Inovações no processo de fabricação: um “momento Bessemer” para o titânio?

Instalação piloto de titânio IperionX em Salt Lake City, Utah, construída com financiamento do programa ARPA-E do Departamento de Energia dos EUA.

Sempre fico de olho nas principais inovações de processo de fabricação porque elas podem ser altamente prejudiciais para as empresas estabelecidas. Eles geralmente mudam a economia, permitindo métodos de produção em menor escala ou menos dispendiosos, talvez usando menos energia ou produzindo menos subprodutos indesejados. A outra razão pela qual as inovações de processo podem ser particularmente empolgantes é porque os fabricantes existentes geralmente demoram a adotar os novos processos, muitas vezes porque possuem equipamentos de produção existentes que podem ainda não estar totalmente depreciados. Ou eles podem ser totalmente depreciados e o custo marginal de usá-los é, portanto, muito baixo. Isso deixa o campo aberto para iniciantes causarem-lhes dor e sofrimento, porque os recém-chegados não têm nenhum ativo existente para proteger que possa obscurecer seu julgamento. Isso está prestes a acontecer na produção do metal estratégico titânio?

Recentemente, tive a oportunidade de conversar com Anastasios "Taso" Arima, fundador e CEO da startup de titânio IperionX, que está ampliando um novo processo de produção. Arima iniciou nossa discussão contando um exemplo da importância das inovações de processo. Ele explicou que o aço existe há 3.000 anos, mas até 1856 era um produto de nicho porque era muito caro de fabricar. Normalmente, eram os militares de todo o mundo que podiam usá-lo para fazer espadas e armaduras, embora as pessoas também o usassem para cortar ferramentas como facas, machados e serras. No século 18 e início do século 19, a invenção dos fornos de poça fez da Inglaterra a capital mundial do aço, embora de forma muito intensiva em mão-de-obra e energia. Em 1854, Henry Bessemer, que estava trabalhando em necessidades militares no início da guerra da Criméia, descobriu que soprar ar em ferro fundido rapidamente o convertia em aço. Foi um processo violento, porém, e Bessemer resolveu isso colocando-o dentro de um pote cilíndrico de aço que ele chamou de conversor. Isso levou a um aumento de sete vezes na produtividade, reduzindo drasticamente o custo do aço. Mas foi na América que o verdadeiro aumento de escala aconteceu quando a construção de ferrovias após o fim da Guerra Civil causou uma demanda crescente por aço. Entre 1864 e 1876, 13 fábricas de processo da Bessemer foram construídas nos Estados Unidos enquanto a produção de aço americana se expandia 87 vezes. E como o preço do aço caiu, este maravilhoso material tornou-se muito mais amplamente utilizado.

O Bessemer Steel Process- Esvaziar um conversor. Ilustração do Arquivo Bettmann.

Liguei para a Taso para falar sobre a inovação do processo de fabricação de titânio. É um novo método que usa hidrogênio em vez de carbono: redução metalotérmica assistida por hidrogênio (HAMR). O HAMR promete ser ecologicamente correto e de custo muito mais baixo, o que Arima chama de "momento Bessemer" do titânio. O processo foi desenvolvido pelo metalúrgico e professor de Engenharia Metalúrgica da Universidade de Utah, Dr. Z. Zak Fang, sob o patrocínio do programa ARPA-E do Departamento de Energia dos Estados Unidos, sua versão do DARPA. "Nossa planta piloto está produzindo seis toneladas por ano", explicou Arima sobre sua instalação protótipo em Utah. "Mas esse forno é antigo e não tem resfriamento ativo. Para os novos, não estamos apenas tentando triplicar a capacidade, mas também reduziremos o tempo de ciclo de três dias para um dia." O novo forno produzirá 125 toneladas por ano, e a estratégia de escala será apenas adicionar fornos em paralelo. Essa escalabilidade fácil é importante porque a empresa pode adicionar capacidade conforme a demanda exigir, em vez de investir para construir uma enorme fábrica e depois ter que encontrar clientes para mantê-la funcionando.

Como escrevi recentemente, depois que a Rússia (de onde obtínhamos muito titânio) invadiu a Ucrânia, o titânio é um metal único. Ele e suas ligas são leves, altamente resistentes à corrosão, podem suportar altas temperaturas e têm uma relação resistência/peso muito alta. Isso o torna muito popular na indústria aeroespacial, mas geralmente é muito caro para usar em produtos de consumo. A razão pela qual a produção convencional é cara é porque ela usa o processo Kroll para primeiro converter minérios de titânio usando coque (de carvão metalúrgico) e cloro em tetracloreto de titânio (TiCl4). O TiCl4 então deve ser destilado a vácuo para purificá-lo, e o vapor é alimentado em um recipiente de reação contendo magnésio fundido coberto em gás argônio inerte e aquecido a 800 - 1000ºC por cerca de dois dias. Isso produz uma esponja de titânio que deve ser triturada para remover os sais de magnésio. O processo HAMR, em contraste, usa metade da energia, reduz as emissões em mais de 30% (e potencialmente a zero se usar energia renovável) para alimentar os fornos. Reduz substancialmente o custo de produção de titânio. A maioria das economias vem da eliminação da etapa de cloração e da destilação a vácuo.