Direct Gereduceerd IJzer (DRI): productietechnieken en industriële processen

Direct gereduceerd ijzer (DRI) is het product dat ontstaat door directe reductie van ijzererts of andere ijzerhoudende materialen in de vaste toestand, met niet-cokende steenkool of aardgas. Processen die DRI produceren door reductie onder het smeltpunt van ijzer heten directe reductie (DR) processen. Reducerende middelen: koolstofmonoxide (CO) en waterstof (H2), afkomstig van gereformeerd aardgas, syngas of steenkool. IJzererts meestal in pellet- en/of brokvorm. O2 wordt uit ijzererts verwijderd via chemische reacties op basis van H2 en CO voor hooggemetalliseerd DRI.

Bij directe reductie wordt vast metallisch ijzer (Fe) direct verkregen uit vast ijzererts zonder smelting van erts of metaal. Directe reductie: reductie in vaste toestand bij O2-potentialen die reductie van ijzeroxiden toestaan, maar niet van andere oxiden (MnO, SiO2), tot de corresponderende elementen. Omdat reductie in vaste toestand plaatsvindt, is de kans klein dat deze elementen oplossen (lage thermodynamische activiteit) in het gereeduceerde ijzer; stabielere oxiden blijven essentieel ongereduceerd.

DRI heeft een poreuze structuur. Omdat O2 uit ijzererts verwijderd wordt. Ook wel spongijzer genoemd: structuur als spons met netwerk van verbindende poriën. Grote interne oppervlakte: ~10.000x groter dan vast ijzer.

DRI wordt in diverse vormen geproduceerd: brok, pellets, hot briquetted iron (HBI), fijnstof, cold briquetted iron (CBI). HBI en CBI zijn verdichte vormen voor hantering en transport. HBI: comprimeren DRI onder zeer hoge druk bij >650 °C. Sluit veel poriën, beperkt contactoppervlak met lucht, verhoogt thermische geleiding.

IJzergehalte in DRI

Twee vormen: (1) metallisch ijzer, Fe(M), (2) residuele ijzeroxiden, Fe(O). Totaal ijzer Fe(T) = som van beide. Metallisch ijzer: totaal ijzer, vrij of gecombineerd met koolstof (cementiet). Metallisatiegraad DRI: mate van omzetting ijzeroxiden in metallisch ijzer (vrij of als cementiet) door O2-verwijdering door reductant. Gedefinieerd als %: massa metallisch ijzer / massa totaal ijzer.

Geschiedenis van DR-processen

Eerste octrooi DRI-productie: 1792 in VK (vermoedelijk rotatieve oven). Moderne DR-procesontwikkeling: midden 19e eeuw. Sinds 1920: >100 DR-processen uitgevonden/geëxploiteerd. Meeste niet overleefd. Moderne DRI-productietijdperk start 5 december 1957: HYL-procescentrale productie bij Hylsa. Eerste Midrex-centrale: 17 mei 1969, Oregon Steel Mills, Portland. Steenkool-gebaseerde rotatieve oven combineert: Republic Steel-National Lead (RN) proces (jaren '20, lage graad ertsen beneficiëren) en Stelco-Lurgi (SL) proces (vroege jaren '60, hoogwaardig DRI).

DRI-productieproces

Intieme menging van voorbereide (gegolfde) ijzererts met reductant (ook voor verwarming ertsbed tot temperatuur voor adequate reductiesnelheden). Reductant: gas of vast. Hoofdprocessen: aardgas-gebaseerd of steenkool-gebaseerd. Voermateriaal: gegolfde ijzererts 10-30 mm of pellets 8-20 mm (pelletcentrale).

Gas-gebaseerd: verticale schachtoven voor reductiereactie. Steenkool-gebaseerd: één van vier reactortypes: (1) rotatieve oven, (2) schachtoven, (3) gevloeid bed reactor, (4) rotatieve hearth oven. Rotatieve oven meest populair voor steenkool-proces.

Principe directe reductie ijzererts in Afbeelding 1. Principe proces in Afbeelding 2.

Gas-gebaseerd proces

Verticale schachtoven: ijzererts bovenaan ingevuld, afgeroosterd spongijzer onderaan ontladen (voorkomt re-oxidatie). Reducerend gas door ertsbed, verspild gas hercirculeert na verwarmen en reformeren tot H2/CO-mengsel in reformer, verwarmd tot 950 °C (temperatuur voor adequate reductiesnelheden). Schachtoven werkt op counter-current principe: ijzererts daalt door zwaartekracht, gereeduceerd door opstroomende reducerende gassen.

Gassige brandstoffen: moeten reformeren/kraken tot H2/CO-mengsel. Hoog methaan aardgas meest gebruikt. Aardgas gereformeerd tot verrijkt H2/CO-mengsel, voorverwarmd, naar schacht DR-oven.

Gas-gebaseerd proces: eenvoudig te bedienen, drie hoofdstappen: (1) ijzerertsreductie, (2) gasvoorverhitting, (3) aardgasreformering. Nu ook proces zonder aardgasreformering beschikbaar.

Hart van gas-gebaseerd proces: schachtoven. Cilindrisch, refraktair bekleed vat. Sleutelcomponent. Flexibele, veelzijdige reactor. Kan aardgas, syngas uit steenkool, cokesovengas, of uitlaatgas uit Corex-proces gebruiken als reducerend gas.

Reductiereacties met H2: (1) 3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O, (2) Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O, (3) FeO + H2 = Fe + H2O. Met CO: (1) 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2, (2) Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2, (3) FeO + CO = Fe + CO2.

Gas-gebaseerd DRI: geen magnetische scheiding nodig (geen contaminatie met niet-magnetische materialen mogelijk). Flexibel voor drie productvormen: koud DRI, HBI, of heet DRI.

Drie populaire gas-gebaseerde processen: (1) HYL-proces (laatste versie: Energiron), (2) Midrex-proces, (3) PERED-proces. Flowsheet Energiron in Afbeelding 3, Midrex in Afbeelding 4.

Steenkool-gebaseerd proces

Reactor: rotatieve oven, licht geneigd ten opzichte van horizontaal. Temperatuur: 1000-1100 °C. In rotatieve oven: zowel steenkool als ijzerertsvoermateriaal vanaf zelfde einde ingeladen. Tijdens voorwaartse beweging: oxidatiereactie C in steenkool en reductiereactie CO-gas zorgvuldig gebalanceerd. Temperatuurprofiel 800-1050 °C langs ovenlengte in verschillende zones; materiaal daalt door zwaartekracht, erts gereeduceerd. Basale reductiereacties: (1) C + O2 = CO2, (2) CO2 + C = 2CO, (3) 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2, (4) Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2, (5) FeO + CO = Fe + CO2.

Kilnproduct (DRI en char mengsel) gekoeld in rotatieve koeler met extern waterkoeling tot 100-200 °C. Na ontlading: gesiftd en magnetisch gescheiden. DRI magnetisch → aangescheiden van niet-magnetische char. Gescheiden DRI gesiftd in twee fracties: +3 mm en -3 mm. -3 mm soms gebriketteerd met gehydrateerde kalk en melasse als bindmiddel. Flowsheet steenkool DR-proces in Afbeelding 5.

Eigenschappen van DRI

Vergelijking steenkool- vs gas-gebaseerd DRI in Tabel 1 en samenstelling in Tabel 2.

Voordelen van DRI

• Staat toe om metallische resten in schroot te dilueren tijdens staalmaking
• Gefabriceerd product: uniforme samenstelling
• Uniforme grootte
• Lage zwavel- en fosforgehalte ten opzichte van schroot
• Indien geladen in hoogoven met andere ladingmaterialen: verbetert productiviteit hoogoven