Granuleren van Vloeibaar IJzer: Kosten-Effectieve Oplossing voor Overproductie

Granulatie van Vloeibaar IJzer

Granulatie van vloeibaar ijzer is een methode voor de afhandeling van overproductie van gloeit ijzer in een hoogovens (HO) dat niet verbruikt kan worden door staalvermaking in de staalsmeltoven van een geïntegreerde ijzer- en staalfabriek. Het is een kosteneffectieve methode om een vast product te produceren dat bekend is als gegranuleerd ijzer (GI). GI heeft goede chemische en fysieke eigenschappen als varkensijzer en kan als primaire grondstof voor staalvermaking dienen.

Eigenschappen van Gegranuleerd IJzer

GI heeft een chemische samenstelling identiek aan het vloeibare ijzer dat wordt gegranuleerd. Er is geen oxidatie of slakinsluiting in het GI en het heeft een hoog metaalgehalte. Afbeelding 1 toont enkele stukken GI.

Afbeelding 1: Gegranuleerd ijzer

Een GI-faciliteit zorgt voor elke mismatch tussen de productie bij de ijzerproductiefaciliteiten en de behoefte aan vloeibaar ijzer bij de staalproductiefaciliteiten. Het is logistiek positioneert tussen de twee faciliteiten. Overmaat aan vloeibaar ijzer uit de HO wordt afgeleid naar de GI-faciliteit voor de productie van GI. Dit elimineert de reductie van het hete blastvolume bij de HO terwijl GI geproduceerd wordt dat als interne voedingsstof als koelmiddel in de BOF kan dienen, of voor externe verkoop om gebruikt te worden door kupoloven, inductieovens (IF) en boogovens (EAF).

GI-faciliteiten kunnen gebouwd en bedreven worden met capaciteiten die overeenkomen met de HO-uitgangen. Ze zijn een alternatief voor varkensgietmachines (VGM) maar met aanzienlijk hogere capaciteiten. De capaciteiten van zelfs tweestrand VGM's zijn beperkt door de verstijvingstijd van het vloeibare ijzer in de varkensvormen. De VGM's vereisen ook frequente mechanische onderhoud als gevolg van het complexe ontwerp. Het GI heeft identieke eigenschappen als varkensijzer maar met het extra voordeel dat het in binnensystemen afgehandeld kan worden.

De Vier Basisstappen van het Granulatieproces

• Controle van de stroom van vloeibaar ijzer naar de granulator
• Granulatie door het vormen van druppels vloeibaar ijzer en hun snelle afkoeling in water
• Afvoer van verstijfde en afgekoelde GI meestal door lucht-water ejector
• Ontwatering van GI en transport naar opslaglocatie

Apparatuur en Proces van Granulatie

De apparatuur kan ontworpen worden voor granulatie van grote batches vloeibaar ijzer en met de productiesnelheid van een HO. Het principe is gebaseerd op warmte-overdracht tussen het vloeibare ijzer en het koelwater. Warmte vrijgemaakt tijdens de afkoeling en verstijving van het vloeibare ijzer wordt overgedragen aan het koelwater, dat de warmte uit het proces afvoert.

De apparatuur gebruikt voor granulatie van ijzer zijn standaardapparatuur.

Voor de afhandeling van vloeibare ijzer kruiken bij de granulatie-installatie, wordt een dubbele kruikwentel, vergelijkbaar met de wentel gebruikt in een continue gietmachine, gebruikt. De wentel in combinatie met een gietkruik kan een soepele sequentie-operatie bij de granulatie-installatie garanderen zonder enige discontinuïteit tussen vloeibare ijzer kruiken.

Gietkruiken gebruikt voor granulatie van ijzer zijn standaard continue giet gietkruiken met kleine aanpassingen. Gietkruiken zijn uitgerust met ofwel een stopperstaaf systeem of een schuifpoort systeem. Dit stelt snelle stopzetting van granulatie in geval van een probleem in. Standaardsysteem kan gebruikt worden voor het controleren van de granulatiesnelheid. De gietkruik en de mondstuk zijn normaal ongeveer 20 tot 30 minuten voor het begin van de granulatie voorverwarmd.

Vloeibaar ijzer granulator is het hart van het proces. Het bestaat uit een tank die water bevat en een vloeibaar ijzer verdeler. De hoofdfunctie van de vloeibare ijzer verdeler is de vloeibare ijzerstroom te splitsen in kleinere deeltjes en deze gelijkmatig over het wateroppervlak te verdelen. Het splitsen van de vloeibare ijzerstroom biedt niet alleen een groter oppervlak voor snellere afkoeling van het vloeibare ijzer, maar verdeelt het vloeibare ijzer ook over een groter oppervlak in de granulator. Dit helpt ook om warmteconcentratie in kleiner watervolume te vermijden en stelt dus een hoge stroomsnelheid van het vloeibare ijzer in. De vloeibare ijzer verdeler is een kritische apparatuur aangezien het thermische schokken en langdurige impact van de vloeibare ijzerstroom moet weerstaan.

Het buitenoppervlak van de vloeibare ijzer druppels wordt verstijfd tijdens hun beweegingspad van de verdeler naar het wateroppervlak en vóór het penetreren van het wateroppervlak. Het overblijvende binnenste deel van de half-vloeibare druppel, nu een granulaat, wordt afgekoeld wanneer het het wateroppervlak raakt en zijn beweging in het watervolume begint. Op het moment van impact van de granulaat in het water worden ze licht vervormd maar worden voorkomen van opsplitsing, dus fijne deeltjes generatie wordt vermeden.

Tijdens de beweging van ijzergranulaat door het water in de granulatie tank, wordt de warmte van het ijzer overgedragen aan het koelwater. Het koelwater laat de granulaat een temperatuur bereiken onder de 100 °C.

Voor een granulatiesnelheid van 100 ton/uur is de gegenereerde warmtebelasting die overgedragen wordt van vloeibaar ijzer naar koelwater in de orde van ongeveer 8 M cal/seconde. Het watersysteem is ontworpen om deze grootte van warmtebelasting te hanteren. In het watersysteem wordt de warmte verdeeld over het water op een manier om te garanderen dat de warmteconcentratie (warmte/volume eenheid) minder is dan de kritieke concentratie voor damp explosions.

De granulatie tank bevat voldoende watervolume nodig om de vloeibare ijzer druppels te accommoderen gevormd door splitsen van vloeibare ijzerstroom en door de impact momentum van de vloeibare ijzerstroom op het wateroppervlak.

Het ontwerp en de constructie van de watertank vergemakkelijkt de concentratie en afvoer van de afgekoelde GI stukken uit de tank. Lucht-water ejector systemen worden normaal gebruikt voor de afvoer van afgekoelde gegranuleerd ijzer.

De afgevoerde verstijfde GI wordt ontwaterd en getransporteerd door het transportband naar het opslaggebied waar het opgeslagen wordt in een voorraadstapel voor expedite.

Het waterkoel- en afhandelingssysteem is zorgvuldig gebalanceerd om te garanderen dat de grote hoeveelheid warmte toegevoegd door het vloeibare ijzer wordt verwijderd door het koelwater. Het watersysteem is normaal een gesloten circuit proceswatersysteem. De stroom van koelwater in de granulatie tank is counter-current ten opzichte van de beweging van vloeibaar ijzer. Tijdens zijn stroom in de granulatie tank neemt het water de warmte van het vloeibare ijzer op en wordt opgewarmd. Het opgewarmde water uit de granulatie tank wordt verwijderd en teruggestuurd naar het waterafhandelingssysteem. Het retour hete proceswater wordt gekoeld ofwel in een koeltoren of door warmtewisselaars.

Vloeibaar ijzer granulatie-installaties zijn meestal volledig geautomatiseerd wat slechts een kleine bemanning vereist om de gehele operatie te runnen. De doorlooptijd voor de granulatie van ijzer is meestal rond de 30 tot 40 seconden en heeft een procesopbrengst van meer dan 99%. Dit is een goede verbetering vergeleken met de lagere opbrengsten die behaald worden in de VGM's.

Belangrijke Kenmerken van het Granulatieproces

• Korte opstarttijd om last-minute beslissingen van afleiding van vloeibaar ijzer van de staalproductiefaciliteiten te halen
• Snelle verwerkingstijd van vloeibaar ijzer naar afgekoelde GI
• Geen verandering in de chemische analyse van ijzer door de snelle afkoeling
• Meer dan 99% procesopbrengst
• Roerend proces met hoge beschikbaarheid, en met beperkt onderhoud door het gebruik van standaardapparatuur
• Eenvoudig te bedienen
• Hoge productiecapaciteit matching met de uitgang van HO
• Productie van primair ijzerproduct dat geen aanvullende verwerking nodig heeft
• Laag milieu-impact
• Flexibele lay-out en kan untergebracht worden in de beschikbare bestaande ruimte
• Lage exploitatiekosten
• Redelijke investeringskosten

Gegranuleerd IJzer Product

GI heeft consistente fysieke en chemische eigenschappen. Het combineert het hoge metaalgehalte van primair schroot met de lage residuale inhoud van virgine ijzerbronnen. Van praktisch oogpunt is de hoge bulkdichtheid en fysieke vorm geschikt voor efficiënte materiaalafhandeling.

De chemische samenstelling van GI is dezelfde als die van het vloeibare ijzer. Typische analyse is 4% tot 4,5% koolstof, 0,5% tot 0,6% silicium, en rond 95% tot 95,5% ijzer. Bijkomende elementen (koper, nikkel, molybdeen, en tin) zijn tot een maximum van 0,05%.

GI hebben een compacte en kleine vorm van een vervormde bol wat resulteert in een hoge bulkdichtheid van ongeveer 4 ton/m³. De grootte van GI is in het bereik van 8 mm tot 25 mm. GI heeft een hoge valhoek, wat effectieve transport en opslag mogelijk maakt.

Enkele van de kenmerken van GI zijn hieronder gegeven:

• Homogene samenstelling
• Praktisch geen oxide-inhoud
• Hoog metaalopbrengst tijdens staalvermaking
• Zeer goede voorverhittingseigenschappen en snelle smelting/oplossing wanneer toegevoegd aan metallurgisch proces
• Heeft ijzercarbied in de matrix, wat gunstig is voor schrootvervanging in EAF operaties
• Hoge bulkdichtheid
• Inert tijdens verzending en opslag
• Heeft formaat en vorm die afhandeling met transportband, magneet, voorlader, binnensystemen en schrootskip vergemakkelijkt
• Heeft hoge fysieke sterkte en vorm wat afbreken tijdens afhandeling elimineert en stofvorming vermindert
• Toont geen pyrofosforisch gedrag en kan dus getransporteerd en afgehandeld worden zonder zorgen over verbranding. Het is inert tijdens verzending en opslag

De eenvoud van het proces van verstijven en afkoelen van vloeibaar ijzer, in combinatie met een hoge capaciteit die voldoet aan een standaard HO-doorvoer, maakt het proces van granuleren van ijzer geschikt voor installatie bij geïntegreerde ijzer- en staalfabrieken.