FI20021469A - Pellettien CO-tiivistys nauhasintrausprosessissa - Google Patents

Description

PATENTTIHAKEMUS 12.8.2002Jyrki Noponen

Pellettien CO-tiivistys nauhasintrausprosessissa

Pellettien teräsnauhasintraus on LKAB:n kehittämä menetelmä rautarikasteen ja rautamalminagglomerointiin. Menetelmää on sovellettu myöhemmin myös raaka-aineiden agglomerointiinjoidenkin muiden teräksen seosaineiden tuotantoprosessissa (ferrokromi, ferromangaani,ferroniobium, jne). Teräsnauhasintrauksessa pelletoidut raaka-aineet sintrataan koviksi noin 12mm halkaisijaltaan oleviksi palloiksi (pelleteiksi). Teräsnauhasintraus perustuu liikkuvaanteräsnauhaan, prosessikaasun kierrätykseen, teräsnauhaa suojaavaan pohjapellettikerrokseensekä pellettipatjan kaasujen läpäisevyyteen. Teräsnauhasintrauksen periaate on esitetty kuvassa1.

Teräsnauha on ohut ja taipuisa teräslevy, johon on tehty pitkittäissuuntainen perferointi elirei’itys. Perferointilinjoja on nauhassa sen leveydestä riippuen yleensä 4-9 kpl. Suurempiakinperferointimääriä saatetaan käyttää. Perferointien välissä on ehjää levyä. Katkeamaton nauhakiertää uunin läpi kahden akselin (veto-ja säätöakseli) kautta. Perferointien tarkoitus onmahdollistaa kaasuvirtaukset nauhan ja sitä kautta pellettipatjan Läpi.

Pohjapellettipatja muodostuu pohjapelleteistä. Pohjapelletteinä käytetään sintrattujatuotepellettejä. Pohjapelletit syötetään teräsnauhalle ensimmäisenä tasaiseksi kerrokseksi.Kerroksen paksuus on 15-25 cm. Pohjapellettien tehtävä on suojata teräsnauhaa korkeiltalämpötiloilta sekä ottaa talteen alkupäässä lämpöenergiaa pellettipatjan läpi kulkevistaprosessikaasuista, siirtää lämpöenergia jäähdytysvyöhykkeelle ja luovuttaa siellä lämpöenergiatakaisin kiertokaasuihin. Sintrattavien pellettien tavoitelämpötilat ovat 1250-1350°C.Pohjapellettivyöhykkeen yläreunan lämpötila on lähellä sintrattavien pellettien lämpötilaa jaalareuna (teräsnauhaa vasten oleva) noin 200-300°C. Näin ollen pohjapellettipatjassa on melkovoimakas lämpötilagradientti.

Pohjapellettikerroksen päälle syötetään tasaiseksi kerrokseksi sintrattavat pelletit (niin sanotutmärkä- tai tuorepelletit).

Prosessikaasut jäähdyttävät jäähdytysvyöhykkei Ilä pellettipatjan (pohjapelletit ja tuotepelletit)ja siirtävät saamansa lämpöenergian kuivaus-, kuumennus-ja sintrausvyöhykkeille (kuva 1).

Sintrauksen vaatimasta energiasta noin 40 % saadaan raudan hapettumisesta ja ulkopuolisestapolttoaineesta. 60 % energiasta saadaan kierrättämällä energiaa prosessiuunin sisällä.Prosessikaasut kierrätetään uunin jäähdytysvyöhykkeiltä uunin alkupäähän kuivaus,kuumennus ja sintrausvyöhykkeelle. Ulkopuolisena polttoaineena voidaan käyttää hienoakoksia, CO-kaasua, LPG-kaasua tai polttoöljyä. Koksi lisätään raaka-aineisiin ennenpelletointia ja näin saadaan energiaa uuniin pellettien mukana. CO-ja LPG-kaasua käytetäänkuumennus-ja sintrausvyöhykkeen kaasupolttimilla. Polttimilla kuumennetaan kuumennus jasintrausvyöhykkeen kiertokaasua. Polttimilla kuumennettu kiertokaasu virtaa pellettipatjaanpatjan yläpuolelta (kuva 1).

Koksia voidaan myös lisätä pellettipatjan pinnalle ohueksi kerrokseksi. Tällöin koksi palaapellettipatjassa muistuttaen hieman tässä patenttihakemuksessa käsiteltyä ’’pohjapolttoa”.Edellä mainittu menetelmä (’’pintakoksi”) on patentoitu.

Kiertokaasussa on pohtimien jälkeenkin happea 10-15 %. Valmiiden pellettien rauta on täysinhapettunutta.

On olemassa myös muita pellettien sintrausprosesseja, joissa käytetään hyväksi pellettipatjankaasunläpäisevyyttä sekä käytetään sintrattuja pellettejä suojakerroksena. Yleensä tällöin myöskierrätetään pellettien lämpöenergiaa jäähdytyksestä kuumennukseen. Periaate on yleensäsama, mutta nauhan tilalla saattaa olla arina tai joku muu ratkaisuja prosessivaiheet saattavatmuutenkin hieman poiketa teräsnauhasintrauksesta.

Nykyisen tilanteen ongelmat/"CO-tiivistyksen” edutPellettien mekaaniset ominaisuudet

Pellettien sintraus tapahtuu nauhasintrausuunissa teräsnauhalla prosessikaasuvirtauksessa.Prosessikaasu on pääosin happea ja typpeä (ilmaa). Kun pelletin lämpötila nousee sintrauslämpötiloihin, sidefaasi sintrautuu ’’pääaineen” kanssa. Sidefaasin muodostaabentoniitti ja ’’pääaineesta” (esimerkiksi kromiitti tai hematiitti) diffuntoituneet komponentit.Lähinnä kysymyksessä ovat alkalit sekä’’pääkomponentti” (esim. Ο203 ja FeiCJ). Alkalitrikastuvat pelletissä raerajoille Jolloin ne osaltaan nostavat sidefaasin alkalipitoisuuksia.Bentoniitin tyypillinen analyysi on seuraava

Si02 59,5% ALO3 16,4%

MgO 3,4%

CaO 5,5%

Na20 2,71% K20 0,65%

Fe203 5,6%

MnO 0,2%

Sintraus perustuu kahden faasin keskinäiseen diffuusioon ja kiinteä-kiinteä-liitoksiin, mutta jossidefaasin sulamislämpötila laskee riittävästi muuttuu sidefaasi sulaksi. Tällöin sulafaasiinliukenee happea ja hapen aktiivisuus saattaa voimakkaassa kaasuvirtauksessa kohotakorkeaksikin. Näin tapahtuu etenkin silloin jos pelletteihin ei lisätä hiiltä eikä prosessi kaasussapolteta muitakaan polttoaineita. Korkean hapen aktiivisuuden vallitessa saattaa pelletissäesiintyä seuraavia reaktioita: 2K20(1) + 02(g) = 2K202(1) (1) K202 (I) + 02(g) = 2K02(1) (2) 2Na20(l) + 02(g) = 2Na202(l) (3)

Na20(l) + 02(g) = 2Na02(l) (4) 2MgO(l) + 02(g) = 2Mg02(l) (5) 2MnO(l) + 02(g) = 2Mn02(l) (6)

Syntyneet per-ja superoksidit alentavat silikaattipohjaisen sidefaasin sulamislämpötilaajaliuottavat sulaan lisää ’’pääkomponenttia”. Tällöin sulafaasin määrä sidefaasissa kasvaa selvästi. Tästä johtuen saattaa muodostua amorfisia alueita, jotka ovat kovia, muttahuomattavan hauraita. Samalla pelletien huokoisuus vähenee pinnalla olevan tiiviin kerroksentakia. Sintrauksen aikana syntyvien kaasujen pääsy ulos pelletistä saattaa vaikeutua ja hapendiffuusio pellettiin hidastuu. Pelletistä tulee epähomogeeninen. Lisäksi sulafaasiin sekoittuneetper-ja superoksidit heikentävät myös pellettien kuumalujuutta. Saman tyyppisiä ongelmiasaattavat aiheuttaa myös ’’normaalit” alkalioksidit (Na20 ja K20) rikastuessaan pelleteissäraerajojen sidefaasiin.

CO-tiivistyksellä voidaan ehkäistä edellä mainittujen oksidien muodostumista sekä pelkistää jomuodostuneita per-ja superoksideja. Pelkistävä CO-kaasu pelkistää oksideja seuraavienkaavojen mukaisesti.

2K02 + CO(g) = K202 + C02(g) (7) K202 + CO(g) = K20 + C02(g) (8) 2Na02 + CO(g) = Na202 + C02(g) (9)

Na202 + CO(g) = Na20 + C02(g) (10)

Mg02 + CO(g) = MgO + C02(g) (11)

Mn02 + CO(g) = MnO + C02(g) (12) CO-tiivistyksellä pelleteistä saadaan huokoisempia ja pellettien mekaaniset ominaisuudetparanevat.

Pellettien alkalipitoisuus

Natrium ja kalium ovat hyvin ongelmallisia masuuniprosessissa. Ne aiheuttavat niin sanottuaaikaiikiertoa, joka aiheuttaa masuunin seinämille kasvettumia sekä aikaansaa masuunin’’hirttoja”. Masuunin hirtolla tarkoitetaan tilannetta, missä masuunin kaasu virtaukset tyrehtyy jamasuunin alaosan paine nousee. Noin puolet masuunin alkalikuormasta tulee rautapitoisistaraaka-aineista. Pelleteissä natrium ja kalium esiintyvät oksideina (esimerkiksi Na20 ja K20).Alkalien haittojen vähentämiseksi masuunissa masuunin raaka-aineisiin lisätään yleisestimangaania.

CO-tiivistyksessä alkalit pelkistyvät puhtaiksi alkuaineiksi.

K20 + CO(g) = 2K(g) + C02(g) (13)

Na20 + CO(g) = 2Na(g) + C02(g) (14)

Riittävän korkeassa lämpötilassa (kalium 1032 K ja natrium 1156 K) ne höyrystyvät japoistuvat pelleteistä ympäröivään kaasuun. Näin pellettien alkalipitoisuus alenee ja alkalienmuut haitat vähenee (lähinnä kuumalujuus kasvaa). Lisäksi mangaanin käyttöä masuunissavoidaan vähentää.

Pellettien happipitoisuus

Pelletit ovat kappalemuotoon agglomeroitua rautamalmia tai rikastetta. Agglomerointi tehdään,koska näin rautamalmin pelkistys helpottuu. Koska pelkistyksen lopullisena tarkoituksena onpoistaa happi, hidastaa pellettien täydellinen hapettuminen sintrausprosessissa hematiitiksi(Fe203) pelkistysprosessia. Samalla tavalla metallin pelkistymistä hidastaa muut aikaisemminmainitut oksidit.

CO-tiivistyksellä voidaan pelkistää hematiittia. Tällöin raudan oksidit reagoivat seuraavasti.

3Fe203 + CO(g) = 2Fe304 + C02(g) (15)

Fe304 + CO(g) = 3FeO + C02(g) (16)

Hematiitin pelkistymisaste riippuu CO-kaasun CO-pitoisuudesta sekä pellettipatjanlämpötilasta.

Pelkistämällä raudan oksideja sintrauksen yhteydessä saavutetaan seuraavia etuja: hiilen kulutus masuunissa pienenee (tarvitaan vähemmän pelkistintä ja vähemmänlämpöenergiaa panoksen lämmittämiseen, masuunin hiilen hyötykäyttö tehostuu)enemmän tuotantoa masuunista (hiilen kulutuksen vähentyessä ja raudan oksidienmetallipitoisuuden noustessa panoksen rautapitoisuus kasvaa, jolloin tuotanto kasvaa)

Claims (9)

1. Menetelmä metallia tai metallin yhdisteitä sisältävien pellettien tai vastaavien tiivistämiselle(esipelkistykselle) pelkistävällä kaasulla pellettien tai vastaavien sintrauksen yhteydessäsamassa uunissa. Epäitsenäinen patenttivaatimus

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä pellettien tiivistämiselle tunnettu siitä, ettäpelkistävä kaasu johdetaan pellettipatjaan alustan (esimerkiksi arina tai teräsnauha) alapuolelta. Epäitsenäinen patenttivaatimus

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä pellettien tiivistämiselle tunnettu siitä, ettäpelkistävää kaasua käytetään samalla pellettipatjan jäähdytykseen. Epäitsenäinen patenttivaatimus

4. Jokin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä pellettien tiivistämiselle, tunnettu siitä,että menetelmää käytetään teräsnauhasintrauksessa. Epäitsenäinen patenttivaatimus

5. Jokin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä pelIettipatjan tiivistämiseksi, tunnettusiitä, että menetelmää käytetään sellaisessa pellettien sintrausmenetelmässä, missä käytetäänhyväksi pellettikerroksen (pellettipatjan) kaasun läpäisevyyttä ja/tai missä lämpöenergiaakierrätetään. Epäitsenäinen patenttivaatimus

6. Jokin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen menetelmä pellettipatjan tiivistämiseksi, tunnettusiitä, että pelkistävänä kaasuna käytetään valokaariuunin tai masuunin CO-kaasua. Epäitsenäinen patenttivaatimus

7. Jokin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen menetelmä pellettien tiivistämiselle, tunnettu siitä,että menetelmää käytetään raakaraudan tuotannossa rautapellettien valmistuksessa. Epäitsenäinen patenttivaatimus

8. Jokin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen menetelmä pellettien tiivistämiselle, tunnettu siitä,että menetelmää käytetään mangaanin tuotannossa mangaani-sintterin tai -pellettien valmistuksessa. Epäitsenäinen patenttivaatimus

9. Jokin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen menetelmä pellettien tiivistämiselle, tunnettu siitä,että menetelmää käytetään jonkin metallin tuotannossa sintterin tai pellettien valmistuksessa.