IJzerertsagglomeratietechnieken: Een historisch overzicht

IJzerertsagglomeratieprocessen en hun historische ontwikkeling

Er zijn vier typen agglomeratieprocessen ontwikkeld (zie figuur 1): (i) briquetteren, (ii) noduliseren, (iii) sinteren en (iv) pelletiseren.

Briquetteren en noduliseren

Briquetteren is het eenvoudigste en vroegst toegepaste proces. Fijnkorrelig ijzererts wordt onder hoge mechanische druk geperst tot kussenvormige briketten, met toevoeging van water of een binder. Bij noduliseren worden fijnstof of concentraat samen met koolstofhoudend materiaal door een hellende rotatieve oven geleid, verwarmd met gas of olie. De temperatuur is voldoende om het erts te verweken, maar niet om te smelten. De nODULES variëren sterk in samenstelling, zijn te dicht, slakkig en gebrek aan benodigde porositeit, waardoor dit proces nooit grote populariteit heeft gekregen. Briquetteren en noduliseren zijn koudbindingsprocessen en worden voornamelijk gebruikt voor het recyclen van herwonnen ijzerertsafval in de staalfabriek.

Sinteren en pelletiseren: de belangrijkste processen

Sinteren en pelletiseren zijn de processen van grote betekenis voor de ijzerproductie. Volgens de World Steel Association bedroeg de productie van hoogovensijzer en direct gereduceerd ijzer in 2014 respectievelijk 1.183 miljoen ton en 73 miljoen ton. De meeste van deze productie kwam van ijzererts in de vorm van sinter en pelletten. Terwijl de voorkeursvoedstof voor hoogovensijzer sinter en/of pelletten is, is dat voor direct gereduceerd ijzer uitsluitend pelletten. Hoewel nauwkeurige productiecijfers voor sinter en pelletten niet worden verzameld, kan de wereldproductie samen veilig worden geschat op ruim 1.300 miljoen ton per ter om de ijzerproductie van 1.256 miljoen ton te ondersteunen.

Historische context

Historisch gezien was de voedstof voor de wereldse hoogovens natuurlijk voorkomende lompertsen. Bij de mijnbouw ontstonden grote hoeveelheden fijnstof die niet in de hoogoven konden worden gebruikt en werden gestort. De uputting van hogekwaliteitslompertsen dwing tot de ontwikkeling van sinteren van de gegenereerde fijnstoffen voor gebruik in de hoogoven. De uputting dreef ook de exploratie van laaggradige ertsen die fijnmalen vereisten voor concentratie. Deze microfijnen van hooggradige concentrates moesten geagglomereerd worden voor gebruik in de hoogoven, wat leidde tot de ontwikkeling van het pelletiseringsproces. Deze agglomeraten verbeterden de hoogovenprestaties scherp en leidden tot een grote verschuiving in de hoogovenbelading.

Geschiedenis van het sinteren van ijzererts

Midden 19e eeuw werden in de kopermijnbouw in Engeland kleine sinterpotten gebruikt. De oorsprong van het sinterproces gaat terug tot 1887, toen F. Haberlein en T. Huntington in Engeland het agglomeratieproces voor het sinteren van sulfideritsen vonden. Bij dit proces werd de sinterlaag van onderen naar boven met lucht doorblazen (up-draft sinteren). Het proces werd op 11 april 1905 gepatenteerd (patentnr. 786814). De potsintermethoden zijn weergegeven in figuur 2.

In 1902 vindt W. Job het sinteren van pyrietcinders en stoffig ijzererts met toevoeging van steenkool en lucht doorblazing van onderen naar boven (Duits patent 137438). In 1905 ontwikkelt E.J. Savelsberg het ijzerertsinterproces met een sintermengsel dat steenkool en cokesbries bevat (Duits patent 210742). In 1906 vonden A.S. Dwight en R.L. Lloyd (VS) een bandtype sintermachine voor vacuumsinteren. In 1909 vindt Von Schlippenbach een rotatief type sintermachine (Duits patent 226033). In 1913 ontwierp W. Barth een sinterband met lucht doorblazing van onderen naar boven (Duits patent 276424). In 1914 kreeg J.E. Greenawalt een patent (VS patent 1.103.196) voor rechthoekige kantelpannen voor vacuumsinteren. Het circulair type sintermachine werd in 1930 uitgevonden door V.A. Sakharnov.

Het Huntington-Haberlein-proces was de beste sintermethode vóór het Dwight-Lloyd-patent nr. 882.517 van 17 maart 1908. Dit proces kon wel gesinterd materiaal produceren, maar de massa was onvoldoende in samenstelling en duur in de behandeling. Het werd in grote potten geproduceerd, waarin tonnen erts gemengk met kalk werden verbrand onder gedwongen opwaartse doorlaag. Onder deze omstandigheden kon geen uniform product worden geproduceerd. Het onderste deel van de lading werd door het gewicht van het bovenliggende materiaal gereduceerd tot een niet-porieuze slak, terwijl in de bovenste delen grote hoeveelheden fijnstof ongesinterd bleven door de agitatie van de ertspartikels door de opwaartse luchtstromen. Het ongesinterde materiaal moest opnieuw behandeld worden en de grote massa's volledig gesmolten materiaal konden niet in de hoogoven worden gebruikt zonder vertering, tegen hoge kosten, en waren zelfs dan onvoldoende door hun fysieke en chemische structuur.

De klunzige potroosterproces van Huntington en Haberlein stond niet in verhouding tot het proces uit het Dwight-Lloyd-patent 882.517. Dit proces elimineerde de varierende drukgraden door de massa heen en hield de ertspartikels in rust tijdens de verbranding. Dit werd bereikt door het erts in een dunne laag te behandelen. Rust werd verkregen ofwel door een downdraft met ontsteeking aan het bovenoppervlak, waarbij de agitatie werd geremd door het vat en de druk van de neerwaartse doorlaag, ofwel door een scherm bij up-draft om de rust van de deeltjes nabij het oppervlak te bewaren. In porositeit, broosbaarheid en chemische structuur was het gesinterde product van Dwight-Lloyd ideaal voor behandeling in een hoogoven, en hun proces was superieur aan eerdere methoden voor het voorbereiden van fijnerts voor hoogovenbehandeling.

De eerste operationele machine volgens deze methode werd in juni 1906 ontwikkeld door Arthur Smith Dwight (1864–1946) en Richard Lewis Lloyd in de kopermijn Cananea, Mexico, en 1907 volgde het overeenkomstige patent. In 1908 installeerde Dwight-Lloyd sinterapparatuur bij de Ohio Colorado Smelting Company in Salida, Colorado. Dit was een continu type machine waarbij het ertsbed constant onder een ontsteker en door zuigkamers werd bewogen, wat een downdraft handhaafde. Het gesinterde product werd automatisch gedumpt na ontbranding, doorloop van de zuigkamer en sintering.

Vóór 1910 was J.E. Greenawalt, een ervaren metallurg, bezig met desulfurisatie van sulfideritsen. Hij ontdekte dat een porieuze hearth, waarop het erts onder een downdraft werd geroosterd, leidde tot efficiënte desulfurisatie en dat de downdraft gebruikt kon worden om vluchtige waardevolle elementen te redden. Hij noteerde het sintereffect, maar zijn doel was juist sintering te voorkomen, die de volledige desulfurisatie belemmerde. Hiervoor gebruikte hij in zijn twee downdraft-patenten (nr. 839.064 en 839.065, 18 december 1906) rabble-armen.

Greenawalt ontwikkelde een intermittend sinterapparaat op basis van downdraft, geïnstalleerd bij de Modern Smelting Refining Company in Denver, Colorado rond 1909. Het Greenawalt-proces werd enkele maanden vóór het Dwight-Lloyd-proces ontdekt. Kenmerken waren zeer weinig luchtlekken en een bodem van rooster of geperforeerde staalplaat. Voeding en ontstekingsoven waren verplaatsbaar, met sinter dat normaal viel door rotatie van de pot boven de hopper. Deze machine bestond uit een pan op trunnions, waarin het materiaal gesinterd werd, met downdraft gehandhaafd door een zuigkamer in de pan onder het bed. Het gesinterde product werd gedumpt door de pan op zijn trunnions te kantelen, waarna het opnieuw geladen werd. Dit proces werd geïnstalleerd voor het sinteren van hoogovenrookstof. Het was de eerste commerciële sinterinstallatie van het Greenawalt-proces. Sinds 1910 werd zijn apparaat uitgebreid gebruikt voor sulfideritsen en sinds 1912 voor ferroeritsen.

Het Dwight-Lloyd-sinterproces met downdraft werd populair en de meeste sinter wordt tegenwoordig met dit proces geproduceerd. De twee uitvinders, die in 1907 de "Dwight and Lloyd Metallurgical Company" in New York richtten, bouwden niet alleen zelf veel van deze installaties, maar licentiëerden het proces wereldwijd, onder anderen bij aanlegger Lurgi. De eerste machine die ijzererts sinterde volgens het Dwight-Lloyd-proces werd in 1910 in de VS gebouwd. De eerste Dwight-Lloyd-sinterinstallatie in Duitsland werd in 1917 gebouwd.

Hoewel sindsdien veel verbeteringen zijn aangebracht in de mechanische ontwerp van de machine en in het ijzerertsinterproces, blijft het basisprincipe van het proces hetzelfde.

Geschiedenis van het pelletiseren

Pelletiseren verschilt van sinteren doordat er eerst een ongebakken groene pellet of bal wordt gevormd, die vervolgens door verharding wordt gehard. Tijdens de ontwikkeling van het sinterproces waren de initiële pogingen gericht op verbetering voor het gebruik van microfijn erts. Dit leidde tot een alternatief voor sinteren: het pelletiseringsproces. In Zweden en Duitsland leidde het gebruik van grote hoeveelheden fijnstof in de sintermix tot beperkte productiviteit, wat de eerste fase van de ontwikkeling van het pelletiseringsproces in gang zette. Het eerste patent op pelletiseren werd in 1912 toegekend aan A.G. Andersson van Zweden (patentnr. 35124) en in 1913 aan C.A. Brackelsberg in Duitsland. Een pilotpelletinstallatie van 120 ton per dag werd in 1926 voor Krupp bij het Rheinhausen-staalwerk gebouwd. Deze werd in 1937 afgebroken om plaats te maken voor een grote sinterinstallatie.

De tweede ontwikkelfase van het pelletiseringsproces vond plaats in de VS. De belangrijkste kraamkamer van deze techniek en de bron van de succesvolle moderne ontwikkeling is het Mines Experiment Station van de Universiteit van Minnesota. In de jaren '40 onderzochten onderzoekers onder leiding van dr. E.W. Davis en zijn medewerkers de problemen van het benutten van laaggradige ijzererts uit Minnesota. Speciale aandacht ging uit naar de ijzerhoudende gesteentes angrenzend aan de hoofdertslichamen van de Mesabi Range. Deze laaggradige ertsen (25–30% Fe) zijn uitzonderlijk hard en abrasief en lokaal bekend als "taconieten". Het winnbare ijzermineraal is fijnverspreide magnetiet en het erts moet gemalen worden tot ongeveer 80% – 325 mesh voor vrijmaking, met een concentraat van ongeveer 65% ijzer en 8% silice.

In 1945 had het onderzoek en de ontwikkeling op het Station aanzienlijke vooruitgang geboekt. Er was niet alleen een veelbelovende concentratietechniek ontwikkeld, maar ook nieuwe manieren onderzocht om het zeer fijn concentraat te gebruiken. Het natte concentraat werd in een rotterende trommel gebald en vervolgens gehard door geschikte warmtebehandeling in een schachtoven. De harde pelletten (ca. 15–25 mm diameter) bleken geschikt als hoogovenvoedstof en opeenvolgende tests in een kleine experimentele hoogoven waren bemoedigend. Deze resultaten trokken de aandacht van ijzerproducenten wereldwijd en inspireerden energiek en succesvol werk in Zweden. In de VS zagen staal- en ertsmaatschappijen in deze techniek een manier om de rijke maar afnemende ertsbronnen van Minnesota en Michigan te verlengen door tot nu toe onbruikbaar materiaal beschikbaar te maken. Nieuwe bedrijven werden opgericht om deze mogelijkheden te verkennen en het onderzoek werd geïntensificeerd. In 1949 was men in de VS en Zweden het er over eens dat de beste manier om ballen van een concentraat te maken was in een rotterende trommel, maar de mening was verdeeld over de warmtebehandelingsmethode.

Het was essentieel dat het gebruikte toestel, wat de vorm ook was, (i) nauwkeurige temperatuurcontrole gaf, (ii) het minimum aan brandstof vereiste, d.w.z. gevoelige warmte herwin, (iii) redelijk storingvrij en betrouwbaar in bedrijf was, en (iv) een adequate unitaire uitvoer had.

Initiëel werden vertikale schachtovens exclusief gebruikt in pilot-onderzoek, waarbij natte ballen van concentraat bovenaan werden ingeladen en neerwaarts bewogen tegen een opwaartse stroom hete gassen die ze eerst droogden en vervolgens hun temperatuur verhogden tot het verhardingsgebied. Gehardde pelletten werden aan de bodem van de oven onttrokken.

Davis' werk culmineerde in 1943 toen experimentele pelletten in een schachtoven werden gebakken. Na de Tweede Wereldoorlog, in 1947, werd een vergelijkbare experimentele eenheid in Zweden gebouwd. In de jaren '50 werd duidelijk dat pelletiseren een economisch haalbare methode was om fijnkorrelig concentraat te agglomereren. De eerste pelletiseringsinstallatie werd in Zweden in bedrijf gesteld, waar pelletten in schachtovens met capaciteiten van 10 tot 60 ton per dag werden gebakken.

Hoewel het proces intrinsiek simpel is en daarom aantrekkelijk, bleek het in de praktijk enige ongemakkelijke kenmerken te hebben. Onder de moeilijkheden die in de vroege jaren '50 het meest acuut waren: (i) de moeilijkheid om een gelijke gasverdeling te verkrijgen, (ii) de moeilijkheid om een gelijke stijging van het materiaal, uniforme pelletbehandeling en storingvrije ontlading van het product te verzekeren, (iii) de moeilijkheid om een hoge uitvoer per eenheid te verkrijgen, en (iv) onzekerheid over "schaalvergroting" en de meest geschikte ovensvorm.

Deze problemen deden de Reserve Mining Company in de VS een andere weg zoeken. De nieuwe richting had zijn oorsprong in het "Lepol-ovenproces", gebruikt in de cementindustrie. Dit proces, ontwikkeld in Europa, bestaat uit een balvormingseenheid die een bewegend rooster voedt, waarop de ballen gedroogd en deels gehard worden. Het rooster loopt uit in een rotatieoven waar het brandproces wordt afgerond; de hete gassen uit de oven worden teruggeleid naar het rooster waar ze de droog- en verhardingsfuncties uitvoeren.

Mitchell rapporteert dat dr. Lellep van de Allis-Chalmers Company voorstelde dat de balvormingtrommel en het rooster goed gebruikt konden worden voor het produceren van gebakken pelletten uit fijn magnetietconcentraat. Als zo'n opstelling kon worden ontworpen om de pelletten te drogen en te bakken en de gevoelige warmte van het product te herwinnen, kon dit de problemen van fijn magnetietagglomeratie relatief goedkoop oplossen.

Onderzoek werd voortgezet in de Allis-Chalmers laboratoria met bemoedigende resultaten, en in 1954 plaatste de Reserve Mining Company een experimentele machine van 1.000 ton per dag in bedrijf op basis van deze principes, maar mechanisch ontworpen op sintermachinelijnen door de Arthur G. McKee Company. De pelletten werden gedroogd door hete lucht omhoog door het bed te blazen, en vervolgens gehard door hete gassen neerwaarts te trekken uit speciale ovens. Er waren regelingen om de pelletten op de strand te koelen en de herwonnen hete lucht werd gebruikt om de natte ballen aan de voedingskant te drogen, wat de brandstofverbruik verminderde. Nuttige bedrijfservaring werd opgedaan en na enkele maanden proef Plaatste het Reserve management (april 1954) orders voor het ontwerp van zes grote machines te installeren bij Silver Bay, aan de westelijke oevers van Lake Superior.

Andere bedrijven bleven echter volhouden met de ontwikkeling van het verticale ovenproces, opnieuw voor magnetietconcentraat, en hun vooruitgang rechtvaardigde ook de erectie van grote installaties: De Erie Mining Company-plant bij Hoyt Lakes, de grootste van zijn soort, werd in 1957 in bedrijf genomen en omvat 24 verticale schachtovens.

In de jaren '50 werden dus zowel verticale schachtovens als bewegende roostermachines ontwikkeld en toegepast voor het pelletiseren van fijn magnetietconcentraat. Magnetietconcentraat is relatief makkelijk te pelletiseren. De deeltjes zijn korrelvormig (in plaats van plakvormig), met een groot oppervlak en een niet gecontamineerd oppervlak door flotatiemiddelen. Als ze correct behandeld worden, oxideeren ze tijdens het bakken, wat een nuttige warmtevrijgave geeft. Oxidatie is ook geassocieerd met korrelgroei en herkristallisatie, wat bijdraagt aan de ontwikkeling van de vereiste eindsterkte. Niet alle ferroconcentraten zijn echter magnetieten. In de staat Michigan liggen grote afzettingen van jaspilliet waarin het ijzermineraal fijn verdeelde speculaire hematiet is. Deze ertsen worden de Michigan-gelijkenis van de Minnesota taconieten genoemd, maar het ijzermineraal is winnbaar door flotatie en zwaartekrachtmethoden, in plaats van magnetische concentratie.

Dergelijke hematietconcentraat presenteert speciale problemen en hun exploitatie is een grote zorg geweest voor de Cleveland Cliffs Iron Company. In 1956 begonnen ze de exploitatie bij Eagle Mills (Michigan) met een roostermachine, maar sindsdien zijn twee zeer succesvolle grotere installaties gebouwd met het rooster-ovensysteem, wat eigenlijk het Lepol-proces als geheel is toegepast op het ijzerertsprobleem. Het systeem is ontwikkeld door Allis-Chalmers en de installaties zelf zijn ontworpen en gebouwd door de McKee Company. In het algemeen kan gezegd worden dat het Lepol-proces (drogen en voorverwarmen op een rooster en verharden in een oven) zich zeer succesvol heeft bewezen met hematietconcentraat (die niet het voordeel heeft van een exothermische oxidatiewarmte), terwijl voor magnetieten de "straight grate" of verticale schachten de gebruikelijke hulpmiddelen zijn.

Pelletiseren van ijzererts is een methode van Zweedse oorsprong, gepatenteerd in 1912 door A.G. Andersson (Yamaguchi et al., 2010). Het proces werd in de VS in de jaren '40 ontwikkeld, en de eerste commerciële installatie ging in 1952 in Babbitt, Minnesota in bedrijf. De eerste ijzerertspelletinstallatie van het rooster-oventype werd in 1960 bij Humboldt Mine, Michigan opgericht. Allis-Chalmers (een voorganger van Metso) heeft sindsdien ongeveer 50 dergelijke installaties gebouwd. Echter, zeer weinig van de oudere installaties vóór 1975 zijn nog in gebruik. Een andere aanlegger van rooster-oveninstallaties is Kobe Steel, die hun eerste installatie in 1966 bij Kobe Works, Nadahama bouwde en sindsdien meer dan tien installaties realiseerde, waarvan de meeste nog in gebruik zijn.

Sinds 2000 is het door de Shougang Group ontwikkelde rooster-ovenproces snel geadopteerd in China. De oprichting van nieuwe rooster-oveninstallaties in China is in het laatste decennium zeer prominent geweest, met de opkomst van nieuwe fabricanten zoals Jiangsu Hongda en Citic. Er is een exponentiële toename sinds 2000, voornemelijk gedreven door installaties in China.