Optimalisatie van Hoogovensoperaties met Nootscokes: Efficiëntie en Kostenvoordelen

Metallurgische cokes, ook wel hoogovenscokes (HO-cokes) genoemd, spelen een cruciale rol in de stabiele werking van de hoogoven. HO-cokes hebben een typische grootte van 30 tot 60 mm (enkele ovens gebruiken 40 tot 80 mm) en vormen een groot onderdeel van de productiekosten van rauw ijzer. Deze hoge kosten komen door de grote hoeveelheid min-fracties die ontstaan tijdens de productie van HO-cokes in de cokesovens. Deze min-fracties zijn cokesbries (-10 mm) en nootscokes (10 tot 30 mm). De cokesbries wordt volledig verbruikt in de sinterfabriek tijdens het sinteren van ertsfijnafval. Eerder was er praktisch geen toepassing voor nootscokes in een geïntegreerd staalbedrijf en werd het aan derden verkocht. In de jaren '60 stelde prof. V.I. Loginov voor om nootscokes samen met sinter in de hoogoven te doseren. Hoewel dit idee succesvol getest werd, was er aanvankelijk weerstand tegen het gebruik van nootscokes in de hoogoven.

Tegenwoordig wordt het gebruik van nootscokes in de hoogoven als bewuste technologie beschouwd en is de toevoeging aan de ertslading bijna standaardpraktijk. Het gebruik hangt sterk af van de beschikbaarheid. Maandelijkse gemiddelde consumptie van meer dan 100 kg per ton rauw ijzer (kg/tHM) is in sommige hoogovens met succes bereikt. Statistische analyse van Europese hoogovens toont aan dat de introductie van nootscokes in de ovenslading een vervangingsfactor oplevert van bijna 1,0.

Conventionele vs. Nootscokes Lading

In de conventionele hoogovenspraktijk worden ferreuse lading (klumperts, sinter en pellets) en HO-cokes in afwisselende lagen gedoseerd. Nootscokes wordt normaal gesproken gemengd met de ferreuse lading in de hoogoven gedoseerd. De toevoeging van nootscokes aan de ferreuse ladinglaag heeft verschillende voordelen:

• Effectief benutten van laagwaardig product uit de verkoking van cokeskool
• Vermindering van HO-cokesverbruik in de hoogoven
• Verbetering van de hoogovensproductiviteit
• Optimalisatie van het gasdynamisch regime van het smeltproces
• Verbetering van techno-economische indices door lagere productiekosten van rauw ijzer
• Vermindering van CO2-uitstoot omdat minder cokes in de cokesovens geproduceerd hoeft te worden

Afbeelding 1 toont een vergelijking tussen conventionele lading en nootscokes-gemengde lading van de ertslading in de hoogoven.

Figuur 1: Vergelijking conventionele lading en nootscokes-gemengde lading van de ertslading

Werking en Effecten

Verscheidene studies tonen aan dat nootscokes-gemengde lading de permeabiliteit van de verzachtings- en smeltlaag verbetert, evenals de directe reduktie. Er zijn drie hoofdoorzaken voor de daling in cokesverbruik:

1. Verbetering van de gaspermeabiliteit in de 'droge zone' van de hoogoven
2. Verbetering van de reduktieomstandigheden van de ferreuse lading
3. 'Bescherming' van metallurgische cokes tegen de oplossingsverliesreactie in de hoogovenshaft door de hogere reactiviteit van nootscokes

Recente ontdekkingen tonen aan dat kleine hoeveelheden nootscokes gemengd met ferreuse lading leiden tot betere reduktiekinetica, lager reductantverbruik en betere gas- en vloeistofpermeabiliteit. Nootscokes vervangt een deel van de reguliere HO-cokes. Het gebruik beïnvloedt de verhouding ferreuse lading tot cokeslaagdikte en permeabiliteit, en varieert per hoogoven. De interactie van nootscokes met de lading bij zowel lage als hoge temperaturen is belangrijk. Bij overdosis nootscokes daalt onverbruikte nootscokes naar het onderste deel van de oven, wat de dode manzone verstopt en de kwaliteit van rauw ijzer en productiviteit nadelig beïnvloedt. Dit effect is erger bij hoge koleninjectiesnelheden. Ideaal wordt nootscokes volledig verbruikt vóór de cohesieve zone. Afbeelding 2 vergelijkt hoogovensoperaties met en zonder nootscokes.

Figuur 2: Vergelijking hoogovensoperatie met en zonder nootscokes in de ovenslading

Onderzoeksresultaten

Een studie over de invloed van sinter- en cokeslaagdikte en sinter-nootscokesmengsel op gaspermeabiliteit bij 1.100-1.600 °C toonde aan dat vermindering van de laagdikte de drukval verlaagt. Mengsel van 90 g nootscokes in 1.400 g sinter verlaagde de drukval bij 1.400 °C van 380 mm WC naar ca. 50 mm WC. Conclusie: hoge verhouding nootscokes-gemengde lading verbetert gaspermeabiliteit in de cohesieve zone.

Een andere studie simuleerde met de Discrete Element Method de segregatie en radiale verdeling van nootscokes in het doseringssysteem. De circumferentiële balans van nootscokesmassa in de doseringshopper bleek cruciaal. Een stabilisator op de top van de doseringsgoot is een efficiënte methode om segregatie te voorkomen.

In verschillende hoogovens is de verandering in reduktieprocessen door nootscokes-erts-gemengde lading bestudeerd. Directe reduktie wordt in de cohesieve zone bevorderd en in de kuil geremd, wat de kuilverwarming verbetert. Het effect op cokesverbruik hangt af van de karakterisering van zowel nootscokes als HO-cokes. De twee rollen van nootscokes (reduktiemiddel en bedspacer) zijn apart bestudeerd. Nootscokes wordt preferentieel verbruikt door de oplossingsverliesreactie, afhankelijk van de grootte.

Afbeelding 3 toont nogmaals de vergelijking tussen conventionele en nootscokes-gemengde lading.

Figuur 3: Vergelijking conventionele en nootscokes-gemengde lading in de hoogoven

Optimale Dosering en Risico's

Hogere vervanging van HO-cokes door nootscokes is wenselijk, maar bij zeer hoog gebruik loopt men het risico dat onverbruikte nootscokes naar de onderkant van de oven daalt, wat leidt tot verstoppingen in de dode manzone en kuil. Mathematische modellering en experimenten tonen aan: bij lage nootscokessnelheid wordt deze volledig verbruikt door gasificatie (betere permeabiliteit), bij hoge snelheid niet, wat de drukval in het cokesgepakte bed verhoogt. Operationele ervaring toont aan dat toename boven een optimale concentratie de kuildrainagecapaciteit beïnvloedt, wat leidt tot slechtere smeltsnelheid en lagere productiviteit.

Simulatie van de dode manzone in de kuil toont aan dat voidage belangrijker is dan cokesdiameter. Lage voidage zorgt voor lagere penetratie van hete gassen en lage temperatuurzone. Fijne deeltjes en accumulatie zijn ongunstig. Cokesfijnafval in het onderste deel verhoogt de drukval meer dan de afname in de cohesieve zone, wat de totale drukval in de hoogoven doet stijgen.

Deze bevindingen wijzen op een optimale hoeveelheid nootscokes, boven welke de voordelen minimaal zijn en afwijkingen in het gedrag van de hoogoven kunnen ontstaan.

Effecten van Nootscokes Lading met Ferreuse Lading

Verbetering van de Permeabiliteit

Permeabiliteit wordt bepaald door blastvolume en drukval van de shaftkolom. Bij constant blastvolume kan permeabiliteit verbeterd worden door de drukval te verlagen. Bedpermeabiliteit is een van de belangrijkste factoren in hoogovensoperatie. Hogere blastinname vereist adequate gaspermeabiliteit. De stroom van reducerend gas in de hoogoven beïnvloedt de productiviteit. Nootscokes toevoeging aan de ferreuse lading verlaagt de drukval.

Het voordeel van betere permeabiliteit in de droge zone is minder significant bij lage mengverhoudingen. Bij ca. 10% en 20% nootscokes in de ferreuse lading kan de productiviteit met 1,5% respectievelijk 2,5% stijgen.

Een studie in twee periodes (conventioneel vs. nootscokes) met gelijke ertshoeveelheid toonde aan dat de drukval van hoogovensgas toenem en varieerde met de nootscokeshoud. De operatie werd meer gelijkmatig met toenemend percentage nootscokes. De output steeg, hoofdzakelijk door lager HO-cokesverbruik. De verwarmings- en reducerende capaciteit van de gasstroom werd volledig benut door betere gasverdeling en gelijkmatigere ovenoperatie.

Een studie met grote hoeveelheden nootscokes concludeerde dat toevoeging aan de ertsladinglaag permeabiliteitsvermindering in het onderste deel van de hoogoven voorkwam. Normale HO-cokes blijft groter in het onderste deel door selectieve oplossingsverliesreactie van nootscokes, en de permeabiliteit van de cohesieve laag blijft goed.

Een andere studie naar eigenschappen van de ertsladinglaag (erts + nootscokes) gebruikte twee mengmethodes: veranderen van laaghoudte/laagaantal en veranderen van nootscokeshoud. De drukval daalde met afnemende laaghoudte (toenemend aantal lagen) en het piekverdween bij meer dan 3 lagen. De drukval daalde snel met toenemende nootscokeshoud. Er wordt gedacht dat carburisering optreedt aan de grenslaag sinter-cokes. Bij smelting aan de grens stroomt gas voornamelijk door cokes en omgeving, waardoor permeabiliteit behouden blijft. Hoewel grotere voidage doorgaans hogere permeabiliteit betekent, toonde gasdynamisch onderzoek aan dat bij nootscokes-menging de voidage afneemt, maar de permeabiliteit toeneemt ten opzichte van conventionele lading. Dus zowel voidage als voidagestructuur moeten overwogen worden.

Toevoeging van nootscokes aan de ertslaag vermindert de gasweerstand van de cohesieve zone door toevoeging van nieuwe voids.

Reduktiekinetica

Ferreuse lading bestaat voornamelijk uit Fe2O3 en Fe3O4. Zuurstof verwijderen heet reduktie. Het hoogovensproces baseert zich op het reduktiegedrag. Reduktiesnelheid en -graad beïnvloeden de productie direct. De temperatuur van de thermische reservezone is ongeveer consistent met de starttemperatuur van de Boudouard-reactie (oplossingsverlies) van cokes (C + CO2 = 2CO), een intensief endotermische reactie. De Boudouard-reactie controleert de algehele reactie in de hoogoven. Als de starttemperatuur van de thermische reservezone verlaagd kan worden, verschuift de evenwichtsconcentratie van de FeO-Fe reduktiereactie (FeO + CO = Fe + CO2) naar hogere CO-gasbenuttingsgraad. Dit resulteert in verbeterde CO-benutting aan de bovenzijde van de oven en daling in reductantverbruik.

Hogere reduktiesnelheid van ijzeroxide is wenselijk voor hogere productiviteit. Experimentele analyse (900-1.200 °C) suggereert dat de snelheidsbepalende reactie oxidatie van koolstof is. Reduktie van ijzeroxide verloopt in twee stadia: Fe3O4 naar FeO (sneller), daarna FeO naar Fe (langzamer). In de laatste fase van FeO-reductie door koolstof daalt de snelheid door fayalietvorming (FeO·SiO2). Het 'reduktieverstraging'-fenomeen treedt vooral tijdens en na verzachting van de ferreuse lading op. Experimenten bevestigen dat bij hoge temperatuur (>1.100 °C) ferreuse lading zonder nootscokes 'reduktieverstraging' vertoont, maar met nootscokes niet. Voor hogere reduktiegraad moet de grootte van nootscokes vergelijkbaar of kleiner zijn dan die van de ferreuse lading.

Verzachtings- en Smeltgedrag

Het gebied waar erts begint te verzachten en smelten heet de cohesieve zone. Verzachting en smelting zijn fysikalische verschijnselen; chemische veranderingen in de cohesieve zone zijn gerelateerd aan ligging, vorm, gasstroom en beïnvloeden de hoogovensoperatie belangrijk.

Dunnere cohesieve zone is gewenst voor lagere drukval en betere permeabiliteit. Dit kan bereikt worden met ferreuse ladingen met kleiner temperatuurverschil tussen verzachtings- en smelttemperatuur. De cohesieve zonedikte kan ook gewijzigd worden door nootscokes in de ferreuse lading te mengen. Hoge-temperatuurexperimenten toonden aan dat verzachtings- en smelttemperatuur met respectievelijk 86 °C en 15 °C stegen. Het temperatuurverschil krimpte met 71 °C. Dit duidt op vorming van een dunner cohesieve zone met nootscokes-gemengde ferreuse lading.