Romelt IJzerproductieproces: Efficiënte Smelting-Reductie voor Vloeibaar IJzer

Het Romelt-proces voor ijzerproductie is een smelting-reductieproces voor de productie van warm metaal (vloeibaar ijzer). Het proces is ontwikkeld door de National University of Science & Technology 'MISiS', Rusland (voorheen bekend als Moskou Instituut voor Staal en Legeringen). Het ontwikkelwerk van het proces startte in 1978 toen een groep 'MISiS' wetenschappers geleid door Vladimir Roments begon met het ontwerpen van dit proces. Het eerste octrooi in Rusland werd in 1979 verkregen.

Een proefproductie-installatie met een hearth-oppervlak van 20 m² en een capaciteit van 40.000 ton warm metaal per jaar werd in 1985 in gebruik genomen bij de Novolipetsk IJzer- en Staalwerken (NLMK). De proefinstallatie werd ontworpen door Moskou Gipromez. Het ontwerp van de betrouwbare Vanyukov-oven werd als prototype genomen voor deze nieuwe methode van warm metaalproductie. Het proces werd getest en beheerst op deze proefinstallatie tussen 1985 en 1998. Tijdens deze periode werden eenenveertig campagnes uitgevoerd, elk met opstart en afbouw, met volledige afvoering van warm metaal en slags uit de oven. Meer dan 40.000 ton warm metaal werd in de proefinstallatie geproduceerd en verder gebruikt in basiszuurstofoven (BOF) voor staalproductie.

Eerste industriële installatie

De eerste industriële installatie voor warm metaalproductie gebaseerd op Romelt-technologie wordt in Myanmar gebouwd. De installatie is ontworpen door Leningrad Gipromez en wordt geleverd door Tyazpromexport, een dochteronderneming van Rostec. Deze installatie heeft een capaciteit van 200.000 ton per jaar en is gebaseerd op de verwerking van ijzererts zonder beneficiëring uit de Pang Pet-ertsafzetting. Pang Pet-ertsafzettingen hebben een Fe-gehalte van maximaal 29%. De installatie zal niet-cokerende kolen uit de Kye Thee-kolenvelden gebruiken. Het panoramische zicht van de Romelt-installatie in Myanmar is in Fig. 1.

Fig. 1 Panoramisch zicht van Romelt-installatie in Myanmar

Grondstoffen en speciale kenmerken van het proces

De ijzeroxide-voeding aan een Romelt-proces kan elk ijzerbevattend materiaal zijn, bijv. ijzerertsijzer en concentrates, blast furnace- en BOF-stoffen en slibben, walschaal, ijzerbevattende slags, schaarwaafval en draaiwaren, en ijzerstoffen enz. Natte niet-cokerende kolen met 15-20% vluchtige stoffen en ongeveer 8-10% as kunnen worden gebruikt. De vaste voeders (kolen, ijzeroxiden, en fluxen) worden door zwaartekracht in de oven geladen.

De speciale kenmerken van het Romelt-proces omvatten: (i) flexibiliteit om een brede reeks ijzerbevattende materialen te gebruiken, (ii) geen voorbereiding nodig voor de grondstoffen, (iii) gebruik van niet-cokerende kolen als brandstof en als reducerend middel, (iv) ondersteunende productie-eenheden zoals cokesovens en sinterinstallatie zijn niet vereist, (v) heeft capaciteit om voldoende stroom op te wekken om de algehele installatiebehoeftes te dekken inclusief zuurstofinstallatie, (vi) verlaagt de kosten van warm metaal vergeleken met blast furnace (BF) route, en (vii) kan gebruikt worden voor afvalverwerking, in welk geval de kosten van warm metaal verder worden verlaagd.

Principe van het proces

Het Romelt-proces is een eenvoudig fasen vloeistof-fase ijzerreductieproces. In het proces worden de ijzerbevattende materialen door zwaartekracht aan het slagsbad toegevoegd en door gas geroerd. Ze lossen op in de slags. IJzeroxiden worden uit de slags gereduceerd met hulp van kolenkoolstof, die ook door zwaartekracht wordt toegevoegd en in het bad wordt geblazen. Om warmte- en stofoverdracht te intensiveren, wordt het slagsbad gebubbeld met oxideerend gas, dat onder het oppervlak van de slags wordt geïnjecteerd. Gas bevattende CO en H₂ ontstaat uit de gesmolten slags. Het ontwikkelde gas wordt bovenaan verbrand. De warmte van deze post-verbranding levert voornamelijk de thermische energie voor de reacties die in het slagsbad plaatsvinden. Een sleutelelement voor een effectief proces is de actieve warmteoverdracht tussen de zone van post-verbranding en het slagsbad.

Procesbeschrijving

Het Romelt-proces gebruikt eentonig smelting-reductietechnologie voor de productie van warm metaal. Het proces gebruikt niet-cokerende kolen voor de reductie van ijzeroxiden van ijzererts en afvalmaterialen. Het schematische overzicht van het proces is in Fig. 2.

Fig. 2 Schema van Romelt-proces

IJzerbevattende materialen, kolen, en flux worden, met behulp van weegtollen, vanuit relevante bunkers naar het gemeenschappelijke transportband gevoerd. De lading in de oven gebeurt door de opening in het ovendak. Voorlopige menging van ladingsmaterialen is niet vereist omdat de materialen na lading direct in het slagsbad gaan door de intensieve roering. Sluisregelingen, gebruikt in eenheden voor andere processen die onder druk werken, zijn niet nodig in de Romelt-oven. De werkruimte van de Romelt-oven is onder negatieve druk van 1-5 mm waterkolom, wat wordt gegarandeerd door een induced draft ventilator. Het schematische zicht van de smelting-oven van de Romelt-oven is in Fig. 3.

Fig. 3 Schematisch zicht van de Romelt-oven

Het vloeibare slagsbad wordt geblazen met zuurstof of een zuurstof-luchtmengsel door de lagere tuyères die onder de slagslaag liggen. De tuyères hebben een eenvoudige structuur en zijn betrouwbaar in bediening. Ze zorgen voor de benodigde roering van het slagsbad. Niet-cokerende kolen in het geroerde vloeibare slags reduceren ijzeroxiden in de ijzerbelasting. Het geproduceerde vloeibare ijzer wordt verrijkt met koolstof. Druppels vloeibaar ijzer bewegen naar de ovenhearth door zwaartekracht.

Er zijn drie zones in de smelting-oven. De eerste zone is de zone van het geroerde slags. Dit is de zone waar alle reacties plaatsvinden. De tweede zone is de bodem van de hearth waar geproduceerd warm metaal wordt verzameld. De derde zone is de zone van kalm slags en ligt tussen de eerste en tweede zone. De tweede en derde zone moeten voldoende capaciteit hebben om het geproduceerde warm metaal en slags te kunnen opvangen.

Twee uitgekleide kamers (sumps) zijn gelegen aan elke uiteinde van de oven. Ze worden gebruikt voor afzonderlijke afvoering van warm metaal en vloeibare slags. De sumps zijn verbonden met de werkruimte door kanalen op verschillende hoogtes. Dit zorgt voor afzonderlijk transport van warm metaal en vloeibare slags naar de metaal- en slags-sumps. Er zijn tapholes voor afvoering van warm metaal en vloeibare slags, die op verschillende hoogtes liggen. Deze regeling zorgt voor continue en vrije afvoering van de vloeibare producten (warm metaal en slags) met de snelheid die past bij de ovencapaciteit.

In het slagsbad is de warmte nodig voor de smelting en reductie van de ladingsmaterialen hoger dan de warmte beschikbaar door de verbranding van koolstof van de niet-cokerende kolen in CO bij de lagere tuyères. Daarom is het belangrijkste kenmerk van het proces de post-verbranding van CO, H₂ en de vluchtige stoffen van de kolen die uit het bad ontwikkelen, door de zuurstof die door de bovenste tuyères wordt geblazen. Post-verbranding van de gassen tot CO₂ en H₂O levert additionele warmte in het slagsbad die nodig is om de verwerking van grondstoffen te handhaven.

De hearth en het lagere deel van de ovenbad, dat permanent warm metaal en kalm vloeibare slags bevat, zijn uitgekleid met refractaire stenen. In deze zone is de refractaire uitkleiding onder gunstige omstandigheden bestaande uit geschikte temperatuur en non-oxiderende aard van de atmosfeer. In de zone van geroerde slags zijn de ovenwanden geconstrueerd met watergekoelde panelen van koper. Vorming van een slags-sculputkleiding op hen vermindert de warmteverliezen en verwijdert de mogelijkheid van hun slijtage. Dit vermijdt ook slijtage van de uitkleiding op de plekken van de meest agressieve aanval van gas-slags-metaalemulsie. Boven het slagsbad zijn de wanden gemaakt van watergekoelde panelen van staal. Het ovendak is ook watergekoeld.

Na de post-verbranding stromen gassen bij temperaturen tot 1700 °C door de watergekoelde uitlaatbuis in de afvalwarmteketel. Daar worden de gassen volledig verbrand met natuurlijke luchtinlaat en gekoeld tot 250-300 °C. Zodra de energie is herwonnen en het gas is gekoeld, wordt het gereinigd in het gasreinigingssysteem en ontzwaveld voordat het via de schoorsteen in de atmosfeer wordt afgevoerd. Stofvorming uit de Romelt-oven gemeten in de uitlaatbuis is gemiddeld ongeveer 3% van het gewicht van de geladen materialen.

Gedrag van kolen in het slagsbad

Ongeacht het reductiemechanisme is kolen de enige bron van reducerend middel in het proces. Er zijn geen fundamentele beperkingen voor het bereik van kolen dat gebruikt kan worden voor het draaien van het proces onder normale omstandigheden. Elk van de kolen met verschillende inhoud van vaste koolstof, as en vluchtige stoffen kan als reducerend middel worden gebruikt. Echter, het specifieke kolen- en zuurstofverbruik hangt zeer sterk af van de samenstelling van de gebruikte kolen.

De onvoorbereide natte kolen in het Romelt-proces vallen van bovenaf in het slagsbad. De vluchtige stoffen worden in het slagsbad gegenereerd en hebben een stimulerende invloed op de voortgang van het proces. Zowel de stofbalans als de warmtebalans van het proces zijn afhankelijk van hoe en in welke vorm vluchtige stoffen worden gegenereerd en de rol die ze spelen in het plaatsvinden van het hoofproces in de oven. Daarom is het gedrag van vluchtige stoffen van kolen een van de meest kritische punten voor het Romelt-proces, ongeacht de graad van de gebruikte kolen.

Kolenverbruik in het Romelt-proces bestaat uit twee delen: (i) kolenverbruik nodig voor de reactie met de zuurstof geïnjecteerd bij de lagere tuyères om CO te produceren, en (ii) kolenverbruik nodig voor de reductie van oxiden. Tekort aan kolen kan de reden zijn voor toename van het oxidatieve potentieel van het slagsbad, wat kan leiden tot oncontroleerbare schuiming van het slagsbad. Echter, overmatig kolenverbruik verhoogt naast de kosten van warm metaalproductie ook de thermische omstandigheden binnen de Romelt-oven.

Over het algemeen lijkt de benodigde hoeveelheid kolen alleen af te hangen van het gehalte aan vaste koolstof in de kolen. Echter, in de Romelt-oven nemen vluchtige stoffen ook deels deel in de processen die in het vloeibare slagsbad plaatsvinden. H₂, CO en N₂ van de vluchtige stoffen ondergaan geen veranderingen in het slagsbad aangezien deze gassen uit de kolen ontvloeien om de gasfase te produceren. Echter, CH₄ en CO₂ van de vluchtige stoffen nemen deel in de chemische reacties volgens de vergelijkingen CH₄ = C + 2H₂ en CO₂ + C = 2CO. Als de hoeveelheid CO₂ klein is en die van methaan (CH₄) aanzienlijk, dan leiden deze chemische transformaties tot de beschikbaarheid van additionele hoeveelheid koolstof voor reductie van oxiden. Koolstof geproduceerd door de ontbinding van methaan is fijn-gedispergeerd en hoog actief en verbetert de kinetica van reducerende reacties.

In het Romelt-proces wordt natte kolen met een vochtgehalte van ongeveer 10-12% gebruikt. In de oven verdampt dit vocht en deelt deels ontbinden volgens de vergelijking H₂O + C = CO + H₂. Dit vereist additionele koolstof voor de reactie van waterontbinding voor de productie van watergas bestaande uit CO en H₂.

Alle drie reacties, namelijk ontbinding van methaan, reductie van CO₂ tot CO, en ontbinding van water, vinden simultaan in het slagsbad plaats.

Chemische en metallurgische aspecten van het proces

Het grootste deel van het reductieproces vindt plaats in de zone van geroerde slags. Zuurstof of een mengsel van zuurstof en lucht wordt door de bodemtuyères geblazen om het hoog geroerde bad te produceren. De grondstoffen voeding valt in het geroerde slags waar smelting en reductie plaatsvinden. Het slagsbad wordt gehandhaafd op ongeveer 1400-1500 °C. Niet-cokerende kolen fungeren zowel als reductant als brandstofbron in deze zone. De volgende reacties vinden plaats in de zone van geroerde slags:

• Reductie van ijzeroxiden. x C + FeOₓ = x CO + Fe
• Vergasung van koolstof. 2 C + O₂ = 2CO
• Cracking van vluchtige stoffen in kolen. 2 CₓHᵧ = 2x C + y H₂
• Reductie van water. H₂O + C = CO + H₂

Gassen gegenereerd in het bad, voornamelijk CO en H₂, treden de verbrandingszone binnen. Hier reageren de gassen met de zuurstof die door de boventuyères wordt geblazen en vrijmaken energie die gebruikt wordt voor de smelting-reacties. De reacties in de verbrandingszone zijn als volgt:

• Post-verbranding. CO + O₂ = CO₂ en 2 H₂ + O₂ = 2 H₂O
• Verbranding van vluchtige stoffen van kolen. 4 CₓHᵧ + (4x+y) O₂ = 4x CO₂ + 2y H₂O

Energie vrijgemaakt uit de verbrandingsreacties wordt terug overgedragen aan het bad. De warmteoverdracht wordt verbeterd door de hoge mate van turbulentie gegenereerd in het slagsbad door de lagere tuyères. Het afgas wordt slechts deels verbrand in de oven wat verdere energieherwinning in een conventioneel afvalwarmtekettelsysteem toestaat.

Het Romelt-proces is voornamelijk gebaseerd op de vloeistof-fase reductie van ijzer. Daarom heeft het proces een betere balans van de chemische en energie-aspecten van de twee reductiefasen, namelijk de vastestof-fase en de vloeistof-fase. In het Romelt-proces wordt een groot deel van de verbranding en reductie naar de vloeistof-fase verplaatst.

De reductie van ijzer uit zijn oxiden in de slags wordt uitgevoerd door kolendeeltjes en door koolstof opgelost in metaalinclusies in de slags. Er zijn de volgende twee manieren die de betrokkenheid van kolen in de reductie van ijzeroxiden in de oven aangeven:

• Reductie die plaatsvindt op het oppervlak van gasbellen die kolendeeltjes bevatten. De rol van deze deeltjes is het regenereren van de reducerende atmosfeer in de bellen (de thermodynamische condities die in het proces bestaan maken het moeilijk voor gasbellen die geen kolendeeltjes bevatten om de ijzeroxiden te reduceren).
• Reductie die plaatsvindt met de kolendeeltjes in direct willekeurig contact met de slags. Hier vindt reductie plaats onder condities vergelijkbaar met die welke bestaan wanneer ijzer wordt gereduceerd door een roterend koolstofdragend materiaal en gasbellen gedwongen worden van het oppervlak van het materiaal te worden verwijderd.

Reductie in de Romelt-oven vindt plaats: (i) wanneer kolendeeltjes in direct contact zijn met de slags (60-80%), (ii) wanneer koolstof in direct contact is met de metaaldruppels (10-15%), en (iii) aan de 'gas-slags' interface (10-25%). Typisch wordt 85-90% van het ijzer gereduceerd met de directe participatie van de kolendeeltjes. Dit differentieert de vloeistof-fase reductie die in het Romelt-proces plaatsvindt van andere smelting-reductieprocessen waarin koolstof opgelost in het metaal een substantiële rol speelt (DIOS) of de hoofdrol speelt (HIsmelt) in de reductieoperatie.

In het Romelt-proces zijn er bepaalde optimale waarden voor het gehalte aan kolendeeltjes in het slagsbad, hoewel deze parameter kan variëren binnen een brede bereik van waarden. De Romelt-oven kan niet overbeladen of onderbeladen worden met kolen. Laden van een suboptimale hoeveelheid kolen leidt tot over-oxidatie van de slagssmelt en oncontroleerbare schuiming. Daarom worden vaak kolen in excess van de berekende hoeveelheid in de oven geladen om over-oxidatie te voorkomen, en dit helpt soms bij de stabilisatie van het proces. Echter, er is een limiet voor de overmaat aan kolendeeltjes in de slags. Deze limiet kan ook verstoringen in het proces veroorzaken zoals een daling van de temperatuur van het slagsbad, een toename van het gehalte aan ijzeroxiden in de slags, een vermindering van de graad van secundaire verbranding van de uitgaande gassen, en de vrijgave van meer warmte in de afvalwarmtekete.

Toevoegen van additionele zuurstof in de oven bevordert geen secundaire verbranding omdat de zuurstof niet volledig reageert met de kolen die op het oppervlak van de slags drijven. Deze dichte laag kolen wordt gevormd als gevolg van overladen van kolen of onderladen van de oxide-dragende grondstof. De aanwezigheid van de laag onderdrukt sproeien en heching van de slags aan de wanden, wat nadelig is voor de warmteoverdracht van de primaire gasverbrandingszone naar het slagsbad, aangezien de warmteoverdracht voornamelijk plaatsvindt door druppels slags en een slagsfilm die langs de wanden in de secundaire verbrandingszone afstromen.

Het is gezien dat in een Romelt-oven, als het kolengehalte van de oppervlaktelaag van de slags ongeveer 20-30% is, het proces overgaat in een ongewenss regime waarin kolen de warmteoverdracht van de secundaire verbrandingszone naar het bad blokkeren. Het optreden van dit regime hangt niet alleen af van de hoeveelheid en samenstelling van de kolen die in de slags zijn geaccumuleerd, maar ook van de snelheid van turbulente circulatie van de slags, aangezien deze turbulentie de efficiëntie bepaalt waarmee kolen worden gemengd met de andere componenten van de slagssmelt.

Productkenmerken en specifieke verbruiken

Typische analyse van warm metaal uit het Romelt-proces bestaat uit koolstof - 4,5%, silicium - 0,1%, mangaan - 0,08%, zwavel - 0,05%, en fosfor - 0,1%.

Typische analyse van slags uit het Romelt-proces bestaat uit CaO - 39%, MgO - 7%, SiO₂ - 36%, Al₂O₃ - 11%, FeO - 3,0%, MnO - 3%, TiO₂ - 0,1%, en S - 0,04%.

Typische specifieke verbruiksgetallen per ton warm metaal liggen rond 940-1200 kg voor droge niet-cokerende kolen, en 750-850 Nm³ voor zuurstof.

Voordelen van het Romelt-proces

De volgende zijn de voordelen van het Romelt-proces:

• Lage kapitaalkosten door lage drukbediening en gebruik van conventionele auxiliar apparatuur.
• Geen vereiste voor cokes of cokerende kolen, dus lagere operationele kosten.
• Kan elk ijzerbevattend materiaal verwerken inclusief metallurgische afvalstoffen, zonder enige voorbehandeling.
• Geen vereiste om ijzeroxide te agglomereren.
• Heeft een hoog ijzerherstelpercentage.
• Stelt de vestiging van een effectieve kleinschalige warm metaalbron voor kleinere installaties toe.
• Milieuvriendelijk door eliminatie van cokesovens en agglomeratie (sinteren en pelletiseren) installaties.