Metalliserings och uppkolningsmekanismer vid reduktion av <br /> direktreduktionspellets

Sammanfattning

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.