Geavanceerde Technologieën voor Verbeterde IJzerertsinterefficiëntie

Technologieën voor Verbetering van het Sinterproces

Het sinterproces aglomereert een mengsel van iJzererts-fijnen, terugkerende fijnen, fluxen en cokesbries (deeltjesgrootte <10 mm) tot sinter (gescreend 5-30 mm) dat druk en temperatuur in de hoogoven (BF) kan weerstaan. Het proces werd ontwikkeld om mijnfijnen om te zetten in een product met geschikte granulometrie, fysieke kwaliteit, chemische samenstelling en mechanische eigenschappen voor lading in de BF.

Het sinterproces vindt plaats op een sintermachine gevoed met een bereid sintermengsel. De basisbrandstof is cokesbries, ondersteund door substitutieve brandstoffen (bijv. anthraciet). Sintermengsel wordt bereid door homogenisatie en granulator in een roterende trommel met 7-8% water, met als doel een pre-geagglomereerd product dat als laag op een continu bewegend rooster of lint van de sintermachine wordt afgeleverd.

Sinteren is een thermische agglomeratieproces, energie-intensief, met tal van parameters. Het is complex met gelijktijdige fysische en chemische verschijnselen: warmte-, massa-, impulsoverdracht gekoppeld aan chemische reacties.

Doelstellingen en Kwaliteitseisen

Hoofddoel: hoge productie van uniforme sinterkwaliteit bij lage operationele kosten. Als hoofdcomponent in de BF-lading is hoogwaardige sinter cruciaal voor hoge, stabiele BF-productiviteit met laag reductantverbruik. BF vereist sinter met: hoge sterkte, lage RDI (reductiedegradatie-index), hoge RI (reduceerbaarheidsindex), lage fijngraad, goede gecalibreerde gemiddelde grootte, weinig variatie in chemische samenstelling. Sinterkwaliteitscontrole door adequate sintering is essentieel voor lage brandstofsnelheid en stabiel regime. In de laatste decennia zijn diverse technologieën ontwikkeld die het proces en de kwaliteit verbeterden.

Belangrijke Technologieën

Gebrand kalk als vervanging van kalksteen

In sintermengsel worden kalksteen en dolomiet als basische fluxen toegevoegd. Fluxoxiden wijzigen BF-slakchemie naar gewenste kenmerken. Basische fluxen fungeren als binder, verbeteren agglomeratie van fijn deeltjes, verhogen sintermachine-productiviteit en verlagen specifiek vastestofverbruik. Korrelgrootteverdeling van fluxen is belangrijk. CaO combineert met ijzeroxiden tot verbindingen met laag smeltpunt (Fe2O3·CaO: 1205°C, FeO·CaO: 1120°C), wat primaire smelt vorming bevordert – een minimumniveau is nodig voor sterke sinter.

Gebrande kalk (CaO) is een actieve binder: hydrateert tot Ca(OH)2 bij reactie met water. Bevordert quasi-deeltjeseigenschap in sintermengsel. Verhoogt invoer van microfijnen via iJzererts-fijnen. Door betere granulator verbetert sinterproductiviteit. Naast binderfunctie verlaagt gebrande kalk cokesbriesverbruik door verminderde calcinatie van kalksteen tijdens sinteren. Ook vermindert het de verterings- en zeefbelasting van harde kalksteen, wat energie bespaart.

Optimale granulatorvochtwaarde

Een studie in Japan bepaalde de optimale granulatorvochtwaarde voor zes ertssoorten met gelijke deeltjesgrootteverdeling. De optimale vochtwaarde voor maximale gepakte bed permeabiliteit werd per ertssoort bepaald. Een methode voor optimale vochtwaarde van mengsels werd geadopteerd op basis van gewogen gemiddelde. Toepassing verlaagde toegevoegde vochtwaarde ten opzichte van conventionele methode. Permeabiliteit steeg en productiviteit nam toe met 11 ton/uur.

Intensief meng- en granulator systeem

Grondstoffen (ijzererts-fijnen, fluxmiddelen, afvalstoffen) komen uit verschillende bronnen met variërende kenmerken. Ze moeten gemengd worden tot een homogene mengsel. Sinterproductiviteit hangt direct samen met bed permeabiliteit, die weer samenhangt met korrelgrootteverdeling en gemiddelde korrelgrootte, afhankelijk van vochttoevoeging. Permeabiliteit stijgt tot maximum als functie van vocht.

Intensief meng- en granulator systeem stelt optimale voorbereiding van sintermengsel in door homogenisatie van grondstoftoevoer en elimineert behoefte aan mengplaatsen. Systeem bestaat uit hogesnelheidsroermenger en granulatortrommel. Resultaten: verhoogde granulatorgraad, verbeterde bed permeabiliteit, meer geëgaliseerde verbrandingszone en optimale verbrandingspuntcontrole. Meer homogeen mengsel verlaagt cokesbriesverbruik tot 5% en verhoogt sinterproductiviteit tot 2%. Systeem vergemakkelijkt hoger percentage ultrafijnen in mengsel.

Naast intensief systeem wordt een voorlopige granulatorfase (hogesnelheidsmenger gevolgd door trommelmenger) in sommige fabrieken gebruikt. Deze tweefasig systeem maakte behandeling van fijn iJzererts mogelijk bij verhoogde vlamfrontsnelheid, permeabiliteit en productiviteit.

Selectieve granulator

Selectieve granulator stelt sinteren van iJzererts met hoge alumina-inhoud toe, anders moeilijk door lage reactiviteit van alumina-bevattende materialen en hoge viscositeit van primaire smelten. Proces: zeven van erts, grovere fractie (lagere alumina) naar conventionele granulator, fijne fractie (hogere alumina) gepelletiseerd tot 2-5 mm korrels, geïntegreerd in conventionele circuit. Fijnere fractie bevat klei-erts met hoge alumina en hogere smelttemperaturen.

Labschaalstudie (0,2-3,2% Al2O3) toonde dat selectieve granulator een korrelkern met hogere alumina-inhoud oplevert dan conventionele granulator. Fijnen hechten aan kern met lagere alumina, reageren met kalksteen en bevorderen primaire smeltvorming bij lagere temperatuur. Figuur 2 toont processtroom.

Coating granulator

Voordelig om conventionele granulator te verbeteren, vooral bij goethiet en limoniet ertsen (hogere Al2O3 dan hematiet) die sintereigenschappen verslechteren. Studies tonen verbetering als conventionele trommelgranulator gevolgd wordt door tweede fase. Fase 1: mengsel ijzererts en terugkerende fijnen in trommel. Fase 2: cokes + kalksteen + dolomiet toegevoegd aan mengsel uit fase 1, korrel gevormd met kern van ijzererts omgeven door cokes en flux.

Coating granulator verbetert fluxformatie reactie door scheiding van CaO (uit kalksteen) van Fe (uit ijzererts). Laat sinteren plaatsvinden bij lagere temperatuur, verbetert permeabiliteit en productiviteit, vermindert secundaire hematietvorming met verbeterde RDI. TI (tumble-index) en reduceerbaarheid verbeteren door meer microporen, die scheurvoortplanting (verantwoordelijk voor RDI-verslechtering) voorkomen.

Mengtijd in trommel fase 2 is cruciaal: ~50 seconden is optimaal. Kortere tijd: onvoldoende bekleding kern. Langere tijd: destructie quasi-deeltjes door inclusie cokes/flux in kernkorrels, resultaat vergelijkbaar met eentonige conventionele granulator.

Return fine – Mosaic Embedding Iron Ore Sintering (RF-MEBIOS)

Om permeabiliteit van sinterbed te verhogen voor productiviteit, is RF-MEBIOS ontwikkeld: terugkerende fijn als droog deeltje toegevoegd aan gegranuleerde grondstoffen, dan geladen in sintermachine, resulterend in productiviteitstoename.

Productiviteitstoename door: (i) toename pseudo-deeltjesgrootte bij granulator, (ii) vermindering bulkdichtheid na laden. Eerder bereikt door hogere vochtgehalte bij granulator. Laatste door hogere wrijving in bed van droog/nat deeltjescompound, wat bulkdichtheid verlaagt. Verhoging by-pass terugkerende fijn ratio en grootte verhoogt sintersnelheid en productiviteit.

Figuur 3 toont typische materiaalstroom. Transport van terugkerende fijnen splitst in twee routes via afleidingschui. Eén naar bestaande emmer, ander naar nieuwe by-pass emmer. Fijnen uit bestaande emmer + andere grondstoffen gemengd/gegranuleerd met water in menger. Fijnen uit by-pass emmer toegevoegd na menger. Rechtersectie toont positieverhouding schui en bandtransport. Schuipositie regelt by-pass ratio. Schui scheidt bovenlaag (by-pass) en onderlaag (granulator). Bandtransport lost grove deeltjes (bovenlaag) af, dus grotere deeltjes naar by-pass emmer.

Permeabiliteit verhoogd door twee factoren: (i) laag fijn pseudo-deeltjesgrootte (<0,25 mm) ratio, (ii) lage bulkdichtheid. Eerder door granulator met hoge vochtgehalte door toevoeging droge terugkerende fijnen na granulator (constante vochtgehalte bij lading).

Tweelaags lading (Twin layer charging)

Uniforme lading kan leidt tot hogere temperatuur, sintersmelting, beperkt downdraft luchtstroom. Bij tweelaags lading: kleinere korrelgrootte met hogere cokesbriesconcentratie in bovenlaag. Grotere korrelgrootte (erts en sinter terugkeer) met lagere cokesbriesconcentratie in onderlaag. Zorgt voor goede warmtedoorlaat in onderliggende lagen, hoge bed permeabiliteit, efficiënt brandstofgebruik.

Verbeteringen in sintermengsel voederapparatuur

Gesegregeerde lading resulteert in grote deeltjes onderaan, kleine deeltjes bovenaan op pallets. Helpt permeabiliteit en machineproductiviteit. Verschillende ontwerpen: (i) additionele zeef op conventionele hellende goot, (ii) geïntensieve zeefvoeder, (iii) gesegregeerde spleetdraad, (iv) magnetische breukvoeder. Figuur 4 toont systemen met en zonder gesegregeerde lading.

Multi-spleet brander in Ontstekingsoven

Bij ontsteking bovenste laag sintermengsel in ontstekingsoven is vlamstabiliteit essentieel. Multi-spleet branders produceren één brede, grote, stabiele vlam, elimineren vlamvrije zones, leveren minimale warmteinvoer voor ontsteking. Besparing ~30% warmteinvoer ten opzichte van conventionele branders (Japanse fabriek). Figuur 5 toont outline.

Stand support sinteren

Nieuwe techniek 'stand support sintering' ondersteunt sinterkoek met staalstanden (staven/platen) aan pallets. Verbetert krimp, porositeit, reduceerbaarheid. Productiviteit stijgt aanzienlijk, machine draait stabieler.

In deze methode wordt de last van de sinterkoek in het bovenste deel van het sintermengselbed gedurende het sinterproces door staalstanden gedragen. De last op de verbrandingssmeltzone daaronder laat het bed krimpen (compactie), wat permeabiliteit ernstig verslechtert. Ondersteuningsstanden in pallets beginnen de last te dragen wanneer het bed rond de top van de standen begint te solidificeren na verbranding/smelting. Het sinterproces van het onderste deel verloopt daarna onder verminderde last, en een permeatienetwerk ontstaat goed in dat deel.

Afvalwarmteherwinning

Warmteherwinning verbetert efficiëntie van sinterproductie. Hete sinter moet gekoeld worden. Herwonnen warmte uit sinterkoeler wordt gebruikt voor voorverhitting van verbrandingslucht voor branders in ontstekingsoven of voor hoogdrukstoomproductie (elektriciteit). Bij hoogdrukstoom: configuratie bestaat uit kap, stofvanger, warmteherwinningsketel, circulatieventilator, de-aerator.

Sinterfabriek heeft twee secties: (i) sintersectie, (ii) hete sinterkoeling. Warmteherwinning uit beide ontwikkeld. Figuur 6 toont gastemperatuurdistributie. Gemiddelde temperatuur 100-150°C, te laag voor effectieve herwinning. Herwinning beperkt tot hoge temperatuurzone (einde sintersectie, begin koeling) waar >300°C beschikbaar. Ondanks beperkte zone, gasvolume groot genoeg voor commerciële haalbaarheid. Gas na herwinning moet boven zuur dauwpunt blijven vanwege corrosiviteit.

Sintermachine uitlaatgas herwinning: circulatie-type en non-circulatie-type (Figuur 6). Circulatie: gas na herwinning gecirculeerd naar sintermachine als koelgasvervanging. Non-circulatie: gas direct naar gasbehandeling. Circulatie verbetert warmteherwinningsefficiëntie.

Naast warmteherwinning: reductie SOx, NOx, deeltjesemissies, verbeterde productiviteit, opbrengst, koude sterkte. Energierendering van 30% bereikt.

Emissie-geoptimaliseerd sintersysteem (EOS)

Hoog volume uitlaatgassen en lage concentratie te reinigen elementen is probleem. Fundamenteel doel EOS: volume gassen te reinigen reduceren (potentieel 50%) door kap boven sinterrooster gevoed met schone lucht en gerecycleerde lucht uit windkasten. Figuur 7 toont sinterlint met EOS.

Stofemissiebeheersing

Productiestoename leidt tot hogere stofgeneratie en deeltjesemissies. Emissies zijn stofbeladen met organische en zware metalen gevaarlijke luchtverontreinigingen (HAPs). Door afvalgas naar ESPs via negatief geladen pijpen te sturen, worden deeltjes negatief geladen. Routing langs positief geladen platen trekt en verzamelt negatief geladen deeltjes, producerend schoon afvalgas en verhoogde stoomherwinning. Grove stof in droge stofvangers verwijderd en gerecycled. ESP verlaagt stofniveau in rookgassen.

EFA-proces

'Entrained Flow Absorber (EFA)', ontwikkeld door Paul Wurth. Geïnstalleerd aan einde sinterproces. Bestaat uit entrained flow absorber en zakfilter. Vangt uit sinterafgas: stof, zwaveloxiden, zoutzuur, fluorwaterstofzuur, dioxines, furanen. Absorber werkt met gedoofde kalk (calciumhydroxide) en bruinkolencokes voor dioxines/furanen. Optimale reactiecondities: water gespoten onder hoge druk, temperatuur 80-110°C. Water verdampt, stof verzameld in zakfilter. Zwavel <50 mg/Nm³, stof <5 mg/Nm³, furanen/dioxines <0,1 ng/Nm³ (allemaal STP).

MEROS-proces

'Maximized Emission Reduction Of Sintering (MEROS)', ontwikkeld door Primetals Technologies. Innovatieve technologie voor reductie vervuiling uit sinterfabrieken. Via specifieke additieven worden vervuilende componenten in gasstroom gecombineerd en gescheiden in aangesloten zakfilter. Proces is 'semi-droog', dus 100% effluent-vrij.

MEROS is reinigingsproces voor verwijdering stof, zuren gassen, giftige metalen, organische verbindingen in meerdere stadia. Drie stappen: (i) injectie koolstof-adsorbentia en desulfurisatiemiddelen in sinterafgas (tegenstroom) om zware metalen en organische verbindingen te binden, (ii) circulatie gasstroom door conditioneringsreactor waar gas bevochtigd/gekoeld wordt tot ~100°C via fijn mist (versnelt chemische reacties voor binding/verwijdering SO2 en andere zuren gassen), (iii) afgas uit conditioneringsreactor passeert zakfilter waar stof met vastgezette verontreinigingen verwijderd wordt.

Hoge efficiëntie voor stof, zure gassen, gevaarlijke metalen, organische verbindingen. Eerste installatie 2007 Linz (Oostenrijk), capaciteit 1 miljoen Nm³/uur. Stof <5 mg/Nm³. Kwik, lood, organische verbindingen (dioxines/furanen PCDD/F), HCl, HF, totale condenseerbare VOCs <0,1 ng/Nm³. Uitstekende kenmerk: voldoet aan huidige wetgeving en toekomstige beperkingen. Figuur 8 toont basisstromenschema.

Selectief afvalgas recirculatie systeem

Tijdens sinteren is ingesogen luchtvolume normaal hoger dan nodig voor volledige verbranding, voor hoge vlamfrontsnelheid. Afvalgas bevat typisch 12-15% restzuurstof, temperatuur wel boven kritische dauwpunt. Voldoende voor recirculatie na toevoeging kleine hoeveelheid supplementaire lucht.

In 'selectief afvalgas recirculatie systeem' wordt afgas uit geselecteerde zones van sintermachine gemengd met koeler afkoellucht en gerecirculeerd naar sinterlint. Ontwikkeld om afgasvolume constant te houden bij capaciteitsverhoging en specifieke emissiereductie. Houdt investerings- en exploitatiekosten gasreiniging acceptabel.

Figuur 9 toont schematisch diagram. Heet afgas uit eerste en derde sectie sintermachine gemengd met koeler afkoellucht en omgingslucht, gerecirculeerd naar tweede sectie. Deel afgas gerecirculeerd naar kap die deel van sinterlint bedekt.

Voordelen: (i) ~50% reductie afgasvolume per eenheid sinter, (ii) 10-15% lagere specifieke vastestofverbruik door warmteherwinning en CO nabranding, (iii) lagere investerings/exploitatiekosten gasreiniging, (iv) productiviteit en kwaliteit gehandhaafd, (v) verminderde CO2-emissies, (vi) lagere specifieke emissies SOx, NOx, PCDD/PCDF, zware metalen.

Modellering van sinterproces

Tijdens sinteren vinden diverse chemische reacties en fasetransformaties plaats, niet alleen door warmtefrontveranderingen, maar ook door wijzigingen in lokale gassamenstelling en initiële smelttemperaturen van grondstofmengsel. Wanneer lokale temperatuur en samenstelling vastestoffen bereikt, worden fasetransformaties gedreven door warmteaanvoer en diffusie binnen deeltjesbed met vloeistofvorming als hoofdmechanisme. Materialen smelten deels op bij bereiken smelttemperatuur, contact met koude gas bevordert herstolling, deeltjesagglomeratie vormt continue poreuze sinterkoek. Finale eigenschappen hangen sterk af van thermische cyclus, initiële chemische samenstelling, thermofysische eigenschappen tijdens sinteren.

Wiskundig model simuleert verschijnselen in industriële lintmachine. Gebaseerd op meervoudige fasen/componenten transportvergelijkingen voor impuls, massa, energie voor gas, vast, vloeistof fase, rekening houdend met lokale poreuze sintervorming (Figuur 10). Model overweegt fasen simultaan, chemische soorten per fase berekend op basis van behoudsvergelijkingen. Accurate beschrijving wisselkoersen voor impuls, energie, chemische reacties essentieel voor modelnauwkeurigheid.

Chemische soorten individueel meegenomen via transportvergelijking per soort in gas en vaste fase. Vaste fase: mengsel iJzererts, fijn sinter (terugkeer), cokesbries, schubben (fijnen staalfabriek), fluxen. Vloeistof: gesmolten/gevormde componenten. Herstolde fase: vloeistoffen herstold en fasen gevormd tijdens herstolling, sterk afhankelijk van lokale vloeistofsamenstelling en warmtewisseling. Finale sinterkoek: mengsel van deze materialen, kwaliteit afhankelijk van finale samenstellingen, volumefracties, verdeling in mosaïek sinterstructuur.

In model: vloeistof beweegt mee met overige vaste fase door viscositeit, vloeistof gevormd op oppervlak ongesmolten deeltjes. Impuls- en entalpievergelijkingen van vastestoffen rekening houdend met dit mengsel van viscieuze vloeistof en vast materiaal. Temperatuur-samenstelling afhankelijke thermofysische eigenschappen volgen mengregel, individuele fase-eigenschappen gewogen naar volumefracties.

Automatisering en regelsysteem

Met als doel stabilisatie sinterproces, verhoging productiviteit, verlaging productiekosten, is automatisering en regelsysteem nodig voor optimale, stabiele operatie. Inspanningen om in-bed verschijnselen te begrijpen en proces sturen naar optimale operatie. Hoofdregeltechnieken: laaddichtheidscontrole voor uniform sinteren over breedte lint, palletsnelheidscontrole voor optimale productiviteit en kwaliteit.

Automatisering is drienuvohiërarchisch systeem met DCS (gedistribueerd regelsysteem), gecentraliseerd procescomputersysteem (PCS), centrale computersystemen (CCS) van stalen fabriek. DCS: meting windsnelheidsverdeling en gastemperatuurdistributie langs sinterlint, 'direct digital control' (DDC). PCS: procesregeling voor optimale operatie, informatieservices voor operators. CCS: planning, beheer, data-analyse productie/operatie op basis van algemene database. Figuur 11 toont automatiseringssysteem.

Gesloten-lus sinter expertsysteem ontworpen zodat operator 'zo min mogelijk acties, zo veel als nodig' onderneemt voor geoptimaliseerde operatie met minimale operatoringrijping. Expertsysteem (regelgebaseerd besluitssysteem) tegengaat procesfluctuaties door veranderingen in grondstofmengsel, menselijke factoren, procescondities. Snellere reactie op abnormale/veranderende situaties = gladder operatie. Nauwkeurige timing controleactiviteiten en anticipatie storingen van vitaal belang om kritieke condities te voorkomen en hoge productiesnelheid bij lage kosten te behouden.

Met automatisering: optimale procescondities door perfecte afstemming parameters. Geïntegreerd niveau 2 automatisering: standaardafwijking kwaliteitsparameters verminderd 5-10%. Cokesbriesverbruik verminderd ~3%, productiviteit verhoogd 3-5%.