |
(5 kg x $150 + 7 kg x $380)/1000 = $3.41 |
$3.36 |
$15°C x $0.045 = $0.68 |
$1.00 |
$0.30 |
$8.75 |
Tabla resumen de costos de 2025 (solo IMARC + Schrama)
|
Proceso / Agente |
Reactivo |
Pérdida de hierro |
Temperatura |
Desgaste/N2 |
Env |
Total ($/tHM) |
|
KR-Lima |
$2.03 |
$10.50 |
$1.35 |
$1.25 |
$0.25 |
$15.38 |
|
MMI-Mg |
$1.59 |
$3.36 |
$0.00 |
$0.55 |
$0.15 |
$5.65 |
|
Co-inyección (Mg+Cal) |
$1.47 |
$3.36 |
$0.45 |
$0.80 |
$0.15 |
$6.23 |
|
CaC2+Mezcla de lima (Torpedo) |
$3.41 |
$3.36 |
$0.68 |
$1.00 |
$0.30 |
$8.75 |
Ahorros CHMD (Continuos)
Schrama (2021), Capítulo 8, pág. 167:
“La desulfuración continua reduce el reactivo entre un 10 y un 15 %, la pérdida de hierro en un 50 % y el desgaste en un 20 %.”
|
Proceso |
Costo del lote |
Costo de CHMD |
Ahorros |
|
CaC2+Lima (Torpedo → CHMD) |
$8.75 |
$7.44 |
-15% |
|
Co-inyección de magnesio y cal |
$6.23 |
$5.30 |
-15% |
Veredicto final: IMARC + Schrama únicamente
|
Agente |
Clasificación de costos |
Total ($/tHM) |
Lo mejor para |
|
MMI-Mg |
1º |
$5.65 |
Velocidad ultrabaja S |
|
Co-inyección (Mg+Cal) |
2º |
$6.23 |
Equilibrio entre coste y rendimiento |
|
CaC2+Lima (CHMD) |
3.º |
$7.44 |
Eliminación de fósforo, HIsarna, calor, flujo continuo |
|
CaC2+Lima (Torpedo) |
4to |
$8.75 |
Metal caliente de alto contenido de fósforo en un torpedo de lote |
|
KR-Lima |
5to |
$15.39 |
Solo si no hay lanza de inyección |
El proceso de coinyección utilizando CaC2La cal (CHMD), con un coste inicial de 380 dólares por tonelada métrica, ofrece un precio competitivo frente al magnesio.
Conclusión: Decisión para una elección optimizada en términos de costos.
Tras un análisis exhaustivo de los tres reactivos, concluimos que el carburo de calcio y el magnesio son los más rentables. Sin embargo, el coste total del agente MMI-magnesio se estima en 5,65 dólares por tonelada de acero. Su menor coste inicial convierte al carburo de calcio en una excelente opción, ya que solo cuesta entre 1,8 y 3 dólares más por tonelada de acero que el proceso MMI-Mg.
El uso de magnesio presenta desafíos, como su bajo punto de ebullición (1090 °C), que puede provocar vaporización y emisión de humos, lo que supone un riesgo para la seguridad. En comparación, el uso de carburo de calcio ofrece la ventaja adicional de fortalecer aún más el acero y prevenir la fragilidad. El carburo de calcio es un material denso, más seguro y fácil de controlar. Además, genera un menor volumen de escoria que el magnesio puro utilizado como reactivo.
Utilizando carburo de calcio (CaC2La destilación por membrana continua (CHMD) es la opción ideal para los industriales. Presenta menores riesgos y ofrece un bajo costo inicial. La destilación por membrana continua (CHMD) con reactores en serie es el camino a seguir. Se prevé que reduzca los costos operativos totales entre un 10 % y un 15 % en comparación con los procesos por lotes, debido al menor consumo de reactivos y a la mínima pérdida de hierro (<1 %).
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