Optimaliseren van Sinterkwaliteit: Sleutelprocessen voor IJzererts Sinteren

Sinterkwaliteit en Proces van Sinteren van IJzererts

Sinter is normaal het grootste onderdeel van de hoogoven (HO) lading. Sinter bestaat uit veel minerale fasen geproduceerd tijdens het sinterproces van ijzererts. De kwaliteit en eigenschappen van sinter zijn afhankelijk van de minerale structuur van sinter. Echter, aangezien de sinteromstandigheden meestal niet uniform zijn doorheen het sinterbed, varieert de fasensamenstelling, en dus de sinterkwaliteit, in het sinterbed.

De structuur van sinter is niet uniform. Het bestaat uit poriën (van variërende groottes) en een complex aggregaat van minerale fasen, elk met verschillende eigenschappen. Het is de combinatie van deze poriën en minerale fasen, en de interactie tussen hen die de sinterkwaliteit bepaalt, maar ook de voorspelling van sinteigenschappen erg moeilijk maakt. Hoewel een groot aantal onderzoeken op sinter zijn uitgevoerd, is de correlatie tussen de chemische samenstelling en mineralogie van sinter met zijn eigenschappen en gedrag nog steeds niet duidelijk begrepen.

Schematische weergaven van sintermengsel en productsinter zijn in Fig 1.

Fig 1 Schematische weergaven van sintermengsel en productsinter

Sinterproces is een generieke term die gebruikt wordt om het proces van agglomeratie van een groen mengsel van ijzererts, vloeistoffen en cokes en fabriek vaste afvalstoffen met een deeltjesgrootte van -10 mm te beschrijven om sinter te produceren dat de operatiedruk en temperaturomstandigheden in een HO kan weerstaan. Vaste afvalstoffen zoals stoffen, slibben, slagen en walsels etc. worden gebruikt voor hun benutting in sintermengsel vanwege de complexe chemische structuur en minerale componenten van deze materialen. Het sinterproces wordt in detail beschreven in een apart artikel dat beschikbaar is onder de link https://www.ispatguru.com/the-sintering-process-of-iron-ore-fines-2/

Chemische Reacties tijdens Sinteren

Tijdens het sinterproces, als de verbranding van fijn cokes deeltjes begint bij temperaturen tussen 700 °C tot 800 °C, resulteert dit in de vorming van CO (koolstofmonoxide) gas. Het oppervlak van de ijzerertskern en zijn hechtende fijne deeltjes worden gereduceerd tot magnetiet. Naarmate de temperatuur stijgt tot 1100 °C, worden lage smeltpunt fasen zoals Fe₂O₃·CaO, FeO·CaO en FeO·SiO₂ gevormd door vast-vast reacties. De fase genaamd SFCA (silico-ferriet van calcium en aluminium), vormt zich in deze fase. SFCA wordt geïdentificeerd als een vaste oplossing van CaO·2Fe₂O₃ met kleine hoeveelheden opgeloste Al₂O₃ en SiO₂. Deze fase wordt beschouwd als een complexe kwaternaire fase.

Tijdens het sinterproces worden evenwichtsfaserelaties normaal niet bereikt door de vlamfront die snel door het sinterbed passeert. Dit resulteert in de hoge mate van heterogeniteit van de sinter, en de vorming van niet-evenwichtsfasen die niet verwacht worden van thermodynamische overwegingen. De samenstelling van de sinter varieert dus van plaats tot plaats in het bulk materiaal, afhankelijk van de aard van de individuele erts en vloeistof deeltjes en de mate van reacties tussen hen.

Macroscopisch heeft sinter een niet-uniforme structuur met grote onregelmatige poriën. Microscopisch bestaat het uit bindingfasen, relict erts deeltjes, overgebleven glazachtige fasen en heel kleine niet-uniforme poriën en kruiken. Afhankelijk van verschillende parameters zoals temperatuur, samenstelling, zuurstof partialdruk, tijd en atmosfeer, vormen verschillende fasen in verschillende verhoudingen, terwijl verschillende morphologieën zich ontwikkelen. De morfologie weerspiegelt wezenlijk de vormingswijze en is gerelateerd aan een specifieke chemische samenstelling, verhitings- en afkoelsnelheid van de sinter.

Aciculaire SFCA begint te vormen onder 1185 °C; wanneer de temperatuur is gestegen tot 1245 °C verdwijnt de ongereageerde hematiet en neemt de SFCA kristalgrootte toe. De SFCA begint te ontbinden wanneer de temperatuur 1300 °C overschrijdt, vormend hematiet als de partialdruk van zuurstof hoog is en de temperatuur lager is dan 1350 °C, en magnetiet wanneer de partialdruk van zuurstof laag is en de temperatuur hoger is dan 1350 °C met de slagcomponenten herverdeeld in de smelt. Ontbinding van SFCA wordt versterkt door verlengde tijd boven de ontbindingstemperatuur, en verhoogde maximumtemperatuur.

In het sinterproces vinden de bovengenoemde chemische reacties plaats bij hoge temperaturen wat resulteert in de vorming van een smeltfase die tijdens vast-vloeistof reacties wordt gebruikt voor assimilatie en samenvoegen van ijzererts fijne deeltjes en vloeistoffen. Tijdens het proces vindt de vorming van smelt plaats in de vlamfront waar de temperatuur boven 1100 °C is. Deze smelt solidificeert om de bindingfasen te worden die de meerderheid van de andere fasen binnen een sinter uitmaken. De hoofdbindingsfase is normaal samengesteld uit SFCA.

Het volume van de smeltfase speelt een significante rol in het sinterproces. Excessieve smelting resulteert in een homogene glazachtige structuur, die een lage reduceerbaarheid heeft, terwijl een zeer lage concentratie van smelt ontoereikende sterkte veroorzaakt, wat resulteert in een hoge hoeveelheid terugkeerfijne deeltjes.

Chemische reacties tijdens sinteren resulteren in de vorming van sinterkoek wat een meervoudig-fase materiaal is met een heterogene microstructuur. Het is samengesteld uit verschillende minerale fasen waarvan de hoofdfasen hematiet, magnetiet, ijzererts, SFCA, dicalciumsilicaat en een glazachtige fase zijn. De mineralogische verdeling van de verschillende fasen bepaalt de microstructuur van de sinter wat de kwaliteit van de sinter toekent zoals mechanische sterkte en zijn gedrag tijdens reductie in de HO. SFCA wordt beschouwd als de belangrijkste component van de bindingsfase vanwege zijn rijkdom in de sinter en zijn significante invloed op de sinterkwaliteit.

Uit het sintermechanisme is duidelijk dat de sinterfasen voornamelijk gevormd worden tijdens het sinterproces bij temperaturen boven 1100 °C. Daarom dragen de temperatuur-tijd kenmerken van het sinterproces sterk bij aan de microstructuur en fasensamenstelling van sinter.

Het temperatuurprofiel in het sinterbed wordt gekenmerkt door een steile stijging tot een maximumtemperatuur tijdens de verhitingscyclus. De bereikte maximumtemperatuur is meestal hoger dan 1300 °C en kan zo hoog zijn als 1350 °C. Een zachte helling na het bereiken van de maximumtemperatuur geeft de relatief trage afkoeling van de voltooide sinter tijdens de afkoelcyclus aan.

Vanwege veranderingen in bed doorlaatbaarheid tijdens het sinterproces, worden verschillende temperatuurprofielen verkregen van boven naar beneden in het sinterbed. Daarom verschillen de verhitingsnelheid, bereikte maximumtemperatuur, tijd bij temperaturen hoger dan 1100 °C en de afkoelsnelheid normaal in de bovenste, middelste, en onderste laag van het sinterbed. Vanwege deze verschillende temperatuur-tijd kenmerken is er een variatie in de fasensamenstelling doorheen het sinterbed. Vanwege deze verschillen kan de sinter als volgt geclassificeerd worden.

• Bovenste sinter – Het is meestal zwak en kruimelig gevend een slechte opbrengst van sinter met een acceptabele groottegradatie. Deze sinter is gesmolten bij een hoge temperatuur en direct daarna afgedoeld. De sinter wordt koud uitgevoerd van de sinterstrand.
• Middelste sinter – Deze sinter is gevormd onder optimale omstandigheden voor smelting en uitharding en geeft de maximale opbrengst van sinter met acceptabele groottegradatie. De sinter wordt koud uitgevoerd van de sinterstrand.
• Onderste sinter – Deze sinter wordt warm uitgevoerd en wordt zwaar afgedoeld als het door de hete sinterbreker en over het uitvoerscherm op de sinterkoeler passeert. Dit resulteert in slechte fysieke eigenschappen gevend een lagere opbrengst van sinter met acceptabele groottegradatie. Als op-strand koeling wordt toegepast, dan heeft de sinter bijna dezelfde eigenschappen als de sinter in de middelste laag.

Normaal is sinter samengesteld uit per volume 40% tot 70% ijzeroxiden, 20% tot 50% ferrieten meestal SFCA, ongeveer 10% dicalciumsilicaat, en ongeveer 10% glazachtige fase. Het kan ook sulfiden (FeS), pyroxenen [(Mg,Fe)SiO₃], kwarts en kalk in kleine proportie bevatten. Sinterreacties regelen het volumefractie van elke minerale fase en regelen speciaal de concentratie en microstructuur van de SFCA fase. Dit ziet op zijn beurt de karakteristieken van sinter te controleren en te verbeteren.

Sinterkwaliteit Definities

Sinterkwaliteit verwijst naar de fysieke en metallurgische eigenschappen van de sinter. De kwaliteit van sinter wordt meestal gedefinieerd in termen van het volgende.

• De fysieke sterkte of koude sterkte van de sinter bij kamertemperatuur gemeten door de schutter of trommel test
• De waarde van reductie degradatie index (RDI) wat de afbraak van sinter na reductie bij lage temperaturen (550 °C) is bepaald door de reductie degradatie test.
• De reduceerbaarheidsindex (RI) die de reduceerbaarheid van de sinter bepaalt door de reduceerbaarheidstest bij 900 °C
• De hoge temperatuur verzachting en smelt eigenschappen van de sinter die gerelateerd zijn aan de temperaturen waarop de sinter begint te verzachten, smelten en druppelen tijdens reductie bij temperaturen boven 1150 °C.
• Al deze eigenschappen worden bepaald door de microstructuur van de sinter, in het bijzonder de bindingsfasen, met name SFCA, die de meerderheid van fasen binnen sinter uitmaken (tot 80%)

Al bovenstaande eigenschappen, die normaal geëvalueerd worden volgens gestandaardiseerde testen, zijn sterk gerelateerd aan de mineralogie, microscopische en macroscopische structuur van de sinter. De reproduceerbaarheid van deze testen die op sinterdeeltjes worden uitgevoerd om hun kwaliteit te evalueren is daarom laag vanwege de hoge mate van variabiliteit in fasensamenstelling tussen sinterdeeltjes, zelfs wanneer deze sinterdeeltjes verkregen worden uit hetzelfde bulk materiaal.

Invloed van Deeltjesgrootte en Samenstelling

De erts deeltjesgrootte speelt een belangrijke rol. De assimilatiecapaciteit van fijn ertsen is groter dan die van grove deeltjes. Het reactieoppervlak van ijzererts fijne deeltjes is hoog wat resulteert in hogere reactiesnelheden. Maar, de vorming van hogere concentraties van smelt resulteert in afname van de smeltvloeibaarheid. Daarom is er noodzaak voor inclusie van grove deeltjes in het sintermengsel voor het verbeteren van de doorlaatbaarheid van het sinterbed, aangezien het geassocieerd is met een toename in grootschalige bewegingen tussen de smelt en vaste deeltjes.

De sinterbaarheid van het sinterbed waarin grotere deeltjes zijn geïncorporeerd verbetert vanwege verbeterde doorlaatbaarheid van het sinterbed alsook verbeterde sinterreacties tijdens het proces. Wanneer grotere deeltjes beschikbaar zijn in het sinterbed, worden lage dichtheid gebieden gevormd rond de deeltjes wat de doorlaatbaarheid van het sinterbed verbetert. Vanwege de toename in de sinterbed doorlaatbaarheid, is de gasstroomsnelheid alsook vlamfrontsnelheid hoger rond de grotere deeltjes dan de fijne deeltjes. De smeltreactie en de assimilatie vinden dus snel plaats rond de grote deeltjes door de hoge vloeibaarheid van de smelt.

Belangrijke Kwaliteitsgerelateerde Kenmerken van Sinter

De volgende zijn de belangrijke kwaliteitsgerelateerde kenmerken van sinter.

• De structuur van de sinter omvat de aanwezigheid van ferrieten met gunstige eigenschappen voor sintersterkte en reduceerbaarheid. De optimale structuur wordt normaal gevormd door een hematiet kern omringd door een aciculaire ferriet rooster. Deze structuur wordt begunstigd bij werken met een hogere sinterbasiciteit.
• De grootte van ijzererts beïnvloedt de sintereigenschappen. Een toename in de grootte van ijzererts bevordert de productiviteit van sinter, maar kan de trommelsterkte licht verminderen en een beetje cokes besparen.
• De mineralogie van sinter kan makkelijker voorspeld worden uit zijn chemische samenstelling dan zijn fysieke en chemische eigenschappen.
• Toenemende MgO concentraties in de sinter verhogen de hoeveelheden van de spinel (magnesium aluminium oxiden) en glazachtige fasen. De aanwezigheid van MgO in de sinter verbetert de RDI, omdat MgO magnetiet stabiliseert en dus de hematiet inhoud verlaagt, wat een lagere spanning in de sinter veroorzaakt tijdens de hematiet naar magnetiet reductie in de...
• Toenemende SiO₂ concentraties in de sinter verhogen de hoeveelheid totale SFCA, verlagen de aciculaire/kolomvormige SFCA verhouding en glazachtige fase inhoud.
• Toenemende Al₂O₃ gehaltes in de sinter resulteren in een drastische verslechtering in zijn chemische en fysieke eigenschappen, hoewel de concentratie van de SFCA fase toeneemt. Met verhoogde alumina inhoud neemt de hoeveelheid aciculaire, kolomvormige en blokvormige SFCA significant toe samen met een aanzienlijke reductie in de hoeveelheid dendritische en eutectische SFCA.
• MgO en SiO₂ gehaltes van ijzererts sinter lijken een onderling gerelateerd effect te hebben op zijn fysieke en chemische eigenschappen. Het voorspellen van het effect dat wisselende hoeveelheden MgO en SiO₂ zouden hebben op sinteigenschappen is daarom complex. De enige duidelijke trends zijn de AI (abrasie index) die toeneemt met toenemende MgO inhoud, en de RI en AI van de sinter die dalen met toenemende SiO₂ inhoud van de sinter.
• De sinter met een lage FeO inhoud (< 8%) begunstigt betere reduceerbaarheid. Wanneer de chemische samenstelling van een ertsmengsel vaststaat, kan FeO een indicatie geven van sinteromstandigheden, in het bijzonder de cokes snelheid. Toename in de FeO inhoud in de sinter verlaagt (verbetert) de RDI index. Echter, wanneer de FeO inhoud toeneemt, daalt de reduceerbaarheid. Het is belangrijk om een optimale FeO inhoud te vinden om de RDI te verbeteren zonder andere sinteigenschappen te wijzigen.
• De minerale vorm waarin vloeistoffen aan het ruw materiaal sintermengsel worden toegevoegd (bijv. oxide vs. carbonaat) hebben een uitgesproken effect op de mineralogie en eigenschappen van de geproduceerde sinter.
• Vanwege diverse chemische samenstellingen en heterogene deeltjesgrootteverdelingen in de ruwe materialen zijn de reacties tijdens het sinterproces heterogeen en produceren sinter met heterogene structuur.