Granulatie van Hoogovenslak in de Gietkamer: Procesoverzicht

Hoogovenslak Granulatie bij de Gietkamer

Een hoogoven (BF) is een gesloten systeem waarin ijzerhoudende materialen (ijzererts-lumps, sinter en/of pellets), fluxen (slagvormers) en reductiemiddelen (cokes) continu van de top van de ovenshaft via een laadsysteem worden toegevoerd. De producten van het reductieproces dat binnen de BF plaatsvindt, zijn ruw ijzer (hot metal, HM) en vloeibare slag. Deze producten accumuleren in de BF-hearth. De slag drijft op het oppervlak van de HM vanwege de lagere dichtheid. De vloeibare producten van HM en slag verzameld in de hearth worden periodiek vanuit de tapgat in een loopersysteem uitgelekt waar de HM en slag worden gescheiden door een systeem van overloopdammen. De HM wordt afgelopen in HM-pannen (open of torpedo) terwijl de vloeibare slag ofwel in grote putten aan de zijkant van de oven voor luchtafkoeling tot een granulaatproduct wordt geleid, ofwel door een slaggranulatie-installatie. Tot de jaren 1970 werd de BF-slag beschouwd als een afvalproduct en werd op een handige plek ver van de BF gedumpt.

De verschillende processen van granulatie van vloeibare slag bij de gietkamer werden ontwikkeld tijdens de periode rond begin jaren 1970. Deze processen verschillen in de methode van ontwatering van de natte gegranuleerde slag. Vandaag de dag is granulatie van vloeibare BF-slag een wel geaccepteerde technologie en wordt in alle BF's over de wereld gebruikt.

De hoeveelheid vloeibare slag hangt sterk af van het laadmateriaal, bijvoorbeeld de graad van het ijzererts, de gangue-inhoud van het ijzererts, en de fluxen toegevoegd om de chemische samenstelling van de vloeibare slag aan te passen. Tot rond 1940–1950 was de slagopbrengst in BF ongeveer 980 kg/tHM. Tegenwoordig, door een beter begrip van de slagvormingsmechanismen en het algemene BF-proces, is het mogelijk om de slagopbrengst in de BF te controleren, te optimaliseren en te minimaliseren. De specifieke hoeveelheid slag die in de BF gegenereerd wordt, ligt tegenwoordig in het bereik van 175 kg/tHM tot 350 kg/tHM. De vloeibare slag is bij ongeveer 1.400 °C tot 1.550 °C temperatuur.

BF-slag samenstelling en kwaliteit

BF-slag is een niet-metallisch bijproduct geproduceerd in het ijzerproductieproces. Het bestaat primair uit silicaten, alumino-silicaten en calcium-alumino-silicaten. De vloeibare slag absorbeert een groot deel van de zwavel (S) uit de lading. Het hoofddoel van de slaggranulatieplant is de verwerking van vloeibare BF-slag tot waardevolle grondstoffen voor de cement- en bouwindustrie. De parameters die de kwaliteit van de gegranuleerde slag beïnvloeden, omvatten: (i) chemie van de vloeibare slag, (ii) temperatuur van de vloeibare slag, (iii) glasgehalte van de gegranuleerde slag, en (iv) gemiddelde verdeling van de gegranuleerde slagdeeltjes. Terwijl de eerste twee parameters betrekking hebben op de BF-bedrijfsvoering, zijn de laatste twee parameters gerelateerd aan het slaggranulatieproces. De procesparameters van de slaggranulatie omvatten temperatuur en druk van het water gebruikt voor granulatie, alsook de stroom en het granulatieoppervlak beschikbaar voor warmteoverdracht.

De waarde van de slag hangt af van zijn mineralogische, chemische, fysieke en mechanische eigenschappen, zoals basiciteit, glasgehalte, structuur en vochtgehalte. Deze technische eigenschappen zijn gerelateerd aan de BF-lading en -proces, de toegepaste granulatietechnologie en haar bedrijfsomstandigheden en de opslag- en ontwateringstijd etc. Fig. 1 toont de complexe afhankelijkheid van slageigenschappen.

De gegranuleerde slag heeft het uiterlijk van betonmetselzand. Het is glazig en vezelig van aard. Er is geen kristallisatiewarmte bij de vorming en het materiaal heeft een latente hydraulische eigenschap voor het vormen van vaste hydratatieproducten net als cement. Echter, waar cement oplosbaar is in water wat het hydratatieproces vergemakkelijkt, is de gegranuleerde slag alleen oplosbaar in alkalische oplossing. De alkalische toestand kan geproduceerd worden door toevoeging van een activator of basische 'katalysator', zoals kalk. Typische eigenschappen van de gegranuleerde slag zijn gegeven in Tabel 1.

Het product van de vloeibare slag omvat voornamelijk: (i) lucht-gekoelde BF-slag, en (ii) gegranuleerde BF-slag.

Gegranuleerde BF-slag wordt geproduceerd door aansmuring tot een glazige toestand wat resulteert in weinig of geen kristallisatie. Dit proces resulteert in de vorming van zandgrootte (of frit-achtige) fragmenten, meestal met eenige kruimelende klinker-achtige materialen. De fysieke structuur en korrelverdeling van gegranuleerde slag hangt af van de chemische samenstelling van de slag, zijn temperatuur op het moment van wateraansmuring, en de productiemethode. Uit gegranuleerde slag kan gemalen gegranuleerde BF-slag (GGBS) geproduceerd worden. GGBS heeft cementerende eigenschappen en kan gebruikt worden als gedeeltelijke vervanging voor of additief tot Portlandcement. De lucht-gekoelde BF-slag wordt geproduceerd als de vloeibare slag in bedden wordt gegoten en langzaam onder omstandigheden wordt afgekoeld. Lucht-gekoelde slag heeft een kristallijne structuur. Luchtkoeling produceert een harde, klontige slag, die vervolgens gekneusd en gezeefd wordt.

Grof granulaat van BF-slag voor betonmengen wordt geproduceerd door lucht-gekoelde slag te vergruizen en vervolgens te classificeren door zeven terwijl fijn granulaat wordt geproduceerd door licht vergruizen van gegranuleerde slag om de korrelgrootte te controleren en vervolgens te classificeren. Fig. 2 geeft de productiestroom van BF-slag.

Concept van slaggranulatie

Het proces van slaggranulatie omvat het gieten van de vloeibare slag door een hoge-druk water sproeier in een granulatiekop, dichtbij de BF. Het granulatieproces is de gecontroleerde aansmuring van de slag in koud water wat geen tijd geeft voor kristalgroei. Een groot volume water is nodig (rond 10 delen water tot 1 deel vloeibare slag is optimaal). Tijdens dit aansmuringproces ondergaat de vloeibare slag versnelde afkoeling onder gecontroleerde waterstroomcondities en wordt omgezet in glazig zand met ongeveer 97 % van de vaste gegranuleerde slagdeeltjes kleiner dan 3 mm en een gemiddelde grootte van ongeveer 1 mm. Het impactpunt van de vloeibare slag en het hoge-druk water is afhankelijk van de slagstroom, zijn temperatuur, alsook de helling en vorm van de hete loper.

De warmte-uitwisseling tussen de vloeibare slag en granulatiewater moet heel snel plaatsvinden. De granulatie waterstralen breken de slagstroom op in vloeibare slaglamellen die initieel uiteenvallen in filamenten en daarna in druppels. De beste warmteoverdracht treedt op wanneer het contactoppervlak tussen de vloeibare slag en het water maximaal is, d.w.z. wanneer de slag is omgezet in druppels en volledig met water omsloten. De solidificatietijd hangt af van de grootte van de slagdruppels, het temperatuurverschil tussen de vloeibare slag en het granulatiewater, en de contactomgeving tussen de slag en het water.

Afhankelijk van de granulatiewatertemperatuur rond de slagdruppel, treden verschillende warmteoverdrachtsmechanismen op: (i) warmteverwijdering alleen door stoomvrijgave, toepasbaar als de granulatiewatertemperatuur gelijk is aan het kokpunt van water, (ii) warmteverwijdering door stoomvrijgave en warmteoverdracht in granulatiewater, toepasbaar op de meeste gevallen, en (iii) warmteverwijdering zonder stoomvrijgave maar alleen door warmteoverdracht in granulatiewater, toepasbaar als het granulatiewater koud is en een directe condensatie van de gegenereerde stoom toestaat.

In het algemeen wordt het kokpunt niet bereikt bij granuleren met koud water, behalve voor lokale plekken door tranziënte hoge slagstromen. Warmteverwijdering zonder stoomvrijgave kan plaatsvinden als men granuleert met koud water en waar goede turbulentie tussen de slag en het water optimale warmteverwijdering toestaat. De meest voorkomende situatie is echter warmteverwijdering door stoomvrijgave en warmteoverdracht in granulatiewater. Het concept van het slaggranulatieproces is getoond in Fig. 3.

Het granulatieproces van de vloeibare slag kan uitgevoerd worden met hete of koude granulatie water, wat toelaat voor twee verschillende watercircuit lay-outs. De slaggranulatieplant ontworpen voor een heet water granulatiecircuit heeft geen koeltoren. Het granulatie water, gecirculeerd in een gesloten lus, verhit zich tot dicht bij het kokpunt. De warmteverwijdering van de vloeibare slag tijdens hete water granulatie is voornamelijk door stoomvrijgave. Koude aanvulwater wordt aan het systeem alleen toegevoegd om stoom- en vochtverliezen te compenseren. De gemiddelde watertemperatuur in de circuit is rond 90 °C tot 95 °C. Bij het impactpunt, waar het granulatie water in contact komt met de vloeibare slag, zijn watertemperaturen van rond 95 °C en zelfs hoger te verwachten.

In het geval van het granulatieproces van de vloeibare slag met het koude granulatie water, begint het granulatieproces wanneer het granulatie water in contact komt met de vloeibare slag (Fig. 3). De slagstroom breekt op in lamellen en filamenten, dan in druppels. Alleen een deel van de slag wordt gegranuleerd op de weg door de koude loper naar de ontvangsthopper, maar waarschijnlijk voltooid na het raken van de impactplaat binnen de ontvangsthopper en vallen in de ontvangsthopper. Met dit ontwerp wordt alleen een deel van de waterstroom direct gebruikt voor het granulatieproces omdat een deel gebruikt wordt om de slijtvastbeschermingsplaten langs de koude loper vooraan te koelen.

De slaggranulatieplant ontworpen voor een gesloten koud watercircuit is uitgerust met een koeltoren wiens doel is om het proces (granulatie) water op een constante koude temperatuur te houden. Warmteverwijdering van de vloeibare slag in contact met koud granulatie water vindt plaats door warmteoverdracht in het water en deels door stoomvrijgave. Warmteoverdracht door stoomvrijgave varieert afhankelijk van de granulatie watertemperatuur en de instantane slagstroom. Bij lage slagstromen vindt de warmteoverdracht van de vloeibare slag voornamelijk plaats door overdracht in het koude water, terwijl bij hoge slagstromen stoomvrijgave plaatsvindt. Een slaggranulatieplant met een koud watercircuit heeft een hoger potentieel voor snelle warmteverwijdering vergeleken met de slaggranulatieplant ontworpen met een heet watercircuit.

In het geval van het koude loper ontwerp, wordt de koude loper geïnstalleerd als een vervolg van de hete loper, met een ingebouwde blaaskast aan de vooraan. De blaaskast is volledig ingebed in de koude loper die onder het hete loper eindmondstuk geïnstalleerd is. De koude loper dient het doel om het water-slag/zand mengsel naar de ontvangsthopper te leiden en is uitgerust met een slijtvast bekleding omdat de gegranuleerde slagdeeltjes zeer slijtend zijn. De warmtestroom van de vloeibare slag heeft wat waterbesproeiing langs de koude loper aan de vooraan nodig.

De granulatiekom onder het hete loper eindmondstuk bestaat uit een waterkom die in grootte kan variëren afhankelijk van de plantlay-out (Fig. 3). De kom, gevuld met water tot een gedefinieerd niveau, stelt additioneel water naast het circuitwater beschikbaar voor granulatie. Dus granulatie, ondersteund door het turbulente waterbad, vindt plaats veel sneller vergeleken met de koude loper lay-out. De lay-out stelt het ontwerp van watercircuits met minder waterstroom toe, maar toch meer water beschikbaar voor granulatie, zonder in te boeten op veiligheid. De kom kan gemakkelijk beschermd worden tegen slijtage, wat in het geval van de koude loper hoge onderhoudskosten vereist. De kom lay-out heeft het potentieel om de hoeveelheid druk om de slag in de granulatiekom onder het waterniveau te duwen te verminderen. De warmte-uitwisseling tussen de slagdruppels en het water wordt nu niet alleen gegeven door de waterstralen uit de blaaskast, maar ook van het water dat elke druppel in het waterbad omringt en omsluit. De waterstralen die het wateroppervlak in de granulatiekom raken, dragen bij aan het creëren van turbulente condities in de kom en helpen een snellere verkoelingswerking van de slagdruppels in gegranuleerde slagdeeltjes te bevorderen. Hoewel dit ontwerp een verminderde water-slag verhouding heeft, is meer watervolume beschikbaar voor granulatie, d.w.z. watervolume in de kom en de waterstroom bij de blaaskast. Het granulatieproces vindt sneller plaats en dus wordt de solidificatietijd verminderd.

Slaggranulatieplant

De hoofcomponenten van een slaggranulatieplant bestaan uit: (i) hete loper, (ii) blaaskast, (iii) granulatievat, (iv) schoorsteen en condensatietoren, (v) verdeler en vertragingsbakken, (vi) ontwateringsapparatuur of -faciliteit, (vii) heetwatertank, (viii) pompen, (ix) koeltoren, (x) koudwatertank, (xi) buffertank, (xii) aanvulwater, (xiii) transportband, en (xiv) voorraadstapel.

De slaggranulatieplant omvat: (i) een granulatiesectie, (ii) een ontwateringssectie, en (iii) een opslagsectie. De granulatiesectie koppelt de hete slagloper van de BF en de ontwateringssectie. Het schematische diagram van een slaggranulatieplant is getoond in Fig. 4.

Granulatiesectie

Hier wordt de vloeibare BF-slag wateraangesmoren en gesolideerd in kleine deeltjes, wat de noodzaak voor zware vergruizingsapparatuur elimineert. De vloeibare slag stroomt via lopers van de BF naar de granulatie-eenheid. Vanaf de loper wordt de vloeibare slagstroom bij ongeveer 1.500 °C in een hoge-snelheid waterstroom bij de granulatie sproeikop gegoten voordat het bij ongeveer 50 °C in de granulatievat eindigt. Deze snelle solidificatie gevolgd door het opsplitsen van het materiaal in kleine stukken wordt gecontroleerd door het overtollige water dat gebruikt wordt. Vanwege de hoge temperatuur van de vloeibare slag, wordt het water deels verdampt en vervolgens gecondenseerd in een condensatietoren boven de granulatievat.

De productie van slag tijdens de BF-tapping varieert normaal tot 10 ton/minuut. Om met deze variatie om te gaan, kan de waterstroom naar de granulatie-eenheid worden gecontroleerd door een energiebalansberekening om efficiënte en economische prestaties te garanderen. Het controle-element is een klep, die een deel van de waterstroom naar de granulatie sproeikop regelt.

De granulatie sproeikop is het technologische hart van de granulator en is waar het water en de slag intensief worden gemengd, wat snelle en efficiënte granulatie garandeert. De sproeikop is ontworpen om een specifiek stroompatroon van water te produceren voor optimale menging en is geplaatst om hoge-druk waterstralen in de vrij vallende vloeibare slagstroom te richten.

Het hoofvolume water wordt door de stralen gericht om een snel bewegende watergolf in de bodem van de granulatiegleuf te vormen. Het doel van deze waterlaag, naast het granuleren van de slag, is om de granulatie loper te beschermen en het gegranuleerde mengsel weg te voeren. Bovendien zijn een aantal stralen aan de zijkanten van de slagstroom geplaatst om ervoor te zorgen dat alle slag in kleine stukjes wordt gegranuleerd zo snel mogelijk, om additionele koeling te leveren, en ook om het slag/water mengsel in de gleuf voort te stuwen. De configuratie van de waterstralen is zodanig dat de vloeibare slag, onder normale omstandigheden, de bodem van de granulatiegleuf niet aanraakt. De sproeikoppen bevatten doorgaans losmakbare mondstukplaten met keramische inserts en sproeikoppen die snel tijdens korte onderhoudsintervallen vervangen kunnen worden.

De waterhoeveelheden voor de sproeikop zijn rond 1.200 m³/uur voor de onderste bodem sproeikop, 600 m³/uur voor de bovenste bodem sproeikop, en 100 m³/uur voor de zijsproeiers. Onder normale condities wordt 1.800 m³/uur gebruikt voor granulatie, maar aan het laatste deel van de gieting van de BF, wanneer de slagvolumes kunnen toenemen, kan een additionele 600 m³/uur worden toegevoegd door additionele sproeikoppen te activeren en de totale stroom te verhogen tot 2.400 m³/uur.

De eisen aan de sproeikop zijn: (i) eenvoudige en logische constructie om fabricatiekosten te verlagen en vervanging te vereenvoudigen, (ii) opbouw van slijtvast materiaal, bijv. gebruik van keramische inserts voor de mondstukken en geleiders, (iii) gemakkelijk te inspecteren en te vervangen, en (iv) gemakkelijke toegang en gemakkelijk te reinigen.

Tijdens dit aansmuringproces wordt water verdampt en SOx-verbindingen vrijgegeven. Deze emissies kunnen geëlimineerd worden door de toepassing van een condensatietoren die een samenstelling van water sproeinozzels omvat. Deze sproeiers zorgen ervoor dat emissies in het water worden opgelost. Ze worden deels geneutraliseerd door de CaO in de slag.

De gehele granulatievat is bekleed met slijtvast refractair aangezien het blootgesteld is aan een hoog turbulente en erosieve mengsel van water en slagdeeltjes. Dit mengsel wordt door zwaartekracht naar de ontwateringssectie overgebracht voor scheiding van slagdeeltjes en water.

Ontwateringssectie

De granulatiesectie voegt water aan de slag toe, wat verwijderd en gerecycled moet worden. Ontwatering is vereist om het vochtgehalte te verlagen tot rond 10 % tot 12 %. De geontwaterde slag kan direct in een vrachtwagen of op een materiaalafhandelingssysteem voor verdere transport worden uitgelekt. Veel ontwateringssystemen zijn gebruikt in de verschillende typen slaggranulatieplanten. Deze omvatten grindgelaagde filterbed, dehydrator, roterend ontwateringswiel, ontwateringtrommel, en statische ontwateringssilo's etc.

Opslagsectie

De geontwaterde gegranuleerde slag wordt vervolgens naar de gegranuleerde slagopslag getransporteerd. Zowel silo's als open opslagmethoden worden gebruikt voor de opslag van de gegranuleerde slag.

De slaggranulatieplant is normaal een compacte installatie en geschikt voor toepassingen met beperkte ruimte. Granulatie, ontwatering en opslagfaciliteiten zijn fysiek onafhankelijk en kunnen op afzonderlijke locaties geïnstalleerd worden. De plant staat meerdere combinaties toe.

Proces van gietkamer slaggranulatie

Er zijn verschillende processen voor gietkamer slaggranulatie. De belangrijkste slaggranulatieprocessen momenteel in bedrijf zijn OCP (open cycle process) granulatie systeem, Russisch ontworpen planten (Fig. 5), RASA systeem, en INBA slaggranulatieplanten (Fig. 6) etc.

Het proces van gietkamer slaggranulatie begint met scheiding van vloeibare slag van de HM. De vloeibare slag wordt in de granulatiekammer geleid door een serie lopers beschermd door bekleding en zand. Direct contact tussen geperstise waterstroom en vloeibare slag vindt plaats in de granulatiekammer. Vanwege snelle afkoeling en de impact van waterdruk, wordt de vloeibare slag gegranuleerd in glasachtige zand-achtige deeltjes die een slurrie mengsel met water vormen. Deze slurrie mengsel van water en gegranuleerde slag wordt getransporteerd naar de ontwateringssectie.

De eenvoudigste ontwateringsmethode is door grindgelaagd filterbed. Dit filterbed wordt periodiek teruggewaas met water en lucht voor verwijdering van de verstopping door kleine deeltjes van de slag. Ontwateringsfaciliteiten van de RASA bestaat uit verschillende filterbedden, die samengesteld zijn uit lagen van verschillende deeltjesgrootte kiezelbed aan de bodem. De meest populaire ontwateringsapparatuur is het roterende ontwateringtrommel van het INBA-proces. De gegranuleerde slag en water slurrie wordt gelijkmatig verdeeld over de hele lengte van de trommel. Axiale schoven binnen de trommel tillen de gegranuleerde slag continu en storten het op een transportband boven de verdeler. Het fijn gaas aan de buitenkant van de trommel houdt de gegranuleerde slag vast en laat het water doorfilteren. De gegranuleerde slaglaag aan de bodem van de trommel creëert een zelf-filterend effect.

Na ontwatering is het resterende vochtgehalte van de gegranuleerde slag rond 10 % tot 12 %. Het geontwaterde water wordt gereinigd, gekoeld en gerecycled. De gedroogde slag wordt naar de gegranuleerde slagopslag getransporteerd voor afgifte aan klanten. Waterdampen gegenereerd tijdens de slaggranulatie worden uitgeblazen door een schoorsteen normaal van roestvrij staal.

Emissies tijdens het slaggranulatieproces

BF-slag heeft een S-gehalte van ongeveer 1 %. Het kan oplopen tot 2 % afhankelijk van de S-gehalte van de cokes en kool. De belangrijkste S-verbinding is calciumsulphide (CaS) en tijdens granulatie worden gasvormige S-verbindingen gegenereerd en geëmiteerd. Deze bestaan voornamelijk uit waterstofsulphide (H₂S) en zwaveldioxide (SO₂) volgens de vereenvoudigde reactievergelijkingen: (i) CaS + H₂O = H₂S + CaO, en (ii) CaS + 3/2 O₂ = SO₂ + CaO. Deze reacties treden voornamelijk op bij temperaturen boven 1.100 °C. Zolang de slagdruppel vloeibaar is, is CaS voldoende beschikbaar om het slag/stoom oppervlak te voeden. De toelevering van S aan het contactoppervlak vindt plaats door stroom en diffusie. Echter, zodra het oppervlak van de druppel uithardt (huid), vindt de overdracht van S alleen plaats door diffusie. Aangezien de coëfficiënt voor vaste diffusie veel minder is dan voor vloeistoffen, wordt de verdere toelevering van S van het vloeibare naar het oppervlak gestopt. Alleen S in de huid reageert met de stoem zodra een harde huid is gevormd. Aangezien de stoem het product is van H₂O-damp en gasvormige S-verbindingen (H₂S, SO₂) in contact met het omringende granulatie water, gaan de S-verbindingen in oplossing volgens de relevante partiële drukken. De heersende condities zoals watertemperatuur, pH-waarde van water en oplosbaarheid van H₂S en SO₂ definiëren de hoeveelheid S-verbindingen vrijgegeven door de stoem en geëmiteerd naar de atmosfeer of gebonden met CaO in het water.

Voordelen van slaggranulatie

De voordelen van het slaggranulatieproces omvatten: (i) het converteert afvalmateriaal tot een gewaardeerd nuttig product, (ii) het elimineert slagdumping en dus alle daarmee verbonden nadelen, (iii) investerings- en exploitatiekosten zijn lager dan de kosten verbonden met slagdumping, (iv) het is een betrouwbaar proces, (v) vermindert personeel vergeleken met slagdumping, (vi) het proces kan volledig geautomatiseerd worden, (vii) bespaart grondoppervlakte nodig voor slagdumping, (viii) compact ontwerp van granulatieplant heeft slechts een klein oppervlak nodig, (ix) aangezien het geïnstalleerd is naast de gietkamer van de BF, helpt het de BF-bedrijfsvoering door continue gegevensstroom van de granulatieplant.