ITmk3: Kobe Steel's Eco-vriendelijk IJzerknoppen Productieproces

ITmk3-proces voor het maken van ijzerknoppen

Het ITmk3-proces staat ook bekend als Iron making technologies (IT) mark 3 en is een van de koolreductietechnologieën. IT mark 1 is het ijzerproductieproces door hoogoven (BF) terwijl IT mark 2 de ijzerproductie is door directe reductie, voornamelijk door gasgebaseerde reductieprocessen (Fig. 1). Dit proces is ontwikkeld door Kobe Steel en is milieuvriendelijk.

Ontwikkelingsgeschiedenis

Het laboratoriumtesten van het proces werd uitgevoerd tijdens 1996 tot 1998. Tijdens de periode 1999 tot 2000 werd een kleine pilotplant van 3.000 ton per dag capaciteit gebouwd en bedreven op Kakogawa Works van Kobe Steel, Japan. In de jaren 2002 tot 2004 werd een pilotdemonstratieplant van 25.000 ton per jaar gebouwd en bedreven in Minnesota, VS. De bouw van de eerste commerciële plant van 500.000 ton per jaar capaciteit startte in 2007 bij Hoyt Lakes, Minnesota en de operatie in deze plant startte in januari 2010.

ITmk3-proces

Het ITmk3-proces is een snell ijzerproductieproces dat het reduceren van erts, karbureren en smelten van ijzer en scheiden van slag omvat, allemaal bij relatief lage temperaturen. Het vierstappenproces bestaat uit: (i) agglomereren van ijzererts en kool, (ii) reduceren en smelten van de agglomeraten, (iii) scheiden van metallisch ijzer van slag, en (iv) behandelen van afgassen en herwinnen van warmte.

In dit proces worden ijzerertsconcentraat en non-coking kool (reductiemiddel), kalksteen (flux), en bentoniet (binder) samen gemengd en geagglomereerd tot groene zelf-reducerende pellets. Deze pellets worden in een draaihearthoven (RHF) gevoerd waar zelf-reducerende, fluxerende, gedroogde groene ballen gereduceerd, gekarburiseerd en gesmolten worden. Het product is granulaire ijzer genaamd ijzerknoppen. Het proces op het ijzer-koolstof (Fe-C) fasendiagram wordt getoond in Fig. 2.

Het ITmk3-proces produceert hoge zuiverheid granulaire ijzer (ijzerknoppen) door gebruik te maken van ijzererts-fijnen en non-coking kool. Het proces is onderscheidend met reductie, karburering, smelting en slagscheiding (Fig. 3). Het proces vindt plaats bij lagere temperaturen (rond 1.350 °C) en is daardoor anders dan conventionele ijzerproductie door hoogoven (BF). In het ITmk3-proces vindt de reductiereactie plaats in 10 minuten in tegenstelling tot 8 uur in BF en 6 uur in de gasgebaseerde directe reductieprocessen.

Tijdens het proces vindt de reductie van ijzererts plaats in verschillende stappen. Deze stappen zijn getoond in Fig. 3.

De hoofdkarakteristieken van het proces zijn:

• Het proces benut laagwaardige ijzererts-fijnen die in fijn deeltjes gemalen en beneficieerd worden om hoogwaardig ijzerertsconcentraat te produceren. Dit concentraat wordt omgezet in groene pellets.
• Non-coking kool wordt als reductiemiddel gebruikt.
• De pellets worden in een draaihearthoven (RHF) geladen, verhit tot 1.350 °C, gereduceerd, gesmolten en gescheiden in metaal en slag.
• Het vloeibare ijzer wordt in de oven gesolideerd tot knoppen, na afkoeling uitgelekt en gescheiden van de slag.
• Het proces is eenvoudig en gebruikt conventionele apparatuur. Verder vergemakkelijkt de kleine verblijftijd ook de opstart en stoppen van de plant. Ijzererts-fijnen en gepulveriseerde kool worden geagglomereerd tot composietpellets.

De reacties tussen ijzererts en kool blijven hetzelfde als voor het algemene ijzerproductieproces en zijn als volgt:

FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂
CO₂ + C = 2CO
C(s) = C (gekarburiseerd)
Fe(s) = Fe(l) (smelt)

De laatste twee reacties zijn additionele reacties in het ITmk3-proces. Deze additionele reacties zijn voor de scheiding van metallisch ijzer van de slag.

Product van het ITmk3-proces

ITmk3 produceert slagen vrije ijzerknoppen (Fig. 5) die vergelijkbare chemische en fysische eigenschappen hebben als die van gietijzer. Het heeft een metallisch ijzergehalte in het bereik van 96 % tot 97 %, C-gehalte in het bereik van 1,7 % tot 3,5 %. Zwavelgehalte van de ijzerknoppen is ongeveer 0,5 %. De dichtheid van ijzerknoppen is in het bereik van 6,5 g/cm³ tot 7,0 g/cm³. Ijzerknoppen hebben een betere smeltbaarheid dan gietijzer geproduceerd uit BF ruw ijzer omdat het een laag smeltpunt en hogere thermische geleiding heeft. Ijzerknoppen hebben een grootte die helpt bij eenvoudig transport en afhandeling. Ze heroxideeren niet en genereren ook geen fijnen tijdens afhandeling. Een ander voordeel van de ijzerknoppen is dat ze continu in de boogoven (EAF) geladen kunnen worden, vergelijkbaar met het laden van direct gereduceerd ijzer (DRI) of hot briquetted iron (HBI).

Specifieke verbruikwaarden voor ITmk3-proces

Het specifieke verbruik van materialen en utiliteiten per ton knoppen voor het ITmk3-proces zijn: (i) ijzererts-fijnen – 1,5 ton, (ii) non-coking kool – 0,5 ton, (iii) brandstofgas – 1,1 gigacalorie, (iv) elektriciteit – 200 kWh, (v) water – 2 m³, (vi) gecomprimeerde lucht – 85 m³, en (vii) stikstof – 12 m³.

Milieubeheer

ITmk3 – EAF staalproductieroute produceert minder verontreinigingen relatief tot BF – BOF procesroute. De procentuele reductie in ITmk3 – EAF procesroute vergeleken met BF – BOF procesroute zijn: (i) koolstofmonoxide (CO) – 96 %, (ii) stikstofoxiden (NOx) – 65 %, (iii) zwaveldioxide (SO₂) – 77,7 %, (iv) vluchtige organische verbindingen (VOC) – 86,5 %, (v) koolstofdioxide (CO₂) – 41,1 %, en (vi) kwik (Hg) – 58,0 %.

Typische lay-out van het ITmk3-proces

De typische lay-out die de grondvereiste voor het ITmk3-proces geeft, is getoond in Fig. 6.

Voordelen van het ITmk3-proces

Het ITmk3-proces heeft verschillende voordelen ten opzichte van andere ijzerproductieprocessen. Deze voordelen omvatten: (i) het proces is eenvoudig, (ii) het proces stelt directe reductie van ijzererts-fijnen met non-coking kolen toe, (iii) het proces is energiezuinig omdat het ongeveer 30 % minder energie verbruikt dan de energie verbruikt tijdens ijzerproductie door BF, (iv) het proces resulteert in lagere CO₂-emissies, (v) het proces heeft lage kapitaalinvesteringen omdat het de sinter/pellets plant en cokesovenbatterij elimineert, (vi) het proces gebruikt goedkopere grondstoffen zoals ijzererts-fijnen en non-coking kolen, (vii) het proces produceert hoogwaardige ijzerknoppen met betere smeltbaarheid dan gietijzer tijdens de staalproductiefase, (viii) het proces elimineert de noodzaak van het afhandelen van vloeibaar ijzer, (ix) de ijzerknoppen zijn slagen vrij, vrij van bijkomstige elementen, vrij van heroxidatie, en genereren geen fijnen en dus gemakkelijk te transporteren, (x) bediening en aanpassing van het proces is eenvoudig en het proces vergemakkelijkt ook de productieaanpassing door opstarten en stoppen, (xi) de apparatuur die in het proces gebruikt wordt, is eenvoudig en met bewezen betrouwbaarheid.