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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 que impulsan la desulfuración de metal caliente (HMD) del acero son las tendencias ambientales y de materiales. El objetivo de sostenibilidad establecido por las agencias ambientales exige reducir las emisiones de CO2 de los procesos de fabricación de acero. Esto resultará en 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 de desulfuración (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 del acero. Comparar simplemente su precio 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, mencionaremos los datos de rendimiento de cada material. Finalmente, realizaremos un análisis general de costos. Comencemos con lo básico.
¿Por qué eliminamos el azufre del acero?
La presencia de azufre en el acero altera sus características físicas. Se trata de una impureza presente en el acero motel que, al eliminarse, produce un acero limpio. Problemas como la falta de solidez en caliente, la mala soldabilidad, la reducción de la resistencia a la corrosión y las emisiones de SO₂ surgen del azufre en el acero. Por lo tanto, podemos utilizar diferentes mecanismos y reactivos para eliminar este elemento indeseado.
Mecanismos de desulfuración y configuraciones de procesos
Principio de desulfuración
Nuestro objetivo es garantizar la eliminación eficiente del azufre del metal fundido, que suele estar en concentraciones de entre el 0,02 % y el 0,06 % en peso. La adición de reactivos provocará que las impurezas se acumulen en la parte superior como escoria, que 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, es decir, su capacidad para retener azufre. La velocidad inherente del movimiento del azufre es su tasa de difusión, que es de aproximadamente 1,2 x 10-8 m2 / s a 1350 °C.
Reacciones químicas
Cal (CaO)
CaO + [S] → CaS + [O]
La cal reacciona con la cal para formar sulfuro de calcio y liberar oxígeno. Sin embargo, el proceso es lento porque se forma inmediatamente una capa (por ejemplo, 2CaO.SiO₂ ) de material denso, lo que impide que la reacción continúe. Añadir cal al metal fundido no tiene ningún beneficio secundario.
Carburo de calcio (CaC 2 )
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. El proceso limita la difusión. No obstante, esto se controla mediante la gestión del tamaño de partícula. La 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 fase gaseosa. Esto añade calor al metal fundido y minimiza la producción de escoria.
Datos de rendimiento y eficiencia
● Magnesio (Mg): Ofrece la mayor eficiencia, eliminando del 85% al 95% del azufre en menos de 5 minutos.
● Carburo de calcio (CaC 2): Las partículas de carburo de calcio pueden alcanzar una eliminación del 65-90 %. Sin embargo, el resultado depende del tamaño de partícula. El uso de partículas de 11,8 µm puede aumentar la eliminación hasta el 90 %.
● Cal (KR): Menor eficiencia, eliminando entre el 50 y el 70 % en 10 a 20 minutos.
Las partículas de reactivo permanecen en contacto con el metal durante un tiempo muy breve (aproximadamente 0,4 segundos) cuando se inyectan en forma de polvo en metal fundido mediante una lanza sumergida. En el otro caso, al añadir carburo de calcio de 2 a 10 mm, el tiempo aumenta a 20-40 segundos. A modo de comparación, consideraremos el polvo para todos los reactivos. La tasa de penetración (β), que se refiere a la profundidad de inyección del reactivo, suele ser del 23-29 %.
Procesos de desulfuración
● KR (Reactor Kanbara)
Utiliza cal con un impulsor giratorio a 100 rpm para la mezcla (10-20 min). Produce una alta cantidad de escoria, pero el costo de los reactivos es bajo. El proceso se controla para garantizar la basicidad de la mezcla y limitar la pérdida de hierro por la pérdida de sólidos.
● MMI (Monoinyección de magnesio)
Se inyectaron gránulos de magnesio (en menos de 5 min). La reacción es rápida gracias a los 1090 °C (vapor). Todo el proceso produce poca escoria. La principal desventaja del MMI es la revulcanización, es decir, la reabsorción de azufre en el metal caliente.
● Coinyección
El proceso utiliza mezclas de Mg y cal. La mezcla se presenta en polvo y se inyecta en el metal fundido mediante un gas inerte, como el nitrógeno, para mejorar la mezcla. El gas mejora la mezcla mediante la formación de burbujas.
● Coinyección de cuchara torpedo
La cuchara torpedo es la cuchara de transporte que transporta el metal caliente desde el alto horno hasta la acería. Utiliza una mezcla de carburo de calcio y cal para coinyectar, mediante un gas inerte, el metal fundido y mezclarlo. Elimina el azufre del metal. La reacción exotérmica reduce la caída de temperatura.
Características detalladas de los reactivos y su manejo
A continuación se muestran los perfiles de los tres reactivos de desulfuración convertidos en viñetas:
1. Perfil de cal (CaO)
● Costo y uso: El reactivo más barato ($150/tonelada) y también el agente líder en el proceso KR.
● Desventajas: Provoca una pérdida significativa de hierro del 0,5-2,5% debido a la formación de escoria espesa.
● Cinética: Reacción lenta, limitada por capas como 2CaO.SiO 2 .
● Rendimiento: si bien el 50-70 % es una base para procesos de CaO simples, la metalurgia de cuchara moderna y optimizada, como el proceso KR con agitación y fundente fuertes, logra rutinariamente altas tasas de desulfuración, a menudo superiores al 90 % de los niveles iniciales de azufre del metal caliente.
2. Perfil de carburo de calcio (CaC 2 )
● Costo y uso: Se utiliza en mezclas de coinyección rentables ( $380/tonelada)).
● Cinética: La eliminación está 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 el de 2 a 10 mm, que se deposita en el fondo de la cuchara.
● Seguridad: El principal riesgo es reaccionar violentamente con el agua (forma acetileno).
3. Perfil de magnesio (Mg)
● Costo y uso: El reactivo más caro (2270 USD/tonelada) . Se utiliza para alcanzar niveles ultrabajos de azufre (menos de 10 ppm) en el proceso MMI.
● Cinética: Agente más rápido, logrando mayores tasas de eliminación.
● Pérdidas: Provoca una pérdida mínima de escoria/hierro, pero es muy susceptible a la pérdida de reactivo 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 |
% de eliminación | 50-70 | 65-90 (90 multa) | 85-95 |
Tiempo minutos | 10-20 | 5-12 | menores de 5 años |
kg de escoria por tonelada | 10-15 | 8-12 | menores de 5 años |
% de hierro perdido | 2-3 | menores de 1 | menores de 1 |
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, analizar 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 ser engañoso. En este artículo, realizaremos un análisis de costos de la cal, el magnesio y el carburo de calcio en diferentes procesos. Utilizaremos el análisis de costos de Schrama, FNH (2021) en "Desulfuración en la siderurgia del siglo XXI" y utilizaremos los precios más recientes 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 costes de desgaste/N₂ se extraen directamente de Schrama, FNH (2021) – Desulfurización en la siderurgia del siglo XXI, TU Delft. La mayoría de los datos industriales de la tesis proceden de Tata Steel IJmuiden (condiciones operativas 2017-2020).
Los costos reales en otras plantas varían según la composición local del metal caliente, el diseño del equipo, la calidad de los reactivos, las tarifas de mano de obra y los precios de la energía. La clasificación relativa (Mg más barato → Coinyección → CaC₂+cal → KR-cal más caro) y la magnitud de las penalizaciones se han confirmado en múltiples acerías integradas europeas y asiáticas, pero las cifras absolutas en $/tHM deben considerarse indicativas y no de aplicación universal.
Precios (sólo Grupo IMARC):
● Cal: $150/TM (Informe de cal viva, tercer trimestre de 2025)
● Carburo de calcio: $380/TM (Informe de carburo de calcio, octubre de 2025)
● Magnesio: $2,270/TM (Informe de 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 |
Co-inyección (Mg+Cal) | 4–5 | — | 0,3–0,4 |
Mezcla de CaC2 + lima | 4–6 | 6–8 | — |
Factores de penalización de Schrama (2021):
Factor | Valor | Fuente |
Pérdida de hierro (KR-Cal) | 25 kg/tHM | Cap. 3, pág. 61 |
Pérdida de hierro (otros) | 8 kg/tHM | Cap. 3, pág. 62 |
Caída de temperatura (Lima) | 30°C | Cap. 2, pág. 30 |
Caída de temperatura (CaC 2 ) | 15°C | Cap. 2, pág. 30 |
Caída de temperatura (Mg) | 0°C neto | Cap. 2, pág. 30 |
Precio del hierro | $420/MT | Cap. 8, pág. 164 |
Costo temporal | $0,045/°C | Cap. 8, pág. 165 |
N2 + desgaste (KR) | $1,25/tHM | Cap. 8, pág. 165 |
N2 + desgaste (MMI/Co-inyección) | $0,55–0,80/tHM | Cap. 8, pág. 166 |
Cálculo de costes paso a paso (por tHM)
Proceso | Costo del reactivo | Pérdida de hierro | Temperatura | Desgaste/N 2 | Env | TOTAL |
KR-Lima | 13,5 kg x $150/1000 = $2,04 | 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 $150,67 + 0,35 kg x $2270)/1000 = $1,47 | $3.36 | 10 °C x 0,045 = 0,45 | $0.80 | $0.15 | $6.23 |
Mezcla de CaC2 + lima | (5 kg x $150,67 + 7 kg x $380)/1000 = $3,41 | $3.36 | 15 °C x 0,045 = 0,68 | $1.00 | $0.30 | $8.75 |
Tabla de resumen de costos de 2025 (solo IMARC + Schrama)
Proceso / Agente | Reactivo | Pérdida de hierro | Temperatura | Desgaste/N 2 | Env | Total ($/tHM) |
KR-Lima | $2.04 | $10.50 | $1.35 | $1.25 | $0.25 | $15.39 |
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 |
Mezcla de CaC2 + Lima (Torpedo) | $3.41 | $3.36 | $0.68 | $1.00 | $0.30 | $8.75 |
Ahorros CHMD (Continuos)
Schrama (2021), Capítulo 8, p. 167:
“La desulfuración continua reduce el reactivo en un 10-15%, la pérdida de hierro en un 50% y el desgaste en un 20%”.
Proceso | Costo del lote | Costo de CHMD | Ahorros |
CaC 2 + Cal (Torpedo → CHMD) | $8.75 | $7.44 | −15% |
Co-inyección de Mg y cal | $6.23 | $5.30 | −15% |
Veredicto final: IMARC + Schrama únicamente
Agente | Rango de costo | Total ($/tHM) | Mejor para |
MMI-Mg | 1º | $5.65 | Velocidad ultrabaja S |
Co-Inyección (Mg+Cal) | 2º | $6.23 | Equilibrio entre costo y rendimiento |
CaC2 + Cal (CHMD) | 3º | $7.44 | Eliminación de P, HIsarna, calor, flujo continuo |
CaC 2 + Cal (Torpedo) | 4º | $8.75 | Metal caliente de alta presión en un torpedo por lotes |
KR-Lima | 5º | $15.39 | Sólo si no hay lanza de inyección |
El proceso de coinyección utilizando CaC2 +Cal (CHMD), con un costo inicial de $380/TM, ofrece un precio competitivo al magnesio.
Conclusión: Decisión para una elección con optimización 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, y solo cuesta entre 1,8 y 3 dólares por tHM más que el proceso MMI-Mg.
El uso de magnesio presenta desafíos, como su bajo punto de ebullición (1090 °C), que puede causar vaporización y humos, lo que supone riesgos para la seguridad. En comparación, el uso de carburo de calcio ofrece la ventaja adicional de reforzar aún más el acero y prevenir la fragilidad. El carburo de calcio es un material denso, más seguro y fácil de controlar. Además, genera menos escoria que el Mg puro utilizado como reactivo.
El uso de carburo de calcio ( CaC₂ ) es la opción ideal para los industriales. Presenta menores riesgos y un bajo costo inicial. La HMD continua (CHMD) con reactores en serie es la solución a seguir. Se proyecta una reducción de los costos operativos generales entre un 10 % y un 15 % en comparación con los procesos por lotes, gracias al menor consumo de reactivos y a la minimización de la pérdida de hierro (<1 %).
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