Optimalisatie van Hoogovensprocessen met Hoge-Aluminaslak

Het hoogovensproces (HO) voor de ijzerproductie is een proces waarbij vloeibaar ijzer (rauwijzer) en vloeibare slak worden geproduceerd door de reduktie van ijzerhoudende materialen (sinter en/of pellet en lomperts) met cokes en door fluxering van de gangue-materialen van de voermaterialen. Het proces is het resultaat van een reeks chemische reacties die in de HO plaatsvinden. De gangue-materialen en cokesas smelten tot slak met de fluxerende materialen. De scheiding van slak van het rauwijzer vindt plaats in vloeibare toestand. Slak heeft een lager smeltpunt en is lichter dan het rauwijzer. In de HO heeft het een hogere temperatuur dan het rauwijzer. Een goedkwalitatieve slak is noodzakelijk voor goedkwalitatief rauwijzer.

Samenstelling van HO-slak

HO-slak bevat voornamelijk silica (SiO₂), alumina (Al₂O₃), kalk (CaO) en magnesia (MgO) samen met kleinere hoeveelheden FeO (ijzer(II)-oxide), MnO (mangaan(II)-oxide), TiO₂ (titaandioxide), Na₂O (natriumoxide), K₂O (kaliumoxide) en S (zwavel). De samenstelling van de HO-slak heeft een zeer belangrijke invloed op de fysico-chemische eigenschappen, wat de HO-prestaties beïnvloedt. De fysico-chemische eigenschappen van vloeibare slakken spelen een significante rol bij het bepalen van de mate van ontzwaveling, de soepelheid van de HO-operatie, de slakafhandeling, het cokesverbruik, de HO-productiviteit en de kwaliteit van het rauwijzer.

Vier typen slak in de hoogoven

Er zijn vier soorten slakken met duidelijke samenstellingen die in verschillende zones binnen de HO ontstaan als gevolg van een reeks reductiereacties. Deze vier typen, te weten primair slak, bosh-slak, tuyere-slak en eindslag, worden respectievelijk gegenereerd in de cohesieve zone, de druppelzone, de raceway en de kuip. Een goede aftapping hangt voornamelijk af van de eindslag, die een lage liquidustemperatuur en goede vloeibaarheid moet hebben.

Invloed van slakvloeibaarheid

De slakvloeibaarheid in de HO beïnvloedt het zachtwordings-smeltgedrag in de cohesieve zone, de permeabiliteit in het onderste deel van de oven door vloeistofophoping in de druppelzone, de vloeistofstroming in de ovenkuip en de afvoercapaciteit van de slak door de taphole. De slakvloeibaarheid wordt beïnvloed door de temperatuur en samenstelling van de slak, waarbij de laatste wordt beïnvloed door ganguemineralen in het erts en asmaterialen van cokes en gepulveriseerde kool. De CaO/SiO₂-verhouding in de slaksamenstelling wordt normaal ingesteld op een bereik van 1,2 tot 1,3 met behulp van hulpmaterialen om de vloeibaarheid en ontzwavelingscapaciteit van de slak te verbeteren. De Al₂O₃-concentratie in de slak wordt beschouwd als een factor die de slakvloeibaarheid aantast, die semi-empirisch op een bovengrens van ongeveer 18% wordt gesteld (hoe lager, hoe beter) om de ophoping van ijzer en slak en de verslechtering van de permeabiliteit in het onderste deel van de oven te voorkomen.

Hoog-aluminaslak: uitdagingen en oplossingen

Als hoog-Al₂O₃-erts extensief in de HO wordt gebruikt, treedt er een afwijking op van het normale slaksysteem naar een nieuwe slak met een Al₂O₃-gehalte dat tot 30% kan oplopen. Bovendien hebben recente procesveranderingen in de HO, waaronder de toename van de injectie van gepulveriseerde kool (PCI), ook de Al₂O₃-concentratie verhoogd. Dit resulteert in een overgang van het slaksysteem van silicaat-gebaseerd naar aluminaat-gebaseerd. Slak is een complex oxidenstelsel, en de eigenschappen hebben een grote relatie met de samenstelling. Verschillende studies zijn uitgevoerd om de fysico-chemische eigenschappen van HO-slakken te bepalen. De meeste van deze studies betroffen echter lage-Al₂O₃ HO-slakken met een Al₂O₃-gehalte normaal minder dan 20%.

De slakeigenschappen die het meest van invloed zijn, zijn viscositeit, sulfïdecapaciteit, alkalicapaciteit en liquidustemperatuur. Deze eigenschappen hebben grote invloed op het totale HO-proces. Lage-Al₂O₃ HO-slak (met Al₂O₃ meestal minder dan 15%) heeft normaal een lage viscositeit, hoge sulfïdecapaciteit, en lage liquidustemperatuur alsook een lager slakvolume vergeleken met hoog-Al₂O₃-slak. Hoog-Al₂O₃-slak heeft normaal een Al₂O₃-gehalte van meer dan 15%. Hoog-Al₂O₃-slak treedt voornamelijk op door een hoge Al₂O₃/SiO₂-verhouding in ijzererts alsook in sinter en een hoog asgehalte in cokes. Deze slakken zijn hoogviscos.

Belang van slakviscositeit

In het geval van HO-ijzerproductie is slakviscositeit een zeer belangrijke fysieke eigenschap omdat het de ovenoperatie op veel manieren beïnvloedt. Slakviscositeit is een transporteigenschap die betrekking heeft op de reactiekinetiek en de graad van reduktie van de eindslag. Slakviscositeit bepaalt ook de scheidingsefficiëntie van slak-metaal, en daarmee de metaalopbrengst en de onzuiverhedenverwijderingscapaciteit. In de praktijk is de slakviscositeit een indicatie van de gemak waarmee slak uit de oven kan worden getapt, en heeft daarmee betrekking op de energiebehoefte en winstgevendheid van het proces.

De viscositeit van de slak beïnvloedt de gaspermeabiliteit, warmteoverdracht en de reduktie van SiO₂, FeO etc. Het is wenselijk om te zoeken naar slaksystemen die goede vloeibaarheid bieden zelfs bij lage temperaturen. Er zijn diverse gegevens gerapporteerd over de viscositeit van HO-slakken. Maar de meeste van deze gegevens gaan voornamelijk over lage-Al₂O₃-slakken met Al₂O₃ in het bereik van 10% tot 15%. Bovendien vertegenwoordigen deze viscositeitsgegevens slakken met een hoge CaO/SiO₂-verhouding, zeer hoge hoeveelheden additieven zoals FeO, TiO₂, en Fe₂O₃ etc., die niet zo gemeen zijn in de eindslag van de HO.

Invloed van Al₂O₃-gehalte op HO-operatie

Het Al₂O₃-gehalte van HO-slak is voornamelijk afhankelijk van het Al₂O₃-gehalte van de invoermaterialen, voornamelijk ijzererts. In gevallen waar het Al₂O₃-gehalte van het ijzererts minder dan 1% is, gaat het Al₂O₃-gehalte in de slak zelden boven de 10%. Maar in die ijzererts waar het Al₂O₃-gehalte 2% en hoger is, stijgen de Al₂O₃-niveaus in HO-slak tot 20% en hoger. Het bedienen van een HO met dergelijke hoog-Al₂O₃-slak is behoorlijk moeilijk en vereist een ander type vaardigheid van de HO-operators, aangezien met de toename van het Al₂O₃-gehalte van de slak, de HO-operatie problemen ondervindt zoals overmatige ophoping van vloeibare slak in de HO-kuip en toename van de drukval in het onderste deel van de oven. Het is daarom belangrijk om het Al₂O₃-gehalte van de slak binnen een grens te houden die goede slakvloeibaarheid garandeert tijdens de HO-operatie, zodat er goede permeabiliteit en goede slakafvoer tijdens het tappen is.

De viscositeit van de HO-slak hangt af van samenstelling en temperatuur. Lage viscositeit helpt niet alleen de reactiesnelheden te regelen door zijn effect op het transport van ionen in de vloeibare slak naar en vanaf de slak/metaal-reactiegrens, maar zorgt ook voor een soepel lopende oven. Zowel een toename van basische oxiden als die van de temperatuur boven de liquidustemperatuur van de slak verlagen de viscositeit. In het geval van het CaO-MgO-SiO₂-Al₂O₃-systeem zijn Al₂O₃ en SiO₂ niet equivalent op molaire basis in hun effect, hoewel beide de viscositeit van deze smelten verhogen. Het effect van de eerste op de viscositeit hangt af van het kalkgehalte van de slak. Dit komt doordat Al³⁺-ion Si⁴⁺-ion in het silicaatnetwerk kan vervangen alleen als het geassocieerd is met Ca²⁺-ion om de elektrische neutraliteit te behouden.

Ontzwaveling en slakontwerp

De HO wordt verwacht rauwijzer te produceren met een S-gehalte van de orde van 0,05% of minder. Het is daarom altijd van groot belang om de ontzwavelingscapaciteit van de slak te kennen, of met andere woorden, de S-verdelingsverhouding tussen rauwijzer en slak. Er is aangetoond dat de S-verdeling tussen rauwijzer en slak evenwicht bereikt in de HO voor slakken met een Al₂O₃-gehalte zeer dicht bij 15% of minder. Deze slakken hebben liquidustemperaturen lager dan de oventemperatuur en hebben ook een lage viscositeit. Deze omstandigheden zijn gunstig voor het bereiken van evenwicht.

Om een systematische evaluatie te maken van de effecten van de Al₂O₃-concentratie in de slak op de HO-operatie, gericht op slakafvoer voor elke in-oven zone en permeabiliteit in het onderste deel van de HO, vanuit het oogpunt van de slakvloeibaarheid, is een hoog-Al₂O₃-slak (slak Al₂O₃ 20%) operatie-experiment uitgevoerd in de experimentele HO in Japan.

Resultaten van het experiment

De resultaten van het experiment worden hieronder samengevat:

• Het fenomeen van de slakafvoer in de HO-kuip is een vloeistofvormingsfenomeen dat gedomineerd wordt door de viscositeit. De snelheid van slakafvoer neemt af naarmate de slakviscositeit toeneemt. Daarom is voor het behoud van slakafvoer bij hoog Al₂O₃-gehalte van de slak, bijvoorbeeld, een toename van de MgO-concentratie in de slak effectief. Ook zijn de effecten van de slakkristallisatietemperatuur op de slakafvoersnelheid relatief klein in vergelijking met de effecten van slakviscositeit.
• De drukval in de druppelzone neemt toe naarmate de Al₂O₃-concentratie in de slak toeneemt. Zelfs als de CaO/SiO₂-verhouding toeneemt, neemt de drukval in de druppelzone toe. De drukval wordt voornamelijk veroorzaakt door het effect van benetbaarheid als gevolg van de statische ophoping van de slak, en nauwelijks door de effecten van de druppelende slakviscositeit en kristallisatietemperatuur. In de hoge Al₂O₃-concentratie slak, om de toename van de drukval in de druppelzone te onderdrukken, is het effectief wanneer er een afname is van de ophoping door de afname van de CaO/SiO₂-verhouding.
• De permeabele weerstand in de cohesieve zone is onderhevig aan de Al₂O₃-concentratie door de permeabele-weerstandsindex van het gesinterde erts bij hoge temperatuur. De permeabele weerstand neemt toe naarmate de Al₂O₃-concentratie in het erts toeneemt. Bijvoorbeeld, de toename van de permeabele weerstand kan worden onderdrukt door een toename van MgO in het erts. Uit de bovenstaande overwegingen is bij de hoog-Al₂O₃-slakoperatie in de HO het effect van de slakvloeibaarheid op elk gebied in de oven systematisch onderzocht en geëvalueerd. Als resultaat is bepaald dat het HO-slakontwerp dat MgO in de slak verhoogt en de CaO/SiO₂-verhouding in de slak verlaagt, effectief is om de slakafvoer en permeabiliteit goed te behouden.

Effecten van hoog alumina op slak

Hoog Al₂O₃-gehalte in HO-slak heeft veel nadelige effecten. De toename van Al₂O₃ in het ijzererts beïnvloedt niet alleen de sterkte van de sinter, maar ook zijn eigenschappen bij hoge temperaturen in de cohesieve zone. De Al₂O₃-concentratie in de slak wordt beschouwd als een factor die de slakvloeibaarheid aantast en de liquidustemperatuur verhoogt. De effecten van hoog Al₂O₃ in de slak zijn als volgt:

• Hoog-Al₂O₃-slak heeft een hoge viscositeit bij constante basiciteit (CaO/SiO₂). Met een toename van basische oxiden en die van de temperatuur boven de liquidustemperatuur van de slak, daalt de viscositeit van hoog-Al₂O₃-slak tot een bepaalde mate.
• De viscositeit van vloeibare slak is basisweg afhankelijk van zijn chemische samenstelling en zijn temperatuur. Slakviscositeit is een belangrijke procesvariabele van het HO-proces. Het is de transporteigenschap van de slak die betrekking heeft op de reactiekinetiek en de graad van reduktie van de eindslag. Lage viscositeit helpt de reactiesnelheden te regelen door zijn effect op het transport van ionen in de vloeibare slak naar en vanaf de slak/metaal-grens. Het bepaalt ook de slak-metaal scheidingsefficiëntie, de metaalopbrengst, en de onzuiverhedenverwijderingscapaciteit. Het zorgt ook voor een soepel lopende oven.
• In de HO-operatie is het slakafvoersfenomeen in de HO-kuip een vloeistofvormingsfenomeen gedomineerd door viscositeit. De slakafvoersnelheid neemt af naarmate de slakviscositeit toeneemt.
• Hoog-Al₂O₃-slak heeft een grotere neiging tot silicium (Si) reduktie en er is een neiging tot toename van het Si-niveau in het rauwijzer. Dit kan hetzij zijn door de stijging in de evenwichtsconcentratie van Si of door het niet bereiken van de evenwichtsniveaus.
• Het S-gehalte van het rauwijzer neigt te stijgen met de toename van het Al₂O₃-gehalte van de slak. Daarom draagt hoog-Al₂O₃-slak bij aan minder efficiënte ontzwaveling. Het is waargenomen dat niet alleen de evenwichtsverdeling van S tussen metaal en slak nadelig beïnvloed wordt, maar de snelheid waarmee een dergelijke verdeling wordt bereikt ook merkbaar langzamer is. Daarom is de opname van S door de hoog-Al₂O₃-slak langzamer omdat het S-evenwicht niet binnen de HO wordt bereikt.
• De drukval in de druppelzone neemt toe naarmate de Al₂O₃-concentratie in de slak toeneemt. Zelfs als de CaO/SiO₂-verhouding toeneemt, neemt de drukval in de druppelzone toe. De drukval wordt voornamelijk veroorzaakt door het effect van benetbaarheid als gevolg van de statische ophoping van de slak, nauwelijks door de effecten van de druppelende slakviscositeit en kristallisatietemperatuur. De permeabele weerstand in de cohesieve zone neemt toe naarmate het Al₂O₃-gehalte van de slak toeneemt.

Maßnamen ter reductie van het effect van hoog alumina

Het aantastende effect van hoog Al₂O₃ in de slak wordt gecompenseerd door het verhogen van het MgO-gehalte. De Al₂O₃-concentratie in de slak wordt in veel landen semi-empirisch op een bovengrens van ongeveer 16% gesteld om de ophoping van ijzer en slak en de verslechtering van de permeabiliteit in het onderste deel van de HO te voorkomen.

De toename van de permeabele weerstand in de cohesieve zone kan worden onderdrukt door toename van MgO in de lading. De fysieke effecten van verhoogd MgO-gehalte in de slak zijn precies het tegenovergestelde van die van Al₂O₃. MgO helpt bij het behoud van goede slakafvoer uit de kuip tijdens het tappen. Naarmate het MgO-niveau in de hoog-Al₂O₃-slak stijgt, verbetert het S-gehalte van het rauwijzer voor een gegeven Si-bereik. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de hogere vloeibaarheid van de hoog-MgO-slak. Hoog-MgO-slak is voordelig voor de controle van zowel S als Si. Vermindering van de slakbasiciteit is ook behulpzaam. Om het aantastende effect van hoog-Al₂O₃-slakoperatie van de HO te compenseren, worden de belangrijke maatregelen hieronder beschreven.

• Omdat toename van slak-MgO de kuipafvoersnelheid verbetert bij hoog-Al₂O₃-slakoperatie, moet MgO in de slak op een niveau worden gehouden dat hoger is dan het minimumniveau. Hogere MgO-niveaus in de slak verbeteren ook de permeabiliteit in de cohesieve zone van de HO.
• Om de toename van de drukval in de druppelzone te onderdrukken, is het belangrijk om de slakophoping te verminderen door de CaO/SiO₂-verhouding te verlagen. De permeabiliteit van de druppelzone wordt verbeterd door de slak CaO/SiO₂-verhouding te verlagen tot ongeveer 1%.
• Een andere methode om het effect van hoog Al₂O₃ in slak te verminderen is het verdunnen van het Al₂O₃-niveau in de slak tot lagere concentraties door toevoeging van extra slakvormende materialen in de HO-lading. Dit resulteert echter in een hoger slakvolume en omvat hogere flux- en cokesratio's en lagere productiviteit van de HO. Deze methode kan alleen als incidenteel remedie worden gebruikt voor controle.