Новый способ производства стали может снизить зависимость Америки от импорта | Новости Массачусетского технологического института

Америка производила сталь из железной руды таким же способом на протяжении сотен лет. К сожалению, этого недостаточно. Сегодня США являются крупнейшим в мире импортером стали, полагаясь на другие страны в производстве материала, который служит основой нашего общества.

Это не значит, что США одиноки: сегодня в мире большая часть стали производится на огромных заводах стоимостью в несколько миллиардов долларов с использованием угольного процесса, который не сильно изменился за 300 лет.

Теперь Hertha Metals, основанная генеральным директором Лорин Меруэ С.М. ’18, доктор философии ’20, расширяет масштабы новой системы производства стали, работающей на природном газе и электричестве. В процессе, который также может работать на водороде, используется дуговая печь непрерывного действия, в которой железная руда любого сорта и формата восстанавливается и науглероживается в расплавленную сталь за один этап. Это также устраняет необходимость в коксовых и агломерационных установках, а также в других опасных и дорогих компонентах традиционных систем. В результате, по словам компании, ее процесс потребляет на 30 процентов меньше энергии и требует меньше затрат на эксплуатацию, чем традиционные сталелитейные заводы в Америке.

«Настоящим заголовком является тот факт, что мы можем производить сталь из железной руды более конкурентоспособной по затратам на 25 процентов в Соединенных Штатах, одновременно сокращая выбросы». — говорит Меруэ. “Соединенные Штаты уже несколько десятилетий не являются конкурентоспособными в производстве стали. Теперь мы это делаем”.

С конца 2024 года Hertha эксплуатирует пилотную установку производительностью 1 тонна в день на своем первом производственном объекте за пределами Хьюстона, штат Техас. Компания называет это крупнейшей в мире демонстрацией одностадийного процесса производства стали. В этом году компания начнет строительство завода, который сможет производить 10 тысяч тонн стали в год. Этот завод, который, как рассчитывает Герта, выйдет на полную производственную мощность к концу 2027 года, также будет производить железо высокой чистоты для магнитной промышленности, помогая Америке добывать еще один критически важный материал.

«Импортируя так много нашего чугуна и стали, мы полностью полагаемся на то, что глобальные торговые механизмы и геополитика останутся такими, какие они есть сегодня, чтобы мы могли продолжать производить материалы, которые имеют решающее значение для нашей инфраструктуры, наших оборонных систем и наших энергетических систем», — говорит Меруэ. “Сталь – это самый основополагающий материал для нашего общества. Она просто незаменима”.

Оптимизация производства стали

Меруэ получила степень магистра в лаборатории Ган Чена, профессора энергетики Массачусетского технологического института имени Карла Ричарда Содерберга. Она изучала хранение тепловой энергии и фундаментальную физику теплопередачи, а в конечном итоге впервые почувствовала вкус предпринимательства, когда занялась коммерциализацией некоторых из этих исследований. Меруэ получил грант от Инновационного фонда MIT Sandbox и сегодня считает исполнительного директора Джинан Абунади своим близким наставником.

Этот опыт научил Меруэ многому о стартапах, но в конечном итоге она решила остаться в Массачусетском технологическом институте, чтобы получить докторскую степень в области металлургии и производства водорода в лаборатории Дугласа Харта, профессора машиностроения Массачусетского технологического института. После получения докторской степени в 2020 году ее наняли руководить стартапом по производству водорода на полтора года.

«После этого опыта я изучил все отрасли экономики с высоким уровнем выбросов, которые трудно сократить, чтобы найти тот, которому уделяется меньше всего внимания», — говорит Меруэ. «Я наткнулся на сталь и влюбился».

Меруэ стал стипендиатом-инноватором инвестиционной компании Breakthrough Energy, стартапа по климату и энергетике, и официально основал Hertha Metals в 2022 году.

Компания названа в честь Герты Айртон, физика и изобретателя XIX века, которая расширила наше понимание электрических дуг, которые компания использует в своих печах.

Сегодня во всем мире большая часть стали производится путем объединения железной руды с коксом (из угля) и известняком в доменной печи для получения расплавленного железа. Затем этот «чугун» отправляют в другую печь для сжигания лишнего углерода и примесей. Затем добавляются легирующие элементы, и сталь отправляется на литье и отделку, требующую дополнительного оборудования.

США производят большую часть своей стали из переработанного металлолома, но им по-прежнему приходится импортировать железо, произведенное в доменных печах, чтобы получить полезные сорта стали.

«Соединенные Штаты испытывают огромную потребность производить сталь из железной руды, а не только из металлолома, поэтому мы можем перестать полагаться на импорт», — объясняет Меруэ. «В США у нас всего около 11 действующих доменных печей, поэтому в конечном итоге мы импортируем около 90 процентов чугуна, необходимого для подачи в отечественные печи для переработки стального лома».

Чтобы решить эту проблему, Меруэ использовал топливо, которого в Америке в изобилии: природный газ. В системе Hertha используется природный газ (процесс также работает с водородом) для восстановления железной руды, а для ее плавления за один этап используется электричество. По ее словам, ближайшая конкурирующая технология требует дефицитной и дорогой окатышей, высококачественной железной руды и нескольких печей для производства жидкой стали. В процессе Меруэ используется железная руда любого формата и качества, при этом производится рафинированная жидкая сталь в одной печи, что позволяет сократить как затраты, так и выбросы.

«Многие реакции, которые раньше проводились последовательно в обычном процессе производства стали, теперь происходят одновременно, в одной печи», — объясняет Меруэ. “Мы плавим, восстанавливаем и науглероживаем сталь до точного количества, которое нам нужно. Из нашей печи выходит очищенная расплавленная сталь. Мы можем перерабатывать железную руду любого сорта и формата, потому что все происходит в расплавленной фазе. Не имеет значения, поступила ли руда в виде окатышей или в виде комков и мелочи из-под земли”.

Меруэ говорит, что крупнейшей инновацией компании является проведение газообразного восстановления, когда оксид железа представляет собой расплавленную жидкость, с использованием запатентованных газовых технологий.

«Все традиционные технологии производства стали осуществляют восстановление, пока железная руда находится в твердом состоянии, и для этого восстановления используют газ — будь то сожженный кокс или природный газ», — говорит Меруэ. «Мы увидели неэффективность этого подхода и то, как это ограничивает качество и форму пригодной для использования железной руды, потому что в конце концов вам все равно придется плавить руду».

Система Hertha является модульной и использует стандартное оборудование для обработки отходящих газов, паровые турбины и теплообменники. Он также перерабатывает природный газ для регенерации электроэнергии из горячих отходящих газов, выходящих из печи.

«Наш сталелитейный завод имеет собственную небольшую электростанцию, которая обеспечивает 35-процентное восстановление энергии и минимизирует потребность в электроэнергии в эпоху, когда мы конкурируем с центрами обработки данных», — говорит Меруэ.

Закрепление критически важных материалов

Сегодняшние сталелитейные заводы являются результатом огромных инвестиций и рассчитаны на срок службы не менее 50 лет. Hertha Metals не предполагает их полную замену — по крайней мере, в ближайшее время.

«Вы не собираетесь просто останавливать сталелитейный завод в середине его срока службы», — говорит Меруэ. «Конечно, вы можете построить новые сталелитейные заводы, но мы действительно хотим иметь возможность заменить доменную печь и конвертерную печь, сохраняя при этом использование всего последующего оборудования завода».

Завод компании в Хьюстоне начал производить одну тонну стали в день всего через два года после основания Hertha и менее чем через год после того, как Меруэ открыл штаб-квартиру Hertha. Она называет это важным первым шагом.

«Это крупнейшая демонстрация одностадийной сталелитейной компании», — говорит Меруэ. «Это настоящий прорыв с точки зрения масштабируемости, темпов прогресса и эффективности использования капитала».

Следующий завод компании, который будет способен производить 10 000 тонн стали в год, также будет производить железо высокой чистоты для постоянных магнитов, которые используются в электродвигателях, робототехнике, бытовой электронике, аэрокосмической и военной технике.

«Это безумие, что мы не производим редкоземельные магниты внутри страны», — говорит Меруэ. “Это безумие, что ни одна страна не производит свои собственные редкоземельные магниты. Большинство редкоземельных магнитов являются постоянными магнитами, то есть неодимовыми магнитами. Что интересно, по весу 70 процентов этого магнита не редкоземельные, а железо высокой чистоты. В настоящее время Америка не производит железо высокой чистоты, но Герта уже произвела его на нашем опытном заводе”.

Hertha планирует быстро увеличить производство железа высокой чистоты, чтобы к 2030 году удовлетворить около четверти общего прогнозируемого спроса на магниты в США.

После этого компания планирует запустить полномасштабный завод по производству коммерческой стали в партнерстве с производителем стали в Америке. Меруэ говорит, что завод, который сможет производить около полумиллиона тонн стали в год, должен быть введен в эксплуатацию к 2030 году.

«Мы стремимся сотрудничать с сегодняшними производителями стали, чтобы мы могли совместно использовать существующую инфраструктуру наряду с инновациями Hertha», — говорит Меруэ. “Это включает в себя 1,5 миллиарда долларов капитала после плавильного цеха, в который может быть интегрирован процесс Hertha. Плавильный цех – это часть сталелитейного завода, обеспечивающая превращение руды в жидкую сталь. Это только начало. Это меньший масштаб, чем обычный завод, на котором мы все еще экономически превосходим традиционные производственные процессы. Затем мы собираемся масштабироваться до 2 миллионов тонн в год, как только мы пополним наш баланс”.