Metalliserings och uppkolningsmekanismer vid reduktion av
direktreduktionspellets
Sedan 1971 tillverkar LKAB pellets för direktreduktion. Dagens pellets,KPRS (Kiruna Pellets Reduction Special), med tillsatser av dolomit, kalksten, bentonit och organiskt material framställs kommersiellt på KK3 pelleteseringsverket i Kiruna av magnetit. Pellets tillverkas i huvudfraktioner 9-12,5 och 12,5-16 mm vilka fylls proportionerligt i reduktionsugnen. Mängden såld pellets uppgår till cirka 4 Mt per år. LKAB undersöker reducerad pellets bland annat med avseende på fysisk hållfasthet, ihopkladdningsgrad och olika faktorers påverkan på metalliserings- och uppkolningsgrad. Syftet är att uppnå kvalitetskrav samt att uppfylla kundens önskemål. De faktorer som styr reduktionsprocessen är pelletsammansättning och processparametrar. I detta arbete undersöks metalliserings- och uppkolningsmekanismen vid reduktion av direktreduktionspellets genom analys och karakterisering av pellets struktur utifrån dess kemiska sammansättning, partikelstorlek, partikelstorleksfördelning, porositet, totala ytarea (mikrostruktur), gråberginnehållet och dess fördelning samt processparametrar. Studien omfattar även undersökningar av korrelationer av de två typer av faktorer och deras inverkan på metalliserings- och uppkolningsgraden. Metoder som används är isoterma reduktionsförsök (> 28 test), uppkolningsförsök i laboratorieskala (17 test), BET-analys på oxiderad- och reducerad pellets, kemisk analys, optisk mikroskopi, svepelektronmikroskopi (SEM) och XRD. BET analyser av oxiderad pellets, laboratoriereducerad pellets samt pellets reducerad i Midrex ugn gjordes delvis med hjälp av FlowSorb II 2300 men även ?FriStar 3000? som mäter specifik ytarea. Analyser av erhållna resultat kompletterades med utvärderingar som gjordes med hjälp av programmen ?Modde 7? och ?Simka-P+ 11?. Reduktion i laboratorieförsök ledde till en hög metalliseringsgrad på över 97 % i 9 av 28 test. Mekanismer för metallisering av olika direktreduktionspellets beror av både av pellets sammansättning och processparametrar. T oC påskyndar metalliseringsreaktioner. Högre H2/CO förhållande och gaskvalitet (CO+H2)/(CO2+H2O) påverkar porositet positivt. Beroende på sammansättning och oxidationsmiljö skapas den ursprungliga reaktionsytan hos oxiderad pellets, ju större yta desto högre metalliseringsgrad uppnås. Pellets med lägsta reaktionsarean uppvisade en reduktionsgrad på omkring 91 %. Begynnelseporositeten visade sig inte ha stor betydelse i metalliseringsprocessen vid laboratorietestningen. Uppkolningsprocessen som sker under reduktion visade sig bero av reaktionsyta efter reduktion, temperaturen i reduktionszonen och MgO-halt. Uppkolningstest utfördes med lägre temperatur och annan gaskvalitet, (CH4+CO)/(CO2+H2). Experiment visade att med låg gaskvalitet (0.5) sker avkolning medan det med höga gaskvalitet sker uppkolning. En högre gaskvalitet och en lägre B2 inverkar positivt på uppkolningsgraden i kylzonen. XRD-analys visade att nästan allt kol ligger bundet till järn som järnkarbid. Metalliserings och uppkolningsmekanismer i korgförsök skiljer sig från dem i laboratorieförsök. Pellets från korgtest visade mindre andel av oreducerad wüstit samt lägre under reduktion utvecklad porositet (högst 63.9 %) men höga metalliseringsgrader (över 97 %). Hos pelleten observerades såväl långa som svampliknande porer i korn vilka troligen orsakas av kalciumföreningar och rådande reducerande miljö i Midrex ugn. Analyser av data från korgtest visar att reaktionsyta efter reduktion negativt korrelerar med metalliseringsgraden medan porositet utvecklad under reduktion och basicitet påverkar densamma positivt. För uppkolningsprocessen är den slutliga porositeten viktig för att kunna höja uppkolningsgraden. Metallisering av pellets påverkar uppkolning negativt.