DRI vs. Altoforno: Qual è la differenza?

Il DRI (ferro preridotto, noto anche come ferro spugna) è minerale di ferro ridotto a ferro metallico solido al di sotto del suo punto di fusione, tipicamente a 800-1.050°C, che mantiene una forma solida porosa con un contenuto di ferro totale del 90-94% e di carbonio dello 0,1-2,5%. La ghisa d'altoforno viene prodotta fondendo completamente il minerale di ferro e il coke metallurgico a circa 1.450-1.500°C, ottenendo ferro liquido contenente il 3,5-4,5% di carbonio [1][2]. Questi alimentano diversi forni a valle: il DRI alimenta i forni ad arco elettrico (EAF) come sostituto del rottame; la ghisa alimenta i convertitori ad ossigeno (BOF) nelle acciaierie a ciclo integrale. Per informazioni sul processo di produzione del ferro spugna, consultare la guida processo di produzione del ferro spugna.

Fonti: [1][2][3][4]. Dettagli sui processi e dati di capacità tratti dalle statistiche mondiali DRI Midrex 2024 e dai riferimenti standard della siderurgia.

La differenza strutturale chiave è che il DRI evita completamente la fase di fusione. Il minerale di ferro viene riscaldato in un'atmosfera di gas riducente finché l'ossigeno non viene rimosso dagli ossidi di ferro, ma il materiale non diventa mai liquido. Il prodotto è un solido poroso, simile a una spugna, che mantiene la forma fisica del pellet o del pezzo di minerale, ma è ora prevalentemente ferro metallico. Il motivo per cui viene chiamato ferro spugna è una conseguenza diretta di questa microstruttura.

L'altoforno, al contrario, utilizza il carbonio del coke sia per ridurre che per fondere il minerale di ferro. Il ferro fuso assorbe il 3,5-4,5% di carbonio dal coke, il che abbassa il punto di fusione del ferro a circa 1.150-1.200°C (rispetto ai 1.538°C del ferro puro), consentendo la colata continua come ghisa liquida. Questo elevato contenuto di carbonio è il motivo per cui la ghisa deve essere raffinata in un BOF prima di diventare acciaio: il convertitore insuffla ossigeno attraverso il metallo liquido per ossidare il carbonio in eccesso fino ai livelli richiesti per l'acciaio.

Chimica dell'agente riducente: dove va a finire il carbonio

Gli agenti riducenti sono diversi per natura, non solo per grado. Un altoforno funziona a coke metallurgico, un carbonio duro, poroso e a basso contenuto di volatili ottenuto dalla distillazione distruttiva del carbone da coke a circa 1.100°C. Il coke svolge tre funzioni simultaneamente all'interno della colonna: fornisce CO tramite combustione parziale agli ugelli (2C + O2 a 2CO), sostiene fisicamente la carica affinché il gas possa fluire verso l'alto attraverso la colonna e si scioglie nel ferro liquido al crogiolo per conferire alla ghisa il suo 3,5-4,5% di carbonio. La riduzione diretta non utilizza il coke in questo modo. Un forno rotante a carbone brucia normale carbone non cokificabile in un'atmosfera sottostochiometrica per generare CO che reagisce con i pellet di ossido di ferro presenti nello stesso forno; un forno a tino a gas riforma il gas naturale in una miscela di circa il 55% di H2 e il 35% di CO che fluisce in controcorrente rispetto a un letto di pellet discendente [2]. La via dell'idrogeno è significativa perché l'unico sottoprodotto della riduzione di Fe2O3 tramite H2 è il vapore acqueo, il che rende il DRI a base di idrogeno la principale via a basse emissioni di carbonio per la produzione di acciaio primario [5].

Forma del prodotto e vincoli a valle

Poiché la ghisa lascia l'altoforno come liquido a circa 1.450°C, il processo a valle è già vincolato: i carri siluro la trasportano direttamente a un convertitore ad ossigeno, dove viene decarburata in pochi minuti. Non esiste una fase di stoccaggio, commercio o trasporto al di fuori dell'impianto. Il DRI è l'opposto. Il prodotto è un pellet, un pezzo o una bricchetta calda solida che può essere raffreddata, stoccata, miscelata con rottame e caricata in un EAF secondo le esigenze dell'acciaieria. Il DRI caldo (HDRI) può essere trasportato a circa 600-700°C direttamente in un EAF adiacente per un risparmio energetico di circa 120-150 kWh per tonnellata di acciaio, ma l'opzione del DRI freddo o dell'HBI significa che un impianto DRI-EAF è molto meno vincolato geograficamente rispetto a un complesso altoforno-BOF.

Scala, geografia e impronta di CO2

La capacità esclude la sostituzione diretta in qualsiasi sito. Un altoforno moderno produce 1-4 Mt di metallo caldo all'anno per unità, con i più grandi che raggiungono circa 5 Mt/a; un forno a tino Midrex o ENERGIRON raggiunge un massimo di circa 2,5 Mt/a, e i forni rotanti a carbone operano a 50-500 t/g, o circa 18.000-180.000 t/a. Le acciaierie a ciclo integrale tendono quindi a essere grandi siti costieri; gli impianti DRI sono molto più modulari e operano economicamente su scale da uno a due ordini di grandezza inferiori. La geografia riflette questo aspetto: gli altiforni dominano in Cina, Giappone, Corea e nelle regioni siderurgiche europee storiche, dove le catene di approvvigionamento di carbone da coke e minerale di ferro sono state costruite attorno al ciclo integrale. Il DRI domina dove il gas naturale è economico o il carbone da coke è scarso: India (54,7 Mt nel 2024, principalmente forno rotante a carbone), Iran (circa 33 Mt, forno a tino a gas) e la regione MENA, con crescenti investimenti in Nord America per impianti a gas.

L'intensità di CO2 segue l'agente riducente. Il percorso altoforno-BOF emette circa 1.800-2.000 kg di CO2 per tonnellata di acciaio [4]. Il DRI a carbone si attesta su 1.391-1.880 kg di CO2 per tonnellata di DRI; il DRI a gas su 815-1.160 kg di CO2 per tonnellata di DRI [3]. Il DRI a base di idrogeno riduce questo valore di circa il 97% rispetto al percorso dell'altoforno [5], motivo per cui i progetti di acciaio a basse emissioni di carbonio annunciati in Svezia, Germania e nel Golfo stanno tutti costruendo forni a tino progettati per accettare frazioni di H2 progressivamente più elevate nel gas riducente. Il confronto DRI a carbone vs DRI a gas analizza le emissioni percorso per percorso in modo più dettagliato, mentre la fisica a monte del perché il prodotto sia poroso è spiegata in perché il ferro spugna si chiama spugna.