Il principale fornitore mondiale di carburo di calcio .
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 a caldo dell'acciaio (HMD) sono le tendenze ambientali e dei materiali. L'obiettivo di sostenibilità fissato dalle agenzie ambientali richiede la riduzione delle emissioni di CO2 derivanti dai processi di produzione dell'acciaio. Ciò comporterà un maggiore ricorso al rottame metallico, che in genere presenta livelli più elevati di impurità come zolfo e fosforo.
Ci sarà una maggiore domanda di desolforazione quando il rottame metallico verrà utilizzato come materia prima, il che ci porta alla domanda principale: quale agente desolforante—carburo di calcioQuale tra carburo di calcio, magnesio e 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 la convenienza economica.
Questo articolo esplora i meccanismi e i processi di desolforazione, confrontando i reagenti disponibili per il miglioramento dell'acciaio. Inoltre, analizzeremo i dati prestazionali di ciascun materiale. Infine, effettueremo un'analisi complessiva dei costi. Iniziamo dalle basi.
Perché rimuoviamo lo zolfo dall'acciaio?
La presenza di zolfo nell'acciaio ne modifica le caratteristiche fisiche. È un'impurità nell'acciaio motel che, una volta rimossa, produce "acciaio pulito". Problemi come la fragilità a caldo, la scarsa saldabilità, la ridotta resistenza alla corrosione e SO2Le emissioni derivano dallo zolfo presente nell'acciaio. Pertanto, possiamo utilizzare diversi meccanismi e reagenti per rimuovere questo elemento indesiderato.
Meccanismi di desolforazione e configurazioni di processo
Principio della desolforazione
Il nostro obiettivo è garantire un'efficiente rimozione dello zolfo dal metallo fuso, che in genere si trova a livelli compresi tra lo 0,02% e lo 0,06% in peso. L'aggiunta di reagenti farà sì che le impurità si accumulino in superficie sotto forma di scoria, che può essere facilmente rimossa, oppure lascerà la miscela allo stato gassoso.
I parametri chiave da considerare nel processo di desolforazione sono la percentuale di rimozione (efficienza), la capacità di solfuro e il trasferimento di massa tra il reagente e il metallo. Ogni tipo di scoria avrà una diversa capacità di solfuro, ovvero la capacità della scoria di trattenere lo zolfo. La velocità intrinseca del movimento dello zolfo è la sua velocità di diffusione, che è circa 1,2x10-8M2/s a 1350 °C.
Reazioni chimiche
Calce (CaO)
CaO + [S] → CaS + [O]
La calce reagisce con lo zolfo per formare solfuro di calcio e rilasciare ossigeno. Tuttavia, il processo è lento perché si forma uno strato immediato (ad esempio, 2CaO.SiO2) di materiale denso che si forma, bloccando ulteriori reazioni. Non ci sono benefici collaterali nell'aggiungere calce al metallo fuso.
Carburo di calcio (CaC2)
CaC2+ [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. Questo processo limita la diffusione, ma tale effetto può essere controllato regolando la granulometria. Un ulteriore vantaggio del carburo di calcio è il calore che rilascia, utile per mantenere costante la temperatura del metallo fuso.
Magnesio (Mg)
Mg + [S] → MgS (solido)
La reazione tra magnesio e zolfo è molto più rapida rispetto alle altre due reazioni. Il magnesio vaporizza a 1090 °C. I composti dello zolfo si nucleano in fase gassosa. Ciò apporta calore al metallo fuso e riduce al minimo la produzione di scorie.
Dati su prestazioni ed efficienza
●Magnesio (Mg):Offre la massima efficienza, rimuovendo dall'85% al 95% dello zolfo in meno di 5 minuti.
●Carburo di calcio (CaC2): particelle di carburo di calcioPuò raggiungere una rimozione del 65-90%. Tuttavia, il risultato è sensibile alla dimensione delle particelle. L'utilizzo di particelle da 11,8 µm può portare la rimozione al 90%.
●Lime (KR):Efficienza minima, con una rimozione del 50-70% in 10-20 minuti.
Le particelle del 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 tramite una lancia sommersa. Nell'altro caso, ovvero l'aggiunta di carburo di calcio in granulometria compresa tra 2 e 10 mm, il tempo aumenta a 20-40 secondi. Per confronto, considereremo la forma di polvere in tutti i casi. Il rapporto di penetrazione (β), che indica la profondità di iniezione del reagente, è tipicamente del 23-29%.
Processi di desolforazione
●KR (Reattore di Kanbara)
Utilizza calce con un agitatore rotante a 100 giri/min per la miscelazione (10-20 minuti). Produce un'elevata quantità di scorie, ma ha un basso costo dei reagenti. Il processo è controllato per garantire la basicità della miscela e per 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 ai 1090 °C (vapore). L'intero processo produce una bassa quantità di scorie. Il principale svantaggio del processo MMI è la rivulcanizzazione, ovvero il riassorbimento dello zolfo nel metallo fuso.
●Co-iniezione
Il processo utilizza miscele di magnesio e calce. La miscela, in forma di polvere, viene iniettata nel metallo fuso mediante un gas inerte, come l'azoto, per favorire la miscelazione. Il gas migliora la miscelazione formando bolle.
●Co-iniezione con siviera a siluro
La siviera a siluro è la siviera di trasporto che convoglia il metallo fuso dall'altoforno all'acciaieria. Utilizza una miscela di carburo di calcio e calce da iniettare, tramite un gas inerte, nel metallo fuso per miscelarlo. Questo processo rimuove lo zolfo dal metallo. La reazione esotermica riduce il calo di temperatura.
Caratteristiche dettagliate dei reagenti e modalità di 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 dollari/tonnellata)e anche l'agente principale nel processo KR.
●Svantaggi:Provoca una significativa perdita di ferro, pari allo 0,5-2,5%, a causa della formazione di scorie dense.
●Cinetica:Reazione lenta, limitata da strati come 2CaO.SiO2.
●Prestazione:Mentre il 50-70% rappresenta un valore di riferimento per i semplici processi a base di CaO, la metallurgia moderna e ottimizzata in siviera, come il processo KR con agitazione e flusso intensi, raggiunge regolarmente elevati tassi di desolforazione, spesso superiori al 90% rispetto ai livelli iniziali di zolfo nel metallo fuso.
2. Carburo di calcio (CaC2Profilo
●Costo e utilizzo:Utilizzato in miscele di co-iniezione economicamente vantaggiose (380 dollari/tonnellata).
●Cinetica:La rimozione è limitata dalla formazione di un guscio di grafite attorno alle particelle. Il processo è altamente efficiente se si seleziona la granulometria appropriata. La granulometria più favorevole ed economicamente vantaggiosa è quella compresa tra 2 e 10 mm, che si deposita sul fondo della siviera.
●Sicurezza:Il rischio principale è la reazione violenta con l'acqua (formazione di acetilene).
3. Profilo del magnesio (Mg)
●Costo e utilizzo:Reagente più costoso(2270 dollari/tonnellata)Utilizzato per raggiungere obiettivi di bassissimo contenuto di zolfo (inferiore a 10 ppm) nel processo MMI.
●Cinetica:Agente più veloce, con tassi di rimozione più elevati.
●Perdite:Provoca una perdita minima di scorie/ferro, ma è altamente soggetto a perdita di reagenti a causa dell'ebollizione.
●Limitazione:L'efficienza diminuisce nei metalli ad alto contenuto di carbonio (ad esempio, HIsarna) perché la grafite blocca la reazione.
|
metrico |
Lime |
Carburo di calcio |
Magnesio |
|
Rimozione % |
50-70 |
65-90 (90 multa) |
85-95 |
|
Tempo minuti |
10-20 |
5-12 |
meno di 5 anni |
|
Scorie kg per tonnellata |
10-15 |
8-12 |
meno di 5 anni |
|
% di ferro perso |
2-3 |
meno di 1 |
meno di 1 |
|
Calo di temperatura °C |
25-40 |
15-25 |
aggiunge calore |
|
Parti di zolfo finali per milione (da 400) |
100-200 |
10-50 |
meno di 10 anni |
Analisi dei costi
Come accennato in precedenza, l'analisi dei reagenti richiede il confronto di prezzi, tassi di consumo e penalità di processo, come la perdita di ferro e la perdita di energia, per ciascun metodo. Il semplice confronto dei costi iniziali può essere fuorviante. In questa sede, condurremo un'analisi dei costi di calce, magnesio e carburo di calcio in diversi processi. Utilizzeremo l'analisi dei costi impiegata da Schrama, FNH (2021) in "Desulphurisation in 21st century iron- and steelmaking" e i prezzi più recenti relativi 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 relativi ai consumi, alle perdite di ferro, alle penalità di temperatura e ai costi di usura/N₂ sono tratti direttamente da Schrama, FNH (2021) – Desulphurisation in 21st century iron- and steelmaking, TU Delft. La maggior parte dei dati industriali presenti nella tesi proviene da Tata Steel IJmuiden (condizioni operative 2017–2020).
I costi effettivi presso altri impianti varieranno a seconda della composizione locale del metallo fuso, della progettazione delle apparecchiature, della qualità dei reagenti, dei costi della manodopera e dei prezzi dell'energia. La classificazione relativa (Mg il più economico → Co-iniezione → CaC₂+calce → KR-calce il più costoso) e l'entità delle penali sono state confermate presso diverse acciaierie integrate europee e asiatiche, ma le cifre assolute $/tHM devono essere considerate indicative piuttosto che universalmente applicabili.
Prezzi (solo per il gruppo IMARC):
●Calce: 150 $/tonnellata (Rapporto sulla calce viva, terzo trimestre 2025)
●Carburo di calcio: 380 $/tonnellata (Rapporto sul carburo di calcio, ottobre 2025)
●Magnesio: 2.270 $/tonnellata (Rapporto sul magnesio, terzo trimestre 2025)
Consumo di reagenti da Schrama (2021), capitolo 8.4.2, 8.5.1:
|
Processo |
Calce (kg/tHM) |
CaC2(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 |
|
CaC2+ Miscela di lime |
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 (altri) |
8 kg/tHM |
Capitolo 3, pag. 62 |
|
Calo di temperatura (calce) |
30°C |
Capitolo 2, pagina 30 |
|
Calo di temperatura (CaC2) |
15°C |
Capitolo 2, pagina 30 |
|
Caduta di temperatura (Mg) |
0°C netto |
Capitolo 2, pagina 30 |
|
Prezzo del ferro |
$420/MT |
Capitolo 8, pag. 164 |
|
Costo temporaneo |
$0,045/°C |
Capitolo 8, pag. 165 |
|
N2+ usura (KR) |
$1,25/tHM |
Capitolo 8, pag. 165 |
|
N2+ indossare (MMI/Co-iniezione) |
$0,55–0,80/tHM |
Capitolo 8, pag. 166 |
Calcolo dei costi passo passo (per tHM)
|
Processo |
Costo del reagente |
perdita di ferro |
Temp |
Indossare/N2 |
Ambiente |
TOTAL |
|
KR-Lime |
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 2.270 $ / 1000 = 1,59 $ |
8 kg x 0,42 $ = 3,36 $ |
$0,00 |
$0,55 |
$0,15 |
$5,65 |
|
Co-iniezione (Mg+Lime) |
(4,5 kg x $150 + 0,35 kg x $2.270)/1000 = $1,47 |
$3,36 |
$10°C x $0,045 = $0,45 |
$0,80 |
$0,15 |
$6,23 |
|
CaC2+ Miscela di lime |
(5 kg x $150 + 7 kg x $380)/1000 = $3,41 |
$3,36 |
$15°C x $0,045 = $0,68 |
$1,00 |
$0,30 |
$8,75 |
Tabella riassuntiva dei costi 2025 (solo IMARC + Schrama)
|
Processo / Agente |
Reagente |
perdita di ferro |
Temp |
Indossare/N2 |
Ambiente |
Totale ($/tHM) |
|
KR-Lime |
$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-iniezione (Mg+Lime) |
$1,47 |
$3,36 |
$0,45 |
$0,80 |
$0,15 |
$6,23 |
|
CaC2+Miscela di lime (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 consumo di reagenti del 10-15%, la perdita di ferro del 50% e l'usura del 20%.”
|
Processo |
Costo del lotto |
Costo CHMD |
Risparmi |
|
CaC2+Lime (Siluro → CHMD) |
$8,75 |
$7,44 |
-15% |
|
Co-iniezione di magnesio e calce |
$6,23 |
$5,30 |
-15% |
Verdetto finale – Solo IMARC + Schrama
|
Agente |
Classifica dei costi |
Totale ($/tHM) |
Ideale per |
|
MMI-Mg |
1° |
$5,65 |
Velocità ultra-bassa S, |
|
Co-iniezione (Mg+Lime) |
2° |
$6,23 |
Equilibrio tra costi e prestazioni |
|
CaC2+Calce (CHMD) |
3° |
$7,44 |
Rimozione P, HIsarna, calore, flusso continuo |
|
CaC2+Lime (Siluro) |
4° |
$8,75 |
Metallo caldo ad alta pressione in un siluro a lotti |
|
KR-Lime |
5° |
$15,39 |
Solo se non è presente una lancia per iniezioni |
Il processo di co-iniezione utilizzando CaC2+La calce (CHMD), con un costo iniziale di 380 $/MT, offre un prezzo competitivo rispetto al magnesio.
Conclusione: decisione per la scelta ottimizzata in termini di 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, e costa solo 1,8-3 dollari per tonnellata di acciaio in più rispetto al processo MMI-Mg.
L'utilizzo del magnesio presenta delle problematiche, come il suo basso punto di ebollizione (1090 °C), che può causare vaporizzazione e fumi, con conseguenti rischi per la sicurezza. Al contrario, l'utilizzo del carburo di calcio offre il vantaggio aggiuntivo di rafforzare ulteriormente l'acciaio e prevenirne la fragilità. Il carburo di calcio è un materiale denso, più sicuro e più facile da controllare. Inoltre, produce un volume di scorie inferiore rispetto al magnesio puro utilizzato come reagente.
Utilizzando il carburo di calcio (CaC2) è la scelta ideale per gli industriali. Presenta minori rischi e offre un basso costo iniziale. L'HMD continuo (CHMD) con reattori in serie è la strada da seguire. Si prevede che riduca i costi operativi complessivi del 10-15% rispetto ai processi batch grazie al minore consumo di reagenti e alla minima perdita di ferro (<1%).
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Mongolia Interna, Cina
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