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Scelta dell'agente di desolforazione dell'acciaio: carburo di calcio, a base di magnesio o a calce: quale offre il costo complessivo più basso?
2026-01-12
I fattori trainanti per la desolforazione del metallo caldo (HMD) dell'acciaio sono le tendenze ambientali e dei materiali. L'obiettivo di sostenibilità fissato dalle agenzie ambientali richiede la riduzione delle emissioni di CO2 dai processi di produzione dell'acciaio. Ciò comporterà la necessità di ricorrere a rottami metallici, che in genere presentano livelli più elevati di impurità come zolfo e fosforo.
La domanda di desolforazione aumenterà quando i rottami metallici saranno utilizzati come materia prima, il che ci porta alla domanda principale: quale agente desolforante – carburo di calcio , magnesio o calce – offre il costo complessivo più basso? L'analisi richiede la valutazione delle reazioni del carburo di calcio, del magnesio e della calce con lo zolfo e altre impurità presenti nell'acciaio. Confrontare semplicemente il loro prezzo di costo non è il modo corretto per valutarne l'economicità.
Questo articolo esplora i meccanismi e i processi di desolforazione, confrontando i reagenti disponibili per il miglioramento dell'acciaio. Inoltre, menzioneremo i dati prestazionali di ciascun materiale. Infine, eseguiremo un'analisi complessiva dei costi. Iniziamo dalle basi.
Perché rimuoviamo lo zolfo dall'acciaio?
La presenza di zolfo nell'acciaio ne altera le caratteristiche fisiche. Si tratta di un'impurità presente nell'acciaio che, una volta rimossa, produce "acciaio pulito". Problemi come la scarsa saldabilità a caldo, la ridotta resistenza alla corrosione e le emissioni di SO2 derivano dalla presenza di zolfo nell'acciaio. Pertanto, possiamo utilizzare diversi meccanismi e reagenti per rimuovere l'elemento indesiderato.
Meccanismi di desolforazione e configurazioni di processo
Principio della desolforazione
Il nostro obiettivo è garantire che lo zolfo venga rimosso in modo efficiente dal metallo fuso, che in genere si trova in concentrazioni comprese tra lo 0,02% e lo 0,06% in peso. L'aggiunta di reagenti farà sì che le impurità si raccolgano in superficie sotto forma di scorie, che possono essere facilmente rimosse, oppure lasceranno la miscela sotto forma di gas.
I parametri chiave da considerare nel processo di desolforazione sono la percentuale rimossa (efficienza), la capacità di trattenere lo zolfo e il trasferimento di massa tra il reagente e il metallo. Ogni tipo di scoria avrà una diversa capacità di trattenere lo zolfo, ovvero la capacità della scoria di trattenere lo zolfo. La velocità intrinseca del movimento dello zolfo è la sua velocità di diffusione, che è di circa 1,2x10-8 m 2 /s a 1350 °C.
Reazioni chimiche
Calce (CaO)
CaO + [S] → CaS + [O]
La calce reagisce con la calce viva formando solfuro di calcio e rilasciando ossigeno. Tuttavia, il processo è lento perché si forma immediatamente uno strato (ad esempio, 2CaO.SiO2 ) di materiale denso, che blocca la reazione. Non ci sono benefici collaterali nell'aggiungere calce al metallo fuso.
Carburo di calcio (CaC 2 )
CaC 2 + [S] → CaS + 2[C]
Quando il carburo di calcio reagisce con lo zolfo, forma solfuro di calcio, simile alla calce. Tuttavia, produce carbonio, che forma uno strato di grafite attorno alla particella. Il processo limita la diffusione. Tuttavia, questa può essere controllata gestendo le dimensioni delle particelle. Il vantaggio collaterale del carburo di calcio è il calore che rilascia, che aiuta a mantenere la temperatura del metallo fuso.
Magnesio (Mg)
Mg + [S] → MgS ( solido )
La reazione tra magnesio e zolfo è molto più rapida delle altre due. Il magnesio evapora durante la reazione a 1090 °C. I composti dello zolfo nucleano in fase gassosa. Questo fornisce calore al metallo fuso e riduce al minimo la produzione di scorie.
Dati sulle prestazioni e sull'efficienza
● Magnesio (Mg): offre la massima efficienza, rimuovendo dall'85% al 95% dello zolfo in meno di 5 minuti.
● Carburo di calcio (CaC 2): Le particelle di carburo di calcio possono raggiungere una rimozione del 65-90%. Tuttavia, il risultato è sensibile alle dimensioni delle particelle. Utilizzando particelle da 11,8 µm, la rimozione può arrivare al 90%.
● Calce (KR): Efficienza più bassa, rimuove il 50-70% in 10-20 minuti.
Le particelle di reagente rimangono a contatto con il metallo per un tempo molto breve, circa 0,4 secondi, quando vengono iniettate sotto forma di polvere nel metallo fuso utilizzando una lancia sommersa. Nell'altro caso, aggiungendo carburo di calcio di dimensioni comprese tra 2 e 10 mm, il tempo aumenta a 20-40 secondi. A titolo di confronto, considereremo la forma di polvere per tutti i casi. Il rapporto di penetrazione (β), che si riferisce alla profondità di iniezione del reagente, è in genere del 23-29%.
Processi di desolforazione
● KR (reattore di Kanbara)
Utilizza calce con una girante rotante a 100 giri/min per la miscelazione (10-20 min). Produce un'elevata quantità di scorie, ma ha un basso costo dei reagenti. Il processo è controllato per garantire la basicità della miscela e limitare la perdita di ferro dovuta alla perdita di solidi.
● MMI (Magnesio Mono-Iniezione)
Sono stati iniettati granuli di magnesio (in meno di 5 minuti). La reazione è rapida grazie alla temperatura di 1090 °C (vapore). L'intero processo produce una bassa quantità di scoria. Il principale svantaggio dell'MMI è la rivulcanizzazione, ovvero il riassorbimento dello zolfo nel metallo caldo.
● Co-iniezione
Il processo utilizza miscele di magnesio e calce. La miscela è in polvere e viene iniettata nel metallo fuso utilizzando un gas inerte, come l'azoto, per migliorarne la miscelazione. Il gas migliora la miscelazione formando bolle.
● Co-iniezione della siviera a siluro
La siviera a siluro è la siviera di trasporto che trasporta il metallo caldo dall'altoforno all'acciaieria. Utilizza una miscela di carburo di calcio e calce per co-iniettarla, utilizzando un gas inerte, nel metallo fuso per la miscelazione. Rimuove lo zolfo dal metallo. La reazione esotermica riduce la caduta di temperatura.
Caratteristiche dettagliate dei reagenti e loro manipolazione
Ecco i profili dei tre reagenti di desolforazione convertiti in punti elenco:
1. Profilo della calce (CaO)
● Costo e utilizzo: reagente più economico ($ 150/tonnellata) e anche agente principale nel processo KR.
● Svantaggi: provoca una significativa perdita di ferro pari allo 0,5-2,5% a causa della produzione di scorie spesse.
● Cinetica: reazione lenta, limitata da strati come 2CaO.SiO 2 .
● Prestazioni: mentre il 50-70% è un valore di base per i semplici processi CaO, la metallurgia moderna e ottimizzata della siviera come il processo KR con forte agitazione e flusso raggiunge abitualmente elevati tassi di desolforazione, spesso superiori al 90% rispetto ai livelli iniziali di zolfo del metallo caldo.
2. Profilo del carburo di calcio (CaC 2 )
● Costo e utilizzo: utilizzato in miscele di co-iniezione convenienti ( $ 380/tonnellata).
● Cinetica: la rimozione è limitata dalla formazione di un guscio di grafite attorno alle particelle. È altamente efficiente se si seleziona la dimensione corretta delle particelle. La dimensione più favorevole ed economica è quella delle particelle da 2 a 10 mm, che si deposita sul fondo della siviera.
● Sicurezza: Il rischio principale è la reazione violenta con l'acqua (forma acetilene).
3. Profilo del magnesio (Mg)
● Costo e utilizzo: reagente più costoso ($ 2270/tonnellata) . Utilizzato per obiettivi di bassissimo tenore di zolfo (inferiore a 10 ppm) nel processo MMI.
● Cinetica: agente più veloce, che raggiunge tassi di rimozione più elevati.
● Perdite: provoca una perdita minima di scorie/ferro ma è altamente suscettibile alla perdita di reagente dovuta all'ebollizione.
● Limitazione: l'efficienza diminuisce nei metalli ad alto tenore di carbonio (ad esempio, Hisarna) perché la grafite blocca la reazione.
Metrico | Lime | Carburo di calcio | Magnesio |
Rimozione % | 50-70 | 65-90 (90 fine) | 85-95 |
Tempo minuti | 10-20 | 5-12 | sotto i 5 anni |
kg di scorie per tonnellata | 10-15 | 8-12 | sotto i 5 anni |
% di ferro perso | 2-3 | sotto 1 | sotto 1 |
Calo di temperatura °C | 25-40 | 15-25 | aggiunge calore |
Parti finali di zolfo per milione (da 400) | 100-200 | 10-50 | sotto i 10 anni |
Analisi dei costi
Come accennato in precedenza, l'analisi dei reagenti richiede il confronto di prezzi, tassi di consumo e penali di processo, come la perdita di ferro e la perdita di energia, per ciascun metodo. Confrontare semplicemente il costo iniziale può essere fuorviante. Qui, condurremo un'analisi dei costi di calce, magnesio e carburo di calcio in diversi processi. Utilizzeremo l'analisi dei costi utilizzata da Schrama, FNH (2021) in "Desulphurisation in 21st century iron- and steelmaking" e utilizzeremo i prezzi più recenti al terzo trimestre del 2025. Prima di procedere, si prega di leggere la seguente nota:
Nota sul modello di costo e sulle fonti dei dati:
I dati sui consumi, i valori di perdita di ferro, le penalizzazioni dovute alla temperatura e i costi di usura/N₂ sono tratti direttamente da Schrama, FNH (2021) – Desolforazione nella produzione di ferro e acciaio nel 21° secolo, TU Delft. La maggior parte dei dati industriali nella tesi proviene da Tata Steel IJmuiden (condizioni operative 2017-2020).
I costi effettivi in altri impianti varieranno a seconda della composizione locale del metallo caldo, della progettazione delle attrezzature, della qualità dei reagenti, delle tariffe di manodopera e dei prezzi dell'energia. La classificazione relativa (Mg più economico → Co-iniezione → CaC₂+calce → KR-calce più costoso) e l'entità delle penali sono state confermate in diverse acciaierie integrate europee e asiatiche, ma i valori assoluti $/tHM dovrebbero essere considerati indicativi piuttosto che universalmente applicabili.
Prezzi (solo Gruppo IMARC):
● Calce: $ 150/MT (Quicklime Report, Q3 2025)
● Carburo di calcio: $ 380/MT (Rapporto sul carburo di calcio, ottobre 2025)
● Magnesio: $ 2.270/MT (Rapporto sul magnesio, terzo trimestre 2025)
Consumo di reagenti da Schrama (2021), capitolo 8.4.2, 8.5.1:
Processo | Calce (kg/tHM) | CaC 2 (kg/tHM) | Mg (kg/tHM) |
KR-Lime | 12–15 | — | — |
MMI-Mg | — | — | 0,6–0,8 |
Co-iniezione (Mg+Calce) | 4–5 | — | 0,3–0,4 |
Miscela di CaC 2 + calce | 4–6 | 6–8 | — |
Fattori di penalità da Schrama (2021):
Fattore | Valore | Fonte |
Perdita di ferro (KR-Calce) | 25 kg/tHM | Capitolo 3, pag. 61 |
Perdita di ferro (altro) | 8 kg/tHM | Capitolo 3, pag. 62 |
Calo di temperatura (Lime) | 30°C | Capitolo 2, pag. 30 |
Calo di temperatura (CaC 2 ) | 15°C | Capitolo 2, pag. 30 |
Calo di temperatura (Mg) | 0°C netto | Capitolo 2, pag. 30 |
Prezzo del ferro | $420/MT | Capitolo 8, pag. 164 |
Costo temporaneo | $0,045/°C | Capitolo 8, pag. 165 |
N 2 + usura (KR) | $ 1,25/tHM | Capitolo 8, pag. 165 |
N 2 + usura (MMI/Co-inj) | $ 0,55–0,80/tHM | Capitolo 8, pag. 166 |
Calcolo dei costi passo dopo passo (per tHM)
Processo | Costo del reagente | Perdita di ferro | Temporaneo | Indossare/N 2 | Ambiente | TOTAL |
KR-Lime | 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 $ 2.270/1000 = $ 1,59 | 8 kg x $ 0,42 = $ 3,36 | $0.00 | $0.55 | $0.15 | $5.65 |
Co-Inj (Mg+Calce) | (4,5 kg x $ 150,67 + 0,35 kg x $ 2.270)/1000 = $ 1,47 | $3.36 | $10°C x $0,045 = $0,45 | $0.80 | $0.15 | $6.23 |
Miscela di CaC 2 + calce | (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 | $8.75 |
Tabella riepilogativa dei costi 2025 (solo IMARC + Schrama)
Processo / Agente | Reagente | Perdita di ferro | Temporaneo | Indossare/N 2 | Ambiente | Totale ($/tHM) |
KR-Lime | $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-Inj (Mg+Calce) | $1.47 | $3.36 | $0.45 | $0.80 | $0.15 | $6.23 |
Miscela di CaC 2 + calce (Torpedo) | $3.41 | $3.36 | $0.68 | $1.00 | $0.30 | $8.75 |
Risparmio CHMD (continuo)
Schrama (2021), capitolo 8, pag. 167:
“La desolforazione continua riduce il reagente del 10-15%, la perdita di ferro del 50% e l’usura del 20%.”
Processo | Costo del lotto | Costo CHMD | Risparmio |
CaC 2 + Calce (Siluro → CHMD) | $8.75 | $7.44 | -15% |
Mg+Lime Co-Inj | $6.23 | $5.30 | -15% |
Verdetto finale – Solo IMARC + Schrama
Agente | Classifica dei costi | Totale ($/tHM) | Ideale per |
MMI-Mg | 1° | $5.65 | Velocità S ultra bassa |
Co-Inj (Mg+Calce) | 2° | $6.23 | Equilibrio tra costi e prestazioni |
CaC 2 + Calce (CHMD) | 3° | $7.44 | Rimozione P, HIsarna, calore, flusso continuo |
CaC 2 + Calce (Siluro) | 4° | $8.75 | Metallo caldo ad alto P in un siluro in serie |
KR-Lime | 5° | $15.39 | Solo se non c'è lancia di iniezione |
Il processo di co-iniezione che utilizza CaC 2 + calce (CHMD), con un costo iniziale di 380 $/MT, offre un prezzo competitivo rispetto al magnesio.
Conclusione: decisione per la scelta ottimizzata in base ai costi
Dopo un'analisi approfondita di tutti e tre i reagenti, concludiamo che il carburo di calcio e il magnesio sono i più convenienti. Tuttavia, il costo totale dell'agente MMI-Magnesio è stimato in 5,65 dollari per tonnellata di acciaio. Il costo iniziale inferiore rende il carburo di calcio un'ottima scelta, con un costo di soli 1,8-3 dollari per tHM in più rispetto al processo MMI-Mg.
L'utilizzo del magnesio presenta delle sfide, come il suo basso punto di ebollizione (1090 °C), che può causare vaporizzazione e formazione di fumo, con conseguenti rischi per la sicurezza. Al contrario, l'uso del carburo di calcio offre l'ulteriore vantaggio di rafforzare ulteriormente l'acciaio e prevenirne la fragilità. Il carburo di calcio è un materiale denso. È più sicuro e facile da controllare. Inoltre, presenta un volume di scoria inferiore rispetto al Mg puro utilizzato come reagente.
L'utilizzo del carburo di calcio ( CaC2 ) è la scelta ideale per gli industriali. Presenta rischi ridotti e offre un costo iniziale contenuto. L'HMD continuo (CHMD) con reattori in serie è la soluzione ideale. Si prevede che ridurrà i costi operativi complessivi del 10-15% rispetto ai processi batch grazie al minor consumo di reagenti e alla riduzione al minimo delle perdite di ferro (<1%).
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