NL9301053A - Werkwijze voor het vervaardigen van gebrande ijzerertspellets. - Google Patents

Description

WERKWIJZE VOOR HET VERVAARDIGEN VAN GEBRANDE IJZERERTSPELLETS

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van gebrande ijzerertspellets omvattende de stappen van het vormen van groene pellets welke ijzererts en een vaste koolstof-houdende brandstof bevatten, en het drogen en het branden van de groene pellets tot de gebrande ijzerertspellets met behulp van heet procesgas.

Aldus vervaardigde pellets hebben, gebruikelijk naast ijzerertssinter, een groot aandeel in de totale hoeveelheid ijzererts die als grondstof voor de ruwijzerfabricage in een hoogoven wordt ingezet. Daarnaast worden de pellets ook gebruikt als grondstof in andere vormen van ijzerfabricage zoals in het directe-reductie-proces.

De meest gebruikte werkwijze voor het vervaardigen van ijzerertspellets omvat, in meer detail beschreven, het vormen in vorm-trommels of vormschotels van groene pellets uit een mengsel van ijzerertsmeel, bindmiddel, hulpstoffen, toeslagstoffen en vocht, het aanbrengen van een laag van groene pellets (pelletbed) op een uit roosterwagens opgebouwde eindloze roosterband, het in een of meer stappen drogen van de groene pellets, het doorvoeren van heet procesgas door het pelletbed op de roosterband en het op brand-temperatuur brengen en branden van de pellets en tenslotte het koelen, overstorten en afvoeren van de gebrande pellets.

De gevolgde werkwijze voor het vervaardigen van gebrande pellets heeft een belangrijke invloed op de kostprijs van het eruit vervaardigde ruwijzer: enerzijds door de kosten verbonden met het vervaardigen zelf en anderzijds door de invloed van de kwaliteit van de verkregen pellets op het verloop van het reductieproces in de hoogoven.

Belangrijke parameters die de kosten van de vervaardiging beïnvloeden zijn de kostprijs van het gebruikte mengsel van ijzererts, het brandstofverbruik voor het branden van de pellets, de verbruikte ventilatorenergie voor de diverse gasstromen door het pelletbed, de kosten voor de reiniging van afgassen en de produktiecapaciteit, uitgedrukt in hoeveelheid geproduceerd gewicht aan gebrande pellets per vierkante meter roosterband en per tijdseenheid.

Belangrijke eigenschappen van pellets die afhankelijk zijn van de gevolgde werkwijze voor de vervaardiging, die daardoor de kostprijs van het ruwijzer beïnvloedt, zijn de homogeniteit van elke pellet over zijn doorsnede, de mechanische (druk)sterkte van zowel de groene pellets als van de gebrande pellets, de stofproduktie tijdens transport, de vergruizing tijdens reductie tot ruwijzer in een hoogoven, de reductiesnelheid, de verwekings- en smelteigen-schappen en de spreiding van deze eigenschappen tussen pellets onderling.

In het verleden is veel onderzoek verricht om de werkwijze ten aanzien van een of meer van de genoemde aspecten te verbeteren en een verlaging van de kostprijs van het ruwijzer te bereiken.

Het onderzoek was onder meer gericht op het verhogen van de hoeveelheid vaste koolstofhoudende brandstof die in de groene pellet kan worden opgenomen. Zo is in EP 0 204 355 voorgesteld om de hoeveelheid koolstof te verhogen tot tussen 1,3 en 1,8 gew.% van het hematietgehalte van de groene pellets en de groene pellets bij een temperatuur tussen 30 °C en 50 °C op de roosterband te laden, de laag groene pellets door neerwaartse droging te drogen en bij een onderdruk van 20 tot 40 mbar bij een temperatuur van het hete procesgas tussen 1250 °C en 1350 °C te branden. Deze voorgestelde werkwijze is in het bijzonder door de voorverwarming van de pellets nogal omslachtig. In EP 0 161 721 is voor hernatiethoudende groene pellets voorgesteld om de hoeveelheid koolstof te verhogen tot boven de stochiometrische waarde voor de reductie van hematiet tot magne-tiet en het branden uit te voeren bij een onderdruk tussen 5 en 20 mbar. Deze werkwijze leidt weliswaar tot een energiebesparing, maar de produktiecapaciteit blijft nagenoeg gelijk.

Ook is geprobeerd om per pellet nog meer vaste brandstof in het mengsel op te nemen. Dit heeft geleid tot inwendig versmolten en gescheurde pellets die niet meer de gewenste reductie-eigenschappen bezitten en bovendien mechanisch zwak zijn, in de hoogoven vergruizen en daardoor de doorgang voor gassen in de hoogoven ongewenst belemmeren.

Verrassenderwijs is gebleken dat het mogelijk is een aanmerkelijke verbetering van een groot aantal aspecten van de bekende werkwijze en van de daarmee verkregen gebrande pellets te bereiken met een werkwijze volgens de uitvinding, welke erdoor is gekenmerkt, dat de vaste koolstofhoudende brandstof althans ten dele aan het buitenoppervlak van de groene pellets wordt aangebracht.

Met de voorgestelde werkwijze is het mogelijk bij gelijkblijvende produktiehoeveelheid van de pelletband een vermindering van ten minste 40 % in de hoeveelheid van het toe te voeren hete procesgas te bereiken, en dus in de hoeveelheid brandstof die nodig is om het gas te verhitten, terwijl daarenboven een aanzienlijke verbetering van belangrijke eigenschappen van de pellet betreffende bruikbaarheid en prestatie in een hoogoven bereikt kan worden. De verbetering betreft in het bijzonder een hogere sterkte van zowel de groene als ook van de gebrande pellet en een betere slijtvastheid. Ook wordt het reductiegedrag van de pellet in de hoogoven, gemeten met reductieproeven, verbeterd.

De vermindering in hoeveelheid toe te voeren heet procesgas leidt direct tot een overeenkomstige besparing in energiegebruik van de ventilatoren voor transport van het procesgas door het pelletbed op de roosterband en tot de overeenkomstige besparing in het volume van de te reinigen rookgassen afkomstig van het vervaardigings-proces.

Resulterend, rekeninghoudend met de energie-inhoud van de koolstofhoudende brandstof, wordt een netto besparing in energie benodigd voor het vervaardigingsproces bereikt.

Anderzijds is het mogelijk gebleken, om een verhoging van de produktiehoeveelheid van circa 40 % te bereiken, bijvoorbeeld van 28 ton per vierkante meter roosterband per etmaal naar 40 ton per vierkante meter roosterband per etmaal door bij hetzelfde volume procesgas als in de stand van de techniek de roosterband met een hogere loopsnelheid te bedrijven.

De verklaring van de bereikbare voordelen wordt vooralsnog in het volgende gezocht. De gebruikelijke groene pellet bevat zowel hematiet als magnetiet ijzererts naast koolstofhoudende brandstof en gebruikelijke toeslagstoffen en hulpstoffen. Het hete procesgas bevat zuurstof die in het inwendige van de pellet magnetiet en de vaste brandstof oxydeert in een exotherme reactie. Hierdoor ontstaat in eerste aanleg in de pellet een temperatuurgradiënt waarbij de kern een hogere temperatuur heeft dan de buitenwand. Door koolstofhoudende vaste brandstof aan de buitenwand van de pellets aan te brengen die door het hete gas wordt ontstoken wordt op de buitenwand van de pellet een additionele warmtebron gevormd die de buitenwand in temperatuur verhoogt ten opzichte van de kern. Het resultaat is een kleinere warmtegradiënt in de pellet dan met de bekende werkwijze bereikbaar is.

Heet procesgas wordt gebruikelijk van boven naar beneden door het pelletbed gevoerd tot ook de onderste laag van het pelletbed gedurende een gewenste tijd op een gewenste temperatuur is geweest. De hiervoor benodigde totale tijd bepaalt in grote mate de produktie-snelheid en dus ook de produktiecapaciteit van de roosterband.

Volgens de bovenstaande verklaring levert het aanbrengen van brandstof aan de buitenwand van de pellets een homogene pellet op. De vaste brandstof aan de buitenwand van de pellets is snel bereikbaar voor het hete procesgas, hetgeen leidt tot een grotere produktiecapaciteit en een geringere spreiding in de eigenschappen van de pellets bezien over de hoogte van het pelletbed, omdat een kleiner verschil optreedt in het brandproces van de pellets over de hoogte van het pelletbed.

De hoeveelheid vaste brandstof waarbij een verhoging van de druksterkte van de pellets wordt verkregen, kan binnen een breed gebied gevarieerd worden. Bij een toenemende hoeveelheid vaste brandstof kan de hoeveelheid heet procesgas overeenkomstig verminderd worden. Hiermee is het extra voordeel bereikt dat hoogwaardige brandstof voor het verhitten van het hete procesgas vervangen kan worden door betrekkelijk laagwaardige vaste brandstof op de groene pellet.

Opgemerkt wordt dat uit de Japanse terinzagelegging 56-163225 bekend is om ijzerertspellets met een mengsel van een slakvormend materiaal en koolstof te bedekken en de aldus gevormde pellets in een sintermachine te agglomereren tot sinterbrokken voor gebruik in een hoogoven. De daarbij gebruikte hoeveelheid koolstof moet zo hoog gekozen worden (meer dan 2,5 gew.% tot 5 gew.% lijkt gewenst) dat door de ontstane warmte aan het buitenoppervlak de individuele pellets door verweking van het slakvormend materiaal onderling versmelten tot een agglomeraat dat als sinter in de hoogoven wordt ingezet. De werkwijze betreft een sinterproces en heeft tot doel grote agglomeraten en niet afzonderlijke pellets op te leveren.

Bij voorkeur ligt de hoeveelheid koolstof in de koolstof-houdende brandstof tussen 0,8 en 2,2 gew.% van de groene pellets, gerelateerd aan het droge gewicht ervan. Bij een te grote hoeveelheid koolstof wordt de pellet inwendig tijdelijk zo warm dat bij afkoeling rekristallisatie van de kern optreedt zonder dat de voor de benodigde druksterkte gewenste diffusiebruggen ontstaan. Het resultaat is dan een mechanisch zwakke gebrande pellet. Bij nog verdere verhoging van de hoeveelheid koolstof is de ontwikkelde warmte zo groot dat niet meer afzonderlijke pellets ontstaan maar in dit geval ongewenste agglomeraten. Bij een lage hoeveelheid brandstof zijn de bereikte voordelen klein ten opzichte van de noodzakelijke additionele processtap van het aanbrengen van de brandstof.

Een bijzonder doelmatige uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt, dat de hoeveelheid koolstof tussen 1,1 en 1,8 gew.Z ligt. Bij deze hoeveelheid koolstof wordt bij de gebruikelijke samenstelling van een groene pellet tijdens het branden een voldoend homogene temperatuurverdeling in de individuele pellet en over het pelletbed bereikt. Tegelijkertijd is een aanmerkelijke hoeveelheid brandstof te besparen doordat minder heet procesgas nodig is voor het branden van de pellets.

Een andere bijzonder doelmatige uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt, dat de brandstof in hoofdzaak koolstofhoudend hoogovengasstof bevat. Hoogovengasstof, dat als restprodukt achterblijft bij reiniging van hoogovengas, bevat nog een aanmerkelijke hoeveelheid elementaire koolstof of koolstofverbindingen. Het hoogovengasstof is dermate fijn van korrelverdeling dat het bezwaarlijk te verwerken is maar kan op de beschreven wijze nuttig hergebruikt worden als goedkope brandstof. Daarnaast is gebleken dat het hoogovengasstof de druksterkte van de pellet extra verhoogt. Mineralogisch onderzoek laat zien dat dit veroorzaakt wordt door extra bruggen die ontstaan in de buitenste laag van de pellet vanwege de calciumhoudende componenten in het hoogovengasstof.

Een verdere voorkeursuitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding is erdoor gekenmerkt dat de brandstof kooksbries is en meer in het bijzonder dat de kooksbries gebroken kooksbries is, waarvan de korrelgrootte hoofdzakelijk kleiner dan 5 mm is en bij voorkeur kleiner dan 2 mm is.

Kooksbries is een afvalprodukt dat ontstaat bij het blussen van kooks. Met de uitvoeringsvorm volgens de uitvinding is het mogelijk betrekkelijk laagwaardige kooksbries als vervanger in te zetten voor het hoogwaardige gas, zoals kooksovengas, dat volgens de bekende werkwijze gebruikt wordt voor het opwekken van het hete procesgas.

Uit proeven is gebleken dat het niet nodig is de kooksbries door malen te verfijnen, maar dat het veel eenvoudiger breken van kooksbries tot de genoemde korrelgrootte voldoende is.

Een bijzondere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding toegepast op pellets waarin ijzererts in de groene pellet in hoofdzaak in de vorm van hematiet voorkomt, is erdoor gekenmerkt dat in de groene pellets tussen 0 en 0,5 gew.% van de groene pellet koolstof homogeen verdeeld wordt aangebracht. Gebleken is dat bij groene pellets met een hoog hematietgehalte niet de verwachte toename van de druksterkte optreedt. De oorzaak hiervan wordt erin gezocht dat in de pellets niet voldoende interne warmte gegenereerd wordt bij vergaande afwezigheid van magnetiet. Dit ontbreken van een interne warmtebron kan verholpen worden met de genoemde uitvoeringsvorm.

De uitvinding zal in het volgende nader worden toegelicht aan de hand van de tekening.

In de tekening is

Fig. 1 een lichtmicroscopische opname van de doorsnede van de pellet vervaardigd met de werkwijze volgens de stand van de techniek.

Fig. 2 een lichtmicroscopische opname van de doorsnede van een pellet vervaardigd met de werkwijze volgens de uitvinding.

Fig. 3 een grafiek die het verband toont tussen de druksterkte en de effectieve temperatuur van pellets vervaardigd met de werkwijze volgens de stand van de techniek en pellets vervaardigd met de werkwijze volgens de uitvinding voor een percentage koolstof van 1,1 gew.%.

Fig. 4 een grafiek die hetzelfde verband geeft als Fig. 3 maar nu voor een percentage koolstof van 1,8 gew.%.

Fig. 5 een grafiek die het verband toont tussen de druksterkte en de specifieke produktiehoeveelheid bij de werkwijze volgens de stand van de techniek en volgens de uitvinding bij verschillende percentages koolstof.

Fig. 6 een grafiek die het verband toont tussen een maat van de slijtvastheid tijdens transport en de specifieke produktie bij de werkwijze volgens de stand van de techniek en volgens de uitvinding bij verschillende percentages koolstof.

Fig. 1 toont een lichtmicroscopische opname van een doorsnede van een pellet vervaardigd met de werkwijze volgens de stand van de techniek. Bij de gevolgde werkwijze is 1,8 gew.% koolstof in de vorm van gebroken kooksbries homogeen in het pelletmengsel en daarmee in de groene pellet verdeeld. Duidelijk is de verglaasde kern te herkennen die het gevolg is van een grote interne warmte-ontwikkeling in de pellet tijdens het branden en de daaropvolgende rekris-tallisatie bij het afkoelen van de pellet. Een gevolg van de rekris-tallisatie is dat rondom de kern van de pellet krimpscheuren ontstaan. Deze zijn eveneens duidelijk waar te nemen. De krimpscheuren verlagen de druksterkte in de pellet aanmerkelijk en maken dat de pellet tijdens transport vanaf de produktieplaats naar de hoogoven of in de hoogoven verbrokkelt.

Fig. 2 toont een lichtmicroscopische opname van een doorsnede van een pellet vervaardigd met de werkwijze volgens de uitvinding. Bij de gevolgde werkwijze is 1,8 gew.% vaste koolstof in de vorm van gebroken kooksbries op het buitenoppervlak van de oorspronkelijke groene pellet aangebracht.

De doorsnede toont de homogene structuur die met de uitvinding bereikt is bij de betrekkelijk grote hoeveelheid koolstof aan het buitenoppervlak en dus bij een eveneens betrekkelijk grote vermindering van de hoeveelheid brandstof die gebruikt moet worden om het hete procesgas op te wekken.

De zichtbare scheur verloopt thans in hoofdzaak in radiale richting en beïnvloedt de druksterkte in geringe mate.

De effectieve tijd van een bepaalde werkwijze voor het branden van pellets bij een gekozen referentietemperatuur is een volgens een gegeven formule berekende tijdsduur ter karakterisering van het gehele temperatuur-tijd-schema (brandschema) volgens die bepaalde werkwijze door een enkele parameter. Hoe korter de effectieve tijd is, hoe korter de tijdsduur is waarin het brandschema wordt uitgevoerd of hoe lager de in het brandschema gebruikte temperatuur is.

De formule voor het berekenen van de effectieve tijd is bijvoorbeeld gegeven in de tekst van lezingen van het symposium "ICHEME-5th International Symposium on Agglomeration", gehouden van 25 - 27 september 1989 te Brighton.

In de figuren 3 en 4 is de referentietemperatuur 1280 °C.

Fig. 3 toont het verband tussen de druksterkte in kgf/pellet en de effectieve tijd voor pellets vervaardigd met de werkwijze volgens de stand van de techniek (curve a) en pellets vervaardigd met de werkwijze volgens de uitvinding (curve b). De druksterkte is de gemiddelde waarde van de opgedrukte kracht waarbij een pellet bezwijkt gemeten met een genormaliseerde meetinrichting. In het geval van curve a is 1,1 gew.% koolstof homogeen in de groene pellet gemengd, in het geval van curve b is 1,1 gew.% koolstof op het buitenoppervlak van de groene pellet aangebracht. Uit onderlinge vergelijking van de beide curves blijkt dat een bepaalde bij de stand van de techniek verkregen druksterkte met de werkwijze volgens de uitvinding in een aanmerkelijk kortere effectieve tijd verkregen wordt. Het brandschema kan dus in een aanmerkelijk kortere tijd worden uitgevoerd.

Fig. 4 toont hetzelfde verband als Fig. 3, maar thans voor zowel curve a (werkwijze volgens de stand van de techniek) als voor curve b (werkwijze volgens de uitvinding waarbij de koolstof op het buitenoppervlak van de groene pellet is aangebracht) bij 1,8 gew.% koolstof.

Uit de figuur blijkt dat ook bij dit hoge percentage koolstof een aanvaardbare druksterkte van de gebrande pellet wordt verkregen. Bij de werkwijze volgens de stand van de techniek is bij een praktische waarde van de effectieve tijd de druksterkte te laag voor bruikbare gebrande pellets. De verklaring hiervoor wordt mede gevonden in de bij Fig. 1 beschreven fenomenen. De werkwijze volgens de uitvinding laat het thans toe een groot deel van de betrekkelijk hoogwaardige brandstof voor het opwekken van hete procesgassen te vervangen door betrekkelijk laagwaardige vaste brandstof op het buitenoppervlak van de groene pellets.

Fig. 5 toont op een andere wijze een ander aspect van de met de werkwijze volgens de uitvinding bereikbare voordelen.

In Fig. 5 is het verloop van de druksterkte in kgf per pellet weergegeven als functie van de specifieke produktiehoeveelheid uit te drukken in bijvoorbeeld tonnen gebrande pellets per vierkante meter roosterband per etmaal. Hierbij is de gebruikelijke produktiehoeveelheid met de bekende werkwijze bij 1.1 gew.% koolstof homogeen in de groene pellet gemengd op 100 % gesteld. De druksterkte voor dat geval verloopt volgens curve a.

Curve b toont het verloop van de druksterkte bij toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding waarbij 1,1 gew.% koolstof op het buitenoppervlak van de groene pellets is aangebracht. Curve b toont dat zelfs bij specifieke produktiehoeveelheden van circa 150 % nog eenzelfde druksterkte wordt bereikt als bij de bekende werkwijze bij 100 % specifieke produktiehoeveelheid.

Curve c toont het verloop van de druksterkte bij toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding waarbij thans 1,8 gew.% koolstof op het buitenoppervlak van de groene pellet is aangebracht. Ook bij deze grote hoeveelheid koolstof blijkt tot specifieke produktie-hoeveelheden boven 140 % de gebruikelijke druksterkte, verkregen met de bekende werkwijze, bereikt te worden.

Zonder afbreuk te doen aan de waarden van de belangrijke parameter druksterkte kan de hoeveelheid geproduceerde pellets per vierkante meter roosterwagen en per tijdseenheid dus met meer dan 40 % verhoogd worden.

In Fig. 6 is het verloop weergegeven van de Mini -ASTM-waarde als functie van de specifieke produktiehoeveelheid. De Mini-ASTM-waarde is een andere belangrijke parameter voor het karakteriseren van gebrande pellets en is het resultaat van een op de ASTM-beproe-ving voor stofproduktie gebaseerde tumbler-proef maar nu uitgevoerd op een klein monster van 500 gram pellets. De stoffractie kleiner dan 1 mm wordt gemeten.

In Fig. 6 toont curve a het verloop van de Mini-ASTM-waarde voor pellets vervaardigd met de bekende werkwijze en 1,1 gew.% koolstof homogeen verdeeld in de groene pellets. Curve b, resp. c. toont het verloop van de Mini-ASTM-waarde voor pellets vervaardigd met de werkwijze volgens de uitvinding met 1,1 gew.%, resp. 1,8 gew.% koolstof op het buitenoppervlak van de groene pellet. Ook voor wat betreft de stofproduktie, of anders gezegd de slijtvastheid, geeft de werkwijze volgens de uitvinding betere resultaten dan de bekende werkwijze.

Hoewel in het voorgaande de uitvinding vooral is beschreven aan de hand van het gebruik van de pellets in een hoogoven, is de uitvinding niet daartoe beperkt, maar strekt zich ook uit over andere toepassingen zoals gebruik als grondstof in een direct reductie-proces en levert daarbij overeenkomstige voordelen. Eveneens is de uitvinding niet beperkt tot de eerdergenoemde meest gebruikte werkwijze, maar valt ook toepassing in andere pellet-brandprocessen zoals het rotary-kiln-process, het straight-grate-process en het schachtovenproces binnen het bestek van de uitvinding.

Claims (7)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van gebrande ijzerertspellets omvattende de stappen van het vormen van groene pellets welke ijzererts en een vaste koolstofhoudende brandstof bevatten, en het drogen en het branden van de groene pellets tot de gebrande ijzerertspellets met behulp van heet procesgas met het kenmerk, dat de vaste koolstofhoudende brandstof althans ten dele aan het buitenoppervlak van de groene pellets wordt aangebracht.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de hoeveelheid koolstof in de koolstofhoudende brandstof tussen 0,8 en 2,2 gew.X van de groene pellets ligt.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de hoeveelheid koolstof tussen 1,1 en 1,8 gew.X ligt.

4. Werkwijze volgens een dervoorgaandeconclusies,methet kenmerk, dat de brandstof in hoofdzaak koolstofhoudend hoogovens tof bevat.

5. Werkwijze volgenseendervoorgaandeconclusies,met het kenmerk, dat de brandstof kooksbries omvat.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de kooksbries gebroken kooksbries is, waarvan de korrelgrootte hoofdzakelijk hoofdzakelijk kleiner dan 5 mm is.

7. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het ijzererts in de groene pellets in hoofdzaak in de vorm van hematiet voorkomt, met het kenmerk dat, in de groene pellets tussen 0 en 0,5 gew.X van de groene pellets koolstof homogeen verdeeld wordt aangebracht.